CÂU CHUYỆN KHOA HỌC 94
(ĐC sưu tầm trên NET)
QUE SAIS-JE? (Montaigne)
Làm rơi những chiếc lá vàng
Rơi chùm nắng đoái xiên ngang trời chiều
Gió không nâng nổi cánh diều
Cho con sông với cầu Kiều bâng khuâng …
Cái bất định ấy thường gợi mở và đưa ta đến một thế giới giầu suy tư triết lý, hướng nội và nhân bản. Đó là cái thú của nghệ thuật, văn chương mà nhiều lĩnh vực khác của nhận thức không chắc gì có được.
Như trong khoa học chẳng hạn, bạn chỉ có một luật chơi: Xác định!
“Không đúng! Vật lý đã khám phá ra nguyên lý bất định đó thôi”, một người lên tiếng phản đối.
Vâng, hành tung của các hạt lượng tử thì bất định, nhưng lý thuyết khoa học nói về cái bất định đó vẫn phải được phát biểu một cách xác định, sao cho mọi người hiểu một cách chính xác, thống nhất như nhau. Chẳng phải nguyên lý bất định lượng tử được trình bầy bởi một công thức toán học xác định đó sao?
Thế đấy, khu vườn kỳ lạ của thơ văn mà ở đó các nhà thơ, nhà văn tha hồ phóng túng bay bổng thì lại là khu cấm địa của khoa học.
1-Luật chơi của khoa học là cái xác định:
Trước khi cơ học lượng tử ra đời, tất cả những gì dính dáng đến khoa học đều là xác định: khoa học là tập hợp những nhận thức của loài người về thế giới Tự Nhiên và sự nhận thức đó phải được thể hiện dưới dạng những định luật chính xác, rõ ràng. Mức độ chính xác, rõ ràng của một lĩnh vực nói lên chất lượng khoa học cao hay thấp của lĩnh vực đó.
Toán học được coi là có chất lượng khoa học cao nhất, lý lẽ của nó được coi là chính xác nhất, rõ ràng nhất. Còn gì rõ ràng và chính xác bằng 2 + 3 = 5? Do đó, mức độ áp dụng toán học trong mỗi lĩnh vực khoa học cụ thể cũng được nhiều người coi là thước đo chất lượng khoa học của lĩnh vực đó. Chẳng hạn, chất lượng khoa học của vật lý được coi là chỉ đứng sau toán mà thôi, và không biết tự bao giờ đã hình thành một thứ tự chất lượng khoa học như sau: toán học, vật lý học, hoá học, sinh học, kinh tế học, v.v…
Tất nhiên bạn có thể không tán thành cách sắp xếp thứ tự đó nếu bạn không tán thành lấy toán học làm thước đo chất lượng khoa học. Mặt khác, tuỳ theo sự phát triển của mỗi lĩnh vực trong từng thời kỳ, thứ tự sắp xếp trên có thể thay đổi. Chẳng hạn, chất lượng khoa học của kinh tế học có thể sẽ vượt hoá học và sinh học, vì kinh tế học hiện đại ngày càng phải sử dụng đến nhiều công cụ toán học rất phức tạp. Nhưng trong mọi trường hợp, các nhà toán học luôn luôn cảm thấy được an ủi bởi sự suy tôn của người đời rằng “toán học là ông hoàng của các khoa học”!
Một số người sùng bái thước đo toán học đến mức tuyên bố rằng sinh học trước Mendel không phải là một khoa học, bởi vì toán học chỉ có mặt trong sinh học kể từ các nghiên cứu di truyền của Gregory Mendel.
Karl Marx cũng nhấn mạnh đến vai trò của toán học trong các khoa học. Bộ Tư Bản của ông được coi là một cột mốc để đánh dấu thời điểm kinh tế học thực sự trở thành một khoa học, bởi vì đó là lần đầu tiên các quy luật kinh tế được mô tả một cách định lượng. Tuy nhiên, phải đợi mãi đến năm 1969 mới có giải thưởng Nobel đầu tiên về kinh tế học. Phải chăng vì đến lúc đó kinh tế học mới thực sự sử dụng nhiều phân tích toán học?
Một số người không công nhận Kinh Dịch là một khoa học thực sự, vì các nguyên lý của nó không được định lượng bằng các công thức chính xác của toán học. Một số nhà toán học đã cố gắng toán học hoá Kinh Dịch, nhưng hình như công trình của họ không nhận được sự chú ý của đông đảo các nhà khoa học. Phải chăng vì những trình bầy toán học đó chưa đủ thuyết phục? Một số người khác nói rằng ý đồ toán học hoá Kinh Dịch là không tưởng, vì bản thân ý đồ đó thể hiện sự thiếu hiểu biết đối với bản chất các tư tưởng Đông Phương.
Gần gũi hơn, tư tưởng về cái xác định có thể tìm thấy nhan nhản ngay trong môn toán của học sinh phổ thông. Các em thường xuyên phải tìm “Tập Xác Định” của các hàm số mà các em phải đối mặt. Toán học của các em không chấp nhận phép chia cho số 0, vì kết quả hoặc vô nghĩa, hoặc bất định. Toán học rất “sợ” cái Bất Định!
Trong thiên văn học cũng vậy, người ta không thể chấp nhận những tiên đoán “nước đôi”. Thí dụ, đến một ngày giờ nhất định nào đó, một thiên thể nhất định nào đó sẽ phải xuất hiện tại một vị trí nhất định nào đó trên bầu trời. Các lý thuyết thiên văn phải làm sao tiên đoán được chính xác vị trí đó, thay vì tiên đoán hoặc nó ở đây, hoặc nó ở kia. Trên thực tế, thiên văn học thế kỷ 19 đã đạt được nhiều kỳ tích. Thành tựu nổi tiếng nhất phải nhắc đến là công trình của Urbain Leverrier tiên đoán sự tồn tại và vị trí của Hải vương tinh – Neptune – một hành tinh trong Hệ Mặt Trời mà trước đó chưa từng được biết. Thực nghiệm thiên văn đã xác nhận tiên đoán của Leverrier là hoàn toàn chính xác. Thắng lợi của thiên văn học đã làm cho nhân loại vừa khâm phục vừa tin tưởng tuyệt đối vào khoa học. Trên đà thắng lợi, Pierre Simon Laplace đã đưa ra một lý thuyết nói rằng nếu biết trước trật tự của Vũ trụ tại một thời điểm nhất định, khoa học có thể tiên đoán được một cách chính xác trật tự của Vũ Trụ tại bất kỳ một thời điểm nào khác. Lý thuyết này được gọi là “Chủ nghĩa tất định Laplace” (Laplace’s Determinism). Mọi tính toán của lý thuyết này đều dựa trên các định luật của Cơ học Newton – một khoa học về chuyển động và tương tác giữa các vật thể trong không gian dưới dạng những công thức toán học chính xác. Tất nhiên những dự đoán của Laplace phải dựa trên một giả thiết cơ bản cho rằng những định luật ràng buộc Vũ Trụ hôm nay sẽ mãi mãi đúng. Nói cách khác, các định luật của Vũ trụ là bất biến – Vũ trụ bị ràng buộc bởi những định luật xác định. Vì thế, chủ nghĩa tất định Laplace là sự phát triển tư tưởng xác định trong khoa học tới đỉnh cao chưa từng có.
Tuy nhiên, đỉnh cao nhất của tư tưởng này là Albert Einstein.
2-Chúa không chơi trò súc sắc:
Năm 1921, trong dịp đầu tiên đến thăm nước Mỹ, khi nghe thấy tiếng đồn rằng người ta đã khám phá ra ether, Einstein lập tức phản ứng bằng một câu nói bất hủ: “Chúa rất khôn ngoan tinh tế, nhưng Ngài không ranh mãnh” (Rafinert ist der Herr Gott, aber boshsaft ist er nich). Phản ứng của Einstein là tất yếu, vì nếu quả thật có ether thì Thuyết Tương Đối Hẹp của ông sẽ bị sụp đổ. Tại sao vậy?
Trong thế kỷ 19, các nhà khoa học cho rằng tồn tại một loại vật chất đặc biệt lấp kín không gian Vũ Trụ, được gọi là ether, để làm môi trường trung gian cho ánh sáng truyền qua (giống như dòng điện cũng phải có một môi trường để đi qua). Nếu quả thật như thế thì ánh sáng truyền theo hướng thuận chiều quay của Trái Đất và theo hướng ngược lại phải có tốc độ khác nhau (theo nguyên lý cộng tốc độ của Cơ học Newton). Nhưng thí nghiệm đo tốc độ ánh sáng của Michelson cuối thế kỷ 19 lại cho một kết quả hoàn toàn khác: tốc độ ánh sáng không thay đổi đối với mọi hệ quy chiếu. Sự thật này trước hết bác bỏ giả thuyết ether.
Với trực giác thiên tài, thay vì nghi ngờ kết quả thí nghiệm của Michelson, Einstein lại tin chắc rằng vận tốc không đổi của ánh sáng là một đặc trưng kỳ lạ của Tự Nhiên mà trước đó nhân loại chưa nhận thức được, và do đó phải xét lại toàn bộ vật lý Newton từ những khái niệm nền tảng về không gian và thời gian. Đó chính là xuất phát điểm để ông xây dựng nên Thuyết Tương Đối Hẹp năm 1905, trong đó nguyên lý ánh sáng có vận tốc không đổi được coi như một tiên đề nền tảng. Lý thuyết này đã tạo nên một cuộc cách mạng vể nhận thức chưa từng có, đến nỗi Max Planck đã phải thốt lên ngay từ hồi bấy giờ rằng “Nếu lý thuyết của Einstein đúng, mà tôi nghĩ rằng nó đúng, thì ông sẽ là một Copernicus của thế kỷ 20” (Copernicus là một bác sĩ, thầy tu người BaLan đã nêu lên Thuyết Nhật Tâm, khẳng định Mặt Trời là trung tâm của Thái Dương Hệ, thay vì coi Trái Đất là trung tâm như quan niệm của Thuyết Địa Tâm đã ngự trị từ hàng ngàn năm trước đó).
Nếu quả thật có ether thì suy ra thí nghiệm của Michelson không đúng, và lập tức lý thuyết của Einstein cũng sụp đổ theo. Nhưng Einstein tự tin đén mức khẳng định rằng đó chỉ là tưởng tượng.
Chẳng bao lâu sau, ông lại đưa ra một tuyên ngôn tương tự, nhưng lần này còn bất hủ hơn: “Chúa không chơi trò súc sắc” (God does not play dice!), để chống lại Cơ Học Lượng tử với Nguyên Lý Bất Định của Werner Heisenberg.
Vâng, nếu con súc sắc là biểu tượng của cuộc đỏ đen, may rủi, bất định, thì Chúa của Einstein không chơi trò đỏ đen! Chúa của ông là Đấng sáng Tạo của Vũ trụ – người ban hành những định luật xác định buộc tất thẩy những gì hiện hữu trong Vũ Trụ đều phải tuân theo. Nhiều lúc ông gọi Chúa của mình là Ông Cụ (The Old One), và khát vọng cháy bỏng trong tâm can ông là “hiểu được ý nghĩ của Ông Cụ” như ông thường nói trên cửa miệng, tức là khám phá ra những định luật xác định thống trị một phần hoặc toàn bộ Vũ Trụ.
Thiên tài có một không hai của ông đã giúp ông thoả mãn một phần khát vọng đó: hàng loạt khám phá vĩ đại đã đưa ông lên vị trí một trong những bộ óc thông minh nhất của nhân loại, nhân vật số 1 của thế kỷ 20. Ông là con người của huyền thoại.
Tất cả những khám phá của ông đều thể hiện rõ tính xác định của các định luật tự nhiên, kể cả Thuyết Thương Đối Hẹp lẫn Thuyết Tương Đối Tổng Quát. Đôi khi có người hiểu tính tương đối như một cái gì đó “thiếu chính xác” của Tự nhiên. Đó là một nhầm lẫn lớn, vì thuyết tương đối là một lý thuyết xác định cho phép tiên đoán một cách chính xác các hiện tượng thiên văn, vũ trụ. Sự chính xác trong các tiên đoán đạt tới mức kinh ngạc, điển hình là tiên đoán vị trí của các ngôi sao ở gần Mặt trời trên bản đồ thiên văn trong các kỳ nhật thực, để từ đó xác định được chính xác độ lệch của tia sáng khi nó đi ngang qua gần Mặt Trời.
Trong khoa học, nếu coi tư tưởng xác định là cổ điển, tư tưởng bất định là hiện đại, thì Einstein là con người cổ điển bậc nhất, bảo thủ bậc nhất, mặc dù ông luôn luôn là biểu tượng vĩ đại nhất của tư tưởng cách mạng trong khoa học. Trong suốt cuộc đời, kể cả trước lúc ra đi, không bao giờ ông công nhận nguyên lý bất định của Cơ Học Lượng tử.
Einstein là người ngoan cố và tự ái quá chăng?
Không, trong đời đã có lúc ông phạm sai lầm trong học thuật nhưng khi nhận thấy mình sai, ông đã khảng khái công bố trên báo chí rằng ông đã sai (trường hợp tranh luận với Alexander Friedman về vũ trụ giãn nở). Nhưng với Nguyên Lý Bất Định, không bao giờ ông cho rằng mình sai. Theo ông, nguyên lý này chỉ thể hiện sự bất lực của khoa học trong việc khám phá ra những quy luật xác định trong thế giới lượng tử mà thôi.
Nguyên Lý Bất Định đại ý nói rằng bạn không thể nào tiên đoán được vị trí chính xác của một hạt lượng tử tại một thời điểm cho trước giống như nhà thiên văn tiên đoán được vị trí chính xác của một ngôi sao tại một thời điểm cho trước. Einstein không đồng ý với kết luận đó. Theo ông, nếu vật lý không tiên đoán được chính xác kết quả, thì không phải vì bản chất bất định của thế giới lượng tử, mà chẳng qua vì vật lý chưa làm tròn bổn phận của mình. Ông đã cố gắng “bịa ra” rất nhiều thí nghiệm tưởng tượng để chứng minh Nguyên Lý Bất Định sai.
Nhưng không may cho ông, Niels Bohr, người bảo vệ khổng lồ của Nguyên Lý bất Định, đã “ăn miếng trả miếng” đâu ra đấy mỗi khi Einstein tung các thí nghiệm tưởng tượng của mình ra. Trong nhiều cuộc “tranh hùng” giữa hai thiên tài này, nói chung Einstein thua, nhưng ông chỉ coi đó là cái thua tạm thời. Ông vẫn quyết chí phục thù. Rất tiếc ông đã phải ra đi trong lúc chưa khuất phục được trường phái bất định.
Nhưng lịch sử cho thấy đến nay cũng chưa ai dám tuyên bố rứt khoát rằng Einstein đã sai, mặc dù Cơ Học Lượng Tử đã liên tiếp đạt được những chiến công vang dội, thu phục được hầu hết trái tim và khối óc của các nhà vật lý. Phải chăng vì uy tín của Einstein khổng lồ đến mức mọi người đều e ngại khi phải va chạm với một “ông thánh khoa học”? Thực ra không hẳn như vậy. Bằng chứng là vẫn có những trường phái vật lý hiện nay tin rằng Einstein đúng, Nguyên Lý Bất Định sai. Thật vậy, chẳng hạn nhóm nghiên cứu của Gerhard Rempe tại Đại học Konstanz ở Đức, vẫn đang tiếp tục những thí nghiệm nhằm chứng minh Einstein đúng, trong đó chỉ ra rằng cái gọi là bất định thực ra chỉ là biểu hiện của một quy luật khác ít được nhắc đến: Quy luật “rối lượng tử” (quantum entanglement)[1]. Tuy nhiên, vật lý hiện đại đã chọn một giải pháp “dĩ hoà vi quý”: Thay vì tiếp tục để cho hai trường phái xác định và bất định “đối đầu”, người ta đang tìm mọi cách để hoà hợp hai tư tưởng đó lại với nhau: Kết hợp Thuyết Tương Đối Tổng Quát của Einstein (lý thuyết cao nhất của tư tưởng xác định) với Cơ Học Lượng tử của Heisenberg (lý thuyết cao nhất của tư tưởng bất định) thành một lý thuyết chung, gọi là Lý Thuyết về Mọi Thứ (Theory of Everything).
Đó là sự kết hợp giữa hai cực đối lập. Nếu hai cực này chỉ là hai cực “trái ngược” nhau mà thôi, thì tuyên ngôn bất hủ của Niels Bohr có thể sẽ là một gợi ý dẫn đường: “Trái ngược không phải là mâu thuẫn, mà chúng bổ xung cho nhau”. Nhưng nếu hai cực này là hai cực mâu thuẫn với nhau, thì e rằng sự kết hợp là bất khả (impossible). Đông học nói: Âm Dương đối lập nhưng hoà hợp trong Thái Cực. Phải chăng sự kết hợp lý thuyết của Einstein với lý thuyết của Heisenberg chính là tham vọng biết được Thái Cực, tức là tham vọng biết hết Trời-Đất. Tham vọng này e rằng có thái quá không?
Trong khi tôi còn bán tín bán nghi thì đùng một cái, một khám phá lớn gần đây được công bố rầm rộ trên báo chí, sách vở, internet, trong đó tác giả đưa ra một tuyên bố trái ngược với tuyên ngôn của Einstein: “Chúa không chỉ chơi trò đỏ đen trong Cơ Học Lượng Tử, mà ngay cả trong nền tảng của toán học!”. Đó là một đòn choáng váng đối với chủ nghĩa xác định trong khoa học. Tác giả của tuyên bố đó là Gregory Chaitin, nhà toán học nổi tiếng của Tổ hợp IBM.
3-Số Omega và hiện thực ngẫu nhiên:
Tháng 07-2003, một Hội nghị quốc tế về khoa học computer đã diễn ra tại Dijon, Pháp. Trong hội nghị này, một nhà khoa học Úc gốc Việt, giáo sư Kiều Tiến Dũng tại Đại học Swinburne, Melbourne, Australia, đã trình bầy một báo cáo về một khám phá mới của ông liên quan đến một con số kỳ lạ, được gọi là số Omega, ký hiệu: W.
Mở đầu báo cáo, giáo sư Kiều viết: “Một trong những công trình nghiên cứu gây ngạc nhiên lớn nhất trong khoa học tính toán gần đây là sự khám phá ra số W, thông qua một nhánh của Lý thuyết thông tin thuật toán”.
Thật vậy, sự khám phá ra W đã gây nên một cú sốc lớn trong giới khoa học, bởi lẽ nó cho thấy toán học không phải là một hệ thống xác định như người ta vẫn tưởng, mà hoá ra cũng chứa đựng tính ngẫu nhiên giống như trong Cơ Học Lượng Tử. Vậy W là gì?
Đó là một con số do Gregory Chaitin tìm ra cách đây không lâu, dựa trên việc phát triển Định Lý Bất Toàn (Theorem of Incompleteness) của Kurt Godel và Sự Cố Dừng (The Halting Problem) của Alan Turing.
Định lý Godel khẳng định rằng mọi hệ logic khép kín đều không đầy đủ (bất toàn), và rằng trong toán học tồn tại những định lý đúng nhưng không thể chứng minh (unprovable). Một biểu hiện cụ thể của Định Lý Bất Toàn là Sự Cố Dừng: Không thể đoán trước được một chương trình computer liệu có thể bị dừng hoặc chạy vòng quanh mãi mãi hay không.
Từ bài toán của Turing, Chaitin đặt vấn đề:
Hãy tính xác suất để một chương trình computer được chọn ngẫu nhiên trong số những chương trình có thể có sẽ bị dừng là bao nhiêu?
Chaitin gọi xác suất đó là Omega. Rõ ràng W tồn tại, bởi vì trong thực tế, một chương trình có khả năng sẽ bị dừng, hoặc không. Khả năng đó chính là W. Theo định nghĩa xác suất, W là một số thực biến thiên trong khoảng giữa 0 và 1: 0 < W < 1. Tuy nhiên chúng ta sẽ không bao giờ biết W bằng bao nhiêu, vì theo Sự Cố Treo Máy của Turing, không thể đoán trước được một chương trình có bị dừng hay không.
Tóm lại, W là một con số có thật, nó hiện hữu, nhưng không thể tính được, hoặc không thể biết được. Không tồn tại bất kỳ một thuật toán nào cho phép xác định được các chữ số của W. Nếu viết trong hệ nhị phân, W sẽ là một dãy vô hạn các chữ số 0 và 1. Nếu cho số 0 tương ứng với một đồng xu sấp, số 1 tương ứng với đồng xu ngửa, thì W sẽ là một dãy gieo đồng xu vô hạn lần, nhưng bạn không có cách nào để đoán trước được kết quả “sấp/ngửa” của những lần gieo đồng xu đó.
Đây là một hiện tượng chưa từng xẩy ra trong toán học. Chú ý rằng một số vô tỷ như số p chẳng hạn, tuy là một số thập phân vô hạn không tuần hoàn, các chữ số xuất hiện không theo một quy luật nào cả, nhưng vẫn là một số xác định, bởi vì chúng ta có thể xác định được (tính được) bất kỳ chữ số nào của nó, miễn là thời gian và sức lực cho phép. Nhưng W là một con số hoàn toàn khác: nó là một con số bất định, các chữ số của nó xuất hiện một cách ngẫu nhiên, do đó không thể xác định được, bất chấp thời gian và sức lực của con người và computer.
Từ đó Chaitin rút ra 2 kết luận rất quan trọng:
Nếu Chaitin đúng thì có nghĩa là không thể tồn tại một lý thuyết mang tính xác định của toàn Vũ Trụ được, bởi vì Vũ Trụ mang tính ngẫu nhiên hơn là xác định. Thật vậy, theo Chaitin, những định lý và định luật mà khoa học có thể khám phá được thực ra quá lắm cũng chỉ giống như những hòn đảo hoặc quần đảo ngoài biển khơi, trong khi cái ngẫu nhiên bất định chính là đại dương biển cả mênh mông. Ở đây, bất ngờ ta gặp lại tư tưởng của Laplace: “Cái ta biết thì ít ỏi vô cùng, cái ta không biết thì mênh mông bể sở!” (Ce que nous savons est peu de choses, ce que nous ignorons est immense!). Kể cũng lạ lắm thay, Laplace chính là tác giả của Học Thuyết Tất Định Vũ Trụ, một học thuyết tuyên bố sẽ biết được mọi trạng thái của Vũ trụ tại mọi thời điểm, nhưng chính Laplace lại nói ra những lời “biết mình biết người” như vậy. Thế mới biết cái đầu triết học vẫn cứ sâu sắc hơn cái đầu khoa học.
Trên một góc độ khác, kết luận của Chaitin hoàn toàn phù hợp với kết luận của lý thuyết về Entropi – mức độ hỗn độn của vật chất trong Vũ Trụ càng ngày càng tăng lên, trật tự càng ngày càng giảm đi (định luật Entropi). Vì thế chẳng cần đến Nguyên Lý Bất Định của Cơ Học Lượng Tử cũng có thể thấy rằng nhiều hiện tượng vũ trụ sẽ không thể nào tiên đoán chính xác được.
Tư tưởng về cái bất định đang càng ngày càng lớn lên, thế giới xác định đang càng ngày càng thu hẹp lại. Đó chính là nhận thức hiện đại của khoa học. Vì thế đến nay tư tưởng của Einstein đã được coi là cổ điển, và ông là hiệp sĩ cuối cùng trong hàng ngũ những hiệp sĩ khoa học cổ điển.
4-Kết:
Có thể cái xác định chỉ là những chân lý cục bộ, trong khi cái bất định là chân lý toàn phần. Vì thể chúng ta chỉ có thể nhận thức được cái cục bộ, thay vì có thể nhận thức chính xác cái toàn phần. Tham vọng biết chính xác cái toàn phần là bất khả.
Khi nói đến cái bất khả, một số người dẫy nẩy lên coi đó là điều tối kỵ, không nên nhắc đến trong khoa học, bởi vì nó chống lại khoa học. Đó là một nhận thức ngây thơ về khoa học.
Ngược lại, chính vì biết rằng có những giới hạn bất khả không thể vượt qua, rằng không bao giờ có thể biết hết mọi sự, rằng mỗi lần khám phá chỉ là một sự vén mở bí mật của một góc nào đó của thế giới mà thôi, đúng như Newton từng nói, “mỗi lần có một khám phá tôi cảm thấy như một cậu bé nhặt được một viên sỏi rất đẹp trên bãi biển”, do đó sự khám phá sẽ kéo dài vô tận, không bao giờ cạn kiệt, niềm vui sáng tạo sẽ không bao giờ chết. Đó chính là hạnh phúc của cuộc sống.
Trên một phương diện khác, nếu khoa học không giúp con người khám phá ra mọi sự thật, thì cần phải có sự bổ sung nhận thức bằng nhiều phương tiện khác nhau. Mỗi phương tiện sẽ có một ưu thế riêng.
Có lẽ vì thơ văn dùng trực giác để khám phá sự thật nên đã tìm ra kết luận bất khả sớm hơn khoa học rất nhiều. Bằng chứng là truyện “Thầy bói xem voi” đã lưu truyền từ Đông sang Tây, từ cổ chí kim mà ai cũng biết. Trong tiếng Anh, truyện được viết bằng thơ, nhan đề là “The Blind Men and the Elephant” (Những anh mù và con voi). Truyện kể sáu anh mù sờ voi, mỗi anh đưa ra một “lý thuyết” mô tả con voi, rồi kết như sau:
And so these men of Indostan
Disputed loud and long
Each in his opinion
Exceeding stiff and strong,
Though each was partly in the right
And all were in the wrong!
