對斯特恩-蓋拉赫實驗的新認(rèn)識

厚宇德

(臺州學(xué)院物理系,浙江臨海317000)

具有磁矩的電子,在原子系統(tǒng)的電磁場的作用下,其軌道只能具有若干特定的空間取向.這是由索末菲1916年最早提出來的空間量子化假設(shè).這一假設(shè)有助于解釋一些原子現(xiàn)象,如正常塞曼效應(yīng)以及光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)等.斯特恩-蓋拉赫實驗證實了索末菲的這一假設(shè).

1 文獻(xiàn)[1]對斯特恩-蓋拉赫實驗的部分描述

文獻(xiàn)[1]對斯特恩-蓋拉赫實驗,有很多比較詳盡的說明.比如,該文獻(xiàn)對于2個人大體上的任務(wù)分工有這樣的認(rèn)識:斯特恩提供實驗的思想,而實驗的具體問題則由蓋拉赫解決:“擺在斯特恩面前的是一大堆實驗難題.如果不是有蓋拉赫這樣一位實驗?zāi)苁?要實現(xiàn)技術(shù)上如此復(fù)雜的實驗,在那個時候?qū)τ谒固囟鱽碚f是十分艱巨的.”[1]文獻(xiàn)[1]敘述了斯特恩的實驗設(shè)計原理后說:“以上只是斯特恩的設(shè)想.實行起來卻不容易……”“斯特恩找到他(蓋拉赫),講了用分子束方法檢驗空間量子化假說的設(shè)想,并表示愿與他合作.”

在文獻(xiàn)[1]的作者看來,最終重要實驗結(jié)果的獲取,也主要取決于蓋拉赫:“經(jīng)過許多次嘗試,大概在1921年11月,他們?nèi)〉昧顺醪匠晒Α痪?斯特恩離開法蘭克福大學(xué)……只剩下蓋拉赫一個人.蓋拉赫想起了不久前自己在重復(fù)德拜-舒勒用X射線衍射研究晶體結(jié)構(gòu)的實驗中曾試過用直角狹縫代替針孔進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)花紋的強度大為增加,他決定在這里也試一試,就把圓孔換成0.8 mm長,0.04～0.08 mm寬的直角縫.后來證明,這一項改進(jìn)措施具有決定意義,由此蓋拉赫獲得了清晰得多的圖像.圖像顯示出因原子束在非均勻磁場中分裂成兩條帶……證明玻爾的預(yù)言正確……同年3月1日,蓋拉赫和斯特恩以‘磁場中空間量子化的實驗證明’為題,向《物理學(xué)期刊》撰文,報導(dǎo)了實驗所得結(jié)果”

至此,文獻(xiàn)[1]給筆者(我相信對其他讀者亦然)這樣的印象:所謂斯特恩-蓋拉赫實驗,設(shè)計實驗的原創(chuàng)思想來自斯特恩;而攻克實驗的復(fù)雜問題的具體技術(shù)環(huán)節(jié)主要是蓋拉赫完成的.因為這時的斯特恩還不具備這樣的實驗?zāi)芰?而這也是斯特恩主動尋求與蓋拉赫合作的原因.

然而近期筆者得到的若干“新”文獻(xiàn)與文獻(xiàn)[1]的描述似乎有很大的不同.所謂的“新”,指的是其尚不為此前撰寫實驗著述的人所了解;而實際上,這些文獻(xiàn)已經(jīng)存在40多年了(這些文獻(xiàn)于1967年完成).對于20世紀(jì)物理學(xué)史而言,在時間上,已經(jīng)不可謂其為“新”了.

2 玻恩與斯特恩

斯特恩-蓋拉赫實驗是在法蘭克福大學(xué)完成的.那時玻恩是這里的物理學(xué)教授,而斯特恩是他的助手.那段時間,正值第一次世界大戰(zhàn)之后,玻恩的物理系資金異常緊張.從1920年1月始,玻恩連續(xù)面向公眾做了多次有償?shù)年P(guān)于愛因斯坦廣義相對論的報告,從中得到了7 000馬克的收入[2].靠這筆錢,研究所的工作才得以維持,并保證了斯特恩實驗的正常進(jìn)行.

后來,斯特恩到他處任物理教授,而玻恩1922年到哥廷根大學(xué)做教授.兩個人繼續(xù)保持著良好的關(guān)系.玻恩曾分別于1927年和1931年兩次提名斯特恩為諾貝爾獎候選人[3].斯特恩獲得了1943年諾貝爾獎.

斯特恩不僅自己與玻恩保持著良好的關(guān)系,還介紹自己的弟子給玻恩.如:“1928年……奧托·斯特恩帶拉比(I.I.Rabi)到哥廷根去訪問麥克斯·玻恩……”[4]從而讓拉比去感受這位大師的影響.有趣的是,拉比在1944年就獲得了諾貝爾物理獎.而到了1951年,拉比反而成為了玻恩的諾貝爾獎提名人.

3 關(guān)于斯特恩-蓋拉赫實驗新發(fā)現(xiàn)的幾條文獻(xiàn)

斯特恩獲得了諾貝爾獎,但是蓋拉赫卻名落孫山.如果蓋拉赫對斯特恩-蓋拉赫實驗的作用確如文獻(xiàn)[1]所說,則只有斯特恩一人獲得諾貝爾獎就有失公允了.為什么蓋拉赫沒能與斯特恩一道獲得諾貝爾獎呢?玻恩和朗德的回憶可以幫助我們理解個中緣由.

1962年10月17 日,科學(xué)史家托馬斯·庫恩采訪了玻恩,提到斯特恩-蓋拉赫實驗時,玻恩說:“斯特恩-蓋拉赫(實驗)?哦,是的,這是在法蘭克福我的系里做的.所以我從一開始就知道它.但是,過了一段時間我才嚴(yán)肅認(rèn)真地看待它.”玻恩認(rèn)為自己除了安排實驗地點并籌集資金,沒有做其他別的.他說:“在法蘭克福大學(xué),我有兩個房間.在其中之一,那里有一些學(xué)生……斯特恩的設(shè)備是在那個小一點的房間里搞起來的.所以整個過程從一開始我就知道,并且一直關(guān)注著.他做實驗的方式讓我嫉妒:他一點也不碰它,因為他和我一樣,沒有一雙靈巧的手.但是我們有一個很好的機(jī)械師,他為斯特恩做了一切.斯特恩告訴機(jī)械師需要做什么,這個東西就能被機(jī)械師做出來.……我曾建議斯特恩用這套設(shè)備去測量分子的自由程,但是他說:‘哦,這是一個好主意,但是我正忙著,而且我要驗證量子理論了.’”[5]

在玻恩的回憶中,沒有提到蓋拉赫究竟貢獻(xiàn)了什么.他也沒有說出那個協(xié)助斯特恩的了不起的機(jī)械師的名字.但是,有一點可以看出,玻恩的回憶說明整個實驗裝置的確是在斯特恩的指導(dǎo)下由機(jī)械師加工制造出來的.

這一點很重要.那個時期實驗物理學(xué)家所用的實驗設(shè)備,無論是邁克耳孫的干涉儀,還是弗蘭克-赫茲實驗裝置,都是實驗物理學(xué)家根據(jù)自己的思想設(shè)計并制造出來的.而儀器性能的優(yōu)劣可能直接影響實驗的結(jié)果.

對此,可以舉一個特例再予以說明.勞厄和學(xué)生最早通過實驗開始了對X射線衍射的研究.其后,英國的W.H.布拉格選擇了與勞厄師徒不同的儀器研究X射線的衍射,他設(shè)計了X射線分光計.在小布拉格看來,老布拉格的X射線分光計,這小小的儀器不僅使得獲得成功的實驗結(jié)果,而且具有更大的作用,即它促進(jìn)了英國科學(xué)的發(fā)展,改變了世界科學(xué)的歷史.他說:“勞厄的發(fā)現(xiàn)開拓了一個新領(lǐng)域.為什么對這個領(lǐng)域進(jìn)行了深入探索的是英國,而不是在它的發(fā)源地,我認(rèn)為這主要是因為我父親擅長于精確的電離測量并富于經(jīng)驗,通過電離作用來研究 X射線效應(yīng),比采用長時間的照相曝光更為靈活,并具有更好的適應(yīng)性,有助于取得定量的信息,而且所得結(jié)果比較容易分析;因為對每一反射的晶體位置和衍射束位置都進(jìn)行了測量.不因省事而采取比較容易的照相記錄法,而是敢于采取難度較大的電離測量法,這是值得的.”[6]這一研究傳統(tǒng)一直影響到后來DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn).

所以,斯特恩根據(jù)自己的實驗思想,設(shè)計并在機(jī)械師幫助下制造出實驗儀器,這是一件至關(guān)重要的事情.

除了玻恩,另外一個那時也在法蘭克福大學(xué)的玻恩的助手朗德的回憶,給出了更多關(guān)于這個實驗的細(xì)節(jié).

1962年3月7 日托馬斯·庫恩采訪朗德時,也提到了斯特恩-蓋拉赫實驗.朗德回憶說:“蓋拉赫在最后時刻才過來參與這個實驗.斯特恩有一個年輕助手,名叫彼得·勒特斯,這是一個精力旺盛的很好的小伙子.他跟隨斯特恩工作,參與了整個設(shè)備的設(shè)計安裝過程.想得到均勻的絕對走直線的分子或原子射線是相當(dāng)困難的.斯特恩不斷重復(fù)嘗試但是都不成功.得到的圖片都是模糊的.最后,斯特恩實在無法滿意了,就要求蓋拉赫來幫忙調(diào)試設(shè)備.而沒有其他別的什么.蓋拉赫成功了,得到了第一個好的圖片.當(dāng)圖片出來以后,蓋拉赫問我:‘這是什么意思?這有什么意義?’我解釋給他這是銀原子的空間量子化.他做了整個實驗,但是一點不知道它意味著什么.……所以,這個實驗90%的工作是斯特恩做出來的,而蓋拉赫的貢獻(xiàn)不超過10%.所以斯特恩得到了諾貝爾獎而蓋拉赫沒有得到.”[5]

朗德的回憶不但告訴了我們,玻恩提到過的機(jī)械師的姓名,而且他對斯特恩與蓋拉赫兩人對于這個實驗各自的貢獻(xiàn)有了量化的比較(9∶1).在朗德看來,這個實驗的思想是斯特恩的,儀器是斯特恩制造出來的,總之在蓋拉赫到來之前,斯特恩做好了做這個實驗的一切準(zhǔn)備,并已經(jīng)開始了操作.而蓋拉赫的作用,就是幫助斯特恩調(diào)試好儀器,得到了理想的結(jié)果.而當(dāng)蓋拉赫得到了結(jié)果后,對這個實驗的設(shè)計思想以及實驗結(jié)果能說明什么,他還都一無所知.

如果事實果真如此,我們就應(yīng)該覺得朗德認(rèn)為的二人對于該實驗的作用之比,最少是9∶1,這種說法是有道理的.而蓋拉赫沒有與斯特恩一道獲得諾貝爾獎,也并非不合理.

4 結(jié)束語

我們相信,文獻(xiàn)[1]關(guān)于這個實驗的說法也應(yīng)該是有充足的根據(jù)的.然而,雖然玻恩和朗德都不是實驗物理學(xué)家,不過他們每天與斯特恩都是在一起的,雖然他們是這個實驗的親歷者.他們的回憶未必完全準(zhǔn)確,但是對于我們還原這個實驗從設(shè)計到成功的全過程,應(yīng)該還是有很高的參考價值.

[1] 郭奕玲,沙振舜,沈慧君,等.物理實驗史話[M].北京:科學(xué)出版社,1988:204-207.

[2] Greenspan N T.The end of the certain wo rld—the life and science of Max·Bo rn[M].John W iley﹠Sons,L td,2005:92-93.

[3] Craw ford E.The Nobel population 1901-1937[M].Berkeley,Calif.:Office fo r History of Science and Technology,University of Califo rnia,1987:106;124.

[4] Rigden J S.Rabi:scientist and citizen[M].New Yo rk:Basic Books,Inc.Publisers,1987:73.

[5] Kuhn T S,Heilbron J L,Forman P,et al.A rchives fo r the histo ry of quantum Physics[M].Philadelphia:The American Philosophical Society Independence Squaare,1967:E 1,Reel 1,Reel 3.

[6] 布拉格 W L.X射線分析的發(fā)展[M].楊潤殷譯.北京:科學(xué)出版社,1988:33-37,56-57,110,122.