Đề tài Những vấn đề về cơ học lượng tử

Một doanh nghiệp nhỏ ở Canada cho biết họ đã chế tạo được chiếc máy tính lượng tử mang tính thương mại đầu tiên trên thế giới. Mặc dù các nhà khoa học này đã xây dựng được các nguy ên mẫu cho cỗ máy, nhưng hầu như họ vẫn phải chờ thêm ít nhất là một thập kỉ nữa mới có thể xây dựng được chiếc máy tính lượng tử hữu dụng, bởi vì rất khó thao tác với những hệ lượng tử tinh vi mà không làm phá hủy chúng lúc hoạt động

pdf16 trang | Chia sẻ: lylyngoc | Ngày: 29/10/2013 | Lượt xem: 4337 | Lượt tải: 9download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đề tài Những vấn đề về cơ học lượng tử, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
TRƯỜNG……………………… KHOA…………………… ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ CƠ HỌC LƯỢNG TỬ " NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ CƠ HỌC LƯỢNG TỬ I.CƠ HỌC LƯỢNG TỬ RA ĐỜI NHƯ THẾ NÀO? 1.Lý do ra đời: Trong thế giới này cĩ rất nhiều hiện tượng,nhiều câu hỏi mà vật lý khơng giải thích hết được chính vì vậy mà các mơn khoa học khác ra đời cũng giống như thế sự ra đời của cơ học lượng tử là để hồn thiện thêm sự tị mị của con người về thế giới của chúng ta.Ai cũng biết rằng vật lý học cổ điển đĩng vai trị quan trọng trong vật lý nhưng Vật lí học cổ điển cho kết quả phù hợp với thực nghiệm đối với các hiện tượng vật lí mà người ta đã biết đến cuối thế kỉ XIX, nĩ là hệ thống lí thuyết hồn chỉnh và chặt chẽ trong phạm vi ứng dụng của nĩ. Nhưng cuối thế kỉ XIX trở về sau, người ta thấy cĩ những hiện tượng vật lí khơng thể giải thích được bằng các lí thuyết của vật lí học cổ điển, như tính bền của nguyên tử, bức xạ của vật đen.v.v. và từ đĩ đã dẫn đên khái niệm mới - bước đầu của việc phát triển mơn CƠ HỌC LƯỢNG TỬ. 2.Lịch sử của cơ học lượng tử: Từ năm 1900, khi Planck phát hiện ra hiện tượng gián đoạn trong các quá trình quang học, điều chưa từng được biết đến trong vật lý cổ điển. Chỉ một vài năm sau, Einstein đã diễn tả chính xác hiện tượng này trong giả thuyết của ơng về các lượng tử ánh sáng. Sự khơng thể hịa hợp lý thuyết Maxwell với giả thuyết này đã buộc các nhà nghiên cứu đi đến kết luật rằng, các hiện tượng bức xạ chỉ cĩ thể hiểu được bằng việc dứt khốt từ bỏ sự trực quan hĩa về chúng. Được tìm ra bởi Planck, được nối tiếp bởi Einstein và Debye, lý thuyết lượng tử tiếp tục tiến thêm một bước nữa khi được diễn tả một cách hệ thống trong các định đề cơ bản của Bohr. Các định đề này, cùng với điều kiện lượng tử Bohr- Sommerfeld đã dẫn đến một sự diễn giải định lượng về các tính chất hĩa học và quang học của nguyên tử. Các định đề của Bohr đối lập một cách khơng khoan nhượng với cơ học cổ điển, tuy nhiên, theo các kết quả định lượng, chúng lại cĩ vẻ như vơ cùng cần thiết cho việc tìm hiểu các tính chất của nguyên tử. Vật lý cổ điển dường như là trường hợp giới hạn được trực quan hĩa đối với một lĩnh vực vật lý vi mơ về cơ bản là khơng thể trực quan hĩa được. Sự trực quan hĩa mà càng tốt thì hằng số Planck- đặc trưng của vật lý lượng tử càng bị triệt tiêu. Sự tiếp cận đĩ đã dẫn đến nguyên lý tương ứng Bohr, chính nguyên lý này đã chuyển một số đáng kể các kết luận được xây dựng trong cơ học cổ điển sang cơ học lượng tử. (CHLT) Cơ học lượng tử được hình thành vào nửa đầu thế kỷ 20 do Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrưdinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli và một số người khác tạo nên. Cơ học lượng tử là khoa học nghiên cứu về chuyển động của vật chất ở thang các nguyên tử và các hạt nguyên tử. Nĩ là lời giải đáp của các nhà khoa học trong nửa đầu thế kỷ 20 cho hàng loạt những mâu thuẫn nổi lên trong vật lý học thế kỷ 19.Từ đĩ thế giới của cơ học lượng bùng nổ. II.SỰ TRƯỞNG THÀNH CỦA CƠ HỌC LƯỢNG TỬ: Cơ học lượng tử - Liệu cĩ thể hiểu được khơng? chính nhà vật lý Mỹ nổi tiếng, giải thưởng Nobel về vật lý năm 1964, đã khẳng định: “Khơng ai hiểu được cơ học lượng tử cả”. ngay cả các khoa học gia lỗi lạc, như Schrodinger (là cha đẻ của phương trình sĩng Schrodinger), Richard Feynman (cha đẻ của máy tính lượng tử). Họ đã phát biểu về cơ học lượng tử như sau: Schrodinger :” Tơi tiếc rằng tơi đã dính dáng vơ lý thuyết lượng tử này ”. Richard Feynman:” Tơi nghĩ rằng