Voordat de kat van Erwin Schrödinger tegelijkertijd dood en levend was, en voordat puntachtige elektronen als golven door dunne spleten spoelden, lichtte een wat minder bekend experiment de sluier op over de verbijsterende schoonheid van de kwantumwereld. In 1922 toonden de Duitse natuurkundigen Otto Stern en Walther Gerlach aan dat het gedrag van atomen werd bepaald door regels die de verwachtingen tartten – een observatie die de nog steeds ontluikende theorie van de kwantummechanica bevestigde.

“Het Stern-Gerlach-experiment is een icoon – het is een baanbrekend experiment”, zei hij Bretislav Friedrich, een natuurkundige en historicus aan het Fritz Haber Instituut in Duitsland, die onlangs publiceerde een beoordeling en bewerkt een boek over het onderwerp. “Het was inderdaad een van de belangrijkste natuurkundige experimenten aller tijden.”

De interpretatie van het experiment ook gelanceerd decennia van discussie. De afgelopen jaren zijn in Israël gevestigde natuurkundigen er eindelijk in geslaagd een experiment op te zetten met de vereiste gevoeligheid om precies te verduidelijken hoe we de fundamentele kwantumprocessen die aan het werk zijn, moeten begrijpen. Met die prestatie hebben ze een nieuwe techniek ontwikkeld om de grenzen van de kwantumwereld te verkennen. Het team zal nu proberen de eeuwenoude opstelling van Stern en Gerlach aan te passen om de aard van de zwaartekracht te onderzoeken – en misschien een brug te slaan tussen de twee pijlers van de moderne natuurkunde.

Verdampend zilver

In 1921 was het idee dat de conventionele wetten van de natuurkunde op de kleinste schaal verschilden nog steeds behoorlijk controversieel. De nieuwe heersende theorie van het atoom, voorgesteld door Niels Bohr, vormde de kern van het argument. Zijn theorie ging uit van een kern omgeven door elektronen in vaste banen: deeltjes die alleen op bepaalde afstanden van de kern konden rondwervelen, met bepaalde energieën en onder bepaalde hoeken binnen een magnetisch veld. De beperkingen in het voorstel van Bohr waren zo rigide en schijnbaar willekeurig dat Stern beloofde de natuurkunde te verlaten als het model correct zou blijken.

Stern bedacht een experiment dat de theorie van Bohr zou kunnen ontkrachten. Hij wilde testen of elektronen in een magnetisch veld op welke manier dan ook georiënteerd konden worden, of alleen in discrete richtingen zoals Bohr had voorgesteld.

Stern was van plan een zilvermonster te verdampen en te concentreren tot een bundel atomen. Vervolgens schoot hij die straal door een niet-uniform magnetisch veld en verzamelde de atomen op een glasplaat. Omdat individuele zilveratomen op kleine magneten lijken, zou het magnetische veld ze onder verschillende hoeken afbuigen, afhankelijk van hun oriëntatie. Als hun buitenste elektronen willens en wetens georiënteerd zouden kunnen worden, zoals de klassieke theorie voorspelde, zou van de afgebogen atomen verwacht worden dat ze één enkele brede vlek langs de detectorplaat zouden vormen.

Maar als Bohr gelijk had, en kleine systemen zoals atomen aan vreemde kwantumregels zouden gehoorzamen, zouden de zilveratomen slechts twee paden door het veld kunnen volgen, en zou de plaat twee afzonderlijke lijnen vertonen.

Het idee van Stern was in theorie eenvoudig genoeg. Maar in de praktijk kwam het bouwen van het experiment – ​​dat hij aan Gerlach overliet – neer op wat Gerlachs afgestudeerde student Wilhelm Schütz later omschreef als ‘Sisyphus-achtige arbeid’. Om het zilver te laten verdampen, moesten de wetenschappers het tot meer dan 1,000 graden Celsius verwarmen zonder dat de afdichtingen van de glazen vacuümkamer, waarvan de pompen ook regelmatig kapot gingen, zouden smelten. De fondsen voor het experiment raakten op toen de naoorlogse inflatie in Duitsland enorm steeg. Albert Einstein en de bankier Henry Goldman hebben het team uiteindelijk gered met hun donaties.

Toen het experiment eenmaal liep, was het nog steeds een uitdaging om een ​​leesbaar resultaat te produceren. De verzamelplaat was slechts een fractie van de grootte van een spijkerkop, dus voor het lezen van de patronen in de zilverafzetting was een microscoop nodig. Misschien apocrief genoeg hielpen de wetenschappers zichzelf onbedoeld met twijfelachtige laboratoriumetiquette: de zilverafzetting zou onzichtbaar zijn geweest als de rook niet naar binnen druppelde van hun sigaren, die – vanwege hun lage salarissen – goedkoop waren en rijk aan zwavel. hielp het zilver zich te ontwikkelen tot zichtbaar gitzwart zilversulfide. (In 2003, Friedrich en een collega heb deze aflevering nagespeeld en bevestigde dat het zilveren signaal alleen verscheen in de aanwezigheid van goedkope sigarenrook.)

De draai van zilver

Na vele maanden van probleemoplossing bracht Gerlach de hele nacht van 7 februari 1922 door met het schieten van zilver op de detector. De volgende ochtend ontwikkelden hij en zijn collega's de plaat en goud geslagen: een zilverafzetting die netjes in tweeën is gespleten, als een kus uit het kwantumrijk. Gerlach documenteerde het resultaat in een microfoto en stuurde deze als ansichtkaart naar Bohr, samen met de boodschap: “Wij feliciteren u met de bevestiging van uw theorie.”

De bevinding schokte de natuurkundegemeenschap. Albert Einstein Dit betekent dat we onszelf en onze geliefden praktisch vergiftigen. het “de meest interessante prestatie op dit moment” en nomineerde het team voor een Nobelprijs. Isidor Rabi zei dat het experiment “mij er voor eens en voor altijd van overtuigde dat … kwantumfenomenen een geheel nieuwe oriëntatie vereisten.” Stern’s dromen om de kwantumtheorie ter discussie te stellen hadden duidelijk een averechts effect gehad, hoewel hij zich niet aan zijn belofte hield om de natuurkunde te verlaten; in plaats daarvan, hij gewonnen een Nobelprijs in 1943 voor een daaropvolgende ontdekking. ‘Ik heb nog steeds bezwaren tegen de... schoonheid van de kwantummechanica,’ zei Stern, ‘maar ze heeft gelijk.’

Tegenwoordig erkennen natuurkundigen dat Stern en Gerlach gelijk hadden toen ze hun experiment interpreteerden als een bevestiging van de nog in opkomst zijnde kwantumtheorie. Maar ze hadden gelijk om de verkeerde reden. De wetenschappers gingen ervan uit dat het gespleten traject van een zilveratoom wordt bepaald door de baan van zijn buitenste elektron, dat onder bepaalde hoeken is gefixeerd. In werkelijkheid is de splitsing te wijten aan de kwantisering van het interne impulsmoment van het elektron – een grootheid die bekend staat als spin en die pas over een paar jaar ontdekt zou worden. Toevallig kwam deze interpretatie uit omdat de onderzoekers werden gered door wat Friedrich een ‘vreemd toeval, deze samenzwering van de natuur’ noemt: twee nog onbekende eigenschappen van het elektron – zijn spin en zijn afwijkende magnetische moment – ​​werden toevallig tenietgedaan.

Eieren kraken

De tekstboekuitleg van het Stern-Gerlach-experiment houdt in dat terwijl het zilveratoom reist, het elektron niet omhoog of omlaag draait. Het bevindt zich in een kwantummengsel of ‘superpositie’ van die toestanden. Het atoom volgt beide paden tegelijkertijd. Pas als je tegen de detector botst, wordt de toestand ervan gemeten en wordt het pad vastgelegd.

Maar vanaf de jaren dertig kozen veel vooraanstaande theoretici voor een interpretatie die minder kwantummagie vereiste. Het argument was dat het magnetische veld elk elektron effectief meet en zijn spin definieert. Het idee dat elk atoom beide paden tegelijk bewandelt, is absurd en onnodig, zo betoogden deze critici.

