Das (oft) übersehene Experiment, das die Quantenwelt enthüllte | Quanta-Magazin

Bevor Erwin Schrödingers Katze gleichzeitig tot und lebendig war und bevor punktförmige Elektronen wie Wellen durch dünne Schlitze strömten, lüftete ein etwas weniger bekanntes Experiment den Schleier über die verblüffende Schönheit der Quantenwelt. Im Jahr 1922 zeigten die deutschen Physiker Otto Stern und Walther Gerlach, dass das Verhalten von Atomen von Regeln bestimmt wird, die alle Erwartungen übertrafen – eine Beobachtung, die die noch junge Theorie der Quantenmechanik festigte.

„Das Stern-Gerlach-Experiment ist eine Ikone – es ist ein epochales Experiment“, sagte er Bretislav Friedrich, ein Physiker und Historiker am Fritz-Haber-Institut in Deutschland, der kürzlich veröffentlicht hat Eine Rezension und bearbeitet ein Buch zum Thema. „Es war tatsächlich eines der wichtigsten Experimente der Physik aller Zeiten.“

Auch die Interpretation des Experiments ins Leben gerufen Jahrzehntelange Auseinandersetzung. In den letzten Jahren ist es in Israel ansässigen Physikern endlich gelungen, ein Experiment mit der nötigen Sensibilität durchzuführen, um genau zu klären, wie wir die grundlegenden Quantenprozesse verstehen sollten. Mit dieser Leistung entwickelten sie eine neue Technik zur Erforschung der Grenzen der Quantenwelt. Das Team wird nun versuchen, den jahrhundertealten Aufbau von Stern und Gerlach zu modifizieren, um die Natur der Schwerkraft zu erforschen – und vielleicht eine Brücke zwischen den beiden Säulen der modernen Physik zu schlagen.

Verdampfendes Silber

Im Jahr 1921 war die Vorstellung, dass sich die konventionellen Gesetze der Physik auf kleinsten Skalen unterschieden, noch sehr umstritten. Die neue herrschende Theorie des Atoms, vorgeschlagen von Niels Bohr, stand im Mittelpunkt der Auseinandersetzung. Seine Theorie sah einen Kern vor, der von Elektronen auf festen Bahnen umgeben war – Teilchen, die nur in bestimmten Abständen vom Kern, mit bestimmten Energien und in bestimmten Winkeln innerhalb eines Magnetfelds wirbeln konnten. Die Einschränkungen in Bohrs Vorschlag waren so starr und scheinbar willkürlich, dass Stern versprach, die Physik aufzugeben, sollte sich das Modell als richtig erweisen.

Stern erfand ein Experiment, das Bohrs Theorie entkräften könnte. Er wollte testen, ob Elektronen in einem Magnetfeld beliebig ausgerichtet werden können oder nur in diskrete Richtungen, wie Bohr vorgeschlagen hatte.

Stern plante, eine Silberprobe zu verdampfen und sie zu einem Atomstrahl zu konzentrieren. Anschließend schickte er diesen Strahl durch ein ungleichmäßiges Magnetfeld und sammelte die Atome auf einer Glasplatte. Da einzelne Silberatome wie kleine Magnete wirken, werden sie je nach Ausrichtung vom Magnetfeld in unterschiedlichen Winkeln abgelenkt. Wenn ihre äußersten Elektronen beliebig ausgerichtet werden könnten, wie die klassische Theorie vorhersagte, wäre zu erwarten, dass die abgelenkten Atome einen einzigen breiten Streifen entlang der Detektorplatte bilden würden.

Aber wenn Bohr recht hätte und winzige Systeme wie Atome seltsamen Quantenregeln gehorchten, könnten die Silberatome nur zwei Wege durch das Feld nehmen und die Platte würde zwei diskrete Linien zeigen.

Sterns Idee war theoretisch einfach genug. Doch in der Praxis lief der Aufbau des Experiments – den er Gerlach überließ – auf das hinaus, was Gerlachs Doktorand Wilhelm Schütz später als „Sisyphos-ähnliche Arbeit“ bezeichnete. Um das Silber zu verdampfen, mussten die Wissenschaftler es auf über 1,000 Grad Celsius erhitzen, ohne dass die Dichtungen der gläsernen Vakuumkammer schmolzen, deren Pumpen zudem regelmäßig kaputt gingen. Die Mittel des Experiments gingen zur Neige, als die Nachkriegsinflation in Deutschland in die Höhe schoss. Albert Einstein und der Bankier Henry Goldman retteten das Team schließlich mit ihren Spenden.

