Liên đới lượng tử, hay trong tiếng Việt còn thường được gọi là "rối lượng tử" hay "vướng víu lượng tử" (quantum entanglement) là một chủ đề được nhiều người yêu vật lý chú ý trong những năm gần đây, nhất là sau khi có những thông tin hoặc bài báo không chính thức về sự vi phạm của vận tốc ánh sáng do hiện tượng này. Trong bài viết ngắn dưới đây, tôi xin trao đổi những ý chính để giải thích về vấn đề nhận được nhiều sự chú ý này.
Liên đới lượng tử là gì?
Việc đi sâu vào bản chất của cơ học lượng tử chắc chắn sẽ mất nhiều thời gian, nếu không muốn nói là không thể đối với một bài thuyết trình ngắn. Do đó, để diễn giải một cách dễ hiểu, tôi tạm định nghĩa như sau:
Liên đới lượng tử là hiện tượng trong đó một cặp hạt nào đó có sự liên kết với nhau về trạng thái lượng tử (vị trí, xung lượng, spin, ...). Nếu một hạt trong cặp này được xác định là có một trạng thái nhất định nào đó thì qua đó người ta có thể dự đoán trạng thái của hạt còn lại.
Chẳng hạn, một cặp gồm hai hạt được xác định là có tổng spin bằng 0. Nếu như một hạt được đo có spin là +1 (dương 1), thì hạt kia được xác định rằng sẽ có spin -1 (âm 1). Nếu sau đó một khoảng thời gian, người ta đo được một hạt vì lý do nào đó đã có sự biến đổi spin là +1/2 thì hạt còn lại chắc chắn cũng có sự biến đổi tương ứng là -1/2, bất kể khoảng cách của hai hạt là bao nhiêu. Nói cách khác, sự liên đới trạng thái lượng tử của hai hạt như vậy là tức thời, bất chấp khoảng cách.
Vấn đề trên gợi lên một câu hỏi rằng như vậy thì phải chăng tốc độ truyền thông tin có thể đạt tới vô hạn, tức là vượt qua vận tốc ánh sáng. Chẳng hạn, một trong hai hạt của cặp đặt ở Trái Đất trong khi hạt còn lại đặt ở Mặt Trăng, cách nhau hơn 1 giây ánh sáng, nhưng khi đo được trạng thái của hạt ở Trái Đất thì người ta sẽ lập tức biết được trạng thái của hạt ở Mặt Trăng mà không cần phải đợi 1 giây để người thực hiện phép đo ở Mặt Trăng xác nhận với người ở Trái Đất.
Năm 1935, vấn đề này đã được mô tả trong một bài báo do Albert Einstein cùng hai cộng sự là Boris Podolsky và Nathan Rosen công bố, thường được gọi tắt là nghịch lý EPR. Nghịch lý mà các tác giả mô tả trong bài bào này là ở chỗ hiện tượng lượng tử nêu trên vi phạm nguyên lý về tốc độ tuyệt đối của ánh sáng mà chính Einstein đã mô tả trong thuyết tương đối hẹp vào năm 1905 (và tất nhiên, nguyên lý này cũng đã được chứng minh, như độc giả có thể đọc trong một bài khác của tôi: Vận tốc ánh sáng và vai trò của nó).
Vậy thì trên thực tế, nguyên lý vận tốc ánh sáng có bị hiện tượng liên đới lượng tử này vi phạm hay không?
Trạng thái "thực" của một hạt
Mặc dù trong đời sống hàng ngày cũng như quan niệm cổ điển về vật lý, chúng ta thường mặc nhiên rằng một đối tượng nào đó (hạt, vật thể, ...) luôn có một trạng thái vật lý nhất định và việc thực hiện phép đo chỉ là để xác định trạng thái đó (chẳng hạn, bạn đo thấy một chiếc xe chạy với vận tốc 40 km/h, có nghĩa là dù bạn không đo thì vận tốc của nó vẫn thế), nhưng thực tế thì trong thế giới vi mô của các hạt cơ bản mọi việc lại không diễn ra như vậy. Các nhà vật lý lượng tử tiên phong, mà đáng kể tới nhất có lẽ là Werner Heisenberg và Niels Bohr đã chỉ ra cho chúng ta biết rằng trạng thái lượng tử của một hạt không phải là hoàn toàn độc lập mà phụ thuộc trực tiếp vào việc chúng ta có thực hiện phép đo trên nó hay không, và thực hiện như thế nào. Điều này được mô tả trong nguyên lý bất định nổi tiếng của Heisenberg - một trong những cơ sở trụ cột của cơ học lượng tử hiện đại.
Hiển nhiên, giải thích chi tiết về lý thuyết này sẽ đòi hỏi phải viết cả một cuốn sách, nên trong bài thuyết trình ngắn này tôi sẽ xin tạm bỏ qua mà chỉ sử dụng nó để diễn giải cho một thực tế có liên quan tới vấn đề liên đới lượng tử mà chúng ta đang bàn. Đó là: khi nói tới trạng thái mà bạn biết được của một hạt, thì thực ra là chúng ta chỉ nói tới trạng thái mà bạn biết được nhờ một phép đo cụ thể. Đồng thời, nó cũng chỉ ra rằng liên đới lượng tử cho biết nếu như bạn thực hiện một phép đo đúng như thế ở cùng thời điểm, bạn sẽ thu được kết quả tương ứng đúng như dự đoán ở hạt liên đới.
