8. Quấn Quít Bất Khả Phân

Trong một giây phút nào đó, có lẽ vì quá đau khổ sau sự đổ vỡ của một mối liên hệ, nhạc sĩ Paul Simon đã viết lên trong một bài hát những lời cay đắng, phủ định mọi liên hệ với thế giới ngoài kia:

“I touch no one and no one touches me.
I am a rock,
I am an island
And a rock feels no pain,
And an island never cries”

Tôi không đụng tới ai, và không ai chạm đến tôi
Tôi là một tảng đá
Tôi là một ốc đảo
Và tảng đá không biết đớn đau
Và ốc đảo chưa bao giờ khóc

Có thật sự như vậy không? And a rock feels no pain? Làm sao ta biết bia đá không đau? Hay để rồi, ngày sau sỏi đá lại cũng phải cần có nhau?

Cơ lượng tử cho rằng một vật thể, một hiện tượng không thể được coi là hiện hữu nếu nó không có những mối quan hệ với những đối thể khác. Hơn thế nữa, cơ lượng tử còn khẳng định rằng một khi đã “có gì” với nhau thì sau đó dù có cách biệt thời gian, có xa cách không gian thì chúng vẫn mãi có những liên hệ vô cùng mật thiết. Một lần là trăm năm. Đây là điều kỳ bí nhất mà cũng lại là khả năng to lớn nhất của thuyết lượng tử, đưa đến các hệ quả tưởng chừng như không tưởng.

**
Con đường quốc lộ 95, hay còn có tên là New Jersey Turnpike, dẫn từ phi trường JFK đi về phía Nam đi qua những thành phố kỷ nghệ, ồn ào, bụi bặm tiêu biểu của miền Đông Hoa Kỳ. Nhưng chỉ cần quẹo phải vào Princeton là ta bước vào một thế giới hoàn toàn khác, ở đấy có đại học Princeton là một trong những đại học lớn nhất nước Mỹ. Nhưng cùng ngay trong thành phố lại là một học viện khác, hoàn toàn độc lập và còn nỗi tiếng hơn cả đại học Princeton. Học viện đó mang tên là Princeton Institute of Advanced Study, Học Viện Nghiên Cứu Cao Cấp Princeton, được lập ra từ năm 1930.

Tôi đã từng làm việc ở học viện này nhiều lần, mỗi lần ăn dầm ở dề cả một thời gian dài với biết bao kỷ niệm. Trong những nhân vật huyền thoại đã đi qua học viện này ta phải kể đến Robert Oppenheimer, cha đẻ bom nguyên tử của Hoa Kỳ; Kurt Gödel, nhà toán học tác giả của định lý về cái không trọn vẹn của số học (Incompleteness Theorem); v.v Nhưng nổi tiếng nhất phải là Albert Einstein. Rồi cũng ngay nơi học viện này, Einstein đã cùng với hai cộng tác viên là Podolsky và Rosen đề xướng lên cái gọi là hiệu ứng EPR, mà người ta cho là hiệu ứng kỳ bí nhất trong khoa học từ xưa đến nay.

**
Sau nhiều tranh luận không thành công với Niels Bohr về cơ lượng tử, Einstein, Podolsky và Rosen đã đề nghị ra một thí nghiệm tưởng tượng như sau, nhằm để đả kích lý thuyết này là còn thiếu sót về nhiều mặt.

Trong thí nghiệm EPR, ta dàn xếp cho hai vật thể tương tác với nhau sao cho một lượng số nào đó của cả hai vật thể này được bảo toàn. Thí dụ như tổng xung lượng (total momentum) của cả hai là một số lượng bảo toàn, không thay đổi mặc dù xung lượng riêng lẻ của mỗi vật thể là có thể đổi thay (nhưng sao cho tổng xung lượng vẫn là không đổi thay). Sau đó ta tách rời hai vật thể này, A và B, và đem mỗi đứa một chân trời, góc bể. Ở một chân trời với vật A, ta có thể tùy tiện chọn để đo tính hạt hay tính sóng của nó. Nhưng điều kỳ lạ theo cơ lượng tử là một khi ta đo tính hạt của vật A thì ở góc bể xa tít đằng kia vật B sẽ phải thể hiện tính hạt cùng một lúc, mặc dù không một ai áp đặt bất kỳ một sự đo lường nào lên vật B, và mặc dù A đã không thể báo tin, với một tín hiệu bị giới hạn bằng vận tốc ánh sáng, cho B biết là mình nay đã thể hiện tính hạt.

Cũng vậy, nếu ta chọn đo tính sóng của A thì ngay tức khắc B ở tuốt góc kia của vũ trụ cũng thể hiện tính sóng. Cái thí nghiệm tưởng tượng EPR này đã đặt ra quá nhiều vấn đề.

Vấn đề đầu tiên là vật B chưa hề bị đo đạc nhưng tại sao lại tự thể hiện tính sóng hay hạt của nó? Vậy tính chất này có phải là bản thể tự nó có hay không? Cơ lượng tử đã trả lời rằng tuy B chưa được đo đạc tại địa phương đó, nhưng qua sự tương tác của B và A trong quá khứ nên chúng phải chịu cùng một số phận dù chỉ mỗi mình A bị đo mà thôi! Shrödinger đã đặt tên cho hiện tượng này là “entanglement”, sự quấn quít bất khả phân của vật chất một khi chúng đã tương tác với nhau trong quá khứ, dù nay đã cách biệt không gian và thời gian.

Từ đấy lại nảy sinh ra vấn đề thứ hai là bằng cách nào vật B lại biết ngay cùng lúc đó vật A đã làm gì khi chúng ở quá xa nhau như vậy mà lại không có một tín hiệu nào có thể đi nhanh hơn vận tốc ánh sáng như đã được giả định trong Thuyết Tương Đối Hẹp? Cơ lượng tử cho điều này là đúng nhưng không biết giải thích tại sao nó có thể xảy ra như vậy.

Xin nhấn mạnh là cái mấu chốt của vấn đề là ở chổ ta có cái tự do chọn lựa để đo tính hạt hay đo tính sóng của vật A. Còn không, thì đây chẳng có gì là kỳ bí cả. Vì nó chẳng khác gì việc tách đôi một đôi găng tay, bỏ mỗi chiếc vào một hộp kín, rồi đem một cái đi Mỹ, một cái để ở Úc. Rồi khi người ở Mỹ mở hộp ra thấy được chiếc găng bên tay trái thì biết ngay là chiếc găng còn lại ở Úc là chiếc bên tay mặt. Cái tự do chọn lựa đo tính sóng hay hạt của A tương đương với việc người ở Mỹ có thể, bằng cách nào đó, chọn là trong hộp sẽ có chiếc giầy hay chiếc găng tay. Nếu chọn là chiếc giầy và mở ra thì thấy đấy là chiếc giầy chân phải, thì ngay lúc đó cái vật trong hộp ở Úc sẽ từ trạng thái giữa giầy giữa găng sẽ trở thành chiếc giầy, và là chiếc giầy bên chân trái!

Vấn đề thứ ba là hiệu ứng EPR chỉ là điều tưởng tượng hay hiện thực? Xin trả lời đấy là hiện thực vì đấy đã được thực hiện trong các thí nghiệm vô cùng khó khăn nhưng cuối cùng, gần 50 năm sau, đã thành công ở Berkeley, Hoa Kỳ; Paris, nước Pháp; và Geneva, Thụy Sĩ.

Những điều tưởng chừng như là phi lý được vạch ra để chỉ trích cơ lượng tử lại một lần nữa đã biến thành “hiện thực.” “Hiện thực” thật ra nhiều khi còn kỳ lạ hơn cả tiểu thuyết nữa!

