Các thí nghiệm tưởng tượng của Einstein như những quả lựu đạn quăng vào ngôi đền cơ học lượng tử nhưng chẳng thể gây hư hại gì. Trên thực tế, chúng còn giúp kiểm chứng lý thuyết này và cho phép người ta hiểu rõ hơn về những hệ quả của nó. Tuy vậy, Einstein vẫn kiên trì phản đối lý thuyết đó, và ông tiếp tục hình dung ra những cách mới để chứng tỏ rằng những điểm bất định nằm trong cốt lõi của các diễn giải của Niels Bohr, Werner Heisenberg, Max Born cùng nhiều người khác chỉ có nghĩa là họ đã bỏ sót điều gì đó khi giải thích “thực tại”.

Ngay trước khi rời châu Âu năm 1933, Einstein đã tới dự một buổi giảng của Léon Rosenfeld195, một nhà vật lý người Bỉ có thiên hướng triết học. Khi bài giảng kết thúc, từ hàng ghế khán giả, Einstein đứng lên đặt câu hỏi. Ông đưa ra giả định: “Giả sử có hai hạt được cho chuyển động về phía nhau với cùng một động lượng rất lớn, và chúng tương tác với nhau trong một thời gian rất ngắn khi đi qua những vị trí đã biết”. Khi các hạt nảy ra xa nhau, người quan sát đo được động lượng của một trong hai hạt. “Khi đó, từ các điều kiện của thí nghiệm, anh ta hiển nhiên sẽ suy ra được động lượng của hạt còn lại,” Einstein nói. “Và nếu anh ta chọn đo vị trí của hạt thứ nhất, anh ta sẽ có thể nói hạt thứ hai nằm ở đâu.”

Vì hai hạt này cách xa nhau nên Einstein có thể khẳng định, hoặc chí ít là giả định, rằng “toàn bộ tương tác vật lý giữa chúng đều ngừng lại”. Vì vậy, thách thức mà ông đặt ra cho những người diễn giải cơ học lượng tử theo trường phái Copenhagen – dưới dạng câu hỏi dành cho Rosenfeld – có thể diễn đạt đơn giản như sau: “Phép đo thực hiện trên hạt thứ nhất ảnh hưởng như thế nào đến trạng thái cuối cùng của hạt thứ hai?”

Qua nhiều năm, Einstein ngày càng tin theo khái niệm của chủ nghĩa duy thực rằng có một “trạng thái thực tồn” tồn tại “độc lập với quan sát của chúng ta”. Niềm tin này góp phần khiến ông không hài lòng với nguyên lý bất định của Heisenberg và các nguyên lý khác của cơ học lượng tử vốn khẳng định quan sát quyết định thực tại. Với câu hỏi dành cho Rosenfeld, Einstein triển khai một khái niệm khác: Tính cục bộ196. Nói cách khác, nếu hai hạt nằm cách xa nhau trong không gian, thì bất cứ điều gì xảy ra với hạt này đều độc lập với những gì xảy ra với hạt kia, và không tín hiệu, hay lực hay ảnh hưởng nào giữa chúng có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng.

Việc quan sát hay tác động mạnh vào hạt này, theo Einstein, không thể lập tức xô đẩy hay gây ảnh hưởng đến hạt kia, vốn đang ở tít xa. Cách duy nhất để một tác động lên một hệ lại gây ảnh hưởng tới một hệ ở xa là trong trường hợp có một loại sóng, hay tín hiệu hoặc thông tin nào đó di chuyển giữa chúng – một quá trình phải tuân thủ giới hạn về tốc độ ánh sáng. Điều này thậm chí đúng với cả lực hấp dẫn. Nếu Mặt trời bỗng nhiên biến mất, nó sẽ không gây ảnh hưởng tới quỹ đạo của Trái đất trong khoảng 8 phút – thời gian cần thiết để sự thay đổi trong trường hấp dẫn lan tới Trái đất với tốc độ ánh sáng.

Như Einstein nói: “Có một giả thuyết, mà theo ý kiến của tôi, chúng ta nên nắm lấy thật nhanh: Trạng thái thực tồn của hệ S2 độc lập với những gì được thực hiện trong hệ S1 nếu hệ này tách biệt về mặt không gian với hệ S2.” Điều này mang tính trực quan đến mức dường như là hiển nhiên. Nhưng như Einstein đã nói, nó là một “giả thuyết”. Nó chưa bao giờ được chứng minh.

Đối với Einstein, tính duy thực và tính cục bộ là những nền tảng liên hệ nhau vật lý. Như ông đã tuyên bố với ông bạn Max Born, và nói ra một cụm từ đáng nhớ. “Vật lý phải đại diện cho một thực tại trong thời gian và không gian, không chịu tác dụng ma quỷ từ xa.”

Khi đã ổn định tại Princeton, Einstein bắt đầu sửa lại thí nghiệm tưởng tượng này. Walther Mayer – người kề vai sát cánh với ông, không trung thành với Einstein như Einstein trung thành với ông ta – đã rời khỏi chiến tuyến của cuộc đối đầu với cơ học lượng tử, vì vậy Einstein tranh thủ sự giúp đỡ của Nathan Rosen, một đồng nghiệp 26 tuổi mới về làm việc tại Viện, và Boris Podolsky, nhà vật lý 49 tuổi mà Einstein đã gặp tại Caltech và chuyển đến Viện từ sau cuộc gặp gỡ.

Kết quả là bài báo dài bốn trang, được công bố vào tháng Năm năm 1935 và được gọi là bài báo EPR (cái tên này được hợp thành từ những chữ cái đầu của tên các tác giả), là bài báo quan trọng nhất của Einstein sau khi ông chuyển tới Mỹ. Câu hỏi được các tác giả đặt ra ngay trong nhan đề: “Có thể xem lối mô tả cơ học lượng tử về thực tại vật lý là hoàn chỉnh hay không?”

Rosen phụ trách các tính toán, còn Podolsky viết bản tiếng Anh. Dù họ đã trao đổi nội dung kỹ càng, nhưng Einstein không hài lòng khi thấy Podolsky vùi lấp vấn đề rõ ràng thuộc về khái niệm dưới nhiều hình thức luận toán học. Ngay sau khi bài viết được công bố, Einstein phàn nàn với Schrödinger: “Nó không đúng như ý tôi lúc đầu. Thay vì thế, có thể nói, điều cốt yếu đã bị hình thức luận bóp nghẹt.”

Einstein cũng bực mình với việc Podolsky tiết lộ nội dung cho tờ New York Times trước khi bài báo được công bố. Tờ này giật tít: “Einstein tấn công lý thuyết lượng tử/ Nhà khoa học cùng hai đồng nghiệp thấy nó chưa ‘hoàn chỉnh’ mặc dù ‘đúng’”. Tất nhiên, Einstein thỉnh thoảng vẫn chịu trả lời phỏng vấn về những bài báo sắp ra, nhưng lần này ông tuyên bố thấy thất vọng với cách làm này. Trong một tuyên bố gửi tờ Times, ông viết: “Nguyên tắc không đổi của tôi là chỉ bàn về các vấn đề khoa học trong những diễn đàn phù hợp, và tôi không tán thành việc công bố trước bất cứ điều gì liên quan đến những vấn đề như vậy trên báo chí bình thường.”

Einstein và hai đồng tác giả bắt đầu bằng cách định nghĩa tiền đề duy thực của mình: “Nếu ta có thể tiên đoán chắc chắn giá trị của một đại lượng vật lý mà không gây nhiễu hệ thống theo bất cứ cách nào, thì sẽ có một yếu tố của thực tại vật lý tương ứng với đại lượng vật lý này.” Nói cách khác, nếu bằng một quá trình nào đó, ta có thể biết tuyệt đối chắc chắn vị trí của một hạt mà không gây nhiễu hạt đó khi quan sát nó, thì khi đó chúng ta có thể nói rằng vị trí của hạt đó là thật, rằng nó tồn tại trên thực tế và hoàn toàn độc lập với những quan sát của chúng ta.

