Mâu thuẫn quan trọng nhất trong lĩnh vực vật lý hiện đại, Albert Einstein đã dành một phần lớn cuộc đời mình mà không giải quyết được!

Thuyết tương đối được Albert Einstein đề xuất hơn 100 năm trước và thuyết cơ học lượng tử cũng được xây dựng dựa trên công việc của ông. Tuy nhiên, trong quãng đời còn lại của mình, ông không thể thực hiện ước mơ lớn nhất của mình, đó là kết hợp hai lý thuyết đó để tạo ra lý thuyết thống nhất.

Thuyết tương đối và cơ học lượng tử đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực vật lý hiện đại, chi phối cả thế giới vĩ mô và vi mô. Tuy nhiên, việc thống nhất hai lý thuyết này gặp phải những khó khăn và mâu thuẫn, khiến cho thế giới của chúng ta giống như có hai bộ lý thuyết song song, một thống trị vĩ mô và một thống trị vi mô.

Thế giới vĩ mô mà chúng ta sống tồn tại từ các phần tử cơ bản của thế giới vi mô, không có ranh giới rõ ràng giữa hai thế giới này, điều này cho thấy cần phải có một lý thuyết thống nhất để giải thích chúng.

Vấn đề lớn nhất ở đây là việc thống nhất thuyết tương đối và cơ học lượng tử, dù các nhà khoa học cố gắng hết sức nhưng vẫn gặp khó khăn.

Từ góc độ vĩ mô, thuyết tương đối mô tả một cách rõ ràng bản chất của lực hấp dẫn, cho rằng lực hấp dẫn không phải là một thực thể riêng biệt mà chỉ là biểu hiện của sự uốn cong của không gian và thời gian. Nói cách khác, sự uốn cong của không gian-thời gian là nguyên nhân chính của lực hấp dẫn.

Mọi vật thể mang khối lượng đều có thể gây ảnh hưởng đến cấu trúc của không-thời gian, và tác động của các thiên thể lớn càng rõ ràng hơn. Tưởng tượng như một tấm bạt lò xo, khi bạn đứng trên đó, nó sẽ chìm vào phía dưới, và nếu bạn đặt một quả bóng lên trên, quả bóng sẽ cuốn về phía trung tâm theo tấm bạt lò xo chìm.

Tất nhiên, điều này chỉ là một hình ảnh trực quan, trong thực tế, không-thời gian không cong như vậy mà cong về trung tâm khối lượng của vật thể.

Thuyết tương đối rộng nhấn mạnh rằng cấu trúc của không-thời gian là liên tục và mượt mà.

Tuy nhiên, khi chúng ta chuyển sang thế giới vi mô, mọi thứ trở nên khác biệt và cần phải được giải thích bằng cơ học lượng tử.

Thế giới lượng tử không phải là một thế giới mượt mà, cũng không phải là liên tục, mọi thứ ở đó đều không chắc chắn và đó là một thế giới hỗn loạn không thể diễn tả chính xác.

Trong thế giới lượng tử, không gian và thời gian bị biến đổi, không có hướng như chúng ta biết, không có khái niệm về lên, xuống, trái, phải và thậm chí cả khái niệm về thời gian cũng không còn. Bạn không bao giờ có thể chắc chắn bạn đang ở đâu, thậm chí bạn có thể ở hai nơi cùng một lúc.

Một điều khó hiểu hơn nữa là có vẻ như không có mối quan hệ nhân quả nào trong thế giới lượng tử. Để dùng một ví dụ từ thế giới vĩ mô, đó giống như bạn quyết định đến Hoa Kỳ vào ngày mai, nhưng thực tế là bạn đã đến Hoa Kỳ vào ngày hôm qua. Trong thế giới lượng tử, thời gian cũng là một hỗn loạn.

Cốt lõi của cơ học lượng tử là sự không chắc chắn, trong đó mọi thứ không tuân theo logic thông thường. Khi chúng ta quan sát thế giới lượng tử, đối tượng quan sát sẽ được xác định. Nói cách khác, trước khi có quan sát, thế giới lượng tử là không chắc chắn và quan sát khiến thế giới chuyển từ không chắc chắn sang chắc chắn.

Hãy tưởng tượng một ví dụ từ thế giới vĩ mô. Mẹ bạn đang nấu ăn trong bếp và bạn đang chơi game trên máy tính trong phòng ngủ. Cả hai sự kiện đều là chắc chắn.

Tuy nhiên, theo cách giải thích không chắc chắn của cơ học lượng tử, bạn có thể không ở trong phòng ngủ mà có thể ở bất kỳ đâu khác, chẳng hạn như trên mặt trăng. Khi mẹ bạn muốn nhìn thấy (quan sát) bạn ở đâu, địa vị của bạn sẽ được xác định và bạn chỉ có thể ở một nơi, tức là trong phòng ngủ. Nhưng từ phân tích lý thuyết, có khả năng bạn đang ở trên mặt trăng, nhưng khả năng này rất nhỏ và xác suất có thể coi là bằng không.

Đừng lo lắng, bạn không phải là người duy nhất bối rối, bởi ngay cả ông trùm vật lý Albert Einstein cũng phải thừa nhận rằng trên thế giới không có ai thực sự hiểu cơ học lượng tử.

Einstein đã dành phần lớn của nửa sau cuộc đời để cố gắng hòa nhập thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử, nhưng ngay cả những nỗ lực đó của ông cũng không thể hoàn thành mục tiêu khó khăn này.

Dù như thế nào đi chăng nữa, cơ học lượng tử đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, các sản phẩm điện tử mà chúng ta thường xuyên sử dụng như điện thoại di động đều tích hợp công nghệ cơ học lượng tử trong chip.

Mâu thuẫn giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử vẫn tồn tại cho đến ngày nay, và điều này đồng nghĩa với việc cần có những lý thuyết sâu sắc hơn đang chờ đợi các nhà khoa học khám phá. Lý thuyết hấp dẫn lượng tử và lý thuyết dây đã được đề xuất trong những thập kỷ gần đây nhằm thống nhất thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử. Tuy nhiên, lý thuyết dây vẫn còn nhiều tranh cãi và rất khó để kiểm chứng bằng thực nghiệm!