Nguyên lý bất định

Thành công của nhiều lý thuyết khoa học mà đặc biệt là lý thuyết hấp dẫn của Newton đã đưa nhà khoa học Pháp, hầu tước Laplace, vào thế kỷ 19 tới lập luận rằng vũ trụ là hoàn toàn tất định.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nguyên lý bất định LƯỢC SỬ THỜI GIAN - Nguyên lý bất định Thành công của nhiều lý thuyết khoa học mà đặc biệt là lý thuyết hấpdẫn của Newton đã đưa nhà khoa học Pháp, hầu tước Laplace, vào thế kỷ 19tới lập luận rằng vũ trụ là hoàn toàn tất định. Ông cho rằng có một tập hợpcác định luật khoa học cho phép chúng ta tiên đoán được mọi chuyện xảy ratrong vũ trụ, miễn là chúng ta phải biết được trạng thái đầy đủ của vũ trụ ởmột thời điểm. Ví dụ, nếu chúng ta biết vị trí và vận tốc của mặt trời và cáchành tinh ở một thời điểm, thì chúng ta có thể dùng các định luật Newtontính được trạng thái của hệ mặt trời ở bất kể thời điểm nào khác. Quyết địnhluận dường như khá hiển nhiên trong trường hợp này, nhưng Laplace còn đixa hơn nữa, ông cho rằng có những qui luật tương tự điều khiển mọi thứkhác nữa, kể cả hành vi của con người. Học thuyết về quyết định luận khoa học đã bị chống đối rất mạnh bởi nhiềungười, những người cảm thấy rằng nó xâm phạm đến sự tự do can thiệp của Chúavào thế giới này, nhưng nó vẫn còn một sứ mạng với tính cách là tiêu chuẩn củakhoa học cho tới tận đầu thế kỷ này. Một trong những chỉ dẫn đầu tiên cho thấyniềm tin đó cần phải vứt bỏ là khi những tính toán của hai nhà khoa học Anh, huântước Rayleigh và ngài James Jeans, cho kết quả là: một đối tượng hay vật thể nóng,chẳng hạn một ngôi sao, cần phải phát xạ năng lượng với tốc độ vô hạn. Theonhững định luật mà người ta tin là đúng ở thời gian đó thì một vật thể nóng cầnphải phát ra các sóng điện từ (như sóng vô tuyến, ánh sáng thấy được, hoặc tia X)như nhau ở mọi tần số. Ví dụ, một vật thể nóng cần phải phát xạ một lượng nănglượng như nhau trong các sóng có tần số nằm giữa một và hai triệu triệu sóng mộtgiây cũng như trong các sóng có tần số nằm giữa hai và ba triệu triệu sóng mộtgiây. Và vì số sóng trong một giây là không có giới hạn, nên điều này có nghĩa làtổng năng lượng phát ra là vô hạn.Để tránh cái kết quả rõ ràng là vô lý này, nhà khoa học người Đức Max Planck vàonăm 1900 đã cho rằng ánh sáng, tia X và các sóng khác không thể được phát xạ vớimột tốc độ tùy ý, mà thành từng phần nhất định mà ông gọi là lượng tử. Hơn nữa,mỗi một lượng tử lại có một lượng năng lượng nhất định, năng lượng này càng lớnnếu tần số của sóng càng cao, vì vậy ở tần số đủ cao, sự phát xạ chỉ một lượng tửthôi cũng có thể đòi hỏi một năng lượng lớn hơn năng lượng vốn có của vật. Nhưvậy sự phát xạ ở tần số cao phải được rút bớt đi, khi đó tốc độ mất năng lượng củavật mới còn là hữu hạn.Giả thuyết lượng tử đã giải thích rất tốt tốc độ phát xạ của các vật nóng, nhưngnhững ngụ ý của nó đối với quyết định luận thì mãi tới tận năm 1926, khi một nhàkhoa học Đức khác là Werner Heisenberg phát biểu nguyên lý bất định nổi tiếngcủa mình, thì người ta mới nhận thức được. Để tiên đoán vị trí và vận tốc trongtương