Một thế kỷ tranh luận về cơ học lượng tử và bản chất thực tại

Cơ học lượng tử là lý thuyết đã được kiểm chứng với độ chính xác cao và làm nền tảng cho nhiều ứng dụng công nghệ như transistor, laser, chụp cộng hưởng từ và công nghệ máy tính lượng tử đang nổi lên. Tuy nhiên, mặc dù các phương trình mô tả vật lý lượng tử cho ra kết quả chính xác, tranh luận về ý nghĩa vật lý đằng sau chúng vẫn tiếp diễn gần một trăm năm sau khi cơ học lượng tử ra đời.

Các phương trình nền tảng vận hành hiệu quả, nhưng câu hỏi được đặt ra là cơ học lượng tử thực sự nói gì về bản chất của thực tại? Những cách hiểu khác nhau về lý thuyết này khiến các nhà vật lý và triết học khoa học có quan điểm khác biệt sâu sắc về tồn tại và sự kiện khi quan sát xảy ra.

Hàm sóng, ký hiệu Ψ, là đối tượng toán học trung tâm của cơ học lượng tử. Nó không phải là sóng vật lý trong không gian như sóng nước mà là hàm toán học chứa đựng toàn bộ thông tin về trạng thái của hệ lượng tử. Từ hàm sóng, người ta tính được xác suất thu được các kết quả thực nghiệm khác nhau theo quy tắc Born, với xác suất được tính bằng bình phương mô-đun của hàm sóng (|Ψ|²).

Khái niệm then chốt khác là hiện tượng chồng chập lượng tử, trong đó một hệ lượng tử có thể đồng thời tồn tại trong nhiều trạng thái khả dĩ. Điều này có nghĩa rằng trước khi đo, hệ không sở hữu một đặc tính duy nhất rõ ràng. Ví dụ, hàm sóng của một electron có thể mô tả nó ở nhiều vị trí hoặc trạng thái cùng lúc, mặc dù đo đạc chỉ cho ra một kết quả duy nhất.

Tiến trình thời gian của hàm sóng được điều khiển bởi phương trình Schrödinger, một phương trình hoàn toàn xác định và có thể dự đoán chính xác tương lai của hệ nếu trạng thái ban đầu rõ. Tuy nhiên, vấn đề phát sinh khi đo đạc: kết quả quan sát được chỉ là một trong số các khả năng và dường như ngẫu nhiên. Câu hỏi cốt lõi là làm sao từ sự chồng chập khả năng lại hiện ra một kết quả đặc thù, được gọi là vấn đề đo lường.

Vào những năm 1920, các nhà sáng lập cơ học lượng tử đã giải thích thành công nhiều hiện tượng mà vật lý cổ điển không thể. Nhưng họ nhận ra các khái niệm truyền thống như quỹ đạo, nhân quả, và hiện thực khách quan không còn phù hợp dễ dàng với công thức mới. Từ đó, tranh luận về ý nghĩa vật lý của các tính toán bắt đầu trở thành trung tâm.

Diễn giải này còn bao gồm nguyên lý bổ sung của Bohr, theo đó các đại lượng vật lý như vị trí và động lượng không thể quan sát đồng thời với độ chính xác tuyệt đối, dù cả hai cần thiết để mô tả trọn vẹn hiện tượng lượng tử. Một trong những vấn đề nổi bật của nó là sự kiện sụp đổ hàm sóng không xuất hiện trong phương trình Schrödinger, tạo ra hai dạng tiến hóa khác nhau: một dạng liên tục, xác định và hồi qui được; một dạng đo lường với xác suất và dường như không thể đảo ngược.

Giới thiệu từ năm 1927 đến 1952, trường phái De Broglie-Bohm hoặc thuyết sóng hướng dẫn đưa ra một mô hình hoàn toàn xác định. Ở đây, các hạt luôn có vị trí và quỹ đạo rõ ràng. Hàm sóng tồn tại như sóng điều khiển chuyển động hạt qua một phương trình bổ sung.

Chồng chập chỉ xuất hiện trong hàm sóng, không phải trong thực tại vật lý của hạt. Sự ngẫu nhiên chỉ do thiếu hiểu biết về tất cả biến số trong hệ. Nếu biết đầy đủ điều kiện ban đầu, tương lai có thể dự đoán chính xác. Tuy nhiên, diễn giải này yêu cầu chấp nhận tính phi địa phương, tức các hệ có thể có sự kết nối tức thời dù cách xa không gian. Mặc dù vậy, thuyết này vẫn đúng với mọi dự đoán thực nghiệm.

Được đề xuất năm 1957 bởi Hugh Everett, ý tưởng này nhằm giải quyết vấn đề đo lường bằng cách phủ nhận hiện tượng sụp đổ hàm sóng. Phương trình Schrödinger luôn áp dụng cho toàn bộ vũ trụ, và tất cả kết quả khả dĩ đều đồng thời xảy ra trong các nhánh khác nhau của đa vũ trụ.

Mỗi phép đo dẫn đến sự phân nhánh thành nhiều phiên bản thực tại song song. Người quan sát chỉ trải nghiệm nhánh của mình trong khi các nhánh còn lại tách biệt và không thể tiếp cận. Những mô hình hiện đại dùng hiện tượng decoherence lượng tử để giải thích vì sao các nhánh không tương tác và vận hành như các thế giới độc lập.

Hạn chế ontological của cách hiểu này là phải chấp nhận sự tồn tại của vô số thế giới song song không thể quan sát trực tiếp.

Decoherence lượng tử, phát triển từ những năm 1970 trở đi, giúp giải thích sự chuyển tiếp giữa thế giới lượng tử và cổ điển thông qua mất đi khả năng can thiệp giữa các thành phần chồng chập khi tương tác với môi trường. Tuy nhiên, quá trình này không đồng nghĩa với việc xác định một kết quả duy nhất cụ thể được chọn lựa.

Các thuyết sụp đổ khách quan nổi lên từ cuối thập niên 1970 và 1980 cố gắng bổ sung trực tiếp cơ học lượng tử bằng cách cho phép hàm sóng tự động sụp đổ mà không cần quan sát viên hay đo lường. Mô hình tiêu biểu là Ghirardi-Rimini-Weber (GRW). Những sụp đổ này cực kỳ hiếm với từng hạt riêng lẻ nhưng trở nên phổ biến ở quy mô vĩ mô, giúp giải thích tại sao vật thể lớn không biểu hiện trạng thái chồng chập. Thuyết này giới thiệu quy luật mới nhưng vẫn chưa có chứng cứ thực nghiệm.

Diễn giải lịch sử nhất quán định nghĩa thực tại qua một tập hợp các câu chuyện khả dĩ, mỗi câu chuyện là chuỗi sự kiện có xác suất nhất định và phải thỏa mãn điều kiện toán học chặt chẽ. Mặc dù cung cấp khung phân tích đẹp mắt, diễn giải này kém trực quan và khó xây dựng hình ảnh hiện thực rõ ràng.

Diễn giải tương quan của Carlo Rovelli (1994) đề xuất rằng các tính chất vật lý không mang tính tuyệt đối mà chỉ tồn tại tương đối với các hệ tương tác với nhau. Nó tạo thành mạng lưới các quan hệ vật lý thay vì các vật thể với tính chất cố định. Mô hình này giải quyết nhiều vấn đề về vai trò của người quan sát và đo lường nhưng đồng thời thay đổi sâu sắc quan niệm truyền thống về thực tại khách quan.

QBism, ra đời những năm 2000, nhìn nhận hàm sóng như biểu hiện cho sự kỳ vọng của một tác nhân hợp lý về kết quả trải nghiệm trong tương lai thay vì là phần mô tả hiện thực khách quan. Xác suất được xem là chủ quan, dựa trên tính toán bayesian, và phép đo cung cấp thông tin mới để cập nhật niềm tin. QBism không phủ nhận thực tại bên ngoài nhưng cho rằng hàm sóng không phải là mô tả khách quan của thực tại đó.

Các phương pháp giải thích cơ học lượng tử, dù đều thành công trong dự đoán thí nghiệm, lại thể hiện các quan điểm trái ngược về bản chất thực tại và vai trò của quá trình đo lường. Một số chấp nhận tính ngẫu nhiên nền tảng, số khác tìm kiếm sự xác định tuyệt đối. Một số cần chấp nhận đa thế giới song song, số khác dựa vào mạng lưới mối quan hệ tương đối.

Các tranh luận này không chỉ thuộc về vật lý mà còn mang tính triết học sâu sắc, phản ánh sự căng thẳng giữa thực nghiệm và lý thuyết, giữa toán học và hiện thực. Sự đa dạng trong cách giải thích hứa hẹn giúp vật lý lượng tử tiếp tục phát triển, làm sâu sắc hiểu biết của nhân loại về vũ trụ và thực tại.

Bài viết được biên tập với sự hỗ trợ của công cụ trí tuệ nhân tạo (AI), tổng hợp từ các nguồn tin dẫn bên dưới và đã qua kiểm duyệt của toà soạn Quang Minh Việt Nam.