揭秘量子世界那個(gè)常被忽視的實(shí)驗(yàn)

李威/編譯

一個(gè)世紀(jì)前，斯特恩-格拉赫實(shí)驗(yàn)奠定了量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)。

而現(xiàn)在，我們用這個(gè)實(shí)驗(yàn)探索量子理論與引力理論的沖突。

在埃爾溫 · 薛定諤（Erwin Schr?dinger）既生又死的貓之前，也在點(diǎn)狀電子像波一般穿過(guò)狹縫的實(shí)驗(yàn)之前，一個(gè)相較之下知名度低不少的實(shí)驗(yàn)揭開(kāi)了遮住量子世界之美的面紗。1922年，德國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W托 · 斯特恩（Otto Stern）和沃爾特 · 格拉赫（Walther Gerlach ）用實(shí)驗(yàn)證明了約束原子行為的是一些出人意料的物理學(xué)規(guī)則——這個(gè)結(jié)果夯實(shí)了當(dāng)時(shí)尚處于萌芽階段的量子力學(xué)基礎(chǔ)。

德國(guó)弗里茨哈柏研究所物理學(xué)家、歷史學(xué)家布雷蒂斯拉夫 · 弗里德里希（Bretislav Friedrich）說(shuō)：“斯特恩-格拉赫實(shí)驗(yàn)是一個(gè)圖騰，具有劃時(shí)代意義。實(shí)際上，它也是整個(gè)物理學(xué)歷史中最重要的實(shí)驗(yàn)之一。”

另外，對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的解釋也引發(fā)了長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的爭(zhēng)論。最近這些年里，以色列物理學(xué)家終于設(shè)計(jì)出了一個(gè)足夠靈敏的實(shí)驗(yàn)，從而準(zhǔn)確闡明我們應(yīng)該如何認(rèn)識(shí)基本量子過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，他們開(kāi)發(fā)了一種新技巧以探索量子世界的邊界。現(xiàn)在，這個(gè)團(tuán)隊(duì)正嘗試修改斯特恩和格拉赫一個(gè)世紀(jì)前的實(shí)驗(yàn)步驟以探索引力的本質(zhì)——或許還能架設(shè)溝通引力理論與量子理論這兩大現(xiàn)代物理學(xué)支柱的橋梁。

蒸發(fā)銀

1921年，傳統(tǒng)物理學(xué)定律不適用于最小物理世界尺度的想法仍舊相當(dāng)有爭(zhēng)議。處在風(fēng)口浪尖上的，則是尼爾斯 · 玻爾（Niels Bohr）提出的新原子理論。他的理論的主要觀點(diǎn)是：原子核周?chē)碾娮犹幱诠潭ǖ哪承┸壍郎稀娮又荒茉诰嘣雍颂囟ň嚯x的位置、以特定能量、在磁場(chǎng)中的特定角度上運(yùn)動(dòng)。玻爾的理論限制條件太過(guò)嚴(yán)格，看上去甚至有些武斷。因此，斯特恩甚至賭咒，要是玻爾這個(gè)模型是對(duì)的，他就退出物理學(xué)界。

為此，斯特恩構(gòu)想了一個(gè)推翻玻爾理論的實(shí)驗(yàn)。他想要測(cè)試電子在磁場(chǎng)中是否能朝任何方向運(yùn)動(dòng)，還是就像玻爾提出的那樣只能朝特定的某些方向運(yùn)動(dòng)。

斯特恩計(jì)劃蒸發(fā)一份銀樣本，然后再把銀蒸汽集中到一束原子中。接著，斯特恩把這束原子射入一個(gè)非均一磁場(chǎng)，并用一塊玻璃板收集光中原子。因?yàn)閱蝹€(gè)銀原子就像小磁鐵一樣，從不同方向進(jìn)入磁場(chǎng)的銀原子就會(huì)發(fā)生不同角度的偏折。如果銀原子的最外層電子像經(jīng)典理論預(yù)測(cè)的那樣可以朝任何方向運(yùn)動(dòng)，那么偏轉(zhuǎn)的銀原子就應(yīng)該沿著感光板形成一條寬寬的污跡線。

不過(guò)，如果正確的是玻爾，也即像原子這樣的微小系統(tǒng)遵循奇怪的量子規(guī)則，銀原子穿過(guò)磁場(chǎng)的路徑就只有兩條，于是，感光板上就會(huì)顯現(xiàn)出兩條分離的細(xì)線。

從理論上說(shuō)，斯特恩的想法足夠簡(jiǎn)單明了。然而，在實(shí)踐過(guò)程中，構(gòu)筑實(shí)驗(yàn)——斯特恩把這個(gè)工作留給了格拉赫——極為煩瑣、復(fù)雜，以至于格拉赫的研究生威爾希姆 · 舒茨（Wilhelm Schütz）稱其為“西西弗斯式的無(wú)盡勞動(dòng)”。為了讓銀蒸發(fā)，科學(xué)家需要把它加熱到1000℃以上，且不能融化玻璃制真空腔室上的任何密封部件——腔室內(nèi)的泵也會(huì)定期破碎。在努力構(gòu)建實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，由于德國(guó)在第一次世界大戰(zhàn)后通貨膨脹嚴(yán)重，支持這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的資金干涸。最后拯救這支團(tuán)隊(duì)的是阿爾伯特 · 愛(ài)因斯坦和銀行家亨利 · 戈德曼（Henry Goldman）的捐款。

