Cỗ máy thời gian lượng tử ppt

Cỗ máy thời gian lượng tử Có thể du hành thời gian mà không cần tới các lỗ đen. Ngồinói về sự du hành thời gian trong mộtcăn phòngtrông ramột khoảnh sân xinhtươi tại ViệnCông nghệ Massachusetts nghecóvẻ hơi lạ tai. Tòanhà được xây tận năm 1916và trông như thời đạicủa nó vậy: mái trần cao, hành lang chạy dài và những căn phòng làm việc ẩm mốc với những cánhcửa gỗ nặng nề đã cách tân chút ít vàothời kì đó. Nếunhư khôngcó một màn hìnhmáy tính đặt tại góc tường, thì nội thất trong phònghầu như y hệt hồi đầu thế kỉ trước. Căn phònglàm việc ấy thuộc về SethLloyd,một trongnhững nhà lí thuyết hàng đầu thế giới về cơ học lượng tử. Chúngta đang nói tới một bài báomà ông cùng các đồng nghiệp của mìnhđã tung racách nay chừngmột tháng trước mô tả một bướcchuyển mớihết sức tinh vi về sự du hành thời gian. Loại bài báo như thế này rất phong phú trongvài năm trở lại đây, và thườngtập trung vào một số loại thí nghiệm tưởng tượngsử dụng lôgic và lígiải, thay cho thiết bị, để mô tả làm thế nào sự du hànhthời gian thậtsự có thể xảy ra trong thế giới thực. Ngoại trừ, luônluôn có một sự báotrước; chẳng hạnnhà du hành thời gian đầy rủi rophảithực hiệnhành trìnhđến rìa của mộtlỗ đen để thực hiện kì côngdu hành. Chonên, chưa bao giờ từng có mộtphép thử thực nghiệm nào của những ý tưởng đó. Thườngthìngười ta chỉ nói chovui và đăng tải một vài cột báo,nhưng hiếm khicó cáigì đó hữu hình để bạn thamgia vào. Lloydđi đến một phươngpháp mới khảo sát vấn đề trên, sử dụng cơ học lượng tử, vì thế, tôi chăm chú lắng nghevề thí nghiệm tưởng tượngcủaông và,tất nhiên,để tìm hiểu về cái điềm báo không thể tránh khỏi ấy. Ông nói cho tôi nghe các photon có thể truyềnngược dòngthời giannhư thế nào đồngthời ông nói cái gì đó nghe thậtlạ “ và chúngtôi đã làm thí nghiệm đó”, ôngnói một cách tự nhiên. “Anh cũng đã xem qua bài báođó, phải không nào?” Tôi trố mắt, bántín bán nghi.Trong khoảnh khắc, thời giannhư ngừng trôi vậy. “Thí nghiệm đó ư?”, tôi nghĩ trong đầu mình.Khi Lloyd kể tiếp, câu chuyện của ông còn gây kinhngạchơn nữa. Không chỉ nghĩ tới việc gửicác photontrở về quá khứ, thí nghiệm đó cònlà một sự tái hiệnvật lí của “nghịch lí ôngcháu” nổi tiếng. Đây làbài toánkhó hiểu trong đó mộtnhà du hành thời gianđi ngược về quá khứ và thủ tiêu ông nội của anhta trước khi bà nội của anh ta có mặt trong bức ảnh ngày cưới, nghĩa là nhà duhành thời gian sẽ không baogiờ tồn tại vàvì thế khôngthể nào đi ngược về quá khứ để giết chết ông nội của mình. Tôi sữngcả người.Trong hàng thế kỉ qua, chúng ta đã và đang cố gắng lay chuyển trí tuệ của mình xung quanh vấn đề du hành thời gian. Giờ thì Lloydvà các cộng sự của ôngvừa nhận ra mộtcách tiếp cận mới với bài toán đó,mở ra một thế giới kì lạ của sự duhành thời gian cho các thí