Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & Leonard Mlodinow (Phần 8) pdf

Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & LeonardMlodinow (Phần 8) CHƯƠNG 4 NHỮNG LỊCH SỬ KHÁC Vào năm1999,một đội gồm các nhà vậtlí người Áo đã bắn một loạt những phân tử hình quả bóng đá về hướng một rào chắn. Những phân tử đó, mỗi phân tử gồm sáu mươi nguyên tử carbon,thỉnhthoảng được gọi làbóngbucky vì kiếntrúc sư Buckminster Fullerđã xây dựngnên cấu trúc cóhình dạng đó. Nhà vòm đođạc của Fullercó lẽ là những vật hình quả bóng đá lớn nhấttừng tồn tại. Những quả bóng bucky thì là nhỏ nhất. Rào cản mà các nhà khoa học nhắm bắn tới cóhai khe nhỏ để bóngbuckycó thể bay qua.Phia sau bức tường,các nhà vật lí bố trí cái tương đương của mànảnh để phát hiện và đếm số phântử đi qua. Bóng bucky.Bóng buckytrông như những quả bóng đá cấu tạo từ những nguyêntử carbon. Nếu chúngta bố trímột thí nghiệm tươngtự vớinhững quả bóng đá thật sự, chúng ta cần một cầu thủ đá không haylắm nhưng có khả năngsút bóngtheo tốc độ mà chúng ta chọn.Chúng ta sẽ để người cầu thủ này đứng trướcmột bức tường có hai khehở. Ở phía sau tường, và song songvới nó, ta đặt mộtmàng lưới rấtdài. Đa số những cúsút của cầu thủ sẽ va vào tường và dội trở lại, nhưng mộtsố sẽ đi lọt quakhe này hoặc khe kia,và đi vào lưới. Nếu hai khe chỉ hơi lớn hơn quả bóng một chút, thìở phía đằngsau sẽ hiện rahai dòngchuẩntrực cao. Nếu hai kherộng ra thêm chút nữa, thì mỗi dòngbóng sẽ loe ra một chút,như thể hiện trong hình bên dưới. Để ý rằng nếu chúng tađóng một khe lại, thìdòng bóng tương ứng sẽ không còn đi qua,nhưng điều này khôngảnhhưởng gì đến dòng bóngkia. Nếu chúng ta mở khe thứ hai ra trở lại, thì điều đó chỉ làm tăngsố lượng quả bóng chạmđất ở bất kì điểm nào ở phía đằng sau,khi đó chúngta sẽ có tất cả những quả bóngđi qua khe vẫn cònmở, cộng với nhữngquả bóng đi từ khe mới mở. Nói cáchkhác, cái chúngta quan sátthấy vớicả hai khemở bằngtổng những cái chúng ta nhìn thấyvới mỗikhe trên tườngmở độc lập. Đó là thực tế mà chúng ta đã tích lũy được trong cuộc sống hàngngày. Nhưng đó không phải làcái các nhànghiên cứu người Áo tìm thấy khihọ bắn những phântử của họ. Cầu môn hai khe. Mộtcầu thủ sút bóngvào haikhe trên tườngsẽ tạo ra một kiểu phân bố rõ ràng. Trongthí nghiệm củangườiÁo, việc mở cái khethứ haithật sự làm tăng số phân tử đi tớimột số điểm nhấtđịnh trên màn ảnh, nhưngnó làm giảm số phântử đi tới một số điểm khác, như thể hiện trong hìnhbên dưới.Thật vậy, cónhững điểm không cóquả bóng bucky nào tiếpđất trongkhi haikhe vẫn mở, nhưngnó những điểm các quả bóng thậtsự tiếp đất khi chỉ có khenày hoặc khe kia mở. Điều đó trông rất kì lạ. Làm thế nào việc mở khe thứ hai có thể làm giảm số phân tử đi tới những điểm nhất định? Cầu thủ bóng bucky. Khi bắn những quả bóng phân tử vào