Thí nghiệm Stern-Gerlach: Sứ mệnh lịch sử ?

Tuy không được ghi nhận bằng giải thưởng Nobel nhưng thí nghiệm Stern-Gerlach lại có vai trò rất quan trọng trong việc xác nhận đặc tính lượng tử trong thế giới vi mô. Sứ mệnh lịch sử của nó vẫn còn đến tận hôm nay và cả trong tương lai.

Trước khi khái niệm về “con mèo” của Erwin Schrödinger (Schrödinger cat) có thể tồn tại đồng thời ở cả hai trạng thái, trạng thái sống và trạng thái chết, được đưa ra (năm 1935) và trước cả khi quan sát được hiện tượng các điện tử chất điểm lại hành xử như sóng khi đi qua các khe hẹp (năm 1924), một thí nghiệm ít được biết đến hơn đã vén bức màn về vẻ đẹp kỳ bí của thế giới lượng tử. Năm 1922, hai nhà vật lý người Đức là Otto Stern và Walther Gerlach đã chứng tỏ được rằng hành vi của các nguyên tử bị điều khiển bởi những quy luật thách thức mọi kỳ vọng – những gì mà Otto Stern và Walther Gerlach quan sát được đã củng cố nền tảng của lý thuyết cơ học lượng tử. một lý thuyết mà lúc đó vẫn đang còn ở giai đoạn chớm nở.

Bretislav Friedrich, nhà vật lý và sử gia có tiếng tại Viện Fritz Haber ở Đức, người gần đây đã xuất bản một bài tổng quan và biên tập một cuốn sách về chủ đề này, cho biết: “Thí nghiệm Stern-Gerlach là một biểu tượng – đó là một thí nghiệm mang tính lịch sử. Nó thực sự là một trong những thí nghiệm vật lý quan trọng nhất mọi thời đại.”

Cách giải thích về thí nghiệm Stern-Gerlach cũng gây ra nhiều tranh cãi trong nhiều thập kỷ. Cuối cùng, trong những năm gần đây, các nhà vật lý ở Israel đã có thể thiết kế một thí nghiệm với độ nhạy cần thiết để làm rõ cách chúng ta cần hiểu chính xác về các quá trình lượng tử cơ bản đang diễn ra. Với thiết kế đó, các nhà vật lý Israel đã tạo ra một kỹ thuật mới để khám phá ranh giới của thế giới lượng tử. Hiện nay họ đang nỗ lực sửa đổi/nâng cấp thiết kế của thí nghiệm Stern-Gerlach – thí nghiệm có tuổi đời hơn cả một thế kỷ – với mục đích để thăm dò bản chất của lực hấp dẫn – và có lẽ sẽ xây dựng được một cầu nối giữa hai trụ của vật lý hiện đại là vật lý lượng tử và thuyết tương đối.

Vậy là để được đánh giá một cách đúng đắn, thí nghiệm Stern-Gerlach đã phải đi qua chặng đường một thế kỷ, không chỉ cho sự xác lập tính đúng của cơ học lượng tử mà còn mở ra cầu nối quan trọng này. 

Làm bay hơi bạc

Vào năm 1921, vẫn còn nhiều tranh cãi về quan điểm cho rằng các định luật vật lý ở quy mô nhỏ nhất là rất khác so với các định luật vật lý thông thường. Lúc bấy giờ mấu chốt của các cuộc tranh luận là sự xuất hiện của một lý thuyết mới có tính áp đảo về nguyên tử do Niels Bohr đề xuất. Theo lý thuyết của Niels Bohr, hạt nhân của một nguyên tử được bao quanh bởi các điện tử và các điện tử này chỉ có thể quay quanh hạt nhân ở những khoảng cách nhất định so với hạt nhân, có năng lượng nhất định và ở những góc nhất định trong từ trường. Những ràng buộc như thế trong đề xuất của Niels Bohr là cứng nhắc và dường như quá tùy tiện đến mức Stern cam kết sẽ từ bỏ vật lý nếu mô hình nguyên tử này là đúng.

Stern nghĩ ra một thí nghiệm với hy vọng có thể bác bỏ được lý thuyết của Bohr. Ông muốn kiểm tra xem liệu các điện tử trong từ trường có thể định hướng theo bất kỳ hướng nào hay chỉ theo các hướng rời rạc như Bohr đã đề xuất.

Stern lên kế hoạch làm bay hơi một mẫu bạc và tập trung nó thành một chùm nguyên tử. Sau đó, ông bắn chùm nguyên tử đó qua một từ trường không đồng nhất và thu các nguyên tử trên một tấm kính của một máy dò. Vì các nguyên tử bạc riêng lẻ giống như những nam châm nhỏ nên từ trường sẽ làm lệch chúng theo các góc khác nhau tùy theo các hướng riêng của chúng. Theo lý thuyết cổ điển, các điện tử ngoài cùng của các nguyên tử sẽ được định hướng một cách ngẫu nhiên nên các nguyên tử sẽ bị lệch theo các hướng khác nhau do tác động của từ trường và sẽ tạo thành một vệt rộng dọc theo tấm kính của máy dò.