Xin tạm dịch:
Thế là sáu anh mù
Ở xứ In – dos – tan
Tranh cãi nhau ỏm tỏi
Lý của ai cũng giỏi
Anh nào cũng hung hăng
Nhưng chỉ đúng một phần
Nên đều sai tất cả!
PHỤ LỤC:
CÁI CHẾT CỦA NGUYÊN LÝ BẤT ĐỊNH
Phạm Việt Hưng
(Bài đã đăng trên Tiền Phong Chủ Nhật 11-04-1999, Lao Động 28-04-1999
Và trong tuyển tập “Những câu chuyện khoa học hiện đại”, NXB Trẻ 2003)
Version 1 (Tiền Phong CN):
Đó là đầu đề bài báo của Mark Buchanan đăng trên tạp chí New Scientist, một trong những tuần san khoa học uy tín bậc nhất của Anh, số ra ngày 06-03-1999, đang gây xôn xao dư luận khoa học toàn thế giới.
Bài báo công bố thí nghiệm của một nhóm các nhà khoa học Đức cho thấy Nguyên Lý Bất Định của Werner Heisenberg, một trong hai nền tảng của vật lý hiện đại, có nguy cơ sụp đổ.
Sau khi nhắc lại cuộc tranh luận lịch sử giữa Albert Einstein và Niels Bohr về nguyên lý này (Einstein chống đối quyết liệt, Bohr bảo vệ quyết liệt), bài báo cho biết:
Bohr và Einstein hồi ấy đã phải đưa ra những thí nghiệm tưởng tượng để chứng minh lý thuyết của họ, vì công nghệ hồi đó chưa cho phép làm một thí nghiệm thật. Nhưng tình hình ngày nay đã thay đổi.
Với kỹ thuật laser, Gerhard Rempe và các cộng sự của ông tại Đại Học Konstanz ở Đức đã thực hiện một trong các thí nghiệm nổi tiếng mà những “người khổng lồ” của lý thuyết lượng tử đã tranh cãi – đó là thí nghiệm quen thuộc thường được gợi là “thí nghiệm hai khe” (two-slit experiment).
Phương pháp thí nghiệm mới được đề xuất vào năm 1991 bởi MarLan Scully, Berthold-Georg Englert và Herbert Walther tại Học viện quang lượng tử Max Planck ở Garching, Đức, với việc chọn hạt lượng tử là nguyên tử, vì nó dễ để lại dấu vết hơn.
Nhiều năm trước đây người ta cũng đã từng làm thí nghiệm này nhưng với những điều kiện thô sơ hơn, do đó không phát hiện thấy giao thoa, điều này làm cho người ta tin rằng Nguyên Lý Bất Định hoàn toàn đúng. Nhưng khi Rempe và các cộng sự của ông báo cáo kết quả thí nghiệm của họ vào tháng 9 năm ngoái (1998), các nhà vật lý đã thực sự lo lắng. Bài báo viết: “Kết quả của họ chứng tỏ rằng lập luận của Bohr dựa trên một sự nhầm lẫn”.
Bài báo cho biết là trong bao nhiêu năm qua các nhà vật lý đã không hề hay biết rằng có một lý thuyết quan trọng nhất, đó là Thuyết rối lượng tử (quantum entanglement). Hiện tượng không thấy dấu vết giao thoa thực ra là quy luật rối lượng tử – một đặc trưng của thế giới lượng tử – chứ không phải là yếu tố bất định.
Về mặt lý thuyết, bài báo nhắc tới quan điểm của nhà vật lý Yu Shi tại Đại Học Cambridge phê phán Bohr chỉ dựa trên những quan hệ đơn giản mà Planck và De Broglie đã mô tả. Shi đã phân tích lại các thí nghiệm tưởng tượng, sử dụng các phương trình chính xác của thuyết lượng tử mô tả đầy đủ nhất khả năng của một hạt lượng tử. Và ông nhận thấy rằng bất chấp mọi điều Bohr nói, Nguyên Lý Bất Định chẳng liên quan gì đến sự huỷ giao thoa sóng. Shi nói: “Mọi người nghĩ rằng Bohr đúng, Einstein sai, nhưng điều này còn xa sự thật lắm … Hãy quên mọi quan niệm mập mờ về bất định đi và hãy nghĩ tới khái niệm chính xác hơn, đó là quy luật rối lượng tử”. Và Mark Buchanan kêu lên: “Hãy vẫy chào tạm biệt Nguyên Lý Bất Định, bạn không còn cần đến nó nữa, và hãy chào đón Hello Thuyết rối lượng tử”. Cuối cùng Buchanan dùng đúng ý tưởng của Bohr rằng “trái ngược không phải là mâu thuẫn” để kết bài báo, hàm ý đã đến lúc phải nhận thấy một tư tưởng trái ngược với Bohr mới là chân lý!
Nếu thí nghiệm của Rempe là đúng thì đây là một cuộc “cách mạng lại” khoa học vật lý nói riêng và vũ trụ quan nói chung.
Đây là điều không thể tưởng tượng được, vì hơn 70 năm qua Nguyên Lý Bất Định của Heisenberg đã đi vào lịch sử như một chân lý tổng quát của Tự Nhiên, ngang tầm với Thuyết Tương Đối Tổng Quát của Einstein.
Nhiều nhà khoa học đang tìm cách khắc phục yếu tố bất định bằng con đường kết hợp nó với Thuyết Tương Đối Tổng Quát, mặc dù Stephen Hawking đã cảnh báo đó là hai cực đối lập không tương thích với nhau. Tất cả những nghiên cứu theo phương hướng này, kể cả những công trình vừa mới công bố vào cuối năm 1998 đầu 1999, đều coi Nguyên Lý Bất Định như một cực của chân lý. Chỉ có trường phái rối lượng tử mới phủ định Nguyên Lý Bất Định. Phải chăng trường phái này được thúc đẩy bởi niềm tin mạnh mẽ của chính Einstein, và vô tình họ đã chứng minh rằng Einstein mới thực sự là một thiên tài?
Mọi kết luận vội vã lúc này có thể là quá sớm và thiếu nghiêm túc. Hãy chờ xem, và có lẽ tốt hơn, hãy cùng nghiên cứu xem. Tuy nhiên dù sự thật có thế nào đi chăng nữa thì dường như những thách thức thú vị đang lấp ló trước ngưỡng cửa thế kỷ 21.
Version 2 (Lao Động):
Nguyên Lý Bất Định (Uncertainty Principle) do Werner Heisenberg, nhà vật lý lỗi lạc người Đức, xây dựng từ năm 1927. Vào thời đó, người ta đã biết hạt cơ bản có hai đặc tính: Sóng và hạt. Nhưng Nguyên Lý Bất Định khẳng định rằng không thể đồng thời xác định hai đặc tính đó cùng một lúc, nghĩa là xác định được đặc tính này thì không xác định được đặc tính kia. Nguyên lý này cũng khẳng định không thể đồng thời xác định vị trí và thời điểm xuất hiện của hạt cơ bản, nghĩa là không thể tiên đoán chính xác vị trí xuất hiện của hạt cơ bản tại một thời điểm cho trước. Bất chấp sự chống đối quyết liệt của Einstein, Nguyên Lý Bất Định đã giải thích thành công rất nhiều hiện tượng phức tạp của thế giới vi mô và trở thành nền tảng của Cơ Học Lượng Tử. Nhờ đó Heisenberg đã đoạt Giải Nobel vật lý năm 1932.
Nhưng Nguyên Lý Bất Định càng quan trọng bao nhiêu thì bài báo của Buchanan càng làm choáng váng giới vật lý bấy nhiêu khi nó công bố kết quả thí nghiệm của Gerhard Rempe tại Đại Học Konstanz ở Đức vào tháng 9 năm ngoái. Đó là “thí nghiệm hai khe” (two-slit experiment) quen thuộc với các nhà vật lý: Rọi một tia lượng tử vào một vách chắn có hai khe để nhận kết quả giao thoa trên màn ảnh. Các thí nghiệm trước đây không phát hiện thấy giao thoa, nhưng trong thí nghiệm của Rempe với hạt lượng tử được chọn là nguyên tử, được làm đông lạnh tới độ 0 tuyệt đối bằng laser, kết quả cho thấy giao thoa xuất hiện. Rempe giải thích rằng việc mất dấu vết giao thoa trước đây đã đánh lừa các nhà khoa học, làm họ tưởng rằng nguyên nhân là do yếu tố bất định, nhưng thực ra đó là “quy luật rối lượng tử” (quantum entanglement rules).
Vậy là Nguyên Lý Bất Định có nguy cơ sụp đổ? Bao nhiêu công trình về vật lý nguyên tử trong hàng chục năm qua dựa trên Nguyên Lý Bất Định cũng sụp đổ theo? Mọi lý thuyết hiện đại liên quan đến Nguyên Lý Bất Định cũng trở nên vô nghĩa?
Không thể tin như thế được!
Nhưng G.Rempe và trường phái của ông thì tin chắc rằng họ đúng! Họ đã nghiên cứu công phu, nghiêm túc và đã đưa ra kết quả rõ ràng. Nếu họ đúng, tức là Einstein đúng, thì đây sẽ là biến cố khoa học quan trọng nhất kết thúc thế kỷ 20, mở đầu thế kỷ 21!
Sydney ngày 19-03-1999
PVHg
Cơ học lượng tử đã đem lại cho các nhà khoa học và các kỹ sư một hiểu biết mới và sâu sắc hơn về thực tại vật chất. Nó giải thích hành trạng của các hạt electron, nguyên tử và phân tử, bản chất của các phản ứng hóa học, phương cách ánh sáng tương tác với vật chất, sự tiến hóa của các vì sao, hóa sinh học của sự sống và sự tiến hóa của bản thân loài người. Chất bán dẫn, bóng bán dẫn, máy tính, laser, chất dẻo, tất cả đều là sản phẩm của những hiểu biết thu được từ môn khoa học này. Khi được thực nghiệm kiểm nghiệm, các tiên đoán của cơ học lượng tử đã thành công với một mức chính xác phi thường. Cùng kết hợp với bước đột phá vĩ đại khác trong vật lý học thế kỷ 20, thuyết tương đối của Einstein, nó đem lại khả năng cho những tiến bộ khổng lồ trong xã hội loài người bằng nguồn cung ứng năng lượng vô tận từ phản ứng hạt nhân - hay khả năng hủy diệt nhân loại bằng vũ khí hạt nhân.
Mặc dù với những thành công đó, nó vẫn còn là một lý thuyết nằm trong vòng tranh cãi dữ dội. Lý thuyết này đề xuất rằng những vật thể rất nhỏ như các electron hay photon (hạt ánh sáng) hành xử theo một cách trái ngược hoàn toàn với những ý niệm trực giác thông thường và trực giác vật lý có được từ thế giới những vật thể mà chúng ta thấy ở xung quanh. Các hạt nhỏ dường như hành xử rất khác với các vật thể lớn - những vật mà chúng ta có thể thấy và nắm lấy. Ánh sáng truyền qua lưới nhiễu xạ như một sóng, va vào màn thăm dò thì như một hạt. Những hiệu ứng lạ lùng xuất hiện khi electron bị các tinh thể quét qua dường như ngụ ý rằng electron không phải là một hạt - mà là một sóng - nhưng không phải lúc nào cũng vậy.
Thật là đáng lo ngại đối với các nhà vật lý, cơ học lượng tử dường như thất bại chính ngay chỗ mà nó nên phải mạnh mẽ nhất - trong việc mô tả chuyển động các hạt vi vật chất một cách riêng lẻ. Nó chỉ có thể mô tả sác xuất tương đối của, chẳng hạn, một hạt đang chuyển động đến nơi này hoặc hoặc nơi khác, hoặc một electron trong nguyên tử có mức năng lượng này hoặc khác. Nó không thể nói lên được tại sao một hạt này lại đến đây chứ không phải đến kia, tại sao một electron lại mang mức năng lượng này chứ không phải là khác, tại sao một nguyên tử chất phóng xạ phân rã vào thời điểm này chứ không phải nọ.
Tại sao những nhà Marxist lại để tâm đến môn khoa học này? Cứ để nó cho các nhà khoa học, có lẽ, là những chuyên gia am hiểu về nó nhất có phải hơn không. Nhưng hệ tư tưởng tư sản thấm vào mọi mặt của đời sống dưới chủ nghĩa tư bản. Các nhà khoa học thường tuyên bố là khách quan, chỉ đơn thuần làm việc với những sự thật mà thôi. Có vô số ví dụ chứng minh điều ngược lại, từ những lý do che đậy trong hàng thập kỷ cho những tác hại đến sức khỏe của việc hút thuốc lá đến những thí nghiệm Đức quốc xã về thuyết ưu sinh. Dù sao đi nữa, làm thế nào mà một nhà khoa học lại có thể khách quan được khi mà dưới chủ nghĩa tư bản, khoa học và kỹ thuật là chìa khóa để đem lại những nguồn lợi nhuận khổng lồ?
Những viện sĩ bảo thủ nhất phát triển cơ học lượng tử đã đưa vào vấn đề này một cuộc tấn công trực tiếp lên nền tảng triết học của chủ nghĩa Marx - chủ nghĩa duy vật biện chứng - ở thang cơ bản nhất. Đây là lựa chọn của họ để đáp lại tính bất định trong lý thuyết lượng tử. Hầu như có lẽ không thể nào tin được, họ chọn giải thích tính chất lạ lùng của hành trạng lượng tử bằng cách phủ nhận sự tồn tại của thực tại vật chất. Và với tư cách là một kiểu lý giải giáo khoa chuẩn về cơ học lượng tử, các nhà vật lý đã dạy trong suốt 80 năm nay rằng thực tại vật chất do đó chỉ tồn tại như là một kết quả của hành động quan sát. Đây là "cách luận giải Copenhagen" của cơ học lượng tử, được phát triển vào cuối những năm 1920 bởi Niels Bohr và Werner Heisenberg. Trích lời Heisenberg: "tôi tin rằng sự tồn tại của "hướng đi" cổ điển có thể được xác định rõ ràng một cách đầy ý nghĩa như sau: "Hướng đi" chỉ xuất hiện khi nào chúng ta quan sát nó"[1]
Nếu tư tưởng là vũ khí, thì, giống như tôn giáo, đây là vũ khí khác trong cái kho vũ khí của giai cấp tư sản, một chiến tuyến khác trong lớp phòng vệ bao quanh cái không thể nói đến được - sở hữu tư nhân các phương tiện sản xuất. Nhưng chẳng có gì đặc biệt mới trong vấn đề này cả. Giai cấp tư sản luôn bị ép buộc phải phủ nhận thực tế để thanh minh cho sự cai trị của chúng. Bush và Blair cùng nhau cầu xin Đấng toàn năng sự chỉ dẫn (có lẽ là cho "tính đúng đắn" của việc ném bom những mục tiêu thường dân chăng?).
Một trong những lời giới thiệu rõ ràng nhất, và cũng duy vật triệt để nhất, đối với cơ học lượng tử là của nhà vật lý Richard Feynman trong cuốn sách nhỏ của ông "Six easy pieces" và, với một sự trình bày hơi có toán học hơn, trong những chương đầu tập ba của "Những bài giảng về Vật lý học" của ông. Feynman giới thiệu môn học bằng cách mô tả "thí nghiệm khe đôi", ông nói về nó trong một đoạn trích nổi tiếng "là hoàn toàn không thể giải thích theo bất kỳ một cách cổ điển nào, và nó chứa trong mình trái tim của cơ học lượng tử. Trong thực tế nó chứa đựng điều bí ẩn duy nhất". Đây là một thí nghiệm của quang học cổ điển minh họa rõ ràng cho hành trạng mâu thuẫn của vật chất tại những thang khoảng cách nhỏ - vật chất có thể cư xử đồng thời như là sóng và hạt. Nó cũng cho thấy những nguồn gốc của chủ nghĩa duy tâm trong cách luận giải Copenhagen, và rằng sự phủ nhận thực tại vật chất là câu trả lời của Bohr và Heisenberg giành cho mâu thuẫn này.
Sóng là một quá trình truyền năng lượng, như chúng ta có thể thấy từ chuyển động của cát và sỏi trên bãi biển khi một con sóng tràn vào bờ. Sóng trên bề mặt của một khối nước làm nhiễu động bề mặt này khi chúng truyền qua, làm mặt nước chuyển động lên và xuống. Nếu hai sóng từ hai hướng khác nhau gặp nhau tại những điểm chung trên bề mặt này thì chuyển động sẽ cộng hưởng - về phương diện cục bộ chúng có thể làm đỉnh cao hơn hay hõm thấp hơn. Khi một sóng này đang di chuyển phía bên trên và sóng kia chuyển động phía bên dưới khi đó tổng vận động sẽ ít hơn so với khi có từng sóng riêng biệt. Ở nơi mà những nhiễu động từ các sóng khác nhau triệt tiêu lẫn nhau, tổng vận động sẽ bằng không.
Những mô hình chuyển động và giao thoa giữa những sóng khác nhau là tiêu biểu cho hành trạng của sóng; hạt - những mẩu vật chất - không như vậy. Nếu hai hạt đang chuyển động, có thể lấy hai miếng đá làm ví dụ, khi gặp nhau chúng không "cộng hưởng". Chúng va chạm nhau, và tùy thuộc vào lực của vụ va chạm chúng có thể bị bể tan thành từng miếng hoặc nảy ra khỏi nhau và tiếp tục chuyển động theo những hướng mới. Một viên đạn bắn trúng mục tiêu. Một viên đạn khác có thể chạm bia ở đúng vị trí đó. Nó không bao giờ triệt tiêu viên trước - chỉ đơn giản là có hai viên đạn ở nơi mà trước đó chỉ có một mà thôi.
Từ đầu thế kỷ 19 ánh sáng đã được chấp nhận là có tính chất của sóng. Thomas Young đã trình bày bằng chứng thực nghiệm trước Hiệp hội Hoàng gia London minh họa cho điều này một cách thuyết phục. Trong thí nghiệm cổ điển này ông đã chỉ ra rằng nếu ánh sáng vượt qua hai khe trên một màn chắn đục và sau đó hắt vào một màn hình, trên màn hình này sẽ có đường vân các vệt sáng và tối. Quan điểm chiếm ưu thế vào thời đó, của Newton, là ánh sáng bao gồm các hạt vật chất vi mô. Nhưng đường vân mà Young quan sát được chỉ có thể được giải thích bằng các sóng từ mỗi khe cộng hưởng với nhau - không phải là bằng các hạt. ".. Những thành kiến cố hữu nhất cũng sẽ không thể nào phủ nhận được rằng các vân (quan sát được) được tạo nên từ sự giao thoa giữa hai phần của ánh sáng." [2]
Quan điểm của Young cho rằng ánh sáng là sóng chứ không phải là hạt đã
được chấp nhận trong hơn 100 năm. Nó được mở rộng bởi công trình thực
nghiệm của Michael Faraday và tác phẩm lý thuyết của James Clark
Maxwell, người đã chỉ ra rằng ánh sáng là một dạng của bức xạ điện từ.
Cũng tương tự như sóng nước là nhiễu động trên bề mặt nước, ánh sáng, họ
nói, là kết quả của sự nhiễu động trong trường điện và từ. Năm 1887
những kết luận này đã được xác nhận bởi nhà vật lý Heinrich Hertz, người
tạo ra bức xạ điện từ ở tần số thấp hơn tần số của ánh sáng, dưới dạng
sóng radio. Thuyết sóng của ánh sáng dường như đã được xác lập một cách
vững chắc.
Tuy nhiên, vào cuối thế kỷ 19 mảnh rắn chắc này của vật lý học cổ điển đã trở nên nứt gãy. Một vài nhà khoa học đã chỉ ra rằng khi ánh sáng chiếu vào những kim loại nhất định nó có thể tạo nên dòng điện. Vật lý học cổ điển nói rằng cường độ dòng điện sẽ phụ thuộc vào mật độ của ánh sáng chứ không phải tần số của nó. Nhưng không phải vậy. Khi cường độ tăng lên, dòng điện cũng tăng theo. Khi tần số giảm xuống dưới một mức nhất định nào đó dòng điện sẽ biến mất, bất kể ánh sáng mạnh như thế nào. Sóng điện từ thì không như vậy, nhưng ánh sáng thì có.
Vào năm 1905 Einstein đã chỉ ra rằng điều này có thể được giải thích bằng cách thừa nhận rằng ánh sáng không phải là sóng, mà là các hạt nhỏ - photon. Ông đề xuất rằng khi ánh sáng chiếu lên một kim loại, những photon va chạm với các electron trong kim loại và tạo ra một dòng điện. Mỗi một hạt ánh sáng - mỗi photon - có một năng lượng tỷ lệ với tần số của nó. Nếu photon có đủ năng lượng - nếu nó có tần số đủ cao - nó có thể làm bật một electron ra khỏi một nguyên tử và khi đó electron có thể di chuyển tự do bên trong mảnh kim loại đó.
Sau đó vào năm 1909 nhà vật lý học Geoffrey Ingram Taylor đã báo cáo những kết quả của một cuộc thí nghiệm trong đó các vân giao thoa được tạo ra bởi một nguồn sáng rất yếu. Ánh sáng đó yếu đến nỗi một lần xuyên qua màn chắn chỉ có một photon. Khi đó vẫn quan sát được sự giao thoa. Từ đó thí nghiệm này đã được thực hiện lại nhiều lần. Với sự phát triển của các máy dò photon tinh vi trong nửa sau của thế kỷ 20 đã có thể thực hiện được các thí nghiệm giao thoa có thể thực sự quan sát được các photon tới nơi. Những bức ảnh ở đây là kết quả của một thí nghiệm như thế bởi Robert Austin và Lyman Page của Đại học Princeton. (Xem http://ophelia.princeton.edu/~page/single_photon.html)
Những vị trí lúc ban đầu các photon đến có vẻ như hoàn toàn ngẫu nhiên.
Cùng với thời gian, nhiều photon đến hơn, nhưng chủ yếu là đến những
vùng sáng mạnh của vân giao thoa và không bao giờ có mặt ở những vùng
hoàn toàn tối. Rốt cuộc khi hàng ngàn photon đến (và với cường độ sáng
bình thường, thì ở đó sẽ có hàng tỷ photon) chúng ta thấy vân giao thoa được tạo thành bởi các photon đơn lẻ tới.
Vì sao lại xảy ra điều này? Giao thoa là một hiện tượng thuộc về sóng, nhưng những điểm cục bộ lại ngụ ý rằng ánh sáng được tạo thành từ các hạt, chứ không phải sóng. Tại sao những điểm đó lại nằm trên màn hình ở những phần sáng của vân giao thoa chứ không phải ở những phần tối? Chúng ta không thể giải thích điều này bằng cách nói rằng các photon đó giao thoa với nhau - tình trạng tương tự cũng xảy ra ngay cả đối với chỉ một photon trên màn chắn. Vậy photon đã phân ra làm đôi hay đi xuyên qua cả hai khe? Hoặc là có lẽ, như nhà vật lý lượng tử Paul Dirac đã khẳng định một cách đầy bí ẩn "mỗi photon đã tự giao thoa với chính nó" [3]. (Dirac là một trong những nhà vật lý dẫn đầu trong thế kỷ 20, nhưng những tuyên bố triết học của ông lại có tính chất duy tâm chủ nghĩa gây hại cho vật lý học hiện đại; lấy ví dụ câu trích dẫn: "Kết quả này quá đẹp đến nỗi không thể sai được; có được một vẻ đẹp về phương trình còn quan trọng hơn là việc chúng vừa vặn với thực nghiệm."[4])
Một trăm năm sau các nhà vật lý vẫn còn đặt câu hỏi làm thế nào mà một hạt đơn lẻ lại có thể cho thấy sự giao thoa được, và đang lập lại những thí nghiệm cơ bản đó, như trong ví dụ của Princeton, để thấy một điều mới mẻ nào đó. Vấn đề được Einsetin nêu lên vào năm 1938 vẫn không cho họ câu trả lời: "Nhưng ánh sáng thực sự là gì? Nó là một sóng hay là một trận mưa các photon?.. Dường như chúng ta phải sử dụng lúc thì lý thuyết này khi thì lý thuyết kia, và một đôi lúc chúng ta phải sử dụng cả hai. Chúng ta phải đối mặt với một loại khó khăn mới. Chúng ta có hai bức tranh trái ngược nhau về thực tại; đứng một cách riêng rẽ thì không cái nào trong số chúng giải thích được những hiện tượng của ánh sáng, nhưng cả hai thì lại có thể."[5]
Tình thế sẽ lại càng thêm rối rắm nếu chúng ta không bắn ánh sáng mà
bắn các electron xuyên qua hai khe. J. J. Thomson đã thực hiện những thí
nghiệm cho thấy các electron là những hạt nhỏ của vật chất. Đây là quan
điểm thống trị trong vật cho 30 năm sau đó. Nhưng vào năm 1927 Clinton
Davisson và Lester Germer đã quan sát hiệu ứng nhiễu xạ (sóng) khi tia
electron bị các tinh thể tán xạ; George (G P) Thompson đã thấy hiệu ứng
tương tự với những cuộn phim mỏng bằng celluloid và những vật liệu khác
có không lâu sau đó. Những thí nghiệm này lại thêm một lần nữa cảnh báo
các vật lý gia về hành trạng kỳ lạ của sóng và các vi hạt - rằng không
chỉ có mình sóng ánh sáng cư xử như hạt, mà cả các hạt hạ nguyên tử cũng
có thể cư xử như sóng. Thí nghiệm khe đôi với các electron là không thể
thực hiện được về mặt kỹ thuật vào lúc bấy giờ, nhưng dù sao nó cũng
được đề xuất như là một "thí nghiệm tư tưởng" được sử dụng bởi những nhà
vật lý lượng tử đầu tiên để khám phá những tư tưởng của họ về hành
trạng sóng của vật chất. Thí nghiệm khe đôi với electron rốt cuộc cũng
được thực hiện vào năm 1961, bởi Claus Jönsson ở Tübingen; thí nghiệm
khe đôi duy nhất với electron được thực hiện bởi Pier Giorgio Merli,
GianFranco Missiroli và Giulio Pozzi ở Bologna năm 1974, và được lập lại
bởi Akira Tonomura và các đồng nghiệp tại Hitachi năm 1989. Kết quả của
những thí nghiệm này đã được các vật lý gia lượng tử đầu tiên đoán
trước; các electron, thậm chí là với một electron, có thể giao thoa
giống như sóng ngay cả khi chúng được dò thấy như là các hạt. Một bức
tranh từ thí nghiệm Hitachi ở đây và một đoạn phim về những kết quả của
Bologna có ở http://lotto.bo.imm.cnr.it/educational/main_educational.php.
Phần ghi âm của phim gồm đoạn thu lại tuyên bố của Dirac nói rằng "mỗi
electron giao thoa với chính nó" và nhỏ dần tiến tới âm thanh chiến
thắng của những chiếc violin và sáo lố bịch.
Khi khoa học đối mặt với một nghịch lý hay một mâu thuẫn thì đó là một cơ hội để học hỏi được điều gì đó mới. Có lẽ với nhiều tác phẩm hơn, nhiều kết quả thực nghiệm hơn khoa học sẽ có thể tiến bộ. Nhưng đối với các trường đại học hàn lâm, cụ thể là những trường đại học trong cái THẾ GIỚI CŨ ở châu Âu, thật khó mà có thể chấp nhận mâu thuẫn, một sai sót khả dĩ, trong những kết quả của họ, và thậm chí khó chấp nhận hơn nữa sự tồn tại của việc không thể giải quyết được vấn đề. Việc đào tạo cho một khoa học gia hàn lâm tập trung xoay quanh việc tìm ra cách tiếp cận mang tính cạnh tranh và cá nhân chủ nghĩa để giải quyết cho được vấn đề, trong đó các giải thưởng được trao cho người nào có được câu trả lời tốt hơn những người trước đó. Nhà khoa học trong phong thí nghiệm mà trang thiết bị của họ là sản phẩm lao động tập thể của hàng ngàn cánh tay thường không có ý thức về cái sự kiện cơ bản này và nói về công việc "của tôi", những kết quả "của tôi", bước đột phá "của tôi". Ở những buổi thảo luận trong những căn phòng seminar cái đang bị đe dọa không chỉ là sự bảo vệ cho tư tưởng của một cá nhân nào đó mà còn là cho chính cá nhân họ - không phải là đề cập đến vấn đề lương, trợ cấp hay thăng tiến.
Với Heisenberg mâu thuẫn của tính đối ngẫu sóng hạt thực là một điều quá quắt - thậm chí hơn thế nữa, ông không có khả giải thích được nó. Nhưng nếu như mà một giáo sư vĩ đại còn không biết được câu trả lời thì nói chung là vấn đề hoàn toàn không thể biết được.
Nhà khoa học bảo thủ bậc nhất này là con đẻ của một giáo sư ngôn ngữ
học cổ. Ông đã tham gia vào cuộc đàn áp của các lực lượng Soviet Bavaria
năm 1918 (sau này ông viết: "Tôi lúc đó là một chàng trai tuổi 17 và
tôi coi đó là một cuộc mạo hiểm. Nó giống như là đóng giả làm cảnh sát
và ăn cướp vậy.." [6]. Trong thế chiến thứ hai ông là đầu não của chương
trình vũ khí nguyên tử Đức quốc xã. Sự giáo dục và đào tạo của ông về
triết học cổ điển không chỉ làm cho ông thù nghịch lại với việc tiếp
nhận tính mờ nhạt của những ranh giới và những mâu thuẫn ẩn trong tính
chất đối ngẫu sóng hạt. Nó cung cấp cho ông ta những vũ khí triết luận
để bác bỏ không chỉ cách luận giải mai tính biện chứng mà còn cả mang
tính duy vật về cơ học lượng tử.
Trong bài báo kinh điển của ông về "nguyên lý bất định" Heisenberg đã chỉ ra rằng một thí nghiệm cố gắng đo cái khe mà vật thể đi xuyên qua (làm khu biệt vật thể, và do đó thấy nó hành xử như một hạt) sẽ làm nhiễu loạn nó chỉ vừa đủ để phá hủy hành trạng sóng của nó. Nếu dùng một kính hiển vi để quan sát hạt di chuyển xuyên qua các khe thì bước sóng của ánh sáng được sử dụng nếu đủ ngắn để làm điều này thì ánh sáng đó sẽ có đủ động lượng để biến đổi hướng của vật thể và phá hủy vân giao thoa. Từ đó Heisenberg rút ra nguyên lý bất định của ông ta: "càng xác định chính xác vị trí bao nhiêu, thì lúc đó càng khó biết chính xác động lượng bấy nhiêu, và ngược lại."[7]
Kết quả này là một hệ quả của hình học của thí nghiệm, và hành trạng
hạt của ánh sáng (ánh sáng với bước sóng xác định tương ứng với photon
có một động lượng nhất định). Niels Bohr, lúc đó làm việc cùng
Heisenberg ở trường đại học Copenhagen, thích rút ra kết quả theo một
cách khác. Ông nói, giả sử rằng chúng ta có thể tạo ra một xung ánh sáng
ngắn bằng cách bật một nguồn sáng rồi tắt ngay sau đó. Từ viễn cảnh của
hạt, nguồn sáng này sẽ phóng ra một số lượng lớn các photon cùng chuyển
động trong một vùng không gian tương đối nhỏ. Nhưng nếu chúng ta cố
gắng hiểu thí nghiệm theo quan điểm sóng, chúng ta thấy rằng cần phải có
một lượng lớn các sóng thuộc các bước sóng khác nhau để tạo ra một xung
sáng ngắn. Bước sóng tương ứng với động lượng, do bởi tính đối ngẫu
sóng hạt, do đó trong một xung sóng ngắn tồn tại một dải lớn các giá trị
động lượng, dù vị trí của mỗi photon đều được biết chính xác. Đối với
một xung dài chúng ta lại có kết quả ngược lại - động lượng được biết
chính xác, nhưng vị trí của photon lại biết kém chính xác. Đây lại chính
là nguyên lý bất định - nhưng không có kính hiển vi, không có sự nhiễu
loạn do người quan sát, hay bất cứ thứ vật liệu linh tinh nào như của
Heisenberg. Với Bohr, cách tiếp cận này đặt tính đối ngẫu sóng hạt của
vật chất vào trung tâm, với nguyên lý bất định như là một hệ quả tất
yếu, trong khi với Heisenberg thì chính hành động của việc quan sát mới
quan trọng hơn.
Tuy nhiên đối với cả Heisenberg và Bohr nguyên lý bất định trở thành cơ hội để cấu trúc nên tòa dinh thự toán học và triết học của cách luận giải Copenhagen về hành trạng lượng tử - sự diễn đạt toán học (hay chính xác hơn, cái cớ toán học) phản bác lại thực tại vật chất. Họ khẳng định rằng phân tích của Heisenberg về thí nghiệm khe đôi, và tương tự phân tích của Bohr về các tính chất của xung ánh sáng, là những thí dụ về một quy luật chung trở thành "nguyên lý bổ sung" của Bohr: không thể nào quan sát được đồng thời cả hành trạng sóng và hạt. Chỉ có thể quan sát được hoặc hạt - mẩu cục bộ của vật chất được dò thấy trên đường nó đi xuyên qua một khe, không có vân giao thoa - hoặc quan sát được sóng - một nhiễu động phi cục bộ đi xuyên qua cả hai khe, có vân giao thoa. Nhưng mọi cố gắng nhằm quan sát cả hai cùng một lúc sẽ phải thất bại. Do đó mâu thuẫn đã được giải quyết, bằng cách khẳng định là câu hỏi đã không được đặt ra, vì nếu mà đặt ra thì không tài nào trả lời được nó. "bạn sẽ thấy hoặc sóng hoặc hạt nhưng không thể cả hai".
Thêm nữa - tất cả những gì có thể làm là thực hiện những quan sát; vật lý học được coi như khoa học về những kết quả của các quá trình đo đạc, và sự tư biện vượt ra ngoài đó thì không thể được xác nhận. Câu hỏi về vị trí của hạt trước cái vị trí mà nó được đo là một câu hỏi vô nghĩa. Hạt hiện ra với tư cách là kết quả của hành động quan sát. Theo từ ngữ chuyên môn - "hành động đo đạc tạo nên sự sụp đổ nhất thời của hàm sóng". Bạn thấy những gì xảy ra là quá trình đo đạc ngẫu nhiên làm nổi bật ra một cách chính xác một trong nhiều khả năng khả dĩ, và sóng ngay lập tức biến đổi thành một sự kiện cục bộ phản ánh sự chọn lọc đó.
Một cách chua chat, và cũng hoàn toàn chính xác, Feynman coi điều này như là "ma thuật của sự sụp đổ hàm sóng" [8]. Người quan sát ảnh hưởng đến cái được quan sát không phải là ý tưởng gì mới. Nhưng ở đây có một cái gì đó khác xa. Với Heisenberg và Bohr người quan sát không chỉ ảnh hưởng đến cái được quan sát - người quan sát tạo ra nó.
Đây hơn là một nỗ lực nhằm nâng đỡ sự không tương xứng của logic hình thức trong khi đối mặt với bằng chứng về sự kết hợp giữa các mặt sóng và hạt của vật chất. Sự lựa chọn khác là chấp nhận tính đối ngẫu sóng hạt như là một ví dụ vững chắc về sự thống nhất và sự thâm nhập lẫn nhau của các mặt đối lập trong vận động ở các thang khoảng cách nhỏ; nói cách khác, để chấp nhận rằng trong vận động những khái niệm cứng nhắc là không phù hợp. Một phương pháp như vậy chỉ có thể là điểm khởi đầu cho một sự nghiên cứu sâu hơn, cho nhiều quan sát thực nghiệm hơn và nhiều lý thuyết hơn. Mặt cơ bản của sự tương tác giữa vật chất với vật chất hay với ánh sáng là nó đồng thời dẫn đến cả hành trạng sóng và hạt? Những giả định, những quan sát, những công cụ toán học nào chúng ta nên rà soát lại để có được một hiểu biết sâu hơn về hiện tượng này? Nhưng thay vì cho những nguyên nhân chính trị - bởi vì chủ nghĩa duy vật biện chứng (chủ nghĩa Marx) bị các giáo sư tư sản đặt ra ngoài vòng pháp luật trong những nghiên cứu của họ - chúng ta đến một điểm kết chết cứng, ở đó tất cả những nghiên cứu sâu hơn đều bị cho là không thể khi đối mặt với cái không thể biết được:
"Toàn bộ vấn đề là ở chỗ những quy luật của logic hình thức bị sụp đổ khi vượt qua một số những giới hạn nhất định. Tất nhiên điều này áp dụng cho hầu hết những hiện tượng trong thế giới hạ nguyên tử, ở đó những quy luật đồng nhất, sự mâu thuẫn và sự dung hòa loại trừ không thể chấp nhận được. Heisenberg bảo vệ cho lập trường của logic hình thức và chủ nghĩa duy tâm, và do đó, chắn hẳn phải tiến tới kết luận cho rằng tư duy của con người không thể thấu hiểu được những hiện tượng đối lập ở thang cấp hạ nguyên tử, mà là trong cái giản đồ tinh thần cũ kỹ vô vọng và bất tương xứng của logic hình thức. Cái gọi là "Nghịch lý của cơ học lượng tử" chính là cái này. Heisenberg không thể chấp nhận sự tồn tại của những mâu thuẫn biện chứng, và do đó thích trở lại với cái thần bí triết học - ‘chúng ta không thể biết', và tất cả những gì còn lại của nó."[9]
Không may cho Heisenberg, sự phát triển trong công nghệ hiện đại đã cho
phép các nhà khoa học chỉ ra rằng đường đi của một hạt hạ nguyên tử là
rất thực. Thấy được đường đi của hạt hạ nguyên tử trong các thí nghiệm
năng lượng cao là chuyện bình thường, trong đó cả vị trí và vận tốc đều
có thể được xác định trong giới hạn lớn hơn mức không chắc chắn.
Heisenberg đã bảo vệ quan điểm của mình chống lại thí nghiệm như vậy
bằng cách nói rằng nguyên lý bất định của ông chỉ thích hợp để tiên đoán
tương lai. Nhưng ông cũng nói rằng "tri thức của quá khứ chỉ là một
loại tư biện thuần túy... Nó là vấn đề của niềm tin cá nhân xem liệu một
tính toán như vậy liên quan đến lịch sử quá khứ của electron có thể
được quy cho bất kỳ một thực tại vật chất nào hay không". [10] Bản thân
Heisenberg đang thú nhận ở đây là cách lý giải duy tâm của ông về hành
trạng lượng tử là một sự lựa chọn mang tính hệ tư tưởng. Và lối
thoát khác của ông ta - nguyên lý bất định không chỉ thích hợp cho việc
tiên đoán tương lai - là một tuyên bố rõ ràng nhạt nhẽo. Nếu động lượng
chỉ được biết với một độ chính xác nhất định, chúng ta chỉ có thể tiên
đoán vị trí tương lai với một độ chính xác nhất định. Không có gì mới
hay đặc biệt sâu sắc ở đây cả.
Nhà vật lý Max Born [11] đã phát triển một cách giải thích khác về tính đối ngẫu sóng hạt tránh được cách lý giải Copenhagen duy tâm chủ nghĩa. Erwin Schrodinger đã chỉ cho thấy làm cách nào để tính được "hàm sóng cơ học lượng tử" của một hệ thống; Born giải thích hàm sóng của Schrodinger không phải như vật thể vật chất mà là một cách mô tả xác suất một hạt ở tại một vị trí cụ thể nào đó. Ví dụ, trong thí nghiệm khe đôi có một hàm sóng cho việc đến từ một khe và có một hàm sóng cho việc đến từ một khe khác. Xác suất của việc đến là cường độ của sự chồng sóng của các hàm sóng tại vị trí đó, theo cách khá giống như vậy biên độ của một sóng nước là tổng của các sóng khác nhau tại một điểm trên bề mặt của nước. Einstein đã giải thích ý tưởng này như sau:
"... nó chứng minh không thể kết hợp với những sóng Schrodinger này để xác định chuyển động của các điểm có khối lượng được - và rằng, sau tất cả, có một mục đích nguyên thủy của cái cấu trúc tổng thể. Khó khăn này xuất hiện một cách không sao khắc phục được cho tới khi nó được Born vượt qua theo một cách đơn giản như nó được mong đợi. Trường sóng Broglie-Schrodinger không phải được giải thích như là một mô tả toán học về việc một sự kiện thực sự diễn ra trong thời gian và không gian như thế nào, mặc dù, tất nhiên, chúng cùng nói đến sự kiện đó. Đúng hơn đó là một mô tả toán học về cái mà chúng ta có thể thực sự biết về hệ thống này. Chúng chỉ là để nhằm đưa ra những phát biểu thống kê và những tiên đoán về kết quả của những sự đo đạc mà chúng ta tiến hành đối với hệ thống đó mà thôi." [12]
Như Einstein chỉ ra, một khía cạnh quan trọng của quan điểm này về hành trạng lượng tử là hàm sóng không được thừa nhận là có một tồn tại vật chất (physical existence). Các hạt vật chất tồn tại, chúng tương tác, vượt qua các khe, chuyển động quanh nguyên tử. Nhưng hàm sóng tương ứng với nó là một phương tiện đối với một sự kết thúc, một dụng cụ toán học cho phép các nhà vật lý tính toán xác suất của một trạng thái hay một sự kết hợp các trạng thái - xác suất mà một electron trong một nguyên tử hydro có một măng lượng cụ thể, hay xác suất của một hạt ánh sáng đến một máy dò bằng rất nhiều các con đường khả dĩ khác nhau. Khi có nhiều hạt, xác suất chuyển hóa thành mật độ của những hạt đến - nhiều hơn ở chỏm sáng và không có ở chỏm tối trong thí nghiệm khe đôi.
Sự hiểu biết này về hành trạng cơ học lượng tử về cơ bản là phương pháp được sử dụng trong mọi ứng dụng thực tiễn của cơ học lượng tử. Đôi khi nó được mô tả như là phương pháp "shut up and calculate" (một cách diễn đạt được Richard Feynman tín nhiệm, nhưng có lẽ là sai) là một phản ứng có thể hiểu được đối với chủ nghĩa duy tâm và chủ nghĩa thần bí của những cách luận giải khác. Chẳng hạn, khi một nhà khoa học trong công nghiệp bắt đầu thiết kế một màn hình TV, đây là phương pháp mà ông ta sẽ dùng đến. Các electron rời sợi đèn nóng tại đây với xác suất này, tạo ra dòng điện này; chúng được gia tốc bởi từ trường kia, và lệch hướng đến vị trí kia trên màn hình. (Tuy nhiên, nếu người quản lý phòng thí nghiệm hỏi đến, rõ ràng tất nhiên là đường đi không tồn tại.)
Bản thân Feynman đã sử dụng phương pháp này - hạt có xác suất dương - trong tác phẩm của ông về điện động lực học lượng tử, được mô tả trong cuốn sách hay và dễ hiểu "QED - The Strange Theory of Light and Matter". Điện động lực học lượng tử là một lý thuyết cực kỳ thành công, với những tiên đoán phù hợp với các quan sát thực nghiệm với một độ chính xác rất cao.
Một kiểu thí nghiệm khe đôi khác đã được tiến hành mới đây bởi nhà vật lý Shahriar Afshar, ở Rowan và đại học Harvard. Kết quả từ những thí nghiệm này, được xuất bản trên web, trực tiếp mâu thuẫn với nguyên lý bổ sung của Bohr. Nguyên lý bổ sung này khẳng định rằng không thể quan sát được đồng thời hành trạng sóng và hạt. Nhưng kết quả của Afshar lại đề xuất ngược lại. Thí nghiệm của ông là chủ đề của một cuộc thảo luận chi tiết trên weblog http://irims.org/blog/index.php/questions (một ví dụ tốt về việc làm cách nào internet có thể mở rộng thảo luận những kết quả khoa học mới ra với đông đảo khan giả, trái lại với cái lối xem xét giấu diếm của những tập san khoa học truyền thống). Bản sao của bài báo mô tả một số trong thí nghiệm của ông có ở http://irims.bluemirror.net/quant-ph/030503/ .
Trái lại với thí nghiệm tư tưởng của Heisenberg về việc làm thế nào dò
ra khe mà hạt đã đi qua, Afshar sử dụng một thấu kính và các bộ tách
sóng quang đặt sau các vân giao thoa để quan sát các photon đi qua khe.
Trong thí nghiệm photon đơn của ông (được mô tả bằng miệng trên web,
nhưng kết quả từ đó thì vẫn chưa có rộng rãi ra công chúng) một chớp
sáng tại vị trí của hình ảnh của một khe cho thấy rõ ràng rằng photon
đã đi qua khe đó. Photon là cục bộ tại khe đó là cư xử như là một hạt.
Theo như nguyên lý bổ sung của Bohr, một vân giao thoa - hành trạng sóng
hạt - khi đó sẽ không thể nào được quan sát thấy.
Afshar kiểm tra để xem liệu giao thoa có xảy ra hay không khi đặt các sợi dây mỏng vào những vị trí mà trước đó là các phần tối của vân giao thoa. Thậm chí khi ông quan sát thấy các photon đi xuyên qua khe, ông có thể chỉ ra rằng các dây đó vẫn ở trong vùng tối của vân giao thoa; photon quan sát được cư xử như vừa là một sóng và vừa là một hạt. Những kết quả của tất cả các thí nghiệm mà Afshar tiến hành vẫn chưa được công bố công khai, và những thí nghiệm của ông cũng chưa hề được ai khác thực hiện lại, đó sẽ là một sự kiểm tra quan trọng về tính chính xác của chúng. Nhưng nếu như Afshar đúng, thì nguyên lý bổ sung của Bohr sẽ chết.
Bức tranh thực tại xuất hiện từ cơ học lượng tử và khoa học hiện đại là một sự vận động và biến đổi liên tục không ngừng nghỉ trên thang bậc nguyên tử và hạ nguyên tử. Các nguyên tử bị trói buộc lại với nhau bởi sự trao đổi liên tục các hạt giữa các hạt; các electron trong phân tử chuyển động từ nguyên tử sang nguyên tử; năng lượng và vật chất hoán đổi; các hạt biến thành cái đối lập với nó và sau đó lại kết hợp lại. Một đặc tính trung tâm, phân biệt của thuyết này là sự biến đổi thực hiện thông qua các bước, chứ không phải là một thể liên tục.
Sự phát triển của khoa học hiện đại theo hướng này xác nhận và làm sâu sắc thêm chủ nghĩa duy vật biện chứng. Sự suy sụp chầm chậm trong nền móng của vật lý học hiện đại, có một sự ngu xuẩn - một mâu thuẫn logic, chứ không phải là biện chứng. Thiếu đi cách tiếp cận biện chứng đối với sự vận động và biến đổi thì sẽ không có con đường nào thoát ra khỏi được cái mâu thuẫn này.
Các nhà vật lý học hiện đại đã bị buộc phải chấp nhận rằng những khái niệm mà trước kia được xem xét một cách tách rời thì giờ đây có mối liên kết với nhau, rằng chúng không thể được suy tưởng đến một cách tách biệt mà chỉ là những mặt khác nhau của thế giới vật chất có mối liên hệ với nhau. Cụ thể, quan niệm của các nhà vật lý về chuyển động đã được mở rộng ra đối với nhận thức của họ về các mặt đồng thời sóng hạt của vật chất. Khi vật chất chuyển động, một nhà vật lý có thể mô tả tiến trình bằng động lượng, đó là khối lượng của vật thể chuyển động nhân với vận tốc của nó. Một sóng, mặt khác, là một loại tiến trình vật chất khác. Nó là một sự nhiễu động, của bề mặt của một khối nước hoặc của một trường điện chẳng hạn, và là một quá trình trong đó năng lượng chuyển động. Một nhà vật lý có thể mô tả một sóng bằng bước sóng của nó, khoảng cách từ một đỉnh của dao động đến đỉnh kế tiếp. Động lượng và bước sóng là hai sự trừu tượng hóa hoàn toàn khác nhau được sử dụng để mô tả hai quá trình khác nhau. Tuy nhiên sau khi có công trình của Einstein về hiệu ứng quang điện, và sau công trình lý thuyết của những nhà sáng lập ra cơ học lượng tử, các nhà vật lý bị buộc phải chấp nhận rằng động lượng, một tính chất của vật chất hành xử như hạt, trực tiếp có liên quan đến bước sóng, tính chất của vật chất hành xử như sóng.
