Sai lầm tuyệt vời của Einstein: Trạng thái buộc chéo - Chad Orzel

Xem toàn bộ bài học tại: http://ed.ted.com/lessons/einstein-s-brilliant-mistake-entangled-states-chad-orzel

Khi bạn nghĩ tới Einstein và Vật Lý, E=mc^2 có lẽ là điều đầu tiên xuất hiện trong đầu. Nhưng một trong những đóng góp lớn nhất của ông trong lĩnh vực lại đến từ dạng chú thích lẻ trong bài báo cáo năm 1935 mà ông đồng sáng tác -- bài báo cuối cùng đã sai. Chad Orzel nêu cụ thể hơn về bài báo cáo "EPR" của Einstein và sự sáng suốt của nó trong hiện tượng lạ về trạng thái buộc chéo.

Bài học bởi Chad Orzel, hoạt họa bởi Gunborg/Banyai.

Albert Einstein đóng vai trò quan trọng

trong việc khởi xướng cơ học lượng tử

từ lý thuyết của ông
về hiệu ứng quang điện

nhưng vẫn rất phiền não
về ý nghĩa triết học của nó.

Và dù hầu hết chúng ta vẫn nhớ đến ông

qua công thức E=MC^2,

đóng góp lớn cuối cùng của ông với Vật Lý

là từ bản báo cáo năm 1935,

đồng tác giả với đồng nghiệp trẻ
Boris Podolsky và Nathan Rosen.

Được coi là một ghi chú kỳ cục
đầy tính triết học vào thập niên 80,

Bản báo cáo EPR này

trở thành trung tâm hiểu biết mới
của vật lý lượng tử,

với sự mô tả về một hiện tượng kỳ lạ

được biết đến với tên gọi
"trạng thái buộc chéo".

Bản báo cáo bắt đầu bằng việc

xét một nguồn có thể tách ra các cặp hạt,

mỗi hạt có 2 đặc tính có thể đo đạc được.

Mỗi đo đạc có 2 kết quả khả dĩ

với cùng xác suất.

Gán 0 hoặc 1 cho đặc tính thứ nhất,

và A hoặc B cho đặc tính thứ hai.

Một khi thực hiện đo đạc,

những lần đo đạc tiếp theo của
cùng đặc tính trong cùng hạt

sẽ cho ra cùng kết quả.

Ý nghĩa kỳ lạ của diễn biến này

là không chỉ trạng thái của hạt đơn lẻ

là vô xác định cho tới khi được đo đạc,

mà chính đo đạc đó xác định trạng thái.

Thêm nữa, các đo đạc ảnh hưởng lẫn nhau.

Nếu bạn đo một hạt được trạng thái 1,

và sau đó đo đạc loại thứ hai,

bạn có 50% khả năng đo được A hoặc B,

nhưng nếu bạn lặp lại phép đo đầu tiền,

bạn có 50% khả năng đo được 0

cho dù hạt đã được đo ra kết quả 1.

Như vậy, chuyển đặc tính được đo đạc

làm hỏng kết quả ban đầu,

cho phép ra giá trị mới ngẫu nhiên.

Sự việc trở nên kỳ lạ hơn

khi bạn quan sát cả hai hạt.

Mỗi hạt cho ra kết quả ngẫu nhiên,

nhưng nếu so sánh cả hai,

bạn sẽ thấy chúng
luôn hoàn toàn tương đồng.

Ví dụ: nếu cả hai hạt được đo ra 0,

mối quan hệ luôn giữ nguyên.

Trạng thái của cả hai bị ràng buộc.

Đo một hạt sẽ cho biết hạt kia

với xác suất tuyệt đối.

Nhưng sự buộc chéo có vẻ phản bác lại

thuyết tương đối nổi tiếng của Einstein

vì không có giới hạn
cho khoảng cách giữa hai hạt.

Nếu đo một hạt ở New York vào giữa trưa,

và hạt kia ở San Francisco
một phần tỷ giây sau,

chúng vẫn hoàn toàn
cho ra kết quả như nhau.

Nhưng nếu sự đo đạc quyết định giá trị,

thì sẽ đòi hỏi một hạt
gửi tín hiệu nào đó tới hạt kia

13,000,000 lần nhanh hơn tốc độ ánh sáng,

điều mà theo thuyết tương đối
là không thể.

Vì lý do đó, Einstein đã loại bỏ
sự buộc chéo

và gọi nó là "spuckafte ferwirklung",

hay "hành động ma quái từ xa".

Ông cho rằng cơ học lượng tử
không hoàn thiện,

một sự ước lượng của thực tế sâu xa hơn

mà ở đó cả hai hạt
có trạng thái được định trước,

đang lẩn trốn chúng ta.

Những người ủng hộ
lý thuyết lượng tử chính thống,

dẫn đầu bởi Niels Bohr

giữ quan điểm rằng trạng thái lượng tử
cơ bản là vô xác định,

và sự buộc chéo cho phép
trạng thái của một hạt

phụ thuộc vào đối tác xa xôi của nó.

Trong 30 năm, Vật Lý vẫn ở ngõ cụt,

cho tới khi John Bell phát hiện ra rằng

chìa khóa để kiểm tra lập luận EPR

là nhìn vào trường hợp liên quan đến
phép đo đạc khác nhau trong hai hạt.

Lý thuyết về biến số ẩn địa phương

dẫn dắt bởi Einstein, Podolsky và Rosen,

giới hạn gắt gao mức độ thường xuyên
ta có thể ra kết quả 1A hay B0

bởi vì kết quả lẽ ra
phải được xác định trước.

Bell chỉ ra rằng
cách tiếp cận thuần lượng tử,

nơi mà trạng thái thực sự không xác định
cho đến khi đo đạc,

có giới hạn khác nhau

và dự đoán kết quả đo lường lẫn lộn

điều mà trong kịch bản được định trước
không thể làm được.

Trong khi Bell đang tìm cách
kiểm tra lập luận EPR,

các nhà Vật Lý đã tìm ra và thực hiện nó.

Bắt đầu từ John Clauster thập niên 70

và Alain Aspect đầu thập niên 80,

hàng tá thí nghiệm kiểm tra dự đoán EPR,

và tất cả cùng phát hiện một điều:

cơ học lượng tử là đúng.

Sự tương đồng giữa trạng thái bất định
của các hạt buộc chéo là thật

và không thể giải thích
bằng biến số sâu xa nào khác.

Bản báo cáo EPR trở thành sai lầm

nhưng vậy lại tuyệt.

Bằng việc dẫn dắt các nhà Vật Lý

nghĩ sâu hơn về nền tảng
của vật lý lượng tử,

nó dẫn tới việc xây dựng lý thuyết xa hơn

và giúp khởi xướng nghiên cứu
về các vấn đề

như thông tin lượng tử,

ngày nay là lĩnh vực mạnh với tiềm lực

để phát triển máy tính
với sức mạnh chưa từng có.

Đáng tiếc rằng, sự ngẫu nhiên
của kết quả đo đạc

ngăn cản kịch bản khoa học viễn tưởng,

như sử dụng các hạt buộc chéo

để gửi tin nhắn nhanh hơn ánh sáng.

Như vậy, thuyết tương đối vẫn an toàn,

cho đến giờ.

Nhưng vũ trụ lượng tử thì kỳ lạ hơn nhiều

những gì Einstein muốn tin tưởng.