Trong nhiều thế kỷ, các định luật vật lý dường như hoàn toàn mang tính xác định. Nếu bạn biết vị trí của từng hạt, tốc độ di chuyển của nó và lực tác động giữa chúng tại bất kỳ thời điểm nào, bạn có thể biết chính xác chúng sẽ ở đâu và chúng sẽ làm gì vào bất kỳ thời điểm nào trong tương lai. Từ Newton đến Maxwell, các quy tắc điều khiển Vũ trụ không có sự bất định sẵn có, cố hữu đối với chúng dưới bất kỳ hình thức nào. Giới hạn duy nhất của bạn nảy sinh từ kiến thức, phép đo và sức mạnh tính toán hạn chế của bạn.
Tất cả những điều đó đã thay đổi một chút vào hơn 100 năm trước. Từ hiện tượng phóng xạ đến hiệu ứng quang điện đến hành vi của ánh sáng khi bạn truyền nó qua một khe kép, chúng tôi bắt đầu nhận ra rằng trong nhiều trường hợp, chúng tôi chỉ có thể dự đoán xác suất mà các kết quả khác nhau sẽ xuất hiện do bản chất lượng tử của Vũ trụ của chúng ta. Nhưng cùng với bức tranh hiện thực mới mẻ, phản trực giác này, nhiều huyền thoại và quan niệm sai lầm đã nảy sinh. Đây là khoa học thực sự đằng sau 10 trong số chúng.
Bằng cách tạo ra một đường ray trong đó đường ray từ tính bên ngoài hướng về một hướng và đường ray từ tính bên trong đường ray hướng về phía khác, một vật thể siêu dẫn Loại II sẽ bay lên, vẫn được ghim ở trên hoặc dưới đường ray, và sẽ di chuyển dọc theo đường ray. Về nguyên tắc, điều này có thể được mở rộng để cho phép chuyển động không có điện trở trên quy mô lớn nếu đạt được chất siêu dẫn nhiệt độ phòng.
1.) Hiệu ứng lượng tử chỉ xảy ra ở quy mô nhỏ
Khi chúng ta nghĩ về các hiệu ứng lượng tử, chúng ta thường nghĩ về các hạt (hoặc sóng) riêng lẻ và các đặc tính kỳ lạ mà chúng thể hiện. Nhưng các hiệu ứng vĩ mô, quy mô lớn xảy ra vốn có bản chất lượng tử.
Kim loại dẫn được làm nguội dưới một nhiệt độ nhất định trở thành chất siêu dẫn: khi điện trở của chúng giảm xuống bằng không. Xây dựng các đường ray siêu dẫn nơi nam châm bay lên trên chúng và di chuyển xung quanh chúng mà không bao giờ giảm tốc độ là một dự án khoa học thường xuyên của sinh viên ngày nay, được xây dựng dựa trên các hiệu ứng lượng tử vốn có.
Chất siêu lỏng có thể được tạo ra ở quy mô lớn, vĩ mô, cũng như trống lượng tử có thể hoạt động đồng thời và không rung. Trong 25 năm qua, 6 giải Nobel đã được trao cho các hiện tượng lượng tử vĩ mô khác nhau.
Sự khác biệt về mức năng lượng trong một nguyên tử của Lutetium-177. Lưu ý cách có những chỉ cụ thể, rời rạc mức năng lượng có thể chấp nhận được. Trong khi các mức năng lượng là rời rạc, vị trí của các electron thì không.
2.) Lượng tử luôn có nghĩa là “rời rạc”
Ý tưởng rằng bạn có thể cắt nhỏ vật chất (hoặc năng lượng) thành những phần riêng lẻ – hay lượng tử – là một khái niệm quan trọng trong vật lý, nhưng nó không bao hàm đầy đủ ý nghĩa của một thứ có bản chất là “lượng tử”. Ví dụ: xét một nguyên tử. Nguyên tử được tạo nên từ hạt nhân nguyên tử với các electron liên kết với chúng.
Bây giờ, hãy nghĩ về câu hỏi này: electron ở đâu tại bất kỳ thời điểm nào trong thời gian?
Mặc dù electron là một thực thể lượng tử, nhưng vị trí của nó là không chắc chắn cho đến khi bạn đo nó. Lấy nhiều nguyên tử và liên kết chúng với nhau (chẳng hạn như trong một chất dẫn điện), và bạn sẽ thường xuyên phát hiện ra rằng mặc dù có các mức năng lượng riêng biệt mà các điện tử chiếm giữ, nhưng vị trí của chúng thực sự có thể nằm ở bất kỳ đâu trong chất dẫn điện. Nhiều hiệu ứng lượng tử là liên tục trong tự nhiên, và rất có thể không gian và thời gian, ở mức cơ bản, lượng tử, cũng liên tục .
