Cuộc tranh luận Einstein – Bohr là cuộc đối đầu trí tuệ kéo dài gần ba mươi năm, từ cuối thập niên 1920 đến khi Einstein mất năm 1955, về câu hỏi: cơ học lượng tử đã mô tả trọn vẹn thực tại hay chưa. Niels Bohr cho rằng xác suất và tính bất định là bản chất của tự nhiên; Albert Einstein tin rằng lý thuyết còn thiếu một tầng sâu hơn. Về thực nghiệm, phía Bohr thắng; nhưng những câu hỏi Einstein đặt ra, nhất là nghịch lý EPR năm 1935, đã sinh ra cả một ngành nghiên cứu về rối lượng tử, được trao giải Nobel Vật lý năm 2022.
Hai người bạn trước khi là hai đối thủ
Đây là cặp kình địch khác hẳn những cặp khác trong lịch sử khoa học: họ quý nhau thật lòng. Họ gặp nhau lần đầu ở Berlin năm 1920. Sau đó Einstein viết thư cho Bohr rằng hiếm có ai trong đời làm ông vui chỉ vì sự hiện diện như Bohr. Einstein nhận giải Nobel Vật lý năm 1921 (trao năm 1922), Bohr nhận năm 1922. Cả hai đều đã góp phần đặt nền cho thuyết lượng tử: Einstein với giả thuyết lượng tử ánh sáng năm 1905, Bohr với mô hình nguyên tử năm 1913.
Khoảng 1925–1927, cơ học lượng tử mới thành hình nhờ Heisenberg, Schrödinger, Born, Dirac. Max Born đưa ra cách hiểu rằng hàm sóng chỉ cho biết xác suất tìm thấy hạt. Heisenberg đưa ra nguyên lý bất định. Bohr gom các ý tưởng ấy thành cái về sau gọi là "cách diễn giải Copenhagen", với khái niệm then chốt là tính bổ sung: sóng và hạt là hai mặt loại trừ nhau nhưng cùng cần thiết để mô tả một hiện tượng.
Einstein không chấp nhận. Trong thư gửi Max Born tháng 12 năm 1926, ông viết rằng ông tin chắc "Ngài" (ý chỉ Thượng đế) không chơi trò gieo xúc xắc. Câu này về sau thành câu nổi tiếng nhất của ông về lượng tử, thường được nói gọn là "Chúa không gieo xúc xắc".
Hiệp một: Hội nghị Solvay 1927
Tháng 10 năm 1927, Hội nghị Solvay lần thứ năm ở Brussels quy tụ gần như mọi tên tuổi vật lý; bức ảnh tập thể năm đó có 17 người từng hoặc sẽ nhận giải Nobel. Theo hồi ức của những người dự, mỗi sáng ở bữa điểm tâm Einstein đưa ra một thí nghiệm tưởng tượng nhằm chỉ ra mâu thuẫn trong lý thuyết lượng tử, chẳng hạn cố đo đồng thời vị trí và động lượng của hạt khi nó đi qua khe hẹp. Bohr suy nghĩ cả ngày, và đến bữa tối thường đã tìm ra chỗ sai.
Có một câu đáp nổi tiếng được gán cho Bohr: rằng Einstein đừng bảo Thượng đế phải làm gì. Câu này đến từ lời kể của người khác về sau, không có văn bản gốc, nên chỉ nên coi là giai thoại.
Hiệp hai: Solvay 1930 và chiếc hộp ánh sáng
Ở Hội nghị Solvay lần thứ sáu năm 1930, Einstein đưa ra một thí nghiệm tưởng tượng tinh vi hơn. Hãy tưởng tượng một chiếc hộp chứa ánh sáng, có đồng hồ điều khiển cửa chập mở ra trong một khoảnh khắc rất ngắn để một photon bay ra. Cân hộp trước và sau sẽ biết khối lượng mất đi, qua đó biết năng lượng của photon theo E = mc². Thời điểm photon thoát ra cũng biết chính xác nhờ đồng hồ. Như vậy năng lượng và thời gian được biết đồng thời, trái với hệ thức bất định giữa năng lượng và thời gian.