Nhưng nếu lý thuyết của Bohr đúng và những hệ nhỏ bé như nguyên tử tuân theo những quy luật lượng tử kỳ quặc, thì các nguyên tử bạc chỉ có thể đi theo hai đường khi chuyển động qua từ trường và trên tấm kính sẽ hiển thị hai vệt rời rạc.

Về mặt lý thuyết, ý tưởng của Stern khá đơn giản. Nhưng trên thực tế, việc dựng thí nghiệm lại vô cùng khó khăn. Gerlach đã dựng và làm thí nghiệm này, một thí nghiệm mà theo Wilhelm Schütz (sinh viên của Gerlach) sau này mô tả lại là “lao động giống như Sisyphus” (Sisyphus là một vị vua trong thần thoại Hy Lạp bị trừng phạt bằng cách buộc phải đẩy một tảng đá khổng lồ lên đỉnh đồi nhưng tảng đá đó lại sẽ tự lăn xuống mỗi khi nó được đẩy lên gần đến đỉnh …). Bạc đã được Gerlach sử dụng trong thí nghiệm. Ông đã làm bay hơi bạc bằng cách nung nóng nó đến hơn 1.000⁰C mà không làm tan chảy bất kỳ lớp đệm nào trên buồng chân không làm bằng thủy tinh, nơi máy bơm cũng thường xuyên bị vỡ. Kinh phí cho thí nghiệm đã bị cạn kiệt do lạm phát thời hậu chiến ở Đức tăng vọt. Cuối cùng, Albert Einstein và Henry Goldman (một ông chủ ngân hàng) đã đóng góp một số tiền để giải cứu nhóm nghiên cứu.​

Trong quá trình tiến hành thí nghiệm, việc thu được bất kỳ kết quả rõ ràng nào vẫn là một thách thức. Tấm kính của máy dò chỉ có kích thước nhỏ bằng một phần của đầu một cái đinh, vì vậy việc đọc các mẫu trên tấm kính cần phải có kính hiển vi. Có lẽ là một sự ngụy tạo, các nhà khoa học đã tự giúp mình giải quyết vấn đề một cách vô tình: các vết bạc đọng trên tấm kính sẽ không thể nhìn thấy được nếu không có khói phả nhỏ giọt từ những điếu xì gà mà họ đã hút khi làm thí nghiệm. Xì gà là thứ không đắt mà họ có thể mua (vì lương thấp) nhưng lại giàu lưu huỳnh nên đã giúp bạc tiến triển thành bạc sunfua đen tuyền nên có thể nhìn thấy được. Năm 2003, Friedrich và một đồng nghiệp đã tái diễn tình tiết này và xác nhận rằng dấu hiệu của cặn bạc chỉ xuất hiện khi có khói từ các điếu xì gà rẻ tiền!

Spin 

Sau nhiều tháng khắc phục các sự cố, Gerlach đã dành cả đêm hôm mồng 7/2/1922 để bắn các nguyên tử bạc xuyên qua từ trường tới máy dò. Sáng hôm sau, ông và các đồng nghiệp đã tráng đĩa thu của máy dò và những gì họ nhìn thấy thật là tuyệt vời, cảm giác giống như họ vừa tìm được một “hũ vàng”: lượng bạc thu được trên đĩa được tách gọn gàng thành hai phần tách biệt, một tín hiệu mang tính lượng tử. Gerlach đã ghi nhận lại kết quả này bằng một bức ảnh vi mô và gửi nó cho Bohr dưới dạng một bưu thiếp, cùng với một tin nhắn như sau: “Chúc mừng ngài vì lý thuyết của ngài đã được xác thực”.

Phát hiện của Gerlach đã gây chấn động cộng đồng vật lý. Albert Einstein gọi đó là “thành tựu thú vị nhất vào thời điểm này” và đề cử nhóm nghiên cứu cho giải Nobel. Isidor Rabi, nhà vật lý người Mỹ đoạt giải Nobel Vật lý năm 1944 cho công trình phát hiện cộng hưởng từ hạt nhân, nói kết quả của thí nghiệm “đã thuyết phục tôi một lần và mãi mãi rằng … các hiện tượng lượng tử đòi hỏi một định hướng nghiên cứu hoàn toàn mới”. Nghi ngờ của Stern về thuyết lượng tử của Bohr rõ ràng đã bị hóa giải, mặc dù ông đã không giữ lời hứa là từ bỏ vật lý nếu lý thuyết đó đúng; thay vào đó, ông tiếp tục nghiên cứu và đã giành được giải Nobel năm 1943 cho những đóng góp khác của ông, những đóng góp cho sự phát triển phương pháp tia phân tử và khám phá ra mô men từ của proton. Stern nói: “Tôi vẫn phản đối… vẻ đẹp của… của cơ học lượng tử, nhưng vẻ đẹp đó là đích thực.”

