Các nhà vật lí ở Pháp vừa sử dụng những cặp giọt chất lỏng phản xạ trên một bề mặt chất lỏng để mô phỏng hiệu ứng Zeeman – một hiện tượng giữ vai trò quan trọng trong sự phát triển buổi đầu của cơ học lượng tử. Khả năng mô phỏng những hiệu ứng lượng tử thuần túy bằng một hệ cổ điển có thể mang lại thêm kiển thức mới về cách hiểu cơ sở toán học của cơ học lượng tử.
Phương trình Schrödinger có ý nghĩa gì? Câu hỏi đó đã khiến các nhà vật lí cãi vả kể từ khi nền tảng trung tâm này của cơ học lượng tử được nêu ra gần 90 năm về trước. Trong khi sức mạnh tiên đoán của nó đã được xác thực nhiều lần trong các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới, nhưng chính xác nên hiểu các nghiệm cho phương trình đó (các hàm sóng) như thế nào thì vẫn chưa rõ.
Trường phái tư tưởng thông dụng nhất là “trường phái Copenhagen” nổi tiếng, do Niels Bohr và Werner Heisenberg sáng lập vào thập niên 1920. Cách hiểu xác suất này của cơ học lượng tử cho rằng những tính chất quan sát thấy của một hạt không có những giá trị rõ ràng cho đến khi chúng được đo. Tuy nhiên, quan điểm này không phải ai cũng chấp nhận và có một cách hiểu khác của cơ học lượng tử được các nhà vật lí yêu thích gọi là cách hiểu “sóng hoa tiêu”, do Louis de Broglie thiết lập vào năm 1927 và sau đó được David Bohm phát triển. Cách hiểu này cho rằng những tính chất quan sát thấy của các hạt lượng tử là rõ ràng ở mọi thời điểm nhưng chúng được chỉ dẫn bởi một sóng, cách hiểu này giải thích gọn gàng lưỡng tích sóng-hạt. Đây là một ví dụ của một lí thuyết biến ẩn vì nó giải thích những tính chất có thể đo được của cơ học lượng tử là hệ quả của một đặc điểm có thực, nhưng không thể tiếp cận trên thực nghiệm – sóng vật chất.
Ảnh chụp hai “walker” đang quay xung quanh nhau trên bề mặt của một chất lỏng. (Ảnh: Antonin Eddi et al.)
Giả tạo hay trực giác?
Cả hai lí thuyết trên không thể phân biệt được về mặt toán học, nên một số nhà vật lí xem cái gọi là “cách hiểu Bohm” là một nỗ lực dàn cảnh nhằm giải thích những kết quả thực nghiệm của cơ học lượng tử mà không bám lấy tính kì lạ của cách hiểu Copenhagen. Tuy nhiên, vào năm 1980, Michael Berry và các đồng sự tại trường Đại học Bristol ở Anh đã sử dụng một cái tương tự với sóng mặt trong một chất lỏng cổ điển để đi tới một lời giải thích trực giác hơn của một hiện tượng lượng tử kì lạ gọi là hiệu ứng Aharonov–Bohm.
Nay Yves Couder tại trường Đại học Paris Diderot và các đồng sự vừa khảo sát sâu hơn cái tương tự này bằng cách nhìn vào hành trạng của những giọt chất lỏng nhỏ xíu, phản xạ, gọi là “walker” khi chúng di chuyển trên bề mặt của một bể dầu silicon đang dao động. Các giọt chất lỏng đó tạo sóng trên bề mặt chất lỏng và, hóa ra, chúng bị ảnh hưởng bởi những con sóng này. Theo Couder, kết quả này mang lại một sự tương đương thú vị với mô hình “sóng hoa tiêu” của cơ học lượng tử.
“Có một sự cộng sinh giữa giọt chất lỏng và bề mặt bên dưới,” Couder giải thích, “vì nếu không có giọt chất lỏng nào thì không có sóng. Và nếu không có sóng thì giọt chất lỏng đó không di chuyển.” Couder và các đồng sự của ông tin rằng sự tương tác này giữa một walker và các con sóng mà nó tạo ra là một ví dụ của lưỡng tính sóng-hạt ở một hệ cổ điển bởi vì, trong khi giọt chất lỏng bị định xứ trong không gian giống như một hạt, nhưng chuyển động của nó có thể bị ảnh hưởng bởi bất kì cái gì ảnh hưởng đến sóng hoa tiêu.
Các trạng thái liên kết
Couder nhấn mạnh rằng hệ của nhóm ông không phải là một cái tương đương chính xác với cơ học lượng tử bởi vì, chẳng hạn, nó đòi hỏi cấp năng lượng liên tục bằng cách làm cho bể dao động. Tuy nhiên, trong nghiên cứu trước đó, nhóm của ông đã chủ động sử dụng các walker để tạo ra những cái tương đương cổ điển cho những hiệu ứng lượng tử nhiễu xạ một hạt và chui hầm. Họ cũng chứng minh rằng hai walker có thể quay xung quanh nhau để tạo ra những trạng thái liên kết, trong một cái tương đương với những trạng thái liên kết bị lượng tử hóa trong một nguyên tử.
Trong nghiên cứu mới, nhóm của ông đã khảo sát hiệu ứng Zeeman – một hiệu ứng lượng tử nhờ đó các mức năng lượng trong một nguyên tử bị tách ra trong sự có mặt của một từ trường ngoài. Một nguyên tử là một trạng thái liên kết của một hạt nhân và một hoặc nhiều electron – và hệ này được mô phỏng bằng một trạng thái liên kết của hai walker.
Để tạo ra cái tương đương với từ trường ngoài, các nhà nghiên cứu cho bể dầu quay. Trạng thái liên kết hai walker khi đó tự do quay hoặc cùng chiều hoặc ngược chiều với chuyển động quay của bể - mô phỏng các trạng thái mômen động lượng quỹ đạo của một nguyên tử. Khi không có từ trường mô phỏng, cả hai trạng thái quay này có cùng năng lượng. Tuy nhiên, khi cái bể quay thì năng lượng của các trạng thái quay phân tách, với một trạng thái tăng lên và một trạng thái giảm đi – giống hệt như như các trạng thái mômen động lượng của một nguyên tử trong từ trường. Đội nghiên cứu cũng nhìn thấy những chuyển tiếp bất ngờ giữa các mức năng lượng.
Fernando Lund thuộc trường Đại học Chile ở Santiago, người có một nhóm nghiên cứu đang khảo sát những vấn đề tương tự nhưng không có liên quan với nghiên cứu trên, cho biết: “Đặc điểm nổi bật nhất của bài báo này, và của những bài báo khác của đội này, là việc sử dụng công nghệ tiên tiến theo kiểu đao to búa lớn để mang lại những cái tương tự giữa vật lí cổ điển và vật lí lượng tử mà người ta có thể dễ dàng hình dung ra.” Ông cho rằng cố gắng hình dung ra những hiện tượng lượng tử khác bằng các phương tiện cổ điển có thể thật là thú vị. “Ứng cử viên yêu thích của tôi là spin bán nguyên của một số hạt như electron,” ông nói.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
