Xem mẫu
- NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ CƠ HỌC LƯỢNG TỬ "
- NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ CƠ HỌC LƯỢNG TỬ
I.CƠ HỌC LƯỢNG TỬ RA ĐỜI NHƯ THẾ NÀO?
1.Lý do ra đời:
Trong thế giới này có rất nhiều hiện tượng,nhiều câu hỏi mà vật lý không giải
thích hết được chính vì vậy mà các môn khoa học khác ra đời cũng giống nh ư thế
sự ra đời của cơ học lượng tử là để hoàn thiện thêm sự tò mò của con người về thế
giới của chúng ta.Ai cũng biết rằng vật lý học cổ điển đóng vai trò quan trọng
trong vật lý nhưng Vật lí học cổ điển cho kết quả phù hợp với thực nghiệm đối
với các hiện tượng vật lí mà người ta đã biết đến cuối thế kỉ XIX, nó là hệ thống lí
thuyết hoàn chỉnh và chặt chẽ trong phạm vi ứng dụng của nó. Nhưng cuối thế kỉ
XIX trở về sau, người ta thấy có những hiện tượng vật lí không thể giải thích được
bằng các lí thuyết của vật lí học cổ điển, như tính bền của nguyên tử, bức xạ của
vật đen.v.v. và từ đó đã dẫn đên khái niệm mới - bước đầu của việc phát triển môn
CƠ HỌC LƯỢNG TỬ.
2.Lịch sử của cơ học lượng tử:
Từ năm 1900, khi Planck phát hiện ra hiện tượng gián đoạn
trong các quá trình quang học, điều chưa từng được biết đến
trong vật lý cổ điển. Chỉ một vài năm sau, Einstein đã diễn tả
chính xác hiện tượng này trong giả thuyết của ông về các lượng
tử ánh sáng. Sự không thể hòa hợp lý thuyết Maxwell với giả
thuyết này đã buộc các nhà nghiên cứu đi đến kết luật rằng, các
hiện tượng bức xạ chỉ có thể hiểu được bằng việc dứt khoát từ bỏ sự trực quan hóa
về chúng.
Được tìm ra bởi Planck, được nối tiếp bởi Einstein và Debye, lý thuyết lượng tử
tiếp tục tiến thêm một bước nữa khi được diễn tả một cách hệ thống trong các định
đề cơ bản của Bohr. Các định đề này, cùng với điều kiện lượng tử Bohr-
Sommerfeld đã dẫn đến một sự diễn giải định lượng về các tính chất hóa học và
quang học của nguyên tử. Các định đề của Bohr đối lập một cách
không khoan nhượng với cơ học cổ điển, tuy nhiên, theo các kết
quả định lượng, chúng lại có vẻ nh ư vô cùng cần thiết cho việc
- tìm hiểu các tính chất của nguyên tử. Vật lý cổ điển dường như là trường hợp
giới hạn được trực quan hóa đối với một lĩnh vực vật lý vi mô về cơ bản là
không thể trực quan hóa được. Sự trực quan hóa mà càng tốt thì hằng số Planck-
đặc trưng của vật lý lượng tử càng bị triệt tiêu. Sự tiếp cận đó đã dẫn đến nguyên
lý tương ứng Bohr, chính nguyên lý này đã chuyển một số đáng kể các kết luận
được xây dựng trong cơ học cổ điển sang cơ học lượng tử. (CHLT)
Cơ học lượng tử được hình thành vào nửa đầu thế kỷ 20 do Max Planck, Albert
Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born, John
von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli và một số người khác tạo nên.
Cơ học lượng tử là khoa học nghiên cứu về chuyển động của vật chất ở thang các
nguyên tử và các hạt nguyên tử. Nó là lời giải đáp của các nhà khoa học trong nửa
đầu thế kỷ 20 cho hàng loạt những mâu thuẫn nổi lên trong vật lý học thế kỷ 19.Từ
đó thế giới của cơ học lượng bùng nổ.
II.SỰ TRƯỞNG THÀNH CỦA CƠ HỌC LƯỢNG TỬ:
Cơ học lượng tử - Liệu có thể hiểu được không?
chính nhà vật lý Mỹ nổi tiếng, giải thưởng Nobel về vật lý năm 1964, đ ã khẳng định:
“Không ai hiểu được cơ học lượng tử cả”.
ngay cả các khoa học gia lỗi lạc, nh ư Schrodinger (là cha đẻ của phương trình sóng
Schrodinger), Richard Feynman (cha đẻ của máy tính lượng tử). Họ đã phát biểu về cơ
học lượng tử như sau:
Schrodinger :” Tôi tiếc rằng tôi đã dính dáng vô lý thuyết lượng tử này ”.
Richard Feynman:” Tôi nghĩ rằng nói rằng không một ai hiểu cơ học lượng tử là
không sai””
Vì vậy cơ học lượng tử đã mang lai những cộc tranh luận gay gát trong lịch sử
của cuộc đấu tranh để tôn tại của môn khoa học n ày.
Có người đã viết rằng: Cái khó hiểu ở cơ lượng tử là không trả lời được câu hỏi cơ
lượng tử là gì, thực chất nó mô tả cái gì. Lập luận kỹ càng theo cơ lượng tử lại dẫn
đến những nghịch lý không gỡ nổi. Tình huống ở đây không nh ư ở bài thơ "Hai
câu hỏi" của Chế Lan Viên:
"Ta là ai"? như ngọn gió siêu hình
- Câu hỏi hư vô thổi nghìn nến tắt
"Ta vì ai" khẽ xoay chiều ngọn bấc
Bàn tay người thắp lại triệu chồi xanh.
