Phát hiện đột phá: Vật chất vĩ mô cũng tồn tại rối lượng tử

Thứ bảy, 24/10/2020

Các nhà khoa học ước tính, có đến gần 80% trong số những bệnh nhân bị cắt cụt chi trên thế giới có thể trải nghiệm hiện tượng đau chi cụt hay đau chi ma (Phantom Limb Pain – PLP) kỳ lạ: Những cá nhân đã mất một chi, một con mắt hay một chiếc răng vẫn tiếp tục nhận biết được các cảm giác khi tiếp xúc, nóng, lạnh, và đau nhức ở bộ phận cơ thể vật lý không còn tồn tại của họ.

Minh họa Cơ học Lượng tử. (Ảnh Deomis/ Istock)

Rối lượng tử ở tinh thể có kích thước cm

Báo cáo khoa học đến từ các nhà khoa học ở Viện James Franck, khoa Vật lý của Đại học Chicago, Hoa Kỳ liên kết với một số cơ sở nghiên cứu khác, đứng đầu là nhà vật lý học nổi tiếng Thomas Rosenbaum.

Giáo sư Thomas Rosenbaum từ lâu đã cảm nhận được điều gì đó kỳ lạ về một loại muối tổng hợp, được gọi tắt là lithium holmium fluoride. Phòng thí nghiệm của ông đã thí nghiệm với các tinh thể màu hồng phấn này trong suốt 15 năm để khám phá những đặc tính kỳ lạ của nó.

Theo các quy tắc của vật lý Newton cổ điển, khi nhiệt độ tiến tới độ không tuyệt đối (-273 độ C), bất kể vật chất nào, kể các hạt hạ nguyên tử và nguyên tử riêng lẻ đều đóng băng. Rosenbaum và cô Sayantani Ghosh, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ đã chứng minh rằng rối lượng tử (quantum entanglement) có thể phá vỡ quy tắc này. Các nguyên tử trong tinh thể muối được kết nối với nhau bằng các electron có spin – định hướng từ (magnetic orientations) – vướng víu thành từng cặp. Các cặp từ tính đó tuân theo một sức mạnh cao hơn – liên kết của chúng với nhau – hơn là các quy tắc vật lý cổ điển, và do đó chúng không bị đóng băng.

Khám phá này đã tạo ra một sự chấn động trong thế giới vật lý, chủ yếu vì nó là minh chứng đầu tiên về rối lượng tử ở cấp độ vĩ mô. Một khối muối có kích thước cm2 chứa hàng tỷ tỷ cặp spin (còn gọi là các momen lượng tử) vướng víu, hoạt động đồng bộ để liên kết hàng tỷ tỷ nguyên tử. Chưa bao giờ sự vướng víu lại được thể hiện trên quy mô khổng lồ như vậy. Trước đây, hiện tượng này chỉ được chứng minh ở cấp độ hạ nguyên tử, chẳng hạn giữa hai photon, giữa 2 electron hoặc giữa một vài nguyên tử.

Giải thích rõ hơn về điều này, các nhà khoa học mô tả chi tiết thí nghiệm:

Khi ở nhiệt độ bình thường và không có tác động bên ngoài, các spin của các nguyên tử holmium của muối chuyển động tự do, quay xung quanh như kim la bàn. Rosenbaum giải thích, ở nhiệt độ rất thấp, các spin quay chậm đi và trở nên nhạy cảm với lực kéo của từ trường bên ngoài.

Rosenbaum và Ghosh gửi một điện tích qua một sợi dây quấn quanh tinh thể muối, và các nguyên tử holmium thẳng hàng với lực bên ngoài. Rosenbaum nói: “Chúng [các nguyên tử] cảm nhận được rằng có một từ trường ngoài và chúng muốn theo dõi nó.” Các nhà nghiên cứu đã sử dụng đặc điểm này để tìm hiểu thêm về các spin của tinh thể muối. Khi không bị nhiễu loạn, các spin có khả năng lượng tử kỳ lạ để chiếm hai trạng thái cùng một lúc, hướng cả lên và xuống cùng một lúc, một hiện tượng được gọi là chồng chất lượng tử (quantum superposition).

Rosenbaum giải thích việc để các spin tiếp xúc với từ trường bên ngoài “làm sụp đổ hàm sóng”, theo cách nói vật lý khiến cho spin chọn trạng thái này hay trạng thái khác, quay lên hoặc quay xuống. “Tôi có thể sử dụng từ trường để xoay chúng một chút và tra hỏi chúng: ‘bạn quay lên hay quay xuống?’” Theo cách này, các nhà nghiên cứu phát hiện rằng hướng của một spin bị chi phối bởi trạng thái của các spin hàng xóm – ở một xác suất vượt xa những dự đoán của vật lý cổ điển, điều này khiến tinh thể muối không bị đông ở nhiệt độ gần với 0 độ K. Rosenbaum nói: “Sự vướng víu,” là lời giải thích duy nhất.

