VNR Content
Pearl
Bạn có thể tưởng tượng những đơn vị đo lường quen thuộc mét, kilôgam và giây đều được xác định bởi cơ học lượng tử không?
Bạn có thể hỏi: Chẳng phải cái gọi là cơ học lượng tử liên quan đến thế giới vi mô sao? Không cần biết nguyên tử lớn cỡ nào, bao nhiêu năng lượng được giải phóng khi nguyên tử chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác? Nó có liên quan gì đến mét, kilôgam và giây?
Sau đó, chúng ta phải hỏi, làm thế nào để chúng ta định nghĩa, một mét là gì? Khi con người chưa khám phá ra cơ học lượng tử thì làm sao định nghĩa được độ dài của một mét?
Vào ngày 20 tháng 5 năm 1875, 17 quốc gia đã ký Công ước về mét tại Paris để xây dựng các tiêu chuẩn quốc tế cho mét và kilôgam. Đây là nguồn gốc của ngày 20 tháng 5 là Ngày đo lường quốc tế.
Làm thế nào một mét được quy định tại thời điểm đó? Mặc dù nguồn gốc của khái niệm "mét" có liên quan đến chiều dài của con lắc đơn và bán kính trái đất, nhưng định nghĩa về mét trong thế kỷ 19 về cơ bản giống như định nghĩa hơn 2.000 năm trước: chỉ cần đưa ra một tiêu chuẩn thước kẻ và nói, "Đây là một mét".
Phương pháp định nghĩa này là đơn giản. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là gì?
Có nhiều nhược điểm, xin liệt kê một số:
Thứ nhất, liệu chiếc thước tiêu chuẩn này có bị hao mòn, giãn nở khi nóng và co lại khi lạnh hay thậm chí bị hỏng không? Nếu chiếc thước chuẩn này bị hỏng, thế giới sẽ "hết lúa"?
Thứ hai, thước tiêu chuẩn được đặt ở quốc gia nào? Điều này có công bằng với các nước khác không? Các quốc gia khác được chỉ định một bản sao của thước đo tiêu chuẩn và bản sao đó chắc chắn sẽ có sai sót. Khi độ chính xác của phép đo tiếp tục được cải thiện, những bản sao này ngày càng kém chính xác hơn.
Thứ ba, hãy nói về khoa học viễn tưởng, nếu bạn muốn thông qua liên lạc để giải thích cho người ngoài hành tinh ở rất xa trên các hành tinh khác hiểu mét là gì, nếu bạn không thể gửi một thước đo thực sự đến đó, chỉ cần gửi thông tin, bạn sẽ giải thích như thế nào?
Để khắc phục những thiếu sót này, chúng ta hy vọng sẽ tìm ra cách xác định độ dài theo các định luật vật lý cơ bản. Chiều dài này, được xác định bởi các định luật vật lý cơ bản, không phụ thuộc vào khoảng cách giữa các bánh xe, kích thước của bàn chân người hoặc bán kính Trái đất. Bất kể hiện tại hay tương lai, trái đất hay người ngoài hành tinh, vật lý ở khắp mọi nơi, vì vậy định nghĩa về đơn vị độ dài này luôn giống nhau.
Làm thế nào để bạn xác định độ dài theo các định luật vật lý cơ bản? Đó chính là cơ lượng tử.
Vậy tại sao lại là cơ học lượng tử? Nếu không có cơ học lượng tử thì sẽ gặp khó khăn gì khi xác định độ dài bằng các định luật vật lý cơ bản?
Nhiều nhà triết học cổ đại tin rằng vật chất là liên tục. Đối với vật chất hoàn toàn liên tục, không có gì đặc biệt về chiều dài của một mét, thì rất khó để bạn xác định chiều dài bằng các định luật vật lý cơ bản.
May mắn thay, vật chất không hoàn toàn liên tục. Từ phỏng đoán của Democritus, đến màng dầu của Franklin, đến thuyết động học phân tử, đến chuyển động Brown, giờ đây chúng ta biết rằng vật chất bao gồm các nguyên tử. Ví dụ, kích thước của một nguyên tử hydro ở trạng thái năng lượng thấp nhất được xác định bởi các định luật vật lý cơ bản. một mét gấp 10 lần đường kính của nguyên tử hydro, do đó một mét có thể được xác định bằng các định luật vật lý cơ bản.
Vì vậy, điều gì quyết định đường kính của nguyên tử hydro? Tại sao các electron di chuyển bên ngoài hạt nhân hydro, được gọi là đám mây điện tử, có đường kính trung bình? Đám mây điện tử có thể co lại vô hạn không? Electron có thể rơi vào hạt nhân?
Như chúng ta đã đề cập trước đó, cơ học lượng tử quan tâm đến những thứ như đường kính của nguyên tử hydro. Điều quyết định đường kính của nguyên tử hydro là nguyên lý bất định trong cơ học lượng tử.
