Điều gì đó ẩn sâu trong thế giới lượng tử Thanh Nhàn

Chúng ta biết gì về thế giới lượng tử? Thế giới kỳ bí ấy thực chất liên quan gì đến đời sống của chúng ta?

Trong con mắt mọi người, thế giới lượng tử vô cùng hấp dẫn và khó hiểu. Nguồn: Quantamagazine

Chắc hẳn những gì đại chúng biết nhiều nhất về vật lý lượng tử là qua câu nói của Albert Einstein “Chúa không chơi xúc xắc”, “tác động ma quái bất chấp khoảng cách”. Trong những bức thư ông trao đổi với đồng nghiệp vào năm 1945 có một bức miêu tả chi tiết thực nghiệm tưởng tượng dẫn đến một khái niệm lượng tử “hành động ma quái bất chấp khoảng cách”, diễn tả sự tác động tức thời lên hành vi của hai vật thể xuyên qua một khoảng cách rất xa, theo một cách nào đó. Một bức thư khác, cũng năm 1945, Einstein đề cập đến “quan điểm riêng” của mình về vật lý lượng tử mà ngay lập tức cũng trở nên nổi tiếng “Chúa không chơi xúc xắc ở vũ trụ này”, “Chúa chơi xúc xắc không biết mệt mỏi theo những quy luật mà chính Chúa áp đặt” 1*.

Tại sao Einstein lại thốt lên như vậy? Tại sao bản thân cha đẻ của Thuyết tương đối cũng cảm thấy khó dung hòa với vật lý lượng tử? Phải chăng vật lý lượng tử chính là một trò chơi khăm của Chúa, người tạo ra thế giới này? Những câu hỏi như thế có thể đã lặp đi lặp lại trong đầu bao thế hệ, kể từ khi vật lý lượng tử bắt đầu trở thành khái niệm phổ biến trong đại chúng. Người ta luôn luôn thấy những điều phản trực giác, đi ngược lại với logic thông thường ở vật lý lượng tử. Trong thí nghiệm mang tính biểu tượng của Erwin Schrödinger thì con mèo vừa sống lại vừa chết, trong khi thế giới thực tại thì dĩ nhiên là mèo chỉ ở trạng thái hoặc sống hoặc chết, không thể có tình trạng nước đôi như thế. Thật không thể, ai rồi cũng phải thốt lên điều này mỗi khi nghĩ về con mèo kỳ lạ ở hai trạng thái chồng chập trong cái hộp nổi tiếng chứa độc chất, hay tròn mắt trước màn gọi điện thoại của hai nhân vật tưởng tượng Bob và Alice “Alice, với anh, em là duy nhất”, “Nhưng Bob, bằng cách nào chúng ta có thể đảm bảo được điều đó, trong một thế giới lượng tử?”.

Thế giới lượng tử như một lãnh địa bí ẩn, nơi không thể tồn tại một dự đoán hoàn hảo bởi mọi thứ đều diễn ra một cách ngẫu nhiên và kỳ quặc đến mức các xác suất cũng tuân theo rất nhiều quy tắc khác biệt. Trong sự giám sát và bao dung của hàm sóng, các hạt tồn tại, dịch chuyển, hành xử và giữ những bí mật mà chỉ chúng biết với nhau, bất chấp khoảng cách. Quan sát thế giới vi mô ấy, bao nỗi tò mò dấy lên khiến người ta không khỏi tự hỏi rằng tại sao lại đến nông nỗi này, tại sao cơ học lượng tử lại trở thành một thứ “rối tinh rối mù” như cách gọi của nhà vật lý lý thuyết Sean Carroll trong cuốn sách nổi tiếng của mình, Điều gì đó ẩn sâu: Thế giới lượng tử và Không – thời gian đột sinh (NXB Trẻ ấn hành), một bản tiếng Việt khó có thể xuất sắc hơn của dịch giả Vũ Ngọc Tú.

