(اکثر) نظر انداز تجربہ جس نے کوانٹم ورلڈ کو ظاہر کیا | کوانٹا میگزین

اس سے پہلے کہ ایرون شروڈنگر کی بلی بیک وقت مردہ اور زندہ ہو، اور اس سے پہلے کہ نکتہ نما الیکٹران موجوں کی طرح پتلی دروں سے دھوئے جائیں، ایک قدرے کم معروف تجربے نے کوانٹم کی دنیا کی حیران کن خوبصورتی پر سے پردہ اٹھا دیا۔ 1922 میں، جرمن طبیعیات دان اوٹو سٹرن اور والتھر گرلاچ نے یہ ظاہر کیا کہ ایٹموں کا طرز عمل ان اصولوں کے تحت چلتا ہے جو توقعات کے خلاف تھے - ایک ایسا مشاہدہ جس نے کوانٹم میکانکس کے ابھرتے ہوئے نظریہ کو مضبوط کیا۔

"Stern-Gerlach تجربہ ایک آئیکن ہے - یہ ایک عہد کا تجربہ ہے،" کہا بریٹیسلاو فریڈرک، جرمنی میں فرٹز ہیبر انسٹی ٹیوٹ میں ایک ماہر طبیعیات اور مورخ جس نے حال ہی میں شائع کیا۔ نظر ثانی اور ترمیم کی ایک کتاب اس موضوع پر. "یہ واقعی ہر وقت کے طبیعیات میں سب سے اہم تجربات میں سے ایک تھا۔"

تجربے کی تشریح بھی شروع دہائیوں کی دلیل. حالیہ برسوں میں، اسرائیل میں مقیم طبیعیات دان بالآخر مطلوبہ حساسیت کے ساتھ ایک تجربہ کرنے میں کامیاب ہو گئے ہیں تاکہ یہ واضح کیا جا سکے کہ ہمیں کام پر بنیادی کوانٹم عمل کو کس طرح سمجھنا چاہیے۔ اس کامیابی کے ساتھ، انہوں نے کوانٹم دنیا کی حدود کو تلاش کرنے کے لیے ایک نئی تکنیک تیار کی۔ ٹیم اب کشش ثقل کی نوعیت کی تحقیقات کے لیے Stern اور Gerlach کے صدی پرانے سیٹ اپ میں ترمیم کرنے کی کوشش کرے گی - اور شاید جدید طبیعیات کے دو ستونوں کے درمیان ایک پل بنائے گی۔

سلور کو بخارات بنانا

1921 میں، یہ تصور کہ طبیعیات کے روایتی قوانین چھوٹے پیمانے پر مختلف ہیں اب بھی کافی متنازعہ تھا۔ ایٹم کا نیا راج کرنے والا نظریہ، جو نیلز بوہر نے تجویز کیا تھا، دلیل کی بنیاد پر رہتا تھا۔ اس کے نظریہ میں مقررہ مداروں میں الیکٹرانوں سے گھرا ہوا ایک نیوکلئس نمایاں کیا گیا تھا - وہ ذرات جو نیوکلئس سے صرف مخصوص فاصلے پر، مخصوص توانائیوں کے ساتھ، اور مقناطیسی میدان کے اندر مخصوص زاویوں پر گھوم سکتے ہیں۔ بوہر کی تجویز میں رکاوٹیں اتنی سخت اور بظاہر صوابدیدی تھیں کہ اسٹرن نے ماڈل کے درست ثابت ہونے پر فزکس چھوڑنے کا عہد کیا۔

اسٹرن نے ایک ایسے تجربے کا تصور کیا جو بوہر کے نظریہ کو باطل کر سکتا ہے۔ وہ یہ جانچنا چاہتا تھا کہ آیا مقناطیسی میدان میں الیکٹران کسی بھی طرح سے ہو سکتے ہیں، یا صرف مجرد سمتوں میں جیسا کہ بوہر نے تجویز کیا تھا۔

اسٹرن نے چاندی کے نمونے کو بخارات بنانے اور اسے ایٹموں کے شہتیر میں مرتکز کرنے کا منصوبہ بنایا۔ اس کے بعد وہ اس شہتیر کو غیر یکساں مقناطیسی میدان کے ذریعے گولی مارے گا اور شیشے کی پلیٹ پر ایٹموں کو جمع کرے گا۔ چونکہ چاندی کے انفرادی ایٹم چھوٹے میگنےٹ کی طرح ہوتے ہیں، اس لیے مقناطیسی میدان ان کی سمت کے لحاظ سے مختلف زاویوں سے ان کو ہٹاتا ہے۔ اگر ان کے سب سے باہر کے الیکٹرانوں کو وللی نیلی پر مبنی کیا جا سکتا ہے، جیسا کہ کلاسیکی نظریہ کی پیش گوئی کی گئی ہے، تو انحطاط شدہ ایٹموں سے توقع کی جائے گی کہ وہ ڈیٹیکٹر پلیٹ کے ساتھ ایک وسیع سمیر بنائیں گے۔

