104 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
Nền văn hóa lượng tử
Robert P Crease
Thuật ngữ phát sinh từ thuyết lượng tử tỏ ra phổ biến trong nền văn hóa cộng đồng – từ
nghệ thuật và phim ảnh cho đến điêu khắc và thơ ca. Robert P Crease sẽ cung cấp cho bạn các
thí dụ thật hấp dẫn.
Tên gọi của nó là Đám mây Lượng tử. Các du khách đến thăm London không thể nào quên
nó khi đến thăm công viên gần Lâu đài Thiên niên kỉ hay thả bộ dọc theo bờ sông Thames. Nó
nhô cao 30 m trên một cái bục đặt trên bờ sông và từ xa trông giống như một đống len thép khổng
lồ. Khi bạn tiến lại gần, bạn có thể trông rõ hình dạng mù sương, ma quái của một con người ở
chính giữa của nó. Nó là một tác phNm điêu khắc, do nghệ sĩ người Anh Antony Gormley thực
hiện, tạo hình từ các thanh thép dài khoảng một mét rưỡi gắn với nhau theo kiểu có vẻ như bừa
bãi. Được bố cục bởi bầu trời London thường xuyên xám xịt, nó thật sự trông giống như mây.
Nhưng sao lại là “lượng tử” ?
Tác phNm Đám mây Lượng tử của Antony Gormley dựng trên sông Thames ở London.
105 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Cái từ lượng tử đã trở nên quen thuộc và được biết nhiều trong lịch sử khoa học. Max
Planck đã đưa nó vào bài luận hiện đại hồi năm 1900 để mô tả cách thức ánh sáng bị hấp thụ và
phát ra bởi các vật đen. Các vật đó dường như làm như vậy chỉ ở những năng lượng bằng với bội
số của tích của một tần số nhất định và một số gọi là h, mà ông gọi là một lượng tử, tiếng Latin
nghĩa là “bao nhiêu”. Planck và những người khác cho rằng quan niệm kì cục, phản Newton luận
này sẽ sớm được thay thế bởi một cách giải thích tốt hơn về hành trạng của ánh sáng.
Nhưng không may mắn thế. Thay vào đó, sự có mặt của lượng tử trong khoa học còn lớn
mạnh thêm. Einstein đã chứng tỏ rằng ánh sáng tác dụng như thể nó là “hạt”, còn Bohr thì hợp
nhất lượng tử vào lời giải thích của ông cho cách thức các electron nguyên tử thực hiện những
bước nhảy không thể tiên đoán từ một trạng thái này sang một trạng thái khác. Lượng tử trở nên
nảy sinh trong nhiều lĩnh vực khác của vật lí học, rồi trong hóa học và những ngành khoa học
khác. Một lí thuyết hoàn toàn mới mẻ, gọi là cơ học lượng tử, đã được phát triển vào năm 1927.
Dẫu vậy, kém quen thuộc và được biết tới hơn là lịch sử văn hóa của lượng tử. Không bao
lâu sau năm 1927, cái từ lượng tử, và các thuật ngữ phát sinh khác như “phần bù” và “nguyên lí
bất định”, bắt đầu xuất hiện trong các ngành học hàn lâm viện ngoài các ngành khoa học. Kể cả
những người sáng lập của cơ học lượng tử, trong đó có Bohr và Heisenberg, đã áp dụng thuật ngữ
đó cho sự công bằng, quyền tự do và tình yêu. Lượng tử đã tiến hành những bước nhảy không thể
đoán trước đến những nơi bất ngờ chưa từng có. Chẳng hạn, bộ phim James Bond tiếp sau đó là
cái gọi là Lượng tử Lòng vị tha.
Trào lưu lượng tử
Vị chủ nhiệm khoa của trường đại học của tôi ở Stony Brook, James Staros, một nhà khoa
học, đôi khi hay nói khoa của ông đang bị “lượng tử hóa”. Khi ngân quỹ cần phải cắt giảm, chẳng
hạn, ông giảng giải rằng người ta chẳng thể nào giảm một khoa đi, nói ví dụ, 0,79 người hay 1,21
người, cho dù những con số này hoàn toàn tỉ lệ với số tiền cắt giảm. Như Staros giải thích, “nó
phải là tinh giảm từng người một, cho dù là các khoa có quy mô hơi khác nhau một chút”. Đây là
việc sử dụng chính xác và mang hiệu quả tu từ của ngôn từ lượng tử.
Và khi tôi hỏi Gormley về tên gọi của tác phNm điêu khắc của ông, ông đã cho tôi một câu
trả lời đầy sức thuyết phục. “Sự phát triển của cơ học lượng tử”, ông nói với tôi, “tiêu biểu cho sự
chuyển dịch trong khoa học từ nghiên cứu các thực thể càng lúc càng rời rạc sang chú ý nhiều hơn
đến các hiện tượng chảy và trường trong đó các dạng thức mới xuất hiện được xem như tiến triển
ra khỏi khuôn khổ của chúng. Đám mây lượng tử gợi lên điều này”.
106 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
Trong khi cả Gormley và Staros đều triển khai ngôn ngữ lượng tử theo một kiểu khá chính
xác, thì ở những trường hợp khác nó đã bị lạm dụng, mang đến nhận xét của James Clerk
Maxwell rằng “những quan điểm vô lí nhất có thể có mặt, cho rằng chúng được thể hiện trong
ngôn ngữ, âm thanh của chúng gợi nhớ lại một số cụm từ khoa học nổi tiếng”. Từ lượng tử, chẳng
hạn, xuất hiện đều đều trong chiêm tinh học, thuật tự kỉ và bài viết y học lang băm.
Những con cừu phun sơn này đã giúp Valerie Laws sáng tác bài thơ Đàn cừu lượng tử
Nhưng nếu chúng ta nghĩ về khoa học thay vì phán xét, thì tất cả công dụng của ngôn từ
lượng tử - cho dù chính xác hay khoe khoang, đúng về mặt kĩ thuật hay hiểu biết tồi tệ và được
sáng tạo để gây dấu ấn – thật là lí thú. Sau hết, mỗi người bị thúc đNy bởi một số quan niệm của ý
nghĩa của lượng tử. Nhưng chúng ta có thể tìm thấy những kiểu mẫu gì trong những quan niệm đó
? Và những kiểu mẫu đó nói gì về văn hóa và làm thế nào nó hiểu được khoa học ?
Đồng nghiệp của tôi, Fred Goldhaber và tôi đã đưa những câu hỏi này vào trong một khóa
học gọi là “Trào lưu lượng tử”, chúng tôi đã giảng một vài lần với các sinh viên tại Stony Brook.
Chúng tôi đã lấy cắp tên gọi từ cuốn sách của Mordecai Feingold: Trào lưu [ewton luận: Isaac
107 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay
[ewton và Sự sáng lập của Văn hóa hiện đại, nảy sinh tại một cuộc triển lãm tại Thư viện Công
cộng New York năm 2004-5 xác nhận tác động của Newton lên nền văn hóa cuối thế kỉ 17 và đầu
thế kỉ 18. Trong một phong cách tương tự, Goldhaber và tôi đã tập trung vào đánh giá xem ngôn
từ lượng tử đã tác động những gì lên nền văn hóa hiện nay.
Chúng tôi phát hiện thấy câu trả lời thật phức tạp, vì lượng tử đã lan truyền khắp thế giới
theo những kiểu khác nhau.
Kiểu 1: những quá trình thống kê không thể rút gọn hơn nữa
Một kiểu liên quan tới việc áp dụng các thuật ngữ lượng tử cho những quá trình thống kê
không thể rút gọn hơn nữa. Trong khoảng một phần tư thế kỉ, các nhà vật lí đã áp dụng những
dạng thức toán học đã phát triển cho các hiện tượng lượng tử vào kinh tế học. Ví dụ, trong cuốn
sách của ông Tài chính lượng tử: Tích phân đường và Hamiltonian cho các quyền chọn lựa và tỉ
lệ ưa chuộng, nhà vật lí Belal Baaquie ở trường Đại học quốc gia Singapore lưu ý rằng ông không
áp dụng bản thân thuyết lượng tử cho tài chính học. “Thay vào đó”, ông viết, “thuật ngữ ‘lượng
tử’ gợi tới các dạng thức toán học trừu tượng của lí thuyết lượng tử bao gồm lí thuyết xác suất,
không gian trạng thái, các toán tử, các Hamiltionian, các phương trình đảo, các Lagrangian, tích
phân đường, các trường lượng tử, boson, fermion, và vân vân. Tất cả những cấu trúc lí thuyết này
tìm thấy những ứng dụng tự nhiên và hữu ích trong ngành tài chính”. Từ lượng tử ở đây nhắc tới
không phải sự lượng tử hóa như vậy, mà là sự áp dụng các phương pháp thống kê của nó cho
những quá trình lộn xộn như tỉ lệ ưa thích và các thăng giáng giá cả hàng hóa.
Đối với thứ hoàn toàn khác, hãy xét Đàn cừu lượng tử, đứa con tinh thần của Valerie
Laws, một cây bút sinh sống ở miền bắc nước Anh. Năm 2002, cô đã phun sơn các chữ lên trên
bộ lông của đàn cừu ở một cánh đồng gần đấy. Khi các túm lông khô đi, các từ được sắp xếp lại
và một “bài thơ” mới được tạo ra mỗi khi đàn cừu đi tới đứng yên. Một phát ngôn viên của tờ
Nghệ thuật phương Bắc, đã hỗ trợ 2000 bảng Anh cho dự án, phát biểu rằng kết quả đó thật là
“một sự hợp nhất thú vị của thơ ca và vật lí lượng tử”. Sau đây là một trong các “bài tứ tuyệt” thu
được:
Các đám mây lướt qua bầu trời
Bên dưới, đàn cừu thẫn thờ rong chơi
Trên đồng, những chiếc gương mềm mại
Sưởi ấm cho tuyết trắng mùa đông
108 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
Phát biểu với đài BBC vào lúc ấy, Laws giải thích tại sao cô ta cảm thấy dự án đáng để
theo đuổi. “Sự ngẫu nhiên và bất định nằm ở tâm điểm của cách thức vũ trụ được đặt lại với nhau,
và hơi khó đối với chúng ta với tư cách những con người sống dựa trên trật tự đó”, bà nói. “Cho
nên tôi quyết định khảo sát tính ngẫu nhiên và một số nguyên lí của cơ học lượng tử, thông qua
thơ ca, sử dụng môi trường đàn cừu”.
Tất nhiên, có một thế giới khác biệt giữa việc tính toán tỉ lệ ưa thích và việc làm cho một
đàn cừu sơn lông giãn ra trên cánh đồng. Nhưng cả hai trường hợp này dược thúc đNy bởi vai trò
của tính ngẫu nhiên trong thuyết lượng tử: trường hợp đầu liên quan tới việc sử dụng thật sự các
phương pháp thống kê của nó, còn trường hợp sau viện dẫn lượng tử là một biểu trưng của những
quá trình ngẫu nhiên không thể đơn giản hơn nữa.
Kiểu 2: rượu bia bổ sung
Con người lượng tử là một tác phNm điêu khắc của Julian Voss-Andreae hiện đặt ở thành
phố Moses Lake, Washington (Physics World, tháng 9/2006, trang 7). Chế tác từ những tấm thép
cao 2,5 m nằm song song với nhau, tác phNm đó thay đổi hình dạng khi bạn đi xung quanh nó. Từ
một góc độ, nó biểu lộ đường nét bên ngoài của một người, còn từ góc độ khác dạng thức con
người biến mất hoàn toàn.
Tác phNm điêu khắc, theo nhà nghệ sĩ nói, là “ một phép Nn dụ cho thế giới phản trực giác
của vật lí lượng tử”. Voss-Andreae phải biết như thế. Ông đã học vật lí khi chưa tốt nghiệp ở
Berlin và Edinburgh, và đã làm luận văn tốt nghiệp ở Vienna với Anton Zeilinger về các thí
nghiệm khe đôi liên quan tới sự giao thoa lượng tử của các phân tử carbon-60 (Physics World,
tháng 11/2006, trang 44).
Phép Nn dụ như thế là dựa trên tính bổ sung, tên do Bohr đặt cho thực tế rằng, trong thế
giới lượng tử, hai đặc trưng của một mô tả có thể cần thiết nhưng loại trừ lẫn nhau – một hạt có
một vị trí và động lượng xác định là ví dụ tiêu biểu. Tuy nhiên, Bohr và một số nhà vật lí hàng
đầu của thời kì ấy cảm thấy rằng tính bổ sung cũng có thể mở rộng cho những lĩnh vực khác
ngoài vật lí ra, một ý tưởng thường bị nhạo báng. Nhưng sau khi cân nhắc một số áp dụng của
nguyên lí bổ sung của Bohr cho thế giới xã hội, một trong những người viết tiểu sử của Bohr, nhà
vật lí kiên định Abraham Pais, nhận thấy trong khi những áp dụng đó rõ ràng mang tính Nn dụ,
nhưng chúng thường giúp ông nghĩ “ra ngoài khuôn khổ”. Pais đoan chắc rằng “Về mặt cá nhân,
tôi đã nhận ra phương pháp bổ sung của sự giải phóng ý nghĩ”.