Lượng tử

Hai trụ cột của vật lí học thế kỉ hai mươi – thuyết tương đối tổng quát, cái tôi vừa nói ở bài học trước và cơ học lượng tử, cái tôi đang nói ở đây – chẳng thể khác biệt nhau hơn được nữa. Cả hai lí thuyết dạy ta rằng cấu trúc tinh tế của tự nhiên là tinh vi hơn nó biểu hiện. Nhưng thuyết tương đối tổng quát là một viên ngọc quý nhỏ gọn: được thành hình bởi một trí tuệ, của Albert Einstein, nó là một cái nhìn đơn giản và kết hợp của lực hấp dẫn, không gian và thời gian. Mặt khác, cơ học lượng tử, hay ‘thuyết lượng tử’, có được sự thành công thực nghiệm không gì sánh nổi và đưa đến những ứng dụng đã làm thay đổi cuộc sống thường ngày của chúng ta (máy vi tính mà tôi đang viết, chẳng hạn); nhưng đã hơn một thế kỉ sau khi ra đời nó vẫn bị bao phủ trong sự bí ẩn và khó lĩnh hội.

Người ta nói rằng cơ học lượng tử ra đời chính xác vào năm 1900, mở ra một thế kỉ tư duy tích cực. Nhà vật lí Đức Max Planck đã tính được điện trường cân bằng trong một cái hộp nóng. Để làm vậy ông sử dụng một thủ thuật: ông tưởng tượng năng lượng của trường được phân bố trong các ‘lượng tử’, tức là trong từng gói hay từng cục năng lượng. Thủ thuật trên đưa đến kết quả tái tạo hoàn hảo cái người ta đã đo được (và do đó phải là hướng đi đúng) nhưng lại xung đột với mọi thứ đã biết khi ấy. Năng lượng được xem là cái gì đó biến đổi liên tục, và chẳng có lí do gì để xem nó được làm bằng những viên gạch cấu trúc nhỏ. Đối với Planck, việc xem năng lượng gồm những gói hữu hạn như thế chỉ là một thủ thuật tính toán, chứ bản thân ông không hiểu hết vì sao nó lại hiệu nghiệm như vậy. Một lần nữa, 5 năm sau, chính Einstein là người hiểu rằng ‘các gói năng lượng’ là có thật.

Einstein chứng minh rằng ánh sáng gồm các gói nhỏ: các hạt ánh sáng. Ngày nay chúng ta gọi chúng là ‘photon’. Ông viết, trong phần giới thiệu bài báo của ông:

Theo tôi thấy thì các quan sát gắn liền với bức xạ vật đen, sự huỳnh quang, sự tạo thành tia ca-tôt bởi bức xạ tử ngoại, và những hiện tượng liên quan khác có liên hệ với sự phát xạ hay biến đổi ánh sáng là dễ hiểu hơn nếu người ta giả sử năng lượng của ánh sáng phân bố gián đoạn trong không gian. Theo giả thuyết được xét ở đây, năng lượng của một tia sáng tỏa ra từ một nguồn điểm không phân bố liên tục theo không gian rộng dần mà gồm một số hữu hạn ‘lượng tử năng lượng’ định xứ tại các điểm trong không gian, chúng dịch chuyển mà không phân chia, và chúng chỉ có thể được tạo ra và hấp thụ dưới dạng từng đơn vị rời rạc.

Những dòng đơn giản và rõ ràng này là giấy khai sinh đích thực của thuyết lượng tử. Lưu ý cụm từ mở đầu ‘theo tôi thấy thì...’, làm liên tưởng tới ‘tôi nghĩ...’ mà Darwin mào đầu trong sổ ghi chép của ông về ý tưởng vĩ đại rằng các loài tiến hóa, hay ngôn từ ‘lập cập’ của Faraday khi lần đầu tiên giới thiệu ý tưởng mang tính cách mạng về từ trường. Sự ngập ngừng thiên tài.

Công trình của Einstein thoạt đầu được các đồng nghiệp xem là tác phẩm tào lao của một thanh niên đặc biệt xuất sắc. Về sau, cũng nhờ công trình trên mà ông nhận về Giải Nobel. Nếu Planck là cha đẻ của thuyết lượng tử, thì Einstein là bậc sinh thành nuôi dưỡng nó.

