ẢO ẢNH về THỰC TẠI

 

Ảo ảnh về thực tại của thế giới khách quan

 

Tạp chí Les Dossiers de la Recherche, số 38 đã đăng một bài viết quan trọng của Anton Zeilinger và Markus Aspelmeyer thuộc Viện Quang học và Thông tin lượng tử (Cộng hòa Áo) về các tính chất cơ bản của thuyết lượng tử dẫn đến một nhận thức luận hiện đại về thế giới khách quan. Các giả thuyết về hiện thực (realism) và phi định xứ (non-locality) trình bày trong bài viết này có ý nghĩa sâu sắc đối với khoa học và triết học.

 

Từ năm 1927, Einstein đã cho rằng, cơ học lượng tử (CHLT) là không hoàn chỉnh. Theo ông, vật lý học phải mô tả thiên nhiên đúng như bản chất của nó. Trong lần trò chuyện với Abraham Pais (nhà vật lý người Mỹ), Einstein đã đưa ra câu hỏi: “Mặt trăng có còn đó hay không nếu chẳng ai nhìn nó?” với hàm ý nghi ngờ CHLT.

Đây là một câu hỏi mang tính triết lý đã được bàn luận từ lâu. Trong đó, người ta muốn tìm hiểu, liệu các quan sát của chúng ta có phản ánh được điều gì của “thế giới thực tại” hay không? Cuộc đối thoại bắt đầu vào năm 1930 giữa Albert Einstein và nhà vật lý người Đan mạch Niels Bohr trên 2 giả thuyết:

1- Hiện thực luận (realism): Hạt có một tính chất khách quan trước khi ta thực hiện phép đo tính chất đó.

2- Định xứ luận (locality): Phép đo trên hạt thứ nhất không ảnh hưởng đến kết quả phép đo trên hạt thứ 2, mặc dù chúng cách xa nhau.

Hiện tượng ảnh hưởng của phép đo thực hiện trên một hạt này đối với hạt cách xa là một  hiện tượng “phi định xứ” (non-locality).

Tuân theo hiện thực luận (realism), Einstein cho rằng, vật lý mô tả đúng thế giới tự nhiên. Còn Bohr lại phản đối khả năng của vật lý mô tả thực tiễn độc lập với các phương thức thí nghiệm.

Vào lúc bấy giờ, sự đối nghịch tư tưởng đó chỉ mang tính lý thuyết. Khó lòng nói ai đúng, ai sai vì không thực hiện được các thí nghiệm để kiểm chứng. Nhưng giờ đây, người ta đã có câu trả lời dựa trên cơ sở các dữ liệu cụ thể thu được từ những thí nghiệm tinh vi trong CHLT. Lý thuyết lượng tử đã mô tả được thế giới vi mô của các hạt cơ bản với một độ chính xác rất cao. Chưa có một thí nghiệm nào chứng tỏ rằng lý thuyết lượng tử là sai. Song lý thuyết lượng tử có một điểm đặc biệt là không cung cấp được cho người quan sát bất kỳ một thông tin nào về “thế giới thực tại” trước khi người quan sát thực hiện một thí nghiệm đo đạc nào đó.

Lấy ví dụ về một photon bắn vào một gương bán phản xạ (semi-reflechissant) đã được các nhà vật lý biết rõ: Xét trung bình, 1 trong 2 lần hạt sẽ bị phản xạ hoặc đi xuyên qua theo hướng hạt đến. Để biết được điều gì sẽ xảy ra với hạt, người ta sử dụng 2 detecteur đặt sau cái gương: Một theo hướng xuyên qua, một theo hướng phản xạ ở góc 90⁰.

Những quỹ đạo không phân biệt được

Sau khi lặp lại thí nghiệm nhiều lần, người ta nhận thấy rằng 1/2 số photon được ghi đo trong mỗi detecteur theo đúng đoán nhận của CHLT. Tuy nhiên, CHLT không có khả năng mô tả cụ thể quỹ đạo của từng photon mà chỉ tính được xác suất ghi đo được trong mỗi detecteur. CHLT không cung cấp được bất kỳ một thông tin nào về quỹ đạo mà hạt đã đi theo đến lúc chạm vào detecteur.

Làm thế nào để thấy rõ điều đó? Hãy xem hình 1: Người ta sử dụng thêm 2 gương phản xạ B và C, 2 gương này sẽ hướng 2 đường đi của photon đến một gương bán phản xạ thứ 2 là D, sau gương này người ta đặt 2 detecteur E và F. Nếu hạt đi theo một quỹ đạo xác định thì nó sẽ đến gương thứ 2 một cách xác định, điều này tạo lại các điều kiện của thí nghiệm với chỉ một gương bán phản xạ nói trên đây, như vậy kết quả phải là 1/2 số photon phản xạ và 1/2 số photon đi xuyên qua gương. Song điều ngạc nhiên là tất cả các photon đều được ghi đo chỉ trong deteteur E! Điều này mâu thuẫn với ý tưởng rằng các photon có một vị trí xác định giữa 2 gương và với sự suy diễn thông thường của chúng ta về hiện thực vật lý. Mọi việc đã xảy ra là cả 2 đường đi của photon vào một thời điểm đều “hiện thực” như nhau, nói cách khác các quỹ đạo của hạt là “không phân biệt được”.

 

 

  

 

 

                           Hình 1: Các quỹ đạo là không phân biệt được

 

Hạt và sóng

Người ta đoán nhận hiện tượng này bằng một tiên đề cơ bản của CHLT là nguyên lý nhị nguyên: Mỗi hạt cũng là một sóng. Sự tồn tại tấm gương thứ 2 có nhiệm vụ thực hiện sự giao thoa của các sóng tương ứng với 2 đường đi khả dĩ: Tấm gương đã tích hợp 2 sóng thành một. Đối với các nhà vật lý, CHLT không cung cấp một cách mô tả toàn diện những tính chất có thể của một hệ vật lý, ví dụ vị trí của hạt trong không gian. Có cách gì để vượt qua mâu thuẫn đó?

Chúng ta giả định rằng, các định luật của tự nhiên là phức tạp hơn ta nghĩ. Hãy tưởng tượng rằng, hạt có “ký ức” về con đường đã đi qua sau khi vượt qua gương bán phản chiếu thứ nhất, sau đó dùng thông tin đó để thỏa mãn các tiên đoán của CHLT. Như vậy, ta có thể xây dựng một lý thuyết chứa một loại “tham số ẩn” để cung cấp một cách mô tả toàn diện thực tại.

Năm 1960, nhà vật lý người Irland John Bell đã thử làm việc này. Bell muốn xây dựng lý thuyết chứa tham số ẩn khi nghiên cứu một hệ gồm 2 hạt liên đới lượng tử (entangled) với nhau, nghĩa là, 2 hạt tuy cách xa nhau nhưng tương tác với nhau và trạng thái của chúng được mô tả toàn diện hơn bởi các tính chất liên đới hơn là bởi các tính chất riêng lẻ của từng hạt.

Phân cực

Các hạt liên đới có thể tạo được bằng cách chiếu một tinh thể phi tuyến [1] bằng một laser. Hai photon sẽ được bắn ra từ tinh thể (hình 2).

 

 

 

 

Hình 2: Một tinh thể phi tuyến (ở giữa hình) sẽ tạo nên một cặp hạt liên đới khi bị chiếu bởi một laser. Hai hạt photon này với tần số giống nhau luôn liên đới với nhau mặc dù khoảng cách giữa chúng lớn đến bao nhiêu

 

 

 

 

 

Người ta có thể kiểm nghiệm tính liên đới của trạng thái bằng cách đo độ phân cực [2] của chúng. Có các loại phân cực: Thẳng (đứng, ngang), tròn hoặc ellip.

Đối với CHLT phân cực của 2 hạt liên đới nhất thiết phải trùng nhau. Sự phân cực là không xác định trước lúc quan sát bằng một máy đo như máy đo phân cực (polarisateur).

Khi đo phân cực của một hạt này thì lập tức xác định được phân cực của hạt kia mặc dù 2 hạt cách xa nhau bởi một khoảng cách lớn bất kỳ. Einstein không bao giờ chấp nhận điều đó. Ông gọi điều đó là một “tác động ma quái” (spooky action), và theo ông, CHLT phải xây dựng lại.

Hãy trở lại với ý tưởng của Bell. Nhà vật lý này đã tính toán và thấy rằng, nếu tồn tại 2 hạt liên đới thì lý thuyết để mô tả chúng không thể vừa là “hiện thực” vừa là “định xứ” được như lý thuyết với tham số ẩn giả định. Cần nhắc lại rằng, theo giả thuyết định xứ thì các tính chất của một hạt này không gây ra bất kỳ sự thay đổi tính chất của hạt kia. Còn giả thuyết hiện thực thì nói rằng, phép đo có thể cung cấp những tính chất mà hạt có trước phép đo. Bell nhận thấy rằng, các tham số ẩn sẽ làm giảm đáng kể cường độ tương quan (correlation) giữa các phép đo trên 2 hạt liên đới. Trong khi theo CHLT, mức độ tương quan là rất lớn.

Năm 1964, Bell đã tìm ra bất đẳng thức gọi là bất đẳng thức Bell và nhờ những bất đẳng thức đó đã chứng minh rằng, những giả thuyết hiện thực và định xứ (trong đó có cả các lý thuyết định xứ với tham số ẩn) đều không phù hợp với CHLT.

Thế nào là bất đẳng thức Bell?

Nếu thực hiện các phép tính theo tư duy hiện thực và định xứ thì một tổ hợp nhất định các giá trị trung bình phải nhỏ hơn hoặc bằng 2. Đó là bất đẳng thức Bell. Còn nếu tính toán theo CHLT đối với 2 hạt liên đới lượng tử thì lại thu được số 2 = 2,82843 cho tổ hợp đó. Các dữ liệu thực nghiệm cho thấy, bất đẳng thức Bell không đúng, còn các kết quả tính theo CHLT là chính xác.

Sự vi phạm bất đẳng thức khẳng định các tiên đoán của CHLT và từ đó sự tồn tại hiện tượng liên đới lượng tử (quantum entanglement).

Các công trình của Bell đã dẫn đến nhiều kết quả khoa học và triết học, nhà vật lý người Mỹ Abner Shimony gọi các công trình này thuộc về “siêu hình thực nghiệm” vì hàm chứa ý nghĩa triết học. Những kiểm nghiệm đầu tiên các bất đẳng thức Bell được thực hiện từ năm 1972 bởi Stuart Freedman và John Clauser (Đại học California - Mỹ). Các thí nghiệm đã chứng tỏ sự đúng đắn của CHLT. Vài năm sau Alain Aspect (Đại học Paris-Sud - Cộng hòa Pháp) và A.Zeilinger, một trong 2 tác giả của bài này đã thực hiện những thí nghiệm tinh vi hơn với các hạt liên đới và củng cố thêm kết quả các tác giả trước. Các thí nghiệm này đã gây tiếng vang lớn.

Năm 1989, các nhà vật lý Mỹ Daniel Greenberg, Michael Horne và A.Z đã nghiên cứu một hệ gồm 3 hạt liên đới để làm sáng tỏ thêm các tính chất cơ bản của CHLT. Mối tương quan trong một hệ như vậy mạnh hơn mối tương quan trong hệ 2 hạt liên đới. Kết quả cho thấy, giả định về hiện thực và định xứ đều không đúng.

