- NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ CƠ HỌC LƯỢNG TỬ I.CƠ HỌC LƯỢNG TỬ RA ĐỜI NHƯ THẾ NÀO?. - 1.Lý do ra đời: Trong thế giới này có rất nhiều hiện tượng,nhiều câu hỏi mà vật lý không giải thích hết được chính vì vậy mà các môn khoa học khác ra đời cũng giống như thế sự ra đời của cơ học lượng tử là để hoàn thiện thêm sự tò mò của con người về thế giới của chúng ta.Ai cũng biết rằng vật lý học cổ điển đóng vai trò quan trọng trong vật lý nhưng Vật lí học cổ điển cho kết quả phù hợp với thực nghiệm đối với các hiện tượng vật lí mà người ta đã biết đến cuối thế kỉ XIX, nó là hệ thống lí thuyết hoàn chỉnh và chặt chẽ trong phạm vi ứng dụng của nó. - và từ đó đã dẫn đên khái niệm mới - bước đầu của việc phát triển môn CƠ HỌC LƯỢNG TỬ. - 2.Lịch sử của cơ học lượng tử:. - Chỉ một vài năm sau, Einstein đã diễn tả chính xác hiện tượng này trong giả thuyết của ông về các lượng tử ánh sáng. - Được tìm ra bởi Planck, được nối tiếp bởi Einstein và Debye, lý thuyết lượng tử tiếp tục tiến thêm một bước nữa khi được diễn tả một cách hệ thống trong các định đề cơ bản của Bohr. - Các định đề này, cùng với điều kiện lượng tử Bohr-Sommerfeld đã dẫn đến một sự diễn giải định lượng về các tính chất hóa học và quang học của nguyên tử. - Các định đề của Bohr đối lập một cách không khoan nhượng với cơ học cổ điển, tuy nhiên, theo các kết quả định lượng, chúng lại có vẻ như vô cùng cần thiết cho việc tìm hiểu các tính chất của nguyên tử. - Vật lý cổ điển dường như là trường hợp giới hạn được trực quan hóa đối với một lĩnh vực vật lý vi mô về cơ bản là không thể trực quan hóa được. - Sự trực quan hóa mà càng tốt thì hằng số Planck-đặc trưng của vật lý lượng tử càng bị triệt tiêu. - Sự tiếp cận đó đã dẫn đến nguyên lý tương ứng Bohr, chính nguyên lý này đã chuyển một số đáng kể các kết luận được xây dựng trong cơ học cổ điển sang cơ học lượng tử. - 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.. - Cơ học lượng tử là khoa học nghiên cứu về chuyển động của vật chất ở thang các nguyên tử và các hạt nguyên tử. - Nó là lời giải đáp của các nhà khoa học trong nửa đầu thế kỷ 20 cho hàng loạt những mâu thuẫn nổi lên trong vật lý học thế kỷ 19.Từ đó thế giới của cơ học lượng bùng nổ. - II.SỰ TRƯỞNG THÀNH CỦA CƠ HỌC LƯỢNG TỬ: Cơ học lượng tử - Liệu có thể hiểu được không?. - chính nhà vật lý Mỹ nổi tiếng, giải thưởng Nobel về vật lý năm 1964, đã khẳng định: “Không ai hiểu được cơ học lượng tử cả”.. - Họ đã phát biểu về cơ học lượng tử như sau:. - Tôi tiếc rằng tôi đã dính dáng vô lý thuyết lượng tử này. - Richard Feynman:” Tôi nghĩ rằng nói rằng không một ai hiểu cơ học lượng tử là không sai””. - Vì vậy cơ học lượng tử đã mang lai những cộc tranh luận gay gát trong lịch sử của cuộc đấu tranh để tôn tại của môn khoa học này. - Có người đã viết rằng: Cái khó hiểu ở cơ lượng tử là không trả lời được câu hỏi cơ lượng tử là gì, thực chất nó mô tả cái gì. - Lập luận kỹ càng theo cơ lượng tử lại dẫn đến những nghịch lý không gỡ nổi. - Chính từ những điều khó hiểu đó mà có nhiều nhà vật lý đã không chấp nhận sự tồn tại của cơ học lượng tử trong đó tiêu biểu nhất là ALBERT EINSTEIN. - Einstein nghĩ rằng vật lý học phải mô tả thiên nhiên đúng như thật sự của nó. - Xét hai hạt liên đới lượng tử và tách chúng ra xa nhau. - Khi đo tọa độ của hạt thứ nhất thì sẽ biết được tọa độ của hạt thứ hai, vì chúng liên đới lượng tử. - Chính vì vậy mà cơ học lượng tử đối với Einstein và Thom như 1 trò chơi may rủi : Eintein khẳng định “Chúa không được chơi trò xúc xắc” nhưng Thom còn gay gắt hơn “những kẻ đề cao ngẫu nhiên là những tên đảo ngũ”. - Cũng giống như Einstein, Niels Bohr cũng hoàn toàn tin vào lý thuyết của cơ học cổ điển.