Vật lý lượng tử (Quantum Physics), còn được gọi là Cơ học lượng tử (Quantum Mechanics) hoặc Lý thuyết Trường lượng tử (Quantum Field Theory) là một trong những nhánh nghiên cứu khoa học/vật lý được quan tâm nhất hiện nay.

Giới khoa học tin rằng nhánh nghiên cứu này, khi được phát triển đến một tầm mức đủ cao trong tương lai, sẽ có thể giúp giải đáp nhiều thắc mắc của họ về các quy luật vận hành của vũ trụ, cũng như tạo ra rất nhiều các ứng dụng thiết thực khác cho đời sống.

Trước hết, Vật lý lượng tử là gì?

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.

Về mặt khái niệm, từ “quantum” trong “Quantum Physics” có nguồn gốc từ tiếng Latin, nghĩa là “đơn vị nhỏ nhất giúp cấu thành một vật chất bất kỳ”. Vật lý lượng tử nhìn nhận năng lượng (energy – được cho là thứ căn bản nhất cấu thành vũ trụ) như một dạng vật chất – thay vì cách gọi “trường năng lượng” của vật lý cổ điển, thế nên nó có thể được đo đếm, định lượng, chia nhỏ thành các đơn vị.

Các lý thuyết quan trọng của Vật lý lượng tử

Vật lý lượng tử, sau hơn 1 thế kỉ được nghiên cứu với vô số thí nghiệm, đã giúp các nhà khoa học đưa ra được rất nhiều giả thuyết & lý thuyết mang tính đột phá trong việc giải thích các quy luật vận hành của thế giới vật chất. Sau đây là một vài lý thuyết chính yếu & rất quan trọng trong vật lý lượng tử:

Vạn vật quanh ta không “cố định” như ta tưởng (Superposition)

Đây có lẽ là một trong những phát hiện quan trọng và đột phá nhất của vật lý lượng tử: chiếc màn hình vi tính trước mặt ta, bàn phím mà ta đang gõ, ly nước & những quyển sách trên bàn, và cả cơ thể con người chúng ta…tuy nhìn bên ngoài có vẻ thật “rắn chắc”, nhưng thực chất đều được tạo thành từ những phân tử, nguyên tử, hạ nguyên tử nhỏ li ti. Những hạt này lại không bao giờ đứng yên mà di chuyển liên tục.

Điều đáng nói là, ở tầng mức lượng tử, các nhà khoa học phát hiện ra rằng quỹ đạo di chuyển của các hạt này gần như không thể được nắm bắt, phỏng đoán một cách chính xác. Đối với vật lý cổ điển, thì việc này quả thực phi logic và khó có thể chấp nhận được.

Để cho dễ hiểu, bạn đọc hãy hình dung mình đang chơi billiard (với cựu tổng thống Obama chẳng hạn!). Sau khi bạn dùng cơ đẩy viên bi đi, theo nguyên tắc vật lý thông thường, viên bi chắc chắn sẽ di chuyển theo hướng & quỹ đạo mà bạn muốn, tùy vào cách thức mà bạn dùng cơ tác động vào nó.

Giả sử viên bi này được thu nhỏ về kích thước hạ nguyên tử. Lần này, sau khi dùng cơ đẩy chúng đi, bạn sẽ không thể chắc chắn được viên bi “lượng tử” này sẽ di chuyển theo hướng hay quỹ đạo nào. Nó có thể lăn sang bên phải, hoặc bên trái, văng lên không trung, thậm chí di chuyển theo tất cả các hướng này cùng một lúc, cho dù bạn không hề thay đổi cách tác động đến viên bi này.

Như vậy, toàn bộ thế giới vật chất, bao gồm cơ thể con người, tuy nhìn từ bên ngoài có vẻ rắn chắc & cố định, nhưng ở tầng mức căn bản nhất, chúng là một tập hợp gồm những hạt nguyên tử/hạ nguyên tử di chuyển theo cách hỗn loạn & khó xác định.

