Giải thích cơ lượng tử theo khái niệm thông tin

1. "Một câu hỏi lớn chưa lời đáp"

Cơ lượng tử ra đời vào những năm 1920 khi vật lý bắt đầu tiến công vào những bí ẩn của thế giới vi mô: thế giới photon, điện tử, nguyên tử v.v... Ai cũng công nhận tính đúng đắn, thành công của cơ lượng tử. Ðó là cốt lõi của vật lý lượng tử, đã dẫn đến cuộc cách mạng khoa học công nghệ bắt đầu từ những năm 1950 đến nay. Tuy nhiên ai cũng thấy Richard Feynman (người Mỹ đoạt giải Nobel về vật lý năm 1960) nói đúng: "Tôi tin rằng nói ra mà không bị sai lầm là chưa một ai hiểu được cơ lượng tử".

Cơ lượng tử khó hiểu không phải là vì sử dụng các công cụ toán học phức tạp, các phương trình vi phân kiểu "vectơ trạng thái trong không gian Hilbert", "phương trình Schrodinger" v.v... Những điều này chỉ cần chú ý làm quen một thời gian là nắm vững và vận dụng được.

Cái khó hiểu ở cơ lượng tử là không trả lời được câu hỏi cơ lượng tử là gì, thực chất nó mô tả cái gì. Lập luận kỹ càng theo cơ lượng tử lại dẫn đến những nghịch lý không gỡ nổi. Tình huống ở đây không như ở bài thơ "Hai câu hỏi" của Chế Lan Viên:

"Ta là ai"? như ngọn gió siêu hình

Câu hỏi hư vô thổi nghìn nến tắt

"Ta vì ai" khẽ xoay chiều ngọn bấc

Bàn tay người thắp lại triệu chồi xanh.

(TẬP THƠ "ÁNH SÁNG VÀ PHÙ SA" - NXB Văn học 1960).

Thật vậy, ngay từ đầu cơ lượng tử đã vì thế giới vi mô mà phát triển, rất gắn bó với thế giới thực tại, đã đem lại muôn chồi xanh cho những hiểu biết về thế giới lượng tử, đã dẫn đến vô số ứng dụng thực tế làm thay đổi cả đời sống xã hội. Tuy nhiên, không nên né tránh hay chuyển theo chiều hướng khác câu hỏi cơ lượng tử là gì vì càng giải đáp đúng được thì càng có khả năng phát triển mạnh cơ lượng tử, đem lại triệu triệu những chồi xanh.

2. Giải thích cơ lượng tử

Ngay tên gọi cơ lượng tử cũng đã có nhiều ý kiến. Cuối thế kỷ 18 cơ học Newton đã phát triển đến đỉnh cao. Ngành cơ học đó đã tìm ra các quy luật về lực tác dụng lên vật thể, cho biết rất tường tận vị trí, chuyển động của các vật thể, từ những vật thể nhỏ, mắt thấy được ở gần gũi chung quanh ta cho đến những thiên thể to lớn trong vũ trụ. Tuy nhiên đối với những vật thể cực nhỏ, mắt không nhìn thấy được như photon, điện tử, nguyên tử... nhiều điều xảy ra không đúng như cơ học cổ điển mô tả, đặc biệt là các hiện tượng lượng tử. Lý thuyết xây dựng hoàn toàn mới để mô tả động thái của các hạt vi mô này được Max Born đặt tên là cơ học lượng tử, muốn nhấn mạnh đến lý thuyết tìm ra quy luật mô tả được động thái của các hạt có tính lượng tử.

Nhưng chỉ hai năm sau đó, Erwin Schrodinger, người đã thấy khá rõ tính chất sóng của các hạt lượng tử và người theo phái Louis de Broglie đề nghị đặt tên lý thuyết mới này là cơ học sóng. Chưa rõ gọi là cơ lượng tử hay cơ học sóng, tên gọi nào hợp lý hơn, nhưng một câu hỏi lớn đặt ra là lý thuyết mới này thực chất mô tả cái gì.

Ðã có nhiều quan niệm, nhiều cách giải thích. Cách giải thích sớm nhất, phổ biến nhất là cách giải thích của Niels Bohr, thường gọi là cách giải thích Copenhague (thủ đô của Ðan Mạch, quê hương của Niels Bohr).

Theo Bohr, cơ lượng tử chỉ là hình thức luận cho phép người quan sát bố trí các máy móc đo, biểu diễn đúng những điều quan sát được. Cách giải thích này không nói rõ thực tế cơ lượng tử là gì mà chỉ nói đến cách có thể biểu diễn. Ðây là cách giải thích không gắn cho cơ lượng tử mô tả vật chất gì cụ thể cả.

Trái lại nhà vật lý Mỹ David Bohm lại đưa ra một cách giải thích cơ lượng tử trái ngược với cách giải thích Copenhague.

Theo Bohm, mỗi hạt gắn liền với một sóng dẫn đường cho hạt đó. Cơ lượng tử mô tả trực tiếp sóng dẫn đường này, đó là một dạng của vật chất, cơ lượng tử có tính vật chất rõ rệt chứ không phải chỉ là hình thức luận.

Nhưng vật chất này lại rất kỳ lạ. Một hạt lại có thể được tìm thấy bởi một cái gì đó không thuộc bên trong hạt. Nói chung là rất phiền phức, khó hiểu.

Có đến hàng chục cách giải thích khác nhau trong lịch sử hơn tám mươi năm của cơ lượng tử mà không có cách giải thích nào ai cũng thấy chấp nhận được. Không những thế, từ cơ lượng tử suy luận ra thấy nhiều chuyện ngược đời thường gọi là nghịch lý mà tiêu biểu là nghịch lý về con mèo Schrodinger, mèo có thể vừa sống vừa chết, nghịch lý về con bọ rùa, có thể đồng thời chui qua hai lỗ và nghịch lý về con cá vàng, có thể viễn tải từ bể cá này sang bể cá kia (sẽ trình bày kỹ hơn ở phần sau).

Chính các nhà vật lý danh tiếng suy ra các nghịch lý này, cho đến nay chưa ai giải thích được tại sao lại ngược đời như vậy.

3. Cơ lượng tử mô tả thông tin về vật chất

Nhưng gần đây Anton Zeilinger, giáo sư vật lý ở đại học Vienne (Áo), người nổi tiếng nhất về thực hiện những thí nghiệm thông tin lượng tử, về viễn tải, đã đưa ra một cách giải thích mới về cơ lượng tử. Ông đã đề xuất ý kiến là cơ lượng tử không phải mô tả về vật chất thực sự mà là mô tả thông tin về vật chất.

Với quan niệm cơ lượng tử mô tả thông tin về vật chất, ông đã giải đáp nhiều vấn đề khó hiểu của cơ lượng tử, đã giải thích những nghịch lý của cơ lượng tử. Một số nhà bình luận khoa học thì nói rằng với khái niệm thông tin như Zeilinger đề ra thì không còn những nghịch lý lượng tử nữa, mọi vấn đề trở nên trong sáng*.

Ta thử tìm hiểu Anton Zeilinger đưa khái niệm thông tin vào cơ lượng tử như thế nào.

Hãy bắt đầu bằng một thí dụ Zeilinger đưa ra: giả sử rằng anh bị mất con chó, năm phút trước đây con chó vẫn ở bên cạnh anh. Cách tốt nhất để tìm ra con chó là xuất phát từ thông tin: "cách đây 5 phút con chó ở đây". Vậy thông tin này đã diễn biến như thế nào theo thời gian: bây giờ con chó ở những nơi mà nó có thể đến được trong 5 phút vừa qua. Thực tế anh đã làm theo cách đó để tìm con chó. Ðối tượng suy nghĩ của anh không phải là con chó thực sự mà là những thông tin về vị trí con chó.

Tương tự như vậy, theo Anton Zeilinger về nguyên tắc, cơ lượng tử không mô tả những đặc trưng của vật thực mà là những thông tin về vật thực. Theo nguyên tắc đó, có thể lần lượt giải thích những bí hiểm, những nghịch lý ở cơ lượng tử.

Trước hết ta xét đến bí ẩn về bản tính xác suất của thế giới lượng tử. Thực tế các hiện tượng lượng tử luôn chứa đựng yếu tố ngẫu nhiên. Thí dụ không thể nói trước là ở thời điểm nào nguyên tử của một nguyên tố phóng xạ bị phân rã. Ta chỉ có thể nói đến xác suất xảy ra hiện tượng này và tìm các quy luật về xác suất đó. Như vậy ngẫu nhiên lại ngự trị ngay trong cả các quy luật lượng tử, làm thế nào để giải thích điều đó?

Theo Anton Zeilinger thì: Tính không thật chắc chắn của các phép đo lượng tử là do hệ không có đủ thông tin để có thể trả lời chắc chắn cho các câu hỏi mà thực nghiệm đặt ra.

Lại lấy thí dụ về tìm con chó mà trước đây 5 phút con chó còn ở bên cạnh anh. Thông tin về vị trí con chó ban đầu, tại gốc là hoàn toàn xác định. Nhưng thông tin đó bị loãng dần theo thời gian vì có xác suất tìm thấy con chó ở đâu đấy chung quanh. Bây giờ con chó ở một chỗ xác định nhưng với những thông tin có được anh không thể xác định chính xác nó ở đâu. Ngẫu nhiên có thể tìm thấy nó ở một nơi trong vùng mà trong năm phút con chó có thể đến được. Ngẫu nhiên lượng tử chỉ là thể hiện của sự thiếu thông tin.

Một điều khó hiểu nữa ở cơ lượng tử là vướng mắc lượng tử (quantum entanglement). Khi hai hạt lượng tử ở trạng thái vướng mắc nhau, dù ở gần nhau hay xa nhau bao nhiêu đi nữa, chúng có tương quan lượng tử với nhau. Thay đổi trạng thái của hạt này lập tức trạng thái hạt kia thay đổi theo.

Lại lấy thí dụ về con chó. Giả sử bạn anh cũng có một con chó, con chó của bạn anh và con chó của anh có thói quen là cứ thẩn thơ theo hướng ngược nhau. Thông tin về vị trí của hai con chó này tất nhiên liên quan với nhau: nếu cách đây 5 phút con chó của bạn anh cũng bị mất đồng thời với con chó của anh thì chỉ cần tìm được con chó của bạn anh tức khắc sẽ tìm được con chó của anh (vì biết rằng chúng ở ngược nhau).

Vậy vướng mắc lượng tử tóm tắt lại là sự chồng chéo thông tin.