Trong cơ học lượng tử, chồng chập có nghĩa là một hạt có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc. (Ảnh minh họa: Geralt/Pixabay)

Lực hấp dẫn lượng tử có thể đảo ngược nguyên nhân và kết quả

 Bình luậnMay May •  27/07/21

Bất kỳ lý thuyết lực hấp dẫn lượng tử nào cũng gặp phải những khó khăn kỳ lạ về thời gian.

Con mèo của Schrödinger là một thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng được nhiều người biết đến trong cơ học lượng tử của nhà vật lý học người Ireland gốc Áo Erwin Schrödinger nghĩ ra vào năm 1935. Con mèo (tưởng tượng) được đặt trong một chiếc hộp kín, không biết tình trạng của nó còn sống hay đã chết cho đến khi chiếc hộp được mở ra. Chúng ta cùng nhìn lại thí nghiệm của Schrödinger, sự kiện này có thể đồng thời là nguyên nhân và hệ quả của một sự kiện khác.

Tình huống như vậy có thể thấy trong bất kỳ lý thuyết hấp dẫn lượng tử nào, một lĩnh vực vật lý vẫn còn nhiều điều chưa rõ ràng trong việc kết hợp thuyết tương đối rộng của Albert Einstein với hoạt động của cơ học lượng tử. Các nhà khoa học tạo ra sự kết hợp của cả hai bằng cách tưởng tượng ra các con tàu vũ trụ ở gần một hành tinh khổng lồ nào đó với khối lượng có khả năng uốn cong thời gian, từ đó làm chậm thời gian. Họ kết luận rằng các phi thuyền có thể tự rơi vào trạng thái mà quan hệ nhân quả bị đảo ngược: Sự kiện xảy ra sau có thể là nguyên nhân của sự kiện khác đã xảy ra trước đó.

Nhà vật lý học Igor Pikovski tại Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Lượng tử thuộc Viện Công nghệ Stevens ở New Jersey cho biết: “Người ta có thể nghĩ ra loại kịch bản, trong đó trật tự thời gian hoặc nguyên nhân và kết quả được chồng chập lên nhau, bị đảo ngược hoặc không bị đảo ngược. Đây là điều mà chúng ta mong đợi sẽ xảy ra khi có một lý thuyết đầy đủ về lực hấp dẫn lượng tử”.

Cỗ máy thời gian lượng tử

Thí nghiệm tưởng tượng về con mèo nổi tiếng của Schrödinger yêu cầu người quan sát tưởng tượng một con mèo bị nhốt trong chiếc hộp cùng với các thiết bị mà con mèo không thể tác động vào. Thiết bị gồm một ống đếm Geiger và một mẩu vật chất phóng xạ nhỏ đến mức trong vòng một tiếng đồng hồ chỉ có 50% xác suất nó phát ra một tia phóng xạ. Nếu có tia phóng xạ phát ra, ống đếm Geiger sẽ nhận tín hiệu và thả rơi một cây búa đập vỡ lọ thuốc độc hydrocyanic acid nằm trong hộp và con mèo sẽ chết. Nếu trong vòng một tiếng vẫn không có tia phóng xạ nào phát ra, con mèo vẫn sẽ sống. Hàm sóng của hệ thống sẽ là sự chồng chập của cả trạng thái con mèo sống và con mèo chết và cả hai trạng thái chồng chập có biên độ như nhau.

Theo nguyên tắc chồng chập lượng tử, khả năng sống hay chết của con mèo là như nhau cho đến khi được đo – vì vậy trước khi chiếc hộp được mở ra thì con mèo trong tình trạng đồng thời sống và đồng thời chết. Trong cơ học lượng tử, chồng chập có nghĩa là một hạt có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc, tương tự như thí nghiệm tưởng tượng về con mèo của Schrödinger nêu trên.

Thí nghiệm tưởng tượng này kết hợp nguyên lý chồng chập lượng tử với thuyết tương đối rộng của Einstein. Thuyết tương đối rộng nói rằng khối lượng của một vật thể khổng lồ có thể làm chậm thời gian. Pikovski cho rằng điều này được chứng minh là đúng và có thể đo lường được; một phi hành gia quay quanh Trái đất sẽ trải qua thời gian nhanh hơn một chút so với người song sinh của anh ta ở trái đất”. (Đây cũng là lý do tại sao rơi vào hố đen sẽ là một trải nghiệm chậm dần).

Một tàu vũ trụ tương lai nếu ở gần một hành tinh lớn, phi hành đoàn trên chiếc tàu đó sẽ trải qua thời gian chậm hơn một chút so với những người trong một tàu vũ trụ khác ở vị trí xa hơn. Bạn có thể tưởng tượng một tình huống trong đó hành tinh đó chồng chập lên nhau, đồng thời gần và đồng thời xa với cả hai tàu vũ trụ.

Thời gian trở nên lạ thường

Trong kịch bản chồng chập trên các dòng thời gian khác nhau mà hai con tàu trải qua, nguyên nhân và kết quả có thể trở thành không đáng tin cậy. Ví dụ, giả sử các tàu được yêu cầu thực hiện một nhiệm vụ huấn luyện, trong tình huống hai tàu bắn vào nhau và né tránh được hỏa lực của nhau, họ biết rõ thời gian tên lửa sẽ phóng và có khả năng đánh chặn vị trí của tên lửa.

Nếu không có hành tinh khổng lồ nào gần đó làm rối loạn dòng thời gian, thì đây là một bài tập đơn giản. Nhưng nếu có hành tinh khổng lồ gần đó và thuyền trưởng của con tàu không tính đến việc thời gian đang bị chậm lại, phi hành đoàn có thể né tránh tên lửa quá muộn và bị tiêu diệt.

Khi hành tinh khổng lồ đó ở vị trí chồng chập đồng thời gần và xa với các con tàu, các con tàu có thể sẽ tránh né tên lửa quá muộn và tiêu diệt lẫn nhau, cũng có thể chúng di chuyển sang một bên và cùng sống sót. Nguyên nhân và kết quả có thể bị đảo ngược.

Pikovski nói: “Hãy tưởng tượng hai sự kiện A và B có quan hệ nhân quả với nhau. A và B có thể ảnh hưởng lẫn nhau, nhưng trong một trường hợp thì A đứng trước B, còn trong trường hợp khác thì B đứng trước A”. Điều đó có nghĩa là cả A và B đồng thời là nhân quả của nhau. Các phi hành đoàn có thể sẽ bối rối với những con tàu tưởng tượng này, nhưng họ sẽ có phương pháp toán học để phân tích đường truyền của nhau để xác nhận rằng họ đang ở trạng thái chồng chập.

Trong cuộc sống thực, các hành tinh không hoàn toàn chuyển động xung quanh thiên hà. Nhưng với thí nghiệm tưởng tượng này có thể có ý nghĩa thực tế trong tính toán lượng tử, ngay cả khi chưa tìm ra toàn bộ lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử.

“Bằng cách sử dụng trạng thái chồng chập, một hệ thống tính toán lượng tử có thể đồng thời đánh giá một quá trình vừa là nguyên nhân, vừa là hệ quả. Và máy tính lượng tử có thể sử dụng trạng thái này để tính toán hiệu quả hơn”. Pikovski cho biết thêm.

Theo Live Science

 May May biên dịch