Năm Mão nhắc chuyện con mèo của Schrödinger

Khi nói đến con mèo của Schrödinger ít ai thắc mắc về giới tính hay tuổi tác của nó. Con mèo ấy là đực hay cái dường như là câu hỏi không quá quan trọng so với trạng thái lượng tử (quantum state) của con mèo ấy: một con mèo vừa đang sống lại vừa đang chết. “Ra đời” năm 1935, năm nay con mèo của Schrödinger đã khá lớn tuổi, nhưng năm 2021 nó bất ngờ nổi tiếng khắp internet nhờ “meme con mèo Schrödinger”.

Cơ học lượng tử là gì

Cơ học, tiếng Anh là mechanics (có gốc Hy Lạp mekhanika) là một mảng lớn của vật lý. Tên của nó có nghĩa đen là “Học thuyết về máy móc khí”, nhưng cần hiểu nó là “các học thuyết dùng toán học nghiên cứu chuyển động của các hạt và hệ hạt, đặc biệt là các vật thể rắn, dưới tác động của các lực và điều kiện ràng buộc”.

Cơ học cổ điển là môn học rất quen thuộc với học sinh kể từ cuối cấp hai. Nó giúp chúng ta hiểu thấu đáo mọi sự vận động trong thế giới thường nhật, từ đường đi của trái bóng rời bàn chân Luka Modric sau một cú vẩy má ngoài trivela đầy ngẫu hứng đến quỹ đạo của tàu thám hiểm không gian và của các thiên thể trong vũ trụ bao la. Cơ học cổ điển, bằng các phương trình và tham số có thể tính toán được vận tốc và vị trí của mọi vật thể trên đời ở bất cứ thời điểm nào, dù thời điểm ấy đã qua (đã biết) hay chưa tới (dự đoán). Nói cách khác, với cơ học cổ điển con người có tri thức (knowledge) đầy đủ về các hệ vật lý trong đời sống thường nhật, dù là trái bóng golf đang bay hay sao chổi đang lang thang. 

Lượng tử, gốc latin là quantum, có nghĩa đen là các phần tử (rời rạc, không liên tục) của năng lượng.

Cơ học lượng tử (quantum mechanics) là cơ học nghiên cứu thế giới ở cấp độ vi mô: nguyên tử (atom) và hạ nguyên tử (subatomic). Cho đến nay, ở thế giới vi mô ấy, các vật thể, tức là các hạt vi mô (như hạt electron) có những cách hành xử lạ thường mà cơ học lượng tử tuy rất thành công nhưng vẫn chưa thể giải thích hết. Tức là, cơ học lượng tử chưa thể  giúp con người thu nhận kiến thức đầy đủ về hạt, hay hệ hạt vi mô mà họ đang quan sát và nghiên cứu. Dù sử dụng công cụ đo lường tinh xảo đến thế nào và phép đo được sắp đặt thông minh ra sao thì con người cũng chỉ biết được một phần không đầy đủ về hệ hạt mà họ đang nghiên cứu.

Nếu họ đo được vận tốc (nói đúng hơn là động lượng) của một hạt electron, thì họ không thể biết được vị trí chính xác của nó và ngược lại. Đây là nội dung của một nguyên lý rất quan trọng trong vật lý lượng tử: Nguyên lý Bất định Heisenberg.

\sigma _{x}\sigma _{p}\geq {\frac {\hbar }{2}}

Bất đẳng thức diễn đạt Nguyên lý Bất định Heiseinberg

Trong số các nhà vật lý có công đặt nền móng cho vật lý lượng tử nhiều người thỏa mãn với thành công của lĩnh vực này trong thực nghiệm và ứng dụng. Điều này không có gì đáng ngạc nhiên. Cơ lượng tử là lý thuyết cực kỳ thành công trong ứng dụng, chúng ta có điện thoại di động, vệ tinh, internet,… như hiện nay là nhờ cơ học lượng tử. Họ là Niels Bohr, Weiner Heisenberg, Wolfgang Pauli…

Nhưng có một vài nhà vật lý cứng đầu không hoàn toàn thỏa mãn với cơ học lượng tử. Một mặt, họ đều là “cha đẻ” của cơ học lượng tử và họ hạnh phúc với thành tựu của lĩnh vực nghiên cứu này. Mặt khác họ không chấp nhận một lý thuyết vật lý quan trọng như vậy mà lại “không đầy đủ”. Với họ một lý thuyết vật lý (tức là một bộ khung toán vật lý) phải mô tả được thế giới thực sao cho vừa chính xác vừa đầy đủ. Họ là Albert Einstein, Erwin Schrödinger. Tiếp nối họ là  những người trẻ hơn như David Bohm, rồi đến các nhà vật lý thế hệ sau nữa như Hugh Everett, John Bell và nhiều người khác.

2. Cuộc đối đầu của Einstein và các nhà vật lý lượng tử theo trường phái Copenhagen

Cho đến những năm 1920 của thế kỷ trước, Einstein là người rất nổi tiếng. Ông thành công lớn với Thuyết Tương đối hẹp (1905) và Thuyết Tương đối tổng quát (1915). Ông cũng là người tiên phong đặt nền tảng cho vật lý lượng tử thông qua công trình về hiệu ứng quang điện (1905) mà ngày nay các khái niệm như photon (quang tử/hạt ánh sáng) có tính chất giống như hạt (particle-like) nhưng cũng có tính chất giống như sóng (wave-like) – tức là tính chất đối ngẫu sóng hạt (wave-particle duality) – đã trở nên quen thuộc với chúng ta.

Cùng thời kỳ này, Niels Bohr đã dẫn dắt cơ học lượng tử đi qua những đột phá mang tính cách mạng và mở ra một trường phái mang tên viện vật lý nơi ông làm việc: Trường phái Copenhagen.

Năm 1923, một nhà vật lý trẻ dòng dõi hoàng gia Pháp lấy cảm hứng từ Thuyết Tương đối hẹp (E=mc2) và cách lập luận sâu sắc và chặt chẽ của Einstein khi xây dựng thuyết này để mang cách áp dụng “đối ngẫu sóng hạt” với ánh sáng qua áp dụng với vật chất. Vật chất cũng có tính chất sóng, đó là chứng minh toán học của nhà vật lý này, tên ông là Louis de Broglie.

\lambda ={\frac {h}{p}}

Công thức bước sóng de Broglie

Năm 1925, Davisson và Germer làm thực nghiệm chứng minh được electron, là hạt vật chất, có thể tạo ra hiện tượng giao thoa hai khe hẹp (double slit experiment) giống như hiện tượng giao thoa khe hẹp của sóng mà ngày nay học sinh phổ thông vẫn được học. Tức là vật chất (matter) đã được chứng minh bằng cả lý thuyết lẫn thực nghiệm là có tính chất giống như sóng.

Minh họa thí nghiệm giao thoa hai khe hẹp

Nhưng sóng của electron là sóng gì? Schrödinger đưa ra một hình dung: sóng đó giống như một hạt electron bị làm nhòe ra xung quanh, chỗ đậm chỗ nhạt. Và chỗ đậm chỗ nhạt này cũng biến đổi theo thời gian. Năm 1925, ông viết ra phương trình diễn đạt tiến triển của “sóng” này theo thời gian. Phương trình này về sau được mang tên ông: Phương trình sóng Schrödinger. Và nó là phương trình quan trọng nhất của cơ học lượng tử.

{\displaystyle i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}\Psi (x,t)=\left[-{\frac {\hbar ^{2}}{2m}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial x^{2}}}+V(x,t)\right]\Psi (x,t).}

Phương trình Schrödinger cho trường hợp đặc biệt: một hạt không tương đối tính (nonrelativistic) trong không gian một chiều (một trục x). Trong đó, hàm {\displaystyle \Psi (x,t)} là hàm sóng, hàm này gán một số phức (complex number) cho mỗi vị trí x tại mỗi thời điểm t. Tham số m là khối lượng của hạt và V(x,t) là thế năng.  Hằng số i là số phức đơn vị (imaginary unit), ℏ là hằng số Planck rút gọn.

