Đề tài Electron-Hạt hay sóng?

t lý cổ điển có một vấn đề nhỏ, dường như không quan trọng nhưng không thể bỏ qua được. Những tính toán của hai nhà khoa học Anh, huân tước Rayleigh và ngài Jeams Jeans, cho kết quả là: một đối tượng hay một vật thể nóng, chẳng hạn một ngôi sao, cần phải phát xạ năng lượng với tốc độ vô hạn. Theo những định luật mà người ta tin là đúng ở thời gian đó thì một vật thể nóng cần phải phát ra các sóng điện từ (như sóng vô tuyến, ánh sáng thấy được, hoặc tia X…) như nhau ở mọi tần số. Ví dụ, một vật thể nóng cần phải phát xạ một năng lượng như nhau trong các sóng có tần số nằm giữa một và hai triệu triệu sóng một giây cũng như trong các sóng có tần số nằm giữa hai và ba triệu triệu sóng một giây. Và vì số sóng trong một giây là không có giới hạn, nên điều này có nghĩa là tổng năng lượng phát ra là vô hạn. Để tránh cái kết quả rõ ràng là vô lý này, nhà khoa học người Đức, Max Planck (1858-1947), vào năm 1900 đã cho rằng ánh sáng, tia X và các sóng khác không thể được phát xạ với một tốc độ tùy ý mà thành từng phần nhất định mà ông gọi là lượng tử. Hơn nữa, mỗi một lượng tử có năng lượng nhất định, năng lượng này càng lớn nếu tần số của sóng càng cao, vì vậy ở tần số đủ cao sự phát xạ chỉ một lượng tử thôi cũng có thể đòi hỏi một năng lượng lớn hơn năng lượng vốn có của vật. Như vậy sự phát xạ ở tần số cao phải được rút bớt đi, khi đó tốc độ mất năng lượng của vật mới là hữu hạn. Đây chính là nền tảng đầu tiên cho cơ học lượng tử và Max Planck được coi là cha đẻ của lý thuyết lượng tử. Mãi đến năm 1905, khi nghiên cứu hiệu ứng quang điện, Abert Einstein (1879-1955) đã sử dụng giả thuyết lượng tử của Planck để giải thích các kết quả thực nghiệm xung quanh hiệu ứng quang điện. Bằng quan niệm rằng, bức xạ điện từ có bản chất lượng tử ở mọi nơi chứ không chỉ bó gọn trong các quá trình hấp thụ hay phát xạ, nghĩa là đâu đâu cũng tồn tại lượng tử ánh sáng ∆E, Einstein đã giải thích được kết quả thực nghiệm hết sức khác thường. Theo giả thuyết của ông, năng lượng của bức xạ điện từ chỉ luôn tồn tại dưới dạng lượng tử hóa và bức xạ điện từ là dòng các lượng tử ánh sáng gọi là các photon. Louis de Broglie Sau khi thuyết photon của Einstein ra đời và Vật lý học thừa nhận lưỡng tính sóng hạt của của ánh sáng Louis De Broglie Broglie , năm 1924, Louis de Broglie (1892-1987), một nhà vật lý và là thành viên của gia đình quí tộc Pháp nổi tiếng, đã trăn trở trước sự thật là ánh sáng có lưỡng tính sóng-hạt, trong khi đó các chất lại chỉ có tính hạt. Điều này đối mặt với sự thật là ánh sáng và các chất đều là các dạng của năng lượng, có thể chuyển hóa cho nhau và cùng tuân theo các đối xứng không – thời gian của lý thuyết tương đối. Rồi ông nảy ra ý nghĩ rằng vật chất cũng có lưỡng tính đó, rằng các hạt, như electron chẳng hạn, cũng có thể có tính sóng. Chuyển động tự do của một hạt, như electron với năng lượng E và xung lượng p cũng có thể xem như sự truyền của một sóng phẳng đơn sắc với tần số góc ω và vectơ sóng k với mối liên hệ giữa các đại lượng đó bởi những hệ thức giống như hệ thức giữa các đại lượng đó trong trường hợp photon. Nói một cách tổng quát hơn, chuyển động của electron cũng như của tất cả các hạt vi mô đều là quá trình truyền sóng – một loại sóng mới trước đây chưa hề được biết đến, gọi là sóng De Broglie. De Broglie đã khái quát hóa lưỡng tính “sóng – hạt” của ánh sáng cho các hạt vi mô như electron, photon, nơtron v.v… Ông cho rằng khi một hạt chuyển động tự do có năng lượng và xung lượng xác định sẽ tương ứng với một sóng phẳng đơn sắc lan truyền theo phương chuyển động của hạt, được mô tả bởi hàm sóng: gắn liền với bước sóng và tần số xác định: với p = mv Sóng De Broglie là loại sóng không có nguồn gốc dao động cơ học, cũng không có nguồn gốc điện từ, nó là loại sóng gắn liền với hạt vật chất khi chuyển động. Khác với sóng ánh sáng ở chỗ, giữa tần số và bước sóng không có quan hệ . Bước sóng De Broglie liên hệ trực tiếp với khối lượng và vận tốc chuyển động của hạt: Werner Heisenberg (lúc 26 tuổi) Để tiên đoán vị trí và vận tốc trong tương lai của một hạt, người ta cần phải đo vị trí và vận tốc hiện thời của nó một cách chính xác. Nhưng nhà vật lý lượng tử thiên tài người Đức, Werner Heisenberg (1901-1976) vào năm mới chỉ 26 tuổi, ông đã trình bày nguyên lý bất định Heisenberg đầy tính cách mạng và tìm ra một hệ thức giới hạn giữa độ chính xác ∆x về tọa độ và độ chính xác ∆p về xung lượng. Hệ thức có tính cách mạng và thoạt đầu có vẻ tà đạo này được phát biểu hết sức đơn giản như sau: ∆x. ∆p ≥ ћ/2 Tức là nếu ta thiết kế một thí nghiệm để xác định vị trí của hạt (chẳng hạn như electron) một cách chính xác nhất có thể được (bằng cách làm cho ∆x nhỏ hơn), ta sẽ thấy rằng khi đó ta sẽ không thể đo được thật tốt xung lượng của nó Werner Heisenberg (∆p trở nên rất lớn). Còn nếu ta sửa thí nghiệm để tăng độ chính xác của phép đo xung lượng thì độ chính xác của phép đo vị trí sẽ “tồi” đi. Ta sẽ không làm được gì trong chuyện này. Tích của hai độ bất định không bao giờ nhỏ hơn một lượng xác định. ∆x nhỏ hơn tất yếu dẫn tới một ∆p lớn hơn và ngược lại. Giữa ∆x và ∆p tồn tại một mối quan hệ bù trừ. Như vậy hệ thức bất định Heisenberg giới hạn một cách cơ bản hiểu biết chúng ta về quỹ đạo của các đối tượng lượng tử. Ở đây có điều quan trọng mà chính Heisenberg và cộng sự đã nhấn mạnh, giới hạn hiểu biết này không phải sinh ra từ sự không chính xác của các kỹ thuật được sử dụng hay của bản thân các dụng cụ đo, mà được xác định bởi một tính chất xác định của các đối tượng vật chất trong thế giới vi mô. Bản thân đối một đối tượng lượng tử có một tọa độ bất định và một xung lượng bất định. Nguyên lý bất định đã phát tín hiệu về sự cáo chung cho giấc mơ của Laplace về một lý thuyết khoa học, một mô hình của vũ trụ hoàn toàn có tính chất tất định: người ta chắc chắn không thể tiên đoán những sự kiện tương lai một cách chính xác nếu như người ta không thể dù chỉ là đo trạng thái hiện thời của vũ trụ một cách chính xác! Với một chút khôi hài ta có thể nhấn mạnh điều này: Nếu một hạt, chẳng hạn như electron, bị buộc phải bay theo một hướng xác định, thì tự nó sẽ không biết rằng mình sẽ tồn tại ở đâu! Hệ thức bất định Heisenberg