Bài toán đo lường là câu hỏi vì sao lý thuyết lượng tử mô tả mọi thứ như sự chồng chập trơn tru của nhiều khả năng, mà mỗi lần đo ta lại luôn thấy đúng một kết quả cụ thể. Bản thân phương trình không nói khi nào và vì sao sự chồng chập nhường chỗ cho một kết quả duy nhất.
Chào bạn, đây là Nhà Học Thuật. Cơ học lượng tử dự đoán chính xác đến kinh ngạc, nhưng hỏi nó thật sự nói gì về thực tại thì các nhà vật lý hàng đầu trả lời rất khác nhau. Tập này mình đi qua các câu trả lời chính, không kèm phương trình nào.
Hai luật chơi không khớp nhau
Trong cơ học lượng tử, trạng thái của một hệ được mô tả bởi hàm sóng. Khi không ai đo, hàm sóng thay đổi theo một phương trình rất trơn tru, có thể quay ngược, không có chút ngẫu nhiên nào. Một electron có thể ở trạng thái chồng chập, như thể đi cùng lúc qua hai khe.
Nhưng khi đo, ta luôn thấy electron ở một chỗ. Sách giáo khoa thêm vào một luật thứ hai: lúc đo, hàm sóng sụp đổ về một kết quả, với xác suất tính theo một quy tắc nhất định. Luật này ngẫu nhiên và không quay ngược được.
Vấn đề là cái máy đo cũng làm từ nguyên tử, cũng phải tuân theo luật thứ nhất. Vậy ranh giới giữa hệ được đo và người đo nằm ở đâu, và tại sao ở đó luật lại đổi.
Đó là bài toán đo lường. Nó không phải chuyện thiếu chính xác của dụng cụ, mà là chỗ hở trong chính cấu trúc lý thuyết.
Con mèo của Schrödinger
Năm một nghìn chín trăm ba mươi lăm, Erwin Schrödinger dựng một thí nghiệm tưởng tượng để chế giễu việc áp chồng chập vào vật lớn. Một con mèo trong hộp kín cùng một cơ cấu: nếu một nguyên tử phóng xạ phân rã, chất độc được giải phóng.
Nếu chỉ dùng luật thứ nhất, sau một giờ cả hệ phải ở trạng thái chồng chập của nguyên tử đã phân rã kèm mèo chết và chưa phân rã kèm mèo sống. Schrödinger muốn chỉ ra điều này phi lý, chứ không cho rằng mèo thật sự vừa sống vừa chết.
Ông viết bài đó trong cùng năm với bài báo nổi tiếng của Einstein, Podolsky và Rosen về rối lượng tử, và hai người trao đổi thư từ về chủ đề này. Cả hai cùng thấy diễn giải đang thịnh hành chưa trọn vẹn.
Trớ trêu là con mèo, vốn sinh ra để phản đối, lại trở thành biểu tượng đại chúng cho chính sự kỳ lạ của lượng tử.
Copenhagen và nhiều thế giới
Diễn giải Copenhagen, gắn với Niels Bohr và Werner Heisenberg, thực ra là một họ quan điểm. Ý chung là lý thuyết lượng tử là công cụ để dự đoán kết quả đo, còn thế giới đo đạc thì phải mô tả bằng ngôn ngữ cổ điển. Hỏi electron làm gì khi không đo là hỏi điều lý thuyết không trả lời.
Phía phê bình cho rằng điều này né vấn đề: ranh giới cổ điển lượng tử bị đặt tuỳ ý. Năm một nghìn chín trăm năm mươi bảy, nghiên cứu sinh Hugh Everett đưa ra một lối thoát táo bạo: bỏ hẳn luật sụp đổ, chỉ giữ phương trình trơn tru.
Theo Everett, khi đo, hệ đo cũng vào chồng chập, và mỗi nhánh chứa một phiên bản người quan sát thấy một kết quả khác nhau. Không có gì sụp đổ, chỉ có thực tại phân nhánh. Về sau người ta gọi đây là thuyết nhiều thế giới.
Ưu điểm của nó là toán học gọn. Khó khăn lớn nhất là giải thích vì sao xác suất lại có nghĩa khi mọi kết quả đều xảy ra, và câu hỏi này vẫn được tranh luận gay gắt.
