图:苏黎世联邦理工学院图书馆,约 1940 / Wikimedia Commons / 公有领域
奥托·施特恩
Otto Stern1888–1969 · 生于德国索劳(今波兰扎雷) · 德国裔美国
为了推翻量子论而设计的实验,成了量子论最漂亮的证据
诺贝尔物理学奖 1943 对分子射线方法的发展,以及发现质子的磁矩
诺贝尔奖名单上有不少人是因为验证了自己相信的东西而获奖的。施特恩属于相反的那一类:他做那个实验,是为了证明玻尔和索末菲在胡说。
爱因斯坦的第一个博士后
他 1912 年在布雷斯劳拿的是物理化学博士,读的是溶液理论。同一年他跑去布拉格投奔爱因斯坦,成了后者的第一位博士后,此后又跟着去了苏黎世。这段经历给了他一种独特的位置感——他做的是最动手的实验,脑子里装的却是理论家的问题。
把分子变成一束
1919 年在法兰克福,他把「分子射线」发展成了一门技术:让蒸气从小孔喷进高真空,用狭缝把它准直成一束笔直飞行、互不碰撞的原子。这在当时是极难的手艺,真空、束流强度、对准全在技术边缘上。
第一件事他就用它直接验证了麦克斯韦的速率分布——此前那只是统计力学的推论,从没有人量过单个分子跑多快。
一个想要证伪的实验
方向量子化那条规则说,原子磁矩在磁场方向上的投影只能取几个分立的值。施特恩认为这是荒谬的,还放过话:如果玻尔那套胡说居然是对的,他就不干物理了。
1922 年他和格拉赫做出了结果:银原子束穿过强梯度磁场后分成两条,中间是空的(实验本身见本站「施特恩-格拉赫实验」页)。他们连夜给玻尔寄了明信片,写着恭喜您的理论得到证实。
他没有兑现那句话,而这正是这个实验最好的地方——它不是设计来印证信念的,所以结论格外硬。
至于这两条为什么是两条,其中还藏着一次「两个错误恰好相消」的巧合,那要等到三年后自旋出现才说得清。
又一次意外
1933 年,他和弗里施用同一套方法量了质子的磁矩。按狄拉克方程,质子若是点状粒子,磁矩应当正好是一个核磁子。测出来是约 2.5 倍。
这个结果当时几乎没人知道该怎么办,今天回头看却是质子有内部结构的第一个硬证据,比夸克模型早了三十年。诺贝尔奖的授奖理由写的正是这件事,而不是那个更有名的实验。
汉堡之后
同一年他被迫辞去汉堡的教职,去了美国。他此后再没做出同等分量的工作,1945 年就提前退休了。
他是诺贝尔奖历史上获得提名次数第二多的人——1925 至 1945 年间被提名 82 次。而在他被提名的那些年里,德国正在把他这样的人一个个赶走。
代表方程
不均匀磁场中的偏转力
均匀磁场只会让磁矩转动,不产生位移;有梯度的磁场才会把它推开,推力正比于磁矩在梯度方向上的投影。所以屏上的落点直接读出了这个投影是连续的还是分立的。
伟大发现
出处
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