التجربة (غالبًا) التي يتم التغاضي عنها والتي كشفت عن العالم الكمي | مجلة كوانتا

قبل أن تصبح قطة إيروين شرودنغر ميتة وحية في نفس الوقت، وقبل أن تنجرف الإلكترونات النقطية مثل الأمواج عبر شقوق رفيعة، كشفت تجربة أقل شهرة إلى حد ما النقاب عن الجمال المحير للعالم الكمي. في عام 1922، أثبت الفيزيائيان الألمانيان أوتو ستيرن ووالتر جيرلاخ أن سلوك الذرات محكوم بقواعد تحدت التوقعات - وهي الملاحظة التي عززت نظرية ميكانيكا الكم التي لا تزال في مهدها.

قال: "إن تجربة ستيرن-جيرلاخ هي تجربة مميزة، إنها تجربة تاريخية". بريتيسلاف فريدريش، عالم فيزياء ومؤرخ في معهد فريتز هابر في ألمانيا والذي نشر مؤخرًا مراجعة وتحريرها كتاب حول هذا الموضوع. "لقد كانت بالفعل واحدة من أهم التجارب في الفيزياء على الإطلاق."

تفسير التجربة أيضا أطلقت عقود من الجدل. في السنوات الأخيرة، تمكن الفيزيائيون المقيمون في إسرائيل أخيرًا من تصميم تجربة بالحساسية المطلوبة لتوضيح بالضبط كيف ينبغي لنا أن نفهم العمليات الكمومية الأساسية في العمل. وبهذا الإنجاز، قاموا بصياغة تقنية جديدة لاستكشاف حدود العالم الكمي. سيحاول الفريق الآن تعديل إعداد ستيرن وجيرلاخ الذي يعود تاريخه إلى قرن من الزمان لاستكشاف طبيعة الجاذبية، وربما بناء جسر بين ركيزتي الفيزياء الحديثة.

تبخير الفضة

في عام 1921، كانت فكرة اختلاف قوانين الفيزياء التقليدية عند أصغر المقاييس لا تزال مثيرة للجدل. وكانت النظرية السائدة الجديدة للذرة، التي اقترحها نيلز بور، موجودة في قلب الجدل. تضمنت نظريته نواة محاطة بالإلكترونات في مدارات ثابتة، وهي جسيمات يمكنها الدوران فقط على مسافات معينة من النواة، وبطاقات معينة، وبزوايا معينة داخل مجال مغناطيسي. كانت القيود في اقتراح بور صارمة للغاية ويبدو أنها تعسفية، مما دفع شتيرن إلى التعهد بترك الفيزياء إذا ثبت صحة النموذج.

تصور ستيرن تجربة يمكن أن تبطل نظرية بور. لقد أراد اختبار ما إذا كان من الممكن توجيه الإلكترونات الموجودة في المجال المغناطيسي بأي اتجاه، أو فقط في اتجاهات منفصلة كما اقترح بور.

خطط ستيرن لتبخير عينة من الفضة وتركيزها في حزمة من الذرات. ثم يطلق هذا الشعاع عبر مجال مغناطيسي غير منتظم ويجمع الذرات على لوح زجاجي. نظرًا لأن ذرات الفضة الفردية تشبه المغناطيسات الصغيرة، فإن المجال المغناطيسي سوف يحرفها بزوايا مختلفة اعتمادًا على اتجاهاتها. فإذا كان من الممكن توجيه إلكتروناتها الخارجية طوعًا أو كرها، كما تنبأت النظرية الكلاسيكية، فمن المتوقع أن تشكل الذرات المنحرفة مسحة واسعة واحدة على طول لوحة الكاشف.

ولكن إذا كان بور على حق، وكانت الأنظمة الصغيرة مثل الذرات تخضع لقواعد كمومية غريبة، فإن ذرات الفضة يمكن أن تتخذ مسارين فقط عبر المجال، وسوف تظهر اللوحة خطين منفصلين.

كانت فكرة ستيرن بسيطة بما فيه الكفاية من الناحية النظرية. ولكن من الناحية العملية، فإن بناء التجربة - التي تركها لجيرلاخ - كان بمثابة ما وصفه فيلهلم شوتز، طالب الدراسات العليا في جيرلاخ، في وقت لاحق بأنه "عمل أشبه بـ "العمل السيزيفي". لتبخير الفضة، احتاج العلماء إلى تسخينها إلى أكثر من 1,000 درجة مئوية دون ذوبان أي من الأختام الموجودة على غرفة التفريغ الزجاجية، التي تتحطم مضخاتها بانتظام. وقد جفت أموال التجربة مع ارتفاع معدل التضخم في ألمانيا بعد الحرب. في نهاية المطاف، قام ألبرت أينشتاين والمصرفي هنري جولدمان بإنقاذ الفريق بتبرعاتهما.