Sóng dẫn đường và sụp đổ khách quan
Một lối khác do Louis de Broglie gợi ý từ cuối những năm hai mươi, rồi David Bohm phát triển đầy đủ năm một nghìn chín trăm năm mươi hai. Theo đó hạt luôn có vị trí xác định, còn hàm sóng đóng vai một làn sóng dẫn đường cho hạt. Kết quả đo duy nhất vì hạt chỉ ở một chỗ.
Thuyết này cho dự đoán giống hệt lượng tử thông thường, nhưng phải chấp nhận rằng mọi hạt trong vũ trụ liên quan tức thời với nhau theo một cách phi định xứ. Nhiều nhà vật lý thấy cái giá ấy quá đắt, một số khác thấy nó trung thực.
Hướng thứ ba sửa luôn phương trình: thêm vào một cơ chế sụp đổ ngẫu nhiên tự phát, cực hiếm với một hạt nhưng gần như tức thì với vật lớn gồm vô số hạt. Mô hình nổi tiếng của Ghirardi, Rimini và Weber thuộc hướng này. Ưu điểm lớn: nó đưa ra dự đoán khác lượng tử chuẩn, nên kiểm tra được.
Các thí nghiệm đang dần thu hẹp vùng tham số mà những mô hình sụp đổ còn được phép.
Mất kết hợp có giải quyết được không?
Từ thập niên bảy mươi, tám mươi, các nhà vật lý hiểu rõ hơn hiện tượng mất kết hợp. Một hệ lượng tử không bao giờ cô lập: nó va chạm liên tục với không khí, ánh sáng, môi trường. Thông tin về trạng thái của nó rò ra ngoài, khiến các nhánh chồng chập không còn giao thoa với nhau theo cách quan sát được.
Mất kết hợp giải thích rất tốt vì sao ta không thấy mèo chồng chập, và vì sao máy tính lượng tử khó chế tạo. Nhiều người từng xem nó là lời giải cho bài toán đo lường.
Nhưng phần đông chuyên gia nền tảng cho rằng nó chỉ giải được một nửa. Mất kết hợp làm các nhánh tách rời, nhưng không chọn ra một nhánh duy nhất. Muốn có một kết quả, ta vẫn cần thêm một trong các diễn giải trên.
Các cuộc khảo sát không chính thức trong giới vật lý cho thấy không diễn giải nào chiếm đa số tuyệt đối. Một lý thuyết dự đoán đúng mọi thí nghiệm, mà nó nói gì về thế giới thì vẫn còn bỏ ngỏ. Bạn chọn tin bức tranh nào.
Câu hỏi thường gặp
Hàm sóng có phải là vật thật không?
Đây chính là một phần của tranh luận. Có người xem hàm sóng là thực tại vật lý, có người xem nó chỉ biểu diễn hiểu biết của ta về hệ. Một số định lý gần đây hạn chế bớt các lựa chọn, nhưng chưa khép lại câu hỏi.
Ý thức con người có làm hàm sóng sụp đổ không?
Một số nhà vật lý thời trước từng gợi ý như vậy, nhưng quan điểm này hiện rất ít người theo. Phần lớn cho rằng đo lường là tương tác vật lý, không cần người quan sát có ý thức.
Thuyết nhiều thế giới có kiểm tra được không?
Theo dạng chuẩn, nó cho dự đoán giống hệt cơ học lượng tử thông thường, nên không thí nghiệm nào phân biệt trực tiếp được. Những người ủng hộ cho rằng nó được chọn vì gọn gàng về lý thuyết.
Máy tính lượng tử có liên quan gì tới bài toán đo lường không?
Có liên quan về mặt thực hành. Máy tính lượng tử dựa vào chồng chập và phải chống lại mất kết hợp. Chúng không giải quyết câu hỏi triết học, nhưng đẩy việc kiểm soát chồng chập lên quy mô ngày càng lớn.
Vì sao Bohr và Einstein tranh luận về lượng tử?
Einstein chấp nhận sức dự đoán của lượng tử nhưng cho rằng nó chưa hoàn chỉnh, còn Bohr cho rằng nó đầy đủ trong phạm vi những gì vật lý được phép khẳng định. Cuộc tranh luận của họ kéo dài nhiều năm và là một trong những cuộc đối thoại khoa học nổi tiếng nhất.