nghiệm. Cái trêu ngươi đối với sự du hành thời gian là dường như chẳngcó gì ngăn cấm nócả. Trongchừng mực màcác địnhluật vật lí còn phát huy tác dụng,thì thời gian có thể tiến về phía trướchoặc lùira phía sau.Nhưng du hành thời giantheo kiểu như Marty McFlytrongbộ phimTrở lại Tương lai thì là mộttình huống rắc rối khác.Nó đòi hỏi một vật đi ngược dòngthời gian trongkhi mọi thứ khác đangdiễn tiến về phía trước. Tuy nhiên, người ta chẳnghề thiếu ý tưởng lí giải xemđiều này có thể xảy ra như thế nào. Đa số các ý tưởngtập trung vàocấu trúccủa không-thời gianlà môi trường để du hành. Theo thuyếttương đốitổng quát Einstein, không-thời gian là một loại chất liệu có thể nén lại và giãnra giống như một tấm cao sukhổng lồ. Một vật thể đồ sộ như một ngôi saochẳng hạnlàm biến dạng cấu trúc này, làm cho mọi thứ trong vùng phụ cận của nó chịumột lựchút về phíanó. Tuy nhiên, nếukhông-thời gian xoắn đủ mạnh, thì những điềukì lạ cóthể xảy ra. Nếu tấm cao su khổng lồ ấy bị gấp nếp, chẳng hạn, thì những vùng bình thường ở cách xanhau độtngộttrở nên nối kết với nhau,tạo thànhmột cái thòng lọng gọi là “đường cong thời gian khép kín” chophép nhà duhành thờigian lặp lại những chuyếnviếng thămđến cùng một điểmtrong thờigian và không gian(xem biểuđồ). “Các hạt lượng tử như photon và electron không bị ràng buộc bởi mũi tên thời gian”. Ngườiđầu tiên chỉ ra được làm thế nào sự tương đối đưa đến các đường cong thời giankhép kín lànhàtoán học người ÁoKurtGodel. Bản thiết kế năm 1949 của ôngcho một cỗ máy thời gian đòihỏi toàn bộ vũ trụ đang quaytròn. Nhiều ý tưởng có liên quanđã được đặtlên bàn thảo luận kể từ đó, từ nhữngdây năng lượngdàigọi làdây vũ trụ chođến cáclỗ đen đang quaytrònvà các đường hầm xuyên không-thời gian gọi là lỗ sâu đục. Vật lí lượngtử bước vào giai đoạncác nhà lí thuyếtbắt đầunêu câu hỏi một hạt lượngtử sẽ hành xử như thế nào nếunó thực hiện một bước nhảy trở về quá khứ. Năm 1991,nhà vậtlí người Anh David Deutschđã đặt ra câu hỏi nàydựa trên một nền tảng lí thuyết chắc chắn. Ông tưởngtượng một hạt truyền ngược dòng thời gian vàphá hủy hạt tiền thân của nó, tạora một nghịch líkiểu ông cháu. Hoàn toàn khác với cái người ta trôngđợi, Deutsch đã đi giải nghịch lí trên. Ông đi giải bằng cách viện dẫncách hiểu “đa thế giới” của cơ học lượng tử trong đó tại khoảnhkhắchạt lượngtử đi vào trong đườngcong thời gian khép kín,vũ trụ bị tách ra làm hainửa. Trongmột vũ trụ này,hạt sống sótkhôngtự giết nó; còntrong vũ trụ kiathì nó bị phá hủy. Bằngcáchviện dẫn quanđiểmđa vũ trụ, Deutsch đã khôn khéo tránh được nghịch lí ông cháu và giải đượcmột trongnhững bài toán cơ bản của sự duhànhthời gian.Nhưng nhiềunhà vật lí cảm thấy không hài lòngvới quan điểm đa thế giới vì nóđẻ ra một consố lớnđến mức khó tin của nhữngvũ trụ khác và vì nó