Bài báo tiếp tục mở rộng thí nghiệm tưởng tượng của Einstein về hai hạt đã va chạm (hoặc đã bay theo những hướng ngược nhau do sự phân rã của một nguyên tử) và do đó có những tính chất tương quan với nhau. Các tác giả khẳng định rằng ta có thể tiến hành các phép đo trên hạt thứ nhất, và từ đó thu được hiểu biết về hạt thứ hai mà “không gây ảnh hưởng gì tới hạt thứ hai này”. Bằng cách đo vị trí của hạt thứ nhất, ta có thể xác định chính xác vị trí của hạt thứ hai. Ta có thể tiến hành tương tự đối với phép đo động lượng. “Đúng theo tiêu chí của chúng ta về thực tại, trong trường hợp đầu tiên chúng ta phải xem đại lượng P là một yếu tố của thực tại, còn trong trường hợp thứ hai, yếu tố thực tại là đại lượngQ.”

Nói đơn giản hơn: tại bất kỳ thời điểm nào, hạt thứ hai mà ta không quan sát cũng có vị trí thực và động lượng thực. Hai tính chất này là những đặc điểm của thực tại mà cơ học lượng tử không giải thích được. Vì vậy, câu trả lời cho câu hỏi đặt ra ở phần nhan đề phải là: Không, việc mô tả thực tại của cơ học lượng tử là chưa hoàn chỉnh.

Các tác giả lập luận, còn một khả năng khác là quá trình đo hạt thứ nhất ảnh hưởng đến thực tại của vị trí và động lượng của hạt thứ hai. Tuy nhiên, họ kết luận: “Không có định nghĩa hợp lý nào về thực tại có thể cho phép điều này.”

Wolfgang Pauli viết cho Heisenberg một bức thư dài và giận dữ. “Einstein lại phát biểu công khai về vấn đề cơ học lượng tử (cùng với Podolsky và Rosen – tiện đây xin nói, đó chẳng phải là những người đồng hành tốt đẹp gì),” ông nổi cơn thịnh nộ. “Và ai cũng biết, mỗi khi chuyện này xảy ra thì đó đúng là một thảm họa.”

Khi bài báo EPR đến tay Niels Bohr ở Copenhagen, Bohr nhận ra rằng lại một lần nữa ông phải đảm nhiệm vai trò mà ông đã đóng rất tốt tại các hội nghị Solvay – đó là bảo vệ cơ học lượng tử trước một cuộc tấn công khác của Einstein. Một đồng nghiệp của Bohr thuật lại: “Sự công kích này bất thình lình giáng xuống chúng tôi. Tác động của nó lên Bohr đặc biệt rõ rệt.” Bohr thường phản ứng trước những tình huống như vậy bằng cách đi vòng quanh và lẩm bẩm: “Einstein… Einstein… Einstein!” Lần này Bohr thêm một số vần hiệp trợ: “Podolsky, Opodolsky, Iopodolsky, Siopodolsky…”

Đồng nghiệp của Bohr nhớ lại: “Mọi việc khác đều phải tạm dừng. Chúng tôi phải giải quyết sự hiểu lầm này ngay.” Mặc dù chịu sức ép căng thẳng như thế, song Bohr vẫn mất hơn sáu tuần bực bội, viết, rồi sửa, rồi đọc và đọc to trước khi cuối cùng cũng gửi đòn đáp trả của mình cho EPR.

Bài đáp trả dài hơn EPR. Trong đó, Bohr phần nào rút khỏi một điểm vốn là một phương diện của nguyên lý bất định: các sự nhiễu cơ học do hành động quan sát tạo ra là nguyên nhân gây ra tính bất định. Bohr thừa nhận rằng trong thí nghiệm tưởng tượng của Einstein, “không có vấn đề về nhiễu cơ học ở hệ thống được nghiên cứu”.

Đây là sự thừa nhận quan trọng. Cho đến lúc đó, sự nhiễu do một phép đo gây ra là một phần trong cách giải thích vật lý của Bohr về tính bất định lượng tử. Tại các hội nghị Solvay, Bohr đã bác bỏ những thí nghiệm tưởng tượng tài tình của Einstein bằng cách chứng tỏ rằng hiểu biết đồng thời về vị trí và động lượng là không thể, ít nhất một phần vì việc xác định một thuộc tính sẽ gây ra nhiễu khiến ta không thể đo chính xác thuộc tính kia.

Tuy nhiên, sử dụng khái niệm tính bổ sung của chính mình, Bohr đưa thêm một cảnh báo quan trọng. Bohr chỉ ra rằng hai hạt này là một phần của một hiện tượng hoàn chỉnh. Vì đã tương tác với nhau nên hai hạt này “bị rối”. Chúng là một phần của một hiện tượng hay một hệ hoàn chỉnh có chức năng lượng tử.

Ngoài ra, như Bohr viết, bài báo EPR không hẳn gạt bỏ nguyên lý bất định; theo nguyên lý này, ta không thể cùng lúc biếtcả vị trí lẫn động lượng chính xác của một hạt. Einstein đã đúng khi cho rằng nếu ta đo vị trí của hạt A thì ta quả thật có thể xác định vị trí của hạt B sinh đôi ở xa của nó. Tương tự, nếu ta đo được động lượng của hạt A thì ta cũng có thể biết được động lượng của hạt B. Tuy nhiên, dù ta có thể hình dung việc đo vị trí và sau đó là động lượng của hạt A, và nhờ vậy gán “tính thực tại” của hạt A lên cũng những thuộc tính đó nơi hạt B, trên thực tế chúng ta vẫn không thể đo chính xáccả hai thuộc tính này cùng lúc trên hạt A, và vì vậy ta không thể biết chính xác các thông tin này ở hạt B. Brian Greene, khi thảo luận về bài đáp trả của Bohr, đã nói đơn giản như sau: “Nếu ta không có trong tay cả hai thuộc tính của hạt bay sang phải thì ta cũng không có cả hai thuộc tính này của hạt bay sang trái. Vì vậy, chẳng có mâu thuẫn nào với nguyên lý bất định ở đây.”

Tuy nhiên, Einstein tiếp tục quả quyết rằng ông đã chỉ ra được một ví dụ quan trọng cho thấy sự chưa hoàn chỉnh của cơ học lượng tử bằng cách chứng minh cơ học lượng tử đã phá vỡ nguyên lý phân tách như thế nào; theo nguyên lý phân tách, hai hệ nằm tách rời trong không gian tồn tại độc lập với nhau. Tương tự, nó cũng phá vỡ nguyên lý cục bộ có liên quan; theo nguyên lý cục bộ, một tác động lên một trong hai hệ không thể gây ảnh hưởng lập tức đến hệ kia. Là một người trung thành với lý thuyết trường – lý thuyết định nghĩa thực tại bằng việc sử dụng thể không – thời gian liên tục, Einstein tin rằng tính phân tách là một đặc tính cơ bản của tự nhiên. Đồng thời, là một người bảo vệ cho Thuyết Tương đối của chính mình – lý thuyết đã bác bỏ quan điểm của cơ học Newton cho rằng vũ trụ có tác dụng ma quỷ từ xa, thay vào đó quy định rằng các tác động như vậy tuân theo giới hạn về tốc độ ánh sáng – ông cũng tin vào tính cục bộ.

Con mèo của Schrödinger

Mặc dù thành công trong vai trò là người tiên phong trong lĩnh vực lượng tử, song Erwin Schrödinger lại là một trong những người giúp Einstein hạn chế phần nào sự đồng thuận về lối diễn giải Copenhagen. Liên minh của họ được hình thành qua các hội nghị Solvay, nơi Einstein vào vai luật sư của Chúa, còn Schrödinger theo dõi với cảm giác lẫn lộn giữa sự tò mò và đồng cảm. Đó là một cuộc đấu tranh đơn độc, Einstein than vãn trong một bức thư gửi cho Schrödinger năm 1928: “Cái kiểu triết lý – hay tôn giáo? – làm vững tâm của Heisenberg – Bohr đã được xây dựng tinh vi đến độ lúc này đây nó trao cho những tín đồ đích thực một chiếc gối êm ái mà anh ta chẳng dễ dàng gì dứt ra để ngồi dậy.”

Vì vậy, chẳng có gì ngạc nhiên khi Schrödinger gửi cho Einstein một bức thư chúc mừng ngay khi đọc được bài báo EPR. “Ông đã nắm lấy yết hầu của cơ học lượng tử giữa thanh thiên bạch nhật,” ông viết. Một vài tuần sau, Schrödinger vui vẻ viết thêm: “Giống như con cá măng trong bể cá vàng, nó khiến mọi người chộn rộn hết cả lên.”

Schrödinger đã ghé thăm Princeton, và Einstein vẫn đang mong đợi trong vô vọng rằng có thể thuyết phục Flexner tuyển dụng Schrödinger về Viện. Trong những cuộc trao đổi sau đó của ông với Schrödinger, Einstein bắt đầu hợp sức với Schrödinger tìm cách phát hiện những lỗ hổng trong cơ học lượng tử.

