24-06-2016 | KHOA HỌC

Thiên Chúa không chơi xúc xắc. Một sai lầm của Einstein

  NGUYỄN HOÀI VÂN

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 …

16/6/2016

Nguyễn Hoài Vân

Nguồn: diendantheky,net

(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…

Cùng Tác Giả:

- Thiên Chúa không chơi xúc xắc. Một sai lầm của Einstein Nguyễn Hoài Vân Khảo cứu

- Thuyết Tương Đối Tổng Quát đã được 100 năm Nguyễn Hoài Vân Khảo cứu