การทดลอง (บ่อยครั้ง) ที่ถูกมองข้ามซึ่งเผยให้เห็นโลกควอนตัม | นิตยสารควอนต้า

ก่อนที่แมวของ Erwin Schrödinger จะตายและมีชีวิตไปพร้อมๆ กัน และก่อนที่อิเล็กตรอนที่มีปลายแหลมจะพัดพาเหมือนคลื่นผ่านรอยกรีดบางๆ การทดลองที่ไม่ค่อยมีคนรู้จักได้เปิดม่านความงามอันน่าสับสนของโลกควอนตัม ในปี 1922 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ออตโต สเติร์น และวอลเธอร์ เกอร์ลัค แสดงให้เห็นว่าพฤติกรรมของอะตอมถูกควบคุมโดยกฎเกณฑ์ที่ท้าทายความคาดหวัง ซึ่งเป็นข้อสังเกตที่ประสานทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมที่ยังคงผลิบานอยู่

“การทดลองสเติร์น-เกอร์ลัคเป็นสัญลักษณ์ — เป็นการทดลองยุคสมัย” กล่าว เบรติสลาฟ ฟรีดริชนักฟิสิกส์และนักประวัติศาสตร์จากสถาบัน Fritz Haber ในประเทศเยอรมนีที่เพิ่งตีพิมพ์ รีวิว และแก้ไข หนังสือ ในเรื่อง “นี่เป็นหนึ่งในการทดลองที่สำคัญที่สุดในวิชาฟิสิกส์ตลอดกาล”

การตีความของการทดลองด้วย เปิดตัว ทศวรรษแห่งการโต้แย้ง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ในที่สุดนักฟิสิกส์ในอิสราเอลก็สามารถสร้างการทดลองที่มีความไวที่จำเป็นเพื่อชี้แจงอย่างชัดเจนว่าเราควรเข้าใจกระบวนการควอนตัมพื้นฐานในที่ทำงานอย่างไร ด้วยความสำเร็จดังกล่าว พวกเขาได้สร้างเทคนิคใหม่ในการสำรวจขอบเขตของโลกควอนตัม ตอนนี้ทีมงานจะพยายามปรับเปลี่ยนรูปแบบเก่าแก่นับศตวรรษของสเติร์นและเกอร์ลัคเพื่อตรวจสอบธรรมชาติของแรงโน้มถ่วง และอาจสร้างสะพานเชื่อมระหว่างเสาหลักทั้งสองแห่งของฟิสิกส์ยุคใหม่

การระเหยของเงิน

ในปี 1921 แนวคิดที่ว่ากฎทั่วไปของฟิสิกส์แตกต่างกันในระดับที่เล็กที่สุดยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ ทฤษฎีอะตอมที่ครองราชย์ใหม่ซึ่งเสนอโดย Niels Bohr อาศัยอยู่ที่จุดสำคัญของข้อโต้แย้ง ทฤษฎีของเขานำเสนอนิวเคลียสที่ล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอนในวงโคจรคงที่ ซึ่งเป็นอนุภาคที่สามารถหมุนวนได้เฉพาะในระยะห่างจากนิวเคลียสด้วยพลังงานบางอย่าง และที่มุมที่แน่นอนภายในสนามแม่เหล็ก ข้อจำกัดในข้อเสนอของบอร์นั้นเข้มงวดมากและดูเหมือนไร้เหตุผลจนสเติร์นให้คำมั่นที่จะเลิกใช้ฟิสิกส์หากแบบจำลองพิสูจน์ได้ว่าถูกต้อง

สเติร์นคิดการทดลองที่อาจทำให้ทฤษฎีของบอร์เป็นโมฆะ เขาต้องการทดสอบว่าอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กสามารถวางทิศทางใด ๆ ได้หรือไม่ หรือเฉพาะในทิศทางแยกตามที่บอร์เสนอไว้เท่านั้น

สเติร์นวางแผนที่จะทำให้ตัวอย่างเงินกลายเป็นไอและรวมตัวเป็นลำแสงอะตอม จากนั้นเขาก็จะยิงลำแสงนั้นผ่านสนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอและรวบรวมอะตอมไว้บนแผ่นกระจก เนื่องจากอะตอมของเงินแต่ละอะตอมเป็นเหมือนแม่เหล็กขนาดเล็ก สนามแม่เหล็กจึงเบนเบนพวกมันไปในมุมที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับทิศทางของพวกมัน หากอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดของพวกมันสามารถถูกวางทิศทางโดยเจตนาได้ ดังที่ทฤษฎีดั้งเดิมทำนายไว้ อะตอมที่เบี่ยงเบนไปนั้นจะถูกคาดหวังให้ก่อตัวเป็นสเมียร์กว้างๆ เดียวบนแผ่นเครื่องตรวจจับ

