Hiểu "Vật Lý Lượng Tử" Chỉ Trong 5 Phút

Thế kỉ 21 là thời đại của vật lý lượng tử với các ứng dụng như máy tính lượng tử, viễn tải lượng tử...mà chúng ta chưa biết vật lý lượng tử là gì thì thật thiếu sót.Vì vậy Trường Vũ đã biên dịch và tóm tắt trong bài viết dưới đây để các bạn không chuyên cũng có thể hiểu chỉ trong 5 phút.Nếu có sai sót mong các bạn góp ý.Mình xin cảm ơn !

Máy tính Lượng Tử là gì

noron.vn

1. Lượng tử là gì?

Lượng tử (quantum) trong vật lý học là một đại lượng rời rạc và nhỏ nhất của một thực thể vật lý.

Ví dụ, photon là một lượng tử của ánh sáng, và electron là một lượng tử của nguyên tử.

2.Nguyên nhân ra đời vật lý lượng tử:

Vào thời của Newton các nhà khoa học tin rằng các nguyên tử chỉ cấu thành từ dạng hạt, tuy nhiên năm 1924, nhà vật lý người Pháp Louis de Broglie cho rằng các hạt thông thường mang cả tính chất sóng.Từ đó thuật ngữ “lưỡng tính sóng – hạt” ra đời để thể hiện đặc tính của vật chất ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử

Cũng chính vì tính chất sóng rất rõ rệt này, nên sự chuyển động của các hạt nguyên tử không tuân thủ cơ học cổ điển với nòng cốt là ba định luật của Newton, từ đó Vật Lý Lượng Tử ra đời.

3. Tóm tắt 3 lý thuyết quan trọng của Vật lý lượng tử

CHỒNG CHẬP LƯỢNG TỬ: SUPERPOSITION QUANTUM

Định Nghĩa:

Một hệ lượng tử có thể cùng lúc đo được nhiều giá trị cho một tính chất vật lý.

Ví dụ: Một đơn vị thông tin của máy tính thông thường được gọi là bit. Một bit chỉ có thể thể hiện giá trị 1 hoặc 0 tại một thời điểm. Trong khi đó, các máy tính lượng tử sử dụng các bit lượng tử, hay còn gọi là qubit, có thể cùng lúc là một dạng thức kết hợp của 0 và 1.

Giải thích bằng quỹ đạo electron quay quanh hạt nhân:

Nguyên lý bất định Heisenberg cho rằng: "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. Nếu ta biết một đại lượng càng chính xác thì ta biết đại lượng kia càng kém chính xác." (1)

Cùng lúc đó phương trình Schrödinger được chứng minh,từ đó vận tốc ( xung lượng ) của electron được xác định rõ ràng. (2)

Kết hợp (1) và (2) Suy ra vị trí của electron sẽ bất định, có nghĩa là không thể tìm thấy quỹ đạo cố định của các hạt electron.

Tôi sẽ lấy ví dụ về Orbital nguyên tử cho các bạn dễ hiểu hơn:

Orbital nguyên tử ( quỹ đạo nguyên tử ) giải thích rằng electron của nguyên tử không bay quanh hạt nhân của nó như trái đất quay quanh mặt trời ( hình tròn ) mà nó có thể “dịch chuyển tức thời” ở bất kì chỗ nào xung quanh hạt nhân nguyên tử đó.Giống như trái đất dịch chuyển tức thời liên tục tạo thành một đám mây hình cầu bao trùm quanh mặt trời vậy ( ví dụ thôi nhé chứ quỹ đạo nguyên tử có rất nhiều hình dạng )

Quỹ đạo này hỗn loạn và khó xác định.

Đến đây là chúng ta đã dập tắt được một giả thuyết mà nhiều bạn vẫn tin: giả thuyết đó cho rằng thế giới lượng tử chỉ như một bản thu nhỏ của thế giới vĩ mô, các nguyên tử là mô hình thu nhỏ của các hành tinh, mỗi con người là một tiểu vũ trụ…

Tuy nhiên tính chồng chập lượng tử lại mở ra những nhận thức mới về thế giới quan của chúng ta:

Tất cả vật chất, con người, hành tinh, vũ trụ… đều chuyển động liên tục chứ không bao giờ đứng yên.Kể cả bạn thấy tôi đang nằm ngủ cũng không có nghĩa tôi nằm yên, mà tôi đang di chuyển liên tục, hỗn loạn, vì các hạt cấu thành nên cơ thể tôi đều đang di chuyển hỗn loạn.

