Làm thế nào để hòa hợp với sự kỳ lạ của cơ học lượng tử

Trực giác cổ điển của chúng ta không phù hợp trong một Vũ trụ lượng tử. Để hiểu được nó, chúng ta cần học hỏi và áp dụng một tập hợp quy tắc hoàn toàn mới.

Sự thật đáng kinh ngạc nhất về Vũ trụ chính là việc nó có thể được hiểu rõ. Vũ trụ, dù phức tạp đến đâu, vẫn có thể được thu gọn thành các thành phần đơn giản và cơ bản nhất. Nếu bạn có thể xác định được các quy tắc, luật lệ và lý thuyết cơ bản chi phối thực tại, thì chỉ cần mô tả trạng thái của hệ thống tại một thời điểm bất kỳ, bạn có thể sử dụng sự hiểu biết đó để dự đoán những gì sẽ xảy ra trong tương lai xa cũng như quá khứ xa xôi.

Bức tranh kỳ lạ mang tên cơ học lượng tử

Hành trình khám phá bí mật của Vũ trụ là thách thức để tìm ra những gì cấu tạo nên Vũ trụ, xác định cách các yếu tố đó tương tác và phát triển, sau đó viết ra và giải quyết các phương trình để dự đoán các kết quả mà bạn chưa từng đo lường.

Đây là một ý tưởng hoàn toàn hợp lý và áp dụng rất tốt cho các khái niệm cổ điển của chúng ta về thực tại. Newton, Maxwell, và thậm chí cả Einstein cũng sẽ rất hài lòng với những ý tưởng này. Nhưng khi đến với thực tại lượng tử – bao gồm các câu hỏi về những gì cấu tạo nên Vũ trụ và cách mà các quy luật tự nhiên thực sự hoạt động – bức tranh về thực tại trở nên kém rõ ràng hơn rất nhiều.

Thực tế, cơ học lượng tử có thể được xem là bức tranh về thực tại nghịch lý nhất mà chúng ta từng khám phá. Chúng ta sẽ không bao giờ nghĩ ra nó nếu các thí nghiệm và quan sát không bắt buộc chúng ta phải làm như vậy. Tuy nhiên, chỉ cần một chút thay đổi trong cách suy nghĩ, bạn có thể bắt đầu hiểu, hoặc ít nhất hòa hợp với bản chất lượng tử của thực tại.

Ánh sáng ở các bước sóng khác nhau khi đi qua một khe đôi sẽ thể hiện các tính chất sóng tương tự như các loại sóng khác. Việc thay đổi bước sóng ánh sáng, cũng như khoảng cách giữa các khe, sẽ thay đổi các chi tiết của mô hình xuất hiện.

Trước khi cơ học lượng tử xuất hiện, chúng ta có một loạt giả định về cách Vũ trụ vận hành. Chúng ta giả định rằng mọi thứ tồn tại đều được tạo thành từ vật chất, và rằng tại một thời điểm nào đó, bạn sẽ chạm đến một thành phần cơ bản của vật chất không thể chia nhỏ hơn nữa. Thực tế, từ nguyên tử bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp ἄτομος, có nghĩa là không thể cắt, hay như chúng ta thường nghĩ, là không thể chia nhỏ.

Những thành phần cơ bản không thể chia nhỏ này đều tác động lực lên nhau, như lực hấp dẫn hay lực điện từ. Sự tương tác giữa các hạt này chính là cốt lõi của thực tại vật lý.

Các quy luật hấp dẫn và điện từ, tuy nhiên, hoàn toàn mang tính xác định. Nếu bạn mô tả một hệ thống bao gồm các khối lượng và/hoặc điện tích, và xác định vị trí cũng như chuyển động của chúng tại một thời điểm bất kỳ, các quy luật này sẽ cho phép bạn tính toán – với độ chính xác tùy ý – vị trí, chuyển động và sự phân bố của từng hạt ở bất kỳ thời điểm nào khác.

Điều này áp dụng cho chuyển động của hành tinh, bóng nảy, hay cả những hạt bụi nhỏ. Nhưng rồi chúng ta phát hiện ra rằng Vũ trụ không chỉ dừng lại ở các quy luật cổ điển này.

Mối quan hệ bất định vốn có giữa vị trí và động lượng. Khi một đại lượng được đo chính xác hơn, đại lượng kia sẽ trở nên kém chính xác hơn. Cả vị trí và động lượng được mô tả tốt hơn qua hàm sóng xác suất hơn là một giá trị đơn lẻ. Các cặp biến liên hợp khác, bao gồm năng lượng và thời gian, hay vị trí góc và động lượng góc, cũng thể hiện mối quan hệ bất định tương tự.

Bạn không thể biết mọi thứ, một cách chính xác, cùng một lúc. Nếu có một đặc điểm định nghĩa rõ nhất sự khác biệt giữa các quy luật của cơ học lượng tử và quy luật cổ điển, thì đó chính là: bạn không thể đo lường một số đại lượng với độ chính xác tùy ý. Càng đo lường chính xác một đại lượng, các đặc tính liên quan sẽ càng trở nên bất định hơn.

– Nếu đo vị trí của một hạt với độ chính xác cao, động lượng của nó sẽ trở nên kém chính xác hơn.

– Nếu đo động lượng góc (hoặc spin) của hạt theo một hướng, bạn sẽ mất thông tin về động lượng góc (hoặc spin) của nó theo hai hướng còn lại.

– Nếu đo thời gian sống của một hạt không ổn định, thời gian sống càng ngắn thì khối lượng nghỉ của nó sẽ càng trở nên bất định.

Đây chỉ là một vài ví dụ về sự kỳ lạ của cơ học lượng tử, nhưng đủ để minh họa cho sự bất khả thi trong việc biết hết mọi thứ cùng lúc về một hệ thống. Tự nhiên giới hạn về mặt cơ bản những gì có thể biết được đồng thời về bất kỳ hệ vật lý nào. Càng cố gắng đo đạc chính xác một tập hợp các thuộc tính, những thuộc tính liên quan càng trở nên bất định hơn.

Độ rộng vốn có, hoặc nửa bề rộng của đỉnh khi đạt một nửa độ cao, được đo là 2.5 GeV: một sự bất định vốn có khoảng +/ – 3% của tổng khối lượng. Khối lượng của hạt boson Z, đạt đỉnh tại 91.187 GeV, cũng mang tính bất định do thời gian sống ngắn đặc biệt của nó. Kết quả này phù hợp đáng kinh ngạc với dự đoán của Mô hình chuẩn.

Chỉ có thể tính toán phân bố xác suất của kết quả, chứ không phải một dự đoán rõ ràng, không mơ hồ.

Không chỉ không thể biết hết các thuộc tính của một hệ vật lý cùng lúc, mà các quy luật cơ học lượng tử cũng vốn mang tính không xác định. Trong vũ trụ cổ điển, nếu bạn ném một viên sỏi qua khe hẹp, bạn có thể dự đoán chính xác nơi và thời gian nó sẽ rơi xuống mặt đất. Nhưng trong vũ trụ lượng tử, nếu thực hiện thí nghiệm tương tự với một hạt lượng tử – dù là photon, electron, hay một hạt phức tạp hơn – bạn chỉ có thể mô tả tập hợp các kết quả khả dĩ sẽ xảy ra.

Cơ học lượng tử cho phép bạn dự đoán xác suất tương đối của mỗi kết quả đó, và nó cho phép bạn thực hiện điều này ngay cả với một hệ lượng tử phức tạp nhất mà năng lực tính toán của bạn có thể xử lý. Tuy nhiên, khái niệm rằng bạn có thể thiết lập hệ thống của mình tại một thời điểm nhất định, biết mọi thứ có thể biết về nó, và sau đó dự đoán chính xác hệ thống đó sẽ tiến triển như thế nào tại một thời điểm tùy ý trong tương lai không còn đúng trong cơ học lượng tử. Bạn có thể mô tả xác suất của tất cả các kết quả có thể xảy ra, nhưng đối với một hạt cụ thể, chỉ có một cách để xác định tính chất của nó tại một thời điểm cụ thể: bằng cách đo lường chúng.

Cơ học lượng tử và hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện chi tiết cách mà các electron có thể bị ion hóa bởi các photon dựa trên bước sóng của từng photon riêng lẻ, không phải dựa trên cường độ ánh sáng hoặc bất kỳ tính chất nào khác. Khi vượt qua ngưỡng bước sóng nhất định đối với photon tới, bất kể cường độ, các electron sẽ bị đẩy ra. Dưới ngưỡng đó, không electron nào bị đẩy ra, ngay cả khi bạn tăng cường độ ánh sáng lên rất cao. Cả electron và năng lượng trong mỗi photon đều là rời rạc.

Đây là một khía cạnh cốt lõi trong cơ học lượng tử – phần lượng tử của vấn đề. Nếu bạn đặt câu hỏi Bao nhiêu? trong vật lý lượng tử, bạn sẽ nhận thấy rằng chỉ có một số lượng nhất định được cho phép.

– Các hạt chỉ có thể xuất hiện với các điện tích nhất định: theo bội số một phần ba điện tích của electron.

– Các hạt liên kết với nhau tạo thành các trạng thái liên kết – như nguyên tử – và nguyên tử chỉ có một tập hợp năng lượng nhất định.

– Ánh sáng được tạo thành từ các hạt riêng lẻ, gọi là photon, và mỗi photon chỉ có một mức năng lượng nhất định vốn có.

Trong tất cả các trường hợp này, có một giá trị cơ bản liên quan đến trạng thái thấp nhất (không bằng không), và tất cả các trạng thái khác chỉ có thể tồn tại dưới dạng bội số nguyên (hoặc bội phân số) của trạng thái có giá trị thấp nhất đó. Từ các trạng thái kích thích của hạt nhân nguyên tử đến năng lượng phát ra khi electron rơi vào lỗ trống trong các thiết bị LED, hoặc các chuyển đổi điều chỉnh đồng hồ nguyên tử, một số khía cạnh của thực tại thực sự là dạng hạt và không thể được mô tả bằng các thay đổi liên tục từ trạng thái này sang trạng thái khác.

Tính chất nào bạn nhận được – tính sóng hay tính hạt – phụ thuộc vào việc bạn đo lường hệ thống như thế nào. Ví dụ nổi tiếng nhất là thí nghiệm hai khe: cho một hạt lượng tử đi qua một tập hai khe hẹp.

– Nếu bạn không đo hạt đi qua khe nào, mẫu hình bạn quan sát trên màn phía sau khe sẽ cho thấy sự giao thoa, nơi mỗi hạt dường như tự giao thoa trong hành trình của mình. Mẫu hình này, khi nhiều hạt được bắn qua, là một hiện tượng hoàn toàn lượng tử.

– Nếu bạn đo hạt đi qua khe nào – hạt 1 qua khe 2, hạt 2 qua khe 2, hạt 3 qua khe 1, – thì không còn mẫu giao thoa nào nữa. Thay vào đó, bạn chỉ nhận được hai đốm hạt, mỗi đốm tương ứng với các hạt đi qua mỗi khe.

Dường như mọi thứ thể hiện tính sóng, với xác suất của nó lan tỏa trong không gian và thời gian, trừ khi có một tương tác buộc nó trở thành dạng hạt. Tuy nhiên, tùy thuộc vào cách bạn thực hiện thí nghiệm và đo lường, các hệ lượng tử thể hiện tính chất vừa là sóng vừa là hạt.

Thay đổi hệ lượng tử

Theo quy tắc của cơ học lượng tử, một đối tượng lượng tử có thể tồn tại trong nhiều trạng thái cùng một lúc. Nếu bạn có một electron đi qua hai khe, một phần của electron đó phải đi qua cả hai khe đồng thời để tạo ra mẫu giao thoa. Nếu bạn có một electron trong dải dẫn của một chất rắn, mức năng lượng của nó là lượng tử hóa, nhưng vị trí có thể của nó là liên tục. Tương tự, đối với electron trong nguyên tử, chúng ta có thể biết mức năng lượng của nó, nhưng câu hỏi Electron ở đâu? là điều mà chúng ta chỉ có thể trả lời một cách xác suất.

Bạn có thể nảy ra ý tưởng, Được rồi, tôi sẽ gây ra một tương tác lượng tử bằng cách nào đó, bằng cách va chạm với một lượng tử khác hoặc đưa nó qua một từ trường, hoặc điều gì đó tương tự, và giờ bạn đã có một phép đo. Bạn biết vị trí của electron tại thời điểm va chạm đó, nhưng đây là điểm mấu chốt: bằng cách thực hiện phép đo, bạn đã thay đổi kết quả của hệ thống. Bạn đã xác định vị trí của đối tượng, thêm năng lượng vào nó, và điều đó gây ra thay đổi trong động lượng. Phép đo không chỉ xác định trạng thái lượng tử, mà còn tạo ra một thay đổi không thể đảo ngược trong trạng thái lượng tử của chính hệ thống đó.

