Cơ học lượng tử phải là một trong những lý thuyết thành công nhất trong khoa học. Được phát triển vào đầu thế kỷ XX, nó được sử dụng để tính toán với độ chính xác đáng kinh ngạc như ánh sáng và vật chất biểu hiện như thế nào - dòng điện đi qua transitor silic trong mạch máy tính như thế nào, hay hình dạng phân tử và làm thế nào chúng hấp thụ ánh sáng. Phần lớn công nghệ thông tin ngày nay dựa trên lý thuyết lượng tử, cũng như một số khía cạnh của hiệu ứng hóa học, sinh học phân tử, khám phá các vật liệu mới, và hơn thế nữa.
Tuy nhiên, điều kỳ lạ là không ai thực sự hiểu được lý thuyết lượng tử. Câu nói phổ biến được phát biểu bởi nhà vật lý Richard Feynman có lẽ là đầy tính nghi ngờ nhưng lại đúng, đó là: nếu bạn nghĩ rằng bạn hiểu cơ học lượng tử, thì bạn không hiểu gì. Điều này đã được chứng minh bởi một cuộc thăm dò ý kiến của 33 nhà tư tưởng hàng đầu tại hội nghị ở Áo năm 2011. Nhóm các nhà vật lý, nhà toán học và triết học đã đưa ra 16 câu hỏi trắc nghiệm về ý nghĩa của lý thuyết.
Đó là bởi vì lý thuyết lượng tử đặt ra tất cả các câu hỏi kì lạ vuợt qua giới hạn trí tưởng tượng của chúng ta, ví dụ, để nhận thức các vật thể như các electron chẳng hạn, trong các trường hợp khác nhau, chúng có thể là sóng hoặc là hạt.
Một trong những vấn đề gây tranh cãi nhất liên quan đến vai trò của các phép đo. Chúng ta thường nghĩ rằng thế giới tồn tại trong một trạng thái nhất định, và chúng ta có thể khám phá trạng thái đó bằng cách thực hiện các phép đo và quan sát. Tuy nhiên, lý thuyết lượng tử (“cơ học lượng tử” thường được coi là một từ đồng nghĩa, mặc dù nghiêm túc đề cập đến các phương pháp toán học được phát triển để nghiên cứu các đối tượng lượng tử), ít nhất là đối với các vật thể nhỏ như nguyên tử và electron, một quan sát được thực hiện: đối tượng tồn tại đồng thời ở một số trạng thái, được gọi là sự chồng chất. Trước khi đo lường, tất cả những gì chúng ta có thể nói là có một xác suất nhất định rằng đối tượng ở trạng thái A, hoặc B, hoặc hơn thế nữa. Quá trình đo lường chỉ là "việc chọn lọc" được thực hiện với trạng thái có thể có của đối tượng này: trong nói lượng tử, sự chồng chất là "bị sụp đổ bởi phép đo". Trước khi đo lường, không phải là chúng ta không biết lựa chọn nào trong số này là đúng - thực tế là sự lựa chọn vẫn chưa được thực hiện.
Đây có lẽ là điều đáng lo ngại nhất trong tất cả các câu hỏi hóc búa do lý thuyết lượng tử đặt ra. Nó làm cho Albert Einstein băn khoăn đến nỗi ông từ chối chấp nhận nó suốt cả cuộc đời. Einstein là một trong những nhà khoa học đầu tiên nắm lấy thế giới lượng tử: năm 1905, ông đề xuất rằng ánh sáng không phải là sóng liên tục mà là “các gói” hay luợng tử năng lượng, gọi là photon, có ảnh huởng “hạt ánh sáng”. Tuy nhiên, như những người đương thời của ông, như Niels Bohr, Werner Heisenberg và Erwin Schrodinger, đã đưa ra một mô tả toán học về thế giới lượng tử trong đó tính xác định đã được thay thế bằng xác suất, Einstein phản đối rằng thế giới không thực sự mờ nhạt. Ông nói là, "Chúa không chơi xúc xắc." (Phản ứng của Bohr là ít nổi tiếng, nhưng xứng đáng được biết đến hơn: "Einstein, hãy ngừng nói với Chúa phải làm gì.")
Tuyệt vời, tuyệt vời Copenhagen
Schrodinger đã tìm ra một phương trình mà ông nói, thể hiện tất cả những gì chúng ta có thể biết về một hệ thống lượng tử. Kiến thức này được đóng gói trong cái gọi là hàm sóng, một biểu thức toán học mà từ đó chúng ta có thể suy ra, ví dụ, tính ngẫu nhiên của một hạt lượng tử đang ở đây hay ở đó, hoặc ở trạng thái này hay trạng thái đó. Phép đo “thu hẹp” hàm sóng để cho kết quả xác định. Nhưng Heisenberg đã chỉ ra rằng chúng ta không thể trả lời mọi câu hỏi về một hệ thống lượng tử chính xác. Đây là nguyên lý bất định của Heisenberg: chính xác hơn bạn xác định động lượng của electron (được đo bằng khối nhân với vận tốc), bạn càng ít biết về vị trí của nó trong không gian, và ngược lại. Nói cách khác, có một số cặp thuộc tính trong đó một phép đo ngày càng chính xác thì cái còn lại biểu hiện mờ nhạt hơn bao giờ hết.
