Trong thí nghiệm này electron là hạt, nhưng trong thí nghiệm khác nó lại là sóng. Nhưng khi nào nó là hạt và khi nào sẽ là sóng? Có thí trường hợp nào mà electron vừa là hạt mà lại vừa là sóng hay không? Chúng ta sẽ thử xem.
Quay lại với thí nghiệm hai khe, electron thể hiện bản chất sóng của mình. Bây giờ giả sử ta thay màn ảnh bằng một máy dò electron được thiết kế để phát và ghi tiếng “cách” mỗi lần một electron đập vào nó. Nếu chúng ta xê dịch máy dò lên xuống chúng ta có thể vẽ đồ thị biểu diễn nhịp độ các tiếng “cách” theo vị trí máy dò – cũng sẽ vạch được các vân giao thoa. Như vậy có
phải là chúng ta đã thành công trong việc chứng minh cả sóng lẫn hạt? Chúng ta thấy các vân giao thoa (sóng) và nghe được tiếng “cách” phát ra (hạt)! Thực tế là chúng ta không thành công. Tiếng “cách” đơn giản chưa đủ là bằng chứng chứng tỏ đó là hạt. Khái niệm “hạt” liên quan đến “quĩ đạo” và hình ảnh trong óc chúng ta về một viên bi nhỏ xíu đi theo con đường đã định trước. Tối thiểu, chúng ta cũng muốn biết được trong số hai khe thì electron đi qua khe nào trên “con đường” của nó đến để phát ra tiếng “cách” trong máy dò. Về nguyên tắc ta có thể đặt một máy dò rất nhỏ ở trước mỗi khe (hoặc ngay sau một trong hai khe) sao cho nếu electron qua nó, nó sẽ phát một tín hiệu điện. Sau đó chúng ta sẽ thử thiết lập mối tương quan của mỗi tiếng cách hay nói cách khác là mối tương quan giữa “tín hiệu tới màn” và “tín hiệu qua khe” rồi từ đó xác định “con đường” đi của electron. Ban đầu, máy dò không được bật, dĩ nhiên các vân giao thoa vẫn xuất hiện trên màn hình. Electron vẫn đang khoác chiếc áo sóng. Bây giờ ta hãy cho máy dò hoạt động - chúng ta chỉ ra được bản chất hạt của electron nhưng ngay lập tức bằng chứng về bản chất sóng - vân giao thoa biến mất trên màn ảnh và phân bố xác suất toàn phần chỉ là tổng phân bố xác suất tới riêng rẽ ứng với mỗi khe. Electron đã khoác chiếc áo hạt. Tại sao lại có sự thay đổi như vậy?
Ban đầu khi không bật máy dò, ta không biết electron đi qua khe nào trong hai khe. Trong trường hợp thứ hai, vì máy dò hoạt động nên ta biết được điều đó. Để thay đổi bộ dạng của các electron ta chỉ cần cho máy dò hoạt động. Nói cách khác, người quan sát ở đây đóng vai trò trung tâm. Trong thế giới các nguyên tử, chính người quan sát tạo ra hiện thực. Hiện thực nguyên tử và dưới nguyên tử không còn là khách quan nữa, mà là chủ quan.
Điều này nằm ngay trong nguyên lý bổ sung của Niels Bohr:
“Các phương diện sóng và hạt của một thực thể lượng tử, cả hai đều cần thiết cho sự mô tả đầy đủ. Tuy nhiên, cả hai phương diện đó không bộc lộ đồng
thời trong một thí nghiệm đơn nhất. Khía cạnh nào được bộc lộ là do bản chất của thí nghiệm quyết định.”