Nguyên lý bất định phát biểu rằng vị trí và động lượng của một hạt không thể được xác định đồng thời. Bạn có thể tưởng tượng rằng nếu đám mây điện tử co lại vô hạn và điện tử rơi vào hạt nhân, thì vị trí của điện tử được xác định. Nó nằm trong hạt nhân, và động lượng của điện tử cũng được xác định. Nó nằm trên hạt nhân và có không có đà. Điều này vi phạm nguyên lý bất định của cơ học lượng tử. Do đó, kích thước của một nguyên tử được hỗ trợ bởi nguyên lý bất định của cơ học lượng tử.
Điều tôi đang nói ở đây chỉ là một nhận định định tính, thông qua các phép tính định lượng và giải phương trình Schrödinger, chúng ta cũng có thể thấy rằng bán kính của nguyên tử được xác định bởi cơ học lượng tử. Thang đo nguyên tử cung cấp đơn vị chiều dài cơ bản và nhân với 10 lũy thừa 10, nó có thể được sử dụng làm đơn vị chiều dài của thế giới vĩ mô.
Tuy nhiên, ở đây chúng ta đang nói về các nguyên tắc cơ bản. Nhưng trong thực tế, việc đo đạc chính xác ở cấp độ nguyên tử không hề đơn giản. Do đó, định nghĩa thực tế của "một mét" là quãng đường ánh sáng đi được trong chân không trong 299 792 phần 458 giây.
Này, bạn có thể phải hỏi, không phải bạn vừa nói rằng định nghĩa của mét có liên quan đến cơ học lượng tử sao? Định nghĩa này có liên quan gì đến cơ học lượng tử? Điều này là do, định nghĩa của "thứ hai" được xác định bằng 9192 631 770 lần của giai đoạn chuyển tiếp siêu mịn của trạng thái cơ bản của nguyên tử Caesium-133. Bạn thấy đấy, nguyên tử lại ở đây, và lượng tử lại ở đây.
Ngoài các định nghĩa về mét và giây, đơn vị khối lượng, kilôgam, cũng gia nhập họ được định nghĩa bằng các định luật vật lý cơ bản vào năm 2019. Với định nghĩa của mét và giây, sau đó sử dụng hằng số cơ bản của cơ học lượng tử, hằng số Planck, khối lượng có thể được định nghĩa.
Do đó, mặc dù mét, kilôgam và giây dường như là những đơn vị rất vĩ mô và giống như thật, nhưng trong khoa học hiện đại, định nghĩa của chúng có liên quan chặt chẽ với cơ học lượng tử. Thế giới vừa là lượng tử vừa là cổ điển, nhưng xét cho cùng thì nó là lượng tử. Bạn có thể nghĩ về các hiện tượng lượng tử khác liên quan đến thế giới vĩ mô không? Hãy cho tôi biết trong phần ý kiến.
Bạn có thể hỏi: Chẳng phải cái gọi là cơ học lượng tử liên quan đến thế giới vi mô sao? Không cần biết nguyên tử lớn cỡ nào, bao nhiêu năng lượng được giải phóng khi nguyên tử chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác? Nó có liên quan gì đến mét, kilôgam và giây?
Sau đó, chúng ta phải hỏi, làm thế nào để chúng ta định nghĩa, một mét là gì? Khi con người chưa khám phá ra cơ học lượng tử thì làm sao định nghĩa được độ dài của một mét?
Làm thế nào một mét được quy định tại thời điểm đó? Mặc dù nguồn gốc của khái niệm "mét" có liên quan đến chiều dài của con lắc đơn và bán kính trái đất, nhưng định nghĩa về mét trong thế kỷ 19 về cơ bản giống như định nghĩa hơn 2.000 năm trước: chỉ cần đưa ra một tiêu chuẩn thước kẻ và nói, "Đây là một mét".
Phương pháp định nghĩa này là đơn giản. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là gì?
Có nhiều nhược điểm, xin liệt kê một số:
Thứ nhất, liệu chiếc thước tiêu chuẩn này có bị hao mòn, giãn nở khi nóng và co lại khi lạnh hay thậm chí bị hỏng không? Nếu chiếc thước chuẩn này bị hỏng, thế giới sẽ "hết lúa"?
Thứ hai, thước tiêu chuẩn được đặt ở quốc gia nào? Điều này có công bằng với các nước khác không? Các quốc gia khác được chỉ định một bản sao của thước đo tiêu chuẩn và bản sao đó chắc chắn sẽ có sai sót. Khi độ chính xác của phép đo tiếp tục được cải thiện, những bản sao này ngày càng kém chính xác hơn.
Thứ ba, hãy nói về khoa học viễn tưởng, nếu bạn muốn thông qua liên lạc để giải thích cho người ngoài hành tinh ở rất xa trên các hành tinh khác hiểu mét là gì, nếu bạn không thể gửi một thước đo thực sự đến đó, chỉ cần gửi thông tin, bạn sẽ giải thích như thế nào?
Để khắc phục những thiếu sót này, chúng ta hy vọng sẽ tìm ra cách xác định độ dài theo các định luật vật lý cơ bản. Chiều dài này, được xác định bởi các định luật vật lý cơ bản, không phụ thuộc vào khoảng cách giữa các bánh xe, kích thước của bàn chân người hoặc bán kính Trái đất. Bất kể hiện tại hay tương lai, trái đất hay người ngoài hành tinh, vật lý ở khắp mọi nơi, vì vậy định nghĩa về đơn vị độ dài này luôn giống nhau.
Làm thế nào để bạn xác định độ dài theo các định luật vật lý cơ bản? Đó chính là cơ lượng tử.
Vậy tại sao lại là cơ học lượng tử? Nếu không có cơ học lượng tử thì sẽ gặp khó khăn gì khi xác định độ dài bằng các định luật vật lý cơ bản?
Nhiều nhà triết học cổ đại tin rằng vật chất là liên tục. Đối với vật chất hoàn toàn liên tục, không có gì đặc biệt về chiều dài của một mét, thì rất khó để bạn xác định chiều dài bằng các định luật vật lý cơ bản.
May mắn thay, vật chất không hoàn toàn liên tục. Từ phỏng đoán của Democritus, đến màng dầu của Franklin, đến thuyết động học phân tử, đến chuyển động Brown, giờ đây chúng ta biết rằng vật chất bao gồm các nguyên tử. Ví dụ, kích thước của một nguyên tử hydro ở trạng thái năng lượng thấp nhất được xác định bởi các định luật vật lý cơ bản. một mét gấp 10 lần đường kính của nguyên tử hydro, do đó một mét có thể được xác định bằng các định luật vật lý cơ bản.
Vì vậy, điều gì quyết định đường kính của nguyên tử hydro? Tại sao các electron di chuyển bên ngoài hạt nhân hydro, được gọi là đám mây điện tử, có đường kính trung bình? Đám mây điện tử có thể co lại vô hạn không? Electron có thể rơi vào hạt nhân?
Như chúng ta đã đề cập trước đó, cơ học lượng tử quan tâm đến những thứ như đường kính của nguyên tử hydro. Điều quyết định đường kính của nguyên tử hydro là nguyên lý bất định trong cơ học lượng tử.
Nguyên lý bất định phát biểu rằng vị trí và động lượng của một hạt không thể được xác định đồng thời. Bạn có thể tưởng tượng rằng nếu đám mây điện tử co lại vô hạn và điện tử rơi vào hạt nhân, thì vị trí của điện tử được xác định. Nó nằm trong hạt nhân, và động lượng của điện tử cũng được xác định. Nó nằm trên hạt nhân và có không có đà. Điều này vi phạm nguyên lý bất định của cơ học lượng tử. Do đó, kích thước của một nguyên tử được hỗ trợ bởi nguyên lý bất định của cơ học lượng tử.
Điều tôi đang nói ở đây chỉ là một nhận định định tính, thông qua các phép tính định lượng và giải phương trình Schrödinger, chúng ta cũng có thể thấy rằng bán kính của nguyên tử được xác định bởi cơ học lượng tử. Thang đo nguyên tử cung cấp đơn vị chiều dài cơ bản và nhân với 10 lũy thừa 10, nó có thể được sử dụng làm đơn vị chiều dài của thế giới vĩ mô.
Tuy nhiên, ở đây chúng ta đang nói về các nguyên tắc cơ bản. Nhưng trong thực tế, việc đo đạc chính xác ở cấp độ nguyên tử không hề đơn giản. Do đó, định nghĩa thực tế của "một mét" là quãng đường ánh sáng đi được trong chân không trong 299 792 phần 458 giây.
Này, bạn có thể phải hỏi, không phải bạn vừa nói rằng định nghĩa của mét có liên quan đến cơ học lượng tử sao? Định nghĩa này có liên quan gì đến cơ học lượng tử? Điều này là do, định nghĩa của "thứ hai" được xác định bằng 9192 631 770 lần của giai đoạn chuyển tiếp siêu mịn của trạng thái cơ bản của nguyên tử Caesium-133. Bạn thấy đấy, nguyên tử lại ở đây, và lượng tử lại ở đây.
Ngoài các định nghĩa về mét và giây, đơn vị khối lượng, kilôgam, cũng gia nhập họ được định nghĩa bằng các định luật vật lý cơ bản vào năm 2019. Với định nghĩa của mét và giây, sau đó sử dụng hằng số cơ bản của cơ học lượng tử, hằng số Planck, khối lượng có thể được định nghĩa.
Do đó, mặc dù mét, kilôgam và giây dường như là những đơn vị rất vĩ mô và giống như thật, nhưng trong khoa học hiện đại, định nghĩa của chúng có liên quan chặt chẽ với cơ học lượng tử. Thế giới vừa là lượng tử vừa là cổ điển, nhưng xét cho cùng thì nó là lượng tử. Bạn có thể nghĩ về các hiện tượng lượng tử khác liên quan đến thế giới vĩ mô không? Hãy cho tôi biết trong phần ý kiến.