là một trong những cơ sở căn bản nhất và trung tâm nhất của cơ học lượng tử. Đối với cơ học lượng tử, nguyên lý này có vai trò giống như kiến thức về giải phẩu đối với nhà y học. Erwin Schrodinger Gần như đồng thời và độc lập với Heisenberg, vào năm 1926, nhà vật lý người Áo Erwin Schrodinger (1887-1961) phát biểu một cách mô tả toán học riêng dành cho các quá trình trong thế giới vi mô, gọi là cơ học sóng. (Trong lý thuyết này, Schrodinger vẫn còn phần nào gắn bó với mô hình nguyên tử bán cổ điển của Bohr, khi ông nghĩ rằng các electron trong lớp vỏ nguyên tử chuyển động trên những quỹ đạo dừng). Phương trình Schrodinger. Nó là phương trình vi phân chứa hàm sóng là một ẩn hàm. Có thể xem hàm sóng giả thiết bởi de Broglie để mô tả sóng vật chất là một nghiệm của phương trình Schrodinger. Các nhà vật lý đã nhanh chóng sử dụng phương trình Schrodinger để tính toán các tính chất của thế giới dưới nguyên tử: cấu trúc của nguyên tử, các mức năng lượng của electron… Các kết quả thu được luôn luôn phù hợp với quan sát. Như vậy vật chất chắc chắn là có dáng vẻ của sóng. Nhưng một câu hỏi vẫn còn bỏ ngõ đó là: sóng của một hạt nghĩa là gì? Schrodinger nghĩ rằng phương trình của ông mô tả các electron “trải” ra trong toàn bộ không gian, như các sóng tròn do viên đá ném xuống tạo ra và lan khắp mặt ao. Nhưng giả thiết này không có ý nghĩa gì, vì ta không quan sát được các mẩu của electron, một phần ba electron ở đây hay một nửa ở kia, phân tán trong không gian! Các sóng electron rõ ràng không phải là các sóng vật chất. Nhà vật lý người Đức, Max Born (1882-1970) là người tìm ra câu trả lời đúng đắn vào năm 1926: theo ông sóng được mô tả theo phương trình Schrodinger hoàn toàn không phải là một sóng cụ thể được tạo thành từ vật chất, mà là một sóng trừu tượng, được tạo ra bởi xác suất. Ta có thể tính được xác suất gặp electron ở một điểm nào đó bằng cách bình phương biên độ sóng. Cơ may gặp electron sẽ lớn nhất ở các đỉnh (hoặc hõm) sóng, và nhỏ nhất ở cách nút sóng (nơi có biên độ bằng không). Nhưng ngay cả ở các đỉnh sóng ta cũng không bao giờ chắc chắn là sẽ nhìn thấy electron. Có thể là hai trong ba lần (xác suất 66%) hay bảy lần trong mười lần (xác suất 70%) nhưng xác suất này không bao giờ là 100%. Ngẫu nhiên “rầm rộ” bước vào thế giới nguyên tử. Nó khác với ngẫu nhiên trong thế giới vĩ mô – thể hiện sự hiểu biết không đầy đủ của chúng ta về sự vật hiện tượng, ngẫu nhiên trong thế giới nguyên tử có bản chất cơ bản hơn, nó đã được “ghi sẵn” trong lòng của chính các nguyên tử. Trước khi quan sát, chúng ta không bao giờ có thể nói được rằng electron nằm ở vị trí nào. Chúng ta chỉ có thể nói electron có một xác suất nào đó nằm ở vị trí này hay vị trí khác. Một thành tích tuyệt vời của phương trình Schrodinger là những tiên đoán về mẫu nguyên tử. Nhờ có phương trình này, một mẫu nguyên tử mới hoàn chỉnh hơn nhiều vói tên gọi là mẫu nguyên của cơ học sóng. Mẫu nguyên tử giờ đây không giống như mẫu nguyên tử hành tinh của Bohr – các electron “ngoan ngoãn” quay quanh nhân theo các quỹ đạo chính xác nữa – mà nguyên tử giờ đây được hiểu là một không gian gần như trống rỗng trong đó các electron “nhảy múa và lượn quanh” hạt nhân rất nhỏ, phô bày “chiếc áo sóng” của nó và choán toàn bộ không gian trống rỗng của nguyên tử. Mặc dù thoạt đầu phương trình Schrodinger chỉ được sử dụng trong những trường hợp phi tương đối tính, nghĩa là khi tốc độ của đối tượng lượng tử là nhỏ so với tốc độ của ánh sáng, và phương trình này vốn được tìm cho những hạt không có spin, nghĩa là những hạt không có moment xung lượng riêng, nhưng phương trình Schrodinger vẫn là phương trình quan trọng nhất của toàn bộ vật lý lượng tử. Về sau, Dirac đã dùng công thức năng lượng tương đối tính của Einstein để lập một phương trình cơ bản gọi là phương trình Dirac. Việc giải phương trình này cho ta mọi kết quả cũ của phương trình Schrodinger, nhưng còn xuất hiện thêm một đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái hạt vi mô là spin. Từ phương trình Dirac có thể lí giải được rằng spin thực chất là một thuộc tính thuần túy lượng tử chỉ thấy ở các hạt vi mô và gắn liền với hiệu ứng tương đối tính trong chuyển động của hạt vi mô do vận tốc lớn cùng bậc với vận tốc của ánh sáng. Nói chung, cơ học lượng tử không tiên đoán một kết quả xác định cho một quan sát. Thay vì thế, nó tiên đoán một kết cục khả dĩ khác nhau và nói cho chúng ta biết mỗi kết cục đó là như thế nào. Nghĩa là, nếu ta tiến hành một phép đo trên một số lớn các hệ tương tự nhau, mỗi một hệ đều khởi phát một cách hệt nhau, thì ta sẽ thấy rằng kết quả của phép đo có thể là A trong một số trường hợp, là B trong một số trường hợp khác… Người ta có thể tiên đoán được gần đúng số lần xuất hiện kết quả A hoặc B, nhưng không thể tiên đoán một kết quả cụ thể nào của một phép đo. Do đó, cơ học lượng tử đã đưa vào khoa học không thể tránh khỏi – đó là yếu tố ngẫu nhiên. Nếu nói electron là sóng thì đầu tiên ta phải trả lời câu hỏi: bước sóng của nó là bao nhiêu? Và nó có những đặc trưng nào của sóng? Các thí nghiệm sau sẽ trả lời cho những câu hỏi trên. Thí nghiệm Davisson – Germer: Năm 1927, C.J. Davisson và L.H. Germer đã tiến hành thí nghiệm cho electron nhiễu xạ trên đơn tinh thể Ni (Niken) để đo bước sóng De Broglie của electron. Các electron từ sợi nung được đốt nóng, được gia tốc bởi một hiệu điện thế V điều chỉnh được. Chùm tạo thành – gồm các electron có động năng eV – sau đó được phép đập vào một tinh thể C – trong thí nghiệm này là Niken. Sau khi phản xạ từ tinh thể C chúng được ghi nhận bởi detector D được đặt ở các vị trí góc khác nhau và được ghi nhận dòng điện I. Hình 2.1.2 Hình 2.1.1 Người ta có thể chứng minh được rằng tinh thể xử sự như một cách tử nhiễu xạ hai chiều, có các vạch là những đường nguyên tử song song nằm ở bề mặt tinh thể và hằng số cách tử là khoảng cách d (Hình 2.1.1). Hình 2.1.3 Các nhà thực nghiệm đặt cho V một giá trị đặc biệt nào đó, rồi đọc dòng I qua detector đối với các góc đặt khác nhau của detector. Sau đó họ đặt choV một giá trị khác và lặp lại sự quét góc của detector. Kết quả cho thấy đối với V = 54V, chùm nhiễu xạ mạnh rõ rệt ở góc = 50o (Hình 2.1.2). Nếu điện thế gia tốc hơi tăng