#Samuel Goudsmit

[cigarettesandcoffee1904]

Robert & Charlotte.

 

In 1922 a young German woman named Charlotte Riefenstahl started studying natural sciences and mathematics in Georg-August University of Göttingen after two years of teaching in a private school in Lauenförde, Charlotte was a bright young woman often referred to by her peers as the most attractive woman on campus. On the 20th of November 1927 at the age of 28, she obtained her PhD under Gustav Tammann Thesis about the rolling process and recrystallization of silver and gold. The change in electrical resistance in the self-hardening lead-mercury and lead-sodium alloys.

University of Göttingen.

That same year she met Robert, they had met on a student overnight trip to Hamburg standing at a train platform Charlotte noticed a unique beautiful suitcase made of pigskin not the usual cardboard cheap suitcases that you would normally come across, She pointed at the suitcase saying “What a beautiful thing, whose is it?” to which Professor Franck replied “Who else but Oppenheimer’s” he shrugged. Charlotte then got on the train back to Göttingen asking where this Oppenheimer was she then sat down beside him clearly interested to know more about the man with the beautiful suitcase, on the train Robert was sitting down reading a novel by the French author André Gide known for (the counterfeiters) Charlotte aware of the author began to speak to Robert about his work, Robert was impressed this woman knew about the work of André Gide he sat with her talking about the author throughout the train ride back to Göttingen, as they arrived to their destination Charlotte complimented his luggage and expressed how she admired how nice the bag was.

A pigskin suitcase from the 1920s similar to the description of Robert's.

Later, speaking to another student about her encounter with Robert, they predicted that Robert would try to give over this suitcase of his to her as Robert was known for giving away his possessions to anyone who admired them, Robert was very smitten with Riefenstahl he tried to court her the best he could but so did Friedrich Georg “fritz" Houtermans a Dutch-Austrian-German 24 year old, A fellow physics student who had already made a name for himself writing a paper on the energy production of stars, Houtermans was known for his quite self-assured attitude being the son of a Dutch banker and would make cocky comments like “When your ancestors were still living in trees, mine were already forging checks!” both Robert and Friedrich received their doctorates that year in 1927.

Friedrich Georg Houtermans 1927 at the University of Göttingen.

At the end of Robert’s year at Göttingen University Charlotte came to say her goodbyes at his leaving party,  Robert as the student that conversed with Charlotte earlier that year predicted made a point by giving her his pigskin bag which Riefenstahl kept for the next 3 decades calling it “the Oppenheimer”

Max Born (seated) at his home in Göttingen. Paul Dirac is in the front row, second from right. Yoshikatsu Sugiura is sitting to the right of Born on the ground. J. Robert Oppenheimer is third from left. 1927. (Image courtesy of Florida State University Library)

Later when Robert was back in the states he had word that miss Riefenstahl had accepted a teaching post at Vassar College, pleased in September he went to the dockside to meet her she was accompanied by fellow physicists Samuel Goudsmit and George Uhlenbeck and Uhlenbeck's new wife, Samuel recalled “We all got the real Oppenheimer treatment—but it was for Charlottes benefit really. He met us in this great chauffeur-driven limousine, and took us downtown to a hotel he had selected in Greenwich Village.”

George Uhlenbeck, Hendrik Kramers and Samuel Goudsmit. circa 1928 at the University of Michigan.

Robert was infatuated with Charlotte taking her around New York and all different places he had been such as art galleries to taking her on dates to the most expensive restaurants, he even went to the extent of introducing her to his parents showing how committed he was to her however although Charlotte admired his attention and care he gave to her she also felt that Robert was emotionally unavailable, When she asked about his past he would often dismiss any attempts to talk about it, She also felt that the Oppenheimer household was too “overprotective” unfortunately their love affair didn’t last and they drifted apart, Later Charlotte would leave her job at Vassar returning home to Göttingen in 1930 and she would marry Roberts former classmate Friedrich Georg Houtermans in August of 1931 with Wolfgang Pauli a Austrian-born Theoretical physicist and Rudolf Peierls a German-born physicist (A future key player in Tube alloys as well as the Manhattan Project) being witnesses to the ceremony, they later went on to have two children Giovanna and Jan.

 Friedrich, Charlotte and Giovanna in Berlin, 1932.

[samsterham]

When you adhd hyperfocus so goddamn hard that you completely miss a passing tornado and accidentally discover quantum spin

[whats-in-a-sentence]

Weizsäcker makes the following comments on Goudsmit's account:

Goudsmit himself was not present at the discussions we had, which he describes in so lively a fashion, at our place of internment on the evening when we heard that the atom bomb had been dropped on Hiroshima. He can only have based his narrative on the reports of the two English officers who had been put in charge of us . . . but these officers were not physicists and could therefore certainly not have reproduced accurately the conversations to which they listened about the physics of the bomb. Goudsmit's account therefore contains a number of inaccuracies. In particular, we never supposed that the Americans had dropped a pile. I cannot say, of course, whether any one of us may not have mentioned such a possibility, in the course of the debate, concerned as it was with technical matters which were not clear to us at the time. But if so we should certainly have had no trouble in concluding, from our own technical knowledge, that such an interpretation of the newspaper report would be in the highest degree improbable.

