Cơ học lượng tử

- Cơ học lượng tử.
- Mô men xung lượng và năng lượng bị lượng tử hóa nên chỉ có các giá trị rời rạc như thấy trong hình..
- Cơ học lượng tử là một trong những lý thuyết cơ bản của vật lý học.
- Cơ học lượng tử là phần mở rộng và bổ sung của cơ học Newton (còn gọi là cơ học cổ điển).
- Khái niệm lượng tử để chỉ một số đại lượng vật lý như năng lượng (xem Hình 1) không liên tục mà rời rạc..
- Cơ học lượng tử là một lý thuyết cơ học, nghiên cứu về chuyển động và các đại lượng vật lý liên quan đến chuyển động như năng lượng và xung lượng, của các vật thể nhỏ bé, ở đó lưỡng tính sóng hạt được thể hiện rõ.
- Lưỡng tính sóng hạt được giả định là tính chất cơ bản của vật chất, chính vì thế cơ học lượng tử được coi là cơ bản hơn cơ học Newton vì nó cho phép mô tả chính xác và đúng đắn rất nhiều các hiện tượng vật lý mà cơ học.
- Các tiên đoán của cơ học lượng tử chưa bao giờ bị thực nghiệm chứng minh là sai sau một thế kỷ.Cơ học lượng tử là sự kết hợp chặt chẽ của ít nhất ba loại hiện tượng mà cơ học cổ điển không tính đến, đó là: (i) việc lượng tử hóa (rời rạc hóa) một số đại lượng vật lý, (ii) lưỡng tính sóng hạt, và (iii) vướng lượng tử.
- Trong các trường hợp nhất định, các định luật của cơ học lượng tử chính là các định luật của cơ học cổ điển ở mức độ chính xác cao hơn.
- Việc cơ học lượng tử rút về cơ học cổ điển được biết với cái tên nguyên lý tương ứng..
- Cơ học lượng tử được kết hợp với thuyết tương đối để tạo nên cơ học lượng tử tương đối tính, để đối lập với cơ học lượng tử phi tương đối tính khi không tính đến tính tương đối của các vật thể.
- Ta dùng khái niệm cơ học lượng tử để chỉ cả hai loại trên.
- Cơ học lượng tử đồng nghĩa với vật lý lượng tử.
- Tuy nhiên vẫn có nhiều nhà khoa học coi cơ học lượng tử có ý nghĩa như cơ học lượng tử phi tương đối tính, mà như thế thì nó hẹp hơn vật lý lượng tử..
- Một số nhà vật lý tin rằng cơ học lượng tử cho ta một mô tả chính xác thế giới vật lý với hầu hết các điều kiện khác nhau.Dường như là cơ học lượng tử không còn đúng ở lân cận các hố đen hoặc khi xem xét vũ trụ như một toàn thể.
- Ở phạm vi này thì cơ học lượng tử lại mâu thuẫn với lý thuyết tương đối rộng, một lý thuyết về hấp dẫn.
- Câu hỏi về sự tương thích giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu rất sôi nổi..
- Cơ học lượng tử được hình thành vào nửa đầu thế kỷ 20 do Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli và một số người khác tạo nên Một số vấn đề cơ bản của lý thuyết này vẫn được nghiên cứu cho đến ngày nay..
- Theo các phương pháp toán học mô tả cơ học lượng tử này thì trạng thái lượng tử của một hệ lượng tử sẽ cho thông tin về xác suất của các tính chất, hay còn gọi là các đại lượng quan sát (đôi khi gọi tắt là quan sát), có thể đo được.
- Nói chung, cơ học lượng tử không cho ra các quan sát có giá trị xác định..
- Các xác suất này phụ thuộc vào trạng thái lượng tử ngay tại lúc tiến hành phép đo.
- Ví dụ, chúng ta hãy xét một hạt tự do, trạng thái lượng tử của nó có thể biểu diễn bằng một sóng có hình dạng bất kỳ và có thể lan truyền theo toàn bộ không gian, được gọi là hàm sóng.
