Shutterstock

Bạn đã bao giờ đến nhiều nơi cùng lúc chưa? Nếu bạn lớn hơn nhiều so với một nguyên tử, câu trả lời sẽ là không.

Nhưng các nguyên tử và hạt bị chi phối bởi các quy tắc của cơ học lượng tử, trong đó một số tình huống có thể xảy ra khác nhau có thể cùng tồn tại.

Các hệ lượng tử được cai trị bởi cái gọi là “hàm sóng”: một đối tượng toán học mô tả xác suất của những tình huống có thể xảy ra khác nhau này.

Và những khả năng khác nhau này có thể cùng tồn tại trong hàm sóng như cái được gọi là "sự chồng chất" của các trạng thái khác nhau. Ví dụ, một hạt tồn tại ở nhiều nơi khác nhau cùng một lúc là cái mà chúng ta gọi là "chồng chất không gian".

Chỉ khi một phép đo được thực hiện thì hàm sóng "sụp đổ" và hệ thống kết thúc ở một trạng thái xác định.

Nói chung, cơ học lượng tử áp dụng cho thế giới nhỏ bé của các nguyên tử và hạt. Ban giám khảo vẫn chưa hiểu ý nghĩa của nó đối với các vật thể quy mô lớn.

Trong nghiên cứu của chúng tôi, xuất bản hôm nay ở Optica, chúng tôi đề xuất một thử nghiệm có thể giải quyết câu hỏi hóc búa này một lần và mãi mãi.

Con mèo của Erwin Schrödinger

Vào những năm 1930, nhà vật lý người Áo Erwin Schrödinger đã đưa ra thí nghiệm tư duy nổi tiếng của mình về một con mèo trong một chiếc hộp, theo cơ học lượng tử, có thể sống và chết cùng một lúc.

Trong đó, một con mèo được đặt trong một hộp kín, trong đó một sự kiện lượng tử ngẫu nhiên có khả năng giết chết nó là 50–50. Cho đến khi chiếc hộp được mở ra và quan sát thấy con mèo, cả hai con mèo đều đã chết và sống cùng một lúc.

Nói cách khác, con mèo tồn tại dưới dạng một hàm sóng (với nhiều khả năng) trước khi nó được quan sát. Khi nó được quan sát, nó trở thành một đối tượng xác định.

{vembed Y = UpGO2kuQyZw}
Con mèo của Schrödinger là gì?

Sau nhiều cuộc tranh luận, giới khoa học vào thời điểm đó đã đi đến thống nhất với quan điểm “Diễn giải Copenhagen”. Điều này về cơ bản nói rằng cơ học lượng tử chỉ có thể áp dụng cho các nguyên tử và phân tử, nhưng không thể mô tả các vật thể lớn hơn nhiều.

Hóa ra họ đã nhầm.

Trong khoảng hai thập kỷ qua, các nhà vật lý đã tạo ra trạng thái lượng tử trong vật thể làm bằng hàng nghìn tỷ nguyên tử - đủ lớn để có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Mặc dù, điều này có chưa bao gồm chồng chất không gian.

Làm thế nào để một hàm sóng trở thành hiện thực?

Nhưng làm thế nào để hàm sóng trở thành một đối tượng “thực”?

Đây là cái mà các nhà vật lý gọi là "vấn đề đo lượng tử". Nó đã khiến các nhà khoa học và triết học bối rối trong khoảng một thế kỷ.

Nếu có một cơ chế loại bỏ tiềm năng chồng chất lượng tử khỏi các vật thể quy mô lớn, nó sẽ yêu cầu bằng cách nào đó "làm xáo trộn" hàm sóng - và điều này sẽ tạo ra nhiệt.

Nếu nhiệt lượng như vậy được tìm thấy, điều này cho thấy sự chồng chất lượng tử quy mô lớn là không thể. Nếu nhiệt lượng như vậy bị loại trừ, thì có khả năng thiên nhiên không ngại “là lượng tử” ở bất kỳ kích thước nào.

Nếu trường hợp sau là trường hợp, với công nghệ tiên tiến, chúng tôi có thể đặt các vật thể lớn thậm chí có thể là chúng sinh, thành các trạng thái lượng tử.

Đây là một minh họa của một bộ cộng hưởng trong chồng chất lượng tử. Sóng màu đỏ thể hiện hàm sóng. Christopher Baker, tác giả cung cấp

Các nhà vật lý không biết cơ chế ngăn cản chồng chất lượng tử quy mô lớn sẽ như thế nào. Theo một số người, đó là một lĩnh vực vũ trụ chưa biết. Khác nghi ngờ trọng lực có thể có một cái gì đó để làm với nó.

