Столетие назад эксперимент Штерна-Герлаха установил истинность квантовой механики. Теперь он используется для исследования столкновения квантовой теории и гравитации.
Kristina Armitage/Quanta Magazine; source: Deutsches Museum; Niels Bohr Archive
До того, как кот Эрвина Шредингера был одновременно мертв и жив, и до того, как точечные электроны волнами проникали сквозь тонкие щели, несколько менее известный эксперимент приоткрыл завесу над ошеломляющей красотой квантового мира. В 1922 году немецкие физики Отто Штерн и Вальтер Герлах продемонстрировали, что поведение атомов регулируется правилами, которые противоречат ожиданиям, — наблюдение, которое укрепило все еще подающую надежды теорию квантовой механики.
“Эксперимент Штерна-Герлаха — это икона, это эпохальный эксперимент”, — сказал Бретислав Фридрих, физик и историк из Института Фрица Хабера в Германии, который недавно опубликовал обзор и отредактировал книгу на эту тему. “Это действительно был один из самых важных экспериментов в физике всех времен”.
Интерпретация эксперимента также вызвала десятилетия споров. В последние годы физики, базирующиеся в Израиле, наконец-то смогли провести эксперимент с необходимой чувствительностью, чтобы точно прояснить, как мы должны понимать фундаментальные квантовые процессы в действии. Благодаря этому достижению они разработали новую технику для исследования границ квантового мира. Теперь команда попытается модифицировать столетнюю установку Стерна и Герлаха, чтобы исследовать природу гравитации — и, возможно, построить мост между двумя столпами современной физики.
Испарение серебра
В 1921 году представление о том, что обычные законы физики различаются в мельчайших масштабах, все еще было довольно спорным. Новая господствующая теория атома, предложенная Нильсом Бором, была в центре спора. Его теория описывала ядро, окруженное электронами на фиксированных орбитах — частицами, которые могли вращаться только на определенных расстояниях от ядра, с определенными энергиями и под определенными углами в пределах магнитного поля. Ограничения в предложении Бора были настолько жесткими и, казалось бы, произвольными, что Стерн пообещал уйти из физики, если модель окажется верной.
Стерн задумал эксперимент, который мог бы опровергнуть теорию Бора. Он хотел проверить, могут ли электроны в магнитном поле быть ориентированы любым способом или только в дискретных направлениях, как предлагал Бор.
Стерн планировал испарить образец серебра и сконцентрировать его в пучок атомов. Затем он пропустил бы этот пучок через неоднородное магнитное поле и собрал атомы на стеклянной пластинке. Поскольку отдельные атомы серебра подобны маленьким магнитам, магнитное поле отклоняло бы их под разными углами в зависимости от их ориентации. Если бы их крайние электроны могли быть ориентированы волей-неволей, как предсказывала классическая теория, можно было бы ожидать, что отклоненные атомы сформируют единое широкое пятно вдоль пластины детектора.
Но если Бор был прав, и крошечные системы, такие как атомы, подчинялись странным квантовым правилам, атомы серебра могли проходить только два пути через поле, и на пластинке были бы видны две отдельные линии.
Идея Стерна была достаточно проста в теории. Но на практике проведение эксперимента, которое он поручил Герлаху, было равносильно тому, что аспирант Герлаха Вильгельм Шютц позже описал как “Сизифов труд”. Чтобы испарить серебро, ученым потребовалось нагреть его более чем до 1000 градусов по Цельсию, не расплавив ни одного уплотнения на стеклянной вакуумной камере, насосы которой также регулярно выходили из строя. Средства на эксперимент иссякли из-за резкого роста послевоенной инфляции в Германии. Альберт Эйнштейн и банкир Генри Голдман в конце концов выручили команду своими пожертвованиями.
Когда эксперимент был запущен, получить какой-либо разборчивый результат по-прежнему было непросто. Размер коллекторной пластины составлял лишь малую часть шляпки гвоздя, поэтому для чтения узоров в серебряном осадке требовался микроскоп. Возможно, апокрифически, ученые непреднамеренно помогли себе сомнительным лабораторным этикетом: отложение серебра было бы невидимым, если бы не дым, исходящий от их сигар, которые — из—за их низкой зарплаты — были недорогими и богаты серой, которая помогала серебру превращаться в видимый угольно-черный сульфид серебра. (В 2003 году Фридрих и его коллега воспроизвели этот эпизод и подтвердили, что серебристый сигнал появлялся только в присутствии дыма дешевых сигар)
Вращение серебра
После многих месяцев поисков неисправностей Герлах провел всю ночь 7 февраля 1922 года, снимая серебро с детектора. На следующее утро он и коллеги проявили пластину и обнаружили золото: серебряная россыпь аккуратно разделилась надвое, как поцелуй из квантовой области. Герлах зафиксировал результат на микрофотографии и отправил ее в виде открытки Бору вместе с сообщением: “Мы поздравляем вас с подтверждением вашей теории”.
Открытие потрясло сообщество физиков. Альберт Эйнштейн назвал это “самым интересным достижением на данный момент” и номинировал команду на Нобелевскую премию. Исидор Раби сказал, что эксперимент “убедил меня раз и навсегда, что … квантовые явления требуют совершенно новой ориентации”. Мечты Стерна оспорить квантовую теорию, очевидно, имели неприятные последствия, хотя он и не сдержал своего обещания уйти из физики; вместо этого в 1943 году он получил Нобелевскую премию за последующее открытие. “У меня все еще есть возражения против… красоты квантовой механики, — сказал Стерн, — но она права”.
W. Germach 1925. Über die Richtungsquantelung im Magnetfeld II. Ann. Phys. 76: 163.
Сегодня физики признают, что Стерн и Герлах были правы, интерпретируя свой эксперимент как подтверждение все еще зарождающейся квантовой теории. Но они были правы по неправильной причине. Ученые предположили, что траектория расщепления атома серебра определяется орбитой его самого удаленного электрона, которая зафиксирована под определенными углами. На самом деле расщепление происходит из—за квантования внутреннего углового момента электрона — величины, известной как спин, которая будет открыта только через несколько лет. По счастливой случайности интерпретация сработала, потому что исследователей спасло то, что Фридрих называет “странным совпадением, этим заговором природы”: два пока неизвестных свойства электрона — его спин и аномальный магнитный момент — случайно нейтрализовались.
Разбивание яиц
Хрестоматийное объяснение эксперимента Штерна-Герлаха гласит, что при перемещении атома серебра электрон не вращается вверх или вниз. Он находится в квантовой смеси или “суперпозиции” этих состояний. Атом проходит оба пути одновременно. Только после столкновения с детектором измеряется его состояние и фиксируется его траектория.
Но начиная с 1930-х годов многие выдающиеся теоретики выбрали интерпретацию, которая требовала меньше квантовой магии. Аргумент состоял в том, что магнитное поле эффективно измеряет каждый электрон и определяет его спин. Идея о том, что каждый атом движется по обоим путям одновременно, абсурдна и ненужна, утверждали эти критики.
Теоретически эти две гипотезы можно было бы проверить. Если каждый атом действительно пересекал магнитное поле в двух ипостасях, то теоретически должно быть возможно рекомбинировать эти призрачные идентичности. Это создало бы определенную интерференционную картину на детекторе, когда они перестроились бы — признак того, что атом действительно прошел по обоим маршрутам.
Главная проблема заключается в том, что для сохранения суперпозиции и генерации этого окончательного интерференционного сигнала персонажи должны быть разделены так плавно и быстро, чтобы у двух разделенных сущностей были совершенно неотличимые истории, они ничего не знали друг о друге и не могли определить, какой путь они выбрали. В 1980-х годах множество теоретиков пришли к выводу, что расщепление и рекомбинация идентичностей электрона с таким совершенством было бы столь же неосуществимо, как воссоздание Шалтая-Болтая (reconstructing Humpty Dumpty) после его великого падения со стены.
Однако в 2019 году команда физиков во главе с Роном Фолманом из Университета Бен-Гуриона в Негеве склеила эти яичные скорлупки обратно. Исследователи начали с воспроизведения эксперимента Штерна-Герлаха, хотя и не с серебром, а с переохлажденным квантовым конгломератом из 10 000 атомов рубидия, который они захватили в ловушку и манипулировали им на чипе размером с ноготь. Они поместили спины электронов рубидия в суперпозицию вверх и вниз, затем применили различные магнитные импульсы, чтобы точно разделить и рекомбинировать каждый атом, и все это за несколько миллионных долей секунды. И они увидели точную интерференционную картину, впервые предсказанную в 1927 году, завершив, таким образом, петлю Штерна-Герлаха.
“Они смогли снова собрать Шалтая-Болтая”, — сказал Фридрих. “Это прекрасная наука, и это была огромная задача, но они смогли с ней справиться”.
Выращивание алмазов
Помимо помощи в проверке “квантовости” эксперимента Стерна и Герлаха, работа Фолмана предлагает новый способ исследовать пределы квантового режима. Сегодня ученые все еще не уверены, насколько большими могут быть объекты, все еще придерживаясь квантовых заповедей, особенно когда они достаточно велики, чтобы вмешалась гравитация. В 1960-х годах физики предположили, что эксперимент Штерна-Герлаха с полным циклом позволит создать сверхчувствительный интерферометр, который мог бы помочь проверить эту квантово-классическую границу. А в 2017 году физики расширили эту идею и предложили снимать крошечные алмазы с помощью двух соседних устройств Штерна-Герлаха, чтобы увидеть, взаимодействуют ли они гравитационно.
Группа Фолмана сейчас работает над решением этой задачи. В 2021 году они наметили способ усовершенствования своего интерферометра на основе одноатомного чипа для использования с макроскопическими объектами, такими как алмазы, состоящие из нескольких миллионов атомов. С тех пор они показали в серии работ, как расщепление все больших и больших масс снова будет Сизифовым трудом, но не невозможным, и может помочь разгадать множество загадок квантовой гравитации.
“Эксперимент Штерна-Герлаха очень далек от завершения своей исторической роли”, — сказал Фолман. “Он еще многое нам даст”.
Quanta is conducting a series of surveys to better serve our audience. Take our physics reader survey and you will be entered to win free Quanta merchandise.