(TẬP THƠ "ÁNH SÁNG VÀ PHÙ SA" - NXB Văn học 1960
Chính từ những điều khó hiểu đó m à có nhiều nhà vật lý đã không chấp nhận sự tồn tại
của cơ học lượng tử trong đó tiêu biểu nhất là ALBERT EINSTEIN.
Từ năm 1927 Einstein đã cho rằng CHLT là không hoàn chỉnh. Einstein nghĩ rằng vật
lý học phải mô tả thiên nhiên đúng như thật sự của nó. Trong cuộc trò chuyện giữa
Einstein với Abraham Pais , Einstein đặt ra câu hỏi thách thức: “ Mặt trăng có còn đó
nếu
hay không
chẳng ai nhìn nó? “
với hàm ý nghi ngờ
CHLT
Sự chống đối
lên đến đỉnh
cao khi
EINSTEIN
cùng
PODOLSKY
và ROSEN đưa ra cái gọi là nghịch lý EPR (lấy theo chữ
Hình 1. Từ trái sang phải ba tác giả của nghịch lý EPR : Einstein. Podolsky,
Rosen
đầu từ tên của ba người). Tên bài báo là: Liệu sự mô tả thực tại vật lý bằng CHLT
có thể xem là đầy đủ hay không?
Nội dung của nghịch lý có thể tóm tắt như sau.
Theo CHLT người ta có thể chế tạo một cặp hạt liên đới (entangled) lượng tử,
điều đó có nghĩa về mặt toán học là một cặp hạt mà hàm sóng của chúng không
thể viết thành tích trực tiếp hàm sóng của từng hạt : f không bằng f 1 nhân trực tiếp
với f 2 , hay nói cách khác là các tính chất của các hạt không độc lập với nhau m à
liên quan với nhau .
Xét hai hạt liên đới lượng tử và tách chúng ra xa nhau. Khi đo tọa độ của hạt thứ
nhất thì sẽ biết được tọa độ của hạt thứ hai, vì chúng liên đới lượng tử. Song bây
giờ lại đo xung lượng của hạt thứ hai ta lại có thể biết đ ược xung lượng của hạt
thứ nhất . Như thế ta có thể đồng thời đo được tọa độ lẫn xung lượng của mỗi hạt:
điều này trái với nguyên lý bất định Heisenberg của CHLT. Đó là nghịch
Lý EPR.
- Chính vì vậy mà cơ học lượng tử đối với Einstein và Thom như 1 trò chơi may rủi
: Eintein khẳng định “Chúa không được chơi trò xúc xắc” nhưng Thom còn gay
gắt hơn “những kẻ đề cao ngẫu nhiên là những tên đảo ngũ”. Đối với cả hai ngẫu
nhiên chỉ là thể hiện sự thiếu hiểu biết của chúng ta.
Cũng giống như Einstein, Niels Bohr cũng hoàn toàn tin vào lý thuyết của cơ học
cổ điển.Ông đã có có câu nói rằng:
Mọi cách giải thích đều phải được phát biểu nhờ
những thuật ngữ của các lý thuyết vật lý cổ điển”.
Niels Bohr (1885-1962) – Giải thưởng Nobel Vật lý năm 1922
Tuy nhiên sau những bàn luận về cơ học lượng tử? Trong một thời gian d ài hầu
như không có tranh lu ận gì, nhưng vào đầu những năm 1930, chỉ ít năm sau khi
những điều kỳ quặc lượng tử được mô tả thành một lý thuyết nhất quán, th ì nhà
vật lý Đan Mạch Niels Bohr, người đã có những đóng góp to lớn vào việc xây
dựng lý thuyết này, mới áp đặt quan điểm của mình về câu hỏi trên với cách giải
thích nổi tiếng có tên là "cách giải thích của trường phái Copenhagen", theo ông:
"Ngôn ngữ của Newton và của Maxwell ở mọi thời đại vẫn sẽ còn là ngôn ngữ của
các nhà vật lý". Nói một cách khác, theo định đề đó, mọi thực nghiệm đều phải
được giải thích nhờ những khái niệm cổ điển của sóng và hạt đã được xây dựng
lên từ nhiều thế kỷ trước, dù rằng khi đối mặt với những tính chất lượng tử lạ lùng,
phải chấp nhận "tính bổ sung" của các quan niệm đó, tức là phải chấp nhận lưỡng
sóng-hạt.
tính
Mặc dù cách giải thích chính thống này cho phép các nhà vật lý thực hiện những
tính toán rất thành công, nhưng họ vẫn buộc phải nhận thấy rằng cách giải thích
này vẫn còn đôi chút mơ hồ: làm sao mà nguyên tử hiđrô hay ánh sáng lại có thể
khi là sóng khi là hạt, mà hoàn toàn chẳng phải là cái này cũng chẳng là cái kia?
Sự phê phán vào năm 1959 của Erwin Schrodinger, một nhà sáng lập khác của vật
lý lượng tử, về cái mà ông gọi là "sự ngu ngốc và hoàn toàn phi triết học đó của
trường phái Copenhagen" là rất gay gắt: "Tôi biết đó không phải là lỗi của Niels
Borh, ông chưa có đủ thời gian để nghiên cứu triết học. Nhưng tôi lấy làm tiếc
rằng, do uy tín của ông, mà những bộ óc của một, hai hoặc ba thế hệ đã bị xáo trộn
và bị cấm không được suy ngẫm về những vấn đề mà ông cho là đã được giải
quyết".