Có rất nhiều hôn loạn xung quanh cơ học lượng tử, thêm vào và được truyền bá rộng rãi bởi Bohr và Heisenberg, có liên quan đến sự nhấn mạnh rằng các khái niệm như sóng và hạt, hay động lượng và bước sóng, phải được tách rời ra khỏi nhau - "chúng ta có hai bức tranh trái ngược về thực tại" như Einstein đã nói. Sự hỗn loạn này có nguồn gốc sâu xa từ sự khước từ - hay là thiếu nhận thức - phép biện chứng bởi các nhà khoa học hiện đại. Nhà lý luận sẽ nói "Lúc thì thế này, lúc thì thế khác" khi anh ta phải khổ sở vượt qua sự lựa chọn của mình giữa hai tình thế biểu hiện ra là trái ngược nhau, tự hỏi tại sao thế giới lại luôn luôn như thế. Những tính chất có vẻ như là đối lập nhau ấy có thể được trình bày đồng thời không chỉ là khả dĩ mà còn là phổ biến nữa. Ánh sáng và bóng tối, nóng và lạnh, bắc và nam, sóng và hạt, một sự kết hợp quen thuộc và không thể tránh được, sự tồn tại của cái này là không thể có được nếu thiếu đi cái kia, và từ đó sinh ra vận động và biến đổi:
"Trong khi logic hình thức truyền thống tìm cách loại trừ cái đối lập, thì tư duy biện chứng lại nắm lấy nó. Mâu thuẫn là một đặc điểm bản chất của mọi tồn tại. Nó nằm tại trung tâm của bản thân vật chất. Nó là nguồn gốc của mọi vận động, biến đổi, đời sống và sự phát triển. Quy luật biện chứng đặc trưng cho tư tưởng này là quy luật về sự thống nhất và chuyển hóa giữa các mặt đối lập."[14]
Không chỉ có thế, mà trong sự nhấn mạnh của họ lên giản hóa luận - một hạt, một photon - các nhà khoa học đã phá hủy một cách không cố ý và không có ý thức thực tại sống động mà họ lúc ban đầu dự định nghiên cứu. Những bức ảnh từ thí nghiệm khe đôi Hitachi với electron, ở vào tình hình nào thì hành trạng sóng của vật chất trở nên không còn nhìn thấy được? Sau 8 electron? Rõ ràng là không - các electron dường như là đến một cách ngẫu nhiên, không có một mô hình rõ ràng nào cả. Sau 270? Sau 2000? Thậm chí sau 6000, xác suất tương đối vẫn là mơ hồ. Cách luận giải xác suất của Born cho phép các nhà vật lý tính toán được xác suất tương đối của hạt đến một vị trí xác định. Nhưng xác suất, hay là hàm sóng, chỉ là một tính chất thống kê của hệ thống, và mỗi cá thể có thể đến (hầu như) là bất cứ đâu. Chúng ta trở nên nhận thức được hành trạng sóng của vật chất khi mà chúng ta có rất nhiều hạt. Tương tự, trong một khí chúng ta quan sát được các quy luật có liên quan đến nhiệt độ, thể tích và áp suất chỉ khi chúng ta có nhiều phân tử. Tính sóng xuất hiện từ sự chuyển hóa từ lượng thành chất; một hạt hay một phân tử là không thể tiên đoán được, nhưng nhiều thì lại tuân thủ theo những quy luật được xác định tốt phù hợp với các tính chất thống kê của chúng. Cả sóng và hạt đều được quan sát - các hạt riêng lẻ, khi hợp lại trong một nhóm khổng lồ sẽ có các tính chất của sóng (những vân giao thoa).
Theo hướng đó, những thí nghiệm đơn hạt và những bức ảnh về loại thí nghiệm này thu được từ thí nghiệm Hitachi cũng mâu thuẫn trực tiếp với nguyên lý bổ sung của Bohr. Khi đối mặt với chứng cứ này, những người ủng hộ cho cách luận giải Copenhagen, như Dirac, đã phải đi vòng vo, bắt chước những photon mà họ mô tả, nói rằng một photon đi xuyên qua cả hai khe và sau đó giao thoa với chính nó - trong một làn khói, khi mà nhà ma thuật vẫy chiếc đũa thần của ông ta - hàm sóng sụp đổ.
Người ta thường vẽ bức tranh sau đây về một nguyên tử được bọc quanh
bởi một "đám mây" electron. Một cách giải thích về bức tranh này mà các
nhà vật lý đều đồng ý là electron vì một lý do chưa biết nào đó có thể
trải rộng trên toàn bộ vùng phủ của đám mây. Thật vậy, electron luôn
chuyển động rất nhanh. Một đám mây có lẽ là cách để trình bày cho cái
chuyển động nhanh kinh khủng này, và sự thực electron có thể ở bất cứ
đâu trong vùng bóng đó. Nhưng chỉ có một electron trong nguyên tử hydro.
Trong suốt một khoảng thời gian nhỏ bất kỳ electron chuyển động xuyên
qua một vùng không gian xác định nhỏ, cục bộ. Nó trải rộng qua không
gian cũng không hơn gì một photon đơn trải rộng qua cả hai khe trong thí
nghiệm khe đôi. Thừa nhận khác đi một lần nữa sẽ quay ngược trở về với
cái điều bí ẩn của Dirac "photon tự giao thoa với chính nó" và cái ma
thuật về sụp đổ hàm sóng.
Nếu chúng ta có nhiều nguyên tử và đặt chồng lên nhau các bức tranh của mỗi nguyên tử, khi đó chúng ta sẽ có một đám mây; chúng ta sẽ thấy hàm sóng và cường độ của nó, xác suất tương đối của electron ở tại một vị trí cụ thể. Hàm sóng mô tả hành trạng của nhiều nguyên tử, nhưng nói lên rất ít về chuyển động của electron ứng với một nguyên tử riêng lẻ. Đó là điểm mạnh cũng là điểm yếu của cơ học lượng tử.
Nhưng con đường đó liệu có tồn tại không? Có, miễn là chuyển động đó được hiểu một cách biện chứng. Con đường đó là đường cong mà hạt chuyển động dọc theo. Khi hạt đang chuyển động, nó không ở tại một vị trí nào cả; nó ở trong quá trình chuyển động từ vị trí này đến vị trí kia. Nó chuyển động học theo một đường cong xác định. Nhưng nói là nó ở đây, hay kia, tại một điểm nào đó trong thời gian thì là vô nghĩa. Nó đang chuyển động từ đây tới kia. Sẽ rối loạn nếu như hiểu chuyển động một cách không biện chứng, việc cố gắng nói lên rằng hạt ở đây tại một thời điểm cụ thể trong thời gian, đó là kỳ công của Heisenberg để phát triển thuyết thần bí rằng "con đường không có tồn tại".
Trong thí nghiệm khe đôi không thể nào tiên đoán được hạt sẽ đi đâu sau khi qua hai khe, không phải là nói tính trung bình. Có một sự bất định, theo chiều hướng là đường cong chính xác không thể được tiên đoán sớm. Nhưng điều này khác với tính nhân quả. Hạt đến nơi mà nó đến với tư cách là một chuỗi nhân quả của các sự kiện. Dụng cụ thí nghiệm bắn hạt vào các khe; hạt di chuyển xuyên qua một trong các khe đó; hạt đến màn hình chắn. Và có nhiều ví dụ trong tự nhiên về các hệ thống nhân quả nhưng phi định mệnh. Một chiếc xe trượt băng trượt xuống một ngọn đồi mấp mô đến chân đồi tại một vị trí không thể tiên đoán trước được. Nếu nó bắt đầu từ một vị trí hơi khác đi ở đỉnh thì nó sẽ đến một vị trí khác rất nhiều ở chân đồi. Tính không thể tiên đoán được không loại trừ tính nhân quả. Thực tế khoa học hiện đại đang bắt đầu hiểu ra rằng thường thì tính nhân quả được biểu lộ thông qua tính không thể tiên đoán - tính tất yếu được biểu lộ thông qua tính ngẫu nhiên:
"Thoạt tiên, chúng ta dường như bị mất hút trong cái đám khổng lồ những ngẫu nhiên. Nhưng sự rối loạn này chỉ là bề ngoài. Những hiện tượng ngẫu nhiên luôn luôn chợt lóe lên trong và từ sự tồn tại, giống như sóng trên mặt biển, biểu lộ cho một quá trình sâu hơn, một quá trình không phải là ngẫu nhiên mà là tất nhiên. Tại một điểm quyết định, sự tất nhiên này để lộ bản thân mình thông qua cái ngẫu nhiên."[15]
Cơ học lượng tử, vật lý học mới, hợp nhất rất nhiều yếu tố của vật lý học cũ vào trong những mô tả toán học của nó. Toán học của lý thuyết sóng, những kỹ thuật giải các phương trình nguyên, và ma trận biểu diễn của hàm sóng (đã được chú ý lại và phát triển lên trong những năm gần đây vì khả năng áp dụng ma trận và công thức vector vào thuyết tín hiệu số) là những yếu tố của các phương pháp toán học thuộc vật lý học cũ cổ điển là một thành phần bản chất của lý thuyết cơ học lượng tử. Cái cũ được trình bày trong cái mới. Đó là một sự gia tăng đầy sức mạnh đối với sự phát triển của cơ học lượng tử khi mà một lượng lớn các công cụ toán học loại này đã có sẵn có thể được kết hợp với vật lý học cổ điển. Tuy nhiên, để phát triển xa hơn có lẽ cơ học lượng tử cần vượt qua những giới hạn của lý thuyết cũ - cụ thể là những phụ thuộc của nó vào những phương trình vi phân tuyến và cấp thấp.
Những hệ thống phi tuyến với sự phụ thuộc nhạy cảm vào những điều kiện ban đầu dẫn đến việc không thể tiên đoán được là đề tài của thuyết hỗn độn. Những tương tự giữa hành trạng của các hệ thống hỗn độn và tính không thể tiên đoán được của hành trạng vật chất tại những khoảng cách nhỏ gợi đến một lời giải thích tương tự khả dĩ, và đây hiện đang là một đề tài sôi động của nghiên cứu khoa học. Một lượng lớn các hạt trưng bày ra một hành trạng dạng sóng được xác định tốt có thể là chứng cứ cho tự nhiên ở tầng động lực học cơ sở - giống nhiều với cái cách mà các hoa văn trong "nhân hút lạ" của các hệ thống phi tuyến là một dấu hiệu của một mối quan hệ nhân quả cơ bản. Một hạt riêng lẻ là không thể tiên đoán được; nhiều hạt thì có một hành trạng được xác định chính xác. Trật tự xuất hiện từ hỗn độn - lượng biến thành chất - như trong các hệ thống phức tạp, nhiều vật thể và phi tuyến khác.
Với sự phát triển của máy tính - một sản phẩm trực tiếp của sự hiểu biết về chất bán dẫn có nguồn gốc từ những hiểu biết về cơ học lượng tử - khoa học ngày nay có thể khảo sát tỉ mỉ những hệ thống phi tuyến này khi mà toán học cổ điển không thể. Có lẽ trong lĩnh vực này, trong vật lý của các hệ thống phi tuyến hỗn độn, sẽ có thể hiểu biết sâu hơn về tính đối ngẫu sóng hạt. Hoặc cũng có thể không. Có lẽ giải pháp nằm ở dữ kiện thực nghiệm nhiều hơn. Với những tiến bộ công nghệ sẽ có khả năng thực hiện chính xác hơn, hoàn thiện hơn, và tiến hành được những thí nghiệm mới. Chúng ta sẽ học được nhiều về thực tại vật chất. Một số ý tưởng sẽ bị vượt qua, một số vẫn còn lại, một số phát triển xa hơn, một số kết hợp với cái mới.
Những lý thuyết mới phớt lờ bản chất biện chứng của thực tại vật chất - nó làm việc với những khái niệm cố định chết cứng, làm lơ trước những mâu thuẫn hay gạt bỏ đi những mâu thuẫn của vận động - sẽ phải thất bại thảm hại trước những kiểm tra thực nghiệm. Đây là trường hợp của cách luận giải Copenhagen nếu những thí nghiệm của Afshar được xác nhận. Sự tương tác giữa người quan sát và cái được quan sát là nhiều mặt, và tách rời từng mặt ra khỏi nhau hoặc khỏi tổng thể sẽ dẫn đến sai lầm, như trong cái điều thần bí của cách luận giải Copenhagen. Nguyên nhân và kết quả có thể đổi chỗ cho nhau, người quan sát có thể ảnh hưởng đến cái bị quan sát, và cái bị quan sát có thể ảnh hưởng đến người quan sát. Nhưng về cơ bản, ở tại nền tảng, thực tại là vật chất, nó tồn tại, và không được tạo ra bởi hành động quan sát.
Vật chất có cả tính chất sóng và hạt là rất thú vị, nhưng không phải đó là lý lẽ bào chữa cho việc ruồng bỏ thực tại vật chất. Ở thang vi mô chúng ta đã phát triển những khái niệm trừu tượng có thể giúp chúng ta mô tả, hiểu và sử dụng thế giới vật chất ở quanh ta. Chúng ta thấy một viên đá, một (hạt hơi lớn) mẩu của vật chất, và thấy là nó có thể được làm thành một công cụ - hay một vũ khí. Chúng ta thấy sóng trên biển và những con thuyền được xây dựng có thể đi xuyên qua chúng. Tại sao lại là tai họa khi thấy rằng tại thang bậc nhỏ vật chất đôi khi có tính sóng và đôi khi có tính hạt? Một photon đi xuyên qua một khe. Nó đến màn hình, thường là đến nơi vân giao thoa mạnh và không bao giờ tới vân tối. Theo như những kết quả của Afshar (vẫn chưa được công bố) có thể thấy được khe nào photon đi qua - nó là một hạt. Tuy nhiên đường đi của nhiều photon, về trung bình, có thể được xác định bởi hàm sóng - nó là một sóng. Thật thú vị. Có một số điều suy tư. Nhưng làm ơn - không có chuyện sụp đổ hàm sóng hay những quan đường chính yếu nào nữa nhé. Khoa học và công nghệ có thể phát triển chóng mặt với sự hiểu biết sâu sắc hơn, biện chứng, duy vật hơn về cách mà những hiện tượng đó có mặt, và với một sự rõ ràng thống suốt ra khỏi những điều ngu xuẩn thần bí và phản khoa học hiện đang đeo cái mặt nạ "triết học của khoa học".
Các nhà khoa học và kỹ sư tương lai sẽ hiểu thực tại vật chất tốt hơn. Và với công nghệ tương lai con người sẽ lên kế hoạch chung và phát triển, sẽ có thể nâng nhân loại lên trên xa khỏi cuộc đấu tranh cho những nhu cầu của cuộc sống hiện giờ. Tính chất dã man hoang dã của hệ thống tư bản chủ nghĩa, sự bất bình đẳng xấu xa, tất cả tính tàn bạo và hành vi độc ác, sẽ không còn là gì ngoài một ký ức xa xăm khó ưa. Và cũng vậy, giống như một electron chạm vào một màn hình, sẽ làm phai màu đi theo thời gian.
Tháng 7 năm 2005
[1] Đoạn trích lấy từ bài báo gốc của Heisenberg về nguyên lý bất định của ông ta, xuất bản năm 1927 ở tạp chí vật lý Đức Zeitschrift für Physik, tập 43, trang 172-198. Bản dịch tiếng anh có trong Thuyết lượng tử và Phép đo, Wheeler và Zurek, 1983
[2] Thí nghiệm khe đôi của Young, được chứng minh vào 24/11/1803 trước Hiệp hội Hoàng gia London, không thực sự sử dụng một khe đôi, thay vào đó là một tia sáng hẹp được phân ra bởi rìa của một card mỏng, thu được kết quả cũng giống như một khe đôi.
[3] Paul Dirac, Những nguyên lý của cơ học lượng tử, 1930
[4] Paul Dirac, Sự tiến hóa của Bức tranh về tự nhiên của các nhà vật lý, Khoa học Mỹ 208 (5) (1963)
[5] Albert Einstein và Leopold Infeld, Sự tiến hóa của vật lý học, 1938
[6] D C Cassidy và M Baker (eds.), Werner Heisenberg : Tiểu sử về những tác phẩm của ông, 1984
[7] Heisenberg, bài báo về tính bất định, như ở chú thích 1 bên trên.
[8] Ví dụ, trong QED, Lý thuyết kỳ lạ về ánh sáng và vật chất, 1985, Feynman nói ở trang 76, trong một chú thích để giải thích một cách vật chất làm thế nào tính được xác suất bằng cách cộng các hàm sóng lại: "Giữ nguyên tắc này trong đầu sẽ giúp cho sinh viên tránh khỏi bị rối rắm bởi những thứ như ‘sự khử một gói sóng' và những ma thuật tương tự."
[9] Alan Woods và Ted Grant, Lý tính trong sự nổi dậy, 1995
[10] Heisenberg: Những nguyên lý vật chất của Thuyết lượng tử, 1930.
[11] Max Born, một người Đức Do thái và là một người bạn của Einstein, rời Đức vào 1933 để tránh chủ nghĩa bài Xê-mít; ông là ông nội của ca sĩ/diễn viên Olivia Newton-John.
[12] Albert Einstein, Về vật lý lượng tử, 1940
[13] Lý tính trong sự nổi dậy
[14] Như trên
[15] Như trên
Tranh Luận Giữa Bohr Và Einstein Về Cơ Học Lượng Tử
Tranh luận Bohr-Einstein
BOHR KHÔNG THỂ SAI!
Trong Một góc nhìn của trí thức, do tạp chí Tia Sáng và NXB Trẻ ấn hành tháng 4/2001, có bài “Bohr chưa hẳn đã sai!” của
Chu Hảo rất đáng đọc và suy ngẫm. Tuy khá ngắn, chỉ khoảng 1500 chữ,
nhưng bài viết bàn đến vấn đề hệ trọng bậc nhất của khoa học hiện đại,
đó là nguyên lý bất định Heisenberg của thuyết lượng tử. Được biết các
công nghệ dựa trên lý thuyết như chip, đĩa laser, cộng hưởng từ… góp đến
30% tổng sản phẩm quốc gia của Mỹ, nên nếu bài viết được quan tâm thì
cũng không lạ.
Bohr và Einstein
Chắc là tham khảo tạp chí New Scientist, 3/1999, nên tác giả viết: “70 năm sau cuộc tranh luận dữ dội giữa Bohr và Einstein, các nhà vật lý mới chứng minh được rằng Einstein đã đúng”. Và “các
nhà vật lý đã đi đến một kết luận làm kinh hoàng giới khoa học: Nguyên
lý bất định Heisenberg - một trong những tiên đề quan trọng nhất của
thuyết lượng tử - là vô dụng!”. Căn nguyên của sự kinh hoàng đó là
thí nghiệm giao thoa qua hai khe hẹp với chùm nguyên tử được làm lạnh
bằng tia laser đến gần độ không tuyệt đối, nên có bước sóng khá dài để
dễ quan sát ảnh giao thoa, đồng thời có khối lượng khá lớn để không bị
tác động đáng kể vì các xung kích thích làm nhòe hình ảnh giao thoa
(nhằm hạn chế tác động nhiễu loạn kết quả đo). Kết quả là khi không quan
sát, hình ảnh giao thoa xuất hiện, còn khi dùng ánh sáng để quan sát
xem từng hạt nguyên tử chui qua khe nào, ảnh giao thoa lập tức biến mất.
Tác giả lập luận rằng, do nguyên tử trong thí nghiệm có khối lượng lớn
nên không chịu nhiễu loạn kết quả đo, “thế là nguyên lý bất định Heisenberg đã đến hồi cáo chung”. Và “hoàn
toàn từ bỏ khái niệm nguyên lý bất định Heisenberg, nhà vật lý Yu Shi ở
Đại học Cambridge đã giải thích kết quả thí nghiệm trên bằng một khái
niệm hoàn toàn khả tri khác là khái niệm rối lượng tử (entanglement -
các hạt lượng tử dính líu một cách bùng nhùng với nhau)”.
Quả là rất kinh hoàng nếu nguyên lý bất
định trở thành vô dụng. Nếu tính bất định không còn nữa, có nghĩa không
còn sự nhòe lượng tử, vì có thể xác định chính xác mọi đại lượng vật lý
liên hợp (như tốc độ và xung lượng, năng lượng và thời gian…). Khi đó sẽ
không có các hạt ma giúp chân không vật lý trở thành cõi hỗn mang có
thể tạo ra mọi thứ, kể cả bản thân vũ trụ. Cũng không có hiệu ứng chui
ngầm để các nhân hydro tạo thành heli, điều kiện tiên quyết để mặt trời
phát sáng. Rồi sự sống trên trái đất không thể phát sinh và phát triển.
Và cũng không có ai để viết bài cho Tia Sáng. Nhưng “tôi tồn tại” vậy thì nguyên lý bất định không thể sai. Đó không phải là một trong những nguyên lý căn bản nhất của vũ trụ hay sao?
Chỉ về logic hình thức, lập luận của tác giả đã tỏ ra không ổn. Mệnh đề then chốt “Nguyên lý bất định Heisenberg - một trong những tiên đề quan trọng nhất của thuyết lượng tử - là vô dụng!” chứa đầy sự mâu thuẫn. Đã là “tiên đề quan trọng nhất”
thì không thể vô dụng, nếu không toàn bộ học thuyết lấy nó làm nền tảng
cũng trở thành vô dụng. Dường như tác giả muốn thay tính bất định bằng
một đặc tính khác của thế giới vi mô là rối lượng tử. Đáng tiếc tác giả
không cho biết gì thêm ngoài cách diễn giải thiếu chuyên môn là “các hạt lượng tử dính líu một cách bùng nhùng với nhau”.
Có lẽ đa số bạn đọc không hiểu thực chất vấn đề ra sao. Vì thế xin điểm
qua những nét cơ bản nhất của lịch sử thuyết lượng tử trong 100 năm
qua.
Lịch sử thuyết lượng tử:
Trong một bài giảng tại Đại học Cambridge năm 1871, James Clerk Maxwell nhấn mạnh, “trong
ít năm nữa, mọi hằng số vật lý vĩ đại nhất sẽ được lượng giá, và … công
việc duy nhất dành cho giới khoa học là tiến hành đo đạc để xác định
chúng chính xác hơn”. Niềm tin của vật lý cổ điển sụp đổ khi ba
thập kỷ sau, vào ngày 14/12/1900, Max Planck đưa ra công thức phổ phát
xạ của vật đen tuyệt đối, khởi đầu của cuộc cách mạng lượng tử.
Sự lạc quan của Maxwell là có cơ sở. Cơ
học và điện động lực học cổ điển là nền tảng của cuộc cách mạng công
nghiệp, và dường như các phương trình cơ bản của chúng có thể mô tả mọi
hệ vật lý. Tuy nhiên cũng có nét tối trong bức tranh duyên dáng đó. Ví
dụ giá trị tính toán của phổ phát quang vật nóng sáng không phù hợp với
thực tế. Lý thuyết cổ điển tiên đoán cái gọi là tai biến tử ngoại, theo
đó khi nhìn vào chỗ nóng sáng trong bếp lò, ta sẽ mù mắt vì bức xạ tử
ngoại và tia X, điều không xẩy ra trên thực tế.
Năm 1900, Planck khắc phục được khiếm
khuyết nói trên. Tuy nhiên cách lập luận của ông thì kỳ lạ đến mức,
nhiều năm sau đó, ông luôn phản đối nó! Đó là năng lượng chỉ phát xạ
thành từng “bó” hữu hạn, gọi là “lượng tử”. Năm 1905, Albert Einstein
tiến thêm một bước khi giả định, bức xạ chỉ có thể tải năng lượng theo
từng bó (từng photon) như vậy và giải thích được hiệu ứng quang điện,
công trình mang lại giải Nobel.
Vật lý đối mặt với khó khăn lớn khác vào
năm 1911. Ernest Rutheford cho rằng điện tử quay quanh hạt nhân giống hệ
mặt trời thu nhỏ (mẫu hành tinh nguyên tử). Theo lý thuyết điện từ, khi
đó điện tử sẽ liên tục phát năng lượng và rơi vào nhân chỉ trong 10-12
giây. Trên thực tế nguyên tử hydro rất bền vững. Đây là phép tính có
sai số lớn nhất lịch sử vật lý khi tiên đoán thời gian sống của hydro
sai đến 40 bậc!
Năm 1913 Niels Bohr tới Đại học Manchester
làm việc với Rutherford và đưa ra giải thích dựa trên khái niệm lượng
tử. Ông cho rằng moment góc của điện tử thay đổi một cách đặc biệt sao
cho chúng chỉ ở những quỹ đạo xác định. Điện tử chỉ phát năng lượng
(photon) khi nhảy vào quỹ đạo phía trong có năng lượng thấp hơn. Hydro
chỉ có một điện tử ở lớp trong cùng nên không thể nhảy về lớp thấp hơn
và đó là lý do nó bền.
Lý thuyết Bohr cũng giải thích được quang
phổ vạch của hydro. Nó dùng được cho heli, nhưng chỉ khi bớt một trong
hai điện tử. Trở về Copenhagen, Bohr nhận thư Rutherford khuyên công bố
kết quả. Bohr trả lời không ai tin nếu chưa giải thích được quang phổ
của mọi nguyên tố. Rutherford đáp: Bohr, anh giải thích hydro và giải
thích heli, vậy mọi người tin anh.
Mặc những thành công ban đầu của ý tưởng
lượng tử, giới vật lý vẫn chưa biết điều gì tạo nên vẻ kỳ lạ và cái gì
là quy luật nền tảng của nó. Dường như nó thiếu một nguyên lý dẫn đường.
Năm 1923, Louis de Broglie đề xuất giải pháp trong luận án tiến sĩ:
điện tử và các hạt khác hành xử như những sóng đứng, giống như dao động
của dây đàn guitar. Các sóng này chỉ xuất hiện với tần số cụ thể (lượng
tử hóa) nào đó. Ý tưởng khác thường đến mức, hội đồng giám khảo phải hỏi
ý kiến giới khoa học. Khi Einstein ủng hộ, luận án được chấp nhận.
Tháng 11/1925, Erwin Schrodinger trình bày
seminar về quan niệm đó tại Zurich. Khi kết thúc, Peter Debye hỏi: Ông
nói về sóng, vậy phương trình sóng đâu? Rồi Schrodinger đưa ra phương
trình sóng mang tên ông, một trong những nguyên lý nền tảng nhất của vật
lý hiện đại. Giai thoại kể ông “ngộ” ra nó khi đang tập yoga! Cùng lúc
đó Max Born, Pascual Jordan và Werner Heisenberg đưa ra phương trình
tương tự dưới dạng ma trận. Với nền tảng toán học đó, lý thuyết lượng tử
phát triển nhảy vọt. Chỉ trong ít năm, giới vật lý giải thích được hàng
loạt kết quả đo đạc, gồm phổ các nguyên tử phức tạp và tính chất các
phản ứng hóa học.
