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一个揭示了量子世界却经常被忽视的实验
2024/2/8 16:24:37 | 浏览:540 | 评论:0

一个世纪前,斯特恩-格拉赫(Stern-Gerlach)实验确立了量子力学的真理。现在,它被用来探索量子理论和引力的冲突。

一个揭示了量子世界却经常被忽视的实验

奥托·斯特恩(Otto Stern, 左)和瓦尔特·格拉赫(Walther Gerlach)开始挑战量子力学。然而,他们的实验却为这个新生的领域奠定了基础。来源:德国博物馆;尼尔斯·玻尔档案馆

欧文·薛定谔(Erwin Schrödinger)的猫同时处于死和活状态之前,也在点状电子像波浪一样穿过细缝之前,一个鲜为人知的实验揭开了量子世界那令人困惑的神秘面纱。1922年,德国物理学家奥托·斯特恩(Otto Stern)瓦尔特·格拉赫(Walther Gerlach)证明了,原子的行为受一些规则支配,而这些规则与人们的预期截然不同——这一观察巩固了还未成熟的量子力学理论。

施特恩-格拉赫实验是一个标志——它是一个划时代的实验,德国弗里茨哈伯研究所的物理学家兼历史学家布列蒂斯拉夫·弗里德里希(Bretislav Friedrich)说,他最近发表了一篇评论并编辑了一本关于该实验的书。“这确实是物理学史上最重要的实验之一。”

该实验的解释也引发了数十年的争论。近年来,以色列的物理学家终于能够设计出一种具有所需灵敏度的实验,来准确阐明我们应该如何理解工作中的基本量子过程。有了这一项突破,他们发明了一种探索量子世界边界的新技术。该团队现在将尝试修改斯特恩和格拉赫的百年历史的老装置,以探索引力的本质——并可能在现代物理学的两大支柱之间架起一座桥梁。

在1921年,传统物理定律在最小尺度上的差异仍然颇具争议。由尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)提出的新的居于统治地位的原子理论是争论的关键。他的理论特别指出:原子核周围存在着在固定轨道上运动的电子,这些粒子只能在距离原子核一定距离的地方,以一定的能量,在磁场中以一定角度旋转。玻尔提出的约束条件是如此的严格甚至有些随意,以至于斯特恩发誓:如果模型被证明是正确的,他将退出物理学界。

斯特恩设想了一个可以推翻玻尔理论的实验。他想测试电子在磁场中是否可以定向,还是像玻尔提出的那样只能在离散方向上定向。

斯特恩计划蒸发一个银样品,并将其汇聚成原子束。然后,他将光束射入到一个非均匀的磁场,并将原子收集到一块玻璃板上。因为单个银原子就像小小磁铁,磁场会根据它们不同的方向使它们发生不同角度的偏转。如果它们最外层的电子能像经典理论所预测的那样任意定向,那么被偏转的原子将沿着探测板形成一个单一的宽轨迹。

但是,如果玻尔是正确的,并且像原子这样的微小系统遵循奇怪的量子规则,那么银原子在磁场中只能走两条路径,而平板就会显示出两条不连续的线。

一个揭示了量子世界却经常被忽视的实验

斯特恩的想法在理论上很简单。但在实践中,建立这个实验的任务交给了格拉赫(Gerlach)以及格拉赫的研究生威廉·舒茨(Wilhelm Schütz),后来威廉·舒茨描述这个实验为“西西弗斯式的劳动”。为了使银蒸发,科学家们需要将其加热到1000摄氏度以上,同时不能融化玻璃真空室的任何密封装置,真空室的泵也经常破碎。随着德国战后通货膨胀飙升,这项实验的资金枯竭。阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)和银行家亨利·戈德曼(Henry Goldman)最终用他们的捐款拯救了这支实验团队。

一旦实验开始运行,要想获得清晰的结果仍然是一个挑战。收集板只有指甲盖大小的一小块,所以想要读取银沉积物中的图案需要一台显微镜。也许是天方夜谭,科学家的一些不太符合实验室规范的操作意外的帮助自己解决了这个问题:如果不是他们的雪茄飘进来的烟,银沉积层本来是看不见的;因为他们的工资低,雪茄便宜,而且富含硫,这有助于银变成能够看得见的黑色硫化银。(在2003年,弗里德里希和一位同事重现了这一幕,证实了银沉积层信号只在廉价雪茄烟的作用下出现。)

