Đề tài tương tác điện từ từ cổ điển đến lượng tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Khoa Vật Lý- lớp Lý 3A    Giáo viên hướng dẫn : TSKH Lê Văn Hồng Nhóm thực hiện: Đỗ Thị Thu Hà Vũ Thanh Huy Nguyễn Văn Hùng Hồng Văn Hưng Thành phố Hồ Chí Minh, tháng – 2009 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng MỞ ĐẦU TỔNG QUAN NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẶC LÝ THUYẾT I Các tương tác tự nhiện I.1 Tương tác hấp dẫn: "Chất keo dính vũ trụ " I.1.1 Quan điểm Newton I.1.2 Quan điểm Einstein (tương đối): .6 I.1.3 Quan điểm lượng tử: .7 I.2 Tương tác điện từ: "Chất keo dính nguyên tử" .7 I.2.1 Trường điện từ I.2.2 Cơ học lượng tử: I.3 Tương tác mạnh: " Chất keo dính hạt " I.4 Tương tác yếu: II Sự phát triển quan điểm tương tác điện từ II.1 Tương tác điện từ - quan điểm cổ đại .9 II.1.1 Sự xuất danh từ “điện” II.1.2 Sự xuất danh từ “từ” .10 II.2 Tương tác điện từ - thuyết trường điện từ 11 II.2.1 Tương tác tĩnh điện 11 II.2.1.1 Điện tích - Định luật bảo tồn điện tích .11 II.2.1.2 Điện tích cấu trúc vật chất 13 II.2.1.3 Tương tác điện tích điểm - Định luật Coulomb 16 II.2.1.3.1 Thí nghiệm đo lực điện 16 II.2.1.3.2 Định luật Coulomb: 18 II.2.2 Điện trường ? 19 II.2.2.1 Điện trường lực điện 19 II.2.2.2 Véctơ cường độ điện trường 20 II.2.2.3 Nguyên lý chồng chất điện trường 22 II.2.2.4 Đường sức điện trường – định luật Gauss cho điện trường .22 II.2.2.5 Năng lượng điện trường 25 II.2.3 Tương tác tĩnh từ 26 II.2.3.1 Từ tích - đơn cực từ : 27 II.2.3.2 Định luật Ampere tương tác hai yếu tố dòng 28 II.2.4 Từ trường gì? 29 II.2.4.1 Từ trường lực từ .29 II.2.4.2 Véctơ từ trường 30 II.2.4.3 Nguyên lý chồng chất từ trường: 31 II.2.4.4 Đường cảm ứng từ - định luật Gauss cho từ trường: 32 II.2.4.4.1 Đường cảm ứng từ .32 II.2.4.4.2 Định luật Gauss cho từ trường 32 II.2.4.5 Năng lượng từ trường 33 II.2.5 Điện từ trường 35 II.2.5.1 Từ trường biến thiên - nguồn sinh điện trường 35 II.2.5.1.1 Định luật Faraday cảm ứng điện từ: 35 II.2.5.1.2 Luận điểm thứ Maxwelll 37 Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng II.2.5.2 Điện trường biến thiên - nguồn sinh từ trường 39 II.2.5.2.1 Định luật Ampere lưu thông từ trường: 39 II.2.5.2.2 Khái niệm dòng điện dịch - luận điểm thứ hai Maxwell: 40 II.2.5.3 Trường điện từ - môi trường vật chất 43 II.2.5.4 Hệ phương trình Maxwell .43 II.3 Bộ rung điện Herzt - chứng thực nghiệm cho lý thuyết trường điện từ 45 II.3.1 Cấu tạo: 45 II.3.2 Kết thí nghiệm 46 II.3.3 Phát sóng điện từ 46 II.3.4 Kết luận 47 II.4 Tương tác điện từ - thuyết trường lượng tử (QED) 48 II.4.1 Thí nghiệm Lamb-Retherfor: 49 II.4.1.1 Phương án thí nghiệm 49 II.4.1.2 Kết thí nghiệm 50 II.4.1.3 Phân tích kết thí nghiệm: 50 II.4.2 Hạt nhân thuyết điện động lực học lượng tử (QED) 52 II.4.2.1 Khái niệm trường lượng tử 52 II.4.2.2 Chân không lượng tử 53 II.4.2.2.1 Chân khơng ? .53 II.4.2.2.2 Vậy chân khơng lượng tử gì? 54 II.4.3 Điện động lực học lượng tử .56 II.4.3.1 Định nghĩa 56 II.4.3.2 “Photon ảo” tính chất tương tác điện từ theo QED 57 II.4.3.3 Tái chuẩn hóa 58 II.4.4 Thực nghiệm kiểm tra thuyết 60 II.4.4.1 Giải thích dịch chuyển Lamb 60 II.4.4.2 Moment từ dị thường electron 61 II.4.4.3 Hiệu ứng Casisir - lực xuất từ chân không 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .65 Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng MỞ ĐẦU Tương tác điện từ tương tác bản, vô phổ biến quan trọng vũ trụ, tầm ảnh hưởng ứng dụng ngày mở rộng mặt sống Thế hệ thống kiến thức tương tác điện từ chưa trình bày cách có hệ thống, có tính khái qt cao Một phận khơng nhỏ sinh viên cịn chưa có hệ thống kiến thức đầy đủ, logic, khoa học tương tác điện tử Cũng nhằm đáp ứng nhu cầu phận không nhỏ người đam mê nghiên cứu tượng điện từ Do đó, với đề tài nhóm chúng tơi cung cấp cho độc giả hệ thống kiến thức phục vụ cho công việc học tập, nghiên cứu cho công việc giảng dạy sau Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng TỔNG QUAN Trên sở phân tích tài liệu tác giả khác, nhóm nhận thấy:  Kiến thức tương tác điện từ tài liệu trình bày cách rời rạc, khơng