Vì sao những thế giới song song có thể tồn tại ngay cạnh chúng ta nhưng con người không thể nhìn thấy

[june04]

Trong trải nghiệm thường ngày của con người, thế giới dường như vận hành theo những quy luật rõ ràng và quen thuộc. Mặt Trời mọc ở phía đông rồi lặn ở phía tây, vật thể rơi xuống đất do lực hấp dẫn, còn mọi sự kiện đều diễn ra theo trật tự nhân quả. Một vật không thể đồng thời xuất hiện ở hai nơi khác nhau và những lựa chọn trong quá khứ luôn định hình kết quả ở hiện tại.

Tuy nhiên, khi bước vào thế giới vi mô của cơ học lượng tử, toàn bộ những trực giác quen thuộc đó dường như sụp đổ. Trong lĩnh vực này, các hạt cơ bản như electron không còn tuân theo những quy tắc mà con người quan sát thấy trong đời sống hằng ngày. Chúng có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng lúc, thậm chí có thể xuất hiện ở nhiều vị trí đồng thời.

Một trong những thí nghiệm nổi tiếng nhất minh họa cho nghịch lý này là thí nghiệm hai khe, được nhiều nhà vật lý gọi là “trái tim của cơ học lượng tử”. Cấu trúc của thí nghiệm tưởng chừng rất đơn giản. Các nhà khoa học sử dụng một nguồn phát electron, đặt phía trước một tấm chắn có hai khe hẹp và phía sau là một màn hình huỳnh quang để ghi lại vị trí các electron va chạm.

Khi một chùm electron được bắn qua hai khe và rơi lên màn hình, kết quả xuất hiện không phải là hai vệt sáng tương ứng với hai khe như trực giác dự đoán. Thay vào đó, màn hình hiện ra những dải sáng tối xen kẽ, giống hệt các vân giao thoa của sóng nước. Hiện tượng này cho thấy electron đã thể hiện tính chất của sóng, như thể chúng đi qua cả hai khe cùng lúc rồi giao thoa với chính mình.

Ban đầu, nhiều nhà khoa học cho rằng hiệu ứng này có thể xuất hiện do các electron tương tác với nhau. Tuy nhiên, khi thí nghiệm được điều chỉnh để chỉ bắn từng electron một, kết quả vẫn không thay đổi. Các vân giao thoa vẫn xuất hiện sau khi nhiều electron đơn lẻ tích lũy dần trên màn hình. Điều đó đồng nghĩa với việc một electron duy nhất cũng có thể hành xử giống như một làn sóng.

Điều còn kỳ lạ hơn xảy ra khi các nhà vật lý đặt thiết bị quan sát để xác định electron đi qua khe nào. Ngay lập tức các vân giao thoa biến mất và màn hình chỉ còn lại hai vệt sáng thẳng đứng. Electron lúc này hành xử như một hạt thông thường. Hiện tượng này khiến nhiều người có cảm giác rằng electron “biết” mình đang bị quan sát.

Nghịch lý của thí nghiệm hai khe đã trở thành tâm điểm của nhiều cuộc tranh luận trong lịch sử vật lý học. Một trong những người phản đối mạnh mẽ cách giải thích phổ biến lúc bấy giờ là Albert Einstein. Dù giành giải Nobel nhờ nghiên cứu hiệu ứng quang điện, Einstein vẫn không chấp nhận sự bất định của cơ học lượng tử. Ông từng nổi tiếng với câu nói “Thượng đế không chơi xúc xắc”, thể hiện niềm tin rằng vũ trụ phải vận hành theo các quy luật xác định.

Trong khi đó, diễn giải Copenhagen do Niels Bohr và các đồng nghiệp đề xuất lại cho rằng trước khi bị quan sát, các hạt tồn tại trong trạng thái chồng chập của nhiều khả năng khác nhau. Khi phép đo được thực hiện, hàm sóng của hạt sẽ “sụp đổ”, chọn ra một trạng thái duy nhất.

Vào thập niên 1950, một nghiên cứu sinh tại Đại học Princeton tên Hugh Everett đã đưa ra một quan điểm hoàn toàn khác. Ông cho rằng hàm sóng thực chất không bao giờ sụp đổ. Thay vào đó, mỗi khi một sự kiện lượng tử có nhiều khả năng xảy ra, toàn bộ vũ trụ sẽ phân nhánh thành nhiều phiên bản song song.

Theo cách diễn giải này, khi electron trong thí nghiệm hai khe đối mặt với hai lựa chọn đi qua khe trái hoặc khe phải, vũ trụ sẽ tách thành hai nhánh độc lập. Trong một nhánh electron đi qua khe trái, còn ở nhánh kia nó đi qua khe phải. Mỗi khả năng đều xảy ra, nhưng trong những vũ trụ khác nhau.

Ý tưởng này về sau được gọi là diễn giải đa thế giới của cơ học lượng tử. Tuy nhiên, vào thời điểm đó, nó bị nhiều nhà khoa học coi là quá cực đoan. Luận án của Everett vấp phải sự hoài nghi rộng rãi và bản thân ông cũng dần rời bỏ con đường nghiên cứu vật lý.

Phải nhiều thập kỷ sau, khi cơ học lượng tử phát triển mạnh mẽ hơn, lý thuyết đa vũ trụ mới bắt đầu được xem xét nghiêm túc. Một số nhà vật lý hiện đại cho rằng cách giải thích của Everett có ưu điểm là không cần giả định thêm những cơ chế đặc biệt như sự sụp đổ của hàm sóng.

Theo quan điểm này, vũ trụ có thể không phải là một thực thể duy nhất. Thay vào đó, tồn tại vô số vũ trụ song song cùng tồn tại trong một cấu trúc khổng lồ. Một số mô hình còn cho rằng các vũ trụ này giống như những mảnh ghép trên một tấm vải vô hạn, mỗi mảnh là một vũ trụ với các điều kiện vật lý khác nhau.

Trong những vũ trụ đó, có thể tồn tại những phiên bản khác nhau của Trái Đất. Ở một nơi nào đó, khủng long có thể chưa từng tuyệt chủng. Ở nơi khác, các hằng số vật lý khác biệt khiến vũ trụ không hình thành sao hay hành tinh. Thậm chí cũng có thể tồn tại vô số phiên bản khác nhau của mỗi con người, mỗi phiên bản sống một cuộc đời khác nhau.

Dù vậy, con người hiện nay vẫn chưa thể quan sát trực tiếp các vũ trụ song song. Theo nhiều nhà khoa học, các nhánh vũ trụ này bị tách biệt bởi những quy luật lượng tử phức tạp, khiến chúng không thể tương tác với nhau.

Một số nhà nghiên cứu, trong đó có nhà vật lý David Deutsch, còn cho rằng sức mạnh của máy tính lượng tử có thể liên quan đến khả năng xử lý thông tin song song trong nhiều nhánh vũ trụ. Tuy nhiên, ý tưởng này vẫn đang tiếp tục được tranh luận.

Đến nay, đa vũ trụ vẫn là một trong những khái niệm gây tranh cãi nhất trong khoa học hiện đại. Những người hoài nghi cho rằng một lý thuyết không thể kiểm chứng bằng thực nghiệm thì khó có thể được coi là khoa học hoàn chỉnh. Trong khi đó, các nhà ủng hộ tin rằng lịch sử khoa học từng nhiều lần chứng minh những ý tưởng táo bạo ban đầu thường bị nghi ngờ trước khi được xác nhận.

Nếu một ngày nào đó con người tìm ra bằng chứng cho sự tồn tại của đa vũ trụ, điều đó không chỉ làm thay đổi nền tảng của vật lý học mà còn buộc nhân loại phải nhìn nhận lại vị trí của mình trong vũ trụ. Khi ấy, khái niệm về “một thế giới duy nhất” có thể chỉ là một lát cắt nhỏ trong bức tranh rộng lớn hơn nhiều của thực tại.