Cơ học lượng tử là lý thuyết thành công nhất trong lịch sử loài người, tuy nhiên, cơ học lượng tử cũng có một số nghịch lý và nhầm lẫn sâu sắc, thách thức sự hiểu biết cơ bản của chúng ta về thế giới tự nhiên.
Sụp đổ đo lường
Sụp đổ đo lường đề cập đến một hiện tượng rất kỳ lạ trong cơ học lượng tử, đó là khi chúng ta đo một hệ lượng tử, nó sẽ đột ngột chuyển từ trạng thái không xác định sang trạng thái xác định. Quá trình này được gọi là sự sụp đổ hàm sóng.
Để hiểu hiện tượng này, trước tiên chúng ta cần hiểu hàm sóng là gì. Hàm sóng là một hàm toán học được sử dụng trong cơ học lượng tử để mô tả trạng thái của một hệ lượng tử. Nó chứa tất cả thông tin có thể có. Ví dụ, hàm sóng của electron có thể cho chúng ta biết phân bố xác suất của vị trí, vận tốc, spin và các tính chất khác của nó.
Tuy nhiên, hàm sóng không phải là một đại lượng vật lý có thể quan sát trực tiếp, nó chỉ là một công cụ toán học trừu tượng. Chúng ta chỉ có thể thu được những thông tin nhất định về hàm sóng thông qua các phép đo, chẳng hạn như vị trí hoặc spin của electron.
Nhưng đo lường không phải là một quá trình đơn giản, nó sẽ ảnh hưởng đến hệ lượng tử và thậm chí làm thay đổi trạng thái của nó. Khi chúng ta đo một hệ lượng tử, chúng ta thực sự đang tương tác với nó, kết nối nó với thiết bị đo lường của chúng ta hoặc môi trường. Bằng cách này, hàm sóng thay đổi từ sự chồng chất của nhiều khả năng sang trạng thái riêng với một kết quả duy nhất.
Sụp đổ đo lường đề cập đến một hiện tượng rất kỳ lạ trong cơ học lượng tử. (Ảnh minh họa).
Điều đáng ngạc nhiên hơn nữa là quá trình này là không thể đảo ngược, tức là một khi trạng thái của electron được đo, nó không thể khôi phục lại trạng thái chồng chất ban đầu, điều này đặt ra nhiều câu hỏi triết học và vật lý. Tại sao phép đo làm thay đổi trạng thái của một hệ lượng tử?
Câu hỏi này không có câu trả lời trong cơ học lượng tử, nó chỉ có thể dựa trên giả thuyết giải thích Copenhagen. Người ta tin rằng trạng thái của một hệ lượng tử được mô tả bằng hàm sóng, hàm này biểu thị sự phân bố xác suất của hệ chứ không phải trạng thái vật lý thực tế. Khi chúng ta thực hiện một phép đo trên một hệ thống, hàm sóng suy giảm và hệ thống chọn ngẫu nhiên một trong các kết quả có thể xảy ra, đó chính là thực tế mà chúng ta quan sát được.
Người ta tin rằng trạng thái của một hệ lượng tử được mô tả bằng hàm sóng. (Ảnh minh họa).
Quá trình đo lường không thể phân tích được và không bị ràng buộc bởi các định luật vật lý, nó là một hiện tượng vật lý cơ bản, giống như trọng lực. Mặc dù cách giải thích Copenhagen có thể giải thích tốt các kết quả thực nghiệm của cơ học lượng tử nhưng nó cũng gây ra rất nhiều câu hỏi và tranh cãi. Tại sao kết quả đo là ngẫu nhiên và tại sao kết quả đo là không thể đảo ngược. Không có câu trả lời chắc chắn cho những câu hỏi này, nếu giải quyết được mâu thuẫn về sự sụp đổ của phép đo, chúng ta sẽ có thể hiểu và kiểm soát tốt hơn các hệ thống lượng tử, điều này sẽ có tác động rất lớn đến nền văn minh nhân loại. Ví dụ, chúng ta có thể hiện thực hóa điện toán lượng tử, truyền thông lượng tử, mã hóa lượng tử, v.v. Những công nghệ này đều dựa trên trạng thái chồng chất lượng tử, có thể sẽ cải thiện đáng kể khả năng tính toán, khả năng giao tiếp, khả năng bảo mật, v.v.
