Các nhà vật lý tại MIT đã thực hiện phiên bản chính xác nhất của thí nghiệm hai khe (double-slit experiment) nổi tiếng, sử dụng nguyên tử siêu lạnh và từng photon đơn lẻ để hé lộ bản chất kép kỳ lạ của ánh sáng: vừa là sóng, vừa là hạt.
Sự cân bằng lượng tử này – từng được tranh luận gay gắt giữa Einstein và Bohr – đã được kiểm nghiệm mà không cần các thành phần “lò xo” truyền thống, thay vào đó dựa vào “sự mờ nhòe” của nguyên tử để xác nhận quan điểm của Bohr rằng không thể quan sát đồng thời cả hai tính chất. Thí nghiệm không chỉ làm nổi bật sự tinh tế của cơ học lượng tử mà còn khơi lại và giải quyết cuộc đối đầu khoa học mang tính lịch sử.
Các nhà nghiên cứu tại MIT đã sử dụng các kỹ thuật chính xác ở cấp độ nguyên tử để quan sát kỹ bản chất kép đầy bí ẩn của ánh sáng. Kết quả xác nhận điều mà cộng đồng vật lý đã tranh luận suốt nhiều thập kỷ: trong trường hợp này, ý tưởng của Albert Einstein về ánh sáng là sai.
Thí nghiệm hai khe là gì?
Thí nghiệm mà họ tổ chức thực hiện lại là thí nghiệm hai khe. Lần đầu được tiến hành vào năm 1801 bởi nhà khoa học người Anh Thomas Young, thí nghiệm này ban đầu nhằm chứng minh ánh sáng hoạt động như sóng. Tuy nhiên, với sự phát triển của cơ học lượng tử vào thế kỷ 20, nó đã trở thành một phương pháp đơn giản nhưng đầy sức mạnh để tiết lộ một sự thật gây hoang mang: ánh sáng hoạt động vừa như sóng vừa như hạt – nhưng không bao giờ cùng lúc.
Trong phiên bản cổ điển, một chùm ánh sáng được chiếu qua hai khe hẹp đặt cạnh nhau trên một tấm chắn. Trên màn hình phía sau, thay vì thấy hai dải sáng đơn thuần (như bạn mong đợi nếu ánh sáng là hạt rắn), một mô hình sọc sáng-tối xen kẽ xuất hiện – một mô hình giao thoa đặc trưng của sóng, tương tự hiện tượng khi gợn sóng nước giao nhau. Tuy nhiên, nếu bạn cố gắng đo xem ánh sáng đi qua khe nào, các sọc giao thoa biến mất và ánh sáng lại hành xử như các hạt riêng lẻ.
Ngày nay, thí nghiệm hai khe là một nội dung cơ bản trong các lớp vật lý trung học, được dùng để minh họa cho một trong những nguyên lý trung tâm của lý thuyết lượng tử: vật chất, bao gồm cả ánh sáng, tồn tại đồng thời dưới dạng sóng và hạt – nhưng hành vi sẽ thay đổi tùy thuộc vào việc bạn quan sát gì.
Einstein và Bohr: Cuộc tranh luận kéo dài thế kỷ
Gần một thế kỷ trước, thí nghiệm này là trung tâm của cuộc tranh luận giữa hai nhà vật lý lừng danh Albert Einstein và Niels Bohr. Năm 1927, Einstein lập luận rằng một photon chỉ đi qua một trong hai khe và gây ra một lực nhẹ lên khe đó – giống như một con chim làm xào xạc chiếc lá khi bay ngang. Ông cho rằng hoàn toàn có thể phát hiện lực đó đồng thời vẫn quan sát được mô hình giao thoa, từ đó cho phép thấy cả bản chất hạt và sóng của ánh sáng cùng lúc.
Bohr phản bác bằng cách vận dụng nguyên lý bất định của cơ học lượng tử, cho thấy rằng việc phát hiện đường đi của photon sẽ khiến mô hình giao thoa biến mất.
