100 lat temu fizycy rozszczepili osobowość atomu

Wiedziałem, że jestem we właściwym miejscu, kiedy tylko przy wejściu do stacji metra Bockenheimer Warte, w północnej części śródmieścia Frankfurtu, spotkałem Horsta Schmidta-Böckinga. Po moim „Cześć, dzięki, że się ze mną spotykasz”, usłyszałem „Kocham Otto Sterna“.

Moja podróż owego przedpandemicznego listopadowego ranka roku 2018 odbyła się dokładnie wiek po jednym z decydujących momentów rodzącej się dziedziny zwanej mechaniką kwantową. Stern i jego współpracownik Walther Gerlach, nie zdając sobie do końca sprawy z tego, co właściwie widzą, odkryli spin kwantowy: wieczny, wewnętrzny ruch obrotowy cząstek elementarnych, który podczas pomiarów ujawnia tylko dwa swoje możliwe warianty – „góra” lub „dół”, albo „lewy” lub „prawy” – nie dopuszczając żadnych wariantów pomiędzy.

Zanim nadeszły szalone lata dwudzieste, fizycy zdołali odkryć, że spin jest kluczem do zrozumienia niekończącego się szeregu codziennych zjawisk – od struktury tablicy okresowej pierwiastków do stabilności materii. Czyli wyjaśnienia, dlaczego nie możemy przenikać przez ściany.

Ale moja osobista obsesja związana z doświadczeniem Sterna-Gerlacha i powód mojej wizyty we Frankfurcie, wynikała z przekonania, że idea spinu jest portalem do ukrytych warstw rzeczywistości. Spin nie przypomina w niczym innych konceptów fizycznych, takich jak prędkość czy pole elektryczne – powiedział fizyk Wolfgang Pauli w 1927 r. Spin elektronu przedstawiany jest często jako strzałka, ale jest to strzałka, która nie istnieje w naszej trójwymiarowej przestrzeni. Istnieje w czterowymiarowym matematycznym bycie zwanym przestrzenią Hilberta.

Porzućcie klasyczne oczekiwania

Schmidt-Böcking, na wpół emerytowany doświadczalnik z Goethe-Universität Frankfuri i zapewne jeden z najwybitniejszych znawców życia i dorobku Sterna, jest dla mnie wymarzonym przewodnikiem. Mijamy jedną przecznicę, idziemy obok Muzeum Historii Naturalnej Senckenberga, i dochodzimy do siedziby Physikalischer Verein, lokalnego towarzystwa fizycznego, starszego nawet od samego uniwersytetu. To tu właśnie, po północy dnia ósmego lutego 1922 r., Stern i Gerlach przepuszczali wiązkę atomów srebra przez pole magnetyczne i zauważyli, że rozdziela się ona na dwoje.

Kiedy docieramy już do pokoju na piętrze, miejsca eksperymentu, Schmidt-Böcking wyjaśnia, że cały potrzebny do tego układ mieścił się na małym biureczku. Kluczowe ustrojstwo zamknięte było w aparaturze zapewniającej próżnię, złożonego z dmuchanych na zamówienie szklanych elementów uszczelnionych specjalnym smarem. Trudno mi sobie to teraz wyobrazić, bo pomieszczenie, dziś pozbawione okien, wypełnione jest okazami z pobliskiego muzeum – szafkami z maleńkimi mszywiołami, bezkręgowcami tworzącymi rafy koralowe.

Stern i Gerlach spodziewali się, że atomy srebra w wiązce będą się zachowywać jak małe magnesy – i że będą reagować na zewnętrzne pole magnetyczne. Pozioma wiązka przeciskała się przez wąską szczelinę, wokół której panowie umieścili elektromagnes, przelatywała przez magnes i uderzała w ekran. Kiedy pole magnetyczne było wyłączone, uderzała na wprost i odkładała się ledwie widoczną srebrną warstwą na ekranie. Ale kiedy magnes był włączony, każdy z atomów doświadczał pionowej siły, która zależała od ustawienia jego wewnętrznej osi północ-południe. Siła pchająca go do góry była największa, gdy i jego „północ” skierowana była do góry. A najsilniej ściągało go na dół, kiedy jego „biegun północny” skierowany był ku dołowi. Ale wydawało się, że siła mogłaby przyjmować także wartości pośrednie, także tę równą zeru, kiedy oś północ-południe atomu była pozioma.

Gdyby było to prawda, atomy tworzące wiązkę powinny być odchylane o rozmaite kąty, rysując w efekcie pionową kreskę na ekranie. Tego należałoby się spodziewać po eksperymencie Sterna i Gerlacha po przyjęciu klasycznych, a nie kwantowych, założeń. Ale eksperyment pokazał coś innego.

