Nguyên lý bất định hàm chứa giới hạn của tính không định xử mạnh (sự vướng víu lượng tử mạnh)
Các nhà nghiên cứu vừa khám phá một liên kết rất cơ bản giữa hai tính chất định hình nên vật lý lượng tử. Stephanie Wehner ở Trung tâm công nghệ lượng tử Singapore và Jonathan Oppenheim ở Đại học Cambridge Anh quốc vừa công bố công trình này trên Tạp chí Science ngày hôm nay.
Kết quả này được dự báo là một đột phá ấn tượng trong hiểu biết của chúng ta về cơ học lượng tử và cung cấp các đầu mối để các nhà nghiên cứu đào sâu hơn vào tận gốc rễ của lý thuyết lượng tử. Kết quả này cũng giúp trả lời câu hỏi, tại sao thế giới lượng tử tuy kì lạ đến vậy nhưng không phải là không hiểu được.
Cách hành xử lạ lùng của các hạt lượng tử như nguyên tử, eletron, photon làm bối rối các nhà khoa học gần một thế kỉ nay. Albert Einstein là một trong số đó, ông nghĩ rằng thế giới lượng tử quá đổi kì lạ đến mức thuyết lượng tử phải sai, nhưng các thí nghiệm lại phù hợp khá tốt với các tiên đoán của lý thuyết này.
Một trong những khía cạnh kỳ lạ của thuyết lượng tử là không thể biết xác định đồng thời, ví dụ xung lượng và vị trí của một hạt. Sự hiểu biết về một tính chất nào đó sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo một đại lượng khác. Tính chất này được biết đến với tên gọi là Nguyên lý bất định Heisenberg.
Một tính chất kỳ lạ khác là hiện tượng không định xứ lượng tử, xuất phát từ sự vướng víu lượng tử. Khi hai hạt vướng víu lượng tử, hoạt động của mỗi hạt sẽ ảnh hưởng đến hạt kia mặc dù, chúng không có liên kết rõ ràng gì với nhau.
Trước đây, các nhà nghiên cứu sử dụng sự không định xứ và tính bất định như hai hiện tượng tách biệt. Nhưng nay, Wehner và Oppenheim đã chỉ ra rằng chúng có liên kết rối rắm với nhau. Hơn nữa, họ còn chỉ ra rằng liên hệ này là định lượng và tìm thấy một phương trình cho biết "lượng" không định xứ được xác định bởi Nguyên lý bất định.
"Điều này thật ngạc nhiên và có thể lay chuyển những người cứng rắn nhất," Oppenheim cho biết. Einstein và các công trình của ông tìm thấy tính không định xứ lượng tử trong khi tìm cách nắm bắt ý nghĩa của Nguyên lý bất định. "Nhưng Nguyên lý bất định đã cho phản ứng trở lại."
Tính không định xứ cho biết hai hạt cách xa nhau có thể điều chỉnh hành động của nhau mà không cần trao đổi bất cứ một thông tin nào. Các nhà vật lý tin rằng thậm chí trong cơ học lượng tử, thông tin không thể truyền nhanh hơn ánh sáng. Tuy nhiên, cơ học lượng tử cũng cho phép hai hạt liên kết có những điều chỉnh tức thời. Thực tế, tác động giữa chúng được điều chỉnh theo cách như Einstein đã từng đề cập: tác động ma quỷ xuyên khoảng cách (spooky action at a distance).
Tuy nhiên, tính không định xứ lượng tử có thể kỳ lạ hơn nó hiện có trong tự nhiên. Lý thuyết cho phép các hạt cách xa nhau có thể điều chỉnh hành trạng của nhau tốt hơn cả tự nhiên, trong khi vẫn đảm bảo thông tin không thể truyền nhanh hơn ánh sáng được. Tự nhiên có thể kỳ lạ, nhưng vẫn chưa bằng lý thuyết lượng tử khi tăng thêm giới hạn cho những điều kỳ lạ này.
"Lý thuyết lượng tử là một thứ kỳ lạ đẹp đẽ, nhưng nó không lạ thường như nó có thể. Chúng ta thật sự phải đặt ra câu hỏi, tại sao cơ học lượng tử lại có giới hạn này. Tại sao tự nhiên không cho phép sự bất định xứ mạnh hơn nữa?" Oppenheim đặt vấn đề.
Câu trả lời nằm trong Nguyên lý bất định. Hai hạt có thể điều chỉnh hành trạng của nó tốt hơn nữa nếu phá vỡ Nguyên lý bất định, là điều kiện biên mà tính bất định xứ mạnh có thể áp dụng.
"Thật tuyệt nếu chúng ta có thể điều chỉnh hành động thông qua khoảng cách lớn, nó giúp chúng ta giải quyết vấn đề truyền tin một cách rất hiệu quả," Wehner cho biết. "Tuy nhiên, vật lý về căn bản sẽ rất khác. Nếu chúng ta phá vỡ Nguyên lý bất định, thế giới mà chúng ta biết, không chắc sẽ giống như vậy."
Các nhà nghiên cứu đã khám phá ra mối liên kết này như thế nào sau một thời gian dài không được chú ý đến? Trước khi vào học viện, Wehner làm việc như một hacker máy tính và hiện nay, ông làm việc với lý thuyết thông tin lượng tử, trong khi Oppenheim là một nhà vật lý. Wehner nghĩ rằng, việc áp dụng công nghệ của khoa học máy tính vào vật lý lý thuyết là chìa khóa đề mở ra liên kết này. " Tôi nghĩ một trong những ý tưởng cơ bản nhất xuất phát từ câu hỏi làm sao để mã hóa(code) một vấn đề," Wehner cho biết. "Thêm vào đó, cách nhìn nhận tính không định xứ và tính bất định phủ mờ liên kết giữa hai khái niệm này."
Wehner và Oppenheim xem các hiện tượng trong vật lý lượng tử giống như là một hacker máy tính. Hai ông chia tính không định xứ ra làm hai phần, Alice tạo ra và mã hóa thông tin và phần thứ hai, Bob, truy lại thông tin từ các mã hóa. Việc Alice và Bob mã hóa và truy xuất lại thông tin tốt như thế nào phụ thuộc vào một liên hệ bất định. Trong một số trường hợp, họ tìm thấy một tính chất thứ ba đóng vai trò "bánh lái" ("steering") tham gia vào bức tranh này.
Wehner và Oppenheim so sánh khá phá của họ với việc xác định người thắng trong trò chơi ô lượng tử (xem thêm 'quantum board game' trên wikipedia.com). Bàn cờ gồm có hai ô, mà Alice có thể đặt các quan cờ có màu xanh hoặc hồng vào đó. Các ô có thể cùng màu hoặc khác màu. Nếu Bob đoán đúng màu của quân cờ đặt một trong hai ô thì họ sẽ thắng. Rõ ràng, Bob và Alice có thể thắng trò chơi dễ dàng nếu Alice nói với Bob màu của quân cờ đặt ở mỗi ô. Nhưng 2 người lại ở xa nhau đến độ, ánh sáng không đủ thời gian để mang thông tin trao đổi đến với hai người trong thời gian chơi.
Nếu họ không nói chuyện được với nhau, họ sẽ khó thắng mãi. Nhưng bằng cách đo các hạt lượng tử, họ có thể thắng trò chơi thường xuyên hơn bất kỳ một chiến lược nào khác không dùng đến lý thuyết lượng tử. Tuy nhiên, Nguyên lý bất định ngăn cản họ làm vậy và thậm chí xác định họ có thể thua trò chơi này thường xuyên như thế nào.
Khám phá này mang đến một câu hỏi sâu xa về những nguyên lý làm nền tảng cho vật lý lượng tử. Nhiều nổ lực củng cố cơ học lượng tử đã dẫn đến sự bất định xứ. Wehner cho rằng, cần phải có nhiều cuộc kiểm tra hơn nữa nhằm vào nguyên lý bất định. "Tuy nhiên, chúng ta đang chạm vào bề mặt trần trụi của hiểu biết về quan hệ bất định."
Đột phá là bằng chứng cho tương lai. Các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu lý thuyết hấp dẫn lượng tử và kết quả của Wehner và Oppenheim liên kết tính không định xứ, tính bất định, sự định hướng (steering) có thế áp dụng được cho các lý thuyết khác khả dĩ, dĩ nhiên bao gồm cả cơ học lượng tử.
Theo Physorg.com