Ông đã có có câu nói rằng: Mọi cách giải thích đều phải được phát biểu nhờ. - những thuật ngữ của các lý thuyết vật lý cổ điển”.. - Giải thưởng Nobel Vật lý năm 1922 Tuy nhiên sau những bàn luận về cơ học lượng tử? Trong một thời gian dài hầu như không có tranh luận gì, nhưng vào đầu những năm 1930, chỉ ít năm sau khi những điều kỳ quặc lượng tử được mô tả thành một lý thuyết nhất quán, thì nhà vật lý Đan Mạch Niels Bohr, người đã có những đóng góp to lớn vào việc xây dựng lý thuyết này, mới áp đặt quan điểm của mình về câu hỏi trên với cách giải thích nổi tiếng có tên là "cách giải thích của trường phái Copenhagen", theo ông: "Ngôn ngữ của Newton và của Maxwell ở mọi thời đại vẫn sẽ còn là ngôn ngữ của các nhà vật lý". - Nói một cách khác, theo định đề đó, mọi thực nghiệm đều phải được giải thích nhờ những khái niệm cổ điển của sóng và hạt đã được xây dựng lên từ nhiều thế kỷ trước, dù rằng khi đối mặt với những tính chất lượng tử lạ lùng, phải chấp nhận "tính bổ sung" của các quan niệm đó, tức là phải chấp nhận lưỡng tính sóng-hạt. - Nhưng tất cả mọi ngi ngờ của con người đã được giải quyết khi cơ học lượng tử đã lên tiếng về sự bùng nổ của nó.Đặc trưng của cơ học lượng tử là:cơ học sóng và cơ học ma trận. - Thứ nhất: Đó là sự lên tiếng của phương trình về cơ học sóng của Erwin Schrodinger.Nổi tiếng nhất là về nổi kinh hoàng của con mèo mà ông làm thí nghiệm.Thí nghiệm của ông được mô tả Vào những năm 30, nhà vật lý nổi tiếng người Áo này đã tưởng tượng nhốt một con mèo vào căn phòng trong đó có đặt một dụng cụ gây chết người. - Nhưng nếu chúng ta xem rằng lý thuyết lượng tử cho chúng ta biết về thực tại, rằng nó mô tả trực tiếp cho chúng ta trạng thái của nguyên tử phóng xạ, thì những phương trình của nó lại khẳng định rằng chừng nào còn chưa có phép đo nào được thực hiện thì nguyên tử này còn ở trong trạng thái chồng chập, nguyên tử vừa phân rã vừa không phân rã. - Hệ quả trực tiếp được rút ra là: chừng nào chưa mở cửa phòng thì chính con mèo tội nghiệp cũng ở trong trạng thái chồng chập: vừa là chết vừa là sống! Nhưng con ma này, con ma đã làm cho nhiều thế hệ hệ các nhà vật lý phải run lên, sẽ biến mất nếu ta xem rằng những công thức lượng tử chỉ nói với chúng ta về thông tin: con mèo không phải vừa chết-vừa sống mà nó hoặc là chết hoặc là sống, nhưng chừng nào cửa phòng chưa được mở ra thì thông tin về trạng thái của nó nhất thiết phải được cấu thành từ hai khả năng đó.Chính từ thí nghiệm này làm chúng ta nghĩ đến thuyết BẤT KHẢ TRI của nhân loại.. - Đồng thời trong cơ học sóng của schrödinger, việc xác định các giá trị năng lượng của một nguyên tử trở thành việc tính trị riêng của của một bài toán biên trong không gian tọa độ của nguyên tử biệt lập đó. - Cơ học