1

2

NỘI DUNG

1. BÍ ẨN CỦA TỒN TẠI

2. QUY TẮC CỦA ĐỊNH LUẬT

3. THỰC TẠI LÀ GÌ ?

4. CÁC LỊCH SỬ THAY THẾ

5. LÝ THUYẾT CHO MỌI THỨ

6. PHÉP CHỌN VŨ TRỤ CỦA CHÚNG TA

7. PHÉP MÀU HIỂN HIỆN

8. THIẾT KẾ VĨ ĐẠI

thienminh.npn@gmail.com

3

4

I

Mỗi chúng ta tồn tại, nhƣng chỉ trong một khoảng thời gian ngắn ngủi. Và trong chốc lát ấy khám phá chỉ một mẩu nhỏ của toàn bộ vũ trụ. Thế nhƣng con ngƣời là một giống loài biết tò mò. Ta băn khoăn, ta tìm câu trả lời. Sống trong một vũ trụ mênh mông cứ lần lƣợt tử tế rồi tàn nhẫn, ngắm nhìn thƣợng giới thăm thẳm bên trên, ngƣời ta vẫn thƣờng luôn băn khoăn với một tập hợp những câu hỏi kiểu nhƣ: Làm sao ta hiểu đƣợc thế giới ta đang sống trong đó? Vũ trụ hành xử nhƣ thế nào? Đâu là bản chất của thực tại? Tất cả đến từ đâu? Vũ trụ có cần một đấng sáng tạo? Phần lớn chúng ta không bỏ tất cả thời gian bận tâm tới những câu hỏi này, nhƣng hầu hết chúng ta đều bận tâm tới chúng vào một lúc nào đó trong khoảnh thời gian của mình.

Theo truyền thống thì tuýp những câu hỏi này là dành cho triết học, nhƣng triết học đã chết từ lâu. Nó không theo kịp sự phát triển của khoa học, đặc biệt là vật lý. Các nhà khoa học đã trở thành những ngƣời mang ngọn đuốc khám phá cho sứ mệnh đi tìm tri thức. Mục đích của quyển sách này là đƣa ra những câu trả lời đƣợc đề xuất từ những khám phá và tiến triển trong các lý thuyết gần đây. Chúng dẫn ta tới một bức tranh vũ trụ mới rất khác biệt về vũ trụ và chỗ của chúng ta trong đó so với vũ trụ truyền thống mà chúng ta vẫn biết, và bức tranh đó thậm chí còn khác biệt ngay với những gì chúng ta đã vẽ nên chỉ một hai thập kỉ trƣớc đó. Tuy nhiên, những đƣờng phác họa cho khái niệm mới này có thể lần ngƣợc lại từ trƣớc đó gần một thế kỉ.

Theo khái niệm truyền thống về vũ trụ, mọi đối tƣợng chuyển động theo những quỹ đạo xác định cụ thể và có một lịch sử xác định. Chúng ta có thể xác định vị trí chính xác của chúng tại mỗi thời điểm. Dù cho lối miêu tả này rất thành công cho các mục đích thƣờng ngày, vào thập niên 1920 ngƣời ta phát hiện rằng nó không thể miêu tả chính xác các hành vi có vẻ kì quặc quan sát đƣợc trên các thực thể ở phạm vi nguyên tử và dƣới nguyên tử. Thay vào đó là sự cần thiết phải tiếp nhận một cơ cấu vật lý mới, gọi là vật lý lƣợng tử. Các lý thuyết lƣợng tử hóa ra vừa chính xác một cách đáng ngạc nhiên khi đƣợc dùng để dự đoán các hiện tƣợng ở phạm vi này, đồng thời có thể tái tạo ra những dự đoán của các lý thuyết cổ điển khi áp dụng cho thế giới vĩ mô trong cuộc sống thƣờng ngày. Dù vậy, lý thuyết lƣợng tử và cổ điển lại dựa trên những khái niệm rất khác nhau về thực tại vật lý.

5

Thuyết lƣợng tử có thể đƣợc trình bày theo nhiều cách khác nhau,

nhƣng cách mô tả gần với trực giác nhất đã đƣợc đề ra bởi Richard (Dick) Feynman, một nhân vật muôn màu muôn vẻ làm việc tại Viện Công nghệ California (California Institution of Technology – Caltech - lnd) và chơi trống vỗ tại một con ngõ nối ra phố. Theo Feynman, một hệ không chỉ có một lịch sử mà là mọi lịch sử khả dĩ. Trong khi đi tìm các câu trả lời, chúng ta sẽ giải thích chi tiết cách tiếp cận của Feynman, và áp dụng nó để khám phá ý tƣởng về một vũ trụ mà bản thân nó không có một lịch sử duy nhất, hay thậm chí cũng không có một sự tồn tại độc lập. Đó dƣờng nhƣ là một ý tƣởng khác biệt từ căn bản, thậm chí đối với nhiều nhà vật lý. Quả thật, giống nhƣ nhiều ý tƣởng trong khoa học ngày nay, nó có vẻ vi phạm trực giác chung. Nhƣng trực giác chung lại dựa trên kinh nghiệm hằng ngày của chúng ta, không dựa trên bản thân vũ trụ nhƣ nó đƣợc phô bày qua các kì quan công nghệ có thể cho phép chúng ta nhìn sâu vào các nguyên tử hoặc ngoảnh ngƣợc về vũ trụ thuở xa xƣa.

Trƣớc thời của vật lý hiện đại ngƣời ta vẫn có một niềm tin tổng quát là tất cả kiến thức của thế giới có thể đạt đƣợc từ những quan sát trực tiếp, mọi vật

tồn tại theo cách chúng hiện ra, và đƣợc nhận thức thông qua các giác quan của chúng ta. Tuy nhiên thành công ngoạn mục của vật lý hiện đại, dựa trên những khái niệm giống nhƣ của Feynman vốn xung đột với kinh nghiệm hằng ngày, đã cho thấy chuyện đó không thành vấn đề. Cái nhìn ngờ nghệch về thực tại từ đó không thể tƣơng thích với vật lý hiện đại. Để đƣơng đầu với những nghịch lý ấy chúng ta sẽ tiếp thu một lối tiếp cận gọi là thực tại phụ thuộc mô hình luận. Nó dựa trên ý tƣởng rằng bộ não chúng ta diễn dịch tín hiệu vào từ các cơ quan cảm nhận bằng cách tạo ra một mô hình của thế giới. Một khi mô hình đó giải thích thành công các hiện tƣợng, chúng ta có xu hƣớng gán cho nó, cũng nhƣ các yếu tố và khái niệm tạo nên nó, phẩm chất của thực tại hay còn gọi là chân lý tuyệt đối. Nhƣng có những cách khác nhau để mô hình hóa cùng một tình huống vật lý, mỗi cách áp dụng những yếu tố và khái niệm cơ bản khác nhau.

“…Và đây triết lý của tôi”

6

Nếu hai lý thuyết vật lý hay mô hình dự đoán chính xác cùng một sự kiện, không ai có thể nói cái nào thực hơn cái nào; thay vào đó, chúng ta tự do chọn bất kì mô hình nào là thuận tiện nhất.

Suốt lịch sử khoa học, chúng ta đã phát hiện ra một chuỗi các lý thuyết hay mô hình càng về sau càng tốt hơn cái có trƣớc nó, từ Plato tới thuyết cổ điển của Newton cho tới lý thuyết lƣợng tử hiện đại. Rất tự nhiên khi xuất hiện câu hỏi: Liệu tiến trình này có cuối cùng chạm tới điểm kết thúc, một lý thuyết tối hậu cho vũ trụ có thể bao gộp tất cả các lực và tiên đoán mọi quan sát chúng ta có thể thấy, hay chúng ta sẽ mãi mãi tiếp tục tìm ra những lý thuyết tốt hơn, nhƣng không bao giờ chạm tới đƣợc một lý thuyết không thể cải tiến thêm đƣợc nữa? Chúng ta chƣa có câu trả lời nhất định cho câu hỏi này, nhƣng hiện giờ ta đang có một ứng viên cho lý thuyết tối thƣợng về mọi thứ, nếu có, gọi là thuyết M. Thuyết M là mô hình duy nhất có tất cả các đặc tính mà chúng ta nghĩ lý thuyết cuối cùng phải có, và nó sẽ là lý thuyết mà phần lớn thảo luận sau này của chúng ta sẽ dựa trên nó.

Thuyết M không phải là lý thuyết theo lối nghĩ thông thƣờng. Nó là cả một gia đình các lý thuyết khác nhau, mỗi cái là một cách mô tả tốt cho riêng những quan sát trong một phạm vi các tình huống vật lý. Nó từa tựa nhƣ bản đồ. Nhƣ vẫn thƣờng biết, ngƣời ta không thể vẽ toàn bộ bề mật trái đất trên một bản đồ đơn lẻ. Phép chiếu Mercator thông dụng dùng cho các bản đồ thế giới luôn khiến

các khu vực phình rộng dần ra về phía bắc và nam mà lại không thể che phủ cả cực Bắc cũng nhƣ cực Nam. Để vẽ đƣợc trọn vẹn trái đất, ngƣời ta phải dùng một bộ các bản đồ. Mỗi cái che phủ một khu vực có giới hạn. Khi hai bản đồ chồng lấn lên nhau, chúng sẽ chỉ tới cùng một khu vực. Thuyết M cũng tƣơng tự. Các lý thuyết khác nhau trong gia đình thuyết M có thể trông rất khác nhau, nhƣng chúng đều có thể coi nhƣ những khía cạnh của một lý thuyết cơ sở. Tất cả chúng đều là các phiên bản của thuyết M và chỉ áp dụng đƣợc trong một số phạm vi có giới hạn – ví dụ, khi các đại lƣợng cụ thể giống nhƣ năng lƣợng vẫn còn bé. Giống nhƣ những bản đồ lấn lên nhau trong phép chiếu Mercator, khi phạm vi của các phiên bản khác nhau này chồng lấn, chúng sẽ dự đoán cùng một hiện tƣợng. Nhƣng cũng nhƣ việc không có bản đồ phẳng nào đủ tốt để đại diện cho toàn bộ bề mặt trái đất, không có một lý thuyết đơn lẻ nào có thể là đại diện tốt cho mọi quan sát trong mọi tình huống.

7

Chúng ta sẽ mô tả làm cách nào thuyết M có thể sẽ đƣa ra câu trả lời cho

tạo hóa. Theo thuyết M, vũ trụ của chúng ta không phải là vũ trụ duy nhất. Ngƣợc lại, thuyết M dự đoán vô vàn các vũ trụ đƣợc tạo ra từ hƣ không. Sự kiến tạo của chúng không đòi hỏi sự can thiệp của một đấng siêu nhiên hay còn gọi là Chúa. Thay vào đó, vô vàn các vũ trụ này ló dạng một cách tự nhiên từ các định luật vật lý. Chúng là các dự đoán của khoa học. Mỗi vũ trụ đó có nhiều lịch sử khả dĩ và nhiều trạng thái có thể có vào những thời điểm về sau, ví dụ nhƣ vào những lúc nhƣ hiện tại, rất lâu sau sự bắt đầu của chúng. Phần lớn những trạng thái này là hoàn toàn khác biệt với vũ trụ chúng ta quan sát đƣợc và hoàn toàn không thích hợp cho bất kì dạng sống nào. Chỉ một số rất ít cho phép những sinh vật nhƣ chúng ta tồn tại. Nên chính sự hiện diện của chúng ta đã chọn ra từ mênh mông trong số này này chỉ những vũ trụ tƣơng thích với sự tồn tại của chúng ta. Mặc dù chúng ta bé mọn và không đáng kể so với tầm vóc vũ trụ, điều này khiến ta thấy mình trong vai chúa tể của tạo hóa.

Để hiểu đƣợc vũ trụ ớ mức độ sâu sắc nhất, chúng ta không chỉ cần biết cách mà nó hành xử, mà còn phải vì sao nó hành xử.

Vì sao có thứ gì đó hơn là hư không?

Vì sao chúng ta tồn tại? Tại sao là bộ các định luật này mà không phải một tập hợp nào khác? Đây là Câu hỏi Tối Hậu của Sự Sống, Vũ Trụ và của Mọi thứ. Chúng ta sẽ

nỗ lực trả lời những câu hỏi đó trong quyển sách này. Câu trả lời của chúng ta sẽ không giống nhƣ trong “Cẩm nang cho người quá giang tới Ngân Hà”, đơn giản là “42”.

Bản đồ thế giới Thực tế có thể đòi hỏi một chuỗi các thuyết chồng lấn lên

nhau để đại diện cho vũ trụ, cũng nhƣ ta cần các bản đồ gối chồng lên nhau

để đại diện cho trái đất

8

9

II

Skoll chú sói sống trong rừng Woe

Cứ bay ra là lại dọa chị Hằng

Mặt Trời kia sao cứ mãi trốn chạy

Sói Hati dòng dõi của Hridvinir

Trong thần thoại Viking, Skoll và Hati rƣợt đuổi mặt trăng và mặt trời. Khi hai con sói chộp đƣợc một trong hai, thiên thực sẽ xuất hiện. Khi điều đó xảy ra, con ngƣời trên mặt đất lại nháo nhào đi giải cứu mặt trăng, mặt trời bằng cách gây ra càng nhiều tiếng động càng tốt nhằm dọa bọn sói. Cũng có những thần thoại tƣơng tự vậy trong các nền văn hóa khác. Nhƣng sau một thời gian ngƣời ta phải nhận ra là mặt trời hay mặt trăng rồi cũng ló dạng khỏi thiên thực bất chấp việc họ có chạy lòng vòng vừa la hét vừa gõ vào đồ vật hay không. Thêm một thời gian nữa ngƣời ta nhận ra là thiên thực không xảy ra ngẫu nhiên: chúng xảy ra theo những kiểu mẫu thƣờng xuyên lặp lại chính chúng. Trình tự này dễ thấy nhất đối với mặt trăng và đã cho phép ngƣời Babylon cổ đại dự đoán khá chính xác các lần nguyệt thực dù họ không nhận ra rằng đó là do trái đất đã ngăn cản ánh sáng từ mặt trời. Nhật thực vốn khó dự đoán hơn nhiều bởi vì nó chỉ có thể thấy đƣợc trong một vệt hẹp rộng khoảng 30 dặm trên trái đất. Tuy nhiên, một khi đã nắm bắt đƣợc, các kiểu mẫu ấy chứng tỏ rằng thiên thực chẳng phải dựa trên những cơn hứng tùy tiện của các đấng siêu nhiên, mà thực ra đều bị chi phối bởi các định luật.

10

Mặc cho những thành công trong dự đoán chuyển động của các thiên

thể, phần lớn sự kiện trong tự nhiên trông không thề đoán trƣớc đối với tổ tiên của chúng ta. Núi lửa, động đất, bão tố, dịch hại và cả cái móng chân mọc vẹo đều có vẻ nhƣ xảy ra không có lý do rõ ràng hay không theo quy cách nào. Vào thời cổ đại thật là hiển nhiên khi đổ cho một phe phái những thần thể ma mãnh hay quái ác là nguyên nhân cho những vận động bạo lực của tự nhiên. Tai họa thƣờng đƣợc giáng xuống nhƣ là dấu hiệu cho thấy ai đó đã xúc phạm các vị thần. Ví dụ, vào khoảng năm 5600 TCN ngọn núi lửa Mazama ở Oregon bùng nổ, mƣa đất đá và tro bụi cháy rực hàng năm trời, và sau nhiều năm mƣa rơi nƣớc dâng đầy miệng hố mà ngày nay gọi là Hồ Lõm. Ngƣời da đỏ Klamath ở vùng Oregon có một truyền thuyết khá ăn khớp với các chi tiết địa kiến tạo của sự kiện nhƣng họ cho thêm một chút kịch tính bằng cách mô tả một con ngƣời nhƣ nguồn căn của thảm họa này. Năng lực tội lỗi của con ngƣời thật lớn đến nỗi họ luôn luôn tìm ra cách nào đó để kết tội mình. Theo nhƣ truyền thuyết, Llao, tù trƣởng của Âm Giới phải lòng cô con gái xinh đẹp của vị tù trƣởng Klamath. Cô khƣớc từ ông ta, và để trả thù Llao tìm cách hủy diệt Klamath trong lửa. May mắn thay, theo truyền thuyết, Skell, tù trƣởng của Thƣợng Giới đã rủ lòng thƣơng con ngƣời và giao chiến với địch thủ âm giới của ông. Tới cuối cùng Llao, trọng thƣơng, rút về bên trong ngọn Mazana, để lại một cái lỗ khổng lồ, chính là hố lõm chứa đầy nƣớc sau này.

Thiên thực Ngƣời cổ đại chẳng biết đƣợc điều thật sự gây ra thiên

thực, nhƣng họ hẳn đã phải chú ý tới quy cách xảy ra của chúng.

11

Sự mông muội đối với các cách thức của tự nhiên dẫn những ngƣời cổ đại tới việc chế tác ra những vị thần làm chúa tể tất cả hay từng khía cạnh đời sống con ngƣời. Có những vị thần của tình yêu và chiến tranh; của mặt trời, mặt trăng, và của bầu trời; thần của đại dƣơng và sông suối; thần của mƣa và sấm chớp; và cả động đất hay núi lửa. Khi các thấy hài lòng, loài ngƣời đƣợc đối đãi bằng thời tiết tốt lành, hòa bình và tránh đƣợc thảm họa thiên nhiên hay bệnh tật. Khi các thần thấy mất lòng, họ giáng xuống nào hạn hán, nào chiến tranh, dịch bệnh và chết chóc. Chính vì liên hệ giữa nguyên nhân và hậu quả là vô hình trong mắt họ, những vị thần có vẻ bất khả thấu hiểu, và con ngƣời lệ thuộc sự nhân từ của họ. Tuy nhiên kể từ Thales của Miletus (khoảng 624 TCN – khoảng 546 TCN) gần 2600 năm về trƣớc, mọi thứ bắt đầu thay đổi. Tƣ tƣởng tin rằng tự nhiên tuân theo những nguyên tắc phi mâu thuẫn vốn có thể giải mã đƣợc đã nổi lên. Và rồi bắt đầu cho một quá trình lâu dài nhằm thay thế cho niềm tin vào sự cai trị của các vị thần bằng khái niệm về một vũ trụ chi phối bởi các định luật tự nhiên, và đƣợc tạo ra theo một bản thảo mà ngày nào đó ta có thể học đƣợc cách đọc nó.

Xét trên chiều dài lịch sử nhân loại, chất vấn khoa học là một nỗ lực còn rất mới. Giống loài của chúng ta, Người hiểu biết (Homo sapiens), bắt nguồn từ vùng Châu phi cận Shahara vào khoảng năm 200,000 TCN. Ngôn ngữ

viết chỉ xuất hiện từ năm 7000 TCN, là sản phẩm của những cộng đồng quây quần quanh các mùa vụ ngũ cốc. (Một số trong các bản viết cổ nhất liên quan tới khẩu phần bia hằng ngày cho mỗi công dân.) Những ghi chép sớm nhất từ nền văn minh vĩ đại của Hy Lạp cổ đại có từ thế kỉ thứ chín TCN, nhƣng đỉnh cao của nền văn minh đó, “giai đoạn cổ điển”, phải đến nhiều trăm năm sau đó, bắt đầu trƣớc năm 500 TCN một chút. Theo Aristotle (384 TCN – 322 TCN), chính vào lúc đó Thales đã lần đầu tiên phát triển tƣ tƣởng về một thế giới mà ta có thể hiểu đƣợc, rằng những việc phức tạp xảy ra xung quanh ta có thể gói gọn lại thành những nguyên lý đơn giản hơn và đƣợc giải thích mà không cần viện tới các giải thích mang tính huyền bí hay thần thánh.

Thales đƣợc tin là đã lần đầu tiên dự đoán đúng hiện tƣợng nhật thực vào năm 585 TCN dù cho sự chính xác của dự đoán đó cỏ vẻ nhƣ chỉ là một cú ăn may. Ông là một nhân vật ẩn khuất không để lại ghi chép nào của mình. Quê hƣơng của Thales là một trong những trung tâm trí tuệ của vùng đất Ionia, định cƣ bởi những ngƣời Hy Lạp và đã vƣơn sức ảnh hƣởng của mình từ Thổ Nhĩ Kỳ tới tận nƣớc Ý. Khoa học Ionia là một nỗ lực nổi bật bởi niềm hứng thú trong việc lột tả những định luật cơ sở để giải thích các hiện tƣợng tự nhiên, một cột mốc kì vĩ trong lịch sử tƣ tƣởng nhân loại. Hƣớng tiếp cận của họ đầy lý lẽ và trong nhiều trƣờng hợp dẫn tới những kết luận tƣơng tự một cách đáng ngạc nhiên so với các phƣơng thức tiên tiến hơn của chúng ta ngày nay mà chúng ta tin vào. Nó đã đại diện cho một khởi đầu

12

lớn lao. Nhƣng qua hàng thế kỉ, phần nhiều khoa học Ionia đã bị lãng quên – chỉ loay hoay đƣợc tái khám phá hoặc là tái sáng tạo, lắm lúc hơn một lần.

Theo truyền thuyết, trình bày toán học đầu tiên chúng ta ngày nay có thể gọi là một định luật của tự nhiên đƣợc lần ngƣợc thời gian tới thời của một ngƣời Ionia tên là Pythagoras (khoảng 580 TCN – khoảng 490 TCN), nổi tiếng với định lý mang tên ông: bình phƣơng cạnh huyền (cạnh dài nhất) của một tam giác vuông bằng tổng các bình phƣơng của hai cạnh còn lại. Pythagoras còn đƣợc cho là đã phát hiện ra quan hệ số học giữa chiều dài dây trong các nhạc cụ với các tổ hợp họa âm của âm thanh. Theo ngôn ngữ ngày nay ta sẽ diễn tả quan hệ đó bằng phát biểu là tần số – số dao động trong một giây – của một dây đang rung động dƣới áp lực cố định thì tỉ lệ nghịch với chiều dài của dây. Từ góc nhìn thực tế, điều này giải thích tại sao đàn guitar bass phải có dây dài hơn đàn guitar thƣờng. Pythagoras không hẳn nhƣ đã thực sự khám phá ra điều này – ông cũng không phát hiện ra định lý mang tên ông – nhƣng có bằng chứng là một vài quan hệ giữa dây và âm vực đã đƣợc biết đến trong thời của ông. Nếu vậy, ngƣời ta có thể gọi công thức toán học đơn giản đó là ví dụ đầu tiên của thứ mà chúng ta bây giờ gọi là vật lý lý thuyết.

Tách biệt với định lý của Pythagoras về các dây dao động, các định luật

vật lý duy nhất đƣợc biết đến chính xác vào thời cổ đại là ba định luật đƣợc chi tiết hóa bởi Archimedes (khoảng 287 TCN – khoảng 212 TCN), đích thực là nhà vật lý nhất đáng kính vào thời xƣa. Theo thuật ngữ ngày nay, định luật về đòn bẩy giải thích cho việc các lực nhỏ có thể nâng các vật có trọng lƣợng lớn bởi vì đòn bẩy khuếch đại một lực dựa trên tỉ số giữa các

Ionia Các học giả ở Ionia nằm trong số những ngƣời đầu tiên đã giải thích các

hiện tƣợng tự nhiên bằng các định luật tự nhiên thay vì huyền thoại hay thần lý.

13

khoảng cách tính từ điểm tựa của đòn bẩy. Định luật về sự nổi phát biểu rằng một vật nhúng vào một chất lỏng sẽ chịu một lực hƣớng lên cân bằng với trọng lực của khối chất lỏng bị chiếm chỗ. Và định luật phản xạ xác nhận rằng góc giữa chùm sáng tới và gƣơng bằng với góc giữa gƣơng và chùm phản xạ. Nhƣng Archimedes đã không gọi chúng là các định luật, cũng không giải thích chúng dựa trên quan sát và đo đạc. Thay vào đó ông coi chúng nhƣ các định lý thuần toán học, trong một hệ thống mang tính tiên đề giống nhƣ hệ thống mà Euclid đã tạo ra cho hình học.

Trong khi ảnh hƣởng của Ionia lan tỏa, lại xuất hiện những cá nhân khác thấy rằng vũ trụ sở hữu một trật tự nội tại, một trật tự có thể hiểu đƣợc thông qua quan sát và lý luận. Anaximander (khoảng 610 TCN – khoảng 546 TCN), một ngƣời bạn và cũng có thể là học trò của Thales, lập luận rằng vì những đứa trẻ sơ sinh là bất lực, nếu con ngƣời đầu tiên bằng cách nào đó xuất hiện trên trái đất nhƣ là một đứa trẻ sơ sinh, nó phải không thể tồn tại đƣợc. Với ý tƣởng có thể là sự mơ hồ đầu tiên của con ngƣời về sự tiến hóa, Anaximander lập luận, con ngƣời vì vậy phải tiến hóa từ những loài động vật khác có con non rắn rỏi hơn. Ở Sicily, Empedocles (khoảng 490 TCN – khoảng 430 TCN) đã quan sát công dụng của một dụng cụ gọi là clepsydra. Đôi khi dùng nhƣ vật múc, nó gồm một khối cầu với một chiếc cổ loe rộng và một lỗ dƣới đáy cầu. Khi nhấn chìm trong nƣớc nó sẽ đầy, và

nếu nhƣ chiếc cổ loe đƣợc bít lại, món đồ này có thể đƣợc nhấc ra mà không làm nƣớc rơi khỏi cái lỗ. Empedocles chú ý rằng khi ta bít chiếc cổ lại trƣớc khi nhúng chìm, chiếc clepsydra sẽ không thể đầy đƣợc. Ông lập luận rằng điều gì đó vô hình phải ngăn không cho nƣớc chui vào khối cầu qua cái lỗ – Empedocles đã phát hiện ra thành tố vật chất mà chúng ta gọi là không khí.

Cùng khoảng thời gian đó, ở một vùng lãnh địa Ionia ở phía bắc Hy Lạp, Democritus (khoảng 460 TCN – khoảng 370 TCN) cũng đang suy tƣ điều gì sẽ xảy ra khi ta bẻ hay cắt một vật thành nhiều mảnh. Ông lập luận rằng bạn phải không thể tiếp tục quá trình này vô hạn. Thay vào đó, ông giả thuyết rằng mọi vật, kể cả các vật sống, đƣợc tạo nên từ các hạt cơ sở không thể bị cắt hay bẻ thành nhiều mảnh đƣợc. Ông đặt tên cho các hạt tận cùng này là atoms (nguyên tử), từ tính từ Hy Lạp nghĩa là “không cắt đƣợc nữa”. Democritus tin rằng mọi hiện tƣợng vật chất đều là sản phẩm của sự va chạm của các nguyên tử. Quan điểm của ông, tạm gọi thuyết nguyên tử, cho rằng mọi hạt di chuyển chung quanh trong không gian, và, trừ phi có xáo động, sẽ di chuyển thẳng tiến mãi mãi. Ngày nay ý tƣởng đó đƣợc gọi là định luật quán tính. Ý tƣởng cách mạng cho rằng chúng ta chì là những cƣ dân bình thƣờng của vũ trụ, không phải những thực thể đặc biệt tách biệt tồn tại ở trung tâm vũ trụ, đã đạt đƣợc nhờ Aristarchus (khoảng 310 TCN – khoảng 230 TCN), một trong số những nhà khoa học Ionia cuối cùng. Chỉ một trong số những tính toán của ông tồn tại, một phân tích hình học phức tạp từ những quan sát thực tế kĩ lƣỡng ông thu đƣợc từ kích thƣớc bóng của

14

trái đất trên mặt trăng khi có nguyệt thực. Ông kết luận rằng mặt trời phải to hơn nhiều so với trái đất. Có lẽ có cảm hứng từ ý tƣởng rằng những vật nhỏ xíu phải chuyển động xung quanh những vật lớn xác mà không phải kiểu nào khác, Aristarchus là ngƣời đầu tiên đã tuyên bố rằng trái đất không là trung tâm trong hệ hành tinh của chúng ta, thay vào đó nó và các hành tinh khác chuyển động theo quỹ đạo xoay xung quanh mặt trời lớn hơn nhiều. Nó là một bƣớc nhỏ từ ý tƣởng trái đất chỉ là một hành tinh cho tới ý tƣởng rằng mặt trời của chúng ta cũng không có gì đặt biệt. Aristarchus ngờ rằng đó chính là vấn đề và ông tin rằng các ngôi sao ta thấy trên bầu trời đêm thật ra cũng không hơn gì ngoài những mặt trời xa xăm.

Những ngƣời Ionia chỉ thuộc về một trong số nhiều trƣờng phái của triết học Hy Lạp cổ đại, mỗi phái có những truyền thống khác nhau và thƣờng xuyên xung đột. Không may, quan điểm về tự nhiên của những ngƣời Ionia – rằng tự nhiên có thể đƣợc giải thích thông qua các định luật tổng quát và rút gọn thành một tập hợp các nguyên lý – chỉ phát huy ảnh hƣởng mạnh mẽ trong vài thề kỉ. Một lý do cho điều đó là vì các giả thuyết của Ionia thƣờng có vẻ nhƣ không có chỗ đứng cho khái niệm ý chí tự do hay mục đích, hay ý niệm về các vị thần có thể can thiệp vào các công việc của thế giới. Đây là một khƣớc từ đáng kinh ngạc đã gây bất an một cách sâu sắc cho nhiều bộ óc Hy Lạp cũng nhƣ nó vẫn còn làm đối với nhiều ngƣời ngày nay. Nhà triết

học Epirurus (341 TCN – 270 TCN), lấy làm ví dụ, đã phản đối thuyết nguyên tử trên lập trƣờng “tốt hơn nên tuân theo những huyền thoại về các vị thần thay vì trở thành “nô lệ” cho sự an bài của các nhà triết học tự nhiên.” Aristole cũng khƣớc từ khái niệm nguyên tử vì ông không thể chấp nhận ý tƣởng rằng con ngƣời lại đƣợc tổng hợp từ những vật thể vô hồn, không sự sống. Ý tƣởng của những ngƣời Ionia về một vũ trụ không có con ngƣời làm trung tâm là một cột mốc trong hiểu biết của chúng ta về vũ trụ, nhƣng nó là một tƣ tƣởng rồi sẽ bị đình trệ mà không đƣợc đoái hoài, hay đƣợc chấp nhận rộng rãi trở lại, tới tận thời của Galileo, gần hai mƣơi thế kỉ sau đó.

Dù có sáng tỏ nhƣ những phỏng đoán về tự nhiên rút ra từ đó, các tƣ tƣởng của ngƣời Hy Lạp cổ đại sẽ không thể vƣợt qua khảo hạch để thành khoa học có hiệu lực trong thời hiện đại. Vì một lẽ, những ngƣời Hy Lạp cổ đại đã không sáng tạo ra các phƣơng pháp mang tính khoa học, các giả thuyết của họ không đƣợc phát triển nhằm mục đích tìm kiếm sự xác minh từ thực nghiệm. Do thế nếu một học giả tuyên bố một nguyên tử di chuyển theo một đƣờng thẳng cho tới khi nó va phải một nguyên tử thứ hai và một học giả khác tuyên bố một nguyên tử di chuyển theo đƣờng thẳng cho tới khi nó đâm vào một quái vật ba mắt, thì cũng chẳng có cách nào khách quan đề dàn xếp cuộc tranh luận. Cùng với đó, không có sự phân biệt rạch ròi giữa các quy chế của con ngƣời và các định luật vật lý. Trong thế kỉ thứ năm TCN, ta lấy làm ví dụ, Anaximaner viết rằng mọi thứ nổi lên từ một chất cơ bản, và sẽ quay về là nó, nhằm tránh “nộp phạt và trả giá cho sự bất lƣơng của chúng”. Và theo nhƣ nhà triết học Ionia Heraclitus (khoảng 535 TCN –

15

khoảng 475 TCN), mặt trời cƣ xử nhƣ nó vẫn vậy vì ngƣợc lại nữ thần công lý sẽ đi triệt hạ nó. Nhiều trăm năm sau đó, những môn đồ Không Sân Si, một trƣờng phái của các triết gia Hy Lạp nổi lên khoảng thế kỉ thứ 3 TCN, đã rạch ròi giữa các quy chế của con ngƣời với các định luật tự nhiên, nhƣng họ cũng gộp luôn các nhân cách mà họ coi là thuộc về vũ trụ – nhƣ sự tôn kính Chúa và phục tùng cha mẹ – vào chung chỗ với các định luật tự nhiên. Một cách ngƣợc ngạo giống vậy, họ thƣờng miêu tả các quá trình vật lý trong khuôn khổ hợp pháp và tin rằng chúng cần phải đƣợc tuân phục, mặt dù những đối tƣợng đƣợc đòi hỏi phải “tuân thủ” các định luật là không có sự sống. Nếu bạn nghĩ khó mà bắt ngƣời ta đi đúng luật giao thông, thử tƣởng tƣợng việc thuyết phục một thiên thạch di chuyển trên một quỹ đạo ellipse. Truyền thống này tiếp tục ảnh hƣởng lên những bộ óc kế thừa các nhà khoa học Hy Lạp nhiều thế kỉ tiếp theo. Vào khoảng thế kỉ thứ mƣời ba nhà triết học Thiên Chúa sơ khai Thomas Aquinas (khoảng 1225 – 1274) đã tiếp thu quan điểm này và dùng nó để xác nhận cho sự tồn tại của Thƣợng đế, ông viết “ Rõ ràng rằng (các thực thể không sống) chạm tới kết thúc của mình không phải bằng xác suất mà là bằng dự định... Cho nên phải có một thực thể cá nhân với trí tuệ mà từ đó, mọi vật đƣợc yêu cầu tới kết thúc của chúng.” Thậm chí mãi tới thế kỉ mƣời sáu, nhà chiêm tinh học vĩ đại ngƣời Đức Johannes Kepler (1571 – 1630) vẫn còn tin rằng các hành tinh sở hữu

nhận thức giác quan và tuân theo các định luật về chuyển động đƣợc chúng nắm bắt bằng “tƣ duy”.

Tƣ tƣởng cho rằng các định luật phải đƣợc phục tùng có chủ ý phản ánh sự tập trung của những ngƣời cổ đại đối với việc vì sao tự nhiên biểu hiện nhƣ cách nó đang biểu hiện hơn là nó biểu hiện nhƣ thế nào. Aristotle là một trong những ngƣời đề xuất hàng đầu cho cách tiếp cận này, khƣớc từ ý tƣởng rằng khoa học chủ yếu dựa các quan sát. Các đo đạc tỉ mỉ và tín toán toán học thƣờng gặp đủ kiểu khó khăn vào thời cổ đại. Ý tƣởng về cơ số mƣời mà ta thấy rất tiện lợi ngày nay trong các phép toán chỉ có khoảng từ năm 700 SCN, khi ngƣời Ấn Độ có những bƣớc tiến to lớn cho việc biến nó thành một công cụ toán học mạnh mẽ. Các kí hiệu cho phép cộng và trừ vẫn chƣa xuất hiện mãi tới tận thế kỉ mƣời lăm. Và dấu bằng cũng nhƣ các đồng hồ đo đƣợc chi tiết tới từng giây cũng chƣa xuất hiện cho tới tận thế kỉ mƣời sáu.