Ścieżki wszystkich atomów zostały odchylone w jednakowym stopniu, albo w górę, albo w dół. Jedna wiązka rozszczepiła się na dwie oddzielne. „Panowie musieli być zszokowali” – mówi Michael Peskin ze Stanford University. Jak wielu innych fizyków, tak i on powtarzał eksperyment Sterna-Gerlacha jeszcze będąc studentem, używając współczesnej aparatury. „To rzecz zupełnie nadzwyczajna – wspomina. – Włączasz elektromagnes i widzisz jak pojawiają się te dwie plamki”.

Potwierdźcie dziwaczne przypuszczenia

Nieco później tego samego jesiennego dnia 2018 r., mam okazję zobaczyć na własne oczy sprzęt, którego używali Stern i Gerlach. Schmidt-Böcking wiezie mnie na północ Frankfurtu, do jednego z kampusów uniwersytetu, gdzie w wyłożonych gąbką pudłach trzyma naukowe artefakty. Największe wrażenie robi pompa próżniowa – wynaleziona zaledwie parę lat przed doświadczeniem.

Wszystko to wygląda nad wyraz delikatnie i takie właśnie jest. Świadkowie wspominają, że niektóre szklane elementy pękały praktycznie codziennie. Żeby powtórzyć eksperyment, trzeba było ponownie wypompować powietrze z aparatury, co zajmowało parę dni. A odchylenie wiązek było maleńkie, rzędu dwóch dziesiątych milimetra, i trzeba je było mierzyć pod mikroskopem – inaczej niż w przypadku dzisiejszej aparatury.

Stern był wstrząśnięty wynikami. Obmyślił swój eksperyment w roku 1919, chcąc zweryfikować pewną hipotezę dotyczącą struktury atomu. Sformułowana ona została parę lat wcześniej przez m.in. fizyka Nielsa Bohra. Kazała widzieć elektrony jak małe planetki krążące wokół jądra atomowego. Dozwolone były tylko niektóre orbity, a przeskakując z jednej na drugą elektrony emitować miały pakiety – kwanty – światła. Sternowi nie podobał się pomysł kwantów i wespół ze swoim przyjacielem Maksem von Laue ogłosił, że „jeśli ten nonsens okaże się prawdą, to odejdą z fizyki“.

Żeby sprawdzić teorię Bohra, Stern zabrał się za badanie jednej z najbardziej dziwacznych jej konsekwencji. Nie dowierzał jej nawet sam Bohr. Chodziło o to, że w polu magnetycznym orbity atomowe miały się układać tylko pod określonymi kątami. Stern uznał, że poszuka efektu magnetycznego wywoływanego przez orbity elektronów. Rozumował, że jeśli najbardziej zewnętrzny z elektronów atomu srebra, zdaniem Bohra krążący wokół jądra, jest poruszającym się ładunkiem elektrycznym, to powinien wytwarzać pole magnetyczne.

Stern i Gerlach odkryli, że wiązka się rozszczepia, co uznali za potwierdzenie dziwacznych przewidywań Bohra: Atomy srebra zbaczały z pierwotnej ścieżki, bo same były magnesami – i nie robiły tego klasycznie, czyli pod rozmaitymi kątami, w sposób ciągły, jak każe model klasyczny fizyki, a tylko pod dwoma.

Pozostańcie w kwantowej superpozycji

Dopiero po roku 1925, kiedy mechanika kwantowa zaczęła się na dobre formować, fizycy zdali sobie sprawę, że magnetyzm atomów srebra wywoływany jest nie przez zewnętrzną orbitę atomową, ale przez spin znajdującego się na niej elektronu. To on działa jak maleńki magnes. Kiedy tylko Albert Einstein dowiedział się o wynikach eksperymentu Sterna i Gerlacha, napisał do Fundacji Nobla, nominując obu fizyków do Nagrody. Ale list ten, odkryty przez Schmidta-Böckinga dopiero w roku 2011, został najwyraźniej zignorowany, bo zawierał także nominacje innych badaczy, co było niezgodne z zasadami Fundacji. Stern nie opuścił jednak sceny. Miał się stać jednym z najczęściej nominowanych fizyków w dziejach i otrzymał swoją wielką nagrodę w roku 1943, kiedy szalała II wojna światowa.

Wyróżnienie dla Sterna nie dotyczyło jego współpracy z Gerlachem, a innego wspaniałego doświadczenia, w którym Niemiec ze współpracownikiem zmierzył magnetyzm protonu (a konkretnie magnetyczny moment dipolowy protonu – przyp. pulsara). Dokonał tego w roku 1933, na chwilę przed tym jak reżim nazistowski wygnał go – fizyka żydowskiego pochodzenia – z Niemiec. Wynik jego eksperymentu był pierwszym sygnałem, że proton nie jest cząstką elementarną: dziś wiemy, że składa się z trzech klocków zwanych kwarkami. Gerlach nigdy nie otrzymał Nagrody Nobla, być może dlatego, że pomagał nazistom w próbie budowy bomby atomowej.

Koncept spinu kwantowego jako wielkości czterowymiarowej stał się fundamentem wszystkich komputerów kwantowych. (…) Nawet dziś jednak fizycy spierają się o interpretację eksperymentu Sterna-Gerlacha. Zgodnie ze współczesnymi podręcznikami fizyki kwantowej, zewnętrzny elektron atomu srebra nie wie, w którą stronę wiruje. Pozostaje raczej w stanie „kwantowej superpozycji”, miksturze obu stanów – tak jakby spin był skierowany w górę i w dół jednocześnie. Nie umie się zdecydować, w którą stronę się obraca. Kiedy opuszcza szczelinę i pędzi w stronę ekranu, rozdwaja się na dwie koegzystujące osobowości, tak jakby był w dwóch miejscach jednocześnie: Jedna porusza się do góry, druga w dół. Elektron wybiera swój stan dopiero uderzając w ekran. Inni fizycy mają podejście bardziej „realistyczne”: elektron dobrze wie, dokąd zmierza, a akt pomiaru to tylko potwierdzenie tego, co wydarzyło się podczas przejścia przez magnes.

Zapomnijcie o dawnych analogiach

Pewien wykonany niedawno ważny eksperyment zdaje się potwierdzać pierwszą interpretację. Sugeruje, że kiedy dwa stany spinowe są rozdzielane, rzeczywiście pojawiają się dwie współistniejące osobowości atomu. Ron Folman, fizyk z izraelskiego Ben-Gurion University, odtworzył z kolegami doświadczenie Sterna-Gerlacha używając nie pojedynczych atomów srebra, a chmury atomów rubidu. Schłodził ją do temperatury bliskiej zeru absolutnemu, co sprawiło, że zachowywała się jak obdarzony spinem pojedynczy obiekt kwantowy.

Badacze zawiesili chmurę w próżni używając pułapki, która potrafi chwytać atomy i przemieszczać je za pomocą pola elektrycznego i magnetycznego. Początkowo chmura znajdowała się w stanie superpozycji spinu w górę i spinu w dół. Następnie badacze uwolnili chmurę, pozwalając jej opadać w polu grawitacyjnym. Wtedy przyłożyli pole magnetyczne, by rozdzielić atomy na dwie trajektorie, odpowiadające spinom, jak w eksperymencie Sterna-Gerlacha. Ale inaczej niż w oryginalnym doświadczeniu, zespół Folmana odwrócił ten proces – i zmusił dwie chmury do połączenia się w jedną. Pomiary wykazały, że chmura powróciła do stanu pierwotnego. Eksperyment sugeruje więc, że separacja jest odwracalna, i że superpozycja kwantowa trwała po włączeniu pola magnetycznego.

Doświadczenie to trafia dokładnie w sedno tego, co w mechanice kwantowej nazywamy problemem pomiaru. Czy spiny w eksperymencie Sterna-Gerlacha zostały „zmierzone” w chwili rozdzielenia atomów na dwie wiązki? Czy może raczej pomiar odbył się dopiero gdy atomy uderzyły w ekran – czy dopiero kiedy spojrzeli na nie fizycy? Wyniki Folmana podsuwają myśl, że gdziekolwiek wydarzył się pomiar, do rozdzielenia atomów nie doszło na pierwszym etapie eksperymentu.

Wyniki te nie zakończą filozoficznych debat na ten znaczenia pomiaru w mechanice kwantowej, mówi David Kaiser, fizyk i historyk nauki z Massachusetts Institute of Technology. Ale efekt eksperymentu Sterna-Gerlach pozostaje potężny. Sprawił – mówi Kaiser – że fizycy uświadomili sobie, iż „istnieje jakiś wewnętrzna cecha cząstki kwantowej, dla której nie sposób znaleźć odpowiedniej analogii z użyciem pojęć takich jak planety czy gwiazdy”.

Artykuł zatytułowany oryginalnie „100 Years Ago, a Quantum Experiment Explained Why We Don’t Fall through Our Chairs” ukazał się 8 lutego 2022 r. na łamach sciam.com. Śródtytuły pochodzą od redakcji pulsara.