{\displaystyle \mathrm {i} \hbar {\frac {\partial }{\partial t}}|\,\psi (t)\rangle ={\hat {H}}|\,\psi (t)\rangle }

Phương trình Schrödinger: phương trình vi phân mô tả cách một trạng thái lượng tử (quantum state) của một hệ không tương đối tính thay đổi theo thời gian.

Thế nhưng hình ảnh electron “nhòe ra” không gian xung quanh như một quả cầu “sóng” và phương trình mô tả sóng đó tiến hóa theo thời gian có ý nghĩa vật lý gì. Trong thế giới thực, người ta chỉ quan sát thấy một hạt electron cụ thể và trọn vẹn, chứ không phải ½ hay 1/3 hạt ấy.

Năm 1926, nhà vật lý Max Born đưa ra kiến giải như sau: giá trị hàm sóng Ψ (nói chính xác hơn thì phải là bình phương hàm sóng này) theo thời gian (t) và vị trí (x) cho ta biết xác suất mà electron xuất hiện ở thời điểm t và vị trí x. Giá trị này càng lớn (vết nhòe càng đậm) thì khả năng electron xuất hiện càng cao, và ngược lại. Ý tưởng này được kiểm định đúng bằng thực nghiệm, ngày nay nó được biết đến với tên gọi Quy tắc Born (Born rule).

Phương trình sóng và hay còn gọi là sóng xác suất của Schrödinger được kiểm chứng bằng thực nghiệm và giúp tạo ra vô số ứng dụng thực tiễn. Đến nay, cơ học lượng tử và các ứng dụng của nó về cơ bản là dựa trên phương trình Schrödinger. Tính chính xác của nó làm các nhà vật lý kinh ngạc. Đến mức, một thời gian rất dài họ tảng lờ các câu hỏi triết học sâu sắc về bản chất của hàm sóng. Họ cắm đầu vào tính toán để cho ra đời hết công trình này đến công trình khác, xây dựng cả một hệ thống lý thuyết rắc rối và đồ sộ tên là Standard Model đoạt rất nhiều giải Nobel Vật lý. Để phê bình việc này, nhà vật lý David Mermin phát biểu một câu rất khó chịu: “shut up and calculate” (ngậm miệng lại mà tính toán).

Sự tiến hóa của vũ trụ theo thời gian được mô tả chính xác và chặt chẽ bằng một hình thức luận toán học (mathemathical formalism), thế nhưng bộ khung toán học chặt chẽ và đẹp đẽ ấy chỉ cho chúng ta biết một thứ: xác suất xuất hiện của một tương lai cụ thể nào đó, chứ nó không thể cho ta biết chính xác cái gì chắc chắn sẽ đến. Điều này khác hẳn vật lý cổ điển. Vật lý lượng tử có gì đó chưa đầy đủ.

Einstein bắt đầu “tấn công” sự không đầy đủ của cơ học lượng tử từ năm 1927, tức là chỉ một năm sau khi Born đưa ra Quy tắc Born cho hàm sóng. Einstein cho rằng học thuyết lượng tử khiếm khuyết, bởi nó không cung cấp cho ta tri thức đầy đủ về một hệ lượng tử mà ta đang quan sát, đang nghiên cứu.

Ở hội nghị vật lý Solvay 1927, ông nã phát đại bác đầu tiên, mở đầu cho cuộc tranh luận Bohr-Eistein về cơ lượng tử kéo dài nhiều năm sau đó. Einstein lập luận như sau về một thí nghiệm tư duy (thought experiment):

