Chúng ta đều từng nghe nhiều người nói về cơ học lượng tử như thể đó là phép màu hay thứ gì đó chỉ có các nhà khoa học trong phòng thí nghiệm mới hiểu được.

Nhưng thực ra, nó là gì? Về cốt lõi, cơ học lượng tử là ngành khoa học nghiên cứu về thế giới vô cùng nhỏ—thế giới của nguyên tử và các hạt bên trong chúng.

Nó giúp chúng ta hiểu cách mọi thứ vận hành ở cấp độ nhỏ nhất, và cũng chính là nền tảng của nhiều công nghệ tiên tiến nhất mà chúng ta đang dùng ngày nay. Và đúng vậy—nó thật sự đầy bí ẩn.

Tại sao vật lý cổ điển là chưa đủ?

Trước khi cơ học lượng tử ra đời, các nhà khoa học tin rằng thế giới tuân theo những quy luật mà chúng ta có thể nhìn thấy và dự đoán, như lực hấp dẫn hay chuyển động. Nhưng khi nhìn kỹ hơn—xuống tận nguyên tử và hạt—những quy luật đó bắt đầu sụp đổ. Mọi thứ không còn hành xử theo cách chúng ta kỳ vọng. Ánh sáng vừa hành xử như sóng, vừa như hạt. Electron có thể tồn tại ở hai vị trí cùng lúc. Và đột nhiên, thế giới không còn đơn giản như trước nữa.

Mọi thứ bắt đầu từ ánh sáng

Hãy quay lại thời điểm tư duy lượng tử bắt đầu. Các nhà khoa học từng tin rằng ánh sáng chỉ là sóng, giống như gợn nước. Nhưng thí nghiệm đã chỉ ra rằng nó cũng hành xử như một hạt—một gói năng lượng nhỏ gọi là “photon”. Đây chính là dấu hiệu lớn đầu tiên: vũ trụ không phải lúc nào cũng giống như ta thấy. Sự “lưỡng tính sóng-hạt” này đã mở ra một cách hiểu hoàn toàn mới về tự nhiên.

Thế giới của xác suất

Trong đời sống hằng ngày, chúng ta mong mọi thứ phải chắc chắn. Tung đồng xu hoặc mặt ngửa, hoặc mặt sấp. Ném quả bóng—nó sẽ rơi ở một vị trí xác định. Nhưng trong cơ học lượng tử, chẳng có gì chắc chắn như thế. Thay vì biết chính xác một hạt đang ở đâu, ta chỉ có thể biết xác suất nó có thể ở vị trí nào.

Ý tưởng này thường được minh họa bằng thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng “con mèo của Schrödinger”, trong đó một con mèo trong hộp vừa sống vừa chết—cho đến khi ai đó mở hộp ra kiểm tra. Nghe thật kỳ quái, nhưng đó chính là cách các hạt lượng tử hoạt động. Chúng tồn tại trong nhiều trạng thái cùng lúc, và chỉ chọn một trạng thái khi chúng ta đo đạc.

Tại sao nó lại bí ẩn đến vậy?

Một phần lý do khiến cơ học lượng tử bí ẩn là vì nó hoàn toàn không giống trải nghiệm thường ngày của chúng ta. Chúng ta không hề thấy đồ vật biến mất rồi xuất hiện lại. Nhưng ở cấp độ nguyên tử và photon, điều đó là bình thường.

Điều còn làm ta “xoắn não” hơn là hiện tượng rối lượng tử, khi hai hạt trở nên gắn kết với nhau đến mức một hạt thay đổi thì hạt kia cũng thay đổi tức thì, dù ở cách xa nhau hàng triệu kilômét. Einstein từng gọi hiện tượng này là “tác động ma quái từ xa”, và đến tận hôm nay, nó vẫn làm khó cả những bộ óc vĩ đại nhất.

Cơ học lượng tử trong đời sống thực

Dù nghe như truyện khoa học viễn tưởng, cơ học lượng tử thực chất hiện diện trong nhiều thứ chúng ta dùng hằng ngày. Điện thoại thông minh, tia laser, hệ thống định vị toàn cầu, và thậm chí cả máy tính đều dựa vào nguyên lý lượng tử để hoạt động. Nếu không có ngành khoa học này, chúng ta sẽ không có điện tử hiện đại hay công nghệ chẩn đoán y khoa tiên tiến. Ngày nay, các nhà khoa học còn đang nghiên cứu máy tính lượng tử—những cỗ máy có thể giải quyết các bài toán vượt xa khả năng của bất kỳ máy tính nào hiện nay. Chúng có thể thay đổi mọi lĩnh vực, từ y học cho đến du hành vũ trụ.

Chúng ta mới chỉ bắt đầu

Cơ học lượng tử đã tồn tại hơn một thế kỷ, nhưng vẫn còn vô số điều chúng ta chưa biết. Các nhà nghiên cứu vẫn đang cố gắng tìm hiểu cách cơ học lượng tử kết nối với phần còn lại của vật lý, đặc biệt là lực hấp dẫn. Nếu giải được câu đố này, chúng ta có thể mở ra những tầng khoa học mới mà hiện tại chưa thể tưởng tượng.

Chào đón những trí tò mò

Cơ học lượng tử có thể nghe thật kỳ lạ, nhưng nó cũng có vẻ đẹp riêng. Nó nhắc chúng ta rằng vũ trụ đầy ắp những điều bất ngờ và càng học hỏi, ta càng thấy còn quá nhiều điều để khám phá. Vậy nên, đây là một câu hỏi thú vị để bạn suy nghĩ: nếu có thể hiểu ngay một bí ẩn nào đó của vũ trụ, bạn sẽ chọn tìm hiểu thêm về vật lý lượng tử hay một điều gì khác hoàn toàn? Hãy chia sẻ nhé—chúng tôi rất háo hức được lắng nghe ý kiến của bạn!