Thế giới vĩ mô được cấu thành từ các hạt vi mô, vậy tại sao lý thuyết hạt vi mô lại không áp dụng được cho các hiện tượng vĩ mô?

Tại sao không có sự vướng víu lượng tử trong thế giới vĩ mô? Sự vướng víu lượng tử là một hiện tượng vật lý kỳ diệu cho thấy có một mối liên hệ giữa hai hoặc nhiều hạt vi mô vượt qua giới hạn thời gian và không gian, chúng có thể ảnh hưởng lẫn nhau ngay cả khi chúng ở xa nhau. Hiện tượng này rất phổ biến trong cơ học lượng tử, nhưng lại hiếm gặp trong thế giới vĩ mô, khiến người ta bối rối: vì thế giới vĩ mô được cấu tạo từ những hạt vi mô, tại sao các định luật về hạt vi mô lại không áp dụng được cho các hiện tượng vĩ mô?

Nhiều người hiểu lầm rằng cơ học cổ điển và cơ học lượng tử là hai lý thuyết hoàn toàn khác nhau và không có mối liên hệ nào giữa chúng. Những hiện tượng kỳ diệu trong thế giới vi mô đơn giản là không tồn tại trong thế giới vĩ mô. Nhưng nếu suy nghĩ kỹ, bạn sẽ thấy rằng điều này là có gì đó không đúng. 

Vì thế giới vĩ mô cũng bao gồm vô số hạt vi mô nên chúng phải bị hạn chế bởi cơ học lượng tử. Tuy nhiên, cơ học cổ điển khó áp dụng cho chuyển động của các hạt vi mô. Điều này đã được kiểm chứng trong lịch sử phát triển của vật lý học. 

Năm 1924, nhà vật lý người Pháp Louis de Broglie đưa ra một giả thuyết táo bạo, ông tin rằng mọi hạt vi mô đều có dạng sóng. Đây là giả thuyết sóng vật chất nổi tiếng. Với sự hình thành và phát triển của cơ học lượng tử, các nhà vật lý dần phát hiện ra rằng bản chất hạt của các hạt vi mô chỉ là bề ngoài, bản chất của chúng thực chất là sóng. 

Bản chất sóng là đặc tính cơ bản của các hạt vi mô. Vì vậy, làm thế nào để mô tả bản chất sóng của các hạt vi mô đã trở thành vấn đề cốt lõi của cơ học lượng tử. Vì các hạt đều là sóng nên sóng có dạng sóng và dạng sóng sẽ tiếp tục thay đổi theo thời gian. Chúng ta chỉ cần mô tả dạng sóng phát triển như thế nào theo thời gian là có thể nắm bắt được mô hình chuyển động của các hạt cực nhỏ.

Phương trình Schrödinger là một mô hình toán học dùng để mô tả sự dao động của các hạt theo thời gian. Tuy nhiên, ngay cả với phương trình Schrödinger, cơ học lượng tử vẫn tồn tại một số vấn đề khó giải thích. Nổi tiếng nhất là bài toán sụp đổ hàm sóng. Mặc dù phương trình Schrödinger có thể tính toán tốt kết quả của sự sụp đổ sóng hạt, nhưng nó không thể giải thích được cơ chế bên trong của sự sụp đổ sóng!

Điều này dẫn đến một trong những hiện tượng bí ẩn nhất trong cơ học lượng tử: nguyên lý bất định. Bất cứ ai quen thuộc với thí nghiệm giao thoa hai khe electron đều biết rằng thí nghiệm này được sử dụng để xác minh tính lưỡng tính sóng-hạt của electron. Nếu chúng ta sử dụng súng điện tử để phát ra các electron qua hai khe ở một khoảng cách nhất định, sau đó chạm tới màn hình phát hiện, chúng ta sẽ thấy các sọc sáng tối xen kẽ xuất hiện trên màn hình phát hiện, giống như sóng nước. 

Điều này cho thấy các electron thể hiện sự biến động. Tuy nhiên, nếu đặt thêm một máy dò đằng sau hai khe để xác định xem từng electron đi qua khe nào thì chúng ta sẽ thấy các vân giao thoa biến mất và thay vào đó là hai vân hình nón giống như một viên đạn. Điều này cho thấy các electron thể hiện tính chất hạt.

Điều đáng kinh ngạc hơn nữa là nếu chúng ta chỉ thêm một máy dò vào phía sau một khe chứ không phải khe kia, chúng ta sẽ thấy các vân giao thoa xuất hiện trở lại, nhưng chỉ với một nửa độ sáng. Điều này cho thấy các electron thể hiện cả tính chất sóng và tính chất hạt. 

