*****
Cơ học lượng tử là khoa học nghiên cứu về chuyển động của vật chất ở thang các nguyên tử và các hạt hạ nguyên tử. Nó là lời giải đáp của các nhà khoa học trong nửa đầu thế kỷ XX cho hàng loạt những mâu thuẫn nổi lên trong vật lý học thế kỷ thứ XIX.
Cơ học lượng tử đã đem lại cho các nhà khoa học và các kỹ sư một hiểu biết mới và sâu sắc hơn về thực tại vật chất. Nó giải thích hành trạng của các hạt electron, nguyên tử và phân tử, bản chất của các phản ứng hóa học, phương cách ánh sáng tương tác với vật chất, sự tiến hóa của các vì sao, hóa sinh học của sự sống và sự tiến hóa của bản thân loài người. Chất bán dẫn, bóng bán dẫn, máy tính, laser, chất dẻo, tất cả đều là sản phẩm của những hiểu biết thu được từ môn khoa học này. Khi được thực nghiệm kiểm nghiệm, các tiên đoán của cơ học lượng tử đã thành công với một mức chính xác phi thường. Cùng kết hợp với bước đột phá vĩ đại khác trong vật lý học thế kỷ XX, thuyết tương đối của Einstein, nó đem lại khả năng cho những tiến bộ khổng lồ trong xã hội loài người bằng nguồn cung ứng năng lượng vô tận từ phản ứng hạt nhân - hay khả năng hủy diệt nhân loại bằng vũ khí hạt nhân.
Mặc dù với những thành công đó, nó vẫn còn là một lý thuyết nằm trong vòng tranh cãi dữ dội. Lý thuyết này đề xuất rằng những vật thể rất nhỏ như các electron hay photon (hạt ánh sáng) hành xử theo một cách trái ngược hoàn toàn với những ý niệm trực giác thông thường và trực giác vật lý có được từ thế giới những vật thể mà chúng ta thấy ở xung quanh. Các hạt nhỏ dường như hành xử rất khác với các vật thể lớn - những vật mà chúng ta có thể thấy và nắm lấy. Ánh sáng truyền qua lưới nhiễu xạ như một sóng, va vào màn thăm dò thì như một hạt. Những hiệu ứng lạ lùng xuất hiện khi electron bị các tinh thể quét qua dường như ngụ ý rằng electron không phải là một hạt - mà là một sóng - nhưng không phải lúc nào cũng vậy.
Thật là đáng lo ngại đối với các nhà vật lý, cơ học lượng tử dường như thất bại chính ngay chỗ mà nó nên phải mạnh mẽ nhất - trong việc mô tả chuyển động các hạt vi vật chất một cách riêng lẻ. Nó chỉ có thể mô tả sác xuất tương đối của, chẳng hạn, một hạt đang chuyển động đến nơi này hoặc hoặc nơi khác, hoặc một electron trong nguyên tử có mức năng lượng này hoặc khác. Nó không thể nói lên được tại sao một hạt này lại đến đây chứ không phải đến kia, tại sao một electron lại mang mức năng lượng này chứ không phải là khác, tại sao một nguyên tử chất phóng xạ phân rã vào thời điểm này chứ không phải nọ.
Tại sao những nhà Marxist lại để tâm đến môn khoa học này? Cứ để nó cho các nhà khoa học, có lẽ, là những chuyên gia am hiểu về nó nhất có phải hơn không. Nhưng hệ tư tưởng tư sản thấm vào mọi mặt của đời sống dưới chủ nghĩa tư bản. Các nhà khoa học thường tuyên bố là khách quan, chỉ đơn thuần làm việc với những sự thật mà thôi. Có vô số ví dụ chứng minh điều ngược lại, từ những lý do che đậy trong hàng thập kỷ cho những tác hại đến sức khỏe của việc hút thuốc lá đến những thí nghiệm Đức quốc xã về thuyết ưu sinh. Dù sao đi nữa, làm thế nào mà một nhà khoa học lại có thể khách quan được khi mà dưới chủ nghĩa tư bản, khoa học và kỹ thuật là chìa khóa để đem lại những nguồn lợi nhuận khổng lồ?
