Cơ học lượng tử: Thế giới kỳ lạ phía sau vật chất

Ở thế giới quen thuộc, một vật có vị trí tương đối xác định, không thể tự nhiên xuyên qua bức tường và hai vật cách xa nhau không thể có những tương quan kỳ lạ tức thời.

Nhưng khi đi xuống cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử, trực giác đó bắt đầu không còn hiệu quả. Electron, photon và các hệ lượng tử tuân theo những quy luật rất khác với vật thể trong đời sống hằng ngày.

Đó là thế giới của cơ học lượng tử.

Cơ học lượng tử là gì?

Cơ học lượng tử là khuôn khổ vật lý mô tả vật chất và bức xạ ở những thang kích thước rất nhỏ.

Nó được dùng để nghiên cứu:

• Nguyên tử.
• Electron.
• Photon.
• Phân tử.
• Các hạt hạ nguyên tử.
• Nhiều hệ vật chất lượng tử khác.

Điều thú vị là các định luật cổ điển không thực sự "sai". Chúng vẫn mô tả rất tốt thế giới vĩ mô.

Cơ học cổ điển có thể được xem như một giới hạn gần đúng xuất hiện khi các hiệu ứng lượng tử trở nên không đáng kể ở những hệ lớn.

Lưỡng tính sóng - hạt

Trong vật lý cổ điển, sóng và hạt là hai khái niệm rất khác nhau.

Nhưng trong thế giới lượng tử, sự phân chia này không còn đơn giản.

Ánh sáng có thể thể hiện:

• Giao thoa.
• Nhiễu xạ.
• Phân cực.

đặc trưng của sóng.

Nhưng ánh sáng cũng trao đổi năng lượng thành những lượng tử gọi là photon.

Ngược lại, electron vốn thường được hình dung như hạt cũng có thể tạo ra các vân giao thoa.

Điều đó không có nghĩa electron hoặc photon lúc thì biến thành sóng, lúc lại biến thành một viên bi.

"Sóng" và "hạt" là những khái niệm cổ điển dùng để mô tả các khía cạnh khác nhau của một thực thể lượng tử.

Nguyên lý bất định Heisenberg

Một trong những nguyên lý nổi tiếng nhất của cơ học lượng tử là Nguyên lý bất định Heisenberg.

Nó cho biết chúng ta không thể đồng thời có một trạng thái với cả vị trí và động lượng chính xác tùy ý.

Nói đơn giản:

Vị trí càng xác định rõ → Động lượng càng bất định

Động lượng càng xác định rõ → Vị trí càng bất định

Đây không đơn thuần là do kính hiển vi hay thiết bị đo chưa đủ tốt.

Sự bất định xuất hiện ngay trong cấu trúc toán học của trạng thái lượng tử.

Chồng chập lượng tử

Một hệ lượng tử có thể tồn tại trong chồng chập của nhiều trạng thái.

Ví dụ, một qubit có thể được chuẩn bị ở trạng thái chồng chập của:

0 và 1

Trước phép đo, không nên hình dung nó đơn giản như một bit cổ điển đã bí mật chọn 0 hoặc 1 mà chúng ta chưa biết.

Các thành phần của trạng thái chồng chập có thể giao thoa lượng tử với nhau.

Đây chính là một trong những khác biệt cơ bản giữa xác suất lượng tử và sự thiếu thông tin thông thường.

Con mèo của Schrödinger

Năm 1935, Erwin Schrödinger đưa ra một thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng.

Một con mèo được đặt trong hộp kín cùng:

• Một nguyên tử phóng xạ.
• Máy dò bức xạ.
• Một cơ chế giải phóng chất độc.

Nếu nguyên tử phân rã, con mèo chết.

Nếu nguyên tử không phân rã, con mèo sống.

Nếu toàn bộ hệ được mô tả bằng sự tiến hóa lượng tử, trạng thái của nguyên tử trở nên liên hệ với trạng thái của con mèo, dẫn tới hình ảnh nổi tiếng:

"Con mèo vừa sống vừa chết."

Schrödinger không đưa ra ví dụ này để khẳng định mèo thật thường xuyên tồn tại theo cách đó.

Ông muốn chỉ ra một câu hỏi sâu sắc:

Tại sao các trạng thái chồng chập xuất hiện rõ ràng ở thế giới vi mô nhưng chúng ta lại không nhìn thấy chúng trong đời sống hằng ngày?

Một phần quan trọng của lời giải hiện đại liên quan đến decoherence, tức sự mất liên kết lượng tử khi một hệ tương tác với môi trường.

Xuyên hầm lượng tử: Hạt có thể "đi xuyên tường"?

Trong cơ học cổ điển, nếu một quả bóng không có đủ năng lượng để vượt qua một bức tường, nó sẽ bật ngược lại.

Trong cơ học lượng tử, tình hình khác.

Hàm sóng của một hạt có thể mở rộng vào bên trong và vượt qua một rào thế năng.

Do đó tồn tại một xác suất để phát hiện hạt ở phía bên kia, ngay cả khi theo vật lý cổ điển nó không có đủ năng lượng để vượt qua rào cản.

Hiện tượng này được gọi là:

Xuyên hầm lượng tử (Quantum Tunneling)

Nó không chỉ là một lý thuyết kỳ lạ.

Xuyên hầm lượng tử đóng vai trò trong:

• Phân rã phóng xạ.
• Phản ứng hạt nhân trong các ngôi sao.
• Kính hiển vi quét xuyên hầm.
• Một số linh kiện điện tử.

Vướng víu lượng tử

Có lẽ hiện tượng gây kinh ngạc nhất là vướng víu lượng tử (Quantum Entanglement).

Hai hoặc nhiều hệ lượng tử có thể tạo thành một trạng thái chung mà trạng thái của từng phần không thể được mô tả hoàn toàn độc lập.

Khi đo các hạt vướng víu, kết quả có thể tạo ra những tương quan mạnh hơn mức mà một số mô hình vật lý cổ điển cho phép.

Albert Einstein từng gọi hiện tượng liên quan này là một dạng "hành động ma quái từ xa".

Những thí nghiệm về vướng víu sau này đã xác nhận sự vi phạm bất đẳng thức Bell và trở thành cơ sở của Nobel Vật lý năm 2022.

Vướng víu có truyền thông tin nhanh hơn ánh sáng không?

Không.

Đây là một hiểu lầm rất phổ biến.

Kết quả đo của các hạt vướng víu có những tương quan đặc biệt, nhưng mỗi phép đo riêng lẻ vẫn cho kết quả mang tính xác suất.

Người quan sát ở một phía không thể lựa chọn kết quả của mình để gửi một thông điệp tức thời sang phía bên kia.

Do đó:

Vướng víu lượng tử ≠ truyền tin nhanh hơn ánh sáng

Nó không cho phép gửi email tức thời từ Trái Đất tới một thiên hà cách hàng triệu năm ánh sáng.

Cơ học lượng tử có thật sự chỉ tồn tại ở thế giới vi mô?

Các định luật lượng tử không đột nhiên biến mất khi vật thể trở nên lớn hơn.

Vấn đề là các hệ lớn tương tác liên tục với môi trường:

• Không khí.
• Ánh sáng.
• Nhiệt.
• Các nguyên tử xung quanh.

Những tương tác này nhanh chóng phá hủy khả năng quan sát giao thoa giữa các trạng thái chồng chập.

Quá trình đó gọi là decoherence.

Các trạng thái chồng chập và vướng víu đã được tạo ra có kiểm soát trong nguyên tử, photon và cả những hệ dao động cơ học nhỏ, cho thấy biên giới giữa "thế giới lượng tử" và "thế giới cổ điển" phức tạp hơn việc đơn giản chia thành nhỏ và lớn.

Kết luận

⚛️ Cơ học lượng tử không thực sự "phá vỡ mọi quy luật vật lý".

Nó cho thấy những quy luật quen thuộc của thế giới vĩ mô chỉ là một phần của bức tranh rộng lớn hơn.

Ở cấp độ lượng tử:

• Hạt có thể tồn tại trong trạng thái chồng chập.
• Vị trí và động lượng chịu giới hạn bất định.
• Hạt có thể xuyên hầm qua rào thế năng.
• Các hệ cách xa nhau có thể mang những tương quan vướng víu không có tương đương đơn giản trong vật lý cổ điển.

Những hiện tượng tưởng như khoa học viễn tưởng ấy ngày nay đã được tạo, đo và điều khiển trong phòng thí nghiệm, đồng thời trở thành nền tảng cho điện toán, cảm biến và mạng lượng tử.

Điều kỳ lạ nhất của cơ học lượng tử có lẽ không phải là nó khó tin.

Điều kỳ lạ nhất là sau hơn một thế kỷ thử nghiệm, tự nhiên vẫn tiếp tục hành xử theo những quy luật lượng tử kỳ lạ ấy với độ chính xác đáng kinh ngạc.

Đọc thêm

• Chồng chập lượng tử: Khi một hạt có thể tồn tại trong nhiều trạng thái
• Vì sao Einstein nói: "Chúa không chơi trò xúc xắc"?
• Ứng dụng cơ học lượng tử: Từ nền tảng công nghệ hiện tại đến đột phá tương lai
• Photon: "Hạt ánh sáng" thực sự là gì?