Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ - Brian Greene

Nhưng các sóng tạo bởi cái gì ?

Hiện tượng giao thoa được phát hiện trong thí nghiệm của Davisson và Germer đã làm cho bản chất sóng của các electron trở nên hiển nhiên. Nhưng các sóng đó tạo bởi cái gì ? Lúc đầu, nhà vật lý người áo Erwin Schrodinger cho rằng các sóng đó là những electron bị “nhoè” ra. Điều này cũng cho được một ý niệm nào đó về các sóng electron, nhưng còn quá thô thiển. Khi bạn làm cho một vật nào đó nhoè ra, thì nó một phần phải ở đây một phần phải ở kia. Tuy nhiên, người ta chưa bao giờ gặp một phần hai, một phần ba hay một phần nào khác của electron cả. Điều đó khiến cho ta khó có thể hiểu nổi electron bị nhoè ra thực sự như thế nào. Năm 1926, nhà vật lý người Đức Max Born đã đưa ra một cách hiểu khác sau khi đã cải tiến triệt để cách giải thích của Schrodinger. Và cách giải thích đó của Born (sau đó đã được Bohr và các đồng nghiệp của ông khuếch trương) vẫn còn được dùng cho tới hiện nay. Đề xuất của Born là một trong số những đặc điểm lạ lùng nhất của lý thuyết lượng tử, nhưng nó đã được rất nhiều dữ liệu thực nghiệm xác nhận. Born khẳng định rằng sóng electron cần phải được giải thích trên quan điểm xác suất. Những nơi mà độ lớn (chính xác hơn là bình phương độ lớn) của sóng lớn là những nơi thường tìm thấy electron ở đó hơn; còn những nơi mà độ lớn của sóng nhỏ là những nơi ít có khả năng tìm thấy electron ở đó. Một ví dụ được minh họa trên Hình 4.9.

Hình 4.9. Sóng gắn với electron là lớn nhất ở những nơi thường hay tìm thấy nó nhất và sóng dần dần nhỏ hơn ở những nơi ít tìm thấy nó hơn.

Đây đúng là một ý tưởng kỳ dị. Xác suất thì có liên quan gì tới một lý thuyết cơ bản của vật lý? Chúng ta vốn đã quen với xác suất của các cuộc đua ngựa, của việc tung đồng tiền sấp ngửa và của bàn cờ quay (rulet), nhưng trong những trường hợp đó, điều này chỉ phản ánh sự hiểu biết không đầy đủ của chúng ta mà thôi. Nếu chúng ta biết một cách chính xác tốc độ của vòng rulet, trọng lượng và độ cứng của viên bi đá, điểm rơi và vận tốc của viên bi đó khi thả xuống, những đặc tính chính xác của vật liệu tạo nên các ô ngăn v.v..., thì nhờ các máy tính đủ mạnh và dựa trên vật lý cổ điển, chúng ta có thể tính được chắc chắn viên bi sẽ dừng lại ở ô nào. Sự hoạt động của các sòng bạc là dựa vào chỗ bạn không có khả năng biết được tất cả các thông tin đó và không thực hiện được các tính toán cần thiết trước khi đặt tiền. Nhưng chúng ta thấy rằng xác suất, như ta gặp trong các sòng bạc, không phản ánh một điều gì đặc biệt cơ bản về sự hoạt động của Vũ trụ cả.

Trái lại, cơ học lượng tử đưa khái niệm xác suất vào Vũ trụ ở một mức độ sâu xa hơn nhiều. Theo Born và những thực nghiệm của hơn một nửa thế kỷ sau đó, bản chất sóng của vật chất dẫn tới hệ quả rằng chính bản thân vật chất cần phải được mô tả ở mức cơ bản theo xác suất. Đối với các vật vĩ mô, như cốc cà phê hay vòng rulet, quy tắc của de Broglie cho thấy rằng đặc tính sóng của chúng thực sự là không thể nhận biết được và đối với phần lớn các mục đích thông thường, thì xác suất gắn liền với cơ học lượng tử có thể hoàn toàn không cần đếm xỉa đến. Nhưng ở cấp độ vi mô, chúng ta biết rằng điều tốt nhất mà chúng ta có thể làm được là nói rằng xác suất để tìm thấy các electron ở một vị trí cụ thể nào đó bằng bao nhiêu.

Cách giải thích xác suất có ưu điểm là nếu như sóng electron có những tính chất như các sóng khác có thể làm được, chẳng hạn như khi đập vào một vật chướng ngại nó tạo ra tất cả các loại gợn sóng khác nhau, thì điều đó không có nghĩa là bản thân electron bị vỡ thành các mảnh riêng rẽ. Mà đúng ra, điều đó nói lên rằng, bây giờ có nhiều vị trí mà xác suất tìm thấy electron ở đó là khác không. Thực tế, điều này có nghĩa là nếu một thí nghiệm cụ thể nào đó về electron được lặp đi lặp lại nhiều lần theo một cách hoàn toàn như nhau, thì mỗi một lần, phép đo vị trí của electron chẳng hạn, sẽ không cho cùng một kết quả. Thay vì thế, sự lặp đi lặp lại liên tiếp của thí nghiệm sẽ cho ta một tập hợp những giá trị khác nhau với tính chất là, số lần electron được tìm thấy tại một vị trí đã cho sẽ do dạng sóng xác suất của nó quyết định. Nếu như sóng xác suất (chính xác hơn là bình phương sóng xác suất) ở vị trí A lớn hơn ở vị trí B hai lần, thì lý thuyết tiên đoán rằng trong dãy lặp lại nhiều lần của thí nghiệm, electron sẽ có mặt tại A hai lần thường xuyên hơn ở B. Chúng ta không thể nào tiên đoán một cách chính xác kết cục của thí nghiệm, điều tốt nhất mà chúng ta có thể làm là tiên đoán được xác suất mà một kết cục nào đó có thể xảy ra.

