Το (συχνά) παραβλέπεται πείραμα που αποκάλυψε τον κβαντικό κόσμο | Περιοδικό Quanta

Πριν η γάτα του Έρβιν Σρέντινγκερ ήταν ταυτόχρονα νεκρή και ζωντανή, και πριν τα σημειακά ηλεκτρόνια ξεπλυθούν σαν κύματα μέσα από λεπτές σχισμές, ένα κάπως λιγότερο γνωστό πείραμα σήκωσε το πέπλο στην εκπληκτική ομορφιά του κβαντικού κόσμου. Το 1922, οι Γερμανοί φυσικοί Otto Stern και Walther Gerlach απέδειξαν ότι η συμπεριφορά των ατόμων διέπεται από κανόνες που αψηφούσαν τις προσδοκίες - μια παρατήρηση που εδραίωσε την ακόμα εκκολαπτόμενη θεωρία της κβαντικής μηχανικής.

"Το πείραμα Stern-Gerlach είναι μια εικόνα - είναι ένα πείραμα εποχής", είπε Μπρέτισλαβ Φρίντριχ, φυσικός και ιστορικός στο Ινστιτούτο Fritz Haber στη Γερμανία που δημοσίευσε πρόσφατα μια κριτική και επεξεργάστηκε ένα βιβλίο πανω σε αυτο το θεμα. «Ήταν πράγματι ένα από τα πιο σημαντικά πειράματα στη φυσική όλων των εποχών».

Η ερμηνεία του πειράματος επίσης ξεκίνησε επιχειρήματα δεκαετιών. Τα τελευταία χρόνια, οι φυσικοί με έδρα το Ισραήλ μπόρεσαν επιτέλους να δημιουργήσουν ένα πείραμα με την απαιτούμενη ευαισθησία για να διευκρινίσουν πώς ακριβώς πρέπει να κατανοήσουμε τις θεμελιώδεις κβαντικές διεργασίες που λειτουργούν. Με αυτό το επίτευγμα, δημιούργησαν μια νέα τεχνική για την εξερεύνηση των ορίων του κβαντικού κόσμου. Η ομάδα θα προσπαθήσει τώρα να τροποποιήσει την παλιά διάταξη των Stern και Gerlach για να διερευνήσει τη φύση της βαρύτητας - και ίσως να οικοδομήσει μια γέφυρα μεταξύ των δύο πυλώνων της σύγχρονης φυσικής.

Ασημί ατμίσματος

Το 1921, η ιδέα ότι οι συμβατικοί νόμοι της φυσικής διέφεραν στη μικρότερη κλίμακα ήταν ακόμα αρκετά αμφιλεγόμενη. Η νέα κυρίαρχη θεωρία του ατόμου, που προτάθηκε από τον Niels Bohr, έζησε στο επίκεντρο του επιχειρήματος. Η θεωρία του παρουσίαζε έναν πυρήνα που περιβάλλεται από ηλεκτρόνια σε σταθερές τροχιές - σωματίδια που μπορούσαν να στροβιλίζονται μόνο σε ορισμένες αποστάσεις από τον πυρήνα, με ορισμένες ενέργειες και σε ορισμένες γωνίες μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο. Οι περιορισμοί στην πρόταση του Bohr ήταν τόσο άκαμπτοι και φαινομενικά αυθαίρετοι που ο Stern υποσχέθηκε να εγκαταλείψει τη φυσική εάν το μοντέλο αποδειχτεί σωστό.

Ο Στερν συνέλαβε ένα πείραμα που θα μπορούσε να ακυρώσει τη θεωρία του Μπορ. Ήθελε να ελέγξει εάν τα ηλεκτρόνια σε ένα μαγνητικό πεδίο μπορούσαν να προσανατολιστούν με όποιον τρόπο ή μόνο σε διακριτές κατευθύνσεις όπως είχε προτείνει ο Bohr.

Ο Στερν σχεδίαζε να εξατμίσει ένα δείγμα αργύρου και να το συμπυκνώσει σε μια δέσμη ατόμων. Έπειτα θα πυροβολούσε αυτή τη δέσμη μέσα από ένα ανομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο και θα μάζευε τα άτομα σε μια γυάλινη πλάκα. Επειδή τα μεμονωμένα άτομα αργύρου είναι σαν μικροί μαγνήτες, το μαγνητικό πεδίο θα τα εκτρέψει σε διαφορετικές γωνίες ανάλογα με τους προσανατολισμούς τους. Εάν τα εξωτερικά ηλεκτρόνια τους μπορούσαν να προσανατολιστούν θεληματικά, όπως προέβλεπε η κλασική θεωρία, τα εκτρεπόμενα άτομα θα αναμενόταν να σχηματίσουν ένα ενιαίο πλατύ επίχρισμα κατά μήκος της πλάκας του ανιχνευτή.

Αλλά αν ο Bohr ήταν σωστός και τα μικροσκοπικά συστήματα όπως τα άτομα υπάκουαν σε περίεργους κβαντικούς κανόνες, τα άτομα του αργύρου θα μπορούσαν να ακολουθήσουν μόνο δύο διαδρομές μέσα στο πεδίο και η πλάκα θα έδειχνε δύο διακριτές γραμμές.

Η ιδέα του Στερν ήταν αρκετά απλή θεωρητικά. Αλλά στην πράξη, η κατασκευή του πειράματος - το οποίο άφησε στον Gerlach - ισοδυναμούσε με αυτό που ο μεταπτυχιακός φοιτητής του Gerlach Wilhelm Schütz περιέγραψε αργότερα ως «εργασία που μοιάζει με τον Σίσυφο». Για να εξατμιστεί το ασήμι, οι επιστήμονες χρειάστηκε να το θερμάνουν σε περισσότερους από 1,000 βαθμούς Κελσίου χωρίς να λιώσουν καμία από τις σφραγίδες του γυάλινου θαλάμου κενού, του οποίου οι αντλίες επίσης έσπασαν τακτικά. Τα κεφάλαια του πειράματος εξαντλήθηκαν καθώς ο μεταπολεμικός πληθωρισμός της Γερμανίας εκτινάχθηκε στα ύψη. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν και ο τραπεζίτης Χένρι Γκόλντμαν τελικά διέσωσαν την ομάδα με τις δωρεές τους.

Μόλις εκτελούσε το πείραμα, η παραγωγή οποιουδήποτε ευανάγνωστου αποτελέσματος ήταν ακόμα μια πρόκληση. Η πλάκα συλλέκτη ήταν μόνο ένα κλάσμα του μεγέθους μιας κεφαλής νυχιού, επομένως η ανάγνωση των σχεδίων στην κατάθεση αργύρου απαιτούσε μικροσκόπιο. Ίσως απόκρυφα, οι επιστήμονες κατά λάθος βοήθησαν τους εαυτούς τους με αμφισβητήσιμη εργαστηριακή εθιμοτυπία: Η κατάθεση αργύρου θα ήταν αόρατη αν δεν ήταν ο καπνός που έμπαινε από τα πούρα τους, τα οποία —λόγω των χαμηλών μισθών τους— ήταν φθηνά και πλούσια σε θείο. βοήθησε το ασήμι να εξελιχθεί σε ορατό θειούχο ασήμι μαύρου πίδακα. (Το 2003, ο Φρίντριχ και ένας συνάδελφός του αναπαράγει αυτό το επεισόδιο και επιβεβαίωσε ότι το ασημένιο σήμα εμφανίστηκε μόνο με την παρουσία φθηνού καπνού πούρου.)

The Spin of Silver

Μετά από πολλούς μήνες αντιμετώπισης προβλημάτων, ο Gerlach πέρασε όλη τη νύχτα της 7ης Φεβρουαρίου 1922, πυροβολώντας ασήμι στον ανιχνευτή. Το επόμενο πρωί, αυτός και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν το πιάτο και χτύπησε χρυσό: μια κατάθεση αργύρου χωρισμένη στα δύο, σαν ένα φιλί από το κβαντικό βασίλειο. Ο Gerlach κατέγραψε το αποτέλεσμα σε μια μικροφωτογραφία και το έστειλε ως ταχυδρομική κάρτα στον Bohr, μαζί με το μήνυμα: «Σας συγχαίρουμε για την επιβεβαίωση της θεωρίας σας».

