DIỄN GIẢI CƠ HỌC CỔ ĐIỂN, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI VÀ CƠ HỌC ...

Hôm nay mình sẽ giải thích cho các bạn về mối liên hệ giữa 3 lý thuyết nổi tiếng của ngành vật lý học: cơ học cổ điển, thuyết tương đối và cơ học lượng tử, bằng ngôn ngữ mà bất kì ai học xong chương trình vật lý THPT đều có thể hiểu được. Nếu bạn đã từng tìm hiểu về những khái niệm này và cảm thấy nó quá cao siêu thì hôm nay bạn sẽ thực sự bất ngờ về cách diễn giải này đấy.

Bài viết này chỉ mang tính chất diễn giải cơ bản, không đi sâu vào bản chất, và có thể sẽ có sai sót về mặt kiến thức. Chống chỉ định: HSGQG môn vật lý, sinh viên ngành vật lý lý thuyết, mấy bạn này có xem thì ném đá nhẹ tay xíu.

Cách diễn giải của mình sẽ không giải thích cụ thể về khái niệm hay cơ sở của từng lý thuyết, vì như thế thì chả ai hiểu. Mà sẽ đưa ra một bài toán cụ thể sau đó nói về cách tiếp cận và giải quyết bài toán đó ở từng lý thuyết.

Bài toán của mình là: biết trước trạng thái hiện tại của một đối tượng, hãy xác định trạng thái của đối tượng đó sau thời gian t.

Cụ thể:

– Trạng thái hiện tại (đã biết) của một đối tượng gồm: vị trí (x0), vận tốc (v), khối lượng (m).

– Trạng thái mà chúng ta cần xác định là vị trí x của đối tượng tại thời điểm t.

1. CƠ HỌC CỔ ĐIỂN

Đầu tiên, với cơ học cổ điển của Newton, bài toán này sẽ được giải quyết bằng một công thức mà bạn đã được học từ cấp 1: v = s/t hay s = v.t

Với s ở đây là quãng đường đi được, tức là: s = x – x0, suy ra x = x0 + vt. Bài toán được giải quyết.

(đối với không gian 2 chiều, cách tiếp cận là tương tự).

Một điều cần chú ý là phạm trù áp dụng của cơ học cổ điển: đó là các vật thể có khối lượng và vận tốc không lớn lắm, chính là những đối tượng chúng ta gặp hàng ngày. Ví dụ như: xe cộ, động vật, máy bay dân dụng,…

2. THUYẾT TƯƠNG ĐỐI

Tiếp theo, với thuyết tương đối của Einstein, bài toán trên trở nên phức tạp hơn. Lưu ý rằng, phạm trù sử dụng của thuyết tương đối là những vật thể có khối lượng (năng lượng) và vận tốc (động lượng) rất lớn. Cứ nhớ nôm na là những thứ rất lớn, như: mặt trời, hành tinh, thiên thể,…

Giới thiệu một chút về thuyết tương đối, ở lý thuyết này, Einstein đưa ra một khái niệm là không-thời gian tương đối. Nói một cách khoa học nửa mùa là như thế này: một vật có khối lượng (năng lượng) lớn và vận tốc (động lượng) lớn sẽ làm bẻ cong không-thời gian xung quanh nó, càng lớn thì càng cong. Hiểu một cách chợ búa thì như thế này, giả sử tôi nặng hơn bạn 1 triệu lần (con số minh họa) và tôi di chuyển với vận tốc rất nhanh. Khi tôi di chuyển bắt đầu từ A, sau 1 giờ tôi đi được đến B (hình dung tôi như là một hành tinh nào đó, bạn là người đứng ở Trái Đất quan sát tôi). Nếu bạn là người quan sát quá trình tôi đi từ A đến B, đồng hồ thời gian của bạn sẽ chỉ ra rằng tôi đã đi mất 1 ngày (con số minh họa). Nhắc lại, đối với tôi thì tôi mới chỉ đi có 1 tiếng, tức là thời gian của tôi trôi chậm hơn bạn. Ai từng xem phim Interstellar thì sẽ hiểu ngay điều tôi vừa nói.

Tới đây các bạn đã hình dung được công thức s = v.t ở trên không thể áp dụng được nữa, vì t đã mang tính tương đối. Giả sử bạn áp dụng công thức trên để tính toán xem sau thời gian t = 1 tiếng tôi đi được đoạn đường bao xa, thì sự thật là quãng đường bạn tính được sẽ nhỏ hơn thực tế rất nhiều.

Einstein đã xây dựng một hệ thống tiên đề và một phương trình đạo hàm phi tuyến trong thuyết tương đối tổng quát để giải quyết trọn vẹn bài toán này. Dĩ nhiên là tôi cũng không hiểu hết mấy cái đó, bạn và tôi hiểu tới đây là được rồi.

Một điều cần lưu ý nữa, là thuyết tương đối đã bao hàm và tổng quát hóa được cơ học cổ điển. Tức là, nếu bạn áp dụng thuyết tương đối để tính toán thời gian cần để đi từ nhà đến trường, thì nó sẽ ra một kết quả vô cùng chính xác, chính xác hơn cơ học newton. Vấn đề ở đây là bạn không đủ nặng và chạy không đủ nhanh, nên sai số khi áp dụng cơ học newton là rất rất nhỏ, được xem như hoàn toàn đúng. Vậy nên trong cuộc sống hàng ngày, cơ học newton là đủ xài rồi, không phải ai cũng biết dùng phương trình phi tuyến.

3. CƠ HỌC LƯỢNG TỬ

Bắt đầu cần nhiều não hơn rồi đấy!

Cơ học lượng tử là một lý thuyết cơ bản trong vật lý học miêu tả các tính chất vật lý của tự nhiên ở cấp độ nguyên tử và hạt hạ nguyên tử.

Tới đây thì bạn thấy rằng, “đối tượng” cần xác định trạng thái trong bài toán mở đầu của tôi một lần nữa thay đổi. Ban đầu thì chúng là những đối tượng quen thuộc trong cuộc sống hàng ngày (cơ học cổ điển), sau đó là những đối tượng siêu to khổng lồ (thuyết tương đối), giờ là đến những đối tượng siêu nhỏ – hạt cơ bản (cơ học lượng tử).

Cơ học lượng tử được tạo thành bởi 2 lý thuyết trụ cột. Thứ nhất là tính chất lưỡng tính sóng-hạt của hạt cơ bản (chồng chập lượng tử), phát biểu kiểu bất cần hiểu đó là: một hạt cơ bản sẽ vừa mang tính chất của sóng, vừa mang tính chất của hạt. Ok khó hiểu vl đúng không, tạm quên nó đi. Đến với trụ cột thứ hai của cơ học lượng tử: nguyên lý bất định. Nguyên lý này được Werner Heisenberg phát triển, ông nói rằng:

“Ta không bao giờ có thể xác định chính xác cả vị trí lẫn vận tốc của một hạt vào cùng một lúc. Nếu ta biết một đại lượng càng chính xác thì ta biết đại lượng kia càng kém chính xác.”

Đối với bạn nào yêu toán thì tui sẽ để bất đẳng thức của nguyên lý này dưới đây (hình đính kèm), ai ghét toán thì có thể kệ cmnđ ko quan trọng đâu.

Với phát biểu cực kì vi diệu phía trên của Heisenberg, ông đã gián tiếp bảo rằng bài toán tôi đặt ra ở đầu bài viết là SAI ĐỀ. Vì đối với một hạt cơ bản, chúng ta không thể nào biết được cùng lúc vị trí và vận tốc của nó.

Tuy nhiên, cơ học lượng tử ra đời cũng là để giải quyết bài toán đó mà thôi. Dù không thể xác định chính xác được vị trí và vận tốc của một hạt cơ bản, bất đẳng thức phía trên đã cung cấp một công cụ toán học để các nhà vật lý lượng tử thực hiện các phép tính toán trong một ngưỡng sai số biết trước. Hiểu một cách đơn giản là thế.

Cơ học lượng tử ra đời vào thế kỉ XX và đã được chứng minh tính đúng đắn qua hàng loạt thí nghiệm phức tạp suốt hàng chục năm qua. Giờ đây nó là một trong 2 trụ cột chính của ngành vật lý lý thuyết, bên cạnh thuyết tương đối.

Để tui tóm tắt lại:

– Cơ học cổ điển: áp dụng cho các đối tượng bình thường, tính được trạng thái sau của đối tượng nếu biết được trạng thái trước.

– Thuyết tương đối: áp dụng cho các đối tượng siêu to (hoặc đối tượng bình thường, vì nó tổng quát hóa được cơ học cổ điển), tính được trạng thái sau của đối tượng nếu biết được trạng thái trước nhưng phải chú ý đến tính tương đối của thời gian.

– Cơ học lượng tử: áp dụng với các đối tượng siêu nhỏ (hạt cơ bản), nó chỉ ra rằng không thể đo đạt chính xác trạng thái (vị trí + vận tốc) của một hạt cơ bản (tính bất định).

Ở phần tiếp theo, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về việc cơ học lượng tử đã thay đổi thế giới quan của con người như thế nào, mâu thuẫn giữa thuyết tương đối và cơ học lượng tử, mục tiêu của ngành vật lý lý thuyết hiện tại. Dĩ nhiên là, vẫn với một ngôn ngữ để người bình thường cũng có thể hiểu được.

Post Views: 505