Sự vướng víu lượng tử có thật không?

David Kaiser (The New York Times)

Vào tháng này 50 năm trước, nhà vật lí người Ireland John Stewart Bell gửi đăng một bài báo ngắn, mang tính ngụy biện cho một tạp chí không tên tuổi Physics, Physique, Fizika. Ông quá e thẹn nên không dám nhờ các thầy dạy người Mĩ của mình, những người ông đến thăm trong một lần nghỉ phép, để đưa bài báo lên một tạp chí chính thống. Mặc dù tạp chí ông chọn đã bị đình bản vài năm sau đó, nhưng bài báo của ông đã trở thành một sản phẩm bom tấn. Ngày nay, nó là một trong những bài báo vật lí được trích dẫn nhiều nhất của mọi thời đại.

Bài báo của Bell đưa ra những khẳng định quan trọng về sự vướng víu lượng tử, một trong những đặc trưng hấp dẫn nhất của thuyết lượng tử có tác dụng tẩy não mạnh đối với trực giác thông thường của chúng ta. Sự vướng víu xét hành trạng của những hạt nhỏ xíu, ví dụ electron, đã tương tác trong quá khứ và sau đó phân tách. “Chọc giận” một hạt ở đây, bằng cách đo một trong những tính chất của nó – vị trí, xung lượng hay “spin” của nó – thì đối tác của nó sẽ “phản ứng”, tức thời, cho dù hạt thứ hai kia đã truyền đi quãng đường bao xa.

Từ được nhấn mạnh là “tức thời”. Các hạt bị vướng víu có thể ở cách xa nhau hàng thiên hà, và bằng cách nào đó, theo thuyết lượng tử, các phép đo trên một hạt sẽ ảnh hưởng đến hành trạng của chị em song sinh ở xa của nó nhanh hơn tốc độ ánh sáng có thể truyền giữa chúng.

Sự vướng víu làm tẩy não trực giác của chúng ta về sự vận hành của thế giới. Albert Einstein chế nhạo rằng nếu các phương trình thuyết lượng tử dự đoán cái vô nghĩa như vậy, thì bản thân thuyết lượng tử còn tệ hơn nhiều. “Những tác dụng ma quỷ từ xa,” ông nổi xung với một đồng nghiệp vào năm 1948.

Trong bài báo của ông, Bell chứng minh rằng thuyết lượng tử cần đến sự vướng víu; mối liên kết lạ lùng đó là một đặc trưng không thể tránh khỏi của các phương trình. Nhưng minh chứng của Bell không cho thấy tự nhiên hành xử theo cách như thế, chỉ các phương trình của các nhà vật lí hành xử như thế mà thôi. Câu hỏi còn lại là: Sự vướng víu lượng tử có xảy ra trong thế giới thực hay không?

Sự vướng víu lượng tử

Bắt đầu vào đầu thập niên 1970, một vài nhà vật lí gan dạ – đối mặt trước những người chỉ trích cảm thấy nghiên cứu “triết lí” như thế chỉ thích hợp với những kẻ lập dị mà thôi – tìm thấy rằng câu trả lời có vẻ là có.

John F. Clauser, khi đó là một nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, là người đầu tiên. Sử dụng băng dính và các đồ phế liệu, ông chế tạo một dụng cụ kì cục để đo sự vướng víu lượng tử. Cùng với một sinh viên đã tốt nghiệp tên là Stuart Freedman, ông cho chiếu hàng nghìn cặp hạt ánh sáng nhỏ xíu gọi là photon theo hướng ngược nhau, từ chính giữa dụng cụ, về phía hai đầu của nó. Tại mỗi đầu là một máy dò đo một tính chất của photon gọi là sự phân cực.

Như Bell chứng minh, thuyết lượng tử dự đoán những tương quan lạ lùng nhất định giữa các phép đo phân cực khi bạn thay đổi góc giữa các máy dò – các tương quan đó không thể nào giải thích được nếu hai photon hành xử độc lập với nhau. Tiến sĩ Clauser và Freedman đã tìm thấy chính xác những tương quan này.

Các thí nghiệm thành công khác diễn ra sau đó. Một thí nghiệm, đứng đầu bởi nhà vật lí người Pháp Alain Aspect, đã kiểm tra tính tức thời của sự vướng víu. Một thí nghiệm khác, đứng đầu bởi nhà vật lí người Áo Anton Zeilinger, xem xét sự vướng víu giữa ba hoặc nhiều hạt.

