揭秘量子世界那個常被忽視的實驗

李威/編譯

一個世紀前，斯特恩-格拉赫實驗奠定了量子力學的理論基礎。

而現(xiàn)在，我們用這個實驗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，也在點狀電子像波一般穿過狹縫的實驗之前，一個相較之下知名度低不少的實驗揭開了遮住量子世界之美的面紗。1922年，德國物理學家奧托 · 斯特恩（Otto Stern）和沃爾特 · 格拉赫（Walther Gerlach ）用實驗證明了約束原子行為的是一些出人意料的物理學規(guī)則——這個結(jié)果夯實了當時尚處于萌芽階段的量子力學基礎。

德國弗里茨哈柏研究所物理學家、歷史學家布雷蒂斯拉夫 · 弗里德里希（Bretislav Friedrich）說：“斯特恩-格拉赫實驗是一個圖騰，具有劃時代意義。實際上，它也是整個物理學歷史中最重要的實驗之一。”

另外，對這個實驗的解釋也引發(fā)了長達數(shù)十年的爭論。最近這些年里，以色列物理學家終于設計出了一個足夠靈敏的實驗，從而準確闡明我們應該如何認識基本量子過程。在此基礎上，他們開發(fā)了一種新技巧以探索量子世界的邊界?，F(xiàn)在，這個團隊正嘗試修改斯特恩和格拉赫一個世紀前的實驗步驟以探索引力的本質(zhì)——或許還能架設溝通引力理論與量子理論這兩大現(xiàn)代物理學支柱的橋梁。

蒸發(fā)銀

1921年，傳統(tǒng)物理學定律不適用于最小物理世界尺度的想法仍舊相當有爭議。處在風口浪尖上的，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是：原子核周圍的電子處于固定的某些軌道上——電子只能在距原子核特定距離的位置、以特定能量、在磁場中的特定角度上運動。玻爾的理論限制條件太過嚴格，看上去甚至有些武斷。因此，斯特恩甚至賭咒，要是玻爾這個模型是對的，他就退出物理學界。

為此，斯特恩構(gòu)想了一個推翻玻爾理論的實驗。他想要測試電子在磁場中是否能朝任何方向運動，還是就像玻爾提出的那樣只能朝特定的某些方向運動。

斯特恩計劃蒸發(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非均一磁場，并用一塊玻璃板收集光中原子。因為單個銀原子就像小磁鐵一樣，從不同方向進入磁場的銀原子就會發(fā)生不同角度的偏折。如果銀原子的最外層電子像經(jīng)典理論預測的那樣可以朝任何方向運動，那么偏轉(zhuǎn)的銀原子就應該沿著感光板形成一條寬寬的污跡線。

不過，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，銀原子穿過磁場的路徑就只有兩條，于是，感光板上就會顯現(xiàn)出兩條分離的細線。

從理論上說，斯特恩的想法足夠簡單明了。然而，在實踐過程中，構(gòu)筑實驗——斯特恩把這個工作留給了格拉赫——極為煩瑣、復雜，以至于格拉赫的研究生威爾希姆 · 舒茨（Wilhelm Schütz）稱其為“西西弗斯式的無盡勞動”。為了讓銀蒸發(fā)，科學家需要把它加熱到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)的泵也會定期破碎。在努力構(gòu)建實驗的過程中，由于德國在第一次世界大戰(zhàn)后通貨膨脹嚴重，支持這項實驗的資金干涸。最后拯救這支團隊的是阿爾伯特 · 愛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。接下去就是一個或許是虛構(gòu)的故事，這群科學家因為不適合在實驗室中出現(xiàn)的行為而在無意間擺脫了困境。用肉眼本來是看不見銀沉積物的，但他們在實驗時抽了雪茄——因為工資很低，只能抽富含硫的劣質(zhì)雪茄——煙飄進實驗裝置后，銀就變成了肉眼可見的發(fā)黑的硫化銀。（2013年，弗里德里希和一位同事重復了這個場景，結(jié)果證明只有在廉價雪茄的煙霧中，銀沉積物才會變得肉眼可見。）

銀的自旋

格拉赫花了好幾個月排除實驗故障，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細條，就像量子理論的一個吻。格拉赫用一張顯微照片記錄了這個結(jié)果，以明信片的形式寄給玻爾，并附上文字：“你的理論證實了，祝賀你?！?/p>

這項發(fā)現(xiàn)震撼了整個物理學界。阿爾伯特 · 愛因斯坦稱它是“目前最有意思的物理學成就”，并且向諾貝爾獎委員會提名斯特恩-格拉赫團隊。伊西多 · 拉比（Isidor Rabi）稱，這個實驗“一勞永逸地讓我確信……解釋量子現(xiàn)象需要一個全新的方向”。斯特恩希望用這個實驗駁斥量子理論的夢想顯然破滅了，不過，他也沒有像當初賭咒的那樣退出物理學界。相反，他還因為一項后續(xù)發(fā)現(xiàn)榮獲1943年諾貝爾物理學獎。斯特恩說：“我對量子力學之美仍持反對意見，但，她是正確的?！?/p>

