của các bức xạ có độ dài sóng cực nhỏ. Điều đó có nghĩa là ánh sáng dứt
khoát vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt. Không những thế, mọi loại
sóng bức xạ – không riêng gì ánh sáng – phải có tính chất của hạt.
Năm 1923, một nhà khoa học người Pháp tên là Louis De Broglie có một ý
nghĩ lạ khi quan sát hành tung của electron xuyên qua những cấu trúc pha lê.
Ông thấy electron mà cũng có hiện tượng nhiễu xạ, một hiện tượng đặc
trưng của sóng. Trong luận án tiến sĩ của mình, ông cho rằng nếu mỗi sóng
có tính chất hạt thì mỗi hạt cũng có tính chất sóng – được gọi là “sóng vật
chất” – và mối liên hệ toán học giữa hai dạng tồn tại này là như đã nói ở
trên, tức là giữa độ dài sóng và xung lượng. Ý niệm này của De Broglie là
hết sức kỳ dị, không ai có thể chấp nhận được. Giáo sư chủ nhiệm của ông là
Langevin không thể quyết định được nên viết thư hỏi ý kiến của Einstein.
Nhà khoa học lớn Einstein trả lời: “Dù cho ý niệm này mới xem ra có vẻ
điên rồ, nhưng nó đã bắt đầu lớn mạnh”. Cuối cùng Langevin đồng ý cho De
Broglie bảo vệ luận án trong tháng 12.1924. Năm năm sau, De Broglie nhận
giải Nobel nhờ phát minh của mình.
Xuất phát từ ý niệm sóng vật chất, người thiết lập phương trình sóng là một
nhà vật lý xuất sắc người Áo tên là Schrödinger. Electron là hạt thì nó cũng
phải có tính chất sóng. Schrödinger là người đầu tiên nêu phương trình sóng
của electron năm 1926 và lý giải được chính xác mọi tính chất của electron.
Nền cơ học của ông được gọi là cơ học sóng và nó là một cơ sở căn bản của
nền cơ học lượng tử của thế kỷ 20.
Song song với Schrödinger, một nhà vật lý người Đức tên là Heisenberg xây
dựng một phép tính toán khác về chuểyn động của electron mà điều thú vị
nhất là kết quả của Schrödinger và của Heisenberg là tương thích với nhau.
Năm 1925, Heisenberg nêu lên một quan điểm thực chứng trong khoa học về
cấu trúc nguyên tử bằng cách chỉ nghiên cứu mối quan hệ giữa những đại
lượng “có thể quan sát được” như tần số, biên độ, độ phân tán của các bức
xạ để hình thành một phép tính toán mà không cần biết đến mô hình vận
hành đích thực của electron.
Đó là thời kỳ mà Heisenberg còn là học trò của nhà vật lý Đức Max Born,
Born đã đào tạo khá nhiều người về sau lãnh giải Nobel và bản thân ông
cũng lãnh giải Nobel năm 1954. Born nhận ra tài năng đặc biệt của
Heisenberg và nhất là phép tính mới, ông cùng Heisenberg và thêm một
người thứ ba nữa là Jordan hoàn thiện phép tính này mà người ta gọi là cơ
học ma trận. Trong nền cơ học này thì vị trí cũng như xung lượng của các
hạt electron không còn là những con số giản đơn nữa mà là những ma trận
với nhiều trị số khác nhau, diễn tả tính xác suất của các đại lượng đó. Cơ học
ma trận và cơ học sóng của Schrödinger là hai cột trụ của cơ học lượng tử và
chúng cho một kết quả như nhau.
Thế nhưng công lao quan trọng nhất của Born là người đầu tiên nêu lên cách
giải thích các hàm số sóng của Schrödinger, ông cho rằng ta phải xem các
hàm số đó nói lên “xác suất lưu trú” của electron, chúng cho biết xác suất
hiện hữu của một electron tại một thời điểm nhất định. Đó là cách diễn giải
đầu tiên về cơ học lượng tử, ngành cơ học này là khoa học nói về hành tung
của các hạt hạ nguyên tử, nhưng không phải về “số phận” từng hạt mà nói
chung về một số lượng rất lớn các hạt, trong dạng phát biểu về xác suất hay
thống kê của chúng. Về sau ta sẽ làm quen với nhiều cách lý giải khác và sẽ
thấy cơ học lượng tử đề ra nhiều vấn đề triết học hết sức hóc búa.