**
Từ trước năm 1975 trên truyền hình Mỹ ở Việt Nam đã có chiếu một chương trình khoa học giả tưởng mang tên là Star Trek. Gần đây Hollywood vẫn tiếp tục dựng những cuốn phim về chương trình này. Star Trek nói về một phi thuyền đi thám hiểm các vì sao trong vũ trụ. Trong phi hành đoàn có một nhân vật mang tên là Mr Spock, là người đến từ hành tinh Vulcan, là giống “người” rất giỏi về lý luận và hình như không hề bị tình cảm chi phối. Điểm đặc biệt là ông ấy có đôi tai nhọn hoắc, mà ta hay gọi là tai lừa. Tuổi thơ của tôi đã biết bao lần khổ sở vì luôn bị đám con nít chọc ghẹo là “đồ lỗ tai lừa” cũng chỉ vì cái tai quá khổ của mình.

Mr Spock và phi hành đoàn chỉ cần bước lên một cái máy trên phi thuyền rồi biến mất để xuất hiện bất cứ nơi nào ngoài phi thuyền, mà không cần phải đích thân đi qua cái không gian giữa hai nơi này. Cách vận chuyển này tưởng chỉ để coi cho vui nhưng nay đã thành hiện thực và được gọi là quantum teleportation – tạm gọi là “viễn chuyển lượng tử.”

Viễn chuyển lượng tử dựa vào sự entanglement (quấn quít bất khả phân) của vật chất như đã trình bày trên đây. Và thật ra chỉ mới được kiểm chứng cho một hạt ánh sáng hay hạt nguyên tử, nhưng đã đạt được một khoảng cách lên đến 143 cây số!

**
Đầu tiên ta cần tạo ra một cặp vật thể quấn quít bất khả phân, gồm hai vật A và B. Đem vật B đến nơi muốn viễn chuyển đến, để sẵn đó. Về sau, khi muốn chuyển Mr Spock từ A đến B thì ta cần thực hiện hai bước. Một, để Mr Spock tương tác với vật A; và, hai, chuyển kết quả tương tác này bằng sóng điện từ với vận tốc ánh sáng tới B. Khi A tương tác với Mr Spock trong bước thứ nhất thì ngay tức khắc vật B ở đằng kia sẽ có phần nào tính chất của Mr Spock do hiện tượng quấn quít bất khả phân. Và tiếp theo sau đó, khi B nhận được tín hiệu điện từ xuất phát từ A trong bước thứ hai thì nó có thể hoàn toàn biến thành Mr Spock.

Điều quan trọng là ngay sau khi Mr Spock tương tác với A thì cả hai đều bị phân hủy. Mr Spock không còn tồn tại và phải tạm thời vắng mặt trong vũ trụ này, cho đến khi B hoàn tất việc biến thành Mr Spock trở lại ở phương trời xa xăm kia!

Cũng may, nếu không thì ta lại có hai Mr Spock y như nhau cùng một lúc ở A và ở B, tức là hai cặp lỗ tai lừa! Lúc ấy không biết bà vợ của Mr Spock sẽ tính sao đây?

**
Hiện tượng viễn chuyển này cũng đã được tiểu thuyết hóa trong tác phẩm “The Fly” (Con Ruồi) của George Langelaan, và cũng đã được dựng thành phim. Trong đó, một nhà khoa học tự viễn chuyển chính mình, nhưng không may trong máy lại lọt vào một con ruồi. Nên đầu đằng kia, sau cuộc vận chuyển lại là một con người với cái đầu ruồi, và một con ruồi với cái đầu người!

Accident does happen! Tai nạn luôn rình rập!

**
Các máy tính của ta càng ngày càng được thu nhỏ. Xưa kia chiếm trọn cả một tòa nhà, nay được thu nhỏ lại gọn trong một laptop cầm tay. Cứ theo cái đà thu nhỏ này thì không bao lâu nữa các transitors sẽ chỉ còn vài nguyên tử; lúc đó ta phải dùng cơ lượng tử vào công cụ tính toán. Do đó các nghiên cứu về quantum computers (máy tính lượng tử) nay đã được chú ý. Đơn vị tính toán chính của máy tính thông thường là một “bit,” tức là một đơn vị logic có giá trị 1 hay 0, hay là sai hay đúng, là hai trạng thái hoàn toàn đối nghịch nhau như hạt với sóng. Trong máy tính lượng tử thì đơn vị chính lại là “quantum bit” rút gọn lại là “qubit” (bit lượng tử). Khác với các bits thông thường, qubits có thể “tồn tại” (trong ngoặc kép) giữa hai trạng thái 0 và 1, giữa sai và đúng
-- giống như cô mèo của Schrödinger có thể vừa hạt vừa sóng, vừa chết vừa sống. Hơn thế nữa, các qubits lại có khả năng quấn quít bất khả phân với nhau để tạo ra những khả năng kỳ diệu như đã trình bày trên đây.

