|

Lượng tử của
sự chọn lọc tự nhiên*
Seth Lloyd
(Trương Văn Tân
chuyển ngữ)
Lời giới thiệu:
Trong bài b́nh luận đăng trên tạp chí Nature
Physics số đặc biệt "Darwin và vật lư" (vol. 5, March
2009, pp. 164-166) kỷ niệm 200 năm ngày sinh của Darwin, tiến sĩ
Seth Lloyd đă đưa ra ư kiến táo bạo về sự liên hệ giữa thuyết lượng
tử và "sự chọn
lọc tự nhiên" của Darwin - vốn là nền tảng của thuyết
tiến hóa. Để bảo vệ lập luận của ḿnh,
Lloyd đă đưa ra năm "món quà" mà thuyết lượng tử đă tặng cho thiên
nhiên và những hệ quả rất đậm nét của chúng để lại trong sinh học.
Mặt khác, Lloyd tin rằng sự hiện hữu của Vũ Trụ là một biến tấu của
sự chọn
lọc tự nhiên và toàn bộ các quy luật vật lư trong đó có
thuyết lượng tử cũng là một hệ quả của sự chọn loc
tự nhiên. Từ quan điểm của một chuyên gia về vi tính lượng tử, Loyd
đă có một cái nh́n độc đáo với một chút phá cách về sinh học và
thiên nhiên. Những nhận xét của Lloyd về sự tương quan qua lại giữa
thuyết lượng tử, sự chọn
lọc tự nhiên và vũ trụ trong bài viết ngắn nhưng súc
tích và thú vị này có thể chưa được cộng đồng khoa học chấp nhận
hoàn toàn, nhưng nó cung cấp một số quan điểm mới để chúng ta cùng
suy ngẫm. Trong tinh thần này, chúng tôi xin phép tiến sĩ Seth Lloyd
và đă được phép chuyển ngữ bài viết để giới thiệu cùng bạn đọc.
Tóm
tắt : Tổng hợp tiến hóa hiện đại
(modern evolutionary synthesis) kết hợp thuyết chọn lọc
tự nhiên của Darwin và thuyết di truyền Mendel, đă được triển khai
cùng thời với cơ học lượng tử. Có liên hệ ǵ giữa hai lĩnh vực này?
Mở đầu
Trong một trăm năm mươi năm
qua,
kể từ lúc
cuốn
Nguồn gốc
các
loài
[1] được
xuất bản, đă có nhiều điều được nói đến
về những ǵ Darwin biết và không biết trong việc thiết
lập lư thuyết của sự chọn lọc
tự nhiên. Có lẽ khía cạnh
gây
ngạc nhiên
nhất của quyển sách là Darwin đă có thể tạo dựng một lư thuyết để
giải thích sự truyền giống và sự chọn
lọc tự nhiên của những đặc tính về thể chất, bất chấp
các cơ chế này vận hành trên một lư thuyết di truyền rơ ràng là khập
khiễng. Mặc dù công tŕnh tiên phong của Gregor Mendel về di truyền
học của cây đậu [2] được công bố năm 1866, Darwin không bao giờ nhận
thức được tầm quan trọng của công tŕnh này. Ông đă thiết lập lư
thuyết về sự chọn lọc
tự nhiên bằng cách dùng thuyết "trộn lẫn" di truyền trước thời
Mendel, trong đó các đặc tính của người mẹ và người cha được ḥa
trộn ở người con. Darwin hiểu rơ cái giới hạn của thuyết "trộn lẫn"
- đời con của con chim két màu xanh lam và màu vàng có màu xanh lam
hoặc vàng, không phải màu xanh lục - nhưng sự bất toàn này không đủ
sức để đốn ngă lư luận mạnh mẽ của ông về sự chọn lọc
tự nhiên [3,4].
