Cơ học lượng tử áp dụng cho thế giới vĩ mô

Dưới đây Tia Sáng xin giới thiệu cùng bạn đọc bài viết  Living in a quantum world  của Vlatko Vedral, đăng trên Scientific American, số tháng 6/2011 về vấn đề này.

Sự khác biệt trong việc ứng dụng cơ học lượng tử (CHLT) không phải là do kích thước. Trong nhiều năm các nhà vật lý thấy rằng có thể quan sát được các hiệu ứng CHLT trong nhiều hệ thống vĩ mô [1].

Điểm cốt yếu ở đây là một hiện tượng lượng tử: đó là hiện tượng liên đới lượng tử.  Hiện tượng này có thể quan sát được ở những hệ vĩ mô ở nhiều nhiệt độ khác nhau (mặc dù chúng ta có thể nghĩ rằng sự dao động các phân tử có khả năng làm đứt mối liên đới).

Vlatko Vedral, Đại học Oxford & Đại học quốc gia Singapore

Thế nào là liên đới lượng tử (Quantum entanglement)?

Theo CHLT người ta có thể chế tạo một cặp hạt liên đới lượng tử (quantum entangled), hay còn gọi là cặp EPR (lấy chữ cái đầu của tên các nhà vật lý Einstein, Podolsky, Rosen), điều đó có nghĩa về mặt toán học đây là một cặp hạt mà hàm sóng f của chúng không thể viết thành tích trực tiếp hàm sóng của từng hạt: f không bằng f1 nhân trực tiếp với  f2, hay nói cách khác là các tính chất của các hạt không độc lập với nhau mà liên quan với nhau .

Có thể chế tạo một cặp hạt EPR hay không?

Nhà vật lý Pháp Alain Aspect đã đưa ra một phương pháp đơn giản để chế tạo cặp hạt liên đới lượng tử : khi một xung laser bắn vào một tinh thể có những tính chất gọi là “phi tuyến”, thì một photon biến thành một cặp photon liên đới lượng tử (với độ  dài sóng lớn hơn).
Ngoài ra hai photon có thể liên đới lượng tử nếu được sinh ra ví dụ từ phân rã của hạt p-meson trung hòa.

Tính chất lạ lùng của cặp hạt liên đới lượng tử

Cặp hạt liên đới lượng tử có một tính chất lạ lùng phát hiện bởi Einstein trong những năm 30 của thế kỷ trước: hai thực thể liên đới lượng tử dường như  được nối liền với nhau bởi một sợi dây vô hình, bí ẩn, dầu tách chúng xa nhau đến mức nào, trị riêng đo được của hạt này lại phụ thuộc vào trị riêng đo được của hạt kia, cho dù rằng chúng được tách rời nhau đến vô cực! Hiện tượng ảnh hưởng của phép  đo thực hiện trên một hạt này đối với hạt cách xa là một  hiện tượng “phi định xứ” (non-locality).

Einstein đã gọi hiện tượng này là một tác động ma quái ở khoảng cách (spooky action at a distance). Đây là một hiện tượng thuần túy cơ học  lượng tử. Trong những năm gần đây hiện tượng  liên đới lượng tử mở ra những triển vọng to lớn về viễn tải lượng tử, tính toán lượng tử và mật mã lượng tử[2].

Hiện nay nhiều nhà vật lý nghĩ rằng vật lý cổ điển chỉ là một phương thức mô tả xấp xỉ thế giới vĩ mô vốn cũng là lượng tử. Mặc dầu các hiệu ứng lượng tử khó quan sát được trong thế giới vĩ mô, song nguyên nhân chính không phải ở vấn đề kích thước mà là ở cung cách các hệ lượng tử tương tác với nhau. Thực ra các hiệu ứng đó là phổ quát hơn người ta suy nghĩ. Chúng có thể hoạt động trong các tế bào của cơ thể chúng ta. Điều này buộc chúng ta phải xét lại cách suy nghĩ của chúng ta và phải chấp nhận một cái nhìn mới về thế giới.