nĩi rằng khơng một ai hiểu cơ học lượng tử là khơng sai”” Vì vậy cơ học lượng tử đã mang lai những cộc tranh luận gay gát trong lịch sử của cuộc đấu tranh để tơn tại của mơn khoa học này. Cĩ người đã viết rằng: Cái khĩ hiểu ở cơ lượng tử là khơng trả lời được câu hỏi cơ lượng tử là gì, thực chất nĩ mơ tả cái gì. Lập luận kỹ càng theo cơ lượng tử lại dẫn đến những nghịch lý khơng gỡ nổi. Tình huống ở đây khơng như ở bài thơ "Hai câu hỏi" của Chế Lan Viên: "Ta là ai"? như ngọn giĩ siêu hình Câu hỏi hư vơ thổi nghìn nến tắt "Ta vì ai" khẽ xoay chiều ngọn bấc Bàn tay người thắp lại triệu chồi xanh. (TẬP THƠ "ÁNH SÁNG VÀ PHÙ SA" - NXB Văn học 1960 Chính từ những điều khĩ hiểu đĩ mà cĩ nhiều nhà vật lý đã khơng chấp nhận sự tồn tại của cơ học lượng tử trong đĩ tiêu biểu nhất là ALBERT EINSTEIN. Từ năm 1927 Einstein đã cho rằng CHLT là khơng hồn chỉnh. Einstein nghĩ rằng vật lý học phải mơ tả thiên nhiên đúng như thật sự của nĩ. Trong cuộc trị chuyện giữa Einstein với Abraham Pais , Einstein đặt ra câu hỏi thách thức: “ Mặt trăng cĩ cịn đĩ hay khơng nếu chẳng ai nhìn nĩ? “ với hàm ý nghi ngờ CHLT Sự chống đối lên đến đỉnh cao khi EINSTEIN cùng PODOLSKY và ROSEN đưa ra cái gọi là nghịch lý EPR (lấy theo chữ Hình 1. Từ trái sang phải ba tác giả của nghịch lý EPR : Einstein. Podolsky, Rosen đầu từ tên của ba người). Tên bài báo là: Liệu sự mơ tả thực tại vật lý bằng CHLT cĩ thể xem là đầy đủ hay khơng? Nội dung của nghịch lý cĩ thể tĩm tắt như sau. Theo CHLT người ta cĩ thể chế tạo một cặp hạt liên đới (entangled) lượng tử, điều đĩ cĩ nghĩa về mặt tốn học là một cặp hạt mà hàm sĩng của chúng khơng thể viết thành tích trực tiếp hàm sĩng của từng hạt : f khơng bằng f 1 nhân trực tiếp với f 2 , hay nĩi cách khác là các tính chất của các hạt khơng độc lập với nhau mà liên quan với nhau . Xét hai hạt liên đới lượng tử và tách chúng ra xa nhau. Khi đo tọa độ của hạt thứ nhất thì sẽ biết được tọa độ của hạt thứ hai, vì chúng liên đới lượng tử. Song bây giờ lại đo xung lượng của hạt thứ hai ta lại cĩ thể biết được xung lượng của hạt thứ nhất . Như thế ta cĩ thể đồng thời đo được tọa độ lẫn xung lượng của mỗi hạt: điều này trái với nguyên lý bất định Heisenberg của CHLT. Đĩ là nghịch Lý EPR. Chính vì vậy mà cơ học lượng tử đối với Einstein và Thom như 1 trị chơi may rủi : Eintein khẳng định “Chúa khơng được chơi trị xúc xắc” nhưng Thom cịn gay gắt hơn “những kẻ đề cao ngẫu nhiên là những tên đảo ngũ”. Đối với cả hai ngẫu nhiên chỉ là thể hiện sự thiếu hiểu biết của chúng ta. Cũng giống như Einstein, Niels Bohr cũng hồn tồn tin vào lý thuyết của cơ học cổ điển.Ơng đã cĩ cĩ câu nĩi rằng: Mọi cách giải thích đều phải được phát biểu nhờ những thuật ngữ của các lý thuyết vật lý cổ điển”. Niels Bohr (1885-1962) – Giải thưởng Nobel Vật lý năm 1922 Tuy nhiên sau những bàn luận về cơ học lượng tử? Trong một thời gian dài hầu như khơng cĩ tranh luận gì, nhưng vào đầu những năm 1930, chỉ ít năm sau khi những điều kỳ quặc lượng tử được mơ tả thành một lý thuyết nhất quán, thì nhà vật lý Đan Mạch Niels Bohr, người đã cĩ những đĩng gĩp to lớn vào việc xây dựng lý thuyết này, mới áp đặt quan điểm của mình về câu hỏi trên với cách giải thích nổi tiếng cĩ tên là "cách giải thích của trường phái Copenhagen", theo ơng: "Ngơn ngữ của Newton và của Maxwell ở mọi thời đại vẫn sẽ cịn là ngơn ngữ của các nhà vật lý". Nĩi một cách khác, theo định đề đĩ, mọi thực nghiệm đều phải được giải thích nhờ những khái niệm cổ điển của sĩng và hạt đã được xây dựng lên từ nhiều thế kỷ trước, dù rằng khi đối mặt với những tính chất lượng tử lạ lùng, phải chấp nhận "tính bổ sung" của các quan niệm đĩ, tức là phải chấp nhận lưỡng tính sĩng-hạt. Mặc dù cách giải thích chính thống này cho phép các nhà vật lý thực hiện những tính tốn rất thành cơng, nhưng họ vẫn buộc phải nhận thấy rằng cách giải thích này vẫn cịn đơi chút mơ hồ: làm sao mà nguyên tử hiđrơ hay ánh sáng lại cĩ thể khi là sĩng khi là hạt, mà hồn tồn chẳng phải là cái này cũng chẳng là cái kia? Sự phê phán vào năm 1959 của Erwin Schrodinger, một nhà sáng lập khác của vật lý lượng tử, về cái mà ơng gọi là "sự ngu ngốc và hồn tồn phi triết học đĩ của trường phái Copenhagen" là rất gay gắt: "Tơi biết đĩ khơng phải là lỗi của Niels Borh, ơng chưa cĩ đủ thời gian để nghiên cứu triết học. Nhưng tơi lấy làm tiếc rằng, do uy tín của ơng, mà những bộ ĩc của một, hai hoặc ba thế hệ đã bị xáo trộn và bị cấm khơng được suy ngẫm về những vấn đề mà ơng cho là đã được giải quyết". Nhưng tất cả mọi ngi ngờ của con người đã được giải quyết khi cơ học lượng tử đã lên tiếng về sự bùng nổ của nĩ.