Darwin không phải là khoa học gia duy nhất của thế kỷ
19 đánh giá thấp công tŕnh
của Mendel. Các định luật Mendel về truyền giống thực
sự đă bị phớt lờ cho đến năm 1900 khi Hugo de Vries, Carl Correns và
Erich von Tschermak tái phát hiện và công bố tầm quan trọng của chúng
[5]. Trong thập niên đầu của thế kỷ 20, các nhà di truyền học và
thống kê học bắt đầu kết hợp di truyền học Mendel và ư tưởng về sự
chọn lọc
tự nhiên của Darwin để tạo ra một "tổng hợp hiện đại" (modern
synthesis), một thuyết tiến hóa qua sự chọn lọc
tự nhiên của các biến đổi di truyền [4,5]. Nhưng năm 1900 cũng là
năm mà Max Planck khám phá bản chất lượng tử của ánh sáng [6]. Trong
cùng một năm người ta thấy sự h́nh thành của tổng hợp tiến hóa hiện
đại và sự phát triển nhanh chóng của thuyết lượng tử về nguyên tử và
phân tử, được nối tiếp với các phương tŕnh toán về lượng tử của
Erwin Schrödinger và Werner Heisenberg. Điều này đem chúng ta đến
một câu hỏi trung tâm mà tôi muốn suy diễn ở đây là: cơ học lượng tử,
nếu có, th́ có ǵ liên hệ đến sự chọn lọc
tự nhiên?
Câu trả lời, một cách ngắn gọn, là: rất nhiều. Mặc dù
sự thật là cơ học lượng tử thống trị một thế giới có kích cỡ ở nhiều
cấp nhỏ hơn độ lớn con chim sẻ của Darwin hay cây đậu của Mendel, cơ
học lượng tử có một ảnh hưởng sâu sắc đến thế giới của sự chọn lọc
tự nhiên. Thật vậy, công tŕnh của Mendel chứng tỏ tính "nguyên tử"
hay tính "bất khả phân" của các đặc tính di truyền, đă hàm chứa câu
trả lời cho câu hỏi là tại sao cơ học lượng tử quan trọng cho sự
sống.
Năm món quà dạng số (digital gift) cho thiên
nhiên
Planck khám phá ánh sáng, trước kia nó được xem có
tính sóng, mang đặc tính rời rạc cố hữu: ánh sáng hiện hữu ở dạng bó.
Planck gọi những bó này là lượng tử. Sau đó không bao lâu, Niels
Bohr và các nhà khoa học khác cho thấy nguyên tử cũng mang đặc tính
bó tương tự: các electron trong nguyên tử chỉ có thể ở những trạng
thái rời rạc. Nguyên tử cũng mang tính lượng tử. Đặc tính bó cho
thấy thiên nhiên, ở tận cùng, không liên tục mà là rời rạc. Cơ học
lượng tử làm thiên nhiên có dạng số (digital). Thiên nhiên đă phát
hiện đặc tính dạng số của muôn loài ở cấp nhỏ nhất và dùng nó để
thiết lập cơ sở di truyền cho sự sống. Cơ học lượng tử đă cống hiến
một cách hiệu quả cho thiên nhiên một kiện quà dạng số và thiên
nhiên sử dụng những món quà này chủ yếu cho việc phát triển sự sống.
Món quà thứ nhất mà đặc tính dạng số của cơ học lượng
tử tặng thiên nhiên là tính bền: nguyên tử hydrogen của cơ học lượng
tử là vật bền. Ngược lại, nếu nguyên tử hydrogen tuân theo các định
luật của cơ học cổ điển, electron sẽ bị cuốn vào proton trong một
khoảnh khắc rất nhỏ của một giây, và cuộc đời của nguyên tử sẽ chấm
dứt với một ánh loè bức xạ. Bức xạ vốn là cái lư thú, nhưng nó không
phải là cái làm ra sự sống.
Món quà dạng số thứ hai là tính đếm được: các dạng
của vật chất hiện hữu ở cấp vi mô không biến đổi một cách liên tục.
(Thiên nhiên) chỉ có một số nhỏ tập hợp có thể đếm được của các hạt
cơ bản bền. Những hạt cơ bản này có thể kết hợp qua một số phương
cách có thể đếm được để tạo ra các nguyên tử bền. Các nguyên tử này
lại kết hợp cho ra các một số hợp chất cũng có thể đếm được. Và cứ
tiếp tục như thế: ở mỗi kích cỡ, tập hợp đếm được của các thực thể
khác nhau kết hợp để thành h́nh một tập hợp khác to hơn, nhưng vẫn
đếm được, ở một cấp độ lớn hơn.