Bằng cách tạo ra hai photon vướng víu từ một hệ thống có từ trước và tách chúng ra bằng một khoảng cách rất xa, chúng ta có thể ‘dịch chuyển’ thông tin về trạng thái của một cái bằng cách đo trạng thái của cái kia, ngay cả từ những vị trí cực kỳ khác nhau. Các giải thích vật lý lượng tử đòi hỏi cả tính cục bộ và chủ nghĩa hiện thực không thể giải thích cho vô số các quan sát, nhưng nhiều cách giải thích đều có vẻ tốt như nhau.
3.) Rối lượng tử cho phép thông tin truyền nhanh hơn ánh sáng
Đây là một thử nghiệm chúng tôi có thể thực hiện:
- Tạo ra hai hạt vướng víu,
- Tách chúng ra một khoảng cách rất xa,
- Đo các thuộc tính lượng tử nhất định (như spin) của một hạt ở phía cuối của bạn,
- Và bạn có thể biết ngay lập tức một số thông tin về trạng thái lượng tử của hạt khác: nhanh hơn tốc độ ánh sáng.
Nhưng đây là vấn đề của thí nghiệm này: không có thông tin nào được truyền đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Tất cả những gì đang xảy ra là bằng cách đo trạng thái của một hạt, bạn đang hạn chế các kết quả có thể xảy ra của hạt kia. Nếu ai đó đi và đo hạt kia, họ sẽ không có cách nào biết rằng hạt đầu tiên đã được đo và sự vướng víu đã bị phá vỡ. Cách duy nhất để xác định sự vướng víu đã bị phá vỡ hay chưa là đưa kết quả của cả hai phép đo trở lại với nhau một lần nữa: một quá trình chỉ có thể xảy ra ở tốc độ ánh sáng hoặc chậm hơn. Không có thông tin nào có thể được truyền đi nhanh hơn ánh sáng ; điều này đã được chứng minh trong một định lý năm 1993.
Trong một thí nghiệm truyền thống về mèo của Schrodinger, bạn không biết liệu kết quả của một lượng tử sự phân hủy đã xảy ra, dẫn đến cái chết của con mèo hay không. Bên trong hộp, con mèo sẽ sống hoặc chết, tùy thuộc vào việc một hạt phóng xạ bị phân hủy hay không. Nếu con mèo là một hệ lượng tử thực sự, con mèo sẽ không sống cũng không chết, mà ở trạng thái chồng chất của cả hai trạng thái cho đến khi được quan sát. Tuy nhiên, bạn không bao giờ có thể quan sát con mèo đồng thời vừa chết vừa sống.
4.) Sự chồng chất là cơ bản của vật lý lượng tử
Hãy tưởng tượng bạn có nhiều trạng thái lượng tử có thể có mà một hệ thống có thể ở trong đó. Có thể nó ở trạng thái “A” với xác suất 55%, trạng thái “B” với xác suất 30% và trạng thái “C” với xác suất 15%. Tuy nhiên, bất cứ khi nào bạn thực hiện một phép đo, bạn sẽ không bao giờ thấy sự kết hợp của những trạng thái có thể có này; bạn sẽ chỉ nhận được một kết quả trạng thái duy nhất: đó là “A,” “B” hoặc “C.”
Các phép chồng chất cực kỳ hữu ích như là các bước tính toán trung gian để xác định kết quả có thể có của bạn (và xác suất của chúng), nhưng chúng ta không bao giờ có thể đo lường chúng một cách trực tiếp. Ngoài ra, chồng chất không áp dụng cho tất cả các đại lượng đo lường như nhau, vì bạn có thể có chồng chất thời điểm nhưng không phải vị trí hoặc ngược lại. Không giống như sự vướng víu, là một hiện tượng lượng tử cơ bản , sự chồng chất không thể đo lường được một cách định lượng hoặc phổ biến.
Nhiều cách diễn giải lượng tử và các phép gán khác nhau của chúng về nhiều thuộc tính. Bất chấp sự khác biệt của chúng, không có thí nghiệm nào được biết đến có thể phân biệt các cách giải thích này với nhau, mặc dù có thể loại trừ một số cách diễn giải nhất định, như những cách diễn giải với các biến ẩn cục bộ, thực, xác định, có thể được loại trừ.
5.) Không có gì sai khi tất cả chúng ta chọn cách giải thích lượng tử yêu thích của mình
Vật lý là tất cả những gì bạn có thể dự đoán, quan sát và đo lường trong Vũ trụ này. Tuy nhiên, với vật lý lượng tử, có nhiều cách để hình dung về những gì đang xảy ra ở mức lượng tử mà tất cả đều đồng ý với các thí nghiệm. Thực tế có thể là:
- Một loạt các hàm sóng lượng tử “sụp đổ” ngay lập tức khi một phép đo được thực hiện,
- Một tập hợp vô hạn của các sóng lượng tử, trong đó phép đo chọn một thành viên của nhóm,
- Sự chồng chất của điện thế chuyển động tiến và lùi gặp nhau trong một “cái bắt tay lượng tử”,
- Vô số thế giới có thể có tương ứng với các kết quả có thể xảy ra, nơi chúng ta chỉ đơn giản là chiếm một con đường, cũng như nhiều người khác.
Tuy nhiên, việc lựa chọn cách giải thích này hơn cách diễn giải khác không dạy chúng ta điều gì ngoại trừ, có lẽ, những thành kiến của con người chúng ta. Tốt hơn là nên tìm hiểu những gì chúng ta có thể quan sát và đo lường trong các điều kiện khác nhau, điều này là thực tế về mặt vật lý, hơn là thích một cách diễn giải không có lợi ích thực nghiệm hơn bất kỳ điều kiện nào khác.
Dịch chuyển lượng tử, một hiệu ứng (một cách sai lầm) được giới thiệu là du hành nhanh hơn ánh sáng. Trên thực tế, không thông tin được trao đổi nhanh hơn ánh sáng. Tuy nhiên, hiện tượng này là có thật, và phù hợp với dự đoán của mọi cách giải thích khả thi về cơ học lượng tử.
6.) Dịch chuyển là có thể, nhờ vào cơ học lượng tử
Thực sự có một hiện tượng thực tế được gọi là dịch chuyển lượng tử , nhưng nó rõ ràng nhất không có nghĩa là có thể dịch chuyển một cách vật lý một vật thể từ vị trí này sang vị trí khác. Nếu bạn lấy hai hạt vướng víu và giữ một hạt gần nhau trong khi gửi hạt kia đến nơi chưng cất mong muốn, bạn có thể dịch chuyển thông tin từ trạng thái lượng tử chưa biết ở đầu này sang đầu kia.
Tuy nhiên, điều này có những hạn chế rất lớn đối với nó, bao gồm cả việc nó chỉ hoạt động đối với các hạt đơn lẻ và chỉ thông tin về trạng thái lượng tử không xác định, không phải bất kỳ vật chất vật lý nào, mới có thể được dịch chuyển. Ngay cả khi bạn có thể mở rộng quy mô này để truyền thông tin lượng tử mã hóa toàn bộ con người, việc truyền thông tin không giống như chuyển vật chất: bạn không thể dịch chuyển tức thời một con người bằng dịch chuyển lượng tử.
Biểu đồ này minh họa mối quan hệ không chắc chắn vốn có giữa vị trí và động lượng. Khi một được biết chính xác hơn, cái khác vốn dĩ ít có khả năng được biết chính xác hơn.
7.) Mọi thứ đều không chắc chắn trong một Vũ trụ lượng tử
Một số điều không chắc chắn, nhưng nhiều điều được xác định rất rõ ràng và nổi tiếng trong một Vũ trụ lượng tử. Nếu bạn lấy một electron, chẳng hạn, bạn không thể biết:
- Vị trí của nó và động lượng của nó,
- Hoặc mômen động lượng của nó theo nhiều hướng vuông góc với nhau,
- Chính xác và đồng thời trong mọi trường hợp. Nhưng một số điều về electron có thể được biết chính xác! Chúng ta có thể biết khối lượng nghỉ, điện tích hoặc thời gian tồn tại của nó (dường như là vô hạn) một cách chắc chắn chính xác.
Điều duy nhất không chắc chắn trong vật lý lượng tử là các cặp đại lượng vật lý có mối quan hệ cụ thể giữa chúng: đó là các cặp biến liên hợp . Đây là lý do tại sao có những quan hệ không chắc chắn giữa năng lượng và thời gian, điện áp và điện tích tự do, hay mô men động lượng và vị trí góc. Trong khi nhiều cặp đại lượng có độ bất định cố hữu giữa chúng, thì nhiều đại lượng vẫn được biết chính xác.
Chiều rộng vốn có hoặc một nửa chiều rộng của đỉnh trong hình ảnh trên khi bạn ở nửa trên đỉnh, được đo là 2,5 GeV: độ không đảm bảo đo cố hữu khoảng +/- 3% tổng khối lượng.