Ngày nay, các nhà vật lý nhận ra rằng Stern và Gerlach đã đúng khi đoán nhận kết quả thí nghiệm của họ như một sự chứng thực cho lý thuyết lượng tử, một lý thuyết còn non trẻ. Nhưng họ đã đoán nhận đúng vì lý do sai. Các nhà khoa học lúc đó đã giả định rằng sự tách lượng bạc trên đĩa thu của máy dò thành hai phần riêng biệt được quyết định bởi quỹ đạo chuyển động của điện tử ngoài cùng của nguyên tử bạc mà quỹ đạo này được cố định ở một số góc nhất định. Trên thực tế, sự tách đôi lượng bạc trên đĩa thu của máy dò lại là do sự lượng tử hóa mô men góc riêng của điện tử (electron’s internal angular momentum) – một đại lượng thuần túy lượng tử được gọi là spin (“spin” là một thuật ngữ chỉ một thuộc tính vốn có của các hạt cơ bản và không liên quan gì đến chuyển động quay vật lý của hạt như một vật quay và phải vài năm sau đó, năm 1925, spin mới được phát hiện bởi hai nhà vật lý người Hà Lan là Samuel Goudsmit và George Uhlenbeck). Thật may mắn, cách giải thích này đã đúng do các nhà nghiên cứu đã được giải cứu nhờ cái mà Friedrich gọi là “sự trùng hợp kỳ lạ, như một “âm mưu” (“conspiracy”) của tự nhiên”: hai tính chất lúc bấy giờ còn chưa được biết của điện tử – spin và mô men từ dị thường (anomalous magnetic moment) của nó – đã tình cờ triệt tiêu lẫn nhau.

Dán lại những mảnh trứng vỡ

Theo cách giải thích trong các sách giáo khoa về thí nghiệm Stern-Gerlach, khi nguyên tử bạc di chuyển trong từ trường, điện tử của nó không ở trong một trạng thái xác định là trạng thái có spin hướng lên (spin-up state) hay trạng thái có spin hướng xuống (spin-down state), mà nó ở trong một trạng thái “chồng chập” (“superposed” state) của cả hai trạng thái đó.  Tức là điện tử cùng một lúc ở trong cả hai trạng thái, trạng thái có spin hướng lên và trạng thái có spin hướng xuống, và vì thế nguyên tử bạc đồng thời đi theo cả hai đường. Chỉ khi đập vào tấm kính thu của máy dò thì trạng thái của điện tử mới được “đo” (“measured”) với kết quả là trạng thái “chồng chập” lúc đầu của điện tử sẽ “sụp” (“collapse”) thành trạng thái có spin hướng lên hoặc trạng thái có spin hướng xuống, có nghĩa là đường đi của nguyên tử bạc cũng được xác định.

Nhưng vào đầu những năm 1930, nhiều nhà lý thuyết lỗi lạc đã thiên về cách giải thích ít đòi hỏi “phép thuật lượng tử” (quantum magic) hơn. Họ lập luận rằng từ trường sẽ “đo” (“measure”) một cách hiệu quả từng điện tử và ấn định spin của nó. Những người này cho rằng ý tưởng mà mỗi nguyên tử đi theo cả hai đường cùng một lúc là vô lý và không cần thiết.

Về lý thuyết, các giả thuyết này có thể kiểm tra được. Nếu mỗi nguyên tử thực sự đi qua từ trường với hai nhân cách (tức là đi theo cả hai đường cùng một lúc), thì về mặt lý thuyết, có thể kết hợp lại những “danh tính ma quái” (“ghostly identities”) đó. Làm như vậy sẽ tạo ra một mẫu giao thoa cụ thể sau khi đủ nhiều các nguyên tử đập vào tấm thu của máy dò – một chỉ dấu cho thấy nguyên tử thực sự đã đồng thời đi theo cả hai đường.