Hơn nữa, không ai thực sự biết được hàm sóng là gì. Nó từ lâu đã được coi là một sự thuận tiện toán học, nhưng bây giờ một số nhà nghiên cứu tin rằng nó là một vật chất thực sự. Một số người nghĩ rằng sự sụp đổ của hàm sóng trong quá trình đo cũng là một quá trình thực sự, giống như sự bùng nổ của bong bóng; những người khác thấy nó chỉ là một thiết bị toán học đưa vào lý thuyết "bằng tay" - một loại mánh khóe. Cuộc thăm dò của nguời Áo cho thấy những câu hỏi này về việc liệu phép đo lường có đưa ra một số thay đổi cơ bản đối với một hệ lượng tử vẫn gây ra sự phân chia sâu sắc giữa các nhà tư tưởng lượng tử hay không.
Bohr, Heisenberg và các cộng tác viên của họ cùng nhau đưa ra một giải thích về cơ học lượng tử trong những năm 1920 được đặt tên sau nơi làm việc của họ: giải thích Copenhagen. Nó cho rằng rằng tất cả những gì chúng ta có thể biết về hệ thống lượng tử là những gì chúng ta có thể đo lường, và đây là tất cả các lý thuyết quy định rằng việc tìm kiếm bất kỳ mức độ thực tế "sâu sắc" là vô nghĩa. Einstein bác bỏ điều đó, nhưng gần hai phần ba số người được hỏi ở Áo đã chuẩn bị để nói rằng Einstein chắc chắn là sai. Tuy nhiên, chỉ có 21% cảm thấy rằng Bohr đã đúng, với 30% nói rằng chúng ta sẽ phải chờ xem.
Tuy nhiên, phản ứng của họ cho thấy việc giải thích Copenhagen vẫn là đuợc yêu thích nhất (42%). Nhưng có những ứng cử viên khác, một trong những phản đối mạnh mẽ nhất là giải thích về đa thế giới được xây dựng bởi Hugh Everett trong những năm 1950. Điều này đề xuất rằng mọi khả năng thể hiện trong hàm sóng lượng tử tương ứng với một thực tại vật lý: một vũ trụ đặc biệt. Vì vậy, với mọi sự kiện lượng tử - hai hạt tương tác, vũ trụ phân chia thành các thực tại thay thế, trong đó mỗi một kết quả có thể khác nhau được quan sát thấy. Đó chắc chắn là một cách để giải thích toán học, mặc dù nó tấn công một số nhà nghiên cứu.
Một điểm quan trọng cần lưu ý là những cuộc tranh luận này về ý nghĩa của lý thuyết lượng tử không hoàn toàn giống như những ý tưởng phổ biến về lý do tại sao nó kì lạ. Nhiều người ngoài cho rằng họ không hiểu lý thuyết lượng tử bởi vì họ không thể thấy một vật thể có thể ở hai nơi cùng một lúc, hoặc làm thế nào một hạt cũng có thể là một sóng. Nhưng những điều này hầu như không bị tranh cãi giữa các nhà lý thuyết lượng tử. Người ta nói đúng rằng, với tư cách là một nhà vật lý, bạn không bao giờ hiểu họ theo bất kỳ ý nghĩa trực giác nào; bạn chỉ quen với việc chấp nhận chúng. Xét cho cùng, không có lí do nào để mong đợi thế giới lượng tử tuân theo những kỳ vọng hàng ngày của chúng ta. Một khi bạn chấp nhận sự kỳ quặc bị cuỡng ép này, lý thuyết lượng tử trở thành một công cụ hữu ích tuyệt vời, và nhiều nhà khoa học chỉ sử dụng nó như một máy tính có các hoạt động bên trong. Đó là lý do tại sao hầu hết các nhà khoa học sử dụng lý thuyết lượng tử không bao giờ băn khoăn về ý nghĩa của nó - theo lời của nhà vật lí David Mermin, họ “im lặng và tính toán”.
Vì vậy, chúng ta sẽ bao giờ nhận được tận cùng của những câu hỏi này? Một số nhà nghiên cứu cảm thấy rằng ít nhất một số người trong số họ không thực sự là những câu hỏi khoa học có thể được quyết định bằng thí nghiệm, nhưng những triết lý có thể đi theo sở thích cá nhân. Một trong những câu hỏi được nói nhiều nhất trong cuộc thăm dò tại Áo là liệu có còn hội nghị về ý nghĩa của lý thuyết lượng tử trong thời gian 50 năm hay không. 48% nói "có thể có", chỉ có 15% nói "có lẽ không". 12% nói "Tôi sẽ tổ chức một lần cho dù là gì", nhưng đó là học thuật cho bạn.
