Có hơn một thực tại đồng thời tồn tại trong vật lý lượng tử

Liệu hai phiên bản của thực tại có thể đồng thời tồn tại? Các nhà vật lý nói rằng có thể – ở mức vật lý lượng tử.

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện thí nghiệm để trả lời một câu hỏi từ hàng chục năm qua của vật lý lý thuyết về các thực tại song song. Thí nghiệm tưởng tượng khó hiểu này đã đề xuất rằng hai cá nhân độc lập quan sát cùng một photon có thể có 2 kết luận khác nhau về trạng thái của photon, nhưng cả 2 quan sát của họ có thể đồng thời đúng.

Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã mô phỏng thành công thí nghiệm tưởng tượng này. Các kết quả của thí nghiệm được trình bày ngày 13/2/2019 trên tạp chí arXiv, khẳng định rằng khi những người quan sát mô tả các trạng thái lượng tử khác nhau của cùng một photon thì 2 thực tại vốn đối lập nhau của photon có thể đồng thời đúng.

“Bạn có thể xác nhận cả hai [thực tại]”, Martin Ringbauer, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ, đồng tác giả của nghiên cứu tại Khoa thí nghiệm vật lý tại Đại học Innsbrück ở Áo đã nói với tạp chí Live Science.

Để có thể hiểu được thí nghiệm này, có lẽ ta cần nhắc lại một số khái niệm cơ bản của vật lý lượng tử:

Spin – mô-men động lượng: là véctơ chuyển động tự quay quanh trục của các hạt vi mô như electron, photon… Spin là một khái niệm thuần túy lượng tử, không có sự tương ứng trong cơ học cổ điển.

Lưỡng tính sóng hạt của vật chất: vì một lý do nào đó, các hạt vi mô ở mức độ nguyên tử (nguyên tử, phân tử) và hạ nguyên tử (hạt nhân, proton, electron, photon…) vừa có tính chất của sóng lẫn tính chất của hạt. Thí nghiệm chứng minh lưỡng tính sóng hạt của vật chất là thí nghiệm khe đôi lượng tử:

Nếu bạn phát một chùm vi hạt bay qua 2 khe hở song song đến đập vào bức màn chắn, trên đó có gắn máy dò phát quang, bạn sẽ phát hiện ra một dải các vệt sáng sẽ xuất hiện. Nếu các vi hạt chỉ có tính chất hạt thì sẽ chỉ tồn tại 2 vệt sáng tương ứng với 2 khe hở song song cho các vi hạt đi qua. Tuy nhiên, các nhà vật lý đã phát hiện được một dải các vệt sáng xuất hiện trên màn chắn (chứ không chỉ 2 vệt sáng). Điều này khẳng định rằng các vi hạt tồn tại cả ở trạng sóng lẫn trạng thái hạt, ở đây được gọi là sóng hạt.

Giống như làn sóng, các sóng hạt đi qua một khe hở sẽ nhiễu xạ (giao thoa) các sóng hạt đi qua khe hở còn lại. Nếu đỉnh (cực đại biên độ) của sóng từ khe này trùng với đáy (cực tiểu biên độ) của sóng từ khe kia, chúng sẽ triệt tiêu nhau và không hiển thị trên màn hình. Nếu 2 đỉnh sóng trùng nhau, chúng sẽ cộng véctơ và tạo ra vệt sáng trên bức tường, đây còn được gọi là hiện tượng giao thoa hay chồng chập (superposition) sóng của các hạt.

Chồng chập lượng tử

Chồng chập lượng tử (hay chồng chất lượng tử, xếp lớp lượng tử) là việc áp dụng nguyên lý chồng chập vào cơ học lượng tử. Trong cơ học lượng tử, các véctơ hàm sóng, hay véctơ trạng thái của vi hạt được cộng với nhau.

Với thí nghiệm khe đôi được đề cập bên trên, các nhà vật lý lượng tử còn phát hiện rằng hiện tượng giao thoa hay chồng chập sóng của các hạt vẫn xuất hiện sau khe đôi khi chỉ phát ra một electron tại một thời điểm. Điều này có nghĩa là một vi hạt cũng tạo ra hiện tượng chồng chập các trạng thái của bản thân nó. Nghĩa là một vi hạt có thể xuất hiện đồng thời ở nhiều trạng thái, ví dụ spin của electron đồng thời vừa bằng 0, lại vừa bằng 1, hay một photon vừa có phân cực đứng (v), vừa có phân cực ngang (h).

Sự sụp đổ của hàm sóng

Trong thí nghiệm đối với khe đôi lượng tử, khi phát ra một vi hạt tại một thời điểm, nếu không có sự quan sát của thiết bị và con người tại khe đôi, electron sẽ dường như “tách đôi” và đi qua cả hai khe để tạo ra hiện tượng chồng chập các trạng thái spin lượng tử như là các sóng hạt (màn chắn sẽ có nhiều hơn 2 vạch sáng).

Nhưng khi có các thiết bị quan sát của con người, electron sẽ chỉ đi qua một khe đôi và không gây ra hiện tượng chồng chập sóng hạt ở màn chắn phía sau (chỉ tồn tại 2 vạch sáng). Trong trường hợp này, electron hoạt động thuần túy như một hạt, hay có thể nói tính chất sóng của nó đã không còn. Người ta gọi hiện tượng này là sự sụp đổ của hàm sóng.

>> Những nguyên tắc cơ bản của cơ học lượng tử được sử dụng trong máy tính lượng tử

Vướng víu lượng tử

Vướng víu lượng tử hay rối lượng tử (quantum entanglement) là một hiệu ứng trong cơ học lượng tử trong đó trạng thái lượng tử của hai hay nhiều vi hạt đồng thời có liên hệ với nhau, dù cho chúng có nằm cách xa nhau tới mức nào. Ví dụ, có thể tạo ra hai vi hạt sao cho nếu quan sát thấy spin của vật thứ nhất quay xuống dưới, thì đồng thời spin của hạt kia sẽ chắc chắn quay lên trên, hoặc ngược lại; dù không tiên đoán trước kết quả phép đo trên vật thứ nhất. Điều này nghĩa là phép đo thực hiện trên hạt này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái lượng tử trên hạt có vướng víu lượng tử với nó.

Thí nghiệm “Bạn của Winger”

Thí nghiệm được nói đến trong bài này là mô phỏng thí nghiệm tưởng tượng của Eugene Winger, người đoạt giải Nobel Vật lý năm 1963. Vào năm 1961, Winger đã giới thiệu một thí nghiệm tưởng tượng, sau này được đặt tên là “Bạn của Winger”. Thí nghiệm bắt đầu với một photon – hạt ánh sáng. Khi một người quan sát trong một phóng thí nghiệm bị cách ly đo lường photon này, họ thấy rằng phân cực của hạt ánh sáng – trục của spin – hoặc là đứng hoặc là ngang.

Tuy nhiên, trước khi photon được đo lường, nó thể hiện cả 2 phân cực đồng thời, nó tồn tại ở chồng chập của 2 trạng thái xác suất. Mỗi khi người trong phòng lab đo lường photo, thì hạt này lại thể hiện ở một phân cực cố định. Nhưng với người bên ngoài phòng thí nghiệm đó – người vốn không biết kết quả của đo lường trong phòng thí nghiệm – thì photon chưa được đo lường đó vẫn ở thái chồng chập.

Sự quan sát của người bên ngoài – thực tại của họ – trở nên khác với thực tại của người trong phòng thí nghiệm, người đo photon đó. Nhưng cả hai kết quả quan sát mâu thuẫn này đều đúng.

Kết quả thí nghiệm

Hàng thập kỷ qua, đề xuất khó hiểu của Winger vẫn chỉ là một thí nghiệm tưởng tượng thú vị. Nhưng vài năm gần đây, một vài tiến bộ quan trọng của vật lý cuối cùng đã cho phép các chuyên gia mô phỏng được ý tưởng này, Ringbauer cho biết.