Năm 1927, Heisenberg nêu lên nguyên lý bất định của hạt điện tử, trong đó
ta không thể cùng một lúc đo được chính xác vị trí và vận tố (hay chính xác
hơn: xung lượng) của electron. Sự bất khả đó không xuất phát từ thiết bị đo
thiếu chính xác mà nó có tính nguyên tắc: Một khi biết được chính xác vận
tốc của electron thì không thể có quan niệm về một vị trí chính xác và ngược
lại.
Để thấy sự khác biệt căn bản giữa cơ học cổ điển và cơ học lượng tử ở đây ta
hãy nêu lên một hiện tượng. Trong cơ học cổ điển, ta có thể tính trước được
vị trí, vận tốc của vật thể sau một thời gian vận động. Thí dụ một vật bay với
vận tốc 1m/s, bay đến một vách tường cách đó 2m. Sau hai giây vật thể sẽ
đụng vách và ta biết rõ nó sẽ gặp vách ở chỗ nào. Trong cơ học cổ điển, quĩ
đạo của vật trong thời gian và không gian là được xác định rõ.
Tình hình lại không xảy ra như thế đối với một electron. Giả định electron
bay từ bên trái và xuyên qua một khe thẳng đứng để gặp một vách tường ở
bên phải. Hạt electron đó sẽ gặp vách tường và sinh ra một chấm đen, nhưng
gặp ở chỗ nào thì ta không biết được. Quĩ đạo của nó không được xác định.
Thế nhưng nếu ta bắn rất nhiều hạt electron thì dựa trên những chấm đen
khác nhau mà ta biết được xác suất phân bố, tức là chỗ nào có “hy vọng” hạt
electron sẽ gặp vách tường. Xác suất phân bố có hình dạng của một sóng, và
nơi có biên độ cao nhất là nơi có hy vọng hạt electron sẽ bắn trúng vách
tường chỗ đó.
Cơ học lượng tử mô tả đúng như kết quả của thực nghiệm, tức là nó đưa ra
những lời giải của phương trình sóng Schrödinger, nhưng những sóng này là
sóng xác suất, chúng diễn tả khả năng mà ta “bắt gặp” được một hạt electron
trong quá trình vận động của nó. Trong quá trình đó thì vận tốc và vị trí của
hạt không thể cùng lúc xác định chính xác về vận động của những hạt riêng
lẻ mà chỉ có những kết luận có tính chất thống kê về một số lượng lớn các
hạt. Nhờ tính thống kê về hoạt động của số lượng lớn các hạt mà các thiết bị
điện tử, các phản ứng hạt nhân… lại vận hành đúng như người ta tiên đoán.
Dù thế, tính chất xác suất của sự mô tả electron cũng như nguyên lý bất định
trong các trị số cơ học của chúng là hết sức khó hiểu với nền vật lý cổ điển.
Thực tế là, chúng tạo nên một cuộc cách mạng trong nhận thức luận của con
người về thế giới vi mô, thế giới cơ sở của vật chất và đề ra vô số vấn đề về
triết học mà đến nay vẫn còn được bàn cãi ráo riết.
Hiện nay, tính chất xác suất của cơ học lương tử khi xác định số lượng lớn
của các hạt cơ bản được xem là có sự thừa nhận chung của cộng đồng vật lý.
Thế nhưng, cách diễn giải cơ học lượng tử để tìm hiểu “số phận” của một
hạt, hay tìm hiểu sự vận động đích thực của sự vật, hay lý giải thế giới thực
chất là gì thì lại vô cùng khác nhau. Một trong những kết luận cốt tủy nhất
của cơ học lượng tử là, khi hai hạt có điều kiện ban đầu (vị trí và vận tốc)
như nhau thì diễn biến về sau của chúng không nhất thiết phải giống nhau.
Điều đó đặt vấn đề tính “nhân quả” trong ngành cơ học này. Ngoài ra cần
nói thêm là điều kiện đầu của một hạt cũng không thể được xác định chính
xác, cũng lại vì nguyên lý bất định.
Ngày nay người ta cho rằng có ít nhất tám phép diễn giải cơ học lượng tử.
Ngoài phép diễn giải thống kê thì lý thuyết được xem như chuẩn mực là
phép diễn giải Copenhagen mà những người chủ đạo là Bohr và Heisenberg.
Theo quan điểm này thì sự vật đích thực không phải là hạt cũng chẳng phải
là sóng. Sóng và hạt đều chỉ là dạng xuất hiện của sự vật khi người quan sát
tra tìm nó theo cách này hay cách khác. Tính chất của sự vật nhờ cả sóng lẫn
hạt mà được hiểu rõ, được xác định. Đó là nguyên lý bổ túc nổi tiếng của
Niels Bohr.
Theo phép diễn giải Copenhagen thì sự vật nằm trong một thể “khả dĩ”,
được biểu diễn bằng các hàm số sóng. Khi quan sát viên truy tìm để đo
lường vật đó – thí dụ tìm vị trí của nó – với thiết bị đo lường, quan sát viên
đã “ép” sự vật phải lấy một vị trí, quan sát viên đã làm “sụp đổ” dạng sóng
của nó. Thế nên chính sự truy tìm của quan sát viên đã can thiệp vào sự vật
và vì thế mà ta không thể tách rời người quan sát và vật bị quan sát. Còn nếu
sự vật không được quan sát thì hạt nằm ở đâu, vận hành thế nào, sự vật thực
chất là gì, câu hỏi đó đối với phép diễn giải Copenhagen là “vô nghĩa”. Trên
nguyên tắc, ta không thể biết những điều đó và trường phái Copenhagen
cũng chỉ làm việc với những đại lượng có thể quan sát được (quan niệm thực
chứng). Phép lý giải này rất mới mẻ so với nền cơ học cổ điển; và chính
Bohr, cha đẻ của phép này nói: “Những ai mới đầu không choáng váng với
nền cơ học lượng tử thì kẻ đó chưa hiểu nó”.
Phép diễn giải này tuy không thỏa mãn được nhiều nhà vật lý nhưng hiện
nay nó được thừa nhận nhiều nhất vì không có cách lý giải nào tốt hơn.
Einstein cho đến cuối đời vẫn không chấp nhận tính xác suất của cơ học
lượng tử, và ông từ chối phép diễn giải Copenhagen. Ông nói đầy ẩn dụ:
“Thượng đế không chơi trò xúc xắc”. Einstein cho rằng sở dĩ cơ học lượng
tử phải chấp nhận tính xác suất vì nó “không đầy đủ”. Thế nhưng Einstein
cũng phải thừa nhận là lý thuyết cơ học lượng tử trong bản thân nó là “nhất
quán”. Điều đó có nghĩa, muốn vượt lên tính xác suất của cơ học lượng tử,
con người phải phát hiện một hệ thống cơ học hoàn toàn mới mẻ.
Một phép lý giải khác là quan điểm “đa thế giới” do nhà vật lý Mỹ Hugh
Everett nêu lên năm 1957. Theo quan điểm này thì các hàm số sóng
Schrödinger – thay vì chỉ là thể “khả dĩ” như quan niệm của phái
Copenhagen – thì mỗi sóng là một thế giới thực có. Các hàm số sóng chẳng
hề “sụp đổ” gì cả mà chúng đều là một thế giới riêng biệt. Vì sự vật gồm vô
số sóng giao thoa nên sự vật tồn tại thực sự cùng lúc trong vô số sóng giao
thoa nên sự vật tồn tại thực sự cùng lúc trong vô số thế giới. Các thế giới này
không phải là những thế giới song hành với nhau mà chúng bị chia chẻ từ
một dạng đi trước nó. Mỗi lần nhà vật lý xác định hay đo lường một sự vật,
tức là nắm bắt nó trong một thế giới nhất định thì lập tức sự vật có nhiều
dạng biến thiên khả dĩ và mỗi dạng đó hóa hiện ngay thành một thế giới
mới. Sự vật “tự tách ra” thành nhiều sự vật, cả các thiết bị đo lường lẫn
người quan sát cũng bị tách ra để trở thành những thế giới với đầy đủ mọi
tính chất của nó.
Theo quan điểm đa thế giới thì vũ trụ là một vũ trụ lượng tử, nó đã bị chia
chẻ từ vô thủy để sinh ra vô số vũ trụ. Chúng ta là người “tình cờ” sống
trong vũ trụ này và hầu như chắc chắn có những “phiên bản” của chúng ra
đang sống ở những vũ trụ khác.
Phép diễn giải “đa thế giới” này nghe qua thật hết sức điên rồ và không được
nhiều người thừa nhận. Thế nhưng, phải chăng phép diễn giải Copenhagen
cũng “điên rồ” không kém? Thật ra những kết luận của cơ học lượng tử cũng
bất ngờ và khó tính như những kết luận kỳ lạ về không gian, thời gian, khối
lượng… của nền vật lý tương đối khi Einstein đề ra lần đầu.
Gần đây nhất phép diễn giải đa thế giới này lại được các nhà vật lý xuất sắc
đương thời coi trọng. Người ta cho rằng, mặc dù không ai tưởng tượng được
một hình ảnh đa thế giới, đa vũ trụ nhưng hệ quả toán học của cơ học lượng
tử buộc ta phải chấp nhận thuyết đa thế giới, nếu ta không muốn chấp nhận
vai trò của ý thức con người trong phép diễn giải Copenhagen. Vấn đề rất
lớn được đặt ra về vai trò của ý thức là, trong phạm vi nhỏ của nguyên tử thì
có ý thức của người quan sát thật, còn bản thân cả vũ trụ thì ai quan sát nó.
Ai là kẻ đứng ngoài để quan sát vũ trụ? M.Gell-Mann thắc mắc như thế, còn
K.Gödel thì cho rằng vũ trụ “tự quan sát và đo lường bản thân mình”.
Thế nên Gell-Mann và một lý thuyết gia xuất sắc khác của nền vật lý đương
thời là S.Hawking đứng về phía thuyết đa thế giới. Hai ông cho rằng danh
xưng “thuyết đa thế giới” là không chính xác, họ đề nghị “thuyết đa số
phận”. Trong hình ảnh này, mỗi sự vật lúc bị chia chẻ, có một “số phận”
riêng diễn ra trong một thế giới riêng. Ngoài hai nhà vật lý này còn có
Feynman và S.Weinberg cũng chấp nhận thuyết đa thế giới.
Cả phép lý giải Copenhagen lẫn quan niệm “đa thế giới” đều đặt lại một
quan niệm mới về thực tại, đó là trong trường hợp nào ta gọi thực tại là có và
không có. Nền vật lý cổ điển quan niệm có một thực tại độc lập, tồn tại tự
nó. Với trường phái Copenhagen, ta có thể quan niệm thực tại chỉ có khi ta
quan sát và đo lường nó. Khi ta không quan sát một vật thì vật đó không tồn
tại. Ngược lại, với quan niệm “đa thế giới” ta có thể nói rằng có vô số thế
giới, vô số thực tại, tất cả đều có. Mỗi thế giới được xác định là vừa hiện
hữu thì lập tức nó lại sinh ra nhiều thế giới khác. Ta có thể nói, hai trường
phái diễn giải cơ học lượng tử đó là hai cực biên của luận đề có-không mà
về sau ta sẽ trở lại và soi sáng chúng dưới một ánh sáng khác.
Như ta thấy, nền cơ học lượng tử nêu lên nhiều luận điểm hết sức hóc búa về
triết học, chúng chạm đến lĩnh vực của bản thể học và thậm chí của tôn giáo.
Về các luận điểm này hiện nay không có sự đồng thuận nào trong cộng đồng
vật lý.
Luận đề có-không nói trên sẽ được trở lại trong các chương sau và chính nó
là nội dung của sách này khi ta tìm hiểu các quan niệm triết học khác, nhất là
của Phật giáo.
—o0o–DIRAC VÀ ĐỐI VẬT CHẤT
Dường như ngành cơ học lượng tử chưa đủ khó hiểu, năm 1928, con người
lại phát hiện ra một điều lạ lùng.
Nhà vật lý người Anh, Paul Dirac sớm tiếp thu hai phát hiện mới của thế kỷ,
đó là nền vật lý tương đối và cơ học lượng tử. Chỉ trong vòng ba mươi năm,
kể từ ngày Max Planck đề ra ý niệm lượng tử vào năm 1900, nền vật lý hiện
đại đã phát hiện quá nhiều điều mới mẻ và khó hiểu, nó lật đổ toàn bộ nền
tảng của tư duy cũ. Con người hầu như choáng ngợp trước vô số những kết
quả thực nghiệm, những phát hiện trong thực tế, những lý thuyết mới và cả
những phép diễn giải khác nhau về cùng một lý thuyết trên mặt khoa học và
triết học.
Trong thế kỷ hai mươi, các nhà vật lý không còn thống nhất với nhau nữa
khi nhận thức về thế giới và tự tính của vật chất. Đó là một điều hoàn toàn
mới so với các thế kỷ trước. Con người đã đi vào những lĩnh vực nằm xa đời
sống bình thường. Hoặc là chúng thuộc về lĩnh vực vĩ mô với vận tốc và
năng lượng cực lớn, hoặc là lĩnh vực vi mô với kích thước thật bé nhỏ. Cả
hai phía đều đem đến những kết luận mà tư duy con người – vốn bị trói buộc
trong lĩnh vực của đời sống hàng ngày – không thể đạt đến nổi chỉ tính sắc
bén của toán học cộng với những kết quả thực nghiệm không thể chối cãi
mới buộc con người phải tin những lý thuyết đó là đúng. Thế nhưng trong
thế kỷ hai mươi xuất hiện một khái niệm mới, đó là ta “diễn giải” thế nào về
một lý thuyết, về một hiện tượng, về một công thức… khi chúng nói về
những điều mà đầu óc thông thường của ta không quan niệm được. Bởi vậy
trong thế kỷ hai mươi, nền vật lý đi tới tình trạng “phân kỳ” khi ta suy tư về
“ý nghĩa” của mọi sự.
Mặc dù con người bị phân kỳ trong việc đi tìm ý nghĩa triết học của các phát
hiện vật lý, một khả năng và cơ hội khác lại hiện ra làm nức lòng các nhà vật
lý. Đó là khả năng thống nhất của ngành vât lý trong thời đại mới. Trong
một chương trước ta đã nói, nền vật lý Newton, cho thấy nền vật lý cổ điển
có thể được suy ra từ vật lý tương đối, khi vận tốc của vật thể nhỏ hơn so với
vận tốc ánh sáng.
Ngành cơ học lượng tử cũng có sức thống nhất cao độ. Nó chứng minh nền
cơ học thông thường trong phạm vi hàng ngày cũng có thể suy ra được từ cơ
học lượng tử khi mối liên hệ bất định theo ý nghĩa của Heisenberg tại nơi đó
quá nhỏ, không đáng kể.
Thế nhưng giữa vật lý tương đối và cơ học lượng tử chưa được thiết lập mối
quan hệ nào cả. Và đó là đối tượng nghiên cứu của Dirac vào năm 1928.
Ông tìm ra được cách “ghép” chúng lại với nhau, nhưng quan trọng hơn, ông
phát hiện ra – về mặt lý thuyết – một dạng vật chất được gọi là đối vật chất.
Xuất phát từ Thuyết tương đối đặc biệt, Dirac xem khối lượng là một dạng
của năng lượng, ông phát biểu lại phương trình của năng lượng và nêu lại
phương trình sóng của hạt electron. Khi giải phương trình sóng này Dirac
gặp hai lời giải, trong đó một lời giải cho thấy năng lượng là một số dương
và trong đáp án kia, năng lượng là một số âm. Giải pháp thứ hai không thể
chấp nhận được vì năng lượng không thể âm. Hãy tưởng tượng diện tích một
hình vuông là 4m2, mỗi cạnh hình vuông là bao nhiêu. Về mặt toán học ta
có hai lời giải, đó là mỗi cạnh hình vuông là 2m và -2m. Về mặt vật lý chỉ có
lời giải thứ nhất là chấp nhận được vì trong giải pháp thức hai, cạnh hình
vuông là một số âm. Đó là điều “vô lý”.
Dirac chạm trán với sự “vô lý” này với năng lượng âm của ông và chần chừ
suốt một năm mới công bố đề nghị của mình. Ông cho rằng toán học đã cho
giải pháp thì thực tế cũng phải như thế. Ông công bố công trình chứa một
thứ năng lượng âm và điều đó dẫn tới khái niệm của một hạt electron
“ngược”. Đó là một hạt có khối lượng và tính chất giống như electron
nhưng mang điện tích dương mà ông gọi là “đối electron”. Dĩ nhiên tất cả
những gì đã nêu đều xuất phát từ lý thuyết, không có thực nghiệm nào chứng
minh.
Kỳ lạ thay, năm 1932 một nhà khoa học tên là David Anderson phát hiện ra
hạt “đối electron” thực. Ông phát hiện ra hạt này từ các tia bức xạ trong
thiên nhiên. Hạt này đúng như tiên đoán của Dirac, có khối lượng và tính
chất như electron, nang điện tích dương. Anderson đặt tên cho nó là
positron. Năm 1933 Dirac lãnh giải Nobel vật lý nhờ phương trình của mình,
còn Anderson cũng lãnh giải đó nhờ công trình phát hiện bằng thực nghiệm.
Dirac còn đi xa hơn, ông quả quyết mỗi hạt trong nhân như pronton và
neutron đều có đối hạt của chúng. Quả nhiên, năm 1955 và 1956 người ta
lần lượt phát hiện đối hạt của proton và neutron.
Xem thêm: Sinh trưởng ở thực vật
Source: https://sangtaotrongtamtay.vn
Category: Khoa học
Để lại một bình luận