Ba nhà vật lý xét trường hợp trong đó một hạt có phân cực thẳng, một có phân cực tròn (polarisation circulaire), lúc này hạt thứ 3 phải có phân cực thẳng ngang. Trong khuôn khổ lý thuyết hiện thực và định xứ thì hạt thứ 3 phải có phân cực thẳng đứng. Như vậy, các thí nghiệm trên 3 hạt càng chứng tỏ giả thuyết về hiện thực và định xứ là không đúng. Vậy CHLT là đúng còn lý thuyết với tham số ẩn là sai.

Hy sinh định xứ

Các thí nghiệm đã được thực hiện đến đây chứng tỏ, các giả thuyết hiện thực và định xứ xét chung đều không có khả năng mô tả thế giới vật lý. Song điều này chưa khẳng định được rằng, có thể vứt bỏ một giả thuyết,  thậm chí là cả 2.

Để trả lời câu hỏi đó, nhà vật lý Anthony Leggett, người đã đoạt giải Nobel năm 2003 đã đưa ra một định lý mà ý tưởng là vứt bỏ giả thuyết định xứ để xem thử riêng giả thuyết hiện thực có khôi phục được các tiên đoán của CHLT hay không?

Leggett đã tìm ra một hệ các bất đẳng thức (tương tự như bất đẳng thức Bell) đối với các phép đo các mối liên quan của 2 hạt photon nói trên cho những lý thuyết không định xứ song vẫn dựa trên hiện thực luận. Nhóm chuyên gia Viện Quang học và Thông tin lượng tử (Vienne - Cộng hòa Áo) đã thực hiện những thí nghiệm mới [3] trong 2 năm 2006, 2007. Điểm khác biệt trong các thí nghiệm này với các thí nghiệm kiểm tra bất đẳng thức Bell là ở đây người ta xét các phân cực loại ellip để tính ra các cường độ tương quan giữa các hạt liên đới.

Kết quả thực nghiệm lại loại trừ một lớp lý thuyết  không định xứ song theo hiện thực luận vì vi phạm hệ bất đẳng thức Anthony Leggett. Vậy hy sinh định xứ luận không đủ cứu vãn hiện thực luận. Nói cách khác, các thí nghiệm đều dẫn đến kết quả phủ nhận hiện thực luận lẫn định xứ luận.

Tất cả điều đó đòi hỏi phải nhận thức lại thế giới vật lý. Và người ta cũng không lường hết được ý nghĩa khoa học và triết học mà các thí nghiệm này và các thí nghiệm trong tương lai về CHLT sẽ đem lại.

Những triển vọng từ các kết luận trên

Các thí nghiệm của các nhà vật lý về các tính chất cơ bản của CHLT đã thu hút sự chú ý của những nhà tin học và các nhà toán học vì vấn đề có liên quan đến các tính chất lượng tử trong ngành mã hóa, viễn tải lượng tử (teleportation) và xử lý thông tin. Hai lĩnh vực ứng dụng đã xuất hiện: Mật mã và máy tính lượng tử. Lĩnh vực thứ nhất liên quan đến nguyên lý “chồng chất” và “liên đới lượng tử”. Lĩnh vực thứ 2 sử dụng một số lớn các hạt “liên đới lượng tử” để thực hiện các phép tính với tốc độ siêu nhanh và giải những bài toán mà các máy tính hiện nay bất lực không giải được.

 

Tài liệu tham khảo và chú thích

[1] Một tinh thể phi tuyến như niobate lithium là một môi trường trong suốt trong đó các điện tích không được bố trí một cách đối xứng.

[2] Phân cực là một tính chất của các sóng điện từ (như ánh sáng), sự phân cực xác định hướng của điện trường và từ trường trong không gian.

[3] Simon Groblacher, Tomaz Paterek, Rainer Kaltenbaek, Caslav Bruckner, Marek Zuko wski, Markus Aspelmeyer và Anton Zeilinger, Nature 446, 871-875 (ngày 19.4.2007).

Cao Chi biên dịch và chú thích