Chương 4 - Những điều kỳ lạ trong thế giới vi mô(1)

Những điều kỳ lạ trong thế giới vi mô

Hơi mệt mỏi vì cuộc thám hiểm ra ngoài hệ Mặt Trời, Goerge và Gracie vừa về tới Trái Đất đã dông ngay tới quán Lượng tử để tẩy trần sau những ngày vất vả trong khoảng không vũ trụ. Như thường lệ, Goerge gọi một ly nước đu đủ đá cho mình và một ly vodka cho Gracie, rồi ngả người trên ghế, quay lưng về phía quầy bar, hai tay đỡ sau gáy để thưởng thức điếu xì gà vừa mới châm. Nhưng, đang định hít một hơi cho đã thì Goerge chợt sững sờ nhận thấy rằng điếu xì gà đã biến mất. Nghĩ rằng điếu thuốc tuột khỏi miệng rơi xuống, Goerge vội ngả người về phía trước và đinh ninh rằng chắc nó đã đốt một lỗ thủng trên áo hoặc trên đầu mình. Nhưng anh tìm mãi không thấy. Và cả điếu xì gà cũng mất tăm luôn. Thấy Goerge tìm kiếm cuống cuồng, Gracie đứng dậy nhìn khắp lượt xung quanh và phát hiện ra rằng điếu xì gà nằm trên quầy ở ngay sau ghế của Goerge. “Lạ thật” - Goerge thốt lên - “Làm thế quái nào mà nó lại rơi lên đó được nhỉ ?” Cứ như là nó đi xuyên qua đầu mình không bằng, nhưng lưỡi mình không bị bỏng và mình cũng chẳng thấy đầu có một lỗ mới nào”. Gracie xem đi xem lại đầu và miệng của Goerge, rồi cô cũng buộc phải khẳng định rằng lưỡi và đầu của anh hoàn toàn bình thường. Đúng lúc đó đồ uống được mang đến, Goerge và Gracie đành nhún vai ghi nhận chuyện điếu xì gà như là một trong số những bí ẩn nho nhỏ của cuộc đời. Nhưng sự kỳ lạ của quán Lượng tử không dừng lại ở đó.

Goerge nhìn vào ly nước đu đủ và thấy rằng những cục đá chuyển động lung tung, va chạm và nhau và va chạm vào thành cốc phát ra những tiếng lách cách không ngừng giống như những chiếc xe quá tải chen chúc trong một khu đất chật hẹp. Và lần này không chỉ có một mình Goerge gánh chịu. Gracie cầm lấy ly của mình - và cả hai người đều thấy rằng những cục đá trong ly của Gracie va đập còn dữ dội hơn, tới mức họ không sao phân biệt nổi từng cục đá nữa vì chúng tất cả đã nhèo nhoẹt vào nhau thành một mảng. Nhưng điều này vẫn chưa là gì so với những thứ diễn ra sau đó. Khi cả hai trố mắt ngạc nhiên nhìn chiếc ly lách cách loạn xạ của Gracie, họ bỗng thấy có một cục đá đi qua thành ly ra bên ngoài và rơi xuống bàn. Họ nhấc cục đá lên xem thì thấy nó vẫn nguyên vẹn, không biết nó đã xuyên qua thành thủy tinh rắn bằng cách nào mà không hề bị hư hại gì. “Chắc đây chỉ là hoang tưởng, hậu quả của chuyến đi dài ngày ra ngoài khoảng không của Vũ trụ đấy thôi” - Goerge nói. Cả hai người cố nén sự kích động do những cục đá chạy loạn xạ, họ uống cạn một hơi ly nước của mình vì ai nấy đều muốn về nhà càng nhanh càng tốt. Nhưng cả Goerge lẫn Gracie đều không nhận thấy rằng, do vội vã họ đã lầm chiếc cửa giả là cửa ra vào, nhưng họ vẫn đi được ra ngoài như thường. Tuy nhiên, do ông chủ của quán Lượng tử đã quá quen với cảnh khách hàng đi qua tường nên cũng chẳng bận tâm đến chuyện đó.

Một thế kỷ trước, trong khi Conrad và Freud soi rọi những chỗ khuất trong trái tim và tâm hồn của con người, thì nhà vật lý người Đức tên là Max Planck đã rọi tia sáng đầu tiên vào cơ học lượng tử, một lý thuyết có thể giải thích được tại sao những trải nghiệm của Goerge và Gracie trong quán Lượng tử khi đưa nó về thang vi mô, không có gì là bí ẩn cả. Những điều xa lạ và bí hiểm như thế thực ra vẫn diễn ra “hằng ngày” trong Vũ trụ chúng ta ở những thang rất nhỏ.

Khuôn khổ lượng tử

Cơ học lượng tử là một khuôn khổ khái niệm dùng để tìm hiểu những tính chất vi mô của Vũ trụ. Cũng như thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng đòi hỏi phải có những thay đổi triệt để trong thế giới quan của chúng ta khi các vật chuyển động nhanh hoặc khi chúng có khối lượng rất lớn, cơ học lượng tử cho thấy rằng Vũ trụ cũng có những tính chất như thế, nếu không muốn nói là hơn, khi ta xem xét nó ở các thang khoảng cách của nguyên tử và dưới nguyên tử. Năm 1965, Richard Feynman, một trong số những người tiên phong vĩ đại nhất của cơ học lượng tử đã viết:

Có một thời báo chí nói rằng chỉ có khoảng một chục người là hiểu được thuyết tương đối, riêng tôi, thì tôi không tin là đã có một thời như vậy. Có thể là có một thời mà chỉ có một người hiểu được nó, vì chính ông là người đã lĩnh hội được trước khi viết ra bài báo công bố nó. Nhưng sau đó, người ta đọc bài báo và nhiều người hiểu được lý thuyết tương đối theo cách này hoặc cách khác và chắc chắn là nhiều hơn con số một chục. Trái lại, tôi nghĩ, tôi có thể nói một cách chắc chắn rằng không có một ai có thể hiểu được cơ học lượng tử [1] (Trang 149)

Mặc dù Feynman phát biểu ý kiến này của mình hơn ba chục năm trước, nhưng nó vẫn còn đúng cho tới tận hôm nay. Điều mà ông muốn nói có nghĩa là, mặc dù thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng đòi hỏi phải xem xét lại một cách căn bản những cách nhìn trước đây về thế giới, nhưng một khi người ta đã chấp nhận những nguyên lý cơ bản của hai lý thuyết đó, thì những hệ quả mới và trái với trực giác về không gian và thời gian được suy ra trực tiếp từ những lập luận lôgic. Nếu như bạn suy ngẫm một cách kỹ càng những điều đã được trình bày trong hai chương trước, bạn sẽ chấp nhận - dù chỉ trong giây lát - sự không tránh khỏi dẫn đến những kết luận như vậy. Nhưng với cơ học lượng tử thì lại khác. Vào khoảng năm 1928, rất nhiều những công thức và quy tắc của cơ học lượng tử đã được sắp xếp một cách hệ thống và từ đó chúng đã được sử dụng để đưa ra rất nhiều tiên đoán bằng số chính xác và thành công nhất trong lịch sử khoa học. Tuy nhiên, trên thực tế, những ai đã từng sử dụng cơ học lượng tử đều tự thấy rằng mình làm theo những quy tắc và những công thức do các “vị cha đẻ” ra cơ học lượng tử sáng lập ra, với những thủ tục tính toán không mấy khó thực hiện, nhưng thực sự không hiểu tại sao những thủ tục đó lại đưa đến những kết quả mỹ mãn như vậy và chúng có ý nghĩa gì. Không giống như thuyết tương đối, đối với cơ học lượng tử, chỉ một số rất ít người, nếu không muốn nói là không có ai, là nắm được “cái hồn” của nó .

Từ kết luận đó, chúng ta rút ra được điều gì? Phải chăng điều này có nghĩa là ở cấp độ vi mô, Vũ trụ vận hành một cách mù mờ và xa lạ tới mức trí tuệ con người, một trí tuệ đã được tiến hóa từ nhiều thế kỷ, đã chinh phục được nhiều hiện tượng diễn ra ở thang quen thuộc hằng ngày lại không thể lĩnh hội được đầy đủ “những cái thực sự đang diễn ra”? Hay liệu có thể là, do sự ngẫu nhiên của lịch sử, các nhà vật lý đã xây dựng được một hình thức luận còn cực kỳ vụng dại của cơ học lượng tử, khiến cho, mặc dù nó đã rất thành công về phương diện định lượng, nhưng lại làm lu mờ đi cái bản chất đích thực của thực tại? Điều này thì hiện chưa ai biết được. Có thể một ngày nào đấy trong tương lai, một người thông minh nào đó sẽ nhìn ra một hình thức luận mới có khả năng làm phát lộ đầy đủ những “cái tại sao” và “cái gì” trong cơ học lượng tử cũng nên. Có thể như vậy... và cũng có thể không. Điều duy nhất mà chúng ta biết chắc chắn, đó là cơ học lượng tử đã chứng tỏ một cách tường minh rằng nhiều khái niệm cơ bản có tầm quan trọng hàng đầu đối với việc tìm hiểu thế giới quen thuộc hằng ngày của chúng ta sẽ không còn ý nghĩa nữa khi bước vào địa hạt vi mô. Kết quả là, chúng ta phải thay đổi đáng kể cả ngôn ngữ cũng như lối suy luận của chúng ta khi định tìm hiểu và giải thích Vũ trụ ở các thang nguyên tử và dưới nguyên tử.

Trong các mục sau, chúng ta sẽ phát triển những cơ sở của ngôn ngữ này và mô tả một số hệ quả rất bất ngờ được suy ra từ đó. Nếu như dọc đường mà bạn cảm thấy cơ học lượng tử quá bí hiểm, thậm chí nực cười, thì bạn hãy ghi nhớ trong đầu hai điều sau. Thứ nhất, ngoài sự thực nó là một lý thuyết toán học hết sức nhất quán ra, lý do duy nhất khiến chúng ta tin tưởng vào cơ học lượng tử là bởi vì nó cho những tiên đoán đã được kiểm chứng tới độ chính xác đáng ngạc nhiên. Nếu có ai đó có thể nói chính xác với bạn rất nhiều chi tiết thầm kín về thuở ấu thơ của bạn, thì bạn khó có thể không tin khi người đó tuyên bố rằng ông (hoặc bà) ta là người họ hàng lưu lạc đã lâu của bạn. Thứ hai, bạn không hề đơn độc khi có những phản ứng như thế đối với cơ học lượng tử. Ngay cả những nhà vật lý vĩ đại nhất của mọi thời đại cũng có cảm nhận như vậy, chỉ có điều ở mức độ lớn hay nhỏ hơn mà thôi. Einstein đã hoàn toàn không chấp nhận cơ học lượng tử. Và thậm chí cả Niels Bohr, một trong những người tiên phong chủ chốt của lý thuyết lượng tử và là người bảo vệ nó một cách cuồng nhiệt nhất, cũng đã có lần thốt lên rằng, nếu đôi khi bạn không cảm thấy choáng váng khi nghĩ về cơ học lượng tử, thì có nghĩa là bạn chưa thực sự hiểu nó.

[1] Richard Feynman, The Character of Physical Law (Cambridge Mass: MIT Press, 1995)