Cơ Học Lượng Tử : từ quan điểm Einstein đến quan điểm tương quan ppt

Cơ Học Lượng Tử : từ quan điểm Einstein đến quan
điểm tương quan
Tạp chí La Recherche số tháng 4/2008 có đăng bài báo của
các tác giả Michel Bitbol, Anton Zeilinger, Markus
Aspelmeyer, Carlo Rovelli & Matteo Smerlak nêu lên quan
điểm sai lầm của Einstein về cơ học lượng tử (CHLT) và
đưa ra một quan điểm mới về CHLT: Cơ học lượng tử
tương quan (Relational Quantum Mechanics, viết tắt là
RQM ). Nội dung bài báo không chỉ liên quan đến CHLT
mà đặt ra một vấn đề quan trọng trong nhận thức luận đối
với thế giới khách quan. Bài báo sẽ rất bổ ích và cần thiết
cho các độc giả nghiên cứu và giảng dạy vật lý nói riêng và
triết học nói chung.

Hình 1. Từ trái sang phải ba tác giả của nghịch lý EPR :
Einstein. Podolsky, Rosen

Như chúng ta biết cơ học cổ điển chỉ ứng dụng được đối
với thế giới vĩ mô. Đối với thế giới vi mô (thế giới các hạt
cơ bản ) phải ứng dụng cơ học lượng tử (CHLT).Từ năm
1920 CHLT đã mô tả thế giới vi mô với độ chính xác cao.
Song nhà vật lý lớn của mọi thời đại là Einstein đã không
thừa nhận CHLT. Einstein có lý hay không? Những thí
nghiệm trong năm 2007 chứng tỏ rằng Einstein đã sai lầm.
Các thí nghiệm này cho chúng ta biết rằng: các tính chất
của các hạt “ không tồn tại “ trước khi các tính chất đó
được quan sát bởi một thiết bị đo đạc.
Một dạng thức mới của CHLT gọi là “ Cơ học lượng tử
tương quan “ (Relational Quantum Mechanics ) hy vọng
làm sáng tỏ vấn đề [1].
CHLT đòi hỏi một nhận thức luận đổi mới triệt để đối với

vũ trụ khách quan. Và một thế kỷ cần thiết để làm điều đó.

Từ năm 1927 Einstein đã cho rằng CHLT là không hoàn
chỉnh. Einstein nghĩ rằng vật lý học phải mô tả thiên nhiên
đúng như thật sự của nó. Trong cuộc trò chuyện giữa
Einstein với Abraham Pais , Einstein đặt ra câu hỏi thách
thức: “ Mặt trăng có còn đó hay không nếu chẳng ai nhìn
nó? “ với hàm ý nghi ngờ CHLT.

Nghịch lý EPR

Sự chống đối lên đến đỉnh cao khi EINSTEIN cùng
PODOLSKY và ROSEN đưa ra cái gọi là nghịch lý EPR
(lấy theo chữ đầu từ tên của ba người, xem hình 1). Tên bài
báo là: Liệu sự mô tả thực tại vật lý bằng CHLT có thể xem
là đầy đủ hay không? (Can QM Description of Physical
Reality Be Considered Complete?).

Nội dung của nghịch lý có thể tóm tắt như sau.

Theo CHLT người ta có thể chế tạo một cặp hạt liên đới
(entangled) lượng tử, điều đó có nghĩa về mặt toán học là
một cặp hạt mà hàm sóng của chúng không thể viết thành
tích trực tiếp hàm sóng của từng hạt : f không bằng f 1 nhân
trực tiếp với f 2 , hay nói cách khác là các tính chất của các
hạt không độc lập với nhau mà liên quan với nhau [2].

Xét hai hạt liên đới lượng tử và tách chúng ra xa nhau. Khi
đo tọa độ của hạt thứ nhất thì sẽ biết được tọa độ của hạt
thứ hai, vì chúng liên đới lượng tử. Song bây giờ lại đo

xung lượng của hạt thứ hai ta lại có thể biết được xung
lượng của hạt thứ nhất . Như thế ta có thể đồng thời đo
được tọa độ lẫn xung lượng của mỗi hạt: điều này trái với
nguyên lý bất định Heisenberg của CHLT. Đó là nghịch lý
EPR.

