Các nhà vật lý tìm ra một nghịch lý lượng tử mới gây nghi ngờ về thực tại

Bình luận Văn Thiện • 23:33, 03/09/20

Nếu một cái cây đổ trong một khu rừng và không có ai ở đó để nghe thấy tiếng đổ, thì nó có phát ra âm thanh không? Một số người có lẽ sẽ cho rằng nó không phát ra âm thanh.

Và nếu ai đó có tại khu rừng để nghe thấy tiếng cây đổ thì sao? Nếu bạn nghĩ rằng việc này có nghĩa là cây đổ rõ ràng đã tạo ra tiếng động, bạn có thể cần phải xem xét lại ý kiến đó.

Các nhà khoa học đến từ Đại học Griffith đã tìm thấy một nghịch lý mới trong cơ học lượng tử khiến chúng ta nghi ngờ một số ý tưởng trước đây về thực tại vật lý.

Cơ học lượng tử và hiểu biết thông thường

Hãy xét 3 mệnh đề sau:

  1. Khi nói ai đó quan sát thấy một sự kiện đang xảy ra, thì nó đã thực sự xảy ra.
  2. Có thể thực hiện các lựa chọn một cách tự do, hoặc ít nhất, các lựa chọn ngẫu nhiên về mặt thống kê.
  3. Một lựa chọn được thực hiện ở một nơi không thể ngay lập tức ảnh hưởng đến một sự kiện ở xa. (Các nhà vật lý gọi đây là tính "định xứ".)

Đây đều là những ý tưởng được các nhà vật lý thừa nhận rộng rãi. Nhưng một nghiên cứu mới, được công bố trên tạp chí Nature Physics, cho thấy không phải tất cả chúng đều là đúng - hoặc bản thân cơ học lượng tử phải bị phá vỡ ở một mức độ nào đó.

Kết quả được xem là rất mạnh trong một chuỗi dài các khám phá về cơ học lượng tử, đã làm đảo lộn ý tưởng của chúng ta về thực tại. Để hiểu tại sao nó lại quan trọng như vậy, hãy cùng nhìn lại lịch sử của môn này.

Cuộc chiến để hiểu đúng về thực tại

Cơ học lượng tử cực kỳ hiệu quả trong việc mô tả hành vi của các hạt vô cùng nhỏ, chẳng hạn như nguyên tử hoặc ánh sáng (photon). Hành vi của các hạt đó là... rất kỳ quặc.

Trong nhiều trường hợp, lý thuyết lượng tử không đưa ra câu trả lời tường minh cho những câu hỏi như "hạt hiện đang ở đâu?". Thay vào đó, nó chỉ cung cấp các xác suất về những nơi có thể tìm thấy hạt khi quan sát nó.

Đối với Niels Bohr, một trong những người sáng lập ra lý thuyết lượng tử một thế kỷ trước, đó không phải là vì chúng ta thiếu thông tin, mà bởi vì các đặc tính vật lý như "vị trí" không thực sự tồn tại cho đến khi chúng được đo lường.

Các đặc tính của hạt không thể được quan sát đồng thời - chẳng hạn như vị trí và vận tốc.

Tuy nhiên, nhà bác học thiên tài Albert Einstein không đồng tình với ý tưởng trên. Trong một bài báo năm 1935 với các đồng nghiệp Boris Podolsky và Nathan Rosen, ông cho rằng thực tại phải có nhiều hơn những gì cơ học lượng tử có thể mô tả.

Trong bài báo này, ông xét một cặp hạt ở xa nhau trong một trạng thái gọi là "vướng víu". Khi một thuộc tính (ví dụ, vị trí hoặc vận tốc) được đo trên cả hai hạt vướng víu, kết quả sẽ là ngẫu nhiên - nhưng sẽ có mối tương quan giữa các kết quả thu được từ mỗi hạt riêng lẻ.

Ví dụ, một người quan sát đo vị trí của hạt đầu tiên có thể dự đoán hoàn hảo kết quả đo vị trí của hạt ở xa mà không cần chạm vào nó. Họ lập luận rằng điều này xảy ra nếu cả hai thuộc tính xác định tồn tại trước khi được đo, trái ngược với cách giải thích của Bohr.

Tuy nhiên, vào năm 1964, nhà vật lý người Bắc Ireland John Bell nhận thấy lập luận của Einstein sẽ bị phá sản nếu bạn thực hiện một sự kết hợp phức tạp hơn của các phép đo khác nhau trên hai hạt.