Nhưng giống như mọi đứa con khác, thuyết lượng tử có con đường phát triển của riêng nó, bản thân Einstein cũng chẳng nhận ra. Trong thập niên thứ hai và thứ ba của thế kỉ hai mươi, chính Niels Bohr người Đan Mạch là người đi tiên phong phát triển của nó. Bohr là người hiểu rằng năng lượng của các electron trong nguyên tử chỉ có thể nhận những giá trị nhất định, giống như năng lượng của ánh sáng, và quan trọng là các electron chỉ có thể ‘nhảy’ giữa một quỹ đạo nguyên tử này với một quỹ đạo khác có năng lượng nhất định, khi chúng nhảy thì phát xạ hoặc hấp thụ một photon. Đây chính là những ‘bước nhảy lượng tử’ nổi tiếng. Và chính tại viện nghiên cứu của Bohr ở Copenhagen, những tài năng trẻ lỗi lạc nhất của thế kỉ đã tụ họp với nhau để nghiên cứu và cố gắng thiết lập trật tự cho những mặt khó này của hành trạng trong thế giới nguyên tử, và nhằm xây dựng từ nó một lí thuyết kết hợp. Năm 1925, các phương trình của lí thuyết cuối cùng đã xuất hiện, thế chỗ cho toàn bộ cơ học Newton.

Thật khó tưởng tượng một thành tựu nào to lớn hơn nữa. Trong phút chốc, mọi thứ trở nên rõ nghĩa, và bạn có thể tính toán mọi thứ. Lấy một thí dụ: bạn có nhớ bảng tuần hoàn các nguyên tố, do Mendeleev nghĩ ra, nó liệt kê toàn bộ các chất cơ bản khả dĩ cấu tạo nên vũ trụ, từ hydro đến uranium, và là cái được treo trên tường ở nhiều lớp học? Tại sao các nguyên tố này được lập danh sách chính xác vào chỗ đấy, và tại sao bảng tuần hoàn có cấu trúc đặc biệt này, với những chu kì này, và với các nguyên tố có các tính chất đặc trưng này? Câu trả lời là mỗi nguyên tố ứng với một nghiệm của phương trình chính của cơ học lượng tử. Toàn bộ nền hóa học hiện ra từ một phương trình.

Người đầu tiên viết ra các phương trình của lí thuyết mới, xây dựng chúng trên các ý tưởng chóng mặt, là một thanh niên trẻ tuổi thiên tài người Đức, Werner Heisenberg.

Heisenberg tưởng tượng rằng các electron không phải luôn tồn tại. Chúng chỉ tồn tại khi ai đó hoặc cái gì đó quan sát chúng, hay nói tốt hơn, khi chúng đang tương tác với cái gì đó khác. Chúng hiện ra ở một nơi nào đó, với một xác suất có thể tính được, khi va chạm với một cái gì khác. Các ‘bước nhảy lượng tử’ từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác là phương tiện duy nhất mà chúng có để là ‘có thật’: một electron là một tập hợp bước nhảy từ tương tác này với tương tác khác. Khi không có gì làm nhiễu loạn nó, nó không ở bất kì nơi nào chính xác. Nó chẳng ở một ‘nơi’ nào cả.

Cứ như thể Chúa không thiết kế thực tại bằng một đường liền nét kéo đậm, mà chỉ phác chấm chấm nó với một diện mạo mờ nhạt.

Bohr và Einstein

Trong cơ học lượng tử, không một đối tượng nào có một vị trí rõ ràng, ngoại trừ khi va chạm trực diện với một đối tượng khác. Để mô tả nó trong lúc bay tự do, giữa một tương tác này và một tương tác khác, ta sử dụng một công thức toán học trừu tượng không tồn tại trong không gian thực mà chỉ có trong không gian toán học trừu tượng. Nhưng còn điều tồi tệ này nữa: những bước nhảy tương tác này để một đối tượng đi từ nơi này đến nơi khác không xảy ra theo một kiểu có thể dự đoán mà rất là ngẫu nhiên. Không thể dự đoán một electron sẽ xuất hiện ở đâu, mà chỉ tính được xác suất nó sẽ hiện ra ở đây đó thôi. Câu hỏi xác suất đi thẳng vào trái tim vật lí học, nơi mọi thứ dường như được điều hòa bởi những định luật chắc nịch mang tính vạn vật và không thể hủy bỏ.

Thế trông có vô lí không? Einstein cũng cảm thấy vô lí. Một mặt, ông đề xuất Heisenberg cho Giải Nobel, công nhận anh ta đã hiểu cái gì đó cơ bản về thế giới; mặt khác, ông không bỏ lỡ dịp nào hễ có là cằn nhằn rằng lí thuyết này không có ý nghĩa gì nhiều.

Nhưng chú sư tử non thuộc nhóm Copenhagen bị nhụt chí: thế là thế nào, sao Einstein lại nghĩ như vậy? Cha đẻ tinh thần của họ, người đã khích lệ họ nghĩ tới những cái không dám nghĩ, nay chuyển qua xét lại và do dự trước bước nhảy mới này vào thế giới chưa biết mà chính ông đã khởi xướng. Chính Einstein đã chứng minh rằng thời gian không mang tính vạn vật và không gian cong nay lại đi nói thế giới không thể nào kì lạ thế này được.

Bohr kiên nhẫn giải thích các ý tưởng mới cho Einstein. Nhưng Einstein gạt đi. Ông nghĩ ra những thí nghiệm tưởng tượng chứng minh các ý tưởng mới đó là mâu thuẫn: ‘Hãy tưởng tượng một cái hộp chứa đầy ánh sáng, từ đó ta cho phép mỗi khắc thoát ra một photon độc thân...’ Thế là bắt đầu một trong những thí dụ nổi tiếng của ông, thí nghiệm tưởng tượng ‘hộp ánh sáng’. Về cuối Bohr luôn tìm được câu trả lời vặn lại những phản bác này. Họ liên tục đối thoại với nhau trong nhiều năm thông qua thuyết giảng, thư từ, báo chí... Trong tiến trình trao đổi, cả hai nhân vật lớn đều có bước lùi, thay đổi suy nghĩ của họ. Einstein phải thừa nhận rằng thật ra chẳng có mâu thuẫn nào bên trong những ý tưởng mới đó. Bohr phải công nhận rằng mọi thứ không đơn giản và rõ ràng như lúc đầu ông nghĩ. Einstein không muốn nhượng bộ với cái ông cho là vấn đề then chốt: rằng có một thực tại khách quan độc lập với người tương tác. Bohr thì không nhượng bộ với tính giá trị của phương pháp mới sáng giá trong đó thực tại được quan niệm theo lí thuyết mới. Cuối cùng, Einstein chịu thừa nhận rằng thuyết lượng tử là một bước đại nhảy vọt trong nhận thức của chúng ta về thế giới, nhưng vẫn khăng khăng rằng vạn vật có thể không kì lạ như thuyết lượng tử đề xuất – ‘ẩn sau’ nó phải còn một lí giải sâu xa hơn, hợp lí hơn.

Một thế kỉ sau, chúng ta đi tới kết luận tương tự. Các phương trình của cơ học lượng tử và các hệ quả của chúng được sử dụng mỗi ngày trong nhiều lĩnh vực đa dạng: bởi các nhà vật lí, các kĩ sư, nhà hóa học và nhà sinh vật học. Chúng cực kì hữu ích trong mọi công nghệ đương thời. Không có cơ học lượng tử sẽ không có transitor. Nhưng chúng vẫn còn bí ẩn. Vì chúng không mô tả cái xảy ra với một hệ vật chất, mà chỉ cho biết một hệ vật chất ảnh hưởng đến một hệ vật chất khác như thế nào thôi.

Điều này có ý nghĩa gì? Phải chăng thực tại thiết yếu của một hệ là không mô tả được? Phải chăng như thế là ta còn thiếu một mảnh ghép của câu đố? Hay, theo tôi thấy, phải chăng chúng ta phải chấp nhận quan niệm rằng thực tại là tương tác duy nhất? Kiến thức của chúng ta phát triển dần, theo các điều kiện thực tiễn. Nó cho phép chúng ta làm những điều mới mẻ mà trước đây thậm chí ta không tưởng tượng đến. Nhưng sự phát triển đó đã đặt ra những câu hỏi mới. Những bí ẩn mới. Trong phòng thí nghiệm, người ta tiếp tục sử dụng các phương trình của thuyết lượng tử một cách bất chấp, nhưng trong các bài báo và các hội nghị tăng dần về số lượng trong những năm gần đây, các nhà vật lí và nhà triết học vẫn tiếp tục tìm kiếm. Sau một thế kỉ ra đời, thuyết lượng tử là gì? Là một sự đào sâu cực kì vào bản chất của thực tại chăng? Hay là một ngớ ngẩn tình cờ hoạt động tốt? Một bộ phận của một câu đố chưa hoàn chỉnh? Hay là một manh mối dẫn tới cái gì đó sáng giá về cấu trúc của thế giới mà chúng ta chưa từng tiêu hóa đúng cách?

Khi Einstein qua đời, Bohr, đối thủ số một của ông đã dành cho ông những lời ca tụng đẹp đẽ. Rồi vài năm sau đến lượt Bohr qua đời, ai đó đã chụp ảnh cái bảng đen trong phòng nghiên cứu của ông. Có một hình vẽ về nó. Một hình vẽ của ‘cái hộp chứa đầy ánh sáng’ trong thí nghiệm tưởng tượng của Einstein. Cho đến phút chót, vẫn là khát vọng thách thức bản thân và nhận thức sâu xa hơn. Cho đến phút chót: vẫn ngờ vực không thôi.

♦ Trích Bài học thứ hai, Sách Bảy Bài học Vật lí Ngắn của Carlo Rovelli
Bản dịch của Trần Nghiêm