100 лет назад квантовый эксперимент объяснил, почему мы не падаем со стульев

Как только я встречаю Хорста Шмидт-Бёкинга у станции метро "Бокенхаймер Варте" к северу от центра Франкфурта, Германия, я понимаю, что пришел в нужное место. После моего "Привет, спасибо, что встретились со мной", его первые слова: "Я люблю Отто Штерна".

Моя поездка в это предпандемическое утро ноября 2018 года - это посещение места, где ровно за столетие до 8 февраля 2022 года произошло одно из самых поворотных событий для зарождающейся квантовой физики. Не вполне понимая, что они видят, Штерн и его коллега-физик Вальтер Герлах открыли квантовый спин: вечное вращательное движение, которое присуще элементарным частицам и которое, когда измеряется, происходит только в двух возможных вариантах - "вверх" или "вниз", скажем, или "влево" или "вправо" - без каких-либо других вариантов между ними.

Еще до того, как закончились "ревущие двадцатые", физики открыли, что спин является ключом к пониманию бесконечного ряда повседневных явлений, от структуры периодической таблицы до факта стабильности материи - другими словами, того факта, что мы не падаем через стул.

Но причина моей личной одержимости экспериментом Штерна-Герлаха - и причина, по которой я нахожусь здесь, во Франкфурте - заключается в том, что этот эксперимент предоставил не что иное, как портал для доступа к скрытому слою реальности. Как объяснил физик Вольфганг Паули в 1927 году, спин совершенно не похож на другие физические понятия, такие как скорость или электрическое поле. Как и эти величины, спин электрона часто изображается в виде стрелки, но это стрелка, которая не существует в трех измерениях нашего пространства. Вместо этого она находится в четырехмерном математическом образовании, называемом гильбертовым пространством.

Шмидт-Бёкинг - полупенсионер-экспериментатор из Франкфуртского университета имени Гёте и, возможно, самый лучший в мире эксперт по жизни и работе Штерна - является лучшим гидом, на которого я мог надеяться. Мы идем через квартал от вокзала, мимо музея естественной истории Зенкенберга во Франкфурте, к Physikalischer Verein, местному обществу физиков, которое существовало еще до основания Университета Гете во Франкфурте в 1914 году. В этом здании в предрассветные часы 8 февраля 1922 года Штерн и Герлах пропустили пучок атомов серебра через магнитное поле и увидели, что пучок аккуратно разделился на две части.

Когда мы поднимаемся наверх, в комнату, где проводился эксперимент, Шмидт-Бёкинг объясняет, что вся экспериментальная установка поместилась бы на небольшом столе. Вакуумная система, изготовленная на заказ из выдувных стеклянных деталей и герметизированная смазкой Рамсея, закрывала прибор. Однако мне трудно представить это в своем воображении, потому что комната, теперь уже без окон, занята некоторыми коллекциями соседнего музея - в частности, шкафами с крошечными образцами мшанок, беспозвоночных, образующих колонии, похожие на кораллы.

Штерн и Герлах ожидали, что атомы серебра в их пучке будут действовать как крошечные стержневые магниты и, следовательно, реагировать на магнитное поле. Когда луч выстрелил в горизонтальном направлении, он протиснулся через узкую щель, где один полюс электромагнита был закреплен сверху, а другой снизу. Он выходил из магнита и попадал на экран. Когда магнитное поле было выключено, луч просто шел прямо и откладывал слабую точку серебра на экране, прямо на линии выхода луча из магнита. Но когда магнит был включен, каждый пролетающий атом испытывал вертикальную силу, которая зависела от угла наклона его оси север-юг. Если север направлен прямо вверх, то сила будет направлена вверх, а если вниз, то вниз. Но сила также может принимать любое промежуточное значение, включая нулевое, если ось север-юг атома расположена горизонтально.

В этих условиях магнитный атом, прилетевший под случайным углом, должен отклонить свою траекторию на соответствующую случайную величину, изменяющуюся по континууму. В результате серебро, попадающее на экран, должно было рисовать вертикальную линию. По крайней мере, таково было "классическое" ожидание Штерна и Герлаха. Но все произошло иначе.

