Tiêu đề sách là " How to Teach Physics to Your Dog " , nhưng thực ra Ông nói vể " Vật lý Lượng tử"
GIỚI THIỆU Tại sao nên trò chuyện với con chó của bạn về Vật lý? Giới thiệu về Vật lý lượng tử Hội Bảo vệ động vật Mohawk-Hudson đã làm một con đường nhỏ xuyên qua khu rừng gần cơ sở của họ ở ngoại ô thành phố Troy (quận Oakland, bang Michigan), để bạn có thể đi dạo với chú chó mà bạn định nhận nuôi. Có một chiếc ghế dài bên đường, tôi ngồi xuống và nhìn con chó tôi vừa dắt ra. Cô nàng cũng ngồi xuống cạnh băng ghế, dụi mõm vào tay tôi nên tôi gãi gãi vào sau tai nó. Hôm nay Kate, vợ tôi, phải đi làm nên tôi được cử đi, nhận về một con chó. Con này có vẻ phù hợp. Cô nàng là chó lai một tuổi, lai giữa chó chăn cừu Đức và một giống chó khác. Lông nó màu đen và rám nắng của chó chăn cừu, nhưng nhỏ con hơn với đôi tai mềm. Tấm thẻ trên cửa cũi ghi tên cô nàng là “Công chúa”, nhưng tên này có vẻ không mấy phù hợp. “Bạn nghĩ sao, cô gái?” Tôi hỏi. “Chúng tôi nên gọi bạn là gì?” “Gọi tôi là Emmy!” cô ta nói. “Sao vậy?” “Bởi vì đó là tên tôi, đồ ngốc ạ.” Được một con chó gọi là “đồ ngốc” thì hơi bị ngạc nhiên. “Được rồi, ta không cần tranh cãi chuyện này. Vậy bạn có muốn đến sống cùng chúng tôi không?” “Chà, điều đó còn tùy nhé,” cô nói. “tình hình súc vật ở chỗ anh như thế nào?” “Xin lỗi…?” “Tôi thích đuổi bắt mọi thứ. Liệu có con vật nào để tôi đuổi bắt không?” “Ừ, ừ. Chúng tôi có một khoảng sân rộng, có rất nhiều chim, sóc và thỉnh thoảng có cả thỏ.” “Ồ ồ! Tôi thích thỏ!” Cô nàng vẫy đuôi vui vẻ. “ Đi tản bộ thì sao? Tôi có được đi dạo mỗi ngày không?” "Tất nhiên rồi." “Và đồ ăn vặt? Tôi thích đồ ăn vặt.” “Bạn sẽ nhận được đồ ăn vặt nếu bạn là một con chó ngoan.” Cô nàng có vẻ bị xúc phạm. “Tôi là một chó ngoan. Anh làm nghề gì?" "Cái gì? Ai nhận nuôi ai đây?” “Tôi cần biết liệu anh có xứng đáng có được một con chó tốt như tôi hay không?” Cái tên “Công chúa” có lẽ phù hợp hơn tôi nghĩ. "Anh làm nghề gì?" “Ồ, vợ tôi, Kate, là luật sư , còn tôi là giáo sư vật lý tại trường Union College, ở Schenectady. Tôi giảng dạy và nghiên cứu về vật lý nguyên tử và quang lượng tử.” “Lượng tử cái gì cơ ?” “Quang lượng tử. Được định nghĩa rộng rãi, đó là nghiên cứu về sự tương tác giữa ánh sáng và nguyên tử trong các tình huống mà bạn phải mô tả một hoặc cả hai chúng bằng vật lý lượng tử.” “Nghe có vẻ phức tạp nhỉ.” “Đúng vậy, nhưng đó là thứ hấp dẫn. Vật lý lượng tử có đủ loại tính chất kỳ lạ và tuyệt vời. Hạt hoạt động như sóng và sóng hoạt động như hạt. Thuộc tính hạt không xác định cho đến khi bạn đo chúng.Không gian trống rỗng chứa đầy những 'hạt ảo' xuất hiện và tồn tại. Nó thực sự rất tuyệt.” “Hừm.” Cô ấy có vẻ trầm ngâm rồi nói, “Một bài kiểm tra cuối cùng.” “Đó là cái gì vậy?” “Xoa bụng tôi đi.” Cô ấy nằm ngửa và tôi đưa tay xuống xoa bụng cô ấy. Sau một phút, cô ấy đứng dậy, rũ lông và nói “Được rồi, anh cũng khá ổn. Chúng ta hãy về nhà thôi.” Chúng tôi quay trở lại để điền giấy tờ nhận nuôi. Khi đang đi, cô ấy