הניסוי שהתעלמו (לעיתים קרובות) שחשף את העולם הקוונטי | מגזין קוונטה

לפני שהחתול של ארווין שרדינגר היה מת וחי בו זמנית, ולפני אלקטרונים דמויי נקודתיות נשטפו כמו גלים דרך חריצים דקים, ניסוי קצת פחות מוכר הרים את המסך על היופי המבלבל של העולם הקוונטי. בשנת 1922, הפיזיקאים הגרמנים אוטו שטרן ו-וולטר גרלאך הדגימו כי התנהגות האטומים נשלטת על ידי כללים שעמדו בניגוד לציפיות - תצפית שחיברה את תורת מכניקת הקוונטים המתהווה עדיין.

"ניסוי שטרן-גרלך הוא סמל - זה ניסוי תקופה", אמר ברטיסלב פרידריך, פיזיקאי והיסטוריון במכון פריץ הבר בגרמניה שפרסם לאחרונה ביקורת ונערך ספר בנושא. "זה אכן היה אחד הניסויים החשובים ביותר בפיזיקה בכל הזמנים."

גם פרשנות הניסוי הושק עשרות שנים של ויכוחים. בשנים האחרונות, פיזיקאים שבסיסם בישראל הצליחו סוף סוף לעצב ניסוי ברגישות הנדרשת כדי להבהיר בדיוק כיצד עלינו להבין את התהליכים הקוונטיים הבסיסיים הפועלים. עם ההישג הזה, הם יצרו טכניקה חדשה לחקור את גבולות העולם הקוונטי. הצוות ינסה כעת לשנות את המבנה בן המאה של שטרן וגרלך כדי לחקור את טבע הכבידה - ואולי לבנות גשר בין שני עמודי התווך של הפיזיקה המודרנית.

כסף אידוי

בשנת 1921, הרעיון שחוקי הפיזיקה המקובלים נבדלים בקנה מידה קטן ביותר היה עדיין שנוי במחלוקת. התיאוריה השלטת החדשה של האטום, שהוצעה על ידי נילס בוהר, חיה בבסיס הטיעון. התיאוריה שלו הציגה גרעין מוקף באלקטרונים במסלולים קבועים - חלקיקים שיכולים להסתחרר רק במרחקים מסוימים מהגרעין, באנרגיות מסוימות ובזוויות מסוימות בתוך שדה מגנטי. האילוצים בהצעתו של בוהר היו כל כך נוקשים ולכאורה שרירותיים, עד שסטרן התחייב לעזוב את הפיזיקה אם המודל יתברר כנכון.

שטרן הגה ניסוי שיכול לפסול את התיאוריה של בוהר. הוא רצה לבדוק האם ניתן לכוון אלקטרונים בשדה מגנטי בכל כיוון, או רק בכיוונים נפרדים כפי שבוהר הציע.

שטרן תכנן לאדות דגימה של כסף ולרכז אותה לאלומת אטומים. לאחר מכן הוא יורה את הקרן הזו דרך שדה מגנטי לא אחיד ואוסף את האטומים על צלחת זכוכית. מכיוון שאטומי כסף בודדים הם כמו מגנטים קטנים, השדה המגנטי יסיט אותם בזוויות שונות בהתאם לכיוונם. אם ניתן היה לכוון את האלקטרונים החיצוניים ביותר שלהם, כפי שחזתה התיאוריה הקלאסית, ניתן היה לצפות שהאטומים המוסטים יוצרים כתם רחבה אחת לאורך לוח הגלאי.

אבל אם בוהר צדק, ומערכות זעירות כמו אטומים צייתו לכללים קוונטיים מוזרים, אטומי הכסף יכלו לעבור רק שני נתיבים דרך השדה, והלוח יראה שני קווים נפרדים.

הרעיון של שטרן היה פשוט מספיק בתיאוריה. אבל בפועל, בניית הניסוי - שאותו השאיר לגרלאך - הסתכמה במה שתלמידו לתואר שני של גרלאך וילהלם שיץ תיאר מאוחר יותר כ"עבודה דמוית סיזיפוס". כדי לאדות את הכסף, המדענים היו צריכים לחמם אותו ליותר מ-1,000 מעלות צלזיוס מבלי להמיס אף אחד מהאטמים על תא ואקום הזכוכית, שגם המשאבות שלו התנפצו בקביעות. כספי הניסוי התייבשו כשהאינפלציה של גרמניה לאחר המלחמה זינקה. אלברט איינשטיין והבנקאי הנרי גולדמן חילצו בסופו של דבר את הצוות עם תרומותיהם.

ברגע שהניסוי רץ, הפקת כל תוצאה קריא הייתה עדיין אתגר. לוחית האספן הייתה רק חלק קטן מגודלו של ראש מסמר, כך שקריאת הדפוסים במשקע הכסף הצריכה מיקרוסקופ. אולי באופן אפוקריפי, המדענים סייעו לעצמם בלי משים עם נימוסי מעבדה מפוקפקים: פיקדון הכסף היה בלתי נראה אלמלא העשן שטפטף פנימה מהסיגרים שלהם, שבגלל משכורתם הנמוכה - היו זולים ועשירים בגופרית. עזר לכסף להתפתח לכסף גופרתי בצבע שחור ג׳וני. (בשנת 2003, פרידריך ועמית שיחזר את הפרק הזה ואישר שאות הכסף הופיע רק בנוכחות עשן סיגרים זול.)

ספין הכסף

לאחר חודשים רבים של פתרון תקלות, בילה גרלאך את כל הלילה של 7 בפברואר 1922 בירי כסף לעבר הגלאי. למחרת בבוקר, הוא ועמיתיו פיתחו את הצלחת ו היכה בזהב: משקולת כסף מפוצלת היטב לשניים, כמו נשיקה מתחום הקוונטים. גרלך תיעד את התוצאה במיקרו-תצלום ושלח אותה כגלויה לבוהר, יחד עם ההודעה: "אנו מברכים אותך על אישור התיאוריה שלך".

הממצא זעזע את קהילת הפיזיקה. אלברט איינשטיין נקרא זה "ההישג המעניין ביותר בשלב זה" והציע את הצוות לפרס נובל. איזידור רבי אמר הניסוי "שכנע אותי אחת ולתמיד ש... תופעות קוונטיות דורשות אוריינטציה חדשה לחלוטין." חלומותיו של סטרן להתנגד לתורת הקוונטים חזרו כמובן, אם כי הוא לא עמד בהבטחתו לפרוש מהפיסיקה; במקום זאת, הוא נצח פרס נובל בשנת 1943 על תגלית לאחר מכן. "עדיין יש לי התנגדויות ל... היופי של מכניקת הקוונטים," אמר סטרן, "אבל היא צודקת."

כיום, פיזיקאים מכירים בכך שטרן וגרלך צדקו כשפירשו את הניסוי שלהם כאישור לתורת הקוונטים המתהווה עדיין. אבל הם צדקו מהסיבה הלא נכונה. המדענים הניחו שמסלולו המפוצל של אטום כסף מוגדר על ידי מסלול האלקטרון החיצוני ביותר שלו, המקובע בזוויות מסוימות. במציאות, הפיצול נובע מכיוונטיזציה של התנע הזוויתי הפנימי של האלקטרון - כמות המכונה ספין, שלא תתגלה עוד כמה שנים. למרבה הצער, הפרשנות הצליחה מכיוון שהחוקרים ניצלו בגלל מה שפרידריך מכנה "צירוף מקרים מוזר, הקונספירציה הזו של הטבע": שתי תכונות שעדיין לא ידועות של האלקטרון - הספין שלו והרגע המגנטי החריג שלו - התבטלו במקרה.

פיצוח ביצים

ההסבר בספר הלימוד של ניסוי שטרן-גרלך גורס שכאשר אטום הכסף נע, האלקטרון אינו מסתובב או מסתובב. זה בתערובת קוונטית או "סופרפוזיציה" של אותם מדינות. האטום לוקח את שני הנתיבים בו זמנית. רק עם התנפצות לתוך הגלאי נמדד מצבו, נתיב קבוע.

אבל החל משנות ה-1930, תיאורטיקנים בולטים רבים בחרו בפרשנות שדרשה פחות קסם קוונטי. הטיעון קבע שהשדה המגנטי מודד ביעילות כל אלקטרון ומגדיר את הספין שלו. הרעיון שכל אטום לוקח את שני הדרכים בו זמנית הוא אבסורדי ומיותר, טענו המבקרים הללו.

בתיאוריה, ניתן היה לבדוק את שתי ההשערות הללו. אם כל אטום באמת חצה את השדה המגנטי עם שתי פרסונות, אזי זה אמור להיות אפשרי - תיאורטית - לשלב מחדש את הזהויות הרפאיות הללו. פעולה זו תיצור דפוס הפרעה מסוים בגלאי כאשר הם יתיישרו מחדש - אינדיקציה לכך שהאטום אכן ניווט בשני המסלולים.

האתגר הגדול הוא שכדי לשמר סופרפוזיציה ולייצר את אותות ההפרעה הסופי, יש לפצל את הפרסונות בצורה חלקה ומהירה כל כך שלשתי הישויות המופרדות יש היסטוריה בלתי ניתנת להבחין לחלוטין, ללא ידע על האחר ושום דרך לדעת באיזה דרך הם נקטו. . בשנות ה-1980, תיאורטיקנים מרובים קבעו שפיצול ושילוב מחדש של זהויות האלקטרון עם שלמות כזו יהיו בלתי אפשריים כמו משחזר את האמפטי דמפטי לאחר נפילתו הגדולה מהקיר.

בשנת 2019, לעומת זאת, צוות של פיזיקאים בראשות רון פולמן באוניברסיטת בן-גוריון בנגב הדביקו את קליפות הביצים האלה שוב ביחד. החוקרים התחילו בשחזור ניסוי שטרן-גרלך, אם כי לא עם כסף, אלא עם קונגלומרט קוונטי מקורר-על של 10,000 אטומי רובידיום, אותם לכדו ותמרנו על שבב בגודל ציפורן. הם שמו את הספינים של האלקטרונים של רובידיום בסופרפוזיציה של מעלה ומטה, ואז הפעילו פולסים מגנטיים שונים כדי להפריד ולחבר מחדש כל אטום במדויק, הכל תוך כמה מיליוניות השנייה. והם ראו קודם את דפוס ההפרעות המדויק חזה ב-1927, ובכך השלים את לולאת שטרן-גרלך.

"הם הצליחו להרכיב את המפטי דמפטי שוב", אמר פרידריך. "זה מדע יפהפה, וזה היה אתגר עצום, אבל הם הצליחו לעמוד בו".

גידול יהלומים

מלבד עזרה לאמת את ה"קוונטיות" של הניסוי של שטרן וגרלך, עבודתו של פולמן מציעה דרך חדשה לחקור את גבולות המשטר הקוונטי. כיום, מדענים עדיין לא בטוחים כמה חפצים יכולים להיות גדולים תוך הקפדה על מצוות קוונטיות, במיוחד כשהן גדולות מספיק כדי שכוח הכבידה יתערב. בשנות ה-1960, פיזיקאים מוצע שניסוי שטרן-גרלך בלולאה מלאה יצור אינטרפרומטר סופר-רגיש שיכול לעזור לבדוק את הגבול הקוונטי-קלאסי הזה. ובשנת 2017, פיזיקאים הרחיבו את הרעיון הזה והציעו לירות יהלומים זעירים דרך שני מכשירי שטרן-גרלאך השכנים כדי לראות אם הם מקיימים אינטראקציה כבידה.

הקבוצה של פולמן פועלת כעת לקראת האתגר הזה. בשנת 2021, הם המתואר דרך להגביר את האינטרפרומטר הבודד-אטום-שבב שלהם לשימוש עם עצמים מקרוסקופיים, כמו יהלומים הכוללים כמה מיליוני אטומים. מאז, הם הראו ב-a סדרה of ניירות כיצד פיצול מסות גדולות יותר וגדולות יותר יהיה שוב סיזיפי, אך לא בלתי אפשרי, ויכול לעזור לפתור שלל תעלומות כבידה קוונטיות.

"ניסוי שטרן-גרלך רחוק מאוד מלהשלים את תפקידו ההיסטורי", אמר פולמן. "יש עדיין הרבה שזה הולך לתת לנו."

Quanta עורכת סדרה של סקרים כדי לשרת טוב יותר את הקהל שלנו. קח את שלנו סקר קוראי פיזיקה ותוכלו לזכות בחינם Quanta סחורה.