Vật lý lượng tử là một bước tiến từ vật lý cổ điển của Newton. Thế giới lượng tử là thế giới trong đó các quy luật hoàn toàn xa lạ với trải nghiệm hàng ngày của chúng ta quy định các hành vi kỳ lạ.
Thuyết lượng tử ra đời, đánh dấu điểm khởi đầu khám phá thế giới vi mô siêu vật chất của con người. Nó khác với thế giới quan chúng ta quan sát được. Thế giới quan này đang nằm trong sự mô tả của vật lý cổ điển Newton. Nhưng thế giới siêu nhỏ kia đã vượt ngoài sự giải thích, mô tả của vật lý cổ điển. Max Planck là người khai phá đầu tiên thế giới vật lý lượng tử. Ngay bản thân ông cũng hoài nghi và miễn cưỡng ủng hộ những đột phá nghiên cứu của mình.
Sự đột phá khám phá thế giới hạt siêu nhỏ với thuyết lượng tử đã thay đổi rất lớn đến bộ mặt khoa học, công nghệ ứng dụng ngày nay. Các thành tựu như máy tính lượng tử, điện thoại … đều có liên quan mật thiết đến sự đột phá này.
Nội dung
Lượng tử là gì?
Lượng tử là một thuật ngữ khoa học, nói tới một đơn vị năng lượng cơ bản nhỏ nhất được bức xạ.
Nó giống như tiền bạc vậy. Đơn vị nhỏ nhất là đồng 1 xu. Sau đó bạn có nhiều tiền hơn, nghĩa là có nhiều xu hơn, có một bội số của một xu.
Do vậy, lượng tử, hay gọi là lượng tử năng lượng, là một đơn vị năng lượng nhỏ không thể chia nhỏ hơn. Năng lượng là bội số của lượng tử.
Lượng tử năng lượng này cũng không phải cố định, mà nó thay đổi theo tần số, bước sóng bức xạ. Điều đó sẽ được thể hiện qua công thức Planck mà chúng ta tìm hiểu ở dưới đây.
Năm 1905, Einstein kế thừa thuyết lượng tử và đưa ra lý thuyết hiệu ứng quang điện và khái niệm lượng tử ánh sáng. Lượng tử ánh sáng còn được gọi là photon.
Lượng tử tiếng anh là gì?
Lượng tử tiếng anh là “Quantum”. Danh từ số nhiều là “Quanta”.
Vật lý lượng tử tiếng Anh là “Quantum Physics”
Quantum physics is the study of matter and energy at the most fundamental level. It aims to uncover the properties and behaviors of the very building blocks of nature.
Thuyết lượng tử tiếng Anh là “Quantum Theory”
Quantum theory is the theoretical basis of modern physics that explains the nature and behavior of matter and energy on the atomic and subatomic level.
Bạn sẽ gặp một số cụm từ khi đọc các tài liệu tiếng anh về Vật lý lượng tử như:
- Quantum Light: lượng tử ánh sáng
‘Quantum light‘ first considers sources that generate the primitive quantum state of light—a single photon. - Quantum Energy: lượng tử năng lượng
The quantum energy teleportation protocol was proposed in 2008 and largely ignored. Now two independent experiments have shown that it works - Quantum effect: Hiệu ứng lượng tử
A Quantum effect is an effect that is not properly predicted by classical mechanics but are properly predicted by quantum mechanics. An example of such an effect is superconductivity which is a phenomenon whereby a charge moves through the material without meeting any resistance. - Quantum Mechanics: Cơ học lượng tử
Quantum mechanics is the study of matter and its interactions with energy on the scale of atomic and subatomic particles.
thuyết lượng tử là gì?
Lý thuyết lượng tử là lĩnh vực nghiên cứu vật chất vi mô. Thuyết lượng tử nghiên cứu các quy luật vật lý của thế giới vô cùng nhỏ như nguyên tử, hạ nguyên tử, electron, proton, photon, quark….
Lý thuyết này nằm ngoài phạm vi của vật lý cổ điển. Vật lý cổ điển chỉ có thể ứng dụng và giải thích cho thế giới tự nhiên xung quanh ta. Nhưng khi đến thế giới vật chật vi mô, mắt thường không thấy được thì vật lý cổ điển bất lực. Các quy tắc của thế giới vật chất vi mô mâu thuẫn và vi phạm vật lý cổ điển.
Thuyết lượng tử phát triển dần dần hoàn thiện cơ học lượng tử và thuyết trường lượng tử. Nó cho phép ra đời những bộ máy xử lý dùng lượng tử để xử lý thuật toán với tốc độ cực nhanh. Từ đó ra đời các sản phẩm công nghệ hiện đại ngày nay như máy vi tính, điện thoại thông minh, công nghệ chụp MRI ….
Thuyết lượng tử ra đời khi nào?
