Nhóm khoa học Trung Quốc chứng minh Albert Einstein sai, ngừng cuộc tranh luận kéo dài hàng thế kỷ
Các nhà khoa học Trung Quốc tái hiện trung thực thí nghiệm do Albert Einstein đề xuất năm 1927, cho thấy quan điểm của Niels Bohr về giới hạn quan sát trong cơ học lượng tử là chính xác.
Nhà vật lý học Albert Einstein. Ảnh: Alamy.
Lần đầu tiên, các nhà khoa học tại Trung Quốc đã tái tạo trung thực một thí nghiệm tưởng tượng do Albert Einstein đề xuất gần một thế kỷ trước, cho thấy thế giới lượng tử vận hành theo cách mà chính nhà vật lý này chưa bao giờ thực sự chấp nhận.
Ông Pan Jianwei – được mệnh danh là “cha đẻ ngành lượng tử Trung Quốc” – cùng nhóm nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc đã chế tạo một thiết bị đủ nhạy để ghi nhận cú “đẩy” cực nhỏ của một photon đơn lẻ.
Tại Hội nghị Solvay lịch sử năm 1927 ở Brussels, Einstein đã nêu ra một phiên bản sửa đổi của thí nghiệm hai khe nổi tiếng, với hy vọng bác bỏ quan điểm của Niels Bohr rằng đường đi của hạt và mô hình giao thoa dạng sóng của nó không thể được quan sát đồng thời.
Bohr tin rằng đây không phải là một giới hạn kỹ thuật, mà là một quy luật cơ bản của tự nhiên. Einstein lại không đồng ý.
Trong một bài báo công bố hôm thứ Tư trên tạp chí Physical Review Letters, các nhà nghiên cứu xác nhận quan điểm của Bohr: hai tính chất này không thể được quan sát cùng lúc – một nguyên tắc xác định giới hạn nhận thức của con người.
Hội nghị Solvay năm 1927 tại Brussels là cuộc họp mang tính biểu tượng nhất trong lịch sử vật lý lượng tử, khi Albert Einstein (hàng ghế đầu, giữa) và Niels Bohr (hàng giữa, bên phải) không đồng tình về bản chất cơ bản của lĩnh vực mới nổi này. Ảnh: SCMP
Các phản biện của tạp chí – do Hiệp hội Vật lý Mỹ (American Physical Society) xuất bản – ca ngợi công trình là “đóng góp quan trọng cho nền tảng cơ học lượng tử”, gọi nó là “tuyệt đẹp” và “một hiện thực hóa chuẩn sách giáo khoa của thí nghiệm tư duy trăm năm tuổi”.
Trong thông cáo báo chí do trường đại học công bố, ông Pan và nhóm nghiên cứu mô tả tranh luận giữa Einstein và Bohr là “khoảnh khắc định hình trong lịch sử sơ khai của cơ học lượng tử”.
Trong vật lý lượng tử, các hạt như photon có thể vừa mang tính chất của hạt, vừa của sóng. Thí nghiệm hai khe cho thấy rõ nghịch lý này: khi một photon đơn đi qua hai khe, nó tạo ra mô hình giao thoa trên màn chắn như thể là một con sóng đi qua cả hai khe cùng lúc.
Nhưng nếu người quan sát cố phát hiện photon đi qua khe nào, mô hình giao thoa biến mất và photon lại hành xử như một hạt.
Tại hội nghị năm 1927, Einstein đề xuất một cách thông minh để chứng minh Bohr sai. Ông hình dung đặt một bức tường có hai khe có thể dịch chuyển phía trước màn chắn.
Nếu một photon đi qua một khe, nó sẽ tạo cho bức tường một cú “hích” rất nhỏ. Về nguyên tắc, đo được cú hích này sẽ tiết lộ photon đi qua khe nào mà không làm nhiễu mô hình giao thoa.
Einstein tin rằng phép đo này có thể thực hiện mà không phá hủy giao thoa, nhưng điều đó đã không được kiểm chứng suốt nhiều thập kỷ. Một photon đơn chỉ tạo ra lực cực kỳ nhỏ – quá nhỏ để các thiết bị thông thường phát hiện mà không làm ảnh hưởng đến thí nghiệm.
Trong thí nghiệm của mình, nhóm của ông Pan sử dụng một nguyên tử rubidi đơn lẻ, được làm lạnh gần độ không tuyệt đối và giữ cố định bằng ánh sáng laser, đóng vai trò vật thể chuyển động theo đề xuất của Einstein.
Sơ đồ về quá trình hiện đại hóa thí nghiệm tưởng tượng của Einstein do các nhà nghiên cứu thực hiện, nhằm mục đích bác bỏ thuyết lượng tử, nhưng thực tế lại chứng minh rằng nó đúng. Ảnh: USTC.
Ý tưởng là photon đi qua sẽ đẩy nhẹ nguyên tử, với độ lệch khác nhau tùy theo hướng, từ đó tiết lộ đường đi của từng photon. Các nhà nghiên cứu điều chỉnh độ chặt của bẫy laser giữ nguyên tử rubidi.
Khi bẫy lỏng, nguyên tử chuyển động nhẹ, cho thấy đường đi của photon – nhưng mô hình giao thoa biến mất. Khi bẫy chặt, nguyên tử hầu như đứng yên, đường đi không thể xác định và mô hình giao thoa trở lại.
Đúng như Bohr dự đoán, việc quan sát một tính chất đã xóa mất tính chất kia. Dù đây không phải là thí nghiệm đầu tiên xác nhận nguyên lý của Bohr, nhóm của ông Pan đã tạo ra một thiết lập có độ chính xác đặc biệt.
Một bài viết kèm theo đăng trên tạp chí trực tuyến miễn phí của Hiệp hội Vật lý Mỹ cho biết hệ thống thí nghiệm này có tiềm năng khám phá những khía cạnh kém vững chắc hơn của cơ học lượng tử.
Chẳng hạn, các nhà khoa học có thể nghiên cứu cách các hiệu ứng rối lượng tử (entanglement) và suy thoái lượng tử (decoherence) tương tác với nhau, mở đường cho khả năng kiểm soát hệ lượng tử tốt hơn và các công nghệ đáng tin cậy hơn.
