(Nguồn: trithucvn.org)

Giải Nobel Vật lý 2022 vinh danh 3 nhà khoa học tiên phong chứng minh sự tồn tại của hiệu ứng vướng lượng tử. Nó cũng khẳng định sự tồn tại một vật chất bí ẩn có tốc độ tức thời hoặc nhanh hơn vận tốc ánh sáng hàng vạn lần, trong một không gian vật chất nào đó mà con người chưa biết đến.

Như tin đã đưa, ngày 4/10/2022, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã trao Giải Nobel Vật lý năm 2022 cho 3 nhà khoa học Alain Aspect, John F. Clauser và Anton Zeilinger.

Các công trình của ba nhà khoa học này, được thực hiện độc lập với nhau, đã chứng tỏ rằng hiệu ứng vướng lượng tử (quantum entanglement) hay còn gọi là vướng lượng tử hoặc vướng lượng tử – một trong những hiệu ứng  kỳ dị nhất trong vật lý lượng tử – thực sự tồn tại chứ không hề quái dị như Einstein từng đề cập. Hơn thế nữa, những thực nghiệm tiên phong này đã đặt nền móng để mở ra một kỷ nguyên mới của công nghệ lượng tử như máy tính lượng tử, mật mã lượng tử, viễn tải lượng tử.

Vướng lượng tử là gì?

Vướng lượng tử là một hiệu ứng kỳ lạ trong Cơ học lượng tử trong đó trạng thái của hai hay nhiều vật thể có liên hệ tức thời với nhau bất kể khoảng cách giữa chúng xa đến đâu.

 Ví dụ, có thể tạo ra 1 cặp điện tử gọi là vướng lượng tử với nhau sao cho tại một thời điểm cụ thể nếu quan sát thấy spin (momen động lượng) của điện tử thứ nhất quay xuống dưới, thì ngay lập tức biết spin của điện tử kia sẽ chắc chắn quay lên trên, hoặc ngược lại. Hoặc có thể tạo ra một 1 photon ánh sáng vướng với nhau sao cho nếu quan sát thấy mặt phẳng phân cực (tức mặt phẳng dao động của véc tơ cường độ điện trường) của photon thứ nhất theo phương ngang thì ngay lập tức biết được rằng mặt phẳng phân cực của photon kia sẽ theo phương thẳng đứng. Một lưu ý quan trọng là cơ học lượng tử không tiên đoán (biết trước) được kết quả phép đo trên hạt thứ nhất (ta không biết được trạng thái lượng tử của hạt thứ nhất khi thực hiện phép đo là spin quay lên trên hay spin quay xuống dưới).

Điều này hàm ý khi ta thực hiện phép đo trên vật thể này thì ngay lập tức có ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái lượng tử trên vật thể kia, dù hai vật thể có khoảng cách xa đến mức nào. Nghĩa là tốc độ liên hệ thông tin giữa 2 vật thể vướng với nhau nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Việc này vi phạm thuyết tương đối hẹp vốn xác quyết vận tốc tối đa trong không gian là vận tốc ánh sáng.

Hiệu ứng lượng tử khiến một người thực hiện phép đo trạng thái lượng tử của một hạt sẽ ngay lập tức biết được trạng thái lượng tử của hạt bị vướng lượng tử còn lại, dù hai hạt có cách xa nhau đến mức nào (nguồn: nobelprize.org)

Thí nghiệm EPR của Einstein

Năm 1935, Einstein và hai đồng nghiệp là Boris Podolsky và Nathan Rosen đưa ra một thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng gọi là “thí nghiệm EPR” theo ba chữ cái đầu của tên ba người.

Theo Einstein, Podolsky và Rosen, nếu dựa trên cơ học lượng tử, có thể tách hai hạt trong cặp hạt bị vướng lượng tử ra xa nhau tùy ý nhưng cặp hạt này vẫn thể hiện tính chất như một thực thể thống nhất. Cụ thể, nếu phép đo xác định được vị trí của hạt thứ nhất thì hoàn toàn có thể biết được vị trí của hạt thứ hai. Điều tương tự cũng đúng với động lượng của mỗi hạt. Einstein, Podolsky và Rosen lập luận rằng không thể có một tác động nào (của phép đo) lên hạt thứ nhất lại có thể ngay lập tức ảnh hưởng đến hạt thứ hai, vì điều này có nghĩa là thông tin tác động có thể truyền nhanh hơn vận tốc ánh sáng và như vậy nó vi phạm thuyết tương đối hẹp.

