Tôi nghĩ mình có thể nói chắc chắn rằng không một ai hiểu cơ học lượng tử.
- Richard Feynman
Bất cứ ai không bị sốc bởi thuyết lượng tử đều không hiểu được nó.
- Niels Bohr
Động cơ Không tưởng Vô hạn là một phương thức mới tuyệt vời để băng qua các khoảng cách liên sao rộng lớn chỉ trong nháy mắt, mà không phải vẩn vơ loanh quanh chán ngất trong siêu không gian.
- Douglas Adams
Trong Hitchhiker’s Guide to the Galaxy (Bí kíp quá giang vào Ngân Hà)*, một tiểu thuyết khoa học giả tưởng bán chạy, ngỗ ngược và kỳ dị của Douglas Adams, nam nhân vật tình cờ khám phá ra phương thức tài tình nhất để du hành tới các vì sao. Thay vì sử dụng các lỗ giun, các siêu động cơ, hoặc cổng đa chiều để du hành giữa các thiên hà, anh ta đã nghĩ đến việc chế ngự nguyên lý bất định để băng qua không gian mênh mông liên thiên hà. Nếu chúng ta bằng cách nào đó có thể điều khiển xác suất của những sự kiện không tưởng nào đó, thì bất cứ điều gì, như di chuyển nhanh hơn ánh sáng, thậm chí du hành trong thời gian đều có thể thực hiện được. Vươn tới các ngôi sao xa xăm trong vài giây là điều gần như không thể có, nhưng khi người ta có thể điều khiển các xác suất lượng tử, thì ngay cả những điều không thể cũng có thể trở nên bình thường. Thuyết lượng tử dựa trên ý tưởng có một xác suất mà tất cả các sự kiện có thể xảy ra, bất kể chúng kỳ quái hay ngu ngốc như thế nào, đều xảy ra. Đến lượt nó, điều này là cốt lõi của thuyết vũ trụ lạm phát - khi vụ nổ lớn khởi thủy diễn ra, sinh ra sự chuyển đổi lượng tử đến một trạng thái mới khiến vũ trụ đột nhiên dãn nở lạm phát với mức độ khủng khiếp. Toàn thể vũ trụ của chúng ta có lẽ đã nở bung từ một bước nhảy lượng tử gần như không thể xảy ra. Mặc dù Adams đã viết theo lối bông đùa, nhưng các nhà vật lý nhận ra rằng nếu có cách nào điều khiển các xác suất này thì người ta có thể thực hiện được các kỳ công sánh ngang với phép thuật. Nhưng trong thời điểm hiện tại, việc thay đổi xác suất của các sự kiện là vượt quá xa tầm với công nghệ của chúng ta.
Tôi đôi khi đặt ra cho các nghiên cứu sinh của chúng tôi tại trường đại học những câu hỏi đơn giản hơn, chẳng hạn như tính toán xác suất mà họ sẽ đột ngột tan ra và tái vật chất hóa ở phía bên kia của một bức tường gạch. Theo thuyết lượng tử, có một xác suất nhỏ nhưng có thể tính được rằng điều này sẽ diễn ra. Hoặc, cũng như vậy, chúng ta sẽ tan ra trong phòng khách của mình và xuất hiện trên sao Hỏa. Theo thuyết lượng tử, về nguyên tắc người ta có thể đột nhiên tái vật chất hóa trên Hành tinh Đỏ. Tất nhiên, xác suất này nhỏ tới mức chúng ta sẽ phải chờ đợi lâu hơn cả tuổi đời của vũ trụ. Kết quả là trong cuộc sống hằng ngày, chúng ta có thể bỏ qua các sự kiện không chắc xảy ra như vậy. Nhưng ở cấp độ hạ nguyên tử, các xác suất như vậy là điểm cốt yếu duy trì hoạt động của các thiết bị điện tử, máy tính và laser.
Trên thực tế, các electron thường xuyên phi vật chất hóa và tái vật chất hóa ở phía bên kia của các bức tường bên trong các bộ phận cấu tạo nên chiếc máy tính và đầu đĩa CD của bạn. Trên thực tế, nền văn minh hiện đại sẽ sụp đổ nếu các electron không được phép ở hai chỗ cùng một lúc. (Các phân tử trong cơ thể chúng ta cũng sẽ sụp đổ nếu không có nguyên tắc kỳ quái này. Hãy tưởng tượng hai hệ Mặt Trời đang va chạm nhau trong không gian tuân theo các định luật hấp dẫn của Newton. Các hệ Mặt Trời đang va chạm này sẽ sụp đổ thành một mớ hỗn độn các hành tinh và các tiểu hành tinh. Tương tự, nếu các nguyên tử tuân theo các định luật của Newton, thì chúng sẽ tan rã bất cứ khi nào chúng va vào một nguyên tử khác. Cái giá cho hai nguyên tử ổn định trong một phân tử là việc các electron có thể đồng thời ở rất nhiều chỗ, tới mức chúng tạo thành một “đám mây” electron liên kết các nguyên tử với nhau. Vì vậy, lý do tại sao các phân tử ổn định và vũ trụ không tan rã là các electron có thể ở nhiều chỗ cùng một lúc.)
Nhưng nếu các electron có thể tồn tại trong các trạng thái song song lơ lửng giữa tồn tại và không tồn tại, thì tại sao vũ trụ lại không thể? Xét cho cùng, trong quá khứ vũ trụ còn nhỏ hơn cả một electron. Một khi chúng ta đưa ra khả năng áp dụng nguyên lý lượng tử cho vũ trụ thì chúng ta buộc phải xem xét các vũ trụ song song.
Chính xác là khả năng này đã được khai thác trong truyện khoa học giả tưởng The Man in the High Castle (Người đàn ông trong lâu đài cao) gây xôn xao của Philip K. Dick. Trong cuốn sách này, có một vũ trụ khác thay thế bị tách khỏi vũ trụ của chúng ta vì một sự kiện then chốt duy nhất. Năm 1933, trong vũ trụ đó, lịch sử thế giới bị thay đổi khi viên đạn của một kẻ ám sát đã giết chết Tổng thống Roosevelt trong năm cầm quyền đầu tiên của ông. Phó tổng thống Garner tiếp quản và thiết lập một chính sách cô lập làm suy yếu Hoa Kỳ về mặt quân sự. Hoàn toàn bị bất ngờ trong trận Trân Châu Cảng và không thể phục hồi khi toàn bộ hạm đội Mỹ bị phá hủy, nên năm 1947 Mỹ buộc phải đầu hàng Đức và Nhật Bản. Mỹ cuối cùng bị chia cắt thành ba phần, với việc Đế quốc Đức kiểm soát vùng duyên hải phía đông, Nhật kiểm soát vùng duyên hải phía tây và một khu vực đệm gây phiền toái, gồm các bang vùng núi Rocky, nằm ở giữa. Trong vũ trụ song song này, một cá nhân bí ẩn viết cuốn sách The Grasshopper Lies Heavy (Châu chấu chậm chạp nặng nề), dựa trên một dòng trong Kinh Thánh *, bị Đức Quốc xã cấm. Cuốn sách viết về một vũ trụ thay thế, trong đó Roosevelt đã không bị ám sát, phe Mỹ và Anh đánh bại Đức Quốc xã. Nhiệm vụ của nữ nhân vật chính trong truyện này là xem xét xem có bất kỳ sự thật nào trong vũ trụ thay thế đó, trong đó dân chủ và tự do thắng thế, chứ không phải sự chuyên chế và phân biệt chủng tộc.
VÙNG CHẠNG VẠNG
Thế giới trong The Man in the High Castle và thế giới thực bị chia tách chỉ bằng một rủi ro nhỏ nhất là một viên đạn của kẻ ám sát. Tuy nhiên, cũng có thể là một thế giới song song bị chia tách ra khỏi vũ trụ của chúng ta bằng sự kiện rất nhỏ có thể xảy ra: một sự kiện lượng tử duy nhất, một tác động của tia vũ trụ.
Trong một phân đoạn của loạt phim truyền hình Twilight Zone (Vùng chạng vạng), một người đàn ông thức dậy đột nhiên thấy rằng vợ anh không nhận ra mình. Cô ấy hét vào mặt anh là hãy cuốn xéo trước khi cô gọi cảnh sát. Khi lang thang khắp thị trấn, anh thấy rằng người bạn chí thân cũng không nhận ra mình, y như thể anh chưa bao giờ tồn tại. Cuối cùng, anh tới nhà cha mẹ và vô cùng bàng hoàng. Cha mẹ của anh nói rằng họ chưa bao giờ có một người con trai. Không bạn bè, không gia đình, không nhà cửa, anh lang bạt vô vọng khắp thị trấn, cuối cùng ngủ quên trên ghế đá công viên, giống như một người vô gia cư. Khi tỉnh dậy vào ngày hôm sau, anh thấy mình nằm thư thái trên giường với cô vợ. Tuy nhiên, khi người vợ quay mặt lại, anh sửng sốt khi thấy cô không phải vợ mình, mà là một người đàn bà xa lạ anh chưa bao giờ nhìn thấy trước đó.
Những câu chuyện phi lý như vậy liệu có thể xảy ra? Có lẽ có. Nếu nhân vật chính trong Twilight Zone hỏi dò mẹ mình, anh có thể biết bà đã sẩy thai và do đó không bao giờ có một người con trai. Đôi khi một tia vũ trụ duy nhất, một hạt duy nhất từ khoảng không vũ trụ, cũng có thể tấn công ADN bên trong phôi và gây ra một đột biến, cuối cùng sẽ dẫn đến sẩy thai. Trong trường hợp như vậy, một sự kiện lượng tử duy nhất có thể chia tách hai thế giới, mà một trong số đó bạn sống như một công dân bình thường hữu ích, còn một thế giới kia y hệt như vậy, ngoại trừ việc bạn chưa bao giờ sinh ra trong đó.
Việc lẻn qua lẻn lại giữa các thế giới này là hoàn toàn nằm trong phạm vi của các định luật vật lý. Nhưng đó là điều gần như không thể có; xác suất xảy ra vô cùng nhỏ. Nhưng như ta có thể thấy, thuyết lượng tử cho chúng ta một bức tranh về vũ trụ kỳ lạ hơn nhiều so với bức tranh mà Einstein đã đưa ra. Trong thế giới của thuyết tương đối, sân khấu cuộc sống mà chúng ta biểu diễn trên đó có thể được làm bằng cao su, với các diễn viên di chuyển trên những đường cong khi họ đi ngang qua phông cảnh dựng. Giống như trong thế giới của Newton, các diễn viên trong thế giới của Einstein diễn răm rắp theo một kịch bản được viết trước đó. Còn trong thế giới lượng tử, các diễn viên đột nhiên vứt bỏ kịch bản và diễn theo ý mình. Các con rối tự cắt dây nối chúng. Tự do ý chí đã được thiết lập. Các diễn viên có thể biến mất và xuất hiện lại sân khấu. Thậm chí còn kỳ lạ hơn, họ có thể thấy chính mình xuất hiện ở hai nơi cùng một lúc. Các diễn viên, khi diễn các lời thoại của họ, không bao giờ biết chắc chắn họ có đang nói chuyện với một ai đó hay không mà người đối thoại có thể đột nhiên biến mất và xuất hiện trở lại ở một nơi khác.
TRÍ TUỆ “QUÁI KIỆT”: JOHN WHEELER
Có lẽ ngoài Einstein và Bohr, không người nào đánh vật với những điều vô lý và những thành công của thuyết lượng tử nhiều hơn John Wheeler. Phải chăng mọi thực tại vật lý chỉ là hư ảo? Các vũ trụ lượng tử song song liệu có tồn tại không? Trước kia, khi chưa nghiền ngẫm các nghịch lý lượng tử “cứng đầu”, Wheeler đã áp dụng các xác suất này để chế tạo bom nguyên tử và bom nhiệt hạch và đã đi tiên phong trong nghiên cứu các lỗ đen. John Wheeler là người cuối cùng trong những người khổng lồ, hoặc trong “những trí tuệ quái kiệt”, như cách gọi của học trò ông là Richard Feynman, những người trăn trở giải quyết các kết luận điên rồ của thuyết lượng tử.
Cũng chính Wheeler là người đã nêu ra thuật ngữ “lỗ đen” vào năm 1967 trong một hội thảo tại Viện Nghiên cứu Vũ trụ Goddard của NASA tại thành phố New York sau khi phát hiện ra các sao xung đầu tiên. [88]
Wheeler sinh năm 1911 tại Jacksonville, bang Florida. Phụ thân ông là một thủ thư, nhưng niềm đam mê kỹ thuật đã ngấm trong dòng máu của gia đình ông. Ba người chú của ông là các kỹ sư khai thác mỏ và thường xuyên phải sử dụng đến chất nổ trong công việc. Ý tưởng sử dụng dynamit đã mê hoặc Wheeler, và ông rất thích thú ngắm nhìn các vụ nổ. (Một ngày, ông đã bất cẩn thử nghiệm với một mẩu dynamit và nó vô tình phát nổ trong tay ông, thổi bay một phần ngón cái và đầu một ngón tay khác của ông. Thật trùng hợp, khi Einstein còn là sinh viên đại học, một vụ nổ tương tự đã diễn ra do bất cẩn, và tay ông cần tới vài vết khâu.)
Wheeler là một cậu bé trưởng thành sớm, thạo vi tích phân và thường đọc ngấu nghiến mọi cuốn sách mà ông có thể tìm thấy về một thuyết mới mà các bạn ông đang bàn tán xôn xao: cơ học lượng tử. Cậu đang chứng kiến một thuyết mới được Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger phát triển ở châu Âu đột nhiên hé lộ các bí mật của nguyên tử. Vậy mà mới vài năm trước, các môn đồ của nhà triết học Ernst Mach đã công kích sự tồn tại của các nguyên tử, họ phát biểu rằng các nguyên tử không thể quan sát được trong phòng thí nghiệm và có lẽ nó chỉ là điều tưởng tượng. Họ tuyên bố cái gì không thể nhìn thấy có lẽ không tồn tại. Nhà vật lý vĩ đại Ludwig Boltzmann, người đề ra các định luật nhiệt động lực học, đã tự sát vào năm 1906, một phần vì phải đối mặt với sự nhạo báng dữ dội trong khi thúc đẩy khái niệm về các nguyên tử.
Sau đó, trong những năm tháng bản lề, từ năm 1925 tới năm 1927, các bí mật của nguyên tử đã được hé lộ một cách dồn dập. Chưa bao giờ trong lịch sử hiện đại (ngoại trừ năm 1905, với Công trình của Einstein) những bước đột phá với tầm quan trọng như thế lại được thực hiện trong một thời gian ngắn như vậy. Wheeler muốn trở thành một phần của cuộc cách mạng này. Nhưng ông nhận ra rằng nền vật lý Hoa Kỳ rất lạc hậu; và không đóng góp một nhà vật lý tầm cỡ thế giới nào cả. Giống như J. Robert Oppenheimer trước đó, Wheeler đã rời Hoa Kỳ và tới Copenhagen để học hỏi từ chính bậc sư phụ trong ngành Niels Bohr.
Các thí nghiệm trước đó về các electron đã chứng minh rằng chúng mang cả tính chất hạt lẫn tính chất sóng. Lưỡng tính sóng-hạt kỳ lạ này cuối cùng đã được các nhà vật lý lượng tử khám phá: các electron, khi nhảy múa xung quanh nguyên tử thì ứng xử như là một hạt, nhưng lại kèm theo một sóng bí ẩn. Năm 1925, nhà vật lý người Áo Erwin Schrödinger đã đề xuất một phương trình (phương trình sóng Schrödinger trứ danh) miêu tả chính xác chuyển động của sóng đi kèm electron. Sóng này, được ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp psi (ψ), đã dẫn đến những dự đoán vô cùng chính xác về hành trạng của các nguyên tử, làm bùng lên một cuộc cách mạng trong vật lý. Bất ngờ là gần như từ những nguyên lý đầu tiên, người ta có thể nhòm vào bên trong bản thân nguyên tử để tính toán các electron nhảy múa trong quỹ đạo của chúng như thế nào, chuyển đổi các trạng thái và liên kết các nguyên tử trong phân tử ra sao.
Như nhà vật lý lượng tử Paul Dirac đã tự hào đoán rằng, vật lý sẽ sớm quy mọi thứ của hóa học thành công việc đơn thuần của các kỹ sư. Ông tuyên bố: “Các định luật vật lý nền tảng cần cho lý thuyết toán học của phần lớn vật lý và toàn bộ hóa học đã hoàn toàn được biết đến, và khó khăn chỉ là việc áp dụng các định luật này sẽ dẫn tới các phương trình phức tạp đến mức khó có thể giải ra.” [89] Cũng ngoạn mục như thế, chính hàm psi này thể hiện điều gì vẫn còn là một bí ẩn.
Cuối cùng, vào năm 1928, nhà vật lý Max Born đã đề xuất ý tưởng rằng hàm sóng này thể hiện xác suất tìm thấy electron tại một điểm bất kỳ đã cho. Nói cách khác, bạn không bao giờ có thể biết đích xác một electron ở chỗ nào, tất cả những gì bạn có thể làm là tính toán hàm sóng của nó, để biết xác suất nơi nó xuất hiện. Vì vậy, nếu vật lý nguyên tử có thể được quy thành các sóng xác suất của một electron đang ở nơi này hay nơi kia, và nếu một electron dường như có thể ở hai chỗ cùng một lúc, thì cuối cùng vị trí thật sự của electron là ở đâu?
Cuối cùng, Bohr và Heisenberg đã phát triển một tập hợp đầy đủ các công thức lượng tử phù hợp rất tốt với nhiều thí nghiệm trên các nguyên tử với độ chính xác tuyệt diệu. Hàm sóng chỉ thông báo cho bạn biết xác suất vị trí xuất hiện của electron. Nếu hàm sóng tại một điểm nào đó lớn, có nghĩa electron khả năng cao sẽ nằm ở đó. (Nếu giá trị của nó nhỏ, thì không chắc electron có thể được tìm thấy ở đó.) Ví dụ, nếu chúng ta có thể “thấy” hàm sóng của một người, nó sẽ khá giống với hình dạng người đó. Tuy nhiên, hàm sóng này cũng tỏa nhẹ vào không gian, có nghĩa rằng tồn tại một xác suất rất nhỏ là người đó có thể được tìm thấy trên Mặt Trăng. (Trên thực tế, hàm sóng của một người thực sự lan tỏa khắp vũ trụ.)
Điều này cũng có nghĩa là hàm sóng của một cái cây có thể thông báo cho bạn biết xác suất rằng nó hoặc đang đứng hoặc đã đổ, nhưng nó không thể thông báo dứt khoát cho bạn biết cái cây đó thực sự ở trạng thái nào. Nhưng giác quan thông thường thông báo cho chúng ta biết rằng các vật thể ở các trạng thái xác định. Khi bạn nhìn một cái cây, thì cây này dứt khoát hiện diện trước mặt bạn - hoặc là đang đứng hoặc là đã đổ, chứ không phải cả hai trạng thái.
Để giải quyết sự khác nhau giữa các sóng xác suất và ý niệm cảm giác thông thường của chúng ta về sự tồn tại, Bohr và Heisenberg đã giả định rằng sau khi một người quan sát từ bên ngoài thực hiện một phép đo, hàm sóng sẽ “sụp đổ” một cách thần diệu, và electron rơi vào trạng thái xác định - nghĩa là sau khi nhìn vào cái cây, chúng ta thấy rằng nó thực sự đang đứng. Nói cách khác, quá trình quan sát xác định trạng thái cuối cùng của electron . Sự quan sát thực sự quan trọng đối với việc tồn tại. Sau khi chúng ta quan sát electron, hàm sóng của nó sụp đổ, do đó electron ở trạng thái xác định và các hàm sóng không còn cần thiết nữa.
Vì thế các định đề theo trường phái Copenhagen của Bohr, nói chung, có thể tóm tắt sơ lược như sau:
a. Mọi năng lượng xuất hiện thành các gói rời, gọi là các lượng tử. (Chẳng hạn, lượng tử ánh sáng là photon. Các lượng tử của lực hạt nhân yếu gọi là boson W và boson Z, lượng tử cho lực hạt nhân mạnh gọi là gluon, và lượng tử cho hấp dẫn gọi là graviton, vẫn chưa được tìm thấy trong phòng thí nghiệm.)
b. Vật chất được thể hiện bằng những hạt điểm, nhưng xác suất của việc tìm thấy một hạt được xác định bằng một sóng. Sóng này, tới lượt nó, tuân theo một phương trình sóng cụ thể (như là phương trình sóng Schrödinger).
c. Một vật thể đồng thời tồn tại trong tất cả các trạng thái có thể khi chưa được quan sát. Để xác định vật thể ở trạng thái nào, chúng ta phải thực hiện một quan sát, quan sát đó làm hàm sóng “sụp đổ”, và vật thể bước vào một trạng thái xác định. Hành động quan sát phá hủy hàm sóng, và vật thể giờ đây chiếm một thực tại xác định. Hàm sóng hoàn thành mục đích của nó: nó đã cho chúng ta biết xác suất chính xác của việc tìm thấy vật thể trong trạng thái cụ thể đó.
TẤT ĐỊNH HAY BẤT ĐỊNH?
Thuyết lượng tử là thuyết vật lý thành công nhất mọi thời đại. Đỉnh cao của thuyết lượng tử là Mô hình Chuẩn, thành quả đúc kết từ các thực nghiệm với các máy gia tốc hạt trong nhiều thập kỷ. Các phần của thuyết này đã được kiểm chứng chính xác tới 1/10¹⁰. Nếu như ta tính cả khối lượng của nơtrino, thì Mô hình Chuẩn là phù hợp với mọi thử nghiệm trên các hạt hạ nguyên tử, mà không có ngoại lệ.
Nhưng cho dù thuyết lượng tử có thành công như thế nào đi chăng nữa, về mặt thực nghiệm nó dựa trên các định đề đã gây ra tranh cãi nảy lửa trong triết học và thần học trong tám mươi năm qua. Nói riêng, định đề thứ hai đã làm bùng phát cơn giận dữ từ các tôn giáo, vì nó đặt ra câu hỏi ai là người quyết định số phận của chúng ta. Trải qua nhiều thời đại, các nhà triết học, các nhà thần học và các nhà khoa học đã bị tương lai thu hút tâm trí và họ băn khoăn liệu rằng bằng cách nào đó có thể biết được số phận của mình hay không. Trong vở kịch Macbeth của Shakespeare, Banquo, khi liều lĩnh cuốn đi bức màn che phủ số phận, đã giãi bày những lời đáng nhớ.
Nếu các bà có thể nhìn vào hạt giống thời gian
Và tiên đoán hạt nào sẽ phát triển còn hạt nào sẽ không,
Khi đó hãy nói với ta…
(hồi I, cảnh 3)*
Shakespeare đã viết những lời này vào năm 1606. Tám mươi năm sau, một người Anh khác là Isaac Newton đã táo bạo tuyên bố rằng ông đã biết câu trả lời cho câu hỏi cổ xưa này. Cả Newton và Einstein đều tin vào khái niệm được gọi là tất định, mà theo đó tất cả mọi sự kiện tương lai về nguyên tắc có thể xác định được. Đối với Newton, vũ trụ là một chiếc đồng hồ khổng lồ được Chúa Trời lên dây vào lúc thời gian bắt đầu. Kể từ đó, nó vẫn đang điểm nhịp, tuân theo ba định luật về chuyển động của ông, theo một cách có thể được dự đoán chính xác. Nhà toán học người Pháp Pierre Simon de Laplace, Cố vấn khoa học của Napoleon, đã viết rằng bằng việc sử dụng các định luật Newton, người ta có thể dự đoán tương lai với cùng một độ chính xác như khi nhìn lại quá khứ. Ông đã viết rằng nếu một sinh vật có thể biết được vị trí và vận tốc của tất cả các hạt trong vũ trụ, thì “đối với một trí tuệ như vậy, không gì có thể là không chắc chắn; và tương lai cũng giống như quá khứ sẽ hiển hiện trước mắt anh ta” [90] . Khi Laplace trình lên Napoleon cuốn kiệt tác của ông là Celestial Mechanics (Cơ học thiên thể), vị hoàng đế đã nói: “Ngươi đã viết tác phẩm đồ sộ này về bầu trời mà lại không một lần nhắc đến Chúa.” Laplace đã trả lời: “Tâu bệ hạ, thần đã không cần tới giả thuyết đó.”
Đối với Newton và Einstein, ý niệm về ý chí tự do, cho rằng chúng ta làm chủ số phận mình, chỉ là một ảo tưởng. Ý niệm tri giác thông thường về thực tại rằng các vật thể cụ thể mà chúng ta đụng chạm là có thực và tồn tại trong các trạng thái xác định, được Einstein gọi là “thực tại khách quan”. Ông trình bày rõ ràng nhất quan điểm của mình như sau:
Tôi là người theo thuyết tất định, buộc phải hành động như thể ý chí tự do có tồn tại, vì nếu tôi muốn sống trong một xã hội văn minh, tôi phải hành động có trách nhiệm. Tôi biết rằng về mặt triết học một kẻ sát nhân không chịu trách nhiệm về các tội ác của anh ta, nhưng tôi không thích uống trà với anh ta. Sự nghiệp của tôi được xác định bởi các thế lực khác nhau mà tôi không kiểm soát được, trước tiên là các tuyến bí ẩn trong đó tự nhiên chế ra tinh chất của sự sống. Henry Ford gọi nó là Tiếng gọi Nội tâm của ông, Socrates nói đến nó như nói đến con quỷ của ông: mỗi người giải thích theo cách của riêng mình rằng ý chí con người không được tự do… Mọi vật đều được xác định… bởi những thế lực mà chúng ta không thể kiểm soát… đối với con côn trùng cũng như đối với ngôi sao. Con người, cây cỏ hay bụi vũ trụ, tất cả chúng ta đều nhảy múa theo một nhịp thời gian bí ẩn, được một diễn viên vô hình ở xa ngâm nga đều đều*. [91]
Các nhà thần học cũng đã vật lộn với câu hỏi này. Phần lớn các tôn giáo trên thế giới tin vào một dạng thức nào đó của tiền định, ý tưởng cho rằng Chúa không chỉ là đấng toàn năng (quyền năng bao trùm) và toàn hiện (hiện hữu ở mọi nơi), mà còn toàn trị (biết mọi thứ, kể cả tương lai). Trong một số tôn giáo, điều này có nghĩa là Chúa biết chúng ta sẽ lên thiên đường hay xuống địa ngục, thậm chí trước cả khi chúng ta sinh ra. Tóm lại, có một cuốn “sổ thiên tào” ở một nơi nào đó trên thiên đường liệt kê tất cả họ tên chúng ta, bao gồm ngày sinh tháng đẻ, những thất bại và thành công, niềm vui và nỗi buồn của chúng ta, thậm chí cả ngày chết của chúng ta, và chúng ta sẽ sống trên thiên đường hay bị đày đọa vĩnh viễn dưới địa ngục.
(Câu hỏi thần học tế nhị về tiền định này đã góp phần chia rẽ Giáo hội Công giáo làm đôi vào năm 1517, khi Martin Luther công bố chín mươi lăm luận đề về Giáo hội ở Wittenberg. Trong đó, ông công kích tập quán bán phép giải tội của nhà thờ - về bản chất đó là hình thức hối lộ nhằm dọn con đường lên thiên đường của những kẻ giàu có. Dường như Luther nói rằng Chúa có lẽ đã biết trước tương lai và số phận của chúng ta đã được định trước, nhưng không thể thuyết phục Chúa thay đổi suy nghĩ bằng cách hiến tặng hậu hĩ cho nhà thờ.)
Nhưng đối với các nhà vật lý, những người chấp nhận khái niệm xác suất, định đề gây tranh cãi nhất lại là định đề thứ ba, là định đề làm đau đầu các thế hệ nhà vật lý và nhà triết học. “Quan sát” là một khái niệm lỏng lẻo, được định nghĩa kém. Hơn nữa, nó lại dựa trên thực tế rằng thực sự có hai loại vật lý: một cho thế giới hạ nguyên tử kỳ quái, nơi các electron dường như có thể ở hai nơi cùng một lúc, và một loại khác cho thế giới vĩ mô mà chúng ta đang sống, nơi dường như tuân theo các định luật Newton thông thường.
Theo Bohr, có một “bức tường” vô hình chia tách thế giới nguyên tử khỏi thế giới vĩ mô quen thuộc hằng ngày. Trong khi thế giới nguyên tử tuân theo các quy luật kỳ quái của thuyết lượng tử, thì cuộc sống của chúng ta lại diễn ra bên ngoài bức tường đó, trong thế giới của các hành tinh và các ngôi sao hoàn toàn xác định, nơi các sóng đã sụp đổ.
Wheeler, học trò của các bậc thầy sáng tạo ra cơ học lượng tử, thích tóm lược hai trường phái tư duy về vấn đề này. Ông đưa ra ví dụ về ba trọng tài tại một trận đấu bóng chày đang thảo luận về các điểm hết sức tinh tế của môn bóng này. Khi đưa ra quyết định, ba trọng tài này nói:
Số 1: Tôi gọi tên chúng như tôi thấy chúng.
Số 2: Tôi gọi tên chúng theo cách chúng vốn có.
Số 3: Chúng không là gì cho tới khi tôi gọi tên chúng. [92]
Với Wheeler, trọng tài thứ hai là Einstein, người tin rằng có một thực tại tuyệt đối bên ngoài trải nghiệm của con người. Einstein gọi điều này là “thực tại khách quan”, ý niệm đó cho rằng các vật thể có thể tồn tại trong các trạng thái xác định mà không có sự can thiệp của con người. Trọng tài thứ ba là Bohr, người đã lập luận rằng thực tại tồn tại chỉ sau khi thực hiện quan sát.
NHỮNG CÁI CÂY TRONG KHU RỪNG
Các nhà vật lý đôi khi nhìn các nhà triết học với một thái độ khinh khi nhất định, như Cicero, một người La Mã từng nói: “Không có gì vô lý tới mức nó chưa từng được các nhà triết học nói ra.” Nhà toán học Stanislaw Ulam, không thích việc đặt các tên gọi cao quý cho những khái niệm ngu ngốc, đã từng nói: “Sự điên rồ là khả năng phân biệt tinh tế về các loại điều vô nghĩa khác nhau.” [93] Bản thân Einstein đã từng viết về triết học, “Chẳng phải tất cả triết lý đều dường như được viết ra bằng mật ngọt đấy ư? Thật kỳ diệu khi người ta ngắm nó, nhưng khi nhìn lại thì nó đã biến mất rồi. Chỉ còn lại một thứ sền sệt.” [94]
Các nhà vật lý cũng thích thú truyền tai nhau câu chuyện bịa được cho là thốt ra từ miệng hiệu trưởng của một trường đại học khi ông này bực mình nhìn vào ngân sách rót cho các khoa lý, toán và triết. Ông ấy nói: “Tại sao những nhà vật lý các anh luôn đòi hỏi quá nhiều thiết bị đắt tiền? Trong khi khoa toán chẳng đòi hỏi gì, ngoài tiền mua giấy, bút chì và giỏ đựng giấy lộn, khoa triết thì còn tốt hơn nữa. Họ chẳng đòi hỏi đến cả các giỏ đựng giấy lộn.” [95]
Tuy nhiên, các nhà triết học có thể chưa phải là những người được cười cuối cùng. Thuyết lượng tử vẫn chưa hoàn thiện và dựa vào các nền tảng triết học không vững chãi. Tranh cãi lượng tử này buộc người ta phải xem xét lại công trình của các nhà triết học như giám mục Berkeley* ở thế kỷ 18, người tuyên bố rằng các vật thể tồn tại chỉ bởi vì có con người ở đó để quan sát chúng, một triết lý gọi là thuyết duy ngã hay chủ nghĩa duy tâm. Những người theo trường phái này lý luận: Nếu một cái cây đổ trong rừng nhưng không có ai ở đó để chứng kiến, thì nó không thật sự đổ.
Giờ chúng ta hãy dùng thuyết lượng tử để diễn giải lại về những cái cây đổ trong rừng. Khi chưa quan sát, bạn không biết liệu nó có đổ hay không. Trên thực tế, cây này đồng thời tồn tại trong mọi trạng thái có thể, nó có thể bị đốt cháy, đổ xuống, biến thành củi, mùn cưa và v.v. Khi bạn bắt đầu quan sát, thì cây này đột nhiên hiện lên trong một trạng thái xác định, và chúng ta thấy rằng nó đã đổ chẳng hạn.
Khi so sánh cái khó về một triết học của thuyết tương đối và thuyết lượng tử, Feynman đã từng nhận xét: “Có một thời báo chí viết rằng chỉ có mười hai người hiểu thuyết tương đối. Tôi không tin từng có thời như thế… Mặt khác, tôi có thể nói ra không sợ sai rằng không ai hiểu được cơ học lượng tử.” [96] Ông viết rằng cơ học lượng tử “miêu tả tự nhiên rất phi lý theo quan điểm của tri giác thông thường. Nhưng nó hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm. Vì thế tôi hy vọng bạn có thể chấp nhận tự nhiên như nó vốn có: phi lý” [97] . Điều này đã khiến nhiều nhà vật lý đang hành nghề cảm thấy khó chịu, vì họ cảm thấy như thể họ đang xây nên toàn thể các thế giới trên cát. Steven Weinberg viết: “Tôi thừa nhận có hơi không thoải mái khi cả đời làm việc cho một khuôn khổ lý thuyết mà không một ai hiểu được hoàn toàn.” [98]
Trong khoa học truyền thống, người quan sát luôn cố gắng tách mình ra khỏi thế giới để tạo sự khách quan nhất. (Như một người hài hước đã nói: “Bạn luôn có thể phát hiện ra nhà khoa học tại một câu lạc bộ thoát y, vì ông ta là người duy nhất khảo sát khán giả.”. Nhưng giờ thì chúng ta mới thấy rằng không thể tách rời người quan sát ra khỏi các đối tượng được quan sát. Như Max Planck đã từng nhận xét: “Khoa học không thể tìm ra lời giải cho bí ẩn tối hậu của Tự nhiên. Đó là bởi trong lần phân tích cuối cùng chính chúng ta là một phần của bí ẩn mà chúng ta đang cố tìm ra lời giải.” [99]
VẤN ĐỀ CON MÈO
Erwin Schrödinger, người đưa phương trình sóng vào tâm điểm chú ý, đã nghĩ rằng điều này đã đi quá xa. Ông thú nhận với Bohr rằng ông hối tiếc vì đã đề xuất khái niệm sóng nếu như nó đưa khái niệm xác suất vào vật lý.
Để đánh đổ ý tưởng xác suất, ông đã đề xuất một thí nghiệm. Hãy tưởng tượng một con mèo bị nhốt kín trong một chiếc hộp. Bên trong chiếc hộp, có một chai khí độc, kết nối với một cái búa, cái búa lại kết nối với một máy đếm Geiger đặt gần một mảnh urani. Không ai tranh cãi rằng phân rã phóng xạ của nguyên tử hoàn toàn là một sự kiện lượng tử không thể dự đoán trước. Giả sử có 50% cơ hội mà một nguyên tử urani sẽ phân rã trong giây tiếp theo. Nhưng nếu một nguyên tử urani phân rã, nó khởi động máy đếm Geiger, làm cho chiếc búa đập vào cái chai và giết chết con mèo. Trước khi bạn mở hộp, không thể nói con mèo là sống hay chết. Trên thực tế, để miêu tả con mèo, các nhà vật lý bổ sung hàm sóng của con mèo sống và con mèo chết - có nghĩa là, chúng ta đặt con mèo trong cõi nửa âm ty với 50% chết và 50% sống cùng lúc.
Bây giờ hãy mở chiếc hộp. Ngay khi chúng ta nhòm vào trong hộp, một quan sát được thực hiện, hàm sóng sụp đổ, và giả sử chúng ta thấy con mèo còn sống. Đối với Schrödinger, điều này thật ngớ ngẩn. Làm thế nào mà con mèo có thể vừa chết lại vừa sống cùng lúc chỉ vì chúng ta đã không nhìn vào nó? Liệu con mèo có đột nhiên vọt vào trạng thái tồn tại ngay khi chúng ta quan sát nó? Chính Einstein cũng không bằng lòng với giải thích này. Mỗi khi khách khứa đến nhà chơi, ông sẽ nói: hãy nhìn vào Mặt Trăng. Liệu Mặt Trăng có đột nhiên trở nên tồn tại khi con chuột ngước nhìn nó? Einstein tin rằng câu trả lời là không. Nhưng theo nghĩa nào đó thì câu trả lời có thể là có.
Sự việc cuối cùng đã lên đến đỉnh điểm vào năm 1930 trong một cuộc đụng độ lịch sử giữa Einstein và Bohr tại Hội nghị Solvay. Wheeler sau này đã nhận xét rằng nó là cuộc tranh luận lớn nhất trong lịch sử giới trí thức mà ông từng biết. Trong vòng ba mươi năm, ông chưa bao giờ nghe nói tới một cuộc tranh luận giữa hai người vĩ đại hơn về một vấn đề sâu sắc hơn với những hệ quả sâu xa hơn cho một sự hiểu biết về vũ trụ.
Einstein, luôn đầy dũng khí, táo bạo và có tài hùng biện tột bậc, đã đề xuất một hàng rào “thực nghiệm tư duy” để đánh đổ thuyết lượng tử. Bohr thì không ngừng lầm bầm vì bị quay cuồng sau mỗi cuộc tấn công. Nhà vật lý Paul Ehrenfest đã nhận xét: “Thật tuyệt vời khi tôi có mặt tại cuộc đối thoại giữa Bohr và E. Giống như một kỳ thủ, E. luôn đưa ra những dẫn chứng mới mẻ. Một loại động cơ vĩnh cửu loại thứ hai*, với ý định bẻ gãy sự bất định. Bohr thì luôn luôn từ đám mây khói triết học tìm kiếm các công cụ để bác bỏ hết dẫn chứng này tới dẫn chứng khác. Einstein giống như hộp hình nộm*, luôn bật lên mới mẻ vào mỗi buổi sáng. Chao ôi, thật thú vị. Nhưng tôi gần như không dè dặt ủng hộ Bohr và chống lại E. Ông ấy cư xử với Bohr hệt như những người ủng hộ tính đồng thời tuyệt đối đã cư xử với ông ấy trước kia.” [100]
Cuối cùng, Einstein đề xuất một thực nghiệm mà ông nghĩ sẽ là phát súng ân huệ kết liễu thuyết lượng tử. Hãy tưởng tượng một hộp có chứa khí photon*. Nếu như hộp này có một cửa sập, nó có thể giải phóng một photon duy nhất trong thời gian cực ngắn. Vì người ta có thể đo chính xác tốc độ của cửa sập, và cũng đo được năng lượng của photon, nên có thể xác định trạng thái của photon chính xác gần như tuyệt đối, do đó vi phạm nguyên lý bất định.
