对斯特恩-盖拉赫实验的新认识

厚宇德

(台州学院物理系,浙江临海317000)

具有磁矩的电子,在原子系统的电磁场的作用下,其轨道只能具有若干特定的空间取向.这是由索末菲1916年最早提出来的空间量子化假设.这一假设有助于解释一些原子现象,如正常塞曼效应以及光谱的精细结构等.斯特恩-盖拉赫实验证实了索末菲的这一假设.

1 文献[1]对斯特恩-盖拉赫实验的部分描述

文献[1]对斯特恩-盖拉赫实验,有很多比较详尽的说明.比如,该文献对于2个人大体上的任务分工有这样的认识:斯特恩提供实验的思想,而实验的具体问题则由盖拉赫解决:“摆在斯特恩面前的是一大堆实验难题.如果不是有盖拉赫这样一位实验能手,要实现技术上如此复杂的实验,在那个时候对于斯特恩来说是十分艰巨的.”[1]文献[1]叙述了斯特恩的实验设计原理后说:“以上只是斯特恩的设想.实行起来却不容易……”“斯特恩找到他(盖拉赫),讲了用分子束方法检验空间量子化假说的设想,并表示愿与他合作.”

在文献[1]的作者看来,最终重要实验结果的获取,也主要取决于盖拉赫:“经过许多次尝试,大概在1921年11月,他们取得了初步成功……不久,斯特恩离开法兰克福大学……只剩下盖拉赫一个人.盖拉赫想起了不久前自己在重复德拜-舒勒用X射线衍射研究晶体结构的实验中曾试过用直角狭缝代替针孔进行观察,发现花纹的强度大为增加,他决定在这里也试一试,就把圆孔换成0.8 mm长,0.04～0.08 mm宽的直角缝.后来证明,这一项改进措施具有决定意义,由此盖拉赫获得了清晰得多的图像.图像显示出因原子束在非均匀磁场中分裂成两条带……证明玻尔的预言正确……同年3月1日,盖拉赫和斯特恩以‘磁场中空间量子化的实验证明’为题,向《物理学期刊》撰文,报导了实验所得结果”

至此,文献[1]给笔者(我相信对其他读者亦然)这样的印象:所谓斯特恩-盖拉赫实验,设计实验的原创思想来自斯特恩;而攻克实验的复杂问题的具体技术环节主要是盖拉赫完成的.因为这时的斯特恩还不具备这样的实验能力,而这也是斯特恩主动寻求与盖拉赫合作的原因.

然而近期笔者得到的若干“新”文献与文献[1]的描述似乎有很大的不同.所谓的“新”,指的是其尚不为此前撰写实验著述的人所了解;而实际上,这些文献已经存在40多年了(这些文献于1967年完成).对于20世纪物理学史而言,在时间上,已经不可谓其为“新”了.

2 玻恩与斯特恩

斯特恩-盖拉赫实验是在法兰克福大学完成的.那时玻恩是这里的物理学教授,而斯特恩是他的助手.那段时间,正值第一次世界大战之后,玻恩的物理系资金异常紧张.从1920年1月始,玻恩连续面向公众做了多次有偿的关于爱因斯坦广义相对论的报告,从中得到了7 000马克的收入[2].靠这笔钱,研究所的工作才得以维持,并保证了斯特恩实验的正常进行.

后来,斯特恩到他处任物理教授,而玻恩1922年到哥廷根大学做教授.两个人继续保持着良好的关系.玻恩曾分别于1927年和1931年两次提名斯特恩为诺贝尔奖候选人[3].斯特恩获得了1943年诺贝尔奖.

斯特恩不仅自己与玻恩保持着良好的关系,还介绍自己的弟子给玻恩.如:“1928年……奥托·斯特恩带拉比(I.I.Rabi)到哥廷根去访问麦克斯·玻恩……”[4]从而让拉比去感受这位大师的影响.有趣的是,拉比在1944年就获得了诺贝尔物理奖.而到了1951年,拉比反而成为了玻恩的诺贝尔奖提名人.

3 关于斯特恩-盖拉赫实验新发现的几条文献

斯特恩获得了诺贝尔奖,但是盖拉赫却名落孙山.如果盖拉赫对斯特恩-盖拉赫实验的作用确如文献[1]所说,则只有斯特恩一人获得诺贝尔奖就有失公允了.为什么盖拉赫没能与斯特恩一道获得诺贝尔奖呢?玻恩和朗德的回忆可以帮助我们理解个中缘由.

