Chúa có đổ xúc sắc? Phần 2
Stephen Hawking
Planck đã sớm có ý tưởng về lượng tử, như một thủ thuật toán học chứ không có ý nghĩa vật lý.
Tuy nhiên, các nhà vật lý bắt đầu tìm thấy một lối hành xử khác, có thể được giải thích như những đại lượng gián đoạn, hay các giá trị bị lượng tử hóa hơn là các đại lượng biến đổi liên tục. Ví dụ, người ta nhận thấy rằng các hạt cơ bản hành xử giống như những con quay nhỏ, quay quanh một trục. Nhưng ‘lượng quay’ (tiếng Latinh: spin) không nhận giá trị bất kì. Nó phải là một bội số của một đơn vị cơ bản. Vì đơn vị này rất nhỏ, nên ta không để ý đến sự giảm tốc theo từng bước nhỏ gián đoạn của một con quay thông thường, mà ta tưởng là một quá trình hoàn toàn liên tục. Nhưng đối với những con quay nhỏ như nguyên tử, đặc tính gián đoạn của spin là rất quan trọng.
Phải mất một thời gian trước khi con người nhận ra tác động của lối hành xử lượng tử này đến quyết định luận. Mãi tới năm 1926, một nhà vật lý người Đức khác, Werner Heisenberg chỉ ra rằng bạn không thể đo đồng thời vị trí và vận tốc của một hạt một cách chính xác. Để nhìn thấy một hạt nằm ở đâu, bạn phải chiếu sáng nó. Nhưng công trình của Planck cho biết bạn không thể sử dụng một lượng ánh sáng nhỏ bất kì được. Bạn phải dùng ít nhất một lượng tử. Điều này sẽ tác động đến hạt, và thay đổi tốc độ của nó theo cách không thể tiên đoán được. Để đo đạc vị trí của hạt một cách chính xác, bạn sẽ sử dụng ánh sáng có bước sóng ngắn như tia cực tím, tia X hay tia gamma. Nhưng cũng từ công trình của Planck, cho biết lượng tử của những bức xạ này sẽ có năng lượng cao hơn so với lượng tử của ánh sáng nhìn thấy. Vì vậy, chúng sẽ làm nhiễu động tới vận tốc của hạt nhiều hơn nữa. Một tình huống tồi: nếu bạn cố gắng đo đạc vị trí của vật càng chính xác thì càng khó xác định vận tốc của nó và ngược lại. Đây chính là tinh thần của nguyên lý bất định mà Heisenberg xây dựng; tích của độ bất định về vị trí và độ bất định về vận tốc của hạt luôn lớn hơn một đại lượng xác định, là tỉ số của hằng số Planck và khối lượng của hạt.
Bạn không thể đo đồng thời vị trí và vận tốc của một hạt một cách chính xác.
Quan điểm của Laplace, cũng là của quyết định luận, bao gồm việc biết đích xác vị trí và vận tốc của các hạt trong vũ trụ tại một thời điểm xác định. Vì vậy, nó làm bào mòn nghiêm trọng đến Nguyên lý bất định của Heisenberg. Bạn có thể tiên đoán được tương lai như thế nào, khi bạn không thể xác định chính xác vị trí và vận tốc của các hạt tại thời điểm hiện tại? Nếu bạn có một máy tính đủ mạnh, bạn chỉ cần đưa vào nó đầy rẫy các dữ liệu và sẽ thu được từng ấy các tiên đoán hệ quả.
Einstein rất không vui về sự ngẫu nhiên này của tự nhiên. Quan điểm của ông được tóm gọn trong mấy từ, ‘Chúa không đổ xúc xắc’. Ông cảm thấy dường như sự bất định chỉ là nhất thời: nhưng thực tại vẫn nằm bên dưới, ở đó các hạt có vị trí và vận tốc xác định, và sẽ tiến hóa theo các định luật của quyết định luận, theo tinh thần của Laplace. Có lẽ chỉ có Chúa mới biết được thực tại này, nhưng đặc tính lượng tử của ánh sáng sẽ ngăn cản chúng ta biết được nó, trừ khi thông qua một lớp kính đen.
Quan điểm của Einstein ngày nay được gọi là một lý thuyết ẩn biến. Các lý thuyết ẩn biến dường như là cách dễ nhất để mang Nguyên lý bất định vào vật lý. Chúng tạo nên bức tranh căn bản về vũ trụ và được nhiều nhà khoa học và đa số các nhà triết học khoa học thừa nhận. Nhưng các lý thuyết ẩn biến này sai! Nhà vật lý người Anh vừa qua đời, John Bell, đã để lại một thí nghiệm kiểm tra nhằm phân biệt các lý thuyết ẩn biến. Khi các thí nghiệm được tiến hành một cách cẩn thận, kết quả mang lại cho thấy có sự không nhất quán giữa các ẩn biến. Như vậy, dường như Chúa cũng bị giới hạn bởi Nguyên lý bất định và không thể biết đồng thời cả vị trí và vận tốc của hạt. Do đó, Chúa đã chơi xúc sắc với vũ trụ này. Tất cả các bằng chứng chỉ ra rằng Ngài là một tay chơi tầm cỡ, người gieo xúc sắc với mỗi cơ hội khả dĩ.
