Chủ Nhật, 19 tháng 6, 2016
Nguyễn Hoài Vân - Thiên Chúa không chơi xúc xắc. Một sai lầm của Einstein
Vật lý lượng tử
đưa đến những quan điểm về vật chất hoàn toàn trái ngược với những gì tâm trí
con người quen hình dung và diễn đạt bằng ngôn ngữ thông thường. Hai thí dụ điển
hình là "chồng chập" (superposition) và "rối lượng tử"
(intrication quantique).
Chồng chập lượng tử (superposition quantique):
Một vật thể
trong "thế giới lượng tử" có thể cùng lúc ở trong nhiều trạng thái khác
nhau, như một điện tử có thể cùng lúc có nhiều tốc độ, X, Y, Z ... Tuy nhiên
khi bị đo lường, thì nó chỉ còn giữ lại một tốc độ : hoặc X, hoặc Y, hoặc Z, một
cách tình cờ với một xác suất (y hệt như khi bạn chơi xúc xắc), và sẽ tiếp tục
giữ tốc độ này cho những đo lường tiếp theo. Có thể hiểu là chính sự đo đạc đã
chủ động làm ra một thực tế, thay vì chỉ đóng vai trò thụ động quan sát. Điều
này cũng khiến người ta phải đặt câu hỏi : thực tế có hay không, khi chưa
được quan sát ? Hay, nói theo Quine : vật lý lượng tử đe dọa ý nghĩa
của vấn nạn nền tảng « có gì ? » trong bản thể học. (1)
Nhiều người,
trong đó có Einstein, không chấp nhận những quan điểm phản lại trực giác như thế,
được tập trung trong lý giải "Copenhague", chủ trì bởi các khoa học
gia quanh Niels Bohr, như Heisenberg,
Jordan, Werner, Born, Pauli ... Einstein cho rằng trước khi bị đo lường, điện tử
đã được quy định sẵn để có tốc độ X, Y, hay Z sau sự đo lường, chứ "chọn lựa"
ấy không thể do tình cờ.
Thiên Chúa, theo
ông, « không chơi xúc xắc » ! (Hội nghị Solvay 1927).
Và Bohr trả lời :
« Einstein, đừng dạy Thiên Chúa phải làm gì » …
Rối lượng tử (Intrication Quantique):
Trong hiện tượng
rất lạ lùng này chúng ta có một cặp vật thể, được tạo ra bằng một phản ứng vật
lý khiến chúng bắt buộc phải có những trạng thái nối kết với nhau. Thí dụ hai « quang
tử rối », một cái rung theo chiều dọc, cái kia theo chiều ngang, và ngược
lại (2). Tuy nhiên, cần nhấn mạnh là chúng ta không thể biết được một quang tử
sẽ rung ra sao khi chưa đo lường nó. Tức là : trước khi bị đo, nó vừa rung
theo chiều dọc, đồng thời cũng rung theo chiều ngang, y hệt như con mèo của
Schroedinger, vứa sống vừa chết ! Đó là hiện tượng « chồng chập » được
trình bày ở trên. Chỉ khi đo lường chiều rung của một quang tử, bất kể quang tử
1 hay quang tử 2, được phân định một cách tình cờ, thì mới biết được chiều rung
của quang tử còn lại. Thí dụ khi đo, nếu thấy quang tử 1, do sự tình cờ, rung
theo chiều dọc, thì biết quang tử 2 bắt buộc phải rung theo chiều ngang. Và nếu
thấy quang tử 1, rung theo chiều ngang, thì biết được chiều rung của quang tử
2, cũng được phận định theo tình cờ, là chiều dọc. (3)
Nghịch lý EPR:
Năm 1935,
Einstein, Podolsky và Rosen công bố một thí nghiệm tư tưởng, với tham vọng
« hạ gục » lý giải Copenhague.
Theo tinh thần của
thí nghiệm này, có thể hình dung hai quang tử trong tình trạng « rối lượng
tử », mỗi quang tử đều vừa rung theo chiều dọc vừa rung theo chiều ngang.
Trước khi do lường, người ta không biết được chiều rung của chúng. Thí nghiệm EPR
đề nghị đo chiều rung của cả hai quang tử (gần như) cùng một lúc. Khi ấy :
nếu quang tử 1 rung theo chiều dọc, thì quang tử 2 phải rung theo chiều ngang,
và ngược lại. Vấn đề là nếu hai quang tử ấy, sau khi được tạo ra, đã di chuyển
rất xa nhau, thì làm sao quang tử 2 (hay quang tử 1), biết được quang tử
kia rung theo chiều nào, để chính mình « chọn » rung theo chiều ngược
lại ?
