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（往往）被小看的揭示了量子世界的实验
一个世纪前，斯特恩-格拉赫实验确立了量子力学的真相。现在，它被用来探索量子理论和引力的冲突。
December 5, 2023
奥托·斯特恩（Otto Stern，左）和瓦尔特·格拉赫（Walther Gerlach）开始来挑战量子力学。相反，他们的实验证明了对新生领域是基础的。Kristina Armitage/Quanta Magazine; source: Deutsches Museum; Niels Bohr Archive
在欧文·薛定谔（Erwin Schrödinger）的猫同时的死又活着之前，在点一样电子像波一样冲刷过细缝之前，一个有点鲜为人知的实验揭开了在量子世界的令人困惑美丽上的面纱。1922年，德国物理学家奥托·斯特恩（Otto Stern）和瓦尔特·格拉赫（Walther Gerlach）证明了原子的行为被蔑视预期的规则规制------一个巩固了仍在萌芽中的量子力学理论的观测。
德国弗里茨·哈伯研究所（Fritz Haber Institute）的物理学家和历史学家布雷蒂斯拉夫·弗里德里希（Bretislav Friedrich）说，“斯特恩-格拉赫实验是一个标志------这是一个划时代的实验” ，他最近发表了一篇关于这个主题的评论并编辑了一本关于这个主题的书。“这真的是所有时间物理学中最重要的实验之一”。
该实验的解释也发动了数十年的争论。近年来，基于以色列的物理学家已经终于能够来时尚出一个有必要灵敏度来阐明到底我们应该如何理解在起作用的基本量子过程的实验。用这一成就，他们工艺了一种探索量子世界的边界的新技术。该团队现在将尝试来修改斯特恩和格拉赫的百年老设置来探索引力的本质------并可能在现代物理学的两大支柱之间架起一座桥梁。
蒸发的银
1921年，传统物理学的法则的在最小尺度上差异的观念仍然相当有争议的。由尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）提出的新的原子的统治理论存活在争论的最高点。他的理论特点了一个被固定轨道中的电子包围的原子核------只能在距离原子核一定距离以一定的能量和一个磁场内某些角度涡旋的粒子。在玻尔的提议中约束是如此固定和似乎的武断以至于斯特恩发誓如果模型被证明是正确的他将退出物理学。
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斯特恩设想了一个可以不实在玻尔的理论的实验。他要来测试在一个磁场中是否电子可以被以任何方向定向还是像玻尔已经提出的那样只能在离散方向中定向。
斯特恩计划来蒸发一个银样品并浓缩它成一束原子。然后，他将发射那个束穿过一个不均匀的磁场并在一个玻璃板上收集原子。因为单个银原子就像小磁铁一样，磁场会依靠它们的方向以不同的角度偏转它们。如果它们的最外层的电子能够像经典理论预测的那样随意被定向，被偏转的原子将被期望沿着探测器板来形成一个宽的墨迹。
但如果玻尔是正确的并且像原子这样的微小系统服从了奇怪的量子规则，银原子只能采取两条路径通过磁场并且板将显示两条离散的线。
斯特恩的想法在理论上是简单的。但在实践中，他留给格拉赫建立的实验相当于对格拉赫的研究生威廉·舒茨（Wilhelm Schütz）后来描述为“西西弗斯一样的劳动”。为蒸发银，科学家们需要不用熔化玻璃真空室上的任何密封件将它加热到1000摄氏度以上，玻璃真空室的泵也常规的破碎。随德国战后通货膨胀率飙升，该实验的资金枯竭。阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）和银行家亨利·戈德曼（Henry Goldman）最终用他们的捐款救助了该团队。
Merrill Sherman/Quanta Magazine
一旦实验正在运行，产生任何合法的结果仍然是一个挑战。收集器板只是一个钉头大小的一小部分，因此读取银沉积物中的图案需要一台显微镜。也许是杜撰的，科学家们无意中用有问题的实验室礼仪帮助了他们自己出来：如果不是从他们的雪茄冒出的烟滴入银沉积将会是一直看不见的，因为他们的低工资雪茄是不贵的而且富含硫帮助了银发展成可见的乌黑硫化银。（2003年，弗里德里希和一位同事重演了这一事件，并证实银色信号仅在廉价雪茄烟雾存在的情况下出现）。
银的自旋
这一发现震撼了物理学界。阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）叫它为“在这个点上最有趣的成就”，并提名该团队获得诺贝尔奖。伊西多尔·拉比（Isidor Rabi）说，这个实验“一劳永逸地说服了我......量子现象需要一个彻底的新方向”。斯特恩的抨击量子理论的梦已经显然适得其反，尽管他没有信守他的退出物理学的承诺。相反，他在 1943 年因随后的发现而获得了诺贝尔奖。斯特恩说，“我仍然已经反对......量子力学之美，但她是正确的”。
斯特恩和格拉赫的实验装置。W. Germach 1925. Über die Richtungsquantelung im Magnetfeld II. Ann. Phys. 76: 163.
