Nguyên lí bất định: rốt cuộc Heisenberg vẫn đúng

Các nhà vật lí ở Áo và Nhật Bản là những người đầu tiên đo được hai đại lượng vật lí đã được Werner Heisenberg sử dụng vào năm 1927 trong một dạng thức sơ khai của cơ học lượng tử - nhưng sau đó đã bị bỏ rơi vì hai đại lượng đó không có vẻ phù hợp với lí thuyết lượng tử đang phát triển nhanh chóng. Thí nghiệm neutron mới xác nhận một dạng thức thiết lập lại hồi năm 2003 của nguyên lí bất định nổi tiếng của Heisenberg đã giới thiệu trở lại hai khái niệm sai số và nhiễu loạn.

Khi Heisenberg lần đầu tiên đề xuất nguyên lí bất định, nó được trình bày dưới dạng tác dụng ngược của một phép đo thực hiện trên một đối tượng cực nhỏ. Suy nghĩ của ông được tóm gọn trong thí nghiệm tưởng tượng “kính hiển vi Heisenberg” trong đó sử dụng một photon để xác định vị trí của một electron. Photon bị tán xạ bởi electron và sau đó được phát hiện.

Heisenberg trình bày rằng một phép đo như vậy phải chứa một sự bất định cố hữu trong việc đo vị trí nơi sự tán xạ xảy ra – gọi là “sai số” – và một sự bất định cố hữu về xung lượng của electron bị thay đổi bao nhiêu do quá trình tán xạ. Sự bất định vừa nói được gọi là “nhiễu loạn” và Heisenberg chứng minh rằng đối với một hệ lượng tử, tích của hai bất định trên phải không nhỏ hơn một giá trị nhất định – cái ngày nay chúng ta nhận ra là có liên hệ với hằng số Planck.

 

Jacqueline Erhart, Stephan Sponar, Yuji Hasegawa và Georg Sulyok

Jacqueline Erhart, Stephan Sponar, Yuji Hasegawa và Georg Sulyok (từ trái sang) cạnh thí nghiệm neutron của họ ở Vienna. (Nguồn: Đại học Công nghệ Vienna)

Ý nghĩa thống kê sâu sắc hơn

Tuy nhiên, khái niệm sai số và nhiễu loạn đó sớm rơi vào quên lãng, vì rõ ràng có một ý nghĩa thống kê sâu sắc hơn của sự bất định trong cơ học lượng tử. Hệ quả là các quan điểm của Heisenberg không dung hòa với biểu diễn toán học của cơ học lượng tử.

Heisenberg và những người khác bắt đầu biểu diễn nguyên lí bất định bằng những khái niệm thống kê – tích của độ lệch chuẩn của vị trí và xung lượng phải không nhỏ hơn một giá trị nhất định. Trong khi dạng thức này mang lại một định nghĩa phổ thông hơn của nguyên lí bất định, nhưng luôn luôn có một số hứng khởi còn rơi rớt lại trong số các nhà vật lí về những quan điểm ban đầu của Heisenberg về sai số và nhiễu loạn.

Rồi vào năm 2003, Masanao Ozawa tại trường Đại học Nagoya ở Nhật Bản đã suy luận ra một biểu thức phổ thông mới của nguyên lí bất định bao gồm cả sai số và nhiễu loạn – đồng thời có cả những độ lệch chuẩn. Nay Ozawa gia nhập lực lượng với Yuji Hasegawa và các đồng sự tại trường Đại học Công nghệ Vienna để xác nhận tính toán trên sử dụng các neutron phân cực spin. Thay vì nhìn vào vị trí và xung lượng, thí nghiệm trên đo hai thành phần spin trực giao của neutron – những đại lượng cũng bị chi phối bởi nguyên lí bất định.

