Những lập luận về sự tất định của vạn vật được dựa trên các lý thuyết vật lý cổ điển (classical physics). Trong vật lý cổ điển, không có chỗ cho sự ngẫu nhiên. Mọi phương trình, lý thuyết đều dự báo vạn vật tuân theo một quy luật cố định. Einstein có một câu nói nổi tiếng: “Chúa trời không chơi xúc xắc với vũ trụ”. Những lý thuyết cơ học cổ điển cho rằng sự ngẫu nhiên tương đối là tồn tại, do chúng ta có thể không có đủ thông tin về sự vật, nhưng ngẫu nhiên tuyệt đối là điều không hề tồn tại.
Ngược lại, vật lý lượng tử (quantum physics), một nhánh của vật lý hiện đại, cho phép sự ngẫu nhiên tuyệt đối có thể xảy ra. Để so sánh, vật lý lượng tử được áp dụng cho những thứ rất nhỏ, theo quy mô của những nguyên tử, phân tử – hay còn gọi là cấp độ vi mô. Trong khi đó, vật lý cổ điển áp dụng cho những vật ở cấp độ vĩ mô, những thứ tồn tại và di chuyển hằng ngày xung quanh chúng ta.
Theo vật lý cổ điển, tại một thời điểm, một vật chỉ có thể tồn tại ở một vị trí nhất định. Ví dụ, một electron đang nằm ở vị trí A, vị trí của nó là xác định và có thể đo lường được. Ngược lại, vật lý lượng tử cho phép một phần tử ở cấp độ vi mô có thể tồn tại ở nhiều vị trí cùng một lúc. Một electron tại một thời điểm có khả năng tồn tại ở nhiều vị trí khác nhau, theo một phân phối xác suất. Chẳng hạn, electron có 50% xác suất nằm ở vị trí A, 50% xác suất nằm ở vị trí B. Chúng ta không thể xác định được vị trí của electron một cách chắc chắn. Thay vì một vị trí cố định của electron tại thời điểm, trong vật lý lượng tử, electron sẽ được mô tả như là một đám mây electron. Đó là một khu vực bao xung quanh hạt nhân nguyên tử mà electron có thể được tìm thấy.
Trong vật lý lượng tử, trạng thái của các electron, nguyên tử, phân tử có thể được mô tả bằng một hàm sóng (wave function). Từ hàm sóng này, chúng ta có thể tính toán khả năng của các kết quả có thể xảy ra khi đo lường các đại lượng trong thế giới vi mô. Bạn có thể hình dung hàm sóng giống như một hàm phân phối xác suất để mô tả các kết quả có thể xảy ra trong thế giới lượng tử.
Bằng cách đó, vật lý lượng tử cho phép sự ngẫu nhiên tuyệt đối nếu nhìn vào thế giới vi mô. Việc một electron có thể ở một vị trí bất kỳ không phải đến từ sự thiếu thông tin của chúng ta, mà đó là bản chất của electron. Chúng ta không có lỗi gì cả khi không thể đo lường vị trí của electron. Dù có sử dụng một cỗ máy toàn năng hay con quỷ Laplace để mô tả electron, bạn vẫn chỉ có thể thấy nó tuân theo một phân phối xác suất, theo một đám mây electron mà thôi.
Điều này nghe có vẻ thật kỳ lạ. Bạn sẽ nghĩ sao về việc tôi có thể ở hai vị trí cùng một lúc? Tôi có thể vừa tham dự một đám cưới, vừa
Ngược lại, vật lý lượng tử (quantum physics), một nhánh của vật lý hiện đại, cho phép sự ngẫu nhiên tuyệt đối có thể xảy ra. Để so sánh, vật lý lượng tử được áp dụng cho những thứ rất nhỏ, theo quy mô của những nguyên tử, phân tử – hay còn gọi là cấp độ vi mô. Trong khi đó, vật lý cổ điển áp dụng cho những vật ở cấp độ vĩ mô, những thứ tồn tại và di chuyển hằng ngày xung quanh chúng ta.