In theorie zouden deze twee hypothesen getest kunnen worden. Als elk atoom werkelijk met twee persona’s het magnetische veld zou doorkruisen, dan zou het – theoretisch – mogelijk moeten zijn om die spookachtige identiteiten opnieuw te combineren. Als je dit wel doet, ontstaat er een bepaald interferentiepatroon op een detector wanneer deze zich opnieuw uitlijnt – een indicatie dat het atoom inderdaad beide routes heeft gevolgd.

De grote uitdaging is dat, om de superpositie te behouden en dat laatste interferentiesignaal te genereren, de persona’s zo soepel en snel moeten worden gesplitst dat de twee gescheiden entiteiten een totaal niet van elkaar te onderscheiden geschiedenis hebben, geen kennis van de ander en geen manier om te vertellen welk pad ze zijn ingeslagen. . In de jaren tachtig stelden meerdere theoretici vast dat het splitsen en opnieuw combineren van de identiteiten van het elektron met een dergelijke perfectie net zo onhaalbaar zou zijn als het reconstrueren van Humpty Dumpty na zijn grote val van de muur.

Anno 2019 komt er echter een team van natuurkundigen onder leiding van Ron Folman aan de Ben-Gurion Universiteit van de Negev heb die eierschalen vastgelijmd weer samen. De onderzoekers begonnen met het reproduceren van het Stern-Gerlach-experiment, hoewel niet met zilver, maar met een onderkoeld kwantumconglomeraat van 10,000 rubidiumatomen, die ze opsloten en manipuleerden op een chip ter grootte van een vingernagel. Ze plaatsten de spins van de rubidium-elektronen in een superpositie van op en neer en pasten vervolgens verschillende magnetische pulsen toe om elk atoom nauwkeurig te scheiden en opnieuw te combineren, en dat allemaal in een paar miljoensten van een seconde. En ze zagen als eerste het exacte interferentiepatroon voorspeld in 1927, waarmee de Stern-Gerlach-lus werd voltooid.

‘Ze hebben Humpty Dumpty weer in elkaar kunnen zetten,’ zei Friedrich. "Het is prachtige wetenschap en het was een enorme uitdaging, maar ze zijn erin geslaagd deze aan te gaan."

Diamanten laten groeien

Naast het helpen verifiëren van de ‘kwantumheid’ van het experiment van Stern en Gerlach, biedt het werk van Folman een nieuwe manier om de grenzen van het kwantumregime te onderzoeken. Tegenwoordig zijn wetenschappers er nog steeds niet zeker van hoe groot objecten kunnen zijn terwijl ze zich nog steeds aan de kwantumgeboden houden, vooral als ze groot genoeg zijn om de zwaartekracht te laten ingrijpen. In de jaren zestig, natuurkundigen gesuggereerd dat een Stern-Gerlach-experiment met de volledige lus een supergevoelige interferometer zou creëren die zou kunnen helpen die kwantum-klassieke grens te testen. En in 2017 breidden natuurkundigen dat idee uit en stelden voor om kleine diamanten door twee naburige Stern-Gerlach-apparaten te schieten om te zien of ze door de zwaartekracht op elkaar inwerkten.

De groep van Folman werkt nu aan die uitdaging. In 2021 zij geschetst een manier om hun interferometer met één atoomchip uit te breiden voor gebruik met macroscopische objecten, zoals diamanten die uit een paar miljoen atomen bestaan. Sindsdien zijn ze te zien geweest in a serie of papieren hoe het splitsen van steeds grotere massa's opnieuw Sisyphean zal zijn, maar niet onmogelijk, en zou kunnen helpen een hele reeks kwantumzwaartekrachtmysteries op te lossen.

"Het Stern-Gerlach-experiment is nog lang niet in staat zijn historische rol te voltooien", zei Folman. “Er is nog veel dat het ons gaat opleveren.”

Quanta voert een reeks onderzoeken uit om ons publiek beter van dienst te zijn. Neem onze lezersenquête natuurkunde en je doet mee om gratis te winnen Quanta handelswaar.