Phần 4 trong series Cơ học lượng tử

Lần tới khi bạn khi bạn nghe ai đó chơi đàn guitar – hãy thử dừng lại và đặt ra câu hỏi này:

Tại sao dây đàn chỉ tạo ra một số âm thanh nhất định?

Câu hỏi này nghe có vẻ thật ngớ ngẩn. Đàn guitar có 6 dây, mỗi dây sẽ cho ra một nốt nhạc đặc trưng, có gì đâu mà cần phải hỏi. Nhưng khi bạn gảy dây đàn, về mặt lý thuyết là bạn đang tạo ra rất nhiều rung động với các thanh âm khác nhau.

Thế nhưng tại sao bạn chỉ có thể nghe được một số âm thanh nhất định mà thôi? Tại sao bạn lại không thể nghe được tất cả các loại âm thanh?

Câu trả lời là do dây đàn đã bị ghim chặt ở hai đầu. Và không phải làn sóng nào cũng có thể tồn tại trong điều kiện này. Dây đàn này chỉ “chấp nhận” những bước sóng “vừa vặn” với chiều dài của sợi dây

Khi bạn gảy dây đàn, bạn đã tạo ra một làn sóng và nó sẽ lan dần sang hai bên. Dưới sức căng được tạo ra bởi hai điểm cố định ở hai đầu, nó sẽ bật ngược trở lại. Tại đây sẽ có hai trường hợp xảy ra:

• Khi sóng bật ngược trở về giữa, sóng có thể tự triệt tiêu và biến mất trong vài phần nghìn giây nếu chúng lệch pha nhau (một đường thẳng nằm ngang) 
• Nếu sóng cùng pha với nhau, chúng thể cộng hưởng và khuếch đại để tạo ra “sóng đứng” (sóng màu đỏ)

Và đây chính là lý do tại sao một dây đàn chỉ phát ra một số âm thanh nhất định chứ không phải là một mớ hỗn tạp nhức óc.

Và vào năm 1924, một nghiên cứu sinh người Pháp 32 tuổi Louis de Broglie đã nhận ra rằng quy tắc này cũng chính là lý do giúp cho các nguyên tử và toàn bộ thế giới vật chất có thể tồn tại mà không bị phân rã thành từng mảnh ngay tại thời điểm này.

Cùng một phương trình toán học, cùng một cơ chế vật lý, áp dụng cho hai thứ tưởng chừng như chẳng có một tí liên quan nào đến nhau: một nhạc cụ trong tay của một người nghệ sĩ và một nguyên tử nhỏ đến mức mà chúng ta có thể nhồi nhét hàng triệu “cá thể” này vào bên trong đường kính của một sợi tóc.

1. Một câu chuyện “nhập nhằng”

Để có thể hiểu được tầm quan trọng trong phát hiện của de Broglie, chúng ta cần quay trở về đầu thế kỷ 20 và nhìn vào một lỗ hổng mà rất nhiều người đang “nhắm mắt làm ngơ”

Năm 1913, Niels Bohr – một nhà vật lý người Đan Mạch trẻ tuổi – đã đến làm việc cùng với Ernest Rutherford ở Manchester. Tại đây, họ đã cùng nhau cho ra một mô hình nguyên tử mà đến tận ngày nay vẫn còn được in ở bên trong các cuốn sách giáo khoa trên khắp thế giới: một hạt nhân ở giữa và các electron quay quanh nó giống như một hệ Mặt Trời thu nhỏ.

Và mô hình của Bohr hoạt động vô cùng xuất sắc. Ông dùng nó để giải thích phương thức hoạt động của electron, tính toán các vạch quang phổ của nguyên tử hydro và ngăn cản những hiểu biết về thế giới của chúng ta bị đảo lộn.

Nhưng ở trung tâm của thành công này có một bí ẩn mà Bohr không thể tự mình giải thích được:

Tại sao electron chỉ được phép xuất hiện ở một số quỹ đạo nhất định?