phức tạp không cần thiết. Lloydcùng cácđồng nghiệp của ông chọn lấy một cách tiếp cận khác đối với sự duhànhthời gianlượng tử, sử dụng thựctế là các hạt lượng tử như photonvà electronkhôngbị ràng buộc bởi mũi tên thời gian. Cơ sở toán học của lí thuyết lượngtử phát biểu rằng trạng thái lượngtử mô tả chúng phát triển về phía trướclẫn về phía sau trong thời gian. Trạng thái kì lạ như thế này khiến cho một số nhà nghiên cứukhẳng định rằng không thể áp dụng được các quy luật bình thườngcủa tính nhân quả, vì thế những cái xảyra trong tương laicủa mộthạt lượngtử sẽ ảnhhưởngđến quá khứ củanó. Một trong những ngườiđầu tiên chỉ ra luận điểmnày là John Wheeler tại trường Đại học Princeton.Ông đã trình bày rằngthí nghiệm “hai khe” cổ điển, trong đó một photonchưa đượcquan sátđi qua hai khemộtcáchđồng thời, có thể bị ảnh hưởngbởi một phép đo diễn ra saukhi thí nghiệm có vẻ như đã hoàn tất. Các đặc trưngsóng của photonchưa quan sátđó cho biết nó đi qua cả hai khe cùngmột lúc. Nếu người ta quan sátlúc nó đi qua khe, thì thí nghiệm cho thấy nó sẽ có nhữngđại lượng kiểu hạt và chỉ đi qua một khe. Wheeler muốn biết điều gì xảyra nếu như bạn hoãn quyết địnhkhảo sát bản chấtsóng hayhạt của photon cho đến một thời giandài sau khiphotonđã đi qua khe. Ông đề xuất rằng việc sử dụng mộtcặpkính thiên văn ở xa để nhìn ngược vào hai khecũngsẽ buộc photon nhận lấy các tínhchất kiểu hạt. Sự lọc lựa tính chất như thế này saukhi phần chính của thí nghiệm về cơ bản đã hoàn tấtđược gọi là “hậu chọn lọc”. Gọi là hậu chọn lọccó lẽ nghekhông hay.Tuy nhiên, các thí nghiệmthực hiện bởiJean Francois Roch tại trườngEcole NormaleSuperieure ở Cachan,Pháp, và những ngườikhác, cho thấy sự hậu chọn lọc thật sự làm thay đổi các tính chất của mộtphoton lên tới mộtvài nanogiây về phía quá khứ. Theo cách hiểuCopenhagen củathuyết lượngtử, không cómột thựcthể nào tồn tại cho đến khimột phépđo được thực hiện. Nhưng chúngta đang bắtđầu biết rằng ngaycả thực tại cũngcó thể là một bữa tiệc di động: trạngthái quákhứ của một hạt lượngtử khôngcó nhiều thực tại hơn trạng thái tương laicủa nó. Đó là nguyêndo vì saosự hậu chọn lọc cótác dụng.Nói cách khác, mọi thứ chờ chúngta tóm lấy.Trên lí thuyết,quá trìnhhậu chọnlọc thậmchí có thể làm thayđổi toànbộ lịch sử của vũ trụ. Lloydvà AephraimSteinberg, thuộc trường Đại học Toronto, Canada,cho biết tínhchấtkì lạ này của thế giới lượng tử có thể là chìa khóa cho một cỗ máy thời gian thựcsự. Kinh nghiệm hàng ngày chochúng ta biết rằngcác điềukiện cho tại lúcbắt đầucủa một thí nghiệm sẽ xác định kết quả củanó. Nhưngnếu các hạt lượng tử không thể phân biệt giữa những thứ ảnh hưởng đến chúngvề phía trước và về phía sau trong thời gian, thì điều đó có nghĩa là việc chỉ rõ một điều kiện cuối cùng có thể xác định cái gì đã xảy ra trước nó.