Nguyên lý bất định Heisenberg là gì? - Chad Orzel

Xem toàn bộ bài học tại: http://ed.ted.com/lessons/what-is-the-heisenberg-uncertainty-principle-chad-orzel

Nguyên lý bất định Heisenberg phát biểu rằng bạn không thể xác định chính xác vị trí và tốc độ của một vật thể cùng một lúc. Tại sao thế? Bởi vì mọi thứ trong vũ trụ đều được biểu hiện cùng một lúc dưới dạng hạt và sóng. Chad Orzel sẽ phân tích khái niệm vật lý lượng tử phức tạp này.

Bài học bởi Chad Orzel, hoạt họa bởi Henrik Malmgren.

Nguyên lý bất định Heisenberg
là một trong số ít ý tưởng

từ vật lý lượng tử được mở rộng ra
đời sống hàng ngày.

Nó nói rằng bạn không thể cùng một lúc
biết chính xác vị trí và tốc độ của vật

và hàm ý đúng với mọi thứ:

từ phê bình văn học
tới bình luận thể thao.

Sự bất định thường được giải thích
bằng kết quả đo lường,

rằng việc đo vị trí vật
làm thay đổi tốc độ

hoặc ngược lại.

Thế nhưng, nguồn gốc thực sự
còn sâu xa và thú vị hơn nhiều.

Nguyên lý bất định tồn tại
vì mọi thứ trong vũ trụ

biểu hiện cùng lúc
dưới dạng hạt và sóng.

Trong cơ học lượng tử,

vị trí và tốc độ chính xác
của một vật

không có ý nghĩa gì cả.

Để hiểu vấn đề này,

cần tìm hiểu biểu hiện
dưới dạng hạt hoặc sóng nghĩa là gì.

Các hạt, theo định nghĩa,

tồn tại ở một vị trí
tại một thời điểm tức thì.

Ta có thể minh họa bằng đồ thị

thể hiện xác suất tìm ra vật
tại vị trí cụ thể,

đồ thị như một mũi nhọn,

100% tại một vị trí cụ thể,

và 0% tại mọi điểm khác.

Trong khi đó, sóng là những rung động
lan truyền trong không gian,

như gợn sóng bao phủ bề mặt hồ nước.

Ta hoàn toàn có thể xác định
đặc tính của toàn bộ sóng

quan trọng nhất là bước sóng,

là khoảng cách giữa hai đỉnh lân cận,

hoặc hai đáy lân cận.

Nhưng ta không thể gán cho nó
một vị trí đơn lẻ.

Xác suất lớn là nó
sẽ nằm ở nhiều vị trí khác nhau.

Bước sóng là cần thiết
trong vật lý lượng tử

vì bước sóng của một vật
liên quan tới động lượng của nó:

khối lượng × vận tốc.

Một vật chuyển động nhanh
có nhiều động lượng,

vì thế, có bước sóng rất ngắn.

Một vật nặng có nhiều động lượng

cho dù không chuyển động
quá nhanh,

dẫn đến, một lần nữa,
bước sóng rất ngắn.

Đó là lý do tại sao
ta không nhận ra bản chất sóng

trong các vật dụng hàng ngày.

Nếu bạn ném quả bóng chày,

bước sóng của nó là một phần tỷ

của triệu tỷ của triệu tỷ của một mét.

quá nhỏ để phát hiện.

Vật nhỏ, như nguyên tử hay electron,

có thể có bước sóng đủ lớn

để có thể đo đạc
bằng thí nghiệm vật lý.

Nói chung, nếu có một sóng,
ta có thể đo bước sóng,

và động lượng của nó,
nhưng không có vị trí.

Ta có thế biết rất rõ vị trí một hạt,

nhưng nó không có bước sóng,

nên ta không biết động lượng của nó.

Để có cả vị trí và động lượng của một hạt,

ta cần hợp hai bức tranh

để tạo ra đồ thị có sóng,

nhưng chỉ trong một vùng nhỏ.

Ta sẽ làm như thế nào?

Bằng cách kết hợp nhiều sóng
với bước sóng khác nhau,

nghĩa là cho vật lượng tử kia
khả năng có nhiều động lượng.

Cộng hai sóng,
ta thấy có những điểm

mà các đỉnh cùng pha,
tạo thành sóng lớn hơn,

và những điểm khác mà đỉnh sóng này
trùng với đáy sóng kia.

Kết quả là những vùng có sóng

được chia cắt
bởi các vùng trống không.

Nếu ta thêm sóng thứ ba,

các vùng mà sóng bị triệt tiêu lớn dần,

sóng thứ tư và chúng càng lớn dần,

cùng với vùng có sóng hẹp dần đi.

Tiếp tục thêm sóng vào,

ta có thể tạo ra một gói sóng

có bước sóng rõ ràng
trong một vùng nhỏ.

Đó là vật lượng tử,
có cùng bản chất sóng và hạt,

nhưng để đạt được nó,

ta đánh mất sự chắc chắn

về cả vị trí và động lượng.

Vị trí không bị giới hạn
tại một điểm đơn lẻ.

Xác suất lớn là sẽ tìm thấy nó
trong khoảng xung quanh trung tâm gói sóng

và ta tạo ra gói sóng
bằng cách thêm nhiều sóng,

nghĩa là có xác suất tìm thấy nó

với động lượng tương ứng với
một trong số chúng.

Cả vị trí và động lượng bây giờ
đều bất định,

và sự bất định được kết nối.

Nếu muốn giảm sự bất định của vị trí

bằng cách tạo ra gói sóng nhỏ hơn,

bạn cần thêm nhiều sóng,

nghĩa là sự bất định động lượng tăng lên.

Nếu muốn biết rõ động lượng hơn,

bạn cần gói sóng lớn hơn,

nghĩa là sự bất định vị trí tăng lên.

Đó chính là Nguyên lý bất định Heisenberg,

được đề ra bởi nhà vật lý người Đức

Werner Heisenberg năm 1927.

Sự bất định này
không phải là chuyện đo lường tốt hay kém,

mà là một kết quả hiển nhiên

của việc kết hợp bản chất hạt và sóng.

Nguyên lý bất định không chỉ là
giới hạn thực tế cho đo lường

mà còn là giới hạn tính chất
mà một vật có thể có,

xây dựng nên cấu trúc nền tảng
của bản thân vũ trụ.