Nhà vật lý gốc Việt giải bài toán dao động điều hòa tắt dần lượng tử tồn tại 90 năm

Một sợi dây đàn guitar, khi được gẩy lên, có thể rung động vài dây trước khi rơi vào tĩnh lặng trở lại. Một cái xích đu, nếu không có người ngồi lên đó, cuối cùng cũng sẽ trở về trạng thái tĩnh tại. Tất cả những điều đó là cái mà các nhà vật lý gọi là ‘các dao động điều hòa tắt đần”, vốn được hiểu tốt trong định luật chuyển động của Newton.

Nhưng trong thế giới bé nhỏ của các nguyên tử, những điều như vậy quả là kỳ lạ – và được vận hành dưới những quy tắc kỳ quặc của vật lý lượng tử. GS trường ĐH Vermont Dennis Clougherty và sinh viên của ông, nghiên cứu sinh gốc Việt là Nam. H. Đinh tự hỏi, liệu các hệ trong thế giới nguyên tử hành xử như chuyển động rung của một sợi dây guitar trong thế giới của Newton không. “Nếu như vậy thì chúng ta có thể xây dựng được một lý thuyết lượng tử của một dao động điều hòa tắt dần không?, Clougherty tự đặt câu hỏi.

Trong một nghiên cứu xuất bản vào ngày 7/7/2025 trên tạp chí Physical Review Research, ông và Nam. H. Đinh đã nêu kết quả: phát hiện ra một giải pháp chính xác cho một mô hình về hành xử như một “dao động điều hòa lượng tử tắt dần”, họ viết – một dạng chuyển động giống sợi dây đàn tại cấp độ các nguyên tử.

Hóa ra là gần chín thập niên, các nhà lý thuyết đã cố gắng miêu tả những hệ điều hòa tắt dần bằng vật lý lượng tử – nhưng với thành công rất khiêm tốn. “Sự phức tạp bao gồm việc bảo vệ được nguyên lý bất định Heisenberg, một nguyên lý trụ cột của vật lý lượng tử”, Clougherty, một giáo sư vật lý tại UVM kể từ năm 1992.

Không giống như thế giới như chúng ta đang sống, sự nẩy của những trái bóng hoặc các tên lửa phóng theo hình cung, nguyên lý bất định Heisenberg nổi tiếng chứng tỏ là có một giới hạn cơ bản về độ chính xác mà vị trí và động lượng của một hạt  không thể được biết một cách đồng thời. Tại cấp độ một nguyên tuể, một đặc tính càng được đo đạc chính xác hơn thì tính chất còn lại càng được biết một cách thiếu chính xác hơn.

Một mô hình mà các nhà vật lý UVM nghiên cứu được xây dựng từ lý thuyết của nhà vật lý Anh Horace Lamb vào năm 1900, trước khi cả Werner Heisenberg ra đời, và trước cả sự phát triển của vật lý lượng tử. Lamb quan tâm đến việc miêu tả sự giao động của một hạt trong một chất rắn có thể sẽ mất năng lượng trong chất rắn. Với định luật chuyển động của Newton, Lamb chứng tỏ là các sóng đàn hồi được tạo ra từ chuyển động hình thành từ phản hồi của chính hạt này và là nguyên nhân gây nên sự tắt dần – đó là, để rung động với sự mất mát dần năng lượng theo thời gian.

“Trong vật lý cổ điển, khi các vật thể rung động hoặc dao động, chúng mất dần năng lượng do ma sát, kháng không khí và nhiều thứ khác”, Nam. H. Đinh nói. “Nhưng điều đó không rõ ràng với cơ chế lượng tử”.

Clougherty và Nam. H. Đinh (tốt nghiệp UVM năm 2024 với bằng cử nhân vật lý, năm 2025 với bằng ThS và giờ là nghiên cứu sinh toán tại UVM) đã tái xây dựng mô hình của Lamb cho thế giới lượng tử và tìm lời giải cho nó.

“Để bảo vệ nguyên lý bất định, cần phải đưa vào chi tiết sự tương tác của nguyên tử với những nguyên tử khác trong chất rắn”, Clougherty giải thích. “Đó là bài toán hệ nhiều hạt”.

Vậy họ đã giải thích bài toán này như thế nào? Hãy ngồi yên trên ghế của mình để nghe lời giải. “Thông qua một biến đổi Bogoliubov đa phương thức để chéo hóa hệ Hamilton và cho phép xác định các đặc tính của nó”, họ viết trong bài báo, thu được một trạng thái gọi là “chân không ép đa phương thức”. Nếu vẫn còn chưa hiểu thì có thể nói một cách đơn giản là các nhà nghiên cứu UVM đã có thể tái thiết kế về mặt toán học hệ của Lamb, vì vậy hành xử dao động của một hạt nhân có thể được miêu tả một cách đầy đủ trong những thuật ngữ chính xác hơn.

Nguyễn Thanh dịch từ University of Vermont

Nguồn: https://www.uvm.edu/uvmnews/news/lamb-quantum-clothing