100 năm cơ học lượng tử: Những con người thay đổi thế giới

(Dân trí) - Năm nay đánh dấu 100 năm cơ học lượng tử ra đời, từ những lý thuyết đột phá đến ứng dụng toàn cầu. Đây là cơ hội vàng để Việt Nam nắm bắt làn sóng cách mạng công nghệ lượng tử, định hình tương lai.

Trong bức ảnh đen trắng được chụp vào những năm đầu thế kỷ 20, hàng chục nhà khoa học với bộ vest lịch lãm đang ngồi trước một tòa nhà cổ kính kiểu Gothic.

Đây không phải là một cuộc họp thông thường - mà là một trong những hội nghị khoa học quan trọng nhất trong lịch sử nhân loại, nơi quy tụ những bộ óc vĩ đại nhất của vật lý học thế kỷ 20.

Trong số những gương mặt nghiêm nghị ấy có Albert Einstein với mái tóc bạc đặc trưng, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Planck và nhiều nhà khoa học khác - những người đã cùng nhau xây dựng nên một trong những lý thuyết khoa học cách mạng nhất: Cơ học lượng tử.

Hội nghị Solvay năm 1927 quy tụ những nhà khoa học hàng đầu thế giới lúc bấy giờ (Ảnh: Wiki).

Năm nay là tròn 100 năm kể từ khi Cơ học lượng tử chính thức ra đời. Liên Hợp Quốc đã lấy năm 2025 là Năm Quốc tế Khoa học và Công nghệ Lượng tử, nhằm tôn vinh một thế kỷ của cuộc cách mạng khoa học này và tiếp tục khám phá tiềm năng của nó trong thế kỷ tiếp theo.

Đây cũng là cơ hội để chúng ta nhìn lại hành trình phi thường của một lý thuyết đã thay đổi hoàn toàn cách con người hiểu về vũ trụ và tạo ra những ứng dụng trong đời sống ngày nay. 

Khởi nguồn của một cuộc cách mạng

Vào mùa hè năm 1925, Werner Heisenberg - một nhà vật lý trẻ người Đức - đã đến hòn đảo Heligoland ở Biển Bắc để tránh cơn dị ứng phấn hoa nghiêm trọng ông đang gặp phải.

Chính tại nơi biệt lập này, ông đã suy ngẫm việc viết một bài báo mang tính cách mạng “về việc diễn giải lại các mối quan hệ động học và cơ học theo lý thuyết lượng tử”. Tuy nhiên, điều ông cũng chẳng ngờ tới là sau khi được công bố, bài báo đã mở ra một kỷ nguyên mới trong vật lý học.

Trước đó, các nhà khoa học đã nhận ra rằng vật lý cổ điển của Newton không thể giải thích được nhiều hiện tượng ở cấp độ nguyên tử.

Nhà vật lý thiên tài Albert Einstein đã góp phần vào sự phát triển của vật lý - cơ học lượng tử (Ảnh: PBS).

Max Planck đã phát hiện ra rằng, năng lượng được hấp thụ và phát ra theo từng “gói” riêng biệt gọi là lượng tử (quantum). Einstein đã sử dụng ý tưởng này để giải thích hiệu ứng quang điện. Nhưng chính Heisenberg và các cộng sự của ông mới là người xây dựng nên một hệ thống lý thuyết hoàn chỉnh của một bộ môn mới trong vật lý - cơ học lượng tử.

Điều đặc biệt là cơ học lượng tử không chỉ đơn giản là một lý thuyết mới thay thế lý thuyết cũ. Nó đòi hỏi chúng ta phải từ bỏ những quan niệm trực giác về thực tại.

Trong thế giới lượng tử, các hạt có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc (gọi là chồng chập lượng tử), có thể ảnh hưởng lẫn nhau ngay lập tức dù cách xa hàng triệu dặm (vướng víu lượng tử), và chúng ta không thể biết chính xác cả vị trí lẫn động lượng của một hạt tại cùng một thời điểm (theo Nguyên lý bất định Heisenberg).

Từ lý thuyết đến ứng dụng rộng rãi

Nhiều người nghĩ cơ học lượng tử chỉ là những công thức toán học phức tạp trong phòng thí nghiệm. Nhưng thực tế, nó đã len lỏi vào mọi ngóc ngách của cuộc sống hiện đại.

Hầu hết các thiết bị điện tử mà chúng ta sử dụng hàng ngày đều hoạt động dựa trên nguyên lý lượng tử. Chiếc điện thoại thông minh trong túi bạn chứa hàng tỷ transistor - thiết bị được phát minh dựa trên hiểu biết về cơ học lượng tử của chất bán dẫn.

Không có cơ học lượng tử, chúng ta sẽ không có máy tính, không có Internet, không có GPS... Hay Laser - một phát minh quan trọng khác dựa trên nguyên lý lượng tử - được sử dụng rộng rãi từ máy đọc mã vạch ở siêu thị, đầu đọc CD/DVD, cho đến các ca phẫu thuật mắt và truyền dữ liệu qua cáp quang…

Máy chụp cộng hưởng từ (MRI) hoạt động dựa trên nguyên lý cộng hưởng từ hạt nhân - một hiện tượng lượng tử (Ảnh: ST).

Y học hiện đại cũng được hưởng lợi ích to lớn từ cơ học lượng tử. Máy chụp cộng hưởng từ (MRI) hoạt động dựa trên nguyên lý cộng hưởng từ hạt nhân - một hiện tượng lượng tử.

Các phương pháp điều trị ung thư bằng tia phóng xạ cũng dựa trên hiểu biết về vật lý lượng tử của hạt nhân nguyên tử.

Ngay cả những điều tưởng chừng xa vời như vũ trụ học cũng cần đến cơ học lượng tử. Chúng ta hiểu được tại sao các ngôi sao tỏa sáng, làm thế nào chúng sinh ra các nguyên tố nặng, và cuối cùng chết đi như thế nào - tất cả đều nhờ vào cơ học lượng tử.

Nó giải thích tại sao vật chất rắn không sụp đổ, tại sao kim loại dẫn điện, và vô số hiện tượng khác trong tự nhiên.

Những “nhân vật ẩn” của lịch sử

Khi nhìn lại bức ảnh lịch sử của các nhà vật lý lượng tử, chúng ta thường chỉ nhận ra những tên tuổi nổi tiếng như Einstein, Heisenberg hay Schrödinger. Nhưng câu chuyện về sự phát triển lĩnh vực này còn có nhiều nhân vật khác đã bị lãng quên, đặc biệt là phụ nữ.

Lucy Mensing là một trong những người phụ nữ như vậy. Bà làm việc trong cùng nhóm với Heisenberg và đã tính toán một số ứng dụng đầu tiên của lý thuyết cơ học lượng tử của ông. 

Bên cạnh đó còn có nhiều nhà khoa học nữ khác đóng góp quan trọng nhưng không được ghi nhận xứng đáng trong lịch sử. Năm 2025, một tập sách tiểu sử về 16 nhà khoa học nữ trong lịch sử vật lý lượng tử sẽ được xuất bản, giúp làm sáng tỏ những đóng góp bị lãng quên này.

Máy tính lượng tử do Trung Quốc nghiên cứu và phát triển (Ảnh: The Quantum Insider).

Điều này nhắc chúng ta rằng khoa học không phải là công việc của những thiên tài cô độc, mà là nỗ lực tập thể của nhiều người. Mỗi phát hiện đều được xây dựng trên nền tảng của vô số công trình nghiên cứu trước đó và thành công của cơ học lượng tử là kết quả của sự hợp tác quốc tế vượt qua mọi rào cản chính trị và văn hóa.

Cuộc cách mạng lượng tử thứ hai

Nếu thế kỷ 20 chứng kiến sự ra đời và phát triển của cơ học lượng tử như một lý thuyết khoa học, thì thế kỷ 21 đang mở ra kỷ nguyên của “cuộc cách mạng lượng tử thứ hai”.

Đó là khi con người bắt đầu khai thác trực tiếp những tính chất kỳ lạ của cơ học lượng tử để tạo ra các công nghệ hoàn toàn mới.

Máy tính lượng tử là một trong những công nghệ được mong đợi nhất. Khác với máy tính truyền thống sử dụng bit chỉ có thể ở trạng thái 0 hoặc 1, máy tính lượng tử sử dụng qubit có thể ở cả hai trạng thái cùng lúc nhờ nguyên lý “chồng chập lượng tử”.

Điều này cho phép máy tính lượng tử thực hiện nhiều phép tính song song, có khả năng giải quyết trong vài ngày hoặc thậm chí là chỉ vài giờ những bài toán mà máy tính truyền thống cần hàng triệu năm để tính ra.

Máy tính lượng tử cũng hứa hẹn sẽ cách mạng hóa nhiều lĩnh vực. Trong y học, chúng có thể mô phỏng chính xác cấu trúc phân tử phức tạp, giúp phát triển các dòng thuốc mới nhanh và hiệu quả hơn.

Trong khoa học vật liệu, máy tính lượng tử có thể thiết kế các vật liệu mới với tính chất đặc biệt. Trong lĩnh vực tài chính, chúng có thể tối ưu hóa danh mục đầu tư và phân tích rủi ro ở mức độ chưa từng có.