hoặc giảm thì cường độ tia nhiễu xạ đều giảm. Khi Davisson điều chỉnh chùm electron được tăng tốc bởi hiệu điện thế V nhờ biến trở R xuyên qua khe lọc L hợp với bề mặt tinh thể niken một góc thỏa mãn điều kiện nhiễu xạ Vunphơ-Brắc (Hình 2.1.3): = l2 – l1 = 2d sin = n với n = 1, 2, 3,… Trong đó: là hiệu đường đi của hai tia bằng một số nguyên lần bước sóng; d là hằng số mạng tinh thể niken đóng vai trò là cách tử nhiễu xạ (d = 0,91 Ao cùng bậc với bước sóng De Broglie của electron). Quả nhiên hai chùm tia phản xạ của electron từ bề mặt tinh thể cho các cực đại nhiễu xạ đan xen vào nhau. Kết quả này khẳng định tính chất sóng của electron. Thí nghiệm của G.P. Thomson: Hình 2.2.1 Cũng trong năng 1927, độc lập với Davisson và Germer, Thomson tiến hành khảo sát nhiễu xạ chùm electron xuyên qua lá kim loại mỏng.(Hình 2.2.1) Một chùm electron đơn năng được chiếu qua một lá kim loại mỏng (bia). Bia này đặc biệt không phải là một tinh thể lớn duy nhất mà gồm một số lớn các vi tinh thể được định hướng một cách ngẫu nhiên. Với cách bố trí như vậy, luôn có một số vi tinh thể được định hướng dưới một góc thích hợp để tạo ra chùm nhiễu xạ. Bản chất vật lý của chùm electron đơn năng nhiễu xạ trên lá kim loại mỏng được Thomson lý giải như sau: trong lá kim loại chứa nhiều tinh thể định hướng ngẫu nhiên, trong số đó có những đơn tinh thể sắp xếp theo một trật tự xác định, cho nên khi điều chỉnh các thông số thích hợp Thomson đã thu được hình nhiễu xạ có dạng những vân tròn tối sáng đan xen vào nhau. Hình 2.2.2:Bức tranh nhiễu xạ nếu chùm tới là chùm tia X Hình 2.2.3:Bức tranh nhiễu xạ nếu chùm tới là chùm electron Sau đó Thomson tiếp tục thí nghiệm với bột nhôm ép thành lá mỏng rồi cho chùm tia electron đơn năng xuyên qua với bước sóng thích hợp cùng bậc với bước sóng tia X, ông cũng thu được các cực đại nhiễu xạ đối với chùm tia electron. Cũng trên mẫu nhôm ấy Thomson cho chùm tia X xuyên qua thì cũng thu được các cực đại nhiễu xạ, hoàn toàn giống như các cực đại nhiễu xạ của sóng De Broglie của electron. Thoáng nhìn qua hai bức tranh nhiễu xạ đó ta tin ngay rằng cả hai đều hình thành một cách hệt nhau (Hình 2.2.2; Hình 2.2.3). Đây là một kết quả bất ngờ hết sức thú vị. Điều này một lần nữa khẳng định tính chất sóng De Broglie của electron. Thí nghiệm cho electron qua hai khe hẹp: Tại sao ta lại tiến hành thí nghiệm này? Câu trả lời là vì ta muốn kiểm chứng thêm một đặc trưng sóng của electron – khả năng giao thoa của nó. Ta đã biết rằng trong thí nghiệm hai khe bức xạ điện từ thể hiện rõ tính sóng. Vậy điều gì sẽ xảy ra khi ta nếu ta thay bức xạ điện từ bằng chùm tia electron, nghĩa là nguồn phát sẽ phát ra một nguồn “hạt thực sự”. Khi đó, về cơ bản ta sẽ phải thay đổi cấu thí nghiệm hai khe Young sao cho chúng dùng được với electron. Cho đến năm 1957, nghiên cứu sinh Claus Joensson có bước đột phá thành công. Ông đã chế tạo ra những màng mỏng kim loại có chứa khe với bề rộng cỡ 0.5 micromet. Tiếp đến ông đã giải quyết vấn đề khuếch đại những dấu vết của electron trên màn hình khiến chúng đủ mạnh để có thể ghi nhận được. Cấu tạo cơ bản