Kuantum Kuramının Geliştirilmesinde Büyük Rol Oynayan Stern Gerlach Deneyi

Alman fizikçi Otto Stern ve Walther Gerlach tarafından 1922'de gerçekleştirilen bu deney, kuantum mekaniğinin temel noktalarını açığa çıkarması açısından önemli sayılıyor. Detaylarına bir bakalım.
Kuantum Kuramının Geliştirilmesinde Büyük Rol Oynayan Stern Gerlach Deneyi

Kısa bir tanım

stern gerlach deneyi, 1920 yılında otto stern ve walter gerlach tarafından frankfurt üniversitesi'nde yapılan ve ölçüm yapmanın objeni özellikleri üzerinde herhangi bir etkiye sahip olmadığını savunan tezin çürümesine neden olan deney.

Deneyin yapılışı ve sonucun ortaya çıkarılışı

parçacıkların daha önce bilinmeyen bir özelliğini ortaya çıkarmış olan çok çok önemli bir deney. lisansüstü quantum fiziği bu deneyin anlatılmasıyla başlar. deneyin doğru anlaşılması pedagojik olarak quantum mekaniksel düşünebilmek bakımından çok kritiktir.

deneyin amacı atomların açısal momentumlarının kuantize olduğunu ispatlamaktı. açısal momentumun kuantize olması demek bir atomun ancak belli açısal momentum değerlerine sahip olabilmesi demek. kuantum mekaniksel parçacık, kütlesi, hızı ve dönme eksenine uzaklığına bağlı olarak 0-sonsuz aralığındaki her açısal momentum değerini alabilen klasik fiziksel bir parçacıktan bu şekilde ayrılır.

deney düzeneği basitçe şöyle: ısıtılarak hızlandırılan gümüş atomları yamuk yumuk iki mıknatıs arasından oluşturulan düzgün olmayan bir manyetik alana salınıyor. deneyin sonucunda manyetik alandan geçen gümüş atomlarının iki zıt yöne doğru yöneldiği gözlemleniyor. ekranda iki ayrı kümelenme beliriyor yani.

önce deneyden beklenenin gerçekleştiği, yani gerçekten de açısal momentumun kuantizasyonunun gözlendiği sanılıyor. oysa gerçekten açısal momentum kuantize olmuş olsa neden sadece iki kesik çizgi olsun? asıl mesele gümüş atomlarının simetrisinden ötürü açısal momentumlarının olmayışı. bu yüzden ekranda gözlenen kesikli iki çizgi atomların başka bir etkileşiminden kaynaklanıyor olmalı. işte bu yeni ve daha önce hiç bilinmeyen etkileşime spin adı veriliyor.


spin quantum mekaniksel parçacıkların bir tür manyetik alanla etkileşimi. örneğin elektron parçacığı manyetik alanla iki şekilde etkileşebiliyor. bu iki çeşit etkileşim "spin-up" ve "spin down" olarak adlandırılmış. parçacığın spini tıpkı sahip olduğu yük gibi içsel bir özelliği ve klasik mekanikte bir karşılığı yok. klasik mekanikteki spin'in kuantum spinle zerre alakası yok.

bu deneyi ilginç kılan bir başka yönü ise manyetik alandan geçen gümüş atomların fizikçilerin içtiği ucuz sigara sayesinde ekranda görülebilmiş olması. bu durumu anlatan çok eğlenceli bir makale var. (bkz: stern and gerlach: how a bad cigar helped reorient atomic physics) şöyle ki, gerlach gümüş atomlarını fırından salıyor ve ekrana bakınca hiç bir iz göremiyor. sonra stern yaklaşıyor ekrana yakından bakıyor, ve fark ediyor ki ekranda iki küçük çizgi belirmiş. anlıyor ki, içtiği ucuz puroda bolca bulunan sülfür, stern'in ekrana doğru soluması ile ekranda olmasına rağmen seçilemeyen gümüş atomları ile reaksiyona girerek gümüş sülfat oluşturuyor. gümüş sülfatın rengi çok koyu olduğu için bir anda ekranda belirginleşiyor. böylece bu yüzyılın en önemli deneylerinden biri gerçekleşmiş oluyor.