Nhưng tất cả chứng tỏ cái gì? Thực chất
cái gọi là “hàm sóng” trong phương trình Schrưdinger là gì? Đó là vấn đề
gây bối rối cho đến tận hôm nay.
Born cho rằng, hàm sóng cần được giải
thích theo ngôn ngữ xác suất. Khi xác định vị trí điện tử, xác suất tìm
thấy nó tại một vùng phụ thuộc vào giá trị hàm sóng tại đó. Bằng lập
luận này Born đã xem ngẫu nhiên là thuộc tính căn bản của tự nhiên. Vấn
đề càng được khẳng định khi Heisenberg đưa ra nguyên lý bất định, cho
rằng không thể xác định chính xác đồng thời các đại lượng vật lý liên
hợp, được quy định trong giới hạn của hằng số Planck. Mặc dù ủng hộ quan
điểm lưỡng tính sóng hạt, nhưng khi nó dẫn tới tính bất định, Einstein
lại là người đầu tiên phản đối. Ông ưa thích một vũ trụ tất định, thể
hiện qua câu nói nổi tiếng: “Tôi không thể tin là Chúa chơi trò xúc sắc”. Bohr đáp: “Einstein, xin ngừng kể với Chúa, cái gì người có thể, cái gì không!”. Trong cuộc tranh luận nổi tiếng kéo dài 25 năm về bản chất hiện thực đó, Bohr được xem là người thắng cuộc.
Trong số bảy nhà khoa học đặt nền tảng cho
thuyết lượng tử (Planck, Einstein, Bohr, de Broglie, Schrodinger, Born
và Heisenberg), Planck luôn phản đối khái niệm lượng tử; Einstein và
Schrưdinger tuy công nhận tính lưỡng nguyên nhưng công kích tính bất
định, một đặc điểm bắt nguồn từ chính lưỡng tính đó! Không có gì lạ khi
lý thuyết gây bất đồng cho đến tận hôm nay.
Rối lượng tử là gì?
Để phản đối cách giải thích thực tại mang
tính xác suất của cơ học lượng tử, cùng Boris Podonsky và Nathan Rosen,
Einstein đề xuất một thí nghiệm tưởng tượng vào năm 1930, được khoa học
gọi là nghịch lý EPR (tên tắt của ba người).
Hãy tưởng tượng một hạt phân rã thành hai
photon A và B, mà do tính đối xứng, phải bay về hai hướng ngược nhau.
Nếu dùng dụng cụ đo kiểm tra thấy A bay về hướng đông thì B phải bay về
hướng tây. Mọi việc diễn ra đúng như mong đợi.
Tuy nhiên đó là chưa nói đến tính bất định
của thế giới vi mô. Theo thuyết lượng tử, A không thể có hướng xác định
trước khi được đo đạc, vì với bản chất sóng, nó không thể lấy bất cứ
hướng nào. Chỉ khi tương tác với đầu đo, hàm sóng của nó mới “suy sụp”: A
biến thành hạt và bay về hướng đông. Einstein lập luận, nếu A không
“biết” nó bay về hướng nào trước khi đo thì làm sao B có thể “đoán”
trước hướng của A để bay về hướng ngược lại? Ba tác giả kết luận, trước
khi xuất phát A đã “biết” hướng bay và thông báo để B chọn hướng phù
hợp, độc lập với việc có quan sát chúng hay không. Điều đó chứng tỏ thực
tại không tuân theo các quy luật xác suất và Chúa không chơi xúc sắc.
Tuy nhiên thực nghiệm không ủng hộ
Einstein. Trên thực tế, trước đo đạc, hạt ở đồng thời nhiều hướng khác
nhau, và hành trạng của hạt là chồng chất của chúng (nguyên lý chồng
chất); Chúa chơi xúc sắc và thế giới vi mô phụ thuộc vào hành vi quan
sát. Đó là lý do của cái tên nghịch lý EPR.
Cách giải quyết nghịch lý là đưa ra khái niệm rối lượng tử. Đó không phải là “các hạt lượng tử dính líu một cách bùng nhùng với nhau”, mà là tính chất gắn kết thế giới vi mô bằng một tương tác bí ẩn, được Einstein gọi là “tương tác xa kỳ lạ”
(spooky action-at-a-distance). Hãy hình dung qua ví dụ khập khiễng: giả
sử cặp tình nhân chia tay nhau để bay đến hai thiên hà đối xứng qua
Trái Đất. Tại thiên hà X, nếu người ngoài hành tinh xác định được giới
tính vị khách là nam thì ngay lập tức họ cũng biết vị khách tại thiên hà
Y là nữ, mà không cần bay đi kiểm tra. Đó là vì hai người gắn bó bằng
một lời hẹn ước. Rối lượng tử chính là “lời hẹn ước” gắn kết các hạt vi
mô với nhau, dù chúng xa nhau hàng triệu năm ánh sáng. Và đó là lý do để
nói vũ trụ là thể thống nhất ở thang bậc vi mô (trong khi con lắc
Foucault hay quán tính là lý do để nói vũ trụ thống nhất ở thang vĩ mô).
Vì vũ trụ là thống nhất, là không cục bộ (nonlocal), nên nếu A lấy
hướng đông sau phép đo thì tức khắc B lấy hướng tây, vì A và B không
chia tách, mà gắn bó một cách “rối lượng tử” với nhau.
Thí nghiệm giao thoa qua hai khe:
Khi cho chùm sáng đi qua hai khe hẹp song
song trên một màn chắn, theo nguyên lý Huyghens, hai khe sẽ trở thành
các nguồn sáng kết hợp và tạo ảnh giao thoa trên màn thứ hai, với các
vân sáng và tối xen kẽ, tùy thuộc hai nguồn sáng tăng cường hay triệt
tiêu nhau. Khi xem các hạt vi mô có lưỡng tính sóng hạt, thí nghiệm giao
thoa được dùng để kiểm chứng với nhiều đối tượng khác nhau: điện tử,
nguyên tử, phân tử nhỏ và mới đây là một bó 60 nguyên tử. Thậm chí Anton
Zeilinger còn thử nghiệm với một virus. Chúng đều chứng tỏ thuyết lượng
tử là đúng đắn. Lưỡng tính sóng hạt và tính bất định của thế giới là
một thực tế khách quan, bất kể ta có thích hay không. Nguyên lý bất định
Heisenberg không bao giờ cáo chung như bài viết của Chu Hảo lầm tưởng.
Đầu những năm 1990, nhờ tiến bộ công nghệ
dựa trên chính thuyết lượng tử, người ta tạo được nguồn phát và đầu đo
đơn photon để kiểm tra thí nghiệm trong trường hợp cực hạn: gửi từng
photon tới màn chắn, với giả định nó chỉ qua một khe nên không tạo giao
thoa. Tuy nhiên ảnh vẫn xuất hiện, vì do lưỡng tính mà photon hành xử
như sóng nên đồng thời qua cả hai khe. Một photon cũng tạo ảnh, vì nó
giao thoa với chính nó.
Thú vị là khi đặt đầu đo xác định xem
photon đó thực sự qua khe nào, ảnh giao thoa biến mất. Đó không phải do
hành vi quan sát đã “cung cấp cho hạt những kích động xung lượng hỗn độn, không kiểm soát được”, và “như vậy ảnh “giao thoa” bị nhòe đi”
nên không có giao thoa như cách hiểu của tác giả. Nói như thế có nghĩa
quan sát tạo nên tính bất định, trong khi nó là bản chất nội tại của thế
giới. Theo trường phái Copenhagen mà Bohr là chủ soái, hành vi quan sát
làm hàm sóng photon thay đổi đột ngột hay “suy sụp” về một giá trị cụ
thể (vừa đo). Khi đó photon hành xử như hạt nên không thể đồng thời qua
cả hai khe như khi không quan sát (lúc nó hành xử như sóng), do đó không
có sự giao thoa.
Tóm lại bất kể hạt là photon, điện tử,
nguyên tử hay bó nhiều nguyên tử, khi qua hai khe, chúng đều giao thoa.
Đó là sự khẳng định lưỡng tính sóng hạt, bản chất xác suất hay tính bất
định của thế giới. Còn khi tiến hành quan sát, vì một lý do nào đó, sự
giao thoa biến mất. Nói cách khác thí nghiệm giao thoa đóng vai cầu nối
giữa tính bất định của thế giới vi mô với tính không bất định của cuộc
sống hàng ngày (có bao giờ ta thấy một cái ghế ở hai chỗ cùng lúc đâu!).
Và đó là bí ẩn dẫn tới nhiều cách giải thích bản chất thuyết lượng tử.
Ba trường phái tư tưởng:
Để tiện nắm bắt các ý tưởng chủ yếu về bản
chất học thuyết, ta dùng ví dụ về đồng xu lượng tử, mà khi tung lên sẽ
rơi sấp hay ngửa. Theo thuyết lượng tử, xu rơi sấp và ngửa cùng lúc,
điều được gọi là sự chồng chất. Trên thực tế không thể thực hiện điều đó
với đồng xu thật; nhưng với điện tử, nguyên tử và các đối tượng lớn
hơn, thực nghiệm khẳng định chúng có thể đồng thời ở nhiều trạng thái
lượng tử. Vậy tại sao không thấy điều tương tự trong cuộc sống hàng
ngày, không thấy đồng xu vừa sấp vừa ngửa? Đó là bí ẩn lớn nhất và dai
dẳng nhất của cơ học lượng tử. Trong nhiều thập kỷ, giới vật lý đã đưa
ra nhiều cách giải thích, bao gồm giải đoán Copenhagen, giả thuyết nhiều
thế giới và lý thuyết khử kết hợp (decoherence).
Giải đoán Copenhagen:
Ý tưởng của trường phái Copenhagen là khi
quan sát hay đo đạc sự chồng chất lượng tử, ta chỉ ngẫu nhiên nhìn thấy
một trong các trạng thái, với xác suất do hàm sóng quy định. Ưu điểm của
ý tưởng là kết quả đo chỉ có một (đồng xu sấp hay ngửa), phù hợp với
thực tế mà ta thấy. Nhược điểm là hàm sóng phải thay đổi đột ngột hay
suy sụp, nhưng phương trình sóng lại không cho biết khi nào. Nói chung
giới vật lý chấp nhận ý tưởng, cho dù nó vi phạm tính liên tục và trơn
của phương trình Schrưdinger. Đó là lý do của tuyên bố: quan sát tạo nên
thực tại.
Giả thuyết nhiều thế giới:
Giữa những năm 1950, trong luận án tiến sĩ
tại Đại học Princeton, Hugh Everett suy rộng sự chồng chất vi mô sang
chồng chất vĩ mô. Ông giả định đồng xu lượng tử ở hai trạng thái cùng
lúc; và người quan sát là chồng chất của hai trạng thái tinh thần, một
trạng thái thấy xu rơi sấp, một trạng thái thấy xu rơi ngửa. Ưu điểm của
ý tưởng là phương trình sóng không bao giờ suy sụp, còn nhược điểm nằm ở
tính kỳ dị của nó.
Ý tưởng nhanh chóng phổ biến với tên gọi giả thuyết nhiều thế giới,
vì mỗi thành phần tâm trí đều có cái nhìn thế giới riêng. Khi thấy đồng
xu rơi sấp, theo Everett, không nên quên ngoài thế giới đó, còn một thế
giới khác mà ở đó đồng xu rơi ngửa. Và hai thế giới này hoàn toàn không
biết và không can thiệp lẫn nhau.
Lý thuyết khử kết hợp:
Công trình Everett để lại một số vấn đề
cần giải quyết. Một trong số đó là, nếu thế giới có các chồng chất vĩ
mô, tại sao ta không thấy chúng?
Câu trả lời được đưa ra trong seminar năm
1970 của H. Dieter Zeh của Đại học Heidelberg. Ông cho rằng phương trình
Schrưdinger dẫn tới một hiệu ứng được gọi là khử kết hợp (decoherence),
vì sự chồng chất lý tưởng được gọi là chồng chất kết hợp. Cùng một số
nhà khoa học khác, Zeh thấy chồng chất lý tưởng chỉ duy trì được khi
chúng hoàn toàn cô lập với môi trường. Khi đồng xu được tung lên và được
quan sát, do tương tác với phân tử không khí và photon nên chồng chất
kết hợp biến mất (khử kết hợp). Đó là lý do ta không thấy trạng thái
chồng chất lượng tử trong cuộc sống hàng ngày, vì khác thế giới vi mô,
rất khó cách ly các thực thể vĩ mô với môi trường.
Còn một số cách giải thích khác như trường phái Princeton,
khi John Wheeler (thầy giáo của Everett và Feynman) xem ý thức con
người sáng tạo ra hiện thực khi quan sát nó. Không có ý thức thì không
có vũ trụ! Schrưdinger ủng hộ quan điểm này, vì nó phù hợp với triết lý
kinh Vệ đà mà ông ưa thích. Rồi trường phái California ít nổi tiếng hơn của Jack Sarfatti, với tên gọi phong trào “vật lý và ý thức”.
Nó tìm kiếm cơ sở cho các hiện tượng dị thường (như ngoại cảm) trong
giả thuyết nhiều thế giới. Cũng không nên quên quan điểm của Feynman,
nhà vật lý Mỹ đoạt giải Nobel vì công lao xây dựng điện động lực học
lượng tử. Ông cho rằng tìm kiếm ý nghĩa sâu sắc hơn của thuyết lượng tử
là một ngõ tối, mà phía cuối không phải là sự khai sáng mà là sự điên
loạn!
Rõ ràng học thuyết lượng tử chưa đạt tới
giới hạn cuối cùng và đó là lý do cần mở rộng đôi mắt. Tuy nhiên nền
tảng căn bản nhất của nó là nguyên lý bất định thì không bao giờ vô
dụng. Và Bohr thì không thể sai.
Đăng trên Tia Sáng 3/2002
BẤT ĐỊNH vs XÁC ĐỊNH?
QUE SAIS-JE? (Montaigne)
Khoa học là gì, nếu không phải
những quy luật xác định mô tả thế giới, nhờ đó ta có thể tiên đoán tương
lai hoặc quá khứ? Nhưng thế giới là xác định hay bất định? Nếu thế giới
là bất định thì khoa học có còn là khoa học nữa hay không? Hay ta phải
thay đổi quan niệm về chính cái gọi là khoa học? Những câu hỏi này đưa
ta tới triết học nhiều hơn là khoa học, buộc ta phải trầm tư suy ngẫm.
Trạng thái này làm tôi liên tưởng tới bức tượng bất hủ Penseur của
Rodin. Mỗi chúng ta là một penseur, nếu chúng ta muốn trả lời những câu
hỏi loanh quanh nói trên …
Khi tiếp xúc với thơ văn, tôi thường hay bị ám ảnh bởi những ý thơ, ý
văn mông lung bất định. Chẳng hạn, mấy vần thơ sau đây của nhà thơ
Trương Vĩnh Tuấn (trong tập Ru Em):Cứ như một ngọn gió lành
Thổi vào anh, thổi vào anh, ngỡ ngàngLàm rơi những chiếc lá vàng
Rơi chùm nắng đoái xiên ngang trời chiều
Gió không nâng nổi cánh diều
Cho con sông với cầu Kiều bâng khuâng …
Cái bất định ấy thường gợi mở và đưa ta đến một thế giới giầu suy tư triết lý, hướng nội và nhân bản. Đó là cái thú của nghệ thuật, văn chương mà nhiều lĩnh vực khác của nhận thức không chắc gì có được.
Như trong khoa học chẳng hạn, bạn chỉ có một luật chơi: Xác định!
“Không đúng! Vật lý đã khám phá ra nguyên lý bất định đó thôi”, một người lên tiếng phản đối.
Vâng, hành tung của các hạt lượng tử thì bất định, nhưng lý thuyết khoa học nói về cái bất định đó vẫn phải được phát biểu một cách xác định, sao cho mọi người hiểu một cách chính xác, thống nhất như nhau. Chẳng phải nguyên lý bất định lượng tử được trình bầy bởi một công thức toán học xác định đó sao?
Thế đấy, khu vườn kỳ lạ của thơ văn mà ở đó các nhà thơ, nhà văn tha hồ phóng túng bay bổng thì lại là khu cấm địa của khoa học.
1-Luật chơi của khoa học là cái xác định:
Trước khi cơ học lượng tử ra đời, tất cả những gì dính dáng đến khoa học đều là xác định: khoa học là tập hợp những nhận thức của loài người về thế giới Tự Nhiên và sự nhận thức đó phải được thể hiện dưới dạng những định luật chính xác, rõ ràng. Mức độ chính xác, rõ ràng của một lĩnh vực nói lên chất lượng khoa học cao hay thấp của lĩnh vực đó.
Toán học được coi là có chất lượng khoa học cao nhất, lý lẽ của nó được coi là chính xác nhất, rõ ràng nhất. Còn gì rõ ràng và chính xác bằng 2 + 3 = 5? Do đó, mức độ áp dụng toán học trong mỗi lĩnh vực khoa học cụ thể cũng được nhiều người coi là thước đo chất lượng khoa học của lĩnh vực đó. Chẳng hạn, chất lượng khoa học của vật lý được coi là chỉ đứng sau toán mà thôi, và không biết tự bao giờ đã hình thành một thứ tự chất lượng khoa học như sau: toán học, vật lý học, hoá học, sinh học, kinh tế học, v.v…
Tất nhiên bạn có thể không tán thành cách sắp xếp thứ tự đó nếu bạn không tán thành lấy toán học làm thước đo chất lượng khoa học. Mặt khác, tuỳ theo sự phát triển của mỗi lĩnh vực trong từng thời kỳ, thứ tự sắp xếp trên có thể thay đổi. Chẳng hạn, chất lượng khoa học của kinh tế học có thể sẽ vượt hoá học và sinh học, vì kinh tế học hiện đại ngày càng phải sử dụng đến nhiều công cụ toán học rất phức tạp. Nhưng trong mọi trường hợp, các nhà toán học luôn luôn cảm thấy được an ủi bởi sự suy tôn của người đời rằng “toán học là ông hoàng của các khoa học”!
Một số người sùng bái thước đo toán học đến mức tuyên bố rằng sinh học trước Mendel không phải là một khoa học, bởi vì toán học chỉ có mặt trong sinh học kể từ các nghiên cứu di truyền của Gregory Mendel.
Karl Marx cũng nhấn mạnh đến vai trò của toán học trong các khoa học. Bộ Tư Bản của ông được coi là một cột mốc để đánh dấu thời điểm kinh tế học thực sự trở thành một khoa học, bởi vì đó là lần đầu tiên các quy luật kinh tế được mô tả một cách định lượng. Tuy nhiên, phải đợi mãi đến năm 1969 mới có giải thưởng Nobel đầu tiên về kinh tế học. Phải chăng vì đến lúc đó kinh tế học mới thực sự sử dụng nhiều phân tích toán học?
Một số người không công nhận Kinh Dịch là một khoa học thực sự, vì các nguyên lý của nó không được định lượng bằng các công thức chính xác của toán học. Một số nhà toán học đã cố gắng toán học hoá Kinh Dịch, nhưng hình như công trình của họ không nhận được sự chú ý của đông đảo các nhà khoa học. Phải chăng vì những trình bầy toán học đó chưa đủ thuyết phục? Một số người khác nói rằng ý đồ toán học hoá Kinh Dịch là không tưởng, vì bản thân ý đồ đó thể hiện sự thiếu hiểu biết đối với bản chất các tư tưởng Đông Phương.
Gần gũi hơn, tư tưởng về cái xác định có thể tìm thấy nhan nhản ngay trong môn toán của học sinh phổ thông. Các em thường xuyên phải tìm “Tập Xác Định” của các hàm số mà các em phải đối mặt. Toán học của các em không chấp nhận phép chia cho số 0, vì kết quả hoặc vô nghĩa, hoặc bất định. Toán học rất “sợ” cái Bất Định!
Trong thiên văn học cũng vậy, người ta không thể chấp nhận những tiên đoán “nước đôi”. Thí dụ, đến một ngày giờ nhất định nào đó, một thiên thể nhất định nào đó sẽ phải xuất hiện tại một vị trí nhất định nào đó trên bầu trời. Các lý thuyết thiên văn phải làm sao tiên đoán được chính xác vị trí đó, thay vì tiên đoán hoặc nó ở đây, hoặc nó ở kia. Trên thực tế, thiên văn học thế kỷ 19 đã đạt được nhiều kỳ tích. Thành tựu nổi tiếng nhất phải nhắc đến là công trình của Urbain Leverrier tiên đoán sự tồn tại và vị trí của Hải vương tinh – Neptune – một hành tinh trong Hệ Mặt Trời mà trước đó chưa từng được biết. Thực nghiệm thiên văn đã xác nhận tiên đoán của Leverrier là hoàn toàn chính xác. Thắng lợi của thiên văn học đã làm cho nhân loại vừa khâm phục vừa tin tưởng tuyệt đối vào khoa học. Trên đà thắng lợi, Pierre Simon Laplace đã đưa ra một lý thuyết nói rằng nếu biết trước trật tự của Vũ trụ tại một thời điểm nhất định, khoa học có thể tiên đoán được một cách chính xác trật tự của Vũ Trụ tại bất kỳ một thời điểm nào khác. Lý thuyết này được gọi là “Chủ nghĩa tất định Laplace” (Laplace’s Determinism). Mọi tính toán của lý thuyết này đều dựa trên các định luật của Cơ học Newton – một khoa học về chuyển động và tương tác giữa các vật thể trong không gian dưới dạng những công thức toán học chính xác. Tất nhiên những dự đoán của Laplace phải dựa trên một giả thiết cơ bản cho rằng những định luật ràng buộc Vũ Trụ hôm nay sẽ mãi mãi đúng. Nói cách khác, các định luật của Vũ trụ là bất biến – Vũ trụ bị ràng buộc bởi những định luật xác định. Vì thế, chủ nghĩa tất định Laplace là sự phát triển tư tưởng xác định trong khoa học tới đỉnh cao chưa từng có.
Tuy nhiên, đỉnh cao nhất của tư tưởng này là Albert Einstein.
2-Chúa không chơi trò súc sắc:
Năm 1921, trong dịp đầu tiên đến thăm nước Mỹ, khi nghe thấy tiếng đồn rằng người ta đã khám phá ra ether, Einstein lập tức phản ứng bằng một câu nói bất hủ: “Chúa rất khôn ngoan tinh tế, nhưng Ngài không ranh mãnh” (Rafinert ist der Herr Gott, aber boshsaft ist er nich). Phản ứng của Einstein là tất yếu, vì nếu quả thật có ether thì Thuyết Tương Đối Hẹp của ông sẽ bị sụp đổ. Tại sao vậy?
Trong thế kỷ 19, các nhà khoa học cho rằng tồn tại một loại vật chất đặc biệt lấp kín không gian Vũ Trụ, được gọi là ether, để làm môi trường trung gian cho ánh sáng truyền qua (giống như dòng điện cũng phải có một môi trường để đi qua). Nếu quả thật như thế thì ánh sáng truyền theo hướng thuận chiều quay của Trái Đất và theo hướng ngược lại phải có tốc độ khác nhau (theo nguyên lý cộng tốc độ của Cơ học Newton). Nhưng thí nghiệm đo tốc độ ánh sáng của Michelson cuối thế kỷ 19 lại cho một kết quả hoàn toàn khác: tốc độ ánh sáng không thay đổi đối với mọi hệ quy chiếu. Sự thật này trước hết bác bỏ giả thuyết ether.
Với trực giác thiên tài, thay vì nghi ngờ kết quả thí nghiệm của Michelson, Einstein lại tin chắc rằng vận tốc không đổi của ánh sáng là một đặc trưng kỳ lạ của Tự Nhiên mà trước đó nhân loại chưa nhận thức được, và do đó phải xét lại toàn bộ vật lý Newton từ những khái niệm nền tảng về không gian và thời gian. Đó chính là xuất phát điểm để ông xây dựng nên Thuyết Tương Đối Hẹp năm 1905, trong đó nguyên lý ánh sáng có vận tốc không đổi được coi như một tiên đề nền tảng. Lý thuyết này đã tạo nên một cuộc cách mạng vể nhận thức chưa từng có, đến nỗi Max Planck đã phải thốt lên ngay từ hồi bấy giờ rằng “Nếu lý thuyết của Einstein đúng, mà tôi nghĩ rằng nó đúng, thì ông sẽ là một Copernicus của thế kỷ 20” (Copernicus là một bác sĩ, thầy tu người BaLan đã nêu lên Thuyết Nhật Tâm, khẳng định Mặt Trời là trung tâm của Thái Dương Hệ, thay vì coi Trái Đất là trung tâm như quan niệm của Thuyết Địa Tâm đã ngự trị từ hàng ngàn năm trước đó).
Nếu quả thật có ether thì suy ra thí nghiệm của Michelson không đúng, và lập tức lý thuyết của Einstein cũng sụp đổ theo. Nhưng Einstein tự tin đén mức khẳng định rằng đó chỉ là tưởng tượng.
