Một trong những thí nghiệm kỳ lạ nhất trong vật lý học – Thí nghiệm khe Young (thí nghiệm giao thoa khe kép), nó có thể làm đảo lộn quan điểm của bạn về vũ trụ, thời không và thế giới. 

Có thể nhiều người thích khoa học kỹ thuật sẽ nói, thí nghiệm này đã được giới thiệu trong sách giáo khoa cấp ba, nó là một thí nghiệm dùng để chứng minh tính chất sóng của ánh sáng, có gì đặc biệt đâu? Tuy nhiên, chúng ta hãy cùng tìm hiểu, rồi mọi người hãy lại kết luận.

Tranh luận giữa tính chất hạt và tính chất sóng của ánh sáng

Đến với thế giới vật lý thì không thể không kể đến Isaac Newton, nhà khoa học người Anh và là cha đẻ của khoa học hiện đại. Công trình nghiên cứu về hệ thống quang học cận đại của nhân loại đã được Newton thiết lập vào thế kỷ thứ 17.

Newton đam mê nghiên cứu quang học. Ông thường nhìn thẳng vào mặt trời bằng mắt thường trong nhiều ngày và quan sát cảm ứng của thị giác đối với ánh sáng. Thậm chí ông còn tự châm kim vào mắt mình và ép nhãn cầu để hiểu được tác dụng của con mắt trong việc cảm nhận ánh sáng. Sau rất nhiều thí nghiệm, Newton đã đưa ra lý giải của mình đối với ánh sáng, theo ông ánh sáng là một loại hạt vật chất luôn chuyển động theo đường thẳng, đồng thời có hiện tượng phản xạ và khúc xạ.

Cùng khoảng thời gian đó, Robert Hooke – một nhà khoa học người Anh khác – lại đưa ra giả thuyết rằng ánh sáng là một loại sóng. Lý thuyết về sóng ánh sáng đã được ủng hộ bởi nhà vật lý người Hà Lan Christiaan Huygens.

Hai nhà khoa học Newton và Huygens đã tranh luận về việc liệu ánh sáng là hạt hay là sóng, nhưng cả hai đều không thuyết phục được người kia.

Vào năm 1704, Newton đã xuất bản cuốn sách “Opticks” (Quang học), sử dụng lý thuyết sóng ánh sáng để giải thích bản chất hạt của ánh sáng, nhưng lúc đó Huygens đã mất từ nhiều năm rồi. Không có ai bác bỏ, cộng thêm uy tín của Newton trong giới vật lý, nên lý thuyết cho rằng ánh sáng là một loại hạt đã thống trị trong cả thế kỷ tiếp theo. Mãi cho đến khi một cá nhân xuất hiện.

Thí nghiệm khe kép của Young

Nhà khoa học người Anh Tomas Young là một con người thiên tài, ở tuổi 13, ông đã có thể đọc được tiếng Hy Lạp, tiếng Latinh, tiếng Do Thái, tiếng Ý và tiếng Pháp. Năm 14 tuổi, ông đã theo học tại Đại học Cambridge, ngày đầu tiên đến lớp tiếng Hy Lạp, giáo sư giảng dạy đã đến muộn, và Young đã đứng trên bục giảng để dạy cho mọi người. Sau khi vị giáo sư đến lớp đã giả làm sinh viên và lắng nghe một lúc, sau đó hỏi Young một câu, cuối cùng giáo sư nói với cả lớp rằng: “Sau này nếu tôi có đến muộn, xin anh Young hãy đứng lớp trước cho tôi”. Young còn được mệnh danh là “người cuối cùng trên thế giới biết hết mọi thứ”.

Phiên bản gốc của thí nghiệm khe kép mà chúng ta nói đến hôm nay được phát minh bởi Young, cũng gọi là “Thí nghiệm khe Young”. Thí nghiệm này rất đơn giản, chúng ta cần một nguồn sáng, một tấm bảng đen có hai khe nhỏ và một tấm màn ​​có thể phát hiện ra ánh sáng. Nếu ánh sáng là các hạt lạp tử, thì bạn có thể tưởng tượng rằng sau khi ánh sáng đi qua tấm khe kép, sẽ có hai đường thẳng đứng xuất hiện trên tấm màn. Vậy nếu ánh sáng là dạng sóng thì sao? Khi đó trên tấm màn sẽ có những gợn sóng giao thoa. Kết quả thí nghiệm có lẽ mọi người đều biết rồi, những gợn sóng giao thoa đã xuất hiện trên tấm màn, chứng tỏ ánh sáng là một loại sóng.

