03級聯斯特恩-蓋拉赫實驗

03級聯斯特恩-蓋拉赫實驗


所謂級聯斯特恩-蓋拉赫實驗,顧名思義,就是在原實驗的後面再加上磁場,繼續做實驗。而後面加的磁場,可能與原磁場方向相同,也可能不同

這些級聯斯特恩-蓋拉赫實驗一共有三組,我們來分別看一下。

第一組實驗:我們先讓銀原子通過z方向磁場,銀原子分裂成了兩束(原實驗)。然後,我們把下面那束銀原子擋住,讓上面那束再次通過z方向磁場(如圖一)。

大家猜結果會怎樣?

這個結果很好猜,因為銀原子通過了一次z方向磁場,並分裂成了兩束。那麼,上面那束銀原子在z方向的自旋就應該都一樣(都自旋向上),你讓它們再次通過z方向磁場,它們應該都向上偏轉,因而不會分裂。

沒錯,實驗結果也的確是這樣:讓z方向分裂的銀原子的其中一束再次通過z方向的磁場後,它們沒有再次分裂

接下來,我們再看第二組實驗。

第二組實驗:還是讓銀原子先通過z方向磁場,分裂成兩束後,繼續讓上面那束銀原子再次通過一個磁場。不同的是,這次通過的不是z方向磁場,而是x方向磁場。

結果,我們看到銀原子又分裂成了兩束(如圖二)。

也就是說,被z方向磁場“篩選”過一次的銀原子,雖然在z方向的自旋一樣,但在x方向的自旋好像並不一樣。

這個結果雖然有點意外,但多多少少也可以接受。因為,你可能會認為所有的銀原子在z方向和x方向上都有一定的取值。第一個磁場把所有z方向自旋向上的銀原子篩選了出來,第二個磁場則把所有x方向自旋向上的銀原子篩選了出來。

這就好比選秀節目,每次從不同的維度篩選一批人。第一輪只有品行好的能通過,第二輪只有學習好的能通過,那麼,通過兩輪篩選的就都是品學兼優的精英了。

同理,你現在可能會認為:通過了z方向x方向兩輪篩選的銀原子,肯定都是在z方向自旋向上,在x方向也自旋向上的銀原子。這些銀原子都是歷經兩輪篩選的精英,它們都很純了,以後不管是經過z方向磁場還是x方向磁場,它們都自旋向上,肯定不會再分裂了。

帶着這樣的想法,我們進入了第三組實驗

第三組實驗就是在第二組實驗的後面再加了一個z方向磁場。也就是說,銀原子經過z方向磁場後分裂成了兩束,我們讓其中一束經過x方向磁場(第二組實驗)。再次分裂後,我們又讓其中的一束銀原子再次經過z方向磁場。

原本,我們以為銀原子經過兩輪篩選之後,在z方向和x方向上都自旋向上,再次通過z方向磁場時肯定不會再分裂。

但是,實驗結果卻讓所有人震驚了:它-居-然-再-次-分-裂-了(如圖三)!


這是一次讓人震驚的分裂,這是一次讓人百思不得其解的分裂,這是一次徹底與經典力學劃清界限的分裂,這是宣告量子力學來臨的分裂。

你盡可以去思考它再次分裂的原因,但是,只要你還在用經典力學的思維思考問題,你是找不到出路的。或者說,只要你能意識到這個分裂的核心原因,你就已經站在了量子力學的大門口。

為什麼?