Chẳng bao lâu sau, ông lại đưa ra một tuyên ngôn tương tự, nhưng lần này còn bất hủ hơn: “Chúa không chơi trò súc sắc” (God does not play dice!), để chống lại Cơ Học Lượng tử với Nguyên Lý Bất Định của Werner Heisenberg.
Vâng, nếu con súc sắc là biểu tượng của cuộc đỏ đen, may rủi, bất định, thì Chúa của Einstein không chơi trò đỏ đen! Chúa của ông là Đấng sáng Tạo của Vũ trụ – người ban hành những định luật xác định buộc tất thẩy những gì hiện hữu trong Vũ Trụ đều phải tuân theo. Nhiều lúc ông gọi Chúa của mình là Ông Cụ (The Old One), và khát vọng cháy bỏng trong tâm can ông là “hiểu được ý nghĩ của Ông Cụ” như ông thường nói trên cửa miệng, tức là khám phá ra những định luật xác định thống trị một phần hoặc toàn bộ Vũ Trụ.
Thiên tài có một không hai của ông đã giúp ông thoả mãn một phần khát vọng đó: hàng loạt khám phá vĩ đại đã đưa ông lên vị trí một trong những bộ óc thông minh nhất của nhân loại, nhân vật số 1 của thế kỷ 20. Ông là con người của huyền thoại.
Tất cả những khám phá của ông đều thể hiện rõ tính xác định của các định luật tự nhiên, kể cả Thuyết Thương Đối Hẹp lẫn Thuyết Tương Đối Tổng Quát. Đôi khi có người hiểu tính tương đối như một cái gì đó “thiếu chính xác” của Tự nhiên. Đó là một nhầm lẫn lớn, vì thuyết tương đối là một lý thuyết xác định cho phép tiên đoán một cách chính xác các hiện tượng thiên văn, vũ trụ. Sự chính xác trong các tiên đoán đạt tới mức kinh ngạc, điển hình là tiên đoán vị trí của các ngôi sao ở gần Mặt trời trên bản đồ thiên văn trong các kỳ nhật thực, để từ đó xác định được chính xác độ lệch của tia sáng khi nó đi ngang qua gần Mặt Trời.
Trong khoa học, nếu coi tư tưởng xác định là cổ điển, tư tưởng bất định là hiện đại, thì Einstein là con người cổ điển bậc nhất, bảo thủ bậc nhất, mặc dù ông luôn luôn là biểu tượng vĩ đại nhất của tư tưởng cách mạng trong khoa học. Trong suốt cuộc đời, kể cả trước lúc ra đi, không bao giờ ông công nhận nguyên lý bất định của Cơ Học Lượng tử.
Einstein là người ngoan cố và tự ái quá chăng?
Không, trong đời đã có lúc ông phạm sai lầm trong học thuật nhưng khi nhận thấy mình sai, ông đã khảng khái công bố trên báo chí rằng ông đã sai (trường hợp tranh luận với Alexander Friedman về vũ trụ giãn nở). Nhưng với Nguyên Lý Bất Định, không bao giờ ông cho rằng mình sai. Theo ông, nguyên lý này chỉ thể hiện sự bất lực của khoa học trong việc khám phá ra những quy luật xác định trong thế giới lượng tử mà thôi.
Nguyên Lý Bất Định đại ý nói rằng bạn không thể nào tiên đoán được vị trí chính xác của một hạt lượng tử tại một thời điểm cho trước giống như nhà thiên văn tiên đoán được vị trí chính xác của một ngôi sao tại một thời điểm cho trước. Einstein không đồng ý với kết luận đó. Theo ông, nếu vật lý không tiên đoán được chính xác kết quả, thì không phải vì bản chất bất định của thế giới lượng tử, mà chẳng qua vì vật lý chưa làm tròn bổn phận của mình. Ông đã cố gắng “bịa ra” rất nhiều thí nghiệm tưởng tượng để chứng minh Nguyên Lý Bất Định sai.
Nhưng không may cho ông, Niels Bohr, người bảo vệ khổng lồ của Nguyên Lý bất Định, đã “ăn miếng trả miếng” đâu ra đấy mỗi khi Einstein tung các thí nghiệm tưởng tượng của mình ra. Trong nhiều cuộc “tranh hùng” giữa hai thiên tài này, nói chung Einstein thua, nhưng ông chỉ coi đó là cái thua tạm thời. Ông vẫn quyết chí phục thù. Rất tiếc ông đã phải ra đi trong lúc chưa khuất phục được trường phái bất định.
Nhưng lịch sử cho thấy đến nay cũng chưa ai dám tuyên bố rứt khoát rằng Einstein đã sai, mặc dù Cơ Học Lượng Tử đã liên tiếp đạt được những chiến công vang dội, thu phục được hầu hết trái tim và khối óc của các nhà vật lý. Phải chăng vì uy tín của Einstein khổng lồ đến mức mọi người đều e ngại khi phải va chạm với một “ông thánh khoa học”? Thực ra không hẳn như vậy. Bằng chứng là vẫn có những trường phái vật lý hiện nay tin rằng Einstein đúng, Nguyên Lý Bất Định sai. Thật vậy, chẳng hạn nhóm nghiên cứu của Gerhard Rempe tại Đại học Konstanz ở Đức, vẫn đang tiếp tục những thí nghiệm nhằm chứng minh Einstein đúng, trong đó chỉ ra rằng cái gọi là bất định thực ra chỉ là biểu hiện của một quy luật khác ít được nhắc đến: Quy luật “rối lượng tử” (quantum entanglement)[1]. Tuy nhiên, vật lý hiện đại đã chọn một giải pháp “dĩ hoà vi quý”: Thay vì tiếp tục để cho hai trường phái xác định và bất định “đối đầu”, người ta đang tìm mọi cách để hoà hợp hai tư tưởng đó lại với nhau: Kết hợp Thuyết Tương Đối Tổng Quát của Einstein (lý thuyết cao nhất của tư tưởng xác định) với Cơ Học Lượng tử của Heisenberg (lý thuyết cao nhất của tư tưởng bất định) thành một lý thuyết chung, gọi là Lý Thuyết về Mọi Thứ (Theory of Everything).
Đó là sự kết hợp giữa hai cực đối lập. Nếu hai cực này chỉ là hai cực “trái ngược” nhau mà thôi, thì tuyên ngôn bất hủ của Niels Bohr có thể sẽ là một gợi ý dẫn đường: “Trái ngược không phải là mâu thuẫn, mà chúng bổ xung cho nhau”. Nhưng nếu hai cực này là hai cực mâu thuẫn với nhau, thì e rằng sự kết hợp là bất khả (impossible). Đông học nói: Âm Dương đối lập nhưng hoà hợp trong Thái Cực. Phải chăng sự kết hợp lý thuyết của Einstein với lý thuyết của Heisenberg chính là tham vọng biết được Thái Cực, tức là tham vọng biết hết Trời-Đất. Tham vọng này e rằng có thái quá không?
Trong khi tôi còn bán tín bán nghi thì đùng một cái, một khám phá lớn gần đây được công bố rầm rộ trên báo chí, sách vở, internet, trong đó tác giả đưa ra một tuyên bố trái ngược với tuyên ngôn của Einstein: “Chúa không chỉ chơi trò đỏ đen trong Cơ Học Lượng Tử, mà ngay cả trong nền tảng của toán học!”. Đó là một đòn choáng váng đối với chủ nghĩa xác định trong khoa học. Tác giả của tuyên bố đó là Gregory Chaitin, nhà toán học nổi tiếng của Tổ hợp IBM.
3-Số Omega và hiện thực ngẫu nhiên:
Tháng 07-2003, một Hội nghị quốc tế về khoa học computer đã diễn ra tại Dijon, Pháp. Trong hội nghị này, một nhà khoa học Úc gốc Việt, giáo sư Kiều Tiến Dũng tại Đại học Swinburne, Melbourne, Australia, đã trình bầy một báo cáo về một khám phá mới của ông liên quan đến một con số kỳ lạ, được gọi là số Omega, ký hiệu: W.
Mở đầu báo cáo, giáo sư Kiều viết: “Một trong những công trình nghiên cứu gây ngạc nhiên lớn nhất trong khoa học tính toán gần đây là sự khám phá ra số W, thông qua một nhánh của Lý thuyết thông tin thuật toán”.
Thật vậy, sự khám phá ra W đã gây nên một cú sốc lớn trong giới khoa học, bởi lẽ nó cho thấy toán học không phải là một hệ thống xác định như người ta vẫn tưởng, mà hoá ra cũng chứa đựng tính ngẫu nhiên giống như trong Cơ Học Lượng Tử. Vậy W là gì?
Đó là một con số do Gregory Chaitin tìm ra cách đây không lâu, dựa trên việc phát triển Định Lý Bất Toàn (Theorem of Incompleteness) của Kurt Godel và Sự Cố Dừng (The Halting Problem) của Alan Turing.
Định lý Godel khẳng định rằng mọi hệ logic khép kín đều không đầy đủ (bất toàn), và rằng trong toán học tồn tại những định lý đúng nhưng không thể chứng minh (unprovable). Một biểu hiện cụ thể của Định Lý Bất Toàn là Sự Cố Dừng: Không thể đoán trước được một chương trình computer liệu có thể bị dừng hoặc chạy vòng quanh mãi mãi hay không.
Từ bài toán của Turing, Chaitin đặt vấn đề:
Hãy tính xác suất để một chương trình computer được chọn ngẫu nhiên trong số những chương trình có thể có sẽ bị dừng là bao nhiêu?
Chaitin gọi xác suất đó là Omega. Rõ ràng W tồn tại, bởi vì trong thực tế, một chương trình có khả năng sẽ bị dừng, hoặc không. Khả năng đó chính là W. Theo định nghĩa xác suất, W là một số thực biến thiên trong khoảng giữa 0 và 1: 0 < W < 1. Tuy nhiên chúng ta sẽ không bao giờ biết W bằng bao nhiêu, vì theo Sự Cố Treo Máy của Turing, không thể đoán trước được một chương trình có bị dừng hay không.
Tóm lại, W là một con số có thật, nó hiện hữu, nhưng không thể tính được, hoặc không thể biết được. Không tồn tại bất kỳ một thuật toán nào cho phép xác định được các chữ số của W. Nếu viết trong hệ nhị phân, W sẽ là một dãy vô hạn các chữ số 0 và 1. Nếu cho số 0 tương ứng với một đồng xu sấp, số 1 tương ứng với đồng xu ngửa, thì W sẽ là một dãy gieo đồng xu vô hạn lần, nhưng bạn không có cách nào để đoán trước được kết quả “sấp/ngửa” của những lần gieo đồng xu đó.
Đây là một hiện tượng chưa từng xẩy ra trong toán học. Chú ý rằng một số vô tỷ như số p chẳng hạn, tuy là một số thập phân vô hạn không tuần hoàn, các chữ số xuất hiện không theo một quy luật nào cả, nhưng vẫn là một số xác định, bởi vì chúng ta có thể xác định được (tính được) bất kỳ chữ số nào của nó, miễn là thời gian và sức lực cho phép. Nhưng W là một con số hoàn toàn khác: nó là một con số bất định, các chữ số của nó xuất hiện một cách ngẫu nhiên, do đó không thể xác định được, bất chấp thời gian và sức lực của con người và computer.
Từ đó Chaitin rút ra 2 kết luận rất quan trọng:
- Một, trong toán học tồn tại những con số không thể tính được (uncomputable), hoặc không thể biết được (unknowable). Kết luận này tương đương với kết luận của Godel: trong toán học tồn tại những mệnh đề không thể quyết định được (undecidable), nghĩa là không thể chứng minh nhưng cũng không thể bác bỏ.
- Hai, vì những con số mang bản chất ngẫu nhiên không tính được là số thực, mà số thực là nền tảng của số học, tức là nền tảng của toán học, do đó tính ngẫu nhiên (randomness) nằm trong nền tảng của toán học. Suy rộng hơn nữa, vì toán học là nền tảng của khoa học, do đó tính ngẫu nhiên nằm trong nền tảng của toàn bộ khoa học.
Nếu Chaitin đúng thì có nghĩa là không thể tồn tại một lý thuyết mang tính xác định của toàn Vũ Trụ được, bởi vì Vũ Trụ mang tính ngẫu nhiên hơn là xác định. Thật vậy, theo Chaitin, những định lý và định luật mà khoa học có thể khám phá được thực ra quá lắm cũng chỉ giống như những hòn đảo hoặc quần đảo ngoài biển khơi, trong khi cái ngẫu nhiên bất định chính là đại dương biển cả mênh mông. Ở đây, bất ngờ ta gặp lại tư tưởng của Laplace: “Cái ta biết thì ít ỏi vô cùng, cái ta không biết thì mênh mông bể sở!” (Ce que nous savons est peu de choses, ce que nous ignorons est immense!). Kể cũng lạ lắm thay, Laplace chính là tác giả của Học Thuyết Tất Định Vũ Trụ, một học thuyết tuyên bố sẽ biết được mọi trạng thái của Vũ trụ tại mọi thời điểm, nhưng chính Laplace lại nói ra những lời “biết mình biết người” như vậy. Thế mới biết cái đầu triết học vẫn cứ sâu sắc hơn cái đầu khoa học.
Trên một góc độ khác, kết luận của Chaitin hoàn toàn phù hợp với kết luận của lý thuyết về Entropi – mức độ hỗn độn của vật chất trong Vũ Trụ càng ngày càng tăng lên, trật tự càng ngày càng giảm đi (định luật Entropi). Vì thế chẳng cần đến Nguyên Lý Bất Định của Cơ Học Lượng Tử cũng có thể thấy rằng nhiều hiện tượng vũ trụ sẽ không thể nào tiên đoán chính xác được.
Tư tưởng về cái bất định đang càng ngày càng lớn lên, thế giới xác định đang càng ngày càng thu hẹp lại. Đó chính là nhận thức hiện đại của khoa học. Vì thế đến nay tư tưởng của Einstein đã được coi là cổ điển, và ông là hiệp sĩ cuối cùng trong hàng ngũ những hiệp sĩ khoa học cổ điển.
4-Kết:
Có thể cái xác định chỉ là những chân lý cục bộ, trong khi cái bất định là chân lý toàn phần. Vì thể chúng ta chỉ có thể nhận thức được cái cục bộ, thay vì có thể nhận thức chính xác cái toàn phần. Tham vọng biết chính xác cái toàn phần là bất khả.
Khi nói đến cái bất khả, một số người dẫy nẩy lên coi đó là điều tối kỵ, không nên nhắc đến trong khoa học, bởi vì nó chống lại khoa học. Đó là một nhận thức ngây thơ về khoa học.
Ngược lại, chính vì biết rằng có những giới hạn bất khả không thể vượt qua, rằng không bao giờ có thể biết hết mọi sự, rằng mỗi lần khám phá chỉ là một sự vén mở bí mật của một góc nào đó của thế giới mà thôi, đúng như Newton từng nói, “mỗi lần có một khám phá tôi cảm thấy như một cậu bé nhặt được một viên sỏi rất đẹp trên bãi biển”, do đó sự khám phá sẽ kéo dài vô tận, không bao giờ cạn kiệt, niềm vui sáng tạo sẽ không bao giờ chết. Đó chính là hạnh phúc của cuộc sống.
Trên một phương diện khác, nếu khoa học không giúp con người khám phá ra mọi sự thật, thì cần phải có sự bổ sung nhận thức bằng nhiều phương tiện khác nhau. Mỗi phương tiện sẽ có một ưu thế riêng.
Có lẽ vì thơ văn dùng trực giác để khám phá sự thật nên đã tìm ra kết luận bất khả sớm hơn khoa học rất nhiều. Bằng chứng là truyện “Thầy bói xem voi” đã lưu truyền từ Đông sang Tây, từ cổ chí kim mà ai cũng biết. Trong tiếng Anh, truyện được viết bằng thơ, nhan đề là “The Blind Men and the Elephant” (Những anh mù và con voi). Truyện kể sáu anh mù sờ voi, mỗi anh đưa ra một “lý thuyết” mô tả con voi, rồi kết như sau:
And so these men of Indostan
Disputed loud and long
Each in his opinion
Exceeding stiff and strong,
Though each was partly in the right
And all were in the wrong!
Xin tạm dịch:
Thế là sáu anh mù
Ở xứ In – dos – tan
Tranh cãi nhau ỏm tỏi
Lý của ai cũng giỏi
Anh nào cũng hung hăng
Nhưng chỉ đúng một phần
Nên đều sai tất cả!
PHỤ LỤC:
CÁI CHẾT CỦA NGUYÊN LÝ BẤT ĐỊNH
Phạm Việt Hưng
(Bài đã đăng trên Tiền Phong Chủ Nhật 11-04-1999, Lao Động 28-04-1999
Và trong tuyển tập “Những câu chuyện khoa học hiện đại”, NXB Trẻ 2003)
Version 1 (Tiền Phong CN):
Đó là đầu đề bài báo của Mark Buchanan đăng trên tạp chí New Scientist, một trong những tuần san khoa học uy tín bậc nhất của Anh, số ra ngày 06-03-1999, đang gây xôn xao dư luận khoa học toàn thế giới.
Bài báo công bố thí nghiệm của một nhóm các nhà khoa học Đức cho thấy Nguyên Lý Bất Định của Werner Heisenberg, một trong hai nền tảng của vật lý hiện đại, có nguy cơ sụp đổ.
Sau khi nhắc lại cuộc tranh luận lịch sử giữa Albert Einstein và Niels Bohr về nguyên lý này (Einstein chống đối quyết liệt, Bohr bảo vệ quyết liệt), bài báo cho biết:
Bohr và Einstein hồi ấy đã phải đưa ra những thí nghiệm tưởng tượng để chứng minh lý thuyết của họ, vì công nghệ hồi đó chưa cho phép làm một thí nghiệm thật. Nhưng tình hình ngày nay đã thay đổi.
Với kỹ thuật laser, Gerhard Rempe và các cộng sự của ông tại Đại Học Konstanz ở Đức đã thực hiện một trong các thí nghiệm nổi tiếng mà những “người khổng lồ” của lý thuyết lượng tử đã tranh cãi – đó là thí nghiệm quen thuộc thường được gợi là “thí nghiệm hai khe” (two-slit experiment).
Phương pháp thí nghiệm mới được đề xuất vào năm 1991 bởi MarLan Scully, Berthold-Georg Englert và Herbert Walther tại Học viện quang lượng tử Max Planck ở Garching, Đức, với việc chọn hạt lượng tử là nguyên tử, vì nó dễ để lại dấu vết hơn.
Nhiều năm trước đây người ta cũng đã từng làm thí nghiệm này nhưng với những điều kiện thô sơ hơn, do đó không phát hiện thấy giao thoa, điều này làm cho người ta tin rằng Nguyên Lý Bất Định hoàn toàn đúng. Nhưng khi Rempe và các cộng sự của ông báo cáo kết quả thí nghiệm của họ vào tháng 9 năm ngoái (1998), các nhà vật lý đã thực sự lo lắng. Bài báo viết: “Kết quả của họ chứng tỏ rằng lập luận của Bohr dựa trên một sự nhầm lẫn”.
Bài báo cho biết là trong bao nhiêu năm qua các nhà vật lý đã không hề hay biết rằng có một lý thuyết quan trọng nhất, đó là Thuyết rối lượng tử (quantum entanglement). Hiện tượng không thấy dấu vết giao thoa thực ra là quy luật rối lượng tử – một đặc trưng của thế giới lượng tử – chứ không phải là yếu tố bất định.
Về mặt lý thuyết, bài báo nhắc tới quan điểm của nhà vật lý Yu Shi tại Đại Học Cambridge phê phán Bohr chỉ dựa trên những quan hệ đơn giản mà Planck và De Broglie đã mô tả. Shi đã phân tích lại các thí nghiệm tưởng tượng, sử dụng các phương trình chính xác của thuyết lượng tử mô tả đầy đủ nhất khả năng của một hạt lượng tử. Và ông nhận thấy rằng bất chấp mọi điều Bohr nói, Nguyên Lý Bất Định chẳng liên quan gì đến sự huỷ giao thoa sóng. Shi nói: “Mọi người nghĩ rằng Bohr đúng, Einstein sai, nhưng điều này còn xa sự thật lắm … Hãy quên mọi quan niệm mập mờ về bất định đi và hãy nghĩ tới khái niệm chính xác hơn, đó là quy luật rối lượng tử”. Và Mark Buchanan kêu lên: “Hãy vẫy chào tạm biệt Nguyên Lý Bất Định, bạn không còn cần đến nó nữa, và hãy chào đón Hello Thuyết rối lượng tử”. Cuối cùng Buchanan dùng đúng ý tưởng của Bohr rằng “trái ngược không phải là mâu thuẫn” để kết bài báo, hàm ý đã đến lúc phải nhận thấy một tư tưởng trái ngược với Bohr mới là chân lý!
Nếu thí nghiệm của Rempe là đúng thì đây là một cuộc “cách mạng lại” khoa học vật lý nói riêng và vũ trụ quan nói chung.
Đây là điều không thể tưởng tượng được, vì hơn 70 năm qua Nguyên Lý Bất Định của Heisenberg đã đi vào lịch sử như một chân lý tổng quát của Tự Nhiên, ngang tầm với Thuyết Tương Đối Tổng Quát của Einstein.
Nhiều nhà khoa học đang tìm cách khắc phục yếu tố bất định bằng con đường kết hợp nó với Thuyết Tương Đối Tổng Quát, mặc dù Stephen Hawking đã cảnh báo đó là hai cực đối lập không tương thích với nhau. Tất cả những nghiên cứu theo phương hướng này, kể cả những công trình vừa mới công bố vào cuối năm 1998 đầu 1999, đều coi Nguyên Lý Bất Định như một cực của chân lý. Chỉ có trường phái rối lượng tử mới phủ định Nguyên Lý Bất Định. Phải chăng trường phái này được thúc đẩy bởi niềm tin mạnh mẽ của chính Einstein, và vô tình họ đã chứng minh rằng Einstein mới thực sự là một thiên tài?
Mọi kết luận vội vã lúc này có thể là quá sớm và thiếu nghiêm túc. Hãy chờ xem, và có lẽ tốt hơn, hãy cùng nghiên cứu xem. Tuy nhiên dù sự thật có thế nào đi chăng nữa thì dường như những thách thức thú vị đang lấp ló trước ngưỡng cửa thế kỷ 21.
Version 2 (Lao Động):
Nguyên Lý Bất Định (Uncertainty Principle) do Werner Heisenberg, nhà vật lý lỗi lạc người Đức, xây dựng từ năm 1927. Vào thời đó, người ta đã biết hạt cơ bản có hai đặc tính: Sóng và hạt. Nhưng Nguyên Lý Bất Định khẳng định rằng không thể đồng thời xác định hai đặc tính đó cùng một lúc, nghĩa là xác định được đặc tính này thì không xác định được đặc tính kia. Nguyên lý này cũng khẳng định không thể đồng thời xác định vị trí và thời điểm xuất hiện của hạt cơ bản, nghĩa là không thể tiên đoán chính xác vị trí xuất hiện của hạt cơ bản tại một thời điểm cho trước. Bất chấp sự chống đối quyết liệt của Einstein, Nguyên Lý Bất Định đã giải thích thành công rất nhiều hiện tượng phức tạp của thế giới vi mô và trở thành nền tảng của Cơ Học Lượng Tử. Nhờ đó Heisenberg đã đoạt Giải Nobel vật lý năm 1932.
Nhưng Nguyên Lý Bất Định càng quan trọng bao nhiêu thì bài báo của Buchanan càng làm choáng váng giới vật lý bấy nhiêu khi nó công bố kết quả thí nghiệm của Gerhard Rempe tại Đại Học Konstanz ở Đức vào tháng 9 năm ngoái. Đó là “thí nghiệm hai khe” (two-slit experiment) quen thuộc với các nhà vật lý: Rọi một tia lượng tử vào một vách chắn có hai khe để nhận kết quả giao thoa trên màn ảnh. Các thí nghiệm trước đây không phát hiện thấy giao thoa, nhưng trong thí nghiệm của Rempe với hạt lượng tử được chọn là nguyên tử, được làm đông lạnh tới độ 0 tuyệt đối bằng laser, kết quả cho thấy giao thoa xuất hiện. Rempe giải thích rằng việc mất dấu vết giao thoa trước đây đã đánh lừa các nhà khoa học, làm họ tưởng rằng nguyên nhân là do yếu tố bất định, nhưng thực ra đó là “quy luật rối lượng tử” (quantum entanglement rules).
Vậy là Nguyên Lý Bất Định có nguy cơ sụp đổ? Bao nhiêu công trình về vật lý nguyên tử trong hàng chục năm qua dựa trên Nguyên Lý Bất Định cũng sụp đổ theo? Mọi lý thuyết hiện đại liên quan đến Nguyên Lý Bất Định cũng trở nên vô nghĩa?
Không thể tin như thế được!
Nhưng G.Rempe và trường phái của ông thì tin chắc rằng họ đúng! Họ đã nghiên cứu công phu, nghiêm túc và đã đưa ra kết quả rõ ràng. Nếu họ đúng, tức là Einstein đúng, thì đây sẽ là biến cố khoa học quan trọng nhất kết thúc thế kỷ 20, mở đầu thế kỷ 21!
