100년 전, 스턴-게를라흐(Stern-Gerlach) 실험은 양자역학의 진실을 확립했습니다. 이제는 양자 이론과 중력의 충돌을 조사하는 데 사용되고 있습니다.
Otto Stern(왼쪽)과 Walther Gerlach는 양자역학에 도전하기 시작했습니다. 대신 그들의 실험은 새로 탄생한 분야의 기초가 되는 것으로 입증되었습니다.
크리스티나 아미티지/Quanta 매거진; 출처:독일 박물관; 닐스 보어 아카이브
소개
에르빈 슈뢰딩거의 고양이가 죽으면서도 살아 있기 전, 그리고 점 모양의 전자가 얇은 슬릿을 통해 파도처럼 씻겨 나가기 전에, 다소 덜 알려진 실험이 양자 세계의 어리둥절한 아름다움에 대한 베일을 들어올렸습니다. 1922년 독일 물리학자 오토 스턴(Otto Stern)과 발터 겔라흐(Walther Gerlach)는 원자의 행동이 기대를 뛰어넘는 규칙에 의해 지배된다는 사실을 입증했습니다. 이는 아직 발전 중인 양자역학 이론을 확고히 하는 관찰이었습니다.
최근 이 주제에 대한 리뷰를 발표하고 책을 편집한 독일 프리츠 하버 연구소(Fritz Haber Institute)의 물리학자이자 역사학자인 브레티슬라프 프리드리히(Bretislav Friedrich)는 "스턴-게를라흐 실험은 아이콘입니다. 획기적인 실험입니다."라고 말했습니다. “이것은 실제로 역대 물리학에서 가장 중요한 실험 중 하나였습니다.”
실험의 해석은 또한 수십년 간의 논쟁을 불러일으켰습니다. 최근 몇 년 동안 이스라엘에 기반을 둔 물리학자들은 마침내 우리가 기본적인 양자 과정을 어떻게 이해해야 하는지 명확히 하기 위해 필요한 감도를 갖춘 실험을 만들 수 있었습니다. 이러한 성과를 통해 그들은 양자 세계의 경계를 탐색하기 위한 새로운 기술을 개발했습니다. 이제 팀은 중력의 본질을 조사하기 위해 Stern과 Gerlach의 100년 된 설정을 수정하려고 시도할 것이며 아마도 현대 물리학의 두 기둥 사이에 다리를 건설할 것입니다.
은 기화
1921년에는 전통적인 물리학 법칙이 가장 작은 규모에서도 다르다는 개념은 여전히 논쟁의 여지가 있었습니다. 닐스 보어(Niels Bohr)가 제안한 원자의 새로운 지배 이론은 논쟁의 핵심에 있었습니다. 그의 이론은 고정 궤도의 전자로 둘러싸인 핵, 즉 핵으로부터 특정 거리, 특정 에너지, 자기장 내 특정 각도에서만 회전할 수 있는 입자를 특징으로 합니다. 보어의 제안에 포함된 제약 조건은 너무 엄격하고 임의적인 것처럼 보였기 때문에 스턴은 모델이 옳다는 것이 입증되면 물리학을 그만두겠다고 약속했습니다.
스턴은 보어의 이론을 무효화할 수 있는 실험을 구상했습니다. 그는 자기장 속의 전자가 어떤 방향으로든 방향을 잡을 수 있는지, 아니면 보어가 제안한 것처럼 이산적인 방향으로만 방향을 잡을 수 있는지 테스트하고 싶었습니다.
Stern은 은 샘플을 기화시켜 원자빔으로 농축할 계획이었습니다. 그런 다음 그는 불균일한 자기장을 통해 그 빔을 쏘고 유리판에 원자를 수집했습니다. 개별 은 원자는 작은 자석과 같기 때문에 자기장은 방향에 따라 서로 다른 각도로 방향을 바꾸게 됩니다. 고전 이론이 예측한 대로 가장 바깥쪽 전자의 방향이 임의로 지정될 수 있다면 편향된 원자는 검출기 판을 따라 하나의 넓은 얼룩을 형성할 것으로 예상됩니다.
그러나 보어가 옳았고 원자와 같은 작은 시스템이 이상한 양자 규칙을 따른다면 은 원자는 필드를 통해 두 개의 경로만 취할 수 있으며 판에는 두 개의 개별 선이 표시됩니다.
스턴의 아이디어는 이론적으로는 충분히 간단했습니다. 그러나 실제로 그가 Gerlach에게 맡긴 실험을 구축하는 것은 Gerlach의 대학원생 Wilhelm Schütz가 나중에 "Sisyphus와 같은 노동"이라고 묘사한 것과 같았습니다. 은을 기화시키기 위해 과학자들은 유리 진공 챔버의 봉인을 녹이지 않고 섭씨 1,000도 이상으로 가열해야 했으며, 진공 챔버의 펌프도 정기적으로 부서졌습니다. 독일의 전후 인플레이션이 치솟으면서 실험 자금이 고갈되었습니다. 알베르트 아인슈타인과 은행가 헨리 골드만은 결국 기부금으로 팀을 구제했습니다.
Merrill Sherman/Quanta 매거진
실험이 실행된 후에도 판독 가능한 결과를 생성하는 것은 여전히 어려운 일이었습니다. 집전판은 못 머리 크기의 일부에 불과했기 때문에 은 침전물의 패턴을 읽으려면 현미경이 필요했습니다. 아마도 믿을 수 없을 정도로 과학자들은 의심스러운 실험실 에티켓으로 자신을 도왔습니다. 시가에서 흘러나오는 연기가 아니었다면 은 침전물은 보이지 않았을 것입니다. 시가는 낮은 급여 때문에 값싸고 은이 눈에 보이는 칠흑색 황화은으로 발전하는 데 도움이 되는 황이 풍부했습니다. (2003년 프리드리히와 동료는 이 에피소드를 재현해 값싼 시가 연기가 있을 때만 은색 신호가 나타나는 것을 확인했습니다.)
은의 회전
몇 달 간의 문제 해결 끝에 Gerlach는 1922년 2월 7일 밤새도록 탐지기에 은을 쏘았습니다. 다음날 아침, 그와 동료들은 판을 개발하고 금을 쳤습니다. 마치 양자 영역에서 키스하는 것처럼 은 침전물이 두 개로 깔끔하게 갈라졌습니다. Gerlach는 결과를 현미경 사진으로 기록하고 "귀하의 이론이 확인된 것을 축하합니다."라는 메시지와 함께 엽서로 보어에게 배송했습니다.
이 발견은 물리학계를 뒤흔들었습니다. 알베르트 아인슈타인은 이를 “현시점에서 가장 흥미로운 성과”라고 평가하며 팀을 노벨상 후보로 지명했습니다. Isidor Rabi는 이 실험을 통해 "양자 현상에는 완전히 새로운 방향이 필요하다는 점을 단번에 확신하게 되었습니다"라고 말했습니다. 양자 이론에 도전하려는 스턴의 꿈은 명백히 역효과를 낳았지만 물리학을 그만두겠다는 약속을 지키지 않았습니다. 대신에 그는 후속 발견으로 1943년에 노벨상을 받았습니다. “나는 아직도 양자역학의 아름다움에 대해 이의를 갖고 있습니다.”라고 Stern은 말했습니다. “하지만 그녀의 말이 맞습니다.”
스턴과 겔라흐의 실험 장치.
W. Germach 1925. Über die RichtungsQuantelung im Magnetfeld II. 앤. 물리. 76:163.
오늘날 물리학자들은 그들의 실험을 아직 초기 단계인 양자 이론의 확증으로 해석한 Stern과 Gerlach의 주장이 옳았다는 것을 인식하고 있습니다. 그러나 그들은 잘못된 이유로 옳았습니다. 과학자들은 은 원자의 분할 궤적이 특정 각도로 고정된 가장 바깥쪽 전자의 궤도에 의해 정의된다고 가정했습니다. 실제로 이러한 분할은 전자의 내부 각운동량(스핀이라고 알려진 양)의 양자화로 인해 발생하는데, 이 양은 앞으로 몇 년 동안 발견되지 않습니다. 운 좋게도 프리드리히가 "이상한 우연, 자연의 음모"라고 부르는 현상으로 연구자들이 구원을 받았기 때문에 해석이 제대로 이루어졌습니다. 전자의 아직 알려지지 않은 두 가지 특성, 즉 스핀과 변칙적인 자기 모멘트가 우연히 상쇄되었습니다.
계란 깨기
Stern-Gerlach 실험에 대한 교과서 설명에서는 은 원자가 이동할 때 전자가 스핀 업 또는 스핀 다운되지 않는다고 주장합니다. 그것은 이러한 상태의 양자 혼합 또는 "중첩" 상태에 있습니다. 원자는 두 경로를 동시에 취합니다. 탐지기에 부딪힌 후에만 상태가 측정되고 경로가 고정됩니다.
