- Trang chủ >>
- Khoa Học Tự Nhiên >>
- Vật lý
Chúa có đổ xúc sắc? Phần 2 pot
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (143.26 KB, 5 trang )
Chúa có đổ xúc sắc?
Phần 2
Stephen Hawking
Planck đã sớm có ý tưởng về lượng tử, như một thủ thuật toán học chứ
không có ý nghĩa vật lý.
Tuy nhiên, các nhà vật lý bắt đầu tìm thấy một lối hành xử khác, có thể được
giảithích như nhữngđại lượnggián đoạn, haycác giá trị bị lượng tử hóa hơn làcác
đại lượng biến đổi liêntục. Ví dụ, người tanhận thấyrằng các hạt cơ bản hànhxử
giống như những conquay nhỏ,quayquanh một trục. Nhưng ‘lượng quay’ (tiếng
Latinh:spin)khôngnhận giá trị bấtkì.Nó phải làmột bộisố củamột đơnvị cơ bản.
Vì đơn vị nàyrất nhỏ, nên ta không để ý đến sự giảm tốc theotừngbước nhỏ gián
đoạn củamộtcon quay thôngthường, mà ta tưởng là một quá trình hoàn toàn liên
tục. Nhưng đối với những con quay nhỏ như nguyên tử,đặctínhgián đoạn của
spin là rất quan trọng.
Phải mất một thời gian trước khicon người nhận ra tác động của lối hànhxử
lượng tử này đến quyết địnhluận. Mãi tới năm1926,một nhà vật lý người Đức
khác,Werner Heisenbergchỉ ra rằngbạn không thể đo đồng thời vị trí và vận tốc
của một hạt một cách chính xác. Để nhìn thấymột hạtnằm ở đâu, bạnphải chiếu
sáng nó.Nhưngcông trìnhcủa Planckcho biết bạn không thể sử dụngmột lượng
ánh sáng nhỏ bất kì được. Bạnphải dùng ít nhất một lượngtử. Điều nàysẽ tác
độngđến hạt, vàthay đổi tốc độ của nótheo cách không thể tiên đoán được. Để đo
đạc vị trí của hạt một cách chínhxác, bạn sẽ sử dụng ánh sáng có bướcsóng ngắn
như tia cực tím, tia X hay tiagamma. Nhưng cũng từ công trình của Planck, cho biết
lượng tử của những bức xạ này sẽ có năng lượng cao hơn so với lượngtử của ánh
sáng nhìn thấy.Vì vậy, chúng sẽ làmnhiễu động tới vận tốc của hạt nhiều hơn nữa.
Một tìnhhuống tồi: nếu bạn cố gắng đo đạc vị trí của vật càng chính xác thì càng
khóxác định vận tốc củanó và ngược lại. Đây chínhlà tinh thần của nguyên lý bất
định mà Heisenberg xây dựng; tích của độ bất địnhvề vị trí và độ bất định về vận
tốc của hạt luôn lớn hơnmột đại lượngxác định,là tỉ số của hằng số Planckvà khối
lượng của hạt.
Bạn không thể đo đồng thời vị trí và vận tốc của một hạt một cách chính xác.
Quan điểm củaLaplace, cũng làcủa quyết địnhluận, baogồm việc biết đích
xác vị trí và vận tốc của các hạt trong vũ trụ tại một thời điểm xácđịnh. Vì vậy, nó
làm bào mònnghiêm trọng đếnNguyênlý bấtđịnh của Heisenberg. Bạn có thể tiên
đoán được tương lai như thế nào, khibạn khôngthể xác định chính xác vị trí và
vận tốccủa các hạt tại thời điểm hiệntại? Nếu bạn có một máy tính đủ mạnh, bạn
chỉ cần đưa vào nó đầyrẫy các dữ liệu và sẽ thu đượctừng ấy các tiên đoán hệ quả.
Einsteinrất không vui về sự ngẫu nhiênnày của tự nhiên. Quanđiểmcủa
ông được tóm gọn trong mấy từ, ‘Chúa không đổ xúc xắc’. Ông cảmthấy dường
như sự bất định chỉ là nhất thời:nhưngthực tại vẫn nằm bên dưới, ở đó các hạt có
vị trí và vận tốcxác định,và sẽ tiến hóa theocác định luật củaquyết địnhluận,
theo tinhthần của Laplace. Cólẽ chỉ có Chúa mới biếtđược thựctại này, nhưng đặc
tính lượng tử của ánh sáng sẽ ngăncản chúngta biếtđược nó, trừ khi thông qua
một lớp kínhđen.
Quan điểm củaEinsteinngày nay đượcgọi làmột lý thuyết ẩn biến. Các lý
thuyết ẩn biến dường như là cách dễ nhất để mang Nguyên lý bất địnhvào vậtlý.
Chúng tạo nênbức tranh căn bản về vũ trụ và được nhiều nhàkhoa học và đasố
các nhà triết họckhoahọc thừa nhận.Nhưng các lý thuyết ẩn biến nàysai! Nhà vật
lý người Anhvừa qua đời, JohnBell,đã để lại một thí nghiệm kiểm tra nhằm phân
biệt cáclý thuyết ẩn biến. Khi các thí nghiệmđược tiếnhành một cáchcẩn thận,
kết quả mang lại cho thấy có sự không nhấtquán giữa các ẩnbiến. Như vậy, dường
như Chúa cũngbị giới hạn bởi Nguyênlý bấtđịnh vàkhôngthể biết đồngthời cả vị
trí vàvận tốc của hạt.Do đó, Chúađã chơi xúc sắc vớivũ trụ này. Tất cả các bằng
chứng chỉ ra rằngNgài là một tay chơi tầm cỡ, người gieo xúc sắc vớimỗi cơ hội
khả dĩ.
Các nhà khoa học khácthì tinnhiều vào việcEinstein đã bổ sungvào quan
điểm củaquyết định luận cổ điển ở thế kỉ 19. Một lýthuyết mới, gọi làcơ học
lượng tử, được đặt nền móng bởi Heisenberg,nhà vật lý ngườiÁo Erwin
Schroedingervà nhàvật lýngười Anh,Paul Dirac.Diraclà người tiềnnhiệmcủatôi,
ở vị trí Giáo sư Lucasian ở Cambridge.Mặc dùcơ học lượngtử đã hình thành gần
70 nămnay nhưng nóvẫn chưađược hiểu baoquát hoặc đánhgiá đúng, thậmchí
du cho chúng đã được dùng nhiều để tính toán. Nó liênquan vớitất cả chúng ta,
bởi vì dù tạo ra một bức tranh hoàn toàn khác, nó là thực tại của vũ trụ. Trong cơ
học lượng tử, vị trí và vận tốccủa cáchạt không được xác định hoàn toàn. Thayvì
vậy, chúngđược biểu diễn bởicáimà ta gọi là hàmsóng. Đó là mộtcon số tại mỗi
điểm trongkhônggian. Giá trị của hàmsóng cho biết xác suất tìmthấy hạt tạivị trí
đó. Sự thay đổi của hàmsóng từ vị trí này đếnvị trí kháccho biết vận tốc củahạt.
Bạn có thể có một hàmsóng với đỉnhnhọn trong một miền nhỏ.Điều này có nghĩa
là độ bất định về vị trí là nhỏ. Nhưnghàm sóngsẽ biến đổi nhanh ở gần đỉnh, lênở
bên này và xuốngở phía còn lại. Như vậy, độ bất định về tốc độ sẽ lớn.Tương tự,
bạn có thể có hàm sóng với độ bất định của tốcđộ là nhỏ nhưngđộ bất định của vị
trí lại lớn.
Hàm sóng chứatất cả các thông tin màbạncó thể biết về một hạt như vị trí
và tốc độcủanó. Nếu bạn biếthàm sóngtạimột thời điểm, khiđó giá trị của nó tại
một thời điểm khác được xácđịnh bởi phươngtrìnhSchroedinger. Như vậy, bạn
vẫn cókhái niệmvề quyết định luận nhưng nókhônggiống như cách nhìn của
Laplace.Thay vìtiên đoán vị trí và vậntốc của hạt, ta có thể tiên đoán đượchàm
sóng. Điều này có nghĩachúngta chỉ có thể tiên đoán mộtnữa trong số đó, theo
như quan điểm cổ điển từ thời thế kỉ 19.
Mặcdù cơ học lượngtử dẫn đến nguyênlý bấtđịnh, khichúng ta cố gắng
tiên đoán đồng thời vị trí vàtốc độ, nó vẫn cho phép chúng ta tiên đoán, hoàn toàn
xác định, mộtliên kết giữa vị trí và tốc độ. Tuy nhiên, thậm chí điều này xác định,
dườngnhư nó vẫn bị đe dọa bởi nhữngpháttriển gần đây. Vấn đề xuất hiện bởi vì
hấp dẫn có thể uốn cong không thời giannhiều đến độ,có những miền không thể
quan sát được.
Đángquan tâm hơn,chính Laplaceđã viết một bài báo vào năm 1799 về cách
mà cácngôi sao có trường hấp dẫn mạnhđến độ ánh sángkhôngthể thoát ra được
mà bị kéo ngượctrở lại ngôi sao.Ông thậm chí còn tính toán ra rằng một ngôi sao
cùng mật độ với Mặt trời, nhưng lớn hơn250lần, sẽ có tínhchất này.Nhưng dù
Laplacekhôngthể thấy đượcđiều này, thì một ý tưởng giống như vậy đã được
đưa ra trước đó 16 năm bởi một người Cambridge,John Mitchell,trong mộtbài
báo trongKỷ yếu triết học của Hội Hoànggia. Cả Mitchellvà Laplaceđềunghĩ rằng
ánh sáng bao gồm cáchạt, giống như nhữngquả pháo,cũng bị làm chậm bởihấp
dẫn và khiến cho nó rơi vào ngôi sao. Nhưng mộtthí nghiệm nổi tiếng,được tiến
hành bởi hai người Mỹ, MichelsonvàMorleyvào năm1887, chỉ rarằng ánh sáng
luôn luôntruyền đi với tốc độ một trăm tám mươi sáu ngàndặm mỗi giây, bất kể là
nó đếntừ đâu. Hấp dẫn có thể làm chậmánhsáng như thế nào, và khiến cho nó
quay trở lại?