Cả hai đặc tính lượng tử này của qubits là sức mạnh kỳ diệu của máy tính lượng tử, giúp nó có thể tính nhanh hơn rất nhiều so với máy tính thông thường, hay có thể giải được những bài toán mà trên nguyên tắc không thể giải được.

Một trong những bài toán mà máy tính lượng tử có thể giải đáp nhanh chóng là làm sao hóa giải được các mật mã của các tín hiệu.

**
Việc mã hóa các tín hiệu là việc rất quan trọng và đã được áp dụng từ ngàn xưa để các thông tin trọng yếu không bị người khác đọc lén, nhất là trong chiến tranh. Thí dụ gần đây là trong Đệ Nhị Thế Chiến, Anh quốc đã có cả một trung tâm giải mã các tín hiệu của hải quân Đức Quốc Xã truyền đi đến các tàu ngầm U boats của Đức. Các U boats này đã đánh chìm rất nhiều tàu của Hoa Kỳ trên đường vượt Đại Tây Dương đến tiếp viện cho nước Anh. Đây là vấn đề sống còn của London. Nhưng chỉ vì sự lười biếng của một viên sĩ quan Đức đã không tận dụng tất cả khả năng chiếc máy mã hóa của mình, và chỉ một sơ hở nhỏ này thôi, đã giúp các nhà toán học Anh quốc giải mã được cái tưởng chừng không giải được. Từ đó các U boats bị vô hiệu hóa, mở đầu cho sự thất bại quân sự toàn diện của Đức Quốc Xã.

Trong các trận chiến Trung Đông, các oanh tạc cơ và các phi cơ không người lái được điều khiển từ rất xa; có khi từ căn cứ không quân của Hoa Kỳ ở tận Florida, gần nửa vòng trái đất. Tất cả đều dựa vào sự bảo mật của các tín hiệu radio liên lạc, nên các tín hiệu này phải được mã hóa để không ai khác có thể nghe lén hay thay đổi mệnh lệnh.

Trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta, các liên lạc hệ trọng như việc chuyển ngân qua internet cũng phải được mã hóa. Chỉ cần giải mã được là cả tỷ tỷ dollars sẽ bị mất cắp. Toàn bộ nền kinh tế của các nước phát triển hầu như phải dựa vào việc mã hóa trên internet.

Do tầm mức quan trọng của việc mã hóa, chính phủ Hoa Kỳ đã liệt kê một số thảo chương mã hóa và giải mã vào hàng vũ khí phải được bảo mật, chẳng khác gì vũ khí nguyên tử!

**
Có nhiều phương pháp để mã hóa một tín hiệu, nhưng phương cách nào cũng có điểm yếu của nó. Một phương cách thường dùng là dựa vào những phép toán dễ làm một chiều nhưng rất khó để đi ngược lại. Thí dụ như phép nhân, rất dễ dàng để nhân hai số nguyên tố với nhau, thí dụ 7 nhân cho 31 cho ta 217; nhưng nếu ta bắt đầu từ con số 217 thì phải khó khăn hơn mới tìm lại được hai con số 7 và 31 ban đầu.

Muốn phá vỡ tiêu chuẩn mã hóa (512 bits) thường dùng trong quân đội hiện tại thì ta cần một máy siêu điện toán (supercomputer) chạy ngày chạy đêm tới hơn 15 tỷ năm, nghĩa là lâu hơn cái tuổi của vũ trụ này, thì mới làm được! Công việc có vẽ bất khả thi này có thể, trên nguyên tắc, sẽ tốn chỉ vài phút hay chỉ vài giây trên một máy tính lượng tử!