Quá trình đo lường không bị ràng buộc bởi các định luật vật lý. (Ảnh minh họa).
Hiệu ứng người quan sát
Để hiểu hiệu ứng người quan sát, trước tiên chúng ta cần hiểu một khái niệm cốt lõi khác của cơ học lượng tử: Nguyên lý bất định.
Nguyên lý bất định có nghĩa là các đại lượng vật lý nhất định của hệ lượng tử không thể được đo chính xác cùng lúc, chẳng hạn như vị trí và động lượng của electron, năng lượng và thời gian của photon, v.v. Có một độ không đảm bảo tối thiểu giữa các đại lượng vật lý này, được xác định bởi hằng số Planck.
Độ không đảm bảo này không phải do độ chính xác của phép đo hay sai số của thiết bị gây ra mà được xác định bởi bản chất của hệ lượng tử. Nó là giới hạn vật lý không thể vượt qua. Sự tồn tại của nguyên lý bất định cho thấy trạng thái của hệ lượng tử là không đầy đủ và chỉ là kết quả của các phép đo từng phần, là thực tế mà chúng ta quan sát được. Điều này có nghĩa là những quan sát của chúng ta sẽ ảnh hưởng đến trạng thái của hệ lượng tử và thậm chí làm thay đổi kết quả của nó.
Ví dụ, khi chúng ta sử dụng các thiết bị hoặc phương pháp khác nhau để đo vị trí của một electron, chúng ta sẽ nhận được các kết quả khác nhau, và những kết quả này đều đúng, vì vị trí của electron là không chắc chắn và nó chỉ hoạt động khi được đo ra một giá trị xác định. Tương tự như vậy, khi chúng ta đo độ phân cực của một photon bằng các dụng cụ hoặc phương pháp khác nhau, chúng ta cũng thu được kết quả tương tự. Những ví dụ này cho thấy các trạng thái và kết quả của các hệ lượng tử được xác định bởi các quan sát của chúng ta chứ không phải bởi chính chúng.
Người ta tin rằng hàm sóng chỉ là biểu diễn toán học của kiến thức của chúng ta về hệ lượng tử. (Ảnh minh họa).
Vậy hiệu ứng quan sát xảy ra như thế nào? Cơ học lượng tử không có câu trả lời cho câu hỏi này. Nó chỉ có thể dựa trên giả định chủ quan về hàm sóng. Người ta tin rằng hàm sóng chỉ là biểu diễn toán học của kiến thức của chúng ta về hệ lượng tử, chứ không phải trạng thái vật lý thực tế của hệ lượng tử. Khi chúng ta quan sát một hệ thống, kiến thức của chúng ta thay đổi, dẫn đến những thay đổi trong hàm sóng, còn được gọi là hiệu ứng người quan sát.
Sự xuất hiện của hiệu ứng quan sát không phải do các quá trình vật lý gây ra mà do các quá trình tâm lý của chúng ta gây ra, nó là một hiện tượng vật lý chủ quan, giống như cảm giác. Mặc dù tính chủ quan của hàm sóng có thể giải thích rõ ràng hiệu ứng người quan sát nhưng nó cũng gây ra rất nhiều câu hỏi và tranh cãi.
Tại sao kiến thức của chúng ta lại ảnh hưởng đến trạng thái và kết quả của các hệ lượng tử? Tại sao các quá trình tinh thần của chúng ta lại ảnh hưởng đến các hiện tượng vật lý? Cũng không có câu trả lời chắc chắn cho những câu hỏi này, nếu giải quyết được mâu thuẫn của hiệu ứng người quan sát, chúng ta sẽ có thể hiểu và kiểm soát tốt hơn các hệ thống vật lý, điều này sẽ có tác động rất lớn đến nền văn minh nhân loại. Ví dụ, chúng ta có thể đạt được khả năng tàng hình lượng tử, tàng hình lượng tử là một công nghệ sử dụng hiệu ứng người quan sát, nó có thể làm cho một vật thể biến mất trong mắt một số người quan sát và tồn tại trong mắt những người quan sát khác. Công nghệ này có thể được sử dụng trong quân sự, an ninh và các khía cạnh khác.
