Sumi | DISCCOVERY WILD SCIENCE

▌Tóm tắt
Vướng víu lượng tử là hiện tượng các hạt liên kết chặt chẽ, cho thấy sự tương quan tức thời bất chấp khoảng cách, thách thức quan niệm về sự độc lập của các vật thể.
Định lý Bell và các thí nghiệm đã xác nhận rằng vũ trụ ưa thích liên kết hơn là tách biệt, buộc chúng ta phải xem xét lại quan niệm về thực tại.
///
Vũ trụ có thể là một toàn thể vướng víu lượng tử, nơi các mối quan hệ và tương quan cơ bản định nghĩa cấu trúc của nó.
Hãy tưởng tượng việc thay đổi một thứ ở một nơi nào đó và nó ngay lập tức ảnh hưởng đến một thứ khác ở phía bên kia của vũ trụ. Điều đó nghe có vẻ như là một giấc mơ huyền bí, nhưng nó rất gần với những gì vướng víu lượng tử thực sự trông như thế nào khi bạn gạt bỏ những công thức toán học và thuật ngữ kỳ lạ. Trong một thời gian dài, thậm chí một số nhà vật lý vĩ đại nhất cũng cho rằng điều này quá kỳ lạ để có thể là sự thật.
///
Nhưng trong vài thập kỷ qua, thí nghiệm sau thí nghiệm đã xác nhận rằng vướng víu lượng tử không phải là một lỗi trong hiểu biết của chúng ta về tự nhiên — nó là một trong những đặc trưng cốt lõi của tự nhiên. Và một khi bạn chấp nhận điều đó một cách nghiêm túc, bạn gần như bị buộc phải đặt ra một câu hỏi lớn hơn, hơi khó chịu: những thứ trong vũ trụ này có thật sự tách biệt không?
///
▌ Vướng víu lượng tử thực sự là gì? (không cường điệu)
Ở cốt lõi, vướng víu lượng tử đơn giản là một loại tương quan đặc biệt giữa các hạt. Khi hai hạt trở nên vướng víu lượng tử, các tính chất của chúng được liên kết chặt chẽ đến mức nếu bạn biết được điều gì đó về hạt này, bạn ngay lập tức biết được điều gì đó về hạt kia. Nó giống như việc lắc hai con xúc xắc ở hai phòng khác nhau nhưng bằng cách nào đó luôn nhận được những kết quả phù hợp với một mẫu ẩn mà bạn đã thỏa thuận từ trước.
///
Đây là phần khiến nó cảm thấy gần như ma quái: những tương quan này xuất hiện ngay cả khi các hạt được tách biệt bởi những khoảng cách khổng lồ, và chúng xuất hiện ngay lập tức khi một trong số chúng được đo. Điều đó không có nghĩa là thông tin đang di chuyển nhanh hơn ánh sáng, nhưng nó có nghĩa là ý tưởng cho rằng mỗi hạt có những tính chất độc lập, được thiết lập sẵn của riêng mình không phù hợp với những gì các thí nghiệm quan sát được. Dường như tự nhiên quan tâm đến mối quan hệ hơn là các mảnh riêng lẻ.
///
▌ “Hành động ma quái” của Einstein và lý do khiến ông bận tâm
Albert Einstein nổi tiếng đã bác bỏ những hệ quả kỳ lạ của cơ học lượng tử, đặc biệt là vướng víu lượng tử. Ông cho rằng lý thuyết này chắc chắn chưa hoàn thiện, rằng có những biến số ẩn giấu đang bí mật quyết định những gì xảy ra với mỗi hạt, để mọi thứ vẫn có thể là cục bộ và độc lập ở cốt lõi. Đối với ông, ý tưởng cho rằng một lựa chọn đo lường ở đây có thể ngay lập tức ảnh hưởng đến điều gì đó ở đó nghe như một thách thức trực tiếp đối với thuyết tương đối.
///
Ông và các đồng nghiệp của mình đã đưa ra một lập luận thú vị để chỉ ra những điều vô lý trong quan điểm của cơ học lượng tử, sử dụng những gì hiện nay được biết đến như là nghịch lý EPR. Mỉa mai thay, "lập luận chống lại" vướng víu lượng tử này đã đặt nền móng cho chính những thí nghiệm sau đó đã xác nhận nó. Trong nỗ lực bảo vệ một bức tranh về một vũ trụ sạch sẽ, có thể tách biệt, Einstein đã giúp thiết kế những công cụ tiết lộ rằng mọi thứ thực sự được dệt chặt chẽ với nhau đến mức nào.