بمجرد إجراء التجربة، كان الحصول على أي نتيجة واضحة يمثل تحديًا. كانت لوحة التجميع جزءًا صغيرًا فقط من حجم رأس الظفر، لذا فإن قراءة الأنماط الموجودة في رواسب الفضة تتطلب مجهرًا. ربما بشكل ملفق، ساعد العلماء أنفسهم عن غير قصد في آداب مختبر مشكوك فيها: كان من الممكن أن تكون رواسب الفضة غير مرئية لولا الدخان المتدفق من سيجارهم، والذي كان - بسبب رواتبهم المنخفضة - غير مكلف وغني بالكبريت ساعد الفضة على التطور إلى كبريتيد الفضة الأسود النفاث المرئي. (في عام 2003، فريدريش وزميله أعيد تمثيل هذه الحلقة وأكدت أن الإشارة الفضية لم تظهر إلا بوجود دخان السيجار الرخيص.)

تدور الفضة

بعد عدة أشهر من استكشاف الأخطاء وإصلاحها، أمضى غيرلاخ ليلة 7 فبراير 1922 بأكملها، وهو يطلق النار على كاشف الفضة. وفي صباح اليوم التالي، قام هو وزملاؤه بتطوير اللوحة و الذهب ضرب: رواسب فضية انقسمت بدقة إلى قسمين، مثل قبلة من عالم الكم. قام غيرلاخ بتوثيق النتيجة في صورة مجهرية وشحنها كبطاقة بريدية إلى بور، مع الرسالة التالية: "نهنئك على تأكيد نظريتك".

هزت هذه النتيجة مجتمع الفيزياء. البرت اينشتاين تسمى إنه "الإنجاز الأكثر إثارة للاهتمام في هذه المرحلة" ورشح الفريق لجائزة نوبل. ايزيدور ربيع قالت التجربة "لقد أقنعتني مرة واحدة وإلى الأبد أن... الظواهر الكمومية تتطلب توجهًا جديدًا تمامًا". من الواضح أن أحلام ستيرن في دحض نظرية الكم جاءت بنتائج عكسية، على الرغم من أنه لم يلتزم بوعده بترك الفيزياء؛ بدلا من ذلك، هو وون جائزة نوبل عام 1943 لاكتشافه اللاحق. قال ستيرن: "لا تزال لدي اعتراضات على جمال ميكانيكا الكم، لكنها على حق".

واليوم، يدرك الفيزيائيون أن ستيرن وجيرلاخ كانا على حق في تفسير تجربتهما باعتبارها تأكيدًا لنظرية الكم التي لا تزال ناشئة. لكنهم كانوا على حق لسبب خاطئ. افترض العلماء أن مسار انقسام ذرة الفضة يتم تحديده من خلال مدار إلكترونها الخارجي، والذي يكون ثابتًا في زوايا معينة. في الواقع، يرجع الانقسام إلى تكميم الزخم الزاوي الداخلي للإلكترون، وهي كمية تُعرف باسم الدوران، والتي لن يتم اكتشافها إلا لبضع سنوات أخرى. وبمحض الصدفة، نجح التفسير لأن الباحثين نجوا بما يسميه فريدريش "مصادفة غريبة، هذه المؤامرة من الطبيعة": حدث أن تم إلغاء خاصيتين غير معروفتين للإلكترون - دورانه وعزمه المغناطيسي الشاذ.

تكسير البيض

ينص التفسير الكتابي لتجربة ستيرن-جيرلاخ على أنه أثناء انتقال ذرة الفضة، لا يدور الإلكترون لأعلى أو لأسفل. إنه في خليط كمي أو "تراكب" لتلك الحالات. تتخذ الذرة كلا المسارين في وقت واحد. فقط عند الاصطدام بالكاشف يتم قياس حالته وتحديد مساره.

لكن بدءًا من ثلاثينيات القرن العشرين، اختار العديد من المنظرين البارزين تفسيرًا يتطلب قدرًا أقل من السحر الكمي. كانت الحجة تقول بأن المجال المغناطيسي يقيس بشكل فعال كل إلكترون ويحدد دورانه. ويقول هؤلاء النقاد إن فكرة أن كل ذرة تسلك كلا المسارين في وقت واحد هي فكرة سخيفة وغير ضرورية.

