Vật lý lượng tử (Quantum Physics) là gì & tại sao chúng ta nên tìm hiểu về nó?

Vật lý lượng tử (Quantum Physics), còn được gọi là Cơ học lượng tử (Quantum Mechanics) hoặc Lý thuyết Trường lượng tử (Quantum Field Theory) là một trong những nhánh nghiên cứu khoa học/vật lý được quan tâm nhất hiện nay.

Giới khoa học tin rằng nhánh điều tra và nghiên cứu này, khi được tăng trưởng đến một tầm mức đủ cao trong tương lai, sẽ hoàn toàn có thể giúp giải đáp nhiều vướng mắc của họ về những quy luật quản lý và vận hành của ngoài hành tinh, cũng như tạo ra rất nhiều những ứng dụng thiết thực khác cho đời sống .
Vật lý lượng tử

Trước hết, Vật lý lượng tử là gì ?

Nói đơn giản, vật lý lượng tử là lĩnh vực khoa học chuyên nghiên cứu các quy luật vật lý của thế giới vật chất ở tầng mức vô cùng nhỏ – tầng mức của các hạt nguyên tử (atomic) và hạ nguyên tử (subatomic), tức những hạt như electron, proton, neutron, gluon, quark, neutrino…mà chúng ta đã từng được học trong vật lý & hóa học phổ thông.

Lĩnh vực này bắt đầu được quan tâm & phát triển từ những năm 1900. Max Planck – một nhà vật lý người Đức – được xem là một trong những người có đóng góp đầu tiên & quan trọng nhất trong lĩnh vực này.

Về mặt khái niệm, từ “quantum” trong “Quantum Physics” có nguồn gốc từ tiếng Latin, nghĩa là “đơn vị nhỏ nhất giúp cấu thành một vật chất bất kỳ”. Vật lý lượng tử nhìn nhận năng lượng (energy – được cho là thứ căn bản nhất cấu thành vũ trụ) như một dạng vật chất – thay vì cách gọi “trường năng lượng” của vật lý cổ điển, thế nên nó có thể được đo đếm, định lượng, chia nhỏ thành các đơn vị.

Vật lý lượng tử

Các triết lý quan trọng của Vật lý lượng tử

Vật lý lượng tử, sau hơn 1 thế kỉ được nghiên cứu và điều tra với vô số thí nghiệm, đã giúp những nhà khoa học đưa ra được rất nhiều giả thuyết và triết lý mang tính cải tiến vượt bậc trong việc lý giải những quy luật quản lý và vận hành của quốc tế vật chất. Sau đây là một vài kim chỉ nan chính yếu và rất quan trọng trong vật lý lượng tử :

Vạn vật quanh ta không “ cố định và thắt chặt ” như ta tưởng ( Superposition )

Đây có lẽ rằng là một trong những phát hiện quan trọng và nâng tầm nhất của vật lý lượng tử : chiếc màn hình hiển thị vi tính trước mặt ta, bàn phím mà ta đang gõ, ly nước và những quyển sách trên bàn, và cả khung hình con người tất cả chúng ta … tuy nhìn bên ngoài có vẻ như thật “ rắn chắc ”, nhưng thực ra đều được tạo thành từ những phân tử, nguyên tử, hạ nguyên tử nhỏ li ti. Những hạt này lại không khi nào đứng yên mà vận động và di chuyển liên tục .

Điều đáng nói là, ở tầng mức lượng tử, các nhà khoa học phát hiện ra rằng quỹ đạo di chuyển của các hạt này gần như không thể được nắm bắt, phỏng đoán một cách chính xác. Đối với vật lý cổ điển, thì việc này quả thực phi logic và khó có thể chấp nhận được.

Để cho dễ hiểu, bạn đọc hãy tưởng tượng mình đang chơi billiard ( với cựu tổng thống Obama ví dụ điển hình ! ). Sau khi bạn dùng cơ đẩy viên bi đi, theo nguyên tắc vật lý thường thì, viên bi chắc như đinh sẽ chuyển dời theo hướng và quỹ đạo mà bạn muốn, tùy vào phương pháp mà bạn dùng cơ ảnh hưởng tác động vào nó .
Vật lý lượng tử

Giả sử viên bi này được thu nhỏ về kích thước hạ nguyên tử. Lần này, sau khi dùng cơ đẩy chúng đi, bạn sẽ không thể chắc chắn được viên bi “lượng tử” này sẽ di chuyển theo hướng hay quỹ đạo nào. Nó có thể lăn sang bên phải, hoặc bên trái, văng lên không trung, thậm chí di chuyển theo tất cả các hướng này cùng một lúc, cho dù bạn không hề thay đổi cách tác động đến viên bi này.

