Зір Герлаха: Експеримент, який змусив спін бути квантованим

1922: промінь, який мав розмазатися

У Франкфурті 1922 року Отто Штерн та Вальтер Герлах направили промінь нейтральних срібних атомів, випаровуваних з печі та колімованих у тонку струмоту, через сильне, навмисне нерівномірне магнітне поле, а потім дозволили їм потрапляти на скляний детектор. Зовнішній електрон срібла знаходиться в 5s орбіталі з нульовим оргнаковою моментом, тому будь-який магнітний момент, який несе атом, виникає повністю від природного кутового моменту цього електрона — хоча концепція «обертання» ще не існувала в 1922 році. Класично, якщо атом має магнітний момент, спрямований у певному напрямку, сила, яку він відчуває в градієнті поля, залежить безперервно від того, як саме цей момент орієнтований, тому промінь атомів із випадково орієнтованими моментами просто розмазувався б на склі у вигляді безперервного смуги від максимального відхилення в один бік до максимального відхилення в інший.

Što насправді бачили Штерн і Гельґарч

Замість цього промінь чітко розділився на дві окремі ділянки, а між ними практично нічого не потрапляло — пряма доказовість того, що компонент магнітного моменту вздовж осі поля приймає лише два можливі значення, а не є безперервним. Це просторова квантування: коли вимірюється кутовий імпульс атома в будь-якому обраному напрямку, він обмежується дискретним набором результатів. У той час результат було інтерпретовано як підтвердження прогнозу моделі Бор-Штеррфельд про квантовані орієнтації орбіталів; лише після того, як Самуель Гудсміт і Георг Уленбек представили концепцію спіну електрона в 1925 році, фізики зрозуміли, що подвійна (доботна) структура насправді виникає через спін, а не через обертання орбіти — знаменитий випадок експерименту, повне пояснення якого надійшло після його проведення.

F_z = μ_z · (∂B_z / ∂z)      (force along the field-gradient axis)

μ_z = ± μ_B                   (only two allowed values, spin-1/2 valence electron)
μ_B = the Bohr magneton

Квантизація магнітного поля - експеримент ‘Stern-Gerlach’

У сучасному розумінні, магнітний момент срібла походить від спіну зовнішнього 5s електрона та квантовомеханічно цей спін вздовж будь-якої обраної осі (назвімо її z, заданою напрямком магнітного поля) може бути виміряний лише як +ħ/2 або −ħ/2 — ніколи нічого між ними. Перш ніж увійти в прилад, спін атома зазвичай знаходиться в суперпозиції ‘вгору’ та ‘вниз’ вздовж цієї осі; нерівномірне поле корелює спіновий градус свободи з траєкторією атома, відхиляючи атоми зі спіном ‘вгору’ в одному напрямку, а атоми зі спіном ‘вниз’ — в іншому, і потрапляння на екран діє як вимірювання, яке сортує кожен атом у один з двох променів. Це стало стандартним підручним прикладом для введення квантового вимірювання та двохуровневих систем.

Послідовний Stern-Gerlach: несумісні спостереження

Класична вправа розширення надсилає атоми через друге магнітне поле, орієнтоване вздовж іншого осі. Візьміть промінь, який вже відфільтрований до «спину вгору по z», і проведіть його через магніт, орієнтований вздовж x замість цього: він знову розділяється на 50/50, ніби раніше виміряне значення z не відбулося. Відфільтруйте цей промінь «вгору по x» ще раз через магніт, орієнтований по z, і він розділитися на 50/50 на вгору та вниз по z знову ж таки — проміжне вимірювання x повністю стерло попередню інформацію z. Це чисте демонстрація несумісних, некомпонуючих спостережень без жодних ускладнень від подвійного прорізу експерименту, тепер є стандартним вступом до спінів 1/2 кубітів у будь-якому квантовому механіці та квантових обчисленнях.

Чому це мало значення за межами спіну

Стерн був удостоєний Нобелівської премії з фізики 1943 року в основному за результат Стерна-Ґерлаха та його більш широку розробку молекулярно-імпульсної методики, яка стала основоположним методом атомної та молекулярної фізики — пізніше безпосередньо живлячись розвитком мазеру, лазера та атомних годинників. Сьогодні справдіє спадщина експерименту – в першу чергу педагогічна, а не історична: це найчистіша фізична система для введення формалізму квантової вимірювання, суперпозиції та двосторонніх систем, що лежить в основі всієї теорії кубітів.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Stern-Gerlach Experiment і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.