Những hiểu lầm phổ biến liên quan đến Thuyết Lượng tử

2025-Apr-13 6389 từ 30 phút

Nội dung

Vật lý lượng tử (cơ học lượng tử) là một trong những lý thuyết khoa học thành công nhất, nhưng cũng nổi tiếng khó hiểu. Chính sự phản trực giác của nó đã dẫn đến nhiều hiểu lầm phổ biến. Dưới đây, tôi xin liệt kê và phân tích các hiểu lầm thường gặp về vật lý lượng tử, đồng thời giải thích tại sao chúng sai và cách hiểu đúng theo quan điểm vật lý hiện đại. Mỗi mục đều có ví dụ minh họa và ý kiến từ các chuyên gia hàng đầu (Sabine Hossenfelder, Sean Carroll, Jim Al-Khalili, Carlo Rovelli, v.v.) để hỗ trợ lập luận.

Hiểu lầm 01

Vật lý lượng tử chỉ áp dụng ở quy mô vi mô (thế giới hạ nguyên tử)

Nhiều người cho rằng vật lý lượng tử chỉ chi phối các hạt hạ nguyên tử (như electron, photon) và không quan trọng ở thế giới vĩ mô. Thật ra, cơ học lượng tử áp dụng cho mọi kích thước, chỉ là các hiệu ứng lượng tử khó nhận thấy ở vật thể lớn do môi trường và sự tương tác phức tạp. Sabine Hossenfelder nhấn mạnh rằng những hiện tượng quen thuộc ở vĩ mô cũng không thể giải thích nếu thiếu vật lý lượng tử. Chẳng hạn, Mặt Trời tỏa sáng nhờ phản ứng nhiệt hạch, mà cốt lõi là hiệu ứng xuyên hầm lượng tử – hai hạt nhân có thể “xuyên” qua hàng rào đẩy tĩnh điện để hợp nhất (Sabine Hossenfelder: Backreaction: Understanding Quantum Mechanics #6: It’s not just a theory for small things.). Nếu không có hiện tượng xuyên hầm, Mặt Trời (một vật thể rất lớn) sẽ không thể sáng bền như vậy. Tương tự, sự ổn định của vật chất xung quanh ta (bàn ghế, tường, cơ thể chúng ta) đều dựa trên cơ học lượng tử. Nếu áp dụng vật lý cổ điển, electron quay quanh hạt nhân sẽ mất năng lượng và rơi vào hạt nhân, khiến nguyên tử sụp đổ. Chỉ có cơ học lượng tử (với mô hình electron là sóng xác suất phân bố trên các obitan) mới giải thích được tại sao nguyên tử bền vững (Sabine Hossenfelder: Backreaction: Understanding Quantum Mechanics #6: It’s not just a theory for small things.). Nói cách khác, thế giới vĩ mô tồn tại được chính là nhờ các quy luật lượng tử hoạt động ở cấp độ vi mô bên trong. Dù chúng ta ít thấy “tính lượng tử” trực tiếp ở vật thể lớn (do các hiệu ứng lượng tử bị “trung bình” hoặc mất pha khi số hạt quá nhiều), điều đó không có nghĩa là cơ học lượng tử ngừng áp dụng. Ngược lại, vật lý lượng tử là nền tảng của mọi hệ vật chất, từ nguyên tử đến các ngôi sao.

Hiểu lầm 02

“Lượng tử” nghĩa là mọi đại lượng đều rời rạc (rời rạc hóa hoàn toàn)

Từ “quantum” nghĩa là “lượng tử” (một lượng rời rạc), nên nhiều người hiểu nhầm rằng trong cơ học lượng tử mọi thứ đều phân lượng thành các mức rời rạc. Ví dụ, họ nghĩ năng lượng hay vị trí của hạt luôn “nhảy cóc” giữa các giá trị cố định. Hiểu lầm này bắt nguồn từ lịch sử: những manh mối đầu tiên dẫn đến thuyết lượng tử là phổ vạch nguyên tử – nguyên tử hấp thụ/phát xạ năng lượng theo những mức rời rạc, gợi ý cấu trúc gián đoạn. Tuy nhiên, không phải mọi đại lượng trong cơ học lượng tử đều lượng tử hóa. Sabine Hossenfelder giải thích rằng năng lượng electron trong nguyên tử có các mức rời rạc thật, nhưng năng lượng của một hạt photon tự do có thể nhận mọi giá trị liên tục – không hề bị lượng tử hóa thành “bó” (Sabine Hossenfelder: Backreaction: Understanding Quantum Mechanics #1: It’s not about discreteness). Tương tự, vị trí của một electron tự do trong kim loại có thể ở bất kỳ đâu; nó không “nhảy ô” trên một lưới không gian nào cả. Như vậy, cơ học lượng tử không đồng nghĩa với việc mọi đại lượng vật lý đều bị rời rạc hoàn toàn. Vậy “lượng tử” thực sự biểu hiện điều gì? Theo Hossenfelder, đặc trưng cốt lõi của một lý thuyết lượng tử là sự tồn tại của nguyên lý bất định Heisenberg (tương ứng với các toán tử không giao hoán trong mô hình toán) và đặc tính vướng víu lượng tử (entanglement) giữa các hệ (Sabine Hossenfelder: Backreaction: Understanding Quantum Mechanics #1: It’s not about discreteness). Nói ngắn gọn, “lượng tử hóa” một hệ không phải là làm cho mọi thứ rời rạc, mà là thừa nhận các giới hạn đo lường đồng thời và khả năng tồn tại những trạng thái chồng chập, vướng víu không thể tách rời theo kiểu cổ điển. Ví dụ nổi bật là trường điện từ: ánh sáng có “lượng tử” là photon, nhưng giữa các photon, trường vẫn lan liên tục trong không gian; cường độ trường có thể thay đổi liên tục – chỉ số lượng photon là rời rạc. Hiểu đúng về “lượng tử” giúp tránh được những liên tưởng sai lệch rằng thế giới lượng tử là một phiên bản “rời rạc” hoàn toàn của vật lý.

