Trong bài đăng trên blog này, chúng ta sẽ xem xét ý nghĩa của sự sụp đổ sóng, tập trung vào diễn giải Copenhagen và diễn giải đa vũ trụ trong số các diễn giải khác nhau về cơ học lượng tử, đồng thời xem xét các đặc điểm và hạn chế của mỗi diễn giải.
Từ cuối thế kỷ 19 đến đầu thế kỷ 20, những hiện tượng bắt đầu xuất hiện mà không thể giải thích chỉ bằng vật lý cổ điển. Maxwell và Einstein đã phát hiện ra rằng ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. Max Born dự đoán rằng các hạt cũng có những đặc tính giống như sóng. Thí nghiệm khe đôi Davisson-Germer được cho là đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng các electron có hành vi giống như sóng. Quan sát kỹ hơn thí nghiệm khe đôi cho thấy: Một thiết bị phát ra electron, một tấm có hai khe và một màn chắn được sắp xếp theo trình tự. Các electron phát ra từ nguồn electron đi qua hai khe hẹp và đến màn hình; khi quan sát sự xuất hiện của các electron trên màn hình, một mô hình giao thoa sẽ hiện ra. Kiểu mẫu như vậy không xuất hiện khi chỉ có một khe hở. Do đó, vị trí của electron phải được giải thích như một sóng truyền qua cả hai khe cùng một lúc. Cơ học lượng tử ra đời để giải thích những hiện tượng này. Trong cơ học lượng tử, sóng xác suất được mô tả là những khối cấu tạo cơ bản của tự nhiên. Sóng xác suất được sử dụng để mô tả trạng thái vật chất. Trạng thái vật chất bao gồm các thuộc tính như vị trí và spin. Một đường cong xác suất cho thấy rằng một giá trị không cố định tại bất kỳ điểm nào mà xác suất xảy ra của nó thay đổi tại mỗi điểm. Cơ học lượng tử được hình thành vào đầu thế kỷ 20, và nhiều kết quả thực nghiệm từ thời kỳ đó trở đi đã chứng minh tính đúng đắn của lý thuyết này. Cốt lõi của lý thuyết này nằm ở phương trình sóng Schrödinger. Là phương trình cơ bản của cơ học lượng tử, phương trình sóng Schrödinger mô tả sự thay đổi của một sóng xác suất theo thời gian. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ chính xác những làn sóng xác suất này có liên quan như thế nào đến cuộc sống thường nhật. Trong cuộc sống thường nhật, những kết quả mà chúng ta quan sát được không phải là nhiều trạng thái khác nhau mà là một trạng thái duy nhất, xác định – điều này có thể được giải thích như thế nào? Sóng xác suất là gì, và liệu có cách nào để hiểu được nó? Để giải đáp những câu hỏi này, nhiều cách giải thích khác nhau về cơ học lượng tử đã xuất hiện. Trong một cuộc khảo sát trước đây được thực hiện tại một hội nghị vật lý lượng tử, những người tham gia được hỏi về sở thích của họ đối với mỗi cách giải thích. Tỷ lệ người ủng hộ cách giải thích Copenhagen là 42%, quan điểm thông tin lượng tử là 24%, và cách giải thích đa vũ trụ là 18%. Như kết quả khảo sát cho thấy, cách giải thích Copenhagen là cách giải thích chủ đạo trong cộng đồng vật lý. Thuyết Copenhagen là thuyết được phát triển từ những ngày đầu của cơ học lượng tử bởi các học giả đứng đầu là Bohr. Brian Greene đã giới thiệu nguyên lý cốt lõi của diễn giải Copenhagen như sau: “Mỗi khi chúng ta cố gắng quan sát trực tiếp một sóng xác suất, chính hành động quan sát đó đã làm gián đoạn nó.” Diễn giải Copenhagen giải thích rằng tại thời điểm quan sát, sóng xác suất không thể duy trì trạng thái đó nữa và sụp đổ thành một điểm duy nhất. Người ta giải thích rằng kết quả của sự sụp đổ thành một điểm duy nhất này chính là thực tại mà chúng ta quen thuộc. Quá trình này được gọi là sự sụp đổ sóng. Quan điểm thông tin lượng tử giải thích rằng chính vũ trụ được cấu tạo từ thông tin lượng tử, tạo nên bản chất cốt lõi của vũ trụ. Lý thuyết này cho rằng mọi thứ đều là kết quả của các phép tính lượng tử liên quan đến thông tin lượng tử này. Từ quan điểm này, toàn bộ vũ trụ đôi khi được xem như một cỗ máy thực hiện các phép tính lượng tử. Seth Lloyd đã viết một cuốn sách lập luận rất thuyết phục ủng hộ quan điểm này. Trong cuốn sách đó, ông đã giải thích vai trò của thông tin và mối liên hệ của nó với các định luật vật lý thực tế. Ví dụ, ông giải thích cách điện toán lượng tử có xu hướng lan truyền thông tin chưa biết và trình bày chi tiết các định luật vật lý liên quan đến entropy. Thuyết Đa Vũ Trụ được đề xuất bởi Hugh Everett. Cách giải thích này không chấp nhận sự sụp đổ của hàm sóng, vốn là nền tảng của cách giải thích Copenhagen. Thay vào đó, lý thuyết này cho rằng vũ trụ phân nhánh thành nhiều thế giới và mọi khả năng đều được hiện thực hóa. Như vậy, nó giải thích rằng trong mỗi thế giới, người quan sát nhận thức được thực tại mà chúng ta quen thuộc. Tôi thấy khái niệm về sự sụp đổ của hàm sóng—có thể được xem là cốt lõi của cách giải thích Copenhagen—không thuyết phục. Như Brian Greene đã chỉ ra, ranh giới xác định thế nào là một "quan sát" vẫn chưa rõ ràng. Lời giải thích đại khái như sau: sự sụp đổ hàm sóng không xảy ra khi các vật thể siêu nhỏ tương tác với nhau, nhưng nó xảy ra khi người quan sát thực hiện phép đo; tuy nhiên, lời giải thích này khó được chấp nhận.
