[Sunnata]

TỪ BẤT ĐỊNH LƯỢNG TỬ ĐẾN NGUYÊN LÝ BỔ SUNG CỦA BOHR Và THÁI CỰC ĐỒ

(From Quantum Uncertainty to Bohr’s Complementarity Principle and Taijitu)

Người Pháp nói: “Les grands esprits se rencontrent” (Tư tưởng lớn gặp nhau/Mọi con đường đều dẫn tới La-Mã). Chúng ta có thể chiêm nghiêm điều đó khi nghiên cứu những tư tưởng lớn như Nguyên lý Bổ sung của Niels Bohr, Thái Cực Đồ của Đạo học cổ đại, và Định lý Bất toàn của Godel. Đó là một câu chuyện triết học rất có ý nghĩa về Bất định Lượng tử.

[1] – MARIE CURIE VÀ TÍNH BẤT ĐỊNH CỦA PHÓNG XẠ

Sự kiện đầu tiên hé lộ tính bất định và ngẫu nhiên của thế giới lượng tử là những khám phá về phóng xạ của Henri Becquerel và vợ chồng Curie: khoa học có thể tính tuổi phóng xạ của một nguyên tử uranium (thời gian từ lúc bắt đầu phóng xạ đến khi ngừng), nhưng không thể biết lúc nào nó bắt đầu phóng xạ (tương tự như các công ty bảo hiểm nhân thọ có thể tính được tuổi thọ trung bình để bán bảo hiểm cho một người, nhưng không thể biết tuổi thọ của người đó sẽ kết thúc vào lúc nào). Điều này cho thấy: hóa ra thế giới tự nhiên, từ trong bản chất sâu thẳm của nó, mang tính bất định và ngẫu nhiên hơn ta tưởng!

Đồng thời nó cũng cho thấy Luật Nhân Quả (Law of Cause and Effect) mất hiệu lực: radium phóng xạ một cách ngẫu nhiên, không vì một nguyên nhân nào cả. Cần nhấn mạnh rằng Luật Nhân Quả vốn là cơ sở của phương pháp nghiên cứu khoa học – mọi giải thích của khoa học đều phải dựa trên hoặc xuất phát từ một nguyên nhân xác định cụ thể nào đó – nhưng hiện tượng phóng xạ là trường hợp đầu tiên cho thấy Luật Nhân Quả mất tác dụng: Bạn không thể chỉ ra nguyên nhân phóng xạ và cũng không thể can thiệp để buộc một nguyên tử phóng xạ. Bạn chỉ có thể lợi dụng hiện tượng phóng xạ, thay vì giải thích nó.

Kết luận trên rất quan trọng cả về lý luận lẫn thực tiễn. Nó mở ra một hướng đi mới trên con đường phát triển khoa học và công nghệ: có thể ứng dụng các hiện tượng lượng tử ngay cả khi không giải thích được bản chất của hiện tượng đó. Xu hướng này ngày càng được chấp nhận, điển hình là việc lợi dụng “tương tác ma quái” để chuyển thông tin tức thời (teleportation).

Thật vậy: “Tương tác ma quái” (ghost interaction) là một thuật ngữ do chính Albert Einstein thốt lên khi chứng kiến một hiện tượng kỳ quái không thể giải thích được: một hạt photon có thể cùng một lúc tồn tại ở hai vị trí hoàn toàn cách biệt trong không gian. Nói cách khác, hai hạt photon ở hai vị trí hoàn toàn cách biệt có thể có mối liên hệ “tương tác ma quái” với nhau sao cho chúng ứng xử giống hệt nhau – giống đến mức chúng có thể xem như một hạt duy nhất cùng một lúc tồn tại ở hai nơi khác nhau. Điều đó có nghĩa là hạt này ứng xử thế nào thì hạt kia cũng ứng xử thế ấy – hạt này mang thông tin thế nào thì hạt kia cũng mang thông tin thế ấy. Giả sử ta có hai hạt như thế, một ở Hanoi, một ở Sydney. Ta điều khiển sao cho hạt ở Hanoi mang một thông tin nào đó thì lập tức hạt ở Sydney cũng mang thông tin ấy, tức là thông tin đã được truyền từ Hanoi tới Sydney một cách tức thời mà không cần có một dòng chuyển động nào của các hạt lượng tử. Công nghệ cáp quang hiện nay đã là một thành tựu thần kỳ, tốc độ cáp quang sẽ ngày càng lớn để thỏa mãn nhu cầu của con người, nhưng dù lớn đến mấy cũng vẫn chỉ là một trò chơi khiêm tốn so với tốc độ tức thời của công nghệ “teleportation” (viễn tải lượng tử) trong tương lai, trong đó hạt lượng tử có thể xem như một “Tề Thiên Đại Thánh” cùng một lúc vừa có mặt ở hạ giới vừa có mặt trên thiên đình – một phép lạ của thế giới lượng tử! Phép lạ ấy đã bước đầu trở thành sự thật, như đã được giới thiệu trong bài “Bước đột phá trong vật lý lượng tử: chuyển thông tin tức thời”.

Tất cả những chuyện kỳ lạ nói trên chỉ có thể hiểu được nếu ta chấp nhận một nguyên lý cơ bản của thế giới lượng tử, đó là Nguyên lý Bất định (Uncertainty Principle), do Werner Heisenberg nêu lên năm 1927. Nguyên lý này dẫn tới cuộc va chạm lớn về tư tưởng giữa hai nhân vật khổng lồ, đại diện cho hai hệ tư tưởng lớn trong khoa học thế kỷ 20: Einstein (xác định) vs Bohr (bất định). Cuộc va chạm ấy dẫn tới đổ vỡ tình cảm giữa họ, nhưng di sản để lại là một bài học vô cùng sâu sắc về khoa học và triết học, về vũ trụ quan, thậm chí về Đạo học, vượt ra khỏi phạm vi vật lý, để cuối cùng nhiều học giả phải thừa nhận rằng Bohr sâu sắc hơn Einstein.

[2] – BOHR SÂU SẮC HƠN EINSTEIN?

Nguyên lý Bất định khẳng định rằng bạn không thể đồng thời xác định chính xác các đặc trưng vật lý của hạt lượng tử. Chẳng hạn bạn không thể đồng thời xác định chính xác vị trí và momentum của một hạt lượng tử – vị trí được xác định chính xác bao nhiêu thì momentum kém chính xác bấy nhiêu, và ngược lại. Bạn cũng không thể đồng thời xác định tính sóng và tính hạt; bạn không thể đồng thời xác định các cặp đặc trưng khác…

Đa số các nhà vật lý ủng hộ nguyên lý này, nhưng nhà vật lý giỏi nhất, có uy tín nhất đương thời là Einstein lại bác bỏ. Không ai đủ sức chống lại Einstein, trừ Niels Bohr. Bohr lập tức đứng ra bênh vực Heisenberg. Ông được coi là lãnh tụ triết học của Cơ học Lượng tử, với niềm tin cho rằng bất định là một đặc trưng tự nhiên vốn có của thế giới lượng tử, khác biệt hoàn toàn với thế giới thông thường.

Cuộc đấu trí giữa Einstein và Bohr là một cuộc chiến tư tưởng ngoạn mục nhất trong mọi thời đại. Muốn hiểu vật lý lượng tử, hãy tìm hiểu cuộc đấu trí đó – cuộc chiến giữa xác định (Einstein) với bất định (Bohr). Einstein liên tiếp đưa ra những thí nghiệm tưởng tương nhằm chứng minh có thể đồng thời xác định hai đặc trưng khác nhau của một hạt lượng tử, nhưng Bohr lần lượt bác bỏ luận điểm của Einstein bằng cách chỉ ra yếu tố bất định trong mỗi thí nghiệm ấy. Có những lúc Einstein tưởng mình sẽ đắc thắng, nhưng Bohr chỉ sau một đêm suy nghĩ nát óc, hôm sau lại chỉ ra chỗ sai của Einstein. Đúng là hai kỳ phùng địch thủ. Độc giả nào muốn tìm hiểu những thí nghiệm ấy, xin đọc kỹ Chương I cuốn “Từ xác định đến bất định” (đã dẫn). Cuộc chiến gay go đến nỗi tình bạn Einstein-Bohr cuối cùng đi đến tan vỡ, bởi không ai chịu ai.

Nếu hỏi ai thắng, ai thua, thì thật khó trả lời. Nhưng theo những gì do lịch sử để lại thì phải buồn rầu thừa nhận rằng Bohr lấn lướt Einstein. Chẳng phải tùy hứng mà Lev Landau, nhà vật lý xuất sắc của Liên Xô (cũ), xếp hạng Einstein trên trục số tương ứng với vị trí zero (0), trong khi Bohr ở vị trí (–1), ý nói Bohr sâu sắc hơn. Không nên quên rằng với Thuyết Lượng tử Ánh sáng công bố vào năm “annus mirabilis” (năm kỳ diệu 1905 của Einstein), Einstein được xem như một trong những “khai quốc công thần” của lý thuyết lượng tử. Nhưng giống như Newton, ông chỉ đứng một chân trong thế giới mới, còn chân kia vẫn đứng trong thế giới cũ: một chân trong thế giới lượng tử và tương đối, chân kia trong thế giới xác định [Newton đứng một chân trong cơ học mới, một chân trong giả kim thuật (alchemy)]. Mặc dù Thuyết Tương đối của ông được coi là một trong những thành tựu vĩ đại nhất của tư duy, tạo nên một cuộc cách mạng về vũ trụ quan từ tuyệt đối sáng tương đối, và do đó ông được coi là một khuôn mặt trẻ đầu thế kỷ 20 với những tư tưởng cấp tiến, nhưng ông lại là một cụ già bảo thủ không thể nào chấp nhận khái niệm bất định.

Tuy nhiên, dường như sự sắp xếp của Lev Landau cũng “bất định”, bằng chứng là cho đến nay vẫn có những Einsteinian muốn chứng minh Einstein đúng, nguyên lý bất định sai. Theo trường phái này, cái gọi là bất định thực ra chỉ là hiện tượng “rối lượng tử” (quantum entanglement) [xem “Cái chết của Nguyên lý Bất định” của Phạm Việt Hưng trong cuốn “Những câu chuyện khoa học hiện đại”, NXB Trẻ 2003]. Trong cuốn “Từ xác định đến bất định”, David Peat cũng cho biết: “Các nhà vật lý ngoài miệng thì nói theo Bohr và phủ nhận Einstein, nhưng cuối cùng phần lớn trong số họ lại chẳng hiểu những gì Bohr nghĩ và rồi họ vẫn suy nghĩ như Einstein” (ý kiến của nhà vật lý Basil Hiley).

Điều này cho thấy cái đầu “vật lý thuần túy” không đủ để hiểu vật lý. Cụ thể hơn, để hiểu Bohr, phải có thêm cái đầu triết học. Thật vậy, Bohr không chỉ là một nhà vật lý, mà còn là một nhà triết học, đúng như các tiểu sử của Bohr đã nhận định. Sách giáo khoa vật lý ở cấp phổ thông lẫn đại học ít đề cập tới khía cạnh triết học này, nhưng những tâm hồn yêu khoa học thực sự lại cảm thấy đó chính là những di sản giá trị nhất của Bohr.
Vậy không thể không biết tư tưởng triết học của Bohr.