L'expérience (souvent) négligée qui a révélé le monde quantique | Magazine Quanta

Avant que le chat d'Erwin Schrödinger ne soit à la fois mort et vivant, et avant que des électrons ponctuels ne se propagent comme des vagues à travers de fines fentes, une expérience un peu moins connue a levé le voile sur la beauté ahurissante du monde quantique. En 1922, les physiciens allemands Otto Stern et Walther Gerlach démontrèrent que le comportement des atomes était régi par des règles qui défiaient toutes les attentes – une observation qui cimenta la théorie encore naissante de la mécanique quantique.

"L'expérience Stern-Gerlach est une icône, c'est une expérience historique", a déclaré Bretislav Frédéric, physicien et historien à l'Institut Fritz Haber en Allemagne qui a récemment publié une critique et édité un livre sur le sujet. "C'était en effet l'une des expériences de physique les plus importantes de tous les temps."

L'interprétation de l'expérience également lancé des décennies de débats. Ces dernières années, des physiciens basés en Israël ont finalement pu concevoir une expérience avec la sensibilité requise pour clarifier exactement comment nous devrions comprendre les processus quantiques fondamentaux à l’œuvre. Grâce à cet accomplissement, ils ont mis au point une nouvelle technique pour explorer les limites du monde quantique. L'équipe va maintenant tenter de modifier la configuration centenaire de Stern et Gerlach pour sonder la nature de la gravité – et peut-être de construire un pont entre les deux piliers de la physique moderne.

Vaporiser de l'argent

En 1921, l’idée selon laquelle les lois conventionnelles de la physique différaient aux plus petites échelles était encore très controversée. La nouvelle théorie dominante de l’atome, proposée par Niels Bohr, se trouvait au cœur du débat. Sa théorie présentait un noyau entouré d'électrons sur des orbites fixes – des particules qui ne pouvaient tourbillonner qu'à certaines distances du noyau, avec certaines énergies et sous certains angles dans un champ magnétique. Les contraintes de la proposition de Bohr étaient si rigides et apparemment arbitraires que Stern s'est engagé à quitter la physique si le modèle s'avérait correct.

Stern a conçu une expérience qui pourrait invalider la théorie de Bohr. Il voulait tester si les électrons dans un champ magnétique pouvaient être orientés dans n'importe quelle direction, ou seulement dans des directions discrètes comme l'avait proposé Bohr.

Stern prévoyait de vaporiser un échantillon d’argent et de le concentrer en un faisceau d’atomes. Il projetait ensuite ce faisceau à travers un champ magnétique non uniforme et collectait les atomes sur une plaque de verre. Étant donné que les atomes d’argent individuels sont comme de petits aimants, le champ magnétique les dévie sous différents angles en fonction de leur orientation. Si leurs électrons les plus externes pouvaient être orientés bon gré mal gré, comme le prédisait la théorie classique, les atomes déviés devraient former une seule large tache le long de la plaque du détecteur.

Mais si Bohr avait raison et que de minuscules systèmes comme les atomes obéissaient à d’étranges règles quantiques, les atomes d’argent ne pourraient emprunter que deux chemins à travers le champ et la plaque montrerait deux lignes discrètes.

L’idée de Stern était assez simple en théorie. Mais en pratique, la construction de l’expérience – qu’il a laissée à Gerlach – équivalait à ce que l’étudiant diplômé de Gerlach, Wilhelm Schütz, a décrit plus tard comme un « travail semblable à celui de Sisyphe ». Pour vaporiser l'argent, les scientifiques ont dû le chauffer à plus de 1,000 XNUMX degrés Celsius sans faire fondre aucun des joints de la chambre à vide en verre, dont les pompes se brisaient également régulièrement. Les fonds destinés à l'expérience se sont taris à mesure que l'inflation allemande d'après-guerre montait en flèche. Albert Einstein et le banquier Henry Goldman ont finalement sauvé l'équipe grâce à leurs dons.

Une fois l’expérience en cours, produire un résultat lisible restait un défi. La plaque collectrice n’avait qu’une fraction de la taille d’une tête de clou, donc la lecture des motifs dans le dépôt d’argent nécessitait un microscope. Peut-être de manière apocryphe, les scientifiques se sont servis par inadvertance d'une étiquette de laboratoire douteuse : le gisement d'argent aurait été invisible sans la fumée qui s'échappait de leurs cigares qui, en raison de leurs bas salaires, étaient bon marché et riches en soufre qui a aidé l’argent à se transformer en sulfure d’argent visible d’un noir de jais. (En 2003, Friedrich et un collègue reconstitué cet épisode et a confirmé que le signal argenté n'apparaissait qu'en présence de fumée de cigare bon marché.)

Le tour de l'argent

Après plusieurs mois de dépannage, Gerlach passa toute la nuit du 7 février 1922 à tirer de l'argent sur le détecteur. Le lendemain matin, lui et ses collègues ont développé l'assiette et frappé d'or: un gisement d'argent soigneusement divisé en deux, comme un baiser du royaume quantique. Gerlach a documenté le résultat sur une microphotographie et l'a envoyée sous forme de carte postale à Bohr, accompagnée du message : « Nous vous félicitons pour la confirmation de votre théorie. »

Cette découverte a ébranlé la communauté des physiciens. Albert Einstein appelé il s'agit de « la réalisation la plus intéressante à ce stade » et a nominé l'équipe pour un prix Nobel. Isidore Rabi a déclaré que l’expérience « m’a convaincu une fois pour toutes que… les phénomènes quantiques nécessitaient une orientation complètement nouvelle ». Les rêves de Stern de contester la théorie quantique s'étaient manifestement retournés contre lui, bien qu'il n'ait pas tenu sa promesse d'abandonner la physique ; à la place, il remporté un prix Nobel en 1943 pour une découverte ultérieure. "J'ai encore des objections quant à la... beauté de la mécanique quantique", a déclaré Stern, "mais elle a raison."

