Thí nghiệm (Thường) bị bỏ qua đã tiết lộ Thế giới lượng tử | Tạp chí Quanta

Trước khi con mèo của Erwin Schrödinger đồng thời chết và sống, và trước khi các electron dạng điểm cuốn đi như sóng qua các khe mỏng, một thí nghiệm ít được biết đến hơn đã vén bức màn về vẻ đẹp đáng kinh ngạc của thế giới lượng tử. Năm 1922, các nhà vật lý người Đức Otto Stern và Walther Gerlach đã chứng minh rằng hành vi của các nguyên tử bị chi phối bởi những quy luật thách thức sự mong đợi – một quan sát đã củng cố lý thuyết vẫn đang chớm nở của cơ học lượng tử.

“Thí nghiệm Stern-Gerlach là một biểu tượng - đó là một thử nghiệm mang tính thời đại,” nói Bretislav Friedrich, một nhà vật lý và sử học tại Viện Fritz Haber ở Đức, người gần đây đã xuất bản đánh giá và chỉnh sửa một quyển sách Về chủ đề này. “Đó thực sự là một trong những thí nghiệm vật lý quan trọng nhất mọi thời đại.”

Việc giải thích thí nghiệm cũng phát động hàng chục năm tranh luận. Trong những năm gần đây, các nhà vật lý ở Israel cuối cùng đã có thể tạo ra một thí nghiệm với độ nhạy cần thiết để làm rõ chính xác cách chúng ta hiểu các quá trình lượng tử cơ bản đang diễn ra. Với thành tựu đó, họ đã tạo ra một kỹ thuật mới để khám phá ranh giới của thế giới lượng tử. Đội nghiên cứu giờ đây sẽ cố gắng sửa đổi cơ cấu có tuổi đời hàng thế kỷ của Stern và Gerlach để thăm dò bản chất của lực hấp dẫn – và có lẽ xây dựng một cầu nối giữa hai trụ cột của vật lý hiện đại.

Bạc bay hơi

Vào năm 1921, quan điểm cho rằng các định luật vật lý thông thường khác nhau ở quy mô nhỏ nhất vẫn còn gây tranh cãi. Lý thuyết thống trị mới về nguyên tử, do Niels Bohr đề xuất, là mấu chốt của cuộc tranh luận. Lý thuyết của ông mô tả một hạt nhân được bao quanh bởi các electron theo quỹ đạo cố định - các hạt chỉ có thể quay tròn ở những khoảng cách nhất định so với hạt nhân, với năng lượng nhất định và ở những góc nhất định trong từ trường. Những ràng buộc trong đề xuất của Bohr cứng nhắc và dường như tùy tiện đến mức Stern cam kết sẽ từ bỏ ngành vật lý nếu mô hình này tỏ ra đúng.

Stern nghĩ ra một thí nghiệm có thể bác bỏ lý thuyết của Bohr. Ông muốn kiểm tra xem liệu các electron trong từ trường có thể định hướng theo bất kỳ hướng nào hay chỉ theo các hướng rời rạc như Bohr đã đề xuất.

Stern lên kế hoạch làm bay hơi một mẫu bạc và tập trung nó thành một chùm nguyên tử. Sau đó, anh ta bắn chùm tia đó qua một từ trường không đồng nhất và thu thập các nguyên tử trên một tấm kính. Vì các nguyên tử bạc riêng lẻ giống như những nam châm nhỏ nên từ trường sẽ làm lệch chúng theo các góc khác nhau tùy theo hướng của chúng. Nếu các electron ngoài cùng của chúng có thể được định hướng dù muốn hay không, như lý thuyết cổ điển dự đoán, thì các nguyên tử bị lệch sẽ tạo thành một vệt rộng duy nhất dọc theo tấm máy dò.

Nhưng nếu Bohr đúng, và những hệ thống nhỏ bé như nguyên tử tuân theo những quy luật lượng tử kỳ lạ, thì các nguyên tử bạc chỉ có thể đi theo hai đường đi qua từ trường, và tấm kính sẽ hiển thị hai đường thẳng rời rạc.

Ý tưởng của Stern về mặt lý thuyết khá đơn giản. Nhưng trên thực tế, việc xây dựng thí nghiệm - mà ông để lại cho Gerlach - tương đương với điều mà sinh viên tốt nghiệp của Gerlach, Wilhelm Schütz sau này mô tả là “lao động giống như Sisyphus”. Để làm bay hơi bạc, các nhà khoa học cần nung nóng nó đến hơn 1,000 độ C mà không làm tan chảy bất kỳ lớp đệm nào trên buồng chân không bằng thủy tinh, nơi máy bơm cũng thường xuyên bị vỡ. Kinh phí của cuộc thử nghiệm cạn kiệt khi lạm phát thời hậu chiến ở Đức tăng vọt. Albert Einstein và chủ ngân hàng Henry Goldman cuối cùng đã cứu trợ nhóm bằng số tiền quyên góp của họ.