Nor is it true that on receipt of the first broadcast we all soothed ourselves with the reflection that the bomb could not have been atomic. Obviously no one who listens to an excited conversation among term people can hear everything that is said. It is true enough, however, that we had such precise knowledge of the difficulties inherent in the production of an atom and considered them so formidable that it had never occurred to us that America would be in a position to produce atom bombs during the war. ... In our own narrow circle we thought it probable that the United States, if they were to apply their whole resources to that end, would make further progress than ourselves towards a solution of the uranium problem, as well as of other questions. But we considered it improbable that American studies would be promoted in this sense during the war. For the fact was that we underestimated the American potential in supposing that even in the States the actual production of an atom bomb could be practically ruled out. We assumed that in view of this state of affairs the American authorities would decide in advance to postpone such an undertaking until after the war. Nor was our assessment of the position, though quantitatively in error, qualitatively far out. For after all it was not until the war with Germany was over that the bomb was actually completed.

"Brighter than a Thousand Suns: A Personal History of the Atomic Scientists" - Robert Jungk, translated by James Cleugh

[tenth-sentence]

Goudsmit had never realized so clearly before as he did in that Strasbourg prison what the war had done to science and scientists and how fundamentally different, in fact quite antagonistic, the rules were which governed scientific life and the practice of warfare.

"Brighter than a Thousand Suns: A Personal History of the Atomic Scientists" - Robert Jungk, translated by James Cleugh

[phoebebarton]

I should not have laughed as hard at this as I did

During the German military administration in occupied France during World War II, a group of German scientists stole all the thorium they could while in occupied France. The Alsos Mission thought they were using the heavy elements for the refinement of uranium to be used in an atomic bomb. However, after Allied agents captured and investigated a German chemical company's representative, it was revealed that the scientists were not seeking to develop an atomic bomb at all; rather, they were attempting to make thorium toothpaste.

According to physicist Samuel Goudsmit in a 1947 issue of Time, the German chemical company's officials had realized that, at the end of the war, they would no longer be able to make money producing wartime equipment such as gas masks or carbons for searchlights, and they decided cosmetic products would be their best option for future sales. One of the company's officials already had a patent for thorium toothpaste (likely unrelated to Doramad) and, influenced by marketing for Pepsodent "irium" toothpaste in the United States, the company sought to gain a monopoly on all the thorium they could find in order to produce as much thorium toothpaste as they could after the war, which led to the company's scientists stealing all of France's thorium. The identity and fate of the chemical company, the fate of the stolen thorium, and whether or not the thorium toothpaste was actually produced after the war is unknown.

[litt-rature]

Jérôme Ferrari, Le Principe

"Vous avez bien raison d'être effrayé, vous avez fait bien davantage que réfuter la causalité, vous avez prononcé, avec la candeur meurtrière de la jeunesse, une sentence de dissolution qui transforme les composants ultimes de la matière en créatures des limbres, plus pâles et transparentes que des fantômes".

"Quelque chose de raffiné et de pourri viciait l'air que vous respiriez, mais vous ne le sentiez pas ; vous conversiez fraternellement avec des hommes de toutes nationalités qui se faisaient de ce qui est essentiel la même idée que vous, vous passiez d'un pays à l'autre, d'une université à l'autre, en Italie, en Angleterre, aux Etats-Unis, comme si la vaste Athènes contemporaine dans laquelle vous viviez avait effacé les frontières".

"Je ne vois pas le Christ en croix saigner dans la fraîcheur des églises qui ouvrent leur bouche d'ombre sur les rues écrasées de soleil."

"Vous vous pensiez encore citoyen d'une Athènes spirituelle."

"Hans Euler vous écrivait depuis la Grèce pour vous parler seulement du ciel bleu, de la mer vineuse et du goût des oranges. Son visage juvénile s'était apaisé sous les boucles de ses cheveux blonds. Il arborait une expression semblable à celle de tous les jeunes gens qui ont, comme lui, atteint la sérénité d'un lieu situé au-delà de leur propre mort."

"Vous voulez vivre parce que vous savez qu'on ne lutte pas contre un monde qui consacre toutes ses forces à célébrer le culte obscène de la mort en lui offrant une mort supplémentaire, fût-elle parfaite, mais en lui opposant l'obstination imparfaite de la vie et vous vivez encore, vous vivez obstinément".

"Ce mouvement ne pèse en aucune façon sur le déroulement des événements, il ne compense aucune horreur, ne sauve aucune vie, mais tant qu'il persiste, la voix étouffée des patries spirituelles ne s'est pas encore tue, l'espoir n'a pas été définitivement transformé en illusion, ni la vérité en poison, et en vous laissant aller à ce mouvement, chauqe nuit que vous passez à écrire, vous êtes déposé dans le sanctuaire d'un îlot minuscule où ne pousse sans doute aucune fleur, au large d'un isthme sur lequel s'est tenu, bien avant vous, entre la parole et le silence, un vieux maître soufi dont nul ne sait rien, si ce n'est qu'il vécut lui aussi en un temps d'assassins et protégea de leur fureur, afin qu'elle pût être transmise en héritage, une vérité fragile, précieuse, vivante, vers laquelle mène le chemin des métaphores, que les assassins ne découvrent jamais parce qu'ils ne comprennent pas les métaphores."

