Πείραμα Stern-Gerlach:Αποκαλύπτοντας τον Κβαντικό Κόσμο

Πριν από έναν αιώνα, το πείραμα Stern-Gerlach καθιέρωσε την αλήθεια της κβαντικής μηχανικής. Τώρα χρησιμοποιείται για να διερευνήσει τη σύγκρουση της κβαντικής θεωρίας και της βαρύτητας.

Ο Otto Stern (αριστερά) και ο Walther Gerlach ξεκίνησαν να αμφισβητήσουν την κβαντική μηχανική. Αντίθετα, το πείραμά τους αποδείχθηκε θεμελιώδες για το νεογέννητο πεδίο.

Kristina Armitage/Quanta Magazine; πηγή:Deutsches Museum; Αρχείο Niels Bohr

Εισαγωγή

Προτού η γάτα του Έρβιν Σρέντινγκερ ήταν ταυτόχρονα νεκρή και ζωντανή, και πριν τα σημειακά ηλεκτρόνια ξεπλυθούν σαν κύματα μέσα από λεπτές σχισμές, ένα κάπως λιγότερο γνωστό πείραμα σήκωσε το πέπλο στην εκπληκτική ομορφιά του κβαντικού κόσμου. Το 1922, οι γερμανοί φυσικοί Otto Stern και Walther Gerlach απέδειξαν ότι η συμπεριφορά των ατόμων διέπεται από κανόνες που αψηφούσαν τις προσδοκίες - μια παρατήρηση που εδραίωσε την ακόμα εκκολαπτόμενη θεωρία της κβαντικής μηχανικής.

«Το πείραμα Stern-Gerlach είναι ένα εικονίδιο — είναι ένα πείραμα εποχής», είπε ο Bretislav Friedrich, φυσικός και ιστορικός στο Ινστιτούτο Fritz Haber στη Γερμανία, ο οποίος πρόσφατα δημοσίευσε μια κριτική και επιμελήθηκε ένα βιβλίο για το θέμα. "Ήταν πράγματι ένα από τα πιο σημαντικά πειράματα στη φυσική όλων των εποχών."

Η ερμηνεία του πειράματος προκάλεσε επίσης επιχειρήματα δεκαετιών. Τα τελευταία χρόνια, οι φυσικοί με έδρα το Ισραήλ μπόρεσαν επιτέλους να δημιουργήσουν ένα πείραμα με την απαιτούμενη ευαισθησία για να διευκρινίσουν πώς ακριβώς πρέπει να κατανοήσουμε τις θεμελιώδεις κβαντικές διεργασίες που λειτουργούν. Με αυτό το επίτευγμα, δημιούργησαν μια νέα τεχνική για την εξερεύνηση των ορίων του κβαντικού κόσμου. Η ομάδα θα προσπαθήσει τώρα να τροποποιήσει την παλιά διάταξη των Stern και Gerlach για να διερευνήσει τη φύση της βαρύτητας — και ίσως να οικοδομήσει μια γέφυρα μεταξύ των δύο πυλώνων της σύγχρονης φυσικής.

Ασημί ατμίσματος

Το 1921, η ιδέα ότι οι συμβατικοί νόμοι της φυσικής διέφεραν στη μικρότερη κλίμακα ήταν ακόμα αρκετά αμφιλεγόμενη. Η νέα κυρίαρχη θεωρία του ατόμου, που προτάθηκε από τον Niels Bohr, έζησε στο επίκεντρο του επιχειρήματος. Η θεωρία του περιείχε έναν πυρήνα που περιβάλλεται από ηλεκτρόνια σε σταθερές τροχιές — σωματίδια που μπορούσαν να στροβιλίζονται μόνο σε ορισμένες αποστάσεις από τον πυρήνα, με ορισμένες ενέργειες και σε ορισμένες γωνίες μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο. Οι περιορισμοί στην πρόταση του Bohr ήταν τόσο άκαμπτοι και φαινομενικά αυθαίρετοι που ο Stern υποσχέθηκε να εγκαταλείψει τη φυσική εάν το μοντέλο αποδειχτεί σωστό.

Ο Stern συνέλαβε ένα πείραμα που θα μπορούσε να ακυρώσει τη θεωρία του Bohr. Ήθελε να ελέγξει εάν τα ηλεκτρόνια σε ένα μαγνητικό πεδίο μπορούσαν να προσανατολιστούν με όποιον τρόπο ή μόνο σε διακριτές κατευθύνσεις όπως είχε προτείνει ο Bohr.