Để có thể sống sót trở về từ lãnh địa lượng tử như mê cung ấy, ắt chúng ta không thể phó thác sinh mệnh vào những hiểu biết sơ khởi về vật lý, nếu không muốn bỏ mạng như Icarus khi cùng cha là kiến trúc sư Daedalus bay khỏi mê cung trên đảo Minos. Chúng ta cần đến một chiến lược khác, một cuộn chỉ dẫn đường thần kỳ của nàng Ariadne đang nằm trong tay Sean Carroll.

Liệu chúng ta có dễ dàng thoát khỏi trạng thái “rối tung, rối mù” đó không?

Lối đi giữa trập trùng cạm bẫy

Nhà vật lý Sean Carroll.

May thay, Sean Carroll, một chuyên gia về cơ học lượng tử, vũ trụ học và triết học, thấu hiểu nguồn cơn nỗi bối rối của những người quan sát. Thay vì tung thêm hỏa mù cho những cái đầu ong ong trên đường vào lãnh địa hắc ám này, ông đã khéo léo vạch một đường đi không thể sáng hơn, đưa cả đoàn người tò mò và thiếu kinh nghiệm bước qua những cạm bẫy của trập trùng khái niệm vô cùng phản trực giác. Không chọn những đèo dốc hiểm trở như “quantum entanglement” (khi dịch ra tiếng Việt, có rất nhiều ứng viên được đưa ra như “liên đới lượng tử”, “vướng víu lượng tử”, “rối lượng tử”…; trong bài viết này, chúng tôi lựa chọn từ “rối lượng tử” theo gợi ý của PGS. TS Nguyễn Bá Ân), trạng thái spin lên, spin xuống của các hạt electron, hay nguyên lý bất định của Heisenberg…, Sean Carroll mỉm cười gợi ý mọi người trở về với cội nguồn của lượng tử, nơi các bậc hiền nhân thức giả vào cuối thế kỷ 19 bắt đầu phác họa một lý thuyết hoàn chỉnh về thế giới “vật chất được tạo thành từ các nguyên tử mà nguyên tử lại được tạo thành từ những hạt nhỏ hơn nữa, những hạt này tương tác thông qua các lực khác nhau được truyền dẫn bởi trường”. Những đột phá trong nhận thức vào đầu thế kỷ 20 của Albert Einstein, Max Planck về lượng tử ánh sáng, Ernest Rutherford đưa ra mô hình giải thích nguyên tử được bao quanh các electron chuyển động theo quỹ đạo và Niels Bohr đề xuất những quỹ đạo lượng tử hóa, khiến “electron không thể nấn ná ở vùng giữa quỹ đạo được phép nhưng chúng có thể nhảy vọt từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác”.

Lượng tử là một phần quan trọng của lịch sử vật lý hiện đại hay nói đúng hơn, những phát hiện đột phá của vật lý hiện đại hầu hết đều liên quan đến lượng tử. Tại Copenhagen, Bohr – người được John Archibald Wheeler, cộng sự cuối cùng của Einstein dành những lời tôn kính “Không gì có thể khiến tôi tin tưởng rằng tồn tại những tình bạn trần thế với những trí tuệ siêu việt của Khổng tử và Đức Phật, Đức Giêsu và Pericles, Eramus và Lincoln hơn việc tản bộ và hàn huyên với Niels Bohr dưới bóng những cây sồi trong rừng Klamoenborg!”- cùng một nhân vật gây tranh cãi của thế giới vật lý, Werner Heisenberg, cha đẻ của Nguyên lý bất định (Uncertainty Principle), và Wolfgang Pauli, người tạo ra Nguyên lý loại trừ Pauli (Pauli exclusion principle) đã đặt một lằn ranh phân định giữa cơ học cổ điển và cơ học lượng tử trong cái mà sau được gọi là luận giải Copnhagen về cơ học lượng tử.

Lượng tử là một phần quan trọng của lịch sử vật lý hiện đại hay nói đúng hơn, những phát hiện đột phá của vật lý hiện đại hầu hết đều liên quan đến lượng tử.

