Giải Nobel vật lý năm 2022 đã được trao ba nhà khoa học vì những đóng góp mang tính đột phá trong việc tìm hiểu một trong những hiện tượng bí ẩn nhất của tự nhiên: rối lượng tử hay vướng víu lượng tử...
Nói một cách đơn giản, rối lượng tử có nghĩa là các khía cạnh của một hạt trong một cặp vướng víu phụ thuộc vào các khía cạnh của hạt kia, bất kể chúng cách xa nhau như thế nào hoặc có gì nằm giữa chúng. Những hạt này có thể là electron hoặc photon, và một trong các khía cạnh có thể là trạng thái spin, chẳng hạn như nó đang "quay" theo hướng này hay hướng khác.
Phần kỳ lạ của rối lượng tử là khi bạn đo đạc một khía cạnh nào đó của một hạt trong cặp vướng víu, bạn ngay lập tức biết được khía cạnh đó của hạt kia, ngay cả khi chúng cách nhau hàng triệu năm ánh sáng. Mối liên hệ kỳ lạ tức thời giữa hai hạt này dường như phá vỡ một định luật cơ bản của vật lý, và nhà bác học nổi tiếng Albert Einstein đã gọi hiện tượng này là "hành động ma quái từ xa”.
Sau hai thập kỷ tiến hành các thí nghiệm liên quan đến cơ học lượng tử, tôi đã chấp nhận sự thực kỳ lạ nói trên. Ngoài ra, nhờ các công cụ chính xác và đáng tin cậy hơn bao giờ hết, cũng như công trình của những người đoạt giải Nobel năm nay, Alain Aspect, John Clauser và Anton Zeilinger, các nhà vật lý hiện đã rất chắc chắn khi tích hợp hiện tượng lượng tử này vào kiến thức của họ về thế giới.
Tuy nhiên, cho đến tận những năm 1970, vì những lý do như không dám mâu thuẫn với Einstein vĩ đại, người đã nghi ngờ rối lượng tử, cho nên các nhà nghiên cứu vẫn còn chia rẽ về việc liệu đây có phải là một hiện tượng có thật hay không. Và phải đến khi các công nghệ thử nghiệm mới phát triển và những nghiên cứu táo bạo được tiến hành thì bí ẩn này cuối cùng mới yên nghỉ.
-
- Theo cơ học lượng tử, các hạt đồng thời ở hai hoặc nhiều trạng thái cho đến khi được quan sát - hiện tượng này được mô tả một cách sống động bởi thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng của Schrödinger về con mèo đồng thời vừa chết vừa sống. (Ảnh: Michael Holloway/Wikimedia Commons, CC BY-SA)
Tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc
Để thực sự hiểu được sự ma quái của hiện tượng rối lượng tử, điều quan trọng trước tiên là phải hiểu về chồng chất lượng tử. Ý tưởng này cho rằng các hạt tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc, và khi một phép đo được thực hiện, hạt sẽ chọn một trong các trạng thái chồng chất đó.
Chẳng hạn, đối với một hướng nhất định của máy phân tích, một hạt sẽ có thuộc tính spin "hướng lên" hoặc "hướng xuống". Nhưng cho đến lúc trước khi bạn đo spin của hạt này, thì nó sẽ tồn tại đồng thời ở trạng thái chồng chất spin hướng lên và hướng xuống.
Do mỗi trạng thái có một xác xuất nhất định, cho nên chúng ta có thể dự đoán giá trị trung bình của mỗi trạng thái từ nhiều phép đo. Và tuy rằng kết quả của mỗi phép đo riêng biệt phụ thuộc vào xác suất, nhưng bản thân nó không thể đoán trước được.
Tuy hiện tượng nói trên rất kỳ lạ, nhưng toán học và một số lượng lớn các thí nghiệm đã chỉ ra rằng cơ học lượng tử mô tả chính xác thực tế vật lý.
Giải thích về trạng thái chồng chất lượng tử
Các vị cha đẻ của cơ học lượng tử, những người đã phát triển lý thuyết này trong những năm 1920 và 1930, rõ ràng đã nhận thấy sự ma quái của hiện tượng rối lượng tử sinh ra từ sự chồng chất lượng tử.
Để tạo ra các hạt vướng víu, thì về cơ bản, bạn cần phá vỡ một hệ thống thành hai phần, với tổng trạng thái xác định. Ví dụ, bạn có thể tách một hạt có spin bằng không thành hai hạt, nhưng chúng nhất thiết phải có spin ngược nhau để tổng spin bằng không.
-
- Albert Einstein, Boris Podolsky và Nathan Rosen đã chỉ ra một vấn đề của rối lượng tử vào năm 1935 khiến Einstein mô tả hiện tượng này là “hành động ma quái từ xa”. (Ảnh: Sophie Dela/Wikimedia Commons)
Năm 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky và Nathan Rosen đã xuất bản một bài báo, trong đó mô tả một thí nghiệm tưởng tượng được thiết kế để minh họa một điều nghe có vẻ vô lý của rối lượng tử đã thách thức một định luật cơ bản của vật lý.
Một phiên bản đơn giản của thí nghiệm tưởng tượng này, do David Bohm đề xuất, đã xem xét sự phân rã của một hạt được gọi là pi meson. Khi hạt này phân rã, nó sẽ tạo ra một electron và một positron có spin trái dấu và chuyển động ra xa nhau. Khi đó, nếu spin đo được của electron hướng lên, thì spin đo được của positron chỉ có thể là hướng xuống, và ngược lại. Điều này đúng ngay cả khi các hạt cách xa nhau hàng tỷ dặm.
Sẽ dễ hiểu hơn nếu kết quả spin đo được của electron luôn hướng lên còn của positron luôn hướng xuống. Nhưng theo cơ học lượng tử, spin của chúng sẽ vừa hướng lên và hướng xuống cho đến trước khi đo đạc. Chỉ khi phép đo được thực hiện thì trạng thái spin của các hạt mới "suy sụp" thành hướng lên hoặc xuống, và ngay lập tức hạt vướng víu kia chuyển về trạng thái có spin ngược lại. Điều này dường như cho thấy rằng các hạt giao tiếp với nhau nhanh hơn tốc độ ánh sáng và dẫn đến vi phạm một định luật vật lý cho rằng không có gì truyền nhanh hơn ánh sáng.
Vào những năm 1930, các nhà vật lý, bao gồm cả Einstein, đã đề xuất một số cách giải thích thay thế về hiện tượng rối lượng tử. Họ đưa ra giả thuyết rằng có một số thuộc tính chưa biết - được gọi là các biến ẩn - xác định trạng thái của một hạt trước khi đo. Nhưng vào thời điểm đó, các nhà vật lý không có công nghệ đủ cao cũng như định nghĩa về một phép đo đủ rõ ràng để có thể kiểm tra xem lý thuyết lượng tử có cần được sửa đổi để đưa vào các biến ẩn hay không.
-
- John Bell, một nhà vật lý người Ireland, đã đưa ra phương trình để kiểm tra thực tế liệu rối lượng tử có dẫn đến các biến ẩn hay không. (Ảnh: CERN, CC-BY-4.0)
Có cần sửa đổi lý thuyết lượng tử không?
Phải đến những năm 1960, người ta mới có một vài manh mối cho câu trả lời. John Bell, một nhà vật lý xuất sắc người Ireland, người không sống đủ lâu để nhận giải Nobel, đã nghĩ ra một chương trình để kiểm tra xem liệu khái niệm về các biến ẩn có ý nghĩa hay không.
Bell đã tạo ra một phương trình được gọi là bất đẳng thức Bell. Bất đẳng thức này luôn đúng - và chỉ đúng - đối với các lý thuyết biến ẩn, nhưng không phải luôn đúng đối với cơ học lượng tử. Do đó, nếu các nhà khoa học tìm thấy phương trình của Bell không thỏa mãn trong một thí nghiệm thế giới thực, thì lý thuyết biến ẩn có thể được loại trừ trong việc giải thích cho hiện tượng rối lượng tử.
Các thí nghiệm của những người đoạt giải Nobel vật lý năm 2022, đặc biệt là của Alain Aspect, là những thử nghiệm đầu tiên về bất đẳng thức Bell. Các thí nghiệm sử dụng các photon vướng víu, thay vì các cặp electron và một positron, như trong nhiều thí nghiệm tưởng tượng. Các kết quả đã loại trừ một cách dứt khoát sự tồn tại của các biến ẩn, một thuộc tính bí ẩn sẽ xác định trước trạng thái của các hạt vướng víu. Nói chung, những thí nghiệm này và nhiều thí nghiệm tiếp theo đã chứng minh cho sự đúng đắn của cơ học lượng tử. Các hạt có thể ràng buộc với nhau trên những khoảng cách lớn theo những cách mà vật lý trước cơ học lượng tử không thể giải thích được.
Quan trọng là, các nhà khoa học đã phát hiện rối lượng tử cũng không có mâu thuẫn với thuyết tương đối hẹp, thuyết này cấm thông tin truyền nhanh hơn ánh sáng. Thực tế là các phép đo cho các hạt ràng buộc với nhau trên những khoảng cách rộng lớn không có nghĩa là thông tin được truyền giữa chúng. Ngoài ra, hai bên ở xa nhau thực hiện các phép đo trên các hạt vướng víu không thể sử dụng hiện tượng này để truyền thông tin nhanh hơn tốc độ ánh sáng.
Ngày nay, các nhà vật lý vẫn đang tiếp tục nghiên cứu hiện tượng rối lượng tử và khảo sát các ứng dụng thực tế tiềm năng. Mặc dù cơ học lượng tử có thể dự đoán xác suất của một phép đo với độ chính xác đáng kinh ngạc, nhiều nhà nghiên cứu vẫn nghi ngờ rằng lý thuyết này cung cấp một mô tả đầy đủ về thực tế. Tuy nhiên, có một điều chắc chắn là vẫn còn nhiều điều phải tìm hiểu về thế giới bí ẩn của cơ học lượng tử.
Bài viết này của Andreas Muller, phó giáo sư vật lý tại Đại học Nam Florida, đăng lần đầu tiên trên The Conversation.
Văn Thiện