Thí nghiệm này cho chúng ta biết rằng trạng thái của một electron phụ thuộc vào việc chúng ta có quan sát nó hay không và hành vi quan sát được sẽ ảnh hưởng đến hành vi của electron. Trước khi quan sát, electron không có vị trí xác định mà chỉ có xác suất xuất hiện ở một vị trí nhất định. 

Đó là lý do tại sao nhiều nhà khoa học tin rằng chúng ta không nên coi độ biến thiên trong phương trình Schrödinger chỉ là một sóng, bản chất của sóng này phải là sóng xác suất, tức là xác suất để một hạt xuất hiện trong một không gian nhất định là ngẫu nhiên. Vì vậy chúng ta có thể mạnh dạn tưởng tượng rằng trong lưỡng tính sóng-hạt của các hạt vi mô, nếu lưỡng tính sóng-hạt giống hạt hơn thì các hạt vi mô sẽ giống vật chất vĩ mô hơn, nếu nó giống sóng hơn thì vi mô các hạt sẽ giống một trạng thái lượng tử hơn. 

Vậy tại sao những hiện tượng này trong cơ học lượng tử lại biến mất trong thế giới vĩ mô? Điều này là do có một số khác biệt quan trọng giữa các vật thể vĩ mô và các hạt vi mô khiến cho các tác động của cơ học lượng tử bị che lấp hoặc bị loại bỏ ở quy mô vĩ mô.

Những khác biệt này chủ yếu bao gồm các khía cạnh sau: Thứ nhất, sự khác biệt về số lượng hạt. Các vật thể vĩ mô được cấu tạo từ một số lượng lớn các hạt vi mô, trong khi các hạt vi mô thường chỉ có một số ít hoặc đơn lẻ. Điều này có nghĩa là trạng thái của một vật thể vĩ mô là sự chồng chất trạng thái của vô số hạt vi mô, trong khi trạng thái của một hạt vi mô là riêng lẻ. Vì vậy, trạng thái của các vật thể vĩ mô phức tạp và hỗn loạn hơn, trong khi trạng thái của các hạt vi mô đơn giản và rõ ràng hơn. Điều này làm cho các hiệu ứng của cơ học lượng tử bị mất cân bằng hoặc bị mờ đi trong các vật thể vĩ mô. 

Thứ hai là sự khác biệt về can thiệp môi trường. Các vật thể vĩ mô có mối liên hệ chặt chẽ với môi trường xung quanh, trong khi các hạt vi mô có thể bị cô lập hoặc bảo vệ. Điều này có nghĩa là trạng thái của các vật thể vĩ mô sẽ thay đổi do tác động của môi trường, trong khi trạng thái của các hạt vi mô có thể không thay đổi. Vì vậy, trạng thái của các vật thể vĩ mô dễ bị phá hủy, khiến cho các tác động của cơ học lượng tử bị loại bỏ hoặc suy giảm trong các vật thể vĩ mô.

Cuối cùng là có sự khác biệt về phương pháp đo. Phép đo các vật thể vĩ mô thường sử dụng các đại lượng vật lý vĩ mô, như khối lượng, vị trí, tốc độ, nhiệt độ, v.v., trong khi phép đo các hạt vi mô thường sử dụng các đại lượng vật lý vi mô, như spin, độ phân cực, mức năng lượng, v.v. 

Điều này có nghĩa là phép đo các vật thể vĩ mô là phép đo các tính chất tổng thể của vật chất, trong khi phép đo các hạt vi mô là phép đo các tính chất riêng lẻ của vật chất. Điều này dẫn đến việc đo các vật thể vĩ mô không thể phân biệt được các trạng thái vi mô khác nhau và không thể vi phạm bất đẳng thức Bell, điều này khiến cho các hiệu ứng của cơ học lượng tử không thể được kiểm tra hoặc chứng minh trong các vật thể vĩ mô.

Trên thực tế, trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã thực nghiệm đạt được một số vướng víu lượng tử ở quy mô vĩ mô hoặc siêu vi, chẳng hạn như sự vướng víu của hai tấm màng nhôm hoặc hai màng nhĩ nhôm được đề cập trong bằng chứng thuyết phục về sự vướng víu lượng tử của các vật thể vĩ mô. 

Những thí nghiệm này cho thấy sự vướng víu lượng tử không chỉ xảy ra ở các hạt cực nhỏ mà là một hiện tượng vật lý phổ quát có thể quan sát được ở mọi quy mô miễn là đáp ứng một số điều kiện nhất định. 

Tóm lại, chúng ta có thể thấy khẳng định không có sự vướng víu lượng tử trong thế giới vĩ mô là không hoàn toàn đúng nhưng cũng không hoàn toàn sai. Nó phản ánh những khác biệt và mối liên hệ giữa cơ học lượng tử và vật lý cổ điển, đồng thời cũng phản ánh nhiều thiếu sót và thách thức trong hiểu biết của chúng ta về thế giới vi mô. 

Tham khảo: Zhihu