Hãy quay trở lại cơ học lượng tử là gì và cách chúng ta có thể sử dụng nó.

Một cái nhìn vô hình

Được rồi, bạn ngửi thấy mùi cà phê, bạn gần như tỉnh táo. Đôi mắt của bạn đã sẵn sàng cho những công việc hàng ngày, nhấp nháy và đón nhận ánh sáng. Như bạn nghĩ về nó, các hạt ánh sáng đi vào mặt và mắt của bạn đã hình thành từ một triệu năm trước ở trung tâm của mặt trời, vào thời điểm mà tổ tiên chúng ta bắt đầu sử dụng lửa. Mặt trời thậm chí sẽ không gửi các hạt được gọi là photon nếu chúng không cần thiết cho hiện tượng tương tự có thể là cơ sở của khứu giác của chúng ta, đường hầm lượng tử.

Khoảng 150 triệu km ngăn cách Mặt trời và Trái đất, các photon chỉ mất tám phút để bao phủ khoảng cách này. Tuy nhiên, hầu hết hành trình của chúng diễn ra bên trong mặt trời, nơi một photon điển hình dành hàng triệu năm để cố gắng trốn thoát. Do đó, vật chất được lưu trữ ở giữa ngôi sao của chúng ta, nơi hydro có mật độ dày hơn chì khoảng 13 lần và các photon có thể di chuyển trong một phần nhỏ của giây trước khi bị hấp thụ bởi các ion hydro, sau đó bắn ra một photon để di chuyển từ Mặt trời, v.v. Sau khoảng một tỷ trong những tương tác như vậy, một photon cuối cùng cũng xuất hiện trên bề mặt Mặt trời, nơi đã chiếu sáng ở đây hàng triệu năm.

Cơ học lượng tử (© Jay Smith)

Các photon sẽ không bao giờ hình thành, và Mặt trời sẽ không thể tỏa sáng nếu không có đường hầm lượng tử. Mặt trời và tất cả các ngôi sao khác tạo ra ánh sáng bằng phản ứng tổng hợp hạt nhân, phá vỡ các ion hydro và tạo ra heli trong một quá trình giải phóng năng lượng. Mỗi giây, mặt trời chuyển đổi khoảng 4 triệu tấn vật chất thành năng lượng. Chỉ có các ion hydro, giống như các proton riêng lẻ, có điện tích dương và đẩy nhau. Vậy làm thế nào để chúng có thể hợp nhất với nhau?
Trong đường hầm lượng tử, bản chất sóng của các proton đôi khi cho phép chúng chồng lên nhau một cách dễ dàng giống như những làn sóng kết lại trên bề mặt của một cái ao. Thực tế là chúng chồng lên nhau mang các sóng proton đến gần đủ để một lực khác, chẳng hạn như lực hạt nhân mạnh chỉ tác động ở khoảng cách rất ngắn, có thể thắng lực đẩy điện của các hạt. Các proton sau đó phân rã để giải phóng một photon.

Đôi mắt của chúng ta rất nhạy cảm với các photon

Đôi mắt của chúng ta đã phát triển để rất nhạy cảm với những hạt photon này. Một số thí nghiệm gần đây đã chỉ ra rằng chúng ta thậm chí có thể phát hiện các photon riêng lẻ, điều này làm nảy sinh một khả năng thú vị: liệu con người có thể phát hiện ra một số trường hợp đặc biệt của cơ học lượng tử? Điều này có nghĩa là một người, như photon hay electron hay con mèo bất hạnh của Schrödinger, sẽ chết và sống cùng một lúc nếu anh ta trực tiếp tham gia vào thế giới lượng tử? Trải nghiệm như vậy có thể như thế nào?

Mắt người

Rebecca Holmes, nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos ở New Mexico, cho biết: “Chúng tôi không biết vì không ai thử. Ba năm trước, khi cô tốt nghiệp Đại học Illinois ở Urbane-Champaign, Holmes là thành viên của nhóm do Paul Kwiat dẫn đầu, người đã chỉ ra rằng con người có thể phát hiện ra những tia sáng ngắn bao gồm ba photon. Vào năm 2016, cô phát hiện ra rằng một nhóm các nhà khoa học cạnh tranh, dẫn đầu bởi nhà vật lý Alipaša Vaziri tại Đại học Rockefeller ở New York, phát hiện ra rằng mọi người thực sự nhìn thấy các photon riêng lẻ. Tuy nhiên, chúng tôi thấy rằng trải nghiệm có thể không được mô tả chính xác. Vaziri, cô ấy đã cố gắng nhìn thấy photon tự nhấp nháy, nói với tạp chí Nature, “Nó không giống như nhìn thấy ánh sáng. Đó gần như là một cảm giác ở ngưỡng của sự tưởng tượng. "

