Khi luật nhân quả bị đảo ngược: Một thế giới như trong Tenet có khả thi hay không?

Thế giới của chúng ta vận hành theo quan hệ nhân quả. Mỗi ngày khi tôi tỉnh dậy và chuẩn bị bữa sáng, ấm nước trên bàn sẽ sôi lên vì tôi đã cắm điện và bật nó. Cái bánh mì vàng vỏ vì tôi vừa phải cho nó vào máy nướng. Và bơ thì đâu có ở sẵn trên bàn, tôi phải lấy nó ra khỏi tủ lạnh trước.

Trong số vô vàn những điều kỳ lạ mà vũ trụ ném vào chúng ta mỗi ngày, đây có vẻ là những sự thật hiển nhiên và đơn giản nhất. Luật nhân quả đó là thứ mà chúng ta vẫn luôn mặc định là đúng: Những gì xảy ra trong quá khứ thì đã phải xảy ra trong quá khứ. Hiện tại thì phải luôn đi trước tương lai một bước.

Thế nhưng, một số nhà vật lý bắt đầu nghi ngờ quan hệ nhân quả không hề đơn giản như vậy. Theo họ, nguyên nhân không nhất thiết phải xảy ra trước kết quả. Ngược lại, kết quả đôi khi có thể "kết tủa" lại để trở thành nguyên nhân.

Thậm chí một số giả thuyết còn cho rằng cả nguyên nhân và kết quả đều có thể xảy ra cùng một lúc. Nếu vậy, trong bữa sáng của mình, tôi đã mở tủ lạnh vì bơ đã phải có sẵn trên bàn. Bánh mì của tôi sẽ vàng cả trước và sau lúc tôi bỏ nó vào máy nướng.

Thực ra tôi không chỉ nấu bữa sáng cho mình, chính bữa sáng đã xuất hiện để cho tôi nấu nó.

Ý tưởng luật nhân quả cũng có thể chơi tiểu xảo không chỉ khiến buổi sáng của bạn trở nên khó hiểu và trở thành nguồn cảm hứng cho bộ phim Tenet của Christopher Nolan. Nó còn có thể làm rung chuyển toàn bộ nền vật lý mà chúng ta biết đến ngày nay, đến tận gốc rễ.

Nếu trật tự của các sự kiện bị mất đi, bức tranh toàn bộ vũ trụ được vẽ ra bởi thuyết tương đối rộng cũng sẽ bị xé toạc. Nhìn qua vết rách đó, chúng ta có thể thấy được một thế giới vượt ra ngoài những lý thuyết của cơ học lượng tử, mô hình tốt nhất mà chúng ta có được để mô tả thế giới hạ nguyên tử.

Quan hệ nhân quả hoạt động theo cả hai hướng có thể cho phép chúng ta kết hợp hai lý thuyết này thành một khuôn khổ duy nhất: Thuyết hấp dẫn lượng tử - một mục tiêu mà các nhà vật lý học đã theo đuổi trong hơn một thế kỷ.

Như vậy, nếu quan hệ nhân quả như chúng ta từng biết bị phá vỡ, nó có thể trở thành cái cớ để tất cả chúng ta bật sâm panh ăn mừng. Hoặc ngược lại.

Cho đến giờ phút này, tất cả chúng ta hầu như đều đang cùng nhau đi theo một hướng: tiến về tương lai và tương lai đó được cho là ở phía trước. "Mũi tên của thời gian có tác động rất lớn đến cuộc sống của chúng ta", nhà vật lý lý thuyết người Anh Julian Barbour cho biết.

Những tác động đó, theo kiến thức phổ thông có thể được giải thích bằng định luật thứ hai nhiệt động học - nói rằng vũ trụ đang ngày càng mất trật tự hơn theo thời gian, entropy của mọi vật chỉ có tăng mà không có giảm.

Định luật thứ hai nhiệt động học chính là thứ đã cố định một chiều hướng duy nhất cho mọi sự kiện diễn ra trong vũ trụ này.

Chẳng hạn, entropy là lời giải thích lý do tại sao quả trứng bạn vừa đập vỡ không thể liền lại. Một cái cốc rơi xuống đất vỡ tan cũng vậy và thậm chí cả vũ trụ - chúng ta không thể đảo ngược lại entropy để quay về thời điểm diễn ra sự kiện Big Bang.

