Author: Bill Bryson
Werner Heisenberg’s uncertainty principle helps explain how particles move.
Albert Einstein revolutionized our understanding of vast phenomena like time and gravity. However, when it comes to the universe's tiniest constituents – atoms, molecules, and particles – Einstein's theories encounter limitations. These minuscule entities behave in ways that challenge conventional physics.
The crux of this discussion lies in Werner Heisenberg’s uncertainty principle, which plays a crucial role in explaining the behavior of particles.
An atom is composed of a nucleus containing neutrons and positively charged protons, with negatively charged electrons orbiting around it. Early scientists were puzzled by the behavior of an atom's protons and electrons. According to classical physics, the spinning electrons should rapidly lose energy, and the densely packed, positively charged protons in the nucleus should repel each other, theoretically rendering atoms unstable and unsustainable.
To address these atomic anomalies, a new scientific field emerged: quantum theory. Werner Heisenberg, a pivotal figure in the development of quantum theory, introduced the concept of quantum mechanics in 1926.
Central to Heisenberg's quantum mechanics is the uncertainty principle. This principle emerged from observations that electrons sometimes exhibited wave-like characteristics, while at other times, they seemed to behave like particles. This dual nature was perplexing: how could electrons simultaneously exhibit properties of both waves and particles?
The uncertainty principle offers a resolution to this puzzle. It suggests that while an electron is a particle, it can be described in wave-like terms. Additionally, the principle posits a fundamental limit to what can be known about an electron: one can either determine its current position or understand its velocity and trajectory, but not both simultaneously. This implies that predicting an electron's exact location is inherently uncertain; one can only estimate the probability of its presence in a particular location.
Quantum theory, despite its complexity, provides invaluable insights into the realm of the very small. However, it falls short in explaining larger universal phenomena such as gravity and time. Conversely, the theory of relativity excels in elucidating these larger forces but struggles with the subatomic world. Consequently, the scientific community is left with two distinct theories: quantum physics and the theory of relativity, each explaining different aspects of reality. The search for a unified theory (a theory of everything) that seamlessly integrates both continues to be an elusive goal in modern physics.
Nguyên lý bất định của Werner Heisenberg giúp giải thích cách các hạt di chuyển.
Albert Einstein đã làm thay đổi cách chúng ta hiểu biết về những hiện tượng lớn như thời gian và trọng lực. Tuy nhiên, khi nói đến những thứ nhỏ nhất trong vũ trụ - như nguyên tử, phân tử và hạt - lý thuyết của Einstein gặp phải hạn chế. Những thực thể siêu nhỏ này có cách hành xử thách thức vật lý thông thường.
Trọng tâm của cuộc thảo luận này nằm ở nguyên lý bất định của Werner Heisenberg, đóng vai trò quan trọng trong việc giải thích hành vi của các hạt.
Nguyên tử được cấu tạo từ một hạt nhân chứa neutron và proton mang điện tích dương, với các electron mang điện tích âm quay xung quanh. Các nhà khoa học đầu tiên đã bối rối trước hành vi của proton và electron trong nguyên tử. Theo vật lý cổ điển, các electron quay sẽ nhanh chóng mất năng lượng, và các proton mang điện tích dương chật chội trong hạt nhân sẽ đẩy lẫn nhau, lý thuyết này khiến nguyên tử trở nên không ổn định và không thể tồn tại.
Để giải quyết những bất thường nguyên tử này, một lĩnh vực khoa học mới đã xuất hiện: lý thuyết lượng tử. Werner Heisenberg, một nhân vật quan trọng trong việc phát triển lý thuyết lượng tử, đã giới thiệu khái niệm về cơ học lượng tử vào năm 1926.
Trung tâm của cơ học lượng tử của Heisenberg là nguyên lý bất định. Nguyên lý này xuất phát từ quan sát rằng đôi khi electron biểu hiện tính chất sóng, và đôi khi chúng biểu hiện như các hạt. Tính chất kép này khiến các nhà vật lý bối rối: làm thế nào mà electron có thể vừa là sóng vừa là hạt?
Nguyên lý bất định cung cấp một lời giải cho câu đố này. Nó đề xuất rằng mặc dù electron là một hạt, nhưng nó có thể được mô tả theo cách của sóng. Ngoài ra, nguyên lý này còn giải thích rằng chỉ có thể biết được vị trí hiện tại của electron hoặc biết được quỹ đạo và tốc độ của nó, nhưng không thể biết cả hai cùng một lúc. Điều này có nghĩa là bạn không thể thực sự dự đoán chính xác vị trí của electron; bạn chỉ có thể đoán xác suất của nó ở một vị trí nào đó.
Lý thuyết lượng tử, mặc dù phức tạp, cung cấp thông tin quý giá về thế giới siêu nhỏ. Tuy nhiên, nó không thể giải thích những hiện tượng lớn trong vũ trụ như trọng lực và thời gian. Ngược lại, lý thuyết tương đối của Einstein rất hiệu quả trong việc giải thích các lực lớn trong vũ trụ, nhưng lại không giải thích được thế giới hạt nhân. Do đó, cộng đồng khoa học hiện có hai lý thuyết riêng biệt: vật lý lượng tử và lý thuyết tương đối. Tìm ra một thuyết mới có thể giải thích cùng lúc cả hai lý thuyết lớn đó (a theory of everything) hiện là mối quan tâm lớn nhất của các nhà Vật lý trên thế giới.
(Bản dịch Tiếng Việt thực hiện một phần bởi Trí tuệ nhân tạo. Xin lỗi nếu bản dịch có khiếm khuyết về ngôn từ và ngữ pháp)
Comentarios