Gửi bình luận
Ở trên chúng ta đã nói tới chuyển động vĩ mô, hay nói dễ hiểu hơn là những chuyển động của các vật thể có kích thước chúng ta có thể trực tiếp quan sát hàng ngày.
Tuy vậy, chúng ta cũng biết rằng vật chất tạo thành thế giới của chúng ta không phải là những khối liên tục như chúng ta có thể cảm nhận bằng các giác quan của mình, mà thực tế được tạo thành bởi những thành phần cực nhỏ mà chúng ta vẫn gọi là các hạt cơ bản (elementary particle). Ngay cả khi một vật thể mà dưới con mắt của chúng ta dường như đứng im (ít ra trong hệ qui chiếu của chúng ta) thì các hạt cơ bản tạo thành nó cũng không ngừng chuyển động. Chuyển động của chúng tạo thành hình dạng và các tính chất của vật chất, cũng tạo thành những tương tác hay còn gọi là các lực. Những chuyển động đó được gọi chung là các chuyển động vi mô.
Vật lý hạt (particle physics), nghiên cứu bản chất của các hạt cơ bản và các chuyển động vi mô này từ lâu đã là một ngành được chú trọng trong khoa học. Từ đầu thế kỉ 20, với sự xuất hiện của thuyết lượng tử do Max Planck đề xướng kéo theo sự ra đời của một lĩnh vực hoàn toàn mới gọi là cơ học lượng tử, thì việc nghiên cứu các chuyển động vi mô càng mở ra nhiều hướng đi mới và khẳng định vai trò không thể thiếu trong khọa học và thậm chí công nghệ, kĩ thuật hiện đại.
Cơ học lượng tử (quantum mechanics) là một lĩnh vực phức tạp với tính định lượng cao, đòi hỏi tính ứng dụng cao nhất của toán học trước đây chưa từng có trong bất cứ lĩnh vực khoa học nào khác của nhân loại. Với phạm vi của một trao đổi ngắn, không chuyên sâu, trong nội dung bài này tôi xin tạm bỏ qua các phương trình toán học phức tạp, hay nói cách khác tạm bỏ qua sự định lượng mà hướng tập trung vào định tính, với mục đích giúp người đọc không học tập/nghiên cứu chuyên sâu về vật lý có thể xác lập một góc nhìn tổng quát và tương đối hoàn chỉnh về những khái niệm hết sức quan trọng trong thế giới quan khoa học của mỗi người: các hạt và các lực cơ bản, thế nào là lượng tử, ...
Để dễ dàng nắm rõ nội dung phần này, người đọc nên tham khảo thêm các bài viết sau của tôi:
1- Thế giới hạt cơ bản
2- Các lực cơ bản của vũ trụ
---
Lượng tử là gì?
Để cho dễ hiểu, chúng ta tiếp cận khái niệm này như sau. Hãy nhớ lại những ý niệm đầu tiên của chính bạn về thế giới vật chất xung quanh. Bất cứ đứa trẻ nào cũng tin rằng vật chất là liên tục, và người ta có thể phá vỡ chúng ta theo cách người ta muốn, chẳng hạn như tấm vải bạn có thể đặt kéo cắt vào bất cứ điểm nào cũng được, còn nếu không cắt thì nó là một tấm liên tục. Đó là nhận thức cơ bản và nó tỏ ra hợp lý với các quan sát vĩ mô (vĩ mô ở đây tạm hiểu là ở các kích thước đủ lớn để đôi mắt có thể phân biệt một cách rõ ràng).
Khi vật lý khám phá ra rằng vật chất được tạo thành từ các hạt rất nhỏ gọi là nguyên tử, và rồi nguyên tử lại tạo thành từ các hạt neutron, proton và electron, và sau này chúng ta lại biết proton và neutron tạo thành từ các quark, thì khi đó người ta mới chú ý rằng vật chất không phải liên tục. Tấm vải được tạo thành bởi vô số các nguyên tử mà khi bạn dùng kéo cắt là bạn chỉ tách số nguyên tử đó thành hai phần bằng cách phá vỡ lực liên kết giữa chúng, chứ bạn không thể dùng kéo cắt vỡ một nguyên tử và hạt nhân của nó, lại càng không thể cắt đôi được một neutron hay proton.
Đó là với vật chất thông thường. Còn với năng lượng và bức xạ, chẳng hạn như ánh sáng thì trong một thời gian dài sau đó người ta vẫn cứ tin tằng chúng là liên tục như một dòng chảy, chứ không phải được tạo thành bởi tập hợp những thành phần cực nhỏ bên trong. Ở thời điểm đó (trước khi bước vào thé kỉ 20), người ta không tin rằng năng lượng lại có thể được tạo nên bởi các hạt như vật chất.
Quan điểm trên thay đổi khi đầu thế kỉ 20, Max Planck đưa ra thuyết lượng tử. Lượng tử (quantum) là khái niệm chỉ giá trị nhỏ nhất của một đại lượng vật lý bất kì. Một giá trị nào đó được coi là lượng tử có nghĩa là nó đã là nhỏ nhất, không thể chia nhỏ hơn. Lưu ý rằng việc không thể chia nhỏ hơn này là một qui luật tự nhiên, giống như đương nhiên rằng chu vi của đường tròn có giá trị bằng đường kính của nó nhân với số pi, chứ không phải không chia nhỏ hơn vì người ta chưa có cách nào làm được như thế.
