Cỗ máy thời gian lượng tử potx

Loại bài báo như thế này rất phong phú trong vài năm trở lại đây, và thường tập trung vào một số loại thí nghiệm tưởng tượng sử dụng lô gic và lí giải, thay cho thiết bị, để mô tả làm th

Justin Mullins (New Scientist, số ra ngày 20/11/2010)

Có th du hành thi gian mà

không cn ti các l đen

Ngồi nói về sự du hành thời gian trong một

căn phòng trông ra một khoảnh sân xinh tươi

tại Viện Công nghệ Massachusetts nghe có vẻ

hơi lạ tai Tòa nhà được xây tận năm 1916 và

trông như thời đại của nó vậy: mái trần cao,

hành lang chạy dài và những căn phòng làm

việc ẩm mốc với những cánh cửa gỗ nặng nề

đã cách tân chút ít vào thời kì đó Nếu như

không có một màn hình máy tính đặt tại góc

tường, thì nội thất trong phòng hầu như y hệt

hồi đầu thế kỉ trước

Căn phòng làm việc ấy thuộc về Seth Lloyd, một trong những nhà lí thuyết hàng đầu thế giới

về cơ học lượng tử Chúng ta đang nói tới một bài báo mà ông cùng các đồng nghiệp của mình

đã tung ra cách nay chừng một tháng trước mô

tả một bước chuyển mới hết sức tinh vi về sự du hành thời gian Loại bài báo như thế này rất phong phú trong vài năm trở lại đây, và thường tập trung vào một số loại thí nghiệm tưởng tượng sử dụng lô gic và lí giải, thay cho thiết bị,

để mô tả làm thế nào sự du hành thời gian thật

sự có thể xảy ra trong thế giới thực

Ngoại trừ, luôn luôn có một sự báo trước; chẳng hạn nhà du hành thời gian đầy rủi ro phải thực hiện hành trình đến rìa của một lỗ đen để thực

hiện kì công du hành Cho nên, chưa bao giờ

từng có một phép thử thực nghiệm nào của

những ý tưởng đó Thường thì người ta chỉ

nói cho vui và đăng tải một vài cột báo,

nhưng hiếm khi có cái gì đó hữu hình để bạn

tham gia vào

Lloyd đi đến một phương pháp mới khảo sát

vấn đề trên, sử dụng cơ học lượng tử, vì thế,

tôi chăm chú lắng nghe về thí nghiệm tưởng

tượng của ông và, tất nhiên, để tìm hiểu về cái

điềm báo không thể tránh khỏi ấy Ông nói

cho tôi nghe các photon có thể truyền ngược

dòng thời gian như thế nào đồng thời ông nói

cái gì đó nghe thật lạ “ và chúng tôi đã làm

thí nghiệm đó”, ông nói một cách tự nhiên

“Anh cũng đã xem qua bài báo đó, phải

không nào?”

Tôi trố mắt, bán tín

bán nghi Trong

khoảnh khắc, thời

gian như ngừng

trôi vậy “Thí

nghiệm đó ư?”, tôi

nghĩ trong đầu

mình Khi Lloyd

kể tiếp, câu chuyện

của ông còn gây

kinh ngạc hơn nữa

Không chỉ nghĩ tới

việc gửi các

photon trở về quá

khứ, thí nghiệm đó

còn là một sự tái

hiện vật lí của

“nghịch lí ông

cháu” nổi tiếng

Đây là bài toán

khó hiểu trong đó một nhà du hành thời gian

đi ngược về quá khứ và thủ tiêu ông nội của

anh ta trước khi bà nội của anh ta có mặt

trong bức ảnh ngày cưới, nghĩa là nhà du

hành thời gian sẽ không bao giờ tồn tại và vì

thế không thể nào đi ngược về quá khứ để

giết chết ông nội của mình

Tôi sững cả 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 Lloyd và các cộng sự của ông

vừa nhận ra một cách tiếp cận mới với bài

toán đó, mở ra một thế giới kì lạ của sự du hành thời gian cho các thí nghiệm

Cái trêu ngươi đối với sự du hành thời gian là dường như chẳng có gì ngăn cấm nó cả Trong chừng mực mà các định luật vật lí còn phát huy tác dụng, thì thời gian có thể tiến về phía trước hoặc lùi ra phía sau Nhưng du hành thời gian theo kiểu như Marty McFly trong bộ phim Trở lại Tương lai thì là một tình huống rắc rối khác

