Cơ học lượng tử là một lý thuyết cơ bản trong vật lý mô tả các tính chất vật lý của tự nhiên ở quy mô nguyên tử và các hạt hạ nguyên tử. Nó là nền tảng của mọi vật lý lượng tử, bao gồm hóa học lượng tử, lý thuyết trường lượng tử, công nghệ lượng tử và khoa học thông tin lượng tử.
Trong vật lý cổ điển, sóng và hạt được coi là những thực thể khác nhau. Tuy nhiên, cơ học lượng tử đưa ra khái niệm lưỡng tính sóng-hạt , trong đó các hạt thể hiện cả hai tính chất giống sóng và giống hạt. Tính hai mặt này được thể hiện tốt nhất bằng ánh sáng , có thể được mô tả vừa là sóng vừa là hạt (photon).
Thí nghiệm hai khe chứng tỏ lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng và electron. Khi một chùm ánh sáng hoặc một dòng điện tử được truyền qua hai khe cách đều nhau và tới một màn hứng, một hình ảnh giao thoa sẽ xuất hiện, đây là đặc điểm của hành vi sóng. Tuy nhiên, khi quan sát các hạt, chúng dường như đi qua khe này hay khe kia, giống như các hạt. Thí nghiệm này cho thấy hành vi của các hạt có thể thay đổi dựa trên việc chúng có được quan sát hay không, đưa ra khái niệm chồng chất lượng tử , trong đó một hạt tồn tại đồng thời ở tất cả các trạng thái có thể cho đến khi được đo.
Sự chồng chất lượng tử là một nguyên lý cơ bản nêu rõ rằng, không giống như vật lý cổ điển, các hệ lượng tử có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng lúc cho đến khi chúng được đo. Sự vướng víu lượng tử là một hiện tượng hấp dẫn khác trong đó các hạt trở nên liên kết với nhau sao cho trạng thái của hạt này ảnh hưởng ngay lập tức đến trạng thái của hạt khác, bất kể khoảng cách giữa chúng. Điều này đã được chứng minh qua các thí nghiệm Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) , thách thức sự hiểu biết của chúng ta về tính địa phương và quan hệ nhân quả.
Một nguyên lý then chốt khác của cơ học lượng tử là Nguyên lý bất định Heisenberg , phát biểu rằng không thể biết đồng thời cả vị trí lẫn vận tốc chính xác của một hạt. Một thuộc tính được đo càng chính xác thì thuộc tính kia càng được kiểm soát hoặc biết kém chính xác hơn. Điều này được biểu thị bằng phương trình: \( \Delta x \Delta p \geq \frac{\hbar}{2} \) trong đó \(\Delta x\) là độ không đảm bảo về vị trí, \(\Delta p\) là độ bất định của động lượng, và \(\hbar\) là hằng số Planck rút gọn.
Hoạt động của các hệ lượng tử thường được mô tả bằng phương trình Schrödinger , một phương trình cơ bản của cơ học lượng tử. Đối với một hạt phi tương đối tính, dạng phương trình Schrödinger không phụ thuộc vào thời gian là: \( -\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2\psi + V\psi = E\psi \) Ở đây, \(\psi\) là hàm sóng của hệ, \(V\) là thế năng, \(E\) là năng lượng của hạt, \(m\) là khối lượng và \(\nabla^2\) là toán tử Laplacian biểu thị tổng các đạo hàm không gian thứ hai. Hàm sóng \(\psi\) chứa tất cả thông tin xác suất về các trạng thái có thể có của hệ thống.
Các nguyên lý của cơ học lượng tử thách thức quan điểm cổ điển của chúng ta về thuyết tất định và tính cục bộ. Chúng có ý nghĩa sâu sắc trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm điện toán, mật mã và dịch chuyển tức thời, thông qua các công nghệ như máy tính lượng tử , mã hóa lượng tử và dịch chuyển tức thời lượng tử . Những tiến bộ này hứa hẹn sẽ cách mạng hóa việc xử lý thông tin, bảo mật và truyền thông, tận dụng các đặc tính như sự chồng chất và sự vướng víu để thực hiện các nhiệm vụ hiện không thể thực hiện được bằng các công nghệ cổ điển.
Phép đo trong cơ học lượng tử là một khía cạnh khác giúp phân biệt nó với vật lý cổ điển. Khi một hệ lượng tử được đo, hàm sóng sẽ suy giảm về một trạng thái duy nhất trong số tất cả các trạng thái có thể có trước khi đo. Kết quả của bất kỳ phép đo lượng tử nào về cơ bản đều có tính xác suất và xác suất của mỗi kết quả có thể xảy ra được xác định bằng bình phương biên độ của hàm sóng. Điều này dẫn đến cách giải thích Copenhagen , một trong những khuôn khổ khái niệm nền tảng của cơ học lượng tử, khẳng định rằng cơ học lượng tử không cung cấp sự mô tả về một thực tế khách quan mà chỉ đề cập đến xác suất quan sát các kết quả nhất định.
Cơ học lượng tử không chỉ là lý thuyết mà còn có những ứng dụng thực tế có tác động đáng kể đến công nghệ và khoa học hiện đại. Ví dụ, các nguyên lý cơ học lượng tử rất cần thiết cho việc thiết kế và hoạt động của các thiết bị bán dẫn như bóng bán dẫn và điốt, là những khối xây dựng nên thiết bị điện tử và máy tính hiện đại. Ngoài ra, cơ học lượng tử còn rất quan trọng trong lĩnh vực chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) , công nghệ laser và trong việc phát triển đồng hồ nguyên tử cực kỳ chính xác.
Mặc dù thành công trong việc giải thích một loạt các hiện tượng vật lý, cơ học lượng tử cũng đặt ra những thách thức. Một trong những câu hỏi lớn chưa được giải quyết là vấn đề đo lường , liên quan đến sự suy giảm của hàm sóng và điều gì tạo nên một "phép đo". Hơn nữa, sự hòa hợp giữa cơ học lượng tử với thuyết tương đối rộng , lý thuyết mô tả lực hấp dẫn trong khuôn khổ cơ học cổ điển, là một lĩnh vực nghiên cứu đang diễn ra, với các lý thuyết như lực hấp dẫn lượng tử và lý thuyết dây đang cố gắng thu hẹp khoảng cách giữa hai lý thuyết này.
Tóm lại, cơ học lượng tử là thành phần cốt lõi của vật lý hiện đại đã mở rộng đáng kể sự hiểu biết của chúng ta về thế giới vi mô và tiếp tục thúc đẩy những tiến bộ công nghệ cũng như các cuộc tranh luận triết học. Các nguyên tắc của nó thách thức trực giác cổ điển của chúng ta về thực tế, đưa ra một khuôn khổ xác suất và sắc thái hơn để mô tả vũ trụ ở quy mô nhỏ nhất.
