Det (ofte) oversete eksperiment, der afslørede kvanteverdenen | Quanta Magasinet

Før Erwin Schrödingers kat samtidig var død og levende, og før punktlignende elektroner skyllede som bølger gennem tynde spalter, løftede et noget mindre kendt eksperiment sløret for kvanteverdenens forvirrende skønhed. I 1922 demonstrerede de tyske fysikere Otto Stern og Walther Gerlach, at atomers adfærd var styret af regler, der trodsede forventninger - en observation, der cementerede den stadig spirende teori om kvantemekanik.

"Stern-Gerlach-eksperimentet er et ikon - det er et epokeligt eksperiment," sagde Bretislav Friedrich, en fysiker og historiker ved Fritz Haber Instituttet i Tyskland, som for nylig har offentliggjort en anmeldelse og redigeret en bog på emnet. "Det var faktisk et af de vigtigste eksperimenter i fysik gennem tiderne."

Eksperimentets fortolkning også lanceret årtiers argumentation. I de senere år har fysikere baseret i Israel endelig været i stand til at skabe et eksperiment med den nødvendige følsomhed til at afklare præcis, hvordan vi skal forstå de grundlæggende kvanteprocesser på arbejde. Med den præstation skabte de en ny teknik til at udforske grænserne for kvanteverdenen. Holdet vil nu forsøge at ændre Stern og Gerlachs århundrede gamle opsætning for at undersøge tyngdekraftens natur - og måske bygge en bro mellem de to søjler i moderne fysik.

Fordampende sølv

I 1921 var forestillingen om, at fysikkens konventionelle love adskilte sig i de mindste skalaer, stadig ret omstridt. Den nye herskende teori om atomet, foreslået af Niels Bohr, levede ved argumentets kerne. Hans teori indeholdt en kerne omgivet af elektroner i faste baner - partikler, der kun kunne hvirvle i bestemte afstande fra kernen, med bestemte energier og i bestemte vinkler inden for et magnetfelt. Begrænsningerne i Bohrs forslag var så stive og tilsyneladende vilkårlige, at Stern lovede at forlade fysikken, hvis modellen skulle vise sig at være korrekt.

Stern udtænkte et eksperiment, der kunne ugyldiggøre Bohrs teori. Han ønskede at teste, om elektroner i et magnetfelt kunne orienteres på hvilken som helst måde, eller kun i diskrete retninger, som Bohr havde foreslået.

Stern planlagde at fordampe en prøve af sølv og koncentrere den til en stråle af atomer. Han ville derefter skyde den stråle gennem et uensartet magnetfelt og samle atomerne på en glasplade. Fordi individuelle sølvatomer er som små magneter, vil magnetfeltet afbøje dem i forskellige vinkler afhængigt af deres orientering. Hvis deres yderste elektroner kunne orienteres frivilligt, som klassisk teori forudsagde, ville de afbøjede atomer forventes at danne en enkelt bred udstrygning langs detektorpladen.

Men hvis Bohr havde ret, og små systemer som atomer adlød mærkelige kvanteregler, kunne sølvatomerne kun tage to veje gennem feltet, og pladen ville vise to adskilte linjer.

Sterns idé var simpel nok i teorien. Men i praksis svarede opbygningen af ​​eksperimentet - som han overlod til Gerlach - det, Gerlachs kandidatstuderende Wilhelm Schütz senere beskrev som "Sisyfos-lignende arbejde." For at fordampe sølvet var forskerne nødt til at opvarme det til mere end 1,000 grader Celsius uden at smelte nogen af ​​forseglingerne på glasvakuumkammeret, hvis pumper også jævnligt knuste. Eksperimentets midler løb tør, da Tysklands inflation efter krigen steg voldsomt. Albert Einstein og bankmanden Henry Goldman reddede til sidst holdet med deres donationer.

Da eksperimentet først kørte, var det stadig en udfordring at producere et læseligt resultat. Samlerpladen var kun en brøkdel af størrelsen af ​​et sømhoved, så læsning af mønstrene i sølvaflejringen krævede et mikroskop. Måske apokryfiskt hjalp videnskabsmændene uforvarende sig selv ud med tvivlsom laboratorie-etikette: Sølvforekomsten ville have været usynlig, hvis det ikke var for røgen, der piblede ind fra deres cigarer, som - på grund af deres lave lønninger - var billige og rige på svovl, som hjalp sølvet med at udvikle sig til synligt kulsort sølvsulfid. (I 2003, Friedrich og en kollega genopført denne episode og bekræftede, at sølvsignalet kun optrådte i nærværelse af billig cigarrøg.)

Spin af sølv

Efter mange måneders fejlfinding brugte Gerlach hele natten den 7. februar 1922 på at skyde sølv mod detektoren. Næste morgen udviklede han og kolleger tallerkenen og slog guld: en sølvaflejring pænt delt i to, som et kys fra kvanteriget. Gerlach dokumenterede resultatet i et mikrofotografi og sendte det som et postkort til Bohr sammen med beskeden: "Vi lykønsker dig med bekræftelsen af ​​din teori."

