TED2011
Aaron O'Connell: Making sense of a visible quantum object
Aaron O'Connell: Tìm hiểu một vật thể cơ học nhìn thấy được
Filmed:
Readability: 3.2
1,482,555 views
Các nhà vật lý học đã quen với quan niệm cho rằng các hạt hạ phân tử tuân theo các quy luật kỳ lạ của cơ học lượng tử, hoàn toàn khác với các vật có kích thước thuộc thang đo của con người. Trong một thí nghiệm mang tính đột phá, Aaron O'Connell làm lu mờ luận định đó bằng cách tạo ra một vật thể nhìn thấy được bằng mắt thường, nhưng có thể ở 2 địa điểm cùng một lúc. Trong bài nói chuyện này anh đưa ra một cách nghĩ thú vị để tìm ra kết quả.
Aaron O'Connell - Physicist
Aaron O'Connell is the first person to experimentally induce and measure quantum effects in the motion of a humanmade object, bridging the quantum and classical worlds. Full bio
Aaron O'Connell is the first person to experimentally induce and measure quantum effects in the motion of a humanmade object, bridging the quantum and classical worlds. Full bio
Double-click the English transcript below to play the video.
00:15
This is a representation of your brain,
0
0
3000
Đây là hình biểu diễn não bộ của bạn.
00:18
and your brain can be broken into two parts.
1
3000
3000
Và não bộ của bạn có thể chia thành 2 phần.
00:21
There's the left half, which is the logical side,
2
6000
2000
Có nửa trái, nửa thiên về logic,
00:23
and then the right half,
3
8000
2000
và nửa phải,
00:25
which is the intuitive.
4
10000
2000
nửa thiên về trực giác.
00:27
And so if we had a scale to measure the aptitude of each hemisphere,
5
12000
3000
Và nếu chúng ta có một thang đo khả năng của mỗi bán cầu,
00:30
then we can plot our brain.
6
15000
2000
chúng ta có thể vẽ sơ đồ não bộ.
00:32
And for example, this would be somebody who's completely logical.
7
17000
3000
Và ví dụ, đây sẽ là ai đó có thiên hướng lập luận logic.
00:35
This would be someone who's entirely intuitive.
8
20000
3000
Và đây là một người thiên hoàn toàn về trực giác.
00:39
So where would you put your brain on this scale?
9
24000
3000
Vậy não bộ của bạn sẽ ở đâu trong thang đo này?
00:42
Some of us may have opted for one of these extremes,
10
27000
3000
Vài người trong số chúng ta có thể chọn một trong hai thái cực,
00:45
but I think for most people in the audience,
11
30000
2000
nhưng tôi nghĩ với đa số khán thính giả,
00:47
your brain is something like this --
12
32000
2000
não bộ của bạn sẽ như thế này --
00:49
with a high aptitude in both hemispheres at the same time.
13
34000
3000
với khả năng cao ở 2 bán cầu não cùng lúc.
00:52
It's not like they're mutually exclusive or anything.
14
37000
2000
Không phải là chúng nhất thiết phải riêng rẽ.
00:54
You can be logical and intuitive.
15
39000
2000
Cùng một lúc bạn có thể tuân theo vừa logic vừa trực giác
00:56
And so I consider myself one of these people,
16
41000
3000
Và do đó tôi cho rằng tôi là một trong số những người đó,
00:59
along with most of the other experimental quantum physicists,
17
44000
3000
bên cạnh đa số những nhà vật lý lượng tử thực nghiệm khác,
01:02
who need a good deal of logic
18
47000
2000
những người cần có logic tốt
01:04
to string together these complex ideas.
19
49000
2000
để móc nối những ý tưởng phức hợp
01:06
But at the same time, we need a good deal of intuition
20
51000
3000
Nhưng cùng lúc, chúng ta cần trực giác tốt
01:09
to actually make the experiments work.
21
54000
2000
để làm thí nghiệm hiệu quả.
01:11
How do we develop this intuition? Well we like to play with stuff.
