●   Bản rời    

Cơ học lượng tử là gì ?

Cơ Học Lượng Tử Là Gì ?

Mike Wilson

http://sachhiem.net/KHOAHOC/M/MikeWilson_kh0.php

Đây là một tiểu luận thú vị về thuyết cơ học lượng tử và công cuộc còn dang dở của các nhà vật lý học trong việc phát minh một lý thuyết thống nhất, tổng hợp cơ học lượng tử và thuyết tương đối, để giải thích mọi hiện tượng trong vũ trụ, từ các cõi siêu thiên hà, xuống đến cõi nhỏ hơn hạt nguyên tử

Người dịch chỉ tóm tắt những ý chính, để giữ sự thú vị và dễ hiểu (MW)

Nguồn: What is quantum mechanics? (microsoftnewskids.com) (*)

1. Cơ học lượng tử là gì ?

Cơ học lượng tử là một ngành nhỏ của vật lý, mô tả hành vi của các hạt như nguyên tử, âm điện tử (electron) và quang tử (photon) và hầu như mọi thứ trong lĩnh vực phân tử và nhỏ hơn phân tử

Được phát triển trong nửa đầu của thế kỷ 20, các kết quả của vật lý lượng tử thường cực kỳ lạ lùng và phản trực giác

What is quantum mechanics?

Quantum mechanics is a subfield of physics that describes the behavior of particles — atoms, electrons, photons and almost everything in the molecular and submolecular realm.

Developed during the first half of the 20th century, the results of quantum mechanics are often extremely strange and counterintuitive.

How is quantum mechanics different from classical physics?

At the scale of atoms and electrons, many of the equations of classical mechanics, which describe the movement and interactions of things at everyday sizes and speeds, cease to be useful.

In classical mechanics, objects exist in a specific place at a specific time. In quantum mechanics, objects instead exist in a haze of probability; they have a certain chance of being at point A, another chance of being at point B and so on.

2. Cơ học lượng tử được phát triển từ bao giờ ?

Cơ học lượng tử được phát triển qua nhiều thập kỷ, khỏi đầu bằng một loạt các giải thích toán học gây tranh cãi cho các thí nghiệm mà toán học của cơ học cổ điển không thể giải thích, theo trường đại học St. Andrews ở Scotland

Nó bắt đầu vào đầu thế kỷ 20, khoảng cùng thời với việc Albert Einstein xuất bản thuyết tương đối của ông, một cuộc cách mạng tách biệt trong vật lý, dùng để mô tả vận chuyển của sự vật ở tốc độ cao

Tuy nhiên, không giống như thuyết tương đối, nguồn gốc của cơ học lượng tử không thể quy cho một nhà khoa học duy nhất. Đúng hơn là, nhiều nhà khoa học đã đóng góp vào một nền tảng dần dần được chấp nhận và xác minh bằng thực nghiệm giữa những năm 1800 và 1930.

When was quantum mechanics developed?

Quantum mechanics developed over many decades, beginning as a set of controversial mathematical explanations for experiments that the mathematics of classical mechanics could not explain, according to the University of St. Andrews in Scotland. It started at the turn of the 20th century, around the same time Albert Einstein published his theory of relativity, a separate revolution in physics that describes the motion of things at high speeds. Unlike relativity, however, the origins of quantum mechanics cannot be attributed to a single scientist. Rather, multiple scientists contributed to a foundation that gradually gained acceptance and experimental verification between the late 1800s and 1930.

In 1900, German physicist Max Planck was trying to explain why objects at specific temperatures, like the 1,470-degree-Fahrenheit (800 degrees Celsius) filament of a light bulb, glowed a specific color — in this case, red, according to the Perimeter Institute. Planck realized that equations used by physicist Ludwig Boltzmann to describe the behavior of gases could be translated into an explanation for this relationship between temperature and color. The problem was that Boltzmann's work relied on the fact that any given gas was made from tiny particles, meaning that light, too, was made from discrete bits.

This idea flew in the face of ideas about light at the time, when most physicists believed that light was a continuous wave and not a tiny packet. Planck himself didn't believe in either atoms or discrete bits of light, but his concept was given a boost in 1905, when Einstein published a paper, "Concerning an Heuristic Point of View Toward the Emission and Transformation of Light."

Einstein envisioned light traveling not as a wave, but as some manner of "energy quanta." This packet of energy, Einstein suggested in his paper, could "be absorbed or generated only as a whole," specifically when an atom "jumps" between quantized vibration rates. This is where the "quantum" part of quantum mechanics comes from.

