Thuật ngữ “nguyên lý bất định” gợi ý một ý tưởng triết học tuyệt vời, như “bạn không bao giờ có thể chắc chắn về bất cứ điều gì” hoặc “có một số điều bạn không bao giờ có thể chắc chắn” và đôi khi người ta sử dụng nó như thể đó là ý nghĩa của chúng.
Trên thực tế, nguyên tắc này do nhà vật lý lý thuyết người Đức Werner Heisenberg phát hiện vào năm 1927 có một ý nghĩa kỹ thuật chính xác thường chỉ liên quan đến các hạt vi mô. Nhưng nó có ý nghĩa đối với cách chúng ta hiểu vũ trụ và mối quan hệ của chúng ta với nó, cũng như với các công nghệ mới của thế kỷ 21.
Mục lục
Sự không chắc chắn về điều gì?
wikimedia
Mặc dù Nguyên lý bất định Heisenberg (HUP) không có nghĩa là “có một số điều bạn không bao giờ có thể chắc chắn”, nhưng nó ngụ ý rằng “bạn không bao giờ có thể chắc chắn về mọi thứ”. Làm sao có thể? Nếu bạn không bao giờ có thể chắc chắn về mọi thứ, điều đó không có nghĩa là có một số điều bạn không bao giờ có thể chắc chắn sao? Đáng ngạc nhiên là không.
Trong khoa học, những gì chúng ta quan tâm cuối cùng là những gì chúng ta quan sát được. Vì vậy, khi chúng tôi nói rằng chúng tôi không chắc chắn về điều gì đó, chúng tôi muốn nói rằng chúng tôi không chắc chắn những gì chúng tôi sẽ quan sát được khi thực hiện một thí nghiệm.
Tất nhiên, cuộc sống sẽ khá nhàm chán nếu chúng ta luôn có thể dự đoán điều gì sẽ xảy ra tiếp theo, nhưng trong nhiều thế kỷ, các nhà khoa học đã mơ ước rằng họ có thể làm được điều này. HUP đã giết chết giấc mơ đó theo một cách rất thú vị.
Ví dụ đơn giản nhất về HUP là thế này: bạn không bao giờ có thể chắc chắn về cả vị trí và vận tốc của một hạt vi mô. Có thể thiết lập một thí nghiệm để bạn có thể dự đoán vị trí của một hạt. Một thí nghiệm khác sẽ cho phép bạn dự đoán tốc độ của nó. Nhưng bạn sẽ không bao giờ có thể sửa chữa mọi thứ để bạn có thể chắc chắn về cả vị trí và tốc độ của mình.
Bạn có thể nhảy cẫng lên vào thời điểm này và nói “Thật nực cười. Nếu tôi muốn biết cả hai, tôi chỉ cần đo chúng đồng thời. Hoặc trước tiên tôi đo vị trí, sau đó là vận tốc.” Trên thực tế, không có tùy chọn nào trong số này hoạt động và loại trừ chúng là các dạng HUP khác.
Trong trường hợp đầu tiên, có HUP nói rằng không thể đo đồng thời vị trí và vận tốc với độ chính xác hoàn hảo. Trong trường hợp thứ hai, có HUP nói rằng nếu bạn đo chính xác vị trí, bạn sẽ làm nhiễu vận tốc của nó, khiến nó trở nên không chắc chắn hơn và ngược lại. Vì vậy, bạn không thể giúp nó.
Đó có phải là một Nguyên tắc không?
sfgamchick
Trước khi đi vào chi tiết, một điều cần rõ ràng là “nguyên lý bất định” của Heisenberg thực ra không phải là một nguyên lý nào cả. Một “nguyên tắc”, trong khoa học cũng như trong cuộc sống hàng ngày, là một ý tưởng đơn giản cơ bản mà từ đó có thể suy ra tất cả những thứ khác, chẳng hạn như nguyên tắc tự do hoặc nguyên tắc công bằng.
Nguyên lý Heisenberg không phải như vậy, nó thực ra là hệ quả của một điều gì đó cơ bản hơn. Thứ đó là cơ học lượng tử, một lý thuyết áp dụng cho mọi dạng vật chất và năng lượng (theo như chúng ta biết).
Thật không may, mặc dù cơ học lượng tử có vẻ cơ bản, nhưng nó không đơn giản và do đó không thể gói gọn như một nguyên tắc. Nhưng tất cả các hình thức của HUP đều tuân theo nó.
chính xác không chắc chắn
Đối với ví dụ nêu trên, nguyên tắc của Heisenberg có thể được phát biểu chính xác như sau:
(1) Δq x Δv > ħ/m
Ở đây Δq là độ bất định về vị trí của hạt (tính bằng mét), Δv là độ bất định về vận tốc của nó (tính bằng mét trên giây), m là khối lượng của nó tính bằng kg và ħ là một hằng số (hằng số Planck chia cho 2* pi).