Lãnh địa vật lý lượng tử mở rộng ra một chút khi De Broglie mở rộng mô hình về nguyên tử của Bohr, rồi với cách tiếp cận đó, “Heisenberg, Born và Jordan đã thêm tình tiết cho câu chuyện về những bước nhảy ngẫu hứng trở thành một lý thuyết hoàn chỉnh, cơ học ma trận”. Ở tuổi 38, bất chấp việc được coi là “quá già” để đưa ra ý tưởng cực kỳ mới lạ so với lớp trẻ như Heisenberg 25 tuổi, Pauli 27 tuổi, Erwin Schrödinger đã ngang nhiên tung ra hàm sóng (phương trình Schrödinger), cũng xây dựng trên giả thuyết của De Broglie, và trớ trêu về sau được chính “Paul Dirac và những người khác chứng minh về cơ bản, nó tương đương với cơ học ma trận”.

Không thiếu những cuộc tranh cãi trong quá trình phát triển của cơ học lượng tử đầu thế kỷ 20, một trong số đó là cuộc tranh luận nổi tiếng của Einstein – Bohr. Dĩ nhiên, Sean Carroll không bỏ qua sự kiện quan trọng đó. Cũng giống như các đồng nghiệp của mình, ông kính trọng cha đẻ của Thuyết tương đối, “bậc thầy sử dụng câu từ cũng như phương trình”, và bác bỏ quan điểm cho rằng “Einstein không thể nắm bắt toàn bộ nguyên lý bất định và dành thời gian cố gắng tạo ra những phương pháp khéo léo nhằm không phải dùng đến nguyên lý này”. Ngược lại, trong Điều gì đó ẩn sâu, ông diễn giải công lao của Einstein với lượng tử là “hệ thống hóa được những lo ngại của mình thành sự phản biện chặt chẽ, và khi làm như vậy, ông đã giúp khai mở được một trong những đặc tính sâu sắc nhất của thế giới lượng tử: hiện tượng rối”.

Những câu chuyện như vậy được đặt song song với những lý giải về các khái niệm lượng tử và sự tiến hóa của chúng khiến cho đầu óc của chúng ta bớt ong ong một chút, ít ra cũng thấy thiện cảm hơn đôi chút về điều mà Feynman từng tuyên bố “Tôi nghĩ mình có thể nói một cách chắc chắn rằng chẳng ai hiểu được cơ học lượng tử”, một câu mà dường như đã gợi ý cho đạo diễn kiêm tác giả kịch bản bộ phim Openheimer Christopher Nolan đặt vào miệng Openheimer nội dung gần tương tự. Và thật thú vị khi trên con đường khám phá, thi thoảng chúng ta lại ngộ thêm một vài điều xác đáng về khoa học “Đối với nhà vật lý, một phương trình đúng đắn sẽ làm cho mọi thứ trở nên khác biệt. Nó nâng tầm một ý tưởng nghe có vẻ rất thú vị (các hạt có những tính chất giống sóng) thành một lý thuyết chặt chẽ và không khoan nhượng. Tính không khoan nhượng nghe có vẻ là phẩm chất không tốt ở con người nhưng lại là điều mong muốn có trong một lý thuyết khoa học”.

Điều gì đó ẩn sâu: Thế giới lượng tử và Không – thời gian đột sinh (NXB Trẻ ấn hành), một bản tiếng Việt khó có thể xuất sắc hơn của dịch giả Vũ Ngọc Tú.

Khám phá Đa vũ trụ, khám phá chính mình

Khi chúng ta cảm thấy thoải mái hơn với các khái niệm vật lý lượng tử, con đường khám phá lãnh địa này sẽ trở nên bớt quanh co một chút. Nó đưa thẳng chúng ta tới Đa vũ trụ, tâm điểm của Điều gì đó ẩn sâu, bởi Sean Carroll cho rằng “rõ ràng là con đường nhiều triển vọng nhất”, “phương thức thuần khiết nhất để hiểu về cơ học lượng tử”.