Bằng cách tạo ra hai photon rối lượng tử từ một hệ thống ban đầu và tách chúng ra với khoảng cách rất lớn, chúng ta có thể dịch chuyển thông tin về trạng thái của một photon bằng cách đo trạng thái của photon còn lại, ngay cả từ những vị trí khác biệt đáng kinh ngạc. Các diễn giải của vật lý lượng tử yêu cầu cả tính địa phương và tính hiện thực đều không thể giải thích hàng loạt các quan sát, nhưng nhiều cách diễn giải khác nhau đều dường như hợp lý như nhau.

Rối lượng tử có thể được đo lường, nhưng chồng chập thì không. Đây là một đặc điểm khó hiểu của vũ trụ lượng tử: bạn có thể có một hệ thống đồng thời tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc. Con mèo của Schrodinger có thể vừa sống vừa chết cùng lúc; hai làn sóng nước va chạm tại vị trí của bạn có thể khiến bạn hoặc là nâng lên, hoặc là hạ xuống; một bit thông tin lượng tử không chỉ là 0 hoặc 1, mà có thể là một phần trăm nào đó 0 và một phần trăm nào đó 1 cùng lúc.

Tuy nhiên, không có cách nào để đo lường một trạng thái chồng chập; khi bạn thực hiện một phép đo, bạn chỉ nhận được một trạng thái duy nhất cho mỗi phép đo. Mở hộp: con mèo chết. Quan sát vật thể trong nước: nó sẽ nâng lên hoặc hạ xuống. Đo bit lượng tử: nhận được 0 hoặc 1, không bao giờ cả hai.

Trong khi trạng thái chồng chập là các hiệu ứng hoặc hạt hoặc trạng thái lượng tử khác nhau xếp chồng lên nhau, rối lượng tử lại khác: nó là một sự tương quan giữa hai hoặc nhiều phần khác nhau của cùng một hệ thống. Rối lượng tử có thể mở rộng đến các khu vực vừa trong vừa ngoài vùng ánh sáng của nhau, và về cơ bản khẳng định rằng các tính chất của chúng được tương quan giữa hai hạt riêng biệt.

Nếu tôi có hai photon rối lượng tử và muốn đoán spin của mỗi photon, xác suất của tôi sẽ là 50/50. Nhưng nếu tôi đo spin của một photon, tôi sẽ biết spin của photon còn lại với xác suất khoảng 75/25: tốt hơn rất nhiều so với 50/50. Không có thông tin nào được trao đổi nhanh hơn ánh sáng, nhưng việc đánh bại xác suất 50/50 trong một loạt các phép đo là một cách chắc chắn để chứng minh rằng rối lượng tử là có thật và ảnh hưởng đến nội dung thông tin của vũ trụ.

Diễn giải vật lý lượng tử không phải là thực tại

Sự khác biệt trong mức năng lượng của electron xảy ra ở tất cả các nguyên tử, từ nguyên tử hydro đơn giản nhất đến những nguyên tố phức tạp nhất. Đồ thị này minh họa sự khác biệt mức năng lượng trong một nguyên tử Lutetium 177. Lưu ý rằng chỉ có các mức năng lượng cụ thể, rời rạc là được chấp nhận. Trong khi các mức năng lượng là rời rạc, vị trí của các electron thì không.

Có nhiều cách để diễn giải vật lý lượng tử, nhưng các diễn giải của chúng ta không phải là thực tại. Đây, ít nhất theo quan điểm của tôi, là phần phức tạp nhất trong toàn bộ nỗ lực này. Việc viết ra các phương trình mô tả vũ trụ và phù hợp với thí nghiệm là một chuyện. Nhưng việc mô tả chính xác điều gì đang xảy ra theo cách không phụ thuộc vào phép đo là một chuyện hoàn toàn khác.

Bạn có thể làm được không?

