Đã hơn 75 năm sau khi chào đời, khái niệm con mèo của Schrödinger vẫn tồn tại cho đến ngày nay. Robert P Crease trình bày đôi điều về câu chuyện này.
Năm con mèo ra đời
Hai tháng sau đó, Einstein gửi cho Schrödinger một tương tự khác nữa. Giả sử có một đống thuốc súng có xác suất nổ trong một năm. Hàm ψ của nó, do đó, là một sự chồng chất của thuốc súng đã nổ và chưa nổ. Theo quan điểm của Einstein, điều này là vô nghĩa. Ông cảm thấy cơ học lượng tử, nhờ hàm ψ của nó, là một mô tả không hoàn chỉnh và không thỏa đáng của thực tại. Những bức thư của Einstein đã khiến Schrödinger đưa ra một lời giải thích không chính thức theo quan điểm riêng của ông mà ông cho công bố vào tháng 10 năm 1935 với bài báo “Hiện trạng cơ học lượng tử” (Naturwissenschaften 23 807). Đây là lần xuất hiện đầu tiên của khái niệm con mèo Schrödinger.
Schrödinger mở đầu bài báo với việc nói rằng thế giới cổ điển để lại cho chúng ta quan niệm rằng tự nhiên có thể được mô tả chính xác. Chắc chắn vậy, trên thực tế, dữ liệu thực nghiệm có lẽ không cho phép điều này được tiến hành một cách hoàn toàn chi tiết, nhưng chúng cho phép chúng ta lập mô hình các hiện tượng để chúng ta có thể so sánh với thực tại và cải tiến khi cần thiết. Những mô hình này mô tả các trạng thái, chúng được chỉ rõ bởi cái Schrödinger gọi là “những phần xác định” hay các biến. Chỉ cần một tập hợp nhỏ của các biến là mô tả hết những biến khác trong một trạng thái, mặc dù có thể sử dụng những tập hợp khác nhau.
Nhưng điều này là không thể trong cơ học lượng tử, lí thuyết phát biểu rằng không phải mọi biến đều có thể “đồng thời xác định”. Trở ngại chẳng phải là sự hạn chế thực tế nào mà là nguyên lí bất định Heisenberg; khi bạn đo một số biến, thì những biến khác trở nên bất định. Còn những biến khác đó thì sao? “Chúng không có thực tại, có lẽ một thực tại mờ nhạt; hay tất cả chúng đều luôn luôn thực và đơn giản là vì sự hiểu biết đồng thời về chúng bị bác bỏ,” Schrödinger cảm thấy khó xử.
Khái niệm con mèo Schrödinger được nhắc tới trong cuộc sống nhiều hơn cả trong vật lí. (Ảnh: xkcd.com)
Nói theo ngôn ngữ triết học, Schrödinger đang hỏi liệu xác suất có ảnh hưởng đến “bản thể luận” của các biến hay không – tức là các đại lượng đó có tồn tại hay không - hay chỉ ảnh hưởng đến “nhận thức luận” của chúng, nghĩa là khả năng chúng ta nhận biết chúng là cái gì.
Theo nhiệt động lực học, Schrödinger tiếp tục, các xác suất chỉ ảnh hưởng đến nhận thức luận. Các nhà khoa học lập mô hình những hệ chứa hàng tỉ tỉ phân tử bằng cách xem chúng như thể chúng gồm những trạng thái tùy chọn từ những tập hợp gồm nhiều trạng thái có thể có. Cách này tiện lợi nhưng không chặt chẽ. Theo nhiệt động lực học, bạn không quan tâm một hệ hành xử chính xác như thế nào – thật vậy, bạn thậm chí chẳng cần biết điều đó – mà chỉ quan tâm nó hành xử như thế nào trong đa số trường hợp thôi.