Những viện sĩ bảo thủ nhất phát triển cơ học lượng tử đã đưa vào vấn đề này một cuộc tấn công trực tiếp lên nền tảng triết học của chủ nghĩa Marx - chủ nghĩa duy vật biện chứng - ở
thang cơ bản nhất. Đây là lựa chọn của họ để đáp lại tính bất định trong lý thuyết lượng tử. Hầu như có lẽ không thể nào tin được, họ chọn giải thích tính chất lạ lùng của hành trạng lượng tử bằng cách “ phủ nhận sự tồn tại của thực tại vật chất”. Và với tư cách là một kiểu lý giải giáo khoa chuẩn về cơ học lượng tử, các nhà vật lý đã dạy trong suốt 80 năm nay rằng thực tại vật chất do đó chỉ tồn tại như là một kết quả của hành động quan sát. Đây là "cách luận giải Copenhagen" của cơ học lượng tử, được phát triển vào cuối những năm 1920 bởi Niels Bohr và Werner Heisenberg. Trích lời Heisenberg: "tôi tin rằng sự tồn tại của "hướng đi" cổ điển có thể được xác định rõ ràng một cách đầy ý nghĩa như sau: "Hướng đi" chỉ xuất hiện khi nào chúng ta quan sát nó"
Nếu tư tưởng là vũ khí, thì, giống như tôn giáo, đây là vũ khí khác trong cái kho vũ khí của giai cấp tư sản, một chiến tuyến khác trong lớp phòng vệ bao quanh cái không thể nói đến được - sở hữu tư nhân các phương tiện sản xuất. Nhưng chẳng có gì đặc biệt mới trong vấn đề này cả. Giai cấp tư sản luôn bị ép buộc phải phủ nhận thực tế để thanh minh cho sự cai trị của chúng. Bush và Blair cùng nhau cầu xin Đấng toàn năng sự chỉ dẫn (có lẽ là cho "tính đúng đắn" của việc ném bom những mục tiêu thường dân chăng?).
● Trái tim của cơ học lượng tử: thí nghiệm khe đôi
Cơ học lượng tử thường thích hợp với toán học cao cấp, và trong các trường hợp phức tạp toán học có thể được sử dụng để phát triển các ý tưởng của cơ học lượng tử. Tuy nhiên, toán học chỉ là phương tiện chuyên chở các ý tưởng vật lý mà thôi. Tư tưởng trung tâm của cơ học lượng tử - hàng trạng sóng của vật chất và hành trạng hạt của ánh sáng - có thể được miêu tả chính xác mà không cần đến toán học. Tuy nhiên, bản chất của vấn đề nằm ở việc mô tả thực tại vật chất và hành trạng ở các thang khoảng cách nhỏ, vốn rất khác với các vật thể chúng ta quen thuộc thường ngày.
Một trong những lời giới thiệu rõ ràng nhất, và cũng duy vật triệt để nhất, đối với cơ học lượng tử là của nhà vật lý Richard Feynman trong cuốn sách nhỏ của ông "Six easy pieces" và, với một sự trình bày hơi có toán học hơn, trong những chương đầu tập ba của "Những bài giảng về Vật lý học" của ông. Feynman giới thiệu môn học bằng cách mô tả "thí nghiệm khe đôi", ông nói về nó trong một đoạn trích nổi tiếng "là hoàn toàn không thể giải thích theo bất kỳ một cách cổ điển nào, và nó chứa trong mình trái tim của cơ học lượng tử. Trong thực tế nó chứa đựng điều bí ẩn duy nhất". Đây là một thí nghiệm của quang học cổ điển minh họa rõ ràng cho hành trạng mâu thuẫn của vật chất tại những thang khoảng cách nhỏ - vật chất có thể cư xử đồng thời như là sóng và hạt. Nó cũng cho thấy những nguồn gốc của chủ nghĩa duy tâm trong cách luận giải Copenhagen, và rằng sự phủ nhận thực tại vật chất là câu trả lời của Bohr và Heisenberg giành cho mâu thuẫn này.
Sóng là một quá trình truyền năng lượng, như chúng ta có thể thấy từ chuyển động của cát và sỏi trên bãi biển khi một con sóng tràn vào bờ. Sóng trên bề mặt của một khối nước làm nhiễu động bề mặt này khi chúng truyền qua, làm mặt nước chuyển động lên và xuống. Nếu hai sóng từ hai hướng khác nhau gặp nhau tại những điểm chung trên bề mặt này thì chuyển động sẽ cộng hưởng - về phương diện cục bộ chúng có thể làm đỉnh cao hơn hay hõm thấp hơn. Khi một sóng này đang di chuyển phía bên trên và sóng kia chuyển động phía bên dưới khi đó tổng vận
động sẽ ít hơn so với khi có từng sóng riêng biệt. Ở nơi mà những nhiễu động từ các sóng khác nhau triệt tiêu lẫn nhau, tổng vận động sẽ bằng không.