Một vũ trụ như của chúng ta ngày nay không thể được sắp xếp để trở nên trật tự lại như nó đã từng hàng tỷ năm về trước. Bởi một khi mũi tên thời gian đã được bắn ra, nó dường như không thể bị cản lại bởi bất cứ thứ gì. Có điều, chưa chắc mũi tên ấy sẽ bay thẳng tắp.

Trong những năm đầu thế kỷ 20, thuyết tương đối của Albert Einstein đã thêm vào bức tranh thời gian của chúng ta một sự phức tạp. Hóa ra, thời gian sẽ chạy chậm hơn với những người quan sát di chuyển ở tốc độ cao hơn, cũng như đối với những người ở vào môi trường có lực hấp dẫn cực lớn.

Ví dụ, một cặp song sinh được tách ra, người em ở lại Trái Đất còn người anh dành 5 năm chu du trong vũ trụ, trên một con tàu bay gần vận tốc ánh sáng. Vào thời điểm người anh trở lại Trái Đất, anh ta sẽ trẻ hơn rất nhiều so với người em của mình, người ở lại đã trải qua một khoảng thời gian bình thường không hề bị nén lại.

Cũng vì thế, một dãy sự kiện diễn ra đồng thời với một người quan sát có thể xảy ra tuần tự với một người quan sát khác.

Ví dụ, một vụ tai nạn ô tô ở London và một vụ tai nạn khác ở New York dường như xảy ra cùng lúc với một người quan sát trên Trái Đất. Nhưng chúng sẽ xảy ra vào những thời điểm hơi khác với một người quan sát trên máy bay đang bay giữa London và New York.

Tuy nhiên, có một điều quan trọng cần chú ý. Đó là ngay cả khi hai sự kiện dường như diễn ra đồng thời, chúng chỉ có thể có quan hệ nhân quả nếu tồn tại thời gian để cái này ảnh hưởng đến cái kia.

Một hòn đá tảng cho quan hệ nhân quả, tồn tại cho phép một sự kiện bất kỳ có thể gây ra sự kiện khác là việc thông tin không thể truyền nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Ví dụ, ánh sáng phải mất 8 phút để di chuyển giữa Trái Đất và Mặt Trời, đồng nghĩa với một vụ nổ đột ngột của Mặt Trời sẽ mất 8 phút để gây ra bất kỳ hậu quả nào lên Trái Đất.

Sự có mặt của thời gian ở đây đã làm mọi thứ trở nên phức tạp và khó hiểu, cho đến khi vật lý cơ học lượng tử ra đời. Các nhà khoa học lúc này đưa ra một ý tưởng về chồng chập lượng tử, cho rằng một vật có thể ở trong cả hai trạng thái khác nhau cùng lúc.

Hiểu theo một cách khác, bất kỳ sự kiện nào cũng có thể được cho là đã xảy ra và đồng thời chưa xảy ra. Mượn thí nghiệm nổi tiếng của Schordinger thì một con mèo có thể vừa sống vừa chết cho đến khi nó được quan sát.

Nhưng kỳ lạ là vẫn có một số thứ được cho là đi quá giới hạn. Chẳng hạn, thứ tự diễn ra các sự kiện được cho là loại lệ trong sự kỳ dị lượng tử này. "Cho đến tận bây giờ, chúng ta vẫn giả định rằng trật tự thời gian đã được xác định rõ ràng", nhà vật lý lượng tử Caslav Brukner tại Đại học Vienna, Áo cho biết.

Thế nhưng, trong một bài báo xuất bản vào năm 2012, Brukner đã tự mình phá vỡ giả định ấy. Ông đề xuất rằng chuỗi thời gian của hai sự kiện, giống như vị trí của một hạt hoặc đường đi của nó, cũng có thể tồn tại ở trạng thái chồng chập.

Điều đó có nghĩa là mũi tên thời gian có thể đột ngột gấp khúc trong quỹ đạo của nó. Và thực sự đã có những thử nghiệm thực tế hỗ trợ cho ý tưởng này.

Năm 2015, tại Đại học Vienna, giáo sư Philip Walther và các đồng nghiệp của ông đã thực hiện được một thí nghiệm nằm ở biên giới của các lý thuyết lượng tử mà chúng ta biết đến ngày nay.

Trong đó, Walther đã nhìn thấy một photon đi qua hai cổng A và B theo thứ tự không xác định. Có nghĩa là bạn không thể biết liệu photon này đã đi qua cổng A rồi đến cổng B, hay qua cổng B và sau đó tới cổng A - đường đi của nó là chồng chập của cả hai khả năng.

