Cơ học lượng tử: Khải thị về giới hạn của loài người

1- Dẫn nhập:

Sự kỳ cục của thuyết lượng tử, là lý thuyếtvật lý đương thời thống trị thế giới vi mô,được nhiều người dùng như một cớ để chối bỏ Đấng Tạo Hoá. Đối với họ, vũ trụ này tự nhiên mà có; con người tiến hoá từ cõi không mà ra, và qua sựtiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật, loài người sẽ tiến hoá thành một giốngtoàn năng như chính Thượng Đế vậy.

Trong bài này chúng tôi cung cấp cho đọc giả một cái nhìn khác về thuyết cơ học lượng tử. Sựra đời của thuyết này là một khải thị về sự hữu hạn của loài ngườingay cả trong phạm trù thế giới vật chất, thế giới mà trí óc của một người vật chất chủ nghĩa có thểkhái niệmđược.



2- Hai khuôn mặt của thế giới vật chất:

Thế giới vật chất có hai đặc tính gần như mâu thuẫn. Một mặt, nó có tính xác địnha, mặt khác nó có tính xác xuấtb. Tính xác định hiện hữu rõ nét trong thế giới vĩ mô, là thế giới của các vật thể lớn chúng ta thấy trong đời sống hằng ngày, như trái táo, chiếc xe, viên đạn, v.v. được mô tả bởi vật lý Newton. Lý thuyết này nói về lực tương tác giữa các vật thể có khối lượng, gọi là hấp lực. Thế giới vĩ môcòn bao gồmcác thiên thể, thiên hà, Lỗ Đenc, và ngay cả chính vũ trụ này. Khi nói về thế giới cực đại này, chúng ta thường nghe tớilýthuyết tương đối rộng (TĐR) của Einstein. Theo lý thuyết này, sở dĩ các vật có khối lượng thu hút nhau (theo vật lý Newton) là vì chúng có khối lượng (hoặc năng lượng, vì khối lượng và năng lượng tương quan theo thuyết tương đối hẹp của Einstein - E = mc2). Khi một khối lượng (hay năng lượng) hiện diện thì nó uốn cong không-thời gian bốn chiều lại; do vậy một vật khác rơi vào vùng không-thời gian bị méo mó nàysẽ chịu một "lực" mà Newton đã mô tả trong vật lý cổ điển của ông. Thuyết TĐR chứng nghiệm thực tếkhi người ta đo được độ lệch của tia ánh sáng khi đi ngang qua trái đất vì vùng không-thời gian chung quanh trái đất bị uốn cong do khối lượng của nó. Thế giới củaNewton và Einstein là thế giới xác địnhvì hànhvi của một vật thể trong thế giới đó có thể được tiên đoán một cách chính xác được bởi các phương trình vi phânchịu điều kiện biên (về không gian) và ban đầu (về thời gian). Lấy tỉ dụ nguyên tắc pháo binh.Nếu cho trước trọng lượng của viên đạn, lực đẩy của thuốc súng, tọa độ của đích, và thời gian đầu đạn phải trúng đích,pháo thủ có thểtính trướcđượcgóc độ của nòng súng so với mặt đất là bao nhiêu,phát pháo tại thời điểm nào đểviên đạn có thể trúngtoạ độvà thời điểm cho trước.Lẽ đương nhiênvị trí sau cùngcủa viên đạn có chút sai lệch vớiđích nhắm trướcvề cả thời gian lẫn không gian, do sự thiếu hụt trong tính toán, tỉ dụ như quên tính hay không biết lực cản của gió thật sự là bao nhiêu, nhưng nói chung đầu đạn vẫn tới trúng đích trong độ sai lệch nào đó. Kỹ thuật càng cao thì độ chínhxác càng cao, hay độ sai lệch càng nhỏ. Tính xác định của thế giới vĩ mô công bố rằng, trong cùng một hệ thống (như "hệ thống" pháo binh đề cập bên trên), hay nói một cách khác, có hai hệ thống đồng nhất, cùng một điềukiệnbiên và ban đầu, thì hệ quả sẽ giống nhau. Đây là điều cơ bản của luật nhân quảd.



