Bản Chất Của Cơ Học Lượng Tử Và Những Hệ Quả Triết Học Theo Heisenberg Trong Định Hướng Ngành Vật Lý (Phần I)

Fri,16/05/2025
Lượt xem: 179

Mục Lục

Dẫn nhập. 4

Phần I: Định nghĩa và nguồn gốc cơ học lượng tử. 5

1.1 Khái niệm cơ học lượng tử. 5

1.2 Lịch sử phát triển thuyết lượng tử. 6

Phần II:  Hệ quả mang tính triết học và sự định hướng cho vật lý hiện đại 8

2.1 Thế giới quan dưới góc nhìn cơ học lượng tử và bản thể luận  8

2.2 Việc quan sát và mô tả sự vật có độc lập với thế giới?. 10

2.3 Sự định hướng và mối quan hệ hỗ tương của triết học và vật lý học  11

Tạm kết 13

Tài liệu tham khảo

 

Dẫn nhập

Trải qua hàng ngàn thiên niên kỷ, nhân loại vẫn không ngừng nỗ lực tiếp cận và giải mã những bí ẩn của vũ trụ này. Nhưng bằng cách nào mà loài người có thể nhận thức được những quy tắc đó: có phải bằng luận lý tự nhiên hay tri thức giới hạn của con người? Những người khao khát khám phá bản chất thế giới không chỉ đặt câu hỏi mà còn tiên phong trong việc tìm kiếm chân lý, từ đó trở thành những nhà triết triết học và khoa học. Ở một giai đoạn nào đó, con người đã ngỡ ngàng khi khám phá ra một nguyên lý nào đó của vũ trụ nhưng theo dòng thời gian, nó dường như không còn đúng và phù hợp nữa.

Có những người thích khám phá bản chất của thế giới, họ tìm hiểu và phát hiện ra một quy luật nào đó. Họ cũng khao khát tìm kiếm chân lý ngay trong thế giới này. Những chất vấn như vậy là kim chỉ nam để họ trở thành những nhà triết học và khoa học. Ta có thể thấy hầu hết những nhà vật lý giỏi, họ thường đã từng là những nhà triết học xuất sắc. Nhưng cũng có những cá nhân dù nghiên cứu vật lý nhưng họ không phải là nhà triết học? Tại sao như thế? Vậy triết học có trước hay vật lý có trước? Nếu triết học có trước thì nó định hướng cho các vấn đề của vật lý học như thế nào? Hay vật lý có trước rồi mới làm nảy sinh ra những vấn đề đặt ra cho ngành triết học?

Vì thế mà bài tiểu luận này, người viết không trình bày như một bài nghiên cứu một lĩnh vực khoa học chuyên biệt nhưng là dựa trên các lý thuyết và dữ liệu sẵn có từ các cuộc thực nghiệm để suy tư và hiểu cách mà triết học đã định hướng cho ngành vật lý học hiện đại hôm nay, cụ thể là đề tài liên quan đến cơ học lượng tử.

Phần I: Định nghĩa và nguồn gốc cơ học lượng tử

1.1      Khái niệm cơ học lượng tử

Cơ học lượng tử nghiên cứu về các hiện tượng ở cấp độ nguyên tử (atoms)[1] và hạ nguyên tử (subatomic particles).[2] Khác với vật lý cổ điển thường áp dụng cho thế giới vĩ mô, nơi đó vật chất tuân theo các định luật phù hợp với những gì ta quan sát hằng ngày, với thế giới vi mô, định luật ấy dường như không còn đúng nữa và có sự bất thường khó hiểu: hạt vừa mang tính chất vật chất, vừa mang tính chất như sóng – gọi là hiện tượng lưỡng tính sóng-hạt. Vì thế mà các nhà khoa học đã đi đến một bước tiếp cận mới.

Vật chất bao gồm các hạt như electon và nguyên tử nhưng nó cũng mang tính chất giống như sóng. Hiện tượng này không chỉ đúng với cho các hạt nguyên tử nhưng cả phân tử. Tuy nhiên các nhà vật lý học vẫn chưa có cách giải thích nào thỏa đáng cho tính chất này. Nhà vật lý người Đan Mạch Niels Bohr đã gọi nó là nghịch lý nhị nguyên (duality paradox) và xem nó như một thực tế nền tảng và siêu hình của tự nhiên.[3] Như vậy, nếu tách riêng ra từng tính chất thì không thể giải thích trọn vẹn được hiện tượng giao thoa của ánh sáng nhưng nếu kết hợp thì cũng không mấy khả quan.

