Thế giới của cái rất, rất nhỏ là một xứ sở kỳ lạ. Các phân tử, nguyên tử và các hạt cấu thành của chúng không dễ dàng tiết lộ bí mật của chúng cho các nhà khoa học vật lộn với vật lý nguyên tử vào đầu thế kỷ 20. Kịch tính, thất vọng, tức giận, bối rối và suy nhược thần kinh tràn ngập, và thật khó cho chúng ta bây giờ, một thế kỷ sau, để hiểu điều gì đang bị đe dọa. Điều đã xảy ra là một quá trình phá hủy thế giới quan liên tục. Bạn có thể phải từ bỏ việc tin vào mọi thứ mà bạn cho là đúng về một điều gì đó. Trong trường hợp của những người tiên phong trong vật lý lượng tử, điều đó có nghĩa là thay đổi hiểu biết của họ về các quy luật chi phối cách vật chất hành xử.
năng lượng chuỗi
Năm 1913, Bohr nghĩ ra một mô hình cho nguyên tử trông hơi giống một hệ mặt trời thu nhỏ. Các êlectron chuyển động quanh hạt nhân nguyên tử theo quỹ đạo tròn. Bohr đã thêm một vài vòng xoắn vào mô hình của mình - những vòng xoắn mang lại cho chúng một tập hợp các đặc tính kỳ lạ và bí ẩn. Các vòng xoắn là cần thiết để mô hình của Bohr có khả năng giải thích — nghĩa là để mô hình có thể mô tả kết quả của các phép đo thực nghiệm. Ví dụ, quỹ đạo của các electron cố định giống như đường ray xe lửa xung quanh hạt nhân. Electron không thể ở giữa các quỹ đạo, nếu không, nó có thể rơi vào hạt nhân. Một khi nó đến nấc thấp nhất trong thang quỹ đạo, một electron sẽ ở đó trừ khi nó nhảy lên quỹ đạo cao hơn.
Sự rõ ràng về lý do tại sao điều này xảy ra bắt đầu đến với ý tưởng của de Broglie rằng các electron có thể được coi là hạt và sóng. Lưỡng tính sóng-hạt này của ánh sáng và vật chất thật đáng kinh ngạc, và Nguyên lý bất định của Heisenberg đã cho nó độ chính xác. Bạn định vị hạt càng chính xác thì bạn càng biết nó di chuyển nhanh như thế nào. Heisenberg có lý thuyết cơ học lượng tử, một thiết bị phức tạp để tính toán các kết quả có thể xảy ra của các thí nghiệm. Nó đẹp nhưng cực kỳ khó tính toán mọi thứ.
Một thời gian sau, vào năm 1926, nhà vật lý người Áo Erwin Schrödinger đã có một ý tưởng rất lớn. Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có thể viết một phương trình cho những gì electron đang thực hiện xung quanh hạt nhân? Vì de Broglie gợi ý rằng các electron hoạt động giống như sóng, nên đây sẽ giống như một phương trình sóng. Đó thực sự là một ý tưởng mang tính cách mạng, và nó định hình lại hiểu biết của chúng ta về cơ học lượng tử.
Theo tinh thần của thuyết điện từ của Maxwell, vốn mô tả ánh sáng dưới dạng dao động của điện trường và từ trường, Schrödinger đã theo đuổi cơ học sóng có thể mô tả sóng vật chất của de Broglie. Một trong những hệ quả của ý tưởng de Broglie là nếu các electron là sóng thì có thể giải thích tại sao chỉ cho phép một số quỹ đạo nhất định. Để biết tại sao điều này lại đúng, hãy tưởng tượng một sợi dây được giữ bởi hai người, Ana và Bob. Ana giật nó nhanh chóng, tạo ra một làn sóng di chuyển về phía Bob. Nếu Bob cũng làm như vậy, một làn sóng sẽ di chuyển về phía Ana. Nếu Ana và Bob đồng bộ hóa các hành động của họ, một sóng dừng sẽ xuất hiện, một mẫu không di chuyển sang trái hoặc phải và có một điểm cố định giữa chúng được gọi là nút. Nếu Ana và Bob di chuyển tay nhanh hơn, họ sẽ tìm thấy các sóng dừng mới có hai nút, sau đó là ba nút, v.v. Bạn cũng có thể tạo sóng dừng bằng cách gảy dây đàn ghi-ta với các cường độ khác nhau cho đến khi tìm thấy sóng dừng với số nút khác nhau. Có một sự tương ứng một đối một giữa năng lượng của sóng dừng và số nút.
Di sản bẩm sinh
De Broglie hình dung electron như một sóng dừng quanh hạt nhân. Như vậy, chỉ một số mẫu dao động nhất định mới phù hợp với một vòng tròn khép kín - quỹ đạo, mỗi quỹ đạo được đặc trưng bởi một số nút nhất định. Các quỹ đạo cho phép được xác định bằng số nút của sóng điện tử, mỗi nút có năng lượng riêng. Cơ học sóng của Schrödinger đã giải thích tại sao hình ảnh của de Broglie về electron dưới dạng sóng dừng lại chính xác. Nhưng nó còn đi xa hơn nữa, khái quát hóa bức tranh đơn giản này thành ba chiều không gian.