Do đó, Einstein, Podolsky và Rosen đưa ra giả thuyết rằng vướng lượng tử chỉ có thể xảy ra nếu hạt thứ hai phải đồng thời chứa đựng sẵn thông tin xác định cả về vị trí và động lượng trước khi được đo, tuy nhiên điều này lại trái với hệ thức bất định Heinsenberg – một trong những hệ thức cơ bản và là nền tảng của cơ học lượng tử  – theo đó, chúng ta không thể đồng thời cùng lúc có được thông tin chính xác về vị trí và động lượng của một vi hạt. Do đó, Einstein, Podolsky và Rosen kết luận rằng cơ học lượng tử chưa hoàn chỉnh, còn hiện tượng vướng lượng tử của cơ học lượng tử bị Einstein gán cho tên gọi hiện tượng quái dị ở khoảng cách xa (spooky action at a distance) với hàm ý không thực sự tồn tại.

Dựa trên cơ sở của thí nghiệm tưởng tượng này, Einstein đã đi tới kết luận rằng: cơ học lượng tử không cho chúng ta một mô tả đầy đủ về thực tại. Einstein cho rằng dưới lớp vỏ bất định, lượng tử nhất định phải ẩn giấu một thực tại nội tại và tất định. Nghĩa là lượng tử là định xứ (locality) và hiện hữu (realism).

Theo ông, vận tốc và vị trí xác định quỹ đạo của hạt được định xứ trên hạt, độc lập với hành động quan sát. Ông tán thành với cái được gọi là “thực tại địa phương”. Theo Einstein, sở dĩ cơ học lượng tử không giải thích được quỹ đạo xác định của một hạt là bởi nó không tính tới các tham số phụ, gọi là các “biến số ẩn”. Do đó nó không đầy đủ.

Einstein, Podolsky và Rosen đưa ra giả thuyết rằng vướng lượng tử chỉ có thể xảy ra nếu các hạt đồng thời chứa đựng sẵn thông tin về nhau qua các biến số ẩn (hidden variables) mà cơ học lượng tử chưa biết đến (nguồn: nobelprize.org)

Bất đẳng thức Bell

Năm 1964, John Bell, một nhà vật lý làm việc tại CERN (Trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu) đã xây dựng một định lí toán học được biết dưới cái tên “bất đẳng thức Bell”, giúp có thể kiểm chứng bằng thực nghiệm có tồn tại các biến ẩn hay không. Định lí này cho phép biến một tranh luận siêu hình thành một thí nghiệm cụ thể.

Bell chứng minh vướng lượng tử tồn tại về lí thuyết, cơ học lượng tử là đầy đủ mà không cần đến biến số ẩn. Trọng tâm của bất đẳng thức Bell được xây dựng dựa trên lí thuyết biến số ẩn. Nếu bất đẳng thức đó mà đúng thì cơ học lượng tử là một lí thuyết không đầy đủ và các biến số ẩn thật sự tồn tại và ngược lại.

Thí nghiệm của John Clauser, Alain Aspect và Anton Zeilinger về vướng lượng tử

Bất đẳng thức Bell xác lập một mối quan hệ định lượng để có thể kiểm tra bằng thực nghiệm. Việc chứng minh bằng thực nghiệm không dễ dàng bởi hai khó khăn: tạo ra hệ vướng lượng tử và các lỗ hổng (loophole) mà biến số ẩn có thể xuất hiện.

Thay vì đo spin của các hạt vật chất, trong phần lớn các thí nghiệm, John Clauser, Alain Aspect và Anton Zeilinger nghiên cứu sự vướng lượng tử với phân cực của các photon bởi làm việc với các photon dễ dàng hơn làm việc với các điện tử.