Một trong những thí nghiệm nổi tiếng nhất để minh họa tính chất sóng-hạt của ánh sáng là thí nghiệm hai khe (double-slit experiment). Thí nghiệm này cho phép thấy sự kì lạ của hạt vật chất, ngoài tính chất hạt còn có tính chất sóng. Kết quả thí nghiệm cũng cho mọi hành động quan sát một hạt cũng ảnh hưởng ở một mức độ nào đó đến các hoạt động của chính hạt đó. Đây chính là bản chất thực sự của thế giới lượng tử.

 

Hình 1: Thí nghiệm 2 khe

Đối với thế giới lượng tử, việc quan sát chuyển động (dùng phép đo) của vật chất chỉ dừng lại ở trạng thái và chỉ nắm bắt được nó ở một trạng thái xác định. Điều đó đồng nghĩa với việc chúng ta chỉ biết xác suất nhất định với từng trạng thái.

Chính các nguyên lý của cơ học lượng tử đã đặt nền móng cho sự vận hành của laser và các thiết bị điện tử như máy tính lượng tử, máy cộng hưởng tử MRI[4] trong bệnh viện, máy tính tiền,..có độ chính xác cao. Tuy nhiên, đa số các nhà vật lý vẫn thừa nhận rằng có điều gì đó lạ lùng và không thể nắm bắt được hết trong cơ học lượng tử[5].

1.2   Lịch sử phát triển thuyết lượng tử[6]

Một hiện tượng nổi tiếng là mẩu vật chất bất kỳ khi bị đốt nóng sẽ bắt đầu phát ra ánh sáng, ban đầu nóng đỏ sau đó ở nhiệt độ cao hơn thì nóng trắng. Ông phát hiện ra màu sắc không phụ thuộc vào bề mặt của vật liệu và đối với một vật đen (black body)[7] chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Vì thế mà bức xạ phát ra do vật đen là một đối tượng nghiên cứu của vật lý. Bắt đầu từ khoảng cuối thế kỉ 19 đầu thế kỉ 20, Planck đã bước vào nghiên cứu về bức xạ. Trước những khó khăn của những người tiền nhiệm ông khi không thể đưa ra được các kết quả hợp lý dựa trên các định luật đã biết, ông đã chuyển từ vấn đề bức xạ tới nguyên tử phát xạ. Nó làm cho việc giải thích các sự kiện thực nghiệm trở nên đơn giản hơn nhiều. Ông đã biểu diễn kết quả thực nghiệm bằng công thức toán học về việc nghiên cứu mối liên hệ giữa nhiệt và bức xạ. Từ đây, định luật về bức xạ nhiệt đã ra đời do Plank phát minh ra.

Từ đây mà lý thuyết về nguyên tử bắt đầu được nghiên cứu. Vì Plack có thể chuyển đổi công thức của mình thành một phát biểu về nguyên tử phát xạ. Ông không tin vào kết quả đó vì nó không giống với những gì đã tiên đoán theo vật lý cổ điển. Sau đó là Albert Einstein, đã mô tả lại hiện tượng quang điện là sự phát ra các electron từ bề mặt kim loại dưới tác động của anh sáng. Như thế, năng lượng của các electron phát xạ phụ thuộc vào màu sắc và tần số của nó. Năng lượng của một lượng tử ánh sáng bằng tích của hằng số Flanck và tần số biểu diễn bởi công thức Ε=h.f (E là năng lượng của electron phát xạ, h là hằng số Planck, f là tần số của bức xạ). Lúc này, theo những thí nghiệm đã làm, ánh sáng vừa có thể được giải thích như là một hàm sóng điện từ hoặc có thể là các lượng tử truyền qua không gian với tốc độ rất lớn.

