NẮM BẮT ĐIỀU BÍ ẨN

—o0o—

Không còn nghi ngờ gì nữa, lượng tử là một phần của thế giới hằng ngày. Khi thực vật chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học, một lượng tử, photon đang được xử lý. Hoạt động lượng tử cũng được cho là giúp loài chim định hướng trong những chuyến di cư dài bằng cách đi theo từ trường của trái đất. Xử lý điện từ trong hệ thần kinh của chim sẽ là một hiệu ứng lượng tử. Mặc dù vậy, sự phân chia giữa hành vi lượng tử và những điều bình thường mà chúng ta trải nghiệm là rất quan trọng trong vật lý. Một cái tên cụ thể, phép cắt Heisenberg, đã được đặt cho đường phân chia ngăn cách các sự kiện lượng tử với nhận thức của chúng ta. Bản thân Heisenberg không đề xuất cái tên này – nó được đặt ra sau này để vinh danh ông – nhưng suy nghĩ của ông nhiều lần chỉ ra rằng có một đường (lý thuyết) phân chia cách các hệ thống lượng tử hoạt động theo đúng nghĩa của chúng – dạng sóng – và cách chúng hoạt động khi được quan sát bởi con người. Điều ông ấy nói là theo toán học. Hàm sóng là một trong những đặc điểm chính của cơ học lượng tử, nhưng như chúng tôi đã chỉ ra nhiều lần, cấu trúc đẹp đẽ này chưa bao giờ thực sự được nhìn thấy trong tự nhiên. Nó phải được suy luận.

Phép cắt Heisenberg rất hữu ích, không quá nhiều để phân chia thế giới thực mà để phân chia loại toán học hoạt động ở bên này hay bên kia đường thẳng. Nó giống như một biên giới nơi một bên chỉ nói tiếng Pháp và một bên chỉ nói tiếng Anh. Nhưng điều này đặt ra câu hỏi liệu thực tại lượng tử có thực sự bị cô lập và tách biệt khỏi thực tại hàng ngày hay không. Có lẽ lượng tử đang khiến mọi thứ xảy ra xung quanh chúng ta mà chúng ta không nhận thấy. Hoặc có thể toàn bộ bức tranh đã bị đảo lộn trạng thái lượng tử có thể là chuẩn mực trong thế giới hằng ngày, và chúng ta chỉ tình cờ phát hiện ra nó lần đầu tiên trong thế giới vi mô của sóng và hạt.

Không phải mọi lý thuyết về vũ trụ đều sử dụng phép cắt Heisenberg (ví dụ như đa vũ trụ thì không), nhưng chắc chắn lượng tử nằm ở tầm hiểu biết của ý thức chúng ta. Chúng ta không thể hình dung lượng tử, và giờ đây còn phải đối mặt với vật chất và năng lượng tối, chúng ta có thể đã đạt đến giới hạn của những gì chúng ta có thể nghĩ đến. Những gì nằm ngoài đường chân trời là bao gồm tất cả và không gì cả. Nó là tất cả mọi thứ vì miền lượng từ ảo chứa tiềm năng cho mọi sự kiện đã hoặc sẽ xảy ra. Nó không là gì cả bởi vì vật chất, năng lượng, thời gian, không gian và bản thân chúng ta bắt nguồn từ một nơi nào đó mà không thể tưởng tượng được. Nó trở nên khá bí ẩn khi dung hoà tính hai mặt của mọi thứ không có gì để mô tả cách tạo hóa vận hành.

HÀNH VI KỲ LẠ CỦA ÁNH SÁNG

Để hiểu rõ hơn về những tác động đối với cuộc sống hàng ngày, chúng ta sẽ xem xét thí nghiệm duy nhất nằm ở trung tâm của cơ học lượng tử, thí nghiệm khe đôi, có lịch sử từ năm 1801. Thoạt đầu, các nhà thí nghiệm quan tâm xem liệu sóng ánh sáng có hoạt động giống như sóng nước hay không.