Đặc trưng của cơ học lượng tử là:cơ học sĩng và cơ học ma trận.  Thứ nhất: Đĩ là sự lên tiếng của phương trình về cơ học sĩng của Erwin Schrodinger.Nổi tiếng nhất là về nổi kinh hồng của con mèo mà ơng làm thí nghiệm.Thí nghiệm của ơng được mơ tả Vào những năm 30, nhà vật lý nổi tiếng người Áo này đã tưởng tượng nhốt một con mèo vào căn phịng trong đĩ cĩ đặt một dụng cụ gây chết người. Dụng cụ này được khởi phát bởi sự phân rã của một nguyên tử phĩng xạ - một sự kiện khơng thể tiên đốn đư?c. Nhưng nếu chúng ta xem rằng lý thuyết lượng tử cho chúng ta biết về thực tại, rằng nĩ mơ tả trực tiếp cho chúng ta trạng thái của nguyên tử phĩng xạ, thì những phương trình của nĩ lại khẳng định rằng chừng nào cịn chưa cĩ phép đo nào được thực hiện thì nguyên tử này cịn ở trong trạng thái chồng chập, nguyên tử vừa phân rã vừa khơng phân rã. Hệ quả trực tiếp được rút ra là: chừng nào chưa mở cửa phịng thì chính con mèo tội nghiệp cũng ở trong trạng thái chồng chập: vừa là chết vừa là sống! Nhưng con ma này, con ma đã làm cho nhiều thế hệ hệ các nhà vật lý phải run lên, sẽ biến mất nếu ta xem rằng những cơng thức lượng tử chỉ nĩi với chúng ta về thơng tin: con mèo khơng phải vừa chết-vừa sống mà nĩ hoặc là chết hoặc là sống, nhưng chừng nào cửa phịng chưa được mở ra thì thơng tin về trạng thái của nĩ nhất thiết phải được cấu thành từ hai khả năng đĩ.Chính từ thí nghiệm này làm chúng ta nghĩ đến thuyết BẤT KHẢ TRI của nhân loại. Đồng thời trong cơ học sĩng của schrưdinger, việc xác định các giá trị năng lượng của một nguyên tử trở thành việc tính trị riêng của của một bài tốn biên trong khơng gian tọa độ của nguyên tử biệt lập đĩ.  Cơ học sĩng được mơ tả lý thuyết như sau: hàm sĩng cĩ thể thay đổi theo trong thời gian. Phương trình mơ tả sự thay đổi của hàm sĩng theo thời gian là phương trình Schrưdinger, đĩng vai trị giống như định luật thứ hai của Newton cơ học cổ điển. Phương trình Schrưdinger áp dụng cho hạt tự do của chúng ta sẽ tiên đốn tâm của bĩ sĩng chuyển động trong khơng gian với vận tốc khơng đổi, giống như một hạt cổ điển chuyển động khi khơng cĩ lực nào tác dụng lên nĩ. Tuy nhiên, bĩ sĩng sẽ trải rộng ra theo thời gian, điều này cĩ nghĩa là vị trí của hạt sẽ trở nên bất định và ảnh hưởng đến trạng thái riêng của vị trí làm cho nĩ biến thành các bĩ sĩng rộng hơn khơng phải là các trạng thái riêng của vị trí nữa.  Phương trình sĩng của schưdinger:  ).. . rptEi o e    Với việc chấp nhận các nguyên lý của CHLT trong hình thức luận được mở rộng của nĩ, lý thuyết về phép biến đổi cĩ khả năng tính tốn tổng quát cho các hệ nguyên tử xác suất xảy ra một hiện tượng nhất định, cĩ thể thấy rõ bằng thực nghiệm với những điều kiện thực nghiệm đã cho. Một giả thuyết được phỏng đốn trong các nghiên cứu về lý thuyết bức xạ đã được phát biểu một cách rõ rằng trong các lý thuyết va chạm của Born, đĩ là, chính hàm sĩng chi phối xác suất cĩ mặt của một hạt, đây dường như là một trường hợp đặc biệt của một hệ thống các định luật tổng quát và là một hệ quả tự nhiên, xuất phát từ những giả thiết nền tảng của CHLT. Một thời gian dài trước khi CHLT được phát triển hay là trước khi cơ học sĩng schrưdinger thì Pauli đã luận ra từ các quy luật của Hệ thống Tuần hồn các nguyên tố một nguyên lý nổi tiếng, đĩ là, trong một trạng thái lượng tử riêng biệt, ở mọi thời điểm, chỉ cĩ thể bị chiếm bởi duy nhất một electron. Khả năng đưa nguyên lý loại trừ Pauli này vào CHLT đã được chứng minh, trên cơ sở của cái mà thoạt nhìn cĩ vẻ như là một kết quả ngạc nhiên : tồn bộ tập hợp các trạng thái dừng mà một hệ nguyên tử cĩ khả năng chấp nhận đều thuộc về các lớp xác định, sao cho một nguyên tử trong một trạng thái thuộc về một lớp khơng bao giờ cĩ thể chuyển sang trạng thái thuộc về một lớp khác dưới tác động của bất cứ nhiễu loạn nào. Nguyên lý Pauli và thống kê Fermi- Dirac dẫn ra từ nĩ là tương đương với giả thiết rằng, chỉ cĩ lớp các trạng thái dừng mà hàm riêng đổi dấu khi hốn vị hai electron là tồn tại trong tự nhiên. Theo Dirac, việc chọn hệ đối xứng sẽ khơng dẫn đến nguyên lý Pauli, mà dẫn đến thống kê Bose-Einstein.Cơ học sĩng đã làm cho chúng ta nhận diện và giải thích được khả năng của sự cĩ mặt các hạt trong thế giới vi một.  