لیکن اگر بوہر درست تھا، اور ایٹم جیسے چھوٹے نظاموں نے عجیب کوانٹم اصولوں کی پابندی کی، تو چاندی کے ایٹم میدان میں سے صرف دو راستے لے سکتے ہیں، اور پلیٹ دو مجرد لکیریں دکھائے گی۔

اسٹرن کا خیال نظریہ میں کافی سادہ تھا۔ لیکن عملی طور پر، تجربے کی تعمیر - جسے اس نے گیرلاچ کے پاس چھوڑا تھا - وہی تھا جو گیرلاچ کے گریجویٹ طالب علم ولہیم شٹز نے بعد میں "سیسیفس جیسی محنت" کے طور پر بیان کیا۔ چاندی کو بخارات بنانے کے لیے، سائنسدانوں کو شیشے کے ویکیوم چیمبر پر موجود کسی بھی مہر کو پگھلائے بغیر اسے 1,000 ڈگری سیلسیس سے زیادہ گرم کرنے کی ضرورت تھی، جس کے پمپ بھی باقاعدگی سے بکھرتے رہتے تھے۔ تجربے کے فنڈز خشک ہو گئے کیونکہ جرمنی کی جنگ کے بعد کی افراط زر میں اضافہ ہوا۔ البرٹ آئن سٹائن اور بینکر ہنری گولڈمین نے بالآخر اپنے عطیات سے ٹیم کو بیل آؤٹ کیا۔

ایک بار جب تجربہ چل رہا تھا، کوئی بھی قابل مطالعہ نتیجہ پیدا کرنا اب بھی ایک چیلنج تھا۔ کلیکٹر پلیٹ کیل سر کے سائز کا صرف ایک حصہ تھا، لہذا چاندی کے ذخائر میں پیٹرن کو پڑھنے کے لئے ایک خوردبین کی ضرورت تھی. شاید apocryphally، سائنسدانوں نے نادانستہ طور پر قابل اعتراض تجربہ گاہوں کے آداب کے ساتھ اپنی مدد کی: چاندی کا ذخیرہ پوشیدہ ہوتا اگر یہ ان کے سگاروں سے اٹھنے والا دھواں نہ ہوتا، جو - ان کی کم تنخواہوں کی وجہ سے - سستا اور گندھک سے بھرپور تھا۔ چاندی کو نظر آنے والے جیٹ بلیک سلور سلفائیڈ میں تیار کرنے میں مدد ملی۔ (2003 میں، فریڈرک اور ایک ساتھی اس ایپی سوڈ کو ری ایکٹ کیا۔ اور تصدیق کی کہ سلور سگنل صرف سستے سگار کے دھوئیں کی موجودگی میں ظاہر ہوا۔)

چاندی کا اسپن

کئی مہینوں کی خرابیوں کا سراغ لگانے کے بعد، گیرلاچ نے 7 فروری 1922 کی پوری رات ڈیٹیکٹر پر چاندی کی شوٹنگ کرتے ہوئے گزاری۔ اگلی صبح، اس نے اور ساتھیوں نے پلیٹ تیار کی اور مارا سونا: چاندی کا ذخیرہ صاف طور پر دو حصوں میں تقسیم ہوتا ہے، جیسے کوانٹم دائرے سے بوسہ۔ گیرلاچ نے نتیجہ کو مائیکرو فوٹوگراف میں دستاویز کیا اور اسے ایک پوسٹ کارڈ کے طور پر بوہر کو بھیج دیا، اس پیغام کے ساتھ: "ہم آپ کے نظریہ کی تصدیق پر آپ کو مبارکباد پیش کرتے ہیں۔"

اس دریافت نے طبیعیات کی کمیونٹی کو ہلا کر رکھ دیا۔ البرٹ آئن سٹائین کہا جاتا ہے یہ "اس وقت سب سے دلچسپ کامیابی" ہے اور ٹیم کو نوبل انعام کے لیے نامزد کیا۔ اسیڈور ربیع تجربے نے کہا کہ "مجھے ایک بار اور سب کے لیے قائل کر دیا کہ … کوانٹم مظاہر کو بالکل نئی سمت کی ضرورت ہے۔" کوانٹم تھیوری کو مسترد کرنے کے اسٹرن کے خواب واضح طور پر ناکام ہوگئے تھے، حالانکہ وہ فزکس چھوڑنے کے اپنے وعدے پر قائم نہیں رہے۔ اس کے بجائے، وہ جیت 1943 میں اس کے بعد کی دریافت کے لیے نوبل انعام۔ "مجھے اب بھی کوانٹم میکینکس کی خوبصورتی پر اعتراض ہے،" سٹرن نے کہا، "لیکن وہ درست ہے۔"