Hiểu lầm 03

Hạt lượng tử “lưỡng tính sóng-hạt” – vừa là hạt vật chất vừa là sóng

Hình minh họa thí nghiệm hai khe: bên trái, electron bắn qua hai khe tạo vân giao thoa trên màn quan sát (mẫu sóng); bên phải, nếu đặt máy dò xác định electron đi qua khe nào, thì mô hình trên màn chỉ còn hai dải mờ như khi bắn từng khe một (mẫu hạt). Việc đo đạc đã phá hủy trạng thái giao thoa sóng.

Trong lịch sử, hiện tượng lưỡng tính sóng-hạt (wave-particle duality) gây bối rối: cùng một đối tượng lượng tử (như electron hoặc photon) có lúc hành xử như hạt điểm, có lúc lại như sóng trải rộng. Hiểu lầm thường gặp là nghĩ rằng một hạt lượng tử bản chất vừa là hạt vừa là sóng, hay nó “đổi dạng” từ sóng sang hạt khi bị quan sát. Cách hiểu hiện đại tinh tế hơn: một đối tượng lượng tử không phải hạt nhỏ cứng cũng không phải sóng vật chất lan trong không gian như sóng nước, mà là một thực thể được mô tả bởi hàm sóng (wave function) – thực chất là một hàm toán học chứa thông tin về trạng thái hệ. Sabine Hossenfelder nhấn mạnh: “Trong cơ học lượng tử, không có hạt, không có sóng, cũng chẳng có con mèo nào (Schrödinger) cả – mọi thứ đều được mô tả bằng hàm sóng Ψ” (Sabine Hossenfelder: Backreaction: Understanding Quantum Mechanics #2: Superposition and Entanglement). Hàm sóng này cho ta xác suất tìm thấy hệ ở một trạng thái nhất định khi đo đạc (thông qua bình phương biên độ của nó).

Vì sao ta thấy có lúc như “hạt”, có lúc như “sóng”? Đó là do kết quả phép đo cụ thể. Khi ta quan sát quỹ đạo (như xác định electron đi qua khe nào ở thí nghiệm hai khe), ta buộc hệ chọn một trạng thái cụ thể (ví dụ đi qua khe trái hoặc khe phải), làm mất hiện tượng giao thoa. Lúc này kết quả giống như hành xử “hạt”. Ngược lại, nếu không can thiệp theo dõi đường đi, electron vẫn được mô tả bằng một hàm sóng đi qua cả hai khe một lúc, và hai thành phần sóng giao thoa với nhau – biểu hiện của tính chất “sóng”. Thực chất, cả hai mô tả sóng hay hạt chỉ là hình ảnh cổ điển để hình dung một phần của bản chất lượng tử. Đối tượng lượng tử không phải một viên bi thu nhỏ, cũng không phải một sóng nước thật sự; nó là một thực thể lượng tử đặc biệt mà chúng ta chỉ có thể dự đoán hành vi thông qua hàm sóng toán học và phép đo xác suất. Ngay cả thuật ngữ “lưỡng tính sóng-hạt” cũng có thể gây hiểu lầm nếu nghĩ theo nghĩa đen. Về bản chất, một hạt lượng tử luôn có đầy đủ tính chất lượng tử, và tùy cách ta tương tác/đo đạc mà một khía cạnh (tương tự hạt hoặc tương tự sóng) được biểu lộ. Không có sự biến hình vật lý nào từ sóng thành hạt; chỉ có cách mô tả và kết quả thí nghiệm thay đổi. Hiện nay, các nhà vật lý thường nhấn mạnh mô hình hạt – trường lượng tử: mọi hạt đều là những kích thích (excitation) rời rạc của trường lượng tử, vừa mang tính chất cục bộ (hạt) vừa lan tỏa (trường) tùy ngữ cảnh. Do đó, việc cố gắng gán nhãn “sóng” hay “hạt” một cách tuyệt đối cho electron/photon là không đúng với tư duy lượng tử hiện đại.