Đặc trưng thứ hai: Đĩ là sự hình thành của hệ thức bất định Werner Heisenberg (1901-1976), nhà vật lý người Đức, giải thưởng Nobel Vật lý, người đĩng một vai trị lớn trong sự phát triển của cơ học lượng tử (quantum mechanics). Cơ học lượng tử miêu tả vật chất dưới cả hai dạng sĩng và hạt. Một trong những đĩng gĩp được biết đến nhiều nhất của Heisenberg cho lý thuyết lượng tử là nguyên lý bất định (uncertainty principle), theo nguyên lý bất định thì người ta khơng thể nào đo được đồng thời vị trí và vận tốc (hướng và tốc độ) của một hạt ở cùng một thời điểm, mà chỉ biết được chắc chắn một giá trị mà thơi.  Mơ tả về mặt tốn học: Nguyên lý bất định là một nguyên lý nguyên nhân-kết quả quan trọng của cơ học lượng tử, do Werner Heisenberg đưa ra, phát biểu rằng người ta khơng bao giờ cĩ thể xác định chính xác cả vị trí lẫn vận tốc (hay động lượng, hoặc xung lượng) của một hạt vào cùng một lúc. Nếu ta biết một đại lượng càng chính xác thì ta biết đại lượng kia càng kém chính xác. Về mặt tốn học, hạn chế đĩ được biểu hiện bằng bất đẳng thức sau: Trong cơng thức trên, là sai số của phép đo vị trí, là sai số của phép đo động lượng và h là hằng số Planck. Trị số của hằng số Planck h trong hệ đo lường quốc tế : J.s Sai số tương đối trên trị số này là 1,7×10-7, đưa đến sai số tuyệt đối là 1,1×10-40 J.s. Mơ tả về lý thuyết: Hình thức luận CHLT chỉ ra rằng, giữa độ chính xác trong việc xác định vị trí của một hạt và độ chính xác khi đồng thời xác định xung lượng của nĩ cĩ một hệ thức mà theo đĩ tích của các sai số cĩ thể trong phép đo vị trí và xung lượng luơn luơn ít nhất cũng lớn bằng hằng số Planck chia cho 4π. Đĩ là sự nhiễu loạn đối với hệ được quan sát bị gây ra bởi sự quan sát cũng là một nhân tố quan trọng trong việc xác định những giới hạn mà trong đĩ một sự mơ tả trực quan về các hiện tượng nguyên tử là được phép.Nếu giả dụ cĩ các thí nghiệm cho phép việc đo đạc chính xác tất cả các đặc trưng của một hệ nguyên tử, chẳng hạn như, các giá trị chính xác cho vị trí và vận tốc của mỗi electron trong hệ ở một thời điểm nhất định, thì kết quả của những thí nghiệm này khơng những hồn tồn khơng thể sử dụng được trong hình thức luận, mà nĩ cịn mâu thuẫn trực tiếp với hình thức luận. Rõ ràng là, sự nhiễu loạn về cơ bản khơng thể xác minh được của bản thân phép đo khơng cho phép việc xác định chính xác các đặc trưng cổ điển, và như vậy địi hỏi phải sử dụng đến CHLT. Ngồi ra,độ bất định gắn liền với các định luật của cơ học lượng tử liên quan đến một thực tế là các nguyên lý bảo tồn năng lượng và xung lượng vẫn luơn luơn đúng một cách nghiêm ngặt. Chúng cĩ thể được kiểm tra với bất kỳ độ chính xác mong muốn nào và sẽ đúng theo độ chính xác được đặt ra khi kiểm tra chúng. Tuy nhiên, đặc trưng thống kê của các định luật cơ học lượng tử trở nên rõ ràng ở chỗ, một sự khảo sát chính xác về những điều kiện năng lượng lại khiến cho nĩ khơng thể kiểm sốt được cùng một lúc với một sự kiện biệt lập nào đĩ trong khơng gian và thời gian. Ngồi ra,cơ học lượng tử cịn cĩ sự tham gia của các nhà vật lý lớn như là: Cơ học lượng tử của Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli và một số người khác tạo nên. Cơ học lượng tử ngày nay vẫn cịn thu hút các nhà khoa học nghiên cứu nĩ: Các nhà vật lí ở Thụy Sĩ và Đan Mạch vừa tạo ra được một dụng cụ cĩ khả năng phân tách các cặp electron bị vướng víu. Dụng cụ trên, hoạt động trên cơ sở một tiếp giáp “Y” siêu dẫn, sẽ đặt nền tảng cho các phép kiểm tra cái gọi là tính phi định xứ của cơ học lượng tử trong chất rắn. Khơng chính xác là cái xảy ra trong cuộc sống thực, nhưng hình minh họa này cĩ thể giúp bạn hình dung ra ý tưởng của các nhà nghiên cứu. (Ảnh: Christian Schưnenberger.) Theo lí thuyết cơ học lượng tử, khi hai hạt bị vướng víu, thì phép đo một hạt cĩ thể ảnh hưởng đến trạng thái của hạt kia, cho