With this new way to conceive of light, Einstein offered insights into the behavior of nine phenomena in his paper, including the specific colors that Planck described being emitted from a light bulb filament. It also explained how certain colors of light could eject electrons off metal surfaces — a phenomenon known as the photoelectric effect.

3. Lưỡng tính sóng-hạt là gì ?

Trong cơ học lượng tử, các hạt đôi khi hiện hữu như làn sóng, và cũng có khi như những hạt

Năm 1924 nhà vật lý học Louis de Broglie đã dùng các phương trình của thuyết tương đối đặc biệt của Einstein để chứng minh rằng các hạt có thể thể hiện các đặc điểm giống như sóng, và các sóng có thể thể hiện các đặc điểm giống như hạt - và nhờ vậy mà mấy năm sau, ông đoạt giải Nobel Vật lý

What is wave-particle duality?

In quantum mechanics, particles can sometimes exist as waves and sometimes exist as particles. This can be most famously seen in the double-slit experiment, where particles such as electrons are shot at a board with two slits cut into it, behind which sits a screen that lights up when an electron hits it. If the electrons were particles, they would create two bright lines where they had impacted the screen after passing through one or the other of the slits, according to a popular article in Nature.

Instead, when the experiment is conducted, an interference pattern forms on the screen. This pattern of dark and bright bands makes sense only if the electrons are waves, with crests (high points) and troughs (low points), that can interfere with one another. Even when a single electron is shot through the slits at a time, the interference pattern shows up — an effect akin to a single electron interfering with itself.

In 1924, French physicist Louis de Broglie used the equations of Einstein's theory of special relativity to show that particles can exhibit wave-like characteristics and that waves can exhibit particle-like characteristics — a finding for which he won the Nobel Prize a few years later.

4. Cơ học lượng tử mô tả các nguyên tử như thế nào?

Vào các thập niên 1910, nhà vật lý học Đan Mạch Niels Bohr tìm cách dùng cơ học lượng tử để mô tả cấu trúc bên trong của nguyên tử. Tại thời điểm này người ta biết rằng nguyên tử bao gồm một hạt nhân nặng, dày đặc, có tích điện dương, được bao quanh bởi một đám các âm điện tử (electron) nhỏ, nhẹ, có tích điện âm

Bohr đặt các âm điện tử vào quĩ đạo (hình tròn) quanh hạt nhân, giống như các hành tinh trong một hệ mặt trời bé hơn nguyên tử, với điều kiện chúng phải có những khoảng cách quĩ đạo định sẵn

Bằng cách (âm điện tử electron) nhảy từ quĩ đạo này sang quĩ đạo khác, nguyên tử có thể nhận vào hay nhả ra bức xạ ở các trình độ năng lượng nhất định, phản ánh bản chất lượng tử của chúng

Sau đó Heisenberg (ở Đức) và Schrödinger (ở Áo) độc lập dùng tư duy toán học để tạo nên một hình tượng lượng tử đầy đủ hơn cho nguyên tử

Để thay thế cho mẫu nguyên tử của Bohr, hình mẫu Heisenberg-Schrödinger của nguyên tử có hạt nhân, quanh nó mỗi electron là một vùng sóng được định dạng bởi một hàm số sóng (wave function) có một "vùng quĩ đạo" chứ không phải là quĩ đạo đơn giản

Không như những quĩ đạo hình tròn của Bohr, những "vùng quĩ đạo" này có các dạng khác nhau, từ hình cầu cho đến hình quả tạ hai đầu (dumbbell) hay hình cúc họa mi (daisies)

How does quantum mechanics describe atoms?

In the 1910s, Danish physicist Niels Bohr tried to describe the internal structure of atoms using quantum mechanics. By this point, it was known that an atom was made of a heavy, dense, positively charged nucleus surrounded by a swarm of tiny, light, negatively charged electrons. Bohr put the electrons into orbits around the nucleus, like planets in a subatomic solar system, except they could only have certain predefined orbital distances. By jumping from one orbit to another, the atom could receive or emit radiation at specific energies, reflecting their quantum nature.

Shortly afterward, two scientists, working independently and using separate lines of mathematical thinking, created a more complete quantum picture of the atom, according to the American Physical Society. In Germany, physicist Werner Heisenberg accomplished this by developing "matrix mechanics." Austrian-Irish physicist Erwin Schrödinger developed a similar theory called "wave mechanics." Schrödinger showed in 1926 that these two approaches were equivalent.

