Thế giới lượng tử kết thúc ở đâu?

Einstein từng đặt câu hỏi nổi tiếng: Mặt Trăng có còn tồn tại khi không ai nhìn nó hay không? Cơ học lượng tử khiến câu hỏi ấy trở nên nghiêm túc, bởi một hệ vi mô có thể biểu hiện như sự chồng chập của nhiều khả năng thay vì luôn mang một trạng thái xác định theo trực giác đời thường. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa Mặt Trăng chờ ý thức con người xuất hiện mới trở nên có thật. [1]

Giữa thế giới lượng tử và thế giới quen thuộc không có một vạch ranh giới cố định theo kích thước. Sự chuyển tiếp chủ yếu liên quan đến mất kết hợp lượng tử: tương tác với môi trường làm các dấu hiệu giao thoa mong manh bị phân tán đến mức vật thể lớn biểu hiện gần như cổ điển. Quá trình này không cần một người quan sát có ý thức, nhưng cũng chưa tự mình giải quyết mọi câu hỏi về phép đo và bản chất của thực tại. [1]

Điều gì làm thế giới lượng tử khác lạ?

Thí nghiệm hai khe cho thấy khác biệt căn bản. Khi electron được phát về phía một màn chắn có hai khe, kết quả tích lũy trên màn phía sau có thể tạo thành mẫu giao thoa. Nếu xem electron đơn thuần là một viên bi nhỏ, ta sẽ dự đoán nó chỉ đi qua khe này hoặc khe kia. Nhưng mẫu giao thoa phù hợp với mô tả trong đó trạng thái lượng tử đi qua cả hai đường và các phần của trạng thái ấy tác động lẫn nhau. [1]

Hiện tượng vẫn xuất hiện khi thiết bị chỉ có từng hạt đi qua tại một thời điểm. Vì thế, mẫu giao thoa không nhất thiết do nhiều electron va chạm hoặc phối hợp với nhau. Theo cách diễn giải được Jonathan Halliwell trình bày, trực giác hữu ích hơn là coi trạng thái lượng tử có bản chất giống sóng; cái trông như một hạt định xứ có thể là một trạng thái sóng tập trung rất hẹp. [1]

Kích thước có phải là đường biên?

Không có quy tắc đơn giản rằng nguyên tử thuộc thế giới lượng tử còn mọi vật lớn hơn lập tức trở thành cổ điển. Các thí nghiệm giao thoa đã được thực hiện với những hệ gồm hàng nghìn nguyên tử. Điều này cho thấy tính lượng tử không tự biến mất chỉ vì một hệ có nhiều thành phần hơn. Câu hỏi thích hợp không chỉ là vật thể lớn đến đâu, mà còn là trạng thái của nó được cách ly tốt đến mức nào. [1]

Ở quy mô thường ngày, ta cũng quan sát sự vật theo cách khá thô. Nhìn đại dương từ rất xa, bề mặt có thể trông phẳng dù ở gần vẫn đầy những dao động nhỏ. Tương tự, khi chỉ theo dõi những đại lượng biến đổi chậm và bỏ qua vô số chi tiết cực nhanh, mô tả cổ điển trở nên hiệu quả. Sự “làm thô” này giúp giải thích cách ta nhận biết thế giới, nhưng tác động của môi trường mới là phần trực tiếp làm giao thoa khó duy trì. [1]

Mất kết hợp diễn ra như thế nào?

Một hệ lượng tử ngoài phòng thí nghiệm hiếm khi hoàn toàn cô lập. Photon xung quanh, phân tử khí cùng các trường điện và từ nhỏ đều có thể tương tác với nó. Hãy hình dung một hạt phấn hoa bị các phân tử môi trường liên tục va vào: chuyển động quan sát được của hạt lớn dần mang dáng vẻ cổ điển, trong khi thông tin về trạng thái của nó được chia sẻ với ngày càng nhiều thành phần xung quanh. [1]

