Nguyên lý bất định nói rằng không thể biết chính xác tuyệt đối cùng một lúc một hạt đang ở đâu và đang chuyển động nhanh thế nào theo hướng nào. Biết vị trí càng chính xác thì chuyển động càng mù mờ, và ngược lại. Điều này không phải vì máy đo của ta còn thô. Ở thang cực nhỏ, hạt có bản chất sóng, và một làn sóng không thể vừa gọn ghẽ ở đúng một điểm, vừa có một bước sóng xác định.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Nguyên lý bất định là một trong những ý tưởng bị dùng sai nhiều nhất, từ quảng cáo khoá học tâm linh tới những câu trích dẫn sáo rỗng. Tập này mình kể nó cho đúng, bằng một ví dụ bạn có thể nghe bằng tai: tiếng gõ cộc ngắn ngủi trên mặt bàn.
Hiểu lầm phổ biến: do ta chạm vào nên làm nó lệch
Một cách giải thích thường gặp là: muốn thấy electron thì phải chiếu ánh sáng vào nó, mà ánh sáng va vào làm nó văng đi, nên đo vị trí thì làm hỏng vận tốc. Chính Werner Heisenberg, người phát biểu nguyên lý vào năm một nghìn chín trăm hai mươi bảy, ban đầu cũng minh hoạ bằng một hình ảnh kiểu này.
Hình ảnh đó có phần đúng, việc đo đạc ở thang nhỏ đúng là tác động lên hạt. Nhưng nó dễ làm người nghe hiểu rằng nếu có một cách đo khéo hơn, nhẹ nhàng hơn, ta sẽ biết được cả hai cùng lúc.
Vật lý lượng tử hiện đại nói rằng không phải vậy. Bất định không nằm ở máy đo mà nằm ở chính hạt. Trước khi đo, hạt không có sẵn một vị trí chính xác và một vận tốc chính xác đang chờ ta phát hiện.
Để hiểu vì sao, cần một ý quan trọng khác: hạt cũng là sóng.
Hạt cũng là sóng, và tiếng gõ ngắn trên mặt bàn
Đầu thế kỷ hai mươi, các nhà vật lý phát hiện electron có thể giao thoa như sóng nước. Mỗi hạt gắn với một làn sóng, và bước sóng của nó liên hệ với động lượng, tức khối lượng nhân vận tốc. Bước sóng ngắn là động lượng lớn.
Bây giờ hãy nghĩ về âm thanh. Một nốt đàn ngân dài vài giây có cao độ rất rõ, bạn hát theo được. Nhưng một tiếng cộc ngắn ngủi khi gõ đốt ngón tay lên bàn thì không có cao độ nào rõ ràng, bạn không thể nói nó là nốt gì.
Lý do là một làn sóng muốn có một tần số rõ ràng thì phải kéo dài qua nhiều nhịp dao động. Ép làn sóng vào một khoảnh khắc thật ngắn, ta phải trộn rất nhiều tần số với nhau mới tạo ra được cái xung gọn đó. Ngắn gọn về thời gian thì mơ hồ về tần số.
Với hạt cũng vậy, chỉ thay thời gian bằng vị trí và tần số bằng động lượng. Hạt bị khoanh gọn vào một chỗ thì làn sóng của nó phải là hỗn hợp của rất nhiều bước sóng, tức rất nhiều động lượng khác nhau. Hạt có động lượng thật xác định thì làn sóng phải trải dài, vị trí mơ hồ.
Nguyên lý bất định nói đúng cái gì, và không nói cái gì
Phát biểu chính xác là: độ bất định về vị trí nhân với độ bất định về động lượng không thể nhỏ hơn một hằng số rất nhỏ, liên quan tới hằng số Planck. Hằng số này nhỏ tới mức với những vật thường ngày như quả bóng, chiếc xe, bất định hoàn toàn không đáng kể.
Vì thế nguyên lý bất định không làm cho viên bi trên bàn nhà bạn trở nên mơ hồ. Nó chỉ quan trọng ở thang nguyên tử và nhỏ hơn, nơi khối lượng hạt cực nhỏ.
Nó cũng không nói rằng mọi thứ đều không chắc chắn, hay rằng khoa học không biết gì. Ngược lại, cơ học lượng tử là một trong những lý thuyết được kiểm chứng chính xác nhất của loài người, nó dự đoán xác suất các kết quả với độ chính xác đáng kinh ngạc.
Khi bạn gặp ai đó dùng nguyên lý bất định để nói rằng ý nghĩ có thể thay đổi thực tại hay để bán một liệu pháp kỳ diệu, đó là mượn tên khoa học, không phải khoa học.
Chính bất định giữ cho nguyên tử khỏi sụp đổ
Ở tập về electron, mình nói electron không rơi vào hạt nhân vì có một mức năng lượng thấp nhất. Nguyên lý bất định giúp hiểu vì sao lại có mức sàn đó.
Nếu electron co lại sát hạt nhân, vị trí của nó bị khoanh vào một vùng rất nhỏ. Theo nguyên lý bất định, động lượng của nó khi đó phải trải rất rộng, tức nó có động năng rất lớn. Lực hút của hạt nhân kéo electron vào, còn cái giá động năng đẩy nó ra. Hai thứ cân bằng ở một kích thước nhất định, và đó là kích thước của nguyên tử.
Nói cách khác, nguyên tử có kích thước như hiện nay, vật chất rắn chắc không co sập lại, một phần nhờ chính cái giới hạn tưởng như chỉ là chuyện trừu tượng này.
Ở những ngôi sao chết rất đặc như sao lùn trắng, chính một hiệu ứng lượng tử có liên quan giữ cho ngôi sao không bị trọng lực ép sụp thêm.
Sống chung với một thế giới không hoàn toàn xác định
Vật lý trước thế kỷ hai mươi tin rằng nếu biết đủ chính xác vị trí và vận tốc mọi hạt, ta tính được toàn bộ tương lai. Nguyên lý bất định cho thấy ngay cái bước đầu tiên, biết chính xác cả hai, đã không thể.
Điều này từng gây tranh luận sôi nổi giữa những bộ óc lớn nhất. Albert Einstein không thích một vũ trụ có bản chất xác suất và tranh luận nhiều năm với Niels Bohr. Các thí nghiệm về sau ủng hộ cách hiểu lượng tử, dù câu hỏi diễn giải sâu xa vẫn còn được các nhà vật lý và triết học bàn luận.
Với người không làm vật lý, có lẽ bài học đáng giá là sự khiêm tốn: trực giác hình thành từ thế giới cỡ quả bóng không nhất thiết đúng ở thế giới cỡ nguyên tử.
Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: lượng tử còn một hiện tượng lạ hơn, khi hai hạt ở xa nhau vẫn có kết quả đo liên quan chặt chẽ, gọi là rối lượng tử. Liệu nó có cho phép gửi tin nhắn nhanh hơn ánh sáng?
Câu hỏi thường gặp
Hằng số Planck là gì?
Hằng số Planck là một con số rất nhỏ cho biết thang của các hiệu ứng lượng tử, xuất hiện trong mối liên hệ giữa năng lượng và tần số của ánh sáng, và trong nguyên lý bất định. Nó mang tên nhà vật lý Max Planck.
Nguyên lý bất định có áp dụng cho vật lớn không?
Về nguyên tắc có, nhưng với vật lớn như quả bóng hay chiếc xe, độ bất định nhỏ tới mức hoàn toàn không đo được. Nó chỉ đáng kể với những hạt rất nhẹ như electron.
Lưỡng tính sóng hạt là gì?
Đó là việc ánh sáng và các hạt như electron vừa có biểu hiện như hạt, va chạm và được đếm từng cái, vừa có biểu hiện như sóng, giao thoa và nhiễu xạ. Biểu hiện nào nổi lên tuỳ cách ta làm thí nghiệm.
Ngoài vị trí và động lượng, còn cặp nào bất định nữa không?
Có. Một cặp quen thuộc khác là năng lượng và thời gian: một trạng thái tồn tại càng ngắn thì năng lượng của nó càng kém xác định. Điều này liên quan tới độ rộng của các vạch quang phổ.
Heisenberg là ai?
Werner Heisenberg là nhà vật lý người Đức, một trong những người đặt nền móng cho cơ học lượng tử và là người phát biểu nguyên lý bất định năm một nghìn chín trăm hai mươi bảy. Ông nhận giải Nobel Vật lý vì những đóng góp cho cơ học lượng tử.