แต่ถ้าบอร์ถูกต้อง และระบบเล็กๆ เช่นอะตอมก็เป็นไปตามกฎควอนตัมแปลกๆ อะตอมเงินจะมีเส้นทางผ่านสนามแม่เหล็กได้เพียงสองเส้นทาง และแผ่นเปลือกโลกจะแสดงเส้นที่แยกจากกันสองเส้น

ความคิดของสเติร์นนั้นเรียบง่ายเพียงพอในทางทฤษฎี แต่ในทางปฏิบัติ การสร้างการทดลองซึ่งเขาทิ้งไว้ให้เกอร์ลัค มีจำนวนเท่ากับสิ่งที่นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของเกอร์ลัค วิลเฮล์ม ชุตซ์ บรรยายในภายหลังว่าเป็น "แรงงานที่เหมือนซิซีฟัส" ในการที่จะทำให้เงินกลายเป็นไอ นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องให้ความร้อนสูงกว่า 1,000 องศาเซลเซียส โดยไม่ละลายซีลใดๆ บนห้องสุญญากาศที่เป็นแก้ว ซึ่งปั๊มก็แตกกระจายอยู่เป็นประจำ เงินทุนสำหรับการทดลองหมดลงเนื่องจากอัตราเงินเฟ้อของเยอรมนีหลังสงครามเพิ่มสูงขึ้น ในที่สุด Albert Einstein และนายธนาคาร Henry Goldman ก็ประกันทีมด้วยการบริจาคของพวกเขา

เมื่อการทดสอบดำเนินไป การสร้างผลลัพธ์ที่ชัดเจนยังคงเป็นเรื่องท้าทาย แผ่นสะสมมีขนาดเล็กเพียงเศษเสี้ยวของขนาดหัวตะปู ดังนั้นการอ่านรูปแบบในคราบเงินจึงจำเป็นต้องใช้กล้องจุลทรรศน์ บางทีนักวิทยาศาสตร์อาจช่วยตัวเองโดยไม่ได้ตั้งใจด้วยมารยาทในห้องปฏิบัติการที่น่าสงสัย: เงินที่สะสมไว้คงมองไม่เห็นถ้าไม่ใช่เพราะควันที่ไหลออกมาจากซิการ์ของพวกเขา ซึ่ง - เนื่องจากเงินเดือนต่ำ - มีราคาไม่แพงและอุดมไปด้วยกำมะถันที่ ช่วยให้เงินพัฒนาเป็นซิลเวอร์ซัลไฟด์สีดำสนิทที่มองเห็นได้ (ในปี 2003 ฟรีดริชและเพื่อนร่วมงาน จำลองตอนนี้อีกครั้ง และยืนยันว่าสัญญาณเงินปรากฏต่อหน้าควันซิการ์ราคาถูกเท่านั้น)

การหมุนของเงิน

หลังจากแก้ไขปัญหาเป็นเวลาหลายเดือน Gerlach ใช้เวลาตลอดทั้งคืนของวันที่ 7 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 1922 เพื่อยิงแร่เงินไปที่เครื่องตรวจจับ เช้าวันรุ่งขึ้น เขาและเพื่อนร่วมงานพัฒนาจานและ หลงทอง: เงินฝากเงินแบ่งออกเป็นสองส่วนอย่างเรียบร้อย ราวกับจูบจากอาณาจักรควอนตัม Gerlach บันทึกผลลัพธ์ไว้ในภาพถ่ายขนาดเล็กและส่งเป็นไปรษณียบัตรไปยัง Bohr พร้อมด้วยข้อความ: "เราขอแสดงความยินดีกับคุณที่ได้รับการยืนยันทฤษฎีของคุณ"

การค้นพบนี้สั่นคลอนชุมชนฟิสิกส์ Albert Einstein ที่เรียกว่า เป็น "ความสำเร็จที่น่าสนใจที่สุด ณ จุดนี้" และเสนอชื่อทีมให้ได้รับรางวัลโนเบล อิซิดอร์ ราบี กล่าวว่าการทดลองนี้ “ทำให้ฉันเชื่อครั้งแล้วครั้งเล่าว่า … ปรากฏการณ์ควอนตัมจำเป็นต้องมีการวางแนวใหม่โดยสิ้นเชิง” ความฝันของสเติร์นที่จะยึดเอาทฤษฎีควอนตัมกลับกลายเป็นผลตรงกันข้าม แม้ว่าเขาจะไม่ได้รักษาสัญญาที่จะเลิกใช้ฟิสิกส์ก็ตาม แทนเขา วอน รางวัลโนเบลในปี พ.ศ. 1943 สำหรับการค้นพบครั้งต่อไป “ฉันยังคงคัดค้าน…ความงดงามของกลศาสตร์ควอนตัม” สเติร์นกล่าว “แต่เธอพูดถูก”

