Cơ học lượng tử đang chứng minh 'ý thức quyết định vật chất', liệu có đấng sáng tạo?

Tất cả chúng ta đều có thể đồng ý rằng sự liên đới lượng tử (quantum entanglement, tức liên đới lượng tử hay vướng mắc lượng tử) là một hiệu ứng trong cơ học lượng tử, trong đó trạng thái lượng tử của hai hay nhiều vật thể có liên hệ với nhau, dù chúng cách xa tới mức nào, thậm chí khoảng cách lên tới nhiều năm ánh sáng.

Ví dụ, có thể tạo ra hai vật thể, sao cho nếu quan sát thấy spin của vật thứ nhất quay xuống dưới, thì spin của vật kia sẽ phải quay lên trên, hoặc ngược lại; dù cho cơ học lượng tử không tiên đoán trước kết quả phép đo trên vật thứ nhất. Điều này nghĩa phép đo thực hiện trên vật thể này ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái lượng tử trên vật thể (vướng víu lượng tử với nó) là kỳ lạ.

Tuy nhiên, chúng ta không bận tâm quá nhiều về nó, ngoài một số ứng dụng thực tế hơn của nó. Xét cho cùng, hiện tượng này diễn ra ở quy mô nhỏ hơn rất nhiều so với những trải nghiệm hằng ngày của chúng ta. Nhưng có lẽ cơ học lượng tử và sự liên đới không giới hạn ở mức siêu nhỏ. Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng các vật thể vĩ mô (dù nhỏ) có thể bị liên đới. Từ đó đặt ra câu hỏi: Có giới hạn kích thước cho sự liên đới lượng tử không? Mang ý tưởng đi xa hơn, một người có thể bị liên đới, cùng với ý thức của họ không?

Việc đặt ra những câu hỏi này không chỉ cho phép chúng ta khám phá các giới hạn của cơ học lượng tử mà còn có thể đưa chúng ta đến một lý thuyết vật lý thống nhất - một lý thuyết hoạt động tốt như nhau đối với mọi thứ, từ electron đến các hành tinh.

Chiếc trống liên đới

Khoảng 5 năm trở lại đây, các nhà vật lý đã cố gắng đưa các vật thể lớn hơn vào trạng thái liên đới. Đây không chỉ là những hạt đơn lẻ; đúng hơn, chúng là tập hợp của hàng nghìn, thậm chí hàng tỉ nguyên tử.

Vào năm 2021, hai nhóm nhà vật lý độc lập, một tại Đại học Aalto ở Phần Lan và một tại Đại học New South Wales ở Úc, đã có thể đặt hai “chiếc trống” nhỏ vào trạng thái liên đới. Những chiếc trống này có bề ngang chỉ 10 micron, dù rất nhỏ nhưng vẫn có tính vĩ mô. Với những nỗ lực của mình, các đội đã giành giải Đột phá thế giới vật lý của năm.

Các nhà khoa học tại Viện Tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia đã có thể quan sát trực tiếp sự liên đới giữa các hệ thống trống vĩ mô. Và một nhóm từ Viện Niels Bohr tại Đại học Copenhagen đã đặt hai vật thể vĩ mô khác nhau trong trạng thái liên đới lượng tử với nhau: Một cái trống dài vài milimet bị liên đới với một đám mây chứa một tỉ nguyên tử cesium.

Mặc dù những vật thể này vẫn còn rất nhỏ, nhưng chúng chứa những tập hợp lớn các nguyên tử. Các hệ thống có số lượng lớn các hạt dẫn đến sự liên đới phức tạp hơn. Chúng cũng minh họa cách sự liên đới có thể chuyển sang thế giới vĩ mô, và khi làm như vậy, chúng thúc đẩy ta đặt câu hỏi: Có giới hạn nào về độ lớn của một vật thể được đặt trong sự liên đới không?

Có thể không có giới hạn trong lý thuyết, mặc dù khi các vật thể lớn hơn, vai trò của lực hấp dẫn, ảnh hưởng đến hàm sóng của chúng, cũng tăng lên. Trong mọi trường hợp, đó là một câu hỏi thú vị, một câu hỏi dẫn chúng ta vào lĩnh vực siêu hình học. Chẳng hạn, con người - ý thức và tất cả - có thể bị liên đới không?

Con người liên đới

Nhà vật lý đoạt giải Nobel Eugene Wigner đã suy nghĩ về vai trò của ý thức trong vật lý lượng tử vào đầu những năm 1960. Vào thời điểm đó, nhiều nhà vật lý không nghĩ rằng có điều gì đặc biệt về ý thức hay tâm trí con người. Nhưng Wigner không đồng ý. Ông xem xét cơ học lượng tử và lập luận rằng ý thức là cần thiết để một hàm sóng sụp đổ, tức là để bất kỳ thứ gì ở một trạng thái cụ thể.

Để minh họa điều này, ông đã nghĩ ra thí nghiệm tưởng tượng sau đây, thường được gọi là Bạn của Wigner.

