Thế giới lượng tử kì bí: Siêu lỏng và siêu rắn pot

Thế giới lượng tử kì bí: Siêu
lỏngvà siêurắn
Hãy quên đi nhữngvếtnhện phóng xạ cắn, những sự chiếu xạ tia gamma,
hoặc bấtkì tai nạn nào khác trongtruyện viễn tưởng phiêu lưu vũ trụ:trong thế
giới thực, chính thuyết lượngtử sẽ cho bạn siêu sức mạnh.
Lấy heliumlàm thí dụ. Ở nhiệt độ phòng, nó là một thú tiêu khiển bình
thường:bạncó thể bơm đầyhelium vào những quả khí cầubồng bềnh, hoặchít nó
vào và nói chuyện ra với giọng nghekhọtkhẹt. Tuyvậy, ở nhiệt độ dưới khoảng2
kelvin,nó là một chất lỏngvà các nguyên tử của nó bị chi phốibởi các tính chất
lượng tử của chúng. Khi đó, nó trở thànhsiêu tiêu khiển: chất siêu lỏng.
Các vachạm hạt tại thí nghiệm CMScủaLHC. (Ảnh:CMSCollaboration/CERN)
Helium siêu lỏng leo lênthànhbìnhchứa và chảy ngượclên trên, khôngcoi
lực hấpdẫn ra gì hết.Nó tự nén mìnhqua nhữnglỗ nhỏ bình thườngkhôngchui
qua lọt. Nó bất chấp sự ma sát: cho heliumsiêu lỏng vào trong một cái bát, cho cái
bát xoaytròn, vàheliumsiêulỏng vẫn nằmyên bất độngkhi cái bát quaytítbên
dướinó. Tuy nhiên, nếuđể helium lỏng tự chuyển động,nó sẽ tiếp tụchồi chuyển
mãi mãi.
Điều đó thậtthú vị, nhưng chẳng có lợi ích gì đặc biệt. Ngượclại cóthể nói là
các chất siêudẫn. Nhữngchất rắn này dẫn điện với điện trở bằngkhông,khiến
chúng thật lí tưởng trongviệc truyền tải điện năng, dùng trong việc tạo ra những
từ trường cựcmạnh– để lái các protonvòngquanhMáy Vachạm Hadron Lớn của
CERN, chẳng hạn– vàtrong việc nâng nhữngđoàn tàu siêu tốc.
Chúng tavẫnchưa hiểu tất cả các chấtsiêu dẫnhoạt độngnhư thế nào,
nhưng dường như nguyên lí bất định có một vaitrò nhấtđịnh. Ở nhữngnhiệtđộ
rất thấp,xung lượng của từng nguyên tử hay electronriêng lẻ trong những chất
liệu này là rất nhỏ và được biết rất chínhxác, nên vị trí của mỗi nguyên tử có sự
bất định cao. Thật ra, chúngbắt đầu chồng lấnlên nhau để hướngtới chỗ bạn
khôngthể mô tả chúng một cách riênglẻ. Chúng bắtđầu tác dụng như một siêu
nguyêntử hoặc siêu electron chuyển độngmà không cóma sáthoặc điện trở.
Tuy nhiên, tấtcả những điều kì lạ này chẳnglà gì nếu so với siêu chấtrắn.
Thí dụ đượcbiết tới duynhấtlà helium rắn lạnh xuống trong vòngmộtđộ của

khôngđộ tuyệt đối vàở áp suất khoảng 25 lần áp suất khí quyển bình thường.
Dưới những điều kiện này, các liên kếtgiữa các nguyên tử heliumthật yếu,
và mộtsố bị phá vỡ để lại một mạnglưới những“chỗ trống” hành xử hầu như
giống hệt như nhữngnguyên tử thậtsự. Dưới những điều kiệnthíchhợp, những
chỗ trống này hìnhthànhnên ngưng tụ Bose-Einstein dạng lỏngcủa riêng nó. Dưới
những trườnghợp nhấtđịnh, vật chấtnày sẽ đi xuyên qua mạng heliumbình
thường – nghĩalà chất rắn chảy xuyên qua chính nỏ, có vẻ hơi maquái một chút.
Đặc biệt,siêusức mạnh này đã đượcMoses Chanvà Eun-Seong Kim thuộc
trường đại học Bang Pennsylvaniakiểmtra đi, kiểm tra lại dữ liệu của họ về
helium rắn trong bốnnăm trướckhicuối cùng cho công bố kết quả vàonăm 2004
(Nature, vol 427, tr.225). “Tôi khôngchắc lắm làchúng ta đã thấy hiệu ứng đó”,
Chan nói. Tuynhiên, cácnhà nghiên cứu đã nhìnthấynhữngdấu hiệucho thấy có
thể theo đuổi bất kì chất liệu kết tinh nàođể tiến hànhmột kì công như thế ở
những chỉ một vài phầntrênkhôngđộ tuyệt đối. Không phảichỉ có siêu nhân mới
có thể làm đượcchuyện đó.
Thế giới lượng tử kì bí:
Chẳng một ai hiểu
Đối mặt trước sự công kích toàn diện của tính kì lạ lượng tử, thật hấp dẫnlà
hãy đi giải thích câu nói nổi tiếngcủa nhà vật lí giành giải Nobel Richard Feynman:
“Chẳngai hiểu nổi cơ học lượng tử”.
Dẫu vậy, thật sự có mộtvòngsự thật đối vớinó. Nhữnggiải thích đã thử nêu
ra ở đây sử dụng khuônkhổ được chấp nhậnrộng rãi nhất khi nghĩ về tính kìlạ
lượng tử, gọi là cách hiểu Copenhagen,gọi theotên thành phố nơi Niels Bohrvà
Werner Heisenbergđã nêu ranhững quy tắc nền tảng của nó vàođầu thế kỉ 20.
Rốt cuộc cơ học lượngtử cho chúng ta biết những gì chứ?
(Ảnh: PaulCooklin / BrandX Pictures / Getty)
Với cácnguyênlí bấtđịnh vànhững nghịch lí phép đocủa nó, cách hiểu
Copenhagen gắn liền với sự thừa nhận rằng chúngta được trang bị tồi để nhìn
thấythực tạilượng tử cơ sở. Mọi nỗ lực chúngtathực hiện để giao chiến với nó
giángnó xuống một hìnhchiếu cổ điển hời hợt của tínhphongphú lượng tử trọn

vẹn củanó.
Lev Vaidman ở trườngđại họcTel Aviv, Israel, giống như nhiều nhà vật lí
khác,đưa ra một lời giải thíchkhác. “Tôi khôngnhận thấy mình không hiểu cơ học
lượng tử”, ông nói. Nhưngphải trả mộtgiá cao để màhiểu –đó là thừa nhận sự tồn
tại củacác vũ trụ song song.
Trongbức tranh này, các hàmsóng không “suy sụp” về sự tất định cổ điển
mỗikhi bạn đo chúng; thực tại đơnthuần phântách thành nhiều thế giới song
song cũngnhư có nhiều khả năng đo.Một trongnhững thế giới này mangbạn và
thực tại mà bạnsống trong đó ra xa cùng với nó.“Nếu bạn không thừanhận đa thế
giới, thì chẳngcó cách nào có một bức tranhkếthợp cả”, Vaidmannói.
Hay, lại theo cáchnói của Feynman, chodù bạn chấp nhận cách hiểu
Copenhagen hay đa thế giới, “thì ‘nghịch lí’ chỉ là một sự mâu thuẫn giữathựctại
và cảm giác củabạn về cái mà thực tại phải như thế”.