“Các tiến bộ về mặt lý thuyết cần được kiểm chứng. Vì vậy, phía thí nghiệm cũng cần phát triển khả năng kiểm soát các hệ thống lượng tử để triển khai những thí nghiệm đó”, ông giải thích.

Ringbauer và các đồng nghiệp đã thử nghiệm ý tưởng của Winger với kịch bản thậm chí còn nghiêm ngặt gấp hai lần. Họ thiết kế hai “phòng thí nghiệm” và triển khai 2 đôi photon vướng víu lượng tử với nhau, nghĩa là trạng thái của chúng được liên kết với nhau. (Các photon trong thiết kế là thực sự tồn tại. Bốn người trong kịch bản – Alice, Bob và 2 người bạn khác – là những người quan sát thí nghiệm).

Hai người bạn của Alice và Bob, mỗi người ngồi bên “trong” một phòng thí nghiệm, mỗi người đo lường một photon thuộc một đôi photon có vướng víu lượng tử. Theo lý thuyết, điều này sẽ phá hỏng sự vướng víu lượng tử và làm sụp đổ sự chồng chập, nghĩa là photon họ đã đo lường tồn tại ở một trạng thái phân cực nhất định. Họ đã ghi lại kết quả trong bộ nhớ lượng tử – được sao chép trong sự phân cực của photon thứ hai. Alice và Bob, người đứng bên ngoài, gần với 2 phòng thí nghiệm, sau đó được đưa cho 2 lựa chọn để thực hiện quan sát của riêng mình:

• Đo lường các kết quả của bạn họ, cái được lưu trong bộ nhớ lượng tử, và từ đó đi đến cùng kết luận về các photon phân cực.

• Họ cũng có thể thực hiện thí nghiệm của riêng mình giữa các photon vướng víu. Trong thí nghiệm này, được gọi là thí nghiệm giao thoa, nếu các photon hành xử như sóng và vẫn tồn tại trong sự chồng chất của các trạng thái, thì Alice và Bob có thể nhìn thấy mẫu sóng gồm các vệt sáng tối, tương ứng với việc cộng các véctơ sóng đồng pha hay sự triệt tiêu nhau của các vector sóng ngược pha. Nếu các hạt ánh sáng đã chọn trạng thái của chúng, bạn có thể thấy mẫu sóng có khác biệt với trường hợp chúng chưa chọn trạng thái. Winger trước đây đã giả thuyết rằng lựa chọn này sẽ tiết lộ rằng các photon vẫn ở trạng thái vướng víu lượng tử.

Các tác giả của thí nghiệm phát hiện rằng ngay cả trong trường hợp này khi kịch bản thí nghiệm được nhân đôi, kết quả mà Winger dự đoán vẫn đúng. Alice và Bob có thể đi đến các kết luận đúng về các photon, có thể chứng minh được và khác với sự quan sát của các bạn của họ – điều cũng đúng và có thể chứng minh, theo thí nghiệm.

Cơ học lượng tử mô tả thế giới sẽ hoạt động ra sao ở cấp độ nhỏ đến mức mà các định luật vật lý không còn áp dụng được; qua rất nhiều thập kỷ, các chuyên gia nghiên cứu trong lĩnh vực này đã có nhiều luận giải về các vấn đề này, Ringbauer nói.

Tuy nhiên, nếu bản thân các phép đo lường là không tuyệt đối, như những phát hiện mới gợi ý – chúng thách thức chính ý nghĩa của cơ học lượng tử.

“Trái ngược với vật lý cổ điển, có vẻ như kết quả đo không thể được coi là sự thật tuyệt đối, mà phải được hiểu là tương đối tùy theo người quan sát thực hiện phép đo”, Ringbauer nói.

“Những câu chuyện chúng tôi kể về cơ học lượng tử phải thích nghi với điều đó”, ông nói.

Theo Live Science
Thiện Tâm dịch và tổng hợp

Xem thêm: