Cuộc tranh luận về bản chất ánh sáng giữa Einstein và Bohr đã ngã ngũ

Thập niên 1920 không chỉ là kỷ nguyên của nhạc Jazz và sự phồn hoa, mà còn là thời kỳ vàng son rực rỡ nhất của khoa học nhân loại. Đó là lúc thuyết Tương đối rộng của Einstein được chứng minh qua hiện tượng nhật thực, thuốc kháng sinh penicillin ra đời và cơ học lượng tử bắt đầu định hình thế giới vi mô.

Hai thiên tài vật lý Albert Einstein và Neils Bohr

Tuy nhiên, sự bùng nổ tri thức này cũng kéo theo những cuộc tranh luận nảy lửa về bản chất của thực tại, mà nổi tiếng nhất là màn đối đầu trí tuệ giữa hai thiên tài vật lý: Albert Einstein và Neils Bohr. Tâm điểm của cuộc tranh cãi là liệu chúng ta có thể "gian lận" để nhìn thấy cả hai bản chất của ánh sáng cùng một lúc hay không.

Cá cược với tự nhiên: Thí nghiệm tưởng tượng và cái bẫy của Einstein

Để hiểu được tầm vóc của cuộc tranh luận này, chúng ta cần quay ngược thời gian về những năm tháng mà vật lý học đang bị xâu xé bởi hai luồng tư tưởng. Một bên là Albert Einstein, người tin vào một vũ trụ trật tự, nơi mọi thứ đều có quy luật rõ ràng và có thể đo đếm được. Bên kia là Neils Bohr - cha đẻ của cơ học lượng tử - người chấp nhận sự "kỳ quặc" và bất định của thế giới vi mô. Vấn đề cốt lõi khiến hai thiên tài này không thể hòa hợp nhau chính là khái niệm "nguyên lý bổ sung".

Hiểu một cách đơn giản, nguyên lý này cho rằng một hạt photon (hạt ánh sáng) có hai tính chất: lúc thì cư xử như một hạt vật chất, lúc thì cư xử như một làn sóng. Bohr khẳng định chắc nịch rằng chúng ta không bao giờ có thể quan sát cả hai tính chất này cùng một lúc; nếu bạn đo tính hạt, tính sóng sẽ biến mất và ngược lại.

Einstein, với niềm tin sắt đá rằng "Chúa không chơi xúc xắc", không chấp nhận giới hạn đó. Ông đã nghĩ ra một thí nghiệm tưởng tượng (thought experiment) cực kỳ tinh vi để chứng minh Bohr sai. Einstein đề xuất một phiên bản phức tạp của thí nghiệm khe đôi nổi tiếng. Trong thí nghiệm này, ánh sáng sẽ đi qua hai khe hở để tạo ra hình ảnh giao thoa (tính sóng) trên màn chắn phía sau. Điểm mấu chốt trong ý tưởng của Einstein là ông muốn gắn một chiếc lò xo vào khe hở thứ nhất.

Theo lập luận của Einstein, khi hạt photon đi qua khe hở này, nó sẽ tác động một lực làm chiếc lò xo giật lại (recoil). Bằng cách đo độ giật của lò xo, ta sẽ biết chính xác photon đã đi qua khe nào (tức là biết được tính hạt), trong khi vẫn giữ nguyên được hình ảnh giao thoa trên màn chắn (tức là thấy được tính sóng).

Nếu thí nghiệm này thành công, nó sẽ phá vỡ nguyên lý bất định của cơ học lượng tử, chứng minh rằng chúng ta có thể nắm bắt toàn bộ thực tại cùng một lúc. Bohr đã phản bác lại rằng chính việc đo đếm độ giật của lò xo sẽ tạo ra sự nhiễu loạn, phá hủy mô hình sóng, nhưng vào thời điểm đó, tất cả chỉ dừng lại ở lý thuyết vì công nghệ chưa cho phép thực hiện một thí nghiệm tinh vi đến thế.

Phán quyết từ phòng thí nghiệm: Khi Tự nhiên từ chối thỏa hiệp

Gần 100 năm sau, khi công nghệ laser và kiểm soát nguyên tử đạt đến đỉnh cao, các nhà khoa học hiện đại mới có thể biến ý tưởng trên giấy của Einstein thành hiện thực để kiểm chứng xem ai đúng ai sai.

Hai nhóm nghiên cứu độc lập, một từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và một từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC), đã công bố kết quả chấn động trên tạp chí Physical Review Letters, đặt dấu chấm hết cho cuộc tranh luận kéo dài cả thế kỷ.

Wolfgang Ketterle và các đồng nghiệp tại MIT đã tạo ra một phiên bản "lý tưởng hóa" của thí nghiệm khe đôi mà Einstein từng mơ ước. Thay vì dùng các khe hở vật lý và lò xo cơ học cồng kềnh, họ sử dụng chính các nguyên tử riêng lẻ để làm khe hở và chiếu các chùm sáng cực yếu qua đó. Bằng cách này, họ có thể quan sát sự tán xạ của photon ở cấp độ cơ bản nhất.

Kết quả họ nhận được là một mối quan hệ tỷ lệ nghịch hoàn hảo, đúng như những gì Bohr đã dự đoán. Khi nhóm nghiên cứu thu thập được càng nhiều thông tin về đường đi của photon (tức là tính hạt càng rõ), thì hình ảnh giao thoa trên màn chắn càng trở nên mờ nhạt và biến mất (tính sóng bị triệt tiêu). Tự nhiên dường như có một cơ chế bảo vệ nghiêm ngặt, không cho phép con người nhìn thấy "toàn bộ bức tranh" cùng một lúc.

Song song đó, nhóm nghiên cứu tại USTC cũng tiếp cận vấn đề theo một cách khác nhưng cùng đi đến một kết luận tương tự. Họ sử dụng một nguyên tử rubidium và giữ chặt nó bằng "kìm quang học" (optical tweezers) – một công cụ sử dụng laser để thao tác vật chất cực nhỏ. Bằng cách dùng laser và lực điện từ để điều khiển các đặc tính lượng tử của nguyên tử, họ đã tán xạ ánh sáng theo hai hướng khác nhau để kiểm tra giả thuyết. Kết quả một lần nữa khẳng định lời tiên tri của Bohr: Bất kỳ nỗ lực nào nhằm xác định chính xác vị trí và đường đi của hạt đều phải trả giá bằng việc đánh mất thông tin về tính sóng của nó.

Chao-Yang Lu, thành viên của nhóm nghiên cứu USTC, đã không giấu được sự xúc động khi chia sẻ với báo giới rằng việc nhìn thấy cơ học lượng tử "hoạt động" ở cấp độ cơ bản như vậy là một trải nghiệm ngoạn mục.

Lập luận phản bác của Bohr cách đây một thế kỷ là thiên tài, nhưng nó đã nằm trên giấy quá lâu. Giờ đây, với những công cụ hiện đại, nhân loại không chỉ giải quyết được mâu thuẫn giữa hai bộ óc vĩ đại nhất thế kỷ 20, mà còn mở ra cánh cửa mới để khám phá những bí ẩn sâu kín hơn của thế giới lượng tử, như sự vướng víu lượng tử và ranh giới giữa thế giới vi mô và vĩ mô.

Cuối cùng, Einstein có thể đã thua trong cuộc tranh luận này, nhưng di sản từ những câu hỏi hóc búa của ông đã thúc đẩy khoa học tiến lên những tầm cao mới.

Bùi Tú