Thí nghiệm vật lý
Thí nghiệm khe kép của Young, trên tấm màn phía sau xuất hiện những gợn sóng giao thoa chứ không phải hai đường thẳng. (Ảnh chụp màn hình Video “Bí ẩn chưa có lời giải”)

Tuy nhiên, cuộc tranh luận về “ánh sáng là sóng hay hạt” vẫn chưa kết thúc, vì cả hai bên đều gặp phải những hiện tượng không thể giải thích được. Cuối cùng, bí ẩn này đã được giải đáp bởi thiên tài khoa học Albert Einstein. Einstein đã chứng minh tính hai mặt sóng-hạt của ánh sáng bằng lý thuyết hiệu ứng quang điện, nghĩa là ánh sáng vừa là hạt vừa là sóng.

Thí nghiệm khe kép của Taylor

“Thí nghiệm khe kép của Young” sử dụng chùm ánh sáng, bao gồm rất nhiều hạt photon. Để nghiên cứu tốt hơn các tính chất của photon, các nhà vật lý đã bắt đầu sửa đổi “Thí nghiệm khe kép của Young”.

Năm 1909, nhà vật lý người Anh Geoffrey Taylor đã giảm cường độ chùm tia thí nghiệm để mỗi lần chỉ phát ra một hạt photon, rồi sau một khoảng thời gian, ông lại nhìn vào tấm màn, ông ngạc nhiên phát hiện rằng các vân giao thoa vẫn còn xuất hiện. Điều này có nghĩa là hạt photon đã giao thoa với chính nó, tức là, một hạt photon rất có khả năng đã đi qua cả hai khe cùng một lúc. Chuyện gì đây? Lẽ nào photon là Tôn Ngộ Không hay sao? Nó biết cả thuật phân thân?

Vì để làm rõ điều này, các nhà khoa học đã đưa ra một ý tưởng. Họ thêm một dụng cụ quan sát vào giữa hai khe kép và tấm màn để xem xem mỗi photon đi qua từ bên trái hay bên phải. Ý tưởng rất đơn giản và dễ hiểu, nhưng kết quả thử nghiệm lại thật đáng kinh ngạc.

Kết quả thí nghiệm cho thấy chỉ cần bật thiết bị quan sát, các photon sẽ thể hiện trung thực bản chất của hạt, tức là trên tấm màn chỉ có thể nhìn thấy hai đường thẳng đứng. Còn khi tắt thiết bị quan sát, bản chất sóng của photon lại xuất hiện, trên tấm màn lại xuất hiện các vân giao thoa. Thí nghiệm này có thể nói là thử nghiệm mười lần chẳng sai.

Thí nghiệm vật lý
Thí nghiệm khe kép của Taylor, khi bật thiết bị quan sát, trên tấm màn chỉ thấy hai đường thẳng đứng. (Ảnh chụp màn hình Video “Bí ẩn chưa có lời giải”)
Thí nghiệm vật lý
Thí nghiệm khe kép của Taylor, khi tắt thiết bị quan sát, trên tấm màn lại xuất hiện các vân giao thoa. (Ảnh chụp màn hình Video “Bí ẩn chưa có lời giải”)

Vì vậy, quay trở lại phiên bản cải tiến này của thí nghiệm khe kép, liệu có thể nói rằng photon có thể biết được ai đó đang quan sát nó hay không, và sau đó thể hiện các đặc tính khác nhau?

Thử nghiệm lựa chọn bị trì hoãn của Wheeler

Tính chất này của photon đã khiến các nhà vật lý cảm thấy hứng thú. Năm 1979, nhà vật lý lý thuyết người Mỹ John Wheeler đã đề xuất một thí nghiệm tư tưởng tên là “Thí nghiệm lựa chọn bị trì hoãn của Wheeler” (Wheeler’s delayed choice experiment). Đây là một biến thể khác của thí nghiệm khe kép. Ông đặt trước nguồn sáng một tấm gương được tráng bạc một nửa (dưới đây gọi là gương BS1), nửa dưới sẽ phản xạ ánh sáng còn nửa trên cho phép ánh sáng đi qua.