Nhưng tất cả mọi ngi ngờ của con người đã được giải quyết khi cơ học lượng tử đã
lên tiếng về sự bùng nổ của nó.Đặc trưng của cơ học lượng tử là:cơ học sóng và cơ
học ma trận.
Thứ nhất:
Đó là sự lên tiếng của phương trình về cơ học sóng của Erwin
Schrodinger.Nổi tiếng nhất là về nổi kinh hoàng của con mèo mà
ông làm thí nghiệm.Thí nghiệm của ông được mô tả Vào những
- năm 30, nhà vật lý nổi tiếng người Áo này đã tưởng tượng nhốt một con mèo vào
căn phòng trong đó có đặt một dụng cụ gây chết người. Dụng cụ này được khởi
phát bởi sự phân rã của một nguyên tử phóng xạ - một sự kiện không thể tiên đoán
đư?c. Nhưng nếu chúng ta xem rằng lý thuyết lượng tử cho chúng ta biết về thực
tại, rằng nó mô tả trực tiếp cho chúng ta trạng thái của nguyên tử phóng xạ, thì
những phương trình của nó lại khẳng định rằng chừng n ào còn chưa có phép đo
nào được thực hiện thì nguyên tử này còn ở trong trạng thái chồng chập, nguyên tử
vừa phân rã vừa không phân rã. Hệ quả trực tiếp được rút ra là: chừng nào chưa
mở cửa phòng thì chính con mèo tội nghiệp cũng ở trong trạng thái chồng chập:
vừa là chết vừa là sống! Nhưng con ma này, con ma đã làm cho nhiều thế hệ hệ
các nhà vật lý phải run lên, sẽ biến mất nếu ta xem rằng những công thức lượng tử
chỉ nói với chúng ta về thông tin: con m èo không phải vừa chết-vừa sống mà nó
hoặc là chết hoặc là sống, nhưng chừng nào cửa phòng chưa được mở ra thì thông
tin về trạng thái của nó nhất thiết phải được cấu thành từ hai khả năng đó.Chính từ
thí nghiệm này làm chúng ta nghĩ đến thuyết BẤT KHẢ TRI của nhân loại.
Đồng thời trong cơ học sóng của schrödinger, việc xác định các giá trị năng lượng
của một nguyên tử trở thành việc tính trị riêng của của một bài toán biên trong
không gian tọa độ của nguyên tử biệt lập đó.
Cơ học sóng được mô tả lý thuyết như sau: hàm sóng có thể thay đổi theo
trong thời gian. Phương trình mô tả sự thay đổi của hàm sóng theo thời gian
là phương trình Schrödinger, đóng vai trò giống như định luật thứ hai của
Newton cơ học cổ điển. Phương trình Schrödinger áp dụng cho hạt tự do
của chúng ta sẽ tiên đoán tâm của bó sóng chuyển động trong không gian
với vận tốc không đổi, giống như một hạt cổ điển chuyển động khi không
có lực nào tác dụng lên nó. Tuy nhiên, bó sóng sẽ trải rộng ra theo thời
gian, điều này có nghĩa là vị trí của hạt sẽ trở n ên bất định và ảnh hưởng
đến trạng thái riêng của vị trí làm cho nó biến thành các bó sóng rộng hơn
không phải là các trạng thái riêng của vị trí nữa.
i E .t p .r )
Phương trình sóng của schödinger: o .e
Với việc chấp nhận các nguyên lý của CHLT trong hình thức luận được mở
rộng của nó, lý thuyết về phép biến đổi có khả năng tính toán tổng quát cho các
hệ nguyên tử xác suất xảy ra một hiện tượng nhất định, có thể thấy rõ bằng
thực nghiệm với những điều kiện thực nghiệm đ ã cho. Một giả thuyết được
phỏng đoán trong các nghiên cứu về lý thuyết bức xạ đã được phát biểu một
cách rõ rằng trong các lý thuyết va chạm của Born, đó là, chính hàm sóng chi
phối xác suất có mặt của một hạt, đây dường như là một trường hợp đặc biệt
của một hệ thống các định luật tổng quát và là một hệ quả tự nhiên, xuất phát
- từ những g iả thiết nền tảng của CHLT.
Một thời gian dài trước khi CHLT được phát triển hay là trước khi cơ học
sóng schrödinger thì Pauli đã luận ra từ các quy luật của Hệ thống Tuần ho àn
các nguyên tố một nguyên lý nổi tiếng, đó là, trong một trạng thái lượng tử
riêng biệt, ở mọi thời điểm, chỉ có thể bị chiếm bởi duy nhất một electron.
Khả năng đưa nguyên lý loại trừ Pauli này vào CHLT đã được chứng minh,
trên cơ sở của cái mà thoạt nhìn có vẻ như là một kết quả ngạc nhiên : toàn bộ
tập hợp các trạng thái dừng m à một hệ nguyên tử có khả năng chấp nhận đều
thuộc về các lớp xác định, sao cho một nguyên tử trong một trạng thái thuộc về
một lớp không bao giờ có thể chuyển sang trạng thái thuộc về một lớp khác
dưới tác động của bất cứ nhiễu loạn n ào. Nguyên lý Pauli và thống kê Fermi-
Dirac dẫn ra từ nó là tương đương với giả thiết rằng, chỉ có lớp các trạng thái
dừng mà hàm riêng đổi dấu khi hoán vị hai electron là tồn tại trong tự nhiên.
Theo Dirac, việc chọn hệ đối xứng sẽ không dẫn đến nguyên lý Pauli, mà dẫn
đến thống kê Bose-Einstein.Cơ học sóng đã làm cho chúng ta nhận diện và giải
thích được khả năng của sự có mặt các hạt trong thế giới vi một.
Đặc trưng thứ hai:
Đó là sự hình thành của hệ thức bất định Werner Heisenberg (1901 -1976), nhà vật
lý người Đức, giải thưởng Nobel Vật lý, người đóng một vai trò lớn trong sự phát
triển của cơ học lượng tử (quantum mechanics). Cơ học lượng tử miêu tả vật chất
dưới cả hai dạng sóng và hạt. Một trong những đóng góp đ ược biết đến nhiều nhất
của Heisenberg cho lý thuyết lượng tử là nguyên lý bất định (uncertainty
principle), theo nguyên lý bất định thì người ta không thể nào đo được đồng thời
vị trí và vận tốc (hướng và tốc độ) của một hạt ở cùng một thời điểm, mà chỉ biết
được chắc chắn một giá trị mà thôi.
Mô tả về mặt toán học:
Nguyên lý bất định là một nguyên lý nguyên nhân-kết quả quan trọng của cơ học
lượng tử, do Werner Heisenberg đ ưa ra, phát biểu rằng người ta không bao giờ có
thể xác định chính xác cả vị trí lẫn vận tốc (hay động lượng, hoặc xung lượng) của
một hạt vào cùng một lúc. Nếu ta biết một đại lượng càng chính xác thì ta biết đại
lượng kia càng kém chính xác.
Về mặt toán học, hạn chế đó được biểu hiện bằng bất đẳng thức sau:
Trong công thức trên, là sai số của phép đo vị trí, là sai số của phép đo
động lượng và h là hằng số Planck.
Trị số của hằng số Planck h trong hệ đo lường quốc tế :
- J.s
Sai số tương đối trên trị số này là 1,7×10-7, đưa đến sai số tuyệt đối là 1,1×10-40
J.s.
Mô tả về lý thuyết:
Hình thức luận CHLT chỉ ra rằng, giữa độ chính xác trong việc xác định vị trí của
một hạt và độ chính xác khi đồng thời xác định xung lượng của nó có một hệ thức
mà theo đó tích của các sai số có thể trong phép đo vị trí và xung lượng luôn luôn
nhất cũng lớn bằng hằng số Planck chia cho 4π.
ít
Đó là sự nhiễu loạn đối với hệ được quan sát bị gây ra bởi sự quan sát cũng là một
nhân tố quan trọng trong việc xác định những giới hạn m à trong đó một sự mô tả
trực quan về các hiện tượng nguyên tử là được phép.Nếu giả dụ có các thí nghiệm
cho phép việc đo đạc chính xác tất cả các đặc trưng của một hệ nguyên tử, chẳng
hạn như, các giá trị chính xác cho vị trí và vận tốc của mỗi electron trong hệ ở một
thời điểm nhất định, thì kết quả của những thí nghiệm này không những hoàn toàn
không thể sử dụng được trong hình thức luận, mà nó còn mâu thuẫn trực tiếp với
hình thức luận. Rõ ràng là, sự nhiễu loạn về cơ bản không thể xác minh được của
bản thân phép đo không cho phép việc xác định chính xác các đặc trưng cổ điển,
và như vậy đòi hỏi phải sử dụng đến CHLT.
Ngoài ra,độ bất định gắn liền với các định luật của cơ học lượng tử liên quan đến
một thực tế là các nguyên lý bảo toàn năng lượng và xung lượng vẫn luôn luôn
đúng một cách nghiêm ngặt. Chúng có thể được kiểm tra với bất kỳ độ chính xác
mong muốn nào và sẽ đúng theo độ chính xác được đặt ra khi kiểm tra chúng. Tuy
nhiên, đặc trưng thống kê của các định luật cơ học lượng tử trở nên rõ ràng ở chỗ,
một sự khảo sát chính xác về những điều kiện năng lượng lại khiến cho nó không
thể kiểm soát được cùng một lúc với một sự kiện biệt lập n ào đó trong không gian
thời gian.
và
Ngoài ra,cơ học lượng tử còn có sự tham gia của các nhà vật lý lớn như là:
Cơ học lượng tử của Max Born, John von Neum ann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli
và một số người khác tạo nên.
Cơ học lượng tử ngày nay vẫn còn thu hút các nhà khoa học nghiên cứu nó:
Các nhà vật lí ở Thụy Sĩ và Đan Mạch vừa tạo ra được một dụng cụ có khả năng
phân tách các cặp electron bị vướng víu. Dụng cụ trên, hoạt động trên cơ sở một
tiếp giáp “Y” siêu dẫn, sẽ đặt nền tảng cho các phép kiểm tra cái gọi là tính phi
định xứ của cơ học lượng tử trong chất rắn.
- Không chính xác là cái xảy ra trong cuộc sống thực, nh ưng hình minh họa này có
thể giúp bạn hình dung ra ý tưởng của các nhà nghiên cứu. (Ảnh: Christian
Schönenberger.)
Theo lí thuyết cơ học lượng tử, khi hai hạt bị vướng víu, thì phép đo một hạt có
thể ảnh hưởng đến trạng thái của hạt kia, cho dù chúng ở cách xa nhau bao nhiêu.
Tính phi định xứ như thế dường như ngược lại với lí thuyết tương đối Einstein, lí
thuyết hàm ý rằng không có thông tin n ào có thể truyền đi nhanh hơn ánh sáng.