kaynak

Otto Stern, Lise Meitner ve Walther Gerlach


Deneyin detayları ve bilim dünyasına etkisi

gümüş atomlarının orbital momentumunun kuantize olduğunu kanıtlamak için yapılmış bir deney olmasına karşın bilim dünyasındaki en büyük etkisi compatible/incompatible observable'lar (türkçesini bilmiyorum) üzerinedir.

deneyde gümüş atomları ısıtılarak z eksenindeki bir manyetik alandan geçecek şekilde bir ekrana çarpmaktadır. bu atomlar manyetik alanın etkisinde açısal momentumlarının yönüne ve büyüklüğüne göre bir sapmayla ekrana çarparlar. eğer orbital momentum kuantize değilse ekranda düz bir çizgi oluşması beklenir. fakat deneyde düz çizgi değil de aynı parlaklıkta iki farklı küme oluşur, bu da açısal momentumun kuantize olduğunu gösterir.

deneyin bir üst aşamasında sadece üst tarafa çarpan gümüş atomları y eksenindeki ikinci bir manyetik alandan geçirilir. bu deneyin sonunda da solda ve sağda iki küme oluşur. iki kümenin parlaklığı da aynıdır.

deneyin üçüncü aşamasında bir önceki aşamada sadece sol tarafa çarpan gümüş atomları tekrar z ekseninde bir manyetik alandan geçirilir. bu atomların tamamı deneyin ilk aşamasında üst tarafa, ikinci aşamasında ise sol tarafa sapmış atomlardır. bu yüzden tekrar z eksenindeki manyetik alanda hepsinin üste sapması beklenir. ama sonuç beklendiği gibi çıkmaz, tıpkı ilk aşamadaki gibi iki küme oluşur ve bu kümelerin parlaklıkları aynıdır.


nasıl oldu da z ekseninde hiç kuvvet uygulamadığımız halde z ekseninde tamamı üste sapan atomların yarısı üçüncü aşamada aşağıya sapıyorlar? tabii akla gelecek ilk şey decoherence olur. aradaki mesafe çok uzak olduğu için bu atomlar rastgele etkilerden dolayı yönleri tekrar rasgele bir hale gelir ve üçüncü aşamada eşit iki gruba ayrılırlar.

fakat bunun deneyi de çok kolaydır, ilk aşamada z ekseninde üst tarafa sapan atomlar ikinci aşamada tekrar z ekseninde bir manyetik alana tabii tutulurlar. sonuç şaşırtıcıdır, zira bütün atomlar yine üst tarafa sapar. sonra tekrar z ekseninde manyetik alan uygulanır ve yine hepsi üst tarafa sapar. mesafe ne kadar uzatılırsa uzatılsın, atomların ezici çoğunluğu üst tarafa sapar. yani aradaki mesafe decoherence'a yol açabilecek kadar uzun değildir.

yani ölçümleri hep z ekseninde yaparsak ilk aşamada yukarı sapan atomların hepsi sonraki aşamalarda da yukarı sapıyor, fakat arada y ekseninde ölçüm yaptıktan sonraki z ekseninde bir ölçüm yapılırsa atomlar iki eşit gruba ayrılıyor. yani y ekseninde yapılan ölçüm kendisinden önce z ekseninde yapılan ölçümü yok ediyor. bu da compatible/incompatible observable olayını ortaya çıkartıyor.

compatible observables: arka arkaya gözlemlediğimiz iki özellik birbirinin sonucunu etkilemez. mesela l_x ve l^2.

incompatible observables: arka arkaya iki farklı özelliği gözlemlerken son gözlem ilk gözlemde elde edilen sonucu etkiler.

bir nevi stern gerlach deneyi de heisenberg belirsizlik ilkesi'nin ilk deneylerinden birisi sayılabilir.

Belirsizlik İlkesi'ni Çürütmek Amacıyla Yapılıp Kuantum Fiziğine Katkıda Bulunan Deney: EPR