Giả sử, nếu như electron là một hạt vật chất rất nhỏ đang quay quanh hạt nhân – giống như cách Trái Đất đang quay quanh Mặt Trời, thì theo vật lý cổ điển, nó có thể quay xung quanh hạt nhân ở bất kỳ khoảng cách nào. Trái Đất có thể quay xung quanh Mặt Trời ở khoảng cách gần hơn hoặc xa hơn tùy thuộc vào vận tốc ban đầu của nó. Chẳng có bất kỳ một thế lực nào có thể ngăn cản được nó cả.

Vậy mà electron trong nguyên tử hydro chỉ có thể xuất hiện ở những khoảng cách cố định và rời rạc so với hạt nhân. Nếu bạn “bơm” thêm năng lượng cho electron, nó sẽ không di chuyển dần dần ra xa khỏi hạt nhân – nó nhảy lên đúng quỹ đạo tiếp theo một cách rất đột ngột. Rồi khi nó nhảy trở về quỹ đạo có mức năng lượng thấp hơn, nó sẽ nhả ra một photon mang theo hiệu năng lượng giữa hai quỹ đạo.

Niels Bohr đã mô tả hiện tượng này như sau: động lượng góc của electron phải bằng với bội số nguyên của h/2π (với ℏ = h/2π là hằng số Planck rút gọn)

với n = 1, 2, 3…

Nhưng ông không giải thích được tại sao quy tắc này lại tồn tại. Ông chỉ nhận thấy rằng nếu như áp dụng nó, mọi thứ trong vũ trụ này lại trở nên rất rõ ràng và hợp lý. Đối với giới khoa học lúc bấy giờ, đây là một tình trạng rất đáng lo ngại. 

Nhưng vẫn còn có một vấn đề khác nghiêm trọng hơn.

Theo các phương trình của Maxwell – bất kỳ hạt điện tích nào đang chuyển động trên một quỹ đạo cong đều sẽ phải phát ra sóng điện từ và dần dần mất đi năng lượng. Và quỹ đạo này sẽ thu hẹp theo đường xoắn ốc. Các tính toán đã chỉ ra rằng, electron sẽ xoắn ốc vào hạt nhân và nguyên tử sẽ sụp đổ trong khoảng 10^-12 giây.

Nhưng electron không rơi vào hạt nhân. Bạn vẫn đang ở đây và đọc bài viết này – những thứ được tạo thành từ những nguyên tử – một minh chứng rất rõ ràng rằng electron không rơi vào hạt nhân.

Nhưng tại sao lại như vậy?

Bởi vì Niels Bohr cho rằng electron chỉ có thể xuất hiện ở “quỹ đạo dừng” – nơi mà khi các electron ở đó thì sẽ không phát bức xạ.

Nhưng tại sao lại như thế?

Ông không biết câu trả lời là gì. Và cũng chẳng ai biết cả.

Và đây chính là lỗ hổng mà toàn bộ giới vật lý đang cố gắng né tránh vào đầu những năm 1920. Không ai phủ nhận những thành tựu mà mô hình của Niels Bohr đã đem lại, nhưng không một ai có thể giải thích được tại sao nó lại hoạt động như vậy.

2. Một nhân vật kỳ lạ trong giới vật lý

Louis Victor Pierre Raymond de Broglie sinh năm 1892 trong một gia đình quý tộc Pháp lâu đời. Tước hiệu của ông sau này là Công tước de Broglie đời thứ 7.

Dự định ban đầu của ông chính là theo đuổi con đường học thuật về lịch sử và triết học. Nhưng người anh trai của ông, Maurice de Broglie, là một nhà vật lý thực nghiệm đang thực hiện công việc nghiên cứu tia X và phóng xạ. Maurice thỉnh thoảng chia sẻ với cậu em những bài báo khoa học thú vị và dần dần, Louis đã bị cuốn vào bộ môn này.

Nhưng có một điều rất thú vị ở đây: Louis de Broglie không phải nhà vật lý thực nghiệm. Ông không có bất kỳ phòng thí nghiệm nào, chẳng có thiết bị đo đạc hay bất kỳ kinh nghiệm gì về việc thiết kế thí nghiệm. Ông là một nhà vật lý lý thuyết theo nghĩa thuần túy nhất – một người làm việc bằng bút, giấy và sức mạnh của logic.

Và vào năm 1924, ông ngồi xuống và viết luận án tiến sĩ của mình.

Luận văn này chỉ dài 70 trang. Ý tưởng trung tâm của nó đơn giản đến mức có thể gói gọn lại trong một câu:

Nếu như Einstein cho rằng sóng ánh sáng có thể hành xử giống như một hạt thì tại sao các hạt vật chất lại không thể hành xử giống như sóng?

Một câu hỏi đã được đặt ra bằng tư duy ngược. Không có bất kỳ thí nghiệm nào được thực hiện để dẫn đến ý tưởng đó. Đây đơn thuần chỉ là trực giác của một người được coi là “ngoài ngành”.

Người hướng dẫn của ông – Paul Langevin, khi đọc xong luận án tiến sĩ thì chẳng biết phải làm gì với nó. Đây là một ý tưởng quá táo bạo và thiếu đi các bằng chứng thực nghiệm. Và Paul Langevin đã quyết định gửi một bản sao cho Albert Einstein và hỏi ý kiến của ông về vấn đề này.

Einstein đã đáp lại như sau:

Tôi tin rằng đây là một tia sáng yếu ớt đầu tiên giúp hé mở bức màn bí ẩn khó lý giải nhất trong vật lý.

Với cái gật đầu này, hội đồng đã chấp nhận luận án. De Broglie được nhận bằng tiến sĩ vào năm 1924. Và 5 năm sau khi nộp luận án đó – năm 1929 – ông đã nhận được giải Nobel Vật Lý.

Vậy chính xác thì De Broglie đã viết những gì trong luận án đó để được cả toàn bộ thế giới công nhận và tán dương?

3. Một phương trình đã thay đổi toàn bộ thực tại

Trước đó, vào năm 1905, Einstein đã chứng minh rằng ánh sáng – thứ mà mọi người thường nghĩ rằng chỉ là sóng điện từ thuần túy – cũng có thể hành xử giống như một hạt. Mỗi photon đều mang trong nó năng lượng tỷ lệ thuận với tần số của nó. Và quan trọng hơn hết, nó cũng mang theo động lượng.

Không giống như hạt vật chất “thông thường” có khối lượng nghỉ m₀, photon là một thực thể không có khối lượng. Trong chân không, photon chỉ có thể di chuyển với một tốc độ duy nhất – đó chính là tốc độ ánh sáng.

Vậy thì làm thế nào mà chúng ta có thể tìm được động năng của một vật thể có khối lượng bằng không?

Theo thuyết tương đối hẹp, bất kỳ hạt vật chất nào xuất hiện trong tự nhiên đều phải tuân theo phương trình năng lượng tương đối tính.

Và phương trình này cũng có thể áp dụng cho photon. Tại đây

• E là tổng năng lượng của một hạt
• p là động lượng tuyến tính của nó
• m₀ là khối lượng nghỉ của nó.

Đối với photon, chúng ta chỉ cần đặt m₀ = 0, từ đó dẫn đến công thức biểu diễn động lượng của một photon:

Ở đây là năng lượng của photon là:

Từ đây, động lượng của photon có thể được xác định như sau:

De Broglie nhìn vào công thức này và tự hỏi: tại sao công thức này chỉ có thể áp dụng cho ánh sáng? Nếu ánh sáng – một thứ vốn dĩ được coi là sóng – có thể mang động lượng giống như một hạt, thì electron – một thứ vốn dĩ được coi là hạt – thì lại không thể có được bước sóng như một sóng?

Do đó, ông đã lật ngược lại công thức như sau:

Tức là bước sóng bằng hằng số Planck chia cho động lượng. Chỉ đơn giản như vậy thôi.

Đây được gọi là phương trình de Broglie. Nó nói rằng mọi vật thể đang chuyển động – electron, proton, nguyên tử, bóng tennis, ô tô và cả chính bạn nữa – tất cả đều có một bước sóng gắn liền với nó. Bước sóng này tỷ lệ nghịch với động lượng: Một vật càng nặng và chuyển động càng nhanh thì bước sóng sẽ càng nhỏ.

Ví dụ, một electron trong nguyên tử hydro có động lượng khoảng 2 × 10^–24 kg m/s. Như vậy, bước sóng tương ứng của electron này sẽ rơi vào khoảng 0,3 nanomet (3 x 10^–10 m)

Ngược lại, một quả bóng tennis 57 gam đang bay với vận tốc 60 m/s sẽ có bước sóng rơi vào khoảng 2 × 10^–34 m. Để có thể hiểu được con số này hơn, đường kính của một proton là 10^–15 m. Điều này có nghĩa là bước sóng của một quả bóng tennis sẽ nhỏ hơn proton khoảng 10¹⁹ lần – tương đương với 10 tỷ tỷ lần. Đây là lý do tại sao bạn không bao giờ thấy quả bóng tennis bị nhiễu xạ hay giao thoa: bước sóng của nó nhỏ đến mức không có bất kỳ thiết bị nào trên Trái Đất có thể phát hiện ra được.

Như vậy, đối với những vật thể to lớn và nặng nề, sóng vật chất lúc này nhỏ đến mức bạn sẽ chẳng thể nào đo được nó. Tất cả mọi thứ đều có tính chất sóng, kể cả bạn — nó chỉ không được biểu hiện ra ở cấp độ vĩ mô.

4. Dây đàn guitar và cơ chế hoạt động của electron

Hãy cùng trở lại với cây đàn guitar ở bên trên. Khi bạn đưa tay gảy một dây đàn, bạn đang tạo ra một làn sóng truyền dọc theo dây, gặp hai đầu cố định và bật ngược trở lại. Đa phần các sóng này sẽ kết hợp với nhau theo cách mà đỉnh sóng này sẽ gặp đáy sóng kia và chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Chỉ khi các sóng này gặp nhau theo đúng pha, chúng mới có thể tạo ra sóng đứng ổn định.

Và điều kiện để sóng đứng có thể tồn tại trên một sợi dây có chiều dài L được biểu diễn như sau:

với n = 1, 2, 3, 4…

Điều này có nghĩa là bước sóng λ phải bằng 2L/n. Chỉ những bước sóng thỏa mãn điều kiện này mới được phép tồn tại. Tất cả những bước sóng khác sẽ tự khắc bị triệt tiêu.

Bây giờ, hãy tưởng tượng bạn uốn cong dây đàn guitar thành một vòng tròn – đúng như hình dạng của quỹ đạo electron quay xung quanh hạt nhân. Điều kiện trên vẫn phải được thỏa mãn, nhưng lần này thay vì đoạn dây được cố định hai đầu, bạn sẽ có một vòng tròn khép kín.

Lúc này, điều kiện để sóng đứng có thể tồn tại trên vòng tròn có chu vi 2πr là:

với n = 1, 2, 3, 4…

Bây giờ, hãy thay thế λ bằng công thức de Broglie:

Và đây chính xác là điều kiện lượng tử hóa bí ẩn của Bohr – cái quy tắc mà ông đã áp đặt như một đạo luật từ trên trời xuống mà không thể giải thích được tại sao.

Giờ thì câu trả lời đã trở nên rất rõ ràng. Điều kiện lượng tử hóa của Bohr không phải là một quy tắc tùy tiện – nó chính là điều kiện sóng đứng áp dụng cho electron khi nó được coi là sóng: Electron chỉ có thể xuất hiện ở các quỹ đạo nhất định vì đó chính là các quỹ đạo (2πr) tương ứng với số nguyên (n) lần bước sóng (λ)

Nếu như chu vi của quỹ đạokhông phải là bội số nguyên của bước sóng – đây chính là những “nốt nhạc” không tương thích với kích thước của cây đàn – chúng sẽ phải bị triệt tiêu và biến mất.

