RSS Feed

Misterele comportării cuantice – experimentul Stern-Gerlach

vezi toate articolele de
14 Aug 2011 la 10:20 24 comentarii 1085 vizualizari.

Voi prezenta încă un experiment, pe lângă cel cu două fante prezentat mai demult, care nu poate fi interpretat clasic, necesar fiind apelul la o descriere cuantică. Este vorba de experimentul Stern-Gerlach de determinare a unei mărimi clasice (de corpuscul), momentul cinetic unghiular propriu, așa-numitul spin al electronului. Mărimile care nu pot fi determinate simultan în acest caz sunt proiecțiile spinului pe oricare două axe de coordonate. Dacă de exemplu se măsoară proiecția spinului pe axa Z, nu se mai poate cunoaște proiecția lui pe axa X. Cu alte cuvinte, prin măsurarea spinului pe axa Z electronul devine particulă, în timp ce de-a lungul axei X acesta rămâne undă.

In Experimentul Stern-Gerlach spinul electronului nepereche din atomul de argint este cel care stabilește și spinul atomului ca întreg. De aceea, s-a folosit un fascicul de atomi de argint (vezi Fig.1), care trecut printr-un câmp magnetic neuniform pe direcția Z, este deviat datorită momentului magnetic (un mic magnet bipolar N-S) al atomului, asociat spinului acestuia. Rezultatul arată prezența doar a două valori ale spinului pe direcția Z. Deci, electronul prezintă două valori cuantificate ale acestei proiecții a spinului pe axa Z. Dacă electronul ar fi fost o particulă clasică, atunci ar fi avut orice orientare posibila a spinului, iar cele două limite de incidență pe detector ar fi fost acoperite continuu de toate valorile posibile ale proiecției pe axa Z. In realitate însă s-a văzut ca particulele sunt deviate fie în sus fie în jos, o altă posibilitate fiind exclusă. Acest lucru indică existența unei cuantificări a orientării spinului, pe doar două direcții posibile.

Fig. 1. Experimentul Stern-Gerlach. Deviația atomilor de argint în câmp magnetic neuniform indică prezența a doar două valori posibile ale spinului lor pe direcția verticală (Z) „up” ­ și „down”.

O prezentare schematică a acestui Experiment este arătată în Fig. 2 de mai jos

(după http://phet.colorado.edu/sims/stern-gerlach/stern-gerlach_en.html).

La producerea unui fascicul de atomi de argint din sursă avem o suprapunere de stări cu toate orientările posibile (nedeterminate) ale spinului. Insă, IN URMA MĂSURĂRII spinului de-a lungul axei Z (vezi Fig. 2) starea inițială COLAPSEAZĂ într-o stare bine determinată cu două componente compatibile, având spinul „up” ­ în 50% din cazuri și spinul „down” în celelalte 50% din cazuri.

Fig. 2. Măsurarea spinului atomilor de Ag pe direcția Z („up” ­ și „down”)

De aceea, o măsurare ulterioară a spinului de-a lungul axei Z, cu un al doilea analizor Stern-Gerlach, de exemplu pentru fasciculul cu spin „up” ­ (vezi Fig. 3), nu aduce o nouă modificare (colapsare) a stării de spin. Avem compatibilitate între starea măsurată și mărimea măsurată aleasă de analizor. Probabilitatea de a obține la ieșire aceeași stare „up” ­ este 100%, iar probabilitatea de a obține starea „down” este 0%.

Fig. 3. Reluarea măsurării fasciculului de atomi de Ag cu polarizarea după Z „up” ­ nu produce nici o modificare suplimentară a stării de spin a acestora

Pentru a studia compatibilitatea dintre starea supusă măsurării și mărimea fizică măsurată, alegem de data asta proiecția spinului după o altă axă, de exemplu X. Pentru aceasta luăm un al doilea analizor Stern-Gerlach plasat la 90o față de primul, pe direcția X.

In acest caz, proiecția pe direcția X a stării de la intrare este complet nedeterminată. De aceea procesul de măsurare va conduce la separarea în alte două componente (fiind vorba de spin semiîntreg) posibile. Astfel la ieșirea din al doilea analizor obținem starea cu proiecția de spin „right” cu probabilitate de 50%, iar cea cu proiecția „left” cu celelalte 50% (vezi Fig. 4).

