Buzz
Các vật thể vĩ mô có mối quan hệ mật thiết với môi trường xung quanh, trong khi các hạt vi mô có thể bị cô lập hoặc được bảo vệ. Điều này đồng nghĩa với việc trạng thái của các vật thể vĩ mô sẽ thay đổi do tác động của môi trường, trong khi trạng thái của các hạt vi mô có thể không thay đổi.
Tại sao không có hiện tượng liên kết lượng tử trong thế giới vĩ mô? Liên kết lượng tử là một hiện tượng vật lý kỳ diệu chỉ ra mối quan hệ giữa hai hoặc nhiều hạt vi mô vượt qua giới hạn thời gian và không gian, có thể ảnh hưởng lẫn nhau ngay cả khi chúng ở xa nhau. Hiện tượng này thường gặp trong cơ học lượng tử, nhưng ít gặp trong thế giới vĩ mô, khiến mọi người bối rối: vì thế giới vĩ mô bao gồm những hạt vi mô, vậy tại sao các nguyên tắc về hạt vi mô không áp dụng được cho các hiện tượng vĩ mô?
Nhiều người hiểu sai rằng cơ học cổ điển và cơ học lượng tử là hai lý thuyết hoàn toàn khác nhau và không có mối liên hệ gì giữa chúng. Các hiện tượng kỳ diệu trong thế giới vi mô đơn giản là không tồn tại trong thế giới vĩ mô. Nhưng nếu suy nghĩ kỹ, bạn sẽ nhận ra rằng điều này không đúng.
Bởi vì thế giới vĩ mô bao gồm vô số hạt vi mô nên chúng phải tuân thủ cơ học lượng tử. Tuy nhiên, cơ học cổ điển không thể giải thích chuyển động của các hạt vi mô. Điều này đã được chứng minh trong lịch sử phát triển của vật lý.
Vào năm 1924, nhà vật lý người Pháp Louis de Broglie đưa ra một giả thuyết táo bạo, ông tin rằng mọi hạt vi mô đều có dạng sóng. Đây là giả thuyết sóng vật chất nổi tiếng. Với sự hình thành và phát triển của cơ học lượng tử, các nhà vật lý dần nhận ra rằng bản chất hạt của các hạt vi mô chỉ là bề ngoài, bản chất thực sự của chúng là sóng.
Bản chất sóng là đặc tính cơ bản của các hạt vi mô. Vì vậy, việc mô tả bản chất sóng của các hạt vi mô đã trở thành vấn đề cốt lõi của cơ học lượng tử. Vì các hạt đều là sóng, vậy nên dạng sóng sẽ tiếp tục thay đổi theo thời gian. Chúng ta chỉ cần mô tả sự phát triển của dạng sóng theo thời gian là có thể hiểu được mô hình chuyển động của các hạt cực nhỏ.
Phương trình Schrödinger là một mô hình toán học dùng để mô tả sự biến động của các hạt theo thời gian. Tuy nhiên, ngay cả với phương trình Schrödinger, cơ học lượng tử vẫn đối mặt với một số khó khăn trong việc giải thích. Nổi bật nhất là vấn đề về sụp đổ hàm sóng. Mặc dù phương trình Schrödinger có thể tính toán kết quả của sự sụp đổ sóng hạt một cách chính xác, nhưng không thể hiểu rõ cơ chế bên trong của sụp đổ sóng!
Điều này dẫn đến một trong những hiện tượng bí ẩn nhất trong cơ học lượng tử: nguyên lý bất định. Bất cứ ai quen thuộc với thí nghiệm giao thoa hai khe electron đều biết rằng thí nghiệm này được sử dụng để xác định tính lưỡng tính sóng-hạt của electron. Nếu chúng ta sử dụng súng điện tử để phát ra electron qua hai khe cách nhau một khoảng cách nhất định, sau đó chúng tiếp xúc với màn hình phát hiện, chúng ta sẽ quan sát thấy các vạch sáng tối xen kẽ xuất hiện trên màn hình phát hiện, giống như sóng nước.
Điều này cho thấy các electron biểu hiện sự biến động. Tuy nhiên, nếu chúng ta đặt thêm một máy dò phía sau hai khe để xác định mỗi electron đi qua khe nào, chúng ta sẽ thấy các dải giao thoa biến mất và thay vào đó là hai dải hình nón giống như một viên đạn. Điều này cho thấy các electron biểu hiện tính chất hạt.
Điều đáng kinh ngạc hơn nữa là nếu chúng ta chỉ đặt một máy dò vào sau một khe mà không phải khe kia, chúng ta sẽ quan sát thấy các dải giao thoa trở lại, nhưng chỉ có một nửa độ sáng. Điều này cho thấy các electron biểu hiện cả tính chất sóng và tính chất hạt.
Thí nghiệm này cho chúng ta biết rằng trạng thái của một electron phụ thuộc vào việc chúng ta quan sát hay không và cách thức quan sát sẽ ảnh hưởng đến hành vi của electron. Trước khi quan sát, electron không có vị trí xác định mà chỉ có xác suất xuất hiện ở một vị trí nhất định.
Đó là lý do tại sao nhiều nhà khoa học tin rằng chúng ta không nên coi độ biến thiên trong phương trình Schrödinger chỉ là một sóng, mà thực sự là sóng xác suất, tức là xác suất để một hạt xuất hiện trong một không gian nhất định là ngẫu nhiên. Vì vậy chúng ta có thể mạnh dạn tưởng tượng rằng trong tính lưỡng tính sóng-hạt của các hạt vi mô, nếu tính hạt nặng hơn thì các hạt vi mô sẽ giống vật chất vĩ mô hơn, trong khi nếu giống sóng hơn thì các hạt vi mô sẽ gần hơn với trạng thái lượng tử.
Vậy tại sao những hiện tượng này trong cơ học lượng tử lại không tồn tại trong thế giới vĩ mô? Điều này là do có một số khác biệt quan trọng giữa các vật thể vĩ mô và các hạt vi mô khiến cho các tác động của cơ học lượng tử bị che khuất hoặc bị loại bỏ ở quy mô vĩ mô.
Các khác biệt này chủ yếu gồm các điểm sau: Thứ nhất, sự khác biệt về số lượng hạt. Các vật thể vĩ mô được hình thành từ một lượng lớn các hạt vi mô, trong khi các hạt vi mô thường chỉ tồn tại với số lượng ít hoặc đơn lẻ. Điều này đồng nghĩa với việc trạng thái của một vật thể vĩ mô là sự kết hợp của vô số trạng thái của các hạt vi mô, trong khi trạng thái của một hạt vi mô là riêng biệt. Do đó, trạng thái của các vật thể vĩ mô phức tạp và hỗn loạn hơn, trong khi trạng thái của các hạt vi mô đơn giản và rõ ràng hơn. Điều này làm cho các hiệu ứng của cơ học lượng tử trở nên mất cân bằng hoặc mờ nhạt trong các vật thể vĩ mô.
Thứ hai là sự khác biệt về tương tác môi trường. Các vật thể vĩ mô có liên hệ chặt chẽ với môi trường xung quanh, trong khi các hạt vi mô có thể bị cô lập hoặc được bảo vệ. Điều này dẫn đến việc trạng thái của các vật thể vĩ mô thay đổi do tác động của môi trường, trong khi trạng thái của các hạt vi mô có thể không thay đổi. Vì vậy, trạng thái của các vật thể vĩ mô dễ bị phá hủy, làm giảm hoặc loại bỏ các tác động của cơ học lượng tử trong các vật thể vĩ mô.
Cuối cùng là khác biệt trong phương pháp đo. Phép đo các vật thể vĩ mô thường sử dụng các đại lượng vật lý vĩ mô như khối lượng, vị trí, tốc độ, nhiệt độ, vv, trong khi phép đo các hạt vi mô thường sử dụng các đại lượng vật lý vi mô như spin, độ phân cực, mức năng lượng, vv.
Điều này có nghĩa là phép đo các vật thể vĩ mô đo lường các tính chất tổng thể của vật chất, trong khi phép đo các hạt vi mô đo lường các tính chất riêng lẻ của vật chất. Điều này dẫn đến việc đo các vật thể vĩ mô không phân biệt được các trạng thái vi mô khác nhau và không thể vi phạm bất đẳng thức Bell, làm cho các hiệu ứng của cơ học lượng tử không thể được thử nghiệm hoặc chứng minh trong các vật thể vĩ mô.
Thực tế, trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã thực nghiệm và gặt hái một số hiện tượng vướng víu lượng tử ở quy mô vĩ mô hoặc siêu vi, như sự vướng víu của hai tấm màng nhôm hoặc hai màng nhôm-nhôm trong bằng chứng thuyết phục về sự vướng víu lượng tử của các vật thể vĩ mô.
Những thí nghiệm này chứng tỏ rằng sự vướng víu lượng tử không chỉ xuất hiện ở các hạt cực nhỏ mà còn là một hiện tượng vật lý phổ quát có thể quan sát ở mọi quy mô miễn là thỏa mãn một số điều kiện nhất định.
Tóm lại, chúng ta thấy rằng việc phủ nhận sự vướng víu lượng tử trong thế giới vĩ mô không hoàn toàn chính xác nhưng cũng không hoàn toàn sai. Điều này phản ánh sự khác biệt và mối liên hệ giữa cơ học lượng tử và vật lý cổ điển, đồng thời cũng làm nổi bật nhiều hạn chế và thách thức trong sự hiểu biết của chúng ta về thế giới vi mô.
Tham khảo: Zhihu