Trong các photon đi đến gương BS1, có 50% đi qua phần trong suốt và 50% đập vào phần mạ bạc và bị phản xạ. Wheeler đặt tiếp hai tấm gương tại A và B sao cho dù photon đi thẳng hay phản xạ thì cuối cùng chúng vẫn gặp nhau tại điểm C. Sau đó đặt hai máy dò (A và B) ở sau điểm C để có thể biết photon đã đi theo con đường nào, là A -> C hay là B -> C. Kết quả thí nghiệm cho thấy, sau mỗi photon được phát ra từ nguồn sáng, chỉ có một máy dò có thể phát hiện ra photon, tức là photon thể hiện bản chất hạt và mỗi lần chỉ đi một đường.

Thí nghiệm lựa chọn bị trì hoãn của Wheeler, sau khi đặt gương BS2 để chặn photon đi đến máy dò A, photon đã sớm đi theo cả 2 đường làm các đường vân giao thoa xuất hiện ở máy dò B. (Ảnh chụp màn hình Video “Bí ẩn chưa có lời giải”)

Nếu như đặt một tấm gương nửa tráng bạc khác (BS2) ở trước hai máy dò tại điểm C, đồng thời điều chỉnh góc của BS2 sang một hướng xác định, giả sử ở đây là hướng từ điểm A, để con đường đi đến máy dò A bị chặn lại, và photon bị phản xạ qua máy dò B, như thế máy dò A sẽ không thể nhìn thấy gì. Lúc này, nhà khoa học phát hiện rằng máy dò B đã xuất hiện các đường vân giao thoa. Điều này nói lên rằng photon đã sớm đi qua hai con đường cùng một lúc và sự giao thoa lại xuất hiện.

Vậy “độ trễ” trong thí nghiệm này là gì? Trong thiết kế thí nghiệm, chiếc gương thứ hai BS2 không được đặt ở đó ngay từ đầu mà được đặt sau khi photon đã đi qua điểm A. Trong tâm các nhà khoa học có một suy tính nhỏ: “Photon đã đi được nửa đường rồi, vậy tôi đột nhiên ngừng quan sát, liệu photon có thể đột ngột chuyển từ bản chất hạt sang bản chất sóng không?”.

Kết quả thí nghiệm ra sao, có lẽ mọi người đều đoán được. Chỉ cần đặt chiếc gương BS2 vào, máy dò B sẽ ngay lập tức xuất hiện các đường vân giao thoa.

Điều này kỳ thực cũng có thể hiểu giống như lúc bật hay tắt máy quan sát trong thí nghiệm khe kép của Taylor. Còn thí nghiệm của Wheeler tương đương với việc quyết định tạm thời không mở dụng cụ quan sát sau khi photon đi qua khe kép, để chuẩn bị bắt photon một cách bất ngờ, khiến nó trở tay không kịp. Tuy nhiên, mỗi lần photon đều phản ứng cực nhanh và kịp thời điều chỉnh. Photon thực sự là một bậc thầy về trò chơi trốn tìm!

Thí nghiệm này đã được thực hiện vô số lần, kết quả đều giống nhau. Chắc hẳn các nhà khoa học đã rất “đau đầu”, bởi đây là điều không thể lý giải bằng vật lý cổ điển. Hoặc là photon biết tiên đoán, có thể tiên đoán trước thời điểm các nhà khoa học muốn quan sát nó; Hoặc là photon có thể đảo ngược những gì đã xảy ra – một khi phát hiện tình huống có biến, nó có thể tức tốc quay ngược thời gian và đi lại lần nữa.

Thí nghiệm xóa lượng tử

Như vậy xem ra, dường như chỉ cần biết được đường đi của photon, thì nó sẽ thể hiện ra đặc tính của hạt lạp tử, ngoan ngoãn đi từng đường một, nếu không thì sẽ là đặc điểm của sóng, phân thân chạy khắp nơi. Để xác minh điều này, các nhà khoa học đã tiếp tục cải tiến thí nghiệm khe kép, và thiết kế ra “thí nghiệm xóa lượng tử”. Nói một cách đơn giản, đó là biến đường đi đã biết của photon thành điều chưa biết.

Vào năm 1982, hai nhà vật lý Marlan Scully và Kai Drühl lần đầu tiên đề xuất ý tưởng về một thí nghiệm xóa lượng tử. Họ giả thiết rằng nếu đo được thông tin về đường đi của photon thì không thể quan sát được hình ảnh giao thoa nào, nhưng giả dụ thông tin về đường đi có thể bị xóa bằng một cách nào đó, thì lại  có thể quan sát được hình ảnh giao thoa. Vậy là các nhà khoa học đã thiết kế ra rất nhiều “thí nghiệm xóa lượng tử”.

Photon là có thể quay, quay bên trái hoặc quay bên phải, và thí nghiệm bây giờ là đặt hai “tấm sóng phần tư” (quarter-wave plate) để photon thoát ra từ khe này đều là quay bên trái, còn photon đi ra từ khe còn lại đều quay bên phải. Lúc này, chỉ cần đo chuyển động quay của photon trên tấm màn, người ta sẽ biết được nó đến từ khe nào và đường đi của nó. Khi làm như vậy, photon không phát sinh giao thoa. Nếu thêm một tấm kính phân cực vào trước tấm màn, để tất cả các photon đều biến thành xoay trái hết hoặc xoay phải hết, bằng cách này, người ta sẽ không thể biết được photon nào đã đi qua khe nào, điều này tương đương với việc xóa đường đi của photon, vậy là các vân giao thoa lại xuất hiện trở lại.

Thí nghiệm khe kép của Taylor, khi tắt thiết bị quan sát, trên tấm màn lại xuất hiện các vân giao thoa. (Ảnh chụp màn hình Video “Bí ẩn chưa có lời giải”)
Trong thí nghiệm xóa lượng tử, khi thêm kính phân cực, hiện tượng giao thoa lại xuất hiện.(Ảnh chụp màn hình Video “Bí ẩn chưa có lời giải”)

Thí nghiệm xóa lượng tử lựa chọn bị trì hoãn

Các nhà khoa học vẫn kiên trì không bỏ cuộc, họ đã thiết kế ra “thí nghiệm xóa lượng tử lựa chọn bị trì hoãn”. Đúng như tên gọi, nó là kết hợp giữa “thí nghiệm lựa chọn bị trì hoãn” và “thí nghiệm xóa lượng tử” mà chúng tôi đã giới thiệu ở trên.

Họ tìm một cặp photon a và b quấn với nhau, sau đó bắn photon a về phía máy dò a qua khe kép mà không quan sát nó, chỉ quan sát photon b. Vì hai photon này quấn với nhau nên việc quan sát một photon tương đương với việc quan sát photon kia. Photon b được bắn về phía một bộ phân cực, và bằng cách điều chỉnh ngẫu nhiên góc của bộ phân cực, đường đi của photon b đôi khi được xác định và đôi khi bị xóa đi. Người ta nhận thấy rằng khi đường đi của photon b bị xóa, thì máy dò b sẽ xuất hiện sự giao thoa, và nếu mọi điều kiện không thay đổi, thì máy dò a cũng sẽ xuất hiện sự giao thoa tương ứng.

Trong thí nghiệm xóa lượng tử lựa chọn bị trì hoãn, khi đường đi của photon b (phía trên) bị xóa, máy dò a (bên dưới) cũng xuất hiện giao thoa như máy dò b.  (Ảnh chụp màn hình Video “Bí ẩn chưa có lời giải”)

Ở đây, đường đi của photon a và photon b không nhất thiết phải có cùng độ dài. Điều này có nghĩa là gì? Chúng ta sẽ lấy ví dụ hơi phóng đại một chút để dễ hình dung, photon a có thể tiếp cận máy dò a trong một nano giây, người làm thí nghiệm để photon b đến máy dò b sau một năm, rồi mới xem đến máy dò a. Nếu trong một năm này không xác định được đường đi của photon b thì máy dò a sẽ xuất hiện hiện tượng giao thoa. Điều này thật kỳ lạ, cứ như thể photon a đã biết đường đi sau một năm của photon b từ trước rồi. Giống như photon b đã du hành trở lại một năm trước và nói với photon a rằng liệu đường đi của nó có bị lộ hay không.

Nếu đem điều kỳ lạ xảy ra trong thế giới lượng tử này đưa đến thế giới vĩ mô, có vẻ như nó có thể cung cấp một số cơ sở cho thuyết định mệnh. Có nghĩa là, mọi thứ sẽ phát sinh trong tương lai có thể đã được định sẵn ở một thời điểm nào đó trong quá khứ, và mọi thứ chỉ là diễn ra theo một kịch bản đã viết sẵn. Nhìn thì có vẻ cuộc đời của bạn rất dài, nhưng có thể ngay khi bạn sinh ra, mọi thứ đã được định sẵn từ trước rồi.