Tuy nhiên, điều kỳ lạ là không ai thực sự hiểu được lý thuyết lượng tử. Câu nói phổ biến được phát biểu bởi nhà vật lý Richard Feynman có lẽ là đầy tính nghi ngờ nhưng lại đúng, đó là: nếu bạn nghĩ rằng bạn hiểu cơ học lượng tử, thì bạn không hiểu gì. Điều này đã được chứng minh bởi một cuộc thăm dò ý kiến của 33 nhà tư tưởng hàng đầu tại hội nghị ở Áo năm 2011. Nhóm các nhà vật lý, nhà toán học và triết học đã đưa ra 16 câu hỏi trắc nghiệm về ý nghĩa của lý thuyết.
Đó là bởi vì lý thuyết lượng tử đặt ra tất cả các câu hỏi kì lạ vuợt qua giới hạn trí tưởng tượng của chúng ta, ví dụ, để nhận thức các vật thể như các electron chẳng hạn, trong các trường hợp khác nhau, chúng có thể là sóng hoặc là hạt.
Một trong những vấn đề gây tranh cãi nhất liên quan đến vai trò của các phép đo. Chúng ta thường nghĩ rằng thế giới tồn tại trong một trạng thái nhất định, và chúng ta có thể khám phá trạng thái đó bằng cách thực hiện các phép đo và quan sát. Tuy nhiên, lý thuyết lượng tử (“cơ học lượng tử” thường được coi là một từ đồng nghĩa, mặc dù nghiêm túc đề cập đến các phương pháp toán học được phát triển để nghiên cứu các đối tượng lượng tử), ít nhất là đối với các vật thể nhỏ như nguyên tử và electron, một quan sát được thực hiện: đối tượng tồn tại đồng thời ở một số trạng thái, được gọi là sự chồng chất. Trước khi đo lường, tất cả những gì chúng ta có thể nói là có một xác suất nhất định rằng đối tượng ở trạng thái A, hoặc B, hoặc hơn thế nữa. Quá trình đo lường chỉ là "việc chọn lọc" được thực hiện với trạng thái có thể có của đối tượng này: trong nói lượng tử, sự chồng chất là "bị sụp đổ bởi phép đo". Trước khi đo lường, không phải là chúng ta không biết lựa chọn nào trong số này là đúng - thực tế là sự lựa chọn vẫn chưa được thực hiện.
Đây có lẽ là điều đáng lo ngại nhất trong tất cả các câu hỏi hóc búa do lý thuyết lượng tử đặt ra. Nó làm cho Albert Einstein băn khoăn đến nỗi ông từ chối chấp nhận nó suốt cả cuộc đời. Einstein là một trong những nhà khoa học đầu tiên nắm lấy thế giới lượng tử: năm 1905, ông đề xuất rằng ánh sáng không phải là sóng liên tục mà là “các gói” hay luợng tử năng lượng, gọi là photon, có ảnh huởng “hạt ánh sáng”. Tuy nhiên, như những người đương thời của ông, như Niels Bohr, Werner Heisenberg và Erwin Schrodinger, đã đưa ra một mô tả toán học về thế giới lượng tử trong đó tính xác định đã được thay thế bằng xác suất, Einstein phản đối rằng thế giới không thực sự mờ nhạt. Ông nói là, "Chúa không chơi xúc xắc." (Phản ứng của Bohr là ít nổi tiếng, nhưng xứng đáng được biết đến hơn: "Einstein, hãy ngừng nói với Chúa phải làm gì.")
Tuyệt vời, tuyệt vời Copenhagen
Schrodinger đã tìm ra một phương trình mà ông nói, thể hiện tất cả những gì chúng ta có thể biết về một hệ thống lượng tử. Kiến thức này được đóng gói trong cái gọi là hàm sóng, một biểu thức toán học mà từ đó chúng ta có thể suy ra, ví dụ, tính ngẫu nhiên của một hạt lượng tử đang ở đây hay ở đó, hoặc ở trạng thái này hay trạng thái đó. Phép đo “thu hẹp” hàm sóng để cho kết quả xác định. Nhưng Heisenberg đã chỉ ra rằng chúng ta không thể trả lời mọi câu hỏi về một hệ thống lượng tử chính xác. Đây là nguyên lý bất định của Heisenberg: chính xác hơn bạn xác định động lượng của electron (được đo bằng khối nhân với vận tốc), bạn càng ít biết về vị trí của nó trong không gian, và ngược lại. Nói cách khác, có một số cặp thuộc tính trong đó một phép đo ngày càng chính xác thì cái còn lại biểu hiện mờ nhạt hơn bao giờ hết.