Einstein thẳng thừng tuyên bố: “Tôi không tin vào nó”. Ông chế giễu ý niệm cho rằng có thể có một “tác dụng ma quỷ từ xa” thật là “duy linh”, và công kích quan điểm cho rằng không có thực tại nào ngoài khả năng quan sát sự vật của chúng ta. Ông nói: “Cuộc say sưa đẫm tinh thần nhận thức luận này phải tự triệt,” ông nói. “Tuy nhiên, chắc ông sẽ cười tôi và nghĩ rằng rốt cuộc thì các cô nàng ăn chơi thời trẻ sẽ trở thành những bà sơ già tối ngày cầu nguyện, và những nhà cách mạng lúc tuổi đương xuân rồi sẽ trở thành một kẻ phản động già nua.” Schrödinger quả thật đã mỉm cười, như ông viết trong thư trả lời Einstein, vì ông cũng đang dần chuyển từ một nhà cách mạng thành một kẻ phản động già.

Einstein và Schrödinger bất đồng về một vấn đề. Schrödinger không thấy khái niệm tính cục bộ quan trọng. Ông thậm chí còn đặt ra một thuật ngữ mà chúng ta hiện đang sử dụng, rối, để mô tả mối tương quan tồn tại giữa hai hạt từng có tương tác nhưng sau đó cách xa nhau. Trạng thái lượng tử của hai hạt từng tương tác sau đó phải được mô tả cùng nhau, bất cứ thay đổi nào tác động lên một hạt cũng sẽ lập tức được phản ánh ở hạt kia dù chúng cách nhau xa thế nào đi nữa. Schrödinger viết: “Hiện tượng rối của các dự đoán xuất phát từ việc tại một thời điểm nhất định trước đó, hai vật đã hình thành một hệ, đúng theo nghĩa đó, hay nói cách khác chúng đã tương tác với nhau và để lại những dấu vết lên nhau,” Schrödinger viết. “Nếu hai vật tách biệt được đưa vào tình huống trong đó chúng ảnh hưởng lẫn nhau rồi lại tách ra, thì khi đó sẽ diễn ra cái mà tôi gọi là sự rối trong kiến thức của chúng ta về chúng.”

Einstein và Schrödinger bắt đầu cùng nhau khám phá một cách thức khác – một cách không xoay quanh các vấn đề về tính cục bộ hay tính phân tách – để đặt ra các câu hỏi về cơ học lượng tử. Phương pháp mới của họ là tìm hiểu xem điều gì sẽ xảy ra khi một sự kiện trong địa hạt lượng tử, địa hạt bao gồm các hạt hạ nguyên tử, tương tác với các vật thể trong thế giới vĩ mô, thế giới bao gồm cả những gì mà chúng ta thấy được trong cuộc sống thường ngày.

Trong địa hạt lượng tử, một hạt, chẳng hạn electron, không có vị trí xác định tại bất kỳ thời điểm cụ thể nào. Thay vào đó, một hàm số toán học, được gọi là hàm sóng, sẽ mô tả xác suất tìm thấy hạt này ở một vị trí cụ thể nào đó. Những hàm sóng này cũng mô tả trạng thái lượng tử, chẳng hạn như xác suất một nguyên tử bị phân rã trong quá trình quan sát. Năm 1925, Schrödinger đã đưa ra một phương trình nổi tiếng mô tả các sóng truyền và lan tỏa khắp không gian này. Phương trình của ông xác định xác suất tìm thấy một hạt ở một vị trí hoặc một trạng thái cụ thể trong quá trình quan sát.

Theo lối diễn giải Copenhagen mà Niels Bohr và những đồng nghiệp tiên phong về cơ học lượng tử của ông phát triển, trước khi tiến hành quan sát, tính thực tại về vị trí hay trạng thái của hạt chỉ bao gồm những xác suất như vậy mà thôi. Bằng cách đo hoặc quan sát hệ này, người quan sát khiến hàm sóng suy sụp, và làm xuất hiện một vị trí hoặc trạng thái cụ thể.

Trong một bức thư gửi Schrödinger, Einstein đưa ra một thí nghiệm tưởng tượng sinh động chứng tỏ tại sao toàn bộ cuộc tranh luận về các hàm sóng và xác suất, cũng như về các hạt không có vị trí xác định cho đến khi được quan sát, không vượt qua được bài kiểm tra về tính hoàn chỉnh của ông. Ông tưởng tượng ra hai chiếc hộp, trong hai hộp này có một hộp chứa một quả bóng. Khi ta chuẩn bị nhìn vào một trong hai hộp, 50% khả năng là quả bóng đang ở trong hộp đó. Sau khi ta nhìn vào hộp, khả năng quả bóng nằm trong hộp đó hoặc là 100% hoặc là 0%. Nhưng trên thực tế, ngay từ đầu quả bóng đã nằm ở một trong hai hộp. Einstein viết:

Tôi xin mô tả sự việc như sau: Xác suất 50% là trái bóng sẽ nằm trong hộp thứ nhất. Đó có phải là một mô tả hoàn chỉnh không? KHÔNG. Một khẳng định hoàn chỉnh phải là: Quả bóng nằm (hoặc không nằm) trong hộp thứ nhất. Đó là cách mô tả đặc điểm sự việc phải xuất hiện trong một mô tả hoàn chỉnh. có: Trước khi tôi mở hộp ra, quả bóng chắc chắn nằm ở một trong hai chiếc hộp. Việc nó nằm trong một chiếc hộp nhất định chỉ diễn ra khi tôi mở hộp ra.

Einstein rõ ràng thích cách giải thích đầu tiên hơn, đó là một tuyên bố mang tinh thần duy thực. Ông cảm thấy có gì đó chưa hoàn chỉnh ở câu trả lời thứ hai, vốn là cách cơ học lượng tử giải thích mọi thứ.

Lập luận của Einstein dựa trên điều có vẻ là hiểu biết thông thường. Tuy nhiên, đôi khi điều tưởng như hợp lý hóa ra lại không phải là một mô tả hay về tự nhiên. Einstein nhận ra điều này khi ông phát triển Thuyết Tương đối; ông đã bác bỏ hiểu biết thông thường được chấp nhận vào thời điểm đó về thời gian và buộc chúng ta phải thay đổi cách tư duy về tự nhiên. Cơ học lượng tử cũng đang làm điều tương tự. Nó khẳng định rằng các hạt không có trạng thái xác định trừ khi được quan sát, và hai hạt có thể trong trạng thái rối khiến việc quan sát một hạt giúp xác định được ngay tính chất của hạt kia. Ngay khi một quan sát được thực hiện, hệ đó sẽ đi vào trạng thái cố định.

Einstein không bao giờ chấp nhận đây là mô tả hoàn chỉnh về thực tại, và cùng với những điều này, vài tuần sau đó, đầu tháng Tám năm 1935, ông đề xuất với Schrödinger một thí nghiệm tưởng tượng khác. Thí nghiệm này liên quan đến một tình huống trong đó cơ học lượng tử sẽ chỉ gán xác suất, mặc dù kiến thức thông thường khẳng định rằng rõ ràng có một thực tại nền tảng tồn tại xác định. Hãy tưởng tượng có một đống thuốc súng, mà tính không bền của một hạt sẽ gây nổ vào một thời điểm nào đó, Einstein nói. Phương trình cơ học lượng tử cho tình huống này “mô tả một dạng kết hợp các hệ chưa nổ và đã nổ”. Nhưng đây không phải là “trạng thái có thực của sự việc,” Einstein nói: “Vì trên thực tế, không có sự trung gian giữa nổ và chưa nổ.”

Schrödinger cũng đưa ra một thí nghiệm tưởng tượng tương tự, nhưng thay vì thuốc súng, ông sử dụng một con mèo giả tưởng, thí nghiệm này chẳng mấy chốc sẽ trở nên nổi tiếng trong việc biểu thị sự kỳ lạ cố hữu khi tính bất định trong địa hạt lượng tử tương tác với thế giới bình thường gồm các vật thể lớn hơn. Ông nói với Einstein: “Trong một bài luận dài mà tôi mới viết xong, tôi đã đưa ra một ví dụ rất giống với thùng thuốc nổ của ông.”

