Particles and waves: The central mystery of quantum mechanics - Chad Orzel

Translator: Silver Wings Reviewer: Lê Anh

One of the most amazing facts in physics is this:

Một trong những thực tế đáng ngạc nhiên trong vật lý, đó là:

everything in the universe, from light to electrons to atoms,

mọi vật trong vũ trụ, từ ánh sáng tới electron tới nguyên tử,

behaves like both a particle and a wave at the same time.

có đặc tính hạt và sóng đồng thời.

All of the other weird stuff you might have heard about quantum physics,

Trong tất cả những điều kỳ quặc, hẳn bạn đã từng nghe về vật lý lượng tử,

Schrodinger's Cat, God playing dice, spooky action at a distance,

con mèo của Schrodinger, trò xúc xắc của Chúa, những hành động như quỷ ám ở khoảng cách xa,

all of it follows directly from the fact

tất cả chúng sinh ra trực tiếp từ thực tế rằng

that everything has both particle and wave nature.

mọi vật đều có bản chất sóng và hạt.

This might sound crazy.

Điều này nghe có vẻ điên rồ.

If you look around, you'll see waves in water and particles of rock,

Nếu bạn quan sát xung quanh, bạn sẽ thấy sóng nước và các hạt đá,

and they're nothing alike.

và chúng không có gì giống nhau.

So why would you think to combine them?

Vậy tại sao bạn không nghĩ kết hợp chúng?

Physicists didn't just decide to mash these things together out of no where.

Các nhà vật lý không quyết định kết hợp chúng với nhau một cách ngẫu nhiên.

Rather, they were led to the dual nature of the universe

Đúng hơn là, chúng dẫn tới bản chất đối ngẫu của vũ trụ

through a process of small steps,

thông qua 1 quá trình gồm nhiều bước nhỏ,

fitting together lots of bits of evidence, like pieces in a puzzle.

gắn nhiều dấu hiệu với nhau như những mảnh ghép trong trò xếp hình.

The first person to seriously suggest the dual nature of light

Người đầu tiên đề xuất chính thức bản chất lưỡng tính của ánh sáng

was Albert Einstein in 1905,

là Albert Einstein năm 1905,

but he was picking up an earlier idea from Max Planck.

nhưng ông ấy đã lấy 1 ý tưởng trước đó từ Max Planck.

Planck explained the colors of light emitted by hot objects,

Planck giải thích màu sắc của ánh sáng phát ra từ vật nóng,

like the filament in a light bulb,

giống như sợi trong 1 dải ánh sáng,

but to do it, he needed a desperate trick:

nhưng để làm điều đó, ông cần 1 trò lừa kinh điển:

he said the object was made up of oscillators

ông nói vật thể được tạo ra từ những phần tử dao động

that could only emit light in discrete chunks,

chỉ có thể phát xạ ánh sáng trong khoảng riêng biệt,

units of energy that depend on the frequency of the light.

lượng năng lượng phụ thuộc vào tần số ánh sáng.

Planck was never really happy with this, but Einstein picked it up and ran with it.

Planck chưa bao giờ thực sự thỏa mãn với điều này, nhưng Einstein đã lấy ý tưởng đó và thực hiện.

He applied Planck's idea to light itself, saying that light,

Ông đưa ý tưởng của Planck vào ánh sáng, nói rằng,

which everybody knew was a wave, is really a stream of photons,

ánh sáng mà mọi người biết có dạng sóng, thực ra là 1 dòng các photons,

each with a discrete amount of energy.

mỗi photon mang năng lượng nhất định.

Einstein himself called this the only truly revolutionary thing he did,

Chính Einstein đã gọi điều này là cuộc cách mạng thực sự ông đã làm,

but it explains the way light shining on a metal surface knocks loose electrons.

nhưng nó giải thích cách mà ánh sáng chiếu vào bề mặt kim loại làm mất electrons.

Even people who hated the idea had to agree that it works brilliantly.

Cả những người không thích ý tưởng này cũng phải thừa nhận rằng nó rất xuất sắc.

The next puzzle piece came from Ernest Rutherford in England.

Mảnh ghép tiếp theo đến từ Ernest Rutherford tại Anh.

In 1909, Ernest Marsden and Hans Geiger, working for Rutherford,

Năm 1909, Enerst Marsden và Hans Geiger, làm việc cho Rutherford,

shot alpha particles at gold atoms

đã bắn hạt alpha vào nguyên tử vàng

and were stunned to find that some bounced straight backwards.

và bị sửng sốt khi nhận ra rằng một vài hạt đã bật ngược trở lại.

This showed that most of the mass of the atom is concentrated in a tiny nucleus.

Điều này chỉ ra hầu hết khối lượng nguyên tử tập trung trong hạt nhân nhỏ bé.

The cartoon atom you learn in grade school,

Mô hình nguyên tử bạn học ở các trường trung học,

with electrons orbiting like a miniature solar system,

với quỹ đạo của electrons giống như hệ mặt trời thu nhỏ,

that's Rutherford's.

đó là của Rutherford.