Sobald das Experiment lief, war es immer noch eine Herausforderung, ein lesbares Ergebnis zu erzielen. Die Kollektorplatte hatte nur einen Bruchteil der Größe eines Nagelkopfes, daher war zum Lesen der Muster in der Silberablagerung ein Mikroskop erforderlich. Vielleicht apokryphisch haben sich die Wissenschaftler versehentlich mit fragwürdiger Laboretikette beholfen: Die Silberablagerung wäre unsichtbar gewesen, wenn nicht der Rauch ihrer Zigarren eingedrungen wäre, die – wegen ihres niedrigen Gehalts – billig und reich an Schwefel waren trug dazu bei, dass sich das Silber zu sichtbarem tiefschwarzem Silbersulfid entwickelte. (Im Jahr 2003 haben Friedrich und ein Kollege hat diese Episode nachgestellt und bestätigte, dass das Silbersignal nur in Gegenwart von billigem Zigarrenrauch auftrat.)

Der Spin von Silber

Nach vielen Monaten der Fehlersuche verbrachte Gerlach die ganze Nacht des 7. Februar 1922 damit, Silber auf den Detektor zu schießen. Am nächsten Morgen entwickelten er und Kollegen die Platte und schlug Gold: eine Silberablagerung, die sauber in zwei Teile geteilt ist, wie ein Kuss aus dem Quantenreich. Gerlach dokumentierte das Ergebnis in einer Mikrofotografie und schickte es als Postkarte an Bohr, zusammen mit der Nachricht: „Wir gratulieren Ihnen zur Bestätigung Ihrer Theorie.“

Der Befund erschütterte die Physik-Community. Albert Einstein namens Es sei „die derzeit interessanteste Leistung“ und nominierte das Team für einen Nobelpreis. Isidor Rabi sagte, das Experiment „hat mich ein für alle Mal davon überzeugt, dass … Quantenphänomene eine völlig neue Orientierung erforderten.“ Sterns Träume, die Quantentheorie in Frage zu stellen, gingen offensichtlich nach hinten los, obwohl er sein Versprechen, die Physik aufzugeben, nicht einhielt; stattdessen er gewonnen 1943 erhielt er für eine spätere Entdeckung den Nobelpreis. „Ich habe immer noch Einwände gegen die … Schönheit der Quantenmechanik“, sagte Stern, „aber sie hat Recht.“

Heute erkennen Physiker an, dass Stern und Gerlach Recht hatten, als sie ihr Experiment als Bestätigung der noch jungen Quantentheorie interpretierten. Aber sie hatten aus dem falschen Grund Recht. Die Wissenschaftler gingen davon aus, dass die gespaltene Flugbahn eines Silberatoms durch die Umlaufbahn seines äußersten Elektrons definiert wird, die in bestimmten Winkeln fixiert ist. In Wirklichkeit ist die Aufspaltung auf die Quantisierung des inneren Drehimpulses des Elektrons zurückzuführen – eine Größe, die als Spin bekannt ist und erst in einigen Jahren entdeckt werden würde. Zufälligerweise ging die Interpretation auf, weil die Forscher durch etwas gerettet wurden, das Friedrich als „seltsamen Zufall, diese Verschwörung der Natur“ bezeichnet: Zwei noch unbekannte Eigenschaften des Elektrons – sein Spin und sein anomales magnetisches Moment – ​​hoben sich zufällig auf.

Eier knacken

Die Lehrbucherklärung des Stern-Gerlach-Experiments besagt, dass das Elektron bei der Bewegung des Silberatoms weder einen Spin-Up noch einen Spin-Down erfährt. Es handelt sich um eine Quantenmischung oder „Überlagerung“ dieser Zustände. Das Atom nimmt beide Wege gleichzeitig. Erst beim Aufprall auf den Detektor wird sein Zustand gemessen, sein Weg festgelegt.