Món quà dạng số thứ ba mà cơ học lượng tử tặng cho
thiên nhiên là thông tin. Đơn vị cơ bản của thông tin là bit;
nó miêu tả sự khác biệt giữa hai trạng thái có thể. Thuật ngữ "bit"
c̣n dùng để chỉ một hệ thống vật lư, chẳng hạn như spin của electron
có thể ở một trong hai trạng thái riêng biệt. Điểm đặc trưng cơ bản
của thông tin là một lượng nhỏ bit mang một số lớn trạng thái
có thể: n bit có 2n trạng thái. Như vậy, thí dụ
như 300 bit sẽ có 2300
»
1090 trạng thái. Con số 1090 ngẫu nhiên cũng
là số lượng của các hạt cơ bản trong Vũ Trụ (nói chính xác hơn, là
con số trong phạm vi đường chân trời hạt cơ bản (particle horizon)
của Vũ Trụ). Bản chất rời rạc của cơ học lượng tử cộng với khả năng
kết hợp của các nguyên tử trong một phân tử cho ta thấy rằng các hệ
thống vật lư có tiềm năng tự nhiên để ghi chép một số lượng lớn
bit thông tin. Có lẽ một thí dụ rơ rệt nhất của loại thông tin
thiên nhiên này là phân tử DNA. Toàn thể bộ di truyền (genome) của
con người được ghi trong khoảng sáu tỷ (6 x 109) bit
(chứa vào khoảng 20.000 đến 25.000 gen Mendel khác biệt). Ngày nay,
sáu tỷ bit xem không có ǵ là to tát - nhưng con số
những
cấu h́nh có thể của DNA chúng ta là hai lũy thừa sáu tỷ, 2 6x10
9, quả là một con số c̣n to hơn các con số thiên văn. Đây là
một tiềm năng khổng lồ muôn màu của nhiều kết hợp di truyền mà nó
ban cho sự chọn lọc
tự nhiên một sức mạnh.
Món quà thứ tư từ cơ học lượng tử là việc xử lư thông
tin. Như đă đề cập ở trên, một spin electron có thể dùng để ghi một
bit thông tin: thí dụ, spin quay quanh một trục theo chiều
kim đồng hồ (spin lên) có thể được dùng để chỉ con số
logic
0, và spin
khi quay ngược chiều kim đồng hồ (spin xuống) chỉ số logic
1. Khi spin lật, chẳng hạn như khi hấp thụ photon, spin quay theo
chiều kim đồng hồ chuyển thành spin quay ngược chiều kim đồng hồ, và
ngược lại; spin lên thành spin xuống, 0 trở thành 1. Như vậy, lật
spin cũng là lật bit. Đây là một cơ năng của thiên nhiên dùng
để xử lư thông tin ở kích cỡ tận cùng vi mô mà chúng ta sẽ dùng khi
dàn dựng máy tính lượng tử chứa các bit trong từng nguyên tử
cá biệt [7]. Cơ năng này của thiên nhiên để xử lư thông tin cũng
truyền đạt lên các cấp cao hơn: cứ mỗi lần hai loại hóa chất phản
ứng cho ra loại hóa chất thứ ba, th́ thông tin đă được xử lư. Phản
ứng hóa học biến các phân tử đầu vào cùng các bit thông tin
của chúng thành phân tử đầu ra chứa một tập hợp bit tương ứng
khác. Cơ năng xử lư thông tin của thiên nhiên ở một kích cỡ nào đó,
như ta thấy, sẽ chuyển thành cơ năng xử lư càng nhiều thông tin theo
một cung cách càng tinh vi hơn ở một kích cỡ kế tiếp cao hơn. Cho
đến khi kích cỡ đạt đến độ lớn của phân tử DNA, thiên nhiên đă xử lư
thông tin theo một cung cách cực kỳ tinh vi. Tŕnh tự trong DNA có
thể xem là một tập hợp các chỉ thị dùng cho việc thiết kế protein
hay các dây amino acid. Mă di truyền chứa những đặc điểm như mă khởi
đầu (start codon), mă dư thừa và mă chấm
dứt. Phương pháp mă hóa được khám phá bởi thiên nhiên hàng tỷ năm
trước đă được hội nhập vào mă nhân tạo, như mă Morse, nhưng chỉ mới
xuất hiện trong ṿng 200 năm qua.
