Nếu một cái cây đổ xuống trong một khu rừng và không có ai ở đó để nghe thấy điều đó, thì nó có phát ra âm thanh không? Có lẽ là không. Và nếu như bạn nghĩ rằng nếu có ai đó ở đó để nghe thấy thì điều đó rõ ràng cho thấy nó đã phát ra âm thanh, có thể bạn sẽ phải xem lại ý kiến của mình.
Đó là phát biểu của giáo sư Eric Cavalcanti ở Đại học Griffith (Queensland, Mỹ). Nhóm nghiên cứu của ông khẳng định đã tìm ra một nghịch lý mới trong cơ học lượng tử - một trong hai lý thuyết khoa học cơ bản hiện nay, cùng với thuyết tương đối của Einstein. Nghịch lý này gây ra những nghi vấn mới cho nhiều ý niệm của chúng ta về thực tại vật lý.
Dưới đây là nguyên văn trao đổi của Giáo sư Cavalcanti được đăng ban đầu trên The Conversation.
Cơ học lượng tử VS ý niệm thông thường
Hãy xem xét ba phát biểu sau:
- Khi ai đó quan sát một sự kiện xảy ra, nó thực sự đã xảy ra.
- Chúng ta có khả năng lựa chọn tự do, hay ít nhất là những lựa chọn ngẫu nhiên về mặt thống kê.
- Một lựa chọn ở một địa điểm không thể gây ảnh hướng ngay tức khắc tới một sự kiện ở xa. (Các nhà vật lý gọi việc này là "tính cục bộ".)
Những điều trên đều là những ý tưởng trực quan được công nhận rộng rãi bởi các nhà vật lý. Tuy nhiên, nghiên cứu mới của các tác giả đã được công bố mới đây trên tạp chí Nature Physics cho thấy chúng không thể tất cả đều đúng - hoặc là cơ học lượng tử cần phải bị phá vỡ ở một cấp độ nào đó.
Để nắm rõ hơn, chúng ta hãy nhìn lại lịch sử.
Cuộc chiến cho thực tại
Cơ học lượng tử cực kỳ hiệu quả trong việc mô tả hành vi của những vật thể vi mô, chẳng hạn như các nguyên tử hay các hạt ánh sáng (photon). Nhưng hành vi đó là ... rất kỳ quái.
Trong nhiều trường hợp, lý thuyết lượng tử không đưa ra câu trả lời chắc chắn cho những câu hỏi như là "hạt này đang ở đâu ngay lúc này?". Thay vào đó, nó chỉ đưa ra xác suất về vị trí có thể tìm thấy hạt đó khi nó được quan sát.
Theo Niels Bohr, một trong những người sáng lập ra cơ học lượng tử cách đây một thế kỷ, thì đó không phải là do sự thiếu thông tin, mà bởi các thuộc tính vật lý như "vị trí" không thực sự tồn tại cho tới khi chúng được đo lường.
Hơn thế nữa, bởi một số tính chất của hạt không thể được quan sát một cách hoàn hảo đồng thời - chẳng hạn như vị trí và vận tốc, chúng không thể tồn tại một cách đồng thời thực sự.
Một nhà vật lý nổi tiếng không hề kém là Albert Einstein thì thấy ý tưởng này không ổn. Trong một bài báo công bố vào năm 1935 cùng hai nhà vật lý lý thuyết là Boris Podolsky và Nathan Rosen, ông cho rằng thực tại phải hơn là những gì mà cơ học lượng tử mô tả.
Bài báo này xem xét một cặp hạt ở cách xa nhau đặt trong một trạng thái mà ngày nay gọi là sự liên đới (hay vướng víu). Khi cùng một tính chất (chẳng hạn như vị trí hoặc vận tốc) được đo trên cả hai hạt liên đới, thì kết quả sẽ là ngẫu nhiên - nhưng sẽ luôn có liên kết tương quan giữa các kết quả đo của mỗi hạt.
Chẳng hạn, một người quan sát đo vị trí của hạt thứ nhất có thể dự đoán chính xác kết qua đo vị trí của hạt thứ hai ở xa mà không cần chạm vào nó. Hoặc là, người quan sát có thể chọn vận tốc làm tính chất để đo và kết quả cũng như vậy. Việc này có một cách giải thích, theo Einstein và hai đồng nghiệp của ông, là thuộc tính của cả hai hạt đã phải tồn tại trước khi phép đo được thực hiện - tức là trái ngược với cách giải thích của Bohr.
Tuy nhiên, vào năm 1964, nhà vật lý người Bắc Ireland là John Bell đã phát hiện ra rằng lập luận của Einstein bị sụp đổ khi xét tới sự kết hợp phức tạp hơn của các phéo đo trên hai hạt.
Bell cho thấy nếu như hai người quan sát chọn một cách ngẫu nhiên và độc lập giữa việc đo một hoặc vài tính chất của các hạt này, chẳng hạn như vị trí và vận tốc, thì kết quả trung bình không thể được giải thích bằng bất cứ lý thuyết nào trong đó vị trí và vận tốc là những tính chất cục bộ đã có từ trước.
Điều này nghe thật khó tin, nhưng các thí nghiệm hiện đã chứng minh một cách chắc chắn rằng mối tương quan mà Bell nói tới là có thật. Với nhiều nhà vật lý, đây là bằng chứng cho thấy Bohr đã đúng: các tính chất vật lý không tồn tại cho tới khi chúng được đo lường.
Nhưng điều đó làm xuất hiện một câu hỏi quan trọng: một "phép đo" đặc biệt tới mức nào?
Người quan sát, được quan sát
Năm 1961, nhà vật lý lý thuyết người Mỹ gốc Hungary là Eugene Wigner đã nghĩ ra một thí nghiệm giả định để cho thấy vấn đề của việc đo lường.
Ông xem xét một tình huống trong đó một người bạn của ông đi vào một phòng thí nghiệm được đóng kín và thực hiện phép đo trên một hạt lượng tử (chẳng hạn như là đo vị trí của nó).
Tuy nhiên, Wigner nhận thấy rằng nếu ông áp dụng các phương trình của cơ học lượng tử để mô tả tình huống này từ phía ngoài, kết quả sẽ rất khác. Thay vì phép đo của người bạn này sẽ khiến cho hạt có một vị trí thực, thì từ phía ngoài Wigner thấy rằng người bạn của ông bị liên đới với hạt này và nhiễm sự bất định bao quanh nó.
Việc này tương tự với nghịch lý nổi tiếng về con mèo của Schrödinger, mọt thí nghiệm giả định mà trong đó con mèo trong hộp bị liên đới với một sự kiện lượng tử ngẫu nhiên.
Với Wigner thì đây là một kết luận vô lý. Thay vào đó, ông tin rằng một khi ý thức của người quan sát dính líu vào, liên đới sẽ "sụp đổ" khiến cho quan sát của người bạn là xác định.
Nhưng nếu Wigner sai thì sao?
Thí nghiệm của chúng tôi
Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi phát triển một phiên bản mở rộng của nghịch lý người bạn của Wigner, được đề xuất lần đầu bởi Časlav Brukner ở Đại học Vienna (Áo). Trong kịch bản này, có hai nhạt vật lý - tạm gọi họ là Alice và Bob, mỗi người lại làm việc với một người bạn của mình (tên là Charlie và Debbie) ở hai phòng thí nghiệm cách xa nhau.
Có một điểm khác ở đây là: Charlie và Debbie đo một cặp hạt liên đới, tương tự như trong những thí nghiệm của Bell.
Như trong lập luận của Wagner, các phương trình của cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng Charlie và Debbie sẽ phải liên đới với hạt mà họ quan sát. Nhưng vì những hạt đó đã liên đới với nhau sẵn, Charlie và Debbie cũng phải liên đới với nhau - lý thuyết là thế.
Nhưng việc đó ngụ ý điều gì về mặt thực nghiệm?
Thí nghiệm của chúng tôi như sau: những người bạn đi vào các phòng thí nghiệm của họ và đo các hạt của họ. Một lúc sau, Alice và Bob mỗi người tung một đồng xu. Nếu nó ngửa, họ mở của và hỏi bạn mình xem họ thấy gì. Nếu nó xấp, họ thực hiện một phép đo khác.
Phép đo khác được thực hiện đó luôn mang lại kết quả tốt cho Alice nếu Charlie liên đới với hạt mà anh ta quan sát, đúng theo cách mà Wigner tính toán. Việc tương tự như vậy xảy ra với Bob và Debbie.
Tuy nhiên, khi phép đo này được thực hiện, bất cứ ghi nhận nào của những người bạn trong phòng thí nghiệm đều bị chặn không thể ra thế giới bên ngoài. Charlie hay Debbie đều không nhớ được họ đã thấy gì trong phòng thí nghiệm, giống như họ tỉnh dậy sau một cơn hôn mê.
Nhưng có phải nó vẫn cứ xảy ra, cho dù họ không nhớ?
Nếu như ba ý tưởng trực quan ở đầu bài viết này là đúng, mỗi người bạn đã thấy một kết quả thực tế và độc nhất về phép đo của họ trong phòng thí nghiệm, độc lập với việc sau đó Alice hay Bob có quyết định mở cửa hay không. Đồng thời, thứ mà Alice và Charlie nhìn thấy không thể phụ thuộc vào việc đồng xu xa xôi của Bob rơi xuống ra sao, và ngược lại.