Lý luận trên dựa trên hai giả thuyết:

1/ Giả thuyết hiện thực ( realism): hạt có một tính chất
khách quan trước khi ta thực hiện phép đo tính chất đó,

2/ Giả thuyết định xứ ( locality): phép đo trên hạt thứ nhất
không ảnh hưởng đến kết quả phép đo trên hạt thứ hai, mặc
dầu chúng cách xa nhau.

Bohr đã trả lời EPR vài tuần sau khi EPR công bố nghịch lý
nói trên. Trong bài trả lời, Bohr phủ nhận giả thuyết hiện
thực (tuy rằng có một ít yếu tố mơ hồ trong bài trả lời, song
Bohr đã đi đúng đường). Theo Bohr CHLT có thể biết được
các tính chất của hạt trong điều kiện thực hiện phép đo các
tính chất đó. CHLT không mô tả thực tiễn theo ý tưởng tiên
quyết của chúng ta. Bohr cho rằng vô nghĩa khi gán cho hạt
một tính chất nào đó mà lại tách rời khỏi các điều kiện thực
nghiệm cho phép đo được tính chất đó.

Tham số ẩn

Một số nhà vật lý muốn cứu vãn tình thể của hiện thực luận
đã xây dựng lý thuyết lượng tử chứa các “ tham số ẩn “
nhằm bổ sung CHLT để miêu tả các tính chất của hạt.

Người ta cho rằng các khó khăn gặp phải đều liên quan đến
cách đoán nhận xác suất (probabilistic interpretation) của
CHLT và cách xử sự động học ở mức vi mô sở dĩ mang
tính xác suất vì rằng chúng ta không chú ý đến những tham
số ẩn [3]

Bất đẳng thức Bell

Năm 1964 John Bell (xem hình 2) tìm ra bất đẳng thức gọi
là bất đẳng thức Bell và nhờ những bất đẳng thức đó chứng
minh rằng những giả thuyết hiện thực và định xứ (trong đó
có cả các lý thuyết định xứ với tham số ẩn ) đều không phù
hợp với CHLT.

Thế nào là bất đẳng thức Bell ?


Hình 2. John Bell

Sau đây là một thí nghiệm để suy ra bất đẳng thức Bell.

Charlie chuẩn bị 2 hạt (không quan trọng là Charlie đã
chuẩn bị như thế nào) và gửi cho Alice &Bob mỗi người
một hạt. Alice &Bob mỗi người thực hiện hai phép đo. Và
kết quả các phép đo cho hoặc +1 hoặc -1. Gọi các trị số
Alice thu được là Q và R, còn Bob thu được là S và T. Nếu
thực hiện các phép tính theo tư duy hiện thực và định xứ thì
một tổ hợp nhất định các giá trị trung bình của Q, R, S & T
phải nhỏ hơn hoặc bằng 2. Đó là bất đẳng thức Bell . Còn

nếu tính toán theo CHLT đối với hai hạt liên đới lượng tử
thì lại thu được số 2xcăn(2) =2,82843 cho tổ hợp đó [3].

Các dữ liệu thực nghiệm cho thấy rằng bất đẳng thức
Bell không đúng còn các kết qủa tính theo CHLT là
chính xác.

Hai vấn đề gắn liền với bất đẳng thức Bell:

(1). Cho rằng Q, R, S, T tồn tại độc lập với các phép đo. Đó
là quan điểm hiện thực (realism).

(2). Việc giả định rằng Alice khi tiến hành phép đo không
ảnh hưởng gì đến kết quả các phép đo do Bob thực hiện.
Đó là quan điểm định xứ (locality).

Hai quan điểm trên kết hợp lại thành quan điểm hiện thực
định xứ (local realism). Bất đẳng thức Bell không đúng với
thực tế và như vậy ít nhất một trong hai quan điểm nói trên
là sai lầm Đây là bài học lớn cho chúng ta: vũ trụ không
hiện thực định xứ !