Như vậy, hàng loạt quốc tế vật chất, gồm có khung hình con người, tuy nhìn từ bên ngoài có vẻ như rắn chắc và cố định và thắt chặt, nhưng ở tầng mức cơ bản nhất, chúng là một tập hợp gồm những hạt nguyên tử / hạ nguyên tử vận động và di chuyển theo cách hỗn loạn và khó xác lập .

Đặc biệt, mỗi hạt này dường như có thể tồn tại trong nhiều trạng thái và di chuyển trên nhiều quỹ đạo khác nhau cùng một lúc. Giới khoa học gọi nguyên lý này là chồng chập lượng tử (Superposition).

Nguyên lý này được lý giải rõ ràng nhất qua thí nghiệm “ khe kép ” ( double-slit experiment ) nổi tiếng sau :

Theo đó, các electron có thể cùng một lúc tồn tại trong cả dạng sóng (wave) lẫn hạt (particle). Sự chuyển đổi qua lại giữa 2 dạng tồn tại này được cho là có thể bị tác động bởi người quan sát (phút thứ 4:00 trong video).

Tại sao lại như vậy? Ấy là bởi vì, bản thân “người” quan sát này, cho dù là một người hay một thiết bị ghi hình, thì đều có cấu tạo căn bản nhất là từ các hạt nguyên tử & hạ nguyên tử. Bản thân người quan sát này chính là một hệ thống lượng tử khổng lồ: các hạt cấu thành người quan sát sẽ tương tác với các electron trong thí nghiệm, và do đó tác động đến quỹ đạo & dạng tồn tại của chúng.

Vật lý lượng tử

Sự “ vướng mắc lượng tử ” ( Quantum Entanglement )

Khái niệm này thoạt nghe có vẻ khó hiểu, nhưng nó đơn giản nói về sự tồn tại của một “sợi dây” liên kết, một mối quan hệ, một vướng mắc (entanglement) nào đó giữa các hạt, ở tầng mức lượng tử, mà các nhà khoa học hiện chưa giải thích được.

Theo lý thuyết này: 2 hạt (ví dụ: electron), dù ở cách xa nhau vô cùng (ví dụ: 1 hạt ở cực Bắc & 1 hạt ở cực Nam Trái Đất), thì một khi chúng ta tác động vào 1 electron bất kỳ trong cặp này, electron còn lại cũng sẽ ngay lập tức bị ảnh hưởng, mặc dù giữa chúng không có mối liên hệ rõ ràng nào. Cứ như thể các electron có khả năng tương tác, “trao đổi” thông tin từ xa với nhau vậy.

Vật lý lượng tử

Các hạt “ vướng mắc ” với nhau theo cách mà giới khoa học chưa hiểu rõ được. Nguồn : Engadget .

Một trong những ví dụ đời thường, và lãng mạn, để giúp bạn đọc có thể nắm bắt khái niệm này dễ dàng chính là những cặp tình nhân được cho là có “thần giao cách cảm” với nhau. Hãy tạm gọi tên cặp tình nhân này là Sơn & Thủy.

Sơn & Thủy tuy sống ở cách xa nhau, Sơn ở Sài Gòn, Thủy ở Hà Nội. Xa mặt là vậy, nhưng họ không hề cách lòng. Do họ có thể “thần giao cách cảm”, nên mỗi khi Sơn gặp chuyện buồn, ngay lập tức Thủy cũng sẽ không cảm thấy vui, dù cô không hề biết người yêu mình đang trải qua chuyện gì, và ngược lại…Thậm chí, bạn bè họ còn biết rằng nếu muốn thay đổi quan điểm của Sơn về một vấn đề nào đó, họ chỉ cần trước hết tác động vào Thủy, và sợi dây kết nối giữa 2 người sẽ hoàn tất nốt phần còn lại của công việc.

Xem thêm: Sinh năm 2010 mệnh gì, con gì, hợp hướng nào, hợp màu gì?

Vật lý lượng tử

Nguồn : Public Radio International
( Liệu Sơn và Thủy có đang trải qua một mối tình Twin Flames – mối tình được cho là giữa những cặp đôi bạn trẻ có “ duyên nợ ” với nhau ! ? )
Như vậy, ở tầng mức lượng tử, những hạt có vẻ như luôn có liên kết với nhau. Tuy nhiên, ở tầng mức lớn hơn lượng tử ( macroscopic ), thì hiệu ứng này có vẻ như không được bộc lộ rõ. Tại sao lại như vậy ?