Doch ab den 1930er Jahren entschieden sich viele prominente Theoretiker für eine Interpretation, die weniger Quantenmagie erforderte. Das Argument besagte, dass das Magnetfeld effektiv jedes Elektron misst und seinen Spin definiert. Die Vorstellung, dass jedes Atom beide Wege gleichzeitig einschlägt, sei absurd und unnötig, argumentierten diese Kritiker.

Theoretisch könnten diese beiden Hypothesen überprüft werden. Wenn jedes Atom tatsächlich mit zwei Personen das Magnetfeld durchquert, sollte es theoretisch möglich sein, diese gespenstischen Identitäten wieder zu kombinieren. Dies würde bei der Neuausrichtung eines Detektors ein bestimmtes Interferenzmuster erzeugen – ein Hinweis darauf, dass das Atom tatsächlich beide Routen navigiert hat.

Die große Herausforderung besteht darin, dass die Personas so reibungslos und schnell getrennt werden müssen, um die Überlagerung aufrechtzuerhalten und das endgültige Interferenzsignal zu erzeugen, dass die beiden getrennten Einheiten eine völlig ununterscheidbare Geschichte haben, keine Kenntnis voneinander haben und keine Möglichkeit haben, zu sagen, welchen Weg sie eingeschlagen haben . In den 1980er Jahren kamen mehrere Theoretiker zu dem Schluss, dass eine so perfekte Aufspaltung und Rekombination der Elektronenidentitäten ebenso unmöglich sei wie Rekonstruktion von Humpty Dumpty nach seinem großen Sturz von der Mauer.

Im Jahr 2019 wurde jedoch ein Team von Physikern unter der Leitung von Ron Folman an der Ben-Gurion-Universität des Negev Ich habe diese Eierschalen geklebt wieder zusammen. Die Forscher reproduzierten zunächst das Stern-Gerlach-Experiment, allerdings nicht mit Silber, sondern mit einem unterkühlten Quantenkonglomerat aus 10,000 Rubidiumatomen, das sie auf einem fingernagelgroßen Chip einschlossen und manipulierten. Sie brachten die Spins der Rubidiumelektronen in eine Überlagerung von Auf- und Abwärtsbewegungen und wendeten dann verschiedene Magnetimpulse an, um jedes Atom präzise zu trennen und wieder zu verbinden – und das alles in wenigen Millionstelsekunden. Und sie sahen zuerst das genaue Interferenzmuster vorhergesagt im Jahr 1927 und vervollständigte damit die Stern-Gerlach-Schleife.

„Sie konnten Humpty Dumpty wieder zusammensetzen“, sagte Friedrich. „Es ist eine wunderschöne Wissenschaft und eine große Herausforderung, aber sie konnten sie meistern.“

Wachsende Diamanten

Folmans Arbeit trägt nicht nur dazu bei, die „Quantenfähigkeit“ des Experiments von Stern und Gerlach zu verifizieren, sondern bietet auch eine neue Möglichkeit, die Grenzen des Quantenregimes zu untersuchen. Heute sind sich Wissenschaftler immer noch nicht sicher wie groß Objekte sein können und dabei immer noch die Quantengebote einhalten, insbesondere wenn sie groß genug sind, dass die Schwerkraft eingreifen kann. In den 1960er Jahren Physiker vorgeschlagen dass ein Stern-Gerlach-Experiment mit vollständiger Schleife ein hochempfindliches Interferometer schaffen würde, das helfen könnte, diese quantenklassische Grenze zu testen. Und 2017 erweiterten Physiker diese Idee und schlugen vor, winzige Diamanten durch zwei benachbarte Stern-Gerlach-Geräte zu schießen, um zu sehen, ob sie gravitativ interagieren.

Folmans Gruppe arbeitet nun an dieser Herausforderung. Im Jahr 2021 sind sie skizzierte eine Möglichkeit, ihr Einzelatom-Chip-Interferometer für den Einsatz mit makroskopischen Objekten wie Diamanten aus einigen Millionen Atomen zu verbessern. Seitdem haben sie in a gezeigt Serie of Papiere Wie die Spaltung immer größerer Massen erneut eine Sisyphusarbeit, aber nicht unmöglich sein wird und dabei helfen könnte, eine Reihe von Rätseln der Quantengravitation zu lösen.

„Das Stern-Gerlach-Experiment ist weit davon entfernt, seine historische Rolle zu erfüllen“, sagte Folman. „Es wird uns noch viel bringen.“

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