Sự vi phạm bất đẳng thức Bell cho chúng ta thấy rằng:

Cơ học lượng tử là đúng và hiện tượng liên đới lượng tử
(quantum entanglement) là một nguồn sức mạnh mới cho
khoa học và công nghệ vì hiện tượng liên đới lượng tử làm
đột sinh một ngành mới quan trọng đó là lý thuyết thông tin
lượng tử (Quantum Information Theory) dẫn đến ngành
mật mã lượng tử (Quantum cryptography).

Bất đẳng thức Leggett

Nhiều nhà vật lý cho rằng nên giữ lại quan điểm hiện thực
(realism), mà từ bỏ quan điểm định xứ (locality).

Người ta giả sử rằng hai photon liên đới lượng tử có một
trạng thái phân cực (polarisation) (xem chú thích [4]) xác
định, nghĩa là tuân theo hiện thực luận.

Người ta loại giả thuyết định xứ bằng cách cho rằng tồn tại
một tác động ở khoảng cách vô cùng (phi định xứ), một tác
động ma quái (spooky action) mà Einstein đã nói đến.

Nhà vật lý giải Nobel 2003 Anthony Leggett đã tìm ra một
hệ các bất đẳng thức (tương tự như bất đẳng thức Bell) đối
với các phép đo các mối liên quan của hai hạt photon nói
trên cho những lý thuyết không định xứ song vẫn dựa trên
hiện thực luận.

Thí nghiệm thực hiện năm 2007 của Anton Zeilinger (và
nhiều người khác) [5] lại loại trừ một lớp lý thuyết không
định xứ song theo hiện thực luận vì vi phạm hệ bất đẳng
thức Anthony Leggett . Vậy hy sinh định xứ luận không đủ
cứu vãn hiện thực luận.

Nói cách khác các thí nghiệm đều dẫn đến kết quả phủ
nhận hiện thực luận lẫn định xứ luận .

Cơ học lượng tử tương quan (Relational Quantum

Mechanics, viết tắt là RQM) : vũ trụ lượng tử không
tách rời với phối cảnh (perspective)

Khi ta vẽ một vật gì nhất thiết phải có phối cảnh của vật đó,
nói cách khác phải đặt vật đó trong mối tương quan với
cảnh trí xung quanh (xem hình 3). Họa sĩ người Ý thời
Phục hưng Piero della Francesca, nhà lý thuyết phối cảnh
họa đã phát biểu “ Nulla imago sine perspectiva” ( Không
có hình ảnh nào là không có phối cảnh).

Sự kỳ lạ của CHLT nằm ở ranh giới giữa đối tượng lượng
tử ta muốn nghiên cứu và môi trường xung quanh. Vấn đề
đặt ra ở đây: ranh giới này có phải là tình cờ hay là yếu tố
nội tại trong cấu trúc của vũ trụ?
Những hiện tượng khó hiểu của CHLT: hai hạt liên đới
lượng tử tương tác với nhau tức thời, hạt electron vừa ở
điểm này vừa ở điểm kia, thế giới lượng tử quả thật kỳ lạ.
Song CHLT lại cho những kết quả tính toán phù hợp với
thực nghiệm với độ chính xác cao. Nhà vật lý Mỹ, giải
Nobel, Feynman khuyên rằng: thôi đừng bàn về quan điểm
nữa mà hãy ngồi yên lặng và tính toán.

Một điểm yếu trong đoán nhận CHLT của trường phái
Copenhague (Bohr): khi nghiên cứu một đối tượng lượng
tử thì xem môi trường còn lại như phòng thí nghiệm, thiết
bị kể cả người nghiên cứu là những vật thể cổ điển. Nói
cách khác họ đã giả định tồn tại một ranh giới giữa hệ
lượng tử và các vật thể xung quanh đang thực hiện hành vi
quan sát. Song ranh giới đó nằm ở đâu? mà làm sao có hai
vũ trụ cùng tồn tại song song trong lòng một lý thuyết có

tham vọng mô tả mọi đối tượng vật lý.

RQM là một đoán nhận CHLT chủ trương rằng trạng thái
của một hệ lượng tử là phụ thuộc vào người quan sát, nói
cách khác khi nói trạng thái ta phải nói đến mối tương quan
giữa hệ và người quan sát.

Đó là quan điểm phôi thai vào năm 1990 của Carlo Rovelli.
Cách đoán nhận này có nguồn gốc từ lý thuyết tương đối
hẹp và một số ý tưởng của Wheeler về thông tin lượng tử
(quantum information).


Hình 3. Bức tranh trên đây của Kandinsky mô tả được tinh
thần tương quan luận: trong bức tranh có một sự đan kết
của nhiều phối cảnh và chính tại những chỗ giao nhau các
vật bộc lộ ra các tính chất của chúng, ở đây là màu sắc.
Trong tranh ta không thể nói đến màu sắc của một vật lấy
riêng biệt ra.

Như vậy nội dung vật lý của một lý thuyết không phải là
những tính chất nội tại tự thân của các đối tượng mà là
những mối tương quan giữa các đối tượng với nhau. Cho
nên đối với một người quan sát này thì hệ có thể nằm trong
trạng thái đơn đã “co” lại (collapsed) (xem chú thích [6]),
song đối với một người quan sát khác thì hệ lại nằm trong
trạng thái chồng chất.

Và các đoán nhận của RQM được áp dụng cho mọi đối
tượng, không phân biệt đối tượng đó là một đối tượng có ý

thức (concious) hay vĩ mô (macroscopic). Mọi tương tác
vật lý nói đến cùng đều là tương tác lượng tử và vì thế bị
điều khiển bởi những định luật chung. Như thế trong RQM
tương tác giữa hai hạt không khác về cơ bản với tương tác
giữa một hạt và một thiết bị nào đó: mọi hệ đều là hệ
lượng tử (all systems are quantum systems).

Và không có sự co hàm sóng [xem chú thích 6] nào trong ý
nghĩa của đoán nhận của trường phái Copenhagen.

Carlo Rovelli đã đề xuất một đoán nhận gọi là đoán nhận
tương quan luận. Sự lưỡng phân (dichotomie) thành hai vũ
trụ thật ra là một cấu trúc nội tại sâu kín của thế giới khách
quan và là chìa khóa để hiểu được CHLT . Thế giói vi mô
không quan sát trực tiếp được mà cần sự tương tác với thiết
bị mới biểu hiện được ( Heisenberg hiểu đúng như vậy).

Trong tiếp cận tương quan luận mọi tính chất đều tương
đối, ví dụ vận tốc không phải là một tính chất nội tại của
vật thể, phải nói rõ vận tốc so với người quan sát, so với
núi đồi chung quanh, so với mặt trời, so với các thiên hà.
Có thể nói cách khác vận tốc không phải là một tính chất
tuyệt đối mà chỉ biểu diễn một mối tương quan giữa hai
vật. Tương tự như vậy màu sắc cũng tương đối : nhờ hiệu
ứng Doppler (xem chú thích [7]) mà ta nhận ra được màu
này hay màu kia tùy theo chuyển động của ta so với nguồn:
một ánh sáng đơn sắc có thể có màu xanh, vàng hay đỏ.
Như vậy màu sắc cũng không phải là một tính chất nội tại
mà là một mối tương quan giữa nguồn và thiết bị đo.
Quan điểm của giả thuyết tương quan luận là phổ quát hóa

tính tương quan nói trên đối với mọi tính chất của vạn vật.
Theo quan điểm này thì mọi nghịch lý trong CHLT bắt
nguồn từ chỗ chúng ta chưa thừa nhận tính tương quan khi
nói đến tính chất các vật. Như vậy quan điểm tương quan
luận không nói đến tính chất tự thân của một vật mà xét cả
hệ thống bao gồm vật bị quan sát lẫn thiết bị đo đạc.Nói
cách khác theo giả thuyết tương quan luận thì thiết bị tạo
nên phối cảnh cho đối tượng.

Như vậy mọi hệ đều là lượng tử và đồng thời mọi hệ cũng
là cổ điển khi chúng ta nghiên cứu những tính chất của một
đối tượng khác so với nó. Vậy mọi hệ sẽ biểu hiện khi như
là lượng tử khi như là cổ điển. Tình huống tương tự như mô
tả ở hình 4.


