Eksperimen (Sering) Diabaikan yang Mengungkap Dunia Kuantum | Majalah Kuanta

Sebelum kucing Erwin Schrödinger mati dan hidup secara bersamaan, dan sebelum elektron seperti titik tersapu seperti gelombang melalui celah tipis, sebuah eksperimen yang kurang dikenal menyingkap tabir keindahan dunia kuantum yang membingungkan. Pada tahun 1922, fisikawan Jerman Otto Stern dan Walther Gerlach menunjukkan bahwa perilaku atom diatur oleh aturan yang tidak sesuai ekspektasi – sebuah pengamatan yang memperkuat teori mekanika kuantum yang masih berkembang.

“Eksperimen Stern-Gerlach adalah sebuah ikon — ini adalah eksperimen yang sangat penting,” katanya Bretislav Friedrich, seorang fisikawan dan sejarawan di Fritz Haber Institute di Jerman yang baru-baru ini menerbitkan bukunya tinjauan dan diedit buku pada subjek. “Itu memang salah satu eksperimen fisika terpenting sepanjang masa.”

Interpretasi eksperimen juga diluncurkan perdebatan puluhan tahun. Dalam beberapa tahun terakhir, fisikawan yang berbasis di Israel akhirnya mampu merancang eksperimen dengan kepekaan yang diperlukan untuk memperjelas dengan tepat bagaimana kita harus memahami proses kuantum mendasar yang sedang berlangsung. Dengan pencapaian tersebut, mereka menciptakan teknik baru untuk menjelajahi batas-batas dunia kuantum. Tim tersebut sekarang akan mencoba memodifikasi pengaturan Stern dan Gerlach yang berusia seabad untuk menyelidiki sifat gravitasi – dan mungkin membangun jembatan antara dua pilar fisika modern.

Menguap Perak

Pada tahun 1921, gagasan bahwa hukum fisika konvensional berbeda pada skala terkecil masih cukup kontroversial. Teori atom yang baru, yang diajukan oleh Niels Bohr, menjadi inti perdebatan. Teorinya menampilkan inti atom yang dikelilingi oleh elektron dalam orbit tetap – partikel yang hanya dapat berputar pada jarak tertentu dari inti, dengan energi tertentu, dan pada sudut tertentu dalam medan magnet. Kendala dalam usulan Bohr begitu kaku dan tampak sewenang-wenang sehingga Stern berjanji untuk berhenti dari fisika jika modelnya terbukti benar.

Stern menyusun eksperimen yang dapat membatalkan teori Bohr. Dia ingin menguji apakah elektron dalam medan magnet dapat diorientasikan ke arah mana pun, atau hanya dalam arah diskrit seperti yang diusulkan Bohr.

Stern berencana menguapkan sampel perak dan memusatkannya menjadi berkas atom. Dia kemudian menembakkan sinar itu melalui medan magnet yang tidak seragam dan mengumpulkan atom-atom di piring kaca. Karena setiap atom perak seperti magnet kecil, medan magnet akan membelokkannya pada sudut yang berbeda-beda bergantung pada orientasinya. Jika elektron-elektron terluarnya dapat diorientasikan mau tidak mau, seperti prediksi teori klasik, atom-atom yang dibelokkan diperkirakan akan membentuk noda tunggal yang luas di sepanjang pelat detektor.

Namun jika Bohr benar, dan sistem kecil seperti atom mematuhi aturan kuantum yang aneh, atom perak hanya dapat menempuh dua jalur melalui medan, dan pelat akan menunjukkan dua garis terpisah.

Ide Stern secara teori cukup sederhana. Namun dalam praktiknya, pembuatan eksperimen tersebut – yang diserahkannya kepada Gerlach – setara dengan apa yang kemudian digambarkan oleh mahasiswa pascasarjana Gerlach, Wilhelm Schütz, sebagai “kerja mirip Sisyphus.” Untuk menguapkan perak, para ilmuwan perlu memanaskannya hingga lebih dari 1,000 derajat Celcius tanpa melelehkan segel apa pun pada ruang vakum kaca, yang pompanya juga sering pecah. Dana percobaan mengering karena inflasi Jerman pascaperang melonjak. Albert Einstein dan bankir Henry Goldman akhirnya memberikan dana talangan kepada tim tersebut dengan sumbangan mereka.