Lưu ý rằng hai độ không đảm bảo được nhân với nhau trong phương trình (1) và kết quả phải lớn hơn một số nào đó. Điều này có nghĩa là mặc dù Δq có thể nhỏ bao nhiêu tùy thích miễn là Δv đủ lớn hoặc ngược lại, cả hai đều không thể nhỏ tùy ý.
Do đó, HUP ở dạng linh hoạt nhất (“bạn không bao giờ có thể chắc chắn về mọi thứ”) là hệ quả của thực tế là hằng số Planck không bằng không. Nhưng hằng số Planck rất nhỏ. Trong các đơn vị được sử dụng ở đây, ħ ≈ 10-3.4; đó là 0,00…001, trong đó sẽ có 34 số không ở đây. Sự nhỏ gọn này là lý do tại sao chúng ta không phải lo lắng về HUP trong cuộc sống hàng ngày.
Hình ảnh AAP / Alan Porritt
Bạn có thể đã nghe câu chuyện về một phụ nữ bị cảnh sát chặn lại và nói: “Tôi vừa đo tốc độ của bạn là 53,9 km/h khi bạn đang ở trong khu vực có trường học với tốc độ 40 km/h.” Cô ấy trả lời: “Bạn có quen thuộc với Nguyên lý bất định Heisenberg không? Nếu bạn chắc chắn về tốc độ của tôi, không đời nào bạn biết xe của tôi ở đâu.
Đó là một trò đùa hay, nhưng hãy xem HUP thực sự nói gì. Khi viên cảnh sát nói rằng tốc độ được đo là 53,9 km/h, có lẽ anh ta chỉ muốn nói rằng nó gần với 53,9 hơn là 53,8 hoặc 54,0. Điều này có nghĩa là độ bất định khoảng 0,05 km/h, tức là khoảng 0,01 mét/giây. Nếu khối lượng của ô tô là 1000 kg, thì HUP ngụ ý:
Δq > ħ/(mx Δv) ≈ 10-35 /(1000×0,01) = 10-36 mét
Do đó, độ không đảm bảo tối thiểu ở vị trí của ô tô theo HUP là nhỏ hơn nhiều so với kích thước của một nguyên tử. Vì vậy, điều này rõ ràng là không liên quan khi nói đến câu hỏi liệu chiếc xe có ở trong khu vực trường học hay không.
wikimedia
Mặc dù HUP không có nhiều điều để nói về vé tăng tốc, nhưng nó phổ biến ở quy mô nguyên tử và hạt hạ nguyên tử. Khối lượng của electron là vô cùng nhỏ (m ≈ 10-30 kg) sao cho ħ/m ≈ 10-5 vế phải của phương trình (1) không còn nhỏ nữa.
Trên thực tế, một số lập luận đơn giản liên quan đến chuyển động của các electron xung quanh hạt nhân của một nguyên tử cho phép chúng ta rút ra kích thước gần đúng của một nguyên tử là Δq ≈ 10 nhỏ nhất-10 mét tiềm ẩn trong HUP. HUP, ở dạng này hay dạng khác, là một nguyên tắc hữu ích trong hầu hết các lĩnh vực khoa học liên quan đến lượng vật chất hoặc năng lượng rất nhỏ.
Ứng dụng công nghệ; ý nghĩa trong triết học
Vì cơ học lượng tử là nền tảng của hầu hết mọi công nghệ hiện đại nên HUP xuất hiện ở khắp mọi nơi. Nó cũng đóng một vai trò trực tiếp hơn trong các công nghệ lượng tử của thế kỷ 21, hiện chỉ mới được phát triển.
Giao tiếp lượng tử cho phép gửi tin nhắn được mã hóa mà không máy tính nào có thể hack được. Điều này là có thể bởi vì các thông điệp được mang bởi các hạt ánh sáng nhỏ gọi là photon.
Nếu một kẻ xâm nhập cố gắng đọc tin nhắn trong quá trình truyền, chúng sẽ bị phát hiện do sự xáo trộn mà phép đo của chúng gây ra cho các hạt như một hệ quả tất yếu của HUP.
HUP cũng đưa ra những câu hỏi triết học hấp dẫn và khó. Câu hỏi rõ ràng nhất là: lý do cho sự không chắc chắn này là gì?
Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta có thể không chắc liệu bi cái có nằm trong túi cao hay không vì chúng ta không chắc chắn về tốc độ hoặc vị trí của nó. Nhưng chúng tôi sẽ không nghi ngờ rằng quả bóng có tốc độ và vị trí.
Ngược lại, trong chế độ của các thí nghiệm lượng tử, chúng ta không chắc chắn về kết quả của các thí nghiệm bởi vì bản thân hạt cũng không chắc chắn. Nó không có vị trí hay vận tốc cho đến khi chúng ta đo nó. Heisenberg nghĩ vậy, và hầu hết các nhà vật lý vẫn đi theo con đường này.
Tuy nhiên, những người khác hoàn toàn không đồng ý với kết luận này và cuộc tranh luận vẫn chưa kết thúc, đó là điều chắc chắn.
Xem thêm các bài viết giải thích trong Cuộc hội thoại.
