Tháng 12 năm ngoái, giải Nobel Vật lý đã được trao cho xác nhận thực nghiệm của một hiện tượng lượng tử được biết đến trong hơn 80 năm: sự vướng víu. Theo quan niệm của Albert Einstein và các cộng sự của ông vào năm 1935, các vật thể lượng tử có thể liên hệ với nhau một cách bí ẩn ngay cả khi chúng cách nhau rất xa. Nhưng dù hiện tượng này nghe có vẻ kỳ lạ, tại sao ý tưởng cổ xưa này vẫn xứng đáng nhận được giải thưởng danh giá nhất trong vật lý?

Thật trùng hợp, chỉ vài tuần trước khi những người đoạt giải Nobel gần đây được vinh danh ở Stockholm, một nhóm các nhà khoa học nổi tiếng khác từ Harvard, MIT, Caltech, Fermilab và Google đã báo cáo rằng họ đã chạy một quy trình trên máy tính lượng tử của Google có thể giải thích Đó là một hố sâu. . Lỗ giun là những đường hầm xuyên vũ trụ có thể hoạt động như một lối tắt xuyên không gian và thời gian và được người hâm mộ khoa học viễn tưởng yêu thích, và mặc dù đường hầm được nhận ra trong thí nghiệm mới nhất này chỉ tồn tại trong trò chơi vũ trụ 2D, nhưng nó có thể là một bước đột phá cho nghiên cứu trong tương lai ở đỉnh cao của vật lý. .

Nhưng tại sao sự vướng víu lại liên quan đến không gian và thời gian? Và nó có thể quan trọng như thế nào đối với những đột phá vật lý trong tương lai? Khái niệm vướng víu, được hiểu một cách đúng đắn, có nghĩa là vũ trụ là “đơn lượng”, như cách gọi của các nhà triết học, và mọi thứ trong vũ trụ, ở cấp độ cơ bản, là một phần của một tổng thể thống nhất. Một đặc điểm xác định của cơ học lượng tử là thực tế cơ bản của nó được mô tả dưới dạng sóng và vũ trụ đơn nguyên đòi hỏi một chức năng tổng thể. Nhiều thập kỷ trước, các nhà nghiên cứu như Hugh Everett và Dieter Zeh đã cho thấy thực tế cuộc sống hàng ngày của chúng ta có thể xuất hiện như thế nào từ một mô tả toàn diện về cơ học lượng tử. Nhưng chỉ đến bây giờ các nhà nghiên cứu như Leonard Susskind hay Sean Carroll mới phát triển các ý tưởng về cách thực tại lượng tử ẩn giấu này có thể giải thích không chỉ vật chất mà còn cả kết cấu của không gian và thời gian.

Sự vướng víu không chỉ là một hiện tượng lượng tử kỳ lạ khác. Đó là nguyên tắc hoạt động đằng sau cả lý do tại sao cơ học lượng tử hợp nhất thế giới thành một và tại sao chúng ta trải nghiệm sự thống nhất cơ bản này như nhiều thứ riêng biệt. Đồng thời, sự vướng víu là lý do tại sao chúng ta dường như đang sống trong thực tế cổ điển. Nó – theo nghĩa đen của từ này – là chất kết dính và là người tạo ra các thế giới. Sự vướng víu áp dụng cho các vật thể được tạo thành từ hai hoặc nhiều thành phần và mô tả điều gì sẽ xảy ra khi nguyên lý lượng tử “mọi thứ thực sự có thể xảy ra” được áp dụng cho các vật thể thành phần này. Theo đó, trạng thái vướng víu là sự chồng chất của tất cả các kết hợp có thể có trong đó các thành phần của đối tượng thành phần có thể tạo ra cùng một kết quả tổng thể. Một lần nữa, bản chất lượn sóng của trường lượng tử có thể giúp giải thích cách thức hoạt động của sự vướng víu thực sự.