Tuy vậy, các phép kiểm tra tính phi định xứ sử dụng các cặp photon vướng víu từ
trước đến nay cho thấy cơ học lượng tử là đúng.
Nhưng các phép kiểm tra tính phi định xứ sử dụng electron – nghĩa là, vật chất
trong chất rắn – tỏ ra tinh vi hơn. Không giống như các photon, đối tượng tương
đối dễ tạo ra và thao tác ở trạng thái cô lập, các electron trong chất liệu nhất tề cư
trú trong một “biển Fermi”, khiến người ta khó lòng tách ra được một cặp rõ ràng.
Dựa trên cơ sở vững chắc
“Điều đó thật quan trọng [để kiểm tra tính phi định xứ] đối với các electron trong
chất rắn, vì đây là những cái gọi là giả hạt sống trong một môi trường nhiều
electron”, Christian Schönenberger tại trường Đại học Basel giải thích. “Các hiện
tượng lượng tử cơ sở của vật chất tương tác mạnh rất khác với những nghiên cứu
hiện có với photon trong chân không”.
Nhóm của Schönenberger, gồm các nh à nghiên cứu tại Basel và tại Đại học
Copenhagen, đã tìm ra một phương thức tách ra các cặp electron vướng víu, và
tách chúng ra, sử dụng một tiếp giáp Y siêu dẫn. Một tính chất quan trọng của chất
siêu dẫn là các electron có thể tồn tại thành các “cặp Cooper” vướng víu. Những
cặp như thế không thể đi vào tiếp giáp Y mà không đi qua một hàng rào thế. Vì
xác suất thấp của việc đi qua hàng rào này, cho nên các cặp Cooper có xu hướng
đi vào tiếp giáp từng cặp một tại một thời điểm.
Bước tiếp theo là đảm bảo rằng các cặp đó tách ra, thay vì cả hai electron đều đi
xuống chỉ một nhánh thôi. Họ làm như vậy bằng cách đặt một mẩu chất siêu dẫn
- nhỏ xíu – một chấm lượng tử - tại cuối mỗi nhánh. Một electron độc thân có thể đi
qua một chấm lượng tử và không có khả năng hai electron (đẩy lẫn nhau về mặt
tương tác điện) sẽ chui qua đồng thời.
Mối tương quan phi định xứ
Đội nghiên cứu xác nhận các cặp Cooper vướng víu thật sự bị phân tách ra bằng
cách điều chỉnh điện trở của một trong các chấm lượng tử đồng thời ghi lại độ dẫn
của từng nhánh. Khi nguồn electron ở trong trạng thái siêu dẫn, thì người ta thấy
một “tương quan phi định xứ” giữa những thông số n ày, cho thấy các cặp vướng
víu thật sự đang phân tách ra. Tuy nhiên, khi thiết đặt một từ trường lên nguồn
electron – phá hủy sự siêu dẫn và các cặp Cooper của nó – thì mối tương quan phi
định xứ đó biến mất.
Takis Kontos, người có nhóm nghiên cứu tại École Normale Supérieure ở Paris, đã
đệ trình một nghiên cứu tương tự cho tờ Physical Review Letters (bản thảo tại
arXiv:0909.3243) sử dụng ống nanocacbon thay cho các dây siêu dẫn, cho rằng sự
tách cặp Cooper là “một tiến bộ quan trọng”.
“Nó mở ra con đường lớn cho các thí nghiệm kiểu quang lượng tử tiến bộ hơn
nhiều trong các hệ điện tử”, ông nói. “Ví dụ, người ta có thể hình dung các thí
nghiệm tương quan cùng với việc sử dụng các bộ lọc spin để khảo sát sự vướng
víu lượng tử theo một cách rất tao nh ã… Các kết quả thể hiện trong bài báo này
mang lại những viễn cảnh rất thú vị và rất có khả năng tạo ra một hoạt động thực
nghiệm và lí thuyết mạnh mẽ và đổi mới”.
Schönenberger phát biểu với physicsworld.com rằng nhóm của ông và những
nhóm nghiên cứu khác hiện đang theo đuổi các phép kiểm tra tính phi định xứ, đặc
biệt sử dụng các nghiên cứu thống kê của cái gọi là bất đẳng thức Bell, cái cho biết
hành trạng của hai hạt vướng víu có tương quan với nhau hay không.Đây sẽ là thời
đại tiến xa của ngành vật lý lượng tử nói chung và cơ học lượng tử nói riêng.Thế
giới của vi mô bùng nổ.
C.Cách nhìn của thế giới về cơ học lượng tử: Ngay từ đầu, các kết quả ngược với
cảm nhận con người bình thường của cơ học lượng tử đã gây ra rất nhiều các cuộc
tranh luận triết học và nhiều cách giải thích khác nhau về cơ học lượng tử.Trong
đó có 3 đại diện tiêu biểu để giải thích cơ học lượng tử đó là: Giải thích
Copenhagen,giải thích đa thế giới của Hugh Everett,Giải thích Bohm, do David
Bohm.
Giải thích Copenhagen, chủ yếu là do Niels Bohr đưa ra, là cách giải thích mẫu
mực về cơ học lượng tử từ khi lý thuyết này được đưa ra lần đầu tiên. Theo cách
giải thích của trường phái này thì bản chất xác suất của các tiên đoán của cơ học
lượng tử không thể được giải thích dựa trên một số lý thuyết tất định, và không chỉ
đơn giản phản ánh kiến thức hữu hạn của chúng ta. Cơ học lượng tử cho các kết
- quả có tính xác suất vì vũ trụ mà chúng ta đang thấy mang tính xác suất chứ không
phải là mang tính tất định.
Với cách giải thích này,các nhà vật lý học hiện đại đã bị buộc phải chấp nhận rằng
những khái niệm mà trước kia được xem xét một cách tách rời th ì giờ đây có mối
liên kết với nhau, rằng chúng không thể được suy tưởng đến một cách tách biệt mà
chỉ là những mặt khác nhau của thế giới vật chất có mối liên hệ với nhau. Cụ thể,
quan niệm của các nhà vật lý về chuyển động đã được mở rộng ra đối với nhận
thức của họ về các mặt đồng thời sóng hạt của vật chất. Khi vật chất chuyển động,
một nhà vật lý có thể mô tả tiến trình bằng động lượng, đó là khối lượng của vật
thể chuyển động nhân với vận tốc của nó. Một sóng, mặt khác, là một loại tiến
trình vật chất khác. Nó là một sự nhiễu động, của bề mặt của một khối nước hoặc
của một trường điện chẳng hạn, và là một quá trình trong đó năng lượng chuyển
động. Một nhà vật lý có thể mô tả một sóng bằng b ước sóng của nó, khoảng cách
từ một đỉnh của dao động đến đỉnh kế tiếp. Động lượng và bước sóng là hai sự
trừu tượng hóa hoàn toàn khác nhau được sử dụng để mô tả hai quá trình khác
nhau.
Có rất nhiều hôn loạn xung qu anh cơ học lượng tử, thêm vào và được truyền bá
rộng rãi bởi Bohr và Heisenberg, có liên quan đ ến sự nhấn mạnh rằng các khái
niệm như sóng và hạt, hay động lượng và bước sóng, phải được tách rời ra khỏi
nhau - "chúng ta có hai bức tranh trái ngược về thực tại" như Einstein đã nói. Sự
hỗn loạn này có nguồn gốc sâu xa từ sự khước từ - hay là thiếu nhận thức - phép
biện chứng bởi các nhà khoa học hiện đại. Nhà lý luận sẽ nói "Lúc thì thế này, lúc
thì thế khác" khi anh ta phải khổ sở vượt qua sự lựa chọn của m ình giữa hai tình
thế biểu hiện ra là trái ngược nhau, tự hỏi tại sao thế giới lại luôn luôn như thế.
Những tính chất có vẻ như là đối lập nhau ấy có thể được trình bày đồng thời
không chỉ là khả dĩ mà còn là phổ biến nữa. Ánh sáng và bóng tối, nóng và lạnh,
bắc và nam, sóng và hạt, một sự kết hợp quen thuộc và không thể tránh được, sự
tồn tại của cái này là không thể có được nếu thiếu đi cái kia, và từ đó sinh ra vận
động và biến đổi:
"Trong khi logic hình thức truyền thống tìm cách loại trừ cái đối lập, thì tư duy
biện chứng lại nắm lấy nó. Mâu thuẫn là một đặc điểm bản chất của mọi tồn tại.
Nó nằm tại trung tâm của bản thân vật chất. Nó là nguồn gốc của mọi vận động,
biến đổi, đời sống và sự phát triển. Quy luật biện chứng đặc trưng cho tư tưởng
này là quy luật về sự thống nhất và chuyển hóa giữa các mặt đối lập”
Chính sự hiểu biết này về hành trạng cơ học lượng tử về cơ bản là phương pháp
được sử dụng trong mọi ứng dụng thực tiễn của cơ học lượng tử. Đôi khi nó được
mô tả như là phương pháp "shut up and calculate" (một cách diễn đạt được
Richard Feynman tín nhiệm, nhưng có lẽ là sai) là một phản ứng có thể hiểu được
đối với chủ nghĩa duy tâm và chủ nghĩa thần bí của những cách luận giải khác.
- Chẳng hạn, khi một nhà khoa học trong công nghiệp bắt đầu thiết kế một màn hình
TV, đây là phương pháp mà ông ta sẽ dùng đến. Các electron rời sợi đ èn nóng tại
đây với xác suất này, tạo ra dòng điện này; chúng được gia tốc bởi từ trường.
Tiêu biểu cho cách lập luận Copenhagen là thí nghiêm khe đôi,nó đ ã chứng minh
được tính chất đối ngẫu sóng-hạt của vật chất.Ngoài ra,còn có hình vẽ miêu tả về
một hạt nhân nguyên tử với đám mây electron xung quanh hạt nhân.
Cách giải thích của Hugh Everett Cách giải thích đa thế giới của Hugh Everett
được đưa ra vào năm 1956 cho rằng tất cả các xác suất mô tả bởi cơ học lượng tử
xuất hiện trong rất nhiều thế giới khác nhau, cùng tồn tại song song và độc lập với
nhau. Trong khi đa thế giới là tất định thì chúng ta nhận được các tính chất bất
định cho bởi các xác suất bởi vì chúng ta chỉ quan sát được thế giới mà chúng ta
tồn tại mà thôi.
Dựa vào cách giải thích này mà năm mươi năm sau, học thuyết “nhiều thế giới”
tiếp tục thu hút nhiều thế hệ các nh à vật lý, những người đã cống hiến cho sự
nghiệp phát triển học thuyết này. Giáo sư vật lý danh tiếng, ông David Deutsch tại
Đại học Oxford là đại diện cho các nhà vật lý này.
