Liệu chúng ta có thể có mặt ở nhiều nơi cùng một lúc? Thí nghiệm về hàm sóng của các vật thể lớn

Bình luận Nguyễn Can • 00:30, 26/11/20

Bạn đã bao giờ có mặt ở nhiều nơi cùng một lúc chưa? Theo hiểu biết hiện tại, nếu bạn lớn hơn nhiều so với một nguyên tử, câu trả lời sẽ là không. Nhưng các nguyên tử và hạt cơ bản bị chi phối bởi các quy tắc của cơ học lượng tử, trong đó một số khả năng khác nhau có thể đồng thời tồn tại...

Các hệ thống lượng tử được quy định bởi “hàm sóng”: một đối tượng toán học mô tả xác suất các tình huống có thể xảy ra khác nhau. Và những khả năng khác nhau có thể cùng tồn tại trong hàm sóng được gọi là "nguyên lý chồng chất" của các trạng thái khác nhau. Ví dụ, một hạt tồn tại ở nhiều chỗ khác nhau cùng một lúc chúng ta gọi là "chồng chất không gian". Khi một phép đo được thực hiện thì hàm sóng "suy sụp" và hệ thống trở về một trạng thái xác định.

Nhìn chung, hiện tại cơ học lượng tử chỉ áp dụng cho thế giới vi mô của các nguyên tử và hạt cơ bản. Các nhà khoa học vẫn chưa hiểu ý nghĩa của nó đối với các vật thể có kích thước lớn. Trong nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Optica, các nhà khoa học đề xuất một thử nghiệm có thể giải quyết vấn đề này.

Chú mèo Schrodinger

Vào những năm 1930, nhà vật lý người Áo Erwin Schrödinger đã đưa ra thí nghiệm tư duy nổi tiếng của mình về một con mèo trong một chiếc hộp, mà theo cơ học lượng tử, có thể sống và chết cùng một lúc.

Thí nghiệm đó như sau, một con mèo còn sống sẽ được đặt vào trong một chiếc hộp kín với một loại chất phóng xạ có thể giết chết con mèo với xác suất 50%.

Các nhà khoa học giả thiết là chúng ta không thể biết được chuyện gì xảy ra bên trong chiếc hộp cho tới khi nó được mở nắp. Do đó, khi chiếc hộp chưa mở nắp sẽ không ai biết con mèo trong đó còn sống hay đã chết. Tức là khi đó, con mèo sẽ có hai trạng thái sống và chết cùng một lúc

Nói cách khác, con mèo tồn tại dưới dạng một hàm sóng với nhiều khả năng. Khi nó được quan sát (mở nắp hộp), thì người ta sẽ nhìn thấy nó ở một trạng thái xác định là còn sống hoặc đã chết.

Sau nhiều cuộc tranh luận, cộng đồng khoa học vào thời điểm đó đã đi đến thống nhất với “cách giải thích Copenhagen”. Về cơ bản, giải thích này nói rằng cơ học lượng tử chỉ có thể áp dụng cho các nguyên tử và phân tử, nhưng không thể áp dụng cho các vật thể lớn.

Hóa ra họ đã nhầm.

Trong khoảng hai thập kỷ trở lại đây, các nhà vật lý đã tạo ra các trạng thái lượng tử trong các vật thể làm từ hàng nghìn tỷ nguyên tử - đủ lớn để có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Mặc dù, điều này vẫn chưa bao gồm sự chồng chất không gian.

Một hàm sóng cho các vật thể lớn biểu hiện trong thực tế như thế nào?

Nhưng hàm sóng của vật thể lớn biểu hiện trong thực tế như thế nào?

Đây là điều mà các nhà vật lý gọi là "vấn đề đo lường lượng tử". Nó đã khiến các nhà khoa học và triết học bối rối trong khoảng một thế kỷ.

Nếu có một cơ chế loại bỏ khả năng chồng chất lượng tử khỏi các vật thể quy mô lớn, thì bằng cách nào đó nó sẽ "làm nhiễu loạn" hàm sóng - và điều này sẽ tạo ra nhiệt.

Nếu phát hiện thấy nhiệt lượng, thì điều này cho thấy sự chồng chất lượng tử quy mô lớn là không thể. Nếu không thấy nhiệt lượng, thì sự chồng chất lượng tử có thể xảy ra ở bất kỳ kích thước nào.

Nếu trường hợp thứ hai xảy ra, với công nghệ tiên tiến, chúng ta có thể đưa các vật thể lớn, thậm chí có thể là sinh vật có tri giác, vào trạng thái lượng tử.

