A (gyakran) figyelmen kívül hagyott kísérlet, amely feltárta a kvantumvilágot | Quanta Magazin

Mielőtt Erwin Schrödinger macskája egyszerre volt halott és élt, és mielőtt a pontszerű elektronok hullámokként mosódtak volna át vékony réseken, egy valamivel kevésbé ismert kísérlet lebbentette fel a fátylat a kvantumvilág megdöbbentő szépségéről. 1922-ben a német fizikusok, Otto Stern és Walther Gerlach bebizonyították, hogy az atomok viselkedését olyan szabályok szabályozzák, amelyek ellentmondanak az elvárásoknak – ez a megfigyelés megerősítette a kvantummechanika még mindig bimbózó elméletét.

„A Stern-Gerlach kísérlet egy ikon – ez egy korszakos kísérlet” – mondta Bretislav Friedrich, a németországi Fritz Haber Intézet fizikusa és történésze, aki nemrég publikált felülvizsgálat és szerkesztette könyv a témában. "Valóban ez volt minden idők egyik legfontosabb fizikális kísérlete."

A kísérlet értelmezése is indított évtizedes érvelés. Az elmúlt években az izraeli fizikusoknak végre sikerült egy kellő érzékenységű kísérletet készíteniük annak tisztázására, hogy pontosan hogyan kell megértenünk a működő alapvető kvantumfolyamatokat. Ezzel a teljesítménnyel új technikát dolgoztak ki a kvantumvilág határainak feltárására. A csapat most megpróbálja módosítani Stern és Gerlach évszázados rendszerét, hogy megvizsgálja a gravitáció természetét – és talán hidat építsen a modern fizika két pillére között.

Párologtató ezüst

1921-ben még meglehetősen vitatott volt az az elképzelés, hogy a fizika hagyományos törvényei a legkisebb léptékben is különböznek. Az atom új uralkodó elmélete, amelyet Niels Bohr javasolt, az érvelés középpontjában állt. Elmélete egy atommagot tartalmazott, amelyet rögzített pályán elektronok vesznek körül – olyan részecskék, amelyek az atommagtól csak bizonyos távolságra, bizonyos energiákkal és bizonyos szögekben tudtak örvénylődni a mágneses mezőn belül. A Bohr javaslatában szereplő korlátok olyan merevek és látszólag önkényesek voltak, hogy Stern megígérte, hogy felhagy a fizikával, ha a modell helyesnek bizonyul.

Stern kigondolt egy kísérletet, amely érvénytelenítheti Bohr elméletét. Azt akarta tesztelni, hogy a mágneses térben lévő elektronok bármilyen irányba orientálhatók-e, vagy csak diszkrét irányban, ahogy Bohr javasolta.

Stern azt tervezte, hogy elpárologtat egy ezüstmintát, és atomsugárba koncentrálja. Ezután átlőtte a sugarat egy nem egyenletes mágneses mezőn, és üveglapra gyűjtötte az atomokat. Mivel az egyes ezüstatomok olyanok, mint a kis mágnesek, a mágneses tér különböző szögekben téríti el őket az orientációjuktól függően. Ha a legkülső elektronjaikat akarva-akaratlanul tudnák orientálni, ahogy azt a klasszikus elmélet megjósolta, akkor az eltérített atomok várhatóan egyetlen széles foltot alkotnak a detektorlemez mentén.

De ha Bohrnak igaza volt, és az olyan apró rendszerek, mint az atomok, furcsa kvantumszabályoknak engedelmeskednének, az ezüstatomok csak két utat járnának be a mezőn, és a lemez két különálló vonalat mutatna.

Stern ötlete elég egyszerű volt elméletileg. A gyakorlatban azonban a kísérlet felépítése – amelyet Gerlachra hagyott – egyenértékű volt azzal, amit Gerlach végzős diákja, Wilhelm Schütz később „Sisyphus-szerű munkaként” jellemez. Az ezüst elpárologtatásához a tudósoknak több mint 1,000 Celsius-fokra kellett felmelegíteniük anélkül, hogy megolvasztották volna az üveg vákuumkamra tömítését, amelynek szivattyúi is rendszeresen összetörtek. A kísérlet pénzeszközei elfogytak, mivel Németország háború utáni inflációja megugrott. Albert Einstein és Henry Goldman bankár végül adományaikkal megmentette a csapatot.

A kísérlet futása után az olvasható eredmény elérése továbbra is kihívást jelentett. A gyűjtőlemez csak töredéke volt a szögfej méretének, ezért az ezüstlerakódásban lévő minták leolvasásához mikroszkópra volt szükség. Talán apokrif módon a tudósok akaratlanul is kisegítették magukat a megkérdőjelezhető laboratóriumi etiketttel: Az ezüstlelet láthatatlan lett volna, ha nem szivarjaikból csordogált volna a füst, amelyek – alacsony fizetésük miatt – olcsók és kénben gazdagok, segített az ezüstnek látható koromfekete ezüst-szulfiddá fejlődni. (2003-ban Friedrich és egy kollégája újrajátszotta ezt az epizódot és megerősítette, hogy az ezüst jel csak olcsó szivarfüst jelenlétében jelent meg.)

Az ezüst pörgetése

Sok hónapos hibakeresés után Gerlach 7. február 1922-én az egész éjszakát azzal töltötte, hogy ezüsttel lövöldözte a detektort. Másnap reggel kollégáival kifejlesztette a lemezt és ütött aranyra: szépen kettéhasadt ezüstlerakódás, mint egy csók a kvantumbirodalomból. Gerlach egy mikrofotón dokumentálta az eredményt, és képeslapként elküldte Bohrnak, a következő üzenettel együtt: „Gratulálunk elméletének megerősítéséhez.”

A felfedezés megrázta a fizikus közösséget. Albert Einstein hívott ez a „legérdekesebb teljesítmény ezen a ponton”, és Nobel-díjra jelölte a csapatot. Isidor Rabi A kísérlet "egyszer s mindenkorra meggyőzött arról, hogy a kvantumjelenségek teljesen új irányultságot igényelnek." Sternnek a kvantumelmélet megkérdőjelezésére vonatkozó álmai nyilvánvalóan visszafelé sültek el, bár nem tartotta be ígéretét, hogy felhagy a fizikával; ehelyett ő nyerte 1943-ban Nobel-díjat kapott egy későbbi felfedezésért. "Még mindig vannak kifogásaim a kvantummechanika szépsége ellen" - mondta Stern -, de igaza van.

Ma a fizikusok elismerik, hogy Sternnek és Gerlachnak igaza volt, amikor kísérletüket a még születőben lévő kvantumelmélet megerősítéseként értelmezték. De rossz okból volt igazuk. A tudósok azt feltételezték, hogy az ezüstatom hasadási pályáját a legkülső elektron pályája határozza meg, amely bizonyos szögekben rögzített. A valóságban a hasadás az elektron belső impulzusimpulzusának kvantálása miatt következik be – ezt a mennyiséget spinnek nevezik, és ezt még néhány évig nem fedeznék fel. Szerencsétlen módon az értelmezés sikerült, mert a kutatókat megmentette az, amit Friedrich „furcsa véletlennek, a természet eme összeesküvésének” nevez: az elektron két, még ismeretlen tulajdonsága – a spinje és a rendellenes mágneses momentuma – véletlenül megszűnt.

Tojástörés

A Stern-Gerlach-kísérlet tankönyvi magyarázata azt állítja, hogy ahogy az ezüstatom halad, az elektron nem forog fel vagy le. Ezen állapotok kvantumkeverékében vagy „szuperpozíciójában” van. Az atom egyidejűleg mindkét utat bejárja. Csak a detektorba ütközéskor mérik meg az állapotát, rögzítik az útját.

De az 1930-as évektől kezdve sok prominens teoretikus olyan értelmezés mellett döntött, amely kevesebb kvantummágiát igényel. Az érvelés szerint a mágneses tér hatékonyan méri az egyes elektronokat, és meghatározza annak spinjét. Az az elképzelés, hogy minden atom egyszerre mindkét utat választja, abszurd és szükségtelen – érveltek ezek a kritikusok.