Theo lẽ tự nhiên, người ta thường cho rằng các định luật vật lý áp dụng một cách phổ quát và đồng nhất trong toàn bộ vũ trụ. Vì người quan sát cũng là một phần của vũ trụ, tôi tin rằng các định luật cơ học lượng tử áp dụng bình đẳng cho mọi hành động, bao gồm cả quan sát, là điều hiển nhiên. Tuy nhiên, cách giải thích Copenhagen cho rằng sự sụp đổ của sóng xảy ra do hành động quan sát của người quan sát. Về mặt toán học, sự sụp đổ sóng cũng là một thao tác khác biệt so với các thao tác cơ học lượng tử thông thường. Mặc dù tôi không thể giải thích chi tiết quá trình thay đổi của hàm sóng xác suất ở đây, nhưng có thể mô tả nó như một phép toán liên quan đến phép nhân với một ma trận thuận nghịch có một số đặc tính đặc biệt. “Có thể đảo ngược” nghĩa là có sự tương ứng một-một giữa kết quả và trạng thái gây ra kết quả đó. Tuy nhiên, khi hiện tượng sụp đổ hàm sóng xảy ra, sự tương ứng này bị phá vỡ. Hệ thống bị kẹt ở một trạng thái duy nhất, khiến việc khôi phục trạng thái ban đầu trở nên bất khả thi. Trong những trường hợp mà bản chất của quan sát đóng vai trò then chốt—chẳng hạn như trong cách giải thích Copenhagen—khái niệm về đường cắt Heisenberg đôi khi được đưa ra. Khái niệm này cho rằng các định luật cơ học lượng tử chỉ áp dụng được đến một giới hạn nhất định, và vượt quá giới hạn đó, hàm sóng sẽ sụp đổ. Tuy nhiên, ranh giới này không được xác định rõ ràng. Nó có thể được thiết lập ở cấp độ các vật thể như electron hoặc proton, hoặc cũng có thể được thiết lập ở cấp độ các vật thể vĩ mô như con người. Điều này không thỏa đáng vì nó không chỉ rõ ranh giới này nên được vạch ra chính xác ở đâu. Một ví dụ nổi tiếng minh họa cho tình huống này là thí nghiệm tưởng tượng con mèo của Schrödinger. Trong thí nghiệm tưởng tượng này, một hạt nhỏ hơn nguyên tử và một con mèo xuất hiện. Hạt nhỏ có thể phân rã với một xác suất nhất định, một quá trình có thể được giải thích bằng cơ học lượng tử. Một thiết bị dò tìm được đặt cạnh đó. Người ta nói rằng ngay khi phát hiện ra sự phân hủy như vậy, một cơ chế giết chết con mèo sẽ được kích hoạt. Điều này đặt ra câu hỏi liệu con mèo còn sống hay đã chết vào thời điểm đó. Thuyết Copenhagen giải thích rằng trạng thái của con mèo—sống hay chết—được xác định vào thời điểm nó được quan sát. Lời giải thích này dựa trên tiền đề rằng ngay cả các vật thể vĩ mô cũng không trải qua sự sụp đổ sóng. Điều này cho thấy ngay cả những vật thể lớn cũng cần được xem xét trong khuôn khổ cơ học lượng tử. Do đó, có những thí nghiệm tư duy đưa tình huống này đến mức cực đoan hơn nữa. Trong thí nghiệm tư duy này, chúng ta giả định rằng một người bạn đã tiến hành thí nghiệm tư duy con mèo của Schrödinger và quan sát trạng thái của con mèo. Trong trường hợp như vậy, nó không đưa ra lời giải thích dứt khoát về việc tại ranh giới nào hàm sóng được coi là đã sụp đổ. Về ranh giới này, một số người cho rằng phạm vi kiến thức của người quan sát là rất quan trọng, và điều này được cho là có liên quan đến xác suất. Tuy nhiên, cách giải thích Copenhagen có ưu điểm là dễ dàng và rõ ràng giải thích được các kết quả quan sát được. Thực tế, nó giải thích rất tốt kết quả của nhiều thí nghiệm khác nhau. Chỉ cần áp dụng hiện tượng sụp đổ sóng vào thời điểm quan sát kết quả thí nghiệm hoặc khi tương tác với các vật thể vĩ mô. Đây là một cách giải thích thuận tiện, không cần phải xem xét trạng thái lượng tử