Cỗ máy thời gian lượng tử

Justin Mullins (New Scientist, số ra ngày 20/11/2010)

Có thể du hành thời gian mà không cần tới các lỗ đen.

Ngồi nói về sự du hành thời gian trong một căn phòng trông ra một khoảnh sân xinh tươi tại Viện Công nghệ Massachusetts nghe có vẻ hơi lạ tai. Tòa nhà được xây tận năm 1916 và trông như thời đại của nó vậy: mái trần cao, hành lang chạy dài và những căn phòng làm việc ẩm mốc với những cánh cửa gỗ nặng nề đã cách tân chút ít vào thời kì đó. Nếu như không có một màn hình máy tính đặt tại góc tường, thì nội thất trong phòng hầu như y hệt hồi đầu thế kỉ trước.

Căn phòng làm việc ấy thuộc về Seth Lloyd, một trong những nhà lí thuyết hàng đầu thế giới về cơ học lượng tử. Chúng ta đang nói tới một bài báo mà ông cùng các đồng nghiệp của mình đã tung ra cách nay chừng một tháng trước mô tả một bước chuyển mới hết sức tinh vi về sự du hành thời gian. Loại bài báo như thế này rất phong phú trong vài năm trở lại đây, và thường tập trung vào một số loại thí nghiệm tưởng tượng sử dụng lô gic và lí giải, thay cho thiết bị, để mô tả làm thế nào sự du hành thời gian thật sự có thể xảy ra trong thế giới thực.

Ngoại trừ, luôn luôn có một sự báo trước; chẳng hạn nhà du hành thời gian đầy rủi ro phải thực hiện hành trình đến rìa của một lỗ đen để thực hiện kì công du hành. Cho nên, chưa bao giờ từng có một phép thử thực nghiệm nào của những ý tưởng đó. Thường thì người ta chỉ nói cho vui và đăng tải một vài cột báo, nhưng hiếm khi có cái gì đó hữu hình để bạn tham gia vào.

Lloyd đi đến một phương pháp mới khảo sát vấn đề trên, sử dụng cơ học lượng tử, vì thế, tôi chăm chú lắng nghe về thí nghiệm tưởng tượng của ông và, tất nhiên, để tìm hiểu về cái điềm báo không thể tránh khỏi ấy. Ông nói cho tôi nghe các photon có thể truyền ngược dòng thời gian như thế nào đồng thời ông nói cái gì đó nghe thật lạ “... và chúng tôi đã làm thí nghiệm đó”, ông nói một cách tự nhiên. “Anh cũng đã xem qua bài báo đó, phải không nào?”

Tôi trố mắt, bán tín bán nghi. Trong khoảnh khắc, thời gian như ngừng trôi vậy. “Thí nghiệm đó ư?”, tôi nghĩ trong đầu mình. Khi Lloyd kể tiếp, câu chuyện của ông còn gây kinh ngạc hơn nữa. Không chỉ nghĩ tới việc gửi các photon trở về quá khứ, thí nghiệm đó còn là một sự tái hiện vật lí của “nghịch lí ông cháu” nổi tiếng. Đây là bài toán khó hiểu trong đó một nhà du hành thời gian đi ngược về quá khứ và thủ tiêu ông nội của anh ta trước khi bà nội của anh ta có mặt trong bức ảnh ngày cưới, nghĩa là nhà du hành thời gian sẽ không bao giờ tồn tại và vì thế không thể nào đi ngược về quá khứ để giết chết ông nội của mình.

Tôi sững cả người. Trong hàng thế kỉ qua, chúng ta đã và đang cố gắng lay chuyển trí tuệ của mình xung quanh vấn đề du hành thời gian. Giờ thì Lloyd và các cộng sự của ông vừa nhận ra một cách tiếp cận mới với bài toán đó, mở ra một thế giới kì lạ của sự du hành thời gian cho các thí nghiệm.

Cái trêu ngươi đối với sự du hành thời gian là dường như chẳng có gì ngăn cấm nó cả. Trong chừng mực mà các định luật vật lí còn phát huy tác dụng, thì thời gian có thể tiến về phía trước hoặc lùi ra phía sau. Nhưng du hành thời gian theo kiểu như Marty McFly trong bộ phim Trở lại Tương lai thì là một tình huống rắc rối khác. Nó đòi hỏi một vật đi ngược dòng thời gian trong khi mọi thứ khác đang diễn tiến về phía trước. Tuy nhiên, người ta chẳng hề thiếu ý tưởng lí giải xem điều này có thể xảy ra như thế nào.

