Con mèo của Schrödinger và thí nghiệm nổi tiếng của cơ học lượng tử
Một trong những thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng nhất trong cơ học lượng tử là ” Con mèo của Schrödinger “, hay nhiều lúc còn được gọi là ” nghịch lý con mèo của Schrödinger “. Thí nghiệm này thế nào, nó có ý nghĩa gì và những hiểu nhầm nào cần làm rõ ? Chúng ta sẽ bàn luận về những việc đó trong bài này .
Lịch sử
Thuyết lượng tử của Max Planck ( 1858 – 1947 ) công bố vào năm 1901 đã mang tới một bước ngoặt mới cho không chỉ vật lý mà còn cho hàng loạt nhận thức của trái đất về thực chất của quốc tế tự nhiên. Từ triết lý này, đã dần hình thành nên một phân nhánh trọn vẹn mới của vật lý, một mũi nhọn của khoa học văn minh cho tới tận ngày này và hoàn toàn có thể còn nhiều thế kỷ nữa : cơ học lượng tử .
Nổi tiếng nhất trong những diễn đạt tổng quát về cơ học lượng tử và vẫn được vận dụng thoáng rộng thời nay là cách lý giải Copenhagen, được đề ra trong khoảng chừng từ năm 1925 tới năm 1927 bởi Niels Bohr ( 1885 – 1962 ) và Werner Heisenberg ( 1901 – 1976 ) ( hai nhà vật lý được coi là quan trọng nhất trong việc sáng lập ra cơ học lượng tử ) .
Một cách ngắn gọn thì theo cách lý giải Copenhagen, một hệ vật lý không phải chỉ có một trạng thái nhất định, mà luôn có sự chồng chéo trạng thái. Chẳng hạn, một hạt hoàn toàn có thể sống sót ở cùng lúc nhiều nơi ( nhiều vị trí ) hay có nhiều tốc độ cùng lúc. Tuy nhiên, khi bạn triển khai một phép đo, bạn chỉ thu được một hiệu quả duy nhất cho mỗi đặc tính vật lý đó. Nói cách khác, những tham số trạng thái là không hề sống sót trước khi chúng được đo. Việc này, hiển nhiên, có vẻ như vô lý. Tuy nhiên, những nhà vật lý giải thích rằng mỗi đặc tính vật lý của hạt không phải là cố định và thắt chặt và duy nhất mà phụ thuộc vào vào những Tỷ Lệ được diễn đạt bởi hàm sóng của chúng. Khi bạn triển khai phép đo, hàm sóng ” sụp đổ ” và đưa tới cho bạn một tác dụng duy nhất .
Albert Einstein ( 1879 – 1955 ) thì không chấp thuận đồng ý với việc này. Ông đưa ra tranh luận của mình trong một bài báo viết cùng hai đồng nghiệp là Boris Podolsky và Nathan Rosen vào năm 1935, thường được gọi là bài báo EPR. Lấy cảm hứng và ý tưởng sáng tạo từ bài báo đó, nhà vật lý Erwin Schrödinger ( 1887 – 1961 ) đã nêu ra một thí nghiệm tưởng tượng để tranh luận về đề tài này, mà thời nay vẫn được gọi là ” Con mèo của Schrödinger ” .
Chi tiết thí nghiệm
Thí nghiệm tưởng tượng của Schrödinger được miêu tả rằng giả sử có một hệ được phong cách thiết kế như sau : Trong một chiếc hộp kín có một con mèo còn sống. Có một mẩu chất phóng xạ ( ví dụ điển hình uranium ) mà sau khoảng chừng một giờ hoàn toàn có thể sẽ có một nguyên tử của nó bị phân rã ( nhưng cũng hoàn toàn có thể không ). Nếu có Open phân rã, nó sẽ tương tác và được ghi nhận bởi một máy đếm Geiger ( một loại thiết bị xác lập và đo bức xạ ion hóa ). Khi xác lập được phân rã, máy đếm sẽ kích hoạt cho một chiếc búa được treo trong hộp làm nó được thả xuống và đập vỡ một bình thủy tinh chứa hydrocyanic acid và chất độc đó sẽ giết chết con mèo .
Tóm lại, nếu mẩu uranium phân rã thì con mèo sẽ chết, còn nếu không thì con mèo vẫn sống ( xin quan tâm rằng đây là một thí nghiệm tưởng tượng, chưa từng có con mèo nào bị giết theo cách đó ). Vấn đề ở đây là : bạn không hề biết việc đó có xảy ra hay không nếu như không mở hộp ra. Khi hộp không được mở, con mèo nằm trong thực trạng chồng chất trạng thái của sống và chết, hay nói cách khác nếu hộp không được mở thì con mèo vừa sống lại vừa chết .
Giải thích và tranh luận
Theo cách giải thích Copenhagen, thì việc mở hộp để kiểm tra sẽ làm hàm sóng bị sụp đổ, và điều đó dẫn tới việc bạn quan sát được con mèo còn sống hay đã chết.
Tuy nhiên, Einstein và những người đồng quan điểm với ông thì thấy điều này là vô lý. Một điều rất rõ ràng theo lẽ thường là nếu phân rã xảy ra và con mèo chết, hoàn toàn có thể nó đã chết từ lâu trước khi mở hộp, có nghĩa là dù bạn mở ra hay không thì nó cũng đã chết .
Tất nhiên, hầu hết người đọc sẽ thấy rằng quan điểm của Einstein là hài hòa và hợp lý hơn. Tuy vậy, có rất nhiều bằng chứng thực nghiệm ở những hạt hạ nguyên tử đã chứng tỏ rằng thực sự là những hạt vi mô sống sót ở dạng chồng chất trạng thái và hàm sóng của chúng sụp đổ khi có tương tác từ bên ngoài .
Một cách lý giải khác cho thí nghiệm tưởng tượng này là cách lý giải đa quốc tế. Cách lý giải này tất yếu vẫn thừa nhận sự chồng chất trạng thái. Tuy nhiên, ngay cả khi mở hộp, con mèo vẫn liên tục ở trong thực trạng chồng chất giữa sống và chết. Có điều, khi người quan sát ( hoặc máy đo ) mở hộp để kiểm tra ( hoặc đo ), thì người quan sát ( hoặc máy đo ) sẽ bị ” trực tiếp ” ( hay vướng víu ) với con mèo, và tùy vào trực tiếp đó mà người quan sát ( hoặc máy đo ) đi vào ” quốc tế ” ( hay lịch sử dân tộc ) mà con mèo còn sống hoặc đã chết .
Cho tới nay, con mèo của Schrödinger vẫn còn gây nhiều tranh cãi. Dù vậy, có một trong thực tiễn là đã có nhiều thí nghiệm lượng tử chứng tỏ việc sống sót sự trực tiếp của những hạt, thậm chí còn ở những hệ lớn hơn ( những nhóm nhiều hạt thay vì một hạt đơn lẻ ), chứng tỏ cho việc sụp đổ của hàm sóng khi có sự can thiệp của phép đo. Tất nhiên, ở đầu cuối thì tự nhiên bộc lộ thế nào ở thang vi mô vẫn còn rất nhiều huyền bí cần thêm nhiều thời hạn để giải đáp .
Cần tránh hiểu nhầm
Có hai quan tâm quan trọng ở đây cần quan tâm để không phạm sai lầm đáng tiếc .
Thứ nhất, không hề có con mèo nào được đưa ra làm thí nghiệm cả. Vấn đề ở đây không chỉ là chuyện nhân đạo, mà còn nằm ở chỗ thí nghiệm này thực tiễn chưa thể triển khai với những vật thể lớn như vậy. Con mèo của Schrödinger chỉ là một cách ví von cho thân mật để diễn đạt một yếu tố được chăm sóc trong cơ học lượng tử .
Thứ hai, trong những tài liệu diễn đạt thí nghiệm này cũng như nhiều tài liệu khác về cơ học lượng tử, những tác giả sử dụng khái niệm ” người quan sát ” ( observer ). Cần hiểu rằng khái niệm này chỉ thuần túy ám chỉ một tương tác bất kể hoàn toàn có thể dẫn tới sự sụp đổ của hàm sóng và đưa hạt được đo vào một trạng thái duy nhất được xác lập. ” Người quan sát ” ở đây không hề đồng nghĩa tương quan với ” ý thức “. Vì thế những tài liệu, bài báo hay phát ngôn của 1 số ít nhà nghiên cứu triết học có hàm ý ( hay thậm chí còn nhiều lúc nói thẳng ) rằng sự can thiệp của ” người quan sát ” vào tác dụng đo nói lên mối đối sánh tương quan khác về vật chất và ý thức đều là vô căn cứ và làm sai lầm thực chất của miêu tả .
Tháng 9 năm 2020
Đặng Vũ Tuấn Sơn
