(Usein) unohdettu kokeilu, joka paljasti kvanttimaailman | Quanta-lehti

Ennen kuin Erwin Schrödingerin kissa oli samanaikaisesti kuollut ja elossa, ja ennen kuin pistemäiset elektronit huuhtoutuivat aaltoina ohuiden rakojen läpi, hieman vähemmän tunnettu koe nosti verhon kvanttimaailman hämmentävästä kauneudesta. Vuonna 1922 saksalaiset fyysikot Otto Stern ja Walther Gerlach osoittivat, että atomien käyttäytymistä säätelevät säännöt, jotka uhmasivat odotuksia - havainto, joka vahvisti vielä orastavaa kvanttimekaniikan teoriaa.

"Stern-Gerlachin kokeilu on ikoni - se on käänteentekevä kokeilu", sanoi Bretislav Friedrich, fyysikko ja historioitsija Fritz Haber -instituutissa Saksassa, joka julkaisi äskettäin arvostelu ja muokattu kirja aiheesta. "Se oli todellakin yksi kaikkien aikojen tärkeimmistä fysiikan kokeista."

Kokeen tulkinta myös käynnistettiin vuosikymmeniä kestänyt väittely. Viime vuosina Israelissa asuvat fyysikot ovat vihdoin pystyneet tekemään tarvittavan herkkyyden kokeen selvittääkseen tarkalleen, kuinka meidän tulisi ymmärtää toimivat kvanttiprosessit. Tällä saavutuksella he loivat uuden tekniikan kvanttimaailman rajojen tutkimiseen. Tiimi yrittää nyt muokata Sternin ja Gerlachin sata vuotta vanhaa järjestelmää tutkiakseen painovoiman luonnetta – ja ehkä rakentaa sillan modernin fysiikan kahden pilarin välille.

Höyrystävää hopeaa

Vuonna 1921 käsitys siitä, että fysiikan tavanomaiset lait poikkesivat pienimmässä mittakaavassa, oli vielä melko kiistanalainen. Niels Bohrin ehdottama uusi hallitseva atomiteoria eli väitteen ytimessä. Hänen teoriansa sisälsi ytimen, jota ympäröivät elektronit kiinteillä kiertoradoilla - hiukkasia, jotka pystyivät pyörimään vain tietyillä etäisyyksillä ytimestä, tietyillä energioilla ja tietyissä kulmissa magneettikentän sisällä. Bohrin ehdotuksen rajoitukset olivat niin jäykkiä ja näennäisesti mielivaltaisia, että Stern lupasi lopettaa fysiikan, jos malli osoittautuu oikeaksi.

Stern keksi kokeen, joka voisi kumota Bohrin teorian. Hän halusi testata, voidaanko magneettikentässä olevia elektroneja suunnata mihin tahansa suuntaan tai vain erillisiin suuntiin, kuten Bohr oli ehdottanut.

Stern suunnitteli höyrystävänsä hopeanäytteen ja keskittävänsä sen atomisäteeksi. Sitten hän ampui tuon säteen epätasaisen magneettikentän läpi ja keräsi atomit lasilevylle. Koska yksittäiset hopeaatomit ovat kuin pieniä magneetteja, magneettikenttä taivuttaisi ne eri kulmissa riippuen niiden suunnasta. Jos niiden uloimpia elektroneja voitaisiin suunnata tahtomattaan, kuten klassinen teoria ennusti, taipuneiden atomien odotetaan muodostavan yhden laajan tahran ilmaisinlevyä pitkin.

Mutta jos Bohr oli oikeassa ja pienet järjestelmät, kuten atomit, tottelivat outoja kvanttisääntöjä, hopeaatomit voisivat kulkea vain kaksi polkua kentän läpi ja levyssä olisi kaksi erillistä viivaa.

Sternin idea oli teoriassa riittävän yksinkertainen. Mutta käytännössä kokeen rakentaminen - jonka hän jätti Gerlachille - vastasi sitä, mitä Gerlachin jatko-opiskelija Wilhelm Schütz kuvaili myöhemmin "Sisyfoksen kaltaiseksi työksi". Höyrystääkseen hopean tutkijoiden piti lämmittää se yli 1,000 XNUMX celsiusasteeseen sulattamatta yhtään lasin tyhjiökammion tiivistettä, jonka pumput myös särkyivät säännöllisesti. Kokeilun varat loppuivat, kun Saksan sodanjälkeinen inflaatio kiihtyi. Albert Einstein ja pankkiiri Henry Goldman pelastivat lopulta joukkueen lahjoituksillaan.