Chúng tôi đã chỉ ra rằng nếu đó là sự thật, thì phải có giới hạn cho những mối tương quan mà Alice và Bob trông đợi nhìn thấy giữ những kết quả của họ. Chúng tôi cũng chỉ ra rằng cơ học lượng tử dự đoán rằng Alice và Bob sẽ thấy những mối tương quan vượt xa khỏi những giới hạn đó.
Tiếp theo, chúng tôi làm một thí nghiệm để xác nhận những dự đoán của cơ học lượng tử bằng cách xử dụng các cặp photon liên đới. Vai trò của mỗi phép đo của những người bạn trong thí nghiệm nêu trên nay được thựn hiện bởi một trong hai đường đi mà mỗi photon có thể đi theo, phụ thuộc vào tính phân cực của photon. Nói cách khác, đường đi "đo" tính phân cực.
Thí nghiệm của chúng tôi thực sự chỉ là một bằng chứng của nguyên lý, vì những "người bạn" ở đây rất nhỏ và đơn giản. Nhưng nó mở ra câu hỏi rằng liệu kết quả có tương tự với những người quan sát phức tạp hơn.
Có lẽ chúng tôi sẽ không bao giờ có thể làm thí nghiệm này với người thật. Nhưng chúng tôi lập luận rằng ngày nào đó sẽ có thể tạo ra bằng chứng thuyết phục nếu "người bạn" khi đó là một trí tuệ nhân tạo (AI) có trí tuệ cấp con người chạy trong một máy tính lượng tử khổng lồ.
Tất cả điều này có nghĩa gì?
Mặc dù một thí nghiệm mang tính kết luận có thể sẽ cần tới vài thập kỷ nữa, nếu những dự đoán của cơ học lượng tử tiếp tục được duy trì, điều này có ý nghĩa mạnh mẽ tới hiểu biết của chúng ta về thực tại - thậm chí nhiều hơn so với mối tương quan của Bell. Chẳng hạn, những tương quan mà chúng tôi phát hiện ra không thể được giải thích chỉ bằng cách nói rằng các đặc tính vật lý không tồn tại cho tới khi chúng được đo lường.
Giờ đây thực tại tuyệt đối của chính các kết quả đo lượng cũng cần được đặt câu hỏi.
Những kết quả của chúng tôi buộc các nhà vật lý phải đối mặt với vấn đề về đo lường: hoặc là thí nghiệm của chúng tôi không áp dụng được ở thang vĩ mô, và cơ học lượng tử giải quyết nó bằng một thứ gọi là "lý thuyết sụp đổ khách quan", hoặc là một trong ba giả thiết thông thường nêu trên của chúng ta phải bị bác bỏ.
Có những lý thuyết, như là de Broglie-Bohm, khẳng định về "hành đồng ở khoảng cách xa", trong đó các hành đông có thể tác động ngay tức khắc tới bất cứ nơi nào trong vũ trụ. Tuy nhiên, điều đó mâu thuẫn trực tiếp với thuyết tương đối của Einstein.
Một số người tìm kiếm một lý thuyết mới trong đó bác bỏ khả năng lựa chọn tự do, nhưng chúng đòi hỏi quan hệ nguyên nhân-kết quả bị đảo ngược, hoặc là một loại thuyết tất định có chủ định được gọi là "siêu xác định".
Một cách khác để giải quyết xung đột có thể làm cho lý thuyết của Einstein trở nên tương đối hơn nữa. Theo Einstein thì những người quan sát khác nhau có thể bất đồng về thời điểm và vị trí mà một thứ gì đó xảy ra, nhưng thứ đã xảy ra thì là thực tế tuyệt đối.
Tuy nhiên, theo một số cách giải thích, chẳng hạn như cơ học lượng tử, QBism (quan điểm lượng tử Bayesian), hay cách giải thích đa thế giới, bản thân các sự kiện chỉ có thể xảy ra với sự liên quan tới một hoặc nhiều người quan sát. Một cái cây đổ được quan sát bởi một người có thể không phải là thực tế với những người khác.
Tất cả những điều này không có nghĩa rằng bạn có thể lựa chọn thực tại riêng của mình. Thứ nhất, bạn có thể chọn câu hỏi mà bạn hỏi, nhưng những câu trả lời thì được đưa ra bởi thế giới. Và ngay cả trong một thế giới có liên quan mật thiết, khi hai người quan sát giao tiếp với nhau, họ cũng xuất hiện liên đới. Theo cách đó một thực tại chung (được chia sẻ) có thể xuất hiện.
Điều đó có nghĩa là nếu chúng ta cùng chứng kiến một cái cây đổ xuống và bạn nói rằng bạn không thể nghe thấy nó, thì bạn có thể cần tới máy trợ thính.
Dịch và giải thích thêm từ bài trên Live Science.
Bài báo công bố nghiên cứu của nhóm tác giả có thể được đọc tại đây.
