A experiência (frequentemente) esquecida que revelou o mundo quântico | Revista Quanta

Antes de o gato de Erwin Schrödinger estar simultaneamente morto e vivo, e antes de os electrões pontuais passarem como ondas através de fendas finas, uma experiência um pouco menos conhecida levantou o véu sobre a beleza desconcertante do mundo quântico. Em 1922, os físicos alemães Otto Stern e Walther Gerlach demonstraram que o comportamento dos átomos era governado por regras que desafiavam as expectativas — uma observação que consolidou a teoria ainda em desenvolvimento da mecânica quântica.

“O experimento Stern-Gerlach é um ícone – é um experimento que marcou época”, disse Bretislav Friedrich, físico e historiador do Instituto Fritz Haber, na Alemanha, que publicou recentemente Uma revisão e editado um livro sobre o assunto. “Foi de fato um dos experimentos mais importantes da física de todos os tempos.”

A interpretação do experimento também lançado décadas de discussão. Nos últimos anos, físicos baseados em Israel conseguiram finalmente conceber uma experiência com a sensibilidade necessária para esclarecer exactamente como deveríamos compreender os processos quânticos fundamentais em funcionamento. Com essa conquista, eles criaram uma nova técnica para explorar as fronteiras do mundo quântico. A equipa tentará agora modificar a configuração centenária de Stern e Gerlach para investigar a natureza da gravidade - e talvez construir uma ponte entre os dois pilares da física moderna.

Vaporizando Prata

Em 1921, a noção de que as leis convencionais da física diferiam nas escalas mais pequenas ainda era bastante controversa. A nova teoria reinante do átomo, proposta por Niels Bohr, viveu no cerne da discussão. Sua teoria apresentava um núcleo cercado por elétrons em órbitas fixas – partículas que só podiam girar a certas distâncias do núcleo, com certas energias e em certos ângulos dentro de um campo magnético. As restrições da proposta de Bohr eram tão rígidas e aparentemente arbitrárias que Stern prometeu abandonar a física caso o modelo se mostrasse correto.

Stern concebeu um experimento que poderia invalidar a teoria de Bohr. Ele queria testar se os elétrons em um campo magnético poderiam ser orientados em qualquer direção ou apenas em direções discretas, como Bohr havia proposto.

Stern planejou vaporizar uma amostra de prata e concentrá-la em um feixe de átomos. Ele então disparava esse feixe através de um campo magnético não uniforme e coletava os átomos em uma placa de vidro. Como os átomos de prata individuais são como pequenos ímãs, o campo magnético os desviaria em ângulos diferentes, dependendo de suas orientações. Se seus elétrons mais externos pudessem ser orientados quer queira quer não, como previu a teoria clássica, seria de se esperar que os átomos desviados formassem uma única mancha larga ao longo da placa detectora.

Mas se Bohr estivesse certo, e sistemas minúsculos como os átomos obedecessem a estranhas regras quânticas, os átomos de prata só poderiam percorrer dois caminhos através do campo, e a placa mostraria duas linhas discretas.

A ideia de Stern era bastante simples em teoria. Mas, na prática, a construção da experiência – que ele deixou para Gerlach – representou o que o estudante de pós-graduação de Gerlach, Wilhelm Schütz, mais tarde descreveu como “trabalho semelhante ao de Sísifo”. Para vaporizar a prata, os cientistas precisaram aquecê-la a mais de 1,000 graus Celsius sem derreter nenhum dos selos da câmara de vácuo de vidro, cujas bombas também quebravam regularmente. Os fundos da experiência secaram à medida que a inflação alemã do pós-guerra disparou. Albert Einstein e o banqueiro Henry Goldman eventualmente resgataram a equipe com suas doações.

Depois que o experimento estava em execução, produzir qualquer resultado legível ainda era um desafio. A placa coletora tinha apenas uma fração do tamanho da cabeça de um prego, portanto, a leitura dos padrões no depósito de prata exigia um microscópio. Talvez de forma apócrifa, os cientistas inadvertidamente ajudaram-se com uma etiqueta laboratorial questionável: o depósito de prata teria sido invisível se não fosse pela fumaça que saía dos seus charutos, que - devido aos seus baixos salários - eram baratos e ricos em enxofre que ajudou a prata a se transformar em sulfeto de prata preto visível. (Em 2003, Friedrich e um colega reencenou esse episódio e confirmou que o sinal prateado aparecia apenas na presença de fumaça de charuto barata.)

O giro da prata

Após muitos meses de solução de problemas, Gerlach passou a noite inteira de 7 de fevereiro de 1922 atirando prata no detector. Na manhã seguinte, ele e seus colegas desenvolveram a placa e atingiu ouro: um depósito de prata nitidamente dividido em dois, como um beijo do reino quântico. Gerlach documentou o resultado em uma microfotografia e a enviou como cartão postal para Bohr, junto com a mensagem: “Parabenizamos você pela confirmação de sua teoria”.

A descoberta abalou a comunidade da física. Albert Einstein chamado foi “a conquista mais interessante neste momento” e nomeou a equipe para o Prêmio Nobel. Isidor Rabi disse que o experimento “me convenceu de uma vez por todas de que… os fenômenos quânticos exigiam uma orientação completamente nova”. Os sonhos de Stern de impugnar a teoria quântica obviamente saíram pela culatra, embora ele não tenha cumprido sua promessa de abandonar a física; em vez disso, ele ganhou um Prêmio Nobel em 1943 por uma descoberta subsequente. “Ainda tenho objeções à… beleza da mecânica quântica”, disse Stern, “mas ela está correta”.

Hoje, os físicos reconhecem que Stern e Gerlach estavam certos ao interpretar a sua experiência como uma corroboração da ainda nascente teoria quântica. Mas eles estavam certos pelo motivo errado. Os cientistas presumiram que a trajetória de divisão de um átomo de prata é definida pela órbita do seu elétron mais externo, que é fixado em certos ângulos. Na realidade, a divisão se deve à quantização do momento angular interno do elétron – uma quantidade conhecida como spin, que só seria descoberta por mais alguns anos. Por acaso, a interpretação funcionou porque os investigadores foram salvos pelo que Friedrich chama de “estranha coincidência, esta conspiração da natureza”: duas propriedades ainda desconhecidas do electrão – o seu spin e o seu momento magnético anómalo – cancelaram-se.

Quebrando Ovos

A explicação clássica do experimento de Stern-Gerlach afirma que, à medida que o átomo de prata viaja, o elétron não tem spin para cima ou para baixo. Está em uma mistura quântica ou “superposição” desses estados. O átomo segue os dois caminhos simultaneamente. Somente ao colidir com o detector é que seu estado é medido e seu caminho é fixado.

Mas a partir da década de 1930, muitos teóricos proeminentes optaram por uma interpretação que exigia menos magia quântica. O argumento sustentava que o campo magnético mede efetivamente cada elétron e define seu spin. A ideia de que cada átomo segue os dois caminhos ao mesmo tempo é absurda e desnecessária, argumentaram esses críticos.

Em teoria, essas duas hipóteses poderiam ser testadas. Se cada átomo realmente atravessasse o campo magnético com duas personas, então deveria ser possível – teoricamente – recombinar essas identidades fantasmagóricas. Fazer isso geraria um padrão de interferência específico em um detector quando eles se realinhassem – uma indicação de que o átomo realmente navegou em ambas as rotas.

O grande desafio é que, para preservar a superposição e gerar o sinal de interferência final, as personas devem ser divididas de forma tão suave e rápida que as duas entidades separadas tenham histórias totalmente indistinguíveis, nenhum conhecimento uma da outra e nenhuma maneira de dizer que caminho tomaram. . Na década de 1980, vários teóricos determinaram que dividir e recombinar as identidades do elétron com tal perfeição seria tão inviável quanto reconstruindo Humpty Dumpty após sua grande queda do muro.

Em 2019, no entanto, uma equipe de físicos liderada por Ron Folman na Universidade Ben-Gurion do Negev colei aquelas cascas de ovo juntos novamente. Os investigadores começaram por reproduzir a experiência de Stern-Gerlach, embora não com prata, mas com um conglomerado quântico super-resfriado de 10,000 átomos de rubídio, que capturaram e manipularam num chip do tamanho de uma unha. Eles colocaram os spins dos elétrons do rubídio em uma superposição para cima e para baixo e, em seguida, aplicaram vários pulsos magnéticos para separar e recombinar com precisão cada átomo, tudo em alguns milionésimos de segundo. E eles viram primeiro o padrão exato de interferência previsto em 1927, completando assim o circuito Stern-Gerlach.

“Eles conseguiram reconstruir Humpty Dumpty”, disse Friedrich. “É uma ciência linda e tem sido um enorme desafio, mas eles foram capazes de enfrentá-lo.”

Diamantes crescentes

Além de ajudar a verificar a “quantidade” da experiência de Stern e Gerlach, o trabalho de Folman oferece uma nova forma de sondar os limites do regime quântico. Hoje, os cientistas ainda não têm certeza apenas quão grandes os objetos podem ser ao mesmo tempo que segue os mandamentos quânticos, especialmente quando eles são grandes o suficiente para a intervenção da gravidade. Na década de 1960, os físicos sugerido que um experimento Stern-Gerlach de loop completo criaria um interferômetro supersensível que poderia ajudar a testar esse limite quântico-clássico. E em 2017, os físicos expandiram essa ideia e sugeriram atirar pequenos diamantes através de dois dispositivos Stern-Gerlach vizinhos para ver se eles interagiam gravitacionalmente.

O grupo de Folman está agora trabalhando para atingir esse desafio. Em 2021, eles delineado uma maneira de reforçar seu interferômetro de chip de átomo único para uso com objetos macroscópicos, como diamantes compostos por alguns milhões de átomos. Desde então, eles mostraram em um série of papéis como a divisão de massas cada vez maiores será novamente de Sísifo, mas não impossível, e poderá ajudar a resolver uma série de mistérios da gravidade quântica.

“A experiência Stern-Gerlach está muito longe de completar o seu papel histórico”, disse Folman. “Ainda há muito que isso vai nos dar.”

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