Эксперимент Штерна-Герлаха: как губная помада помогла открыть квантовый спин

В 1922 году два исследователя, Штерн и Герлах, провели эксперимент, который позже стал одним из ключевых для квантовой физики. Их цель заключалась в измерении магнитных свойств, вызванных движением электронов на орбитах. Однако в то время они не знали о существовании спина — квантового свойства частиц, связанного с угловым моментом. Хотя эксперимент наглядно продемонстрировал проявления квантового спина, физикам потребовались годы, чтобы осознать это открытие.

В ходе эксперимента ученые нагревали серебряную фольгу, чтобы поток атомов проходил через небольшое отверстие. Серебро выбрали за его простую структуру: атомы серебра имеют один электрон на внешней оболочке. Пройдя через магнитное поле, атомы серебра отклонялись, создавая изображение на пленке, где это отклонение зависело от их магнитного момента.

Если бы электроны двигались вокруг ядра хаотично, на пленке появилась бы размытая линия. Если бы их орбиты были фиксированы, картина должна была бы состоять из нескольких четких точек. Однако результат оказался совершенно неожиданным: изображение напоминало контур губ.

Дальнейшие наблюдения показали, что горизонтальное отклонение присутствует даже без магнита. Это указывало на существование двух возможных положений электронов, но объяснение этого феномена стало возможным только позже, с появлением уравнений Шрёдингера. Эти расчеты предполагали, что результаты эксперимента должны были быть представлены в виде одной точки, но вместо этого эксперимент Штерна и Герлаха подтвердил существование квантового спина.

Интересно, что этот успех был своего рода случайной удачей. Первоначальная цель эксперимента была совсем иной, но метод идеально подошел для демонстрации квантового спина — явления, о котором в то время никто еще не знал. Этот случай подчеркивает, насколько удивителен и непредсказуем научный процесс.

Сегодня квантовый спин играет важную роль в разработке квантовых компьютеров. Он стал фундаментальным понятием для понимания квантовой механики и открытия новых технологий.