22
56000
3000
Làm thế nào để phát triển trực giác? Chúng ta thích chơi với các thứ.
01:14
So we go out and play with it, and then we see how it acts,
23
59000
3000
Vậy chúng ta ra ngoài và chơi với nó, và chúng ta xem nó hoạt động như thế nào.
01:17
and then we develop our intuition from there.
24
62000
3000
Và chúng ta phát triển trực giác theo cách đó.
01:20
And really you do the same thing.
25
65000
2000
Và thực sự bạn làm điều y hệt thế.
01:22
So some intuition
26
67000
2000
Vậy một trực giác
01:24
that you may have developed over the years
27
69000
2000
mà bạn có thể đã phát triển qua các năm
01:26
is that one thing is only in one place at a time.
28
71000
4000
là một vật chỉ có thể ở một chỗ tại một thời điểm xét.
01:30
I mean, it can sound weird to think about
29
75000
3000
Ý tôi là, nghe có vẻ kỳ cục khi nghĩ rằng
01:33
one thing being in two different places at the same time,
30
78000
4000
một thứ có thể ở hai nơi trong cùng một thời điểm,
01:37
but you weren't born with this notion, you developed it.
31
82000
3000
nhưng bạn không được sinh ra với lập luận này, bạn phát triển nó.
01:40
And I remember watching a kid playing on a car stop.
32
85000
3000
Và tôi nhớ mình từng quan sát một đứa trẻ chơi với một cái chặn xe hơi.
01:43
He was just a toddler and he wasn't very good at it, and he kept falling over.
33
88000
3000
Nó mới chỉ là một đứa trẻ mới chập chững biết đi, và nó cứ vấp ngã luôn.
01:46
But I bet playing with this car stop taught him a really valuable lesson,
34
91000
3000
Nhưng tôi cược là với cái chặn xe đã dạy cho nó một bài học hết sức có giá trị,
01:49
and that's that large things don't let you get right past them,
35
94000
4000
và đó là những vật to lớn không cho phép bạn bước qua nó,
01:53
and that they stay in one place.
36
98000
3000
và chúng luôn ở nguyên một chỗ.
01:56
And so this is a great conceptual model to have of the world,
37
101000
3000
Và vì thế đây là một hình mẫu cơ sở về thế giới,
01:59
unless you're a particle physicist.
38
104000
2000
trừ khi bạn là một nhà vật lý nguyên tử,
02:01
It'd be a terrible model for a particle physicist,
39
106000
2000
Nó sẽ là một hình mẫu kinh khủng cho một nhà vật lý nguyên tử,
02:03
because they don't play with car stops,
40
108000
2000
bởi họ không đùa nghịch với những cái chặn xe hơi,
02:05
they play with these little weird particles.
41
110000
3000
họ chơi đùa với những phân tử bé nhỏ kỳ lạ.
02:08
And when they play with their particles,
42
113000
2000
Và khi họ chơi đùa với những phân tử của họ,
02:10
they find they do all sorts of really weird things --
43
115000
2000
họ thấy họ làm những việc hơi kỳ cục --
02:12
like they can fly right through walls,
44
117000
3000
như thể họ có thể bay qua các bức tường,
02:15
or they can be in two different places at the same time.
45
120000
4000
hoặc họ có thể ở hai nơi khác nhau trong cùng một thời điểm.
02:19
And so they wrote down all these observations,
46
124000
3000
Và thế là họ viết ra toàn bộ những quan sát đó,
02:22
and they called it the theory of quantum mechanics.
47
127000
4000
và họ gọi đó là lý thuyết của cơ học lượng tử.
02:26
And so that's where physics was at a few years ago;
48
131000
3000
Và đó là vật lý vài năm về trước;
02:29
you needed quantum mechanics
49
134000
2000
bạn cần cơ học lượng tử
02:31
to describe little, tiny particles.
50
136000
2000
để mô tả những phân tử nhỏ xíu.
02:33
But you didn't need it
51
138000
2000
Nhưng bạn không cần nó
02:35
to describe the large, everyday objects around us.
