Thí nghiệm ba khe xác nhận thực tại có bản chất lượng tử

Hiệp Khách Quậy Trong thí nghiệm hai khe năm 1908, một photon chiếu vào một cặp khe đi qua cả hai khe đồng thời và tự giao thoa với chính nó. Kết quả bất ngờ này đã mang lại một trong những manh mối đầu tiên của thế giới kì lạ của cơ học lượng tử. Xin mời đọc tiếp.

Trong thí nghiệm hai khe năm 1908, một photon chiếu vào một cặp khe đi qua cả hai khe đồng thời và tự giao thoa với chính nó. Kết quả bất ngờ này đã mang lại một trong những manh mối đầu tiên của thế giới kì lạ của cơ học lượng tử. Giờ thì những phép đo chính xác do các nhà khoa học người Canada và Áo thực hiện trên một phiên bản ba khe một lần nữa đã xác nhận các tiên đoán của cơ học lượng tử.

 

Ảnh minh họa các photon đi qua bộ ba khe. Ảnh: IQC

Một thí nghiệm đơn giản gửi các photon qua ba khe đã mang lại bằng chứng tốt nhất từ trước đến nay của một chân lí quan trọng của thuyết lượng tử gọi là quy tắc Born. Kết quả này mang lại sự chỉ dẫn quan trọng cho những ai đang tìm kiếm một lí thuyết của tất cả - một thuyết lượng tử bao hàm cả sự hấp dẫn.

Khi một chùm hạt như photon hoặc electron được chiếu vào hai khe rất gần nhau, thì hệ vân giao thoa có được là vì các hạt hành xử giống như sóng. Cường độ của hệ vân có thể tính ra bằng cách bình phương tổng các sóng đã truyền qua mỗi khe. Đây là hệ quả của quy tắc Born -quy tắc xác định xác suất mà một phép đo trên một hệ lượng tử sẽ thu được một kết quả nhất định nào đó.

Trong trường hợp ba khe, phép tính trên mang lại ba số hạng mô tả sự giao thoa giữa các sóng đang truyền qua ba cặp khe có thể có. Tuy nhiên, không có số hạng “bậc ba” nào mô tả các sóng truyền qua cả ba khe.

Trong khi quy tắc Born đã là hạt nhân của thuyết lượng tử kể từ thập niên 1920, nhưng nó vẫn chưa được kiểm tra thực nghiệm với bất kì độ chính xác nào. Giờ thì Gregor Weihs tại trường Đại học Innsbruck ở Áo, cùng các đồng nghiệp tại trường Đại học Waterloo ở Canada, vừa thực hiện một thí nghiệm ba khe chứng tỏ rằng không có sự giao thoa bậc ba.

Phép đo bắt đầu tiến hành với sự tạo ra photon độc thân chiếu vào một mặt nạ có ba khe – mỗi khe rộng 30 µm và cách nhau 100 µm. Một khi đã đi qua khe, photon đi tới một máy dò nhạy với vị trí. Các photon độc thân được chiếu vào ở tốc độ 40.000 hạt mỗi giây và một đồ thị biểu diễn cường độ photon theo vị trí mang lại hình ảnh giao thoa như mô tả bởi quy tắc Born.

Để kiểm tra quy tắc Born, đội khoa học lặp lại phép đo với một khe mở tại mỗi thời điểm – và sau đó với ba cấu hình hai khe có thể có. Nếu quy tắc Born là đúng, thì toàn bộ những phép đo này cộng lại sẽ cho hình ảnh giao thoa giống như khi nhìn với cả ba khe cùng mở. Weihs và các đồng nghiệp đã nhìn thấy kết quả này với sai số 1% cường độ vân, xác nhận quy tắc Born.

Theo Weihs, bất kì sự vi phạm nào của quy tắc Born cũng có nghĩa là phương trình Schrödinger – nền tảng của thuyết lượng tử - sẽ phải sửa đổi lại. “Sự tồn tại của các số hạng giao thoa bậc ba sẽ có những tác động lí thuyết khủng khiếp – nó sẽ làm lay chuyển cơ học lượng tử đến tận gốc rễ”, ông nói.

Tuy nhiên, việc khám phá ra một sự vi phạm như vậy sẽ được mọi người hân hoan chào đón, vì một lí thuyết lượng tử sửa đổi có thể dẫn tới một lí thuyết thống nhất mà người ta tìm kiếm lâu nay có khả năng hợp nhất thuyết lượng tử hiện đại với các lí thuyết hấp dẫn.

Weihs cho biết đội của ông hiện đang trong kế hoạch thực hiện một thí nghiệm tương tự với các bộ tách chùm tia thay cho ba khe – cơ cấu thí nghiệm đó sẽ cho phép họ giảm bớt sai số thực nghiệm. Họ còn có kế hoạch lặp lại thí nghiệm trên với bốn và năm khe.

Các bạn có thể tìm đọc công trình của Weihs và đồng nghiệp trên tạp chí Science 329 418.

Nguồn: physicsworld.com

Mời đọc thêm