Дослід Штерна—Герлаха: історія, методика та вплив на квантову фізику

Історичний контекст і постаті дослідників

Ідея кількісного виявлення квантових властивостей атомів та їхніх компонентів бере початок на початку XX століття, коли фізика перебувала на порозі нових відкриттів. Дослід, який став одним із ключових доказів існування квантованих станів, провели Отто Штерн (1888–1969) та Вальтер Герлах (1889–1979) у 1922 році. Вони прагнули перевірити наявність у атомів певних дискретних характеристик, пов’язаних із моментом імпульсу, що на той час називали внутрішнім обертанням чи спіном.

Вальтер Герлах (1889–1979) та Отто Штерн (1888–1969) 

На початку своєї роботи Штерн був учнем і колегою Макса Борна (1882–1970) та Макса Лауе (1879–1960), які вплинули на його зацікавлення квантовою теорією. Герлах, будучи професором у Франкфуртському університеті, працював у напрямку фізики магнетизму та взаємодії атомів із магнітним полем. Об’єднавши зусилля, вони здійснили знаковий експеримент, що заклав підґрунтя розуміння квантових станів частинок.

Методика та обладнання досліду Штерна—Герлаха

Ідея експерименту Штерна—Герлаха полягає в тому, щоб пропустити вузький пучок випаруваних срібних атомів крізь неоднорідне магнітне поле й подивитися, як вони відхиляються. Спочатку срібло нагрівають у спеціальній печі, щоб перетворити його в пароподібний стан, а потім через вузький отвір випускають атоми, які летять більш-менш паралельно одне одному, утворюючи стрункий пучок. Цей пучок спрямовують у зону між полюсами сильного магніту, де поле не однакове по всій ділянці: ближче до одного полюса воно вищої інтенсивності, а ближче до іншого — нижчої. Якщо у срібного атома є спін, тобто внутрішній магнітний момент, то в неоднорідному полі на нього діє специфічна сила, яка відхиляє його траєкторію вгору або вниз залежно від орієнтації спіну щодо магнітного поля.

Схема досліду Штерна—Герлаха

Після проходження такої зони атоми досягають екрана, який зазвичай роблять термочутливим або вкривають речовиною, здатною фіксувати місце, куди впав атом. На цьому екрані очікувалося побачити суцільну смугунальоту срібла, адже з позиції класичної фізики атоми мали б відхилятися в довільній кількості напрямків, утворюючи рівномірно розтягнуту пляму. Однак експеримент дав інший результат: з’явилося два чіткі сліди, що свідчило про наявність лише двох можливих орієнтацій магнітного моменту атома відносно зовнішнього поля. Це стало першим явним доказом дискретності спіну і кутового моменту в атомах.

Таким чином, дослід Штерна—Герлаха уперше показав, що мікросвіт не підкоряється неперервним закономірностям класичної механіки, а має квантову природу: навіть орієнтація внутрішнього магнітного моменту може набувати лише певних (квантувальних) значень. Завдяки цьому результату вчені глибше зрозуміли будову атома та дійшли висновку, що електрони і багато інших частинок володіють власним спіном, який суттєво впливає на їхні енергетичні рівні та взаємодію з полем.

Основні результати досліду Штерна—Герлаха

Дослід Штерна—Герлаха, в якому наочно спостерігалося розщеплення пучка срібних атомів у неоднорідному магнітному полі, надав перший прямий доказ того, що атомам властиві дискретні орієнтації магнітного моменту. Така квантованість просторової орієнтації спіну категорично суперечила ідеям класичної фізики про неперервний спектр можливих траєкторій руху частинок. Експеримент показав, що атоми згруповуються у чітко визначених положеннях, а не утворюють суцільну смугу.

Відкриття цієї дискретної природи спіну стало одним із перших підтверджень того, що в мікросвіті діють принципово інші закони, ніж у макроскопічному світі. Цей експеримент заклав підвалини для бурхливого розвитку квантової механіки. Зокрема, переконливі результати досліду надихнули Вольфганга Паулі (1900–1958) на розробку принципу заборони, що пояснив унікальну схему розподілу електронів у атомних оболонках. У подальшому Вернер Гайзенберг (1901–1976) та Ервін Шредінгер (1887–1961), спираючись на такі експериментальні свідчення, створили фундаментальні рівняння та принципи квантової теорії, які лягли в основу нашого сучасного розуміння будови матерії.

 Вернер Гайзенберг (1901–1976), Вольфганг Паулі (1900–1958), Ервін Шредінгер (1887–1961)

Невдовзі після експерименту постало питання про спін електрона: з’ясувалося, що електрон має свій внутрішній кутовий момент, який відіграв вирішальну роль у поясненні будови атома. Цей висновок підсилив нову парадигму у фізиці, яка остаточно перейшла від неперервних до квантовувальних уявлень про природу.

Дослідження Штерна—Герлаха також довели, що прості на перший погляд системи — такі як атом срібла — можуть мати багатогранні, дискретні характеристики. Унаслідок цього теоретичні прориви, ініційовані даним експериментом, дали поштовх до створення матричної та хвильової механік, а згодом — до формулювання об’єднаної квантової теорії.

Окрім теоретичного значення, відкриття квантових властивостей і спіну мало низку практичних застосувань. Ідеї про магнітні моменти та їхню взаємодію з полем стали фундаментом для розробки ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Метод ЯМР лежить в основі магнітно-резонансної томографії (МРТ) — однієї з найважливіших неінвазивних технологій сучасної медицини, яка дає змогу з високою точністю діагностувати захворювання внутрішніх органів.

Сучасний ЯМР-спектрометр Bruker UltraShield 400 для аналізу структури речовин на молекулярному рівні

Таким чином, експеримент Штерна—Герлаха переконливо засвідчив, що мікросвіт потребує нових квантових описів, які з часом лягли в основу всієї сучасної фундаментальної фізики та стали рушійною силою розвитку багатьох високотехнологічних приладів і методів дослідження. Він не лише вказав на дискретну структуру спіну, а й став відправною точкою для наступного покоління вчених, котрі розкрили справжню суть і закономірності квантового світу.

Сучасне розуміння та перспективи

Попри те, що експеримент Штерна—Герлаха було проведено на початку XX століття, його результати не втратили актуальності й донині. Завдяки цій роботі фізики усвідомили, що величини, які у класичній фізиці здавалися неперервними, можуть бути дискретними на квантовому рівні. Зокрема, дослід наочно ілюструє, що магнітний момент і, відповідно, спін атомів набувають лише певних дозволених станів. Ця дискретність стала першою цеглинкою у вибудові нової квантової парадигми, де принцип суперпозиції та нерозривність теорії спіну з усіма квантовими системами поступово сформували підхід, який докорінно відрізняється від класичного бачення природи.

Сьогодні, маючи набагато точніші прилади й лабораторне обладнання, вчені повторюють досліди Штерна—Герлаха у різних модифікаціях, використовуючи атомарні пучки водню, іони різних елементів і навіть фотони(хоча для фотонів вимірювання спіну адаптоване до їхньої поляризації). Подібні експерименти дають змогу краще зрозуміти квантову сутність речей і поступово відкривають шлях до новітніх технологій, як-от квантова криптографія та квантові комп’ютери, де маніпулювання спіновими станами вважають одним із перспективних напрямів. Розвиток цих галузей ґрунтується на ідеї, що за допомогою керованих квантових станів можна досягати таких швидкостей обчислень і рівня безпеки шифрування, яких неможливо досягти традиційними засобами.

Однак найважливіше те, що дослід Штерна—Герлаха став символом переходу від упевненості в універсальності класичних законів до розуміння квантової природи матерії. З’ясувалося, що на рівні атомів і субатомних частинок діють суттєво інші принципи, а їх можна пізнати лише завдяки сміливим теоретичним гіпотезам, перевіреним ретельно спланованими експериментами. Саме такий синтез теорії й практики дозволяє виявляти несподівані властивості мікросвіту й водночас розвивати сучасні наукові та технологічні досягнення. Без урахування квантових законів сьогодні неможливо уявити жодну галузь фундаментальної або прикладної фізики: від фізики елементарних частинок до методів медичної візуалізації. Тож експеримент Штерна—Герлаха надовго закріпив за собою статус базового прикладу того, наскільки глибоко можуть перевершити людські очікування результати зустрічі теорії з реальним експериментом.

Джерела:

1. Айсберг Р., Резник Р. Квантова фізика атомів, молекул, твердих тіл, ядер і частинок. Wiley, 1985. URL: https://www.pul.it/cattedra/upload_files/13/Eisberg_Resnick-quantum_physics.pdf (дата звернення: 26.01.2025).

2. Герлах В., Штерн О. Експериментальне підтвердження квантованості напрямків у магнітному полі // Zeitschrift für Physik. — 1922. — № 9. URL: https://link.springer.com/article/10.1007/BF01326983 (дата звернення: 26.01.2025).

3. Дірак П. А. М. Принципи квантової механіки. Оксфордський університетський прес, 1958. URL: https://archive.org/details/quantumphysicsof00eisb (дата звернення: 26.01.2025).

4. Паулі В. Наукові праці: Збірник. Т. 2. Нью-Йорк: Інтерсайенс, 1964. URL: https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-642-49381-2 (дата звернення: 26.01.2025).