Să adăugăm acum un nou analizor la ieșirea „right” a analizorului precedent după X, pentru reluarea măsurării pe Z a proiecției de spin și să vedem ce obținem (vezi Fig. 4). O interpretare clasică ne-ar spune că, după ce primul analizor a separat stările cu proiecția „up” ­ pe Z, iar al doilea a separat din acestea pe cele cu proiecția „right” pe X, o nouă măsurare cu un al treilea analizor după Z ar trebui să nu modifice proiecția stărilor „up” ­, deoarece ar avea deja spinul aliniat pe Z, la fel ca în cazul din Fig.3. Adică la ieșire să obținem cu probabilitate 100% stările „up” ­, iar cu probabilitate 0% stările „down”. Dar surpriză, rezultatele experimentale au probabilitățile din Fig.4, adică doar 50% din ele mai au componenta spinului „up” ­, celelalte 50% și-au modificat orientarea după Z în urma măsurării spinului pe direcția X.

Fig. 4. Separarea inițială a atomilor de Ag cu spinul pe direcția Z „up” ­, apoi măsurarea spinului pe direcția X cu rezultatul atât „right” ® cât și „left” ¬ și în final reluarea măsurării pe direcția Z cu rezultatul „up” ­ și „down” ¯. Acesta rezultat din urmă pare de neînțeles deoarece de la început s-au separat cazurile „up” ­ pe direcția Z, atunci de unde au mai apărut cele „down”?

Acest rezultat demonstrează faptul că procesul de măsurare în mecanica cuantică perturbă starea măsurată. Analizorul doi perturbă starea „up” ­ obținută după prima măsurare, ducând la COLAPSAREA acesteia în două stări orientate opus după direcția X, astfel că măsurarea după Z „up” ­, efectuată de al treilea analizor, nu mai are o valoare unică, chiar dacă aceasta a fost măsurată o dată de primul analizor. Este vorba de o altă stare de spin.

In concluzie, observabilele corespunzătoare proiecțiilor de spin după Z și X nu sunt compatibile. In mecanica cuantică acestea sunt descrise prin operatori care nu comută. Ca urmare, nu este posibilă cunoașterea simultană a valorilor acestor componente de spin, și deci nici a direcției vectorului de spin total.

Surpriza este totală dacă luăm și ieșirea „left a analizorului după X și o introducem împreună cu „right” la intrarea în analizorul final după Z (vezi Fig. 5). La ieșirea Z dispar cu totul stările cu spin „down” din cazul anterior prezentat în Fig. 4, toți spinii având acum la ieșire orientarea Z „up” ­. Rezultatul arată că prin suprapunerea stărilor de spin „left” și „right” de la ieșirea analizorului după X, s-au evitat perturbațiile produse de acest analizor. Am obținut același rezultat ca în cazul din Fig. 3.

Fig. 5. Prin transferul integral al stărilor de spin după analizorul pe X se elimină perturbația stărilor produse de acest analizor.

Teoria clasică nu poate explica aceste rezultate. Explicația cuantică se bazează pe interpretarea ondulatorie a propagării atomilor din experimentul Stern-Gerlach. Fenomenul este echivalent cu cel care formează maxime și minime de interferență din cazul experimentului cu două fante. La ieșirea Z „up” ­ din ultimul caz Fig. 5, avem un maxim de interferență, iar la ieșirea Z „down” un minim de interferență.

Post to Twitter Post to Delicious Post to Facebook Post to StumbleUpon

 


24 comments
  • 1

    Multumesc frumos, va rog sa continuati sa scrieti si sa publicati.

    câmp obligatoriu
    2011-08-14 11:22:49 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 2

    Cu menţiunea că nu e neapărat să existe nicio aşa-numită “COLAPSARE” doar pentru că noi devenim decoerenţi cu toate rezultatele posibile mai puţin unul (pe care îl observăm). :)

    Se poate ca toate rezultatele posibile ale fiecărei măsurări să se realizeze la fel de real şi fizic ca rezultatul observat de noi, doar că nouă ne vor rămâne inaccesibile celelalte şi vor fi observate de alte versiuni ale noastre, care se nasc/separă şi ele în momentul măsurării. În acest caz nu “COLAPSEAZĂ” nimic.

    donjoe
    2011-08-14 13:49:05 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 3

    NU MAI CAUTATI SA EXPLICATI MATERIA PRIN EA INSASI…SI NICI SPIRITUL PRIN MINTE, FOLOSIND INTELECTUL…PUTETI SA VA FAURITI O VIATA MAI BUNA, DAR NU DEZLEGA INTIMITATEA EI

    VIBRATIA
    2011-08-14 17:12:19 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 4

    @VIBRATIA: somn usor papi, o sa intelegi cind te faci mare

    sarpele boa
    2011-08-14 19:29:09 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 5

    Acolo unde stiinta se termina, incepe Dumnezeu. Adevarul suprem nu poate fi exprimat prin mijloace umane. Omul este prizonierul celor 5 simturi iar aparatura stiintifica este doar o extensie a simturilor, stiinta actuala nu este utila pentru a ne relata adevarata realitate.