Thật vậy, theo
thuyết tương đối hạn chế, không có « thông tin », hay chính xác
hơn là không có « liên hệ nhân
quả » nào, có thể đi nhanh hơn ánh sáng. Vậy điều gì đã nối kết sự chọn lựa
của hai quang tử 1 và 2 trong thí nghiệm ?
Hai lý giải:
Einstein cho rằng
có một « biến số cục bộ », đã hiện hữu từ khi hai quang tử được tạo
ra, để quy định sự chọn lựa của chúng khi được đo lường (như thể từ đầu chúng
đã « đồng ý » sẵn với nhau). Ông loại bỏ lý giải cho rằng sự tình cờ
là động cơ của hai chọn lựa cùng một lúc này. Với quan điểm « Thiên Chúa
không chơi xúc xắc », Einstein bảo vệ tính quy định và thực tính cục bộ của
sự vật cũng như của không gian trong đó sự vật hiện hữu (mỗi sự vật hiện hữu một
cách toàn diện ở một nơi chốn nhất định).
Bohr ngược lại,
cho rằng hai quang tử « rối » là một hệ thống, luôn nối kết, dù ở xa
nhau, như thể không gian không còn hiện hữu. Tính cục bộ của sự vật biến mất (một
vật thể vừa ở chỗ này, vừa ở chỗ kia). Ví như hai người yêu nhau thắm thiết, đến
độ dù ngàn trùng ngăn cách, tâm hồn của họ vẫn tương hợp với nhau, như thể
không gian không nghĩa lý gì trước tình yêu của họ ! Xin nhắc lại là sự kiện
các quang tử rung theo chiều dọc hay chiều ngang khi được đo lường, hoàn toàn do
ngẫu nhiên. Mặc dù vậy, theo Bohr, hai chọn lựa tình cờ ấy vẫn luôn tương hợp với
nhau, như thể tình yêu thực sự sâu đậm thì không cần nói ra, không cần
« trao đổi thông tin » !
Bất đẳng thức Bell:
Tranh luận giữa
Einstein và Bohr kéo dài đến khi hai người đều qua đời, Einstein năm 1955 và
Bohr năm 1962. Mãi đến năm 1964, John Stewart Bell mới đề nghị một phương pháp để
kiểm chứng sự chính xác của một trong hai quan điểm.
Bell dựa trên sự
kiện chiều rung của một quang tử không thể được đo lường chính xác trên ba chiều
của không gian cùng lúc (nguyên lý bất định Heisenberg). Ông đề nghị đo chiều
rung của các quang tử « rối » bằng hai kính phân cực với một góc độ
nào đó giữa hai kính này. Nếu góc ấy là 90 độ, thì hai đo lường sẽ hoàn toàn bất
định giữa chúng với nhau, và nếu góc ấy là 0 độ thì chúng ngược nhau, tức « tương
hợp » một cách chính xác. Giữa hai góc độ ấy, chúng có một độ tương hợp
trung gian, góc độ càng lớn thì độ tương hợp càng giảm.
Trong trường hợp
Einstein có lý với giả thuỵết có một biến số cục bộ quy định sự chọn lựa của
hai quang tử « rối », thì phương trình bất đẳng thức Bell sẽ được kiểm
chứng (biểu đồ màu đỏ).
Ngược lại, nếu
Bohr có lý, thì « bất đẳng thức » Bell sẽ bị vi phạm (biểu đồ màu
xanh), tức là sự tương hợp giữa hai đo lường sẽ (có giá trị tuyệt đối) cao hơn những
gì Bell tiên liệu (khi các kính phân cực có những góc độ « trung
gian »).
Thí nghiệm Alain Aspect
Vấn đề vẫn không
ngã ngũ, cho đến năm 1982, với thí nghiệm của Alain Aspect thuộc viện Quang Học Orsay.