nói, “Vật lý lượng tử hả? Tôi sẽ phải học điều gì đó về điều đó.” “Chà, tôi rất vui được giải thích điều đó cho bạn vào lúc nào đó.” Giống như hầu hết những ngư ời nuôi chó, tôi dành nhiều thời gian để nói chuyện với con chó của mình. Hầu hết các cuộc trò chuyện của chúng tôi đều khá điển hình - đừng ăn món đó, đừng trèo lên đồ đạc, đi dạo nào. Tuy nhiên, một số cuộc trò chuyện của chúng tôi là về vật lý lượng tử. Tại sao tôi nói chuyện với con chó của tôi về vật lý lượng tử? Dạy học là công việc kiếm sống của tôi: Tôi là giáo sư vật lý ở trường đại học. Cho nên tôi dành nhiều thời gian để suy nghĩ về vật lý lượng tử. Vật lý lượng tử là gì? Vật lý lư ợng tử là một phần của “vật lý hiện đại”, nghĩa là vật lý dựa trên các định luật được phát hiện sau những năm 1900. Các định luật vật lý và nguyên lý vật lý được phát triển trước khoảng năm 1900 được coi là vật lý “cổ điển”. Vật lý cổ điển là vật lý của các vật thể hàng ngày – quả bóng tennis và món đồ nhai cho chó, bếp lò và đá cục, nam châm và dây điện. Các định luật chuyển động cổ điển chi phối chuyển động của bất cứ thứ gì đủ lớn để có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Nhiệt động lực học cổ điển giải thích tính chất vật lý của các vật thể nóng lên và làm mát cũng như hoạt động của động cơ và tủ lạnh. Điện từ cổ điển giải thích hoạt động của bóng đèn, radio và nam châm. Vật lý hiện đại mô tả thế giới xa lạ mà chúng ta nhìn thấy khi chúng ta vượt ra ngoài đời thường. Thế giới này lần đầu tiên được tiết lộ trong các thí nghiệm được thực hiện vào cuối những năm 1800 và đầu những năm 1900, điều này không thể giải thích được bằng các định luật vật lý cổ điển. Các lĩnh vực mới với các quy tắc khác cần được phát triển. Vật lý hiện đại đư ợc chia thành hai phần, mỗi phần thể hiện một sự khởi đầu triệt để khỏi cácquy tắc cổ điển. Một phần là thuyết tương đối, đề cập đến các vật thể chuyển động rất nhanh hoặc chịu sự tác động của lực hấp dẫn mạnh. Albert Einstein đã giới thiệu thuyết tương đối vào năm 1905, và bản thân nó đã là một chủ đề hấp dẫn nhưng nằm ngoài phạm vi của cuốn sách này. Phần khác của vật lý hiện đại là những gì tôi nói với con chó của mình. Vật lý lượng tử hay cơ học lượng tử* là tên đư ợc đặt cho một phần của vật lý hiện đại liên quan đến ánh sáng và những thứ rất nhỏ— phân tử, nguyên tử đơn lẻ, hạt hạ nguyên tử. Max Planck đặt ra từ “lượng tử” vào năm 1900, và Einstein đã đoạt giải Nobel vì trình bày lý thuyết lượng tử đầu tiên về ánh sáng (về hiệu ứng quang điện). Lý thuyết đầy đủ về cơ học lượng tử đã đượcphát triển trong khoảng ba mươi năm tiếp theo. Những người xây dựng lý thuyết này, từ những người tiên phong ban đầu như Planck và Niels Bohr( người đã tạo ra mô hình lượng tử của nguyên tử hydro), cho đến những người có tầm nhìn sau này như Richard Feynman và Julian Schwinger, mỗi người độc lập với nhau đã pháttriển ra cái mà ngày nay chúng ta gọi là “điện động lực học lượng tử”. QED (quantum electrodynamics -điện