52
140000
4000
để mô tả các vật thể lớn trong đời sống quanh ta.
02:39
This didn't really sit well with my intuition,
53
144000
3000
Điều này không thực sự phù hợp với trực giác của tôi,
02:42
and maybe it's just because I don't play with particles very often.
54
147000
3000
và có thể chỉ vì tôi không thường xuyên chơi đùa với các phân tử.
02:45
Well, I play with them sometimes,
55
150000
2000
Vâng, thỉnh thoảng tôi có chơi đùa với chúng,
02:47
but not very often.
56
152000
2000
nhưng không thường xuyên.
02:49
And I've never seen them.
57
154000
2000
Và tôi chưa từng thấy chúng.
02:51
I mean, nobody's ever seen a particle.
58
156000
3000
Ý tôi là, chưa ai từng nhìn thấy tận mắt một phân tử.
02:54
But it didn't sit well with my logical side either.
59
159000
3000
Nhưng nó cũng không phù hợp với khía cạnh logic của tôi.
02:57
Because if everything is made up of little particles
60
162000
3000
Bởi vì nếu mọi thứ được tạo thành bởi các hạt phân tử
03:00
and all the little particles
61
165000
2000
và tất cả các hạt phân tử
03:02
follow quantum mechanics,
62
167000
2000
đều tuân theo cơ học lượng tử,
03:04
then shouldn't everything just follow quantum mechanics?
63
169000
3000
thì lẽ ra mọi vật đều phải tuân theo cơ học lượng tử?
03:09
I don't see any reason why it shouldn't.
64
174000
3000
Tôi không thấy lý do nào cho rằng không thể như vậy.
03:12
And so I'd feel a lot better about the whole thing
65
177000
2000
Và thế là tôi cảm thấy tốt hơn hẳn về toàn bộ sự việc
03:14
if we could somehow show
66
179000
2000
nếu chúng ta có thể bằng một cách nào đó cho thấy
03:16
that an everyday object
67
181000
2000
rằng một vật thể bình thường
03:18
also follows quantum mechanics.
68
183000
2000
cũng tuân theo cơ học lượng tử.
03:20
So a few years ago, I set off to do just that.
69
185000
3000
Vậy vài năm trước, tôi bắt đầu làm như vậy.
03:23
So I made one.
70
188000
3000
Tôi làm được một cái.
03:26
This is the first object
71
191000
2000
Đây là vật thể đầu tiên
03:28
that you can see
72
193000
2000
mà bạn có thể nhìn thấy
03:30
that has been in a mechanical quantum superposition.
73
195000
3000
mà đã ở trong một sự chồng chập lượng tử.
03:33
So what we're looking at here
74
198000
2000
Vậy cái mà chúng ta nhìn thấy ở đây
03:35
is a tiny computer chip.
75
200000
2000
là một chip vi tính nhỏ.
03:37
And you can sort of see this green dot right in the middle.
76
202000
3000
Và bạn có thể nhìn thấy chấm màu xanh ở chính giữa.
03:40
And that's this piece of metal I'm going to be talking about in a minute.
77
205000
3000
Và rằng mẩu kim loại mà tôi chuẩn bị nói tới này trong một phút nữa.
03:43
This is a photograph of the object.
78
208000
2000
Đây là một bức ảnh của vật thể này.
03:45
And here I'll zoom in a little bit. We're looking right there in the center.
79
210000
3000
Và ở đây tôi sẽ phóng to lên một chút. Chúng ta đang nhìn thẳng vào phần trung tâm.
03:48
And then here's a really, really big close-up of the little piece of metal.
80
213000
3000
Và đây là một ảnh siêu lớn cận cảnh của mẩu kim loại.
03:51
So what we're looking at is a little chunk of metal,
81
216000
2000
Và điều chúng ta đang nhìn vào là một mẩu kim loại,
03:53
and it's shaped like a diving board, and it's sticking out over a ledge.
82
218000
3000
và nó có dáng như một chiếc ván trượt, và nó đang chìa ra ở rìa.