Nếu bạn thả một viên sỏi vào cái ao tĩnh lặng, tác động của nó sẽ tạo ra các vòng sóng theo vòng tròn. Nếu bạn thả hai viên sỏi xuống nước cách nhau một bước chân, mỗi viên sẽ tạo thành một tập hợp các vòng và tại nơi hai vòng gặp nhau, một hình giao thoa được hình thành tách biệt với các vòng chồng lên nhau. Trong vật lý lượng tử, sự thật cơ bản về giao thoa sóng này là một bí ẩn. Trong thí nghiệm khe đôi cổ điển, một luồng photon hội tụ (hạt ánh sáng) được chiếu lên một màn ảnh có khoét hai khe hở. Các photon đi qua các khe sau đó được phát hiện trên một màn chắn khác đặt phía sau cái đầu tiên (một tấm màn sẽ đóng vai trò như một màn chân hứng ánh sáng đơn giản). Mỗi photon được cho là chỉ có thể đi qua một khe và khi được phát hiện, nó xuất hiện như là một điểm, giống như cách một hạt đậu được bắn qua máy bắn hạt đậu sẽ để lại một điểm chính xác nơi nó chạm tới.

Nhưng nếu bạn bắn nhiều photon qua hai khe hở, nơi chúng chạm đến trên màn ảnh sẽ tạo thành mẫu dạng thanh đặc trưng của vân giao thoa do sóng tạo ra. Trong thế giới hằng ngày, điều này dường như không thể. Nó giống như thể một đám đông người đi qua hai cánh cửa riêng biệt để vào một khán phòng, và sau khi họ ngồi xuống, người ta phát hiện ra rằng các ghế khác đều do một đảng viên Dân chủ và một đảng viên Cộng hòa ngồi vào, mặc dù những người này bước vào mà không có bất kỳ đảng phái chính trị nào. Các photon đi qua một khe riêng lẻ không có mối liên hệ trước với các photon khác, nhưng chúng tập hợp ở phía bên kia theo mô hình sóng, không phải ngẫu nhiên giống như ảnh phân tán của các hạt va vào màn hình. Nó giống như thể mỗi lượng tử riêng lẻ, đi một lúc, giao thoa với lượng tử khác, ngay cả khi chúng đến “sau”.
Thí nghiệm khe đôi là sự xác nhận cổ điển về tính hai mặt sóng-hạt của lượng tử. Vì vậy, câu hỏi lớn đặt ra là tại sao hai trạng thái trái ngược nhau lại đều cùng tồn sinh. Trong vật lý, chúng ta nói rằng chúng bổ khuyết, chính xác hơn là đối lập, bởi vì cùng một photon có thể hiển thị một trong hai trạng thái. Hãy ghi nhớ “tính bổ sung này, bởi vì nó chứa đựng những khả năng to lớn. Trong một vũ trụ mà A không là nguyên nhân của B, nó chỉ ra rằng A và B có thể là hai mặt của cùng một đồng xu. Để đưa ra một ví dụ từ thế giới tự nhiên, ở châu Phi, sư tử và linh dương dùng chung hồ nước. Theo tự nhiên, sư tử ăn thịt linh dương và linh dương chạy trốn sư tử. Nhưng khi gặp nước, chúng đều cùng tồn sinh. Những con sư tử không thể hoàn toàn ngăn linh dương không uống nước, nếu không con mồi của chúng sẽ chết vì mất nước. Linh dương không thể chủ động bỏ đi, vì khi đó chúng sẽ không có nước. Qua hàng triệu năm, hai loài đã tìm ra cách thỏa hiệp bổ sung cho nhau hai vai trò trái ngược của kẻ ăn thịt và kẻ bị ăn thịt.

