Thế giới lượng tử kì bí: Cái sinh ra từ hư vô

Michael Brooks

Từ những con mèo không biết sống chết ra sao cho đến những hạt thoắt ẩn thoắt hiện từ hư vô, từ những cái ấm nước không sôi – thỉnh thoảng thôi – cho đến những tác dụng ma quỷ xuyên khoảng cách, vật lí lượng tử mang lại những điều thú vị đánh đổ các trực giác của chúng ta về sự hoạt động của thế giới vật chất.

“Không có gì xuất hiện từ hư vô”, nhà vua Lear răn bảo Cordelia như vậy trong vở diễn Shakespear danh tiếng. Trong thế giới lượng tử thì khác: ở đó, một số thứ phát sinh từ hư vô và làm di chuyển đối tượng vật chất.

Hiệu ứng Casimir có thể làm các tấm kim loại dịch đi một chút. (Ảnh: Fiona Schweers / stock.xchng)

Đặc biệt, nếu bạn đặt hai tấm kim loại không tích điện mặt đối mặt trong một chân không, thì chúng sẽ tiến về phía nhau, có vẻ như chẳng có nguyên do gì. Lưu ý là chúng ta không chuyển động nhiều lắm. Hai tấm có diện tích một mét vuông đặt cách nhau một phần nghìn mili mét sẽ chịu một lực tương đương với chỉ một phần mười của một gram.

Nhà vật lí người Hà Lan Hendrik Casimir lần đầu tiên để ý thấy chuyển động nhỏ xíu này vào năm 1948. “Hiệu ứng Casimir là một biểu hiện của tính kì lạ lượng tử của thế giới vĩ mô”, phát biểu của nhà vật lí Steve Lamoreaux tại trường đại học Yale.

Để tìm hiểu thế giới lượng tử kì bí, cần phải biết nguyên lí bất định Heisenberg, về cơ bản phát biểu rằng chúng ta càng biết nhiều về một số thứ gì đó trong thế giới lượng tử, thì chúng ta càng biết ít về những thứ khác. Thí dụ, bạn không thể suy luận ra vị trí và xung lượng chính xác của một hạt một cách đồng thời. Chúng ta biết càng chắc chắn về vị trí của một hạt, thì chúng ta biết càng mơ hồ về nơi nó sắp đi tới.

Một mối liên hệ tương tự như vậy tồn tại giữa năng lượng và thời gian, với một hệ quả đầy kịch tính. Nếu không gian thật sự là trống rỗng, thì nó sẽ có năng lượng đúng bằng không tại một thời điểm được xác định chính xác trong thời gian – cái mà nguyên lí bất định cấm không cho chúng ta biết được.

Như vậy, chẳng có cái gì là chân không cả. Theo lí thuyết trường lượng tử, không gian trống rỗng thật ra đang tràn ngập những vật chất có thời gian sống ngắn, chúng xuất hiện trong khoảnh khắc rồi biến mất trở lại, nói chung là ngăn không cho vũ trụ vi phạm nguyên lí bất định. Trong đa số trường hợp, vật chất này là các cặp photon và các phản hạt của chúng nhanh chóng hủy lẫn nhau thành một làn năng lượng. Những điện trường nhỏ xíu gây ra bởi những hạt thoắt ẩn thoắt hiện này, và tác dụng của chúng lên các electron tự do trong các tấm kim loại, có thể giải thích cho hiệu ứng Casimir.

Hoặc chúng chẳng thể giải thích gì. Nhờ nguyên lí bất định, các điện trường đi cùng với các nguyên tử trong các tấm kim loại cũng thăng giáng. Những biến thiên này tạo ra những lực hút nhỏ xíu gọi là lực van der Waals giữa các nguyên tử. “Bạn không thể quy hiệu ứng Casimir chỉ là do năng lượng điểm không của chân không, hoặc chỉ do chuyển động điểm không của các nguyên tử cấu tạo nên các tấm kim loại”, Lamoreaux nói. “Quan điểm nào cũng đúng và mang đến kết quả giống như nhau”.

Cho dù bạn chọn cách giải thích nào, thì hiệu ứng Casimir đủ lớn là cả một vấn đề. Trong những cỗ máy nano, chẳng hạn, nó có thể làm cho những bộ phận nằm gần nhau bám dính vào nhau.

Cách tránh được hiệu ứng đó có lẽ đơn giản là đảo ngược hiệu ứng lại. Năm 1961, các nhà vật lí người Nga đã chứng minh trên lí thuyết được rằng việc kết hợp những chất liệu có lực hút Casimir khác nhau có thể mang lại những kịch bản trong đó hiệu ứng chung là lực đẩy. Bằng chứng cho “lực nổi lượng tử” kì lạ này đã được công bố vào tháng 1 năm 2009 bởi các nhà vật lí ở trường đại học Harvard, họ đã bố trí các tấm vàng và silic cách nhau bởi bromobenzene lỏng.

Theo New Scientist