Hiểu lầm 04

Chồng chập lượng tử nghĩa là một vật ở hai trạng thái cùng lúc

Thí nghiệm con mèo Schrödinger nổi tiếng thường được diễn giải sai dẫn đến hiểu lầm này. Trong tư duy thông thường, một đối tượng chỉ có thể ở một trạng thái tại một thời điểm. Tuy nhiên, cơ học lượng tử cho phép chồng chập (superposition) các trạng thái – hiểu nôm na là trạng thái chồng chập = trạng thái A + trạng thái B. Ví dụ, một hạt có thể ở trạng thái “ở vị trí A” đồng thời chồng chập với “ở vị trí B” (không phải hoàn toàn A hoặc hoàn toàn B trước khi đo). Điều này khiến nhiều người tưởng rằng trước khi quan sát, con mèo trong hộp “vừa sống vừa chết”, hay electron “ở hai chỗ cùng lúc” một cách hiện thực. Cách diễn đạt đó dễ gây hình dung sai: ta tưởng tượng một con mèo nửa sống nửa chết theo nghĩa đen, rất phi lý. Thực ra, chồng chập lượng tử không phải vật lý trực quan như vậy, mà là một tổ hợp toán học của các hàm sóng. Sabine Hossenfelder lưu ý rằng một số người diễn giải chồng chập kiểu “vật ở cả hai trạng thái cho đến khi đo”, còn bản thân bà (và nhiều nhà vật lý khác theo trường phái dụng cụ luận – instrumentalist) thì “không gán ý nghĩa thực thể nào đặc biệt cho chồng chập; đó chỉ đơn thuần là một công cụ toán học để dự đoán kết quả đo lường” (Sabine Hossenfelder: Backreaction: Understanding Quantum Mechanics #2: Superposition and Entanglement). Nói cách khác, trước khi đo, con mèo Schrödinger ở trong một trạng thái lượng tử duy nhất – trạng thái đó có thể viết dưới dạng chồng chập của hai trạng thái “sống” và “chết” với những hệ số xác suất nhất định. Nhưng con mèo không phải nửa sống nửa chết theo kiểu một sinh vật zombie mờ ảo. Khi phép đo xảy ra (mở hộp quan sát), trạng thái lượng tử chồng chập sẽ cho kết quả hoặc “sống” hoặc “chết” với những xác suất tương ứng (phù hợp với hàm sóng ban đầu).

Một điểm tinh tế: nói một trạng thái “là chồng chập của A và B” phụ thuộc vào cách ta chọn hệ cơ sở {A, B} để biểu diễn. Toán học cho phép cùng một trạng thái có thể xem là chồng chập của hai trạng thái khác nhau theo những cơ sở khác nhau. Do đó không có ý nghĩa tuyệt đối khi nói “hệ đang ở trạng thái chồng chập” nếu không chỉ rõ chồng chập theo đại lượng nào. Ví dụ, ta có thể nói electron đang ở trạng thái chồng chập “tọa độ X” (vị trí bên trái + bên phải), nhưng cũng trạng thái ấy có thể là trạng thái riêng về xung lượng (không còn chồng chập trong cơ sở xung lượng). Vì vậy, khái niệm chồng chập chủ yếu nhấn mạnh rằng tính tuyến tính của phương trình sóng cho phép cộng hai (hay nhiều) nghiệm để tạo thành một nghiệm hợp lệ. Chồng chập không đồng nghĩa với việc một vật lý thể đang hiện hữu hai hình thái cùng lúc theo nghĩa thông thường – mà nó biểu thị một trạng thái thứ ba khác với cả hai trạng thái thành phần (cho đến khi tương tác đo lường buộc hệ “quy về” một trong các thành phần với xác suất nhất định). Trong thực tế, với các hệ vĩ mô như con mèo, do sự mất kết hợp lượng tử (decoherence) rất nhanh với môi trường, trạng thái chồng chập “sống + chết” sẽ phân rã thành hỗn hợp thống kê trước khi con người kịp mở hộp, nên ta không bao giờ thấy mèo nửa sống nửa chết. Nhưng về nguyên tắc, ở hệ vi mô cô lập tốt (như ion trong bẫy, electron trong hộp potential), người ta có thể duy trì chồng chập lượng tử và khai thác nó (ví dụ trong máy tính lượng tử, bit lượng tử có thể ở chồng chập “0 + 1”). Tóm lại, hiểu đúng thì chồng chập lượng tử mô tả khả năng hệ ở nhiều trạng thái khả dĩ và chỉ cho kết quả cụ thể khi đo, chứ không phải vật chất tự phân thân thành hai bản sao song song một cách hữu hình.

Hiểu lầm 05

Ý thức người quan sát quyết định kết quả – cần người quan sát conscious để “sụp đổ hàm sóng”

Trong những năm đầu của cơ học lượng tử, một số nhà sáng lập (ví dụ Niels Bohr, Werner Heisenberg) đã tranh luận về vai trò của người quan sát trong quá trình đo lường lượng tử. Từ “người quan sát” (observer) đôi khi bị hiểu sai thành “ý thức con người”: nhiều người tin rằng ý thức của con người khi quan sát thí nghiệm chính là thứ làm “sụp đổ hàm sóng” và quyết định kết quả. Hiểu lầm này được phổ biến bởi một số diễn giải như Wigner (giả thuyết ý thức gây sụp đổ hàm sóng), và bị lạm dụng trong trào lưu huyền bí (ví dụ cho rằng “tâm trí tạo ra thực tại lượng tử”). Trên thực tế, phần lớn các nhà vật lý hiện đại không cho rằng ý thức có vai trò gì đặc biệt trong cơ học lượng tử. Carlo Rovelli, một chuyên gia về nền tảng lượng tử, khẳng định dứt khoát: “Ý thức chưa bao giờ đóng vai trò nào trong cơ học lượng tử, trừ một vài suy diễn bên lề không có cơ sở vững chắc” (Consciousness is irrelevant to quantum mechanics | Carlo Rovelli » IAI TV). Nói cách khác, quá trình đo lường lượng tử có thể được mô tả hoàn toàn bằng tương tác vật lý (giữa hệ và thiết bị đo), không cần đến người quan sát có ý thức.

