Người đang chứng minh Einstein sai
Bằng những chứng minh trong cơ học lượng tử, nhà khoa học người Thụy Sĩ đang cho thấy quan điểm thời gian tiền định của Einstein trong Thuyết tương đối có thể đã sai.
Theo The Atlantic, vào những buổi sáng chủ nhật, thay vì đi nhà thờ, nhà vật lý người Thụy Sĩ Nicolas Gisin có thói quen ngồi lặng lẽ bên cốc trà ô long suy ngẫm về những khái niệm.
Gisin hiện quản lý một phòng thí nghiệm thuộc Đại học Geneva chuyên thực hiện các nghiên cứu về truyền thông lượng tử và mật mã lượng tử. Ông còn nổi tiếng trong giới bởi là nhà vật lý hiếm hoi có hiểu biết sâu rộng các lý thuyết về xác suất lượng tử và phi lượng tử.
Nhà vật lý toán học người Thụy Sỹ Nicolas Gisin. Ảnh: Quantum Limits of Knowledge.
Quan hệ nhân quả của Einstein
Gisin nhận ra dường như có sự mâu thuẫn trong định nghĩa thời gian của Einstein và một lý thuyết toán học cổ điển ám chỉ sự tồn tại của “thông tin vô hạn”.
Lấy ví dụ thời tiết. Thời tiết dễ thay đổi, rất khó để biết chính xác “trời” sẽ như thế nào một tuần sau. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể biết nếu phân tích đầy đủ những yếu tố tác động, dù là nhỏ nhất như từng đám mây, ngọn gió, cánh bướm…
Đó là do chúng ta đã không thể tính được từng chữ số thập phân của các dữ liệu nhỏ nhất để đưa ra dự đoán chính xác. Từ ví dụ về thời tiết, đó cũng chính là thứ ta đang đối mặt với vũ trụ. Trong thế giới được định trước của Einstein, thời gian là dòng chảy cho những việc được xếp đặt từ trước.
Gisin lại tìm hướng đi khác để giải thích cho những vấn đề này. Ông dựa vào toán học duy trực giác (intuitionist mathematics) do nhà toán học người Hà Lan L.E.J Brouwer đưa ra.
Video đang HOT
Toán học trực giác cho rằng toán học là không đủ để giải thích vạn vật. Brouwer nhìn nhận toán học tự thân nó như là hoạt động siêu ngôn ngữ của quá trình kiến tạo tinh thần, dựa trên cơ sở là trực giác thuần khiết về thời gian.
Toán học không thể đưa ra dự đoán chắc chắn về tương lai. Giống như qubit trong cơ học lượng tử mang nhiều giá trị tới khi được đo. Số kế tiếp trong dãy số toán học không thể đoán trước khi nó xảy ra.
Chủ nghĩa trực giác có những hệ quả sâu rộng trong thực hành toán học và xác định phát biểu nào có thể được coi là đúng. Trong hệ quy chiếu của Brouwer, các tuyên bố về con số có thể đúng hoặc sai tại một thời điểm nhất định, bởi giá trị chính xác không được tiết lộ.
Gisin cho rằng các sự kiện trong vũ trụ là không thể biết trước, trái với quan hệ nhân quả trong tư tưởng của Einstein.
Tuy nhiên, không có sự khác biệt giữa 2 trường phát toán học trong các con số cụ thể như số tự nhiên, 1/2 hay số Pi…
Gisin lần đầu tiếp xúc với toán học trực giác tại một cuộc họp tháng 5 năm ngoái. Qua cuộc trò chuyện với Carl Posy, một triết gia toán học Do Thái, nhà nghiên cứu hàng đầu về toán trực giác, Gisin nhận thấy mối liên hệ giữa hệ quy chiếu của trường phái toán học này và các khái niệm vật lý vũ trụ.
Vũ trụ bất định của Gisin
Trong bài khoa học xuất bản vào tháng 12 năm ngoái trên Physical Review A, Gisin và cộng sự Flavio Del Santo đã sử dụng toán học trực giác để tạo nên phiên bản thay thế cho toán cơ học cổ điển.
Renato Renner, nhà vật lý lượng tử tại Viện Công nghệ Liên bang Zurich, Thụy Sỹ nhận định lập luận của Gisin theo hướng cho rằng để xác định chính xác sự việc là không thể.
“Nói cách khác, thế giới là không xác định. Tương lai có tính mở. Còn thời gian, nó giống như sự phô bày đầy sáng tạo. Các con số mới thực sự được tạo ra khi thời gian trôi qua”, Gisin nói.
