Thế giới lượng tử kì bí: Siêu lỏng và siêu rắn

Hãy quên đi những vết nhện phóng xạ cắn, những sự chiếu xạ tia gamma, hoặc bất kì tai nạn nào khác trong truyện viễn tưởng phiêu lưu vũ trụ: trong thế giới thực, chính thuyết lượng tử sẽ cho bạn siêu sức mạnh.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thế giới lượng tử kì bí: Siêu lỏng và siêu rắn Thế giới lượng tử kì bí: Siêu lỏng và siêu rắn Hãy quên đi những vết nhện phóng xạ cắn, những sự chiếu xạ tia gamma,hoặc bất kì tai nạn nào khác trong truyện viễn tưởng phiêu lưu vũ trụ: trong thếgiới thực, chính thuyết lượng tử sẽ cho bạn siêu sức mạnh. Lấy helium làm thí dụ. Ở nhi ệt độ phòng, nó là một thú tiêu khiển bìnhthường: bạn có thể bơm đầy helium vào những quả khí cầu bồng bềnh, hoặc hít nóvào và nói chuyện ra với giọng nghe khọt khẹt. Tuy vậy, ở nhiệt độ dưới khoảng 2kelvin, nó là một chất lỏng và các nguyên tử của nó bị chi phối bởi các tính chấtlượng tử của chúng. Khi đó, nó trở thành siêu tiêu khiển: chất siêu lỏng. Các va chạm hạt tại thí nghiệm CMS của LHC. (Ảnh: CMS Collaboration/CERN) Helium siêu lỏng leo lên thành bình chứa và chảy ngược lên trên, không coilực hấp dẫn ra gì hết. Nó tự nén mình qua những lỗ nhỏ bình thường không chuiqua lọt. Nó bất chấp sự ma sát: cho helium siêu lỏng vào trong một cái bát, cho cáibát xoay tròn, và helium siêu lỏng vẫn nằm yên bất động khi cái bát quay tít bêndưới nó. Tuy nhiên, nếu để helium lỏng tự chuyển động, nó sẽ tiếp tục hồi chuyểnmãi mãi. Điều đó thật thú vị, nhưng chẳng có lợi ích gì đặc biệt. Ngược lại có thể nói làcác chất siêu dẫn. Những chất rắn này dẫn điện với điện trở bằng không, khiếnchúng thật lí tưởng trong việc truyền tải điện năng, dùng trong việc tạo ra nhữngtừ trường cực mạnh – để lái các proton vòng quanh Máy Va chạm Hadron Lớn củaCERN, chẳng hạn – và trong việc nâng những đoàn tàu siêu tốc. Chúng ta vẫn chưa hiểu tất cả các chất siêu dẫn hoạt động như thế nào,nhưng dường như nguyên lí bất định có một vai trò nhất định. Ở những nhiệt độrất thấp, xung lượng của từng nguyên tử hay electron riêng lẻ trong những chấtliệu này là rất nhỏ và được biết rất chính xác, nên vị trí của mỗi nguyên tử có sựbất định cao. Thật ra, chúng bắt đầu chồng lấn lên nhau để hướng tới chỗ bạnkhông thể mô tả chúng một cách riêng lẻ. Chúng bắt đầu tác dụng như một siêunguyên tử hoặc siêu electron chuyển động mà không có ma sát hoặc điện trở. Tuy nhiên, tất cả những điều kì lạ này chẳng là gì nếu so với siêu chất rắn.Thí dụ được biết tới duy nhất là helium rắn lạnh xuống trong vòng một độ củakhông độ tuyệt đối và ở áp suất khoảng 25 lần áp suất khí quyển bình thường. Dưới những điều kiện này, các liên kết giữa các nguyên tử helium thật yếu,và một số bị phá vỡ để lại một mạng lưới những “chỗ trống” hành xử hầu nhưgiống hệt như những nguyên tử thật sự. Dưới những điều kiện thích hợp, nhữngchỗ trống này hình thành nên ngưng tụ Bose-Einstein dạng lỏng của riêng nó. Dướinhững trường hợp nhất định, vật chất này sẽ đi xuyên qua mạng helium bìnhthường – nghĩa là chất rắn chảy xuyên qua chính nỏ, có vẻ hơi ma quái một chút. Đặc biệt, siêu sức mạnh này đã được Moses Chan và Eun-Seong Kim thuộctrường đại học Bang Pennsylvania kiểm tra đi, kiểm tra lại dữ liệu của họ vềhelium rắn trong bốn năm trước khi cuối cùng cho công bố kết quả vào năm 2004(Nature, vol 427, tr.225). “Tôi không chắc lắm là chúng ta đã thấy hiệu ứng đó”,Chan nói. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã nhìn thấy những dấu hiệu cho thấy cóthể theo đuổi bất kì chất liệu kết tinh nào để tiến hành một kì công như thế ởnhững chỉ một vài phần trên không độ tuyệt đối. Không phải chỉ có siêu nhân mớicó thể làm được chuyện đó. Thế giới lượng tử kì bí: Chẳng một ai hiểu Đối mặt trước sự công kích toàn diện của tính kì lạ lượng tử, thật hấp dẫn làhãy đi giải thích câu nói nổi tiếng của nhà vật lí giành giải Nobel Richard Feynman:“Chẳng ai hiểu nổi cơ học lượng tử”. Dẫu vậy, thật sự có một vòng sự thật đối với nó. Những giải thích đã thử nêura ở đây sử dụng khuôn khổ được chấp nhận rộng rãi nhất khi nghĩ về tính kì lạlượng tử, gọi là cách hiểu Copenhagen, gọi theo tên thành phố nơi Niels Bohr vàWerner Heisenberg đã nêu ra những quy tắc nền tảng của nó vào đầu thế kỉ 20. Rốt cuộc cơ học lượng tử cho chúng ta biết những gì chứ? (Ảnh: Paul Cooklin / Brand X Pictures / Getty) Với các nguyên lí bất định và những nghịch lí phép đo của nó, cách hiểuCopenhagen gắn liền với sự thừa nhận rằng chúng ta được trang bị tồi để nhìnthấy thực tại lượng tử cơ sở. Mọi nỗ lực chúng ta thực hiện để giao chiến với nógiáng nó xuống một hình chiếu cổ điển hời hợt của tính phong phú lượng tử trọnvẹn của nó. Lev Vaidman ở trường đại học Tel Aviv, Israel, giống như nhiều nhà vật líkhác, đưa ra một lời giải thích khác. “Tôi không nhận thấy mình không hiểu cơ họclượng tử”, ông nói. Nhưng phải trả một giá cao để mà hiểu – đó là thừa nhận sự tồntại của các vũ trụ song song. Trong bức tranh này, các hàm sóng không “suy sụp” về sự tất định cổ điểnmỗi khi bạn đo chúng; thực tại đơn thuần phân tách thành nhiều thế ...