Giải thích đa thế giới (Many-worlds interpretation)

Vấn đề đo lường và hàm sóng

Trong cơ học lượng tử, trạng thái của một hệ được mô tả bởi hàm sóng $ \psi $. Hàm sóng này chứa đựng tất cả thông tin về hệ, và bình phương biên độ của nó $ |\psi|^2 $ cho biết xác suất tìm thấy hệ ở một trạng thái cụ thể. Khi ta thực hiện phép đo, ta chỉ nhận được một kết quả duy nhất, và hàm sóng được cho là “sụp đổ” thành trạng thái tương ứng với kết quả đó. Tuy nhiên, cơ chế chính xác của sự sụp đổ này không được giải thích rõ ràng trong cơ học lượng tử truyền thống. MWI ra đời nhằm giải quyết vấn đề này bằng cách loại bỏ hoàn toàn khái niệm “sụp đổ hàm sóng”. Thay vào đó, MWI cho rằng khi thực hiện phép đo, vũ trụ phân nhánh thành nhiều vũ trụ song song, mỗi vũ trụ tương ứng với một kết quả đo lường có thể có. Trong mỗi vũ trụ nhánh, người quan sát sẽ thấy một kết quả đo lường cụ thể.

Ý tưởng cốt lõi của MWI

MWI giải quyết vấn đề đo lường bằng cách loại bỏ hoàn toàn khái niệm sụp đổ hàm sóng. Theo MWI, khi một phép đo được thực hiện, vũ trụ “phân nhánh” thành nhiều vũ trụ song song, mỗi vũ trụ tương ứng với một kết quả có thể xảy ra của phép đo. Mỗi nhánh của vũ trụ này tiếp tục tồn tại độc lập với các nhánh khác, và trong mỗi nhánh, người quan sát chỉ nhận thức được kết quả tương ứng với nhánh đó. Quá trình phân nhánh này diễn ra liên tục, tạo ra một cấu trúc đa vũ trụ vô cùng phức tạp.

Ví dụ

Giả sử ta có một photon đi qua một lăng kính phân cực. Theo cơ học lượng tử truyền thống, photon có xác suất 50% đi qua lăng kính và 50% bị phản xạ. Theo MWI, khi photon gặp lăng kính, vũ trụ phân nhánh thành hai: một vũ trụ nơi photon đi qua và một vũ trụ nơi photon bị phản xạ. Trong mỗi vũ trụ, người quan sát chỉ thấy một kết quả duy nhất, nhưng cả hai kết quả đều thực sự xảy ra trong các vũ trụ khác nhau.

Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm:

• Loại bỏ sự cần thiết của sự sụp đổ hàm sóng, một quá trình không được định nghĩa rõ ràng trong cơ học lượng tử truyền thống.
• Duy trì tính tuyến tính của phương trình Schrödinger, phương trình cơ bản của cơ học lượng tử.
• Cung cấp một cách giải thích đơn giản và nhất quán cho các hiện tượng lượng tử như chồng chất và rối lượng tử.

Nhược điểm:

• Khó kiểm chứng bằng thực nghiệm do không có cách nào để tương tác với các vũ trụ song song.
• Gây ra các vấn đề triết học về bản chất của thực tại và ý nghĩa của xác suất. Ví dụ, nếu mọi khả năng đều xảy ra, thì khái niệm xác suất còn ý nghĩa gì?
• Không giải thích được tại sao xác suất của các kết quả khác nhau lại khác nhau. Nói cách khác, tại sao một số nhánh vũ trụ lại “có vẻ” phổ biến hơn những nhánh khác?

MWI là một cách giải thích thú vị và gây tranh cãi về cơ học lượng tử. Mặc dù nó không được chứng minh và có những nhược điểm đáng kể, nó cung cấp một góc nhìn khác về bản chất của thực tại và có thể mở ra những hướng nghiên cứu mới trong tương lai. Việc nó đúng hay sai vẫn là một câu hỏi mở và tiếp tục là chủ đề của nhiều cuộc tranh luận trong cộng đồng vật lý.