03:56
And so I made this thing
83
221000
2000
Và thế là tôi làm thứ này
03:58
in nearly the same way as you make a computer chip.
84
223000
2000
theo cách gần như cách làm một chip điện tử.
04:00
I went into a clean room with a fresh silicon wafer,
85
225000
3000
Tôi bước vào một căn phòng vô trùng với một mạch bán dẫn silic
04:03
and then I just cranked away at all the big machines for about 100 hours.
86
228000
3000
và tôi vận hành với các máy móc cỡ lớn trong khoảng 100 giờ.
04:06
For the last stuff, I had to build my own machine --
87
231000
2000
Cuối cùng, tôi phải tự tạo ra chiếc máy của mình --
04:08
to make this swimming pool-shaped hole
88
233000
3000
để làm ra cái hố dạng bể bơi này
04:11
underneath the device.
89
236000
2000
ở bên dưới thiết bị.
04:13
This device has the ability
90
238000
2000
Thiết bị có khả năng
04:15
to be in a quantum superposition,
91
240000
2000
ở trạng thái chồng chất lượng tử,
04:17
but it needs a little help to do it.
92
242000
2000
nhưng nó cần một chút giúp đỡ.
04:19
Here, let me give you an analogy.
93
244000
2000
Đây, để tôi cho các bạn một phép loại suy.
04:21
You know how uncomfortable it is to be in a crowded elevator?
94
246000
3000
Bạn hiểu khó chịu như thế nào khi ở trong một chiếc thang máy chật cứng người?
04:24
I mean, when I'm in an elevator all alone, I do all sorts of weird things,
95
249000
3000
Ý tôi là, khi tôi ở trong một chiếc thang máy một mình, tôi làm đủ trò kỳ cục,
04:27
but then other people get on board
96
252000
2000
nhưng khi những người khác bước vào
04:29
and I stop doing those things
97
254000
2000
và tôi dừng làm những trò đó,
04:31
because I don't want to bother them,
98
256000
2000
vì tôi không muốn làm phiền họ,
04:33
or, frankly, scare them.
99
258000
3000
hoặc, thật lòng mà nói, làm kinh sợ họ.
04:36
So quantum mechanics says
100
261000
2000
Vậy cơ học lượng tử cho rằng
04:38
that inanimate objects feel the same way.
101
263000
3000
các vật tĩnh cũng cảm thấy như vậy.
04:41
The fellow passengers for inanimate objects
102
266000
2000
Những người đi cùng thang máy đối với các vật thể tĩnh
04:43
are not just people,
103
268000
2000
không chỉ là con người,
04:45
but it's also the light shining on it
104
270000
2000
mà còn là ánh sáng chiếu vào nó
04:47
and the wind blowing past it and the heat of the room.
105
272000
3000
và gió thổi qua nó và nhiệt độ trong phòng.
04:50
And so we knew, if we wanted to see
106
275000
2000
Và thế là chúng ta biết rằng, nếu chúng ta muốn nhìn thấy
04:52
this piece of metal behave quantum mechanically,
107
277000
3000
mẩu kim loại này hoạt động theo nguyên tắc cơ học lượng tử,
04:55
we're going to have to kick out all the other passengers.
108
280000
2000
chúng ta sẽ phải loại ra tất cả các "người đi cùng" khác.
04:57
And so that's what we did.
109
282000
2000
Và đó là điều chúng tôi đã làm.
04:59
We turned off the lights,
110
284000
2000
Chúng tôi tắt đèn đi,
05:01
and then we put it in a vacuum and sucked out all the air,
111
286000
2000
và chúng tôi đặt nó vào môi trường chân không,
05:03
and then we cooled it down
112
288000
2000
làm lạnh nó
05:05
to just a fraction of a degree above absolute zero.
113
290000
2000
chỉ trên nhiệt độ 0 tuyệt đối (-273 độ C) một chút xíu.
05:07
Now, all alone in the elevator,
114
292000
2000
Bây giờ, một mình trong thang máy,
05:09
the little chunk of metal is free to act however it wanted.