Fay Dowker, nhà lý thuyết lực hấp dẫn lượng tử tại Đại học Hoàng gia London cho biết cô khá đồng tình với lập luận của Gisin vì “ông đứng về phía những người nghĩ rằng vật lý không phù hợp với kinh nghiệm và vì vậy nó bị thiếu mất cái gì đó”.
Gisin hy vọng biến cơ học lượng tử thành ngôn ngữ chung, không xác định cho cả vật lý cổ điển và vật lý lượng tử
Dowker đồng ý các ngôn ngữ toán học định hình sự hiểu biết của chúng ta về thời gian trong vật lý và toán học trường phái Hilbert (người từng chống lại toán học trực giác) coi các số thực là các thực thể đã hoàn thành.
“Nhưng sẽ là hạn chế với chúng tôi – các nhà vật lý nếu ta không cố gắng kết hợp thứ năng động như kinh nghiệm vào sự chuyển động của thời gian”, Dowker nói.
Đối với các nhà vật lý học quan tâm đến mối liên hệ giữa lực hấp dẫn và cơ học lượng tử như Dowker, một trong những ý nghĩa quan trọng nhất của quan điểm mới về thời gian là cách nó bắt đầu kết nối những gì từ lâu đã được coi là hai quan điểm không tương thích lẫn nhau về thế giới.
Theo Gisin, ông hy vọng sẽ biến cơ học lượng tử thành ngôn ngữ chung, không xác định cho cả vật lý cổ điển và vật lý lượng tử, thay vì giữ khái niệm xác định như các nhà khoa học khác.
Tổng thống Donald Trump đặt cược vào nền tảng internet lượng tử
Trong yêu cầu ngân sách năm 2021, chính quyền Tổng thống Mỹ Donald Trump dự định dành 237 triệu USD kinh phí để hỗ trợ hoạt động nghiên cứu thông tin lượng tử.
Cấu trúc bên trong một nguyên mẫu máy tính lượng tử do IBM phát triển
Trong những năm 1960, chính phủ Mỹ đã tài trợ cho một loạt thí nghiệm phát triển các kỹ thuật đưa thông tin từ máy tính này sang máy tính khác. Ban đầu, sự kết nối xuất hiện từ thiết bị trong các phòng thí nghiệm đơn lẻ, sau đó các phòng thí nghiệm lân cận đã hình thành nên những liên kết với nhau. Không bao lâu, mạng lưới kết nối này đã nở rộ giữa các tổ chức nghiên cứu khắp cả nước, thiết lập nguồn gốc của điều mà chúng ta gọi là internet và biến đổi mãi mãi cách mọi người sử dụng thông tin. Giờ đây, 60 năm sau, Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đang đặt mục tiêu làm lại hành trình kỳ diệu này một lần nữa.
Theo CNBC, trong yêu cầu ngân sách năm 2021 đang được Quốc hội Mỹ xem xét, chính quyền ông Trump đã đề xuất cắt giảm tổng chi phí nghiên cứu khoa học gần 10%, nhưng lại tăng chi tiêu cho khoa học thông tin lượng tử khoảng 20%, lên tới 237 triệu USD, trong đó, DOE đã yêu cầu 25 triệu USD để đẩy nhanh sự phát triển của internet lượng tử. Mạng lưới internet lượng tử được xây dựng sẽ thúc đẩy hành vi phản trực giác của các hạt tự nhiên để vận dụng và chia sẻ thông tin theo những cách hoàn toàn mới. Với đề xuất ngân sách năm 2021, chính quyền ông Trump đang cố gắng đẩy mạnh nỗ lực nghiên cứu lượng tử, vì không chỉ có Mỹ mà nhiều nước khác hiện cũng theo đuổi lĩnh vực này.
Khoa học đằng sau mạng internet lượng tử
Trong khi lưu lượng truy cập internet hiện đại kết nối trực tiếp giữa các máy tính cổ điển, điện thoại thông minh, máy tính bảng, loa hoặc bộ điều nhiệt, internet lượng tử về cơ bản sẽ mang một đơn vị thông tin khác được gọi là bit lượng tử hoặc qubit. Qubit đại diện cho một ngôn ngữ khác hoàn toàn, một ngôn ngữ dựa trên hành vi của các nguyên tử, electron, các hạt tự nhiên khác và các vật thể bị chi phối bởi những quy tắc bất thường của cơ học lượng tử. Các đối tượng này luôn "trôi chảy" tự do và khó nắm bắt hơn nhiều so với đối tác của chúng trong điện toán cổ điển. Ví dụ, một nam châm ổ đĩa cứng luôn luôn hướng lên hoặc hướng xuống, nhưng không ai có thể biết được hướng đi của electron cho đến khi đo lường.
Các hạt lượng tử cũng có thể được kéo lại với nhau trong một mối quan hệ gọi là rối lượng tử (entanglement). Các cặp hạt rối lượng tử chia sẻ liên kết mật thiết giống như mối quan hệ giữa hai mặt của một đồng xu, nhưng khác ở chỗ chúng có thể di chuyển ra xa nhau và vẫn duy trì kết nối.
Các nhà khoa học phát triển internet lượng tử
Khoa học thông tin lượng tử hứa hẹn kết hợp các hiện tượng với nhau theo một cách mới, phong phú hơn trong xử lý thông tin, tương tự như việc chuyển từ đồ họa 2D sang 3D. Ví dụ, các thiết bị lượng tử thông thạo ngôn ngữ của tự nhiên có thể giúp các nhà khoa học thiết kế vật liệu và thuốc bằng cách mô phỏng cấu trúc nguyên tử mà không cần phải kiểm tra tính chất của chúng trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, vẫn còn cần đến hàng năm, thậm chí hàng thập niên để những điều kỳ diệu như vậy diễn ra.
Song, giống như những năm 1960, Bộ Năng lượng Mỹ giờ đây lại gieo hạt giống mới cho mạng lưới internet tương lai tại các phòng thí nghiệm quốc gia. Ngầm trong lòng đất vùng ngoại ô phía tây bang Chicago là cáp quang dài 52 dặm (hơn 83 km) mở rộng ra hai phòng thí nghiệm bắt nguồn từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne. Đầu năm nay, David Awschalom, kỹ sư lượng tử tại Đại học Chicago, đã giám sát hệ thống thử nghiệm thành công đầu tiên. "Chúng tôi đã tạo ra những trạng thái rối lượng tử của ánh sáng và cố gắng dùng nó như phương tiện để kiểm tra cách rối lượng tử hoạt động trong thế giới thực, bên dưới các tuyến đường ở Illinois, chứ không phải chỉ ở trong phòng thí nghiệm".
Thí nghiệm tương tự cũng đang được tiến hành tại Bờ Đông nước Mỹ, nơi các nhà nghiên cứu đã gửi photon rối lượng tử trên cáp quang kết nối Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven ở New York với Đại học Stony Brook, một khoảng cách khoảng 11 dặm. Các nhà khoa học ở Brookhaven cũng đang thử nghiệm sự truyền không dây của các photon rối lượng tử với khoảng cách tương tự trong không khí.
Việc gửi và nhận các photon rối lượng tử như vậy tương đương với các bộ định tuyến lượng tử, và bước tiếp theo các nhà nghiên cứu cần là một ổ cứng lượng tử để lưu giữ thông tin được trao đổi. Khi các photon mang thông tin từ mạng lưới kết nối, bộ nhớ lượng tử sẽ lưu trữ các qubit đó dưới dạng nguyên tử rối lượng tử, giống như cách ổ cứng hiện tại đang dùng nam châm lật để giữ bit. Ông Awschalom hy vọng Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne và Đại học Chicago sẽ cùng phát triển bộ nhớ lượng tử trong mùa hè này, đồng thời trong khoảng thời gian đó mở rộng mạng lưới sang một điểm nút khác, đưa Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi ở vùng lân cận vào thế giới lượng tử, kéo dài khoảng cách ra 100 dặm. Tuy nhiên, trước khi các nhà nghiên cứu mở rộng mạng lưới lớn hơn nữa, họ sẽ cần phát minh ra bộ lặp lượng tử, một loại thiết bị giúp tăng tín hiệu bị suy yếu cho hành trình dài 100 dặm. Và các nhà nghiên cứu hiện cũng đã có một số bộ lặp lượng tử nguyên mẫu đang chạy. "Tuy nó chưa đủ tốt, nhưng chúng tôi đã học được rất nhiều", kỹ sư Awschalom nói.
Nếu Quốc hội Mỹ phê chuẩn yêu cầu ngân sách dành cho khoa học thông tin lượng tử theo yêu cầu của chính quyền ông Trump, thì tương lai một ngày nào đó mạng lưới internet lượng tử đi từ các phòng thí nghiệm lan rộng khắp cả nước sẽ thành hiện thực.
Sử dụng sóng và ánh sáng, các nhà khoa học thực hiện truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 100Gb/s Tia terahertz có thể dịch chuyển dữ liệu gấp 1000 lần mạng 100 megabit thông thường. Các nhà nghiên cứu đã có các bước đi đột phá trong việc điều khiển tia laser tầng lượng tử terahertz, nhằm có thể dịch chuyển một lượng lớn dữ liệu với tốc độ 100 gigabit/giây - gấp 1000 lần mạng 100 megabit thông thường. Vậy loại...