Thế giới lượng tử kì bí: Hiệu ứng Aharonov-Bohm

Đây là một thí dụ đẹp của sự vô lí lượng tử. Lấy một nam châm hình vành khăn và bọc một tấm chắn kim loại xung quanh rìa bên trong của nó sao cho không có từ trường nào có thể rò rỉ qua lỗ trống ở giữa.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thế giới lượng tử kì bí: Hiệu ứng Aharonov-Bohm Thế giới lượng tử kì bí: Hiệu ứng Aharonov-Bohm Đây là một thí dụ đẹp của sự vô lí lượng tử. Lấy một nam châm hình vànhkhăn và bọc một tấm chắn kim loại xung quanh rìa bên trong của nó sao cho khôngcó từ trường nào có thể rò rỉ qua lỗ trống ở giữa. Rồi bắn một electron vào lỗ trốngđó. Không có từ trường nào trong lỗ, nên electron sẽ hoạt động như thể khôngcó từ trường, đúng hay không? Sai. Sóng đi cùng với chuyển động của electron chịumột sự run lắc như thể có cái gì ở đó ở trong. Bắt đầu với một nam châm hình vành khăn... Werner Ehrenberg và Raymond Siday là những người đầu tiên lưu ý đếnhành vi này ẩn nấp trong phương trình Schrödinger. Đó là vào năm 1949, nhưngkết quả của họ vẫn không được ai chú ý tới. Mười năm sau, Yakir Aharonov vàDavid Bohm, làm việc tại trường đại học Bristol ở Anh, đã phát hiện lại hiệu ứngtrên và vì một số nguyên do nào đó, tên tuổi của họ đã gây sự chú ý. Vậy thì cái gì đang diễn ra? Hiệu ứng Aharonov-Bohm là bằng chứng chothấy có nhiều điện trường và từ trường hơn người ta vẫn nghĩ. Bạn không thể tínhđược cỡ của hiệu ứng trên một hạt bằng cách chỉ xét các tính chất của điện trườngvà từ trường nơi hạt ở đó. Bạn còn phải tính đến các tính chất nơi nó không có ở đó. Nhằm tìm lời giải đáp, các nhà vật lí quyết định khảo sát một tính chất của từtrường gọi là thế vec-tơ. Trong một thời gian dài, các thế vec-tơ chỉ được xem lànhững công cụ toán học thuận tiện – một dạng thể hiện nhanh cho các tính chấtđiện và từ không có bất kì tầm quan trọng thực tiễn nào. Nhưng hóa ra chúng môtả cái gì đó thật sự rất thực tế. Hiệu ứng Aharonov-Bohm chứng tỏ rằng thế vec-tơ làm cho một trườngđiện từ lớn hơn tổng các thành ph ần của nó. Ngay cả khi trường không có mặt ở đó,thì thế vec-tơ vẫn tác dụng một ảnh hưởng nào đó. Ảnh hưởng đó được nhìn thấyrõ ràng lần đầu tiên vào năm 1986 khi Akira Tonomura và các đồng nghiệp tạiphòng thí nghiệm Hitachi ở Tokyo, Nhật Bản, đo được một chuyển động run lắcelectron hết sức ma quái (Physical Review Letters, vol 48, tr. 1443). Mặc dù khác xa với những hiện tượng hàng ngày, nhưng hiệu ứng Aharonov-Bohm có thể có những ứng dụng trong thế giới thực – trong các bộ cảm biến từ,chẳng hạn, hoặc những tụ điện nhạy trường và những bộ đệm lưu trữ dữ liệu chocác máy tính xử lí ánh sáng. Thế giới lượng tử kì bí: Tác dụng ma quỷ từ xa Erwin Schrödinger gọi nó là “đặc điểm tiêu biểu” của thuyết lượng tử.Einstein thì không thể tin vào nó chút nào, ông nghĩ rằng nó chứng minh rằngthuyết lượng tử thật sự là một thứ ma quỷ. Đó là sự rối: ý tưởng cho rằng các hạtcó thể liên hệ với nhau theo kiểu sao cho làm thay đổi trạng thái của một hạt tứcthì ảnh hưởng đến hạt kia, cho dù chúng ở cách xa nhau hàng năm ánh sáng. Sự rối có một thách thức lớn đối với quan điểm của chúng ta về thế giới. (Ảnh: Allan Baxter / The Image Bank / Getty) “Tác dụng ma quỷ xuyên khoảng cách” này, nói theo lời Einstein, là một đònmạnh giáng vào quan niệm của chúng ta về sự hoạt động của thế giới. Năm 1964,nhà vật lí John Bell thuộc Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN) ở Geneva,Thụy Sĩ, đã giải quyết vấn đề đó một cách nghiêm túc. Ông tính ra được một bấtđẳng thức toán học chứa mối tương quan tối đa giữa các trạng thái của các hạtcách xa nhau trong những thí nghiệm trong đó thỏa mãn ba điều kiện “hợp lí”: cácnhà thí nghiệm có quyền tự do thiết lập cái họ muốn; các tính chất hạt đang đượcđo là có thực và đã tồn tại trước, chứ không phải trong tíc tắc lúc tiến hành đo; vàkhông có tác dụng nào truyền nhanh hơn tốc độ ánh sáng, giới hạn tốc độ trong vũtrụ. Như nhiều thí nghiệm kể từ đó cho thấy, cơ học lượng tử vi phạm bất đẳngthức Bell một cách đều đặn, mang lại những mức độ tương quan mà trên đó khôngbiết các điều kiện của ông có còn đúng không. Điều đó đưa chúng ta vào một nanđề triết học. Có phải chúng ta không có quyền tự do quyết định xem nên đo cái gì,và đo như thế nào? Đó không phải là lựa chọn hàng đầu của bất kì ai. Có phải cáctính chất của các hạt lượng tử là không có thật – nghĩa là chẳng có gì là có thật cả,mà chỉ tồn tại như là một hệ quả của sự tri giác của chúng ta? Đó là câu hỏi cónhiều người muốn trả lời hơn, nhưng nó khó mang lại cho chúng ta thêm sự sángsuốt. Hay là thật sự có một tác dụng truyền đi nhanh hơn ánh sáng? Vinh danh chođất nước Thụy Sĩ vốn nổi tiếng định thời gian chính xác, vào năm 2008, nhà vật líNicolas Gisin và các đồng nghiệp của ông tại trường đại học Geneva đã chỉ ra rằng,nếu thực tại và sự tự do được giữ vững, thì tốc độ truyền của các trạng thái lượngtử giữa các photon vướng víu giữ ở hai nơi cách xa nhau 18 km là đâu đó chừng 10triệu lần tốc độ ánh sáng (Nature, vol 454, p 861). Cho dù câu trả lời thật sự là gì, thì nó s ...