Chúng ta đều đã từng nghe qua thuật ngữ "cơ học lượng tử" hoặc "vật lý lượng tử", nhưng câu hỏi thực sự là: chúng ta có thực sự hiểu nó nghĩa là gì không?
Phần lớn chúng ta có lẽ liên tưởng đến những khái niệm khó hiểu, các phương trình phức tạp, hoặc thậm chí là khoa học viễn tưởng.
Nhưng đây mới là điều thú vị: cơ học lượng tử đã là một phần không thể thiếu trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta, dù chúng ta có nhận ra hay không.
Sự ra đời của cơ học lượng tử
Hãy bắt đầu từ thuở sơ khai. Trước thế kỷ 20, vật lý cổ điển – hãy nghĩ đến Isaac Newton – là tất cả những gì chúng ta có. Các định luật chuyển động và định luật vạn vật hấp dẫn của Newton đã giải thích mọi hiện tượng, từ quả táo rơi xuống đất cho tới sự chuyển động của các hành tinh. Mọi thứ đều rõ ràng và có thể dự đoán. Nhưng khi các nhà khoa học bắt đầu khám phá những hạt cực nhỏ, họ nhận ra rằng lý thuyết của Newton không còn áp dụng được trong thế giới vi mô. Đó chính là lúc cơ học lượng tử ra đời. Đây là lý thuyết mô tả hành vi của các hạt ở quy mô siêu nhỏ — như nguyên tử và electron. Cùng với thuyết tương đối của Einstein, cơ học lượng tử tạo thành nền tảng của vật lý hiện đại.
Ánh sáng và sự phát hiện ra lượng tử
Vậy cơ học lượng tử bắt đầu như thế nào? Mọi chuyện bắt đầu từ việc nghiên cứu ánh sáng. Vào thế kỷ 19, các nhà khoa học phát hiện rằng ánh sáng không chỉ là một làn sóng liên tục như họ từng nghĩ. Thay vào đó, ánh sáng được cấu thành từ các gói năng lượng riêng biệt, gọi là photon. Khái niệm này, được gọi là "lượng tử hóa", đã khởi đầu cho cuộc cách mạng lượng tử. Hiểu một cách đơn giản, điều này có nghĩa là năng lượng chỉ tồn tại ở những lượng xác định, và phát hiện này đã hoàn toàn phá vỡ những quan niệm cổ điển của vật lý. Nhà khoa học Max Planck, người đã đưa ra khám phá này, đã nhận giải Nobel Vật lý năm 1918. Công trình của ông đã mở đường cho việc hiểu biết thế giới lượng tử. Sau đó, vào năm 1905, Albert Einstein giải thích hiệu ứng quang điện — một mảnh ghép quan trọng khác của bức tranh lượng tử.
Con mèo kỳ lạ của Schrödinger
Giờ hãy nói về con mèo Schrödinger nổi tiếng. Thí nghiệm tưởng tượng của nhà vật lý Erwin Schrödinger thường được dùng để minh họa sự kỳ lạ của cơ học lượng tử. Thí nghiệm đặt một con mèo vào trong một chiếc hộp kín cùng một thiết bị có thể giết chết nó tùy thuộc vào sự phân rã của một nguyên tử. Theo lý thuyết lượng tử, cho đến khi mở hộp, con mèo vừa sống vừa chết, tồn tại ở trạng thái "chồng chất".
Nghịch lý này đã làm lung lay nền tảng của tư duy cổ điển. Schrödinger dùng ví dụ này để cho thấy sự phi lý của lý thuyết lượng tử. Hãy thử tưởng tượng: một vật thể có thể tồn tại ở hai trạng thái cùng lúc. Đó chính là những gì các hạt lượng tử làm: chúng có thể ở nhiều trạng thái cho tới khi bị quan sát.
Nguyên lý bất định
Một nguyên lý gây "xoắn não" khác trong cơ học lượng tử là Nguyên lý bất định Heisenberg. Nói một cách đơn giản, nguyên lý này cho rằng chúng ta không bao giờ có thể biết đồng thời chính xác vị trí và vận tốc của một hạt. Bạn càng đo chính xác vị trí, thì vận tốc càng trở nên không chính xác — và ngược lại. Ý tưởng này đi ngược lại trực giác của chúng ta, bởi trong đời sống thường ngày, chúng ta có thể đo cả hai thứ dễ dàng. Nhưng trong thế giới lượng tử, sự bất định này được "gắn chặt" vào bản chất của thực tại.
Ứng dụng của cơ học lượng tử
Bạn có thể nghĩ, "Thật thú vị đấy, nhưng có liên quan gì tới cuộc sống của tôi?" Thật ra, cơ học lượng tử đã ứng dụng khắp nơi. Ứng dụng lớn đầu tiên là sự ra đời của laser. Bạn biết đấy, những tia laser được dùng trong mọi thứ, từ máy quét mã vạch cho tới phẫu thuật mắt. Laser hoạt động nhờ cách mà các photon vận hành theo lý thuyết lượng tử – mỗi photon trong tia laser có cùng năng lượng, cho phép chúng hội tụ thành một chùm tia duy nhất.
Một ứng dụng quan trọng khác là chất bán dẫn – trái tim của điện thoại thông minh, máy tính và tivi của chúng ta. Tính chất của chất bán dẫn dựa trên lý thuyết lượng tử, giúp chúng ta chế tạo các thiết bị có thể điều khiển dòng điện chính xác. Đó chính là nền tảng của công nghệ hiện đại.
Tương lai của công nghệ lượng tử
Và đó mới chỉ là phần nổi của tảng băng. Cơ học lượng tử còn là chìa khóa mở ra những công nghệ đang được phát triển như máy tính lượng tử. Không giống như máy tính truyền thống sử dụng bit 0 và 1, máy tính lượng tử dùng các qubit có thể tồn tại đồng thời ở trạng thái 0 và 1. Khả năng này giúp máy tính lượng tử xử lý thông tin nhanh chóng hơn rất nhiều. Thực tế, vào năm 2019, một tập đoàn công nghệ lớn đã tuyên bố đạt được "ưu thế lượng tử" — tức là máy tính lượng tử của họ đã thực hiện được một nhiệm vụ mà máy tính thông thường không thể làm trong thời gian hợp lý. Trung Quốc cũng đã đạt được những bước tiến lớn trong lĩnh vực này. Nhóm nghiên cứu của Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc đã xây dựng thành công máy tính lượng tử 76-photon, có khả năng giải bài toán nhanh hơn siêu máy tính mạnh nhất thế giới tới 100 nghìn tỷ lần.
Cơ học lượng tử là tương lai
Vậy, kết luận là gì? Dù cơ học lượng tử có vẻ xa vời và khó hiểu, nó thực chất là nền tảng của rất nhiều công nghệ hiện đại. Từ laser cho đến điện thoại, máy tính và những công nghệ lượng tử tương lai, thế giới kỳ diệu của cơ học lượng tử đang dần định hình tương lai. Ai biết được? Trong vòng 10–20 năm tới, chúng ta có thể sẽ chứng kiến thêm nhiều đột phá kỳ diệu nhờ khoa học lượng tử.
Các bạn thân mến, lần tới khi bạn sử dụng điện thoại thông minh hay trải nghiệm công nghệ laser, hãy nhớ rằng – tất cả đều nhờ vào những nguyên lý kỳ diệu của cơ học lượng tử!