Nhật Bản là một trong những quốc gia đi đầu trong nghiên cứu công nghệ lượng tử (Ảnh: DigWatch).

Cảm biến lượng tử là một lĩnh vực ứng dụng khác đầy hứa hẹn, sử dụng các hiệu ứng lượng tử, những cảm biến này có độ nhạy cực cao, có thể đo được những thay đổi nhỏ nhất của từ trường, trọng trường hoặc thời gian.

Chúng có thể được sử dụng trong y học để phát hiện sớm các căn bệnh, trong địa chất để tìm kiếm tài nguyên, hoặc để định vị chính xác mà không cần GPS.

Truyền thông lượng tử, đặc biệt là mật mã lượng tử, cung cấp phương thức truyền tin an toàn tuyệt đối. Dựa trên nguyên lý cơ học lượng tử, bất kỳ nỗ lực nghe lén nào cũng sẽ làm thay đổi trạng thái lượng tử và bị phát hiện ngay lập tức.

Một số quốc gia đã bắt đầu xây dựng mạng lưới truyền thông lượng tử và trong tương lai, Internet lượng tử có thể trở thành hiện thực.

Thách thức và cơ hội cho Việt Nam

 Trong bối cảnh cuộc cách mạng lượng tử thứ hai đang diễn ra, Việt Nam cần có chiến lược để không bị tụt hậu. Đầu tư vào nghiên cứu và giáo dục về khoa học lượng tử là điều đã trở nên cấp thiết.

Chúng ta cần đào tạo những thế hệ mới các nhà khoa học và kỹ sư hiểu biết về công nghệ lượng tử, đồng thời xây dựng cơ sở hạ tầng nghiên cứu phù hợp.

Tại Việt Nam, nhiều chuyên gia, nhà khoa học đang hợp tác với nhau để nghiên cứu công nghệ lượng tử (Ảnh: President Club).

Việc hợp tác quốc tế cũng rất quan trọng. Như lịch sử đã chứng minh, những đột phá trong khoa học thường đến từ sự hợp tác vượt biên giới. Việt Nam cần tích cực tham gia vào các dự án nghiên cứu quốc tế về công nghệ lượng tử, học hỏi kinh nghiệm từ các nước tiên tiến.

Đồng thời, chúng ta cũng cần phổ biến kiến thức về cơ học lượng tử cho công chúng. Nhiều người vẫn coi đây là lĩnh vực quá phức tạp và xa vời, nhưng như đã thấy, nó ảnh hưởng đến mọi khía cạnh của cuộc sống hiện đại.

Hiểu biết cơ bản về cơ học lượng tử sẽ giúp mọi người đánh giá được tầm quan trọng của các công nghệ mới và đưa ra quyết định sáng suốt về tương lai.

Nhìn về tương lai

Khi nhìn lại bức ảnh của các nhà tiên phong vật lý lượng tử, chúng ta không chỉ thấy những con người đã thay đổi cách nhân loại hiểu về vũ trụ, mà còn thấy tinh thần khoa học - sự say mê tìm tòi, sẵn sàng đương đầu thách thức những quan niệm cũ và hợp tác vượt qua mọi ranh giới.

Tinh thần đó vẫn rất cần thiết để vươn tới những đỉnh cao của khoa học trong thế kỷ 21.

Năm nay không chỉ là dịp để ăn mừng 100 năm cơ học lượng tử, mà còn là thời điểm để nhìn về phía trước.

Với sự phát triển của công nghệ lượng tử, chúng ta đang đứng trước ngưỡng cửa của những khả năng mới chưa từng có. Máy tính lượng tử có thể giúp giải quyết những thách thức lớn nhất của nhân loại - từ biến đổi khí hậu đến phát triển thuốc chữa bệnh nan y.

Cảm biến lượng tử có thể mở ra những cách thức mới để khám phá vũ trụ và hiểu về bản thân con người. Truyền thông lượng tử có thể tạo ra một thế giới kết nối an toàn và riêng tư hơn.

Cơ học lượng tử đã chứng minh rằng thực tại phức tạp và kỳ diệu hơn nhiều so với những gì chúng ta tưởng tượng. Chính vì thế, có lẽ bài học lớn nhất từ 100 năm cơ học lượng tử là: Hãy luôn luôn sẵn sàng để ngạc nhiên, luôn luôn tò mò và không bao giờ ngừng khám phá.

Nguồn: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/100-nam-co-hoc-luong-tu-nhung-con-nguoi-thay-doi-the-gioi-20250626124351568.htm