Xin lỗi Einstein, các nhà khoa học vừa tìm ra được bằng chứng về rối lượng tử

Một trong những hiện tượng lạ nhất mà khoa học từng gặp phải đó là rối lượng tử - hiện tượng mà hai hạt vật chất được gắn bó chặt chẽ dù chúng cách xa tới mức nào, thậm chí là tới khoảng cách lên tới cả nhiều năm ánh sáng. Trạng thái của một hạt sẽ ngay lập tức ảnh hưởng tới trạng thái của hạt kia qua liên kết chặt chẽ đó.

Trước hiện tượng này, thiên tài Einstein đã đi đến quyết định cuối cùng đó là sự việc này kì dị đến mức khó có thể tồn tại, ông đã gọi hiện tượng rối lượng tử này là "tác động kỳ quái từ xa".

Nhưng những thử nghiệm mới được hoàn thành là những bằng chứng rõ ràng nhất cho hiện tượng rối lượng tử này thực sự xảy ra, và đồng thời cũng chứng minh luôn điều mà ta vẫn biết rõ, đó là vũ trụ này vẫn kì lạ như từ xưa tới nay vẫn thế.

Vũ trụ này vẫn kì lạ như từ xưa tới nay vẫn thế.

Bản thân rối lượng tử nhiều phần chỉ là một thứ lý thuyết và rất khó chứng minh, mặc dù các nhà vật lý học có thể theo dõi nó một cách dễ dàng (rối lượng tử là thứ cơ bản nhất của máy tính lượng tử) nhưng ta không thể nào biết được liệu có một thứ vô hình gì ảnh hưởng tới trạng thái của hai hạt, khiến cho kết quả mà ta thấy được "có vẻ như" là kết quả mà ta muốn thấy.

Tại sao mà hai hạt lại có được một kết nối như vậy, có thể giống hệt nhau ở khoảng cách rất xa (từ vài mét cho đến vài năm ánh sáng), các nhà khoa học chỉ cần biết chính xác các số đo của một hạt để luận ra trạng thái của hạt còn lại?

Đã có không ít những thử nghiệm trong suốt thế kỷ vừa rồi cố gắng chứng minh hiện tượng rối lượng tử này, nhưng chẳng ai có thể giải thích nó một cách trọn vẹn cả. Ngay cả "thiên tài tóc rối" Einstein, đến quyết định cuối cùng, cũng chỉ coi nó là "tác động kỳ quái từ xa" chứ không có lời giải thích nào tới tận gốc.

Einstein không phủ nhận đó là hiện tượng rối lượng tử, nhưng ông đưa ra ý kiến rằng có những giá trị biến thiên ẩn nào đó đã gây ra hiện tượng này.

Vào hồi những năm 1960, nhà vật lý học John Bell đã tạo ra một loại "thử nghiệm" đặc biệt nhằm đo đạc sự rối xem chúng có thực sự rối hay đó là một biến số nào đó đã thay đổi kết quả thử nghiệm. Thử nghiệm của John Bell là hai bài đo đạc riêng biệt với hai hạt rối, để xem kết quả nào thuyết phục hơn.

Thử nghiệm của John Bell là hai bài đo đạc riêng biệt với hai hạt rối, để xem kết quả nào thuyết phục hơn.

"Bell đã chứng minh được rằng, theo thông số thống kê, thì sự tương quan giữa các kết quả vượt qua ngưỡng giới hạn và không thể được giải thích bằng việc các hạt này có những thuộc tính ẩn được", Elizabeth Gibney từ tạp chí uy tín Nature nói.

"Thay vào đó, kết quả cho thấy việc đo đạc một hạt đã sửa thuộc tính của hạt kia một cách bí ẩn".

Các nhà khoa học sớm nhận ra rằng đã có những giới hạn áp đặt lên nhà vật lý học Bell với những thử nghiệm của ông, đã có những lỗ hổng mở ra những lời giải thích khác.

Một trong những lỗ hổng có lẽ là việc các hạt chia sẻ thông tin với nhau với vận tốc ánh sáng, và các công cụ đo đạc của chúng ta quá chậm để có thể bắt kịp. Hay có lẽ kết quả cuối cùng đã bị ảnh hưởng khi một số hạt đã không được đo đạc đầy đủ.

Hai lỗ hổng kia cuối cùng cũng được đưa ra giải quyết hồi năm 2015, khi một thử nghiệm mang tính lịch sử đã khiến hiện tượng rối lượng tử vượt qua bài thử khó nhất, bằng cách loại trừ cả hai khả năng trên.

Tuy nhiên, vẫn còn một lỗ hổng nữa, lỗ hổng mang tên sự tự do chọn lựa thuộc tính.

Gibney giải thích rằng, mỗi lần chúng ta áp dụng lại bài thử của Bell, chúng ta lại giả định rằng các nhà khoa học thực hiện thử nghiệm có thể chọn lựa cách thức đo đạc mà họ thực hiện lên mỗi hạt của cặp photon ánh sáng:

"Nhưng một vài hiệu ứng bí ẩn có thể ảnh hưởng tới cả hai hạt và loại bài thử nào đang được áp dụng (hoặc chúng ảnh hưởng tới những lựa chọn đo đạc hoặc hợp lý hơn, chúng giới hạn những lựa chọn có thể được sử dụng, để tạo ra một hư ảnh về sự rối".

Nói một cách dễ hiểu, hãy tưởng tượng vũ trụ này là một nhà hàng với thực đơn 10 gọi món.

"Bạn nghĩ rằng bạn có thể gọi bất kì món nào trong danh sách 10 ấy, nhưng rồi họ nói với bạn rằng "Chúng tôi hết thịt gà rồi", thế là hóa ra bạn chỉ có thể gọi được 5 món mà thôi", một người thuộc đội ngũ nghiên cứu, Andrew Friedman từ MIT nói.

"Bạn vẫn còn sự tự do lựa chọn với 5 món còn lại, nhưng bạn đã hiểu nhầm sự lựa chọn của mình ngay từ giây đầu tiên".

Với những thử nghiệm rối lượng tử cũng vậy, "có thể có những điều kiện trói buộc chưa được biết tới, những luật lệ giới hạn sự lựa chọn của bạn lại", Friedman kết luận. Những yếu tố chưa biết ấy có thể đánh lừa chúng ta, rằng việc rối lượng tử là có thực.

Một trong những kẻ thường xuyên gây rắc rối là lực hấp dẫn, có lẽ sự ảnh hưởng của chúng đã giới hạn những biện pháp đo đạc ta có thể có, bởi ta thực hiện những thử nghiệm ấy trên Trái Đất, nơi lực hấp dẫn tồn tại và "hoành hành" từ những ngày tháng xưa kia của Địa Cầu.

Một trong những lỗ hổng có lẽ là việc các hạt chia sẻ thông tin với nhau với vận tốc ánh sáng.

Vậy làm thế nào để ta loại bỏ được lỗ hổng của sự tự do lựa chọn khi mà chính Vũ trụ này giới hạn khả năng đo đạc?

"Ta giới hạn lại chính những lựa chọn mà vũ trụ này đặt ra", Friedman nói.

Trong quá khứ, các nhà nghiên cứu đã cố gắng vượt qua lỗ hổng này bằng cách sử dụng một hệ thống tạo số ngẫu nhiên, vào phút cuối chọn ra một cách ngẫu nhiên những thuộc tính nào để đo đạc trước khi hạt vật chất tới được điểm cuối.

Điều đó có nghĩa là hạt có rất ít thời gian để chia sẻ thông tin với nhau, và kết quả cuối cùng sẽ cho thấy rằng hạt chỉ "trong có vẻ rối" mà thôi, như Einstein đã dự liệu từ trước.

Thử nghiệm này hoàn toàn khả thi, nhưng nó chỉ loại bỏ sự ảnh hưởng của những biến số ẩn vài micro giây trước khi hạt vật chất được phóng ra. Nhưng nếu biến số đã ảnh hưởng đến hạt từ trước giây phút đó thì sao?

Một đội ngũ các nhà nghiên cứu từ MIT, Đại học Vienna, Áo và nhiều viện nghiên cứu khác từ Trung Quốc và Đức đã quyết định sử dụng ánh sáng để đẩy lui độ dài thời gian, khiến cho những ảnh hưởng vô hình hoàn toàn bị loại bỏ khỏi thử nghiệm.

Thử nghiệm lần này xác định vị trí của màu đỏ và xanh trong một số thuộc tính nhất định sẽ được đo đạc trong cách hạt. Hai kính viễn vọng sẽ được đặt để soi xem ánh sáng chiếu vào là xanh hay đỏ, bất kì màu nào được phát hiện sẽ xác định thuộc tính được đo trong những hạt rối.

Bởi lẽ sắc màu của ánh sáng sẽ không thể bị thay đổi trên đường bay của chúng, vì vậy bất kì yếu tố ảnh hưởng nào sẽ không có tác dụng lên hạt và cũng không thể xác định được thuộc tính hạt trước khi được đo.

Thử nghiệm lần này xác định vị trí của màu đỏ và xanh trong một số thuộc tính nhất định sẽ được đo đạc trong cách hạt.

Ánh sáng được sử dụng là ánh sáng từ một ngôi sao cách đây rất xa, và nếu những thuộc tính hạt kia được xác định từ trước, thì nó phải được xác định từ cách đây 600 năm rồi.

Thử nghiệm không đóng lại được toàn bộ lỗ hổng của sự tự do chọn lựa, nhưng lần đầu tiên, ta có thể xác định được "tác động kỳ quái từ xa" là có tồn tại, ít nhất là tồn tại từ 600 năm nay. Mục tiêu tiếp theo của các nhà khoa học là đẩy xa cái giới hạn 600 năm này đi xa nữa.

Friedman nghĩ rằng họ có thể làm được vậy bằng cách sử dụng ánh sáng từ những nơi xa hơn nữa, thậm chí đẩy lại hàng tỷ năm. Nhưng đâu sẽ là điểm cuối, điểm đầu tiên của vũ trụ là Big Bang sao?

Có thể chính vũ trụ này giới hạn lựa chọn của hạt từ điểm đầu tiên, bởi lẽ mọi phép đo đều được xác định trước từ thời điểm Bing Bang xảy ra rồi. Thử nghiệm của Bell sẽ không thể đẩy xa được tới thời điểm ánh sáng chưa xuất hiện, bởi vậy lỗ hổng sự tự do lựa chọn sẽ không bao giờ được đóng kín hoàn toàn.

Dù vậy, Friedman kết luận rằng những khả năng vô tận quá ư thú vị và họ không thể không khám phá tiếp được. "Đối với chúng tôi, đây là một tình huống có lợi. Hoặc là chúng tôi sẽ càng ngày càng đóng kín được lỗ hổng này, và chúng ta lại càng tự tin hơn được trong những giả thiết lượng tử được đặt ra, hoặc chúng ta sẽ tìm thấy những bằng chứng về một thứ vật lý hoàn toàn mới".