スターン・ガーラッハ実験:量子の世界を明らかにする|物理

1世紀前、シュテルン・ガーラッハ実験によって量子力学の真実が確立されました。現在、量子理論と重力の衝突を調査するために使用されています。

オットー・スターン（左）とヴァルター・ガーラッハは、量子力学への挑戦を開始した。むしろ、彼らの実験は新しく生まれた分野の基礎であることが判明しました。

クリスティーナ・アーミテージ/クアンタ・マガジン。出典:ドイツ博物館;ニールス・ボーアアーカイブ

はじめに

エルヴィン・シュレディンガーの猫が死んでいると同時に生きている前、そして点状の電子が細いスリットを波のように打ち寄せる前に、あまり知られていない実験が量子の世界の驚異的な美しさのベールを剥がしました。 1922 年、ドイツの物理学者オットースターンとヴァルターガーラッハは、原子の挙動が予想を裏切る規則によって支配されていることを実証しました。この観察は、まだ芽生えつつある量子力学の理論を確固たるものにしました。

「シュテルン・ゲルラッハ実験は象徴的なものであり、画期的な実験です」と、ドイツのフリッツ・ハーバー研究所の物理学者で歴史家であり、最近このテーマに関する書評を出版し、編集したブレティスラフ・フリードリッヒ氏は述べた。「それは確かに、物理学史上最も重要な実験の 1 つでした。」

この実験の解釈については、数十年にわたる議論も始まりました。近年、イスラエルに拠点を置く物理学者たちは、ついに、私たちが働いている基本的な量子プロセスをどのように理解すべきかを正確に明らかにするために必要な感度を備えた実験を行うことができた。その成果により、彼らは量子の世界の境界を探索するための新しい技術を作り上げました。チームは今後、重力の性質を調査するためにスターンとガーラッハの 100 年前の設定を修正し、おそらく現代物理学の 2 つの柱の間に橋を架けることを試みる予定です。

蒸発する銀

1921 年当時、従来の物理法則は最小スケールで異なるという概念は依然としてかなり議論の余地がありました。ニールス・ボーアによって提案された原子に関する新しい支配的な理論は、議論の核心に生きていました。彼の理論は、固定された軌道で電子に囲まれた原子核、つまり磁場内で原子核から特定の距離、特定のエネルギー、特定の角度でのみ旋回できる粒子を特徴としていました。ボーアの提案の制約は非常に厳格で恣意的であるように見えたので、スターンはモデルが正しいことが判明した場合には物理学をやめる事を約束しました。

スターンは、ボーアの理論を無効にする可能性のある実験を思いつきました。彼は、磁場内の電子がどの方向にでも配向できるのか、それともボーアが提案したように離散的な方向にのみ配向できるのかをテストしたいと考えていました。

スターンは銀のサンプルを蒸発させ、それを原子ビームに濃縮することを計画しました。次に、不均一な磁場を通してそのビームを発射し、ガラス板上に原子を収集しました。個々の銀原子は小さな磁石のようなものであるため、磁場はそれらの向きに応じて異なる角度で偏向します。古典的な理論が予測したように、最外殻の電子が思い通りに配向できれば、偏向された原子は検出器プレートに沿って単一の広いスミアを形成すると予想されます。

しかし、ボーアの理論が正しく、原子のような小さな系が奇妙な量子則に従っていた場合、銀の原子は磁場中を 2 つの経路しか取れず、プレートには 2 つの別個の線が表示されることになります。

スターンのアイデアは理論的には非常に単純でした。しかし実際には、ゲルラッハに任せた実験の構築は、後にガーラッハの大学院生ヴィルヘルム・シュッツが「シーシュポスのような労働」と表現したものに相当した。銀を蒸発させるには、科学者らはガラス真空チャンバーのシールを溶かすことなく銀を摂氏1,000度以上に加熱する必要があったが、そのポンプも定期的に破損していた。ドイツの戦後インフレが急上昇したため、実験の資金は枯渇した。アルバートアインシュタインと銀行家ヘンリーゴールドマンは最終的に寄付でチームを救済しました。

メリル・シャーマン/クアンタ・マガジン

実験が開始されても、判読可能な結果を生み出すのは依然として困難でした。コレクタプレートは釘頭のほんの一部の大きさであったため、銀の堆積物のパターンを読み取るには顕微鏡が必要でした。おそらく出鱈目かもしれないが、科学者たちはうっかり、疑わしい実験室のエチケットを自分たちで手伝ってしまったのだ。葉巻から流れ込む煙がなければ、銀の堆積物は見えなかったはずだ。葉巻は、給料が低いため、安価で硫黄が豊富で、銀が目に見える漆黒の硫化銀に成長するのに役立った。 (2003 年に、フリードリヒと同僚はこのエピソードを再現し、安っぽい葉巻の煙が存在する場合にのみシルバー信号が現れることを確認しました。)

シルバーのスピン

何ヶ月もトラブルシューティングを続けた後、ガーラッハは 1922 年 2 月 7 日一晩中、探知機に向かって銀を撃ち続けました。翌朝、彼と同僚はプレートを開発し、金を鋳造しました。量子領域からのキスのように、銀の堆積物がきれいに 2 つに分かれました。ガーラッハは結果を顕微鏡写真に記録し、「あなたの理論の確認をおめでとうございます。」というメッセージとともに、それをポストカードとしてボーアに送りました。

この発見は物理学界に衝撃を与えた。アルバート・アインシュタインはこれを「現時点で最も興味深い成果」と呼び、このチームをノーベル賞候補に推薦した。イシドール・ラビ氏は、この実験によって「量子現象にはまったく新しい方向性が必要であると、きっぱりと確信した」と述べた。量子論を非難するというスターンの夢は明らかに裏目に出たが、物理学をやめるという約束は守らなかった。その代わりに、その後の発見により 1943 年にノーベル賞を受賞しました。「量子力学の美しさには私はまだ反対しています」とスターン氏は言いました。「しかし、彼女は正しいです。」

スターンとガーラッハの実験装置。

W. ガーマッハ 1925 年。マグネフェルド II での活動。アン。物理学。 76:163.

今日、物理学者は、スターンとガーラッハが彼らの実験をまだ初期の量子理論の裏付けとして解釈したのは正しかったことを認識しています。しかし、彼らは間違った理由で正しかったのです。科学者らは、銀原子の分割軌道は、特定の角度に固定された最外殻電子の軌道によって定義されると仮定しました。実際には、この分裂は電子の内部角運動量（スピンとして知られる量）の量子化によるものですが、これはあと数年は発見されないでしょう。偶然なことに、フリードリヒの言う「奇妙な偶然、自然の陰謀」によって研究者たちが救われたため、この解釈はうまくいきました。電子のまだ知られていない 2 つの特性、つまりスピンと異常な磁気モーメントがたまたま相殺されたのです。

卵を割る

シュテルン・ガーラッハ実験の教科書的な説明では、銀原子が移動する際、電子はスピンアップもスピンダウンもしないとされています。それは量子混合、つまりそれらの状態の「重ね合わせ」の中にあります。原子は両方の経路を同時にたどります。検出器に衝突した場合にのみ、その状態が測定され、その経路が修正されます。

しかし、1930 年代以降、多くの著名な理論家は、量子魔法をあまり必要としない解釈を選択しました。この議論では、磁場が各電子を効果的に測定し、そのスピンを定義すると主張しました。それぞれの原子が両方の経路を同時に通過するという考えは不合理であり、不必要である、と批評家たちは主張しました。

理論的には、これら 2 つの仮説を検証することができます。それぞれの原子が実際に 2 つの人格を持って磁場を横切るのであれば、理論的には、それらの幽霊のようなアイデンティティを再結合することが可能であるはずです。そうすることで、検出器が再調整されたときに検出器上に特定の干渉パターンが生成されます。これは、原子が実際に両方のルートを通過したことを示します。

大きな課題は、重ね合わせを維持し、最終的な干渉信号を生成するには、ペルソナを非常にスムーズかつ迅速に分割し、分離された 2 つの実体がまったく区別できない歴史を持ち、他方についての知識がなく、どちらの道をたどったかを知る方法がなくなるようにする必要があることです。 1980 年代、複数の理論家は、電子のアイデンティティをこれほど完璧に分割して再結合することは、壁から大落下した後のハンプティダンプティを再構築するのと同じくらい実現不可能であると判断しました。

オットー・スターン (ここに表示) とヴァルター・ガーラッハは、研究室で葉巻を吸うことで自分自身を助けました。葉巻の煙は、量子の世界の仕組みを明らかにする検出器上の銀の堆積の発達に役立ったと言われています。

AIP エミリオセグレビジュアルアーカイブ/セグレコレクション

しかし2019年、ネゲブのベングリオン大学のロン・フォルマン率いる物理学者チームが、それらの卵の殻を接着して元に戻した。研究者らは、銀ではなく、10,000個のルビジウム原子からなる過冷却量子集合体を用いてシュテルン・ガーラッハ実験を再現することから始め、それを爪ほどの大きさのチップ上に閉じ込めて操作した。彼らは、ルビジウム電子のスピンを上下に重ね合わせ、さまざまな磁気パルスを加えて、各原子を正確に分離および再結合する作業を、すべて100万分の数秒で行いました。そして彼らは、1927 年に最初に予測された正確な干渉パターンを確認し、シュテルン-ガーラッハループを完成させました。

「彼らはハンプティ・ダンプティを再び一つに戻すことができた」とフリードリッヒ氏は語った。「これは美しい科学であり、大きな挑戦でしたが、彼らはそれに対処することができました。」

ダイヤモンドの成長

スターンとガーラッハの実験の「量子性」の検証に役立つだけでなく、フォルマンの研究は、量子体制の限界を調査する新しい方法を提供します。今日、科学者たちは、特に重力が介入できるほど大きい場合、量子の戒めを遵守しながら物体がどの程度大きくなることができるのかについてまだ確信を持っていません。 1960 年代、物理学者は、フルループのシュテルン・ガーラッハ実験によって、量子と古典の境界をテストするのに役立つ超高感度干渉計が作成されるだろうと示唆しました。そして 2017 年、物理学者はその考えを拡張し、隣接する 2 つのシュテルン・ゲルラッハ装置を通して小さなダイヤモンドを発射し、それらが重力で相互作用するかどうかを確認することを提案しました。

フォルマン氏のグループは現在、その課題に取り組んでいます。 2021年、彼らは数百万個の原子からなるダイヤモンドなどの巨視的物体に使用するための単一原子チップ干渉計を強化する方法の概要を発表した。それ以来、彼らは一連の論文で、ますます大きな質量の分割が再びシシュフェ的になるが、不可能ではなく、多くの量子重力の謎を解くのに役立つ可能性があることを示してきました。

「シュテルン・ガーラッハ実験は、その歴史的役割を完了するには程遠いです」とフォルマン氏は語った。「それが私たちに与えてくれるものはまだたくさんあります。」

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