林肯实验室演义--第五回缅怀大师平生科学实验为本

上回说到RAD实验室的“科学的心脏和灵魂”--Isidor Isaac Rabi，这回我们专门对插入一回对Rabi进行介绍。

图1 Isidor Isaac Rabi

图2 Rabi 和几名Nobel Prize获得者在一起 (后排站立着从左到右依次为Val Fitch, James Cronin, Samuel Chao Chung Ting ，Rabi左边坐着的是杨振宁)

Isidor Isaac Rabi原名IsraelIsaac Rabi，出生于1898年7月29日，卒于1988年1月11日，美国物理学家。Rabi是美国第一批从事用于微波雷达腔磁控管（Cavity magnetron）研究的科学家之一。他最大的贡献是他于1944年发现了核磁共振（nuclear magnetic resonance）而获得诺贝尔奖，该技术已经广泛应用于目前众所周知的磁共振成像。

Rabi出生于一个波兰犹太人家庭，信奉东正教。出生后不久，Rabi就随同家人移民到了美国。后来几经辗转，在1907年，Rabi 约10岁时，随家人搬到了布鲁克林的布朗斯维尔，在那里他们经营了一家杂货店。少年时代的Rabi就对科学非常感兴趣。 他从公共图书馆借来的科学书籍来阅读，并自己动手组装了自己的收音机。他在小学时就在Modern Electrics杂志上发表了他的第一篇科学论文，是关于无线电电容器的设计的。

在阅读有关哥白尼的理论后，Rabi成了无神论者。但作为与他父母的妥协，他在家举行了Bar Mitzvah（注：Bar Mitzvah是犹太男孩13岁时举行的宗教启动仪式，被视为准备遵守宗教戒律，并有资格参加公共礼拜）仪式，但在仪式上Rabi却发表了一通关于电灯如何工作的讲演。

中学时，他就读于布鲁克林的手工训练中学，并于1916年毕业。同年晚些时候，Rabi作为电气工程学生进入康奈尔大学，但很快转学化学。在美国1917年加入第一次世界大战之后，他加入了康乃尔的学生军训练团。在Rabi的毕业论文中，他研究了锰的氧化态。 Rabi在1919年6月获得理学学士学位。 但由于当时犹太人开始受到排斥而被排除在化学工业和学术界之外，Rabi没有收到任何工作机会。 后来他曾作为簿记员在Lederle实验室短暂工作。

1922年，Rabi作为化学研究生回到康奈尔，开始学习物理学。在1923年，他遇到了Helen Newmark，她当时是亨特学院夏季学期的学生。为了在她回家时仍能够接近她，Rabi在哥伦比亚大学继续了他的学业，在哥伦比大学他的导师是Albert Wills。 在1924年6月，Rabi开始在纽约市立学院作为兼职辅导老师工作。 遗憾的是，他导师Wills的专长是磁性，因此他建议Rabi在博士论文中研究钠蒸汽的磁化率。该主题没有吸引Rabi，但是在威廉·劳伦斯·布拉格（WilliamLawrence Bragg）在哥伦比亚大学举行了一个称为“Tutton盐”的某些晶体的电磁敏感性的研讨会之后，Rabi决定研究其磁化率，Wills也同意了继续担任他的导师。

首先测量晶体的磁共振涉及到单晶培养，这是通常由小学生完成的简单过程。这些晶体必须通过巧妙地将它们切割成具有不同于晶体的内部结构的方向的方法来制备，并且对磁场的响应也必须精心测量。当Rabi的水晶正在生长时，他读到了詹姆斯·克莱克·麦克斯韦尔（James ClerkMaxwell）的“1873年电力与磁性论”（A Treatise on Electricity andMagnetism），这启发了Rabi采取一种更简单的方法。他将一个连接在扭力平衡上的玻璃纤维上的晶体放入溶液中，这时晶体的磁化率可以在两个磁极之间变化。当与水晶相匹配时，可以打开和关闭磁体，而不会干扰晶体。这种新方法不仅工作量少，而且产生了更为准确的结果。Rabi于1926年7月16日将他的题为“磁性敏感性敏感性”的论文发表到“物理评论”上，而他第二天他就与Helen Newmark结了婚。Rabi的这篇论文并未在学术界的引起大多影响，尽管Kariamanickam Srinivasa Krishnan读过他的这篇论文，而Krishnan自己也晶体研究中采用了这个方法。对于这件事，Rabi的结论是科研的工作不仅需要发表，而且需要宣传。

20世纪20-30年代的欧洲是物理学研究的中心，像许多其他年轻的物理学家一样，Rabi也时刻紧跟着欧洲学术界发展的重大事件。 他对Stern–Gerlach实验感到震惊，这使Rabi开始对量子力学的感兴趣。

注： Stern–Gerlach实验是近代物理学中的一个重要实验，在量子理论的发展中起到了重大作用。它的主要情况是这样的：

量子理论创始人之一玻尔从理论上较好地解释了氢原子光谱特性，但对稍微复杂的类氢原子的光谱特性的解释却遇到了困难。于是A.Sommorfeld在玻尔理论的基础上提出原子中电子绕核以椭圆轨道运动的理论，并且认为电子运动轨道平面只能在空间取某些分立的方向，这就是所谓的“空间量子化”。Sommorfeld的这一补充可以满一地描述微复杂类氢原子的斯塔克效应和正常赛曼效应等现象。然而一直没有人能够从实验上演示过空间量子化的存在。

美国的Otto Stern对此进行了研究，并考虑让银原子束通过非均匀磁场，然后观察原子束的偏转来寻找空间量子化的证据。如果如量子理论所预言的原子磁矩仅取某些方向的话，那么原子束经过不均匀磁场的偏移只能是有限的，而且具有一定值，原子束将被分成几个部分。于是Stern（偏实验理论）和Gerlach（偏实践操作）合作，设计了一个实验装置，如下图所示，

图3 Stern–Gerlach实验

    他们观察到银原子束在非均匀磁场中分裂成分立的两束，一束吸向刃形磁极，另一束则斥离刃形磁极，找不到不受偏转的原子。这个实验使原子在磁场中方向的量子化得到直接的实验证明，完成证实了量子理论的预言。不过，这个实验结果也给量子学家带来了新的困难，即无法用旧量子理论来解释，这说明旧量子论还不够完善，由此在这一系列实验的基础上，诞生了“电子自旋”的概念，从某种意义上说，Stern–Gerlach实验也证实了电子自旋的存在。

（未完待续）