Ehrenfest đã viết: “Đối với Bohr, đây là một đòn nặng nề. Ngay lúc đó, ông không tìm ra giải pháp đối phó. Ông đã cực kỳ khổ sở suốt cả buổi chiều, đi từ phía người này sang phía người khác, cố gắng thuyết phục tất cả bọn họ rằng điều này không thể đúng, vì nếu E. đúng thì điều này sẽ đồng nghĩa với sự kết thúc của vật lý. Nhưng ông không thể nghĩ ra cách bác bỏ. Tôi sẽ không bao giờ quên được cảnh hai đối thủ rời khỏi câu lạc bộ trường đại học. Einstein, với dáng đi oai vệ, bước đi bình thản với nụ cười hơi châm biếm, còn Bohr chạy lóc cóc bên cạnh ông, với vẻ mặt cực kỳ rầu rĩ.” [101]
Sau đó, khi Ehrenfest gặp Bohr, ông không thể nói được điều gì, tất cả những gì ông có thể làm là lẩm bẩm liên hồi, “Einstein… Einstein… Einstein.”
Ngày hôm sau, sau một đêm căng thẳng không ngủ, Bohr đã có thể tìm thấy một khiếm khuyết nhỏ trong luận cứ của Einstein. Sau khi phát ra photon, chiếc hộp đã hơi nhẹ hơn, vì vật chất và năng lượng là tương đương. Điều này có nghĩa rằng chiếc hộp đã nâng lên một chút dưới tác động của lực hấp dẫn, vì năng lượng có trọng lượng, theo thuyết hấp dẫn của chính Einstein. Nhưng điều này đã đưa sự bất định vào năng lượng của photon. Nếu sau đó người ta tính toán được sự bất định trọng lượng và sự bất định của tốc độ cửa sập, thì sẽ thấy rằng chiếc hộp tuân theo nguyên lý bất định một cách tuyệt đối. Trên thực tế, Bohr đã sử dụng thuyết hấp dẫn của chính Einstein để bác bỏ Einstein! Bohr đã chiến thắng. Einstein đã thất bại.
Lúc Einstein phàn nàn: “Chúa không chơi súc sắc với thế giới” thì Bohr phản pháo: “Hãy ngừng bảo Chúa phải làm gì.” Cuối cùng, Einstein cũng thừa nhận rằng Bohr đã bác bỏ thành công lập luận của mình. Einstein viết: “Tôi tin rằng thuyết này chắc chắn chứa một mẩu chân lý nào đó.” [102] (Tuy nhiên, Einstein tỏ ra coi thường những nhà vật lý nào không hiểu các nghịch lý tinh tế vốn có trong thuyết lượng tử. Ông đã từng viết: “Tất nhiên, ngày nay mọi kẻ nhãi ranh cũng nghĩ rằng anh ta biết câu trả lời, nhưng thực ra anh ta đang tự dối mình.” [103] )
Sau các cuộc tranh luận nảy lửa với các nhà vật lý lượng tử, Einstein cuối cùng đã chịu thua, nhưng lại có một cách tiếp cận khác. Ông thừa nhận rằng thuyết lượng tử là chính xác, nhưng chỉ trong một miền nhất định, chỉ là sự gần đúng với chân lý trong thực tế. Theo cùng một cách như thuyết tương đối đã tổng quát hóa (nhưng không phá bỏ) thuyết của Newton, ông muốn hấp thu thuyết lượng tử vào một thuyết tổng quát hơn và thuyết phục hơn, là thuyết trường thống nhất.
(Cuộc tranh luận này, giữa một phe là Einstein và Schrödinger, và bên kia là Bohr và Heisenberg, không thể dễ dàng bị bỏ qua, vì các “thực nghiệm tư duy” này bây giờ có thể được thực hiện trong phòng thí nghiệm. Mặc dù các nhà khoa học không thể làm cho con mèo ở trạng thái vừa chết lại vừa sống, nhưng giờ họ có thể điều khiển các nguyên tử đơn lẻ bằng công nghệ nano. Gần đây, các thực nghiệm “gây choáng” này đã được thực hiện với một quả cầu Bucky chứa sáu mươi nguyên tử cacbon*, nên “bức tường” mà Bohr đã mường tượng ngăn cách các vật thể vĩ mô khỏi các vật thể lượng tử đang nhanh chóng vỡ vụn. Các nhà vật lý thực nghiệm hiện nay thậm chí còn suy tính phương cách để chỉ ra rằng, một virus tạo nên từ hàng nghìn nguyên tử, có thể ở hai chỗ cùng một lúc.)
BOM NGUYÊN TỬ
Thật không may, các cuộc thảo luận về những nghịch lý thú vị này đã bị gián đoạn do sự trỗi dậy của Hitler vào năm 1933 và cuộc chạy đua chế tạo bom nguyên tử. Trong nhiều năm, thông qua phương trình nổi tiếng E = mc² của Einstein, người ta đã biết rằng có một kho năng lượng khổng lồ bị nhốt bên trong nguyên tử. Nhưng phần lớn các nhà vật lý đã gạt bỏ ý tưởng khai thác năng lượng này. Ngay cả Ernest Rutherford, người đã phát hiện ra hạt nhân của nguyên tử, cũng nói: “Năng lượng được tạo ra bằng sự phá vỡ nguyên tử là một điều rất tồi tệ. Bất cứ ai mong đợi một nguồn năng lượng từ sự biến đổi của các nguyên tử này đều là đang nói chuyện vớ vẩn.” [104]
Năm 1939, Bohr đã thực hiện một chuyến đi định mệnh tới New York, Mỹ để gặp học trò John Wheeler. Ông đã mang theo tin tức đáng lo ngại: Otto Hahn và Lise Meitner đã chỉ ra rằng các hạt nhân urani có thể bị chia tách làm đôi và giải phóng năng lượng, trong một quá trình gọi là phân hạch. Bohr và Wheeler bắt đầu tiến hành nghiên cứu động lực học lượng tử của quá trình phân hạch. Vì mọi thứ trong thuyết lượng tử là vấn đề của xác suất và cơ hội, họ ước tính xác suất mà một nơtron sẽ phá vỡ hạt nhân urani, giải phóng hai hoặc nhiều nơtron, để sau đó phân chia ra thậm chí còn nhiều hạt nhân urani hơn nữa, rồi lại giải phóng thêm nhiều nơtron hơn nữa v.v., tạo nên một phản ứng dây chuyền có sức tàn phá cả một thành phố hiện đại. (Trong cơ học lượng tử, bạn không bao giờ có thể biết một nơtron cụ thể nào đó sẽ phân hạch một nguyên tử urani, nhưng bạn có thể tính toán với độ chuẩn xác đáng kinh ngạc xác suất mà hàng tỉ nguyên tử urani sẽ phân hạch trong một quả bom. Đó chính là sức mạnh của cơ học lượng tử.)
Các tính toán lượng tử của họ chỉ ra rằng chế tạo một quả bom nguyên tử là hoàn toàn khả thi. Hai tháng sau, Bohr, Eugene Wigner, Leo Szilard và Wheeler đã gặp nhau tại văn phòng cũ của Einstein ở Princeton để thảo luận về triển vọng tạo ra một quả bom nguyên tử. Bohr lúc đó tin rằng sẽ phải tiêu tốn nguồn lực của cả một quốc gia để chế tạo được quả bom. (Vài năm sau đó, Szilard đã thuyết phục Einstein viết lá thư định mệnh cho Tổng thống Franklin Roosevelt, thúc giục ông cho chế tạo bom nguyên tử.)
Cùng năm đó, Đức Quốc xã, sau khi nhận ra rằng năng lượng khủng khiếp giải phóng từ nguyên tử urani có thể mang lại cho chúng một vũ khí không thể đánh bại, đã ra lệnh cho học trò của Bohr là Heisenberg chế tạo bom nguyên tử cho Hitler. Chỉ trong một đêm, các cuộc thảo luận về xác suất phân hạch lượng tử trở nên vô cùng nghiêm trọng, đe dọa số phận của nhân loại. Các thảo luận về xác suất tìm thấy các con mèo sống nhanh chóng bị thay thế bằng các cuộc thảo luận về xác suất phân hạch urani.
Năm 1941, khi Đức Quốc xã đang giày xéo phần lớn châu Âu, Heisenberg đã bí mật tới gặp thầy giáo cũ của mình là Bohr tại Copenhagen. Bản chất thực sự của cuộc gặp gỡ vẫn chìm trong bí ẩn, và nhiều vở kịch đoạt giải đã viết về nó, trong khi các nhà sử học vẫn đang tranh luận về nội dung của nó. Phải chăng Heisenberg đã đề xuất phá hoại chương trình bom nguyên tử của Đức Quốc xã? Hoặc là Heisenberg đã cố gắng mời Bohr chế tạo bom cho Đức Quốc xã? Sáu thập kỷ sau, vào năm 2002, phần lớn bức màn bí ẩn về các ý định của Heisenberg cuối cùng được vén lên, khi gia đình Bohr cho đăng tải bức thư Bohr viết cho Heisenberg trong thập niên 1950 nhưng không được gửi đi. Trong bức thư đó, Bohr nhớ lại lời Heisenberg đã nói tại cuộc gặp đó rằng chiến thắng của Đức Quốc xã là tất yếu. Vì không thấy có ý nói ngăn chặn thế lực bách chiến bách thắng của Đức Quốc xã, nên điều hợp lý duy nhất là Heisenberg đã đề xuất Bohr làm việc cho Đức Quốc xã. [105]
Bohr đã bàng hoàng và thất kinh. Quá lo sợ, ông không muốn công trình về thuyết lượng tử của mình rơi vào tay Đức Quốc xã. Vì Đan Mạch nằm trong vòng kiểm soát của Đức Quốc xã, nên Bohr đã lập kế hoạch đào thoát bí mật bằng máy bay và ông đã suýt chết ngạt do thiếu ôxy trên chuyến bay tới tự do.
Trong khi đó, tại Đại học Columbia, Enrico Fermi nhận thấy phản ứng dây chuyền hạt nhân là hoàn toàn khả thi. Sau khi khám phá ra điều này, ông đã chăm chú ngắm nhìn thành phố New York và nhận ra rằng một quả bom duy nhất có thể phá hủy toàn bộ các khu nhà chọc trời danh tiếng này trong khoảng tầm nhìn của ông. Còn Wheeler, nhận thức được mức độ rủi ro cao độ này, đã tự nguyện rời bỏ Princeton để đến gặp Fermi và cùng nhau xây dựng lò phản ứng hạt nhân đầu tiên, chính thức mở đầu kỷ nguyên hạt nhân trong tầng hầm của sân vận động Stagg tại Đại học Chicago.
Trong thập kỷ tiếp theo, Wheeler đã chứng kiến một vài trong số những phát triển trọng yếu nhất trong cuộc chiến tranh nguyên tử. Trong chiến tranh, ông đã giúp giám sát việc xây dựng tổ hợp hạt nhân Hanford khổng lồ tại bang Washington, nơi tạo ra plutoni thô cần thiết để chế tạo bom, mà một quả trong số đó sẽ tàn phá Nagasaki. Một vài năm sau, ông tiếp tục phát triển bom nhiệt hạch, rồi chứng kiến quả bom nhiệt hạch đầu tiên phát nổ năm 1952 và sự tàn phá gây ra khi một mẩu của Mặt Trời được giải phóng trên một hòn đảo nhỏ ở Thái Bình Dương*. Nhưng sau hơn một thập kỷ đứng ở tuyến đầu của lịch sử thế giới, cuối cùng ông lại quay về với tình yêu đầu tiên của mình là những bí ẩn của thuyết lượng tử.
