Thế giới cổ điển có thể đột sinh từ các vũ trụ đa thế giới của cơ học lượng tử

Những người học cơ học lượng tử được dạy về phương trình của Schrodinger và cách giải nó để đạt được một hàm sóng. Nhưng có một bước quan trọng bị bỏ qua bởi nó thách đố các nhà khoa học kể từ những ngày đầu của cơ học lượng tử - thế giới thực, thế giới cổ điển của chúng ta đột sinh từ vô số lời giải của các hàm sóng như thế nào?

Mỗi hàm sóng này đều có một hình dạng của nó và có liên quan đến mức năng lượng nhưng cách hàm sóng đó “suy sụp” thành cái mà chúng ta thấy như thế giới cổ điển – các hạt nhân, con mèo và những mì sợi trôi nổi trong cái bể ở một khách sạn xơ xác ở Las Vegas, nơi các doanh nhân tụ tập để cố gắng bán cho thế giới này một cái bẫy chuột tốt hơn?

Ở một mức cao, đó là những gì được vận hành theo “quy tắc Born” – định đề cho rằng mật độ xác suất của việc tìm ra một vật thể tại một định xứ riêng tỉ lệ với bình phương của hàm sóng tại vị trí đó.

Erwin Schrödinger phát minh ra con mèo nổi tiếng của ông như một cách để khuếch đại các hệ quả của việc suy sụp hàm sóng – một sự kiện đơn giản như một sự kiện lượng tử của phân rã phóng xạ của một hạt nhân nguyên tử, vì một lý do chưa biết chuyển đổi thành con mèo vĩ mô (ở kích cỡ một con mèo thật) trong một cái hộp, ở trạng thái sống hoặc chết (sự chuyển đổi bí ẩn này có lẽ chỉ ở khía cạnh lý thuyết, mang tên Heisenberg Cut).

Cơ học lượng tử cổ điển nói rằng tại bất cứ thời điểm nào, con mèo cũng trở nên hoặc sống hoặc chết khi cái hộp được mở và trạng thái của con mèo được “đo lường”. Trước đó, con mèo, theo một nghĩa nào đó, ở trạng thái cả sống và chết – nó tồn tại trong một sự chồng chập lượng tử của từng trạng thái. Chỉ khi cái hộp được mở và nhìn vào bên trong hộp thì hàm sóng của con mèo suy sụp thành một trạng thái xác định, hoặc sống hoặc chết.

Trong những năm gần đây, các nhà vật lý đã nhìn vào quá trình này sâu sắc hơn để hiểu cái gì đang diễn ra. Tuy nhiên, vẫn chưa có nhiều thành công trong biến đổi phương trình Schrödinger.

Những ý tưởng khác ngoài diễn giải của trường phái Copenhagen, như lý thuyết hàm thử nghiệm De Broglie-Bohm và giải thích nhiều thế giới của cơ học lượng tử, đang được xem xét nhiều hơn.

Một nhóm nghiên cứu gồm các nhà lý thuyết lượng tử ở Tây Ban Nha đã sử dụng những mô phỏng số để chứng tỏ, ở các quy mô lớn, các đặc trưng của thế giới cổ điển có thể đột sinh từ một lớp rất rộng các hệ lượng tử. Bài báo của họ được xuất bản trên tạp chí Physical Review X.

“Vật lý lượng tử xung đột với trải nghiệm cổ điển của chúng ta, ví dụ như hành xử của các electron, nguyên tử hay photon đơn lẻ”, Philipp Strasberg của trường đại học tự trị Barcelona và tác giả đầu của bài báo nói.

“Tuy nhiên nếu nhìn sâu vào đó, xem xét các đại lượng thô mà con người chúng ta có thể tiếp nhận được (ví dụ nhiệt độ của cốc cà phê buổi sáng hoặc vị trí của một hòn đá), kết quả của chúng tôi chỉ dấu là các hiệu ứng tương quan lượng tử, vốn liên quan đến hành xử lượng tử kỳ quặc, tan biến”.

Phát hiện của họ cho thấy thế giới cổ điển như chúng ta thấy có thể đột sinh từ bức tranh nhiều thế giới của cơ học lượng tử, nơi nhiều vũ trụ tồn tại tại cùng điểm ở không thời gian và nơi phần lớn các con số tiềm năng của các thế giới phân nhánh trong từng thời điểm thực hiện một phép đo.

Hãy hình dung một cái túi chứa đầy nước. Các lỗ đục trên túi và trong nước – bên trong cái túi này là một lượng lớn các phân tử liên tục va chạm nhau, chuyển động theo những hướng ngẫu nhiên – sẽ làm chảy nước ra khỏi túi. Điều này na ná cách mớ bòng bong phức tạp trong thế giới cổ điển như điều mà chúng ta ghi nhận và có cảm giác thân thuộc.

Nhưng một vấn đề kỹ thuật còn lại với chân dung đa thế giới: chúng ta hòa giải đa vũ trụ đó với trải nghiệm cổ điển mà chúng ta có trong một vũ trụ của chúng ta như thế nào? Sau tất cả, chúng ta chưa bao giờ thấy những con mèo trong một trạng thái chồng chập của sống và chết. Ưu tiên hơn, cách chúng ta nói về các vũ trụ khác hoặc thế giới khác hoặc các nhánh theo cách có ý nghĩa như thế nào?

Trong bài báo, Strasberg và đồng tác giả viết “Việc nói về những thế giới khác hoặc lịch sử khác chỉ trở nên có ý nghĩa nếu chúng ta có thể lý giải được về quá khứ, hiện tại và tương lai của nó bằng các thuật ngữ cổ điển”.

Các đồng tác giả đã nỗ lực giải quyết vấn đề này theo cách mới. Các công trình trước mang ý tưởng của sự mất gắn kết lượng tử (quantum decoherence) – nơi các vật thể chúng ta thấy khởi sinh từ đa chồng chập của một hệ lượng tử khi tương tác với môi trường của nó. Nhưng cách tiếp cận này có một vấn đề cần tinh chỉnh – nó chỉ đúng với các dạng cụ thể của các tương tác và các dạng của hàm sóng ban đầu.

Trái ngược với cách này, nhóm nghiên cứu đã chứng tỏ một tập hợp đặc trưng bền vững, nhất quán đột sinh từ một phạm vi của các tiến hóa có thể của một hàm sóng (với nhiều mức năng lượng) tại các quy mô phi vi mô có thể quan sát được. Giải pháp này không có vấn đề nào cần tinh chỉnh, hoạt động với một phạm vi lớn lựa chọn của các điều kiện ban đầu và các chi tiết của các tương tác bên trong các mức năng lượng.

“Cụ thể”, Strasberg nói, “Chúng tôi đem đến một bằng chứng rõ ràng là sự biến mất [của các hiệu ứng giao thoa lượng tử] xảy ra vô cùng nhanh – trở nên chính xác: nhanh ở cấp độ hàm mũ – với sự gia tăng của kích thước hệ. Đó là ngay cả một vài nguyên tử hoặc photon có thể hành xử theo cách cổ điển. Hơn thế, đó là một hiện tượng chung, phổ quát không đòi hỏi bất kỳ tinh chỉnh nào: sự đột sinh của thế giới cổ điển chắc chắn sẽ phải xảy ra, không tránh được”.

Họ đã mô phỏng số sự tiến hóa lượng tử lớn gấp năm lần và tới mức năng lượng gấp 50.000 lần cho các hệ lượng tử bình thường. Dẫu sự tiến hóa đó vẫn còn nhỏ nếu so với những gì mà người ta mô phỏng hiện tượng cổ điển song lớn hơn với bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây.

Xem xét một phổ lớn lựa chọn hàm sóng ban đầu và của sự kết cặp cường độ, họ phát hiện ra cấu trúc cùng quy mô lớn xấp xỉ các phân nhánh bền vững cũng tồn tại – sự đột sinh của một cấu trúc vĩ mô bền vững và tiến hóa chầm chậm.

“Đáng chú ý, công trình của chúng tôi rõ ràng đã chứng tỏ các thế giới cổ điển có thể đột sinh từ một hệ lượng tử ở trong sự cân bằng nhiệt động lực học. Ngay cả khi không chắc chắn đây là trường hợp của vũ trụ chúng ta thì nó cũng chứng tỏ cấu trúc và mũi tên thời gian có thể đột sinh từ những nhánh đơn lẻ của một đa vũ trụ lượng tử mà nhìn tổng thể hỗn độn, phi cấu trúc và đối xứng thời gian”.

Liên quan đến công trình của họ về mặt thống kê, nơi các đặc điểm vĩ mô như nhiệt độ và áp suất đột sinh từ một sự nhào trộn ngẫu nhiên của các hạt chuyển động, nhóm nghiên cứu tìm thấy một số nhánh dẫn đến các thế giới có entropy suy giảm. Nhiều thế giới trong đó có thể có entropy ngược chiều mũi tên thời gian.

Thanh Hương dịch từ Phys.

Nguồn: https://phys.org/news/2024-12-numerical-simulations-classical-world-emerge.html