Vật Lý Và Triết Học

Từ khi khởi đầu khoảng hơn 80 năm trước, cơ học lượng tử đã trở thành một bộ phận cơ bản và cốt yếu trong hành trang của các nhà vật lý lý thuyết. Đã có vô số những cuốn sách giáo khoa dạy lý thuyết này một cách chuẩn mực, nghĩa là trình bày rõ ràng cách sử dụng các phương pháp của nó. Chính các nguyên lý của cơ học lượng tử đã đặt nền móng cho sự vận hành của các laser và các thiết bị điện tử, mà ngày nay được thấy ở những chỗ thật bất ngờ như các đầu DVD và các máy tính tiền trong các siêu thị. Một bác sĩ khám các cơ quan nội tạng của một bệnh nhân, không cần phải thâm nhập trực tiếp vào cơ quan đó, mà lại rất nhẹ nhàng, nhờ các phương tiện tạo ảnh bằng cộng hưởng từ (MRI) cũng lại dựa trên một tính chất lượng tử rất tinh tế của hạt nhân nguyên tử. Lạ hơn nữa, các tính toán của cơ học lượng tử đã đưa ra những tiên đoán về tính chất của các hạt cơ bản phù hợp với những phép đo thực nghiệm với độ chính xác cao đến kinh ngạc. Nói tóm lại, đó là một lý thuyết đã được kiểm nghiệm rất chi li, hữu ích một cách toàn diện và đồng thời cũng rất đáng tin cậy.

Mặc dù đã quen thuộc đến thấu đáo như thế, nhưng đa số các nhà vật lý, nếu bị ép, sẽ đều thừa nhận rằng họ vẫn thấy có điều gì đó lạ lùng, điều gì đấy bí ẩn và không thể nắm bắt được hoàn toàn trong cơ học lượng tử. Sự vận hành nội tại của bộ máy này vẫn thật khó hiểu. Sẽ là rất hữu ích để biết rằng các tiểu luận trong tập sách này được rút ra từ những bài giảng Gifford[1] của Werner Heisenberg đọc tại Đại học St. Andrew ở Scotland đúng nửa thế kỷ trước, nhưng vẫn liên quan tới chính những vấn đề còn gây nhiều bối rối ngày nay. Giải pháp mà Heisenberg trình bày, hay đúng hơn, có thể nói, là thái độ triết học mà ông bày tỏ, tất nhiên sẽ giúp ích cho một số người và làm thất vọng một số người khác, cũng hệt như với những thính giả đã nghe ông lần đầu.

Để hiểu được tại sao cơ học lượng tử hiện vẫn khiến người ta bối rối, sẽ là rất hữu ích nếu ta xem xét lại một cách ngắn gọn những nguồn gốc của nó. Trong câu chuyện này, bản thân Heisenberg đã đóng góp hai phát lộ quan trọng.

Trong cái được gọi là lý thuyết lượng tử cũ, khởi nguồn từ Bohr vào năm 1913, các nguyên tử được hình dung như những hệ Mặt trời thu nhỏ. Các electron quay xung quanh hạt nhân nhỏ và nặng theo đúng các định luật của cơ học Newton. Nguyên lý lượng tử xuất hiện trong mô hình này đã đặt thêm một hạn chế đòi hỏi rằng chỉ một số quỹ đạo trong số vô vàn những quỹ đạo khả dĩ là thực sự được phép. Khi electron nhảy giữa các quỹ đạo này thì nguyên tử hoặc nhận vào hoặc phát ra một lượng tử của năng lượng điện từ - mà sau này được gọi là photon – phù hợp với hiệu năng giữa hai quỹ đạo đó. Cơ chế này đã giải thích được tại sao các nguyên tử, vốn đã được biết hàng chục năm trước, lại có những dấu hiệu phổ đặc trưng, khi phát hay hấp thụ ánh sáng chỉ ở một số những tần số xác định.