Hogyan vezettek az olcsó szivarok a kvantumfizika igazolásához?

Előfordult már veled, hogy egy trükkös matematikai kérdést rossz okokból sikerült jól megoldanod? Pontosan ez történt több mint egy évszázaddal ezelőtt a kvantumfizika történetének egyik legmeghatározóbb kísérletében. Két német tudós, Otto Stern és Walther Gerlach olyan kísérletet hajtott végre, amely igazolta a kvantummechanikát, noha az eredményeik jelentőségét teljesen félreértették. Ez a Stern-Gerlach-kísérlet izgalmas története, a tudományos leleményesség, a takarékos improvizáció és a szerencsés felfedezés keveréke.

Történetünk az 1910-es évek végén kezdődik Otto Sternnel, Albert Einstein egykori posztdoktori kutatójával. Stern mélységesen szkeptikus volt a kialakulóban lévő kvantumelmélettel szemben, amely elméletnek egykori mentora segített úttörő szerepet vállalni. A kvantumelmélet akkoriban egy laza ötletgyűjtemény volt, amely egy sor kísérleti furcsaságot magyarázott, de ellentmondott a hagyományos intuíciónak — számolt be róla a SciShow.

A kvantumelmélet egyik alapgondolata, hogy bizonyos fizikai tulajdonságok csak diszkrét értékeket, úgynevezett kvantumokat vehetnek fel. A fény például fotonoknak nevezett részecskékből áll, és energiájuk kvantált. Ez a kvantálás az elmélet alapja, de sokaknak, köztük Sternnek is, nehéz volt elfogadni.

Stern szkepticizmusa különösen a szögimpulzus kvantumos fogalmára irányult. A szögimpulzus a tárgyak forgásának mértékegysége, mint például a Nap körül keringő Földé. Niels Bohr 1913-ban olyan atommodellt javasolt, amelyben az elektronok kvantált szögimpulzussal keringenek az atommag körül, hasonlóan a bolygókhoz a Naprendszerben. Stern nekilátott, hogy ezt egy olyan kísérlettel tesztelje, amely bizonyítani vagy cáfolni tudja Bohr kvantummodelljét.

A színpadra állítás

Bohr modelljének tesztelésére Stern ezüstatomokkal tervezett kísérletet. Azért választották az ezüstöt, mert az jól látszik a fotólemezeken, és a legkülső elektronja magányos képviselőként viselkedik a külső mágneses térben. Stern együttműködött Walther Gerlach kísérleti fizikussal, hogy ezt az ötletet megvalósítsa.

Kísérletük során ezüstatomokból álló sugarat lőttek át mágneses mezőn és egy fényképészeti lemezre. A klasszikus elmélet szerint az atomok véletlenszerűen terelődtek volna el, és egy összefüggő csíkot képeztek volna a detektoron. Bohr modellje azonban azt jósolta, hogy az atomok két különálló foltban térülnek el, amelyek különálló szögnyomatékot mutatnak.

A véletlen felfedezés

Az első világháború utáni Németország gazdasági nehézségei ellenére Sternnek és Gerlachnak sikerült finanszírozást szereznie, sőt Einstein és Henry Goldman a Goldman-Sachs cégtől is kapott hozzájárulást. Aprólékos beállítás és kalibrálás után Gerlach végül 1922. február 7-én megfigyelte a megjósolt két különálló foltot, ami megerősítette Bohr modelljét – legalábbis így gondolták.

Az eredmények látszólag igazolni látszottak a kvantummechanikát, de néhány éven belül a fizikusok rájöttek, hogy az ezüst legkülső elektronjának nincs keringési szögimpulzusa. Stern és Gerlach ehelyett véletlenül felfedezte az elektron spinjét, a Bohr által meg nem jósolt belső szögimpulzus egy fajtáját.

A spin bonyolultsága

Az 1920-as évek végén olyan fizikusok, mint Wolfgang Pauli és Paul Dirac, bevezették a spin fogalmát. A spin az elektronok saját tulajdonsága, amely hasonló, de különbözik a keringési nyomatéktól. Dirac egyenletei megjósolták, hogy az elektronok spinje a Stern-Gerlach-kísérletben egy h-barnak (Planck-állandó osztva 2π-vel) megfelelő mértékben eltéríti őket.

Stern és Gerlach kísérletének egyetlen foltot kellett volna mutatnia, ha csak a keringési szögimpulzus játszott volna szerepet. Ehelyett a két folt megfigyelése a spin jelenlétére utalt. Eredményeik, bár kezdetben félreértelmezték őket, a kvantummechanika döntő megerősítését jelentették.

Egy különös anekdota

A történethez még egy csavart ad, hogy a legenda szerint Gerlach olcsó szivarfüstje döntő szerepet játszott a kísérletben. A füst reakcióba lépett a fotólemezen lévő ezüstatomokkal, és látható lerakódásokat képezett. A 100. évfordulós újrajátszás során a tudósok megerősítették, hogy az ezüstlerakódások csak azután váltak láthatóvá, hogy a füstben lévő kénnel reagáltak, és fekete ezüstszulfiddá alakultak.

Az örökség

A kezdeti félreértések ellenére Stern és Gerlach kísérlete a kvantumfizika egyik alapkövének számít. Nemcsak a kvantált szögimpulzus jelenlétét igazolta, hanem a részecskék alapvető tulajdonságát, a spin fogalmát is felfedte.

A történelem azonban nem bánt egyformán a két tudóssal. Stern zsidó származása miatt a náci rezsim idején elmenekült Németországból, és később Nobel-díjat kapott hozzájárulásáért. Gerlach ezzel szemben Németországban maradt, és hozzájárult a nácik atomkutatási erőfeszítéseihez, ami élesen emlékeztet arra, hogy a tudományos eredmények mögött milyen összetett emberi történetek állnak.

Ezeket a cikkeket is érdemes elolvasni:

Rovarpókok, avagy az állatvilág rettenetes rémálombéli lényei
Egy francia turista azt állítja, hogy több mint 600 nőt ejtett teherbe Afrikában