Trong thế giới vi mô, tức là thế giới của nguyên tử, điện tử, quang tử, v.v., tức là thế giới được mô tả bởicơ học lượng tử, tínhxácđịnhgần như biến mất.Chúng tabiết được điều này qua thí nghiệm hai khe hở củamột quang tử(hay điện tử): cùng một hệ thống -súng bắn hạt vi mô, một cái màn có hai khe hở, một cái màn chiếu phía sau, hạt vi mô dường như "giao thoa với chính nó."Chỉ khi nào thí nghiệm viên đặt một khí cụ quan sát tại một trong hai khe thì hiện tượng tự giao thoa mới biến mất, biểu hiện bằng sự biến mất của cácvân-tối sáng trên màn phía sau. Người ta đưa ra lời giải thích rằng hạt vi mô đó đi qua cả hai khe cùng một lúc cho tới khi nào có khí cụ quan sát. Từ đây mới sinh ra một quan điểm triết học cho rằng quan sát viên quyết định ra hiện thực, chứ hiện thực không có tính khách quan và độc lập mà chúng tôi đã có bàn qua [1].


Thật sự thì sự hiểu biết của loài người rất hạn chế trong thế giới vi mô. Trước hết, rất ít ngườihiểu rõ cơ học lượng tử là gì,ngay cả các khoa học gia lỗi lạc, bao gồm các cộttrụ chống đở lý thuyết này nhưSchrodinger (là cha đẻ của phương trình sóng Schrodinger), Richard Feynman (cha đẻ của máy tính lượng tử), v.v.Họ đã phát biểu vềcơ học lượng tử như sau:



Schrodinger: "...Im sorry that I ever had anything to do with quantum theory." (Tôi tiếc rằng tôi đã dính dáng vô lý thuyết lượng tử này.) [2]



Richard Feynman: "I think it is safe to say that noone understands quantum mechanics." (Tôi nghĩ rằng nói rằng không một ai hiểu cơ học lượng tử là không sai.) [3]



3- "Hiện thực thật" của thế giới vi mô:




Mặc dùítai hiểu hết, nhưng thuyết cơ học lượng tử vẫn được thực nghiệm xác minh là đúng.Người ta dựa vào cơ học lượng tửđể chế tạo ra các chíp bán dẫn, là trái tim của nền văn minh của loài người hiện nay.Lý thuyết này đặt trên một nguyên lý, chỉ được công bố mà không chứng minh, rằng loài người chỉ biết được, một là vị trí của hạt vi mô, hai là vận tốc của nó, chứ không thể biết cả hai được. Đây là nguyên lý bất định Heisenberg (NLBĐH),phát biểu rằng tích số của độ chính xác về vị trí của một hạt vi mô, và độ chính xác về vận tốc của nó tỉ lệ với một hằng số, gọi là hằng sốPlanck. Do vậy, nếu một người biết về vị trí của hạt vi mô, tức là độchính xácvề vị trí của nó cao, thì anh ta phải chịu hy sinh không thể biết được tốc độ của hạt đó, hay nói cách khác độ bất định về vận tốc của nó quá cao. Ngoài cặp bấtđịnh vị trí-vận tốc ra có một cặp khác: đó là năng lượng-thời gian.Dựa trênnguyên lý Heisenberg, Schrodingermới phát minh ra phuơng trình vi phân từng phần Schrodinger. Nghiệm số của phương trình này là hàm số sóngSchrodinger. Đó là một hàm số có biến số là không gian3 chiều (x, y, z) và thờigian (t). Giá trị bình phương của nó tại một toạ độ nào đó trong không-thời gian là mật độ xác xuất xuất hiện của hạt vi mô tại tọa độ đó. Giá trị này càng cao thì khả năng xuất hiện của nó tại đó càng cao. Nguyên lý bất định Heisenberg không chỉ về sự thiếu chính xác của máy đo, hay sự thiếu hụt trong mô hình tính toán như lực cản của gió trong thí dụ về pháo binh, nhưng là sự thiếu hụt tối hậu của kiến thức loài người khi nhìn vào thế giới vi mô.


(Có một thí dụ tươngtự trong đời sống hằng ngày. Một người chơi cá ngựa liệng hạt xí ngầu vào chén. Nếu hạt xí ngầu không có chì (ăn gian) thì anh ta sẽ không biết trướcmình sẽ đượcmặt nào. Anh tađứng trước 6 khả năng xuất hiện ngang nhau: một là con 1, hai là con 2,..., sáulà con6.Tuy nhiên nếu anh ta có thì giờ để tung hạt xí ngầu lên 6ngàn lần thì gần 1ngàn lần anh sẽ có con 1 (tức 1/6 số lần thẩy xí ngầu), gần 1ngàn lần anh sẽ có con 2,. ..., gần 1ngàn lần anh sẽ có con 6. Càng đổ nhiều lần hơn thì tì lệ này càng tiến tới gần với 1/6 hơn. Tỉ lệ này gọi là xác xuất. Như vậy,anh ta không biết chính xác anh sẽ được con gì khi thẩy hạt xí ngầu lên, nhưng anh biết được xác xuất xuất hiện của từng mặt là bao nhiêu. Xác xuất đó là 1/6.)



Do vậy, trong thế giới vi mô, con người không thể biết hết các diện của hiện thực mà chỉ một diện nào đó của hiện thực. Cụ thể là, chỉ biết hoặc là vị trí,hoặc là vận tốc mà không biết cả hai; hay, chỉbiết về năng lượng, hai là biết về thời gian, nhưng không biết cả hai. Loài người có thể lựa chọn một trong hai điều để biết nhưng không thể biết được cả hai. Tương tự như vậy, hiện thực lượng tử của thí nghiệm 2 khe là có sự tự giao thoa của một hạt vi mô.Người ta thông dịch sự tự giao thoa này là hạt đó đi qua cả hai khe, chứ thật sự nó như thế nào chẳng ai biết cả. Thí nghiệm gia khi đó có sự lựa chọn, hoặc làđặt khí cụ đo lường tạikhe bên trái, hai là khe bên phải. Dù đặt khí cụ đó tại đâu, anh vẫn chịumột hệ quả: hiện tượng giao thoa biến mất. Do vậy anh chẳng thiết định ra hiện thực lượng tử chút nào cả; anh chỉ có thể chọn một trong hai diện của nó để quan sát mà thôi.



3- Kết luận:




Trong thế giới vật chất, tồn tại cả hai tính: xác định và xác xuất. Tính xác xuất xuất hiện rõ nét hơn trong thế giới lượng tử. Nó không giúp con người thiết định ra hiện thực, nhưng cho phép con người có sự lựa chọn.Dù vậy, con người chỉchọn được một diện nào đó của hiện thực lượng tử để quan sát, chứ không thểchọn hếttoàn bộ hiện thực, hay thay đổi được hiện thực. Do vậy, cơhọc lượng tử nói chung, và nguyên lý bất định Heisenberg nói riêng khải thị cho sự giới hạn tối hậu của sự hiểu biết của loài người.



Lê Anh Huy, Tiến sĩ

(Xin đón xem bài Tiền Định và ý Lực Tự Do trong tương lai.)



Tham khảo:


1- Lê Anh Huy, "Hiện thực trong thế giới lượng tử - Con mèo Schrodinger," http://hoptinhhoply.org/read.asp?Article_ID=243

2- Michio Kaku, Hyperspace, Oxford University Press, trang 261 (1994)

3- Sđd, trang 262

Từ vựng:


a- Xác định tính = Deterministic

b- Xác xuất tính = Probabilistic

c- Lỗ Đen = Black Hole

d- Nhân quả = Causality hay cause-and-effect