Một thí nghiệm tư duy từ năm 2018 tiếp tục gây ra những cuộc thảo luận sôi nổi trong cộng đồng vật lý, thách thức những giả định cơ bản của chúng ta về cơ học lượng tử và bản thân thực tại. Bài báo của Daniela Frauchiger và Renato Renner từ Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ Zurich đã trình bày một nghịch lý buộc các nhà khoa học phải đặt câu hỏi liệu hiểu biết hiện tại của chúng ta về đo lường lượng tử có bị sai lầm cơ bản hay không.
Thí nghiệm bao gồm một thiết lập phức tạp trong đó các quan sát viên khác nhau thực hiện đo lường trên các hệ thống lượng tử, dẫn đến những kết luận mâu thuẫn về thực tại. Đây không chỉ là việc cắt tóc học thuật - nó chạm đến những câu hỏi cốt lõi về cách cơ học lượng tử hoạt động và những gì nó cho chúng ta biết về bản chất của vũ trụ.
Vấn đề Triển khai
Một trong những chỉ trích quan trọng nhất tập trung vào cách thí nghiệm thực sự được thực hiện trong thực tế. Các cuộc thảo luận cộng đồng tiết lộ rằng việc triển khai các phép đo cần thiết có thể yêu cầu tua ngược các mô phỏng lượng tử về các trạng thái trước đó, về cơ bản là hoàn tác quá trình suy luận mà các tác nhân lượng tử đã thực hiện. Điều này tạo ra một tình huống trong đó các tác nhân bị buộc phải đưa ra kết luận dựa trên những tiền đề không còn đúng nữa.
Hạn chế kỹ thuật này cho thấy rằng nghịch lý có thể liên quan nhiều hơn đến sự bất khả thi thực tế của một số phép đo thay vì những sai sót cơ bản trong lý thuyết lượng tử. Quá trình tua ngược sẽ ảnh hưởng đến cả hệ thống cổ điển và lượng tử một cách tương tự, khiến nghịch lý trở nên ít độc đáo đối với cơ học lượng tử hơn so với suy nghĩ ban đầu.
Đặt câu hỏi về các Giả định Cơ bản
Nghịch lý thách thức ba giả định chính mà hầu hết các nhà vật lý coi là đương nhiên. Thứ nhất, cơ học lượng tử có thể được sử dụng để phân tích các hệ thống phức tạp bao gồm cả các quan sát viên khác. Thứ hai, các tác nhân khác nhau sử dụng lý thuyết lượng tử nên đạt được những dự đoán nhất quán. Thứ ba, kết quả đo lường nên đưa ra câu trả lời xác định về thực tại.
Tuy nhiên, các nhà phê bình chỉ ra rằng cơ học lượng tử vốn dĩ mang tính xác suất. Nếu tất cả các phép đo đều cho ra xác suất thay vì sự chắc chắn, thì việc mong đợi sự nhất quán hoàn hảo giữa các quan sát viên khác nhau có thể là không thực tế ngay từ đầu. Khái niệm chồng chất cho thấy rằng nhiều trạng thái có thể tồn tại đồng thời, điều này dường như mâu thuẫn hoàn toàn với giả định thứ ba.
Ba Giả Định Cốt Lõi Bị Thách Thức:
- Cơ học lượng tử có thể phân tích các hệ thống phức tạp bao gồm cả các tác nhân khác
- Các tác nhân khác nhau sử dụng lý thuyết lượng tử nên đưa ra những dự đoán nhất quán
- Kết quả đo lường cung cấp những sự thật xác định về thực tế
 |
|---|
| Infographic này minh họa các giả định chính của cơ học lượng tử bị thách thức bởi thí nghiệm tư duy Frauchiger-Renner |
Vấn đề Tương tác Đo lường
Một hiểu biết quan trọng từ các cuộc thảo luận đang diễn ra tập trung vào bản chất của chính các phép đo lượng tử. Mọi phép đo đều yêu cầu tương tác giữa các hệ thống, và tương tác này chắc chắn ảnh hưởng đến cả thiết bị đo và hệ thống được đo. Nghịch lý dường như giả định các phép đo tự do không làm xáo trộn các hệ thống liên quan - điều có thể là bất khả thi về mặt vật lý.
Quan sát này cho thấy rằng nghịch lý tan biến khi chúng ta tính đúng các xáo trộn không thể tránh khỏi mà các phép đo thực tế tạo ra. Các phép đo mạnh làm sụp đổ các trạng thái lượng tử, trong khi các phép đo yếu để lại các hệ thống trong các trạng thái xác suất vẫn nhất quán nội bộ.
Các loại đo lường lượng tử:
- Đo lường mạnh: Chắc chắn sẽ làm nhiễu loạn cả hai hệ thống, phá vỡ sự rối lượng tử
- Đo lường yếu: Để lại các hệ thống trong trạng thái xác suất nhưng nhất quán
- Không đo lường: Các hệ thống duy trì phân bố thống kê nhất quán nội bộ
Từ Vật lý đến Triết học
Cuộc tranh luận đã có một bước ngoặt thú vị, với một số quan sát viên lưu ý rằng nhiều cách giải thích mâu thuẫn của cùng một hiện tượng là phổ biến trong các lĩnh vực khác, đặc biệt là khoa học nhân văn. Quan điểm này cho thấy rằng cơ học lượng tử có thể không độc đáo trong những thách thức giải thích như các nhà vật lý thường giả định.
Nhiều cách giải thích mâu thuẫn của cùng một thứ được coi là hợp lệ ngay cả khi chúng dẫn đến những thứ đối lập được coi là đúng là bánh mì bơ của tôi. Vậy nên, xin lỗi cơ học lượng tử, tôi đoán bây giờ bạn là một phần của khoa học nhân văn.
Cuộc thảo luận cũng chạm đến những câu hỏi triết học sâu sắc hơn về bản chất của chính việc nghiên cứu khoa học. Một số người cho rằng vật lý hiện đại đã đi chệch khỏi gốc rễ thực nghiệm của nó bằng cách tập trung quá nhiều vào sự thật tối thượng thay vì chỉ đơn giản mô tả các hiện tượng có thể quan sát được bằng toán học.
 |
|---|
| Hình ảnh này thể hiện trực quan khái niệm bẻ cong thực tại, một ẩn dụ cho những thách thức diễn giải trong việc hiểu cơ học lượng tử |
Tác động Lâu dài
Sáu năm sau khi xuất bản, thí nghiệm tư duy này tiếp tục tạo ra thảo luận và phân tích. Mặc dù nó có thể không cách mạng hóa hiểu biết của chúng ta về cơ học lượng tử, nhưng nó đã thành công trong việc buộc các nhà vật lý phải xem xét các giả định cơ bản của họ một cách cẩn thận hơn. Cuộc tranh luận đang diễn ra chứng minh giá trị của những thách thức lý thuyết trong việc thúc đẩy hiểu biết khoa học tiến về phía trước, ngay cả khi những tuyên bố ban đầu tỏ ra có vấn đề.
Nghịch lý này đóng vai trò như một lời nhắc nhở rằng cơ học lượng tử, bất chấp những thành công thực tế của nó, vẫn chứa đựng những câu đố khái niệm sâu sắc chống lại việc giải quyết dễ dàng. Liệu những câu đố này chỉ ra những sai sót cơ bản trong các lý thuyết của chúng ta hay chỉ đơn giản phản ánh sự kỳ lạ vốn có của thực tại lượng tử vẫn là một câu hỏi mở.
Tham khảo: New Quantum Paradox Clarifies Where Our Views of Reality Go Wrong