Lượng tử là gì và sự ra đời của thuyết lượng tử

Vật lý lượng tử là một trong những lĩnh vực khoa học đột phá nhất của thế kỷ 20. Lĩnh vực này mở ra một cách hiểu mới mẻ và độc đáo về thế giới ở cấp độ vi mô. Khác với những quy luật quen thuộc trong vật lý cổ điển, vật lý lượng tử khám phá những nguyên lý và quy luật khác biệt tại tầng mức nguyên tử và hạ nguyên tử. Vậy vật lý lượng tử là gì? Vì sao thuyết lượng tử lại quan trọng đến vậy trong sự phát triển của khoa học? Hãy cùng QiPra tìm hiểu trong bài viết dưới đây.

Lượng tử là gì? 

Lượng tử là đơn vị nhỏ nhất không thể chia nhỏ thêm của một đại lượng vật lý. Các đại lượng này có thể là năng lượng, vật chất hay điện tích trong thế giới vi mô.

Ví dụ, ánh sáng không tồn tại dưới dạng một dòng liên tục. Nó tồn tại dưới dạng một chuỗi các hạt nhỏ gọi là photon. Mỗi photon là một “lượng tử” của ánh sáng. Mỗi photon mang năng lượng nhất định và không thể chia nhỏ thêm. Tương tự, điện tích cũng tồn tại dưới dạng các lượng tử. Đơn vị nhỏ nhất của điện tích là điện tích của electron hoặc proton.

Vật lý lượng tử là gì? 

Vật lý lượng tử là lĩnh vực nghiên cứu các quy luật của thế giới vật chất ở tầng mức vô cùng nhỏ. Các hạt như electron, proton, neutron, gluon, quark, neutrino… là những ví dụ về các hạt trong lĩnh vực này. Các hạt này tồn tại trong một thế giới hoàn toàn khác biệt so với các quy luật thông thường. Chúng có những tính chất và hành vi khó có thể hình dung bằng trực giác.

Lĩnh vực này bắt đầu được chú ý và phát triển từ đầu thế kỷ 20. Những đóng góp quan trọng của Max Planck, một nhà vật lý người Đức, đã giúp phát triển lĩnh vực này. Ông đã đặt nền móng cho vật lý lượng tử. Ông nhận ra rằng năng lượng không phải là một chuỗi liên tục. Năng lượng là các hạt rời rạc, gọi là lượng tử. Từ “quantum” trong “Quantum Physics” có nguồn gốc từ tiếng Latin. Nó mang nghĩa là “đơn vị nhỏ nhất cấu thành vật chất.” Thay vì coi năng lượng là một trường liên tục như vật lý cổ điển, vật lý lượng tử định nghĩa năng lượng như một dạng vật chất. Năng lượng có thể được đo đếm, chia nhỏ và được cấu thành từ các đơn vị lượng tử.

Sự ra đời của thuyết lượng tử

Lĩnh vực vật lý lượng tử xuất hiện vào cuối những năm 1800 và đầu những năm 1900. Nó bắt nguồn từ một loạt các quan sát thực nghiệm về các nguyên tử. Những nguyên tử này không có ý nghĩa trực quan trong bối cảnh vật lý cổ điển. Một trong những khám phá cơ bản là nhận ra rằng vật chất và năng lượng có thể được coi là các gói rời rạc. Những gói này được gọi là lượng tử, có giá trị tối thiểu liên quan đến chúng.

Năm 1900, nhà vật lý học người Đức Max Planck công bố một nghiên cứu đột phá. Nghiên cứu này về ảnh hưởng của bức xạ đối với một vật đen (blackbody) – một vật hấp thụ hoàn toàn mọi bức xạ mà nó tiếp xúc. Trước đó, lý thuyết vật lý cổ điển cho rằng năng lượng là liên tục, giống như sóng. Lý thuyết này không phụ thuộc vào đặc tính của vật chất. Tuy nhiên, khi thực hiện thí nghiệm về bức xạ vật đen, Planck nhận thấy một điểm bất thường. Năng lượng không phân bố đều và liên tục. Năng lượng lại xuất hiện như những gói nhỏ rời rạc mà ông gọi là “quantum”.