115
294000
2000
mẩu kim loại tự do hoạt động theo bất kỳ cách nào nó muốn.
05:11
And so we measured its motion.
116
296000
2000
Và rồi chúng tôi đo chuyển động của nó.
05:13
We found it was moving in really weird ways.
117
298000
2000
Chúng tôi thấy rằng nó chuyển động theo những cách hết sức kỳ lạ.
05:15
Instead of just sitting perfectly still, it was vibrating,
118
300000
3000
Thay vì chỉ đứng yên một chỗ, nó rung.
05:18
and the way it was vibrating was breathing something like this --
119
303000
3000
Và cách thức dao động của nó thể hiện như thế này --
05:21
like expanding and contracting bellows.
120
306000
2000
như một cái bể: dãn ra và co vào.
05:23
And by giving it a gentle nudge,
121
308000
2000
Bằng cách cho nó một cú thúc,
05:25
we were able to make it both vibrate
122
310000
2000
chúng tôi có thể làm cho nó vừa rung
05:27
and not vibrate
123
312000
2000
và vừa không rung
05:29
at the same time --
124
314000
2000
trong cùng một thời điểm --
05:31
something that's only allowed with quantum mechanics.
125
316000
3000
điều mà chỉ xảy ra với cơ học lượng tử.
05:34
So what I'm telling you here is something truly fantastic.
126
319000
3000
Vậy điều tôi đang nói ở đây là một thứ gì đó thực sự tuyệt vời.
05:37
What does it mean for one thing
127
322000
2000
Có nghĩa gì khi một vật thể
05:39
to be both vibrating and not vibrating
128
324000
2000
vừa rung vừa không rung
05:41
at the same time?
129
326000
2000
trong cùng một thời điểm?
05:43
So let's think about the atoms.
130
328000
2000
Vậy hãy suy nghĩ về các hạt nguyên tử.
05:45
So in one case:
131
330000
2000
Vậy một trường hợp:
05:47
all the trillions of atoms that make up that chunk of metal
132
332000
3000
toàn bộ hàng nghìn tỷ nguyên tử tạo nên mẩu kim loại đó
05:50
are sitting still
133
335000
2000
đang ngồi yên một chỗ
05:52
and at the same time those same atoms
134
337000
2000
và trong cùng thời điểm đó chính những nguyên tử đó
05:54
are moving up and down.
135
339000
2000
đang chuyển động lên xuống.
05:56
Now it's only at precise times when they align.
136
341000
3000
Bây giờ ở những thời điểm xác định khi chúng thẳng hàng.
05:59
The rest of the time they're delocalized.
137
344000
2000
Thời gian còn lại chúng bị đẩy tới hỗn loạn.
06:01
That means that every atom
138
346000
2000
Điều này có nghĩa là mọi nguyên tử
06:03
is in two different places at the same time,
139
348000
2000
đều ở hai nơi khác nhau trong cùng một thời điểm,
06:05
which in turn means the entire chunk of metal
140
350000
3000
đồng nghĩa với việc toàn thể miếng kim loại
06:08
is in two different places.
141
353000
2000
ở hai nơi khác nhau.
06:10
I think this is really cool.
142
355000
2000
Tôi nghĩ điều này hết sức thú vị.
06:12
(Laughter)
143
357000
2000
(Tiếng cười)
06:14
Really.
144
359000
2000
Thật đấy.
06:16
(Applause)
145
361000
3000
(Vỗ tay)
06:19
It was worth locking myself in a clean room to do this for all those years
146
364000
5000
Thật đáng để tôi tự nhốt mình trong một căn phòng vô trùng làm việc suốt những năm qua.
06:24
because, check this out,
147
369000
2000
Bởi vì, nhìn này,
06:26
the difference in scale
148
371000
2000
tỉ lệ
06:28
between a single atom and that chunk of metal
149
373000
2000
giữa một nguyên tử và mẩu kim loại
06:30
is about the same as the difference
150
375000
2000
gần bằng tỉ lệ
06:32
between that chunk of metal and you.