Hơn nữa, không ai thực sự biết được hàm sóng là gì. Nó từ lâu đã được coi là một sự thuận tiện toán học, nhưng bây giờ một số nhà nghiên cứu tin rằng nó là một vật chất thực sự. Một số người nghĩ rằng sự sụp đổ của hàm sóng trong quá trình đo cũng là một quá trình thực sự, giống như sự bùng nổ của bong bóng; những người khác thấy nó chỉ là một thiết bị toán học đưa vào lý thuyết "bằng tay" - một loại mánh khóe. Cuộc thăm dò của nguời Áo cho thấy những câu hỏi này về việc liệu phép đo lường có đưa ra một số thay đổi cơ bản đối với một hệ lượng tử vẫn gây ra sự phân chia sâu sắc giữa các nhà tư tưởng lượng tử hay không.
Bohr, Heisenberg và các cộng tác viên của họ cùng nhau đưa ra một giải thích về cơ học lượng tử trong những năm 1920 được đặt tên sau nơi làm việc của họ: giải thích Copenhagen. Nó cho rằng rằng tất cả những gì chúng ta có thể biết về hệ thống lượng tử là những gì chúng ta có thể đo lường, và đây là tất cả các lý thuyết quy định rằng việc tìm kiếm bất kỳ mức độ thực tế "sâu sắc" là vô nghĩa. Einstein bác bỏ điều đó, nhưng gần hai phần ba số người được hỏi ở Áo đã chuẩn bị để nói rằng Einstein chắc chắn là sai. Tuy nhiên, chỉ có 21% cảm thấy rằng Bohr đã đúng, với 30% nói rằng chúng ta sẽ phải chờ xem.
Tuy nhiên, phản ứng của họ cho thấy việc giải thích Copenhagen vẫn là đuợc yêu thích nhất (42%). Nhưng có những ứng cử viên khác, một trong những phản đối mạnh mẽ nhất là giải thích về đa thế giới được xây dựng bởi Hugh Everett trong những năm 1950. Điều này đề xuất rằng mọi khả năng thể hiện trong hàm sóng lượng tử tương ứng với một thực tại vật lý: một vũ trụ đặc biệt. Vì vậy, với mọi sự kiện lượng tử - hai hạt tương tác, vũ trụ phân chia thành các thực tại thay thế, trong đó mỗi một kết quả có thể khác nhau được quan sát thấy. Đó chắc chắn là một cách để giải thích toán học, mặc dù nó tấn công một số nhà nghiên cứu.
Một điểm quan trọng cần lưu ý là những cuộc tranh luận này về ý nghĩa của lý thuyết lượng tử không hoàn toàn giống như những ý tưởng phổ biến về lý do tại sao nó kì lạ. Nhiều người ngoài cho rằng họ không hiểu lý thuyết lượng tử bởi vì họ không thể thấy một vật thể có thể ở hai nơi cùng một lúc, hoặc làm thế nào một hạt cũng có thể là một sóng. Nhưng những điều này hầu như không bị tranh cãi giữa các nhà lý thuyết lượng tử. Người ta nói đúng rằng, với tư cách là một nhà vật lý, bạn không bao giờ hiểu họ theo bất kỳ ý nghĩa trực giác nào; bạn chỉ quen với việc chấp nhận chúng. Xét cho cùng, không có lí do nào để mong đợi thế giới lượng tử tuân theo những kỳ vọng hàng ngày của chúng ta. Một khi bạn chấp nhận sự kỳ quặc bị cuỡng ép này, lý thuyết lượng tử trở thành một công cụ hữu ích tuyệt vời, và nhiều nhà khoa học chỉ sử dụng nó như một máy tính có các hoạt động bên trong. Đó là lý do tại sao hầu hết các nhà khoa học sử dụng lý thuyết lượng tử không bao giờ băn khoăn về ý nghĩa của nó - theo lời của nhà vật lí David Mermin, họ “im lặng và tính toán”.
Vì vậy, chúng ta sẽ bao giờ nhận được tận cùng của những câu hỏi này? Một số nhà nghiên cứu cảm thấy rằng ít nhất một số người trong số họ không thực sự là những câu hỏi khoa học có thể được quyết định bằng thí nghiệm, nhưng những triết lý có thể đi theo sở thích cá nhân. Một trong những câu hỏi được nói nhiều nhất trong cuộc thăm dò tại Áo là liệu có còn hội nghị về ý nghĩa của lý thuyết lượng tử trong thời gian 50 năm hay không. 48% nói "có thể có", chỉ có 15% nói "có lẽ không". 12% nói "Tôi sẽ tổ chức một lần cho dù là gì", nhưng đó là học thuật cho bạn.
Comments
Post a Comment