Fundet rystede fysiksamfundet. Albert Einstein kaldet det "den mest interessante præstation på dette tidspunkt" og nominerede holdet til en Nobelpris. Isidor Rabi sagde eksperimentet "overbeviste mig én gang for alle om, at ... kvantefænomener krævede en helt ny orientering." Sterns drømme om at anfægte kvanteteorien havde åbenbart givet bagslag, selvom han ikke holdt sit løfte om at holde op med fysikken; i stedet han won en Nobelpris i 1943 for en efterfølgende opdagelse. "Jeg har stadig indvendinger mod ... skønheden ved kvantemekanik," sagde Stern, "men hun har ret."

I dag erkender fysikere, at Stern og Gerlach havde ret i at fortolke deres eksperiment som en bekræftelse af den stadig spirende kvanteteori. Men de havde ret af den forkerte grund. Forskerne antog, at et sølvatoms splittede bane er defineret af kredsløbet for dets yderste elektron, som er fikseret i bestemte vinkler. I virkeligheden skyldes opdelingen kvantiseringen af ​​elektronens indre vinkelmomentum - en mængde kendt som spin, som ikke ville blive opdaget i et par år mere. Serendipitously lykkedes fortolkningen, fordi forskerne blev reddet af det, Friedrich kalder et "mærkeligt sammenfald, denne natursammensværgelse": To endnu ukendte egenskaber ved elektronen - dens spin og dens unormale magnetiske moment - kom tilfældigvis til at ophæve.

Knækning af æg

Lærebogens forklaring på Stern-Gerlach-eksperimentet hævder, at når sølvatomet rejser, er elektronen ikke spin-up eller spin-down. Det er i en kvanteblanding eller "superposition" af disse tilstande. Atomet tager begge veje samtidigt. Først ved at smadre ind i detektoren måles dens tilstand, dens vej fast.

Men fra 1930'erne valgte mange fremtrædende teoretikere en fortolkning, der krævede mindre kvantemagi. Argumentet hævdede, at magnetfeltet effektivt måler hver elektron og definerer dens spin. Tanken om, at hvert atom tager begge veje på én gang, er absurd og unødvendig, hævdede disse kritikere.

I teorien kunne disse to hypoteser testes. Hvis hvert atom virkelig krydsede magnetfeltet med to personas, så burde det være muligt - teoretisk - at rekombinere disse spøgelsesagtige identiteter. At gøre det ville generere et bestemt interferensmønster på en detektor, når de justerede sig - en indikation af, at atomet faktisk navigerede begge ruter.

Den store udfordring er, at for at bevare superposition og generere det endelige interferenssignal, skal personas opdeles så jævnt og hurtigt, at de to adskilte entiteter har fuldstændig uadskillelige historier, ingen viden om den anden og ingen måde at fortælle, hvilken vej de tog. . I 1980'erne fastslog flere teoretikere, at opdeling og rekombination af elektronens identiteter med en sådan perfektion ville være lige så umuligt som rekonstruere Humpty Dumpty efter hans store fald fra muren.

I 2019, dog et hold fysikere ledet af Ron Folman ved Ben-Gurion University of the Negev limede de æggeskaller tilbage sammen. Forskerne startede med at gengive Stern-Gerlach-eksperimentet, dog ikke med sølv, men med et underafkølet kvantekonglomeration af 10,000 rubidiumatomer, som de fangede og manipulerede på en chip på størrelse med en negl. De satte rubidium-elektronernes spins i en superposition af op og ned, og påførte derefter forskellige magnetiske impulser for præcist at adskille og rekombinere hvert atom, alt sammen på få milliontedele af et sekund. Og de så det nøjagtige interferensmønster først forudsagde i 1927, og dermed fuldende Stern-Gerlach-løkken.

"De var i stand til at sætte Humpty Dumpty sammen igen," sagde Friedrich. "Det er smuk videnskab, og det har været en kæmpe udfordring, men de har været i stand til at klare den."

Dyrkning af diamanter

Udover at hjælpe med at verificere "kvanteheden" af Stern og Gerlachs eksperiment, tilbyder Folmans arbejde en ny måde at undersøge grænserne for kvanteregimet. I dag er videnskabsmænd stadig ikke sikre hvor store objekter kan være mens de stadig overholder kvantebud, især når de er store nok til, at tyngdekraften kan gribe ind. I 1960'erne, fysikere foreslog at et fuld-loop Stern-Gerlach eksperiment ville skabe et superfølsomt interferometer, der kunne hjælpe med at teste den kvanteklassiske grænse. Og i 2017 udvidede fysikere denne idé og foreslog at skyde bittesmå diamanter gennem to tilstødende Stern-Gerlach-enheder for at se, om de interagerede tyngdekraften.

Folmans gruppe arbejder nu på den udfordring. I 2021 har de skitseret en måde at forbedre deres enkelt atom-chip interferometer til brug med makroskopiske objekter, såsom diamanter, der omfatter et par millioner atomer. Siden da har de vist sig i en serie of papirer hvordan opdeling af større og større masser igen vil være sisyfisk, men ikke umuligt, og kunne hjælpe med at løse en række kvantetyngdemysterier.

"Stern-Gerlach-eksperimentet er meget langt fra at fuldføre sin historiske rolle," sagde Folman. "Der er stadig meget, det vil give os."

Quanta gennemfører en række undersøgelser for bedre at kunne betjene vores publikum. Tag vores fysiklæserundersøgelse og du vil være med til at vinde gratis Quanta varer.