Cơ học lượng tử - thí nghiệm

Trong tương lai gần, Holmes và Vaziri dự kiến ​​sẽ thử nghiệm những gì con người cảm nhận được khi các photon được đưa vào các trạng thái lượng tử đặc biệt. Ví dụ, các nhà vật lý có thể liên kết một photon với cái mà họ gọi là chồng chất, nơi các photon tồn tại đồng thời ở hai nơi khác nhau. Holmes và các đồng nghiệp của cô đã thiết kế một thí nghiệm bao gồm hai kịch bản để kiểm tra xem liệu con người có thể trực tiếp cảm nhận được sự chồng chất của các photon hay không. Trong kịch bản đầu tiên, một photon sẽ đến bên trái hoặc bên phải của võng mạc con người, và người ta sẽ nhận thấy anh ta cảm nhận được photon ở bên nào của võng mạc. Trong kịch bản thứ hai, photon sẽ được đặt trong một chất chồng lượng tử cho phép nó thực hiện điều dường như không thể - bay đến bên phải và bên trái của võng mạc cùng một lúc.

Liệu người ta có phát hiện ra ánh sáng ở cả hai bên võng mạc không? Hay sự tương tác của một photon trong mắt sẽ gây ra sự chồng chất 'sụp đổ'? Nếu vậy, liệu nó có xảy ra thường xuyên ở cả bên phải và bên trái, như lý thuyết cho thấy không?

Rebecca Holmes nói:

"Dựa trên cơ học lượng tử tiêu chuẩn, một photon ở dạng chồng chất có thể sẽ không khác với một photon thực sự được truyền ngẫu nhiên sang trái hoặc phải."

Nếu hóa ra một số người tham gia thí nghiệm thực sự cảm nhận được photon ở cả hai nơi cùng một lúc, thì điều đó có nghĩa là bản thân người đó đang ở trạng thái lượng tử?

Rebecca Holmes thêm:

"Bạn có thể nói rằng người quan sát đã ở một mình trong một chồng chất lượng tử trong một khoảng thời gian ngắn không đáng kể, nhưng chưa ai thử nó, vì vậy chúng tôi thực sự không biết. Đó là lý do tại sao thực hiện một thí nghiệm như vậy. "

Bạn nhận thức theo cách của riêng bạn

Bây giờ chúng ta hãy quay trở lại với tách cà phê. Bạn cảm thấy cốc như một vật liệu rắn, tiếp xúc chắc chắn với da tay. Nhưng đó chỉ là ảo tưởng. Chúng ta không bao giờ chạm vào bất cứ thứ gì, ít nhất là không theo nghĩa của hai mảnh vật chất rắn chạm vào nhau. Hơn 99,9999999999 phần trăm nguyên tử bao gồm không gian trống, với hầu hết tất cả vật chất đều tập trung trong lõi.

Cơ học lượng tử (© Jay Smith)

Khi bạn cầm chiếc cốc bằng tay, nó dường như là sức mạnh đến từ lực cản của các electron trong cốc và trong tay. Bản thân các electron không có thể tích gì cả, nó chỉ là các chiều không biểu kiến ​​của trường điện tích âm bao quanh các nguyên tử và phân tử như một đám mây. Các định luật của cơ học lượng tử giới hạn chúng ở các mức năng lượng cụ thể xung quanh các nguyên tử và phân tử. Khi bàn tay nắm lấy cốc, nó sẽ đẩy các electron từ mức này sang mức khác và điều này đòi hỏi năng lượng cơ bắp, được não bộ hiểu là lực cản khi chúng ta chạm vào vật rắn.

Cảm giác xúc giác của chúng ta bắt nguồn từ sự tương tác vô cùng phức tạp giữa các electron xung quanh các phân tử của cơ thể chúng ta và các phân tử của các vật thể chúng ta tiếp xúc. Từ thông tin này, bộ não của chúng ta tạo ra ảo tưởng rằng chúng ta có một cơ thể rắn đang di chuyển xung quanh một thế giới đầy những vật thể rắn khác. Tiếp xúc với họ không cho chúng ta một cảm giác thực tế chính xác. Có thể không có nhận thức nào của chúng ta tương ứng với những gì đang thực sự xảy ra. Donald Hoffman, một nhà thần kinh học nhận thức tại Đại học California, Irvine, tin rằng các giác quan và bộ não của chúng ta đã phát triển để che khuất bản chất thực của thực tại, không để lộ ra ngoài.