Nó đòi hỏi một vật đi ngược dòng thời gian trong khi mọi thứ khác đang diễn tiến về phía trước Tuy nhiên, người ta chẳng hề thiếu ý tưởng lí giải xem điều này có thể xảy ra như thế nào

Đa số các ý tưởng tập trung vào cấu trúc của không-thời gian là môi trường để du hành Theo

thuyết tương đối tổng quát Einstein, không-thời gian là một loại chất liệu có thể nén lại và giãn

ra giống như một tấm cao su khổng lồ Một vật thể đồ sộ như một ngôi sao chẳng hạn làm biến dạng cấu trúc này, làm cho mọi thứ trong vùng phụ cận của nó chịu một lực hút về phía nó Tuy nhiên, nếu không-thời gian xoắn đủ mạnh, thì những điều kì lạ có thể xảy ra Nếu tấm cao

su khổng lồ ấy bị gấp nếp, chẳng hạn, thì những vùng bình thường ở cách xa nhau đột ngột trở nên nối kết với nhau, tạo thành một cái thòng lọng gọi là “đường cong thời gian khép kín” cho phép nhà du hành thời gian lặp lại những

chuyến viếng thăm đến cùng một điểm trong

thời gian và không gian (xem biểu đồ)

“Các hạt lượng tử như photon và

electron không bị ràng buộc bởi

mũi tên thời gian”

Người đầu tiên chỉ ra được làm thế nào sự

tương đối đưa đến các đường cong thời gian

khép kín là nhà toán học người Áo Kurt

Godel Bản thiết kế năm 1949 của ông cho

một cỗ máy thời gian đòi hỏi toàn bộ vũ trụ

đang quay tròn Nhiều ý tưởng có liên quan

đã được đặt lên bàn thảo luận kể từ đó, từ

những dây năng lượng dài gọi là dây vũ trụ

cho đến các lỗ đen đang quay tròn và các

đường hầm xuyên không-thời gian gọi là lỗ

sâu đục

Vật lí lượng tử bước vào giai đoạn các nhà lí

thuyết bắt đầu nêu câu hỏi một hạt lượng tử

sẽ hành xử như thế nào nếu nó thực hiện một

bước nhảy trở về quá khứ Năm 1991, nhà vật

lí người Anh David Deutsch đã đặt ra câu hỏi

này dựa trên một nền tảng lí thuyết chắc chắn

Ông tưởng tượng một hạt truyền ngược dòng

thời gian và phá hủy hạt tiền thân của nó, tạo

ra một nghịch lí kiểu ông cháu

Hoàn toàn khác với cái người ta trông đợi,

Deutsch đã đi giải nghịch lí trên Ông đi giải

bằng cách viện dẫn cách hiểu “đa thế giới”

của cơ học lượng tử trong đó tại khoảnh khắc

hạt lượng tử đi vào trong đường cong thời

gian khép kín, vũ trụ bị tách ra làm hai nửa

Trong một vũ trụ này, hạt sống sót không tự

giết nó; còn trong vũ trụ kia thì nó bị phá hủy

Bằng cách viện dẫn quan điểm đa vũ trụ,

Deutsch đã khôn khéo tránh được nghịch lí

ông cháu và giải được một trong những bài

toán cơ bản của sự du hành thời gian Nhưng

nhiều nhà vật lí cảm thấy không hài lòng với

quan điểm đa thế giới vì nó đẻ ra một con số

lớn đến mức khó tin của những vũ trụ khác và

vì nó phức tạp không cần thiết

Lloyd cùng các đồng nghiệp của ông chọn lấy

một cách tiếp cận khác đối với sự du hành

thời gian lượng tử, sử dụng thực tế là các hạt

lượng tử như photon và electron không bị

ràng buộc bởi mũi tên thời gian

Cơ sở toán học của lí thuyết lượng tử phát biểu rằng trạng thái lượng tử mô tả chúng phát triển

về phía trước lẫn về phía sau trong thời gian Trạng thái kì lạ như thế này khiến cho một số nhà nghiên cứu khẳng định rằng không thể áp dụng được các quy luật bình thường của tính nhân quả, vì thế những cái xảy ra trong tương lai của một hạt lượng tử sẽ ảnh hưởng đến quá khứ của nó

Một trong những người đầu tiên chỉ ra luận điểm này là John Wheeler tại trường Đại học Princeton Ông đã trình bày rằng thí nghiệm

