Con mèo của Schrödinger và thí nghiệm nổi tiếng của cơ học lượng tử

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 đôi khi còn được gọi là “nghịch lý con mèo của Schrödinger”. Thí nghiệm này ra sao, nó có ý nghĩa gì và những hiểu nhầm nào cần làm rõ? Chúng ta sẽ thảo 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 toàn bộ nhận thức của nhân loại về bản chất của thế giới tự nhiên. Từ lý thuyết này, đã dần hình thành nên một phân nhánh hoàn toàn mới của vật lý, một mũi nhọn của khoa học hiện đại cho tới tận ngày nay và có thể còn nhiều thế kỷ nữa: cơ học lượng tử.

Nổi tiếng nhất trong những mô tả tổng quát về cơ học lượng tử và vẫn được áp dụng rộng rãi ngày nay là cách giải thích Copenhagen, được đề ra trong khoảng 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 giải thích 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 có thể tồn tại ở cùng lúc nhiều nơi (nhiều vị trí) hay có nhiều vận tốc cùng lúc. Tuy nhiên, khi bạn thực hiện một phép đo, bạn chỉ thu được một kết quả duy nhất cho mỗi đặc tính vật lý đó. Nói cách khác, các tham số trạng thái là không hề tồn tại trước khi chúng được đo. Việc này, hiển nhiên, có vẻ vô lý. Tuy nhiên, các nhà vật lý giải thích rằng mỗi đặc tính vật lý của hạt không phải là cố định và duy nhất mà phụ thuộc vào các xác suất được mô tả bởi hàm sóng của chúng. Khi bạn thực hiện phép đo, hàm sóng “sụp đổ” và đưa tới cho bạn một kết quả duy nhất.

Albert Einstein (1879-1955) thì không 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 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 ngày nay vẫn được gọi là “Con mèo của Schrödinger”.

Chi tiết thí nghiệm

Thí nghiệm tưởng tượng của Schrödinger được mô tả rằng giả sử có một hệ được thiết kế như sau: Trong một chiếc hộp kín có một con mèo còn sống. Có một mẩu chất phóng xạ (chẳng hạn uranium) mà sau khoảng một giờ có thể sẽ có một nguyên tử của nó bị phân rã (nhưng cũng có thể không). Nếu có xuất hiện phân rã, nó sẽ tương tác và được ghi nhận bởi một máy đếm Geiger (một loại thiết bị xác định và đo bức xạ ion hóa). Khi xác định 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 lưu ý 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 thể biết việc đó có xảy ra hay không nếu như không mở hộp ra. Khi hộp không được mở, con mèo nằm trong tình 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, 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 ý kiến của Einstein là hợp lý hơn. Tuy vậy, có rất nhiều bằng chứng thực nghiệm ở các hạt hạ nguyên tử đã chứng minh rằng thực sự là các hạt vi mô tồn tại ở dạng chồng chất trạng thái và hàm sóng của chúng sụp đổ khi có tương tác từ bên ngoài.

Một cách giải thích khác cho thí nghiệm tưởng tượng này là cách giải thích đa thế giới. Cách giải thích này tất nhiên vẫn thừa nhận sự chồng chất trạng thái. Tuy nhiên, ngay cả khi mở hộp, con mèo vẫn tiếp tục ở trong tình 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 “liên đới” (hay vướng víu) với con mèo, và tùy vào liên đới đó mà người quan sát (hoặc máy đo) đi vào “thế giới” (hay lịch sử) 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 thực tế là đã có nhiều thí nghiệm lượng tử chứng minh việc tồn tại sự liên đới của các hạt, thậm chí ở những hệ lớn hơn (các nhóm nhiều hạt thay vì một hạt đơn lẻ), chứng minh cho việc sụp đổ của hàm sóng khi có sự can thiệp của phép đo. Tất nhiên, cuối cùng thì tự nhiên biểu hiện ra sao ở thang vi mô vẫn còn rất nhiều bí ẩn cần thêm nhiều thời gian để giải đáp.

Cần tránh hiểu nhầm

Có hai lưu ý quan trọng ở đây cần chú ý để không phạm sai lầm.

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 tế chưa thể thực hiện với những vật thể lớn như vậy. Con mèo của Schrödinger chỉ là một cách ví von cho gần gũi để mô tả một vấn đề được quan tâm trong cơ học lượng tử.

Thứ hai, trong các tài liệu mô tả thí nghiệm này cũng như nhiều tài liệu khác về cơ học lượng tử, các 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 kỳ có thể dẫn tới sự sụp đổ của hàm sóng và đưa hạt được đo vào một trạng thái duy nhất được xác định. “Người quan sát” ở đây không hề đồng nghĩa với “ý thức”. Vì thế những tài liệu, bài báo hay phát ngôn của một số nhà nghiên cứu triết học có hàm ý (hay thậm chí đôi khi nói thẳng) rằng sự can thiệp của “người quan sát” vào kết quả đo nói lên mối tương quan khác về vật chất và ý thức đều là vô căn cứ và làm sai lạc bản chất của mô tả.

Tháng 9 năm 2020
Đặng Vũ Tuấn Sơn