Các nhà khoa học đặt các kính phân cực trước khi đến đầu đo. Nếu phương phân cực của photon song song với phương phân cực của kính thì photon đi qua và đầu đo thu được tín hiệu. Nếu phương phân cực của photon vuông góc với phương phân cực của kính thì photon không thể đi qua và đầu đo không thu được tín hiệu. Nếu phương phân cực của photon làm với với phương phân cực của kính một góc thì photon đi qua với một xác suất nào đó.

Năm 1972, Clauser làm thí nghiệm đầu tiên chứng minh sự tồn tại của vướng lượng tử giữa hai photon. Sáng tạo của Clauser là sử dụng các photon bị vướng lượng tử. Bằng cách bơm điện tử trong tinh thể đồng vị Calci Ca-40 (để giảm thiểu tương tác siêu tinh tế) lên trạng thái kích thích, thay vì điện tử dịch chuyển về trạng thái cơ bản và phát ra một photon thì ở đây điện tử dịch chuyển đến một trạng thái trung gian có thời gian sống rất ngắn và phát ra hai photon có bước sóng 551 nm và 422 nm. Quá trình dịch chuyển này được gọi là dịch chuyển theo đợt (cascade transition). Định luật bảo toàn năng lượng cho phép xác định bước sóng của photon, định luật bảo toàn động lượng cho phép xác định phương phân cực của chúng. Phương phân cực của các photon song song với nhau, đó là sự vướng lượng tử. Sự phân cực của photon này bị ảnh hưởng bởi sự phân cực của photon khác. Bằng cách đo độ phân cực của hai photon theo các góc, Clauser thu được các kết quả làm ông bị choáng bởi vì ông tin rằng lí luận của Einstein là đúng. Tuy nhiên không ai có thể cãi lại các kết quả từ các phép đo. Vướng lượng tử và phi định xứ là có thật. Einstein đã sai!

Mô hình thí nghiệm của John Clauser (nguồn: nobelprize.org)

Clauser dành nhiều thời gian phân tích xem liệu có những lỗ hổng hay sai sót (loophole) nào có thể đã bị bỏ qua trong thí nghiệm của ông. Một trong những khả năng có thể dẫn đến lỗ hổng nằm ở chỗ các dụng cụ trong phòng thí nghiệm có thể bằng cách nào đó làm lộ lọt thông tin cho nhau, dẫn đến kết quả đo trạng thái phân cực của mỗi photon cách xa trong từng cặp luôn tương quan với nhau (lỗ hổng định xứ).

Lỗ hổng định xứ đến năm 1992 đã được Alain Aspect giải quyết bằng cách liên tục cho đổi hướng phân cực của các photon sau khi chúng đã được tạo ra và rời khỏi nguồn sáng bằng cách cho chúng truyền qua hai bộ lọc ở hai phía đối diện được đặt cách nhau 6m và đổi hướng (switch) cứ sau mỗi 10ns (10 phần tỷ giây). Khoảng thời gian trên ít hơn nhiều so với khoảng thời gian cần thiết để tốc độ nhanh nhất của thông tin (tức tốc độ ánh sáng) có thể được truyền giữa hai bộ lọc cách nhau 6m (40 ns). Nói cách khác, với thí nghiệm này, thông tin từ các bộ lọc từ hai phía trên đường đi của cặp photon không thể kịp truyền cho nhau trong quá trình cặp photon này truyền đi, và Aspect đã loại bỏ được một lỗ hổng quan trọng trong thí nghiệm của Clauser. Kết quả thí nghiệm này một lần nữa chứng tỏ cơ học lượng tử đã đúng, vướng lượng tử thực sự tồn tại và lý thuyết biến ẩn đã sai.

Mô hình thí nghiệm của Alain Aspect (nguồn: nobelprize.org)

Tuy nhiên vẫn còn một số lỗ hổng khác trong thí nghiệm của Aspect. Ví dụ như hướng phân cực của các bộ lọc trong thí nghiệm của Aspect thay đổi một cách có quy luật và do đó, về mặt lý thuyết, các photon cũng như các bộ lọc trong thí nghiệm vẫn có thể “cảm nhận” được.