1962年10月17 日,科学史家托马斯·库恩采访了玻恩,提到斯特恩-盖拉赫实验时,玻恩说:“斯特恩-盖拉赫(实验)?哦,是的,这是在法兰克福我的系里做的.所以我从一开始就知道它.但是,过了一段时间我才严肃认真地看待它.”玻恩认为自己除了安排实验地点并筹集资金,没有做其他别的.他说:“在法兰克福大学,我有两个房间.在其中之一,那里有一些学生……斯特恩的设备是在那个小一点的房间里搞起来的.所以整个过程从一开始我就知道,并且一直关注着.他做实验的方式让我嫉妒:他一点也不碰它,因为他和我一样,没有一双灵巧的手.但是我们有一个很好的机械师,他为斯特恩做了一切.斯特恩告诉机械师需要做什么,这个东西就能被机械师做出来.……我曾建议斯特恩用这套设备去测量分子的自由程,但是他说:‘哦,这是一个好主意,但是我正忙着,而且我要验证量子理论了.’”[5]

在玻恩的回忆中,没有提到盖拉赫究竟贡献了什么.他也没有说出那个协助斯特恩的了不起的机械师的名字.但是,有一点可以看出,玻恩的回忆说明整个实验装置的确是在斯特恩的指导下由机械师加工制造出来的.

这一点很重要.那个时期实验物理学家所用的实验设备,无论是迈克耳孙的干涉仪,还是弗兰克-赫兹实验装置,都是实验物理学家根据自己的思想设计并制造出来的.而仪器性能的优劣可能直接影响实验的结果.

对此,可以举一个特例再予以说明.劳厄和学生最早通过实验开始了对X射线衍射的研究.其后,英国的W.H.布拉格选择了与劳厄师徒不同的仪器研究X射线的衍射,他设计了X射线分光计.在小布拉格看来,老布拉格的X射线分光计,这小小的仪器不仅使得获得成功的实验结果,而且具有更大的作用,即它促进了英国科学的发展,改变了世界科学的历史.他说:“劳厄的发现开拓了一个新领域.为什么对这个领域进行了深入探索的是英国,而不是在它的发源地,我认为这主要是因为我父亲擅长于精确的电离测量并富于经验,通过电离作用来研究 X射线效应,比采用长时间的照相曝光更为灵活,并具有更好的适应性,有助于取得定量的信息,而且所得结果比较容易分析;因为对每一反射的晶体位置和衍射束位置都进行了测量.不因省事而采取比较容易的照相记录法,而是敢于采取难度较大的电离测量法,这是值得的.”[6]这一研究传统一直影响到后来DNA双螺旋结构的发现.

所以,斯特恩根据自己的实验思想,设计并在机械师帮助下制造出实验仪器,这是一件至关重要的事情.

除了玻恩,另外一个那时也在法兰克福大学的玻恩的助手朗德的回忆,给出了更多关于这个实验的细节.

1962年3月7 日托马斯·库恩采访朗德时,也提到了斯特恩-盖拉赫实验.朗德回忆说:“盖拉赫在最后时刻才过来参与这个实验.斯特恩有一个年轻助手,名叫彼得·勒特斯,这是一个精力旺盛的很好的小伙子.他跟随斯特恩工作,参与了整个设备的设计安装过程.想得到均匀的绝对走直线的分子或原子射线是相当困难的.斯特恩不断重复尝试但是都不成功.得到的图片都是模糊的.最后,斯特恩实在无法满意了,就要求盖拉赫来帮忙调试设备.而没有其他别的什么.盖拉赫成功了,得到了第一个好的图片.当图片出来以后,盖拉赫问我:‘这是什么意思?这有什么意义?’我解释给他这是银原子的空间量子化.他做了整个实验,但是一点不知道它意味着什么.……所以,这个实验90%的工作是斯特恩做出来的,而盖拉赫的贡献不超过10%.所以斯特恩得到了诺贝尔奖而盖拉赫没有得到.”[5]

朗德的回忆不但告诉了我们,玻恩提到过的机械师的姓名,而且他对斯特恩与盖拉赫两人对于这个实验各自的贡献有了量化的比较(9∶1).在朗德看来,这个实验的思想是斯特恩的,仪器是斯特恩制造出来的,总之在盖拉赫到来之前,斯特恩做好了做这个实验的一切准备,并已经开始了操作.而盖拉赫的作用,就是帮助斯特恩调试好仪器,得到了理想的结果.而当盖拉赫得到了结果后,对这个实验的设计思想以及实验结果能说明什么,他还都一无所知.

如果事实果真如此,我们就应该觉得朗德认为的二人对于该实验的作用之比,最少是9∶1,这种说法是有道理的.而盖拉赫没有与斯特恩一道获得诺贝尔奖,也并非不合理.

4 结束语

我们相信,文献[1]关于这个实验的说法也应该是有充足的根据的.然而,虽然玻恩和朗德都不是实验物理学家,不过他们每天与斯特恩都是在一起的,虽然他们是这个实验的亲历者.他们的回忆未必完全准确,但是对于我们还原这个实验从设计到成功的全过程,应该还是有很高的参考价值.

[1] 郭奕玲,沙振舜,沈慧君,等.物理实验史话[M].北京:科学出版社,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射线分析的发展[M].杨润殷译.北京:科学出版社,1988:33-37,56-57,110,122.