Những tranh luận giữa
Einstein và Bohr
..là một loạt các câu hỏi vềmặt nhận thức luậnđược trình bày bởi
Einstein để chống lại những cái được gọi là chuẩn hay "Cách giải thích
Copenhagen" của Cơhọc lượng tử. Vì người bạn thân nhất và là ngườiđối
thoại chủyếu với ông trong "trường học Copenhagen" là Neil Bohr, và cũng
chính Neil Bohr là ngườiđưa ra câu trảlời cho hầu hết những câu hỏi của
Einstein, đây thực sựlà một cuộc trao đổi ý tưởng thân mật và "sinh lợi cao".
Thái độ của Einstein với Cơhọc lượng tửthực sựtinh tếvà cởi mởhơn
những gì được mô tảtrên báo khoa họcđại chúng. Những phê phán kiên định và
mạnh mẽcủa ông vềtính chính thống của cơhọc lượng tử đã khiến những người
bảo vệtính chính thống đó phải mài giũa và thanh lọc những hiểu biết của học về
nội dung khoa học và triết học trong lý thuyết này.
Người mà Einstein hướng đến, như đề cậpởtrên, luôn là Bohr, người mà hơn bất
cứai khác ở"Trường học Copenhagen" có một hứng thú đặc biệt tới mặt triết học
và nhận thức luận của các lý thuyết và lấy cảm hứng diện mạo kì lạcủa thếgiới vi
mô để đưa ra những lý thuyết táo bạo. Hai người luôn tôn trọng nhau và đặc biệt
chú ý đến những quan sát sắc bén của nhau.
Giai đoạn một:
Như đã nói, quan điểm của Einstein vềcơhọc lượng tửcó sựbiếnđổi quan trọng
theo thời gian. Giai đoạnđầu, Einstein không công nhận sựbấtđịnh lượng tửvà
tìm cách chứng minh rằng nguyên lý bấtđinh có thểbịvi phạm, bằng cách đưa ra
những thì nghiệm tưởng tượng cho phép sựxác định chính xác các biến sốkhông
tương thích, ví dụvịtrí và vận tốc, hay cùng một lúc làm lộra tính sóng và tính hạt
của cùng một quá trình.
Sựtấn công nghiêm túc đầu tiên của Einstein đối với quan niệm "chính thống" có
từHội nghịVật lý V ởHọc viện Solvay năm 1927. Einstein đã chỉra cách tận dụng
định luật bảo toàn năng lượng và bảo toàn động lượng để nhậnđược các thông tin
vềtrạng thái của hạt trong thí nghiệm giao thoa, mà theo lí thuyết bấtđịnh hay lý
thuyết của Bohr (tính sóng và tính hạt không thể được phát hiệnđồng thời trong
một quá trình vật lý) là không thể.
Để dễdàng theo dõi luậnđiểm của Einstein cũng nhưcâu trảlời Bohr, chúng ta có
thểnhớlại thí nghiệm giao thoa 2 khe (rất hẹp so với bước sóng), và ta cho từng
hạt qua khe S1.
Khi đi qua 2 khe của tấm S2, tính sóng của quá trình được thểhiện. Thực ra, các
hạtđược "dẫn dắt" để đi vào vùng tương ứng với vân sáng và không đi vào vùng
tương ứng với vân tốiđể tạo nên bức tranh giao thoa. Cần phải nhấn mạnh rằng
mọi thì nghiệm thiết kếnhằm phát hiện ra tính hạt của quá trình đi qua tấm S2
(trong trường hợp này là xác định xem hạtđã đi qua khe nào) chắc chắn sẽphá vỡ
tính sóng, nghĩa là hình ảnh giao thoa sẽbiến mất và thay vào đó là 2 vệt sáng tập
trung cho ta thấy quỹ đạo các hạtđã đi.
Einstein lập luận nhưsau:
- Do hạt tới S1 có vận tốc vuông góc với S1, và chỉcó tương tác với màn này mới
gây ra sựlệch khỏi hướng truyền bạnđầu của hạt, từ định luật bảo toàn động
lượng, nếu hạt lệch lên phía trên thì S1 sẽnảy xuống dưới và ngược lại. Trên thực
tế, khối lượng của S1 quá lớn nên nó dường như đứng yên, nhưng vềnguyên tắc có
thểphát hiện ra sựnảy này. Xác định hướng nảy của S1 theo phương X mỗi khi có
một hạt qua khe, chúng ta có thểbiết hạtđã lệch lên hay lệch xuống và từ đó biết
được hạtđã qua khe nào của S2. Nhưng do việc xác định hướng nảy của S1 sau khi
hạtđã đi qua không thể ảnh hưởng đến sựdiễn tiến tiếp theo của quá trình, chúng
ta vẫn có hình ảnh giao thoa trên F. Do đó ta phát hiện ra tính sóng và tính hạt của
cùng một quá trình. Nếu Einstein đúng thì Bohr sai.