Thách thức lớn nhất là: để duy trì trạng thái chồng chập và tạo ra mẫu giao thoa cuối cùng thì sự phân chia thành hai đường đi phải được tiến hành một cách suôn sẻ và nhanh đến mức lịch sử của hai thực thể tách biệt đó (tức là hai đường đi của nguyên tử) hoàn toàn không thể nhận biết được: không hề có thông tin gì và cũng không thể có cách nào để biết là nguyên tử chính xác đã đi theo đường nào ở bất cứ thời điểm nào. Vào những năm 1980, nhiều nhà lý thuyết đã xác định rằng việc tách lộ trình của nguyên tử thành hai đường riêng rẽ rồi sau đó lại hợp hai đường đó lại với nhau một cách hoàn hảo sẽ không khả thi: việc đó giống như việc tái tạo “Humpty Dumpty” sau cú rơi mạnh từ một bức tường (“Humpty Dumpty” có nguồn gốc từ một bài đồng giao, trong đó Humpty Dumpty được miêu tả là một nhân vật có hình quả trứng bị rơi khỏi một bức tường rồi vỡ thành nhiều mảnh nhỏ và từ các mảnh vỡ đó không thể gắn lại thành hình quả trứng ban đầu được).​

Tuy nhiên, vào năm 2019, một nhóm các nhà vật lý do Ron Folman tại Đại học Ben-Gurion của Negev dẫn đầu đã “dán” được những “mảnh trứng vỡ” của “Humpty Dumpty” đó lại với nhau để thu được quả trứng ban đầu. Các nhà nghiên cứu bắt đầu bằng cách tái tạo thí nghiệm Stern-Gerlach, mặc dù không phải với các nguyên tử bạc mà với một khối lượng tử siêu lạnh gồm 10.000 nguyên tử rubidium mà họ đã bẫy được (trapped) và thao tác xử lý chúng trên một con chip có kích thước bằng cái móng tay. Họ chuẩn bị spin của các điện tử của nguyên tử rubidium ở trạng thái chồng chập của trạng thái có spin hướng lên trên và trạng thái có spin hướng xuống dưới, sau đó sử dụng nhiều xung từ khác nhau để tách và kết hợp lại lộ trình một cách chính xác đối với từng nguyên tử, tất cả xảy ra rất nhanh, chỉ trong vài phần triệu của một giây. Và họ lần đầu tiên đã nhìn thấy mẫu giao thoa chính xác như đã được tiên đoán vào năm 1927. Như vậy, chu trình “tách-hợp” lộ trình trong thí nghiệm Stern-Gerlach đã được hoàn thành.

Nhận xét về sự kiện này Friedrich đã nói: “Họ đã có thể gắn lại Humpty Dumpty. Đó là một điều tuyệt vời, là một thách thức vô cùng lớn nhưng họ đã vượt qua.”

Sứ mệnh lịch sử 

Ngoài việc giúp xác minh “tính lượng tử” của hạt vi mô trong thí nghiệm Stern-Gerlach, công trình của Folman còn đưa ra một phương pháp mới để thăm dò các giới hạn của chế độ lượng tử (quantum regime). Ngày nay, các nhà khoa học vẫn không biết chắc chắn là các vật thể có thể lớn đến cỡ nào một khi chúng vẫn tuân thủ các quy tắc lượng tử, đặc biệt là khi các vật thể có kích thước/khối lượng đủ lớn để lực hấp dẫn có thể can thiệp. Vào những năm 1960, các nhà vật lý gợi ý rằng một chu trình trọn vẹn của thí nghiệm Stern-Gerlach sẽ tạo ra một giao thoa kế siêu nhạy cho phép kiểm tra ranh giới giữa lý thuyết lượng tử và lý thuyết cổ điển. Và vào năm 2017, các nhà vật lý đã mở rộng ý tưởng đó và đề xuất bắn những mẩu kim cương tý hon qua hai thiết bị Stern-Gerlach đặt ngay sát cạnh nhau để xem liệu chúng có ảnh hưởng tới nhau thông qua tương tác hấp dẫn hay không. Đó là một thách thức cho tương lai.

​Nhóm của Folman hiện đang nỗ lực hướng tới thách thức đó. Mới đây, vào năm 2021, họ đã phác thảo cách tăng cường hiệu quả của giao thoa kế chip đơn nguyên tử (single atom-chip interferometer) nhằm sử dụng cho các vật thể vĩ mô, chẳng hạn như những mẩu kim cương với vài triệu nguyên tử. Kể từ đó, họ đã chỉ ra trong một loạt các bài báo rằng việc tách lộ trình của các vật có khối lượng ngày càng lớn hơn sẽ lại là một dạng lao động giống như lao động của Sisyphus, nhưng không phải là không thể, và việc này sẽ có thể giúp giải quyết hàng loạt bí ẩn về lực hấp dẫn lượng tử.

Theo Folman, “thí nghiệm Stern-Gerlach còn lâu mới hoàn thành sứ mệnh lịch sử của nó. Vẫn còn nhiều thứ mà nó sẽ mang lại cho chúng ta.” □

Nguyễn Bá Ân dịch

Nguồn: https://www.quantamagazine.org/the-often-overlooked-experiment-that-revealed-the-quantum-world-20231205/

Bài đăng Tia Sáng số 1/2024