Experimento de Stern-Gerlach
El experimento de Stern - Gerlach fue el primer indicio claro de que el espín no varía de manera continua, sino que solo puede asumir ciertos valores específicos. Con este resultado quedó al descubierto la naturaleza profundamente no clásica del momento angular en la física cuántica.
En 1922, Otto Stern y Walther Gerlach idearon una prueba decisiva para comprobar una idea que llevaba tiempo rondando en la física: ¿el momento angular de una partícula puede orientarse en cualquier dirección del espacio, o solo en algunas orientaciones bien definidas? El modelo de Bohr - Sommerfeld ya sugería esta última posibilidad, pero hasta entonces nadie lo había puesto a prueba de forma directa.
¿Cómo se desarrolló el experimento?
Los investigadores dirigieron un haz de átomos neutros de plata hacia la abertura entre los polos de un imán especialmente fabricado. Al otro lado colocaron una placa cubierta de hollín capaz de registrar la posición exacta en la que los átomos impactaban.
Si uno se guiara únicamente por la física clásica, cabría esperar que cada átomo se desviara hacia arriba o hacia abajo dependiendo de la orientación de su momento magnético. Como en el haz habría átomos con todas las orientaciones posibles, el resultado debería ser una franja continua sobre el detector.
Ese era el escenario clásico. Y era, de hecho, lo que Stern y Gerlach creían que verían.
La realidad fue mucho más sorprendente. El detector no mostró una franja continua, sino dos manchas limpias y separadas. Nada entre ellas. Ningún término medio.
En otras palabras, los átomos se comportaban como si su momento magnético solo pudiera proyectarse en el eje del campo en dos valores distintos, sin puntos intermedios.
Así fue como se registró el patrón real.
En lenguaje cuántico, la medición forzaba a cada átomo a situarse en uno de dos estados posibles: espín hacia arriba o espín hacia abajo. La superposición de estados quedaba reducida a una única posibilidad en el instante de la detección.
Nota. Esta dinámica recuerda a la dualidad onda - partícula. Un sistema cuántico puede encontrarse en múltiples configuraciones simultáneamente, pero la medición lo obliga a adoptar un único valor propio del observable medido.
¿Qué había detrás de este fenómeno?
Con el tiempo se comprobó que el momento angular orbital no bastaba para explicar la separación observada. Faltaba algo esencial en la descripción del electrón.
Ese giro conceptual llegó cuando Goudsmit y Uhlenbeck propusieron que el electrón posee una forma de momento angular que no corresponde a ningún giro físico en el espacio. Una propiedad enteramente cuántica que recibió el nombre de espín.
El espín es un número cuántico fundamental, tan básico como la carga o la masa. No se puede visualizar como un movimiento mecánico, porque no es una rotación en el sentido clásico. No existe modelo geométrico que capte fielmente su comportamiento.
En resumen, el espín no es algo que la partícula haga, sino algo que la partícula es.
Nota. Las representaciones comunes pueden inducir a error: el espín no es una esfera girando. Las partículas de espín 1/2 lo ejemplifican claramente. Tras una rotación de 360° no regresan a su estado original, sino a su negativo.
Solo una rotación completa de 720° restaura el estado inicial. Nada parecido existe en la física clásica.
En el caso del electrón, el espín vale $ \frac{1}{2} $. Su proyección sobre cualquier eje solo puede asumir dos valores propios:
- espín hacia arriba
- espín hacia abajo
El experimento de Stern - Gerlach fue, por tanto, una demostración directa de esta cuantización.
Su impacto conceptual fue enorme. Ayudó a cimentar la estructura moderna de la mecánica cuántica y a clasificar a las partículas según su espín:
- espín 1/2 en electrones y quarks
- espín 1 en bosones gauge
- espín 0 en el bosón de Higgs
- espín 2 en el hipotético gravitón
El descubrimiento de 1922 dejó claro que el espín está cuantizado y no es continuo. De esta propiedad se derivan distinciones fundamentales como la diferencia entre fermiones y bosones o el principio de exclusión de Pauli.
Los fermiones poseen espín semientero (1/2, 3/2), mientras que los bosones presentan espín entero (0, 1, 2).
Así, un dispositivo que a primera vista parece sencillo terminó revelando una verdad profunda: el mundo cuántico no es continuo, sino granular. Ese fue uno de los pasos decisivos en la construcción de la mecánica cuántica contemporánea.