- Ví dụ một điện tử trong một nguyên tử không bị kích thích được coi một cách cổ điển là chuyển động trên một quỹ đạo hình tròn xung quanh hạt nhân nguyên tử, trong khi đó thì cơ học lượng tử lại mô tả điện tử này bằng một đám mây xác suất đối xứng cầu tĩnh xung quanh hạt nhân (Hình 1)..
- Bản chất xác suất của cơ học lượng tử nảy sinh từ việc thực hiện phép đo: vật thể tương tác với máy đo, và hàm sóng tương ứng sẽ bị vướng.
- Đây là một trong những ý tưởng khó hiểu nhất về bản chất của một hệ lượng tử.
- Có một vài cách giải thích cơ học lượng tử phủ nhận sự "suy sập hàm sóng".
- trong cơ học lượng tử (xem thêm giải thích trạng thái tương đối)..
- Các hiệu ứng của cơ học lượng tử.
- Như đã nhắc ở trên, có một vài lớp hiện tượng xuất hiện trong cơ học lượng tử mà không có sự tương tự với cơ học cổ điển.
- Chúng được gọi là "hiệu ứng lượng tử"..
- Loại thứ nhất của hiệu ứng lượng tử đó là lượng tử hóa các đại lượng vật lý nhất định..
- Những quan sát như vậy được gọi là bị lượng tử hóa và nó có vai trò quan trọng trong các hệ vật lý.
- Ví dụ về các quan sát bị lượng tử hóa bao gồm mô men xung lượng, năng lượng toàn phần của hệ liên kết, và năng lượng mà một sóng điện từ với một tần số đã cho..
- Các bài toán chưa có lời giải trong vật lý trong giới hạn tương ứng của cơ học lượng tử: liệu có lời giải thích nào về cơ học lượng tử đúng đắn hơn hay không? Làm thế nào mà các mô tả lượng tử về thực tại gồm các vấn đề như là chồng chất trạng thái hoặc suy sập hàm sóng có thể tái tạo lại thực tại mà chúng ta nhận biết.
- Hiệu ứng nữa là vướng lượng tử.
- Nếu cơ học lượng tử đúng thì các hạt có thể thể hiện các tính chất khác thường và đặc biệt.
- Trong các công thức toán học rất chặt chẽ của cơ học lượng do Paul Dirac và John von Neumann phát triển, các trạng thái khả dĩ của một hệ cơ học lượng tử được biểu diễn bằng các véc tơ đơn vị (còn gọi là các véc tơ trạng thái) được thể hiện bằng các hàm số phức trong không gian Hilbert (còn gọi là không gian trạng thái).
- Bản chất của không gian Hilbert này lại phụ thuộc vào hệ lượng tử.
- Nếu giá trị tuyệt đối của biên độ xác suất mang các thông tin về xác suất, thì pha của nó mang các thông tin về giao thoa giữa các trạng thái lượng tử..
- Điều này làm tăng tính chất sóng của trạng thái lượng tử..
- Thực ra, nghiệm giải tích của phương trình Schrödinger chỉ có thể thu được từ một số rất ít các Hamilton như trường hợp của các dao động tử điều hòa lượng tử và nguyên tử hydrogen là các đại diện quan trọng nhất.
- Phương pháp này rất quan trọng trong hỗn loạn lượng tử..
- Một phương pháp toán học thay thế cơ học lượng tử là công thức tích phân lộ trình Feynman, trong đó, biên độ cơ học lượng tử được coi là tổng theo tất cả các lịch sử giữa trạng thái đầu và cuối.
- Các nguyên tắc cơ bản của cơ học lượng tử rất khái quát.
- Chúng ta cần phải chọn các thông số đó cho phù hợp để mô tả định lượng hệ lượng tử.
- Một hướng dẫn quan trọng cho việc lựa chọn này đó là nguyên lý tương ứng, nguyên lý này phát biểu rằng các tiên đoán của cơ học lượng tử sẽ rút về các tiên đoán của cơ học cổ điển khi hệ trở lên lớn.
- lượng tử sử dụng biểu thức phi tương đối tính tường minh cho động năng của dao động tử, và nó là phiên bản lượng tử của dao động tử điều hòa cổ điển..
- Các cố gắng ban đầu để kết hợp cơ học lượng tử với lý thuyết tương đối hẹp là thay thế phương trình Schrödinger bằng một phương trình hiệp biến như là phương trình Klein- Gordon hoặc là phương trình Dirac.