今天，物理学家认识到斯特恩和格拉赫将他们的实验解释为一个仍处于萌芽状态的量子理论的确认是正确的。但他们对错误原因是正确的。科学家们假设了一个银原子的分裂轨迹被它的最外层电子的轨道定义，该轨道被固定在一定角度上。真实中，分裂是由于电子的内部角动量的量子化------一个被称为自旋的量，这在几年内不会被发现。巧合的是，这种解释起作用了，因为研究人员被弗里德里希叫的一个“奇怪的巧合这个自然的阴谋”拯救：电子的两个还不知道的属性------它的自旋和它的异常磁矩------碰巧抵消掉。
破裂的蛋
斯特恩和格拉赫实验的教科书解释坚持随银原子旅行电子不会向上自旋或向下自旋。它处在一个这些状态的量子混合物或“超位”状态中。原子同时的走两条路径。仅靠撞击进探测器它的状态被测量，它的路径被固定。
但在1930年代开始，许多著名的理论家选择了一种要求更少量子魔法的解释。该论点坚持磁场有效的测量每个电子并定义它的自旋。这些批评者争论了每个原子一次走两条路径的想法是荒谬的和不必要的。
在理论中，这两个假设可以被测试。如果每个原子真的以两个角色穿越磁场，那么理论上讲来重新结合这些幽灵般的身份应该是有可能的。当它们重新排列时这样做会在一个探测器上产生一个特定的干涉图案------一个原子真的导航了两条路线的表明。
宏大的挑战是为保持超位并产生最终的干扰信号，这些角色一定被如此平滑的和快速的分裂以至于两个分离的实体有完全不可区分的历史，不知道另外一个也没有告诉它们走了哪条路。在 1980 年代，多位理论家确定了以如此完美分裂和重新结合电子的身份会像在矮胖子从墙上摔下后重建他一样是不可行的。
奥托·斯特恩（Otto Stern）和瓦尔特·格拉赫（Walther Gerlach）通过在他们的实验室里抽雪茄帮助了他们自己。据报道，雪茄烟雾帮助了发展在他们的探测器上沉积银，揭示了量子世界的工作机理。AIP Emilio Segrè Visual Archives/Segrè Collection
然而，在2019年，由内盖夫本古里安大学的罗恩·福尔曼（Ron Folman）领导的一个物理学家团队将这些蛋壳重新一起粘合。研究人员首先通过重现斯特恩和格拉赫实验开始，尽管不是用银，而是用10000个铷原子的超冷量子聚集体，他们将它们置在一个指甲大小的芯片上。他们将铷电子的自旋置于一种上下超位的状态中，然后施加各种磁脉冲来精确的分离和重新结合每个原子，所有都在百万分之一秒内。他们看到了1927年首次预测的确切干涉模式，这样完成斯特恩-格拉赫环路。
弗里德里希说，“他们能够来再次将矮胖子重新结合在一起，这是美丽的科学，一直是一个巨大的挑战，但他们已经能够来满足它”。
生长的宝石
除了帮助来验证斯特恩和格拉赫实验的“量子性”外，福尔曼的工作提供一种来探索量子体制的极限的新方法。今天，科学家们仍然不确定在仍然坚持量子诫命的同时刚好物体能是多大，尤其是当它们大到足让引力来干预时。在 1960 年代，物理学家提出了全环斯特恩和格拉赫实验将创建一个超灵敏可以帮助测试量子经典边界的干涉仪。2017 年，物理学家扩展了这一想法并提出了通过两个相邻的斯特恩和格拉赫实验装置射击微小的钻石来看是否它们引力上相互作用。
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福尔曼的团队现在正工作在朝向这一挑战上。2021 年，他们概述了一种来增强起他们的用于宏观物体的单原子芯片干涉仪的方法，诸如包含几百万个原子的钻石。从那时起，他们在一系列论文中展示已经证明了如何分裂越来越大的质量将再次是西西弗斯式的，但并非不可能的，并且可能帮助解决一系列的量子引力秘密。
福尔曼说，“斯特恩-格拉赫实验还远远没有完成它的历史角色。仍然有它要给我们的很多东西”。
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