Vậy nguồn gốc của hiểu lầm này là gì? Trong giải thích Copenhagen, khái niệm “quan sát” thường được nêu mà không định nghĩa tường minh, khiến nhiều người liên hệ “quan sát” với trải nghiệm của con người. Thực chất, một phép đo lượng tử là bất kỳ sự tương tác nào làm hệ vướng víu với thiết bị đo/môi trường và tạo ra một kết quả cụ thể. Thiết bị đo có thể hoàn toàn vô tri (một máy dò, một tấm phim ảnh, v.v.). Thí nghiệm “Bạn của Wigner” nổi tiếng chỉ ra rằng một “người quan sát” cũng có thể bị vướng víu như một hệ lượng tử đối với một quan sát viên thứ hai – cho thấy không có ranh giới tuyệt đối giữa “người đo” và “vật bị đo” ở cấp độ lượng tử. Ngày nay, đa số các nhà vật lý theo quan điểm rằng quá trình quan sát là tương tác vật lý tuân theo quy luật lượng tử (ví dụ thuyết đa thế giới của Hugh Everett xem cả người quan sát cũng tuân thủ phương trình Schrödinger). Các hiệu ứng như mất kết hợp lượng tử (decoherence) giải thích tại sao sau tương tác với môi trường (dù không ai “nhìn”), hệ lượng tử dường như rơi vào một kết quả cụ thể – tạo ấn tượng có một “sự sụp đổ” khi có phép đo. Tóm lại, không cần ý thức con người để xảy ra phép đo lượng tử. Ý thức có thể liên quan ở khâu chúng ta nhận thức kết quả, nhưng bản thân kết quả đó được xác định bởi tương tác vật lý trước khi ta nhìn. Như Rovelli nói, những ý tưởng gán vai trò huyền bí cho ý thức trong lượng tử thuộc về “một dãy dài những thứ vô nghĩa đội lốt từ ‘lượng tử’… thật sự là ‘lố bịch’” (Quantum Physics and No Spirituality — Carlo Rovelli and Helgoland | by Graham Pemberton | Medium). Hiểu đúng, “người quan sát” trong vật lý lượng tử có thể là bất kỳ hệ tương tác nào làm lộ thông tin về hệ, không nhất thiết phải là con người.

Hiểu lầm 06

Vướng víu lượng tử cho phép tác động nhanh hơn ánh sáng hoặc vi phạm nhân quả

Vướng víu lượng tử là hiện tượng hai hay nhiều hạt có trạng thái liên kết với nhau sao cho khi đo một hạt thì biết ngay trạng thái hạt kia, bất chấp khoảng cách giữa chúng. Hiện tượng này từng khiến Einstein lo ngại, ông gọi đó là “tác động ma quái từ xa”. Trong công chúng, điều này dẫn đến hiểu lầm rằng ta có thể dùng vướng víu để truyền thông tin tức thời hoặc vi phạm thuyết tương đối. Thực tế không có mâu thuẫn với thuyết tương đối và không thể dùng vướng víu để gửi tín hiệu vượt tốc độ ánh sáng. Những thí nghiệm kiểu EPR và bất đẳng thức Bell đã xác nhận vướng víu lượng tử là có thật: kết quả đo hai hạt cách xa có tương quan cao hơn mọi mô hình cổ điển cục bộ. Nhưng quan trọng là: kết quả tại mỗi bên vẫn mang tính ngẫu nhiên, và không bên nào có thể điều khiển kết quả của mình để mã hóa thông tin gửi cho bên kia. Hãy xem ví dụ: cặp photon vướng víu có tổng spin bằng 0. Nếu A đo được photon của mình có spin “lên”, thì tức khắc biết photon của B sẽ là “xuống”. Tuy nhiên, trước khi đo, mỗi photon không có giá trị xác định (chỉ có trạng thái chồng chập). Người ở phía A không thể chọn “cho photon của B có spin lên” – khi A đo, kết quả của A là ngẫu nhiên (50% lên, 50% xuống chẳng hạn). Do đó, A không thể gửi một thông điệp có nội dung (ví dụ bit 0/1) chỉ bằng cách lợi dụng sự vướng víu, vì A không kiểm soát được kết quả để mã hóa. Bên B nhận được photon vướng víu, khi đo cũng chỉ thấy kết quả ngẫu nhiên (50% lên hoặc xuống). Chỉ khi so sánh các kết quả qua kênh thông tin chậm (<= ánh sáng), họ mới thấy tương quan đặc biệt. Điều này phù hợp với thuyết tương đối: không có thông tin hay năng lượng nào truyền vượt tốc độ ánh sáng, chỉ có sự tương quan được thiết lập tại nguồn.