Trong bài viết được công bố vào tháng Mười một này, Schrödinger hào phóng ghi công cho Einstein và bài báo EPR vì đã “mang tới động lực” cho lập luận của ông. Bài viết nhắm vào khái niệm cốt lõi trong cơ học lượng tử, cụ thể là quan điểm cho rằng không thể xác định thời gian một hạt phát ra từ hạt nhân phân rã cho đến khi hạt đó được quan sát. Trong thế giới lượng tử, một hạt nhân ở trong “trạng thái chồng chập”, có nghĩa là nó tồn tại đồng thời ở hai trạng thái – bị phân rã và không bị phân rã – cho đến khi được quan sát, và cũng tại thời điểm quan sát này, hàm sóng của nó suy sụp và nó trở thành hàm sóng của trạng thái phân rã hoặc chưa phân rã.

Có thể hiểu điều này trong địa hạt lượng tử vi mô, nhưng mọi sự sẽ rối tung khi ta tưởng tượng đến sự giao nhau giữa địa hạt lượng tử và thế giới quan sát được hằng ngày của chúng ta. Vì vậy, trong thí nghiệm tưởng tượng của mình, Schrödinger đặt ra câu hỏi: Khi nào một hệ ngưng nằm trong trạng thái chồng chập tập hợp cả hai trạng thái và xuất hiện là một thực tại?

Câu hỏi này dẫn tới số phận bất định của một con vật tưởng tượng, được định trước là sẽ trở thành bất tử bất kể sống hay chết, và được gọi là con mèo của Schrödinger:

Người ta thậm chí có thể dựng lên những trường hợp khá buồn cười. Một con mèo bị nhốt trong một buồng bằng thép cùng với thiết bị sau (thiết bị này phải được đảm bảo an toàn khỏi sự tác động trực tiếp của con mèo): Trong máy đếm Geiger, có một chất phóng xạ với hàm lượng vô cùng nhỏ, nhỏ đến độ có lẽ trong thời gian một tiếng, một nguyên tử của nó có thể sẽ phân rã, nhưng cũng có thể không phân rã, với xác suất như nhau. Nếu hiện tượng phân rã xảy ra, ống đếm sẽ xả và qua rơ-le, nó sẽ khiến chiếc búa đập vỡ một cái bình nhỏ đựng axít hyđrô xianua. Nếu ta để mặc toàn bộ hệ thống này trong vòng một giờ, ta sẽ nói rằng con mèo đó vẫn sống nếu trong thời gian đó không nguyên tử nào phân rã. Hàm psi197 của toàn bộ hệ thống sẽ thể hiện điều này bằng cách bao hàm cả con mèo sống và chết (xin thứ lỗi vì cách nói này) trộn lẫn hoặc nhòe vào nhau.

Einstein rùng mình. Ông viết thư trả lời: “Con mèo của anh cho thấy rằng chúng ta hoàn toàn đồng ý với nhau trong cách đánh giá về đặc tính của lý thuyết hiện thời (cơ học lượng tử). Một hàm psi có trong nó cả con mèo sống lẫn con mèo chết không thể được xem là một mô tả cho một trạng thái thực tế của sự việc.”

Trường hợp con mèo của Schrödinger đã làm nảy ra hàng loạt những phản ứng tiếp tục thúc đẩy những mức độ hiểu biết khác nhau. Điều đó đủ để nói rằng theo lối diễn giải Copenhagen về cơ học lượng tử, một hệ ngưng ở trạng thái chồng chập và chuyển thành một thực tại đơn nhất khi nó bị quan sát, nhưng không có gì xác định được tiêu chí cho những thứ cấu thành nên một quan sát như vậy. Con mèo có thể là kẻ quan sát không? Con bọ chét? Chiếc máy tính? Hay một thiết bị ghi cơ học thì sao? Không có câu trả lời xác quyết nào. Tuy nhiên, tất cả chúng ta đều biết rằng các hiệu ứng lượng tử thường không quan sát được trong thế giới khả kiến thường nhật của chúng ta, bao gồm cả con mèo và thậm chí con bọ chét. Vì vậy, hầu hết các tín đồ cơ học lượng tử không lập luận rằng con mèo của Schrödinger ngồi trong buồng trong trạng thái vừa sống vừa chết cho đến khi cửa buồng được mở ra.

Einstein chưa bao giờ mất niềm tin rằng các thí nghiệm tưởng tượng về con mèo của Schrödinger và thuốc súng của ông năm 1935 có thể phơi bày sự thiếu hoàn chỉnh của cơ học lượng tử. Ông cũng không nhận công lao lịch sử xứng đáng là đã giúp con mèo tội nghiệp đó ra đời. Trên thực tế, sau này ông còn ghi công nhầm cho Schrödinger về cả hai thí nghiệm tưởng tượng trong một bức thư nói rằng con vật này bị nổ, chứ không phải bị dính thuốc độc. Năm 1950, Einstein viết cho Schrödinger: “Các nhà vật lý đương đại có lẽ tin rằng lý thuyết lượng tử đưa đến một mô tả, thậm chí là hoàn chỉnh, về thực tại. Tuy nhiên, lối diễn giải này đã bị bác lại một cách uyển chuyển bởi hệ thống gồm nguyên tử phóng xạ + bộ đếm Geiger + bộ khuếch đại + bộ nhồi thuốc súng + con mèo trong chiếc hộp của anh, trong đó hàm psi của hệ chứa cả con mèo còn sống lẫn con mèo bị nổ banh xác thành từng mảnh.”

Những cái gọi là sai lầm của Einstein, chẳng hạn hằng số vũ trụ mà ông thêm vào các phương trình trường hấp dẫn, lại thường trở nên lý thú hơn thành công của những người khác. Điều này cũng đúng với các đòn gạt của ông trước Bohr và Heisenberg. Bài báo EPR, dù không thành công trong việc chứng tỏ rằng cơ học lượng tử sai, nhưng cuối cùng lại chỉ ra rõ rằng cơ học lượng tử, đúng như Einstein lập luận, không tương thích với cách hiểu thông thường của chúng ta về tính cục bộ – ác cảm của chúng ta đối với tác dụng ma quỷ từ xa. Điều kỳ lạ là rõ ràng Einstein đã đúng hơn nhiều so với cả những gì ông mong đợi.

Trong nhiều năm kể từ khi ông đưa ra thí nghiệm tưởng tượng EPR, ý tưởng về sự rối và tác dụng ma quỷ từ xa – hiện tượng kỳ lạ trong địa hạt lượng tử, trong đó việc quan sát một hạt có thể lập tức tác động đến một hạt khác ở xa – đã ngày càng trở thành nội dung được nhiều nhà vật lý thực nghiệm nghiên cứu. Năm 1951, David Bohm198, một Phó giáo sư tài ba ở Princeton, đã chỉnh lý thí nghiệm tưởng tượng EPR sao cho tính đến cả “spin” đối song của hai hạt bay ra xa nhau sau khi tương tác. Năm 1964, John Stewart Bell199, làm việc ở trung tâm nghiên cứu hạt nhân CERN gần Geneva, đã viết một bài báo đề xuất một cách tiến hành thí nghiệm dựa trên phương pháp này.

Bell khó chịu với cơ học lượng tử. Ông từng nói: “Nếu nghĩ rằng nó sai thì miễn cưỡng, nhưng tôi biết rằng nó chẳng có giá trị gì.” Thái độ này, cộng thêm sự ngưỡng mộ dành cho Einstein, đã khiến ông bày tỏ hy vọng rằng Einstein, chứ không phải Bohr, sẽ được chứng minh là đúng. Nhưng khi nhà vật lý người Pháp Alain Aspect200 và nhiều người khác thực hiện các thí nghiệm trong những năm 1980, họ đã đưa ra được những bằng chứng cho thấy tính cục bộ không phải là một đặc điểm của thế giới lượng tử. Còn “tác dụng ma quỷ từ xa”, hay chính xác hơn là hiện tượng rối tiềm ẩn của các hạt nằm cách xa nhau, lại là một đặc điểm của thế giới lượng tử.

Kể cả như vậy, cho đến cùng, Bell vẫn đánh giá cao các nỗ lực của Einstein. Ông nói: “Tôi thấy rằng sự vượt trội về tri thức của Einstein so với Bohr trong trường hợp này là rất lớn, đó là hố thẳm giữa một người thấy rõ cái gì cần thiết và một người chủ chương chính sách ngu dân. Vì vậy, đối với tôi, đáng tiếc là ý tưởng của Einstein không thành công. Điều hợp lý lại không đi đến đâu.”