В отличие от классических магнитов, все атомы отклонялись на одну и ту же величину, либо вверх, либо вниз, таким образом, разделяя луч на два отдельных пучка, а не распределяя его по вертикальной линии. "Когда они провели эксперимент, они, должно быть, были потрясены", - говорит Майкл Пескин, физик-теоретик из Стэнфордского университета. Как и многие физики, Пескин практиковался в проведении эксперимента Штерна-Герлаха с современным оборудованием на лабораторных занятиях для студентов. "Это действительно самая удивительная вещь", - вспоминает он. "Вы включаете магнит и видите, как появляются эти два пятна".

Позже, в тот же день в 2018 году, мне удалось увидеть некоторые из оригинальных атрибутов своими собственными глазами. Шмидт-Бёкинг везет меня на север Франкфурта в один из кампусов университета, где он хранит артефакты в хорошо упакованных коробках в своем офисе. Самым впечатляющим экспонатом является высоковакуумный насос - тип, изобретенный всего за несколько лет до эксперимента, - который удалял блуждающие молекулы воздуха с помощью сверхзвуковой струи нагретой ртути.

Все это выглядит чрезвычайно хрупким, и так оно и есть: По словам очевидцев, когда приборы использовались, практически каждый день ломалась та или иная стеклянная деталь. Для возобновления эксперимента требовалось провести ремонт и снова откачать воздух, что занимало несколько дней. В отличие от современных экспериментов, смещение лучей было крошечным - около 0,2 миллиметра - и его приходилось замечать с помощью микроскопа.

В то время Штерн был потрясен результатом. Он задумал эксперимент в 1919 году как вызов ведущей в то время гипотезе о структуре атома. Сформулированная физиком Нильсом Бором и другими учеными в 1913 году, она представляла электроны как маленькие планеты, вращающиеся вокруг атомного ядра. Допускались только определенные орбиты, и прыжки между ними, казалось, давали точное объяснение квантам света, наблюдаемым в спектроскопическом излучении, по крайней мере, для простого случая водорода. Штерну не нравились кванты, и вместе со своим другом Максом фон Лауэ он пообещал, что "если эта чушь Бора в конце концов окажется верной, мы уйдем из физики".

Чтобы проверить теорию Бора, Штерн решил исследовать одно из самых странных ее предсказаний, в которое сам Бор не совсем верил: в магнитном поле атомные орбиты могут располагаться только под определенными углами. Чтобы продолжить этот эксперимент, Штерн понял, что он может искать магнитный эффект орбиты электрона. Он рассудил, что крайний электрон атома серебра, который, согласно Бору, вращается вокруг ядра по кругу, представляет собой электрический заряд в движении, и поэтому он должен создавать магнетизм.

В эксперименте Штерна и Герлаха физики обнаружили расщепление луча, которое они расценили как подтверждение странного предсказания Бора: Атомы отклонялись - что означало, что они сами были магнитными - и делали это не в континууме, как в классической модели, а в двух отдельных пучках.

Только после создания современной квантовой механики, начиная с 1925 года, физики поняли, что магнетизм атома серебра обусловлен не орбитой его крайнего электрона, а его собственным спином, который заставляет его действовать как маленький магнит. Вскоре после того, как он узнал о результатах Штерна и Герлаха, Альберт Эйнштейн написал в Нобелевский фонд, чтобы выдвинуть их на Нобелевскую премию. Но письмо, которое Шмидт-Бёкинг обнаружил в 2011 году, было, очевидно, проигнорировано, потому что в нем номинировались и другие исследователи, что противоречит правилам фонда. Штерн не ушел из этой области. В конечном итоге он стал одним из самых номинированных на Нобелевскую премию физиков в истории, и он действительно получил свою премию в 1943 году, когда шла Вторая мировая война.

