Thí nghiệm lượng tử cho thấy hai phiên bản của thực tế tồn tại đồng thời

Bình luận Văn Thiện • 01:54, 14/01/21

Các nhà vật lý từ lâu đã nghi ngờ rằng cơ học lượng tử cho phép hai người quan sát trải nghiệm những thực tế khác nhau, mâu thuẫn nhau. Bây giờ họ đã thực hiện thí nghiệm đầu tiên chứng minh điều đó.

Quay trở lại năm 1961, nhà vật lý đoạt giải Nobel Eugene Wigner đã phác thảo một thí nghiệm tưởng tượng chứng minh một trong những nghịch lý ít được biết đến của cơ học lượng tử. Thí nghiệm cho thấy bản chất kỳ lạ của vũ trụ cho phép hai người quan sát - giả sử là Wigner và người bạn của Wigner - trải nghiệm những thực tế khác nhau.

Kể từ đó, các nhà vật lý đã sử dụng thí nghiệm tưởng tượng “Người bạn của Wigner” để khám phá bản chất của phép đo và tranh luận về việc liệu thực tế khách quan có tồn tại hay không. Điều đó quan trọng bởi vì các nhà khoa học thực hiện các thí nghiệm để xác minh thực tế khách quan. Nhưng nếu họ trải qua những thực tế khác nhau, thế thì làm sao họ có thể đồng ý với nhau về những thực tế này là gì?

Điều này giống như một cuộc tranh luận mang tính giải trí trong cuộc trò chuyện sau bữa tối, nếu thí nghiệm của Wigner chỉ là một thí nghiệm tưởng tượng.

Tuy nhiên, vào năm ngoái, các nhà vật lý nhận thấy rằng những tiến bộ gần đây trong công nghệ lượng tử có thể tái tạo thí nghiệm Người bạn của Wigner trong thực tế. Nói cách khác, họ có thể tạo ra các thực tế khác nhau và so sánh chúng trong phòng thí nghiệm để tìm ra liệu chúng có thể dung hòa hay không.

Và hôm nay, ông Massimiliano Proietti đến từ Đại học Heriot-Watt ở Edinburgh và một vài đồng nghiệp nói rằng họ đã thực hiện thí nghiệm này lần đầu tiên: họ đã tạo ra các thực tế khác nhau và so sánh chúng. Kết luận của họ là nhà bác học Wigner đã đúng - những thực tế này có thể được coi là không thể dung hòa.

Thí nghiệm tưởng tượng của Wigner

Thí nghiệm tưởng tượng ban đầu của Wigner về nguyên tắc rất đơn giản. Bắt đầu với một photon phân cực duy nhất, khi đo, photon này có thể có phân cực ngang hoặc phân cực dọc. Nhưng trước khi thực hiện phép đo, theo quy luật cơ học lượng tử, photon tồn tại ở cả hai trạng thái phân cực cùng một lúc, hay trạng thái chồng chất.

Nhà bác học Wigner tưởng tượng một người bạn của ông trong phòng thí nghiệm khác đo trạng thái của photon này và lưu trữ kết quả, trong khi ông quan sát từ xa. Wigner không có thông tin gì về phép đo của bạn mình và vì vậy buộc phải giả định rằng photon và phép đo về nó là chồng chất của tất cả các kết quả có thể có của thí nghiệm.

Wigner thậm chí có thể thực hiện một thí nghiệm để xác định xem liệu sự chồng chất này có tồn tại hay không. Đây là một loại thí nghiệm giao thoa cho thấy rằng photon và phép đo thực sự nằm trong một trạng thái chồng chất.

Theo quan điểm của Wigner, đây là một “thực tế” khách quan - tồn tại chồng chất. Và thực tế này cho thấy rằng một phép đo không thể diễn ra.

Nhưng điều này hoàn toàn trái ngược với quan điểm của người bạn, người đã thực sự đo độ phân cực của photon và ghi lại nó. Người bạn thậm chí có thể gọi cho Wigner và nói rằng phép đo đã được thực hiện (miễn là kết quả không được tiết lộ).

