Vật Lý Và Triết Học - Cuộc Cách Mạng Trong Khoa Học Hiện Đại - Werner Heisenberg

Từ khi khởi đầu khoảng hơn 80 năm trước, cơ học lượng tử đã trở thành một bộ phận cơ bản và cốt yếu trong hành trang của các nhà vật lý lý thuyết. Đã có vô số những cuốn sách giáo khoa dạy lý thuyết này một cách chuẩn mực, nghĩa là trình bày rõ ràng cách sử dụng các phương pháp của nó. Chính các nguyên lý của cơ học lượng tử đã đặt nền móng cho sự vận hành của các laser và các thiết bị điện tử, mà ngày nay được thấy ở những chỗ thật bất ngờ như các đầu DVD và các máy tính tiền trong các siêu thị. Một bác sĩ khám các cơ quan nội tạng của một bệnh nhân, không cần phải thâm nhập trực tiếp vào cơ quan đó, mà lại rất nhẹ nhàng, nhờ các phương tiện tạo ảnh bằng cộng hưởng từ (MRI) cũng lại dựa trên một tính chất lượng tử rất tinh tế của hạt nhân nguyên tử. Lạ hơn nữa, các tính toán của cơ học lượng tử đã đưa ra những tiên đoán về tính chất của các hạt cơ bản phù hợp với những phép đo thực nghiệm với độ chính xác cao đến kinh ngạc. Nói tóm lại, đó là một lý thuyết đã được kiểm nghiệm rất chi li, hữu ích một cách toàn diện và đồng thời cũng rất đáng tin cậy. Mặc dù đã quen thuộc đến thấu đáo như thế, nhưng đa số các nhà vật lý, nếu bị ép, sẽ đều thừa nhận rằng họ vẫn thấy có điều gì đó lạ lùng, điều gì đấy bí ẩn và không thể nắm bắt được hoàn toàn trong cơ học lượng tử. Sự vận hành nội tại của bộ máy này vẫn thật khó hiểu. Sẽ là rất hữu ích để biết rằng các tiểu luận trong tập sách này được rút ra từ những bài giảng Gifford[1] của Werner Heisenberg đọc tại Đại học St. Andrew ở Scotland đúng nửa thế kỷ trước, nhưng vẫn liên quan tới chính những vấn đề còn gây nhiều bối rối ngày nay. Giải pháp mà Heisenberg trình bày, hay đúng hơn, có thể nói, là thái độ triết học mà ông bày tỏ, tất nhiên sẽ giúp ích cho một số người và làm thất vọng một số người khác, cũng hệt như với những thính giả đã nghe ông lần đầu. Để hiểu được tại sao cơ học lượng tử hiện vẫn khiến người ta bối rối, sẽ là rất hữu ích nếu ta xem xét lại một cách ngắn gọn những nguồn gốc của nó. Trong câu chuyện này, bản thân Heisenberg đã đóng góp hai phát lộ quan trọng. Trong cái được gọi là lý thuyết lượng tử cũ, khởi nguồn từ Bohr vào năm 1913, các nguyên tử được hình dung như những hệ Mặt trời thu nhỏ. Các electron quay xung quanh hạt nhân nhỏ và nặng theo đúng các định luật của cơ học Newton. Nguyên lý lượng tử xuất hiện trong mô hình này đã đặt thêm một hạn chế đòi hỏi rằng chỉ một số quỹ đạo trong số vô vàn những quỹ đạo khả dĩ là thực sự được phép. Khi electron nhảy giữa các quỹ đạo này thì nguyên tử hoặc nhận vào hoặc phát ra một lượng tử của năng lượng điện từ - mà sau này được gọi là photon – phù hợp với hiệu năng giữa hai quỹ đạo đó. Cơ chế này đã giải thích được tại sao các nguyên tử, vốn đã được biết hàng chục năm trước, lại có những dấu hiệu phổ đặc trưng, khi phát hay hấp thụ ánh sáng chỉ ở một số những tần số xác định. Vào đầu những năm 1920, lý thuyết lượng tử cũ, đặc biệt là lý thuyết được phát triển bởi Arnold Sommerfeld ở Munich, đã trở nên quá phức tạp và cồng kềnh, và đồng thời lại không giải thích được rất nhiều những nét tinh tế trong phổ nguyên tử. Dường như có lẽ là các electron trong nguyên tử chuyển động theo những quy tắc khác một cách căn bản so với cơ học cổ điển. Werner Heisenberg khi đó còn là một sinh viên của Sommerfeld ở Munich nên đã hiểu rất rõ cuộc khủng hoảng này và chính ông là người, vào năm 1925, đã đưa ra một giải pháp lạ lùng và gây sửng sốt. “Ý tưởng này tự nó đã gợi ý rằng”, - ông nói với chúng ta ở đây, “người ta cần phải viết ra những định luật cơ học không phải như các phương trình cho vị trí và vận tốc của các electron mà là cho các tần số và biên độ trong khai triển Fourier của chúng.” Phát biểu này quả thật là quá khiêm tốn. Ý tưởng mà Heisenberg nói tới ở đây rõ ràng là của ông và chỉ của ông mà thôi. Cũng như Einstein trong việc tạo dựng nên thuyết tương đối đã phải định nghĩa lại cái mà chúng ta gọi là không gian và thời gian, Heisenberg cũng vậy, vào năm 1925, ông đã buộc phải