haikhe,trên màn hình thu đượckiểu phân bố phảnánh những định luật lượngtử xa lạ. Chúng tacó thể đi tìm manhmối cho câu trả lời bằng cách khảosát từngchi tiết. Trong thínghiệm trên, nhiều quả bóng phân tử tiếp đất tại một điểm nằm ngay chính giữa nơi bạnmuốn chúng tiếp đất nếu các quả bóng đi quakhe này hoặc khekia. Xađiểm chính giữa đó chút nữa thì có rấtít phântử đi tới,nhưng xa điểm chính giữa đó thêm chút nữa, thì các phântử lại thấy xuất hiện. Kiểu phân bố này không bằng tổngcủa nhữngphânbố khi mở từng khe độc lập, nhưng bạncó thể nhậnra nótừ chương3 là kiểu phân bố đặc trưng của sóng giao thoa. Những chỗ không có phân tử nào đi tới tươngứng với những vùng trong đó nhữngsóng phátra từ hai kheđi tớingược phavới nhau, vàtạo ra sự giaothoa triệt tiêu; những chỗ nơinhiều phân tử đi tới tương ứngvới những vùngtrong đó các sóng tới cùng pha,và tạora sự giaothoa tăng cường. Trong hainghìn nămđầu tiênhaytươngđươngnhư thế củatư duykhoa học, kinh nghiệm đời thường và trực giác làcơ sở cho sự lí giải lí thuyết. Khi chúng ta dần cải tiến côngnghệ của mìnhvà mở rộng phạm vi của hiện tượngmàchúng ta có thể quan sát,chúng ta bắt đầu nhậnthấy tự nhiên hành xử theo những kiểu mỗi lúc mộtkhác với sự trải nghiệm hàng ngày của chúngta, vàvì thế với trực giác của chúng ta,như vừa chứng minh với thí nghiệm với những quả bóng bucky.Thí nghiệmđó là điển hình của loạihiện tượngkhông thể nào dung chứa bởi khoahọc cổ điển, màđượcmô tả bởi cáigọi là vật lí lượng tử. Thậtvậy, RichardFeynman từng viết rằngthí nghiệm hai khegiống như cái chúngta vừa mô tả ở trên “chứa đựng mọi bí ẩn của cơ học lượng tử”. Các nguyên lí của cơ học lượng tử đượcphát triển trong haithậpniên đầu của thế kỉ 20 sau khingười ta nhận thấy lí thuyết Newtonkhôngcòn thỏa đáng để mô tả tự nhiên ở cấp độ nguyên tử - hoặcdướinguyên tử. Các lí thuyếtvật lí cơ bản môtả các lựccủa tự nhiên vàcách thức các vật tương tác với chúng. Các lí thuyết cổ điểnnhư lí thuyết Newton xây dựng trênmột khuôn khổ phản ánh kinh nghiệmhàng ngày, trong đó các đối tượng vậtchất có sự tồn tại riêng,có thể nằm ở nhữngvị trí xác định,đi theo nhữngquỹ đạo nhất định,và vân vân.Vật lí lượng tử cung cấpmột khuôn khổ để tìmhiểu tự nhiên hoạt độngnhư thế nào ở cấp độ nguyêntử và dưới nguyên tử, nhưng như chúng ta sẽ thấy chitiết hơn ở phần sau, nó kêu gọi một giản đồ khái niệm hoàn toàn khác, trong đó vị trí, đường đi củamột vật, và thậm chí cả quá khứ và tương laicủa nó, không được xác địnhmột cách chínhxác. Cáclí thuyết lượnglượng tử của những lực như lực hấp dẫn hoặc lực điện từ đượcxây dựng bên trongkhuônkhổ đó. Liệu những lí thuyết xâydựngtrên một khuônkhổ xalạ với kinhnghiệm hàng ngày cũngcó thể giải thích nhữngsự kiệncủa kinh nghiệmhàng ngày đã được lập mô hình chínhxác bởi vật lí cổ điển haykhông?Chúng có thể,vì chúng