Thuyết tương đối rộng là một lý thuyết mô tả lực hấp dẫn do Einstein đề xuất vào năm 1915. (Ảnh minh họa).
Lực hấp dẫn lượng tử
Lực hấp dẫn lượng tử đề cập đến sự kết hợp giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng, cố gắng mô tả hành vi của lực hấp dẫn ở quy mô vi mô. Lực hấp dẫn lượng tử là một trong những vấn đề khó khăn nhất trong vật lý vì sự mâu thuẫn nghiêm trọng của nó với thuyết tương đối rộng. Để hiểu được sự mâu thuẫn này, trước tiên chúng ta cần hiểu thuyết tương đối rộng là gì.
Thuyết tương đối rộng là một lý thuyết mô tả lực hấp dẫn do Einstein đề xuất vào năm 1915. Nó tin rằng lực hấp dẫn không phải là một lực mà là độ cong của không-thời gian. Không thời gian đề cập đến sự thống nhất của không gian và thời gian bốn chiều, có thể bị biến dạng bởi vật chất và năng lượng. Vật chất và năng lượng cho không-thời gian biết đường cong của nó, và không-thời gian cho vật chất và năng lượng biết cách chuyển động. Đây là ý tưởng cốt lõi của thuyết tương đối rộng.
Thuyết tương đối rộng rất thành công ở quy mô vĩ mô và nó có thể giải thích nhiều hiện tượng, chẳng hạn như quỹ đạo của các hành tinh, sự tồn tại của lỗ đen, sự tạo ra sóng hấp dẫn, v.v. Nhưng vấn đề nảy sinh khi chúng ta áp dụng thuyết tương đối rộng vào quy mô vi mô.
Thế giới vi mô bao gồm các lượng tử không liên tục, có tính không chắc chắn. (Ảnh minh họa).
Điều này là do thuyết tương đối rộng là một lý thuyết cổ điển cho rằng không-thời gian là liên tục chứ không phải rời rạc. Tuy nhiên, cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng thế giới vi mô bao gồm các lượng tử không liên tục, có tính không chắc chắn và ngẫu nhiên. Điều này dẫn đến sự không tương thích giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng.
Khi chúng ta cố gắng kết hợp cả hai, chúng ta sẽ nhận được kết quả vô hạn hoặc vô nghĩa. Đây là bài toán khó của lực hấp dẫn lượng tử. Vấn đề của sự mâu thuẫn này là nó hạn chế sự hiểu biết của chúng ta về thế giới vật chất, đồng thời chúng ta không thể giải thích và dự đoán một số vấn đề cơ bản nhất liên quan đến bản chất và nguồn gốc của vũ trụ cũng như nguồn gốc và vận mệnh. của cuộc sống, v.v. Những vấn đề này là bí ẩn lớn nhất của nền văn minh nhân loại, nếu giải quyết được mâu thuẫn của lực hấp dẫn lượng tử, chúng ta sẽ có một lý thuyết hoàn hảo có thể mô tả và giải thích mọi hiện tượng vật lý, điều này sẽ có tác động rất lớn đến nền văn minh nhân loại.
Ba mâu thuẫn chính của cơ học lượng tử là những câu hỏi sâu sắc và khó hiểu nhất của chúng ta về tự nhiên, phản ánh sự hiểu biết và khám phá của chúng ta về thế giới vi mô và vĩ mô. Những vấn đề này không chỉ có ý nghĩa khoa học quan trọng mà còn có ý nghĩa sâu rộng về mặt triết học và xã hội. Nếu giải quyết được những vấn đề này, nền văn minh nhân loại sẽ mở ra một cuộc cách mạng và tiến bộ mới.