1922年，斯特恩和蓋拉赫設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)在以他們兩人名字命名的斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)(Stern-Gerlach experiment)，首次證實(shí)了原子磁矩在磁場(chǎng)中的取向是量子化的[1-2].這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅對(duì)于電子具有自旋自由度的假設(shè)給予了直接的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而且在量子力學(xué)的哥本哈根解釋的建立過(guò)程中發(fā)揮了不可替代的作用.今年是這一具有里程碑意義的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表一百周年.本刊以他們的實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖作為今年的封面，以致紀(jì)念.

奧托·斯特恩(Otto Stern)于1888年2月17日生于德國(guó)索勞(Sohrau，即現(xiàn)在波蘭境內(nèi)的Zory).早年在德國(guó)的普倫茨勞大學(xué)(University of Breslau )學(xué)習(xí)，1912年獲得博士學(xué)位.畢業(yè)后，與愛(ài)因斯坦一道先后在捷克的布拉格大學(xué)(University of Prague)和瑞士的蘇黎世聯(lián)邦高工(E.T.H., Zurich)工作.1914年，任德國(guó)法蘭克福大學(xué)(University of Frankfurt-am-Main)理論物理學(xué)講師.1923年，任德國(guó)漢堡大學(xué)(University of Hamburg)物理化學(xué)教授，并擔(dān)任實(shí)驗(yàn)室主任.他長(zhǎng)期從事利用分子束流技術(shù)研究分子性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)工作.1933年希特勒上臺(tái)后，斯特恩因自己的猶太人身份而被迫離開(kāi)德國(guó)，并移居美國(guó)，任卡內(nèi)基技術(shù)學(xué)院(The Carnegie Institute of Technology)物理學(xué)教授.1943年，他因發(fā)展了分子束方法，并測(cè)量質(zhì)子的磁矩等方面的貢獻(xiàn)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).1969年8月17日在美國(guó)加州伯克利逝世.

瓦爾特·蓋拉赫(Walther Gerlach)于1889年8月1日生于德國(guó)比布里希(Biebrich).1908年進(jìn)入德國(guó)圖賓根大學(xué)(University of Tubingen)學(xué)習(xí)，1912年獲博士學(xué)位.1916年任圖賓根大學(xué)講師，1921年任德國(guó)法蘭克福大學(xué)(University of Frankfurt)教授，1925年任圖賓根大學(xué)教授，1929年任德國(guó)慕尼黑大學(xué)(University of Munich)教授.二次大戰(zhàn)期間，他仍留在德國(guó)從事研究工作.戰(zhàn)后，蓋拉赫曾任聯(lián)邦德國(guó)波恩大學(xué)(University of Bonn)客座教授，以及慕尼黑大學(xué)教授.1979年8月10日在慕尼黑逝世.蓋拉赫在有關(guān)電磁輻射場(chǎng)、光譜學(xué)和量子理論等研究領(lǐng)域都有貢獻(xiàn)，著有《量子論基礎(chǔ)》、《磁學(xué)》、《人和自然》和《開(kāi)普勒與哥白尼學(xué)說(shuō)》等書籍.

在1922年，量子力學(xué)尚未建立.物理學(xué)家們?nèi)栽诶糜刹栆?，索末菲爾德改進(jìn)的老的量子論來(lái)研究復(fù)雜原子的光譜，特別是在有外磁場(chǎng)情況下的反常塞曼效應(yīng).根據(jù)這一理論，一個(gè)原子中電子軌道角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向上的投影值應(yīng)該是分立的，稱為空間量子化(Space quantization).有趣的是，盡管物理學(xué)家們是根據(jù)這一結(jié)果來(lái)計(jì)算原子能級(jí)在外磁場(chǎng)中的分裂值的，卻沒(méi)有人相信空間量子化現(xiàn)象是實(shí)驗(yàn)上可以直接觀測(cè)的.但斯特恩相信，可以利用他發(fā)展起來(lái)的分子束方法來(lái)驗(yàn)證這一理論.為此，他與蓋拉赫一起設(shè)計(jì)了如下的實(shí)驗(yàn)裝置：將金屬銀在爐內(nèi)加熱，蒸發(fā)出銀原子，使之通過(guò)狹縫形成細(xì)束，并經(jīng)過(guò)一個(gè)磁場(chǎng)梯度垂直于射束方向的不均勻區(qū)域，最終凝結(jié)在一塊顯像板上(當(dāng)然，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置是處于一個(gè)抽成真空的環(huán)境內(nèi)的).若原子中的電子具有不為零的角動(dòng)量，則它也具有磁矩μ，故受到一個(gè)與其在外磁場(chǎng)方向的投影成正比的力:

由于物理學(xué)家們當(dāng)時(shí)相信，處于銀原子最外層軌道上的電子具有軌道角動(dòng)量L=1，故其在外磁場(chǎng)方向上的有效投影值只有兩個(gè)(投影值為零的軌道被認(rèn)為是不存在的)，那么在顯像板上應(yīng)該顯現(xiàn)出上、下兩條分立的斑跡.斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)了這一理論預(yù)言，盡管后人發(fā)現(xiàn)，真正導(dǎo)致分立斑跡出現(xiàn)的實(shí)際上是電子的自旋自由度，而非其軌道角動(dòng)量[3].

有關(guān)斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中所遇到的種種困難以及一些逸聞趣事的回顧，可參見(jiàn)文獻(xiàn)[4].