của thiết bị quan sát. Một lý do cho sự thành công vang dội của nó, bất chấp kết quả sụp đổ sóng khó chấp nhận về mặt trực quan, có lẽ là khả năng giải thích tốt các kết quả thí nghiệm. Chính vì sự sụp đổ sóng là một lời giải thích không tự nhiên, tôi tin rằng Thuyết Đa Thế Giới có thể là một lựa chọn thay thế khả thi cho Thuyết Copenhagen. Thuyết Đa Vũ Trụ không thừa nhận sự sụp đổ của sóng. Người ta cho rằng đây là cách giải thích được rút ra bằng cách chỉ tập trung vào phương trình sóng của Schrödinger. Vì nó không coi hành động quan sát là tuân theo bất kỳ định luật đặc biệt nào, nên nó diễn giải quá trình này đơn giản chỉ là sự thay đổi trạng thái sóng như được thể hiện trong phương trình sóng. Nói cách khác, người ta hiểu rằng khi quan sát, sóng không sụp đổ; thay vào đó, người quan sát và vật thể đi vào trạng thái vướng mắc lượng tử. Để hiểu được trạng thái vướng mắc này, chúng ta hãy xem xét một ví dụ từ quan điểm của Thuyết Đa Thế Giới, vốn không thừa nhận sự sụp đổ của sóng. Trục quay của electron có thể hướng lên (↑) hoặc hướng xuống (↓). Thiết bị quan sát là một thiết bị đo độ quay của electron. Giả sử cửa sổ hiển thị trạng thái của thiết bị quan sát có ba trạng thái khả dĩ: lên (⟰), xuống (⟱) và trống (). Chúng ta hãy xem xét tình hình trước khi đo. Spin của electron và cửa sổ hiển thị trạng thái của thiết bị quan sát có thể được mô tả như những sóng xác suất độc lập với nhau. Electron không cố định ở vị trí hướng lên (↑) hay hướng xuống (↓) mà được biểu diễn bằng một sóng xác suất. Thiết bị đo sẽ được đặt ở trạng thái trống () cho thí nghiệm, và sẽ có một hàm sóng xác suất biểu thị tình huống này. Chúng ta hãy xem xét tình hình sau khi đo. Đến giai đoạn này, chúng không còn có thể được mô tả như các hàm sóng xác suất độc lập nữa. Thay vào đó, trạng thái tổng thể được mô tả bằng một hàm sóng xác suất duy nhất bao trùm cả electron và thiết bị đo.
Cụ thể, nó được biểu diễn bằng một hàm sóng xác suất duy nhất mô tả chỉ hai tình huống có thể xảy ra: một tình huống trong đó spin của electron hướng lên và cửa sổ trạng thái của thiết bị quan sát chỉ ra “hướng lên” (↑⟰), và một tình huống khác trong đó spin của electron hướng xuống và cửa sổ trạng thái của thiết bị quan sát chỉ ra “hướng xuống” (↓⟱). Hiện tượng này, trong đó nhiều quốc gia không còn độc lập với nhau, được mô tả là “sự vướng mắc lượng tử”. Thuyết Đa Thế Giới tiến thêm một bước nữa trong việc hiểu vấn đề này. Nhìn vào ví dụ trên, có hai trường hợp có thể xảy ra (↑⟰, ↓⟱). Thuyết Đa Thế Giới xem thế giới được chia thành hai trạng thái này. Tức là, trong một thế giới, tình huống ↑⟰ xảy ra, và trong một thế giới khác, tình huống ↓⟱ xảy ra. Người ta nói rằng, khi xem xét phương trình Schrödinger, không có vấn đề toán học lớn nào khi nhìn nhận nó theo cách này. Nếu ta phân tách các trạng thái khả dĩ dựa trên kết quả quan sát và diễn giải mỗi kết quả như một thế giới riêng biệt, thì đó chính xác là Thuyết Đa Thế Giới. Do đó, mọi sự kiện có thể được coi là quan sát đều được xem như một sự kiện trong đó các thế giới tách rời. Do đó, mọi khả năng có thể xảy ra về mặt cơ học lượng tử đều được hiện thực hóa trong mỗi thế giới. Khía cạnh mà tôi thấy hấp dẫn nhất trong Thuyết Đa Vũ Trụ là nó không coi hành động quan sát là điều gì đó đặc biệt. Vì ngay cả người quan sát cũng được xem là một phần của thế giới tuân theo cùng các định luật