Các vấn đề và tranh luận xung quanh MWI

Mặc dù MWI cung cấp một giải pháp cho vấn đề đo lường, nó cũng đặt ra một số vấn đề và tranh luận mới:

• Vấn đề xác suất: Trong MWI, mọi kết quả có thể xảy ra đều xảy ra, vậy tại sao ta lại quan sát thấy một số kết quả thường xuyên hơn những kết quả khác? Một số cách tiếp cận cố gắng giải quyết vấn đề này bằng cách đưa ra các khái niệm về “độ đo” của các thế giới, liên hệ xác suất với tỷ lệ các thế giới mà kết quả đó xảy ra, nhưng vẫn chưa có sự đồng thuận về cách xác định độ đo này một cách chính xác. Đây là một trong những thách thức lớn nhất đối với MWI.
• Vấn đề bản ngã: Nếu mỗi phép đo lượng tử tạo ra nhiều bản sao của chính chúng ta, thì “bản ngã” thực sự của chúng ta là gì? MWI thách thức quan niệm truyền thống về bản ngã và ý thức. Liệu ý thức của chúng ta có phân chia cùng với vũ trụ, hay chỉ tồn tại trong một nhánh duy nhất?
• Tính kinh tế của lý thuyết: Một số người cho rằng MWI là một lý thuyết không kinh tế, vì nó giả định sự tồn tại của vô số vũ trụ mà chúng ta không thể quan sát được. Nguyên lý dao cạo Occam cho rằng chúng ta nên chọn lý thuyết đơn giản nhất có thể giải thích được các hiện tượng quan sát được, và MWI có vẻ vi phạm nguyên lý này. Tuy nhiên, những người ủng hộ MWI lập luận rằng nó thực sự đơn giản hơn so với việc đưa ra các cơ chế sụp đổ hàm sóng phức tạp.
• Khả năng kiểm chứng: Tính chất của MWI làm cho nó rất khó, nếu không muốn nói là không thể, kiểm chứng bằng thực nghiệm. Vì chúng ta không thể tương tác với các vũ trụ song song, nên không có cách nào để trực tiếp xác nhận hoặc bác bỏ sự tồn tại của chúng.

MWI và các cách giải thích khác

MWI là một trong nhiều cách giải thích cơ học lượng tử. Các cách giải thích khác bao gồm:

• Giải thích Copenhagen: Đây là cách giải thích truyền thống, tập trung vào vai trò của người quan sát trong việc sụp đổ hàm sóng.
• Lý thuyết de Broglie-Bohm (pilot-wave theory): Lý thuyết này cho rằng các hạt có quỹ đạo xác định, được dẫn đường bởi một “sóng dẫn”.
• Giải thích GRW (Ghirardi–Rimini–Weber): Lý thuyết này đề xuất một sự sụp đổ hàm sóng tự phát, ngẫu nhiên.

Mỗi cách giải thích đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, và hiện tại chưa có sự đồng thuận về cách giải thích nào là đúng.

Ứng dụng và tầm ảnh hưởng

Mặc dù MWI chủ yếu là một lý thuyết, nó đã có một số ứng dụng và ảnh hưởng trong các lĩnh vực khác:

• Cơ học thống kê lượng tử: MWI cung cấp một cách tiếp cận mới để hiểu các hệ thống lượng tử phức tạp.
• Khoa học máy tính lượng tử: MWI có thể cung cấp một khuôn khổ lý thuyết cho việc phát triển các thuật toán lượng tử mới.
• Triết học: MWI đã khơi mào cho nhiều cuộc tranh luận triết học về bản chất của thực tại, ý thức và xác suất.

