Có phải mọi vật chất trong vũ trụ đều được tạo thành từ hạt và sóng?

Lưỡng tính sóng-hạt là nền tảng của cơ học lượng tử, lý thuyết hiện đại của chúng ta về cách thức hoạt động của các hạt hạ nguyên tử. Tính đối ngẫu phát biểu rằng tất cả các hạt (trên thực tế là tất cả các vật thể) đều có những đặc tính giống như sóng liên kết với chúng. Trong khi hầu hết các cách giải thích tiêu chuẩn về cơ học lượng tử đều coi bản chất giống sóng này như một thủ thuật toán học thông minh được sử dụng để tính xác suất của một hạt xuất hiện ở nơi này hay nơi khác, thì một số cách giải thích cấp tiến hơn lại nâng sóng lên thành một thực thể thực sự tồn tại giống như các hạt. Một lời giải thích, được gọi là lý thuyết sóng thí điểm, cho rằng mọi tương tác trong vũ trụ đều có thể được mô tả bằng một tập hợp các phương trình.

Năm 1924, Louis de Broglie, một nghiên cứu sinh tiến sĩ vật lý người Pháp, đề xuất rằng vật chất có tính chất sóng. De Broglie lấy cảm hứng từ việc phát hiện ra lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng. Trong nhiều thế kỷ, các nhà vật lý đã tranh luận liệu ánh sáng được tạo thành từ những hạt nhỏ hay một loại sóng nào đó. Theo cuốn “Lịch sử Cơ học Lượng tử”, cuộc tranh luận dường như đã được giải quyết vào giữa thế kỷ 19 với việc James Clerk Maxwell phát hiện ra trường điện từ và nhận ra rằng ánh sáng được tạo thành từ sóng điện từ.

Nhưng vào năm 1899, nhà vật lý người Đức Max Planck đang cố gắng tìm hiểu một loại bức xạ gọi là bức xạ vật đen (quang phổ ánh sáng phát ra từ một vật thể bị đốt nóng), và cách duy nhất ông có thể giải thích các đặc tính của nó là cho phép ánh sáng lan truyền theo từng vùng rời rạc, được phát ra ở dạng nhỏ hoặc lượng tử - nghĩa là ánh sáng phát ra có thể được mô tả dưới dạng hạt hoặc sóng điện từ.

Vài năm sau, Einstein đề xuất rằng không chỉ sự phát xạ ánh sáng bị lượng tử hóa mà bản thân ánh sáng cũng vậy. Einstein tin rằng ánh sáng được tạo thành từ các hạt nhỏ (cuối cùng được đặt tên là photon) hoạt động giống như sóng khi một nhóm chúng kết hợp với nhau. Tính đối ngẫu sóng-hạt này có thể giải thích được một số lượng lớn các thí nghiệm và quan sát.

Planck và Einstein đề xuất rằng bước sóng ánh sáng tỷ lệ nghịch với động lượng của nó. Do đó, động lượng (năng lượng) của photon càng lớn thì bước sóng càng nhỏ. De Broglie đã sử dụng mối quan hệ đơn giản này để nảy ra một ý tưởng có vẻ điên rồ. Ánh sáng có động lượng và năng lượng, đồng thời nó có tính chất sóng. Vật chất cũng có động lượng và năng lượng nên có thể nó cũng có tính chất sóng.

Mặc dù sự phát triển của cơ học lượng tử bắt đầu từ công trình của Planck, nhưng tiến trình của nó đã bị đình trệ trong nhiều thập kỷ. Ý tưởng của De Broglie là chất xúc tác cần thiết để đưa lý thuyết lượng tử vào dạng hiện đại. Với việc nhận ra lưỡng tính sóng-hạt, các nhà vật lý như Erwin Schrödinger có thể phát triển một lý thuyết lượng tử hoàn chỉnh để giải thích hành trạng của các electron bên trong nguyên tử.

Nhưng câu hỏi vẫn còn đó: Sóng vật chất chính xác là gì? Schrödinger tin rằng các hạt hạ nguyên tử như electron thực sự di chuyển trong không gian, nhưng lời giải thích của ông mâu thuẫn với các thí nghiệm chứng tỏ rằng electron là những hạt giống như điểm. Sau đó, nhà vật lý người Đức Max Born đề xuất một ý tưởng mà cuối cùng phát triển thành cái gọi là Giải thích Copenhagen về cơ học lượng tử: Sóng vật chất là sóng xác suất cho biết nơi con người có thể tìm thấy các hạt vào lần tiếp theo họ tìm kiếm chúng. Trường hợp giá trị sóng cao thì xác suất tìm thấy hạt càng lớn.