Món quà thứ năm và cũng là cuối cùng mà cơ học lượng
tử tặng cho thiên nhiên, nhưng không phải lúc nào cũng được xem là
món quà: đó là tính ngẫu nhiên (randomness). Khác với cơ học cổ điển,
cơ học lượng tử chứa đựng sự bất định cố hữu; dưới một t́nh huống
thích hợp, có thể chuyển hóa một cách tối giản thành một hành xử ngẫu
nhiên không thể rút gọn được. Chính cái bản chất ngẫu nhiên này đă
từng bị Einstein chỉ trích khi ông tuyên bố "Thượng đế không chơi
tṛ xí ngầu". Thật ra, Einstein đă sai lầm: Thượng đế có chơi
tṛ xí ngầu, và may mắn thay, Ngài chơi rất giỏi. Tính ngẫu nhiên
quả thực là kẻ thù của sự trật tự - đây là tính chất mà Einstein đă
từng chỉ trích. Tuy nhiên, tính ngẫu nhiên là nguồn cội của sự biến
đổi. Và như Darwin đă từng dạy chúng ta, sự sống không biến đổi sẽ
không c̣n là sự sống.
Thiên nhiên vồ lấy những món quà lượng tử như tính
bền, tính đếm được, thông tin, xử lư thông tin và tính ngẫu nhiên,
rồi phóng chạy. Vũ Trụ khởi đầu với một cuộc nổ, và ngay sau đó lập
tức bắt đầu xử lư thông tin. Việc xử lư thông tin đầu tiên khá giản
đơn: sự kích thích nhiệt dẫn đến các hạt cơ bản bền, và khi Vũ Trụ
dăn
nở và nguội đi, các hạt này kết hợp thành nguyên tử và các phân tử
đơn giản. Sự co cụm bởi trường hấp dẫn cho thêm một vài chi tiết vào
sự
dăn
nở không ǵ đặc sắc của hydrogen, helium và vài nguyên tố nhẹ khác.
Cuối cùng, các v́ sao nguyên sơ bắt đầu tỏa sáng và nhanh chóng dùng
hết nhiên liệu hạch
nhân của nó rồi bùng nổ, tạo ra những nguyên tố nặng hơn để co cụm
lại thành tinh vân (nubulae), rồi tiến xa hơn nữa thành sao và hành
tinh.
Ngay cả trước khi có sự tiến hóa của sự sống, Vũ Trụ
đă chứa đựng nhiều môi trường muôn màu muôn vẻ để hỗ trợ cho các
phản ứng hóa học cũng muôn màu muôn vẻ tương tự, cộng với một số lớn
các loại xử lư thông tin vô cùng đa dạng. Mỗi phản ứng chuyển hóa
phân tử đầu vào với các bit thông tin đi kèm thành một hỗn
hợp đặc thù gồm phân tử đầu ra và các bit; hỗn hợp này lại
thành đầu vào của phản ứng kế và cứ tiếp diễn như thế. Sau cùng,
trong sự diễn biến liên tiếp của các sự kiện mà các nhà khoa học
thiết tha muốn khám phá, là những phương pháp càng tinh vi của việc
xử lư thông tin, nền tảng của sự sống, xuất hiện. Và một khi
sự-sống-nguyên-thủy đạt được đến khả năng tái sinh sản với những
biến dị, mọi việc bùng phát. Sự chọn lọc
tự nhiên của Darwin nhảy vào nhập cuộc. Vi khuẩn, sinh vật đa bào,
thực vật, động vật, loài linh trưởng và con người tất cả xuất hiện
không lâu sau đó.
Sự chọn lọc
tự nhiên của cái kỳ quặc lượng tử
Thượng đế chơi tṛ xí ngầu không phải là mặt duy nhất
mà Einstein đă chống đối: cơ học lượng tử c̣n đầy
rẫy những hiệu ứng kỳ quặc và phản trực giác. Một trong
những hiệu ứng này là sự liên hệ lượng tử khác thường được biết là
sự buộc chéo (entanglement) [7] cái mà Einstein gọi là "tác động ma
quái từ xa", bởi v́ nó rành rành cho phép những hạt cách xa nhau ảnh
hưởng lên nhau mà không cần phải chuyển năng lượng từ hạt này đến
hạt kia.
Máy tính lượng tử là một công cụ, như đă đề cập ở
trên, lưu trữ và xử lư thông tin ở một kích cỡ nơi mà sự kỳ quặc
lượng tử thống trị [7]. Khi tôi thuyết giảng về máy tính lượng tử,
thỉnh thoảng có người trong thính giả phản đối và cho rằng tạo dựng
máy tính lượng tử là việc bất khả thi, bởi lẽ nếu khả thi th́ "thiên
nhiên đă phát hiện ra nó từ lâu". Đây là một lập luận ngây thơ, v́
dù sao đi nữa chúng ta đă lắp ráp được những máy tính lượng tử đơn
giản. Ta cũng có thể dùng cùng một lập luận để nói về tia laser: sự
chọn lọc
tự nhiên không bắt sự sống trước khi loài người xuất hiện làm cái
việc tiến hóa tia laser, nhưng chúng ta vẫn có laser. Cũng không
phải v́ laser hơi bị phi tự nhiên làm sao đó. Sự chọn lọc
tự nhiên đă tiến hóa loài người, và loài người một cách tự nhiên đă
chế tạo laser.
Trong lịch sử của sự chọn lọc
tự nhiên, có bao giờ thiên nhiên vô h́nh trung đă sử dụng cái kỳ
quặc lượng tử? Sự tính toán lượng tử có xảy ra trong vi khuẩn hay
không? Thoạt tiên, ta không chắc có sự hiện diện của việc xử lư
thông tin lượng tử kết hợp (coherent quantum information
processing). Nhưng sự tương quan kỳ quặc làm nên nền tảng cho sự
tính toán lượng tử lại mong manh và dễ suy sụp bởi sự tương tác với
môi trường bao quanh, một quá tŕnh được gọi là "mất kết hợp" (decoherence).
Kết cục là hầu hết các tính toán lượng tử nhân tạo xảy ra ở những hệ
thống cô lập cao độ, và thường ở nhiệt độ chỉ vài phần ngàn độ trên
zero tuyệt đối. Ngược lại, bên trong của một tế bào là một nơi nóng
và ướt, nơi mà sự kết hợp lượng tử (quantum coherence) chỉ có thể
tồn tại trong một khoảnh khắc rất nhỏ của một giây.
Mặt khác, thật là tuyệt vời khi vi khuẩn đă hiển
nhiên tiến hóa để thực hiện các tính toán lượng tử đơn giản. Vào năm
2007, Graham Flemming và các cộng sự đă làm một thí nghiệm [8] cho
thấy sự hiện hữu của phách lượng tử kết hợp (coherent quantum
beating) trong phức chất Fenna-Matthews-Olson (FMO), một phân tử to
lớn có tác dụng như một cây "ăng-ten" được sử dụng bởi vi khuẩn lưu
huỳnh xanh (green sulfur) trong quá tŕnh quang tổng hợp (H́nh 1).
Phân tử FMO hấp thụ photon và biến năng lượng photon thành exciton -
cặp kết hợp electron/lỗ, rồi hướng exciton này về một trung tâm phản
ứng, nơi này năng lượng exciton sẽ được chuyển hóa thành hóa năng.
Phức chất FMO là một hệ thống tuyệt vời, v́ nó có thể truyền dẫn gần
99% năng lượng exciton tới trung tâm phản ứng. Điều này cho thấy sự
tích thoát (relaxation) nhiều lắm th́ chỉ đóng một vai tṛ thứ yếu
trong sự truyền dẫn. Flemming và các cộng sự phấn kích trước công
tŕnh khám phá của họ về động học lượng tử kết hợp và suy đoán rằng
phức chất FMO biết thực hiện thuật toán (algorithm) cho cuộc "truy
lùng lượng tử" khiến cho exciton có thể truy t́m được trung tâm phản
ứng [8].
Thuật toán truy lùng lượng tử được phát minh bởi Lov Grover
[9]. Ông cho thấy rằng máy tính lượng tử có thể t́m cơ sở dữ liệu (database) nhanh
hơn máy tính cổ điển. Khi tôi và một người đồng nghiệp chuyên về vi
tính lượng tử cùng kiểm định lời tuyên bố về việc vi khuẩn lưu huỳnh
xanh thực hiện thuật toán lượng tử, th́ thoạt đầu chúng tôi thất
vọng: chúng tôi có thể chứng tỏ rằng cái năng suất to bất thường
trong sự truyền dẫn năng lượng trong phức chất FMO không thể nào nảy
sinh từ sự truy lùng lượng tử. Nhưng chúng tôi nhanh chóng phát hiện rằng
exciton quả thực đang thực hiện một thuật toán lượng tử khác gọi là
"bước lượng tử". Bước lượng tử là thuật toán,
trong đó một hạt lượng tử "đi" xuyên qua một cấu trúc phức tạp nào
đó và dùng kết hợp lượng tử tầm xa để t́m đường tiến đến những nơi
trong cấu trúc mà đối với hạt cổ điển là những nơi bị che khuất
[10]. Hạt cổ điển chỉ có thể chiếm cứ một điểm của cấu trúc ở một
thời điểm nào đó. Nếu cấu trúc quá to, hạt cổ điển sẽ loanh quanh đi
lạc đường. Hạt lượng tử, ngược lại, có thể đồng thời chiếm cứ nhiều
điểm trong cùng một cấu trúc - cái kỳ quặc lượng tử đang tác động
đấy! Cái khả năng "cảm" được toàn thể cấu trúc cùng một lúc cho phép
hạt lượng tử bước đi với điệu bộ kết hợp (coherently) để tiến đến
mục tiêu của nó.
Hiệu năng của cái ăng-ten quang tổng hợp là một điều
kỳ bí: nếu ta thử nghĩ exciton là một hạt cổ điển chỉ hiện hữu một
nơi duy nhất trong một phân tử khổng lồ, rồi nó nhảy ḷng ṿng trong
cái phân tử đó, th́ cái khả năng để nó t́m đường tiến đến trung tâm
phản ứng hầu như là con số không. Tuy nhiên, mô h́nh cơ học lượng tử
của chúng tôi về bước đi kết hợp của exciton trong phức chất FMO cho
thấy rằng hạt exciton lượng tử lan đi rất nhanh trong toàn thể phức
chất, biết sử dụng quyền lượng tử của ḿnh để chiếm cứ toàn bộ các
điểm khả dĩ cùng một lúc, rồi nhắm vào điểm đến trong một khoảnh
khắc cực nhỏ của một giây [11].
Cái bền bỉ vững mạnh của bước lượng tử lại càng tuyệt
diệu trước những tạp nhiễu (noise) và sự mất kết hợp (decoherence).
Như đă đề cập ở trên, trong môi trường nóng và ướt của tế bào, ta
tin chắc rằng sự kết hợp (coherence) sẽ làm tiêu ma gần như tức thời việc
tính toán lượng tử [7]. Nhưng, ở đây trạng thái phi định xứ của
exciton được tạo ra khi photon bị hấp thụ, trở nên có sức đề kháng cao
độ trước sự mất kết hợp. Hơn nữa, độ mất kết hợp nho nhỏ được mang
tới bởi các động tác đong đưa của phân tử dường như cũng d́u dắt các
bước đi lượng tử [11,12]. Hiệu suất của sự truyền năng lượng trong
quang tổng hợp có thể được mô tả bằng xác suất để exciton t́m ra
trung tâm phản ứng, và bằng quăng
thời gian để nó đi tới điểm đó. Khi chúng tôi tính hiệu suất của
bước lượng tử theo hàm số của thời gian, chúng tôi t́m thấy hiệu
suất có trị số cao nhất ở (nhiệt độ) 290
K.
Từ điều này, chúng tôi có thể kết luận rằng, một mặt, thiên nhiên là
một tay thao tác cơ học lượng tử tuyệt vời; mặt khác, hàng ngàn tỷ
vi khuẩn đă không cống hiến đời ḿnh một cách vô nghĩa.
Sự chọn lọc
tự nhiên của các quy luật vật lư
Sự sống là việc
ước đoán: thiên nhiên tung viên xí ngầu lượng tử và tạo
ra các trạng thái muôn màu muôn vẻ; một số h́nh dạng được h́nh thành
từ đó, tiếp tục sống sót rồi tái sinh sản cũng với nhiều trạng thái
khác nhau. Trong tinh thần của Darwin, chúng ta hăy chấp nhận một
vài
ước đoán.