Tôi sẽ tranh luận rằng đây là một nhiệm vụ vô ích. Vật lý, cốt lõi của nó, là về những gì bạn có thể dự đoán, quan sát và đo lường trong vũ trụ này. Nhưng khi bạn thực hiện một phép đo, điều gì đang xảy ra? Và điều đó có ý nghĩa gì về thực tại? Liệu thực tại:

– Là một loạt các hàm sóng lượng tử sụp đổ ngay khi thực hiện một phép đo?

– Là một tập hợp vô hạn của các sóng lượng tử, nơi phép đo chọn một trong những thành viên của tập hợp đó?

– Là một sự chồng chập của các khả năng tiến và lùi gặp nhau bây giờ trong một bắt tay lượng tử?

– Là một số lượng vô hạn các thế giới có thể, nơi mỗi thế giới tương ứng với một kết quả, nhưng vũ trụ của chúng ta chỉ đi trên một con đường duy nhất?

Nếu bạn tin rằng dòng suy nghĩ này hữu ích, bạn sẽ trả lời, Ai mà biết; hãy cố gắng tìm hiểu. Nhưng nếu bạn giống tôi, bạn sẽ nghĩ dòng suy nghĩ này không mang lại kiến thức và là một ngõ cụt. Trừ khi bạn có thể tìm ra một lợi ích thực nghiệm của một diễn giải so với diễn giải khác – trừ khi bạn có thể thử nghiệm chúng trong một bối cảnh phòng thí nghiệm – tất cả những gì bạn đang làm khi chọn một diễn giải là thể hiện sự thiên vị của con người bạn. Nếu không có bằng chứng quyết định, rất khó để lập luận rằng có bất kỳ giá trị khoa học nào trong nỗ lực của bạn.

Tự nhiên lượng tử: Từ những dao động lượng tử đến cấu trúc lớn của vũ trụ

Các dao động lượng tử xảy ra trong quá trình lạm phát bị kéo dài trên toàn vũ trụ, và khi quá trình lạm phát kết thúc, chúng trở thành các dao động mật độ. Qua thời gian, điều này dẫn đến cấu trúc lớn của vũ trụ ngày nay, cũng như những dao động nhiệt độ quan sát được trong CMB. Đây là một ví dụ ngoạn mục về cách bản chất lượng tử của thực tại ảnh hưởng đến toàn bộ vũ trụ lớn.

Nếu bạn chỉ dạy ai đó các quy luật vật lý cổ điển mà chúng ta nghĩ rằng đã điều chỉnh vũ trụ vào cuối thế kỷ 19, họ sẽ hoàn toàn ngạc nhiên bởi các hàm ý của cơ học lượng tử. Không có khái niệm thực tại thật nào độc lập với người quan sát; trên thực tế, chính hành động thực hiện một phép đo đã làm thay đổi hệ thống của bạn không thể đảo ngược.

Thêm vào đó, tự nhiên tự thân vốn dĩ là không chắc chắn, với các dao động lượng tử chịu trách nhiệm cho mọi thứ từ sự phân rã phóng xạ của các nguyên tử đến các mầm mống ban đầu của cấu trúc cho phép vũ trụ phát triển và hình thành sao, thiên hà, và cuối cùng là con người.

Bản chất lượng tử của vũ trụ được viết trên bề mặt của mọi vật thể hiện diện trong nó. Và tuy nhiên, nó dạy chúng ta một quan điểm khiêm nhường: rằng trừ khi chúng ta thực hiện một phép đo tiết lộ hoặc xác định một thuộc tính lượng tử cụ thể của thực tại, thuộc tính đó sẽ vẫn chưa xác định cho đến khi thời điểm đó xảy ra. Nếu bạn tham gia một khóa học về cơ học lượng tử ở bậc đại học, bạn có thể học cách tính toán phân bố xác suất của các kết quả có thể, nhưng chỉ bằng cách thực hiện một phép đo, bạn mới xác định được kết quả cụ thể nào xảy ra trong thực tại của bạn.

Mặc dù cơ học lượng tử rất khó hiểu, nhưng hết thí nghiệm này đến thí nghiệm khác vẫn tiếp tục chứng minh rằng nó đúng. Trong khi nhiều người vẫn mơ về một vũ trụ hoàn toàn có thể dự đoán, cơ học lượng tử – chứ không phải những sở thích ý thức hệ của chúng ta – mô tả chính xác nhất thực tại mà tất cả chúng ta đang sống.