Hiểu nhanh về vật lý lượng tử
Hôm trước thấy có bạn đăng bài Con mèo của Schrödinger và thí nghiệm nổi tiếng của cơ học lượng tử. Mà mình nghĩ lúc đó chắc có một số bạn chưa hiểu vật lý lượng tử là gì nên đọc sẽ không hiểu. Nên hôm nay mình sẽ giới thiệu cho các bạn về vật lý lượng tử một cách đơn giản nhất có thể.
1/ Vật lý lượng tử là gì ?
Vật lý lượng tử là chuyên ngành vật lý giải thích các hiện tượng ở quy mô nguyên tử hay nhỏ hơn (hạ nguyên tử) như photon, electron...
Trong Vật lý, lượng tử là một lượng nhỏ nhất của một thực thể vật lý, liên quan đến một tương tác nào đó.
VD: photon là lượng tử của ánh sáng.
Ở cấp độ cuộc sống hằng ngày (thế giới vĩ mô), ta hay gọi là chùm sáng hay tia sáng, nhưng khi đi xuống cấp độ vi mô (nguyên tử và dưới nguyên tử), ta sẽ thấy ánh sáng thực ra là các lượng tử rời rạc.
2/ Các tính chất cơ bản của Vật Lý Lượng Tử:
- LƯỠNG TÍNH SÓNG - HẠT
Vào thời của Newton các nhà khoa học tin rằng các nguyên tử chỉ cấu thành từ dạng hạt, tuy nhiên năm 1924, nhà vật lý người Pháp Louis de Broglie cho rằng các hạt thông thường mang cả tính chất sóng. Từ đó thuật ngữ “lưỡng tính sóng – hạt” ra đời để thể hiện đặc tính của vật chất ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử.
Ví dụ : Một photon ánh sáng có thể vừa là hạt, vừa là sóng cùng một lúc.
Để hiểu hơn về lưỡng tính sóng – hạt mời các bạn vào link sau đây sau đó trở lại xem video nhé:
https://vi.wikipedia.org/wiki/L%C6%B0%E1%BB%A1ng_t%C3%ADnh_s%C3%B3ng%E2%80%93h%E1%BA%A1t
https://www.youtube.com/watch?v=UYs3KmVBA78
Mình khuyên các bạn xem hết video về thí nghiệm hai khe này, sẽ hiểu ngay tính chất lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng. Video này gần như hay và dễ hiểu nhất. Mình định chèn hẳn cái video vào nhưng mạng yếu quá đợi mãi không được nên thôi mình dán link vào các bạn ấn vào xem nhé!
- CHỒNG CHẬP LƯỢNG TỬ - QUANTUM SUPERPOSITION
Định Nghĩa :
1 hệ lượng tử có thể đồng thời tồn tại nhiều trạng thái vật lý khác nhau - cùng một lúc.
Ví Dụ :
-Ngay tính chất lưỡng tính sóng - hạt của các thực thể vật chất ở mức thang nguyên tử đã là một ví dụ về sự chồng chập lượng tử.
-Nếu bạn tung một đồng xu thông thường thì trạng thái của nó chỉ là sấp HOẶC ngửa, nhưng nếu đó là đồng xu lượng tử thì nó "vừa sấp, vừa ngửa" cùng một lúc.
Một ví dụ cuối cùng : nếu tôi và bạn cùng bị thu nhỏ như người kiến xuống ngang mức thang nguyên tử, thì tôi có thể "ở bất kì đâu xung quanh bạn" - đằng trước, đằng sau, phía trên, phía dưới...Và bạn hãy nhớ rằng, sự xuất hiện của tôi là TỨC THỜI ở mọi vị trí [*]
[*] Ví dụ thu nhỏ như người kiến : Đây chỉ là 1 ví dụ giả tưởng, nó phi thực tế. Mặc dù nó có thể khiến một số bạn hiểu sai về bản chất "xác suất trong hàm sóng" nhưng tôi không còn cách nào khác để diễn đạt một ví dụ trực quan hơn. Có lẽ vấn đề là ở siêu ngôn ngữ loài người hiện tại đang bất toàn trong việc mô tả vật lý lượng tử. Thực chất tôi không dịch chuyển tức thời, mà tôi sẽ có xác suất ở bất kì đâu xung quanh bạn khi bạn chưa mở mắt.
Có vẻ Reverse-Flash đã mượn ý tưởng từ tính chất chồng chập lượng tử.
- SỰ MẤT LIÊN KẾT LƯỢNG TỬ - QUANTUM DECOHERENCE
Nếu sự chồng chập lượng tử "ma quái" như thế thì nó sẽ vi phạm nghiêm trọng nhân sinh quan của chúng ta về thế giới vĩ mô. Rất may tất cả các tính chất lượng tử này không tồn tại ở thế giới to lớn mà chúng ta đang sống.