Sức mạnh của sự chọn lọc
tự nhiên c̣n vượt xa ra ngoài hệ thống sinh học. Những quy luật vật
lư mà chúng ta biết có thể tự bản thân chúng là hệ quả của một quá
tŕnh của sự chọn lọc
tự nhiên. Lee Smolin đă đưa ra giả thuyết cho rằng Vũ Trụ liên tục
sinh sôi những vũ trụ con, mà các quy luật vật lư của chúng tương tự,
nhưng không nhất thiết giống như vũ trụ mẹ [13]. Khi chúng trưởng
thành, các vũ trụ con này lại mọc thêm vũ trụ khác và cứ thế sinh
sôi nảy nở (xem H́nh 2). Rất có thể Vũ Trụ của chúng ta đă được "chọn
lọc
tự nhiên", với ư nghĩa rằng các quy luật vật lư của nó đă duy tŕ sự
sống, trong khi quy luật của các vũ trụ anh em th́ không. Một quan
điểm tương tự nảy sinh trong cái "cảnh quan" lư thuyết dây của
Leonard Susskind, trong đó có những 10500 tập hợp khác
nhau của quy luật vật lư, mỗi tập hợp là một tiên nghiệm thích hợp
tương đương, cùng tranh nhau thiết lập Vũ Trụ mà ta chứng kiến
ngày nay [14]. Cuối cùng, Max Tegmark [15] và tôi [16]
đă suy đoán rằng Vũ Trụ đang tạo dựng mọi cấu trúc xử lư thông tin
khả dĩ và nhất quán (self-consitent). Nếu quả thật là như vậy, cơ
học lượng tử tự nó, với tất cả những cái kỳ quặc của nó, đă có thể
được chọn lọc
một cách tự nhiên bởi một lư do đơn giản rằng là, và như chúng ta đă
thấy, cơ học lượng tử mang nhiều tố chất để cống hiến cho sự sống.

H́nh 1:
Cơ học lượng tử đời thường. Phức chất Fenna-Matthews-Olson giúp vi
khuẩn lưu huỳnh xanh thực hiện quang tổng hợp. Thuật toán lượng tử
được biết là "bước lượng tử" có thể là hậu thuẫn
của việc truyền dẫn năng lượng giữa cái ăng-ten thu nhận ánh sáng và
trung tâm phản ứng, nơi mà năng lượng photon sau rốt được chuyển
biến thánh hóa năng
(H́nh của Graham Flemming và Yuan-Chung Cheng).

H́nh 2:
Một đa vũ trụ phân nhánh. Trong vũ trụ tái sản xuất, mỗi "vũ trụ
con" (được mô tả bằng cái bong bóng) có thể có những quy luật vật lư
hơi khác biệt với vũ trụ mẹ. "Sự đột biến" được mô tả bằng sự đổi
màu trong h́nh.
(H́nh của Andrei Linde, được phép in lại từ tài liệu
tham khảo 17).
*Seth LLoyd là
Giám
đốc của "W. M. Keck Center for Extreme Quantum Information
Processing (xQIT)", Massachussetts Institute of Technology,
Cambridge, Massachusetts 02139, USA.
Tài liệu tham khảo c
ủa tác giả
1.
Darwin, C. On the Origin of Species by Means of
Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the
Struggle for Life (John Murray, 1859).
2.
Mendel, G. Verh. Naturforsch. Ver. Brünn 4, 3–47
(1866).
3.
Browne, E. J. Charles Darwin: The Power of Place (Princeton
Univ. Press, 2001).
4.
Bowler, P. J. Evolution: The History of an Idea
(Univ. California Press, Berkeley, 1983).
5.
Bowler, P. J. The Mendelian Revolution: The Emergence
of Hereditarian Concepts in Modern Science and Society (Johns
Hopkins Univ. Press, 1989).
6.
Planck, M. Ann. Phys. 1, 719–737 (1900).
7.
Nielsen, M. A. & Chuang,
I. L. Quantum Computation and Quantum Information
(Cambridge Univ. Press, 2000).
8.
Lee, H., Cheng, Y.-C. & Fleming, G. R. Science 316,
1462–1465 (2007).
9.
Grover, L. K. Phys. Rev. Lett. 79, 325–327 (1997).
10.
Farhi, E. & Gutmann, S. Phys.
Rev. A 58, 915–928 (1998).
11.
Mohseni, M., Rebentrost, P., Lloyd, S. & Aspuru-Guzik,
A. J. Chem.Phys. 129, 174106 (2008).
12.
Plenio, M. B. & Huelga, S. F. New J. Phys. 10, 113019
(2008).
13.
Smolin, L. in Universe or Multiverse (ed. Carr, B.)
323–366 (Cambridge
Univ. Press, 2007).
14.
Susskind, L. The Cosmic Landscape: String Theory and
the Illusion of Intelligent Design (Little, Brown, 2006).
15.
Tegmark, M. Found. Phys. Lett. 9, 25–42 (1996).
16.
Lloyd, S. Complexity 3, 32–35 (1997).
17.
Linde, A. Sci. Am. 271, 48–55 (1994).
|
|