Năm 1935, Erwin Schrödinger nghĩ ra con mèo trong hộp để chế giễu sự vô lý của cơ học lượng tử

Năm 1935, Erwin Schrödinger dựng lên một cỗ máy tử thần trong tâm tưởng: một con mèo, một lọ axit hydrocyanic và một nguồn phóng xạ nhỏ được nhốt cùng nhau bên trong chiếc hộp kín. Thiết bị được thiết lập sao cho nếu ống đếm Geiger ghi nhận bức xạ phóng xạ, nó sẽ kích hoạt rơ-le thả rơi chiếc búa đập vỡ lọ thuốc độc để giết chết con mèo. Lượng chất phóng xạ trong buồng thép nhỏ đến mức trong suốt một giờ đồng hồ, xác suất để một nguyên tử phân rã hay không phân rã là hoàn toàn ngang nhau. [1]

Theo các phương trình toán học lượng tử thời bấy giờ, hàm sóng mô tả toàn bộ hệ thống trong chiếc hộp kín là một trạng thái chồng chập kỳ lạ giữa hai khả năng đối nghịch: con mèo sống và con mèo chết. Schrödinger chỉ ra rằng hàm psi của cả hệ thống sẽ biểu thị điều này bằng việc chứa đựng cả con mèo đang sống lẫn con mèo đã chết, trộn lẫn với nhau theo tỷ lệ hoàn toàn ngang nhau. Trong thế giới toán học trên mặt giấy, sinh linh ấy bị buộc phải tồn tại trong trạng thái lơ lửng, vừa còn thở vừa đã tắt thở cùng một lúc. [1]

Bức thư thuốc súng của Einstein

Con mèo không bật ra từ khoảng không. Năm 1935, Schrödinger đang trao đổi với Einstein và tìm cách phản bác quan điểm triết học của Niels Bohr và Werner Heisenberg về cơ học lượng tử. Cùng năm ấy, Einstein, Boris Podolsky và Nathan Rosen đưa ra một thí nghiệm tư duy nhằm chứng minh cách diễn giải của Bohr là không thể chấp nhận. Einstein gọi mối liên hệ tức thời giữa các hạt cách xa nhau là «tác động ma quái từ xa», vì cho rằng nó vi phạm thuyết tương đối hẹp. [1][5]

Schrödinger đọc bài báo của ba người và suy ngẫm về mối tương quan lạ lùng giữa các hạt. Ông là người đặt cho nó cái tên «sự vướng víu» (entanglement). [5][1]

Mảnh ghép quan trọng nhất nằm trong thư từ giữa hai người. Einstein gợi ý rằng một thùng thuốc súng không ổn định, sau một thời gian, sẽ rơi vào trạng thái chồng chập giữa nổ và chưa nổ. Schrödinger giữ lấy ý đó và đi xa hơn. Ông tìm ra cách tạo trạng thái chồng chập ở một hệ vĩ mô: buộc hệ ấy vào một hạt lượng tử đang chồng chập. Thùng thuốc súng được thay bằng buồng thép, lọ độc và con mèo. [1]

Ông không tin con mèo vừa sống vừa chết là một khả năng nghiêm túc. Ông dùng phương pháp phản chứng để phơi bày sự phi lý trong cách nhìn cơ học lượng tử thời ấy. Ông cần một minh họa đủ cực đoan để chỉ ra rằng việc trì hoãn gán trạng thái xác định cho đến lúc đo đạc dẫn tới những hệ quả bị cấm đoán về mặt logic. [1][5]

Ông còn nhắm vào một thói quen tư duy cụ thể. Khi bất định của nguyên tử bị kéo ra thành bất định của một sinh vật, người ta khó còn ngây thơ chấp nhận một «mô hình mờ ảo» làm đại diện cho thực tại khách quan. Ông ví đó như khác biệt giữa một bức ảnh chụp mất nét và một bức ảnh chụp những đám mây, dải sương mù có thật. Nhưng Bohr và những người theo ông sẽ nhìn chiếc hộp thép kia ra sao, và họ định nói gì về con mèo bên trong? [1]

Căn phòng kín của trường phái Copenhagen

Mở nắp chiếc hộp thép ra, người ta chỉ thấy một con mèo đang thở hoặc một con mèo đã chết, chưa ai từng thấy con mèo vừa sống vừa chết. Trường phái Copenhagen chấp nhận điều đó và dừng lại ở đấy. Theo cách diễn giải của họ, phép đo chỉ dẫn tới một trạng thái duy nhất, còn lúc nắp hộp còn đóng thì họ không đưa ra lời giải thích nào cho số phận con mèo. Với Schrödinger, khoảng trống ấy chính là chỗ để đặt mũi tên châm biếm của ông. [1]