dù chúng ở cách xa nhau bao nhiêu. Tính phi định xứ như thế dường như ngược lại với lí thuyết tương đối Einstein, lí thuyết hàm ý rằng khơng cĩ thơng tin nào cĩ thể truyền đi nhanh hơn ánh sáng. Tuy vậy, các phép kiểm tra tính phi định xứ sử dụng các cặp photon vướng víu từ trước đến nay cho thấy cơ học lượng tử là đúng. Nhưng các phép kiểm tra tính phi định xứ sử dụng electron – nghĩa là, vật chất trong chất rắn – tỏ ra tinh vi hơn. Khơng giống như các photon, đối tượng tương đối dễ tạo ra và thao tác ở trạng thái cơ lập, các electron trong chất liệu nhất tề cư trú trong một “biển Fermi”, khiến người ta khĩ lịng tách ra được một cặp rõ ràng. Dựa trên cơ sở vững chắc “Điều đĩ thật quan trọng [để kiểm tra tính phi định xứ] đối với các electron trong chất rắn, vì đây là những cái gọi là giả hạt sống trong một mơi trường nhiều electron”, Christian Schưnenberger tại trường Đại học Basel giải thích. “Các hiện tượng lượng tử cơ sở của vật chất tương tác mạnh rất khác với những nghiên cứu hiện cĩ với photon trong chân khơng”. Nhĩm của Schưnenberger, gồm các nhà nghiên cứu tại Basel và tại Đại học Copenhagen, đã tìm ra một phương thức tách ra các cặp electron vướng víu, và tách chúng ra, sử dụng một tiếp giáp Y siêu dẫn. Một tính chất quan trọng của chất siêu dẫn là các electron cĩ thể tồn tại thành các “cặp Cooper” vướng víu. Những cặp như thế khơng thể đi vào tiếp giáp Y mà khơng đi qua một hàng rào thế. Vì xác suất thấp của việc đi qua hàng rào này, cho nên các cặp Cooper cĩ xu hướng đi vào tiếp giáp từng cặp một tại một thời điểm. Bước tiếp theo là đảm bảo rằng các cặp đĩ tách ra, thay vì cả hai electron đều đi xuống chỉ một nhánh thơi. Họ làm như vậy bằng cách đặt một mẩu chất siêu dẫn nhỏ xíu – một chấm lượng tử - tại cuối mỗi nhánh. Một electron độc thân cĩ thể đi qua một chấm lượng tử và khơng cĩ khả năng hai electron (đẩy lẫn nhau về mặt tương tác điện) sẽ chui qua đồng thời. Mối tương quan phi định xứ Đội nghiên cứu xác nhận các cặp Cooper vướng víu thật sự bị phân tách ra bằng cách điều chỉnh điện trở của một trong các chấm lượng tử đồng thời ghi lại độ dẫn của từng nhánh. Khi nguồn electron ở trong trạng thái siêu dẫn, thì người ta thấy một “tương quan phi định xứ” giữa những thơng số này, cho thấy các cặp vướng víu thật sự đang phân tách ra. Tuy nhiên, khi thiết đặt một từ trường lên nguồn electron – phá hủy sự siêu dẫn và các cặp Cooper của nĩ – thì mối tương quan phi định xứ đĩ biến mất. Takis Kontos, người cĩ nhĩm nghiên cứu tại École Normale Supérieure ở Paris, đã đệ trình một nghiên cứu tương tự cho tờ Physical Review Letters (bản thảo tại arXiv:0909.3243) sử dụng ống nanocacbon thay cho các dây siêu dẫn, cho rằng sự tách cặp Cooper là “một tiến bộ quan trọng”. “Nĩ mở ra con đường lớn cho các thí nghiệm kiểu quang lượng tử tiến bộ hơn nhiều trong các hệ điện tử”, ơng nĩi. “Ví dụ, người ta cĩ thể hình dung các thí nghiệm tương quan cùng với việc sử dụng các bộ lọc spin để khảo sát sự vướng víu lượng tử theo một cách rất tao nhã… Các kết quả thể hiện trong bài báo này mang lại những viễn cảnh rất thú vị và rất cĩ khả năng tạo ra một hoạt động thực nghiệm và lí thuyết mạnh mẽ và đổi mới”. Schưnenberger phát biểu với physicsworld.com rằng nhĩm của ơng và những nhĩm nghiên cứu khác hiện đang theo đuổi các phép kiểm tra tính phi định xứ, đặc biệt sử dụng các nghiên cứu thống kê của cái gọi là bất đẳng thức Bell, cái cho biết hành trạng của hai hạt vướng víu cĩ tương quan với nhau hay khơng.Đây sẽ là thời đại tiến xa của ngành vật lý lượng tử nĩi chung và cơ học lượng tử nĩi riêng.Thế giới của vi mơ bùng nổ. C.Cách nhìn của thế giới về cơ học lượng tử: Ngay từ đầu, các kết quả ngược với cảm nhận con người bình thường của cơ học lượng tử đã gây ra rất nhiều các cuộc tranh luận triết học và nhiều cách giải thích khác nhau về cơ học lượng tử.Trong đĩ cĩ 3 đại diện tiêu biểu để giải thích cơ học lượng tử đĩ là: Giải thích Copenhagen,giải thích đa thế giới của Hugh Everett,Giải thích Bohm, do David Bohm. Giải thích Copenhagen, chủ yếu là do Niels Bohr đưa ra, là cách giải thích mẫu mực về cơ học lượng tử từ khi lý thuyết này được đưa ra lần đầu tiên. Theo cách giải thích của trường phái này thì bản