Tìm Hiểu Giải Nobel Vật Lý 2022

Giải Nobel Vật Lý năm 2022 được trao cho 3 người : John Clauser (Mỹ), Alain Aspect (Pháp) và Anton Zeilinger (Áo). Chuyện này không có gì lạ với các nhà Vật Lý vì thí nghiệm của họ xảy ra cách đây hơn 40 năm. Nhưng đối với tôi giải thưởng này gợi ra một câu chuyện thú vị. Nó cho thấy sự tương phản giữa suy luận dựa trên kinh nghiệm, trực quan, kiến thức tổng quát (Einstein) và suy luận tôn trọng sự đặc thù của Cơ Học Lượng Tử (Neils Bohr và Werner Heisenberg). Quan điểm của Bohr và Heisenberg thường được gọi chung là lối “giải thích Copenhagen” (Copenhagen interpretation, CI)^a).
 

Bối cảnh khoa học :

Trước khi bàn về giải Nobel, chúng ta cần tìm hiểu những khái niệm liên quan trong Cơ Học Lượng Tử qua thí nghiệm sau đây. Năm 1935 nhà Vật Lý người Áo, Erwin Schrödinger, đã đưa ra một thí nghiệm tưởng tượng. Sau trở thành nổi tiếng với cái tên “Con mèo của Schrödinger” (Schrödinger’s cat). Trong một cái hộp đặt một nguyên tử phóng xạ, một máy đo Geiger, một cái búa, một chai thuốc độc và một con mèo. Lúc hạt nguyên tử bắt đầu băng hoại và phóng xạ, máy đo Geiger sẽ kích hoạt cái búa đập bể chai thuốc độc và con mèo sẽ chết. Dĩ nhiên chuyện này xảy ra khi hộp đóng kín. Câu hỏi là “sau một thời gian lúc mở hộp ra, con mèo sống hay chết ?”. Ở đây câu hỏi chỉ  tập trung vào “sống hay chết”, loại trừ những tình trạng khác như  hấp hối …

Thí nghiệm tưởng tượng của Erwin Schrödinger – Nguồn : internet.

Dựa trên kinh nghiệm, kiến thức tổng quát và trực quan, chúng ta có thể suy luận rằng

“cho tới lúc mở hộp, quá trình băng hoại của nguyên tử có thể xảy ra hay không xảy ra (random). Tùy thuộc vào điều này, con mèo có thể sống hay chết”.

Suy luận này bình thường, có lẽ không làm ai ngạc nhiên. Nhưng … đây là cách giải thích trên tinh thần của CI.

“Lúc mở hộp ra con mèo hoặc còn sống hoặc chết. Nhưng trước khi mở hộp, nó ở trong tình trạng vừa sống vừa chết !. Hành động mở hộp ảnh hưởng đến trạng thái cuối cùng của con mèo (sống hoặc chết)”.

Một lối giải thích kỳ cục, không thể hiểu được với kiến thức tổng quát. Tại sao ?

Một video clip bằng tiếng Việt (quên địa chỉ) lúc bàn về superposition (sự chồng chập) đã đưa ra một thí dụ thật hay. Những chữ trong ngoặc là thuật ngữ Vật Lý tương ứng.

Trong một lớp học lúc thầy giáo chưa tới, tình trạng trong lớp như thế nào (quantum state) ? Có thể yên tĩnh hay ồn ào hay “một góc yên tĩnh, một góc ồn ào” (nghĩa là “vừa yên tĩnh vừa ồn ào, superposition”) . Mỗi lớp học có một tình trạng khác nhau, nên chỉ có thể phỏng đoán bằng một mô hình xác suất (Schrödinger wave equation). Lúc thầy giáo bước vào (measurement / experiment), lớp học sẽ có một tình trạng duy nhất : yên tĩnh hoặc ồn ào … (the collapse of wave equation).

Thí dụ này làm rõ cách giải thích CI. Schrödinger tuy đưa ra thí nghiệm tưởng tượng này, nhưng lập trường của ông khác với CI.

Phân tích thí nghiệm của Schrödinger :

Superposition có nguồn gốc sâu xa từ lý thuyết “vật chất vừa là hạt vừa là sóng” của nhà Vật Lý trẻ tuổi người Pháp, Louis De Broglie. Vật chất ở đây cụ thể là photon, electron, atom … De Broglie lấy ý tưởng từ lý luận của Einstein, “ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt” ^{b) .}

Max Planck và Einstein được coi là những người đặt nền tảng cho Cơ Học Lượng Tử. Nhưng … ngay từ đầu Einstein tỏ ra không có cảm tình với ngành này. 

Electron có thuộc tính của sóng đã được chứng minh bằng thí nghiệm double-slit experiment. Electron đi qua vách có 2 khe và hình trên màn ảnh cho thấy hiện tượng giao thoa (interference). Hiện tượng này chỉ có thể giải thích nếu electron là sóng. Giao thoa là sự chồng chập (superposition) của nhiều sóng. Từ đây mới có kết luận “con mèo vừa sống vừa chết (superposition)”.

Qua thí nghiệm trên, sau đây là quan điểm của CI.

1)     Sự chồng chập của những trạng thái lượng tử (superposition of quantum states) chỉ là một trạng thái lý thuyết, không quan sát được. Lúc chúng ta quan sát hay đo lường, trạng thái chồng chập này suy sụp thành hiện thực (the collapse of wave equation).  

2)     Sự đo lường ảnh hưởng tới trạng thái của lượng tử (measurement affects the final outcome of quantum states) . Trong thí dụ trên, tình trạng của lớp học đã thay đổi lúc thầy giáo bước vào. 

3)     Trạng thái lượng tử chỉ tồn tại bằng đo lường. Trong thí nghiệm về con mèo, nếu không mở hộp, chúng ta không biết cũng như không thể biết tình trạng của con mèo. Chỉ có thể đoán bằng xác suất. Einstein tỏ ra bực bội về điểm này và đã nói :

“Bạn có thực sự tin rằng mặt trăng chỉ tồn tại khi bạn nhìn nó ?”

Nói cách khác Einstein cho rằng đo lường hay quan sát không ảnh hưởng tới tình trạng của lượng tử. Einstein cũng không thích dùng xác suất để tiên đoán vị trí của một hạt lượng tử. Einstein phần nào có lý. Thí dụ chúng ta không bao giờ nói

“Buổi sáng mặt trời mọc ở hướng đông với xác suất 100%”

mặc dù câu này không sai. Trong một cuộc tranh luận với Bohr, Einstein từng nói

“God does not play dice” (Thượng đế không chơi xúc xắc)

Bohr đã đáp lại

“Einstein, stop telling God what to do !” (Einstein, đừng dặn dò Thượng Đế phải làm gì).
 

4)     Trong thí dụ về con mèo, chúng ta thấy có sự liên quan giữa nguyên tử phóng xạ và tình trạng của con mèo. Những hạt lượng tử cũng có mối liên quan tương tự, được gọi là quantum entanglement. Theo cách giải thích CI, hai hạt lượng tử này cùng được mô tả bằng một phương trình sóng (Schrödinger wave equation), có thuộc tính (spin) trái ngược, bất chấp khoảng cách của chúng ! Đây là điều kỳ lạ khó hiểu, không thể giải thích được, chỉ có thể xác nhận bằng thí nghiệm. Có người đưa ra thí dụ sau đây để giải thích.

Có một đôi trai gái quen nhau tại một thành phố. Tình trạng của hai người là “bạn”. Sau đó hai người xuất cảnh đi 2 nước khác nhau. Một thời gian sau gia đình hai bên tổ chức đám hỏi mà không thông báo cho họ biết. Ngay tại thời điểm đó, tình trạng của họ từ “bạn” tự động trở thành “hôn phu / hôn thê”, mặc dù họ không hay biết và bất chấp khoảng cách nơi họ ở. Nói theo cơ học lượng tử, tình trạng của họ cùng được diễn tả bằng một phương trình sóng !  

Qua những phân tích trên bạn đọc thấy rằng Cơ Học Lượng Tử kỳ cục, phản trực quan, không đoán trước được, không xác định được (weird, counter-intuitive, unpredictable, non-deterministic, non-locality).
 

Nghịch Lý EPR (EPR paradox) :

Schrödinger đưa ra thí nghiệm về con mèo sau khi Einstein và hai đồng nghiệp của ông đăng bài nghiên cứu “Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete ?” năm 1935. EPR là viết tắt tên của ba người : Albert Einstein, Boris Podolsky và Nathan Rosen. Bài này là nhận xét của ba tác giả về quantum entanglement. Báo New York Times thời đó có đăng tin này.

Bài này được nhiều người phân tích. Để hiểu được lập luận về entanglement, chúng ta cần biết những đặc tính của nó.

Hai hạt lượng tử ở trạng thái entangled, nếu chúng có thuộc tính trái ngược nhau. Thông thường thuộc tính này là angular momentum, được thể hiện bằng spin, tức là chiều quay của hạt lượng tử theo một trục. Nếu một hạt quay theo chiều đi lên trên trục z, thì hạt kia chắc chắn sẽ quay theo chiều đi xuống. Kết quả là tổng cộng spin của 2 hạt là 0, nếu 2 hạt được tạo ra từ một hạt nguyên thủy có spin 0. Đây là định luật bảo tồn xung lượng (conservation of angular momentum). Điều này đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm và đúng bất chấp khoảng cách giữa 2 hạt.

Thí dụ về hai hạt lượng tử trong trạng thái “entangled”. Nguồn : internet.

Theo Nguyên Lý Bất Xác Định của Heisenberg (Heisenberg’s Principle of Uncertainty), nếu chúng ta đo spin của một hạt theo trục z, chúng ta sẽ không thể đo spin của hạt thứ hai theo trục x hay y. Nhóm Einstein thấy vấn đề nằm ở đây. Làm sao hạt thứ 2 biết hạt thứ nhất được đo theo trục z ? Nên nhớ 2 hạt có thể ở khoảng cách rất xa. Đây là những điểm nhóm Einstein đưa ra.

1)     1) Hiểu biết hiện tại về Cơ Học Lượng Tử là không đầy đủ.
 

2)     2) Nếu hai hạt lượng tử ở trạng thái entangled và ở hai nơi thật xa (thí dụ 100,000km), bằng cách nào hạt này biết được trạng thái của hạt kia ? Nếu hai hạt này có cách nào đó để truyền đạt thông tin, tốc độ truyền đạt phải nhanh hơn ánh sáng (300,000 km/s). Điều này vi phạm Thuyết Tương Đối (Special Relativity) của chính Einstein. Lối truyền đạt khó hiểu này, nếu có, được Einstein gọi là “spooky action at a distance (tác động kỳ quái từ xa)”. Hạt lượng tử có kích thước thật nhỏ, không thể quan sát trực tiếp bằng mắt thường. Thật khó tưởng tượng một hạt nhỏ như vậy lại chứa một cơ cấu truyền tin siêu nhanh.
 

3)     3) Để giải thích quatum entanglement, Einstein cho rằng có yếu tố nội tại (locality) trong mỗi hạt lượng tử lúc nó được tạo ra mà chúng ta chưa biết. Yếu tố này được gọi là ẩn số (hidden variables). Nhiều nhà Vật Lý gọi ẩn số này là DNA của một hạt lượng tử. Tôi lại thích dịch là “yếu tố bẩm sinh” của hạt lượng tử.