Vì vậy, hai thực tế đối lập với nhau. Ông Proietti và cộng sự cho biết: “Điều này đặt ra câu hỏi về tình trạng khách quan của các thực tế do hai nhà quan sát xác minh”.

Tái tạo thí nghiệm trong thực tế

Thiết lập của thí nghiệm Người bạn của Wigner trong thực tế. (Ảnh: Massimiliano Proietti và cộng sự)
Thiết lập của thí nghiệm Người bạn của Wigner trong thực tế. (Ảnh: Massimiliano Proietti và cộng sự)

Đó là lý thuyết, nhưng năm ngoái, ông Caslav Brukner đến từ Đại học Vienna ở Áo, đã nghĩ ra một cách để tạo lại thí nghiệm Người bạn của Wigner trong phòng thí nghiệm bằng các kỹ thuật liên quan đến sự vướng víu của nhiều hạt cùng một lúc.

Bước đột phá mà ông Proietti và đồng nghiệp đã thu được là thực hiện được điều này. Họ nói: “Trong một thí nghiệm hiện đại với 6 photon, chúng tôi nhận thấy kịch bản người bạn của Wigner mở rộng này”.

Họ sử dụng 6 photon vướng víu này để tạo ra 2 thực tế — một đại diện cho Wigner và một đại diện cho người bạn của Wigner. Người bạn của Wigner đo độ phân cực của một photon và lưu trữ kết quả. Sau đó, Wigner thực hiện phép đo giao thoa để xác định xem phép đo và photon có nằm trong một trạng thái chồng chất hay không.

Thí nghiệm tạo ra một kết quả rõ ràng. Nó chỉ ra rằng cả 2 thực tế có thể cùng tồn tại mặc dù chúng tạo ra những kết quả không thể dung hòa, giống như Wigner đã dự đoán.

Điều đó đặt ra một số câu hỏi hấp dẫn buộc các nhà vật lý phải xem xét lại bản chất của thực tế.

Ý tưởng rằng những người quan sát cuối cùng có thể điều chỉnh các phép đo của họ về một loại thực tế cơ bản nào đó dựa trên một số giả định. Khi đó, thực tế phổ quát thực sự tồn tại và những người quan sát có thể đồng ý về chúng.

Nhưng cũng có những giả định khác. Một là người quan sát có quyền tự do thực hiện bất kỳ quan sát nào họ muốn. Và một điều nữa là những lựa chọn mà một người quan sát đưa ra không ảnh hưởng đến những lựa chọn mà những người quan sát khác đưa ra — một giả định mà các nhà vật lý gọi là định xứ.

Nếu có một thực tế khách quan mà mọi người đều có thể đồng ý, thì những giả thiết này đều đúng.

Nhưng kết quả của ông Proietti và cộng sự cho thấy rằng thực tế khách quan không tồn tại. Nói cách khác, thử nghiệm gợi ý rằng một hoặc nhiều giả định - có một thực tế mà chúng ta có thể đồng ý, chúng ta có quyền tự do lựa chọn hay tính định xứ - phải sai.

Tất nhiên, có một lối thoát khác cho những người bám vào quan điểm thông thường về thực tế. Đây là một số lỗ hổng khác mà các nhà thí nghiệm đã bỏ qua. Thật vậy, các nhà vật lý đã cố gắng thu hẹp các lỗ hổng trong các thí nghiệm tương tự trong nhiều năm, mặc dù họ thừa nhận rằng có thể không bao giờ đóng hết chúng.

Tuy nhiên, công trình này có ý nghĩa quan trọng đối với công việc của các nhà khoa học. Ông Proietti và cộng sự cho biết: “Phương pháp khoa học dựa trên các dữ kiện, được thiết lập thông qua các phép đo lặp đi lặp lại và được thống nhất trên toàn cầu, không phụ thuộc vào những người đã quan sát chúng”.

Bước tiếp theo là đi xa hơn: xây dựng các thí nghiệm tạo ra những thực tế thay thế ngày càng kỳ lạ không thể dung hòa được. Điều này sẽ đưa chúng ta đến đâu là tùy đoán của mọi người. Nhưng chắc chắn Wigner và bạn của ông sẽ không ngạc nhiên.

Văn Thiện

Theo technologyreview

 



BÀI CHỌN LỌC