The Heisenberg-Schrödinger model of the atom, in which each electron acts as a wave around the nucleus of an atom, replaced the earlier Bohr model. In the Heisenberg-Schrödinger model of the atom, electrons obey a "wave function" and occupy "orbitals" rather than orbits. Unlike the circular orbits of the Bohr model, atomic orbitals have a variety of shapes, ranging from spheres to dumbbells to daisies, according to an explanatory website from chemist Jim Clark.

5. Nghịch lý con mèo của Schrödinger là gì ?

Bohr và các học trò của ông tin rằng cơ học lượng tử cho biết, các hạt không có đặc tính nào nhất định, cho đến khi ta quan sát được chúng

(nth : quan sát, hiểu theo vật lý nhỏ hơn kích cỡ nguyên tử, có nghĩa là phản ứng của một hạt được ghi lại khi chúng tác động với một hạt khác, ví dụ như một quang tử photon, từ phản ứng đó ta có thể tính ra đặc tính của chúng khi bị tác động !)

Schrödinger và Einstein nhân đấy cho rằng cơ học lượng tử vẫn còn là một lý thuyết thiếu sót, bất toàn, vì không thể giải thích thực tại như nó "đang là".

Để châm biếm, Schrödinger đặt ra giả thuyết nghịch lý "con mèo trong cái hộp" : theo cơ học lượng tử, "con mèo" trong cái hộp luôn ở trạng thái lưỡng cực giữa sống và chết, cho đến khi ta mở cái hộp ra, thì mới xác định được, nó sống hay chết !

Một hiện tượng nữa, Schrödinger và Einstein cho biết, cơ học lượng tử không thể giải thích được : Năm 1935, Einstein cùng 2 nhà vật lý học Boris Podolsky và Nathan Rosen, đã chứng minh rằng 2 hạt có thể được sắp đặt để trạng thái lượng tử của chúng luôn "dính líu", "thân thương" với nhau; hạt này "biết" về đặc tính của hạt kia ... Nghĩa là, hễ chúng ta xác định được đặc tính của hạt này, thì cũng suy ra được đặc tính của hạt kia, hay ngược lại - bất kể khoảng cách giữa 2 hạt là bao nhiêu ! Einstein gọi hiện tượng này là "hành vi quái gở" từ xa, còn Schrödinger thì gọi đó là sự "dính líu" (entanglement)

Chính sự "dính líu" này là một trong những khía cạnh thiết yếu của cơ học lượng tử, và hiện tượng này là nền tảng cho lĩnh vực điện toán lượng tử (quantum computing) mới nổi dậy

What is the Schrödinger's cat paradox?

Schrödinger's cat is an often-misunderstood thought experiment describing the qualms that some of the early developers of quantum mechanics had with its results. While Bohr and many of his students believed that quantum mechanics suggested that particles don't have well-defined properties until they are observed, Schrödinger and Einstein were unable to believe such a possibility because it would lead to ridiculous conclusions about the nature of reality. In 1935, Schrödinger proposed an experiment in which the life or death of a cat would depend on the random flip of a quantum particle, whose state would remain unseen until a box was opened. Schrödinger hoped to show the absurdity of Bohr's ideas with a real-world example that depended on the probabilistic nature of a quantum particle but yielded a nonsensical result.

According to Bohr's interpretation of quantum mechanics, until the box was opened, the cat existed in the impossible dual position of being both alive and dead at the same time. (No actual cat has ever been subjected to this experiment.) Both Schrödinger and Einstein believed that this helped show that quantum mechanics was an incomplete theory and would eventually be superseded by one that accorded with ordinary experience.

Schrödinger and Einstein helped highlight another strange result of quantum mechanics that neither could fully fathom. In 1935, Einstein, along with physicists Boris Podolsky and Nathan Rosen, showed that two quantum particles can be set up so that their quantum states would always be correlated with one another, according to the Stanford Encyclopedia of Philosophy. The particles essentially always "knew" about each other's properties. That means that measuring the state of one particle would instantaneously tell you the state of its twin, no matter how far apart they were, a result that Einstein called "spooky action at a distance," but which Schrödinger soon dubbed "entanglement."

Entanglement has been shown to be one of the most essential aspects of quantum mechanics and occurs in the real world all the time. Researchers frequently conduct experiments using quantum entanglement and the phenomenon is part of the basis for the emerging field of quantum computing.

6. Cơ học lượng tử và thuyết tương đối tổng quát không tương hợp với nhau chăng ?

Ở thời điểm hiện tại, các nhà vật lý học thiếu một thuyết tổng quát để giải thích đầy đủ mọi hiện tượng từ các hạt được quan sát thấy,.. đến các lực trong vũ trụ

Thuyết tương đối của Einstein mô tả những thứ lớn và đồ sộ, trong khi đó cơ học lượng tử mô tả những điều nhỏ nhặt không đáng kể. Hai lý thuyết này không hẳn là không tương hợp với nhau, nhưng không ai có thể làm chúng thống nhất với nhau

Nhiều nhà nghiên cứu tìm tòi một lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử (quantum gravity) để giới thiệu lực hấp dẫn vào cơ học lượng tử, nhờ đó giải thích mọi sự từ các hạt nhỏ hơn nguyên tử đến các cõi siêu thiên hà. Có rất nhiều đề xuất để làm việc này, như phát minh cho lực hấp dẫn một hạt lượng tử giả định, gọi là graviton ... nhưng cho tới nay, không một thuyết nào có thể bao gồm giải thích mọi sự quan sát được trong vũ trụ của chúng ta

Một đề xuất phổ biến khác là lý thuyết sợi dây, cho rằng các thực thể cơ bản nhất là những sợi dây nhỏ xíu rung động trong nhiều chiều hướng ... nhưng nó đã bắt đầu mất dần ảnh hưởng vì có rất ít bằng chứng thuyết phục

Những nhà nghiên cứu khác cũng nghiên cứu những lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử lòng vòng (loop quantum gravity), trong đó cả không gian lẫn thời gian đều là những khối nhỏ xíu rời rạc

Tuy nhiên cho đến nay, vẫn không có một ý niệm nào chiếm lĩnh được vị trí quan trọng trong cộng đồng vật lý học

Are quantum mechanics and general relativity incompatible?

At the moment, physicists lack a full explanation for all observed particles and forces in the universe, which is often called a theory of everything. Einstein's relativity describes large and massive things, while quantum mechanics describes small and insubstantial things. The two theories are not exactly incompatible, but nobody knows how to make them fit together.

Many researchers have sought a theory of quantum gravity, which would introduce gravity into quantum mechanics and explain everything from the subatomic to the supergalactic realms. There are a great deal of proposals for how to do this, such as inventing a hypothetical quantum particle for gravity called the graviton, but so far, no single theory has been able to fit all observations of objects in our universe. Another popular proposal, string theory, which posits that the most fundamental entities are tiny strings vibrating in many dimensions, has started to become less widely accepted by physicists since little evidence in its favor has been discovered. Other researchers have also worked on theories involving loop quantum gravity, in which both time and space come in discrete, tiny chunks, but so far no one idea has managed to gain a major hold among the physics community.

Bài viết này ban đầu được viết bởi Robert Coolman, cộng tác viên của Live Science, sau đó được cập nhật bởi Adam Mann, ngày 2 tháng 3, 2022

(*) This article was originally written by Live Science contributor Robert Coolman and was updated by Adam Mann on March 2, 2022.

_______

Bibliography

Bow, E. (2019, June 19). A quick quantum history of the light bulb. Inside the Perimeter https://insidetheperimeter.ca/...

Clark, J. (2021, May). Atomic orbitals. https://www.chemguide.co.uk/...

Coolman, R. (2014, September 11). What is classical mechanics? Live Science. https://www.livescience.com/...

O'Connor, J. J., & Robertson, E. F. (1996, May). A history of quantum mechanics.https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/...

Einstein, A. (1905). On a heuristic point of view concerning the production and transformation of light. Annals of Physics. https://einsteinpapers.press....

Mann, A. (2020, February 28) Schrodinger's cat: The favorite misunderstood pet of quantum mechanics. Live Science. https://www.livescience.com/...

Mann, A. (2019, August 29) What is the theory of everything? Space.com. https://www.space.com/...

Moskowitz, C. (2012, March 25). Largest molecules yet behave like waves in quantum double-slit experiment. Live Science. https://www.livescience.com/...

Schirber, M. (2019, July 9). What is relativity? Live Science. https://www.livescience.com/...

The Nobel Prize (n.d.). Louis de Broglie facts. https://www.nobelprize.org/...

Tretkoff, E. (2008, February). This month in physics history: February 1927 Heisenberg's uncertainty principle. American Physical Society. https://www.aps.org/...

Wood, C. (2019, August 27). What is quantum gravity? Space.com. What Is Quantum Gravity?