Nhưng giả sử chúng ta muốn quan sát sự chồng chập này thì mắt chúng ta sẽ thấy hình ảnh gì ?
Đồng xu lượng tử vừa sấp vừa ngửa "trông nó sẽ như thế nào?"
Thực ra thế giới lượng tử rất biết cách "chơi khăm" con người, vì mỗi khi chúng ta cố tình quan sát thì sự mất liên kết lượng tử lập tức xảy ra.
Định Nghĩa:
Nếu một hệ thống lượng tử được cách ly hoàn hảo, nó sẽ duy trì sự kết hợp vô thời hạn, chúng ta sẽ không thể thao túng hoặc kiểm tra nó,
Nhưng nếu hệ thống lượng tử đó chịu tác động từ môi trường hoặc các tác nhân bên ngoài ( chúng ta quan sát, đo đạc ) thì các đặc tính lượng tử của hệ thống này sẽ bị làm nhiễu loạn và cuối cùng sẽ biến mất, khiến hệ thống này phải tuân thủ các nguyên tắc vật lý thông thường.
Ví dụ :
-Khi chúng ta bắt đầu quan sát thì đồng xu lượng tử đang "vừa sấp - vừa ngửa" ngay lập tức mất chồng chập và thể hiện duy nhất một trạng thái "sấp - HOẶC - ngửa"
-Tôi chỉ chồng chập ở các vị trí xung quanh bạn ( trong ví dụ thu nhỏ như người kiến ở bên trên ) nếu bạn đang nhắm mắt, còn ngay khi bạn mở mắt nhìn thì bạn sẽ thấy tôi đứng yên. Chính vì vậy tôi mới từng giả sử mặt trăng có thể không tồn tại khi ta không nhìn lên trời nếu mặt trăng lệ thuộc vào các quy tắc vật lý lượng tử.
Nguyên nhân :
Bản chất của sự quan sát là ta phải tương tác với hệ thống lượng tử (ví dụ muốn nhìn thấy thứ gì bằng mắt, chúng ta phải bắn photon ánh sáng vào nó và đợi tia phản xạ đến mắt) Chính sự tương tác này làm nhiễu loạn hệ thống và khiến nó mất chồng chập lượng tử.
- VƯỚNG VÍU LƯỢNG TỬ : QUANTUM ENTANGLEMENT
Đây là hiệu ứng lượng tử khiến Einstein đã phản ứng khá gay gắt và đã từng không công nhận nó tồn tại.
Định nghĩa :
Vướng lượng tử hay rối lượng tử, liên đới lượng tử là một hiệu ứng trong cơ học lượng tử, trong đó trạng thái lượng tử của hai hay nhiều vật thể có liên hệ với nhau, dù chúng cách xa tới mức nào, thậm chí là tới khoảng cách lên tới cả nhiều năm ánh sáng.
Giải thích :
"Nếu có hai electron đặt gần nhau, trạng thái lượng tử của chúng có thể liên hệ với nhau" Giờ nếu tách chúng ra xa nhau, hàng trăm thậm chí hàng ngàn năm ánh sáng, chúng vẫn sẽ tiếp tục giữ được mối liên hệ này.
"Nếu lắc nhẹ một electron, electron ở đầu kia sẽ 'cảm ứng' được dao động này ngay lập tức, có thể nhanh hơn tốc độ ánh sáng"
Ví dụ :
Tôi nhân bản thêm 1 đồng xu lượng tử, tôi cho chúng vướng víu với nhau, sau đó tôi giữ 1 đồng ở trái đất, bạn giữ một đồng ở Sao Hỏa. Và điều kì lạ sẽ xảy ra như sau :
Nếu tôi ở Trái Đất quan sát thấy đồng xu đang nằm sấp , ngay lập tức bạn sẽ biết đồng xu ở Sao Hỏa chắc chắn nằm ngửa. Giả sử bạn tiếp tục mang đồng xu đó đến một nơi xa xôi trong vũ trụ cách tôi hàng trăm năm ánh sáng thì hiệu ứng liên đới vẫn có thể xảy ra.
Kỳ lạ là các nhà khoa học chưa tìm thấy một cách thức truyền tin vật lý nào giữa hai đồng xu này ! Chúng dường như có "thần giao cách cảm".
- XUYÊN HẦM LƯỢNG TỬ - QUANTUM TUNNELING
Định Nghĩa:
Xuyên hầm lượng tử, hay chui hầm lượng tử là một hiệu ứng lượng tử mô tả sự chuyển dịch của hệ vật chất từ trạng thái này sang trạng thái khác mà thông thường bị ngăn cấm bởi các quy luật vật lý cổ điển (một màng chắn, một chướng ngại vật hay một giới hạn bất kỳ nào đó).