Các nhà vật lý học không biết cơ chế ngăn cản chồng chất lượng tử quy mô lớn sẽ như thế nào. Theo một số người, đó là một lĩnh vực vũ trụ học chưa được biết đến. Những người khác nghi ngờ lực hấp dẫn có thể liên quan đến vấn đề này.

Người đoạt giải Nobel vật lý năm nay, Roger Penrose, cho rằng nó có thể là hệ quả từ ý thức của sinh vật sống.

Tìm kiếm những nhiễu loạn nhỏ

Trong hơn một thập kỷ qua, các nhà vật lý đã sốt sắng tìm kiếm một lượng nhiệt cho thấy sự nhiễu loạn trong hàm sóng.

Để tìm ra điều này, chúng ta cần một phương pháp hoàn hảo nhất để ngăn chặn tất cả các nguồn nhiệt “dư thừa” khác có thể ảnh hưởng đến sự chính xác của phép đo.

Chúng ta cũng cần phải kiểm tra một hiệu ứng gọi là “tác dụng ngược” lượng tử, bằng việc quan sát việc sinh ra nhiệt từ chính hàm sóng.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã xây dựng một thí nghiệm như vậy để chứng minh liệu sự chồng chất không gian có xảy ra đối với các vật thể kích thước lớn hay không. Tuy nhiên, các thí nghiệm tốt nhất cho đến nay vẫn chưa thể đạt được điều này.

Tìm câu trả lời với chùm tia nhỏ rung động

Thí nghiệm trong nghiên cứu sẽ sử dụng bộ cộng hưởng ở tần số cao hơn nhiều so với tần số đã được sử dụng. Điều này sẽ loại bỏ vấn đề nhiệt từ tủ lạnh.

Như trong các thí nghiệm trước, chúng ta sẽ cần sử dụng tủ lạnh ở nhiệt độ 0,01 độ Kelvin trên không tuyệt đối. (Độ không tuyệt đối là nhiệt độ thấp nhất có thể về mặt lý thuyết).

Với sự kết hợp giữa nhiệt độ rất thấp và tần số rất cao, các rung động trong bộ cộng hưởng trải qua một quá trình được gọi là “ngưng tụ Bose”.

Bạn có thể hình dung điều này khi bộ cộng hưởng trở nên đông cứng đến mức nhiệt từ tủ lạnh không thể làm nó lung lay, dù chỉ một chút.

Nghiên cứu cũng sẽ sử dụng một chiến lược đo lường khác hoàn toàn không xem xét chuyển động của bộ cộng hưởng mà thay vào đó là dựa vào năng lượng mà nó có. Phương pháp này cũng sẽ triệt tiêu được nhiệt do tác dụng ngược.

Nhưng chúng ta sẽ làm điều này như thế nào?

Các hạt ánh sáng đơn lẻ sẽ đi vào bộ cộng hưởng và bật lại vài triệu lần, hấp thụ tất cả năng lượng dư thừa và mang ra ngoài.

Bằng cách đo năng lượng của các hạt ánh sáng phát ra, chúng ta có thể xác định xem có nhiệt trong bộ cộng hưởng hay không.

Nếu có nhiệt, điều này cho thấy một nguồn không xác định đã làm nhiễu loạn hàm sóng. Và điều này có nghĩa là không thể xảy ra chồng chất ở quy mô lớn.

Phải chăng mọi vật đều ở trạng thái lượng tử?

Thử nghiệm mà các nhà khoa học đề xuất là một thử thách. Đó không phải là cách bạn có thể ngẫu nhiên thực hiện được vào chiều Chủ nhật. Nó có thể mất nhiều năm phát triển, hàng triệu đô la và cần các chuyên gia vật lý thực nghiệm.

Tuy nhiên, nó có thể trả lời một trong những câu hỏi hấp dẫn nhất về thực tại của chúng ta: Phải chăng mọi vật đều ở trạng thái lượng tử? Và vì vậy, việc này chắc chắn là đáng để nỗ lực.

Đối với việc đặt một con người hoặc con mèo, vào trạng thái chồng chất lượng tử - thực sự không có cách nào để chúng ta biết điều này sẽ ảnh hưởng như thế nào đến bản thể đó.

May mắn thay, đây là câu hỏi mà chúng ta chưa phải nghĩ đến, bây giờ.

Nguyễn Can

Theo The Conversation



BÀI CHỌN LỌC