Và điều này có thể giải thích cho câu hỏi tại sao electron đâm sầm vào hạt nhân, không phải vì có một quy tắc bí ẩn nào đó, mà là vì nếu như electron tiếp tục tiến gần hơn vào hạt nhân, sóng sẽ không được khép kín hoàn toàn – nơi các đỉnh và đáy sẽ triệt tiêu lẫn nhau (hay còn gọi là giao thoa triệt tiêu) và làm mất sóng. Chỉ những quỹ đạo mà sóng có thể giao thoa cộng hưởng mới chính là những quỹ đạo ổn định.

5. Khởi đầu của một câu chuyện mới

Đến đây, nếu bạn là người rất kỹ tính và chặt chẽ, có lẽ câu hỏi mà bạn sẽ đặt ra đó chính là:

Sóng electron đang dao động trong môi trường nào?

Về mặt bản chất, sóng âm chính là những dao động của các phân tử khí – nó cần có không khí để tồn tại. Đối với sóng nước thì nó chính là dao động của các phân tử nước. Điều này có nghĩa là mọi loại sóng đều tồn tại trong một môi trường nào đó

Vậy sóng de Broglie là sự dao động của cái gì?

Câu trả lời ở đây là không của cái gì cả.

Cụ thể, tua nhanh đến năm 1926, Max Born đã chỉ ra rằng sóng này đang thể hiện biên độ xác suất của electron – tức là nó cho chúng ta biết được xác suất có thể tìm thấy electron tại một vùng nhất định trong không gian nếu bạn thực hiện phép đo.

Hãy dừng lại ở đây một chút và suy nghĩ kỹ hơn về điều này.

Không phải là “electron đang ở gần đây và chúng ta chỉ đơn giản là không biết chính xác vị trí của nó”; cũng không phải là “electron đang di chuyển quá nhanh nên chúng ta không thể theo dõi kịp” mà là:

Trước khi bạn đo, electron không xuất hiện ở một vị trí cố định.

Nó tồn tại như một đám mây xác suất tỏa rộng trong không gian. Chỉ khi bạn thực hiện phép đo, nó mới “xuất hiện” ở một điểm.

Đây là chính là diễn giải Copenhagen và cho đến ngày nay nó vẫn là cách diễn giải được chấp nhận rộng rãi nhất trong giới vật lý. Cách diễn giải này có vẻ rất “xoắn não” và phản trực giác vì không có bất cứ thứ gì trong đời sống hàng ngày lại hoạt động như thế này cả. Quả bóng tennis không tồn tại như một đám mây xác suất. Chiếc ghế bạn đang ngồi không xuất hiện ở trong nhiều vị trí cùng một lúc. Nhưng electron thì lại hoạt động như vậy.

6. Những thí nghiệm xác nhận sóng de Broglie

Nhưng khoa học không chỉ cần những ý tưởng mới lạ. Nó cũng cần thêm rất nhiều bằng chứng.

Tại Bell Labs, Thành phố New York, năm 1927, Clinton Davisson và Lester Germer đang tiến hành nghiên cứu bề mặt của kim loại nickel bằng cách bắn electron vào và quan sát xem các electron đang bật ra theo những góc nào.

Nhưng trong quá trình thực hiện thí nghiệm, một ống thủy tinh chứa niken bị nứt, khiến cho không khí lọt vào và tạo ra một lớp màng oxit trên bề mặt niken. Và để có thể loại bỏ lớp màng này, họ đã nung nóng nó với nhiệt độ rất cao trong môi trường chân không. Và chính quá trình nung nóng này đã vô tình biến mẫu polycrystalline (nhiều tinh thể nhỏ ngẫu nhiên) thành một tinh thể đơn khổng lồ (với các nguyên tử được sắp xếp theo trật tự đều đặn).

Khi họ bắn electron vào mẫu đã thay đổi đó và quan sát kết quả, có điều gì đó rất kỳ lạ bắt đầu xuất hiện. Các electron không bật ra một cách ngẫu nhiên – chúng bật ra với cường độ rất mạnh ở những góc nhất định và gần như bằng không ở những góc khác.

Đây được gọi là vân nhiễu xạ. Davisson và Germer đã vô tình thực hiện được thí nghiệm nhiễu xạ electron đầu tiên trong lịch sử.

