Vật lý ở quy mô nhỏ nhất
Vật lý lượng tử
Vật lý lượng tử nghiên cứu vật chất và năng lượng trong đó các nguyên tử, hạt và trường ngừng hoạt động như những quả bóng bi-a nhỏ và bắt đầu hoạt động như xác suất, sóng và các gói rời rạc.
Nó giải thích điều gì
Vật lý cổ điển mô tả những quả táo rơi, các hành tinh, động cơ và sóng trong nước. Vật lý lượng tử giải thích lớp bên dưới: tại sao các nguyên tử ổn định, tại sao ánh sáng có thể đến trong các gói gọi là photon, tại sao các electron chỉ chiếm những mức năng lượng nhất định và tại sao phép đo làm thay đổi những gì có thể biết về một hệ thống. Đó là lý thuyết được sử dụng khi trực giác hàng ngày trở nên quá thô thiển để mô tả tự nhiên một cách chính xác.
Ý tưởng lượng tử bắt đầu như thế nào
Từ lượng tử đề cập đến một lượng riêng biệt. 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. Những manh mối này gợi ý rằng năng lượng không phải lúc nào cũng liên tục. Đến những năm 1920, các nhà vật lý đã xây dựng được một lý thuyết toán học mới cho nguyên tử, ánh sáng và các hạt hạ nguyên tử.
Hạt và sóng
Các vật thể lượng tử không hoàn toàn phù hợp với các loại hạt hoặc sóng. Các electron có thể tấn công máy dò dưới dạng các sự kiện cục bộ, nhưng hành vi của chúng trước khi được phát hiện được mô tả bằng xác suất giống như sóng. Ánh sáng có thể lan truyền và giao thoa như sóng nhưng nó được trao đổi dưới dạng photon. Vật lý lượng tử coi hành vi kép này như một đặc điểm cơ bản của lý thuyết chứ không phải là một sự nhầm lẫn tạm thời.
Phần kỳ lạ
Một vật thể lượng tử được mô tả bằng hàm sóng, một bản tóm tắt toán học về các kết quả có thể xảy ra. Trước khi đo lường, lý thuyết thường dự đoán các xác suất hơn là một kết quả cố định. Đây là lý do tại sao vật lý lượng tử có cảm giác phản trực giác: nó coi sự bất định như một phần cấu trúc của tự nhiên, chứ không chỉ là lỗ hổng trong kiến thức của con người. Tuy nhiên, lý thuyết này không mơ hồ. Dự đoán xác suất của nó là một trong những dự đoán chính xác nhất trong khoa học.
Đo lường và độ không đảm bảo
Phép đo trong vật lý lượng tử không chỉ là nhìn vào một vật thể nhỏ bé có sẵn. Hành động đo lường là một phần của sự tương tác vật lý tạo ra kết quả. Nguyên lý bất định nói rằng một số cặp đại lượng nhất định, chẳng hạn như vị trí và động lượng, không thể được gán cho cả hai độ chính xác vô hạn cùng một lúc. Đây là một giới hạn được xây dựng trong trạng thái lượng tử chứ không chỉ đơn thuần là điểm yếu của các công cụ.
Tại sao nó quan trọng
Công nghệ hiện đại dựa trên ý tưởng lượng tử. 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 vào sự chuyển đổi lượng tử chính xác. Máy MRI, pin mặt trời, đèn LED, bóng bán dẫn và nhiều mô hình hóa học đều phụ thuộc vào lý thuyết lượng tử. Điện toán lượng tử khám phá liệu sự chồng chất và sự vướng víu có thể giải quyết một số vấn đề nhất định theo những cách 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 và sự sụp đổ khách quan đưa ra những bức tranh khác nhau về thực tế đằng sau những dự đoán thực nghiệm giống nhau. Cuộc tranh luận quan trọng vì vật lý lượng tử không chỉ là một bộ công cụ; nó cũng thách thức các ý tưởng về quan hệ nhân quả, thông tin và những gì được coi là sự thật vật lý.