TỔNG CÁC CON ĐƯỜNG
Richard Feynman, một trong số rất nhiều học trò của Wheeler sau chiến tranh, đã tình cờ tìm thấy cách tóm tắt có lẽ là đơn giản nhất nhưng sâu sắc nhất các rắc rối phức tạp của thuyết lượng tử. (Một hệ quả của ý tưởng này đã giúp Feynman đoạt giải Nobel năm 1965.) Giả sử bạn muốn đi ngang qua một căn phòng. Theo Newton, bạn đơn giản chỉ cần đi theo con đường ngắn nhất, từ điểm A tới điểm B, nó được gọi là con đường cổ điển. Nhưng theo Feynman, trước tiên bạn sẽ phải xem xét tất cả các con đường có thể có kết nối các điểm A và B. Điều này cũng tương tự như khi bạn xem xét các con đường đưa bạn tới sao Hỏa, sao Mộc, ngôi sao gần nhất, thậm chí cả các con đường ngược thời gian, trở về tới vụ nổ lớn. Cho dù các con đường này có điên rồ và quái dị đến như mức nào, bạn vẫn phải xem xét chúng. Sau đó, Feynman gán một con số cho mỗi con đường, và tính toán con số này bằng một tổ hợp các quy tắc chính xác. Thật kỳ diệu, bằng cách cộng các con số này từ mọi con đường có thể có, ông tìm thấy xác suất đi từ điểm A tới điểm B được cho bởi cơ học lượng tử chuẩn. Điều này thực sự ấn tượng.
Feynman thấy rằng tổng số của các con đường (rất quái dị và vi phạm các định luật Newton về chuyển động) thường triệt tiêu nhau để cho ra kết quả là một tổng nhỏ. Đây là nguồn gốc của các thăng giáng lượng tử - nghĩa là, chúng tương ứng với các con đường có tổng rất nhỏ. Nhưng ông cũng thấy rằng con đường Newton phù hợp với tri giác thông thường là một con đường không bị triệt tiêu và vì thế có tổng lớn nhất, nó là con đường có xác suất lớn nhất. Vì vậy, ý niệm theo tri giác thông thường của chúng ta về vũ trụ tự nhiên chẳng qua là trạng thái có thể xảy ra nhất trong vô số các trạng thái. Nhưng chúng ta đồng tồn tại với mọi trạng thái có thể có, mà một số trạng thái trong đó đưa chúng ta trở lại thời đại khủng long, tới các sao siêu mới gần nhất và tới các rìa của vũ trụ. (Các con đường quái dị này tạo ra các độ lệch nhỏ khỏi con đường Newton cổ điển, nhưng may mắn là xác suất của chúng rất thấp.)
Nói cách khác, cho dù có vẻ hơi kỳ quặc, mỗi khi bạn đi ngang qua căn phòng, bằng cách nào đó cơ thể của bạn “ngửi thấy trước mọi con đường có thể có, ngay cả những con đường vươn tới các chuẩn tinh xa xăm và tới vụ nổ lớn, sau đó cộng chúng lại. Sử dụng công cụ toán học mạnh mẽ gọi là các tích phân hàm, Feynman đã chỉ ra rằng con đường Newton chẳng qua chỉ là con đường có khả năng xảy ra nhất, mà không phải là con đường duy nhất. Với nỗ lực toán học phi thường, Feynman đã có thể chứng minh rằng bức tranh này, cho dù nó rất đáng kinh ngạc, hoàn toàn tương đương với cơ học lượng tử thông thường. (Trên thực tế, Feynman đã có thể tạo ra một phép lấy đạo hàm của phương trình sóng Schrödinger nhờ sử dụng cách tiếp cận này.)
Ngày nay, sức mạnh của “tổng các con đường” Feynman là khi trình bày các thuyết thống nhất lớn, lạm phát, thậm chí thuyết dây, chúng ta sử dụng quan điểm “tích phân đường” của Feynman. Phương pháp này hiện nay được giảng dạy trong mọi trường đại học trên thế giới và nó là cách thức rõ ràng và thuận tiện nhất để trình bày thuyết lượng tử.
(Chính tôi cũng thường xuyên sử dụng cách tiếp cận tích phân đường của Feynman trong các nghiên cứu của chính mình. Mỗi phương trình tôi viết ra đều được viết theo các tổng trên mọi đường này. Khi một sinh viên mới tốt nghiệp như tôi lần đầu tiên được nghe quan điểm của Feynman, quan điểm này đã làm thay đổi nhãn quan của tôi về vũ trụ. Về mặt trí óc, tôi hiểu khía cạnh toán học trừu tượng của thuyết lượng tử và thuyết tương đối rộng, nhưng chính ý tưởng tìm ra những con đường dẫn tôi tới sao Hỏa hoặc các ngôi sao xa xăm khi tôi đi ngang qua căn phòng đã thay đổi thế giới quan của tôi. Đột nhiên, tôi mường tượng bản thân mình đang sống trong một thế giới lượng tử. Tôi bắt đầu nhận ra rằng thuyết lượng tử còn xa lạ hơn các hệ quả khó hiểu của thuyết tương đối rất nhiều.)
Khi Feynman phát triển công thức kỳ lạ mới tìm được, Wheeler, lúc này đang ở Đại học Princeton, đã vội vàng chạy tới Viện Nghiên cứu cao cấp thăm Einstein để thuyết phục ông về sự tao nhã và sức mạnh của bức tranh mới này. Wheeler hào hứng giải thích cho Einstein nghe lý thuyết mới về các tích phân đường của Feynman. Wheeler đã không nhận thấy đầy đủ rằng Einstein cảm thấy những điều Wheeler nói là cực kỳ điên rồ. Sau đó, Einstein lắc đầu và nhắc đi nhắc lại rằng ông vẫn không tin Chúa đã chơi súc sắc với thế giới, Einstein thừa nhận với Wheeler rằng ông có thể sai, nhưng đồng thời cũng nhấn mạnh rằng ông có quyền được sai.
BẠN CỦA WIGNER
Phần lớn các nhà vật lý đều nhún vai và giơ hai tay lên trời khi đối đầu với các nghịch lý khó hiểu của cơ học lượng tử. Đối với phần lớn các nhà khoa học thực nghiệm, cơ học lượng tử là một bộ các quy tắc “chế biến” đạt đến các xác suất tốt với độ chuẩn xác lạ kỳ. Như nhà vật lý trở thành tu sĩ, John Polkinghorne đã nói: “Một anh thợ cơ học lượng tử bậc trung cũng không triết lý nhiều hơn một anh thợ cơ khí động cơ bậc trung” [106]
Tuy nhiên, một số nhà tư tưởng sâu sắc nhất trong vật lý đã đánh vật với các vấn đề này. Chẳng hạn, có một vài cách giải quyết vấn đề con mèo Schrödinger. Cách thứ nhất, được Eugene Wigner (đoạt giải Nobel Vật lý năm 1963) và một số người khác chủ trương là ý thức quyết định sự tồn tại . Wigner đã viết rằng: “Không thể trình bày các định luật của cơ học lượng tử theo cách thức nhất quán hoàn toàn nếu không có sự dẫn chiếu tới ý thức [của người quan sát]… Chính sự nghiên cứu về thế giới bên ngoài đã dẫn tới kết luận rằng nội dung của ý thức là thực tại cuối cùng.” [107] Hoặc, như nhà thơ Keats Kohn đã từng viết: “Không có cái gì tồn tại cho đến khi nó được trải nghiệm.” [108]
Nhưng nếu tôi thực hiện một quan sát, điều gì quyết định tôi đang ở trạng thái nào? Nghĩa là phải có một ai đó quan sát tôi để làm sụp đổ hàm sóng của tôi. Người này đôi khi được gọi là người “bạn của Wigner”. Nhưng nó cũng có nghĩa là một ai đó nữa phải quan sát bạn của Wigner, và bạn của bạn của Wigner… Liệu có hay không ý thức vũ trụ xác định toàn bộ chuỗi những người bạn này bằng cách quan sát toàn bộ vũ trụ?
Một trong số các nhà vật lý nhất mực tin vào vai trò trung tâm của ý thức là Andrei Linde, một trong số những người lập ra thuyết vũ trụ lạm phát.
Là con người, tôi thấy rất vô lý nếu tuyên bố rằng vũ trụ vẫn tồn tại dù không có những người quan sát. Vũ trụ và chúng ta luôn cùng nhau. Khi bạn nói rằng vũ trụ tồn tại mà không có bất kỳ người quan sát nào, thì tôi không thể hiểu được điều đó. Tôi không thể hình dung nổi một thuyết vạn vật nhất quán mà lại gạt bỏ ý thức. Một thiết bị ghi không thể đóng vai trò của một người quan sát, vì ai sẽ đọc những gì được ghi trên thiết bị này. Để cho chúng ta thấy rằng một điều gì đó xảy ra, và nói với nhau rằng điều gì đó xảy ra, cần có một vũ trụ, một thiết bị ghi, và cần phải có cả chúng ta. Không có người quan sát thì vũ trụ của chúng ta không tồn tại. [109]
Theo triết lý của Linde, các hóa thạch khủng long không thực sự tồn tại cho tới khi bạn nhìn vào chúng. Nhưng khi bạn nhìn vào chúng, chúng nảy sinh vào trạng thái tồn tại như thể chúng đã tồn tại hàng triệu năm trước. (Các nhà vật lý giữ quan điểm này cẩn trọng chỉ ra rằng bức tranh này về mặt thực nghiệm là nhất quán với một thế giới trong đó các hóa thạch khủng long thực sự hàng triệu năm tuổi.)
(Một số người không muốn đưa phạm trù ý thức vào vật lý thì tuyên bố rằng một máy quay phim có thể thực hiện một sự quan sát đối với một electron, vì thế các hàm sóng có thể sụp đổ mà không phải viện đến ý thức của con người. Nhưng khi đó ai chứng thực là chiếc máy quay phim này tồn tại? Cần đến một máy quay phim khác để “quan sát” máy quay phim đầu tiên và làm sụp đổ hàm sóng của nó. Vậy thì máy quay phim thứ hai là cần thiết để quan sát máy quay phim đầu tiên, và máy quay phim thứ ba để quan sát máy quay phim thứ hai, cho tới vô cùng. Vì thế việc đưa ra các máy quay phim không giải đáp được vấn đề các hàm sóng sụp đổ như thế nào.)
MẤT LIÊN KẾT HỢP PHA
Một cách giải quyết phần nào một vài vấn đề trong số những vấn đề triết lý gai góc này được nhiều nhà vật lý ưa chuộng, được gọi là mất liên kết pha (decoherence). Khái niệm này được Dieter Zeh, nhà vật lý người Đức, trình bày lần đầu tiên năm 1970. Ông nhận thấy rằng trong thế giới thực bạn không thể tách rời con mèo khỏi môi trường sống của nó. Con mèo này không ngừng tiếp xúc với phân tử không khí, chiếc hộp, và thậm chí cả các tia vũ trụ phóng qua thực nghiệm. Các tương tác này, dù chúng nhỏ tới mức nào, cũng ảnh hưởng sâu sắc tới hàm sóng: nếu hàm sóng bị gây nhiễu dù ở mức độ nhỏ nhất, thì nó đột nhiên chia tách thành hai hàm sóng riêng biệt của con mèo chết hoặc con mèo sống, và mất hẳn sự tương tác, Zeh chỉ ra rằng một vụ va chạm với một phân tử không khí duy nhất là đủ để làm sụp đổ hàm sóng của con mèo, áp đặt sự chia tách vĩnh viễn các hàm sóng của con mèo chết và của con mèo sống, làm chúng không còn có thể liên lạc với nhau. Nói cách khác, thậm chí trước khi bạn mở hộp, con mèo đã tiếp xúc với các phân tử không khí và vì thế trạng thái của nó đã là chết hoặc sống rồi.
Zeh đã thực hiện một quan sát then chốt từng bị bỏ qua: vì con mèo ở trạng thái vừa chết vừa sống, hàm sóng của con mèo chết và hàm sóng của mèo sống phải rung động đồng bộ gần như khớp nhau, một trạng thái được gọi là liên kết pha (coherence). Nhưng về mặt thực nghiệm, điều này gần như là không thể. Việc tạo ra các vật thể liên kết pha rung động đồng nhịp trong phòng thí nghiệm là nhiệm vụ cực kỳ khó khăn. (Thực tiễn cho thấy, rất khó để ngay cả một dúm nguyên tử rung động đồng bộ (liên kết pha) vì có sự giao thoa từ thế giới bên ngoài. Trong thế giới thực, các vật thể luôn tương tác với môi trường, và tương tác nhỏ nhất với thế giới bên ngoài có thể gây nhiễu cho cả hai hàm sóng, nên khi đó chúng bắt đầu “mất liên kết pha” - nghĩa là chúng mất đồng bộ và tách riêng. Zeh đã chỉ ra rằng, một khi hai hàm sóng không còn rung động đồng pha với nhau thì chúng không còn tương tác với nhau nữa.
ĐA THẾ GIỚI
Thoạt nhìn, mất liên kết pha nghe có vẻ thỏa đáng, vì hàm sóng bây giờ sụp đổ không thông qua ý thức mà là do tương tác ngẫu nhiên với thế giới bên ngoài. Nhưng điều này vẫn chưa giải quyết được câu hỏi nền tảng vẫn làm Einstein băn khoăn: Tự nhiên “chọn” trạng thái nào để sụp đổ vào đó và chọn như thế nào? Khi một phân tử không khí va vào con mèo, ai hay cái gì quyết định trạng thái cuối cùng của con mèo? Về câu hỏi này, thuyết mất liên kết pha chỉ phát biểu đơn thuần rằng hai hàm sóng chia tách và không còn tương tác với nhau nữa, nhưng nó không trả lời cho câu hỏi ban đầu: Con mèo là chết hay sống? Nói cách khác, mất liên kết pha loại bỏ ý thức ra khỏi cơ học lượng tử, nhưng nó không giải quyết được câu hỏi then chốt từng làm Einstein bối rối: Tự nhiên “chọn” trạng thái cuối cùng của con mèo như thế nào? Về câu hỏi này, thuyết mất liên kết pha không hề đề cập đến.
