Η πειραματική επιβεβαίωση του κβαντικού σπιν

Πριν από 100 χρόνια, τις πρώτες πρωινές ώρες της 8ης Φεβρουαρίου 1922, οι Stern και Gerlach διοχέτευσαν μια δέσμη ατόμων αργύρου σε ένα μαγνητικό πεδίο και παρατήρησαν τον διαχωρισμό της. Χωρίς να συνειδητοποιούν αρχικά τι έβλεπαν, οι Otto Stern και Walther Gerlach ανακάλυψαν το σπιν των ηλεκτρονίων.

Όπως θα εξηγούσε ο φυσικός Wolfgang Pauli το 1927, το σπιν είναι εντελώς διαφορετικό φυσικό μέγεθος σε σχέση με άλλα μεγέθη. Μπορεί να απεικονίζεται συχνά ως βέλος, αλλά είναι ένα βέλος που δεν ‘ζει’ στις τρεις διαστάσεις του χώρου. Αντίθετα, βρίσκεται σε μια τετραδιάστατη μαθηματική οντότητα που ονομάζεται χώρος Hilbert.

Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα Stern-Gerlach το 1922, με κάποιες τροποποιήσεις που έγιναν λίγα χρόνια μετά. Τα άτομα αργύρου εξέρχονται από τον κλίβανο (Ο) και όσα από αυτά διέρχονται διέρχονται από την οπή (S1) και την ορθογώνια σχισμή (S2), σχηματίζουν μια ευθύγραμμη δέσμη. Στη συνέχεια, η δέσμη των ατόμων εισέρχεται σε ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο μεταξύ δυο πόλων (Ρ), την κατεύθυνση του οποίου δείχνει το βέλος, και τελικά φτάνουν στον ανιχνευτή (Α). [Credit: “Otto Stern’s Molecular Beam Method and Its Impact on Quantum Physics,” by Bretislav Friedrich and Horst Schmidt-Böcking, in Molecular Beams in Physics and Chemistry. Edited by Bretislav Friedrich and Horst Schmidt-Böcking. Springer, 2021 (CC BY 4.0)]

Το άτομο του αργύρου στην εξωτερική του στιβάδα (5s) διαθέτει ένα ηλεκτρόνιο και η μαγνητική ροπή των ατόμων του αργύρου οφείλεται αποκλειστικά στο σπιν αυτού του ηλεκτρονίου. Οι Stern και Gerlach παρατήρησαν ότι τα άτομα αργύρου στην δέσμη τους συμπεριφέρονταν σαν μικροσκοπικοί ραβδόμορφοι μαγνήτες αλληλεπιδρώντας με το μαγνητικό πεδίο. Όταν το μαγνητικό πεδίο ήταν απενεργοποιημένο, η δέσμη κινούνταν ευθύγραμμα σχηματίζοντας απλώς στην ίδια ευθεία μια αχνή κουκκίδα στην οθόνη. ‘Οταν ενεργοποιούσαν το μαγνητικό πεδίο η δέσμη διαχωρίζονταν σχηματίζοντας δυο κηλίδες πάνω και κάτω, συμμετρικά ως προς την προηγούμενη.

Στο βίντεο που ακολουθεί περιγράφεται σχηματικά το πείραμα Stern-Gerlach και μας δείχνει τι έπρεπε να συμβεί στην περίπτωση που το σπιν των ηλεκτρονίων τα έκανε να συμπεριφέρονται σαν κλασικοί ραβδόμορφοι μαγνήτες και πως συμπεριφέρονται στην πραγματικότητα αποδεικνύοντας ότι είναι κβαντικό μέγεθος:

Επιπλέον, το πείραμα μας δείχνει κι άλλη μια ιδιομορφία του σπιν των ηλεκτρονίων. Ότι η μαγνητική ροπή του σπιν είναι δυο φορές μεγαλύτερη σε σχέση με εκείνη της τροχιακής στροφορμής. Κι αυτό προκύπτει από το γεγονός ότι η απόσταση των κηλίδων στο πείραμα είναι διπλάσια από την αναμενόμενη.

Ο Stern αντιπαθούσε την κβαντική θεωρία και μαζί με τον φίλο του Max von Laue, είχαν δεσμευτεί ότι «αν αυτή η ανοησία του Bohr αποδειχτεί τελικά σωστή, θα εγκαταλείψουν τη φυσική». Τελικά ο Stern δεν εγκατέλειψε την φυσική, αλλά βραβεύθηκε με το Νόμπελ φυσικής το 1943, ενώ μαινόταν ο Β’ Παγκόσμιος Πόλεμος όχι για το πείραμα που έκανε με τον Gerlach αποκαλύπτοντας το σπιν των ηλεκτρονίων, αλλά για την ανακάλυψη της μαγνητικής ροπής του πρωτονίου.

Ο Stern είχε εγκαταλείψει από το 1933 την Γερμανία λόγω της εβραϊκής καταγωγής του. Ο Gerlach δεν κέρδισε ποτέ βραβείο Νόμπελ, ίσως λόγω της συμμετοχής του στην προσπάθεια του ναζιστικού καθεστώτος να κατασκευάσει πυρηνική βόμβα.

Διαβάστε περισσότερα στο άρθρο του Scientific American: 100 Years Ago, a Quantum Experiment Explained Why We Don’t Fall through Our Chairs



Κατηγορίες:ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ

Ετικέτες: , , , , ,

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για την εξάλειψη των ανεπιθύμητων σχολίων. Μάθετε πως επεξεργάζονται τα δεδομένα των σχολίων σας.

Αρέσει σε %d bloggers: