Hai nghiên cứu mới cho biết: sự lạ lùng của thế giới vi mô cho phép một hạt ở trong hai trạng thái cùng một lúc có thể mở rộng đến những kích cỡ lớn hơn. Nếu nghiên cứu trên là đúng, thì nó sẽ ủng hộ cho sự xác thực của một thí nghiệm tưởng tượng đề xuất rằng một con mèo có thể đồng thời vừa sống vừa chết.
Vào năm 1935, nhà vật lí Erwin Schrödinger đã đề xuất ý tưởng, gọi là Con mèo Schrödinger, như sau: Đặt một con mèo trong một cái hộp chứa một lọ khí độc. Lọ khí mở nắp khi một miếng kim loại phóng xạ nhỏ xíu phát ra một hạt alpha (hạt nhân của nguyên tử helium) khi nó phân hủy. Phát ra một hạt alpha là một quá trình cơ lượng tử, nghĩa là nó xảy ra tại bất kì thời điểm nào về cơ bản là ngẫu nhiên.
Hình minh họa cách viễn tải các gói sóng của con mèo Schrodinger trích từ một nghiên cứu trước đây. Ảnh: Science/AAAS
Cơ học lượng tử cho biết người ta không thể biết phân hủy phóng xạ đó đã xảy ra hay chưa (và con mèo đã chết hay chưa) trừ khi người ta đo nó – nghĩa là, trừ khi hạt alpha tương tác với môi trường theo kiểu nào đó mà nhà quan sát có thể nhìn thấy. Cho đến khi xảy ra như vậy, hạt alpha đồng thời được phát ra và không được phát ra. Con mèo vừa sống vừa chết, một trạng thái gọi là chồng chất. Mở cái hộp là một phép đo – người ta thấy tác dụng của hạt alpha là con mèo chết, hoặc không có hạt alpha là con mèo sống.
Trong hai nghiên cứu mới mô tả chi tiết trên số ra ngày 21/7/2013 của tạp chí Nature Physics, các nhà nghiên cứu sử dụng các hạt ánh sáng, hay photon, để kiểm tra các giới hạn của sự chồng chất như thế. Nếu không có giới hạn nào đối với số lượng hạt hay bao nhiêu photon bạn có thể đưa vào một hệ lượng tử, thì con mèo thật sự chết và sống đồng thời, và tác dụng đo trạng thái của nó làm cho công thức toán học mô tả nó (gọi là hàm sóng) “suy sụp” vào một trạng thái xác định, hoặc sống hoặc chết.
Một khả năng nữa, gọi là cách hiểu đa thế giới, sẽ còn lạ lùng hơn: toàn bộ mọi trạng thái khả dĩ đều có thật, và khi hàm sóng suy sụp thành một trạng thái, chúng ta chỉ đang trải nghiệm một trong nhiều vũ trụ tồn tại đồng thời, trong đó mỗi kết cục khả dĩ đều xảy ra. Khi hàm sóng suy sụp, chúng ta (và con mèo) ghi nhớ một lịch sử - con mèo chết – nhưng có một vũ trụ khác trong đó con mèo sống.
Các photon vướng víu
Cả hai thí nghiệm, một tiến hành tại trường Đại học Calgary ở Canada và một tại trường Đại học Geneva ở Thụy Sĩ, sử dụng đủ số photon để nhìn thấy được bằng mắt trần, cho thấy các tính chất lượng tử của chúng có thể được làm cho thành vĩ mô.
Trong hai thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã đo các trạng thái lượng tử của ánh sáng - một nhóm tính chất vật lí, trong đó có sự phân cực và pha – sử dụng phương pháp phân cực, hay đo góc mà photon đã quay đi. Người ta có thể thấy sự phân cực khi đeo kính mắt phân cực và nghiêng đầu trong khi nhìn vào màn hình điện thoại thông minh hoặc máy vi tính. Màn hình sẽ trông tối đen cho đến khi đầu nghiêng một góc nhất định nào đó.
Trong khi kĩ thuật chính xác thì hơi khác nhau trong hai thí nghiệm, nhưng cả hai đội đều khuếch đại các trạng thái của một photon độc thân, làm vướng víu nó với nhiều photon khác, và sau đó phục hồi nó về trạng thái ban đầu của nó. Khi một photon vướng víu với các photon khác thì trạng thái của photon đó bị ảnh hưởng bởi trạng thái của những hạt mà nó vướng víu.
Các phép đo phân cực sau khi hồi phục cho các nhà nghiên cứu biết sự vướng víu lượng tử với các photon khác đã xảy ra.
Các nhà khoa học hiện đang cố gắng xét xem một hệ lượng tử có thể lớn bao nhiêu trước khi nó mất bản chất lượng tử của nó. “Đó là một trong vài câu hỏi lớn chưa có lời đáp trong vật lí học hiện đại,” phát biểu của giáo sư Alexander Lvovsky, tác giả đứng tên đầu của bài báo của nhóm Calgary.
Các trạng thái chồng chất
Hai thí nghiệm mới trên không phải là những thí nghiệm duy nhất cho thấy các trạng thái chồng chất.
Vào năm 2010, các nhà khoa học tại trường Đại học California, Santa Barbara đã chế tạo một bộ cộng hưởng – về cơ bản là một cái âm thoa nhỏ xíu – kích cỡ bằng một ảnh điểm (pixel) trên màn hình máy tính, trong đó nó vừa dao động vừa không dao động đồng thời. Nhưng hệ đó chưa lớn lắm so với hệ nêu trong hai bài báo mới.
“Thí nghiệm đó tương ứng với một lượng tử thôi,” phát biểu của giáo sư Nicolas Gisin tại trường Đại học Geneva, người lãnh đạo nhóm nghiên cứu người Thụy Sĩ. “Hãy tưởng tượng một động cơ cơ giới cỡ nano biểu hiện không dao động và 500 trạng thái. Đó sẽ là hệ của chúng tôi.”
Trong tương lai, cả hai nhóm sẽ nỗ lực mở rộng cho những hệ lớn hơn, trong đó thay vì phiên dịch một trạng thái lượng tử từ một photon độc thân sang một tập hợp lớn photon, họ sẽ cố gắng phiên dịch các trạng thái của nhóm lớn sang một nhóm khác. Nhưng thí nghiệm đó sẽ không hề đơn giản, bởi vì để bảo toàn các hiệu ứng lượng tử, các nhóm nguyên tử hoặc photon phải hoàn toàn cô lập với môi trường xung quanh, nếu không thì các trạng thái chồng chất sẽ bị hỏng. “Có rất nhiều hướng để tiếp tục nghiên cứu,” với nhiều hạt hơn, Lvovsky nói.
Theo Jesse Emspak, LiveScience
