(Często) pomijany eksperyment, który odkrył świat kwantowy | Magazyn Quanta

Zanim kot Erwina Schrödingera był jednocześnie martwy i żywy, i zanim punktowe elektrony przepłynęły niczym fale przez cienkie szczeliny, nieco mniej znany eksperyment podniósł zasłonę na zdumiewające piękno świata kwantowego. W 1922 roku niemieccy fizycy Otto Stern i Walther Gerlach wykazali, że zachowaniem atomów rządzą zasady przekraczające oczekiwania – obserwacja ta ugruntowała wciąż rozwijającą się teorię mechaniki kwantowej.

„Eksperyment Sterna-Gerlacha to ikona – eksperyment epokowy” – powiedział Brzetysław Friedrich, fizyk i historyk z Instytutu Fritza Habera w Niemczech, który niedawno opublikował recenzja i edytowane książka w temacie. „To był rzeczywiście jeden z najważniejszych eksperymentów w fizyce wszechczasów”.

Interpretacja eksperymentu również uruchomiona dekady argumentów. W ostatnich latach fizycy z Izraela w końcu zdołali przeprowadzić eksperyment z wymaganą wrażliwością, aby dokładnie wyjaśnić, w jaki sposób powinniśmy rozumieć podstawowe procesy kwantowe zachodzące w ich organizmie. Dzięki temu osiągnięciu opracowali nową technikę badania granic świata kwantowego. Zespół podejmie teraz próbę zmodyfikowania stuletniego układu Sterna i Gerlacha, aby zbadać naturę grawitacji i być może zbudować pomost pomiędzy dwoma filarami współczesnej fizyki.

Parowanie srebra

W 1921 roku pogląd, że konwencjonalne prawa fizyki różnią się w najmniejszych skalach, był nadal dość kontrowersyjny. Nowa panująca teoria atomu, zaproponowana przez Nielsa Bohra, stanowiła sedno sporu. Jego teoria zakładała jądro otoczone elektronami na stałych orbitach – cząstkami, które mogą wirować tylko w określonych odległościach od jądra, z określonymi energiami i pod pewnymi kątami w polu magnetycznym. Ograniczenia zawarte w propozycji Bohra były tak sztywne i pozornie arbitralne, że Stern obiecał porzucić fizykę, jeśli model okaże się poprawny.

Stern wymyślił eksperyment, który mógł unieważnić teorię Bohra. Chciał sprawdzić, czy elektrony w polu magnetycznym mogą być zorientowane w dowolny sposób, czy tylko w dyskretnych kierunkach, jak zaproponował Bohr.

Stern planował odparować próbkę srebra i skoncentrować ją w wiązce atomów. Następnie wystrzelił tę wiązkę przez niejednorodne pole magnetyczne i zebrał atomy na szklanej płytce. Ponieważ pojedyncze atomy srebra są jak małe magnesy, pole magnetyczne odchyla je pod różnymi kątami, w zależności od ich orientacji. Gdyby ich najbardziej zewnętrzne elektrony można było zorientować chcąc nie chcąc, jak przewidywała teoria klasyczna, można by oczekiwać, że odbite atomy utworzą pojedynczą, szeroką smugę wzdłuż płytki detektora.

Ale jeśli Bohr miał rację i maleńkie układy, takie jak atomy, podlegały dziwnym zasadom kwantowym, atomy srebra mogły pokonać tylko dwie ścieżki w polu, a na płycie widoczne byłyby dwie oddzielne linie.

Pomysł Sterna był w teorii dość prosty. Jednak w praktyce budowanie eksperymentu — które pozostawił Gerlachowi — sprowadzało się do tego, co doktorant Gerlacha, Wilhelm Schütz, określił później jako „pracę na wzór Syzyfa”. Aby odparować srebro, naukowcy musieli podgrzać je do temperatury ponad 1,000 stopni Celsjusza, nie stopiając przy tym żadnych uszczelek szklanej komory próżniowej, której pompy również regularnie pękały. Fundusze na eksperyment wyczerpały się wraz ze gwałtownym wzrostem powojennej inflacji w Niemczech. Albert Einstein i bankier Henry Goldman ostatecznie uratowali zespół swoimi darowiznami.

