Det (ofte) oversett eksperimentet som avslørte kvanteverdenen | Quanta Magazine

Før Erwin Schrödingers katt samtidig var død og levende, og før punktlignende elektroner vasket som bølger gjennom tynne spalter, løftet et noe mindre kjent eksperiment sløret for kvanteverdenens forvirrende skjønnhet. I 1922 demonstrerte de tyske fysikerne Otto Stern og Walther Gerlach at atferden til atomer ble styrt av regler som trosset forventningene - en observasjon som sementerte den fortsatt spirende teorien om kvantemekanikk.

"Stern-Gerlach-eksperimentet er et ikon - det er et epokeeksperiment," sa Bretislav Friedrich, en fysiker og historiker ved Fritz Haber Institute i Tyskland som nylig publiserte en anmeldelse og redigert en bok på emnet. "Det var virkelig et av de viktigste eksperimentene i fysikk gjennom tidene."

Eksperimentets tolkning også lansert tiår med argumentasjon. I de siste årene har fysikere basert i Israel endelig vært i stand til å lage et eksperiment med den nødvendige følsomheten for å avklare nøyaktig hvordan vi skal forstå de grunnleggende kvanteprosessene i arbeid. Med den prestasjonen laget de en ny teknikk for å utforske grensene til kvanteverdenen. Teamet vil nå forsøke å modifisere Stern og Gerlachs århundregamle oppsett for å undersøke tyngdekraftens natur - og kanskje bygge en bro mellom de to pilarene i moderne fysikk.

Fordampende sølv

I 1921 var forestillingen om at fysikkens konvensjonelle lover var forskjellige på de minste skalaene fortsatt ganske omstridt. Den nye regjerende teorien om atomet, foreslått av Niels Bohr, levde i kjernen av argumentet. Teorien hans inneholdt en kjerne omgitt av elektroner i faste baner - partikler som bare kunne virvle i visse avstander fra kjernen, med visse energier og i visse vinkler innenfor et magnetfelt. Begrensningene i Bohrs forslag var så rigide og tilsynelatende vilkårlige at Stern lovet å slutte med fysikk dersom modellen skulle vise seg å være riktig.

Stern unnfanget et eksperiment som kunne ugyldiggjøre Bohrs teori. Han ønsket å teste om elektroner i et magnetfelt kunne orienteres på hvilken som helst måte, eller bare i diskrete retninger slik Bohr hadde foreslått.

Stern planla å fordampe en prøve av sølv og konsentrere den til en stråle av atomer. Han ville deretter skyte strålen gjennom et ujevnt magnetfelt og samlet atomene på en glassplate. Fordi individuelle sølvatomer er som små magneter, vil magnetfeltet avlede dem i forskjellige vinkler avhengig av deres orientering. Hvis deres ytterste elektroner kunne orienteres frivillig, som klassisk teori forutsier, ville de avbøyde atomene forventes å danne et enkelt bredt utstryk langs detektorplaten.

Men hvis Bohr hadde rett, og bittesmå systemer som atomer adlød merkelige kvanteregler, kunne sølvatomene bare ta to veier gjennom feltet, og platen ville vise to diskrete linjer.

Sterns idé var enkel nok i teorien. Men i praksis utgjorde det å bygge eksperimentet – som han overlot til Gerlach – det Gerlachs doktorgradsstudent Wilhelm Schütz senere beskrev som «Sisyphus-lignende arbeid». For å fordampe sølvet, trengte forskerne å varme det opp til mer enn 1,000 grader Celsius uten å smelte noen av forseglingene på glassvakuumkammeret, hvis pumper også jevnlig knuste. Eksperimentets midler gikk tom da Tysklands inflasjon etter krigen steg. Albert Einstein og bankmannen Henry Goldman reddet til slutt teamet med sine donasjoner.

Når eksperimentet var i gang, var det fortsatt en utfordring å produsere et lesbart resultat. Samlerplaten var bare en brøkdel av størrelsen på et spikerhode, så å lese mønstrene i sølvavsetningen krevde et mikroskop. Kanskje apokryfisk, forskerne utilsiktet hjalp seg selv med tvilsom laboratorieetikett: Sølvforekomsten ville vært usynlig hvis det ikke var for røyken som silte inn fra sigarene deres, som - på grunn av deres lave lønn - var rimelige og rike på svovel som hjalp sølvet med å utvikle seg til synlig kulsvart sølvsulfid. (I 2003, Friedrich og en kollega gjenoppførte denne episoden og bekreftet at sølvsignalet bare dukket opp i nærvær av billig sigarrøyk.)

The Spin of Silver

Etter mange måneder med feilsøking brukte Gerlach hele natten til 7. februar 1922 med å skyte sølv mot detektoren. Neste morgen utviklet han og kollegene tallerkenen og slo gull: en sølvforekomst pent delt i to, som et kyss fra kvanteriket. Gerlach dokumenterte resultatet i et mikrofotografi og sendte det som et postkort til Bohr, sammen med meldingen: "Vi gratulerer deg med bekreftelsen av teorien din."