Kể từ đó, nhiều phiên bản của thí nghiệm hai khe đã được tiến hành và ở các mức độ khác nhau, đều xác nhận tính đúng đắn của lý thuyết lượng tử do Bohr đề xuất. Giờ đây, các nhà vật lý tại MIT đã thực hiện phiên bản “lý tưởng hóa” nhất từ trước đến nay. Họ giản lược thí nghiệm xuống đến mức tinh túy lượng tử: sử dụng từng nguyên tử đơn lẻ như là các khe, và chiếu ánh sáng rất yếu sao cho mỗi nguyên tử chỉ tán xạ tối đa một photon. Bằng cách điều chỉnh trạng thái lượng tử của nguyên tử, họ có thể kiểm soát mức thông tin mà nguyên tử thu được về đường đi của photon.
Các nhà nghiên cứu xác nhận dự đoán của lý thuyết lượng tử: càng thu được nhiều thông tin về đường đi của ánh sáng (tức bản chất hạt), thì mô hình giao thoa càng mờ nhạt (bản chất sóng bị mất đi).
Họ đã chứng minh điều Einstein sai: mỗi khi một nguyên tử “bị xáo trộn” bởi một photon đi qua, thì giao thoa sóng sẽ suy giảm.
Nguyên tử siêu lạnh: cách thiết lập hoàn hảo
“Einstein và Bohr chắc chắn sẽ không thể tưởng tượng nổi rằng chúng ta có thể thực hiện thí nghiệm này với từng nguyên tử và từng photon,” giáo sư Wolfgang Ketterle – người đứng đầu nhóm nghiên cứu MIT – chia sẻ. “Điều chúng tôi làm giống như một thí nghiệm tưởng tượng lý tưởng (Gedanken experiment).”
Kết quả của họ đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters. Đồng tác giả tại MIT bao gồm Vitaly Fedoseev (tác giả chính), Hanzhen Lin, Yu-Kun Lu, Yoo Kyung Lee và Jiahao Lyu – đều thuộc Khoa Vật lý MIT, Phòng thí nghiệm nghiên cứu điện tử, và Trung tâm nguyên tử siêu lạnh MIT-Harvard.
Nhóm của Ketterle tại MIT thường tiến hành các thí nghiệm với nguyên tử và phân tử được làm lạnh gần tới độ không tuyệt đối, rồi sắp xếp chúng trong những cấu hình được giữ bằng ánh sáng laser. Trong các đám mây siêu lạnh và được tinh chỉnh kỹ lưỡng này, những hiện tượng kỳ lạ chỉ xuất hiện ở cấp độ lượng tử – từng nguyên tử đơn – mới có thể hiện ra.
Trong một thí nghiệm gần đây, nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu cách tán xạ ánh sáng giúp tiết lộ tính chất vật liệu được tạo ra từ nguyên tử siêu lạnh.
“Chúng tôi nhận ra rằng có thể định lượng được mức độ mà quá trình tán xạ này mang tính sóng hay hạt, và nhanh chóng hiểu rằng mình có thể áp dụng phương pháp này để thực hiện lại thí nghiệm nổi tiếng này một cách lý tưởng nhất,” Fedoseev cho biết.
Mạng tinh thể bị đóng băng và các đường đi của photon
Trong nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu đã làm việc với hơn 10.000 nguyên tử, được làm lạnh đến nhiệt độ microkelvin. Họ sử dụng một dãy tia laser để sắp xếp các nguyên tử đã bị đóng băng thành một cấu trúc mạng tinh thể đều đặn như pha lê. Trong cấu trúc này, mỗi nguyên tử đủ xa so với các nguyên tử khác để có thể được xem như một nguyên tử đơn lẻ, cô lập và giống hệt nhau. Và 10.000 nguyên tử như vậy có thể tạo ra tín hiệu dễ phát hiện hơn nhiều so với chỉ một hoặc hai nguyên tử.
Nhóm nghiên cứu cho rằng với cách sắp xếp này, họ có thể chiếu một chùm ánh sáng yếu qua các nguyên tử và quan sát cách một photon đơn lẻ tán xạ bởi hai nguyên tử liền kề, dưới dạng sóng hoặc hạt. Điều này tương tự như cách ánh sáng đi qua hai khe trong thí nghiệm hai khe gốc.