Người đoạt giải Nobel vật lý năm nay, Roger Penrose, cho rằng nó có thể là hệ quả của ý thức của chúng sinh.

Đuổi theo những chuyển động nhỏ

Trong hơn một thập kỷ qua, các nhà vật lý đã sốt sắng tìm kiếm một lượng nhiệt có thể chỉ ra sự xáo trộn trong hàm sóng.

Để tìm ra điều này, chúng ta cần một phương pháp có thể ngăn chặn (càng tốt càng tốt) tất cả các nguồn nhiệt “dư thừa” khác có thể cản trở phép đo chính xác.

Chúng ta cũng cần phải kiểm tra một hiệu ứng gọi là “phản ứng ngược” lượng tử, trong đó hành động quan sát chính nó tạo ra nhiệt.

Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi đã xây dựng một thí nghiệm như vậy, có thể tiết lộ liệu sự chồng chất trong không gian có khả thi đối với các vật thể quy mô lớn hay không. Tốt nhất thí nghiệm cho đến nay đã không thể đạt được điều này.

Tìm câu trả lời với chùm tia nhỏ rung động

Thí nghiệm của chúng tôi sẽ sử dụng bộ cộng hưởng ở tần số cao hơn nhiều so với tần số đã được sử dụng. Điều này sẽ loại bỏ vấn đề nhiệt từ tủ lạnh.

Như trường hợp của các thí nghiệm trước, chúng ta sẽ cần sử dụng tủ lạnh ở nhiệt độ 0.01 độ kelvin trên độ không tuyệt đối. (Độ không tuyệt đối là nhiệt độ thấp nhất có thể về mặt lý thuyết).

Với sự kết hợp giữa nhiệt độ rất thấp và tần số rất cao này, các rung động trong bộ cộng hưởng trải qua một quá trình được gọi là “ngưng tụ Bose”.

Bạn có thể hình dung điều này là bộ cộng hưởng trở nên đông đặc đến mức nhiệt từ tủ lạnh không thể làm lung lay nó, thậm chí không một chút.

Chúng tôi cũng sẽ sử dụng một chiến lược đo lường khác, hoàn toàn không nhìn vào chuyển động của bộ cộng hưởng mà là lượng năng lượng mà nó có. Phương pháp này cũng sẽ ngăn chặn nhiệt phản ứng mạnh mẽ.

Nhưng chúng ta sẽ làm điều này như thế nào?

Các hạt ánh sáng đơn lẻ sẽ đi vào bộ cộng hưởng và phản xạ lại vài triệu lần, hấp thụ bất kỳ năng lượng dư thừa nào. Cuối cùng chúng sẽ rời khỏi bộ cộng hưởng, mang theo năng lượng dư thừa đi.

Bằng cách đo năng lượng của các hạt ánh sáng phát ra, chúng ta có thể xác định xem có nhiệt trong bộ cộng hưởng hay không.

Nếu có nhiệt, điều này cho thấy một nguồn không xác định (mà chúng tôi không kiểm soát) đã làm rối loạn chức năng sóng. Và điều này có nghĩa là không thể để chồng chất xảy ra ở quy mô lớn.

Mọi thứ có phải là lượng tử không?

Thử nghiệm mà chúng tôi đề xuất là một thử thách. Đó không phải là thứ bạn có thể ngẫu nhiên sắp đặt vào một buổi chiều Chủ nhật. Nó có thể mất nhiều năm phát triển, hàng triệu đô la và một loạt các nhà vật lý thực nghiệm lành nghề.

Tuy nhiên, nó có thể trả lời một trong những câu hỏi hấp dẫn nhất về thực tại của chúng ta: mọi thứ có phải là lượng tử không? Và vì vậy, chúng tôi chắc chắn nghĩ rằng nó đáng để nỗ lực.

Đối với việc đặt một con người, hoặc con mèo, vào trạng thái chồng chất lượng tử - thực sự không có cách nào để chúng ta biết điều này sẽ ảnh hưởng đến bản thể đó như thế nào.

May mắn thay, đây là một câu hỏi mà chúng tôi không cần phải suy nghĩ, bây giờ.

Lưu ý

Stefan Forstner, Nghiên cứu viên Sau Tiến sĩ, Đại học Queensland

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.