- Lý thuyết lượng tử tương đối tính đầy đủ phải cần đến lý thuyết trường lượng tử.
- Lý thuyết này áp dụng lượng tử hóa cho trường chứ không chỉ cho một tập hợp cố định gồm các hạt (được gọi là lượng tử hóa lần thứ hai để so sánh với lượng tử hóa lần thứ nhất là lượng tử hóa dành cho các hạt).
- Lý thuyết trường lượng tử hoàn thành đầu tiên là điện động lực học lượng tử, nó mô tả đầy đủ tương tác điện từ..
- Ít khi người ta phải dùng toàn bộ lý thuyết trường lượng tử để mô tả các hệ điện từ.
- Một phương pháp đơn giản hơn được người ta áp dụng từ khi khởi đầu của cơ học lượng tử, đó là coi các hạt tích điện như là các thực thể cơ học lượng tử chỉ bị tác dụng bởi trường điện từ cổ điển.
- Ví dụ, mô hình lượng tử cơ bản về nguyên tử hydrogen mô tả điện trường của nguyên tử hydrogen sử dụng thế năng Coulomb 1/r cổ điển.
- này bị vô hiệu hóa khi thăng giáng lượng tử trong trường điện tử đóng vai trò quan trọng như là sự phát xạ quang tử từ các hạt tích điện..
- Lý thuyết trường lượng tử cho lực tương tác mạnh và lực tương tác yếu đã được phát triển và gọi là sắc động lực học lượng tử.
- Lực tương tác yếu và lực điện từ đã được thống nhất và lý thuyết lượng tử mô tả hai lực đó được gọi là lý thuyết điện-yếu..
- Rất khó có thể xây dựng các mô hình lượng tử về hấp dẫn, lực cơ bản còn lại duy nhất mà chưa được thống nhất với các lực còn lại.
- Tuy nhiên, công thức của một lý thuyết hấp dẫn lượng tử hoàn thiện lại bị cản trở bởi sự không tương thích giữa lý thuyết tương đối rộng (lý thuyết về hấp dẫn chính xác nhất hiện nay) với một số giả thuyết cơ bản của lý thuyết lượng tử.
- Một số lý thuyết như lý thuyết dây là một trong những ứng cử viên khả dĩ cho lý thuyết hấp dẫn lượng tử của tương lai..
- Ứng dụng của cơ học lượng tử.
- Cơ học lượng tử đã đạt được các thành công vang dội trong việc giải thích rất nhiều các đặc điểm của thế giới chúng ta.
- chỉ có thể được mô tả bằng cơ học lượng tử..
- Cơ học lượng tử còn quan trọng trong việc tìm hiểu các nguyên tử riêng biệt kết hợp với nhau để tạo nên các chất như thế nào.
- Việc áp dụng cơ học lượng tử vào hóa học được gọi là hóa học lượng tử.
- Cơ học lượng tử có thể cho phép nhìn sâu vào các quá trình liên kết hóa học bằng việc cho biết các phân tử ở các trạng thái có lợi về năng lượng như thế nào so với các trạng thái thái và làm sao mà chúng khác nhau.
- Phần lớn các tính toán được thực hiện trong hóa học tính toán dựa trên cơ học lượng tử..
- Rất nhiều các công nghệ hiện đại sử dụng các thiết bị có kích thước mà ở đó hiệu ứng lượng tử rất quan trọng.
- Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm kiếm các phương pháp để can thiệp vào các trạng thái lượng tử.
- Một trong những cố gắng đó là mật mã lượng tử cho phép truyền thông tin một cách an toàn.
- Một lĩnh vực khác đó là viễn tải lượng tử có thể cho phép truyền các trạng thái lượng tử đến những khoảng cách bất kỳ..
- Hệ quả triết học của cơ học lượng tử.
- Ngay từ đầu, các kết quả ngược với cảm nhận con người bình thường của cơ học lượng tử đã gây ra rất nhiều các cuộc tranh luận triết học và nhiều cách giải thích khác nhau về cơ.
- học lượng tử.
