Bài viết này dựa trên câu trả lời cho một câu hỏi của cư dân mạng: Theo lý thuyết của cơ học lượng tử, nếu một người đập vào tường thì xác suất anh ta có thể xuyên qua là bao nhiêu?
Tôi có thể nói với bạn một cách có trách nhiệm và đơn giản: xác suất bằng không.
Cơ học lượng tử mô tả các hiện tượng chỉ xảy ra trong thế giới lượng tử.
Cái gọi là trường lượng tử chính là trường vi mô. Lý thuyết cơ học lượng tử chỉ có giá trị khi mô tả các hiện tượng trong thế giới các hạt vi mô. Những hiện tượng này không tồn tại trong thế giới vĩ mô.
Vật thể cực nhỏ này nhỏ tới mức nào? Nó chủ yếu ở cấp độ dưới nguyên tử, là cấp độ nhỏ hơn nguyên tử. Đường kính đầu kim thêu khoảng 10μm (micromet), tương đương khoảng 0,000001cm^2. Điều này có vẻ rất nhỏ, nhưng đối với lượng tử, đây vẫn là một vật chất vĩ mô cực kỳ lớn. Đường kính của một nguyên tử khoảng 10^-12cm và diện tích biểu kiến khoảng 10^-24cm. Vì vậy, 100 nghìn tỷ nguyên tử có thể được sắp xếp trên đầu một cây kim.
Các hạt hạ nguyên tử nhỏ hơn nhiều so với nguyên tử, chẳng hạn như neutron, proton và electron. Đường kính của các hạt hạ nguyên tử này đều dưới 10^-17 cm, do đó 100 nghìn tỷ nghìn tỷ nghìn tỷ hạt có thể được sắp xếp trên đầu kim. Hiệu ứng đường hầm lượng tử chủ yếu xảy ra ở cấp độ dưới nguyên tử hoặc nguyên tử mà con người không thể nhìn thấy. Nhiều nhất, nó chỉ có thể xảy ra ở cấp độ phân tử nhất định (như phân tử nước). Hoàn toàn không thể đạt được kích thước bằng đầu kim, chứ đừng nói đến hiện tượng vĩ mô đạt đến cấp độ con người.
Vì vậy, tôi khuyên những ai có tưởng tượng như vậy thì không nên thử. Bởi vì dù bạn có đập bao nhiêu lần thì đầu bạn cũng sẽ chảy máu, và đập càng mạnh thì bạn sẽ chết càng nhanh, trừ khi bức tường được làm bằng đậu phụ.
Hiệu ứng đường hầm lượng tử là gì?
Lý thuyết khiến nhiều người mơ tưởng về khả năng đi xuyên qua tường và làm bất cứ điều gì họ muốn là kết quả của sự hiểu lầm của một số người về lý thuyết hiệu ứng đường hầm lượng tử trong cơ học lượng tử.
Cái gọi là hiệu ứng đường hầm lượng tử đề cập đến hành vi lượng tử của các hạt vi mô như electron có khả năng xuyên qua hoặc vượt qua các rào cản điện thế. Rào cản tiềm ẩn là một khái niệm phức tạp. Để giải thích rõ ràng cần phải sử dụng một loạt các phương trình hàm và kiến thức khác (hình bên dưới chỉ là một phần nhỏ), nhưng sẽ không được thảo luận ở đây.
Nói một cách dễ hiểu, hiệu ứng đường hầm lượng tử có nghĩa là các hạt vi mô có thể nhảy qua những bức tường tưởng chừng như không thể vượt qua, tức là những rào cản tiềm tàng ban đầu không thể vượt qua. Trong cơ học cổ điển, tức là thế giới vĩ mô của chúng ta, điều này là không thể, nhưng trong thế giới lượng tử, hạt này có khả năng vượt qua bức tường cao này. Xin lưu ý rằng đây chỉ là xác suất chứ không phải là tuyệt đối.
Cái gọi là rào cản tiềm tàng không phải là vật chất hữu hình như tường hay vách ngăn thực sự mà là năng lượng. Cũng giống như các hạt trong nguyên tử được liên kết bởi năng lượng của hạt nhân, về mặt logic, cần có năng lượng siêu mạnh để thoát khỏi thế năng của hạt nhân. Do đó, theo hiểu biết của cơ học cổ điển, các hạt này không thể thoát khỏi thế hạt nhân.
Tuy nhiên, trong quá trình phân rã alpha, hạt alpha bị đẩy ra khỏi hạt nhân mà không cần năng lượng lớn hơn thế năng hạt nhân. Hiện tượng này chỉ có thể được giải thích bằng nguyên lý bất định và hàm sóng của cơ học lượng tử.
Sau khi lý thuyết này được thiết lập, cộng đồng khoa học đã có thể làm sáng tỏ hơn một số hiện tượng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân, phân rã phóng xạ, hóa học thiên văn và sinh học lượng tử bên trong các ngôi sao, đồng thời thúc đẩy nghiên cứu khoa học chuyên sâu. Các nhà khoa học cũng đã phát triển kính hiển vi quét đường hầm dựa trên lý thuyết về hiệu ứng đường hầm lượng tử. Hai nhà phát minh Gerd Binning và Heinrich Röhrer cùng nhà phát minh ra kính hiển vi điện tử Ernst Ruska đã cùng chia sẻ giải Nobel Vật lý năm 1986.
Có nhiều hiện tượng kỳ lạ trong thế giới lượng tử chỉ có thể xảy ra ở cấp độ vi mô
Các lý thuyết nổi tiếng nhất trong lý thuyết lượng tử là nguyên lý bất định và sự sụp đổ của hàm sóng.
Nguyên lý bất định, còn gọi là nguyên lý bất định, được Heisenberg đề xuất vào năm 1927. Nội dung cốt lõi của lý thuyết này là con người không thể biết đồng thời vị trí và tốc độ của một hạt, vì độ bất định về vị trí của hạt phải lớn hơn hoặc bằng hằng số Planck chia cho 4π, và công thức là ΔxΔp≥h/4π.
Lý thuyết này cho thấy hành vi của các hạt trong thế giới vi mô hoàn toàn khác với chuyển động của vật chất trong thế giới vĩ mô. Trong thế giới vĩ mô, chúng ta có thể biết vị trí và tốc độ của ô tô, máy bay và thậm chí cả tàu vũ trụ cùng một lúc, do đó rất khó để hiểu bằng vật lý cổ điển.
Sự sụp đổ của hàm sóng đề cập đến hiện tượng sau khi một số hệ thống cơ học lượng tử tương tác với thế giới bên ngoài, hàm sóng sẽ thay đổi và trở thành một trong các trạng thái riêng của nó, hoặc là tổ hợp tuyến tính của một số trạng thái riêng có cùng giá trị riêng. Bạn hiểu câu này thế nào? Trên thực tế, đây cũng là sự mở rộng của nguyên lý bất định lượng tử, nghĩa là phép đo lượng tử sẽ làm thay đổi hành vi lượng tử từ trạng thái sóng sang trạng thái hạt và kết quả quan sát là không chắc chắn.
Đối với một số hiện tượng kỳ lạ trong cơ học lượng tử, không chỉ công chúng nói chung không hiểu mà ngay cả Einstein, một trong những người sáng lập ra cơ học lượng tử, và Schrödinger, người tạo ra phương trình sóng của cơ học lượng tử (phương trình Schrödinger), cũng rất bối rối. Vào thế kỷ trước, họ đã có cuộc tranh luận kéo dài nửa thế kỷ với trường phái Copenhagen (lý thuyết của trường phái này được gọi là cách giải thích Copenhagen, sau này được xác nhận là lý thuyết chính thống về cơ học lượng tử) và cuối cùng đã bị đánh bại.
Một trong những ví dụ nổi tiếng nhất là thí nghiệm tưởng tượng "Con mèo của Schrödinger"
"Con mèo" tội nghiệp này được Schrödinger tạo ra từ hư không. Ý tưởng của ông là: có một con mèo trong một chiếc hộp kín. Con mèo có thể gặp nguy hiểm bất cứ lúc nào vì có một chai khí độc trong hộp. Trên chai khí độc có một chiếc búa đủ lớn để đập vỡ chai. Chiếc búa được điều khiển bởi sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ và không ai biết khi nào nguyên tố này sẽ phân rã.
Có hai kết quả có thể xảy ra với con mèo này: thứ nhất, khi nguyên tố này phân rã, chiếc búa sẽ rơi xuống, làm vỡ chai và khiến khí độc tràn ra ngoài, giết chết con mèo; Thứ hai, nguyên tố này không bị phân hủy và con mèo vẫn sống.
Câu hỏi đặt ra là: Con mèo đã chết hay còn sống?