Po zakończeniu eksperymentu uzyskanie czytelnych wyników nadal stanowiło wyzwanie. Płytka kolektora miała zaledwie ułamek wielkości główki gwoździa, więc odczytanie wzorów w osadzie srebra wymagało mikroskopu. Być może apokryficznie naukowcy nieumyślnie pomogli sobie, stosując wątpliwą etykietę laboratoryjną: osad srebra byłby niewidoczny, gdyby nie dym wydobywający się z ich cygar, które – ze względu na niskie zarobki – były niedrogie i bogate w siarkę, która pomógł srebru przekształcić się w widoczny kruczoczarny siarczek srebra. (W 2003 roku Friedrich i współpracownik odtworzył ten odcinek i potwierdził, że srebrny sygnał pojawiał się tylko w obecności taniego dymu cygarowego.)

Wirowanie srebra

Po wielu miesiącach rozwiązywania problemów Gerlach spędził całą noc 7 lutego 1922 r., strzelając srebrem w detektor. Następnego ranka on i współpracownicy wywołali płytkę i uderzył w złoto: depozyt srebra starannie podzielony na dwie części, jak pocałunek z królestwa kwantowego. Gerlach udokumentował wynik mikrofotografią i wysłał ją jako pocztówkę do Bohra wraz z wiadomością: „Gratulujemy potwierdzenia Twojej teorii”.

Odkrycie wstrząsnęło społecznością fizyków. Alberta Einsteina nazywa uznało to za „najciekawsze osiągnięcie w tym momencie” i nominowało zespół do Nagrody Nobla. Izydor Rabi stwierdził, że eksperyment „raz na zawsze mnie przekonał, że… zjawiska kwantowe wymagają zupełnie nowej orientacji”. Marzenia Sterna o kwestionowaniu teorii kwantowej najwyraźniej przyniosły odwrotny skutek, chociaż nie dotrzymał obietnicy o rzuceniu fizyki; zamiast tego on wygrał za kolejne odkrycie otrzymał Nagrodę Nobla w 1943 r. „Nadal mam zastrzeżenia co do… piękna mechaniki kwantowej” – powiedział Stern – „ale ona ma rację”.

Dziś fizycy przyznają, że Stern i Gerlach mieli rację, interpretując swój eksperyment jako potwierdzenie wciąż rodzącej się teorii kwantowej. Ale mieli rację z niewłaściwego powodu. Naukowcy założyli, że rozszczepioną trajektorię atomu srebra wyznacza orbita jego najbardziej zewnętrznego elektronu, która jest ustawiona pod pewnymi kątami. W rzeczywistości rozszczepienie wynika z kwantyzacji wewnętrznego momentu pędu elektronu – wielkości zwanej spinem, której odkrycie nastąpi dopiero za kilka lat. Nieoczekiwanie interpretacja się powiodła, ponieważ badaczy uratowało to, co Friedrich nazywa „dziwnym zbiegiem okoliczności, spiskiem natury”: dwie nieznane jeszcze właściwości elektronu – jego spin i anomalny moment magnetyczny – zniosły się.

Pękanie Jaj

Podręcznikowe wyjaśnienie eksperymentu Sterna-Gerlacha głosi, że w miarę przemieszczania się atomu srebra elektron nie ulega ani przyspieszaniu, ani zmniejszaniu. Znajduje się w mieszaninie kwantowej lub „superpozycji” tych stanów. Atom podąża obiema drogami jednocześnie. Dopiero po uderzeniu w detektor mierzony jest jego stan i ustalana jest jego ścieżka.

Jednak począwszy od lat trzydziestych XX wieku wielu wybitnych teoretyków opowiadało się za interpretacją wymagającą mniej magii kwantowej. Argument utrzymywał, że pole magnetyczne skutecznie mierzy każdy elektron i określa jego spin. Krytycy argumentowali, że każdy atom podąża obiema ścieżkami jednocześnie jest absurdalny i niepotrzebny.

Teoretycznie można by sprawdzić te dwie hipotezy. Jeśli każdy atom rzeczywiście przemierzał pole magnetyczne z dwiema osobami, wówczas teoretycznie powinno być możliwe ponowne połączenie tych widmowych tożsamości. Takie postępowanie spowodowałoby wygenerowanie szczególnego wzoru interferencji na detektorze po ich ponownym ustawieniu – co oznaczałoby, że atom rzeczywiście poruszał się obiema drogami.

Wielkim wyzwaniem jest to, że aby zachować superpozycję i wygenerować końcowy sygnał zakłócający, osoby muszą zostać rozdzielone tak płynnie i szybko, aby dwie oddzielone jednostki miały całkowicie nierozróżnialną historię, nie wiedziały o sobie nawzajem ani nie były w stanie określić, którą ścieżkę obrały. . W latach 1980. wielu teoretyków ustaliło, że dzielenie i ponowne łączenie tożsamości elektronów z taką doskonałością byłoby równie niewykonalne, jak rekonstrukcja Humpty Dumpty po jego wielkim upadku z muru.

Natomiast w 2019 roku zespół fizyków pod przewodnictwem Rona Folmana na Uniwersytecie Ben Guriona w Negewie przykleiłem te skorupki jaj znowu razem. Naukowcy rozpoczęli od odtworzenia eksperymentu Sterna-Gerlacha, choć nie ze srebrem, ale z przechłodzoną konglomeracją kwantową składającą się z 10,000 XNUMX atomów rubidu, którą uwięzili i manipulowali na chipie wielkości paznokcia. Umieścili spiny elektronów rubidu w superpozycji w górę i w dół, a następnie zastosowali różne impulsy magnetyczne, aby precyzyjnie oddzielić i ponownie połączyć każdy atom, a wszystko to w ciągu kilku milionowych części sekundy. Najpierw zobaczyli dokładny wzór interferencji Przewiduje w 1927 r., kończąc w ten sposób pętlę Stern-Gerlach.

„Udało im się ponownie złożyć Humpty Dumpty w całość” – powiedział Friedrich. „To piękna nauka i stanowiło to ogromne wyzwanie, ale udało im się mu sprostać”.

Rosnące diamenty

Oprócz pomocy w weryfikacji „kwantowości” eksperymentu Sterna i Gerlacha, praca Folmana oferuje nowy sposób badania granic reżimu kwantowego. Dziś naukowcy wciąż nie są pewni jak duże mogą być przedmioty przy jednoczesnym przestrzeganiu przykazań kwantowych, zwłaszcza gdy są one wystarczająco duże, aby interweniować grawitacja. W latach 1960. fizycy zasugerował że w ramach eksperymentu Sterna-Gerlacha z pełną pętlą powstałby superczuły interferometr, który mógłby pomóc w badaniu tej kwantowo-klasycznej granicy. W 2017 roku fizycy rozwinęli tę koncepcję i zasugerowali wystrzelenie maleńkich diamentów przez dwa sąsiadujące ze sobą urządzenia Sterna-Gerlacha, aby sprawdzić, czy oddziałują grawitacyjnie.

Grupa Folmana pracuje obecnie nad tym wyzwaniem. W 2021 roku oni opisane sposób na ulepszenie interferometru z chipem jednoatomowym do użytku z obiektami makroskopowymi, takimi jak diamenty zawierające kilka milionów atomów. Od tego czasu pokazali w seria of Papiery jak dzielenie coraz większych mas znów będzie syzyfowe, ale nie niemożliwe, i może pomóc w rozwiązaniu wielu tajemnic kwantowej grawitacji.

„Eksperyment Sterna-Gerlacha jest bardzo daleki od wypełnienia swojej historycznej roli” – powiedział Folman. „Jeszcze wiele nam to da”.

Quanta przeprowadza serię ankiet, aby lepiej służyć naszym odbiorcom. Weź nasze ankieta dla czytelników fizyki i zostaniesz wpisany, aby wygrać za darmo Quanta towar.