(Часто) забутий експеримент, який відкрив квантовий світ | Журнал Quanta

До того, як кіт Ервіна Шредінгера був водночас мертвим і живим, і до того, як точкові електрони промивалися хвилями через тонкі щілини, дещо менш відомий експеримент підняв завісу над дивовижною красою квантового світу. У 1922 році німецькі фізики Отто Штерн і Вальтер Герлах продемонстрували, що поведінка атомів регулюється правилами, які суперечать очікуванням, — спостереження, яке закріпило теорію квантової механіки, яка все ще розвивалася.

«Експеримент Штерна-Герлаха — це ікона — це епохальний експеримент», — сказав Бретислав Фрідріх, фізик та історик з Інституту Фріца Габера в Німеччині, який нещодавно опублікував огляд та відредаговано книга на тему. «Це справді був один із найважливіших експериментів у фізиці всіх часів».

Інтерпретація експерименту також запущений десятиліття суперечок. Останніми роками фізики з Ізраїлю нарешті змогли створити експеримент із необхідною чутливістю, щоб прояснити, як саме ми повинні розуміти фундаментальні квантові процеси, що діють. З цим досягненням вони розробили нову техніку для дослідження кордонів квантового світу. Тепер команда спробує модифікувати столітню установку Штерна та Герлаха, щоб дослідити природу гравітації — і, можливо, побудувати міст між двома стовпами сучасної фізики.

Випаровується срібло

У 1921 році уявлення про те, що загальноприйняті закони фізики відрізняються в найменших масштабах, все ще було досить суперечливим. Нова панівна теорія атома, запропонована Нільсом Бором, жила в суті аргументу. Його теорія описувала ядро, оточене електронами на фіксованих орбітах — частинками, які могли обертатися лише на певних відстанях від ядра, з певними енергіями та під певними кутами в магнітному полі. Обмеження в пропозиції Бора були настільки жорсткими і, здавалося б, довільними, що Штерн пообіцяв залишити фізику, якщо модель виявиться правильною.

Штерн задумав експеримент, який міг би спростувати теорію Бора. Він хотів перевірити, чи можна електрони в магнітному полі орієнтувати будь-яким шляхом або лише в окремих напрямках, як запропонував Бор.

Стерн планував випарити зразок срібла та сконцентрувати його в пучок атомів. Потім він пропускав би цей промінь крізь неоднорідне магнітне поле й збирав атоми на скляну пластину. Оскільки окремі атоми срібла схожі на маленькі магніти, магнітне поле відхилятиме їх під різними кутами залежно від їхньої орієнтації. Якби їхні найдальші електрони могли бути орієнтовані мимовільно, як передбачала класична теорія, очікувалося б, що відхилені атоми утворять єдину широку пляму вздовж пластини детектора.

Але якби Бор був правий і крихітні системи, такі як атоми, підкорялися дивним квантовим правилам, атоми срібла могли б пройти лише два шляхи через поле, і пластина показувала б дві дискретні лінії.

Ідея Стерна була досить простою в теорії. Але на практиці побудова експерименту — яку він залишив Герлаху — становила те, що аспірант Герлаха Вільгельм Шютц пізніше назвав «сізіфовою працею». Щоб випарувати срібло, вченим потрібно було нагріти його до температури понад 1,000 градусів за Цельсієм, не розплавивши жодних ущільнень на скляній вакуумній камері, насоси якої також регулярно руйнувалися. Кошти на експеримент закінчилися, оскільки післявоєнна інфляція в Німеччині різко зросла. Альберт Ейнштейн і банкір Генрі Голдман зрештою врятували команду своїми пожертвами.

Коли експеримент було запущено, отримання будь-якого розбірливого результату все ще було проблемою. Колекторна пластина була лише невеликою частиною розміру головки цвяха, тому для читання візерунків у срібних відкладеннях потрібен був мікроскоп. Можливо, це апокриф, але вчені ненавмисно допомогли собі сумнівним лабораторним етикетом: родовище срібла було б невидимим, якби не дим, що сочився з їхніх сигар, які — через низьку зарплату — були недорогими та багатими на сірку, що допоміг сріблу перетворитися на видимий сульфід срібла чорного кольору. (У 2003 році Фрідріх і його колега відтворив цей епізод і підтвердив, що сріблястий сигнал з'являвся лише за наявності диму дешевої сигари.)

Обертання срібла

Після багатьох місяців пошуку несправностей Герлах провів всю ніч 7 лютого 1922 року, стріляючи сріблом у детектор. Наступного ранку він разом із колегами розробив табличку уражене золото: поклади срібла, акуратно розділені на дві частини, як поцілунок із квантової сфери. Герлах задокументував результат на мікрофотографії та відправив її як листівку Бору разом із повідомленням: «Ми вітаємо вас із підтвердженням вашої теорії».

Знахідка сколихнула громадськість фізиків. Альберт Ейнштейн званий це «найцікавіше досягнення на даний момент» і висунув команду на Нобелівську премію. Ісидор Рабі сказав, що експеримент «раз і назавжди переконав мене, що … квантові явища вимагають абсолютно нової орієнтації». Мрії Стерна заперечити квантову теорію, очевидно, мали зворотний результат, хоча він не дотримався своєї обіцянки залишити фізику; натомість він виграний Нобелівська премія 1943 року за наступне відкриття. «У мене все ще є заперечення проти … краси квантової механіки, — сказав Стерн, — але вона має рацію».

Сьогодні фізики визнають, що Штерн і Герлах мали рацію, інтерпретуючи свій експеримент як підтвердження квантової теорії, яка все ще зароджується. Але вони були праві з неправильної причини. Вчені припустили, що розщеплена траєкторія атома срібла визначається орбітою його крайнього електрона, яка зафіксована під певними кутами. Насправді розщеплення відбувається внаслідок квантування внутрішнього кутового моменту електрона — величини, відомої як спін, яка буде виявлена ​​лише через кілька років. Випадково ця інтерпретація спрацювала, оскільки дослідників врятував те, що Фрідріх називає «дивним збігом обставин, цією змовою природи»: дві ще невідомі властивості електрона — його спін і аномальний магнітний момент — скасовуються.

Розбивання яєць

У підручнику пояснення експерименту Штерна-Герлаха стверджує, що під час руху атома срібла електрон не обертається ні вгору, ні вниз. Це квантова суміш або «суперпозиція» цих станів. Атом проходить обидва шляхи одночасно. Тільки при ударі об детектор вимірюється його стан, фіксується його шлях.

Але починаючи з 1930-х років багато видатних теоретиків вибрали інтерпретацію, яка вимагала менше квантової магії. Аргумент стверджував, що магнітне поле ефективно вимірює кожен електрон і визначає його спін. Ці критики стверджували, що ідея, що кожен атом проходить обидва шляхи одночасно, є абсурдною та непотрібною.

Теоретично ці дві гіпотези можна перевірити. Якби кожен атом справді перетинав магнітне поле з двома особами, тоді теоретично було б можливо рекомбінувати ці примарні особистості. Це створило б особливу інтерференційну картину на детекторі, коли вони перебудували б — ознака того, що атом справді рухався обома маршрутами.

Величезне завдання полягає в тому, що для збереження суперпозиції та генерування остаточного сигналу перешкод персонажі мають бути розділені настільки плавно та швидко, щоб дві окремі сутності мали абсолютно нерозрізнені історії, не знаючи іншої, і не було можливості сказати, яким шляхом вони пішли. . У 1980-х роках багато теоретиків визначили, що розщеплення та рекомбінація ідентичностей електрона з такою досконалістю було б настільки ж неможливим, як реконструкція Humpty Dumpty після його великого падіння зі стіни.

Однак у 2019 році команда фізиків під керівництвом Рон Фолман в Університеті Бен-Гуріона в Негеві склеїв ту яєчну шкаралупу знову разом. Дослідники почали з відтворення експерименту Штерна-Герлаха, хоча не зі сріблом, а з переохолодженим квантовим конгломератом з 10,000 XNUMX атомів рубідію, які вони захоплювали та маніпулювали на чіпі розміром з ніготь. Вони помістили спини електронів рубідію в суперпозицію вгору та вниз, а потім застосували різні магнітні імпульси, щоб точно розділити та рекомбінувати кожен атом, і все це за кілька мільйонних часток секунди. І вони спочатку побачили точну картину перешкод передвіщений у 1927 році, таким чином завершивши петлю Штерна-Герлаха.

«Їм вдалося знову зібрати Шалтая-Болтая», — сказав Фрідріх. «Це прекрасна наука, і це було величезним викликом, але вони змогли з ним подолати».

Вирощування алмазів

Крім того, що допомагає перевірити «квантовість» експерименту Штерна і Герлаха, робота Фолмана пропонує новий спосіб дослідити межі квантового режиму. Сьогодні вчені все ще не впевнені наскільки великими можуть бути предмети дотримуючись квантових заповідей, особливо коли вони достатньо великі, щоб гравітація могла втрутитися. У 1960-х рр. фіз запропонований що повноконтурний експеримент Штерна-Герлаха створить надчутливий інтерферометр, який допоможе перевірити цю квантово-класичну межу. А в 2017 році фізики розширили цю ідею і запропонували пропустити крихітні алмази через два сусідніх прилади Штерна-Герлаха, щоб перевірити, чи гравітаційно вони взаємодіють.

Зараз група Фолмана працює над вирішенням цього завдання. У 2021 році вони викладені спосіб покращити їхній одноатомний інтерферометр для використання з макроскопічними об’єктами, такими як алмази, що містять кілька мільйонів атомів. Відтоді вони показали в a серія of документи як розщеплення все більших і більших мас знову стане сізіфовим, але не неможливим, і може допомогти розгадати низку таємниць квантової гравітації.

«Експеримент Штерна-Герлаха дуже далекий від виконання своєї історичної ролі», — сказав Фолман. «Це ще багато чого нам дасть».

Quanta проводить серію опитувань, щоб краще обслуговувати нашу аудиторію. Візьміть наші опитування читачів з фізики і ви будете введені, щоб виграти безкоштовно Quanta товар