Năm 1997, Anton Zeilinger đã khép lại lỗ hổng này bằng một sơ đồ thí nghiệm trong đó cặp photon bị vướng lượng tử được tạo ra bằng cách chiếu tia laser lên một tinh thể, sau đó dùng các bộ số ngẫu nhiên để điều khiển quá trình đổi hướng của các bộ lọc. Thậm chí, trong một thí nghiệm khác, Zeilinger cùng cộng sự đã sử dụng tín hiệu từ những thiên hà xa xôi khác để điều khiển các bộ lọc và đảm bảo chắc chắn rằng các photon không thể nào tương tác với nhau được. Một lần nữa kết quả thí nghiệm của Zeilinger đã cho thấy cơ học lượng tử đã đúng, vướng lượng tử thực sự tồn tại.

Mô hình thí nghiệm của Anton Zeilinger (nguồn:www.nobelprize.org)

Những phát hiện khác về vướng lượng tử 

Trước khi giải Nobel Vật lý 2022 được trao cho 3 nhà khoa học tiên phong chứng minh sự tồn tại của hiệu ứng lượng tử, các nhà khoa học khác đã có nhiều phát hiện về hiệu ứng kỳ lạ này.

Năm 1998, nhà vật lý người Thụy Sĩ Nicolas Gisin và nhóm của ông tại Đại học Geneve đã có thí nghiệm chứng minh rằng các photon cách nhau hơn 10km vẫn tương liên với nhau một cách hoàn hảo nhờ vướng lượng tử.  Thí nghiệm này cho thấy việc “truyền tin tức” giữa 2 photon vướng có vận tốc tối thiểu gấp 10.000 lần tốc độ ánh sáng.

Năm 2003, các nhà khoa học ở Viện James Franck, khoa Vật lý của Đại học Chicago, Hoa Kỳ liên kết với một số cơ sở nghiên cứu khác, đứng đầu là nhà vật lý học nổi tiếng Thomas Rosenbaum đã có phát hiện rằng vướng lượng tử không chỉ tồn tại ở thế giới vi mô. Trong một số điều kiện nhất định, vướng lượng tử cũng tồn tại ở thế giới vĩ mô, với các vật thể có kích thước centimet.

Năm 2019, các nhà khoa học từ Đại học Glasgow, Scotland, sau nhiều năm làm việc miệt mài, cuối cùng đã thành công trong việc chụp được bức ảnh thực tế về sự vướng lượng tử đầu tiên trên thế giới.

Ảnh chụp thực tế từ máy ảnh (trái) và mô phỏng bằng toán học (phải) sự vướng lượng tử của 2 photon (ảnh: advances.sciencemag.org)

Kỳ lạ hơn nữa, Năm 2013, một nhóm các nhà vật lý tại Đại học Hebrew Jerusalem báo cáo rằng họ đã làm vướng thành công các photon không đồng thời tồn tại (được tạo ra tại hai thời điểm khác nhau). Nó cho thấy rằng những gì xảy ra trong quá khứ có thể ảnh hưởng đến tương lai và ngược lại, những gì xảy ra trong tương lai có thể ảnh hưởng đến quá khứ. Nghĩa là, thời gian cũng tồn tại vướng lượng tử.

Sự vướng lượng tử có xảy ra ở con người?

Ngày nay nhiều nhà khoa học cho rằng hiện tượng thần giao cách cảm là một biểu hiện của vướng lượng tử của con người. Điều này đặc biệt rõ ràng với các trường hợp sinh đôi cùng trứng. Các ghi chép cho thấy giữa các cặp sinh đôi cùng trứng, mối dây liên hệ về tư tưởng, suy nghĩ và thậm chí là hành động rất rõ ràng.

Hai người sinh đôi dù cách xa nhau hàng ngàn cây số vẫn có thể biết người kia đang nghĩ gì, nói gì, họ có thể mơ các giấc mơ có cùng một nội dung, khi người kia có vấn đề về sức khỏe, người còn lại cũng có tình trạng tương tự.

Tháng 8/2000, sau một vụ nổ bom khủng bố tại quảng trường Pushkin, Moscow (Nga), bệnh viện Sklifosovsky đã đón một nữ nạn nhân bị vô số vết bỏng trên người. Khi người chị sinh đôi đến thăm em, các nhân viên bệnh viện vô cùng sửng sốt nhận thấy trên cơ thể khỏe mạnh của cô cũng có những vết bỏng. Mặc dù không hề nghĩ đến hiện tượng này, người chị đã nhận một phần đau đớn từ em và các nhà khoa học cho rằng đây là một ví dụ về hiện tượng thần giao cách cảm.