"Ý tưởng của tôi là thực tế, bất kể nó là gì, quá phức tạp và sẽ khiến chúng tôi mất quá nhiều thời gian và năng lượng để xử lý."

So sánh hình ảnh thế giới trong não với giao diện đồ họa trong máy tính

Hoffman so sánh hình ảnh xây dựng thế giới trong não của chúng ta, với giao diện đồ họa trên màn hình máy tính. Tất cả các biểu tượng đầy màu sắc trên màn hình, chẳng hạn như Thùng rác, con trỏ chuột và các thư mục tệp, không liên quan gì đến những gì thực sự đang diễn ra bên trong máy tính. Nó chỉ là sự trừu tượng hóa, đơn giản hóa cho phép chúng ta giao tiếp với các thiết bị điện tử phức tạp.

Theo Hoffman, quá trình tiến hóa đã thay đổi bộ não của chúng ta để hoạt động giống như một giao diện đồ họa không tái tạo thế giới một cách trung thực. Tiến hóa không hỗ trợ sự phát triển của nhận thức chính xác, nó chỉ sử dụng những gì cho phép tồn tại.

Như Hoffman nói:

"Hình thức quy tắc hơn thực tế."

Hoffman và các sinh viên sau đại học của ông đã thử nghiệm hàng trăm nghìn mô hình máy tính trong những năm gần đây để kiểm tra ý tưởng của họ trong việc mô phỏng các dạng sống nhân tạo đang cạnh tranh với các nguồn tài nguyên hạn chế. Trong mọi trường hợp, các sinh vật được lập trình để ưu tiên thể chất khi các dữ kiện không khớp với thực tế để nhận thức chính xác.

Ví dụ, nếu một sinh vật được thiết kế để cảm nhận chính xác, chẳng hạn như tổng lượng nước có trong môi trường và nó gặp một sinh vật được điều chỉnh để nhận thức một thứ đơn giản hơn, ví dụ: lượng nước tối ưu cần thiết để tồn tại. Vì vậy, trong khi một sinh vật có thể tạo ra một dạng thực tế chính xác hơn, đặc tính này không làm tăng khả năng tồn tại của nó. Các nghiên cứu của Hoffman đã đưa ông đến một kết luận đáng chú ý:

"Trong phạm vi mà chúng ta hài lòng với việc duy trì sự sống, chúng ta sẽ không hài lòng với thực tế. Chúng tôi không thể làm điều đó. "

Lý thuyết lượng tử

Suy nghĩ của ông trùng hợp với những gì một số nhà vật lý coi là ý tưởng trung tâm của lý thuyết lượng tử - nhận thức về thực tế không hoàn toàn khách quan, chúng ta không thể tách rời khỏi thế giới mà chúng ta quan sát.

Hoffman hoàn toàn nắm bắt được quan điểm này:

"Không gian chỉ là một cấu trúc dữ liệu, và các đối tượng vật lý chính là cấu trúc dữ liệu mà chúng ta tạo ra trong chuyến bay. Khi tôi nhìn vào một ngọn đồi, tôi tạo ra cấu trúc dữ liệu này. Sau đó, tôi nhìn đi và phá vỡ cấu trúc dữ liệu này vì tôi không cần nó nữa. "

Như công trình của Hoffman cho thấy, chúng ta vẫn chưa xem xét ý nghĩa đầy đủ của lý thuyết lượng tử và những gì nó nói về bản chất của thực tế. Trong phần lớn cuộc đời, Planck tự mình tìm hiểu lý thuyết mà ông đã giúp tạo ra và ông luôn tin vào nhận thức khách quan về vũ trụ tồn tại độc lập với chúng ta.

Anh từng viết về lý do tại sao anh chọn theo đuổi vật lý, đi ngược lại lời khuyên của giáo viên:

"Thế giới bên ngoài là một cái gì đó độc lập với con người, nó là một cái gì đó tuyệt đối, và việc tìm kiếm các định luật áp dụng cho điều này hoàn toàn đối với tôi dường như là trải nghiệm khoa học cao quý nhất trong đời."

Có thể mất một thế kỷ nữa cho một cuộc cách mạng vật lý khác để chứng minh liệu ông ấy đúng hay sai, giống như giáo sư Philip von Jolly của ông ấy.