Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & Leonard Mlodinow (Phần 9) potx

Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & LeonardMlodinow (Phần 9) Trongthí nghiệm hai khe, quanđiểmcủa Feynman là các hạt nhậnđường đi chỉ qua khenày hoặcchỉ qua khe kia;đường đi rải qua khe thứ nhất, đi về qua khe thứ hai, và sauđó qua khe thứ nhất trở lại; đườngđi đếnnhà hàngphụcvụ món tôm cà rixongsau đó quay quanhMộc tinh vài vòngrồi trở về nhà; thậm chí đườngđi băng qua cả vũ trụ rồi trở về. Theoquan điểmcủa Feynman, điều này lí giảilàm thế nào hạtcần thôngtinvề khe nào đang mở - nếu mộtkhe đangmở, thì hạt chọnđường đi qua kheđó. Khi cả hai kheđang mở, thì nhữngđườngđi trong đó hạt chuyểnđộng quakhenày cóthể giao thoa với những đường đi trong đó hạt chuyển động qua khe kia,gây ra sự giao thoa. Nghecó vẻ kì quặc, nhưngvới mục đích của đa số lĩnh vực vật lí hạt cơ bản ngày nay – và với nhữngmục đích của tập sách này – thì cách lí giải của Feynman tỏ ra có ích hơn cách lí giải ban đầu. Đường đi của hạt. Nền tảng thuyết lượng tử của Feynman mang lại một bức tranh lí giải tại sao các hạt như bóng bucky và electron tạo ra hình ảnh giao thoa khi chiếu chúng qua hai khe lên một màn hứng. Quan điểm thực tại lượng tử của Feynmanlàquan trọngtrongviệc tìmhiểu những líthuyết chúngta sẽ sớm nói tới sauđây, vì thế chúng ta nên dànhthờigian để có một chútcảmnhận xemnóhoạt động như thế nào. Hãy tưởng tượngmột quá trìnhđơngiảntrong đó một hạt bắt đầutại vị trí A nào đó và chuyển động tự do. Theomô hình Newton, hạt sẽ đi theo một đường thẳng.Sau một thời gian chínhxác nhất định trôi qua, chúng tasẽ tìm thấy hạt tại một vị trí B chính xác nào đó trên đường thẳng đó. Theomô hìnhFeynman, một hạt lượngtử nhận mỗi đườngđi nốitừ A đến B, thu một con số gọi là phacho mỗi đường đi. Phađó biểu diễn vị trí trong chu kì của mộtsóng,nghĩa là sóngđó đang ở đỉnh hayở hõm, hay ở một vị trí lưng chừng nào đó.Giảnđồ toán học củaFeynmantính rapha đó cho thấykhi bạn cộng hết các sóng từ mọi đường đi, bạn thu được “biên độ xác suất” mà hạt,bắt đầu từ A, sẽ đi tới B. Khi đó, bìnhphương của biên độ xác suất đó cho biết xác suấtđúnghạt sẽ đi tới B. Pha màmỗi đường đi đóng góp vàotổng Feynman(và do đó góp vào xác suất đi từ A đến B) có thể hình dung là mộtmũi tên có chiều dài cố định nhưng có thể hướng theomọi chiều. Để cộng haipha,bạn đặtvector biểu diễn pha này vào cuối vector biểu diễn phakia, để có một mũi tên mới biểu diễn tổng vector.Lưu ý khi haiphacùng chiều thì mũi tênbiểu diễntổngcó thể khá dài. Nhưngnếu chúng hướngtheo chiều khác nhau,thì chúng có xuhướng triệttiêu nhau khibạn cộng chúng, cho một mũi tên tổng không dài cho lắm. Quanđiểm được minhhọa trong hình bêndưới. Để thực hiện giản đồ Feynman tính biên độ xác suất mà một hạt bắt đầutại vị trí A sẽ đi tới vị trí B, bạncộngcác pha, haycácmũi tên, đi cùng với mỗi đường đi nối giữa A vàB. Cómột số vô hạnđường đi, làmcho cơ sở toán học hơi phức tạp một chút, nhưng hoàn toàntính được. Mộtsố đường đi đượcminh họa trong hình bên dưới. Cộng các đường đi Feynman. Tác dụng của những đường đi Feynman khác nhau có thể tăng cường hoặc triệt tiêu lẫn nhau giống như các sóng vậy. Những mũi tên màu vàng biểu diễn pha được cộng. Những đường màu xanh biểu diễn tổng của chúng, một đường từ đuôi của mũi tên thứ nhất đến ngọn của