Cơ học lượng tử

Các hiệu ứng của cơ học lượng tử

Như đã nhắc ở trên, có một vài lớp hiện tượng xuất hiện trong cơ học lượng tử mà không có sự tương tự với cơ học cổ điển. Chúng được gọi là "hiệu ứng lượng tử".
Loại thứ nhất của hiệu ứng lượng tử đó là lượng tử hóa các đại lượng vật lý nhất định. Trong ví dụ về hạt mà ta đã xem xét, cả vị trí và xung lượng đều là các quan sát liên tục. Tuy nhiên nếu ta giới hạn hạt đó trong một vùng không gian để hình thành bài toán hạt trong hố thế thì các quan sát đó sẽ trở nên rời rạc. Những quan sát như vậy được gọi là bị lượng tử hóa và nó có vai trò quan trọng trong các hệ vật lý. Ví dụ về các quan sát bị lượng tử hóa bao gồm mô men xung lượng, năng lượng toàn phần của hệ liên kết, và năng lượng mà một sóng điện từ với một tần số đã cho.
Một hiệu ứng nữa là nguyên lý bất định đó là hiện tượng mà các phép đo liên tiếp của hai hay nhiều hơn hai quan sát có thể có các giới hạn cơ bản về độ chính xác. Trong ví dụ về hạt tự do, chúng ta không thể tìm thấy hàm sóng là trạng thái riêng của cả vị trí và xung lượng. Hiệu ứng này có nghĩa là không thể đo đồng thời vị trí và xung lượng với độ chính xác bất kỳ, ngay cả về mặt nguyên tắc: vì khi độ chính xác về vị trí tăng lên thì độ chính xác về xung lượng giảm đi và ngược lại. Các quan sát chịu tác động của nguyên lý này (gồm có xung lượng và vị trí, năng lượng và thời gian) là các biến giao hoán trong vật lý cổ điển.
Hiệu ứng tiếp theo là lưỡng tính sóng hạt. Dưới một số điều kiện thực nghiệm nhất định, các vật thể vi mô như là các nguyên tử hoặc các điện tử có thể hành xử như các "hạt" trong thí nghiệm tán xạ hoặc có thể hành xử như các "sóng" trong thí nghiệm giao thoa. Nhưng chúng ta chỉ có thể quan sát một trong hai tính chất trên vào một thời điểm mà thôi.
Hiệu ứng nữa là vướng lượng tử. Trong một số trường hợp, hàm sóng của một hệ được tạo thành từ nhiều hạt mà không thể phân tách thành các hàm sóng độc lập cho mỗi hạt. Trong trường hợp đó, người ta nói các hạt bị "vướng" với nhau. Nếu cơ học lượng tử đúng thì các hạt có thể thể hiện các tính chất khác thường và đặc biệt. Ví dụ, khi tiến hành một phép đo trên một hạt thì nhờ suy sập của hàm sóng toàn phần mà có thể tạo ra các hiệu ứng tức thời với các hạt khác thậm chí ngay cả khi chúng ở xa nhau.
Hiệu ứng đó có vẻ như mâu thuẫn với lý thuyết tương đối hẹp vì theo thuyết tương đối hẹp, không có gì có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Nhưng ở đây không có sự truyền thông tin nên không yêu cầu phải di chuyển một thực thể vật lý tức thời giữa hai hạt. Hiệu ứng ở đây có nghĩa là, sau khi nghiên cứu các thực thể bị vướng với nhau, hai người nghiên cứu có thể so sánh dữ liệu của họ và thu được các mối tương quan mà các hạt có.
Một hiệu ứng nữa là đệm lượng tử và khóa lượng tử. Để tạo được hiệu ứng này, chúng ta cần một vật liệu bán dẫn (hoặc siêu bán dẫn), một ít ni-tơ lỏng (nhiệt độ -196 °C trong điều kiện áp suất khí quyển)  và.

Công thức toán học

Trong các công thức toán học rất chặt chẽ của cơ học lượng do Paul Dirac và John von Neumann phát triển, các trạng thái khả dĩ của một hệ cơ học lượng tử được biểu diễn bằng các véc tơ đơn vị (còn gọi là các véc tơ trạng thái) được thể hiện bằng các hàm số phức trong không gian Hilbert (còn gọi là không gian trạng thái). Bản chất của không gian Hilbert này lại phụ thuộc vào hệ lượng tử. Ví dụ, không gian trạng thái của vị trí và xung lượng là không gian của các hàm bình phương khả tích, trong khi đó không gian trạng thái của các spin và điện tử cô lập chỉ là tích của hai mặt phẳng phức. Mỗi quan sát được biểu diễn bằng một toán tử tuyến tính Hermit xác định (hay một toán tử tự hợp) tác động lên không gian trạng thái. Mỗi trạng thái riêng của một quan sát tương ứng với một véc tơ riêng (còn gọi là hàm riêng) của toán tử, và một giá trị riêng (còn gọi là trị riêng) tương ứng với giá trị của quan sát trong trạng thái riêng đó. Nếu phổ của toán tử là rời rạc thì quan sát chỉ có thể có được các giá trị riêng rời rạc.
Sự thay đổi theo thời gian của hệ lượng tử được mô tử bằng phương trình Schrodinger, trong phương trình này, toán tử Hamilton tương ứng với năng lượng toàn phần của hệ gây nên sự biến đổi theo thời gian.
Tích vô hướng giữa hai véc tơ trạng thái là một số phức được gọi là biên độ xác suất. Trong một phép đo, xác suất mà một hệ suy sập từ một trạng thái ban đầu đã cho vào một trạng thái riêng đặc biệt nào đó bằng bình phương của giá trị tuyệt đối của biên độ xác suất giữa trạng thái đầu và cuối. Kết quả khả dĩ của phép đo là giá trị riêng của toán tử đều là các số thực (chính vì trị riêng phải là thực mà người ta phải chọn toán tử Hermit). Chúng ta có thể tìm thấy phân bố xác suất của một quan sát trong một trạng thái đã cho bằng việc xác định sự tách phổ của toán tử tương ứng. Nguyên lý bất định Heisenberg được biểu diễn bằng các toán tử tương ứng với các quan sát nhất định không giao hoán với nhau.
Phương trình Schrodinger tác động lên toàn bộ biên độ xác suất chứ không chỉ ảnh hưởng đến giá trị tuyệt đối của nó. Nếu giá trị tuyệt đối của biên độ xác suất mang các thông tin về xác suất, thì pha của nó mang các thông tin về giao thoa giữa các trạng thái lượng tử. Điều này thể hiện tính chất sóng của trạng thái lượng tử.
Thực ra, nghiệm giải tích của phương trình Schrödinger chỉ có thể thu được từ một số rất ít các Hamilton như trường hợp của các dao động tử điều hòa lượng tử và nguyên tử hydrogen là các đại diện quan trọng nhất. Thậm chí, ngay cả nguyên tử helium chỉ gồm hai điện tử mà cũng không thể giải bằng giải tích được. Chính vì thế mà người ta dùng một vài phép gần đúng để giải các bài toán phức tạp hơn một điện tử. Ví dụ như lý thuyết nhiễu loạn dùng nghiệm của các bài toán đối của các hệ lượng tử đơn giản sau đó thêm vào nghiệm đó một số hạng bổ chính do sự có mặt của một toán tử phụ, được coi như nhiễu loạn gây ra. Một phương pháp khác được gọi là phương trình chuyển động bán cổ điển được áp dụng cho các hệ vật lý mà cơ học cổ điển chỉ tạo ra một sai khác rất nhỏ so với cơ học cổ điển. Phương pháp này rất quan trọng trong hỗn loạn lượng tử.
Một phương pháp toán học thay thế cơ học lượng tử là công thức tích phân lộ trình Feynman, trong đó, biên độ cơ học lượng tử được coi là tổng theo tất cả các lịch sử giữa trạng thái đầu và cuối; nó tương đương với nguyên lý tác dụng tối thiểu trong cơ học cổ điển.

