Nghịch lý lượng tử mới gây nghi vấn về thực tại được quan sát

Nếu một cái cây đổ xuống một khu rừng và không có ai ở đó nghe thấy thì nó có phát ra âm thanh không? Có lẽ là không. Nhưng nếu có ai ở đấy nghe thấy thì rõ ràng nó có phát ra âm thanh. Có thể bạn sẽ phải xem lại ý kiến của mình.

Cơ học lượng tử và cuộc chiến cho thực tại

GS Eruc Cavalcanti ở Đại học Griffith (Queensland, Mỹ) và nhóm nghiên cứu của ông khẳng định đã tìm ra một nghịch lý mới trong cơ học lượng tử – một trong hai lý thuyết khoa học cơ bản hiện nay, cùng với thuyết tương đối của Einstein.

Nghịch lý này gây ra những nghi vấn mới cho nhiều ý niệm của chúng ta về thực tại vật lý.

Hãy xem xét ba phát biểu sau: Khi ai đó quan sát một sự kiện xảy ra, nó thực sự đã xảy ra; Chúng ta có khả năng lựa chọn tự do, hay ít nhất là những lựa chọn ngẫu nhiên về mặt thống kê; Một lựa chọn ở một địa điểm không thể gây ảnh hưởng ngay tức khắc tới một sự kiện ở xa (các nhà vật lý gọi việc này là tính cục bộ).

Những điều trên đều là những ý tưởng trực quan được công nhận rộng rãi bởi các nhà vật lý. Tuy nhiên nghiên cứu mới của các tác giả đã được công bố mới đây trên tạp chí Nature Physics cho thấy chúng không thể tất cả đều đúng – hoặc là cơ học lượng tử vẫn phải bị phá vỡ ở một cấp độ nào đó.

Cơ học lượng tử cực kỳ hiệu quả trong việc mô tả hành vi của những vật thể vi mô, chẳng hạn như các nguyên tử hay các hạt ánh sáng (photon). Nhưng hành vi đó là… rất kỳ quái.

Trong nhiều trường hợp, lý thuyết lượng tử không đưa ra câu trả lời chắc chắn cho những câu hỏi như là “hạt này đang ở đâu ngay lúc này?”. Thay vào đó, nó chỉ đưa ra xác suất về vị trí có thể tìm thấy hạt đó khi nó được quan sát.

Theo Biels Bohr, một trong những người sáng lập ra cơ học lượng tử cách đây một thế kỷ, thì đó không phải là do sự thiếu thông tin, mà bởi các thuộc tính vật lý như “vị trí” không thực sự tồn tại cho tới khi chúng được đo lường.

Hơn thế nữa, bởi một số tính chất của hạt không thể được quan sát một cách hoàn hảo đồng thời – chẳng hạn như vị trí và vận tốc, chúng không tồn tại một cách đồng thời thực sự.

Người quan sát, được quan sát

Năm 1961, nhà vật lý lý thuyết người Mỹ gốc Hungary là Eugene Wigner đã nghĩ ra một thí nghiệm giả định để cho thấy vấn đề của việc đo lường.

Ông xem xét một tình huống trong đó một người bạn của ông đi vào một phòng thí nghiệm được đóng kín và thực hiện phép đo trên một hạt lượng tử (chẳng hạn như đo vị trí của nó). Tuy nhiên, Wigner nhận thấy rằng nếu ông áp dụng các phương trình của cơ học lượng tử để mô tả tình huống này từ phía ngoài, kết quả sẽ rất khác.

Thay vì phép đo của người bạn này sẽ khiến cho hạt có một vị trí thực, thì từ phía ngoài Wigner nhận thấy rằng người bạn của ông bị liên đới với hạt này và nhiễm sự bất định bao quanh nó. Ông tin rằng một khi ý thức của người quan sát dính líu vào, liên đới sẽ “sụp đổ” khiến cho quan sát của người bạn là xác định.

Mặc dù một thí nghiệm mang tính kết luận có thể sẽ cần tới vài thập kỷ nữa, nếu những dự đoán của cơ học lượng tử tiếp tục được duy trì, điều này có ý nghĩa mạnh mẽ tới hiểu biết của chúng ta về thực tại.

Không thể được giải thích chỉ bằng cách nói rằng các đặc tính vật lý không tồn tại cho tới khi chúng được đo lường. Giờ đây thực tại tuyệt đối của chính các kết quả đo lường cũng cần được đặt câu hỏi.

Có những lý thuyết, như là de Broglie-Bohm, khẳng định về “hành động ở khoảng cách xa” trong đó các hành động có thể tác động ngay tức khắc tới bất cứ nơi nào trong vũ trụ. Tuy nhiên điều đó mâu thuẫn trực tiếp với thuyết tương đối của Einstein.

Một số người tìm kiếm một lý thuyết mới trong đó bác bỏ khả năng lựa chọn tự do, nhưng chúng đòi hỏi quan hệ nguyên nhân – kết quả bị đảo ngược, hoặc là một loại thuyết tất định có chủ định được gọi là siêu xác định.

Một cách khác để giải quyết xung đột có thể làm cho lý thuyết của Einstein trở nên tương đối hơn nữa. Theo Einstein thì những người quan sát khác nhau có thể bất đồng về thời điểm và vị trí mà một thứ gì đó xảy ra, nhưng thứ đã xảy ra thì là thực tế tuyệt đối.

Tuy nhiên theo một số cách giải thích, chẳng hạn như cơ học lượng tử, QBism (quan điểm lượng tử Bayesian), hay cách giải thích đa thế giới, bản thân các sự kiện chỉ có thể xảy ra với sự liên quan tới một hoặc nhiều người quan sát. Một cái cây đổ được quan sát bởi một người có thể không phải là thực tế với những người khác.

Tất cả nhưng điều này không có nghĩa rằng bạn có thể lựa chọn thực tại cho riêng mình. Thứ nhất bạn có thể chọn câu hỏi mà bạn hỏi, nhưng những câu trả lời thì được đưa ra bởi thế giới. Và ngay cả trong một thế giới có liên quan mật thiết, khi hai người quan sát giao tiếp với nhau, họ cũng xuất hiện liên đới.

Theo cách đó một thực tại chung (được chia sẻ) có thể xuất hiện. Điều đó có nghĩa nếu chúng ta chứng kiến một cái cây đổ xuống và bạn nói rằng bạn không thể nghe thấy nó, thì bạn có thể cần tới máy trợ thính.