ما هي تجربة ستيرن – غيرلاخ؟
تجربة (Stern-Gerlach): وهي تجربة توضح الاتجاه المكاني المقيد للجسيمات الذرية ودون الذرية ذات القطبية المغناطيسية، والتي أجريت في أوائل العشرينات من القرن الماضي بواسطة الفيزيائيين الألمان “أوتو ستيرن” و”والتر جيرلاخ”. في التجربة، تم توجيه شعاع من ذرات الفضة المحايدة عبر مجموعة من الشقوق المحاذية، ثم عبر مجال مغناطيسي غير منتظم “غير متجانس”، وعلى لوح زجاجي بارد.
إن ذرة الفضة المحايدة كهربائياً هي في الواقع مغناطيس ذري: يتسبب دوران إلكترون غير مزدوج في أن يكون للذرة قطب شمالي وجنوبي مثل إبرة بوصلة صغيرة. في مجال مغناطيسي موحد، المغناطيس الذري، أو ثنائي القطب المغناطيسي، يبدأ فقط عندما تتحرك الذرة في المجال المغناطيسي الخارجي.
شرح تجربة ستيرن – غيرلاخ:
في مجال مغناطيسي غير منتظم، القوى الموجودة على القطبين غير متساوية، وذرة الفضة نفسها تنحرف بفعل قوة ناتجة طفيفة، يختلف حجمها واتجاهها بالنسبة لاتجاه ثنائي القطب في المجال غير المنتظم. شعاع من ذرات الفضة المحايدة يتم توجيهه عبر الجهاز في غياب المجال المغناطيسي غير المنتظم ينتج خطاً رفيعاً، على شكل شق، على اللوحة. عندما يتم تطبيق المجال المغناطيسي غير المنتظم، ينقسم الخط الرفيع بالطول إلى أثرين مختلفين، يتوافقان مع اتجاهين متعاكسين فقط في فضاء ذرات الفضة.
إذا تم توجيه ذرات الفضة بشكل عشوائي في الفضاء، فإنّ الأثر الموجود على اللوحة قد يتسع إلى مساحة واسعة، بما يتوافق مع العديد من الانحرافات المختلفة لذرات الفضة. يتجلى هذا الاتجاه المقيد، الذي يُطلق عليه تكميم الفضاء (space quantization)، من خلال الذرات الأخرى والجسيمات دون الذرية التي لها دوران غير صفري “الزخم الزاوي“، مع قطبية مغناطيسية مرتبطة بها، كلما تعرضت لحقل مغناطيسي غير منتظم مناسب.
تطبيقات تجربة – Stern – Gerlach:
يمكن أن تلعب تجربة (Stern – Gerlach) دوراً مهماً في تدريس شكليات ميكانيكا الكم. في سياق فضاء “هيلبرت” ذي الأبعاد المحدودة، يمكن تعلم كيفية إعداد حالة كمية محددة تبدأ من حالة تعسفية، والقضايا المتعلقة بالتطور الزمني لوظيفة الموجة والقياس الكمي.
يمكن أيضًا استخدام تجربة (Stern – Gerlach) لتعليم التمييز بين المساحة المادية حيث يتم إجراء التجربة وفضاء “هيلبرت” حيث تكمن حالة النظام، وكيف يمكن استغلال المعلومات حول حالة النظام في فضاء “هيلبرت” لتفسير النتائج المحتملة للتجربة في الفضاء المادي. يمكن أيضاً تعلم مزايا اختيار الأساس المناسب لعمل تنبؤات حول نتائج التجارب بترتيبات مختلفة لأجهزة (Stern-Gerlach).
يمكن أن يساعد هذا الأخير أيضاً على فهم أنّ مجموعة الأنظمة المعدة بشكل متماثل ليست هي نفسها المزيج. نناقش صعوبات التعلم مع تجربة (Stern-Gerlach) بناءً على الاختبارات الكتابية والمقابلات مع المتعلمين في المرحلة الجامعية والدراسات العليا المتقدمين في دورات ميكانيكا الكم. نناقش أيضاً البيانات الأولية التي تشير إلى أنّ دروس التعلم التفاعلي الكمومية في تجربة (Stern-Gerlach) مفيدة في تحسين فهم الطلاب لهذه المفاهيم.