  • 6

    Teoria chibritului. Hai sa-ti fac un rezumat: jumate aleg dreapta si jumate stinga. Odata facuta alegerea aia, nu se mai schimba: poti doar in sus sau in jos. Numai dupa ce ai ales sus sau jos poti sa o cotesti iar intr-o parte sau alta. Mare brinza: la un moment dat ai numai optiunile unei axe: de data asta ai de ales numai intre stinga-dreapta , dupa ce ai lamurit-o pe asta si intri intr-un container urmatoarea alegere este: sus sau jos. Teoria chibritului.

    polonick
    2011-08-15 12:16:46 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 7

    @polonick:

    Exact. Pe asemenea alegeri posibile se realizeaza si computerele cuantice.
    Daca ai inteles asta vei putea trece si la particule cu spin intreg (nu semiintreg ca aici). Acolo fiecare iesire va avea trei posibilitati. La spini 3/2 vor fi 4 posibilitati s.a.m.d.

    Despre ele intr-un viitor articol.

    Mircea Pentia
    2011-08-15 14:00:37 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 8

    M-ar interesa asemanarile (sau neasemanarile) dintre experimentul asta si … lumina dupa polarizare !

    Poate fi “polarizat” si un “jet electronic” …sau pot face asta doar fotonii ?

    Cum ar fi experimentul asta in cazul “jetului electronic” ….polarizat ???

    PS: Cer doar niste lamuriri de la cunoscatori ….sunt pur si simplu curios !

    Polarizarea unduala mi se pare ca are niste implicatii …..nu indeajuns ….intelese !

    ;)

    IQarus
    2011-08-15 18:16:16 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 9

    Ma refer la SPEELS ca prin reflexie stiu ca electronii nu “polarizeaza” …

    Ceva inca nu-i explicabil cuantic ….aici ! Pare-se !
    :D

    IQarus
    2011-08-15 18:23:24 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 10

    @IQarus:

    Se poate face acelasi tip de experiment si cu lumina polarizata, dar aici alegerea directiei de polarizare nu se face folosind gradientul unui camp magnetic.
    Interesante sunt experiment, oarecum similare cu cele prezentate in articol, de entanglement cu fotoni polarizati obtinuti cu ajutorul unui laser.

    Experimentele cu jeturi de electroni sunt identice cu cele prezentate in Experimentul Stern-Gerlach.

    Mircea Pentia
    2011-08-15 18:27:37 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 11

    Multumesc !

    Ma interesa chestia deoarece in … dezintegrarea beta….emisiunile-s polarizate (distrug simetria !) …..si explicatia uzuala e un bozon VIRTUAL ….

    PS: Exista (W-Bozonul) ala (zis virtual!) real (cauzal pare ca DA!) ….sau e doar un “artificu matematic ” ???

    :)

    Unii cred ca PARTICULELE VIRTUALE ….CHIAR nu exista real …..alti cred ca exista … INTERMITENT … TEMPORAR !

    Unde-s ele cand ….”NU-S REALE ” …(retoric-teoretic-ipotetica intrebarea/raspunsul !)… :P

    IQarus
    2011-08-15 18:53:36 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 12

    Scientific research will never succeed in providing a full
    answer to what is called the riddles of the universe. It can never
    show how out of an inconceivable nothing emerged all that is
    and how one day all that exists may again disappear and the
    “nothing” alone will remain.

    ludwig van mises

    PS: …..”one day all that exists may again disappear and the
    “nothing” alone will remain.”

    IQarus
    2011-08-15 20:08:04 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 13

    dl. Pentia, toata stima pentru publicatiile dvs. pe acest site

    yabaduba
    2011-08-16 07:34:17 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 14

    @IQarus:

    Sa incerc sa iti raspund:

    “Exista (W-Bozonul) ala (zis virtual!) real (cauzal pare ca DA!) ….sau e doar un “artificu matematic ” ???”
    ………………..