sóng được mô tả lý thuyết như sau: hàm sóng có thể thay đổi theo trong thời gian. - Phương trình mô tả sự thay đổi của hàm sóng theo thời gian là phương trình Schrödinger, đóng vai trò giống như định luật thứ hai của Newton cơ học cổ điển. - Một thời gian dài trước khi CHLT được phát triển hay là trước khi cơ học sóng schrödinger thì Pauli đã luận ra từ các quy luật của Hệ thống Tuần hoàn các nguyên tố một nguyên lý nổi tiếng, đó là, trong một trạng thái lượng tử riêng biệt, ở mọi thời điểm, chỉ có thể bị chiếm bởi duy nhất một electron. - Theo Dirac, việc chọn hệ đối xứng sẽ không dẫn đến nguyên lý Pauli, mà dẫn đến thống kê Bose-Einstein.Cơ học sóng đã làm cho chúng ta nhận diện và giải thích được khả năng của sự có mặt các hạt trong thế giới vi một. - Đó là sự hình thành của hệ thức bất định Werner Heisenberg nhà vật lý người Đức, giải thưởng Nobel Vật lý, người đóng một vai trò lớn trong sự phát triển của cơ học lượng tử (quantum mechanics). - Cơ học lượng tử miêu tả vật chất dưới cả hai dạng sóng và hạt. - Một trong những đóng góp được biết đến nhiều nhất của Heisenberg cho lý thuyết lượng tử là nguyên lý bất định (uncertainty principle), theo nguyên lý bất định thì người ta không thể nào đo được đồng thời vị trí và vận tốc (hướng và tốc độ) của một hạt ở cùng một thời điểm, mà chỉ biết được chắc chắn một giá trị mà thôi. - Mô tả về mặt toán học: Nguyên lý bất định là một nguyên lý nguyên nhân-kết quả quan trọng của cơ học lượng tử, do Werner Heisenberg đưa ra, phát biểu rằng người ta không bao giờ có thể xác định chính xác cả vị trí lẫn vận tốc (hay động lượng, hoặc xung lượng) của một hạt vào cùng một lúc. - Ngoài ra,độ bất định gắn liền với các định luật của cơ học lượng tử liên quan đến một thực tế là các nguyên lý bảo toàn năng lượng và xung lượng vẫn luôn luôn đúng một cách nghiêm ngặt. - Tuy nhiên, đặc trưng thống kê của các định luật cơ học lượng tử trở nên rõ ràng ở chỗ, một sự khảo sát chính xác về những điều kiện năng lượng lại khiến cho nó không thể kiểm soát được cùng một lúc với một sự kiện biệt lập nào đó trong không gian và thời gian.. - Ngoài ra,cơ học lượng tử còn có sự tham gia của các nhà vật lý lớn như là: Cơ học lượng tử của Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli và một số người khác tạo nên.. - Cơ học lượng tử ngày nay vẫn còn thu hút các nhà khoa học nghiên cứu nó: Các nhà vật lí ở Thụy Sĩ và Đan Mạch vừa tạo ra được một dụng cụ có khả năng phân tách các cặp electron bị vướng víu. - Dụng cụ trên, hoạt động trên cơ sở một tiếp giáp “Y” siêu dẫn, sẽ đặt nền tảng cho các phép kiểm tra cái gọi là tính phi định xứ của cơ học lượng tử trong chất rắn.. - Theo lí thuyết cơ học lượng tử, khi hai hạt bị vướng víu, thì phép đo một hạt có thể ảnh hưởng đến trạng thái của hạt kia, cho dù chúng ở cách xa nhau bao nhiêu. - Tuy vậy, các phép kiểm tra tính phi định xứ sử dụng các cặp photon vướng víu từ trước đến nay cho thấy cơ học lượng tử là đúng. - “Các hiện tượng lượng tử cơ sở của vật chất tương tác mạnh rất khác với những nghiên cứu hiện có với photon trong chân không”. - Họ làm như vậy bằng cách đặt một mẩu chất siêu dẫn nhỏ xíu – một chấm lượng tử - tại cuối mỗi nhánh. - Một electron độc thân có thể đi qua một chấm lượng tử và không có khả năng hai electron (đẩy lẫn nhau về mặt tương tác điện) sẽ chui qua đồng thời. - Đội nghiên cứu xác nhận các cặp Cooper vướng víu thật sự bị phân tách ra bằng cách điều chỉnh điện trở của một trong các chấm lượng tử đồng thời ghi lại độ dẫn của từng nhánh. - “Nó mở ra con đường lớn cho các thí nghiệm kiểu quang lượng tử tiến bộ hơn nhiều trong các hệ điện tử”, ông nói. - “Ví dụ, người ta có thể hình dung các thí nghiệm tương quan cùng với việc sử dụng các bộ lọc spin để khảo sát sự vướng víu lượng tử theo một cách rất tao nhã… Các kết quả thể hiện trong bài báo này mang lại những viễn cảnh rất thú vị và rất có khả năng tạo ra một hoạt động thực nghiệm và lí thuyết mạnh mẽ và đổi mới”. - Schönenberger phát biểu với physicsworld.com rằng nhóm của ông và những nhóm nghiên cứu khác hiện đang theo đuổi các phép kiểm tra tính phi định xứ, đặc biệt sử dụng các nghiên cứu thống kê của cái gọi là bất đẳng thức Bell, cái cho biết hành trạng của hai hạt vướng víu có tương quan với nhau hay không.Đây sẽ là thời đại tiến xa của ngành vật lý lượng tử nói chung và cơ học lượng tử nói riêng.Thế giới của vi mô bùng nổ. - C.Cách nhìn của thế giới về 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.Trong đó có 3 đại diện tiêu biểu để giải thích cơ học lượng tử đó là: Giải thích Copenhagen,giải thích đa thế giới của Hugh Everett,Giải thích Bohm, do David Bohm. - 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. - Cụ thể, quan niệm của các nhà vật lý về chuyển động đã được mở rộng ra đối với nhận thức của họ về các mặt đồng thời sóng hạt của vật chất. - Khi vật chất chuyển động, một nhà vật lý có thể mô tả tiến trình bằng động lượng, đó là khối lượng của vật thể chuyển động nhân với vận tốc của nó. - Một nhà vật lý có thể mô tả một sóng bằng bước sóng của nó, khoảng cách từ một đỉnh của dao động đến đỉnh kế tiếp. - Có rất nhiều hôn loạn xung quanh cơ học lượng tử, thêm vào và được truyền bá rộng rãi bởi Bohr và Heisenberg, có liên quan đến sự nhấn mạnh rằng các khái niệm như sóng và hạt, hay động lượng và bước sóng, phải được tách rời ra khỏi nhau - "chúng ta có hai bức tranh trái ngược về thực tại" như Einstein đã nói. - Quy luật biện chứng đặc trưng cho tư tưởng này là quy luật về sự thống nhất và chuyển hóa giữa các mặt đối lập” Chính sự hiểu biết này về hành trạng cơ học lượng tử về cơ bản là phương pháp được sử dụng trong mọi ứng dụng thực tiễn của cơ học lượng tử. - Cách giải thích của Hugh Everett 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. - Giáo sư vật lý danh tiếng, ông David Deutsch tại Đại học Oxford là đại diện cho các nhà vật lý này.. - Để giải thích sự mâu thuẫn này, đa số các nhà vật lý đã chọn một phương án dễ dàng: Họ hạn chế tính hiệu lực của thuyết lượng tử trong thế giới hạ nguyên tử (mức vi quan ở dưới mức nguyên tử). - Bởi vì mọi thứ trên thế giới này, bao gồm cả chúng ta, được cấu thành bởi những lạp tử này, và bởi vì thuyết lượng tử đã được chứng minh là không thể sai lầm ở mỗi thí nghiệm có thể nhận biết, các quy tắc lượng tử kỳ cục này phải được áp dụng cho chúng ta. - Chúng ta không chỉ sống trong một vũ trụ đơn, theo như ông Deutsch, mà phải trong một vũ trụ rộng lớn hay