Theo thời gian, thí nghiệm khe đôi trở nên phức tạp và hấp dẫn hơn. Vật lý lượng tử, như chúng ta đã thấy, linh hồn của nó phụ thuộc vào việc đo lường và quan sát. Hơn bất kỳ môn khoa học nào trước đây, cách một người quan sát ảnh hưởng đến phép đo đi vào phương trình mà anh ta đang thực hiện, đến mức Von Neumann tin rằng bản thân thực tại lượng tử phải có một thành phần tâm lý. Người quan sát có làm thay đổi kết quả của thí nghiệm khe đôi không? Không thể quan sát đồng thời hai mặt bổ khuyết, sóng và hạt. (Về mặt kỹ thuật thực nghiệm, việc quan sát các photon ở nơi đầu tiên cũng rất khó khăn vì chúng bị máy dò hấp thụ ngay khi chúng tiếp xúc. Nhưng thí nghiệm khe đôi được biết là thực hiện với các hạt khác, như electron, và thậm chí đã được nhân đôi gần như bằng cách sử dụng các phân tử nặng bằng những phân tử chứa 81 nguyên tử).

PHOTON ĐƯA RA QUYẾT ĐỊNH NHƯ THẾ NÀO?

Điều khiến các nhà vật lý rất khó chịu khi cuộc nói chuyện chuyển sang việc các photon đưa ra quyết định lựa chọn hoặc thay đổi tính chất của chúng tùy thuộc vào cách chúng được quan sát. Bắt đầu từ cuối những năm 1970, John Archibald Wheeler đã phát triển một loạt các thí nghiệm tưởng tượng để kiểm tra câu hỏi quan trọng. Liệu các photon có thay đổi hành vi của chúng theo câu hỏi hoặc ý định của người thực hiện thí nghiệm hay không? Câu trả lời có thể lựa chọn là chúng thay đổi hành vi của mình vì một số lý do vật lý thuần túy, chẳng hạn như tương tác với thiết bị dò.

Thí nghiệm tưởng tượng của Wheeler đã xem xét cách một photon thực sự hành xử khi bay. Hãy nhớ rằng, không thể nhìn thấy một photon đang bay và nó chỉ được biết đến tại thời điểm phát hiện. Nếu một máy dò được đặt ngay tại khe, nó sẽ hiển thị theo thời gian thực rằng mỗi photon đi qua một khe, giống như đường đi của một viên đạn nhỏ. Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta đặt máy dò sau khe? Wheeler hỏi. Hóa ra là photon có thể trì hoãn quyết định hành xử giống như sóng hay hạt sau khi đã vượt qua các khe, điều này rất đặc biệt. Nhưng cũng thật kỳ lạ khi giả sử, như một số nhà lý thuyết đã làm, rằng ở dạng sóng, một photon sẽ đi qua cả hai khe cùng một lúc.

Tiến thêm một bước nữa, liệu các photon có thể đưa ra quyết định và sau đó đối ý không? Đây là một khả năng khác biệt trong thí nghiệm tưởng tượng của Wheeler. Ví dụ: bạn có thể đặt hai bản phân cực thẳng hàng tại hai khe hở để loại bỏ mọi giao thoa dạng sóng, nhưng nếu sau đó bạn để các photon đi qua bản phân cực thứ ba xóa hiệu ứng này, các photon sẽ được khôi phục về trạng thái ban đầu và có thể hoạt động giống như sóng, tạo ra vân giao thoa được cho là đã bị xóa.
Hiện tượng song sinh “lựa chọn bị trì hoãn” và “xóa lượng tử này khiến người ta khó tin vào lời giải thích chặt chẽ của vật lý về cách một lượng tử được quan sát chiếm vị trí trung tâm. Cũng có những lời gợi ý khác. Nhà vật lý Richard Feynman đề xuất rằng, nếu một dụng cụ dò các photon riêng lẻ được đặt giữa hai khe thì giao thoa dạng sóng sẽ biến mất. Cả hai thí nghiệm tưởng tượng của Wheeler và Feynman nói chung đã được chấp nhận, mặc dù có những khó khăn lớn trong việc thiết lập các thí nghiệm thực tế trong phòng thí nghiệm để xác nhận chúng. Nhưng liệu họ có giải đáp được bí ẩn về những gì người quan sát đang thực hiện để khiến các photon hoạt động theo cách họ làm không? Giống như một sự xuất hiện ma quái, hiệu ứng người quan sát xuất hiện trước mắt chúng ta, nhưng chúng ta không thể vòng tay ôm lấy nó.

