Buzz
Cơ học lượng tử là lý thuyết thành công nhất trong lịch sử loài người, tuy nhiên, cũng đầy những nghịch lý và hiểu lầm sâu sắc, thách thức sự hiểu biết cơ bản của chúng ta về thế giới tự nhiên.
Sụp đổ của việc đo lường
Sụp đổ của việc đo lường là một hiện tượng kỳ lạ trong cơ học lượng tử, khi mà việc đo lường một hệ lượng tử có thể dẫn đến việc nó chuyển từ trạng thái không xác định sang trạng thái xác định đột ngột. Quá trình này được gọi là sụp đổ của hàm sóng.
Để hiểu hiện tượng này, chúng ta cần hiểu rõ hàm sóng là gì. Hàm sóng là một công cụ toán học được sử dụng trong cơ học lượng tử để mô tả trạng thái của một hệ lượng tử, chứa đựng tất cả thông tin có thể có. Ví dụ, hàm sóng của electron có thể cung cấp thông tin về vị trí, vận tốc, spin và các tính chất khác của nó.
Tuy nhiên, hàm sóng không phải là một đại lượng vật lý mà có thể quan sát trực tiếp, mà chỉ là một công cụ toán học trừu tượng. Chúng ta chỉ có thể thu được thông tin nhất định về hàm sóng thông qua các phép đo như vị trí hoặc spin của electron.
Tuy nhiên, quá trình đo lường không đơn giản, nó có thể ảnh hưởng đến hệ lượng tử và thậm chí làm thay đổi trạng thái của nó. Khi chúng ta đo lường một hệ lượng tử, chúng ta thực sự đang tương tác với nó, kết nối nó với thiết bị đo lường hoặc môi trường. Qua đó, hàm sóng thay đổi từ sự kết hợp của nhiều khả năng sang trạng thái đơn lẻ với một kết quả duy nhất.
Điều thú vị hơn cả là quá trình này không thể đảo ngược. Khi trạng thái của electron đã được đo, nó không thể quay trở lại trạng thái chồng chất ban đầu. Điều này đặt ra nhiều câu hỏi triết học và vật lý. Tại sao phép đo thay đổi trạng thái của một hệ lượng tử?
Câu hỏi này không có câu trả lời trong cơ học lượng tử, chỉ có thể dựa trên giả thuyết Copenhagen. Theo giả thuyết này, trạng thái của một hệ lượng tử được mô tả bởi hàm sóng, biểu thị phân bố xác suất của hệ. Khi thực hiện phép đo, hàm sóng suy giảm và hệ chọn ngẫu nhiên một trong các kết quả có thể xảy ra.
Quá trình đo lường không thể giải thích được và không bị ràng buộc bởi các định luật vật lý, đó là một hiện tượng vật lý cơ bản như trọng lực. Giả thuyết Copenhagen có thể giải thích các kết quả thực nghiệm, nhưng cũng gây ra nhiều tranh cãi. Tại sao kết quả đo là ngẫu nhiên và không thể đảo ngược?
Hiệu ứng người quan sát
Để hiểu hiệu ứng người quan sát, trước tiên cần hiểu nguyên lý bất định. Các đại lượng vật lý của hệ lượng tử không thể được đo chính xác cùng lúc, ví dụ như vị trí và động lượng của electron. Độ không đảm bảo này là giới hạn vật lý không thể vượt qua.
Điều này cho thấy trạng thái của hệ lượng tử chỉ là kết quả của các phép đo từng phần, bị ảnh hưởng bởi quan sát của chúng ta. Ví dụ, khi đo vị trí của electron bằng các phương pháp khác nhau, chúng ta sẽ nhận được các kết quả khác nhau.
Tương tự, khi đo độ phân cực của một photon bằng các phương pháp khác nhau, chúng ta cũng thu được kết quả khác nhau. Các quan sát này xác định trạng thái và kết quả của các hệ lượng tử.
Vậy hiệu ứng quan sát xảy ra như thế nào? Cơ học lượng tử không có câu trả lời cho câu hỏi này. Nó chỉ có thể dựa trên giả định chủ quan về hàm sóng. Người ta tin rằng hàm sóng chỉ là biểu diễn toán học của kiến thức của chúng ta về hệ lượng tử, chứ không phải trạng thái vật lý thực tế của hệ lượng tử. Khi chúng ta quan sát một hệ thống, kiến thức của chúng ta thay đổi, dẫn đến những thay đổi trong hàm sóng, còn được gọi là hiệu ứng người quan sát.
Sự xuất hiện của hiệu ứng quan sát không phải do các quá trình vật lý gây ra mà do các quá trình tâm lý của chúng ta gây ra, nó là một hiện tượng vật lý chủ quan, giống như cảm giác. Mặc dù tính chủ quan của hàm sóng có thể giải thích rõ ràng hiệu ứng người quan sát nhưng nó cũng gây ra rất nhiều câu hỏi và tranh cãi.
Tại sao kiến thức của chúng ta lại ảnh hưởng đến trạng thái và kết quả của các hệ lượng tử? Tại sao các quá trình tinh thần của chúng ta lại ảnh hưởng đến các hiện tượng vật lý? Cũng không có câu trả lời chắc chắn cho những câu hỏi này, nếu giải quyết được mâu thuẫn của hiệu ứng người quan sát, chúng ta sẽ có thể hiểu và kiểm soát tốt hơn các hệ thống vật lý.
Lực hấp dẫn lượng tử
Lực hấp dẫn lượng tử đề cập đến sự kết hợp giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng, cố gắng mô tả hành vi của lực hấp dẫn ở quy mô vi mô. Lực hấp dẫn lượng tử là một trong những vấn đề khó khăn nhất trong vật lý vì sự mâu thuẫn nghiêm trọng của nó với thuyết tương đối rộng.
Thuyết tương đối rộng là một lý thuyết mô tả lực hấp dẫn do Einstein đề xuất vào năm 1915. Nó tin rằng lực hấp dẫn không phải là một lực mà là độ cong của không-thời gian. Không thời gian đề cập đến sự thống nhất của không gian và thời gian bốn chiều, có thể bị biến dạng bởi vật chất và năng lượng.
Thuyết tương đối rộng rất thành công ở quy mô vĩ mô và nó có thể giải thích nhiều hiện tượng, chẳng hạn như quỹ đạo của các hành tinh, sự tồn tại của lỗ đen, sự tạo ra sóng hấp dẫn, v.v. Nhưng vấn đề nảy sinh khi chúng ta áp dụng thuyết tương đối rộng vào quy mô vi mô.
Điều này là do thuyết tương đối rộng là một lý thuyết cổ điển cho rằng không-thời gian là liên tục chứ không phải rời rạc. Tuy nhiên, cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng thế giới vi mô bao gồm các lượng tử không liên tục, có tính không chắc chắn và ngẫu nhiên. Điều này dẫn đến sự không tương thích giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng.
Khi chúng ta cố gắng kết hợp cả hai, chúng ta sẽ nhận được kết quả vô hạn hoặc vô nghĩa. Đây là bài toán khó của lực hấp dẫn lượng tử. Vấn đề của sự mâu thuẫn này là nó hạn chế sự hiểu biết của chúng ta về thế giới vật chất, đồng thời chúng ta không thể giải thích và dự đoán một số vấn đề cơ bản nhất liên quan đến bản chất và nguồn gốc của vũ trụ cũng như nguồn gốc và vận mệnh của cuộc sống, v.v.
Ba mâu thuẫn chính của cơ học lượng tử là những câu hỏi sâu sắc và khó hiểu nhất của chúng ta về tự nhiên, phản ánh sự hiểu biết và khám phá của chúng ta về thế giới vi mô và vĩ mô. Những vấn đề này không chỉ có ý nghĩa khoa học quan trọng mà còn có ý nghĩa sâu rộng về mặt triết học và xã hội.
Tham khảo: Zhihu