Trong một chuỗi sáu bài báo đáng chú ý, Schrödinger đã xây dựng cơ học mới của mình, áp dụng chúng thành công cho nguyên tử hydro, giải thích cách chúng có thể được áp dụng để tạo ra câu trả lời gần đúng cho các tình huống phức tạp hơn và chứng minh tính tương thích của cơ học của ông với cơ học của Heisenberg.
Nghiệm của phương trình Schrödinger được gọi là hàm sóng. Ban đầu, ông nghĩ nó giống như việc mô tả bản thân sóng điện tử. Điều này phù hợp với các quan niệm cổ điển về cách sóng phát triển theo thời gian, tuân theo thuyết tất định. Với vị trí và vận tốc ban đầu của chúng, chúng ta có thể sử dụng phương trình chuyển động của chúng để dự đoán điều gì sẽ xảy ra trong tương lai. Schrödinger đặc biệt tự hào về sự thật này - rằng phương trình của ông đã khôi phục lại trật tự nào đó cho mớ hỗn độn khái niệm do vật lý nguyên tử gây ra. Anh ấy không bao giờ thích ý tưởng về việc electron “nhảy” giữa các quỹ đạo rời rạc.
Tuy nhiên, Nguyên lý bất định của Heisenberg đã phá hỏng cách giải thích tất định này của hàm sóng. Trong thế giới lượng tử, mọi thứ đều mờ ảo, không thể đoán chính xác diễn biến theo thời gian của electron, dù là hạt hay sóng. Câu hỏi trở thành: Vậy thì hàm sóng này có ý nghĩa gì?
Các nhà vật lý đã bị mất. Làm thế nào mà lưỡng tính sóng-hạt của vật chất và ánh sáng cũng như Nguyên lý bất định của Heisenberg có thể dung hòa được với cơ học sóng đẹp đẽ (và liên tục) của Schrödinger? Một lần nữa, một ý tưởng hoàn toàn mới là cần thiết, và một lần nữa ai đó đã có nó. Lần này đến lượt Max Born, người ngoài việc là một trong những kiến trúc sư chính của cơ học lượng tử còn là ông nội của ngôi sao nhạc rock thập niên 1970 Olivia Newton-John.
Born đã đề xuất một cách chính xác rằng cơ học sóng của Schrödinger không mô tả sự tiến hóa của sóng điện tử, mà mô tả xác suất tìm thấy điện tử ở vị trí này hoặc vị trí kia trong không gian. Giải phương trình Schrödinger, các nhà vật lý tính toán xác suất này tiến triển như thế nào theo thời gian. Chúng ta không thể dự đoán một cách chắc chắn liệu electron sẽ được tìm thấy ở đây hay ở đó. Chúng tôi chỉ có thể đưa ra xác suất nó được tìm thấy ở đây hoặc ở đó sau khi thực hiện phép đo. Trong cơ học lượng tử, xác suất tiến hóa một cách xác định theo phương trình sóng, nhưng bản thân electron thì không. Cùng một thí nghiệm, được lặp lại nhiều lần trong cùng điều kiện, có thể cho kết quả khác nhau.
Sự chồng chất lượng tử
Điều này khá kỳ lạ. Lần đầu tiên, vật lý học có một phương trình không mô tả hành vi của một thứ gì đó thuộc về vật chất đối với một vật thể — như vị trí, động lượng hoặc năng lượng của một quả bóng hoặc hành tinh. Hàm sóng không phải là một cái gì đó có thật trên thế giới. (Ít nhất, đối với nhà vật lý này thì không phải như vậy. Chúng ta sẽ sớm giải quyết vấn đề rườm rà này.) Bình phương —, giá trị tuyệt đối của nó, vì nó là một đại lượng phức — cho xác suất tìm thấy hạt tại một điểm nhất định trong không gian một lần một phép đo được thực hiện. Nhưng điều gì xảy ra trước khi đo lường? Chúng tôi không thể nói. Điều chúng ta nói là hàm sóng là sự chồng chất của nhiều trạng thái có thể có đối với electron. Mỗi trạng thái đại diện cho một vị trí mà electron có thể được tìm thấy ngay khi thực hiện phép đo.
Một hình ảnh có thể hữu ích (tất cả chúng đều không ổn) là hình dung bạn đang ở trong một căn phòng tối, đi về phía bức tường có treo nhiều bức tranh. Đèn bật sáng khi bạn đến một vị trí cụ thể trên tường, phía trước bức tranh. Tất nhiên, bạn biết rằng bạn là một người đơn lẻ đang đi về phía một trong những bức tranh. Nhưng nếu bạn là một hạt hạ nguyên tử như electron hoặc photon, thì sẽ có nhiều bản sao của bạn tiến về phía bức tường cùng một lúc. Bạn sẽ ở trong sự chồng chất của nhiều bạn và chỉ một bản sao sẽ chạm vào tường và khiến đèn bật sáng. Mỗi bản sao của bạn sẽ có xác suất chạm tường khác nhau. Lặp lại thí nghiệm nhiều lần, những xác suất khác nhau này được phát hiện.
Có phải tất cả các bản sao di chuyển trong phòng tối đều có thật hay chỉ có bản sao đập vào tường và bật đèn? Nếu chỉ có cái đó là thật, làm sao những người khác cũng có thể đâm vào tường? Hiệu ứng này, được gọi là chồng chất lượng tử, có lẽ là hiệu ứng kỳ lạ nhất trong số chúng. Thật kỳ lạ và hấp dẫn đến nỗi nó xứng đáng có cả một bài báo.
