“Ma quái” trong Cơ học lượng tử đến từ đâu?

Tác giả: Kiều Lập Nham

[ChanhKien.org]

Người đoạt giải Nobel vật lý Richard Feynman có câu nói nổi tiếng: “Tôi nghĩ tôi có thể nói một cách chắc chắn rằng không có ai thật sự hiểu được Cơ học lượng tử!” (“I think I can safely say that nobody really understands quantum mechanics”) Niels Bohr, một người sáng lập khác của Thuyết lượng tử, cũng nói: “Nếu ai không cảm thấy Thuyết lượng tử khó hiểu thì người đó không hiểu Thuyết lượng tử.” (“If quantum mechanics hasn’t profoundly shocked you, you haven’t understood it yet.”). Cơ học lượng tử từ lúc ra đời đã phủ lên nó một lớp màng che, còn bị mây mù quấn quanh. Bản thân Erwin Schrödinger, người đã sáng lập ra Phương trình Schrödinger nổi tiếng, cũng vô cùng bất mãn với những luận giải của trường phái Copenhagen về Hàm sóng cho tới tính bất định của Trạng thái chồng chập (chồng chập). Vì vậy Schrödinger đã thiết lập một thí nghiệm tưởng tượng để chế nhạo những giải thích này. Ông dùng hình ảnh con mèo hoặc sống hoặc chết để tỷ dụ tính phản trực quan và tính bất định trong luận giải của Cơ học lượng tử, nếu như vậy thì sẽ dẫn đến một kết luận sai lầm.

Trạng thái chồng chập là gì? Ví dụ, con mèo đang ở trạng thái chồng chập của sống và chết (tức là có thể vừa sống vừa chết), muốn biết thì phải mở hộp ra nhìn, tức là cần đo lường, nếu như con mèo còn sống thì có nghĩa là Hàm sóng của Trạng thái chồng chập đó đã sụp đổ đến trạng thái riêng của sống; ngược lại, nó đã sụp đổ đến trạng thái riêng của chết. Cách nói loạn logic kiểu ‘vừa sống vừa chết’, ‘không sống không chết’ này chính là cách cơ bản để giải thích lượng tử trong Cơ học lượng tử. Trạng thái chồng chập trào phúng qua hình ảnh con mèo của Schrödinger đã trở thành một khái niệm kinh điển của Cơ học lượng tử. Đối với tất cả những sự việc chưa xác định đều có thể được nhận dạng bằng trạng thái chồng chập mang tính xác suất ngẫu nhiên này. Đây chỉ là sự khởi đầu, những điều kỳ dị còn ở phía sau.

Trạng thái chồng chập là bí ẩn lớn nhất của Cơ học lượng tử, hiện tượng Trạng thái chồng chập lượng tử cũng là ngọn nguồn khơi màu cảm giác thần bí, đồng thời cũng dẫn đến ảo tưởng vô tận của con người.

