(अक्सर) अनदेखा किया गया प्रयोग जिसने क्वांटम दुनिया का खुलासा किया | क्वांटा पत्रिका

इससे पहले कि इरविन श्रोडिंगर की बिल्ली एक साथ मृत और जीवित होती, और इससे पहले कि बिंदु जैसे इलेक्ट्रॉन पतली स्लिट के माध्यम से तरंगों की तरह बहते, कुछ हद तक कम ज्ञात प्रयोग ने क्वांटम दुनिया की आश्चर्यजनक सुंदरता पर से पर्दा उठा दिया। 1922 में, जर्मन भौतिकविदों ओटो स्टर्न और वाल्थर गेरलाच ने प्रदर्शित किया कि परमाणुओं का व्यवहार उन नियमों द्वारा नियंत्रित होता है जो अपेक्षाओं को अस्वीकार करते हैं - एक अवलोकन जिसने क्वांटम यांत्रिकी के अभी भी नवोदित सिद्धांत को मजबूत किया।

"स्टर्न-गेरलाच प्रयोग एक प्रतीक है - यह एक युगांतरकारी प्रयोग है," कहा ब्रेतिस्लाव फ्रेडरिक, जर्मनी में फ्रिट्ज़ हैबर इंस्टीट्यूट के एक भौतिक विज्ञानी और इतिहासकार जिन्होंने हाल ही में प्रकाशित किया एक समीक्षा और संपादित किया गया एक किताब इस विषय पर। "यह वास्तव में भौतिकी में सभी समय के सबसे महत्वपूर्ण प्रयोगों में से एक था।"

प्रयोग की व्याख्या भी शुभारंभ दशकों का तर्क. हाल के वर्षों में, इज़राइल स्थित भौतिक विज्ञानी अंततः यह स्पष्ट करने के लिए अपेक्षित संवेदनशीलता के साथ एक प्रयोग करने में सक्षम हुए हैं कि हमें काम पर मौलिक क्वांटम प्रक्रियाओं को कैसे समझना चाहिए। उस उपलब्धि के साथ, उन्होंने क्वांटम दुनिया की सीमाओं की खोज के लिए एक नई तकनीक तैयार की। टीम अब गुरुत्वाकर्षण की प्रकृति की जांच करने के लिए स्टर्न और गेरलाच के सदियों पुराने सेटअप को संशोधित करने का प्रयास करेगी - और शायद आधुनिक भौतिकी के दो स्तंभों के बीच एक पुल का निर्माण करेगी।

चाँदी का वाष्पीकरण

1921 में, यह धारणा अभी भी काफी विवादास्पद थी कि भौतिकी के पारंपरिक नियम सबसे छोटे पैमाने पर भिन्न हैं। नील्स बोह्र द्वारा प्रस्तावित परमाणु का नया प्रचलित सिद्धांत, तर्क के केंद्र में था। उनके सिद्धांत में एक नाभिक को निश्चित कक्षाओं में इलेक्ट्रॉनों से घिरा हुआ दिखाया गया था - ऐसे कण जो नाभिक से केवल कुछ दूरी पर, कुछ ऊर्जाओं के साथ, और एक चुंबकीय क्षेत्र के भीतर कुछ कोणों पर घूम सकते थे। बोह्र के प्रस्ताव में बाधाएँ इतनी कठोर और मनमाने ढंग से प्रतीत होती थीं कि स्टर्न ने मॉडल सही साबित होने पर भौतिकी छोड़ने की प्रतिज्ञा की।

स्टर्न ने एक ऐसे प्रयोग की कल्पना की जो बोह्र के सिद्धांत को अमान्य कर सकता है। वह परीक्षण करना चाहते थे कि क्या चुंबकीय क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों को किसी भी तरह से उन्मुख किया जा सकता है, या केवल अलग-अलग दिशाओं में, जैसा कि बोह्र ने प्रस्तावित किया था।

