Transcription
Xin chào tất cả các bạn. Nếu bạn là một photon, vũ trụ sẽ không còn giống như những gì bạn từng nghĩ. Bạn sẽ không du hành vượt qua không gian hay thời gian. Thay vào đó, bạn sẽ lập tức có mặt ở khắp mọi nơi, lập tức trải qua vô hạn thời gian. Trong mắt bạn, vũ trụ chỉ là một lát cắt mỏng, mỏng hơn cả độ dài Planck. Toàn bộ diễn biến, lịch sử và tương lai của vũ trụ sẽ được nén chặt thành một khoảnh khắc duy nhất. Rất khó có thể tìm ra từ ngữ nào thích hợp để miêu tả điều này. Có lẽ chúng ta chỉ có thể gọi nó là khoảnh khắc của sự vĩnh hằng.
Thế nhưng trong vật lý, photon lại là hạt không có hệ quy chiếu chủ quan. Chính vì vậy, chúng ta không thể thực sự đặt mình vào vị trí của nó. Dẫu thế, xét một cách công tâm, photon dường như miễn nhiễm với mọi quy luật vật lý, kể cả thời gian cũng không ràng buộc được nó. Trong khi mọi hạt có khối lượng đều bị giam cầm trong dòng chảy của entropi, bị buộc phải hành xử theo các quy luật định sẵn thì photon lại tự do. Nó luôn tồn tại theo cách riêng biệt, giống như một kẻ đứng ngoài cuộc chơi. Dựa vào những tính chất đặc biệt đó, video này chúng ta sẽ tiếp tục phân tích về photon thông qua hai vấn đề chủ đạo: vũ trụ không chiều và thí nghiệm khe đôi. Điều quan trọng đây không phải là một bài viết thuần về thông tin theo kiểu dựa vào một chủ đề cụ thể rồi khai thác. Thay vào đó mình sẽ tự đặt ra các câu hỏi rồi trả lời, cố gắng kết nối mọi vấn đề một cách logic nhất có thể. Dĩ nhiên là vẫn sẽ có nhiều sơ hở đấy. Nếu các bạn cảm thấy có điều gì mâu thuẫn, hãy cứ comment cho mình biết. Mình sẽ tổng hợp lại rồi giải quyết trong video sau.
Đầu tiên, tại sao photon có thể xuất hiện ở khắp mọi nơi trong vũ trụ? Đây là một vấn đề lượng tử thú vị. Richard Feynman đã phát hiện ra rằng photon không đi thẳng từ vị trí này đến vị trí khác bằng một đường duy nhất. Trái lại, photon sẽ đi qua tất cả mọi con đường dù là vòng vèo nhất. Điều này gián tiếp khẳng định ánh sáng không phải mặc định sẽ đi theo đường thẳng mà đôi khi nó sẽ đi theo đường vòng. Đến đây có một câu hỏi. Nếu photon đi trên mọi con đường, chắc chắn các phiên bản của nó sẽ trải qua khoảng cách dài ngắn khác nhau. Vậy làm sao mọi phiên bản có thể đến đích cùng lúc? Chẳng phải đường dài hơn sẽ tốn thời gian hơn sao?
Câu trả lời là các phiên bản sẽ không đến đích cùng lúc. Trên thực tế, có những phiên bản sẽ không bao giờ tới đích. Một photon đang di chuyển trong không gian, nó không mang theo thời gian. Thứ nó mang theo là pha lượng tử. Các pha này sẽ cộng hưởng tăng cường lẫn nhau nếu đường đi của chúng là trùng khớp hoặc gần như trùng khớp. Còn các pha khác nhau hoặc ngược hướng chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Với các phiên bản có pha trùng khớp hoặc gần như trùng khớp, chúng không triệt tiêu lẫn nhau, tạo nên sự cường hóa trên con đường khả dĩ nhất. Điều này giải thích cho việc photon luôn đi theo con đường tốn ít thời gian nhất và điểm xuất hiện của nó trên màng chắn luôn là một vệt sáng rõ ở giữa rồi mờ dần ra xung quanh. Về phần các phiên bản đi đường vòng, chỉ cần lộ trình của nó lệch đi một chút thì các pha ngay lập tức trở nên hỗn loạn. Trong toán học, nếu bạn cộng dồn tất cả các pha hỗn loạn này lại, kết quả luôn xấp xỉ bằng 0. Càng nhiều pha được cộng dồn, kết quả càng tiến sát không hơn.