Bell chỉ ra rằng nếu hai quan sát viên đo đạc một cách ngẫu nhiên và độc lập một trong số các thuộc tính của hạt, như vị trí hoặc vận tốc, thì kết quả trung bình của các phép đo này không thể giải thích được theo bất kỳ lý thuyết nào mà cả vị trí và vận tốc đều là thuộc tính định xứ có từ trước.

Điều đó nghe có vẻ khó tin, nhưng các thí nghiệm sau này đã chứng minh một cách chắc chắn lập luận của Bell. Đối với nhiều nhà vật lý, đây là bằng chứng cho thấy Bohr đã đúng: các thuộc tính vật lý không tồn tại cho đến khi chúng được đo lường.

Nhưng điều đó đặt ra câu hỏi quan trọng: điều gì xác định một "phép đo"?

Người quan sát hay hạt được quan sát

Năm 1961, nhà vật lý lý thuyết người Mỹ gốc Hungary, Eugene Wigner, đã đưa ra một thí nghiệm tưởng tượng để cho thấy sự phức tạp trong việc đo lường.

Ông xét một tình huống trong đó bạn của ông đi vào một phòng thí nghiệm được cách ly hoàn toàn với bên ngoài (hệ kín) và thực hiện phép đo vị trí trên một hạt lượng tử.

Tuy nhiên, Wigner nhận thấy rằng nếu ông áp dụng các phương trình của cơ học lượng tử để mô tả hệ người và hạt từ bên ngoài, thì thu được kết quả hoàn toàn khác. Thay vì phép đo của người bạn làm cho vị trí của hạt trở nên xác định, theo quan điểm của Wigner, người bạn trở nên vướng víu với hạt.

Điều này tương tự như thí nghiệm tưởng tượng con mèo nổi tiếng của Schrödinger mà trong đó số phận của con mèo trong hộp bị vướng víu vào một sự kiện lượng tử ngẫu nhiên.

Đối với Wigner, đây là một kết luận vô lý. Ông tin rằng một khi ý thức của một người quan sát có liên quan đến phép đo, sự vướng víu sẽ "sụp đổ".

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu Wigner sai?

Thí nghiệm của các nhà khoa học đến từ Đại học Griffith

Trong nghiên cứu của các nhà khoa học đến từ Đại học Griffith, họ đã xét một phiên bản mở rộng của nghịch lý người bạn của Wigner, lần đầu tiên được đề xuất bởi Časlav Brukner đến từ Đại học Vienna.

Trong kịch bản này, có hai nhà vật lý - gọi họ là Alice và Bob - mỗi người cùng với những người bạn của mình (Charlie và Debbie) trong hai phòng thí nghiệm cách xa nhau.

Trong đó, Charlie và Debbie đang đo đạc một cặp hạt vướng víu, giống như trong thí nghiệm Bell.

Như trong lập luận của Wigner, các phương trình của cơ học lượng tử cho chúng ta biết Charlie và Debbie nên vướng vào các hạt quan sát được của họ. Nhưng vì những hạt đó đã vướng vào nhau, nên theo lý thuyết, Charlie và Debbie cũng sẽ vướng vào nhau.

Nhưng điều đó ý nghĩa gì về mặt thực nghiệm?

Thí nghiệm diễn ra như thế này: những người bạn vào phòng thí nghiệm của họ và đo các hạt. Một thời gian sau, Alice và Bob mỗi người tung một đồng xu. Nếu đồng xu ngửa, họ mở cửa và hỏi những người bạn trong phòng về những gì mà họ đã thấy. Nếu đồng xu sấp, những người bạn sẽ thực hiện một phép đo khác.

Phép đo này luôn mang lại kết quả dương cho Alice nếu Charlie vướng vào hạt quan sát của mình theo lập luận Wigner. Tương tự đối với Bob và Debbie.

Tuy nhiên, khi thực hiện phép đo này, mọi bản ghi chép về các quan sát của những người bên trong phòng thí nghiệm đều bị chặn không cho tiếp cận thế giới bên ngoài. Charlie hoặc Debbie sẽ không nhớ mình đã nhìn thấy bất cứ thứ gì bên trong phòng thí nghiệm, như thể tỉnh dậy sau cơn mê hoàn toàn.

Nhưng nó đã thực sự xảy ra, ngay cả khi họ không nhớ nó?

