(Pogosto) spregledan eksperiment, ki je razkril kvantni svet | Revija Quanta

Preden je bila mačka Erwina Schrödingerja hkrati mrtva in živa in preden so koničasti elektroni kot valovi spirali skozi tanke reže, je nekoliko manj znani poskus odstrl tančico nad osupljivo lepoto kvantnega sveta. Leta 1922 sta nemška fizika Otto Stern in Walther Gerlach dokazala, da obnašanje atomov urejajo pravila, ki nasprotujejo pričakovanjem – opažanje, ki je utrdilo še vedno nastajajočo teorijo kvantne mehanike.

"Poskus Stern-Gerlach je ikona - to je epohalen eksperiment," je dejal Bretislav Friedrich, fizik in zgodovinar na inštitutu Fritz Haber v Nemčiji, ki je nedavno objavil ocena in uredili knjiga na temo. "To je bil res eden najpomembnejših eksperimentov v fiziki vseh časov."

Tudi interpretacija eksperimenta začela desetletja argumentov. V zadnjih letih so fiziki s sedežem v Izraelu končno uspeli oblikovati eksperiment s potrebno občutljivostjo, da bi natančno pojasnili, kako naj razumemo temeljne kvantne procese pri delu. S tem dosežkom so izdelali novo tehniko za raziskovanje meja kvantnega sveta. Ekipa bo zdaj poskušala spremeniti Sternovo in Gerlachovo stoletje staro postavitev, da bi raziskala naravo gravitacije - in morda zgradila most med obema stebroma sodobne fizike.

Izparljivo srebro

Leta 1921 je bilo mnenje, da se konvencionalni zakoni fizike razlikujejo na najmanjših lestvicah, še precej sporno. Nova vladajoča teorija atoma, ki jo je predlagal Niels Bohr, je živela v bistvu argumenta. Njegova teorija je predstavljala jedro, obdano z elektroni v fiksnih orbitah - delci, ki se lahko vrtinčijo le na določenih razdaljah od jedra, z določenimi energijami in pod določenimi koti znotraj magnetnega polja. Omejitve v Bohrovem predlogu so bile tako toge in na videz samovoljne, da se je Stern zavezal, da bo opustil fiziko, če se model izkaže za pravilnega.

Stern je zamislil poskus, ki bi lahko razveljavil Bohrovo teorijo. Želel je preizkusiti, ali je mogoče elektrone v magnetnem polju usmeriti v katero koli smer ali samo v diskretnih smereh, kot je predlagal Bohr.

Stern je nameraval upariti vzorec srebra in ga koncentrirati v žarek atomov. Nato bi izstrelil ta žarek skozi neenakomerno magnetno polje in zbral atome na stekleno ploščo. Ker so posamezni atomi srebra kot majhni magneti, bi jih magnetno polje odklonilo pod različnimi koti, odvisno od njihove orientacije. Če bi bili njihovi najbolj oddaljeni elektroni lahko orientirani hočeš nočeš, kot je predvidevala klasična teorija, bi pričakovali, da bodo odklonjeni atomi tvorili en sam širok madež vzdolž detektorske plošče.

Toda če bi imel Bohr prav in bi majhni sistemi, kot so atomi, upoštevali nenavadna kvantna pravila, bi lahko atomi srebra prehodili samo dve poti skozi polje in plošča bi pokazala dve diskretni črti.

Sternova ideja je bila v teoriji dovolj preprosta. Toda v praksi je izgradnja eksperimenta – ki jo je prepustil Gerlachu – pomenila tisto, kar je Gerlachov podiplomski študent Wilhelm Schütz kasneje opisal kot »Sizifovo delo«. Da bi uparili srebro, so ga morali znanstveniki segreti na več kot 1,000 stopinj Celzija, ne da bi stopili tesnila na stekleni vakuumski komori, katere črpalke so se prav tako redno razbijale. Sredstva za eksperiment so usahnila, ko je nemška povojna inflacija močno narasla. Albert Einstein in bankir Henry Goldman sta s svojimi donacijami sčasoma rešila ekipo.

Ko je poskus že stekel, je bilo ustvarjanje berljivega rezultata še vedno izziv. Zbiralna plošča je bila le delček velikosti glave žeblja, zato je bilo za branje vzorcev v srebrovem nanosu potreben mikroskop. Morda apokrifno, znanstveniki so si nenamerno pomagali z vprašljivim laboratorijskim bontonom: nahajališče srebra bi bilo nevidno, če ne bi bilo dima, ki se je cedil iz njihovih cigar, ki so bile – zaradi nizkih plač – poceni in bogate z žveplom, ki pomagal, da se je srebro razvilo v viden kot curek črn srebrov sulfid. (Leta 2003 sta Friedrich in njegov kolega ponovil to epizodo in potrdil, da se je srebrni signal pojavil samo v prisotnosti dima poceni cigar.)

Vrtenje srebra

Po mnogih mesecih odpravljanja težav je Gerlach preživel vso noč 7. februarja 1922 in streljal srebro na detektor. Naslednje jutro je s sodelavci razvil ploščo in udarila zlato: nahajališče srebra, lepo razdeljeno na dva dela, kot poljub iz kvantnega sveta. Gerlach je rezultat dokumentiral v mikrofotografiji in jo kot razglednico poslal Bohru, skupaj s sporočilom: "Čestitamo vam za potrditev vaše teorije."

Odkritje je pretreslo fizikalno skupnost. Albert Einstein se imenuje to je "najzanimivejši dosežek na tej točki" in je ekipo nominiral za Nobelovo nagrado. Izidor Rabi je dejal, da me je poskus "enkrat za vselej prepričal, da ... kvantni pojavi zahtevajo popolnoma novo usmeritev." Sternove sanje o izpodbijanju kvantne teorije so se očitno izjalovile, čeprav ni držal svoje obljube, da bo opustil fiziko; namesto tega on zmagal Nobelovo nagrado leta 1943 za poznejše odkritje. "Še vedno imam ugovore glede … lepote kvantne mehanike," je dejal Stern, "vendar ima prav."

Danes fiziki priznavajo, da sta imela Stern in Gerlach prav, ko sta svoj eksperiment razlagala kot potrditev še vedno nastajajoče kvantne teorije. Vendar so imeli prav iz napačnega razloga. Znanstveniki so domnevali, da je razcepljena trajektorija atoma srebra določena z orbito njegovega najbolj oddaljenega elektrona, ki je fiksiran pod določenimi koti. V resnici je cepitev posledica kvantizacije notranjega kotnega momenta elektrona - količine, znane kot spin, ki je ne bi odkrili še nekaj let. Po naključju se je razlaga obnesla, ker je raziskovalce rešilo to, kar Friedrich imenuje "čudno naključje, ta zarota narave": dve še neznani lastnosti elektrona - njegov spin in njegov nenormalni magnetni moment - sta se izničili.

Razbijanje jajc

Učbeniška razlaga Stern-Gerlachovega eksperimenta pravi, da se med potovanjem atoma srebra elektron ne vrti navzgor ali navzdol. Je v kvantni mešanici ali "superpoziciji" teh stanj. Atom ubere obe poti hkrati. Šele ob udarcu v detektor se izmeri njegovo stanje, določi pot.

Toda od leta 1930 so se številni ugledni teoretiki odločili za interpretacijo, ki je zahtevala manj kvantne magije. Argument je trdil, da magnetno polje učinkovito meri vsak elektron in definira njegov spin. Zamisel, da vsak atom ubere obe poti hkrati, je absurdna in nepotrebna, so trdili ti kritiki.

Teoretično bi lahko ti dve hipotezi preverili. Če bi vsak atom res prečkal magnetno polje z dvema osebama, potem bi moralo biti teoretično mogoče ponovno združiti te duhovite identitete. S tem bi ustvarili poseben interferenčni vzorec na detektorju, ko bi se ponovno poravnali - znak, da je atom res krmaril po obeh poteh.

Velik izziv je, da je treba za ohranitev superpozicije in ustvarjanje končnega interferenčnega signala osebi razdeliti tako gladko in hitro, da imata dve ločeni entiteti popolnoma nerazločljivi zgodovini, ne poznata drugega in ne moreta povedati, katero pot sta ubrali. . V osemdesetih letih 1980. stoletja je več teoretikov ugotovilo, da bi bilo cepitev in rekombinacija identitete elektrona s tako popolnostjo tako neizvedljiva kot rekonstrukcija Humpty Dumptyja po njegovem velikem padcu s stene.

Leta 2019 pa je ekipa fizikov pod vodstvom Ron Folman na univerzi Ben-Gurion v Negevu zlepil tiste jajčne lupine spet skupaj. Raziskovalci so začeli z reprodukcijo Stern-Gerlachovega eksperimenta, čeprav ne s srebrom, temveč s preohlajenim kvantnim konglomeratom 10,000 rubidijevih atomov, ki so jih ujeli in manipulirali na čipu velikosti nohta. Postavili so vrtenje rubidijevih elektronov v superpozicijo navzgor in navzdol, nato pa uporabili različne magnetne impulze za natančno ločitev in rekombinacijo vsakega atoma, vse v nekaj milijoninkah sekunde. In najprej so videli natančen interferenčni vzorec napovedano leta 1927, s čimer se je zaključila Stern-Gerlachova zanka.

"Znova so lahko sestavili Humpty Dumptyja," je dejal Friedrich. "To je čudovita znanost in velik izziv, vendar so se z njim lahko spopadli."

Gojenje diamantov

Folmanovo delo poleg pomoči pri preverjanju "kvantnosti" Sternovega in Gerlachovega eksperimenta ponuja nov način za raziskovanje meja kvantnega režima. Danes znanstveniki še vedno niso prepričani kako veliki so lahko predmeti medtem ko se še vedno držijo kvantnih zapovedi, še posebej, ko so dovolj veliki, da lahko poseže gravitacija. V šestdesetih letih prejšnjega stoletja so fiziki predlagano da bi Stern-Gerlachov eksperiment s polno zanko ustvaril super občutljiv interferometer, ki bi lahko pomagal pri testiranju te kvantno-klasične meje. In leta 2017 so fiziki to idejo razširili in predlagali streljanje drobnih diamantov skozi dve sosednji Stern-Gerlachovi napravi, da bi ugotovili, ali gravitacijsko vplivata.

Folmanova skupina si zdaj prizadeva za ta izziv. Leta 2021 so opisano način za izboljšanje interferometra z enim atomskim čipom za uporabo z makroskopskimi predmeti, kot so diamanti, ki vsebujejo nekaj milijonov atomov. Od takrat so prikazani v a series of članki kako bo cepitev vse večjih in večjih mas spet sizifovsko, vendar ne nemogoče, in bi lahko pomagalo rešiti množico skrivnosti kvantne gravitacije.

"Poskus Stern-Gerlach je zelo daleč od dokončanja svoje zgodovinske vloge," je dejal Folman. "Še vedno je veliko, kar nam bo dalo."

Quanta izvaja vrsto anket, da bi bolje služil svojemu občinstvu. Vzemite našo anketa bralcev fizike in vključeni boste v brezplačno zmago Quanta trgovsko blago.