Từ đó dến năm 1911, từ những quan sát của Rutherford về sự tương tác của tia a đâm xuyên qua vật chất và mẫu nguyên tử và tính bền vững của nó được Bohr giải thích vào năm 1913 đã gây nên nhiều tranh cãi vì sự mâu thuẫn khi mô tả về nguyên tử.[8] Nhiều nhà vật lý cho rằng mâu thuẫn ấy thuộc về cấu trúc nội tại của vật lý nguyên tử. Một nhà vật lý người Pháp Broglie đã thử mở rộng lưỡng tính sóng-hạt cho cả các hạt sơ cấp: thí dụ sóng ánh sáng tương ứng với một lượng tử ánh sáng chuyển động.

Thuyết lượng tử đã khởi đầu và tiến triển như thế. Nó đã mở ra cho loài người sự mới mẻ về bản chất của thế giới tự nhiên và phần nào tiếp xúc với cách thức mà thế giới vận hành. Chúng ta có thể có nhiều sự ngỡ ngàng vì mọi thứ không như chúng ta dự đoán. Chúng ta chỉ có thể biết một phần nào đó trong một thế giới vĩ đại đang vận hành và thay đổi. Trước cơ học lượng tử, ta thường nghĩ thế giới bị chi phối bởi một định luật nhất định và cho ra kết quả chính xác nhưng với cơ học lượng tử hoàn toàn khác. Ta chỉ có thể biết được chính xác vị trí của nguyên tử ở đâu chỉ khi ta đo nó và cũng không thể biết tất cả các thuộc tính của một hệ thống trong cùng một lúc.

 

Giuse Kiều Duy Triều, S.J.

 

Tài liệu tham khảo

Đào, Vọng Đức, Chu Hảo, Trịnh Xuân Thuận, Nguyễn Xuân Xạnh, Phạm Xuân Yêm. Max Planck: Người khai sáng thuyết lượng tử. NXB Tri Thức, 2008.

Hawking, Stephen. Vũ trụ trong một vỏ hạt. Translated by Dạ Trạch. Hà Nội: NXB Bantam, 2001.

Heelan, Patrick A. S.J. Quantum Mechanic and Objectivity. The Hague: Martinus Nijhoff Publisher, 1965.

The Observable: Heisenberg’s Philosophy of Quantum Mechanics. Edited by Babette Babich. Vols. History and Philosophy of Science: heresy, crossroads, and intersections. I vols. New York, NY: Perter Lang, 2016.

Heisenberg, Werner. Physics and Philosophy. UK: Penguin Books, 2000.

Vật Lý và Triết học. Translated by Phạm Văn Thiều and Trần Quốc Túy. Hà Nội: NXB Tri Thức, 2009.

Rovelli, Carlo. Physics Needs Philosophy / Philosophy Needs Physics." Scientific American Observations (Blog), July 7, 2018. https://blogs.scientificamerican.com/observations/physics-needs-philosophy-philosophy-needs-physics/ (Accessed October 1, 2023).

 

 

 



[1] Tiếng Hy Lạp là Atomos.

[2] Albert Messiah, Quantum Mechanics (Amsterdam: North-Hôland Publichsing, 1966), 3.

[3] Niels Bohr, Atomic Theory and the Description of Nature (Cambridge: Cambridge University Press, 1934), 15.

[4]Magnetic Resonance Imaging” nghĩa là hình ảnh cộng hưởng từ.

[5] Werner Heisenberg, “Physics and Philosophy,” (Penguin Books, Limited (UK), 2000), 7-8.

[6] Werner Heisenberg, “The History of quantum theory,” in Physics and Philosophy, trans. Phạm Văn Thiều and Nguyễn Quốc Túy (Hà Nội: NXB Tri Thức, 2009), 51-68.

[7] Vật đen (Black body), trong vật lý học, là vật hấp thụ hoàn toàn tất cả các bức xạ điện từ chiếu đến nó, bất kể bước sóng nào. Phổ bức xạ của vật đen chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, phân bố năng lượng trong phổ tuân theo định luật Planck.

[8] Niels Bohr, “On the Constitution of Atoms and Molecules,” Philosophical Magazine 26 (1913): 1.

 

 

Nguồn tin: https://sjjs.edu.vn/