///
▌ Định lý Bell: Khoảnh khắc vũ trụ chọn phe
Vào những năm 1960, nhà vật lý John Bell đã nghĩ ra một cách để kiểm tra liệu thế giới có thực sự cục bộ và độc lập theo cách mà Einstein hy vọng hay không. Ông đã suy ra những giới hạn toán học, hiện được gọi là bất đẳng thức Bell, mà bất kỳ lý thuyết nào có các biến số cục bộ ẩn giấu đều phải tuân theo. Cơ học lượng tử dự đoán rằng các hạt vướng víu lượng tử sẽ phá vỡ những giới hạn đó trong những thiết lập thí nghiệm cụ thể.
///
Trong những thập kỷ tiếp theo, các thí nghiệm ngày càng chính xác đã được tiến hành với photon, electron, và thậm chí các hệ thống lớn hơn. Kết quả liên tục vi phạm bất đẳng thức Bell theo đúng cách mà lý thuyết lượng tử dự đoán. Đến khi các thí nghiệm gần đây đã lấp đầy những "khe hở" lớn trong thiết lập, phán quyết đã khá rõ ràng: nếu bạn muốn bám lấy một bức tranh về một vũ trụ nghiêm ngặt cục bộ, được định nghĩa tách biệt, bạn sẽ phải tự xoắn mình vào những mâu thuẫn. Dường như vũ trụ đã chọn vướng víu lượng tử hơn là sự tách biệt dễ chịu.
///
▌ Từ thủ thuật phòng thí nghiệm đến thực tế hàng ngày: Vướng víu lượng tử không hiếm
Dễ dàng nghĩ rằng vướng víu lượng tử là một thủ thuật phòng thí nghiệm mong manh chỉ xuất hiện trong những điều kiện được kiểm soát cực kỳ, như giữ các hạt lạnh hơn không gian sâu thẳm đằng sau những lớp chắn nặng. Nhưng trên thực tế, các khối xây dựng nên vật chất liên tục tương tác, và mọi tương tác đều có tiềm năng tạo ra vướng víu lượng tử. Thách thức thực sự không phải là tạo ra vướng víu lượng tử — mà là bảo tồn nó đủ lâu để sử dụng hoặc quan sát nó trước khi môi trường làm xáo trộn nó.
///
Sự mất kết hợp, quá trình mà một hệ thống trở nên vướng víu lượng tử với vô số hạt khác xung quanh nó, không phá hủy vướng víu lượng tử mà lan tỏa nó cho đến khi nó trở nên vô hình đối với chúng ta. Theo nghĩa đó, thế giới cổ điển hàng ngày mà chúng ta trải nghiệm giống như cái bóng mờ nhạt của một mạng lưới vướng víu lượng tử rộng lớn. Chúng ta chỉ nhìn thấy những mẫu hình ổn định, được trung bình hóa, chứ không phải những mối quan hệ lượng tử cơ bản kết nối mọi thứ với nhau.
///
▌ Thông tin lượng tử: Khi mối quan hệ quan trọng hơn các vật thể
Vật lý hiện đại đã bắt đầu chuyển ngôn ngữ của mình từ nói về các hạt và sóng sang nói về thông tin và tương quan. Trong khoa học thông tin lượng tử, vướng víu lượng tử được coi như một loại tài nguyên, giống như năng lượng hoặc tiền bạc, có thể được sử dụng để làm những điều mà nếu không sẽ là không thể. Ví dụ, các máy tính lượng tử dựa vào các trạng thái vướng víu lượng tử để thực hiện nhiều phép tính song song theo một cách mà không có đối tượng cổ điển nào có thể làm được.
///
Càng suy nghĩ về nó, bạn càng cảm thấy vũ trụ giống như một mạng lưới các mối quan hệ hơn là một đống các vật thể tách biệt. Theo một nghĩa nào đó, ý nghĩa của một hạt được định nghĩa bởi cách nó tương quan với các hạt khác xuyên không gian và thời gian. Thay vì một thế giới được xây dựng từ những viên gạch cô lập, nó bắt đầu trông giống như một tấm vải dệt mà chính mẫu kết nối mới là điều thực sự quan trọng.
///
▌ Vướng víu lượng tử vũ trụ: Toàn bộ vũ trụ có được liên kết không?
Trên quy mô lớn nhất, vũ trụ học và vật lý lượng tử đang bắt đầu va chạm theo những cách đáng ngạc nhiên. Vũ trụ sơ khai, khi mọi thứ được nén chặt với nhau một cách đáng kinh ngạc, sẽ là một sân chơi hỗn loạn của các tương tác và vướng víu lượng tử. Khi không gian giãn nở, những tương quan đó sẽ được kéo giãn trên những khoảng cách khổng lồ, có thể để lại những dấu vết tinh vi trong những thứ như bức xạ nền vi sóng vũ trụ.
///
Một số nhà nghiên cứu đã đề xuất rằng vướng víu lượng tử có thể giúp giải thích tại sao các vùng xa xôi của vũ trụ trông giống nhau đến vậy, hoặc cách mà lực hấp dẫn và hình học không-thời gian có thể thực sự xuất hiện từ các tương quan lượng tử cơ bản. Mặc dù nhiều ý tưởng này vẫn còn mang tính suy đoán, nhưng chúng chia sẻ một chủ đề chung: vũ trụ có thể không chỉ chứa các hệ thống vướng víu lượng tử ở đây và ở kia; nó có thể chính là một toàn thể vướng víu lượng tử, với những sự tách biệt rõ ràng chỉ là những ảo ảnh thuận tiện của quy mô.
///
▌ Sóng chấn động triết học: Sự liên kết thực sự có nghĩa gì?
Thật hấp dẫn khi nhảy từ vướng víu lượng tử thẳng đến những tuyên bố có tính chất thi ca rằng “mọi thứ là một” theo nghĩa tinh thần. Thực tế thì tinh tế và kém gọn gàng hơn thế. Vướng víu lượng tử là một hiện tượng vật lý chính xác, có thể kiểm tra được với những quy tắc rất nghiêm ngặt: nó không cho phép bạn gửi tin nhắn nhanh hơn ánh sáng, và nó không có nghĩa là suy nghĩ của bạn được liên kết một cách kỳ diệu với các thiên hà xa xôi. Nhưng nó đã phá vỡ câu chuyện đơn giản rằng thế giới được xây dựng từ những mảnh nhỏ độc lập với các tính chất được định nghĩa sẵn, riêng tư.
///
Ở một mức độ nhân văn hơn, có điều gì đó lặng lẽ khiến người ta băn khoăn nhưng cũng kỳ lạ an ủi khi biết rằng vũ trụ ít giống một tập hợp các hòn đảo cô đơn hơn mà giống một đại dương của các mối quan hệ. Khi bạn nhìn vào chính cơ thể mình như một hệ thống xoáy tròn, luôn thay đổi của các hạt đã va chạm, tương tác, và chia sẻ những lịch sử lượng tử với vật chất khắp vũ trụ, những ranh giới cá nhân bắt đầu cảm thấy kém tuyệt đối hơn. Vật lý không nói cho bạn cách sống, nhưng nó thì thầm rằng sự cô lập có thể là một câu chuyện tâm lý nhiều hơn là một đặc trưng cơ bản của tự nhiên.
///
▌ Một vũ trụ được dệt, không phải được lắp ráp
Vướng víu lượng tử buộc chúng ta phải từ bỏ một số trực giác sâu sắc về sự tách biệt. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng vũ trụ kiên quyết từ chối phù hợp với một bức tranh mà ở đó mỗi mảnh mang theo một kịch bản độc lập hoàn toàn của riêng mình, không bị ảnh hưởng bởi những lựa chọn xa xôi. Những gì chúng ta nhìn thấy thay vào đó là một thực tế mà ở đó các kết nối, tương quan, và những lịch sử chia sẻ được gắn chặt vào mức độ cơ bản nhất của cách vật chất hoạt động.
///
Cho dù chúng ta đang nói về các hạt nhỏ trong phòng thí nghiệm hay cấu trúc rộng lớn của vũ trụ, cùng một gợi ý vẫn tiếp tục xuất hiện: vũ trụ ít giống một chồng các khối xây dựng hơn mà giống một mạng lưới các mối quan hệ. Điều đó không biến vật lý thành chủ nghĩa thần bí, nhưng nó khiến thế giới cảm thấy ít chia rẽ hơn nhiều so với những gì trải nghiệm hàng ngày của chúng ta gợi ý. Trong một vũ trụ được kết nối bởi những sợi dây vô hình của vướng víu lượng tử, bạn đã mong đợi mọi thứ tách biệt đến mức nào?