Kun kokeilu oli käynnissä, luettavan tuloksen tuottaminen oli edelleen haaste. Keräyslevy oli vain murto-osa naulanpään koosta, joten hopeakerrostuman kuvioiden lukeminen vaati mikroskoopin. Ehkä apokryfisesti tiedemiehet auttoivat vahingossa itseään kyseenalaisilla laboratorioetiketillä: Hopeaesiintymä olisi ollut näkymätön, ellei heidän sikareistaan ​​valunut savua, jotka olivat alhaisten palkkojensa vuoksi halpoja ja rikkiä sisältäviä. auttoi hopeaa kehittymään näkyväksi mustaksi hopeasulfidiksi. (Vuonna 2003 Friedrich ja kollega esitti tämän jakson uudelleen ja vahvisti, että hopeasignaali ilmestyi vain halvan sikarisavun läsnä ollessa.)

Hopean pyöritys

Monien kuukausien vianmäärityksen jälkeen Gerlach vietti koko yön 7. helmikuuta 1922 ampuen hopealla ilmaisinta. Seuraavana aamuna hän ja kollegat kehittivät levyn ja löi kultaa: siististi kahtia jakautunut hopeakerros, kuin suudelma kvanttimaailmasta. Gerlach dokumentoi tuloksen mikrovalokuvaan ja lähetti sen postikorttina Bohrille viestin kanssa: "Onnittelumme teoriasi vahvistamisesta."

Löytö järkytti fysiikan yhteisöä. Albert Einstein nimeltään se on "kiinnostavin saavutus tässä vaiheessa" ja nimitti joukkueen Nobel-palkinnon saajaksi. Isidor Rabi sanoi, että koe "vakuutti minut lopullisesti siitä, että kvantti-ilmiöt vaativat täysin uuden suuntauksen." Sternin unelmat kvanttiteorian kyseenalaistamisesta olivat ilmeisesti kostaneet, vaikka hän ei pitänytkään lupauksestaan ​​luopua fysiikasta; sen sijaan hän voitti Nobel-palkinto vuonna 1943 myöhemmästä löydöstä. "Minulla on edelleen vastalauseita kvanttimekaniikan kauneudesta", Stern sanoi, "mutta hän on oikeassa."

Nykyään fyysikot tunnustavat, että Stern ja Gerlach olivat oikeassa tulkitessaan kokeensa vahvistukseksi vielä syntymässä olevalle kvanttiteorialle. Mutta he olivat oikeassa väärästä syystä. Tutkijat olettivat, että hopeaatomin halkeamisrata määräytyy sen uloimman elektronin kiertoradalla, joka on kiinnitetty tiettyihin kulmiin. Todellisuudessa halkeaminen johtuu elektronin sisäisen kulmamomentin kvantisoinnista - spiniksi tunnetun suuren, jota ei löydettäisi vielä muutamaan vuoteen. Tulkinta onnistui, koska tutkijat pelastivat Friedrichin "oudokseksi sattuman, tämän luonnon salaliiton": kaksi elektronin vielä tuntematonta ominaisuutta - sen spin ja sen poikkeava magneettinen momentti - sattuivat kumoamaan.

Munien rikkominen

Stern-Gerlachin kokeen oppikirjaselityksessä todetaan, että kun hopeaatomi kulkee, elektroni ei pyöri ylös- tai alaspäin. Se on näiden tilojen kvantiseoksessa tai "superpositiossa". Atomi kulkee molempia polkuja samanaikaisesti. Vasta törmäyksessä ilmaisimeen sen tila mitataan ja polku kiinteä.

Mutta 1930-luvulta lähtien monet merkittävät teoreetikot valitsivat tulkinnan, joka vaati vähemmän kvanttimagiaa. Väite katsoi, että magneettikenttä mittaa tehokkaasti jokaisen elektronin ja määrittää sen spinin. Ajatus siitä, että jokainen atomi kulkee molempia polkuja kerralla, on absurdi ja tarpeeton, nämä kriitikot väittivät.

Teoriassa nämä kaksi hypoteesia voitaisiin testata. Jos jokainen atomi todella kulki magneettikentän läpi kahdella persoonalla, pitäisi olla mahdollista - teoriassa - yhdistää nämä aave-identiteetit uudelleen. Tämä synnyttäisi tietyn häiriökuvion ilmaisimeen niiden kohdistuessa uudelleen - osoitus siitä, että atomi todellakin navigoi molempia reittejä.

Suuri haaste on, että superposition säilyttämiseksi ja lopullisen interferenssisignaalin luomiseksi persoonat on jaettava niin sujuvasti ja nopeasti, että kahdella erillään olevalla entiteetillä on täysin erottamaton historia, he eivät tiedä toisesta eikä mitään tapaa kertoa, minkä polun he kulkivat. . 1980-luvulla useat teoreetikot päättelivät, että elektronin identiteetin jakaminen ja yhdistäminen tällaisella täydellisyydellä olisi yhtä mahdotonta kuin Humpty Dumptyn rekonstruoinnissa hänen suuren seinältä putoamisen jälkeen.

Vuonna 2019 kuitenkin fyysikoiden ryhmä johti Ron Folman Negevin Ben-Gurion-yliopistossa liimannut ne munankuoret takaisin yhdessä. Tutkijat aloittivat toistamalla Stern-Gerlachin kokeen, vaikkakaan ei hopealla, vaan 10,000 XNUMX rubidiumatomin alijäähdytetyllä kvanttikonglomeraatilla, jonka he vangitsivat ja manipuloivat kynnen kokoiselle sirulle. He asettivat rubidiumelektronien spinit ylös ja alas superpositioon, minkä jälkeen he käyttivät erilaisia ​​magneettipulsseja erottaakseen ja yhdistääkseen jokaisen atomin tarkasti, kaikki muutamassa sekunnin miljoonasosassa. Ja he näkivät tarkan häiriökuvion ensin ennusti vuonna 1927, mikä täydensi Stern-Gerlach-silmukan.

"He pystyivät saattamaan Humpty Dumptyn takaisin yhteen", Friedrich sanoi. "Se on kaunista tiedettä, ja se on ollut valtava haaste, mutta he ovat pystyneet kohtaamaan sen."

Kasvavat timantit

Sen lisäksi, että Folman auttaa varmistamaan Sternin ja Gerlachin kokeen "kvantiteettia", se tarjoaa uuden tavan tutkia kvanttijärjestelmän rajoja. Nykyään tiedemiehet eivät vieläkään ole varmoja kuinka suuria esineitä voi olla pitäen silti kvanttikäskyjä, varsinkin kun ne ovat tarpeeksi suuria painovoiman puuttumiseen. 1960-luvulla fyysikot ehdotti että täyden silmukan Stern-Gerlach-koe loisi superherkän interferometrin, joka voisi auttaa testaamaan tuon kvanttiklassisen rajan. Ja vuonna 2017 fyysikot laajensivat tätä ideaa ja ehdottivat pienten timanttien ampumista kahden viereisen Stern-Gerlach-laitteen läpi nähdäkseen, olivatko ne gravitaatiovuorovaikutuksessa.

Folmanin ryhmä työskentelee nyt tämän haasteen eteen. Vuonna 2021 he hahmoteltu tapa parantaa yksiatomisiruista interferometriä käytettäväksi makroskooppisten esineiden, kuten muutaman miljoonan atomin timanttien, kanssa. Siitä lähtien ne ovat olleet esillä a sarja of paperit kuinka suurempien massojen jakaminen on jälleen sisyfoolaista, mutta ei mahdotonta, ja se voisi auttaa ratkaisemaan joukon kvanttigravitaation mysteereitä.

"Stern-Gerlachin kokeilu on hyvin kaukana historiallisen roolinsa loppuun saattamisesta", Folman sanoi. "Siellä on vielä paljon, mitä se antaa meille."

Quanta tekee sarjan kyselyjä palvellakseen paremmin yleisöämme. Ota meidän fysiikan lukijakysely ja pääset mukaan voittamaan ilmaiseksi Quanta kauppatavaraa.