经过数月的故障排除,格拉赫在1922年2月7日的整个晚上一直在向探测器发射银原子束。第二天早上,他和同事们应用了这块板并向其轰击金原子,一个银沉积层被整齐地分成了两半,就像量子领域的一个吻。格拉赫用显微镜照片记录了这一结果,并将其作为明信片寄给玻尔,并附上了这样的信息:“我们祝贺你的理论得到了证实。”

这一发现震惊了物理界。阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)称其为“目前最有意思的成就”,并提名该团队获得诺贝尔奖。伊西多尔·拉比(Isidor Rabi)说:“这个实验彻底说服了我…量子现象需要一个全新的方向。”斯特恩抨击量子理论的梦想显然事与愿违,尽管他没有遵守放弃物理学的承诺;相反,他因随后的发现而在1934年获得了诺贝尔奖。“我仍然反对……量子力学之美”斯特恩说,“但她是正确的。”

一个揭示了量子世界却经常被忽视的实验

斯特恩和格拉赫的实验装置。

今天,物理学家们认识到,斯特恩和格拉赫的实对尚处于萌芽阶段的量子理论提供了有力的实验支撑。然而结论是对的理由是错的。科学家们假设银原子的分裂轨迹是由其最外层电子的轨道决定的,该轨道固定在一定的角度。实际上,分裂是由于电子内部角动量的量子化——一个被称为自旋的量,它在几年后才被发现。这一解释偶然地得到了证实,因此拯救了研究人员,弗里德里希称之为“奇怪的巧合,大自然的阴谋”:电子的两个未知的——自旋和反常磁矩——恰好相互抵消了。

斯特恩-格拉赫实验的教科书解释认为,当银原子运动时,电子不会自旋向上或自旋向下。它处于这些状态的量子混合或“叠加”状态中。这种原子同时走两条路径。只有当它撞进探测器时,它的状态才被测量,它的路径才被固定

但是从20世纪30年代开始,许多著名的理论学家选择了一种不需要那么多量子魔法的解释,该观点认为:磁场有效地测量了每个电子并定义了其自旋。这些批判家认为,每个原子同时走两条路的想法是荒谬和不必要的。

理论上,这两个假设都是可以验证。如果每个原子的确是以两种状态穿越磁场,那么从理论上讲,重新组合这些幽灵般的身份应该是有可能的。当它们重新排列时,这样会在一个探测器上产生一个特定的干涉图案——这表明一个原子确实在两条路线上都航行过。

最大的挑战是,为了保持叠加并产生最终的干扰信号,必须很顺利和迅速地分离状态,以至于两个分离的实体具有完全无法区分的历史,不知道对方的存在,也无法分辨它们走的是哪条路。在20世纪80年代,多位理论学家认为,如此完美地拆分和重组电子的身份,就像胖墩从墙上摔下来后重建他的身体一样不可行。

一个揭示了量子世界却经常被忽视的实验

奥托·斯特恩(Otto Stern)(如图所示)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,雪茄烟雾帮助了他们在探测器上发现了银沉积层,揭示了量子世界的运作机理。AIP Emilio Segrè Visual Archives/Segrè 收藏

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有效地解决了这个问题。研究人员首先重现了斯特恩-格拉赫实验,但并不是用银,而是用一个由10000个铷原子组成的超冷量子聚集合体,他们将其捕获并操纵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叠加状态中,然后施加各种磁脉冲来精确地分离和重新结合每个原子,所有这些都在几百万分之一秒内完成。他们发现了在1927年首次预测的精确的干涉模式,从而完成了斯特恩-格拉赫环路。

弗里德希说:“他们能够来再次将胖墩儿重新组装起来了,这是一门美丽的科学,一直是一个巨大的挑战,但他们已经能够应对它”。

除了帮助验证斯特恩和格拉赫实验的“量子性”外,福尔曼的工作还提供了一种探索量子机制极限的新方法。今天,科学家们仍然不确定在遵守量子定律的情况下物体能有多大,尤其是当它们大到足以让引力介入时。在 20世纪60年代,物理学家提出了基于斯特恩和格拉赫实验构建的一个超灵敏的干涉仪,可以帮助测试量子经典边界。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-格拉赫实验装置射击微小的钻石,来看它们是否会发生引力相互作用。

作者:ZACK SAVITSKY

翻译:深浅

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