Các neutron phân cực

Thí nghiệm bắt đầu với một chùm neutron nhiệt năng lượng mono phát ra từ một lò phản ứng nghiên cứu – loại neutron dùng trong các nghiên cứu nhiễu xạ neutron của chất rắn. Các spin neutron được sắp thẳng hàng theo trục Z bằng cách cho chùm hạt đi qua một bộ lọc phân cực. Sau đó gửi chùm hạt đến một thiết bị xác định độ lệch chuẩn trong phép đo phân cực-X, và rồi đến một thiết bị tương tự xác định độ lệch chuẩn phân cực-Y.

Sai số và nhiễu loạn được tạo ra bằng cách “làm mất điều hướng” thiết bị thứ nhất sau cho nó đo sự phân cực theo một chiều trong mặt phẳng X-Y lệch một góc nhỏ so với trục X. Đồng thời tạo ra một sai số rõ ràng trong phép đo phân cực X, chuyển động quay đó còn gây ra một nhiễu loạn rõ ràng trong sự phân cực Y.

Sai số và nhiễu loạn đó được xác định bằng cách sử dụng dữ liệu thu từ hai phép đo phân cực – và khớp với lí thuyết của Ozawa.

Nhỏ tùy ý

“Sai số trong một phép đo càng nhỏ, thì nhiễu loạn của phép đo kia càng lớn – quy tắc này vẫn đúng,” Hasegawa giải thích. Tuy nhiên, ông cho biết thí nghiệm trên xác nhận kết quả của Ozawa rằng có thể làm cho tích của sai số và nhiễu loạn có thể nhỏ tùy ý, xác nhận Heisenberg đã đúng khi vứt bỏ dạng thức ban đầu của ông.

Thí nghiệm được mô tả chi tiết trên tạp chí Nature Physics.

Xuân Nguyễn – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com

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
Tin tức vật lý
Tạo bảng điểm online

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Cẩm nang thám hiểm vũ trụ (Phần 26)
17/06/2019
SỰ RA ĐỜI CỦA CÁC SAO Các sao từ đâu mà có? Câu chuyện cơ bản là giống nhau với đa số sao, kể cả câu chuyện mà chúng ta
Cẩm nang thám hiểm vũ trụ (Phần 25)
17/06/2019
Chương 5 SỰ RA ĐỜI VÀ CUỘC ĐỜI CỦA CÁC SAO Rất, rất nhiều ngôi sao khác… vô số không thể tin nổi luôn. - Galileo
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 26)
15/06/2019
Đồng hồ cát 1336 Ambrogio Lorenzetti (1290-1348) Tác giả người Pháp Jules Renard (1864-1910) từng viết rằng, “Tình yêu tựa như
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 25)
15/06/2019
Giải thích cầu vồng 1304 Abu Ali al-Hasan ibn al-Haytham (965–1039), Kamal al-Din al-Farisi (1267–khoảng 1320), Theodoric xứ Freiberg
Stephen Hawking đúng: Nghiên cứu mới cho thấy lỗ đen có thể bốc hơi
14/06/2019
Vào năm 1974, Stephen Hawking đã đưa ra một trong những dự đoán nổi tiếng nhất của ông: các lỗ đen cuối cùng sẽ bốc hơi
Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 40)
13/06/2019
TÀU NGẦM Những tàu ngầm đầu tiên cũng đi vào hoạt động trong thời Nội Chiến. Thật ra, chiếc tàu ngầm đầu tiên đã
Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 39)
13/06/2019
CƠ SỞ VẬT LÍ CỦA CHÂN VỊT Các chân vịt thời ấy có hai hoặc ba cánh quạt gắn với một trục quay. Khi chân vịt quay, nó
Cẩm nang thám hiểm vũ trụ (Phần 24)
12/06/2019
MỘC TINH: 43,3 PHÚT ÁNH SÁNG Mộc tinh là hành tinh lớn nhất trong Hệ Mặt Trời và là hành tinh thứ năm tính từ Mặt Trời ra.

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com