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. Nhưng cuối thế kỉ
XIX trở về sau, người ta thấy có những hiện tượng vật lí không thể giải thích được
bằng các lí thuyết của vật lí học cổ điển, như tính bền của nguyên tử, bức xạ của
vật đen.v.v. 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:
Từ năm 1900, khi Planck phát hiện ra hiện tượng gián đoạn
trong các quá trình quang học, điều chưa từng được biết đến
trong vật lý cổ điển. 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. Sự không thể hòa hợp lý thuyết Maxwell với giả
thuyết này đã buộc các nhà nghiên cứu đi đến kết luật rằng, các
hiện tượng bức xạ chỉ có thể hiểu được bằng việc dứt khoát từ bỏ sự trực quan hóa
về chúng.
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. (CHLT)
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”.
ngay cả các khoa học gia lỗi lạc, như Schrodinger (là cha đẻ của phương trình sóng
Schrodinger), Richard Feynman (cha đẻ của máy tính lượng tử). Họ đã phát biểu về cơ
học lượng tử như sau:
Schrodinger :” 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. Tình huống ở đây không như ở bài thơ "Hai
câu hỏi" của Chế Lan Viên:
"Ta là ai"? như ngọn gió siêu hình
Câu hỏi hư vô thổi nghìn nến tắt
"Ta vì ai" khẽ xoay chiều ngọn bấc
Bàn tay người thắp lại triệu chồi xanh.
(TẬP THƠ "ÁNH SÁNG VÀ PHÙ SA" - NXB Văn học 1960
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.
Từ năm 1927 Einstein đã cho rằng CHLT là không hoàn chỉnh. Einstein nghĩ rằng vật
lý học phải mô tả thiên nhiên đúng như thật sự của nó. Trong cuộc trò chuyện giữa
Einstein với Abraham Pais , Einstein đặt ra câu hỏi thách thức: “ Mặt trăng có còn đó
hay không nếu
chẳng ai nhìn nó? “
với hàm ý nghi ngờ
CHLT
Sự chống đối
lên đến đỉnh
cao khi
EINSTEIN
cùng
PODOLSKY
và ROSEN đưa ra cái gọi là nghịch lý EPR (lấy theo chữ
Hình 1. Từ trái sang phải ba tác giả của nghịch lý EPR : Einstein. Podolsky,
Rosen
đầu từ tên của ba người). Tên bài báo là: Liệu sự mô tả thực tại vật lý bằng CHLT
có thể xem là đầy đủ hay không?
Nội dung của nghịch lý có thể tóm tắt như sau.
Theo CHLT người ta có thể chế tạo một cặp hạt liên đới (entangled) lượng tử,
điều đó có nghĩa về mặt toán học là một cặp hạt mà hàm sóng của chúng không
thể viết thành tích trực tiếp hàm sóng của từng hạt : f không bằng f 1 nhân trực tiếp
với f 2 , hay nói cách khác là các tính chất của các hạt không độc lập với nhau mà
liên quan với nhau .
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. Song bây
giờ lại đo xung lượng của hạt thứ hai ta lại có thể biết được xung lượng của hạt
thứ nhất . Như thế ta có thể đồng thời đo được tọa độ lẫn xung lượng của mỗi hạt:
điều này trái với nguyên lý bất định Heisenberg của CHLT. Đó là nghịch
Lý EPR.
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”. Đối với cả hai ngẫu
nhiên chỉ là thể hiện sự thiếu hiểu biết của chúng ta.
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”.
Niels Bohr (1885-1962) – 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.
Mặc dù cách giải thích chính thống này cho phép các nhà vật lý thực hiện những
tính toán rất thành công, nhưng họ vẫn buộc phải nhận thấy rằng cách giải thích
này vẫn còn đôi chút mơ hồ: làm sao mà nguyên tử hiđrô hay ánh sáng lại có thể
khi là sóng khi là hạt, mà hoàn toàn chẳng phải là cái này cũng chẳng là cái kia?
Sự phê phán vào năm 1959 của Erwin Schrodinger, một nhà sáng lập khác của vật
lý lượng tử, về cái mà ông gọi là "sự ngu ngốc và hoàn toàn phi triết học đó của
trường phái Copenhagen" là rất gay gắt: "Tôi biết đó không phải là lỗi của Niels
Borh, ông chưa có đủ thời gian để nghiên cứu triết học. Nhưng tôi lấy làm tiếc
rằng, do uy tín của ông, mà những bộ óc của một, hai hoặc ba thế hệ đã bị xáo trộn
và bị cấm không được suy ngẫm về những vấn đề mà ông cho là đã được giải
quyết".
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. Dụng cụ này được khởi
phát bởi sự phân rã của một nguyên tử phóng xạ - một sự kiện không thể tiên đoán
đư?c. 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. Phương trình Schrödinger áp dụng cho hạt tự do
của chúng ta sẽ tiên đoán tâm của bó sóng chuyển động trong không gian
với vận tốc không đổi, giống như một hạt cổ điển chuyển động khi không
có lực nào tác dụng lên nó. Tuy nhiên, bó sóng sẽ trải rộng ra theo thời
gian, điều này có nghĩa là vị trí của hạt sẽ trở nên bất định và ảnh hưởng
đến trạng thái riêng của vị trí làm cho nó biến thành các bó sóng rộng hơn
không phải là các trạng thái riêng của vị trí nữa.
Phương trình sóng của schödinger:
)..
.
rptE
i
oe
Với việc chấp nhận các nguyên lý của CHLT trong hình thức luận được mở
rộng của nó, lý thuyết về phép biến đổi có khả năng tính toán tổng quát cho các
hệ nguyên tử xác suất xảy ra một hiện tượng nhất định, có thể thấy rõ bằng
thực nghiệm với những điều kiện thực nghiệm đã cho. Một giả thuyết được
phỏng đoán trong các nghiên cứu về lý thuyết bức xạ đã được phát biểu một
cách rõ rằng trong các lý thuyết va chạm của Born, đó là, chính hàm sóng chi
phối xác suất có mặt của một hạt, đây dường như là một trường hợp đặc biệt
của một hệ thống các định luật tổng quát và là một hệ quả tự nhiên, xuất phát