Tại sao cơ học lượng tử lại thách thức vật lý?
Quá khó để gói gọn câu chuyện kỳ quặc và dài dòng của thế giới lượng tử vào một bài báo ngắn nhưng có lẽ, vào thời kỳ kể từ năm 1905, khi Einstein xuất bản lời giải đầu tiên của mình về câu đố quang điện cho đến những năm 1960, khi một lý thuyết lượng tử phức tạp hoàn chỉnh và được kiểm chứng về thế giới của các hạt hạ nguyên tử cuối cùng cũng xuất hiện là một câu chuyện hoàn toàn khác.
Lý thuyết lượng tử có thể mang đến theo cách của mình, sự hoàn chỉnh của mình và toàn bộ sự tinh chỉnh hiểu biết của chúng ta về ánh sáng. Trong bức tranh lượng tử của thế giới hạ nguyên tử, điều mà chúng ra gọi là lực điện tử thực chất là sản phẩm của những tương tác vi mô không thể đo đếm, công việc của những hạt photon không thể phân chia, thứ vật chất tương tác theo những cách rất bí ẩn. Và thực sự bí ẩn theo đúng nghĩa đen. Khung lượng tử không cung cấp cho chúng ta bức tranh nào vì cách các hạt hạ nguyên tử tương tác trên thực tế vẫn tiếp tục. Nó hiếm khi trao cho chúng ta những bộ công cụ toán học để tính toán được các dự đoán. Và vì vậy chúng ta chỉ có thể trả lời được câu hỏi về các photon trên thực tế hoạt động như thế nào cùng với một cái nhún vai bởi ít nhất chúng ta không có được năng lực dự đoán và không thể giúp xoa dịu được nỗi đau của mình về tính không thể dự đoán của lượng tử.
Trong lãnh địa cơ học lượng tử, thực hiện công việc này, với vật lý là sử dụng các mô hình toán học để tạo ra các dự đoán có thể đánh giá thực nghiệm, là một điều vô cùng khó. Và đó là bởi vì sự thật đơn giản là các quy tắc lượng tử không giống các quy tắc thông thường, và trong thế giới hạ nguyên tử thì tất cả mọi sự đánh cược đều vô nghĩa.
Các tương tác và các quá trình diễn ra ở cấp độ hạ nguyên tử đều không tuân theo tính có thể dự đoán và sự tin cậy của các quá trình vĩ mô. Trong thế giới vĩ mô, tất cả đều có ý nghĩa (bởi vì chúng ta đã tiến hóa để hiểu ý nghĩa của thế giới chúng ta sống). Chúng ta có thể ném một quả bóng cho một đứa trẻ với số lần đủ để não bộ của chúng chọn lấy một mẫu hình thực tế: quả bóng rời khỏi tay, quả bóng theo một đường cong, quả bóng chuyển động và cuối cùng rơi xuống mặt đất. Chắc chắn là có vô số phiên bản của chuyển động dựa trên tốc độ, góc ném và gió nhưng nguyên nhân cơ bản của một quả bóng được ném đi thì luôn luôn giống nhau.
Nhưng mọi chuyện lại không xảy ra như vậy trong thế giới lượng tử, nơi dự đoán hoàn hảo là điều không thể và không thể có chỗ cho những lời tuyên bố đáng tin cậy. Ở cấp độ hạ nguyên tử, những xác suất chiếm ưu thế – không thể nói một cách chính xác các hạt nào sẽ làm cái gì ở bất cứ khoảng thời gian nào. Và sự mơ hồ của cả khả năng dự đoán lẫn tính đáng tin cậy của cơ học lượng tử đã khiến Einstein chán ghét. Cuối cùng ông đã rời thế giới lượng tử với cái lắc đầu tiếc nuối trước công trình mà ông cho là lạc đường của đồng nghiệp. Và vì vậy ông tiếp tục công việc của mình, nỗ lực đi tìm một cách tiếp cận độc đáo để kết hợp hai lực đã biết của tự nhiên, lực điện từ và hấp dẫn, với một khung rõ ràng không phải là khung lượng tử.
Khi hai lực đó lần đầu được đề xuất vào những năm 1930 để giải thích hoạt động bên trong của các hạt nhân nguyên tử – lực hạt nhân mạnh và yếu – nó không làm thối chí Einstein. Một khi điện từ và hấp dẫn liên kết với nhau thành công, có thể không cần nhiều nỗ lực để phát hiện và giải thích các lực mới của tự nhiên. Tuy nhiên, những đồng nghiệp dành nhiều thời gian cho lượng tử của ông đã tìm ra các lực mới trong sự vui sướng và cuối cùng đã đưa chúng vào thế giới quan lượng tử và khung lượng tử.
Vào cuối đời của Einstein, cơ học lượng tử có thể miêu tả được ba lực của tự nhiên trong khi hấp dẫn thì đứng đơn độc. Dẫu vậy, thuyết tương đối rộng vẫn trở thành một cột mốc ghi nhận trí tuệ và sự sáng tạo của ông.
Thanh Đức tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2023-12-quantum-mechanics-defies-physics.html