của thí nghiệm này cũng giống như thí nghiệm với hai khe Young với bức xạ điện từ, chỉ có điểm khác nhau duy nhất là màn ảnh trong thí nghiệm với ánh sáng được thay bằng một tấm kính ảnh để khi electron riêng lẻ tác dụng lên đó sẽ để lại những vết đen tương ứng. Tiến hành thí nghiệm khi mở chỉ một trong hai khe, ta nhận thấy phân bố xác suất tới của electron có giá trị rất cao tại những điểm nằm ngay trên đường thẳng từ nguồn đi qua khe và giảm dần khi xa dần miền này. Điều này về mặt định tính, giống hệt như phân bố mà ta đã biết với bức xạ điện từ. Sau đó ta mở đồng thời cả hai khe. Đối với các đối tượng là hạt, ta chờ đợi phân bố xác suất tới của các electron trong trường hợp này sẽ bằng tổng của các xác suất riêng lẽ. Nhưng thí nghiệm chúng ta nhận được là một mẫu vân giao thoa. Hình 2.3.1 Chắc chắn là chúng ta không thể giải thích các vân giao thoa này bằng mô hình hạt của electron, vì mô hình hạt cho ta một tiên đoán về phân bố xác suất tới của electron trên tấm kính ảnh khác hoàn toàn so với kết quả thí nghiệm. Vì vậy ta thấy electron cần phải được mô tả bằng mô hình sóng. Cách giải thích dựa vào mô hình sóng cho phép ta hiểu các vân giao thoa như sau: Các vân xuất hiện trên tấm kính ảnh là kết quả thoa tăng cường hay hủy nhau của sóng electron. (Hình 2.3.1) Đến đây chúng ta có thể nghi ngờ rằng ta có thể giải thích các vân giao thoa trên bằng một cách khác mà vẫn sử dụng mô hình hạt của electron. Ta có thể suy luận như sau: Các electron (khảo sát từ mô hình hạt) có thể bằng cách nào đó tương tác với nhau sau khi đã đi qua hai khe, để rồi xuất hiện trên một vị trí xác định nào đó, chẳng hạn vân sang trên tấm kính ảnh. Nghĩa là, khi một electron ra khỏi khe 1 và nhận thấy một electron khác bay qua khe 2, chúng có thể có một cách thỏa thuận nào đó (ví dụ như tương tác qua các trao đổi hạt) để được phát hiện trên địa điểm đã thỏa thuận. Vì thế đến đây, ta sẽ xét thử xem một giả thiết kiểu như vậy có thể dẫn tới một kết quả phù hợp với thực nghiệm hay không? Về mặt thực nghiệm, ta có thể giảm cường độ nguồn electron đến mức tối thiểu, khiến cho tại mỗi thời điểm t tùy ý chỉ có một electron duy nhất trong thí nghiệm. Điều này cũng có nghĩa là không có bất kỳ tương tác nào giữa electron bay ra từ khe 1 và electron bay ra từ khe 2. Các electron bay ra từ khe 1 không thể biết khe 2 đang mở và ngược lại. Như vậy ta chờ đợi xuất hiện trên tấm kính ảnh là sự phân bố xác suất tới như trường hợp ta chỉ mở có một khe. Nếu cứ cho thí nghiệm tiếp diễn liên tục như vậy và quan sát trên tấm kính ảnh, ta hẳn sẽ thấy phân bố xác suất đúng bằng tổng phân bố xác suất tới của từng hạt riêng lẻ, với khoảng 50% electron bay qua khe 1 và 50% electron bay qua khe 2. Nhưng hóa ra là chúng ta đã hoàn toàn sai với giả thiết của mình, vì việc tiến hành thí nghiệm hai khe vẫn cho vân giao thoa xuất hiện ngay khi chỉ có một electron riêng lẻ. Nó được tạo thành một cách chậm chạp khi các electron lần lượt đập trên màn ảnh. (Hình 2.3.2) Hình 2.3.2 Ở đây sẽ xuất hiện câu hỏi: Vì sao có thể xảy ra điều đó? Electron riêng lẻ chỉ có thể chọn và quyết