Funnet rystet fysikkmiljøet. Albert Einstein som heter det "den mest interessante prestasjonen på dette tidspunktet" og nominerte laget til en Nobelpris. Isidor Rabi sa eksperimentet "overbeviste meg en gang for alle at ... kvantefenomener krevde en helt ny orientering." Sterns drømmer om å bestride kvanteteorien hadde åpenbart slått tilbake, selv om han ikke holdt til løftet om å slutte med fysikken; i stedet, han vant en Nobelpris i 1943 for en påfølgende oppdagelse. "Jeg har fortsatt innvendinger mot ... skjønnheten i kvantemekanikk," sa Stern, "men hun har rett."

I dag erkjenner fysikere at Stern og Gerlach hadde rett i å tolke eksperimentet deres som en bekreftelse av den fortsatt gryende kvanteteorien. Men de hadde rett av feil grunn. Forskerne antok at et sølvatoms delte bane er definert av banen til dets ytterste elektron, som er fiksert i visse vinkler. I virkeligheten skyldes splittelsen kvantiseringen av elektronets indre vinkelmomentum - en mengde kjent som spinn, som ikke ville bli oppdaget på noen flere år. Serendipitously fungerte tolkningen fordi forskerne ble reddet av det Friedrich kaller en "merkelig tilfeldighet, denne naturens konspirasjon": To ennå ukjente egenskaper ved elektronet - dets spinn og dets uregelmessige magnetiske øyeblikk - kom tilfeldigvis ut.

Å knekke egg

Lærebokforklaringen av Stern-Gerlach-eksperimentet hevder at når sølvatomet reiser, er ikke elektronet spin-up eller spin-down. Det er i en kvanteblanding eller "superposisjon" av disse tilstandene. Atomet tar begge veier samtidig. Først etter at den brytes inn i detektoren, blir dens tilstand målt, dens bane fast.

Men fra og med 1930-tallet valgte mange fremtredende teoretikere en tolkning som krevde mindre kvantemagi. Argumentet mente at magnetfeltet effektivt måler hvert elektron og definerer dets spinn. Tanken om at hvert atom tar begge veier samtidig er absurd og unødvendig, hevdet disse kritikerne.

I teorien kan disse to hypotesene testes. Hvis hvert atom virkelig krysset magnetfeltet med to personas, burde det være mulig – teoretisk – å rekombinere disse spøkelsesaktige identitetene. Å gjøre det ville generere et spesielt interferensmønster på en detektor når de rejusterte - en indikasjon på at atomet faktisk navigerte begge rutene.

Den store utfordringen er at for å bevare superposisjon og generere det endelige interferenssignalet, må personas deles så jevnt og raskt at de to atskilte enhetene har fullstendig utskillelige historier, ingen kunnskap om den andre, og ingen måte å fortelle hvilken vei de tok. . På 1980-tallet bestemte flere teoretikere at å splitte og rekombinere elektronets identiteter med en slik perfeksjon ville være like umulig som rekonstruere Humpty Dumpty etter hans store fall fra veggen.

I 2019 ble imidlertid et team av fysikere ledet av Ron Folman ved Ben-Gurion University of the Negev limte de eggeskallene sammen igjen. Forskerne startet med å reprodusere Stern-Gerlach-eksperimentet, men ikke med sølv, men med et underkjølt kvantekonglomerasjon på 10,000 XNUMX rubidiumatomer, som de fanget og manipulerte på en chip på størrelse med negler. De satte rubidiumelektronenes spinn i en superposisjon av opp og ned, og påførte deretter forskjellige magnetiske pulser for nøyaktig å skille og rekombinere hvert atom, alt på noen få milliondeler av et sekund. Og de så det nøyaktige interferensmønsteret først spådd i 1927, og fullførte dermed Stern-Gerlach-sløyfen.

"De klarte å sette Humpty Dumpty sammen igjen," sa Friedrich. "Det er vakker vitenskap, og det har vært en stor utfordring, men de har klart å møte den."

Dyrking av diamanter

Bortsett fra å bidra til å verifisere "kvanteheten" til Stern og Gerlachs eksperiment, tilbyr Folmans arbeid en ny måte å undersøke grensene for kvanteregimet. I dag er forskere fortsatt ikke sikre hvor store gjenstander kan være mens de fortsatt holder seg til kvantebud, spesielt når de er store nok til at tyngdekraften kan gripe inn. På 1960-tallet, fysikere foreslått at et full-loop Stern-Gerlach-eksperiment ville skape et superfølsomt interferometer som kunne hjelpe til med å teste den kvanteklassiske grensen. Og i 2017 utvidet fysikere den ideen og foreslo å skyte bittesmå diamanter gjennom to nærliggende Stern-Gerlach-enheter for å se om de interagerte gravitasjonsmessig.

Folmans gruppe jobber nå mot den utfordringen. I 2021, de skissert en måte å styrke deres enkeltatom-chip-interferometer for bruk med makroskopiske objekter, for eksempel diamanter som består av noen få millioner atomer. Siden den gang har de vist seg i en serien of papirer hvordan splitting av større og større masser igjen vil være sisyfisk, men ikke umulig, og kan bidra til å løse en rekke kvantegravitasjonsmysterier.

"Stern-Gerlach-eksperimentet er veldig langt fra å fullføre sin historiske rolle," sa Folman. "Det er fortsatt mye det kommer til å gi oss."

Quanta gjennomfører en serie undersøkelser for å tjene publikum bedre. Ta vår fysikk leserundersøkelse og du vil bli registrert for å vinne gratis Quanta handelsvarer.