“hai khe” cổ điển, trong đó một photon chưa được quan sát đi qua hai khe một cách đồng thời,

có thể bị ảnh hưởng bởi một phép đo diễn ra sau khi thí nghiệm có vẻ như đã hoàn tất

Các đặc trưng sóng của photon chưa quan sát đó cho biết nó đi qua cả hai khe cùng một lúc Nếu người ta quan sát lúc nó đi qua khe, thì thí nghiệm cho thấy nó sẽ có những đại lượng kiểu hạt và chỉ đi qua một khe Wheeler muốn biết điều gì xảy ra nếu như bạn hoãn quyết định khảo sát bản chất sóng hay hạt của photon cho đến một thời gian dài sau khi photon đã đi qua khe

Ông đề xuất rằng việc sử dụng một cặp kính thiên văn ở xa để nhìn ngược vào hai khe cũng

sẽ buộc photon nhận lấy các tính chất kiểu hạt

Sự lọc lựa tính chất như thế này sau khi phần chính của thí nghiệm về cơ bản đã hoàn tất được gọi là “hậu chọn lọc” Gọi là hậu chọn lọc có lẽ nghe không hay Tuy nhiên, các thí nghiệm thực hiện bởi Jean Francois Roch tại trường Ecole

Normale Superieure ở Cachan, Pháp, và

những người khác, cho thấy sự hậu chọn lọc

thật sự làm thay đổi các tính chất của một

photon lên tới một vài nano giây về phía quá

khứ

Theo cách hiểu Copenhagen của thuyết lượng

tử, không có một thực thể nào tồn tại cho đến

khi một phép đo được thực hiện Nhưng

chúng ta đang bắt đầu biết rằng ngay cả thực

tại cũng có thể là một bữa tiệc di động: trạng

thái quá khứ của một hạt lượng tử không có

nhiều thực tại hơn trạng thái tương lai của nó

Đó là nguyên do vì sao sự hậu chọn lọc có tác

dụng Nói cách khác, mọi thứ chờ chúng ta

tóm lấy Trên lí thuyết, quá trình hậu chọn lọc

thậm chí có thể làm thay đổi toàn bộ lịch sử

của vũ trụ

Lloyd và Aephraim Steinberg, thuộc trường

Đại học Toronto, Canada, cho biết tính chất

kì lạ này của thế giới lượng tử có thể là chìa

khóa cho một cỗ máy thời gian thực sự Kinh

nghiệm hàng ngày cho chúng ta biết rằng các

điều kiện cho tại lúc bắt đầu của một thí

nghiệm sẽ xác định kết quả của nó Nhưng

nếu các hạt lượng tử không thể phân biệt giữa

những thứ ảnh hưởng đến chúng về 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 nào

mà các điều kiện cuối cùng không thể nào

‘cho trước’ và mọi thứ phải tuân theo từ

chúng một cách hợp lí”, Steinberg nói

Sự viễn tải trong thời gian

Chính kiểu suy nghĩ như thế này đã đưa các

nhà vật lí Charles Bennet tại Trung tâm

Nghiên cứu IBM ở Yorktown Heights, New

York, và Ben Schumacher tại trường Đại học

Kenyon ở Gambier, Ohio, đề xuất rằng có thể

sử dụng cơ học lượng tử để xây dựng một cỗ

máy thời gian bằng cách khai thác sự viễn tải

lượng tử, một hiện tượng đã được chứng

minh bằng thực nghiệm vô số lần Quá trình

trên khai thác một tính chất lượng tử lạ lùng

gọi là sự vướng víu, nhờ đó hai hạt, thí dụ

như hai photon, trở nên liên hệ gần gũi với

nhau đến mức chúng chia sẻ cùng một sự tồn

tại Các hạt bị vướng víu thật đặc biệt, vì một

phép đo thực hiện trên hạt này lập tức ảnh

hưởng đến hạt kia, cho dù chúng ở cách xa nhau bao nhiêu

Giờ hãy tưởng tượng bạn muốn viễn tải một hạt

du hành không gian thứ ba từ A đến B Thủ thuật là tạo ra một cặp hạt bị vướng víu và đặt một hạt tại A và hạt kia ở B, sau đó tiến hành một tập hợp phép đo ở cả hai nơi Nếu bạn làm đúng thao tác này, bạn có thể sử dụng “tác dụng

ma quỷ từ xa”, như Einstein gọi như thế, để đảm bảo rằng hạt thứ hai đi đến một trạng thái giống hệt như “hạt du hành không gian” kia

