B类在埃尔文·薛定谔（Erwin Schrödinger）的猫既死又活之前，在点状电子像波浪一样冲刷过狭缝之前，一个鲜为人知的实验揭开了量子世界令人困惑的美丽面纱。1922年，德国物理学家奥托·斯特恩（Otto Stern）和沃尔瑟·格拉赫（Walther Gerlach）证明，原子的行为是由违背预期的规则控制的，这一观察巩固了量子力学的静态膨胀理论。
“斯特恩·格拉赫实验是一个图标，它是一个划时代的实验，”他说布雷蒂斯拉夫·弗里德里希他是德国弗里茨哈伯研究所的物理学家和历史学家，最近发表了综述并已编辑一本书关于这个主题。“这确实是物理学史上最重要的实验之一。”
实验的解释也推出几十年的争论。近年来，以色列的物理学家终于能够设计出一个具有必要灵敏度的实验，以准确地阐明我们应该如何理解工作中的基本量子过程。凭借这一成就，他们创造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百年前的设置，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。
蒸发银
1921年，传统物理定律在最小尺度上存在差异的观点仍然存在很大争议。尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）提出的新的原子支配理论是这场争论的关键所在。他的理论以原子核被固定轨道上的电子所包围为特点，这些电子在磁场中只能以一定的角度和一定的能量在离原子核一定距离的地方旋转。玻尔提案中的限制是如此严格，似乎是武断的，以至于斯特恩承诺，如果模型被证明是正确的，他将退出物理学。
斯特恩指责量子理论的梦想适得其反；相反，他获得了诺贝尔奖。
斯特恩设想了一个可能使玻尔理论无效的实验。他想测试磁场中的电子是否可以以任何方式定向，或者像玻尔所建议的那样仅以离散方向定向。
Stern计划蒸发一个银样品，并将其浓缩成一束原子。然后，他将光束穿过不均匀的磁场，并将原子收集在玻璃板上。因为单个银原子就像小磁铁一样，磁场会根据它们的方向以不同的角度偏转它们。如果它们最外层的电子可以像经典理论预测的那样随意定向，那么偏转的原子将沿着探测板形成一条宽的污迹。
但是，如果玻尔是正确的，并且像原子这样的微小系统遵守奇怪的量子规则，那么银原子只能通过两条路径穿过场，并且板将显示出两条离散的线。
斯特恩的想法在理论上很简单。但实际上，他留给杰拉赫的实验建筑相当于杰拉赫研究生威廉·舒茨后来描述的“西西弗斯式的劳动”。为了蒸发银，科学家需要将其加热到1000摄氏度以上，而不熔化玻璃真空室上的任何封条，他们的水泵也经常损坏。由于德国战后通货膨胀加剧，实验资金枯竭。阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）和银行家亨利·戈德曼（Henry Goldman）最终用捐款拯救了这支球队。
信贷：Merrill Sherman/Quanta Magazine.一旦实验开始，产生任何清晰的结果仍然是一个挑战。收集板只有钉子头大小的一小部分，所以要读取银沉积层中的图案需要显微镜。也许是虚构的，科学家们无意中用令人怀疑的实验室礼仪帮自己解决了这个问题：如果不是雪茄烟冒出的烟，银沉积物本来是看不见的，这是因为他们的工资低，价格低廉，而且硫含量丰富，这有助于银发展成为可见的喷射黑色硫化银。（2003年，弗里德里希和一位同事重播了这一集并证实银色信号仅出现在廉价雪茄烟中。）
银色的旋转
经过几个月的故障排除，1922年2月7日，格拉赫用了整整一个晚上的时间向探测器发射银弹。第二天早上，他和同事们开发了这个盘子铸造的黄金：一块银矿整齐地一分为二，就像量子王国的一吻。格拉赫用显微照片记录了结果，并将其作为明信片寄给了波尔，同时还附上了一条信息：“我们祝贺你证实了你的理论。”
这一发现震惊了物理学界。阿尔伯特·爱因斯坦打电话这是“目前最有趣的成就”，并提名该团队获得诺贝尔奖。 伊西多·拉比说实验“彻底说服了我……量子现象需要一个全新的方向。”斯特恩指责量子理论的梦想显然适得其反，尽管他没有信守放弃物理学的诺言；相反，他赢了1943年因随后的发现而获得的诺贝尔奖。斯特恩说：“我仍然反对量子力学的……美，但她是正确的。”
机器中的量子幽灵：斯特恩和格拉赫的实验装置。信贷：W.Germach 1925。在Magnetfeld II中的Richtungsquantelung。安·物理。76: 163.
今天，物理学家们认识到Stern和Gerlach将他们的实验解释为对仍处于萌芽状态的量子理论的确证是正确的。但他们是对的，理由是错误的。科学家们假设银原子的分裂轨道是由其最外层电子的轨道决定的，该轨道固定在一定角度。实际上，分裂是由于电子内部角动量的量子化引起的，这是一个称为自旋的量，在未来几年内不会被发现。巧合的是，这一解释之所以成功，是因为弗里德里希所说的“奇怪的巧合，这种自然的阴谋”拯救了研究人员：电子的两个未知性质——自旋和异常磁矩恰好抵消了。
打鸡蛋
斯特恩·格拉赫实验的教科书解释认为，当银原子运动时，电子不是自旋向上或自旋向下的。它是这些态的量子混合物或“叠加”。原子同时走这两条路。只有在撞击探测器后，才能测量其状态，确定其路径。
但从20世纪30年代开始，许多著名的理论家选择了一种需要较少量子魔法的解释。该论点认为磁场有效地测量每个电子并定义其自旋。这些批评者认为，每个原子同时走两条路的想法既荒谬又不必要。
从理论上讲，这两个假设可以被检验。如果每个原子真的带着两个人物穿越磁场，那么理论上应该有可能重新组合这些幽灵身份。这样做会在探测器重新对准时在探测器上产生特定的干涉图案，这表明原子确实在两条路径上导航。
最大的挑战是，为了保持叠加并产生最终的干扰信号，人物角色必须如此平滑快速地分割，以至于这两个分离的实体具有完全无法区分的历史，对另一个实体一无所知，也无法知道他们走的是哪条路。在20世纪80年代，多位理论家认为，分裂和重组电子的同一性以达到如此完美是不可能的重建Humpty Dumpty在他从墙上摔下来之后。
泡泡证明：奥托·斯特恩（如图所示）和沃尔瑟·格拉赫在实验室里抽雪茄为自己提供了帮助。据报道，雪茄烟帮助他们在探测器上形成了银沉积层，揭示了量子世界的工作原理。图片来源：AIP Emilio SegrèVisual Archives/SegréCollection。然而，2019年，由罗恩·福尔曼内盖夫本-古里安大学把那些蛋壳粘起来一起回来。研究人员开始复制斯特恩·格拉赫实验，虽然不是用银，而是用10000个铷原子的过冷量子凝聚体，他们将其捕获并操作在指甲大小的芯片上。他们将铷电子的自旋上下叠加，然后应用各种磁脉冲精确地分离和重组每个原子，所有这些都在几百万分之一秒内完成。他们首先看到了准确的干涉图预测的1927年，从而完成了斯特恩·格拉赫循环。
弗里德里希说：“他们把汉普蒂·邓普蒂重新组合起来了。”。“这是一门美丽的科学，也是一项巨大的挑战，但他们已经能够应对。”
成长中的钻石
除了帮助验证Stern和Gerlach实验的“量子性”之外，Folman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物体可以有多大同时仍然遵守量子戒律，尤其是当它们足够大，引力可以干预时。在20世纪60年代，物理学家建议斯特恩·格拉赫（Stern-Gerlach）的全回路实验将创造一种超灵敏干涉仪，有助于测试量子经典边界。2017年，物理学家扩展了这一想法，建议通过两个相邻的Stern-Gerlach装置拍摄微小钻石，看看它们是否存在引力相互作用。
福尔曼的团队现在正朝着这个挑战努力。2021年，他们概述一种增强单原子芯片干涉仪用于宏观物体的方法，例如含有数百万原子的钻石。从那以后，他们在系列 属于 文件如何分裂越来越大的质量将再次是西西弗式的，但并非不可能，并可能有助于解决一系列量子引力之谜。
福尔曼说：“斯特恩·格拉赫实验远未完成其历史作用。”。“它仍然会给我们带来很多。”
这篇文章是最初出版的在上 量子抽象博客。
主导图片：奥托·斯特恩（左）和沃尔瑟·格拉赫（Walther Gerlach）开始挑战量子力学。相反，他们的实验证明是这一新生领域的基础。图片来源：Kristina Armitage/Quanta Magazine；资料来源：德国博物馆；尼尔斯·玻尔档案馆。
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扎克·萨维茨基是一名科学记者，曾为《科学》、《水星新闻》和其他出版物。他获得了加州大学圣克鲁斯分校的科学传播硕士学位。在此之前，他就读于佛罗里达大学新闻学院，主修物理学。你可以在他的网站上找到他zacksavitsky.com网站以及推特@savagitsky。
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