Kuantum Dünyasını Ortaya Çıkaran (Sıklıkla) Gözden Kaçan Deney | Quanta Dergisi

Erwin Schrödinger'in kedisi aynı anda ölü ve diri olmadan ve nokta benzeri elektronlar dalgalar gibi ince yarıklardan geçmeden önce, daha az bilinen bir deney, kuantum dünyasının şaşırtıcı güzelliği üzerindeki perdeyi kaldırdı. 1922'de Alman fizikçiler Otto Stern ve Walther Gerlach, atomların davranışlarının beklentilere meydan okuyan kurallar tarafından yönetildiğini gösterdiler; bu, kuantum mekaniğinin henüz gelişmekte olan teorisini güçlendiren bir gözlemdi.

"Stern-Gerlach deneyi bir simgedir; çığır açan bir deneydir" dedi Bretislav FriedrichAlmanya'daki Fritz Haber Enstitüsü'nde fizikçi ve tarihçi olan bir yorum ve düzenlendi kitap Konuyla ilgili. “Gerçekten de tüm zamanların fizikteki en önemli deneylerinden biriydi.”

Deneyin yorumlanması da başlattı Onlarca yıllık tartışma. Son yıllarda, İsrail'deki fizikçiler nihayet, iş başında olan temel kuantum süreçlerini tam olarak nasıl anlamamız gerektiğini açıklığa kavuşturmak için gerekli hassasiyete sahip bir deney oluşturmayı başardılar. Bu başarı ile kuantum dünyasının sınırlarını keşfetmeye yönelik yeni bir teknik geliştirdiler. Ekip şimdi yerçekiminin doğasını araştırmak için Stern ve Gerlach'ın asırlık düzeneğini değiştirmeye çalışacak ve belki de modern fiziğin iki temel direği arasında bir köprü kurmaya çalışacak.

Buharlaşan Gümüş

1921'de geleneksel fizik yasalarının en küçük ölçeklerde farklılık gösterdiği fikri hâlâ oldukça tartışmalıydı. Niels Bohr'un önerdiği yeni atom teorisi tartışmanın merkezinde yer alıyordu. Teorisi, sabit yörüngelerdeki elektronlarla çevrelenmiş bir çekirdeği içeriyordu; bu parçacıklar, çekirdekten yalnızca belirli mesafelerde, belirli enerjilerle ve bir manyetik alan içinde belirli açılarda dönebiliyordu. Bohr'un teklifindeki kısıtlamalar o kadar katı ve görünüşte keyfiydi ki Stern, modelin doğru çıkması durumunda fiziği bırakacağına söz verdi.

Stern, Bohr'un teorisini geçersiz kılabilecek bir deney tasarladı. Manyetik alandaki elektronların herhangi bir yönde mi, yoksa Bohr'un önerdiği gibi yalnızca ayrı yönlerde mi yönlendirilebileceğini test etmek istiyordu.

Stern, bir gümüş örneğini buharlaştırıp onu bir atom ışınında yoğunlaştırmayı planladı. Daha sonra bu ışını düzgün olmayan bir manyetik alandan geçirecek ve atomları bir cam plaka üzerinde toplayacaktı. Bireysel gümüş atomları küçük mıknatıslar gibi olduğundan, manyetik alan onları yönelimlerine bağlı olarak farklı açılarda saptıracaktır. Eğer klasik teorinin öngördüğü gibi en dıştaki elektronlar isteğe göre yönlendirilebilseydi, saptırılan atomların detektör plakası boyunca tek bir geniş leke oluşturması beklenirdi.

Ancak Bohr haklıysa ve atom gibi küçük sistemler garip kuantum kurallarına uyuyorsa, gümüş atomları alan boyunca yalnızca iki yol izleyebilirdi ve plaka iki ayrı çizgi gösterecekti.

Stern'ün fikri teoride yeterince basitti. Ancak pratikte, Gerlach'a bıraktığı deneyi oluşturmak, Gerlach'ın yüksek lisans öğrencisi Wilhelm Schütz'ün daha sonra "Sisifos benzeri emek" olarak tanımlayacağı şeye ulaştı. Gümüşü buharlaştırmak için bilim adamlarının, pompaları düzenli olarak parçalanan cam vakum odasındaki contalardan herhangi birini eritmeden gümüşü 1,000 santigrat derecenin üzerine ısıtması gerekiyordu. Almanya'nın savaş sonrası enflasyonu hızla yükselirken deneyin fonları tükendi. Albert Einstein ve bankacı Henry Goldman sonunda bağışlarıyla ekibi kurtardılar.

Deney başladıktan sonra da okunaklı bir sonuç elde etmek hala zorluydu. Toplayıcı plaka, çivi başının yalnızca küçük bir kısmı kadardı, dolayısıyla gümüş birikintisindeki desenleri okumak için mikroskop gerekiyordu. Belki de uydurma bir şekilde, bilim insanları istemeden de olsa şüpheli laboratuvar görgü kuralları konusunda kendilerine yardımcı oldular: Eğer düşük maaşları nedeniyle ucuz ve kükürt bakımından zengin olan purolarından sızan duman olmasaydı, gümüş yatağı görünmez olurdu. gümüşün görünür simsiyah gümüş sülfüre dönüşmesine yardımcı oldu. (2003 yılında Friedrich ve bir meslektaşı bu bölümü yeniden canlandırdı ve gümüş sinyalin yalnızca ucuz puro dumanı varlığında ortaya çıktığını doğruladı.)

Gümüşün Dönüşü

Aylarca süren sorun giderme çalışmalarının ardından Gerlach, 7 Şubat 1922'nin bütün gecesini dedektöre gümüş ateş ederek geçirdi. Ertesi sabah o ve meslektaşları plakayı geliştirdiler ve altın vurdu: Kuantum aleminden gelen bir öpücük gibi düzgün bir şekilde ikiye bölünmüş gümüş bir yatak. Gerlach sonucu bir mikrofotoğrafla belgeledi ve şu mesajla birlikte kartpostal olarak Bohr'a gönderdi: "Teorinizi doğruladığınız için sizi tebrik ediyoruz."

Bu bulgu fizik camiasını sarstı. Albert Einstein denilen Bu, "şu andaki en ilginç başarı" oldu ve ekibi Nobel Ödülü'ne aday gösterdi. IŞİD Rabi deney "beni şuna kesin olarak ikna etti: kuantum olgusu tamamen yeni bir yönelim gerektiriyordu." Stern'ün kuantum teorisine karşı çıkma hayalleri, fiziği bırakma sözünü tutmamasına rağmen açıkça geri tepmişti; onun yerine o won sonraki bir keşif için 1943'te Nobel Ödülü'nü aldı. Stern, "Kuantum mekaniğinin... güzelliğine hâlâ itirazlarım var" dedi, "ama haklı."

Bugün fizikçiler, Stern ve Gerlach'ın deneylerini henüz yeni oluşan kuantum teorisinin doğrulanması olarak yorumlamakta haklı olduklarını kabul ediyorlar. Ama yanlış sebepten dolayı haklıydılar. Bilim adamları, gümüş atomunun bölünmüş yörüngesinin, belirli açılarda sabitlenen en dıştaki elektronunun yörüngesi tarafından tanımlandığını varsaydılar. Gerçekte, bölünme, elektronun iç açısal momentumunun (spin olarak bilinen ve birkaç yıl daha keşfedilmeyecek olan bir miktar) kuantizasyonundan kaynaklanmaktadır. Şans eseri yorum işe yaradı çünkü araştırmacılar, Friedrich'in "tuhaf bir rastlantı, doğanın bu komplosu" olarak adlandırdığı olaydan kurtuldu: Elektronun henüz bilinmeyen iki özelliği - spini ve anormal manyetik momenti - birbirini yok etti.

yumurta kırma

Stern-Gerlach deneyinin ders kitabındaki açıklaması, gümüş atomu hareket ederken elektronun yukarı veya aşağı dönüş yapmadığını öne sürüyor. Bu durumların kuantum karışımı veya “süperpozisyonu”dur. Atom her iki yolu da aynı anda kullanır. Ancak dedektöre çarpıldığında durumu ölçülür ve yolu sabitlenir.

Ancak 1930'lardan itibaren önde gelen teorisyenlerin çoğu, daha az kuantum büyüsü gerektiren bir yorumu tercih etti. Tartışma, manyetik alanın her elektronu etkili bir şekilde ölçtüğünü ve dönüşünü tanımladığını savundu. Bu eleştirmenler, her atomun aynı anda her iki yolu da izlemesi fikrinin saçma ve gereksiz olduğunu savundu.