Với giả thuyết về ẩn số, nhóm Einstein đã gián tiếp phủ nhận lối giải thích CI. Nói cách khác nếu một hạt lượng tử được đo là spin up, thì tại nó bẩm sinh là spin up. Không có chuyện superposition và ngẫu nhiên trở thành spin up (collapse of wave function).

Nhưng làm sao để chứng minh sự tồn tại của ẩn số ? Thí nghiệm về Cơ Học Lượng Tử rất khó thực hiện. Do đó cuộc tranh cãi này không được chú ý nhiều. Các nhà Vật Lý không ngã hẳn về phía nào, người ta chỉ đoán rằng đa số ngã về phía Bohr. Einstein qua đời năm 1955, Bohr qua đời năm 1962. Cho tới lúc nhắm mắt, họ không có câu trả lời bên nào đúng. 

Bất đẳng thức Bell :

Năm 1964 nhà Vật Lý người Ireland, John Stewart Bell, nghĩ ra một cách để chứng minh sự tồn tại của ẩn số của nhóm Einstein. Thay vì đo spin của 2 hạt entangled theo cùng một trục, mỗi hạt có thể đo theo một trục khác nhau. Vì chiều của spin là bẩm sinh, nên đo khác chiều không vi phạm Nguyên Lý Bất Xác Định của Heisenberg.

Hai hạt entangled được phát ra theo 2 hướng và đo bằng 2 trục khác nhau – Nguồn : internet

John Stewart Bell

Giả thử chúng ta có 2 hạt entangled A và B. Spin của cả 2 được đo theo 3 trục có góc α, β và ɣ với trục z. Chúng ta có tất cả 2³ = 8 trường hợp như bảng dưới đây. Dấu + / - tượng trương cho 2 chiều ngược nhau của 1 trục. 

Xác suất để spin của hạt A quay theo chiều dương của trục α và spin của hạt B quay theo chiều dương của trục β là

Phân tích liên hệ của những xác suất này, chúng ta có được Bất Đẳng Thức Bell sau đây.

Đây là trường hợp đo spin theo 3 trục ⁴⁾. Công thức cho trường hợp tổng quát khó và phức tạp hơn nhiều.

Thí nghiệm của Clauser, Aspect và Zeilinger :

Nếu kết quả thực nghiệm cho thấy bất đẳng thức Bell đúng, nhóm Einstein thắng (locality). Nghĩa là có sự tồn tại của ẩn số. Trường hợp ngược lại Bohr đúng (non-locality).

Năm 1972 John Clauser cùng với Stuart Freedman, sinh viên Univ. of California at Berkeley, đã làm thí nghiệm đầu tiên. Kết quả cho thấy nhóm Einstein sai. Clauser cho biết ông buồn và thất vọng vì lúc đầu tin tưởng Einstein đúng. Năm 1976 ông lập lại thí nghiệm vài lần nữa, kết quả không thay đổi. Năm 1982 Alain Aspect làm thí nghiệm tương tự, nhưng tinh vi và chính xác hơn, có cùng kết quả. Anton Zeilinger cũng vậy. Zeilinger còn nghiên cứu về teleportation, một ứng dụng của quantum entanglement.

Phải đợi tới năm 2022 ba người mới được trao giải Nobel. Nếu John S. Bell còn sống, người ta tin rằng ông cũng được giải Nobel 2022. Qua câu chuyện này, theo tôi Einstein sai vì cố áp đặt suy luận của Vật Lý Học cổ điển hay khoa học nói chung vào thế giới lượng tử. Bohr không thông minh hay giỏi hơn Einstein, nhưng thực tế hơn, chịu chấp nhận những đặc tính kỳ cục của Vật Lý Lượng Tử. 