có hệ thống liên tục, gây khó khăn cho người sử dụng tài liệu, phải sử dụng nhiều tài liệu khác trình nghiên cứu, học tập  Đồng thời kiến thức nêu mang tính chất áp đặt, thiếu thí nghiệm để dẫn đến định luật định lý, thiếu lập luận logic dẫn dắt đề, làm cho người đọc khó nắm bắt chất vấn đề Qua đó, nhóm định xây dựng tranh tổng quát quan điểm tương tác điện từ từ cổ điển đến lượng tử Nội dung đề tài xây dựng cách chặt chẽ, logic Các định luật, định lý xây dựng từ thí nghiệm, sử dụng ngơn ngữ tốn học cách chặt chẽ, dẫn dắt người đọc sâu vào vấn đề Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẶC LÝ THUYẾT I Các tương tác tự nhiện Thế giới xung quanh đầy rẫy phương tiện gây tác động: vợt đập vào bóng, vận động viên nhảy cầu tung lao xuống từ cầu nhảy cao, nam châm lớn nâng đoàn tàu cao tốc đường ray riêng chúng… Và thân tác động lên vật cách kéo, đẩy lắc chúng, cách ném bắn vật khác vào chúng, cách kéo giãn, vặn xoắn nghiền nát chúng, cách làm lạnh, đốt nóng, đốt cháy chúng… Trong suốt kỷ XX, nhà vật lý tích lũy nhiều chứng cho thấy tất tương tác vật chất khác nhau, hàng triệu tương tác khác mà gặp ngày, quy tổ hợp bốn tương tác: tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh tương tác yếu I.1 Tương tác hấp dẫn: "Chất keo dính vũ trụ " Là tương tác quen thuộc Chính lực giữ cho Trái Đất quay quanh Mặt Trời nhờ mà bàn chân bám chặt vào mặt đất Tương tác hấp dẫn tương tác hạt vật chất có khối lượng Bán kính tác dụng lực hấp dẫn lớn vơ so với tương tác khác cường độ tương tác hấp dẫn nhỏ I.1.1 Quan điểm Newton Lí thuyết mang tính định lượng lực hấp dẫn xây dựng quan sát Isaac Newton thiết lập vào năm 1687 “Principia” ơng Ơng viết lực hấp dẫn tác dụng lên mặt trời hành tinh phụ thuộc vào lượng vật chất mà chúng chứa Nó truyền khoảng cách xa luôn Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng giảm tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách Cơng thức viết cho lực F hai vật có khối lượng m1 m2 cách khoảng r F G m1 m r2 G số tỉ lệ, hay số hấp dẫn Newton khơng hồn tồn hài lịng với lí thuyết ơng giả sử tương tác xuyên khoảng cách Khó khăn bị loại trừ khái niệm trường hấp dẫn nêu ra, trường thấm đẫm không gian truyền cách tức thời Lí thuyết Newton áp dụng thành công cho học thiên thể kỉ 18 đầu kỉ 19 I.1.2 Quan điểm Einstein (tương đối): Vào năm 1845, Leverrier tính thấy quỹ đạo Thủy tinh tiến động 35” kỉ, trái với giá trị theo thuyết Newton không Năm 1915, Einstein giải thích khơng quán Einstein sửa đổi dạng định luật vạn vật hấp dẫn phù hợp với nguyên lý tương đối Nguyên lý nói khoảng cách x vượt qua cách tức thời lý thuyết Newton lại bảo lực tác dụng tức thời Do Einstein phải tiến hành sửa đổi định luật Newton lại, sửa đổi phải nhỏ Nội dung việc sửa đổi sau: ánh sáng có lượng có khối lượng, mà vật có khối lượng hút Einstein trường hấp dẫn đại lượng hình học vạch rõ gọi thời gian đích thực, khái niệm nhận giá trị hệ tọa độ tương tự khoảng cách khơng gian thơng thường Ơng thành cơng việc xây dựng phương trình cho trường hấp dẫn đặt tên phương trình Einstein, với phương trình ơng tính giá trị cho tiến động quỹ đạo Thủy tinh Các phương trình cho giá trị đo lệch tia sáng truyền qua mặt trời khơng cịn có nghi ngờ phương trình cho kết xác hấp dẫn vĩ mô Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng I.1.3 Quan điểm lượng tử: Lực hấp dẫn hạt vật chất mang hạt, gọi hạt graviton Hạt có spin 2, khơng mang điện, khơng có khối lượng nghỉ có tầm tác dụng vơ Các sóng yếu khó phát chưa quan sát cụ thể thực nghiệm Trái Đất I.2 Tương tác điện từ: "Chất keo dính nguyên tử" Tương tác điện từ tương tác hạt mang điện electron, proton … I.2.1 Trường điện từ James Clerk Maxwell, vào năm 1865, cuối thống khái niệm điện từ thành lí thuyết điện từ Lực trung chuyển trường điện từ Có loại điện tích: điện tích dương điện tích âm Lực hai điện tích dương hai điện tích âm lực đẩy, lực điện tích âm điện tích dương lực hút Trong giới vi mô, quy mô nhỏ nguyên tử phân tử, lực điện từ chiếm ưu so với lực hấp dẫn Lực hút điện từ electron mang điện âm nguyên tử proton mang