Niels Bohr có lý lẽ của riêng mình. Ông lập luận rằng electron và các vật thể lượng tử khác không có giá trị xác định nào cho tới khi người ta đo chúng. Đem lý lẽ ấy áp vào chiếc hộp, nhiều khả năng Bohr coi trạng thái con mèo trước khi mở nắp là bất định, và bản thân sự chồng chập không mang ý nghĩa vật lý nào đối với ông. Con mèo vừa sống vừa chết mà Schrödinger vẽ ra, trong mắt Bohr, chỉ là một cách nói về điều chưa được đo. [5][1]

Nhưng Bohr cũng chặn luôn lối hiểu ngược lại. Ông kiên quyết bác bỏ quan điểm cho rằng người quan sát tạo ra kết quả thực nghiệm. Theo ông, một khi điều kiện đã được thiết lập, người quan sát không thể chi phối các sự kiện xảy ra. Tính chất chưa xác định cho tới lúc đo, nhưng bàn tay người đo không nhào nặn được kết quả. [6]

Căn phòng kín ấy cũng không yên ổn như vẻ ngoài. Cụm từ «cách diễn giải Copenhagen» vốn là nhãn dán do những người phản đối nguyên lý bổ sung của Bohr đặt ra vào cuối những năm 1920. Chính Bohr lẫn Heisenberg chưa bao giờ dùng nó để gọi chung tư tưởng của mình. Hai người chưa từng hoàn toàn đồng thuận về cách hiểu hình thức toán học của cơ học lượng tử. Có lần Bohr còn chủ động giữ khoảng cách với quan điểm mà ông cho là mang tính chủ quan hơn của Heisenberg. [6]

Đứng ngoài cuộc tranh luận ấy, Schrödinger nhìn thứ lý thuyết mình góp tay xây nên ngày càng đi xa khỏi trực giác. Người ta kể rằng có lần ông than với một đồng nghiệp là mình lấy làm tiếc vì đã từng dính líu đến lý thuyết lượng tử. Lời than thở ấy nói về những hệ lụy kỳ quặc của cơ học lượng tử. Nhưng nếu phép đo là thứ duy nhất đưa con mèo về một trạng thái, các nhà vật lý vẫn phải trả lời xem điều gì thực sự xảy ra trong khoảnh khắc nắp hộp bật mở. [8]

Ý thức con người hay vũ trụ phân nhánh

Từ năm 1932, trước khi Schrödinger dựng con mèo của mình, John von Neumann đã nhìn ra một cái bẫy: mỗi thiết bị đo lại cần một thiết bị khác để đo nó, và chuỗi ấy kéo dài vô tận. Ông đưa ra giả thuyết rằng chuỗi nhân quả đó chỉ dừng lại khi có một người quan sát có ý thức. Khi con mèo nằm trong buồng thép, giả thuyết ấy đặt câu hỏi về số phận nó vào đúng khoảnh khắc có người nhìn vào. [1]

Eugene Wigner đi tiếp theo hướng đó. Ông khẳng định rằng phải có một người quan sát có ý thức thì hàm sóng mới sụp đổ về một kết quả xác định, mèo sống hoặc mèo chết. Rồi ông thêm vào một nhân vật: người bạn của Wigner, kẻ mở hộp nhìn con mèo. Nếu Wigner đứng bên ngoài căn phòng, thì từ góc nhìn ý thức của ông, người bạn kia sẽ bị cuốn vào chính hàm sóng ấy. Con mèo vừa thoát khỏi trạng thái chồng chập thì người nhìn nó lại bước vào. [1]

Năm 1957, Hugh Everett gỡ cả hai mối lo bằng một ý tưởng khác hẳn. Theo cách diễn giải đa thế giới của ông, không có gì sụp đổ cả. Sau khi mở hộp, cả trạng thái mèo sống lẫn mèo chết đều tiếp tục tồn tại, chỉ là chúng mất kết hợp với nhau và không còn can thiệp vào nhau. Người mở hộp cũng tách làm hai bản thể: một người nhìn thấy con mèo đang thở, một người nhìn thấy con mèo đã chết. [1]

Hai lối giải thích này nghe như chuyện của triết học, nhưng Max Tegmark muốn đưa chúng ra thử. Ông đề xuất giả thuyết cỗ máy tự sát lượng tử, một cách để tiếp cận thí nghiệm từ góc nhìn của chính con mèo. Mục đích của ông là phân biệt cách diễn giải Copenhagen với đa thế giới, hai trường phái vốn cho cùng những dự đoán khi người ngoài cuộc đứng quan sát. [1]

Trong lúc đó, Bohr chưa bao giờ thấy chỗ nào cho ý thức trong chiếc hộp. Ông nhấn mạnh rằng những quá trình không thể đảo ngược mới là thứ mang tính chất cổ điển đến cho phép đo. Về sau, phân tích thực nghiệm của Roger Carpenter và A. J. Anderson nghiêng về phía ông: riêng phép đo của một cỗ máy như ống đếm Geiger đã đủ làm hàm sóng sụp đổ, trước cả khi con người biết kết quả. Hóa ra con mèo không phải chờ ai mở nắp. Vậy cái gì trong thế giới thật đã xóa sạch trạng thái chồng chập nhanh đến thế? [1]

Màn sương mất kết hợp và lá chắn thép

Năm 1950, Einstein viết một bức thư nhắc đến Schrödinger và Laue như hai nhà vật lý hiếm hoi hiểu rằng không thể né giả định về một thực tại khách quan, tồn tại độc lập với việc có ai quan sát hay không. Trong thư ấy, Einstein tả hệ thống gồm nguyên tử phóng xạ, bộ khuếch đại, liều thuốc súng và con mèo là cách bác bỏ thanh lịch nhất đối với cách diễn giải lượng tử. [1]

Chi tiết thuốc súng làm người ta chú ý, vì thiết lập Schrödinger thực sự dựng lên dùng ống đếm Geiger và độc chất hydrocyanic. Trí nhớ của Einstein không sai hẳn: thùng thuốc súng chính là thứ ông đã gợi ý trong những bức thư gửi Schrödinger từ 15 năm trước. Điều đáng chú ý hơn là Schrödinger chưa bao giờ định làm thí nghiệm này trên một con vật thật. Con mèo chỉ là hình ảnh dễ hiểu về cách các nguyên tử cư xử. Và nếu có ai muốn thử, việc đưa một vật thể cỡ con mèo vào trạng thái chồng chập lượng tử sẽ vấp những rào cản kỹ thuật rất lớn. [1]

Vậy rào cản ấy là gì? Lời đáp đến từ lý thuyết mất kết hợp. Khi một vật thể tương tác và vướng víu với môi trường quanh nó, bản chất lượng tử ban đầu rò rỉ ra ngoài và tiêu tán dần vào xung quanh. Một con mèo bằng xương bằng thịt thì ấm áp và không ngừng cử động, nên mất kết hợp gần như ngay lập tức. Trạng thái chồng chập của nó chẳng kịp tồn tại đến lúc có ai mở nắp hộp, càng không cần đến ý thức của ai để xóa. [5]

Từ đó, kích thước thôi không còn là thước đo. Một vật thể có hành xử như vật lượng tử hay không tùy vào mức độ nó vướng víu với thế giới bên ngoài. [5]

Wojciech Zurek ở Phòng thí nghiệm Los Alamos từng nhận xét rằng Bohr đã áp tính chất «cổ điển» lên phép đo bằng một bàn tay chủ quan, mà không giải thích cơ chế nào. Giờ cơ chế đã có tên và có chỗ để tìm. Nếu độ lớn không quyết định gì, thì một vật thể to đến đâu vẫn có thể giữ được trạng thái chồng chập, miễn là ai đó chặn được môi trường lại? [8]

Nuôi những «chú mèo con» trong phòng thí nghiệm

Nếu một chiếc hộp đủ kín thì vật thể to đến đâu cũng giữ được trạng thái chồng chập, nên các nhà nghiên cứu bắt tay đi tìm những «mèo con của Schrödinger». Họ dùng cụm từ ấy để gọi các vật thể nằm giữa thang nguyên tử và thang con mèo, cỡ virus hay vi khuẩn, được dựng từ hàng nghìn đến hàng tỷ nguyên tử. [5]

Tháng 5 năm 1996, nhóm ở NIST Boulder thử trước với thứ nhỏ nhất: một ion beryli bị bẫy và làm lạnh sát độ không tuyệt đối. Họ khiến ion ấy cùng lúc có spin hướng lên ở một vị trí và spin hướng xuống ở một vị trí khác, hai nơi cách nhau 80 nanomet. [8]

Tháng 12 cùng năm, ở ENS Paris, Michel Brune và Serge Haroche dựng trạng thái mèo từ trường điện từ chứa các photon vi sóng trong một hốc cộng hưởng. Muốn biết trường ấy đang ở trạng thái nào, họ bắn vào hốc một nguyên tử Rydberg thứ hai, được gọi là «con chuột lượng tử», để lấy thông tin ra. Rồi họ thay đổi khoảng cách thời gian giữa hai nguyên tử, từ 30 đến 250 microgiây, và nhờ vậy nhìn thấy trạng thái chồng chập sụp đổ ngay khi nó đang diễn ra. [8]