Vậy có khi nào ánh sáng chọn đi đường vòng thay vì đường thẳng hay không? Câu trả lời là có. Nếu bạn đặt một vật cản chặn đường của photon sau đó cố tình mở ra một vài con đường cụ thể giống như thí nghiệm khe hẹp. Lúc đó ánh sáng sẽ đi theo đường vòng rồi xuất hiện ở điểm đáng lẽ nó không thể nào tới được. Ngoài cách giải thích đó, chúng ta vẫn còn một cách giải thích khác. Sự phân nhánh Copenhagen. Mỗi một phiên bản của photon đều sẽ hoàn thành quãng đường của nó. Không có phiên bản nào được ưu tiên hay bị xóa sổ. Tuy nhiên, đích đến của photon là những thế giới khác nhau, vũ trụ khác nhau. Đây là một sự phân nhánh đa thế giới. Mỗi photon đều mang trong mình vô số khả năng và mỗi khả năng đó đại diện cho một thế giới riêng biệt.
Đến đây lại có một câu hỏi phát sinh. Điều gì khiến photon hay hệ lượng tử quyết định lựa chọn khả năng xuất hiện? Ví dụ như chiếc hộp chứa con mèo lượng tử, tại sao khi bạn nhìn vào hệ lượng tử lại sụp đổ? Nói cách khác, tại sao việc nhìn lại quan trọng? Trong toán học, một hệ lượng tử luôn tồn tại ở trạng thái chồng chất với nhiều khả năng có thể xảy ra. Nhưng khi bạn nhìn vào, bạn chỉ thấy một kết quả duy nhất. Đây được gọi là sụp đổ hàm sóng. Nhưng thứ gì quyết định điều đó? Với trường hợp con mèo lượng tử, việc bạn nhìn vào tương đương với một phép đo. Vậy như thế nào được gọi là phép đo?
Câu trả lời là tương tác. Một phép đo hay một thiết bị đo nó tương đương với một hoặc nhiều tương tác xảy ra. Ví dụ về thí nghiệm khe hẹp, khi photon đi qua hai khe, nó thể hiện tính chất sóng một cách rõ nét. Kết quả là màng chắn sẽ xuất hiện các vân giao thoa xác suất. Tuy nhiên, khi một trong hai khe được lắp máy dò hạt, màng chắn sẽ không xuất hiện vân giao thoa. Đây chính là bản chất của phép đo, phép đo của máy dò hạt. Chúng ta thường đặt câu hỏi là tại sao photon lại biết đường đi đã bị theo dõi rồi thay đổi cách hành xử? Thực chất đây là một câu hỏi vô nghĩa. Câu hỏi đúng phải là thế nào được tính là một máy dò hay thiết bị đo? Khi photon đi qua máy dò, điều gì đã xảy ra?
Bây giờ chúng ta sẽ giải quyết từng vấn đề một. Đầu tiên, máy dò photon hoạt động như thế nào? Máy dò photon được định nghĩa là một thiết bị phát hiện các hạt ánh sáng riêng lẻ. Nguyên lý hoạt động của nó là chuyển đổi năng lượng của photon thành tín hiệu điện có thể đo được. Như vậy, máy dò thực chất là một màng chắn vật chất. Màng chắn này hấp thụ photon, tạo ra những thay đổi về mức năng lượng của electron trong vật chất, rồi tạo ra dòng điện. Còn một loại máy dò khác nhạy hơn rất nhiều đó là máy dò siêu dẫn. Vật liệu sẽ được làm lạnh xuống tiệm cận 0 Kelvin để trở thành chất siêu dẫn có điện trở bằng 0. Lúc này vật liệu sẽ trở nên cực kỳ nhạy cảm. Chỉ cần một photon đi qua, nó sẽ lập tức tương tác với electron trong vật liệu và phá vỡ đi tính siêu dẫn. Nói tóm lại, không có bất kỳ máy dò nào có khả năng nhận diện photon bay qua mà không gây ra ảnh hưởng đến photon đó. Máy dò về bản chất là một thiết bị tương tác để nhận diện photon.
