Cả sau khi đưa ra biểu thức toán học của thuyết lượng tử được hoàn thiện, khái niệm của thuyết này cũng không dễ được chấp nhận. Nó đã làm đảo lộn toàn bộ khả năng tưởng tượng của các nhà vật lý. Thí nghiệm Rutherford cho thấy nguyên tử không hề là những hạt nhỏ không thể phân chia mà chỉ là không gian trống không, trong đó những hạt li ti vận động, rồi bây giờ thuyết lượng tử lại càng cho rằng, bản thân những hạt đó cũng chẳng cứng chắc gì cả, theo nghĩa của vật lý cổ điển. Những đơn vị hạ nguyên tử là một cấu trúc trừu tượng, với thuộc tính hai mặt. Tùy theo chúng ta nhìn nó như thế nào mà chúng xuất hiện khi là hạt, khi khác là sóng; ánh sáng xuất hiện cũng hai mặt, khi là sóng điện từ, khi thì xuất hiện như hạt.

Tính chất này của vật chất và ánh sáng thật là kỳ dị. Xem ra không thể chấp nhận được một cái gì đó vừa là hạt, tức là một cơ cấu có kích thước rất nhỏ; đồng thời vừa là sóng, là một cái gì có thể tỏa rộng trong không gian. Đối với nhiều người, mâu thuẫn này là một sự nghịch lý, tương tự như công án, cuối cùng nó dẫn đến sự phát biểu thuyết lượng tử. Toàn bộ sự phát triển bắt đầu với Max Planck, khi ông phát hiện rằng nhiệt lượng không hề tỏa ra liên tục mà trong dạng từng bó năng lượng. Einstein đặc tên cho những này là quanton (lượng tử) và thừa nhận đó là dạng cơ bản của thiên nhiên. Ông đủ táo bạo để quả quyết rằng, cả ánh sáng lẫn các tuyến điện tử khác không những chỉ là sóng mà chúng cũng xuất hiện với dạng quanta này. Những “bó ánh sáng”, mà theo đó thuyết lượng tử được đặt tên, từ đó được thừa nhận, người ta đặt tên cho nó là “photon” (quang tử). Thế nhưng nó là loại hạt đặc biệt, nó phi khối lượng và luôn luôn di chuyển với vận tốc ánh sáng.

Thế là mâu thuẫn rành rành giữa hình ảnh của sóng và hạt được giải quyết một cách bất ngờ, nhưng nó đặt lại một vấn đề của vật lý cổ điển, đó là khái niệm về thực tại của vật chất. Trong bình diện hạ nguyên tử, vật chất không hiện hữu một cách chắc chắn tại một vị trí nhất định, mà nó chỉ có khuynh hướng hiện hữu và những biến cố của nguyên tử không nhất thiết phải xảy ra tại một thời điểm nhất định, theo một cách thế nhất định, chúng chỉ “có khuynh hướng xảy ra”. Trong cách nói của thuyết lượng tử thì khuynh hướng đó được gọi là xác suất, nó liên hệ với những đại lượng toán học, những đại lượng đó quy định dạng của sóng. Do đó mà hạt cũng có thể là sóng. Những sóng đó không phải là sóng thật như loại sóng trong không gian ba chiều của âm thanh hay sóng trên nước. chúng là sóng xác suất, đó là những đại lượng toán học trừu tượng với tính chất tiêu biểu của sóng: chúng nói lên với xác suất nào, người ta sẽ “gặp” được một hạt tại một điểm nhất định, tại một thời gian nhất định. Tất cả mọi quy luật của vật lý nguyên tử đều được biểu thị ở dạng xác suất này. Không bao giờ chúng ta có thể quả quyết điều gì về một tiến trình trong nguyên tử, ta chỉ nói xác suất nó xảy ra là bao nhiêu.

Một thuyết lượng tử như thế đã phá vỡ những khái niệm về một vật thể cứng chắc. Với mức độ hạ nguyên tử thì hạt cứng chắc của vật lý cổ điển đã tan thành những hình ảnh xác suất có dạng như sóng và hơn thế nữa, những cấu trúc này không diễn tả xác suất hiện hữu của vật thể mà xác suất của những mối liên hệ. Khi nghiên cứu kỹ về quá trình quan sát trong ngành vật lý nguyên tử người ta thấy rằng các hạt với tính chất là đơn vị không có vai trò gì, mà chúng chỉ được hiểu trong mối liên hệ giữa sự chuẩn bị một thí nghiệm và các đo lường sau đó.

Thế nên thuyết lượng tử trình bày cho thể thống nhất của vũ trụ. Nó cho ta thấy rằng không thể chia chẻ thế giới ra từng hạt nhỏ rời rạc độc lập với nhau. Khi nghiên cứu sâu về vật chất, ta sẽ biết thiên nhiên  không cho thấy những “hạt cơ bản” riêng lẻ, mà nó xuất hiện như tấm lưới phức tạp chứa toàn những mối liên hệ của những phần tử trong một toàn thể. Những mối liên hệ này bao gồm luôn cả người quan sát. Con người quan sát chính là mắt xích cuối của một chuỗi quá trình quan sát và tính chất của một vật thể nguyên tử chỉ có thể hiểu được trong mối quan hệ giữa vật được quan sát và người quan sát. Điều đó có nghĩa là hình dung cổ điển về một sự mô tả khách quan thế giới tự nhiên không còn có giá trị nữa. Sự chia cắt giữa cái tôi và thế giới theo kiểu Descartes, giữa người quan sát và đối tượng quan sát không thể áp dụng trong lĩnh vực nguyên tử. Trong vật lý nguyên tử, ta không bao giờ có thể nói về thế giới tự nhiên mà không đồng thời nói về chính ta.