Sabine Hossenfelder giải thích rõ: nhiều người tưởng lầm rằng “tác động gì lên hạt này sẽ lập tức ảnh hưởng hạt kia”. Nhưng thực ra “điều đó không đúng. Chỉ khi nào anh đo một hạt, anh mới phải cập nhật hàm sóng của cả hai. Nếu không đo mà chỉ tác động lên một hạt (ví dụ lật spin của nó bằng thao tác vật lý nhưng không ghi kết quả), thì hạt kia không bị ảnh hưởng gì” (Spooky action at a distance not allowed?). Nghĩa là, vướng víu không phải “dây thần giao cách cảm” nối hai hạt. Một phép đo (đọc kết quả) tại A thay đổi tri thức của ta về hệ chung và do đó ta cập nhật trạng thái toán học của hệ B tương ứng – quá trình này đôi khi gọi là “sụp đổ hàm sóng phi địa phương”, nhưng nó không phải truyền tín hiệu vật lý. Trong mọi cách giải thích lượng tử (dù Copenhagen hay đa thế giới hay ẩn biến), kết quả vẫn tuân thủ nguyên tắc không tín hiệu siêu quang. Nhiều nhà vật lý đã chứng minh định lý “không thể truyền tin” dựa trên hình thức toán học: phân bố xác suất cục bộ mà mỗi bên quan sát đều tuân theo phân bố đều, không phụ thuộc thao tác bên kia. Vì vậy, vướng víu lượng tử phá vỡ tính chất nhân quả cổ điển cục bộ (vì kết quả hai bên tương quan không giải thích bằng biến ẩn địa phương được), nhưng không phá vỡ nhân quả của thuyết tương đối. Chúng ta không thể dùng nó để gửi tín hiệu ngược thời gian hay vượt ánh sáng.

Hiểu lầm này thường đi kèm ý tưởng tận dụng vướng víu để truyền thông lượng tử tức thời hoặc dịch chuyển tức thời con người. Trên thực tế, dịch chuyển lượng tử (quantum teleportation) có tồn tại nhưng nó không chuyển vật chất tức thời, mà chỉ truyền trạng thái lượng tử sang hệ khác, và vẫn cần kênh thông tin cổ điển để hoàn tất – do đó không nhanh hơn ánh sáng. Bất kỳ tuyên bố nào rằng “nhờ lượng tử ta có thể liên lạc xuyên không-thời gian” hiện đều không có cơ sở khoa học vững chắc.

Hiểu lầm 07

Thí nghiệm “Xóa lượng tử có lựa chọn chậm” cho thấy tương lai ảnh hưởng quá khứ (vi phạm nhân quả)

Một hiểu lầm đặc thù khác liên quan đến nhân quả: xóa lượng tử có lựa chọn chậm (delayed-choice quantum eraser). Trong biến thể thí nghiệm hai khe này, người ta “xóa” hoặc “khôi phục” thông tin đường đi của hạt sau khi hạt đã đi qua khe, dường như thay đổi kết quả đã ghi trên màn. Nhiều mô tả đại chúng đã thổi phồng rằng “hành động ở hiện tại có thể làm thay đổi kết quả trong quá khứ”, tạo ấn tượng cơ học lượng tử cho phép phản nhân quả (retrocausality). Tuy nhiên, khi phân tích toán học đầy đủ, không hề có nghịch lý nhân quả nào xảy ra. Sean Carroll chỉ ra rằng không cần viện đến giả thuyết phản thời gian để giải thích thí nghiệm này – kết quả hoàn toàn phù hợp với cơ học lượng tử thông thường mà không có bất kỳ tín hiệu nào chạy ngược thời gian (The Notorious Delayed-Choice Quantum Eraser – Sean Carroll). Mấu chốt ở đây là hiểu đúng cách trích xuất và phân tích dữ liệu thí nghiệm: Dù có vẻ ta “quyết định” ghi hay xóa thông tin đường đi sau khi hạt qua khe, nhưng nếu xét toàn bộ hệ (hạt + thiết bị + khâu xóa), sự tương quan lượng tử đảm bảo rằng không có thông tin nào thực sự được truyền ngược thời gian. Kết quả quan sát giao thoa hay không giao thoa chỉ hiện ra khi phân loại các sự kiện theo việc xóa hay không xóa – một dạng hậu xử lý dữ liệu. Nếu gộp tất cả sự kiện (không phân loại), mẫu trên màn luôn là tổng hợp trung bình không có vân giao thoa rõ (đúng như dự đoán nhân quả bình thường). Chỉ khi xét điều kiện phụ thuộc vào lựa chọn sau (xóa hay không), người ta mới phục hồi được các tiểu-phân bố có vân giao thoa. Nhưng những phân bố này không bao giờ cùng xuất hiện để gây mâu thuẫn nhân quả. Nói cách khác, không có “tín hiệu ngược thời gian”; thí nghiệm chỉ cho thấy sự tinh vi của vướng víu lượng tử và mất kết hợp lượng tử. Cách hiểu đa thế giới của Everett thậm chí còn xem thí nghiệm này là hiển nhiên: không có hàm sóng nào “đi lùi thời gian”, chỉ có các nhánh thế giới tách/hoặc giao thoa tùy theo thiết lập đo. Dù theo cách nào, nhân quả vẫn được bảo toàn – quá khứ không bị thay đổi bởi quyết định tương lai, chỉ có sự phân loại kết quả làm chúng ta nhận thấy các mô hình khác nhau. Sabine Hossenfelder và Sean Carroll đều có bài viết/videp giải thích tường tận, “debunk” cách hiểu sai về thí nghiệm kẻ xóa lượng tử này (Quantum Misconceptions — Phys 555 - Quantum Technologies). Kết luận là: vật lý lượng tử không cung cấp lối tắt vượt thời gian; mọi hiện tượng dường như nghịch lý đều có cách giải thích nội tại nhất quán với nhân quả nếu xét đầy đủ hệ.

Hiểu lầm 08

Nguyên lý Bất định Heisenberg đơn thuần do thiết bị đo làm xáo trộn hệ (có thể khắc phục nếu đo tinh vi hơn)

Nguyên lý Bất định Heisenberg phát biểu rằng không thể đồng thời xác định chính xác vô hạn hai đại lượng phụ thuộc lẫn nhau (như vị trí và động lượng, hoặc năng lượng và thời gian) của một hệ lượng tử. Nhiều sách phổ thông thường minh họa bằng câu chuyện: muốn “nhìn” electron, ta dùng photon chiếu vào, photon va chạm làm đổi động lượng electron, nên càng đo chính xác vị trí thì động lượng càng bị nhiễu loạn nhiều, và ngược lại. Cách giải thích này (do chính Heisenberg đề xuất thời kỳ đầu) khiến nhiều người tưởng rằng bất định chỉ là do hạn chế công cụ đo – tức nếu có cách đo hoàn hảo không làm hệ bị ảnh hưởng, ta sẽ biết chính xác cả hai. Đây là một hiểu lầm nghiêm trọng. Thực ra, giới hạn bất định là nguyên thủy của tự nhiên, không phải do thiếu khéo léo khi đo. Nói cách khác, hạt lượng tử không đồng thời sở hữu giá trị xác định cho vị trí và động lượng để mà chúng ta đo – việc đo cái này phá cái kia không phải lỗi dụng cụ mà là do trạng thái lượng tử không cho phép xác định cả hai cùng lúc. Nền tảng toán học là các toán tử vị trí và xung lượng không giao hoán, dẫn đến quan hệ bất định $\Delta x \Delta p \ge \frac{\hbar}{2}$. Ngày nay, các thí nghiệm hiện đại đã kiểm chứng sâu hơn: người ta tìm cách đo “nhẹ” (weak measurement) để giảm thiểu tác động lên hệ, và nhận thấy ngay cả khi thiết bị hầu như không làm nhiễu loạn đối tượng, thì vẫn tồn tại độ bất định cố hữu. Thậm chí có những kỹ thuật đo liên tiếp hai quan sát dưới ngưỡng nhiễu loạn Heisenberg mà kết quả vẫn không vi phạm bất định tổng quát. Điều này chứng tỏ quan niệm “bất định hoàn toàn do đo đạc gây ra” là thiếu chính xác. Scientific American dẫn lời nhà vật lý Howard Wiseman: kết quả thí nghiệm mới “là bằng chứng trực tiếp rõ ràng nhất cho thấy cách giải thích ngây thơ về bất định do đo đạc gây ra là sai” (Common Interpretation of Heisenberg’s Uncertainty Principle Is Proved False | Scientific American). Bất định lượng tử nằm ở chỗ trạng thái của hệ không thể đồng thời là trạng thái riêng của cả hai toán tử không giao hoán – ví dụ, một hạt không thể có một cặp giá trị (x, p) cố định trước khi đo; nó chỉ có phân bố xác suất. Dĩ nhiên, phép đo luôn cần tương tác vật lý nên sẽ có nhiễu nhất định, nhưng nguyên lý bất định không phụ thuộc hoàn toàn vào mức nhiễu đó. Ngay cả với phép đo lý tưởng (nhiễu -> 0), ta vẫn không thể vượt qua giới hạn $\frac{\hbar}{2}$. Hiểu đúng như vậy tránh được niềm tin sai lầm rằng “công nghệ tương lai có thể đo chính xác tất cả, phá vỡ nguyên lý bất định”. Nguyên lý này không phải lỗi kỹ thuật mà là tính chất cơ bản của tự nhiên theo cơ học lượng tử.