Và khi họ tính toán bước sóng tương ứng từ các góc nhiễu xạ quan sát được, con số này khớp chính xác với dự đoán của công thức de Broglie: λ = h/p.

Trong cùng năm đó, ở phía bên kia Đại Tây Dương, George Paget Thomson – con trai của J.J. Thomson – người đã phát hiện ra electron là hạt, đang thực hiện một thí nghiệm khác: ông bắn một chùm electron đi qua một lá kim loại cực mỏng bên trong môi trường chân không. Và thay vì tạo thành một điểm hội tụ duy nhất, các electron đã tạo ra một mô hình đối xứng bao gồm các vòng tròn đồng tâm trên tấm ảnh.

Điều đặc biệt là cấu hình vòng tròn đồng tâm này giống hệt với các mẫu hình được tạo ra khi tia X bị nhiễu xạ bởi các tinh thể. Bằng cách đo đạc kích thước của các vòng tròn, Thomson đã xác nhận rằng các bước sóng là phù hợp với các dự đoán trong công thức của De Broglie – trở thành một bằng chứng không thể chối cãi về bản chất lưỡng tính sóng – hạt của vật chất.

Và nếu bạn muốn có được một bằng chứng khác thuyết phục hơn, chúng ta không nhất thiết phải sử dụng đến mô hình phức tạp của tinh thể mà chỉ cần một vài khe hẹp đơn giản giống như thí nghiệm khe đôi của Thomas Young – tức là thay vì sử dụng ánh sáng, chúng ta sẽ sử dụng electron.

Tại đây, nếu như electron là một sóng, chúng ta sẽ thu được các mẫu giao thoa với các vân sáng và vân tối xen kẽ giống như ánh sáng. Ngược lại, nếu như electron là một hạt thì các vân giao thoa sẽ không được hình thành.

Thí nghiệm khe đôi đầu tiên sử dụng chùm tia electron được thực hiện bởi Claus Jönsson ở Đức vào năm 1961 đã chứng minh được rằng chùm electron thực sự đã tạo ra được một mẫu hình giao thoa – tức là các electron đã hoạt động giống như sóng.

Sau đó, các thí nghiệm khe đôi đầu tiên sử dụng các electron đơn lẻ đi qua các khe đã được thực hiện bởi Giulio Pozzi vào năm 1974 ở Ý và bởi Akira Tonomura vào năm 1989 ở Nhật Bản. Kết quả thu được vẫn là một mẫu hình giao thoa quen thuộc. Điều này đã chứng minh một cách rất rõ ràng rằng mẫu hình nhiễu xạ này có được là do tính chất sóng của electron.

7. Từ một công thức đơn giản cho tới toàn bộ nền văn minh ngày nay

Vào năm 1933, Ernst Ruska và Max Knoll ở Đức chế tạo chiếc kính hiển vi electron đầu tiên. Nguyên lý hoạt động của thiết bị này hoàn toàn dựa trên luận án tiến sĩ của Louis de Broglie: thay vì sử dụng sóng ánh sáng để quan sát các vật thể nhỏ bé, họ sẽ sử dụng sóng electron để có thể nhìn thấy chúng.

Vậy thì tại sao sự thay đổi này lại quan trọng đến như vậy?

Đó là vì độ phân giải của bất kỳ chiếc kính hiển vi nào đều bị giới hạn bởi bước sóng nó sử dụng để quan sát. Điều này có nghĩa là bạn không thể nhìn thấy các vật thể nhỏ hơn bước sóng ánh sáng mà bạn đang dùng – ánh sáng sẽ không “cảm thấy” vật thể đó và sẽ đơn giản là đi vòng qua.

Ánh sáng khả kiến có bước sóng rơi vào khoảng 400 đến 700 nanomet. Đây chính là giới hạn vật lý của kính hiển vi quang học: nó không thể phân giải các vật thể nhỏ hơn khoảng 200 nanomet.

Vậy giải pháp cho vấn đề này là gì?