Đa số các ý tưởng tập trung vào cấu trúc của không-thời gian là môi trường để du hành. Theo thuyết tương đối tổng quát Einstein, không-thời gian là một loại chất liệu có thể nén lại và giãn ra giống như một tấm cao su khổng lồ. Một vật thể đồ sộ như một ngôi sao chẳng hạn làm biến dạng cấu trúc này, làm cho mọi thứ trong vùng phụ cận của nó chịu một lực hút về phía nó.

Tuy nhiên, nếu không-thời gian xoắn đủ mạnh, thì những điều kì lạ có thể xảy ra. Nếu tấm cao su khổng lồ ấy bị gấp nếp, chẳng hạn, thì những vùng bình thường ở cách xa nhau đột ngột trở nên nối kết với nhau, tạo thành một cái thòng lọng gọi là “đường cong thời gian khép kín” cho phép nhà du hành thời gian lặp lại những chuyến viếng thăm đến cùng một điểm trong thời gian và không gian (xem biểu đồ).

“Các hạt lượng tử như photon và electron không bị ràng buộc bởi mũi tên thời gian”.

Người đầu tiên chỉ ra được làm thế nào sự tương đối đưa đến các đường cong thời gian khép kín là nhà toán học người Áo Kurt Godel. Bản thiết kế năm 1949 của ông cho một cỗ máy thời gian đòi hỏi toàn bộ vũ trụ đang quay tròn. Nhiều ý tưởng có liên quan đã được đặt lên bàn thảo luận kể từ đó, từ những dây năng lượng dài gọi là dây vũ trụ cho đến các lỗ đen đang quay tròn và các đường hầm xuyên không-thời gian gọi là lỗ sâu đục.

Vật lí lượng tử bước vào giai đoạn các nhà lí thuyết bắt đầu nêu câu hỏi một hạt lượng tử sẽ hành xử như thế nào nếu nó thực hiện một bước nhảy trở về quá khứ. Năm 1991, nhà vật lí người Anh David Deutsch đã đặt ra câu hỏi này dựa trên một nền tảng lí thuyết chắc chắn. Ông tưởng tượng một hạt truyền ngược dòng thời gian và phá hủy hạt tiền thân của nó, tạo ra một nghịch lí kiểu ông cháu.

Hoàn toàn khác với cái người ta trông đợi, Deutsch đã đi giải nghịch lí trên. Ông đi giải bằng cách viện dẫn cách hiểu “đa thế giới” của cơ học lượng tử trong đó tại khoảnh khắc hạt lượng tử đi vào trong đường cong thời gian khép kín, vũ trụ bị tách ra làm hai nửa. Trong một vũ trụ này, hạt sống sót không tự giết nó; còn trong vũ trụ kia thì nó bị phá hủy. Bằng cách viện dẫn quan điểm đa vũ trụ, Deutsch đã khôn khéo tránh được nghịch lí ông cháu và giải được một trong những bài toán cơ bản của sự du hành thời gian. Nhưng nhiều nhà vật lí cảm thấy không hài lòng với quan điểm đa thế giới vì nó đẻ ra một con số lớn đến mức khó tin của những vũ trụ khác và vì nó phức tạp không cần thiết.

Lloyd cùng các đồng nghiệp của ông chọn lấy một cách tiếp cận khác đối với sự du hành thời gian lượng tử, sử dụng thực tế là các hạt lượng tử như photon và electron không bị ràng buộc bởi mũi tên thời gian.

Cơ sở toán học của lí thuyết lượng tử phát biểu rằng trạng thái lượng tử mô tả chúng phát triển về phía trước lẫn về phía sau trong thời gian. Trạng thái kì lạ như thế này khiến cho một số nhà nghiên cứu khẳng định rằng không thể áp dụng được các quy luật bình thường của tính nhân quả, vì thế những cái xảy ra trong tương lai của một hạt lượng tử sẽ ảnh hưởng đến quá khứ của nó.

Một trong những người đầu tiên chỉ ra luận điểm này là John Wheeler tại trường Đại học Princeton. Ông đã trình bày rằng thí nghiệm “hai khe” cổ điển, trong đó một photon chưa được quan sát đi qua hai khe một cách đồng thời, có thể bị ảnh hưởng bởi một phép đo diễn ra sau khi thí nghiệm có vẻ như đã hoàn tất.

