Thế giới lượng tử kì bí: Hiệu ứng Hamlet

Michael Brooks

Từ những con mèo không biết sống chết ra sao cho đến những hạt thoắt ẩn thoắt hiện từ hư vô, từ những cái ấm nước không sôi – thỉnh thoảng thôi – cho đến những tác dụng ma quỷ xuyên khoảng cách, vật lí lượng tử mang lại những điều thú vị đánh đổ các trực giác của chúng ta về sự hoạt động của thế giới vật chất.

Một cái ấm đã được quan sát thấy không bao giờ sôi. Với kinh nghiệm hàng ngày và vật lí học cổ điển, bạn có thể cãi lại phát biểu đó. Nhưng vật lí lượng tử sẽ ngắt lời bạn. Những cái ấm lượng tử được quan sát thấy thật sự không thèm sôi – thỉnh thoảng thôi. Vào những lúc khác, chúng lại sôi nhanh hơn. Nhưng khi chưa đến những lúc khác đó, thì quan sát cho thấy chúng ở trong tình thế lưỡng nan mang tính hiện sinh là không biết có sôi hay không.

Tính “khùng khùng” này là một hệ quả hợp lí của phương trình Schrödinger, công thức do nhà vật lí người Áo Erwin Schrödinger pha chế vào năm 1926 để mô tả các đối tượng lượng tử tiến triển như thế nào về mặt xác suất theo thời gian.

Không biết sôi hay không sôi? (Ảnh: OJO Images / Rex Features)

Hãy tưởng tượng, chẳng hạn, tiến hành một thí nghiệm với một nguyên tử phóng xạ ban đầu chưa phân hủy đựng trong một cái hộp. Theo phương trình Schrödinger, tại bất cứ thời điểm nào sau khi bạn bắt đầu thí nghiệm thì nguyên tử đó tồn tại trong một sự hỗn hợp, hay “sự chồng chất”, của các trạng thái đã phân hủy và chưa phân hủy.

Mỗi trạng thái có một xác suất gắn liền với nó chứa trong một mô tả toán học gọi là hàm sóng. Theo thời gian, hễ khi nào bạn không nhìn, thì hàm sóng đó tiến triển cùng xác suất của trạng thái đã phân hủy tăng lên dần dần. Chừng nào bạn thật sự nhìn vào, thì nguyên tử đó chọn – theo kiểu phù hợp với các xác suất hàm sóng – trạng thái nào sẽ tiết lộ chính nó, và hàm sóng “suy sụp” thành một trạng thái hoàn toàn xác định.

Đây là hình ảnh đã khai sinh ra con mèo tội nghiệp của Schrödinger. Giả sự phân hủy phóng xạ của một nguyên tử kích hoạt một lọ chất khí độc mở nắp, và một con mèo ở trong chiếc hộp cùng với nguyên tử đó và cái lọ. Có phải con mèo vừa chết vừa sống hễ khi nào chúng ta không biết phân hủy phóng xạ đã xảy ra hay chưa?

Chúng ta không biết. Tất cả những gì chúng ta biết là những kiểm tra với các đối tượng ngày càng lớn hơn – trong đó có thí nghiệm mới đây, một sợi dây kim loại đang cộng hưởng đủ lớn để nhìn thấy dưới kính hiển vi – dường như chứng tỏ rằng chúng thật sự nhận đồng thời cả hai trạng thái (Nature, vol 464, tr.697).

Cái lạ lùng nhất của tất cả những điều này là ở chỗ chỉ cần nhìn vào vật chất đã làm thay đổi cách thức nó hành xử. Lấy một nguyên tử đang phân hủy: việc quan sát nó và nhận thấy nó chưa phân hủy thiết đặt lại hệ ở một trạng thái xác định, và phương trình Schrödinger tiến triển theo hướng “đã phân hủy” phải khởi động lại lần nữa từ sự nhập nhằng.

Hệ quả là nếu bạn giữ việc đo đạc đủ mức thường xuyên, thì hệ sẽ không bao giờ có thể phân hủy. Khả năng này được đặt tên là hiệu ứng Zeno lượng tử, theo tên nhà triết học Hi Lạp Zeno xứ Elea, người đã nghĩ ra một nghịch lí nổi tiếng “chứng minh” rằng nếu bạn chia thời gian thành những thời khắc càng lúc càng nhỏ, thì bạn có thể làm cho sự biến dịch hay chuyển động không còn có thể xảy ra nữa.

Và hiệu ứng Zeno lượng tử thật sự xảy ra. Năm 1990, các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kì ở Boulder, Colorado, đã chứng tỏ được rằng họ có thể giữ một ôn beryllium trong một cấu hình năng lượng không bền, na ná như cho đứng thăng bằng một cái bút chì trên đầu nhọn của nó, cho phép họ tiếp tục đo lại năng lượng của nó (Physical Review A, vol 41, tr. 2295).

Hiệu ứng “phản Zeno” – làm cho một cái ấm lượng tử sôi nhanh hơn chỉ bằng cách đo nó – cũng xảy ra. Nơi một đối tượng lượng tử có một cấu hình phức tạp của các trạng thái di chuyển vào, thì một phân hủy thành một trạng thái năng lượng thấp hơn có thể tăng tốc bằng cách đo hệ theo một kiểu thích hợp. Năm 2001, hiện tượng này cũng đã được quan sát thấy trong phòng thí nghiệm (Physical Review Letters, vol 87, tr.040402).

Điều kì lạ thứ ba là “hiệu ứng Hamlet lượng tử”, do Vladan Pankovic ở trường đại học Novi Sad, Serbia, đề xuất hồi năm ngoái. Ông nhận thấy một chuỗi phép đo đặc biệt phức tạp có thể ảnh hưởng đến một hệ theo kiểu sao cho làm cho phương trình Schrödinger tiến triển theo hướng không kiểm soát được. Như Pankovic trình bày: đã phân hủy hay chưa phân hủy, “đó là câu hỏi không thể trả lời được dựa trên phân tích”.

Theo New Scientist

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email

Thêm ý kiến của bạn