Giả sử chúng ta có một nhà nữ khoa học, tên là Debbie, trong một phòng thí nghiệm biệt lập. Debbie đo một hệ thống trong đó, chẳng hạn spin của một electron có thể tăng hoặc giảm.

Bên ngoài phòng thí nghiệm bị đóng kín của Debbie, một nhà khoa học khác, Bob, không biết phép đo mà Debbie đã thực hiện. Theo quan điểm của Bob, hàm sóng của electron vẫn chưa sụp đổ, nó vẫn ở trạng thái chồng chất lên và xuống. Tương tự như Con mèo của Schrödinger, từ quan điểm của Bob, Debbie vừa thực hiện một quan sát về sự quay lên và quay xuống. Chỉ khi Bob mở cửa phòng thí nghiệm và Debbie nói với Bob phép đo mà Debbie đã thực hiện, Bob mới thấy hàm sóng sụp đổ.

Vậy khi nào thì hàm sóng sụp đổ: khi Debbie thực hiện quan sát của mình hay khi Bob thực hiện? Có một sự thật khách quan trong khoa học? Nếu vậy, những quan sát mà Debbie và Bob đưa ra sẽ phải giống nhau. Nhưng nếu hai người quan sát nhìn thấy những thứ khác nhau, nền tảng của khoa học của chúng ta sẽ bị nghi ngờ.

Nếu tất cả điều này có vẻ lố bịch, thì đó chính xác là quan điểm của Wigner. Ông lập luận rằng ý thức thay đổi mọi thứ. Nó là đặc biệt. Một số người cho rằng việc giải quyết Nghịch lý Wigner là điều cần thiết để hiểu đầy đủ về cơ học lượng tử, bao gồm cả việc liệu nó có thể được dung hòa với thế giới vĩ mô hay không.

Cơ học lượng tử và bản chất của thực tại

Vào năm 2020, các nhà khoa học tại Đại học Griffith ở Úc đã mở rộng Nghịch lý của Wigner để bao gồm cả sự liên đới lượng tử. Không chỉ vậy, họ còn thực sự đưa nó vào thử nghiệm. Thí nghiệm của họ đặt ra câu hỏi: Liệu những người quan sát có thể đồng ý với một “sự thật” không?

Thí nghiệm của họ diễn ra như sau: Hai nhà khoa học trong hai phòng thí nghiệm khép kín - tạm gọi họ là Charlie và Debbie - đo một cặp photon liên đới. Giờ đây, không ai ngoài Charlie và Debbie biết kết quả của thí nghiệm này. Bên ngoài phòng thí nghiệm, có một cặp “siêu quan sát viên” khác, Alice và Bob. Theo quan điểm của họ, các photon vẫn ở trạng thái chồng chất. Hơn thế nữa, Charlie và Debbie trở nên liên đới với nhau. Về bản chất, điều này có nghĩa là Charlie và Debbie bị liên đới với các hạt của họ, và do đó họ liên đới với nhau. Điều đó dẫn đến, bất cứ khi nào Charlie đưa ra một quan sát, Debbie cũng sẽ quan sát tương tự và ngược lại.

Bây giờ, Alice và Bob chọn ngẫu nhiên hoặc mở cửa phòng thí nghiệm của Charlie và Debbie rồi hỏi họ xem đã thấy gì hoặc thực hiện một số thí nghiệm khác.

Hãy tạm dừng và suy nghĩ về những gì chúng ta biết, hoặc ít nhất là những gì chúng ta nghĩ rằng mình biết, về thế giới thực. Đầu tiên, nếu Charlie và Debbie đưa ra một quan sát, chúng ta cho rằng điều đó chỉ ra một sự thật. Nói cách khác, những gì họ thấy đã thực sự xảy ra. Thứ hai, Alice và Bob có quyền tự do lựa chọn mở cửa và hỏi Charlie và Debbie xem họ đã thấy gì hoặc thực hiện một thí nghiệm khác. Và cuối cùng, lựa chọn mà họ đưa ra không ảnh hưởng đến kết quả mà Charlie và Debbie đã chứng kiến. Trong thế giới vĩ mô, tất cả những tuyên bố này có vẻ như đúng.

Khi họ thực sự thực hiện thí nghiệm này, các nhà nghiên cứu đã không sử dụng con người mà sử dụng “những người quan sát đơn giản” - các photon bị liên đới có cả sự phân cực lên và xuống cho đến khi chúng được quan sát. Quan sát trong thí nghiệm này xảy ra khi photon chọn một trong hai đường đi, tùy thuộc vào sự phân cực của nó. Khi lựa chọn đó được thực hiện, về bản chất, photon được quan sát thấy. Sự lựa chọn con đường này đóng vai trò quan sát của Charlie và Debbie trong thí nghiệm. Các phép đo máy dò photon đóng vai trò của “siêu quan sát viên,” Alice và Bob. Họ chọn phát hiện photon (tương đương với việc hỏi Charlie và Debbie xem họ đã nhìn thấy gì) hoặc không. Theo cách này, thí nghiệm thực hiện các phép đo của chính nó.

Nếu những gì chúng ta tin là đúng (dựa trên kinh nghiệm của chúng ta trong thế giới vĩ mô) thực sự đúng, thí nghiệm sẽ cho thấy một số mối tương quan nhất định giữa trải nghiệm. Nếu cơ học lượng tử đúng, thì chúng ta thực sự sẽ thấy nhiều mối tương quan hơn giữa các kết quả. Nói cách khác, ý tưởng của chúng ta về thực tại - rằng có một sự thật phổ quát trong các quan sát, rằng chúng ta có quyền tự do lựa chọn và rằng lựa chọn này không thể ảnh hưởng đến những gì xảy ra trong quá khứ hoặc ở một khoảng cách xa - không phù hợp với cơ học lượng tử.

Vậy thí nghiệm của họ cho thấy điều gì? Số lượng tương quan mà họ thấy phù hợp với những gì cơ học lượng tử dự đoán.

Bây giờ, người ta có thể lập luận rằng thí nghiệm này chỉ sử dụng “những người quan sát đơn giản”. Mọi thứ có thể thay đổi nếu chúng ta có thể thực hiện một thí nghiệm trong đó những người quan sát là những người thực tế, có ý thức. Nhưng sau đó hãy tự hỏi: Tại sao? Tại sao ý thức sẽ thay đổi kết quả của thí nghiệm? Điều gì là đặc biệt về ý thức?

Giờ bạn hiểu rõ vấn đề chưa? Mong là có.

Chúng ta có thể không bao giờ đạt đến giai đoạn mà chúng ta có thể thực hiện một thí nghiệm như vậy, nhưng nghĩ về nó đặt ra một số câu hỏi thú vị. Tại sao những gì chúng ta tin về cách thế giới vận hành lại mâu thuẫn với cơ học lượng tử? Có một thực tế khách quan, ngay cả trên quy mô vĩ mô? Hay là những gì bạn thấy khác với những gì tôi thấy? Chúng ta có một sự lựa chọn trong những gì chúng ta làm?

Ít nhất có một điều chắc chắn: Chúng ta không nhìn thấy bức tranh toàn cảnh. Có thể sự hiểu biết của chúng ta về cơ học lượng tử chưa đầy đủ, hoặc có thể có điều gì đó thay đổi khi chúng ta mở rộng nó sang thế giới vĩ mô. Nhưng có lẽ vai trò của chúng ta với tư cách là những người quan sát có ý thức về thế giới xung quanh chúng ta thực sự là duy nhất.

Con mèo của Schrodinger là một thí nghiệm tưởng tượng, đôi khi được gọi là nghịch lý do nhà vật lý học người Ireland gốc Áo Erwin Schrodinger nghĩ ra vào năm 1935 khi tranh luận với Albert Einstein về cách hiểu Copenhagen trong cơ học lượng tử.

Schrodinger đã viết:
Một con mèo được nhốt vào trong hộp, cùng với các thiết bị sau (mà con mèo không thể tác động vào): một ống đếm Geiger và một mẩu vật chất phóng xạ nhỏ đến mức trong vòng một tiếng đồng hồ chỉ có 50% xác suất nó phát ra một tia phóng xạ. Nếu có tia phóng xạ phát ra, ống đếm Geiger sẽ nhận tín hiệu và thả rơi một cây búa đập vỡ lọ thuốc độc hydrocyanic a xít nằm trong hộp và con mèo sẽ chết. Nếu trong vòng một tiếng vẫn không có tia phóng xạ nào phát ra, con mèo vẫn sẽ sống. Hàm sóng của hệ thống sẽ là sự chồng chập của cả trạng thái con mèo sống và con mèo chết và cả hai trạng thái chồng chập có biên độ như nhau.

Trong những trường hợp như thế này, sự vô định của thế giới vi mô đã chuyển sang thế giới vĩ mô, và có thể được giải quyết bằng quan sát trực tiếp. Nó giúp chúng ta tránh phải chấp nhận một cách ngây thơ một "mô hình bị làm nhòe" khi mô tả thực tại. Bản thân các tình huống như thế này không có gì thiếu rõ ràng. Có sự khác biệt giữa một bức ảnh chụp nhòe của vật thể nào đó và một bức chụp rõ nét của đám mây hay sương mù.

Với thí nghiệm này, Schrodinger đã đặt ra câu hỏi: "khi nào thì một hệ lượng tử ngừng tồn tại ở trạng thái chồng chập của các trạng thái cơ bản và trở thành một trong số các trạng thái cơ bản?". Trường phái Copenhagen cho rằng chỉ khi có sự can thiệp của người quan sát thì trạng thái của hệ lượng tử mới xác định. Trong thí nghiệm tưởng tượng này bản thân con mèo phải là quan sát viên (nếu nó sống, nó chỉ nhớ là mình đã luôn sống) hoặc là sự tồn tại của nó ở một trạng thái xác định đòi hỏi sự can thiệp của một quan sát viên bên ngoài. Như vậy dường như chính sự tác động của quan sát viên quyết định trạng thái của mèo. Điều này là không thể chấp nhận được với Albert Einstein, người cho rằng trạng thái của con mèo là độc lập với việc quan sát.

Anh Tú (dịch)