điện dương hạt nhân nguyên tử làm cho electron “quay” xung quanh hạt nhân nguyên tử Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng I.2.2 Cơ học lượng tử: Trường điện từ hiểu dịng hạt nhỏ gọi photon cấu thành nên trường điện từ Nếu nghĩ lực điện hai điện tích trường điện từ trung chuyển xun khoảng cách, có tranh dạng dòng photon gửi từ hạt đến chạm vào hạt Tương tác điện từ hình dung gây trao đổi số lớn photon Các photon trao đổi hạt “ photon ảo” I.3 Tương tác mạnh: " Chất keo dính hạt " Tương tác mạnh có liên quan đến lực hạt nhân mạnh - lực tương tác proton neutron bên hat nhân nguyên tử, giữ cho proton neutron hạt nhân Tương tác mạnh tương tác hadron tương tác nuclon hạt nhân tạo nên lực hạt nhân hay tương tác dẫn đến sinh hạt hadron trình va chạm hadron Ngày người ta tin lực hạt nhân “mang” hạt gọi hạt gluon có spin có “màu sắc” Hạt gluon tương tác với với hạt quark Lực hạt nhân mạnh có tính chất kì lạ “cầm tù”: ln ln liên kết hạt lại thành tổ hợp “khơng có màu” Sự “cầm tù ” khơng cho phép có mặt gln riêng lẻ tự nó, gln có “màu sắc”; thay người ta cần phải có tổ hợp gln với tổng màu “trắng”(một tập hợp tạo nên hạt không bền gọi “glueball” ) Việc “cầm tù” không cho phép quan sát gluon lập dường làm cho tồn khái niệm gluon trở nên siêu hình Tương tác mạnh tương tác pi-mezon K-mezon hiperon với nuclon chúng với Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử I.4 GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Tương tác yếu: Tương tác yếu gây phóng xạ thể lực hạt nhân yếu tác dụng lên hạt có spin 1/2, khơng tác dụng lên hạt có spin 0, 1, photon graviton Năm 1967 nhà bác học A Salam S Weinberg đưa giả thuyết ngồi photon cịn có hạt có spin khác gọi hạt bôzôn- véctơ nặng mang lực hạt nhân yếu Đó hạt W+, W- Z0 , hạt có khối lượng tương ứng khoảng gần 200 nghìn me (khoảng 100 tỉ electron- vơn) Ở lượng cao, lớn 100 tỉ electron- vơn nhiều ba hạt xử cách hồn tồn tương tự photon (có tính cách hạt photon) Ở lượng thấp ba hạt lại có khối lượng lớn làm cho lực mà chúng mang lại có tầm tác dụng ngắn Năm 1983, Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu ( CERN) nhờ có máy gia tốc mạnh người ta phát ba hạt có tính chất khối lượng giả thuyết II Sự phát triển quan điểm tương tác điện từ II.1 Tương tác điện từ - quan điểm cổ đại II.1.1 Sự xuất danh từ “điện” Chuyện xảy Hy Lạp khoảng 2600 năm trước Nhà triết học Thales có gái Nàng nhỏ tuổi biết dệt khéo Nàng cha mẹ mua cho thoi hổ phách đẹp, tay thợ khéo xứ Phênixi chuốt Một hôm, cô bé lỡ tay đánh rơi thoi xuống nước Nàng dùng vạt áo len lau thoi Khi lau xong, nàng thấy thoi bám đầy tơ len Ngỡ thoi chưa nàng lại lau mạnh hơn, lạ thay, tơ len lại bám nhiều trước Kinh ngạc, nàng vôi chạy tìm cha để cha giảng giải cho nàng tượng kì lạ Nghe gái kể lại đầu đuôi câu chuyện, Thales ngạc nhiên Vốn triết gia chân chính, ơng làm lại nghiên cứu tượng Quả nhiên, việc xảy cô bé kể Thales dùng xát Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng khoảng cách chúng phải kết thí nghiệm lại khơng cho kết Nguyên nhân nằm hạn chế học lượng tử Đó bỏ qua lý thuyết tương đối việc mô tả chuyển động hạt vi mơ thơng qua phương trình sóng Schodinger Năm 1928 Pual Dirac nhà vật lý thiên tài người Anh, phương trình sóng spinơ kết hợp cách nhuần nhuyễn học lượng tử lý thuyết tương đối khám phá quy luật chuyển động hạt mang điện fecmion khác Như kết thí nghiệm giải thích theo lý thuyết Dirac chăng? Thật khơng may (hay may mắn) Các kết thực nghiệm cho thấy khoảng cách 2s1/2 2p 1/2 nhỏ hớn khoảng 1000MHz so với kết suy từ lý thuyết Dirac Để có nhìn tổng quát xét cấu trúc xạch  dãy Balmer triti T Vạch xuất dời chuyển mức lượng từ thứ đến thứ Ký Dời chuyển Tính theo Dirac tính 10-3 cm -1 hiệu Dịch chuyển Lamb tính 10-3 cm -1 a 3d5/2 - 2p3/2 0,0000 0,0000 g 3d3/2 - 2p1/2 328,6 328,6 f 3p3/2 - 2s1/2 328,6 293,3 e 3p1/2 - 2s1/2 220,8 185,8 d 3s1/2 - 2p1/2 220,8 230,8 b 3d3/2 - 2p3/2 -36 -36 c 3s1/2 - 2p3/2 -144,2 -134,2 Như vây khơng thể dùng phương trình spinơ Dirac để mô tả chuyển động giới vi mô Các kết thu lý thuyết độ dịch chuyển Lamb