Nếu ba mệnh đề ở đầu bài viết này là đúng, thì mỗi người bạn sẽ thấy một kết quả thực sự và duy nhất cho phép đo của họ trong phòng thí nghiệm, không phụ thuộc vào việc Alice hay Bob sau này có quyết định mở cửa cho họ hay không. Ngoài ra, những gì Alice và Charlie nhìn thấy không nên phụ thuộc vào cách đồng xu tiếp đất, và ngược lại.

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nếu đúng như vậy, thì mối tương quan giữa kết quả kỳ vọng của Alice và Bob sẽ có những hạn chế. Tuy nhiên, cơ học lượng tử dự đoán Alice và Bob sẽ thấy những mối tương quan vượt ra ngoài những hạn chế đó.

Tiếp theo, nghiên cứu thực hiện một thí nghiệm để xác nhận các dự đoán cơ học lượng tử bằng cách sử dụng các cặp photon vướng víu. Vai trò của phép đo của mỗi người bạn được thực hiện bởi một trong hai con đường mà mỗi photon có thể, tùy thuộc vào thuộc tính của photon được gọi là "phân cực".

Về nguyên tắc, thí nghiệm chỉ thu được một kết quả. Nhưng nó mở ra câu hỏi liệu kết quả tương tự có được giữ nếu những nhà quan sát trở nên phức tạp hơn hay không.

Ý nghĩa của nghiên cứu mới

Mặc dù có thể còn nhiều thập kỷ nữa mới có thể kiểm tra kết luận của nghiên cứu, nhưng nếu các dự đoán cơ học lượng tử tiếp tục được duy trì, điều này có ý nghĩa mạnh mẽ đối với sự hiểu biết của chúng ta về thực tại - thậm chí còn nhiều hơn các tương quan Bell.

Thứ nhất, các mối tương quan mà nghiên cứu phát hiện ra không thể được giải thích chỉ bằng cách nói rằng các đặc tính vật lý không tồn tại cho đến khi chúng được đo lường.

Bây giờ thực tại tuyệt đối của các kết quả đo lường chính nó được đặt ra câu hỏi.

Kết quả của nghiên cứu buộc các nhà vật lý phải đối mặt với vấn đề đo lường: hoặc thí nghiệm không mở rộng quy mô và cơ học lượng tử nhường chỗ cho cái gọi là " lý thuyết sụp đổ khách quan", hoặc một trong ba giả thiết thông thường của chúng ta phải bị bác bỏ .

Có những lý thuyết, như de Broglie-Bohm, định đề "tác dụng ở khoảng cách xa", trong đó các tác dụng có thể có tác động tức thời ở những nơi khác nhau trong vũ trụ. Tuy nhiên, điều này mâu thuẫn trực tiếp với thuyết tương đối của Einstein.

Một số tìm kiếm một lý thuyết bác bỏ việc tự do lựa chọn, nhưng chúng đòi hỏi quan hệ nhân quả ngược lại, hoặc một dạng thuyết định mệnh được gọi là "siêu tất định".

Một cách khác để giải quyết mâu thuẫn có thể là làm cho lý thuyết của Einstein trở nên tương đối hơn. Đối với Einstein, các nhà quan sát khác nhau có thể không đồng ý về thời gian hoặc vị trí điều gì đó xảy ra - nhưng điều gì xảy ra là một sự thật tuyệt đối.

Tuy nhiên, trong một số cách diễn giải, chẳng hạn như cơ học lượng tử quan hệthuyết Bayes lượng tử hoặc cách giải thích đa thế giới, bản thân các sự kiện có thể xảy ra chỉ liên quan đến một hoặc nhiều người quan sát. Một cây đổ được quan sát bởi một người có thể không phải là sự thật đối với những người khác.

Tất cả những điều này không có nghĩa là bạn có thể lựa chọn thực tại của riêng mình. Thứ nhất, bạn có thể chọn những câu hỏi, nhưng câu trả lời là do thế giới đưa ra. Và ngay cả trong một thế giới với các mối liên hệ, khi hai người quan sát giao tiếp với nhau, thực tại của họ cũng bị cuốn vào nhau. Bằng cách này, một thực tế được chia sẻ có thể xuất hiện.

Có nghĩa là nếu cả hai chúng ta chứng kiến cùng một cái cây đổ và bạn nói rằng bạn không thể nghe thấy nó, bạn có thể cần một máy trợ thính.

Văn Thiện

Theo Theconversation