Một chút về Nguyên lý bất định

T heo ý kiến của tôi, cơ học lượng tử là một thành tựu văn hoá mang tính phổ quát của nhân loại. Tôi vẫn nhớ lần đầu tiên mình thực sự hiểu được cơ học lượng tử là lúc tôi học năm thứ 3 đại học. Sau đó trong một vài ngày, tôi đi ngoài đường với trạng thái lâng lâng, nhìn những khuôn mặt của những người đi trên đường và nghĩ: những con người kia phần lớn là những người bất hạnh, vì họ cũng như mình vài ngày trước đây không hiểu gì về bản chất lượng tử...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Một chút về Nguyên lý bất định Một chút về Nguyên lý bất định T heo ý kiến của tôi, cơ học lượng tử là một thành tựu văn hoá mang tính phổ quát của nhân loại. Tôi vẫn nhớ lần đầu tiên mình thực sự hiểu được cơ học lượng tử là lúc tôi học năm thứ 3 đại học. Sau đó trong một vài ngày, tôi đi ngoài đường với trạng thái lâng lâng, nhìn những khuôn mặt của những người đi trên đường và nghĩ: những con người kia phần lớn là những người bất hạnh, vì họ cũng như mình vài ngày trước đây không hiểu gì về bản chất lượng tử của thế giới. Cảm giác đó đã qua từ lâu, nhưng tôi nghĩ trong tương lai gần, nếu không phải là ngay bây giờ, một con người được giáo dục toàn diện phải biết những khái niệm cơ bản của cơ học lượng tử, cũng như ai cũng biết đến ba định luật của Newton, hay nguồn gốc phân tử của tính di truyền. Đó là vì không biết các định luật lượng tử thì khó thưởng thức được một phần cái Đẹp của thế giới quanh ta, cái đẹp ở mức nguyên tử. Đế hiểu sâu, có hệ thống, môn cơ học lượng tử, ta cần một số kiến thức nhất định về toán và vật lý, vượt quá chương trình toán và vật lý phổ thông. Tuy nhiên theo tôi trở ngại lớn nhất để hiểu cơ học lượng tử là trực giác của con người, cái được gọt dũa qua hàng triệu năm tiến hóa. Ta không cần phải biết định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng để đoán được rằng khi một hòn bi nhẹ chuyển động và va vào một hòn bi nặng đang đứng yên, thì hòn bi nhẹ sẽ bị bật ngược trở lại, nhưng khi một hòn bi nặng va vào một hòn bi nhẹ đang đứng yên thì hòn bi nặng vẫn tiếp tục tiến lên phía trước như không có chuyện gì xảy ra. Những cảm nhận trên đều là do kinh nghiệm trong cuộc sống hàng ngày, nếu không nói đến việc là nhiều người trong số chúng ta lúc còn bé đã từng chơi bi. Vấn đề của cơ học lượng tử là ta ít có kinh nghiệm với thế giới vi mô — ít ai có dịp chơi với những hòn bi kích thước chỉ bằng một nguyên tử — và chính điều này làm cho các hiện tượng lượng tử trở nên rất khó tiếp thu khi mới làm quen. Nhưng rất may, các nguyên lý của cơ học lượng tử có thể hiểu được, ít nhất là ở mức định tính và nhiều khi ở mức bán định lượng, chỉ cần dùng kiến thức toán và vật lý phổ thông. Một chút lịch sử Người đầu tiên tìm ra cơ học lượng tử là Heisenberg. Lúc đó ông ta mới 23 tuổi, đang phải đi nghỉ ở một hòn đảo để chữa dị ứng. Gần như đồng thời, Schrödinger, 38 tuổi, tìm ra cơ học lượng tử theo phương pháp của mình sau khi đi an dưỡng ở một nhà nghỉ trên núi với một người phụ nữ bí ẩn, cho đến nay không ai biết tên. Nếu là họa sĩ, tôi sẽ vẽ một bức tranh mang tên “Bình minh của cơ học lượng tử” mô tả một sự kiện có thật: Heisenberg, qua một đêm tính toán căng thẳng và đã biết rằng lý thuyết của mình là đúng, leo lên một hòn đá nhô ra biển để đón mặt trời lên. Hai phương pháp tiếp cận của Heisenberg va Schrödinger rất khác nhau, nhưng tương đương với nhau. Sau đó năm 1941 Feynman tìm ra một cách phát biểu thứ ba cho cơ học lượng tử. Trong khuôn khổ bài này, tôi chỉ nói đến nguyên lý bất định của Heisenberg. Những ai đã học vật lý chắc còn nhớ khái niệm “chất điểm”. Ta tưởng tượng ra một điểm, không có cấu trúc, mang một khối lượng nhất định. Các hạt cơ bản, ví dụ như electron (điện tử), có thể coi là chất điểm: chúng không có cấu trúc gì cả. Trong cơ học cổ điển, trạng thái của chất điểm bao gồm vị trí của nó, và vận tốc của nó. Trong vật lý có một khái niệm rất tiện dụng là xung lượng. Xung lượng của chất điểm là tích của khối lương và vận tốc: . Vận tốc của một hạt được đo bằng cm/s. Xung lượng đo bằng g cm/s. Động năng của một hạt khối lượng chuyển động với vận tốc là , hoặc ta có thế viết là . Trong cơ học cổ điển, tọa độ và xung lượng của một hạt có thể được xác định với một độ chính xác tùy ý. Nhưng trong cơ học lượng tử thì không phải như vậy. Nếu tọa độ dược xác định rất chính xác thì xung lượng không thể xác định chính xác được, và ngược lai. Trên mức độ toán học hơn một chút, nguyên lý bất định của Heisenberg là trong đó là độ bất định của tọa độ, là độ bất định của xung lượng, và (chữ h có gạch ngang ở trên) là hằng số Planck, một hằng số cơ bản của tự nhiên. Giá trị của hằng số này là =1.054×10-27 g cm2/s Bản chất của nguyên lý bất định là như thế nào? Nếu ta tóm một con chuột, nó sẽ giãy giụa để chạy ra khỏi tay ta. Ta cứ tưởng tượng vạn vật trong tự nhiên đều như vậy. Nếu ta định “tóm” một vật lại, không cho vị trí của nó xê dịch quá một kích thước bằng , nó sẽ không thể ngồi yên trong đó. Nghĩa là hạt đó sẽ có một xung lượng ít nhất cỡ , tức là vận tốc ít nhất cỡ . Chuyển động này được gọi là chuyển động lượng tử. Bạn đọc đến đây có thể bảo: làm gì có chuyện đó! Nếu tôi có một hòn đá, nếu tay tôi không run, tôi có thể giữ chặt cho nó không cựa cậy được, làm gì có chuyện nó giãy giụa như con chuột! Nhưng thực ra, hòn đá của bạn vẫn cựa ...