Ο Στερν σχεδίαζε να εξατμίσει ένα δείγμα αργύρου και να το συμπυκνώσει σε μια δέσμη ατόμων. Στη συνέχεια θα εκτοξευόταν αυτή η δέσμη μέσα από ένα ανομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο και θα συλλέξει τα άτομα σε μια γυάλινη πλάκα. Επειδή τα μεμονωμένα άτομα αργύρου είναι σαν μικροί μαγνήτες, το μαγνητικό πεδίο θα τα εκτρέψει σε διαφορετικές γωνίες ανάλογα με τους προσανατολισμούς τους. Εάν τα εξωτερικά ηλεκτρόνια τους μπορούσαν να προσανατολιστούν θεληματικά, όπως προέβλεπε η κλασική θεωρία, τα εκτρεπόμενα άτομα θα αναμενόταν να σχηματίσουν μια ενιαία ευρεία κηλίδα κατά μήκος της πλάκας του ανιχνευτή.

Αλλά αν ο Bohr ήταν σωστός και τα μικροσκοπικά συστήματα όπως τα άτομα υπάκουαν σε περίεργους κβαντικούς κανόνες, τα άτομα του αργύρου θα μπορούσαν να ακολουθήσουν μόνο δύο διαδρομές μέσα στο πεδίο και η πλάκα θα έδειχνε δύο διακριτές γραμμές.

Η ιδέα του Stern ήταν αρκετά απλή θεωρητικά. Αλλά στην πράξη, η κατασκευή του πειράματος - το οποίο άφησε στον Gerlach - ισοδυναμούσε με αυτό που ο μεταπτυχιακός φοιτητής του Gerlach Wilhelm Schütz περιέγραψε αργότερα ως «εργασία σαν τον Σίσυφο». Για να εξατμιστεί το ασήμι, οι επιστήμονες χρειάστηκε να το θερμάνουν σε περισσότερους από 1.000 βαθμούς Κελσίου χωρίς να λιώσουν καμία από τις σφραγίδες του γυάλινου θαλάμου κενού, του οποίου οι αντλίες επίσης έσπασαν τακτικά. Τα κεφάλαια του πειράματος εξαντλήθηκαν καθώς ο μεταπολεμικός πληθωρισμός της Γερμανίας εκτινάχθηκε στα ύψη. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν και ο τραπεζίτης Χένρι Γκόλντμαν τελικά διέσωσαν την ομάδα με τις δωρεές τους.

Merrill Sherman/Quanta Magazine

Μόλις εκτελούσε το πείραμα, η παραγωγή οποιουδήποτε ευανάγνωστου αποτελέσματος ήταν ακόμα μια πρόκληση. Η πλάκα συλλέκτη ήταν μόνο ένα κλάσμα του μεγέθους μιας κεφαλής νυχιού, επομένως η ανάγνωση των σχεδίων στην κατάθεση αργύρου απαιτούσε μικροσκόπιο. Ίσως απόκρυφα, οι επιστήμονες κατά λάθος βοήθησαν τους εαυτούς τους με αμφίβολη εργαστηριακή εθιμοτυπία:Η κατάθεση αργύρου θα ήταν αόρατη αν δεν υπήρχε ο καπνός που έμπαινε από τα πούρα τους, τα οποία — λόγω των χαμηλών μισθών τους — ήταν φθηνά και πλούσια σε θείο που βοήθησε να αναπτυχθεί ο πίδακας ασημιού στον ασήμι. (Το 2003, ο Φρίντριχ και ένας συνάδελφός του αναπαράγουν αυτό το επεισόδιο και επιβεβαίωσαν ότι το ασημένιο σήμα εμφανίστηκε μόνο παρουσία φθηνού καπνού πούρου.)

The Spin of Silver

Μετά από πολλούς μήνες αντιμετώπισης προβλημάτων, ο Gerlach πέρασε όλη τη νύχτα της 7ης Φεβρουαρίου 1922, πυροβολώντας ασήμι στον ανιχνευτή. Το επόμενο πρωί, αυτός και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν την πλάκα και χτύπησαν χρυσό:μια κατάθεση αργύρου χωρίστηκε στα δύο, σαν ένα φιλί από το κβαντικό βασίλειο. Ο Gerlach κατέγραψε το αποτέλεσμα σε μια μικροφωτογραφία και το έστειλε ως ταχυδρομική κάρτα στον Bohr, μαζί με το μήνυμα:"Σας συγχαίρουμε για την επιβεβαίωση της θεωρίας σας."