裝置搭建完畢后，如何產(chǎn)出清晰可靠的結(jié)果仍是挑戰(zhàn)。收集銀原子的感光板只有釘子頭部的幾分之一大，因此，要想看到銀原子偏折、沉積后形成的圖樣，需要用到顯微鏡。接下去就是一個(gè)或許是虛構(gòu)的故事，這群科學(xué)家因?yàn)椴贿m合在實(shí)驗(yàn)室中出現(xiàn)的行為而在無(wú)意間擺脫了困境。用肉眼本來(lái)是看不見(jiàn)銀沉積物的，但他們?cè)趯?shí)驗(yàn)時(shí)抽了雪茄——因?yàn)楣べY很低，只能抽富含硫的劣質(zhì)雪茄——煙飄進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置后，銀就變成了肉眼可見(jiàn)的發(fā)黑的硫化銀。（2013年，弗里德里希和一位同事重復(fù)了這個(gè)場(chǎng)景，結(jié)果證明只有在廉價(jià)雪茄的煙霧中，銀沉積物才會(huì)變得肉眼可見(jiàn)。）

銀的自旋

格拉赫花了好幾個(gè)月排除實(shí)驗(yàn)故障，最終在1922年2月7日，花了一整晚把銀打到感光板上。第二天一早，他和同事沖洗了感光板，然后便發(fā)現(xiàn)了“金礦”：銀沉積物整整齊齊地分成了兩個(gè)細(xì)條，就像量子理論的一個(gè)吻。格拉赫用一張顯微照片記錄了這個(gè)結(jié)果，以明信片的形式寄給玻爾，并附上文字：“你的理論證實(shí)了，祝賀你。”

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)震撼了整個(gè)物理學(xué)界。阿爾伯特 · 愛(ài)因斯坦稱它是“目前最有意思的物理學(xué)成就”，并且向諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)提名斯特恩-格拉赫?qǐng)F(tuán)隊(duì)。伊西多 · 拉比（Isidor Rabi）稱，這個(gè)實(shí)驗(yàn)“一勞永逸地讓我確信……解釋量子現(xiàn)象需要一個(gè)全新的方向”。斯特恩希望用這個(gè)實(shí)驗(yàn)駁斥量子理論的夢(mèng)想顯然破滅了，不過(guò)，他也沒(méi)有像當(dāng)初賭咒的那樣退出物理學(xué)界。相反，他還因?yàn)橐豁?xiàng)后續(xù)發(fā)現(xiàn)榮獲1943年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。斯特恩說(shuō)：“我對(duì)量子力學(xué)之美仍持反對(duì)意見(jiàn)，但，她是正確的。”

如今，物理學(xué)家認(rèn)識(shí)到，斯特恩和格拉赫把他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果同當(dāng)時(shí)尚處于萌芽階段的量子理論聯(lián)系在一起，的確是對(duì)的。然而，他們卻是出于錯(cuò)誤的理由，做了正確的解釋。他倆假設(shè)決定銀原子沉積物分離軌跡的是銀原子最外層電子的軌道——這些軌道是以特定角度固定下來(lái)的。然而，實(shí)際上，銀原子沉積物之所以會(huì)分離，是因?yàn)殡娮觾?nèi)部角動(dòng)量的量子化——也就是一種叫作“自旋”的物理量，在斯特恩和格拉赫實(shí)驗(yàn)之后數(shù)年才被發(fā)現(xiàn)。極為偶然的，他倆錯(cuò)誤的解釋得到了正確的結(jié)果，因?yàn)楦ダ锏吕锵Ｋf(shuō)的“奇怪的巧合，大自然的陰謀”拯救了他們：彼時(shí)未知的兩個(gè)電子特性——自旋和反常磁矩——恰好相互抵消了。

破碎的“蛋頭先生”

對(duì)斯特恩-格拉赫實(shí)驗(yàn)的教科書(shū)解釋認(rèn)為，在銀原子傳播的過(guò)程中，它的電子既非自旋向上，也非自旋向下，而是處于一種混合量子狀態(tài)，或者說(shuō)上述兩種狀態(tài)的“疊加”。銀原子同時(shí)走了這兩條路。只有當(dāng)銀原子撞入感光板時(shí)，它們的狀態(tài)才被測(cè)量，路徑也才確定下來(lái)。