“Về mặt toán học, chẳng có nguyên do nàomà cácđiều kiện cuối cùngkhông thể nào‘cho trước’ và mọithứ phải tuân theo từ chúng một cách hợp lí”, Steinbergnói. Sự viễn tải trong thời gian Chínhkiểu suynghĩ như thế nàyđã đưa các nhà vật líCharles Bennettại Trung tâm Nghiên cứu IBM ở YorktownHeights,New York,và BenSchumacher tại trường Đại học Kenyonở Gambier,Ohio, đề xuất rằng có thể sử dụng cơ học lượng tử để xâydựng mộtcỗ máy thời gian bằng cách khai thácsự viễn tải lượng tử, một hiện tượngđã được chứng minh bằng thực nghiệm vô số lần. Quátrình trên khai thác một tínhchất lượng tử lạ lùng gọi là sự vướng víu, nhờ đó hai hạt, thídụ như hai photon, trở nên liên hệ gầngũi với nhauđếnmức chúng chia sẻ cùng một sự tồn tại. Các hạt bị vướng víu thật đặc biệt, vì một phép đo thực hiện trênhạt này lập tức ảnh hưởng đến hạtkia, cho dùchúng ở cách xa nhaubaonhiêu. Giờ hãy tưởngtượng bạnmuốn viễn tải một hạt duhànhkhông gian thứ ba từ A đến B. Thủ thuật là tạo ramột cặp hạt bị vướng víu vàđặt một hạt tại Avà hạt kia ở B, sau đó tiến hành một tậphợp phép đo ở cả hai nơi. Nếu bạnlàmđúng thao tác này, bạn có thể sử dụng“tác dụng ma quỷ từ xa”, như Einsteingọi như thế, để đảm bảo rằng hạt thứ hai đi đến mộttrạngthái giống hệtnhư “hạt du hành không gian”kia. Công bằng mànói, hạt duhành chẳngdi chuyển về mặt vật lí, nhưng thông tin lượngtử mô tả trọn vẹn hạt du hành đó đã thựchiện hànhtrình thay thế và điều này cho phép hạtthứ hai tại B nhậnlấy nhân dạng của hạtdu hành kia. Cái kì lạ ở sự viễn tải là nó xảy ra tức thời. Trongquátrình này,thông tin lượng tử dichuyển từ điểm Ađến điểm B,cho nên thật tự nhiên là ngườitasẽ nghĩ rằng các phép đotại A đã lập ra hành trình di chuyển. Nhưng vì sự viễn tải xảy ra tứcthời, chonên cũnghợp lí không kémlà nghĩ rằng phép đo tại điểm B đã kích hoạt hành trìnhtrên, mặc dù nóxảy ra ở những thời khắc muộn hơn (xembiểu đồ). Đây là sự hậu chọnlọc đang phát huy tác dụng và nó là một đặcđiểm mà cácnhà vật lí lượng tử luôn sử dụng để làm nhữngviệc như sự điện toán lượngtử. Chính sự nhập nhằng nàygiữa nhân và quả là cái Steinbergvà Lloyd khaithác trong vật mô phỏng duhành thời giancủa họ. “Tóm lại, duhành thời gian chính làsự viễn tải”, Steinbergnói. Có cường điệuquá mứchay không khigọi như thế này là du hành thời gian? Có lẽ vậy – theo kiểu giống như sự viễn tải lượngtử truyền tải một trạng thái lượng tử chứ không truyềntải một đối tượngvật chất thực sự. NhưngLloyd và Steinbergcho rằng cơ sở lôgic của sự viễn tảihậu chọn lọc là giống với lô giccủa sự duhànhthời gian,cho nênthí nghiệm củahọ là một vật môphỏngdu hành thời gian. Và trongkhi thí nghiệm đó có vẻ không gây hào hứngnhư một cỗ máy thời gian có thể đưa chúng ta về với thời đại khủng long,nhưng với nó người ta cóthể triển khai