• Everett, H. (1957). “Relative state” formulation of quantum mechanics. Reviews of Modern Physics, 29(3), 454.
• DeWitt, B. S., & Graham, N. (Eds.). (1973). The many-worlds interpretation of quantum mechanics. Princeton University Press.
• Vaidman, L. (2002). Many-worlds interpretation of quantum mechanics. In Stanford Encyclopedia of Philosophy.
• Wallace, D. (2012). The emergent multiverse: Quantum theory according to the Everett interpretation. Oxford University Press.

Câu hỏi và Giải đáp

Nếu mọi kết quả đều xảy ra trong MWI, liệu có tồn tại một vũ trụ nơi mà các định luật vật lý hoàn toàn khác với vũ trụ của chúng ta?

Trả lời: Về nguyên tắc, có. MWI không giới hạn loại vũ trụ nào có thể tồn tại. Nếu một tập hợp các định luật vật lý nào đó có thể tồn tại, dù chỉ với xác suất cực kỳ nhỏ, thì theo MWI, sẽ có một vũ trụ tuân theo tập hợp định luật đó. Tuy nhiên, xác suất để một vũ trụ với các định luật vật lý hoàn toàn khác biệt tồn tại có thể vô cùng nhỏ, khiến cho việc quan sát hoặc tương tác với nó là không thể.

Làm thế nào MWI giải thích sự rối lượng tử (quantum entanglement)?

Trả lời: MWI giải thích rối lượng tử một cách tự nhiên. Khi hai hạt bị rối, hàm sóng của chúng trở nên liên kết với nhau. Trong MWI, khi một phép đo được thực hiện trên một trong hai hạt, vũ trụ phân nhánh thành các vũ trụ tương ứng với các kết quả có thể xảy ra. Trong mỗi nhánh, trạng thái của hạt kia được xác định ngay lập tức, phù hợp với trạng thái của hạt được đo, mà không cần bất kỳ sự tương tác nào giữa hai hạt. Sự tương quan giữa hai hạt được giải thích bằng việc chúng tồn tại trong cùng một nhánh của vũ trụ.

MWI có phải là một lý thuyết có thể kiểm chứng được không?

Trả lời: Đây là một trong những điểm gây tranh cãi nhất về MWI. Hầu hết các nhà vật lý đều đồng ý rằng MWI, ở dạng hiện tại, rất khó, nếu không muốn nói là không thể, kiểm chứng bằng thực nghiệm. Vì chúng ta không thể tương tác với các vũ trụ song song, nên không có cách nào để trực tiếp xác nhận hoặc bác bỏ sự tồn tại của chúng. Tuy nhiên, một số nhà khoa học vẫn đang tìm kiếm các phương pháp gián tiếp để kiểm tra MWI, mặc dù các phương pháp này vẫn còn mang tính lý thuyết.

Sự phân nhánh vũ trụ trong MWI xảy ra khi nào? Liệu nó có liên quan đến ý thức của người quan sát?

Trả lời: Theo MWI, sự phân nhánh vũ trụ xảy ra khi một hệ lượng tử tương tác với một hệ cổ điển, tạo ra sự vướng víu. Điều này không nhất thiết phải liên quan đến ý thức của người quan sát. Một số cách hiểu về MWI cho rằng sự phân nhánh xảy ra một cách khách quan, bất kể có người quan sát hay không.

Nếu MWI là đúng, điều đó có ý nghĩa gì đối với cuộc sống hàng ngày của chúng ta?

Trả lời: Ở mức độ thực tế, MWI không ảnh hưởng đến cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Chúng ta vẫn chỉ trải nghiệm một vũ trụ duy nhất và các quyết định của chúng ta vẫn có ý nghĩa trong vũ trụ đó. Tuy nhiên, MWI có thể có ý nghĩa triết học sâu sắc, đặt ra câu hỏi về bản chất của thực tại, bản ngã và ý nghĩa của sự tồn tại. Nó cũng có thể thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ mới, chẳng hạn như máy tính lượng tử, dựa trên các nguyên lý của cơ học lượng tử.