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 (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

Thêm ý kiến của bạn