VẬT LÝ LƯỢNG TỬ PHẦN 4 - QUANTUM PHYSICS PART
VẬT LÝ LƯỢNG TỬ: CÓ THỂ TẠO RA 2000 NGUYÊN TỬ "Ở 2 NƠI CÙNG MỘT LÚC"
Như đã biết, mọi vật chất trong cuộc sống của chúng ta đều cấu tạo từ các nguyên tử (nhỏ hơn nữa là các quark). Và trong thời học sinh các bạn cũng đã đều được học đầy đủ các định luật vật lý về thế giới vĩ mô của chúng ta, đủ để hiểu rằng : một vật chất không thể chiếm 2 điểm CÙNG LÚC trong không gian. Nếu tôi có một chiếc cốc, chắn chắn nó chỉ có thể ở trên bàn hoặc dưới bếp, không thể nào nó có thể ở 2 nơi cùng một lúc.
Nhưng mới đây vào tháng 10 năm ngoái, các nhà khoa học đã tiến hành một thí nghiệm cực kỳ kinh ngạc, họ đã tạo ra 1 phân tử được cấu tạo từ 2000 nguyên tử và cho chúng tồn tại ở 2 vị trí trong không gian cùng một lúc.
1/ Thí nghiệm hai khe.
Được thực hiện lần đầu bởi Thomas Young vào khoảng năm 1805, thí nghiệm hai khe đã chứng minh được ánh sáng vừa mang tính chất hạt, vừa mang tính chất sóng cùng một lúc.
Sơ đồ thí nghiệm như sau : Ta có một nguồn sáng đặt trước một tấm chắn có 2 khe hở, và một màn hình dò tìm đặt ở cuối cùng. Khi nguồn sáng được bật lên ta thấy ánh sáng đã tạo ra các vân giao thoa biểu hiện bằng nhiều vệt sáng dọc theo màn hình dò tìm.( hình minh họa của bài viết )
Điều này thật kì lạ, vì nếu ánh sáng tồn tại duy nhất ở dạng hạt thì màn hình dò tìm phía sau sẽ chỉ hiển thị 2 vệt sáng, tại sao lại xuất hiện nhiều hơn 2 vệt?
Sau khi nghiên cứu, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng, hóa ra ánh sáng còn tồn tại cả tính chất sóng, chính vì vậy màn hình dò tìm mới xuất hiện các vân giao thoa.
Nhưng vấn đề ở kì lạ ở đây, nếu một photon ánh sáng tồn tại ở dạng sóng, thì tức là nó có thể chiếm nhiều điểm trong không gian cùng một lúc. Đây là một đặc tính cơ bản của Sóng. Nếu áp dụng vào thí nghiệm 2 khe, khi bắn một hạt photon duy nhất, 1 mình nó đã đi qua 2 khe cùng lúc và tự giao thoa với chính mình. Làm sao có thể như vậy được ?
Thực ra cho đến nay chưa có 1 câu trả lời thích đáng để giải mã lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng, tại sao ánh sáng có thể vừa là sóng - vừa là hạt cùng một lúc. Nhưng có một giả thuyết tưởng chừng như viễn tưởng lại được cộng đồng vật lý chấp nhận rộng rãi : Tồn tại 1 vũ trụ song song với chúng ta, nếu ở vũ trụ của chúng ta ánh sáng là hạt thì ở vũ trụ kia ánh sáng sẽ là sóng, hoặc ngược lại.
2/ Có phải chỉ ánh sáng mới tồn tại tính chất lưỡng tính sóng - hạt.
Không hề ! tính chất này tồn tại ở mọi vật chất, kể cả chiếc cốc đang ở trên bàn của tôi, hay một chiếc xe oto, một hành tinh, một ngôi sao và chắc chắn là cả chính bản thân tôi và bạn nữa.
Vậy tại sao chúng ta không ở 2 nơi cùng một lúc như ánh sáng?
Có 2 cách giải thích cho điều này, nhưng tôi sẽ nêu 1 cách dễ hiểu nhất :
Nếu một vật chất chuyển động giống như một hạt với động lượng p thì sự di chuyển của nó cũng giống như sự lan truyền của một sóng với bước sóng λ là:
\[\lambda=\frac{h}{p}\]
Trong đó h là hằng số Planck.
Vì hằng số Planck có giá trị rất nhỏ, tính chất sóng của vật chất chỉ thể hiện rõ với các hạt có động lượng rất bé, cụ thể là các hạt cơ bản như điện tử, photon, phonon,... Các vật thể trong đời sống thường ngày có bước sóng quá nhỏ và hầu như không thể quan sát được tính chất sóng của chúng.
Tuy nhiên "không thể quan sát được" khác với "không tồn tại", vì vậy nếu tôi nói rằng chúng ta có thể ở 2 nơi cùng một lúc là hoàn toàn không hề phản khoa học.
3/ Thí nghiệm khiến 2000 nguyên tử tồn tại ở dạng sóng.
Trở lại với thí nghiệm 2 khe, vì biết rằng tính chất lưỡng tính sóng hạt tồn tại ở mọi vật chất, nên các nhà khoa học thử tìm một vật có kích thước lớn hơn photon ánh sáng để kiểm chứng.
Họ đã chế tạo một cỗ máy có thể bắn ra một phân tử được cấu tạo từ 2000 nguyên tử, đi qua 2 khe hẹp tương tự như thí nghiệm của Thomas Young.
Và điều kì diệu đã xảy ra, khi máy được bật lên, màn hình dò phía sau 2 khe đã xuất hiện các vân giao thoa. Chứng tỏ rằng phân tử "siêu to khổng lồ" kia đã cùng lúc đi qua 2 khe ở dạng sóng. Tức là nó đã ở "2 nơi cùng một lúc".
4/ Vậy có thể áp dụng thí nghiệm cho con người được không?
Nghe chừng thí nghiệm khá đơn giản, nhưng không phải vậy, thí nghiệm này phải được đặt trong một môi trường chân không, các nhà khoa học cũng phải tính toán đến lực hấp dẫn tác động nên 2000 nguyên tử, thậm chí nếu không tính đến vòng quay của Trái Đất thì kết quả cũng sẽ bị sai lệch ngay lập tức.
Vì vậy nếu ai đó muốn cống hiến cho khoa học và định thay thế mình cho 2000 nguyên tử thì cần phải tìm cách sống sót trong môi trường chân không trước đã - hoặc chúng ta nên đi tìm con mèo đen đủi của nhà vật lý Schorodinger.
Bài viết dựa theo nghiên cứu được công bố tại : https://www.livescience.com/2000-atoms-in-two-places-at-once.html và một số bài viết sưu tầm.
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 không nghĩ là chủ đề này lại có nhiều phần đến như vậy á làm mình thật sự muốn tìm hiểu thêm về cái này!
Bài viết rất hay. Cảm ơn bạn.