厚宇德

(臺州學院物理系,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.這一假設有助于解釋一些原子現(xiàn)象,如正常塞曼效應以及光譜的精細結構等.斯特恩-蓋拉赫實驗證實了索末菲的這一假設.

1 文獻[1]對斯特恩-蓋拉赫實驗的部分描述

文獻[1]對斯特恩-蓋拉赫實驗,有很多比較詳盡的說明.比如,該文獻對于2個人大體上的任務分工有這樣的認識: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能手,要實現(xiàn)技術上如此復雜的實驗,在那個時候對于斯特恩來說是十分艱巨的.”[1]文獻[1]敘述了斯特恩的實驗設計原理后說:“以上只是斯特恩的設想.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想,并表示愿與他合作.”

在文獻[1]的作者看來,最終重要實驗結果的獲取,也主要取決于蓋拉赫:“經過許多次嘗試,大概在1921年11月,他們取得了初步成功……不久,斯特恩離開法蘭克福大學……只剩下蓋拉赫一個人.蓋拉赫想起了不久前自己在重復德拜-舒勒用X射線衍射研究晶體結構的實驗中曾試過用直角狹縫代替針孔進行觀察,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《物理學期刊》撰文,報導了實驗所得結果”

至此,文獻[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,設計實驗的原創(chuàng)思想來自斯特恩;而攻克實驗的復雜問題的具體技術環(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能力,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”文獻與文獻[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,這些文獻已經存在40多年了(這些文獻于1967年完成).對于20世紀物理學史而言,在時間上,已經不可謂其為“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完成的.那時玻恩是這里的物理學教授,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年到哥廷根大學做教授.兩個人繼續(xù)保持著良好的關系.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 關于斯特恩-蓋拉赫實驗新發(fā)現(xiàn)的幾條文獻

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[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肅認真地看待它.”玻恩認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,我有兩個房間.在其中之一,那里有一些學生……斯特恩的設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械師,他為斯特恩做了一切.斯特恩告訴機械師需要做什么,這個東西就能被機械師做出來.……我曾建議斯特恩用這套設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了什么.他也沒有說出那個協(xié)助斯特恩的了不起的機械師的名字.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下由機械師加工制造出來的.

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

對此,可以舉一個特例再予以說明.勞厄和學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果,而且具有更大的作用,即它促進了英國科學的發(fā)展,改變了世界科學的歷史.他說:“勞厄的發(fā)現(xiàn)開拓了一個新領域.為什么對這個領域進行了深入探索的是英國,而不是在它的發(fā)源地,我認為這主要是因為我父親擅長于精確的電離測量并富于經驗,通過電離作用來研究 X射線效應,比采用長時間的照相曝光更為靈活,并具有更好的適應性,有助于取得定量的信息,而且所得結果比較容易分析;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雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn).

所以,斯特恩根據自己的實驗思想,設計并在機械師幫助下制造出實驗儀器,這是一件至關重要的事情.

除了玻恩,另外一個那時也在法蘭克福大學的玻恩的助手朗德的回憶,給出了更多關于這個實驗的細節(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,參與了整個設備的設計安裝過程.想得到均勻的絕對走直線的分子或原子射線是相當困難的.斯特恩不斷重復嘗試但是都不成功.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試設備.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備,并已經開始了操作.而蓋拉赫的作用,就是幫助斯特恩調試好儀器,得到了理想的結果.而當蓋拉赫得到了結果后,對這個實驗的設計思想以及實驗結果能說明什么,他還都一無所知.

如果事實果真如此,我們就應該覺得朗德認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 結束語

我們相信,文獻[1]關于這個實驗的說法也應該是有充足的根據的.然而,雖然玻恩和朗德都不是實驗物理學家,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確,但是對于我們還原這個實驗從設計到成功的全過程,應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:科學出版社,1988:33-37,56-57,110,122.