VƯỚNG VÍU LƯỢNG TỬ: QUANTUM ENTANGLEMENT

Định nghĩa:

Là một hiệu ứng trong cơ học lượng tử trong đó trạng thái lượng tử của hai hay nhiều vật thể có liên hệ với nhau, dù chúng cách xa tới mức nào, thậm chí là tới khoảng cách lên tới cả nhiều năm ánh sáng.

Giải thích:

"Nếu có hai electron đặt gần nhau,trạng thái lượng tử của chúng có thể liên hệ với nhau " Giờ nếu tách chúng ra xa nhau, hàng trăm thậm chí hàng ngàn năm ánh sáng, chúng vẫn sẽ tiếp tục giữ được mối liên hệ này.

"Nếu lắc nhẹ một electron, electron ở đầu kia sẽ 'cảm ứng' được dao động này ngay lập tức, có thể nhanh hơn tốc độ ánh sáng"

Ví dụ:

Mối liên hệ thần giao cách cảm giữa con người với nhau từng bị xem là một hiện tượng tâm linh không có thật. Thế nhưng vào năm 2014, nhà thần kinh học Carlos Grau cùng các đồng nghiệp tại Đại học Barcelona (Tây Ban Nha) đã chứng minh tính xác thực của việc giao tiếp qua tâm trí.

Thần giao cách cảm thường xảy ra giữa những người có mối quan hệ gần gũi. Ví dụ như các cặp song sinh thường nói rằng họ có thể cảm nhận được cảm xúc của nhau dù đang ở rất xa nhau. Giữa họ dường như có sẵn một mối liên kết từ kể khi mới sinh.

Mặc dù chưa có nghiên cứu khoa học nào chỉ ra mối tương quan giữa thần giao cách cảm và rối lượng tử nhưng tôi vẫn lấy ví dụ này để các bạn dễ hình dung hơn, cách thức hiện tượng này hoạt động.

SỰ MẤT LIÊN KẾT LƯỢNG TỬ ( QUANTUM DECOHERENCE)

Định Nghĩa:

Nếu một hệ thống lượng tử được cách ly hoàn hảo, nó sẽ duy trì sự kết hợp vô thời hạn, chúng ta sẽ không thể thao túng hoặc kiểm tra nó

Nhưng nếu hệ thống lượng tử đó chịu tác động từ môi trường hoặc các tác nhân bên ngoài (ví dụ chúng ta quan sát, đo đạc nó ) thì các đặc tính lượng tử của hệ thống này sẽ bị làm nhiễu loạn và cuối cùng sẽ biến mất, khiến hệ thống này phải tuân thủ các nguyên tắc vật lý thông thường.

Giải thích : Đây chính là hiệu ứng người quan sát.

Khi các nhà khoa học đo đạc các tính chất của hệ thống lượng tử họ thấy rằng dường như hệ thống đó “cảm nhận” được lúc nào các nhà Khoa học đang quan sát mình, và “hành xử” khác nhau khi đang được quan sát và khi không được quan sát.

Nhiều báo chí cũng viết về hiện tượng này và thần thánh hóa hệ thống lượng tử lên như một sinh vật sống biết cảm nhận, tuy nhiên hiểu đơn giản đây chỉ là sự sai lệch về kết quả khi đo đạc mà thôi.

Khi muốn đo đạc hệ thống lượng tử, chúng ta phải "bắn" một hạt nào đó vào hệ thống để nhận kết quả phản xạ lại từ hạt đã bắn, ví dụ muốn nhìn thấy một người trong bóng tối, chúng ta phải "bắn" photon vào họ, chính là đèn pin, sau khi chiếu đèn, mắt chúng ta sẽ thu nhận hình ảnh từ những photon đã phản xạ.

Vì vậy khi đo đạc hệ thống lượng tử chúng ta vô hình chung đã thêm các hạt vào hệ thống, phá vỡ trạng thái vốn có của nó.

3. Ứng dụng của vật lý lượng tử

Ngày nay vật lý lượng tử đang được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, như chế tạo máy tính lượng tử, viễn tải lượng tử, hay đơn giản chỉ là chế tạo các màn hình vi tính bạn đang sử dụng...và càng hiểu sâu hơn về lượng tử giới – thế giới vi mô của chúng ta, loài người sẽ càng trả lời được nhiều câu hỏi còn bỏ ngỏ. Từ đó hiểu hơn về bản chất sự tồn tại của chính chúng ta và vũ trụ.

Nếu bài viết này vẫn khó hiểu với bạn, hãy đọc bài remake mình mới viết lại tại đây với các ví dụ trực quan hơn:

5 Phút Hiểu Ngay Vật Lý Lượng Tử - Remake !

noron.vn

Nguồn: Trường Vũ.