Mối liên hệ với các lý thuyết khoa học khác

Các nguyên tắc cơ bản của cơ học lượng tử rất khái quát. Chúng phát biểu rằng không gian trạng thái của hệ là không gian Hilbert và các quan sát là các toán tử Hermit tác dụng lên không gian đó. Nhưng chúng không nói với chúng ta là không gian Hilbert nào và toán tử nào. Chúng ta cần phải chọn các thông số đó cho phù hợp để mô tả định lượng hệ lượng tử. Một hướng dẫn quan trọng cho việc lựa chọn này đó là nguyên lý tương ứng, nguyên lý này phát biểu rằng các tiên đoán của cơ học lượng tử sẽ rút về các tiên đoán của cơ học cổ điển khi hệ trở lên lớn. "giới hạn hệ lớn" này được coi là "cổ điển" hay "giới hạn tương ứng". Do đó, ta có thể bắt đầu bằng một mô hình cổ điển với một hệ nào đó và cố gắng tiên đoán một mô hình lượng tử mà trong giới hạn tương ứng, mô hình lượng tử đó sẽ rút về mô hình cổ điển.
Ban đầu, khi thiết lập cơ học cổ điển, nó được áp dụng cho các mô hình mà giới hạn tương ứng là cơ học cổ điển phi tương đối tính. Ví dụ mô hình dao động tử điều hòa lượng tử sử dụng biểu thức phi tương đối tính tường minh cho động năng của dao động tử, và nó là phiên bản lượng tử của dao động tử điều hòa cổ điển.
Các cố gắng ban đầu để kết hợp cơ học lượng tử với lý thuyết tương đối hẹp là thay thế phương trình Schrödinger bằng một phương trình hiệp biến như là phương trình Klein-Gordon hoặc là phương trình Dirac. Khi các lý thuyết này thành công trong việc giải thích các kết quả thực nghiệm thì chúng lại có vẻ như bỏ qua quá trình sinh và hủy tương đối tính của các hạt. Lý thuyết lượng tử tương đối tính đầy đủ phải cần đến lý thuyết trường lượng tử. Lý thuyết này áp dụng lượng tử hóa cho trường chứ không chỉ cho một tập hợp cố định gồm các hạt (được gọi là lượng tử hóa lần thứ hai để so sánh với lượng tử hóa lần thứ nhất là lượng tử hóa dành cho các hạt). Lý thuyết trường lượng tử hoàn thành đầu tiên là điện động lực học lượng tử, nó mô tả đầy đủ tương tác điện từ.
Ít khi người ta phải dùng toàn bộ lý thuyết trường lượng tử để mô tả các hệ điện từ. Một phương pháp đơn giản hơn được người ta áp dụng từ khi khởi đầu của cơ học lượng tử, đó là coi các hạt tích điện như là các thực thể cơ học lượng tử chỉ bị tác dụng bởi trường điện từ cổ điển. Ví dụ, mô hình lượng tử cơ bản về nguyên tử hydrogen mô tả điện trường của nguyên tử hydrogen sử dụng thế năng Coulomb 1/r cổ điển. Phương pháp "bán cổ điển" này bị vô hiệu hóa khi thăng giáng lượng tử trong trường điện tử đóng vai trò quan trọng như là sự phát xạ quang tử từ các hạt tích điện.
Lý thuyết trường lượng tử cho lực tương tác mạnh và lực tương tác yếu đã được phát triển và gọi là sắc động lực học lượng tử. Lý thuyết mô tả tương tác của các hạt hạ hạt nhân như là các quark và gluon. Lực tương tác yếu và lực điện từ đã được thống nhất và lý thuyết lượng tử mô tả hai lực đó được gọi là lý thuyết điện-yếu.
Rất khó có thể xây dựng các mô hình lượng tử về hấp dẫn, lực cơ bản còn lại duy nhất mà chưa được thống nhất với các lực còn lại. Các phép gần đúng bán cổ điển có thể được sử dụng và dẫn đến tiên đoán về bức xạ Hawking. Tuy nhiên, công thức của một lý thuyết hấp dẫn lượng tử hoàn thiện lại bị cản trở bởi sự không tương thích giữa lý thuyết tương đối rộng (lý thuyết về hấp dẫn chính xác nhất hiện nay) với một số giả thuyết cơ bản của lý thuyết lượng tử (như vướng víu lượng tử, nguyên lý bất định...). Việc giải quyết sự không tương thích này là một nhánh của vật lý mà đang được nghiên cứu rất sôi nổi hiện nay. Một số lý thuyết như lý thuyết dây là một trong những ứng cử viên khả dĩ cho lý thuyết hấp dẫn lượng tử của tương lai.

Ứng dụng của cơ học lượng tử

Cơ học lượng tử đã đạt được các thành công vang dội trong việc giải thích rất nhiều các đặc điểm của thế giới chúng ta. Tất cả các tính chất riêng biệt của các hạt vi mô tạo nên tất cả các dạng vật chất đó là điện tử, proton, neutron,... chỉ có thể được mô tả bằng cơ học lượng tử.
Cơ học lượng tử còn quan trọng trong việc tìm hiểu các nguyên tử riêng biệt kết hợp với nhau để tạo nên các chất như thế nào. Việc áp dụng cơ học lượng tử vào hóa học được gọi là hóa học lượng tử. Cơ học lượng tử có thể cho phép nhìn sâu vào các quá trình liên kết hóa học bằng việc cho biết các phân tử ở các trạng thái có lợi về năng lượng như thế nào so với các trạng thái và làm sao mà chúng khác nhau. Phần lớn các tính toán được thực hiện trong hóa học tính toán dựa trên cơ học lượng tử.
Rất nhiều các công nghệ hiện đại sử dụng các thiết bị có kích thước mà ở đó hiệu ứng lượng tử rất quan trọng. Ví dụ như là laser, transistor, hiển vi điện tử, và chụp cộng hưởng từ hạt nhân. Nghiên cứu về chất bán dẫn dẫn đến việc phát minh ra các đi-ốt và transistor, đó là những linh kiện điện tử không thể thiếu trong xã hội hiện đại.
Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm kiếm các phương pháp để can thiệp vào các trạng thái lượng tử. Một trong những cố gắng đó là mật mã lượng tử cho phép truyền thông tin một cách an toàn. Mục đích xa hơn là phát triển các máy tính lượng tử, có thể thực hiện các tính toán nhanh hơn các máy tính hiện nay rất nhiều lần. Một lĩnh vực khác đó là viễn tải lượng tử có thể cho phép truyền các trạng thái lượng tử đến những khoảng cách bất kỳ.

Hệ quả triết học của cơ học lượng tử

Ngay từ đầu, các kết quả ngược với cảm nhận con người bình thường của cơ học lượng tử đã gây ra rất nhiều các cuộc tranh luận triết học và nhiều cách giải thích khác nhau về cơ học lượng tử. Ngay cả các vấn đề cơ bản như là các quy tắc Max Born liên quan đến biên độ xác suất và phân bố xác suất cũng phải mất đến hàng thập kỷ mới được thừa nhận.
Giải thích Copenhagen, chủ yếu là do Niels Bohr đưa ra, là cách giải thích mẫu mực về cơ học lượng tử từ khi lý thuyết này được đưa ra lần đầu tiên. Theo cách giải thích của trường phái này thì bản chất xác suất của các tiên đoán của cơ học lượng tử không thể được giải thích dựa trên một số lý thuyết tất định, và không chỉ đơn giản phản ánh kiến thức hữu hạn của chúng ta. Cơ học lượng tử cho các kết quả có tính xác suất vì vũ trụ mà chúng ta đang thấy mang tính xác suất chứ không phải là mang tính tất định.
Bản thân Albert Einstein, một trong những người sáng lập lý thuyết lượng tử, cũng không thích tính bất định trong các phép đo vật lý. Ông bảo vệ ý tưởng cho rằng có một lý thuyết biến số ẩn cục bộ nằm đằng sau cơ học lượng tử và hệ quả là lý thuyết hiện tại chưa phải là hoàn thiện. Ông đưa ra nhiều phản đề đối với lý thuyết lượng tử, trong số đó thì nghịch lý EPR (nghịch lý do Albert Einstein, Boris Podolsky, và Nathan Rosen đưa ra) là nổi tiếng nhất. John Bell cho rằng nghịch lý EPR dẫn đến các sự sai khác có thể được kiểm nghiệm bằng thực nghiệm giữa cơ học lượng tử và lý thuyết biến số ẩn cục bộ. Thí nghiệm đã được tiến hành và khẳng định cơ học lượng tử là đúng và thế giới thực tại không thể được mô tả bằng các biến số ẩn. Tuy nhiên, việc tồn tại các kẽ hở Bell trong các thí nghiệm này có nghĩa là câu hỏi vẫn chưa được giải đáp thỏa đáng.
Xem thêm: tranh luận Bohr-Einstein
Cách giải thích đa thế giới của Hugh Everett được đưa ra vào năm 1956 cho rằng tất cả các xác suất mô tả bởi cơ học lượng tử xuất hiện trong rất nhiều thế giới khác nhau, cùng tồn tại song song và độc lập với nhau. Trong khi đa thế giới là tất định thì chúng ta nhận được các tính chất bất định cho bởi các xác suất bởi vì chúng ta chỉ quan sát được thế giới mà chúng ta tồn tại mà thôi.
Giải thích Bohm, do David Bohm đưa ra, đã thừa nhận sự tồn tại của các hàm sóng phổ quát, phi cục bộ. Hàm sóng này cho phép các hạt ở xa nhau có thể tương tác tức thời với nhau. Dựa trên cách giải thích này Bohm lý luận rằng bản chất sâu xa nhất của thực tại vật lý không phải là tập hợp các vật thể rời rạc như chúng ta thấy mà là một thực thể thống nhất năng động, không thể phân chia, và bất diệt. Tuy nhiên cách giải thích của Bohm không được phổ biến trong giới vật lý vì nó được coi là không tinh tế.

