Con mèo của Schrödinger: Một thí nghiệm tưởng tượng trong cơ học lượng tử - Chad Orzel

Xem toàn bộ bài học tại: http://ed.ted.com/lessons/schrodinger-s-cat-a-thought-experiment-in-quantum-mechanics-chad-orzel

Nhà vật lý người Áo Erwin Schrödinger, một trong những người sáng lập cơ học lượng tử, đã đặt ra câu hỏi nổi tiếng sau đây: Nếu bạn đặt một con mèo trong hộp kín cùng với thiết bị có 50% khả năng giết chết nó trong một giờ tới, tình trạng của con mèo sẽ như thế nào khi hết thời gian? Chad Orzel sẽ xem xét thí nghiệm tưởng tượng này.

Bài học của Chad Orzel, hoạt họa bởi Agota Vegso.

Nhà Vật Lý người Áo Erwin Schrödinger

là một trong những người
sáng lập cơ học lượng tử,

nhưng nổi tiếng nhất với ý tưởng
ông không bao giờ làm:

thí nghiệm tưởng tượng liên quan đến mèo.

Ông tưởng tượng đặt một con mèo
trong hộp kín

cùng với một thiết bị có 50% khả năng

giết chết nó trong một giờ tới.

Khi thời gian kết thúc, ông hỏi:
"Tình trạng con mèo sẽ như thế nào?"

Theo trực quan thông thường
thì con mèo

hoặc là sống, hoặc là chết,

nhưng Schrödinger chỉ ra rằng
theo vật lý lượng tử,

tại thời khắc trước khi mở chiếc hộp,

con mèo đều vừa sống và chết.

Chỉ cho đến khi mở chiếc hộp ra

ta mới biết tình trạng thật sự
của con mèo.

Còn trước đó, con mèo là
một xác suất không rõ ràng,

nửa thế này, nửa thế kia.

Điều đó có vẻ vô lý,
và cũng chính là ý của Schrödinger.

Ông nhận thấy vật lý lượng tử
quá phiền toái triết học,

đến nỗi ông phải bỏ
lý thuyết đã đóng góp

và chuyển sang viết về Sinh Học.

Mặc dù nó có vẻ vô lý,
con mèo của Schrödinger là rất thật.

Thực tế, nó khá quan trọng.

Nếu vật chất lượng tử không thể
ở hai trạng thái cùng một lúc,

thì sẽ không có máy tính bạn đang dùng
để xem cái này.

Hiện tượng lượng tử của sự chồng chập

là kết quả của bản chất kép:
hạt và sóng của mọi vật.

Để một vật có bước sóng,

nó phải mở rộng
tới nhiều vùng không gian,

nghĩa là giữ nhiều vị trí
tại một thời điểm.

Bước sóng của một vật

bị giới hạn
trong vùng không gian nhỏ

không thể hoàn toàn xác định được.

Vì thế, tồn tại nhiều bước sóng khác nhau
tại cùng thời điểm.

Chúng ta không thấy được những sóng này
trong các vật hàng ngày

vì bước sóng giảm khi động lượng tăng.

Và con mèo thì tương đối lớn và nặng.

Lấy một nguyên tử

và phóng to bằng kích thước Hệ Mặt Trời,

đối với nhà vật lý,
bước sóng của con mèo

cũng chỉ nhỏ như một nguyên tử
trong Hệ Mặt Trời.

Nó quá nhỏ để phát hiện,

vậy nên, ta không bao giờ thấy được
hành vi sóng của con mèo.

Một hạt nhỏ, như electron,

có thể chỉ ra bằng chứng mạnh mẽ
của bản chất kép.

Nếu lần lượt bắt từng hạt electron

vào một màn có hai khe hẹp,

mỗi electron sẽ xuất hiện ở màn chắn
tại một điểm,

vào một thời điểm nhất định,
như một hạt.

Lặp lại thí nghiệm nhiều lần,

theo dõi tất cả những dấu vết đơn lẻ,

bạn sẽ thấy chúng tạo thành tiêu bản

thể hiện tính chất của sóng:

một tập hợp các sọc -

gồm các vùng nhiều electron

được ngăn cách
bởi các vùng trống không.

Ngăn một khe lại,
các sọc biến mất.

Điều đó chỉ ra rằng tiêu bản
là kết quả của mỗi electron

đi qua cả hai khe cùng một lúc.

Một electron không chọn
đi sang trái hay sang phải

mà đồng thời cả hai.

Sự chồng chập trạng thái này
cũng mang đến công nghệ hiện đại.

Một electron gần hạt nhân nguyên tử

chuyển động trong quỹ đạo phân tán,
giống như sóng.

Đưa hai nguyên tử lại gần nhau,

electron sẽ không phải
chọn một nguyên tử

mà được chia sẻ giữa chúng.

Đó là cách hình thành một số
liên kết hóa học.

Một electron trong phân tử không chỉ

ở nguyên tử A hay B, mà là cả A+B.

Thêm nguyên tử,
electron càng phân tán,

chia sẻ giữa số lượng lớn nguyên tử
cùng một lúc.

Electron trong chất rắn không giới hạn
trong một nguyên tử nào

mà được chia sẻ giữa chúng,
mở rộng ra một khoảng không gian lớn.

Sự chồng chập khổng lồ
của trạng thái này

quyết định cách electron di chuyển
quanh các chất liệu,

để xác định chất dẫn điện, chất cách điện
hoặc chất bán dẫn.

Hiểu làm thế nào electron được
chia sẻ giữa các nguyên tử

cho phép chúng ta kiểm soát chính xác

tính chất của vật liệu bán dẫn,
ví dụ như silicon.

Kết hợp nhiều vật bán dẫn đúng cách

cho phép ta tạo ra bóng bán dẫn
ở tỷ lệ siêu nhỏ,

hàng triệu bóng
trong một chip máy tính.

Con chip và electron phân tán
tiếp năng lượng cho chiếc máy tính

bạn đang dùng để xem video này.

Có lời nói đùa rằng Internet tồn tại

cho phép ta chia sẻ video về mèo.

Xem xét ý nghĩa sâu xa,
quả thật Internet mắc nợ

nhà Vật Lý người Áo kia và
con mèo tưởng tượng của ông.