Planck đưa ra giả thuyết rằng năng lượng bức xạ không tồn tại ở dạng liên tục. Nó là tập hợp của các lượng tử giống như hạt. Theo đó, năng lượng được truyền đi không phải dưới dạng sóng liên tục. Nó được truyền đi dưới dạng các gói rời rạc gọi là “photon”. Lý thuyết mới này giúp giải thích các hiện tượng chưa thể lý giải theo vật lý cổ điển. Ví dụ, sự phát nhiệt của chất rắn và cơ chế hấp thụ ánh sáng ở cấp độ nguyên tử.

Ví dụ, ánh sáng có tần số cố định sẽ cung cấp năng lượng dưới dạng lượng tử. Lượng tử này được gọi là “photon”. Mỗi photon ở tần số này sẽ có cùng một lượng năng lượng. Năng lượng này không thể bị chia nhỏ thành các đơn vị nhỏ hơn.

Kiến thức về các nguyên lý lượng tử đã thay đổi suy nghĩ của con người về nguyên tử. Nguyên tử bao gồm một hạt nhân được bao quanh bởi các electron. Các mô hình ban đầu mô tả các electron là các hạt quay quanh hạt nhân, giống như cách các vệ tinh quay quanh Trái đất. Thay vào đó, vật lý lượng tử hiện đại hiểu rằng các electron được phân bố trong các quỹ đạo. Các mô tả toán học biểu thị xác suất tồn tại của các electron ở nhiều vị trí trong một phạm vi nhất định tại bất kỳ thời điểm nào. Các electron có thể nhảy từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác khi chúng tăng hoặc mất năng lượng. Tuy nhiên, chúng không thể được tìm thấy giữa các quỹ đạo.

Khái niệm trung tâm khác thiết lập nền tảng của vật lý lượng tử

1. Lưỡng tính sóng – hạt

Nguyên lý này có từ những ngày đầu của khoa học lượng tử. Lưỡng tính sóng – hạt mô tả kết quả của các thí nghiệm cho thấy ánh sáng và vật chất có các đặc tính của hạt hoặc sóng, tùy thuộc vào cách chúng được đo. Ngày nay, chúng ta hiểu rằng các dạng năng lượng khác nhau này thực ra không phải là hạt hay sóng. Chúng là các vật thể lượng tử riêng biệt mà chúng ta không thể dễ dàng khái niệm hóa.

2. Chồng chất

Đây là thuật ngữ dùng để mô tả một vật thể. Vật thể này là sự kết hợp của nhiều trạng thái có thể xảy ra cùng một lúc. Một vật thể chồng chất giống như một gợn sóng trên mặt ao. Đó là sự kết hợp của hai con sóng chồng lên nhau. Theo nghĩa toán học, một vật thể trong trạng thái chồng chất có thể được biểu diễn bằng một phương trình. Phương trình này có nhiều hơn một nghiệm hoặc kết quả.

3. Nguyên lý bất định

Nguyên lý bất định là một khái niệm toán học. Nó biểu diễn sự đánh đổi giữa các quan điểm bổ sung. Trong vật lý, điều này có nghĩa là hai đặc tính của một vật thể không thể cùng lúc được biết chính xác. Ví dụ, nếu chúng ta đo chính xác vị trí của một electron, chúng ta sẽ bị giới hạn về mức độ chính xác mà chúng ta có thể biết được tốc độ của nó.

4. Sự vướng víu

Sự vướng víu là hiện tượng xảy ra khi hai hoặc nhiều vật thể được kết nối. Chúng có thể được coi là một hệ thống duy nhất, ngay cả khi chúng cách nhau rất xa. Trạng thái của một vật thể trong hệ thống đó không thể được mô tả đầy đủ nếu không có thông tin về trạng thái của vật thể kia. Tương tự như vậy, việc tìm hiểu thông tin về một vật thể tự động cho bạn biết điều gì đó về vật thể kia và ngược lại.

Thuyết lượng tử là một bước đột phá lớn trong khoa học, cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về bản chất cơ bản của vật chất và năng lượng. Không chỉ là một lý thuyết, vật lý lượng tử đã mở ra nhiều ứng dụng công nghệ đột phá trong thế giới hiện đại, từ máy tính lượng tử đến y học và truyền thông. Sự ra đời của vật lý lượng tử không chỉ giúp mở rộng tầm hiểu biết của con người mà còn đưa chúng ta đến gần hơn với những bí mật sâu kín của vũ trụ.