Lượng tử là gì mà ai cũng nhắc đến: khi năng lượng đi theo từng bậc chứ không chảy liền mạch | Viết bởi sonradio

Máy tính lượng tử, mã hóa lượng tử, chip lượng tử, thậm chí cả máy lọc nước hay mỹ phẩm "lượng tử". Chữ này xuất hiện khắp nơi, đến mức Liên Hợp Quốc chọn năm 2025 làm Năm Quốc tế Khoa học và Công nghệ Lượng tử, đánh dấu 100 năm cơ học lượng tử hiện đại ra đời. Nhưng ý tưởng cốt lõi của nó lại khá dễ hình dung: ở thế giới rất nhỏ, năng lượng không chảy liền mạch như nước mà đi theo từng phần nhỏ nhất định. Từ "quantum" trong tiếng Latin cũng chỉ có nghĩa là "bao nhiêu".

Năm 1900: Planck chia năng lượng thành từng gói

Cuối thế kỷ 19, các nhà vật lý gặp một bài toán tưởng đơn giản: một vật nóng phát ra ánh sáng với những màu nào và mạnh tới đâu. Các công thức thời đó không khớp hoàn toàn với số liệu đo được. Bài toán này được gọi là bức xạ vật đen.

Năm 1900, nhà vật lý người Đức Max Planck tìm ra một công thức khớp chính xác với thực nghiệm, nhưng để giải thích nó, ông phải giả định rằng năng lượng chỉ được phát ra và hấp thụ theo từng gói rời rạc, gọi là lượng tử. Năng lượng của mỗi gói tỷ lệ với tần số ánh sáng, theo công thức E = hf. Hằng số h, nay gọi là hằng số Planck, có giá trị rất nhỏ, đúng bằng 6,62607015 × 10 mũ trừ 34 jun nhân giây (J·s), và từ năm 2019 được dùng để định nghĩa đơn vị kilogam. Vì h rất nhỏ, ta không cảm nhận được các bậc năng lượng trong đời thường. Planck nhận giải Nobel Vật lý năm 1918 cho phát hiện này.

Max Planck năm 1938, ảnh của Hugo Erfurth. Năm 1900, ông đưa ra giả thuyết năng lượng được phát ra và hấp thụ theo từng gói nhỏ, mở đầu cho vật lý lượng tử

Einstein, Bohr và cầu thang năng lượng

Năm 1905, Albert Einstein đẩy ý tưởng của Planck đi xa hơn. Ông cho rằng bản thân ánh sáng gồm những gói năng lượng, về sau gọi là photon. Cách nghĩ này giải thích hiệu ứng quang điện, hiện tượng ánh sáng chiếu vào kim loại làm bật electron ra. Với nhiều kim loại, chiếu ánh sáng đỏ mạnh tới đâu cũng không bật được electron, trong khi ánh sáng có tần số cao hơn, dù yếu, lại làm được, vì điều quyết định là năng lượng của từng photon chứ không phải tổng lượng ánh sáng. Einstein nhận giải Nobel Vật lý năm 1921 chính cho công trình này, chứ không phải cho thuyết tương đối.

Năm 1913, Niels Bohr áp dụng ý tưởng lượng tử vào nguyên tử hydro. Theo mô hình của ông, electron chỉ được ở trên một số quỹ đạo có mức năng lượng xác định, giống như chỉ được đứng trên các bậc cầu thang. Khi nhảy từ bậc cao xuống bậc thấp, electron phát ra một photon mang đúng phần năng lượng chênh lệch. Đó là lý do khí hydro nóng sáng không cho ra dải cầu vồng liền mạch mà chỉ có vài vạch màu tách rời, như vạch đỏ 656 nm và vạch xanh 486 nm.

Sơ đồ minh họa: năng lượng của electron trong nguyên tử giống cầu thang hơn là con dốc. Mỗi cú nhảy giữa hai bậc tạo ra một vạch màu riêng trong quang phổ hydro

Năm 1923, Louis de Broglie đề xuất điều ngược lại: nếu ánh sáng có thể cư xử như hạt thì hạt như electron cũng có thể cư xử như sóng. Năm 1925 và 1926, Werner Heisenberg, Max Born, Pascual Jordan và Erwin Schrödinger xây dựng phần toán học hoàn chỉnh, khai sinh cơ học lượng tử hiện đại.

Thí nghiệm hai khe cho thấy điều này rõ nhất. Năm 1989, nhóm nghiên cứu của Akira Tonomura tại Hitachi bắn electron vào một thiết bị chia đôi đường đi, mỗi giây chỉ khoảng 10 electron, nên trong kính hiển vi không bao giờ có hai electron cùng lúc. Mỗi electron chạm màn hình như một hạt, để lại một chấm sáng ở vị trí ngẫu nhiên. Nhưng sau khoảng 20 phút, hàng chục nghìn chấm xếp thành những vân sáng tối xen kẽ, kiểu vân chỉ xuất hiện khi sóng đi qua cả hai phía rồi giao thoa với nhau.

Thí nghiệm của nhóm Akira Tonomura (Hitachi) năm 1989: từng electron được bắn đi riêng lẻ và chạm màn như những chấm ngẫu nhiên, nhưng khi tích lũy đủ nhiều, các chấm xếp thành những vân giao thoa giống sóng

Lượng tử nằm ngay trong túi bạn

Nghe có vẻ trừu tượng, nhưng cơ học lượng tử là nền tảng của phần lớn đồ điện tử hiện nay. Những ứng dụng quen thuộc gồm:

Transistor và chip bán dẫn : cách electron di chuyển trong silicon chỉ giải thích được bằng các mức năng lượng lượng tử. Laser : dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích mà Einstein mô tả năm 1917. Đèn LED : mỗi electron rơi xuống một mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon có màu xác định. Máy chụp cộng hưởng từ (MRI) và kính hiển vi điện tử trong y học và nghiên cứu.

Máy tính lượng tử, thứ hay được nhắc tới nhất hiện nay, đi thêm một bước: thay vì chỉ tận dụng các mức năng lượng, nó điều khiển trực tiếp trạng thái lượng tử của từng hạt để tính toán. Còn chữ "lượng tử" trên máy lọc nước hay mỹ phẩm chủ yếu là cách gọi tiếp thị, vì lượng tử là cách mọi vật chất vận hành ở cấp độ nguyên tử chứ không phải một tính năng thêm vào.

Nguồn: Wikipedia: Quantum mechanics , Wikipedia: Max Planck , Wikipedia: Photoelectric effect , Wikipedia: Bohr model , Hitachi , American Journal of Physics , Wikipedia: International Year of Quantum Science and Technology