Hạt và sóng: Trung tâm huyền bí của cơ học lượng tử - Chad Orzel

Một trong những thứ tuyệt diệu nhất trong vật lý chính là mọi thứ trong vũ trụ, từ ánh sáng đến electron đến nguyên tử, đều đồng thời có đặc tính cả hạt và sóng. Thế nhưng làm thế nào để các nhà vật lý đưa đến kết luận dị thường này? Chad Orzel đã kể lại những nghiên cứu của nhà khoa học, những con người thừa kế nghiên cứu của những người đi trước để đi đến "trung tâm của sự bí ẩn" của vật lý lượng tử.

Một trong những thực tế đáng ngạc nhiên
trong vật lý, đó là:

mọi vật trong vũ trụ, từ ánh sáng
tới electron tới nguyên tử,

có đặc tính hạt và sóng
đồng thời.

Trong tất cả những điều kỳ quặc,
hẳn bạn đã từng nghe về vật lý lượng tử,

con mèo của Schrodinger, trò xúc xắc của Chúa,
những hành động như quỷ ám ở khoảng cách xa,

tất cả chúng sinh ra trực tiếp
từ thực tế rằng

mọi vật đều có bản chất sóng và hạt.

Điều này nghe có vẻ điên rồ.

Nếu bạn quan sát xung quanh, bạn sẽ thấy
sóng nước và các hạt đá,

và chúng không có gì giống nhau.

Vậy tại sao bạn không nghĩ kết hợp chúng?

Các nhà vật lý không quyết định kết hợp
chúng với nhau một cách ngẫu nhiên.

Đúng hơn là, chúng dẫn tới
bản chất đối ngẫu của vũ trụ

thông qua 1 quá trình gồm nhiều bước nhỏ,

gắn nhiều dấu hiệu với nhau
như những mảnh ghép trong trò xếp hình.

Người đầu tiên đề xuất chính thức
bản chất lưỡng tính của ánh sáng

là Albert Einstein năm 1905,

nhưng ông ấy đã lấy
1 ý tưởng trước đó từ Max Planck.

Planck giải thích màu sắc của ánh sáng
phát ra từ vật nóng,

giống như sợi trong 1 dải ánh sáng,

nhưng để làm điều đó,
ông cần 1 trò lừa kinh điển:

ông nói vật thể được tạo ra từ
những phần tử dao động

chỉ có thể phát xạ ánh sáng
trong khoảng riêng biệt,

lượng năng lượng phụ thuộc vào
tần số ánh sáng.

Planck chưa bao giờ thực sự thỏa mãn với điều này,
nhưng Einstein đã lấy ý tưởng đó và thực hiện.

Ông đưa ý tưởng của Planck vào ánh sáng,
nói rằng,

ánh sáng mà mọi người biết có dạng sóng,
thực ra là 1 dòng các photons,

mỗi photon mang năng lượng nhất định.

Chính Einstein đã gọi điều này là
cuộc cách mạng thực sự ông đã làm,

nhưng nó giải thích cách mà ánh sáng
chiếu vào bề mặt kim loại làm mất electrons.

Cả những người không thích ý tưởng này
cũng phải thừa nhận rằng nó rất xuất sắc.

Mảnh ghép tiếp theo đến từ
Ernest Rutherford tại Anh.

Năm 1909, Enerst Marsden và Hans Geiger,
làm việc cho Rutherford,

đã bắn hạt alpha vào nguyên tử vàng

và bị sửng sốt khi nhận ra rằng
một vài hạt đã bật ngược trở lại.

Điều này chỉ ra hầu hết khối lượng nguyên tử
tập trung trong hạt nhân nhỏ bé.

Mô hình nguyên tử bạn học
ở các trường trung học,

với quỹ đạo của electrons
giống như hệ mặt trời thu nhỏ,

đó là của Rutherford.

Có 1 vấn đề nho nhỏ với
nguyên tử của Rutherford: nó không đúng.

Vật lý cổ điển cho chúng ta biết rằng
1 electron

chạy xung quanh 1 vòng tròn
phát xạ ánh sáng,

và chúng ta sử dụng điều này liên tục
để phát sóng radio và tia X.

Nguyên tử của Rutherford sẽ bắn ra tia X
theo mọi hướng ngay lập tức

trước khi electron theo đường xoắn ốc
rơi vào hạt nhân.

Nhưng Neils Bohr, một nhà vật lý lý thuyết
Đan Mạch làm việc cùng với Rutherford,

đã chỉ ra rằng nguyên tử đó
thực sự tồn tại,

vì vậy có thể các định luật vật lý
cần thay đổi.

Bohr đề xuất rằng 1 nguyên tử
với quỹ đạo đặc trưng nhất định

không phát xạ ra ánh sáng nào cả.

Nguyên tử hấp thụ và phát xạ ánh sáng
chỉ khi electrons thay đổi quỹ đạo,

và tần số ánh sáng
phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng

theo cách mà Planck và Einstein
đã giới thiệu.

Nguyên tử Bohr khắc phục
vấn đề của Rutherford

và giải thích tại sao nguyên tử chỉ phát xạ
ánh sáng có màu nhất định.

Mỗi nguyên tố có quỹ đạo
riêng đặc biệt của nó,

và do đó cho ra tần số duy nhất của nó.

Mô hình Bohr chỉ có 1 vấn đề nho nhỏ:

không có lý do nào cho những quỹ đạo đó
trở thành đặc biệt.

Nhưng Louis de Broglie,
1 thạc sĩ người Pháp,

đã khép lại mọi nghi ngờ.

Ông chỉ ra rằng nếu ánh sáng,
cái mà mọi người đã biết ở dạng sóng,

có đặc tính hạt,

có lẽ electron,
cái mọi người đều biết ở dạng hạt,

cũng có đặc tính dạng sóng.

Và nếu electron là sóng,

thật dễ để giải thích quy luật của Bohr
cho những quỹ đạo đặc biệt đó.

Một khi bạn có ý tưởng
electron có đặc tính sóng,

bạn có thể đi tìm nó.

Và trong vòng vài năm,
các nhà khoa học tại US và UK

đã quan sát thấy các đặc tính sóng
từ electrons.

Ngày nay chúng ta có một minh họa
sinh động rõ ràng cho điều này:

bắn 1 electron vào 1 tấm chắn
có những khe hỡ ở giữa.

Mỗi electron được nhận biết
ở 1 vị trí nhất định trong 1 thời điểm nhất định,

giống như 1 hạt.

Nhưng khi bạn lặp lại thí nghiệm
nhiều lần,

tất cả dấu vết các electron độc lập này
tạo thành dạng dải,

đặc tính của sóng.

Ý tưởng hạt có tính sóng,
và ngược lại,

là một trong những điều kỳ lạ nhất
và quan trọng nhất trong vật lý.

Richard Feynman nổi tiếng đã nói

điều này minh họa cho trung tâm huyền bí
của cơ học lượng tử.

Mọi thứ đều tuân theo quan điểm này,

như những mảnh ghép của trò xếp hình
rơi vào đúng vị trí.