奥托·斯特恩（左）和瓦尔特·格拉赫着手挑战量子力学。相反，他们的实验被证明是这个新兴领域的基础。
克里斯蒂娜·阿米蒂奇/广达杂志；来源：德意志博物馆；尼尔斯·玻尔档案
介绍
在埃尔文·薛定谔的猫既死又活之前，在点状电子像波一样冲过细缝之前，一个不太为人所知的实验揭开了量子世界令人眼花缭乱的美丽的面纱。 1922 年，德国物理学家奥托·斯特恩 (Otto Stern) 和瓦尔特·格拉赫 (Walther Gerlach) 证明，原子的行为受到违背预期的规则的控制——这一观察巩固了仍在萌芽的量子力学理论。
“斯特恩-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和历史学家布雷蒂斯拉夫·弗里德里希(Bretislav Friedrich)说，他最近发表了一篇评论并编辑了一本有关该主题的书。 “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具有必要灵敏度的实验，以准确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，他们开发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装置来探索重力的本质，或许还可以在现代物理学的两大支柱之间架起一座桥梁。
汽化银
1921 年，传统物理定律在最小尺度上存在差异的观点仍然颇具争议。尼尔斯·玻尔提出的新原子理论是争论的核心。他的理论的特点是原子核被固定轨道上的电子包围——这些粒子只能在距原子核一定距离、具有一定能量、在磁场内以一定角度旋转。玻尔提议中的限制是如此严格且看似武断，以至于斯特恩承诺如果模型被证明是正确的，他就会退出物理学。
斯特恩和格拉赫的实验装置。
今天，物理学家认识到斯特恩和格拉赫将他们的实验解释为对仍处于萌芽状态的量子理论的证实是正确的。但他们的理由却是正确的。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定义的，该轨道以一定的角度固定。事实上，分裂是由于电子内部角动量的量子化造成的——这个量被称为自旋，几年后才会被发现。偶然地，这种解释成功了，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：电子的两个尚不为人所知的特性——它的自旋和它的反常磁矩——碰巧抵消了。
破裂的鸡蛋
斯特恩-格拉赫实验的教科书解释认为，当银原子运动时，电子不会向上自旋或向下自旋。它处于这些状态的量子混合或“叠加”中。原子同时走两条路径。只有在撞击探测器时，才会测量其状态，确定其路径。
但从 20 世纪 30 年代开始，许多著名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，每个原子同时选择两条路径的想法是荒谬且不必要的。
理论上，这两个假设都可以得到检验。如果每个原子确实以两个角色穿过磁场，那么从理论上讲，应该有可能重新组合这些幽灵般的身份。这样做会在探测器重新排列时在探测器上产生特定的干涉图案，这表明原子确实沿着两条路线导航。
巨大的挑战是，为了保持叠加并生成最终的干扰信号，角色必须如此顺利和快速地分裂，以至于两个分离的实体具有完全无法区分的历史，不了解对方，也无法知道他们走了哪条路。在 20 世纪 80 年代，多名理论家认为，如此完美地分裂和重组电子的身份，就像在从墙上摔下来后重建矮胖子一样不可行。
奥托·斯特恩（Otto Stern）（如图所示）和瓦尔特·格拉赫（Walther Gerlach）通过在实验室抽雪茄来帮助自己。据报道，雪茄烟雾有助于在探测器上沉积银，从而揭示了量子世界的运作方式。
AIP Emilio Segrè 视觉档案/Segrè Collection
介绍
然而，2019 年，内盖夫本古里安大学罗恩·福尔曼领导的物理学家团队将这些蛋壳重新粘在一起。研究人员首先重现了 Stern-Gerlach 实验，虽然不是用银，而是用 10,000 个铷原子的过冷量子聚集体，他们在指甲盖大小的芯片上捕获和操纵这些原子。他们将铷电子的自旋上下叠加，然后应用各种磁脉冲来精确分离和重组每个原子，所有这些都在百万分之几秒内完成。他们看到了 1927 年首次预测的精确干涉图案，从而完成了斯特恩-格拉赫环。
“他们能够将矮胖子重新组装起来，”弗里德里希说。 “这是美丽的科学，这是一个巨大的挑战，但他们已经能够应对它。”
培育钻石
除了帮助验证斯特恩和格拉赫实验的“量子性”之外，福尔曼的工作还提供了一种探索量子体系极限的新方法。如今，科学家们仍然不确定在遵守量子戒律的情况下物体可以有多大，尤其是当它们大到足以引起引力干预时。 20 世纪 60 年代，物理学家提出，全环 Stern-Gerlach 实验将创造出超灵敏干涉仪，有助于测试量子经典边界。 2017 年，物理学家扩展了这一想法，并建议通过两个相邻的斯特恩-格拉赫装置发射微小钻石，看看它们是否存在引力相互作用。
福尔曼的团队现在正在努力应对这一挑战。 2021 年，他们概述了一种增强单原子芯片干涉仪的方法，以用于宏观物体，例如包含几百万个原子的钻石。从那时起，他们在一系列论文中展示了如何分裂越来越大的质量将再次成为西西弗斯式的事情，但并非不可能，并且可以帮助解决一系列量子引力之谜。
“斯特恩-格拉赫实验还远远没有完成其历史作用，”福尔曼说。 “它还能给我们带来很多东西。”
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