ปัจจุบัน นักฟิสิกส์รับรู้ว่าสเติร์นและเกอร์ลัคตีความการทดลองของตนได้ถูกต้องว่าเป็นการยืนยันทฤษฎีควอนตัมที่ยังเพิ่งเกิดขึ้น แต่พวกเขาคิดถูกด้วยเหตุผลที่ผิด นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าวิถีการเคลื่อนที่ของอะตอมเงินนั้นถูกกำหนดโดยวงโคจรของอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดซึ่งถูกกำหนดไว้ที่มุมหนึ่ง ในความเป็นจริง การแยกออกเกิดจากการหาปริมาณของโมเมนตัมเชิงมุมภายในของอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นปริมาณที่เรียกว่าสปิน ซึ่งจะไม่ถูกค้นพบอีกสองสามปี การตีความได้ผลอย่างบังเอิญเพราะนักวิจัยได้รับการช่วยเหลือจากสิ่งที่ฟรีดริชเรียกว่า "ความบังเอิญที่แปลกประหลาด การสมรู้ร่วมคิดของธรรมชาติ": คุณสมบัติสองประการที่ยังไม่รู้ของอิเล็กตรอน - การหมุนของมันและโมเมนต์แม่เหล็กที่ผิดปกติ - เกิดขึ้นเพื่อหักล้างกัน

แคร็กไข่

คำอธิบายในตำราเรียนเกี่ยวกับการทดลองสเติร์น-เกอร์ลัค ระบุว่าในขณะที่อะตอมของเงินเคลื่อนที่ อิเล็กตรอนจะไม่หมุนขึ้นหรือหมุนลง มันอยู่ในส่วนผสมควอนตัมหรือ "การซ้อนทับ" ของสถานะเหล่านั้น อะตอมใช้ทั้งสองเส้นทางพร้อมกัน เฉพาะเมื่อมีการชนเข้ากับเครื่องตรวจจับเท่านั้นจึงจะวัดสถานะของมันได้ และเส้นทางของมันก็จะคงที่

แต่ในช่วงทศวรรษที่ 1930 นักทฤษฎีที่โดดเด่นหลายคนเลือกใช้การตีความที่ต้องใช้เวทมนตร์ควอนตัมน้อยลง ข้อโต้แย้งถือว่าสนามแม่เหล็กวัดอิเล็กตรอนแต่ละตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพและกำหนดการหมุนของอิเล็กตรอน ความคิดที่ว่าแต่ละอะตอมใช้ทั้งสองเส้นทางพร้อมกันนั้นไร้สาระและไม่จำเป็น นักวิจารณ์เหล่านี้แย้ง

ตามทฤษฎีแล้ว สมมติฐานทั้งสองนี้สามารถทดสอบได้ หากแต่ละอะตอมเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กด้วยสองบุคลิกจริงๆ ก็ควรจะเป็นไปได้ในทางทฤษฎีที่จะรวมตัวตนที่น่ากลัวเหล่านั้นเข้าด้วยกันอีกครั้ง การทำเช่นนี้จะสร้างรูปแบบการรบกวนเฉพาะบนเครื่องตรวจจับเมื่อมีการปรับแนวใหม่ ซึ่งเป็นข้อบ่งชี้ว่าอะตอมได้สำรวจทั้งสองเส้นทางจริงๆ

ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ก็คือ เพื่อรักษาการซ้อนทับและสร้างสัญญาณรบกวนขั้นสุดท้ายนั้น บุคคลจะต้องถูกแยกออกอย่างราบรื่นและรวดเร็วจนทั้งสองที่แยกจากกันมีประวัติที่แยกไม่ออกโดยสิ้นเชิง ไม่มีความรู้เกี่ยวกับอีกฝ่าย และไม่มีทางบอกได้ว่าพวกเขาใช้เส้นทางไหน . ในคริสต์ทศวรรษ 1980 นักทฤษฎีหลายคนระบุว่าการแยกและรวมอัตลักษณ์ของอิเล็กตรอนให้มีความสมบูรณ์ดังกล่าวนั้นเป็นไปไม่ได้เท่ากับ การสร้างฮัมตี้ ดัมพ์ตี้ขึ้นมาใหม่ หลังจากที่เขาตกลงมาจากกำแพงครั้งใหญ่

อย่างไรก็ตาม ในปี 2019 ทีมนักฟิสิกส์นำโดย รอน ฟอลแมน ที่มหาวิทยาลัย Ben-Gurion แห่ง Negev ติดกาวเปลือกไข่เหล่านั้น กลับมารวมกัน นักวิจัยเริ่มต้นด้วยการจำลองการทดลองสเติร์น-เกอร์ลัค แม้ว่าจะไม่ใช่ด้วยเงิน แต่ด้วยการรวมตัวของควอนตัมที่มีความเย็นยิ่งยวดซึ่งมีอะตอมรูบิเดียม 10,000 อะตอม ซึ่งพวกมันติดอยู่และจัดการบนชิปขนาดเล็บมือ พวกเขาวางการหมุนของอิเล็กตรอนรูบิเดียมในตำแหน่งซ้อนทับกันขึ้นและลง จากนั้นใช้พัลส์แม่เหล็กต่างๆ เพื่อแยกและรวมอะตอมแต่ละอะตอมเข้าด้วยกันอย่างแม่นยำ โดยทั้งหมดนี้ทำได้ภายในเวลาไม่กี่ล้านวินาที และพวกเขาเห็นรูปแบบการรบกวนที่แน่นอนก่อน ที่คาดการณ์ ในปี พ.ศ. 1927 เป็นการเสร็จสิ้นวงสเติร์น-เกอร์ลัค

“พวกเขาสามารถนำ Humpty Dumpty กลับมารวมกันได้อีกครั้ง” ฟรีดริชกล่าว “มันเป็นวิทยาศาสตร์ที่สวยงาม และเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ แต่พวกเขาก็สามารถบรรลุมันได้”

เพชรที่กำลังเติบโต

นอกเหนือจากการช่วยตรวจสอบ "ความควอนตัม" ของการทดลองของ Stern และ Gerlach แล้ว งานของ Folman ยังเสนอวิธีใหม่ในการตรวจสอบขีดจำกัดของระบอบควอนตัม ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ยังไม่แน่ใจเพียงเท่านั้น วัตถุจะใหญ่แค่ไหน ในขณะที่ยังคงยึดมั่นในบัญญัติควอนตัม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีขนาดใหญ่พอที่จะให้แรงโน้มถ่วงเข้ามาแทรกแซง ในทศวรรษ 1960 นักฟิสิกส์ ข้อเสนอแนะ ว่าการทดลองสเติร์น-เกอร์ลัคแบบเต็มวงจะสร้างอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ที่มีความไวสูง ซึ่งสามารถช่วยทดสอบขอบเขตควอนตัมคลาสสิกนั้นได้ และในปี 2017 นักฟิสิกส์ได้ขยายแนวคิดดังกล่าวและแนะนำให้ยิงเพชรจิ๋วผ่านอุปกรณ์ Stern-Gerlach สองเครื่องที่อยู่ใกล้เคียง เพื่อดูว่าพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กันด้วยแรงโน้มถ่วงหรือไม่

ขณะนี้กลุ่มของ Folman กำลังทำงานเพื่อมุ่งสู่ความท้าทายดังกล่าว ในปี 2021 พวกเขา ที่ระบุไว้ วิธีเพิ่มอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์แบบอะตอมชิปตัวเดียวเพื่อใช้กับวัตถุขนาดมหึมา เช่น เพชรที่ประกอบด้วยอะตอมสองสามล้านอะตอม ตั้งแต่นั้นมาพวกเขาก็ได้แสดงใน ชุด of เอกสาร การแยกมวลที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ จะเป็น Sisyphean อีกครั้ง แต่ก็ไม่ใช่ว่าจะเป็นไปไม่ได้ และสามารถช่วยไขปริศนาแรงโน้มถ่วงควอนตัมได้

“การทดลองสเติร์น-เกอร์ลัคยังห่างไกลจากการบรรลุบทบาททางประวัติศาสตร์ของมัน” โฟลแมนกล่าว “ยังมีอีกมากที่จะให้เรา”

ควอนตั้ม กำลังดำเนินการสำรวจชุดต่างๆ เพื่อให้บริการผู้ชมของเราได้ดียิ่งขึ้น เอาของเรา แบบสำรวจผู้อ่านฟิสิกส์ และคุณจะถูกป้อนเพื่อรับรางวัลฟรี ควอนตั้ม สินค้า.