1921-22 yıllarında otto stern ve walther gerlach tarafından yapılan bu deney, o sırada zaten kabul gören kuantize enerji seviyelerini desteklemesinin dışında ölçüm postülesi ve heisenberg belirsizlik ilkesi'nin de gelişmesine büyük rol oynamıştır.

ama nedense popüler fizik kitaplarında pek yer bulmaz, kuantum mekaniği'ni daha profesyonel olarak çalışmamış kişilerce pek bilinmez.

deneyin özeti

bir fırından enerjik gümüş atomları fırlatılıyor. gümüş'ün elektron dağılımı 4d105s1 şeklinde. 4d10 kısmı açısal momentum açısından tam dengeliyken 5s1'deki tek elektron dönme yönüne göre +1/2 ya da -1/2 açısal momentum değerlerine sahip olabilir. yani gümüşün toplam açısal momentumunu sadece valence elektronu belirliyor. bu yüzden de bu atomlar bir manyetik alanla karşılaşınca sadece 5s1 elektronuna göre sapıyorlar.

deneyde gümüş atomlarının fırlatma yönünü y ekseninde, sağı x+, solu x-, yukarıyı z+, aşağıyı da z- olarak kabul edin.

deneyin ilk aşamasında x ekseninde uygulanan bir manyetik alanla saptırılan gümüş atomları sağda ve solda iki büyük ve eşit küme oluşturuyor.

deneyin ikinci aşamasında gümüş atomları önce z yönünde saptırılıyor. yukarıdaki grup tekrar z yönünde saptırılıyor. yukarıda çok büyük bir küme ve aşağıda bir kaç atomun izi oluşuyor.

deneyin üçüncü aşamasında bu gümüş atomları önce x yönünde saptırılıyor. sağda kalan gümüş atomları bu sefer z yönünde saptırılıyorlar. son olarak da yukarıda kalan gümüş atomları tekrar x yönünde saptırılıyor. sağda ve solda iki eşit küme oluşuyor.

buradan çıkarmamız gereken sonuçlar neler?

öncelikle spin momentumu kuantize. eğer kuantize olmasaydı, newton mekaniğinden bekleyeceğimiz şey elektronları x ekseni boyunca bir çizgi oluşturmasıydı. büyük kümelerin oluşması spin kuantum sayısının varlığını kanıtlıyor. fakat asıl mevzu bu değil.

ikinci aşamada gördüğümüz üzere z ekseninde yukarıya sapan gümüş atomları, tekrar z ekseninde saptırılınca neredeyse hepsi tekrar yukarı sapıyor. eğer aşağıya sapan atomların sayısı çok olsaydı bu atomlar başka sebeplerle oryantasyonunu kaybetmiş olabilir diyebilirdik. yani iki ölçüm arasında decoherence için yeterli bir süre geçmemiş oluyor.

ilk iki aşama biraz kontrol aşaması. asıl deney üçüncü aşamada oluyor.

üçüncü aşamada ise x yönünde saptırılan gümüş atomlarının sadece x ekseninde +1/2 spini olanlar önce z sonra da x ekseninde saptırılıyor. buradaki beklenti, x ekseninde -1/2 spini olan atomlar ilk ölçümden sonra engellendikleri için son saptırmadan sonra sadece sağ tarafta tek bir kümenin oluşmasıydı ya da en azından sağdaki kümenin bariz bir şekilde daha büyük olmasıydı. ama böyle olmuyor, sağda ve solda iki büyük küme oluşuyor. ikinci aşamada decoherence'ın etkisini ölçtüğümüz ve oldukça küçük bulduğumuz için de bu olaydan çevresel faktörleri değil, z eksenindeki ölçümü sorumlu tutuyoruz. yani z eksenindeki ikinci ölçüm, kendisinden önceki ilk ölçümün sonucunu tamamen yok ediyor.

bunun en büyük etkisi ölçüm postülesinin gelişmesinde oluyor. bu deneyden üç sene sonra werner heisenberg ve max born değişmeli operatör konseptini geliştiriyor. kuantum mekaniğinde ölçüm, dalga fonksiyonuna uygulanan bir operatördür. değişmeli operatörler sıradan bağımsız olarak aynı sonuçları verir, yani

[a,b]ab - ba

değeri 0 ise önce a'yı ya da b'yi ölçmenizin farkı yoktur. ama bu değer sıfırdan farklıysa, yani operatörler uyumsuzsa, ikinci ölçüm ilk ölçümdeki bilgiyi tamamen ya da kısmen yok edebilir.

bir eksendeki spin açısal momentumunu ölçen s_x, s_y ve s_z operatörleri kendi aralarında uyumsuz olduğu için z eksenindeki ölçüm, x eksenindeki önceki bilgiyi yok ediyor. ama toplam spin açısal momentumu ölçen s^2 operatörü s_x, s_y ve s_z ile uyumlu olduğu için aynı anda hem toplam spin açısal momentumu hem de tek bir yöndeki açısal momentumu ölçmek mümkün.

heisenberg 1927'de dalga fonksiyonununu ölçüm sonrası çökmesinin matematiksel altyapısını ve belirsizlik ilkesini içeren makale yazıyor. böylece stern gerlach deneyi'nin sonuçları tamamen açıklanmış oluyor. belirsizlik ilkesi dediğimiz şey esasen ölçüm postülesinin limitini verir.

kısaca stern gerlach deneyi, klasik mekaniğin felsefesinin temelini oluşturan determinizmi çökerten ilk deneylerden birisidir. bu deneyin sonuçları kuantum mekaniğinin gelişimine doğrudan yön vermiştir.