động lực học lượng tử) được coi là người khổng lồ của vật lý. Một số yếu tố của lý thuyết lượng tử thậm chí đã vượt ra khỏi lĩnh vực vật lý thuần túy và xâm chiếm trí tưởng tượng của con người, như nguyên lý bất định của Werner Heisenberg, nghịch lý con mèo của Erwin Schrödinger, và các vũ trụ tồn tại song song trong giả thuyết về đa vũ trụ của Hugh Everett. Cuộc sống hiện đại sẽ không thể tồn tại nếu không có cơ học lượng tử. Nếu không hiểu được bản chất lượng tử của electron thì sẽ không thể tạo ra chip bán dẫn đang hoạt động trong máy tính của chúng ta.Nếu không hiểu bản chất lượng tử của ánh sáng và nguyên tử, sẽ không thể tạo ra tia laser mà chúng ta sử dụng để gửi thông tin qua đường cáp quang. Đối với các nhà khoa học, lý thuyết lượng tử đã vượt ra ngoài phạm khoa học đơn thuần - nó buộc các nhà vật lý phải vật lộn với các vấn đề triết học. Vật lý lượng tử đặt ra những giới hạn hiểu biết của chúng ta về vũ trụ và tính chất của các vật thể trong đó. Cơ học lượng tử thậm chí còn thay đổi sự hiểu biếtcủa chúng ta về việc thực hiện một phép đo. Nó đòi hỏi phải suy nghĩ lại hoàn toàn về bản chất của thế giới ở mức độ cơ bản nhất. Cơ học lượng tử mô tả một thế giới hoàn toàn kỳ lạ, trong đó không có gì là chắc chắn và các vật thể không có những đặc tính xác định cho đến khi bạn đo chúng.Đó là một thế giới nơi các vật thể ở xa được kết nối với nhau theo những cách kỳ dị, ở đấy có những vũ trụ với nền văn minh khác ngay bên cạnh vũ trụ của chúng ta và nơi “các hạt ảo” xuất hiện và tồn tại trong không gian trống rỗng. Vật lý lượng tử nghe có vẻ giống như thứ viễn tưởng giả tưởng, nhưng đó là khoa học. Thế giới được mô tả trong lý thuyết lượng tử là thế giới của chúng ta, ở mức vi mô. Những hiệu ứng kỳ lạ được vật lý lượng tử dự đoán là có thật, với những hậu quả và ứng dụng thực tế. Lý thuyết lượng tử đã đư ợc kiểm tra ở mức độ chính xác đáng kinh ngạc, khiến nó trở thành lý thuyết được kiểm tra chính xác nhất trong lịch sử các lý thuyết khoa học. Ngay cả những tiên đoán kỳ lạ nhất của nó cũng đã được xác nhận bằng thực nghiệm (như chúng ta sẽ thấy ở các chương 7, 8 và 9). Vì vậy, vật lý lượng tử là một thứ tuyệt vời. Như ng nó có liên quan gì đến chó? Chó tiếp cận với vật lý lượng tử ở tâm thế tốt hơn nhiều người. Chúng tiếp cận thế giới với ít định kiến hơn và sẵn sàng tiếp nhận mọi điều bất ngờ. Một con chó có thể đi bộ trên cùng một con phố mỗi ngày trong một năm và mỗi ngày đó sẽ là một trải nghiệm hoàn toàn mới mẻ. Từng tảng đá, từng bụi cây, từng cái cây sẽ được ngửi như chưa từng được ngửi, được ngắm nhìn như chưa từng được ngắm nhìn. Nếu đồ ăn cho chó bất ngờ xuất hiện ở giữa khoảng không trong bếp, con người sẽ hoảng sợ, nhưng con chó sẽ điềm tĩnh chấp nhận. Thật vậy, việc các món ăn tự động xuất hiện, không có lý do rõ ràng, luôn là mong đợi của chó. Cơ học lượng tử có vẻ khó hiểu và gây rắc rối cho con người bởi vì nó làm xáo trộn các mong đợi thông thường của chúng ta về cách thế giới vận hành. Chó là đối tượng dễ tiếp thu hơn nhiều. Thế giới hàng ngày là một nơi kỳ lạ và kỳ diệu đối với một con chó, và những dự đoán của lý thuyết lượng tử không xa lạ hay kỳ diệu hơn, chẳng hạn như hoạt động của một tay nắm cửa.* Thảo luận về vật lý lượng tử với con chó của tôi rất hữu ích vì nó giúp tôi hiểu được làm thế nào để thảo luận về cơ học lượng tử với con người. Một phần nào đó trong việc học cơ học lượng tử là học cách suy nghĩ như một chú chó. Nếu bạn có thể nhìn thế giới theo cách của một chú chó, với sự ngạc nhiên và thắc mắc đến vô cùng tận, thì cơ học lượng tử có lẽ dễ tiếp cận hơn rất nhiều. Cuốn sách này tái hiện một loạt cuộc trò chuyện với con chó của tôi về vật lý lượng tử. Sau mỗi cuộc trò chuyện là một cuộc thảo luận chi tiết về vật lý có liên quan, nhằm vào những độc giả quan tâm. Các chủ đề bao gồm từ những ý tưởng mà nhiều người đã từng nghe đến, như lưỡng tínhsóng hạt (chương 1) và nguyên lý bất định (chương 2), cho đến những ý tưởng nâng cao hơn về hạt ảo và QED (chương9). Những giải thích này bao gồm thảo luận về cả những dự đoán kỳ lạ của lý thuyết (cả thực tế và triết học) cũng như các thí nghiệm chứng minh những dự đoán này. Đề tài được chọn dựa trên những gì chó thấy thú vị nhất và cũng minh họa những phần mà con người sẽ thấy ngạc nhiên. "Tôi nghĩ chúng ta cần thêm. . . ." “Thêm gì nữa?” “Thêm về tôi nữa. Anhkhông nói rằng tôi là một con chó đặc biệt thông minh.” “Chà, được rồi—” “Và đặc biệt dễ thương nữa.” “Chắc chắn rồi, nhưng—” “Và đừng quên... Tôi tốt hơn nhiều so những con chó khác.” “Những con chó khác nào?” “Những con chó không phải là tôi.” “Này hãy nhớ rằng, đây là một cuốn sách về vật lý, không phải cuốn sách về chó.” “Chà, lẽ ra phải nói nhiều hơnvề tôi.” “Không được, và bạn sẽ phải chấp nhận điều này.” “Được rồi, được rồi. Tuy nhiên, anh cần sự giúp đỡ của tôi về các vấn đề vật lý.” "Ý bạn là sao?" “ Ồ, đôi khi anh bỏ sót một số điều và không trả lời tất cả các câu hỏi của tôi. Anh không nên làm điều đó,” “Như cái gì cơ? Hãy cho tôi một ví dụ.” “Ừmm… Bây giờ tôi không thể nghĩ ra một điều gì.” “Được rồi, điều đó nghe có vẻ công bằng. Đây là những gì chúng tôi sẽ làm. Chúng ta sẽ cùng nhau xem lại cuốn sách và nếu có chỗ nào bạn cho rằng tôi đã bỏ sót, chúng ta có thể nói về chúng và tôi sẽ ghi nhận xét của bạn vào cuốn sách.” “Như chúng ta đang làm bây giờ à?” “Ừ, giống như chúng ta đang làm bây giờ.” “Và anh sẽ đưa cuộc trò chuyện này vào cuốn sách?” “Vâng tôi sẽ làm vậy” “Trong trường hợp đó, chúng ta nên nói về việc tôi là người giỏi nhất và dễ thương nhất, và tôi nên nhận thêm đồ ăn vặt, và—” “Được rồi, đủ rồi.” “Hiện tại thế là đủ.” “Vi mô” đối với một nhà vật lý có nghĩa là bất cứ thứ gì quá nhỏ để có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Điều này bao gồm phạm vi từ vi khuẩn đến nguyên tử đến điện tử. Nó có nhiều kích cỡ khác nhau, nhưng các nhà vật lý cho rằng sẽ gây nhầm lẫn nếu có nhiều hơn một từ để chỉ những thứ nhỏ bé đó.