Chúng tôi cảm thấy Wheeler đã đưa ra kết luận đúng đắn. Ông tuyên bố rằng các nhà vật lý đã sai lầm khi tin rằng ban đầu các hạt có đặc tính kép của cả sóng và hạt. “Trên thực tế, các hiện tượng lượng tử không phải là sóng hay hạt mà về bản chất là không tồn tại cho đến thời điểm chúng được đo. Ở một khía cạnh nào đó, nhà triết học người Anh, Bishop Berkeley đã đúng khi ông khẳng định cách đây hai thế kỷ “Tồn tại là được nhận thức.”
Nói cách khác, không có “hiệu ứng” hay “vấn đề” nào của người quan sát, như thể người quan sát là một kẻ đột nhập tự nhiên, làm nhiễu loạn sự riêng tư của nó bằng cách nhìn trộm theo cách này và cách khác. Thay vào đó, mọi thứ tồn tại là bởi vì chúng được nhận thức. Sự hiểu biết sâu sắc này của Wheeler là lý do tại sao ông cứ khăng khăng rằng chúng ta đang sống trong một vũ trụ có người tham dự. Người quan sát được dệt vào chính kết cấu của thực tại. Bất ngờ thay, vũ trụ nhân tính dường như không còn vẻ gì là gượng gạo hay xa vời nữa.

Cuộc cách mạng lượng tử đã đi qua hơn một thế kỷ. Tại sao hành vi giống như tâm thức của vũ trụ không được biết đến rộng rãi. Tại sao nó không được dạy trong trường học? Dù là gì đi nữa thì vũ trụ hiện nay khó nắm bắt hơn so với trong 25 đến 30 năm đầu tiên của kỷ nguyên lượng tử. Phần lớn trở ngại được cảm nhận ngày nay quay trở lại với phép cắt Heisenberg. Sự phân chia nghiêm ngặt giữa thế giới lượng tử và có đúng về mặt toán học, nhưng trong thực tại thì sự phân chia đó rỗng, mập mờ và có lẽ là một ảo tưởng. Nếu cần một người quan sát trong thế giới cổ điển để thúc giục một photon đưa ra lựa chọn trong thế giới lượng tử, thì hai cõi đó có thể xa lạ đến mức nào?

Vì vậy, chúng ta hãy chuyển trọng tâm và đặt câu hỏi tại sao chúng ta không nhận ra được các hiệu ứng lượng tử trong cuộc sống hàng ngày. Lượng tử rất nhỏ, nhưng vi-rút cũng vậy, và chúng luôn gây ra những tác động to lớn bằng cách gây bệnh. Một loại vi-rút cảm lạnh đến và đi trong cơ thể bạn, nhưng lượng tử ảnh hưởng đến bạn ở mọi thời điểm. Hãy giơ tay lên và nhìn vào nó. Trong cử chỉ đơn giản này, bạn đã thực hiện một hoạt động lượng tử, vì thị giác bắt đầu với các photon, là lượng tử, chạm vào võng mạc của mắt bạn. Hãy nhìn vào khu vườn của bạn và cây cối bên ngoài – các photon ánh sáng mặt trời làm cho chúng phát triển. Vì vậy, vi mô không phải là vấn đề với các photon. Thay vào đó, chúng ta có một số cơ chế tích hợp hoạt động như các nền tảng để thực sự nhận thức được những gì các photon làm.