Vậy thí nghiệm khe đôi hoạt động như thế nào? Câu trả lời là nằm ở tính chất phân cực của photon. Photon có hai loại phân cực đó là ngang và dọc tương ứng với hướng dao động của điện trường. Bình thường photon sẽ luôn ở trạng thái chồng chất. Để lọc photon trong thí nghiệm khe hẹp, hai khe sẽ được bố trí vật liệu phân cực khác nhau. Về mặt vật lý, vật liệu phân cực vẫn sẽ tương tác với photon thông qua điện trường của nó. Những tương tác này không nhất thiết sẽ làm thay đổi hướng đi của photon, nhưng nó lại làm thay đổi trạng thái của photon. Đây được gọi là sự nhận diện.
Vậy tại sao vân giao thoa biến mất khi photon bị nhận diện dù vật liệu phân cực không gây ra nhiều ảnh hưởng đến photon? Câu trả lời là thông tin. Thời điểm photon đi qua vật liệu phân cực, thông tin của nó đã bị nhận diện, tức là hai trạng thái của photon không còn là một hệ chồng chất nữa. Thay vào đó, khi đi qua thiết bị nó trở thành một hệ vướng víu. Lúc này, photon dường như mất đi bản chất chồng chất. Nói cách khác, trạng thái chồng chất lượng tử của nó đã bị giải mã, đồng thời gắn liền với thiết bị đo.
Đến đây lại có một câu hỏi, tại sao sau khi đi qua vật liệu phân cực, trạng thái vướng víu vẫn có thể tồn tại? Câu trả lời là vướng víu là trạng thái liên kết chặt chẽ của hai hạt. Khi bạn biết trạng thái của hạt này thì ngay lập tức bạn cũng biết trạng thái của hạt kia. Ở trong trường hợp này, hai dòng photon đi qua hai khe phân cực, trạng thái của nó luôn được phân biệt một cách rõ ràng. Như vậy, cốt lõi của sự phân cực chính là giải mã thông tin lượng tử của photon. Khi photon bị giải mã, thông tin của nó gắn liền với thiết bị phân cực. Khi đi qua thiết bị, nó sẽ không thể chồng chất trở lại bởi vì hai nguyên nhân. Một, nếu photon quyết lấy lại trạng thái chồng chất, nó phải làm lây lan sự chồng chất đó cho cả thiết bị đo. Nhưng đây là một điều bất khả thi vì thiết bị đo là một vật thể vật lý cực kỳ lớn. Nguyên nhân thứ hai đó là thông tin khi đã được ghi thì không thể khôi phục. Khi đi qua thiết bị phân cực, thông tin của hạt đã được xác định. Đồng thời những thông tin này cũng bị dò rỉ ra xung quanh khi mà thiết bị tương tác với môi trường bên ngoài.
Vậy chẳng lẽ không còn cách nào hay sao? Câu trả lời là vẫn có. Tuy thông tin không thể được khôi phục nhưng có thể xóa. Nếu bạn đặt thêm một bộ lọc phân cực thứ ba sau hai bộ ban đầu, điều kiện là bộ lọc phân cực này có góc bằng 45 độ. Mục đích là sáo trộn thông tin của hai dòng photon làm cho sự giao thoa quay trở lại. Lúc này tỉ lệ photon đi qua thiết bị thứ ba là 50/50. Kết quả là các vân giao thoa tiếp tục xuất hiện như chưa từng bị đánh dấu. Tuy nhiên, vấn đề không nằm ở tỉ lệ đi qua bộ phân cực là bao nhiêu. Điều quan trọng là thông tin phân biệt giữa hai khe ban đầu đã không còn, chúng bị trộn lẫn với nhau. Thoạt nghe, điều này giống như việc sáo trộn hai tỉ lệ khiến cho thông tin ban đầu không còn được nhận ra chứ không phải là xóa thông tin.