स्टर्न ने चांदी के एक नमूने को वाष्पीकृत करने और इसे परमाणुओं की एक किरण में केंद्रित करने की योजना बनाई। फिर वह उस किरण को एक गैर-समान चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से शूट करेगा और परमाणुओं को एक कांच की प्लेट पर एकत्र करेगा। चूँकि अलग-अलग चांदी के परमाणु छोटे चुम्बकों की तरह होते हैं, चुंबकीय क्षेत्र उनके झुकाव के आधार पर उन्हें विभिन्न कोणों पर विक्षेपित करेगा। यदि उनके सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉनों को बिना सोचे-समझे उन्मुख किया जा सकता है, जैसा कि शास्त्रीय सिद्धांत ने भविष्यवाणी की है, तो विक्षेपित परमाणुओं से डिटेक्टर प्लेट के साथ एक एकल व्यापक स्मीयर बनाने की उम्मीद की जाएगी।

लेकिन अगर बोह्र सही था, और परमाणुओं जैसी छोटी प्रणालियाँ अजीब क्वांटम नियमों का पालन करती थीं, तो चांदी के परमाणु क्षेत्र के माध्यम से केवल दो रास्ते ले सकते थे, और प्लेट दो अलग-अलग रेखाएँ दिखाती थी।

सिद्धांत रूप में स्टर्न का विचार काफी सरल था। लेकिन व्यवहार में, प्रयोग का निर्माण - जिसे उन्होंने गेर्लाच पर छोड़ दिया - गेर्लाच के स्नातक छात्र विल्हेम शूत्ज़ ने बाद में "सिसिफ़स-जैसा श्रम" के रूप में वर्णित किया। चांदी को वाष्पीकृत करने के लिए, वैज्ञानिकों को ग्लास वैक्यूम चैंबर पर किसी भी सील को पिघलाए बिना इसे 1,000 डिग्री सेल्सियस से अधिक तक गर्म करने की आवश्यकता थी, जिसके पंप भी नियमित रूप से टूट जाते थे। जर्मनी की युद्धोपरांत मुद्रास्फीति बढ़ने के कारण प्रयोग का धन ख़त्म हो गया। अल्बर्ट आइंस्टीन और बैंकर हेनरी गोल्डमैन ने अंततः अपने दान से टीम को बाहर निकाला।

एक बार जब प्रयोग चल रहा था, तो कोई भी सुपाठ्य परिणाम उत्पन्न करना अभी भी एक चुनौती थी। कलेक्टर प्लेट कील के सिर के आकार का केवल एक अंश था, इसलिए चांदी के जमाव में पैटर्न को पढ़ने के लिए माइक्रोस्कोप की आवश्यकता होती थी। शायद अपोक्रिफ़ली, वैज्ञानिकों ने अनजाने में खुद को संदिग्ध प्रयोगशाला शिष्टाचार से बचाने में मदद की: यदि उनके सिगार से निकलने वाला धुआं नहीं होता, तो चांदी का भंडार अदृश्य होता, जो - उनके कम वेतन के कारण - सस्ते थे और सल्फर से भरपूर थे। चांदी को दृश्यमान जेट-काले सिल्वर सल्फाइड में विकसित होने में मदद मिली। (2003 में, फ्रेडरिक और एक सहकर्मी इस प्रकरण को पुनः प्रदर्शित किया गया और पुष्टि की कि चांदी का संकेत केवल सस्ते सिगार के धुएं की उपस्थिति में दिखाई देता है।)

चाँदी की फिरकी

कई महीनों की समस्या निवारण के बाद, गेरलाच ने 7 फरवरी, 1922 की पूरी रात डिटेक्टर पर सिल्वर शूटिंग करते हुए बिताई। अगली सुबह, उन्होंने और उनके सहयोगियों ने प्लेट विकसित की सोना मारा: एक चांदी का भंडार बड़े करीने से दो भागों में विभाजित हो गया, क्वांटम दायरे से एक चुंबन की तरह। गेरलाच ने परिणाम को एक माइक्रोफोटोग्राफ में दर्ज किया और इसे पोस्टकार्ड के रूप में बोहर को संदेश के साथ भेज दिया: "हम आपको आपके सिद्धांत की पुष्टि के लिए बधाई देते हैं।"

इस खोज ने भौतिकी समुदाय को हिलाकर रख दिया। अल्बर्ट आइंस्टीन बुलाया यह "इस बिंदु पर सबसे दिलचस्प उपलब्धि" है और टीम को नोबेल पुरस्कार के लिए नामांकित किया गया। इसिडोर रबी प्रयोग ने कहा, "मुझे एक बार और सभी के लिए आश्वस्त किया कि ... क्वांटम घटना को पूरी तरह से नए अभिविन्यास की आवश्यकता है।" क्वांटम सिद्धांत को चुनौती देने का स्टर्न का सपना स्पष्ट रूप से उल्टा पड़ गया था, हालाँकि वह भौतिकी छोड़ने के अपने वादे पर कायम नहीं रहा; इसके बजाय, वह जीता बाद की खोज के लिए 1943 में नोबेल पुरस्कार। "मुझे अभी भी क्वांटम यांत्रिकी की सुंदरता पर आपत्ति है," स्टर्न ने कहा, "लेकिन वह सही है।"