Các đặc trưng sóng của photon chưa quan sát đó cho biết nó đi qua cả hai khe cùng một lúc. Nếu người ta quan sát lúc nó đi qua khe, thì thí nghiệm cho thấy nó sẽ có những đại lượng kiểu hạt và chỉ đi qua một khe. Wheeler muốn biết điều gì xảy ra nếu như bạn hoãn quyết định khảo sát bản chất sóng hay hạt của photon cho đến một thời gian dài sau khi photon đã đi qua khe.

Ông đề xuất rằng việc sử dụng một cặp kính thiên văn ở xa để nhìn ngược vào hai khe cũng sẽ buộc photon nhận lấy các tính chất kiểu hạt. Sự lọc lựa tính chất như thế này sau khi phần chính của thí nghiệm về cơ bản đã hoàn tất được gọi là “hậu chọn lọc”. Gọi là hậu chọn lọc có lẽ nghe không hay. Tuy nhiên, các thí nghiệm thực hiện bởi Jean Francois Roch tại trường Ecole Normale Superieure ở Cachan, Pháp, và những người khác, cho thấy sự hậu chọn lọc thật sự làm thay đổi các tính chất của một photon lên tới một vài nano giây về phía quá khứ.

Theo cách hiểu Copenhagen của thuyết lượng tử, không có một thực thể nào tồn tại cho đến khi một phép đo được thực hiện. Nhưng chúng ta đang bắt đầu biết rằng ngay cả thực tại cũng có thể là một bữa tiệc di động: trạng thái quá khứ của một hạt lượng tử không có nhiều thực tại hơn trạng thái tương lai của nó. Đó là nguyên do vì sao sự hậu chọn lọc có tác dụng. Nói cách khác, mọi thứ chờ chúng ta tóm lấy. Trên lí thuyết, quá trình hậu chọn lọc thậm chí có thể làm thay đổi toàn bộ lịch sử của vũ trụ.

Lloyd và Aephraim Steinberg, thuộc trường Đại học Toronto, Canada, cho biết tính chất kì lạ này của thế giới lượng tử có thể là chìa khóa cho một cỗ máy thời gian thực sự. Kinh nghiệm hàng ngày cho chúng ta biết rằng các điều kiện cho tại lúc bắt đầu của một thí nghiệm sẽ xác định kết quả của nó. Nhưng nếu các hạt lượng tử không thể phân biệt giữa những thứ ảnh hưởng đến chúng về phía trước và về phía sau trong thời gian, thì điều đó có nghĩa là việc chỉ rõ một điều kiện cuối cùng có thể xác định cái gì đã xảy ra trước nó. “Về mặt toán học, chẳng có nguyên do nào mà các điều kiện cuối cùng không thể nào ‘cho trước’ và mọi thứ phải tuân theo từ chúng một cách hợp lí”, Steinberg nói.

Sự viễn tải trong thời gian

Chính kiểu suy nghĩ như thế này đã đưa các nhà vật lí Charles Bennet tại Trung tâm Nghiên cứu IBM ở Yorktown Heights, New York, và Ben Schumacher tại trường Đại học Kenyon ở Gambier, Ohio, đề xuất rằng có thể sử dụng cơ học lượng tử để xây dựng một cỗ máy thời gian bằng cách khai thác sự viễn tải lượng tử, một hiện tượng đã được chứng minh bằng thực nghiệm vô số lần. Quá trình trên khai thác một tính chất lượng tử lạ lùng gọi là sự vướng víu, nhờ đó hai hạt, thí dụ như hai photon, trở nên liên hệ gần gũi với nhau đến mức chúng chia sẻ cùng một sự tồn tại. Các hạt bị vướng víu thật đặc biệt, vì một phép đo thực hiện trên hạt này lập tức ảnh hưởng đến hạt kia, cho dù chúng ở cách xa nhau bao nhiêu.

Giờ hãy tưởng tượng bạn muốn viễn tải một hạt du hành không gian thứ ba từ A đến B. Thủ thuật là tạo ra một cặp hạt bị vướng víu và đặt một hạt tại A và hạt kia ở B, sau đó tiến hành một tập hợp phép đo ở cả hai nơi. Nếu bạn làm đúng thao tác này, bạn có thể sử dụng “tác dụng ma quỷ từ xa”, như Einstein gọi như thế, để đảm bảo rằng hạt thứ hai đi đến một trạng thái giống hệt như “hạt du hành không gian” kia.

