Luật nhân quả lượng tử: A gây ra B gây ra A

Một quan niệm đã bén rễ sâu xa trong cuộc sống hàng ngày là tính nhân quả: những sự kiện trong hiện tại có nguyên nhân là những sự kiện trong quá khứ và, hóa ra, là nguyên nhân cho cái xảy ra trong tương lai. Các nhà vật lí tại trường Đại học Vienna và Đại học Libre de Bruxelles vừa chứng minh rằng trong cơ học lượng tử người ta có thể nghĩ ra những tình huống trong đó một sự kiện có thể đồng thời là nguyên nhân và là hệ quả của một sự kiện khác. Kết quả của họ công bố trong số ra tuần này của tạp chí Nature Communications.

Một khuôn khổ mới cho cơ học lượng tử không giả định một thời gian chung tồn tại trước. Ảnh: Đại học Vienna

Mặc dù chưa rõ những tình huống như vậy có thể thật sự tìm thấy trong tự nhiên hay không, nhưng khả năng mong manh rằng chúng có thể tồn tại có khả năng có những hàm ý sâu xa cho những nền tảng của cơ học lượng tử, sự hấp dẫn lượng tử và điện toán lượng tử.

Trong cuộc sống hàng ngày và trong vật lí cổ điển, các sự kiện xảy ra theo trật tự thời gian: một nhân chỉ có thể ảnh hưởng đến một quả trong tương lai của nó chứ không ảnh hưởng đến quá khứ của nó. Lấy ví dụ đơn giản, hãy tưởng tượng một người, Alice chẳng hạn, đi vào một căn phòng và tìm thấy ở đó một tờ giấy. Sau khi đọc nội dung ghi trên tờ giấy, Alice xóa thông điệp đó và để lại thông điệp của riêng cô trên tờ giấy đó. Một người khác, Bob, đi vào căn phòng đó vào một lúc khác và làm cái việc tương tự như Alice: anh ta đọc, xóa, và ghi lại một thông điệp nào đó trên tờ giấy. Nếu Bob đi vào phòng sau Alice, thì anh ta sẽ có thể đọc cái cô ta đã ghi; tuy nhiên Alice sẽ không có cơ hội biết được thông điệp của Bob. Trong trường hợp này, nội dung ghi của Alice là “nhân” và cái Bob đọc là “quả”. Mỗi lần hai người lặp lại công việc đó, thì chỉ có một người có thể đọc được cái người kia đã ghi. Cho dù họ không có đồng hồ và không biết ai đi vào phòng trước, nhưng họ có thể suy luận ra bằng cái họ ghi và đọc trên tờ giấy. Ví dụ, Alice có thể ghi “Alice đã ở đây hôm nay”, cho nên nếu Bob đọc thông điệp, anh sẽ biết anh đã vào phòng sau cô ta.

Sự vi phạm lượng tử của trật tự nhân quả

Trong chừng mực mà các định luật vật lí cổ điển cho phép, thì trật tự của các sự kiện là cố định: hoặc là Bob hoặc là Alice đã đi vào phòng trước và để lại thông điệp cho người kia. Tuy nhiên, khi xét đến cơ học lượng tử, các vật có thể mất đi những tính chất cổ điển rõ ràng của chúng, ví dụ như một vật có thể ở hai nơi khác nhau cùng một lúc. Trong vật lí lượng tử, đây gọi là “sự chồng chất”. Nay một đội gồm những nhà vật lí quốc tế, đứng đầu là Caslav Brukner ở trường Đại học Vienna vừa chứng minh rằng ngay cả trật tự nhân quả của các sự kiện cũng có thể ở vào một sự chồng chất như thế. Nếu – trong ví dụ của chúng ta – Alice và Bob có một hệ lượng tử thay cho một tờ giấy bình thường để ghi thông điệp của họ lên đó, thì họ có thể đi tới một tình huống trong đó mỗi người họ có thể đọc một phần thông điệp được viết bởi người kia. Như vậy, ta có sự chồng chất của hai trạng thái: “Alice đi vào phòng trước và để lại thông điệp trước Bob” và “Bob đi vào phòng trước và để lại thông điệp trước Alice”.

“Tuy nhiên, một sự chồng chất như vậy chưa được xét đến trong dạng thức bình thường của cơ học lượng tử vì lí thuyết này luôn giả định một trật tự nhân quả rõ ràng giữa các sự kiện,” phát biểu của Ognyan Oreshkov ở trường Đại học Libre de Bruxelles. “Nhưng nếu chúng ta tin rằng cơ học lượng tử chi phối mọi hiện tượng, thì tự nhiên chúng ta nghĩ rằng trật tự của các sự kiện cũng sẽ không rõ ràng, tương tự như vị trí của một hạt hay vận tốc của nó,” Fabio Costa thuộc trường Đại học Vienna bổ sung thêm.

Nghiên cứu trên mang lại một bước quan trọng hướng đến tìm hiểu trật tự nhân quả rạch ròi có thể không phải là một tính chất bắt buộc của tự nhiên. “Thách thức thật sự là tìm xem ở đâu trong tự nhiên chúng ta có thể tìm kiếm sự chồng chất của trật tự nhân quả,” phát biểu của Caslav Brukner thuộc nhóm Đại học Vienna.

Tham khảo: DOI: 10.1038/ncomms2076

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: Đại học Vienna