"En mai 1945, Samuel Goudsmit, conseiller scientifique de la mission Alsos, se rend à Heidelberg pour rencontrer Werner Heisenberg, lequel répond à toutes ses questions avec un empressement d'autant plus chaleureux qu'il n'a pas la sensation de subir un interrogatoire, mais de reprendre, après six ans d'interruption malencontreuse, une conversation amicale sous les portiques fleuris d'une Athènes spirituelle qui, bien sûr, n'existe plus."

[sciencespies]

600 cubes of Nazi uranium went missing in the US. These scientists are on the hunt

https://sciencespies.com/humans/600-cubes-of-nazi-uranium-went-missing-in-the-us-these-scientists-are-on-the-hunt/

600 cubes of Nazi uranium went missing in the US. These scientists are on the hunt

On someone’s desk, one of the little gray cubes wouldn’t raise an eyebrow. To the untrained eye, they look like paperweights.

“Marie Curie‘s granddaughter has one. She uses it as a doorstop,” Miriam Hiebert, a historian and materials scientist, told Insider.

The weight of the 2-inch (5 cm) objects might be surprising, though – each is about 5 pounds (2 kg). That’s because they’re made of the heaviest element on Earth: uranium.

The cubes were once part of experimental nuclear reactors the Nazis designed during World War II. As far as researchers know, only 14 cubes remain in the world, out of more than 1,000 used in Nazi Germany’s experiments with nuclear weapons.

Over 600 were captured and brought back to the US in the 40s. But even after that, what happened to most of the cubes is still unclear.

Hiebert and Timothy Koeth, a professor of material science and engineering at the University of Maryland, are writing a book about the cubes. After years of research, they told Insider they think they know what happened.

Miriam Hiebert and Timothy Koeth. (John T. Consoli/UMD)

Small cubes with a long history

Koeth describes the cubes as “the only living relic” of Nazi Germany’s nuclear effort.

“They are the motivation for the entire Manhattan project,” he said.

Leading up to the war, Germany was a world leader in physics, and the science of nuclear energy was in its infancy. In 1938, German chemist Otto Hahn revealed that he’d created fission by blasting neutrons at a uranium core.

Scientists fleeing Europe, including Albert Einstein and Enrico Fermi, alerted the US that Germany could develop an atomic bomb. The arms race was on.

In its natural form, uranium is not very radioactive. So the cubes aren’t very dangerous. But apply a neutron to uranium, specifically the isotope U-235, and it cracks open “like a piñata,” as Koeth put it.

“You smash it open with a neutron, and new elements come out, and also more neutrons,” he said.

To create an explosion, this must happen in a chain reaction: The neutron gets captured by another uranium atom, which splits open, creating more neutrons, and so on. To make that possible, the neutrons need to get slowed down by a substance called a moderator.

The US used graphite for that, and it worked. Scientists with the Manhattan Project created a self-sustaining nuclear chain reaction in December 1942. But the leaders of Nazi Germany’s nuclear program, Werner Heisenberg and Kurt Diebner, picked heavy water as their moderator: water in which the hydrogen atoms are replaced with deuterium. Cubes of uranium would be dipped into the water.

The Nazis developed two prototype reactors, the larger of which had 664 uranium cubes strung from a plate and suspended over a pit of heavy water. The smaller reactor used about 400 cubes.

The “Alsos” mission

The Allied forces didn’t know how far along the Nazi nuclear program was. And they were nervous.

So in 1943, the Allies launched a secret mission – the codename was “Alsos” – to find out. A team of about a dozen people, including soldiers, scientists, and interpreters, traveled through Italy, France, and Germany searching for traces of the Nazis’ nuclear experiments. Then as the war neared its end, the mission’s objective shifted to making sure nuclear material (or scientists) wouldn’t make it into the hands of the Soviets.

In April 1945, Allied forces found and captured about 1.6 tons of uranium cubes in southern Germany. Heisenberg, his team, and the larger of Germany’s two reactors – neither of which ever worked – had previously been hiding there. Nearly all the cubes were sent back to the US. The Alsos mission never found the smaller reactor.

Alsos intelligence officers after locating German uranium cubes, Haigerloch, Germany. (Samuel Goudsmit/AIP Emilio Segrè Visual Archives)

Cubes were picked off the pile

After the cubes arrived in the US, Hiebert said, their trail went cold. The US was highly secretive about its own nuclear program, so there aren’t many public records about the Nazi uranium.

“We currently know of 14, out of almost 1,000 that existed in total,” she said, “so most of them are still unaccounted for.”

But those 14 offer clues about what may have happened to the rest.

Koeth, who has been an avid collector of nuclear objects since his early teens, has two of the 14. Both were given to him by colleagues. The first was a birthday present about a decade ago, but the giver asked to remain anonymous and Koeth won’t reveal how they got the cube.

It came with a handwritten note that read: “Taken from Germany from nuclear reactor Hitler tried to build. Gift of Ninninger.”

The note that accompanied Koeth’s cube. (Timothy Koeth)

Robert D. Nininger, it turns out (his name has just one n), was a geologist for the US Atomic Energy Commission in the 50s. Koeth and Hiebert found documents that show he worked with the Manhattan Project. Geologists with the project had the difficult job of sourcing uranium.

“Just figuring out where to get it from was a huge task,” Hiebert said.

Koeth’s other cube came from a former faculty member at the University of Maryland, who in turn had gotten it from another faculty member, Dick Duffey. During the war, Duffey, a chemical engineer, had worked at a plant in Beverly, Massachusetts, that processed scrap uranium, Koeth said.

Based on these findings and others, Hiebert and Koeth think most of the Nazi cubes that made it to the US were repurposed and used in America’s own nuclear program. But some, they think, got “picked off the pile” and kept as souvenirs.

As for the 400 cubes from the second reactor, Hiebert and Koeth found some documents suggesting they were sold on the black market to what became the USSR.

From a nuclear reactor to counter-proliferation efforts

The Pacific Northwest National Laboratory owns another one of the Nazi cubes but doesn’t have records documenting its history.

So two scientists there, Jon Schwantes and Brittany Robertson, recently figured out a new way to date the cube – and other uranium products – more precisely than was previously possible. To do so, they measured the levels of two atoms, protactinium and thorium, that accumulate over time as uranium decays.

In a presentation last month at the annual meeting of the American Chemical Society, Schwantes and Robertson revealed that when they applied the method to their lab’s cube, the results put it squarely in the expected age range – it dates back to the years Nazi Germany was developing nuclear weapons.

Today, though, the cube has a different function: “The primary purpose it is used for is training,” Schwantes told Insider.

The national laboratory teaches security personnel how to recognize nuclear and radioactive material on sight. So the cube offers a good training example.

“I find that really kind of an interesting storyline for this cube – that it was first produced for somebody’s nuclear program, and now it’s being used for nuclear nonproliferation,” Schwantes said.

This article was originally published by Business Insider.

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#Humans

[whiteterrorists]

As the Allied troops advanced through France in November 1944, three experts in biological weapons huddled, by candlelight, in a grand apartment in Strasbourg, France, guarded by US soldiers. The scientists were poring through documents left behind by Dr. Eugen Haagen, a high-ranking Nazi who specialized in weaponizing deadly viruses. They were looking for evidence of the Third Reich’s progress in atomic and biochemical warfare; what they found were chronicles of devastating carnage. “Of the 100 prisoners you sent me, 18 died in transport,” Haagen wrote in a memo dated Nov. 15, 1943. “Only 12 are in a condition suitable for my experiments. I therefore request that you send me another 100 prisoners, between 20 and 40 years of age, who are healthy and in a physical condition comparable to soldiers. Heil Hitler.” Haagen was once a world-renowned genius who had won a fellowship from the Rockefeller Foundation in New York City, who had been shortlisted for a Nobel Prize, who helped create the first vaccine for yellow fever. Yet here was evidence that he — and could it only have been just one doctor? — had been conducting medical experiments on live humans. Samuel Goudsmit, leader of this investigative unit, made a list. Haagen was at the top, and he added any names referenced or copied on Haagen’s memos, including Dr. Kurt Blome, the Third Reich’s deputy surgeon general, and Walter Schreiber, the surgeon general. These men were now among America’s most wanted — but not in the way one might assume. Within the year, hundreds of the Third Reich’s upper echelon would be relocated to the United States, where they would be given excellent jobs, healthy salaries, and all the benefits of living in a free society. It was a secret program known as Paperclip, and it remains one of the most complicated and controversial epochs in American history. And, still, one of the most classified.

Behind the secret plan to bring Nazi scientists to US

[jaimeariansencespedes]

008 – ELECTRONICA – ELECTRÓN – TEORÍA ATÓMICA ---

En 1914, los experimentos llevados a cabo hasta ese momento por los físicos Ernest Rutherford, Henry Moseley, James Franck y Gustav Hertz ya habían establecido en gran medida la estructura del átomo como un núcleo denso de carga positiva rodeado por electrones de masa reducida. ​

En 1913, el físico danés Niels Bohr postuló que los electrones residían en estados de energía cuantificados; según él, esta energía estaba determinada por el momento angular de las órbitas del electrón alrededor del núcleo.

Los electrones se podían mover entre estos estados - u órbitas - mediante la emisión o absorción de fotones a frecuencias específicas. Por medio de estas órbitas cuantificadas, Bohr explicó las líneas espectrales del átomo de hidrógeno. ​Sin embargo, el modelo de Bohr fallaba en la justificación de las intensidades relativas de las líneas espectrales, y tampoco tuvo éxito para explicar los espectros de átomos más complejos. ​

Los enlaces químicos entre átomos fueron explicados por Gilbert Newton Lewis, quien en 1916 propuso que un enlace covalente entre dos átomos se mantiene por un par de electrones compartidos entre ellos.

Más tarde, en 1923, Walter Heitler y Fritz London dieron una explicación completa sobre la formación de pares de electrones y los enlaces químicos en términos mecánico-cuánticos. ​

En 1919, el químico estadounidense Irving Langmuir amplió el modelo estático del átomo de Lewis y sugirió que todos los electrones eran distribuidos en «capas esféricas sucesivas (casi) concéntricas, todas de grueso idéntico».​

Estas capas se encontraban, según Langmuir, divididas en un número de celdas en las que cada una contenía un par de electrones. Con este modelo, el científico estadounidense fue capaz de explicar cualitativamente las propiedades químicas de todos los elementos de la tabla periódica, que ya se sabía que se parecían entre sí según la ley periódica formulada por Dmitri Mendeléiev. ​

En 1924, el físico austriaco Wolfgang Pauli observó que la posible estructura en capas del átomo se podría explicar con un conjunto de cuatro parámetros que definían cada estado cuántico de energía, siempre que cada estado fuera habitado por no más de un electrón.