Hiểu lầm 09

“Không ai thực sự hiểu nổi cơ học lượng tử” – Vật lý lượng tử quá khó, chỉ thiên tài mới lĩnh hội

Câu nói nổi tiếng được gán cho Richard Feynman: “Nếu bạn nghĩ rằng bạn đã hiểu cơ học lượng tử, tức là bạn chưa hiểu gì cả.” Lời đùa này phản ánh sự kỳ lạ của lượng tử, nhưng đáng tiếc lại góp phần nuôi dưỡng hiểu lầm rằng cơ học lượng tử là lĩnh vực huyền bí, vượt ngoài khả năng hiểu của con người. Nhiều sinh viên hay người yêu khoa học cảm thấy nản lòng, cho rằng chỉ có những bộ óc xuất chúng mới “ngộ” được chân lý lượng tử, còn người thường thì vô phương. Thực ra, cơ học lượng tử hoàn toàn có logic rõ ràng và toán học chặt chẽ. Điều khó là nó không giống trải nghiệm hàng ngày, nên trực giác ban đầu của ta có thể phản ứng “mâu thuẫn”. Nhưng qua thời gian, các nhà khoa học đã phát triển cách hiểu và ngôn ngữ phù hợp để miêu tả nó. Sabine Hossenfelder trấn an rằng tuy vật lý lượng tử có tiếng là “bất khả hiểu”, nhưng “hãy tin tôi, độ khó không nằm ở toán học. Toán học của cơ học lượng tử trông có vẻ đáng sợ hơn thực tế của nó” (Sabine Hossenfelder: Backreaction: Understanding Quantum Mechanics #4: It’s not as difficult as you think! (The Bra-Ket)). Thật vậy, công cụ toán như bra-ket, ma trận, hàm sóng ban đầu có thể lạ lẫm, nhưng một khi nắm được ý nghĩa, chúng rất mạch lạc. Hàng triệu sinh viên vật lý trên thế giới đã và đang học được cơ học lượng tử ở mức độ khác nhau. Điểm mấu chốt là chấp nhận rằng nó phản trực giác so với kinh nghiệm cổ điển – thay vì cố ép nó vào khuôn khổ trực giác cũ, ta mở rộng trực giác mới. Giống như học thuyết tương đối làm ta phải làm quen với thời gian co giãn, cơ học lượng tử đòi hỏi ta làm quen với xác suất và phi địa phương. Sean Carroll từng ví việc hiểu lượng tử như học một ngôn ngữ mới: lúc đầu lạ lẫm nhưng dần dần sẽ “ngấm” cách tư duy mới. Quả thực, đối với các nhà vật lý, cơ học lượng tử tuy thách thức nhưng không phải ma thuật vô lý – nó là công cụ làm việc hằng ngày. Chúng ta có thể chưa hiểu hết ý nghĩa sâu xa triết học (vì vẫn có nhiều diễn giải khác nhau), nhưng các phương trình và quy luật vận hành thì đã hiểu rất rõ để tính toán, dự đoán chính xác vô số hiện tượng. Như Rovelli nhận xét, có lẽ một ngày không xa, nhân loại sẽ “hoàn toàn hiểu rõ tính mới lạ căn bản của lượng tử” và nó sẽ trở thành tri thức quen thuộc như việc Trái Đất quay quanh Mặt Trời (Consciousness is irrelevant to quantum mechanics | Carlo Rovelli » IAI TV). Tóm lại, vật lý lượng tử không phải huyền cơ tâm linh; với phương pháp học tập đúng, bất kỳ ai cũng có thể nắm bắt những nguyên lý chính của nó.

Hiểu lầm 10

Vật lý lượng tử mang màu sắc thần bí, cho phép những hiện tượng “ma thuật” (ví dụ: ý nghĩ tạo ra thực tại, chữa bệnh bằng lượng tử…)

Đây là nhóm hiểu lầm phổ biến ngoài xã hội, khi thuật ngữ “lượng tử” bị lạm dụng trong các lĩnh vực ngoài vật lý. Người ta nghe về tính kỳ lạ của lượng tử và vội liên hệ nó với những ý tưởng huyền bí, siêu nhiên. Ví dụ: có thuyết cho rằng “ý thức con người có thể tác động trực tiếp lên thế giới lượng tử để hấp dẫn điều mong muốn” (xuất hiện trong một số tài liệu tự lực, tâm linh); hoặc “y học lượng tử” quảng cáo chữa bệnh bằng cách điều chỉnh năng lượng lượng tử trong cơ thể; thậm chí cụm từ “tâm linh lượng tử” (quantum spiritualism) cũng được dùng để ám chỉ một sự hợp nhất giữa cơ học lượng tử và ý thức vũ trụ. Những ý niệm này không có cơ sở khoa học và bị các nhà vật lý bài xích mạnh mẽ. Carlo Rovelli thẳng thừng gọi đấy là “một núi những điều ngớ ngẩn đội lốt từ ‘lượng tử’, bao gồm đủ loại thuyết toàn ảnh, huyền bí lượng tử – một cuộc diễu hành vô cùng lố bịch của những phi lý lượng tử” (Quantum Physics and No Spirituality — Carlo Rovelli and Helgoland | by Graham Pemberton | Medium). Thật vậy, các hiện tượng lượng tử thường bị hiểu sai hoặc cố tình xuyên tạc cho phù hợp với câu chuyện huyền bí. Ví dụ, sự vướng víu được một số người diễn giải thành “mọi vật trong vũ trụ đều kết nối tâm linh với nhau”, hay nguyên lý bất định bị biến tướng thành “tư duy tạo nên thực tại” (vì cho rằng người quan sát quyết định kết quả – như đã đính chính ở trên, ý thức không can thiệp và kết quả tuân theo xác suất khách quan).

