Vì sao Einstein nói: "Chúa không chơi trò xúc xắc"?

Một vũ trụ xác định hay đầy xác suất?

Trong vật lý cổ điển, nếu biết chính xác trạng thái ban đầu và các lực tác dụng, về nguyên tắc chúng ta có thể tính được hệ sẽ tiến hóa như thế nào.

Có thể hình dung:

Vật lý cổ điển: Điều kiện ban đầu → Kết quả xác định

Nhưng cơ học lượng tử lại mô tả thế giới vi mô bằng xác suất:

Cơ học lượng tử: Trạng thái lượng tử → Xác suất của các kết quả

Chính sự khác biệt này khiến Einstein không hài lòng.

Điều gì khiến Einstein phản đối?

Einstein không phủ nhận những thành công của cơ học lượng tử. Bản thân ông còn có những đóng góp nền tảng cho sự ra đời của lý thuyết lượng tử.

Điều ông nghi ngờ là:

Liệu xác suất có thực sự là bản chất cuối cùng của tự nhiên hay chỉ cho thấy lý thuyết của chúng ta chưa hoàn chỉnh?

Trong cơ học lượng tử:

• Không thể dự đoán chính xác thời điểm một hạt nhân phóng xạ cụ thể sẽ phân rã.
• Vị trí và động lượng không thể đồng thời có giá trị xác định tùy ý với độ chính xác không giới hạn.
• Một hệ lượng tử có thể tồn tại trong trạng thái chồng chập trước phép đo.

Einstein cho rằng đằng sau lớp xác suất ấy có thể còn tồn tại một tầng thực tại sâu hơn mà lý thuyết lượng tử chưa mô tả đầy đủ. Britannica mô tả câu nói năm 1926 của ông chính là sự phản ứng trước cách diễn giải xác suất của Max Born.

Einstein và "biến ẩn"

Một khả năng được đặt ra là tồn tại những thông tin mà cơ học lượng tử chưa biết tới, thường được gọi là biến ẩn (hidden variables).

Hãy tưởng tượng bạn tung một đồng xu.

Kết quả có vẻ ngẫu nhiên, nhưng nếu biết chính xác:

• Lực ném.
• Tốc độ quay.
• Góc ném.
• Sức cản không khí.
• Độ cao.

thì về nguyên tắc vật lý cổ điển có thể xác định kết quả.

Einstein hy vọng sự ngẫu nhiên lượng tử cũng có thể giống như vậy: chúng ta thấy xác suất chỉ vì còn thiếu một phần thông tin về thực tại.

Nghịch lý EPR

Năm 1935, Einstein cùng Boris Podolsky và Nathan Rosen đưa ra lập luận nổi tiếng ngày nay gọi là nghịch lý EPR.

Họ xem xét hai hạt có trạng thái lượng tử liên hệ chặt chẽ với nhau.

Sau này hiện tượng này được gọi là:

Vướng víu lượng tử (Quantum Entanglement)

Các tương quan lượng tử mạnh đến mức Einstein cảm thấy cơ học lượng tử đang thiếu một phần của bức tranh về thực tại. Cuộc tranh luận này trở thành một trong những câu hỏi nền tảng nhất của vật lý thế kỷ XX.

Bell biến cuộc tranh luận triết học thành thí nghiệm

Bước ngoặt xuất hiện vào thập niên 1960.

Nhà vật lý John Stewart Bell nhận ra rằng cuộc tranh luận về biến ẩn không nhất thiết chỉ nằm trong triết học.

Ông xây dựng bất đẳng thức Bell.

Ý tưởng cốt lõi là:

Nếu kết quả phép đo được quyết định trước bởi các biến ẩn cục bộ, các tương quan giữa những hạt vướng víu phải nằm dưới một giới hạn nhất định.

Nhưng cơ học lượng tử dự đoán:

Giới hạn đó có thể bị vi phạm.

Lần đầu tiên, một câu hỏi về bản chất của thực tại trở thành thứ có thể kiểm tra bằng thí nghiệm.

Thí nghiệm cho thấy điều gì?

John Clauser thực hiện các thí nghiệm Bell và quan sát sự vi phạm bất đẳng thức. Alain Aspect sau đó phát triển các thiết lập tinh vi hơn để khép lại một số kẽ hở quan trọng. Anton Zeilinger tiếp tục phát triển các thí nghiệm vướng víu và công nghệ thông tin lượng tử.

Kết quả của nhiều thí nghiệm phù hợp với dự đoán của cơ học lượng tử:

Tự nhiên vi phạm bất đẳng thức Bell.

Điều này có một hệ quả rất sâu sắc:

Không thể thay thế cơ học lượng tử bằng một lý thuyết biến ẩn cục bộ đơn giản mà vẫn giữ nguyên các dự đoán quan sát được.

Ba nhà khoa học Alain Aspect, John Clauser và Anton Zeilinger được trao Nobel Vật lý 2022 cho các thí nghiệm với photon vướng víu, xác lập sự vi phạm bất đẳng thức Bell và mở đường cho khoa học thông tin lượng tử.

Vậy Einstein đã sai?

Câu trả lời thú vị hơn một chữ "sai".

Các thí nghiệm Bell cho thấy kiểu thực tại cục bộ và có giá trị được xác định sẵn mà Einstein mong muốn không thể giải thích tất cả các kết quả lượng tử.

Nhưng Bell không chứng minh rằng:

"Mọi dạng biến ẩn đều không tồn tại."

Và các thí nghiệm cũng không quyết định duy nhất cách chúng ta phải diễn giải cơ học lượng tử.

Ngày nay vẫn tồn tại nhiều cách diễn giải khác nhau về lý thuyết lượng tử.

Điều mà thực nghiệm đã xác lập rất mạnh là:

Thế giới lượng tử không thể được giải thích bằng trực giác cổ điển đơn giản về các thuộc tính cục bộ được định sẵn.

Điều trớ trêu trong sự hoài nghi của Einstein

Einstein không chiến thắng cuộc tranh luận theo cách ông mong muốn.

Nhưng chính sự phản đối của ông lại trở nên cực kỳ quan trọng.

Chuỗi câu hỏi:

Einstein → EPR → Bell → Clauser → Aspect → Zeilinger

đã biến một cuộc tranh luận về triết học của vật lý thành những phép đo thực nghiệm và cuối cùng góp phần khai sinh cả một lĩnh vực mới: khoa học thông tin lượng tử.

Kết luận

🎲 Khi Einstein nói "Chúa không chơi trò xúc xắc", ông không đơn giản phủ nhận cơ học lượng tử. Ông đặt câu hỏi liệu xác suất mà lý thuyết mô tả có phải bản chất cuối cùng của tự nhiên hay chỉ là dấu hiệu cho thấy chúng ta còn thiếu một tầng thực tại sâu hơn.

Gần một thế kỷ thí nghiệm sau đó cho thấy tự nhiên kỳ lạ hơn trực giác cổ điển của Einstein rất nhiều. Các tương quan lượng tử thực sự vi phạm những giới hạn mà các mô hình biến ẩn cục bộ phải tuân theo.

Có lẽ di sản quan trọng nhất của câu nói này không nằm ở chuyện Einstein hay Bohr "thắng".

Nó nằm ở việc một câu hỏi tưởng như thuần triết học cuối cùng đã trở thành một trong những thí nghiệm sâu sắc nhất mà con người từng thực hiện để khám phá bản chất của thực tại.