Το εύρημα συγκλόνισε την κοινότητα της φυσικής. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το χαρακτήρισε «το πιο ενδιαφέρον επίτευγμα σε αυτό το σημείο» και πρότεινε την ομάδα για βραβείο Νόμπελ. Ο Isidor Rabi είπε ότι το πείραμα «με έπεισε μια για πάντα ότι… τα κβαντικά φαινόμενα απαιτούσαν έναν εντελώς νέο προσανατολισμό». Τα όνειρα του Στερν για αμφισβήτηση της κβαντικής θεωρίας είχαν προφανώς αποτύχει, αν και δεν κράτησε την υπόσχεσή του να εγκαταλείψει τη φυσική. Αντίθετα, κέρδισε το βραβείο Νόμπελ το 1943 για μια μεταγενέστερη ανακάλυψη. «Εξακολουθώ να έχω αντιρρήσεις για την… ομορφιά της κβαντικής μηχανικής», είπε ο Στερν, «αλλά έχει δίκιο».

Η πειραματική συσκευή των Stern και Gerlach.

W. Germach 1925. Über die Richtungsquantelung im Magnetfeld II. Αννα. Phys. 76:163.

Σήμερα, οι φυσικοί αναγνωρίζουν ότι ο Stern και ο Gerlach είχαν δίκιο όταν ερμήνευσαν το πείραμά τους ως επιβεβαίωση της κβαντικής θεωρίας που γεννήθηκε ακόμη. Όμως είχαν δίκιο για τον λάθος λόγο. Οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι η τροχιά διαίρεσης ενός ατόμου αργύρου ορίζεται από την τροχιά του εξώτατου ηλεκτρονίου του, το οποίο είναι σταθερό σε ορισμένες γωνίες. Στην πραγματικότητα, η διάσπαση οφείλεται στην κβαντοποίηση της εσωτερικής γωνιακής ορμής του ηλεκτρονίου - μια ποσότητα γνωστή ως σπιν, η οποία δεν θα ανακαλυπτόταν για μερικά ακόμη χρόνια. Ωραία, η ερμηνεία λειτούργησε επειδή οι ερευνητές σώθηκαν από αυτό που ο Φρίντριχ αποκαλεί «περίεργη σύμπτωση, αυτή η συνωμοσία της φύσης»:Δύο ακόμη άγνωστες ιδιότητες του ηλεκτρονίου — το σπιν του και η ανώμαλη μαγνητική του ροπή — έτυχε να ακυρωθούν.

Τραγές αυγών

Η εξήγηση του σχολικού βιβλίου του πειράματος Stern-Gerlach υποστηρίζει ότι καθώς το άτομο αργύρου ταξιδεύει, το ηλεκτρόνιο δεν περιστρέφεται ή περιστρέφεται προς τα κάτω. Βρίσκεται σε ένα κβαντικό μείγμα ή «υπέρθεση» αυτών των καταστάσεων. Το άτομο παίρνει και τα δύο μονοπάτια ταυτόχρονα. Μόνο κατά την πρόσκρουση στον ανιχνευτή μετράται η κατάστασή του, η διαδρομή του καθορίζεται.

Αλλά ξεκινώντας από τη δεκαετία του 1930, πολλοί εξέχοντες θεωρητικοί επέλεξαν μια ερμηνεία που απαιτούσε λιγότερη κβαντική μαγεία. Το επιχείρημα υποστήριξε ότι το μαγνητικό πεδίο μετρά αποτελεσματικά κάθε ηλεκτρόνιο και ορίζει το σπιν του. Η ιδέα ότι κάθε άτομο ακολουθεί και τα δύο μονοπάτια ταυτόχρονα είναι παράλογη και περιττή, υποστήριξαν αυτοί οι επικριτές.

Θεωρητικά, αυτές οι δύο υποθέσεις θα μπορούσαν να ελεγχθούν. Εάν κάθε άτομο διέσχιζε πραγματικά το μαγνητικό πεδίο με δύο πρόσωπα, τότε θα ήταν δυνατό - θεωρητικά - να ανασυνδυαστούν αυτές οι φανταστικές ταυτότητες. Κάτι τέτοιο θα δημιουργούσε ένα συγκεκριμένο μοτίβο παρεμβολής σε έναν ανιχνευτή κατά την εκ νέου ευθυγράμμιση — μια ένδειξη ότι το άτομο πράγματι περιηγήθηκε και στις δύο διαδρομές.

Η μεγάλη πρόκληση είναι ότι, για να διατηρηθεί η υπέρθεση και να δημιουργηθεί αυτό το τελικό σήμα παρεμβολής, τα πρόσωπα πρέπει να χωριστούν τόσο ομαλά και γρήγορα ώστε οι δύο χωριστές οντότητες να έχουν εντελώς αδιάκριτες ιστορίες, να μην γνωρίζουν την άλλη και να μην πουν ποιο δρόμο πήραν. Στη δεκαετία του 1980, πολλοί θεωρητικοί προσδιόρισαν ότι η διάσπαση και ο ανασυνδυασμός των ταυτοτήτων του ηλεκτρονίου με τέτοια τελειότητα θα ήταν τόσο αδύνατη όσο η ανακατασκευή του Humpty Dumpty μετά τη μεγάλη πτώση του από τον τοίχο.

Ο Otto Stern (εμφανίζεται εδώ) και ο Walther Gerlach έδωσαν βοήθεια στον εαυτό τους καπνίζοντας πούρα στο εργαστήριό τους. Ο καπνός του πούρου φέρεται να βοήθησε στην ανάπτυξη της εναπόθεσης αργύρου στον ανιχνευτή τους που αποκάλυψε τη λειτουργία του κβαντικού κόσμου.

AIP Emilio Segrè Visual Archives/Συλλογή Segrè

Το 2019, ωστόσο, μια ομάδα φυσικών με επικεφαλής τον Ron Folman στο Πανεπιστήμιο Ben-Gurion του Negev κόλλησε ξανά αυτά τα τσόφλια αυγών. Οι ερευνητές ξεκίνησαν αναπαράγοντας το πείραμα Stern-Gerlach, αν και όχι με ασήμι, αλλά με ένα υπερψυγμένο κβαντικό συγκρότημα 10.000 ατόμων ρουβιδίου, το οποίο παγίδευσαν και χειρίστηκαν σε ένα τσιπ μεγέθους νυχιού. Έβαλαν τα σπιν των ηλεκτρονίων του ρουβιδίου σε μια υπέρθεση πάνω και κάτω και στη συνέχεια εφάρμοσαν διάφορους μαγνητικούς παλμούς για να διαχωρίσουν και να ανασυνδυάσουν με ακρίβεια κάθε άτομο, όλα σε λίγα εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Και είδαν το ακριβές μοτίβο παρεμβολής που προβλέφθηκε για πρώτη φορά το 1927, ολοκληρώνοντας έτσι τον βρόχο Stern-Gerlach.

«Μπόρεσαν να ξανασυνθέσουν τον Χάμπτι Ντάμπτι», είπε ο Φρίντριχ. "Είναι όμορφη επιστήμη και ήταν μια τεράστια πρόκληση, αλλά κατάφεραν να την αντιμετωπίσουν."

Growing Diamonds

Εκτός από τη βοήθεια στην επαλήθευση της «κβαντικότητας» του πειράματος των Stern και Gerlach, το έργο του Folman προσφέρει έναν νέο τρόπο για να διερευνηθούν τα όρια του κβαντικού καθεστώτος. Σήμερα, οι επιστήμονες εξακολουθούν να μην είναι σίγουροι πόσο μεγάλα μπορεί να είναι τα αντικείμενα ενώ εξακολουθούν να τηρούν τις κβαντικές εντολές, ειδικά όταν είναι αρκετά μεγάλα ώστε να επέμβει η βαρύτητα. Στη δεκαετία του 1960, οι φυσικοί πρότειναν ότι ένα πείραμα πλήρους βρόχου Stern-Gerlach θα δημιουργούσε ένα υπερευαίσθητο συμβολόμετρο που θα μπορούσε να βοηθήσει στη δοκιμή αυτού του κβαντοκλασικού ορίου. Και το 2017, οι φυσικοί επέκτειναν αυτήν την ιδέα και πρότειναν να ρίξουν μικροσκοπικά διαμάντια μέσω δύο γειτονικών συσκευών Stern-Gerlach για να δουν αν αλληλεπιδρούν βαρυτικά.

Η ομάδα του Folman εργάζεται τώρα για αυτήν την πρόκληση. Το 2021, περιέγραψαν έναν τρόπο να ενισχύσουν το συμβολόμετρο ενός ατόμου-τσιπ για χρήση με μακροσκοπικά αντικείμενα, όπως τα διαμάντια που περιλαμβάνουν μερικά εκατομμύρια άτομα. Έκτοτε, έχουν δείξει σε μια σειρά εγγράφων πώς η διάσπαση ολοένα και μεγαλύτερων μαζών θα είναι και πάλι σισύφεια, αλλά όχι αδύνατη, και θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση μιας σειράς μυστηρίων κβαντικής βαρύτητας.

«Το πείραμα Stern-Gerlach απέχει πολύ από την ολοκλήρωση του ιστορικού του ρόλου», είπε ο Folman. "Υπάρχουν ακόμη πολλά που πρόκειται να μας δώσει."

Το ενημερωτικό δελτίο Quanta

Λάβετε highlights από τις πιο σημαντικές ειδήσεις που παραδίδονται στα εισερχόμενά σας στο email σας

Επίσης στο ιστολόγιο Abstractions

Σχόλιο σε αυτό το άρθρο

Επόμενο άρθρο

Ένα πρόβλημα με εύκολο ήχο αποδίδει αριθμούς πολύ μεγάλους για το σύμπαν μας