“Bắn một hạt electron đơn nhất qua khe hẹp, ở bên kia khe hẹp ta đặt một máy dò (detector) hình cầu để phát hiện electron tán xạ sau khi đi qua khe. Do hàm sóng của hạt electron này có tính đối xứng nên xác suất phát hiện electron trên bề măt cầu của máy dò ở các điểm đối xứng tâm với nhau sẽ phải bằng nhau. Ví dụ xác suất máy dò phát hiện ra electron ở điểm A là 20% thì xác suất tìm ra nó ở điểm B đối xứng với nó cũng phải là 20%. Nếu hai điểm này hoàn toàn độc lập với nhau (không có bất cứ liên hệ qua lại nào) thì xác suất để cùng lúc tìm thấy electron ở cả hai nơi sẽ là 20%*20%=4%. Tức là xác suất khác 0%. Nhưng thực tế ta chỉ tìm thấy electron ở một trong hai điểm. Tức là hai điểm này phải có tương quan (tương tác qua lại) với nhau theo một cách nào đó, để khi hạt xuất hiện ở điểm A này thì hàm sóng ngay lập tức và đồng thời suy sụp (collapse) ở tất cả các điểm khác, và ta không thể thấy nó xuất hiện ở điểm B kia.

Minh họa thí nghiệm tư duy của Einstein

Hai vật thể ở hai vị trí cách xa nhau về mặt không gian mà vẫn có tương tác tức thì với nhau trong vật lý gọi là phi định xứ (nonlocal). Định xứ (local) là một khái niệm trong vật lý, theo đó các tương tác luôn lan truyền qua các điểm lân cận để đi xa dần. Nếu nó không lan truyền mà tác động tức thời đến một điểm ở cách xa nó về không gian, tức là nó vi phạm thuyết tương đối hẹp (trong đó xác quyết rằng vận tốc của mọi vật thể trong vũ trụ là có giới hạn, và vận tốc cực đại là vận tốc ánh sáng trong chân không). 

Các lập luận trong thí nghiệm của Einstein chỉ ra một điểm chưa hoàn thiện trong cơ học lượng tử. Nếu nó đầy đủ thì nó phải nonlocal. Trong những năm tiếp theo, Einstein kiên trì tiến hành “cuộc tấn công” của mình vào cơ học lượng tử. Đến năm 1935 ông cùng hai cộng sự là Podolsky và Rosen đưa ra bài nghiên cứu nổi tiếng về sau được biết đến với tên viết tắt của ba tác giả: Nghịch lý EPR.

Trong bài nghiên cứu gốc, ba tác giả Einstein, Podolsky và Rosen đưa ra một thí nghiệm tư duy để tấn công vào Nguyên lý bất định Heisenberg.  Họ cho hai hạt vi mô tương tác với nhau, rồi tách chúng ra xa. Hai hạt vi mô (electron) sau khi tương tác với nhau sẽ bắn về hai phía đối nghịch, với cùng một vận tốc, giả sử một hạt đi về bên trái, một hạt đi về bên phải. Ở một thời điểm bất kỳ, nếu ta tìm cách đo để xác định vị trí của hạt bên trái, thì ngay lập tức ta có thể suy ra được vị trí của hạt bên phải. Và ngược lại, nếu ta đo được vận tốc của hạt bên phải, thì ta suy ra được vận tốc của hạt bên trái. Như vậy ta xác định được cả vận tốc và vị trí của hạt, điều này vi phạm Nguyên lý Bất định.

Trong các bài viết tiếp theo, Einstein đưa thêm các lập luận của riêng mình, ông bớt nhấn mạnh vào việc cùng lúc xác định được cả vận tốc và vị trí, thay vào đó ông nhấn mạnh hơn vào “tính phi định xứ” (nonlocality): phép đo vào hạt bên trái có tác động tức thì vào hạt bên phải và ngược lại.      Einstein gọi hiện tượng này là “spooky action at a distance”, nghĩa là “tác động kỳ quặc vượt qua khoảng cách”.

Đến  năm 1951, thí nghiệm tư duy EPR được David Bohm chỉnh sửa, mài rũa và cho ra đời phiên bản EPR-Bohm. Ông đồng thời phát triển một thuyết cơ học lượng tử của riêng mình, theo đó cơ học lượng tử được tiếp cận theo một cách khác hẳn trường phái Copenhagen  (trường phái lúc này đã thống trị vật lý với tên gọi Giải thích Copenhagen). Cách tiếp cận của Bohm ngày nay được gọi là Cơ học Bohm (Bohmian mechanics) và được xếp vào nhóm Thuyết Biến ẩn (hidden variable theory). Trong cách tiếp cận này, Bohm đưa ra một khung toán học (framework) cho cơ lượng tử, hoàn toàn tương đồng với khung toán học của Schrödinger, nhưng giải quyết vấn đề phi định xứ bằng cách đưa vào các biến ẩn, là các tham số bị ẩn đi nên các phép đo không thể  “nhìn thấy được”. Cơ học của Bohm do vậy vẫn định xứ nhưng có thêm các biến ẩn. Các nhà vật lý theo trường phái Copenhagen tận dụng sự thống trị của mình trong học thuật để  “dìm hàng” và “bịt miệng” Cơ học Bohm suốt nhiều năm sau đó.

