Experimentul (deseori) trecut cu vederea care a dezvăluit lumea cuantică | Revista Quanta

Înainte ca pisica lui Erwin Schrödinger să fie simultan moartă și vie, și înainte ca electronii punctiformi să se spele ca undele prin fante subțiri, un experiment oarecum mai puțin cunoscut a ridicat vălul asupra frumuseții uluitoare a lumii cuantice. În 1922, fizicienii germani Otto Stern și Walther Gerlach au demonstrat că comportamentul atomilor era guvernat de reguli care au sfidat așteptările - o observație care a cimentat teoria mecanicii cuantice încă în devenire.

„Experimentul Stern-Gerlach este o pictogramă — este un experiment epocal”, a spus Bretislav Friedrich, fizician și istoric la Institutul Fritz Haber din Germania, care a publicat recent un revizuire și editat o carte la subiect. „A fost într-adevăr unul dintre cele mai importante experimente din fizică din toate timpurile.”

De asemenea, interpretarea experimentului a lansat decenii de argumente. În ultimii ani, fizicienii din Israel au reușit în sfârșit să facă un experiment cu sensibilitatea necesară pentru a clarifica exact cum ar trebui să înțelegem procesele cuantice fundamentale în lucru. Cu această realizare, ei au creat o nouă tehnică de explorare a granițelor lumii cuantice. Echipa va încerca acum să modifice configurația veche de un secol a lui Stern și Gerlach pentru a investiga natura gravitației – și poate să construiască o punte între cei doi piloni ai fizicii moderne.

Argint de vaporizare

În 1921, ideea că legile convenționale ale fizicii diferă la cele mai mici scări era încă destul de controversată. Noua teorie dominantă a atomului, propusă de Niels Bohr, a trăit în centrul argumentului. Teoria lui prezenta un nucleu înconjurat de electroni pe orbite fixe - particule care se puteau învârti doar la anumite distanțe de nucleu, cu anumite energii și la anumite unghiuri în interiorul unui câmp magnetic. Constrângerile din propunerea lui Bohr au fost atât de rigide și aparent arbitrare, încât Stern s-a angajat să renunțe la fizică dacă modelul se dovedește corect.

Stern a conceput un experiment care ar putea invalida teoria lui Bohr. El a vrut să testeze dacă electronii dintr-un câmp magnetic pot fi orientați în orice direcție sau numai în direcții discrete, așa cum propusese Bohr.

Stern plănuia să vaporizeze o probă de argint și să o concentreze într-un fascicul de atomi. Apoi, ar fi aruncat acel fascicul printr-un câmp magnetic neuniform și a adunat atomii pe o placă de sticlă. Deoarece atomii individuali de argint sunt ca niște magneți mici, câmpul magnetic i-ar devia la unghiuri diferite, în funcție de orientările lor. Dacă electronii lor cei mai exteriori ar putea fi orientați vrând-nevrând, așa cum a prezis teoria clasică, atomii deviați ar fi de așteptat să formeze un singur frotiu larg de-a lungul plăcii detectorului.

Dar dacă Bohr ar fi corect și sistemele minuscule precum atomii s-ar supune unor reguli cuantice ciudate, atomii de argint ar putea parcurge doar două căi prin câmp, iar placa ar arăta două linii discrete.

Ideea lui Stern era destul de simplă în teorie. Dar, în practică, construirea experimentului - pe care l-a lăsat lui Gerlach - s-a ridicat la ceea ce studentul absolvent al lui Gerlach, Wilhelm Schütz, a descris mai târziu drept „muncă asemănătoare cu Sisif”. Pentru a vaporiza argintul, oamenii de știință au trebuit să-l încălzească la mai mult de 1,000 de grade Celsius fără a topi niciuna dintre garniturile de pe camera de vid din sticlă, ale cărei pompe se spargeau și ele în mod regulat. Fondurile experimentului s-au uscat pe măsură ce inflația postbelică din Germania a crescut. Albert Einstein și bancherul Henry Goldman au salvat în cele din urmă echipa cu donațiile lor.

Odată ce experimentul a fost derulat, producerea oricărui rezultat lizibil era încă o provocare. Placa colectoare era doar o fracțiune din dimensiunea unui cap de unghie, așa că citirea modelelor din depozitul de argint a necesitat un microscop. Poate în mod apocrif, oamenii de știință s-au ajutat din neatenție cu o etichetă de laborator îndoielnică: depozitul de argint ar fi fost invizibil dacă nu ar fi fost fumul care se prelingea din trabucurile lor, care — din cauza salariilor lor mici — erau ieftin și bogat în sulf, care a ajutat argintul să se dezvolte în sulfură de argint vizibilă de culoare neagră. (În 2003, Friedrich și un coleg a recreat acest episod și a confirmat că semnalul argintiu a apărut numai în prezența fumului de trabuc ieftin.)

Rotirea argintului

După multe luni de depanare, Gerlach a petrecut toată noaptea de 7 februarie 1922, trăgând cu argint la detector. A doua zi dimineață, el și colegii au dezvoltat farfuria și lovit aur: un depozit de argint împărțit frumos în două, ca un sărut din tărâmul cuantic. Gerlach a documentat rezultatul într-o microfotografia și l-a expediat ca carte poștală lui Bohr, împreună cu mesajul: „Te felicităm pentru confirmarea teoriei tale”.