De Broglie lại có ý tưởng khác. Ông cũng tin rằng sóng là có thật nhưng không phải là vật thay thế cho các hạt. Thay vào đó, ông tin rằng chúng tồn tại cùng với các hạt, lan truyền trong không gian và cho các hạt biết nơi sẽ đi. Không ai có thể nhìn thấy đường đi thực sự của quỹ đạo hạt, điều đó có nghĩa là các hạt dường như được dẫn dắt bởi sự ngẫu nhiên lượng tử, nhưng de Broglie lập luận rằng không có sự ngẫu nhiên nào liên quan. Thay vào đó: “sóng thí điểm” luôn biết phải làm gì.

De Broglie cuối cùng đã từ bỏ ý tưởng này để chuyển sang giải thích sóng dưới dạng xác suất, nhưng nhiều thập kỷ sau, nhà vật lý người Mỹ David Bohm đã nghiên cứu lại lý thuyết của de Broglie và biến nó thành một cách giải thích đầy đủ về cơ học lượng tử. 

Các nhà vật lý khác bị thu hút bởi lý thuyết sóng thí điểm vì nó giải quyết được một số vấn đề đang gây khó khăn cho cách giải thích Copenhagen. Theo cách giải thích đó, quỹ đạo của một hạt tồn tại trong một số chồng chất lượng tử mơ hồ tồn tại trong toán học của chúng ta - chúng ta không thực sự “biết” các hạt lượng tử thực sự làm gì và chúng ta chỉ có thể đoán xác suất xảy ra một số kết quả nhất định.

Ngược lại, lý thuyết sóng thí điểm có ưu điểm là mọi thứ trong lý thuyết đều có thật và được xác định - ở đây không có xác suất. Thay vào đó, trong lý thuyết sóng thí điểm (còn được gọi là cơ học Bohmian), sóng liên kết với mỗi hạt sẽ di chuyển trong không gian, thực hiện những gì sóng tự nhiên làm (phản xạ, giao thoa, lan ra, v.v.). Cái dường như là sự ngẫu nhiên lượng tử đối với người quan sát chỉ là sự phản ánh thực tế rằng quỹ đạo thực sự của hạt bị ẩn giấu.

Tuy nhiên, thực tế này phải trả giá. Khi hai hạt tương tác, sóng thí điểm của chúng tương tác và làm vướng víu các hạt. Sự vướng víu là một quá trình cơ học lượng tử trong đó số phận của các hạt hạ nguyên tử được liên kết với nhau, thậm chí ở những khoảng cách rất xa, do đó một sự thay đổi ở hạt này sẽ ngay lập tức dẫn đến sự thay đổi ở hạt kia. Điều này đòi hỏi một phương trình sóng đơn để mô tả đồng thời cả hai hạt và chúng phải “biết” một cách bí ẩn xem hạt kia đang làm gì, bất kể chúng cách nhau bao xa. Đây là một kết quả tiêu chuẩn trong cơ học lượng tử. Nhưng trong lý thuyết sóng thí điểm, sự vướng víu này mở rộng đến vị trí của chính các hạt.

Vì tất cả các hạt đều bị vướng víu với tất cả các hạt khác trong vũ trụ, nên có một phương trình sóng duy nhất mô tả tất cả các hạt cùng một lúc và bằng cách nào đó liên kết vị trí của chúng với nhau. Điều này có nghĩa là trong lý thuyết sóng thí điểm, chuyển động của các nguyên tử trong cơ thể bạn bị ảnh hưởng bởi hành vi của từng hạt trong toàn bộ vũ trụ — và tồn tại một phương trình duy nhất có thể gắn kết mọi thứ trong vũ trụ lại với nhau.

Mặc dù hàm ý này không loại trừ lý thuyết sóng thí điểm, nhưng nó làm cho đề xuất này khó được chấp nhận như một lý thuyết vật lý đúng đắn – xét cho cùng, làm sao chúng ta có thể tự tin tuyên bố rằng chúng ta đã cô lập tất cả các hành vi bên trong một thí nghiệm và hiểu được chuyện gì đang xảy ra vậy?

Một ngày nào đó có thể có câu trả lời cho những khó khăn này và lý thuyết sóng thí điểm ngày càng được quan tâm trong vài thập kỷ qua. 

 Tham khảo: Livescience; Zhihu