lai của một hạt, người ta cần phải đo vị trí và vận tốc hiện thời của nó mộtcách chính xác. Một cách hiển nhiên để làm việc này là chiếu ánh sáng lên hạt. Mộtsố sóng ánh sáng bị tán xạ bởi hạt và điều đó sẽ chỉ vị trí của nó. Tuy nhiên, ngườita không thể xác định vị trí của hạt chính xác hơn khoảng cách giữa hai đỉnh sóngcủa ánh sáng, vì vậy người ta phải dùng ánh sáng có bước sóng ngắn để đo chínhxác vị trí của hạt. Nhưng theo giả thuyết lượng tử của Planck, người ta không thểdùng một lượng ánh sáng nhỏ tùy ý được, mà phải dùng ít nhất một lượng tử.Lượng tử này sẽ làm nhiễu động hạt và làm thay đổi vận tốc của hạt một cáchkhông thể tiên đoán được. Hơn nữa, càng đo chính xác vị trí của hạt, thì phải cầndùng ánh sáng có bước càng ngắn, nghĩa là năng lượng của một lượng tử càng cao.Và vì thế vận tốc của hạt sẽ bị nhiễu động một lượng càng lớn. Nói một cách khác,bạn càng cố gắng đo vị trí của hạt chính xác bao nhiêu thì bạn sẽ đo được vận tốccủa nó kém chính xác bấy nhiêu, và ngược lại. Heisenberg đã chứng tỏ được rằngđộ bất định về vị trí của hạt nhân với độ bất định về vận tốc của nó nhân với khốilượng của hạt không bao giờ nhỏ hơn một lượng xác định - lượng đó là hằng sốPlanck. Hơn nữa, giới hạn này không phụ thuộc vào cách đo vị trí và vận tốc củahạt hoặc vào loại hạt: nguyên lý bất định của Heisenberg là một tính chất căn bảnkhông thể tránh khỏi của thế giới.Nguyên lý bất định có những ngụ ý sâu sắc đối với cách mà chúng ta nhìn nhận thếgiới. Thậm chí sau hơn 50 năm chúng vẫn chưa được nhiều nhà triết học đánh giáđầy đủ và vẫn còn là đề tài của nhiều cuộc tranh luận. Nguyên lý bất định đã pháttín hiệu về sự cáo chung cho giấc mơ của Laplace về một lý thuyết khoa học, mộtmô hình của vũ trụ hoàn toàn có tính chất tất định: người ta chắc chắn không thểtiên đoán những sự kiện tương lai một cách chính xác nếu như người ta không thểdù chỉ là đo trạng thái hiện thời của vũ trụ một cách chính xác! Chúng ta vẫn còn cóthể cho rằng có một tập hợp các định luật hoàn toàn quyết định các sự kiện dànhriêng cho một đấng siêu nhiên nào đó, người có thể quan sát trạng thái hiện thờicủa vũ trụ mà không làm nhiễu động nó. Tuy nhiên, những mô hình như thế khônglợi lộc bao nhiêu đối với những người trần thế chúng ta. Tốt hơn là hãy sử dụngnguyên lý tiết kiệm được biết như lưỡi dao cạo của Occam và cắt bỏ đi tất cảnhững nét đặc biệt của lý thuyết mà ta không thể quan sát được. Cách tiếp cận nàyđã dẫn Heisenberg, Edwin Schrodinger và Paul Dirac vào những năm 20 xây dựnglại cơ học trên cơ sở của nguyên lý bất định thành một lý thuyết mới gọi là cơ họclượng tử. Trong lý thuyết này, các hạt không có vị trí, không có vận tốc tách bạchvà không hoàn toàn xác định. Thay vì thế chúng có một trạng thái lượng tử là tổhợp của vị trí và vận tốc.Nói chung, cơ học lượng tử không tiên đoán một kết quả xác định duy nhất chomột quan sát. Thay vì thế, nó tiên đoán một số kết cục khả dĩ khác nhau và nói chochúng ta biết mỗi một kết cục đó là như thế nào. Nghĩa là, nếu ta tiến hành cùngmột phép đo trên một số lớn các hệ tương t ...