Tuy nhiên, hiện nay sự mở rộng tự nhiên của thuyết mất liên kết pha đã có thể làm sáng tỏ câu hỏi này và được đông đảo các nhà vật lý chấp nhận. Cách tiếp cận thứ hai này được một học trò khác của Wheeler là Hugh Everett III khai phá. Everett đã thảo luận về khả năng con mèo có thể tồn tại đồng thời ở hai trạng thái chết và sống, nhưng trong hai vũ trụ khác nhau. Khi Everett hoàn tất luận án tiến sĩ năm 1957, nó không được mấy ai chú ý. Tuy nhiên, theo thời gian, mối quan tâm tới cách diễn giải “đa thế giới” đã bắt đầu gia tăng. Hiện nay, nó đã tạo ra một cao trào quan tâm trở lại đến các nghịch lý của thuyết lượng tử.
Trong diễn giải mới rất triệt để này, con mèo tồn tại đồng thời ở hai trạng thái chết và sống vì vũ trụ đã chia làm hai. Trong một vũ trụ, con mèo đã chết; còn trong vũ trụ kia, con mèo vẫn sống. Trên thực tế, tại mỗi mối nối lượng tử, vũ trụ chia làm đôi, thành một chuỗi các vũ trụ phân chia không dứt. Trong kịch bản này tất cả các vũ trụ đều có thể có, mỗi vũ trụ đều là thật như các vũ trụ khác. Con người sống trong mỗi vũ trụ ấy có thể mạnh mẽ phản đối rằng chỉ có vũ trụ của họ là hiện hữu, còn tất cả các vũ trụ khác chỉ là tưởng tượng hay giả tạo. Các vũ trụ song song này không phải là các thế giới yêu ma với sự tồn tại phù du, mà trong mỗi vũ trụ, các vật thể rắn và các sự kiện cụ thể cũng có thật và tồn tại khách quan như trong bất kỳ vũ trụ nào khác.
Ưu điểm của diễn giải này là chúng ta có thể bỏ qua điều kiện thứ ba về sự sụp đổ của hàm sóng. Các hàm sóng không bao giờ sụp đổ, chúng tiếp tục phát triển và liên tục chia tách thành các hàm sóng khác, giống như một cái cây phát triển vô hạn, với mỗi cảnh tượng trưng cho toàn bộ một vũ trụ. Ưu thế lớn của thuyết đa thế giới là nó đơn giản hơn diễn giải Copenhagen: nó không đòi hỏi hàm sóng sụp đổ. Đổi lại chúng ta phải chấp nhận rằng các vũ trụ liên tục chia tách ra thành hàng triệu nhánh. (Một số người cảm thấy khó hiểu làm thế nào để theo dõi tất cả các vũ trụ đang sinh sôi nhanh chóng này. Tuy nhiên, phương trình sóng Schrödinger tự động làm điều này rồi. Chỉ cần lần theo sự phát triển của phương trình sóng, lập tức ta có thể tìm thấy tất cả các nhánh đông đúc của sóng này.)
Nếu diễn giải này là chính xác, thì vào chính lúc này có thể bạn đang cùng tồn tại với các hàm sóng của những con khủng long đang tham gia vào trận chiến sinh tử. Cùng tồn tại trong căn phòng của bạn là hàm sóng của một thế giới nơi mà người Đức đã chiến thắng trong Thế chiến thứ hai, hay nơi người ngoài hành tinh đang tung hoành, hoặc ở một nơi mà bạn không bao giờ được sinh ra. Các thế giới trong The Man in the High Castle và Twilight Zone nằm trong vô số các vũ trụ đang hiện hữu trong phòng khách của bạn. Vấn đề là chúng ta không còn có thể tương tác với họ, vì họ đã mất liên kết pha với chúng ta.
Alan Guth đã nói: “Có một vũ trụ nơi Elvis* vẫn còn sống.” [110] Nhà vật lý Frank Wilczek đã viết: “Chúng ta bị ám ảnh bởi nhận thức rằng có vô số các bản sao hơi khác của chính chúng ta đang sống trong các thế giới song song và mỗi phút giây trôi qua lại có thêm nhiều bản sao ra đời và nắm lấy nhiều tương lai khác của chúng ta.” [111] Ông lưu ý rằng lịch sử của nền văn minh Hy Lạp, hay của thế giới phương Tây, có thể đã khác đi nếu nàng Helen thành Troy không có vẻ đẹp nghiêng nước nghiêng thành, mà thay vào đó trên mũi nàng mọc ra một mụn cơm xấu xí. “Thế đấy, các mụn cơm có thể mọc lên do đột biến trong các tế bào riêng lẻ, thường là do được kích hoạt bởi sự tiếp xúc với các tia cực tím của mặt trời.” Ông viết tiếp: “Nói tóm lại: có nhiều, rất nhiều thế giới, nơi nàng Helen thành Troy đã có một mụn cơm trên chóp mũi.”
Tôi nhớ lại một đoạn trong tác phẩm khoa học giả tưởng kinh điển của Olaf Stapledon, Star Maker (Đấng tạo Sao): “Bất cứ khi nào một sinh vật phải đứng trước vài lựa chọn hành động, nó thử nghiệm tất cả những lựa chọn ấy, do đó tạo ra nhiều… lịch sử khác biệt của vũ trụ. Vì trong mỗi trình tự tiến hóa của vũ trụ có rất nhiều sinh vật và mỗi sinh vật luôn phải đối mặt với nhiều lựa chọn phát triển khác nhau, và các kết hợp của tất cả các hướng phát triển của chúng là vô tận, nên vô số các vũ trụ khác biệt đã xuất hiện từ mỗi thời điểm của mỗi trình tự thời gian.” [112]
Chúng ta thực sự choáng váng khi nhận ra rằng, theo cách diễn giải này của cơ học lượng tử thì mọi thế giới có thể cùng song song tồn tại với chúng ta. Mặc dù các lỗ giun là phương tiện cần thiết để tiếp cận với các thế giới thay thế như vậy, các thực tại lượng tử này vẫn tồn tại ngay trong mỗi căn phòng chúng ta đang sống. Chúng cùng tồn tại với chúng ta ở bất cứ nơi nào chúng ta đi. Câu hỏi then chốt là: nếu điều này là đúng, tại sao chúng ta không nhìn thấy các vũ trụ thay thế này đang tràn ngập phòng khách của chúng ta? Đó là do sự mất liên kết pha: hàm sóng của chúng ta đã mất liên kết pha với các thế giới này (nghĩa là các sóng không còn đồng bộ về pha với nhau). Chúng ta không liên lạc với họ được nữa. Điều này có nghĩa rằng ngay cả sự ô nhiễm môi trường nhỏ nhất cũng sẽ ngăn cản sự tương tác giữa các hàm sóng khác nhau. Trong chương mười một, tôi sẽ đề cập tới ngoại lệ có thể có đối với quy tắc này, trong đó các sinh vật có trí tuệ có thể du hành giữa các thực tại lượng tử.)
Liệu điều này có quá kỳ lạ để có thể xảy ra hay không? Người đoạt giải Nobel, Steven Weinberg đã ví thuyết đa vũ trụ này với sóng vô tuyến. Ở xung quanh chúng ta có hàng trăm sóng vô tuyến khác nhau đang được phát đi từ các trạm phát sóng rất xa xôi nào đó. Bất kỳ lúc nào, ở văn phòng, trong ô tô hoặc trong phòng khách của bạn cũng đầy ắp các sóng vô tuyến này. Tuy nhiên, nếu bạn mở máy thu, bạn chỉ có thể nghe một tần số tại một thời điểm; các tần số khác đã mất liên kết pha và không còn đồng pha với nhau. Mỗi trạm phát sóng có một năng lượng khác nhau và một tần số khác nhau. Kết quả là máy thu của bạn chỉ có thể thu được một chương trình phát sóng tại một thời điểm.
Tương tự như vậy, trong vũ trụ của chúng ta, chúng ta được “điều hưởng” vào tần số tương ứng với thực tại vật lý. Nhưng có một lượng vô hạn các thực tại song song cùng tồn tại với chúng ta trong cùng một căn phòng, mặc dù chúng ta không thể “bắt” được chúng. Mặc dù các thế giới này rất giống nhau, nhưng mỗi thế giới có một năng lượng khác nhau. Và vì mỗi thế giới bao gồm hàng tỉ tỉ các nguyên tử, nên sự khác biệt năng lượng có thể rất lớn. Vì tần số của các sóng này tỉ lệ thuận với năng lượng của chúng (theo định luật Planck), nên các sóng của mỗi thế giới dao động ở những tần số khác nhau và không thể tương tác với nhau được nữa. Bất chấp mọi ý định và mục đích, các sóng của các thế giới khác nhau này không tương tác hoặc không ảnh hưởng tới nhau.
Thật đáng ngạc nhiên, sau khi chấp nhận quan điểm kỳ lạ này các nhà khoa học có thể rút ra tất cả các kết quả của cách tiếp cận Copenhagen mà không hề phải làm sụp đổ hàm sóng. Nói cách khác, sử dụng diễn giải Copenhagen hay diễn giải đa thế giới đối với các thực nghiệm đều cho ra các kết quả thực nghiệm giống hệt nhau. Thuyết hàm sóng sụp đổ của Bohr về mặt toán học là tương đương với tác động của môi trường. Nói cách khác, con mèo của Schrödinger có thể chết và sống cùng một lúc, nếu bằng cách nào đó chúng ta có thể cô lập con mèo khỏi các tác động có thể có từ mọi nguyên tử hay mọi tia vũ trụ. Tất nhiên, điều này không thể tồn tại trên thực tế. Một khi con mèo tiếp xúc với một tia vũ trụ, các hàm sóng của con mèo chết và của con mèo sống mất liên kết pha, thế là nó xuất hiện như thể hàm sóng đã sụp đổ.
NÓ TỪ BIT *
Với mối quan tâm lại nổi lên về vấn đề đo đạc trong thuyết lượng tử, Wheeler đã trở thành cây đa cây đề trong lĩnh vực vật lý lượng tử và đến dự nhiều cuộc hội họp vinh danh ông. Ông thậm chí còn được những người cổ súy phong trào Thời đại Mới*, bị mê hoặc bởi vấn đề ý thức trong vật lý, tung hô ông như một đạo sư. (Tuy nhiên, không phải bao giờ ông cũng hài lòng với những cuộc hội họp như vậy. Một lần, ông đã đau buồn khi thấy mình xuất hiện trong cùng một chương trình với ba nhà cận tâm lý học. Ông đã nhanh chóng phát biểu, trong đó có câu: “Ở đâu có khói, thì ở đó có khói”*.) [113]
Sau bảy mươi năm nghiền ngẫm các nghịch lý của thuyết lượng tử, Wheeler là người đầu tiên thừa nhận rằng ông không có mọi câu trả lời. Ông vẫn luôn nghi ngờ các giả định của chính mình. Khi được hỏi về vấn đề đo đạc trong cơ học lượng tử, ông nói: “Tôi vừa mới phát điên lên vì câu hỏi đó. Tôi thú nhận rằng đôi khi tôi coi ý tưởng cho rằng thế giới là sản phẩm của trí tưởng tượng là nghiêm túc 100%, nhưng có lúc, tôi lại nghĩ thế giới tồn tại khách quan ở đó, không phụ thuộc vào chúng ta. Tuy nhiên, tôi hoàn toàn tán thành phát biểu của Leibniz: ‘Thế giới này có thể là một ảo ảnh và sự tồn tại có thể chỉ là một giấc mơ, nhưng giấc mơ hoặc ảo ảnh này đối với tôi là đủ thực để nếu sử dụng tốt lý trí thì chúng ta không bao giờ bị nó đánh lừa.’” [114]
Ngày nay, thuyết đa thế giới/mất liên kết pha đang nhận được sự đồng thuận rộng rãi trong giới các nhà vật lý. Nhưng Wheeler vẫn băn khoăn vì nó đòi hỏi “quá nhiều hành trang dư thừa”. Ông vẫn đang loay hoay với một diễn giải khác về vấn đề con mèo của Schrödinger. Ông gọi thuyết của mình là “Nó từ bit”. Nó là một thuyết không chính thống, bắt đầu với giả định rằng thông tin là nguồn gốc của mọi sự tồn tại. Ông tuyên bố, khi chúng ta nhìn vào Mặt Trăng, một thiên hà hay một nguyên tử, bản chất của chúng chính là thông tin lưu trữ trong chúng. Nhưng thông tin này đột ngột tồn tại khi vũ trụ quan sát chính nó. Ông vẽ ra một biểu đồ tròn, tượng trưng cho lịch sử vũ trụ.
