Triết học chuyển thành vật lý và thực tại chuyển thành thông tin như thế nào?
Giải Nobel Vật lý năm nay đã ghi nhận “các thực nghiệm với các hạt photon rối lượng tử, khẳng định sự vi phạm của các bất đẳng thức Bell và tiên phong về khoa học thông tin lượng tử”.
John Bell tại văn phòng ở CERN của mình.
Để hiểu điều này là gì và tại sao công trình đó lại quan trọng, chúng ta cần hiểu cách các thực nghiệm đó giải quyết một cuộc tranh luận kéo dài giữa các nhà vật lý như thế nào. Và một nhân vật quan trọng trong cuộc tranh luận này là một nhà vật lý Ireland tên là John Bell.
Vào những năm 1960, Bell đã xác định cách chuyển một câu hỏi triết học về bản chất của thực tại thành một câu hỏi của vật lý để khoa học có thể trả lời – và trên con đường phá vỡ khoảng cách giữa việc chúng ta biết điều gì về thế giới này và thế giới này thực sự như thế nào.
Rối lượng tử
Chúng ta biết rằng các chủ thể lượng tử có những đặc tính mà chúng thường không thể gán cho các vật thể trong đời sống bình thường của chúng ta. Thi thoảng thì ánh sáng là sóng, thi thoảng lại là hạt. Cái tủ lạnh của chúng ta chưa bao giờ hành xử như vậy.
Khi nỗ lực giải thích dạng hành xử bất thường này, có hai dạng giải thích mà chúng ta có thể hình dung. Một khả năng có thể là chúng ta hiểu được thế giới lượng tử một cách rõ ràng, chỉ như nó vốn thế, và vì vậy những gì diễn ra đều bất thường. Một khả năng có thể khác là thế giới lượng tử cũng giống như thế giới bình thường mà chúng ta biết và yêu nhưng cái nhìn của chúng ta về nó đã bị biến dạng, vì vậy chúng ta không thể nhìn thấy thực tại lượng tử một cách rõ ràng như nó là.
Vào những thập kỷ sớm của thế kỷ 20, các nhà vật lý bị chia rẽ về các giải thích nào là đúng. Giữa những người nghĩ về thế giới lượng tử là bất thường có những người mà chúng ta có thể kể đến là Werner Heisenberg và Niels Bohr. Giữa những người nghĩ về thế giới lượng tử chỉ giống như thế giới bình thường và cái nhìn của chúng ta chỉ đơn giản là quá mơ hồ, là Albert Einstein và Erwin Schrödinger 1.
Tại tâm điểm của sự phân chia này là một dự đoán bất thường của lý thuyết lượng tử. Theo lý thuyết này, các hệ lượng tử đã biết có đặc tính tương tác vẫn còn phụ thuộc vào nhau – ngay cả khi các hệ này đã chuyển động xa nhau ở khoảng cách vô cùng lớn.
Vào năm 1935, cùng năm với việc tìm ra thực nghiệm nổi tiếng về một con mèo bị giữ lại trong một cái hộp, Schrödinger đã tạo ra thuật ngữ “rối” cho hiện tượng đó. Ông đồng ý với việc thật ngớ ngẩn khi tin rằng thế giới này vận hành theo cách này.
Vấn đề với rối lượng tử
Nếu các hệ lượng tử rối vẫn còn thực sự kết nối ngay cả khi chúng ở cách nhau một khoảng cách lớn, dường như là chúng có giao tiếp tức thời với nhau theo một cách nào đó. Nhưng dạng kết nối này vẫn còn chưa được thừa nhận, theo thuyết tương đối rộng của Einstein. Einstein gọi ý tưởng này là “hành động ma quỷ bất chấp khoảng cách”.
Vào năm 1935, Einstein, cùng với hai đồng nghiệp nữa, đã nghĩ ra một thực nghiệm tưởng tượng chứng tỏ cơ học lượng tử không thể đem lại cho chúng ta toàn bộ câu chuyện về rối lượng tử. Họ nghĩ, đó phải là cái gì đó vượt ra ngoài thế giới mà chúng ta không thể nhìn thấy.
Nhưng khi thời gian trôi qua, câu hỏi về sự diễn dịch lý thuyết lượng tử như thế nào đã trở thành một chú dẫn học thuật. Câu hỏi này dường như quá triết học và trong những năm 1940, nhiều bộ óc xuất sắc trong vật lý lượng tử đã suy nghĩ rất lung để áp dụng lý thuyết này cho một dự án rất thực tế: tạo ra một quả bom nguyên tử.
Cho đến mãi những năm 1960, khi nhà vật lý Ireland John Bell chuyển hướng vào vấn đề rối lượng tử, cộng đồng khoa học nhận ra là câu hỏi dường như quá triết học này có thể có một câu trả lời hữu hình 2.
Lý thuyết của Bell
Bằng việc sử dụng một hệ lượng tử rối đơn giản, Bell đã mở rộng thực nghiệm tưởng tượng của Einstein vào năm 1935. Ông chứng tỏ không có cách nào để sự miêu tả lượng tử có thể hoàn thành trong khi ngăn “hành động ma quỷ bất chấp khoảng cách” và vẫn khớp với các dự đoán của lý thuyết lượng tử.
Đây không phải tin vui cho Einstein, dường như là vậy. Nhưng đó không phải là một chiến thắng ngay lập tức với những người đối đầu với ông.
Sở dĩ có điều này là vì không có bằng chứng vào những năm 1960 về việc liệu các dự đoán về lý thuyết lượng tử là đúng. Để thực sự chứng minh được quan điểm của Bell, một số người đã đặt vào đó một lý luận triết học về thực tại, chuyển đổi vào một hệ vật lý thực, cho một kiểm tra về thực nghiệm.
Và điều đó, tất nhiên, là nơi hai nhà khoa học được giải Nobel năm nay nhảy vào câu chuyện này 3. Người đầu tiên là John Clauser, và sau đó là Alain Aspect, triển khai nhiều thực nghiệm về hệ mà Bell đề xuất để cuối cùng chứng tỏ những dự đoán của cơ học lượng tử hoàn toàn chính xác. Và một kết quả là, ít nhất chúng ta chấp nhận “hành động ma quỷ bất chấp khoảng cách”, không có chỗ cho các hệ lượng tử rối có thể miêu tả được thế giới lượng tử quan sát được.
Vì vậy, Einstein đã sai?
Đó có lẽ là một ngạc nhiên nhưng những tiến triển của lý thuyết lượng tử xuất hiện đã chứng tỏ Einstein sai về điểm này. Đó là, dường như chúng ta không có một cái nhìn mờ mịt về thế giới lượng tử giống như thế giới thông thường của chúng ta.
Nhưng ý tưởng mà chúng ta chấp nhận rõ ràng một thế giới lượng tử vốn đã bất thường lại dường như lại đơn giản thái quá. Và điều này đem lại một trong những bài học triết học về chương này trong vật lý lượng tử.
Đó là chúng ta có thể nói chuyện về thế giới lượng tử một cách hợp lý vượt ra ngoài miêu tả khoa học của chúng ta về nó – đó là, vượt ra ngoài thông tin mà chúng ta có.
Nhà khoa học thứ ba đoạt giải Nobel, Anton Zeilinger, đặt vào sự khẳng định “Không thể tạo ra sự phân biệt giữa thực tại và hiểu biết của chúng ta về thực tại, giữa thực tại và thông tin. Không thể có cách nào để phân biệt thực tại mà không sử dụng thông tin mà chúng ta có” 3.
Sự phân biệt này, mà chúng ta thường cho là đặt nền móng cho bức tranh thông thường của chúng ta về thế giới, hiện tại đã trở nên bớt mập mờ. Và chúng ta phải cảm ơn John Bell.
Nguyễn Nhàn dịch
Nguồn: https://theconversation.com/how-philosophy-turned-into-physics-and-reality-turned-into-information-191940
————————-
1. http://tiasang.com.vn/khoa-hoc-cong-nghe/vat-ly-luong-tu-ma-quai-toi-muc-nao-22952/
2. http://tiasang.com.vn/khoa-hoc-cong-nghe/mot-dang-moi-cua-tuong-quan-luong-tu-20604/
3. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/summary/