Lịch sử cơ học lượng tử

Năm 1900, Max Planck đưa ra ý tưởng là năng lượng phát xạ bị lượng tử hóa để giải thích về sự phụ thuộc của năng lượng phát xạ vào tần số của một vật đen. Năm 1905, Einstein giải thích hiệu ứng quang điện dựa trên ý tưởng lượng tử của Plank nhưng ông cho rằng năng lượng không chỉ phát xạ mà còn hấp thụ theo những lượng tử mà ông gọi là quang tử. Năm 1913, Bohr giải thích quang phổ vạch của nguyên tử hydrogen lại bằng giả thuyết lượng tử. Năm 1924 Louis de Broglie đưa ra lý thuyết của ông về sóng vật chất.
Các lý thuyết trên, mặc dù thành công trong giải thích một số thí nghiệm nhưng vẫn bị giới hạn ở tính hiện tượng luận: chúng không được chứng minh một cách chặt chẽ về tính lượng tử. Tất cả các lý thuyết đó được gọi là lý thuyết lượng tử cổ điển.
Thuật ngữ "vật lý lượng tử" lần đầu tiên được dùng trong bài Planck's Universe in Light of Modern Physics của Johnston (Vũ trụ của Planck dưới ánh sáng của vật lý hiện đại).
Cơ học lượng tử hiện đại được ra đời năm 1925, khi Heisenberg phát triển cơ học ma trận và Schrödinger sáng tạo ra cơ học sóng và phương trình Schrödinger. Sau đó, Schrödinger chứng minh rằng hai cách tiếp cận trên là tương đương.
Heisenberg đưa ra nguyên lý bất định vào năm 1927 và giải thích Copenhagen cũng hình thành vào cùng thời gian đó. Bắt đầu vào năm 1927, Paul Dirac thống nhất lý thuyết tương đối hẹp với cơ học lượng tử. Ông cũng là người tiên phong sử dụng lý thuyết toán tử, trong đó có ký hiệu Bra-ket rất hiệu quả trong các tính toán như được mô tả trong cuốn sách nổi tiếng của ông xuất bản năm 1930. Cũng vào khoảng thời gian này John von Neumann đã đưa ra cơ sở toán học chặt chẽ cho cơ học lượng tử như là một lý thuyết về các toán tử tuyến tính trong không gian Hilbert. Nó được trình bày trong cuốn sách cũng nổi tiếng của ông xuất bản năm 1932. Các lý thuyết này cùng với các nghiên cứu khác từ thời kỳ hình thành cho đến nay vẫn đứng vững và ngày càng được sử dụng rộng rãi.
Lĩnh vực hóa học lượng tử được phát triển của những người tiên phong là Walter Heitler và Fritz London. Họ đã công bố các nghiên cứu về liên kết hóa trị của phân tử hydrogen vào năm 1927. Sau đó, hóa học lượng tử được phát triển rất mạnh trong đó có Linus Pauling.
Đầu năm 1927, các cố gắng nhằm áp dụng cơ học lượng tử vào các lĩnh vực khác như là các hạt đơn lẻ dẫn đến sự ra đời của lý thuyết trường lượng tử. Những người đi đầu trong lĩnh vực này là Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Victor Weisskopf và Pascaul Jordan. Lĩnh vực này cực thịnh trong lý thuyết điện động lực học lượng tử do Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian Schwinger và Sin-Itiro Tomonaga phát triển cvào những năm 1940. Điện động lực học lượng tử là lý thuyết lượng tử về điện tử, phản điện tử và điện từ trường và đóng vai trò quan trọng trong các lý thuyết trường lượng tử sau này.
Hugh Everett đưa ra giải thích đa thế giới vào năm 1956.
Lý thuyết sắc động lực học lượng tử được hình thành vào đầu những năm 1960. Lý thuyết này do Politzer, Gross và Wilzcek đưa ra vào năm 1975. Dựa trên các công trình tiên phong của Schwinger, Peter Higgs, Goldstone và những người khác, Sheldon Lee Glashow, Steven Weinberg và Abdus Salam đã độc lập với nhau chứng minh rằng lực tương tác yếu và sắc động lực học lượng tử có thể kết hợp thành một lực điện-yếu duy nhất.