[비즈한국] Hamlet đã nói: “Sống hay chết, đó là vấn đề.” Câu hỏi này không chỉ quan trọng trong văn học của Shakespeare, mà còn xuất hiện trong vật lý hiện đại. Đó chính là thí nghiệm con mèo của Schrödinger.
Trong một chiếc hộp kín có thuốc độc, một nguyên tố phóng xạ và một con mèo. Nếu nguyên tố phóng xạ phân rã, thuốc độc sẽ được giải phóng và con mèo chết. Nếu nguyên tố không phân rã, con mèo sống. Vấn đề nằm ở chỗ việc phân rã của nguyên tố phóng xạ này được quyết định bởi nguyên lý bất định của cơ học lượng tử. Nói cách khác, cho đến khi mở hộp ra, con mèo vừa sống lại vừa chết cùng một lúc. Tình huống vô lý này có thể xảy ra chính là nhờ "sự chồng chất lượng tử".
Trên thực tế, thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng luôn gắn liền với cơ học lượng tử này vốn được tạo ra để nhấn mạnh những mâu thuẫn của cơ học lượng tử. Schrödinger đã nghĩ ra thí nghiệm này với ý định trêu chọc những nhà vật lý trẻ, những người ủng hộ khái niệm chồng chất khó hiểu trong thế giới vi mô. Ông muốn cho thấy sự bối rối khi áp dụng ma thuật của thế giới vi mô lên một thực thể vĩ mô là con mèo. Tuy nhiên, các nhà vật lý ủng hộ cơ học lượng tử đã không hề nao núng và chấp nhận trạng thái chồng chất giữa mèo sống và mèo chết.
Vậy, liệu sự chồng chất có nhất thiết chỉ giới hạn trong một chiếc hộp chứa con mèo? Logic tương tự có thể áp dụng cho phòng thí nghiệm nơi đặt chiếc hộp, toàn bộ tòa nhà và thậm chí là toàn bộ vũ trụ. Từ đó, một câu chuyện kỳ diệu đã ra đời: khái niệm đa vũ trụ (multiverse) nổi tiếng. Giả thuyết đa vũ trụ rất thú vị. Dù là một khái niệm cực kỳ trừu tượng và phức tạp, nó vẫn được sử dụng rộng rãi trong văn hóa đại chúng, bao gồm cả phim khoa học viễn tưởng.
Thực ra, đa vũ trụ là một giả thuyết hấp dẫn về mặt toán học, nhưng trước đây người ta cho rằng khả năng được chứng minh qua quan sát thực tế là gần như bằng không. Thế nhưng gần đây, một lập luận thú vị đã được đưa ra rằng máy tính lượng tử do Google phát triển có thể chứng minh sự tồn tại của đa vũ trụ. Liệu sự thành công của máy tính lượng tử có thể trở thành bằng chứng cho sự tồn tại của đa vũ trụ?
Để hiểu rõ vấn đề đang gây tranh cãi gần đây, trước tiên cần phải hiểu tại sao các nhà thiên văn học và vật lý học lại nghiêm túc nghiên cứu giả thuyết đa vũ trụ, thứ mà hiện tại họ thậm chí chưa thể chứng minh. Đa vũ trụ không đơn thuần là sự tưởng tượng trong khoa học viễn tưởng. Lý do các nhà vật lý nghiên cứu đa vũ trụ không chỉ vì sự tò mò rằng có thể có một vũ trụ khác. Giả thuyết đa vũ trụ có ý nghĩa quan trọng ở chỗ nó khiến chúng ta nhìn nhận vũ trụ bao la như một thực thể lượng tử.
Vật lý hiện tại được xây dựng trên hai trụ cột lớn. Một là vật lý của thế giới vĩ mô, đại diện bởi vật lý cổ điển của Newton và Einstein, và hai là vật lý của thế giới vi mô, được giải thích bởi cơ học lượng tử. Vấn đề là hai nền vật lý này vẫn chưa được hợp nhất hoàn hảo. Giả thuyết đa vũ trụ có thể là chìa khóa quan trọng kết nối cả hai. Điều này là do đa vũ trụ bao hàm khái niệm rằng toàn bộ vũ trụ bao la hoạt động như một thực thể cơ học lượng tử, và vũ trụ mới có thể được sinh ra bất cứ lúc nào và ở bất cứ đâu.