Công bằng mà nói, hạt du hành chẳng di chuyển về mặt vật lí, nhưng thông tin lượng tử mô tả trọn vẹn hạt du hành đó đã thực hiện hành trình thay thế và điều này cho phép hạt thứ hai tại B nhận lấy nhân dạng của hạt du hành kia.

Cái kì lạ ở sự viễn tải là nó xảy ra tức thời. Trong quá trình này, thông tin lượng tử di chuyển từ điểm A đến điểm B, cho nên thật tự nhiên là người ta sẽ nghĩ rằng các phép đo tại A đã lập ra hành trình di chuyển.

Nhưng vì sự viễn tải xảy ra tức thời, cho nên cũng hợp lí không kém là nghĩ rằng phép đo tại điểm B đã kích hoạt hành trình trên, mặc dù nó xảy ra ở những thời khắc muộn hơn (xem biểu đồ). Đây là sự hậu chọn lọc đang phát huy tác dụng và nó là một đặc điểm mà các nhà vật lí lượng tử luôn sử dụng để làm những việc như sự điện toán lượng tử. Chính sự nhập nhằng này giữa nhân và quả là cái Steinberg và Lloyd khai thác trong vật mô phỏng du hành thời gian của họ. “Tóm lại, du hành thời gian chính là sự viễn tải”, Steinberg nói.

Có cường điệu quá mức hay không khi gọi như thế này là du hành thời gian? Có lẽ vậy – theo kiểu giống như sự viễn tải lượng tử truyền tải một trạng thái lượng tử chứ không truyền tải một đối tượng vật chất thực sự. Nhưng Lloyd và Steinberg cho rằng cơ sở lô gic của sự viễn tải hậu chọn lọc là giống với lô gic của sự du hành thời gian, cho nên thí nghiệm của họ là một vật mô phỏng du hành thời gian. Và trong khi thí nghiệm đó có vẻ không gây hào hứng như một cỗ máy thời gian có thể đưa chúng ta về với thời đại khủng long, nhưng với nó người ta có thể triển khai một số thứ thật sự kì lạ.

Cái đầu tiên mà đội của Lloyd và Steinberg thực hiện là mô phỏng nghịch lí ông cháu bằng cách gửi một photon ngược trở về quá khứ để tự hủy nó đi. Để làm như vậy, đội nghiên cứu sử dụng sự viễn tải, nhưng với bước chuyển quan trọng. Sự viễn tải lượng tử thông thường sẽ cung cấp cho bạn một bản sao của trạng thái mà bạn muốn gửi đi. Cái Steinberg và Lloyd muốn biết là điều này có xảy ra đối với các photon theo dự tính tự hủy chúng đi với một khẩu súng lượng tử hay không.

Để hoạt động được, mô phỏng của họ đòi hỏi có thêm hai đặc tính nữa: một khẩu súng lượng tử thỉnh thoảng khai hỏa, và một phương tiện làm cho sự viễn tải tự dừng lại. Đội nghiên cứu còn quyết định rằng, thay cho hai photon bị vướng víu, như thường xảy ra trong sự viễn tải lượng tử, họ sẽ làm vướng víu hai thuộc tính của một photon độc thân. Trạng thái phân cực của photon sẽ thể hiện “hiện tại” của photon, còn hướng chuyển động của nó sẽ thể hiện “quá khứ”. Tiếp theo, họ cấp cho photon đó một khẩu súng lượng tử có thể hoặc khai hỏa, hoặc im lìm. Dụng cụ này, gọi là một bản sóng, có thể làm đảo, hoặc không làm đảo, trạng thái phân cực của photon. Vì sự phân cực của photon và hướng của nó bị vướng víu, nên việc cấp cho photon một khẩu súng như vậy làm ảnh hưởng đến “quá khứ”.

Giờ thì làm thế nào đảm bảo được rằng sự viễn tải thỉnh thoảng ngừng lại? Điều đó là dễ hơn, vì sự viễn tải vốn có một cơ chế hỏng. Trừ khi bạn tiến hành các phép đo của mình theo một cách đặc biệt nào đó, còn không nó chỉ hoạt động trong 25% thời gian mà thôi. Cho nên từ thí nghiệm của đội nghiên cứu có thể có bốn kết cục, tùy thuộc vào tình huống kết hợp của sự viễn tải và khẩu súng.

Khi thí nghiệm này được thực hiện, sẽ xảy ra một số điều thú vị: mỗi thời khắc mà sự du hành thời gian hoạt động, thì khẩu súng không lên nòng. Và khi sự du hành thời gian thất bại, thì khẩu súng khai hỏa. Diễn đạt kết quả này theo ngôn ngữ của nghịch lí ông cháu, thì hễ khi nào còn có cơ hội cho khẩu súng của bạn tịt ngòi và cuộc mưu sát bất thành, thì sự du hành thời gian còn có thể hoạt động. “Bạn có thể ngắm bắn nhưng không thể bóp cò”, Lloyd nói.

Rõ ràng sự du hành thời gian có một số ngụ ý quan trọng, không phải chỉ cho bản chất của sự tự phát mà còn cho khả năng của chúng ta làm quen với nó. Các nhà du hành thời gian có thể vì lí do gì đó ngăn không nghĩ tới việc nhắm bắn vào ông nội của họ, hoặc có lẽ họ có thể quyết định chỉ bắn lạc vào một hướng khác nào đó. “Tự nhiên chẳng màng việc nó phối hợp tốt bao nhiêu với các synap thần kinh của tôi, hay với khẩu Colt 45 của tôi”, Steinberg nói.

Trong khi ý tưởng về một vật mô phỏng du hành thời gian nghe có vẻ xa lạ với nhiều người, thì cho đến nay, công trình nghiên cứu đó đã ít nhiều gây ấn tượng đối với các nhà vật lí lượng tử. Đó là vì thí nghiệm trên hoạt động đúng như cơ học lượng tử tiên đoán – chẳng có ai tranh cãi xem sự viễn tải hoạt động như thế nào hoặc các bit thông tin lượng tử, hay qubit, hành xử ra sao. “Chắc chắn, rất vui vẻ đấy, nhưng mọi người đều biết hết sức rõ kết cục trước mắt sẽ là gì”, phát biểu của Scott Aaronson, một nhà khoa học máy tính cũng ở MIT.

Lloyd và Steinberg thì có suy nghĩ khác. Họ nói việc nghĩ tới sự du hành thời gian theo kiểu như thế này làm phát sinh những câu hỏi quan trọng và mang đến những kiến thức mới hết sức sâu sắc. Trước hết, nó thật sự có thể thẩm tra trong phòng thí nghiệm, không giống như các đường cong thời gian khép kín của Deutsch. Và trong khi sự hậu chọn lọc có thể cảm thấy hơi xảo quyệt, thì đó chỉ là vì chúng ta luôn có xu hướng nghiêng về một chiều đặc biệt trong thời gian.

Trong khi thí nghiệm của Lloyd và Steinberg mô phỏng được sự du hành thời gian, thì vẫn còn đó một câu hỏi nữa. Có phải thật sự có thể du hành thời gian mà không cần tới các lỗ đen hay không?

Theo những công thức nhất định của cơ học lượng tử, câu trả lời là có. Một trong những khía cạnh rối rắm nhất của cơ học lượng tử là nó không tương thích với thuyết tương đối tổng quát. Trong hàng thập kỉ qua, các nhà vật lí đã cố gắng kết hợp hai lí thuyết thành một lí thuyết lượng tử của sự hấp dẫn, nhưng đều đã thất bại. Trong khi nhiều nhà vật lí đổ lỗi cho thuyết tương đối, thì những người khác cho rằng vấn đề thật sự nên giải quyết là tính không hoàn thiện của cơ học lượng tử (New Scientist, số ngày 21/8/2010, trang 33).

Vấn đề này đã thúc đẩy những dạng thức thay thế khác của cơ học lượng tử. Aram Harrow, một nhà vật lí lượng tử tại trường Đại học Washington ở Seattle trình bày rằng những vấn đề này có thể làm bóp méo các phép đo cơ lượng tử theo kiểu giống như sự hậu chọn lọc đã làm, nghĩa là sự du hành thời gian là có thể xét trên phương diện lí thuyết. Cho đến nay, các nhà vật lí vẫn không có bằng chứng nào cho những dạng thức mới như vậy của cơ học lượng tử, mặc dù không thể nói rằng không có nơi nào trong vũ trụ sự du hành thời gian có thể hoạt động được.

Bây giờ trở lại câu hỏi căn bản ban đầu: du hành thời gian sẽ có thể thực hiện được hay không? Có lẽ, nhưng việc nói về sự du hành thời gian trong một căn phòng trông ra một khoảnh sân xinh tươi tại Viện Công nghệ Massachusetts dường như hơi lạ một chút. Tòa nhà được xây tận năm 1916…

Trần Nghiêm dịch