Theo vật lý cổ điển, tại một thời điểm, một vật chỉ có thể tồn tại ở một vị trí nhất định. Ví dụ, một electron đang nằm ở vị trí A, vị trí của nó là xác định và có thể đo lường được. Ngược lại, vật lý lượng tử cho phép một phần tử ở cấp độ vi mô có thể tồn tại ở nhiều vị trí cùng một lúc. Một electron tại một thời điểm có khả năng tồn tại ở nhiều vị trí khác nhau, theo một phân phối xác suất. Chẳng hạn, electron có 50% xác suất nằm ở vị trí A, 50% xác suất nằm ở vị trí B. Chúng ta không thể xác định được vị trí của electron một cách chắc chắn. Thay vì một vị trí cố định của electron tại thời điểm, trong vật lý lượng tử, electron sẽ được mô tả như là một đám mây electron. Đó là một khu vực bao xung quanh hạt nhân nguyên tử mà electron có thể được tìm thấy.
Trong vật lý lượng tử, trạng thái của các electron, nguyên tử, phân tử có thể được mô tả bằng một hàm sóng (wave function). Từ hàm sóng này, chúng ta có thể tính toán khả năng của các kết quả có thể xảy ra khi đo lường các đại lượng trong thế giới vi mô. Bạn có thể hình dung hàm sóng giống như một hàm phân phối xác suất để mô tả các kết quả có thể xảy ra trong thế giới lượng tử.
Bằng cách đó, vật lý lượng tử cho phép sự ngẫu nhiên tuyệt đối nếu nhìn vào thế giới vi mô. Việc một electron có thể ở một vị trí bất kỳ không phải đến từ sự thiếu thông tin của chúng ta, mà đó là bản chất của electron. Chúng ta không có lỗi gì cả khi không thể đo lường vị trí của electron. Dù có sử dụng một cỗ máy toàn năng hay con quỷ Laplace để mô tả electron, bạn vẫn chỉ có thể thấy nó tuân theo một phân phối xác suất, theo một đám mây electron mà thôi.
Điều này nghe có vẻ thật kỳ lạ. Bạn sẽ nghĩ sao về việc tôi có thể ở hai vị trí cùng một lúc? Tôi có thể vừa tham dự một đám cưới, vừa
thuyết trình trong một buổi hội nghị, tại cùng một thời điểm? Đây chắc chắn là điều không thể xảy ra trong thế giới vĩ mô, nhưng lại có thể được thấy trong thế giới của vật lý lượng tử. Ở thế giới đó, một electron có thể ở nhiều vị trí cùng một lúc, với xác suất tìm thấy nó được mô tả theo các hàm toán học. Điều đó có nghĩa là, trong thế giới vi mô, sau chương này, bạn thậm chí có thể vừa hiểu, vừa không hiểu vật lý lượng tử cùng một lúc!
Vật lý lượng tử là một khái niệm bí ẩn, nhưng đây vẫn là lý thuyết thành công nhất để mô tả thế giới vi mô cho đến thời điểm hiện tại. Nó được chứng minh trong các nghiên cứu thực nghiệm và đã đưa ra dự báo chính xác cho nhiều hiện tượng vật lý. Thậm chí, vật lý lượng tử là thứ đứng đằng sau nhiều công nghệ đã quen thuộc với chúng ta như máy vi tính, laser, công nghệ cộng hưởng từ (MRI) và nhiều ứng dụng khác.
Hàm sóng đã được sử dụng để chứng minh cho nhiều thí nghiệm và hiện tượng vật lý. Trong đó, một thí nghiệm nổi bật nhất là thí nghiệm hai khe (double-slit experiment) mà Davisson và Germer thực hiện vào năm 1927.
Thực tế là, còn nhiều câu hỏi chưa có lời giải liên quan đến bản chất của vật lý lượng tử. Một trong số đó liên quan đến một thí nghiệm nổi tiếng mà bạn có thể đã nghe nói đến: Thí nghiệm tư duy về con mèo của Schrödinger (Schrödinger’s thought experiment), khi mà chú mèo có thể ở trạng thái vừa chết vừa sống cùng một lúc, giống như trạng thái của một electron trong thế giới vi mô. Thí nghiệm này được dùng để đặt ra một câu hỏi trong vật lý lượng tử gọi là vấn đề đo lường (the measurement problem).
