歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1943年奧托·斯特恩

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撰文者:爾諾
發文日期:2020-02-26
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    諾貝爾物理獎從1940年到1943年都沒有頒發,直到1944年諾貝爾委員會才宣布將前一年的諾貝爾物理獎頒給了德國裔的物理學家,奧托·斯特恩(Otto Stern,1888年-1969年)。他在1944年才領到獎。他獲獎的理由是「對分子束方法的發展以及對質子磁矩的發現」。但是他最為人稱道的還是1921年到1922年期間完成的斯特恩-革拉赫實驗(Stern–Gerlach experiment)。事實上,斯特恩在得獎前被提名了八十二次!而革拉赫與斯特恩一起被提名二十七次,革拉赫還曾與查德威克,約里奧 居禮一起被提名三次,但始終無緣得獎。
     

    Otto_Stern_1950s
    By Unknown (Mondadori Publishers) - http://www.gettyimages.co.uk/detail/news-photo/portrait-of-the-american-physicist-otto-stern-1950s-news-photo/141553157, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41279889
     

    奧托·斯特恩1888年2月17日生於德意志帝國上西里西亞的索勞(Sohrau,即現在波蘭的若雷Żory)的一個猶太裔家庭,1892年與父母移居布雷斯勞(Breslau,今波蘭弗羅茨瓦夫),在那裡上中學。1912年在布累斯勞大學獲得博士學位,他的博士論文題目是高濃度溶液中滲透壓的動力學理論。同年斯特恩在布拉格的查理大學結識了愛因斯坦,後來他跟隨愛因斯坦去瑞士蘇黎世聯邦理工學院,1913年他在蘇黎世的埃得根諾工業大學擔任無薪講師(Privatdozent)。他從愛因斯坦那裡學到了許多量子理論。一戰爆發時,斯特恩加入德軍,一開始被派去東方前線負責偵查氣象,後來他被轉去柏林戰爭部的辦公室,結識了波恩,蘭德等眾多物理學家。1915法蘭克福大學理論物理所聘他擔任無薪講師,但是由於戰爭的緣故,他直到戰爭結束才赴任。他在法蘭克福待到1921年。
     

    斯特恩早年研究工作是在理論物理的領域,特別是在統計熱力學與量子理論方面有一些重要論文。從1919年他開始轉向實驗物理。斯特恩在戰時就知道法國科學家Dunoyer 在1911年發明的分子束。戰後他研發分子束,讓它成為研究分子、原子與原子核性質的有力工具。最初的分子束實驗是證明氣體速率分布的馬克士威定律。完成這個工作後,斯特恩開始和他的助理瓦爾特·革拉赫合作,做了磁場對磁矩的作用力使原子發生偏轉的實驗。這個實驗就是著名的斯特恩-革拉赫實驗。這個實驗的目的是為了驗證波爾原子模型中的空間量子化。所謂空間量子化是指帶電粒子的角動量在沿著外加磁場方向的分量為h/2π 的整數倍。而它的磁偶矩與角動量成正比。斯特恩與革拉赫設法令高溫的銀原子從高溫爐中射出,經過狹縫後形成一個原子射線束,而後銀原子射線束通過一個不均勻的磁場區域,射線束在磁場作用下發生偏折,最後落在屏上。如果原子磁矩的方向是可以任意取向的,則屏上形成一片黑斑。而實驗發現屏上形成了兩條清晰的黑斑,表明銀原子的磁偶矩只能取幾個特定的方向,從而驗證了原子角動量的投影是量子化的。斯特恩-革拉赫實驗是歷史上第一次直接觀察到原子磁矩取向量子化的實驗。但是當時的實驗結果相信與不相信波爾模型的人都大吃一驚。由於高溫爐中的溫度不足以令大多數原子從基態激發到激發態,斯特恩-革拉赫實驗主要顯示的是基態原子的角動量和磁偶矩。如果只考慮原子的軌道角動量,屏上斑紋的條數應當是 2L+1,其中L 是角量子數。對於鋰、鈉、鉀、金、銀、銅等原子,實驗得到了兩條斑紋,反推角量子數是1/2。而根據當時的理論,角量子數只能取整數,因此斯特恩-革拉赫實驗顯示,原子中不只有軌道角動量,還應當有其他形式的角動量。事實上,兩年之後奧地利物理學家包立 (Wolfgang Ernst Pauli) 就提出了古典物理沒有的”自旋角動量”!這個實驗後來也用氫原子來取代銀原子得到類似的結果。更進一步,如果在斯特恩-革拉赫實驗的屏上特定位置設置狹縫,可以選擇只讓某一能態的原子通過。這一技術廣泛應用於拉比所發明的磁共振實驗。拉比本身就是在斯特恩的分子束實驗室學到分子束的技術的。
     

    斯特恩在這個實驗完成前就接受羅斯托克大學的邀請前去擔任理論物理學副教授,但是他還是抽空回到法蘭克福完成這個實驗。但是他在羅斯托克也沒有待太久,1923年斯特恩轉到漢堡大學擔任物理化學系教授和分子束實驗室負責人。巧的是,提出自旋角動量的包立從1923年到1928年也在漢堡大學擔任講師。據說凡是包立所到之處,實驗都會出差錯,所以斯特恩禁止包立靠近他的實驗室呢。

     

    在漢堡的這段時間,斯特恩也測量了包括質子在內的亞原子粒子的磁矩。當時狄拉克已經寫下著名的狄拉克方程式,當時大家都相信它可以描寫所有的自旋為二分之一的粒子。依照狄拉克方程式,質子的磁偶矩是電子的一千八百七十分之一。當斯特恩興沖沖地向包立展示測量質子磁偶矩的實驗儀器時,包立卻冷言相譏,說道:你若是喜歡困難的實驗,儘管去做,但是我們都知道答案了。當場碰了斯特恩一鼻子灰。斯特恩在哥廷根演講時,還特地發紙給底下的聽眾,要他們預測質子磁偶矩的值,寫下來並且簽名。令人吃驚的是,斯特恩量到的值居然是狄拉克方程式預測值的二點八倍!原來狄拉克方程式只適用於沒有結構的基本粒子,但是質子卻是由夸克,膠子組成的複合粒子。斯特恩的實驗是第一個證明質子是複合粒子的證據。但是要描繪質子的樣貌要等到六零年代了。除此之外,斯特恩1929年的氫、氦射線繞射實驗是對原子和分子的波性質的精彩演示。1933年,斯特恩還利用朋友給他的幾滴珍貴的重水測量過氘的磁偶矩呢

     

    斯特恩在漢堡的實驗室是當時分子束技術的聖地,培養出下一代的物理實驗人才。但是斯特恩在漢堡的黃金歲月卻在1933年戛然而止,這是因為納粹上台後制定了種族法,斯特恩因而移居美國,開始擔任匹茲堡的卡內基技術學院的物理學研究教授,後來又成為加州大學伯克利分校的名譽教授,直到1945年退休。斯特恩終生未婚,1969年八月十七日因心臟病在加州柏克萊過世。

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