Dĩ nhiên, mọi thứ không chỉ có vậy. Các nhà thí nghiệm thực sự đã làm những điều còn điên rồ hơn nữa với thí nghiệm khe đôi mở rộng hay còn gọi là thí nghiệm xóa thông tin lượng tử trì hoãn. Đầu tiên họ tạo ra các photon vướng víu rồi chia thành hai dòng khác nhau. Dòng thứ nhất cho đi trực tiếp vào màng chắn được đánh dấu là D0. Kết quả hiển thị ở D0 là một tập hợp hỗn loạn, không có vân giao thoa. Dòng photon còn lại sẽ di chuyển trên quãng đường dài hơn và đi qua một hệ phức tạp hơn bao gồm bộ chia chùm tia, gương phản xạ và máy dò. Cụ thể thí nghiệm D3 và D4 sẽ đi qua một số gương phản xạ, sau đó đi đến một bộ chia chùm tia. Bộ chia chùm hoạt động giống như thấu kính phân cực. Nó cho phép 50% ánh sáng đi qua và 50% bị phản xạ trở lại. Tiếp đó, phần phản xạ sẽ đi thẳng đến màng chắn và hiển thị kết quả là ngẫu nhiên không có vân giao thoa. Còn phần đi qua sẽ tiếp tục hành trình tới một gương phản xạ và một bộ chia chùm khác. Việc đi qua gương phản xạ chính là nhằm mục đích kéo dài đường đi của ánh sáng hay còn gọi là sự trì hoãn thời gian. Về phần D1 và D2, nó sẽ đi qua một bộ chia chùm khác tương đương với D3 và D4 với 50% đi qua và 50% phản xạ. Sau đó điều chỉnh các gương phản xạ sao cho phần ánh sáng đi qua của D3 và D4 sẽ được trộn lẫn với ánh sáng phản xạ của D1 và D2. Nói thì khá rắc rối, các bạn cứ nhìn vào hình là dễ hiểu nhất. Sau khi hòa trộn, màng chắn của D1 và D2 hiển thị vân giao thoa rõ nét. Lúc này chúng ta hãy quay trở lại với kết quả ban đầu của D0 bằng cách xác định hạt vướng víu với D1 và D2 tại D0. Khi lọc kết quả của D0, nó đã hiển thị ra các vân giao thoa rõ nét. Mặc dù kết quả của nó đã được xác định từ trước và về tổng thể là hỗn loạn ngẫu nhiên. Điều này chứng minh rằng vướng víu lượng tử là một liên kết phi thời gian. Mặc dù kết quả của D0 đã xảy ra từ trước nhưng việc đó không ảnh hưởng đến kết quả của hạt vướng víu với nó dù cho thời gian xảy ra muộn hơn rất nhiều. Trên thực tế, đây không phải là sự quay ngược thời gian hay sự sửa đổi kết quả từ quá khứ mà thực chất là sự tương quan tử xảy ra bất chấp thời gian và khoảng cách.
Tổng kết lại, sự kỳ diệu của thí nghiệm khe đôi nằm ở việc làm cách nào để xác định thông tin. Khi một hạt đi qua thiết bị đo, thông tin của nó đã bị lộ. Việc này đồng nghĩa với một hoặc nhiều tương tác. Khi hạt tương tác, nó đánh mất tính chất sóng của mình. Nói cách khác, hàm sóng của hạt đã sụp đổ khi hạt tương tác với máy dò. Chính vì vậy, hai câu hỏi tại sao hạt lại biết chúng ta theo dõi và tại sao khi mở hộp con mèo chỉ xuất hiện ở một trạng thái duy nhất? Thực chất là hai câu hỏi sai. Về bản chất, hạt không cần biết có ai theo dõi nó hay không. Và con mèo trong hộp cũng không quan trọng việc bạn có mở hộp hay không. Điều quan trọng nhất là hạt tương tác. Khi hạt tương tác, thông tin của nó sẽ bị giải mã, đồng thời thông tin đó cũng bị dò rỉ ra môi trường xung quanh không thể khôi phục. Về phần thí nghiệm trì hoãn xóa thông tin lượng tử, đây chính là điểm hack não nhất của cơ học lượng tử. Bởi rõ ràng sự tương quan của các hạt luôn luôn không đổi bất chấp thời gian và khoảng cách.
Cuối cùng phần photon và vũ trụ không chiều mình phải hẹn các bạn trong một video riêng. Hiện tại thì vẫn cần phải suy nghĩ thêm nữa.