chất xác suất của các tiên đốn của cơ học lượng tử khơng thể được giải thích dựa trên một số lý thuyết tất định, và khơng chỉ đơn giản phản ánh kiến thức hữu hạn của chúng ta. Cơ học lượng tử cho các kết quả cĩ tính xác suất vì vũ trụ mà chúng ta đang thấy mang tính xác suất chứ khơng phải là mang tính tất định. Với cách giải thích này,các nhà vật lý học hiện đại đã bị buộc phải chấp nhận rằng những khái niệm mà trước kia được xem xét một cách tách rời thì giờ đây cĩ mối liên kết với nhau, rằng chúng khơng thể được suy tưởng đến một cách tách biệt mà chỉ là những mặt khác nhau của thế giới vật chất cĩ mối liên hệ với nhau. Cụ thể, quan niệm của các nhà vật lý về chuyển động đã được mở rộng ra đối với nhận thức của họ về các mặt đồng thời sĩng hạt của vật chất. Khi vật chất chuyển động, một nhà vật lý cĩ thể mơ tả tiến trình bằng động lượng, đĩ là khối lượng của vật thể chuyển động nhân với vận tốc của nĩ. Một sĩng, mặt khác, là một loại tiến trình vật chất khác. Nĩ là một sự nhiễu động, của bề mặt của một khối nước hoặc của một trường điện chẳng hạn, và là một quá trình trong đĩ năng lượng chuyển động. Một nhà vật lý cĩ thể mơ tả một sĩng bằng bước sĩng của nĩ, khoảng cách từ một đỉnh của dao động đến đỉnh kế tiếp. Động lượng và bước sĩng là hai sự trừu tượng hĩa hồn tồn khác nhau được sử dụng để mơ tả hai quá trình khác nhau. Cĩ rất nhiều hơn loạn xung quanh cơ học lượng tử, thêm vào và được truyền bá rộng rãi bởi Bohr và Heisenberg, cĩ liên quan đến sự nhấn mạnh rằng các khái niệm như sĩng và hạt, hay động lượng và bước sĩng, phải được tách rời ra khỏi nhau - "chúng ta cĩ hai bức tranh trái ngược về thực tại" như Einstein đã nĩi. Sự hỗn loạn này cĩ nguồn gốc sâu xa từ sự khước từ - hay là thiếu nhận thức - phép biện chứng bởi các nhà khoa học hiện đại. Nhà lý luận sẽ nĩi "Lúc thì thế này, lúc thì thế khác" khi anh ta phải khổ sở vượt qua sự lựa chọn của mình giữa hai tình thế biểu hiện ra là trái ngược nhau, tự hỏi tại sao thế giới lại luơn luơn như thế. Những tính chất cĩ vẻ như là đối lập nhau ấy cĩ thể được trình bày đồng thời khơng chỉ là khả dĩ mà cịn là phổ biến nữa. Ánh sáng và bĩng tối, nĩng và lạnh, bắc và nam, sĩng và hạt, một sự kết hợp quen thuộc và khơng thể tránh được, sự tồn tại của cái này là khơng thể cĩ được nếu thiếu đi cái kia, và từ đĩ sinh ra vận động và biến đổi: "Trong khi logic hình thức truyền thống tìm cách loại trừ cái đối lập, thì tư duy biện chứng lại nắm lấy nĩ. Mâu thuẫn là một đặc điểm bản chất của mọi tồn tại. Nĩ nằm tại trung tâm của bản thân vật chất. Nĩ là nguồn gốc của mọi vận động, biến đổi, đời sống và sự phát triển. Quy luật biện chứng đặc trưng cho tư tưởng này là quy luật về sự thống nhất và chuyển hĩa giữa các mặt đối lập” Chính sự hiểu biết này về hành trạng cơ học lượng tử về cơ bản là phương pháp được sử dụng trong mọi ứng dụng thực tiễn của cơ học lượng tử. Đơi khi nĩ được mơ tả như là phương pháp "shut up and calculate" (một cách diễn đạt được Richard Feynman tín nhiệm, nhưng cĩ lẽ là sai) là một phản ứng cĩ thể hiểu được đối với chủ nghĩa duy tâm và chủ nghĩa thần bí của những cách luận giải khác. Chẳng hạn, khi một nhà khoa học trong cơng nghiệp bắt đầu thiết kế một màn hình TV, đây là phương pháp mà ơng ta sẽ dùng đến. Các electron rời sợi đèn nĩng tại đây với xác suất này, tạo ra dịng điện này; chúng được gia tốc bởi từ trường. Tiêu biểu cho cách lập luận Copenhagen là thí nghiêm khe đơi,nĩ đã chứng minh được tính chất đối ngẫu sĩng-hạt của vật chất.Ngồi ra,cịn cĩ hình vẽ miêu tả về một hạt nhân nguyên tử với đám mây electron xung quanh hạt nhân. Cách giải thích của Hugh Everett Cách giải thích đa thế giới của Hugh Everett được đưa ra vào năm 1956 cho rằng tất cả các xác suất mơ tả bởi cơ học lượng tử xuất hiện trong rất nhiều thế giới khác nhau, cùng tồn tại song song và độc lập với nhau. Trong khi đa thế giới là tất định thì chúng ta nhận được các tính chất bất định cho bởi các xác suất bởi vì chúng ta chỉ quan sát được thế giới mà chúng ta tồn tại mà thơi. Dựa vào cách giải thích này mà năm mươi năm sau, học thuyết “nhiều thế giới” tiếp tục thu hút nhiều thế hệ các nhà vật lý, những người đã cống hiến cho sự nghiệp phát triển học thuyết này. Giáo sư vật lý danh tiếng, ơng David Deutsch tại Đại học Oxford là đại diện cho các nhà vật lý này. Để giải thích sự mâu thuẫn này, đa số các nhà vật lý đã chọn một phương án dễ dàng: Họ hạn chế tính hiệu lực của thuyết lượng tử trong thế giới hạ nguyên tử (mức vi quan ở dưới mức nguyên tử). Nhưng ơng Deutsch đã lý luận rằng quy luật của học thuyết phải cĩ tính xác thực tại mỗi mức [vi quan]. Bởi vì mọi thứ trên thế giới này, bao gồm cả chúng ta, được cấu thành bởi những lạp tử này, và bởi vì thuyết lượng tử đã được chứng minh là khơng thể sai lầm ở mỗi thí nghiệm cĩ thể nhận biết, các quy tắc lượng tử kỳ cục này phải được áp dụng cho chúng ta. Chúng ta, cũng như vậy, phải tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc, thậm chí cả nếu chúng ta khơng nhận ra nĩ. Phải cĩ nhiều ơng David Deutsch, nhiều trái đất, và nhiều vũ trụ [đồng thời tồn tại]. Chúng ta khơng chỉ sống trong một vũ trụ đơn, theo như ơng Deutsch, mà phải trong một vũ trụ rộng lớn hay là “đa vũ trụ” Dưới điều kiện bình thường, chúng ta khơng bao giờ phải đối mặt với những hiện thực đa chiều như trong cơ học lượng tử. Chúng ta chắc chắn khơng thể nhận thức được những ‘cái tơi’ khác đang làm gì. Chỉ trong những điều kiện được kiểm sốt một cách cẩn thận, như trong thí nghiệm hai khe hở (two-slit), chúng ta mới cĩ được gợi ý về sự tồn tại của điều mà ơng Deutsch gọi là”đa vũ trụ” Trong đoạn cuối bài báo, “Ơng Deutsch lý luận rằng các nhà vật lý, những người sử dụng cơ học lượng tử một cách vị lợi – và điều đĩ cĩ nghĩa rằng hầu hết các nhà vật lý đang làm việc trong lĩnh vực hiện nay – thật thiếu can đảm. Họ đơn thuần khơng thể chấp nhận sự kỳ bí của hiện thực lượng tử. Đây cĩ lẽ là lần đầu tiên trong lịch sử, ơng nĩi, các nhà vật lý đã từ chối tin vào những gì mà học thuyết đang thịnh hành nĩi về thế giới. Đối với ơng Deutsch, điều này giống như Galileo từ chối tin rằng Trái đất quay xung quanh Mặt trời và sử dụng mơ hình nhật tâm của hệ mặt trời chỉ để dự đốn vị trí của các ngơi sao và hành tinh trên bầu trời. Giống như các nhà vật lý hiện đại, những người cho rằng lượng tử ánh sáng (photon) vừa là dạng sĩng vừa là dạng hạt, lúc ở chỗ này lúc ở chỗ kia, Galileo cĩ thể lý luận rằng Trái đất vừa chuyển động vừa đứng im cùng một lúc và các sinh viên mới ra trường chế nhạo rằng điều này cĩ nghĩa là gì vậy. Giải thích Bohm, do David Bohm đưa ra, đã thừa nhận sự tồn tại của các hàm sĩng phổ quát, phi cục bộ. Hàm sĩng này cho phép các hạt ở xa nhau cĩ thể tương tác tức thời với nhau. Dựa trên cách giải thích này Bohm lý luận rằng bản chất sâu xa nhất của thực tại vật lý khơng phải là tập hợp các vật thể rời rạc như chúng ta thấy mà là một thực thể thống nhất năng động, khơng thể phân chia, và bất diệt. Tuy nhiên cách giải thích của Bohm khơng được phổ biến trong giới vật lý vì nĩ được coi là khơng tinh tế. Cơ học lượng tử vẫn cĩ những nhược điểm đĩ là khơng giải thích được những vật thể rơi vào trong hố đen. Cơ học lượng tử được mơ tả trong tâm sinh lý của con người: Khi hai quả tim gặp nhau và va chạm với nhau (khơng loại trừ hai quả tim cùng loại) thì cĩ ba trường hợp cĩ thể xảy ra: 1) Va chạm đàn hồi tuyệt đối: Cả hai quả tim bay ngược lại về hai phía, trao đổi vận tốc cho nhau mà khơng sứt mẻ gì. Đây là va chạm phổ biến giữa các quả tim đồng loại nhưng lại là loại va chạm gần như khơng thể xảy ra giữa hai quả tim khác loại. 2) Va chạm mềm khơng cộng hưởng: Đây là loại va chạm phổ biến nhất giữa các quả tim khác loại: Quả tim nào sắt đá hơn thì sứt mẻ ít hơn. Tuy nhiên sau khi va chạm thì cả hai quả tim đều khơng cịn là chính mình nữa. Như vậy sau thời gian va chạm t nào đĩ, các quả tim chia tay nhau trong trạng thái sứt mẻ và mang trong mình một phần năng lượng của nhau như một "kỉ niệm về va chạm". Thời gian t được tính gần đúng là 1 đêm. Va chạm này cịn cĩ tên khác là "Tình cảm qua đường". 3) Va chạm mềm cộng hưởng : Loại va chạm này phức tạp và khĩ phân tích nhất, nĩ cũng là loại va chạm cĩ điều kiện khắt khe nhất giữa các quả tim khác loại nhưng lại cho nhiều kết quả nghiên cứu thú vị. IV.