Thế giới lượng tử kì bí: Siêu lỏng và siêu rắn

Chia sẻ: Quynh Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

109
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hãy quên đi những vết nhện phóng xạ cắn, những sự chiếu xạ tia gamma, hoặc bất kì tai nạn nào khác trong truyện viễn tưởng phiêu lưu vũ trụ: trong thế giới thực, chính thuyết lượng tử sẽ cho bạn siêu sức mạnh.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thế giới lượng tử kì bí: Siêu lỏng và siêu rắn

Thế giới lượng tử kì bí: Siêu lỏng và siêu rắn Hãy quên đi những vết nhện phóng xạ cắn, những sự chiếu xạ tia gamma, hoặc bất kì tai nạn nào khác trong truyện viễn tưởng phiêu lưu vũ trụ: trong thế giới thực, chính thuyết lượng tử sẽ cho bạn siêu sức mạnh. Lấy helium làm thí dụ. Ở nhi ệt độ phòng, nó là một thú tiêu khiển bình thường: bạn có thể bơm đầy helium vào những quả khí cầu bồng bềnh, hoặc hít nó vào và nói chuyện ra với giọng nghe khọt khẹt. Tuy vậy, ở nhiệt độ dưới khoảng 2 kelvin, nó là một chất lỏng và các nguyên tử của nó bị chi phối bởi các tính chất lượng tử của chúng. Khi đó, nó trở thành siêu tiêu khiển: chất siêu lỏng.
Các va chạm hạt tại thí nghiệm CMS của LHC. (Ảnh: CMS Collaboration/CERN) Helium siêu lỏng leo lên thành bình chứa và chảy ngược lên trên, không coi lực hấp dẫn ra gì hết. Nó tự nén mình qua những lỗ nhỏ bình thường không chui qua lọt. Nó bất chấp sự ma sát: cho helium siêu lỏng vào trong một cái bát, cho cái bát xoay tròn, và helium siêu lỏng vẫn nằm yên bất động khi cái bát quay tít bên dưới nó. Tuy nhiên, nếu để helium lỏng tự chuyển động, nó sẽ tiếp tục hồi chuyển mãi mãi. Điều đó thật thú vị, nhưng chẳng có lợi ích gì đặc biệt. Ngược lại có thể nói là các chất siêu dẫn. Những chất rắn này dẫn điện với điện trở bằng không, khiến chúng thật lí tưởng trong việc truyền tải điện năng, dùng trong việc tạo ra những từ trường cực mạnh – để lái các proton vòng quanh Máy Va chạm Hadron Lớn của CERN, chẳng hạn – và trong việc nâng những đoàn tàu siêu tốc. Chúng ta vẫn chưa hiểu tất cả các chất siêu dẫn hoạt động như thế nào, nhưng dường như nguyên lí bất định có một vai trò nhất định. Ở những nhiệt độ rất thấp, xung lượng của từng nguyên tử hay electron riêng lẻ trong những chất liệu này là rất nhỏ và được biết rất chính xác, nên vị trí của mỗi nguyên tử có sự bất định cao. Thật ra, chúng bắt đầu chồng lấn lên nhau để hướng tới chỗ bạn không thể mô tả chúng một cách riêng lẻ. Chúng bắt đầu tác dụng như một siêu nguyên tử hoặc siêu electron chuyển động mà không có ma sát hoặc điện trở. Tuy nhiên, tất cả những điều kì lạ này chẳng là gì nếu so với siêu chất rắn. Thí dụ được biết tới duy nhất là helium rắn lạnh xuống trong vòng một độ của không độ tuyệt đối và ở áp suất khoảng 25 lần áp suất khí quyển bình thường. Dưới những điều kiện này, các liên kết giữa các nguyên tử helium thật yếu, và một số bị phá vỡ để lại một mạng lưới những “chỗ trống” hành xử hầu như giống hệt như những nguyên tử thật sự. Dưới những điều kiện thích hợp, những chỗ trống này hình thành nên ngưng tụ Bose-Einstein dạng lỏng của riêng nó. Dưới những trường hợp nhất định, vật chất này sẽ đi xuyên qua mạng helium bình thường – nghĩa là chất rắn chảy xuyên qua chính nỏ, có vẻ hơi ma quái một chút.
Đặc biệt, siêu sức mạnh này đã được Moses Chan và Eun-Seong Kim thuộc trường đại học Bang Pennsylvania kiểm tra đi, kiểm tra lại dữ liệu của họ về helium rắn trong bốn năm trước khi cuối cùng cho công bố kết quả vào năm 2004 (Nature, vol 427, tr.225). “Tôi không chắc lắm là chúng ta đã thấy hiệu ứng đó”, Chan nói. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã nhìn thấy những dấu hiệu cho thấy có thể theo đuổi bất kì chất liệu kết tinh nào để tiến hành một kì công như thế ở những chỉ một vài phần trên không độ tuyệt đối. Không phải chỉ có siêu nhân mới có thể làm được chuyện đó. Thế giới lượng tử kì bí: Chẳng một ai hiểu Đối mặt trước sự công kích toàn diện của tính kì lạ lượng tử, thật hấp dẫn là hãy đi giải thích câu nói nổi tiếng của nhà vật lí giành giải Nobel Richard Feynman: “Chẳng ai hiểu nổi cơ học lượng tử”. Dẫu vậy, thật sự có một vòng sự thật đối với nó. Những giải thích đã thử nêu ra ở đây sử dụng khuôn khổ được chấp nhận rộng rãi nhất khi nghĩ về tính kì lạ lượng tử, gọi là cách hiểu Copenhagen, gọi theo tên thành phố nơi Niels Bohr và Werner Heisenberg đã nêu ra những quy tắc nền tảng của nó vào đầu thế kỉ 20.
Rốt cuộc cơ học lượng tử cho chúng ta biết những gì chứ? (Ảnh: Paul Cooklin / Brand X Pictures / Getty) Với các nguyên lí bất định và những nghịch lí phép đo của nó, cách hiểu Copenhagen gắn liền với sự thừa nhận rằng chúng ta được trang bị tồi để nhìn thấy thực tại lượng tử cơ sở. Mọi nỗ lực chúng ta thực hiện để giao chiến với nó giáng nó xuống một hình chiếu cổ điển hời hợt của tính phong phú lượng tử trọn vẹn của nó. Lev Vaidman ở trường đại học Tel Aviv, Israel, giống như nhiều nhà vật lí khác, đưa ra một lời giải thích khác. “Tôi không nhận thấy mình không hiểu cơ học lượng tử”, ông nói. Nhưng phải trả một giá cao để mà hiểu – đó là thừa nhận sự tồn tại của các vũ trụ song song. Trong bức tranh này, các hàm sóng không “suy sụp” về sự tất định cổ điển mỗi khi bạn đo chúng; thực tại đơn thuần phân tách thành nhiều thế giới song song cũng như có nhiều khả năng đo. Một trong những thế giới này mang bạn và
thực tại mà bạn sống trong đó ra xa cùng với nó. “Nếu bạn không thừa nhận đa thế giới, thì chẳng có cách nào có một bức tranh kết hợp cả”, Vaidman nói. Hay, lại theo cách nói của Feynman, cho dù bạn chấp nhận cách hiểu Copenhagen hay đa thế giới, “thì ‘nghịch lí’ chỉ là một sự mâu thuẫn giữa thực tại và cảm giác của bạn về cái mà thực tại phải như thế”.