Theo lý thuyết Big Bang, vũ trụ sơ khai có quy mô nhỏ hơn cả nguyên tử, do đó nó chịu sự chi phối của nguyên lý bất định trong cơ học lượng tử. Ở giai đoạn này, không gian và thời gian vận hành theo cách hoàn toàn khác biệt so với hiện nay, và ngay cả các định luật vật lý cũng ở trạng thái bất định. Theo nguyên lý bất định, các giá trị vật lý cụ thể không thể được xác định chính xác, dẫn đến kết quả là năng lượng có thể dao động ngẫu nhiên ngay cả trong chân không. Nguyên lý này được sử dụng để giải thích hiện tượng "dao động lượng tử" (Quantum Fluctuation), nơi các cặp hạt-phản hạt được sinh ra và biến mất trong tích tắc. Hiện tượng này có thể đã xảy ra ngay từ thuở sơ khai của vũ trụ, cho thấy khả năng vũ trụ ban đầu bắt nguồn từ những dao động lượng tử nhỏ bé.
Nếu những dao động lượng tử này có mật độ năng lượng đủ lớn, một không gian độc lập mới có thể được tạo ra. Nói cách khác, có khả năng toàn bộ vũ trụ của chúng ta đã bắt đầu từ một dao động nhỏ thuở sơ khai. Điều này có thể liên kết với giả thuyết đa vũ trụ. Bởi vì chừng nào nguyên lý bất định còn tác động, nó cho thấy sự ra đời của vũ trụ không phải là một sự kiện duy nhất mà có thể xảy ra liên tục. Điều này có nghĩa là ngoài vũ trụ chúng ta đang sống, vô số vũ trụ khác có thể được sinh ra ở các thời điểm khác nhau, và đây là một trong những khái niệm quan trọng củng cố giả thuyết đa vũ trụ.
Vào những năm 1950, Hugh Everett đã đề xuất một cách giải thích mới, được gọi là diễn giải đa thế giới, đưa thí nghiệm tưởng tượng con mèo của Schrödinger lên một tầm cao mới. Trên thực tế, theo cách giải thích cơ học lượng tử cổ điển, con mèo trong hộp tồn tại ở trạng thái chồng chất, nơi hàm sóng của xác suất mèo chết và xác suất mèo sống cùng tồn tại. Sau đó, người ta giải thích rằng ngay khoảnh khắc mở hộp, mọi xác suất sụp đổ về một phía và chúng ta chỉ xác nhận một số phận duy nhất của con mèo.
Tuy nhiên, Everett cho rằng cách giải thích này thật gượng ép. Ông đã tìm ra một cách giải thích mới mà trong đó không cần phải để hai xác suất vốn đang tồn tại tốt đẹp phải sụp đổ về một phía. Ông cho rằng, nếu mỗi khoảnh khắc quan sát, vũ trụ mèo sống và vũ trụ mèo chết chỉ đơn giản là tách ra, và chúng ta chỉ đang chứng kiến những gì xảy ra ở một trong những vũ trụ đó, thì không cần phải thêm giả định rằng hai xác suất chồng chất phải sụp đổ thành một trong vũ trụ thực. Nói cách khác, đây được gọi là diễn giải đa thế giới, nơi số phận của vũ trụ phân nhánh ra nhiều ngả mỗi khi chúng ta thực hiện quan sát. Diễn giải đa thế giới đưa ra câu trả lời toán học về việc làm thế nào vũ trụ có thể bao gồm vô số đa vũ trụ.