Hãy tưởng tượng một biển thủy tinh hoàn toàn yên tĩnh vào một ngày giông bão. Bây giờ hãy tự hỏi, làm thế nào một mức như vậy có thể được tạo ra bằng cách đặt chồng hai mẫu sóng riêng lẻ? Một khả năng là sự chồng chất của hai bề mặt phẳng tuyệt đối lại dẫn đến một kết quả phẳng tuyệt đối. Nhưng một khả năng khác mà bề mặt phẳng có thể tạo ra là nếu hai dạng sóng giống hệt nhau được đặt chồng lên nhau bằng một nửa chu kỳ dao động, sao cho các đỉnh sóng của một dạng sóng loại bỏ các rãnh sóng của dạng kia và ngược lại. Nếu chúng ta chỉ quan sát chu vi của thủy tinh thể, vì nó là kết quả của hai chỗ phình ra cùng nhau, thì sẽ không có cách nào để chúng ta biết được mô hình của từng chỗ phình ra. Điều dường như hoàn toàn bình thường khi chúng ta nói về sóng thậm chí còn gây ra những hậu quả kỳ lạ hơn khi áp dụng vào các thực tế cạnh tranh. Nếu hàng xóm của bạn nói với bạn rằng cô ấy có hai con mèo, một con còn sống và một con đã chết, điều đó có nghĩa là con mèo đầu tiên hoặc con thứ hai đã chết và con mèo còn lại, tương ứng, còn sống – đó sẽ là một cách mô tả thú cưng kỳ lạ và ma quái, và bạn có thể không biết ai trong số họ là người may mắn, nhưng bạn sẽ nhận được On the drift of the neighbour. Không phải như vậy trong lĩnh vực lượng tử. Trong cơ học lượng tử, phát biểu tương tự chỉ ra rằng hai con mèo hợp nhất thành một trạng thái chồng chất, bao gồm con mèo đầu tiên còn sống và con thứ hai đã chết và con mèo đầu tiên chết trong khi con kia đang sống, nhưng cũng có khả năng cả hai con mèo là một nửa. còn sống và đã chết một nửa, hoặc con mèo đầu tiên là Một phần ba trong số chúng còn sống, trong khi những con mèo thứ hai chiếm tới hai phần ba số mạng đã mất. Trong một cặp mèo định lượng, số phận và hoàn cảnh của từng con vật hoàn toàn hòa tan trong trường hợp toàn bộ. Tương tự như vậy, trong vũ trụ lượng tử, không có vật thể riêng lẻ nào. Tất cả mọi thứ tồn tại được kết hợp thành một “một” duy nhất.

Rối lượng tử tiết lộ một khu vực hoàn toàn mới, rộng lớn để khám phá. Nó xác định một nền tảng mới cho khoa học và biến cuộc tìm kiếm của chúng ta về một lý thuyết về mọi thứ – để xây dựng trên vũ trụ học lượng tử hơn là vật lý hạt hoặc lý thuyết dây. Nhưng thực tế đến mức nào đối với các nhà vật lý để thực hiện một cách tiếp cận như vậy? Đáng ngạc nhiên, nó không chỉ thực tế – họ thực sự làm. Các nhà nghiên cứu đi đầu trong lực hấp dẫn lượng tử đang bắt đầu suy nghĩ lại về không-thời gian như một hệ quả của sự vướng víu. Ngày càng có nhiều nhà khoa học đặt cơ sở nghiên cứu của họ về tính bất khả phân của vũ trụ. Có rất nhiều hy vọng rằng bằng cách áp dụng phương pháp này, cuối cùng họ có thể hiểu được không gian và thời gian, một cách thực sự sâu sắc về nền tảng của nó.

Cho dù không gian được giữ lại với nhau bằng sự vướng víu, vật lý được mô tả bởi các vật thể trừu tượng vượt ra ngoài không gian và thời gian hay không gian của các khả năng được biểu diễn bởi hàm sóng Everett phổ quát, hay mọi thứ trong vũ trụ được quy về một vật thể lượng tử duy nhất — tất cả những ý tưởng này đều có chung một đặc điểm riêng biệt. hương vị nhất nguyên. Hiện tại, rất khó để đánh giá ý tưởng nào trong số những ý tưởng này sẽ định hình tương lai của vật lý học và ý tưởng nào cuối cùng sẽ lụi tàn. Điều thú vị là trong khi các ý tưởng ban đầu được phát triển trong bối cảnh lý thuyết dây, chúng dường như đã phát triển vượt xa lý thuyết dây và dây không còn đóng vai trò gì trong nghiên cứu mới nhất. Chủ đề chung bây giờ dường như là không gian và thời gian không còn cần thiết nữa. Vật lý đương đại không bắt đầu bằng không gian và thời gian để tiếp tục những thứ đã bày ra trong cái nền đã có từ trước này. Thay vào đó, không gian và thời gian tự coi mình là sản phẩm của một thực tế máy chiếu cơ bản hơn. Nathan Cyberg, người tiên phong trong số các nhà lý thuyết dây tại Viện nghiên cứu cao cấp của Princeton, không phải là người duy nhất có cảm giác này khi nói: “Tôi gần như chắc chắn rằng không gian và thời gian là ảo ảnh. Đây là những khái niệm thô sơ sẽ bị thay thế bởi một cái gì đó phức tạp hơn.” Hơn nữa, trong hầu hết các kịch bản đề xuất thời gian không gian mới nổi, sự vướng víu đóng vai trò chính. Như nhà triết học khoa học Rasmus Yaxland đã chỉ ra, điều này cuối cùng có nghĩa là không còn vật thể riêng lẻ nào trong vũ trụ nữa; Rằng mọi thứ đều được kết nối với mọi thứ khác: “Để chấp nhận sự vướng víu khi thế giới tạo ra mối quan hệ phải trả giá bằng việc từ bỏ khả năng tách rời. Nhưng có lẽ những người sẵn sàng thực hiện bước đó nên tìm kiếm sự vướng víu cho mối quan hệ cơ bản mà nó sẽ hình thành tiềm năng của thế giới này (và có lẽ là tất cả các thế giới khác).” Do đó, khi không gian và thời gian biến mất, một thể thống nhất xuất hiện.

Ngược lại, từ quan điểm của thuyết nhất nguyên lượng tử, những hậu quả đáng kinh ngạc như vậy của lực hấp dẫn lượng tử không còn xa nữa. Đã có trong thuyết tương đối rộng của Einstein, không gian không còn là một pha đứng yên. Thay vào đó, nó là nguồn gốc của khối lượng vật chất và năng lượng của nó. Giống như quan điểm của nhà triết học người Đức Gottfried W. Leibniz, nó mô tả trật tự tương đối của sự vật. Nếu bây giờ xét theo đơn vị định lượng thì chỉ còn lại một vật, không còn gì để sắp đặt hay sắp xếp, và cuối cùng không còn cần đến khái niệm không gian trên cấp độ mô tả cơ bản này nữa. Anh ta là “Đấng duy nhất”, một vũ trụ lượng tử duy nhất tạo ra không gian, thời gian và vật chất.

“GR = QM,” Leonard Susskind đã mạnh dạn tuyên bố trong một bức thư ngỏ gửi các nhà nghiên cứu về khoa học thông tin lượng tử: Thuyết tương đối rộng chẳng là gì ngoài cơ học lượng tử — một lý thuyết hàng trăm năm tuổi đã được áp dụng rất thành công cho mọi thứ nhưng chưa bao giờ thực sự là. Hoàn toàn dễ hiểu. Như Sean Carroll đã chỉ ra, “Lực hấp dẫn có lẽ đã sai khi định lượng, và không-thời gian đã luôn ẩn nấp trong cơ học lượng tử.” Trong tương lai, “thay vì định lượng lực hấp dẫn, có lẽ chúng ta nên thử định lượng cơ học lượng tử. Hoặc, chính xác hơn nhưng ít thú vị hơn, “tìm lực hấp dẫn bên trong cơ học lượng tử,” Carroll gợi ý trên blog của mình. Lượng tử nghiêm túc ngay từ đầu, nếu được hiểu là một lý thuyết không xảy ra trong không gian và thời gian mà nằm trong thực tế của thiết bị hiển thị cơ bản hơn, có thể tránh được nhiều ngõ cụt trong việc khám phá lực hấp dẫn lượng tử. Nếu chúng ta chấp nhận các hiệu ứng nhất nguyên của cơ học lượng tử – Di sản của ba- triết học hàng nghìn năm tuổi được chấp nhận từ thời cổ đại, bị đàn áp trong thời Trung cổ, được hồi sinh vào thời Phục hưng, được chắp vá trong Chủ nghĩa lãng mạn—Everett và Zee thời kỳ đầu sẽ đề cập đến chúng hơn là tuân theo cách giải thích của nhà tiên phong lượng tử có ảnh hưởng Niels Bohr, người đã cắt ngắn cơ học của anh ấy. Lượng tử thành một công cụ, chúng ta sẽ tiếp tục làm sáng tỏ những nền tảng của thực tại.

chuyển thể từ Một: làm thế nào một ý tưởng cổ xưa nắm giữ tương lai của vật lý của Heinrich Bass. Bản quyền © 2023. Có sẵn từ Basic Books, một chi nhánh của Hachette Book Group, Inc. Bảo lưu mọi quyền.