Việc bạn làm hôm nay có thể ảnh hưởng đến hôm qua – đó là kết luận lạ lùng của một thí nghiệm tưởng tượng trong lĩnh vực vật lí lượng tử được mô tả trong một bài báo dạng bản thảo của Yakir Aharonov thuộc trường đại học Tel-Aviv ở Israel và các đồng sự.
Liệu ngày hôm nay có quyết định ngày hôm qua không? (Ảnh: Shutterstock/Sam72)
Nghe có vẻ như không thể, thật vậy, mặc dù nó vi phạm một trong những nguyên lí yêu quý nhất của khoa học – nguyên lí nhân quả - nhưng các nhà nghiên cứu cho biết các quy tắc của cơ học lượng tử thông đồng với sự bảo toàn tính nhân quả bằng cách “che giấu” sự ảnh hưởng của các lựa chọn tương lai cho đến khi những lựa chọn đó thật sự được thực hiện.
Tâm điểm của quan điểm trên là hiện tượng lượng tử “phi định xứ”, trong đó hai hoặc nhiều hạt tồn tại trong các trạng thái tương quan nhau hay “bị vướng víu” vẫn chưa xác định cho đến khi có một phép đo được thực hiện lên một trong số chúng. Một khi phép đo đó diễn ra, trạng thái của hạt kia cũng lập tức xác định, cho dù nó ở xa bao nhiêu chăng nữa. Albert Einstein lần đầu tiên trình bày “tác dụng từ xa” tức thời này vào năm 1935, khi đó ông cho rằng nó có nghĩa là thuyết lượng phải là chưa hoàn chỉnh. Các thí nghiệm hiện đại đã xác nhận tác dụng tức thời này thật ra là có thật, và ngày nay nó là trọng tâm cho các công nghệ lượng tử thực tế như điện toán lượng tử và mật mã học lượng tử.
Aharonov và các cộng sự của ông mô tả một thí nghiệm cho một nhóm lớn gồm những hạt bị vướng víu. Họ cho rằng, dưới những điều kiện nhất định, sự chọn lựa của nhà thực nghiệm của phép đo trạng thái của các hạt có thể ảnh hưởng đến đến trạng thái mà các hạt ở trong đó tại một thời điểm trước, khi một phép đo rất lõng lẻo được thực hiện. Có thể nói thì phép đo “yếu” trước đó dè trước sự chọn lựa được thực hiện trong phép đo “mạnh” sau này.
4D thay vì 3D
Nghiên cứu trên xây dựng dựa trên một cách nghĩ về sự vướng víu gọi là “hình thái vector hai trạng thái” (TSVF) do Aharonov đề xuất hồi ba thập niên về trước. TSVF xét các tương quan giữa những hạt trong không-thời gian 4D thay vì không gian 3D. “Trong ba chiều, nó trông tựa như một số ảnh hưởng kì lạ giữa hai hạt ở xa,” phát biểu của Avshalom Elitzur thuộc Viện Khoa học Weizmann ở Rehovot, Israel, đồng sự của Aharonov. “Trong không-thời gian xem như một tổng thể, nó là một tương tác liên tục vươn ra giữa những sự kiện quá khứ và tương lai.”
Aharonov và đội của ông vừa phát hiện ra một hàm ý nổi bật của TSVF phát sinh từ câu hỏi trạng thái của một hạt giữa hai phép đo là gì – một phiên bản lượng tử của câu đố nổi tiếng của Einstein rằng làm thế nào chúng ta có thể chắc chắn Mặt trăng có ở đó mà không nhìn lên nó. Làm thế nào bạn có thể tìm ra các hạt mà không hề đo chúng? TSVF chứng minh rằng có thể có được thông tin trung gian đó – bằng cách thực hiện những phép đo đủ “yếu” trên một chùm hạt vướng víu đã được chuẩn bị sẵn theo cách như vậy và tính giá trị trung bình thống kê.
Những phép đo nhẹ nhàng
Lí thuyết đo yếu – lần đầu tiên được đề xuất và phát triển bởi Aharonov và nhóm của ông hồi năm 1988 – tuyên bố rằng có thể thực hiện một phép đo “nhẹ nhàng” hay “yếu” trên một hệ lượng tử và thu được một số thông tin về một tính chất nào đó (ví dụ như vị trí) mà không làm nhiễu thấy rõ tính chất bổ sung kia (xung lượng) và do đó là sự phát triển tương lai của hệ. Mặc dù lượng thông tin thu được cho mỗi phép đo là hết sức nhỏ, nhưng tính trung bình nhiều phép đo cho ta một ước tính chính xác của số đo của tính chất đó mà không làm nhiễu giá trị cuối cùng của nó.
Mỗi phép đo yếu có thể cho bạn biết đôi điều về xác suất của những trạng thái khác nhau (ví dụ như giá trị spin up hay down) – mặc dù sai số rất lớn – mà thật sự không cần làm suy sụp các hạt đó vào những trạng thái xác định, như cái sẽ xảy ra với một phép đo mạnh. “Một phép đo yếu vừa làm thay đổi trạng thái đo được vừa cho bạn biết về trạng thái định xứ thu được,” Elitzur nói. “Nhưng nó thực hiện hai việc đó rất hời hợt, và sự thay đổi mà nó ảnh hưởng lên hệ là yếu hơn thông tin mà nó mang lại cho bạn.”
Hệ quả là, Elitzir giải thích, “mỗi phép đo yếu tự nó gần như chẳng cho bạn biết gì cả. Các phép đo chỉ mang lại những kết cục xác thực sau khi bạn cộng gộp tất cả chúng lại. Khi đó các sai số triệt tiêu nhau và bạn có thể biết chút ít thông tin về tập hợp đó xem như một tổng thể.”
Trong thí nghiệm tưởng tượng của các nhà nghiên cứu trên, kết quả của những phép đo yếu này phù hợp với kết quả của những phép đo mạnh sau đó, trong đó nhà thực nghiệm tự do chọn định hướng spin nào để đo – mặc dù trạng thái của các hạt vẫn không xác định sau các phép đo yếu.Theo Elitzur, kết quả này có nghĩa là trong TSVF “một hạt ở giữa hai phép đo có hai trạng thái được biểu hiện bởi cả hai, quá khứ và tương lai.”
Tự nhiên thật cầu kì
Tóm lại, chỉ bằng cách cộng gộp thông tin sau đó từ các những phép đo mạnh người ta có thể biết các phép đo yếu “thật sự” đang nói lên điều gì. Thông tin có sẵn ở đó – nhưng bị mã hóa và chỉ phơi bày ra trong hồi tưởng. Cho nên tính nhân quả được giữ vững, mặc dù nó không chính xác như cái chúng ta thường biết. Tại sao có sự kiểm duyệt này thì không rõ, ngoại trừ một viễn cảnh gần như mang tính siêu hình học. “Người ta biết tự nhiên màu mè ở chỗ không bao giờ xuất hiện mâu thuẫn,” Elitzur nói. “Cho nên không có chuyện công khai lật ngược luật nhân quả - người ta giết chết ông bà của mình, vân vân.”
Elitzur cho biết một số chuyên gia về quang học lượng tử đã thể hiện sự quan tâm đến việc tiến hành thí nghiệm trên trong phòng thí nghiệm, cái ông nghĩ sẽ không có gì khó hơn những nghiên cứu sự vướng víu trước đây.
Charles Bennett thuộc Trung tâm Nghiên cứu T J Watson của hãng IBM ở Yorktown Heights, New York, một chuyên gia nghiên cứu lí thuyết thông tin lượng tử, thì không thấy bị thuyết phục. Ông xem TSVF chỉ là một cách nhìn vào các kết quả trên, và ông tin rằng các kết quả trên có thể giải thích mà không cần “tính nhân quả muộn” biểu kiến nào, nên các tác giả trên đang dựng lên con bù nhìn bằng rơm mà thôi. “Để làm cho con bù nhìn rơm của họ trông mạnh hơn, họ sử dụng ngôn ngữ làm nhòe đi sự khác biệt quan trọng giữa sự truyền thông và sự tương quan,” ông nói. Ông cho biết nó giống như một thí nghiệm trong ngành mật mã học lượng tử trong đó người gửi gửi đến người nhận khóa mã hóa trước khi gửi (hay thậm chí quyết định gửi) tin nhắn, và sau đó khẳng định khóa đó vì lí do nào đó nó “biết trước” tin nhắn.
Tuy nhiên, Aharonov và các đồng sự của ông ngờ rằng các kết quả của họ có thể có những hàm ý đối với ý thức. “Nhóm chúng tôi vẫn có chút chưa thống nhất về những câu hỏi triết lí này,” Elitzur nói. Theo ông, quan điểm của Aharonov “có chút chủ nghĩa Talmud: mọi thứ bạn sắp làm thì Chúa đã biết rồi, nhưng bạn vẫn có sự chọn lựa đó.”
Bản thảo của công trình trên có tại http://arxiv.org/abs/1206.6224.
Hoài Ân (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