Theo lý thuyết cơ học cổ điển, có hai kết quả rõ ràng cho con mèo này: hoặc chết hoặc sống. Nhưng vì hộp được niêm phong nên không ai bên ngoài có thể biết con mèo còn sống hay đã chết trước khi mở hộp. Chỉ khi mở hộp ra, chúng ta mới có thể biết chắc chắn con mèo còn sống hay đã chết.
Nhưng theo nguyên lý bất định và lý thuyết sụp đổ hàm sóng, cơ học lượng tử tin rằng con mèo ở trạng thái chồng chập của cả sống và chết trước khi hộp được mở, và không có trạng thái sống hay chết. Chỉ khi hộp được mở ra và quan sát khiến hàm sóng sụp đổ thì con mèo mới sụp đổ từ trạng thái chồng chập của sóng sang trạng thái riêng, nghĩa là nó hoặc chết hoặc sống.
Trọng tâm của cuộc tranh luận giữa hai bên là: cơ học cổ điển cho rằng con mèo đã chết hay còn sống trước khi chiếc hộp được mở ra, và kết quả chỉ có thể biết được sau khi chiếc hộp được mở ra; Cơ học lượng tử tin rằng trạng thái trước và sau khi mở hộp là đã biết, và sự sống hay cái chết của con mèo được xác định tại thời điểm hộp được mở. Trước khi hộp được mở ra, con mèo ở trạng thái chồng chất giữa trạng thái sống và chết.
Được rồi, bây giờ dựa trên những hành vi thông thường hàng ngày của chúng ta về việc ăn, uống, đại tiện và tiểu tiện, bạn ủng hộ tuyên bố nào? Tất nhiên đây là phương pháp của cơ học cổ điển. Tuyên bố của cơ học lượng tử chẳng phải chỉ là lời vô nghĩa của một kẻ mất trí sao? Vâng, xin chúc mừng, ý tưởng của bạn hoàn toàn giống với ý tưởng của các nhà khoa học bậc thầy như Einstein và Schrödinger.
Schrödinger đã đưa ra thí nghiệm tư duy này để chế giễu những lý thuyết về cơ học lượng tử ủng hộ những hiện tượng kỳ lạ. Nhưng sự thật sau này đã chứng minh rằng con mèo trong thế giới lượng tử thực sự giống như vậy. Nó đã chết và sống lại một cách kỳ diệu trước khi chiếc hộp được mở ra. Những hiện tượng kỳ lạ này thực sự tồn tại trong thế giới lượng tử.
Thí nghiệm bất đẳng thức nổi tiếng của Bell chính là trọng tài của cuộc tranh luận này. Thí nghiệm này đã xác nhận độ tin cậy của cách giải thích của Copenhagen và được cộng đồng khoa học công nhận rộng rãi. Kết quả là, cách giải thích của Copenhagen đã trở thành lý thuyết xác thực về cơ học lượng tử. (Tôi đã nói về bất đẳng thức Bell trong quá khứ rồi nên hôm nay tôi sẽ không nói về nó nữa)
Ngày nay, cộng đồng khoa học đã nhất trí rằng chỉ bằng cách kết hợp lý thuyết cơ học lượng tử với thuyết tương đối của Einstein, chúng ta mới có thể hiểu thế giới của mình chính xác hơn. Hiện nay, lý thuyết cơ học lượng tử đang đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, thúc đẩy sự phát triển của nền văn minh nhân loại lên một tầm cao mới.
Lý thuyết cơ học lượng tử giải thích được nhiều hiện tượng kỳ lạ trong thế giới lượng tử, chẳng hạn như con mèo Schrödinger, hiệu ứng đường hầm lượng tử, sự vướng víu lượng tử, sự mất kết hợp và nhiều hiện tượng kỳ lạ khác. Tuy nhiên, đây chỉ là những hiện tượng xảy ra ở cấp độ lượng tử và không thể xác minh bằng logic của thế giới thực vĩ mô.
Trong quá khứ, các cuộc tranh luận giữa các nhà khoa học như Einstein và Schrödinger và Trường phái Copenhagen là những tranh chấp khoa học của thời đại đó. Bây giờ, khi những lý thuyết này đã trở thành lẽ thường tình, sẽ thật ngu ngốc khi đưa ra những mối liên hệ xa vời hoặc thậm chí liên hệ chúng với những sinh vật siêu nhiên. Bạn nghĩ sao? Chào mừng bạn đến thảo luận, cảm ơn bạn đã đọc.
Bản quyền thuộc về Space-Time Communication. Vi phạm và đạo văn là hành vi phi đạo đức. Xin hãy hiểu và hợp tác.