Năm 1927, tại hội nghị Solvay lần thứ 5 của giới tinh anh trong lĩnh vực vật lý học đã nổ ra cuộc tranh luận nổi tiếng giữa Bohr và Einstein. Hai nhà vật lý Albert Einstein và Niels Bohr lần lượt đoạt giải Nobel Vật lý năm 1921 và 1922 nhờ giải quyết vấn đề Hiệu ứng quang điện và Mô hình nguyên tử lượng tử hóa. Cuộc tranh luận của họ chủ yếu xoay quanh lý thuyết nền tảng và phương diện tư tưởng triết học của Cơ học lượng tử. Einstein luôn giữ thái độ hoài nghi đối với Thuyết lượng tử và những giải thích của phái Bohr, vì vậy ông nói: “Cơ học lượng tử chắc chắn hoành tráng hùng vĩ. Nhưng một giọng nói bên trong mách bảo tôi rằng đó vẫn chưa phải là điều chân thật. Lý thuyết này giải thích rất nhiều nhưng không dẫn dắt chúng ta đến gần hơn với những bí ẩn của “Thượng đế”. Dù sao đi nữa, tôi vẫn tin tưởng sâu sắc rằng Thượng đế không chơi trò xúc xắc.” (“Quantum mechanics is certainly imposing. But an inner voice tells me that it is not yet the real thing. The theory says a lot, but does not really bring us any closer to the secret of the ‘old one’. I, at any rate, am convinced that He does not throw dice.”) Đồng thời Einstein đề xuất hết thí nghiệm tưởng tượng này đến thí nghiệm tưởng tượng khác, nhằm mục đích chứng minh tính không hoàn chỉnh của Thuyết lượng tử và các luận giải chính thống. Đó là vì Einstein luôn kiên trì cố thủ tư tưởng triết học cổ điển và quan niệm nhân quả, cho rằng: Một lý thuyết vật lý hoàn chỉnh cần phải có tính xác định, tính thực tại và tính định xứ (hay tính cục bộ). Tuy nhiên, Nguyên lý bất định (Uncertainty principle) do Werner Heisenberg đề xuất năm 1927 lại cho rằng vị trí và động lượng của các hạt không thể nào là cùng xác định; Cái gọi là tính thực tại là chỉ sự tồn tại của vật chất trong thế giới khách quan không phụ thuộc vào việc quan sát; Tính định xứ là nói một sự kiện xảy ra ở một điểm xa xôi nào đó không thể ngay lập tức ảnh hưởng đến một điểm khác. Nói cách khác, Einstein cho rằng tín hiệu không thể được truyền đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng.

Tuy nhiên, hiệu ứng Vướng víu lượng tử dường như đã lật ngược giả thuyết của Einstein, thể hiện ra một số điều mang tính phi định xứ (bất cục bộ). Năm 1935, Einstein và hai đồng nghiệp của ông cùng viết luận văn “Sự mô tả Cơ học lượng tử đối với tính thực tại vật lý có thể được coi là hoàn chỉnh không?” (“Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?”) còn được gọi là Nghịch lý EPR (EPR paradox), trong đó chỉ ra rằng Cơ học lượng tử không thể đưa ra mô tả hoàn chỉnh về tính thực tại của sự kiện (hiện tượng) vật lý, đồng thời tin tưởng rằng có thể tồn tại một lý thuyết hoàn chỉnh như vậy. Nhưng trong thuyết lượng tử, đối với sự kiện vật lý liên đới tại hai khu vực cách xa nhau, việc đo được trạng thái của một trong hai sẽ khiến Hàm sóng của cả hai đồng thời sụp đổ, tức là trong Vướng mắc lượng tử nếu đo được trạng thái của một hạt thì sẽ biết được trạng thái của hạt còn lại ở cách rất xa kia. Einstein chế nhạo đó là “Tác động ma quái từ xa” (spooky action at a distance) và dùng điều này để chứng minh Cơ học lượng tử chưa hoàn chỉnh (Giải thích: Einstein tin rằng không một tác động nào của phép đo lên hạt thứ nhất lại có thể ngay lập tức ảnh hưởng đến hạt thứ hai, vì điều này có nghĩa là thông tin tác động có thể truyền nhanh hơn vận tốc ánh sáng và như vậy nó vi phạm Thuyết tương đối hẹp.) Chính sự ‘Sụp đổ hàm sóng’ – giả thuyết mang tính biểu tượng của Luận giải Copenhagen chính thống Cơ học lượng tử, là ẩn dụ của “tác động từ xa” vượt quá tốc độ ánh sáng, cũng đồng thời phản ánh tính phi định xứ của lượng tử.