그러나 1930년대부터 많은 저명한 이론가들은 양자 마법이 덜 필요한 해석을 선택했습니다. 그 주장은 자기장이 각 전자를 효과적으로 측정하고 그 스핀을 정의한다고 주장했습니다. 각 원자가 동시에 두 경로를 모두 취한다는 생각은 터무니없고 불필요하다고 이들 비평가들은 주장했습니다.
이론적으로 이 두 가지 가설은 테스트될 수 있습니다. 각 원자가 실제로 두 개의 페르소나를 사용하여 자기장을 통과했다면 이론적으로 이러한 유령 정체성을 재결합하는 것이 가능해야 합니다. 그렇게 하면 감지기가 다시 정렬될 때 감지기에 특정 간섭 패턴이 생성됩니다. 이는 원자가 실제로 두 경로를 모두 탐색했음을 나타냅니다.
가장 큰 과제는 중첩을 유지하고 최종 간섭 신호를 생성하기 위해 페르소나를 매우 원활하고 빠르게 분할하여 분리된 두 엔터티가 완전히 구별할 수 없는 내역을 갖고, 서로에 대해 알지 못하며, 어떤 경로를 택했는지 알 수 없게 해야 한다는 것입니다. 1980년대에 여러 이론가들은 전자의 정체성을 이렇게 완벽하게 분리하고 재결합하는 것은 벽에서 크게 떨어진 험프티 덤프티를 재구성하는 것만큼 불가능하다고 판단했습니다.
Otto Stern(여기 표시)과 Walther Gerlach는 연구실에서 시가를 피우며 스스로를 도왔습니다. 시가 연기는 양자 세계의 작동을 밝혀내는 탐지기의 은 침전물을 생성하는 데 도움이 된 것으로 알려졌습니다.
AIP Emilio Segrè 비주얼 아카이브/Segrè 컬렉션
그러나 2019년 네게브 벤 구리온 대학의 론 폴먼(Ron Folman)이 이끄는 물리학자 팀은 그 달걀 껍질을 다시 붙였습니다. 연구진은 은이 아닌 10,000개의 루비듐 원자로 구성된 과냉각 양자 집합체를 사용하여 Stern-Gerlach 실험을 재현하는 것으로 시작했으며, 이를 손톱 크기의 칩에 가두어 조작했습니다. 그들은 루비듐 전자의 스핀을 위아래로 중첩시킨 다음 다양한 자기 펄스를 적용하여 각 원자를 정밀하게 분리하고 재결합하는 이 모든 작업을 수백만분의 1초 안에 수행했습니다. 그리고 그들은 1927년에 처음 예측된 정확한 간섭 패턴을 확인하여 Stern-Gerlach 루프를 완성했습니다.
“그들은 Humpty Dumpty를 다시 조립할 수 있었습니다.”라고 Friedrich는 말했습니다. "이것은 아름다운 과학이며 엄청난 도전이었지만 그들은 이를 극복할 수 있었습니다."
다이아몬드 성장
Stern과 Gerlach의 실험의 "양자성"을 검증하는 데 도움을 준 것 외에도 Folman의 작업은 양자 체제의 한계를 조사하는 새로운 방법을 제공합니다. 오늘날 과학자들은 양자 계명을 지키면서 물체가 얼마나 클 수 있는지, 특히 중력이 개입할 만큼 충분히 클 때 물체가 얼마나 클 수 있는지 여전히 확신하지 못합니다. 1960년대 물리학자들은 전체 루프 Stern-Gerlach 실험을 통해 양자 고전적 경계를 테스트하는 데 도움이 될 수 있는 초민감 간섭계를 만들 수 있다고 제안했습니다. 그리고 2017년에 물리학자들은 이 아이디어를 확장하여 인접한 두 개의 Stern-Gerlach 장치를 통해 작은 다이아몬드를 쏘아 중력 상호 작용을 확인할 것을 제안했습니다.
Folman의 그룹은 이제 그 도전을 위해 노력하고 있습니다. 2021년에 그들은 수백만 개의 원자로 구성된 다이아몬드와 같은 거시적 물체에 사용하기 위해 단일 원자 칩 간섭계를 강화하는 방법을 설명했습니다. 그 이후로 그들은 일련의 논문에서 어떻게 더 크고 더 큰 질량을 분할하는 것이 다시 시지프식이지만 불가능하지는 않으며 수많은 양자 중력 미스터리를 해결하는 데 도움이 될 수 있는지 보여주었습니다.
Folman은 “Stern-Gerlach 실험은 역사적 역할을 완료하는 것과는 거리가 멀다”고 말했습니다. “아직 우리에게 줄 것이 많습니다.”
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