Trong những năm gần đây, các nhà vật lí đã và đang đưa những đối tượng ngày càng lớn vào trạng thái chồng chất lượng tử - trạng thái lạ kì mà trạng thái lượng tử cùng một lúc.
Con mèo Schrödinger có hệ số vĩ mô 57. (Ảnh: Shutterstock/S Castelli)
Thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng của Erwin Schrödinger cho một con mèo ở trong một cái hộp vừa sống vừa chết đồng thời cho đến khi một người quan sát nhìn vào bên trong. Đây là thí dụ cực độ của một hiệu ứng lượng tử gọi là sự chồng chất trong đó một hệ vật lí, ví dụ như một nguyên tử hoặc một photon, có thể tồn tại trong hai hoặc nhiều trạng thái lượng tử cho đến khi có một phép đo được thực hiện trên nó. Trong khi sự chồng chất là một đặc trưng quen thuộc của thế giới vi mô, thì nó chưa từng được nhìn thấy trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Một số nhà vật lí cho rằng nan đề này là do cơ học lượng tử không có giá trị áp dụng trên một ngưỡng kích cỡ nhất định nào đó. Những người khác thì tin rằng sự chuyển tiếp là từ từ hơn, những đối tượng lượng tử càng lớn thì càng khó duy trì trong một trạng thái chồng chất. Đây là vì tác dụng nhiễu của môi trường đối với một trạng thái lượng tử về cơ bản là ngang ngửa với tác dụng đo.
Lớn bao nhiêu thì vừa đủ lớn?
Để xác định xem thế giới lượng tử kết thúc và thế giới cổ điển mở ra như thế nào và ở đâu, các nhà vật lí đã và đang đưa những đối tượng ngày càng lớn vào những trạng thái chồng chất lượng tử. Trong số này bao gồm những nhóm nguyên tử đạt tới những chiều cao nhất định trong một “suối phun” nguyên tử, và những phân tử lớn được làm cho tự giao thoa trong các thí nghiệm giống thí nghiệm hai khe. Người ta còn quan sát thấy những dòng micro ampere chạy theo những chiều ngược nhau đồng thời trong một mạch điện siêu dẫn.
Tuy nhiên, chưa có con số rõ ràng nào để các nhà vật lí có thể sử dụng để so sánh kích cỡ hay “hệ số vĩ mô” của những thí nghiệm khác nhau. Trước đây, các nhà nghiên cứu định nghĩa đại lượng này theo những trạng thái nhất định của một hệ, nhưng phương pháp này không hoàn toàn khách quan. Ví dụ, nếu đếm các hạt trong một phân tử, thì người ta không rõ thước đo nên dùng là số nguyên tử mà phân tử đó chứa hay là tổng số proton, neutron và electron của nó.
Biến đổi ít nhất
Mới đây, Stefan Nimmrichter và Klaus Hornberger thuộc trường Đại học Duisburg-Essen định nghĩa hệ số vĩ mô theo thí nghiệm dùng để hiện thực hóa một trạng thái lượng tử nhất định thay vì là một tính chất của bản thân trạng thái đó. Họ đã nghĩ ra một biểu thức toán học khái quát để mô tả sự biến đổi tối thiểu cần thiết đối với động lực học của phương trình Schrödinger để làm phá hủy một trạng thái lượng tử nhất định. Hệ số vĩ mô của một kết quả thực nghiệm cho trước khi ấy được định nghĩa bởi số lượng những biến đổi để kết quả đó xuất hiện, với một kết quả vĩ mô hơn thì ứng với nhiều biến đổi hơn.
Cách này hoạt động chủ yếu dựa trên việc biết khoảng thời gian, hay “thời gian kết hợp”, của sự chồng chất đang nghiên cứu, vì một chồng chất kéo dài hơn đưa đến sự biến đổi lớn hơn. Nhưng khối lượng của vật cũng quan trọng, với một phân tử càng nặng, chẳng hạn, thì lượng biến đổi sẽ lớn hơn so với một phân tử nhẹ hơn với một thời gian kết hợp cho trước. Hai thông số này, cùng với một thông số thứ ba liên quan đến cỡ chồng chất, mang lại một con số, μ, tính theo thang logarithm, sao cho trạng thái chồng chất của vật đó có hệ số vĩ mô bằng với hệ số vĩ mô của một electron độc thân tồn tại trong một chồng chất trong 10μ s.
Những phân tử khổng lồ
Nimmrichter và Hornberger tìm thấy sự chồng chất vĩ mô nhất từ trước đến nay được thực hiện với một phân tử gồm 356 nguyên tử. Được tiến hành vào năm 2010 bởi một nhóm hợp tác ở Đại học Vienna, trong đó họ là thành viên, thí nghiệm này mang lại giá trị của μ là 12. Hai nhà nghiên cứu cũng trình bày rằng các giao thoa kế nguyên tử tạo ra giá trị μ cao, nhưng các dụng cụ giao thoa lượng tử siêu dẫn, trong khi tạo ra những dòng điện chồng chất với nhiều electron, mang lại giá trị μ thấp hơn bởi vì những trạng thái lượng tử tinh tế của chúng chỉ tồn tại trong một vài nano giây và bởi vì các electron có khối lượng nhỏ so với các nguyên tử và phân tử.
Nhìn về tương lai, hai nhà nghiên cứu ước tính rằng những đám gồm chừng nửa triệu nguyên tử vàng có thể nâng μ lên tới khoảng 23. Nhưng họ tính được rằng sự tự giao thoa của những hạt cầu nano silicon dioxide có thể mang lại hệ số vĩ mô gần cao như thế. Bởi vì thí nghiệm trong trường hợp này sử dụng một giao thoa kế hai khe đơn giản hơn thiết bị của nhóm Vienna, chúng đòi hỏi ba cách tử nhiễu xạ tách biệt. Tuy nhiên, theo Nimmrichter, về mặt kĩ thuật thì cách làm này là khó vì nó đòi hỏi làm giảm chuyển động nhiệt của hạt cầu nano xuống đến trạng thái lượng tử cơ bản của nó, cái cho đến nay chẳng có ai làm được.
Con mèo hình cầu
Cho dù khắc phục được những khó khăn như thế, các nhà vật lí sẽ vẫn phải đi một chặng đường nữa trước khi hiện thực hóa một con mèo Schrödinger. Bằng cách mô phỏng con mèo đó dưới dạng một quả cầu nước 4 kg và giả sử nó tồn tại trong một giây trong sự chồng chất đồng thời ngồi ở hai nơi cách nhau 10 cm, Nimmrichter và Hornberger tính được nó sẽ có hệ số vĩ mô μ vào khoảng 57. Như Nimmrichter cho biết, giá trị này tương đương với một electron tồn tại trong một chồng chất trong 1057s – chừng gấp 1039 lần tuổi của vũ trụ. “Người ta không bao giờ nên nói là không bao giờ nữa,” ông nói, “nhưng có lẽ chúng ta sẽ không bao giờ có thể đưa một con mèo vào một sự chồng chất lượng tử được.”
Thật vậy, theo Tony Leggett thuộc trường Đại học Illinois ở Urbana-Champaign, cái vực ngăn cách này giữa tính chất của những đối tượng lượng tử nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và tính chất của những vật thể giống như con mèo Schrödinger sẽ tạo nền tảng cho bất kì định nghĩa nào của hệ số vĩ mô. Ông cho rằng ý tưởng trong bài báo này là thông minh, nhưng nó nhắm tới hướng không thỏa đáng. “Thay vì xem xét cơ học lượng tử ở nền tảng của nó, hệ số vĩ mô lại phản ánh trực giác “thường gặp” của chúng ta về sự khác biệt giữa một electron đang ở trong một trạng thái không rõ ràng và một con mèo đang ở trong một trạng thái không rõ ràng.”
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Nguồn: physicsworld.com