Thực tế, vật lý lượng tử là một ngành khoa học tự nhiên nghiêm ngặt, hoàn toàn phi thần bí. Nó không đưa ra bất kỳ luận thuyết nào về ý nghĩa cuộc sống, về tâm linh hay thế giới bên kia. Những ứng dụng công nghệ của nó cũng rất thực tế: từ bán dẫn, laser, MRi cho đến máy tính lượng tử – không có chỗ cho “năng lượng tâm linh”. Khi nghe ai đó nhắc đến “lượng tử” ngoài ngữ cảnh vật lý, ta nên cảnh giác. Như câu nói hài hước trong giới khoa học: “Nếu bạn nghĩ bạn hiểu cơ học lượng tử, bạn sẽ dùng nó để xây transistor; nếu bạn không hiểu, bạn sẽ dùng nó để trị liệu bằng pha lê.” Nhiều nhà vật lý, trong đó có Sabine Hossenfelder, đã viết về cách phân biệt khoa học thực sự với giả khoa học mượn danh lượng tử (How to tell science from pseudoscience). Hossenfelder lưu ý công chúng nên đề phòng những từ thông dụng như “trường năng lượng lượng tử của cơ thể”, “sóng ý thức lượng tử” – đó không phải thuật ngữ có ý nghĩa trong vật lý, mà thường nhằm mục đích thương mại hoặc mê tín.

Tóm lại, vật lý lượng tử không cho phép những “phép màu” vi phạm quy luật tự nhiên như du hành thời gian tùy ý, liên lạc siêu nhiên hay chữa bách bệnh bằng ý niệm. Những gì nó cho phép là những hiệu ứng đã được kiểm chứng trong phạm vi vật lý (ví dụ: hạt có thể xuyên qua rào thế – nhưng ở mức vi mô; hệ vĩ mô có thể vướng víu – nhưng cần điều kiện cực kỳ đặc biệt trong phòng thí nghiệm). Mọi tuyên bố vượt ra ngoài cần được kiểm chứng nghiêm ngặt; nếu không, nên xếp chúng vào loại giả khoa học. Vẻ đẹp của cơ học lượng tử nằm ở chỗ nó thách thức trực giác, nhưng đồng thời nó cũng khuôn phép theo các định luật toán học chính xác và được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Hiểu đúng những giới hạn và khả năng của thuyết lượng tử giúp ta tránh rơi vào cạm bẫy huyền bí, đồng thời trân trọng hơn những thành tựu khoa học có thật.

Tài liệu tham khảo:

Sabine Hossenfelder – Understanding Quantum Mechanics #6: It’s not just a theory for small things. (2020) (Sabine Hossenfelder: Backreaction: Understanding Quantum Mechanics #6: It’s not just a theory for small things.) (Sabine Hossenfelder: Backreaction: Understanding Quantum Mechanics #6: It’s not just a theory for small things.)
Sabine Hossenfelder – Understanding Quantum Mechanics #1: It’s not about discreteness. (2020) (Sabine Hossenfelder: Backreaction: Understanding Quantum Mechanics #1: It’s not about discreteness) (Sabine Hossenfelder: Backreaction: Understanding Quantum Mechanics #1: It’s not about discreteness)
Sabine Hossenfelder – Understanding Quantum Mechanics #2: Superposition and Entanglement. (2020) (Sabine Hossenfelder: Backreaction: Understanding Quantum Mechanics #2: Superposition and Entanglement) (Sabine Hossenfelder: Backreaction: Understanding Quantum Mechanics #2: Superposition and Entanglement)
Carlo Rovelli – Interview “Consciousness is irrelevant to Quantum Mechanics”, IAI News (2022) (Consciousness is irrelevant to quantum mechanics | Carlo Rovelli » IAI TV)
Carlo Rovelli – Helgoland (trích dẫn trong bài “Quantum Physics and No Spirituality”, 2021) (Quantum Physics and No Spirituality — Carlo Rovelli and Helgoland | by Graham Pemberton | Medium)
Sabine Hossenfelder phát biểu về vướng víu lượng tử (phỏng theo video trên YT) (Spooky action at a distance not allowed?)
Sean Carroll – Blog “The Notorious Delayed-Choice Quantum Eraser” (2019) (The Notorious Delayed-Choice Quantum Eraser – Sean Carroll)
SciAm – Common Interpretation of Heisenberg’s Uncertainty Principle Is Proved False. (2012) (Common Interpretation of Heisenberg’s Uncertainty Principle Is Proved False | Scientific American)
Sabine Hossenfelder – Understanding Quantum Mechanics #4: It’s not as difficult as you think! (2020) (Sabine Hossenfelder: Backreaction: Understanding Quantum Mechanics #4: It’s not as difficult as you think! (The Bra-Ket))
Các nguồn khác: Physics 555 Course Notes – Quantum Misconceptions (Quantum Misconceptions — Phys 555 - Quantum Technologies), Hossenfelder’s blog on pseudoscience (How to tell science from pseudoscience), v.v. (được trích dẫn trong lời văn).