آزمایش (اغلب) نادیده گرفته شده که دنیای کوانتومی را آشکار کرد | مجله کوانتا

قبل از اینکه گربه اروین شرودینگر به طور همزمان مرده و زنده باشد، و قبل از اینکه الکترون‌های نقطه‌مانند مانند امواج از میان شکاف‌های نازک بشویند، آزمایشی تا حدودی کمتر شناخته شده، حجاب زیبایی گیج‌کننده دنیای کوانتومی را از بین برد. در سال 1922، فیزیکدانان آلمانی اتو استرن و والتر گرلاخ نشان دادند که رفتار اتم ها توسط قوانینی کنترل می شود که انتظارات را به چالش می کشد - مشاهده ای که نظریه مکانیک کوانتومی را تثبیت کرد.

گفت: «آزمایش استرن-گرلاخ یک نماد است - آزمایشی دورانی است برتیسلاو فردریش، فیزیکدان و مورخ مؤسسه فریتز هابر آلمان که اخیراً منتشر کرده است بازنگری و ویرایش شده یک کتاب روی موضوع. این در واقع یکی از مهمترین آزمایشات فیزیک در تمام دوران بود.

تفسیر آزمایش نیز راه اندازی دهه ها استدلال در سال‌های اخیر، فیزیکدانان مستقر در اسرائیل بالاخره توانسته‌اند آزمایشی را با حساسیت لازم بسازند تا دقیقاً چگونگی درک فرآیندهای کوانتومی اساسی در کار را روشن کنند. با این دستاورد، آنها تکنیک جدیدی برای کاوش در مرزهای جهان کوانتومی ایجاد کردند. این تیم اکنون تلاش خواهد کرد تا ساختار قرن قدیمی استرن و گرلاخ را برای بررسی ماهیت گرانش اصلاح کند - و شاید پلی بین دو ستون فیزیک مدرن بسازد.

تبخیر نقره

در سال 1921، این تصور که قوانین متعارف فیزیک در کوچکترین مقیاس ها متفاوت است، هنوز کاملاً بحث برانگیز بود. نظریه جدید حاکم بر اتم، که توسط نیلز بور ارائه شد، در اصل بحث زندگی می کرد. نظریه او هسته ای را نشان می دهد که توسط الکترون ها در مدارهای ثابت احاطه شده است - ذراتی که می توانند فقط در فواصل معینی از هسته، با انرژی های خاص و در زوایای خاصی در یک میدان مغناطیسی بچرخند. محدودیت‌های پیشنهادی بور به قدری سفت و سخت و ظاهراً خودسرانه بود که استرن متعهد شد در صورت صحت مدل از فیزیک دست بکشد.

استرن آزمایشی را تصور کرد که می توانست نظریه بور را باطل کند. او می‌خواست آزمایش کند که آیا الکترون‌های میدان مغناطیسی را می‌توان به هر سمتی یا فقط در جهت‌های گسسته‌ای که بور پیشنهاد کرده بود، جهت داد.

استرن قصد داشت نمونه ای از نقره را تبخیر کند و آن را در پرتوی از اتم متمرکز کند. او سپس آن پرتو را از یک میدان مغناطیسی غیریکنواخت پرتاب کرد و اتم ها را روی یک صفحه شیشه ای جمع کرد. از آنجایی که اتم‌های نقره مانند آهن‌رباهای کوچکی هستند، میدان مغناطیسی بسته به جهت‌گیری آنها را در زوایای مختلف منحرف می‌کند. همانطور که تئوری کلاسیک پیش‌بینی می‌کرد، اگر بیرونی‌ترین الکترون‌های آنها خواه ناخواه جهت‌گیری شوند، انتظار می‌رود که اتم‌های منحرف شده یک لکه وسیع واحد در امتداد صفحه آشکارساز تشکیل دهند.

اما اگر بور درست می‌گفت و سیستم‌های کوچکی مانند اتم‌ها از قوانین کوانتومی عجیب پیروی می‌کردند، اتم‌های نقره می‌توانستند تنها دو مسیر را در میدان طی کنند و صفحه دو خط مجزا را نشان می‌داد.

ایده استرن از نظر تئوری به اندازه کافی ساده بود. اما در عمل، ساخت این آزمایش - که او آن را به گرلاخ واگذار کرد - به همان چیزی تبدیل شد که ویلهلم شوتز، دانشجوی فارغ التحصیل گرلاخ، بعداً آن را "کار سیزیف مانند" توصیف کرد. برای تبخیر نقره، دانشمندان نیاز داشتند که آن را تا بیش از 1,000 درجه سانتیگراد بدون ذوب شدن هیچ یک از مهر و موم های محفظه خلاء شیشه ای که پمپ های آن نیز مرتباً خرد می شد، گرم کنند. با افزایش تورم آلمان پس از جنگ، منابع مالی این آزمایش تمام شد. آلبرت انیشتین و بانکدار هنری گلدمن در نهایت با کمک های خود تیم را نجات دادند.