một số thứ thật sự kì lạ. Cái đầu tiên mà đội củaLloyd và Steinbergthựchiện là mô phỏng nghịch lí ông cháu bằng cách gửi mộtphoton ngược trở về quá khứ để tự hủy nó đi. Để làm như vậy, đội nghiên cứu sử dụng sự viễn tải, nhưng với bướcchuyển quan trọng. Sự viễntải lượngtử thông thườngsẽ cungcấp cho bạn một bản saocủatrạng thái mà bạnmuốngửi đi. Cái Steinbergvà Lloydmuốn biết làđiều này có xảy rađối với các photon theodự tính tự hủy chúngđi với một khẩu súng lượngtử hay không. Để hoạt động được, mô phỏng của họ đòi hỏi có thêm hai đặc tính nữa: một khẩu súng lượng tử thỉnh thoảng khaihỏa, và một phương tiệnlàm cho sự viễn tải tự dừng lại. Độinghiêncứu còn quyết định rằng, thaychohai photonbị vướng víu, như thường xảy ratrongsự viễn tải lượng tử, họ sẽ làm vướng víu hai thuộc tính của một photonđộc thân.Trạng thái phân cựccủa photonsẽ thể hiện “hiện tại”của photon,còn hướngchuyểnđộng củanó sẽ thể hiện “quá khứ”. Tiếp theo,họ cấp cho photon đó một khẩusúng lượng tử có thể hoặc khai hỏa, hoặcim lìm. Dụngcụ này, gọilà một bản sóng, có thể làmđảo, hoặc không làm đảo, trạng thái phân cực của photon.Vì sự phân cực củaphotonvà hướng của nó bị vướngvíu, nênviệc cấp cho photon một khẩusúng như vậy làm ảnh hưởng đến “quá khứ”. Giờ thì làm thế nào đảmbảo đượcrằng sự viễn tảithỉnh thoảng ngừng lại? Điều đó là dễ hơn, vì sự viễn tải vốn có mộtcơ chế hỏng.Trừ khibạn tiến hành các phép đo của mìnhtheo một cách đặc biệt nào đó,còn không nó chỉ hoạt độngtrong 25% thờigian mà thôi. Cho nên từ thí nghiệm của độinghiên cứu cóthể có bốn kết cục, tùythuộc vào tìnhhuống kết hợp của sự viễn tải và khẩu súng. Khi thínghiệm nàyđược thực hiện, sẽ xảy ramột số điều thúvị: mỗi thời khắc màsự du hành thời gian hoạt động, thì khẩu súng không lên nòng. Vàkhisự du hànhthờigian thất bại, thì khẩu súngkhai hỏa. Diễn đạt kết quả này theo ngôn ngữ của nghịch lí ông cháu, thì hễ khi nào còn cócơ hội cho khẩu súngcủa bạn tịt ngòi và cuộc mưu sátbất thành,thì sự du hành thờigian còn có thể hoạt động. “Bạn cóthể ngắmbắn nhưngkhông thể bóp cò”, Lloydnói. Rõ ràng sự duhành thời gian có một số ngụ ý quan trọng,không phải chỉ cho bản chất của sự tự phát mà còn cho khả năng của chúng talàm quen với nó.Các nhà du hành thời giancó thể vì lído gì đó ngăn khôngnghĩ tới việc nhắmbắnvào ông nội của họ,hoặc cólẽ họ có thể quyết định chỉ bắn lạcvào mộthướng khác nào đó. “Tự nhiên chẳng màng việc nó phối hợptốt baonhiêu với các synap thần kinh của tôi,hay với khẩuColt 45 củatôi”, Steinberg nói. Trongkhi ý tưởngvề một vật môphỏngdu hành thời gian nghecó vẻ xalạ với nhiều người, thìcho đến nay,côngtrình nghiêncứu đó đã ítnhiều gây ấn tượng đối với các nhàvật lí lượngtử. Đó là vì thí nghiệm trên hoạtđộngđúng như cơ học lượngtử tiên đoán– chẳng cóai tranh cãi xem sự viễn tải hoạt động như thế nào hoặc các bit thông tin lượngtử, hay qubit, hành xử ra sao.“Chắc chắn, rất vui vẻ đấy, nhưngmọi người đềubiết hết sức rõ kết cục trước mắt sẽ là gì”, phát biểucủa Scott Aaronson,một nhà khoa học máy tính cũngở MIT. Lloydvà Steinberg thìcó suy nghĩ khác. Họ nói việcnghĩ tới sự du hành thời gian theo kiểu như thế này làm phát sinh những câu hỏi quantrọng vàmang đến những kiến thứcmới hết sức sâu sắc. Trước hết, nó thật sự có thể thẩm tra trong phòngthí nghiệm, không giốngnhư các đường congthời giankhép kíncủa Deutsch. Và trongkhi sự hậu chọn lọc có thể cảm thấy hơi xảoquyệt, thì đó chỉ là vì chúng ta luôncó xu hướng nghiêng về một chiều đặc biệt trongthời gian. Trongkhi thí nghiệm củaLloyd và Steinbergmô phỏng được sự du hành thời gian, thìvẫn còn đó một câu hỏi nữa. Có phải thật sự có thể du hành thờigian mà không cần tới các lỗ đen haykhông? Theo những côngthức nhất địnhcủa cơ học lượng tử, câu trả lời là có. Một trong những khíacạnhrối rắmnhất củacơ họclượng tử là nó không tương thích với thuyết tươngđối tổng quát. Tronghàng thập kỉ qua, các nhà vật lí đã cố gắng kết hợp hai lí thuyết thành một lí thuyết lượngtử của sự hấp dẫn, nhưngđều đã thất bại. Trong khinhiềunhà vật lí đổ lỗi cho thuyết tươngđối, thì những người khác cho rằng vấn đề thật sự nên giảiquyết là tínhkhônghoàn thiện của cơ học lượng tử (New Scientist, số ngày 21/8/2010, trang 33). Vấn đề này đã thúc đẩynhững dạng thứcthay thế khác củacơ họclượng tử. Aram Harrow,một nhà vật lílượng tử tại trường Đại họcWashingtonở Seattle trìnhbày rằng những vấn đề này có thể làm bóp méo các phép đo cơ lượng tử theo kiểu giốngnhư sự hậu chọnlọc đã làm,nghĩa là sự du hànhthời gian làcó thể xét trên phương diện lí thuyết. Cho đến nay,các nhàvật lí vẫn không có bằngchứng nào cho nhữngdạng thức mới như vậy củacơ họclượng tử, mặc dù không thể nói rằng không có nơi nàotrong vũ trụ sự du hành thời gian có thể hoạt độngđược. Bây giờ trở lại câu hỏicăn bản banđầu: duhành thời giansẽ có thể thực hiện được haykhông?Có lẽ, nhưng việc nói về sự du hành thời gian trong mộtcăn phòngtrông ra một khoảnh sân xinh tươi tại Viện Côngnghệ Massachusettsdường như hơi lạ một chút.Tòa nhà được xây tậnnăm 1916… f . duhànhthời gianlượng tử, sử dụng thựctế là các hạt lượng tử như photonvà electronkhôngbị ràng buộc bởi mũi tên thời gian. Cơ sở toán học của lí thuyết lượngtử phát biểu rằng trạng thái lượngtử mô tả. Cỗ máy thời gian lượng tử Có thể du hành thời gian mà không cần tới các lỗ đen. Ngồinói về sự du hành thời gian trong mộtcăn phòngtrông ramột khoảnh sân. học lượng tử để xâydựng mộtcỗ máy thời gian bằng cách khai thácsự viễn tải lượng tử, một hiện tượngđã được chứng minh bằng thực nghiệm vô số lần. Quátrình trên khai thác một tínhchất lượng tử