Điều này tiếp tục dẫn đến một ý tưởng trêu ngươi tất cả chúng ta, rằng một bức tranh tương tự có thể xảy ra với quan hệ nhân quả. Walther và nhóm của ông đã tiếp tục theo đuổi thí nghiệm ấy đến năm 2017, cải tiến nó thành một phiên bản phức tạp hơn để kiểm tra thứ tự nhân quả.

"Bạn phải chế tạo được một thiết bị hoạt động theo cách nào đó, để cho đến khi kết thúc toàn bộ quá trình, bạn không được phép biết hoặc trích xuất kết quả mà bạn nhận được. Nếu bạn biết được kết quả của phép đo trong quá trình thử nghiệm, sự chồng chập sẽ sụp đổ và các mối quan hệ nhân quả sẽ tiếp diễn như bình thường", Walther nói.

Vào năm 2019, Brukner đã xuất bản một bài báo đưa ý tưởng này tiến thêm một bước xa hơn. Ông muốn xây dựng một bức tranh về quan hệ nhân quả phản ánh sự phức tạp đầy đủ của thế giới, kết hợp các khái niệm về chồng chập thời gian từ cơ học lượng tử với thuyết tương đối rộng dự đoán rằng thời gian dường như trôi qua chậm hơn trong trường hấp dẫn mạnh hơn.

Thí nghiệm của Brukner là một tình huống tưởng tượng. Trong đó, ông vẽ ra một kịch bản với sự tham gia của 2 chiếc phi thuyền. Trên mỗi chiếc phi thuyền có một người điều khiển được đặt tên là Alice và Bob, họ là những kẻ thù không đội trời chung của nhau.

Bởi là kẻ thù của nhau, Alice và Bob đang chĩa súng bắn đại bác photon vào phi thuyền của đối phương. Họ đồng bộ đồng hồ trước khi quyết định bắn đại bác. Vào đúng khoảnh khắc 09:55, cả hai cùng nhau bóp cò.

Nếu kịch bản chỉ có vậy, hai photon bắn ra sẽ cùng trúng cả hai con tàu cùng một lúc và họ bị hủy diệt. Nhưng cốt truyện bị thay đổi bởi một chi tiết: Tàu của Bob đang ở gần một hành tinh dày đặc. Theo thuyết tương đối rộng, khu vực này sẽ phải có trường hấp dẫn mạnh khiến mọi chiếc đồng hồ gần đó chạy chậm lại.

Thời gian với Bob vì vậy sẽ chạy chậm hơn, tàu vũ trụ của anh ta sẽ bị trúng đạn photon của Alice trước khi đồng hồ của anh ấy hiển thị 09:55.

Thí nghiệm đến đây vẫn tuân theo các quy luật nhân quả. Nhưng Brukner bây giờ mới tự hỏi: Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn có thể đặt hành tinh khổng lồ ấy vào trạng thái chồng chập lượng tử, khiến cho nó cùng lúc gần với cả Alice và Bob?

Trường hấp dẫn mạnh khi đó sẽ ảnh hưởng đến đồng hồ của cả hai người. Trong trường hợp này, có vẻ một điều không thể sẽ xảy ra: một trạng thái chồng chập được tạo ra trong đó photon của Alice đến tàu vũ trụ của Bob trước khi anh ta bóp cò để bắn photon của mình đi. Nhưng photon của Bob cũng đến được với Alice trước khi cô ấy quyết định bắn hạt photon về phía Bob.

Đẩy một hành tinh vào trạng thái chồng chập lượng tử bây giờ có vẻ là một ý tưởng bất khả thi, nhưng các nhà vật lý đang làm việc siêng năng để có thể cải tiến dần độ lớn của các vật thể đi được vào trạng thái ấy.

Ví dụ, vào năm 2019, một nhóm các nhà khoa học đã đưa được các phân tử có kích thước 2.000 nguyên tử vào hai trạng thái chồng chập. Một số phòng thí nghiệm cũng đang làm việc để đưa những quả cầu có đường kính vài nanomet vào trạng thái này, mặc dù Walther cho rằng ông không chắc các vật thể ấy có thể mang lại những hiệu quả thấy được trong thử nghiệm suy nghĩ của Brukner.

Chưa hết, vẫn còn một thứ gì đó kỳ lạ hơn nữa. Ở hiện tại của cả Alice và Bob, họ đều không có quyền lựa chọn hành động của mình. Nhưng nếu họ có quyền làm điều đó, thì trật tự nhân quả của những lựa chọn của cả Alice và Bob cũng sẽ đan xen lẫn nhau, Brukner nói.

"Nếu Alice thay đổi điều gì đó thì điều đó sẽ ảnh hưởng đến Bob", ông nói. Ngay cả khi là một thử nghiệm diễn ra trong suy nghĩ, việc thêm yếu tố lựa chọn này vào cũng khiến nó trở nên rất phức tạp vì tình huống bây giờ yêu cầu một hoặc cả hai bên thực hiện phép đo - và các phép đo khiến trạng thái chồng chập sụp đổ.

Nhưng Magdalena Zych, đồng tác giả của Brukner tại Đại học Queensland ở Úc, hy vọng họ sẽ tìm ra cách để mở rộng thí nghiệm theo trình tự nhân quả trong tương lai. Sau cùng, nếu trật tự thời gian có thể bị vướng víu, thì trật tự nhân quả cũng có thể.

Bây giờ, nếu thử nghiệm suy nghĩ của Brukner có thể được lặp lại trong phòng thí nghiệm, điều đó có nghĩa là bức tranh của ông ấy về trật tự nhân quả theo vị trí chồng chập có thể được điều chỉnh bởi thuyết tương đối rộng.

Giả sử rằng có thể đặt một khối lượng đủ lớn vào trạng thái chồng chập lượng tử, Brukner và nhóm của ông chỉ ra rằng sự dao động nhân quả sẽ dần dần mở rộng ra từ các điểm trong không-thời gian nơi vật thể có thể ở đó.

"Theo một nghĩa nào đó, trật tự thời gian giữa một số sự kiện trong một vùng không gian có thể bị vướng vào thứ tự thời gian của các sự kiện trong một vùng không-thời gian khác", Zych nói. Điều đó có nghĩa là mọi thứ Alice và Bob làm, cũng như bất cứ điều gì khác xảy ra trên tàu của họ, đều xảy ra trước và sau bất cứ hành động nào của người còn lại.

Nó đồng nghĩa với việc chúng ta đang sống trong một thế giới mà chúng ta không những không thể biết các sự kiện đã xảy ra theo thứ tự nào, mà về cơ bản chúng không có bất kỳ trật tự nào cả.

"Ý tưởng đó đơn giản là quá kinh ngạc", Gilligan-Lee tại University College London đã phải thốt lên vì ý tưởng đó. Và anh ấy không phải là người duy nhất, Ana Belén Sainz tại Đại học Gdansk, Ba Lan cho biết: "Đây là một điều đáng kinh ngạc ngay cả đối với những người đã quen thuộc với những đặc điểm kỳ lạ của lý thuyết lượng tử".

Quan hệ nhân quả thực ra đã làm đau đầu nhiều nhà vật lý trong thế hệ trước đó. Các lý thuyết của họ cho rằng quan hệ nhân quả có thể bị đảo ngược, hoặc mũi tên thời gian có thể bị bẻ gập theo hướng ngược lại.

Nhưng quan hệ nhân quả lượng tử còn tiến xa hơn một bước so với việc chỉ lật lại hoặc dịch chuyển thứ tự của các sự kiện. Nó cho phép nhiều trật tự về cơ bản tồn tại cùng lúc. "Chúng ta có thể nghĩ sự kiện A ảnh hưởng đến B, và B ảnh hưởng đến A, nhưng vẫn còn có những điều khác không thể hiểu được nếu chỉ xét tới hai sự kiện ấy", Brukner nói.

Ông cho biết sự tồn tại đồng thời của các trật tự nhân quả là một đặc điểm mới làm cho cấu trúc nhân quả trong lý thuyết lượng tử trở nên phong phú hơn. Nếu thuộc tính lượng tử mới này có thể được giữ vững, có khả năng chúng ta có thể sử dụng nó để tạo ra các công nghệ đột phá. Một trong số đó là máy tính lượng tử.

Máy tính lượng tử về mặt lý thuyết có thể giải quyết các phép tính phức tạp hơn các máy tính cổ điển và hoạt động nhanh hơn. Trong khi các máy tính thông thường sử dụng dạng bit nhị phân - 0 hoặc 1 - chỉ có thể tồn tại ở các trạng thái cổ điển, các bit lượng tử hoặc qubit có thể tồn tại ở dạng chồng chập, cho phép chúng thao tác theo các mô hình phức tạp hơn.

Brukner và các đồng nghiệp của ông đã chỉ ra rằng việc đặt các thiết kế mạch với các trật tự nhân quả khác nhau thành một chồng chập có thể làm cho một nhiệm vụ tính toán cụ thể hiệu quả hơn. Cũng có những hy vọng rằng trạng thái chồng chập như vậy có thể tạo ra các kênh liên lạc tốt hơn bằng cách giảm độ nhạy đối với nhiễu trong quá trình tính toán.

Nhưng những lợi ích thực sự có thể đến từ một bức tranh mới về vũ trụ. Trong nhiều thập kỷ, cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng đã đứng như hai khuôn khổ không thể hòa hợp: một bên mô tả thế giới cực kỳ nhỏ, bên còn lại mô tả thế giới trên quy mô cực kỳ lớn.

Đặc biệt, chúng ta vẫn chưa có phương pháp xử lý lượng tử nào thỏa mãn hoạt động của lực hấp dẫn, vốn vẫn là quan điểm của thuyết tương đối rộng. Do đó, kết hợp cả hai thành một lý thuyết duy nhất về hấp dẫn lượng tử là một trong những thách thức nổi bật trong vật lý lý thuyết.

Mặc dù bản chất của cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng được sử dụng trong thí nghiệm suy nghĩ của Zych và Brukner không phải là một lý thuyết về hấp dẫn lượng tử. Tuy nhiên, khung toán học mà bộ đôi phát triển có thể cung cấp một nền tảng thử nghiệm hữu ích cho các tính năng mà một lý thuyết như vậy có thể sở hữu.

"Nếu chúng ta có thể hiểu rõ về những tính năng đó, có lẽ chúng sẽ dẫn đường cho chúng ta xây dựng một lý thuyết hấp dẫn lượng tử thực sự", Gilligan-Lee cho biết.

Trên thực tế, ý tưởng cấu trúc nhân quả của các sự kiện có thể nằm trong một chồng chập là điều mà các nhà vật lý nghiên cứu lý thuyết về hấp dẫn lượng tử đã sử dụng thường xuyên trong công việc của mình, Francesca Vidotto tại Đại học Western ở Ontario, Canada cho biết.

"Đây thực sự là cốt lõi của lý thuyết hấp dẫn lượng tử", cô nói.

Các nhà vật lý như Vidotto kỳ vọng quan hệ nhân quả sẽ bị phá vỡ trong những điều kiện khắc nghiệt mà ở đó, nền tảng vật lý chúng ta đang biết đến hiện nay có thể bị sụp đổ - chẳng hạn như trong những khoảnh khắc ban đầu của Big Bang hoặc bên trong các lỗ đen được cho là có mật độ vật chất tới vô hạn.

Các nghiên cứu gần đây về quan hệ nhân quả lượng tử đang trên đường giúp chúng ta có thể tái tạo các hiệu ứng hấp dẫn lượng tử như vậy trong các thí nghiệm trên Trái Đất, khiến chúng dễ theo dõi hơn rất nhiều.

"Với sự phát triển của các kỹ thuật mới, chúng ta có thể nghĩ đến việc thăm dò lực hấp dẫn lượng tử không chỉ với vật lý thiên văn mà còn trong phòng thí nghiệm của chúng ta", Vidotto nói.

Thậm chí, một số nhà khoa học còn có suy nghĩ thú vị hơn. Họ cho rằng nghiên cứu về quan hệ nhân quả lượng tử đang mở rộng ranh giới của chính cơ học lượng tử. Đối với các nhà lý thuyết như Gilligan-Lee, lý thuyết lượng tử không nhất thiết phải là nền tảng cuối cùng và hoàn thiện nhất để mô tả thế giới trên quy mô rất nhỏ.

Nếu có được những lý thuyết mới có thể gỡ bỏ được quan hệ nhân quả, đó có thể là một cách giúp chúng ta vươn ra được bên ngoài lý thuyết lượng tử để có được một lý thuyết mới sâu sắc hơn về tự nhiên, Gilligan-Lee nói. "Đây chính là những nghiên cứu mà ở thời điểm hiện tại tôi cảm thấy hào hứng nhất, chúng đánh thẳng vào nền tảng của vật lý học".

Nói tóm lại, ý tưởng trực quan của chúng ta về luật nhân quả hoàn toàn có thể bị đánh đổ như trong Tenet, và nó có thể dẫn đến một bức tranh hoàn toàn mới nhưng rõ ràng hơn về cách vũ trụ của chúng ta hoạt động. Đó quả là một chủ đề đáng để nghiền ngẫm trong bữa sáng.

Tham khảo Newscientist

Thanh Long