ta và môi trườngxung quanhchúng ta là những cấu trúc phứchợp, cấu tạo từ vô số nguyêntử, số nguyên tử đó còn nhiều hơncả số ngôi sao trongvũ trụ có thể quan sát. Và mặc dù các nguyên tử thành phần tuân theocác nguyên lí củacơ học lượng tử, nhưng người ta có thể chứng minhrằng một tập hợp lớnnguyên tử tạo nênquả bóng đá, hoa tulip, cái vòi con voi– và cả chúngta – thậtsự sẽ tránh đượcsự nhiễu xạ quahaikhe. Cho nên, mặc dù các thành phần cấu tạo của những vậtthể hàng ngày tuân theovật lí lượng tử, nhưngcác địnhluật Newtontạo nên một lí thuyết tác dụngmô tả rất chínhxác cáchthức hành xử của những cấu trúcphứchợp hình thành nên thế giới hàngngàycủa chúng ta. Điều đó nghe cóvẻ lạ lẫm, nhưng có nhiều trườnghợptrong khoahọctrong đó một tập hợp lớn hành xử theo kiểu khác với hành trạngcủa từng thành phần cá lẻ. Phản ứng của một neuronđơn lẻ khó báo trước phản ứng củanão bộ, biết về một phân tử nước bạncũng chẳng thể nói gì nhiều về hành trạng của một cái hồ. Trongtrường hợp vật lí lượng tử, các nhà nghiên cứu vẫn đangtìmhiểu các chi tiết xem các định luật Newton xuất hiện như thế nàotừ địa hạt lượngtử. Cái chúng ta biết là thành phần của mọivật tuân theo cácđịnh luật của vật lí lượng tử, và các định luật Newtonlà sự gần đúngtốt để mô tả cách thứchành xử của vật vĩ mô cấu tạo từ những thành phần lượngtử đó. Vì thế, các tiên đoán của lí thuyết Newton phùhợp với cái nhìn thực tại mà chúng ta phát triển khichúng ta trải nghiệm thế giới xungquanhmình.Nhưng từng nguyên tử và phân tử hoạt động theo một kiểukhác hẳn với kinh nghiệm hàng ngày của chúng ta.Vật lí lượng tử là một mô hìnhmới của thực tại manglại cho chúng ta một bức tranh của vũ trụ. Nó là một bức tranh trong đó nhiều khái niệmcơ bản đối với sự hiểu biết trực giáccủa chúngta về thực tại không còn ý nghĩa nữa. Thí nghiệmhai khe trên được thực hiện lần đầu tiênvào năm1927 bởi Clinton Davisson và Lester Germer,nhữngnhà vật lí thực nghiệmtại BellLabs đang nghiêncứu cáchthức mộtchùm electron– những đốitượngđơngiản hơn bóng bucky nhiều – tươngtác với mộttinh thể nickel.Thực tế nhữnghạt vậtchất như electronhành xử giống như sóng nước là loại thínghiệm bất ngờ đã truyền cảm hứng cho vật lí lượng tử. Vì hành trạngnày không được quan sát thấy ở cấp vĩ mô, chonên từ lâu các nhà khoahọc đã tự hỏi không biết nhữngvật bao lớn và phức tạp ra saothì có thể và vẫn biểu hiện những tính chất kiểu sóngnhư thế. Sẽ có mộtchút xáo trộn trong cuộc sốngnếu hiệu ứng trên được chứngminh với con người hoặc con hà mã, nhưngnhư chúng ta đã nói, nói chung, những vật càng lớn thì những hiệu ứnglượng tử càng kém rõ nét và xác thực. Chonên sẽ không có khả năng chobất kì con thú nuôi nàothoát ra ngoài qua các thanhchắn lồngnhốtcủa chúng bằng hành trạng đi quakiểu sóng.Tuy nhiên, các nhà vật lí thực nghiệmđã quan