Antes de que el gato de Erwin Schrödinger estuviera vivo y muerto al mismo tiempo, y antes de que los electrones puntiagudos se deslizaran como ondas a través de finas rendijas, un experimento algo menos conocido levantó el velo sobre la desconcertante belleza del mundo cuántico. En 1922, los físicos alemanes Otto Stern y Walther Gerlach demostraron que el comportamiento de los átomos estaba gobernado por reglas que desafiaban las expectativas, una observación que consolidó la aún incipiente teoría de la mecánica cuántica.

"El experimento de Stern-Gerlach es un ícono, es un experimento que hace época", dijo Bretislav Federico, físico e historiador del Instituto Fritz Haber de Alemania, que publicó recientemente una revisión y editado un libro sobre el tema. "De hecho, fue uno de los experimentos de física más importantes de todos los tiempos".

La interpretación del experimento también lanzado décadas de discusión. En los últimos años, físicos radicados en Israel finalmente han podido diseñar un experimento con la sensibilidad necesaria para aclarar exactamente cómo debemos entender los procesos cuánticos fundamentales en funcionamiento. Con ese logro, crearon una nueva técnica para explorar los límites del mundo cuántico. El equipo ahora intentará modificar la centenaria configuración de Stern y Gerlach para investigar la naturaleza de la gravedad y tal vez construir un puente entre los dos pilares de la física moderna.

Plata vaporizada

En 1921, la idea de que las leyes convencionales de la física diferían en las escalas más pequeñas todavía era bastante polémica. La nueva teoría imperante del átomo, propuesta por Niels Bohr, se encontraba en el meollo del argumento. Su teoría presentaba un núcleo rodeado por electrones en órbitas fijas: partículas que sólo podían girar a ciertas distancias del núcleo, con ciertas energías y en ciertos ángulos dentro de un campo magnético. Las restricciones de la propuesta de Bohr eran tan rígidas y aparentemente arbitrarias que Stern se comprometió a abandonar la física si el modelo resultaba correcto.

Stern concibió un experimento que podría invalidar la teoría de Bohr. Quería comprobar si los electrones en un campo magnético podían orientarse en cualquier dirección, o sólo en direcciones discretas, como había propuesto Bohr.

Stern planeó vaporizar una muestra de plata y concentrarla en un haz de átomos. Luego dispararía ese rayo a través de un campo magnético no uniforme y recogería los átomos en una placa de vidrio. Debido a que los átomos de plata individuales son como pequeños imanes, el campo magnético los desviaría en diferentes ángulos dependiendo de sus orientaciones. Si sus electrones más externos pudieran orientarse quisiera o no, como predijo la teoría clásica, se esperaría que los átomos desviados formaran una única mancha amplia a lo largo de la placa del detector.

Pero si Bohr estaba en lo cierto y los sistemas diminutos como los átomos obedecían extrañas reglas cuánticas, los átomos de plata sólo podrían tomar dos caminos a través del campo y la placa mostraría dos líneas discretas.

La idea de Stern era bastante simple en teoría. Pero en la práctica, construir el experimento (que dejó a Gerlach) equivalió a lo que el estudiante graduado de Gerlach, Wilhelm Schütz, describió más tarde como "un trabajo similar al de Sísifo". Para vaporizar la plata, los científicos tuvieron que calentarla a más de 1,000 grados centígrados sin derretir ninguna de las juntas de la cámara de vacío de vidrio, cuyas bombas también se rompían con frecuencia. Los fondos del experimento se agotaron cuando la inflación de la posguerra en Alemania se disparó. Albert Einstein y el banquero Henry Goldman finalmente rescataron al equipo con sus donaciones.

Una vez que el experimento estuvo en marcha, producir un resultado legible seguía siendo un desafío. La placa colectora era sólo una fracción del tamaño de la cabeza de un clavo, por lo que para leer los patrones en el depósito de plata se necesitaba un microscopio. Quizás de forma apócrifa, los científicos se ayudaron inadvertidamente con una etiqueta de laboratorio cuestionable: el depósito de plata habría sido invisible si no fuera por el humo que salía de sus cigarros, que, debido a sus bajos salarios, eran baratos y ricos en azufre que ayudó a que la plata se convirtiera en un visible sulfuro de plata de color negro azabache. (En 2003, Friedrich y un colega recreó este episodio y confirmó que la señal plateada aparecía sólo en presencia de humo de cigarro barato).

El giro de la plata

Después de muchos meses de resolución de problemas, Gerlach pasó toda la noche del 7 de febrero de 1922 disparando plata al detector. A la mañana siguiente, él y sus colegas desarrollaron la placa y oro golpeado: un depósito de plata cuidadosamente partido en dos, como un beso del reino cuántico. Gerlach documentó el resultado en una microfotografía y se la envió como una postal a Bohr, junto con el mensaje: "Le felicitamos por la confirmación de su teoría".