Το εύρημα συγκλόνισε την κοινότητα της φυσικής. Albert Einstein που ονομάζεται ήταν «το πιο ενδιαφέρον επίτευγμα σε αυτό το σημείο» και πρότεινε την ομάδα για βραβείο Νόμπελ. Isidor Rabi είπε ότι το πείραμα «με έπεισε μια για πάντα ότι… τα κβαντικά φαινόμενα απαιτούσαν έναν εντελώς νέο προσανατολισμό». Τα όνειρα του Στερν για αμφισβήτηση της κβαντικής θεωρίας είχαν προφανώς αποτύχει, αν και δεν κράτησε την υπόσχεσή του να εγκαταλείψει τη φυσική. αντί αυτού, αυτός κέρδισε βραβείο Νόμπελ το 1943 για μια μεταγενέστερη ανακάλυψη. «Εξακολουθώ να έχω αντιρρήσεις για την… ομορφιά της κβαντικής μηχανικής», είπε η Στερν, «αλλά έχει δίκιο».

Σήμερα, οι φυσικοί αναγνωρίζουν ότι ο Stern και ο Gerlach είχαν δίκιο όταν ερμήνευσαν το πείραμά τους ως επιβεβαίωση της κβαντικής θεωρίας που γεννήθηκε ακόμη. Όμως είχαν δίκιο για τον λάθος λόγο. Οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι η τροχιά διάσπασης ενός ατόμου αργύρου ορίζεται από την τροχιά του εξώτατου ηλεκτρονίου του, το οποίο είναι σταθερό σε ορισμένες γωνίες. Στην πραγματικότητα, η διάσπαση οφείλεται στην κβαντοποίηση της εσωτερικής γωνιακής ορμής του ηλεκτρονίου - μια ποσότητα γνωστή ως σπιν, η οποία δεν θα ανακαλυπτόταν για μερικά ακόμη χρόνια. Ωραία, η ερμηνεία λειτούργησε επειδή οι ερευνητές σώθηκαν από αυτό που ο Φρίντριχ αποκαλεί «περίεργη σύμπτωση, αυτή η συνωμοσία της φύσης»: Δύο ακόμη άγνωστες ιδιότητες του ηλεκτρονίου - το σπιν του και η ανώμαλη μαγνητική του ροπή - έτυχε να ακυρωθούν.

Σπάσιμο αυγών

Η εξήγηση του σχολικού βιβλίου του πειράματος Stern-Gerlach υποστηρίζει ότι καθώς το άτομο αργύρου ταξιδεύει, το ηλεκτρόνιο δεν περιστρέφεται προς τα πάνω ή προς τα κάτω. Βρίσκεται σε ένα κβαντικό μείγμα ή «υπέρθεση» αυτών των καταστάσεων. Το άτομο παίρνει και τα δύο μονοπάτια ταυτόχρονα. Μόνο με την πρόσκρουση στον ανιχνευτή μετράται η κατάστασή του, η διαδρομή του καθορίζεται.

Αλλά ξεκινώντας από τη δεκαετία του 1930, πολλοί εξέχοντες θεωρητικοί επέλεξαν μια ερμηνεία που απαιτούσε λιγότερη κβαντική μαγεία. Το επιχείρημα υποστήριξε ότι το μαγνητικό πεδίο μετρά αποτελεσματικά κάθε ηλεκτρόνιο και ορίζει το σπιν του. Η ιδέα ότι κάθε άτομο παίρνει και τα δύο μονοπάτια ταυτόχρονα είναι παράλογη και περιττή, υποστήριξαν αυτοί οι κριτικοί.

Θεωρητικά, αυτές οι δύο υποθέσεις θα μπορούσαν να ελεγχθούν. Εάν κάθε άτομο διέσχιζε πραγματικά το μαγνητικό πεδίο με δύο πρόσωπα, τότε θα ήταν δυνατό - θεωρητικά - να ανασυνδυαστούν αυτές οι φανταστικές ταυτότητες. Κάτι τέτοιο θα δημιουργούσε ένα συγκεκριμένο μοτίβο παρεμβολής σε έναν ανιχνευτή όταν θα ευθυγραμμιστούν εκ νέου - μια ένδειξη ότι το άτομο πράγματι περιηγήθηκε και στις δύο διαδρομές.

Η μεγάλη πρόκληση είναι ότι, για να διατηρηθεί η υπέρθεση και να δημιουργηθεί αυτό το τελικό σήμα παρεμβολής, τα πρόσωπα πρέπει να χωριστούν τόσο ομαλά και γρήγορα ώστε οι δύο διαχωρισμένες οντότητες να έχουν εντελώς αδιάκριτες ιστορίες, καμία γνώση του άλλου και κανένα τρόπο να πουν ποιο μονοπάτι πήραν . Στη δεκαετία του 1980, πολλοί θεωρητικοί καθόρισαν ότι η διάσπαση και ο ανασυνδυασμός των ταυτοτήτων του ηλεκτρονίου με τέτοια τελειότητα θα ήταν τόσο αδύνατη όσο ανακατασκευάζοντας το Humpty Dumpty μετά τη μεγάλη πτώση του από τον τοίχο.