Ứng dụng của cơ học lượng tử Thiên nhiên vận dụng cơ học lượng tử rất hiệu quả Bằng chứng phát sinh từ một nghiên cứu cách thức năng lượng truyền trong các phântử khai thác ánh sáng trong quá trình quang hợp Hi vọng rằng sự kết hợp lượng tử cĩ thể dùng để sản xuất pin mặt trời hiệu quả hơn. Cơng trình trên đang sắp làm thay đổi cách thức chúng ta suy nghĩ về sự quang hợp và sự điện tốn lượng tử, Engel nĩi. “Nĩ là một kết quả lớn”. Máy tính lượng tử - giấc mơ đã thành sự thật ? Một doanh nghiệp nhỏ ở Canada cho biết họ đã chế tạo được chiếc máy tính lượng tử mang tính thương mại đầu tiên trên thế giới. Mặc dù các nhà khoa học này đã xây dựng được các nguyên mẫu cho cỗ máy, nhưng hầu như họ vẫn phải chờ thêm ít nhất là một thập kỉ nữa mới cĩ thể xây dựng được chiếc máy tính lượng tử hữu dụng, bởi vì rất khĩ thao tác với những hệ lượng tử tinh vi mà khơng làm phá hủy chúng lúc hoạt động Máy tính lượng tử của thế kỷ 21 sẽ xử lý thơng tin nhanh chưa từng thấy. Nguyên tắc hoạt động của máy tính lượng tử trong tương lai sẽ hồn tồn khác. Cuộc chạy đua trong những lĩnh vực này đang diễn ra mạnh mẽ trên tồn thế giới. Mĩn quà thứ nhất mà đặc tính dạng số của cơ học lượng tử tặng thiên nhiên là tính bền. Mĩn quà dạng số thứ hai là tính đếm được. Mĩn quà dạng số thứ ba mà cơ học lượng tử tặng cho thiên nhiên là thơng tin Mĩn quà thứ tư từ cơ học lượng tử là việc xử lý thơng tin Mĩn quà thứ năm và cũng là cuối cùng mà cơ học lượng tử tặng cho thiên nhiên, nhưng khơng phải lúc nào cũng được xem là mĩn quà: đĩ là tính ngẫu nhiên . (Khác với cơ học cổ điển, cơ học lượng tử chứa đựng sự bất định cố hữu; dưới một tình huống thích hợp, cĩ thể chuyển hĩa một cách tối giản thành một hành xử ngẫu nhiên khơng thể rút gọn được. Chính cái bản chất ngẫu nhiên này đã từng bị Einstein chỉ trích khi ơng tuyên bố "Thượng đế khơng chơi trị xí ngầu". Thật ra, Einstein đã sai lầm: Thượng đế cĩ chơi trị xí ngầu, và may mắn thay, Ngài chơi rất giỏi. Tính ngẫu nhiên quả thực là kẻ thù của sự trật tự - đây là tính chất mà Einstein đã từng chỉ trích. Tuy nhiên, tính ngẫu nhiên là nguồn cội của sự biến đổi. Và như Darwin đã từng dạy chúng ta: “sự sống khơng biến đổi sẽ khơng cịn là sự sống ”)  PIN QUANG ĐIỆN: Ngồi ra, người ta dựa vào cơ học lượng tử để chế tạo ra các chíp bán dẫn, là trái tim của nền văn minh của lồi người hiện nay. Cơ học lượng tử đã đạt được các thành cơng vang dội trong việc giải thích rất nhiều các đặc điểm của thế giới chúng ta. Tất cả các tính chất riêng biệt của các hạt vi mơ tạo nên tất cả các dạng vật chất đĩ là điện tử, proton, neutron,... chỉ cĩ thể được mơ tả bằng cơ học lượng tử. Cơ học lượng tử cịn quan trọng trong việc tìm hiểu các nguyên tử riêng biệt kết hợp với nhau để tạo nên các chất như thế nào. Việc áp dụng cơ học lượng tử vào hĩa học được gọi là hĩa học lượng tử. Cơ học lượng tử cĩ thể cho phép nhìn sâu vào các quá trình liên kết hĩa học bằng việc cho biết các phân tử ở các trạng thái cĩ lợi về năng lượng như thế nào so với các trạng thái thái và làm sao mà chúng khác nhau. Phần lớn các tính tốn được thực hiện trong hĩa học tính tốn dựa trên cơ học lượng tử. Rất nhiều các cơng nghệ hiện đại sử dụng các thiết bị cĩ kích thước mà ở đĩ hiệu ứng lượng tử rất quan trọng. Ví dụ như là laser, transistor, hiển vi điện tử, và chụp cộng hưởng từ hạt nhân. Nghiên cứu về chất bán dẫn dẫn đến việc phát minh ra các đi-ốt và transistor, đĩ là những linh kiện điện tử khơng thể thiếu trong xạ hội hiện đại. Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm kiếm các phương pháp để can thiệp vào các trạng thái lượng tử. Một trong những cố gắng đĩ là mật mã lượng tử cho phép truyền thơng tin một cách an tồn. Mục đích xa hơn là phát triển các máy tính lượng tử, cĩ thể thực hiện các tính tốn nhanh hơn các máy tính hiện này rất nhiều lần. Một lĩnh vực khác đĩ là viễn tải lượng tử cĩ thể cho phép truyền các trạng thái lượng tử đến những khoảng cách bất kỳ. Kết luận: Cho đến hơm nay các nhà vật lý dự báo tương lai lồi người chính là tương lai của CƠ HỌC LƯỢNG TỬ .Tuy các cuộc tranh luận vẫn chưa kết thúc nhưng cơ học lượng tử đã trở thành một cơng cụ đắc lực,một cơ sở khơng thể thiếu đối với việc nghiên cứu thế giới vi mơ.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfĐề tài NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ CƠ HỌC LƯỢNG TỬ.pdf