mức lượng mức lượng electron nguyên tử đồng dạng hydro khai sinh lý thuyết điện từ điện động lực học lượng tử Trang 51 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Lý thuyết trường lượng tử - điện động lực học lượng tử (QED) II.4.2 Hạt nhân thuyết điện động lực học lượng tử (QED) II.4.2.1 Khái niệm trường lượng tử Khi nghiên cứu giới vi mô, áp dụng học cổ điển Newton nên phải sử dụng cơng cụ lý thuyết học lượng tử Mặc dù có thành cơng rực rỡ lượng tử áp dụng trình vật lý xảy vùng lượng lớn, tốc độ hạt khơng cịn bé so với tốc độ ánh sáng Ngồi hàm sóng  học lượng tử hàm thông thường nên khơng thể áp dụng cho q trình hạt chuyển hóa lẫn Để khắc phục khó khăn này, cần phải có lý thuyết tổng quát hơn, lý thuyết trường lượng tử Với ý nghĩa bào nói lý , thuyết trường lượng tử tổng hợp lượng tử lý thuyết tương đối Năm 1924 De Broglie phát biểu tiên đề cho nguyên lý học lượng tử tính đỗi ngẫu vật chất: vật có tính chất hạt sóng Hạt photon tương ứng với trường điện từ, lượng tử trường điện từ hạt photon Cũng hoàn toàn tương tự, hạt tương ứng với trường lượng tử trường hạt Như lý thuyết trường lượng tử lý thuyết tương tác hạt Như ta biết theo điện động lực học cổ điển, electron chuyển động quanh hạt nhân quỹ dạo có gia tốc xạ điện từ, lượng giảm iên tục nên cuối rơi vào hạt nhân Nhưng nguyên tử tồn Và theo thực nghiệm nguyên tử phát quang phổ từ nhày mức lượng, biểu thị tính gián đoạn trạng thái lượng nguyên tử Những tượng vật lý vật lý cổ điển khơng giải thích Theo De Broglie vật có tính chất hạt sóng Trong giới vi mơ sóng hạt khơng loại trừ mà thống với vi hạt Vật lý lượng tử đời học lượng tử thay Trang 52 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng học cổ điển Việc chuyển từ hạt sang sóng lượng tử hóa lần thứ Như vậy, lượng tử hóa lần thứ bước chuyển từ hạt sang sóng, nghĩa thay đại lượng vật lý thành toán tử liên hợp thõa mản hệ thức bất định Các trạng thái hạt mơ tả hàm sóng tn theo phương trình Schrodinger Tuy nhiên, phương trình Schrodinger phương trình sóng diễn tả quy luật sóng lại chưa nêu tính chất hạt sóng Để khắc phục điều M Born đưa tính chất hạt vào học lượng tử cách cho bình phương hàm sóng điểm tỷ lệ với xác suất tìm thấy hạt điểm Tuy nhiên điều cho ta biết xác suất tìm thấy hạt điểm khơng gian Vì vậy, vấn đề tìm cách xây dựng lý thuyết diễn tả đồng thịi tính chất sóng hạt tính chất hạt sóng Điều dẫn đến bước chuyển tiếp thứ hai bước chuyển tiếp từ sóng sang hạt lượng tử hóa lần Đây lượng tử hóa trường, mơ tả hệ có số hạt thay đổi Ánh sáng sóng điện từ, dòng hạt photon Hạt photon tương ứng với trường điện từ, lượng tử trường điện từ hạt photon Cũng hoàn toàn tương tự, hạt tương ứng với trường lượng tử trường hạt II.4.2.2 Chân khơng lượng tử II.4.2.2.1 Chân khơng ? Từ 2500 nay, định nghĩa chân không không ngừng thay đổi Vào kỷ thứ V trước công nguyên, Democrite coi chân không “trống rỗng” Một kỷ sau, Aristote phủ nhân chân không không gian chứa đầy ête, chất “tinh túy tuyệt vời” thâm nhập nơi, chốn Khoa học thực nghiệm Galile (1564-1642), Pascal (1623-1647) chứng minh chân không đồng nghĩa với áp suất thấp, nhiên chất chưa sáng tỏ Trang 53 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Đến thể kỷ XIX nhà Vật Lý nghĩ cần rút hết vật chất toàn xạ điện từ cách làm lạnh thiết bị thực nghiệm tới 0K đạt tới chân khơng Tuy nhiên khơng phải thế! Vẫn cịn tiềm tàng đó! Cho đến kỉ XX, theo vật lý lượng tử, thứ có thực cách tiềm tàng bí ẩn Khái niệm chân không lượng tử liên quan đến trường choán đầy cách tiềm ẩn Chính nguyên lý bất định Heisenberg hạn chế khả hiểu biết làm tiêu tan ý nghĩ “chân khơng khơng có hư vô” Theo nguyên lý Heisenberg giới hạn độ bất định vị trí hạt độ bất định vận tốc hạt lại tăng lên Tương tự, độ bất định lượng vật phụ thuộc độ bất định thời gian quan sát, nghĩa phụ thuộc vào thời gian quan sát Thành thử vi hạt xuất chân không thăng giáng lượng khoảng thời gian ngắn Vậy “chân khơng” khơng trống rỗng! hạt biến chẳng biết từ đâu ? điều bí ẩn khơng thể tách rời vật lý lượng tử Theo nguyên lý Heisenberg, thăng giáng lượng, nên chân