Cho dù có những thành công to lớn này, vẫn còn nhiều việc phải làm. Mỗi phép kiểm tra thực nghiệm của sự vướng víu mang đến một hoặc nhiều sơ hở, đem lại khả năng, cho dù mong manh, rằng một lí thuyết thay thế nào đó, khác biệt hẳn với thuyết lượng tử và nghiêng về phe trực giác của Einstein nhiều hơn, vẫn có thể cứu vớt được tình thế. Ví dụ, một sơ hở tiềm tàng – được xử lí bởi thí nghiệm của tiến sĩ Aspect – là bản thân dụng cụ đo bằng cách nào đó đang truyền thông tin về hạt này cho hạt kia, như thế sẽ lí giải được sự phối hợp ăn ý của chúng.

Chỗ hở ngoan cố nhất còn lại là cái gọi là “thiết lập độc lập”. Tiến sĩ Zeilinger và tôi, cùng với một vài đồng nghiệp – trong đó có Alan H. Guth, Andrew S. Friedman và Jason Gallicchio – nhắm tới lấp khe hở này, một dự án mà vài người trong chúng tôi đã mô tả trong một bài báo đăng trên tạp chí Physical Review Letters.

Đây là vấn đề. Trong bất kì kiểm tra nào của sự vướng víu, nhà nghiên cứu phải chọn các thiết lập trên mỗi máy dò của thiết bị thí nghiệm (ví dụ, chọn đo spin của một hạt theo hướng này hoặc hướng kia). Yếu điểm thiết lập-độc lập đề xuất rằng, mặc dù nhà nghiên cứu có vẻ tự do lựa chọn bất kì thiết lập nào cho các máy dò, nhưng có lẽ anh ta không hoàn toàn tự do: Một cơ chế nhân quả nào đó không được chú ý tới trong quá khứ có thể đã cố định các thiết lập của máy dò từ trước, hoặc thôi thúc khả năng một thiết lập nào đó sẽ được chọn ưu tiên hơn thiết lập khác.

Nghe có vẻ kì lạ, cho dù một lượng hết sức nhỏ của sự phối hợp như thế của các thiết lập máy dò cũng sẽ cho phép những lí thuyết nhất định nhại lại y hệt các dự đoán nổi tiếng từ thuyết lượng tử. Trong trường hợp như vậy, sự vướng víu sẽ đơn thuần là một trò ngáo ộp.

Làm thế nào lấp được chỗ sơ hở này? Vâng, rõ ràng, không phải chúng tôi đang cố chứng minh rằng con người có ý thức. Nhưng chúng ta có thể thử cái khác. Trong thí nghiệm chúng tôi đề xuất, thiết lập máy dò được chọn (nói ví dụ, đo spin của một hạt theo hướng này thay vì hướng kia) sẽ được xác định không phải bởi chúng tôi – mà bởi một tính chất đã được quan sát của một số ánh sáng cổ xưa nhất trong vũ trụ (nói ví dụ, cho dù ánh sáng từ các quasar xa xôi đi tới Trái đất tại phần lẻ hoặc phần chẵn của micro giây). Các nguồn sáng này ở quá xa chúng ta và ở quá xa nhau nên chúng sẽ không thể nhận một tín hiệu ánh sáng đơn lẻ từ một nguồn khác, hay từ một nơi nào đó thuộc Trái đất, trước thời khắc, hàng tỉ năm trước, khi chúng phát ra ánh sáng mà chúng ta phát hiện ra trên Trái đất này ngày hôm nay.

Nghĩa là, chúng ta sẽ bảo đảm rằng bất kì “thôi thúc” hay âm mưu kì lạ nào trong số các thiết lập máy dò – nếu nó thật sự tồn tại – sẽ phải xảy ra từ hồi Vụ Nổ Lớn, tức khoảng 14 tỉ năm về trước.

Nếu, đúng như chúng ta trông đợi, các dự đoán thường lệ của thuyết lượng tử bị khai tử trong thí nghiệm này, thì chúng ta sẽ khống chế được các lí thuyết thay thế đa dạng nhiều đến mức có thể trên phương diện vật lí trong vũ trụ của chúng ta. Bằng không, thì nó sẽ hướng đến một nền vật lí sáng giá mới.

Dẫu sao, thí nghiệm hứa hẹn thật hào hứng – chúng tôi hi vọng, đó là một cách phù hợp để kỉ niệm 50 năm bài báo của Bell.