Phát hiện đột phá: vướng víu lượng tử của nguyên tử

Các nhà khoa học Úc vừa chứng minh một trong những hiện tượng kỳ lạ nhất của Vũ trụ — và nó có thể thay đổi cách chúng ta hiểu về thực tại – vướng víu lượng tử của nguyên tử.

Hãy tưởng tượng bạn có một cặp găng tay. Bạn nhét mỗi chiếc vào một hộp, rồi gửi một hộp sang tận Paris mà không nhìn vào bên trong. Khi bạn mở hộp ở Hà Nội và thấy găng tay trái — bạn lập tức biết hộp ở Paris chứa găng tay phải. Điều đó hoàn toàn bình thường: thông tin đã được “lập trình sẵn” từ trước.

Nhưng thế giới lượng tử không hoạt động như vậy. Trong thế giới đó, chiếc găng tay thực sự chưa phải tay trái hay tay phải cho đến khi bạn mở hộp ra nhìn. Và ngay khoảnh khắc bạn nhìn vào chiếc ở Hà Nội, chiếc ở Paris lập tức “quyết định” mình là chiếc còn lại — dù không có bất kỳ tín hiệu nào được truyền đi. Einstein gọi đây là “tác động ma quái từ xa” và ông ghét nó. Nhưng một nhóm nhà khoa học tại Úc vừa chứng minh: nó là thật.

Điều gì vừa xảy ra?

Nhóm nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Úc đã làm lạnh khí helium xuống gần mức lạnh nhất có thể trong vũ trụ — chỉ cách 0 độ tuyệt đối vài phần triệu độ. Ở nhiệt độ đó, các nguyên tử gần như đứng yên hoàn toàn và bắt đầu hoạt động theo các quy tắc kỳ lạ của cơ học lượng tử.

Họ cho hai đám mây nguyên tử helium lạnh đó va chạm vào nhau. Từ vụ va chạm, các nguyên tử bị bắn ra thành từng cặp — giống như hai viên bi bắn ra từ một vụ nổ nhỏ. Do quy tắc vật lý cơ bản (bảo toàn động lượng), nếu một nguyên tử bay sang trái thì nguyên tử còn lại bắt buộc phải bay sang phải.

Nhưng đây là điều kỳ lạ: trước khi bị đo, không nguyên tử nào trong cặp có hướng bay xác định. Chúng tồn tại ở trạng thái “cả hai hướng cùng lúc” — gọi là trạng thái chồng chất. Chỉ khi một trong hai bị quan sát, nó mới “chọn” một hướng, và ngay lập tức nguyên tử kia chọn hướng ngược lại. Đây chính là hiện tượng vướng víu lượng tử.

Tại sao điều này chưa từng được chứng minh theo cách này trước đây?

Vướng víu lượng tử không phải là khái niệm mới. Các nhà khoa học đã chứng minh nó nhiều lần với hạt ánh sáng (photon) kể từ thập niên 1980. Họ cũng làm được với trạng thái từ tính bên trong nguyên tử (spin).

Nhưng lần này hoàn toàn khác. Đây là lần đầu tiên vướng víu được chứng minh thông qua chuyển động thực sự trong không gian của các hạt có khối lượng thực sự. Photon [vẫn bị coi là] không có khối lượng và không bị lực hấp dẫn kéo. Nguyên tử helium thì có — nó nặng, nó rơi, nó phản ứng với lực hấp dẫn. Chứng minh vướng víu trong chuyển động của những hạt như thế này là bước khó hơn nhiều, và chưa ai làm được cho đến bây giờ.

Làm sao biết đây là “thật”, không phải chỉ là sự trùng hợp?

Đây là câu hỏi mà Einstein từng đặt ra. Ông nghi ngờ: biết đâu các hạt đã “thỏa thuận” từ trước rồi — chúng ta chỉ chưa biết thỏa thuận đó là gì thôi. Nếu vậy thì chẳng có gì kỳ lạ cả.

Năm 1964, nhà vật lý John Bell nghĩ ra một phép kiểm tra toán học cực kỳ thông minh, gọi là bất đẳng thức Bell: ông chứng minh rằng nếu các hạt thực sự “thỏa thuận trước”, thì tương quan giữa các phép đo của chúng sẽ không bao giờ vượt quá một ngưỡng nhất định. Nếu thực nghiệm cho kết quả vượt ngưỡng đó — thì không có thỏa thuận nào từ trước cả, bất đẳng thức Bell bị vi phạm. Vướng víu là thật.

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện hơn 35.000 lần đo, và kết quả vượt ngưỡng đó ở mức độ tin cậy gần 4 sigma — tức là xác suất kết quả này xảy ra ngẫu nhiên chỉ là khoảng 1 phần 16.000. Các nguyên tử helium không hề “thỏa thuận trước”. Chúng thực sự vướng víu.

Điều này có nghĩa gì với chúng ta?

Vật lý hiện đại đang đứng trước một bài toán chưa giải được: cơ học lượng tử (mô tả thế giới hạt cực nhỏ) và thuyết tương đối rộng của Einstein (mô tả lực hấp dẫn và Vũ trụ lớn) là hai lý thuyết vĩ đại nhất của khoa học, nhưng chúng mâu thuẫn với nhau. Để hòa giải chúng, ta cần hiểu điều gì xảy ra khi các hạt có khối lượng — những thứ chịu tác động của hấp dẫn — tham gia vào các hiện tượng lượng tử.

Thí nghiệm này lần đầu tiên tạo ra nền tảng thực nghiệm để hỏi những câu hỏi đó. Liệu hấp dẫn có phá vỡ vướng víu lượng tử không? Liệu hai nguyên tử vướng víu đang rơi tự do có hành xử khác không? Trước đây ta không có công cụ để kiểm tra. Bây giờ thì có.

Vũ trụ hóa ra kỳ lạ hơn những gì Einstein sẵn sàng chấp nhận. Và các nhà khoa học vừa tìm thêm được một cách để nhìn sâu hơn vào sự kỳ lạ đó.

Thiện Tâm (t/h)

Tài liệu tham khảo:

Bell correlations between momentum-entangled pairs of 4He* atoms

Xem thêm:

Xem thêm

Giải Nobel Vật lý 2022 - tồn tại không gian khác khoa học chưa biết đến?

Giải Nobel 2022 khẳng định một vật chất bí ẩn nhanh hơn ánh sáng tồn tại ở không gian khác nào đó mà con người chưa khám phá ra được.