Từ phương diện thế giới vật chất vĩ mô trên thế gian, tính thực tại và tính định xứ là nguyên tắc nhận thức được hình thành trong quá trình phát triển khoa học, nền tảng của sự phát triển khoa học là chứng cứ xác thực. Các phương pháp đo lường khoa học cũng là dùng để nghiên cứu những sự vật hiện tượng đã nhận thức được, phương pháp khoa học kỹ thuật hiện nay không có khả năng và điều kiện để thăm dò đột phá thời gian và không gian (thời không). Sự xuất hiện của lượng tử đã thách thức những nhận thức và quan điểm triết học phổ biến của con người, từ đó mở ra con đường khám phá thế giới vi mô. Làm thế nào để tìm hiểu và khám phá thế giới vi mô? Ernest Rutherford khi trình bày về mô hình nguyên tử đã nói rằng đó giống như một Hệ Mặt Trời nhỏ. Như vậy, nếu nhìn từ góc độ của một thời không khác, liệu một lượng tử phải chăng cũng là một Hệ Ngân Hà trong một vũ trụ vi mô?

Trong lý Thuyết lượng tử, lượng tử được coi là những hạt cơ bản không thể phân chia, nhưng nó lại không đưa ra được miêu tả hình dạng rõ ràng, trực quan, mà chỉ sử dụng những tính toán trừu tượng để biểu đạt hình thức và còn bao bọc nó trong các hàm sóng mù mờ, thêm vào đó là sự đo lường đã trở thành một thuộc tính cơ bản không thể thiếu của lượng tử. Sau khi được đo lường, thì hàm sóng mô tả trạng thái chồng chập sẽ sụp đổ về trạng thái riêng, vướng mắc lượng tử lại cũng sụp đổ ở khoảng cách xa, tổng hòa các điều đó đưa đến trạng thái thực sự của lượng tử. Rốt cuộc khiến người ta khó có thể thực sự nắm bắt được ý nghĩa trọng yếu của Thuyết lượng tử. Trên thực tế, một lượng tử có thể được hình dung như một ‘hạt đám mây’ được tạo thành từ tập hợp những hạt nhỏ hơn, giống như các electron quay quanh hạt nhân nguyên tử, đồng thời cũng nó cũng tự xoay quanh nó và tiến động (chuyển động thay đổi hướng của trục tự quay). Trong một vòng xoay chuyển, trục tự chuyển nghiêng trái, nghiêng phải, nghiêng trước, nghiêng sau trong chuyển động tiến động mang tính chu kỳ, thể hiện dao động mang tính chu kỳ của bức xạ năng lượng theo một phương đặc định nào đó, chẳng hạn như chu kỳ hình sin. ‘Hạt đám mây’ thể hiện các đặc trưng cơ bản mang tính hạt của lượng tử, trong khi ‘tính chất sóng’ chỉ là một hình thức biểu hiện của bức xạ năng lượng gây ra do sự tự xoay, tiến động và chuyển động dọc theo quỹ đạo. Mô hình của tính thống nhất sóng hạt này so với sự trừu tượng của Hàm sóng thì trực quan hơn, cũng dễ hiểu hơn, đồng thời cũng dễ ứng ​​dụng và xác minh hơn khi phân tích vấn đề. Đối với các tình huống phức tạp khác nhau xuất hiện trong khi ứng dụng, mỗi người đều có thể từ cảm giác trực quan cho đến logic lý tính mà tiến hành phân tích thông suốt nhất quán, các hiện tượng và vấn đề cơ chế khó giải trong các thí nghiệm Cơ học lượng tử cũng sẽ tiêu mất không cần giải thích.

Khi con người không thể tìm thấy lối thoát trong Luận giải Copenhagen chính thống, Luận giải Đa thế giới của Cơ học lượng tử bắt đầu lọt vào tầm ngắm của họ: (Theo đó, trong thí nghiệm tưởng tượng của Schrödinger), vào lúc người quan sát mở chiếc hộp, người quan sát và con mèo sẽ xảy ra ‘vướng mắc’. Do đó, trạng thái của người quan sát đối ứng với trạng thái sống và trạng thái chết của con mèo hình thành các trạng thái riêng biệt; “mèo chết” hoặc “mèo sống” đều là một phần của vũ trụ song song, đều là tổng hòa của tất cả các vũ trụ song song (tức là con mèo có thể sống trong vũ trụ này và chết trong vũ trụ khác tùy theo người quan sát). Thấy được lời giải thích mơ hồ như thế này thì còn có thể nói gì nữa?