آج، طبیعیات دان تسلیم کرتے ہیں کہ Stern اور Gerlach اپنے تجربے کی تشریح کرنے میں درست تھے کہ وہ ابھی تک نوزائیدہ کوانٹم تھیوری کی تصدیق کرتے ہیں۔ لیکن وہ غلط وجہ سے درست تھے۔ سائنس دانوں نے فرض کیا کہ چاندی کے ایٹم کی تقسیم کی رفتار اس کے بیرونی ترین الیکٹران کے مدار سے متعین ہوتی ہے، جو مخصوص زاویوں پر طے ہوتی ہے۔ حقیقت میں، تقسیم الیکٹران کے اندرونی زاویہ کی رفتار کی مقدار کی وجہ سے ہوتی ہے - ایک مقدار جسے اسپن کہا جاتا ہے، جسے مزید چند سالوں تک دریافت نہیں کیا جائے گا۔ بے تکلفی سے، یہ تشریح کام کر گئی کیونکہ محققین کو اس سے بچایا گیا جسے فریڈرک ایک "عجیب اتفاق، فطرت کی یہ سازش" کہتے ہیں: الیکٹران کی دو ابھی تک نامعلوم خصوصیات — اس کا گھماؤ اور اس کا غیر معمولی مقناطیسی لمحہ — منسوخ ہو گیا۔

کریکنگ ایگز

Stern-Gerlach تجربے کی درسی کتاب کی وضاحت یہ بتاتی ہے کہ جیسے جیسے چاندی کا ایٹم سفر کرتا ہے، الیکٹران اسپن اپ یا اسپن-ڈاؤن نہیں ہوتا ہے۔ یہ ان ریاستوں کے کوانٹم مرکب یا "سپرپوزیشن" میں ہے۔ ایٹم بیک وقت دونوں راستے لیتا ہے۔ ڈٹیکٹر کو توڑنے پر ہی اس کی حالت کی پیمائش کی جاتی ہے، اس کا راستہ طے ہوتا ہے۔

لیکن 1930 کی دہائی سے شروع ہونے والے، بہت سے ممتاز نظریہ دانوں نے ایک ایسی تشریح کا انتخاب کیا جس کے لیے کم کوانٹم جادو کی ضرورت تھی۔ دلیل یہ تھی کہ مقناطیسی میدان مؤثر طریقے سے ہر الیکٹران کی پیمائش کرتا ہے اور اس کے اسپن کی وضاحت کرتا ہے۔ ان ناقدین کا کہنا تھا کہ یہ خیال کہ ہر ایٹم ایک ساتھ دونوں راستے اختیار کرتا ہے، مضحکہ خیز اور غیر ضروری ہے۔

نظریہ میں، ان دو مفروضوں کا تجربہ کیا جا سکتا ہے۔ اگر ہر ایٹم نے واقعی دو شخصیتوں کے ساتھ مقناطیسی میدان کو عبور کیا ہے، تو پھر یہ ممکن ہونا چاہیے — نظریاتی طور پر — ان بھوت شناختوں کو دوبارہ جوڑنا۔ ایسا کرنے سے ایک ڈیٹیکٹر پر ایک خاص مداخلت کا نمونہ پیدا ہو گا جب وہ دوبارہ جڑیں گے - ایک اشارہ ہے کہ ایٹم نے واقعی دونوں راستوں کو نیویگیٹ کیا۔

سب سے بڑا چیلنج یہ ہے کہ، سپرپوزیشن کو برقرار رکھنے اور اس حتمی مداخلت کے سگنل کو پیدا کرنے کے لیے، شخصیات کو اتنی آسانی سے اور تیزی سے تقسیم کیا جانا چاہیے کہ دو الگ الگ ہونے والی ہستیوں کی مکمل طور پر تفریق نہیں کی جا سکتی، ایک دوسرے کے بارے میں کوئی علم نہیں، اور یہ بتانے کا کوئی طریقہ نہیں کہ انھوں نے کون سا راستہ اختیار کیا۔ . 1980 کی دہائی میں، متعدد تھیورسٹوں نے یہ طے کیا کہ الیکٹران کی شناخت کو اس طرح کے کمال کے ساتھ تقسیم کرنا اور دوبارہ ملانا اتنا ہی ناقابل عمل ہوگا۔ ہمپٹی ڈمپٹی کی تشکیل نو دیوار سے گرنے کے بعد۔

2019 میں، تاہم، طبیعیات دانوں کی ایک ٹیم کی قیادت میں رون فول مین نیگیو کی بین گوریون یونیورسٹی میں ان انڈوں کے چھلکوں کو چپکا دیا۔ ایک ساتھ واپس. محققین نے Stern-Gerlach تجربے کو دوبارہ تیار کرکے شروع کیا، اگرچہ چاندی کے ساتھ نہیں، بلکہ 10,000 روبیڈیم ایٹموں کے سپر کولڈ کوانٹم مجموعہ کے ساتھ، جسے انہوں نے ناخن کے سائز کی چپ پر پھنسایا اور جوڑ توڑ کیا۔ انہوں نے روبیڈیم الیکٹران کے گھماؤ کو اوپر اور نیچے کی سپر پوزیشن میں رکھا، پھر ہر ایٹم کو ٹھیک ٹھیک الگ کرنے اور دوبارہ جوڑنے کے لیے مختلف مقناطیسی دالیں لگائیں، یہ سب کچھ سیکنڈ کے چند ملینویں حصے میں ہے۔ اور انہوں نے پہلے مداخلت کا صحیح نمونہ دیکھا پیش گوئی 1927 میں، اس طرح Stern-Gerlach لوپ کو مکمل کیا۔

فریڈرک نے کہا کہ "وہ ہمپٹی ڈمپٹی کو دوبارہ ایک ساتھ رکھنے کے قابل تھے۔ "یہ خوبصورت سائنس ہے، اور یہ ایک بہت بڑا چیلنج رہا ہے، لیکن وہ اسے پورا کرنے میں کامیاب رہے ہیں۔"

بڑھتے ہوئے ہیرے

Stern اور Gerlach کے تجربے کی "مقداریت" کی تصدیق کرنے میں مدد کے علاوہ، Folman کا کام کوانٹم رجیم کی حدود کی تحقیقات کا ایک نیا طریقہ پیش کرتا ہے۔ آج، سائنسدانوں کو ابھی تک یقین نہیں ہے اشیاء کتنی بڑی ہو سکتی ہیں۔ کوانٹم کمانڈز پر عمل کرتے ہوئے، خاص طور پر جب وہ اتنے بڑے ہوں کہ کشش ثقل مداخلت کر سکے۔ 1960 کی دہائی میں، طبیعیات دان تجویز پیش کی ہے کہ ایک مکمل لوپ Stern-Gerlach تجربہ ایک انتہائی حساس انٹرفیرومیٹر بنائے گا جو اس کوانٹم کلاسیکی حد کو جانچنے میں مدد کر سکتا ہے۔ اور 2017 میں، طبیعیات دانوں نے اس خیال کو بڑھایا اور دو ہمسایہ Stern-Gerlach آلات کے ذریعے چھوٹے ہیروں کو گولی مارنے کا مشورہ دیا تاکہ یہ معلوم کیا جا سکے کہ آیا وہ کشش ثقل سے تعامل کرتے ہیں۔

فولمین کا گروپ اب اس چیلنج کی طرف کام کر رہا ہے۔ 2021 میں، وہ بیان کیا میکروسکوپک اشیاء، جیسے چند ملین ایٹموں پر مشتمل ہیرے کے استعمال کے لیے ان کے واحد ایٹم چپ انٹرفیرومیٹر کو بہتر بنانے کا ایک طریقہ۔ تب سے، انہوں نے ایک میں دکھایا ہے۔ سیریز of کاغذات کس طرح بڑے اور بڑے پیمانے پر تقسیم کرنا پھر سیسیفین ہوگا، لیکن ناممکن نہیں، اور کوانٹم کشش ثقل کے اسرار کو حل کرنے میں مدد کرسکتا ہے۔

"Stern-Gerlach تجربہ اپنے تاریخی کردار کو مکمل کرنے سے بہت دور ہے،" فولمین نے کہا۔ "ابھی بھی بہت کچھ ہے جو یہ ہمیں دے گا۔"

Quanta ہمارے سامعین کی بہتر خدمت کے لیے سروے کا ایک سلسلہ کر رہا ہے۔ ہماری لے لو فزکس ریڈر سروے اور آپ کو مفت جیتنے کے لیے داخل کیا جائے گا۔ Quanta پنی