Với định nghĩa nêu trên, chúng ta có thể thấy mọi đại lượng vật lý đều có một giá trị lượng tử của nó: độ dài, thời gian, khối lượng, năng lượng ... Các con số lượng tử này đều được suy ra từ hằng số Planck (chúng ta sẽ không nhắc tới giá trị của hằng số này và các diễn giải về nó ở đây vì tạm thời nó con số cụ thể đó không cần thiết ở nội dung này).
Năng lượng cũng có lượng tử, điều đó có nghĩa là nó không liên tục mà được truyền đi thành từng lượng nhỏ gián đoạn. Trong những bài viết trước của mình tôi từng đề cập tới việc bản thân các tương tác (các lực) xảy ra chẳng qua là do chuyển động của các hạt truyền tương tác gọi là các boson. Điều đó có thể cho thấy rằng năng lượng được truyền qua các hạt độc lập thì không thể liên tục như người ta từng tưởng.
Thăng giáng lượng tử
Một lý thuyết quan trọng trong cơ học lượng tử là nguyên lý bất định (uncertainty principle) do Werner Heisenberg đề xuất.
Thường ngày, chúng ta thấy rằng việc xác định cùng lúc vị trí và vận tốc của một vật thể vĩ mô, chẳng hạn như chiếc xe chạy trên đường là việc dường như dễ dàng. Nhưng đối với các chuyển động vi mô thì không như vậy.
Trong quan niệm cũ, khi nghiên cứu các hạt vi mô, nguời ta coi mỗi hạt là một "viên bi" và cho rằng về mặt bản chất, không có gì sai khác giữa một hạt vi mô và một viên bi có thể đặt lên tay ngoài kích thước và năng lượng.
Với một viên bi, người ta có thể dễ dàng xác định cả toạ độ (vị trí) của nó cũng như xung lượng (đơn giản hơn là vận tốc) của nó một cách khá chính xác mà không gặp phải một khó khăn nào cả. Tuy nhiên Heisenberg chỉ ra rằng với các hạt vi mô, mọi việc không đơn giản như thế, tồn tại một giá trị cho sự sai khác về các số đo khi xác định vị trí và xung lượng của hạt. Nếu giả sử hạt chuyển động tịnh tiến trên một trục x nào đó và độ bất định về vị trí của hạt - tức là sai số trong phép đo vị trí của hạt là Δx và độ bất định về xung lượng là Δp thì ta có hệ thức sau:
Δx.Δp ≥ h/4π
Đây chính là biểu thức của nguyên lí bất định Heisenberg. Phương trình này cho thấy nếu như bạn càng cố gắng đo chính xác vị trí của hạt bao nhiêu (Δx càng nhỏ) thì càng thu được kết quả về xung lượng của hạt kém chính xác bấy nhiêu (Δp càng lớn). Và tích 2 độ bất định này có giá trị chính bằng hằng số Plank thu gọn. Một phát biểu khác của nguyên lí bất định là phát biểu về năng lượng và thời gian:
ΔE.Δt ≥ h//4π
Có nghĩa là để đo dược năng lượng của một hạt với độ bất định nhỏ ΔE, bạn nhất thiết phải tốn khoảng thời gian Δt. Muốn đo năng lượng càng chính xác thì thời gian Δt bạn cần càng phải lớn và điều hiển nhiên là phương trình trên cho thấy giới hạn năng lượng bạn được phép đo sẽ có sai số tối thiểu chính bằng giá trị năng lượng lượng tử (không thể bằng không).
Lưu ý rằng đây là một nguyên lý, hoàn toàn không phải vấn đề của phép đo và thiết bị đo.
Sự bất định về năng lượng này làm phát sinh khái niệm thăng giáng lượng tử (quantum fluctuation). Có nghĩa là một lượng tử năng lượng có thể xuất hiện hoặc biến mất trong một khoảng thời gian rất nhỏ nào đó. Nói cách khác, ở giới hạn đó đôi khi định luật bảo toàn năng lượng bị vi phạm nhưng chỉ với một lượng rất nhỏ và trong thời gian rất ngắn.
Mặc dù rất nhỏ, nhưng thăng giáng lượng tử rất quan trọng trong quá trình hình thành vũ trụ, từ sự khai sinh vũ trụ trong vụ nổ Big Bang cho tới việc tạo thành các dạng vật chất đầu tiên. Vũ trụ của chúng ta đã ra đời rất có thể chỉ bởi một thăng giáng rất nhỏ nào đó.
Cơ học lượng tử và vật lý hạt ngày nay là mũi nhọn hàng đàu trong vật lý hiện đại, các kết quả của chúng được sử dụng phục vụ trực tiếp cho việc nghiên cứu vũ trụ. Vì vậy, để hiểu được về bản chất của vũ trụ, việc nắm được những nguyên lý cơ bản của nó và tính chất của các chuyển động vi mô là không thể bỏ qua.
Bài viết dựa trên tài liệu do cùng tác giả thực hiện năm 2013, được tóm lược và đính chính thêm vào tháng 3 năm 2018.
Vui lòng ghi rõ tên tác giả và nguồn trích dẫn Thienvanvietnam.org khi sử dụng bài viết này.