Rối lượng tử – một ý tưởng được Einstein thảo luận năm 1935 như một cách làm suy yếu cơ học lượng tử – giờ lại là một trong những yếu tố kỳ lạ hơn nữa của vật lý vì nó quá phản trực quan. Mỗi năm, bằng chứng về nó lại tăng lên, và sự quan tâm của công chúng cũng tăng lên. Chẳng hạn, cuối năm 2005, tờ New York Times đã cho đăng một bài khảo sát có tựa đề “Thủ thuật lượng tử: Kiểm tra lý thuyết kỳ lạ nhất của Einstein” của Dennis Overbye; theo đó, nhà vật lý N. David Marmin của Đại học Cornell đã gọi nó là “điều gần với ma thuật nhất mà chúng ta có”. Năm 2006, tờ New Scientist đăng một bài viết có tiêu đề “Tác dụng ma quỷ của Einstein được phát hiện trên con chip,” bài viết mở đầu như sau:

Một con chip bán dẫn đơn giản được sử dụng để tạo ra các cặp photon rối vào nhau, đây là một bước quan trọng nhằm biến những chiếc máy tính lượng tử trở thành hiện thực. Nổi tiếng với tên gọi “tác dụng ma quỷ từ xa” do Einstein đặt ra, sự rối này là hiện tượng bí ẩn của các hạt lượng tử, trong đó hai hạt, chẳng hạn photon, cư xử như một thể thống nhất bất kể chúng cách nhau bao xa.

Tác dụng ma quỷ từ xa – hiện tượng trong đó điều xảy ra với một hạt ở một vị trí được phản ánh lập tức bởi một hạt khác cách xa hàng tỷ dặm – có vi phạm giới hạn về tốc độ ánh sáng không? Không, Thuyết Tương đối dường như vẫn an toàn. Hai hạt, dù cách xa nhau, nhưng vẫn thuộc về cùng một thực thể vật lý. Bằng cách quan sát một hạt, chúng ta có thể tác động đến các thuộc tính của hạt đó, và điều này có tương liên với những gì sẽ được quan sát ở hạt thứ hai. Tuy nhiên, không có thông tin nào được truyền, không có tín hiệu nào được gửi và không có mối quan hệ nhân quả truyền thống nào giữa hai hạt. Ta có thể chứng minh qua thí nghiệm tưởng tượng rằng không thể sử dụng rối lượng tử để gửi thông tin một cách tức thời. “Nói tóm lại,” nhà vật lý Brian Greene nhận định. “Thuyết Tương đối hẹp đã thoát chết trong gang tấc.”

Trong vài thập kỷ qua, nhiều nhà lý thuyết, bao gồm cả Murray Gell-Mann và James Hartle, đã áp dụng một cách nhìn cơ học lượng tử có nhiều điểm khác với lối diễn giải Copenhagen, và đề xuất một cách giải thích dễ hiểu hơn cho thí nghiệm tưởng tượng EPR. Cách diễn giải của họ dựa trên những lịch sử khác nhau của vũ trụ, và có phần thô thiển ở chỗ chúng chỉ theo dõi một số biến và lờ đi những biến còn lại. Những lịch sử “không nhất quán” này tạo nên một cấu trúc tựa cây, trong đó mỗi nhánh tại một thời điểm sẽ chia ra thành nhiều nhánh con tại thời điểm tiếp theo và cứ tiếp tục như thế.

Trong trường hợp thí nghiệm tưởng tượng EPR, vị trí của một hạt trong hai hạt được đo trên một nhánh lịch sử. Vì hai hạt có chung gốc, nên vị trí của hạt còn lại cũng được xác định. Trên một nhánh khác của lịch sử, ta có thể đo được động lượng của một trong hai hạt, và động lượng của hạt còn lại cũng được xác định. Ở mỗi nhánh, không có gì xuất hiện mà vi phạm các định luật của vật lý cổ điển. Thông tin về hạt này bao hàm thông tin tương ứng về hạt kia, nhưng không có gìxảy ra với hạt thứ hai do kết quả của việc đo lường hạt thứ nhất. Vì vậy, không có mối đe dọa nào đối với Thuyết Tương đối hẹp và việc cấm truyền thông tin tức thời của lý thuyết này. Điều đặc biệt ở cơ học lượng tử là ta không thể xác định đồng thời vị trí và động lượng của một hạt, vì vậy nếu việc xác định hai đại lượng này diễn ra, nó phải nằm trên những nhánh khác nhau của lịch sử.

“Vật lý và Thực tại”

Tranh luận cơ bản của Einstein với đám đông theo Bohr – Heisenberg về cơ học lượng tử không đơn thuần xoay quanh việc liệu Thượng đế có chơi trò xúc xắc hoặc để con mèo nửa sống nửa chết hay không. Nó cũng không nhắm vào tính nhân quả, tính cục bộ hay thậm chí tính hoàn chỉnh. Nó xoáy vào thực tại. Thực tại có tồn tại không? Cụ thể hơn, việc nói về một thực tại vật lý tồn tại độc lập với bất cứ quan sát nào mà ta có thể thực hiện thì có nghĩa lý gì không? Einstein đã nhận xét như sau về cơ học lượng tử: “Trung tâm của vấn đề không phải là vấn đề về tính nhân quả, mà là câu hỏi về tính duy thực.”

Bohr và những môn đệ của mình chế giễu quan điểm được cho là hợp lý khi nói về điều ẩn sau tấm màn của những cái mà ta có thể quan sát. Theo họ, tất cả những gì ta biết được chỉ là kết quả của những thí nghiệm và quan sát, chứ không phải là thực tại tối hậu nào đó nằm ngoài hiểu biết của ta.

Einstein đã thể hiện phần nào thái độ này năm 1905, thời kỳ ông đọc Hume và Mach trong khi bác bỏ những khái niệm không quan sát được như thời gian và không gian tuyệt đối. “Tại thời điểm đó, kiểu suy nghĩ của tôi gần với chủ nghĩa thực chứng hơn nhiều so với sau này,” ông nhớ lại. “Tôi chỉ tách khỏi chủ nghĩa thực chứng khi nghiên cứu Thuyết Tương đối rộng.”

Từ đó trở đi, Einstein ngày càng gắn bó với niềm tin rằng có một thực tại khách quan kiểu cổ điển. Và mặc dù có một số điểm nhất quán giữa những suy nghĩ ban đầu và những suy nghĩ sau này, ông vẫn chẳng nề hà thừa nhận rằng ít nhất trong tâm trí mình, quan điểm duy thực là một sự phân tách với chủ trương duy nghiệm theo Mach hồi đầu. “Cương lĩnh này không phù hợp với quan điểm của tôi hồi còn trẻ,” ông thừa nhận. Như nhà sử học Gerald Holton đã lưu ý: “Việc một nhà khoa học thay đổi một cách cơ bản đến vậy niềm tin triết học của mình quả thực hiếm.”

Quan niệm duy thực của Einstein có ba thành phần chính:

Có thể hình dung ra một tinh thần duy thực chỉ có hai, hoặc thậm chí một, trong ba thuộc tính này, và có lần Einstein đã băn khoăn về khả năng đó. Nhiều học giả đã tranh luận thành phần nào trong ba thành phần kể trên là cơ bản nhất cho tư duy của ông. Nhưng Einstein lại tiếp tục quay lại với hy vọng và niềm tin rằng cả ba thuộc tính này đi cùng nhau. Như ông phát biểu tại hội nghị các bác sỹ ở Cleveland lúc gần cuối đời. “Mọi thứ cần dẫn trở lại các vật thể mang tính khái niệm trong không gian và thời gian và các mối quan hệ tựa quy luật cho những vật thể này.”

Nằm ở trung tâm của chủ trương duy thực này là một sự kinh ngạc gần như mang tính tôn giáo, hoặc có lẽ trẻ con, trước cách thức mà tất cả các tri giác của chúng ta – những hình ảnh và âm thanh ngẫu nhiên mà ta trải nghiệm mỗi giây phút – khớp lại thành các dạng, tuân theo các quy luật, và có nghĩa. Khi những nhận thức này hợp lại cùng nhau để thể hiện cho điều có vẻ là đối tượng bên ngoài, chúng ta xem đó như một sự hiển nhiên, và chẳng thấy có gì đáng ngạc nhiên khi có những quy luật dường như chi phối hoạt động của các vật thể ấy.

Thế nhưng, cũng như cảm giác kinh ngạc lúc nhỏ khi lần đầu trầm trồ trước chiếc la bàn, Einstein cũng kinh ngạc trước việc có những quy luật quy định nhận thức của chúng ta thay vì sự ngẫu nhiên đơn thuần. Sự sùng kính dành cho tính dễ hiểu gây sửng sốt và bất ngờ ấy của vũ trụ là nền tảng cho chủ trương duy thực của ông và cũng là đặc điểm xác định cho cái mà ông gọi là đức tin tôn giáo nơi mình.

Ông đã bày tỏ điều này trong bài viết năm 1936, Vật lý và thực tại, bài viết ngay sau những màn xả thân bảo vệ tinh thần duy thực của mình trong các cuộc tranh luận về cơ học lượng tử. “Chính thực tế rằng toàn bộ kinh nghiệm cảm giác của chúng ta có thể được xếp đặt theo trật tự, bằng tư duy, đã khiến ta phải kinh ngạc,” ông viết. “Bí ẩn vĩnh viễn của thế giới chính là tính dễ hiểu của nó… Việc nó dễ hiểu là một điều kỳ diệu.”

Maurice Solovine, bạn và là người đã cùng Einstein đọc Hume và Mach trong những ngày còn ở Hội nghiên cứu Olympia, đã nói với Einstein rằng ông ta thấy “lạ” khi Einstein xem tính dễ hiểu của thế giới là một “điều kỳ diệu hay bí ẩn vĩnh viễn”. Einstein phản bác rằng, sẽ hợp lý khi giả định điều ngược lại đúng. Ông viết: “Chà, một cách tiên nghiệm, ta nên mong chờ một thế giới hỗn độn mà tâm trí không thể nào nắm bắt được theo bất cứ cách nào. Nhược điểm của những người theo chủ nghĩa thực chứng và những người theo thuyết vô thần chuyên nghiệp nằm ở đó.” Einstein thì không thuộc nhóm nào trong hai nhóm kể trên.

Đối với Einstein, niềm tin vào sự hiện hữu của một thực tại nền tảng có hào quang tôn giáo bao quanh nó. Cách nghĩ này khiến Solovine nản lòng, Solovine nói mình có “ác cảm” với kiểu nói như vậy. Einstein không đồng tình. “Tôi không có từ nào hay hơn là ‘tôn giáo’ cho niềm tin vào bản tính duy lý của thực tại và vào khả năng dễ tiếp cận nó, ở một mức độ nào đó, đối với lý tính con người. Khi cảm giác này thiếu vắng, khoa học sẽ xuống cấp và biến thành một thứ chủ nghĩa duy nghiệm thiếu suy xét.”

Einstein biết rằng thế hệ mới xem ông là một người bảo thủ cổ lỗ, bám vào những cái xác định xưa cũ của vật lý cổ điển, và điều này khiến ông buồn cười. Ông nói với Max Born: “Ngay cả thành công to lớn ban đầu của lý thuyết lượng tử cũng không khiến tôi tin vào trò xúc xắc. Mặc dù tôi biết rõ các đồng nghiệp trẻ diễn giải điều này là hệ quả của tình trạng lão suy.”

Born, vốn yêu quý Einstein, đồng ý với những người trẻ tuổi rằng Einstein giờ đã là một người “bảo thủ” chẳng khác gì những nhà vật lý của thế hệ trước đó đã hoài nghi trước Thuyết Tương đối của ông. “Ông ấy không còn tiếp nhận những ý tưởng vật lý mới vốn mâu thuẫn với những xác tín triết học mà ông ấy tin tưởng chắc chắn nữa.”

Nhưng Einstein thích nghĩ về bản thân (lại một lần nữa) là người nổi loạn, không chịu phục tùng, tò mò và ngoan cố chống lại những mốt nhất thời đang chiếm ưu thế, hơn là một người bảo thủ. Ông nói với Solovine năm 1938: “Sự cần thiết phải quan niệm về tự nhiên như là một thực tại khách quan bị xem là thành kiến cổ hủ, trong khi các nhà lý thuyết lượng tử lại được ca tụng. Mỗi thời kỳ lại bị chi phối bởi một không khí nhất định, với kết quả là hầu hết mọi người đều không thấy được cái ngạo ngược đang chi phối họ.”

Einstein cũng gắng phát triển phương pháp duy thực trong một cuốn giáo trình về lịch sử vật lý xuất bản năm 1938, mà ông là đồng tác giả, The Evolution of Physics [Sự tiến hóa của vật lý]. Niềm tin vào một thực tại khách quan, cuốn sách lập luận, đã đưa đến những tiến bộ khoa học vĩ đại qua các thời đại, điều đó chứng tỏ đây là một khái niệm hữu ích ngay cả khi không chứng minh được. “Nếu thiếu đi niềm tin rằng có thể nắm bắt thực tại bằng những công trình lý thuyết, thiếu đi niềm tin vào sự hài hòa nội tại của thế giới, sẽ không có khoa học,” cuốn sách tuyên bố. “Niềm tin này đang và sẽ mãi là động lực nền tảng cho mọi sáng tạo khoa học.”

Ngoài ra, Einstein cũng sử dụng cuốn sách này để bảo vệ cho tính khả dụng của các lý thuyết trường trước những bước tiến của cơ học lượng tử. Cách hay nhất để làm việc này là xem các hạt không phải như những đối tượng độc lập, mà là biểu hiện đặc biệt của bản thân trường:

Thật phi lý khi xem vật chất và trường là hai đặc tính khác hẳn nhau… Chúng ta không thể bác bỏ khái niệm vật chất và xây dựng một trường vật lý thuần túy hay sao? Chúng ta có thể xem vật chất như là các vùng trong không gian nơi có trường cực mạnh. Nhìn theo quan điểm này, một hòn đá bị ném đi là một trường đang thay đổi, trong đó các trạng thái có cường độ trường lớn nhất đi xuyên không gian với vận tốc của hòn đá.

Có lý do thứ ba, mang tính cá nhân hơn, khiến Einstein góp sức viết cuốn giáo trình này. Ông muốn giúp đỡ Leopold Infeld, một người Do Thái đã trốn khỏi Ba Lan. Infeld từng có thời gian ngắn cộng tác với Max Born ở Cambridge, rồi sau đó chuyển đến Princeton. Infeld bắt đầu nghiên cứu Thuyết Tương đối với Banesh Hoffmann, và đề xuất cả hai nên tự giới thiệu với Einstein. “Để xem ông ấy có muốn chúng ta cộng tác với ông ấy không,” Infeld đề xuất.

Einstein rất vui. Hoffmann nhớ lại: “Chúng tôi làm tất cả công việc đáng ghét như tính toán các phương trình. Chúng tôi báo cáo kết quả cho Einstein, và sau đó cứ như có một hội nghị đầu não. Đôi khi các ý tưởng của ông ấy dường như đến bất ngờ, vô cùng kỳ lạ.” Năm 1937, cùng với Infeld và Hoffmann, Einstein đã đưa ra những cách uyển chuyển giúp giải thích đơn giản hơn chuyển động của các hành tinh và các vật thể lớn tạo ra sự cong không gian.

Nhưng công trình của họ về lý thuyết trường thống nhất chưa bao giờ thật sự định hình. Có những lúc tình hình có vẻ vô vọng đến mức khiến Infeld và Hoffmann nản lòng. Hoffmann nhớ lại: “Nhưng lòng can đảm của Einstein thì chưa bao giờ suy suyển, cả óc sáng tạo của ông cũng vậy. Khi cuộc thảo luận hăng say không thoát khỏi bế tắc, Einstein chỉ nói khẽ bằng thứ tiếng Anh kỳ quặc của ông ‘tôi sẽ si nghĩ một chút201 ’”. Căn phòng trở nên im ắng, và Einstein sẽ chậm rãi đi lên, đi xuống hoặc đi vòng quanh, ngón tay cuộn lọn tóc. “Có một vẻ đắm vào suy tư, mơ mộng, xa xăm trên khuôn mặt ông ấy. Không có nét căng thẳng nào. Không có biểu thị bên ngoài nào cho thấy sự tập trung căng thẳng.” Sau vài phút, ông trở lại thế giới, “với nụ cười trên khuôn mặt và câu trả lời cho vấn đề trên môi”.

Einstein hài lòng với sự giúp đỡ của Infeld đến mức đã cố gắng thuyết phục Flexner bố trí cho Infeld một vị trí tại Viện. Nhưng Flexner, người khó chịu vì Viện đã buộc phải thuê Walther Mayer, do dự. Einstein thậm chí đã tới dự một cuộc họp nhóm, một việc hiếm thấy ở ông, để xin cho Infeld một khoản trợ cấp sinh hoạt hằng tháng là 600 USD nhưng không thành công.