Nhưng đồng thời, các photon đã tùy theo việc quan sát mà thay đổi, có thể lý giải rằng ý thức của con người có thể ảnh hưởng đến thế giới. Những quan sát và phản ứng khác nhau của chúng ta đối với thế giới có thể ảnh hưởng đến cách thế giới xuất hiện với chúng ta, cũng tức là thay đổi tương lai ở một mức độ nào đó. Trong các cuốn sách cổ của Trung Quốc có rất nhiều câu chuyện về những người làm việc tốt đã thay đổi được số phận của họ, có lẽ chính là như vậy!

Thử nghiệm khe kép siêu tâm lý học

Khi trò chơi trốn tìm giữa các nhà khoa học và photon đi đến bước này, các nhà khoa học trong các lĩnh vực khác cũng đến tham gia cuộc vui. Lần này là tiến sĩ siêu tâm lý học Dean Radin. Radin là trưởng nhóm nghiên cứu khoa học tại Viện Khoa học về Tâm trí (IONS) có trụ sở tại California, trước đây ông từng làm việc tại AT&T Bell Labs, Đại học Princeton, Đại học Edinburgh và SRI International.

Radin đã mô tả quy trình thử nghiệm của mình trong một bài báo được xuất bản vào năm 2012. Ông đã tìm đến 137 thiền giả, một số người có nhiều kinh nghiệm thiền định và giỏi kiểm soát tâm trí của họ, trong khi những người khác thỉnh thoảng mới thiền định, Radin chia họ thành hai nhóm. Sau khi họ điều chỉnh cơ thể và tâm trí vào thiền định, Radin bảo họ tập trung tâm trí vào thiết bị thí nghiệm khe kép trong 15-30 giây, rồi lại di dời tâm trí của họ.

Kết quả thí nghiệm khiến người ta kinh ngạc. Khi các thiền giả tập trung tâm trí vào thiết bị giao thoa khe kép, hình ảnh giao thoa trên màn đo đã mờ dần, và hai vân dọc biểu thị bản chất hạt của photon trở nên rõ ràng hơn. Sau đó khi các thiền giả dời tâm trí đi, các vân giao thoa lại xuất hiện một cách rõ ràng. Hơn nữa với nhóm có nhiều kinh nghiệm hơn về thiền định, kết quả thí nghiệm càng rõ ràng hơn, các vân giao thoa biến mất nhiều hơn. Để giảm sai số, Radin đã thực hiện 250 lần thí nghiệm như vậy, và kết quả là như nhau.

Trong các thí nghiệm cải tiến sau đó, ông Radin cũng phát hiện ra rằng khoảng cách giữa người ngồi thiền và thiết bị thí nghiệm khe kép ảnh hưởng không lớn đến kết quả thí nghiệm, kinh nghiệm và sự tập trung tinh thần của người thiền định mới là những yếu tố then chốt. Kết quả nghiên cứu của Radin cho thấy, ít nhất trong thế giới vi mô, ý thức của con người đã có thể thay đổi thế giới vật chất. Một sự kiện chấn động như vậy, tại sao mọi người dường như chưa từng nghe nói về nó? Có lẽ vì kết luận của Radin quá thách thức chủ nghĩa duy vật, hoặc vì Radin không phải là một nhà vật lý, và nghiên cứu siêu tâm lý vẫn chưa được chấp nhận rộng rãi, vậy nên giới khoa học hiện vẫn đang giữ thái độ thận trọng đối với kết quả thí nghiệm của Radin.

Tuy nhiên, nếu khoa học chưa nhận thức hoặc chấp nhận được, thì không có nghĩa là nó không tồn tại, mà chỉ có thể là khoa học chưa đủ phát triển. Trong cuộc sống hàng ngày, rất nhiều người có thể đã phát hiện ra rằng, với cùng một sự việc xuất hiện, nếu bạn đối xử với một thái độ tích cực, mọi thứ sẽ phát triển theo chiều hướng tốt, ngược lại, nó sẽ ngày càng tồi tệ hơn. Người xưa có câu “Tướng do tâm sinh, cảnh tùy tâm chuyển”, đó cũng tính là một biểu hiện của “ý thức thay đổi thế giới vật chất”.

Tổ chế tác chương trình “Bí ẩn chưa có lời giải”
Lý Duy Chân biên tập
Xuân Hoàng biên dịch
Quý vị tham khảo bản gốc từ Epoch Times Hoa ngữ

Xem thêm:

Chia sẻ bài viết này tới bạn bè của bạn