Aspect sử dụng một
Laser Krypton (Superman lẩn quẩn gần bên !) bắn các quang tử « rối »
về hai phía ngược nhau. Trong mô hình được tưởng tượng bởi Bell, các máy đo phân cực phải có những góc độ « lý tưởng »
giữa chúng với nhau, để sai lệch giữa hai giả thuyết hiện lên một cách rõ ràng nhất
(xem biểu đồ ở trên). Thêm vào đó, trong thí nghiệm của mình, Aspect không ngừng
thay đổi các góc độ ấy, sau khi các quang tử được phóng ra, để tăng cường yếu tố
bất định. Tức là khi mỗi quang tử đã được phát ra và đang trên đường bay đến
máy đo, thì góc độ của máy ấy với đường đi của nó vẫn chưa quyết định. Để làm được điều này, Aspect đặt hai máy đo mỗi
bên (thay vì một như trong mô hình của Bell), và làm cho chiều bay của quang tử
thay đổi một cách tình cờ, mỗi 10 phần tỷ giây, về phía các máy đo có góc độ
khác nhau như vừa nói.
Các quang tử
« rối » sau khi được đo lường thì đều duy trì cách rung ngang hay dọc
của chúng Tính tương hợp giữa chúng với nhau so với « bất đẳng thức
Bell » được lượng định sau đó bằng điện toán.
Kết quả:
Tất cả các đo lường
được Aspect lập lại nhiều lần từ 1980 đến 1982, đều cho thấy Niels Bohr và lý
giải Copenhague có lý, quan điểm của Einstein sai lầm.
Vì lý giải
Copenhague hoàn toàn phản lại mọi trực giác về sự vật, khiến người ta cảm thấy
nhu cầu phải bổ túc công trình của Alain Aspect bởi nhiều thí nghiệm khác. Thí
dụ như để loại bỏ rủi ro cực nhỏ có một ảnh hưởng nào đó giữa nguồn quang tử với
các máy đo phân cực, hay giữa các máy đo với nhau, người ta tìm cách tăng cường
khoảng cách giữa các yếu tố ấy với nhau, với kỷ lục là 30 km, khiến thông tin
muốn đi từ quang tử 1 đến quang tử 2 phải đạt đến tốc độ khoảng 10 triệu lần tốc
độ ánh sáng, so với chỉ 2 lần tốc độ ánh sáng trong thí nghiệm Aspect. Tất cả
các thí nghiệm bổ túc này đều xác nhận sự chính xác của vật lý lượng tử qua lý
giải Copenhague.
Những lý giải « bên lề »
Một số lý giải
khác cho nghịch lý EPR cũng đã được đề nghị, như tưởng tượng thông tin đi ngược
thời gian, trở lại lúc hai quang tử sắp tách rời nhau, để quy định sự « lựa
chọn » của chúng sau đó. Một thuyết khác quan niệm các « vũ trụ song
hành », mỗi vũ trụ chứa một chọn lựa, và việc đo lường một trạng thái được
coi như tự đặt mình vào một trong các vũ trụ ấy, với kết quả đo lường trở thành
cố định (Everett). Rồi cũng có một thuyết cho rằng có những biến số
« không cục bộ » quy định sự tương hợp của hai vật thể « rối lượng
tử » dù cách xa nhau (pilot wave theory –de Broglie - Bohm). Tất cả các giả
thuyết này đều không đưa ra được một mô hình nào cho phép những tiên liệu, và
khả năng kiểm chứng (tức phủ định) chúng, nên không có giá trị khoa học.
Tóm lại
Người ta buộc phải
chấp nhận là vật lý lượng tử nằm ngoài khả năng mô tả của ngôn ngữ và luận lý
thông thường. Nó chỉ có thể được mô tả bởi ngôn ngữ toán học, với độ chính xác
cực cao, chưa hề bị phủ định dù đã trải qua gần một thế kỷ.
Vì thế, trong một
video của Canal-U-TV, Alain Aspect cho biết ước vọng của ông cũng như của các
nhà vật lý học hiện đại, là tìm ra một hiện tượng phủ định được vật lý lượng tử,
để một lần nữa, mở ra một chân trời mới …
Nguyễn Hoài Vân
16/6/2016
(1) La poursuite de la
vérité, Willard Van Orman
Quine – Ed Seuil 1993
(2) Có những trạng
thái « rối lượng tử » khác, nhưng vì nhu cầu bảo toàn năng lượng, đây là trường hợp thông thường nhất.
(3) Thật ra
quang tử rung theo ba chiều không gian, nhưng chúng ta biết rõ được một chiều,
là chiều theo đó nó di chuyển, nên chỉ hai chiều còn lại được phó thác cho chồng
chập và bất định. Hiện tượng này được gọi là « phân cực », với nhiều
áp dụng thực tế : kính mát, kính phim 3D, sóng TV, radar, màn hình LCD
v.v…
