Những tranh luận giữa Einstein và Bohr

Chia sẻ: Ha Quynh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

90
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

..là một loạt các câu hỏi về mặt nhận thức luận được trình bày bởi Einstein để chống lại những cái được gọi là chuẩn hay "Cách giải thích Copenhagen" của Cơ học lượng tử.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Những tranh luận giữa Einstein và Bohr

Những tranh luận giữa Einstein và Bohr ..là một loạt các câu hỏi về mặt nhận thức luận được trình bày bởi Einstein để chống lại những cái được gọi là chuẩn hay "Cách giải thích Copenhagen" của Cơ học lượng tử. Vì người bạn thân nhất và là người đối thoại chủ yếu với ông trong "trường học Copenhagen" là Neil Bohr, và cũng chính Neil Bohr là người đưa ra câu trả lời cho hầu hết những câu hỏi của Einstein, đây thực sự là một cuộc trao đổi ý tưởng thân mật và "sinh lợi cao". Thái độ của Einstein với Cơ học lượng tử thực sự tinh tế và cởi mở hơn những gì được mô tả trên báo khoa học đại chúng. Những phê phán kiên định và mạnh mẽ của ông về tính chính thống của cơ học lượng tử đã khiến những người bảo vệ tính 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 cập ở trên, luôn là Bohr, người mà hơn bất cứ ai 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 lạ của thế giới 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 về cơ học lượng tử có sự biến đổi quan trọng theo thời gian. Giai đoạn đầu, Einstein không công nhận sự bất định lượng tử và tìm cách chứng minh rằng nguyên lý bất đinh có thể bị vi phạm, bằng cách đưa ra những thì nghiệm tưởng tượng cho phép sự xác định chính xác các biến số không tương thích, ví dụ vị trí và vận tốc, hay cùng một lúc làm lộ ra tính sóng và tính hạt của cùng một quá trình. Sự tấn công nghiêm túc đầu tiên của Einstein đối với quan niệm "chính thống" có từ Hội nghị Vật lý V ở Học viện Solvay năm 1927. Einstein đã chỉ ra cách tận dụng định luật bảo toàn năng lượng và bảo toàn động lượng để nhận được các thông tin về trạng thái của hạt trong thí nghiệm giao thoa, mà theo lí thuyết bất định hay lý thuyết của Bohr (tính sóng và tính hạt không thể được phát hiện đồng thời trong một quá trình vật lý) là không thể. Để dễ dàng theo dõi luận điểm của Einstein cũng như câu trả lời Bohr, chúng ta có thể nhớ lại 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 thể hiện. Thực ra, các hạt được "dẫn dắt" để đi vào vùng tương ứng với vân sáng và không đi vào vùng tương ứng với vân tối để tạo nên bức tranh giao thoa. Cần phải nhấn mạnh rằng mọi thì nghiệm thiết kế nhằm phát hiện ra tính hạt của quá trình đi qua tấm S2 (trong trường hợp này là xác định xem hạt đã đi qua khe nào) chắc chắn sẽ phá vỡ tính sóng, nghĩa là hình ảnh giao thoa sẽ biến mất và thay vào đó là 2 vệt sáng tập trung cho ta thấy quỹ đạo các hạt đã đi. Einstein lập luận như sau: - Do hạt tới S1 có vận tốc vuông góc với S1, và chỉ có tương tác với màn này mới gây ra sự lệch khỏi hướng truyền bạn đầu của hạt, từ định luật bảo toàn động lượng, nếu hạt lệch lên phía trên thì S1 sẽ nảy xuống dưới và ngược lại. Trên thực tế, khối lượng của S1 quá lớn nên nó dường như đứng yên, nhưng về nguyên tắc có
thể phát hiện ra sự nảy này. Xác định hướng nảy của S1 theo phương X mỗi khi có một hạt qua khe, chúng ta có thể biết hạt đã lệch lên hay lệch xuống và từ đó biết được hạt đã qua khe nào của S2. Nhưng do việc xác định hướng nảy của S1 sau khi hạt đã đi qua không thể ảnh hưởng đến sự diễn 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 trả lời 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 hệ thống có thể chuyển động, giống như hệ thống này theo đề xuất của Bohr Bohr cho rằng mọi sự hiểu biết chính xác về chuyển động thẳng đứng (nếu có) của S1 chỉ là một phỏng đoán. Trên thực tê, nếu vận tốc của S1 theo phương X trước khi hạt đi qua không được biết với độ chính xác lớn hơn chuyển động của nó do trong sự nảy đề xuất ở trên thì việc xác định hướng chuyển động sau khi hạt đi qua là vô nghĩa. Tuy nhiên, Bohr tiếp tục, một sự xác định chính xác tuyệt đối vận tốc của S1 dẫn đến vị trí của nó theo trục X là hoàn toàn bất định. Trước khi quá trình bắt đầu, S1 sẽ ở một vị trí sai khác so với vị trí ta muốn . Xét điểm d ở hình 1, nơi có vân tối, rõ ràng mọi sự chuyển động của S1 sẽ làm cho độ dài 2 lộ trình a-b-d và a- c-d sai khác. Nếu sự biến đó bằng nửa bước sóng thì ở d sẽ là vân sáng thay vì vân tối. Khi lấy trung bình các vị trí khả dĩ của S1, tương ứng với một dạng giao thoa tại một điểm nào đó trên F, thì trên F bây giờ thay vì hệ vân sẽ là một bức tranh màu ghi đồng đều. Một lần nữa, cố gắng của chúng ta để tìm ra bản chất hạt đã phá hỏng bức tranh giao thoa, tính chất cốt lõi nhất của sóng. Lập luận này đúng và thuyết phục. Cần lưu ý rằng, như Bohr nhận thấy, để hiểu hiện tượng này "điều cốt yếu là, khác với những công cụ đo đạc thông thường, những công cụ trong mô hình trên cùng với các hạt cấu thành nên hệ mà ta phải áp dụng những quy tắc lượng tử. Do tính chính xác của những điều kiện mà trong đó
ta có thể áp dụng những quy tắc lượng tử một cách đúng đắn, bắt buộc ta phải xét đến tất cả những dụng cụ thí nghiệm. Trên thực tế, sự xuất hiện của một cơ cấu thí nghiệm mới, ví dụ một cái gương, trên lộ trình của hạt sẽ làm biến đổi bức tranh giao thoa, do đó ảnh hưởng một cách cơ bản đến những dự đoán về kết quả được ghi nhận cuối cùng." Xa hơn nữa, Bohr cố gắng giải quyết sự nhập nhằng trong phân định phần nào của hệ thuộc về vĩ mô và phần nào không: Nói riêng, rõ ràng rằng... sự sử dụng không mập mờ các khái niệm thuộc không thời gian trong mô tả những hiện tượng nguyên tử chỉ có thể giới hạn trong một số những quan sát chẳng hạn những quan sát liên quan đến ảnh qua thấu kính quang học hay những hiệu ứng khuyếch đại tương tự, mà trên thực tế thường bất thuận nghịch, ví dụ sự hình thành của một giọt nước quanh một ion trong phòng tối. Lập luận của Bohr về sự bất khả thi trong mô hình thí nghiệm của Einstein, nhằm vi phạm nguyên lí bất định, dựa trên thực tế là hệ thống vĩ (S1) lại tuân theo những quy tắc lượng tử. Mặt khác, Bohr chỉ ra rằng, để làm sáng tỏ diện mạo vi mô của hiện thực cần thiết phải làm nổi bật những ảnh hưởng có nguồn gốc từ những cơ cấu vĩ mô, những thứ tuân theo những quy tắc cổ điển và có thể được mô tả bằng những thuật ngữ cổ điển. Lập luận thứ 2 của Einstein Tiếp tục tấn công vào nguyên lý bất định, lần này là đối với quan hệ bất định 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 nữa được thiết kế bởi Bohr nhằm minh họa cho câu trả lời của mình. Einstein xét một cái hộp (hộp Einstein) chứa bức xạ điện từ và một cái đồng hồ điều khiển sự đóng mở của một cửa chớp che một lỗ trên thành hộp.