sát thấyhành trạngsóngvới nhữnghạt có kích cỡ ngày mộttăng dần. Các nhà khoahọc hivọngmột ngày nào đó sẽ tái dựng đượcthí nghiệm bóng bucky với virus,nó không to hơn baonhiêu nhưngvẫn được mộtsố người xemlàsinh vật sống. Chỉ có một vàikhía cạnhcủa vật lí lượngtử cần thiết để hiểu những lập luận mà chúng ta sẽ nêu ra ở những chương sau. Một trong những đặc điểm then chốt là lưỡng tính sóng/hạt. Nhữnghạt vật chất hành xử giống như sóng đã khiến mọi người bất ngờ.Ánh sánghànhxử giống như sóngthì khôngcòn khiến ai bấtngờ nữa. Hành trạng kiểu sóng củaánh sángdường như là tự nhiên đối vớichúng ta và đã được xem là một thựctế được chấp nhậntrong gần haithế kỉ qua. Nếumột chiếumột chùm ánh sáng vàohai khetrong thí nghiệm trên, haisóng sẽ ló ra và gặpnhau trênmàn hứng.Tại mộtsố điểm, những đỉnhsóng hoặc hõmsóng của chúng sẽ trùng nhau và tạo ramột đốm sáng; tại mộtsố điểm khác thìđỉnh sóng của chùmnày gặp hõm sóng củachùm kia, triệt tiêu chúng, và để lại mộtvùngtối. Nhà vật lí ngườiAnh Thomas Youngđã tiến hành thí nghiệm này hồi đầu thế kỉ 19, thuyết phục mọi người rằng ánh sánglà một sóng và không phải gồm những hạt như Newton tintưởng. Thí nghiệm Young. Kiểu phân bố bóng buckynhìn quenthuộctừ lí thuyết sóng ánh sáng. Mặcdù người ta có thể kết luận rằng Newton đã saikhi nói ánh sáng không phải là sóng,nhưng ôngcũng đúng khinói ánh sáng cóthể tác dụng như thể nó gồm nhữnghạt nhỏ. Ngày nay,chúng ta gọi chúng là photon.Giống như chúng ta có cấutạo từ số lượng lớn nguyên tử, ánhsángmà chúng ta thấy trong cuộc sống hàng ngày là một phứchợp theonghĩa nó gồm rất nhiềuphoton –mộtbóngđèn 1 watt phát ra một tỉ tỉ photon trongmỗi giây. Các photon độc thân thườngkhông hiển hiện, nhưng trongphòngthí nghiệm chúngta có thể tạo ramột chùmánh sáng mờ nhạt đến mức nó gồm một dòng photon độc thân mà chúng ta có thể phát hiện từnghạtgiống như việc chúng ta phát hiện ra từngelectron hoặc bóng bucky. Và chúng ta có thể lặp lại thí nghiệm Youngsử dụng một chùm photon đủ thưa để cho tạimỗi thời điểm có một photonđi tới ràochắn, với một vài giâyphân cách giữamỗi lần đi tới. Nếu chúngta làm được như thế, và rồi cộng gộptừng tácdụng riêng lẻ mà màn ảnh ghilại ở phía saumàn chắn,chúng ta sẽ thấy chúngcùng xây dựng nên kiểu vân giaothoa giống vớikiểu vânnếu chúng ta thực hiện thí nghiệm Davisson– Germer,nhưngchiếu các electron(hoặc bóng bucky) tuần tự từng hạt một. Đối với các nhà vật lí, đó là mộtphát hiệnđáng chú ý: Nếucác hạtđơn lẻ tự giao thoavới chúng, thì bản chất sóng củaánh sáng làmột tínhchất không chỉ của chùmsáng hoặc của mộttập hợp lớn những photonmàcòn của từnghạt đơn lẻ. Một trong những nguyên lí chủ chốtkhác nữacủa vật lí lượngtử là nguyênlí bất định, do WernerHeisenbergthiết lập vào năm 1926. Nguyên lí bất định cho chúng ta biếtrằng có những giớihạn đối