Một phiên bản mới của thí nghiệm hai khe nổi tiếng đã cho phép các nhà vật lí ở Israel đo được một hiện tượng lạ lùng, cho dù là xét theo các tiêu chuẩn phản trực giác của cơ học lượng tử. Bằng cách bố trí một thí nghiệm hai khe trên đường đi của một thí nghiệm hai khe lớn hơn, các nhà nghiên cứu đã chứng minh được rằng các photon truyền qua một phần của thiết bị mà chúng không đi vào cũng chẳng đi ra. Theo đội nghiên cứu, hiệu ứng trên có thể hiểu tốt nhất bằng cách viện dẫn một lí giải ít được dùng tới của cơ học lượng tử lần đầu tiên được đề xuất hồi năm 1955.
Ảnh minh họa thí nghiệm hai khe. Ảnh: Russell Kightley/Science Photo Library)
Có lẽ minh chứng đơn giản nhất và dễ hình dung nhất của lưỡng tính sóng-hạt là thí nghiệm hai khe nổi tiếng. Các hạt như photon và electron được phát ra rời rạc hành xử giống như sóng khi chúng đi qua hai khe và tạo nên một hệ vân giao thoa khi được phát hiện riêng lẻ trên một màn hứng.
Trong phiên bản mới nhất này của thí nghiệm hai khe, Lev Vaidman và các đồng sự tại trường Đại học Tel Aviv đã sử dụng các giao thoa kế Mach-Zehnder làm hai khe và dùng các photon làm hạt thí nghiệm. Giao thoa kế quang học này sử dụng một bộ phân tách chùm tia để chia tách chùm photon thành hai nhánh rời nhau và sau đó kết hợp lại và gửi đến một máy dò. Sự chênh lệch chiều dài của hai quang trình quyết định cách hai chùm tia giao thoa khi chúng gặp lại nhau, làm ảnh hưởng đến cường độ sáng đo được bởi máy dò.
Ba đường đi
Trong thí nghiệm Tel Aviv, một giao thoa kế Mach–Zehnder trong được bố trí trên một đường đi của một giao thoa kế ngoài sao cho chùm tia tái kết hợp tiếp tục hành trình của nó qua dụng cụ ngoài và đi tới một máy dò (xem hình). Điều này có nghĩa là một photon có ba lộ trình khả dĩ từ nguồn đến máy thu. Mục tiêu của thí nghiệm là làm rõ xem những lộ trình nào được chọn bởi ít nhất là một số photon đi tới máy dò. Đây được gọi là một phép đo yếu, và nó tương thích với các định luật cơ học lượng tử bởi vì nó không đo đường đi của bất kì một photon nhất định nào.
Để thực hiện các phép đo của họ, các nhà nghiên cứu bố trí các gương trong giao thoa kế hơi dao động một chút, mỗi gương dao động ở một tần số khác nhau. Khi một cái gương dao động, nó làm thay đổi quang trình của bất kì ánh sáng nào phản xạ từ cái gương đó. Điều này làm thay đổi độ lệch pha khi chùm tia tái kết hợp, làm thay đổi cường độ sáng tại máy dò. Vì mỗi gương đang dao động ở một tần số riêng, nên các dao động trong cường độ sáng thu được ở một tần số nhất định cho biết các photon đã chạm tới một gương nhất định.
Trong hình thức luận vector hai trạng thái, xác suất tìm thấy một photon được xác định bởi một sóng diễn tiến thuận từ nguồn (màu đỏ) và một sóng diễn tiến ngược từ máy dò (màu xanh lục). Chỉ khi cả hai sóng này đều khác không thì một photon mới có thể được tìm thấy. (Ảnh: Lev Vaidman)
Các nhà nghiên cứu đã sắp xếp hai quang trình qua giao thoa kế trong sao cho hai đường đi giao thoa triệt tiêu khi chúng gặp nhau. Do đó, không có ánh sáng có thể rời khỏi giao thoa kế trong. Như vậy, người ta có thể trông đợi dao động duy nhất trong cường độ sáng thu được sẽ đến từ cái gương vòng tránh giao thoa kế trong, nhưng đây không phải là cái mà các nhà nghiên cứu tìm thấy.