không gian tràn đầy hạt ảo vật chất phản vật chất Đó là, “trạng thái khơng kích thích”, trạng thái “tiềm ẩn” thực Năm 1920, nhà vật lý người Anh Paul Dirac (1902 - 1984) định nghĩa chân không trạng thái lượng cực tiểu cấu trúc Cực tiểu, khơng triệt tiêu, trường khơng thể đồng thời tất không Ở nhiệt độ không tuyệt đối, tồn khơng gian chứa đầy xạ “không” Ý tưởng gắn liền với thăng giáng chân khơng lượng tử nói II.4.2.2.2 Vậy chân khơng lượng tử gì? Chân khơng lượng tử định nghĩa trạng thái tận vạn vật, vơ hướng, trung hịa, mang lượng cực tiểu vật chất, tức tất trường lượng tử, bị loại bỏ hết Trang 54 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hồng Nhưng khơng phải chân không chẳng chứa trường vật chất mà lượng Theo nguyên lý bất định (nguồn gốc thăng giáng lượng tử), lượng trạng thái vi mô chuỗi(1/2)hν, (3/2)hν, (5/2) hν 0hν, 1hν, 2hν Tất nhiên thôi, nguyên lý bất định bảo ta xung lượng |k| xác định rõ rệt vị trí khơng gian |x| lại mơ hồ rối loạn nhiêu, lượng tối thiểu ε = (1/2)hν ≠ thỏa hiệp tối ưu bình đẳng cho hai bên |k| |x| Thực thế,nếu ε = 0, |k| = 0, |x| không xác định Phản ánh nguyên lý này, giới vi mô luôn dao động nhiệt độ tuyệt đối thấp (năng lượng cực tiểu) ý nghĩa thăng giáng lượng tử Bởi lượng tối thiểu khác tần số ν số từ đến vô tận nên chân lượng phân kỳ ta lấy tích phân tất mốt dao động ν Vấn đề sau giải tái chuẩn hóa Tuy nhiên vơ hướng, trung hịa lại có lượng vơ hạn, nên chân khơng lượng tử mang ẩn dụ hư vô mênh mang tĩnh lặng, từ kích thích nhiễu loạn lượng mà vật chất tạo thành để chúng tương tác, biến đổi, phân rã trở với chân khơng, tiếp nối bao vịng tục lụy! chân không lượng tử thực trạng thái bản, cội nguồn chốn trở vạn vật Nó khơng rỗng tuếch chẳng có mà lắng đọng tất Chân không - Vật chất - Không gian - Thời gian chẳng tách biệt, có có, khơng khơng Mặc dầu chân không trạng thái không nắm bắt, chẳng có mà ta định lượng nổi, rõ ràng khác với hư không công nghệ, mặt định tính ta kể ba đặc trưng chân khơng Ðó thăng giáng lượng tử, tràn đầy hạt phản hạt kết thành cặp ảo chân không phân cực chân không, gây cặp Trang 55 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng II.4.3 Điện động lực học lượng tử II.4.3.1 Định nghĩa Điện động lực học lượng tử (QED): lý thuyết mô tả tương tác hạt tích điện với với xạ điện từ (được hình dung phát xạ (nhả) hấp thụ (nuốt) photon) tương tác hạt tích điện với photon hạt sinh Theo QED trường điện từ bao quanh điện tử sản xuất “photon ảo”, với điều kiện chúng phải sống ngắn theo nguyên tắc bất định Các “hạt ảo” sống ngắn chúng có lượng cao Như chân không lý thuyết lượng tử chứa đầy hạt ảo Ta có tranh lượng tử điện trường vùng tích điện “nhúng” bể photon ảo Các hạt photon ảo giống photon thật Có thể tạo q trình sinh cặp điện tử electron - pozitron, với điều kiện hạt phải sống ngắn giới hạn quy tắc bất định cho phép Các điện tử pozitron ảo tiếp tục tạo photon ảo cho mình, đến vơ hạn Theo QED tương tác điện từ hạt tích điện tạo trao đổi photon hạt Chúng ta xét tranh tương tác hạt mà chúng có tồn lực tác dụng Khi điện tử tiến gần đẩy lực điện nguyên nhân trao đổi hay nhiều photon Photon biểu điện trường bao quanh điện tử Nó vay lượng qua quy tắc bất định, xuất gần điện tử, chạy đến điện tử thứ 2, đẩy sau biến vào chân khơng Do chuyển động photon mà điện tử bị phản lực Kết điện tử bị đẩy Tương tự vậy, hạt tích điện trái dấu tương tác thông qua trao đổi photon, lực điện từ chúng lại lực hút Điều khơng thể giải thích chế Chúng ta dùng khái niệm giớ vi mô để gán cho giới vi mô Trang 56 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Thực chất tương tác điện từ hạt tích điện (theo QED) tạo thành trao đổi photon hạt Hạt photon mang theo lệnh truyền từ hạt tới hạt kia, hạt nhận lệnh thực lệnh Đối với hạt tích điện dấu, photon mang tới thông điệp bảo chúng “đi xa nhau”, hạt tích điện trái dấu, mang tới thơng điệp “xích lại gần nhau” II.4.3.2 “Photon ảo” tính chất tương tác điện từ theo QED Tại phải “ảo” : khơng giống hạt “thực”, chúng khơng thể phát trực tiếp máy dò hạt Tuy nhiên biết tồn cúng gây hiệu ứng được: lực tương tác hạt vật chất trường hợp tương tác điện từ Do trung hịa điện nên điện tích electron không bị sai lệch photon phóng Bản chất lực truyền hạt trao đòi tùy thuộc vào hạt trao đổi ấy, spin số nguyên (bozon) bán nguyên Tại lại phải số nguyên? Như biết dựa vào thuộc tính Spin chúng hạt cở chia làm nhóm  Nhóm thứ nhóm có có spin bán nguyên 1/2, 3/2 (như hạt electron, proton, notron ….) gọi fermion - toàn hạt tạo lên vật chất vũ trụ  Nhóm thứ nhóm có spin nguyên 0, 1, 2,…(là hạt photon, mezon) gọi hạt bozon hạt truyền lực tương tác vật chất (như lực hấp dẫn, lực điện) Một tính khác fecmion và bozon fecmion tuân theo nguyên lý loại trù Pauli Bozon lại khơng tn theo nguyên lý Nguyên lý loại trừ Pauli nói : hai fecmion đồng tồn trạng thái Tuy nhiên bozon (photon) lại không tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli Điều có nghĩa có số khơng hạn chế hạt trao đổi hạt vật chất, làm cho lực trở nên mạnh Trang 57 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Lý thuyết trường lượng từ cho biết spin s số chẵn lực hạt giống lực hút Nếu s số lẻ lực hạt đồng lực đẩy lực hạt phản hạt lực hút Photon có spin s = lực coloumb proton lực đẩy Lực điện từ proton truyền photon có spin Kết trường hợp có lực điện lực từ Tuy nhiên trường hợp trừ trường hợp hạt chuyển động nhanh, lực kiểu từ có cường độ nhỏ nhiều so với lực kiểu điện, lực sau trội nhiều Tầm tác dụng: Gọi m khối lượng nghỉ hạt trao đổi Để có trao đổi hạt hạt A B, photon phát A sau hấp thụ B Theo phương trình Einstein, trao đổi cần phải có lượng E  mc Vì lượng E khơng có sẵn nên phải “mượn” Sự tài trợ thực hệ thức bất định học lượng tử Tuy nhiên nguyên lý bất định cho phép “vay” lượng xảy khoảng thời gian t vào cớ  / E Trong khoảng thời gian ngắn ngủi đó, hạt trao đổi phát từ A truyền quãng đường đủ xa để tới B mang theo tương tác A B Vì truyền với vận tốc ánh sáng nên quãng đường truyền khoảng thời gian t R  c  t ~ c / mc (công thức Yukawa) hạt B nhận tín hiệu truyền tương tác phải khoảng cách khơng lớn hớn R Do photon có khối lượng khơng tầm tác dụng R vơ nghịch đảo với bình phương khoảng II.4.3.3 Tái chuẩn hóa Cuối năm 1940, người ta tính điện tích electron “trần trụi” có kể đến hiệu ứng phân cực chân không Và không mong muốn xảy ra, phép tính dẫn đến kết vô hạn Chưa hết theo QED, điện tử bị bao bọc đám mây photon ảo, mà photon ảo lại biến thành điện tử pozitron hay cặp hạt - phản hạt ảo khác, trước bị hấp thụ lại điện tử Năng lượng thêm vay mượn từ trường điện từ chân không khuôn khổ quy tắc bất định Khơng có hạn chế số lượng độ phức Trang 58 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng tạp vòng chứa photon cặp ảo Do tính lượng cần thiết tương ứng cho kiểu lược đị ta có lượng điện tử đám mây hạt ảo xung quanh vơ hạn Vì điện tử đám mây tách rời nhau, ta đến kết luận vơ nghĩa điện tử phải có khối lượng vơ hạn Điện động lực học lượng tử, dựa giả thiết electron trần trụi hạt điểm có tương tác định xứ, dẫn đến kết nghịch lý Và phải giả thuyết sai lầm? Và liệu electron trần trụi có cấu trúc nội hay khơng? Nếu electron khơng phải có cấu trúc vo bé, mà trái lại có bán kính hữu hạn tính tốn hữu hạn biến Tuy nhiên tần phút nhà vật lý chưa phát hiên chứng thực nghiệm tồn cấu trúc electron Để giải vấn đề khó khăn này, nhà vật lý nghĩ thủ thuật tưởng chừng vơ lý mặt tốn học lại hữu hiệu vật lý Để giải mâu thuẩn nhà lý thuyết làm cho điện tích electron “mặc áo” (có đám mây điện tích dương bao quanh) khớp với kết thực nghiệm, coi khơng biết điện tích electron “trần trụi” Tương tự họ làm với khối lượng electron “mặc áo” áp đặt cho khối lượng đo Khi xử lý giá trị vô hạn dẫn tới triệt tiêu chúng nhờ phương trình hệ lý thuyết lại khối lượng điện tử tương ứng với giá trị (hữu hạn) đo thực nghiệm Thủ thuật gọi tái chuẩn hóa Nhờ thủ thuật tất vô hạn lý thuyết loại bỏ Tuy nhiên có nguyên nhân để coi tái chuẩn hóa thủ thuật tốn học khơng hồn hảo Thứ nhất, dựa vào việc chia vế phương trình cho đại lượng vô hạn, điều trường học ta biết không phép Thứ 2, chia vế phương trình theo kiểu ta chưa thu khối lượng chuẩn Tái