There's one little problem with Rutherford's atom: it can't work.

Có 1 vấn đề nho nhỏ với nguyên tử của Rutherford: nó không đúng.

Classical physics tells us that an electron

Vật lý cổ điển cho chúng ta biết rằng 1 electron

whipping around in a circle emits light,

chạy xung quanh 1 vòng tròn phát xạ ánh sáng,

and we use this all the time to generate radio waves and X-rays.

và chúng ta sử dụng điều này liên tục để phát sóng radio và tia X.

Rutherford's atoms should spray X-rays in all directions for a brief instant

Nguyên tử của Rutherford sẽ bắn ra tia X theo mọi hướng ngay lập tức

before the electron spirals in to crash into the nucleus.

trước khi electron theo đường xoắn ốc rơi vào hạt nhân.

But Niels Bohr, a Danish theoretical physicist working with Rutherford,

Nhưng Neils Bohr, một nhà vật lý lý thuyết Đan Mạch làm việc cùng với Rutherford,

pointed out that atoms obviously exist,

đã chỉ ra rằng nguyên tử đó thực sự tồn tại,

so maybe the rules of physics needed to change.

vì vậy có thể các định luật vật lý cần thay đổi.

Bohr proposed that an electron in certain special orbits

Bohr đề xuất rằng 1 nguyên tử với quỹ đạo đặc trưng nhất định

doesn't emit any light at all.

không phát xạ ra ánh sáng nào cả.

Atoms absorb and emit light only when electrons change orbits,

Nguyên tử hấp thụ và phát xạ ánh sáng chỉ khi electrons thay đổi quỹ đạo,

and the frequency of the light depends on the energy difference

và tần số ánh sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng

in just the way Planck and Einstein introduced.

theo cách mà Planck và Einstein đã giới thiệu.

Bohr's atom fixes Rutherford's problem

Nguyên tử Bohr khắc phục vấn đề của Rutherford

and explains why atoms emit only very specific colors of light.

và giải thích tại sao nguyên tử chỉ phát xạ ánh sáng có màu nhất định.

Each element has its own special orbits,

Mỗi nguyên tố có quỹ đạo riêng đặc biệt của nó,

and thus its own unique set of frequencies.

và do đó cho ra tần số duy nhất của nó.

The Bohr model has one tiny problem:

Mô hình Bohr chỉ có 1 vấn đề nho nhỏ:

there's no reason for those orbits to be special.

không có lý do nào cho những quỹ đạo đó trở thành đặc biệt.

But Louis de Broglie, a French PhD student,

Nhưng Louis de Broglie, 1 thạc sĩ người Pháp,

brought everything full circle.

đã khép lại mọi nghi ngờ.

He pointed out that if light, which everyone knew is a wave,

Ông chỉ ra rằng nếu ánh sáng, cái mà mọi người đã biết ở dạng sóng,

behaves like a particle,

có đặc tính hạt,

maybe the electron, which everyone knew is a particle,

có lẽ electron, cái mọi người đều biết ở dạng hạt,

behaves like a wave.

cũng có đặc tính dạng sóng.

And if electrons are waves,

Và nếu electron là sóng,

it's easy to explain Bohr's rule for picking out the special orbits.

thật dễ để giải thích quy luật của Bohr cho những quỹ đạo đặc biệt đó.

Once you have the idea that electrons behave like waves,

Một khi bạn có ý tưởng electron có đặc tính sóng,

you can go look for it.

bạn có thể đi tìm nó.

And within a few years, scientists in the US and UK

Và trong vòng vài năm, các nhà khoa học tại US và UK

had observed wave behavior from electrons.

đã quan sát thấy các đặc tính sóng từ electrons.

These days we have a wonderfully clear demonstration of this:

Ngày nay chúng ta có một minh họa sinh động rõ ràng cho điều này:

shooting single electrons at a barrier with slits cut in it.

bắn 1 electron vào 1 tấm chắn có những khe hỡ ở giữa.

Each electron is detected at a specific place at a specific time,

Mỗi electron được nhận biết ở 1 vị trí nhất định trong 1 thời điểm nhất định,

like a particle.

giống như 1 hạt.

But when you repeat the experiment many times,

Nhưng khi bạn lặp lại thí nghiệm nhiều lần,

all the individual electrons trace out a pattern of stripes,

tất cả dấu vết các electron độc lập này tạo thành dạng dải,

characteristic of wave behavior.

đặc tính của sóng.

The idea that particles behave like waves, and vice versa,

Ý tưởng hạt có tính sóng, và ngược lại,

is one of the strangest and most powerful in physics.

là một trong những điều kỳ lạ nhất và quan trọng nhất trong vật lý.

Richard Feynman famously said

Richard Feynman nổi tiếng đã nói

that this illustrates the central mystery of quantum mechanics.

điều này minh họa cho trung tâm huyền bí của cơ học lượng tử.

Everything else follows from this,

Mọi thứ đều tuân theo quan điểm này,

like pieces of a puzzle falling into place.

như những mảnh ghép của trò xếp hình rơi vào đúng vị trí.