Kết luận lạ
Cường độ sáng phát hiện thấy thật sự dao động ở tần số của cái gương đi vòng này, nhưng nó cũng dao động ở tần số của các gương thuộc giao thoa kế trong. Tuy nhiên, nó không dao động ở tần số của các gương hướng ánh sáng vào hoặc ra khỏi giao thoa kế trong này. Điều này dẫn tới kết luận kì lạ là một số photon mà máy dò nhận được đã đi qua giao thoa kế trong, nhưng chưa từng đi vào nó và chưa từng đi ra khỏi nó.
Các nhà nghiên cứu tin rằng kết quả này xác thực một lí giải khác thường của thuyết lượng tử gọi là hình thức luận vector hai trạng thái. Nó lần đầu tiên được đề xuất bởi Satosi Watanabe vào năm 1955 và sau đó được phát triển bởi các nhà vật lí như Yakir Aharonov – hiện nay là giáo sư tại trường Đại học Tel Aviv. Ở đây, xác suất tìm thấy một hạt ở một nơi nhất định bằng tích của hai vector: một vector diễn tiến cùng chiều thời gian từ nguồn phát và một vector diễn tiến ngược thời gian từ máy dò.
Một photon có thể chạm tới một cái gương nếu và chỉ nếu cả hai sóng đều khác không tại điểm đó. Giao thoa kế trong làm cho mọi sóng rời khỏi nó đều bằng không. Sóng diễn tiến cùng chiều thời gian truyền về phía trước là bằng không lúc ló ra, và vì thế không có photon nào được tìm thấy ở đây. Sóng diễn tiến ngược thời gian truyền ngược qua giao thoa kế và do đó là bằng không trên đường vào, vì thế cũng không có photon nào được tìm thấy ở đây. Tuy nhiên, bên trong giao thoa kế trong, cả hai sóng diễn tiến thuận và ngược đều khác không, và vì thế các photon đi qua cả hai cánh của nó (xem hình).
Trực giác và lí giải
Vaidman nhấn mạnh rằng hình thức luận vector hai trạng thái thật ra không đưa ra các tiên đoán khác với cơ học sóng bình thường được phát triển bởi Erwin Schrödinger hồi những năm 1920. Tuy nhiên, các kết quả của thí nghiệm trên dường như hết sức phản trực giác và khó hình dung bởi phương pháp truyền thống. “Anh có thể định rõ các hằng số và anh có thể có các trực giác về cái đang diễn ra sử dụng hình thức luận vector hai trạng thái,” Vaidman nói. “Nhưng đó không phải là cái cơ học lượng tử thông thường có thể giải thích”.
Onur Hosten thuộc trường Đại học Illinois ở Urbana-Champaign, người không có liên quan trong thí nghiệm trên, cho biết cho dù bạn xem xét thí nghiệm trên bởi hình thức luận vector hai trạng thái hay bởi phương pháp cơ học sóng thông thường, thì hiệu ứng trên được sinh ra bởi thực tế việc tiến hành một phép đo yếu vốn dĩ làm nhiễu loạn đối với hệ. Chính việc làm cho các gương dao động đã làm thay đổi các quang trình, do đó làm hỏng mất sự giao thoa triệt tiêu hoàn hảo giữa hai lộ trình của giao thoa kế trong và cho phép hàm sóng rò rỉ. Tuy nhiên, xác suất của một photon rò rỉ về cơ bản là bằng không, vì xác suất đó tỉ lệ với bình phương của hàm sóng, nó có xu hướng tiến tới bằng không nhanh hơn bản thân hàm sóng. “Từ quan điểm của tôi, cái cũng hấp dẫn để tìm hiểu là tại sao các anh thu được kết quả như thế,” Hosten nói, “nhưng cái cũng hấp dẫn là một phép đo yếu mang lại cho các anh một số câu trả lời lộn xộn.”
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters (http://arxiv.org/abs/1304.7469)
Theo physicsworld.com
