Bất định và xác định trong vật lý lượng tử

Published / by admin

Vật lý lượng tử đã xuất hiện từ hơn một thế kỷ nay, và cùng với thuyết tương đối đã làm đảo lộn hết mọi quan niệm về vật lý có từ trước đó. Rất nhiều các nhà vật lý đương thời không “nuốt nổi” vật lý lượng tự bởi tính “trái trực giác” của nó. Thế giới đang xác định bỗng biến thành bất định (nguyên lý Heisenberg). Ngay cả Einstein, người có nhiều công lao trong việc nghiên cứu các hiện tượng lượng tử, cũng phải thốt lên “God doesn’t play dice” vì không nhai nổi cách giải thích theo kiểu bất định, xác suất của món vật lý này. Bản thân tôi khi phải học món này nói chung cũng chẳng hiểu gì hết, thấy toàn như “sấm truyền”.

Thế nhưng, nguyên lý bất định (uncertainty principle) của vật lý lượng tử thực ra có mâu thuẫn với tính xác định (determinism) của vật lý cổ điển không?

Câu trả lời là: thực ra là không! Vật lý lượng tử hoàn toàn có thể được biểu diễn bằng mô hình deterministic!

Mấu chốt vấn đề nằm ở chỗ này:

Hãy hình dung một chiếc bánh xe quay rất nhanh, đến mức hàng nghìn vòng một giây. Chuyển động quay đó hoàn toàn là xác định. Đánh dấu một điểm trên chiếc bánh xe đó. Mắt bạn có thể xác định được điểm đó nằm ở đâu vào mỗi thời điểm trong lúc bánh xe quay được không? Câu trả lời là không. Vì mắt bạn không đủ nhạy.

Trong vật lý lượng tử cũng vậy thôi, các “bánh xe” ở đó là các sóng (và mọi thứ vật chất trên thế giới này đều có dạng “sóng” – đó là phát minh vĩ đại nhất của vật lý lượng tử – kể cả “hạt” cũng là  sóng bị dồn vào một không gian nhỏ thì nhìn thành như là “hạt”) quay với tốc độ không chỉ là một nghìn vòng một giây, mà là nghìn tỷ vòng một giây (như sóng ánh sáng – photon). Muốn đo được vị trí của cái gì đó thì phải có máy đo, và máy đo đó cũng phát … sóng để bắt lại tín hiệu mà đo, và độ nhạy của máy đo, do đó, cũng không bao giờ đủ lớn để mà bắt được chính xác vị trí của “điểm nằm trên vòng quay” (gọi là pha) của các sóng mà nó muốn đo, tương tự như mắt ta không thể đủ nhạy để nhìn xem điểm trên bánh xe nằm ở đâu khi nó quay nhanh. Chính vị vậy mà tạo ra sự “bất định”. Phải hiểu, bất định ở đây là bất định khi đo đạc, chứ bản thân hệ vẫn hoàn toàn xác định. Thế giới là xác định, chỉ có điều ta không thể đo nó chính xác, nên phải dùng đến các xác suất thôi. Chứ sóng vật chất là vật chất, không phải là xác suất.

Sau khi hiểu được chuyện này, thì các vấn đề như “quantum entanglement” trở nên đơn giản dễ hiểu :)

Về mặt toán học, tính bất xác định trong vật lý lượng tử dẫn đến sự phát triển của đại số và hình học không giao hoán. Vậy hình học không giao hoán là “bất định hay xác định”? Một điều thú vị là, các mô hình cơ bản nhất của hình học không giao hoán (ví dụ như các xuyến không giao hoán) xuất phát điểm là các xuyến bình thường (giao hoán) được “chia” cho các “phân lá” trên đó. Nói cách khác, xuất phát điểm vẫn là “định tính, giao hoán”, và trở thành “bất định, không giao hoán” cũng vì vấn đề đo đạc thôi :)

Có một số video trên youtube khá thú vị về thí nghiệm hoàn toàn định tính mà ra kết quả kiểu như giao thoa trong cơ lượng tử. (Nhưng mà tui quên mất link rồi, ai tò mò thì tra sẽ ra)

NTZ