8.) Mọi hạt cùng loại đều có khối lượng như nhau
Nếu bạn có thể lấy hai hạt giống hệt nhau – như hai proton hoặc hai electron – và đặt chúng trên một thang đo hoàn toàn chính xác, chúng sẽ luôn có cùng khối lượng chính xác với nhau. Nhưng đó chỉ là vì proton và electron là những hạt ổn định với thời gian sống vô hạn.
Thay vào đó, nếu bạn lấy các hạt không ổn định bị phân hủy sau một thời gian ngắn – chẳng hạn như hai hạt quark trên cùng hoặc hai boson Higgs – và đặt chúng trên một thang đo hoàn toàn chính xác, bạn sẽ không nhận được các giá trị tương tự. Điều này là do có sự không chắc chắn cố hữu giữa năng lượng và thời gian: nếu một hạt chỉ sống trong một khoảng thời gian hữu hạn, thì sẽ có một sự không chắc chắn cố hữu về lượng năng lượng (và do đó, từ E = mc² , khối lượng nghỉ) mà hạt có . Trong vật lý hạt, chúng tôi gọi đây là “chiều rộng” của hạt, và nó có thể dẫn đến khối lượng vốn có của một hạt là không chắc chắn lên tới một vài phần trăm.
Niels Bohr và Albert Einstein, thảo luận về nhiều chủ đề lớn trong ngôi nhà của Paul Ehrenfest ở Năm 1925. Các cuộc tranh luận Bohr-Einstein là một trong những cuộc tranh luận có ảnh hưởng nhất trong quá trình phát triển cơ học lượng tử. Ngày nay, Bohr được biết đến nhiều nhất với những đóng góp về lượng tử, nhưng Einstein được biết đến nhiều hơn với những đóng góp về thuyết tương đối và sự tương đương khối lượng-năng lượng. Đối với những người hùng, cả hai người đàn ông đều sở hữu những sai sót to lớn trong cả cuộc sống nghề nghiệp và cá nhân của họ.
9.) Chính Einstein đã phủ nhận cơ học lượng tử
Đúng là Einstein đã có một câu nói nổi tiếng về cách, “Chúa không chơi trò xúc xắc với vũ trụ.” Nhưng tranh luận chống lại tính ngẫu nhiên cơ bản vốn có của cơ học lượng tử – đó là bối cảnh của câu trích dẫn đó – là tranh luận về cách giải thích cơ học lượng tử, chứ không phải lập luận chống lại chính cơ học lượng tử.
Trên thực tế, bản chất của lập luận của Einstein là có thể có nhiều thứ hơn trong Vũ trụ mà chúng ta có thể quan sát hiện nay, và nếu chúng ta có thể hiểu các quy tắc mà chúng ta chưa khám phá ra, có lẽ những gì có vẻ là ngẫu nhiên đối với chúng ta ở đây có thể tiết lộ sâu hơn, sự thật không ngẫu nhiên. Mặc dù vị trí này không mang lại kết quả hữu ích, nhưng khám phá các nguyên tắc cơ bản của vật lý lượng tử vẫn tiếp tục là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực, loại bỏ thành công một số cách giải thích liên quan đến các “biến ẩn” hiện diện trong Vũ trụ.
Ngày nay, biểu đồ Feynman được sử dụng để tính toán mọi tương tác cơ bản trải dài yếu và lực điện từ, kể cả trong điều kiện năng lượng cao và nhiệt độ thấp / ngưng tụ. Nhưng nó không thể là một bức tranh chính xác
10.) Sự trao đổi của các hạt trong lý thuyết trường lượng tử hoàn toàn mô tả Vũ trụ của chúng ta
Đây là “bí mật nhỏ bẩn thỉu” của lý thuyết trường lượng tử mà các nhà vật lý học ở trường cao học: kỹ thuật mà chúng ta thường sử dụng nhất để tính toán tương tác giữa hai hạt lượng tử bất kỳ. Chúng ta hình dung chúng như là các hạt được trao đổi giữa hai lượng tử đó, cùng với tất cả các trao đổi tiếp theo có thể xảy ra như các bước trung gian.
Nếu bạn có thể ngoại suy điều này cho tất cả các tương tác có thể xảy ra – theo cái mà các nhà khoa học gọi là trật tự vòng lặp tùy ý – thì bạn sẽ trở nên vô nghĩa. Kỹ thuật này chỉ là một phép gần đúng: một chuỗi tiệm cận, không hội tụ , chia nhỏ qua một số số hạng nhất định. Đó là một bức tranh cực kỳ hữu ích, nhưng về cơ bản là không đầy đủ. Ý tưởng về trao đổi hạt ảo rất hấp dẫn và trực quan, nhưng không chắc là câu trả lời cuối cùng.
Theo: Forbes.