Ngày nay khoa học gia vẫn chưa thực sự hiểu được entanglement. Nhưng superposition, entanglement và interference (giao thoa) đang làm một cuộc cách mạng ! Superposition có ứng dụng quan trọng trong thực tế. Máy tính lượng tử (quantum computer) không dùng bit (binary digit), mà dùng qubit (quantum bit). Qubit vừa là 0 vừa là 1. Nó là yếu tố khiến máy tính lượng tử có tốc độ xử lý cực nhanh. Cho tới cuối năm 2021, IBM đã có máy tính lượng tử đặt tại 4 nước : Mỹ, Đức, Nhật và Ấn Độ. Nhưng hình như máy tính này chưa phải là full scale, all purpose quantum computer. Hiện nay IBM và Google là hai hãng hàng đầu trong việc nghiên cứu máy tính lượng tử. IBM có dự định chi tiêu US $100 triệu để tài trợ cho nhiều đại học khắp thế giới, trong dự án xây dựng quantum-centric supercomputer trong vòng 10 năm.

Entanglement được ứng dụng trong teleportation, quantum cryptography … Hokkaido Univ. ứng dụng entanglement để cải thiện kính hiển vi.

Mới đây nhà Lý Luận Vật Lý nổi tiếng người Mỹ gốc Nhật, Michio Kaku (加來 道雄),đã xuất bản cuốn “Quantum Supremacy – How The Quantum Computer Revolution Will Change Everything” (nxb Doubleday, 2023). Ông cũng có nhiều video clip trên Youtube nói về đề tài này. Trong vòng 10 năm hay ngắn hơn, tôi đoán chúng ta sẽ chứng kiến cuộc cách mạng này.

New Jersey, tháng 7, 2023
Đoàn Tất Trung

Ghi Chú :

a)     Werner Heisenberg là người Đức, được Neils Bohr mời qua Đan Mạch làm việc chung. Lúc đầu họ là thầy trò, sau thành đồng nghiệp. Cả hai đều lãnh giải Nobel. Cả hai thành “trường phái Copenhagen”. Không có một tuyên bố chính thức nào về “Copenhagen interpretation”. Các nhà Vật Lý dùng từ này để chỉ quan điểm của Bohr và Heisenberg.    
 

b)     Ngày nay chúng ta thấy lý luận “ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt” có tính táo bạo, đột phá. Tuy sáng tạo cần thiết trong nghiên cứu khoa học, nó không dễ được chấp nhận. Kể từ lúc ra đời, hơn 10 năm chẳng có khoa học gia nào tin vào lý luận này.

Giáo sư nổi tiếng Max Planck đã viết thư tiến cử Einstein vào Hàn Lâm Viện Khoa Học Đức. Tuy thấy tài năng của Einstein, nhưng lúc đầu ông vẫn không chấp nhận ý tưởng “ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt (wave-particle duality of light)” ³⁾.
 

Tài liệu tham khảo :

1)     1) Albert Einstein, Boris Podolsky, Nathan Rosen, “Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete ?”, Physical Review, May 1935.
 

2)     2) Dennis Morris, “Quantum Mechanics – An Introduction”, Mercury Learning and Information LLC, 2017.
 

3)     3 ) Carlos I. Calle, “Einstein for Dummies”, 2005, Wiley Publishing.
 

4)     4) Silvia Arroyo Camejo, “Lý Thuyết Lượng Tử Kỳ Bí”, 2006, nxb Trẻ.

Nguyên tác : “Skurrile Quantenwelt”
Dịch giả : Phạm Văn Thiều, Nguyễn Văn Liễn, Vũ Công Lập
Tác giả là người Đức sinh năm 1986. Cô bắt đầu viết sách này năm 17 tuổi và hoàn thành lúc 19 tuổi, trước ngày tốt nghiệp Trung Học. Với trình độ Trung Học mà có thể bàn về phương trình Schrödinger, dùng ký hiệu Dirac (Dirac notation) thì ngoài sức tưởng tượng ! Cô ta tốt nghiệp PhD Vật Lý. Hiện tại là Data Scientist, chuyên về AI sau một thời gian nghiên cứu Vật Lý.
 

 5)     5) Một số tài liệu từ YouTube, Google.