Không – thời gian được dệt nên bởi các liên đới lượng tử?
Nhà vật lý Swingle đưa ra câu hỏi không thời gian làm bằng gì? Tưởng chừng câu hỏi không có ý nghĩa song bây giờ các nhà vật lý đã tìm được ý nghĩa sâu sắc của câu hỏi này! Và câu trả lời là một điều mà chúng ta bây giờ có thể hiểu được: không thời gian làm bằng những liên đới [lượng tử].
Giáo sư Tiến sĩ Cao Chi (sinh năm 1931) là một trong những chuyên gia hàng đầu của Việt Nam về vật lý lý thuyết, vật lý hạt nhân, là cộng tác viên tại Viện Liên hiệp ngiên cứu Hạt nhân, Doubna, Nga (1963-1968), chuyên viên cao cấp Viện Khoa học Kỹ thuật Hạt nhân, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam. Ông là tác giả của nhiều công trình khoa học về đối xứng, hấp dẫn, ứng dụng hình học vào lý thuyết trường, nhiều bài viết về năng lượng hạt nhân và phổ biến khoa học đăng tải trên các tạp chí. Đặc biệt ông là một người rất say mê với Cơ học Lượng tử.
Trí Thức VN xin giới thiệu với Quý độc giả bài viết của Giáo sư Cao Chi về bản chất của không – thời gian trong Vũ trụ. Trả lời cho câu hỏi “không – thời gian được dệt nên bằng điều gì” có thể vén một góc màn của vấn đề lớn của vật lý lý thuyết: vấn đề thống nhất giữa Cơ học Lượng tử và Thuyết tương đối tổng quát – 2 trụ cột lớn của vật lý hiện đại:
Bài viết này nhằm mục đích tường giải vấn đề: không thời gian làm bằng những liên đới–> những tài liệu tham khảo là [1],[2],[3],[4].
Đây cũng là dự án của các nhà vật lý có tên là IfQ (It from qubit-Không thời gian từ Qubit, ở đây chữ It chỉ không thời gian).
Dự án này nhằm mục tiêu chỉ tỏ rằng không thời gian và hấp dẫn như những đối tượng đột sinh từ vũ trụ cấu tạo nên bởi thông tin (information).
1. Liên đới lượng tử
Từ liên đới (lượng tử ) – tiếng Anh là (quantum) entanglement, nhiều tác giả khác dùng từ rối (lượng tử).
Hai hạt được gọi là liên đới nếu hàm sóng của chúng không thể viết thành tích trực tiếp của các hàm. Năm 1935 Albert Einstein, Boris Podolsky và Nathan Rosen (EPR) phát hiện hiện tượng liên đới lượng tử giữa hai hạt: dầu cách xa nhau đến khoảng cách nào đi nữa, thì các phép đo trên hạt này lại quyết định trạng thái của hạt kia (xem hình 1) [2].
2. AdS/CFT
Lý thuyết toàn ảnh giả định rằng hình học toàn cục đột sinh từ các tính chất liên đới trên biên.
Không thời gian chỉ vật chất hóa (materializes) từ những cấu trúc thông tin trên biên (chứ không phải là một cấu trúc cơ sở như trong GR). Và lý thuyết hình học GR của Einstein chỉ là hình ảnh hình học của toàn cục của hệ lượng tử đã liên đới như thế nào.
3 . Ý tưởng chính của vấn đề [2]
Để hiểu vấn đề một cách đơn giản nhất hãy dùng hình ảnh ẩn dụ (metaphor) sau đây (lấy từ một trò chơi).
Hãy dùng các ngón của hai bàn tay để dệt một sợi dây thành một cấu hình (hình 3).
Các ngón tay sẽ hình dung các điểm biên. Các đoạn dây giữa các ngón tay sẽ là các liên đới trên biên và cấu hình giữa hai bàn tay sẽ là không thời gian tạo nên với mọi tính chất như độ cong.
Như vậy nhờ ẩn dụ trên ý tưởng không thời gian được cấu thành bởi các liên đới trên biên có thể hình dung được.
Song để hiểu hết vấn đề chúng ta còn cần những cơ cấu sau này nữa.
4. Có thật liên đới tạo nên không thời gian?
Để trả lời câu hỏi này chúng ta cần biết ảnh hưởng của liên đới đến không thời gian dệt nên. Cần nghiên cứu xem nếu liên đới yếu dần đi thì không thời gian phải biến đổi như thế nào.
Shinsei Ryu (Đại học Illinois) và Tadashi Takanagi (Viện Vật lý lý thuyết Yukawa,Đại học Kyoto) đã nghiên cứu sự giảm nhẹ liên đới trong các trường trên biên và kết quả cho bức tranh toàn cục là không thời gian bị kéo giãn ra. Và khi liên đới –> 0 thì không thời gian bị tách thành từng mảnh (xem hình 4).
Trên hình 4 ta có:
- Mối tương ứng nội vùng-biên buộc rằng không gian trong nội vùng được dệt đan từ liên đới lượng tử trên biên,
- Ngay cả lúc nội vùng là trống các trường lượng tử ở hai vùng biên A và B vẫn liên đới với nhau,
- Nếu liên đới giữa các vùng yếu đi thì vũ trụ sẽ dần tách ra.
