Einstein và Nghịch lý EPR

Vào đầu thế kỷ 20, hầu hết các nhà vật lý đều nhận thấy cơ học cổ điển không thể mô tả đầy đủ thế giới của nguyên tử. Sau khi nhà khoa học Max Planck đề xuất khái niệm lượng tử (quanta), Albert Einstein đã phát triển khái niệm này để giải thích hiệu ứng quang điện. Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã tìm cách xây dựng lại nền tảng lý thuyết vật lý mới, dẫn đến sự ra đời của lý thuyết lượng tử.

Werner Heisenberg, Niels Bohr và những người khác tham gia phát triển lý thuyết lượng tử khẳng định rằng không thể xác định một số chi tiết nhất định về hành vi của một nguyên tử. Ví dụ, người ta không thể dự đoán chính xác thời điểm một nguyên tử sẽ phát ra một lượng tử ánh sáng. Nhưng Einstein không bao giờ chấp nhận tính ngẫu nhiên trong lý thuyết cơ học lượng tử. Ông từng có tuyên bố nổi tiếng: “Chúa không chơi trò xúc xắc”.

Nhà bác học Erwin Schrödinger là người phát minh ra hàm sóng để mô tả trạng thái của một hệ lượng tử. Mặc dù đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng nền tảng của cơ học lượng tử, nhưng Schrödinger – cũng giống như Einstein – không hoàn toàn cảm thấy thoải mái với các nội dung của lý thuyết này. Ông từng chia sẻ rằng: “Tôi không thích cơ học lượng tử, và tôi hối hận vì đã từng dính dáng tới nó”.

Trong một bài báo được công bố trên tạp chí Physical Review vào năm 1935, Einstein, Boris Podolsky và Nathan Rosen đã xây dựng một thí nghiệm tư duy (thought experiment) để lập luận rằng cơ học lượng tử không phải là một lý thuyết vật lý hoàn chỉnh. Ngày nay, giới khoa học biết đến nó với tên gọi “nghịch lý EPR”. (Trong đó E, P, R là chữ cái đầu tiên trong tên gọi của ba nhà vật lý Einstein–Podolsky–Rosen). Nghịch lý EPR chỉ ra những mâu thuẫn nội tại trong các công thức ban đầu của lý thuyết lượng tử. Nghịch lý liên quan đến kết quả phép đo trên một hạt của một hệ thống vướng víu lượng tử có thể gây ra tác động tức thời lên một hạt khác, không phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai hạt.

Một trong những đặc điểm cơ bản của cơ học lượng tử là khái niệm về sự không chắc chắn: không phải tất cả các thuộc tính vật lý quan sát được của một hệ thống đều có thể xác định đồng thời một cách chính xác, ngay cả về nguyên tắc. Ví dụ như vị trí và động lượng.

Một tính chất đặc biệt khác của cơ học lượng tử là sự vướng víu (entanglement). Nếu hai photon trở nên vướng víu – nghĩa là ban đầu người ta cho hai photon tương tác với nhau để chúng được xác định bởi một hàm sóng duy nhất – thì sau đó kể cả khi chúng tách rời nhau, chúng vẫn có chung một hàm sóng. Vì vậy, việc đo trạng thái của một hạt photon sẽ xác định trạng thái của hạt kia. Ví dụ, trong trạng thái vướng víu spin-0, nếu một hạt được đo ở trạng thái quay lên (spin-up), thì hạt kia ngay lập tức ở trạng thái quay xuống (spin-down).

Hiện tượng trên được gọi là “hành vi phi địa phương” và Einstein mô tả nó là “hành động ma quái ở khoảng cách xa”. Nó dường như vi phạm một trong những nguyên lý trung tâm của thuyết tương đối: thông tin không thể truyền nhanh hơn tốc độ ánh sáng, bởi vì nó sẽ vi phạm quan hệ nhân quả.

Điều đáng chú ý là Einstein không cố gắng bác bỏ cơ học lượng tử. Ông thừa nhận nó thực sự có thể dự đoán kết quả của các thí nghiệm khác nhau. Ông chỉ đơn thuần là gặp rắc rối với những diễn giải triết học của lý thuyết cơ học lượng tử. Ông lập luận cơ học lượng tử không thể được coi là một lý thuyết hoàn chỉnh về mặt tự nhiên do sự tồn tại của nghịch lý EPR. Einstein đã mặc nhiên công nhận sự tồn tại của các biến số ẩn. Ông cho rằng các thuộc tính cục bộ chưa được biết đến của hệ thống sẽ giải thích cho hiện tượng vướng víu lượng tử, do đó về bản chất không có “hành động ma quái tức thời” nào cả.

Bohr phản đối kịch liệt quan điểm của Einstein và ông ủng hộ cách giải thích của nhóm Copenhagen mang tính chặt chẽ hơn nhiều về cơ học lượng tử. Bohr và Einstein thường tranh luận sôi nổi về chủ đề này và không bao giờ nhận thất bại, đặc biệt là tại các hội nghị Solvay [hội nghị khoa học quốc tế về vật lý và hóa học] diễn ra vào năm 1927 và 1930.

Tính đến nay, giới khoa học đã phát triển nhiều lý thuyết và thực nghiệm kể từ khi Einstein và các đồng nghiệp của ông xuất bản bài báo liên quan đến nghịch lý EPR. Hầu hết các nhà vật lý hiện đại đều coi nghịch lý EPR là một ví dụ minh họa về những điều cơ học lượng tử đi ngược lại với vật lý cổ điển, thay vì là bằng chứng cho thấy sự thiếu sót của lý thuyết lượng tử như dự định ban đầu của Einstein.

Tuy nhiên, bài báo này cũng giúp chúng ta hiểu sâu hơn về cơ học lượng tử bằng cách chỉ ra những đặc điểm cơ bản, phi cổ điển (non-classical) trong quá trình đo lường lượng tử. Trước bài báo của Einstein, hầu hết các nhà khoa học đều coi kết quả của phép đo chỉ là một nhiễu loạn vật lý phát sinh trực tiếp từ hệ thống đo. Cụ thể, khi các nhà nghiên cứu chiếu ánh sáng vào một electron để xác định vị trí của nó, quá trình này gây nhiễu loạn electron và tạo ra sự bất định [không thể biết chắc chắn kết quả đo là gì].

Nghịch lý EPR cho thấy, một “phép đo” có thể được thực hiện trên một hạt mà không làm ảnh hưởng trực tiếp đến nó, bằng cách thực hiện phép đo trên một hạt vướng víu ở khoảng cách xa.

Hiện tại, các nhà khoa học đã ứng dụng hiện tượng vướng víu lượng tử để phát triển nhiều công nghệ tiên tiến. Trong mật mã lượng tử, các hạt vướng víu được sử dụng để truyền tín hiệu mà kẻ nghe trộm không thể bắt tín hiệu, cũng như không thể giải mã. Một số ngân hàng trên thế giới đã sử dụng hệ thống mật mã lượng tử để đảm bảo an ninh.

Lĩnh vực máy tính lượng tử cũng đang có những bước phát triển vượt bậc. Người ta sử dụng trạng thái vướng víu lượng tử để thực hiện nhiều phép tính toán cùng lúc, cho ra kết quả nhanh hơn nhiều so với máy tính thông thường.