Setelah eksperimen berjalan, menghasilkan hasil yang dapat dibaca masih merupakan sebuah tantangan. Pelat pengumpul hanya berukuran sebagian kecil dari ukuran kepala paku, jadi membaca pola endapan perak memerlukan mikroskop. Mungkin secara keliru, para ilmuwan secara tidak sengaja mengambil tindakan etiket laboratorium yang patut dipertanyakan: Deposit perak tidak akan terlihat jika bukan karena asap yang keluar dari cerutu mereka, yang – karena gaji mereka yang rendah – tidak mahal dan kaya akan belerang. membantu perak berkembang menjadi perak sulfida hitam pekat. (Pada tahun 2003, Friedrich dan rekannya menghidupkan kembali episode ini dan memastikan bahwa sinyal perak hanya muncul jika ada asap cerutu murahan.)

Putaran Perak

Setelah berbulan-bulan memecahkan masalah, Gerlach menghabiskan sepanjang malam tanggal 7 Februari 1922, menembakkan perak ke detektor. Keesokan paginya, dia dan rekannya mengembangkan piring tersebut dan memukul emas: simpanan perak yang terbelah rapi menjadi dua, seperti ciuman dari alam kuantum. Gerlach mendokumentasikan hasilnya dalam foto mikro dan mengirimkannya sebagai kartu pos ke Bohr, bersama dengan pesan: “Kami mengucapkan selamat atas konfirmasi teori Anda.”

Temuan ini mengguncang komunitas fisika. Albert Einstein bernama Ini adalah “pencapaian paling menarik saat ini” dan menominasikan tim tersebut untuk Hadiah Nobel. Isidor Rabi mengatakan eksperimen tersebut “meyakinkan saya untuk selamanya bahwa… fenomena kuantum memerlukan orientasi yang benar-benar baru.” Impian Stern untuk meragukan teori kuantum jelas menjadi bumerang, meskipun ia tidak menepati janjinya untuk berhenti dari bidang fisika; sebaliknya, dia won Hadiah Nobel pada tahun 1943 untuk penemuan selanjutnya. “Saya masih keberatan dengan… keindahan mekanika kuantum,” kata Stern, “tapi dia benar.”

Saat ini, para fisikawan menyadari bahwa Stern dan Gerlach benar dalam menafsirkan eksperimen mereka sebagai pembuktian teori kuantum yang masih baru lahir. Namun mereka benar karena alasan yang salah. Para ilmuwan berasumsi bahwa lintasan pemisahan atom perak ditentukan oleh orbit elektron terluarnya, yang ditetapkan pada sudut tertentu. Pada kenyataannya, pemisahan ini disebabkan oleh kuantisasi momentum sudut internal elektron – besaran yang dikenal sebagai spin, yang baru dapat ditemukan dalam beberapa tahun ke depan. Secara kebetulan, penafsiran tersebut berhasil karena para peneliti terselamatkan oleh apa yang disebut Friedrich sebagai “kebetulan yang aneh, konspirasi alam”: Dua sifat elektron yang belum diketahui – putarannya dan momen magnetnya yang anomali – terjadi secara tidak sengaja.

Memecahkan Telur

Penjelasan buku teks tentang eksperimen Stern-Gerlach menyatakan bahwa ketika atom perak bergerak, elektron tidak berputar ke atas atau ke bawah. Itu berada dalam campuran kuantum atau “superposisi” dari keadaan tersebut. Atom mengambil kedua jalur secara bersamaan. Hanya setelah menabrak detektor, keadaannya diukur, jalurnya ditetapkan.

Namun mulai tahun 1930-an, banyak ahli teori terkemuka memilih interpretasi yang tidak memerlukan keajaiban kuantum. Argumennya menyatakan bahwa medan magnet secara efektif mengukur setiap elektron dan menentukan putarannya. Gagasan bahwa setiap atom mengambil kedua jalur sekaligus adalah tidak masuk akal dan tidak perlu, demikian argumen para kritikus.

Secara teori, kedua hipotesis ini bisa diuji. Jika setiap atom benar-benar melintasi medan magnet dengan dua persona, maka secara teori, identitas hantu tersebut dapat digabungkan kembali. Melakukan hal ini akan menghasilkan pola interferensi tertentu pada detektor ketika detektor tersebut diselaraskan kembali – sebuah indikasi bahwa atom memang menavigasi kedua rute tersebut.

Tantangan besarnya adalah, untuk mempertahankan superposisi dan menghasilkan sinyal interferensi akhir, persona harus dipecah dengan lancar dan cepat sehingga kedua entitas yang terpisah tersebut memiliki sejarah yang sama sekali tidak dapat dibedakan, tidak ada pengetahuan satu sama lain, dan tidak ada cara untuk mengetahui jalur mana yang mereka ambil. . Pada tahun 1980-an, banyak ahli teori menetapkan bahwa pemisahan dan penggabungan kembali identitas elektron dengan kesempurnaan seperti itu adalah hal yang tidak mungkin dilakukan. merekonstruksi Humpty Dumpty setelah kejatuhannya yang hebat dari tembok.

Namun pada tahun 2019, tim fisikawan dipimpin oleh Ron Folman di Universitas Ben-Gurion Negev rekatkan kulit telur itu kembali bersama. Para peneliti memulai dengan mereproduksi eksperimen Stern-Gerlach, meskipun tidak dengan perak, tetapi dengan konglomerasi kuantum 10,000 atom rubidium yang sangat dingin, yang mereka jebak dan manipulasi pada chip seukuran kuku. Mereka menempatkan putaran elektron rubidium dalam superposisi atas dan bawah, kemudian menerapkan berbagai pulsa magnetik untuk secara tepat memisahkan dan menggabungkan kembali setiap atom, semuanya dalam sepersejuta detik. Dan mereka pertama kali melihat pola interferensi yang sebenarnya diprediksi pada tahun 1927, sehingga menyelesaikan putaran Stern-Gerlach.

“Mereka mampu menyatukan kembali Humpty Dumpty,” kata Friedrich. “Ini ilmu pengetahuan yang indah, dan merupakan tantangan besar, namun mereka mampu mengatasinya.”

Menumbuhkan Berlian

Selain membantu memverifikasi “kuantum” eksperimen Stern dan Gerlach, karya Folman menawarkan cara baru untuk menyelidiki batasan rezim kuantum. Saat ini, para ilmuwan masih belum yakin seberapa besar benda itu sambil tetap mematuhi perintah-perintah kuantum, terutama ketika perintah-perintah tersebut cukup besar untuk diintervensi oleh gravitasi. Pada tahun 1960-an, fisikawan disarankan bahwa eksperimen Stern-Gerlach loop penuh akan menciptakan interferometer super sensitif yang dapat membantu menguji batas kuantum klasik tersebut. Dan pada tahun 2017, fisikawan memperluas gagasan tersebut dan menyarankan untuk memotret berlian kecil melalui dua perangkat Stern-Gerlach yang berdekatan untuk melihat apakah keduanya berinteraksi secara gravitasi.

Kelompok Folman kini berupaya menghadapi tantangan tersebut. Pada tahun 2021, mereka diuraikan cara untuk meningkatkan interferometer chip atom tunggal untuk digunakan dengan objek makroskopis, seperti berlian yang terdiri dari beberapa juta atom. Sejak itu, mereka tampil di a seri of dokumen bagaimana pemisahan massa yang semakin besar akan terjadi lagi di Sisyphean, namun bukan tidak mungkin, dan dapat membantu memecahkan banyak misteri gravitasi kuantum.

“Eksperimen Stern-Gerlach masih jauh dari menyelesaikan peran historisnya,” kata Folman. “Masih banyak manfaat yang dapat diberikannya kepada kita.”

Quanta sedang melakukan serangkaian survei untuk melayani audiens kami dengan lebih baik. Ambil milik kami survei pembaca fisika dan anda akan diikut sertakan untuk menang secara gratis Quanta dagangan.