Theo lời kể, Bohr mất ngủ cả đêm. Sáng hôm sau ông đưa ra lời đáp mà nhiều người coi là đẹp nhất trong cuộc tranh luận: muốn cân hộp, phải treo nó trong trường hấp dẫn; khi hộp nhích lên xuống, theo thuyết tương đối rộng của chính Einstein, nhịp đồng hồ bị thay đổi theo độ cao. Tính kỹ thì độ bất định về thời gian vừa đủ để cứu hệ thức bất định. Einstein bị đánh bại bằng chính vũ khí của mình. Một số nhà vật lý về sau cho rằng lập luận của Bohr chưa thật chặt, nhưng ở thời điểm đó, nó thuyết phục cả hội nghị.
Hiệp ba: nghịch lý EPR năm 1935
Sau 1930, Einstein đổi chiến thuật. Ông không còn cố chứng minh cơ học lượng tử sai, mà cho rằng nó chưa đầy đủ. Tháng 5 năm 1935, cùng Boris Podolsky và Nathan Rosen, ông đăng trên tạp chí Physical Review bài báo nay gọi là EPR.
Ý chính: hai hạt tương tác với nhau rồi bay xa. Theo cơ học lượng tử, đo một tính chất của hạt này thì ngay lập tức biết tính chất tương ứng của hạt kia, dù nó ở cách xa bao nhiêu. Nếu không có tác động nào truyền nhanh hơn ánh sáng, thì tính chất ấy phải có sẵn từ trước, mà lý thuyết lượng tử không mô tả nó, vậy lý thuyết chưa đầy đủ. Einstein về sau gọi kiểu liên hệ đó là "tác động ma quái từ xa".
Vài tháng sau, Bohr trả lời trên cùng tạp chí, với bài báo mang đúng tựa đề như bài của EPR. Lập luận của ông xoay quanh việc không thể tách hệ thống khỏi cách bố trí phép đo. Nhiều người thừa nhận bài của Bohr khó đọc, và cuộc tranh luận khi đó bị nhiều nhà vật lý coi là chuyện triết học, không kiểm nghiệm được.
Ai thắng: phải đợi sau khi cả hai qua đời
| Năm | Mốc |
|---|---|
| 1949 | Bohr viết bài "Thảo luận với Einstein về các vấn đề nhận thức luận trong vật lý nguyên tử" trong tuyển tập mừng Einstein 70 tuổi, kể lại cuộc tranh luận |
| 1955 | Einstein mất ở Princeton |
| 1962 | Bohr mất ở Copenhagen. Theo lời kể, trên bảng đen trong phòng làm việc của ông còn hình vẽ chiếc hộp ánh sáng của Einstein |
| 1964 | John Bell chứng minh có thể kiểm tra bằng thí nghiệm giữa hai quan điểm: thực tại có sẵn và cục bộ, hay đúng như cơ học lượng tử dự đoán |
| 1972–1982 | John Clauser rồi Alain Aspect làm thí nghiệm, kết quả nghiêng về cơ học lượng tử |
| 2015 | Các thí nghiệm "không kẽ hở" ở Hà Lan, Áo, Mỹ xác nhận mạnh hơn |
| 2022 | Aspect, Clauser và Anton Zeilinger nhận giải Nobel Vật lý cho các thí nghiệm với photon rối |
Kết luận hiện nay: không có lý thuyết "biến ẩn cục bộ" nào như Einstein mong muốn giải thích được kết quả thí nghiệm. Theo nghĩa này, Bohr thắng. Nhưng câu hỏi Einstein đặt ra, về bản chất của phép đo và thực tại, vẫn chưa có câu trả lời được tất cả chấp nhận; các cách diễn giải cơ học lượng tử vẫn tiếp tục được tranh luận. Và chính hiện tượng rối lượng tử mà Einstein dùng để phản bác lại là nền tảng của mật mã lượng tử và máy tính lượng tử ngày nay.
Vì sao đây là kình địch kiểu mẫu
- Đánh vào ý tưởng, không đánh vào người. Gần ba mươi năm tranh luận, không có bài nặc danh, không có đồng minh đánh hộ, không có uỷ ban thiên vị.
- Mỗi bên làm bên kia giỏi hơn. Bohr thừa nhận những phản bác của Einstein buộc ông phải làm rõ quan điểm của chính mình. Không có Einstein, cách diễn giải Copenhagen sẽ kém chặt chẽ hơn nhiều.
- Thua một hiệp không phải bỏ cuộc. Einstein thua năm 1927, thua năm 1930, và ông đổi câu hỏi. Câu hỏi mới của ông, năm 1935, lại là câu hỏi đúng.
Góc nhìn hôm nay
Bài học dễ dùng nhất: muốn phản biện một đối thủ giỏi, hãy dùng chính tiền đề của họ, như Bohr dùng thuyết tương đối của Einstein. Lập luận ấy khó bác bỏ hơn mọi thứ bạn mang từ bên ngoài vào. Ngược lại, khi bị đánh bại, hãy hỏi mình có đang đặt sai câu hỏi không, như Einstein đã làm.
Muốn đọc thêm: Quantum: Einstein, Bohr and the Great Debate about the Nature of Reality của Manjit Kumar (2008) kể cuộc tranh luận dễ theo dõi cho người không chuyên. Bài viết năm 1949 của Bohr là tư liệu gốc quan trọng nhất. Viện Niels Bohr ở Copenhagen và Kho lưu trữ Albert Einstein ở Đại học Hebrew Jerusalem đều có tư liệu mở cho công chúng; kho lưu trữ Einstein đưa nhiều thư từ lên mạng.
Câu hỏi thường gặp
Einstein và Bohr tranh luận về điều gì?
Họ tranh luận cơ học lượng tử đã mô tả đầy đủ thực tại hay chưa. Bohr cho rằng xác suất và bất định là bản chất của tự nhiên, còn Einstein tin rằng phải có một mô tả sâu hơn mà lý thuyết lượng tử còn thiếu.
"Chúa không gieo xúc xắc" là câu nói của ai?
Ý này đến từ thư Einstein gửi Max Born tháng 12 năm 1926, trong đó ông viết rằng ông tin Ngài không chơi trò gieo xúc xắc. Câu đáp "đừng bảo Thượng đế phải làm gì" gán cho Bohr chỉ là giai thoại được kể lại sau này.
Nghịch lý EPR là gì?
Đó là lập luận năm 1935 của Einstein, Podolsky và Rosen: nếu đo một hạt mà biết ngay tính chất của hạt kia ở rất xa, thì tính chất đó phải có sẵn, và cơ học lượng tử không mô tả nó nên chưa đầy đủ. Nghịch lý này về sau dẫn đến nghiên cứu rối lượng tử.
Ai thắng trong cuộc tranh luận Einstein – Bohr?
Các thí nghiệm dựa trên bất đẳng thức Bell từ thập niên 1970 đến nay ủng hộ dự đoán của cơ học lượng tử, nên phía Bohr thường được coi là thắng. Tuy vậy, câu hỏi về bản chất phép đo mà Einstein nêu ra vẫn còn được tranh luận.
Giải Nobel Vật lý 2022 liên quan gì đến Einstein?
Giải năm 2022 trao cho Alain Aspect, John Clauser và Anton Zeilinger vì các thí nghiệm với photon rối, kiểm chứng bất đẳng thức Bell. Đó chính là cách trả lời bằng thực nghiệm cho câu hỏi Einstein đặt ra trong bài EPR năm 1935.