Descoperirea a zguduit comunitatea fizicii. Albert Einstein denumit este „cea mai interesantă realizare în acest moment” și a nominalizat echipa pentru un Premiu Nobel. Isidor Rabi a spus experimentul „m-a convins odată pentru totdeauna că... fenomenele cuantice necesită o orientare complet nouă”. Visele lui Stern de a contesta teoria cuantică s-au întors în mod evident, deși nu și-a ținut promisiunea de a renunța la fizică; în schimb, el a câștigat un premiu Nobel în 1943 pentru o descoperire ulterioară. „Încă am obiecții la... frumusețea mecanicii cuantice”, a spus Stern, „dar are dreptate.”

Astăzi, fizicienii recunosc că Stern și Gerlach au avut dreptate în interpretarea experimentului lor ca pe o coroborare a teoriei cuantice încă în curs de dezvoltare. Dar au avut dreptate pentru un motiv greșit. Oamenii de știință au presupus că traiectoria divizată a unui atom de argint este definită de orbita electronului său cel mai exterior, care este fixată la anumite unghiuri. În realitate, divizarea se datorează cuantificării momentului unghiular intern al electronului - o cantitate cunoscută sub numele de spin, care nu ar mai fi descoperită timp de câțiva ani. În mod întâmplător, interpretarea a funcționat pentru că cercetătorii au fost salvați de ceea ce Friedrich numește o „coincidență ciudată, această conspirație a naturii”: două proprietăți încă necunoscute ale electronului - spinul său și momentul său magnetic anormal - s-au anulat.

Craparea Ouălor

Explicația manuală a experimentului Stern-Gerlach susține că, pe măsură ce atomul de argint călătorește, electronul nu este în sus sau în jos. Este într-un amestec cuantic sau „suprapunere” a acelor stări. Atomul ia ambele căi simultan. Numai la izbirea detectorului se măsoară starea acestuia, se fixează calea.

Dar, începând cu anii 1930, mulți teoreticieni proeminenți au optat pentru o interpretare care necesita mai puțină magie cuantică. Argumentul a susținut că câmpul magnetic măsoară efectiv fiecare electron și îi definește spinul. Ideea că fiecare atom ia ambele căi deodată este absurdă și inutilă, au susținut acești critici.

În teorie, aceste două ipoteze ar putea fi testate. Dacă fiecare atom a traversat într-adevăr câmpul magnetic cu două persoane, atunci ar trebui să fie posibil - teoretic - să se recombine acele identități fantomatice. Acest lucru ar genera un anumit model de interferență pe un detector atunci când s-au realiniat - un indiciu că atomul a navigat într-adevăr pe ambele rute.

Marea provocare este că, pentru a păstra suprapunerea și a genera acel semnal de interferență final, personajele trebuie să fie împărțite atât de ușor și rapid, încât cele două entități separate să aibă istorii complet indistinse, nicio cunoaștere a celeilalte și nici un mod de a spune pe ce cale au luat-o. . În anii 1980, mai mulți teoreticieni au stabilit că divizarea și recombinarea identităților electronului cu o asemenea perfecțiune ar fi la fel de imposibilă ca reconstruind Humpty Dumpty după marea lui cădere de pe zid.

În 2019, însă, o echipă de fizicieni condusă de Ron Folman la Universitatea Ben-Gurion din Negev lipite acele coji de ouă inapoi impreuna. Cercetătorii au început prin a reproduce experimentul Stern-Gerlach, deși nu cu argint, ci cu un conglomerat cuantic suprarăcit de 10,000 de atomi de rubidiu, pe care i-au prins și manipulat pe un cip de mărimea unghiei. Ei au pus spinurile electronilor de rubidiu într-o suprapunere în sus și în jos, apoi au aplicat diverse impulsuri magnetice pentru a separa și recombina cu precizie fiecare atom, totul în câteva milionatimi de secundă. Și au văzut mai întâi modelul exact de interferență a prezis în 1927, completând astfel bucla Stern-Gerlach.

„Au reușit să-l pună din nou pe Humpty Dumpty”, a spus Friedrich. „Este o știință frumoasă și a fost o provocare uriașă, dar au reușit să o facă față.”

Creșterea diamantelor

Pe lângă faptul că ajută la verificarea „cuantumității” experimentului lui Stern și Gerlach, munca lui Folman oferă o nouă modalitate de a sonda limitele regimului cuantic. Astăzi, oamenii de știință încă nu sunt siguri cât de mari pot fi obiectele respectând în continuare poruncile cuantice, mai ales când sunt suficient de mari pentru ca gravitația să intervină. În anii 1960, fizicienii sugerat că un experiment Stern-Gerlach cu buclă completă ar crea un interferometru super-sensibil care ar putea ajuta la testarea acelei limite cuantice-clasice. Și în 2017, fizicienii au extins această idee și au sugerat să împușcăm diamante minuscule prin două dispozitive Stern-Gerlach învecinate pentru a vedea dacă interacționează gravitațional.

Grupul lui Folman lucrează acum la această provocare. În 2021, ei a subliniat o modalitate de a-și îmbunătăți interferometrul cu un singur atom pentru a fi utilizat cu obiecte macroscopice, cum ar fi diamantele care cuprind câteva milioane de atomi. De atunci, au arătat într-un serie of lucrări modul în care împărțirea maselor din ce în ce mai mari va fi din nou Sisyphean, dar nu imposibil și ar putea ajuta la rezolvarea unei sume de mistere gravitaționale cuantice.

„Experimentul Stern-Gerlach este foarte departe de a-și îndeplini rolul istoric”, a spus Folman. „Sunt încă multe ce ne va oferi.”

Cuante efectuează o serie de sondaje pentru a servi mai bine publicul nostru. Ia-ne sondaj cititor de fizică și vei fi înscris pentru a câștiga gratuit Cuante mărfuri.