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
Downlaod video thí nghiệm

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Khi dòng điện tác dụng lên nam châm
08/06/2022
Khả năng khai thác lượng điện năng có vẻ vô tận là một trong những nền tảng của thế giới hiện đại. Công nghệ ấy
Nhận thức lịch sử về nam châm
28/05/2022
Vào năm 1600, một bác sĩ người Anh cho biết ngoài trọng lực, Trái Đất còn tác dụng những lực khác khi ông chỉ ra rằng hành
Photon là gì?
25/07/2021
Là hạt sơ cấp của ánh sáng, photon vừa bình dị vừa mang đầy những bất ngờ. Cái các nhà vật lí gọi là photon, thì những
Lược sử âm thanh
28/02/2021
Sóng âm: 13,7 tỉ năm trước Âm thanh có nguồn gốc từ rất xa xưa, chẳng bao lâu sau Vụ Nổ Lớn tĩnh lặng đến chán ngắt.
Đồng hồ nước Ktesibios
03/01/2021
Khoảng năm 250 tCN. “Đồng hồ nước Ktesibios quan trọng vì nó đã làm thay đổi mãi mãi sự hiểu biết của chúng ta về một
Tic-tac-toe
05/12/2020
Khoảng 1300 tCN   Các nhà khảo cổ có thể truy nguyên nguồn gốc của “trò chơi ba điểm một hàng” đến khoảng năm 1300
Sao neutron to bao nhiêu?
18/09/2020
Các nhà thiên văn vật lí đang kết hợp nhiều phương pháp để làm hé lộ các bí mật của một số vật thể lạ lùng nhất
Giải chi tiết mã đề 219 môn Vật Lý đề thi TN THPT 2020 (đợt 2)
04/09/2020

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