Vì cái hứa hẹn đó, nhiều quốc gia, có cả Hoa Kỳ và Trung Quốc, và các cơ quan an ninh đã bỏ hàng tỷ dollars vào việc nghiên cứu máy tính lượng tử. Trong số các cơ quan đó phải kể đến cơ quan An Ninh Quốc Gia của Hoa Kỳ (NSA – National Security Agency), có một ngân sách mật và cũng là cơ quan đã bị Edward Snowden tố cáo như trong các bản tin thời sự gần đây, và nay NSA cũng đã thú nhận, là đã nghe lén nhiều cuộc điện đàm trên toàn thế giới.

Nếu đầu thế kỷ 20 nhân loại đã có cuộc chạy đua vũ khí nguyên tử, thì ngày nay, đầu thế kỷ 21, máy tính lượng tử cũng lại là một phần thưởng chiến lược cho bao kẻ tranh giành. Nhưng có lẽ nhân loại còn phải chờ từ 30 đến 50 năm nữa.

**
Tất cả các khả năng kỳ diệu trên đây đều phải dựa vào hiện tượng chủ yếu quấn quít bất khả phân của cơ lượng tử.

Làm thế nào để giải thích hiện tượng chủ yếu này? Làm cách nào hai vật thể cách thời gian, biệt không gian lại có thể cùng biểu hiện cùng tính chất, cùng một lúc? Không một ai có câu trả lời thích đáng – ngoại trừ những lối giải thích “thần giao cách cảm” mà ta không bàn tới, vì chúng không thể lập đi lập lại được như các hiện tượng khoa học.

Chỉ biết rằng, theo Niels Bohr, một vật thể hoàn toàn cô lập chỉ có thể là một cái gì trừu tượng mà thôi (“Isolated material particles are abstractions” ). Và cũng chỉ biết rằng chỉ cần một lần gặp gỡ mà có thể vương vấn mãi về sau, dù có ở hai đầu của con sông Tương:
"Nhân đạo Tương giang thâm
Vị để tương tư bạn
Giang thâm chung hữu để
Tương tư vô biên ngạn

Thiếp tại Tương giang đầu
Quân tại Tương giang vĩ
Tương tư bất tương kiến
Ðồng ẩm Tương giang thuỷ”

(Lương Ý Nương)

Đinh Vũ Ngọc dịch là:

"Người bảo sông Tương sâu
Sâu chưa bằng nỗi nhớ
Sông sâu còn có đáy
Tương tư không có bờ.

Đầu sông Tương em đợi
Cuối sông Tương chàng mong
Nhớ nhau mà chẳng gặp
Cùng uống nước chung dòng”

**
Vật chất vô tri còn biết quấn quít bất khả phân, còn không thể “quên” nhau. Còn chúng ta thì sao? Chúng ta không cần phải tin vào huyền thoại một bọc trăm trứng. Chúng ta không cần phải tin vào cái gọi là cộng nghiệp của nhà phật. Nhưng chúng ta đã gọi nhau là đồng bào, đã cùng chia xẻ một lịch sử, một tiếng nói, một văn hóa. Cùng đã ăn quả mọc từ đất cát đựng xương cốt của cha ông, cùng uống nước từ dòng sông thắm đầy máu đào của tổ tiên. Làm sao ta có thể ngoảnh mặt với những người cùng huyết thống đang chịu bao áp bức? Làm sao ta có thể làm ngơ khi đất nước đứng bên bờ diệt vong?

“Tất nhiên, chỉ có loài súc vật mới có thể quay lưng lại nỗi đau khổ của con người, và chăm lo riêng cho bộ da của mình ...”

(Trích từ phim Chuyện Tử Tế do Trần Văn Thủy đạo diễn)


Kiều Tiến Dũng
Melbourne, Úc Châu
Tháng 8, 2013