Cơ Học Lượng Tử Là Gì ? Giải thích những bí mật của Cơ Học Lượng Tử hiện đại

Được phát triển trong nửa đầu của thế kỷ 20, các kết quả của vật lý lượng tử thường cực kỳ lạ lùng và phản trực giác. Vật cơ học lượng tử là gì, mời quý bạn đọc xem chi tiết về bài viết này.

Cơ học lượng tử là gì ?

Cơ học lượng tử là một ngành nhỏ của vật lý, mô tả hành vi của các hạt như nguyên tử, âm điện tử (electron) và quang tử (photon) và hầu như mọi thứ trong lĩnh vực phân tử và nhỏ hơn phân tử

Cơ học lượng tử được phát triển từ bao giờ ?

Cơ học lượng tử được phát triển qua nhiều thập kỷ, khỏi đầu bằng một loạt các giải thích toán học gây tranh cãi cho các thí nghiệm mà toán học của cơ học cổ điển không thể giải thích, theo trường đại học St. Andrews ở Scotland

Nó bắt đầu vào đầu thế kỷ 20, khoảng cùng thời với việc Albert Einstein xuất bản thuyết tương đối của ông, một cuộc cách mạng tách biệt trong vật lý, dùng để mô tả vận chuyển của sự vật ở tốc độ cao

Tuy nhiên, không giống như thuyết tương đối, nguồn gốc của cơ học lượng tử không thể quy cho một nhà khoa học duy nhất. Đúng hơn là, nhiều nhà khoa học đã đóng góp vào một nền tảng dần dần được chấp nhận và xác minh bằng thực nghiệm giữa những năm 1800 và 1930.

Lưỡng tính sóng-hạt là gì ?

Trong cơ học lượng tử, các hạt đôi khi hiện hữu như làn sóng, và cũng có khi như những hạt

Năm 1924 nhà vật lý học Louis de Broglie đã dùng các phương trình của thuyết tương đối đặc biệt của Einstein để chứng minh rằng các hạt có thể thể hiện các đặc điểm giống như sóng, và các sóng có thể thể hiện các đặc điểm giống như hạt – và nhờ vậy mà mấy năm sau, ông đoạt giải Nobel Vật lý

Cơ học lượng tử mô tả các nguyên tử như thế nào?

Vào các thập niên 1910, nhà vật lý học Đan Mạch Niels Bohr tìm cách dùng cơ học lượng tử để mô tả cấu trúc bên trong của nguyên tử. Tại thời điểm này người ta biết rằng nguyên tử bao gồm một hạt nhân nặng, dày đặc, có tích điện dương, được bao quanh bởi một đám các âm điện tử (electron) nhỏ, nhẹ, có tích điện âm

Bohr đặt các âm điện tử vào quĩ đạo (hình tròn) quanh hạt nhân, giống như các hành tinh trong một hệ mặt trời bé hơn nguyên tử, với điều kiện chúng phải có những khoảng cách quĩ đạo định sẵn

Bằng cách (âm điện tử electron) nhảy từ quĩ đạo này sang quĩ đạo khác, nguyên tử có thể nhận vào hay nhả ra bức xạ ở các trình độ năng lượng nhất định, phản ánh bản chất lượng tử của chúng

Sau đó Heisenberg (ở Đức) và Schrödinger (ở Áo) độc lập dùng tư duy toán học để tạo nên một hình tượng lượng tử đầy đủ hơn cho nguyên tử

Để thay thế cho mẫu nguyên tử của Bohr, hình mẫu Heisenberg-Schrödinger của nguyên tử có hạt nhân, quanh nó mỗi electron là một vùng sóng được định dạng bởi một hàm số sóng (wave function) có một “vùng quĩ đạo” chứ không phải là quĩ đạo đơn giản

Không như những quĩ đạo hình tròn của Bohr, những “vùng quĩ đạo” này có các dạng khác nhau, từ hình cầu cho đến hình quả tạ hai đầu (dumbbell) hay hình cúc họa mi (daisies)

Nghịch lý con mèo của Schrödinger là gì ?

Bohr và các học trò của ông tin rằng cơ học lượng tử cho biết, các hạt không có đặc tính nào nhất định, cho đến khi ta quan sát được chúng

(nth : quan sát, hiểu theo vật lý nhỏ hơn kích cỡ nguyên tử, có nghĩa là phản ứng của một hạt được ghi lại khi chúng tác động với một hạt khác, ví dụ như một quang tử photon, từ phản ứng đó ta có thể tính ra đặc tính của chúng khi bị tác động !)

Schrödinger và Einstein nhân đấy cho rằng cơ học lượng tử vẫn còn là một lý thuyết thiếu sót, bất toàn, vì không thể giải thích thực tại như nó “đang là”.

Để châm biếm, Schrödinger đặt ra giả thuyết nghịch lý “con mèo trong cái hộp” : theo cơ học lượng tử, “con mèo” trong cái hộp luôn ở trạng thái lưỡng cực giữa sống và chết, cho đến khi ta mở cái hộp ra, thì mới xác định được, nó sống hay chết !

Một hiện tượng nữa, Schrödinger và Einstein cho biết, cơ học lượng tử không thể giải thích được : Năm 1935, Einstein cùng 2 nhà vật lý học Boris Podolsky và Nathan Rosen, đã chứng minh rằng 2 hạt có thể được sắp đặt để trạng thái lượng tử của chúng luôn “dính líu”, “thân thương” với nhau; hạt này “biết” về đặc tính của hạt kia … Nghĩa là, hễ chúng ta xác định được đặc tính của hạt này, thì cũng suy ra được đặc tính của hạt kia, hay ngược lại – bất kể khoảng cách giữa 2 hạt là bao nhiêu ! Einstein gọi hiện tượng này là “hành vi quái gở” từ xa, còn Schrödinger thì gọi đó là sự “dính líu” (entanglement)

Chính sự “dính líu” này là một trong những khía cạnh thiết yếu của cơ học lượng tử, và hiện tượng này là nền tảng cho lĩnh vực điện toán lượng tử (quantum computing) mới nổi dậy

Cơ học lượng tử và thuyết tương đối tổng quát không tương hợp với nhau chăng ?

Ở thời điểm hiện tại, các nhà vật lý học thiếu một thuyết tổng quát để giải thích đầy đủ mọi hiện tượng từ các hạt được quan sát thấy,.. đến các lực trong vũ trụ

Thuyết tương đối của Einstein mô tả những thứ lớn và đồ sộ, trong khi đó cơ học lượng tử mô tả những điều nhỏ nhặt không đáng kể. Hai lý thuyết này không hẳn là không tương hợp với nhau, nhưng không ai có thể làm chúng thống nhất với nhau

Nhiều nhà nghiên cứu tìm tòi một lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử (quantum gravity) để giới thiệu lực hấp dẫn vào cơ học lượng tử, nhờ đó giải thích mọi sự từ các hạt nhỏ hơn nguyên tử đến các cõi siêu thiên hà. Có rất nhiều đề xuất để làm việc này, như phát minh cho lực hấp dẫn một hạt lượng tử giả định, gọi là graviton … nhưng cho tới nay, không một thuyết nào có thể bao gồm giải thích mọi sự quan sát được trong vũ trụ của chúng ta

Một đề xuất phổ biến khác là lý thuyết sợi dây, cho rằng các thực thể cơ bản nhất là những sợi dây nhỏ xíu rung động trong nhiều chiều hướng … nhưng nó đã bắt đầu mất dần ảnh hưởng vì có rất ít bằng chứng thuyết phục

Những nhà nghiên cứu khác cũng nghiên cứu những lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử lòng vòng (loop quantum gravity), trong đó cả không gian lẫn thời gian đều là những khối nhỏ xíu rời rạc

Tuy nhiên cho đến nay, vẫn không có một ý niệm nào chiếm lĩnh được vị trí quan trọng trong cộng đồng vật lý học

Nguồn tham khảo:

Bow, E. (2019, June 19). A quick quantum history of the light bulb. Inside the Perimeter https://insidetheperimeter.ca/…

Clark, J. (2021, May). Atomic orbitals. https://www.chemguide.co.uk/…

Coolman, R. (2014, September 11). What is classical mechanics? Live Science. https://www.livescience.com/…

O’Connor, J. J., & Robertson, E. F. (1996, May). A history of quantum mechanics.https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/…

Einstein, A. (1905). On a heuristic point of view concerning the production and transformation of light. Annals of Physics. https://einsteinpapers.press….

Mann, A. (2020, February 28) Schrodinger’s cat: The favorite misunderstood pet of quantum mechanics. Live Science. https://www.livescience.com/…

Mann, A. (2019, August 29) What is the theory of everything? Space.com. https://www.space.com/…

Moskowitz, C. (2012, March 25). Largest molecules yet behave like waves in quantum double-slit experiment. Live Science. https://www.livescience.com/…

Schirber, M. (2019, July 9). What is relativity? Live Science. https://www.livescience.com/…

The Nobel Prize (n.d.). Louis de Broglie facts. https://www.nobelprize.org/…

Tretkoff, E. (2008, February). This month in physics history: February 1927 Heisenberg’s uncertainty principle. American Physical Society. https://www.aps.org/…

Wood, C. (2019, August 27). What is quantum gravity? Space.com. What Is Quantum Gravity?

Lời Kết:

Đây là tài liệu sưu tầm trên Internet về Cơ Học Lượng Tử của Team Hẻm Radio. Đa phần kiến thức được viết bởi Robert Coolman, cộng tác viên của Live Science, sau đó được cập nhật bởi Adam Mann, ngày 2 tháng 3, 2022. Tài liệu này được chia sẽ công khai và không được phép thương mại.