من الناحية النظرية، يمكن اختبار هاتين الفرضيتين. إذا اجتازت كل ذرة المجال المغناطيسي بشخصيتين، فمن الممكن -نظريًا- إعادة تجميع تلك الهويات الشبحية. سيؤدي القيام بذلك إلى توليد نمط تداخل معين على الكاشف عند إعادة ضبطه، وهو ما يشير إلى أن الذرة قد تحركت بالفعل في كلا المسارين.

التحدي الكبير هو أنه للحفاظ على التراكب وتوليد إشارة التداخل النهائية، يجب تقسيم الشخصيات بسلاسة وسرعة بحيث يكون للكيانين المنفصلين تاريخ لا يمكن تمييزه تمامًا، ولا معرفة بالآخر، ولا توجد طريقة لمعرفة المسار الذي سلكوه. . في الثمانينيات، قرر العديد من المنظرين أن تقسيم هويات الإلكترون وإعادة تجميعها بمثل هذا الكمال سيكون غير ممكن إعادة بناء هامبتي دمبتي بعد سقوطه الكبير من على الحائط.

ولكن في عام 2019، تمكن فريق من الفيزيائيين بقيادة رون فولمان في جامعة بن غوريون في النقب لصق تلك قشر البيض نرجع سويا. بدأ الباحثون بإعادة إنتاج تجربة ستيرن-جيرلاخ، ولكن ليس باستخدام الفضة، ولكن باستخدام تكتل كمي فائق التبريد مكون من 10,000 ذرة روبيديوم، والتي قاموا بحبسها والتلاعب بها على شريحة بحجم ظفر الإصبع. لقد وضعوا دوران إلكترونات الروبيديوم في تراكب لأعلى ولأسفل، ثم طبقوا نبضات مغناطيسية مختلفة لفصل كل ذرة وإعادة تجميعها بدقة، كل ذلك في بضعة أجزاء من المليون من الثانية. وقد رأوا نمط التداخل الدقيق أولاً وتوقع في عام 1927، وبذلك أكملت حلقة شتيرن-جيرلاخ.

قال فريدريش: "لقد تمكنوا من إعادة هامبتي دمبتي معًا مرة أخرى". "إنه علم جميل، وكان تحديًا كبيرًا، لكنهم تمكنوا من مواجهته."

تزايد الماس

بصرف النظر عن المساعدة في التحقق من "كمية" تجربة ستيرن وجيرلاخ، فإن عمل فولمان يقدم طريقة جديدة لاستكشاف حدود النظام الكمي. واليوم، لا يزال العلماء غير متأكدين تمامًا كيف يمكن أن تكون الأشياء الكبيرة مع الاستمرار في الالتزام بالوصايا الكمومية، خاصة عندما تكون كبيرة بما يكفي لتدخل الجاذبية. في الستينيات، علماء الفيزياء اقترح أن تجربة Stern-Gerlach ذات الحلقة الكاملة من شأنها أن تخلق مقياس تداخل فائق الحساسية يمكن أن يساعد في اختبار الحدود الكمومية الكلاسيكية. وفي عام 2017، وسع الفيزيائيون هذه الفكرة واقترحوا إطلاق ماس صغير من خلال جهازين متجاورين من نوع ستيرن-جيرلاخ لمعرفة ما إذا كانا يتفاعلان مع الجاذبية.

وتعمل مجموعة فولمان الآن على مواجهة هذا التحدي. في عام 2021، هم أوجز طريقة لتعزيز مقياس التداخل المكون من شريحة ذرة واحدة، لاستخدامه مع الأجسام المجهرية، مثل الماس الذي يشتمل على بضعة ملايين من الذرات. منذ ذلك الحين، لقد أظهروا في سلسلة of أوراق كيف سيكون تقسيم الكتل الأكبر والأكبر أمرًا سيزيفيًا مرة أخرى، ولكنه ليس مستحيلًا، ويمكن أن يساعد في حل عدد كبير من ألغاز الجاذبية الكمومية.

وقال فولمان: "إن تجربة شتيرن-جيرلاخ بعيدة كل البعد عن استكمال دورها التاريخي". "لا يزال هناك الكثير مما سيقدمه لنا."

كوانتا تجري سلسلة من الدراسات الاستقصائية لخدمة جمهورنا بشكل أفضل. خذ خاصتنا مسح قارئ الفيزياء وسيتم إدخالك للفوز مجانا كوانتا بضائع.