El mecanismo físico para explicar el cuarto parámetro - que tenía dos posibles valores diferentes - fue provisto por los físicos holandeses Samuel Goudsmit y George Uhlenbeck.

En 1925, Goudsmit y Uhlenbeck sugirieron que un electrón, adicionalmente al momento angular de su órbita, posee un momento angular intrínseco y un momento dipolar magnético. ​

El momento angular intrínseco se convirtió más tarde en lo que se denominaría como espín, y explicaba la anteriormente misteriosa separación de las líneas espectrales observadas con un espectrómetro de alta precisión. Este fenómeno es conocido como desdoblamiento de estructura fina. ​Revista Energía, Electrónica - jaimeariansen@outlook.com

[ecotone99]

Khoa học đã tìm ra cách đảo ngược thời gian

(Translated)

u/He_Who_Must_Be_Named

"Trước khi chứng kiến bước tiến vĩ đại của nhân loại trong khám phá không gia và thời gian, chúng ta hãy dành ít phút để trò chuyện cùng Tiến sĩ Samay - một trong những nhà khoa học trong đội ngũ thực nghiệm tiến hành thí nghiệm mà ta đang mong đợi. Thưa Tiến sĩ, ngài có thể cho chúng tôi biết cú đảo ngược này được khởi sinh như thế nào không?"

"Hmm.. việc này bắt đầu từ năm 2019, khi các nhà khoa học tìm ra cách đưa một nguyên tử electron độc lập trong phép điện toán lượng tử trở về trạng thái mà nó vừa ở."

"Tôi không hiểu lắm. Thế nào là "trở về", thưa ngài?"

"Hạt electron chuyển động dưới sự tác động của thời gian và cũng có thể tự quay quanh nó. Các nhà khoa học đã tìm ra cách đưa nó trở về với trạng thái nó đã từng ở trong khoảng một phần giây trước đó. Việc đưa nó trở lại trạng thái cũ và giữ nguyên hiện trạng là khởi đầu cho việc đảo ngược thời gian." (Theo hai nhà vật lý người Hà Lan George Unlenbeck và Samuel Goudsmit, hạt electron luôn luôn và mãi mãi có thể quay và tự quay quanh mình nó với một tốc độ không đổi - nguồn: wikipedia).

"Trải qua hàng chục năm nghiên cứu và vô số các thực nghiệm tái hiện lại, chúng tôi đã có thể dự đoán được trạng thái của một hạt electron trong vòng bán kính 300000 dặm trong khoảng thời gian một phần giây. Các thiết bị của chúng tôi có thể mang hạt electron tương ứng trở lại trong trạng thái cũ tại không gian, thời gian xác định, cùng một lúc."

"Nói cách khác, ngài có thể làm tất cả mọi thực thể, bao gồm sinh vật sống hoặc sự vật trở về trạng thái cũ bằng cách đảo ngược trạng thái của hạt electron và giữ nó ở vị trí đó?"

"Yep!" :">

"Việc này có giống như du hành thời gian không?"

"Tôi e là không, thưa cô. Nó chỉ đưa ta trở về trạng thái ngay trước đó một vài giây chứ không thể đưa ta trở về thời kỳ của khủng long bạo chúa hay người tiền sử cả. Có thể, một ngày nào đó chúng ta sẽ làm được. Hy vọng rằng ta sẽ có câu trả lời cho các thắc mắc và khám phá những điều bí ẩn đằng sau thông qua thí nghiệm này."

"Tôi mong điều tốt đẹp nhất sẽ tới. Thời gian sẽ cho ta đáp án thôi, thưa ông."

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"Kính thưa quý bạn và các vị, tiếp theo đây chính là phép màu chúng ta đang mong đợi. Chúng tôi đang theo dõi thu sóng trực tiếp mọi diễn biến đang xảy ra của thực nghiệm này. Có thể nói, Tiến sĩ Samay và đồng đội sẽ đưa ta tới bước tiến mới trong lịch sử khoa học nhân loại.

Họ đang phát tín hiệu, thưa quý vị. Mọi nhân tố tác động tới thí nghiệm đang trong tiến trình theo dõi và tất cả các nguyên tử electron trong bán kính 30000 dặm đã được ước tính để chuẩn bị cho cú đảo lộn. Tiến sĩ Samay và đồng đội giờ chính là nhóm các nhà khoa học tiên phong trong lĩnh vực đảo ngược thời gian chỉ sau một nút ấn."

" - ấn"

" - ấn"

" - ấn"

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" - ấn"

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[unpeudephysique]

Le spin, une propriété purement quantique

L’expérience de Stern et Gerlach

L’expérience de Stern et Gerlach joue un rôle particulier dans l’histoire de la physique quantique. En 1922, Niels Bohr multiplie les conférences et les séminaires pour rallier les scientifiques à sa vision de la matière. Sa théorie semi-classique d’un atome entouré d’électrons en orbite manque cependant de cohérence. Comment expliquer les niveaux d’énergie ainsi que les trois nombres quantiques qu’elle postule ? Pourquoi les électrons ne « tombent » ils pas sur le noyau. C’est à ce moment qu’intervient l’expérience montée par Otto Stern et Walther Gerlach. Elle met en évidence l’existence d’un moment cinétique intrinsèque des particules élémentaires (le spin), un moment cinétique dont les caractéristiques sont inexplicables dans le cadre de la physique classique. Elle montre surtout qu’on ne peut plus se contenter d‘un simple replâtrage de la théorie pour décrire le comportement des électrons au sein des atomes. Il va falloir au contraire revoir de fond en comble les bases de la physique. En ce sens, elle ouvre un immense chantier qui occupera les physiciens les plus brillants de leur génération pendant les dix années qui vont suivre.

