ĐÔNG LA
GIẢI TRÍ KHOA HỌC CUỐI TUẦN: GIẢI NOBEL VẬT LÝ 2022 TRAO CHO SỰ XÁC THỰC “TÁC ĐỘNG MA QUÁI”
Hôm nay tôi muốn khoe khoang tí tri thức với “chiêu bài” Giải trí Khoa học cuối tuần. Có điều khoe khoang kiểu này hơi khó, vì các nhà tri thức tinh ma thường oang oang trên truyền thông khai trí cho nhân dân ta có học đến 1000 năm cũng không hiểu, như Nguyên Ngọc, Huệ Chi, Nguyễn Duy, Trần Mạnh Hảo, Nguyễn Quang Thiều, Trần Đăng Khoa… bên văn, và Dương Trung Quốc và Vũ Minh Giang… bên sử. Còn tôi, hiện thấy đầy âu lo khi Xã hội ta bất ổn vì nhiều tệ nạn, cả quan và dân nhiều người phạm pháp, thế giới thì có nơi đang đánh nhau, nhưng những gì mình thích thú thì vẫn phải thích thú. Tôi là nhà văn nhưng cái gốc vẫn là dân nghiên cứu khoa học tự nhiên tất phải quan tâm những thành tựu có giá trị lớn lao của khoa học.
Vừa rồi tôi rất quan tâm và thích thú khi Giải Nobel Vật lý được trao cho ba nhà khoa học Alain Aspect (Pháp), John F. Clauser (Mỹ) và Anton Zeilinger (Áo) bởi những "thí nghiệm với các photon vướng víu và tiên phong trong khoa học thông tin lượng tử". Tôi thích thú vì giải thưởng thuộc lĩnh vực cơ học lượng tử mà ai hiểu được vật lý lý thuyết sẽ thấy sự phát minh và phát triển của nó như một cuốn tiểu thuyết vĩ đại đầy kỳ lạ, kịch tính, mâu thuẫn, với các nhân vật là các nhà vật lý vĩ đại.
***
1900, Max Planck, là người đầu tiên đưa ra thuật ngữ lượng tử khi giả thuyết rằng năng lượng của một vật không phát xạ hoặc hấp phụ liên tục mà chỉ từng phần những “gói năng lượng”, tức "lượng tử". Sau đó Einstein, trong Hiệu ứng quang điện, Bohr, trong phổ phát xạ của nguyên tử, đã giải thích theo tinh thần lượng tử, và trở thành ba ông tổ phát minh ra lượng tử, mở đường cho Cơ học Lượng tử ra đời. Lần lượt là Louis de Broglie với lý thuyết về sóng vật chất ; Werner Heisenberg, với Nguyên lý Bất định; Erwin Schrödinger với phương trình sóng; v.v…
***
Cơ học Lượng tử là cơ học của các hạt vi mô, còn cơ học cổ điển là cơ học của thế giới vĩ mô. Cơ học lượng tử diễn tả trạng thái các hạt vi mô có tính chất ngược với các vật vĩ mô nên có nhiều điều khó hiểu, mù mờ. Người ta không thể dự đoán một cách chắc chắn điều gì sẽ xảy ra mà chỉ đưa ra xác suất cho mỗi khả năng, và nổi tiếng nhất là nguyên lý bất định của Heisenberg cho rằng không thể đồng thời xác định chính xác được vị trí và động lượng của một hạt. Einstein và Bohr đã bất đồng sâu sắc và có chuỗi tranh luận nổi tiếng về tính bất định. Einstein luôn phản bác và nói với Bohr cái câu trở thành nổi tiếng trong lịch sử vật lý: “Chúa không chơi trò xúc sắc” (God does not play dice!). Bohr đã nổi giận, vặc lại: “Thôi đi Einstein, đừng bảo Thượng đế phải làm gì?”