Thuyết lượng tử ra đời vào năm 1900 bởi người đặt nền móng đầu tiên là Max Planck. Thời gian sau đó, lý thuyết này phát triển rất nhanh với sự tham gia của rất nhiều nhà khoa học. Những mốc thời điểm quan trọng nhất của vật lý lượng tử có thể kể đến:
- Năm 1900 – Max Planck khai sinh ra vật lý lượng tử bằng tuyên bố bản chất hạt của năng lượng với đơn vị nhỏ nhất gọi là lượng tử.
- Năm 1905 – Einstein đưa ra lý thuyết hiệu ứng quang điện giải thích bản chất của ánh sáng. Năng lượng của trường điện từ được vận chuyển bởi các lượng tử ánh sáng, được gọi là photon.
- Năm 1913 – Niels Bohr đưa ra lý thuyết bước nhảy lượng tử. Giải thích các quỹ đạo lượng tử của electron, nguyên lý chuyển đổi quỹ đạo lượng tử của các electron.
- Năm 1915 Sommerfeld giới thiệu các quy tắc mới, tổng quát hóa các phương pháp định lượng.
Và sự phát triển của lý thuyết này tiếp tục phát triển bởi khoảng 100 nhà vật lý.
Các nhà vật lý khai phá thuyết lượng tử
Người đột phá đầu tiên khỏi tư duy thuyết tất định để khai phá thuyết lượng tử là Max Planck. Bước theo sau bước chân của ông, là cống hiến của rất nhiều nhà vật lý khác. Trong đó khoảng 100 người đóng góp nổi bật.
Sự đột phá tư duy khỏi các giới hạn của vật lý cổ điển đòi hỏi trí tuệ, trí tưởng tượng và sự dũng cảm. Nó cần vượt qua thuyết tất định. Thuyết này cho là, các nguyên nhân vật lý có những tác động có thể đoán trước, bản chất tự nhiên tuân theo một trật tự đơn giản. Trong thế giới lượng tử, điều này không còn đúng nữa. Thay vào đó là sự ra đời của các nguyên lý, như thuyết nhị nguyên sóng hạt.
100 nhà vật lý khai phá thế giới vật lý lượng tử
Chúng ta sẽ điểm qua danh sách một số nhà vật lý thuyết lượng tử nổi bật.
| Albert Einstein 1879–1955 | Max Planck 1858–1947 | Niels Bohr 1885–1962 |
| Wolfgang Pauli 1900–1958 | Enrico Fermi 1901–1954 | Louis de Broglie 1892–1987 |
| Murray Gell-Mann 1929–2019 | John Bardeen 1908–1991 | C. V. Raman 1888–1970 |
| Max von Laue 1879–1960 | George Uhlenbeck 1900–1988 | Steven Weinberg 1933–2021 |
| Anton Zeilinger | John Clauser | David Gross |
| Satyendra Nath Bose 1894–1974 | Arnold Sommerfeld 1868–1951 | Wilhelm Wien 1864–1928 |
| Evgeny Lifshitz 1915–1985 | Irving Langmuir 1881–1957 | John von Neumann 1903–1957 |
| Hendrik Lorentz 1853–1928 | J. J. Thomson 1856–1940 | Paul Dirac 1902–1984 |
| Hans Bethe 1906–2005 | Barak Shoshany | Max Born 1882–1970 |
| Walter Houser Brattain 1902–1987 | Lev Landau 1908–1968 |
Max Planck
Chúng ta sẽ cùng điểm sơ lược hình ảnh của người đặt nền móng đầu tiên cho thuyết lượng tử – Max Planck.
Max Planck xuất thân từ một gia đình có truyền thống học thuật. Ông cố Heinrich Ludwig Planck và ông nội Heinrich Ludwig Planck là giáo sư thần học. Bố của ông là giáo sư ngành luật.
Ông ra đời ngày 23/04/1858 tại Kiel, con trai của Johann Julius Wilhelm Planck và người vợ thứ Emma Patzig. Ông có bốn anh chị em ruột và hai anh chị cùng cha khác mẹ. Mất vào 04/10/1947
Ông từng đến Berlin để học tập với những nhà vật lý học nổi danh như Hermann von Helmholtz và Gustav Kirchhoff cũng như nhà toán học Karl Weierstraß.
Max Planck sau đó tham gia hội vật lý Berlin và giảng dạy 6 học kỳ.
Hoàn cảnh ra đời của thuyết lượng tử
Thí nghiệm bức xạ vật đen
Thuyết lượng tử ra đời bắt đầu từ sự không giải thích được thí nghiệm bức xạ vật đen. Thí nghiệm này được thực hiện bằng cách chọn một cái hộp, một cái khoang kín. Làm nóng nó để nó bức xạ và nghiên cứu mối liên hệ giữa nhiệt độ và sự phát sáng của nó. Cái khoang này kín, nên các bức xạ không thể thoát ra ngoài, cũng không có gì vào được. Vì vậy được gọi là bức xạ vật đen.
Về cơ bản theo quan sát thì một vật thể nóng sẽ phát ra một loại bức xạ nào đó. Như cơ thể con người có thể phát ra quang phồ hồng ngoại tần số thấp, bước sóng dài. Quang phổ hồng ngoài này chỉ có thể nhìn bằng một số thiết bị chuyên dụng. Lửa ngọn nến thì nóng hơn, và nó phát ra quang phổ có thể nhìn thấy được. Các bức xạ ánh sáng này có tần số cao hơn, bước sóng ngắn hơn.
Các nhà nghiên cứu cố gắng tìm mối quan hệ giữa nhiệt độ của một vật thể và sự phát sáng của nó. Họ chọc một lỗ trong vật đen và nghiên cứu bức xạ lọt ra ngoài. Hình dạng và chất liệu khoang đã được xác định không quan trọng.
Từ đây, vấn đề không giải thích được bắt đầu xuất hiện.
Vật lý cổ điển không thể giải thích
Yếu tố quan trọng nhất được xác định ở đây là nhiệt độ bên trong khoang. Vì khoang nóng, các nguyên tử từ các bức tường của nó sẽ tạo ra các bức xạ lấp đầy không gian.
Theo vật lý cổ điển, khoang được dự đoán được lấp đầy chủ yếu bằng bức xạ năng lượng cao có tần số cao. Nhưng thực tế không phải vậy. Nó là một sự phân bổ sóng điện từ bên trong khoang với các tần số khác nhau. Dĩ nhiên có một số sóng chiếm ưu thế trong quang phổ. Nhưng nó không phải là sóng có tần số cao nhất hoặc thấp nhất.
Làm sao có thể lý giải chuyện này?
Sự khởi đầu của thuyết lượng tử từ Max Planck
Thí nghiệm này đã truyền cảm hứng cho Max Planck. Ngay từ đầu, như bao nhà vật lý khác, ông đã cố gắng rất nhiều để lý giải nó bằng hệ thống vật lý thời đại của ông, tức là vật lý cổ điển. Ông phát biểu: “Thí nghiệm này đại diện cho một cái gì đó, một nền tảng rất quan trọng, Tôi luôn coi việc tìm kiếm cái tuyệt đối là mục tiêu cao cả nhất của mọi hoạt động khoa học. Nên tôi muốn tìm ra nó. “
Và Max Planck cuối cùng đã nhảy khỏi tư duy thuyết tất định trói chặt để cho ra đời một hệ thống lý thuyết mới cho thế giới vật lý vi mô là thuyết lượng tử Planck.
Vào ngày 19 tháng 10 năm 1900, ông tuyên bố với Hiệp hội Vật lý Berlin rằng. Ông đã thu được một công thức phù hợp với kết quả của các thí nghiệm. Nhưng tìm thấy sự phù hợp là không đủ. Như ông đã viết sau này. “Vào chính ngày tôi xây dựng định luật này, tôi đã bắt đầu cống hiến hết mình cho nhiệm vụ biến nó thành một ý nghĩa vật lý thực sự.” Tại sao cái này phù hợp mà không phải cái khác?
Thuyết lượng tử Max Planck
Nỗ lực giải thích bằng vật lý cổ điển của Max Planck
Planck không hài lòng với những hệ quả của giả thuyết lượng tử của mình. Trên thực tế, ông đã dành nhiều năm cố gắng giải thích sự tồn tại của một lượng tử năng lượng trong vật lý lượng tử bằng vật lý cổ điển. Ông là một nhà cách mạng miễn cưỡng. Bị thúc đẩy bởi ý thức sâu sắc về tính trung thực khoa học. Như ông đã viết trong cuốn tự truyện của mình:
“Những nỗ lực vô ích của tôi để khớp… lượng tử… bằng cách nào đó vào lý thuyết cổ điển đã tiếp tục trong nhiều năm, và chúng khiến tôi tốn rất nhiều công sức. Nhiều đồng nghiệp của tôi đã nhìn thấy ở đây một cái gì đó giống như một bi kịch. Nhưng tôi cảm thấy khác về nó… Bây giờ tôi biết rằng… lượng tử… đóng một vai trò quan trọng hơn nhiều trong vật lý so với những gì tôi đã nghi ngờ ban đầu. Sự công nhận này khiến tôi thấy rõ sự cần thiết của việc giới thiệu các phương pháp phân tích hoàn toàn mới và lập luận trong việc xử lý các vấn đề nguyên tử.”
Planck đã đúng. Lý thuyết lượng tử Planck mà ông giúp đề xuất đã phát triển thành một lĩnh vực khác biệt với vật lý cũ. Sâu sắc hơn cả thuyết tương đối của Einstein. Vật lý cổ điển dựa trên các quá trình liên tục. Chẳng hạn như các hành tinh quay quanh Mặt trời hoặc sóng truyền trên mặt nước. Toàn bộ nhận thức của chúng ta về thế giới dựa trên các hiện tượng liên tục phát triển trong không gian và thời gian.
Công thức Planck
Để giải thích cơ sở vật lý đằng sau công thức của mình. Planck đã dẫn đến một giả định rằng các nguyên tử không phát ra bức xạ liên tục. Mà phát theo bội số rời rạc của một lượng cơ bản. Vâng! đấy chính là lượng tử.
Các nguyên tử xử lý năng lượng giống như chúng ta xử lý tiền. Luôn là bội số của một số lượng nhỏ nhất. Một đô la bằng 100 xu, và mười đô la bằng 1.000 xu. Tất cả các giao dịch tài chính ở Hoa Kỳ đều được tính theo bội số của một xu.
Đối với bức xạ vật đen có nhiều sóng với tần số khác nhau. Mỗi tần số có năng lượng bức xạ tối thiểu khác nhau. Tức là lượng tử năng lượng của mỗi tần số là khác nhau. Công thức toán học xác định lượng tử năng lượng theo tần số là:
E = hf
Trong đó E là năng lượng, f là tần số của bức xạ, và h là hằng số Planck.
Hằng số Planck
Điều này có nghĩa là mức năng lượng của lượng tử E thay đổi tùy theo tần số bức xạ. Và được định ra bởi một hằng số trong vật lý lượng tử mang tên ông: Hằng số Planck
h = 6,625 . 10-34 J.s
Planck tìm thấy giá trị của nó bằng cách khớp công thức của mình với đường cong vật đen thử nghiệm. Bức xạ của một tần số cụ thể chỉ có thể xuất hiện dưới dạng bội số của “cent” cơ bản của nó. Mà sau này ông gọi là lượng tử. Trong tiếng Latin có nghĩa là một phần của cái gì đó.
Công thức Planck về bức xạ nhiệt
Xuất phát từ Giả thuyết Planck về lượng tử năng lượng nói trên, Planck đã thiết lập được công thức biểu diễn sự phụ thuộc của năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối vào tần số f và nhiệt độ p(f,T) (hoặc vào bước sóng và nhiệt độ 
) . Công thức này được gọi là công thức Planck về bức xạ nhiệt, hay còn gọi là định luật bức xạ Planck, có dạng sau:
hay:
Hệ quả của công thức Planck về bức xạ nhiệt
Từ 2 công thức Planck về bức xạ nhiệt, ta có thể suy ra các định luật về bức xạ nhiệt của vật đen tuyệt đối. Độ trưng năng lượng toàn phần RT của vật đen tuyệt đối là
Trong đó 
Đó là định luật Stefan-Boltzmann.
Tính đạo hàm của theo 
ta thấy đạo hàm này triệt tiêu khi 
, ứng với giá trị cực đại của năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối:
với b=2,898 . 10-3 m . K Đó chính là định luật dịch chuyển Wien.
Nguyên lý vật lý lượng tử
Vật lý lượng tử có những nguyên lý quan trọng như nguyên lý nhị nguyên sóng hạt, thuyết bổ sung, thuyết bất định.
Vật lý cổ điển xem năng lượng là một dạng sóng. Nhưng vật lý lượng tử xem năng lượng có sự tồn tại đặc tính của vật chất, có nghĩa là tồn tại ở dạng hạt. Hạt cơ bản được gọi là lượng tử. Như vậy vật chất, năng lượng có sự tồn tại 2 mặt song song, sóng và hạt.
Vật lý lượng tử thay đổi thế giới
Thế giới của những vật thể siêu nhỏ hoạt động theo một cách hoàn toàn khác. Đó là một thế giới của các quá trình không liên tục. Một thế giới nơi các quy luật xa lạ với trải nghiệm hàng ngày của chúng ta.
Chúng ta thực sự mù mờ trước bản chất cơ bản của thế giới lượng tử. Các năng lượng mà chúng ta thường dùng chứa một lượng năng lượng lượng tử khổng lồ đến mức “độ hạt” của nó che khuất khả năng nhìn thấy nó của chúng ta. Như thể chúng ta đang sống trong một thế giới của những tỷ phú. Nơi mà một xu là một số tiền hoàn toàn không đáng kể.
Giả thuyết của Planck đã thay đổi vật lý, và thế giới. Ông không thể đoán trước được điều này. Einstein, Bohr, Schrodinger, Heisenberg và những nhà tiên phong lượng tử khác cũng vậy. Họ biết rằng họ đã đạt được một cái gì đó khác biệt. Nhưng không ai có thể lường trước được lượng tử sẽ thay đổi thế giới đến mức nào.
