Vật lý lượng tử
Vật lý lượng tử nghiên cứu vật chất, năng lượng, hạt và trường ở quy mô mà trực giác cổ điển bị phá vỡ. Nó giải thích tại sao các nguyên tử ổn định, tại sao ánh sáng có thể đến theo từng gói, tại sao kết quả thường mang tính xác suất và tại sao các công cụ hiện đại như laser, bóng bán dẫn, đồng hồ nguyên tử, MRI và máy tính lượng tử đều có thể sử dụng được.
Vật lý lượng tử giải thích điều gì
Vật lý cổ điển mô tả các hành tinh, vật thể rơi, động cơ, sóng âm và phần lớn chuyển động hàng ngày. Vật lý lượng tử giải thích lớp bên dưới: nguyên tử, electron, photon, phân tử, chất bán dẫn, liên kết hóa học, phân rã phóng xạ và hành vi của vật chất và năng lượng ở quy mô rất nhỏ. Đó là khuôn khổ mà các nhà khoa học sử dụng khi những ý tưởng thông thường về những con đường xác định và năng lượng liên tục ngừng hoạt động.
Ý tưởng lượng tử bắt đầu như thế nào
Từ lượng tử có nghĩa là một lượng rời rạc. Khoảng năm 1900, Max Planck phát hiện ra rằng các vật thể nóng tỏa năng lượng theo cách hợp lý nếu năng lượng ở dạng gói nhỏ. Albert Einstein sau đó đã sử dụng lượng tử ánh sáng để giải thích hiệu ứng quang điện. Niels Bohr áp dụng các mức năng lượng lượng tử hóa cho các nguyên tử, và đến thập niên 1920, Werner Heisenberg, Erwin Schrodinger, Max Born, Paul Dirac và những người khác đã xây dựng lý thuyết toán học về cơ học lượng tử.
Hạt và sóng
Các vật thể lượng tử không khớp hoàn toàn với các loại hạt hoặc sóng cũ. Một electron có thể chạm vào máy dò như một sự kiện cục bộ, nhưng hành vi của nó trước khi được phát hiện được mô tả bằng xác suất giống như sóng. Ánh sáng có thể lan truyền, giao thoa và nhiễu xạ giống như sóng, nhưng nó được phát ra và hấp thụ dưới dạng photon. Vật lý lượng tử coi hành vi sóng-hạt này như một đặc điểm cơ bản của tự nhiên, không phải là sự nhầm lẫn tạm thời.
Hàm sóng và xác suất
Một hệ lượng tử được mô tả bằng hàm sóng hay nói chung hơn là bằng trạng thái lượng tử. Đối tượng toán học này thường không cho chúng ta biết một tương lai được đảm bảo. Nó đưa ra biên độ xác suất cho phép các nhà khoa học tính toán khả năng xảy ra các kết quả đo lường khác nhau. Lý thuyết này mang tính xác suất nhưng không lỏng lẻo: những dự đoán của nó có thể cực kỳ chính xác khi hệ thống và thí nghiệm được mô tả rõ ràng.
Đo lường và độ không đảm bảo
Phép đo trong vật lý lượng tử không chỉ là việc nhìn một cách thụ động vào một vật thể nhỏ bé đã có mọi đặc tính cố định. Đo lường là sự tương tác vật lý giúp tạo ra kết quả. Nguyên lý bất định nói rằng một số cặp thuộc tính, chẳng hạn như vị trí và động lượng, không thể được ấn định cùng một lúc với độ chính xác vô hạn. Giới hạn này được xây dựng thành các trạng thái lượng tử chứ không chỉ đơn thuần do các thiết bị kém chất lượng gây ra.
Sự chồng chất và sự vướng víu
Sự chồng chất có nghĩa là trạng thái lượng tử có thể được mô tả như sự kết hợp của các kết quả có thể xảy ra trước khi đo. Sự vướng víu có nghĩa là hai hoặc nhiều hệ thống có thể chia sẻ một mô tả lượng tử được liên kết ngay cả khi tách rời. Sự vướng víu không cho phép con người gửi tin nhắn nhanh hơn ánh sáng, nhưng nó tạo ra những mối tương quan không thể giải thích được bằng những bức tranh cổ điển đơn giản về những vật thể độc lập mang những câu trả lời được viết sẵn.
Tại sao nó quan trọng
Vật lý lượng tử không chỉ là một lý thuyết xa lạ đối với các phòng thí nghiệm. Chất bán dẫn phụ thuộc vào hành vi của điện tử trong chất rắn. Laser sử dụng sự phát xạ photon có kiểm soát. Đồng hồ nguyên tử dựa trên sự chuyển đổi lượng tử. Máy MRI, đèn LED, pin mặt trời, kính hiển vi điện tử, mô hình hóa học và nhiều cảm biến phụ thuộc vào lý thuyết lượng tử. Điện toán lượng tử và truyền thông lượng tử khám phá xem liệu sự chồng chất và sự vướng víu có thể hỗ trợ các loại xử lý thông tin mới hay không.
Điều còn đang tranh cãi
Các nhà vật lý nhìn chung đều đồng ý về cách tính các kết quả lượng tử, nhưng không phải tất cả họ đều đồng ý về ý nghĩa của toán học. Những cách giải thích như Copenhagen, nhiều thế giới, lý thuyết sóng thí điểm, cơ học lượng tử quan hệ và các mô hình sụp đổ khách quan đưa ra những bức tranh khác nhau về thực tế đằng sau những dự đoán thực nghiệm tương tự. Cuộc tranh luận quan trọng vì vật lý lượng tử thách thức những ý tưởng cũ hơn về quan hệ nhân quả, thông tin, vị trí, phép đo và những gì được coi là thực tế vật lý.