Các phát hiện khác về hiệu ứng lượng tử ở các vật thể vĩ mô

Phát hiện của Sayantani Ghosh và giáo sư Rosenbaum là bằng chứng đầu tiên của hiện tượng rối lượng tử với các vật thể vĩ mô. Tuy nhiên, nó không phải là phát hiện đầu tiên của giới khoa học về các hiệu ứng lượng tử xảy ra với vật thể vĩ mô.

Năm 1999, các nhà khoa học đến từ Áo đã phát hiện lưỡng tính sóng hạt và chồng chập lượng tử của một phân tử fullerene gồm 60 nguyên tử cacbon (C60) thông qua thí nghiệm khe đôi lượng tử.

Năm 2006, các nhà khoa học từ Đại học Paris 7, Pháp đã phát hiện ra hiện ra lưỡng tính sóng hạt và sự giao thoa sóng hạt của một giọt dầu có kích thước 1mm (lớn hơn 10 triệu lần so với nguyên tử và lớn hơn 1 triệu lần so với phân tử) khi nó được cho rỏ qua một hệ thống “khe đôi” đặc biệt.

Năm 2012, các nhà khoa học, đứng đầu là Thomas Juffmann đến từ Đại học Viên, Áo cũng đã phát hiện ra hiệu tượng nhiễu xạ lượng tử – biểu hiện lưỡng tính sóng hạt của các phân tử hữu cơ gồm 58 hoặc 114 nguyên tử thông qua thí nghiệm khe đôi lượng tử. Trước đó, vào năm 2011, một nhóm các nhà nghiên cứu khác do Stefan Gerlich đứng đầu cũng đã phát hiện ra sự giao thoa lượng tử của các phân tử hữu cơ chứa đến 430 nguyên tử.

Những phát hiện này đã tạo ra cảm hứng lớn cho các nhà khoa học khác nhau trên thế giới trong việc tìm hiểu đặc tính lượng tử của các vật thể vĩ mô. Và câu hỏi đặt ra là liệu người ta có thể đo được đặc tính lượng tử của các phân tử chứa sự sống?

Tháng 10/2019, câu hỏi đã được trả lời nhờ công trình của Armin Shayeghi tại Đại học Vienna và một số đồng nghiệp, những người lần đầu tiên phát hiện được hiện tượng nhiễu xạ lượng tử của các phân tử gramicidin, một loại kháng sinh tự nhiên được tạo thành từ 15 axit amin. Công việc của họ đã mở đường cho việc nghiên cứu các tính chất lượng tử của các phân tử sinh học và tạo bối cảnh cho các thí nghiệm khai thác bản chất lượng tử của các enzym, DNA, và có lẽ một ngày nào đó là các dạng sống đơn giản như virus.

Rối lượng tử có xảy ra ở con người?

Ngày nay nhiều nhà khoa học cho rằng hiện tượng thần giao cách cảm là một biểu hiện của rối lượng tử của con người. Điều này đặc biệt rõ ràng với các trường hợp sinh đôi cùng trứng. Các ghi chép cho thấy giữa các cặp sinh đôi cùng trứng, mối dây liên hệ về tư tưởng, suy nghĩ và thậm chí là hành động rất rõ ràng.

Hai người sinh đôi dù cách xa nhau hàng ngàn cây số vẫn có thể biết người kia đang nghĩ gì, nói gì, họ có thể mơ các giấc mơ có cùng một nội dung, khi người kia có vấn đề về sức khỏe, người còn lại cũng có tình trạng tương tự.

Tháng 8/2000, sau một vụ nổ bom khủng bố tại quảng trường Pushkin, Moscow (Nga), bệnh viện Sklifosovsky đã đón một nữ nạn nhân bị vô số vết bỏng trên người. Khi người chị sinh đôi đến thăm em, các nhân viên bệnh viện vô cùng sửng sốt nhận thấy trên cơ thể khỏe mạnh của cô cũng có những vết bỏng. Mặc dù không hề nghĩ đến hiện tượng này, người chị đã nhận một phần đau đớn từ em và các nhà khoa học cho rằng đây là một ví dụ về hiện tượng thần giao cách cảm.

Tiến sĩ Dean Radin, trong cuốn sách Tâm trí vướng víu (Entangled Minds), ông cho rằng não của con người có rối lượng tử với nhau: một sự việc xảy ra ở não người này có thể dẫn đến những rối lượng tử ở não người khác, điều này dẫn đến những hiện tượng như thần giao cách cảm.

Lý giải điều này, người ta cho rằng ở con người có tồn tại cơ thể vi mô được cấu thành từ các hạt hạ nguyên tử, có trình tự sắp xếp tương ứng với kích cỡ vật lý của cơ thể và tồn tại ở không gian khác, không thể nhìn được bằng cặp mắt thịt. Khi cơ thể chúng ta bị mất đi một bộ phận ở không gian tế bào này, bộ phận cơ thể vi mô ở không giác khác vẫn tồn tại. Và liệu có phải vì giữa các cơ thể ở không gian khác nhau có tồn tại rối lượng tử, nên bộ não vẫn cảm nhận được cảm giác và sự đau đớn từ các cơ thể của không gian khác, điều này dẫn đến hiện tượng đau chi cụt mà y học vẫn thường xuyên tiếp xúc?