Ảnh minh họa mô tả hiệu ứng xuyên hầm lượng tử.
Ví dụ :
Trong vật lý cổ điển, nếu có hai thung lũng và một ngọn đồi ngăn cách, một hòn bi nằm trong thung lũng thứ nhất sẽ không thể vượt qua ngọn đồi để sang thung lũng thứ hai, nếu nó không được cung cấp một lượng năng lượng nhất định lớn hơn thế năng trên đỉnh đồi.
Tuy nhiên, trong vật lý lượng tử, hòn bi lượng tử có thể xuyên qua đồi bằng năng lượng ít hơn : thông qua đường hầm lượng tử, hoặc thậm chí nó ở thể nằm giữa quả quả đồi.
Nguồn: internet
Nếu sau bài viết này các bạn đã hiểu được đại khái cơ học lượng tử là gì thì các bạn có thể quay lại xem bài Con mèo của Schrödinger và thí nghiệm nổi tiếng của cơ học lượng tử của bạn Công Nguyên!
bài viết rất hay và chi tiết , mình xin bổ sung vài video để mọi người hiểu hơn về vật lý lượng tử
bài viết thật bổ ích, cảm ơn bạn
bài viết rất cụ thể và rất hay cảm ơn bạn
Bài viết rất hay và bổ ích cảm ơn bạn.
Mình xin đóng góp vài ý kiến
Vật lý lượng tử (Quantum Physics), còn gọi là Cơ học lượng tử (Quantum Mechanics), là một trong những nhánh nghiên cứu khoa học đang được quan tâm nhất hiện nay, và là một trong những lĩnh vực mũi nhọn, đi đầu trong việc giúp con người hiểu được các quy luật vận hành của vũ trụ, của thế giới vật chất xung quanh.
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.
Ứng dụng của vật lý lượng tử
Lĩnh vực y-sinh:
Máy cộng hưởng từ (Nuclear Magnetic Resonance Imaging hay MRI) mà bạn thường nghe qua, dùng để chụp cắt lớp cơ thể con người chính là một trong những phát minh dùng vật lý lượng tử - đó là sử dụng tính chất "spin" của các hạt nhân (nucleus) trong các nguyên/phân tử. "Spin" là một tính chất của hạt nhân để chỉ ra khả năng phát ra/tương tác với từ trường của nó. Với từ trường cực dao động cực mạnh (từ máy MRI) ở tần số cộng hưởng của các hạt nhân (hay là proton trong trường hợp nguyên tử Hydrogen), các hạt nhân sẽ có thể được kích thích và sẽ phát ra tín hiệu ở bước sóng radio và sẽ được "đọc" bởi các ăng-ten siêu nhạy. Kết hợp với việc phân tícch vị trí của máy quét, các hình cắt lớp lần lượt được chụp và cuối cùng bạn sẽ thấy một loạt các ánh cắt lớp như vậy.
Lĩnh vực quang học / viễn thông / thương mại:
Dù là trong nghiên cứu khoa học hay trong đời sống, trong viễn thông, tia laser đống một vai trò rất quan trọng. Trong quang học chẳng hạn, nguồn sáng thường dùng nhất là tia laser vì nó có tính liên tục về pha (coherence) và có ánh sáng có thể xem như "đơn sắc" (monochromatic), rất tiện lợi để dùng làm thí nghiệm (kích thích các nguyên tử hydro trong chân không chẳng hạn) hay làm hiện tượng giao thoa (interference). Ngoài ra, trong viễn thông chẳng hạn, ánh sáng laser được truyền đi trong các sợi cáp quang đến nhà bạn, và nhờ đó bạn có thể lướt Facebook) . Trong siêu thị, các máy quét đều dùng tia laser để quét mã vạch của sản phẩm.
Và laser là một trong những siêu phẩm cực kì thành công của vật lý lượng tử. Nhờ sự xem xét ánh sáng là các "hạt" photon và các "hạt" này khi được "chen chắn" trong một môi trường thích hợp. Các "hạt" photon có thể được nhân bản và tạo ra giống nhau như "hai giọt nước", nhờ vào hiện tượng gọi là "kích thích phát ánh sáng" (stimulated emission). Hiện tượng này là nền tảng của tia laser ngày nay.
Và cũng với vô những ứng dụng trên thực tế khác nữa.
Chắc hẳn các bạn ít người biết về thuật ngữ Hexagonal boron nitride (hBN) - hay còn gọi là boron nitride cấu trúc mạng lục giác - là một vật liệu được tạo bởi nhiều lớp tinh thể, mỗi lớp chỉ dày bằng một nguyên tử Boron hoặc Nitrogen (khoảng 0.3 nano-mét hay ít hơn một phần tỷ của mét). Với độ dày như vậy, một lớp tinh thể hBN được gọi là "vật liệu hai chiều" (two-dimensional material), bởi vì vật liệu bị giới hạn bởi chiều dày, nhưng không bị giới hạn về chiều ngang hay chiều dọc – giới hạn này có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất điện tử và quang học của hBN.
