Det (ofta) förbisedda experimentet som avslöjade kvantvärlden | Quanta Magazine

Innan Erwin Schrödingers katt samtidigt var död och levande, och innan punktliknande elektroner sköljdes som vågor genom tunna slitsar, lyfte ett något mindre känt experiment slöjan över kvantvärldens förvirrande skönhet. 1922 visade de tyska fysikerna Otto Stern och Walther Gerlach att atomernas beteende styrdes av regler som trotsade förväntningarna - en observation som cementerade den fortfarande spirande teorin om kvantmekanik.

"Stern-Gerlach-experimentet är en ikon - det är ett epokalt experiment," sa Bretislav Friedrich, en fysiker och historiker vid Fritz Haber-institutet i Tyskland som nyligen publicerade en recension och redigerad en bok om ämnet. "Det var verkligen ett av de viktigaste experimenten i fysik genom tiderna."

Experimentets tolkning också lanserades årtionden av argument. Under de senaste åren har fysiker baserade i Israel äntligen kunnat skapa ett experiment med den erforderliga känsligheten för att klargöra exakt hur vi ska förstå de grundläggande kvantprocesserna i arbetet. Med den prestationen skapade de en ny teknik för att utforska gränserna för kvantvärlden. Teamet kommer nu att försöka modifiera Stern och Gerlachs hundraåriga upplägg för att undersöka gravitationens natur - och kanske bygga en bro mellan de två pelarna i modern fysik.

Vaporizing Silver

År 1921 var uppfattningen att fysikens konventionella lagar skilde sig åt i de minsta skalorna fortfarande ganska omtvistad. Den nya regerande teorin om atomen, som föreslås av Niels Bohr, levde i kärnan av argumentet. Hans teori presenterade en kärna omgiven av elektroner i fasta banor - partiklar som bara kunde virvla på vissa avstånd från kärnan, med vissa energier och i vissa vinklar inom ett magnetfält. Begränsningarna i Bohrs förslag var så stela och till synes godtyckliga att Stern lovade att sluta med fysiken om modellen skulle visa sig vara korrekt.

Stern tänkte på ett experiment som kunde ogiltigförklara Bohrs teori. Han ville testa om elektroner i ett magnetfält kunde orienteras på vilket sätt som helst, eller bara i diskreta riktningar som Bohr hade föreslagit.

Stern planerade att förånga ett silverprov och koncentrera det till en stråle av atomer. Han skulle sedan skjuta den strålen genom ett ojämnt magnetfält och samla atomerna på en glasplatta. Eftersom enskilda silveratomer är som små magneter, skulle magnetfältet avleda dem i olika vinklar beroende på deras orientering. Om deras yttersta elektroner kunde orienteras villigt, som klassisk teori förutspådde, skulle de avböjda atomerna förväntas bilda ett enda brett utstryk längs detektorplattan.

Men om Bohr hade rätt, och små system som atomer lydde konstiga kvantregler, kunde silveratomerna bara ta två vägar genom fältet, och plattan skulle visa två diskreta linjer.

Sterns idé var enkel nog i teorin. Men i praktiken motsvarade uppbyggnaden av experimentet - som han lämnade till Gerlach - vad Gerlachs doktorand Wilhelm Schütz senare beskrev som "Sisyfosliknande arbete." För att förånga silvret behövde forskarna värma det till mer än 1,000 XNUMX grader Celsius utan att smälta någon av tätningarna på glasvakuumkammaren, vars pumpar också regelbundet splittrades. Experimentets medel tog slut när Tysklands inflation efter kriget sköt i höjden. Albert Einstein och bankiren Henry Goldman räddade så småningom laget med sina donationer.

När experimentet väl var igång var det fortfarande en utmaning att få fram något läsbart resultat. Samlarplattan var bara en bråkdel av storleken på ett spikhuvud, så att läsa mönstren i silveravlagringen krävde ett mikroskop. Kanske apokryfiskt hjälpte forskarna oavsiktligt sig själva med tvivelaktig laboratorieetikett: Silverfyndigheten skulle ha varit osynlig om det inte vore för röken som sipprade in från deras cigarrer, som – på grund av deras låga löner – var billiga och rika på svavel som hjälpte silvret att utvecklas till synlig kolsvart silversulfid. (2003, Friedrich och en kollega spelade upp det här avsnittet och bekräftade att silversignalen endast dök upp i närvaro av billig cigarrrök.)

The Spin of Silver

Efter många månaders felsökning tillbringade Gerlach hela natten den 7 februari 1922 med att skjuta silver mot detektorn. Nästa morgon utvecklade han och kollegor plattan och slog guld: en silverfyndighet snyggt delad i två, som en kyss från kvantriket. Gerlach dokumenterade resultatet i ett mikrofotografi och skickade det som ett vykort till Bohr, tillsammans med meddelandet: "Vi gratulerar dig till bekräftelsen av din teori."