Nếu giả định rằng vũ trụ không chỉ có một mà là vô số, chúng ta có thể giải quyết vấn đề tinh chỉnh của vũ trụ (fine-tuning) một cách dễ dàng hơn. Trong vật lý, người ta đặt câu hỏi tại sao các hằng số vật lý của vũ trụ chúng ta lại được tinh chỉnh một cách tinh vi đến mức cho phép sự sống tồn tại. Một cách giải thích cho điều này là: vũ trụ của chúng ta chỉ là một trong vô số vũ trụ, và trong nhiều vũ trụ khác, các hằng số vật lý được thiết lập khác đi khiến sự sống không thể nảy sinh. Kết luận là chúng ta chỉ đơn giản là đang ở trong một "vũ trụ quan sát được" có kết quả như vậy.
Vì vậy, một khái niệm không thể thiếu khi thảo luận về giả thuyết đa vũ trụ chính là "Nguyên lý nhân học" (Anthropic Principle). Nguyên lý nhân học về cơ bản chứa đựng logic rằng việc chúng ta có thể quan sát vũ trụ này là do vũ trụ được cấu tạo để tồn tại những người quan sát như chúng ta. Nguyên lý nhân học được chia thành hai loại chính.
Thứ nhất là "Nguyên lý nhân học yếu" (Weak Anthropic Principle), cung cấp lời giải thích đơn giản rằng chúng ta có thể tồn tại vì vũ trụ của chúng ta phù hợp để sự sống nảy sinh.
Thứ hai là "Nguyên lý nhân học mạnh" (Strong Anthropic Principle), hàm chứa lập luận mạnh mẽ hơn rằng vũ trụ về bản chất được điều chỉnh để có thể tồn tại người quan sát. Điều này gợi ý rằng lý do các hằng số vật lý của vũ trụ được điều chỉnh theo hình thức cho phép sự sống tồn tại không đơn thuần là ngẫu nhiên, và nó có mối liên hệ sâu sắc với giả thuyết đa vũ trụ.
Gần đây, Google đã gây chú ý khi công bố về máy tính lượng tử mang tên ‘willow’, khẳng định rằng họ đã trang bị cho nó khả năng tính toán cực nhanh những phép tính mà ngay cả khi mất thời gian lâu hơn tuổi của vũ trụ cũng khó lòng giải quyết được. Đồng thời, họ còn đề cập rằng máy tính lượng tử của mình đang cho thấy khả năng tồn tại của đa vũ trụ, tạo nên một làn sóng thảo luận lớn.
Máy tính lượng tử là một khái niệm mới, vượt xa phương thức tính toán chỉ bằng 1 và 0, thay vào đó sử dụng sự chồng chất lượng tử nơi hai trạng thái cùng tồn tại để tính toán. Nhà vật lý Richard Feynman là người đầu tiên nghĩ ra nó, và sau đó nhà vật lý người Anh David Deutsch đã đặt nền móng cho ngữ pháp của máy tính lượng tử hiện đại. Nhiều nhà vật lý dự đoán rằng nếu máy tính lượng tử được thương mại hóa ở mức độ có ý nghĩa trong vài năm tới, Deutsch sẽ có khả năng cao là chủ nhân của giải Nobel Vật lý.
Khi giải thích nguyên lý của máy tính lượng tử, Deutsch từng đưa ra một ví dụ thú vị: "Máy tính lượng tử không khác gì việc kết nối với nhiều đa vũ trụ giống như GPU để thực hiện tính toán song song cùng một lúc." Ví dụ như trong phim của ông tạo ra ấn tượng rằng máy tính lượng tử trong thế giới thực hoạt động đầy bí ẩn bằng cách kết nối với một vũ trụ khác nằm ngoài vũ trụ của chúng ta. Tuy nhiên, đây chỉ là một ẩn dụ thi vị tuyệt vời, khó có thể xem nó là bằng chứng thực nghiệm theo nghĩa đen cho thấy chính hoạt động của máy tính lượng tử là bằng chứng của đa vũ trụ. Nó chỉ nói lên rằng sự hiểu biết của chúng ta về sự chồng chất và vướng víu lượng tử là đúng đắn, và các hiện tượng cơ học lượng tử đang diễn ra đúng như dự đoán, chứ không phải đang khẳng định rằng thực sự có vô số vũ trụ cùng tồn tại bên ngoài vũ trụ của chúng ta.
