Експериментът на Щерн-Герлах: Как червилото помогна за откриването на квантовия спин

През 1922 гoдина двама германски физици, Ото Щерн и Валтер Герлах провеждат експеримент, който по-късно се превръща в един от ключовите експерименти за откритието на квантовата физика. Целта им е да измерят магнитните свойства, причинени от движението на електроните по орбитите. По онова време обаче те не са знаели за съществуването на спина – квантово свойство на частиците, свързано с ъгловия момент. Въпреки че експериментът ясно демонстрира проявленията на квантовия спин, на физиците им трябват години, за да осъзнаят откритието.

При експеримента учените нагряват сребърно фолио, за да позволят на поток от атоми да премине през малък отвор.

Среброто е избрано заради простата си структура: сребърните атоми имат един електрон във външната си обвивка. След като преминат през магнитното поле, сребърните атоми се отклоняват, създавайки изображение върху фолиото, като това отклонение зависи от магнитния им момент. Ако електроните се движеха хаотично около ядрото, върху фолиото щеше да се появи размазана линия. Ако орбитите им бяха фиксирани, картината щеше да се състои от няколко ясни точки. Резултатът обаче бил съвсем неочакван: изображението наподобявало очертанията на устни.

По-нататъшни наблюдения показаха, че хоризонталното отклонение е налице дори без магнит. Това показва съществуването на две възможни положения на електроните, но обяснението на това явление става възможно едва по-късно с появата на уравненията на Шрьодингер. Тези изчисления предполагат, че резултатите от експеримента е трябвало да бъдат представени като една точка, но вместо това експериментът на Щерн и Герлах потвърждава съществуването на квантов спин.

Интересно е, че този успех е бил един вид случайност или дори късмет. Първоначалната цел на експеримента е била съвсем различна, но методът е бил напълно подходящ за демонстриране на квантовия спин – явление, за което по онова време никой не е знаел. Този случай подчертава колко изненадващ и непредсказуем е научният процес.

Днес квантовият спин играе важна роля при разработването на квантови компютри. Той се е превърнал във фундаментална концепция за разбирането на квантовата механика и откриването на нови технологии.