Aujourd’hui, les physiciens reconnaissent que Stern et Gerlach avaient raison d’interpréter leur expérience comme une corroboration de la théorie quantique encore naissante. Mais ils avaient raison pour une mauvaise raison. Les scientifiques ont supposé que la trajectoire divisée d’un atome d’argent est définie par l’orbite de son électron le plus externe, qui est fixe selon certains angles. En réalité, la division est due à la quantification du moment cinétique interne de l’électron – une quantité connue sous le nom de spin, qui ne sera pas découverte avant quelques années. Par hasard, l’interprétation a fonctionné parce que les chercheurs ont été sauvés par ce que Friedrich appelle une « étrange coïncidence, cette conspiration de la nature » : deux propriétés encore inconnues de l’électron – son spin et son moment magnétique anormal – se sont annulées.

Casser des œufs

L'explication classique de l'expérience Stern-Gerlach soutient que lorsque l'atome d'argent se déplace, l'électron n'est pas en rotation ascendante ou descendante. Il s'agit d'un mélange quantique ou d'une « superposition » de ces états. L’atome emprunte simultanément les deux chemins. Ce n'est qu'après avoir percuté le détecteur que son état est mesuré et sa trajectoire fixée.

Mais à partir des années 1930, de nombreux théoriciens éminents ont opté pour une interprétation faisant moins appel à la magie quantique. L'argument soutenait que le champ magnétique mesurait efficacement chaque électron et définissait son spin. L’idée selon laquelle chaque atome emprunte les deux chemins à la fois est absurde et inutile, ont soutenu ces critiques.

En théorie, ces deux hypothèses pourraient être testées. Si chaque atome traversait réellement le champ magnétique avec deux personnages, alors il devrait être possible – en théorie – de recombiner ces identités fantomatiques. Cela générerait un motif d’interférence particulier sur un détecteur lors de son réalignage – une indication que l’atome a effectivement emprunté les deux routes.

Le grand défi est que, pour préserver la superposition et générer ce signal d'interférence final, les personnages doivent être divisés si facilement et si rapidement que les deux entités séparées ont des histoires totalement indiscernables, aucune connaissance de l'autre et aucun moyen de savoir quel chemin elles ont emprunté. . Dans les années 1980, plusieurs théoriciens ont déterminé que diviser et recombiner les identités des électrons avec une telle perfection serait aussi irréalisable que reconstruire Humpty Dumpty après sa grande chute du mur.

Mais en 2019, une équipe de physiciens dirigée par Ron Folman à l'Université Ben Gourion du Néguev J'ai collé ces coquilles d'œufs de nouveau ensemble. Les chercheurs ont commencé par reproduire l’expérience de Stern-Gerlach, non pas avec de l’argent, mais avec un conglomérat quantique surfondu de 10,000 XNUMX atomes de rubidium, qu’ils ont piégés et manipulés sur une puce de la taille d’un ongle. Ils ont superposé les spins des électrons du rubidium, puis ont appliqué diverses impulsions magnétiques pour séparer et recombiner avec précision chaque atome, le tout en quelques millionièmes de seconde. Et ils ont d'abord vu le modèle d'interférence exact prédit en 1927, bouclant ainsi la boucle Stern-Gerlach.

"Ils ont réussi à reconstituer Humpty Dumpty", a déclaré Friedrich. "C'est une belle science, et cela a représenté un énorme défi, mais ils ont réussi à le relever."

Cultiver des diamants

En plus de contribuer à vérifier le « caractère quantique » de l'expérience de Stern et Gerlach, les travaux de Folman offrent une nouvelle façon de sonder les limites du régime quantique. Aujourd'hui, les scientifiques ne sont toujours pas sûrs quelle peut être la taille des objets tout en adhérant aux commandements quantiques, surtout lorsqu'ils sont suffisamment grands pour que la gravité intervienne. Dans les années 1960, les physiciens suggéré qu'une expérience Stern-Gerlach en boucle complète créerait un interféromètre super-sensible qui pourrait aider à tester cette frontière quantique-classique. Et en 2017, les physiciens ont élargi cette idée et ont suggéré de projeter de minuscules diamants à travers deux appareils Stern-Gerlach voisins pour voir s'ils interagissaient gravitationnellement.

Le groupe de Folman travaille désormais à relever ce défi. En 2021, ils décrit un moyen de renforcer leur interféromètre à puce atomique unique pour l'utiliser avec des objets macroscopiques, tels que des diamants comprenant quelques millions d'atomes. Depuis, ils ont montré dans un Series of papiers comment diviser des masses de plus en plus grandes sera à nouveau sisyphe, mais pas impossible, et pourrait aider à résoudre une multitude de mystères de la gravité quantique.

"L'expérience Stern-Gerlach est très loin d'avoir rempli son rôle historique", a déclaré Folman. "Cela va encore nous apporter beaucoup."

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