151
377000
2000
giữa mẩu kim loại đó và bạn.
06:34
So if a single atom can be in two different places at the same time,
152
379000
3000
Vậy nếu một nguyên tử đơn có thể ở hai nơi khác nhau trong cùng một thời điểm,
06:37
that chunk of metal can be in two different places,
153
382000
3000
mẩu kim loại có thể ở hai nơi khác nhau,
06:40
then why not you?
154
385000
2000
sao bạn lại không thể?
06:42
I mean, this is just my logical side talking.
155
387000
3000
Ý tôi là, đây là tiếng nói của khía cạnh logic trong tôi.
06:46
So imagine if you're in multiple places at the same time,
156
391000
4000
Vậy tưởng tượng nếu bạn ở nhiều nơi khác nhau trong cùng một thời điểm,
06:50
what would that be like?
157
395000
3000
nó sẽ như thế nào?
06:53
How would your consciousness
158
398000
2000
Nhận thức của bạn
06:55
handle your body being delocalized in space?
159
400000
4000
sẽ điều khiển cơ thể bạn bị phân tách trong không gian như thế nào?
06:59
There's one more part to the story.
160
404000
2000
Có một phần khác của câu chuyện.
07:01
It's when we warmed it up,
161
406000
2000
Là khi chúng tôi làm ấm nó lên,
07:03
and we turned on the lights and looked inside the box,
162
408000
3000
và bật đèn và nhìn vào trong chiếc hộp,
07:06
we saw that the piece metal was still there in one piece.
163
411000
4000
chúng tôi thấy mẩu kim loại vẫn ở đó nguyên vẹn.
07:10
And so I had to develop this new intuition,
164
415000
3000
Và tôi phát triển trực giác,
07:13
that it seems like all the objects in the elevator
165
418000
3000
cho rằng có vẻ như là mọi vật thể trong thang máy
07:16
are really just quantum objects
166
421000
2000
là những vật thể lượng tử
07:18
just crammed into a tiny space.
167
423000
2000
bị nhồi vào trong một không gian bé xíu.
07:20
You hear a lot of talk
168
425000
2000
Bạn nghe rất nhiều cuộc nói chuyện
07:22
about how quantum mechanics says that everything is all interconnected.
169
427000
3000
về cách mà cơ học lượng tử nói rằng mọi vật đều có mối liên hệ với nhau.
07:25
Well, that's not quite right.
170
430000
2000
Không hẳn như vây;
07:27
It's more than that; it's deeper.
171
432000
3000
nó còn hơn thế, nó sâu sắc hơn.
07:30
It's that those connections,
172
435000
2000
Những mối liên kết đó,
07:32
your connections to all the things around you,
173
437000
3000
mối liên kết giữa bạn và toàn thể những thứ quanh bạn,
07:35
literally define who you are,
174
440000
3000
xác định bạn là ai theo nghĩa đen.
07:38
and that's the profound weirdness of quantum mechanics.
175
443000
3000
Và đó là sự kỳ cục đầy sâu sắc của cơ học lượng tử.
07:41
Thank you.
176
446000
2000
Cảm ơn.
07:43
(Applause)
177
448000
2000
(Vỗ tay)
ABOUT THE SPEAKER
Aaron O'Connell - PhysicistAaron O'Connell is the first person to experimentally induce and measure quantum effects in the motion of a humanmade object, bridging the quantum and classical worlds.
Why you should listen
Growing up reading philosophy, playing guitar, and generally not thinking about science, Aaron O’Connell never expected to revolutionize the world of physics. But an inspiring stuffed-monkey-shot-from-a-cannon demonstration and a series of positive research experiences as an undergraduate propelled him to graduate school at UCSB.
While there, in an experiment remarkable both for its conceptual simplicity and technical difficulty, O’Connell was the first person to measure quantum effects in an object large enough to see with the naked eye. Named Breakthrough of the year by Science Magazine, the experiment shattered the previous record for the largest quantum object, showing decisively that there is no hard line between the quantum and everyday worlds.
Aaron O'Connell | Speaker | TED.com