Aristotle, dù vậy, vẫn không coi những vấn đề trong đo đạc và tính toán là trở ngại để phát triển một môn vật lý có thể đƣa ra các dự đoán định lƣợng. Hơn nữa, ông thấy không cần thiết phải làm chuyện đó. Thay vào đó, Aristotle xây dựng vật lý của ông dựa trên các nguyên lý cuốn hút ông một cách hàn lâm. Ông che lấp sự thật mà ông cảm thấy không thu hút và tập trung nỗ lực cho các lý do mà mọi việc xảy ra, với khá ít công sức bỏ ra để xem chi tiết thực sự điều gì đang xảy ra. Aristotle chỉ điều chỉnh các kết luận của mình khi sự bất đồng lồ lộ với quan sát không thể phớt lờ đƣợc. Nhƣng những điều chỉnh đó thƣờng chỉ là những giải thích kiểu ứng biến và không

16

làm đƣợc gì hơn là chắp vá lên sự mâu thuẫn. Theo cái cung cách ấy, không cần biết lý thuyết của ông chệch khỏi thực tế nhƣ thế nào, ông luôn có cách để chỉnh nó lại vừa đủ để có vẻ nhƣ không còn xung đột. Ví dụ nhƣ giả thuyết về chuyển động của ông tuyên bố rằng các vật thể rơi với một tốc độ không đổi tỉ lệ thuận với trọng lƣợng của chúng. Để giải thích cho sự thật là các vật thể tăng tốc khi rơi, ông sáng chế ra một nguyên lý mới – rằng các vật thể tiến tới một cách hứng khởi hơn, thành thử sẽ tăng tốc, khi chúng đến gần với vị trí nghỉ tự nhiên, một nguyên lý có vẻ nhƣ giống một miêu tả đích xác cho một số ngƣời cụ thể hơn là cho các vật thể không có sự sống. Dù các giả thuyết của Aristotle thƣờng có ít giá trị dự đoán, hƣớng tiếp cận của ông đối với khoa học đã thống lĩnh tƣ duy phƣơng Tây cho đến gần hai ngàn năm.

Những ngƣời Thiên Chúa giáo kế thừa Hy Lạp đã khƣớc từ ý tƣởng rằng vũ trụ bị chi phối bởi các định luật vô tƣ. Họ cũng khƣớc từ ý tƣởng con ngƣời không ở giữa một chỗ đƣợc đặc ân ở trong vũ trụ đó. Mặc dù thời trung cổ không hề có lấy một hệ triết lý dễ hiểu, bối cảnh chung vẫn là vũ trụ nhƣ một ngôi nhà búp bê của chúa, với tôn giáo là một nghiên cứu có giá trị hơn nhiều so với các hiện tƣợng tự nhiên. Còn thực ra, năm 1277 Giám mục Tempier của Paris, theo chỉ dụ của giáo hoàng John XXI, đã xuất bản một danh sách 219 sai phạm hay còn gọi là những điều dị giáo mà sẽ bị kết tội.

Trong số các điều dị giáo có tƣ tƣởng về một tự nhiên tuân theo các định luật, vì điều này xung đột với sự toàn năng của Chúa. Điều thú vị là Giáo Hoàng John đã bị mất mạng dƣới tác dụng của lực hấp dẫn chỉ vài tháng sau đó khi bị trần điện của mình rơi xuống đầu.

“Nếu có một điều ta đã học suốt sự trường trị của

mình, đó là sức nóng tăng”

17

Khái niệm hiện đại về các định luật tự nhiên ló dạng đầu tiên vào thế kỉ

mƣời bảy. Kepler có vẻ nhƣ là ngƣời đầu tiên hiểu đƣợc thuật ngữ này theo tiêu chuẩn khoa học hiện đại, mặc dù nhƣ đã nói, ông vẫn còn bảo lƣu một quan điểm duy tâm về các vật thể vật lý. Galileo (1564–1642) đã không dùng thuật ngữ “định luật” trong phần lớn các công trình khoa học của mình. (dù nó xuất hiện trong một số dịch bản của các công trình này). Dù có dù không việc dùng đến từ này, Galileo đã thực sự khám phá ra rất nhiều định luật và ủng hộ nguyên tắc quan trọng rằng quan sát là nền tảng của khoa học và mục đích của khoa học là để nghiên cứu các quan hệ định lƣợng tồn tại giữa các hiện tƣợng vật lý. Nhƣng ngƣời đầu tiên xây dựng một cách tƣờng tận và năng nổ khái niệm về các định luật của tự nhiên nhƣ chúng ta hiểu ngày nay chính là René Descartes (1596–1650). Descartes tin rằng tất cả các hiện tƣợng vật lý phải đƣợc giải thích trong khuôn khổ sự va chạm của các khối lƣợng di chuyển, bị chi phối bởi ba định luật – các tiền thân cho những định luật chuyển động của Newton. Ông quả quyết rằng các định luật này luôn có hiệu lực ở mọi nơi và mọi lúc, và khẳng định đích xác rằng sự phục tùng các định luật này không ngụ ý rằng các thực thể đó có tƣ duy. Descartes cũng hiểu đƣợc tầm quan trọng của cái mà ngày nay chúng ta gọi là “sơ kiện”

(điều kiện đầu - lnd). Chúng mô tà trạng thái của một hệ thống vào điểm đầu bất kỳ khoảng thời gian nào mà ta đi tìm những dự đoán. Với một tập hợp cho trƣớc các sơ kiện, các định luật tự nhiên xác định một hệ thống sẽ tiến hóa nhƣ thế nào theo thời gian, nhƣng thiếu một tập hợp các sơ kiện cụ thể, sự tiến hóa không thể đƣợc xác định. Nếu, lấy làm ví dụ, tại thời điểm zero một con chim bồ câu ngay phía trên đầu thả rơi một vật, quỹ đạo của vật thể đó đƣợc xác định bởi các định luật của Newton. Nhƣng kết cục sẽ rất khác nhau tùy thuộc vào, tại thời điểm zero, con bồ câu đang ngồi yên trên sợi cáp điện thoại hay đang bay với vận tốc 20 dặm một giờ. Để áp dụng các định luật của vật lý, ta phải biết một hệ bắt đầu nhƣ thế nào, hoặc ít nhất trạng thái của nó tại thời điểm xác định nào đó. (Một ngƣời có thể sử dụng các định luật để lần theo một hệ ngƣợc về trƣớc đó theo thời gian.)

Cùng với niềm tin vừa hồi sinh về các định luật của tự nhiên các nỗ lực mới để dàn xếp các định luật này với ý niệm về Chúa cũng bắt đầu xuất hiện. Theo Descartes, Chúa có thể tự ý hoán đổi chân lý hay phi lý của các tuyên bố theo luân thƣờng hay các định lý toán học, tự nhiên không làm việc đó. Ông tin rằng Chúa thụ phong các định luật nhƣng không có sự chọn lựa cho các định luật; thay vào đó, Chúa chọn chúng vì các định luật mà chúng ta trải nghiệm là những định luật duy nhất có thể. Điều này có vẻ nhƣ xâm phạm tới thẩm quyền của Chúa, nhƣng Descartes đã lách vòng qua điều đó bằng cách tuyên bố rằng các định luật là không thể thay thế vì chúng là sự phản ánh cho bản chất nội tại của chúa. Nếu đó là thật, ta vẫn có thể nghĩ là Chúa có sự chọn lựa để tạo ra vô vàn các thế giới khác nhau, mỗi cái tƣơng

18

ứng với một tập hợp khác nhau các sơ kiện, nhƣng Descartes cũng từ chối điều này. Bất luận sắp xếp của mọi thứ nhƣ thế nào tại khởi đầu của vũ trụ, ông khẳng định, theo thời gian một thế giới tƣơng tự với thế giới của chúng ta sẽ lại tiến hóa lên. Thêm vào đó, Descartes cảm thấy rằng, một khi Chúa thiết đặt cho thế giới vận động, Chúa bỏ nó hoàn toàn đơn độc.

Một ý kiến tƣơng tự (với một vài ngoại lệ) đã đƣợc tiếp nhận bởi Isaac Newton (1643 – 1727). Newton là ngƣời đã giành đƣợc sự đồng thuận rộng rãi cho khái hiện đại của định luật khoa học với ba định luật chuyển động và và định luật của ông về lực hấp dẫn của ông, là những thứ lý giải cho quỹ đạo của trái đất, mặt trăng, và các hành tinh, và giải thích các hiện tƣợng đại loại nhƣ những con triều. Một nhúm những công thức ông tạo ra, và cấu trúc toán học tinh vi mà từ đó chúng ta chuyển hóa chúng, vẫn còn đƣợc dạy ngày nay, và đƣợc vay mƣợn bất cứ khi nào một kiến trúc sƣ thiết kế một tòa nhà, một kĩ sƣ thiết kế chiếc xe, hay một nhà vật lý tính toán làm cách nào nhắm một tên lửa cho nó đáp lên sao Hỏa. Nhƣ nhà thơ Alexander Pope từng nói:

Tự nhiên với Định luật ẩn khuất trong đêm: Chúa bảo, Newton tồn tại! và thảy sáng bừng. Ngày nay hầu hết các nhà khoa học sẽ nói một định luật tự nhiên là một

quy tắc dựa trên sự đều đặn quan sát đƣợc và cung cấp những dự đoán

vƣợt qua tình huống tức thời mà nó dựa trên. Ví dụ, chúng ta có lẽ vẫn chú ý là mặt trời mọc từ hƣớng đông mỗi sáng trong đời mình, và giả sử một định luật “Mặt trời luôn mọc ở hƣớng đông.” Đây là một tổng quát hóa vƣợt qua những quan sát có giới hạn của chúng ta về việc mặt trời mọc và tạo ra những dự đoán có thể kiểm tra trong tƣơng lai. Mặt khác, một phát biểu kiểu nhƣ “Những chiếc máy tính trong văn phòng này màu đen” không là một định luật tự nhiên bởi vì nó chỉ liên quan tới những chiếc máy tính ở trong văn phòng và không tạo ra những dự báo tỉ nhƣ “Nếu nhƣ văn phòng của tôi mua một chiếc máy tính mới, nó sẽ mang màu đen.”

Hiểu biết hiện đại của chúng ta về thuật ngữ “định luật của tự nhiên” là một vấn đề mà các triết gia cãi nhau trƣờng kì, và nó là một câu hỏi tinh tế hơn nhiều so với khi ta mới đầu nghĩ. Ví dụ, triết gia John W. Caroll so sánh phát biểu “Tất cả các khối cầu bằng vàng đều có bán kính dƣới một dặm” với phát biểu nhƣ “Tất cả khối cầu bằng uranium-235 đều có bán kính dƣới một dặm.” Những quan sát của chúng ta về thế giới bảo rằng không có khối cầu bằng vàng nào có bán kính rộng hơn một dặm, và ta có thể khá tự tin là sẽ chẳng bao giờ có. Tuy nhiên, chúng ta cũng không có lý do gì để tin rằng không thể có một vật nhƣ thế, thành thử phát biểu đó không đƣợc coi là một định luật. Mặt khác, phát biểu “Tất cả khối cầu bằng uranium-235 đều có bán kính dƣới một dặm.” có thể nghĩ nhƣ là một định luật của tự nhiên vì, theo những gì ta biết về vật lý hạt nhân, một khi một khối cầu uranium-235 lớn lên tới một bán kính lớn hơn khoảng sáu inch (1 “lóng” = 2,54 cm - lnd), nó sẽ tự triệt diệt bản thân trong một vụ nổ hạt nhân. Thế nên ta có thể chắc rằng

19

những quả cầu nhƣ thế không tồn tại. (Và cũng không hay ho gì để đi làm thứ đó!) Sự phân biệt này thành vấn về bởi vì nó minh họa rằng không phải tất cả sự tổng quát hóa chúng ta quan sát đƣợc có thể nghĩ tới nhƣ những định luật của tự nhiên, và rằng hầu hết các định luật của tự nhiên tồn tại nhƣ phần nhỏ của một hệ thống phức liên kết rộng hơn của các định luật.

Trong khoa học hiện đại các định luật tự nhiên thƣờng đƣợc miêu bằng toán học. Chúng có thể hoặc tuyệt đối hoặc xấp xỉ, nhƣng chúng phải đƣợc quan sát là đứng vững đƣợc với không ngoại lệ – nếu nhƣ không trên toàn vũ trụ, chí ít phải dƣới một tập hợp các điều kiện thi hành. Ví dụ, chúng ta nay đã biết các định luật của Newton phải đƣợc hiệu chỉnh nếu các đối tƣợng di chuyển ở những vận tốc gần vận tốc ánh sáng. Nhƣng chúng ta vẫn coi các định luật của Newton là định luật vì chúng đứng vững, ít nhất với một sự xấp xỉ rất tốt, trong những trƣờng hợp các tốc độ mà chúng ta gặp phải thƣờng thấp hơn nhiều vận tốc ánh sáng.

Nếu tự nhiên tuân thủ bởi các định luật, ba câu hỏi ló dạng: 1. Đâu là nguồn gốc các định luật? 2. Có không các ngoại lệ cho các định luật, nói cách khác, phép

màu? 3. Có không chỉ một tập hợp duy nhất các định luật khả dĩ?

Những câu hỏi quan trọng này đã đƣợc truy vấn theo nhiều cách bởi

các nhà khoa học, triết học, và thần học. Câu trả lời truyền thống cho câu hỏi đầu tiên – trả lời của Kepler, Galileo, Descartes, và Newton – là các định luật là công trình của Chúa. Tuy nhiên, đó không khác gì hơn một định nghĩa về chúa nhƣ là đại diện của các định luật tự nhiên. Trừ phi ai đó gán cho Chúa một số đặc tính khác, nhƣ là Chúa trong kinh Cựu Ƣớc, vịn tới Chúa nhƣ lời đáp lại cho câu hỏi đầu tiên chỉ là thay thế một bí ẩn này bằng bí ẩn khác. Vậy nếu nhƣ ta để Chúa can dự tới câu hỏi đầu tiên, nút kẹt lại đến ở câu hỏi thứ hai: Có không phép màu, hay ngoại lệ cho các định luật?

Ý kiến về câu trả lời cho câu hỏi thứ hai bị chi rẽ sâu sắc. Plato và Aristotle, các tác gia Hy Lạp cổ đại nhiều ảnh hƣởng nhất, đoan chắc là không thể có ngoại lệ cho các định luật. Nhƣng nếu nhƣ ta lấy quan điểm kinh thánh, thì Chúa không chỉ tạo ra các định luật mà còn gây cuốn hút bằng cách cầu nguyện để tạo ra ngoại lệ – hồi sinh ngƣời bệnh đang hấp hối, hay mang kết thúc sớm cho những cơn hạn hán, hay phục hồi bóng gậy thành môn thể thao trong Thế Vận Hội. Đối lập với quan điểm của Descartes, hầu hết các các bộ óc Thiên Chúa giáo đều duy trì niềm tin rằng Chúa phải có khả năng trì hoãn các định luật để thi triển phép màu. Ngay cả Newton cũng tin vào phép màu theo một kiểu. Ông nghĩ rằng quỹ đạo của các hành tinh phải không ổn định bởi vì hấp dẫn trọng trƣờng của một hành tinh lên hành tinh khác sẽ gây ra xáo trộn tới các quỹ đạo và sự xáo trộn sẽ tích lũy theo thời gian dẫn đến kết quả là các hành tinh hoặc sẽ rơi vào mặt trời hoặc sẽ bị quăng khỏi thái dƣơng hệ. Chúa phải đang liên tục thiết đặt lại các quỹ đạo, ông tin vậy, hay “tua lại đồng hồ thiên thể, nhằm ngăn nó xuống cấp.”

20

Tuy nhiên, hầu tƣớc Pierre-Simon de Laplace (1749 – 1827), thƣờng gọi là Laplace, tranh luận rằng sự chệch hƣớng sẽ mang tính chu kì, ví dụ, đặc trƣng bằng những vòng lặp, thay vì tích lũy . Hệ mặt trời do đó sẽ tự thiết đặt lại và sẽ không cần tới sự can thiệp linh thiêng để giải thích vì sao nó vẫn tồn tại cho đến ngày nay.

Chính Laplace là ngƣời thƣờng đƣợc xem nhƣ đã đề xƣớng thuyết tất định khoa học: Có trạng thái của vũ trụ tại một thời điểm, một tập hợp hoàn chỉnh các định luật sẽ trọn vẹn xác định đƣợc cả tƣơng lai và quá khứ. Điều này loại trừ khả năng cho những phép màu hay vai trò chủ động của Chúa. Thuyết tất định khoa học mà Laplace xây dựng là lời đáp của các nhà khoa học hiện đại cho câu hỏi thứ hai. Nó, thực chất, là nền tảng của toàn bộ khoa học hiện đại, và một nguyên tắc quan trọng trong suốt quyển sách này. Một định luật khoa học sẽ không thành một định luật khoa học nếu nó chỉ đứng vững khi một đấng siêu nhiên nào đó quyết định sẽ không can thiệp. Nhận ra điều này, Napoleon đƣợc kể lại là đã hỏi Laplace rằng Chúa ăn khớp với bức tranh này nhƣ thế nào, Laplace đã đáp lại: “Bệ hạ, thần vẫn chƣa cần giả thuyết đó.”

Bởi vì ngƣời ta sống trong vũ trụ và tƣơng tác với các đối tƣợng trong đó, thuyết tất định khoa học cũng phải đúng trên con ngƣời. Nhiều ngƣời, ngƣợc lại, trong khi vừa chấp nhận thuyết tất định khoa học chi phối các quá

trình vật lý, vừa tạo ra một ngoại lệ cho hành vi của con ngƣời vì họ tin con ngƣời là có ý chí tự do. Descartes, lấy làm ví dụ, để bảo tồn tƣ tƣởng về ý chí tự do, quả quyết rằng tƣ duy con ngƣời là gì đó khác với thới giới vật lý và không tuân theo các định luật này. Trong quan điểm của ông một ngƣời gồm có 2 thành phần, một thân xác và một linh hồn. Thân xác không là gì ngoài một cỗ máy bình thƣờng, nhƣng linh hồn thì nằm ngoài chủ đề của các định luật khoa học. Descartes vốn có hứng thú đối với giải phẫu học và sinh lý và đã liên hệ một cơ quan bé xíu ở trung tâm não bộ, gọi là tuyến tùng nhƣ là chỗ khu trú nguyên bản của linh hồn. Tại phần tuyến đó, ông tin rằng, tất cả ý nghĩ của chúng ta đƣợc hình thành, là giếng nguồn của ý chí tự do.

“Tôi nghĩ anh nên cặn kẽ hơn ngay đây ở bước hai”

21

Con ngƣời ta có ý chí tự do không? Nếu chúng ta có ý chí tự do, ở đâu

trên cây tiến hóa nó đã bắt đầu phát triển? Thế loài tảo lam lục hay vi khuẩn có ý chí tự do không, hay là hành vi của chúng là tự động và nằm trong lãnh địa của các định luật khoa học ? Phải chăng chỉ các cơ thể đa bào có ý chí tự do, hay chỉ các loài thú có ? Ta có lẽ nghĩ một con tinh tinh đang thực hành ý chí tự do khi nó chọn xơi một quả chuối, hay con mèo khi nó cào bấy bộ sofa của bạn, nhƣng còn con sán có tên Caenorhabditis elegans – một sinh vật đơn giản tạo thành từ 959 tế bào? Nó có vẻ nhƣ chẳng bao giờ suy nghĩ, “Thật là mấy con vi khuẩn mặn mà mà mình chén bữa tối đây,” dù nó có sự ƣu tiên cho thức ăn và sẽ hoặc chấp nhận một bữa tối kém hấp dẫn hoặc đi bới móc ra thứ gì đó tốt hơn, phụ thuộc vào kinh nghiệm gần đây. Phải chăng đó cũng là thực hành ý chí tự do?

Dù chúng ta cảm giác là mình có thể chọn điều mình làm, hiểu biết của chúng ta về nền tảng phân tử của sinh học cho thấy các quá trình sinh lý tuân thủ các quy luật vật lý và hóa học và do thế sẽ tất định nhƣ quỹ đạo của các hành tinh. Những thí nghiệm gần đây trong thần kinh học ủng hộ quan điểm rằng bộ não vật lý của chúng ta, vốn tuân theo các định luật đã biết của khoa học, xác định các hành động của chúng ta, chứ không phải một thế lực

nào đó tồn tại bên ngoài những định luật này. Cho ví dụ, một nghiên cứu trên các bệnh nhân đang trải qua giải phẫu não khi tỉnh phát hiện rằng bằng các kích thích điện lên những vùng thích hợp của bộ não, ngƣời ta có thể tạo ra ở bệnh nhân mong muốn để di chuyển bàn tay, cánh tay, hay chân, hay cử động môi và nói chuyện. Thật khó mà tƣởng tƣợng làm sao ý chí tự do có thể vận hành nếu hành vi của chúng ta đƣợc xác định bằng các định luật vật lý, cho nên nó cho thấy chúng ta không gì hơn ngoài những cỗ máy sinh học và rằng ý chí tự do chỉ là một ảo tƣởng.

Trong khi thừa nhận rằng hành vi của con ngƣời thực sự đƣợc xác định bởi các định luật tự nhiên, nó có vẻ hợp lý khi kết luận rằng kết quả đƣợc xác định theo một cách phức tạp và với rất rất nhiều biến số khiến cho nó trở nên bất khả thi để dự đoán trong thực tế. Ví nhƣ ngƣời ta phải cần biết tới trạng thái khởi đầu của mỗi phân tử trong hàng triệu tỉ tỉ các phân tử trong cơ thể con ngƣời rồi giải kiểu nhƣ chừng ấy số hệ phƣơng trình. Việc ấy phải mất vài tỉ năm, và sẽ hơi trễ để hụp xuống một khi ngƣời đối diện đang ngắm đƣờng cho một cú đánh.

Vì nó hoàn toàn phi thực tế khi dùng các định luật vật lý nền tảng để dự đoán hành vi con ngƣời, chúng ta tiếp nhận cái gọi là lý thuyết thực tiễn. Trong vật lý, một lý thuyết thực tiễn là một cơ cấu đƣợc tạo ra để mô hình hóa một số hiện tƣợng cụ thể quan sát đƣợc mà không phải miêu tả chi tiết tất cả các quá trình cơ sở. Ví dụ, ta không thể giải chính xác các phƣơng trình chi phối tƣơng tác hấp dẫn của mỗi nguyên tử trong cơ thể của một ngƣời với mỗi nguyên tử của trái đất. Nhƣng tất cả vì các mục đích thực tế

22

lực hấp dẫn giữa một ngƣời và trái đất có thể đƣợc miêu tả trong khuôn khổ chỉ một vài con số, nhƣ là tổng khối lƣợng của một ngƣời. Tƣơng tự, do không thể giải các phƣơng trinh chi phối hành vi của các nguyên tử và phân tử, ta đành phát triển một lý thuyết thực tiễn gọi là hóa học để cung cấp một lý giải vừa đủ cho việc các nguyên tử và phân tử cƣ xử nhƣ thế nào trong các phản ứng hóa học mà không phải lý giải mọi chi tiết của tƣơng tác. Trong trƣờng hợp đối với con ngƣời, vì không thể giải các phƣơng trình xác định hành vi của chúng ta, chúng ta dùng một lý thuyết thực tiễn là con ngƣời có ý chí tự do. Ngành nghiên cứu về ý chí của chúng ta, và các hành vi xuất phát từ đó, là khoa học tâm lý. Kinh tế học cũng là một lý thuyết thực tiễn, dựa trên ý tƣởng về ý chí tự do và giả định rằng ngƣời ta sẽ đánh giá các phƣơng thức thay thế nhau có thể có cho một hành động và chọn lấy cái tốt nhất. Lý thuyết thực tiễn đó chỉ thành công tƣơng đối trong việc dự đoán hành vi vì, nhƣ ta đều biết, quyết định thƣờng không duy lý hay chỉ dựa trên sự phân tích vốn khiếm khuyết về hậu quả của lựa chọn. Đó là vì sao thế giới luôn thành một mớ lộn xộn.

Câu hỏi thứ ba chất vấn về vấn đề liệu các định luật xác định cả vũ trụ và hành vi của con ngƣời là duy nhất. Nếu câu trả lời của bạn cho câu hỏi thứ nhất là Chúa tạo ra các định luật, vậy thì câu hỏi này hiểu là, Chúa có tự do trong việc chọn lựa chúng ? Cả Plato và Aristotle đều tin, cũng nhƣ

Descartes và trễ hơn nữa là Einstein, rằng các nguyên tắc của tự nhiên tồn tại vì một lẽ “cần thiết”, nghĩa là, đó là những quy tắc duy nhất tạo ra sự nhận thức logic. Dựa trên niềm tin của mình về nguồn gốc của các định luật tự nhiên theo logic, Aristotle và những ngƣời đi theo ông cảm giác rằng ngƣời ta có thể “suy ra” các định luật đó không cần chú ý nhiều tới việc tự nhiên thực sự hành xử nhƣ thế nào. Điều đó, cùng sự tập trung vào vì sao các đối tƣợng tuân theo các quy tắc hơn là thực sự các quy tắc này là gì, chủ yếu toàn dẫn ông tới những định luật định tính thƣờng sai lầm và trong mọi trƣờng hợp không chứng tỏ sự hữu dụng cho lắm, cho dù là nó đã thống trị tƣ duy khoa học suốt nhiều thế kỉ. Chỉ rất lâu sau đó những ngƣời nhƣ Galileo mới dám thách thức uy thế của Aristotle và quan sát tự nhiên theo cách thực sự của nó, thay vì điều mà “lý do” thuần khiết bảo rằng nó nên nhƣ vậy. Quyển sách này bám rễ trên khái niệm về thuyết tất định khoa học, ngụ ý rằng câu trả lời cho câu hỏi hai là không có phép màu, hay ngoại lệ trong các định luật của tự nhiên. Tuy nhiên, chúng ta sẽ quay lại để chất vấn sâu hơn câu hỏi một và hai, các vấn đề về các định luật ló dạng nhƣ thế nào và có hay không chúng là các định luật duy nhất khả dĩ. Nhƣng trƣớc tiên, ta sẽ đề cập đến vấn đề về thứ mà các định luật của tự nhiên miêu tả. Phần lớn các nhà khoa học sẽ nói chúng là các phản ánh toán học của một thực tại bên ngoài tồn tại độc lập với ngƣời quan sát nó. Nhƣng nếu chúng ta suy xét cách thức mà chúng ta quan sát và hình thành những khái niệm về mọi thứ chung quanh, chúng ta lại đâm đầu vào một câu hỏi, rằng chúng ta có thực sự có lý do để tin rằng một thực tại khách quan tồn tại?

23

24

III

Cách đây vài năm hội đồng thành phố Monza, Ý, ngăn chặn việc các

chủ thú nuôi giữ cá vàng trong những chiếc chậu cá cong. Những ngƣời cổ

súy cho biện pháp này đã giải thích phần nào khi tuyên bố rằng sẽ thật tàn

nhẫn khi giữ một chú cá trong chiếc chậu với các thành chậu cong bởi vì, khi

nhìn ra, con cá sẽ có một cái nhìn méo mó về thực tại. Nhƣng làm sao ta biết

mình có một bức tranh chân thực, không biến dạng về thực tại? Có thể là

không không khi nói rằng bản thân chúng ta cũng đang ở trong một cái chậu

cá vàng lớn nào đó và tầm nhìn chúng ta bị bóp méo bởi một cái thấu kính

khổng lồ? Bức tranh về thực tại của cá vàng khác với chúng ta, nhƣng liệu ta

có thể chắc rằng nó kém thực hơn? Cái nhìn của cá vàng không giống với

chúng ta, nhƣng cá vàng vẫn có thể xây dựng các công thức khoa học chi

phối chuyển động của các đối tƣợng chúng quan sát bên ngoài chiếc chậu.

Ví dụ, do sự biến dạng, một đối tƣợng ta quan sát đang chuyển động tự do

trên một đƣờng thẳng sẽ đƣợc quan sát chuyển động theo một đƣờng cong

bởi cá vàng. Tuy là thế, cá vàng vẫn có thể xây dựng các công thức khoa

học từ hệ quy chiếu bị biến dạng của chúng và điều đó sẽ luôn đƣợc giữ

đúng và cho phép chúng dự đoán về chuyển động tƣơng lai của các đối

tƣợng bên ngoài chiếc chậu. Các định luật của chúng thì phức tạp hơn các

định luật trong hệ quy chiếu của chúng ta, nhƣng tính đơn giản chỉ là vấn đề

nếm trải. Nếu một con cá vàng có thể xây dựng một công thức nhƣ vậy,

chúng ta đáng ra vẫn phải công nhận cái nhìn của cá vàng nhƣ là một bức

tranh có hiệu lực về thực tại.

Một thí dụ nổi tiếng trong những bức tranh khác biệt nhau về thực tại là

mô hình đƣợc giới thiệu vào khoảng năm 150 bởi Ptolemy (khoảng 85-

khoảng 165) để miêu tả chuyển động của các thiên thể, Ptolemy xuất bản

công trình của mình trong một chuyên thƣ mƣời ba quyển thƣờng đƣợc biết

đến dƣới tên gọi Ả Rập của nó, Almagest. Bộ Almagest bắt đầu bằng cách

giải thích các lý do cho việc nghĩ trái đất là hình cầu, bất động và đƣợc đặt

tại trung tâm vũ trụ. Mặc cho mô hình nhật tâm của Aristarchus, các niềm tin

đó đã đƣợc giữ lấy bởi hầu hết những ngƣời Hy Lạp có học ít nhất từ thời

Aristotle, ngƣời đã tin rằng bằng những lý do huyền bí mà trái đất nên ở

25

trung tâm của vũ trụ. Trong mô hình của Ptolemy trái đất đứng yên ở trung

tâm và các hành tinh và ngôi sao di chuyển chung quanh nó theo những quỹ

đạo phức tạp liên quan tới những tạp luân, nhƣ những vòng xoay trên những

vòng xoay.

Mô hình này có vẻ tự nhiên vì ta không cảm thấy trái đất dƣới chân

mình chuyển động (trừ những khi động đất hay những khoảnh khắc sân si).

Những học vấn sau này ở châu Âu đều dựa trên các nguồn của Hy Lạp

đƣợc truyền lại, nên các tƣ tƣởng của Aristotle và Ptolemy đã trở thành nền

tảng cho phần nhiều trong tƣ duy phƣơng Tây. Mô hình về vũ trụ của

Ptolemy đã đƣợc tiếp nhận bởi nhà thờ Công Giáo và đƣợc thiết đặt thành

chủ nghĩa chính thức suốt mƣời bốn thế kỉ. Phải mãi tới năm 1543 thì một

mô hình thay thế mới đƣợc đề xuất bởi Copernicus trong quyển sách của

ông De revolutionibus orbium coelestium (Bàn về cuộc Cách mạng của các

thiên cầu), xuất bản chỉ ngay năm ông ta mất (dù ông đã làm việc với lý

thuyết này trong mấy thập kỉ).

Copernicus, nhƣ Aristarchus chừng mƣời bảy thế kỉ trƣớc, mô tả thế

giới trong đó mặt trời đứng yên và các hành tinh sắp xếp xung quanh nó trên

những quỹ đạo tròn. Dù ý tƣởng chẳng mới, sự hồi sinh của nó đã vấp phải

sự phản kháng mạnh mẽ. Mô hình Copernicus bị tuyên là nghịch với Kinh

Vũ trụ theo Ptolemy Trong cái nhìn của Ptolemy, chúng ta sống

ở trung tâm vũ trụ

26

Thánh, vốn đƣợc dẫn giải là đã nói rằng các hành tinh chuyển động xung

quanh trái đất, dù Kinh Thánh chƣa bao giờ tuyên bố rõ ràng điều đó. Trong

thực tế, lúc Kinh Thánh đƣợc viết ra ngƣời ta vẫn còn tin là mặt đất phẳng.

Mô hình Copernicus dẫn tới một cuộc tranh cãi nảy lửa rằng có không việc

Trái Đất đứng yên, đáo chung bằng phiên tòa xét xử Galileo về tội dị giáo

vào năm 1633 cho việc ủng hộ mô hình Copernicus, và cho việc nghĩ “rằng

ai đó có thể nắm giữ và biện hộ cho một ý tƣởng là đúng sau khi nó đã đƣợc

tuyên bố và định nghĩa trong Thánh Kinh.” Ông bị tuyên có tội, bị giam lỏng

tại nhà suốt quãng đời còn lại, và bị buộc công khai rút lại ý tƣởng. Ông

đƣợc kể lại là đã lầm bầm trong hơi thở của mình “Eppur si mouve,” “Nhƣng

nó vẫn động.” Năm 1992 Nhà thờ Công giáo La Mã công nhận họ đã sai khi

kết tội Galileo.

Vậy đâu mới là thực, hệ thống kiểu Ptolemy hay Copernicus? Dù là

không lạ gì ai đó nói Copernicus đã chứng minh Ptolemy sai, điều đó là

không đúng. Giống nhƣ trƣờng hợp về cái nhìn bình thƣờng của chúng ta và

cái nhìn của cá vàng, ngƣời ta có thể dùng bất kì bức tranh nào làm mô hình

cho vũ trụ, nên các quan sát của chúng ta về thƣợng giới có thể đƣợc giải

thích bằng giả thiết hoặc trái đất hoặc mặt trời đứng yên. Mặc cho vai trò của

nó trong các tranh cãi triết học về bản chất của vũ trụ, lợi thế thực sự của hệ

Copernicus chỉ đơn giản là các phƣơng trình chuyển động sẽ đơn giản hơn

nhiều trong hệ quy chiếu với mặt trời đứng yên. Một loại khác về thực tại

thay thế xảy ra trong bộ phim khoa học viễn tƣởng Ma Trận, trong đó loài

ngƣời bằng cách nào đó đang sống trong một thực tại ảo giả lập tạo ra bởi

các máy tính có trí tuệ đễ giữ họ ôn hòa và đƣợc thỏa mãn trong khi những

chiếc máy tính hút điện sinh học từ họ (hay là gì cũng đƣợc). Có lẽ điều này

cũng không quá viễn vông, bởi vì nhiều ngƣời vẫn thích dành thời gian cho

thực tại ảo trên các website giống nhƣ Cuộc Sống Thứ Hai. Làm sao ta biết

ta không phải chỉ là những nhân vật trong một bộ phim truyền hình phát trên

máy tính? Nếu chúng ta sống trong một thế giới giả lập đƣợc tổng hợp, các

sự việc sẽ không cần thiết có logic hay phi mâu thuẫn hay tuân theo các định

luật. Những ngoại thể nắm kiểm soát có thể thấy thú vị hay hài hƣớc khi

quan sát các phản ứng của chúng ta khi, ví dụ nhƣ, mặt trăng tách làm đôi,

hay mọi ngƣời ăn kiêng trên thế giới phát triển một sự thèm thuồng không

kiểm soát nổi đối với bánh kem chuối. Nhƣng nếu những ngoại thể ấy thực

sự áp đặt các định luật phi mâu thuẫn, không cách nào ta có thể nói đƣợc là

có một thực tại đằng sau cái giả lập. Rất dễ để nói rằng cái thế giới các

ngoại thể đó đang sống là thế giới “thực” và thế giới đƣợc tổng hợp là “giả”.

27

Nhƣng nếu – nhƣ ta – các thực thể trong thế giới giả lập không thể nhìn vào

vũ trụ của họ từ bên ngoài, sẽ không có lý do để họ nghi ngờ bức tranh của

chính họ về thực tại. Đây là một phiên bản hiện đại về ý tƣởng mà tất cả

chúng ta đều là những hình ảnh trong giấc mơ của ngƣời khác.

Đây là những thí dụ mang chúng ta đến một kết luận quan trọng trong

quyển sách này: Không có một bức tranh – hay khái niệm độc lập lý thuyết

về thực tại. Thay vào đó chúng ta sẽ tiếp nhận quan điểm mà ta gọi là thực

tại phụ thuộc mô hình luận: ý tƣởng rằng một lý thuyết vật lý hay bức tranh

thế giới là một mô hình (thƣờng là về bản chất toán học) và một tập hợp các

quy tắc liên hệ các yếu tố của mô hình với các quan sát. Điều này cung cấp

một cơ cấu mà cùng với nó ta sẽ đi diễn giải khoa học hiện đại.

