Метод Штерна заключался в том, чтобы приступать к эксперименту только после долгих размышлений. Как правило, он придумывал прибор, который поручал собрать своим ассистентам, студентам и лаборантам, и появлялся в лаборатории только тогда, когда прибор этот был готов: Штерн возникал на пороге, вслед за облаком сигарного дыма, и лично приступал к измерениям. Эксперимент заканчивался, статья выходила — и прибор разбирали, чтобы освободить место для следующего.
Штерн догадывался, что атомные пучки — удобный инструмент для обнаружения эффектов, предсказанных квантовой механикой, тогда только зародившейся и вызывавшей острые споры. Квантовая теория утверждала, что некоторые атомы — например, серебра — должны обладать магнитным моментом (и вести себя как магниты) из-за вращения одного-единственного электрона, который находится дальше всего от ядра. Замысел Штерна состоял в том, чтобы зафиксировать отклонение пучка атомов газообразного серебра, испаряющегося с поверхности серебряной проволоки, в сильном магнитном поле — так он надеялся измерить магнитный момент. Расхождение пучков при выключенном и включенном магнитном поле могло оказаться ничтожным, и оценить его наверняка будет трудно, если не невозможно, думал Штерн и решил обсудить перспективы опыта с коллегой, Вальтером Герлахом. “Может, нам все-таки стоит этим заняться? — спросил он и с готовностью сам себе ответил: — Ну так приступим!”
Герлах учел все технические трудности, но после ряда неудач засомневался, можно ли судить о расхождении по слабому налету серебра, едва заметному на поверхности стеклянной пластинки. Он отнес пластинку к Штерну — посоветоваться, и, пока двое физиков внимательно ее разглядывали, полоса налета толщиной в волос почернела и на глазах разделилась на две, между которыми остался узкий зазор. Как догадался Штерн, четким изображением они были обязаны дешевой сигаре, которую он курил: прежде хорошо обеспеченный, Штерн в тот момент испытывал некие финансовые затруднения и вынужден был отказаться от табака известных марок в пользу более дешевого, с высоким содержанием серы. Вот сера с его сигареты и превратила серебро в черный сульфид серебра. Но на этом история не закончилась: тщательное разглядывание показало, что след отклоненного пучка тоже расщеплен надвое, но уже с зазором толщиной в волос. Исчерпывающее объяснение появилось позже и разом изменило трактовку всей квантовой теории. Магнитный момент, определяемый (условно) скоростью вращения электрона, не бывает каким угодно: он квантован, то есть принимает только заданные значения (которые слегка отличаются друг от друга). Разные группы атомов с электронами в разных спиновых состояниях по-разному реагируют на магнитное поле, что и проявляется в расщеплении пучка. Этот результат считают моментом рождения “пространственного квантования”, новой и в то время поразительной области квантовой теории. Исидор Раби называл тот опыт “прославленным экспериментом Штерна — Герлаха”. Сам Штерн был обрадован не столько результатом, сколько тем, как он был получен.