Đối với một nhà thiên văn học như tôi, người có "bệnh nghề nghiệp" là chỉ tin vào những gì đã được quan sát và được đào tạo như vậy, giả thuyết đa vũ trụ gợi lên cả sức hút kỳ lạ lẫn sự kháng cự cùng một lúc. Tôi cảm thấy sức hút và sự kháng cự ấy dường như đang chồng chất lên nhau. Nhìn vào lịch sử thiên văn học, nhân loại luôn đi theo con đường cho thấy thực tế rằng chúng ta không hề duy nhất, dù luôn nghĩ mình là duy nhất. Trái Đất, Mặt Trời và cả thiên hà của chúng ta, những thứ từng được coi là đặc biệt, hóa ra cũng chỉ là một trong vô số các ngôi sao, hành tinh và thiên hà ngoài kia. Một cách tự nhiên, mối lo ngại đó giờ đây hướng về toàn bộ vũ trụ của chúng ta. Liệu vũ trụ mà chúng ta từng nghĩ là duy nhất có lẽ cũng chỉ là một trong vô số vũ trụ hay không? Nhìn vào con đường mà lịch sử thiên văn học đã đi qua, điều này dường như không phải là không thể.
Tuy nhiên, đồng thời xét trên khía cạnh đang nói về một vũ trụ ngoài tầm quan sát, nó cũng mang lại cảm giác như một câu chuyện hư vô mà ngay từ đầu đã không thể chứng minh được. Suy cho cùng, để được chấp nhận như một sự thật thiên văn học, nó cần phải được xác nhận thông qua quan sát thực tế.
Ngược lại, đa vũ trụ lại hấp dẫn ở một khía cạnh khác. Vũ trụ của chúng ta thuở sơ khai là một thế giới nhỏ hơn cả nguyên tử. Vì vậy, để hiểu về sự khởi đầu của vũ trụ, chúng ta không cần đến vật lý của Newton và Einstein - những người ca hát về thế giới vĩ mô - mà cần đến cơ học lượng tử. Vũ trụ sau đó đã giãn nở to lớn khiến nó như thể vốn là một thế giới to lớn và đồ sộ, nhưng thực chất sự khởi đầu của nó lại vô cùng nhỏ bé.
Vũ trụ là một thực thể vi mô giả vờ vĩ mô. Giả thuyết đa vũ trụ hấp dẫn ở chỗ nó khiến chúng ta nhìn nhận vũ trụ như một thực thể vừa vĩ mô lại vừa vi mô. Big Bang là sự kiện vĩ mô nhất đã khai sinh ra vũ trụ to lớn, nhưng đồng thời cũng là sự kiện vi mô nhất xảy ra giữa những đợt sóng dao động lượng tử hỗn loạn vô cùng ngẫu nhiên.
Cá nhân tôi không thích cách diễn đạt "máy tính lượng tử". Thực tế, máy tính lượng tử vận hành khác hoàn toàn so với máy tính cổ điển mà chúng ta đang sử dụng. Gọi là máy tính lượng tử dễ gây ra hiểu lầm rằng nó là phiên bản nâng cấp của máy tính hiện tại. Vì vậy, nếu phải đặt tên, tôi nghĩ gọi là "máy lượng tử" (quantum machine) một cách khô khan sẽ là công bằng nhất. Nếu thực sự máy lượng tử là một cỗ máy giống như GPU kết nối các đa vũ trụ, thì biết đâu vũ trụ của chúng ta cũng đã bị một thực thể phát triển hơn sống ở vũ trụ khác đánh cắp tài nguyên từ rất lâu rồi. Có lẽ đã đến lúc chúng ta cũng nên bắt đầu công cuộc đánh cắp từ vũ trụ của kẻ khác.
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi ước mơ quảng bá vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện tại, anh đang nghiên cứu sự tiến hóa thông qua tương tác giữa các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ học sơ khai thuộc Đại học Yonsei. Anh cũng tham gia nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách. Anh đã xuất bản các cuốn sách như 'Đài quan sát hẹn hò', 'Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày', 'Sao, khoa học của ánh sáng', v.v.