Khi thử nghiệm đang chạy, việc tạo ra bất kỳ kết quả rõ ràng nào vẫn là một thách thức. Tấm thu chỉ có kích thước bằng một phần nhỏ của đầu đinh, vì vậy việc đọc các mẫu trong mỏ bạc cần có kính hiển vi. Có lẽ là ngụy tạo, các nhà khoa học đã vô tình tự giúp mình giải quyết nghi vấn về nghi thức trong phòng thí nghiệm: cặn bạc sẽ không thể nhìn thấy được nếu không có khói nhỏ giọt từ xì gà của họ, thứ - vì lương thấp - không đắt và giàu lưu huỳnh nên đã giúp bạc phát triển thành bạc sunfua đen tuyền có thể nhìn thấy được. (Năm 2003, Friedrich và một đồng nghiệp diễn lại tập này và xác nhận rằng tín hiệu bạc chỉ xuất hiện khi có khói xì gà rẻ tiền.)

Vòng quay bạc

Sau nhiều tháng khắc phục sự cố, Gerlach đã dành cả đêm ngày 7 tháng 1922 năm XNUMX để bắn bạc vào máy dò. Sáng hôm sau, ông và các đồng nghiệp đã phát triển tấm và đánh vàng: một mỏ bạc được tách làm đôi gọn gàng, giống như một nụ hôn từ cõi lượng tử. Gerlach ghi lại kết quả bằng một bức ảnh vi mô và gửi nó dưới dạng bưu thiếp đến Bohr, cùng với tin nhắn: “Chúng tôi chúc mừng bạn đã xác nhận được lý thuyết của mình”.

Phát hiện này đã gây chấn động cộng đồng vật lý. Albert Einstein gọi là đó là “thành tựu thú vị nhất vào thời điểm này” và đã đề cử nhóm cho giải Nobel. Isidor Rabi cho biết thí nghiệm “đã thuyết phục tôi một lần và mãi mãi rằng… hiện tượng lượng tử đòi hỏi một hướng đi hoàn toàn mới.” Những giấc mơ về thuyết lượng tử của Stern rõ ràng đã phản tác dụng, mặc dù ông không giữ lời hứa từ bỏ vật lý; thay vào đó, anh ấy won giải Nobel năm 1943 cho khám phá tiếp theo. “Tôi vẫn phản đối vẻ đẹp của… vẻ đẹp của cơ học lượng tử,” Stern nói, “nhưng cô ấy đã đúng.”

Ngày nay, các nhà vật lý nhận ra rằng Stern và Gerlach đã đúng khi giải thích thí nghiệm của họ như một sự chứng thực cho lý thuyết lượng tử vẫn còn non trẻ. Nhưng họ đã đúng vì lý do sai lầm. Các nhà khoa học giả định rằng quỹ đạo phân chia của nguyên tử bạc được xác định bởi quỹ đạo của electron ngoài cùng của nó, được cố định ở một số góc nhất định. Trên thực tế, sự phân tách là do sự lượng tử hóa xung lượng góc bên trong của electron – một đại lượng gọi là spin, mà phải vài năm nữa người ta mới phát hiện ra. Thật tình cờ, cách giải thích này thành công vì các nhà nghiên cứu đã được cứu nhờ cái mà Friedrich gọi là “sự trùng hợp kỳ lạ, âm mưu này của tự nhiên”: Hai tính chất chưa được biết đến của electron – spin và mô men từ dị thường của nó – đã tình cờ bị triệt tiêu.

Đập trứng

Lời giải thích trong sách giáo khoa về thí nghiệm Stern-Gerlach cho rằng khi nguyên tử bạc chuyển động, electron không quay lên hoặc quay xuống. Nó ở trong một hỗn hợp lượng tử hay “sự chồng chất” của những trạng thái đó. Nguyên tử đi theo cả hai đường đi cùng một lúc. Chỉ khi đập vào máy dò thì trạng thái của nó mới được đo và đường đi của nó được cố định.

Nhưng bắt đầu từ những năm 1930, nhiều nhà lý thuyết lỗi lạc đã chọn cách giải thích ít đòi hỏi phép thuật lượng tử hơn. Lập luận cho rằng từ trường đo lường hiệu quả từng electron và xác định spin của nó. Những nhà phê bình này lập luận rằng ý tưởng cho rằng mỗi nguyên tử đi theo cả hai con đường cùng một lúc là vô lý và không cần thiết.

Về lý thuyết, hai giả thuyết này có thể được kiểm tra. Nếu mỗi nguyên tử thực sự đi qua từ trường với hai nhân cách, thì về mặt lý thuyết, có thể kết hợp lại những danh tính ma quái đó. Làm như vậy sẽ tạo ra một kiểu giao thoa cụ thể trên máy dò khi chúng sắp xếp lại – một dấu hiệu cho thấy nguyên tử thực sự đã điều hướng cả hai lộ trình.

Thử thách lớn nhất là, để duy trì trạng thái chồng chất và tạo ra tín hiệu nhiễu cuối cùng đó, các cá tính phải được phân chia một cách suôn sẻ và nhanh chóng đến mức hai thực thể tách biệt có lịch sử hoàn toàn không thể phân biệt được, không có kiến ​​thức về đối phương và không có cách nào để biết họ đã đi theo con đường nào. . Vào những năm 1980, nhiều nhà lý thuyết đã xác định rằng việc phân tách và tái hợp các đặc tính của electron với độ hoàn hảo như vậy sẽ không khả thi như xây dựng lại Humpty Dumpty sau cú ngã vĩ đại từ bức tường.

Tuy nhiên, vào năm 2019, một nhóm các nhà vật lý do Ron Folman tại Đại học Ben-Gurion của Negev dán những vỏ trứng đó trở lại với nhau. Các nhà nghiên cứu bắt đầu bằng cách tái tạo thí nghiệm Stern-Gerlach, mặc dù không phải bằng bạc mà bằng một khối lượng tử siêu lạnh gồm 10,000 nguyên tử rubidium mà họ đã bẫy và thao tác trên một con chip có kích thước bằng móng tay. Họ đặt spin của các electron rubidi ở trạng thái chồng chất lên xuống, sau đó áp dụng nhiều xung từ khác nhau để phân tách và kết hợp lại chính xác từng nguyên tử, tất cả chỉ trong vài phần triệu giây. Và họ nhìn thấy mô hình giao thoa chính xác đầu tiên dự đoán vào năm 1927, nhờ đó hoàn thành vòng lặp Stern-Gerlach.

Friedrich nói: “Họ đã có thể lắp ráp lại Humpty Dumpty. “Đó là một môn khoa học tuyệt vời và đó là một thách thức lớn nhưng họ đã có thể đáp ứng được nó.”

Trồng kim cương

Ngoài việc giúp xác minh “tính lượng tử” trong thí nghiệm của Stern và Gerlach, công trình của Folman còn đưa ra một phương pháp mới để thăm dò các giới hạn của chế độ lượng tử. Ngày nay, các nhà khoa học vẫn không chắc chắn chỉ vật thể có thể lớn đến mức nào trong khi vẫn tuân thủ các điều răn lượng tử, đặc biệt là khi chúng đủ lớn để lực hấp dẫn can thiệp. Vào những năm 1960, các nhà vật lý đề nghị rằng một thí nghiệm Stern-Gerlach toàn vòng sẽ tạo ra một giao thoa kế siêu nhạy có thể giúp kiểm tra ranh giới lượng tử-cổ điển đó. Và vào năm 2017, các nhà vật lý đã mở rộng ý tưởng đó và đề xuất bắn những viên kim cương nhỏ qua hai thiết bị Stern-Gerlach lân cận để xem liệu chúng có tương tác hấp dẫn hay không.

Nhóm của Folman hiện đang nỗ lực hướng tới thách thức đó. Vào năm 2021, họ nêu một cách để tăng cường giao thoa kế chip nguyên tử đơn của họ để sử dụng với các vật thể vĩ mô, chẳng hạn như kim cương bao gồm vài triệu nguyên tử. Kể từ đó, họ đã thể hiện một cách loạt of giấy tờ việc phân tách những khối lượng ngày càng lớn hơn sẽ lại là chuyện Sisyphean như thế nào, nhưng không phải là không thể, và có thể giúp giải quyết hàng loạt bí ẩn về lực hấp dẫn lượng tử.

Folman nói: “Thí nghiệm Stern-Gerlach còn lâu mới hoàn thành được vai trò lịch sử của nó. “Vẫn còn nhiều điều nó sẽ mang lại cho chúng ta.”

Quanta đang tiến hành một loạt cuộc khảo sát để phục vụ khán giả của chúng tôi tốt hơn. Lấy của chúng tôi khảo sát độc giả vật lý và bạn sẽ được tham gia để giành chiến thắng miễn phí Quanta hàng hóa.