आज, भौतिक विज्ञानी मानते हैं कि स्टर्न और गेरलाच अभी भी नवजात क्वांटम सिद्धांत की पुष्टि के रूप में अपने प्रयोग की व्याख्या करने में सही थे। लेकिन वे गलत कारण से सही थे। वैज्ञानिकों ने माना कि चांदी के परमाणु का विभाजित प्रक्षेपवक्र उसके सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन की कक्षा से परिभाषित होता है, जो कुछ कोणों पर तय होता है। वास्तव में, विभाजन इलेक्ट्रॉन के आंतरिक कोणीय गति के परिमाणीकरण के कारण होता है - एक मात्रा जिसे स्पिन के रूप में जाना जाता है, जिसे कुछ और वर्षों तक खोजा नहीं जाएगा। संयोगवश, यह व्याख्या सफल रही क्योंकि फ्रेडरिक जिसे "अजीब संयोग, प्रकृति की यह साजिश" कहते हैं, उससे शोधकर्ता बच गए: इलेक्ट्रॉन के दो अभी तक अज्ञात गुण - इसकी स्पिन और इसका असामान्य चुंबकीय क्षण - रद्द हो गए।

अंडे फोड़ना

स्टर्न-गेरलाच प्रयोग की पाठ्यपुस्तक व्याख्या यह मानती है कि जैसे ही चांदी का परमाणु यात्रा करता है, इलेक्ट्रॉन स्पिन-अप या स्पिन-डाउन नहीं होता है। यह उन अवस्थाओं के क्वांटम मिश्रण या "सुपरपोज़िशन" में है। परमाणु दोनों रास्ते एक साथ अपनाता है। डिटेक्टर में घुसने पर ही उसकी स्थिति मापी जाती है, उसका मार्ग तय किया जाता है।

लेकिन 1930 के दशक की शुरुआत में, कई प्रमुख सिद्धांतकारों ने एक ऐसी व्याख्या का विकल्प चुना जिसके लिए कम क्वांटम जादू की आवश्यकता थी। तर्क में कहा गया कि चुंबकीय क्षेत्र प्रत्येक इलेक्ट्रॉन को प्रभावी ढंग से मापता है और उसके स्पिन को परिभाषित करता है। इन आलोचकों ने तर्क दिया कि यह विचार कि प्रत्येक परमाणु एक ही समय में दोनों रास्ते अपनाता है, बेतुका और अनावश्यक है।

सिद्धांत रूप में, इन दो परिकल्पनाओं का परीक्षण किया जा सकता है। यदि प्रत्येक परमाणु वास्तव में दो व्यक्तित्वों के साथ चुंबकीय क्षेत्र को पार करता है, तो यह संभव होना चाहिए - सैद्धांतिक रूप से - उन भूतिया पहचानों को पुनः संयोजित करना। ऐसा करने से डिटेक्टर पर एक विशेष हस्तक्षेप पैटर्न उत्पन्न होगा जब वे पुनः संरेखित होंगे - एक संकेत कि परमाणु वास्तव में दोनों मार्गों पर नेविगेट करता है।

बड़ी चुनौती यह है कि, सुपरपोज़िशन को संरक्षित करने और उस अंतिम हस्तक्षेप संकेत को उत्पन्न करने के लिए, व्यक्तित्वों को इतनी आसानी से और तेज़ी से विभाजित किया जाना चाहिए कि दो अलग-अलग संस्थाओं के पास पूरी तरह से अप्रभेद्य इतिहास हो, दूसरे के बारे में कोई ज्ञान न हो, और यह बताने का कोई तरीका न हो कि उन्होंने कौन सा रास्ता अपनाया है . 1980 के दशक में, कई सिद्धांतकारों ने निर्धारित किया कि इलेक्ट्रॉन की पहचान को इतनी पूर्णता के साथ विभाजित करना और पुनः संयोजित करना उतना ही असंभव होगा जितना कि हम्प्टी डम्प्टी का पुनर्निर्माण दीवार से गिरने के बाद.

