Con mèo của Schrödinger dạy chúng ta điều gì về thế giới lượng tử? Josh Samani

Xem bài giảng đầy đủ tại: http://ed.ted.com/lessons/what-can-schrodinger-s-cat-teach-us-about-quantum-mechanics-josh-samani

Vật lý cổ điển, cái mà ta bắt gặp hàng ngày trong thế giới vĩ mô vô cùng khác biệt so với vật lý lượng tử, thứ chi phối thế giới nhỏ bé (cỡ nguyên tử). Một minh chứng điển hình cho sự kì lạ của vật lý lượng tử là thí nghiệm giả tưởng "Con mèo của Schrödinger. Josh Samani sẽ giúp ta khám phá thí nghiệm nổi tiếng này.

Bài giảng của Josh Samadi, đồ họa thực hiện bởi Dan Pinto

Trong trường hợp ném thẳng
một quả bóng vào không trung.

Bạn có thể dự đoán
chuyển động của nó không?

Chắc chắn rồi,
dễ mà.

Quả bóng sẽ di chuyển thằng đứng
cho đến điểm cao nhất,

rồi rơi trở lại
và đáp gọn trong tay bạn.

Đó là những gì xảy ra,

bạn biết điều này bởi vì bạn đã
chứng kiến nó rất nhiều lần

Bạn quan sát các hiện tượng vật lý
hàng ngày trong suốt cuộc đời mình.

Giả sử, ta xem xét câu hỏi
về thế giới vật lý của các nguyên tử,

ví dụ như chuyển động
của một electron

quanh hạt nhân của nguyên tử hydro
sẽ trông như thế nào?

Liệu ta có thể trả lời câu hỏi đó
dựa trên hiểu biết về Vật lý thường ngày?

Chắc chắn là không rồi.
Tại sao vậy?

Bởi vì định luật vật lý chi phối
hoạt động ở hệ thống vi mô

rất khác so với vật lý vĩ mô

mà ta nhìn thấy hàng ngày.

Thế giới thường ngày
mà bạn biết và yêu mến

tuân theo những định luật
của cơ học cổ điển.

Nhưng hệ thống
ở cấp độ nguyên tử

lại hành xử dựa trên những
định luật của cơ học lượng tử.

Thế giới lượng tử
là một nơi vô cùng kì lạ.

Một minh họạ về sự kì lạ đó
là thí nghiệm giả tưởng nổi tiếng:

Con mèo của Schrödinger.

Một nhà vật lý không thích mèo,
đặt một con vào trong hộp,

cùng với một quả bom có xác xuất
nổ là 50% sau khi đậy nắp.

Trừ khi mở nắp hộp ra,
không có cách nào để biết

quả bom đó đã nổ hay chưa.

do đó, không có cách nào để biết
con mèo còn sống hay đã chết.

Trong vật lý lượng tử, ta
có thể nói rằng trước khi quan sát

con mèo ở trạng thái chồng chập

Không sống cũng chưa chết,
mà đúng ra là tổng hợp xác xuất

với 50% cho mỗi trường hợp.

Tương tự những gì diễn ra
với hệ vật lý lượng tử

như một electron chyển động
xung quanh hạt nhân nguyên tử hydro.

Thực chất, hạt electron
không quay xung quanh

Nó xuất hiện cùng một lúc
tại khắp nơi trong không gian

với xác xuất xuất hiện ở vùng này
nhiều hơn so với vùng khác.

Chỉ sau khi định vị,

ta mới chỉ ra được
nó đang ở đâu tại thời điểm đó.

Tương tự như việc ta không biết được
con mèo còn sống hay đã chết

cho đến khi mở nắp hộp.

Điều này đưa ta đến
một hiệu ứng kì lạ và đẹp đẽ

có tên gọi Liên Đới Lượng Tử

Giả sử, thay vì chỉ có một
con mèo bên trong cái hộp

ta có hai con
trong hai hộp khác nhau.

Kết quả của thí nghiệm Con mèo
của Schrödinger cho ra bốn khả năng

Cả hai con mèo đều sống
hoặc đều đã chết

hoặc một con còn sống,
con còn lại đã chết và ngược lại.

Hệ hai con mèo một lần nữa
ở trạng thái chồng chập

với xác xuất 25%
thay vì 50% cho mỗi trường hợp.

Chính tại đây, điều thú vị là

cơ học lượng tử cho rằng
có thể loại bỏ

trường hợp cả hai con mèo cùng sống hoặc
cùng chết dựa trên trạng thái chồng chập.

Nói cách khác,
có thể có một hệ hai con mèo,

sao cho kết quả sẽ luôn là một con
còn sống, con còn lại đã chết.

Theo thuật ngữ chuyên môn thì
đó là trạng thái liên đới của hai con mèo

Nhưng vẫn còn điều thực sự gây kinh ngạc
về hiệu ứng liên đới lượng tử

Nếu bạn chuẩn bị hệ hai con mèo
trong hộp ở trạng thái liên đới,

sau đó di chuyển những cái hộp
tới hai đầu của vũ trụ

thí nghiệm sẽ luôn cho ra
cùng một kết quả.

Một con mèo sẽ luôn sống
và con còn lại luôn chết

mặc dù không thể thể xác định được
con nào sống, con nào chết

trước khi đo đạc.

Sao mà như vậy được?

Bằng cách nào mà trạng thái của
hai con mèo ở hai đầu vũ trụ

lại có thể liên đới theo cách này?

Chúng ở quá xa để có thể
ảnh hưởng tới nhau.

Vậy làm thế nào hai quả bom
lại luôn sắp xếp sao cho

một quả nổ,
quả còn lại thì không?

Bạn có thể nghĩ rằng,

"Lý thuyết có vấn đề và rằng

Điều này không thể xảy ra
trong thực tế."

Nhưng cuối cùng,
liên đới lượng tử

cũng được khẳng định
bằng quan sát thực nghiệm.

Hai hạt hạ nguyên tử liên đới
ở trạng thái chồng chất,

nếu spin của vật thứ nhất
quay xuống dưới,

spin của vật kia
sẽ phải quay lên trên

cho dù không có cách nào

để truyền thông tin giữa hai vật,

cho thấy spin của một hạt
tuân theo các định luật liên đới lượng tử.

Không có gì ngạc nhiên
khi liên đới lượng tử là cốt lõi

của khoa học thông tin lượng tử,

một lĩnh vực đang phát triển
nghiên cứu cách áp dụng định luật lượng tử

vào thế giới vĩ mô,

như mật mã lượng tử, cho phép gián điệp
trao đổi thông tin một cách an toàn,

hay tính toán lượng tử,
nhằm bẻ khoá mật mã.

Vật lý thường ngày thoạt nhìn có vẻ
giống với thế giới lượng tử kỳ lạ.

Viễn tải lượng tử sẽ còn tiến xa hơn
cho đến

một ngày nào đó, con mèo của bạn
sẽ trốn tới một thiên hà an toàn hơn

nơi không có các nhà vật lý
và những cái hộp.