Nhưng trong địa hạt lượng tử, một số biến vẫn vô định hoặc bị nhòe đi khi những biến khác là chính xác. Theo Schrödinger, có lẽ nếu chúng ta biết nhiều hơn về tình huống căn bản đó, chúng ta sẽ thấy nó phức tạp hơn chúng ta nghĩ, và sự nhân quả có thể biến mất. Tuy nhiên, miễn là hàm ψ còn ràng buộc với địa hạt hạ nguyên tử, thì sự bất định đó là vô hại. “Bên trong hạt nhân,” Schrödinger trình bày, “sự nhòe đi không khiến chúng ta bực mình [nhưng] cảm thấy e ngại nếu người ta để ý rằng sự bất định ảnh hưởng đến những thứ vĩ mô hữu hình và nhìn thấy, với chúng thì từ ‘nhòe đi’ có vẻ là không đúng.”
Rồi Schrödinger mô tả hình ảnh nổi tiếng của ông. Trích dẫn bài báo của ông:
“Người ta có thể bố trí những trường hợp khá buồn cười. Đặt một con mèo trong một buồng thép, cùng với một máy đếm Geiger, cái máy này phải đảm bảo không bị con mèo phá phách. Máy đếm Geiger chứa một chút chất phóng xạ, lượng nhỏ đến mức có lẽ trong một giờ đồng hồ có một nguyên tử phân rã, nhưng cũng có thể, với xác suất bằng như vậy, có lẽ chẳng có nguyên tử nào phân rã. Nếu một nguyên tử thật sự phân rã, thì ống đếm phóng điện và – qua một cái rờ le – làm thả một cái búa đập vỡ một túi nhỏ đựng acid hydrocyanic. Nhưng nếu không có nguyên tử nào phân rã sau một giờ đồng hồ, thì con mèo vẫn còn sống. Hàm ψ của toàn hệ sẽ biểu diễn tình huống này là có một con mèo sống và chết đồng thời với những phần bằng nhau.”
Phần sau trong bài báo, Schrödinger mô tả hàm ý – tính không thể phân tách của những trạng thái lượng tử đang tương tác trước đó ngay cả sau tương tác – với thuật ngữ mới ngày nay nổi tiếng gọi là “sự vướng víu”.
Đường biên giới
Nhà nghiên cứu lịch sử khoa học Stephen Brush từng nhận xét rằng hình ảnh con mèo “chuyển tải tinh thần chỉ trích của Einstein còn tốt hơn cả bài báo EPR đã công bố”. Nhưng khi bài báo của Schrödinger ra đời, hình ảnh con mèo lại không được chú ý cho lắm. Đối với Bohr, Heisenberg và phe của họ, những con mèo là quá phức tạp để có hàm ψ – chúng thuộc về địa hạt cổ điển. Đối với Einstein và Schrödinger, hình ảnh con mèo cho thấy rằng, giống như việc chúng ta không thể chấp nhận một “mô hình mờ nhạt” để biểu diễn thực tại trong thế giới vĩ mô, chúng ta không nên chấp nhận như thế trong thế giới vi mô. Mọi thứ khác đi ở phía bên kia biên giới, chứ không khác như thế. Đối với cả hai phía, con mèo biểu trưng cho sự vô nghĩa.
Tuy nhiên, cuộc tranh cãi biên giới đó không dừng lại. Nó trở nên tệ hại hơn. Trước sự rụng rời của Einstein và Schrödinger, người ta chẳng tìm thấy phương thức nào thiết lập lại các quy tắc của địa hạt lượng tử để cho “những phần xác định” có thể đồng thời tồn tại. Sự vướng víu không bị loại trừ, và vẫn là một vấn đề lộn xộn mang tính bản thể luận, chứ không phải nhận thức luận. Bohr và Heisenberg thất vọng vì chẳng có cách nào phân rõ ranh giới cổ điển-lượng tử, điều đó hàm ý rằng sự vướng víu vượt xa ra khỏi cái họ tưởng tượng. Cái giá của việc bác bỏ sự co sụp chồng chất là những thế giới luân phiên, chúng không loại trừ mà nhân lên gấp bội con mèo ấy.