Các triết gia từ Plato về sau đã tranh cãi bao năm về bản chất của thực

tại. Khoa học cổ điển đều dựa trên niềm tin rằng có một thế giới thực tại ở

bên ngoài với các đặc tính xác định và độc lập với ngƣời quan sát đang

nhận thức nó. Theo khoa học cổ điển, các đối tƣợng cụ thể tồn tại và có các

đặc tính vật lý, tỉ nhƣ tốc độ và khối lƣợng, vốn có những giá trị xác định cụ

thể. Theo quan điểm này các giả thuyết của chúng ta là những nỗ lực để mô

tả các đối tƣợng đó và đặc tính của chúng, và các đo đạc và nhận thức của

chúng ta tƣơng ứng với chúng. Cả ngƣời quan sát và vật bị quan sát là các

phần của một thế giới có sự tồn tại khách quan, và bất cứ sự rạch ròi nào

giữa chúng đều không có tầm quan trọng có nghĩa. Nói một cách khác, nếu

bạn thấy một đàn ngựa vằn tranh nhau một chỗ trong bãi đỗ, đó là vì thực sự

có một bầy ngựa vằn tranh nhau một chỗ trong bãi đỗ. Tất thảy các ngƣời

quan sát đang nhìn sẽ đo đạc cùng các đặc tính, và đàn ngựa sẽ có cùng

28

các đặc tính đó bất kể có ai đang quan sát chúng hay không. Trong triết học

niềm tin đó gọi là thuyết duy thực.

Dù thuyết duy thực có vẻ là một quan điểm cuốn hút, nhƣ ta sẽ thấy sau

này, những gì ta biết về vật lý hiện đại khiến nó khó mà biện hộ đƣợc. Ví dụ,

theo những nguyên lý của vật lý lƣợng tử, vốn là một miêu tả chính xác về tự

nhiên, một hạt không vừa không có một vị trí xác định vừa không có một vận

tốc xác định trừ phi và tới khi các đại lƣợng này đƣợc đo bởi một ngƣời quan

sát. Cho nên không đúng khi nói rằng phép đo đó đƣa ra một kết quả chắc

chắn bởi vì đại lƣợng đƣợc đo có giá trị đó tại thời điểm của phép đo. Thực

tế, trong một số trƣờng hợp các đối tƣợng cá biệt còn không có một sự tồn

tại độc lập mà là tồn tại chỉ nhƣ một phần của một đồng thể nhiều phần. Và

nếu nhƣ một giả thuyết gọi là nguyên lý ảnh nổi đƣợc chứng minh đúng, ta

và thế giới bốn chiều của chúng ta có lẽ rủ bóng trên biên của một không-

thời gian năm chiều rộng hơn. Trong trƣờng hợp đó, tình trạng của chúng ta

trong vũ trụ cũng sẽ tƣơng tự nhƣ của con cá vàng.

Các nhà duy thực nghiêm khắc thƣờng tranh cãi rằng bằng chứng mà

các lý thuyết khoa học đại diện cho thực tại nằm trong thành công của họ.

Nhƣng những lý thuyết khác nhau có thể miêu tả thành công cùng các hiện

tƣợng từ các cơ cấu có khái niệm dị biệt. Thực tế, nhiều lý thuyết khoa học

đã chứng minh thành công sau đó đƣợc thay thế bởi lý thuyết khác, những lý

thuyết tƣơng đƣơng dựa trên những khái niệm hoàn toàn khác về thực tại.

Theo truyền thống những ngƣời không chấp nhận thuyết duy thực bị gọi

là những ngƣời kháng thực. Những ngƣời kháng thực đòi hỏi một sự rạch ròi

giữa kiến thức thực nghiệm và kiến thức lý thuyết. Một cách tiêu biểu họ

tranh luận rằng quan sát và thí nghiệm đều có ý nghĩa nhƣng các lý thuyết

không là gì hơn ngoài các công cụ hữu dụng mà không đại diện bất kì chân lí

sâu hơn nào có thể là nền tảng của các hiện tƣợng đƣợc quan sát. Một vài

ngƣời kháng thực còn thậm chí muốn cách ly khoa học khỏi những thứ

không thể đƣợc quan sát. Vì lẽ đó, nhiều ngƣời trong thế kỉ mƣời chín

khƣớc từ ý tƣởng về nguyên tử trên lập trƣờng là ta không bao giờ có thể

thấy một hạt. George Berkeley (1685 – 1753) thậm chí còn đi xa hơn khi nói

rằng không gì tồn tại ngoài tƣ duy và các ý tƣởng của nó. Khi một ngƣời bạn

mách với tác gia và nhà viết từ điển ngƣời Anh TS. Samuel Johnson (1709-

1784) rằng tuyên bố của Berkeley không thể bị bác bỏ, Johnson đƣợc kể là

đã đáp lại bằng cách bƣớc tới 1 hòn đá to, đá nó, và tuyên bố, “Tôi bác bỏ

nó đây.” Dĩ nhiên cơn đau mà TS. Johson trải nghiệm ở chân ông cũng là

29

một ý tƣởng trong đầu ông ta, nên ông đã không thực sự phủ định các ý

tƣởng của Berkeley. Nhƣng hành động của ông đã minh họa cho quan điểm

của triết gia David Hume (1711 – 1776), ngƣời đã viết rằng dù chúng ta

không có lập trƣờng có lý lẽ nào để tin vào một thực tại khách quan, chúng

ta cũng không có lựa chọn nào ngoài hành xử nhƣ nó là có thật.

Thực tại phụ thuộc mô hình luận ngắn mạch tất cả các tranh luận và

thảo luận giữa hai trƣờng phái tƣ duy duy thực và kháng thực.

Theo thực tại phụ thuộc mô hình luận, sẽ là vô ích khi đi hỏi có không

một mô hình thực, mà chỉ cần có không việc mô hình đó đồng thuận với

quan sát. Nếu có cả hai mô hình cùng đồng thuận với quan sát, thì không ai

có thể nói cái nào thực hơn cái nào. Ngƣời ta có thể dùng bất kì mô hình nào

tiện lợi hơn trong từng tình huống theo đánh giá. Ví dụ, nếu một ngƣời đang

ở trong chậu, bức tranh của cá vàng sẽ hữu dụng, nhƣng với những ngƣời ở

bên ngoài, nó sẽ rất rầy rà khi mô tả các sự kiện ở một thiên hà heo một hệ

quy chiếu của một chiếc chậu trên trái đất, đặc biệt khi chiếc chậu còn đang

di chuyển cùng trái đất trên quỹ đạo xung quanh mặt trời và lại còn xoay

quanh trục của nó.

Chúng ta tạo ra các mô hình trong khoa học, nhƣng chúng ta còn tạo ra

chúng trong cuộc sống hằng ngày. Thực tại phụ thuộc mô hình luận áp dụng

không chỉ cho các mô hình khoa học mà còn cho các mô hình tinh thần có ý

thức và không ý thức mà chúng ta thảy đều tạo ra nhằm diễn giải và hiểu

đƣợc thế giới hằng ngày. Không có cách nào để loại bỏ ngƣời quan sát –

chúng ta – khỏi nhận thức của chính chúng ta về thế giới, vốn đƣợc tạo ra

thông qua các xử lý bằng giác quan và thông qua cách chúng ta suy nghĩ và

“Cả hai vị đều có điểm chung. TS. Davis vừa phát hiện một hạt chƣa ai

từng thấy và GS. Higbe vừa phát hiện một thiên hà chƣa ai từng thấy.”

30

lý luận. Nhận thức của chúng ta – và do đó quan sát của chúng ta lên cái mà

các giả thuyết của chúng ta dựa trên – là không trực tiếp, mà thay vào đó

đƣợc định hình bằng một loại thấu kính, cấu trúc diễn giải của bộ não con

ngƣời.

Thực tại phụ thuộc mô hình luận tƣơng ứng cách chúng ta nhận thức

các đối tƣợng. Với thị giác, bộ óc của một ngƣời nhận một chuỗi các tín hiệu

truyền xuống các dây thần kinh thị giác. Các tín hiệu này không kiến tạo nên

loại hình ảnh bạn sẽ chấp nhận trên truyền hình. Có một điểm mù nơi các

dây thần kinh thị giác kết nối vào nhãn cầu, và phần duy nhất trong trƣờng

thị giác của bạn có độ phân giải tốt là một khu vực hẹp khoảng một độ của

góc nhìn chung quanh trung tâm của nhãn cầu, một vùng rộng bằng ngón cái

của bạn khi duỗi thẳng cánh tay. Và do thế dữ liệu thô gửi tới não giống nhƣ

một bức hình toàn điểm ảnh với một cái lỗ ở trong. May mắn thay, bộ não

ngƣời xử lý dữ liệu đó, kết hợp tín hiệu vào từ cả hai mắt, lấp đầy các chỗ

trống với giả định là các đặc tính thị giác của các vị trí lân cận thì tƣơng tự và

chèn cho nhau. Hơn nữa, nó đọc một dãy hai chiều các dữ liệu từ nhãn cầu

và tạo ra từ đó ấn tƣợng về một không gian ba chiều. Bộ não, nói cách khác,

đi xây dựng một bức tranh tinh thần hay một mô hình.

Bộ não xây dựng mô hình quá khéo tới nỗi nếu ngƣời ta đƣợc lắp một

cặp kính có thể xoay hình ảnh trong mắt họ lộn ngƣợc xuống, bộ não, sau

một thời gian, thay đổi mô hình nhờ vậy họ có thể nhìn đƣợc mọi thứ lật

đúng lên trở lại. Nếu cặp kính đƣợc lấy đi, ngƣời ta sẽ thấy thế giới bị lật

ngƣợc trong một chốc, rồi điều chỉnh trở lại. Điều này cho thấy ý nghĩa của

việc khi một ngƣời nói “Tôi thấy một chiếc ghế” chỉ là vì ngƣời ấy đã dùng

ánh sáng tán xạ từ chiếc ghế để xây dựng một hình ảnh tinh thần hay mô

hình về chiếc ghế. Nếu mô hình là lộn ngƣợc từ trên xuống, hãy cầu may

cho bộ não của ai đó kịp điều chỉnh nó trƣớc khi có ai thử ngồi lên chiếc ghế.

Một vấn đề khác mà thực tại phụ thuộc mô hình luận giải quyết, hay chí

ít cũng tránh đƣợc, là ý nghĩa của sự tồn tại. Làm sao tôi biết rằng một chiếc

bàn vẫn tồn tại khi tôi đi ra khỏi phòng và không thể thấy nó? Nó có nghĩa lý

gì khi nói những thứ chúng ta không thể thấy, nhƣ các electron hay quark –

những hạt đƣợc bảo là tạo nên proton và neutron – tồn tại? Ai đó có thể có

một mô hình trong đó chiếc bàn biến mất khi tôi rời phòng và hiện ra lại ở

cùng vị trí khi tôi quay lại, nhƣng đó sẽ trông khập khiễng, và nếu có gì xảy

ra khi tôi ở ngoài, nhƣ trần nhà sụp xuống chẳng hạn? Làm thế nào, với mô

hình cái-bàn-biến-mất-khi-tôi-rời-phòng, tôi có thể giải đáp thực tế là lần tiếp

31

theo tôi đi vào, cái bàn lại hiện ra tan nát, dƣới đống xà bần của trần nhà?

Mô hình trong đó chiếc bàn vẫn đặt đó thì đơn giản hơn nhiều và đồng thuận

với quan sát. Đó là tất cả những gì một ngƣời có thể đòi hỏi.

Trong trƣờng hợp của các hạt dƣới nguyên tử mà ta không thể thấy,

các electron là một mô hình để giải thích cho các quan sát nhƣ các vệt trong

khoang sƣơng hay các điểm sáng trên ống đèn hình ti vi, cũng nhƣ nhiều

hiện tƣợng khác. Chuyện kể lại rằng electron đã đƣợc phát hiện vào năm

1897 bởi nhà vật lý ngƣời Anh J.J Thomson tại Phòng thí nghiệm Cavendish

ở Đại học Cambridge. Ông đang làm thí nghiệm với các dòng điện bên trong

các ống kính rỗng, một hiện tƣợng đƣợc biết nhƣ là tia cathode. Các thí

nghiệm của ông dẫn tới một kết luận táo bạo rằng các tia bí ẩn đƣợc cấu

thành từ các “vi thể” là các cấu tử của các nguyên tử, vốn vẫn đƣợc tin là

đơn vị cơ sở không thể chia tách của vật chất. Thomson đã không “thấy” một

electron, phỏng đoán của ông cũng không đƣợc khẳng định một cách trực

tiếp hoặc tƣờng minh bằng những thí nghiệm của ông. Nhƣng mô hình đã

chứng minh tính chủ đạo trong các ứng dụng từ khoa học cơ bản tới kĩ thuật,

và ngày nay tất cả các nhà vật lý tin vào các electron, dù cho bạn không thể

thấy chúng.

Các hạt quark, mà ta cũng chẳng thể thấy, là một mô hình để giải thích những đặc tính của các proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử. Dẫu các proton và neutron đƣợc nói là tạo thành từ các quark, chúng ta sẽ không bao giờ thấy một quark vì lực liên kết giữa các quark tăng theo sự chia tách,

Các Tia Cathode Chúng ta không thể thấy các electron cá biệt, nhƣng

chúng ta có thể thấy các hiệu ứng chúng tạo ra.

32

cho nên các quark biệt lập, tự do không thể tồn tại trong tự nhiên. Thay vào đó, chúng luôn tồn tại theo những nhóm ba (tạo thành proton hay neutron), hoặc các cặp đôi của một quark và một phản quark (các hạt meson pi), và biểu hiện giống nhƣ chúng đƣợc nối nhau bởi các sợi dây thun.

Câu hỏi liệu nó có nghĩa lý không khi nói các quark thực sự tồn tại nếu bạn không bao giờ có thể cô lập một hạt đã từng là một vấn đề gây tranh cãi những năm đầu sau khi nó đƣợc đề xuất. Ý tƣởng rằng các hạt nhất định đƣợc tạo nên từ những tổ hợp một vài hạt dƣới-dƣới hạt nhân cung cấp một nguyên lý ngăn nắp để từ đó rút ra một giải thích cuốn hút và đơn giản cho các đặc tính của chúng. Nhƣng dù các nhà vật lý đã dần quen việc chấp nhận các hạt vốn chỉ đƣợc suy luận ra sự tồn tại nhờ vào các chớp nháy thống kê trong dữ liệu liên quan tới các sự tán xạ của các hạt, ý tƣởng gán thực tại cho một hạt mà, theo nguyên tắc, là không thể quan sát đƣợc thật khó cam với nhiều nhà vật lý. Theo năm tháng, dẫu vậy, khi mô hình quark dẫn tới càng ngày càng nhiều các dự đoán chính xác, sự đối lập ấy phai nhạt dần. Một điều chắc chắn có thể là khi một vài sinh vật ngoài hành tinh với mƣời bảy cánh tay, mấy con mắt hồng ngoại và tập tính phun kem đánh bông khỏi lỗ tai cũng thực hiện các quan sát thí nghiệm tƣơng tự nhƣ chúng ta, nhƣng sẽ mô tả chúng mà không dùng tới các quark. Cho dù vậy, theo thuyết lý thực tại phục thuộc mô hình, các quark tồn tại trong một mô hình

đồng thuận với các quan sát của chúng ta về hành vi của các hạt dƣới hạt nhân. Thực tại phụ thuộc mô hình luận có thể cung cấp một cơ cấu để thảo luận các câu hỏi kiểu nhƣ: Nếu thế giới đƣợc tạo ra cách đây một khoảng thời gian xác định, điều gì đã xảy ra trƣớc đó? Một triết gia Thiên Chúa giáo thời sơ khai, Thánh Augustine (354 – 430), nói rằng câu trả lời không phải là Chúa đi chuẩn bị địa ngục dành riêng cho những ai hỏi mấy câu giống nhƣ vậy, mà là thời gian là một đặc tính của thế giới mà Chúa tạo ra và thời gian không tồn tại trƣớc thời điểm sáng tạo, vốn ông tin rằng đã diễn ra cách đó không lâu. Đó là một mô hình khả dĩ, vốn đƣợc bênh vực bởi những ngƣời duy trì niềm tin rằng mô tả trong kinh Khởi Nguyên là đoan chắc đúng mặc dù thế giới chứa đựng các hóa thạch và các bằng chứng khác khiến cho nó trông lâu đời hơn nhiều. (Họ đặt chúng đó để lòe ta chăng?) Một ngƣời có thể có một mô hình khác, trong đó thời gian liên tục ngƣợc lại cách đây 13,7 tỉ năm tới tận vụ nổ lớn. Mô hình có thể giải thích hầu hết trong các quan sát hiện tại, bao gồm các chứng cứ địa kiến tạo và lịch sử, là đại diện tốt nhất chúng ta có về quá khứ. Mô hình thứ hai này có thể giải thích các thu thập phóng xạ và hóa thạch và thực tế là chúng ta nhận đƣợc ánh sáng từ các thiên hà cách chúng ta hàng triệu năm ánh sáng, vì vậy mô hình này – thuyết vụ nổ lớn – thì hữu dụng hơn mô hình đầu tiên. Dù vậy, không mô hình nào có thế nói là thực hơn cái còn lại.

33

Một số ngƣời ủng hộ một mô hình trong đó thời gian lùi lại thậm chí xa

hơn vụ nổ lớn. Nó còn chƣa rõ ràng nếu một mô hình trong đó thời gian liên

tục trƣớc cả vụ nổ lớn sẽ tốt hơn khi giải thích các quan sát hiện tại vì nó có

vẻ nhƣ các định luật về tiến hóa của vũ trụ sẽ vô hiệu tại vụ nổ lớn. Nếu

đúng vậy, sẽ chẳng có nghĩa lý gì để tạo ra một mô hình trong đó thời gian

trải ra trƣớc cả vụ nổ lớn, bởi vì những gì xảy ra tại đó sẽ chẳng có những

kết quả quan sát đƣợc cho hiện tại, vì vậy chúng ta cũng có lẽ sẽ bám lấy ý

tƣởng rằng vụ nổ lớn chính là điểm sáng tạo của thế giới.

Một mô hình tốt là một mô hình:

1. Thanh thoát.

2. Ít chứa những yếu tố tùy tiện cũng nhƣ có thể điều chỉnh.

3. Đồng thuận giải thích cho tất cả cả các quan sát đang tồn tại.

4. Tạo ra những dự đoán chi tiết về các quan sát trong tƣơng lai mà

có thể phản chứng hay phủ nhận mô hình nếu chúng không đƣợc

xác nhận.

Ví dụ nhƣ, giả thuyết của Aristotle rằng thế giới đƣợc tạo nên từ bốn

yếu tố, đất, khí, lửa và nƣớc, và rằng các đối tƣợng hành động để hoàn

thành mục đích của chúng là thanh thoát và không chứa các yếu tố có thể

điều chỉnh. Nhƣng trong nhiều trƣờng hợp nó không tạo ra các dự đoán xác

định, và khi nó dự đoán, các dự đoán không phải luôn luôn đồng thuận với

Các Quark Khái niệm về quark là một yếu tố cốt yếu trong các lý

thuyết vật lý cơ bản của chúng ta mặc dù các quark tách biệt không thể

quan sát đƣợc.

34

quan sát. Một trong những dự đoán này là các đối tƣợng nặng hơn sẽ rơi

nhanh hơn vì mục đích của chúng là rơi. Có vẻ nhƣ chẳng ai đã nghĩ rằng nó

quan trọng để đi kiểm tra điều này cho tới khi có Galileo. Có một câu truyện

rằng ông đã kiểm tra nó bằng cách thả rơi các vật nặng từ Tháp Nghiêng

Pisa. Đây hẳn là chuyện đƣợc thêu dệt. Nhƣng chúng ta biết chắc ông đã

thả lăn các vật nặng trên một mặt dốc xuống và quan sát thấy chúng đều

tăng tốc với cùng tỉ lệ, đối nghịch với dự đoán của Aristotle.

Những tiêu chí trên thì rõ ràng là chủ quan. Sự thanh thoát, lấy làm ví

dụ, không phải thứ dễ dàng đo đạc, nhƣng nó đƣợc tƣởng thƣởng cao giữa

các nhà khoa học bởi vì các định luật tự nhiên thì phải nén một cách có gói

ghém các trƣờng hợp cụ thể về một công thức đơn giản. Sự thanh thoát liên

quan tới hình thức của giả thuyết, nhƣng nó cũng liên quan chặt chẽ tới việc

có ít những yếu tố có thể điều chỉnh, do lẽ một lý thuyết nhét đầy các nhân tố

chấp vá sẽ chẳng mấy thanh thoát. Tóm gọn lời Einstein, một lý thuyết nên

càng đơn giản càng tốt, nhƣng không đơn giản hơn. Ptolemy cho thêm các

tạp luân vào các quỹ đạo tròn của của các thiên thể nhằm khiến mô hình của

ông có thể mô tả chính xác chuyển động của chúng. Mô hình đáng ra còn có

thể đƣợc làm chính xác hơn bằng cách thêm các tạp luân cho các tạp luân,

hay thậm chí hàng loạt tạp luân vào đó. Dù sự phức tạp thêm vào có thể làm

cho mô hình thêm chính xác, các nhà khoa học nhận xét một mô hình vặn

vẹo cho hợp với một tập hợp các quan sát là không thỏa mãn, giống nhƣ

một danh mục các dữ liệu hơn là một lý thuyết đại diện bất kì nguyên lý hữu

dụng nào. Chúng ta sẽ thấy trong Chƣơng 5 rằng nhiều ngƣời coi “mô hình

tiêu chuẩn”, vốn mô tả các tƣơng tác của các hạt nguyên tố của tự nhiên là

không thanh thoát. Mô hình đó thành công hơn nhiều so với các tạp luân của

Ptolemy. Nó dự đoán sự tồn tại của nhiều hạt mới trƣớc khi chúng đƣợc

quan sát, và dự đoán kết quả của vô số thí nghiệm qua nhiều thập kỉ với một

sự chính xác tuyệt vời. Nhƣng nó chứa hàng tá những thông số có thể điều

chỉnh mà giá trị phải đƣợc chỉnh cho hợp với quan sát, thay vì đƣợc xác định

bằng chính bản thân lý thuyết.

Nói về điểm thứ thƣ, các nhà khoa học luôn bị ấn tƣợng khi những dự

đoán mới và gây choáng váng đƣợc chứng minh chính xác. Ngƣợc lại, khi

một mô hình bị nhận thấy có thiếu hụt, một phản ứng chung là ta nói thí

nghiệm đã sai. Nếu đó không chứng tỏ ra vấn đề, ngƣời ta thƣờng không

vứt bỏ lý thuyết mà thay vào đó nỗ lực cứu vãn nó bằng những hiệu chỉnh.

Dù cho các nhà khoa học thực sự nhẫn nại trong nỗ lực giải cứu những lý

35

thuyết họ ngƣỡng mộ, xu hƣớng hiệu chỉnh các giả thuyết phai nhạt dần

theo mức độ khi sự thay thế trở nên nhân tạo hay cồng kềnh, và do đó

“không thanh thoát”. Nếu những hiệu chỉnh cần cho dung nạp những quan

sát mới trở nên quá kì cục, điều đó ra hiệu cho sự cần thiết về một mô hình

mới. Một thí dụ về một mô hình cũ phải chịu nhƣờng bƣớc dƣới sức nặng

của các quan sát mới là ý tƣởng về một vũ trụ tĩnh. Vào thập niên 1920,

phần lớn các nhà khoa học tin rằng vũ trụ là tĩnh, hay kích thƣớc không đổi.

Thế rồi, năm 1929, Edwin Hubble, xuất bản những quan sát của ông cho

thấy rằng vũ trụ đang giãn nở. Ông đã quan sát ánh sáng phát ra từ các

thiên hà. Ánh sáng đó mang một chữ kí đặc trƣng, hay phổ, dựa trên cấu tạo

của mỗi thiên hà, vốn thay đổi một lƣợng biết trƣớc nếu thiên hà đang

chuyển động tƣơng đối so với chúng ta. Từ đó, bằng cách phân tích các phổ

từ các thiên hà xa xôi, Hubble đã có thể xác định vận tốc của chúng. Ông đã

trông đợi có thể tìm đƣợc số thiên hà chuyển động rời xa cũng nhƣ tiến tới

chúng ta nhƣ nhau. Thay vào đó, ông nhận ra rằng gần nhƣ tất cả các thiên

hà đều chuyển động rời xa khỏi chúng ta, và càng cách xa chúng ta, chúng

càng dịch chuyển nhanh hơn. Hubble kết luận rằng vũ trụ đang giãn nở,

nhƣng có những ngƣời khác, cố gắng bảo vệ cho mô hình trƣớc đó, đã nỗ

lực giải thích cho những quan sát của ông dƣới khung cảnh của một vũ trụ

tĩnh. Ví dụ, một nhà vật lý của Caltech Fritz Zwicky đề xuất rằng bằng một lý

do chƣa biết ánh sáng sẽ từ từ mất đi năng lƣợng khi nó chu du qua những

khoảng cách lớn. Sự sụt giảm năng lƣợng này tƣơng ứng với sự thay đổi

quang phổ, mà Zwicky gợi ý rằng có thể bắt chƣớc ra các quan sát của

Hubble. Nhƣng mô hình tự nhiên nhất vẫn là của Hubble, về một vũ trụ đang

giãn nở, và nó đã tiến đến là mô hình đƣợc chấp nhận.

Trong sứ mệnh của chúng ta để tìm ra những định luật chi phối vũ trụ

chúng ta đã xây dựng một số những lý thuyết hay mô hình, nhƣ thuyết bốn

nguyên tố, mô hình kiểu Ptolemy, thuyết nhiên liệu, thuyết vụ nổ lớn, và vâng

vâng. Với mỗi lý thuyết hay mô hình, các khái niệm của chúng ta về thực tại

và về các cấu tử cơ bản của vũ trụ đã lại thay đổi. Ví dụ, xét giả thuyết về

ánh sáng. Newton nghĩ rằng ánh sáng đƣợc tạo nên từ các hạt nhỏ hay các

vi thể. Điều này có thể giải thích tại sao ánh sáng đi theo những đƣờng

thẳng, và Newton cũng dùng điều này để giải thích vì sao ánh sáng bị gập

hay khúc xạ khi nó truyền qua một trƣờng này sang môi trƣờng khác, nhƣ từ

khí sang thủy tinh hay từ thủy tinh hoặc khí sang nƣớc.

36

Tuy nhiên, các vi thể không thể dùng đƣợc để giải thích một hiện tƣợng

mà Newton chính ông đã quan sát đƣợc, mà bây giờ đƣợc biết đến nhƣ là

các vòng Newton. Đặt một thấu kính trên một bản phản chiếu và chiếu sáng

nó bằng ánh sáng đơn sắc, nhƣ ánh sáng hơi Natri. Nhìn từ trên xuống, một

ngƣời sẽ thấy một chuỗi các vòng sáng và tối đồng tâm tại nơi thấu kính tiếp

xúc mặt phẳng. Điều này sẽ khó có thể giải thích bằng thuyết ánh sáng hạt,

nhƣng có thể đƣợc lý giải trong lý thuyết sóng ánh sáng. Căn cứ theo thuyết

sóng ánh sáng, những vòng sáng và tối bị gây ra bởi một hiện tƣợng gọi là

giao thoa. Một sóng, giống nhƣ sóng nƣớc, bao gồm một chuỗi các đỉnh và

đáy. Khi các sóng va đập, nếu các đỉnh và đáy xảy ra tƣơng ứng, chứng

tăng cƣờng lẫn nhau, dẫn tới một sóng lớn hơn. Đó đƣợc gọi là giao thoa

tăng cƣờng. Trong trƣờng hợp đó hai sóng đƣợc bảo là “cùng pha”. Tại một

thái cực khác, khi các sóng gặp nhau, các đỉnh của một sóng sẽ trùng với

các đáy của sóng còn lại. Trong trƣờng hợp đó các sóng hủy lẫn nhau và

đƣợc bảo là “ngƣợc pha.” Tình huống đó đƣợc gọi là giao thoa triệt tiêu.

Trong các vòng Newton các vòng sáng xảy ra tại những khoảng cách

tính từ tâm tại đó cách biệt giữa thấu kính và bản phản chiếu làm cho ánh

sáng phản chiếu từ thấu kính sai biệt với ánh sáng phản chiếu từ bản bằng

một số nguyên lần (1,2,3…) bƣớc sóng, tạo nên giao thoa tăng cƣờng. (Một

bƣớc sóng là khoảng cách giữa một đỉnh hoặc đáy của một sóng tới cái kế

Sự khúc xạ Mô hình ánh sáng của Newton có thể giải thích tại sao

ánh sáng vị gập khi truyền qua các mội trƣờng, nhƣng nó không thể

giải thích một hiện tƣợng khác mà giờ ta gọi là các vòng Newton.

37

tiếp.) Các vòng tối, ngƣợc lại, xảy ra ở những khoảng cách tính từ tâm tại đó

cách biệt giữa hai sóng phản xạ là một số bán nguyên (1 2 , 11 2 , 21 2 ,…) các

bƣớc sóng, gây ra giao thoa triệt tiêu – sóng phản xạ từ thấu kinh hủy sóng

phản xạ từ bản.

Trong thế kỉ mƣời chín, điều này đã đƣợc lấy làm khẳng định cho thuyết sóng ánh sáng và chỉ ra rằng thuyết ánh sáng hạt đã sai. Tuy nhiên, đầu thế kỉ hai mƣơi Einstein chỉ ra hiệu ứng quang điện (ngày nay chúng ta dùng trong truyền hình và camera kĩ thuật số) có thể đƣợc giải thích bằng việc một hạt hay một lƣợng tử của ánh sáng đâm vào một nguyên tử và đánh bật ra một electron. Nhƣ vậy ánh sáng hành xử nhƣ cả hạt và sóng.

Khái niệm về sóng hẳn đã đi vào ý nghĩ của con ngƣời vì con ngƣời đã quan sát đại dƣơng, hay một vũng nƣớc sau khi một viên sỏi rơi vào đó.

Sự giao thoa giống nhƣ ngƣời ta, khi các sống gặp nhau

chúng thƣờng hoặc bổ trợ nhau hoặc hạn chế nhau.

38

Thực tế, nếu bạn có bao giờ thả hai viên sỏi vào một vũng nƣớc, bạn hẳn phải thấy sự giao thoa hoạt động, nhƣ trong bức hình bên trên. Những chất lỏng khác cũng đƣợc quan sát có hành vi theo kiểu tƣơng tự, ngoại trừ rƣợu nếu bạn dùng quá nhiều. Ý tƣởng về các hạt thì quen thuộc với những hòn đá, viên sỏi, và cát. Nhƣng lƣỡng tính sóng/hạt này – ý tƣởng về một đối tƣợng có thể vừa miêu tả nhƣ một hạt vừa nhƣ một sóng – thì nghe thật xa lạ đối với kinh nghiệm thƣờng ngày nhƣ ý tƣởng rằng bạn có thể uống hết một mớ cát.

Những lƣỡng tính kiểu này – các tình huống trong đó hai giả thuyết rất khác nhau mô tả chính xác cùng một hiện tƣợng – là không mâu thuẫn với thực tại phụ thuộc mô hình luận. Mỗi giả thuyết có thể mô tả và giải thích các đặc tính cụ thể, và không giả thuyết nào có thể đƣợc bảo là tốt hơn cái kia. Liên hệ tới các định luật chi phối vũ trụ, điều chúng ta có thể nói là: Có vẻ nhƣ không có một mô hình hay lý thuyết toán học đơn lẻ nào có thể mô tả mọi khía cạnh của vũ trụ. Thay vào đó, nhƣ chúng ta đã đề cập bên trên, có vẻ nhƣ tồn tại một mạng lƣới các lý thuyết gọi là thuyết M. Mỗi lý thuyết trong thuyết M có thể mô tả tốt các hiện tƣợng trong một giới hạn cụ thể. Bất kì đâu các giới hạn này gối chồng nhau, thì nhiều lý thuyết trong mạng lƣới sẽ đồng thuận, vì vậy chúng sẽ đƣợc bảo là các phần của cùng một lý thuyết. Nhƣng không một lý thuyết đơn lẻ nào trong mạng lƣới có thể mô tả tất cả khía cạnh của vũ trụ – tất cả các lực của tự nhiên, những hạt cảm ứng các lực này, và cơ cấu của không gian và thời gian trong đó tất thảy diễn ra. Dẫu tình huống này không hoàn thành đƣợc giấc mơ truyền thống của các nhà

Giao thoa vũng nước Khái niệm giao thoa xuất hiện trong cuộc sống

hằng ngày nhƣ các vùng nƣớc, từ cái vũng nƣớc tới các đại dƣơng

39

vật lý về một lý thuyết thống nhất đơn lẻ, nó đƣợc chấp nhận trong cơ cấu của thực tại phụ thuộc mô hình luận.

Chúng ta sẽ thảo luận về lƣỡng tính và thuyết M sâu hơn trong Chƣơng 5, nhƣng trƣớc khi chúng ta chuyển sang một nguyên lý cơ sở mà quan điểm hiện đại của chúng ta dựa trên đó: thuyết lƣợng tử, và cụ thể, hƣớng tiếp cận thuyết lƣợng tử gọi là các lịch sử thay thế. Trong quan điểm đó, vũ trụ không chỉ có một sự tồn tại đơn lẻ hay duy nhất, mà thay vào là mọi phiên bản có thể của vũ trụ tồn tại đồng thời trong cái gọi là siêu vị trí lƣợng tử. Điều đó có lẽ nghe cũng chƣớng tai nhƣ giả thuyết trong đó cái bàn biến mất bất cứ khi nào nào ta rời phòng, nhƣ trong trƣờng hợp này lý thuyết đó đã qua đƣợc mọi bài kiểm tra thí nghiệm mà nó từng bị xem xét.

40

41

IV

Vào năm 1999 một nhóm các nhà vật lý ở Áo đã bắn một chuỗi các

phân tử hình-quả-bóng-đá tới một màn chắn. Những phân tử này, mỗi cái tạo nên từ sáu mƣơi nguyên tử carbon, đôi khi đƣợc gọi là những quả bóng bucky vì chính kiến trúc sƣ Buckminster Fulller đã xây dựng những công

trình có hình dáng đó. Những mái vòm cầu hẳn là những đối tƣợng hình-quả-bóng-đá lớn nhất từng tồn tại. Còn các quả bóng bucky là thứ nhỏ nhất. Chiếc màn chắn mà các nhà khoa học nhắm tới, thực ra, có hai khe để qua đó các bóng bucky có thể đi qua. Phía bên kia bức tƣờng, các nhà vật lý đặt một vật tƣơng tự màn hình để thăm dò và đếm các phân tử tới.

Nếu chúng ta cần thiết đặt một thí nghiệm tƣơng tự bằng các quả bóng đá thật, ta sẽ phải cần một cầu thủ có phát nhắm hơi hơi cùn nhƣng với năng lực phóng các quả bóng một cách đều đặn ở một tốc độ do ta chọn. Chúng ta sẽ sắp đặt cầu thủ này trƣớc một bức tƣờng trên đó có hai hốc. Phía xa bên kia bức tƣờng, song song với nó, chúng ta sẽ đặt một chiếc lƣới rất dài. Phần lớn các cú sút của cầu thủ sẽ trúng bức tƣờng và bật lại, nhƣng một vài trong đó sẽ đi qua một không hai hốc, và tới đƣợc lƣới. Nếu hai hốc chỉ rộng hơn các quả bóng một xíu, hai luồn thẳng chuẩn sẽ ló dạng từ phía bên kia. Nếu hai hốc rộng thêm một chút nữa, mỗi luồn bóng sẽ xòe ra một chút, giống nhƣ trong hình bên dƣới.