Teorik olarak bu iki hipotez test edilebilir. Eğer her atom manyetik alanı gerçekten iki kişilikle geçtiyse, o zaman bu hayaletimsi kimlikleri yeniden birleştirmek (teorik olarak) mümkün olmalıdır. Bunu yapmak, yeniden hizalandıklarında dedektör üzerinde belirli bir girişim deseni oluşturacaktır; bu, atomun gerçekten de her iki yolda da gezindiğinin bir göstergesidir.

Buradaki en büyük zorluk, süperpozisyonu korumak ve son müdahale sinyalini oluşturmak için, kişiliklerin o kadar düzgün ve hızlı bir şekilde bölünmesi gerektiğidir ki, iki ayrı varlık tamamen ayırt edilemez geçmişlere sahip olacak, diğeri hakkında hiçbir bilgiye sahip olmayacak ve hangi yolu izlediklerini söylemenin hiçbir yolu olmayacak. . 1980'lerde birçok teorisyen, elektronun kimliklerini bu kadar mükemmel bir şekilde bölmenin ve yeniden birleştirmenin, atom bombası kadar olanaksız olduğunu belirledi. Humpty Dumpty'yi yeniden inşa etmek duvardan büyük düşüşünden sonra.

Ancak 2019 yılında, liderliğindeki bir fizikçi ekibi Ron Folman Negev Ben-Gurion Üniversitesi'nde o yumurta kabuklarını yapıştırdım tekrar beraber. Araştırmacılar Stern-Gerlach deneyini gümüşle olmasa da tırnak büyüklüğünde bir çip üzerinde tuzağa düşürüp manipüle ettikleri 10,000 rubidyum atomundan oluşan aşırı soğutulmuş kuantum kümelenmesiyle yeniden üreterek başladılar. Rubidyum elektronlarının dönüşlerini yukarı ve aşağı süperpozisyona yerleştirdiler, ardından her atomu saniyenin birkaç milyonda biri kadar bir sürede tam olarak ayırmak ve yeniden birleştirmek için çeşitli manyetik darbeler uyguladılar. Ve girişim desenini ilk önce onlar gördüler tahmin 1927'de Stern-Gerlach döngüsü tamamlandı.

Friedrich, "Humpty Dumpty'yi tekrar bir araya getirmeyi başardılar" dedi. "Bu çok güzel bir bilim ve çok büyük bir zorluktu ama onlar bunun üstesinden gelmeyi başardılar."

Büyüyen Elmaslar

Folman'ın çalışması, Stern ve Gerlach'ın deneyinin "kuantumluğunu" doğrulamaya yardımcı olmanın yanı sıra, kuantum rejiminin sınırlarını araştırmak için yeni bir yol sunuyor. Bugün bilim insanları hala tam olarak emin değiller. nesneler ne kadar büyük olabilir bir yandan da kuantum emirlerine bağlı kalıyoruz, özellikle de yer çekiminin müdahale edebileceği kadar büyük olduklarında. 1960'lı yıllarda fizikçiler önerilen tam döngülü bir Stern-Gerlach deneyinin, kuantum-klasik sınırın test edilmesine yardımcı olabilecek süper duyarlı bir girişimölçer yaratacağını söyledi. Ve 2017'de fizikçiler bu fikri genişlettiler ve iki komşu Stern-Gerlach cihazı aracılığıyla küçük elmasların yerçekimsel olarak etkileşime girip girmediğini görmek için fırlatılmasını önerdiler.

Folman'ın grubu şu anda bu zorluğa karşı çalışıyor. 2021'de onlar özetlenen Tek atom çipli interferometreyi, birkaç milyon atom içeren elmaslar gibi makroskobik nesnelerle kullanım için güçlendirmenin bir yolunu buldular. O zamandan beri, bir dizi of kâğıtlar Daha büyük ve daha büyük kütlelerin nasıl bölüneceği yine Sisifos gibi olacak, ancak imkansız değil ve bir dizi kuantum yerçekimi gizeminin çözülmesine yardımcı olabilir.

Folman, "Stern-Gerlach deneyi tarihsel rolünü tamamlamaktan çok uzak" dedi. "Bize vereceği hala çok şey var."

Kuantum izleyicilerimize daha iyi hizmet verebilmek için bir dizi anket yürütüyor. Bizimkini al fizik okuyucu anketi ve ücretsiz kazanmak için girileceksiniz Kuantum mal.