Các nhà khoa học giải mã bí ẩn 90 năm trong vật lý lượng tử: Mở ra kỷ nguyên đo lường siêu nhỏ

Một nhóm nghiên cứu vừa tìm ra lời giải cho “dao động tử điều hòa tắt dần trong cơ học lượng tử” – hiện tượng tưởng chừng đơn giản nhưng đã khiến các nhà vật lý đau đầu suốt gần một thế kỷ. Phát hiện này có thể mở ra hướng đi cho những thiết bị đo lường nhỏ bé nhất thế giới.

Hãy thử tưởng tượng: dây đàn guitar khi gảy sẽ ngân vang rồi dần tắt, hay chiếc xích đu sau khi bỏ người ngồi sẽ chậm lại rồi dừng hẳn. Đây là ví dụ điển hình của hiện tượng dao động điều hòa tắt dần , vốn được mô tả khá rõ bằng các định luật chuyển động của Newton.

Thế nhưng, ở quy mô nguyên tử, những quy luật quen thuộc ấy không còn đúng. Thay vào đó là những nguyên lý kỳ lạ của cơ học lượng tử. Chính sự khác biệt này đã thôi thúc giáo sư Dennis Clougherty cùng học trò Nam Dinh (Đại học Vermont, Mỹ) đặt ra câu hỏi: Liệu một hệ lượng tử có thể dao động giống như dây đàn hay xích đu ngoài đời thực? Nếu có, làm sao xây dựng được lý thuyết lượng tử cho hiện tượng này?

Ngày 7/7/2025, trên tạp chí Physical Review Research , họ công bố lời giải. Cụ thể, nhóm đã tìm ra mô hình toán học chính xác cho một “dao động tử điều hòa tắt dần trong cơ học lượng tử” – phiên bản ở cấp độ nguyên tử của chuyển động quen thuộc kia.

Bí ẩn kéo dài 90 năm

Trong khoảng một thế kỷ qua, nhiều nhà lý thuyết đã cố gắng mô tả hiện tượng này bằng cơ học lượng tử, nhưng đều gặp khó khăn. Vấn đề nằm ở việc phải đảm bảo nguyên lý bất định Heisenberg – nền tảng của vật lý lượng tử, khẳng định rằng ta không thể đồng thời biết chính xác vị trí và động lượng của một hạt.

Điều thú vị là mô hình gốc lại xuất phát từ năm 1900, khi nhà vật lý Horace Lamb muốn giải thích cách một hạt rung động trong chất rắn mất dần năng lượng. Ông đã dùng cơ học cổ điển để chỉ ra rằng sóng đàn hồi do hạt tạo ra sẽ tác động ngược lại, khiến dao động yếu dần. Nhưng khi chuyển sang thế giới lượng tử, quy luật này không hề hiển nhiên.

Clougherty và Dinh đã kế thừa ý tưởng của Lamb, rồi phát triển lại trong khuôn khổ lượng tử. Với sự hỗ trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ và NASA, họ tìm ra cách giữ vững nguyên lý bất định trong một hệ nhiều hạt tương tác phức tạp.

Lời giải đến từ một kỹ thuật toán học cao cấp gọi là biến đổi Bogoliubov đa mode , giúp “giải chéo hóa” hệ phương trình và mô tả đầy đủ chuyển động dao động lượng tử. Trạng thái kết quả – “chân không nén đa mode” (multimode squeezed vacuum) – cho phép giảm độ nhiễu lượng tử ở một đại lượng (vị trí) bằng cách chấp nhận tăng nhiễu ở đại lượng khác (động lượng).

Ứng dụng thực tiễn

Điều này không chỉ mang ý nghĩa lý thuyết. Việc xác định chính xác vị trí một nguyên tử mở ra khả năng chế tạo những công cụ đo lường siêu chính xác ở cấp độ lượng tử – chẳng hạn “thước dây nhỏ nhất thế giới”.

“Bằng cách giảm bất định, ta có thể đo vị trí với độ chính xác vượt ngưỡng lượng tử thông thường,” giáo sư Clougherty cho biết. Đây chính là cơ chế từng giúp các nhà khoa học phát triển máy dò sóng hấp dẫn – công nghệ đo được sự thay đổi chiều dài còn nhỏ hơn cả kích thước hạt nhân nguyên tử, mang về giải Nobel năm 2017.

Không ai biết chắc phát hiện mới này sẽ mở ra cánh cửa nào, nhưng rõ ràng nhóm nghiên cứu ở Vermont vừa đặt nền móng cho một chương mới trong việc hiểu và ứng dụng cơ học lượng tử.