Το 2019, ωστόσο, μια ομάδα φυσικών με επικεφαλής τον Ρον Φόλμαν στο Πανεπιστήμιο Ben-Gurion του Negev κόλλησε αυτά τα τσόφλια αυγών πίσω μαζί. Οι ερευνητές ξεκίνησαν αναπαράγοντας το πείραμα Stern-Gerlach, αν και όχι με ασήμι, αλλά με ένα υπερψυγμένο κβαντικό συγκρότημα 10,000 ατόμων ρουβιδίου, το οποίο παγίδευσαν και χειρίστηκαν σε ένα τσιπ μεγέθους νυχιού. Έβαλαν τα σπιν των ηλεκτρονίων του ρουβιδίου σε μια υπέρθεση πάνω και κάτω και στη συνέχεια εφάρμοσαν διάφορους μαγνητικούς παλμούς για να διαχωρίσουν με ακρίβεια και να ανασυνδυάσουν κάθε άτομο, όλα σε λίγα εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Και είδαν πρώτα το ακριβές μοτίβο παρεμβολών προβλεπόμενη το 1927, ολοκληρώνοντας έτσι τον βρόχο Stern-Gerlach.

«Μπόρεσαν να ξανασυνθέσουν τον Χάμπτι Ντάμπτι», είπε ο Φρίντριχ. «Είναι όμορφη επιστήμη και ήταν μια τεράστια πρόκληση, αλλά κατάφεραν να την αντιμετωπίσουν».

Καλλιέργεια διαμαντιών

Εκτός από τη βοήθεια στην επαλήθευση της «κβαντικότητας» του πειράματος των Stern και Gerlach, το έργο του Folman προσφέρει έναν νέο τρόπο για να διερευνηθούν τα όρια του κβαντικού καθεστώτος. Σήμερα, οι επιστήμονες εξακολουθούν να μην είναι σίγουροι πόσο μεγάλα μπορεί να είναι τα αντικείμενα ενώ εξακολουθούν να τηρούν τις κβαντικές εντολές, ειδικά όταν είναι αρκετά μεγάλες ώστε να επέμβει η βαρύτητα. Στη δεκαετία του 1960 οι φυσικοί πρότειναν ότι ένα πείραμα πλήρους βρόχου Stern-Gerlach θα δημιουργούσε ένα υπερευαίσθητο συμβολόμετρο που θα μπορούσε να βοηθήσει στη δοκιμή αυτού του κβαντοκλασικού ορίου. Και το 2017, οι φυσικοί επέκτειναν αυτήν την ιδέα και πρότειναν να ρίξουν μικροσκοπικά διαμάντια μέσω δύο γειτονικών συσκευών Stern-Gerlach για να δουν αν αλληλεπιδρούν βαρυτικά.

Η ομάδα του Folman εργάζεται τώρα για αυτήν την πρόκληση. Το 2021, αυτοί σκιαγραφείται ένας τρόπος να ενισχύσουν το συμβολόμετρο ενός ατόμου-τσιπ για χρήση με μακροσκοπικά αντικείμενα, όπως τα διαμάντια που περιλαμβάνουν μερικά εκατομμύρια άτομα. Από τότε, έχουν δείξει σε α σειρά of χαρτιά πώς η διάσπαση ολοένα και μεγαλύτερων μαζών θα είναι και πάλι Σισύφεια, αλλά όχι αδύνατη, και θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση μιας σειράς μυστηρίων κβαντικής βαρύτητας.

«Το πείραμα Stern-Gerlach απέχει πολύ από την ολοκλήρωση του ιστορικού του ρόλου», είπε ο Folman. «Υπάρχουν πολλά ακόμα που πρόκειται να μας δώσει».

Quanta διεξάγει μια σειρά από έρευνες για την καλύτερη εξυπηρέτηση του κοινού μας. Πάρτε το δικό μας έρευνα αναγνωστών φυσικής και θα μπείτε για να κερδίσετε δωρεάν Quanta εμπορεύματα.