हालाँकि, 2019 में, भौतिकविदों की एक टीम का नेतृत्व किया गया रॉन फोल्मन नेगेव के बेन-गुरियन विश्वविद्यालय में उन अंडों के छिलकों को चिपका दिया एक साथ वापस। शोधकर्ताओं ने स्टर्न-गेरलाच प्रयोग को पुन: प्रस्तुत करके शुरू किया, हालांकि चांदी के साथ नहीं, बल्कि 10,000 रूबिडियम परमाणुओं के एक सुपरकूल्ड क्वांटम समूह के साथ, जिसे उन्होंने एक नाखून के आकार की चिप पर फंसाया और हेरफेर किया। उन्होंने रूबिडियम इलेक्ट्रॉनों की स्पिन को ऊपर और नीचे की सुपरपोजिशन में रखा, फिर प्रत्येक परमाणु को सटीक रूप से अलग करने और पुनः संयोजित करने के लिए विभिन्न चुंबकीय दालों को लागू किया, यह सब एक सेकंड के कुछ मिलियनवें हिस्से में हुआ। और उन्होंने सबसे पहले सटीक हस्तक्षेप पैटर्न देखा भविष्यवाणी 1927 में, इस प्रकार स्टर्न-गेरलाच लूप पूरा हुआ।

फ्रेडरिक ने कहा, "वे हम्प्टी डम्प्टी को फिर से एक साथ रखने में सक्षम थे।" "यह सुंदर विज्ञान है, और यह एक बड़ी चुनौती रही है, लेकिन वे इसका सामना करने में सक्षम हैं।"

बढ़ते हीरे

स्टर्न और गेरलाच के प्रयोग की "क्वांटमनेस" को सत्यापित करने में मदद करने के अलावा, फोलमैन का काम क्वांटम शासन की सीमाओं की जांच करने का एक नया तरीका प्रदान करता है। आज, वैज्ञानिक अभी भी निश्चित नहीं हैं वस्तुएँ कितनी बड़ी हो सकती हैं क्वांटम आज्ञाओं का अभी भी पालन करते हुए, खासकर जब वे इतनी बड़ी हों कि गुरुत्वाकर्षण हस्तक्षेप कर सके। 1960 के दशक में, भौतिक विज्ञानी सुझाव कि एक पूर्ण-लूप स्टर्न-गेरलाच प्रयोग एक अति-संवेदनशील इंटरफेरोमीटर बनाएगा जो उस क्वांटम-शास्त्रीय सीमा का परीक्षण करने में मदद कर सकता है। और 2017 में, भौतिकविदों ने उस विचार का विस्तार किया और दो पड़ोसी स्टर्न-गेरलाच उपकरणों के माध्यम से छोटे हीरे की शूटिंग का सुझाव दिया, यह देखने के लिए कि क्या वे गुरुत्वाकर्षण के साथ बातचीत करते हैं।

फोलमैन का समूह अब उस चुनौती की दिशा में काम कर रहा है। 2021 में वे उल्लिखित मैक्रोस्कोपिक वस्तुओं, जैसे कि कुछ मिलियन परमाणुओं वाले हीरे, के साथ उपयोग के लिए अपने एकल परमाणु-चिप इंटरफेरोमीटर को मजबूत करने का एक तरीका। तब से, उन्होंने एक में दिखाया है श्रृंखला of कागजात कैसे बड़े और बड़े द्रव्यमान को विभाजित करना फिर से सिस्फीयन होगा, लेकिन असंभव नहीं है, और क्वांटम गुरुत्वाकर्षण रहस्यों को सुलझाने में मदद कर सकता है।

फोलमैन ने कहा, "स्टर्न-गेरलाच प्रयोग अपनी ऐतिहासिक भूमिका को पूरा करने से बहुत दूर है।" "अभी भी बहुत कुछ है जो यह हमें देने वाला है।"

क्वांटा अपने दर्शकों को बेहतर सेवा देने के लिए सर्वेक्षणों की एक श्रृंखला आयोजित कर रहा है। हमारा ले भौतिकी पाठक सर्वेक्षण और आपको निःशुल्क जीतने के लिए प्रवेश दिया जाएगा क्वांटा माल।