Hình 4. Một quan sát viên O đang quan sát một đối tượng S
( đối tượng S ở đây đó là một sơ dồ Feynman). Lại có một
quan sát viên khác là O đang quan sát hệ O + S .

Ta hãy ứng dụng cách tiếp cận tương quan luận của RQM
vào nghịch lý EPR.

Xét hai photon. Ta giả sử rằng tính phân cực của hai photon
không xác định nhưng chỉ có phân cực ( xem chú thích [4])
tương đối của chúng là xác định, ví dụ chúng có cùng một
phân cực . Tách hai photon đó xa nhau. Thiết bị A đo phân
cực của photon a. Theo CHLT khi thiết bị A đo đuợc ví dụ
phân cực “trái” của photon a thì photon b cũng có ngay
phân cực “trái”.

Hai giả thiết có thể đưa ra:

- hoặc thông tin về kết quả phân cực “trái” của photon a
được chuyện tức khắc đến photon b, giả thiết này vi phạm
tính định xứ.

- hoặc photon b đã có ngay phân cực “trái” trước cả lúc đo,
giả thiết này làm cho CHLT mâu thuẫn hoặc không đầy đủ
vì CHLT không tính được điều đó.

Bây giờ hãy dùng RQM để tiếp cận nghịch lý EPR. Khi
thiết bị A đo được phân cực của photon a, thì photon a có
được tính chất phân cực “trái” đối với A (tương quan với
A). Chúng ta đã biết rằng photon b cũng có phân cực “trái”.
Phải chăng điều đó có nghĩa là khi đo phân cực của photon
b bằng thiết bị B ta sẽ thu được phân cực “trái” ? Không !
Sai lầm là ở đây! Phân cực của photon b đối với thiết bị B
hoàn toàn độc lập với phân cực của a đối với thiết bị A.Tìm
cách đồng nhất hai kết quả đó tương tự như việc hỏi hai
người chuyển động khác nhau đã nghe tiếng còi ôtô phát ra
đúng ở tần số nào (xem lại chú thích về hiệu ứng Doppler
[7] ).

Như vậy nói hai photon cùng một phân cực có nghĩa là
cùng một thiết bị đo phân cực hai photon cùng lúc và cho
kết quả hai photon có cùng một phân cực.

Làm thế nào mà một thiết bị có thể đo hai phân cực? Có hai
khả năng:

- hai photon cùng ở một chỗ và phân cực của chúng được
đo cùng một lúc,

- hoặc hai photon nằm xa nhau và thiết bị đã đo phân cực
của hạt này trước khi đo phân cực của hạt kia, trong trường
hợp này không có ảnh hưởng nào của tính phi định xứ.

Đoán nhận theo RQM có là phản hiện thực (antiréaliste)
hay không? Đoán nhận này trái với khái niệm “ hiện thực
độc lập” ( réalité indépendante ) đã tồn tại xưa nay. Cho
rằng các vật thể không có tính chất nội tại nào cả liệu đó có
phải là phủ nhận sự tồn tại của thế giới bên ngoài mà vật lý
mong muốn mô tả hay không? Có phải đoán nhận này
ltương đương với tuyên ngôn cái chết của vật lý như là một
khoa học “khách quan” hay không? Đấy là những câu hỏi
nóng bỏng

Chúng ta cũng nên nhớ rằng vật lý chưa bao giờ phủ nhận
sự tồn tại khách quan của thế giới bên ngoài và chúng ta có
thể mô tả một cách hợp lý, song vật lý học cũng nhiều lần
chứng tỏ rằng thế giới bên ngoài không phải như chúng ta
tưởng tuợng. Đã đến lúc chúng ta cần xét lại hình ảnh của
thế giới bên ngoài!

Thực tế khách quan không phải là một thực tế tuyệt đối
cũng không phải là một thực tế độc lập mà chỉ là một
thực tế tương quan.

Đây là một kết luận quan trọng của RQM không chỉ đối với

vật lý hay khoa học nói riêng mà là một kết luận quan trọng
về nhận thức luận của triết học nói chung.