El hallazgo sacudió a la comunidad física. Albert Einstein , que son lo consideró “el logro más interesante hasta este momento” y nominó al equipo para el Premio Nobel. isidor rabi dijo que el experimento "me convenció de una vez por todas de que... los fenómenos cuánticos requerían una orientación completamente nueva". Los sueños de Stern de impugnar la teoría cuántica obviamente habían fracasado, aunque no cumplió su promesa de abandonar la física; en cambio, el ganado Premio Nobel en 1943 por un descubrimiento posterior. "Todavía tengo objeciones a la... belleza de la mecánica cuántica", dijo Stern, "pero ella tiene razón".

Hoy en día, los físicos reconocen que Stern y Gerlach tenían razón al interpretar su experimento como una corroboración de la aún incipiente teoría cuántica. Pero tenían razón por la razón equivocada. Los científicos supusieron que la trayectoria dividida de un átomo de plata está definida por la órbita de su electrón más externo, que está fijo en ciertos ángulos. En realidad, la división se debe a la cuantificación del momento angular interno del electrón, una cantidad conocida como espín, que no se descubriría hasta dentro de unos años. Por casualidad, la interpretación funcionó porque los investigadores fueron salvados por lo que Friedrich llama una “extraña coincidencia, esta conspiración de la naturaleza”: dos propiedades aún desconocidas del electrón (su espín y su momento magnético anómalo) se cancelaron.

romper huevos

La explicación del libro de texto del experimento de Stern-Gerlach sostiene que a medida que el átomo de plata viaja, el electrón no gira ni hacia arriba ni hacia abajo. Está en una mezcla cuántica o "superposición" de esos estados. El átomo toma ambos caminos simultáneamente. Sólo al chocar contra el detector se mide su estado y se fija su trayectoria.

Pero a partir de la década de 1930, muchos teóricos destacados optaron por una interpretación que requería menos magia cuántica. El argumento sostenía que el campo magnético mide efectivamente cada electrón y define su espín. La idea de que cada átomo toma ambos caminos a la vez es absurda e innecesaria, argumentaron estos críticos.

En teoría, estas dos hipótesis podrían comprobarse. Si cada átomo realmente atravesara el campo magnético con dos personas, entonces debería ser posible (teóricamente) recombinar esas identidades fantasmales. Hacerlo generaría un patrón de interferencia particular en un detector cuando se realinearan, una indicación de que el átomo efectivamente navegó por ambas rutas.

El gran desafío es que, para preservar la superposición y generar esa señal de interferencia final, las personas deben dividirse de manera tan suave y rápida que las dos entidades separadas tengan historias totalmente indistinguibles, ningún conocimiento de la otra y ninguna forma de saber qué camino tomaron. . En la década de 1980, múltiples teóricos determinaron que dividir y recombinar las identidades del electrón con tal perfección sería tan inviable como reconstruyendo Humpty Dumpty después de su gran caída del muro.

En 2019, sin embargo, un equipo de físicos dirigido por Ron Folman en la Universidad Ben-Gurion del Negev pegué esas cáscaras de huevo de nuevo juntos. Los investigadores comenzaron reproduciendo el experimento de Stern-Gerlach, aunque no con plata, sino con un conglomerado cuántico sobreenfriado de 10,000 átomos de rubidio, que atraparon y manipularon en un chip del tamaño de una uña. Pusieron los espines de los electrones de rubidio en una superposición de arriba y abajo, luego aplicaron varios pulsos magnéticos para separar y recombinar con precisión cada átomo, todo en unas pocas millonésimas de segundo. Y primero vieron el patrón de interferencia exacto. previsto en 1927, completando así el circuito Stern-Gerlach.

"Pudieron reconstruir a Humpty Dumpty", dijo Friedrich. "Es una ciencia hermosa y ha sido un gran desafío, pero han podido afrontarlo".

Diamantes en crecimiento

Además de ayudar a verificar la “cuantidad” del experimento de Stern y Gerlach, el trabajo de Folman ofrece una nueva forma de sondear los límites del régimen cuántico. Hoy en día, los científicos todavía no están seguros ¿Qué tan grandes pueden ser los objetos? sin dejar de cumplir los mandamientos cuánticos, especialmente cuando son lo suficientemente grandes como para que intervenga la gravedad. En la década de 1960, los físicos sugiere que un experimento de Stern-Gerlach de bucle completo crearía un interferómetro súper sensible que podría ayudar a probar ese límite cuántico-clásico. Y en 2017, los físicos ampliaron esa idea y sugirieron disparar pequeños diamantes a través de dos dispositivos Stern-Gerlach vecinos para ver si interactuaban gravitacionalmente.

El grupo de Folman ahora está trabajando para lograr ese desafío. En 2021, ellos esbozado una forma de reforzar su interferómetro de chip de un solo átomo para usarlo con objetos macroscópicos, como diamantes que comprenden unos pocos millones de átomos. Desde entonces, han mostrado en un serie of papeles cómo dividir masas cada vez más grandes volverá a ser como Sísifo, pero no imposible, y podría ayudar a resolver una serie de misterios de la gravedad cuántica.

"El experimento de Stern-Gerlach está muy lejos de completar su papel histórico", afirmó Folman. "Todavía hay mucho que nos va a dar".

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