Tuy vậy, chừng nào mà chúng ta xác định được bằng toán học dạng của các sóng xác suất, thì những tiên đoán có tính chất xác suất vẫn có thể kiểm chứng được bằng cách lặp lại thí nghiệm nhiều lần, từ đó đo được bằng thực nghiệm xác suất nhận được một kết quả này hay khác. Chỉ ít tháng sau đề xuất của de Broglie, Schrodinger đã đi một bước quyết định tiến tới mục đích đó bằng cách thiết lập phương trình chi phối dạng và sự tiến hóa của các sóng xác suất theo thời gian hay như người ta đặt tên cho nó là các hàm sóng. Điều này xảy ra không lâu trước khi phương trình Schrodinger và cách giải thích xác suất của Born được ứng dụng và dẫn tới những tiên đoán cực kỳ chính xác. Do đó mà từ năm 1927, sự vô tư trong trắng kinh điển đã không còn nữa. Đã qua rồi những ngày Vũ trụ hoạt động như một bộ máy đồng hồ, mà mỗi phần tử cấu thành riêng biệt của nó được đưa vào vận hành tại một thời điểm nào đó trong quá khứ và mẫn cán thực thi cái số phận đã được xác định một cách duy nhất và không tránh khỏi của mình. Theo cơ học lượng tử, Vũ trụ tiến hóa theo một hình thức luận toán học chính xác và chặt chẽ, nhưng lý thuyết đó chỉ xác định được xác suất để một tương lai cụ thể nào đó có thể sẽ xảy ra, chứ không chỉ ra được thực sự là tương lai nào.

Nhiều người cho rằng kết luận này là đáng lo ngại và thậm chí không thể chấp nhận được. Trong số đó có cả Einstein. Một trong những phát biểu được truyền tụng nhiều nhất của vật lý học là phát biểu trong đó Einstein cảnh báo lý thuyết lượng tử: “Chúa không chơi trò xúc xắc với Vũ trụ”. Ông cảm thấy rằng xác suất xuất hiện trong vật lý cơ bản, chẳng qua cũng bởi vì cái lý do mà nó đã xuất hiện bên vòng rulet chỉ có điều tinh tế hơn mà thôi: đó là có một sự thiếu sót căn bản trong sự hiểu biết của chúng ta. Vũ trụ, theo quan niệm của Einstein, không có chỗ cho một tương lai mà dạng chính xác của nó lại liên quan tới một yếu tố may rủi. Vật lý phải tiên đoán được Vũ trụ tiến hóa như thế nào chứ không đơn giản chỉ là xác suất để có một khả năng tiến hóa nào đó có thể xảy ra. Nhưng hết thí nghiệm này tới thí nghiệm khác, trong đó có những thí nghiệm có sức thuyết phục nhất được thực hiện sau khi ông qua đời, đã khẳng định một cách dứt khoát rằng Einstein đã sai lầm. Về điểm này, đúng là nhà vật lý người Anh Stephen Hawking đã nói: “Einstein đã nhầm lẫn chứ không phải là thuyết lượng tử” [1].

Tuy nhiên, cuộc tranh luận về ý nghĩa thực sự của cơ học lượng tử vẫn tiếp tục còn gay gắt không hề giảm bớt. Tất cả mọi người đều nhất trí về cách dùng các phương trình của cơ học lượng tử để đưa ra những tiên đoán chính xác. Nhưng lại không nhất trí về chuyện việc có hàm sóng xác suất là thực sự có ý nghĩa gì, hoặc làm thế nào mà một hạt lại có thể “chọn” đi theo một trong số rất nhiều tương lai khả dĩ hoặc về chuyện nó có thực sự chọn lựa hay chỉ là tách ra như một phụ lưu để sống tất cả những tương lai khả dĩ trong vô vàn những Vũ trụ song song. Chỉ riêng những vấn đề này đã xứng đáng là đề tài của cả một cuốn sách dày và thực tế đã có những cuốn sách rất tuyệt vời ủng hộ những cách suy nghĩ này hay khác về cơ học lượng tử. Nhưng có một điều chắc chắn, đó là bất kể bạn giải thích cơ học lượng tử như thế nào đi nữa, thì nó cũng luôn chứng tỏ một cách không thể phủ nhận được rằng, nếu đứng trên quan điểm của kinh nghiệm hằng ngày của chúng ta, thì Vũ trụ được xây dựng trên những nguyên tắc hết sức bí ẩn.

“Siêu” bài học rút ra từ lý thuyết tương đối cũng như cơ học lượng tử, đó là khi thăm dò sâu vào hoạt động ở mức cơ bản của Vũ trụ, chúng ta sẽ vấp phải những khía cạnh hoàn toàn khác lạ với sự chờ đợi của chúng ta. Sự mạnh dạn đặt ra những câu hỏi sâu sắc như vậy đòi hỏi một sự mềm dẻo chưa thể tiên liệu được, nếu như chúng ta cần phải chấp nhận câu trả lời.

[1] Stephen Hawking, Bài giảng tại Hội nghị về Hấp dẫn, Lỗ đen và Lý thuyết dây, Amsterdam, tháng 7/1997

<< Chương 4 - Những điều kỳ lạ trong thế giới vi mô(6) | Chương 4 - Những điều kỳ lạ trong thế giới vi mô(8) >>

Dành cho quảng cáo