chuẩn hóa cho phép ta thu khối lương khối lượng lại Các nhà Vật lý đưa vào cách khiên cưỡng vào lý thuyết khối lượng thích hợp thu từ thực nghiệm Như khơng khác giải phương trình biết trước nghiệm Song đưa vào lý thuyết Trang 59 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng giá trị tới hạn, thu dự đốn vơ xác giá trị nhiều đại lượng khác Do nhà vật lý chấp nhận phương pháp tái chuẩn hóa Liệu tìm lý thuyết mà vô hạn tự triệt tiêu lẫn không mà không cần phải sử dụng tái chuẩn hóa câu hỏi lớn tận ngày cho nhà vật lý lý thuyết II.4.4 Thực nghiệm kiểm tra thuyết II.4.4.1 Giải thích dịch chuyển Lamb Đại lượng độ dịch chuyển Lamb lượng giải thích tương tác electron nguyên tử với thăng giáng cấp trường photon Sỡ dĩ có hiệu chỉnh nhỏ phân cực chân không electron - pozitron, tương tác moment từ trường electron với trường hạt nhân hiệu ứng chân khơng khác Trường chân khơng biễu diễn thành thành phần Fourier E k ei(kt t ) thành phần chuỗi coi dao động tử Khi lượng trường biễu diễn dạng lượng sóng thơng qua mật độ lượng hay dạng lượng dao động tử Nếu lượng dao động tử khác không, đến kết luận trường hợp photon, giá trị trung bình thăng giáng không, nhiên quanh giá trị không trường có thăng giáng Nếu giá trị trung bình thăng giáng khơng giá trị trung bình bình phương thăng giáng khác khơng Các thăng giáng trường gây dao động electron vị trí cân Chuyển động electron giống chuyển động Brown hạt Các dao động electron dẫn đến biến đổi Nếu kí hiệu vị trí cân r, độ lệch q giá trị tức thời lượng biểu diễn dạng V ( r  q )  V (r )  (q )V ( r )  ( q 2 )V (r )  Trang 60 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng Sự thay đổi đáng kể nơi lớn nghĩa nơi gần hạt nhân Như s-electron lượng bổ chân khơng cho lượng lớn lượng bổ s-electron dẫn đến tách mức lượng 2s1/2 2p1/2 II.4.4.2 Moment từ dị thường electron Việc tính moment từ dị thường elecctron phản ánh ảnh hưởng chân không lên hạt Từ lý thuyết lượng từ electron, Dirac đưa kết sau cho moment từ: 0  e 2m0c Kết elcectron “trần” Q trình “bóc vỏ” cho nso làm thay đổi moment từ Monent từ đại lượng xác định tương tác hạt đứng yên với trường điện từ Các bổ xuất biểu thức lượng tương tác giải thích xuất lượng bổ chân khơng moment từ Các lượng bổ Shrodinger nghiên cứu lý thuyết gọi moment từ dị thường Moment từ dị thường electron tính lý thuyết nhiễu loạn kết hoàn toàn phù hợp với số liệu thực nghiệm II.4.4.3 Hiệu ứng Casisir - lực xuất từ chân không Trong điện động lực học cổ điển, lực tác dụng phần tử trung hịa điện khơng có phân tử nội Tất lực biết từ vật lý cổ điển lượng tử phụ thuộc vào điện tích số tương tác Ví dụ: lực coulomb tác dụng vào vật thể tích điện phụ thuộc vào điện tích chúng Tuy nhiên, theo lý thuyết trương lượng tử, không gian rỗng, tức chân không, ngập đầy dao động điểm tất tần số Năng lượng tổng cộng tất dao động điểm vô hạn Tuy nhiên, trường vật lý (trừ trường hấp dẫn) lượng xác định tới số Khi tính lượng thực Trang 61 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hồng q trình lượng tử, người ta nhận giá trị vô hạn Giá trị làm hữu hạn cách trừ đại lượng với lượng chân không khơng gian rỗng Năm 1948, Casimar tiên đốn hai kim loại lớn trung hòa, cách khoảng z chân không, hút sử dụng phương pháp Casimar tính lực hút đơn vị diện tích F ( z)  hc P( z )   z 240 z Biểu thức cho thấy lực Casimar không phụ thuộc vào số tương tác mà phụ thuộc vào số Plank, thể rõ ràng chất lượng tử chúng Ở khoảng cách ngắn, độ lớn lực Casimar hồn tồn khơng nhỏ Ví dụ: cho có diện tích 1cm2 khoảng cách micromet Lực có độ lớn tương đương với lực hấp dẫn vật khối lượng 400gram khoảng cách 1cm, hay lực coulomb tác dụng lên electron nguyên tử Hidro Thí nghiệm đo lực Casimar đo Sparnaay năm 1958, sử dụng cân lò xo Kết cho thấy tồn lực hút Tuy nhiên sai số 100% năm sau đó, rải rác có thí nghiệm sai số giảm dần tới 50% Thí nghiệm đại thực Lamoreaux năm 1997 Trong thí nghiệm lực Casimar thấu kính cầu phụ vàng phẳng đo lắc xoắn Hiệu điện dư bề mặt tiếp đất bù cách áp dụng điện vào thấu kính Thấu kính di chuyển phía qua qua đế piezo Sự thay đổi khoảng cách đo giao thoa kế laser với sai số tuyệt đối cỡ 10 nanomet Việc định chuẩn thực cách đo lực tĩnh điện điện khác khoảng cách xa lực Casimar nhỏ Các kết quảnthực nghiệm so với lý thuyết sai lệch  10% khoảng cách 1micromet, tiến so với thí nghiệm trước Năm 1998, Mohideen cộng đưa cách tiếp cận hồn tồn để đo lực Casimar sử dụng kính hiển vi nguyên tử lực (một loại kính hiển vi dùng để khảo sát bề mặt với độ phân giải cao) Sơ đồ thí nghiệm trình bày hình vẽ Lực Casimar tác dụng cầu polystyrene đường kính Trang 62 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng khoảng 200micromet đĩa sapphire, tráng kim loại Quả cầu gắn đầu cần kính hiển vi nguyên tử lực Dưới tác dụng lực cần uốn cong, làm lệch chùm tia laser với độ lệch ghi nhận đế piezo Sai số tuyệt đối phép đo khoảng cách xuống tới 0.8nm Sai số tuyệt đối phép đo lực khoảng 8.5pN = 8.5x10-12N với độ tin cậy 95%, chuyển sang sai số tương đối l.75% khoảng cách nhỏ 62nm Như thực nghiệm hoàn toàn chứng tỏ tồn lực Casimar Lý thuyết hiệu ứng chân không nêu minh chứng chân không không gian “trống rỗng ” mà chứa tính chất vật lý đa dạng phức tạp Nhờ chân không vật lý, tương tác hạt lý thuyết trường lượng tử xem trao đổi lượng tử trường tương ứng Chân khơng liên hệ gắn bó với vũ trụ “khơng - thời gian” trạng thái trường lượng tử vũ trụ Trang 63 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Qua q trình nghiên cứu nhóm xây dựng tranh tổng quát tương tác điện từ từ cổ điển đến lượng từ, xây hoàn chỉnh định luật định, định lý tương tác điện từ Tuy nhiên, hạn chế mang tính khách quan, phần lý thuyết tương tác điện từ theo quan điểm lượng tử chưa nghiên cứu sâu hồn chỉnh Vì nhóm chúng tơi mong tiếp tục nghiên cứu phát triển đề tài để đề tài hồn chỉnh, mang tính giá trị cao Trang 64 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hoàng DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Phan Anh (2006), “Trường Điện Từ Truyền Sóng”, Nxb Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội David Halliday - Robert Resnick - Jearl Walker (2008), “Cơ sở Vật Lý - Tập 4: Điện học ”, Nxb GD, Thái Nguyên David Halliday - Robert Resnick - Jearl Walker (2008), “Cơ sở Vật Lý - Tập 5: Điện học II ”, Nxb GD, Thái Nguyên Đào Vọng Đức - Phù Chí Hịa (2007), “Nhập mơn lý thuyết trường lượng tử”, Nxb Khoa học kĩ thuật, TP Hồ Chí Minh N.I.Kariakin - K.N.Búxtrơv - P.X.Kirêêv (1978), “Sách tra cứu tóm tắt Vật Lý”, Nxb Khoa học kĩ thuật, Hà Nội Vũ Thanh Khiết (2008), “Từ giới siêu vi mô đến đến giới siêu vĩ mô”, Nxb GD, Đà Nẵng Đào Văn Phúc - Thế Trường - Vũ Thanh Khiết (2003), “Truyện kể nhà bác học Vật Lý”, Nxb GD, Ninh Bình Nguyễn Thị Thiếp (2004), “ Lịch Sử Vật Lý”, khoa Vật Lý ĐHSP TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh Trần Quốc Trân - Nguyễn Dương Hùng (1998), “Giáo trình vật lý đại cương - Vật Lý II - Điện Từ”, Nxb Trường ĐH Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh Phạm Xuân Yêm - Nguyễn Xuân Xanh - Trịnh Xuân Thuận - Chu Hảo - Đào Vọng Đức (2009), “Max Planck - Người khai sáng thuyết lượng tử”, Nxb Tri Thức, Hà Nội Các Website: http://thuvienvatly.com/home/content/view/316/238/ http://thuvienvatly.com/home/content/view/1739/238/ http://vietsciences.free.fr/giaokhoa/vatly/vatlyluongtu/cachatsocap.htm http://vietsciences.free.fr/giaokhoa/vatly/vatlyluongtu/bangiaohuonghuyendieu.htm http://vietsciences.free.fr/giaokhoa/vatly/vatlyluongtu/caikhongtrongluongtu.htm Trang 65 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... thấy tất tương tác vật chất khác nhau, hàng triệu tương tác khác mà gặp ngày, quy tổ hợp bốn tương tác: tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh tương tác yếu I.1 Tương tác hấp dẫn:... luanvanchat@agmail.com Tương tác điện từ - Từ cổ điển đến lượng tử GVHD: TSKH Lê Văn Hồng TỔNG QUAN Trên sở phân tích tài liệu tác giả khác, nhóm nhận thấy:  Kiến thức tương tác điện từ tài liệu trình... tác điện từ II.1 Tương tác điện từ - quan điểm cổ đại .9 II.1.1 Sự xuất danh từ ? ?điện? ?? II.1.2 Sự xuất danh từ ? ?từ? ?? .10 II.2 Tương tác điện từ - thuyết trường điện từ