然而，從20世紀(jì)30年代開(kāi)始，諸多著名的理論物理學(xué)家都開(kāi)始選擇另一種不那么需要量子魔法的解釋。他們認(rèn)為，磁場(chǎng)有效地測(cè)量了每個(gè)電子并定義了電子的自旋。這樣一來(lái)，每個(gè)銀原子在傳播時(shí)都同時(shí)走了兩條路徑這個(gè)想法就變得荒唐且非必要了。

從理論上說(shuō)，我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)這兩種假說(shuō)。如果銀原子確實(shí)像擁有兩個(gè)身體一般，同時(shí)從兩條路徑穿過(guò)磁場(chǎng)，那么在理論上就應(yīng)該可能重新組合他們這些幽靈般的身體。在這個(gè)過(guò)程中，銀原子會(huì)在重新排列時(shí)在感光板上產(chǎn)生一種特殊的干涉圖樣——表明它們的確經(jīng)過(guò)了兩條路徑。

實(shí)現(xiàn)這個(gè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的最大挑戰(zhàn)在于，為了保持疊加態(tài)并產(chǎn)生最終的干涉圖樣，這兩個(gè)身體就必須極為順利且迅速地分離——順利且快速到，完全無(wú)法區(qū)分這兩個(gè)互相獨(dú)立的身體，它們彼此也互不了解，而且也無(wú)法告訴他們究竟走的是哪條路。20世紀(jì)80年代，多位理論物理學(xué)家都認(rèn)為，絕無(wú)可能如此完美地分離并重組電子的兩個(gè)身體，那就像是要把童話中從高墻上摔下、摔得粉碎的“蛋頭先生”漢普蒂 · 鄧普蒂（Humpty Dumpty）恢復(fù)得完好如初一樣。

然而，2019年，內(nèi)蓋夫本古里安大學(xué)羅恩 · 弗爾曼（Ron Folman）領(lǐng)銜的一支物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)真的把這些蛋殼粘回到了一起。這些研究人員首先重做了斯特恩-格拉赫實(shí)驗(yàn)，只不過(guò)沒(méi)有用銀，而是用了一種由1萬(wàn)個(gè)銣原子構(gòu)成的過(guò)冷量子聚集體。他們捕獲這種過(guò)冷量子聚集體之后，將其控制在一個(gè)指甲大小的芯片上。這些研究人員讓銣原子電子的自旋處于向上和向下的疊加態(tài)，接著再給過(guò)冷量子聚集體施加各種強(qiáng)度的磁脈沖，以便準(zhǔn)確分離、重組每個(gè)原子，所有這一切都發(fā)生在幾百萬(wàn)分之一秒的時(shí)間跨度內(nèi)。結(jié)果，他們看到了量子理論在1927年時(shí)第一次預(yù)言的干涉圖樣，而且一模一樣，從而填補(bǔ)了斯特恩-格拉赫實(shí)驗(yàn)的空白。

弗里德里希說(shuō)：“他們真的把漢普蒂 · 鄧普蒂重新拼到了一起。這是美麗的科學(xué)，也是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，但他們真的做到了，滿足了極為嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)要求。”

不斷變多的鉆石

弗爾曼的工作不僅驗(yàn)證了斯特恩和格拉赫實(shí)驗(yàn)的“量子性”，還提供了一種探索量子疆域極限的新方法。目前，科學(xué)家仍舊不能肯定量子定律約束下的物體尺寸極限，尤其是當(dāng)物體大到某種程度的時(shí)候，引力就會(huì)介入。20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家提出，通過(guò)完整的斯特恩-格拉赫實(shí)驗(yàn)可以創(chuàng)造一種有助于測(cè)試量子理論-經(jīng)典理論邊界的超靈敏干涉儀。另外，在2017年，物理學(xué)家又在這個(gè)想法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展，提出朝兩個(gè)相鄰的斯特恩-格拉赫裝置輻射微小鉆石束，以查驗(yàn)它們是否會(huì)通過(guò)引力作用相互影響。

弗爾曼的研究小組現(xiàn)在正以解決這個(gè)挑戰(zhàn)為目標(biāo)而努力。2021年，他們概述了一種強(qiáng)化他們的單原子芯片干涉儀的方法，需要用到由幾百萬(wàn)個(gè)原子構(gòu)成的鉆石之類(lèi)的宏觀物體。自那之后，他們分離的實(shí)驗(yàn)對(duì)象質(zhì)量越來(lái)越大，并且在一系列論文中展示了這又是一個(gè)西西弗斯式的無(wú)盡勞動(dòng)過(guò)程，唯一的不同是這并非不可能做到，而且一旦做到就有助于解決一系列量子引力之謎。

弗爾曼說(shuō)：“斯特恩-格拉赫實(shí)驗(yàn)距離完成它的歷史使命還遠(yuǎn)得很，它能給予我們的幫助仍舊很多。”

資料來(lái)源 Quanta Magazine

本文作者扎克 · 薩維茨基（Zack Savitsky）是加州大學(xué)圣克魯茲分校科學(xué)傳播學(xué)碩士，現(xiàn)在是一位科學(xué)記者