Ứng dụng hBN trong tẩy sạch các vết dầu loang trên mặt biển
Với độ mỏng chỉ bằng một nguyên tử, các lớp tinh thể hBN nếu được bong tách ra hoàn toàn bằng các phương pháp hóa học (ví dụ như bóc tách trong dung môi hữu cơ với sự hỗ trợ của sóng siêu âm) có thể tạo nên một diện tích bề mặt khổng lồ. Mặt khác, các lớp tinh thể hBN có tính “cực ưa dầu” (superhydrophobic), nên có thể được tận dụng làm chất hút dầu rất tốt.
Các nhà khoa học ở đại học Deakin, Úc, gần đây đã chứng minh bằng thực nghiệm và cho thấy hiệu quả hút dầu trên mặt nước là rất cao. Hơn thế nữa, do giá thành rẻ nên việc ứng dụng bột hBN trong lĩnh vực này là rất khả thi và tiềm năng. Tuyệt vời hơn, do tính cao của hBN, vật liệu này có thể được tái sử dụng rất nhiều lần bằng cách đốt cháy đi lớp dầu và để lại lớp bột hBN có tính hút dầu giống như ban đầu. Đây là một giải pháp cực kỳ cần thiết khi mà việc tràn dầu xuống biển xảy ra thường xuyên trên thế giới – hậu quả của các tai nạn tàu bè trên biển và đại dương. Vật liệu hBN như vậy hứa hẹn sẽ đóng góp to lớn vào việc bảo vệ môi trường, bảo vệ nguồn nước sạch cho chúng ta.
Mình xinh góp vài ý kiến:
Không giống với các khái niệm được nhắc đến thường xuyên hiện nay như trí tuệ nhân tạo (AI), internet kết nối vạn vật (IoT), blockchain…, công nghệ lượng tử vẫn là điều được ít người biết đến và không thực sự nắm rõ những ứng dụng của ngành trong cuộc sống hiện đại.
Công nghệ lượng tử chính là ngành khoa học khai thác sức mạnh của vật lý lượng tử để mang lại ứng dụng vào thực tiễn. Theo Hội đồng Nghiên cứu Khoa học vật lý và Kỹ thuật Anh (EPSRC), rất nhiều công nghệ ngày nay như micro chip, thiết bị hình ảnh thể rắn, laser, bóng bán dẫn… được sinh ra nhờ vật lý lượng tử.
“Màn hình chấm lượng tử” có lẽ là khái niệm đề cập đến nhiều nhất vài năm gần đây khi các nhà sản xuất màn hình hàng đầu thế giới liên tục giới thiệu về công nghệ giúp cải thiện hình ảnh, tái thể hiện chất lượng màu sắc ở mức chân thực nhất. Nhưng khi nói tới công nghệ lượng tử, các quốc gia cũng như tập đoàn công nghệ lớn trên thế giới đang tập trung vào thứ khác: máy tính lượng tử.
Mỹ - cường quốc hàng đầu thế giới đang đổ khoảng 200 triệu USD mỗi năm (báo cáo 2016), dự kiến còn tăng lên gấp nhiều lần. Trong lĩnh vực nghiên cứu, phát triển máy tính lượng tử, Microsoft và IBM đang là những doanh nghiệp đi đầu. Cuộc đua máy tính lượng tử không chỉ để chứng minh sức mạnh của một siêu thiết bị vượt qua giới hạn các siêu máy tính hiện nay, mà thực sự nhắm tới khả năng mã hóa. Máy tính lượng tử có khả năng xử lý và tạo ra những mã hóa không thể bị phá vỡ.
Theo Business Insider, IBM đã giới thiệu máy tính 50-qubit (bit lượng tử) trong môi trường phòng thí nghiệm, trong khi Google và NASA (Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ) cũng chạy thử nghiệm máy tính lượng tử riêng, nhưng tất cả đều chưa có bản thương mại. Thậm chí, khả năng tiếp cận một chiếc máy tính lượng tử hữu dụng như kỳ vọng vẫn chưa từng đạt được. Máy tính của IBM giới thiệu chỉ duy trì trạng thái lượng tử được trong 90 micro giây. Dù là một kỷ lục tại thời điểm trình diễn, kết quả này vẫn còn quá xa để có thể mang tới những hoạt động có ích hơn.
cảm ơn bạn bài viết rất hay ạ
Bài post rất đầy đủ và chi tiết. Cảm ơn bạn
Bài viết rất hay. Cảm ơn bạn.