Để trả lời những chất vấn của Einstein, các nhà vật lý đã tiến hành chứng minh tính phi định xứ của Cơ học lượng tử thông qua các thí nghiệm chứng minh Bất đẳng thức Bell bị vi phạm, trong mấy thập niên qua, các nhà vật lý đã thực hiện rất nhiều thí nghiệm liên quan. Trạng thái của hai photon vướng mắc lượng tử được đo ngẫu nhiên ở hai khu vực riêng biệt nằm ngoài khả năng truyền tín hiệu với tốc độ ánh sáng. Kết quả chứng minh được mối liên hệ phi định xứ của Vướng mắc lượng tử, thông qua đó chứng minh tính hoàn chỉnh của Cơ học lượng tử. Giải Nobel Vật lý năm 2022 được trao cho một loạt công trình thực nghiệm chứng minh Bất đẳng thức Bell bị vi phạm, tức là sử dụng trạng thái vướng mắc của hai photon để kiểm tra Biến thể (phiên bản) CHSH của Bất đẳng thức Bell. Trong thí nghiệm, trạng thái phân cực ngang và trạng thái phân cực dọc của các photon được đo ngẫu nhiên và kết quả được so sánh, cho thấy tính tương quan trong hướng phân cực của hai photon vướng mắc.

Bởi vì lượng tử là thành phần của không gian vi mô, nếu muốn thực sự nhận thức được đặc tính của nó, cần phải tiến nhập vào tầng diện tương ứng của hạt đó trong thế giới vi mô, sử dụng phương thức tư duy và phương thức quan sát thế giới vi mô để nhận thức. Các đặc tính của lượng tử khác biệt rất lớn so với các đặc tính biểu hiện trong không gian vĩ mô và vật thể vĩ mô, ví dụ nói rằng, lượng tử không có khối lượng, không có quán tính, v.v. vậy nên rất khó dùng lý thuyết của Cơ học cổ điển để mô tả Cơ học lượng tử. Khi một photon bắn ra lập tức đạt đến tốc độ ánh sáng mà không cần bất kỳ quá trình gia tốc nào, và không bị mất động lượng hay giảm tốc độ khi gặp sự phản xạ; khi xuyên qua tinh thể lưỡng chiết (tinh thể gây ra khúc xạ ánh sáng) thì tốc độ sẽ giảm, nhưng sau khi đi qua thì không cần lực tác động mà lập tức khôi phục lại tốc độ ban đầu. Phải chăng sự xuất hiện của lượng tử ám thị rằng những gì mà Cơ học cổ điển của chúng ta tuyên bố không phải là thuộc tính bản chất của các vật thể trong vũ trụ?

Cơ học lượng tử vẫn sử dụng các khái niệm cơ sở của Cơ học cổ điển để mô tả lượng tử, ví dụ như: Bảo toàn Momen động lượng trong trường hợp xoay hướng lên và xoay hướng xuống (spin up và spin down), v.v.. Nhiều kết quả thí nghiệm có tác dụng nhắc nhở chúng ta rằng trong quá trình lan truyền thì hình thái của chuyển động tự xoay và chuyển động tiến động của lượng tử không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác, phương của mặt phẳng quỹ đạo và chu kỳ tiến động và chu kỳ chuyển động dọc theo quỹ đạo có thể thay đổi. Ví dụ, khi photon xuyên qua một tinh thể lưỡng chiết như canxit sẽ xảy ra sự phân cực theo phương ngang và phân cực theo phương dọc, tần số và bước sóng cũng sẽ thay đổi, nhưng hình thái của chuyển động tự xoay và tiến động của photon có thể không thay đổi. Vì vậy, phương phân cực của hai đường photon vướng mắc này là hoàn toàn có thể dự đoán được.

Do đó, tính tương quan đối ứng giữa dao động hướng ngang và dao động hướng dọc được xác minh khi kiểm tra trạng thái của hai photon vướng víu được đo trong thí nghiệm, chỉ là một đặc trưng vốn có của tia o và tia e (sinh ra do phân cực) truyền theo hai hướng khác nhau, chúng cũng có mối liên hệ giao thoa với các cặp photon khác không? Hai photon trong cặp photon vướng mắc cũng có thể là do một ‘đám mây hạt’ phân cắt thành, có cùng đặc điểm chuyển động tự xoay, tiến động và trạng thái pha, có điều là chỉ số khúc xạ khác nhau khiến cho bước sóng và tần số của chúng có sự xê dịch khác nhau. Nếu một bản phân cực được đặt trên một trong hai đường đi của photon để làm lệch mặt phẳng dao động của nó (mặt phẳng quỹ đạo tự quay) theo một góc nào đó thì liệu lúc này chúng có còn ở trạng thái vướng mắc không? Từ đó có thể thấy rằng, nếu không tồn tại sụp đổ hàm sóng do “tác dụng ma quái từ xa”, khái niệm ‘vướng mắc’ chỉ chứng minh được trạng thái ban đầu khi photon được phóng ra là một photon dao động theo hướng ngang và cái kia dao động theo hướng dọc mà thôi, Có chỗ nào cho thấy nó phản ánh đặc tính phi định xứ? Có gì khác biệt so với hai photon độc lập?

Vì vậy mới nói, cơ điểm của việc tính liên đới trong Vướng mắc lượng tử đưa người ta vào những ảo mộng vô tận là một số tín hiệu có thể được nhận biết hoặc truyền tải tức thời hoặc đồng bộ, bắt đầu từ thời của Bohr, các nhà vật lý đã cẩn thận tránh né nói về vấn đề này. Thí nghiệm kiểm chứng Bất đẳng thức Bell chỉ nhắm vào tính đối ứng của phương phân cực của hai photon rồi sau đó mới tập trung nghiên cứu tới tính ngẫu nhiên, tuy nhiên, tính đối ứng này lại là tính chất chung của photon trên hai đường tia o và tia e sinh ra bởi lăng kính phân cực Grant Thompson. Nguyên nhân của nghịch lý này là do luận giải về Trạng thái chồng chập và tính bất định của mô hình photon trong Thuyết lượng tử gây ra. Nó cũng phản ánh sự tranh chấp lẫn nhau trong vấn đề này giữa quan điểm triết học Chủ nghĩa duy vật của Cơ học cổ điển và chủ nghĩa duy tâm của Cơ học lượng tử, tính vật chất của lượng tử trong vai trò hạt bị mây mù của ý thức chủ quan đang bao trùm. Trên thực tế, vật chất và tinh thần, những thứ tồn tại và ý thức vốn dĩ có tính thống nhất. Tầng tồn tại vật chất trong thế giới vi mô mà khoa học công nghệ của con người vẫn chưa nhận thức đầy đủ bị coi là tầng tinh thần, và việc thiết lập mô hình sóng hạt có tính thống nhất của lượng tử có thể giải thích nhiều nghi vấn trong trong các hiện tượng thực nghiệm và lý luận mà không thể giải thích một cách trực quan trong các thí nghiệm vật lý.

Ngoài ra còn một loại ảnh ba chiều kỹ thuật số hình ảnh hai photon được gọi một cách phóng đại là “Hình ảnh ma” (Ghost imaging). Nguyên lý của nó cũng lợi dụng đặc điểm là các phương thức như lăng kính Grant Thompson tạo ra góc tương đối cố định giữa hai tia chiết xuất o và e, v.v. Khi một photon va đập vào vật thể được máy dò ghi lại, cùng lúc đó tọa độ hai chiều của một photon khác ở một vị trí khác cũng bị ghi lại trên màn hình thăm dò. Hai tập hợp dữ liệu tương ứng được xử lý kỹ thuật số để tạo ra hình ảnh. Trên thực tế, đây cũng là quan hệ đối ứng của các vị trí không gian được hình thành bởi góc của hai photon đi theo hai hướng khác nhau, không phải một photon nhìn thấy vật thể và photon kia vẽ ra hình ảnh một cách “thần giao cách cảm”.

Ngoài ra, trên mạng Internet đang thảo luận sôi nổi điều quái dị trong thí nghiệm Xóa bỏ các lựa chọn bị trì hoãn (Delayed-choice quantum eraser), bị nói thành: Quyết định của hiện tại có thể thay đổi những sự kiện đã xảy ra ngày hôm qua. Trên thực tế, chúng đều có cùng một kiểu thiết kế thí nghiệm, đó là khiến cho thời gian chênh lệch giữa hai nơi thăm dò nhỏ hơn thời gian để thông tin được truyền với tốc độ ánh sáng giữa hai nơi đó, từ đó hai photon không kịp thời truyền thông tin cho nhau. Tuy nhiên, không có lời giải thích hợp lý nào được đưa ra cho sự dịch chuyển lệch pha của các đường cong π khi xử lý dữ liệu từ các máy dò khác nhau trong thí nghiệm. Hiện tượng này có thể được lý giải dễ dàng theo Mô hình tính thống nhất sóng hạt. Lý do những hiện tượng này không thể phân tích được trong các thiết kế thí nghiệm kiểu này là vì: Thứ nhất, do ảnh hưởng của luận giải lưỡng tính sóng hạt, coi lượng tử là một hạt cơ bản không thể phân chia được; Thứ hai là kỹ thuật thăm dò còn hạn chế trong quá trình phát triển công nghệ thăm dò các photon đơn lẻ, cũng như độ nhạy và vấn đề hiệu suất phát hiện của Avalanche photodiode (APD) đối với ánh sáng phân cực, khi đường pháp tuyến của mặt phẳng phân cực của photon đơn lẻ (mặt phẳng quỹ đạo quay) gần như vuông góc với hướng thăm dò, thì việc này tương đương với việc thăm dò ánh sáng phân cực. Cũng chính vì những hạn chế của quan điểm triết học này mà nụ cười “Mèo Cheshire” xuất hiện một cách ma quái trên không trung.

Nhìn chung, đằng sau những cuộc tranh luận khác nhau trong quá trình phát triển của Cơ học lượng tử là sự tranh chấp về nhận thức giữa các quan điểm triết học khác nhau, suy cho cùng, việc khám phá nguồn gốc của vật chất trong vũ trụ không thể tách rời khỏi việc đột phá, siêu việt trong các quan niệm triết học và nhận thức lý luận về các chiều thời không và phương diện tầng thứ nhận thức. Sự đắm chìm trong “Tính thực tại” của chủ nghĩa duy vật và “trạng thái chồng chập” ảo tưởng của chủ nghĩa duy tâm đan xen cùng nhau, tạo ra không gian cho những bóng ma. Nhưng hình ảnh nụ cười quỷ quái của “Mèo Cheshire” này không phải là biểu hiện của một phép màu thực sự. Sự thật về nguồn gốc của vũ trụ và sinh mệnh sẽ được tiết lộ, nhưng chắc chắn sẽ được triển hiện trước nhân loại một cách quang minh lỗi lạc, đường đường chính chính.

Tái bút: Bởi vì tôi thấy một số bài viết và video trên Internet trích dẫn các hiện tượng quái dị trong các thí nghiệm Cơ học lượng tử xem là phép lạ, nên tôi viết về nhận thức này từ góc độ chứng thực Pháp như một phần bổ sung cho việc chứng thực Pháp tổng thể.

Dịch từ: https://www.zhengjian.org/node/286391