Vào lúc văn chương khoa học khởi sắc trong thập niên 1970, hình ảnh con mèo đã trở thành một minh họa chính xác và tiếp cận được chuyển tải sâu sắc tính kì lạ của sự vướng víu, sự chồng chất, vấn đề đo và hàm ψ – con mèo là biểu tượng ấy của sự thách thức mà cơ học lượng tử nêu ra trước chủ nghĩa hiện thực thông thường. Trong tác phẩm Những bậc thầy vật lí đang khiêu vũ (The Dancing Wu Li Masters, 1979), một quyển sách bán đắt như tôm tươi nói về những liên hệ được nêu ra nhưng chưa chứng minh giữa cơ học lượng tử và đạo học phương Đông, Gary Zukav tuyên bố rằng “con mèo Schrödinger lâu nay đã minh họa cho sinh viên vật lí những khía cạnh phiêu phiêu ảo giác của cơ học lượng tử”. Con mèo ấy xuất hiện thường xuyên hơn, không chỉ trong văn đàn khoa học, mà cả trong văn chương và đạo học, triết học nghiệp dư và văn chương tự lực. Thậm chí còn cả một trang Wikipedia nói về “con mèo Schrödinger trong nền văn hóa cộng đồng”.
Kết luận
Các nhà vật lí dường như chẳng quan tâm lắm đến con mèo Schrödinger ngoại trừ một tên gọi: “trạng thái cơ mèo” thỉnh thoảng được sử dụng để ám chỉ những hệ lượng tử kết hợp lớn, mặc dù chẳng có gì phức tạp gần như một con mèo cả.
Tuy nhiên, phần còn lại của thế giới dường như quan tâm rất nhiều, vì những lí do khác nhau. Đối với thanh thiếu niên như Will và Jane, vấn đề “vướng víu” xung quanh khái niệm con mèo là một hình ảnh ẩn dụ hay để thể hiện thực tế cảm giác lộn xộn của họ, những biểu hiện mâu thuẫn và những xúc cảm khó tả. “Giữ cái hộp đóng kín thật ra không giữ con mèo vừa sống vừa chết,” Jane nói với Will trong Will Grayson, Will Grayson. “Cho dù bạn không quan sát con mèo ở bất kì trạng thái nào của nó, thì không khí ở trong cái hộp vẫn chứng kiến đấy thôi. Cho nên việc giữ cái hộp đóng kín chỉ giữ bạn trong bóng tối, chứ không giữ vũ trụ đâu.” Will nhận ra – và biết rằng họ không chỉ đang nói về vật lí học, mà là mối quan hệ của họ.
Đối với những nhà văn khoa học viễn tưởng như Boudinot, câu chuyện con mèo tạo nên sự lạ lẫm và thần kì, tuy có xa xôi. Đối với những nhà viết sách khoa học, nó biểu trưng cho cái sai lầm với chủ nghĩa hiện thực chung chung. Đối với những nhà triết học (nghiệp dư và chuyên nghiệp) đang cố gắng tìm hiểu cơ học lượng tử liên hệ như thế nào với thế giới hàng ngày, nó chuyển tải quan niệm về một “mức trung gian của thực tại” mà theo Heisenberg thì đó là cái giá chúng ta phải trả cho cơ học lượng tử.
Nói cho khoa học, thì việc áp dụng hình ảnh con mèo Schrödinger bên ngoài địa hạt lượng tử là “phá sản”, kiểu như Will và Jane và bạn bè của họ. Nhưng trong thế giới thực thì sự tồn tại lâu dài của nó chứng minh một công cụ do con người phát triển trong một lĩnh vực nào đó, theo những cách không thể dự đoán trước, có thể hữu ích và có ý nghĩa như thế nào trong những lĩnh vực khác.
- Robert P Crease (Physics World, tháng 4/2012)
Trần Nghiêm dịch
