Di sản Dirac 1927: Từ Lý thuyết Dao động Lượng tử đến Kỹ thuật Chân không 2025

Năm 1927, Paul Dirac, khi đó 25 tuổi, đã dành thời gian tại Cambridge để tìm kiếm sự hợp nhất giữa cơ học lượng tử và Thuyết Tương đối của Albert Einstein. Công trình lý thuyết này đã dẫn đến một khám phá sâu sắc: ngay cả chân không lý tưởng, về mặt khái niệm không chứa vật chất hay ánh sáng, cũng phải mang một nguồn năng lượng dư lượng cố hữu, hiện được gọi là dao động lượng tử.

Khung toán học mà Dirac xây dựng để hợp nhất hai lý thuyết vật lý lớn này đồng thời dự đoán sự tồn tại của phản vật chất, cụ thể là positron, một dự đoán đã được kiểm chứng thực nghiệm vào năm 1932 bởi Carl David Anderson tại Viện Công nghệ California. Dirac đã trực giác rằng những dao động điểm không này sẽ tồn tại ngay cả ở nhiệt độ tuyệt đối không là -273 độ Celsius, một ý niệm đối lập trực tiếp với vật lý cổ điển, ngụ ý rằng trạng thái năng lượng thấp nhất của chân không không hề trống rỗng mà chứa đựng một năng lượng còn sót lại có thể định lượng được.

Bằng chứng thực nghiệm có thể đo lường đầu tiên ủng hộ khái niệm trừu tượng của Dirac xuất hiện vào năm 1947 với việc quan sát Dịch chuyển Lamb, một sai khác năng lượng cực nhỏ trong nguyên tử hydro mà các phương trình thời đó không giải thích được. Sự chênh lệch này là chủ đề chính tại Hội nghị Đảo Shelter lần thứ nhất, diễn ra từ ngày 2 đến ngày 4 tháng 6 năm 1947, tại Quán trọ Ram's Head ở Đảo Shelter, New York. Nhà vật lý Hans Bethe sau đó đã tính toán rằng sự bất thường này xác nhận các nguyên tử tương tác với các dao động chân không lượng tử, cung cấp biểu hiện vật lý có thể kiểm chứng đầu tiên của hiệu ứng này. Dịch chuyển Lamb, liên quan đến mức tăng năng lượng đo được xấp xỉ 1000 MHz giữa các mức 2S và 2P của hydro, vẫn là một tiêu chuẩn quan trọng để kiểm tra Điện động lực học Lượng tử (QED).

Ngay sau đó, vào năm 1948, nhà vật lý người Hà Lan Hendrik Casimir đã dự đoán một hiện tượng riêng biệt: hai tấm kim loại trung hòa về điện đặt gần nhau trong chân không sẽ chịu một lực hút do sự hạn chế của các dao động chân không giữa chúng, được gọi là Hiệu ứng Casimir. Hiện tượng này minh chứng năng lượng điểm không của chân không lượng tử như một hiện tượng lượng tử vĩ mô. Các thí nghiệm, chẳng hạn như phép đo định lượng năm 1997 của Steven K. Lamoreaux tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, đã xác nhận lực này trong phạm vi sai số 5% so với dự đoán lý thuyết, với các công trình sau đó đạt độ chính xác gần vài phần trăm.

Đến năm 2025, lĩnh vực này đã phát triển thành 'kỹ thuật chân không' hay 'vacuumronics', nơi các nhà nghiên cứu đang kiểm soát những dao động này để kiến tạo các vật liệu lượng tử mới lạ. Các dao động chân không này thể hiện một thực tại kép trong các hệ thống lượng tử: chúng là nguồn nhiễu gây mất kết hợp qubit, nhưng đồng thời là công cụ để phát triển các giải pháp điện toán lượng tử có khả năng mở rộng. Trong khi kỷ nguyên mà Dirac dự báo đã chuyển đổi sang một lĩnh vực công nghệ thực tiễn, sự chênh lệch chưa được giải quyết giữa năng lượng chân không lý thuyết và năng lượng chân không vũ trụ quan sát được—'thảm họa chân không'—vẫn là một thách thức cấp bách trong vật lý hiện đại.

Di sản lý thuyết này được tiếp nối bằng việc Giải Nobel Vật lý năm 2025 vinh danh John Clarke, Michel H. Devoret và John M. Martinis vì đã đưa hiệu ứng đường hầm lượng tử cấp vi mô ra quy mô vĩ mô, đặt nền móng cho công nghệ lượng tử. Việc Liên Hợp Quốc chọn năm 2025 là Năm Quốc tế Khoa học và Công nghệ Lượng tử càng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc chuyển đổi các lý thuyết cơ bản này thành các giải pháp bền vững trong nhiều lĩnh vực, từ điện thoại di động đến các công nghệ nano được khuếch đại bằng laser.