Сигары в этом открытии играют весьма необычную, но важную роль в истории открытия и исследования квантовой механики, иллюстрируя взаимосвязь между материальными условиями экспериментов и научными открытиями.
Это связано с экспериментом двух немецких физиков Отто Штерна и Вальтера Герлаха в 1922 году, в котором использование дешевых сигар Штерна неожиданно способствовало обнаружению квантового эффекта.
Дым от сигар, содержащий большое количество серы, при дыхании на пластинку превращал серебро в чёрный сульфид серебра, что сделало видимым иначе невидимый результат эксперимента.
В статье подчеркивается, что этот случай демонстрирует, как низкое качество сигар и их скромная упаковка, а также социальные условия (такие как само курение в лаборатории) могут стать неотъемлемой частью научного процесса и влиять на исследовательские результаты.
Так, дешевые сигары Штерна, по сути, включились в экспериментальную установку и стали ключом к успешному обнаружению квантовых эффектов.
Это подчеркивает, что научные открытия не всегда являются результатом исключительно тщательно спланированных экспериментов, но могут также зависеть от неожиданных материальных и социальных факторов.
Вспомним пресловутый «Третий закон», сформулированный известным английским изобретателем, писателем-фантастом и футурологом сэром Артуром Кларком: «Любая достаточно развитая технология неотличима от магии».
* * *
История науки полна неожиданных поворотов и импровизаций. Один из самых ярких примеров — ключевая роль, которую сыграли... …дешёвые сигары в знаменитом эксперименте Штерна-Герлаха, ставшем краеугольным камнем квантовой механики и прямым доказательством существования квантового спина.
Суть эксперимента состояла в поиске пространственного квантования (обработки сигналов). Немецкие физики Отто Штерн и Вальтер Герлах ставили перед собой амбициозную цель: экспериментально подтвердить или опровергнуть идею датского физика-теоретика Нильса Бора о «пространственном квантовании». Согласно этой идее, магнитный момент атома (и связанный с ним угловой момент) в магнитном поле может ориентироваться только в «определённых дискретных направлениях», а не произвольно, как в классической физике. Они выбрали атомы серебра, у которых, как считалось, магнитный момент создаётся орбитальным движением электрона.
Эксперимент был гениален по замыслу, но невероятно сложен в исполнении (по тем временам, естественно), ибо было необходимо:
- Создать узкий пучок атомов серебра, испаряя металл в печи.
- Пропустить данный пучок через сильное магнитное поле с резко меняющейся напряженностью (созданное магнитом специальной формы). Такое поле «не просто поворачивает» магнитные моменты, но и «смещает» атомы в зависимости от ориентации их момента относительно градиента поля.
- Зафиксировать, куда попадают атомы после прохождения поля. Если пространственное квантование существует, атомы должны сгруппироваться в «дискретные пятна», а не размазаться в непрерывную полосу.
Но как «поймать» неуловимое серебро?
Главная техническая трудность заключалась в детектировании (процессе преобразования модулированных колебаний высокой частоты в низкочастотные колебания). Атомы серебра невидимы. Как зафиксировать их положение на стеклянной пластинке? Штерн и Герлах планировали использовать метод, применявшийся ранее: осаждение атомов на холодную стеклянную или металлическую пластину, где они образуют тонкий налет. Однако атомы серебра обладают высокой подвижностью даже на поверхности. Они «расползаются», смазывая картину и делая невозможным наблюдение тонкой структуры из двух разделенных пятен, которую предсказывала теория для атомов с орбитальным моментом (хотя позже выяснилось, что у серебра он равен нулю, а эффект обусловлен спином!).
Именно здесь в игру вступили легендарные «дешёвые сигары Отто Штерна». По воспоминаниям Отто Фриша (племянника Отто Штерна, также физика), Штерн был страстным курильщиком и покупал самые недорогие сигары, какие только мог найти. Эти сигары имели неприятную особенность: они были «невероятно мягкими» и легко деформировались при курении.
И тут на Штерна снизошло «сигарное озарение» — он увидел в этом недостатке «преимущество для науки». Физик понял, что мягкая, пористая поверхность недорогой сигарной фольги (или бумаги, использовавшейся для обертки) может стать идеальной «ловушкой для атомов серебра».
Как же это сработало?
Во-первых, «липкая» поверхность: Пористая, шероховатая поверхность дешёвой сигарной бумаги (или фольги) создавала множество микроскопических ловушек.
Во-вторых, «иммобилизация атомов»: Попадая на такую поверхность, атомы серебра «застревали» в порах и неровностях.
В третьих, предотвращение «расползания»: Это резко снижало их подвижность по поверхности. Атомы не могли мигрировать и сливаться в сплошную пленку.
И в четвертых, так называемая «визуализация» — после достаточно долгой экспозиции пучка на пластинке, покрытой сигарной бумагой/фольгой, на ней проявлялись «четкие, узкие полосы» осажденного серебра. Эти полосы можно было буквально «увидеть» невооруженным глазом или под микроскопом как темные линии на более светлом фоне.
Используя пластины, покрытые фольгой от своих дешёвых сигар, Штерн и Герлах совершили прорыв — они ясно увидели «две разделенные четкие полосы» осажденного серебра. Это стало неоспоримым доказательством «пространственного квантования» магнитных моментов атомов. Магнитный момент мог быть ориентирован только параллельно или антипараллельно направлению градиента магнитного поля – два дискретных состояния. А сам эксперимент оказался первым прямым доказательством квантования в пространстве и одним из краеугольных камней квантовой механики.
В последствии, с развитием квантовой механики (идеи Уленбека и Гаудсмита «о спине электрона» в 1925-1926 годах ), стало ясно, что у атомов серебра в основном состоянии орбитальный момент равен нулю (l=0). Наблюдаемый эффект был обусловлен исключительно «спиновым магнитным моментом» валентного электрона!
Таким образом, эксперимент Штерна-Герлаха стал первым (хоть и не сразу осознанным) прямым доказательством существования «квантового спина». Метод осаждения на шероховатые поверхности, вдохновленный сигарной бумагой, стал стандартным в подобных экспериментах с атомными и молекулярными пучками на долгие годы. Его называли «методом Штерна» или «шероховатой пластины».
История с сигарами герра Штерна – это не просто забавный случай. Это поистине яркая иллюстрация нескольких важных аспектов научного творчества.
Таких как «импровизация» — гениальные решения часто рождаются из ограничений и подручных средств. Наблюдательность — умение увидеть полезное свойство в самом неожиданном месте (даже в дефекте дешёвых сигар). Способность преодолевать ю трудностей. Ведь, кажущиеся непреодолимыми технические проблемы (как детектирование атомов) могут иметь простые и элегантные решения. Ну и, конечно же, «роль случая» — иногда случайность (все тот же выбор дешёвых сигар) открывает путь к великому открытию.
Эксперимент Штерна-Герлаха навсегда вошел в учебники физики как фундаментальная демонстрация квантового мира. А простенькие сигары Отто Штерна стали символом того, что путь к великим открытиям может быть вымощен самыми неожиданными, порой даже «курящимися», кирпичиками.
Как метко заметил Отто Фриш: «Таким образом, сигары Отто Штерна внесли свой вклад — возможно, не самый здоровый, но зато решающий — в историю квантовой механики».
Эксперимент Штерна-Герлаха – это действительно захватывающая история, где гениальная идея, упорство и простая житейская находчивость сошлись в одной точке, чтобы открыть миру фундаментальное свойство нашей квантовой реальности.
Так, что как ни крути, сигары — двигатель прогресса!
По материалам статьи Майкла Мэрфи «Запутанные наблюдатели?» (2022)
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21624887.2022.2099207
_600x300_4dd.jpg)