هنگامی که آزمایش در حال اجرا بود، تولید هر نتیجه خوانا همچنان یک چالش بود. صفحه جمع کننده تنها کسری از اندازه سر ناخن بود، بنابراین خواندن الگوهای موجود در رسوب نقره نیاز به میکروسکوپ داشت. شاید به طور غیرمعمول، دانشمندان ناخواسته با آداب آزمایشگاهی مشکوک به خود کمک کردند: ذخایر نقره نامرئی می شد اگر به خاطر دودی که از سیگارهای سیگارهایشان چکه می کرد، که - به دلیل حقوق پایینشان - ارزان و سرشار از گوگرد بود، نبود. به نقره کمک کرد تا به سولفید نقره جت مشکی مرئی تبدیل شود. (در سال 2003، فردریش و یکی از همکارانش این قسمت را بازسازی کرد و تایید کرد که سیگنال نقره ای فقط در حضور دود سیگار ارزان ظاهر می شود.)

چرخش نقره

پس از چندین ماه عیب یابی، گرلاخ تمام شب 7 فوریه 1922 را صرف شلیک نقره به آشکارساز کرد. صبح روز بعد، او و همکارانش بشقاب و طلا زده: یک رسوب نقره که به زیبایی به دو قسمت تقسیم شده است، مانند یک بوسه از قلمرو کوانتومی. گرلاخ نتیجه را در یک میکروعکس ثبت کرد و آن را به عنوان یک کارت پستال برای بور ارسال کرد، همراه با این پیام: «ما به شما برای تأیید نظریه‌تان تبریک می‌گوییم».

این یافته جامعه فیزیک را تکان داد. آلبرت انیشتین نام این "جالب ترین دستاورد در این مرحله" بود و تیم را نامزد دریافت جایزه نوبل کرد. ایسیدور رابی آزمایش گفت: "یک بار برای همیشه مرا متقاعد کرد که ... پدیده های کوانتومی نیاز به جهت گیری کاملاً جدیدی دارند." رویاهای استرن در مورد مخالفت با نظریه کوانتومی آشکارا نتیجه معکوس داشت، اگرچه او به قول خود مبنی بر ترک فیزیک پایبند نبود. در عوض، او به دست آورد جایزه نوبل در سال 1943 برای یک کشف بعدی. استرن گفت: «من هنوز به زیبایی مکانیک کوانتومی اعتراض دارم، اما او درست می گوید.»

امروزه، فیزیکدانان تشخیص می دهند که استرن و گرلاخ در تفسیر آزمایش خود به عنوان تأییدی بر نظریه کوانتومی هنوز در حال ظهور، درست می گفتند. اما آنها به دلیل نادرستی حق داشتند. دانشمندان فرض کردند که مسیر شکاف اتم نقره با مدار بیرونی ترین الکترون آن تعریف می شود که در زوایای خاصی ثابت است. در حقیقت، شکافتن به دلیل کوانتیزه شدن تکانه زاویه ای درونی الکترون است - کمیتی به نام اسپین که تا چند سال دیگر کشف نمی شود. به طرز عجیبی، این تفسیر جواب داد زیرا محققان با آنچه فردریش آن را "تصادفی عجیب، این توطئه طبیعت" می نامد نجات یافتند: دو ویژگی هنوز ناشناخته الکترون - اسپین آن و گشتاور مغناطیسی غیرعادی آن - اتفاقاً از بین رفتند.

شکستن تخم مرغ

توضیح کتاب درسی آزمایش استرن-گرلاخ نشان می‌دهد که با حرکت اتم نقره، الکترون به سمت بالا یا پایین نمی‌چرخد. این در یک مخلوط کوانتومی یا "ابرجایگاه" از آن حالات است. اتم هر دو مسیر را به طور همزمان طی می کند. تنها با برخورد به آشکارساز، وضعیت آن اندازه گیری می شود، مسیر آن ثابت می شود.

اما با شروع دهه 1930، بسیاری از نظریه پردازان برجسته تفسیری را انتخاب کردند که به جادوی کوانتومی کمتری نیاز داشت. این استدلال نشان داد که میدان مغناطیسی به طور موثر هر الکترون را اندازه گیری می کند و اسپین آن را تعریف می کند. این منتقدان استدلال کردند که این ایده که هر اتم هر دو مسیر را همزمان طی می کند پوچ و غیر ضروری است.