Như vậy rõ ràng là các liên đới quyết định hình học của không thời gian tạo nên trong nội vùng. Mối liên quan hình học của nội vùng-liên đới (geometry–entanglement relationship) là phổ quát nhà vật lý Van Raamsdonk đã hiểu như vậy [1].
Như vậy hình học và liên đới (entanglement) là phổ quát nếu mất liên đới thì hình học cũng biến mất. Liên đới đã dệt nên không thời gian nhẵn.
5. Công thức ER=EPR
Công thức này lại càng cho chúng ta thấy rõ liên đới EPR có ý nghĩa hình học như thế nào.
Năm 1935 Einstein và Rosen (ER) đã chứng minh rằng hai lỗ đen cách xa nhau có thể liên thông với nhau bởi một đường hầm xuyên không gian là lỗ sâu.
Các nhà vật lý giả định rằng sự liên thông giữa bằng lỗ sâu và liên thông bằng liên đới lượng tử có thể đồng nhất với nhau (xem hình 5)–> vậy ta có ER=EPR.
6. Mối liên quan với môi trường đông đặc
Trong mô hình vũ trụ AdS hệ quả hấp dẫn tại một điểm trong nội vùng là tương đương với một lý thuyết trường lượng tử ở biên. Vũ trụ này có thể biểu hiện trong 2D bằng cách phủ vũ trụ bởi những hình tam giác tưởng tượng. Các hình tam giác này tuy như nhau song chúng hiện ra ngày càng nhỏ và biến dạng về phía biên (nửa trên hình vẽ).
Các nhà vật lý nhận thấy rằng phần trên hình vẽ giống như sơ đồ của một mạng gọi là mạng tensor mà họ dùng để mô tả sự liên thông giữa các hạt (trong môi trường đông đặc). Các liên thông này là những liên đới lượng tử (nửa dưới hình vẽ).
Mạng tensor là một công cụ của các nhà vật lý môi trường đông đặc để mô tả mối liên đới giữa nhiều hạt.
Những tiểu phẩm dệt len cho ta hình tượng của những mạng tensor vốn là một công cụ toán học hiện đại trong thông tin lượng tử.
Khi đan một cái gì đó ta phải làm từ các nút và lan tỏa công việc đó bằng cách kết dần chúng với nhau. Mạng tensor cũng hoạt động như thế qua từng nút và cuối cùng chúng ta có được mạng tensor mô tả một bức tranh liên đới toàn cục.
Một mạng tensor là cấu trúc mô tả trạng thái liên đới của nhiều hạt bắt đầu từ một trạng thái đơn.
7. Mối liên quan đến thông tin, máy tính
Không thời gian được xem như gồm nhiều mảnh thông tin. Những mảnh thông tin này tương tác với nhau tạo nên không thời gian và những tính chất của không thời gian như độ cong (curvature) gây nên hấp dẫn.
Điều này dẫn đến cách thống nhất hấp dẫn và lượng tử.
Một khi cơ chế liên đới được làm rõ thì các nhà vật lý sẽ hiểu được cách đột sinh của không thời gian giống như các chuyển động vi mô các phân tử không khí dẫn đến những định luật nhiệt động học.
Lý thuyết thông tin lượng tử lại cho thấy rằng khái niệm về các mã lượng tử để sửa chữa lỗi (quantum error–correcting codes) làm việc tương tự như trong đối ngẫu AdS/CFT.
Các nhà khoa học dùng các mã đó để gìn giữ thông tin không bị mất khi có một điều gì làm nhiễu loạn các liên đới giữa các qubit. Các máy tính lượng tử không mã hóa thông tin trong những qubit riêng lẻ mà sử dụng trạng thái liên đới của nhiều qubit.
Như vậy một lỗi đơn không thể làm ảnh hưởng đến một thông tin. Điều đáng chú ý là toán học sử dụng trong mã lượng tử sửa chữa lỗi lại là toán học của đối ngẫu AdS/CFT.
8. Kết luận
Như vậy câu hỏi không thời gian được dệt nên bằng điều gì dường như không còn là vô nghĩa mà còn gợi nên một hướng đi quan trọng để trả lời câu hỏi dó. Câu hỏi đã có hướng trả lời: không thời gian (hấp dẫn) được dệt nên nhờ những liên đới (lượng tử).
Câu trả lời này có thể đã vén một góc màn của vấn đề lớn là vấn đề thống nhất lượng tử với hấp dẫn. Không thời gian không phải là một ý niệm trừu tượng nào đó mà là một vật thể được cấu tạo bởi những liên đới lượng tử.
Ngoài ra hướng nghiên cứu này lại có liên quan đến vật lý môi trường đông đặc thông qua mạng tensor đến thông tin, máy tính thông qua mã lượng tử sửa chữa lỗi.
Ở đây các nhà vật lý chưa đề cập đến hệ quả triết học của vấn đề IfQ.
Giáo sư Cao Chi
Tài liệu tham khảo của bài viết:
Giải Nobel Vật lý 2022 – tồn tại không gian khác khoa học chưa biết đến?
Phát hiện đột phá: Vật chất vĩ mô cũng tồn tại vướng víu lượng tử
Thí nghiệm khoa học: Thời gian cũng tồn tại vướng víu lượng tử?
Nơi khoa học gặp tôn giáo – P1: Vũ trụ và não bộ là những toàn ảnh (hologram)
Sinh học toàn ảnh – lý thuyết sinh học đột phá bị lãng quên
