Przeskocz do treści

Delta mi!

Loading

Cudowny wynik pewnego doświadczenia

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: wrzesień 1976
  • Publikacja elektroniczna: 4 lutego 2016

Wszystko to brzmi nieprawdopodobnie - powiecie po przeczytaniu dwóch poprzednich artykułów o mechanice kwantowej. Jak to, najbardziej fundamentalna teoria mikroświata pozwalająca przewidzieć wyniki doświadczeń z fantastyczną dokładnością nie może sobie poradzić z opisaniem losów zwykłego, swobodnego elektronu?!

Czy naprawdę musimy budować teorię, w której z elektronem, a raczej z informacją o nim, jeżeli nań nie patrzymy, wiążemy pewną falę (falę prawdopodobieństwa), podczas gdy w trakcie każdej obserwacji ukazuje się on nam w postaci mikroskopowej cząstki?

obrazek

Na tego typu wątpliwości najlepiej odpowiada zawsze doświadczenie. Opiszemy tu wyniki jednego z przełomowych dla fizyki doświadczeń, wykonanego w 1922 roku przez Sterna i Gerlacha. Idea eksperymentu jest prosta. Wiązka atomów srebra powstała przez odparowanie srebra w specjalnym piecu jest skierowana między bieguny magnesu wytwarzającego silnie niejednorodne pole (patrz rysunek). Następnie atomy osadzają się na płytce szklanej. Atomy srebra podobnie, jak wszystkie inne atomy, mają własny moment pędu (spin). Powstaje on ze złożenia momentów pędu jadra atomowego i elektronów. Ponieważ wszystkie składniki atomu są naładowane, wiec atom taki zachowuje się jak swego rodzaju pętla z prądem i wytwarza własne pole magnetyczne, o kierunku zgodnym z ustawieniem spinu. W niejednorodnym zewnętrznym polu magnetycznym na taki atomowy magnes działa silą odchylająca w górę lub w dól, zależna od kata miedzy osia magnesu, a zwrotem zmiany (gradientu) pola zewnętrznego. I tak na magnes skierowany wzdłuż gradientu działa maksymalna siła do góry, na skierowany przeciwnie maksymalna siła w dół, na magnes ustawiony prostopadle do kierunku zmiany pola nie działa żadna siła itd. Ponieważ atomy srebra wyprodukowane w piecu stanowią zbiór chaotyczny, więc związane z nimi magnesy są losowo poustawiane i na ekranie powinniśmy otrzymać ciągła linię wzdłuż kierunku gradientu pola. Tego wymaga fizyka klasyczna i ukształtowany w codziennym doświadczeniu rozsadek.

Tymczasem Stern i Gerlach znaleźli na płytce jedynie dwa izolowane punkty. Atomy srebra utworzyły tylko dwie odrębne wiązki. Powtórzmy jeszcze raz: atomy srebra, których spiny były ustawione zupełnie chaotycznie utworzyły dwie oddzielne wiązki. Zupełnie jakby spiny atomów wiedziały (tylko skąd?), że wolno im się ustawić względem pola magnetycznego w ścisłe określonych kierunkach (dwóch dla atomów srebra o spinie 1/2). Wynik doświadczenia nie zależy od tego, jak obrócimy układ magnesów wytwarzających pole. Zawsze dostajemy dwie plamki na linii równoległej do kierunku zmiany pola. l to plamki równie intensywne. Choć wynik ten jest wprost fantastyczny, to jednak tak dzieje się w doświadczeniu. Zacznijmy teraz poszczać atomy po kolei w pewnych odstępach czasu. Pojedynczy atom nawet o znanym z poprzedniego doświadczenia ustawieniu spinu wybierze raz jedno, raz drugie ustawienie swego spinu względem kierunku zmiany pola. Tu tkwi element losowy i to w sytuacji, gdy o własnym polu magnetycznym atomu wiemy chyba wszystko. Mechanika kwantowa też, oferuje nam tu tylko prawdopodobieństwo określonego zwrotu. Natomiast skwantyfikowanie rzutu momentu pędu na każdą wyróżnioną oś jest jednoznacznym przewidywaniem w tej teorii. Pozwala ona też obliczyć z ogromna dokładnością wielkość własnego pola magnetycznego związanego ze spinem, a więc i wielkość odchylenia każdej z dwóch wiązek. Dlatego mówimy, że nie ma żadnych przesłanek doświadczalnych na to, żeby poprawiać mechanikę kwantowa.