Những mô hình chuyển động và giao thoa giữa những sóng khác nhau là tiêu biểu cho hành trạng của sóng; hạt - những mẩu vật chất - không như vậy. Nếu hai hạt đang chuyển động, có thể lấy hai miếng đá làm ví dụ, khi gặp nhau chúng không "cộng hưởng". Chúng va chạm nhau, và tùy thuộc vào lực của vụ va chạm chúng có thể bị bể tan thành từng miếng hoặc nảy ra khỏi nhau và tiếp tục chuyển động theo những hướng mới. Một viên đạn bắn trúng mục tiêu. Một viên đạn khác có thể chạm bia ở đúng vị trí đó. Nó không bao giờ triệt tiêu viên trước - chỉ đơn giản là có hai viên đạn ở nơi mà trước đó chỉ có một mà thôi.
Từ đầu thế kỷ 19 ánh sáng đã được chấp nhận là có tính chất của sóng. Thomas Young đã trình bày bằng chứng thực nghiệm trước Hiệp
hội Hoàng gia London minh họa cho điều này một cách thuyết phục. Trong thí nghiệm cổ điển này ông đã chỉ ra rằng nếu ánh sáng vượt qua hai khe trên một màn chắn đục và sau đó hắt vào một màn hình, trên màn hình này sẽ có đường vân các vệt sáng và tối. Quan điểm chiếm ưu thế vào thời đó, của Newton, là ánh sáng bao gồm các hạt vật chất vi mô. Nhưng đường vân mà Young quan sát được chỉ có thể được giải thích bằng các sóng từ mỗi khe cộng hưởng với nhau - không phải là bằng các hạt. ".. Những thành kiến cố hữu nhất cũng sẽ không thể nào phủ nhận được rằng các vân (quan sát được) được tạo nên từ sự giao thoa giữa hai phần của ánh sáng."
Quan điểm của Young cho rằng ánh sáng là sóng chứ không phải là hạt đã được chấp nhận trong hơn 100 năm. Nó được mở rộng bởi công trình thực nghiệm của Michael Faraday và tác phẩm lý thuyết của James Clark Maxwell, người đã chỉ ra rằng ánh sáng là một dạng của bức xạ điện từ. Cũng tương tự như sóng nước là nhiễu động trên bề mặt nước, ánh sáng, họ nói, là kết quả của sự
nhiễu động trong trường điện và từ. Năm 1887 những kết luận này đã được xác nhận bởi nhà vật lý Heinrich Hertz, người tạo ra bức xạ điện từ ở tần số thấp hơn tần số của ánh sáng, dưới dạng sóng radio. Thuyết sóng của ánh sáng dường như đã được xác lập một cách vững chắc.
Tuy nhiên, vào cuối thế kỷ XIX mảnh rắn chắc này của vật lý học cổ điển đã trở nên nứt gãy. Một vài nhà khoa học đã chỉ ra rằng khi ánh sáng chiếu vào những kim loại nhất định nó có thể tạo nên dòng điện. Vật lý học cổ điển nói rằng cường độ dòng điện sẽ phụ thuộc vào mật độ của ánh sáng chứ không phải tần số của nó. Nhưng không phải vậy. Khi cường độ tăng lên, dòng
Water waves passing through two gaps in a screen. The waves interfere and add up in some places,cancel out in others. Young saw the same effect with light when it was passed through two slits - a pattern of light and duck interference fringes
điện cũng tăng theo. Khi tần số giảm xuống dưới một mức nhất định nào đó dòng điện sẽ biến mất, bất kể ánh sáng mạnh như thế nào. Sóng điện từ thì không như vậy, nhưng ánh sáng thì có. Vào năm 1905 Einstein đã chỉ ra rằng điều này có thể được giải thích bằng cách thừa nhận rằng ánh sáng không phải là sóng, mà là các hạt nhỏ - photon. Ông đề xuất rằng khi ánh sáng chiếu lên một kim loại, những photon va chạm với các electron trong kim loại và tạo ra một dòng điện. Mỗi một hạt ánh sáng - mỗi photon - có một năng lượng tỷ lệ với tần số của nó. Nếu photon có đủ năng lượng - nếu nó có tần số đủ cao - nó có thể làm bật một electron ra khỏi một nguyên tử và khi đó electron có thể di chuyển tự do bên trong mảnh kim loại đó.
Sau đó vào năm 1909 nhà vật lý học Geoffrey Ingram Taylor đã báo cáo những kết quả của một cuộc thí nghiệm trong đó các vân giao thoa được tạo ra bởi một nguồn sáng rất yếu. Ánh sáng đó yếu đến nỗi “một lần xuyên qua màn chắn chỉ có một photon”. Khi đó vẫn quan sát được sự giao thoa. Từ đó thí nghiệm này đã được thực hiện lại nhiều lần. Với sự phát triển của các máy dò photon tinh vi trong nửa sau của thế kỷ XIX đã có thể thực hiện được các thí nghiệm giao thoa có thể thực sự quan sát được các photon tới nơi. Những bức ảnh dưới đây là kết quả của một thí nghiệm như thế bởi Robert Austin và Lyman Page của Đại học Princeton.
Những vị trí lúc ban đầu các photon đến có vẻ như hoàn toàn ngẫu nhiên. Cùng với thời gian, nhiều photon đến hơn, nhưng chủ yếu là đến những vùng sáng mạnh của vân giao thoa và không bao giờ có mặt ở những vùng hoàn toàn tối. Rốt cuộc khi hàng ngàn photon đến (và với cường độ sáng bình thường, thì ở đó sẽ có hàng tỷ photon) chúng ta thấy vân giao thoa được tạo thành bởi các photon đơn lẻ tới.
Vì sao lại xảy ra điều này? Giao thoa là một hiện tượng thuộc về sóng, nhưng những điểm cục bộ lại ngụ ý rằng ánh sáng được tạo thành từ các hạt, chứ không phải sóng. Tại sao những điểm đó lại nằm trên màn hình ở những phần sáng của vân giao thoa chứ không phải ở những phần tối? Chúng ta không thể giải thích điều này bằng cách nói rằng các photon đó giao thoa với nhau - tình trạng tương tự cũng xảy ra ngay cả đối với chỉ một photon trên màn chắn. Vậy photon đã phân ra làm đôi hay đi xuyên qua cả hai khe? Hoặc là có lẽ, như nhà vật lý lượng tử Paul Dirac đã khẳng định một cách đầy bí ẩn "mỗi photon đã tự giao thoa với chính nó" .Dirac là một trong những nhà vật lý dẫn đầu trong thế kỷ XIX, nhưng những tuyên bố triết học của ông lại có tính chất duy tâm chủ nghĩa gây hại cho vật lý học hiện đại; lấy ví dụ câu trích dẫn: "Kết quả này quá đẹp đến nỗi không thể sai được; có được một vẻ đẹp về phương trình còn quan trọng hơn là việc chúng vừa vặn với thực nghiệm."
Một trăm năm sau các nhà vật lý vẫn còn đặt câu hỏi làm thế nào mà một hạt đơn lẻ lại có thể cho thấy sự giao thoa được, và đang lập lại những thí nghiệm cơ bản đó, như trong ví dụ của Princeton, để thấy một điều mới mẻ nào đó. Vấn đề được Einsetin nêu lên vào năm 1938 vẫn không cho họ câu trả lời: "Nhưng ánh sáng thực sự là gì? Nó là một sóng hay là một trận mưa các photon?.. Dường như chúng ta phải sử dụng lúc thì lý thuyết này khi thì lý thuyết kia, và một đôi lúc chúng ta phải sử dụng cả hai. Chúng ta phải đối mặt với một loại khó khăn mới. Chúng ta có hai bức tranh trái ngược nhau về thực tại; đứng một cách riêng rẽ thì không cái nào trong số chúng giải thích được các luận điểm của ánh sang, nhưng cả hai thì lại có thể.
Tìnhthế sẽ lại càng thêm rối rắm nếu chúng ta không bắn ánh sáng mà bắn các electron xuyên qua hai khe. J. J. Thomson đã thực hiện những thí nghiệm cho thấy các electron là những hạt nhỏ của vật chất. Đây là quan điểm thống trị trong vật cho 30 năm sau đó. Nhưng vào năm 1927 Clinton Davisson và Lester Germer đã quan sát hiệu ứng nhiễu xạ (sóng) khi tia electron bị các tinh thể tán xạ; George (G P) Thompson đã thấy hiệu ứng tương tự với những cuộn phim