Однако премия Штерна не была присуждена за его работу с Герлахом. Вместо этого она была присуждена за другой эксперимент, в котором Штерн и его соавтор измерили магнетизм протона в 1933 году - незадолго до того, как нацистский режим изгнал Штерна из Германии из-за его еврейского происхождения. Этот результат стал самым ранним указанием на то, что протон не является элементарной частицей: теперь мы знаем, что он состоит из трех строительных блоков, называемых кварками. Герлах так и не получил Нобелевскую премию, возможно, из-за своего участия в попытке нацистского режима создать атомную бомбу.

Сегодня концепция квантового спина как четырехмерной сущности лежит в основе всех квантовых компьютеров. Квантовая версия компьютерного бита, называемая кубитом, имеет ту же математическую форму, что и спин электрона - независимо от того, закодирован ли он на самом деле в каком-либо вращающемся объекте. Часто это не так.

Несмотря на это, физики по сей день продолжают спорить о том, как интерпретировать этот эксперимент. Согласно ставшей хрестоматийной квантовой теории, изначально внешний электрон атома серебра не знает, в какую сторону он вращается. Вместо этого он находится в "квантовой суперпозиции" обоих состояний - как если бы его вращение было одновременно и вверх, и вниз. Электрон не решает, в какую сторону он вращается - и, следовательно, в каком из двух лучей движется его атом - даже после того, как он проскочил через магнит. Когда он покидает магнит и устремляется к экрану, атом разделяется на две разные, сосуществующие личности, как если бы он находился в двух местах одновременно: одна движется по восходящей траектории, а другая направляется вниз. Электрон выбирает только одно состояние, когда его атом попадает на экран: положение атома можно измерить только тогда, когда он попадает на экран сверху или снизу - в одном из двух мест, но не в обоих. Другие придерживаются так называемого "реалистического" подхода: электрон все время знал, куда он направляется, а акт измерения - это просто сортировка двух состояний, которая происходит у магнита.

Недавний известный эксперимент, похоже, придает дополнительную убедительность первой интерпретации. Он предполагает, что две личности действительно сосуществуют, когда два спиновых состояния разделены. Физик Рон Фольман из Университета Бен-Гуриона в Негеве (Израиль) и его коллеги воссоздали эксперимент Штерна-Герлаха, используя не отдельные атомы, а облако атомов рубидия. Оно было охлаждено до температуры, близкой к абсолютному нулю, что позволило ему вести себя как единый квантовый объект с собственным спином.

Исследователи подвесили облако в вакууме с помощью устройства, которое может удерживать атомы и перемещать их с помощью электрических и магнитных полей. Первоначально облако находилось в суперпозиции спина вверх и спина вниз. Затем команда отпустила его и позволила ему упасть под действием силы тяжести. Во время падения они сначала применили магнитное поле, чтобы разделить атомы на две отдельные траектории в соответствии с их спином, как в эксперименте Штерна-Герлаха. Но в отличие от оригинального эксперимента, команда Фольмана затем обратила процесс вспять и заставила два облака рекомбинировать в одно. Измерения показали, что облако вернулось в исходное состояние. Эксперимент предполагает, что разделение было обратимым и что квантовая суперпозиция сохранилась после воздействия магнитного поля, которое разделило две ориентации спинов.

Эксперимент затрагивает вопрос о том, что представляет собой измерение в квантовой механике. Были ли спины в эксперименте Штерна-Герлаха "измерены" начальной сортировкой, произведенной магнитом? Или измерение происходило, когда атомы попадали на экран - или, возможно, когда физики смотрели на него? Работа Фольмана предполагает, что где бы ни происходило измерение, разделение не было на первом этапе.

Полученные результаты вряд ли утихомирят философскую диатрибу вокруг значения квантового измерения, говорит Дэвид Кайзер, физик и историк науки из Массачусетского технологического института. Но влияние эксперимента Штерна-Герлаха остается огромным. Он привел физиков к пониманию того, "что существует некая внутренняя характеристика квантовой частицы, которая не поддается аналогии с такими вещами, как планеты и звезды", - говорит Кайзер.