Một thí nghiệm vật lí kinh điển có thể ẩn chứa nhiều điều hơn những gì chúng ta có thể nhận ra về bản chất của thực tại. Thí nghiệm hai khe cổ điển làm sáng tỏ sự lưỡng tính kì lạ của thế giới lượng tử, nhưng nó có thể hành xử lạ hơn chúng ta nghĩ – và có thể thách thức một trong những giả thuyết được tuân thủ chặt chẽ nhất của cơ học lượng tử.
Việc xét lại thí nghiệm hai khe có thể giúp thống nhất cơ học lượng tử với một trụ cột khác của vật lí lí thuyết – thuyết tương đối tổng quát của Einstein – một thách thức trước nay luôn tỏ ra hết sức cứng đầu cứng cổ.
Trong thí nghiệm hai khe, người ta chiếu ánh sáng vào hai khe sát nhau đặt trước một màn hứng.
Thế giới quan cổ điển của chúng ta đề xuất rằng ánh sáng phải đi qua khe này hoặc khe kia, và do đó tạo ra hai vệt sáng song song trên màn phía sau. Nhưng thay vậy, ánh sáng lại phân bố thành dải các vệt sáng tối xen kẽ.
Hình ảnh giao thoa này vẫn xuất hiện cho dù bạn lần lượt chiếu từng photon một, cho thấy thay vì truyền theo đường thẳng, ánh sáng hành xử vừa là sóng vừa là hạt đồng thời. Nhà vật lí người Mĩ Richard Feynman phát biểu rằng thí nghiệm này tiêu biểu cho “bí ẩn trung tâm” của thế giới lượng tử.
Minh họa sự truyền sóng qua hai khe
“Mọi sinh viên vật lí lượng tử đều được dạy cách tính hệ vân giao thoa của thí nghiệm hai khe,” phát biểu của James Quach tại Viện Khoa học và Công nghệ Barcelona ở Tây Ban Nha.
Để tính xác suất một photon đi tới một vị trí nào đó trên màn, các nhà vật lí sử dụng một nguyên lí gọi là quy tắc Born. Tuy nhiên, chẳng có lí do cơ bản nào tại sao quy tắc Born phải đúng. Nó có vẻ hoạt động trong mọi tình huống mà chúng ta đã kiểm tra, nhưng chẳng ai biết tại sao. Một số người đã cố gắng suy luận ra nó từ cách hiểu “đa thế giới” của cơ học lượng tử, theo đó thì mọi trạng thái khả dĩ của một hệ lượng tử có thể tồn tại trong những vũ trụ khác nhau, song song nhau – nhưng những nỗ lực như thế không có tính thuyết phục.
Điều đó khiến quy tắc Born là nơi thích hợp để tìm kiếm các vết nứt trong thuyết lượng tử. Để thống nhất cơ học lượng tử, lí thuyết chi phối vũ trụ ở cấp độ vi mô, với thuyết tương đối tổng quát, lí thuyết áp dụng cho thế giới vĩ mô, một trong hai lí thuyết phải nhượng bộ. Nếu quy tắc Born sụp đổ, nó có thể dọn đường cho sự hấp dẫn lượng tử.
“Nếu quy tắc Born bị vi phạm, thì một tiên đề cơ bản của cơ học lượng tử bị vi phạm, và nó phải hướng tới chỗ người ta phải tới để tìm kiếm các lí thuyết hấp dẫn lượng tử,” Quach nói.
Hiện tại, Quach vừa đề xuất một cách mới kiểm tra quy tắc Born. Ông xuất phát từ một quan điểm khác của phương pháp Feynman: để tính xác suất của một hạt đi tới một điểm nhất định trên màn, bạn phải xét mọi đường đi có thể có của nó từ nguồn đến màn, kể cả những đường đi trông như lố bịch. “Trong số này bao gồm cả những đường đi từ đây lên mặt trăng rồi quay về,” Quach nói.
Hầu như không có đường đi nào trong số này ảnh hưởng đến vị trí cuối cùng của photon, nhưng có một số đường đi có thể làm thay đổi xác suất đủ mức cho chúng ta đo được sự khác biệt.
Chẳng hạn, thí dụ có ba đường đi mà hạt có thể đi qua thiết bị thay vì hai đường như ai cũng thấy. Quy tắc Born yêu cầu bạn tính xác suất bằng cách xét sự giao thoa giữa các cặp đường đi, chứ không xét giữa ba đường đi cùng lúc.
Quach chứng minh rằng nếu bạn xét sự giao thoa giữa cả ba đường đi, thì xác suất sẽ khác với cái mà quy tắc Born dự đoán (arxiv.org/abs/1610.06401v1).
Ông đề xuất kiểm tra điều này với một thí nghiệm hai khe cho phép một đường đi thứ ba, một đường zigzag trong đó hạt đi qua khe bên trái, vòng qua phía trên khe bên phải, rồi đi tới màn. Nếu đường đi thứ ba gioa thoa với hai đường đi trực tiếp hơn kia, thì các kết quả phải sai lệch với cái mà quy tắc Born đề xuất.
Công trình của Quach là “rất hấp dẫn và đầy cảm hứng,” theo lời Aninda Sinha tại Viện Khoa học Ấn Độ ở Bangalore, một thành viên của đội ban đầu đề xuất khảo sát các vi phạm của quy tắc Born, sử dụng các đường đi uốn lượn, phi cổ điển.
Nhưng ông cho biết thí nghiệm của Quach có thể không bắt được những đường đi khác có khả năng làm ảnh hưởng đến các kết quả.
Tình hình đang sốt sắng. Việc tìm kiếm các vi phạm của quy tắc Born có thể là mũi tiến công tiên phong mở ra cánh cửa mới tiến sang một nhận thức cơ bản hơn của thực tại.
Nguồn: Anil Ananthaswamy – New Scientist, ngày 5/11/2016