đánh giá lại một cách sâu sắc không kém về những khái niệm vị trí và vận tốc mà trước đó người ta xem là quá hiển nhiên. Chuỗi Fourier là một công cụ toán học chuẩn theo đó một dao động bất kỳ, chẳng hạn như dao động của dây đàn violon, đều có thể được biểu diễn như một tổ hợp thích hợp của các âm sơ cấp của dây đàn đó. Trong một biểu diễn như thế, vị trí và vận tốc tức thời của một điểm bất kỳ dọc theo dây đàn đều được biểu diễn bằng một tổng có trọng số của âm cơ bản và các họa âm của dây đó. Sự chói sáng thiên tài của Heisenberg là ở chỗ biết áp dụng chính logic đó cho chuyển động của electron trong nguyên tử. Thay vì tư duy về vị trí và vận tốc của electron như là những đặc trưng xác định nguyên thủy của nó, ông đã viết ra những biểu thức biểu diễn vị trí và vận tốc một cách gián tiếp, như là một tổ hợp của những dao động sơ cấp của nguyên tử. Nói một cách nhẹ nhàng thì đó là một cách làm hơi kỳ cục. Tuy nhiên, bằng cách thay thế những định nghĩa mới của mình về vị trí và vận tốc vào những định luật chuẩn của cơ học, Heisenberg đã có một phát minh đầy kinh ngạc: bằng một cách hoàn toàn mới ông đã rút ra được định luật về sự lượng tử hoá. Những phương trình của ông cho những đáp số có nghĩa chỉ khi năng lượng của electron nhận một trong tập hợp hạn chế các giá trị. Và như Heisenberg đã quá khiêm tốn để nói một cách trực tiếp trong các tiểu luận ở đây rằng ông chỉ là người phát hiện ra mầm mống của cơ học lượng tử mà thôi. Điều thú vị là, như Paul Dirac và Pascual Jordan sau này đã xác lập một cách hệ thống, các định luật của cơ học cổ điển đã chuyển sang hệ thống mới của cơ học lượng tử một cách hoàn toàn không thay đổi. Cái thay đổi ở đây là các đại lượng - những yếu tố được coi là cơ sở của cơ học, như vị trí và vận tốc chẳng hạn, bị những định luật này chi phối. Và đây chính là chỗ bắt đầu những khó khăn. Hai năm sau, trong Nguyên lý bất định nổi tiếng của mình, Heisenberg vẫn tiếp tục chứng minh rằng trong cơ học lượng tử, vị trí và vận tốc không có một ý nghĩa rõ ràng và minh bạch mà nó đã được hưởng trong cơ học cổ điển. Thay vì là những tính chất sơ cấp của một hạt, vị trí và vận tốc, theo một nghĩa nào đó, trở thành một đặc trưng thứ cấp mà nhà thực nghiệm cần rút ra từ một hệ lượng tử nào đó bằng cách làm một phép đo thích hợp. Và phép đo này cũng không phải đơn giản như người ta vẫn quen làm. Bạn đo vị trí của một hạt càng chính xác thì bạn sẽ tìm được vận tốc của nó càng kém chính xác và ngược lại. Nguyên lý bất định thường được diễn đạt dưới dạng như vậy. Tuy nhiên, một cách phát biểu thận trọng hơn nói rằng các hạt lượng tử không có những tính chất nội tại thực sự tương ứng với vị trí và vận tốc và phép đo đã buộc hệ lượng tử phải nhả ra những giá trị cho các đại lượng đó theo cách phụ thuộc vào phép đo đó được tiến hành như thế nào. Thực tế, ngay cả nghĩ về một hạt lượng tử cũng rất dễ dẫn đến hiểu lầm bởi vì khái niệm được dán nhãn là “hạt” cũng có những ý nghĩa không còn được áp dụng một cách đầy đủ nữa. Chỉ ít tháng sau khi Heisenberg phát biểu phiên bản của mình về cơ học lượng tử, Erwin Schrodinger cũng đã đưa ra phương trình mang tên ông cung cấp một bức tranh khác. Trong bức tranh Schrodinger, electron thuộc một nguyên tử có dạng một sóng dừng trải rộng – nói một cách nôm na, đó là một sóng biểu diễn xác suất để tìm thấy electron ở nơi này hay khác xung quanh hạt nhân. Vậy electron là sóng hay hạt? Câu trả lời, như Heisenberg khẳng định trong các tiểu luận này, là: các từ “sóng” hay “hạt” được hình thức hoá trong cơ học cổ điển bằng sự đúc rút từ kinh nghiệm hằng ngày của chúng ta và theo định nghĩa, hai khái niệm này là loại trừ nhau. Một sóng thì không thể là hạt và một hạt không thể là sóng. Một đối tượng lượng tử, tự bản thân nó, chẳng là cái này cũng chẳng là cái kia. Nếu bạn quyết định đo một tính chất giống như sóng (chẳng hạn như bước sóng, trong một thí nghiệm nhiễu xạ hay giao thoa) thì cái mà bạn quan sát được sẽ nhìn giống như sóng. Còn trái lại, nếu đo một tính chất hạt (như vị trí hoặc vận tốc) thì bạn sẽ thấy hành vi giống