Thay vì trảlời ngay câu hỏi của Einstein, Bohr minh họa rõ ý tưởng của Einstein
thông qua hình ảnh sau
Để thực hiện ý tưởng của Einstein cần thay S1 bằng một hệthống có
thểchuyểnđộng, giống nhưhệthống này theo đề xuất của Bohr
Bohr cho rằng mọi sựhiểu biết chính xác vềchuyểnđộng thẳng đứng (nếu có) của
S1 chỉlà một phỏng đoán. Trên thực tê, nếu vận tốc của S1 theo phương X trước
khi hạtđi qua không được biết vớiđộ chính xác lớn hơn chuyểnđộng của nó do
trong sựnảyđề xuấtởtrên thì việc xác định hướng chuyểnđộng sau khi hạtđi qua
là vô nghĩa. Tuy nhiên, Bohr tiếp tục, một sựxác định chính xác tuyệtđối vận tốc
của S1 dẫnđến vịtrí của nó theo trục X là hoàn toàn bấtđịnh. Trước khi quá trình
bắtđầu, S1 sẽ ở một vịtrí sai khác so với vịtrí ta muốn . Xét điểm d ởhình 1, nơi có
vân tối, rõ ràng mọi sựchuyểnđộng của S1 sẽlàm cho độ dài 2 lộtrình a-b-d và a-
c-d sai khác. Nếu sựbiếnđó bằng nửa bước sóng thì ởd sẽlà vân sáng thay vì vân
tối. Khi lấy trung bình các vịtrí khảdĩcủa S1, tương ứng với một dạng giao thoa tại
mộtđiểm nào đó trên F, thì trên F bây giờthay vì hệvân sẽlà một bức tranh màu
ghi đồng đều. Một lần nữa, cốgắng của chúng ta để tìm ra bản chất hạtđã phá hỏng
bức tranh giao thoa, tính chất cốt lõi nhất của sóng.
Lập luận này đúng và thuyết phục. Cần lưu ý rằng, nhưBohr nhận thấy, để hiểu
hiện tượng này "điều cốt yếu là, khác với những công cụ đođạc thông thường,
những công cụtrong mô hình trên cùng với các hạt cấu thành nên hệmà ta phải áp
dụng những quy tắc lượng tử. Do tính chính xác của những điều kiện mà trong đó
ta có thểáp dụng những quy tắc lượng tửmột cách đúng đắn, bắt buộc ta phải xét
đến tất cảnhững dụng cụthí nghiệm. Trên thực tế, sựxuất hiện của một cơcấu thí
nghiệm mới, ví dụmột cái gương, trên lộtrình của hạt sẽlàm biếnđổi bức tranh
giao thoa, do đó ảnh hưởng một cách cơbảnđến những dự đoán vềkết quả được
ghi nhận cuối cùng." Xa hơn nữa, Bohr cốgắng giải quyết sựnhập nhằng trong
phân định phần nào của hệthuộc vềvĩmô và phần nào không:
Nói riêng, rõ ràng rằng... sựsửdụng không mập mờcác khái niệm thuộc không thời
gian trong mô tảnhững hiện tượng nguyên tửchỉcó thểgiới hạn trong một số
những quan sát chẳng hạn những quan sát liên quan đếnảnh qua thấu kính quang
học hay những hiệuứng khuyếch đại tương tự, mà trên thực tếthường bất thuận
nghịch, ví dụsựhình thành của một giọt nước quanh một ion trong phòng tối.
Lập luận của Bohr vềsựbất khảthi trong mô hình thí nghiệm của Einstein, nhằm
vi phạm nguyên lí bấtđịnh, dựa trên thực tếlà hệthống vĩ(S1) lại tuân theo những
quy tắc lượng tử. Mặt khác, Bohr chỉra rằng, để làm sáng tỏdiện mạo vi mô của
hiện thực cần thiết phải làm nổi bật những ảnh hưởng có nguồn gốc từnhững cơ
cấu vĩmô, những thứtuân theo những quy tắc cổ điển và có thể được mô tảbằng
những thuật ngữcổ điển.
Lập luận thứ2 của Einstein
Tiếp tục tấn công vào nguyên lý bấtđịnh, lần này là đối với quan hệbấtđịnh giữa
năng lượng và thời gian
ΔE.Δt≥h
Ông đưa ra một ý tưởng thí nghiệm và lại mô hình thí nghiệm một lần nữađược
thiết kếbởi Bohr nhằm minh họa cho câu trảlời của mình.
Einstein xét một cái hộp (hộp Einstein) chứa bức xạ điện từvà một cái đồng hồ
điều khiển sự đóng mởcủa một cửa chớp che một lỗtrên thành hộp.
Cửchớp mởtrong một khoảng thời gian Δtđược chọn bất kì. Trong khi cửa mở,
giảsửrằng có một photon từ đâuđó trong hộp thoát ra ngoài qua lỗ.Để bác bỏ
nguyên lý bấtđịnh, cần xác định vớiđộ chính xác thích hợp lượng năng lượng mà
photon mang theo. Ở điểm này, Einstein sửdụng phương trình nổi tiếng của ông:
E=mc^2
Biếtđược khối lượng một vật cũng chính là biết năng lượng của nó. Lập luận bây
giờtrởnên đơn giản: đo khối lượng trước và sau khi photon đi ra ta có thểbiết
được lượng năng lượng mấtđi khỏi hộp. Hơn nữađồng hồsẽghi lại thời gian phát
ra photon. Vì, vềnguyên lí khối lượng của hộp có thể đođược vớiđộ chính xác tùy
ý, ta có thểgiảm sai số ΔE một cách tùy ý muốn và do đó tích ΔEΔt có thểgiảm
xuống nhỏhơn giời han của nguyên lý bấtđịnh.
... Ý tưởng trên, cũng nhưnhững ý tưởng trước của Einstein, tỏra sắc bén và
dường nhưkhông thểbác bỏ. Leon Rosenfeld, một nhà khoa học cũng tham gia vào
hội nghị, kểlại vài năm sau đó: