Tất cả vật chất trong vũ trụ có được tạo thành từ hạt và sóng không?

Lưỡng tính sóng-hạt là một thuộc tính cơ bản của vật chất. Nó thể hiện rằng mọi đối tượng vật chất di chuyển trong không gian đều có tính chất như là sự lan truyền của sóng tương ứng với vật chất đó, và đồng thời cũng có tính chất của các hạt chuyển động.

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 này phản ánh việc tất cả các hạt (thực ra là tất cả các vật thể) đều có những đặc tính giống như sóng và được kết nối với chúng. Trong khi hầu hết các cách giải thích tiêu chuẩn về cơ học lượng tử coi sóng là một phần của một thuật toán học thông minh được sử dụng để tính xác suất xuất hiện của một hạt ở một vị trí nào đó, thì một số cách giải thích tiên tiến hơn thì nâng sóng lên thành một thực thể thực sự tồn tại giống như các hạt. Một trong những lý thuyết này, được gọi là lý thuyết sóng thí điểm, cho rằng mọi tương tác trong vũ trụ 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 cũng có tính chất sóng. Ông lấy cảm hứng từ việc phát hiện lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng.

Vào năm 1899, nhà vật lý người Đức Max Planck đang cố gắng giải thích một loại bức xạ gọi là bức xạ vật đen (quang phổ ánh sáng phát ra từ một vật thể bị đốt nóng), và ông chỉ có thể giải thích các đặc tính của nó bằng cách 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. Ông tin rằng ánh sáng được tạo thành từ các hạt nhỏ (cuối cùng được gọi là photon) hoạt động giống như sóng khi 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 đã đề xuất rằng bước sóng của ánh sáng tỉ lệ nghịch với động lượng của nó. Điều này có nghĩa là, 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 đưa ra một ý tưởng có vẻ điên rồ. Ông cho rằng ánh sáng không chỉ có động lượng và năng lượng, mà còn có tính chất sóng. Tương tự, vật chất cũng có động lượng và năng lượng, do đó cũng có thể có tính chất sóng.

Mặc dù sự tiến triển của cơ học lượng tử bắt đầu từ công trình của Planck, nhưng tiến trình này đã bị trì hoãn 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 hơn. Với việc nhận ra lưỡng tính sóng-hạt, các nhà vật lý như Erwin Schrödinger đã có thể phát triển một lý thuyết lượng tử hoàn chỉnh để giải thích hành trạng của electron bên trong nguyên tử.

Tuy nhiên, câu hỏi vẫn còn: Sóng vật chất thực sự 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 không phù hợp với các thí nghiệm, cho thấy electron là những hạt giống như điểm. Sau đó, Max Born đề xuất một ý tưởng mà cuối cùng phát triển thành Giải thích Copenhagen về cơ học lượng tử: Sóng vật chất là sóng xác suất, chỉ ra nơi mà con người có thể tìm thấy các hạt trong lần tìm kiếm tiếp theo của họ. Khi sóng có giá trị cao, xác suất tìm thấy hạt càng lớn.

De Broglie cũng có ý tưởng khác. Ông tin rằng sóng là có thực sự nhưng không phải là vật thay thế cho các hạt. Thay vào đó, ông cho rằng chúng tồn tại cùng với các hạt, lan truyền trong không gian và cho các hạt biết nơi mà chúng sẽ đi. Không ai có thể nhìn thấy con đường thực sự của quỹ đạo của hạt, điều này ngụ ý rằng 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.

Cuối cùng, De Broglie đã từ bỏ ý tưởng này để chuyển sang giải thích sóng dưới dạng xác suất. Tuy nhiên, nhiều thập kỷ sau đó, David Bohm đã nghiên cứu lại lý thuyết của De Broglie và biến nó thành một giải thích đầy đủ về cơ học lượng tử.

Nhiều 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 giải thích Copenhagen. Theo cách giải thích đó, quỹ đạo của một hạt tồn tại trong một số chồng chất lượng tử mơ hồ 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 - 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 mà sóng tự nhiên làm (phản xạ, giao thoa, lan rộng, v.v.). 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, sự thực này có giá phải. Khi hai hạt tương tác, sóng thí điểm của chúng tương tác và gây ra sự vướng víu giữa chúng. Sự vướng víu này là một hiện tượng cơ học lượng tử trong đó số phận của các hạt hạ nguyên tử liên kết với nhau, thậm chí khi chúng ở xa nhau, vì vậy một thay đổi ở hạt này sẽ ngay lập tức dẫn đến một thay đổi ở hạt kia. Điều này yêu cầu một phương trình sóng đơn để mô tả cả hai hạt cùng một lúc và chúng phải 'biết' một cách bí ẩn rằng hạt kia đang làm gì, bất kể khoảng cách xa đến đâu. Điều này là một kết quả tiêu biểu trong cơ học lượng tử. Nhưng trong lý thuyết sóng thí điểm, sự vướng víu này mở rộng ra đến vị trí của các hạt chính.

Do tất cả các hạt đều 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 kết nối 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 kết nối mọi thứ trong vũ trụ lại với nhau.

Mặc dù điều 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 chính xác - sau cùng, làm sao chúng ta có thể tự tin tuyên bố rằng chúng ta đã cô lập tất cả các hành vi trong một thí nghiệm và hiểu được những gì đang diễn ra?

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

Tham khảo: Livescience; Zhihu