Vật lý cổ điển là bức tranh đen trắng của một thế giới đa màu sắc, như vậy ở đây có sự thất thoát và mất mát thông tin: từ đa màu sắc chỉ còn lại trắng đen. Và lý thuyết cổ điển không cho phép chúng ta lưu bắt được mọi sự phong phú của bức tranh thế giới. Mọi tinh tế màu sắc sẽ mất đi khi kích thước mà ta nghiên cứu lớn dần lên. Từng hạt cơ bản là lượng tử nhưng nếu xét nhiều hạt thì hệ trở nên cổ điển.

Song kích thước không phải là yếu tố chính ở đây: hãy xét nghịch lý con mèo Shrodinger. Năm 1935 ông đã đưa ra kịch bản minh họa thế giới vi mô và thế giới vĩ mô đã liên đới với nhau như thế nào, và từ đó ngăn cấm một sự phân chia tùy tiện giữa hai thế giới đó.

CHLT nói rằng một nguyên tử phóng xạ có thể đồng thời phân rã và không phân rã. Trong một buồng kín nếu nguyên tử được gắn liền với một cơ chế đầu độc con mèo thì mèo ta có thể chết nếu nguyên tử phân rã như vậy con mèo sẽ nằm trong một trạng thái hai mặt (vừa chết vừa sống) như là chính nguyên tử phóng xạ (xem hình 1). Như vậy vấn đề ở đây không phải là kích thước vì trạng thái hai mặt là chung cho cả nguyên tử phóng xạ lẫn con mèo.

Hình 1. Con mèo Schrodinger nằm trong một trạng thái hai mặt: vừa chết vừa sống.

Theo quan điểm hiện đại thế giới trông như cổ điển chỉ vì các tương tác phức tạp giữa một vật thể với các vật thể chung quanh đã che dấu các hiệu ứng lượng tử khỏi tầm nhìn của chúng ta. Thông tin về thực trạng sức khỏe của con mèo nhanh chóng rò rỉ vào môi trường dưới dạng các photon và sự trao đổi nhiệt. Nhiều hiện tượng lượng tử liên quan đến  tổ hợp của các trạng thái cổ điển (như sống và chết của con mèo) và tổ hợp ấy có khuynh hướng phát tán. Sự  thất thoát (mất mát) thông tin  xảy ra vì hiện tượng mất liên kết (decoherence).

Các đối tượng có kích thước lớn dễ dàng dẫn đến hiện tượng mất liên kết hơn là các đối tượng có kích thước bé, cũng vì đó mà các nhà vật lý chỉ xem CHLT là lý thuyết của vi mô. Trong nhiều trường hợp nếu sự rò rỉ thông tin chấm dứt (nghĩa là có liên kết) thì khía cạnh lượng tử sẽ biểu hiện toàn diện. Bản chất chính của vấn đề là hiện tượng liên đới lượng tử, danh từ do Schrodinger đưa ra năm 1935.

Trong một vật thể lớn các hạt có thể liên đới với những hạt ngoại lai do đó làm mất thông tin từ những tương tác nguyên thủy. Theo ngôn ngữ của hiệu ứng mất liên kết (decoherence) thì sự rò rỉ thông tin ra ngoài môi trường dẫn đến hệ quả là hệ bỗng biến thành cổ điển. Việc khó khăn bảo toàn tính liên đới lượng tử là thử thách cho những ai làm việc trong lĩnh vực máy tính lượng tử. Một thí nghiệm năm 2003 chứng tỏ rằng các hệ lớn có thể giữ được liên đới lượng tử nếu tìm cách làm cho sự rò rỉ thông tin giảm thiểu hoặc không xảy ra được.

Liên đới vĩ mô (macroscopic entanglement)

Sau đây là một thí nghiệm liên đới lượng tử ở mức vĩ mô. Gabriel Aeppli (Đại học College London) và cộng sự đã đặt một thỏi muối lithium fluoride trong một từ trường ngoài. Chúng ta có thể hình tượng các nguyên tử như là những thanh nam châm có spin (spinning magnet), các spin sẽ sắp cùng chiều trong trường ngoài đó là hiện tượng  từ hóa. Ở đây xuất hiện một hiệu ứng lượng tử bổ sung và các nhà vật lý cho rằng hiện tượng liên đới là bản chất của vấn đề. Xem hình 2 ta thấy dữ liệu thực nghiệm chỉ trùng với tính toán nếu chú ý đến hiệu ứng lượng tử.

Để tách khỏi các hệ quả có thể gây nên bởi chuyển động nhiệt Aeppli đã thực hiện thực nghiệm ở nhiệt độ rất thấp – một vài millikelvin.

Alexandre Martins de Souza (Trung tâm nghiên cứu vật lý Brazil, Rio de Janeiro) và cộng sự đã phát hiện hiện tượng liên đới vĩ mô trong các vật liệu như carboxylate đồng ở nhiệt độ phòng hoặc ở nhiệt độ cao hơn. Các nhà vật lý bắt đầu tìm thấy mối liên đới trong các hệ với kích thước lớn ở nhiệt độ cao.

Nhiều thí nghiệm khác chứng tỏ rằng một số lượng lớn các nguyên tử có thể liên đới với nhau và tạo nên những trạng thái mà vật lý cổ điển không tiên đoán được (xem lại hình 2)

Hình2. Liên đới vĩ mô (macroscopic entanglement) trong muối lượng tử. Các nhà vật lý đã nghĩ rằng hiệu ứng lượng tử chỉ hoạt động ở mức vi mô. Song những thí nghiệm hiện đại chứng tỏ rằng không phải như vậy. Ví dụ xét  các nguyên tử trong một tinh thể muối. Trong hình trên đây ta thấy các nguyên tử sắp cùng hướng nhanh hơn nếu sử dụng lý thuyết liên đới  lượng tử. Và dữ liệu thực nghiệm cho kết quả trùng với thuyết liên đới lượng tử.

Nếu chất rắn có thể liên đới khi chúng có kích thước lớn và có nhiệt độ thì người ta sẽ tự hỏi ngay liệu điều đó có thể xảy ra cho những cơ thể có kích thước lớn và có nhiệt độ thể hiện sự sống hay không?

Những con chim két cổ đỏ

Những con chim két cổ đỏ (robin) hằng năm di cư từ vùng Scandinavia đến những vùng ấm áp của Phi châu ở vùng xích đạo và di cư ngược lại khi miền Bắc trở lại ấm áp trong mùa xuân. Chúng bay như vậy một quãng đường dài 13.000 km một cách dễ dàng. Người ta muốn tìm hiểu cơ chế định hướng kiểu la bàn của chúng.

Năm 1970 Wolfgang và  Roswitha Wiltschko, Đại học Frankfurt, Đức làm thí nghiệm với chim robin bằng cách đặt chúng vào một từ trường nhân tạo.

Hình 3 .Chim két cổ đỏ di cư trong từ trường

Và thấy rằng chúng không phân biệt được Nam và Bắc song chúng lại phân biệt được độ nghiêng (inclination) của từ trường quả đất -nghĩa là góc mà đường từ trường làm với mặt đất, điều đó đủ cho chúng để thực hiện chuyến bay. Một điều lý thú là những con robin mù thì không có bất kỳ một phản ứng gì với từ trường, điều này có nghĩa là từ trường chỉ nhạy đối với con mắt của chúng. Năm 2000 Thorsten Ritz, Đại học Nam Florida đưa ra giả thuyết chính hiện tượng liên đới là chìa khóa của vấn đề. Dựa trên các công trình trước của Klaus Schulten, Đại học Illinois, Thorsten Ritz đưa ra giả thuyết rằng trong mắt chim robin có một loại phân tử với hai electron làm thành một cặp liên đới với spin tổng cộng bằng không. Khi các phân tử này hấp thụ ánh sáng thì các electron thu đủ năng lượng để tách rời khỏi liên đới và trở thành nhạy cảm đối với các ảnh hưởng từ bên ngoài trong đó có từ trường. Nếu từ trường có độ nghiêng thì điều này ảnh hưởng đến hai electron một cách khác nhau tạo nên một sự mất cân bằng làm thay đổi phản ứng hóa học đối với phân tử. Sự khác biệt này được chuyển thành xung lượng thần kinh tạo nên một hình ảnh của từ trường trong não bộ của chim.

Hiện tượng liên đới trong quang hợp

Quá trình  quang hợp là quá trình theo đó cây cối biến đổi ánh sáng Mặt trời thành năng lượng hóa học. Tia sáng đi đến làm bắn ra các electron và các electron này cần tìm đường đi đến một điểm: trung tâm của phản ứng hóa học tại đấy chúng trút năng lượng của mình để tạo nên các phản ứng hóa học tiếp nhiên liệu cho các tế bào của cây. Vật lý cổ điển không giải thích được hiệu quả gần lý tưởng (near-perfect) của quá trình này chỉ có CHLT mới tính được. Trong thế giới lượng tử hạt chuyển động theo nhiều quỹ đạo đồng thời. Trường điện từ trong cây cối có thể làm cho một số quỹ đạo bị triệt tiêu và một số quỹ đạo khác được cộng hưởng với nhau (liên đới) làm cho nhiều electron khỏi mất công suất trong những quỹ đạo vô ích do đó tăng khả năng quy tập về một trung tâm phản ứng hóa học cần thiết. Các kết quả này có thể dẫn đến một môn học quan trọng – sinh học lượng tử (quan tum biology).

Một số thí nghiệm quan trọng

Như trên đã nói các hiệu ứng lượng tử không giới hạn trong các hạt cơ bản mà thể hiện trong những hệ có kích thước lớn hơn, ở nhiều nhiệt độ. Bảng sau đây liệt kê một số thí nghiệm chứng tỏ điều khẳng định trên.

Hệ nghiên cứu	Vào năm	Nhiệt độ
Liên đới của 10 12 (hoặc nhiều hơn) nguyên tử trong  từ hóa  của kim loại carboxylate *	2009	630 K
Liên đới  trong các đại phân tử với 430 nguyên tử **	2010	01 K
Liên đới giữa 3 bit lượng tử trong mạch siêu dẫn ***	2010	25 milliK
Liên đới giữa dao động (chứ không phải giữa các tính chất nội tại như spin) của các ion berylium và magnesium ****	2009	0,1 milliK

*AlexandreMartins de Souza et al. (Trung tâm nghiên cứu vật lý Brazil)
** Stefen Gerlich, Sandra Eibenberger et al. (Đại học Vienna)
*** Leonardo DiCarlo, Robert J.Schoelkopf et al. (Đại học Yale, Đại học Waterloo  )
****John D.Jost, David J.Wineland et al. (Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia Mỹ)

Kết luận

Sự phân chia cổ điển và lượng tử hiện nay được xem là không cơ bản. Vấn đề kích thước không phải là bản chất cho sự phân chia. Như vậy không gian và thời gian đối với CHLT là thứ yếu và hiện tượng liên đới lượng tử lại là chính yếu. Hiện tượng này nối liên thông các hệ lượng tử không cần đến quy chiếu không thời gian.

Và chúng ta phải tìm cách giải thích không thời gian như những đột sinh từ vật lý không có không thời gian. Quan điểm này sẽ mở đường cho việc hòa hợp thuyết lượng tử với lý thuyết hấp dẫn. Như vậy không thời gian cổ điển đột sinh từ liên đới lượng tử thông qua quá trình mất liên kết (process of decoherence).

Một khả năng còn lý thú hơn: hấp dẫn không phải là một lực tự thân mà có thể là tiếng ồn dư âm đột sinh từ tính mờ (fuzziness) lượng tử của nhiều lực khác trong vũ trụ. Ý tưởng hấp dẫn cảm ứng (induced gravity) là của  Andrei Sakharov hình thành trong năm 1960. Nếu điều này là đúng thì việc xem hấp dẫn như một lực cơ bản là một việc mơ hồ và các cố gắng lượng tử hóa hấp dẫn chỉ là một điều lầm lạc. Hấp dẫn thậm chí không tồn tại ở mức lượng tử.

                                            CC. biên dịch
————————
Tài liệu tham khảo:
[1] Luigi Amico, Rosario Fazio, Andreas Osterloh and
Vlatko Vedral, Entanglement in Many-Body Systems,   Reviews of Modern Physics, Vol. 80, No. 2, pages 517–576; May 6, 2008.
[2] Cao Chi, Vật lý hiện đại, những vấn đề thời sự từ Bigbounce đến vũ trụ toàn ảnh, NXB Tri thức, 2011