Các nhà khoa học khác thì tin nhiều vào việc Einstein đã bổ sung vào quan điểm của quyết định luận cổ điển ở thế kỉ 19. Một lý thuyết mới, gọi là cơ học lượng tử, được đặt nền móng bởi Heisenberg, nhà vật lý người Áo Erwin Schroedinger và nhà vật lý người Anh, Paul Dirac. Dirac là người tiền nhiệm của tôi, ở vị trí Giáo sư Lucasian ở Cambridge. Mặc dù cơ học lượng tử đã hình thành gần 70 năm nay nhưng nó vẫn chưa được hiểu bao quát hoặc đánh giá đúng, thậm chí du cho chúng đã được dùng nhiều để tính toán. Nó liên quan với tất cả chúng ta, bởi vì dù tạo ra một bức tranh hoàn toàn khác, nó là thực tại của vũ trụ. Trong cơ học lượng tử, vị trí và vận tốc của các hạt không được xác định hoàn toàn. Thay vì vậy, chúng được biểu diễn bởi cái mà ta gọi là hàm sóng. Đó là một con số tại mỗi điểm trong không gian. Giá trị của hàm sóng cho biết xác suất tìm thấy hạt tại vị trí đó. Sự thay đổi của hàm sóng từ vị trí này đến vị trí khác cho biết vận tốc của hạt. Bạn có thể có một hàm sóng với đỉnh nhọn trong một miền nhỏ. Điều này có nghĩa là độ bất định về vị trí là nhỏ. Nhưng hàm sóng sẽ biến đổi nhanh ở gần đỉnh, lên ở bên này và xuống ở phía còn lại. Như vậy, độ bất định về tốc độ sẽ lớn. Tương tự, bạn có thể có hàm sóng với độ bất định của tốc độ là nhỏ nhưng độ bất định của vị trí lại lớn.
Hàm sóng chứa tất cả các thông tin mà bạn có thể biết về một hạt như vị trí và tốc độc ủa nó. Nếu bạn biết hàm sóng tại một thời điểm, khi đó giá trị của nó tại một thời điểm khác được xác định bởi phương trình Schroedinger. Như vậy, bạn vẫn có khái niệm về quyết định luận nhưng nó không giống như cách nhìn của Laplace. Thay vì tiên đoán vị trí và vận tốc của hạt, ta có thể tiên đoán được hàm sóng. Điều này có nghĩa chúng ta chỉ có thể tiên đoán một nữa trong số đó, theo như quan điểm cổ điển từ thời thế kỉ 19.
Mặc dù cơ học lượng tử dẫn đến nguyên lý bất định, khi chúng ta cố gắng tiên đoán đồng thời vị trí và tốc độ, nó vẫn cho phép chúng ta tiên đoán, hoàn toàn xác định, một liên kết giữa vị trí và tốc độ. Tuy nhiên, thậm chí điều này xác định, dường như nó vẫn bị đe dọa bởi những phát triển gần đây. Vấn đề xuất hiện bởi vì hấp dẫn có thể uốn cong không thời gian nhiều đến độ, có những miền không thể quan sát được.
Đáng quan tâm hơn, chính Laplace đã viết một bài báo vào năm 1799 về cách mà các ngôi sao có trường hấp dẫn mạnh đến độ ánh sáng không thể thoát ra được mà bị kéo ngược trở lại ngôi sao. Ông thậm chí còn tính toán ra rằng một ngôi sao cùng mật độ với Mặt trời, nhưng lớn hơn 250 lần, sẽ có tính chất này. Nhưng dù Laplace không thể thấy được điều này, thì một ý tưởng giống như vậy đã được đưa ra trước đó 16 năm bởi một người Cambridge, John Mitchell, trong một bài báo trong Kỷ yếu triết học của Hội Hoàng gia. Cả Mitchell và Laplace đều nghĩ rằng ánh sáng bao gồm các hạt, giống như những quả pháo, cũng bị làm chậm bởi hấp dẫn và khiến cho nó rơi vào ngôi sao. Nhưng một thí nghiệm nổi tiếng, được tiến hành bởi hai người Mỹ, Michelson và Morley vào năm 1887, chỉ ra rằng ánh sáng luôn luôn truyền đi với tốc độ một trăm tám mươi sáu ngàn dặm mỗi giây, bất kể là nó đến từ đâu. Hấp dẫn có thể làm chậm ánh sáng như thế nào, và khiến cho nó quay trở lại?