Vì vậy, Infeld nảy ra kế hoạch viết về lịch sử vật lý với Einstein, một kế hoạch chắc chắn sẽ thành công và nhuận bút sẽ được chia đôi. Khi đến nhà Einstein để trình bày ý tưởng, Infeld bối rối không nói nên lời, nhưng cuối cùng cũng có thể nói ra đề xuất của mình. Einstein nói: “Đây là ý tưởng không tồi chút nào. Chúng ta sẽ bắt tay vào làm nó.”

Tháng Tư năm 1937, Richard Simon và Max Schuster, hai nhà sáng lập nhà xuất bản Simon & Schuster đã đến nhà Einstein ở Princeton để mua bản quyền cuốn sách. Schuster ưa giao du cố gắng chinh phục Einstein bằng những mẩu chuyện vui. Ông đã phát hiện một thứ nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng, ông nói: “Tốc độ một phụ nữ đến Paris để mua sắm”. Einstein thích thú, chí ít theo lời kể của Schuster là như vậy. Dù thế nào thì chuyến đi cũng đã thành công, và cuốn sách Evolution of Physics hiện đã được tái bản lần thứ 44, cuốn sách không chỉ tuyên truyền cho vai trò của lý thuyết trường và niềm tin vào thực tại khách quan, mà còn mang lại cho Infeld (và Einstein) sự đảm bảo hơn về mặt tài chính.

Chẳng ai có thể buộc tội Infeld là kẻ vô ơn. Sau này, Infeld đã gọi Einstein “có lẽ là nhà khoa học vĩ đại nhất và người tử tế nhất trên đời”. Ông cũng viết một cuốn tiểu sử tung hô Einstein khi người thầy của mình vẫn đang sống, ca ngợi việc Einstein sẵn sàng thách thức lối tư duy thông thường trong cuộc tìm kiếm một lý thuyết trường thống nhất. Ông viết: “Sự kiên trì theo đuổi một vấn đề trong nhiều năm và liên tục trở lại vấn đề đó là đặc trưng trong thiên tài của Einstein.”

Ngược dòng

Infeld có nói đúng không? Sự kiên trì là đặc trưng trong thiên tài của Einstein? Ở một mức độ nào đó ông luôn may mắn nhờ tính cách này, đặc biệt trong cuộc tìm kiếm đơn độc, đằng đẵng nhằm tổng quát hóa Thuyết Tương đối. Cũng ăn sâu trong ông kể từ những ngày còn đi học là sự sẵn sàng lội ngược dòng và phản bác những người có tiếng nói được xem là chân lý. Ta có thấy rõ toàn bộ điều này trong cuộc tìm kiếm một lý thuyết thống nhất của ông.

Tuy nhiên, mặc dù ông ưa tuyên bố rằng việc phân tích dữ liệu thực nghiệm đóng vai trò rất nhỏ bé trong việc xây dựng những lý thuyết lớn, ông lại được phú cho một trực giác giúp nắm bắt những kiến giải và nguyên lý có thể được rút ra từ tự nhiên dựa trên các thí nghiệm và quan sát hiện thời. Nhưng đặc điểm đó lúc này dần mờ nhạt đi.

Cuối những năm 1930, ông trở nên ngày càng xa rời các phát hiện thực nghiệm mới. Thay vì thống nhất, lực hấp dẫn và lực điện từ ngày càng tách rời khi người ta tìm thấy hai lực mới, lực hạt nhân yếu và lực hạt nhân mạnh. Người bạn Abraham Pais của Einstein nhớ lại: “Einstein chọn cách lờ đi những lực mới này dù chúng chẳng kém phần cơ bản so với hai lực đã được biết đến từ lâu. Ông ấy tiếp tục cuộc tìm kiếm cũ để hợp nhất lực hấp dẫn và lực điện từ.”

Ngoài ra, đầu những năm 1930, thêm nhiều hạt cơ bản mới đã được phát hiện. Đến khi đó số lượng các hạt này đã lên đến hàng chục, từ các hạt boson202 như photon và gluon, đến các hạt fermion203 như electron, positron, quark up, và quark down. Điều này chẳng có vẻ gì sẽ báo tin tốt lành cho hành trình thống nhất mọi thứ của Einstein. Người bạn Wolfgang Pauli, người về Viện làm việc cùng ông năm 1940, đã châm biếm về sự vô lý của cuộc tìm kiếm này. Ông này nói: “Thứ gì mà Thượng đế đã tách ra thì đừng ai mong nhập lại được.”

Einstein thấy những phát hiện mới có phần làm rối, nhưng ông vẫn thoải mái, chẳng bận tâm nhiều đến chúng. Ông viết cho Max von Laue: “Tôi có vui với những phát hiện mới thì cũng chỉ chút ít thôi vì hiện tại chúng có lẽ không giúp tôi hiểu được các nền tảng. Tôi cảm thấy mình như một đứa trẻ không hiểu nổi bảng chữ cái ABC, dù lạ là, tôi không từ bỏ hy vọng. Nói cho cùng thì ta đang đối mặt với một kẻ bí hiểm, chứ không phải với một gái gọi có thiện chí.”

Và thế là Einstein lại ngược dòng, không ngừng lần đường về quá khứ. Ông nhận ra rằng ông có được sự xa xỉ để theo đuổi hành trình đơn độc của mình – một điều quá mạo hiểm với các nhà vật lý trẻ vẫn đang cố gắng gây dựng tên tuổi; nhưng hóa ra, thường có ít nhất hai hoặc ba nhà vật lý trẻ tuổi bị thu hút bởi ánh hào quang của Einstein và sẵn sàng cộng tác với ông, dù phần lớn các nhà vật lý xem cuộc tìm kiếm lý thuyết trường thống nhất là viển vông.

Ernst Straus204, một trong những trợ lý trẻ tuổi này, đã nghiên cứu trên phương pháp mà Einstein theo đuổi trong gần hai năm. Một tối, Straus nản lòng nhận thấy rằng những phương trình của họ dẫn tới một số kết luận rõ ràng không thể đúng. Ngày hôm sau, ông và Einstein tìm hiểu vấn đề từ mọi góc độ, nhưng họ không thể tránh được kết quả đáng thất vọng. Vì vậy, họ về nhà sớm. Straus thấy buồn nản và cho rằng Einstein còn buồn nản hơn nữa. Nhưng ngày hôm sau, trước sự ngạc nghiên của Straus, Einstein lại hăm hở và phấn khích đưa ra một phương pháp khác. “Đó là khởi đầu của một lý thuyết hoàn toàn mới, mà cuối cùng cũng bị vứt vào thùng rác sau nửa năm làm việc và được thương tiếc chẳng lâu hơn lý thuyết trước đó là bao,” Straus nhớ lại.

Cuộc tìm kiếm của Einstein được dẫn dắt bởi trực giác rằng tính đơn giản của toán học, một thuộc tính mà ông chưa bao giờ định nghĩa được đầy đủ dù cảm thấy có thể hiểu nó như một đặc trưng của công trình tự nhiên. Thỉnh thoảng, khi một công thức tuyệt đẹp nổi lên, ông lại thốt lên với Straus: “Nó đơn giản quá, đáng lẽ Thượng đế không nên bỏ qua nó.”

Những bức thư thể hiện rõ sự hăng hái tiếp tục được gửi từ Princeton tới những người bạn, kể về tiến độ chiến dịch chống lại các nhà lý thuyết lượng tử, những người có vẻ gắn bó với xác suất và ác cảm với niềm tin vào một thực tại nền tảng. Năm 1938, ông viết cho Maurice Solovine: “Tôi đang cùng với những bạn trẻ nghiên cứu một lý thuyết cực kỳ lý thú mà tôi hy vọng sẽ giúp đánh bại những kẻ hiện ủng hộ huyền học và xác suất, cũng như ác cảm của họ với khái niệm thực tại trong lĩnh vực vật lý.”

