Thuyết tương đối được đề xuất bởi Albert Einstein từ hơn 100 năm trước và thuyết cơ học lượng tử cũng được xây dựng bởi sự góp mặt của ông. Tuy nhiên trong suốt quãng đời còn lại của mình, Albert Einstein lại không thể thực hiện được điều mình hằng mong muốn, đó là kết hợp 2 lý thuyết đó lại với nhau nhằm tạo ra lý thuyết lớn hơn là "trường thống nhất".
Thuyết tương đối và cơ học lượng tử là 2 nền tảng của vật lý hiện đại, chúng lần lượt chi phối thế giới vĩ mô và vi mô. Nhưng khi các nhà khoa học cố gắng thống nhất 2 lý thuyết này thì họ nhận thấy giữa chúng có những mâu thuẫn và không thể tích hợp được, tựa như thế giới của chúng ta có 2 bộ lý thuyết, một bộ thống trị thế giới vĩ mô và bộ kia thống trị thế giới vi mô.
Thuyết tương đối và cơ học lượng tử là 2 nền tảng của vật lý hiện đại. (Ảnh minh họa).
Nhưng thế giới vĩ mô mà chúng ta đang sống bản thân nó được cấu tạo từ những hạt cơ bản của thế giới vi mô, không có ranh giới phân chia rõ ràng giữa vi mô và vĩ mô, điều này có nghĩa là thế giới vi mô và thế giới vĩ mô phải thống nhất và cần được giải thích bằng cùng một bộ lý thuyết.
Và đây cũng chính là vấn đề lớn nhất, dù các nhà khoa học có cố gắng đến đâu thì cũng khó có thể tích hợp được thuyết tương đối (thuyết tương đối rộng) và cơ học lượng tử.
Từ góc độ vĩ mô, thuyết tương đối rộng mô tả rất rõ bản chất của lực hấp dẫn, tin rằng lực hấp dẫn không thực sự tồn tại và chỉ là biểu hiện của độ cong của không gian và thời gian. Nói cách khác, độ cong của không-thời gian là bản chất của lực hấp dẫn.
Bất kỳ vật thể nào có khối lượng đều có thể ảnh hưởng đến cấu trúc của không-thời gian và tác động của các thiên thể có khối lượng lớn càng rõ ràng hơn. Cũng giống như tấm bạt lò xo, nếu bạn đứng trên tấm bạt lò xo, tấm bạt lò xo sẽ bị chìm xuống, nếu bạn đặt một quả bóng lên tấm bạt lò xo vào lúc này, quả bóng sẽ lăn về phía tâm dọc theo tấm bạt lò xo bị chìm.
Tất nhiên, đây chỉ là một phép ẩn dụ thông thường, trên thực tế, không-thời gian không cong như thế này mà cong về phía khối tâm (center of mass) của vật thể.
Đồng thời, thuyết tương đối rộng nhấn mạnh rằng cấu trúc không-thời gian là trơn tru và liên tục.
Nhưng khi chúng ta đến với thế giới vi mô, mọi chuyện lại hoàn toàn khác và phải giải thích bằng một bộ định luật khác là cơ học lượng tử.
khó có thể tích hợp được thuyết tương đối và cơ học lượng tử. (Ảnh minh họa).
Thế giới lượng tử không phải là một thế giới trơn tru, cũng không phải là liên tục, mọi thứ ở đó đều không chắc chắn và đó là một thế giới hỗn loạn không thể mô tả chính xác.
Đồng thời, trong thế giới lượng tử, không gian và thời gian bị bóp méo, không có phương hướng như chúng ta biết, không có lên, xuống, trái, phải và thậm chí cả khái niệm về thời gian cũng không tồn tại. Bạn không bao giờ có thể chắc chắn mình đang ở đây hay ở đó, thậm chí bạn có thể ở hai nơi khác nhau cùng một lúc.
Điều khó hiểu hơn nữa là dường như không có mối quan hệ nhân quả nào trong thế giới lượng tử. Để sử dụng một phép tương tự từ thế giới vĩ mô, điều đó giống như thể bạn quyết định đến Hoa Kỳ vào ngày mai, nhưng thực tế là bạn đã đến Hoa Kỳ vào ngày hôm kia. Trong thế giới lượng tử, thời gian cũng hỗn loạn.
Thế giới lượng tử không phải là một thế giới trơn tru. (Ảnh minh họa).
Cốt lõi của cơ học lượng tử là sự không chắc chắn, trong đó mọi thứ đều không tuân theo logic thông thường. Một khi chúng ta quan sát thế giới lượng tử thì đối tượng quan sát sẽ được xác định. Nói cách khác, trước khi có sự quan sát, thế giới lượng tử là không chắc chắn và hành động quan sát khiến thế giới lượng tử chuyển từ trạng thái không chắc chắn sang chắc chắn.
Hãy lấy một ví dụ liên tưởng sang thế giới vĩ mô. Mẹ bạn đang nấu ăn trong bếp và bạn đang chơi game trên máy tính trong phòng ngủ. Cả hai sự kiện đều chắc chắn.
Nhưng theo cách giải thích không chắc chắn của cơ học lượng tử, bạn có thể không chơi game trong phòng ngủ của mình mà có thể ở bất kỳ nơi nào khác, chẳng hạn như trên mặt trăng. Và khi mẹ bạn muốn tận mắt nhìn thấy (quan sát) xem bạn có ở trong phòng ngủ hay không thì địa vị của bạn được xác định và bạn chỉ được ở một nơi, tất nhiên sẽ là trong phòng ngủ. Nhưng từ phân tích thuần túy lý thuyết, thực sự có khả năng bạn đang ở trên mặt trăng, nhưng khả năng này là rất rất nhỏ và xác suất có thể coi là bằng không.
Einstein cũng phải thừa nhận rằng trên thế giới không có ai thực sự hiểu cơ học lượng tử. (Ảnh minh họa).
Đừng lo lắng, bạn không phải là người duy nhất bối rối, bởi ngay cả ông trùm vật lý Albert Einstein còn phải thừa nhận rằng trên thế giới không có ai thực sự hiểu cơ học lượng tử.
Einstein đã dành toàn bộ nửa sau của cuộc đời mình để làm việc chăm chỉ với mục đích thống nhất thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử, nhưng ngay cả những nỗ lực nửa đời của ông cũng không thể hoàn thành công việc khó khăn này.
Nhưng dù thế nào đi nữa, cơ học lượng tử đã thâm nhập vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta, các sản phẩm điện tử mà chúng ta thường sử dụng, chẳng hạn như điện thoại di động, đều chứa công nghệ cơ học lượng tử trong chip.
Mâu thuẫn giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử cho đến tận thời điểm hiện tại vẫn chưa được giải quyết, và điều đó đồng nghĩa với việc phải có những lý thuyết sâu sắc hơn đang chờ các nhà khoa học khám phá, và lý thuyết hấp dẫn lượng tử cũng như lý thuyết dây đều là những lĩnh vực được đề xuất trong những thập kỷ gần đây nhằm cố gắng thống nhất thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử. Thật không may, lý thuyết dây vẫn còn tồn tại nhiều trong các mô hình và suy đoán toán học, và rất khó để xác minh nó bằng thực nghiệm!