- Giải thích Copenhagen, chủ yếu là do Niels Bohr đưa ra, là cách giải thích mẫu mực về cơ học lượng tử từ khi lý thuyết này được đưa ra lần đầu tiên.
- Theo cách giải thích của trường phái này thì bản chất xác suất của các tiên đoán của cơ học lượng tử không thể được giải thích dựa trên một số lý thuyết tất định, và không chỉ đơn giản phản ánh kiến thức hữu hạn của chúng ta.
- Cơ học lượng tử cho các kết quả có tính xác suất vì vũ trụ mà chúng ta đang thấy mang tính xác suất chứ không phải là mang tính tất định..
- Ông bảo vệ ý tưởng cho rằng có một lý thuyết biến số ẩn cục bộ nằm đằng sau cơ học lượng tử và hệ quả là lý thuyết hiện tại chưa phải là hoàn thiện.
- John Bell cho rằng nghịch lý EPR dẫn đến các sự sai khác có thể được kiểm nghiệm bằng thực nghiệm giữa cơ học lượng tử và lý thuyết biến số ẩn cục bộ..
- Thí nghiệm đã được tiến hành và khẳng định cơ học lượng tử là đúng và thế giới thực tại không thể được mô tả bằng các biến số ẩn.
- Cách giải thích đa thế giới của Hugh Everett được đưa ra vào năm 1956 cho rằng tất cả các xác suất mô tả bởi cơ học lượng tử xuất hiện trong rất nhiều thế giới khác nhau, cùng tồn tại song song và độc lập với nhau.
- Lịch sử cơ học lượng tử.
- Hình 2: Max Planck, cha đẻ của lý thuyết lượng tử..
- Năm 1913, Bohr giải thích quang phổ vạch của nguyên tử hydrogen lại bằng giả thuyết lượng tử.
- Các lý thuyết trên, mặc dù thành công trong giải thích một số thí nghiệm nhưng vẫn bị giới hạn ở tính hiện tượng luận: chúng không được chứng minh một cách chặt chẽ về tính lượng tử.
- Tất cả các lý thuyết đó được gọi là lý thuyết lượng tử cổ điển..
- Thuật ngữ "vật lý lượng tử".
- Cơ học lượng tử hiện đại được ra đời năm 1925, khi Heisenberg phát triển cơ học ma trận và Schrödinger sáng tạo ra cơ học sóng và phương trình Schrödinger.
- Bắt đầu vào năm 1927, Paul Dirac thống nhất lý thuyết tương đối hẹp với cơ học lượng tử.
- Cũng vào khoảng thời gian này John von Neumann đã đưa ra cơ sở toán học chặt chẽ cho cơ học lượng tử như là một lý thuyết về các toán tử tuyến tính trong không gian Hilbert.
- Lĩnh vực hóa học lượng tử được phát triển của những người tiên phong là Walter Heitler và Fritz London.
- Sau đó, hóa học lượng tử được phát triển rất mạnh trong đó có Linus Pauling..
- Đầu năm 1927, các cố gắng nhằm áp dụng cơ học lượng tử vào các lĩnh vực khác như là các hạt đơn lẻ dẫn đến sự ra đời của lý thuyết trường lượng tử.
- Lĩnh vực này cực thịnh trong lý thuyết điện động lực học lượng tử do Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian Schwinger và Sin-Itiro Tomonaga phát triển cvào những năm 1940.
- Điện động lực học lượng tử là lý thuyết lượng tử về điện tử, phản điện tử và điện từ trường và đóng vai trò quan trọng trong các lý thuyết trường lượng tử sau này..
- Lý thuyết sắc động lực học lượng tử được hình thành vào đầu những năm 1960.
- tương tác yếu và sắc động lực học lượng tử có thể kết hợp thành một lực điện-yếu duy nhất..
- Các nghiên cứu về bức xạ của vật đen từ 1850 đến 1900 dẫn đến giả thuyết lượng tử..
- Thí nghiệm giọt dầu của Robert Millikan cho thấy điện tích âm thể hiện tính lượng tử (1909)..
- Otto Stern và Walter Gerlach thực hiện thí nghiệm Stern-Gerlach chứng minh bản chất lượng tử của spin (1920).

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt