Giải mã bí ẩn Con mèo của Schrodinger và Cơ lượng phần tử

Trong lịch sử khoa học, hiếm có một thí nghiệm tưởng tượng nào vừa gây tò mò, vừa khiến các nhà vật lý đau đầu như Con mèo của Schrödinger. Thí nghiệm này không chỉ là câu chuyện về một con mèo trong chiếc hộp kín, mà còn là biểu tượng cho những nghịch lý sâu thẳm của cơ lượng phần tử – lĩnh vực vật lý phức tạp nhất từng được con người khám phá.

Con mèo của Schrödinger là gì?

Con mèo của Schrödinger là một thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng trong vật lý lượng tử. Nó được nhà khoa học Erwin Schrödinger nghĩ ra để minh họa cho một điều rất kỳ lạ trong cơ học lượng tử, đó là hiện tượng trạng thái chồng chập.

Thí nghiệm này cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa thế giới vi mô, nơi các hạt có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng lúc, và thế giới vĩ mô như chúng ta, nơi mọi thứ chỉ tồn tại ở một trạng thái nhất định.

Tóm tắt thí nghiệm Con mèo của Schrödinger

Hãy hình dung một con mèo bị nhốt trong một chiếc hộp kín. Bên trong hộp còn có:

• Một nguyên tử phóng xạ có khả năng phân rã.

• Một thiết bị phát hiện phóng xạ.

• Một cơ chế búa và một lọ chất độc.

Nếu nguyên tử phóng xạ phân rã, thiết bị sẽ phát hiện, búa sẽ đập vỡ lọ chất độc và con mèo sẽ chết. Còn nếu nguyên tử không phân rã, mèo sẽ an toàn.

Điều kỳ lạ là, theo vật lý lượng tử, trước khi bạn mở hộp ra, nguyên tử vừa phân rã vừa không phân rã. Vì thế, con mèo cũng rơi vào trạng thái vừa sống vừa chết – tồn tại song song cả hai trạng thái một cách kỳ lạ.

Chỉ đến khi bạn mở hộp ra và quan sát, trạng thái chồng chập ấy mới bị phá vỡ. Lúc đó, con mèo hoặc là sống, hoặc là đã chết – không còn cả hai cùng lúc nữa.

Ý nghĩa thực sự của thí nghiệm

Điều Schrödinger muốn truyền tải không phải là việc con mèo thực sự sống chết cùng lúc, mà là để đặt ra câu hỏi:

Tại sao ở thế giới vi mô, vật chất có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng lúc, nhưng thế giới vĩ mô lại không như vậy?

Thí nghiệm này còn gợi mở một vấn đề quan trọng:
Liệu có phải chính hành động quan sát đã làm thay đổi kết quả? Nếu không có người nhìn vào thì thực tại có “thật sự” xảy ra không?

Thông điệp sâu xa

Con mèo của Schrödinger là cách để khoa học và triết học cùng đặt ra câu hỏi về bản chất của thực tại. Nó cho thấy sự kỳ lạ và bí ẩn của thế giới lượng tử mà đến nay, con người vẫn chưa thể lý giải trọn vẹn.

Nếu bạn mở chiếc hộp đó ra, bạn sẽ thấy con mèo như thế nào? Sống, chết… hay cả hai?

Xem thêm: Để hiểu chi tiết hơn về thí nghiệm độc đáo này, bạn hãy đọc cuốn sách Con mèo của Schrödinger để khám phá sâu hơn về cơ học lượng tử và những nghịch lý khoa học đầy thú vị.

Cơ lượng phần tử nói gì về Con mèo của Schrödinger?

Trong cơ lượng phần tử, các hạt vật chất có thể ở trạng thái chồng chập – tức cùng lúc tồn tại ở nhiều trạng thái khác nhau. Tuy nhiên, hiện tượng này thường chỉ xảy ra ở cấp độ vi mô như nguyên tử hoặc electron.

Điều Schrödinger muốn chỉ ra là sự vô lý khi áp dụng nguyên lý chồng chập này cho thế giới vĩ mô. Chẳng ai tin rằng một con mèo lại có thể vừa sống vừa chết cùng lúc! Thế nhưng, đó lại chính là điều mà cơ học lượng tử ngụ ý nếu ta không quan sát.

Những lý thuyết giải thích nghịch lý Con mèo của Schrödinger

Có nhiều lý thuyết được đưa ra nhằm giải thích nghịch lý nổi tiếng Con mèo của Schrödinger trong cơ học lượng tử. Mỗi lý thuyết lại hé lộ một góc nhìn khác nhau về bản chất thực tại và vai trò của người quan sát.

Cách giải thích Copenhagen

Đây là cách lý giải kinh điển và phổ biến nhất trong cơ học lượng tử, được phát triển bởi Niels Bohr và Werner Heisenberg. Theo đó, các hạt vi mô không có trạng thái xác định cho đến khi bị quan sát hoặc đo đạc. Khi chưa quan sát, hệ thống tồn tại trong trạng thái chồng chập, tức là tất cả các trạng thái có thể đều tồn tại song song.

Áp dụng cho Con mèo của Schrödinger, điều này có nghĩa là:
Trước khi mở hộp, con mèo không ở trạng thái “sống” hay “chết” rõ ràng. Nó đồng thời tồn tại ở cả hai trạng thái, và chỉ đến khi bạn mở hộp – tức là hành động quan sát xảy ra – thì trạng thái của hệ (mèo sống hoặc chết) mới được “chốt” lại. Người ta gọi quá trình này là sự sụp đổ của hàm sóng.

Hiểu đơn giản: thực tại không có hình dạng cụ thể khi không có người quan sát. Thực tại chỉ “thành hình” ngay khoảnh khắc bạn nhìn vào nó.

Điều này đặt ra một vấn đề triết học sâu sắc: Liệu vũ trụ có thật sự tồn tại một cách khách quan, hay nó chỉ “thành hiện thực” khi có ai đó quan sát?

Giải thích này được nhà vật lý Hugh Everett III đề xuất vào năm 1957 như một cách để tránh khái niệm “sụp đổ hàm sóng” mà cách giải thích Copenhagen đưa ra.

Theo lý thuyết này, mỗi lần xảy ra một sự kiện lượng tử có nhiều khả năng, thì tất cả khả năng đó đều thực sự xảy ra – nhưng ở các vũ trụ song song khác nhau. Tức là khi bạn mở hộp:

• Trong một vũ trụ, bạn thấy mèo còn sống.

• Trong một vũ trụ khác, mèo đã chết.

Cả hai kết quả đều cùng xảy ra, chỉ là ở hai vũ trụ tách biệt. Người quan sát cũng “bị phân nhánh” cùng kết quả: một phiên bản bạn nhìn thấy mèo sống, một phiên bản khác nhìn thấy mèo chết.

Như vậy, vũ trụ không ngừng phân nhánh vô tận mỗi khi một sự kiện lượng tử xảy ra. Về lý thuyết, số lượng vũ trụ song song là vô hạn, vì mỗi hành động, mỗi sự lựa chọn, thậm chí là từng chuyển động nhỏ ở cấp độ vi mô cũng đều tạo ra một nhánh mới.

Điều này nghe như khoa học viễn tưởng, nhưng nó giải thích hợp lý tại sao chúng ta chỉ thấy một kết quả: vì mỗi phiên bản của “bạn” chỉ trải nghiệm được một kết quả mà thôi.

Lý thuyết Ẩn biến (Hidden Variables)

Lý thuyết Ẩn biến được Einstein, David Bohm và một số nhà khoa học ủng hộ, vì họ không chấp nhận ý tưởng rằng tự nhiên lại “bất định” như quan điểm Copenhagen.

Einstein từng nói:

“Tôi không tin Chúa lại chơi xúc xắc với vũ trụ.”

Ý của ông là: không thể nào mà thực tại lại mơ hồ, bất định như thế. Phải có một yếu tố nào đó – một thông tin ẩn giấu mà chúng ta chưa biết – quyết định chính xác trạng thái của mọi vật thể từ trước khi quan sát.

Trong trường hợp Con mèo của Schrödinger, thực tế là:

• Hoặc con mèo đã chết ngay khi nguyên tử phóng xạ phân rã.

• Hoặc con mèo đã sống vì nguyên tử không phân rã.

Việc chúng ta không biết kết quả trước khi mở hộp không có nghĩa là kết quả đó chưa được định đoạt. Nó chỉ là ẩn biến – một yếu tố “ẩn” mà lý thuyết hiện tại của chúng ta chưa mô tả được.

Theo đó, cơ học lượng tử hiện nay chỉ giống như một công cụ toán học dự đoán xác suất, chứ chưa phải là bức tranh hoàn chỉnh về thực tại.

Con mèo của Schrödinger không đơn thuần là một thí nghiệm vật lý, mà là lời nhắc nhở rằng vũ trụ này vẫn còn đầy những bí ẩn vượt xa trí tưởng tượng của con người. Nó đặt ra câu hỏi muôn thuở: Thực tại là gì khi không ai nhìn thấy?

Nếu bạn từng thắc mắc về những nghịch lý của thế giới này, hãy nhớ đến Con mèo của Schrödinger – chú mèo vừa sống vừa chết đang đợi bạn mở chiếc hộp của nhận thức.

>> Xem thêm những thông tin thú vị của Nhà sách YMATE tại:

           Facebook: Nhà sách YMATE