Quay trở lại những năm 1920, khi lĩnh vực vật lý lượng tử vẫn còn sơ khai, một nhà khoa học người Pháp tên là Louis de Broglie đã có một ý tưởng hấp dẫn.
Trước sự nhầm lẫn về việc liệu ánh sáng và vật chất về cơ bản là hạt hay sóng, ông đã đề xuất một giải pháp thay thế: nếu cả hai đều đúng thì sao? Điều gì sẽ xảy ra nếu đường đi của các vật thể lượng tử được dẫn đường bởi một thứ gì đó trồi lên và rơi xuống như một đại dương?
Giả thuyết của ông là nền tảng của cái mà sau này trở thành lý thuyết sóng thí điểm , nhưng nó không phải là không có vấn đề. Vì vậy, giống như bất kỳ ý tưởng đẹp đẽ nào bị chùn bước khi đối mặt với thử nghiệm, nó nhanh chóng trở thành một di tích của lịch sử khoa học.
Ngày nay, phần lớn các nhà vật lý đăng ký cái gọi là ‘cách giải thích Copenhagen của cơ học lượng tử’, nói chung, nó không đưa ra vị trí và thời điểm chính xác cho các hạt cho đến khi chúng được đo và do đó được quan sát.
Mặt khác, lý thuyết sóng thí điểm cho thấy rằng các hạt luôn có vị trí chính xác, nhưng để xảy ra trường hợp này, thế giới cũng phải kỳ lạ theo những cách khác – điều này đã khiến nhiều nhà vật lý bác bỏ ý tưởng này.
Tuy nhiên, điều gì đó về các hạt lướt của De Broglie khiến chúng ta không thể để yên, và trong thế kỷ qua, ý tưởng này tiếp tục xuất hiện ngày càng nhiều trong vật lý hiện đại.
Đối với một số người, đó là một khái niệm cuối cùng có thể giúp Vũ trụ có ý nghĩa – từ những hạt lượng tử nhỏ nhất đến những thiên hà lớn nhất.
Sóng thí điểm là gì?
Để hiểu rõ hơn sóng thí điểm là gì, trước tiên cần hiểu nó không phải là gì.
Vào những năm 1920, các nhà vật lý bị bối rối bởi các thí nghiệm có độ chính xác cao về ánh sáng và các hạt hạ nguyên tử, và tại sao hành vi của chúng lại giống như một làn sóng hơn là một hạt.
Các kết quả được giải thích tốt nhất bởi một lĩnh vực toán học mới, một lĩnh vực kết hợp lý thuyết xác suất với cơ học của hành vi sóng.
Đối với các nhà vật lý lý thuyết như nhà lý thuyết Đan Mạch Niels Bohr và đồng nghiệp người Đức của ông Werner Heisenberg, người đặt nền móng cho cách giải thích Copenhagen, cách giải thích kinh tế nhất là coi xác suất như một phần cơ bản của tự nhiên . Những gì cư xử như một làn sóng là một sự không chắc chắn cố hữu trong công việc.
Đây không chỉ đơn thuần là kiểu không chắc chắn mà sự thiếu kiến thức mang lại. Theo Bohr, dường như Vũ trụ vẫn chưa quyết định đặt một hạt ở đâu, nó sẽ xoắn theo hướng nào và nó có thể có động lượng như thế nào. Những thuộc tính này, theo ông, chỉ có thể được cho là tồn tại sau khi một quan sát được thực hiện.
Thật khó để nói điều này có nghĩa là gì ở mức độ trực quan. Trước vật lý lượng tử, toán học xác suất là công cụ để dự đoán sự tung của một viên xúc xắc hoặc sự quay của một bánh xe. Chúng ta có thể hình dung một chồng bài đang chơi úp ngược trên bàn, trình tự ẩn của nó được khóa tại chỗ. Toán học chỉ đơn thuần đặt sự thiếu hiểu biết của chúng ta vào trật tự trong khi thực tế tồn tại với nền tảng chắc chắn 100%.
Bây giờ, các nhà vật lý đang đề xuất một hương vị xác suất không phải về sự ngây thơ của chúng ta. Và điều đó không dễ tưởng tượng.
Ý tưởng của De Broglie về một làn sóng giả thuyết nhằm đưa một loại vật chất nào đó trở lại khái niệm xác suất. Các mô hình rải rác của các đường và chấm quan sát được trong các thí nghiệm giống như chúng có vẻ – hệ quả của sóng lên và xuống trong môi trường, khác một chút với gợn sóng trên ao.
Và ở đâu đó trên sóng đó là một hạt thực tế. Nó có một vị trí thực tế, nhưng số phận của nó nằm trong tay của những thay đổi trong dòng chảy của chất lỏng hướng dẫn nó.
Ở một cấp độ, ý tưởng này cảm thấy đúng. Đó là một phép ẩn dụ mà chúng ta có thể liên tưởng đến dễ dàng hơn nhiều so với một trong những Vũ trụ hòa sắc.
Nhưng theo thực nghiệm, thời điểm không phù hợp với ý tưởng đơn giản của de Broglie.
“Mặc dù quan điểm của de Broglie có vẻ hợp lý hơn, nhưng một số vấn đề ban đầu của nó đã khiến cộng đồng khoa học chấp nhận ý tưởng của Bohr”, Paulo Castro, nhà triết học khoa học tại Đại học Lisbon ở Bồ Đào Nha, nói với Science Alert.
Ví dụ, nhà vật lý nổi tiếng người Áo Wolfgang Pauli , một trong những nhà tiên phong của vật lý lượng tử, đã chỉ ra rằng vào thời điểm đó, mô hình của de Broglie không giải thích được những quan sát được thực hiện trên sự tán xạ hạt.
Nó cũng không giải thích đầy đủ tại sao các hạt đã tương tác với nhau trong quá khứ sẽ có các đặc điểm tương quan khi được quan sát sau này, một hiện tượng được gọi là hiện tượng vướng víu .
Lý thuyết sóng thí điểm được thành lập khi nào?
Trong khoảng một phần tư thế kỷ, khái niệm của de Broglie về các hạt cưỡi sóng khả năng vẫn còn trong bóng tối của sự không chắc chắn cơ bản của Bohr và Heisenberg. Sau đó vào năm 1952 , nhà vật lý lý thuyết người Mỹ David Bohm đã quay trở lại khái niệm này với phiên bản của mình, mà ông gọi là sóng thí điểm.
Tương tự như đề xuất của de Broglie, giả thuyết về sóng thí điểm của Bohm kết hợp các hạt và sóng như một quan hệ đối tác tồn tại bất kể ai đang quan sát. Tuy nhiên, cản trở làn sóng và các đặc tính của nó thay đổi.
Không giống như ý tưởng của de Broglie, đề xuất mới này có thể giải thích các số phận vướng víu của nhiều hạt cách nhau theo thời gian và khoảng cách bằng cách gọi sự hiện diện của một ‘thế năng’ lượng tử, hoạt động như một kênh thông tin được hoán đổi giữa các hạt.
Hiện nay thường được gọi là lý thuyết de Broglie-Bohm, sóng thí điểm đã đi một chặng đường dài trong nhiều thập kỷ kể từ đó.
Castro nói: “Giả thuyết chính mới là sóng lượng tử mã hóa thông tin vật lý, hoạt động như một thiết bị tính toán tự nhiên liên quan đến các trạng thái có thể xảy ra.”
“Vì vậy, người ta có thể có bất kỳ sự chồng chất nào của các trạng thái được mã hóa dưới dạng thông tin vật lý trong sóng ba chiều. Hạt thay đổi trạng thái của nó thành trạng thái khác bằng cách đọc thông tin thích hợp từ sóng.”
Tại sao lý thuyết sóng phi công không được chấp nhận rộng rãi?
Nói một cách triết học, một lý thuyết chỉ tốt khi kết quả thực nghiệm mà nó có thể giải thích và những quan sát mà nó có thể dự đoán. Cho dù một ý tưởng có hấp dẫn đến đâu, nếu nó không thể kể một câu chuyện chính xác hơn các đối thủ cạnh tranh của nó, thì nó cũng khó có thể thu phục được nhiều người hâm mộ.
Sóng thí điểm rơi xuống một cách đáng thất vọng vì không góp phần tạo nên một mô hình mạnh mẽ của tự nhiên, giải thích vừa đủ về vật lý lượng tử theo cách trực quan để tiếp tục thu hút sự chú ý, nhưng không đủ để lật ngược kịch bản.
Có bằng chứng nào cho lý thuyết sóng thí điểm?
Ví dụ, vào năm 2005, các nhà nghiên cứu người Pháp nhận thấy những giọt dầu nhảy theo kiểu kỳ lạ qua bồn tắm dầu rung động, tương tác với môi trường trong một vòng phản hồi khá gợi nhớ đến các hạt lướt sóng của de Broglie. Điều quan trọng đối với các quan sát của họ là một lượng tử hóa nhất định chuyển động của hạt, không giống như các phép đo nghiêm ngặt giới hạn chuyển động của các electron xung quanh hạt nhân nguyên tử.
Sự tương đồng giữa các sóng quy mô vĩ mô này và các sóng lượng tử đủ hấp dẫn để gợi ý về một loại cơ học thống nhất nào đó cần được nghiên cứu thêm .
Các nhà vật lý tại Viện Niels Bohr ở Đại học Copenhagen sau đó đã thử nghiệm một trong những phát hiện giống lượng tử được thực hiện trên phép tương tự giọt dầu dựa trên các mẫu giao thoa của chúng thông qua một thí nghiệm khe đôi cổ điển, và không thể lặp lại kết quả của chúng . Tuy nhiên, họ đã phát hiện ra một hiệu ứng giao thoa ‘thú vị‘ trong các chuyển động bị thay đổi của các sóng có thể cho chúng ta biết thêm về các sóng của nhiều loại lượng tử.
Trong một hành động tình cờ đáng chú ý, cháu trai của Bohr – một nhà vật lý chất lỏng tên là Tomas Bohr – cũng tham gia vào cuộc tranh luận, đề xuất một thí nghiệm tư duy loại trừ hiệu quả sóng thí điểm.
Mặc dù kết quả vô hiệu và các thí nghiệm suy nghĩ hầu như không bác bỏ các nguyên lý cơ bản của phiên bản ngày nay của sóng thí điểm của de Broglie-Bohm, nhưng chúng củng cố những thách thức mà những người ủng hộ phải đối mặt trong việc nâng cao mô hình của họ lên trạng thái lý thuyết thực sự.
Castro nói: “Bộ nhớ lượng tử sóng là một khái niệm mạnh mẽ, nhưng tất nhiên, vẫn còn rất nhiều việc phải làm.”
Liệu thuyết sóng phi công có thể là tương lai của vật lý lượng tử?
Rõ ràng là có một khoảng trống nhức nhối ở trung tâm của vật lý học, một khoảng trống cầu xin một lời giải thích trực quan cho lý do tại sao thực tế cuốn theo những mô hình ngẫu nhiên giống như sóng.
Có thể tính hai mặt của sóng và hạt không có sự tương đồng trong trải nghiệm hàng ngày của chúng ta. Nhưng ý tưởng về một phương tiện giống như sóng hoạt động như một loại thiết bị tính toán nào đó cho vật lý thì quá hấp dẫn để bỏ đi một mình.
Tuy nhiên, để lý thuyết sóng thí điểm thành công, các nhà vật lý sẽ cần phải tìm cách loại bỏ một người lướt sóng khỏi làn sóng lượng tử của nó và cho thấy cả hai có thể tồn tại độc lập. Theo thực nghiệm, điều này có thể đạt được bằng cách phát ra hai hạt và tách một hạt ra khỏi hành trình của nó bằng cách đo nó.
Castro nói: “Sau đó, chúng tôi làm cho sóng lượng tử rỗng này giao thoa với sóng của hạt kia, làm thay đổi hành vi của hạt thứ hai. “Chúng tôi đã trình bày điều này tại Hội nghị quốc tế đầu tiên về những tiến bộ trong lý thuyết sóng thí điểm.”
Thực tế mà nói, các thiết bị cần thiết để phát hiện một sự kiện như vậy sẽ cần phải cực kỳ nhạy. Điều này không nằm ngoài giới hạn khả thi, nhưng đó là một nhiệm vụ kiên nhẫn chờ đợi cơ hội. Các sóng thí điểm trống thậm chí có thể giữ chìa khóa để giải quyết các vấn đề thực tế trong tính toán lượng tử bằng cách làm cho sóng ít bị nhiễu xung quanh hơn.
Các nhà vật lý tương lai cuối cùng có thể bắt đầu những quan sát mở ra cho chúng ta một Vũ trụ có ý nghĩa từ tận gốc rễ của nó. Nếu các thí nghiệm phát hiện ra điều gì đó, nó sẽ là một dấu hiệu vững chắc rằng không còn trống rỗng, trái tim vật lý đập theo nhịp đập. Ngay cả khi không có ai theo dõi.
Theo: Sciencealert.