Tương tự, các tít báo về những cái được cho là đột phá cũng tiếp tục tỏa ra từ Princeton. “Bay qua một đỉnh núi toán học cao ngất, Tiến sỹ Albert Einstein, người trèo lên đỉnh Alps của vũ trụ, cho biết đã nhìn thấy một dạng mới trong cấu trúc của không gian và vật chất,” William Laurence, phóng viên khoa học trứ danh của tờ New York Times tường thuật trong một bài đăng trên trang nhất năm 1935. Cũng vẫn tác giả đó và tờ báo này đã viết trên trang nhất của một số báo ra năm 1939: “Albert Einstein tiết lộ, ngày hôm nay, sau 20 năm tìm kiếm không ngừng nghỉ một định luật giúp giải thích toàn bộ cơ chế của vũ trụ, từ các vì sao và thiên hà trong không gian bao la vô tận xuyên tới những bí ẩn nằm ở trung tâm của các nguyên tử vô cùng nhỏ, cuối cùng ông đã nhìn thấy cái mà ông hy vọng là ‘Miền đất hứa của Tri thức’, nơi nắm giữ chìa khóa chủ chốt cho câu hỏi về sáng tạo.”

Những thành tựu trong thời tuổi trẻ một phần là nhờ khả năng thiên phú có thể tìm ra các thực tại vật lý cơ bản của ông. Ông có thể cảm nhận bằng trực giác những hệ quả của tính tương đối của toàn bộ chuyển động, sự không đổi của tốc độ ánh sáng và sự tương đương của khối lượng hấp dẫn và khối lượng quán tính. Từ đó, ông có thể xây dựng các lý thuyết dựa trên cảm giác vật lý. Nhưng càng về sau ông lại càng phụ thuộc nhiều hơn vào hình thức luận toán học, bởi nó đã dẫn dắt ông trong cuộc chạy đua nước rút hoàn thành các phương trình trường của Thuyết Tương đối rộng.

Giờ đây, trong cuộc tìm kiếm một lý thuyết thống nhất, dường như có nhiều hình thức luận toán học nhưng có rất ít hiểu biết vật lý cơ bản đang dẫn dắt ông. Banesh Hoffmann, một cộng sự của ông ở Princeton, nói: “Trong cuộc tìm kiếm Thuyết Tương đối rộng trước đó, Einstein được dẫn dắt bởi nguyên lý tương đương liên kết lực hấp dẫn với gia tốc. Vậy, những nguyên lý dẫn đường mở lối tương tự, có thể dẫn đến lý thuyết trường thống nhất đâu rồi? Không ai biết, thậm chí cả Einstein. Do vậy, cuộc tìm kiếm trường thống nhất giống như một cuộc dò dẫm giữa khu rừng toán học âm u với ánh sáng le lói của trực giác vật lý, hơn là một cuộc tìm kiếm đúng nghĩa.” Jeremy Bernstein sau này gọi đây chẳng là gì khác ngoài “một cuộc xào qua xáo lại ngẫu nhiên các công thức toán học mà chẳng thấy chút vật lý nào”.

Sau một thời gian, những dòng tít và những bức thư lạc quan thôi không còn được gửi đi từ Princeton nữa, và Einstein thừa nhận rằng ông, ít nhất là tại thời điểm đó, bối rối. Ông nói với tờ New York Times: “Tôi không lạc quan mấy.” Trong suốt nhiều năm, tờ báo này đã đặt tít cho từng bước được cho là đột phá của Einstein trên con đường hướng tới một lý thuyết thống nhất, nhưng lần này nhan đề tờ báo đặt ra chỉ đơn giản nói: “Einstein bị câu hỏi vũ trụ gây bối rối.”

Tuy nhiên, Einstein vẫn nhất quyết nói mình không thể “chấp nhận quan điểm cho rằng các sự kiện trong tự nhiên chỉ là trò may rủi”. Và vì vậy ông hứa sẽ tiếp tục cuộc tìm kiếm của mình. Thậm chí nếu thất bại, ông vẫn thấy nỗ lực này có ý nghĩa. Ông giải thích: “Nó mở ra cho con người cơ hội lựa chọn mục tiêu để vươn tới, và người ta có thể thấy dễ chịu với câu nói hay rằng cuộc tìm kiếm chân lý thì đáng quý hơn việc sở hữu nó.”

Vào khoảng sinh nhật lần thứ 60 của Einstein, đầu mùa xuân năm 1939, Niels Bohr ghé thăm Princeton trong chuyến đi kéo dài hai tháng. Einstein vẫn giữ phần nào sự xa cách đối với người bạn cũ và cũng là đối thủ của mình. Họ gặp nhau ở một số buổi tiệc, chuyện trò bâng quơ nhưng không thực hiện những màn vô-lê chuyền qua hứng lại các thí nghiệm tưởng tượng về sự kỳ quặc của lượng tử như xưa.

Trong suốt thời gian đó, Einstein chỉ đứng giảng một bài, và Bohr có tham dự. Bài giảng này bàn về những nỗ lực mới nhất nhằm tìm ra một lý thuyết trường thống nhất. Cuối bài giảng, Einstein nhìn Bohr chăm chăm và lưu ý rằng đã từ lâu ông cố gắng giải thích cơ học lượng tử theo cách đó. Nhưng ông nói rõ ông không muốn thảo luận vấn đề này xa hơn. “Bohr vô cùng thất vọng,” một phụ tá của ông nhớ lại.

Bohr mang đến Princeton một mẩu tin khoa học liên quan đến phát hiện của Einstein về mối liên kết giữa năng lượng và khối lượng, E = mc2. Ở Berlin, Otto Hahn205 và Fritz Strassman206 đã thu được một số kết quả thí nghiệm thú vị khi bắn phá uranium nặng bằng neutron. Những kết quả này đã được gửi cho đồng nghiệp cũ của họ là Lise Meitner, người vừa buộc phải chạy trốn tới Thụy Điển vì mang nửa dòng máu Do Thái. Đến lượt mình, Meitner lại chia sẻ chúng với cháu mình là Otto Frisch207, và họ kết luận rằng khi nguyên tử bị phân chia, hai hạt nhân nhẹ hơn được tạo ra, và một lượng nhỏ khối lượng mất đi đã biến thành năng lượng.

Sau khi chứng minh được kết quả, mà họ gọi là sự phân hạch, Frisch đã thông báo cho Bohr, đồng nghiệp của mình, người đang chuẩn bị lên đường thăm Mỹ. Khi đến Mỹ vào cuối tháng Một năm 1939, Bohr đã trình bày phát hiện mới này với các đồng nghiệp, và nó được đem ra thảo luận tại cuộc nhóm họp hằng tuần của các nhà vật lý ở Princeton, cuộc nhóm họp được biết đến với tên gọi Câu lạc bộ Tối thứ Hai. Cùng thời gian này, các kết quả của thí nghiệm đã được thực hiện lần nữa, và các nhà nghiên cứu bắt đầu cho ra hàng loạt bài báo về quá trình này, kể cả bài viết của Bohr với John Archibald Wheeler, một giáo sư vật lý trẻ tuổi.

Từ lâu, Einstein luôn hoài nghi khả năng khai thác năng lượng nguyên tử hay giải phóng năng lượng được ngụ ý trong phương trình E = mc2. Trong một chuyến thăm Pittsburgh năm 1934, người ta đã hỏi ông câu này, và ông đáp “việc tách nguyên tử bằng cách bắn phá nó hơi giống với việc bắn chim trong bóng tối ở nơi chỉ có vài con chim”. Câu trả lời này đưa đến một nhan đề như khẩu hiệu trên trang nhất báo Post-Gazette: “Hy vọng về năng lượng nguyên tử bị Einstein chặn lại/ Nỗ lực mở ra sức mạnh to lớn được cho là không đi đến đâu / Nhà bác học nói chuyện ở đây”.

Với những tin tức đầu năm 1939, rõ ràng là người ta có thể bắn phá và tách hạt nhân nguyên tử, một lần nữa, Einstein lại phải đối mặt với câu hỏi này. Trong cuộc phỏng vấn nhân dịp sinh nhật lần thứ 60 của ông vào tháng Ba năm đó, ông được hỏi liệu nhân loại có được hưởng lợi gì từ quá trình này không. Ông trả lời: “Kết quả liên quan đến việc tách nguyên tử mà chúng ta thu được cho đến nay chưa đủ để giả định rằng năng lượng giải phóng có thể có giá trị sử dụng thực tiễn.” Tuy vậy, lần này, ông thận trọng, tiếp tục có phần lẩn tránh câu trả lời. “Không một nhà vật lý có tâm hồn tội nghiệp nào lại cho phép chuyện đó ảnh hưởng đến mối quan tâm của mình dành cho chủ đề rất quan trọng này.”

Bốn tháng sau, mối quan tâm của ông quả thật tăng lên nhanh chóng.