一个世纪前，
斯特恩-格拉赫（Stern-Gerlach）实验确立了量子力学的真理。现在，它被用来探索量子理论和引力的冲突。
奥托·斯特恩(Otto Stern, 左)和瓦尔特·格拉赫（Walther Gerlach）开始挑战量子力学。然而，他们的实验却为这个新生的领域奠定了基础。来源：德国博物馆；尼尔斯·玻尔档案馆
在欧文·薛定谔（Erwin Schrödinger）的猫同时处于死和活状态之前，也在点状电子像波浪一样穿过细缝之前，一个鲜为人知的实验揭开了量子世界那令人困惑的神秘面纱。1922年，德国物理学家奥托·斯特恩（Otto Stern）和瓦尔特·格拉赫(Walther Gerlach)证明了，原子的行为受一些规则支配，而这些规则与人们的预期截然不同——这一观察巩固了还未成熟的量子力学理论。
“施特恩-格拉赫实验是一个标志——它是一个划时代的实验，德国弗里茨哈伯研究所的物理学家兼历史学家布列蒂斯拉夫·弗里德里希（Bretislav Friedrich）说，他最近发表了一篇评论并编辑了一本关于该实验的书。“这确实是物理学史上最重要的实验之一。”
该实验的解释也引发了数十年的争论。近年来，以色列的物理学家终于能够设计出一种具有所需灵敏度的实验，来准确阐明我们应该如何理解工作中的基本量子过程。有了这一项突破，他们发明了一种探索量子世界边界的新技术。该团队现在将尝试修改斯特恩和格拉赫的百年历史的老装置，以探索引力的本质——并可能在现代物理学的两大支柱之间架起一座桥梁。
在1921年，传统物理定律在最小尺度上的差异仍然颇具争议。由尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）提出的新的居于统治地位的原子理论是争论的关键。他的理论特别指出：原子核周围存在着在固定轨道上运动的电子，这些粒子只能在距离原子核一定距离的地方，以一定的能量，在磁场中以一定角度旋转。玻尔提出的约束条件是如此的严格甚至有些随意，以至于斯特恩发誓：如果模型被证明是正确的，他将退出物理学界。
斯特恩设想了一个可以推翻玻尔理论的实验。他想测试电子在磁场中是否可以定向，还是像玻尔提出的那样只能在离散方向上定向。
斯特恩计划蒸发一个银样品，并将其汇聚成原子束。然后，他将光束射入到一个非均匀的磁场，并将原子收集到一块玻璃板上。因为单个银原子就像小小磁铁，磁场会根据它们不同的方向使它们发生不同角度的偏转。如果它们最外层的电子能像经典理论所预测的那样任意定向，那么被偏转的原子将沿着探测板形成一个单一的宽轨迹。
但是，如果玻尔是正确的，并且像原子这样的微小系统遵循奇怪的量子规则，那么银原子在磁场中只能走两条路径，而平板就会显示出两条不连续的线。
斯特恩的想法在理论上很简单。但在实践中，建立这个实验的任务交给了格拉赫（Gerlach）以及格拉赫的研究生威廉·舒茨（Wilhelm Schütz)，后来威廉·舒茨描述这个实验为“西西弗斯式的劳动”。为了使银蒸发，科学家们需要将其加热到1000摄氏度以上，同时不能融化玻璃真空室的任何密封装置，真空室的泵也经常破碎。随着德国战后通货膨胀飙升，这项实验的资金枯竭。阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）和银行家亨利·戈德曼（Henry Goldman）最终用他们的捐款拯救了这支实验团队。
一旦实验开始运行，要想获得清晰的结果仍然是一个挑战。收集板只有指甲盖大小的一小块，所以想要读取银沉积物中的图案需要一台显微镜。也许是天方夜谭，科学家的一些不太符合实验室规范的操作意外的帮助自己解决了这个问题：如果不是他们的雪茄飘进来的烟，银沉积层本来是看不见的；因为他们的工资低，雪茄便宜，而且富含硫，这有助于银变成能够看得见的黑色硫化银。（在2003年，弗里德里希和一位同事重现了这一幕，证实了银沉积层信号只在廉价雪茄烟的作用下出现。）
经过数月的故障排除，格拉赫在1922年2月7日的整个晚上一直在向探测器发射银原子束。第二天早上，他和同事们应用了这块板并向其轰击金原子，一个银沉积层被整齐地分成了两半，就像量子领域的一个吻。格拉赫用显微镜照片记录了这一结果，并将其作为明信片寄给玻尔，并附上了这样的信息：“我们祝贺你的理论得到了证实。”
这一发现震惊了物理界。阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）称其为“目前最有意思的成就”，并提名该团队获得诺贝尔奖。伊西多尔·拉比（Isidor Rabi）说：“这个实验彻底说服了我…量子现象需要一个全新的方向。”斯特恩抨击量子理论的梦想显然事与愿违，尽管他没有遵守放弃物理学的承诺；相反，他因随后的发现而在1934年获得了诺贝尔奖。“我仍然反对……量子力学之美”斯特恩说，“但她是正确的。”
斯特恩和格拉赫的实验装置。