    RASPUNS:
    Bosonul W exista, atat in stare virtuala cat si in stare reala. In dezintegrarea beta el este in stare virtuala, se produce si se dezintegreaza imediat, local. Din dezintegrarea lui rezulta particula beta (electronul) si un antineutrin. De aceea bosonul W nu poate ajunge la distanta mare (fata de distanta parcursa de la producere la dezintegrare) ca sa fie detectat.

    INTREBARE:
    “Unii cred ca PARTICULELE VIRTUALE ….CHIAR nu exista real …..alti cred ca exista … INTERMITENT … TEMPORAR !”

    RASPUNS:
    Particulele virtuale se produc local, prin fluctuatia vacuumului fizic, care face ca pe perioade scurte de timp Delta T, o fluctuatie de energie Delta E sa poata crea o particula, care mai apoi sa se dezintegreze tot asa de repede cum s-a creat. Daca energia, din fluctuatiile vacuumului, prin care se creaza si apoi se anihileaza particulele virtuale, este compensata printr-un aport energetic extern, particulele respective nu dispar, ele sunt extrase la distante mari unde pot fi detectate. In acest fel si bosonul W a fost observat si masurat, ca particula REALA.
    Deci, particulele virtuale EXISTA, dar nu sunt observate decat in anumite conditii, cum am aratat mai sus.

    Mircea Pentia
    2011-08-16 09:42:23 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 15

    @yabaduba:

    Asemenea remarci si multumiri ma motiveaza sa incerc si sa gasesc timpul necesar pentru a mai scrie cate ceva, care consider ca ar putea fi interesant din domeniul meu de activitate.

    Multumesc mult.

    Mircea Pentia
    2011-08-16 09:49:59 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 16

    @polonick:

    Zici:
    “Teoria chibritului. Hai sa-ti fac un rezumat: jumate aleg dreapta si jumate stinga. Odata facuta alegerea aia, nu se mai schimba: poti doar in sus sau in jos”

    RASPUNS:
    Ia incearca sa refaci experimentul Stern-Gerlach (de la adresa amintita in articol, phet.colorado.e../, si sa schimbi unghiul pt. al doilea analizor, sa pui de exemplu 45 grade in loc de 90 grade si apoi sa masori probabilitatile la iesire. Sa vezi ca nu mai obtii 50% / 50%. Oare chiar e teoria chibritului ?

    La fel te poti juca cu primul sau al treilea analizor, ba chiar cu sursa de atomi de argint, unde poti selecta emisie polarizata sau nu.

    Mircea Pentia
    2011-08-16 10:02:07 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 17

    Repet link-ul

    phet.colorado.e../

    Mircea Pentia
    2011-08-16 11:38:07 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 18

    “Particulele virtuale se produc local, prin fluctuatia vacuumului fizic …..”

    Deci particolele virtuale sunt virtuale atunci cand sunt ne-detectabile si reale ….cand sunt ….OBSERVATE !

    Cand nu-s observate ele sunt in ….VACUUM-ul (fizic care-i diferit de cel filozofic)…..adica ele sunt intr-un haos ….IMPERCEPTIBIL (de aceea virtual…adica acolo insa ne-perceptibil).

    INTREB…daca ceva exista-n fata mea adica e perceptibil ….acel ceva devine …VIRTUAL daca ma intorc cu spatele (adica nu-l mai percep) ?

    La fel ….quarcii…..’s VIRTUALI ?…….
    Dar ….INGERII ?
    Si inca ceva …. nu-i asa ca fizica teoretica e ceva ….artificial construit formal la ….masuratori (=interactiuni fenomenale perceptibile intre “obiecte” materiale).

    E exclus ca aceasta FIZICA teoretica sa fie prin interepretarile ei simplificatorii …intr-o FUNDATURA precum era … astronomia ptolemeica !

    Sau mai simplu …..e TEORIA actuala ….OPTIMALA in sensul ca e ca si chimia dupa MENDELEEV raportata la stufoasa colectie de observatii de dinaintea lui !

    Ajunge logica formal-liniara ….pentru expicarea …”acauzalitati” VACUUM-ului cuantic …?(=poate fi ceva complex redus “fara pierdderi” la ceva simplu …ex. un pentagon la un patrat)

    Apreciez ce scrii ! Si DA stiinta nu e DOPGMA desii mereu RATIONALA …..mereu dependenta de un sistem EXPLICATIV in evolutie…. Multi scientisti uita asta …..insa desigur nu aia …..buni !
    :*

    IQarus
    2011-08-16 19:58:14 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 19

    dl. Pentia, acum cateva zile, pornind strict de la articolul dvs., am petrecut aproape jumatate de zi sa-mi umplu lacunele de mecanica cuantica. de aici am mers la experimentul precedent, cu electornul-unda si influenta observabilului. de la superbul film de animatie de pe youtube am ajuns la altele, la Michio Kaku sau la rastalmaciri mai mult sau mai putin fortate ale bisericii. am cautat pe net mai multe detalii sau rezumate despre anti-materie si alte descoperiri uimitoare din acest domeniu

    va spun toate acestea fiindca mie personal pot spune ca mi-ati afectat pozitiv viata. si sper ca si altii sa devina curiosi. intr-o vreme in care gasim pe net mai mult certuri interminabile intre ziaristi si politicieni, postari ca cele ale dvs. ne reamintesc ca esentialul e in alta parte. si da, va lasasem acel comentariu succint ca stiu cum e cand te intrebi daca merita sau nu efortul, daca citeste sau nu cineva. merita, continuati deci, eu unul va multumesc din nou

    ps: cunoasteti cumva, pe net, o descriere cat mai succinta si-a altor fenomene de-acestea uimitoare? ca entanglement, materia ca wave, influenta instrumentului?

    yabaduba
    2011-08-17 02:05:45 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 20

    sau iata, daca-mi permiteti, aceasta ar fi o sugestie pentru un alt posibil articol al dvs. : un rezumat, succint, tabelar chiar, cu fenomenele cele mai interesante semnalate pana azi in fizica cuantica, pentru neofiti

    yabaduba
    2011-08-17 02:09:55 | Raporteaza
    RăspundeRăspunde
  • 21

    Felicitari, domnule Pentia, pentru inca un articol excelent de popularizarea stiintei in general si a bazelor mecanicii cuantice in particular.

  • 22

    …A Friend recommended your blog…

    [...]Wow, amazing blog layout! How long have you been blogging for?[...]…

  • 23

    Good post. I learn something new and challenging on blogs I stumbleupon on a daily basis. It will always be helpful to read through articles from other authors and practice a little something from other websites.

  • 24

    I’d should check with you here. Which is not something I often do! I take pleasure in reading a submit that will make individuals think. Additionally, thanks for allowing me to comment!

Comentează


Pont: poti sa adaugi la comentariu fotografia ta sau o imagine care te reprezinta.
Nu trebuie decat sa introduci o adresa de e-mail valida aici si sa urmezi cativa pasi simpli.
Un film explicativ e disponibil aici


ATENTIE: Comentariul dumneavoastra poate aparea cu intarziere din cauza sistemului de cache.

RSS Postari pagina personala
cercetator stiintific la Institutul de Fizica si Inginerie Nucleara din Bucuresti – Magurele si cercetator asociat la CERN (Centrul European de Cercetari Nucleare – Geneva).
» citeste biografia

Cele mai comentate

Nu exista posturi pentru interogarea facuta!

Nu exista posturi pentru interogarea facuta!

Cele mai vizualizate

Nu exista posturi pentru interogarea facuta!

Nu exista posturi pentru interogarea facuta!


Ce fac prietenii tăi pe Voxpublica

Ultimele comentarii

alex mazilu Andrei Plesu antonescu aur Becali blaga blog Blogviu interviu Boc Bucuresti calatorie candidatura catalin voicu cercetare cianura cluj concert crin criza CTP Curtea Constitutionala demisie Dinu Patriciu EBA economie Elena Basescu experiment Facebook FMI fotbal humanitas Iliescu instantanee intelectuali internet Istodor Johannis kelemen hunor Liiceanu manipulare Media Mihai Goţiu motiune Năstase obama o fraza o poza ortodoxie parlament Parlamentul European pd-l PE Plesu Polirom presedintie protest radu duda Realitatea TV reforma riscograma romani romania rosia Roşia Montana salarii securitate Senat sindicate sondaj sorin oprescu steaua SUA Tariceanu tiff TRU TV UBB uichendist.ro Vanghelie Vasile Blaga

© 2009 VoxPublica.ro, o marca F5 Realitatea-Catavencu. Toate drepturile rezervate.

Strategy & Technology: PUBLYO
Marketing & Sales: Q2M
Comandati acum o campanie publicitara pe acest site!