Thuyết đa thế giới là một cách diễn giải cơ học lượng tử do nhà vật lý Mỹ Hugh Everett III đề xuất năm 1957: hàm sóng không bao giờ "sụp đổ", mọi khả năng của một phép đo đều xảy ra, mỗi khả năng nằm trong một nhánh của thực tại. Khác với phim ảnh, các nhánh này không rẽ ra theo lựa chọn của con người, không ai đi lại hay liên lạc được giữa chúng, và đến nay chưa có thí nghiệm nào phân biệt được nó với các cách diễn giải khác. Đây là một lập trường nghiêm túc trong vật lý, nhưng còn tranh luận.
Bài toán mà Everett muốn giải: phép đo
Cơ học lượng tử mô tả một hạt bằng hàm sóng, biến đổi đều đặn theo phương trình Schrödinger (1926). Hàm sóng có thể ở trạng thái "chồng chập": một electron chẳng hạn có thể ở trạng thái quay lên và quay xuống cùng lúc. Nhưng khi đo, ta luôn chỉ thấy một kết quả.
Cách giải thích phổ biến thời đó, gắn với Niels Bohr và Werner Heisenberg và thường gọi là diễn giải Copenhagen, nói rằng phép đo làm hàm sóng "sụp đổ" về một kết quả, với xác suất cho bởi quy tắc Born. Vấn đề là: phép đo là gì, và vì sao máy đo, vốn cũng làm bằng nguyên tử, lại tuân theo một luật khác hẳn? Năm 1935, Erwin Schrödinger nêu thí nghiệm tưởng tượng về con mèo trong hộp, vừa sống vừa chết cho đến khi mở hộp, chính là để chỉ ra sự kỳ quặc đó.
Ý tưởng của Everett năm 1957
Everett, khi đó là nghiên cứu sinh ở Đại học Princeton dưới sự hướng dẫn của John Archibald Wheeler, đề xuất một cách đơn giản đến táo bạo: bỏ hẳn sự sụp đổ. Chỉ có một hàm sóng của toàn vũ trụ, luôn biến đổi theo phương trình Schrödinger. Khi người quan sát đo electron, người quan sát cũng bị cuốn vào trạng thái chồng chập: có một thành phần "người thấy quay lên" và một thành phần "người thấy quay xuống". Mỗi thành phần chỉ biết kết quả của mình, nên với mỗi thành phần, mọi thứ trông như hàm sóng đã sụp đổ.
Ông gọi đó là cách mô tả "trạng thái tương đối" (relative state), đăng trên tạp chí Reviews of Modern Physics tháng 7/1957. Chính Everett không dùng chữ "nhiều thế giới".
Mốc thời gian
- 1926–1927: Schrödinger đưa ra phương trình sóng; Born đưa ra cách hiểu xác suất; Heisenberg nêu nguyên lý bất định.
- 1935: Thí nghiệm tưởng tượng con mèo của Schrödinger.
- 1952: David Bohm đề xuất cách diễn giải có "biến ẩn", một lựa chọn thay thế khác.
- 1957: Bài báo của Everett ra đời, ít được chú ý; Wheeler kèm một bài bình luận dè dặt.
- 1959: Everett sang Copenhagen gặp Bohr; cuộc gặp không thuyết phục được ai.
- 1970: Bryce DeWitt viết bài trên Physics Today, đặt tên "many-worlds" (đa thế giới) và làm ý tưởng nổi tiếng.
- Từ 1970: H. Dieter Zeh, rồi Wojciech Zurek trong thập niên 1980, phát triển lý thuyết mất kết hợp (decoherence), giải thích vì sao các nhánh thực tế không còn giao thoa với nhau.
- 1982: Everett qua đời ở tuổi 51, sau nhiều năm đã rời vật lý hàn lâm để làm phân tích, lập trình cho các dự án chính phủ và công ty riêng.
- Từ cuối thập niên 1990: David Deutsch, David Wallace và những người khác tìm cách giải thích quy tắc xác suất trong khuôn khổ đa thế giới.
Vật lý thật khác phim ảnh thế nào
| Câu hỏi | Trên phim (Mr. Nobody, Everything Everywhere All at Once, phim siêu anh hùng) | Trong thuyết Everett |
|---|---|---|
| Nhánh rẽ ra khi nào? | Khi nhân vật đứng trước một lựa chọn lớn: đi theo cha hay mẹ, cưới ai, ở lại hay ra đi | Khi các hệ lượng tử tương tác và vướng víu với môi trường, xảy ra liên tục ở mọi nơi, chẳng liên quan gì đến "quyết định" |
| Có đi sang nhánh khác được không? | Được, bằng cổng không gian, thiết bị hay "nhảy vũ trụ" | Không. Theo chính lý thuyết, các nhánh không tương tác được sau khi mất kết hợp |
| Có gặp "bản thân khác" không? | Có, thậm chí đánh nhau hay hợp tác | Không bao giờ |
| Bản thân ở nhánh khác khác ta bao nhiêu? | Rất khác: ngôi sao điện ảnh, đầu bếp, người có ngón tay xúc xích | Các nhánh gần nhau chỉ khác nhau rất ít; những khác biệt lớn đòi hỏi một chuỗi khả năng có xác suất cực nhỏ |
| Có đếm được bao nhiêu thế giới không? | Thường đánh số, đặt tên như vũ trụ Alpha, Trái Đất-616 | Số nhánh không được định nghĩa rõ ràng; các nhà nghiên cứu theo trường phái này coi "nhánh" là khái niệm gần đúng |
| Kiểm chứng được không? | Không phải việc của phim | Chưa có thí nghiệm nào phân biệt được với các diễn giải khác, vì mọi diễn giải đều cho cùng dự đoán ở các thí nghiệm hiện có |
Một điểm thường bị hiểu lầm nữa: nhiều người tin rằng nếu mọi khả năng đều xảy ra ở đâu đó, thì lựa chọn của mình không còn ý nghĩa. Các nhà triết học vật lý ủng hộ Everett phản bác: trong lý thuyết, mỗi nhánh có "trọng số" khác nhau (tương ứng với xác suất), và việc ta làm vẫn quyết định nhánh nào nặng ký hơn. Phim Everything Everywhere All at Once đã kịch hoá chính nỗi hoang mang này qua chiếc bánh vòng hư vô của nhân vật Jobu.
Những tranh luận còn mở
Bài toán xác suất
Nếu mọi kết quả đều xảy ra, nói "kết quả này có xác suất 30%" nghĩa là gì? Đây là câu hỏi khó nhất với thuyết đa thế giới. Có những lời giải dựa trên lý thuyết ra quyết định (Deutsch 1999, Wallace), nhưng nhiều nhà vật lý và triết học vẫn chưa thấy thoả đáng.
Cái giá về bản thể
Người phản đối cho rằng đặt ra vô số thế giới không thể quan sát là "xa xỉ". Người ủng hộ đáp rằng lý thuyết của họ thật ra tiết kiệm hơn: chỉ một phương trình, không có quy tắc sụp đổ được thêm vào; các thế giới là hệ quả, không phải giả định thêm.
Các lựa chọn khác
Ngoài Copenhagen và đa thế giới còn có cơ học Bohm (hạt luôn có vị trí xác định, được dẫn dắt bởi sóng), các lý thuyết sụp đổ khách quan như mô hình GRW (1986, có thể kiểm chứng được về nguyên tắc), và các cách hiểu dựa trên thông tin như QBism. Trong một khảo sát nhỏ năm 2013 với 33 người dự một hội nghị về nền tảng lượng tử, khoảng 42% chọn Copenhagen và 18% chọn Everett. Con số ấy chỉ phản ánh một nhóm nhỏ, nhưng cho thấy không có đồng thuận.
Đừng lẫn với những "đa vũ trụ" khác
Chữ "đa vũ trụ" trong vật lý được dùng cho vài ý tưởng khác nhau. Nhà vũ trụ học Max Tegmark năm 2003 chia ra bốn cấp:
- Cấp 1: những vùng của chính vũ trụ ta ở quá xa, ánh sáng chưa kịp tới.
- Cấp 2: các "vũ trụ bong bóng" có thể sinh ra từ lạm phát vũ trụ, mỗi nơi có thể có hằng số vật lý khác.
- Cấp 3: các nhánh lượng tử theo Everett.
- Cấp 4: mọi cấu trúc toán học đều tồn tại như một thực tại, giả thuyết riêng của Tegmark, rất gây tranh cãi.
Phim ảnh thường trộn lẫn tất cả, cộng thêm du hành giữa các thế giới, thứ không lý thuyết nghiêm túc nào cho phép.
Một đời người đằng sau ý tưởng
Đời Everett có một sự trớ trêu: ông nghĩ ra lý thuyết về vô số nhánh đời, nhưng đời ông chỉ có một và khá buồn. Bị giới vật lý lạnh nhạt, ông rời học thuật sau khi bảo vệ luận án, làm việc phân tích và máy tính, hút thuốc, uống rượu nhiều, mất đột ngột vì đau tim năm 1982. Con trai ông là Mark Oliver Everett, ca sĩ chính của ban nhạc rock Eels, về sau làm một phim tài liệu của BBC (2007) đi tìm hiểu người cha mà ông bảo mình gần như không biết. Ý tưởng của Hugh Everett chỉ thật sự được giới chuyên môn bàn rộng rãi từ thập niên 1970 trở đi, khi ông đã gần như rời bỏ nó.
Góc nhìn hôm nay: dùng đa thế giới cho đúng chỗ
Thuyết đa thế giới là vật lý nghiêm túc, nhưng nó không cho phép kết luận rằng "ở đâu đó có một mình đã thành công" hay "chọn sao cũng được vì nhánh nào cũng có". Những ý ấy thuộc về triết học đời sống và điện ảnh, nơi chúng có giá trị riêng, như cách Mr. Nobody dùng để an ủi người sợ chọn sai.
Muốn đọc tiếp, có thể tìm sách phổ thông của Sean Carroll (Something Deeply Hidden, 2019) ủng hộ Everett, và của Adam Becker (What Is Real?, 2018) kể lịch sử các cuộc tranh luận diễn giải lượng tử. Đọc cả hai phía là cách tốt nhất để không lẫn khoa học với phim.
Câu hỏi thường gặp
Thuyết đa thế giới là gì?
Đó là cách diễn giải cơ học lượng tử do Hugh Everett III đưa ra năm 1957, cho rằng hàm sóng không bao giờ sụp đổ và mọi kết quả có thể của một phép đo đều xảy ra, mỗi kết quả trong một nhánh của thực tại. Người quan sát ở mỗi nhánh chỉ thấy một kết quả.
Thuyết đa thế giới đã được chứng minh chưa?
Chưa. Các diễn giải chính của cơ học lượng tử cho cùng dự đoán ở mọi thí nghiệm hiện có, nên chưa thí nghiệm nào phân biệt được chúng. Đa thế giới là một lập trường được nhiều nhà vật lý ủng hộ, nhưng cũng nhiều người phản đối.
Có thể đi sang vũ trụ song song như trong phim không?
Theo chính thuyết Everett thì không. Sau khi rẽ nhánh và mất kết hợp, các nhánh không thể tương tác hay liên lạc với nhau. Du hành đa vũ trụ là sáng tạo của phim ảnh.
Ai đặt tên "many-worlds"?
Everett gọi lý thuyết của mình là cách mô tả "trạng thái tương đối". Tên "many-worlds" (đa thế giới) do nhà vật lý Bryce DeWitt phổ biến qua bài viết trên tạp chí Physics Today năm 1970.
Mỗi lựa chọn của con người có tạo ra một vũ trụ mới không?
Không theo nghĩa trong phim. Các nhánh trong thuyết Everett xuất hiện khi hệ lượng tử tương tác với môi trường, liên tục và ở mọi nơi, không gắn với việc một người quyết định điều gì. Hình ảnh "mỗi lựa chọn mở ra một vũ trụ" là cách nói phổ thông dễ gây hiểu lầm.