Trong ngôn ngữ lượng tử, hệ và môi trường trở nên vướng víu với nhau. Quan hệ pha cần thiết để tạo giao thoa không nhất thiết bị xóa khỏi toàn bộ vũ trụ; nó bị phân tán vào một mạng tương quan quá rộng để người quan sát thông thường thu hồi và điều khiển. Khi chỉ xét riêng vật thể, các nhánh khả dĩ gần như không còn giao thoa được nữa. Đó là ý nghĩa thực dụng của mất kết hợp lượng tử. [1]

Vì các trạng thái chồng chập đặc biệt mong manh, thí nghiệm muốn giữ chúng phải hạn chế tương tác với môi trường. Ngược lại, một vật thể vĩ mô thường xuyên trao đổi photon, nhiệt và va chạm với xung quanh. Số lượng tương tác lớn khiến dấu hiệu giao thoa bị phát tán rất nhanh, nên bàn, người hay Mặt Trăng không biểu hiện như một mẫu giao thoa dễ quan sát. [1]

Có cần ý thức để tạo ra thực tại?

Mất kết hợp không đòi hỏi con người nhìn vào hệ. Một phân tử khí va vào vật thể hoặc một photon mang thông tin ra môi trường đã đủ tham gia vào quá trình. Theo nghĩa vật lý này, “người quan sát” có thể chỉ là bất kỳ hệ nào tương tác và lưu giữ dấu vết về hệ khác. Nó không cần suy nghĩ, nhận biết hay đưa ra quyết định. [1]

Điều này đặc biệt quan trọng trong lượng tử học vũ trụ. Nếu toàn bộ vũ trụ sơ khai được mô tả bằng cơ học lượng tử, không thể đặt một người quan sát ở bên ngoài để thực hiện phép đo. Cách tiếp cận các lịch sử mất kết hợp, gắn với James Hartle, Murray Gell-Mann và những người khác, thay câu chuyện về người quan sát bên ngoài bằng việc xem xét tương quan giữa các hồ sơ hiện tại và những lịch sử quá khứ khả dĩ. [1]

Bởi vậy, câu hỏi về Mặt Trăng không dẫn đến kết luận rằng vệ tinh này phụ thuộc vào ánh mắt con người. Mặt Trăng luôn tương tác với môi trường, và thông tin về trạng thái của nó liên tục được phát tán. Trước khi bất kỳ ai quan sát, các tương tác không có ý thức ấy đã khiến những khả năng vĩ mô khác nhau không còn dễ dàng giao thoa theo cách một electron trong thiết bị được cô lập có thể làm. [1]

Mất kết hợp chưa trả lời điều gì?

Mất kết hợp giải thích vì sao các hiệu ứng giao thoa trở nên gần như không thể tiếp cận ở quy mô lớn và vì sao mô tả cổ điển hoạt động tốt trong đời sống. Nó cũng loại bỏ nhu cầu viện đến ý thức như một tác nhân vật lý đặc biệt. Tuy nhiên, quá trình này không nhất thiết chọn ra duy nhất một kết quả từ mọi khả năng trong mô tả lượng tử; thông tin lượng tử có thể vẫn tồn tại dưới dạng tương quan đã phân tán. [1]

Vì thế, các cách diễn giải cơ học lượng tử vẫn chưa thống nhất về điều thực sự xảy ra khi ta thu được một kết quả xác định. Một số cách nói đến sự sụp đổ của hàm sóng, một số giữ lại nhiều nhánh khả dĩ, còn cách tiếp cận lịch sử tập trung vào những tập hợp lịch sử có thể gán xác suất nhất quán. Mất kết hợp là phần cơ chế chung có sức giải thích lớn, không phải phán quyết cuối cùng giữa mọi quan niệm về thực tại. [1]

Đường biên giữa hai thế giới, do đó, giống một quá trình hơn là một bức tường. Một hệ càng bị môi trường theo dõi qua vô số tương tác, hành vi giao thoa của riêng nó càng khó hiện ra. Thế giới quen thuộc không nằm ngoài cơ học lượng tử; đó là diện mạo mà các hệ lượng tử tạo nên khi tính kết hợp của chúng đã lan vào môi trường rộng lớn. [1]