Vì sao thế giới lượng tử lại "điên rồ" hơn mọi bộ phim khoa học viễn tưởng?

Nếu bạn ném một quả bóng, bạn có thể dự đoán khá chính xác quỹ đạo của nó. Nhưng ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử, những quy luật quen thuộc ấy gần như "đầu hàng". Đó là thế giới lượng tử – lĩnh vực nghiên cứu các hạt cực nhỏ như electron, photon hay quark, nơi thiên nhiên vận hành theo những quy luật khiến ngay cả các nhà vật lý cũng nhiều lần phải kinh ngạc.

Ảnh: Pinterest.

Một trong những hiện tượng nổi tiếng nhất là chồng chập lượng tử (quantum superposition). Trước khi được đo, một hạt có thể tồn tại trong nhiều trạng thái cùng lúc. Hãy tưởng tượng một đồng xu không chỉ đang ngửa hoặc sấp, mà đồng thời vừa ngửa vừa sấp cho đến khi bạn nhìn vào nó. Đây không phải là trò ảo thuật mà là kết quả đã được xác nhận qua nhiều thí nghiệm.

Ảnh: Pinterest.

Không kém phần kỳ lạ là vướng víu lượng tử (quantum entanglement). Khi hai hạt trở nên vướng víu, trạng thái của chúng sẽ liên hệ chặt chẽ với nhau dù ở cách nhau hàng kilomet, hay thậm chí ở hai đầu thiên hà. Nếu đo một hạt, trạng thái của hạt còn lại sẽ được xác định ngay lập tức theo mối tương quan lượng tử. Điều này từng khiến Albert Einstein gọi là "tác động ma quái từ xa". Tuy nhiên, hiện tượng này không cho phép truyền thông tin nhanh hơn ánh sáng nên vẫn không vi phạm thuyết tương đối.

Ảnh: Pinterest.

Thế giới lượng tử còn có hiện tượng đường hầm lượng tử. Theo vật lý cổ điển, một hạt không đủ năng lượng sẽ không thể vượt qua bức tường năng lượng. Nhưng trong cơ học lượng tử, vẫn tồn tại một xác suất để hạt "xuyên" qua rào cản mà không cần phá vỡ nó. Nhờ hiệu ứng này mà Mặt Trời có thể duy trì phản ứng nhiệt hạch, nhiều linh kiện điện tử hiện đại hoạt động, và kính hiển vi quét chui hầm (STM) có thể quan sát từng nguyên tử.

Điều thú vị là dù thế giới lượng tử nghe có vẻ rất xa vời, nó lại hiện diện trong vô số công nghệ hằng ngày. Laser, bóng bán dẫn trong máy tính và điện thoại, đồng hồ nguyên tử, máy chụp cộng hưởng từ (MRI), pin mặt trời và nhiều hệ thống truyền thông hiện đại đều dựa trên các nguyên lý lượng tử. Hiện nay, các nhà khoa học còn đang phát triển máy tính lượng tử với hy vọng giải quyết những bài toán mà siêu máy tính mạnh nhất hiện nay cũng phải mất hàng nghìn năm.

Có lẽ điều kỳ lạ nhất của thế giới lượng tử là nó hoạt động hoàn hảo theo toán học, nhưng lại rất khó hình dung bằng trực giác của con người. Nhà vật lý Richard Feynman từng nổi tiếng với nhận xét rằng: "Nếu bạn nghĩ mình hiểu cơ học lượng tử, thì có lẽ bạn chưa thực sự hiểu nó." Chính sự bí ẩn ấy đã biến cơ học lượng tử thành một trong những thành tựu khoa học vĩ đại nhất, đồng thời cũng là lời nhắc nhở rằng vũ trụ luôn phức tạp hơn những gì đôi mắt chúng ta có thể nhìn thấy.