در تئوری، این دو فرضیه قابل آزمون هستند. اگر هر اتم واقعاً میدان مغناطیسی را با دو شخصیت طی می‌کرد، از نظر تئوری می‌توان آن هویت‌های شبح‌آلود را دوباره ترکیب کرد. انجام این کار باعث ایجاد یک الگوی تداخل خاصی در آشکارساز می‌شود که آن‌ها دوباره مرتب می‌شوند - نشانه‌ای از اینکه اتم واقعاً هر دو مسیر را پیمایش کرده است.

چالش بزرگ این است که برای حفظ برهم نهی و تولید آن سیگنال تداخل نهایی، پرسوناها باید آنقدر نرم و سریع تقسیم شوند که دو موجودیت جدا شده تاریخچه کاملاً غیرقابل تشخیصی داشته باشند، هیچ شناختی از دیگری نداشته باشند، و هیچ راهی برای گفتن اینکه کدام مسیر را انتخاب کرده‌اند، نداشته باشند. . در دهه 1980، نظریه پردازان متعددی تعیین کردند که تقسیم و ترکیب مجدد هویت های الکترون با چنین کمالی به همان اندازه غیرممکن است. بازسازی Humpty Dumpty پس از سقوط شدید او از دیوار

اما در سال 2019، تیمی از فیزیکدانان به رهبری ران فولمن در دانشگاه بن گوریون نقب اون پوسته های تخم مرغ رو چسبوند برگشت به هم. محققان با بازتولید آزمایش Stern-Gerlach شروع کردند، البته نه با نقره، بلکه با یک کنگلومرای کوانتومی فوق سرد از 10,000 اتم روبیدیم، که آنها را روی یک تراشه به اندازه ناخن دستکاری کردند. آنها اسپین های الکترون های روبیدیم را در یک برهم نهی بالا و پایین قرار دادند، سپس پالس های مغناطیسی مختلفی را برای جداسازی دقیق و ترکیب مجدد هر اتم، همه در چند میلیونیم ثانیه اعمال کردند. و آنها ابتدا الگوی تداخل دقیق را دیدند پیش بینی در سال 1927، بنابراین حلقه Stern-Gerlach تکمیل شد.

فردریش گفت: «آنها توانستند هامپتی دامپی را دوباره کنار هم قرار دهند. "این علم زیبایی است و چالش بزرگی بوده است، اما آنها توانسته اند با آن مقابله کنند."

رشد الماس

علاوه بر کمک به تأیید «کوانتومی» آزمایش استرن و گرلاخ، کار فولمن راه جدیدی برای بررسی محدودیت‌های رژیم کوانتومی ارائه می‌کند. امروزه دانشمندان هنوز مطمئن نیستند اجسام چقدر می توانند بزرگ باشند در حالی که همچنان به دستورات کوانتومی پایبند هستند، به خصوص زمانی که آنقدر بزرگ هستند که گرانش بتواند مداخله کند. در دهه 1960، فیزیکدانان پیشنهاد که یک آزمایش استرن-گرلاخ تمام حلقه یک تداخل سنج فوق حساس ایجاد می کند که می تواند به آزمایش آن مرز کوانتومی-کلاسیک کمک کند. و در سال 2017، فیزیکدانان این ایده را گسترش دادند و پیشنهاد کردند که الماس های کوچک را از طریق دو دستگاه همسایه Stern-Gerlach شلیک کنند تا ببینند آیا آنها از نظر گرانشی برهم کنش دارند یا خیر.

گروه فولمن اکنون برای رسیدن به این چالش کار می کند. در سال 2021، آنها مشخص شده روشی برای تقویت تداخل سنج تراشه اتمی آنها برای استفاده با اجسام ماکروسکوپی، مانند الماس های متشکل از چند میلیون اتم. از آن زمان، آنها در یک نشان داده اند سلسله of اوراق چگونه شکافتن توده های بزرگتر و بزرگتر دوباره سیزیفی خواهد بود، اما غیرممکن نیست، و می تواند به حل تعدادی از اسرار گرانش کوانتومی کمک کند.

فولمن گفت: «آزمایش اشترن-گرلاخ تا تکمیل نقش تاریخی خود بسیار فاصله دارد. "هنوز چیزهای زیادی وجود دارد که قرار است به ما بدهد."

کوانتوم در حال انجام یک سری نظرسنجی برای ارائه خدمات بهتر به مخاطبانمان است. ما را بگیر نظرسنجی فیزیک خوان و شما برای برنده شدن رایگان وارد خواهید شد کوانتوم کالا