Đó chính là sóng electron. Khi electron được gia tốc lên đến 100 kilovolts, bước sóng de Broglie của nó sẽ là 0,004 nanomet – nhỏ hơn ánh sáng khả kiến khoảng 100.000 lần. Và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM – Transmission Electron Microscopy) có thể phân giải cấu trúc nguyên tử với độ phân giải dưới 0,05 nanomet. Điều này có thể giúp cho bạn có khả năng nhìn thấy từng nguyên tử riêng lẻ.

Nhờ sự ra đời của công nghệ này, chúng ta hiện đã có thể nhìn thấy cấu trúc của virus – bao gồm cả virus corona gây ra đại dịch COVID-19; chúng ta có thể phân tích các cấu trúc rất tinh vi của tế bào; chúng ta có thể phát hiện ra cấu trúc xoắn kép của DNA; chúng ta phát triển ra các loại vật liệu bán dẫn, phát hiện ra các khiếm khuyết trong chip máy tính hay nghiên cứu các cấu trúc protein để chế ra các loại thuốc trị bệnh.

Và tất cả những kỳ quan công nghệ này đều bắt đầu từ một câu hỏi đơn giản đến mức nực cười trong luận án tiến sĩ dài 70 trang của một nhà quý tộc người Pháp không có gì ngoài giấy, bút và bộ não của ông.

8. Một bản “giao hưởng” của thực tại

Hãy cùng nhau quay trở lại cây đàn guitar một lần cuối cùng.

Khi bạn đưa tay gảy dây đàn, cái bạn nghe được không phải là “tất cả mọi âm thanh có thể tồn tại” – mà chỉ là những âm thanh được phép tồn tại. Những âm thanh không khớp với “điều kiện cộng hưởng” sẽ tự động bị loại bỏ trong vài phần nghìn giây đầu tiên trước khi tai bạn kịp nhận ra. 

Và các electron cũng hoạt động theo logic tương tự. Electron không xuất hiện ở quỹ đạo ngẫu nhiên – nó ở những nơi mà sóng của nó có thể tự cộng hưởng với chính mình và có thể tạo thành một vòng khép kín. Mọi quỹ đạo khác chỉ là những “nốt nhạc” bị lệch nhịp – chúng tự động bị triệt tiêu và biến mất.

Nhưng đây là một điều quan trọng mà chúng ta cần phải ghi nhớ: sóng electron không phải là sóng của một “chất liệu” nào đó đang dao động. Đây chỉ là “sóng xác suất” – nơi mà các electron có khả năng xuất hiện nhất.

Nhưng có một câu hỏi khác mà vật lý chưa trả lời được — và sau 100 năm, các nhà vật lý vẫn đang tranh luận nảy lửa:

Tại sao đám mây xác suất đang trải rộng trong không gian lại đột ngột “sụp đổ” về một điểm khi bạn tiến hành đo đạc và quan sát? Điều gì đang diễn ra ở đây vậy?

Nhưng câu hỏi sâu xa nhất — tại sao thực tại lại hoạt động như thế này? — vẫn còn ở đó và chờ đợi những ai đủ táo bạo để có thể nhìn thẳng vào, giống như một nghiên cứu sinh 32 tuổi người Pháp không có bất cứ thứ gì trong tay – chỉ có bút, giấy và khả năng tư duy ngược rất thú vị – đã nhìn thẳng vào một lỗ hổng mà cả nền vật lý đang cố gắng né tránh.

Louis de Broglie đã sống đến năm 1987, hưởng thọ 94 tuổi – một khoảng thời gian đủ dài để chứng kiến sự ra đời của những ứng dụng công nghệ hiện đại đến từ luận án tiến sĩ của mình. Ông đã được hỏi rất nhiều lần về ý nghĩa triết học của cơ học lượng tử – về việc thực tại có thực sự chỉ là xác suất, hay còn có một lớp thực tại sâu hơn ở bên dưới. Cho đến cuối đời, ông vẫn tin rằng vẫn còn có một cấu trúc sâu hơn nữa chưa được khám phá. Ông cũng có thể đúng, cũng có thể sai. Và chỉ thời gian mới có thể trả lời được câu hỏi này.