Cử chớp mở trong một khoảng thời gian Δt được chọn bất kì. Trong khi cửa mở, giả sử rằng có một photon từ đâu đó trong hộp thoát ra ngoài qua lỗ. Để bác bỏ nguyên lý bất định, cần xác định với độ chính xác thích hợp lượng năng lượng mà photon mang theo. Ở điểm này, Einstein sử dụng phương trình nổi tiếng của ông: E=mc^2 Biết được khối lượng một vật cũng chính là biết năng lượng của nó. Lập luận bây giờ trở nên đơn giản: đo khối lượng trước và sau khi photon đi ra ta có thể biết được lượng năng lượng mất đi khỏi hộp. Hơn nữa đồng hồ sẽ ghi lại thời gian phát ra photon. Vì, về nguyên lí khối lượng của hộp có thể đo được với độ chính xác tùy ý, ta có thể giảm sai số ΔE một cách tùy ý muốn và do đó tích ΔEΔt có thể giảm xuống nhỏ hơn giời han của nguyên lý bất định. ... Ý tưởng trên, cũng như những ý tưởng trước của Einstein, tỏ ra sắc bén và dường như không thể bác bỏ. Leon Rosenfeld, một nhà khoa học cũng tham gia vào hội nghị, kể lại vài năm sau đó:
Một cú sốc thật sự đối với Bohr...người, lúc đầu, không thể tìm ra câu trả lời. Ông cực kì bị kích động trong cả buổi tối, và ông liên tục đi từ nhà khoa học này đến nhà khoa học khác, cố gắng thuyết phục họ rằng không thể như vậy được, sẽ là hồi kết cho vật lý nếu như Einstein đúng; nhưng ông không thể tìm ra cách nào đẻ giải đáp nghịch lý này. Tôi không bao giơ quên hình ảnh của 2 địch thủ lúc họ rời câu lạc bộ: Einstein với dáng vẻ cao và oai vệ, nhẹ nhàng bước đi, với một nụ cười dụ dàng châm biếm, và Bohr sóng bước, đầy kích động... Buổi sáng hôm sau chứng kiến chiến thắng của Bohr. Bohr đã chỉ ra rằng lập luận tinh tế của Einstein là không thuyết phục, và hơn thế nữa ông còn khảng định tính đúng đắn của một trong những ý tưởng lớn nhất của Einstein: sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng. Bohr chỉ ra rằng, để thí nghiệm của Einstein hoạt động được, cái hộp phải được treo trên một dây đàn hồi trong trường trọng lực. Để đo khối lượng, một cái kim phải được gắn lên hộp và chỉ các số chỉ trên một thang chia. Sau khi photon thoát ra, ta có thể them khối lượng vào trong hộp để nó trở về vị trí ban đầu và từ đó biết được khối lượng mất đi. Nhưng khi đó, ta phải biết vị trí của cái hộp với độ chính xác thích hợp và điều này bì giới hạn bởi nguyên lý bất định, do đó ta không thể xác đị chính xác được khối lượng cũng như năng lượng. Mặt khác, do hệ đặt trong trọng trường mà trường này lại phụ thuộc vị trí, theo nguyên lý tương đương, sự bất định tron vị trí cái hộp dẫn đến sự bất định trong đo đạc thời gian. Sau những hiệu chỉnh cần thiết thì ta lại có ΔE.Δt≥h, không hề bị vi phạm. Giai đoạn hai Giai đoạn 2 của cuộc tranh luận giữa Einstein với Bohr và những diễn giải chính thống (của cơ học lượng tử) là về một quan điểm lý thuyết của cơ học lượng tử cho rằng, không thể đồng thời xác định giá trị của các đại lượng không tương thích, lời bác bỏ ở đây là: điều đó cũng đồng thời ngụ ý rằng những đại lượng đó không có một giá trị xác định. Einstein bác bỏ các trình bày cơ học lượng tử dựa trên lý
thuyết xác suất của Born và quả quyết rằng những xác suất lượng tử là thuộc về khả năng nhận thức chứ không phải là bản chất của tự nhiên. Hệ quả là, lý thuyết này phải chưa hoàn thiện ở một điểm nào đó. Ông đánh giá cao giá trị của cơ học lượng tử, nhưng đề xuất rằng nó "không nói lên toàn bộ câu chuyện," và, trong khi cho những mô tả phù hợp ỏ một thang bậc nào đó, nó không cho biết thêm một thông tin nào về những gì nằm ở thang bậc cơ bản hơn: Tôi có một nhận thức rất rõ ràng về cái đích mà những nhà vật lý ở thế mới nhất đang theo đuổi mang tên 'cơ học lượng tử', và tôi tin rằng lý thuyết này diễn tả sự thật ở mức độ gốc rễ, nhưng tôi cũng tin rằng sự giới hạn tự nhiên trong quy luật thống kê chỉ là một bước đệm... Không còn nghi ngờ gì nữa, cơ học lượng tử đã nắm được miếng ghép quan trọng của sự thật và sẽ là chuẩn mực cho tất cả những lý thuyết cơ bản trong tương lai, với nghĩa rằng nó phải được suy ra như một trường hợp giới hạn, giống như tĩnh điện là hệ quả của những phương trình Maxwell về trường điện từ hay nhiệt động lực học có thể được suy ra từ cơ học thống kê Những suy nghĩ đó của Einstein rẽ ra khỏi hướng nghiên cứu về cái gọi là "các lý thuyết biến ẩn", ví dụ giải trình của Borm về cơ học lượng tử, trong những cố gắng nhằm hoàn thiện tòa dinh thự cho lý thuyết lượng tử. Nếu cơ học lượng tử có thể được hoàn thiện theo cách mà Einstein mong muốn, thì cũng không thể thực hiện điều đó ở cấp độ địa phương, điều này đã được John Stewart Bell chứng minh vào năm 1964 cùng với việc thành lập bất đẳng thức Bell.