Vào lúc bắt đầu, vũ trụ nảy sinh vào trạng thái tồn tại vì nó đã được quan sát. Điều này có nghĩa là “nó” (tức vật chất trong vũ trụ) nảy sinh vào trạng thái tồn tại khi thông tin (“bit”) của vũ trụ đã được quan sát. Ông gọi điều này là “vũ trụ can dự” - một ý tưởng cho rằng vũ trụ thích ứng với chúng ta theo cùng cách mà chúng ta thích ứng với vũ trụ, rằng chính sự hiện diện của chúng ta làm cho vũ trụ hiện hữu. (Vì không có sự đồng thuận chung về vấn đề đo đạc trong cơ học lượng tử, nên phần lớn các nhà vật lý giữ thái độ chờ xem đối với thuyết “Nó từ bit”.)
TÍNH TOÁN LƯỢNG TỬ VÀ VIỄN TẢI
Những cuộc thảo luận triết lý như vậy dường như phi thực tế đến cùng cực và không có bất kỳ ứng dụng nào trong thế giới của chúng ta. Thay vì tranh luận có bao nhiêu thiên thần có thể nhảy múa trên đầu một cái đinh ghim, các nhà vật lý lượng tử lại tranh luận có bao nhiêu chỗ một electron có thể ở cùng một lúc.
Tuy nhiên, các cuộc thảo luận này không phải là những chiêm nghiệm rỗi hơi của các học giả tháp ngà. Một ngày nào đó họ có thể có được ứng dụng thực tế nhất trong tất thảy: dẫn dắt các nền kinh tế thế giới. Một ngày nào đó, sự giàu có của một quốc gia có thể phụ thuộc vào những chi tiết tinh tế của con mèo Schrödinger. Vào lúc đó, có lẽ các máy tính của chúng ta sẽ tính toán trong các vũ trụ song song. Gần như tất cả cơ sở hạ tầng máy tính của chúng ta ngày nay dựa trên các tranzito (bóng bán dẫn) silic. Định luật Moore, phát biểu rằng năng lực máy tính nhân đôi sau mỗi mười tám tháng, hoàn toàn khả thi vì chúng ta có thể cấy ghép các tranzito ngày càng nhỏ hơn vào các chip silic thông qua chùm tia bức xạ cực tím. Mặc dù định luật Moore đã cách mạng hóa thế giới công nghệ, nó không thể tiếp tục mãi mãi. Các chip Pentium tiên tiến nhất có một lớp mà kích thước chỉ cỡ hai mươi nguyên tử. Trong vòng 15 tới 20 năm nữa, Các nhà khoa học có thể tính toán trên các lớp mà kích thước có lẽ vẻn vẹn năm nguyên tử. Tại các khoảng cách nhỏ đến mức khó tin này, chúng ta phải từ bỏ cơ học Newton và chấp nhận Cơ học lượng tử, mà ở đó nguyên lý bất định Heisenberg ngự trị.
Kết quả là chúng ta không còn biết chính xác electron ở nơi nào. Điều này có nghĩa là các hiện tượng đoản mạch sẽ diễn ra khi các electron trôi dạt ra ngoài các lớp cách điện và các chất bán dẫn thay vì ở trong chúng.
Trong tương lai, chúng ta sẽ đạt tới các giới hạn của việc khắc axit trên các tấm silic. Thời đại silic sẽ nhanh chóng khép lại. Có lẽ nó sẽ báo hiệu kỷ nguyên lượng tử. Thung lũng Silicon có thể trở thành một Vành đai Gỉ sắt. Một ngày nào đó chúng ta có thể bị buộc phải tính toán trên chính các nguyên tử, du nhập một cấu trúc mới cho sự tính toán. Các máy tính ngày nay dựa trên hệ thống nhị phân thông qua một chuỗi các số 0 và 1. Tuy nhiên, spin của các nguyên tử có thể đồng thời trở lên, trở xuống hoặc sang bên. Các bit máy tính (các số 0 và 1) có thể được thay thế bằng các “qubit” (bất cứ thứ gì giữa 0 và 1), làm cho tính toán lượng tử mạnh hơn nhiều so với các máy tính thông thường.
Chẳng hạn, một máy tính lượng tử có thể làm lung lay nền móng của hệ thống bảo mật quốc tế. Ngày nay, các ngân hàng lớn, các tập đoàn đa quốc gia và các nước công nghiệp mã hóa các bí mật của họ bằng các thuật toán máy tính rất phức tạp. Nhiều mã số bí mật dựa trên việc phân tích các số khổng lồ thành các thừa số. Chẳng hạn, một máy tính thông thường sẽ phải mất hàng thế kỷ để phân tích thành các thừa số một số chứa một trăm chữ số. Nhưng một máy tính lượng tử có thể dễ dàng thực hiện các tính toán như vậy, do đó chúng có thể giải các mật mã của các quốc gia trên thế giới.
Để xem một máy tính lượng tử sẽ làm việc như thế nào, hãy giả sử rằng chúng ta sắp hàng một loạt các nguyên tử, với các spin của chúng trở về một hướng trong một từ trường. Sau đó chúng ta chiếu một tia laser vào chúng, thế là nhiều spin đảo chiều khi tia laser phản xạ khỏi các nguyên tử. Bằng cách đo ánh sáng laser phản xạ, chúng ta đã ghi lại một phép toán phức tạp: sự tán xạ ánh sáng ra khỏi các nguyên tử. Theo Feynman, nếu tính toán quá trình này bằng cách sử dụng thuyết lượng tử, chúng ta phải cộng với nhau mọi vị trí có thể có của các nguyên tử đang quay trong mọi hướng. Ngay cả một phép tính lượng tử đơn giản, có thể chỉ chiếm một phần rất nhỏ của giây, sẽ gần như không thể thực hiện được trên một máy tính chuẩn thông thường, dù có mất bao nhiêu thời gian đi nữa.
Về nguyên tắc, David Deutch từ Đại học Oxford đã nhấn mạnh rằng điều này có nghĩa là khi chúng ta sử dụng các máy tính lượng tử, chúng ta cần phải lấy tổng trên mọi vũ trụ song song có thể. Mặc dù chúng ta không thể trực tiếp tiếp xúc với các vũ trụ này, một máy tính lượng tử có thể tính toán chúng bằng cách sử dụng các trạng thái spin đang tồn tại trong các vũ trụ song song. (Trong khi chúng ta không còn liên kết pha với các vũ trụ khác trong phòng khách của mình, thì do cấu trúc, các nguyên tử trong máy tính lượng tử vẫn rung động liên kết pha đồng nhịp với chúng.)
Mặc dù tiềm năng của các máy tính lượng tử là thực sự đáng kinh ngạc, nhưng trong thực tế, nó cũng làm nảy sinh vấn đề to lớn không kém. Hiện tại, kỷ lục thế giới về số lượng nguyên tử được sử dụng trong một máy tính lượng tử là bảy. Cùng lắm, chúng ta cũng chỉ có thể nhân ba với năm để có mười lăm nguyên tử trên một máy tính lượng tử, một điều chẳng mấy ấn tượng. Để một máy tính lượng tử cạnh tranh được với thậm chí chỉ một máy tính xách tay thông thường, chúng ta sẽ cần hàng trăm, có lẽ là hàng triệu nguyên tử rung động liên kết pha. Vì thậm chí chỉ cần va chạm với một phân tử không khí duy nhất cũng có thể làm cho các nguyên tử mất liên kết pha, người ta sẽ phải có các điều kiện sạch sẽ khác thường để cô lập các nguyên tử thử nghiệm với môi trường. (Để xây dựng một máy tính lượng tử có thể vượt tốc độ của các máy tính hiện đại sẽ đòi hỏi hàng nghìn tới hàng triệu nguyên tử, vì thế máy tính lượng tử vẫn còn là chuyện sau nhiều thập kỷ nữa.)
VIỄN TẢI LƯỢNG TỬ
Cuối cùng thảo luận dường như vô nghĩa của giới vật lý về các vũ trụ lượng tử song song cũng có thể đưa ra một ứng dụng thực tế khác: viễn tải lượng tử (teleportation). “Tàu vận tải” được sử dụng trong Star Trek (Du hành tới các vì sao) và các chương trình khoa học giả tưởng khác để vận chuyển con người và thiết bị trong không gian dường như là cách thức tuyệt diệu để bay vụt qua các khoảng cách rộng lớn. Tuy nhiên, cho dù có vẻ như trêu ngươi, ý tưởng viễn tải đã gây bối rối cho các nhà vật lý vì nó dường như vi phạm nguyên lý bất định. Bằng cách thực hiện một phép đo trên một nguyên tử, bạn làm xáo trộn trạng thái của nguyên tử này, nên không thể tạo ra được một bản sao chính xác.
Nhưng các nhà khoa học đã tìm thấy một lỗ hổng trong luận cứ này vào năm 1993, thông qua cái gọi là dính líu lượng tử. Điều này dựa trên một thử nghiệm cũ do Einstein và các đồng nghiệp của ông là Boris Podolsky và Nathan Rosen để xuất vào năm 1935 (gọi là thử nghiệm hay nghịch lý EPR, lấy theo chữ cái đầu trong họ của ba người) để chỉ ra thuyết lượng tử thực sự điên rồ như thế nào. Giả sử rằng có một vụ nổ, và hai electron bay tách rời nhau theo hai hướng đối nghịch, di chuyển gần tốc độ ánh sáng. Vì các electron có thể xoay tít, với giả định rằng spin của chúng có tương hợp - nghĩa là, nếu một electron có trục quay của nó trở lên, thì electron kia trở xuống (sao cho tổng spin bằng 0). Tuy nhiên, trước khi chúng ta thực hiện một phép đo, chúng ta không biết mỗi electron đang quay theo hướng nào.
Bây giờ chúng ta hãy chờ vài năm. Khi đó, hai electron đã cách xa nhau nhiều năm ánh sáng. Nếu bây giờ chúng ta thực hiện một phép đo spin của một electron và thấy rằng trục quay của nó hướng lên, thì chúng ta ngay lập tức biết rằng electron kia là quay xuống (và ngược lại). Trên thực tế, một electron được tìm thấy đang quay lên sẽ buộc electron kia phải quay xuống. Điều này nghĩa là bây giờ chúng ta ngay lập tức biết điều gì đó về một electron cách xa nhiều năm ánh sáng (thông tin dường như đã di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, rõ ràng vi phạm thuyết tương đối hẹp của Einstein). Qua lý luận tinh tế, Einstein có thể chỉ ra rằng, bằng cách thực hiện các phép đo liên tiếp trên một cặp, người ta có thể vi phạm nguyên lý bất định. Quan trọng hơn, ông đã chỉ ra rằng cơ học lượng tử kỳ lạ nhiều hơn so với suy nghĩ có thể có của bất kỳ ai trước đây.
Cho tới khi đó, các nhà vật lý vẫn tin rằng vũ trụ là cục bộ, rằng các nhiễu loạn trong một phần của vũ trụ chỉ lây lan cục bộ từ nguồn. Einstein đã chỉ ra rằng cơ học lượng tử về bản chất là không cục bộ - các nhiễu loạn từ một nguồn có thể ngay lập tức ảnh hưởng tới các bộ phận xa xôi của vũ trụ. Einstein gọi nó là một “tác động ma quỷ từ xa” và ông cho đó là hết sức phi lý. Như vậy, Einstein nghĩ, thuyết lượng tử phải sai.
(Các nhà phê bình cơ học lượng tử có thể giải quyết được nghịch lý Einstein-Podolsky-Rosen bằng cách giả định rằng, nếu các công cụ của chúng ta đủ nhạy, chúng thực sự có thể xác định cách mà các electron đang quay. Sự bất định biểu kiến trong spin và vị trí của một electron là điều không thực, do thực tế rằng các công cụ của chúng ta còn quá thô sơ. Họ đã đưa ra khái niệm gọi là các biến số ẩn - nghĩa là, phải có một thuyết hạ lượng tử ẩn, trong đó hoàn toàn không có sự bất định, dựa trên các biến số mới gọi là các biến số ẩn.)
Thử thách thắng thua đã tăng lên rất nhiều vào năm 1964, khi nhà vật lý John Bell đưa nghịch lý EPR và các biến số ẩn vào một cuộc kiểm nghiệm khắc nghiệt. Ông đã chỉ ra rằng nếu người ta thực hiện thử nghiệm EPR, sẽ có sự tương quan về trị số giữa các spin của hai electron, phụ thuộc vào việc thuyết nào được người ta sử dụng. Nếu thuyết biến số ẩn là đúng, như những người hoài nghi thuyết lượng tử đã tin, thì các spin sẽ tương quan theo một cách. Còn nếu cơ học lượng tử là đúng, thì các spin sẽ tương quan theo cách khác. Tóm lại, cơ học lượng tử (nền tảng của toàn bộ vật lý nguyên tử hiện đại) có thể thịnh hay suy chỉ trên cơ sở của một thử nghiệm duy nhất.
Nhưng các thử nghiệm đã chứng minh một cách thuyết phục là Einstein sai. Đầu thập niên 1980, Alan Aspect và các đồng nghiệp tại Pháp đã thực hiện thử nghiệm EPR với hai máy dò cách nhau 13 m để đo các spin của các photon phát ra từ các nguyên tử canxi. Năm 1997, thử nghiệm EPR được thực hiện với các máy dò cách nhau 11 km. Lần nào thuyết lượng tử cũng đều thắng. Một dạng thức nào đó của nhận biết thông tin quả thật đã di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Mặc dù Einstein đã sai về thử nghiệm EPR, ông đã đúng với câu hỏi bao quát hơn về hiện tượng liên lạc nhanh hơn ánh sáng. Thử nghiệm EPR, mặc dù cho phép bạn biết điều gì đó ngay lập tức về phía đầu kia của thiên hà, nhưng không cho phép bạn gửi một thông điệp theo cách này. Chẳng hạn, bạn không thể gửi mã Morse. Trên thực tế, một “máy phát EPR” sẽ chỉ gửi các tín hiệu ngẫu nhiên, vì các spin bạn đo là ngẫu nhiên ở mỗi lần đo đạc. Thử nghiệm EPR cho phép thu được thông tin về phía đầu kia của thiên hà, nhưng nó không cho phép bạn truyền tải thông tin hữu ích nghĩa là, không phải thông tin ngẫu nhiên.)
Bell thích miêu tả hiệu ứng này bằng cách lấy nhà toán học Bertelsman làm ví dụ. Ông này có thói quen kỳ lạ là mỗi ngày đi một chiếc tất xanh lục ở một chân và một chiếc tất xanh lam chân kia, theo trật tự ngẫu nhiên. Nếu một ngày bạn nhận thấy rằng ông ấy đi chiếc tất xanh lam ở chân trái, thì bây giờ bạn biết, nhanh hơn ánh sáng, rằng chiếc tất kia màu xanh lục. Nhưng việc biết điều đó không cho phép bạn truyền thông tin theo cách này. Việc phát hiện thông tin khác với việc gửi nó đi. Thử nghiệm EPR không có nghĩa là chúng ta có thể truyền thông tin thông qua thần giao cách cảm, du hành nhanh hơn ánh sáng, hoặc du hành trong thời gian. Nhưng nó có nghĩa rằng không thể chia tách hoàn toàn bản thân chúng ta ra khỏi tính chất tổng thể của vũ trụ.
Nó buộc chúng ta duy trì một quan niệm khác về vũ trụ của chúng ta. Có một sự “dính líu” vũ trụ giữa mọi nguyên tử trong cơ thể chúng ta và các nguyên tử ở cách xa nhiều năm ánh sáng. Vì tất cả vật chất sinh ra từ một vụ nổ duy nhất, là vụ nổ lớn, nên theo nghĩa nào đó thì các nguyên tử trong cơ thể chúng ta được kết nối với một vài nguyên tử nào đó ở phía bên kia của vũ trụ bằng một kiểu mạng lưới lượng tử vũ trụ nào đó. Các hạt bị dính líu có phần nào giống các cặp song sinh vẫn còn được nối liền bằng một sợi dây rốn (hàm sóng của chúng) có thể cách nhau nhiều năm ánh sáng. Những gì xảy ra với một thành viên tự động ảnh hưởng đến thành viên kia, và vì thế sự biết liên quan đến một hạt có thể ngay lập tức tiết lộ sự biết về thành viên cặp đôi của nó. Các cặp dính líu hoạt động như thể chúng là một vật thể duy nhất, mặc dù chúng có thể ở vị trí rất xa nhau. (Chính xác hơn, vì các hàm sóng của các hạt trong vụ nổ lớn một thời đã từng kết nối và liên kết pha với nhau, nên các hàm sóng của chúng có thể vẫn được kết nối phần nào sau hàng tỉ năm kể từ vụ nổ lớn, do đó các nhiễu loạn trong phần này của hàm sóng có thể ảnh hưởng tới phần xa xăm khác của hàm sóng.)
Năm 1993, các nhà khoa học đã đề xuất sử dụng khái niệm dính líu EPR để cung cấp một cơ chế cho viễn tải lượng tử. Năm 1997 và 1998, các nhà khoa học tại Cal Tech, Đại học Aarhus ở Đan Mạch và Đại học Wales đã thực hiện thử nghiệm viễn tải lượng tử đầu tiên khi viễn tải một photon duy nhất ngang qua mặt bàn. Samuel Braunstein từ Đại học Wales, một thành viên trong nhóm này, đã so sánh các cặp dính líu với các đôi tình nhân - “những người biết nhau quá rõ tới mức họ có thể trả lời thay cho tình nhân của mình ngay cả khi cách xa nhau ngàn dặm.” [115]
(Các thử nghiệm viễn tải lượng tử cần có ba vật thể, được gọi là A, B và C. Giả sử B và C là cặp “song sinh” dính líu. Mặc dù B và C có thể bị ngăn cách bằng một khoảng cách lớn, chúng vẫn còn dính líu với nhau. Bây giờ hãy cho B tiếp xúc với A, là vật thể cần được viễn tải. B sẽ “quét” A, thế là thông tin chứa trong A được chuyển cho B. Thông tin này sau đó được tự động chuyển tới C. Như thế, C sẽ trở thành một bản sao chính xác của A.)
Tiến bộ trong viễn tải lượng tử đang chuyển biến nhanh chóng. Năm 2003, các nhà khoa học tại Đại học Geneva ở Thụy Sĩ đã có thể viễn tải các photon ở khoảng cách 1,2 dặm (gần 2 km) thông qua cáp quang. Các photon ánh sáng (ở bước sóng 1,3 mm) trong một phòng thí nghiệm đã được viễn tải thành các photon ánh sáng có bước sóng khác (1,55 mm) trong một phòng thí nghiệm khác được kết nối bằng sợi cáp quang dài này. Nhà vật lý Nicolas Gisin tham gia dự án này đã nói: “Có thể, các vật thể lớn cỡ một phân tử sẽ được viễn tải khi tôi còn sống, nhưng các vật thể thực sự lớn thì không thể viễn tải bằng cách sử dụng các Công nghệ được dự đoán hiện nay."
Một đột phá quan trọng khác đã được thực hiện năm 2004, khi các nhà khoa học tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) đã viễn tải không chỉ một lượng tử ánh sáng, mà hẳn một nguyên tử. Họ đã làm dính líu thành công ba nguyên tử berili và có thể chuyển các đặc trưng của một nguyên tử cho nguyên tử khác, đây quả là một thành tựu lớn.
Các ứng dụng thực tế của viễn tải lượng tử có tiềm năng vô cùng lớn. Tuy nhiên, người ta có thể chỉ ra rằng viễn tải lượng tử vẫn còn gặp phải vài trở ngại thực tế. Thứ nhất, vật thể ban đầu bị phá hủy trong quá trình này, do đó bạn không thể tạo ra các bản sao giống hệt của vật thể đang được viễn tải. Chỉ có thể có một bản sao giống hệt. Thứ hai, bạn không thể viễn tải một vật thể nhanh hơn ánh sáng. Thuyết tương đối vẫn đứng vững, thậm chí đối với cả viễn tải lượng tử. (Để viễn tải vật thể A vào vật thể C, bạn vẫn cần phải có vật thể B trung gian kết nối hai vật thể, do đó thông tin truyền đi chậm hơn tốc độ ánh sáng.) Thứ ba, có lẽ hạn chế quan trọng nhất đối với viễn tải lượng tử cũng chính là hạn chế mà tính toán lượng tử đang đối mặt: các vật thể được đề cập phải có liên kết pha với nhau. Sự ô nhiễm nhỏ nhất của môi trường sẽ phá hủy viễn tải lượng tử. Nhưng trong thế kỷ 21, chúng ta tin tưởng rằng virus đầu tiên có lẽ sẽ được viễn tải.
Việc viễn tải một con người có thể làm nảy sinh các vấn đề khác. Braunstein nhận xét: “Điều then chốt bây giờ là lượng thông tin được chuyển tải quá ít ỏi. Ngay cả với các kênh liên lạc tốt nhất mà chúng ta có thể tưởng tượng ra vào lúc này, việc chuyển tải tất cả các thông tin đó cũng sẽ mất quãng thời gian bằng tận tuổi của vũ trụ.”
HÀM SÓNG CỦA VŨ TRỤ
Nhưng có lẽ sự nhận thức tối hậu về thuyết lượng tử có thể đến khi chúng ta áp dụng cơ học lượng tử không chỉ với các photon riêng lẻ mà với toàn thể vũ trụ. Stephen Hawking đã hài hước nói rằng hễ khi nào nghe thấy nói đến vấn đề con mèo là ông lại vớ lấy khẩu súng. Ông đã đề xuất giải pháp cho vấn đề này: có một hàm sóng của toàn thể vũ trụ. Nếu toàn thể vũ trụ là một phần của hàm sóng, thì không còn cần đến một người quan sát nữa (người phải tồn tại bên ngoài vũ trụ).
Trong thuyết lượng tử, mỗi hạt được liên hệ với một sóng. Sóng này, tới lượt nó, cho bạn biết xác suất tìm thấy hạt tại bất kỳ điểm nào. Tuy nhiên, vũ trụ, khi còn rất trẻ, đã nhỏ hơn một hạt hạ nguyên tử. Vì thế, có lẽ bản thân vũ trụ cũng có một hàm sóng. Vì electron có thể tồn tại trong nhiều trạng thái cùng một lúc, và vì vũ trụ tùng nhỏ hơn cả một electron, nên có lẽ vũ trụ cũng đồng thời tồn tại trong nhiều trạng thái, được miêu tả bằng một siêu hàm sóng.
Đây là một biến thể của thuyết đa thế giới: không cần phải viện dẫn một người quan sát vũ trụ để anh ta có thể quan sát toàn thể vũ trụ cùng một lúc. Nhưng hàm sóng của Hawking lại hoàn toàn khác với hàm sóng của Schrödinger. Trong hàm sóng của Schrödinger, tại mọi điểm trong không-thời gian đều có một hàm sóng. Còn trong hàm sóng của Hawking, thì mỗi vũ trụ có một hàm sóng. Thay vì hàm psi của Schrödinger miêu tả mọi trạng thái có thể của electron, Hawking đưa ra một hàm psi thể hiện mọi trạng thái có thể có của vũ trụ. Trong cơ học lượng tử thông thường, electron tồn tại trong không gian thông thường. Tuy nhiên, trong hàm sóng của vũ trụ, hàm sóng tồn tại trong “siêu không gian”, không gian của tất cả các vũ trụ có thể có, từng được Wheeler đề xuất.
Hàm sóng cái này (mẹ của mọi hàm sóng) không tuân theo phương trình Schrödinger (chỉ ứng với các electron đơn lẻ) mà theo phương trình Wheeler-DeWitt, ứng với mọi vũ trụ có thể có. Đầu thập niên 1990, Hawking đã viết rằng ông đã có thể giải được một phần hàm sóng vũ trụ của mình và chỉ ra rằng vũ trụ có xác suất tồn tại cao nhất là một vũ trụ với hằng số vũ trụ đang biến mất. Bài báo này đã gây ra khá nhiều tranh cãi vì nó phụ thuộc vào việc tính tổng mọi vũ trụ có thể. Hawking đã biểu diễn tổng này bằng cách bao gồm các lỗ giun đang kết nối vũ trụ của chúng ta với mọi vũ trụ có thể có. (Hãy tưởng tượng có vô số các bong bóng xà phòng đang trôi nổi trong không khí, tất cả được kết nối bằng các sợi dây nhỏ hay các lỗ giun, và sau đó cộng tất cả chúng lại với nhau.)
Cuối cùng, phương pháp đầy tham vọng của Hawking làm dấy lên nhiều nghi ngờ. Người ta đã chỉ ra rằng tổng của mọi vũ trụ có thể có là một con số không đáng tin cậy về mặt toán học, ít nhất là cho đến khi chúng ta đã có một “thuyết vạn vật” để định hướng. Cho đến khi nào một thuyết vạn vật được xây dựng, các nhà phê bình đã lập luận rằng người ta không thể thật sự tin tưởng bất kỳ một tính toán nào về các cỗ máy thời gian, các lỗ giun, thời khắc của vụ nổ lớn và các hàm sóng của vũ trụ.
Tuy nhiên, ngày nay vô số các nhà vật lý tin rằng chúng ta cuối cùng đã tìm thấy thuyết vạn vật, mặc dù nó vẫn chưa hoàn thiện: thuyết dây, hay thuyết M. Phải chăng thuyết này sẽ cho phép chúng ta “đọc được Ý Chúa”, như Einstein đã tin?