(Часто) упускаемый из виду эксперимент, открывший квантовый мир | Журнал Кванта

До того, как кот Эрвина Шредингера был одновременно мертв и жив, и до того, как точечные электроны омывали, как волны, сквозь тонкие щели, несколько менее известный эксперимент приоткрыл завесу над ошеломляющей красотой квантового мира. В 1922 году немецкие физики Отто Штерн и Вальтер Герлах продемонстрировали, что поведением атомов управляют правила, которые бросают вызов ожиданиям — наблюдение, которое укрепило все еще зарождающуюся теорию квантовой механики.

«Эксперимент Штерна-Герлаха — это икона, это эпохальный эксперимент», — сказал он. Бретислав Фридрих, физик и историк из Института Фрица Габера в Германии, недавно опубликовавший Обзор и отредактировано книга на предмет. «Это действительно был один из самых важных экспериментов в физике всех времен».

Интерпретация эксперимента также запустили десятилетия споров. В последние годы физики из Израиля наконец смогли провести эксперимент с необходимой чувствительностью, чтобы прояснить, как именно нам следует понимать действующие фундаментальные квантовые процессы. Благодаря этому достижению они разработали новую технику исследования границ квантового мира. Теперь команда попытается модифицировать вековую установку Стерна и Герлаха, чтобы исследовать природу гравитации — и, возможно, построить мост между двумя столпами современной физики.

Испаряющееся серебро

В 1921 году представление о том, что общепринятые законы физики различаются в мельчайших масштабах, все еще оставалось весьма спорным. Новая господствующая теория атома, предложенная Нильсом Бором, оказалась в центре спора. Его теория предполагала, что ядро ​​окружено электронами на фиксированных орбитах — частицами, которые могут вращаться только на определенных расстояниях от ядра, с определенными энергиями и под определенными углами внутри магнитного поля. Ограничения в предложении Бора были настолько жесткими и, казалось бы, произвольными, что Штерн пообещал оставить физику, если модель окажется верной.

Штерн задумал эксперимент, который мог бы опровергнуть теорию Бора. Он хотел проверить, могут ли электроны в магнитном поле быть ориентированы каким угодно образом или только в дискретных направлениях, как предлагал Бор.

Стерн планировал испарить образец серебра и сконцентрировать его в пучке атомов. Затем он пропускал этот луч через неоднородное магнитное поле и собирал атомы на стеклянной пластинке. Поскольку отдельные атомы серебра подобны маленьким магнитам, магнитное поле будет отклонять их под разными углами в зависимости от их ориентации. Если бы их самые внешние электроны могли быть ориентированы волей-неволей, как предсказывала классическая теория, можно было бы ожидать, что отклоненные атомы сформируют одно широкое пятно вдоль пластины детектора.

Но если бы Бор был прав и крошечные системы, такие как атомы, подчинялись странным квантовым правилам, атомы серебра могли бы пройти через поле только двумя путями, и на пластинке были бы видны две дискретные линии.

Идея Стерна была достаточно проста в теории. Но на практике построение эксперимента, которое он поручил Герлаху, представляло собой то, что аспирант Герлаха Вильгельм Шютц позже назвал «сизифоподобным трудом». Чтобы испарить серебро, ученым нужно было нагреть его до температуры более 1,000 градусов по Цельсию, не плавя при этом ни одно из уплотнений стеклянной вакуумной камеры, насосы которой также регулярно выходили из строя. Фонды эксперимента иссякли, поскольку послевоенная инфляция в Германии резко возросла. Альберт Эйнштейн и банкир Генри Гольдман в конце концов выручили команду своими пожертвованиями.

После проведения эксперимента получение какого-либо разборчивого результата по-прежнему оставалось проблемой. Коллекторная пластина была лишь частью шляпки гвоздя, поэтому для чтения узоров на отложениях серебра требовался микроскоп. Возможно, это апокриф, но ученые непреднамеренно выручили себя сомнительным лабораторным этикетом: месторождение серебра было бы невидимым, если бы не дым, сочущий их сигары, которые - из-за их низкой зарплаты - были недорогими и богаты серой, которая помог серебру превратиться в видимый угольно-черный сульфид серебра. (В 2003 году Фридрих и его коллега воспроизвел этот эпизод и подтвердили, что серебряный сигнал появляется только при наличии дешевого сигарного дыма.)

Вращение серебра

После многих месяцев устранения неполадок Герлах провел всю ночь 7 февраля 1922 года, стреляя серебром в детектор. На следующее утро он и его коллеги разработали пластину и ударил золото: залежь серебра, аккуратно разделенная на две части, словно поцелуй из квантового мира. Герлах задокументировал результат на микрофотографии и отправил ее Бору в виде открытки вместе с сообщением: «Мы поздравляем вас с подтверждением вашей теории».

Это открытие потрясло физическое сообщество. Альберт Эйнштейн под названием это «самое интересное достижение на данный момент» и номинировали команду на Нобелевскую премию. Исидор Раби сказал, что эксперимент «убедил меня раз и навсегда в том, что… квантовые явления требуют совершенно новой ориентации». Мечты Стерна о том, чтобы подвергнуть сомнению квантовую теорию, очевидно, имели неприятные последствия, хотя он и не сдержал своего обещания бросить физику; вместо этого он выигранный Нобелевская премия 1943 года за последующее открытие. «У меня все еще есть возражения против… красоты квантовой механики, — сказал Стерн, — но она права».

Сегодня физики признают, что Штерн и Герлах были правы, интерпретируя свой эксперимент как подтверждение еще зарождающейся квантовой теории. Но они были правы по неправильной причине. Ученые предположили, что разделенная траектория атома серебра определяется орбитой его самого внешнего электрона, который зафиксирован под определенными углами. На самом деле расщепление происходит из-за квантования внутреннего углового момента электрона — величины, известной как спин, которая будет открыта только через несколько лет. По счастливой случайности интерпретация сработала, потому что исследователей спасло то, что Фридрих называет «странным совпадением, этим заговором природы»: два пока неизвестных свойства электрона — его спин и аномальный магнитный момент — оказались взаимно уравновешенными.

Разбивание яиц

Хрестоматийное объяснение эксперимента Штерна-Герлаха гласит, что по мере движения атома серебра электрон не вращается ни вверх, ни вниз. Это квантовая смесь или «суперпозиция» этих состояний. Атом идет обоими путями одновременно. Только после столкновения с детектором измеряется его состояние и фиксируется путь.

Но начиная с 1930-х годов многие видные теоретики предпочли интерпретацию, которая требовала меньше квантовой магии. Аргумент заключался в том, что магнитное поле эффективно измеряет каждый электрон и определяет его спин. Идея о том, что каждый атом идет обоими путями одновременно, абсурдна и ненужна, утверждали эти критики.

Теоретически эти две гипотезы можно проверить. Если бы каждый атом действительно пересекал магнитное поле с двумя личностями, то теоретически было бы возможно рекомбинировать эти призрачные личности. Это приведет к созданию определенной интерференционной картины на детекторе, когда они перестроятся — признак того, что атом действительно перемещался по обоим маршрутам.

Основная задача состоит в том, что для сохранения суперпозиции и генерации окончательного интерференционного сигнала личности должны быть разделены так плавно и быстро, чтобы две отдельные сущности имели совершенно неразличимую историю, не знали друг друга и не могли сказать, по какому пути они пошли. . В 1980-х годах многие теоретики пришли к выводу, что расщепление и рекомбинация тождеств электрона с таким совершенством было бы столь же невозможным, как реконструкция Шалтай-Болтай после его великого падения со стены.

Однако в 2019 году группа физиков под руководством Рон Фолман в Университете Бен-Гуриона в Негеве склеил яичную скорлупу Вернуться вместе. Исследователи начали с воспроизведения эксперимента Штерна-Герлаха, но не с серебром, а с переохлажденным квантовым конгломератом из 10,000 XNUMX атомов рубидия, которые они захватили и манипулировали ими на чипе размером с ноготь. Они поместили спины электронов рубидия в суперпозицию вверх и вниз, а затем применили различные магнитные импульсы, чтобы точно разделить и воссоединить каждый атом, и все это за несколько миллионных долей секунды. И они первыми увидели точную интерференционную картину предсказанный в 1927 году, завершив таким образом петлю Штерна-Герлаха.

«Они смогли снова собрать Шалтая-Болтая», — сказал Фридрих. «Это прекрасная наука, и это была огромная задача, но они смогли ее решить».

Выращивание алмазов

Помимо помощи в проверке «квантовости» эксперимента Штерна и Герлаха, работа Фолмана предлагает новый способ исследования границ квантового режима. Сегодня учёные до сих пор не уверены в том, насколько большими могут быть объекты при этом придерживаясь квантовых заповедей, особенно когда они достаточно велики, чтобы могла вмешаться гравитация. В 1960-е годы физики предложенный что эксперимент Штерна-Герлаха с полным циклом позволит создать сверхчувствительный интерферометр, который поможет проверить эту квантово-классическую границу. А в 2017 году физики расширили эту идею и предложили пропускать крошечные алмазы через два соседних устройства Штерна-Герлаха, чтобы увидеть, взаимодействуют ли они гравитационно.

Группа Фолмана сейчас работает над решением этой задачи. В 2021 году они изложенные способ усовершенствовать их одноатомный интерферометр для использования с макроскопическими объектами, такими как алмазы, состоящие из нескольких миллионов атомов. С тех пор они появлялись в серия of бумага что разделение все больших и больших масс снова будет сизифовой задачей, но не невозможной, и может помочь решить множество загадок квантовой гравитации.

«Эксперимент Штерна-Герлаха очень далек от завершения своей исторической роли», — сказал Фолман. «Это еще многое нам даст».

Quanta проводит серию опросов, чтобы лучше обслуживать нашу аудиторию. Возьми наш опрос читателей по физике и вы будете участвовать в бесплатном выигрыше Quanta товар.