với khả năngcủa chúngta đo đồng thời những dữ liệu nhất định, thí dụ như vị trí vàvận tốc củamột hạt.Theo nguyên lí bất định, chẳng hạn,nếu bạnnhân saisố trong phép đo vị trí của một hạt vớisai số trong phép đoxung lượngcủa nó (khối lượngnhân với vận tốc của nó), thì kết quả khôngbao giờ nhỏ hơn một đại lượng cố định nhất định,gọi là hằng số Planck. Đó là một vấnđề hócbúa, nhưngnội dung chính của nó có thể phát biểu đơn giản như sau: Bạn đo tốcđộ càngchính xác baonhiêu, thì bạn đo vị trí càng kém chính xác bấy nhiêu, vàngược lại. Chẳnghạn, nếu bạn chia đôisai số về vị trí, thì bạn phải tăng gấp đôi saisố về vậntốc. Điều cũngquan trọng nên lưuý là,so với những đơn vị đo hàng ngàynhư mét, kilogram và giây, hằngsố Plancklà rất nhỏ. Thậtvậy, nếu tính theonhữngđơn vị đó, nócó giá trị vào khoảng 6/10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.Hệ quả lànếubạn địnhvị một vật thể vĩ mô như một quả bóng đá,với khối lượng một phầnba kilogram, trong cự li 1mm tínhtheo mọi chiều, thì chúng ta có thể vẫn đo vận tốc của nóvới độ chính xác lớn hơn nhiều so vớimộtphần tỉ tỉ tỉ của 1km/h. Đó làvì, đo theo những đơn vị này, quả bóng đá có khối lượng1/3, và saisố vị trí là 1/1.000.Cả hai giátrị khôngđủ để giải thích chotoàn bộ nhữngcon số không tronghằng số Planck, và vì thế sai số về vận tốc là khôngxác đáng.Nhưng cũng tính theo nhữngđơn vị đó, một hạt electroncókhối lượng 0,000000000000000000000000000001,nên đối với electron tình huốngcó hơi khác.Nếu chúngta đo vị trí của electronvớiđộ chínhxác đại khái tương ứng vớikích cỡ của mộtnguyêntử, thì nguyên líbất định yêu cầu rằng chúng ta không thể biếttốc độ của electronchínhxác hơnkhoảng cộng hoặc trừ 1000 km/h,nghĩa là rốtcuộc thì không chínhxác cho lắm. “Nếu như điều này đúng,thì mọi thứ mà chúng ta nghĩ là sóng thật ra là hạt, và mọi thứ chúng ta nghĩ là hạtthật ra là sóng”. Theo vật lí lượng tử,cho dù chúng ta thu nhặtđược baonhiêu thông tin hay khả năng điệntoán củachúng ta mạnhđến mức nào, thìkết cục của các quátrình vật lí không thể nào dự đoán trướcchắcchắn vì chúng không được xác định chắc chắn.Thay vàođó, chotrướctrạng tháiban đầu của một hệ, tự nhiên xácđịnh trạngthái tươnglai của nó quamột quá trìnhvề cơ bản là khôngchắc chắn. Nói cách khác, tự nhiên không đòi hỏi kếtcục của bất kì quá trình haythí nghiệmnào, ngay cả trong tìnhhuống đơn giản nhất.Thay vào đó, nó cho phép mộtsố kết cục khác nhau, mỗi kết cụccó một khả năngnhấtđịnh đượchiện thựchóa. Nghĩa là, mượn lời Einstein, cứ như thể Chúatungxúc xắc trước khiquyết địnhkết cục của từng quátrình vật lí.Quan điểm đó khiến Einsteinbấtan, và mặc dù ônglà một trong những người cha đẻ của vật lílượng tử,nhưng saunày ông là người chỉ trích nó. [...]... học viễn tưởng, nhưng không phải vậy Feynman đã thiết lập một biểu diễn toán học – phép lấy tổng Feynman theo lịch sử - phản ứng quan niệm này và tái dựng tất cả các định luật của vật lí lượng tử Trong lí thuyết Feynman, cơ sở toán học và bức tranh vật lí khác với dạng nguyên bản của vật lí lượng tử, nhưng các tiên đoán thì giống như nhau Thiết kế vĩ đại ... miếng bánh rán tại nhà ăn công sở của bạn Kết quả là nếu bạn đá một quả bóng bucky lượng tử và cho nó bay đi, thì chẳng có kĩ năng hay kiến thức nào cho phép bạn nói chính xác nó sẽ tiếp đất ở chỗ nào Nhưng nếu bạn lặp lại thí nghiệm đó nhiều lần, thì dữ liệu bạn thu về sẽ phản ánh xác suất tìm thấy quả bóng ở những vị trí nhất định, và các nhà thực nghiệm xác nhận kết quả của những thí nghiệm như thế phù... nguyên lí mâu thuẫn không những với kinh nghiệm hàng ngày của chúng ta mà còn với quan niệm trực giác của chúng ta về thực tại Những ai thấy những nguyên lí đó lạ lẫm và khó tin tưởng là thuộc một nhóm vĩ đại, nhóm gồm những nhà vật lí lớn như Einstein và cả Feynman, người có mô tả của thuyết lượng tử mà chúng ta sẽ sớm tìm hiểu tới Thật vậy, Feynman từng viết như thế này, “Tôi nghĩ mình có thể phát biểu... kết cục khác nhau phù hợp với những xác suất đã tiên đoán Xét thí nghiệm bóng bucky Vật lí lượng tử cho chúng ta biết rằng không có cái gì nằm tại một vị trí xác định, vì nếu như nó ở đó thì độ bất định xung lượng sẽ là vô hạn Thật vậy, theo vật lí lượng tử, mỗi hạt có một xác suất nào đó được tìm thấy tại một nơi nào đó trong vũ trụ Vì thế, cho dù cơ hội tìm thấy một electron cho trước bên trong thiết. .. qua một trong hai khe và không bị ảnh hưởng bởi tình trạng ở khe bên kia Theo vật lí học Newton – và theo hướng thí nghiệm sẽ xảy ra nếu chúng ta thực hiện nó với những quả bóng đá thay cho các phân tử - mỗi hạt đi theo một lộ trình rạch ròi từ nguồn của nó đến màn hứng Trong bức tranh này không có chỗ cho một con đường vòng trong đó hạt đến viếng láng giềng của từng khe trên hành trình đó Tuy nhiên,... nó, chuyển động quay, và vân vân Khi đó, trên nguyên tắc, chúng ta có thể dự đoán cái phi tiêu chạm đích ở đâu với độ chính xác như chúng ta mong muốn Chúng ta thường sử dụng khái niệm xác suất để mô tả kết cục của những sự kiện trong cuộc sống hàng ngày, vì thế, là một phản ánh không phải của bản chất nội tại của quá trình, mà là sự bỏ qua của chúng ta đối với những phương diện nhất định của nó Xác suất . Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & LeonardMlodinow (Phần 8) CHƯƠNG 4 NHỮNG LỊCH SỬ KHÁC Vào năm1999,một đội gồm các nhà vậtlí. vật líkhác với dạng nguyên bản của vật lílượng tử, nhưng các tiênđoán thìgiống như nhau. Thiết kế vĩ đại . khác, tự nhiên không đòi hỏi kếtcục của bất kì quá trình haythí nghiệmnào, ngay cả trong tìnhhuống đơn giản nhất.Thay vào đó, nó cho phép mộtsố kết cục khác nhau, mỗi kết cụccó một khả năngnhấtđịnh