Các đặc tính kỳ lạ chỉ sống sót ở tầng mức lượng tử ( Decoherence )

Thế giới vật chất ở tầng mức lượng tử “thiên biến vạn hóa” là vậy, nhưng một khi chúng ta quan sát nó ở tầng mức đời thực, tầng mức con người, thì những đặc tính trên gần như biến mất. Giới khoa học gọi hiện tượng này là sự mất liên kết lượng tử (Quantum Decoherence).

Theo đó, một mạng lưới hệ thống lượng tử bất kể ( ví dụ : những electron ) khi chịu ảnh hưởng tác động từ thiên nhiên và môi trường hoặc những tác nhân bên ngoài ( ví dụ : người quan sát, những loại máy móc đo đạc … ) – vốn cũng là những mạng lưới hệ thống lượng tử khác – thì những đặc tính lượng tử của mạng lưới hệ thống này sẽ bị làm nhiễu loạn và ở đầu cuối sẽ biến mất, khiến mạng lưới hệ thống này phải tuân thủ những nguyên tắc vật lý thường thì .
Hiện tượng mất link này hiện vẫn là một trong những chủ đề gây tranh cãi và khiến giới khoa học đau đầu. Nhưng tối thiểu thì nó giúp tất cả chúng ta đưa ra được Tóm lại : ở tầng mức càng lớn, càng khổng lồ, thì đặc thù “ không cố định và thắt chặt ”, tính entropy ( “ độ hỗn loạn ” ) của một mạng lưới hệ thống bất kể sẽ càng nhỏ .

Kết luận này vẫn sẽ đúng ngay cả khi bạn so sánh các hệ thống lớn với nhau, ví dụ như giữa hệ thống giao thông trên đường phố Sài Gòn với…quỹ đạo chuyển động của các hành tinh trong hệ Mặt Trời chẳng hạn! Sẽ không khó để bạn nhận ra rằng “quỹ đạo” chuyển động của xe cộ trên đường phố mang tính hỗn loạn nhiều hơn quỹ đạo quay của các hành tinh.

Ở tầng mức vĩ mô hơn nữa, bản thân các Mặt Trời cũng chuyển động xung quanh lõi của thiên hà, nhưng việc này diễn ra có phần chậm rãi hơn: nếu Trái Đất mất 1 năm để chuyển động quanh Mặt Trời, thì Mặt Trời của chúng ta mất khoảng 200 – 250 triệu năm để hoàn tất vòng quay của nó quanh lõi thiên hà!

Vật lý lượng tử

Nguồn : videeco.com
Tương tự, nếu như bạn đứng từ một tòa cao ốc và nhìn xuống, bạn sẽ thấy cảnh tượng một góc thành phố thật hỗn loạn : con người, xe cộ, chó mèo … mỗi thứ đi một ngả. Nhưng giả sử bạn đang đứng trên Mặt Trăng và nhìn xuống, bạn sẽ chỉ thấy một hành tinh xanh xinh xắn, thư thả tự quay quanh trục của nó !

Các ứng dụng của vật lý lượng tử

Tuy được coi là một nghành nghề dịch vụ cao siêu và chỉ được những chuyên viên chăm sóc, nhưng thực tiễn vật lý lượng tử đã có góp phần không ít trong việc giúp những nhà khoa học ý tưởng ra những thiết bị, dụng cụ vô cùng quen thuộc với tất cả chúng ta. Từ máy vi tính, điện thoại thông minh mưu trí, những thiết bị bán dẫn, cho đến tia laser, công nghệ tiên tiến chụp MRI ( Magnetic Resonance Imaging – “ cộng hưởng từ ” ) hay công nghệ tiên tiến vật tư và quang học lượng tử …

Vật lý lượng tử

Nguồn : Lehigh University .

Vật lý lượng tử rõ ràng đã & đang chứng minh được tính thực tiễn & tầm quan trọng của mình đối với sự phát triển của xã hội. Thậm chí, nhiều nhà nghiên cứu tin rằng lĩnh vực này chính là chìa khóa để con người có thể phát triển những loại hình công nghệ vượt trội hơn nữa như máy tính lượng tử (quantum computer), hoặc cỗ máy thời gian (time machine) trong tương lai.

Nguồn:

Ball, P. (2017): The strange link between the human mind and quantum physics (BBC Earth).

Jones, A. Z. ( 2018 ) : Quantum physics overview ( thoughtco ) .
O’Connell, C. ( năm nay ) : Quantum physics for the terminally confused ( Cosmo Magazine ) .
Science Daily : Introduction to quantum mechanics .

Rate this post
Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments