L'esperimento (spesso) trascurato che ha rivelato il mondo quantistico | Rivista Quanti

Prima che il gatto di Erwin Schrödinger fosse contemporaneamente vivo e morto, e prima che gli elettroni puntiformi si riversassero come onde attraverso sottili fessure, un esperimento un po' meno conosciuto sollevò il velo sulla sconcertante bellezza del mondo quantistico. Nel 1922, i fisici tedeschi Otto Stern e Walther Gerlach dimostrarono che il comportamento degli atomi era governato da regole che sfidavano le aspettative: un’osservazione che cementò la teoria ancora in erba della meccanica quantistica.

"L'esperimento Stern-Gerlach è un'icona, è un esperimento epocale", ha affermato Bretislav Federico, fisico e storico dell'Istituto Fritz Haber in Germania che ha recentemente pubblicato una recensione e modificato un libro a questo proposito. "È stato davvero uno degli esperimenti più importanti di fisica di tutti i tempi."

Anche l'interpretazione dell'esperimento lanciato decenni di discussioni. Negli ultimi anni, i fisici con sede in Israele sono finalmente riusciti a mettere a punto un esperimento con la sensibilità necessaria per chiarire esattamente come dovremmo comprendere i processi quantistici fondamentali in atto. Con questo risultato, hanno creato una nuova tecnica per esplorare i confini del mondo quantistico. Il team tenterà ora di modificare la secolare impostazione di Stern e Gerlach per sondare la natura della gravità e forse costruire un ponte tra i due pilastri della fisica moderna.

Argento vaporizzato

Nel 1921, l’idea che le leggi convenzionali della fisica differissero su scala più piccola era ancora piuttosto controversa. La nuova teoria imperante dell’atomo, proposta da Niels Bohr, viveva al centro della discussione. La sua teoria prevedeva un nucleo circondato da elettroni in orbite fisse: particelle che potevano ruotare solo a determinate distanze dal nucleo, con determinate energie e a determinati angoli all'interno di un campo magnetico. I vincoli nella proposta di Bohr erano così rigidi e apparentemente arbitrari che Stern si impegnò a lasciare la fisica se il modello si fosse rivelato corretto.

Stern concepì un esperimento che potesse invalidare la teoria di Bohr. Voleva verificare se gli elettroni in un campo magnetico potessero essere orientati in qualsiasi modo, o solo in direzioni discrete come aveva proposto Bohr.

Stern progettò di vaporizzare un campione d'argento e concentrarlo in un fascio di atomi. Quindi lanciava quel raggio attraverso un campo magnetico non uniforme e raccoglieva gli atomi su una lastra di vetro. Poiché i singoli atomi d’argento sono come piccoli magneti, il campo magnetico li devierebbe ad angoli diversi a seconda del loro orientamento. Se i loro elettroni più esterni potessero essere orientati, volenti o nolenti, come previsto dalla teoria classica, ci si aspetterebbe che gli atomi deviati formino un’unica ampia macchia lungo la piastra del rilevatore.

Ma se Bohr avesse ragione, e piccoli sistemi come gli atomi obbedissero a strane regole quantistiche, gli atomi d’argento potrebbero seguire solo due percorsi attraverso il campo, e la piastra mostrerebbe due linee distinte.

L'idea di Stern era abbastanza semplice in teoria. Ma in pratica, la realizzazione dell’esperimento – che lasciò a Gerlach – equivaleva a quello che Wilhelm Schütz, studente laureato di Gerlach, descrisse in seguito come “un lavoro simile a quello di Sisifo”. Per vaporizzare l'argento, gli scienziati dovevano riscaldarlo a più di 1,000 gradi Celsius senza sciogliere nessuno dei sigilli della camera a vuoto di vetro, le cui pompe si rompevano regolarmente. I fondi dell'esperimento si esaurirono mentre l'inflazione tedesca del dopoguerra aumentava vertiginosamente. Albert Einstein e il banchiere Henry Goldman alla fine salvarono la squadra con le loro donazioni.

Una volta avviato l’esperimento, produrre un risultato leggibile era ancora una sfida. La piastra di raccolta era solo una frazione delle dimensioni della testa di un chiodo, quindi per leggere i motivi nel deposito d'argento era necessario un microscopio. Forse in modo apocrifo, gli scienziati si sono inavvertitamente aiutati con una discutibile etichetta di laboratorio: il deposito d'argento sarebbe stato invisibile se non fosse stato per il fumo che usciva dai loro sigari, che - a causa dei loro bassi salari - erano poco costosi e ricchi di zolfo che ha aiutato l'argento a trasformarsi in solfuro d'argento visibile di colore nero corvino. (Nel 2003, Friedrich e un collega ha rievocato questo episodio e confermarono che il segnale argentato appariva solo in presenza di fumo di sigaro scadente.)

La rotazione dell'argento

Dopo molti mesi di ricerca e risoluzione dei problemi, Gerlach trascorse l'intera notte del 7 febbraio 1922 sparando argento al rilevatore. La mattina successiva, lui e i suoi colleghi hanno sviluppato la piastra e ha colpito l'oro: un deposito d'argento nettamente diviso in due, come un bacio dal regno quantico. Gerlach documentò il risultato in una microfotografia e la spedì come cartolina a Bohr, insieme al messaggio: "Ci congratuliamo con te per la conferma della tua teoria".

La scoperta scosse la comunità dei fisici. Albert Einstein detto è stato “il risultato più interessante a questo punto” e ha nominato il team per un premio Nobel. Isidoro Rabi ha detto che l'esperimento "mi ha convinto una volta per tutte che... i fenomeni quantistici richiedevano un orientamento completamente nuovo". I sogni di Stern di contestare la teoria quantistica erano ovviamente falliti, anche se non mantenne la promessa di abbandonare la fisica; invece lui ha vinto un premio Nobel nel 1943 per una scoperta successiva. “Ho ancora delle obiezioni sulla… bellezza della meccanica quantistica”, ha detto Stern, “ma ha ragione”.

Oggi i fisici riconoscono che Stern e Gerlach avevano ragione nell’interpretare il loro esperimento come una conferma della teoria quantistica ancora nascente. Ma avevano ragione per la ragione sbagliata. Gli scienziati hanno ipotizzato che la traiettoria di divisione di un atomo d'argento sia definita dall'orbita del suo elettrone più esterno, che è fissato a determinati angoli. In realtà, la scissione è dovuta alla quantizzazione del momento angolare interno dell'elettrone, una quantità nota come spin, che non sarebbe stata scoperta prima di qualche anno. Casualmente, l’interpretazione ha funzionato perché i ricercatori sono stati salvati da quella che Friedrich chiama una “strana coincidenza, questa cospirazione della natura”: due proprietà ancora sconosciute dell’elettrone – la sua rotazione e il suo momento magnetico anomalo – si sono annullate.

Rompere le uova

La spiegazione da manuale dell'esperimento Stern-Gerlach sostiene che mentre l'atomo d'argento viaggia, l'elettrone non viene spin-up o spin-down. È in una miscela quantistica o “sovrapposizione” di quegli stati. L'atomo segue entrambi i percorsi contemporaneamente. Solo dopo l'impatto con il rilevatore viene misurato il suo stato e fissato il suo percorso.

Ma a partire dagli anni ’1930, molti eminenti teorici optarono per un’interpretazione che richiedeva meno magia quantistica. L'argomentazione sosteneva che il campo magnetico misura effettivamente ciascun elettrone e ne definisce lo spin. L’idea che ogni atomo segua entrambe le strade contemporaneamente è assurda e non necessaria, sostenevano questi critici.

In teoria, queste due ipotesi potrebbero essere testate. Se ogni atomo attraversasse davvero il campo magnetico con due personalità, allora dovrebbe essere possibile, in teoria, ricombinare quelle identità spettrali. Ciò genererebbe un particolare schema di interferenza su un rilevatore quando si riallineano, un’indicazione che l’atomo ha effettivamente percorso entrambe le rotte.

La grande sfida è che, per preservare la sovrapposizione e generare quel segnale di interferenza finale, le personalità devono essere divise in modo così fluido e rapido che le due entità separate abbiano storie del tutto indistinguibili, nessuna conoscenza dell’altra e nessun modo di dire quale percorso abbiano preso. . Negli anni '1980, diversi teorici stabilirono che scindere e ricombinare le identità dell'elettrone con tale perfezione sarebbe stato altrettanto impossibile quanto ricostruire Humpty Dumpty dopo la sua grande caduta dal muro.

Nel 2019, invece, un team di fisici guidato da Ron Folmann presso l'Università Ben-Gurion del Negev incollato quei gusci d'uovo di nuovo insieme. I ricercatori hanno iniziato riproducendo l’esperimento Stern-Gerlach, anche se non con l’argento, ma con un conglomerato quantistico superraffreddato di 10,000 atomi di rubidio, che hanno intrappolato e manipolato su un chip grande quanto un’unghia. Hanno messo gli spin degli elettroni di rubidio in una sovrapposizione su e giù, quindi hanno applicato vari impulsi magnetici per separare e ricombinare con precisione ciascun atomo, il tutto in pochi milionesimi di secondo. E per primi hanno visto l'esatto schema di interferenza previsto nel 1927, completando così il circuito Stern-Gerlach.

"Sono riusciti a rimettere insieme Humpty Dumpty", ha detto Friedrich. "È una scienza meravigliosa ed è stata una sfida enorme, ma sono stati in grado di affrontarla."

Diamanti in crescita

Oltre ad aiutare a verificare la “quantità” dell'esperimento di Stern e Gerlach, il lavoro di Folman offre un nuovo modo per sondare i limiti del regime quantistico. Oggi gli scienziati non ne sono ancora sicuri quanto possono essere grandi gli oggetti pur aderendo ai comandamenti quantistici, soprattutto quando sono abbastanza grandi da consentire l'intervento della gravità. Negli anni '1960, i fisici suggerimenti che un esperimento Stern-Gerlach a ciclo completo creerebbe un interferometro super sensibile che potrebbe aiutare a testare quel confine quantistico-classico. E nel 2017, i fisici hanno ampliato l’idea e hanno suggerito di sparare minuscoli diamanti attraverso due dispositivi Stern-Gerlach vicini per vedere se interagivano gravitazionalmente.

Il gruppo di Folman sta ora lavorando per affrontare questa sfida. Nel 2021, loro delineato un modo per potenziare il loro interferometro a chip singolo atomo per l'uso con oggetti macroscopici, come i diamanti costituiti da pochi milioni di atomi. Da allora, hanno mostrato in a serie of documenti come dividere masse sempre più grandi sarà di nuovo una cosa di Sisifo, ma non impossibile, e potrebbe aiutare a risolvere una serie di misteri della gravità quantistica.

"L'esperimento Stern-Gerlach è molto lontano dal completare il suo ruolo storico", ha detto Folman. "C'è ancora molto che ci darà."

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