Elméletileg ez a két hipotézis tesztelhető. Ha minden atom valóban áthaladt a mágneses mezőn két személyiséggel, akkor – elméletileg – lehetségesnek kell lennie a kísérteties identitások újbóli kombinálása. Ezzel egy bizonyos interferencia-mintát generálna az érzékelőn, amikor átrendelik, ami azt jelzi, hogy az atom valóban mindkét útvonalon navigált.

A nagy kihívás az, hogy a szuperpozíció megőrzése és a végső interferencia jel generálása érdekében a személyeket olyan simán és gyorsan fel kell osztani, hogy a két különálló entitásnak teljesen megkülönböztethetetlen története legyen, ne ismerje a másikat, és ne legyen mód megmondani, melyik utat választották. . Az 1980-as években több teoretikus megállapította, hogy az elektronok azonosságának ilyen tökéletességgel történő felosztása és újrakombinálása ugyanolyan kivitelezhetetlen lenne, mint Humpty Dumpty rekonstrukciója a falról való nagy lezuhanása után.

2019-ben azonban egy fizikuscsoport vezette Ron Folman a Negevi Ben-Gurion Egyetemen ragasztotta azokat a tojáshéjakat Újra együtt. A kutatók azzal kezdték, hogy reprodukálták a Stern-Gerlach kísérletet, bár nem ezüsttel, hanem egy 10,000 XNUMX rubídium atomból álló túlhűtött kvantumkonglomerátummal, amelyet csapdába ejtettek és egy köröm méretű chipen manipuláltak. A rubídium elektronok spinjeit fel-le szuperpozícióba helyezték, majd különféle mágneses impulzusokat alkalmaztak az egyes atomok precíz szétválasztására és újrakombinálására, mindezt néhány milliomod másodperc alatt. És először látták a pontos interferenciamintát jósolt 1927-ben, ezzel teljessé vált a Stern-Gerlach hurok.

„Újra össze tudták hozni Humpty Dumptyt” – mondta Friedrich. "Ez egy gyönyörű tudomány, és hatalmas kihívás volt, de meg tudtak felelni."

Gyémántok termesztése

Amellett, hogy segít Stern és Gerlach kísérlete „kvantumosságának” igazolásában, Folman munkája új módot kínál a kvantumrezsim határainak vizsgálatára. Ma a tudósok még mindig nem biztosak abban, hogy csak milyen nagyok lehetnek a tárgyak miközben továbbra is betartja a kvantumparancsokat, különösen akkor, ha elég nagyok ahhoz, hogy a gravitáció beavatkozzon. Az 1960-as években a fizikusok azt javasolta, hogy egy teljes hurkú Stern-Gerlach kísérlet egy szuperérzékeny interferométert hozna létre, amely segíthet tesztelni ezt a kvantum-klasszikus határt. 2017-ben pedig a fizikusok kibővítették ezt az ötletet, és azt javasolták, hogy apró gyémántokat lőjenek át két szomszédos Stern-Gerlach eszközön, hogy megnézzék, gravitációs kölcsönhatásba lépnek-e.

Folman csoportja most ezen a kihíváson dolgozik. 2021-ben ők vázolt egy módja annak, hogy az egyetlen atomchip interferométerüket feljavítsák makroszkopikus tárgyakkal, például néhány millió atomból álló gyémántokkal. Azóta megmutatták a sorozat of papírok hogy a nagyobb és nagyobb tömegek felosztása ismét sziszifuszi lesz, de nem lehetetlen, és segíthet megoldani egy csomó kvantumgravitációs rejtélyt.

"A Stern-Gerlach kísérlet nagyon messze van attól, hogy beteljesítse történelmi szerepét" - mondta Folman. – Még mindig sok van, amit ad nekünk.

Quanta felméréssorozatot végez közönségünk jobb kiszolgálása érdekében. Vidd a miénket fizika olvasói felmérés és ingyenesen nyerhetsz Quanta áru.