Nói thêm rằng như thế vẫn chưa hết những điều kỳ lạ của cơ học lượng tử. Nó vẫn còn rất nhiều “trò” khác. Ngay cả khi ta đặt một máy dò để quan sát các electron và khi đó biến chúng thành “hạt” thì ta cũng không bao giờ xác định được chính xác cùng lúc vận tốc và vị trí của chúng. Lý do nằm hành động quan sát và bản chất của ánh sáng. Bản chất của ánh sáng nhập cuộc vì để quan sát electron hay mọi hạt khác, chúng ta cần phải chiếu sáng nó bằng một chùm photon. Năng lượng của mỗi photon tỉ lệ thuận với tần số và tỉ lệ nghịch với bước sóng ánh sáng. Bước sóng là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai hõm liên tiếp của sóng ánh sáng, và quyết định mức độ chính xác mà chúng ta có thể định vị được electron. Bước sóng càng dài, năng lượng càng thấp và vị trí của electron càng không chính xác. Ngược lại, bước sóng càng ngắn, năng lượng càng cao, và vị trí của electron càng chính xác. Như vậy để biết chính xác vị trí của electron ta cần chiếu sáng nó bằng một ánh sáng có năng lượng cao (chẳng hạn như tia X hay tia gamma). Nhưng chỉ vị trí của electron thôi thì chưa đủ để mô tả nó, ta còn cần phải biết chuyển động của nó bằng cách đo vận tốc của nó. Nhưng khi chiếu sáng electron bằng ánh sáng có năng lượng cao, chúng ta sẽ làm nhiễu động chuyển động của nó. Năng lượng photon càng lớn thì sự nhiễu động càng lớn. Thế là chúng ta vấp phải một tình thế lưỡng nan, hoặc chúng ta đo vị trí chính xác của electron bằng cách chiếu sáng nó bằng một ánh sáng có năng lượng lớn và ta sẽ từ bỏ việc đo chính xác vận tốc của nó; hoặc là chúng ta đo vận tốc của nó chính xác nhất có thể có bằng cách chiếu sáng nó bằng một ánh sáng có năng lượng nhỏ nhất có thể và từ bỏ việc xác định chính xác vị trí của nó. Sẽ không bao giờ giải quyết được tình thế lưỡng nan này, vì tính bất định của hiện thực của electron không phải là do dụng cụ đo của chúng ta không đủ hiện đại, hay do khiếm khuyết nào đó trong cách tiến hành của chúng ta mà là do tính chất xác định của các đối tượng lượng tử. Chúng ta lại gặp lại hệ thức bất định Heisenberg!
• Từ những kết quả trên có thể rút ra những điều gì?
“Hình như electron xấu hổ về đặc tính sóng của mình. Nếu người ta không để ý tới, chúng hành xử như sóng, nhưng khi bị quan sát trực tiếp, chúng lại tự chứng tỏ mình là hạt.”
Tất nhiên cách phát biểu này hơi thái quá một chút, nhưng nó phản ánh được kết quả một cách ngộ nghĩnh. Electron mang lưỡng tính sóng-hạt, tính chất sóng hay hạt được bộc lộ là do bản chất thí nghiệm quyết định.
• Đâu là ranh giới giữa vi mô và vĩ mô?
Khi tiến hành được thí nghiệm hai khe với electron người ta nghĩ đến khả năng tiến hành thí nghiệm hai khe với những hạt khác electron, mặc dù thí nghiệm với hạt có khối lượng lớn hơn sẽ càng khó khăn hơn. Với những nổ lực lớn hơn và tốn kém hơn, với những hạt cơ bản khác, như nơ tron, ta cũng chứng tỏ được sự tồn tại của vân giao thoa. Điều đó nói với chúng ta rằng, những hạt cơ bản khác cũng tuân theo lưỡng tính sóng-hạt, được gắn với một bước sóng de Broglie.
Từ những thí nghiệm mới nhất người ta biết rằng, vân giao thoa cũng xuất hiện ngay cả trong thí nghiệm hai khe với những phân tử lớn có tên gọi fulleren (còn gọi là phân tử bóng đá vì chúng có dạng hình cầu giống quả bóng đá) tạo thành từ 60 nguyên tử cacbon. Điều này hết sức lý thú vì ranh giới giữa vi mô và vĩ mô ngày càng dịch chuyển về phía có kích thước lớn hơn, nghĩa là chúng khử định xứ theo ý nghĩa chân thực nhất của từ này.
Tất nhiên ở đây sẽ xuất hiện câu hỏi: nếu tiếp tục dịch chuyển về phía kích thước lớn như vậy thì khi nào khả năng giao thoa của hạt sẽ mất đi? Và chính xác ranh giới giữa vi mô và vĩ mô nằm ở đâu? Thật ra, cho đến nay đó vẫn là vấn đề trung tâm của vật lý lượng tử.
• Ứng dụng bản chất sóng của vật chất:
Ngày nay bản chất sóng của vật chất đã được xác nhận và những nghiên cứu về nhiễu xạ của các chùm electron hoặc nơ tron đã được dùng hằng ngày để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử của các chất rắn và lỏng.
Các sóng vật chất là một bổ sung rất có giá trị cho tia X trong việc nghiên cứu cấu trúc nguyên tử của chất rắn.
Các electron có khả năng đâm xuyên nhỏ hơn tia X nên rất đắc dụng trong việc nghiên cứu các tính chất bề mặt.
Tia X tương tác chủ yếu với electron trong bia nên khó có thể dùng tia X để định vị các nguyên tử nhẹ - đặc biệt là hidro – có ít electron. Trái lại, các nơ tron tương tác chủ yếu với hạt nhân nguyên tử nên có thể bổ sung cho khiếm khuyết đó.
IV.Positron – Phản hạt của electron: