Trong bài đăng trên blog này, chúng ta sẽ xem xét nền tảng của cơ học lượng tử, những điểm chính của diễn giải Copenhagen và diễn giải đa vũ trụ, và cách hai diễn giải này nhìn nhận về “quan sát”, sau đó suy ngẫm về mục đích của cơ học lượng tử.
Từ rất lâu trong lịch sử vật lý, Max Planck đã công bố một bài báo và các kết quả thực nghiệm dựa trên thí nghiệm bức xạ vật đen của ông, khẳng định rằng “tất cả năng lượng đều bao gồm các gói rất nhỏ với các giá trị rời rạc”. Điều này đã làm lung lay nền tảng của quan điểm thịnh hành trong giới vật lý thời bấy giờ, những người tin rằng tất cả các hiện tượng trong thế giới vĩ mô đều có thể được giải thích bằng cơ học Newton. Từ thời điểm này trở đi, khi thiết bị đo lường được cải tiến và các nhà vật lý có khả năng quan sát thế giới vi mô, họ đã công bố nhiều kết quả thực nghiệm cho thấy những hạn chế của cơ học Newton. Những kết quả này, không thể được giải thích bằng các lý thuyết hiện có, đã sớm dẫn đến sự nhận thức về nhu cầu về một khuôn khổ cơ học mới – và do đó, “cơ học lượng tử” ra đời. Cơ học lượng tử nhanh chóng củng cố vị thế của mình bằng cách cung cấp thành công các câu trả lời cho các hiện tượng tự nhiên mà vật lý hiện có không thể giải quyết được, chẳng hạn như lời giải thích của Einstein về hiệu ứng quang điện và mô hình phổ nguyên tử hydro của Bohr. Hơn nữa, thông qua nỗ lực của vô số nhà vật lý và những phát triển như lý thuyết biến đổi do Paul Dirac và Pascual Jordan đề xuất, nó đã tự khẳng định mình là một lĩnh vực nghiên cứu riêng biệt.
Tuy nhiên, điều này chỉ đơn thuần đánh dấu sự hoàn thiện của “hình thức” toán học—công cụ được sử dụng để mô tả nội dung của cơ học lượng tử—và không hàm ý rằng nó đã được thiết lập từ quan điểm diễn giải vật lý. Ngay cả bây giờ, nhiều thập kỷ sau, vẫn còn những tranh luận giữa các nhà vật lý nổi tiếng về “sự diễn giải” các hiện tượng cơ học lượng tử. Từ “diễn giải Copenhagen”—thường được coi là diễn giải chính thống—đến “diễn giải đa thế giới”, xuất hiện để đáp ứng những hạn chế của diễn giải trước đó, và nhiều diễn giải khác, những cách tiếp cận khác nhau này tiếp tục bổ sung cho nhau bằng cách giải quyết những khoảng trống mà không một diễn giải nào có thể giải thích đầy đủ. Tại một hội nghị về cơ học lượng tử được tổ chức ở Áo trước đây, một cuộc thăm dò đã được tiến hành trong số 33 nhà vật lý nổi tiếng thế giới hỏi họ ủng hộ diễn giải nào; diễn giải Copenhagen nhận được 42%, diễn giải lý thuyết thông tin 24%, và diễn giải đa thế giới 18%. Vì không có diễn giải nào vượt quá 50% trong cuộc thăm dò này, rõ ràng là mỗi diễn giải đều có những hạn chế riêng. Trong bài viết này, tôi sẽ giới thiệu ngắn gọn về “diễn giải Copenhagen” và “diễn giải đa vũ trụ” – hai diễn giải chiếm một phần đáng kể trong lĩnh vực này và có quan điểm trái ngược nhau về hành động “quan sát” – và thảo luận về những hạn chế của chúng. “Diễn giải lý thuyết thông tin” được loại trừ khỏi cuộc thảo luận này vì nó xem xét cơ học lượng tử từ một góc độ hơi khác so với hai diễn giải còn lại.
Khung lý thuyết cơ bản của diễn giải Copenhagen, do Bohr và Heisenberg đề xuất, như sau: “Chừng nào người quan sát không sử dụng thiết bị đo, electron trong nguyên tử chuyển động theo định luật nhân quả. Tuy nhiên, khi cố gắng mô tả electron ở một vị trí và thời điểm cố định trong không thời gian, các tương tác rời rạc can thiệp, khiến nó lệch khỏi định luật nhân quả, và người quan sát không còn lựa chọn nào khác ngoài việc dựa vào xác suất lượng tử.” Cơ học Newton phát biểu rằng các hạt được quan sát trong thế giới vĩ mô sở hữu các giá trị cụ thể, được xác định rõ ràng về vị trí và động lượng khi chúng chuyển động. Điều này có nghĩa là trong thế giới vĩ mô, nơi tồn tại các quan sát viên—tức là con người—vị trí và động lượng là cố định. Tuy nhiên, trong thế giới vi mô, một electron chuyển động tồn tại trong một trạng thái mà các đại lượng vật lý này không thể được xác định một cách chắc chắn là một giá trị duy nhất. Thay vào đó, nhiều trạng thái khác nhau cùng tồn tại đồng thời. Ví dụ, nếu có ba trạng thái có thể—1, 2 và 3—mà một electron có thể chiếm giữ, thì electron tồn tại đồng thời trong cả ba trạng thái trước khi nó được quan sát. Về mặt toán học, điều này có thể được biểu thị bằng tổng của các hàm sóng tương ứng với trạng thái 1, 2 và 3. Khi một người quan sát trong thế giới vĩ mô quan sát electron, electron sẽ bị thu hẹp lại thành một trạng thái duy nhất trong số nhiều trạng thái có thể có, được xác định bởi xác suất gắn liền với trạng thái đó. Nói cách khác, hành động “quan sát” làm thay đổi trạng thái của electron. Ví dụ, ngay khi electron được xác định ở trạng thái 1, khả năng nó tồn tại đồng thời ở trạng thái 2 và 3 sẽ biến mất. Đây là điều mà diễn giải Copenhagen gọi là “sự sụp đổ của hàm sóng”. Do đó, hành động “quan sát” có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong diễn giải Copenhagen.
Các nhà vật lý nổi tiếng như Einstein đã bác bỏ cách giải thích Copenhagen, viện dẫn nhiều thí nghiệm tưởng tượng làm bằng chứng. Trong số đó, nổi tiếng nhất là "Con mèo của Schrödinger". Bên trong một chiếc hộp kín có một con mèo và một thiết bị có khả năng giải phóng chất độc tùy thuộc vào trạng thái của một hạt được xác định bằng cơ học lượng tử. Việc con mèo bên trong hộp còn sống hay đã chết sau một khoảng thời gian nhất định - bản thân khoảng thời gian này cũng là một trạng thái - chỉ được xác định vào thời điểm nắp hộp được mở ra và con mèo được quan sát. Thí nghiệm tưởng tượng này minh họa rằng việc áp dụng hành động "quan sát", vốn có ý nghĩa rất lớn trong thế giới vi mô, vào thế giới vĩ mô dẫn đến những kết luận kỳ lạ; do đó, nó đã thúc đẩy sự suy ngẫm sâu sắc về ý nghĩa của quan sát trong cơ học lượng tử. Đây là nơi mà "cách giải thích đa vũ trụ" bắt đầu.
Everett III, trước đây thuộc Đại học Princeton, đã bác bỏ các luận điểm của diễn giải Copenhagen, lập luận rằng phân bố xác suất của một hạt không biến mất thông qua hành động quan sát, mà đúng hơn là nhiều thế giới khả dĩ đã tồn tại ngay từ đầu. Nói cách khác, vị trí của một hạt không được xác định thành một giá trị duy nhất thông qua quan sát; thay vào đó, nhiều thế giới song song đã tồn tại, và chúng ta chỉ đơn giản là quan sát một trong số đó. Các trạng thái mà chúng ta không trực tiếp quan sát đang diễn ra trong các thế giới khả dĩ khác. Ví dụ, nếu quan sát của chúng ta cho ra trạng thái 2, các trạng thái khác không biến mất tại thời điểm đó — chúng đang diễn ra trong các thế giới khác, và chúng ta đơn giản là không thể quan sát chúng.
Tuy nhiên, Thuyết Đa Thế Giới rõ ràng có những vấn đề riêng. Nếu một sự kiện có thể xảy ra lại xảy ra trong tất cả các thế giới khả dĩ, thì xác suất gắn liền với mỗi trạng thái có ý nghĩa gì? Everett đã cố gắng giải quyết điều này bằng cách đơn giản nhân mỗi trạng thái với một trọng số. Tuy nhiên, ý nghĩa của việc một thế giới quan trọng hơn thế giới khác vẫn là một chủ đề gây tranh cãi.
Xét hai cách giải thích này—mỗi cách đều có ý nghĩa và hạn chế riêng—tôi có xu hướng nghiêng về cách giải thích Copenhagen. Nếu quay trở lại nguồn gốc của cơ học lượng tử, ta thấy rằng nó ra đời để giải thích các hiện tượng trong thế giới vi mô. Nói cách khác, vì nó được tạo ra để làm sáng tỏ các hiện tượng thông qua quan sát và các sự kiện thu được, nên hành động quan sát của người quan sát mang ý nghĩa rất quan trọng. Trong việc quan sát các hạt, để quan sát trạng thái của một hạt đơn lẻ, chúng ta phải tác động một mức độ ảnh hưởng nhất định lên nó. Trong vật lý, điều này được gọi là "sự nhiễu loạn". Nói cách khác, việc quan sát trạng thái của một hạt bao gồm việc tạo ra một sự thay đổi nhỏ trong hạt và sau đó quan sát phản ứng của nó. Mặc dù mối liên hệ giữa việc tạo ra sự thay đổi trong hạt và sự sụp đổ của hàm sóng về mặt toán học có phần mơ hồ, nhưng cả hai đều làm thay đổi trạng thái ban đầu. Điều này có nghĩa là bản thân hành động quan sát có ý nghĩa vật lý quan trọng.
Cơ học lượng tử đã thoát khỏi tư duy xác định luận của cơ học Newton cổ điển và áp dụng phương pháp xác suất. Có bao nhiêu người có thể dễ dàng chấp nhận ý tưởng rằng vị trí của một quả táo ngay trước mặt họ thay đổi với xác suất khác nhau mỗi khi họ nhìn vào nó? Đúng là cả diễn giải Copenhagen và diễn giải Đa Thế giới đều có ý nghĩa và hạn chế riêng khi giúp những người – vốn quen với trạng thái xác định của các vật thể – hiểu được các hiện tượng xảy ra trong thế giới vi mô. Tôi là một sinh viên kỹ thuật đang nghiên cứu cách tạo ra các công nghệ mới bằng cách sử dụng các hiện tượng khoa học và kết quả thu được từ việc quan sát chúng. Sự phát triển của cơ học lượng tử đã cung cấp cho chúng ta các công cụ để giải thích các hiện tượng trong thế giới vi mô, và điều này đã trực tiếp dẫn đến các công nghệ hữu ích cho con người. Thiết bị MRI (Chụp cộng hưởng từ), đã đóng góp đáng kể cho y học hiện đại, được phát triển bằng cách áp dụng hiện tượng NMR (Cộng hưởng từ hạt nhân) từ cơ học lượng tử; công nghệ này không chỉ được sử dụng trong quang phổ học – xác định cấu trúc phân tử – mà còn trong thăm dò dầu khí. Dựa trên cơ sở này, tôi tin rằng cách giải thích phù hợp hơn để lý giải các hiện tượng—điều mà tôi cho là mục đích của khoa học—sẽ có ý nghĩa quan trọng hơn.