“Những gì chúng tôi đã làm có thể được xem là một biến thể mới của thí nghiệm hai khe,” giáo sư Wolfgang Ketterle cho biết. “Những nguyên tử đơn lẻ này giống như các khe nhỏ nhất mà bạn có thể xây dựng.”
Kiểm chứng ý tưởng của Einstein — không cần lò xo
Trong thí nghiệm của mình, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra ý tưởng của Einstein về cách phát hiện đường đi của photon. Về mặt khái niệm, nếu mỗi khe được cắt vào một tấm giấy cực mỏng được treo trong không khí bằng một chiếc lò xo, thì khi một photon đi qua một khe, nó sẽ làm rung lò xo tương ứng một mức nhất định, được xem như là dấu hiệu cho thấy bản chất hạt của photon. Trong các hiện thực hóa trước đây của thí nghiệm hai khe, các nhà vật lý đã kết hợp thành phần giống như lò xo này, và lò xo đóng vai trò lớn trong việc mô tả bản chất lưỡng tính của photon.
Nhưng Ketterle và các đồng nghiệp của ông đã thực hiện thí nghiệm mà không cần đến “lò xo” đó. Đám mây nguyên tử của nhóm ban đầu được giữ cố định bằng ánh sáng laser – tương tự như khe được treo bằng lò xo trong mô hình của Einstein. Các nhà nghiên cứu lập luận rằng nếu họ loại bỏ “lò xo” và vẫn quan sát được hiện tượng giống hệt, thì điều đó sẽ cho thấy lò xo không ảnh hưởng đến tính lưỡng tính sóng-hạt của photon.
Và đó chính là những gì họ tìm thấy. Qua nhiều lần lặp lại, họ tắt laser có vai trò như lò xo giữ các nguyên tử cố định, rồi nhanh chóng tiến hành đo đạc trong vòng một phần triệu giây, trước khi các nguyên tử trở nên mờ hơn và rơi xuống do trọng lực. Trong khoảng thời gian cực ngắn này, các nguyên tử gần như đang trôi nổi trong không gian tự do. Trong kịch bản không có lò xo này, nhóm vẫn quan sát được hiện tượng tương tự: Tính sóng và tính hạt của photon không thể được quan sát đồng thời.
Sự sáng tỏ lượng tử trong năm khoa học lượng tử
“Trong nhiều mô tả, lò xo đóng vai trò rất quan trọng. Nhưng chúng tôi chứng minh rằng không, lò xo không quan trọng trong trường hợp này; điều quan trọng chỉ là độ mờ của nguyên tử,” Fedoseev nói. “Vì vậy, cần sử dụng một mô tả sâu sắc hơn, dựa trên tương quan lượng tử giữa photon và nguyên tử.”
Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng năm 2025 đã được Liên Hợp Quốc tuyên bố là Năm Quốc tế về Khoa học và Công nghệ Lượng tử, nhằm kỷ niệm 100 năm kể từ khi cơ học lượng tử được xây dựng. Cuộc tranh luận giữa Bohr và Einstein về thí nghiệm hai khe diễn ra chỉ hai năm sau đó, tức năm 1927.
“Thật là một sự trùng hợp tuyệt vời khi chúng tôi có thể góp phần làm sáng tỏ tranh cãi lịch sử này đúng vào năm kỷ niệm vật lý lượng tử,” đồng tác giả Lee chia sẻ.
Sơ đồ thí nghiệm của MIT: Hai nguyên tử đơn lẻ lơ lửng trong một buồng chân không được chiếu sáng bởi chùm tia laser và đóng vai trò như hai khe. Sự giao thoa của ánh sáng tán xạ được ghi lại bằng một camera siêu nhạy – được mô phỏng như một màn hình. Ánh sáng không giao thoa xuất hiện dưới dạng nền, cho thấy photon đã hành xử như một hạt đi qua chỉ một khe.
Nguồn ảnh: Các nhà nghiên cứu cung cấp
Nhóm các nhà khoa học thực hiện thí nghiệm hai khe. Hàng trước, từ trái sang: Yoo Kyung Lee và Hanzhen Lin. Hàng sau: Jiahao Lyu, Yu-Kun Lu, Wolfgang Ketterle và Vitaly Fedoseev.
Nguồn ảnh: Các nhà nghiên cứu cung cấp