Năm 1935, trong quá trình trao đổi (bằng tiếng Đức) với Einstein về nghịch lý EPR , Schrödinger nhận ra mọi hệ lượng tử sau khi đã tương tác với nhau sẽ chia sẻ chung với nhau một hàm sóng. Schrödinger đặt cho hiện tượng này một cái tên, sau được dịch ra tiếng Anh là quantum entanglement, tức là dính líu (liên đới, vướng mắc, quấn quít) lượng tử. Và cho dù hai hạt có dính líu lượng tử có bị đẩy ra xa nhau về mặt không gian đến thế nào đi chăng nữa, chúng vẫn có tương quan (correlation) với nhau.

Tính tương quan trong liên đới lượng tử đã được John Bell chứng minh bằng toán học rồi sau đó có Aspect và những người khác xác thực bằng thực nghiệm. Năm 1964, Bell chứng minh bằng toán (chủ yếu là xác suất thống kê với rất ít vật lý) Bất đẳng thức Bell (Bell inequality).  Tiếp đó, các nhà vật lý thực nghiệm như Alain Aspect đã tìm cách mang thí nghiệm tư duy EPR phiên bản Bohm vào đời thực. Dữ liệu đo đạc của họ xác định được rằng hai hạt có liên đới (entangled) lượng tử với nhau sẽ vi phạm Bất đẳng thức Bell. Qua đó bác bỏ tính định xứ của vũ trụ, nhưng không bác bỏ được giả thuyết các hạt có biến ẩn.  Các nhà vật lý thực nghiệm ấy là John Clauser, Alain Aspect, Anton Zeilinger và họ là những người được trao giải Nobel vật lý năm 2022.

3. Schrödinger và chồng chất lượng tử

Enstein không đơn độc trong cuộc chiến đấu chống lại cách tiếp cận Giải thích Copenhagen. Một nhà vật lý lớn và đầy uy tín khác tham chiến với ông, đó là Erwin Schrödinger.

Hàm sóng của một vật thể, ví dụ của một electron, tiến hóa theo thời gian và tuân theo phương trình Schrödinger. Phương trình Schrödinger mô tả chính xác hình dạng của hàm sóng tiến triển liên tục và trơn tru theo thời gian. Nhưng khi electron này bị “quan sát”thì hàm sóng đột ngột thay đổi hình dạng và kết thúc. Tức là ở một thời điểm cụ thể nào đó ai đó dùng một phép đo “tác động” lên nó để có hiểu biết về vị trí của electron ở thời điểm tức thì ấy, thì hìn dạng hàm sóng của electron ấy vọt lên 1 (tức là xác suất tìm thấy hạt là 100%) còn ở những vị trí khác hàm sóng đồng loạt suy sụp về giá trị 0. Hàm sóng suy sụp khi hệ lượng tử bị quan sát là một cách giải thích được bổ sung sau khi Schrödinger đưa ra phương trình của mình, cốt để giải thích kết quả và hiện tượng của phép đo. Tại sao hàm sóng lại suy sụp khi bị quan sát là câu hỏi nan giải đối với cơ học lượng tử. Nó được đặt tên là vấn đề phép đo lượng tử (quantum mechanical measurement problem). Sau này có nhiều giả thuyết cố gắng giải thích sự suy sụp của hàm sóng. Một trong số đó là các lý thuyết mang tên gọi Thuyết suy sụp tự phát (spontaneous collapse quantum theory), nhóm lý thuyết này có các mô hình mang tên những người đề xuất (mô hình Ghirardi–Rimini–Weber, mô hình Diósi–Penrose).

Bản thân Schrödinger không cho rằng hàm sóng suy sụp. Với hàm sóng không suy sụp, nó lại bao hàm một ý tưởng kỳ lạ khác, đó là hạt vi mô có xác suất xuất hiện đồng thời ở chỗ này, chỗ kia và ở khắp mọi nơi. Ở thế giới lượng tử, một hạt cùng một lúc có thể xuất hiện ở hai nơi khác nhau, cùng một lúc đi theo hai lối đi (path) khác nhau. Điều này được gọi là trùng điệp lượng tử hoặc chồng chất lượng tử (quantum superposition).

Richard Feynman nói rằng thí nghiệm khe hẹp nằm ở chính giữa trái tim của cơ học lượng tử. Khi thực hiện thí nghiệm khe hẹp với chùm photon được điều chỉnh “yếu đi hết cỡ” sao cho từng photon đơn lẻ được bắn về phía hai khe hẹp, có một hiện tượng kỳ lạ xảy ra: dường như photon cùng lúc đi qua cả hai khe hẹp và tự giao thoa với nhau.

Sau này, các phép thực nghiệm nhằm xác thực (verify) hiện tượng chồng chất lượng tử được tiến hành nhiều lần, với các vật thể có kích thước ngày càng lớn hơn và phức tạp hơn đều thành công. Năm 1999, Anton Zeilinger thực hiện thành công thí nghiệm chồng chất lượng tử với phân tử (lớn hơn nguyên tử rất nhiều) Carbon-60.

Như vậy, thế giới lượng tử có những tính chất kỳ lạ khác hẳn thế giới thường nhật của chúng ta. Chúng ta không thể thấy cùng một lúc cái laptop của mình xuất hiện ở hai nơi; hoặc khi lái xe đến ngã ba đường ta không thể cùng lúc rẽ cả hai hướng. Ta chỉ có thể lựa chọn, như Hamlet, hoặc tồn tại, hoặc không tồn tại, chứ không bao giờ rơi vào một trạng thái phi lý: vừa tồn tại lại vừa không tồn tại.

Năm 1935, Schrödinger đề xuất một thí nghiệm tư duy trong đó có một con mèo giả tưởng về sau gắn liền với tên tuổi của ông.

4.Con mèo của Schrödinger

Trong một buồng kín có một con mèo, một máy dò phóng xạ Geiger (Geiger Counter), một cái búa và một bình chứa khí gas độc bằng thủy tinh. Đặt vào trong thùng một nhúm kim loại phóng xạ yếu. Hàm sóng của  nhúm phóng xạ này, qua một quãng thời gian, sẽ là một trùng điệp lượng tử của cả hai khả năng: xác suất 50% phát xạ, và 50% không phát xạ. Nếu phát xạ, máy đo Geiger sẽ nhận biết và kích hoạt cái búa, búa sẽ đập vỡ bình khi độc, con mèo sẽ chết. Bằng không nó vẫn sống. Khi mở buồng kín (tức là thực hiện một quan sát, một phép đo), trạng thái trùng điệp lượng tử , do hàm sóng suy sụp, sẽ chuyển về một trong hai trạng thái: phát xạ hoặc không phát xạ. Và ta sẽ quan sát thấy con mèo hoặc là đã chết, hoặc là vẫn sống. Thế nhưng ở thời điểm trước khi mở buồng kín, do trùng điệp lượng tử, con mèo ở trạng thái vừa đang sống lại vừa đang chết.

Hình minh họa thí nghiệm giả tưởng con mèo

Tại sao con mèo lại có thể vừa đang sống lại vừa đang chết? Về mặt toán học hiện tượng chồng chất (trùng điệp) lượng tử có thể coi như một phương trình có nhiều hơn một nghiệm (ví dụ nghiệm của x2=4 có thể là x=2, cũng có thể là x=-2). Nhưng về mặt vật lý, hiện tượng này cần được giải thích thế nào. Các nhà vật lý theo trường phái Copenhagen từ chối trả lời câu hỏi này. Họ cho rằng thế giới thực (real) hay thực tại khách quan (reality) phải là thế giới mà ta quan sát được, thế giới ấy là con mèo tính từ lúc ta mở cửa buồng kín. Còn thế giới ở trước thời điểm đó là thế giới mà họ không quan tâm. Họ chối bỏ thế giới mà không ai quan sát được, bất kể thế giới ấy có tồn tại hay không.