là “đa vũ trụ” Dưới điều kiện bình thường, chúng ta không bao giờ phải đối mặt với những hiện thực đa chiều như trong cơ học lượng tử. - Chỉ trong những điều kiện được kiểm soát một cách cẩn thận, như trong thí nghiệm hai khe hở (two-slit), chúng ta mới có được gợi ý về sự tồn tại của điều mà ông Deutsch gọi là”đa vũ trụ” Trong đoạn cuối bài báo, “Ông Deutsch lý luận rằng các nhà vật lý, những người sử dụng cơ học lượng tử một cách vị lợi – và điều đó có nghĩa rằng hầu hết các nhà vật lý đang làm việc trong lĩnh vực hiện nay – thật thiếu can đảm. - Họ đơn thuần không thể chấp nhận sự kỳ bí của hiện thực lượng tử. - Đây có lẽ là lần đầu tiên trong lịch sử, ông nói, các nhà vật lý đã từ chối tin vào những gì mà học thuyết đang thịnh hành nói về thế giới. - Giống như các nhà vật lý hiện đại, những người cho rằng lượng tử ánh sáng (photon) vừa là dạng sóng vừa là dạng hạt, lúc ở chỗ này lúc ở chỗ kia, Galileo có thể lý luận rằng Trái đất vừa chuyển động vừa đứng im cùng một lúc và các sinh viên mới ra trường chế nhạo rằng điều này có nghĩa là gì vậy.. - Tuy nhiên cách giải thích của Bohm không được phổ biến trong giới vật lý vì nó được coi là không tinh tế.. - Cơ học lượng tử vẫn có những nhược điểm đó là không giải thích được những vật thể rơi vào trong hố đen. - Cơ học lượng tử được mô tả trong tâm sinh lý của con người:. - IV.Ứng dụng của cơ học lượng tử. - Thiên nhiên vận dụng cơ học lượng tử rất hiệu quả Bằng chứng phát sinh từ một nghiên cứu cách thức năng lượng truyền trong các phântử khai thác ánh sáng trong quá trình quang hợp Hi vọng rằng sự kết hợp lượng tử có thể dùng để sản xuất pin mặt trời hiệu quả hơn. - Máy tính lượng tử - giấc mơ đã thành sự thật ? Một doanh nghiệp nhỏ ở Canada cho biết họ đã chế tạo được chiếc máy tính lượng tử mang tính thương mại đầu tiên trên thế giới. - Mặc dù các nhà khoa học này đã xây dựng được các nguyên mẫu cho cỗ máy, nhưng hầu như họ vẫn phải chờ thêm ít nhất là một thập kỉ nữa mới có thể xây dựng được chiếc máy tính lượng tử hữu dụng, bởi vì rất khó thao tác với những hệ lượng tử tinh vi mà không làm phá hủy chúng lúc hoạt động. - Máy tính lượng tử của thế kỷ 21 sẽ xử lý thông tin nhanh chưa từng thấy. - Nguyên tắc hoạt động của máy tính lượng tử trong tương lai sẽ hoàn toàn khác. - Món quà thứ nhất mà đặc tính dạng số của cơ học lượng tử tặng thiên nhiên là tính bền. - Món quà dạng số thứ ba mà cơ học lượng tử tặng cho thiên nhiên là thông tin Món quà thứ tư từ cơ học lượng tử là việc xử lý thông tin Món quà thứ năm và cũng là cuối cùng mà cơ học lượng tử tặng cho thiên nhiên, nhưng không phải lúc nào cũng được xem là món quà: đó là tính ngẫu nhiên . - (Khác với cơ học cổ điển, cơ học lượng tử chứa đựng sự bất định cố hữu. - PIN QUANG ĐIỆN: Ngoài ra, người ta dựa vào cơ học lượng tử để chế tạo ra các chíp bán dẫn, là trái tim của nền văn minh của loài người hiện nay. - 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. - Kết luận: Cho đến hôm nay các nhà vật lý dự báo tương lai loài người chính là tương lai của CƠ HỌC LƯỢNG TỬ .Tuy các cuộc tranh luận vẫn chưa kết thúc nhưng cơ học lượng tử đã trở thành một công cụ đắc lực,một cơ sở không thể thiếu đối với việc nghiên cứu thế giới vi mô