mũi tên sau cùng. Trong hình bên dưới, các mũi tên hướng theo những chiều khác nhau nên tổng của chúng, đường màu xanh, rất ngắn. Lí thuyết của Feynman mang lại một bức tranhđặc biệt rõ ràng lí giải làm thế nào bức tranh thế giới Newtoncó thể phát sinhtừ vật lí lượng tử, cáitrôngrất khác biệt. Theolí thuyết Feynman,pha đi cùng với mỗi đường đi phụ thuộcvào hằng số Planck.Lí thuyết Feynman tuyên bố rằngvì hằng số Plancklà quánhỏ, nên khi bạncộngsự đóng góp từ những đườngđi ở gần nhau,các pha thường biến thiên rất nhiều, và vìthế, như thể hiện tronghình trên, chúng cóxu hướng cộng lại bằngkhông. Nhưng lí thuyếttrên cũngcho biết cónhững đường đi nhất định với chúng các pha có xu hướngcùng chiều nhau,và vìthế những đườngđi đó được ưu tiên; nghĩa là chúng cho sự đóng góp lớn hơn đối với hành trạng quan sát thấy của hạt. Hóađối với nhữngvật lớn, nhữngđườngđi rấtgiống với đường đi dolí thuyết Newton tiên đoán sẽ có pha giốngnhauvàcộng lại sẽ cho đóng góp lớnnhất đối với tổng,và chỉ đích đến nào có xác suất hiệu dụng lớn hơnkhônglà đích đến tiên đoán bởi lí thuyết Newton, vàđích đến đó có xác suất rất gần bằng một. Vì thế, những vật lớn chuyển động giống hệt như lí thuyếtNewton tiên đoán chúngsẽ chuyển động như vậy. Những đường đi từ A đến B. Đường đi “cổ điển” giữa hai điểm là một đường thẳng. Pha của những đường đi nằm gần đường đi cổ điển có xu hướng tăng cường nhau, còn pha của những đường đi ở xa nó có xu hướng triệt tiêu nhau. Cho đến đây, chúng ta đã trìnhbày quanđiểmcủa Feynman trong ngữ cảnh của thí nghiệmhai khe. Trong thínghiệm đó, các hạt bị bắn về phía một bứctường có hai khehở, và chúng ta đovị trí, trên mộtmàn hứng đặt phíasau tường,mà các hạt sẽ đi tới.Tổngquát hơn, thay cho mộthạt đơnlẻ, líthuyết Feynman cho phép chúng ta dự đoán nhữngkết cục khả dĩ của một “hệ”, đó có thể là một hạt, một tập hợp hạt, hoặcthậmchí toàn bộ vũ trụ. Giữa trạng thái banđầu củahệ và phép đo sau đó chúng ta về những tínhchấtcủa nó, nhữngtính chất đó diễn tiến theomột số kiểu, cái các nhà vật lí gọi làlịch sử của hệ. Chẳnghạn, trong thínghiệmhaikhe, lịch sử của hạt đơn giản là đường đi của nó. Giống như trong thí nghiệm haikhe, khả năng quan sát thấy hạt tiếp đấtở bất kì điểm nào chotrướcphụ thuộc vàomọi đườngđi có thể đưa nó đếnđó, Feynman cho biết rằng,đối với một hệ tổng quát, xác suất của bất kì quansát nào đượcxâydựngtừ mọi lịch sử khả dĩ có thể đưa đến quansát đó. Vì thế phương pháp củaông của ông được gọi là“lấy tổng theo lịch sử” hay giản đồ “những lịch sử khác” của vậtlí lượngtử. Giờ chúng ta đã có một sự cảm nhậnvề cách tiếp cận vật lí lượngtử của Feynman, đã đến lúckhảosát một nguyênlí lượngtử chủ chốt khác mà chúng ta sẽ sử dụng saunày – nguyên lí rằngviệc quan sát một hệ phải làmbiến đổi tiến trình của nó. Có phải chúng ta khôngthể quan sátkín đáomà không quấy rầy, như chúng ta làm khithầy cố vấn của mìnhcó dính đốm tươngớt trêncằm? Không. Theo vật lí lượng tử, bạn khôngthể “chỉ việc” quansát cái gì đó. Nghĩa là,vật lí lượng tử công nhậnrằng để thực hiện mộtquan sát, bạn phải tương tácvới vậtmà bạn đangquansát. Thí dụ, để nhìn một vậttheo nghĩa truyền thống, chúngta chiếu ánh sáng lên nó. Chiếu ánh sánglên một quả bí ngôtất nhiên sẽ có chút tác động lên nó.Nhưngcho dùchiếu ánh sángmờ nhạt lên một hạt lượngtử nhỏ xíu –tức là bắn photonlên nó– thật sự cótác dụng đáng kể, và những thí nghiệm chothấy nó làm thay đổikết quả của thí nghiệmgiống như cách vật lí lượng tử môtả. Giả sử, như trước đây, chúng tagửi một dònghạtvề phía rào chắntrong thí nghiệmhai khe và thudữ liệu về triệu hạtđầu tiên đi qua. Khi chúngta vẽ đồ thị số hạt đitới ở nhữngđiểm pháthiệnkhác nhau, dữ liệu sẽ manglại hình ảnh giao thoa, vàkhichúng ta cộng dồncácpha đi cùng với nhữngđườngđi cóthể có từ điểm xuất phátA của một hạt đếnđiểm phát hiện B của nó,chúng ta sẽ thấy xác suất chúngta tính chosự đi tới ở nhữngđiểm khác nhau phù hợp với dữ liệuđó. Giờ hãy giả sử chúngta lặp lại thí nghiệm trên, lầnnày là chiếuánh sáng lên hai khesao chochúng ta biết một điểm trung gian, C, qua đó hạtđã đi qua. (C là vị trí của một tronghai khe) Đây gọi là thông tin “đường đi nào” vì nó cho chúng ta biết từng hạtđi từ A đến khe1 đếnB, hay đi từ A đến khe 2đến B.Vì giờ chúng ta đã biết mỗi hạt đi quakhe nào, nêncác đườngđi trong phép lấy tổng của chúng ta cho hạtđó giờ sẽ chỉ baogồm những đường đi truyền qua khe 1, hoặc những đườngđi truyền qua khe2. Nó sẽ không bao giờ bao gồm cả những đường đi qua khe 1 và những đường đi quakhe 2. VìFeynman giải thích hìnhảnhgioa thoađó bằngcách nói rằng những đường điqua khe này giaothoa với nhữngđường đi qua khe kia,cho nên nếu bạn bật bóng đènđể xác định khenào mà các hạt đi qua, từ đó loại trừ lựa chọn kia, bạn sẽ làm chohình ảnhgiao thoa đó biếnmất. Vàthậtvậy, khi thí nghiệm đượcthực hiện,việc bật bóng đèn làm thay đổikết quả từ hình ảnh giao thoađếnmột hìnhảnhgiống như thế! Hơn nữa, chúng ta có thể thay đổi thí nghiệmbằng cách sử dụng ánh sáng yếu đến mứckhôngphải tấtcả các hạt đều tương tác vớiánhsáng. Trongtrường hợp đó, chúng ta có thể thu được thôngtin đườngđi nào chỉ cho một số tập con của các hạt.Sau đó, nếu chúngta chia dữ liệu về điểm tới của hạt theo hoặckhôngtheo thông tin đường đinào mà chúngta thu được, chúng tanhận thấy dữ liệu gắn liềnvới tập con mà chúngta khôngcó thông tin đường đinào sẽ tạo ra một hình ảnh giaothoa, vàtập con dữ liệu đi liền với những hạt mà chúngta có thôngtin đườngđi nào sẽ không thể hiện sự giao thoa. Quan điểm này có những hàmý quantrọng cho khái niệm“quá khứ” của chúng ta.Tronglí thuyết Newton, quákhứ đượccho làtồn tại dưới dạng một chuỗi hữuhạn những sự kiện. Nếu bạn nhìn thấy cái lọ bạn muaở Italy hồi năm ngoái nằm vỡ trên sàn nhà và đứa con mới chập chững biếtđi củabạnđang đứngnhìn nó một cách ngượng ngùng, thì bạn có thể lần ngược các sự kiện dẫn tới sự rủi ro đó: những ngóntay bé xíu mân mê, cái lọ rơi xuốngvà vỡ thành cả nghìnmảnh. Thật vậy, chotrước toànbộ dữ kiệnvề hiện tại, các định luật Newtoncho phép người ta tính ramộtbức tranh hoànchỉnh củaquá khứ. Điều này phù hợp với trực giác của chúng ta rằng, cho dù đaukhổ hay hân hoan,thế giới có mộtquá khứ rõ ràng.Có thể chẳng cóai đang quansát, nhưng quá khứ tồn tại chắc chắn như thể bạn có một loạt ảnh chụp nhanhcủa nó. Nhưngngườita không thể nói một quả bóng bucky lượng tử nhậnmột đườngđi rõràngtừ nguồn phát đến màn hứng. Chúng tacó thể định vị trí của quả bóng bucky bằng cáchquan sátnó, nhưng trong khoảng giữa những quansát của chúng ta, nó nhận hết mọiđườngđi. Vật lí lượng tử cho chúng ta biết rằng chodù quansát củachúng ta về hiện tại có triệt để như thế nào, thì quá khứ (chưa quansát), giốngnhư tương lai, là không xácđịnh, vàchỉ tồn tại dưới dạng một phổ xác suất. Theo vật lí lượng tử, vũ trụ không cómột quá khứ, haymộtlịch sử đơn nhất. Thựctế quá khứ có dạng khôngrõràng nghĩa lànhững quan sát bạn thực hiện trênmột hệ trong hiện tại ảnh hưởng đến quá khứ của nó. Điều đó được nhấn mạnhhơn bởimột loại thí nghiệm tưởng tượngdo nhà vật lí JohnWheelernghĩ ra gọi là thí nghiệm chọn-trễ. Dưới dạng giản đồ, thí nghiệm chọn-trễ tựa như thí nghiệmhai khe mà chúngta vừa mô tả, trongđó bạn phải chọnquan sátđườngđi mà hạt nhận,ngoạitrừ ở chỗ trongthí nghiệm chọn-trễ bạn hoãn đưara quyết định của mìnhnên quansát hay không quan sát đường điđó cho đến ngaytrước lúc hạtchạmtới mànhứng. Những thínghiệm chọn-trễ mang lạidữ liệu giốngvới dữ liệu chúng ta thu được khichúng ta chọnquansát (hoặc khôngquan sát)thông tin đườngđi nào bằngcách nhìn vàochính haikhe. Nhưngtrong trường hợp này,đườngđi mà mỗi hạt chọn– nghĩalà quá khứ của nó– được xác địnhlâu sau khi nó đi qua haikhe và có lẽ phải “quyết định” đi qua chỉ một khe, không tạo ragiao thoa, hoặc đi qua cả hai khe,tạo ra giao thoa. Wheelercòn xét mộtphiên bản vũ trụ của thí nghiệm trên, trong đó các hạt là những photonphátra bởi nhữngquasarmạnh ở xahàng tỉ năm ánhsáng. Ánh sáng như thế cóthể bị tách thànhhai đường đivà tập trung trở lại về phía trái đất bởi sự hội tụ hấp dẫn của một thiên hànằm ở giữa. Mặcdù thí nghiệm trên nằm ngoài tầm với của công nghệ hiện nay,nhưng nếu chúngta có thể thu gomđủ số photon từ ánh sáng này,thì chúng phải tạo ramột hệ vân giaothoa. Nhưng nếu chúng ta đặt mộtdụngcụ để đo thông tinđườngđi nào ngaytrước khiphát hiện, thì hệ vân đó sẽ biến mất. Sự chọn lựa đi theomột đường haycả hai đường trong trường hợp này đã được tiếnhành cách nay hàng tỉ năm, trước khitrái đất, hoặccó lẽ trước cả mặt trời của chúng ta hìnhthành,vàvới sự quan sát củachúng ta trong phòngthí nghiệm, chúngta sẽ đang làm ảnhhưởngđến sự chọn lựađó. Trongchương này,chúng ta đã minhhọa nềnvật lí lượngtử bằng thí nghiệm hai khe.Trongphần tiếp theo,chúng ta sẽ áp dụng giản đồ Feynmancủa cơ học lượng tử cho toànbộ vũ trụ xét như một tổng thể. Chúngta sẽ thấyrằng, giốngnhư một hạt, vũ trụ khônghề có một lịch sử đơn nhất, mà mọi lịch sử đều làcó thể, mỗi lịch sử có mộtxác suất riêng của nó; và nhữngquan sát củachúngta về trạng thái hiện naycủanó làm ảnh hưởngđếnquá khứ của nó và xác định những lịch sử khác nhau củavũ trụ, giốnghệt như nhữngquan sát hạttrongthí nghiệm hai khelàm ảnh hưởngđến quá khứ củahạt. Phân tíchđó sẽ cho thấycác địnhluật của tự nhiêntrong vũ trụ của chúng ta phát sinhnhư thế nào từ BigBang. Nhưngtrước khi chúng ta khảo sát nhữngđịnh luậtđó phát sinhnhư thế nào, chúng ta nênnói một chútxemnhững định luật đó là gì và một số bí ẩn mà chúng khêu nên. . Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & LeonardMlodinow (Phần 9) Trongthí nghiệm hai khe, quanđiểmcủa Feynman là các hạt nhậnđường. nghiệm chọn-trễ. Dưới dạng giản đồ, thí nghiệm chọn-trễ tựa như thí nghiệmhai khe mà chúngta vừa mô tả, trongđó bạn phải chọnquan sátđườngđi mà hạt nhận,ngoạitrừ ở chỗ trongthí nghiệm chọn-trễ bạn. sẽ đi tới.Tổngquát hơn, thay cho mộthạt đơnlẻ, líthuyết Feynman cho phép chúng ta dự đoán nhữngkết cục khả dĩ của một “hệ”, đó có thể là một hạt, một tập hợp hạt, hoặcthậmchí toàn bộ vũ trụ.