如今，物理學家認識到，斯特恩和格拉赫把他們的實驗結(jié)果同當時尚處于萌芽階段的量子理論聯(lián)系在一起，的確是對的。然而，他們卻是出于錯誤的理由，做了正確的解釋。他倆假設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的。然而，實際上，銀原子沉積物之所以會分離，是因為電子內(nèi)部角動量的量子化——也就是一種叫作“自旋”的物理量，在斯特恩和格拉赫實驗之后數(shù)年才被發(fā)現(xiàn)。極為偶然的，他倆錯誤的解釋得到了正確的結(jié)果，因為弗里德里希所說的“奇怪的巧合，大自然的陰謀”拯救了他們：彼時未知的兩個電子特性——自旋和反常磁矩——恰好相互抵消了。

破碎的“蛋頭先生”

對斯特恩-格拉赫實驗的教科書解釋認為，在銀原子傳播的過程中，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)，或者說上述兩種狀態(tài)的“疊加”。銀原子同時走了這兩條路。只有當銀原子撞入感光板時，它們的狀態(tài)才被測量，路徑也才確定下來。

然而，從20世紀30年代開始，諸多著名的理論物理學家都開始選擇另一種不那么需要量子魔法的解釋。他們認為，磁場有效地測量了每個電子并定義了電子的自旋。這樣一來，每個銀原子在傳播時都同時走了兩條路徑這個想法就變得荒唐且非必要了。

從理論上說，我們可以通過實驗檢驗這兩種假說。如果銀原子確實像擁有兩個身體一般，同時從兩條路徑穿過磁場，那么在理論上就應該可能重新組合他們這些幽靈般的身體。在這個過程中，銀原子會在重新排列時在感光板上產(chǎn)生一種特殊的干涉圖樣——表明它們的確經(jīng)過了兩條路徑。

實現(xiàn)這個驗證實驗的最大挑戰(zhàn)在于，為了保持疊加態(tài)并產(chǎn)生最終的干涉圖樣，這兩個身體就必須極為順利且迅速地分離——順利且快速到，完全無法區(qū)分這兩個互相獨立的身體，它們彼此也互不了解，而且也無法告訴他們究竟走的是哪條路。20世紀80年代，多位理論物理學家都認為，絕無可能如此完美地分離并重組電子的兩個身體，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）恢復得完好如初一樣。

然而，2019年，內(nèi)蓋夫本古里安大學羅恩 · 弗爾曼（Ron Folman）領銜的一支物理學家團隊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-格拉赫實驗，只不過沒有用銀，而是用了一種由1萬個銣原子構(gòu)成的過冷量子聚集體。他們捕獲這種過冷量子聚集體之后，將其控制在一個指甲大小的芯片上。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)，接著再給過冷量子聚集體施加各種強度的磁脈沖，以便準確分離、重組每個原子，所有這一切都發(fā)生在幾百萬分之一秒的時間跨度內(nèi)。結(jié)果，他們看到了量子理論在1927年時第一次預言的干涉圖樣，而且一模一樣，從而填補了斯特恩-格拉赫實驗的空白。

弗里德里希說：“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，也是一項巨大的挑戰(zhàn)，但他們真的做到了，滿足了極為嚴苛的實驗要求?！?/p>

不斷變多的鉆石

弗爾曼的工作不僅驗證了斯特恩和格拉赫實驗的“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，尤其是當物體大到某種程度的時候，引力就會介入。20世紀60年代，物理學家提出，通過完整的斯特恩-格拉赫實驗可以創(chuàng)造一種有助于測試量子理論-經(jīng)典理論邊界的超靈敏干涉儀。另外，在2017年，物理學家又在這個想法的基礎上進一步擴展，提出朝兩個相鄰的斯特恩-格拉赫裝置輻射微小鉆石束，以查驗它們是否會通過引力作用相互影響。

弗爾曼的研究小組現(xiàn)在正以解決這個挑戰(zhàn)為目標而努力。2021年，他們概述了一種強化他們的單原子芯片干涉儀的方法，需要用到由幾百萬個原子構(gòu)成的鉆石之類的宏觀物體。自那之后，他們分離的實驗對象質(zhì)量越來越大，并且在一系列論文中展示了這又是一個西西弗斯式的無盡勞動過程，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：“斯特恩-格拉赫實驗距離完成它的歷史使命還遠得很，它能給予我們的幫助仍舊很多?！?/p>

資料來源 Quanta Magazine

本文作者扎克 · 薩維茨基（Zack Savitsky）是加州大學圣克魯茲分?？茖W傳播學碩士，現(xiàn)在是一位科學記者