Sự "vi phạm" vận tốc ánh sáng
Bây giờ, chúng ta trở lại với chủ đề chính. Đó là liệu rằng nguyên lý về việc vận tốc ánh sáng là nhanh nhất trong vũ trụ có bị vi phạm hay không khi mà bạn có thể biết ngay lập tức trạng thái của một hạt nào đó cho dù nó có ở cách bạn hàng triệu năm ánh sáng.
Để tránh mất thời gian của người đọc, tôi xin khẳng định rằng điều này là hoàn toàn không xảy ra.
Giả sử, bạn có một cặp hạt liên đới với nhau và bạn đưa một trong hai hạt đó tới một hành tinh cách Trái Đất nhiều năm ánh sáng, sau đó bạn tác động vào hạt ở Trái Đất để hạt còn lại biến đổi tương ứng và người ở nơi xa xôi đó có thể dựa trên sự biến đổi đó để "giải mã" ra thông điệp bạn muốn truyền tải mà không cần tới nhiều năm để thông tin truyền đi dưới dạng truyền sóng điện từ, thì đó chính xác có thể coi là sự truyền thông tin nhanh hơn ánh sáng.
Tiếc thay, mọi việc không diễn ra như vậy!
Cho tới nay, mọi bằng chứng lý thuyết cũng như thực nghiệm đều cho thấy bạn không thể làm được như nêu trên. Thực tế là liên đới lượng tử chỉ đơn thuần có nghĩa là bạn có thể dự đoán được trạng thái của hạt liên đới khi biết trạng thái của hạt còn lại, chứ bạn không hề có khả năng tác động lên một hạt để yêu cầu hạt còn lại tuân theo.
Điều đó có nghĩa là gì?
Hãy lấy ví dụ trực quan thế này: bạn biết rằng hai chiếc giày thuộc cùng một đôi có thuộc tính liên đới với nhau. Bạn chỉ tìm thấy một chiếc, nhưng dựa vào nó bạn biết chắc chắn rằng nếu như nó có cỡ 42 thì chiếc còn lại cũng là cỡ 42, và nếu chiếc bạn đang cầm trên tay là giày cho chân trái thì chắc chắn chiếc còn lại là dành cho chân phải. Điều đó hiển nhiên tới mức một em bé 5 tuổi cũng thuộc lòng. Nhưng nếu bạn lấy dao rạch một đường trên cạnh trái của chiếc giày, thì chẳng có lý nào mà chiếc còn lại không có ở đó lại buộc phải có một vết rách y hệt nhưng ở cạnh bên phải. Điều đó cũng là điều ai cũng biết.
Hãy xem xét một ví dụ khác. Tôi lắp hai bóng đèn cách nhau 10 mét nhưng có cùng hệ thống điện và nút bật/tắt. Tạm gọi hai bóng đèn này là bóng số 1 và bóng số 2. Tôi mời bạn đứng vào giữa và quay mặt về phía bóng số 1. Bạn biết chắc rằng tôi chỉ dùng 1 công tắc, có nghĩa là khi tôi bật công tắc thì cả 2 bóng cùng sáng. Vì thế, khi thấy bóng số 1 sáng lên, bạn sẽ biết chắc bóng số 2 cũng sáng. Bạn chẳng cần quay lại nhìn, cũng chẳng cần "truyền thông tin" bằng cách báo cho tôi hay ai đó rằng "Bóng số 1 đã sáng" để bóng số 2 được bật lên. Bạn biết chỉ đơn giản vì hai bóng có "liên đới" với nhau. Nếu như bạn ném một viên đá và làm vỡ bóng số 1 của tôi, thì khi tôi bật công tắc, bóng số 2 vẫn sáng chứ không thể có chuyện nó vỡ theo khi mà bạn không ném thứ gì về phía nó.
Liên đới lượng tử hiển nhiên là thứ gì đó phức tạp hơn những ví dụ này nhiều. Tuy nhiên, như đã nói, mọi bằng chứng cả lý thuyết lẫn thực nghiệm đều cho thấy bạn chỉ có thể dự đoán trạng thái của một hạt trong cặp liên đới khi bạn "hỏi" hạt còn lại về trạng thái của nó, hay nói cách khác là bạn thực hiện phép đo trên một hạt để biết về hạt còn lại. Nếu như bạn "yêu cầu" một hạt phải thay đổi trạng thái của nó bằng bất cứ cách nào, bạn sẽ phá vỡ sự liên đới.
Như vậy, thông tin không hề được truyền tức thời nhờ sự liên đới lượng tử. Điều đó cũng có nghĩa là vận tốc ánh sáng không hề bị vi phạm, cũng như việc truyền tải thông tin nhờ liên đới lượng tử chỉ là câu chuyện của những tác phảm giả tưởng mà thôi.
Độc giả có thể đọc thêm các bài khác của tôi về tính tuyệt đối của vận tốc ánh sáng trong các link dẫn dưới đây:
Vận tốc ánh sáng và vai trò của nó
Bức xạ Cherenkov có vượt qua vận tốc ánh sáng?
Bạn có vượt qua ánh sáng khi bắn một viên đạn từ một con tàu siêu tốc?
Vũ trụ giãn nở nhanh hơn vận tốc ánh sáng, thuyết tương đối hẹp vẫn chính xác
Chú thích: Tôi sử dụng thuật ngữ "liên đới lượng tử" thay vì "rối lượng tử" hay "vướng víu lượng tử" vì xét tới ngữ nghĩa tiếng Việt của thuật ngữ. "Rối" hay "vướng víu" dường như có thể dẫn tới định hình không chính xác cho người đọc về sự rắc rối và không rõ ràng, trong khi hiện tượng này - dù chưa được kiểm chứng thật đầy đủ - có thể được mô tả một cách cụ thể như độc giả đã đọc phía trên.