Khái niệm Đa vũ trụ dường như khá gần gũi với chúng ta. Tất cả là nhờ Hollywood, nơi tạo ra những siêu anh hùng có năng lực nhảy ra, nhảy vô đủ loại vũ trụ khác nhau hoặc nhìn thấy các biến thân/bản sao/bản thể khác nhau của mình ở các vũ trụ khác nhau. Khi nghĩ về Đa vũ trụ, chúng ta thường mơ mộng tự hỏi, liệu mình ở một vũ trụ khác sẽ như thế nào? Thông minh hơn, hạnh phúc hơn, may mắn hơn hay ngốc nghếch hơn? Liệu có cách nào nhận biết và kết nối các biến thân này với nhau không? Liệu các biến thân ấy có phải là mình không? “Ở Đa vũ trụ, cuộc đời của một người phải được xem xét giống như một cái cây có nhiều cành nhánh, mà tại mỗi điểm tồn tại đồng thời nhiều bản thể, chứ không phải chỉ có một nhánh duy nhất – giống hệt con trùng amip tự phân chia”. Nguyên do là hàm sóng phân nhánh tức thời, mỗi biến thân lại sống ở một nhánh hàm sóng khác biệt nhưng “đều không nhận thức được mình đang ở trên nhành nào”. Cái cách lý giải này khiến người ta nhớ đến một tình huống trong bộ phim Ant-Man and the Wasp: Quantumania (Người kiến và Chiến binh ong: Thế giới lượng tử), đó là Scott Người kiến được Kang Người chinh phục, một kẻ du hành đa vũ trụ, theo thời gian bị mắc kẹt trọng Thực tại lượng tử, yêu cầu giúp lấy lại năng lượng lõi. Scott đã bay vào lõi, hứng chịu một cơn bão xác suất để rồi bị phân chia thành vô số bản sao của chính mình và bị ngợp giữa các bản sao đó.

Thế giới mà chúng ta đang sống cũng tràn ngập những điều bất định và “vạn vật trên thế gian này vẫn cứ tương phùng ngẫu nhiên đấy thôi”.

Câu chuyện về Đa vũ trụ, vì thế, đủ sức hấp dẫn và níu chân mọi du khách trên con đường khám phá thế giới lượng tử. Tuy nhiên, thật không dễ để hiểu về một thế giới bất định với hàm sóng, “sự suy sụp của hàm sóng hoàn toàn ngẫu nhiên và tuân theo định luật Born”, hay nghĩ về hệ quả của xác suất trong Đa vũ trụ. Đó là lý do mà Sean Carroll đã sáng tạo ra màn đối thoại giữa hai thế hệ, giữa cha và con, giữa một nhà vật lý, “chuyên gia về ứng dụng tính toán kỹ thuật trong vật lý hạt” và một nhà triết học “nổi tiếng về cách tiếp cận Đa vũ trụ trong cơ học lượng tử”, một cuộc trao đổi “mang màu sắc Socrates về những bí ẩn lượng tử” trong quãng bốn chục trang. Quả thực, sự hòa trộn giữa những khái niệm lượng tử và triết học chưa bao giờ nhuần nhuyễn đến thế và hấp dẫn đến thế, nó gợi người ta liên tưởng tới cuộc đối thoại (cũng có độ dài tương đương thế) thể hiện giằng xé về đức tin, sự vô thần, lòng trắc ẩn giữa Ivan Fyodorovich và em trai mình Alyosha cũng như cuộc tranh luận trong giấc mộng giữa Ivan với con quỷ nội tâm của chàng trong bộ tiểu thuyết Anh em nhà Karamazov của Fyodor Dostoevsky.

Nhưng nếu cuộc tranh luận của Ivan với con quỷ nội tâm hay Alyosha khiến người ta dằn vặt đau đớn về một thế giới hỗn loạn và phi lý mà ngay cả tôn giáo cũng không thể lý giải hết thì cuộc đối thoại giữa Alice và cha mình khiến người ta cảm thấy nhẹ nhõm cuốn hút. “Đặc điểm xác định của Đa vũ trụ là sự tồn tại của những thế giới khác. Thế giới của chúng ta không thể nào tương tác được với chúng, vậy thì không thể nào kiểm chứng được những đặc tính khác biệt này”, “Vậy thì sao? Mọi lý thuyết đúng đắn vẫn đưa ra một số tiên đoán không thể kiểm chứng được đấy thôi. Hiểu biết hiện nay về thuyết tương đối rộng tiên đoán là ngày mai, lực hấp dẫn sẽ không đột ngột biến mất trong một khoảng thời gian một phần nghìn giây tại một vùng không gian cụ thể có kích thước 10 mét và cách xa chúng ta tới 10 triệu năm ánh sáng… Không có bất cứ lý do nào để lực hấp dẫn hành xử theo cách đó…”, “Một khi cha có thể mô tả được những chồng chập của các electron có spin, cha cũng có thể dễ dàng mô tả được những chồng chập của các vũ trụ”…

Theo dõi cuộc đối thoại giữa Alice và cha của cô, người đọc không khỏi cảm thấy ong ong, nhức nhối cái đầu nhưng đây là cái ong ong, nhức nhối dễ chịu của người đang được chứng kiến cái tưởng chừng không hiểu được nhưng vẫn có cách lý giải nó. “Thế giới này giống như một vũ trụ cổ điển vô cùng bao la và rộng lớn. Nếu những trạng thái được thấy trong vũ trụ bao quanh chúng ta tiếp tục vươn xa vô hạn theo mọi hướng, thì rất có thể tồn tại những nền văn minh khác giống chúng ta cũng đang tiến hành những thí nghiệm về cơ học lượng tử. Ngay cả nếu một nền văn minh trong số đó thu được xác suất theo định luật Born thì với vô vàn nền văn minh, vẫn có một số thu được những kết quả thống kê cực kỳ khác biệt”.

Với cách kể chuyện này, thế giới vi mô của cơ học lượng tử ít nhiều trở nên dễ hình dung hơn, gần gụi hơn với chúng ta, những người tồn tại trong thế giới vĩ mô. Chúng ta cảm thấy đúng là mình cần chấp nhận hơn những điều tưởng chừng rất vô lý ấy trước khi hiểu được nó. Chúng ta cứ suy nghĩ, mơ mộng về những điều như vậy mà không thấy rằng thực ra, thế giới mà chúng ta đang sống cũng tràn ngập những điều bất định và “vạn vật trên thế gian này vẫn cứ tương phùng ngẫu nhiên đấy thôi”.

Thế giới mà chúng ta đang sống cũng tràn ngập những điều bất định và “vạn vật trên thế gian này vẫn cứ tương phùng ngẫu nhiên đấy thôi”.

Sự hấp dẫn của Điều gì đó ẩn sâu chính là sự gần gụi của vật lý lượng tử với thế giới thực và với chúng ta. Sean Carroll đặt ra vô số tình huống, vô số ví dụ để chúng ta à lên một tiếng về “lượng tử giữa đời thật”. Hóa ra, trong cuộc đời này, chúng ta đã vô số lần phải ra quyết định theo kiểu “chọn một dòng hay để nước trôi”: Làm bài tập hay đi chơi, tán gẫu cùng bạn bè? Mua một cái áo vì mình mặc đẹp hay mua một cuốn sách để có cơ hội nghiền ngẫm? Theo nghề bác sĩ hay chọn ngành lịch sử? Nên lấy người mình yêu hay lấy người yêu mình?… Trong khi Sean Carroll hài hước cho rằng “bạn cứ thoải mái trút hết những quyết định khó khăn cho máy tạo số ngẫu nhiên lượng tử, bằng cách này chắc chắn sẽ có ít nhất một nhánh của hàm sóng mang phương án tốt nhất được chọn”. Chắc chắn là nhà soạn nhạc Gabriel Fauré không biết đến sự ngẫu nhiên lượng tử theo hàm sóng nhưng ông từng phó thác đời mình vào sự ngẫu nhiên trong quyết định: khi được giới thiệu ba cô gái là con của hai nhà văn và một nhà điêu khắc, Fauré đã viết tên các cô lên các mảnh giấy, xáo trộn chúng trong một chiếc mũ và ngẫu nhiên chọn được mảnh ghi tên con gái nhà điêu khắc rồi quyết định kết hôn với cô 2*.

Những câu chuyện của Sean Carroll khiến cuộc thám hiểm thế giới lượng tử vi mô kỳ bí của chúng ta trở nên thú vị, không chỉ bởi những hiểu biết sâu sắc của ông về vật lý lượng tử mà còn bởi những cái nhìn về tôn giáo và triết học của ông, một người theo chủ nghĩa vô thần và chủ nghĩa tự nhiên. “Việc biết về sự tồn tại của những thế giới khác gây ảnh hưởng như thế nào đến các quan niệm của chúng ta về hành vi luân lý và đạo đức?… Mỗi khi tôi ra quyết định, có phải các thế giới khác nhau được tạo ra trong đó tôi lựa chọn những thứ khác nhau không? Liệu rằng có những thực tại ở đâu đó ngoài kia tương ứng với một loạt lựa chọn khác nhau của tôi, những vũ trụ hiện thực hóa mọi khả năng của cuộc đời tôi”?

Các sự kiện ở quy mô nhỏ nhất có thể dẫn đến những hệ quả vô cùng to lớn
***

Có lẽ, thế giới vi mô của vật lý lượng tử và thế giới vĩ mô mà chúng ta đang sống vô cùng nhiều khác biệt. Những thí nghiệm lượng tử cho chúng ta những kết quả đáng kinh ngạc: Máy tính lượng tử nhìn thấy 16 tương lai, hai nghìn nguyên tử tồn tại ở hai nơi cùng một lúc, sự thật có tính chủ quan, thứ tự nhân quả có thể bị đảo ngược… Quả thật, các sự kiện ở quy mô nhỏ nhất có thể dẫn đến những hệ quả vô cùng to lớn 3*. Nhưng liệu rồi nó có đúng với thế giới chúng ta sống? Nếu thế nó có làm đảo lộn tất cả?… Khi được hỏi về trường hợp này, PGS. TS Nguyễn Bá Ân trầm ngâm rồi thận trọng trả lời rằng câu chuyện ở thế giới vi mô chưa chắc đã phản ánh câu chuyện ở thế giới vĩ mô rồi dẫn ra một ví dụ về thứ tự nhân quả dễ hình dung “như trong trường hợp ‘xem số’ chẳng hạn, bây giờ ngoài căn cứ vào ngày giờ sinh thì có thể người ta còn cần cả ngày giờ chết nữa”.

Ừ nhỉ, vạn vật hữu hình và vô hình, quyết định luận và vô định luận, vĩ mô và vi mô… còn ẩn chứa bao nhiều bí ẩn, không chỉ vì những đại lượng ‘vô hình’ như vật chất tối, năng lượng tối áp đảo trong vũ trụ bao la, nơi dải Ngân hà chứa hệ Mặt trời của chúng ta chỉ là một phần siêu bé nhỏ, mà còn vì mỗi phút giây trong thế giới thực tại này lại có thể liên quan đến mỗi sự kiện huyền hoặc của sự sống, của đời người.

Và trong mỗi phút mỗi giây ấy, ta lại cảm nhận trọn vẹn cái cảm xúc “chồng chập lượng tử” của không và có, của hư và thực, của hữu thời và phi thời…

“…Mưa mấy mùa

mây mấy độ thu

Vườn thức một mùi hoa đi vắng

Em vẫn đây mà em ở đâu

Chiều Âu Lâu

bóng chữ động chân cầu”

(Bóng chữ, Lê Đạt)

————————

Chú thích

1. ‘God Plays Dice with the Universe,’ Einstein Writes in Letter About His Qualms with Quantum Theory. https://www.livescience.com/65697-einstein-letters-quantum-physics.html

2. https://nhaccodien.vn/faure-gabriel-1845-1924/

3. “Vật lý lượng tử 2019: 12 thí nghiệm kinh ngạc nhất”. https://tiasang.com.vn/khoa-hoc-cong-nghe/vat-ly-luong-tu-2019-12-thi-nghiem-kinh-ngac-nhat-22885/

Bài đăng Tia Sáng số 15/2024