Chưa hết, các hạt vi mô có hai tính chất mà thế giới thông thường không thể có là trạng thái chồng chập và khi tách ra xa nhau, các hạt được tạo ra từ một phương pháp đặc biệt có tính chất vướng víu (entanglement) nhau. Hai điều bất khả này xuất phát từ lý thuyết của cơ học lượng tử, hàm sóng hay hàm trạng thái mô tả các hạt lượng tử có trường hợp ở trạng thái “nguyên vẹn không thể phân tích” (nonfactorizable pure state). Về trạng thái chồng chập, Erwin Schrödinger đã nghĩ ra thí nghiệm về con mèo khi tranh luận với Albert Einstein. Một con mèo nhốt trong một cái hộp với một lọ thuốc độc có xác suất 50% bị bể làm mèo chết. Theo cơ học lượng tử, ta chỉ biết con mèo sống hoặc chết khi mở nắp hộp ra xem, tức làm “suy sập hàm sóng” (như khi xác định các hạt vi mô đi qua khe nào trong thí nghiệm giao thoa), còn không thì con mèo sẽ ở trạng thái “chồng chập”, tức vừa sống vừa chết, tức một trạng thái không thể có trong thế giới ta sống. Còn tính chất vướng víu (entanglement), Schrödinger cũng chính là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ này, nghĩa đen “entanglement” là “vướng” (như cá vướng vào lưới). Vì vậy entanglement nên dịch là “vướng víu” là đúng nhất, đúng theo Schrödinger và đúng với tính chất các hạt vi mô, đúng hơn khi dịch nó là “rối”, là “liên đới”, v.v…, vì hai hạt vi mô vướng víu nhau đối xứng, có quy luật, trật tự, chứ không chỉ là liên đới, hoặc rối tung lên!
Vậy vướng víu lượng tử là gì? Theo Cơ học Lượng tử người ta có thể tạo ra các cặp hạt, như photon, có tính vướng víu (tổng spin = 0). Khi tách hai hạt một cặp ra xa nhau và đo spin chẳng hạn, nếu một hạt ta thấy là 1 thì hạt kia ngay lập tức là -1. Einstein đã phản đối kịch liệt điều này, đã cùng Boris Podolsky, và Nathan Rosen (gọi tắt là EPR) làm một thí nghiệm tưởng tượng, rồi công bố một bài báo “Mô tả Cơ học Lượng tử về Thực tế Vật lý có thể được coi là Hoàn chỉnh không?” (Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?)
Bài báo EPR dựa trên các chân lý của thế giới vĩ mô. Thứ nhất là tính hiện thực (realism), các hạt luôn tồn tại với các thuộc tính khách quan bất kể người ta có thực hiện các phép đo chúng hay không. Einstein, trong cuộc trò chuyện với Abraham Pais, nói: “Khi không có ai nhìn cả thì mặt trăng có còn đó hay không?”, với ý cho rằng, mặt trăng vẫn còn đó ngay cả lúc không ai nhìn nó (đó là quan điểm hiện hữu - realism thông thường). Thứ hai là tính định xứ (local realism), các hạt vi mô cũng như bất cứ một cái gì cũng ở một vị trí (xứ, địa phương) tương ứng với một thời điểm nào đó. Cơ học Lượng tử cho rằng, trạng thái một hạt chỉ xuất hiện khi được đo, và hạt vướng víu kia cũng sẽ xuất hiện trạng thái tương ứng ngay lập tức, tức nhanh hơn ánh sáng, tức vi phạm Thuyết Tương đối. Einstein đã diễu cợt và gọi đó là một tác động ma quái ở khoảng cách (spooky action at a distance). Tiếp theo, với sự vướng víu lượng tử tức thời của cặp hạt đó, người ta hoàn toàn có thể xác định chính xác đồng thời cả vị trí lẫn động lượng của mỗi hạt, tức cũng vi phạm Nguyên lý Bất định. Chính vì vậy, bộ ba EPR đã cho là Cơ học Lượng tử không hoàn chỉnh (Complete).
Thí nghiệm EPR này được giới khoa học gọi là “nghịch lý” vì nó mâu thuẫn với thực tế của Cơ học Lượng tử, tức có lý nhưng mâu thuẫn với thực tế nên thành nghịch lý. Bohr đã trả lời EPR ngay. Ông phủ nhận sự áp dụng tính hiện thực của thế giới vĩ mô cho vi mô, bởi theo Cơ học Lượng tử, các hạt bất định, tồn tại ở trạng thái chồng chập, ta chỉ có thể biết được các tính chất của hạt khi thực hiện phép đo. Và rồi, để giải thích tính nghịch lý của EPR, các nhà vật lý đã làm các thí nghiệm, đưa ra các phép tính, và cho đến hôm nay, họ đã chứng minh được là Bohr đúng, và Einstein sai. Trong số đó có các công trình của ba nhà nghiên cứu mà Giải Nobel Vật lý 2022 đã trao cho họ: Alain Aspect (Pháp), John F. Clauser (Mỹ) và Anton Zeilinger (Áo).
***
Đầu tiên John Bell đã đưa ra thí nghiệm chứng minh nếu tính hiện thực (realism) và định xứ (locality) của vĩ mô tồn tại trong cơ học lượng tử, tức phải có những biến ẩn để tạo ra sự vướng víu, thì kết quả của các phép đo trong một hệ vi mô sẽ không lớn hơn một trị số, được gọi là bất đẳng thức Bell (Bell inequality). Các nhà nghiên cứu đã tiếp bước và chứng minh được bất đẳng thức Bell luôn bị vi phạm, tức trong thế giới vi mô các hạt có tính không định xứ (nonlocality) và không hiện hữu (nonrealism).
John F. Clauser (Mỹ), (một trong ba người vừa được Giải Nobel Vật lý 2022, được trao giải cho một thí nghiệm năm 1972 mà kết quả đã chứng minh sự vi phạm Bất đẳng thức Bell, tức Cơ học Lượng tử đúng khi hạt vi mô có tính chồng chập trạng thái và vướng víu. Ông cho biết khởi đầu là do ông muốn giải quyết cuộc tranh luận nổi tiếng giữa Einstein và Bohr: “Tôi đã đặt cược vào Einstein. Nhưng tiếc là tôi đã sai và Einstein đã sai và Bohr đã đúng”, và ông nói về tính hiện hữu trong thế giới vi mô: “Hầu hết mọi người sẽ cho rằng thiên nhiên được tạo ra từ những thứ được phân bổ theo không gian và thời gian. Và điều đó dường như không phải như vậy".
Anton Zeilinger, chủ nhân thứ hai Giải Nobel Vật lý 2022, đã khắc phục một số lỗ hổng sau thí nghiệm của John Clauser; và Anton Zeilinger, chủ nhân thứ ba, với những công cụ tinh vi và hàng loạt thí nghiệm, ông đã áp dụng các trạng thái vướng víu lượng tử khi thực hiện viễn tải lượng tử, giúp di chuyển trạng thái lượng tử từ một hạt này sang hạt khác ngay lập tức ở khoảng cách xa.
***
Như vậy, tính chất của thế giới vi mô mà Einstein diễu cợt là “tác động ma quái” không chỉ được các nhà nghiên cứu xác thực bằng thí nghiệm mà còn áp dụng nó, năm nay đã được tôn vinh bằng Giải Nobel, vì họ đã mở ra cả một chân trời mới cho khoa học và công nghệ, sinh ra các ngành mới là lý thuyết thông tin lượng tử (Quantum Information Theory), mật mã lượng tử (Quantum cryptography), và máy tính lượng tử với bit lượng tử (qubit), có khả năng tính toán nhanh hơn vô vàn lần máy tính nhị phân, v.v…
15-10-2022
ĐÔNG LA
