L'expérience de Stern-Gerlach

Comment « voir » le spin

Le spin serait une pure abstraction s'il n'avait pas de conséquence mesurable. L'expérience de Stern-Gerlach (1922) en donne la preuve la plus directe et la plus spectaculaire : elle révèle, à l'œil, la quantification du spin.

Le montage

On envoie un faisceau d'atomes (à l'origine de l'argent) à travers un champ magnétique non uniforme, puis on regarde où ils frappent un écran. Comme chaque atome porte un moment magnétique lié au spin de son électron, le champ le dévie.

       aimant (champ non uniforme)
        _______________
       |    N          |
   ----|-->            |----> ecran
   faisceau            |
   d'atomes            |
       |_______________|
            S

Ce qu'on attendrait classiquement

Si le spin était une grandeur classique (une petite aiguille pouvant pointer dans n'importe quelle direction), les atomes seraient déviés de toutes les manières possibles, selon l'orientation aléatoire de leur aiguille. On obtiendrait une tache continue étalée sur l'écran :

   Prediction classique :          Ecran
                                    |####|   <- une bande continue
                                    |####|      (toutes les deviations)
                                    |####|

Ce qu'on observe

À la place, le faisceau se sépare en deux taches nettes, l'une déviée vers le haut, l'autre vers le bas, avec rien au milieu :

   Observation reelle :            Ecran
                                    | ##      <- spin "up"   (+1/2)
                                    |
                                    |         <- RIEN au milieu
                                    |
                                    | ##      <- spin "down" (-1/2)

Le spin ne peut prendre que deux valeurs : il n'y a pas d'orientation intermédiaire. C'est la quantification du spin, rendue visible. La grandeur ne varie pas continûment ; elle « saute » entre deux valeurs, exactement comme les niveaux d'énergie sautent d'un barreau à l'autre.

Le mystère des mesures successives

Stern-Gerlach recèle une subtilité qui dévoile la nature de la mesure quantique. Prends le faisceau « up » sorti d'un premier appareil, et refais-le passer :

   1) appareil vertical -> on garde SEULEMENT le faisceau "up"

   2) ce faisceau "up" dans un 2e appareil VERTICAL
      -> 100 % "up"   (coherent : il etait deja up)

   3) ce faisceau "up" dans un appareil HORIZONTAL
      -> 50 % "gauche", 50 % "droite"  (il "oublie" son up !)

   4) on reprend la sortie "gauche", on remet un appareil VERTICAL
      -> re-50 % up, 50 % down   (le "up" initial est PERDU !)

Mesurer le spin horizontal détruit l'information sur le spin vertical. On ne peut pas connaître les deux à la fois : c'est une manifestation du principe d'incertitude appliqué au spin. La mesure ne révèle pas une valeur préexistante, elle force le système à en adopter une, effaçant l'autre.

En résumé

L'expérience de Stern-Gerlach envoie des atomes dans un champ magnétique non uniforme : au lieu d'une tache continue (attendue classiquement), le faisceau se scinde en deux taches nettes, prouvant que le spin est quantifié (up ou down, rien entre les deux). Les mesures successives selon des directions différentes montrent en outre que mesurer une composante du spin détruit l'information sur une autre — la mesure crée le résultat plutôt que de le révéler.