Công bằng mà nói, hạt du hành chẳng di chuyển

về mặt vật lí, nhưng thông tin lượng tử mô tả trọn vẹn hạt du hành đó đã thực hiện hành trình thay thế và điều này cho phép hạt thứ hai tại B nhận lấy nhân dạng của hạt du hành kia

Cái kì lạ ở sự viễn tải là nó xảy ra tức thời Trong quá trình này, thông tin lượng tử di chuyển từ điểm A đến điểm B, cho nên thật tự nhiên là người ta sẽ nghĩ rằng các phép đo tại A

đã lập ra hành trình di chuyển

Nhưng vì sự viễn tải xảy ra tức thời, cho nên cũng hợp lí không kém là nghĩ rằng phép đo tại điểm B đã kích hoạt hành trình trên, mặc dù nó xảy ra ở những thời khắc muộn hơn (xem biểu đồ) Đây là sự hậu chọn lọc đang phát huy tác dụng và nó là một đặc điểm mà các nhà vật lí lượng tử luôn sử dụng để làm những việc như

sự điện toán lượng tử Chính sự nhập nhằng này giữa nhân và quả là cái Steinberg và Lloyd khai thác trong vật mô phỏng du hành thời gian của

họ “Tóm lại, du hành thời gian chính là sự viễn tải”, Steinberg nói

Có cường điệu quá mức hay không khi gọi như thế này là du hành thời gian? Có lẽ vậy – theo kiểu giống như sự viễn tải lượng tử truyền tải một trạng thái lượng tử chứ không truyền tải một đối tượng vật chất thực sự Nhưng Lloyd và Steinberg cho rằng cơ sở lô gic của sự viễn tải hậu chọn lọc là giống với lô gic của sự du hành thời gian, cho nên thí nghiệm của họ là một vật

mô phỏng du hành thời gian Và trong khi thí nghiệm đó có vẻ không gây hào hứng như một

cỗ máy thời gian có thể đưa chúng ta về với thời đại khủng long, nhưng với nó người ta có thể triển khai một số thứ thật sự kì lạ

Cái đầu tiên mà đội của Lloyd và Steinberg thực hiện là mô phỏng nghịch lí ông cháu bằng cách gửi một photon ngược trở về quá khứ để tự hủy

nó đi Để làm như vậy, đội nghiên cứu sử

dụng sự viễn tải, nhưng với bước chuyển

quan trọng Sự viễn tải lượng tử thông thường

sẽ cung cấp cho bạn một bản sao của trạng

thái mà bạn muốn gửi đi Cái Steinberg và

Lloyd muốn biết là điều này có xảy ra đối với

các photon theo dự tính tự hủy chúng đi với

một khẩu súng lượng tử 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 khai hỏa, và một

phương tiện làm cho sự viễn tải tự dừng lại

Đội nghiên cứu còn quyết định rằng, thay cho

hai photon bị vướng víu, như thường xảy ra

trong sự viễn tải lượng tử, họ sẽ làm vướng

víu hai thuộc tính của một photon độc thân

Trạng thái phân cực của photon sẽ thể hiện

“hiện tại” của photon, còn hướng chuyển

động của nó sẽ thể hiện “quá khứ” Tiếp theo,

họ cấp cho photon đó một khẩu súng lượng tử

có thể hoặc khai hỏa, hoặc im lìm Dụng cụ

này, gọi là một bản sóng, có thể làm đảo,

hoặc không làm đảo, trạng thái phân cực của

photon Vì sự phân cực của photon và hướng

của nó bị vướng víu, nên việc cấp cho photon

một khẩu súng như vậy làm ảnh hưởng đến “quá khứ”

Giờ thì làm thế nào đảm bảo được rằng sự viễn tải thỉnh thoảng ngừng lại? Điều đó là dễ hơn, vì

sự viễn tải vốn có một cơ chế hỏng Trừ khi bạn tiến hành các phép đo của mình theo một cách đặc biệt nào đó, còn không nó chỉ hoạt động trong 25% thời gian mà thôi Cho nên từ thí

nghiệm của đội nghiên cứu có thể có bốn kết cục, tùy thuộc vào tình huống kết hợp của sự viễn tải và khẩu súng

Khi thí nghiệm này được thực hiện, sẽ xảy ra một số điều thú vị: mỗi thời khắc mà sự du hành thời gian hoạt động, thì khẩu súng không lên nòng Và khi sự du hành thời gian thất bại, thì khẩu súng khai hỏa Diễn đạt kết quả này theo ngôn ngữ của nghịch lí ông cháu, thì hễ khi nào còn có cơ hội cho khẩu súng của bạn tịt ngòi và cuộc mưu sát bất thành, thì sự du hành thời gian còn có thể hoạt động “Bạn có thể ngắm bắn nhưng không thể bóp cò”, Lloyd nói

Rõ ràng sự du hành 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 ta làm quen với nó Các nhà du hành thời gian có thể vì

lí do gì đó ngăn không nghĩ tới việc nhắm bắn vào ông nội của họ, hoặc có lẽ họ có thể quyết

định chỉ bắn lạc vào một hướng khác nào đó

“Tự nhiên chẳng màng việc nó phối hợp tốt

bao nhiêu với các synap thần kinh của tôi,

hay với khẩu Colt 45 của tôi”, Steinberg nói

Trong khi ý tưởng về một vật mô phỏng du

hành thời gian nghe có vẻ xa lạ với nhiều

người, thì cho đến nay, công trình nghiên cứu

đó đã ít nhiều gây ấn tượng đối với các nhà

vật lí lượng tử Đó là vì thí nghiệm trên hoạt

động đúng như cơ học lượng tử tiên đoán –

chẳng có ai tranh cãi xem sự viễn tải hoạt

động như thế nào hoặc các bit thông tin lượng

tử, hay qubit, hành xử ra sao “Chắc chắn, rất

vui vẻ đấy, nhưng mọi người đều biết hết sức

rõ kết cục trước mắt sẽ là gì”, phát biểu của

Scott Aaronson, một nhà khoa học máy tính

cũng ở MIT

Lloyd và Steinberg thì có suy nghĩ khác Họ

nói việc nghĩ tới sự du hành thời gian theo

kiểu như thế này làm phát sinh những câu hỏi

quan trọng và mang đến những kiến thức mới

hết sức sâu sắc Trước hết, nó thật sự có thể

thẩm tra trong phòng thí nghiệm, không giống

như các đường cong thời gian khép kín của

Deutsch Và trong khi sự hậu chọn lọc có thể

cảm thấy hơi xảo quyệt, thì đó chỉ là vì chúng

ta luôn có xu hướng nghiêng về một chiều

đặc biệt trong thời gian

Trong khi thí nghiệm của Lloyd và Steinberg

mô phỏng được sự du hành thời gian, thì vẫn

còn đó một câu hỏi nữa Có phải thật sự có

thể du hành thời gian mà không cần tới các lỗ

đen hay không?

Theo những công thức nhất định của cơ học lượng tử, câu trả lời là có Một trong những khía cạnh rối rắm nhất của cơ học lượng tử là nó không tương thích với thuyết tương đối tổng quát Trong hàng thập kỉ qua, các nhà vật lí đã

cố gắng kết hợp hai lí thuyết thành một lí thuyết lượng tử của sự hấp dẫn, nhưng đều đã thất bại Trong khi nhiều nhà vật lí đổ lỗi cho thuyết tương đối, thì những người khác cho rằng vấn

đề thật sự nên giải quyết là tính không hoàn thiện của cơ học lượng tử (New Scientist, số ngày 21/8/2010, trang 33)

Vấn đề này đã thúc đẩy những dạng thức thay thế khác của cơ học lượng tử Aram Harrow, một nhà vật lí lượng tử tại trường Đại học Washington ở Seattle trình bày rằng những vấn

đề này có thể làm bóp méo các phép đo cơ lượng tử theo kiểu giống như sự hậu chọn lọc đã làm, nghĩa là sự du hành thời gian là có thể xét trên phương diện lí thuyết Cho đến nay, các nhà vật lí vẫn không có bằng chứng nào cho những dạng thức mới như vậy của cơ học lượng tử, mặc dù không thể nói rằng không có nơi nào trong vũ trụ sự du hành thời gian có thể hoạt động được

Bây giờ trở lại câu hỏi căn bản ban đầu: du hành thời gian sẽ có thể thực hiện được hay không?

Có lẽ, nhưng việc nói về sự du hành thời gian trong một căn phòng trông ra một khoảnh sân xinh tươi tại Viện Công nghệ Massachusetts dường như hơi lạ một chút Tòa nhà được xây tận năm 1916…♦

Trần Nghiêm dịch thuvienvatly.com