L’expérience de Stern et Gerlach consiste à faire passer un faisceau d’atomes d’argent dans un champ magnétique orienté verticalement. Contre toute attente, ce faisceau est séparé en deux demi-faisceaux d’égale intensité déviés de manière symétrique. Or le moment magnétique orbital des atomes d’argent est supposé être nul, le faisceau ne devrait subir aucune déviation. Cette expérience montre au contraire que les atomes d’argent possèdent un moment cinétique intrinsèque en plus de leur moment cinétique orbital. Mais ce n’est pas tout : quelle que soit la direction dans laquelle on cherche à mesurer ce moment (c’est-à-dire quelle que soit l’orientation du champ magnétique transversal appliqué au dispositif), on trouve le même résultat ! Le faisceau est toujours séparé en deux demi-faisceaux d’intensité égale déviés symétriquement. Comme si ce moment cinétique ne pouvait prendre que deux valeurs quelle que soit sa direction et ce quelle que soit sa direction.

Si Wolfgang Pauli avait eu l’intuition qu’il était nécessaire de compléter le modèle de Bohr par un quatrième nombre qui ne peut prendre que deux valeurs différentes, il revient cependant à Samuel Goudsmit et George Uhlenbeck de donner en 1925 la première interprétation « quantique » de cette étrange propriété de l’électron.

Allons plus loin...

Poussons plus loin les investigations et intéressons-nous à un seul des deux demi-faisceaux. Si on lui applique à nouveau le même protocole (un champ magnétique transversal), on pourrait s’attendre à ce que tous les atomes de ce demi-faisceau réagissent de la même façon. Or ce n’est pas le cas. Si le champ appliqué est perpendiculaire au champ qui a servi à séparer en deux parties le faisceau initial, le demi-faisceau auquel on s’intéresse est à nouveau séparé en deux demi-faisceaux d’intensité égale déviés symétriquement. Si le champ fait un angle theta avec le champ initial, même déviation symétrique en deux demi-faisceaux mais cette fois l’intensité des deux demi-faisceaux diffère : elle vaut cos2(theta) pour l’un et sin2(theta) pour l’autre.

Un tel comportement est incompréhensible dans un cadre classique, voire semi-classique. Le spin est une grandeur physique de nature purement quantique. Ces propriétés ne peuvent être décrites qu’au travers du formalisme quantique  (voir le post consacré au formalisme quantique).

Quelle représentation du spin ?

Comme nous venons de le dire, le spin d’une particule ne peut prendre que deux valeurs lorsqu’on le mesure dans une direction donnée :

De prime abord, cette représentation vectorielle du spin dans l’espace euclidien R3 parait tout à fait adaptée. Problème : elle ne répond pas aux critères du formalisme quantique tels que nous les avons décrits. La représentation d’un objet quantique doit se faire dans une base orthogonale constituée à partir des vecteurs propres de l’opérateur correspondant à la propriété que l’on cherche étudier (voir le post sur le formalisme quantique). Les deux vecteurs + S et – S ci-dessus sont incontestablement les vecteurs propres de l’opérateur spin. Ce n’est pas le cas si on se place dans une représentation vectorielle dans R3. Celle-ci ne convient pas.

Reprenons le problème à la base… Comme nous l’avons vu, l’état d’un objet quantique (ici un atome d’argent) est décrit par une fonction d’onde |psi> qui est un vecteur dans un espace vectoriel complexe appelé espace de Hilbert. La dimension de cet espace est déterminée par le nombre d’états indépendants possibles de cet objet. Dans le cas du spin des atomes d’argent de l’expérience de Stern et Gerlach, cet espace est donc un espace complexe de dimension 2.

Appelons Hspin cet espace. Supposons que nous mesurions le spin dans la direction de l’axe Oz. Les deux états de spin possibles |+z> et |-z> forment donc une base de cet espace. Ce qui revient à dire que les deux vecteurs |+z> et |-z> sont deux vecteurs orthogonaux de l’espace Hspin. La correspondance entre la représentation du moment cinétique de l’atome d’argent dans R3 et son vecteur d’état dans Hspin est donnée par le tableau qui suit : 

Mesure du spin dans une autre direction

Supposons maintenant que nous cherchions à mesurer le spin après avoir effectué une rotation du dispositif de mesure d’un angle theta autour de l’axe Oy. Dans l’espace euclidien R3, cette rotation peut être représentée par une matrice réelle de dimension 3x3 que nous appellerons Ry(theta). Quel sera le résultat de la mesure et comment cela se traduit-il dans l’espace des fonctions d’onde de spin Hspin ?

Pas de surprise côté mesure. Comme nous l’avons indiqué plus haut, la mesure du spin ne peut prendre que deux valeurs :

Si par exemple l’angle theta vaut pi/2 (mesure dans la direction de l’axe Ox), le résultat obtenu est parfaitement aléatoire, la probabilité de trouver l’une ou l’autre valeur est identique et égale à 50%. Le cas où l’angle theta est quelconque est plus intéressant. Comme nous l’avons indiqué, la probabilité de trouver l’une ou l’autre valeur en fonction de la mesure préalable dans la direction de l’axe Oz n’est plus égale à 50%. Elle dépend de la valeur de l’angle theta :

Qu’est-ce que ce résultat nous dit au sujet de la fonction d’onde de spin ? Les vecteurs |+Stheta> et |-Stheta> forment une base de l’espace Hspin au même titre que |+z> et |-z> . On peut donc décomposer la fonction d’onde d’une particule quelconque sur ces vecteurs propr

La probabilité de trouver l’une ou l’autre des valeurs est donnée par le carré du coefficient lambda correspondant. Dans le cas qui nous intéresse, on peut donc écrire :

(La seule connaissance de la probabilité ne permet pas de déterminer le signe des coefficients.) On peut exprimer ceci en disant qu’à la rotation Ry(theta) dans R3 correspond un opérateur Ay(theta) agissant sur Hspin défini comme suit :

L’opérateur Ay(theta) a toutes les caractéristiques d’une rotation… mais à y regarder de plus près cette correspondance est très particulière :

la rotation Ry(theta) agit sur l’espace euclidien R3, espace vectoriel à trois dimensions réelles,

l’opérateur Ay(theta) agit sur l’espace Hspin, qui est un espace vectoriel complexe à deux dimensions complexes,

mais surtout Ry(theta) opère une rotation d’angle theta alors que Ay(theta) opère une rotation d’angle theta/2. 

Spineurs et algèbre de Lie

Pour ce qui concerne l’opérateur Ay(theta) on est en terrain connu (voir le post consacré aux espaces vectoriels et aux groupes de Lie). C’est une matrice 2x2 complexe. Elle fait partie d’un groupe appelé SU(2). Le groupe SU(2) est le groupe spécial unitaire des matrices 2x2 à coefficients complexes de déterminant 1 :

ce qui revient à écrire :

SU(2) est un groupe de Lie. Il joue un rôle très important en mécanique quantique car il est associé aux symétries sphériques. A chaque rotation d’un angle theta autour d’un vecteur unitaire u on peut en effet faire correspondre une matrice de SU(2) :

Mais que peut-on dire de l’espace de Hilbert Hspin sur lequel agissent les matrices de SU(2) ? Là, c’est moins évident, il va falloir s’accrocher… L’espace Hspin est un espace spinoriel. La théorie des spineurs a été introduite par le mathématicien français Elie Cartan au début du XXème siècle. Les spineurs ont des propriétés assez déroutantes. (Nous aborderons les rudiments de la théorie des spineurs dans un post séparé.) Un spineur peut être associé à un « plan orienté ». On peut définir un plan orienté à partir de deux vecteurs unitaires orthogonaux : 

et du produit vectoriel de ces deux vecteurs. (L’ordre dans lequel on prend ces deux vecteurs est donc déterminant.) Il est facile de voir que cette définition est tout à fait adaptée au contexte du moment cinétique. La propriété la plus emblématique d’un spineur est qu’une rotation de 360 degrés le transforme en son inverse ! Il faut donc une rotation de 720 degrés pour revenir au spineur d’origine. 

Matrices de Pauli

Revenons au groupe SU(2). L’une des propriétés de SU(2) est la possibilité de générer les matrices de ce groupe à partir de 3 matrices élémentaires. Prenons par exemple le cas de l’opérateur Ay(theta). Un simple développement limité suffit à se convaincre qu’on peut l’écrire sous la forme suivante :

En fait, on peut montrer que toute matrice de SU(2) peut être générée à partir de matrices unitaires sigma :

avec :

Les matrices sigmax, sigmay et sigmaz sont appelées matrices de Pauli, du nom du physicien Wolfgang Pauli qui est le premier à avoir établi une théorie complète du spin dans un cadre non-relativiste. Or, il est facile de voir que les vecteurs propres de ces matrices sigma sont précisément les vecteurs |+x>, |-x>, |+y>, |-y> et |+z> et |-z> correspondant aux opérateurs de mesure de spin dans les directions Ox, Oy et Oz ! 

Les matrices de Pauli constituent donc une base qui permet de construire simplement une observable « spin » dans n’importe quelle direction de l’espace. 

Matrices de Pauli et symétrie de rotation

Dans la présentation qui précède, les matrices de Pauli semblent « sortir du chapeau ». Une présentation plus rigoureuse aurait permis de faire la liaison entre ces matrices et l’application d’un principe très général en physique, établi par la mathématicienne Emmy Noether au début du XXème siècle. Emmy Noether a en effet montré qu’à toute symétrie était associée la conservation d’une grandeur physique (théorème de Noether). C’est ainsi qu’à la symétrie de translation (les lois de la physique sont conservées dans toute translation du référentiel dans l’espace) est associée la conservation de la quantité de mouvement. De la même façon, à la symétrie de rotation dans l’espace (les lois de la physique sont conservées dans toute rotation du référentiel dans l’espace) est associée la conservation du moment cinétique. Or, comme nous l’avons dit plus haut, une rotation dans l’espace peut être représentée par une matrice du groupe SU(2) (que l’on appelle aussi d’ailleurs groupe de symétrie). Rien d’étonnant donc à ce que les opérateurs de mesure du spin puissent être directement déduits des matrices de Pauli puisque celle-ci forment une base à partir de laquelle on peut générer les matrices de ce groupe.

Remarque : Les matrices de Pauli ne commutent pas.  

Ceci signifie qu’il n’est pas possible de connaître simultanément la valeur de spin dans deux directions différentes. 

Pour en savoir plus :

post sur l'équation de Schrödinger 

post sur le formalisme quantique

post sur l’oscillateur harmonique quantique

post sur les espaces vectoriels et les groupes de Lie

post sur les algèbres de Lie

post sur les spineurs

post sur le théorème de Noether

post sur l’équation de Dirac

index

[whats-in-a-sentence]

Shortly after Goudsmit had discovered Weizsäcker's papers dealing with the German atomic project he went for a walk with a major who had been attached to the Alsos group in the capacity of liaison officer with the War Department.

"Brighter than a Thousand Suns: A Personal History of the Atomic Scientists" - Robert Jungk, translated by James Cleugh

[tenth-sentence]

Goudsmit was working on the radar project of the Massachusetts Institute of Technology.

"Brighter than a Thousand Suns: A Personal History of the Atomic Scientists" - Robert Jungk, translated by James Cleugh

[jaimeariansencespedes]

REVOLUCIÓN CIENTÍFICA – CAP: 018 – (223-235) – GRANDES ETAPAS DE LA REVOLUCIÓN DE LA CIENCIA –

223 – Las grandes revoluciones científicas – Son cada uno de los periodos históricos en que se ha producido uno de esos cambios. Cada una de ellas surgió y se concentró especialmente en determinadas disciplinas científicas, aunque también trajeron consecuencias para las demás. ​

224 – Revolución copernicana – Revolución en astronomía y física, desde Nicolás Copérnico (De revolutionibus, siglo XVI) hasta Isaac Newton (finales del siglo XVII; la importancia de Newton en la aceptación del nuevo paradigma y su fijación hace que se suela hablar de él como paradigma newtoniano). 

225 – El filósofo e historiador de la ciencia Alexandre Koyré propuso el término revolución astronómica para este proceso.

226 – En el mismo año (1543) en que Copérnico moría y se publicaba póstumamente su libro, también lo hacía el De humani corporis fabrica de Andrés Vesalio, que revolucionó la anatomía.

227 – Suele hablarse de revolución científica del siglo XVII para referirse al periodo fundamental que supuso el cambio del concepto de ciencia cualitativa, basada en la lógica silogística por la ciencia cuantitativa basada en la lógica experimental.

228 – En ese proceso fue fundamental la renovación del método científico a cargo de personajes como René Descartes, Johannes Kepler, Francis Bacon o Galileo Galilei.

229 – La polémica entre empirismo y racionalismo, deducción y razonamiento inductivo, y otros debates intelectuales, como el debate de los antiguos y los modernos (superación del principio de autoridad propio de la escolástica).

230 – Se completan con lo que a finales del siglo XVII se conoce con el nombre de crisis de la conciencia europea (concepto acuñado por el historiador Paul Hazard) que precede a la Ilustración del siglo XVIII.

231 – Revolución darwiniana – Revolución en biología y ciencias de la Tierra, desde Charles Darwin (El origen de las especies, 1859). También suele denominarse revolución evolucionista. 

232 – Revolución einsteniana – Revolución en física, desde Albert Einstein (artículos de 1905). También suele denominarse revolución relativista. 233 – Revolución indeterminista – No se refiere al indeterminismo filosófico opuesto al determinismo, sino a la indeterminación: la superación de la concepción mecanicista o determinista de la ciencia, sobre todo a partir de las tres famosas construcciones teóricas de los años veinte y treinta del siglo XX debidas a Heisenberg, Schrödinger y Gödel, sobre la indecidibilidad, el principio de incertidumbre, la indiferencia y la imposibilidad de eludir la interferencia del experimentador u observador y sobre el hecho experimentado u observado.

234 – Incluida en ésta, la revolución cuántica se inició en un periodo anterior, a partir de Max Planck (1900, constante de Planck) y Einstein (Un punto de vista heurístico acerca de la creación y transformación de la luz, uno de los famosos artículos de 1905).

235 – Esta revolución cuántica no puede denominarse por un sólo científico, ni siquiera por un único grupo de ellos, equipo o escuela local, dada la gran cantidad que intervino en el complejo proceso que llevó a lo largo del primer tercio del siglo XX hasta la definición de la mecánica cuántica (Pieter Zeeman, Hendrik A. Lorentz, James Franck, Walter Nernst, Henry Moseley, Peter Debye, Arnold Sommerfeld, Arthur Holly Compton, Hendrik Kramers, Wolfgang Pauli, Louis de Broglie, George Uhlenbeck, Samuel Goudsmit, Paul Dirac, John von Neumann, etc.); entre los que Heisemberg, Max Born, David Hilbert, Felix Klein, Pascual Jordan y Niels Bohr desarrollaron la llamada mecánica cuántica matricial y Schrödinger la mecánica cuántica ondulatoria (1926 Cuantización como un problema de valores propios). ​

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