Thuyết nguyên tử mới mẻ lập tức có thể trả lời nhiều điều bí ẩn xuất hiện trong lúc nghiên cứu về cơ cấu nguyên tử mà mô hình hành tinh của Rutherford không lý giải được. Bí ẩn đầu tiên của nghiên cứu của Rutherford cho thấy nguyên tử, dựa trên đó mà vật chất cứng chắc thành hình, vốn chỉ là không gian trống rỗng, nếu nhìn theo cách phân bố của khối lượng. Thế nhưng nếu ta và mọi vật xung quanh chủ yếu là trống rỗng thì tại sao ta không đi xuyên qua được cánh cửa đang đóng. Nói cách khác: cái gì làm vật chất có vẻ cứng chắc?

Một điều bí ẩn thứ hai là tính chất ổn định của cơ cấu lạ lùng của nguyên tử. Chẳng hạn trong không khí, nguyên tử va chạm nhau hàng triệu lần trong một giây, thế nhưng vẫn giữ được dạng cũ sau mỗi khi va chạm nhau. Không có một hệ thống hành tinh nào, hệ thống nằm trong quy luật của vật lý cổ điển, lại chịu nổi sự va chạm như thế. Thế nhưng một nguyên tử oxygen luôn luôn giữ được cấu trúc electron riêng biệt của nó, dù nó va chạm bao nhiêu lần với các nguyên tử khác. Hơn thế nữa, cấu trúc của mọi nguyên tử cùng lọi luôn luôn giống như nhau. Hai nguyên tử sắt hoặc hai miếng sắt ròng thì luôn luôn giống nhau, không kể xuất xứ của chúng và quá trình luyện chúng như thế nào.

Thuyết lượng tử cho thấy rằng, tất cả những đặc tính lạ lùng đó của nguyên tử xuất phát từ tính chất sóng của các electron. Tính cứng chắc của vật chất là hiệu quả một hiệu ứng lượng tử, tính chất này liên hệ chặt chẽ với tự tính hai mặt “sóng – hạt” của vật chất, đó là một tính chất trong thế giới hạ nguyên tử, cái mà trong thế giới vĩ mô không hề có sự tương tự. Cứ mỗi khi hạt bị giam trong không gian nhỏ hẹp thì nó phản ứng bằng cách vận động chống lại sự chật chội đó, không gian càng nhỏ thì nó vận động càng nhanh. Trong nguyên tử có hai loại lực ngược chiều nhau. Một bên là lực hút của hạt nhân, hút electron bằng sức hút điện tích; bên kia là electron phản ứng với sự hạn chế không gian bằng cách quay cuồng và khi nó càng sát gần với nhau, nó càng quay mạnh. Chúng di chuyển với vận tốc chừng 900 km/giây. Vận tốc rất lớn này làm nguyên tử xuất hiện như một hình cầu cứng rắn, tương tự như một chiếc chong chóng quay nhanh làm ta tưởng đó là một đĩa tròn liên tục. Muốn bóp nhỏ một nguyên tử lại rất khó, nhờ đó mà nguyên tử làm cho vật chất trở nên cứng rắn.

Trong nguyên tử, các electron quay trên các quỹ đạo, sinh ra một sự thăng bằng tối ưu giữa sức hút của nhân và sự phản ứng chống lại sự gò bó không gian. Tuy thế các quỹ đạo electron khác với quỹ đạo của hành tinh trong hệ mặt trời, đó là một hệ quả của tính chất sóng của electron. Người ta không thể xem nguyên tử là một hệ hành tinh nhỏ được. Chúng ta đừng hình dung có hạt nào chạy vòng xung quanh nhân, mà các sóng xác xuất đang xếp đặt trên các quỹ đạo. Cứ mỗi lần đo lường, ta lại tìm thấy chỗ này chỗ kia electron trong các quỹ đạo đó, nhưng chúng ta không thể nói chúng “quay xung quanh” nhân nguyên tử trong nghĩa cơ học cổ điển.

Trong các quỹ đạo, các sóng electron phải rung làm sao cho “đầu đuôi ăn khớp” với nhau, để tạo thành “sóng đứng”. Dạng sóng này xuất hiện khi chúng bị hạn chế trong một lĩnh vực nhất định, thí dụ sự rung động của một dây đàn ghitar hay luồng khí trong một ống sáo. Từ những thí dụ này ta thấy sóng đứng chỉ có một số lượng nhất định các hình dạng định sẵn.

Trường hợp của sóng electron nguyên tử cũng thế, chúng chỉ hiện diện trên những quỹ đạo nhất định với đường kính định sẵn. Chẳng hạn electron của một nguyên tử hydrogen chỉ có thể hiện diện trong quỹ đạo thứ nhất, thứ hai hay thứ ba…, chứ không thể ở nửa chừng. Thường thường nó nằm trong quỹ đạo thấp nhất, ta gọi đó là trạng thái cơ bản của nguyên tử. Từ đó electron có thể nhảy lên quỹ đạo cao hơn, nếu nó có đủ năng lượng. Trong trường hợp đó nó được gọi là trạng thái kích thích, nhưng chỉ sau một thời gian nó lại trở về trạng thái cơ bản và giải phóng năng lượng thừa dưới dạng một lượng của bức xạ điện từ hay quang tử (photon).

(còn tiếp) 

TH: T.Giang – SCDRC

Nguồn tham khảo: Fritjof Capra – Đạo của vật lý – NXB THTPHCM – 2015

Advertisements

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Đăng xuất / Thay đổi )

Connecting to %s