100 năm vật lý lượng tử đã dạy chúng ta về thực tại - và bản thân chúng ta

Năm nay, theo UNESCO là Năm Quốc tế về Khoa học và Công nghệ Lượng tử, đánh dấu 100 năm kể từ khi cơ học lượng tử được đề xuất. Tuy nhiên, lý thuyết này hầu như không cần thêm sự quảng bá.

Nhìn vào các bài viết đang thịnh hành trên bất kỳ tạp chí khoa học nào, có khả năng cao các câu chuyện về lượng tử sẽ nằm trong top. Ngoại trừ những động vật dễ thương, vật lý lượng tử có thể là chủ đề bìa được người hâm mộ khoa học ưa thích nhất. Nhưng tại sao?

Một nhà báo khoa học với nền tảng vật lý từng chia sẻ rằng câu hỏi này thật sự cuốn hút. Điều khó lý giải là tại sao công chúng lại say mê vật lý lượng tử đến như vậy — một lĩnh vực vốn nổi tiếng khó giải thích và càng khó liên hệ với trải nghiệm đời thường. Thế nhưng, điều có thể gọi là “sự ám ảnh lượng tử” đã tồn tại gần như ngay từ khi lý thuyết này được khai sinh.

Trong quá trình nghiên cứu sức hút bền bỉ của vật lý lượng tử cho luận văn thạc sĩ về truyền thông khoa học, tác giả đã chọn tìm câu trả lời bằng cách đào sâu vào kho lưu trữ của Scientific American. Đây là tạp chí xuất bản liên tục lâu đời nhất tại Mỹ, với lịch sử 180 năm, đồng thời là một trong số ít ấn phẩm đủ tuổi để chứng kiến sự ra đời của kỷ nguyên lượng tử và đóng vai trò giới thiệu nó đến công chúng.

Trong nhiều tháng liền, đã có sự tìm kiếm trong kho lưu trữ để rà soát những bài viết có bất kỳ đề cập nào đến từ quantum trong suốt 100 năm xuất bản in. Bằng việc phân tích ai là người viết các bài báo này, họ lựa chọn chủ đề ra sao và cách họ truyền tải một thế giới lượng tử vốn thường gây khó hiểu cho độc giả phổ thông, mục tiêu là tìm ra điều gì khiến công chúng bị cuốn hút bởi vật lý lượng tử.

Và kết quả cho thấy, chính những yếu tố từng khiến các nhà sáng lập vật lý lượng tử cảm thấy khó chấp nhận lại là thứ hấp dẫn chúng ta ngày nay.

Khởi nguồn của Lượng tử

Đôi khi, cơ học lượng tử dường như thật đáng thương: những bộ óc đã đặt nền móng cho nó lại chính là những người hoài nghi và chỉ trích mạnh mẽ nhất. Năm 1905, Albert Einstein lần đầu phổ biến khái niệm quanta—mượn từ tiếng Latin có nghĩa là “bao nhiêu”—để mô tả ánh sáng được cấu tạo từ những gói rời rạc hay bó năng lượng, ngày nay gọi là photon.

Ban đầu, lý thuyết lượng tử chỉ khẳng định một điều tưởng chừng đơn giản: năng lượng không liên tục mà đến theo từng đơn vị rời rạc. Nhưng ngay cả khái niệm cơ bản ấy cũng gây tranh cãi, bởi các thí nghiệm trước đó đã chứng minh ánh sáng trong nhiều trường hợp lại hành xử giống như một sóng.

Ngay cả các nhà khoa học lừng lẫy cũng chật vật khi cố gắng truyền tải vật lý lượng tử đến công chúng. Đây là một sự đoạn tuyệt lớn so với quan niệm quen thuộc rằng ngôn ngữ khoa học có thể phản ánh trực tiếp thế giới thực.

Chẳng hạn, định luật chuyển động thứ nhất của Newton mô tả một vật sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đều nếu không chịu tác động của lực bên ngoài. Ở đây, khối lượng được xem như một thực thể tồn tại khách quan, có đặc tính rõ ràng và có thể đo đạc.

Thế nhưng, khi chuyển sang cơ học lượng tử, mọi thứ trở nên rối rắm hơn. Nếu chúng ta dùng cùng một hệ phương trình để mô tả ánh sáng như mô tả sóng, liệu điều đó có nghĩa ánh sáng thật sự là sóng — giống như sóng địa chấn hay sóng nước? Nếu đúng vậy, thì làm sao nó đồng thời cũng có thể là hạt?

Trong cơ học lượng tử, ngay cả ý niệm nhân quả cũng bị thách thức: thay vì những quan hệ tất định như trong định luật Newton, ta phải chấp nhận các quy luật xác suất. Điều này khiến cho chính những người khai sinh ra lý thuyết cũng nhiều lần hoang mang khi tìm cách diễn giải nó.

Nhà vật lý John Gribbin, tác giả cuốn In Search of Schrödinger’s Cat: Quantum Physics and Reality (1984), từng mô tả giai đoạn sơ khai ấy như một vùng hỗn loạn trí tuệ. Ông viết: “Một phần sức hấp dẫn của cơ học lượng tử là ở chỗ nó không thể hiểu nổi, vì vậy nó giống như ma thuật.”

Cảm giác ấy không phải cá biệt. Trong một bài báo năm 1949 tôn vinh Einstein, nhà toán học kiêm vật lý người Anh Banesh Hoffmann đã gọi cơ học lượng tử là “dị giáo”. Thuật ngữ này phản ánh sự khó chịu sâu sắc trước những khái niệm như việc một hạt có thể tồn tại đồng thời ở hai nơi. Ngay cả Einstein, người đặt nền móng cho lý thuyết này, cũng bác bỏ bản chất xác suất của nó và nổi tiếng với câu nói: “God does not play dice” — Chúa không gieo xúc xắc.

Kỷ nguyên Lượng tử đã đến

Sự mơ hồ và tranh cãi quanh cơ học lượng tử có thể đã giúp nó trở thành tâm điểm chú ý trong giai đoạn đầu, nhưng mức độ quan tâm đó vẫn mờ nhạt so với những gì diễn ra ở thập niên tiếp theo. Trên Scientific American, số lượng bài viết về lượng tử trong giai đoạn 1960–1980 đã tăng hơn gấp ba lần so với 20 năm trước đó. Đa số được chấp bút bởi một thế hệ nhà khoa học mới, những người đã được đào tạo bài bản về cơ học lượng tử ngay từ bậc sau đại học.

Bối cảnh lịch sử đóng vai trò quan trọng, một số nước cạnh tranh gay gắt trong cuộc chạy đua khoa học và công nghệ. Chính trong giai đoạn này, những công nghệ nền tảng dựa trên lý thuyết lượng tử — từ đồng hồ nguyên tử, laser cho đến những mạch bán dẫn đầu tiên — đã ra đời.

Thế nhưng, khi bước vào đời sống hàng ngày, những công nghệ ấy dần trở nên quen thuộc đến mức không còn được xem là “lượng tử” theo đúng nghĩa. Laser trở thành thành phần bình thường trong đầu đọc CD, máy quét mã vạch và máy in văn phòng; còn bán dẫn thì ẩn mình trong vô số thiết bị, từ máy tính để bàn đến laptop.

Trong các bài viết trên Scientific American, dần hình thành một giả định thú vị: những gì phổ biến và tầm thường thì mặc định không còn là “lượng tử”. Vì thế, thay vì gọi chip hay laser là công nghệ lượng tử, các tác giả ngày càng thích nhấn mạnh tính “lạ lùng”, “kỳ quặc” và “siêu thực” của thế giới vi mô này.

Quả thực, đó là những tính từ hoàn toàn thích hợp khi mô tả cơ học lượng tử. Thế giới lượng tử thách thức trực giác nền tảng và dường như đảo lộn mọi điều từng được cho là hiển nhiên về cách vũ trụ vận hành.

Bước sang thập niên 1990, các bài viết về lượng tử ngày càng tập trung vào việc truy vấn bản chất tối hậu của thực tại: từ giả thuyết rằng vũ trụ cấu thành bởi những sợi dây tí hon dao động, cho đến ý tưởng rằng cơ học lượng tử phân nhánh thành vô số vũ trụ song song cùng nhiều khái niệm táo bạo khác.

Qua việc khảo cứu kho lưu trữ của Scientific American, có thể thấy không tồn tại một định nghĩa duy nhất về thế giới lượng tử. Nó không chỉ gói gọn trong các mức năng lượng rời rạc của photon theo Einstein, hay hàm sóng biến sự vật thành xác suất, cũng không chỉ dừng lại ở tính phi địa phương và bản chất mập mờ của thực tại. Thay vào đó, cơ học lượng tử là một mạng lưới rộng lớn của những điều còn chưa thể nắm bắt trọn vẹn. Chính ở đó nằm sức hút bền bỉ của nó: bên cạnh niềm an ủi đến từ cái quen thuộc, nhân loại vẫn không ngừng bị cuốn hút bởi cảm giác bị thử thách, bị chao đảo và bị kinh ngạc trước bí ẩn của thế giới mình đang sống.

Nguồn: https://www.scientificamerican.com/article/what-100-years-of-quantum-physics-has-taught-us-about-reality-and-ourselves/