Đặc biệt, mỗi hạt này dường như có thể tồn tại trong nhiều trạng thái và di chuyển trên nhiều quỹ đạo khác nhau cùng một lúc. Giới khoa học gọi nguyên lý này là chồng chập lượng tử (Superposition).

Nguyên lý này được giải thích rõ ràng nhất qua thí nghiệm “khe kép” (double-slit experiment) nổi tiếng sau:

Theo đó, các electron có thể cùng một lúc tồn tại trong cả dạng sóng (wave) lẫn hạt (particle). Sự chuyển đổi qua lại giữa 2 dạng tồn tại này được cho là có thể bị tác động bởi người quan sát (phút thứ 4:00 trong video).

Tại sao lại như vậy? Ấy là bởi vì, bản thân “người” quan sát này, cho dù là một người hay một thiết bị ghi hình, thì đều có cấu tạo căn bản nhất là từ các hạt nguyên tử & hạ nguyên tử. Bản thân người quan sát này chính là một hệ thống lượng tử khổng lồ: các hạt cấu thành người quan sát sẽ tương tác với các electron trong thí nghiệm, và do đó tác động đến quỹ đạo & dạng tồn tại của chúng.

Sự “vướng mắc lượng tử” (Quantum Entanglement)

Khái niệm này thoạt nghe có vẻ khó hiểu, nhưng nó đơn giản nói về sự tồn tại của một “sợi dây” liên kết, một mối quan hệ, một vướng mắc (entanglement) nào đó giữa các hạt, ở tầng mức lượng tử, mà các nhà khoa học hiện chưa giải thích được.

Theo lý thuyết này: 2 hạt (ví dụ: electron), dù ở cách xa nhau vô cùng (ví dụ: 1 hạt ở cực Bắc & 1 hạt ở cực Nam Trái Đất), thì một khi chúng ta tác động vào 1 electron bất kỳ trong cặp này, electron còn lại cũng sẽ ngay lập tức bị ảnh hưởng, mặc dù giữa chúng không có mối liên hệ rõ ràng nào. Cứ như thể các electron có khả năng tương tác, “trao đổi” thông tin từ xa với nhau vậy.

Các hạt “vướng mắc” với nhau theo cách mà giới khoa học chưa hiểu rõ được. Nguồn: Engadget.

Một trong những ví dụ đời thường, và lãng mạn, để giúp bạn đọc có thể nắm bắt khái niệm này dễ dàng chính là những cặp tình nhân được cho là có “thần giao cách cảm” với nhau. Hãy tạm gọi tên cặp tình nhân này là Sơn & Thủy.

Sơn & Thủy tuy sống ở cách xa nhau, Sơn ở Sài Gòn, Thủy ở Hà Nội. Xa mặt là vậy, nhưng họ không hề cách lòng. Do họ có thể “thần giao cách cảm”, nên mỗi khi Sơn gặp chuyện buồn, ngay lập tức Thủy cũng sẽ không cảm thấy vui, dù cô không hề biết người yêu mình đang trải qua chuyện gì, và ngược lại…Thậm chí, bạn bè họ còn biết rằng nếu muốn thay đổi quan điểm của Sơn về một vấn đề nào đó, họ chỉ cần trước hết tác động vào Thủy, và sợi dây kết nối giữa 2 người sẽ hoàn tất nốt phần còn lại của công việc.

Nguồn: Public Radio International

(Liệu Sơn & Thủy có đang trải qua một mối tình Twin Flames – mối tình được cho là giữa những cặp đôi có “duyên nợ” với nhau!?)

Như vậy, ở tầng mức lượng tử, các hạt dường như luôn có kết nối với nhau. Tuy nhiên, ở tầng mức lớn hơn lượng tử (macroscopic), thì hiệu ứng này dường như không được thể hiện rõ. Tại sao lại như vậy?

Các đặc tính kỳ lạ chỉ tồn tại ở tầng mức lượng tử (Decoherence)

Thế giới vật chất ở tầng mức lượng tử “thiên biến vạn hóa” là vậy, nhưng một khi chúng ta quan sát nó ở tầng mức đời thực, tầng mức con người, thì những đặc tính trên gần như biến mất. Giới khoa học gọi hiện tượng này là sự mất liên kết lượng tử (Quantum Decoherence).

Theo đó, một hệ thống lượng tử bất kỳ (ví dụ: các electron) khi chịu tác động từ môi trường hoặc các tác nhân bên ngoài (ví dụ: người quan sát, các loại máy móc đo đạc…) – vốn cũng là những hệ thống lượng tử khác – 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.

Hiện tượng mất liên kết này hiện vẫn là một trong những chủ đề gây tranh cãi & khiến giới khoa học đau đầu. Nhưng ít nhất thì nó giúp chúng ta đưa ra được kết luận: ở tầng mức càng lớn, càng khổng lồ, thì tính chất “không cố định”, tính entropy (“độ hỗn loạn”) của một hệ thống bất kỳ sẽ càng nhỏ.

Kết luận này vẫn sẽ đúng ngay cả khi bạn so sánh các hệ thống lớn với nhau, ví dụ như giữa hệ thống giao thông trên đường phố Sài Gòn với…quỹ đạo chuyển động của các hành tinh trong hệ Mặt Trời chẳng hạn! Sẽ không khó để bạn nhận ra rằng “quỹ đạo” chuyển động của xe cộ trên đường phố mang tính hỗn loạn nhiều hơn quỹ đạo quay của các hành tinh.

Ở tầng mức vĩ mô hơn nữa, bản thân các Mặt Trời cũng chuyển động xung quanh lõi của thiên hà, nhưng việc này diễn ra có phần chậm rãi hơn: nếu Trái Đất mất 1 năm để chuyển động quanh Mặt Trời, thì Mặt Trời của chúng ta mất khoảng 200 – 250 triệu năm để hoàn tất vòng quay của nó quanh lõi thiên hà!

Nguồn: videeco.com

Tương tự, nếu như bạn đứng từ một tòa cao ốc và nhìn xuống, bạn sẽ thấy cảnh tượng một góc thành phố thật hỗn loạn: con người, xe cộ, chó mèo…mỗi thứ đi một ngả. Nhưng giả sử bạn đang đứng trên Mặt Trăng và nhìn xuống, bạn sẽ chỉ thấy một hành tinh xanh đẹp đẽ, thong thả tự quay quanh trục của nó!

Các ứng dụng của vật lý lượng tử

Tuy được coi là một lĩnh vực cao siêu & chỉ được các chuyên gia quan tâm, nhưng thực tế vật lý lượng tử đã có đóng góp không ít trong việc giúp các nhà khoa học phát minh ra những thiết bị, dụng cụ vô cùng quen thuộc với chúng ta. Từ máy vi tính, điện thoại thông minh, các thiết bị bán dẫn, cho đến tia laser, công nghệ chụp MRI (Magnetic Resonance Imaging – “cộng hưởng từ”) hay công nghệ vật liệu & quang học lượng tử…

Nguồn: Lehigh University.

Vật lý lượng tử rõ ràng đã & đang chứng minh được tính thực tiễn & tầm quan trọng của mình đối với sự phát triển của xã hội. Thậm chí, nhiều nhà nghiên cứu tin rằng lĩnh vực này chính là chìa khóa để con người có thể phát triển những loại hình công nghệ vượt trội hơn nữa như máy tính lượng tử (quantum computer), hoặc cỗ máy thời gian (time machine) trong tương lai.

Nguồn:

Ball, P. (2017): The strange link between the human mind and quantum physics (BBC Earth).

Jones, A. Z. (2018): Quantum physics overview (thoughtco).

O’Connell, C. (2016): Quantum physics for the terminally confused (Cosmo Magazine).

Science Daily: Introduction to quantum mechanics.