định qua một trong hai khe. Nhưng nếu chúng bay qua chỉ một khe thì làm sao có vân giao thoa? Muốn vậy chúng phải tự phân thân, rồi đồng thời bay qua cả hai khe bằng một cách nào đó, vì chỉ có thể chúng mới có thể tự giao thoa với chính mình ở vùng sau khe. Nhưng vấn đề là ở chỗ, electron lại không thể phân chia được. Với giả thiết “phân chia electron” ở trên, nếu ta tiếp tục làm thí nghiệm trong suy tưởng kiểu như vậy, với một số ngày càng nhiều hơn các hệ hai khe hẹp nối tiếp nhau ta sẽ có thế ghi nhận được “những hạt – một phần tư, - một phần tám, - một phần mười sáu… electron”. Nhưng cho đến nay vẫn chưa có nhà vật lý thực nghiệm nào quan sát được hiện tượng này, chỉ vì electron là một lượng tử không phân chia được nữa. Như vậy trong thí nghiệm hai khe Young với electron, ta phải thừa nhận rằng electron có bản chất sóng. Và xác suất tới tấm kính ảnh của electron chính bằng bình phương môđun của hàm sóng. Nhưng làm sao một electron riêng lẻ lại có thể đi qua hai khe và tạo nên vân giao thoa? Nhà vật lý học người Mỹ, Richard Feynman (1918-1988), một trong số những người tài năng nhất của thế hệ ông và một trong những người sáng tạo của thế kỷ XX, đã đề xuất một quan niệm mới mà theo đó ta phải loại bỏ hoàn toàn quan điểm của vật lý cổ điển cho rằng để đi từ A đến B hạt chỉ có thể đi theo một và chỉ một con đường – nó có một và chỉ một lịch sử. Theo ông, hạt đi theo tất cả các con đường khả dĩ. Nó có vô số lịch sử. Có một xác suất nào đó để nó đi theo con đường ngắn nhất, nhưng cũng có một xác suất khác không để nó phiêu lưu theo một con đường dài hơn và cầu kì hơn, với tất cả các đường zíc-zắc và vòng vèo có thể tưởng tượng ra được. Ta phải lấy tổng theo tất cả các lịch sử khả dĩ của photon. Chắc chắn một số lịch sử này có xác suất lớn hơn một số lịch sử khác. Các hành trình ngắn nhất, những hành trình gần nhất với đường nối A và B nhất có khả năng xảy ra cao nhất. Xác suất của các hành trình này sẽ tăng cường lẫn nhau. Trái lại, các con đường phức tạp và khác đường thẳng nối A và B nhất có ít khả năng xảy ra nhất. Xác suất của chúng sẽ gần như triệt tiêu nhau và đóng góp rất ít vào tổng. Như vậy theo cách tiếp cận quan điểm này, trong thí nghiệm hai khe, trên vách có hai khe và electron đi qua đồng thời cả hai khe và đúng là nó “giao thoa” với chính nó! (Hình 2.3.3) Hình 2.3.3 Bản chất của electron: Qua các thí nghiệm ta thấy, electron khoác lên mình lưỡng tính sóng-hạt. Trong thí nghiệm này electron là hạt, nhưng trong thí nghiệm khác nó lại là sóng. Nhưng khi nào nó là hạt và khi nào sẽ là sóng? Có thí trường hợp nào mà electron vừa là hạt mà lại vừa là sóng hay không? Chúng ta sẽ thử xem. Quay lại với thí nghiệm hai khe, electron thể hiện bản chất sóng của mình. Bây giờ giả sử ta thay màn ảnh bằng một máy dò electron được thiết kế để phát và ghi tiếng “cách” mỗi lần một electron đập vào nó. Nếu chúng ta xê dịch máy dò lên xuống chúng ta có thể vẽ đồ thị biểu diễn nhịp độ các tiếng “cách” theo vị trí máy dò – cũng sẽ vạch được các vân giao thoa. Như vậy có phải là chúng ta đã thành công trong việc chứng minh cả sóng lẫn hạt? Chúng ta thấy các vân giao thoa (sóng) và nghe được tiếng “cách” phát ra (hạt)! Thực tế là chúng ta không thành công. Tiếng “cách” đơn giản chưa đủ là bằng chứng chứng tỏ đó là hạt. Khái niệm “hạt” liên quan đến “quĩ đạo” và hình ảnh trong óc chúng ta về một viên bi nhỏ xíu đi theo con đường đã định trước. Tối thiểu, chúng ta cũng muốn biết được trong số hai khe thì electron đi qua khe nào trên “con đường” của nó đến để phát ra tiếng “cách” trong máy dò. Về nguyên tắc ta có thể đặt một máy dò rất nhỏ ở trước mỗi khe (hoặc ngay sau một trong hai khe) sao cho nếu electron qua nó, nó sẽ phát một tín hiệu điện. Sau đó chúng ta sẽ thử thiết lập mối tương quan của mỗi tiếng cách hay nói cách khác là mối tương quan giữa “tín hiệu tới màn” và “tín hiệu qua khe” rồi từ đó xác định “con đường” đi của electron. Ban đầu, máy dò không được bật, dĩ nhiên các vân giao thoa vẫn xuất hiện trên màn hình. Electron vẫn đang khoác chiếc áo sóng. Bây giờ ta hãy cho máy dò hoạt động - chúng ta chỉ ra được bản chất hạt của electron nhưng ngay lập tức bằng chứng về bản chất sóng - vân giao thoa biến mất trên màn ảnh và phân bố xác suất toàn phần chỉ là tổng phân bố xác suất tới riêng rẽ ứng với mỗi khe. Electron đã khoác chiếc áo hạt. Tại sao lại có sự thay đổi như vậy? Ban đầu khi không bật máy dò, ta không biết electron đi qua khe nào trong hai khe. Trong trường hợp thứ hai, vì máy dò hoạt động nên ta biết được điều đó. Để thay đổi bộ dạng của các electron ta chỉ cần cho máy dò hoạt động. Nói cách khác, người quan sát ở đây đóng vai trò trung tâm. Trong thế giới các nguyên tử, chính người quan sát tạo ra hiện thực. Hiện thực nguyên tử và dưới nguyên tử không còn là khách quan nữa, mà là chủ quan. Điều này nằm ngay trong nguyên lý bổ sung của Niels Bohr: “Các phương diện sóng và hạt của một thực thể lượng tử, cả hai đều cần thiết cho sự mô tả đầy đủ. Tuy nhiên, cả hai phương diện đó không bộc lộ đồng thời trong một thí nghiệm đơn nhất. Khía cạnh nào được bộc lộ là do bản chất của thí nghiệm quyết định.” Nói thêm rằng như thế vẫn chưa hết những điều kỳ lạ của cơ học lượng tử. Nó vẫn còn rất nhiều “trò” khác. Ngay cả khi ta đặt một máy dò để quan sát các electron và khi đó biến chúng thành “hạt” thì ta cũng không bao giờ xác định được chính xác cùng lúc vận tốc và vị trí của chúng. Lý do nằm hành động quan sát và bản chất của ánh sáng. Bản chất của ánh sáng nhập cuộc vì để quan sát electron hay mọi hạt khác, chúng ta cần phải chiếu sáng nó bằng một chùm photon. Năng lượng của mỗi photon tỉ lệ thuận với tần số và tỉ lệ nghịch với bước sóng ánh sáng. Bước sóng là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai hõm liên tiếp của sóng ánh sáng, và quyết định mức độ chính xác mà chúng ta có thể định vị được electron. Bước sóng càng dài, năng lượng càng thấp và vị trí của electron càng không chính xác. Ngược lại, bước sóng càng ngắn, năng lượng càng cao, và vị trí của electron càng chính xác. Như vậy để biết chính xác vị trí của electron ta cần chiếu sáng nó bằng một ánh sáng có năng lượng cao (chẳng hạn như tia X hay tia gamma). Như