cơ học lượng tử, tôi cho rằng cách giải thích này có tính ứng dụng phổ quát hơn. Tuy nhiên, Thuyết Đa Vũ Trụ phải đối mặt với nhiều chỉ trích. Hiện chưa có lời giải thích thuyết phục nào về ý nghĩa của việc thế giới phân chia thành nhiều thế giới khác nhau. Hơn nữa, tuyên bố về sự tồn tại của nhiều thế giới khác nhau tự nó đã là điều kỳ lạ. Nếu các thế giới liên tục được tạo ra vô tận, thì không có cách nào giải thích được làm thế nào chúng ta có thể theo dõi được nhiều thế giới đến vậy. Hơn nữa, nếu các thế giới khác nhau hoàn toàn tách biệt và không thể ảnh hưởng lẫn nhau, người ta có thể lập luận rằng, từ góc nhìn của người quan sát, sự tồn tại của các thế giới khác hoàn toàn vô nghĩa. Từ quan điểm đó, chính sự diễn giải trở nên vô nghĩa. Ngoài ra, vẫn còn khá nhiều thách thức cần được giải quyết trong Thuyết Đa Vũ Trụ. Đầu tiên, việc đưa ra lời giải thích thỏa đáng về thế giới mà người quan sát thực tế sẽ cảm nhận là một trong những nhiệm vụ cần được giải quyết. Để giải thích các hiện tượng mà chúng ta quan sát được trong cuộc sống hàng ngày, cũng cần phải có một cách để mô tả các hiện tượng từ góc nhìn của người quan sát—chứ không phải từ góc nhìn của toàn thể. Điều này là do chúng ta không trực tiếp quan sát được các sóng xác suất, mà chỉ quan sát được kết quả của chúng. Cách giải thích của Copenhagen đã làm rõ khía cạnh này. Thuyết Copenhagen cho rằng thế giới mà chúng ta quan sát được hình thành thông qua sự sụp đổ của hàm sóng, và nó tạo ra những kết quả phù hợp với thực tại. Hơn nữa, Thuyết Đa Thế Giới cần phải giải thích được Thuyết Copenhagen. Nếu Thuyết Đa Thế Giới là đúng, nó sẽ có thể giải thích—từ quan điểm của chính nó—tại sao tất cả các kết quả thí nghiệm cho đến nay đều phù hợp với dự đoán của Thuyết Copenhagen. Hơn nữa, chúng ta cần xác định trong những trường hợp nào sự khác biệt có thể phát sinh giữa hai cách giải thích này. Do đó, việc thiết lập mối liên hệ với cách giải thích của Copenhagen cũng là một thách thức lớn. Tôi không ủng hộ khái niệm sụp đổ sóng trong cách giải thích Copenhagen vì không rõ khi nào thì nên áp dụng nó, và tôi cho rằng việc tách biệt phép đo thành một quá trình riêng biệt là có vấn đề về tính phổ quát. Thay vào đó, tôi tin rằng chúng ta nên duy trì quan điểm rằng toàn bộ vũ trụ có thể được mô tả như một sóng xác suất trong cơ học lượng tử, và người quan sát cũng là một phần của nó. Do đó, tôi cho rằng Thuyết Đa Vũ Trụ và các lý thuyết tương tự có thể được xem như những lựa chọn thay thế. Tuy nhiên, như đã đề cập trước đó, vẫn còn một số vấn đề với những cách giải thích này. Như kết quả khảo sát các nhà vật lý đã chỉ ra, vẫn chưa có kết luận cuối cùng nào được đưa ra về cách giải thích cơ học lượng tử. Một số cách giải thích hiện có đã từng bị các thí nghiệm bác bỏ. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có thí nghiệm nào được tiến hành đối với diễn giải Copenhagen hay diễn giải Đa Vũ trụ. Có thể một ngày nào đó sẽ phát triển được các thiết kế thí nghiệm có khả năng thực sự chứng minh sự khác biệt giữa các cách giải thích này. Hoặc, cuối cùng chúng ta có thể kết luận rằng tất cả các cách giải thích này đều có giá trị như nhau. Do đó, tôi tin rằng khi sự hiểu biết của chúng ta về các định luật vật lý ngày càng sâu sắc, những hướng đi mới để giải thích cơ học lượng tử sẽ được mở ra. Thật thú vị khi được chứng kiến quá trình đó diễn ra.