Tiến sĩ Dean Radin, trong cuốn sách Tâm trí vướng  (Entangled Minds), ông cho rằng não của con người có vướng  lượng tử với nhau: một sự việc xảy ra ở não người này có thể dẫn đến những vướng  lượng tử ở não người khác, điều này dẫn đến những hiện tượng như thần giao cách cảm.

Cuốn sách Tâm trí vướng víu của Dean radin (nguồn: amazon.com)

Tồn tại không gian khác khoa học chưa biết đến? 

Những thực nghiệm tiên phong của Alain Aspect, John F. Clauser và Anton Zeilinger đã đặt nền móng để mở ra một kỷ nguyên mới của công nghệ lượng tử như máy tính lượng tử, mật mã lượng tử, viễn tải lượng tử.

Giải Nobel Vật lý 2022 cũng khẳng định sự tồn tại của một cơ chế liên lạc của một loại vật chất hay thông tin nào đó với tốc độ tức thời hoặc nhanh hơn tốc độ ánh sáng hàng vạn lần, trong một không gian vật chất khác nào đó mà con người chưa biết đến. Vậy không gian khác có thực sự tồn tại?

Các nhà khoa học ước tính, có đến gần 80% trong số những bệnh nhân bị cắt cụt chi trên thế giới có thể trải nghiệm hiện tượng đau chi cụt hay đau chi ma (Phantom Limb Pain – PLP) kỳ lạ: Những cá nhân đã mất một chi, một con mắt hay một chiếc răng vẫn tiếp tục nhận biết được các cảm giác khi tiếp xúc, nóng, lạnh, và đau nhức ở bộ phận cơ thể vật lý không còn tồn tại của họ.

Lý giải điều này, người ta cho rằng ở con người có tồn tại cơ thể vi mô được cấu thành từ các hạt hạ nguyên tử, có trình tự sắp xếp tương ứng với kích cỡ vật lý của cơ thể và tồn tại ở không gian khác, không thể nhìn được bằng cặp mắt thịt. Khi cơ thể chúng ta bị mất đi một bộ phận ở không gian tế bào này, bộ phận cơ thể vi mô ở không giác khác vẫn tồn tại. Và liệu có phải vì giữa các cơ thể ở không gian khác nhau có tồn tại vướng lượng tử, nên bộ não vẫn cảm nhận được cảm giác và sự đau đớn từ các cơ thể của không gian khác, điều này dẫn đến hiện tượng đau chi cụt mà y học vẫn thường xuyên tiếp xúc?

Hãy quay lại hiệu ứng vướng lượng tử, để 2 vật thể vướng lượng tử có thể thông tin một các tức thời về trạng thái của nhau, phải có một cơ chế nào đó cho phép chúng truyền thông tin một cách tức thời. Để truyền tin, chắc chắn cần có vật mang tin. Với khoa học hiện nay và không gian hiện hữu này của chúng ta, vật mang tin là các dòng electron, là sóng vô tuyến điện từ hay là các tín hiệu cáp quang. Các vật mang tin này đều là vật chất và có tốc độ không vượt qua được tốc độ ánh sáng.

Vậy, “vật” mang tin trong vướng lượng tử hẳn cũng phải là một loại vật chất nào đó có tốc độ nhanh hơn ánh sáng mà chúng ta chưa biến đến?

Nếu thuyết tương đối hẹp của Einstein khẳng định không có vật chất nào có tốc độ nhanh hơn ánh sáng trong không gian này, thì phải chăng vật chất có tốc độ nhanh hơn ánh sáng kia đang tồn tại ở một không gian vi quan khác mà khoa học chưa khám phá được?

Những điều này cùng với sự công nhận của vật lý học đối với hiệu ứng lượng tử chẳng phải khẳng định sự tồn tại của một loại vật chất bí ẩn có tốc độ trao đổi thông tin tức thời hoặc nhanh hơn ánh sáng hàng vạn lần ở một không gian khác mà con người chưa từng biết đến?

Tài liệu tham khảo:

How entanglement has become a powerful tool