Ngỡ ngàng vũ điệu ngoài "kinh thánh" Newton của phân tử lượng tử

Năm 1687, trong tác phẩm chính thức “Các nguyên lý toán học của triết lý tự nhiên” (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica), nhà khoa học vĩ đại nhất mọi thời đại Isaac Newton đã trình bày quy luật vạn vật hấp dẫn và ba định luật Newton về chuyển động của các vật thể có khối lượng dưới tác động của lực bên ngoài (ngoại lực).

(Ảnh: Linkedin)

Sau khi ra đời, các quy luật này đã trở thành nền tảng của cơ học cổ điển và thống trị mọi quan niệm vật lý, khoa học trong suốt ba thế kỷ tiếp theo. Cho tới nay, chúng ta thấy rõ tác động của các quy luật Newton hầu như ở khắp mọi nơi trong cuộc sống của mình, từ người nhảy dù rơi xuống theo trường hấp dẫn của trái đất cho đến quán tính mà bạn cảm thấy khi máy bay tăng tốc, và cả việc trái đất quay quanh mặt trời.

Sơ đồ minh họa quy luật đầu tiên: Một vật đang đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên, và một vật đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động trừ khi bị một lực bên ngoài tác động vào. (Ảnh: Physics4Kids)

Tuy nhiên, trong thế giới lượng tử, quy luật Newton đầu tiên về sự thay đổi trong chuyển động đường thẳng của một vật thể do ngoại lực tác động lại không hẳn là đúng và đôi khi sai hoàn toàn.

Trong một thí nghiệm cơ học lượng tử mới được Phys.org đưa tin gần đây, một viên bi rơi xuống nước sẽ dao động lên xuống thay vì trôi thẳng xuôi dòng. Kết quả này quá lạ lùng so với các vật thể trong thế giới bình thường. Đây là những gì mà các nhà vật lý gọi là “giao thoa lượng tử” cho phép các phân tử chuyển động với tính chất sóng và có thể bổ sung hoặc triệt tiêu lẫn nhau.

Đi sâu vào thí nghiệm này, để quan sát phân tử lượng tử dao động tiến và lùi trong phòng thí nghiệm, một nhóm tác giả đã làm lạnh các phân tử khí Xesi (Cesium) vừa đủ ở trên độ 0 tuyệt đối và nhốt nó trong một cơ cấu các ống rất mỏng chỉ được nhận ra bằng cách sử dụng các tia laser công suất cao. Một thủ thuật đặc biệt sẽ giúp các nguyên tử tương tác mạnh với nhau. Khi đạt đến những điều kiện cực độ, các nguyên tử sẽ hình thành một chất lỏng lượng tử mà chuyển động bị giới hạn theo hướng của các ống.

Sau đó, các nhà vật lý sẽ tăng tốc một nguyên tử không tinh khiết (là một nguyên tử trong trạng thái dao động khác) trong các phân tử khí. Khi phân tử lượng tử mới di chuyển trong chất lỏng lượng tử được tạo ra, người ta thấy nó phát tán các phân tử khí và phản xạ lùi lại.

Hiện tượng này được gọi là chuyển động dao động, trái ngược với chuyển động của một viên bi thông thường khi rơi xuống nước sẽ trôi thẳng xuôi dòng do quy luật Newton như chúng ta đã biết.

Tranh minh họa phân tử lượng tử chuyển động dao động tiến và lùi trong khí nguyên tử một chiều trong nghiên cứu mới được công bố (Ảnh: Innsbruck)

Rõ ràng, các định luật Newton dù được xem như "Kinh Thánh" thống trị cơ học cổ điển lại không có tác dụng gì trong lĩnh vực cơ học lượng tử. Bởi vì ngược lại với cơ học cổ điển nghiên cứu các vật thể thông thường và khổng lồ như các hành tinh, đối tượng của cơ học lượng tử là bản chất và hành vi của vật chất và năng lượng ở các cấp độ rất nhỏ như nguyên tử, hạ nguyên tử.

(Ảnh: Science4All)

Giải thích về thí nghiệm này, các nhà khoa học cho biết, từ những ngày đầu phát triển lý thuyết cơ học lượng tử, họ đã biết đến việc một sóng lượng tử có thể phản xạ theo các chiều khác nhau. Ví dụ, electron sẽ phản xạ theo các mẫu quy tắc của các tinh thể rắn như tinh thể kim loại, hiệu ứng này được gọi là “phát tán Bragg”.

(Ảnh: MetEd)

Tuy nhiên, điều đáng ngạc nhiên trong thí nghiệm ở Innsbruck là nguyên tử không tinh khiết đã phát xạ chính là nhờ các nguyên tử đã tạo ra một loại trật tự bí ẩn trong cơ cấu của chúng, chứ không phải nhờ sự có mặt của bất kỳ tinh thể nào. Đặc điểm này được các nhà vật lý gọi là “tương quan”. Cách thức các “tương quan” này kết hợp với bản tính sóng của vật chất sẽ quyết định chuyển động của các phân tử lượng tử và tạo ra các hiện tượng mới mẻ, kỳ thú trái ngược với trải nghiệm trong cuộc sống của chúng ta vốn tuân theo kinh thánh Newton.

Một giáo sư trong nhóm nghiên cứu đã kết luận, các hiểu biết về đặc điểm kỳ lạ của cơ học lượng tử sẽ phát huy tác dụng trong phạm vi rộng hơn, giúp hiểu rõ và tối ưu hóa các quá trình chế tạo các thành phần điện tử, các quá trình vận chuyển trong các hệ thống sinh học phức tạp như tế bào, mô và cả cơ thể người.

Kiến thức mới về cơ học lượng tử sẽ hỗ trợ những ngành như lượng tử sinh học (Ảnh: Beyond Thirty-Nine)

Phát hiện bất ngờ về phân tử lượng tử này là sự hợp tác quốc tế giữa các nhà vật lý thực nghiệm và lý thuyết đến từ các đại học Innsbruck, Paris-Sud, Harvard và đại học kỹ thuật Munich (TUM). Nghiên cứu mang tên “Tạo ra các dao động trong sự vắng mặt của một mạng tinh thể” (Bloch oscillations in the absence of a lattice) đã được công bố trên Science gần đây.