Để giải thích sự mâu thuẫn n ày, đa số các nhà vật lý đã chọn một phương án dễ
dàng: Họ hạn chế tính hiệu lực của thuyết lượng tử trong thế giới hạ nguyên tử
(mức vi quan ở dưới mức nguyên tử). Nhưng ông Deutsch đã lý luận rằng quy luật
của học thuyết phải có tính xác thực tại mỗi mức [vi quan]. Bở i vì mọi thứ trên thế
giới này, bao gồm cả chúng ta, được cấu thành bởi những lạp tử này, và bởi vì
thuyết lượng tử đã được chứng minh là không thể sai lầm ở mỗi thí nghiệm có thể
nhận biết, các quy tắc lượng tử kỳ cục này phải được áp dụng cho chúng ta. Chúng
ta, cũng như vậy, phải tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc, thậm chí cả nếu
chúng ta không nhận ra nó. Phải có nhiều ông David Deutsch, nhiều trái đất, v à
nhiều vũ trụ [đồng thời tồn tại]. Chúng ta không chỉ sống trong một vũ trụ đ ơn,
theo như ông Deutsch, mà phải trong một vũ trụ rộng lớn hay là “đa vũ trụ”
Dưới điều kiện bình thường,
chúng ta không bao giờ phải đối
mặt với những hiện thực đa chiều
như trong cơ học lượng tử. Chúng
ta chắc chắn không thể nhận thức
được những ‘cái tôi’ khác đang
làm gì. Chỉ trong những điều kiện
được kiểm soát một cách cẩn
thận, như trong thí nghiệm hai khe
hở (two-slit), chúng ta mới có được gợi ý về sự tồn tại của điều m à ông Deutsch
gọi là”đa vũ trụ”
- Trong đoạn cuối bài báo, “Ông Deutsch lý luận rằng các nhà vật lý, những người
sử dụng cơ học lượng tử một cách vị lợi – và điều đó có nghĩa rằng hầu hết các
nhà vật lý đang làm việc trong lĩnh vực hiện nay – thật thiếu can đảm. Họ đơn
thuần không thể chấp nhận sự kỳ bí của hiện thực lượng tử. Đây có lẽ là lần đầu
tiên trong lịch sử, ông nói, các nhà vật lý đã từ chối tin vào những gì mà học
thuyết đang thịnh hành nói về thế giới. Đối với ông Deutsch, điều n ày giống như
Galileo từ chối tin rằng Trái đất quay xung quanh Mặt trời và sử dụng mô hình
nhật tâm của hệ mặt trời chỉ để dự đoán vị trí của các ngôi sao và hành tinh trên
bầu trời. Giống như các nhà vật lý hiện đại, những người cho rằng lượng tử ánh
sáng (photon) vừa là dạng sóng vừa là dạng hạt, lúc ở chỗ này lúc ở chỗ kia,
Galileo có thể lý luận rằng Trái đất vừa chuyển động vừa đứng im cùng một lúc và
các sinh viên mới ra trường chế nhạo rằng điều này có nghĩa là gì vậy.
Giải thích Bohm, do David Bohm đưa ra, đã thừa nhận sự tồn tại của các hàm
sóng phổ quát, phi cục bộ. Hàm sóng này cho phép các h ạt ở xa nhau có thể tương
tác tức thời với nhau. Dựa trên cách giải thích này Bohm lý luận rằng bản chất sâu
xa nhất của thực tại vật lý không phải là tập hợp các vật thể rời rạc như chúng ta
thấy mà là một thực thể thống nhất năng động, không thể phân chia, v à bất diệt.
Tuy nhiên cách giải thích của Bohm không được phổ biến trong giới vật lý vì nó
được coi là không tinh tế.
Cơ học lượng tử vẫn có những nhược điểm đó là không giải thích được những vật
thể rơi vào trong hố đen.
Cơ học lượng tử được mô tả trong tâm sinh lý của con người:
Khi hai quả tim gặp nhau và va chạm với nhau (không loại trừ hai quả tim cùng
loại) thì trường hợp có thể xảy ra:
có ba
1) Va chạm đàn hồi tuyệt đối: Cả hai quả tim bay ngược lại về hai phía, trao đổi
vận tốc cho nhau mà không sứt mẻ gì. Đây là va chạm phổ biến giữa các quả tim
- đồng loại nhưng lại là loại va chạm gần như không thể xảy ra giữa hai quả tim
khác loại.
2) Va chạm mềm không cộng hưởng: Đây là loại va chạm phổ biến nhất giữa các
quả tim khác loại: Quả tim nào sắt đá hơn thì sứt mẻ ít hơn. Tuy nhiên sau khi va
chạm thì cả hai quả tim đều không còn là chính mình nữa. Như vậy sau thời gian
va chạm t nào đó, các quả tim chia tay nhau trong trạng thái sứt mẻ và mang trong
mình một phần năng lượng của nhau như một "kỉ niệm về va chạm". Thời gian t
được tính gần đúng là 1 đêm. Va chạm này còn có tên khác là "Tình cảm qua
đường".
3) Va chạm mềm cộng hưởng : Loại va chạm này phức tạp và khó phân tích nhất,
nó cũng là loại va chạm có điều kiện khắt khe nhất giữa các quả tim khác loại
nhưng lại cho nhiều kết quả nghiên cứu thú vị.
IV.Ứng dụng của cơ học lượng tử
Thiên nhiên vận dụng cơ học lượng tử rất hiệu quả
Bằng chứng phát sinh từ một nghiên cứu cách thức năng lượng
truyền trong các phântử khai thác ánh sáng trong quá trình quang
hợp
Hi vọng rằng sự kết hợp lượng tử có thể dùng để sản xuất pin mặt
trời hiệu quả hơn. Công trình trên đang sắp làm thay đổi cách thức
chúng ta suy nghĩ về sự quang hợp và sự điện toán lượng tử, Engel nói. “Nó là một
kết quả lớn”.
M áy tính lư ợng t ử - g i ấc m ơ đ ã thành s ự thật ?
Một doanh nghiệp nhỏ ở Canada cho biết họ đã chế tạo được chiếc máy tính lượng
tử mang tính thương mại đầu tiên trên thế giới. Mặc dù các nhà khoa học này đã
xây dựng được các nguyên mẫu cho cỗ máy, nhưng hầu như họ vẫn phải chờ thêm
ít nhất là một thập kỉ nữa mới có thể xây dựng đ ược chiếc máy tính lượng tử hữu
dụng, bởi
vì rất khó thao tác với những hệ lượng tử tinh vi mà không làm phá hủy chúng lúc
hoạt động
Máy tính lượng tử của thế kỷ 21 sẽ xử lý thông tin nhanh ch ưa
từng thấy. Nguyên tắc hoạt động của máy tính lượng tử trong
tương lai sẽ hoàn toàn khác. Cuộc chạy đua trong những lĩnh vực
- này đang diễn ra mạnh mẽ trên toàn thế giới.
Món quà thứ nhất mà đặc tính dạng số của cơ học lượng tử tặng thiên nhiên là tính
bền.
Món quà dạng số thứ hai là tính đếm được.
Món quà dạng số thứ ba mà cơ học lượng tử tặng cho thiên nhiên là thông tin
Món quà thứ tư từ cơ học lượng tử là việc xử lý thông tin
Món quà thứ năm và cũng là cuối cùng mà cơ học lượng tử tặng cho thiên nhiên,
nhưng không phải lúc nào cũng được xem là món quà: đó là tính ngẫu nhiên .
(Khác với cơ học cổ điển, cơ học lượng tử chứa đựng sự bất định cố hữu; dưới
một tình huống thích hợp, có thể chuyển hóa một cách tối giản th ành một hành
xử ngẫu nhiên không thể rút gọn được. Chính cái bản chất ngẫu nhiên này đã từng
bị Einstein chỉ trích khi ông tuyên bố "Thượng đế không chơi trò xí ngầu". Thật
ra, Einstein đã sai lầm: Thượng đế có chơi trò xí ngầu, và may mắn thay, Ngài
chơi rất giỏi. Tính ngẫu nhiên quả thực là kẻ thù của sự trật tự - đây là tính chất mà
Einstein đã từng chỉ trích. Tuy nhiên, tính ngẫu nhiên là nguồn cội của sự biến
đổi. Và như Darwin đã từng dạy chúng ta: “sự sống không biến đổi sẽ không còn
là sự sống ”)
PIN QUANG ĐIỆN:
Ngoài ra, người ta dựa vào cơ học lượng tử để chế tạo ra các chíp bán dẫn, là trái
tim của nền văn minh của loài người hiện nay.
Cơ học lượng tử đã đạt được các thành công vang dội trong việc giải thích rất
nhiều các đặc điểm của thế giới chúng ta. Tất cả các tính chất riêng biệt của các
hạt vi mô tạo nên tất cả các dạng vật chất đó là điện tử, proton, neutron,... chỉ có
thể được mô tả bằng cơ học lượng tử.
Cơ học lượng tử còn quan trọng trong việc tìm hiểu các nguyên tử riêng biệt kết
hợp với nhau để tạo nên các chất như thế nào. Việc áp dụng cơ học lượng tử vào
hóa học được gọi là hóa học lượng tử. Cơ học lượng tử có thể cho phép nh ìn sâu
vào các quá trình liên kết hóa học bằng việc cho biết các phân tử ở các trạng thái
có lợi về năng lượng như thế nào so với các trạng thái thái và làm sao mà chúng
- khác nhau. Phần lớn các tính toán được thực hiện trong hóa học tính toán dựa trên
cơ học lượng tử.
Rất nhiều các công nghệ hiện đại sử dụng các thiết bị có kích th ước mà ở đó hiệu
ứng lượng tử rất quan trọng. Ví dụ nh ư là laser, transistor, hiển vi điện tử, và chụp
cộng hưởng từ hạt nhân. Nghiên cứu về chất bán dẫn dẫn đến việc phát minh ra
các đi-ốt và transistor, đó là những linh kiện điện tử không thể thiếu trong xạ hội
hiện đại.
Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm kiếm các phương pháp để can thiệp vào các
trạng thái lượng tử. Một trong những cố gắng đó là mật mã lượng tử cho phép
truyền thông tin một cách an toàn. Mục đích xa hơn là phát triển các máy tính
lượng tử, có thể thực hiện các tính toán nhanh h ơn các máy tính hiện này rất nhiều
lần. Một lĩnh vực khác đó là viễn tải lượng tử có thể cho phép truyền các trạng thái
lượng tử đến những khoảng cách bất kỳ.
Kết luận:
Cho đến hôm nay các nhà vật lý dự báo tương lai loài người chính là tương lai của
CƠ HỌC LƯỢNG TỬ .Tuy các cuộc tranh luận vẫn chưa kết thúc nhưng cơ học
lượng tử đã trở thành một công cụ đắc lực,một cơ sở không thể thiếu đối với việc
nghiên cứu thế giới vi mô.
nguon tai.lieu . vn