Năm 2000, Jonathan Friedman cùng nhóm ở Đại học Bang New York, Stony Brook, đi xa hơn nhiều. Họ chọn một thiết bị siêu dẫn gọi là SQUID và đưa nó vào trạng thái chồng chập giữa dòng điện chạy thuận chiều kim đồng hồ và dòng điện chạy ngược chiều. Để chặn môi trường, thiết bị làm từ niobi siêu dẫn ở 40 millikelvin, kết hợp màng nhôm oxit, và được bọc trong lá chắn palađi-vàng. [9]

Hai trạng thái dòng điện ấy chênh nhau 2 đến 3 microampe, tương đương mômen từ 10 tỷ magneton Bohr. Một vòng dây có thể mang dòng điện chạy cả hai chiều cùng lúc, và hai chiều ấy khác nhau ở quy mô lớn hơn hẳn mọi thứ từng thử trước đó. [9]

Nhìn trộm vào buồng kín mà không làm chết con mèo

Nếu muốn nhìn vào bên trong buồng thép, trước hết phải có thứ để nhìn. Nhóm của Oriol Romero-Isart đề xuất một cách: làm lạnh và đưa vào trạng thái chồng chập lượng tử chuyển động của các vật thể điện môi, đặt trong một khoang vi sai áp suất cực thấp. Theo Romero-Isart, những sinh vật nhỏ nhất như virus có thể sống sót trong môi trường chân không thấp và hành xử như các hạt điện môi quang học. Nếu ý tưởng ấy thành công, con mèo của Schrödinger sẽ có một đối thủ ngoài đời thật: một sinh vật còn sống, nằm trong trạng thái chồng chập, để các nhà vật lý đem ra kiểm tra bản chất lượng tử của nó. Nhưng kiểm tra nghĩa là phải nhìn, và nhìn thì có giá của nó. [4]

Giáo sư Holger F. Hofmann chỉ ra cái giá ấy nhỏ đến mức khó ngờ: dù chỉ một hạt photon ánh sáng đơn lẻ rơi vào đối tượng, nó cũng truyền năng lượng và làm đối tượng đổi khác. Năm 2019, Hofmann cùng Kartik Patekar công bố nghiên cứu mô tả cách nhìn trộm con mèo mà không bắt nó phải chết hay sống vĩnh viễn. Họ tách phép đo lượng tử làm hai bước riêng: tương tác ban đầu với hệ, rồi quá trình đọc kết quả. Ở bước đọc, người đo buộc phải chọn giữ lại một trong hai loại thông tin, loại còn lại bị xóa hoàn toàn. Hofmann ví nó với một đồng xu: bạn có thể chọn biết đồng xu có bị lật hay không, hoặc chọn biết mặt sấp hay mặt ngửa, nhưng không bao giờ biết cả hai cùng lúc. [7]

Phép tính của họ cho thấy giữa độ phân giải của phép đo và độ nhiễu loạn tác động lên hệ có một sự đánh đổi chuẩn xác, bằng nhau hoàn toàn. Nhà vật lý lý thuyết Michael Hall nhận xét rằng trước đó chưa từng có công trình nào đưa ra một phương trình bình đẳng chính xác như vậy. Từ đây, người ta biết mình có thể nhìn thoáng vào buồng thép mà không buộc con mèo ngã ngũ, miễn là chịu mất đi một nửa thông tin. Chiếc búa nối với ống đếm Geiger vẫn treo đó trong buồng kín, và lần đầu tiên, người đứng ngoài có một khe hở đủ nhỏ để nhìn qua mà không chạm vào nó. [7]

Nguồn

1. Schrödinger's cat (Wikipedia) (en.wikipedia.org, bách khoa)
2. NIST Researchers Create 'Quantum Cats' Made of Light | NIST (web.archive.org, nguồn gốc)
3. Enlargement of optical Schrödinger's cat states | Nature Photonics (www.nature.com, nguồn gốc)
4. [0909.1469] Toward Quantum Superposition of Living Organisms (arxiv.org, nguồn gốc)
5. Real-Life Schrödinger’s Cats Probe the Boundary of the Quantum World | Quanta Magazine (web.archive.org, bài viết)
6. Copenhagen Interpretation of Quantum Mechanics (Stanford Encyclopedia of Philosophy) (plato.stanford.edu, bài viết)
7. Physicists Can Finally Peek at Schrödinger's Cat Without Killing It Forever | Live Science (www.livescience.com, bài viết)
8. Bringing Schrödinger's Cat to Life | Scientific American (www.scientificamerican.com, bài viết)
9. Schrodinger's cat comes into view – Physics World (physicsworld.com, bài viết)

Ảnh bìa: Hubertl · CC BY-SA 4.0 · Wikimedia Commons. Bố cục và chữ do Trải Nghiệm Sống thực hiện.