我找到了開啟量子世界大門的鑰匙

什麼是斯特恩-蓋拉赫實驗呢?一句話說就是:一束銀原子通過一個不均勻的磁場之後,銀原子分裂成了兩束

我找到了開啟量子世界大門的鑰匙

就這麼簡單。

當然,實驗看起來很簡單,但是稍微一細想,就會發現一些很奇怪的事情。

比如,中學的時候我們學過帶電粒子在磁場中會受到洛倫茲力,因而會偏轉。但是,這裡用的是銀原子,整體並不帶電,不帶電的粒子在磁場中為什麼會偏轉呢?

如果大家都是同樣的銀原子,磁場也是一樣的,按理說,即便銀原子會受力偏轉,大家的軌跡也應該是一樣的啊?那為什麼它會分裂成兩束呢?

還有,表述裡說了這是一個不均勻磁場,這個不均勻是一定需要的麼?如果磁場是均勻的,那還會有這樣的結果麼?

看似簡單的實驗背後卻暗藏玄機,看似簡單的現象卻無法理解,這就會促使我們深入思考。

好,接下來我們就一個個問題具體分析。

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首先,為什麼中性的原子在磁場中會偏轉?

問題的關鍵就在「不均勻」這三個字上,因為磁場是不均勻的,所以它才會偏轉。如果是均勻的磁場,銀原子就不會偏轉了。

銀原子在磁場中偏轉了,那肯定表明它受到了什麼力。

一個粒子如果想跟電場發生相互作用,它必將具有電荷;一個粒子想跟磁場發生相互作用,它就必須具有磁矩,而磁矩是正比於角動量的。利用電磁學知識進行簡單的計算,我們會發現銀原子在磁場中受力大小正比於角動量和磁場在這個方向上的變化率。

也就是說,銀原子的角動量越大,它受到的力越大;磁場在z方向上變化得越快,這個力越大

所以我們可以得出結論:如果你給的磁場在z方向是不均勻的,而且你的銀原子具有一定的角動量,這個銀原子就會偏轉

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有了這個結論,問題看起來前進了一步,但依然非常棘手。

為什麼?就如你所言,我這個銀原子想在磁場中受力,需要滿足兩個條件:第一,磁場不均勻;第二,銀原子具有一定的角動量。

不均勻的磁場好說,我們確實給了一個不均勻的磁場,但銀原子的角動量從哪裡來的?

我們知道,一個物體只有旋轉起來,它才具有角動量。銀原子具有角動量,難道你能控制銀原子旋轉?

而且,就算銀原子在旋轉,大量銀原子在那裡做無規則的熱運動,它也肯定是轉得快的有,轉的慢的也有,朝上轉的有,朝下方轉的也有。這樣的話,那銀原子的角動量應該是各種各樣的都有,那銀原子受到的力也應該是各種各樣的。

那麼,受力大一點的,它就偏轉得遠一點;受力小一點的,它就偏轉的近一點。所以,最終呈現在螢幕上的,也應該是距離中點從近到遠,哪裡都有銀原子。那最終的結果,就應該是螢幕上出現一條線,而絕不應該是分裂成兩束,在螢幕上打了兩個點啊。

銀原子只分裂成兩束,一束朝上,一束朝下,並且距離相等。那就只能說明:那一堆銀原子只受到兩個力的作用,一個朝上,一個朝下,並且這兩個力大小相等,方向相反。

而磁場又是一樣的,你只受到兩個力,那自然就說明:銀原子的角動量只能取兩個值,並且它們大小相等,方向相反

如果這裡有無數的銀原子,但是它們的角動量卻只能取兩個值。那麼,這個角動量就絕對不可能是由於銀原子的無規則熱運動引起的,不可能是銀原子自己圍著什麼軸旋轉帶來的角動量。

那唯一的結果就是:銀原子自己本身就帶有一種角動量,這個角動量只能取兩個值,它們大小相等,方向相反。就像一個粒子自己本身就帶有電荷,正電荷或者負電荷一樣。

所以,這個實驗首先讓我們發現了:銀原子本身具有一種內秉的角動量,這種角動量並不是它圍著外部空間旋轉帶來的,而是自己與生俱來的,就像電子和質子與生俱來具有電荷一樣。

這種新的內秉的角動量,就叫自旋

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也就是說,銀原子具有自旋,它的自旋可以取兩個值,它們大小相等,方向相反。

我們進一步把銀原子拆開,進入銀原子的內部,你會發現銀原子的核外具有47個電子。其中,46個電子都在內層滿滿的排好了,最外層只有1個電子,銀原子的自旋就是由這最外層的1個電子帶來的。

這也是我們選擇銀原子做實驗的原因。因為它的最外層只有一個電子,角動量的取值只有兩個,這樣問題就比較簡單。如果我們選擇其他元素,核外有三四個電子,那它們經過不均勻磁場的時候,還不知道要分裂成多少束呢。

這樣,我們就能完全理解斯特恩-蓋拉赫實驗了。

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問:為什麼銀原子經過磁場會分裂成兩束?

答:因為銀原子最外層有一個電子,電子的自旋可以取大小相等,方向相反的兩個值(±1/2)。所以,銀原子整體就表現出具有大小相等,方向相反的兩個自旋角動量,這樣它們經過不均勻磁場的時候,自然就會分裂成上下相等的兩束。

斯特恩-蓋拉赫實驗弄清楚了,好戲才剛剛開始,因為更精彩的是級聯斯特恩蓋拉赫實驗

級聯斯特恩-蓋拉赫實驗,顧名思義,就像三級火箭那樣,一級連著一級,所以叫級聯。具體到實驗裡就是,我們讓一束銀原子經過一個不均勻磁場,銀原子分裂成了兩束。

然後我們把其中的一束擋住,讓另外一束再次通過一個不均勻磁場(磁場的方向可以與原來的不同)。當然,你要高興,還可以到後面再級聯一次。

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這個級聯斯特恩-蓋拉赫實驗,我們一共做了三次。

第一次實驗:我們讓銀原子通過z方向的磁場(本文後面提到的磁場,未加宣告時均指不均勻磁場),銀原子分裂成了兩束。然後,我們把下面那一束擋住,讓上面那一束再次經過z方向不均勻磁場。

你猜結果怎麼著?第一次通過z方向磁場的銀原子,再次立馬通過z方向磁場,銀原子依然只有一束,並沒有再次分裂成兩束。

銀原子第二次沒有分裂成兩束,意味著銀原子們第二次只受到了一個力的作用。只受到一個力,自然就意味著第二次銀原子角動量的取值,只有一個。

這就說明,一開始銀原子在z方向的角動量可以取兩個值,經過第一個z方向磁場以後,上面一束銀原子的角動量在z方向上就只能取一個值了。這樣,它們在第二次通過z方向磁場時,才能不分裂為兩束。

第二次實驗:這次實驗跟上次類似,也是兩級的級聯。跟實驗一唯一的不同,就是銀原子第一次通過z方向的磁場分裂成兩束後,我讓上面的銀原子再次通過的磁場是x方向的。

也就是說,銀原子第一次經過的是z方向的磁場,第二次經過的卻是x方向的磁場。但是,實驗二的結果卻跟實驗一不一樣,銀原子經過第二個x方向的磁場時,居然又再次分裂成了兩束。

這意味著啥?這意味著通過第二個磁場的時候,銀原子在x方向上的角動量可以取兩個值。

通過第一個z方向磁場的時候,銀原子分裂成了兩束。我們擋住下面那一束,讓在z方向上只能取一個值的上面一束(實驗一的結論)再次經過x方向的磁場,結果在x方向上又分裂成了兩束。

當然,這個結果似乎也並不是那麼難理解。因為我們第一次只是篩選了一下z方向的角動量,並沒有篩選x方向上的,因此,我們覺得第二次經過x方向的時它再次分裂也不奇怪。

但是,如果我在後面再加一個磁場呢?

第三次實驗:在實驗二的基礎上,我們又加了一個z方向的磁場。也就是說,我們第一次讓銀原子經過z方向磁場,銀原子分裂成了兩束。我們讓其中一束經過x方向磁場,結果銀原子又分裂成了兩束。

那麼,經過了一次z方向磁場,一次x方向磁場之後,我們再讓一束銀原子再次經過z方向的磁場,你們猜結果會怎麼著?

你是不是在想:第一次經過z方向磁場,我們已經把所有的銀原子分成了兩部分,我們去掉了一份,那剩下的銀原子在z方向上的角動量應該都是一樣的了。

同樣,第二次經過x方向磁場時,我們相當於把銀原子在x方向上又篩選了一遍,經過了磁場以後,每一束銀原子在x方向上的角動量應該都只有一個確定的值了。

那麼,經過了兩輪篩選,我們要的銀原子應該已經很純了,它們在z方向和x方向上的取值應該都是唯一的了。所以,後面不論是再經過z方向的磁場還是x方向上的磁場,銀原子應該都不會再分裂了吧?因為它們已經經過兩次提純了,剩下的都是在z和x方向只有一個取值的銀原子了。

但是,結果讓人大跌眼鏡:經過z方向和x方向的磁場以後,你再讓一束銀原子通過z方向的磁場,銀原子居然又分裂成了兩束

我找到了開啟量子世界大門的鑰匙

驚不驚喜,刺不刺激?你給我翻譯翻譯,什麼叫驚喜?這就叫驚喜!

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如果你一路思路清晰的走到這裡來了,你現在肯定兩耳發翁,腦袋發懵。因為這不科學,怎麼會又分裂成兩束呢?怎麼感覺前面白篩選了,我的篩子漏水了,不好使了?

這不是不科學,而是不「經典力學」。

為什麼第三次通過z方向的磁場時,銀原子又分裂成了兩束?難道第一次z方向的磁場沒能把銀原子篩選成兩束,不對啊,明明已經分裂了,而且實驗一里再次通過z方向磁場時,它確實沒有再分裂。

那為什麼中間通過了一次x方向的磁場之後,再通過z方向的磁場,它就又分裂了呢?

想不通。

想不通就對了,因為你現在腦子裡的圖景都是經典的,我們需要進入量子世界,把腦袋裡的圖景升級成量子版本的才行。

這就是為何斯特恩-蓋拉赫實驗是開啟量子世界大門的鑰匙。

原標題:什麼是斯特恩-蓋拉赫實驗?為何要從這裡進入量子世界?

來源:長尾科技

編輯:Eric

1. 2. 3. 4. 5. 6. 10. 如何科學地與天橋上的貼膜小哥對線?

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