Sydney ngày 19-03-1999
PVHg
[1]
Xem bài “Cái chết của nguyên lý bất định” trong “Những câu chuyện khoa
học hiện đại” của Phạm Việt Hưng, NXB Trẻ, 2003. Cũng có thể xem trên
các báo Tiền Phong Chủ Nhật 11-04-1999, Lao Động 28-04-1999, đã được
chép lại trong Phụ Lục ở cuối bài viết này.
Chống lại cách luận giải Copenhagen về Cơ học lượng tử - Bảo vệ chủ nghĩa Marx
Biên dịch: Ngô Minh Tuấn
Cơ học lượng tử là khoa học nghiên cứu về chuyển động của vật chất ở
thang các nguyên tử và các hạt hạ nguyên tử. Nó là lời giải đáp của các
nhà khoa học trong nửa đầu thế kỷ 20 cho hàng loạt những mâu thuẫn nổi
lên trong vật lý học thế kỷ thứ 19. Cơ học lượng tử đã đem lại cho các nhà khoa học và các kỹ sư một hiểu biết mới và sâu sắc hơn về thực tại vật chất. Nó giải thích hành trạng của các hạt electron, nguyên tử và phân tử, bản chất của các phản ứng hóa học, phương cách ánh sáng tương tác với vật chất, sự tiến hóa của các vì sao, hóa sinh học của sự sống và sự tiến hóa của bản thân loài người. Chất bán dẫn, bóng bán dẫn, máy tính, laser, chất dẻo, tất cả đều là sản phẩm của những hiểu biết thu được từ môn khoa học này. Khi được thực nghiệm kiểm nghiệm, các tiên đoán của cơ học lượng tử đã thành công với một mức chính xác phi thường. Cùng kết hợp với bước đột phá vĩ đại khác trong vật lý học thế kỷ 20, thuyết tương đối của Einstein, nó đem lại khả năng cho những tiến bộ khổng lồ trong xã hội loài người bằng nguồn cung ứng năng lượng vô tận từ phản ứng hạt nhân - hay khả năng hủy diệt nhân loại bằng vũ khí hạt nhân.
Mặc dù với những thành công đó, nó vẫn còn là một lý thuyết nằm trong vòng tranh cãi dữ dội. Lý thuyết này đề xuất rằng những vật thể rất nhỏ như các electron hay photon (hạt ánh sáng) hành xử theo một cách trái ngược hoàn toàn với những ý niệm trực giác thông thường và trực giác vật lý có được từ thế giới những vật thể mà chúng ta thấy ở xung quanh. Các hạt nhỏ dường như hành xử rất khác với các vật thể lớn - những vật mà chúng ta có thể thấy và nắm lấy. Ánh sáng truyền qua lưới nhiễu xạ như một sóng, va vào màn thăm dò thì như một hạt. Những hiệu ứng lạ lùng xuất hiện khi electron bị các tinh thể quét qua dường như ngụ ý rằng electron không phải là một hạt - mà là một sóng - nhưng không phải lúc nào cũng vậy.
Thật là đáng lo ngại đối với các nhà vật lý, cơ học lượng tử dường như thất bại chính ngay chỗ mà nó nên phải mạnh mẽ nhất - trong việc mô tả chuyển động các hạt vi vật chất một cách riêng lẻ. Nó chỉ có thể mô tả sác xuất tương đối của, chẳng hạn, một hạt đang chuyển động đến nơi này hoặc hoặc nơi khác, hoặc một electron trong nguyên tử có mức năng lượng này hoặc khác. Nó không thể nói lên được tại sao một hạt này lại đến đây chứ không phải đến kia, tại sao một electron lại mang mức năng lượng này chứ không phải là khác, tại sao một nguyên tử chất phóng xạ phân rã vào thời điểm này chứ không phải nọ.
Tại sao những nhà Marxist lại để tâm đến môn khoa học này? Cứ để nó cho các nhà khoa học, có lẽ, là những chuyên gia am hiểu về nó nhất có phải hơn không. Nhưng hệ tư tưởng tư sản thấm vào mọi mặt của đời sống dưới chủ nghĩa tư bản. Các nhà khoa học thường tuyên bố là khách quan, chỉ đơn thuần làm việc với những sự thật mà thôi. Có vô số ví dụ chứng minh điều ngược lại, từ những lý do che đậy trong hàng thập kỷ cho những tác hại đến sức khỏe của việc hút thuốc lá đến những thí nghiệm Đức quốc xã về thuyết ưu sinh. Dù sao đi nữa, làm thế nào mà một nhà khoa học lại có thể khách quan được khi mà dưới chủ nghĩa tư bản, khoa học và kỹ thuật là chìa khóa để đem lại những nguồn lợi nhuận khổng lồ?
Những viện sĩ bảo thủ nhất phát triển cơ học lượng tử đã đưa vào vấn đề này một cuộc tấn công trực tiếp lên nền tảng triết học của chủ nghĩa Marx - chủ nghĩa duy vật biện chứng - ở thang cơ bản nhất. Đây là lựa chọn của họ để đáp lại tính bất định trong lý thuyết lượng tử. Hầu như có lẽ không thể nào tin được, họ chọn giải thích tính chất lạ lùng của hành trạng lượng tử bằng cách phủ nhận sự tồn tại của thực tại vật chất. Và với tư cách là một kiểu lý giải giáo khoa chuẩn về cơ học lượng tử, các nhà vật lý đã dạy trong suốt 80 năm nay rằng thực tại vật chất do đó chỉ tồn tại như là một kết quả của hành động quan sát. Đây là "cách luận giải Copenhagen" của cơ học lượng tử, được phát triển vào cuối những năm 1920 bởi Niels Bohr và Werner Heisenberg. Trích lời Heisenberg: "tôi tin rằng sự tồn tại của "hướng đi" cổ điển có thể được xác định rõ ràng một cách đầy ý nghĩa như sau: "Hướng đi" chỉ xuất hiện khi nào chúng ta quan sát nó"[1]
Nếu tư tưởng là vũ khí, thì, giống như tôn giáo, đây là vũ khí khác trong cái kho vũ khí của giai cấp tư sản, một chiến tuyến khác trong lớp phòng vệ bao quanh cái không thể nói đến được - sở hữu tư nhân các phương tiện sản xuất. Nhưng chẳng có gì đặc biệt mới trong vấn đề này cả. Giai cấp tư sản luôn bị ép buộc phải phủ nhận thực tế để thanh minh cho sự cai trị của chúng. Bush và Blair cùng nhau cầu xin Đấng toàn năng sự chỉ dẫn (có lẽ là cho "tính đúng đắn" của việc ném bom những mục tiêu thường dân chăng?).
Trái tim của cơ học lượng tử: thí nghiệm khe đôi
Cơ học lượng tử thường thích hợp với toán học cao cấp, và trong các trường hợp phức tạp toán học có thể được sử dụng để phát triển các ý tưởng của cơ học lượng tử. Tuy nhiên, toán học chỉ là phương tiện chuyên chở các ý tưởng vật lý mà thôi. Tư tưởng trung tâm của cơ học lượng tử - hàng trạng sóng của vật chất và hành trạng hạt của ánh sáng - có thể được miêu tả chính xác mà không cần đến toán học. Tuy nhiên, bản chất của vấn đề nằm ở việc mô tả thực tại vật chất và hành trạng ở các thang khoảng cách nhỏ, vốn rất khác với các vật thể chúng ta quen thuộc thường ngày.Một trong những lời giới thiệu rõ ràng nhất, và cũng duy vật triệt để nhất, đối với cơ học lượng tử là của nhà vật lý Richard Feynman trong cuốn sách nhỏ của ông "Six easy pieces" và, với một sự trình bày hơi có toán học hơn, trong những chương đầu tập ba của "Những bài giảng về Vật lý học" của ông. Feynman giới thiệu môn học bằng cách mô tả "thí nghiệm khe đôi", ông nói về nó trong một đoạn trích nổi tiếng "là hoàn toàn không thể giải thích theo bất kỳ một cách cổ điển nào, và nó chứa trong mình trái tim của cơ học lượng tử. Trong thực tế nó chứa đựng điều bí ẩn duy nhất". Đây là một thí nghiệm của quang học cổ điển minh họa rõ ràng cho hành trạng mâu thuẫn của vật chất tại những thang khoảng cách nhỏ - vật chất có thể cư xử đồng thời như là sóng và hạt. Nó cũng cho thấy những nguồn gốc của chủ nghĩa duy tâm trong cách luận giải Copenhagen, và rằng sự phủ nhận thực tại vật chất là câu trả lời của Bohr và Heisenberg giành cho mâu thuẫn này.
Sóng là một quá trình truyền năng lượng, như chúng ta có thể thấy từ chuyển động của cát và sỏi trên bãi biển khi một con sóng tràn vào bờ. Sóng trên bề mặt của một khối nước làm nhiễu động bề mặt này khi chúng truyền qua, làm mặt nước chuyển động lên và xuống. Nếu hai sóng từ hai hướng khác nhau gặp nhau tại những điểm chung trên bề mặt này thì chuyển động sẽ cộng hưởng - về phương diện cục bộ chúng có thể làm đỉnh cao hơn hay hõm thấp hơn. Khi một sóng này đang di chuyển phía bên trên và sóng kia chuyển động phía bên dưới khi đó tổng vận động sẽ ít hơn so với khi có từng sóng riêng biệt. Ở nơi mà những nhiễu động từ các sóng khác nhau triệt tiêu lẫn nhau, tổng vận động sẽ bằng không.
Những mô hình chuyển động và giao thoa giữa những sóng khác nhau là tiêu biểu cho hành trạng của sóng; hạt - những mẩu vật chất - không như vậy. Nếu hai hạt đang chuyển động, có thể lấy hai miếng đá làm ví dụ, khi gặp nhau chúng không "cộng hưởng". Chúng va chạm nhau, và tùy thuộc vào lực của vụ va chạm chúng có thể bị bể tan thành từng miếng hoặc nảy ra khỏi nhau và tiếp tục chuyển động theo những hướng mới. Một viên đạn bắn trúng mục tiêu. Một viên đạn khác có thể chạm bia ở đúng vị trí đó. Nó không bao giờ triệt tiêu viên trước - chỉ đơn giản là có hai viên đạn ở nơi mà trước đó chỉ có một mà thôi.
Từ đầu thế kỷ 19 ánh sáng đã được chấp nhận là có tính chất của sóng. Thomas Young đã trình bày bằng chứng thực nghiệm trước Hiệp hội Hoàng gia London minh họa cho điều này một cách thuyết phục. Trong thí nghiệm cổ điển này ông đã chỉ ra rằng nếu ánh sáng vượt qua hai khe trên một màn chắn đục và sau đó hắt vào một màn hình, trên màn hình này sẽ có đường vân các vệt sáng và tối. Quan điểm chiếm ưu thế vào thời đó, của Newton, là ánh sáng bao gồm các hạt vật chất vi mô. Nhưng đường vân mà Young quan sát được chỉ có thể được giải thích bằng các sóng từ mỗi khe cộng hưởng với nhau - không phải là bằng các hạt. ".. Những thành kiến cố hữu nhất cũng sẽ không thể nào phủ nhận được rằng các vân (quan sát được) được tạo nên từ sự giao thoa giữa hai phần của ánh sáng." [2]
 |
Water waves passing through two gaps in a
screen. The waves interfere and add up in some places, cancel out in others. Young saw the same effect with light when it was passed through two slits - a pattern of light and dark interference fringes. Click here for an animation. |
Tuy nhiên, vào cuối thế kỷ 19 mảnh rắn chắc này của vật lý học cổ điển đã trở nên nứt gãy. Một vài nhà khoa học đã chỉ ra rằng khi ánh sáng chiếu vào những kim loại nhất định nó có thể tạo nên dòng điện. Vật lý học cổ điển nói rằng cường độ dòng điện sẽ phụ thuộc vào mật độ của ánh sáng chứ không phải tần số của nó. Nhưng không phải vậy. Khi cường độ tăng lên, dòng điện cũng tăng theo. Khi tần số giảm xuống dưới một mức nhất định nào đó dòng điện sẽ biến mất, bất kể ánh sáng mạnh như thế nào. Sóng điện từ thì không như vậy, nhưng ánh sáng thì có.
Vào năm 1905 Einstein đã chỉ ra rằng điều này có thể được giải thích bằng cách thừa nhận rằng ánh sáng không phải là sóng, mà là các hạt nhỏ - photon. Ông đề xuất rằng khi ánh sáng chiếu lên một kim loại, những photon va chạm với các electron trong kim loại và tạo ra một dòng điện. Mỗi một hạt ánh sáng - mỗi photon - có một năng lượng tỷ lệ với tần số của nó. Nếu photon có đủ năng lượng - nếu nó có tần số đủ cao - nó có thể làm bật một electron ra khỏi một nguyên tử và khi đó electron có thể di chuyển tự do bên trong mảnh kim loại đó.
Sau đó vào năm 1909 nhà vật lý học Geoffrey Ingram Taylor đã báo cáo những kết quả của một cuộc thí nghiệm trong đó các vân giao thoa được tạo ra bởi một nguồn sáng rất yếu. Ánh sáng đó yếu đến nỗi một lần xuyên qua màn chắn chỉ có một photon. Khi đó vẫn quan sát được sự giao thoa. Từ đó thí nghiệm này đã được thực hiện lại nhiều lần. Với sự phát triển của các máy dò photon tinh vi trong nửa sau của thế kỷ 20 đã có thể thực hiện được các thí nghiệm giao thoa có thể thực sự quan sát được các photon tới nơi. Những bức ảnh ở đây là kết quả của một thí nghiệm như thế bởi Robert Austin và Lyman Page của Đại học Princeton. (Xem http://ophelia.princeton.edu/~page/single_photon.html)
 |
Vì sao lại xảy ra điều này? Giao thoa là một hiện tượng thuộc về sóng, nhưng những điểm cục bộ lại ngụ ý rằng ánh sáng được tạo thành từ các hạt, chứ không phải sóng. Tại sao những điểm đó lại nằm trên màn hình ở những phần sáng của vân giao thoa chứ không phải ở những phần tối? Chúng ta không thể giải thích điều này bằng cách nói rằng các photon đó giao thoa với nhau - tình trạng tương tự cũng xảy ra ngay cả đối với chỉ một photon trên màn chắn. Vậy photon đã phân ra làm đôi hay đi xuyên qua cả hai khe? Hoặc là có lẽ, như nhà vật lý lượng tử Paul Dirac đã khẳng định một cách đầy bí ẩn "mỗi photon đã tự giao thoa với chính nó" [3]. (Dirac là một trong những nhà vật lý dẫn đầu trong thế kỷ 20, nhưng những tuyên bố triết học của ông lại có tính chất duy tâm chủ nghĩa gây hại cho vật lý học hiện đại; lấy ví dụ câu trích dẫn: "Kết quả này quá đẹp đến nỗi không thể sai được; có được một vẻ đẹp về phương trình còn quan trọng hơn là việc chúng vừa vặn với thực nghiệm."[4])
Một trăm năm sau các nhà vật lý vẫn còn đặt câu hỏi làm thế nào mà một hạt đơn lẻ lại có thể cho thấy sự giao thoa được, và đang lập lại những thí nghiệm cơ bản đó, như trong ví dụ của Princeton, để thấy một điều mới mẻ nào đó. Vấn đề được Einsetin nêu lên vào năm 1938 vẫn không cho họ câu trả lời: "Nhưng ánh sáng thực sự là gì? Nó là một sóng hay là một trận mưa các photon?.. Dường như chúng ta phải sử dụng lúc thì lý thuyết này khi thì lý thuyết kia, và một đôi lúc chúng ta phải sử dụng cả hai. Chúng ta phải đối mặt với một loại khó khăn mới. Chúng ta có hai bức tranh trái ngược nhau về thực tại; đứng một cách riêng rẽ thì không cái nào trong số chúng giải thích được những hiện tượng của ánh sáng, nhưng cả hai thì lại có thể."[5]
 |
Single electron events building up an
interference pattern in a double-slit experiment. |
Cách luận giải Copenhagen
Những cố gắng để giải thích hành trạng giống hạt của ánh sáng hay hành trạng giống sóng của các electron dưới dạng những tư tưởng cổ điển về sóng và hạt, bắt nguồn từ sự quan sát hành trạng của vật chất ở thang khoảng cách lớn, dường như là không thể. Mâu thuẫn bản chất nằm ở giữa hành trạng cục bộ của hạt và hành trạng phi cục bộ của sóng, được tóm tắt bởi các nhà vật lý trước kia dưới cụm từ "đối ngẫu sóng - hạt của vật chất".Khi khoa học đối mặt với một nghịch lý hay một mâu thuẫn thì đó là một cơ hội để học hỏi được điều gì đó mới. Có lẽ với nhiều tác phẩm hơn, nhiều kết quả thực nghiệm hơn khoa học sẽ có thể tiến bộ. Nhưng đối với các trường đại học hàn lâm, cụ thể là những trường đại học trong cái THẾ GIỚI CŨ ở châu Âu, thật khó mà có thể chấp nhận mâu thuẫn, một sai sót khả dĩ, trong những kết quả của họ, và thậm chí khó chấp nhận hơn nữa sự tồn tại của việc không thể giải quyết được vấn đề. Việc đào tạo cho một khoa học gia hàn lâm tập trung xoay quanh việc tìm ra cách tiếp cận mang tính cạnh tranh và cá nhân chủ nghĩa để giải quyết cho được vấn đề, trong đó các giải thưởng được trao cho người nào có được câu trả lời tốt hơn những người trước đó. Nhà khoa học trong phong thí nghiệm mà trang thiết bị của họ là sản phẩm lao động tập thể của hàng ngàn cánh tay thường không có ý thức về cái sự kiện cơ bản này và nói về công việc "của tôi", những kết quả "của tôi", bước đột phá "của tôi". Ở những buổi thảo luận trong những căn phòng seminar cái đang bị đe dọa không chỉ là sự bảo vệ cho tư tưởng của một cá nhân nào đó mà còn là cho chính cá nhân họ - không phải là đề cập đến vấn đề lương, trợ cấp hay thăng tiến.
Với Heisenberg mâu thuẫn của tính đối ngẫu sóng hạt thực là một điều quá quắt - thậm chí hơn thế nữa, ông không có khả giải thích được nó. Nhưng nếu như mà một giáo sư vĩ đại còn không biết được câu trả lời thì nói chung là vấn đề hoàn toàn không thể biết được.
 |
Bohr (left) and Heisenberg (centre)
in conversation |
Trong bài báo kinh điển của ông về "nguyên lý bất định" Heisenberg đã chỉ ra rằng một thí nghiệm cố gắng đo cái khe mà vật thể đi xuyên qua (làm khu biệt vật thể, và do đó thấy nó hành xử như một hạt) sẽ làm nhiễu loạn nó chỉ vừa đủ để phá hủy hành trạng sóng của nó. Nếu dùng một kính hiển vi để quan sát hạt di chuyển xuyên qua các khe thì bước sóng của ánh sáng được sử dụng nếu đủ ngắn để làm điều này thì ánh sáng đó sẽ có đủ động lượng để biến đổi hướng của vật thể và phá hủy vân giao thoa. Từ đó Heisenberg rút ra nguyên lý bất định của ông ta: "càng xác định chính xác vị trí bao nhiêu, thì lúc đó càng khó biết chính xác động lượng bấy nhiêu, và ngược lại."[7]
 |
A short pulse is the sum of many
waves of different wavelengths, which cancel everywhere except where the pulse is strong. |
Tuy nhiên đối với cả Heisenberg và Bohr nguyên lý bất định trở thành cơ hội để cấu trúc nên tòa dinh thự toán học và triết học của cách luận giải Copenhagen về hành trạng lượng tử - sự diễn đạt toán học (hay chính xác hơn, cái cớ toán học) phản bác lại thực tại vật chất. Họ khẳng định rằng phân tích của Heisenberg về thí nghiệm khe đôi, và tương tự phân tích của Bohr về các tính chất của xung ánh sáng, là những thí dụ về một quy luật chung trở thành "nguyên lý bổ sung" của Bohr: không thể nào quan sát được đồng thời cả hành trạng sóng và hạt. Chỉ có thể quan sát được hoặc hạt - mẩu cục bộ của vật chất được dò thấy trên đường nó đi xuyên qua một khe, không có vân giao thoa - hoặc quan sát được sóng - một nhiễu động phi cục bộ đi xuyên qua cả hai khe, có vân giao thoa. Nhưng mọi cố gắng nhằm quan sát cả hai cùng một lúc sẽ phải thất bại. Do đó mâu thuẫn đã được giải quyết, bằng cách khẳng định là câu hỏi đã không được đặt ra, vì nếu mà đặt ra thì không tài nào trả lời được nó. "bạn sẽ thấy hoặc sóng hoặc hạt nhưng không thể cả hai".
Thêm nữa - tất cả những gì có thể làm là thực hiện những quan sát; vật lý học được coi như khoa học về những kết quả của các quá trình đo đạc, và sự tư biện vượt ra ngoài đó thì không thể được xác nhận. Câu hỏi về vị trí của hạt trước cái vị trí mà nó được đo là một câu hỏi vô nghĩa. Hạt hiện ra với tư cách là kết quả của hành động quan sát. Theo từ ngữ chuyên môn - "hành động đo đạc tạo nên sự sụp đổ nhất thời của hàm sóng". Bạn thấy những gì xảy ra là quá trình đo đạc ngẫu nhiên làm nổi bật ra một cách chính xác một trong nhiều khả năng khả dĩ, và sóng ngay lập tức biến đổi thành một sự kiện cục bộ phản ánh sự chọn lọc đó.
Một cách chua chat, và cũng hoàn toàn chính xác, Feynman coi điều này như là "ma thuật của sự sụp đổ hàm sóng" [8]. Người quan sát ảnh hưởng đến cái được quan sát không phải là ý tưởng gì mới. Nhưng ở đây có một cái gì đó khác xa. Với Heisenberg và Bohr người quan sát không chỉ ảnh hưởng đến cái được quan sát - người quan sát tạo ra nó.
Đây hơn là một nỗ lực nhằm nâng đỡ sự không tương xứng của logic hình thức trong khi đối mặt với bằng chứng về sự kết hợp giữa các mặt sóng và hạt của vật chất. Sự lựa chọn khác là chấp nhận tính đối ngẫu sóng hạt như là một ví dụ vững chắc về sự thống nhất và sự thâm nhập lẫn nhau của các mặt đối lập trong vận động ở các thang khoảng cách nhỏ; nói cách khác, để chấp nhận rằng trong vận động những khái niệm cứng nhắc là không phù hợp. Một phương pháp như vậy chỉ có thể là điểm khởi đầu cho một sự nghiên cứu sâu hơn, cho nhiều quan sát thực nghiệm hơn và nhiều lý thuyết hơn. Mặt cơ bản của sự tương tác giữa vật chất với vật chất hay với ánh sáng là nó đồng thời dẫn đến cả hành trạng sóng và hạt? Những giả định, những quan sát, những công cụ toán học nào chúng ta nên rà soát lại để có được một hiểu biết sâu hơn về hiện tượng này? Nhưng thay vì cho những nguyên nhân chính trị - bởi vì chủ nghĩa duy vật biện chứng (chủ nghĩa Marx) bị các giáo sư tư sản đặt ra ngoài vòng pháp luật trong những nghiên cứu của họ - chúng ta đến một điểm kết chết cứng, ở đó tất cả những nghiên cứu sâu hơn đều bị cho là không thể khi đối mặt với cái không thể biết được:
"Toàn bộ vấn đề là ở chỗ những quy luật của logic hình thức bị sụp đổ khi vượt qua một số những giới hạn nhất định. Tất nhiên điều này áp dụng cho hầu hết những hiện tượng trong thế giới hạ nguyên tử, ở đó những quy luật đồng nhất, sự mâu thuẫn và sự dung hòa loại trừ không thể chấp nhận được. Heisenberg bảo vệ cho lập trường của logic hình thức và chủ nghĩa duy tâm, và do đó, chắn hẳn phải tiến tới kết luận cho rằng tư duy của con người không thể thấu hiểu được những hiện tượng đối lập ở thang cấp hạ nguyên tử, mà là trong cái giản đồ tinh thần cũ kỹ vô vọng và bất tương xứng của logic hình thức. Cái gọi là "Nghịch lý của cơ học lượng tử" chính là cái này. Heisenberg không thể chấp nhận sự tồn tại của những mâu thuẫn biện chứng, và do đó thích trở lại với cái thần bí triết học - ‘chúng ta không thể biết', và tất cả những gì còn lại của nó."[9]
Những thách thức đối với cách luận giải Copenhagen
 |
A bubble chamber photograph showing the
paths of charged particles in a magnetic field. |
Nhà vật lý Max Born [11] đã phát triển một cách giải thích khác về tính đối ngẫu sóng hạt tránh được cách lý giải Copenhagen duy tâm chủ nghĩa. Erwin Schrodinger đã chỉ cho thấy làm cách nào để tính được "hàm sóng cơ học lượng tử" của một hệ thống; Born giải thích hàm sóng của Schrodinger không phải như vật thể vật chất mà là một cách mô tả xác suất một hạt ở tại một vị trí cụ thể nào đó. Ví dụ, trong thí nghiệm khe đôi có một hàm sóng cho việc đến từ một khe và có một hàm sóng cho việc đến từ một khe khác. Xác suất của việc đến là cường độ của sự chồng sóng của các hàm sóng tại vị trí đó, theo cách khá giống như vậy biên độ của một sóng nước là tổng của các sóng khác nhau tại một điểm trên bề mặt của nước. Einstein đã giải thích ý tưởng này như sau:
"... nó chứng minh không thể kết hợp với những sóng Schrodinger này để xác định chuyển động của các điểm có khối lượng được - và rằng, sau tất cả, có một mục đích nguyên thủy của cái cấu trúc tổng thể. Khó khăn này xuất hiện một cách không sao khắc phục được cho tới khi nó được Born vượt qua theo một cách đơn giản như nó được mong đợi. Trường sóng Broglie-Schrodinger không phải được giải thích như là một mô tả toán học về việc một sự kiện thực sự diễn ra trong thời gian và không gian như thế nào, mặc dù, tất nhiên, chúng cùng nói đến sự kiện đó. Đúng hơn đó là một mô tả toán học về cái mà chúng ta có thể thực sự biết về hệ thống này. Chúng chỉ là để nhằm đưa ra những phát biểu thống kê và những tiên đoán về kết quả của những sự đo đạc mà chúng ta tiến hành đối với hệ thống đó mà thôi." [12]
Như Einstein chỉ ra, một khía cạnh quan trọng của quan điểm này về hành trạng lượng tử là hàm sóng không được thừa nhận là có một tồn tại vật chất (physical existence). Các hạt vật chất tồn tại, chúng tương tác, vượt qua các khe, chuyển động quanh nguyên tử. Nhưng hàm sóng tương ứng với nó là một phương tiện đối với một sự kết thúc, một dụng cụ toán học cho phép các nhà vật lý tính toán xác suất của một trạng thái hay một sự kết hợp các trạng thái - xác suất mà một electron trong một nguyên tử hydro có một măng lượng cụ thể, hay xác suất của một hạt ánh sáng đến một máy dò bằng rất nhiều các con đường khả dĩ khác nhau. Khi có nhiều hạt, xác suất chuyển hóa thành mật độ của những hạt đến - nhiều hơn ở chỏm sáng và không có ở chỏm tối trong thí nghiệm khe đôi.
Sự hiểu biết này về hành trạng cơ học lượng tử về cơ bản là phương pháp được sử dụng trong mọi ứng dụng thực tiễn của cơ học lượng tử. Đôi khi nó được mô tả như là phương pháp "shut up and calculate" (một cách diễn đạt được Richard Feynman tín nhiệm, nhưng có lẽ là sai) là một phản ứng có thể hiểu được đối với chủ nghĩa duy tâm và chủ nghĩa thần bí của những cách luận giải khác. Chẳng hạn, khi một nhà khoa học trong công nghiệp bắt đầu thiết kế một màn hình TV, đây là phương pháp mà ông ta sẽ dùng đến. Các electron rời sợi đèn nóng tại đây với xác suất này, tạo ra dòng điện này; chúng được gia tốc bởi từ trường kia, và lệch hướng đến vị trí kia trên màn hình. (Tuy nhiên, nếu người quản lý phòng thí nghiệm hỏi đến, rõ ràng tất nhiên là đường đi không tồn tại.)
Bản thân Feynman đã sử dụng phương pháp này - hạt có xác suất dương - trong tác phẩm của ông về điện động lực học lượng tử, được mô tả trong cuốn sách hay và dễ hiểu "QED - The Strange Theory of Light and Matter". Điện động lực học lượng tử là một lý thuyết cực kỳ thành công, với những tiên đoán phù hợp với các quan sát thực nghiệm với một độ chính xác rất cao.
Một kiểu thí nghiệm khe đôi khác đã được tiến hành mới đây bởi nhà vật lý Shahriar Afshar, ở Rowan và đại học Harvard. Kết quả từ những thí nghiệm này, được xuất bản trên web, trực tiếp mâu thuẫn với nguyên lý bổ sung của Bohr. Nguyên lý bổ sung này khẳng định rằng không thể quan sát được đồng thời hành trạng sóng và hạt. Nhưng kết quả của Afshar lại đề xuất ngược lại. Thí nghiệm của ông là chủ đề của một cuộc thảo luận chi tiết trên weblog http://irims.org/blog/index.php/questions (một ví dụ tốt về việc làm cách nào internet có thể mở rộng thảo luận những kết quả khoa học mới ra với đông đảo khan giả, trái lại với cái lối xem xét giấu diếm của những tập san khoa học truyền thống). Bản sao của bài báo mô tả một số trong thí nghiệm của ông có ở http://irims.bluemirror.net/quant-ph/030503/ .
 |
Afshar kiểm tra để xem liệu giao thoa có xảy ra hay không khi đặt các sợi dây mỏng vào những vị trí mà trước đó là các phần tối của vân giao thoa. Thậm chí khi ông quan sát thấy các photon đi xuyên qua khe, ông có thể chỉ ra rằng các dây đó vẫn ở trong vùng tối của vân giao thoa; photon quan sát được cư xử như vừa là một sóng và vừa là một hạt. Những kết quả của tất cả các thí nghiệm mà Afshar tiến hành vẫn chưa được công bố công khai, và những thí nghiệm của ông cũng chưa hề được ai khác thực hiện lại, đó sẽ là một sự kiểm tra quan trọng về tính chính xác của chúng. Nhưng nếu như Afshar đúng, thì nguyên lý bổ sung của Bohr sẽ chết.
Trật tự từ sự hỗn độn
Phép biện chứng là một phương pháp tư duy và luận giải thế giới về cả phương diện tự nhiên và xã hội. Nó là một cách thức nhìn nhận vũ trụ, bắt đầu từ tiên đề rằng mọi thứ đều ở trong trạng thái biến đổi và trôi chảy vĩnh cửu. Nhưng không chỉ có vậy. Phép biện chứng còn giải thích rằng sự biến đổi và vận động bao hàm trong nó sự mâu thuẫn và chỉ có thể diễn ra thông quan những mâu thuẫn. Vì vậy thay vì một đường bằng phẳng, không gián đoạn của các tiến trình, chúng ta có một chuỗi bị gián đoạn bởi những thời kỳ đột ngột và bùng nổ trong đó những biến đổi chậm chạp, tích lũy (biến đổi về lượng) trải qua một sự gia tốc nhanh chóng, trong đó lượng được chuyển hóa thành chất. Phép biện chứng là logic của mâu thuẫn."[13]Bức tranh thực tại xuất hiện từ cơ học lượng tử và khoa học hiện đại là một sự vận động và biến đổi liên tục không ngừng nghỉ trên thang bậc nguyên tử và hạ nguyên tử. Các nguyên tử bị trói buộc lại với nhau bởi sự trao đổi liên tục các hạt giữa các hạt; các electron trong phân tử chuyển động từ nguyên tử sang nguyên tử; năng lượng và vật chất hoán đổi; các hạt biến thành cái đối lập với nó và sau đó lại kết hợp lại. Một đặc tính trung tâm, phân biệt của thuyết này là sự biến đổi thực hiện thông qua các bước, chứ không phải là một thể liên tục.
Sự phát triển của khoa học hiện đại theo hướng này xác nhận và làm sâu sắc thêm chủ nghĩa duy vật biện chứng. Sự suy sụp chầm chậm trong nền móng của vật lý học hiện đại, có một sự ngu xuẩn - một mâu thuẫn logic, chứ không phải là biện chứng. Thiếu đi cách tiếp cận biện chứng đối với sự vận động và biến đổi thì sẽ không có con đường nào thoát ra khỏi được cái mâu thuẫn này.
Các nhà vật lý học hiện đại đã bị buộc phải chấp nhận rằng những khái niệm mà trước kia được xem xét một cách tách rời thì giờ đây có mối liên kết với nhau, rằng chúng không thể được suy tưởng đến một cách tách biệt mà chỉ là những mặt khác nhau của thế giới vật chất có mối liên hệ với nhau. Cụ thể, quan niệm của các nhà vật lý về chuyển động đã được mở rộng ra đối với nhận thức của họ về các mặt đồng thời sóng hạt của vật chất. Khi vật chất chuyển động, một nhà vật lý có thể mô tả tiến trình bằng động lượng, đó là khối lượng của vật thể chuyển động nhân với vận tốc của nó. Một sóng, mặt khác, là một loại tiến trình vật chất khác. Nó là một sự nhiễu động, của bề mặt của một khối nước hoặc của một trường điện chẳng hạn, và là một quá trình trong đó năng lượng chuyển động. Một nhà vật lý có thể mô tả một sóng bằng bước sóng của nó, khoảng cách từ một đỉnh của dao động đến đỉnh kế tiếp. Động lượng và bước sóng là hai sự trừu tượng hóa hoàn toàn khác nhau được sử dụng để mô tả hai quá trình khác nhau. Tuy nhiên sau khi có công trình của Einstein về hiệu ứng quang điện, và sau công trình lý thuyết của những nhà sáng lập ra cơ học lượng tử, các nhà vật lý bị buộc phải chấp nhận rằng động lượng, một tính chất của vật chất hành xử như hạt, trực tiếp có liên quan đến bước sóng, tính chất của vật chất hành xử như sóng.
Có rất nhiều hôn loạn xung quanh cơ học lượng tử, thêm vào và được truyền bá rộng rãi bởi Bohr và Heisenberg, có liên quan đến sự nhấn mạnh rằng các khái niệm như sóng và hạt, hay động lượng và bước sóng, phải được tách rời ra khỏi nhau - "chúng ta có hai bức tranh trái ngược về thực tại" như Einstein đã nói. Sự hỗn loạn này có nguồn gốc sâu xa từ sự khước từ - hay là thiếu nhận thức - phép biện chứng bởi các nhà khoa học hiện đại. Nhà lý luận sẽ nói "Lúc thì thế này, lúc thì thế khác" khi anh ta phải khổ sở vượt qua sự lựa chọn của mình giữa hai tình thế biểu hiện ra là trái ngược nhau, tự hỏi tại sao thế giới lại luôn luôn như thế. Những tính chất có vẻ như là đối lập nhau ấy có thể được trình bày đồng thời không chỉ là khả dĩ mà còn là phổ biến nữa. Ánh sáng và bóng tối, nóng và lạnh, bắc và nam, sóng và hạt, một sự kết hợp quen thuộc và không thể tránh được, sự tồn tại của cái này là không thể có được nếu thiếu đi cái kia, và từ đó sinh ra vận động và biến đổi:
"Trong khi logic hình thức truyền thống tìm cách loại trừ cái đối lập, thì tư duy biện chứng lại nắm lấy nó. Mâu thuẫn là một đặc điểm bản chất của mọi tồn tại. Nó nằm tại trung tâm của bản thân vật chất. Nó là nguồn gốc của mọi vận động, biến đổi, đời sống và sự phát triển. Quy luật biện chứng đặc trưng cho tư tưởng này là quy luật về sự thống nhất và chuyển hóa giữa các mặt đối lập."[14]
Không chỉ có thế, mà trong sự nhấn mạnh của họ lên giản hóa luận - một hạt, một photon - các nhà khoa học đã phá hủy một cách không cố ý và không có ý thức thực tại sống động mà họ lúc ban đầu dự định nghiên cứu. Những bức ảnh từ thí nghiệm khe đôi Hitachi với electron, ở vào tình hình nào thì hành trạng sóng của vật chất trở nên không còn nhìn thấy được? Sau 8 electron? Rõ ràng là không - các electron dường như là đến một cách ngẫu nhiên, không có một mô hình rõ ràng nào cả. Sau 270? Sau 2000? Thậm chí sau 6000, xác suất tương đối vẫn là mơ hồ. Cách luận giải xác suất của Born cho phép các nhà vật lý tính toán được xác suất tương đối của hạt đến một vị trí xác định. Nhưng xác suất, hay là hàm sóng, chỉ là một tính chất thống kê của hệ thống, và mỗi cá thể có thể đến (hầu như) là bất cứ đâu. Chúng ta trở nên nhận thức được hành trạng sóng của vật chất khi mà chúng ta có rất nhiều hạt. Tương tự, trong một khí chúng ta quan sát được các quy luật có liên quan đến nhiệt độ, thể tích và áp suất chỉ khi chúng ta có nhiều phân tử. Tính sóng xuất hiện từ sự chuyển hóa từ lượng thành chất; một hạt hay một phân tử là không thể tiên đoán được, nhưng nhiều thì lại tuân thủ theo những quy luật được xác định tốt phù hợp với các tính chất thống kê của chúng. Cả sóng và hạt đều được quan sát - các hạt riêng lẻ, khi hợp lại trong một nhóm khổng lồ sẽ có các tính chất của sóng (những vân giao thoa).
Theo hướng đó, những thí nghiệm đơn hạt và những bức ảnh về loại thí nghiệm này thu được từ thí nghiệm Hitachi cũng mâu thuẫn trực tiếp với nguyên lý bổ sung của Bohr. Khi đối mặt với chứng cứ này, những người ủng hộ cho cách luận giải Copenhagen, như Dirac, đã phải đi vòng vo, bắt chước những photon mà họ mô tả, nói rằng một photon đi xuyên qua cả hai khe và sau đó giao thoa với chính nó - trong một làn khói, khi mà nhà ma thuật vẫy chiếc đũa thần của ông ta - hàm sóng sụp đổ.
 |
One of the possible wave-functions
for the single electron in a hydrogen atom. |
Nếu chúng ta có nhiều nguyên tử và đặt chồng lên nhau các bức tranh của mỗi nguyên tử, khi đó chúng ta sẽ có một đám mây; chúng ta sẽ thấy hàm sóng và cường độ của nó, xác suất tương đối của electron ở tại một vị trí cụ thể. Hàm sóng mô tả hành trạng của nhiều nguyên tử, nhưng nói lên rất ít về chuyển động của electron ứng với một nguyên tử riêng lẻ. Đó là điểm mạnh cũng là điểm yếu của cơ học lượng tử.
Nhưng con đường đó liệu có tồn tại không? Có, miễn là chuyển động đó được hiểu một cách biện chứng. Con đường đó là đường cong mà hạt chuyển động dọc theo. Khi hạt đang chuyển động, nó không ở tại một vị trí nào cả; nó ở trong quá trình chuyển động từ vị trí này đến vị trí kia. Nó chuyển động học theo một đường cong xác định. Nhưng nói là nó ở đây, hay kia, tại một điểm nào đó trong thời gian thì là vô nghĩa. Nó đang chuyển động từ đây tới kia. Sẽ rối loạn nếu như hiểu chuyển động một cách không biện chứng, việc cố gắng nói lên rằng hạt ở đây tại một thời điểm cụ thể trong thời gian, đó là kỳ công của Heisenberg để phát triển thuyết thần bí rằng "con đường không có tồn tại".
Trong thí nghiệm khe đôi không thể nào tiên đoán được hạt sẽ đi đâu sau khi qua hai khe, không phải là nói tính trung bình. Có một sự bất định, theo chiều hướng là đường cong chính xác không thể được tiên đoán sớm. Nhưng điều này khác với tính nhân quả. Hạt đến nơi mà nó đến với tư cách là một chuỗi nhân quả của các sự kiện. Dụng cụ thí nghiệm bắn hạt vào các khe; hạt di chuyển xuyên qua một trong các khe đó; hạt đến màn hình chắn. Và có nhiều ví dụ trong tự nhiên về các hệ thống nhân quả nhưng phi định mệnh. Một chiếc xe trượt băng trượt xuống một ngọn đồi mấp mô đến chân đồi tại một vị trí không thể tiên đoán trước được. Nếu nó bắt đầu từ một vị trí hơi khác đi ở đỉnh thì nó sẽ đến một vị trí khác rất nhiều ở chân đồi. Tính không thể tiên đoán được không loại trừ tính nhân quả. Thực tế khoa học hiện đại đang bắt đầu hiểu ra rằng thường thì tính nhân quả được biểu lộ thông qua tính không thể tiên đoán - tính tất yếu được biểu lộ thông qua tính ngẫu nhiên:
"Thoạt tiên, chúng ta dường như bị mất hút trong cái đám khổng lồ những ngẫu nhiên. Nhưng sự rối loạn này chỉ là bề ngoài. Những hiện tượng ngẫu nhiên luôn luôn chợt lóe lên trong và từ sự tồn tại, giống như sóng trên mặt biển, biểu lộ cho một quá trình sâu hơn, một quá trình không phải là ngẫu nhiên mà là tất nhiên. Tại một điểm quyết định, sự tất nhiên này để lộ bản thân mình thông qua cái ngẫu nhiên."[15]
Cơ học lượng tử, vật lý học mới, hợp nhất rất nhiều yếu tố của vật lý học cũ vào trong những mô tả toán học của nó. Toán học của lý thuyết sóng, những kỹ thuật giải các phương trình nguyên, và ma trận biểu diễn của hàm sóng (đã được chú ý lại và phát triển lên trong những năm gần đây vì khả năng áp dụng ma trận và công thức vector vào thuyết tín hiệu số) là những yếu tố của các phương pháp toán học thuộc vật lý học cũ cổ điển là một thành phần bản chất của lý thuyết cơ học lượng tử. Cái cũ được trình bày trong cái mới. Đó là một sự gia tăng đầy sức mạnh đối với sự phát triển của cơ học lượng tử khi mà một lượng lớn các công cụ toán học loại này đã có sẵn có thể được kết hợp với vật lý học cổ điển. Tuy nhiên, để phát triển xa hơn có lẽ cơ học lượng tử cần vượt qua những giới hạn của lý thuyết cũ - cụ thể là những phụ thuộc của nó vào những phương trình vi phân tuyến và cấp thấp.
Những hệ thống phi tuyến với sự phụ thuộc nhạy cảm vào những điều kiện ban đầu dẫn đến việc không thể tiên đoán được là đề tài của thuyết hỗn độn. Những tương tự giữa hành trạng của các hệ thống hỗn độn và tính không thể tiên đoán được của hành trạng vật chất tại những khoảng cách nhỏ gợi đến một lời giải thích tương tự khả dĩ, và đây hiện đang là một đề tài sôi động của nghiên cứu khoa học. Một lượng lớn các hạt trưng bày ra một hành trạng dạng sóng được xác định tốt có thể là chứng cứ cho tự nhiên ở tầng động lực học cơ sở - giống nhiều với cái cách mà các hoa văn trong "nhân hút lạ" của các hệ thống phi tuyến là một dấu hiệu của một mối quan hệ nhân quả cơ bản. Một hạt riêng lẻ là không thể tiên đoán được; nhiều hạt thì có một hành trạng được xác định chính xác. Trật tự xuất hiện từ hỗn độn - lượng biến thành chất - như trong các hệ thống phức tạp, nhiều vật thể và phi tuyến khác.
Với sự phát triển của máy tính - một sản phẩm trực tiếp của sự hiểu biết về chất bán dẫn có nguồn gốc từ những hiểu biết về cơ học lượng tử - khoa học ngày nay có thể khảo sát tỉ mỉ những hệ thống phi tuyến này khi mà toán học cổ điển không thể. Có lẽ trong lĩnh vực này, trong vật lý của các hệ thống phi tuyến hỗn độn, sẽ có thể hiểu biết sâu hơn về tính đối ngẫu sóng hạt. Hoặc cũng có thể không. Có lẽ giải pháp nằm ở dữ kiện thực nghiệm nhiều hơn. Với những tiến bộ công nghệ sẽ có khả năng thực hiện chính xác hơn, hoàn thiện hơn, và tiến hành được những thí nghiệm mới. Chúng ta sẽ học được nhiều về thực tại vật chất. Một số ý tưởng sẽ bị vượt qua, một số vẫn còn lại, một số phát triển xa hơn, một số kết hợp với cái mới.
Những lý thuyết mới phớt lờ bản chất biện chứng của thực tại vật chất - nó làm việc với những khái niệm cố định chết cứng, làm lơ trước những mâu thuẫn hay gạt bỏ đi những mâu thuẫn của vận động - sẽ phải thất bại thảm hại trước những kiểm tra thực nghiệm. Đây là trường hợp của cách luận giải Copenhagen nếu những thí nghiệm của Afshar được xác nhận. Sự tương tác giữa người quan sát và cái được quan sát là nhiều mặt, và tách rời từng mặt ra khỏi nhau hoặc khỏi tổng thể sẽ dẫn đến sai lầm, như trong cái điều thần bí của cách luận giải Copenhagen. Nguyên nhân và kết quả có thể đổi chỗ cho nhau, người quan sát có thể ảnh hưởng đến cái bị quan sát, và cái bị quan sát có thể ảnh hưởng đến người quan sát. Nhưng về cơ bản, ở tại nền tảng, thực tại là vật chất, nó tồn tại, và không được tạo ra bởi hành động quan sát.
Vật chất có cả tính chất sóng và hạt là rất thú vị, nhưng không phải đó là lý lẽ bào chữa cho việc ruồng bỏ thực tại vật chất. Ở thang vi mô chúng ta đã phát triển những khái niệm trừu tượng có thể giúp chúng ta mô tả, hiểu và sử dụng thế giới vật chất ở quanh ta. Chúng ta thấy một viên đá, một (hạt hơi lớn) mẩu của vật chất, và thấy là nó có thể được làm thành một công cụ - hay một vũ khí. Chúng ta thấy sóng trên biển và những con thuyền được xây dựng có thể đi xuyên qua chúng. Tại sao lại là tai họa khi thấy rằng tại thang bậc nhỏ vật chất đôi khi có tính sóng và đôi khi có tính hạt? Một photon đi xuyên qua một khe. Nó đến màn hình, thường là đến nơi vân giao thoa mạnh và không bao giờ tới vân tối. Theo như những kết quả của Afshar (vẫn chưa được công bố) có thể thấy được khe nào photon đi qua - nó là một hạt. Tuy nhiên đường đi của nhiều photon, về trung bình, có thể được xác định bởi hàm sóng - nó là một sóng. Thật thú vị. Có một số điều suy tư. Nhưng làm ơn - không có chuyện sụp đổ hàm sóng hay những quan đường chính yếu nào nữa nhé. Khoa học và công nghệ có thể phát triển chóng mặt với sự hiểu biết sâu sắc hơn, biện chứng, duy vật hơn về cách mà những hiện tượng đó có mặt, và với một sự rõ ràng thống suốt ra khỏi những điều ngu xuẩn thần bí và phản khoa học hiện đang đeo cái mặt nạ "triết học của khoa học".
Các nhà khoa học và kỹ sư tương lai sẽ hiểu thực tại vật chất tốt hơn. Và với công nghệ tương lai con người sẽ lên kế hoạch chung và phát triển, sẽ có thể nâng nhân loại lên trên xa khỏi cuộc đấu tranh cho những nhu cầu của cuộc sống hiện giờ. Tính chất dã man hoang dã của hệ thống tư bản chủ nghĩa, sự bất bình đẳng xấu xa, tất cả tính tàn bạo và hành vi độc ác, sẽ không còn là gì ngoài một ký ức xa xăm khó ưa. Và cũng vậy, giống như một electron chạm vào một màn hình, sẽ làm phai màu đi theo thời gian.
Tháng 7 năm 2005
[1] Đoạn trích lấy từ bài báo gốc của Heisenberg về nguyên lý bất định của ông ta, xuất bản năm 1927 ở tạp chí vật lý Đức Zeitschrift für Physik, tập 43, trang 172-198. Bản dịch tiếng anh có trong Thuyết lượng tử và Phép đo, Wheeler và Zurek, 1983
[2] Thí nghiệm khe đôi của Young, được chứng minh vào 24/11/1803 trước Hiệp hội Hoàng gia London, không thực sự sử dụng một khe đôi, thay vào đó là một tia sáng hẹp được phân ra bởi rìa của một card mỏng, thu được kết quả cũng giống như một khe đôi.
[3] Paul Dirac, Những nguyên lý của cơ học lượng tử, 1930
[4] Paul Dirac, Sự tiến hóa của Bức tranh về tự nhiên của các nhà vật lý, Khoa học Mỹ 208 (5) (1963)
[5] Albert Einstein và Leopold Infeld, Sự tiến hóa của vật lý học, 1938
[6] D C Cassidy và M Baker (eds.), Werner Heisenberg : Tiểu sử về những tác phẩm của ông, 1984
[7] Heisenberg, bài báo về tính bất định, như ở chú thích 1 bên trên.
[8] Ví dụ, trong QED, Lý thuyết kỳ lạ về ánh sáng và vật chất, 1985, Feynman nói ở trang 76, trong một chú thích để giải thích một cách vật chất làm thế nào tính được xác suất bằng cách cộng các hàm sóng lại: "Giữ nguyên tắc này trong đầu sẽ giúp cho sinh viên tránh khỏi bị rối rắm bởi những thứ như ‘sự khử một gói sóng' và những ma thuật tương tự."
[9] Alan Woods và Ted Grant, Lý tính trong sự nổi dậy, 1995
[10] Heisenberg: Những nguyên lý vật chất của Thuyết lượng tử, 1930.
[11] Max Born, một người Đức Do thái và là một người bạn của Einstein, rời Đức vào 1933 để tránh chủ nghĩa bài Xê-mít; ông là ông nội của ca sĩ/diễn viên Olivia Newton-John.
[12] Albert Einstein, Về vật lý lượng tử, 1940
[13] Lý tính trong sự nổi dậy
[14] Như trên
[15] Như trên
Nhận xét
Đăng nhận xét