Cuộc tấn công vào khiếm khuyết của cơ lượng tử, do Einstein và Schrödinger dẫn dắt, rất kiên cường nhưng đơm hoa kết trái hơi muộn. Lúc cuối đời, dù là nhà vật lý vĩ đại nhất mọi thời đại Einstein vẫn bị coi là một nhà vật lý già nua, lạc hậu, sai lầm và thua cuộc. Thế nhưng theo thời gian, những phát kiến “lúc già nua và thua cuộc” của Einstein đang quay lại rực rỡ: sóng hấp dẫn, lỗ đen, lỗ sâu đục Einstein-Rosen (Einstein-Rosen bridge), và mới đây là nghịch lý EPR với giải Nobel vật lý 2022.

Thế nhưng thế giới lượng tử vi mô vẫn đầy các bí ẩn mà chưa có có lý thuyết lượng tử nào giải thích thấu đáo: tại sao hàm sóng suy sụp khi bị quan sát, bản chất của chồng chất lượng tử là gì, cơ chế của dính líu lượng tử vận hành ra sao.   

Có nhiều cách tiếp cận cơ học lượng tử mới mẻ hơn, kì lạ hơn, và khác với Giải thích Copenhagen. Các nhà vật lý bắt đầu cởi mở hơn khi đón nhận những giả thuyết ấy, trong đó có Thuyết Đa Thế giới (Many-Worlds) của Hugh Everett.

Đa thế giới là một khung toán học được Hugh Everett chứng minh (chặt chẽ và chính xác) nhưng không thể kiểm định bằng thực nghiệm hoặc dữ liệu thực tế. Cũng như thuyết biến ẩn của David Bohm, Everett cố gắng áp dụng cơ học lượng tử vào thế giới thường nhật. Trong thuyết Đa thế giới, các hàm sóng liên tục quấn quít, liên đới với nhau. Hàm sóng của máy dò phóng xạ Geiger liên đới với hàm sóng của cái búa. Rồi hàm sóng của cái búa lại quấn quít với hàm sóng của bình khí độc. Và cứ thế, toàn bộ hệ thống cùng chia sẻ chung với nhau một hàm sóng đơn nhất. Hàm sóng ấy cũng có hai nửa: nửa phát xạ và con mèo sẽ chết, và nửa không phát xạ và con mèo sẽ sống. Đến đây có một sự khác: khi buồng kín được mở ra, thay vì một thì cả hai kết quả đồng thời xuất hiện nhưng bị chia tách (split) thành hai nhánh với hai thế giới khác nhau và độc lập với nhau. Ở thế giới này con mèo đang sống và ở thế giới kia con mèo đang chết.

Everett áp dụng thuyết của mình cho toàn bộ vũ trụ. Và nếu cứ lặp đi lặp lại thí nghiệm nhiều lần, chúng ta sẽ có nhiều bản sao của chính mình, ở các vũ trụ khác nhau, mỗi bản sao của chúng ta lại đang quan sát bản sao của một con mèo. Con mèo ấy hoặc sống hoặc chết. Mỗi chúng ta ở thế giới này hoàn toàn không biết đến “những mình” và “những mèo” ở những thế giới khác. Những thế giới kỳ lạ và siêu tưởng như vậy, cũng như các nghịch lý như ERP và nghịch lý con mèo Schrödinger chính là những thách thức tư duy buộc con người phải đào sâu hơn về bản chất của hiện thực, của vũ trụ thực đang vận hành mà trong đó con người là một phần của vũ trụ ấy.

*

Đọc thêm: Quấn quít lượng tửBầu trời chiều ẩn giấu

Advertisement

About Blog của 5xu

Ti hí nhìn đời
Bài này đã được đăng trong Uncategorized. Đánh dấu đường dẫn tĩnh.