Fyndet skakade fysikgemenskapen. Albert Einstein kallas det "den mest intressanta prestationen vid det här laget" och nominerade laget till ett Nobelpris. Isidor Rabi sade experimentet "övertygade mig en gång för alla att ... kvantfenomen krävde en helt ny orientering." Sterns drömmar om att ifrågasätta kvantteorin hade uppenbarligen slagit tillbaka, även om han inte höll fast vid sitt löfte om att sluta med fysiken; istället han vann ett Nobelpris 1943 för en efterföljande upptäckt. "Jag har fortfarande invändningar mot ... skönheten med kvantmekanik," sa Stern, "men hon har rätt."

Idag inser fysiker att Stern och Gerlach hade rätt när de tolkade deras experiment som en bekräftelse av den fortfarande begynnande kvantteorin. Men de hade rätt av fel anledning. Forskarna antog att en silveratoms delade bana definieras av omloppsbanan för dess yttersta elektron, som är fixerad i vissa vinklar. I verkligheten beror splittringen på kvantiseringen av elektronens inre rörelsemängd - en kvantitet som kallas spinn, som inte skulle upptäckas på några år till. Otroligt nog fungerade tolkningen eftersom forskarna räddades av vad Friedrich kallar ett "konstigt sammanträffande, denna naturkonspiration": Två ännu okända egenskaper hos elektronen - dess spinn och dess onormala magnetiska ögonblick - råkade upphäva.

Knäckande ägg

Lärobokens förklaring av Stern-Gerlach-experimentet hävdar att när silveratomen färdas, är elektronen inte spin-up eller spin-down. Det är i en kvantblandning eller "superposition" av dessa tillstånd. Atomen tar båda vägarna samtidigt. Först när man slår in i detektorn mäts dess tillstånd, dess väg fixerad.

Men från och med 1930-talet valde många framstående teoretiker en tolkning som krävde mindre kvantmagi. Argumentet menade att magnetfältet effektivt mäter varje elektron och definierar dess spin. Tanken att varje atom tar båda vägarna samtidigt är absurd och onödig, hävdade dessa kritiker.

I teorin skulle dessa två hypoteser kunna testas. Om varje atom verkligen korsade magnetfältet med två personas, borde det vara möjligt - teoretiskt - att kombinera dessa spöklika identiteter. Att göra det skulle generera ett speciellt interferensmönster på en detektor när de justerades om - en indikation på att atomen verkligen navigerade båda vägarna.

Den stora utmaningen är att, för att bevara superposition och generera den slutliga störningssignalen, måste personas delas så smidigt och snabbt att de två åtskilda entiteterna har helt oskiljbar historia, ingen kunskap om den andra och inget sätt att berätta vilken väg de tog. . På 1980-talet fastställde flera teoretiker att splittring och rekombination av elektronens identiteter med sådan perfektion skulle vara lika omöjligt som rekonstruerar Humpty Dumpty efter hans stora fall från väggen.

Under 2019, dock ett team av fysiker ledda av Ron Folman vid Ben-Gurion University of the Negev limmade de äggskalen Tillsammans igen. Forskarna började med att reproducera Stern-Gerlach-experimentet, dock inte med silver, utan med ett underkylt kvantkonglomerat av 10,000 XNUMX rubidiumatomer, som de fångade och manipulerade på ett chip i fingernagelstorlek. De placerade rubidiumelektronernas snurr i en superposition av upp och ner, och applicerade sedan olika magnetiska pulser för att exakt separera och rekombinera varje atom, allt på några miljondelar av en sekund. Och de såg det exakta interferensmönstret först förutsagda 1927, och därmed fullbordade Stern-Gerlach-slingan.

"De kunde sätta ihop Humpty Dumpty igen," sa Friedrich. "Det är vacker vetenskap, och det har varit en enorm utmaning, men de har kunnat möta den."

Växande diamanter

Förutom att hjälpa till att verifiera "kvantiteten" i Stern och Gerlachs experiment, erbjuder Folmans arbete ett nytt sätt att undersöka gränserna för kvantregimen. Idag är forskarna fortfarande inte helt säkra hur stora föremål kan vara samtidigt som de fortfarande följer kvantbuden, särskilt när de är tillräckligt stora för att gravitationen ska kunna ingripa. På 1960-talet, fysiker föreslog att ett Stern-Gerlach-experiment med full loop skulle skapa en superkänslig interferometer som skulle kunna hjälpa till att testa den där kvantklassiska gränsen. Och 2017 utökade fysiker den idén och föreslog att man skulle skjuta små diamanter genom två närliggande Stern-Gerlach-apparater för att se om de interagerade gravitationsmässigt.

Folmans grupp arbetar nu mot den utmaningen. 2021, de skisse ett sätt att förstärka sin singelatom-chip-interferometer för användning med makroskopiska föremål, såsom diamanter som består av några miljoner atomer. Sedan dess har de visat i en serie of papper hur att dela upp större och större massor igen kommer att vara sisyfiskt, men inte omöjligt, och kan hjälpa till att lösa en mängd kvantgravitationsmysterier.

"Stern-Gerlach-experimentet är mycket långt ifrån att fullborda sin historiska roll," sa Folman. "Det finns fortfarande mycket som det kommer att ge oss."

Quanta genomför en serie undersökningar för att bättre betjäna vår publik. Ta vår fysikläsarundersökning och du kommer att delta för att vinna gratis Quanta handelsvaror.