Các quả bóng bucky Bóng bucky giống nhƣ nhữ quả bóng đá vi mô

làm từ các nguyên tử carbon.

42

Chú ý rằng khi ta đóng một trong hai hốc lại, luồn các quả bóng tƣơng ứng của nó sẽ không còn đi qua đƣợc, nhƣng điều này sẽ không gây ra tác động nào trên luồn còn lại. Nếu ta mở lại hốc thứ hai, điều đó chỉ làm tăng số bóng đáp tại điểm bất kì ở phía bên kia màn, vì ta sẽ có tất cả bóng đi qua cái hốc vốn vẫn còn mở, cộng tất cả bóng đến từ hốc mới vừa mở. Điều mà chúng ta thấy khi cả hai hốc điều mở, nói cách khác, là tổng của điều mà chúng ta thấy khi mỗi hốc đƣợc mở ra một cách tách biệt. Đó là thực tại chúng ta quen thuộc trong đời sống hằng ngày. Nhƣng đó không phải là những gì các nhà nghiên cứu ngƣời Áo tìm thấy khi họ bắn các phân tử.

Trong thí nghiệm ở Áo, mở thêm một hốc thực sự làm tăng số phân tử

đến một số điểm trên màn hinh – nhƣng nó làm giảm số lƣợng tại những điểm khác, nhƣ trong hình bên dƣới. Thực tế, có những điểm mà không có quả bóng bucky nào bay tới khi cả hai khe đƣợc mở mà chúng chỉ đáp lên khi chỉ một trong hai hốc đƣợc mở. Điều đó trông rất kì cục. Làm sao mở thêm một hốc thứ hai gây ra ít phân tử hơn bay đến một số điểm cụ thể?

Bóng đá hai khe Một cầu thủ đá bóng lên các khe trên bức tƣờng sẽ

tạo ra một mẫu hình rất dĩ nhiên.

43

Chúng ta có thể tìm đƣợc manh mối cho câu trả lời bằng các xem xét

chi tiết. Trong thí nghiệm, nhiều trong số các quả bóng đá phân tử bay tới một điểm ở trung tâm của cả vùng mà ta cho rằng các phân tử chỉ có thể đáp lên dù có đi qua khe nào. Xa hơn một chút khỏi vị trí trung tâm ấy có rất ít các phân tử bay tới, nhƣng từ chỗ đó đi xa trung tâm hơn một chút, các phân tử lại lần nữa đƣợc quan sát có bay tới. Kiểu hình này không phải là tổng các kiểu hình khi mỗi hốc đƣợc mở một cách tách biệt, nhƣng bạn có lẽ đã nhận ra nó trong Chƣơng 3 giống kiểu hình đặc trƣng của các sóng giao thoa. Các khu vực mà không có phân tử nào bay tới tƣơng ứng với các vùng tại đó các sóng phát ra từ hai hốc truyền tới ngƣợc pha và tạo nên giao thoa triệt tiêu; các khu vực có nhiều phân tử bay tới tƣơng ứng với các vùng có các sóng truyền cùng pha, và tạo nên giao thoa tăng cƣờng.

Trong hai nghìn năm đầu hay chừng ấy năm tƣ duy khoa học, kinh nghiệm bình thƣờng hay trực giác đã là nền tảng của giải thích lý thuyết. Khi chúng ta nâng cao công nghệ và mở rộng giới hạn của các hiện tƣợng chúng ta có thể quan sát, chúng ta bắt đầu thấy tự nhiên hành xử theo cách càng ngày càng ít phù hợp với kinh nghiệm thƣờng ngày và do đó với trực giác, nhƣ đã đƣợc chứng minh trong thí nghiệm với các quả bóng bucky. Thí nghiệm đó là tiêu biểu cho loại các hiện tƣợng không thể bao phủ bằng khoa học cổ điển mà phải đƣợc mô tả bằng cái gọi là vật lý lƣợng tử. Thực tế,

Richard Feynman đã viết rằng thí nghiệm khe kép nhƣ chúng ta đã mô tả phía trên “chứa đựng tất cả bí ẩn của vật lý lƣợng tử.”

Các nguyên lý của vật lý lƣợng tử đã đƣợc phát triển trong một vài thập kỉ đầu của thế kỉ hai mƣơi sau khi lý thuyết kiểu Newton bị phát hiện là không đáp ứng đƣợc cho việc mô tả bản chất của cấp độ nguyên tử – hay dƣới nguyên tử. Các lý thuyết nền tảng của vật lý mô tả các lực của tự nhiên và

Bóng đá Bucky Khi các quả bóng đá phân tử đƣợc bắn từ các khe tới

màn hình, hình mẫu cho kết quả phản ánh các định luật lƣợng tử kém

thân thuộc.

44

các đối tƣợng đáp ứng nhƣ thế nào với chúng. Các lý thuyết cổ điển giống nhƣ của Newton đƣợc xây dựng dựa trên một cơ cấu phản ảnh kinh nghiệm hằng ngày, trong đó các đối tƣợng vật chất có một sự tồn tại cá biệt, có thể định vị tại các vị trí xác định, đi theo những quỹ đạo xác định, và giống vậy. Vật lý lƣợng tử cung cấp một cơ cấu cho sự nắm bắt cách mà tự nhiên hành xử ở phạm vi nguyên tử hay dƣới nguyên tử, nhƣng nhƣ chúng ta sẽ thấy chi tiết hơn về sau, nó diễn tả một sơ đồ khái niệm khác biệt, trong đó vị trí, quỹ đạo và thậm chí cả quá khứ và tƣơng lai của một đối tƣợng đều không đƣợc xác định cụ thể. Các lý thuyết lƣợng tử về các lực nhƣ lực hấp dẫn hay lực điện từ đƣợc xây dựng từ trong cơ cấu đó.

Liệu các lý thuyết có thể đƣợc xây dựng dựa trên các cơ cấu quá xa lạ với kinh nghiệm thƣờng ngày cũng có thể giải thích các sự kiện hay kinh nghiệm bình thƣờng vốn đã đƣợc mô hình rất chính xác bởi vật lý cổ điển. Và dù các nguyên tử cấu thành tuân theo các nguyên lý của vật lý lƣợng tử, một ngƣời nào đó có thể chỉ ra rằng tập hợp lớn các nguyên tử tạo nên quả bóng đá, cây cải và máy bay cỡ lớn – và chúng ta – sẽ thực sự xoay sở để tránh đƣợc sự nhiễu xạ khi qua khỏi các khe. Vì vậy dù các thành phần của các đối tƣợng thƣờng ngày tuân theo vật lý lƣợng tử, các định luật của Newton hình thành một lý thuyết thực tiễn vốn mô tả rất chính xác cách các cấu trúc hình thành nên thế giới thƣờng ngày của chúng ta hành xử.

Đó nghe có vẻ lạ, nhƣng có nhiều ví dụ trong khoa học trong đó một tập thể lớn có vẻ hành xử theo một cung cách khác với hành vi của các thành phần cá biệt của nó. Đáp ứng của một neuron đơn lẻ khó mà báo trƣớc cho đáp ứng của bộ não con ngƣời, cũng nhƣ biết về một phân tử nƣớc không nói cho bạn nhiều về hành vi của một cái hồ. Trong trƣờng hợp của vật lý lƣợng tử, các nhà vật lý vẫn đang làm việc để suy ra làm thế nào các định luật của Newton sẽ ló dạng từ lãnh địa lƣợng tử. Điều mà chúng ta thật sự biết là các phần cấu thành của mọi đối tƣợng tuân theo các định luật của vật lý lƣợng tử, và các định luật kiểu Newton là một xấp xỉ tốt cho việc mô tả cách các đối tƣợng vĩ mô tạo nên từ các thành phần lƣợng tử cƣ xử.

Các dự đoán của lý thuyết kiểu Newton vì vậy phù hợp với cái nhìn về thực tại mà chúng ta đã phát triển nên khi chúng ta trải nghiệm thế giới chung quanh. Nhƣng các nguyên tử và phân tử cá biệt hoạt động trong một cách thức khác biệt sâu sắc so với cách thức trong kinh nghiệm hàng ngày của chúng ta. Vật lý lƣợng tử là một mô hình mới về thực tại mang đến cho chúng ta một bức tranh về vũ trụ. Nó là một bức tranh trong đó nhiều khái niệm cơ sở cho hiểu biết trực giác của chúng ta về thực tại không còn ý nghĩa nữa. Thí nghiệm khe kép đã đƣợc thực hiện lần đầu vào năm 1927 bởi Clinton Davisson và Lester Germer, các nhà khoa học thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Bell vốn đang nghiên cứu làm cách nào một chùm các electron – các đối tƣợng đơn giản hơn các quả bóng bucky nhiều – tƣơng tác với một tinh thể làm từ nickel. Thực tế rằng các hạt vật chất giống nhƣ các electron cƣ xử giống nhƣ các sóng nƣớc đã trở thành một loại thí

45

nghiệm gây sững sốt và điều đó đã truyền cảm hứng cho vật lý lƣợng tử. Bởi vì hành vi này không đƣợc quan sát trên một phạm vi vĩ mô, các nhà khoa học đã từ lâu băn khoăn rằng một vật lớn và phức tạp bao nhiêu thì còn và có thể trình diễn đƣợc các đặc tính dạng sóng giống vậy. Nó sẽ là một cơn khuấy động nếu hiệu ứng có thể đƣợc khẳng định khi sử dụng ngƣời ta hay một con hà mã, nhƣng nhƣ chúng ta vừa nói, một cách tổng quát, đối tƣợng càng lớn thì các hiệu ứng lƣợng tử càng ít rõ ràng và chắc chắn. Vì vậy khó mà một vài con thú nào đó có thể đi qua các chấn song lồng nhốt của chúng dƣới dạng sóng. Dẫu sao, các nhà vật lý thí nghiệm đã quan sát hiện tƣợng sóng trên các hạt với kích thƣớc còn tăng mãi. Các nhà khoa học hy vọng làm lại thí nghiệm bóng bucky một ngày nào đó mà sẽ dùng một con vi rút thay vào, vốn không chỉ lớn hơn nhiều mà còn đƣợc một số coi nhƣ vật sống.

Có một vài khía cạnh của vật lý lƣợng tử cần nắm bắt để hiểu đƣợc các tranh luận chúng ta sẽ nêu ra trong các chƣơng sau. Một trong những nét chính là lƣỡng tính sóng/hạt. Việc các hạt vật chất hành xử giống nhƣ một sóng đã làm ngạc nhiên mọi ngƣời. Việc ánh sáng hành xử nhƣ một sóng thì lại không còn làm ngạc nhiên bất kì ai. Hành vi dạng sóng của ánh sáng có vẻ nhƣ tự nhiên đối với chúng ta và đã đƣợc coi nhƣ một sự thật đƣợc chấp nhận suốt gần hai thế kỉ. Nếu bạn chiếu một chùm sáng lên hai khe trong thí

nghiệm ở trên, hai sóng sẽ ló dạng và gặp nhau trên màn hình. Tại một số điểm đỉnh và đáy của chúng sẽ chồng chập và tạo thành một chỗ sáng; tại các nơi khác đỉnh của một sóng sẽ gặp đáy của sóng kia, hủy chúng, và để lại một vùng tối. Nhà vật lý Anh Thomas Young đã thực hiện thí nghiệm này vào đầu thế kỉ mƣời chín, và thuyết phục ngƣời ta rằng ánh sáng là một sóng và không đƣợc,nhƣ Newton đã tin vậy, cấu thành từ các hạt.

Thí nghiệm của Young Kiểu hình bóng bucky là chuyện quen thuộc

trong thuyết sóng ánh sáng.

46

Dù một ngƣời có thể kết luận rằng Newton đã sai khi nói ánh sáng không phải là sóng, ông đã đúng khi nói ánh sáng có thể hành xử nhƣ thể nó đƣợc tạo nên từ các hạt. Ngày nay chúng ta gọi chúng là các photon. Cũng nhƣ chúng ta đƣợc tạo nên từ một số lớn các nguyên tử, ánh sáng chúng ta thấy trong cuộc sống hằng ngày là đa hợp theo nghĩa nó đƣợc tạo thành từ một số rất lớn các photon – ngay cả một bóng đèn đêm 1-watt cũng phóng ra một tỉ tỉ hạt mỗi giây. Các photon đơn lẻ thƣờng không rõ rệt, nhƣng trong phòng thí nghiệm ta có thể tạo ra một chùm sáng rất nhạt gồm một luồn các photon đơn lẻ, ta có thể thăm dò nhƣ các cá thể nhƣ khi chúng ta có thể thăm dò các electron hay bóng bucky cá biệt. Và chúng ta có thể lặp lại thí nghiệm của Young mƣợn tới một chùm sáng đủ thƣa để các photon chạm tới màn chắn từng hạt một, mỗi lần cách nhau vài giây. Nếu ta làm điều đó, và rồi chồng tất cả các va chạm cá biệt thu đƣợc trên màn hình phía xa bên kia màn chắn, ta thấy rằng cùng nhau chúng tạo nên cùng hình mẫu giao thoa vốn cũng đƣợc tạo nên khi chúng ta thực hiện thí nghiệm của Davisson-Germer nhƣng thay vào là các electron (hay bóng bucky) đƣợc bắn tới màn hình từng hạt một. Đối với các nhà vật lý, đó là một phát hiện gây sững sốt: nếu các hạt cá biệt tự giao thoa với chính chúng, vậy bản chất sóng của ánh sáng là đặc tính không phải của một chùm hay một tập hợp lớn các photon mà là của từng hạt cá biệt.

Một nguyên lý chính khác của vật lý lƣợng tử là nguyên lý bất định, đƣợc xây dựng bởi Werner Heisenberg vào năm 1926. Nguyên lý bất định nói rằng có những giới hạn cho khả năng của chúng ta khi đo đạc đồng thời các dữ liệu, nhƣ là vị trí và vận tốc của một hạt, ví dụ nhƣ, nếu bạn lấy tích của sự bất định vị trí với sự bất định động lƣợng của nó (khối lƣợng nhân với vận tốc) thì kết quả không bao giờ có thể nhỏ hơn một lƣợng hằng nhất định, gọi là hằng số Planck. Đó là một phát biểu làm líu lƣỡi, nhƣng thực chất của nó có thể đƣợc phát biểu đơn giản: bạn đo đƣợc tốc độ càng chính xác, bạn đo đƣợc vị trí càng kém chính xác, và ngƣợc lại. Lấy làm ví dụ, nếu bạn giảm một nửa bất định vị trí, bạn phải gấp đôi bất định vận tốc. Cũng cần phải lƣu ý rằng, so với các đơn vị đo đạc thƣờng ngày của chúng ta nhƣ là mét, kilôgram, và giây, hằng số Planck là rất nhỏ. Thực tế, nếu biểu diễn bằng các đơn vị này, nó có giá trị vào khoảng 6/10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000. Nhƣ một hệ quả, nếu nhƣ bạn định vị một vật thể vĩ mô cỡ một quả bóng đá, có khối lƣợng một phần ba kilôgram, với sai lệch khoảng một milimét theo bất kì hƣớng nào chúng ta vẫn có thể đo vận tốc của nó với một sự chính xác thậm chí vẫn còn chi tiết hơn một phần tỉ tỉ tỉ kilômét trên giờ. Đó là bởi vì, khi đo đạc bằng những đơn vị này, quả bóng đá có khối lƣợng 1/3, và độ bất định vị trí là 1/1.000. Không số nào đủ để lƣợc bớt toàn bộ số những con không trong hằng số planck, và thế là việc ấy phải đổ sang cho độ bất định vận tốc. Nhƣng trong cùng các đơn vị đo một electron lại có khối lƣợng .000000000000000000000000000001, thế nên tình huống trở nên hoàn toàn

47

khác đối với các electron. Nếu chúng ta đo đƣợc vị trí của một electron với độ chính xác một cách gần tƣơng ứng với kích thƣớc nguyên tử, nguyên lý bất định ràng buộc rằng ta không thể biết đƣợc tốc độ của electron một cách chính xác với sai kém cộng hay trừ 1.000 kilômét mỗi giây, vốn chẳng thấy gì là chính xác cả.

Theo vật lý lƣợng tử, bất luận chúng ta có đƣợc bao nhiêu thông tin hay

năng lực tính toán của chúng ta có mạnh mẽ tới đây, kết quả của các quá trình vật lý không thể đƣợc dự đoán với sự chắc chắn vì chúng không đƣợc xác định với sự chắc chắn. Thay vào đó, biết trƣớc trạng thái khởi đầu của một hệ, tự nhiên xác định trạng thái tƣơng lai của nó thông qua một quá trình vốn dĩ không chắc chắn. Nói cách khác, tự nhiên không ràng buộc kết cục của bất kì quá trình hay thí nghiệm nào, ngay cả trong các tình huống đơn giản nhất. Thay vào đó nó cho phép một số các tình huống khả dĩ, mỗi cái có một khả năng cụ thể đƣợc nhận ra. Giống nhƣ, tóm lƣợc lời Einstein, là Chúa ném xúc xắc trƣớc khi quyết định kết quả của mỗi quá trình vật lý. Ý tƣởng đó làm bận lòng Einstein, và dù cho ông là một cha những cha đẻ của vật lý lƣợng tử, về sau ông lại trở chỉ trích nó. Vật lý lƣợng tử có vẻ làm lung lay ý tƣởng về tự nhiên bị chi phối bởi các định luật, nhƣng đó không phải là vấn đề. Thay vào đó nó dẫn chúng ta tới một hình thức xác định khác: Biết đƣợc trạng thái của một hệ vào một lúc nào đó, các định luật tự nhiên xác định các xác suất cho nhiều tƣơng lai và quá khứ khác nhau thay vì xác định tƣơng lai và quá khứ với sự chắn chắn. Dẫu điều đó thật chua chát cho một số ngƣời các nhà khoa học phải chấp nhận các giả thuyết đồng thuận với thí nghiệm, chứ không phải những ý tƣởng định trƣớc của chính họ.

Điều mà tự nhiên thực sự đòi hỏi từ một lý thuyết là nó phải kiểm tra đƣợc. Nếu bản chất xác suất của các dự đoán trong vật lý lƣợng tử có nghĩa là nó bất khả thi để đi xác nhận các dự đoán, vậy thì các lý thuyết lƣợng tử

“Nếu điều này là chính xác, thì mọi thứ trước giờ ta nghĩ là sóng

hóa ra lại là hạt, và mọi thứ ta nghĩ là hạt hóa ra lại là sóng.”

48

sẽ không đƣợc chứng nhận nhƣ những lý thuyết có hiệu lực. Nhƣng mặc cho bản chất xác suất của các dự đoán của chúng, chúng ta vẫn có thể kiểm tra thuyết lƣợng tử. Ví dụ, chúng ta có thể lặp lại một thí nghiệm nhiều lần và xác nhận rằng tầng số của các kết quả khác nhau hợp với các xác suất đƣợc dự đoán. Thử xét thí nghiệm với bóng bucky. Vật lý lƣợng tử nói với chúng ta rằng không gì luôn luôn định vị tại một điểm xác định bởi vì nếu vậy, độ bất định về động lƣợng sẽ phải là vô cùng. Thực tế, theo vật lý lƣợng tử, mỗi hạt có một xác suất nào đó đƣợc tìm thấy ở bất kì đâu trong vũ trụ. Nên cho dù cơ hội tìm thấy một hạt electron cho trƣớc trong bộ thiết bị khe kép là rất cao, luôn luôn có một cơ hội nào đó ta có thể tìm thấy nó ở phía xa ngôi sao Nhân Mã Alpha, hay trong chiếc bánh của ngƣời chăn cừu trong căn tin văn phòng của bạn. Nhƣ một hệ quả, nếu bạn đá một quả bóng bucky lƣợng tử và để nó bay, không lƣợng kĩ thuật hay kiến thức nào có thể cho phép bạn nói trƣớc nơi nó sẽ đáp xuống. Nhƣng nếu bạn lặp lại thí nghiệm nhiều lần, dữ liệu bạn thu đƣợc sẽ phản ánh xác suất tìm thấy quả bóng tại nhiều vị trí khác nhau, và các nhà thí nghiệm đã xác nhận rằng kết quả của các thí nghiệm nhƣ thế đồng thuận với các dự đoán của lý thuyết.

Một điều quan trọng cần nhận ra là xác suất trong vật lý lƣợng tử không giống xác suất trong vật lý kiểu Newton, hay trong cuộc sống hằng ngày. Chúng ta có thể hiểu đƣợc điều này khi so sánh các kiểu hình tạo nên từ

luồn các bóng bucky ổn định đƣợc bắn tới màn hình với kiểu hình các cái lỗ tạo nên từ các ngƣời chơi nhắm vào hồng tâm trong trò phi tiêu. Trừ phi ngƣời chơi đã tiêu thụ quá nhiều rƣợu, cơ hội cho một chiếc phi tiêu cắm vào trung tâm là lớn nhất, và giảm dần khi bạn lui ra xa. Cũng nhƣ với các bóng bucky, một chiếc tiêu bất kì có thể đáp bất kì đâu, và theo thời gian một kiểu hình các cái lỗ phản ánh xác suất khuất sau đó sẽ ló dạng. Trong cuộc sống hàng ngày chúng ta có thể phản ánh tình huống đó rằng chiếc tiêu có một xác suất cụ thể để đáp lên các điểm khác nhau; nhƣng nếu nói nhƣ thế, không giống nhƣ trƣờng hợp các bóng bucky, nó chỉ là hiểu biết của chúng ta về các điều kiện của cú phóng là thiếu hoàn thiện. Ta có thể nâng cao mô tả của mình nếu chúng ta biết chính xác cách thức mà ngƣời chơi phóng chiếc tiêu, góc của nó, sự xoáy, vận tốc và những thứ giống vậy. Theo nguyên tắc, từ đó ta có thể dự đoán nơi mà chiếc tiêu sẽ đáp với một sự chính xác nhƣ chúng ta mong muốn. Sự áp dụng các thuật ngữ xác suất của chúng ta để giải thích cho kết quả của các sự kiện trong cuộc sống hằng ngày do đó là một phản ánh chứ không phải một bản chất nội tại của quá trình mà chỉ là sự mù mờ của chúng ta về một số khía cạnh của nó.

Xác suất trong vật lý lƣợng tử thì khác. Chúng phản ánh một sự ngẫu nhiên cơ bản trong bản chất. Mô hình lƣợng tử về tự nhiên dàn trải những nguyên lý vốn không chỉ mâu thuẫn với kinh nghiệm hằng ngày của chúng ta mà còn cả khái niệm trực giác về thực tại của chúng ta. Những ngƣời cảm thấy các nguyên lý ấy là kì dị hay khó tin vẫn cùng hội cùng thuyền với nhiều ngƣời khác, gồm cả những nhà vật lý vĩ đại nhƣ Einstein hay thậm chí

49

Feynman, ngƣời mà chúng ta sẽ sớm trình bày mô tả của ông về thuyết lƣợng tử. Thật tế, Feynman có lần viết, “Tôi nghĩ tôi có thể an tâm khi nói chẳng ai hiểu đƣợc cơ học lƣợng tử.” Nhƣng vật lý lƣợng tử lại đồng thuận với quan sát. Nó chƣa bao giờ thất bại trong một lần kiểm tra, và nó đã đƣợc kiểm tra nhiều hơn bất kì lý thuyết khoa học nào khác.

Vào thập niên 1940 Richard Feynman đã có một nắm bắt đột phá liên quan tới khác biệt giữa thế giới lƣợng tử và Newton. Feynman đã bị lôi cuốn bởi câu hỏi làm thế nào kiểu hình giao thoa trong thí nghiệm khe kép ló dạng. Nhắc lại kiểu hình chúng ta có đƣợc khi bắn các phân tử với cả hai khe đều mở không phải là tổng của các kiểu hình chúng ta có đƣợc khi làm thí nghiệm hai lần, một lần với chỉ một khe đƣợc mở, và lần kia với khe còn lại. Thay vào đó, khi cả hai khe đƣợc mở ta có một chuỗi các vệt sáng và tối, mà các dải tối chính là những vùng nơi không có hạt nào bay tới. Điều đó có nghĩa các hạt chỉ có thể bay tới các vùng ở những vệt tối nếu, giả sử, khi chỉ có khe một đƣợc mở, và không bay tới khi khe hai cũng đƣợc mở. Có vẻ nhƣ đâu đó trên hành trình của chúng từ nguồn tới màn hình, các hạt thu đƣợc thông tin về cả hai khe. Kiểu hành vi đó khác biệt sâu sắc với cách mà mọi thứ có vẻ hành xử trong cuộc sống hằng ngày, trong đó một quả bóng sẽ đi theo một quỹ đạo qua một trong các khe và không bị ảnh hƣởng bởi tình huống tại khe còn lại. Theo vật lý Newton – và theo cách thí nghiệm sẽ

hoạt động khi chúng ta sử dụng các quả bóng đá thay cho các phân tử – mỗi hạt đi theo một đƣờng xác định cụ thể từ nguồn tới màn hình. Không có chỗ trong bức tranh này cho một đƣờng vòng mà trong đó hạt sẽ viếng thăm các lân cận của mỗi khe trên dọc đƣờng. Theo nhƣ mô hình lƣợng tử, ngƣợc lại, hạt đƣợc bảo là không có vị trí xác định suốt thời gian giữa điểm bắt đầu và kết thúc. Feynman nhận ra rằng một ngƣời không nhất thiết phải hiểu là các hạt không theo một quỹ đạo bất kì nào khi chúng chu du giữ nguồn và màn hình. Nó có thể thay vào đó đƣợc hiểu là các hạt nhận mọi quỹ đạo có thể nối giữa hai điểm này. Chính điều này, Feynman đã quả quyết, là điều làm cho vật lý lƣợng tử khác biệt với vật lý Newton. Tình huống đi qua cả hai khe là quan trọng vì, thay vì đi theo một quỹ đạo xác định, các hạt nhận mọi quỹ đạo, và chúng đi theo tất cả các quỹ đạo ấy một cách đồng thời! Điều đó nghe giống nhƣ khoa học viễn tƣởng, nhƣng không hề. Feynman đã xây dựng một biểu thức toán học – tổng Feynman trên các lịch sử – biểu thức đó phản ánh toàn bộ ý tƣởng này và tái tạo ra mọi định luật của vật lý lƣợng tử. Trong giả thuyết của Feynman bức tranh vật lý và dạng toán học khác với cách trình bày gốc, tuy nhiên các dự đoán đều tƣơng tự.

Đối với thí nghiệm khe kép những ý tƣởng của Feynman có nghĩa là các hạt đi theo những quỹ đạo chỉ qua một khe hoặc khe còn lại; những quỹ đạo lƣợn qua khe đầu tiên, ngƣợc về từ khe thứ hai, và tiếp qua khe thứ nhất lần nữa; những quỹ đạo viếng thăm nhà hàng có món tôm cà ri tuyệt vời, rồi lƣợn vòng sao Mộc vài lần trƣớc khi nhắm thẳng về nhà; thậm chí cả những quỹ đạo đi dọc ngang vũ trụ và quay về. Điều này, theo cái nhìn của

50

Feynman giải thích tại sao hạt thu đƣợc thông tin về những khe nào đang mở – nếu một khe mở, hạt sẽ có quỹ đạo đi qua nó. Khi cả hai khe đƣợc mở, các quỹ đạo trong đó hạt đi qua một khe có thể giao thoa với các quỹ đạo mà nó đi qua khe còn lại, gây ra sự giao thoa. Điều đó nghe có vẻ điên khùng, nhƣng đối với các mục đích của vật lý cơ bản đƣợc tạo ra ngày nay – và đối với mục đích của quyển sách này – thì cách trình bày của Feynman đã chứng minh sự hữu dụng hơn cách trình bày gốc.

Quan điểm của Feynman về thực tại lƣợng tử là cốt yếu cho sự hiểu

biết về các lý thuyết mà chúng ta sẽ sớm trình bày, cho nên nó đáng để dành một chút thời gian để đi tìm cảm nhận về cách nó hoạt động. Thử tƣởng tƣợng một quá trình đơn giản trong đó một hạt khởi hành từ vị trí A và di chuyển tự do. Trong mô hình Newton hạt đó sẽ đi theo một đƣờng thẳng. Sau khi một khoảng thời gian nhất định trôi qua, chúng ta sẽ tìm thấy hạt tại một vị trí B cụ thể dọc đƣờng thẳng đó. Trong mô hình của Feynman một hạt lƣợng tử thử mọi quỹ đạo nối giữa A và B, thu đƣợc một số gọi là pha cho mỗi quỹ đạo. Pha đó đại diện cho trạng thái trong chu kì của một sóng, nghĩa là, nhƣ con sóng đang ở đỉnh hay đáy hay một trạng thái cụ thể nào đó ở giữa. Biện pháp toán học Feynman dùng cho tính toán pha đó cho thấy khi bạn cộng dồn tất cả các sóng từ các quỹ đạo bạn sẽ nhận đƣợc “biên độ xác suất” mà hạt, xuất phát từ A, sẽ đi đến B. Bình phƣơng của biên độ xác suất đó sẽ cho xác xuất chính xác mà hạt sẽ tới đƣợc B.

Pha mà mỗi quỹ đạo cá biệt đóng góp vào tổng Feynman (và do đó vào

xác suất đi từ A đến B) có thể đƣợc trực quan bằng một mũi tên có chiều dài

Các quỹ đạo hạt Cách trình bày của Feynman về thuyết lƣợng tử

cung cấp một bức tranh vì sao các bóng bucky và electron tạo nên các

một kiểu hình giao thoa khi chúng đƣợc bắn qua khe lên màn hình

51

có định nhƣng có thể chỉ theo hƣớng bất kỳ. Để cộng hai pha, bạn có thể đặt mũi tên đại diện cho một pha tại đích của một mũi tên đại diện pha kia, và nhận đƣợc một mũi tên mới đại diện cho tổng. Để cộng thêm các pha, bạn chỉ đơn giản tiếp tục quá trình. Chú ý rằng khi các pha xếp thẳng hàng mũi tên đại diện cho pha có thể khá dài. Nhƣng nếu chúng chỉ theo nhiều hƣớng khác nhau, chúng có xu hƣớng hủy bớt nhau khi bạn cộng lại, và để lại một mũi tên rất ngắn. Ý tƣởng đó đƣợc minh họa trong hình bên dƣới.

Để thực hiện cách trình bày của Feynman để tính toán biên độ xác suất mà một hạt bắt đầu tại một vị trí A sẽ kết thúc tại B, bạn đi cộng các pha, hay các mũi tên, liên hiệp với mỗi quỹ đạo từ A đến B. Có một số vô hạn các quỹ đạo, vốn làm cho dạng toán hơi phức tạp, nhƣng nó vẫn làm ra việc. Một số trong các quỹ đạo đƣợc vẽ nhƣ trong hình dƣới.

Cộng các quỹ đạo Feynman Các hiệu ứng đến từ các quỹ đạo

Feynman khác nhau có thể tăng cƣờng hoặc giảm bớt nhau giống nhƣ

các sóng. Các mũi tên màu vàng đại diện cho các pha bị cộng. Các

đƣờng xanh đại diện cho tổng của chúng, một đƣờng thẳng từ gốc của

mũi tên đầu tiên tới ngọn của mũi tên cuối cùng. Trong hình dƣới các

mũi tện chỉ theo nhiều hƣớng khác nhau và do đó tổng của chúng,

đƣờng màu xanh, thì rất ngắn.

52

Giả thuyết của Feynman cho ta một bức tranh rõ ràng về cách mà một bức tranh thế giới kiểu Newton có thể ló dạng từ vật lý lƣợng tử, vốn có vẻ rất khác biệt. Theo giả thuyết của Feynman, các pha liên hiệp với mỗi quỹ đạo phụ thuộc vào hằng số Planck. Lý thuyết này ràng buộc rằng vì hằng số Planck quá nhỏ, nên khi bạn cộng phần đóng góp từ các quỹ đạo vốn gần nhau thì các pha thƣờng biến thiên rất lớn, và do đó, nhƣ trong hình trên chúng có xu hƣớng cộng lại thành zero. Nhƣng lý thuyết cũng cho thấy có những quỹ đạo cụ thể mà các pha có xu hƣớng xếp thẳng hàng, và nhƣ thế các quỹ đạo này đƣợc chuộng hơn; nghĩa là, chúng gây ra một đáng góp đáng kể hơn vào hành vi quan sát đƣợc của hạt. Nó vỡ lẽ ra rằng đối với các đối tƣợng lớn, các quỹ đạo rất giống với quỹ đạo đƣợc dự đoán bởi lý thuyết của Newton sẽ có các pha tƣơng tự và cộng dồn để cho ra đóng góp lớn nhất trong tổng, và do đó chỉ những đích đến có một xác suất lớn hơn zero một cách đáng kể mới là đích đến đƣợc dự đoán bởi lý thuyết kiểu Newton, và đích đến đó có một xác suất rất gần với 1. Thế nên các đối tƣợng lớn chuyển động cứ giống nhƣ những gì lý thuyết của Newton dự đoán cho chúng.

Cho đến giờ chúng ta vẫn giải thích các ý tƣởng của Feynman trong bối cảnh thí nghiệm khe kép. Trong thí nghiệm đó các hạt đƣợc bắn tới một bức tƣờng với các khe, và chúng ta đo đạc vị trí, trên một màn hình đƣợc đặt bên kia bức tƣờng, tại đó các hạt kết thúc. Một cách tổng quát hơn, thay vì chỉ một hạt đơn lẻ giả thuyết của Feynman cho phép chúng ta dự đoán đƣợc kết quả hẳn có của một “hệ”, vốn có thể là một hạt, một tập hợp các hạt, hay thậm chí toàn thể vũ trụ. Giữa trạng thái khởi đầu của một hệ và phép đo đạc

Các quỹ đạo từ A đến B Quỹ đạo “cổ điển” giữa hai điểm là một

đƣờng thẳng. Các pha của những quỹ đạo gần với quỹ đạo cổ điển có

xu hƣớng tăng cƣờng nhau, trong khi pha của các quỹ đạo ở xa nó

hơn có xu hƣớng hủy nhau.

53

sau đó của chúng ta về các đặc tính của nó, các đặc tính này tiến triển theo một hƣớng nào đó, mà các nhà vật lý gọi là lịch sử của một hệ. Trong thí nghiệm khe kép, lấy làm ví dụ, lịch sử của hạt đó đơn giản là quỹ đạo của nó. Cũng giống nhƣ thí nghiệm khe kép cơ hội quan sát đƣợc hạt bay tới một điểm bất kì phụ thuộc vào tất cả các quỹ đạo có thể đi đến đó. Feynman đã cho thấy, đối với một hệ tổng quát, xác suất của một quan sát bất kì đƣợc kiến tạo từ tất cả các lịch sử khả dĩ có thể dẫn đến quan sát đó. Chính vì điều đó mà cách trình bày của ông ta đƣợc gọi là “tổng trên các lịch sử” hay cách trình bày “các lịch sử thay thế” của vật lý lƣợng tử.

Bây giờ thì ta đã có một cảm nhận về cách tiếp cận của Feynman tới vật lý lƣợng tử, bây giờ là lúc để xem xét một nguyên lý lƣợng tử chủ chốt khác mà chúng ta sẽ sử dụng sau này – nguyên tắc về việc quan sát một hệ phải làm thay đổi chiều hƣớng của nó. Liệu chúng ta, nhƣ khi sếp chúng ta có một vệt mù tạt dính trên cằm cô ấy, chỉ nhìn một cách ý tứ chứ không can thiệp? Không. Theo vật lý lƣợng tử, bạn không thể “chỉ” quan sát thứ gì đó. Nghĩa là, vật lý lƣợng tử công nhận rằng để thực hiện một quan sát, bạn phải tƣơng tác với đối tƣợng mà bạn đang quan sát. Ví dụ, để thấy một đối tƣợng theo cách truyền thống, chúng ta chiếu ánh sáng lên nó. Chiếu một tia sáng lên một quả bí ngô dĩ nhiên sẽ có ít tác động lên nó. Nhƣng chiếu thậm chí một tia sáng sẫm lên một hạt lƣợng tử nhỏ xíu – theo nghĩa, bắn các

photon vào nó – thực sự gây ra một tác động đáng kể, và các thí nghiệm cho thấy nó thay đổi kết quả của một thí nghiệm đúng cách mà vật lý lƣợng tử mô tả. Giả sử rằng, giống nhƣ trƣớc, ta gửi một luồn hạt tới rào chắn trong thí nghiệm khe kép và thu thập dữ liệu về một triệu hạt đầu tiên đi qua. Khi chúng ta đánh dấu số hạt bay tới tại các điểm thăm dò khác nhau thì dữ liệu đó sẽ hình thành kiểu hình giao thoa ta đã minh họa trong hình, và khi ta cộng các pha liên hiệp với tất cả các quỹ đạo khả dĩ một điểm bắt đầu A đến điểm thăm dò B của một hạt, chúng ta sẽ thấy xác suất mà chúng ta tính toán cho việc bay tới các điểm khác nhau đồng thuận với dữ liệu. Bây giờ giả sử chúng ta lặp lại thí nghiệm, lần này chiếu ánh sáng lên các khe để từ đó ta biết một điểm trung gian, C, mà hạt sẽ đi qua đó. (C là vị trí của bất kì một trong hai khe.) Đây đƣợc gọi là thông tin “quỹ-đạo-nào” bởi vì nó cho chúng ta biết mỗi hạt đi từ A tới khe 1 tới B, hay từ A tới khe 2 tới B. Bởi vì bây giờ chúng ta biết mỗi hạt đi qua khe nào, các quỹ đạo trong tổng của chúng ta cho các hạt sẽ chỉ gồm các quỹ đạo đi qua khe 1, hay các quỹ đạo đi qua khe 2. Nó sẽ không bao giờ gồm cả những quỹ đạo đi qua khe một và những quỹ đạo đi qua khe 2. Bởi vì Feynman giải thích rằng các quỹ đạo đi qua một khe giao thoa với các quỹ đạo đi qua khe còn lại, nếu bạn chiếu sáng lên đó để xác định các hạt đã đi qua khe nào, do đó loại bỏ lựa chọn kia, bạn sẽ khiến cho kiểu hình giao thoa biến mất. Và thực sự, khi thí nghiệm đƣợc thực hiện, sự chiếu sáng làm thay đổi các kết quả của kiểu hình giao thoa, sang một kiểu hình giống vậy! Hơn nữa, chúng ta có thể thay đổi thí nghiệm bằng cách sử dụng một ánh sáng rất thƣa sao cho không phải

54

tất cả các hạt đều tƣơng tác với ánh sáng. Trong trƣờng hợp đó chúng ta có thể thu đƣợc thông tin quỹ-đạo-nào của chỉ một tập hợp con nào đó của các hạt. Chúng ta thấy rằng dữ liệu gắn liền với tập con các hạt mà chúng ta không có thông tin quỹ-đạo-nào sẽ hình thành một kiểu hình giao thoa, và dữ liệu gắn liền với tập con các hạt mà chúng ta có thông tin quỹ-đạo-nào sẽ cho thấy sự giao thoa.

Ý tƣởng này chứa đựng một ngụ ý quan trọng đối với khái niệm của chúng ta về “quá khứ”. Trong lý thuyết kiểu Newton, quá khứ đƣợc giả thiết có tồn tại một chuỗi xác định các sự kiện. Nếu bạn thấy một cái bình bạn mua bên Ý năm rồi nằm vỡ vụn trên sàn và đứa nhóc của bạn đứng trên đó với vẻ mặt chú cừu, bạn có thể lần ngƣợc lại các sự kiện dẫn tới chuyện rủi ấy: những ngón tay bé nhỏ vuột ra, chiếc bình rơi xuống và nổ tung thành ngàn mảnh khi nó chạm đất. Thực tế, khi biết một dữ liệu hoàn chỉnh về hiện tại, các định luật của Newton cho phép một ngƣời tính toán đƣợc một tranh hoàn chỉnh về quá khứ. Điều này là không mâu thuẫn với hiểu biết trực giác của chúng ta về, dù là đớn đau hay hoan hỉ, thế giới có một lịch sử xác định. Có thể không có ai đã quan sát, nhƣng quá khứ tồn tại chắc chắn nhƣ bạn đã chụp một loạt ảnh về nó. Nhƣng quả bóng bucky lƣợng tử thì không thể nói đƣợc là đã nhận một quỹ đạo xác định từ nguồn tới màn hình. Chúng ta có thể chỉ ra vị trí của một quả bóng bucky bằng cách quan sát nó, nhƣng

giữa các lần quan sát của chúng ta, nó nhận mọi quỹ đạo có thể. Vật lý lƣợn tử nói với chúng ta rằng bất luận quan sát về hiện tại của chúng ta có chu toàn tới đâu, quá khứ (không quan sát đƣợc), cũng nhƣ tƣơng lai, là không xác định và chỉ tồn tại nhƣ một phổ các xác suất. Vũ trụ, theo vật lý lƣợng tử, không có một quá khứ đơn lẻ, hay lịch sử.

Thực tế là quá khứ không có hình thức xác định nghĩa là các quan sát bạn thực hiện trên hiện tại ảnh hƣởng tới quá khứ của nó. Điều đó đƣợc nhấn mạnh một cách ấn tƣợng bởi một loại thí nghiệm đƣợc nghĩ ra bời nhà vật lý John Wheeler, gọi là một thí nghiệm lựa-chọn-bị-hoãn. Một cách tóm gọn, một thí nghiệm lựa-chọn-bị-hoãn thì giống với thí nghiệm khe kép mà chúng ta đã mô tả, trong đó bạn có một lựa chọn để quan sát quỹ đạo mà hạt đi theo, chỉ trừ là trong thí nghiệm lựa-chọn-bị-hoãn bạn hoãn quyết định của mình có quan sát hạt ấy hay không chỉ ngay trƣớc khi hạt đâm vào màn hình. Thí nghiệm lựa-chọn-bị-hoãn cho kết quả về dữ liệu tƣơng tự nhƣ với dữ liệu ta thu đƣợc khi ta chọn quan sát (hay không) thông tin quỹ-đạo-nào bằng cách theo dõi các khe. Nhƣng trong trƣờng hợp này quỹ đạo mỗi hạt đã đi – nói rõ hơn, quá khứ của nó – đã đƣợc xác định lâu sau khi nó đi qua các khe và hẳn đã phải “quyết định” chuyện chỉ đi qua một khe, vốn không tạo ra giao thoa, hay cả hai khe, vốn có tạo ra giao thoa.

Wheeler thậm chí còn xét một phiên bản vũ trụ của thí nghiệm, trong đó các hạt liên quan là các photon phát ra từ các chuẩn tinh mạnh mẽ cách ta hàng tỉ năm ánh sáng. Ánh sáng đó có thể bị tách thành hai quỹ đạo và đƣợc tập trung lại hƣớng thẳng tới trái đất bằng thấu kính hấp dẫn của một thiên

55

hà xen vào. Dù thí nghiệm này vƣợt xa tầm với của công nghệ hiện nay, nếu chúng ta có thể thu thập đủ photon từ tia sáng này, chúng phải hình thành nên một kiểu hình giao thoa. Nhƣng nếu chúng ta đặt một thiết bị để đo thông tin quỹ-đạo-nào ngay trƣớc khi thăm dò, thì kiểu hình đó sẽ biến mất. Sự lựa chọn có không việc nhận một hay cả hai quỹ đạo trong trƣờng hợp này có lẽ đã đƣợc thực hiện hàng tỉ năm trƣớc, trƣớc khi trái đất hay thậm chí mặt trời của chúng ta đƣợc hình thành, và rồi với sự quan sát của chúng ta trong phòng thí nghiệm chúng ta sẽ ảnh hƣởng tới chọn lựa đó.

Trong chƣơng này chúng ta đã minh họa vật lý lƣợng tử có sử dụng đến thí nghiệm khe kép. Trong những việc tiếp theo chúng ta sẽ có áp dụng cách trình bày của Feynman về cơ học lƣợng tử lên vũ trụ nhƣ một tổng thể. Chúng ta sẽ thấy rằng, giống nhƣ một hạt, vũ trụ không chỉ có một lịch sử đơn lẻ, mà là mọi lịch sử khả dĩ, mỗi lịch sử có một xác suất của chính nó; và các quan sát của chúng ta về trạng thái hiện tại của nó ảnh hƣởng lên quá khứ của nó và xác định các lịch sử khác nhau của vũ trụ, cũng giống nhƣ các quan sát về các hạt trong thí nghiệm khe kép ảnh hƣởng quá khứ của nó. Phân tích đó sẽ cho thấy làm cách nào các định luật tự nhiên trong vũ trụ của chúng ta ló dạng kể từ vụ nổ lớn. Nhƣng trƣớc khi chúng ta xem xét các định luật nổi lên nhƣ thế nào, chúng ta sẽ nói một chút về các định luật đó là gì, và một vài bí ẩn mà chúng gợi ra.

56

57

V

Điều khó hiểu nhất về vũ trụ là nó có thể hiểu được. - ALBERT EINSTEIN

Vũ trụ có thể hiểu đƣợc vì nó bị chi phối bởi các định luật khoa học; điều đó nghĩa là, hành vi của nó có thể đƣợc mô hình hóa. Nhƣng những định luật hay mô hình này là gì? Lực đầu tiên đƣợc mô tả trong ngôn ngữ toán học là lực hấp dẫn. Định luật hấp dẫn của Newton, đƣợc xuất bản vào năm 1687, nói rằng mỗi đối tƣợng trong vũ trụ hút mỗi đối tƣợng khác với một lực tỉ lệ thuận với khối lƣợng của nó. Nó tạo ra một ấn tƣợng to lớn trong cuộc sống tri thức ở thời đại của nó bởi vì nó đã lần đầu tiên cho thấy ít nhất một khía cạnh của vũ trụ có thể đƣợc mô hình hóa một cách chínhxác, và nó thiết lập một cơ chế toán học để làm điều đó. Ý tƣởng rằng có những định luật về tự nhiên nảy sinh ra những vấn đề giống với điều mà Galileo đã bị kết tội dị giáo gần năm mƣơi năm trƣớc. Ví dụ, Kinh Thánh kể lại câu chuyện về Joshua đã cầu nguyện cho mặt trời và mặt trăng đứng lại giữa đƣờng đi của chúng để ông có thêm một buổi sáng để kết thúc trận chiến với Amorites tại Canaan. Theo quyển sách của Joshua, mặt trời đứng yên trong gần một ngày. Ngày nay chúng ta biết rằng điều đó có nghĩa là trái đất lúc đó đã ngừng quay. Nếu trái đất ngừng quay, theo các định luật của Newton bất kì thứ gì không đƣợc cột lại sẽ tiếp tục chuyển động với vận tốc gốc của trái đất (1.100 dặm mỗi giờ tại xích đạo) – một cái giá đắt phải trả cho một hoàng hôn bị trì hoãn. Không một điều nào trong số này đã làm bận lòng chính Newton, vì nhƣ ta đã nói, Newton tin rằng Chúa có thể và thực sự đã can thiệp vào các công việc của thế giới.

Khía cạnh tiếp theo của vũ trụ mà một định luật hay mô hình của nó đã đƣợc khám phá đó chính là các lực điện và từ. Chúng hành xử giống nhƣ lực hấp dẫn, với sự khác biệt quan trọng là hai điện tích hay nam châm cùng loại sẽ đẩy nhau, trong khi các điện tích hay nam châm khác loại sẽ hút nhau. Các lực điện và từ thì mạnh hơn nhiều so với lực hấp dẫn, nhƣng chúng ta thƣờng không chú ý đến chúng trong cuộc sống hằng ngày vì một cơ thể vĩ mô chứa đựng số lƣợng hầu nhƣ bằng nhau các điện tích âm và dƣơng. Điều này có nghĩa là các lực điện và từ giữa hai cơ thể vĩ mô gần nhƣ hủy nhau hết, không giống nhƣ lực hấp dẫn, vốn luôn luôn cộng dồn lên.

Ý tƣởng hiện nay của chúng ta về điện và từ đã đƣợc phát triển trong một giai đoạn gần một trăm năm từ giữa thế kỉ mƣời tám tới giữa thế kỉ mƣời chín, khi các nhà vật lý từ nhiều nƣớc đang thực hiện nhiều nghiên cứu thí nghiệm chi tiết về các lực điện và từ. Một trong những khám phá quan trọng nhất là các lực điện và từ có liên hệ với nhau: Một điện tích

58

chuyển động gây ra một lực lên các nam châm, và một nam châm chuyển động gây ra một lực lên các điện tích. Ngƣời đầu tiên nhận ra một sự liên hệ nào đó là một nhà vật lý Đan Mạch Hans Christian Ørsted. Trong khi chuẩn bị cho một bài giảng của ông tại đại học vào năm 1820, Ørsted chú ý rằng dòng điện từ cục pin ông đang dùng làm chệch hƣớng một kim la bàn gần đó. Ông sớm nhận ra sau đó rằng điện tích chuyển động tạo ra lực từ, và hình thành nên thuật ngữ “điện từ học”. Một vài năm sau nhà khoa học ngƣời Anh Micheal Faraday lập luận rằng – phát biểu theo các thuật ngữ hiện đại – nếu một dòng điện có thể gây ra trƣờng từ, thì một trƣờng từ cũng sẽ có thể gây ra một dòng điện. Ông đã chứng minh hiệu ứng đó vào năm 1831. Mƣời bốn năm sau Faraday lại khám phá ra một mối liên hệ giữa điện từ học và ánh sáng khi ông cho thấy từ tính tập trung cao độ có thể ảnh hƣởng tính chất của ánh sáng phân cực.

Faraday vốn ít có đƣợc sự giáo dục qua trƣờng lớp. Ông đƣợc sinh ra trong một gia đình thợ rèn nghèo gần Luân Đôn và bỏ trƣờng từ năm mƣời ba tuổi để làm một cậu học việc và thợ đóng sách trong hiệu sách. Chính ở đó, suốt nhiều năm, ông học về khoa học bằng cách đọc các quyển sách mà ông phải xử lý, và bằng cách thực hiện các thí nghiệm rẻ tiền và đơn giản lúc rảnh rỗi. Cuối cùng ông có đƣợc một việc làm trợ lý trong phòng thí nghiệm của nhà hóa học vĩ đại Ngài Humphry Davy. Faraday đã lƣu lại suốt bốn

mƣơi lăm năm còn lại của Davy, và sau khi ông ta mất, đã kế thừa ông. Faraday gặp rắc rối với toán học và chƣa bao giờ học nhiều về nó, cho nên ông phải chật vật để truyền tải một bức tranh lý thuyết về các hiện tƣợng điện từ ông đã quan sát trong phòng thí nghiệm của mình. Dẫu sau, ông đã làm đƣợc.

Một trong những phát kiến tri thức to lớn nhất của ông là khái niệm về các trƣờng lực. Ngày nay, nhờ tới sách vở và phim ảnh về mấy ngƣời ngoài hành tinh mắt lòi và các phi thuyền của chúng, phần lớn mọi ngƣời đã quen thuộc với thuật ngữ này, cho nên đáng lẽ ông phải có tiền bản quyền cho nó. Nhƣng trong những thế kì giữa Newton tới Faraday một trong những bí ẩn to lớn nhất của vật lý đó là các định luật có vẻ nhƣ ngụ ý rằng các lực tác dụng xuyên qua không gian trống chia cắt giữa các đối tƣợng đang tƣơng tác. Faraday không thích điều đó. Ông tin rằng để di chuyển một đối tƣợng, thứ gì đó phải đến tiếp xúc với nó. Và do đó ông tƣởng tƣợng không gian giữa các điện tích và nam châm phải lấp đầy những ống vô hình thực hiện động tác kéo và đẩy vật lý. Faraday gọi các ống này là trƣờng lực. Một cách hay để trực quan một trƣờng lực là đi thực hiện bài trình diễn trong lớp học trong đó một cái khay kính đƣợc đặt lên một thanh nam châm và mạt sắt đƣợc rải trên tấm kính. Sau một vài cái gõ nhẹ để thoát ma sát, các mạt sắt sẽ di chuyển nhƣ thể bị huých bởi một lực vô hình và tự sắp xếp lại chúng thành một kiểu hình các vòng cung vắt từ một cực của nam châm sang cực còn lại. Kiểu hình đó chính là một bản đồ của lực từ vô hình thẩm thấu vào không gian. Ngày nay chúng ta tin rằng tất cả các lực đƣợc truyền bởi các trƣờng,

59

cho nên nó là một khái niệm quan trọng trong vật lý hiện đại – cũng nhƣ khoa học viễn tƣởng.

Suốt nhiều thập kỉ hiểu biết của chúng ta về điện từ học vẫn là bế tắc,

đáng kể đến không có gì nhiều hơn ngoài kiến thức về một vài định luật thực nghiệm: dấu hiệu về việc điện và từ liên hệ, nếu bằng một cách bí ẩn, mật thiết; ý tƣởng rằng chúng có một loại liên hệ nào đó với ánh sáng; và khái niệm mới manh nha về các trƣờng. Ít nhất mƣời một lý thuyết về điện từ học đã tồn tại, mỗi cái trong chúng đều có khiếm khuyết. Thế rồi, trong một giai đoạn những năm 1860, nhà vật lý ngƣời Scot James Clerk Maxwell đã phát triển tƣ tƣởng của Faraday thành một cơ cấu toán học giải thích cho quan hệ khắn khít và bí ẩn của điện, từ và ánh sáng. Kết quả có đƣợc là một bộ hệ phƣơng trình mô tả các lực điện và từ nhƣ những mặt biểu hiện của cùng một thực thể vật lý. Maxwell đã thống nhất điện và từ thành một lực. Hơn cả thế, ông còn cho thấy các trƣờng điện từ có thể lan truyền trong không gian nhƣ một sóng. Tốc độ của sóng đó bị chi phối bởi một con số xuất hiện trong các phƣơng trình của ông, vốn đƣợc ông tính toán từ các dữ liệu thí nghiệm đã đƣợc đo đạc một vài năm trƣớc đó. Cùng với sự sững sờ, tốc độ mà ông tính đƣợc bằng với tốc độ ánh sáng, với sai số do thí nghiệm biết đƣợc là một phần trăm. Ông đã khám phá ra ánh sáng chính nó cũng là một sóng

điện từ! Ngày nay các phƣơng trình mô tả các trƣờng điện và từ đƣợc gọi là hệ

phƣơng trình Maxwell. Ít ngƣời đã từng nghe tới chúng, nhƣng chúng hẳn là các phƣơng trình có tầm quan trọng thƣơng mại nhất chúng ta biết. Không chỉ chi phối hoạt động của mọi thứ từ các thiết bị gia dụng tới máy tính, chúng còn mô tả các sóng không hẳn giống ánh sáng, nhƣ sóng vi ba, sóng

Các trường lực Trƣờng lực của một thanh nam châm, đƣợc minh họa

bằng phản ứng của các mạt sắt.

60

radio, ánh sáng hồng ngoại, và các tia X. Tất cả chúng chỉ khác ánh sáng khả kiến từ một góc độ – bƣớc sóng của chúng. Sóng radio có bƣớc sóng vào khoảng một mét hoặc hơn, trong khi ánh sáng khả kiến có một bƣớc sóng khoảng vài phần mƣời triệu mét, và các tia X có bƣớc sóng ngắn hơn một phần một trăm triệu mét. Mặt trời của chúng ta bức xạ ở mọi bƣớc sóng, nhƣng bức xạ của nó tập trung nhất ở vùng bƣớc sóng có thể nhìn thấy đối với chúng ta. Đó hẳn chẳng phải ngẫu nhiên khi các bƣớc sóng mà ta có thể thấy bằng mắt thƣờng lại đƣợc mặt trời bức xạ nhiều nhất: Nó có thể là do mắt chúng ta đã tiến hóa với năng lực thăm dò các bức xạ điện từ trong vùng đó một cách tỉ mỉ bởi vì đó là vùng bức xạ có sẵn nhất đối với chúng. Nếu chúng ta có bao giờ chạm trán với những sinh vật từ các hành tinh khác, chúng hẳn sẽ có khả năng “thấy” các bức xạ ở bất kì bƣớc sóng nào mà mặt trời của chúng phát ra mạnh nhất, đƣợc hiệu chỉnh bởi các nhân tố nhƣ các đặc tính chặn ánh sáng của bụi và các khí trong khí quyển hành tinh của chúng. Thế nên những ngƣời ngoài hành tinh vốn tiến hóa với sự hiện diện đầy tiên x hẳn sẽ có một sự nghiệp phát đạt trong ngành an ninh hàng không.

Hệ phƣơng trình Maxwell ràng buộc các sóng điện từ phải di chuyển ở

tốc độ khoảng 300.000 kilômét một giây, hay khoảng 670 triệu dặm một giờ. Nhƣng dẫn ra một tốc độ chẳng có nghĩa gì trừ phi bạn nêu ra một hệ quy chiếu tƣơng đối với thứ mà tốc độ đó đƣợc đo. Đó không phải là điều mà bạn thƣờng nghĩ tới hằng ngày. Khi một biển báo giới hạn tốc độ ghi 60 dặm một giờ, nó đƣợc hiểu là tốc độ của bạn đƣợc đo tƣơng đối với con đƣờng chứ không phải cái lỗ đen ở trung tâm dải Ngân Hà. Nhƣng thậm chí trong cuộc sống hằng ngày cũng có những dịp mà bạn phải tính đến các hệ quy

Bước sóng (Wavelength) Sóng vi ba, ánh sáng hồng ngoại, tia X – và các

màu khác nhau của ánh sáng – khác nhau chỉ ở bƣớc sóng của chúng.

61

chiếu. Ví dụ, nếu bạn bƣng một tách trà dọc lối đi của một máy bay phản lực, bạn có thể nói tốc độ của bạn là 2 dặm một giờ. Ai đó trên mặt đất, trái lại, có thể nói bạn đang chuyển động ở 572 dặm một giờ. Để khỏi khiến bạn nghĩ một trong hay ngƣời quan sát đó có một một phát biểu đúng sự thật hơn, hãy nhớ trong đầu rằng trái đất có quỹ đạo xung quanh mặt trời, ai đó đang nhìn bạn từ thiên thể đó sẽ không đồng ý với cả hai ngƣời và nói bạn đang di chuyển ở tốc độ 18 dặm một giây, đó là chƣa tính tới trạng thái trên không trung của bạn. Với những bất đồng đó, việc Maxwell tuyên bố đã phát hiện ra “tốc độ ánh sáng” nhảy bổ ra từ các phƣơng trình của ông, câu hỏi tự nhiên là, tốc độ ánh sáng đó trong hệ phƣơng trình Maxwell đƣợc đo trong tƣơng đối với thứ gì?

Không có lý do gì để tin rằng thông số tốc độ trong hệ phƣơng trình Maxwell là tốc độ đƣợc đo tƣơng đối với trái đất. Hệ phƣơng trình của ông, trái lại, áp dụng cho toàn bộ vũ trụ. Một câu trả lời thay thế đƣợc xét đến trong một thời gian là các phƣơng trình của ông xác định vận tốc ánh sáng tƣơng đối với một môi trƣờng chƣa từng đƣợc thăm dò thẩm thấu toàn bộ không gian, gọi là ether truyền ánh sáng, hay ngắn gọn, ether, vốn là thuật ngữ của Aristotle cho chất mà ông tin rằng lấp đấy vũ trụ bên ngoài địa cầu. Chất ether giả thuyết này chính là môi trƣờng qua đó sóng ánh sáng lan truyền, cũng giống nhƣ âm thanh lan truyền trong không khí. Nếu nhƣ ether

tồn tại, sẽ có một tiêu chuẩn chuyển đối cho sự tĩnh (nghĩa là, đứng yên so với ether) và do đó một cách tuyệt đối để xác định chuyển động. Ether sẽ cung cấp một hệ quy chiếu đƣợc mong đợi cho toàn bộ vũ trụ, dựa trên đó tốc độ của đối tƣợng chuyển động bất kì có thể đƣợc đo. Vì vậy ether đã đƣợc giả thuyết có tồn tại trên lập trƣờng lý thuyết, thúc giục một vài nhà khoa học tìm kiếm một cách có thể nghiên cứu nó, hay chí ít cũng xác nhận sự tồn tại của nó. Một trong số đó có chính bản thân Maxwell.

Nếu bạn phóng thật nhanh trong không khí hƣớng tới một sóng âm, con sóng hƣớng tới bạn nhanh hơn, còn nếu nhƣ bạn phóng ra xa khỏi nó, nó hƣớng tới bạn chậm hơn. Một cách tƣơng tự, nếu ether có thật, tốc độ ánh sáng sẽ biến thiên theo chuyển động tƣơng đối của bạn với ether. Thực tế, nếu ánh sáng hoạt động giống nhƣ âm thanh, cũng nhƣ những ngƣời trên một chiếu siêu âm phản lực sẽ không bao giờ nghe thấy tiếng động phát ra từ phía sau máy bay, vậy thì các nhà du hành phóng đủ nhanh qua ether cũng có thể bỏ rơi sóng ánh sáng. Với những đánh giá đó, Maxwell đề xuất một thí nghiệm. Nếu ether có thật, trái đất phải chuyển động qua nó khi đang quay quanh mặt trời. Và vì trái đất phải đang du hành theo một hƣớng khác vào tháng giêng so với, giả sử, tháng tƣ hay tháng bảy, một ngƣời có thể quan sát đƣợc một khác biệt nhỏ xíu giữa vận tốc ánh sáng các thời điểm khác nhau trong năm – hãy nhìn bên dƣới.

62

Maxwell đã bị thuyết phục không xuất bản ý tƣởng của ông trong Biên

Bản của Hội Hoàng Gia bởi nhà biên tập của nó, ngƣời không nghĩ rằng thí nghiệm sẽ thành công. Tuy nhiên vào năm 1879, không lâu trƣớc khi ông mất vì căn bệnh ung thƣ dạ dày đau đớn, Maxwell đã gửi một lá thƣ về chủ đề đó cho một ngƣời bạn. Lá thƣ đã đƣợc đăng sau khi ông mất trên tập sang Tự Nhiên, chính trên đó nó đƣợc đọc, trong số nhiều ngƣời khác, bởi nhà vật lý ngƣời Mỹ tên là Albert Michelson. Lấy cảm hứng từ phỏng đoán của Maxwell, năm 1887 Michelson và Edward Morley đã thực hiện một thí nghiệm rất nhạy đƣợc thiết kế để đo đạc tốc độ ánh sáng mà trái đất đang chuyển động qua ether. Ý tƣởng là so sánh tốc độ ánh sáng theo hai hƣớng khác nhau, và vuông góc. Nếu tốc độ ánh sáng là một hằng số tƣơng đối với ether, phép đo phải làm lộ ra vận tốc ánh sáng có sự thay đổi theo hƣớng của chùm sáng. Nhƣng Michelson và Morley đã không quan sát đƣợc sự khác biệt nào.

Kết quả của thí nghiệm của Michelson và Morley rõ ràng mâu thuẫn với mô hình sóng điện từ lan truyền qua ether, và đáng ra phải làm cho mô hình ether bị bỏ đi. Nhƣng mục đích của Michelson là đo tốc độ của trái đất so với ether, chứ không phải chứng minh hay phản chứng cho giả thuyết ether, và điều mà ông tìm ra không dẫn ông đến kết luận ether không tồn tại. Cũng chẳng ai rút ra kết luận đó. Thực tế, nhà vật lý nổi tiếng Ngài William Thomson (Công tƣớc Kelvin) đã nói vào năm 1884 rằng ether là “chất duy nhất chúng ta tự tin trong động lực học. Một điều chúng ta có thể chắc chắn,

đó là thực tại và vật chất tính của ether truyền ánh sáng.” Làm sao bạn có thể tin vào ether mặc cho kết quả của thí nghiệm Michelson-Morley? Nhƣ

Chuyển động qua Ether Nếu chúng ta đang chuyển động qua ether, chúng ta

đáng ra có thể thăm dò đƣợc chuyển động đó bằng cách quan sát sự khác biệt

theo mùa trong tốc độ ánh sáng.

63

chúng ta đã nói chuyện thƣờng xảy ra, ngƣời ta thƣờng cố gắng cứu vãn cho mô hình bằng các bổ sung kiểu ứng biến và lấp liếm. Một số ngƣời giả thuyết rằng trái đất đã lôi ether theo nó, cho nên chúng ta đã không thực sự thấy chuyển động tƣơng đối với nó. Nhà vật lý Hà Lan Hendrik Antoon Lorents và nhà vật lý Ireland George Francis FitzGerald đề xuất rằng trong một hệ quy chiếu chuyển động so với ether, hẳn do một tác động cơ học chƣa biết nào đó, các đồng hồ sẽ chậm lại và khoảng cách sẽ co lại, vì thế một ngƣời vẫn sẽ đo đƣợc ánh sáng có tốc độ không đổi. Những nỗ lực giống vậy nhằm cứu vãn cho khái niệm ether cứ tiếp tục suốt gần hai mƣơi năm cho tới khi xuất hiện một bài viết xuất chúng từ một nhân viên vô danh trẻ tuổi ở văn phòng sáng chế tại Berne, Albert Einstein. Einstein mới hai mƣơi sáu tuổi vào năm 1905 khi ông xuất bản bài viết của mình “Zur Elektrodynamik bewegter Körper” (“Bàn về Điện Động Lực Học của các Vật Thể Chuyển Động”). Trong đó ông đặt một giả thiết đơn giản là các định luật vật lý và riêng tốc độ ánh sáng sẽ biểu hiện nhƣ nhau đối với tất cả các ngƣời quan sát đang chuyển động đều. Ý tƣởng này, hóa ra, lại đòi hỏi một cuộc cách mạng trong khái niệm của chúng ta về không gian và thời gian. Để hiểu tại sao, thử tƣởng tƣợng hai sự kiện diễn ra tại cùng một điểm nhƣng vào những thời điểm khác nhau, trên một chiếc máy bay phản lực. Đối với một ngƣời quan sát trên chiếc phản lực sẽ có một khoảng cách zero giữa hai

sự kiện. Nhƣng đối với ngƣời quan sát thứ hai đang đứng trên mặt đất các sự kiện sẽ cách biệt bằng khoảng cách chiếc phản lực đã đi đƣợc trong khoảng thời gian giữa hai sự kiện. Điều này cho thấy hai ngƣời quan sát chuyển động tƣơng đối với nhau sẽ không đồng thuận về khoảng cách giữa hai sự kiện. Giờ hãy giả sử hai ngƣời quan sát quan sát một xung ánh sáng đi từ đuôi máy bay tới mũi của nó. Cũng giống nhƣ thí dụ trên đây, họ sẽ không đồng thuận về khoảng cách mà ánh sáng đã đi đƣợc từ sự phát tại đuôi máy bay tới sự thu tại mũi. Vì tốc độ là khoảng cách đi đƣợc chia cho thời gian đã đi, điều này nghĩa là nếu họ đồng thuận về tốc độ mà xung đó đã đi – tốc độ ánh sáng – họ sẽ không đồng thuận về khoảng thời gian giữa sự phát và sự thu.

64

Thứ làm cho nó lạ lùng là, dù hai ngƣời quan sát đo đƣợc những khoảng thời gian khác nhau, họ đang quan sát cùng một quá trình vật lý. Eistein đã không ra sức xây dựng một lời giải thích nhân tạo cho điều này. Ông rút ra một kết luận logic, dù gây sững sốt, rằng phép đo thời gian đã trôi qua, giống nhƣ trong phép đo về khoảng cách đã đi đƣợc, phụ thuộc vào ngƣời quan sát đang thực hiện phép đo. Hiệu ứng đó là một trong những chìa khóa để đến với lý thuyết trong bài viết năm 1905 của Einstein, vốn sau này đƣợc gọi là thuyết tƣơng đối đặc biệt (thuyết tương đối hẹp - lnd).

Chúng ta có thể thấy làm thế nào phân tích này có thể áp dụng cho các thiết bị đo thời gian nếu chúng ta xét hai ngƣời quan sát đang nhìn vào một cái đồng hồ. Thuyết tƣơng đối đặt biệt nói rằng đồng hồ chạy nhanh hơn theo ngƣời quan sát đang đứng yên so với đồng hồ. Đối với ngƣời quan sát không đứng yên so với đồng hồ, đồng hồ sẽ chạy nhanh hơn. Nếu chúng ta xem nhƣ một xung ánh sáng đi từ đuôi tới mũi của máy bay với một tích tắc trên đồng hồ, chúng ta thấy rằng đối với một ngƣời quan sát trên mặt đất đồng hồ chạy chậm hơn bởi vì chùm sáng phải đi một khoảng cách xa hơn trong hệ quy chiếu đó. Nhƣng hiệu ứng này không phụ thuộc vào cơ cấu của đồng hồ, nó đúng cho mọi đồng hồ, thậm chí cả đồng hồ sinh học của chúng ta.

Chiếc phản lực giữa không trung Nếu bạn tâng một quả bóng trên một chiếc

phản lực, một ngƣời quan sát trên sàn máy bay xác định rằng nó chạm cùng

một điểm mỗi lần bật lên, trong khi một ngƣời quan sát trên mặt đất sẽ đo đƣợc

mọt sự khác biệt lớn giữa các điểm bật lên.

65

Công trình của Einstein cho thấy, giống nhƣ khái niệm sự tĩnh tuyệt đối,

thời gian không thể là tuyệt đối, nhƣ Newton vốn nghĩ. Nói cách khác, không thể nào gán cho mỗi sự kiện một thời điểm mà mọi ngƣời quan sát đều đồng thuận. Thay vào đó, mọi ngƣời quan sát đều có phép đo thời gian của riêng họ, và các thời điểm đo đƣợc bởi hai ngƣời quan sát đang chuyển động tƣơng đối với nhau sẽ không đồng thuận. Các ý tƣởng của Einstein đi ngƣợc lại trực giác của chúng ta bởi vì các hệ quả của chúng không thể nhận biết đƣợc ở các tốc độ chúng ta thƣờng bắt gặp hằng ngày. Nhƣng chúng đã đƣợc liên tục xác nhận bằng thí nghiệm. Lấy ví dụ, thử tƣởng tƣợng một đồng hồ quy chiếu đứng yên tại tâm trái đất, một đồng hồ khác trên mặt đất, và cái thứ ba đặt trên một máy bay, bay cùng hay ngƣợc chiều xoay của trái đất. Quy chiếu với đồng hồ tại tâm trái đất, đồng hồ trên máy bay về hƣớng đông – theo chiều xoay của trái đất – thì chuyển động nhanh hơn đồng hồ trên mặt đất, cho nên sẽ chạy chậm hơn. Tƣơng tự, khi quy chiếu với đồng hồ tại tâm trái đất, đồng hồ trên máy bay về hƣớng tây – ngƣợc chiều xoay của trái đất – thì chuyển động chậm hơn đồng hồ trên bề mặt, có nghĩa đồng hồ ấy sẽ chạy nhanh hơn đồng hồ trên bề mặt. Và đó chính xác là những gì đã quan sát đƣợc, trong một thí nghiệm tiến hành vào năm 1971, một đồng hồ nguyên tử rất chính xác đã đƣợc chở bay vòng quanh thế giới. Thế nên bạn có thể kéo dài cuộc sống của mình bằng cách bay liên miên về hƣớng đông vòng quanh thế giới, dù bạn có thể hơi ngán ngẩm khi xem mấy bộ phim hàng không ấy. Tuy nhiên, tác động này rất nhỏ, chỉ khoảng 180 phần tỉ

Sự giãn thời gian Các đồng hồ đang chuyển động có vẻ chạm chậm lại. Bởi vì

điều này cũng áp dụng lên các đồng hồ sinh học, những ngƣời đang chuyển động

sẽ có vẻ già đi chậm hơn, nhƣng bạn đừng hy vọng nhiều – ở các tốc độ hằng

ngày, không đồng hồ bình thƣờng nào có thể đo đƣợc sự khác biệt.

66

giây mỗi vòng (và cũng có thể bị làm giảm đi chút ít bởi tác động của khác biệt do trọng lực, nhƣng chúng ta không cần tính tới nó ở đây).

Nhờ vào công trình của Einstein, các nhà vật lý nhận ra rằng bằng yêu cầu tốc độ ánh sáng phải nhƣ nhau trong mọi hệ quy chiếu, lý thuyết về điện và từ của Maxwell đòi hỏi thời gian không thể đƣợc đối xử tách biệt với ba chiều không gian. Thay vào đó, thời gian và không gian bện chặt với nhau. Nó giống nhƣ thêm một hƣớng tƣơng lai/quá khứ vào các hƣớng thông thƣờng trái/phải, trƣớc/sau, và trên/dƣới. Các nhà vật lý gọi sự kết hôn giữa không gian thời gian này là “không-thời gian”, và bởi vì không-thời gian gồm thêm một hƣớng thứ tƣ, họ gọi nó là chiều thứ tƣ. Trong không-thời gian, thời gian không còn tách biệt khỏi ba chiều của không gian, và, nói một cách nôm na, giống nhƣ định nghĩa của trái/phải, trƣớc/sau, và trên/dƣới thì phụ thuộc vào định hƣớng của ngƣời quan sát, vậy thì hƣớng thời gian cũng biến thiên phụ thuộc vào tốc độ của ngƣời quan sát. Những ngƣời quan sát chuyển động tại các tốc độ khác nhau sẽ chọn các hƣớng khác nhau cho thời gian trong không-thời gian. Thuyết tƣơng đối đặt biệt của Einstein do đó là một mô hình mới, vứt bỏ các khái niệm về thời gian tuyệt đối và sự tĩnh tuyệt đối (nói cách khác, đứng yên so với ether).

Einstein sớm nhận ra để khiến lực hấp dẫn tƣơng thích với tính tƣơng đối thì cần thiết phải có một thay đổi khác. Theo thuyết hấp dẫn của Newton,

tại một thời điểm bất kì các đối tƣợng bị hút bởi nhau bằng một lực phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng tại thời điểm đó. Nhƣng thuyết tƣơng đối đặc biệt đã bãi bỏ khái niệm thời gian tuyệt đối, cho nên không có cách nào để định nghĩa lúc mà khoảng cách giữa hai đối tƣợng nên đƣợc đo. Thế cho nên thuyết hấp dẫn của Newton có mâu thuẫn với thuyết tƣơng đối đặc biệt và cần đƣợc hiệu chỉnh. Sự xung đột có thể nghe nhƣ là một khó khăn thuần kĩ thuật nhỏ nhặt, có lẽ chỉ là một chi tiết cần thu xếp mà không làm thay đổi nhiều lý thuyết. Hóa ra, không gì vƣợt qua sự thật. Suốt mƣời một năm kế tiếp Einstein đã phát triển một lý thuyết tƣơng đối mới, đƣợc ông gọi là thuyết tƣơng đối tổng quát. Khái niệm lực hấp dẫn trong thuyết tƣơng đối tổng quát không hề giống với khái niệm của Newton. Thay vào đó, nó dựa trên một đề xuất mang tính cách mạng là không-thời gian không phẳng, nhƣ đã đƣợc giả sử trƣớc đó, mà bị bẻ cong và biến dạng bởi khối lƣợng và năng lƣợng trong nó.

Một cách tốt để hình dung sự cong là nghĩ tới bề mặt trái đất. Mặc dù bề mặt trái đất chỉ có hai chiều (vì chỉ có hai hƣớng trên đó, đặt là bắc/nam và đông/tây), chúng ta sẽ dùng nó làm ví dụ vì một không gian hai chiều cong thì dễ hình dung hơn một không gian bốn chiều cong. Hình học của các không gian cong giống nhƣ bề mặt trái đất không giống với hình học kiểu Euclid mà chúng ta quen thuộc. Ví dụ, trên bề mặt trái đất, độ dài ngắn nhất giữa hai điểm – vốn ta biết là đoạn thẳng trong hình học Euclid – là một đoạn nối hai điểm trên một đƣờng gọi là đƣờng tròn lớn. (Một đƣờng tròn lớn là một đƣờng tròn trên bề mặt trái đất có tâm trùng với tâm trái đất. Đƣờng xích

67

đạo là một ví dụ cho một đƣờng tròn lớn, và bất cứ đƣờng tròn nào thu đƣợc bằng cách xoay đƣờng xích đạo theo các đƣờng kính khác nhau.) Thử tƣởng tƣợng, giả sử nhƣ bạn muốn đi từ New York tới Madrid, hai thành phố ở gần nhƣ cùng vĩ độ. Nếu mặt đất là phẳng, hành trình ngắn nhất sẽ là nhằm thẳng hƣớng đông. Nếu bạn làm thế, bạn sẽ đến Madrid sau khi đi 3.707 dặm. Nhƣng do sự cong của mặt đất, có một quỹ đạo mà trên bản đồ phẳng nhìn sẽ cong và do đó dài hơn, nhƣng nó thực sự là đƣờng ngắn hơn. Bạn có thể đến đó trong vòng 3.605 dặm nếu đi theo đƣờng tròn lớn, đầu tiên là nhằm hƣớng đông bắc, rồi từ từ chuyển hƣớng đông, và rồi đông nam. Sự khác biệt trong khoảng cách giữa hai hành trình là do độ cong của trái đất, và một dấu hiệu cho hình học phi-Euclid của nó. Hàng không họ biết điều này, và luôn lập trình cho phi công của họ bay theo các đƣờng tròn lớn trong mọi trƣờng hợp thực tế.

Theo các định luật về chuyển động của Newton, các đối tƣợng nhƣ đạn đại bác, bánh sừng bò, và các hành tinh chuyển động theo những đƣờng thẳng trừ phi chịu tác động của một lực, ví dụ nhƣ lực hấp dẫn. Tuy nhiên lực hấp dẫn, trong lý thuyết của Einstein, không phải là một lực nhƣ các lực khác; thay vào đó, nó là hệ quả của thực tế là khối lƣợng làm biến dạng không-thời gian, tạo ra độ cong. Trong lý thuyết của Einstein, các đối tƣợng chuyển động theo những đƣờng tối cận (đường trắc địa - lnd), là những

đƣờng gần với đƣờng thẳng nhất trong một không gian cong. Đƣờng thẳng là các đƣờng tối cận trong mặt phẳng, và các đƣờng tròn lớn là những đƣờng tối cận trên bề mặt trái đất. Khi không có khối lƣợng, các đƣờng tối cận trong không-gian bốn chiều tƣơng ứng với các đƣờng thẳng trong không gian ba chiều. Nhƣng khi có vật chất hiện diện, làm biến dạng không-thời gian, quỹ đạo của các vật thể trong không gian ba chiều tƣơng ứng cong lại theo cách thức mà các lý thuyết kiểu Newton đƣợc giải thích bằng lực hút hấp dẫn. Khi không-thời gian không thẳng, quỹ đạo của các đối tƣợng có vẻ nhƣ bị cong lại, tạo ra ấn tƣợng rằng một lực đang tác dụng lên chúng.

Các đường tối cận Độ dài ngắn nhất giữa hai điểm trên bề mặt trái đất có vẻ cong

khi đƣợc vẽ trên một bản đồ phẳng – một điều nên nhớ trong đầu khi nếu có bao

giờ phải làm một bài kiểm tra độ cồn.

68

Thuyết tƣơng đối tổng quát của Einstein tái tạo ra thuyết tƣơng đối đặc biệt khi vắng mặt lực hấp dẫn, và nó tạo ra hầu nhƣ những dự đoán tƣơng tự nhƣ thuyết hấp dẫn của Newton trong môi trƣờng hấp dẫn yếu của hệ mặt trời của chúng ta – nhƣng không hoàn toàn. Thực tế, nếu thuyết tƣơng đối tổng quát không đƣợc mang vào tính toán trong hệ thống định hƣớng vệ tinh GPS, các lỗi trong định vị toàn cầu sẽ tích lũy với một tỉ lệ khoảng mƣời kilômét một ngày! Tuy nhiên, tầm quan trọng thực sự của thuyết tƣơng đối tổng quát không ở chỗ ứng dụng của nó trong các thiết bị chỉ đƣờng cho bạn tới những nhà hàng mới, mà thay vào đó là một mô hình rất khác về vũ trụ, vốn dự đoán những hiệu ứng mới nhƣ sóng hấp dẫn và lỗ đen. Và thế là thuyết tƣơng đối tổng quát đã lột xác vật lý thành hình học. Công nghệ hiện đại đủ nhạy để cho phép chúng ta thực hiện nhiều kiểm tra chính xác lên thuyết tƣơng đối tổng quát, và nó đã vƣợt qua tất cả chúng.

Dù cả hai đều đã cách mạng vật lý, thuyết điện từ của Maxwell và thuyết hấp dẫn của Einstein – thuyết tƣơng đối tổng quát – đều, giống nhƣ cả vật lý của chính Newton, là các lý thuyết cổ điển. Nói rõ ra, chúng là những mô hình trong đó vũ trụ có một lịch sử đơn lẻ. Nhƣ chúng ta đã thấy trong chƣơng trƣớc, tại các cấp độ nguyên tử và dƣới nguyên tử những mô hình này không đồng thuận với quan sát. Thay vào đó, chúng ta phải dùng các lý thuyết lƣợng tử trong đó vũ trụ có thể có bất kì lịch sử khả dĩ nào, mỗi lịch sử

đó có một cƣờng độ hay biên độ xác suất của riêng nó. Đối với các tính toán thực dụng trong thế giới hằng ngày, chúng ta vẫn có thể sử dụng các lý thuyết cổ điển, nhƣng nếu chúng ta mong muốn hiểu đƣợc hành vi của các nguyên tử và phân tử, chúng ta cần một phiên bản lƣợng tử cho thuyết điện từ của Maxwell; và nếu chúng ta muốn hiểu đƣợc vũ trụ sơ khai, khi tất cả vật chất và năng lƣợng trong vũ trụ bị vắt lại trong một thể tích nhỏ, chúng ta phải có một phiên bản lƣợng tử của thuyết tƣơng đối tổng quát. Chúng ta cần tới những lý thuyết nhƣ thế vì nếu chúng ta tìm kiếm một sự hiểu biết cơ bản về vũ trụ, nó sẽ có mâu thuẫn khi một số những định luật này lại là lƣợng tử trong khi những cái khác lại là cổ điển. Thế nên chúng ta phải tìm các phiên bản lƣợng tử cho tất cả các định luật tự nhiên. Những lý thuyết nhƣ thế đƣợc gọi là các thuyết trƣờng lƣợng tử.

Các lực đã biết trong tự nhiên có thể chia thành bốn nhóm: 1. Hấp dẫn. Đây là lực yếu nhất trong cả bốn, nhƣng nó là một lực

tầm xa và tác dụng lên mọi thứ nhƣ một lực hút. Điều này có nghĩa là đối với các vật thể lớn lực hấp dẫn luôn cộng dồn lên và có thể lấn át tất cả các lực khác.

2. Điện từ. Đây cũng là một lực tầm xa và mạnh hơn nhiều so với lực hấp dẫn nhƣng nó tác dụng lên các hạt có điện tích, là lực đẩy giữa các điện tích khác dấu và lực hút giữa các điện tích ngƣợc dấu. Điều này có nghĩa là các lực điện trong một vật thể lớn hủy lẫn nhau hết, nhƣng trong phạm vi nguyên tử và phân tử chúng là

69

lực thống trị. Các lực điện từ có là nguyên nhân cho tất cả quá trình hóa học và sinh học.

3. Lực hạt nhân yếu. Nó gây ra phóng xạ và đóng vai trò cốt yếu cho việc hình thành các nguyên tố trong các ngôi sao và vũ trụ sơ khai. Chúng ta không, dù vậy, có dịp tiếp xúc với lực này trong cuộc sống hằng ngày.

4. Lực hạt nhân mạnh. Lực này gắn các proton và neutron lại trong nhân nguyên tử. Nó cũng giữ vững chính bản thân các hạt proton và neutron, vốn là điều cần thiết bởi vì chúng đƣợc tạo thành từ các hạt còn nhỏ hơn, các quark chúng ta đã đề cập đến trong Chƣơng 3. Lực hạt nhân mạnh là nguồn năng lƣợng cho mặt trời và năng lƣợng hạt nhân, tuy nhiên, giống nhƣ lực yếu, chúng ta không có tiếp xúc trực tiếp với chúng.

Thuyết lƣợng tử cho trƣờng điện từ, gọi là điện động lực học lƣợng tử (quantum electrodynamics – source), hay viết tắt QED, đã đƣợc phát triển bởi Richard Feynman cùng những ngƣời khác, đã trở thành một hình mẫu cho tất cả lý thuyết trƣờng lƣợng tử. Nhƣ chúng ta đã nói, theo các thuyết cổ điển, các lực đƣợc truyền bởi các trƣờng. Nhƣng trong các lý thuyết trƣờng lƣợng tử các trƣờng lực đƣợc hình dung nhƣ tạo nên từ nhiều hạt nguyên tố khác nhau gọi là các boson, vốn là các hạt mang lực bay qua lại giữa các hạt

vật chất, để truyền lực. Photon, hạt của ánh sáng, là một ví dụ của boson. Nó chính là hạt boson truyền lực điện từ. Chuyện xảy ra là một hạt vật chất, ví dụ nhƣ một electron, phát ra một boson, hay một hạt lực, và giật ngƣợc lại, khá giống nhƣ một khẩu đại bác giật lại sau khi bắn một phát đại bác. Hạt lực sau đó va chạm với một hạt vật chất khác và bị hấp thụ, làm thay đổi chuyển động của hạt đó. Theo thuyết QED, tất cả các tƣơng tác giữa các hạt có điện tích – các hạt cảm ứng với lực điện từ – đƣợc mô tả trong khuôn khổ sự trao đổi các photon.

Các dự đoán của QED đã đƣợc kiểm tra và đƣợc nhận thấy là phù hợp với các kết quả thí nghiệm với độ chính xác cao. Nhƣng việc triển khai các tính toán toán học đƣợc đòi hỏi trong QED có thể gặp khó khăn. Vấn đề, nhƣ chúng ta sẽ thấy sau đây, là khi bạn cộng dồn cái điều kiện lượng tử mà ta phải tính đến tất cả các lịch sử khả dĩ mà một tương tác có thể xảy ra vào cơ cấu trao đổi hạt đã nói ở trên – ví dụ, tất cả các cách mà các hạt lực có thể đƣợc trao đổi – dạng toán học của nó trở nên phức tạp. Cũng may là, cùng với việc phát kiến ra ý tƣởng về các lịch sử thay thế – cách hình dung về các lý thuyết lƣợng tử đƣợc mô tả trong chƣơng vừa rồi – Feynman cũng phát triển một phƣơng pháp đồ thị gọn gàng để lý giải các lịch sử khác nhau, một phƣơng pháp ngày nay không chỉ đƣợc áp dụng cho QED mà tất cả các lý thuyết trƣờng lƣợng tử. Phƣơng pháp đồ thị của Feynman cung cấp một cách để trực quan mỗi hạng tử trong tổng trên các lịch sử. Các hình ảnh này, đƣợc gọi là các biểu đồ Feynman, là một trong những công cụ quan trọng nhất trong vật lý hiện đại. Trong QED tổng trên tất cả các lịch sử khả dĩ có

70

thể đƣợc đại diện nhƣ tổng trên các biểu đồ Feynman giống nhƣ những hình bên dƣới, vốn đại diện cho một số trong những cách mà hai electron phân tán nhau bằng lực điện từ. Trong các biểu đồ này các đƣờng đậm tƣợng trƣng cho electron và các đƣờng gợn sóng đại diện cho các photon. Thời gian đƣợc quy ƣớc là tiến theo chiều từ dƣới lên trên, và những chỗ mà các đƣờng nhập lại với nhau tƣơng ứng với các photon đƣợc phát hay hấp thu bởi một electron. Biểu đồ (A) tƣợng trƣng cho hai electron tiến đến nhau, trao đổi một photon, rồi thì tiếp tục đƣờng của chúng. Đó là cách đơn giản nhất hai electron có thể tƣơng tác điện từ, nhƣng chúng ta cần phải xét đến tất cả các lịch sử khả dĩ. Thế nên chúng ta phải gồm luôn các biểu đồ giống (B). Biểu đồ này cũng mô tả hai đƣờng tiến lại – hai electron đang tiến tới nhau – và hai đƣờng đi ra – các electron phân tán nhau – nhƣng trong biểu đồ này các electron trao đổi hai photon trƣớc khi bay đi. Các biểu đồ đƣợc mô phỏng ở đây chỉ là một số trong số các xác suất; thực tế. có một số vô cùng các biểu đồ, vốn phải có phải đƣợc giải đáp bằng toán học.

Các biểu đồ của Feynman không chỉ là một cách gọn gàng để hình dung

và phân loại cách các tƣơng tác xảy ra. Các biểu đồ Feynman mang đến những quy tắc cho phép chúng ta đọc ra, từ những đƣờng và giao điểm

trong mỗi biểu đồ, một biểu thức toán học. Xác suất mà, giả sử, các electron đang tiến tới, với một động lƣợng ban đầu nào đó, dẫn tới việc chúng bay khỏi với một động lƣợng sau cùng cụ thể nào đó lúc này thu đƣợc bằng cách tổng các đóng góp từ mỗi biểu đồ Feynman. Việc đó có thể tốn chút công sức, bởi vì, nhƣ chúng ta đã nói, có một số vô hạn các đóng góp ấy. Hơn nữa, dù cho các electron tiến tới và bay đi đƣợc gán một năng lƣợng và

Các biểu đồ Feynman Các biểu đồ nay liên hệ tới một quá trình trong

đó các electron phân tán nhau.

71

động lƣợng xác định, các hạt trong những vòng lặp kín hàm chứa trong các biểu đồ có thể có một năng lƣợng hay động lƣợng bất kì. Điều đó là quan trọng vì khi thực hiện tổng Feynman ngƣời ta phải tổng không chỉ tất cả các biểu đồ mà còn tất cả những giá trị của năng lƣợng và động năng đó.

Các biểu đồ Feynman cung cấp cho các nhà vật lý một sự hỗ trợ to lớn để trực quan và tính toán các xác suất của những quá trình đƣợc mô tả bởi QED. Nhƣng chúng không chữa đƣợc một căn bệnh mà lý thuyết phải hứng chịu: Khi bạn cộng các đóng góp từ vô hạn những lịch sử khác nhau, bạn nhận đƣợc một kết quả vô hạn. (Nếu các số hạng lần lƣợt trong một tổng vô hạng giảm đủ nhanh, nó có thể khiến tổng trở nên hữu hạn, nhƣng chuyện ấy, không may thay, không xảy ra ở đây.) Một trƣờng hợp riêng, khi các biểu đồ Feynman đƣợc cộng dồn vào, câu trả lời có vẻ nhƣ ngụ ý rằng các electron có một khối lƣợng và điện tích vô hạn. Điều này là ngớ ngẩn, vì chúng ta có thể đo đƣợc khối lƣợng và điện tích và chúng là hữu hạn. Để xử lý các vô hạn này, một thủ tục gọi là tái bình thƣờng hóa (hay “tái chuẩn hóa” renormalization – lnd) đã đƣợc phát triển. Quá trình trong tái bình thƣờng hóa liên quan việc trừ những đại lƣợng đƣợc xác định vô hạn và âm theo một cách mà, với tính toán toán học kỹ lƣỡng, tổng của các giá trị vô hạn âm và các giá trị vô hạn dƣơng xuất hiện trong lý thuyết hủy nhau hầu hết, chỉ chừa lại một phần nhỏ còn lại, chính là giá trị đƣợc quan sát hữu hạn của

khối lƣợng và điện tích. Những sự vận dụng này nghe giống thứ làm bạn nhận điểm vỏ chuối cho một kì kiểm tra toán trong trƣờng, và thật sự thì tái bình thƣờng hóa, nhƣ cách gọi của nó, mơ hồ về mặt toán học. Một hệ quả là các giá trị khối lƣợng và điện tích thu đƣợc bằng phƣơng pháp này trên một electron có thể có giá trị hữu hạn bất kì. Điều đó có thuận lợi là các nhà vật lý có thể chọn các vô hạn theo một cách cho ra đƣợc kết quả đúng, nhƣng sự bất lợi là khối lƣợng và điện tích của electron do đó không thể đƣợc dự đoán từ lý thuyết.Tuy nhiên một khi chúng ta đã cố định khối lƣợng và điện tích của electron theo cách này, ta có thể sử dụng QED để thực hiện nhiều dự đoán rất chính xác khác, vốn tất cả đều đồng thuận với cực kì sâu sát với quan sát, cho nên tái bình thƣờng hóa là một trong những thành phần thiết yếu trong QED. Một thắng lợi sớm của QED, ví dụ, là dự đoán

chính xác về cái gọi là sự dịch chuyển Lamb, một thay đổi năng lƣợng nhỏ ở

một trong các trạng thái của nguyên tử hydrô đƣợc khám phá vào năm 1947.

72

Thành công của tái bình thƣờng hóa của QED đã khích lệ các nỗ lực đi tìm các lý thuyết trƣờng lƣợng tử mô tả ba lực tự nhiên còn lại của tự nhiên. Nhƣng sự phân chia các lực tự nhiên thành bốn nhóm thì hẳn là nhân tạo và là một hệ quả do sự thiếu hiểu biết của chúng ta. Ngƣời ta từ đó đã tìm một lý thuyết cho mọi thứ mà sẽ thống nhất bốn nhóm và một định luật đơn lẻ tƣơng thích với thuyết lƣợng tử. Đây sẽ là chiếc chén thánh của vật lý.

Một dấu hiệu cho thấy sự thống nhất là cách tiếp cận đúng đến từ lý thuyết về lực yếu. Thuyết trƣờng lƣợng tử mô tả lực yếu tự nó không thể tự tái bình thƣờng hóa; nói rõ ra, nó có những vô hạn (vô cùng lớn-lnd) không thể bị hủy bằng cách trừ một số hữu hạn các đại lƣợng nhƣ khối lƣợng và điện tích. Thế nhƣng, năm 1967 Abdus Salam và Steven Weinberg mỗi ngƣời độc lập với nhau đề xuất một lý thuyết trong đó lực điện từ đã đƣợc hợp nhất với lực yếu, và nhận ra rằng sự hợp nhất chữa đƣợc điều tệ hại của các vô hạn. Lực đƣợc hợp nhất đƣợc là lực điện yếu. Lý thuyết của nó có thể đƣợc tái bình thƣờng hóa, và nó dự đoán những hạt mới gọi là W+, W-, và Z0. Bằng chứng cho hạt Z0 đã đƣợc phát hiện tại CERN ở Geneva vào năm 1973. Salam và Weinberg đã đƣợc trao giải Nobel vào năm 1979, dù các hạt W và Z đã không đƣợc quan sát trực tiếp mãi tới năm 1983.

Lực mạnh có thể đƣợc tái bình thƣờng hóa bởi chính nó trong một lý thuyết gọi là QCD, hay động lực học sắc tố lƣợng tử (quantum chromodynamics – source). Theo QCD, proton, neutron và nhiều hạt nguyên tố khác của vật chất đƣợc tạo ra từ các quark, vốn có một đặc tính nổi bật mà các nhà vật lý gọi thành màu (nên mới có thuật ngữ “động lực học sắc tố

Các biểu đồ Feynman Richard Feynman lái một chiếc xế thùng có

các biểu đồ Feynman đƣợc sơn lên thân. Phóng tác của nghệ sĩ này

đƣợc tạo ra để biểu diễn các biểu đồ đã thảo luận ở trên. Dù Feynman

mất năm 1988, chiếc xe thùng vẫn còn đâu đó – trong kho gần Caltech

ở California Nam.

73

lƣợng tử,” mặc dù màu sắc của quark chỉ là các mác có ích – chẳng liên hệ gì với màu sắc nhìn thấy đƣợc cả). Các quark chia thành ba cái gọi là màu sắc, đỏ, lục, lam. Thêm vào đó, mỗi quark có một cộng sự phản hạt , và màu sắc của các hạt này đƣợc gọi là phản-đỏ, phản-lục, và phản-lam. Ý tƣởng là chỉ có các tổ hợp tạo thành không có thể tồn tại nhƣ các hạt tự do. Có hai cách để đạt đƣợc các tổ hợp quark trung hòa nhƣ vậy. Một màu và phản-màu của nó hủy nhau, nên một quark và một phản-quark tạo thành cặp không màu, một hạt không bền gọi là meson. Ngoài ra, khi tất cả ba màu (hay phản-màu) đƣợc trộn với nhau, kết quả tạo ra không màu. Ba quark, mỗi hạt với một màu, hình thành nên một hạt bền gọi là baryon, với các proton và neutron là ví dụ của chúng (và ba phản quark tạo nên các phản hạt của baryon). Proton và neutron là các baryon tạo nên hạt nhân của các nguyên tử và là nền tảng cho tất cả vật chất bình thƣờng trong vũ trụ.

QCD còn có một đặc tính gọi là tự do tiệm cận. Tự do tiệm cận có nghĩa là các lực mạnh giữa các quark là nhỏ khi các quark ở gần nhau nhƣng tăng lên khi chúng ở xa nhau, khá giống nhƣ thể chúng đƣợc nối với nhau bởi các sợi dây thun. Tự do tiệm cận giải thích tại sao chúng ta không thấy các quark biệt lập trong tự nhiên và chƣa có khả năng để tạo ra chúng trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, mặc dù chúng ta không thể quan sát các quark đơn lẻ, chúng ta chấp nhận mô hình vì nó làm rất tốt việc giải thích cho hành vi của các proton, neutron, và các hạt vật chất khác.

Sau khi hợp nhất các lực yếu và lực điện từ, các nhà vật lý thập niên 1970 đã tìm kiếm một cách để mang lực mạnh vào trong lý thuyết đó. Có một số cái gọi là những thuyết thống nhất lớn hay các GUT thống nhất các lực

Các Baryon và Meson Các Baryon và Meson đƣợc coi nhƣ tạo nên

từ các quark buộc lại với nhau bằng lực mạnh. Khi những hạt này va

chạm, chúng có thể trao đổi các quark, nhƣng các quark đơn lẻ không

thễ đƣợc quan sát.

74

mạnh với lực yếu và điện từ, nhƣng chúng hầu hết đều dự đoán rằng các proton, thứ mà chúng ta đƣợc tạo ra, sẽ phân rã, trung bình, sau khoảng 1032 năm. Đó là một đời sống rất dài, khi biết rằng vũ trụ chỉ mới 1010 năm tuổi. Nhƣng trong vật lý lƣợng tử, khi ta nói đời sống trung bình của một hạt là 1032 năm, chúng ta không có nghĩa là phần lớn các hạt sống xấp xỉ 1032 năm, có hơn kém một chút. Thay vào đó, điều mà chúng ta muốn nói là, mỗi năm, hạt đó có một khả năng 1 trên 1032 sẽ phân rã. Nhƣ một kết quả, nếu bạn quan sát một bể chứa 1032 proton trong vài năm, bạn sẽ phải thấy một vài proton phân rã. Nó không phải quá khó để xây một bể chứa nƣớc nhƣ vậy, vì 1032 proton đƣợc chứa trong chỉ một ngàn tấn nƣớc. Các nhà khoa học đã thực hiện những thí nghiệm nhƣ vậy. Nó lại hóa ra là thăm dò các phân rã và phân lập chúng khỏi các sự kiện gây ra bởi những tia vũ trụ liên miên dội xuống chúng ta từ không gian là chuyện không dễ. Để giảm thiểu sự nhiễu, các thí nghiệm đã đƣợc thực hiện dƣới sâu trong những nơi giống nhƣ mỏ của Công ty Khai mỏ và Luyện Kim Kamioka 3.281 dặm (10,7 km) bên dƣới một ngọn núi ở Nhật, vốn đƣợc che chắn tƣơng đối khỏi các tia vũ trụ. Theo một kết quả từ những quan sát vào năm 2009, các nhà nghiên cứu đã kết luận rằng nếu proton có thực sự phân rã đi nữa, thì đời sống của proton vẫn lớn hơn 1034 năm, trở thành một tin xấu cho các thuyết thống nhất lớn. Bởi vì các chứng cứ quan sát trên đã thất bại trong việc ủng hộ các

GUT, phần lớn các nhà vật lý tiếp nhận một giả thuyết kiểu ứng biến gọi là mô hình chuẩn, vốn gộp luôn lý thuyết thống nhất của lực điện yếu và QCD thành một lý thuyết cho các lực mạnh. Thế nhƣng trong mô hình này, các lực điện yếu và lực mạnh tác dụng tách biệt và không thực sự đƣợc thống nhất. Mô hình chuẩn rất thành công và đồng thuận với tất cả các chứng cứ quan sát hiện thời, nhƣ nó không thỏa đáng đến cùng vì, chƣa kể đến việc không thống nhất lực điện yếu và lực mạnh, nó còn không kể đến lực hấp dẫn.

“Đóng một cái khung xung

quanh nó, tôi e, sẽ chẳng

biến nó thành một lý thuyết

thống nhất.”

75

Mọi việc đã chứng tỏ sự khó khăn khi ta sáp nhập lực mạnh với các lực điện yếu và lực điện từ, nhƣng các vấn đề đó không là gì so với với vấn đề sáp nhập lực hấp dẫn với ba lực kia, hay thậm chí là tạo ra một thuyết lƣợng tử độc lập cho lực hấp dẫn. Lý do mà một thuyết lƣợng tử cho lực hấp dẫn thực sự khó khăn để tạo ra chính là xử lý nguyên lý bất định Heisenberg, mà chúng ta đã thảo luận trong Chƣơng 4. Nó không rõ ràng, nhƣng hóa ra là khi xét tới nguyên lý đó, giá trị của một trƣờng và tỉ lệ thanh đổi của nó đóng vai trò nhƣ là vị trí và vận tốc của một hạt. Nghĩa là, một đại lƣợng càng đƣợc xác định chính xác, đại lƣợng kia càng đƣợc xác định kém chính xác. Một hệ quả quan trọng của nó là không có thứ gì là không gian trống. Đó là bởi vì không gian trống có nghĩa là cả giá trị của một trƣờng và tỉ lệ thay đổi của nó là chính xác zero. (Nếu tỉ lệ thay đổi của trƣờng không phải là zero không gian sẽ không tiếp tục trống không.) Bởi vì nguyên lý bất định không cho phép giá trị của cả và tỉ lệ thay đổi trƣờng là chính xác, không gian sẽ không bao giờ trống. Nó có thể có một trạng thái năng lƣợng cực tiểu, gọi là chân không, nhƣng trạng thái đó lệ thuộc vào cái mà chúng ta gọi là sự chập chờn lƣợng tử, hay sự dao động chân không – các hạt và trƣờng run động ra rồi vào giữa sự tồn tại.

Một ngƣời có thể hình dung sự dao động chân không nhƣ là các cặp hạt và phản hạt xuất hiện cùng nhau tại một thời điểm nào đó, chuyển động tách

rời, rồi lại tiến tới nhau và tự hủy nhau. Trong các hạng tử của các biểu đồ Feynman, chúng tƣơng ứng với các vòng lặp kín. Các hạt này đƣợc gọi là các hạt ảo. Không giống nhƣ các hạt thật, hạt ảo không thể đƣợc quan sát trực tiếp với một máy thăm dò hạt. Tuy nhiên, tác động gián tiếp của chúng, nhƣ các thay đổi nhỏ trong năng lƣợng của các quỹ đạo electron, có thể đo đƣợc, và đồng thuận với các dự đoán lý thuyết với một độ chính xác nổi bật. Vấn đề ở chỗ các hạt ảo có năng lƣợng, và bởi vì có vô hạn các cặp ảo, chúng sẽ có một năng lƣợng vô hạn. Theo thuyết tƣơng đối tổng quát, điều này có nghĩa là chúng sẽ bẻ cong vũ trụ về một kích thƣớc nhỏ vô hạn, vốn rõ ràng không xảy ra. Sự tai hại của các vô hạn tƣơng tự nhƣ vấn đề xảy ra trong các lý thuyết về các lực mạnh, yếu, và điện từ, ngoại trừ trong các trƣờng hợp này tái bình thƣờng hóa loại bỏ các vô hạn. Nhƣng các vòng lặp kín trong các biểu đồ Feynman cho lực hấp dẫn sản sinh ra các vô hạn vốn không thể đƣợc hấp thu bởi tái bình thƣờng hóa bởi vì thuyết tƣơng đối tổng quát không có đủ các thông số có thể tái bình thƣờng (nhƣ là giá trị của khối lƣợng và điện tích) để loại bỏ tất cả các vô hạn lƣợng tử khỏi lý thuyết. Chúng ta từ đó còn lại một lý thuyết hấp dẫn dự đoán rằng các đại lƣợng cụ thể, nhƣ là độ cong của không-thời gian, là vô hạn, vốn không cách nào để thành một vũ trụ có thể ở đƣợc. Điều này nghĩa là khả năng duy nhất để thu đƣợc một lý thuyết hợp lý phải là cho tất cả các vô hạn làm cách nào đó tự hủy, mà không cần dính dáng tới tái bình thƣờng hóa.

Năm 1976 một giải pháp khả thi cho vấn đề đó đã đƣợc tìm thấy. Nó đƣợc gọi là siêu hấp dẫn. Tiền tố “siêu” không đƣợc chú dẫn vào vì mấy nhà

76

vật lý nghĩ nó thật “siêu” nếu nhƣ thuyết hấp dẫn lƣợng tử này thực sự làm ra việc. Thay vào đó, “siêu” liên hệ đến một loại đối xứng mà thuyết này sở hữu, gọi là siêu đối xứng. Trong vật lý, một hệ đƣợc bảo là có tính đối xứng nếu các đạc tính của nó không bị ảnh hƣởng bởi một số phép biến hình nhƣ là xoay trong không gian hay lấy đối xứng gƣơng. Ví dụ, nếu bạn lật một cái bánh vòng lên, nó vẫn trông không đổi (trừ phi nó có một lớp sô cô la, trƣờng hợp này thì chỉ có vẻ ngon hơn khi xơi nó). Siêu đối xứng là một loại đối xứng tinh tế hơn mà không thể liên hiệp với một phép biến hình trong không gian thƣờng. Một trong những dẫn ý của siêu đối xứng là các hạt lực và hạt vật chất, và do đó lực và vật chất, chỉ là hai khía cạnh của cùng một thứ. Nói thực tế, đó có nghĩa là mỗi hạt vật chất, nhƣ là một quark, sẽ phải có một hạt cộng sự là một hạt lực, và mỗi hạt lực, giống nhƣ photon, sẽ phải có một hạt cộng sự vốn là hạt vật chất. Điều này dẫn tới một tiềm năng để giải quyết vấn đề các vô hạn bởi vì hóa ra các vô hạn trong những vòng lặp kín của các hạt lực là dƣơng trong khi các vô hạn trong những vòng lặp kín của các hạt vật chất là âm, thế nên các vô hạn trong lý thuyết nổi lên từ các hệt lực và các hạt vật chất cộng sự của chúng có xu hƣớng hủy nhau. Không may thay, các tính toán cần thiết để xác nhận nếu có một vài vô hạn còn lại chƣa bị hủy trong thuyết siêu hấp dẫn thì quá dài và khó khăn và tiềm ẩn khả năng sai sót lớn đến nỗi không ai đã sẵn sàng để đảm nhận chúng. Phần lớn các nhà

vật lý tin rằng, dù vậy, siêu hấp dẫn hẳn là câu trả lời đúng cho vấn đề hợp nhất lực hấp dẫn với các lực khác.

Có lẽ bạn sẽ nghĩ hiệu lực của siêu đối xứng sẽ là một điều dễ kiểm tra – chỉ cần xem xét đặc tính của các hạt đang tồn tại và xem xem nếu chúng bắt cặp. Không có những hạt cộng sự nào nhƣ vậy từng đƣợc quan sát. Nhƣng nhiều tính toán khác nhau mà các nhà vật lý đã thực hiện cho dấu hiệu rằng các hạt cộng sự tƣơng ứng với các hạt chúng ta quan sát phải có khối lƣợng bằng một ngàn lần một proton, thậm chí nặng hơn. Nó quả quá lớn để những hạt nhƣ thế có thể đƣợc thấy trong các thí nghiệm từ trƣớc đến nay, nhƣng vẫn có hy vọng là các hạt nhƣ thế sẽ cuối cùng đƣợc tạo ra tại Máy Va chạm Hadron Lớn ở Geneva.

Ý tƣởng rằng siêu đối xứng là chủ chốt cho sự tạo thành siêu hấp dẫn, nhƣng khái niệm đó đã thực sự bắt nguồn từ nhiều năm trƣớc khi các nhà lý thuyết nghiên cứu một lý thuyết sơ khai gọi là lý thuyết dây. Theo nhƣ thuyết dây, các hạt không phải là những điểm, mà là các kiểu hình rung động có độ dài nhƣng không có độ cao hay độ rộng – giống nhƣ các mảnh dây mảnh vô hạn. Các thuyết dây cũng dẫn tới các vô hạn, nhƣng nó đƣợc tin rằng trong một phiên bản đúng chúng sẽ hủy nhau hết. Chúng còn có một đặc tính kì lạ: chúng chỉ không mâu thuẫn trong một không-thời gian có mƣời chiều, thay vì là bốn chiều thông thƣờng. Mƣời chiều có thể nghe rất thích thú, nhƣng chúng sẽ gây ra phiền toái lớn khi bạn quên chỗ mình đỗ xe. Nếu chúng hiện diện, tại sao chúng ta không nhìn thấy các chiều thêm vào? Theo nhƣ thuyết dây, chúng bị cong lại thành một không gian rất nhỏ. Để hình dung điều này,

77

thử tƣởng tƣợng một mặt hai chiều. Chúng ta gọi một mặt hai chiều vì bạn cần hai con số (ví dụ, các tọa độ dọc và ngang) để định vĩ điểm bất kì trên đó. Một không gian hai chiều khác là bề mặt một chiếc ống hút. Để định vị một điểm trong không gian đó, bạn cần biết điểm đó ở đâu dọc chiều dài chiếc ống hút, và ở đâu trên chiều phƣơng vị (vị trí trên vòng tròn - lnd). Nhƣng nếu chiếc ống rất mảnh, bạn sẽ có đƣợc một vị trí xấp xỉ rất tốt khi chỉ mƣợn tới tọa độ dọc theo chiều dài ống, cho nên bạn có thể bỏ qua chiều phƣơng vị. Và nếu nhƣ chiếc ống có đƣờng kính một phần triệu triệu triệu triệu triệu inch, bạn sẽ không chú ý chút gì tới chiều phƣơng vị ấy cả. Đó là hình dung của các nhà lý thuyết dây về các chiều thêm – chúng cong lại, hay uốn lại một cách cao độ, trên một phạm vi rất nhỏ mà chúng ta không thể nhìn thấy chúng. Tron thuyết dây các chiều thêm bị uốn lại thành cái đƣợc gọi là không gian nội tại, trái ngƣợc với không gian ba chiều mà chúng ta trải nghiệm trong cuộc sống hằng ngày. Nhƣ ta sẽ thấy, các trạng thái nội tại này không chỉ là những chiều ẩn nấp linh tinh ém nhẹm – chúng thực sự có tầm quan trọng vật lý.

Thêm vào câu hỏi về các chiều, thuyết dây còn hứng chịu một vấn đề khập khiễng khác: Có vẻ nhƣ có ít nhất năm lý thuyết khác nhau và hàng triệu cách mà các chiều thêm vào có thể bị uốn lại, đó hoàn toàn là một điều làm xấu hổ cho khả năng có ngƣời ủng hộ rằng thuyết dây là lý thuyết độc nhất cho mọi thứ. Thế rồi, khoảng năm 1994, ngƣời ta bặt đầu khám phá ra các lƣỡng tính – rằng các lý thuyết dây khác nhau, và các cách khác nhau để uốn các chiều thêm lại, chỉ đơn giản là các cách khác nhau để mô tả cùng các hiện tƣợng trong bốn chiều. Hơn nữa, ngƣời ta cũng nhận thấy thuyết siêu hấp dẫn cũng liên quan tới những lý thuyết khác theo cách này. Các nhà lý thuyết dây giờ đã bị thuyết phụ rằng năm lý thuyết dây khác nhau và siêu hấp dẫn chỉ là các xấp xỉ khác nhau của cùng một lý thuyết cơ sở hơn, mỗi cái có hiệu lực trong các tình huống khác nhau.

Các ống và các Đường Một chiếc ống có hai chiều, nhƣng nếu bán kính

của nó đủ bé – hay đó đƣợc nhìn từ một khoảng cách – nó có vẻ nhƣ có

một chiều, giống nhƣ một đƣờng.

78

Lý thuyết cơ sở hơn đó đƣợc gọi là thuyết M, nhƣ chúng ta đã đề cập khi trƣớc. Không ai có vẻ nhƣ biết “M” nghĩa là gì, nhƣng nó có thể là “master”, “miracle”, hay “mystery” (“mẫu mực”, “màu nhiệm”, “ma quái” - lnd, tạm dịch). Nó có vẻ là cả ba.

Ngƣời ta vẫn đang tìm cách giải mã bản chất của thuyết M, nhƣng điều đó có vẻ nhƣ là bất khả thi. Có thể là giấc mơ truyền thống của nhà vật lý về một lý thuyết đơn lẻ về tự nhiên đã bế tắc, và một cách cách trình bày đơn lẻ không tồn tại. Có thể là để mô tả vũ trụ, chúng ta phải mƣợn tới các lý thuyết khác nhau trong các tình huống khác nhau. Mỗi lý thuyết có thể có phiên bản về thực tại của riêng nó, nhƣng theo nhƣ thực tại phụ thuộc mô hình luận, điều đó có thể chấp nhận đƣợc chừng nào các lý thuyết còn đồng thuận nhau về các dự đoán của chúng bất cứ khi nào chúng gối chồng, nói rõ ra, khi chúng đều đƣợc ứng dụng.

Dù có dù không việc thuyết M tồn tại nhƣ một phƣơng pháp thống nhất hay chỉ là một mạng lƣới, chúng ta thực sự biết đƣợc một số đạc tính của nó. Đầu tiên, thuyết M có mƣời một chiều không-thời gian, không phải mƣời. Các nhà lý thuyết dây từ lâu đã nghi ngờ rằng dự đoán về mƣời chiều phải cần đƣợc điều chỉnh, và nghiên cứu gần đây đã cho thấy rằng một chiều đã thực sự bị bỏ qua. Hơn nữa, thuyết M có thể chứa không chỉ các dây rung động mà còn có các hạt điểm, các màng hai chiều, các giọt ba chiều, và

những đối tƣợng thậm chí khó hình dung hơn và chiếm thậm chí nhiều chiều không gian hơn, tới chín. Những đối tƣợng này đƣợc gọi là các p-brane (với p chạy từ không tới chín).

Thế còn một số khổng lồ các cách để uốn các chiều bé xíu? Trong thuyết M các chiều không gian thêm này không thể đƣợc uốn lại theo cách bất kì. Dạng toán học của lý thuyết giới hạn các cách thức mà các chiều của không gian nội tại có thể bị uốn lại. Hình dạng chính xác của các không gian nội tại xác định cả giá trị của các hằng số vật lý, nhƣ là điện tích của các electron, và bản chất của các tƣơng tác giữa các hạt nguyên tố. Nói một cách khác, nó xác định các định luật hiển hiện của tự nhiên. Chúng ta nói “hiện hiện” bởi vì chúng ta nhằm tới các định luật chúng ta quan sát trong vũ trụ của mình – các định luật của bốn lực, và các thông số nhƣ là khối lƣợng và điện tích vốn đặc trƣng cho các hạt nguyên tố. Nhƣng các định cơ sở hơn chính là các định luật của thuyết M.

Các định luật của thuyết M từ đó cho phép các vũ trụ khác nhau với các định luật hiển hiện khác nhau, phụ thuộc vào cách không gian nội tại bị uốn lại. Thuyết M có cácc nghiệm cho phép nhiều không gian nội tại khác nhau, có lẽ khoảng 10500, có nghĩa nó cho phép 10500 vũ trụ, mỗi cái có các định luật của riêng nó. Để hình dung số đó nhiều cỡ nào, thử nghĩ rằng: Nếu một ai đó có thể phân tích các định luật dự đoán cho mỗi vũ trụ trong số đó trong chỉ một mili giây và đã bắt đầu việc ấy từ vụ nổ lớn, đến hiện tại ai đó đó sẽ chỉ mới nghiên cứu xong 1020 trong số đó. Và đó là không có việc giải lao uống cà phê.

79

Hàng thế kỉ trƣớc Newton đã chỉ ra rằng các phƣơng trình toán học có thể cung cấp một mô tả chính xác gây sững sốt về cách mà các đối tƣợng tƣơng tác, trên cả trái đất và thƣợng giới. Các nhà khoa học đã đƣợc dẫn tới niềm tin là tƣơng lai của toàn thể vũ trụ có thể đƣợc phơi bày chỉ cần chúng ta biết đƣợc lý thuyết thích hợp và có đủ sức mạnh tính toán. Thế rồi xuất hiện nào bất đinh lƣợng tử, không gian cong, các quark, các dây, và các chiều thêm, và kết quả thực cho 10500 vũ trụ, mỗi cái với những định luật khác nhau, chỉ một trong đó tƣơng ứng với vũ trụ mà ta biết. Hy vọng ban đầu của các nhà vật lý để tạo ra một lý thuyết đơn lẻ giải thích cho các định luật hiển hiện của vũ trụ của chúng ta nhƣ một hệ quả khả dĩ duy nhất của một vài giả sử đơn giản có lẽ phải bị từ bỏ. Nó để lại cho chúng ta điều gì? Nếu thuyết M cho phép 10500 tập hợp các định luật hiển hiện, làm thế nào chúng ta rơi vào vũ trụ này, với các định luật hiển hiện cho chúng ta? Và các thế giới khả dĩ khác thì sao?

80

81

VI

Ngƣời Boshongo ở trung Phi kể lại rằng vào thuở bắt đầu vũ trụ chỉ có

bóng tối, nƣớc, và vị thần vĩ đại Bumba. Một ngày nọ Bumba, trong cơn đau thắt từ dạ dày, đã nôn ra mặt trời. Lát sau, mặt trời làm bốc hơi một phần nƣớc, để lộ mặt đất. Nhƣng Bumba vẫn còn đau, và nôn ra tiếp những thứ khác. Nào mặt trăng, các tinh tú, rồi thì một vài con vật: con báo, cá sấu, con rùa và cuối cùng đến con ngƣời. Những ngƣời Maya của Mexico và Trung Mỹ cũng kể về quãng thời gian tƣơng tự trƣớc lúc tạo thế khi tất thảy chỉ có biển, trời, và Đấng Sáng Tạo tồn tại. Trong huyền thoại Maya Đấng Sáng Tạo, không vui vì chẳng có ai để tôn vinh ông, đã tạo ra mặt đất, núi non và hầu hết các con vật. Nhƣng các con vật không biết nói, rồi thì ông quyết định tạo ra con ngƣời. Đầu tiên ông tạo ra chúng từ bùn và đất, nhƣng chúng chỉ nói những điều nham nhở. Ông để cho chúng rã đi và thử lại lần nữa, lần này thiết kế nên con ngƣời từ gỗ cây. Những con ngƣời này thì lại đần độn. Ông quyết định hủy diệt chúng, nhƣng chúng trốn vào rừng, hứng chịu những sứt mẻ trên đƣờng trốn chạy và đổi từ từ, tạo ra loài vật ngày nay ta biết đến nhƣ loài khỉ. Sao thất bại ê chề ấy, Đấng Sáng Tạo cuối cùng đi đến một công thức ra hồn, và kiến tạo nên những con ngƣời từ gạo trắng và ngô vàng. Ngày nay ta làm ra ethanol từ ngũ cốc, nhƣng vẫn còn lâu mới bì đƣợc với kì công của Đấng Sáng Tạo khi tạo những ngƣời uống nó.

Các huyền thoại sáng tạo nhƣ trên đây đều nỗ lực để trả lời những câu hỏi chúng ta đề ra trong quyển sách này: Tại sao lại có một vũ trụ, và tại sao vũ trụ lại nhƣ kiểu của nó? Năng lực của chúng ta để tìm hiểu những câu hỏi nhƣ thế tăng dần theo các thế kỉ kể từ những ngƣời Hy Lạp cổ đại, và trở nên sâu sắc nhất suốt thế kỉ vừa qua. Đƣợc trang bị với những kiến thức từ các chƣơng trƣớc, chúng ta giờ đã sẵn sàng để trình bày một câu trả lời khả dĩ cho những câu hỏi này.

Một điều có lẽ đã hiển nhiên thậm chí trong những thời điểm hiện tại là hoặc vũ trụ là một sáng tạo gần đây còn không thì nhân loại chỉ mới tồn tại trong một tích tắc ngắn ngủi của lịch sử vũ trụ. Đó là bởi vì loài ngƣời đã tiến bộ một cách quá nhanh chóng về hiểu biết và công nghệ đến nỗi nếu chúng ta đã có mặt trong hằng triệu năm, nhân loại hẳn sẽ phải tiến xa với khả năng làm chủ của mình.

Theo nhƣ kinh Cựu Ƣớc, Chúa tạo ra Ađam và Êva chỉ sáu ngày sau tạo thế. Giám mục Ussher, tổng giám mục của Ireland từ 1625 đến 1656, đã xác định nguồn gốc của vũ trụ thậm chí còn chi tiết hơn, lúc chín giờ sáng ngày 27 tháng Mƣời, năm 4004 TCN. Chúng ta nhận một cái nhìn khác: rằng con ngƣời là một sáng tạo gần đây nhƣng vũ trụ chính nó cũng bắt đầu rất

82

lâu trƣớc đó, khoảng 13,7 tỉ năm về trƣớc. Chứng cứ khoa học thực sự đầu tiên rằng vũ trụ có một khởi đầu xuất hiện vào những năm 1920. Nhƣ chúng ta đã nhắc đến trong Chƣơng 3, đó là thời mà hầu hết các nhà khoa học tin vào một vũ trụ tĩnh vốn vẫn luôn tồn tại. Chứng cứ cho điều đối lập là gián tiếp, dựa trên những quan sát mà Edwin Hubble đã thực hiện với chiếc kính viễn vọng 100 inch ở Núi Wilson, trong các ngọn đồi phía trên Pasadena, California. Bằng cách phân tích quang phổ chúng phát ra, Hubble xác định rằng tất cả gần nhƣ tất cả các thiên hà đều đang chuyển động ra xa chúng ta, và chúng càng ở xa thì chúng càng chuyển động nhanh hơn. Năm 1929 ông xuất bản một định luật liên quan tới tỉ lệ chạy đi của các thiên hà với khoảng cách của chúng tới chúng ta, và kết luận rằng vũ trụ đang giản nở. Nếu đó là sự thật, vậy thì vũ trụ phải nhỏ hơn trong quá khứ. Thực tế, nếu chúng ta ngoại suy về quá khứ xa xăm, tất cả vật chất và năng lƣợng trong vũ trụ sẽ phải bị tập trung lại trong một vùng cực bé với mật độ và năng lƣợng không thể tƣởng tƣợng nổi, và nếu chúng quay trở lại đủ xa, sẽ có một thời điểm khi tất thảy bắt đầu – sự kiện mà giờ ta gọi là vụ nổ lớn.

Ý tƣởng rằng vũ trụ đang giãn nở cần một cách hiểu tinh tế một chút. Ví dụ, chúng ta không có ý là vũ trụ đang giãn nở theo kiểu cách mà, ví nhƣ, một ngƣời có thể mở rộng ngôi nhà của họ, bằng cách kéo đổ một bức tƣờng và đặt thêm vào đó một cái nhà tắm mới ở nơi trƣớc kia một cây sồi

uy nghi vẫn đứng. Thay vào đó không gian mở rộng chính nó, chính là khoảng cách giữa hai điểm bất kì nội trong vũ trụ đang tăng lên. Ý tƣởng đó ló dạng vào những năm 1930 giữa lắm tranh cãi, nhƣng một trong những cách tốt nhất để trực quan nó vẫn là một phép ẩn dụ đƣợc trình bày vào năm 1931 bởi nhà thiên văn học Đại học Cambridge Arthur Eddington. Eddington hình dung vũ trụ nhƣ là bề mặt của một quả bóng bay đang phình ra, và tất cả các thieên hà nhƣ những điểm trên bề mặt đó. Hình ảnh này minh họa rõ ràng tại sao các thiên hà ở xa bay đi nhanh hơn những thiên hà ở gần. Lấy ví dụ, nếu bán kính của quả bóng gấp đôi lên sau mỗi giờ, thì khoảng cách giữa hai thiên hà bất kì trên quả bóng sẽ gấp đôi sau mỗi giờ. Nếu một thời điểm nào đó hai thiên hà cách nhau một inch, một tiếng sau chúng sẽ cách nhau 2 inch, và chúng có vẻ nhƣ di chuyển tƣơng đối với nhau với tỉ lệ một ich mỗi giờ. Nhƣng nếu chúng bắt đầu với khoảng cách 2 inch, một giờ sau chúng sẽ cách nhau 4 inch và sẽ có vẻ di chuyển khỏi nhau với tỉ lệ 2 inch một giờ. Đó chính là điều mà Hubble đã khám phá ra: một thiên hà càng ở xa bao nhiêu, nó càng di chuyển khỏi chúng ta nhanh bấy nhiêu.

Có một điều quan trọng cần nhận ra là sự giãn nở của không gian không làm ành hƣởng tới kích thƣớc của các đối tƣợng vật chất nhƣ các thiên hà, ngôi sao, quả táo, nguyên tử hay những đối tƣợng khác đƣợc giữ lại bằng một loại lực nào đó. Ví dụ nhƣ, nếu chúng ta khoanh tròn một cụm thiên hà trên quả bóng, vòng tròn đó sẽ không nở rộng nhƣ quả bóng nở rộng. Thay vào đó, bởi vì các thiên hà đƣợc buộc với nhau bởi các lực hấp dẫn, vòng tròn và các thiên hà trong đó sẽ giữ nguyên kích thƣớc và cấu trúc

83

của chúng trong khi quả bóng giãn nở. Điều này là quan trọng bởi vì chúng ta chỉ có thể thăm dò đƣợc sự mở rộng chỉ khi các công cụ đo đạc của chúng ta có kích thƣớc cố định. Nếu mọi thứ đều tự do giãn nở, rồi đến chúng ta, thƣớc thang, phòng thí nghiệm, và tất thảy đều giản nở cùng tỉ lệ thì rồi chúng ta sẽ không chú ý đƣợc sự khác biệt nào.

Vũ trụ đang giãn nở là một thực tế khác hẳn đối với Einstein. Nhƣng khả

năng các thiên hà đang chuyển động ra xa khỏi nhau đã đƣợc đề xuất một vài năm trƣớc các bài viết của Hubble trên bình diện lý thuyết bắt nguồn từ các phƣơng trình của chính Einstein. Năm 1922, nhà vật lý ngƣời Nga Alexander Friedmann đã xem xét điều gì sẽ xảy ra trong một mô hình vũ trụ dựa trên hai giả thiết vốn giản lƣợc hóa dạng toán học một cách vô cùng: vũ trụ trông đồng nhất theo mọi hƣớng, và nó vẫn trông nhƣ vậy từ mọi điểm quan sát. Chúng ta biết rằng giả thiết thứ nhất của Friedmann thì không tuyệt đối đúng – vũ trụ may thay không đồng nhất theo mọi nơi! Nếu chúng ta ngó thẳng lên theo một hƣớng, chúng ta có thể thấy mặt trời; theo một hƣớng khác, mặt trăng hay một đàn dơi ma cà rồng di cƣ. Nhƣng vũ trụ thực sự có vẻ đại khái nhƣ nhau theo mọi hƣớng khi đƣợc nhìn trên một phạm vi rộng hơn nhiều – thậm chí rộng hơn khoảng cách giữa các thiên hà. Điều đó kiểu nào đó giống nhƣ nhìn xuống một cánh rừng. Nếu bạn ở đủ gần, bạn có thể phân biệt từng chiếc lá một, hay ít nhất cũng từng cái cây một, và khoảng không giữa chúng. Nhƣng nếu bạn ở rất cao phía trên đến mức khi giơ ngón cái lên nó sẽ che cả dặm vuông cây cối, cánh rừng sẽ có vẻ nhƣ một mảng xanh đồng nhất. Chúng ta sẽ nói rằng, trên phạm vi đó, cánh rừng là đồng nhất.

Quả bóng bay Vũ trụ Các thiên hà xa xăm rời xa chúng ta nhƣ thể toàn

bộ vũ trụ đang ở trên một quả bóng bay khổng lồ.

84

Dựa trên các giả thiết của mình Friedmann đã có thể phát hiện ra một nghiệm trong đó vũ trụ giãn nở theo cách mà Hubble sớm sau đó khám phá ra là đúng. Cụ thể, mô hình vũ trụ của Friedmann bắt đầu với kích thƣớc zero và giãn nở cho tới khi lực hút hấp dẫn kéo nó chậm lại, và cuối cùng khiến cho nó đổ sụp lên chính nó. (Ngoài ra còn có, hóa ra là vậy, 2 loại nghiệm cho các phƣơng trình của Einstein vốn cũng thỏa mãn các giả thiết cho mô hình của Friedmann, một cái tƣơng ứng với một vũ trụ trong đó sự giãn nở tiếp tục mãi mãi, dù nó có giảm đi một chút, và một nghiệm khác về một vũ trụ trong đó tỉ lệ giãn nở giảm dần về không, nhƣng không bao giờ đạt tới đó.) Friedmann chết một vài năm sau khi giới thiệu công trình này, và các ý tƣởng của ông vẫn không đƣợc biết tới rộng rãi cho tới sau khi có khám phá của Hubble. Nhƣng vào năm 1927 một giáo sƣ vật lý và một linh mục Công giáo La Mã tên Georges Lemaître đề xuất một ý tƣởng tƣơng tự: Nếu bạn lần theo lịch sử của vũ trụ ngƣợc lại về quá khứ, nó trở nên bé xíu và bé xíu hơn nữa cho tới khi bạn đi đến một sự kiện sáng tạo – thứ mà giờ ta gọi là vụ nổ lớn.

Không phải mọi ngƣời điều thích bức tranh về vụ nổ lớn. Thực tế, thuật ngữ “vụ nổ lớn” đã đƣợc đúc ra vào năm 1949 bởi nhà vật lý thiên văn Fred Hoyle, ngƣời tin vào một vũ trụ giãn nở mãi mãi, và có ý rằng thuật ngữ đó chỉ là một mô tả chế giễu. Những quan sát trực tiếp đầu tiên ủng hộ cho ý

tƣởng đó vẫn chƣa xuất hiện mãi tới năm 1965, bằng khám phá về có một nền vi sóng mờ nhạt khắp không gian. Bức xạ nền vi sóng vũ trụ này, hay CMBR (cosmic microwave background radiation – source), giống y thứ trong lò vi sóng của bạn, chỉ là kém mạnh hơn nhiều. Bạn có thể quan sát đƣợc CMBR cho bản thân bằng cách dò truyền hình nhà bạn sang một kênh không dùng đến – vài phần trăm trong những đốm tuyết bạn thấy trên truyền hình là gây ra bởi nó. Bức xạ này đƣợc khám phá tình cờ khi hai nhà khoa học của Phòng thí nghiệm Bell đang cố gắng loại bỏ sự nhiễu đó khỏi ăng ten vi sóng của họ. Ban đầu họ nghĩ sự nhiễu có thể đến từ đám phân chim câu đậu trong thiết bị, nhƣng hóa ra vấn đề của họ có một nguồn gốc thú vị hơn – CMBR chính là bức xạ còn lại từ một vũ trụ sơ khai cực kì nóng và đặc phải tồn tại ngay sau vụ nổ lớn.Trong khi vũ trụ giãn nở, nó nguội lại cho tới khi bức xạ này trở thành tàn dƣ mờ nhạt mà giờ ta quan sát đƣợc. Vào thời điểm hiện tại những vi sóng này chỉ có thể hâm đồ ăn của bạn đến khoảng – 270 độ bách phân – 3 độ trên không độ tuyệt đối, và không có ích để nổ bỏng ngô cho lắm.

Các nhà thiên văn từ lâu cũng đã tìm thấy dấu vết ủng hộ cho bức tranh vụ nổ lớn về một vũ trụ sơ khai nóng và bé xíu. Ví dụ nhƣ, trong khoảng phút đầu tiên, vũ trụ phải nóng hơn trung tâm của một ngôi sao điển hình. Suốt giai đoạn đó toàn bộ vũ trụ phải tác dụng nhƣ một lò phản ứng tổng hợp hạt nhân. Các phản ứng sẽ phải chấm dứt khi vũ trụ đã giãn nở và nguội lại đủ, tuy nhiên lý thuyết dự đoán rằng điều này sẽ để lại một vũ trụ tổng hợp nên từ chủ yếu là hydrogen, đồng thời khoảng 23 phần trăm là helium, với một

85

chút lithium (tất cả các nguyên tố khác đều đƣợc tạo ra sao đó, bên trong các ngôi sao). Các tính toán này khá tƣơng quan với số lƣợng helium, hydrogen, và lithium mà chúng ta quan sát đƣợc.

Các đo đạc về sự phổ biến của helium và CMBR cung cấp một chứng cứ thuyết phục cho bức tranh vụ nổ lớn nhƣ là một mô tả có hiệu lực về thuở sơ khai, nhƣng nó là sai lầm khi thực sự chấp nhận vụ nổ lớn, nói rõ ra, khi nghĩ rằng của Einstein cung cấp một bức tranh thực sự về nguồn gốc của vũ trụ. Đó là vì thuyết tƣơng đối tổng quát dự đoán có một thời điểm trong đó nhiệt độ, mật độ, và độ cong của vũ trụ là vô hạn, một tình huống mà các nhà toán học gọi là điểm kì dị. Đối với một nhà vật lý điều này có nghĩa là các định luật của Einstein vô hiệu và do đó không thể dùng để dự đoán vũ trụ bắt đầu nhƣ thế nào, chỉ có thể là nó đã tiến hóa nhƣ thế về sau. Vì vậy dù chúng ta có thể mƣợn các phƣơng trình của thuyết tƣơng đối tổng quát và các quan sát về thƣợng giới để tìm hiểu về vụ trụ sơ khai, nó là không chính xác khi mang cả bức tranh vũ trụ về cả điểm bắt đầu.

Chúng ta sẽ mau xét đến vấn đề nguồn gốc của vũ trụ, nhƣng đầu tiên là một vài lời về pha đầu tiên của sự giãn nở. Các nhà vật lý gọi nó là sự lạm phát. Trừ phi bạn sống ở Zimbabwe, nơi mà lạm phát tiền tệ gần đây đạt tới 200.000.000 phần trăm, thuật ngữ này nghe không quá hầm hố. Nhƣng theo nhƣ các ƣớc tính dè dặt thì, suốt sự lạm phát vũ trụ này, vũ trụ phải giãn nở

theo một hệ số của 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 trong 0,00000000000000000000000000000000001 giây. Nó nhƣ một đồng xu có đƣờng kính 1 xăngtimét bỗng nhiên bùng ra gấp mƣời triệu lần bề rộng của dãi Ngân Hà. Điều đó có vẻ vi phạm thuyết tƣơng đối, vốn ràng buộc rằng không gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng, nhƣng giới hạn vận tốc đó không áp dụng cho bản thân không gian.

Ý tƣởng về một chƣơng lạm phát thể đã diễn ra đã đƣợc đề xuất lần đầu tiên vào năm 1980, dựa trên các đánh giá vốn vƣợt xa thuyết tƣơng đối tổng quát của Einstein và có mang vào cả các khía cạnh của thuyết lƣợng tử. Bởi vì chúng ta không có một thuyết hấp dẫn lƣợng tử hoàn chỉnh, các chi tiết vẫn đang đƣợc xem xét, và các nhà vật lý vẫn không chắc sự lạm phát đã xảy ra một cách chính xác nhƣ thế nào. Nhƣng theo nhƣ lý thuyết, sự giãn nở gây ra bởi sự lạm phát phải không hoàn toàn đồng nhất, nhƣ đƣợc dự đoán trong bức tranh truyền thống về vụ nổ lớn. Những sự không đồng đều này sẽ tạo ra những biến thiên cực nhỏ trong nhiệt độ của CMBR trên các hƣớng khác nhau. Các biến thiên là quá nhỏ để có thể đƣợc phát hiện tại những năm 1960, nhƣng chúng đã đƣợc phát hiện vào năm 1992 bởi vệ tinh COBE của NASA, và sau đó đƣợc đo đạc bởi vật kế thừa của nó, vệ tinh WMAP, đƣợc phóng băm 2001. Kết quả là, chúng ta giờ có thể tự tin rằng sự lạm phát thực sự đã diễn ra.

Mỉa mai thay, dù các biến thiên trong CMBR là bằng chứng cho sự lạm phát, một lý do khiến sự lạm phát thành một khái niệm quan trọng chính là sự đồng nhất gần nhƣ hoàn hảo về nhiệt độ của CMBR. Nếu bạn khiến cho

86

một phần của một vật thể nóng hơn phần xung quanh và rồi chờ, chỗ nóng sẽ nguội đi và vùng xung quanh của nó sẽ nóng lên cho tới khi nhiệt độ của cả vật là đồng nhất. Một cách tƣơng tự, một ngƣời có thể hình dung vũ trụ có một nhiệt độ đồng nhất. Nhƣng quá trình này tốn thời gian, và nếu nhƣ sự lạm phát đã không diễn ra, sẽ chẳng có đủ thời gian trong lịch sử vũ trụ cho sức nóng tại các vùng tách biệt của vũ trụ cân bằng, giả sử là tốc độ của sự truyền sức nóng bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng. Một giai đoạn với sự giãn nở rất quyết liệt (nhanh hơn nhiều vận tốc ánh sáng) giải tỏa điều đó vì sẽ có đủ thời gian cho sự cân bằng xảy ra trong một vũ trụ sơ khai tiền lạm phát cực kì bé.

Sự lạm phát giải thích cho cú phát nổ trong vụ nổ lớn, chí ít theo kiểu là sự giãn nở nó đại diện cho vẫn quyết liệt hơn nhiều so với sự giãn nở đƣợc dự đoán bởi thuyết vụ nổ lớn trong tƣơng đối tổng quát trong khoảng thời gian mà sự lạm phát đã diễn ra. Vấn đề là, để cho các mô hình lý thuyết của chúng ta về sự lạm phát hoạt động, trạng thái khởi đầu của vũ trụ phải đƣợc thiết đặt theo một cách rất đặc biệt và rất bất khả thi. Thế nên thuyết lạm phát truyền thống tháo gỡ một tập hợp các vấn đề nhƣng tạo ra một tập hợp khác – sự cần đến một trạng thái khởi đầu rất đặc biệt. Vấn đề thời điểm zero ấy bị loại bỏ trong lý thuyết về sự sáng tạo của vũ trụ chúng ta sắp sửa mô tả.

Bởi vì chúng ta không thể mô tả sự sáng tạo có mƣợn tới thuyết tƣơng đối tổng quát của Einstein, nếu chúng ta muốn mô tả nguồn gốc của vũ trụ, thuyết tƣơng đối tổng quát cần phải đƣợc thay thế bằng lý thuyết hoàn chỉnh hơn. Một ngƣời vẫn sẽ trông đợi một lý thuyết hoàn chỉnh hơn ngay cả nếu thuyết tƣơng đối tổng quát không bị vô hiệu bởi vì nó không tính tới các cấu trúc vật chất kích thƣớc nhỏ, vốn bị chi phối bởi thuyết lƣợng tử. Chúng ta đã đề cập trong Chƣơng 4 rằng trong hầu hết các mục đích thực tế thuyết lƣợng tử không không giữ nhiều liên hệ tới việc nghiên cứu các cấu trúc kích thƣớc lớn của vũ trụ bởi vì thuyết lƣợng tử áp dụng cho việc mô tả bản chất trên các kích thƣớc vi mô. Nhƣng nếu bạn đi ngƣợc lại thời gian đủ xa, khi vũ trụ còn nhỏ nhƣ kích cỡ Planck, một phần triệu tỉ tỉ tỉ một xăngtimét, là kích thƣớc mà thuyết lƣợng tử thực sự phải đƣợc tính tới. Cho nên dù ta chƣa có một lý thuyết hấp dẫn lƣợng tử hoàn chỉnh, chúng ta biết rằng nguồn gốc của vũ trụ là một sự kiện lƣợng tử. Kết quả là, cũng nhƣ khi ta kết hợp thuyết lƣợng tử và thuyết tƣơng đối tổng quát – chí ít là cho trƣớc mắt – để suy ra thuyết lạm phát, nếu chúng ta muốn đi trở lại thậm chí xa hơn và hiểu đƣợc nguồn gốc vũ trụ, chúng ta phải kết hợp những gì chúng ta biết về thuyết tƣơng đối tổng quát và thuyết lƣợng tử.

Để nhìn ra điều này hoạt động nhƣ thế nào, chúng ta cần phải hiểu nguyên lý mà lực hấp dẫn làm cong không gian và thời gian. Sự cong của không gian thì dễ trực quan hơn sự cong thời gian. Thử tƣởng tƣợng vũ trụ là bề mặt của một bàn bi da phẳng. Bề mặt của chiếc bàn là không gian phẳng, ít nhất trong hai chiều. Nếu bạn lăn một hòn bi trên bàn nó sẽ đi theo

87

một đƣờng thẳng. Nhƣng nếu chiếc bàn trở nên cong hay lõm xuống tại những nơi, nhƣ trong hình minh họa bên dƣới, thì viên bi sẽ lƣợn vòng.

Ta dễ dàng thấy làm thế nào chiếc bàn bi da bị kéo cong trong ví dụ này

bởi vì nó cong sang một chiều thứ ba ở ngoài, mà ta có thể thấy đƣợc. Bởi vì chúng ta không thể bƣớc ra ngoài không-thời gian của mình để quan sát sự cong của nó, sự cong không-thời gian trong vũ trụ của chúng ta thì khó mà tƣởng tƣợng hơn nhiều. Nhƣng độ cong có thể đƣợc thăm dò ngay cả khi bạn không thể bƣớc ra và quan sát nó bằng nhận thức của một không gian rộng hơn. Nó có thể đƣợc thăm dò ngay trong chính bản thân không gian đó. Thử tƣởng tƣợng một con kiến hiển vi bị giam trong bề mặt của chiếc bàn. Mặc dù không có khả năng rời khỏi chiếc bàn, con kiến có thể thăm dò sự cong bằng cách thu thập các khoảng cách kĩ lƣỡng. Ví dụ nhƣ khoảng cách xung quanh một vòng tròn trong không gian phẳng thì luôn luôn lớn hơn ba

lần khoảng cách ngang qua bán kính của nó một chút (hệ số thực sự là ). Nhƣng nếu con kiến băng ngang một vòng tròn trải trên một cái giếng trên bàn nhƣ trong hình bên trên, nó sẽ nhận thấy khoảng cách ngang qua dài hơn nó dự liệu, lớn hơn một phần ba khoảng cách vòng quanh nó. Thực tế, nếu cái giếng đủ sâu, con kiến sẽ nhận ra là khoảng cách xung quanh vòng tròn là ngắn hơn khoảng cách ngang qua nó. Điều tƣơng tự cũng đúng cho sự cong trong vũ trụ của chúng ta – nó duỗi hay ép các khoảng cách giữa các điểm ngang trong không gian, thay đổi hình học của chúng, hay hình dạng, theo một cách có thể đo đƣợc nội trong vũ trụ đó. Sự cong thời gian duỗi hay nén các khoảng thời gian theo một kiểu cách tƣơng tự.

Sự cong không gian vật chất và năng lƣợng làm cong không gian, thay

đổi quỹ đạo của các đối tƣợng.

88

Đƣợc trang bị với những ý tƣởng này, chúng ta hãy trở lại vấn đề về bắt

đầu của vũ trụ. Chúng ta có thể nói tới không gian và thời gian một cách tách biệt, nhƣ trong thảo luận này, tại các tình huống liên dính tới các tốc độ thấp và lực hấp dẫn yếu. Tổng quát, ngƣợc lại, thời gian và không gian có thể trở nên bện chặt, và do thế sự duỗi và ép cũng liên quan tới một mức độ trộn lẫn nhất định. Sự trộn lẫn này là quan trọng trong vũ trụ sơ khai và là chìa khóa để hiểu về sự bắt đầu của thời gian.

Vấn đề về sự bắt đầu của thời gian cũng là chút gì đó giống nhƣ chuyện rìa thế giới. Khi ngƣời ta nghĩ thế giới là phẳng, một ngƣời nào đó có thể phải băn khoăn liệu biển cả có bị tràn khỏi rìa của nó. Điều này đã đƣợc kiểm tra bằng thực nghiệm: Một ngƣời nào đó có thể đi vòng quanh thế giới mà không bị rơi khỏi nó. Vấn đề về điều gì xảy ra tại rìa thế giới đã đƣợc giải quyết khi ngƣời ta nhận ra rằng thế giới không phải là một chiếc khay phẳng, mà là một bề mặt cong. Thời gian, ngƣợc lại, có vẻ giống một mô hình đƣờng rày xe lửa. Nếu nó có một bắt đầu, phải phải có ai đó (nói cách khác, Chúa) để thiết đặt cho đoàn xe lửa chạy. Mặc dù thuyết tƣơng đối tổng quát đã thống nhất thời gian và không gian thành không-thời gian và có dính tới một sự trộn lẫn nhất định của không gian và thời gian, thời gian vẫn còn khác với không gian, và không cái nào có một bắt đầu hay tiến đi mãi mãi. Tuy nhiên, một khi chúng ta thêm các hiệu ứng của thuyết lƣợng tử vào thuyết tƣơng đối, trong những trƣờng hợp cực độ độ cong có thể xảy ra tới một mức độ mà thời gian biểu hiện giống nhƣ một chiều khác của không gian.

Trong vũ trụ sơ khai – khi mà vũ trụ còn đủ nhỏ để bị chi phối bằng cả thuyết tƣơng đối tổng quát và thuyết lƣợng tử – thực tế đã có bốn chiều

Sự cong không-thời gian vật chất và năng lƣợng làm cong thời gian và

khiến chiều thời gian “trộn” với các chiều không gian.

89

không gian và không có chiều thời gian nào. Điều đó nghĩa là khi ta nói về “sự bắt đầu” của vũ trụ, chúng ta đang đi chệch qua một vấn đề tinh tế là khi nhìn ngƣợc thẳng về vũ trụ rất sơ khai, thời gian nhƣ chúng ta hiểu về nó không tồn tại! Chúng ta phải chấp nhận rằng ý tƣởng thông thƣờng của chúng ta về không gian và thời gian không áp dụng cho vũ trụ rất sơ khai. Điều đó vƣợt quá trải nghiệm của chúng ta, nhƣng không vƣợt quá sự tƣởng tƣợng của chúng ta, hay toán học của chúng ta. Nếu nhƣ trong vũ trụ sơ khai tất cả bốn chiều đều biểu hiện nhƣ không gian, điều gì xảy ra cho bắt đầu của thời gian?

Nhận thức rằng thời gian có thể biểu hiện nhƣ một hƣớng khác của không gian nghĩa là một ngƣời nào đó có thể tống khứ vấn đề thời gian có một bắt đầu, theo một cách tƣơng tự trong đó chúng ta đã tống khứ đƣợc rìa thế giới. Giả sử nhƣ bắt đầu của vũ trụ là Cực Nam của trái đất, với các vĩ độ đóng vai trò nhƣ thời gian. Khi một ngƣời đi về nam, các vòng của những vĩ tuyến không đổi tƣợng trƣng cho kích thƣớc vũ trụ, sẽ giãn nở. Vũ trụ sẽ bắt đầu tại một điểm ở Cực Nam, nhƣng Cực Nam cũng giống nhƣ những điểm khác. Đi hỏi điều gì xảy ra trƣớc bắt đầu của vũ trụ sẽ trở thành một câu hỏi vô nghĩa, bởi vì không có gì ở phía nam của Cực Nam cả. Trong bức tranh này không-thời gian không có biên – các định luật tƣơng tự vẫn đúng ở Cực Nam cũng nhƣ những nơi khác. Theo một cách tƣơng tự, khi một ngƣời

kết hợp thuyết tƣơng đối tổng quát với thuyết lƣợng tử, câu hỏi về điểu gì xảy ra trƣớc bắt đầu của vũ trụ bị coi nhƣ vô nghĩa. Ý tƣởng rằng các lịch sử nên là các bề mặt kín không có biên đƣợc gọi là điều kiện không biên.

Suốt hàng thế kỉ nhiều ngƣời, gồm cả Aristotle, đã tin rằng vũ trụ phải vốn luôn tồn tại nằm tránh né vấn đề nó đã đƣợc thiết đặt nhƣ thế nào. Những ngƣời khác tin rằng vũ trụ có một bắt đầu, và dùng nó nhƣ một tranh luận cho sự tồn tại của Chúa. Sự nhận thức rằng thời gian biểu hiện nhƣ không gian trình bày một giải thích mới. Nó loại bỏ quan điểm lâu đời rằng vũ trụ có một sự bắt đầu, nhƣng cũng có ý là sự bắt đầu của vũ trụ đƣợc chi phối bởi các định luật khoa học và không cần phải đƣợc thiết đặt vào chuyển động bởi một vị thần nào đó.

Nếu nhƣ nguồn gốc của vụ trụ là một sự kiện lƣợng tử, nó nên đƣợc mô tả chính xác bởi tổng Feynman trên các lịch sử. Để áp dụng thuyết lƣợng tử cho toàn bộ vũ trụ – trong đó những ngƣời quan sát là một phần của một hệ mà họ đang quan sát – thì thật gai góc, một điều trái ngang. Trong chƣơng 4 chúng ta đã thấy làm thế nào các hạt vật chất đƣợc bắn tới màn hình qua hai khe từ đó trƣng ra một kiểu hình giao thoa nhƣ các sóng nƣớc. Feynman đã chỉ ra rằng điều nảy nổi lên vì một hạt không có một lịch sử duy nhất. Nói rõ ra, khi nó đi từ điểm đầu A của đó tới một điểm cuối B nào đó, nó không nhận một quỹ đạo xác định, mà thay vào đó nhận đồng thời mọi mọi quỹ đạo khả dĩ kết nối hai điểm. Từ quan điểm này, giao thoa không có gì bất ngờ vì, lấy làm ví dụ, hạt có thể đi qua cả hai khe cùng một lúc và giao thoa với chính nó. Khi áp dụng cho chuyển động của một hạt, phƣơng pháp của

90

Feynman nói với chúng ta rằng để tính toán xác suất một điểm cuối bất kì chúng ta cần xét đến tất cả các lịch sử khả dĩ mà hạt đó có thể đi theo từ điểm đầu của nó đến điểm cuối đó. Một ngƣời cũng có thể dùng các phƣơng pháp của Feynman để tính toán các xác suất lƣợng tử cho các quan sát về vũ trụ. Nếu chúng đƣợc áp dụng cho cả vũ trụ nhƣ một tổng thể, sẽ không có điểm A nào, nên chúng ta phải cộng dồn tất cả các lịch sử thỏa mãn điều kiện không biên và kết thúc tại vũ trụ chúng ta quan sát đƣợc ngày nay.

Trong cách nhìn này, vũ trụ xuất hiện tự ngẫu, khởi đầu theo mọi cách khả dĩ. Phần lớn chúng tƣơng ứng với các vũ trụ khác. Trong khi một số các vũ trụ đó thì tƣơng tự với vụ trụ của chúng ta, hầu hết đều rất khác. Chúng không chỉ khác nhau về các tình tiết, giống nhƣ liệu Elvis thực sự chết trẻ hay liệu củ cải thành một món tráng miệng, mà thay vào đó chúng khác biệt thậm chí cả những định luật hiển hiện của tự nhiên. Thực tế, nhiều vũ trụ tồn tại với nhiều tập hợp khác nhau các định luật vật lý. Một vài ngƣời đã tạo ra một bí ẩn to lớn cho ý tƣởng này, đôi khi đƣợc gọi là khái niệm đa vũ trụ, nhƣng đây chỉ là những cách diễn đạt khác nhau cho tổng Feynman trên các lịch sử.

Để hình dung điều này, ta hãy thay minh họa quả bóng bay của Eddington và thay vào đó nghĩ tới vũ trụ đang giãn nở nhƣ bề mặt của một bong bóng nƣớc. Bức tranh của chúng ta về một sự sáng tạo lƣợng tử tự

ngẫu của vũ trụ cũng chút gì giống nhƣ sự hình thành bóng hơi nƣớc trong nƣớc sôi. Nhiều bóng nƣớc xuất hiện, rồi thì lại biến mất. Những cái này tƣợng trƣng cho những vũ trụ nhỏ vốn giãn nở nhƣng lại đổ sụp khi vẫn còn ở kích thức hiển vi. Chúng tƣợng trƣng cho các vũ trụ thay thế khả dĩ, nhƣng chúng không gây hứng thú nhiều vì chúng không tồn tại đủ lâu để phát triển các thiên hà và ngôi sao, chƣa kể đến sự sống có trí tuệ. Một vài những bóng nƣớc nhỏ, trái lại, sẽ phình đủ to từ đó chúng không bị đổ sụp lại. Chúng sẽ tiếp tục giãn nở với một tỉ lệ mãi tăng và sẽ hình thành các bóng hơi nƣớc mà chúng ta có thể thấy đƣợc. Chúng tƣơng ứng với các vũ trụ vốn khởi đầu giãn nở theo một tỉ lệ mãi tăng – nói một cách khác, các vũ trụ trong trạng thái lạm phát.

91

Nhƣ đã nói, sự giãn nở gây ra bởi lạm phát sẽ không hoàn toàn đồng

nhất. Trong tổng trên các lịch sử, chỉ có duy nhất một lịch sử đồng nhất và có trật tự, và nó sẽ có xác suất cao nhất, nhƣng nhiều lịch sử khác vốn mất trật tự rất ít cũng có các xác suất gần cao giống vậy. Đó là vì sao mà sự lạm phát dự đoán rằng vũ trụ sơ khai có thể hơi không đồng nhất, tƣơng ứng với các biến thiên nhỏ trong nhiệt độ mà ta quan sát đƣợc trong CMBR. Những sự mất trật tự trong vũ trụ sơ khai là may mắn cho chúng ta. Vì sao? Sự đồng nhất là tốt nếu bạn không muốn kem tách khỏi sữa của mình, nhƣng một vũ trụ đồng đều là một vũ trụ nhàm chán. Sự không đồng đều trong vũ trụ sơ khai là quan trọng vì nếu một số vùng có mật độ hơi cao hơn các vùng còn lại, lực hút hấp dẫn của mật độ chênh lệch đó sẽ làm chậm sự giản nở

của vùng đó so với các vùng xung quanh. Khi lực hấp dẫn từ từ kéo vật chất lại với nhau, nó sẽ cuối cùng làm chó chúng sụp vào nhau để hình thành các thiên hà và các sao, rồi sẽ dẫn tới các hành tinh và, chí ít một dịp nào đó, con ngƣời. Vậy nên hãy nhìn kĩ bản đồ của vi sóng vũ trụ. Nó chính là bản thiết kế cho mọi cấu trúc trong vũ trụ. Chúng ta là sản phẩm của những dao động lƣợng tử trong vũ trụ rất sơ khai. Nếu ai đó có tín ngƣỡng, họ có thể nói rằng Chúa thực sự đổ xúc sắc.

Đa vũ trụ Các dao động lƣợng tử dẫn tới sự tạo thành các vũ trụ từ hƣ

không. Một vài trong số chúng chạm tới một kích thƣớc tới hạn, rồi giãn

nở theo một cách thức lạm phát, tạo nên các thiên hà, ngôi sao, và,

trong chí ít một trƣờng hợp, các thực thể nhƣ chúng ta.

92

Ý tƣởng này dẫn tới một cái nhìn về vũ trụ khác biệt sâu sắc với khái niệm truyền thống, đòi hỏi chúng ta điều chỉnh cách mình nghĩ về lịch sử của vũ trụ. Để tạo ra các dự đoán trong vũ trụ học, chúng ta cần tính toán các xác suất cho các trạng thái khác nhau của toàn bộ vũ trụ hiện thời. Trong vật lý một ngƣời thƣờng giả sử một trạng thái đầu cho một hệ và tiến hóa nó lên theo thời gian mƣợn tới các phƣơng trình toán học. Cho trƣớc một trạng thái của hệ tại một thời điểm, một ngƣời cố gắng tính toán xác suất mà hệ sẽ ở một trạng thái nào đó tại một thời điểm sau đó. Giả thiết thông thƣờng trong vũ trụ học là vũ trụ có một lịch sử đơn lẻ. Một ngƣời có thể sử dụng các định luật vật lý để tính toán lịch sử này phát triển theo thời gian nhƣ thế nào. Chúng ta gọi điều này là hƣớng tiếp cận “dƣới lên trên” trong vũ trụ học.

Nhƣng vì chúng ta phải tính tới bản chất lƣợng tử của vũ trụ nhƣ đƣợc diễn đạt trong tổng Feynman trên các lịch sử, biên độ xác suất để vũ trụ hiện thời rơi vào một trạng thái nhất định đến từ việc cộng dồn các đóng góp từ tất cả các lịch sử thỏa điều kiện không biên và dừng tại trạng thái trong câu hỏi này. Trong vũ trụ học, nói cách khác, một ngƣời không nên lần theo lịch sử của vũ trụ theo hƣớng từ dƣới lên vì điều đó giả thiết có một lịch sử đơn lẻ, với một điểm đầu và sự tiến hóa xác định cụ thể. Thay vào đó, một ngƣời nên lần theo các lịch sử từ trên xuống, ngƣợc lại từ thời điểm hiện tại. Một vài lịch sử sẽ hiển nhiên hơn những cái khác, và tổng đó sẽ thƣờng có chủ đạo là một lịch sử đơn lẻ vốn bắt đầu với sự sáng tạo vũ trụ và kết cục tại trạng thái đang xét. Nhƣng sẽ có những lịch sử khác nhau cho các trạng thái khả dĩ khác nhau của vũ trụ tại thời điểm hiện tại. Điều này dẫn tới một cái

Nền vi sóng Bức hình vũ trụ này đã đƣợc tạo ra từ dữ liệu trong bảy năm

của WMAP xuất bản năm 2010. Nó hé lộ các dao động nhiệt độ – biểu

diễn bằng các màu khác nhau – vào 13,7 tỉ năm trƣớc. Các dao động

đƣợc ghi hình tƣơng ứng với các khác biệt nhiệt độ ít hơn một phần ngàn

độ bách phân. Tuy nhiên chúng là các hạt giống từ đó trở thành các thiên

hà. Thực hiện : Nhóm khoa học NASA/WMAP

93

nhìn khác biệt từ căn bản về vũ trụ học, và mối quan hệ giữa nguyên nhân và kết quả. Các lịch sử đóng góp vào tổng Feynman không có một sự tồn tại độc lập, mà phụ thuộc vào cái đang đƣợc đo đạc. Chúng ta tạo ra các lịch sử từ quan sát của mình, hơn là lịch sử tạo ra chúng ta.

Ý tƣởng về một vũ trụ không có một lịch sử duy nhất độc lập với ngƣời quan sát có lẽ có vẻ xung đột với các thực tế mà ta biết. Có thể có một lịch sử trong đó mặt trăng đƣợc tạo thành từ phó mát Roquefort. Nhƣng chúng ta đã quan sát đƣợc mặt trăng không làm từ phó mát, vốn là tin xấu cho bọn chuột. Thế nên các lịch sử trong đó mặt trăng đƣợc tạo nên từ phó mát không đóng góp vào trạng thái hiện tại của vũ trụ chúng ta, dù chúng có thể đóng góp cho các vũ trụ khác. Điều đó có thể nghe nhƣ khoa học viễn tƣởng, nhƣng không hề.

Một ngụ ý quan trọng của cách tiếp cận từ trên xuống là các định luật hiển hiện của tự nhiên phụ thuộc vào lịch sử của vũ trụ. Nhiều nhà khoa học tin rằng tồn tại một lý thuyết đơn lẻ giải thích cho các định luật cũng nhƣ các hằng số vật lý của tự nhiên, nhƣ là khối lƣợng của electron hay đặc tính chiều của không-thời gian. Nhƣ vũ trụ học theo từ trên xuống ràng buộc các định luật hiển hiện của tự nhiên phải khác nhau với các lịch sử khác nhau.

Thử xét tới chiều biểu hiện. Theo nhƣ thuyết M, không-thời gian có mƣời chiều không gian và một chiều thời gian. Ý tƣởng rằng bảy chiều

không gian bị cuốn lại thật nhỏ khiến ta không chú ý tới chúng, để lại cho chúng ta ảo tƣởng là tất cả những gì tồn tại là ba chiều lớn còn lại mà chúng ta quen thuộc. Một trong những câu hỏi trung tâm trong thuyết M là: Vì sao, trong vũ trụ của chúng ta, lại không có nhiều chiều rộng hơn và tại sao những chiều nào đó lại bị cuốn lại?

Nhiều ngƣời sẽ muốn nghĩ rằng có một thế lực nào đó khiến cho tất cả ngoại trừ ba chiều không gian này bị cuốn lại ngẫu nhiên. Thay vào đó, có thể tất cả các chiều bắt đầu đều nhỏ, nhƣng vì một lý do có thể hiểu đƣợc nào đó ba chiều không gian giãn nở và toàn bộ còn lại thì không. Nó có vẻ nhƣ, trái lại, không có lý do vận động nào cho vũ trụ xuất hiện bốn chiều. Thay vào đó, vũ trụ học theo từ trên xuống dự đoán rằng số lƣợng các chiều không gian lớn không cố định bởi nguyên lý vật lý nào. Tổng Feynman cho phép tất cả điều này, cho mọi lịch sử khả dĩ của vũ trụ, nhƣng sự quan sát mà vũ trụ của chúng ta có ba chiều không gian lớn chọn ra từ đó nhóm con các lịch sử có những đặc tính đƣợc quan sát. Nói cách khác, xác suất lƣợng tử mà vũ trụ có nhiều hay ít hơn ba chiều không gian là không cần thiết vì chúng ta đã xác nhận sẵn là chúng ta đang ở trong một vũ trụ với ba chiều không gian lớn. Chừng nào mà biên độ xác suất có ba chiều không gian lớn còn khác zero, nó không thành vấn đề dù nó có nhỏ bao nhiêu so với biên độ xác suất có những số chiều khác. Nó giống nhƣ việc đi hỏi biên độ xác suất cho Giáo hoàng hiện thời là ngƣời Trung Quốc. Ta biết rằng ngƣời là ngƣời Đức, cho dù là xác suất ngƣời là ngƣời Trung Quốc thì cao hơn xác suất bởi vì ngƣời Trung Quốc đông hơn ngƣời Đức. Một cách tƣơng tự, chúng ta biết

94

rằng vũ trụ của mình trƣng ra ba chiều không gian lớn, và dù những số chiều không gian lớn khác có thể có một biên độ xác suất lớn hơn, chúng ta chỉ quan tâm tới những lịch sử có ba chiều.

Thế còn những chiều bị cuốn lại? Nhắc lại rằng trong thuyết M hình dạng chính xác của những chiều bị cuốn lại, không gian nội tại, xác định cả giá trị của các đại lƣợng vật lý nhƣ là điện tích của electron và bản chất của các tƣơng tác giữa các hạt nguyên tố, nói rõ ra, các lực của tự nhiên. Mọi thứ đáng ra sẽ diễn ra gọn gàng nếu thuyết M chỉ cho phép một hình dạng cho các chiều bị cuốn lại, hay có lẽ một vài, tất cả ngoài một trong đó có thể bị loại suy bởi các lý do nào đó, để lại cho chúng ta chỉ một khả năng cho các định luật hiển hiện của tự nhiên. Thay vào đó, có những biên độ xác suất cho có lẽ gần 10500 những không gian nội tại khác nhau, mỗi cái dẫn tới các định luật và giá trị cho các hằng số vật lý khác nhau.

Nếu một ngƣời xây dựng lịch sử của vũ trụ từ dƣới lên, không có lý do nào vũ trụ nên rơi vào trƣờng hợp có không gian nội tại cho các tƣơng tác vật lý mà chúng ta quan sát đƣợc trong thực tế, mô hình chuẩn (hay các tƣơng tác hạt nguyên tố). Nhƣng trong cách tiếp cận từ trên xuống chúng ta chấp nhận rằng vũ trụ tồn tại với tất cả các không gian nội tại khả dĩ. Trong một vài vũ trụ electrong có trọng lƣợng của một quả bóng golf và lực hấp dẫn thì mạnh hơn lực điện từ. Trong vũ trụ của chúng ta, mô hình chuẩn, với

tất cả các thông số của nó, đƣợc áp dụng. Một ngƣời có thể tính đƣợc biên độ xác suất cho không gian nội tại dẫn đến mô hình chuẩn trên cơ sở của điều kiện không biên. Cũng nhƣ xác suất cho một vũ trụ có ba chiều không gian lớn, nó không thành vấn đề biên độ này nhỏ bao nhiêu so với các xác suất khác bởi vì chúng ta đã quan sát sẵn mô hình chuẩn mô tả vũ trụ của chúng ta.

Lý thuyết chúng ta mô tả trong chƣơng này có thể đƣợc kiểm tra. Trong những thí dụ trƣớc chúng ta đã nhấn mạnh rằng các biên độ xác suất tƣơng đối giữa các vũ trụ khác nhau từ căn bản, ví dụ nhƣ những vũ trụ với một số khác các chiều không gian lớn, không thành vấn đề. Những biên độ xác suất tƣơng đối cho các vũ trụ lân cận (nói cách khác, tƣơng tự), trái lại, là quan trọng. Điều kiện không biên ngụ ý rằng biên độ xác suất là lớn nhất cho các lịch sử trong đó vũ trụ bắt đầu hoàn toàn đồng đều. Biên độ đó bị giảm đối với các vũ trụ không trật tự hơn. Điều này có nghĩa là vũ trụ sơ khai đã phải hầu nhƣ đồng đều, nhƣng có những mất trật tự nhỏ. Chúng chúng ta đã đề cập, chúng ta có thể quan sát đƣợc những mất trật tự này nhƣ các biến thiên nhỏ trong các vi sóng đến từ bầu trời. Chúng đã đƣợc nhận ra là đồng thuận một cách chính xác với yêu cầu tổng quát của thuyết lạm phát; tuy nhiên, nhiều đo đạc chính xác vẫn đƣợc cần để hoàn toàn phân biệt lý thuyết từ trên xuống với các phƣơng pháp khác, và để củng cố hay phản bác nó. Những đo đạc này có thể sẽ đƣợc thực hiện tốt nhờ các vệ tinh trong tƣơng lai.

95

Hàng trăm năm trƣớc ngƣời ta nghĩ trái đất là độc nhất, và đƣợc đặt tại trung tâm vũ trụ. Ngày nay chúng ta biết có hàng trăm tỉ ngôi sao trong thiên hà của chúng ta, một tỉ lệ lớn những ngôi sao này có các hệ hành tinh. Những kết quả đƣợc mô tả trong chƣơng này báo hiệu rằng vũ trụ của chúng ta bản thân nó cũng là một trong nhiều vũ trụ, và rằng những định luật hiển hiện của nó không đƣợc xác định một cách độc nhất. Điều này phải gây thất vọng cho những ai hy vọng rằng có một lý thuyết tối hậu, một thuyết cho mọi thứ, sẽ dự đoán đƣợc bản chất của vận động hằng ngày. Chúng ta không thể dự đoán đƣợc những nét tách biệt nhƣ số chiều không gian lớn hay không gian nội tại vốn xác định các đại lƣợng vật lý chúng ta quan sát đƣợc (ví dụ, khối lƣợng và điện tích của electron và những hạt nguyên tố khác). Thay vào đó, chúng ta dùng những con số này để chọn những lịch sử nào đóng góp vào tổng Feynman.

Có vẻ nhƣ chúng ta đang ở vào một điểm then chốt trong lịch sử khoa học, trong đó chúng ta phải thay thế quan niệm về các mục tiêu và về những điều làm cho một lý thuyết vật lý chấp nhận đƣợc. Nó có vẻ nhƣ các con số cơ bản, và thậm chí hình thức, của các định luật hiển hiện của tự nhiên không bị đòi hỏi bởi logic hay nguyên tắc vật lý. Các thông số đƣợc tự do nhận nhiều giá trị và các định luật tự do nhận bất kỳ hình thức nào dẫn tới một lý thuyết toán học tự phi mâu thuẫn, và chúng thực sự nhận các giá trị

khác nhau và các hình thức khác nhau trong các vũ trụ khác nhau. Điều đó có lẽ không thỏa mãn khao khát của con ngƣời đƣợc đặc biệt hay đƣợc khám phá một gói chứa đựng tất cả các định luật vật lý, nhƣng nó thực sự có vẻ là cách thức của tự nhiên.

Có vẻ nhƣ có một bức tranh cho các vũ trụ khả dĩ. Tuy nhiên, nhƣ chúng ta sẽ thấy trong chƣơng kế, những vũ trụ trong đó sự sống nhƣ chúng ta có thể tồn tại là hiếm hoi. Chúng ta sống trong một vũ trụ trong đó sự sống là khả dĩ, nhƣng nếu nhƣ vũ trụ chỉ hai khác một chút, các thực thể nhƣ chúng ta không thể tồn tại. Chúng ta là gì để tạo ra sự tinh tế này? Nó có là chứng cứ cho việc vũ trụ này, sau cùng, đƣợc thiết kế bởi một đấng sáng tạo nhân từ?

Hay khoa học đề nghị một lời giải thích khác?

96

97

VII

Ngƣời Trung Quốc kể về một quãng thời gian suốt triều Hạ (khoảng

2205 – khoảng 1782 TCN) khi trời đất vũ trụ đột nhiên thay đổi. Mƣời mặt trời xuất hiện trên không. Ngƣời dân thiên hạ phải hứng chịu sức nóng khủng khiếp từ chúng, thế nên hoàng đế đã xuống lệnh cho một cung thủ nổi tiếng bắn hạ những mặt trời dƣ. Ngƣời cung thủ sau đó đã đƣợc ban thƣởng một viên đơn có sức mạnh làm cho ông bất tử, nhƣng vợ ông đã trộm nó. Vì sự sỉ nhục đó cô ta đã bị lƣu đày tới mặt trăng.

Ngƣời Trung Quốc đã đúng khi nghĩ rằng một thái dƣơng hệ với mƣời mặt trời thì không thân thiện với cuộc sống con ngƣời. Ngày nay chúng ta biết rằng, có lẽ ngoài việc hứa hẹn những dịp rám nắng tuyệt vời, một hệ mặt trời đa nhật bất kì hẳn sẽ không bao giờ cho phép sự sống phát triển. Các lý do thì không hẳn đơn giản nhƣ sức nóng rát cháy đƣợc tƣởng tƣợng trong truyền thuyết Trung Hoa. Thực tế, một hành tinh có thể trải nghiệm một nhiệt độ dễ chịu khi có quỹ đạo quanh nhiều sao, ít nhất trong một quãng nào đó. Nhƣng sự sƣởi nóng đều liên tục trong những khoảng thời gian dài, một tình huống có vẻ cần thiết cho sự sống, sẽ có rất ít khả năng. Để hiểu tại sao, hãy nhìn vào điều xảy ra trong kiểu đơn giản nhất của một hệ nhiều sao, một hệ có hai mặt trời, vốn đƣợc gọi là hệ nhị nhật. Gần một nửa trong tất cà sao trên bầu trời là thành viên của những hệ nhƣ vậy. Nhƣng thậm chí những hệ nhị nhật đơn giản cũng chỉ có thể duy trì các kiểu quỹ đạo ổn định nhất định, nhƣ loại trong hình dƣới. Trong mỗi quỹ đạo kiểu này sẽ có khả năng cho một khoảng thời gian trong đó hành tinh sẽ hoặc quá nóng hoặc quá lạnh để cầm cự sự sống. Tình huống còn xấu hơn đối với các cụm nhiều sao.

Thái dƣơng hệ của chúng ta có những đặc tính “hên” khác mà nếu không các dạng sống tiên tiến có lẽ sẽ không bao giờ tiến hóa. Thí dụ nhƣ, các định luật của Newton cho phép các quỹ đạo hành tinh có thể là tròn hay eclipse (các đƣờng eclipse là các vòng tròn bị ép xuống, rộng hơn theo một trục và hẹp hơn theo trục kia). Mức độ mà một eclipse bị ép xuống đƣợc mô tả bằng một hệ số gọi là độ lệch tâm của nó, một con số giữa zero và một. Một độ lệch tâm gần với zero có nghĩa hình ấy giống một đƣờng tròn, trong khi một độ lệch tâm gần một nghĩa là nó rất phẳng. Kepler đã khó chịu bởi ý tƣởng rằng các hành tinh không chuyển động theo những vòng tròn hoàn hảo, vậy mà quỹ đạo của trái đất có một độ lệch tâm chỉ 2 phần trăm, nghĩa là nó gần nhƣ tròn. Vậy là hóa ra, đó là một cú ăn may hiếm thấy.

98

Các kiểu hình thời tiết trên trái đất đƣợc xác định chủ yếu bằng độ nghiêng của trục xoay trái đất tƣơng đối với mặt phẳng mà nó chuyển động quanh mặt trời. Suốt mùa đông ở Nửa Cầu Bắc, lấy làm ví dụ, thì cực Nam lại chồm khỏi mặt trời. Thực tế là trái đất gần mặt trời nhất trong quãng thời gian đó – chỉ cách có 91,5 triệu dặm, so với khoảng 94,5 triệu dặm cách mặt trời vào đầu tháng Bảy – có một tác động không đáng kể lên nhiệt độ khi so với tác động của độ nghiêng của nó.

Nhƣng trên những hành tinh với độ lệch tâm lớn, biến thiên khoảng cách tới mặt trời đóng một vai trò lớn hơn nhiều. Trên sao Thủy, lấy làm ví dụ, với độ lệch tâm 20 phần trăm, nhiệt độ nóng hơn 200 độ Farenheit (360 độ Celcius - lnd) khi hành tinh tiến gần tới mặt trời nhất (điểm cận nhật) so với khi nó xa mặt trời nhất (điểm viễn nhật). Thực tế, nếu độ lệch tâm của quỹ đạo trái đất là gần một, các đại dƣơng của chúng ta sẽ sôi khi chúng ta chạm tới điểm gần nhất với mặt trời, và đông lại khi chúng ta chạm tới điểm xa nhất, khiến cho cả kì nghỉ đông lẫn nghĩ hè không lấy gì làm dễ chịu. Các độ lệch tâm quỹ đạo lớn đều không hậu thuẫn cho sự sống, cho nên chúng ta thật tốt số khi có một hành tinh với độ lệch tâm quỹ đạo gần bằng zero.

Quỹ đạo nhị nhật Các hành tinh có quỹ đạo quanh các hệ sao hẳn sẽ có

thời tiết kém thân thiện, một vài mùa thì quá nóng cho sự sóng, những

mùa khác, lại quá lạnh.

99

Chúng ta còn may mắn vì quan hệ giữa khối lƣợng của mặt trời đối với khoảng cách của chúng ta tới nó. Đó là vì khối lƣợng của một ngôi sao xác định năng lƣợng mà nó phát ra. Những ngôi sao lớn nhất có một khối lƣợng khoảng một trăm làm mặt trời của chúng ta, trong khi cái nhỏ nhất lại một trăm lần nhẹ hơn. Chƣa hết, giả sử nhƣ khoảng cách mặt trời – trái đất là cho trƣớc, nếu mặt trời của chúng ta chỉ nặng hay nhẹ hơn 20 phần trăm, trái đất sẽ hoặc nóng hơn sao Hỏa hiện tại hay sao Kim hiện tại.

Theo truyền thống, khi biết một ngôi sao, các nhà khoa học sẽ định nghĩa vùng khả cƣ nhƣ một khu vực xung quanh ngôi sao trong đó nhiệt độ ở mức nƣớc lỏng có thể tồn tại. Vùng khả cƣ đôi khi đƣợc gọi là “vùng Goldilocks,” bởi vì điều kiện mà nƣớc lỏng tồn tại có nghĩa là, theo Goldilocks, sự phát triển của sự sống có trí tuệ đòi hỏi nhiệt độ của hành tinh là “vừa đúng.” Vùng khả cƣ trong thái dƣơng hệ của chúng ta, đƣợc vẽ bên dƣới, rất nhỏ. May sao cho chúng ta vốn là những dạng sống có trí tuệ, trái đất rơi ngay vào đấy.

Các độ lệch tâm Độ lệch tâm là một đo đạc về việc một ellipse gần một

vòng tròn bao nhiêu. Các quỹ đạo tròn thì thân thiện cho sự sống, trong khi

những quỹ đạo bị ép dài ra dẫn tới những dao động nhiệt độ theo mùa lớn

100

Newton đã tin rằng thái dƣơng hệ khả cƣ một cách lạ lùng của chúng ta

đã không “nổi lên từ hỗn mang chỉ bằng các định luật tự nhiên.” Thay vào đó, ông tuyên bố rằng, trật tự trong vũ trụ đã đƣợc “tạo ra bởi Chúa lúc ban đầu và đƣợc ngƣời bảo tồn tới Ngày nay trong cùng trạng thái và tình trạng.” Dễ hiểu vì sao một ngƣời có thể nghĩ nhƣ vậy. Những điều diễn ra thật không chừng vốn quy kết lại để kích hoạt sự tồn tại của chúng ta, và thiết kế thân thiện cho con ngƣời của thế giới của chúng ta, sẽ thực sự là một bí ẩn khi hệ mặt trời của chúng ta là duy nhất trong vũ trụ. Nhƣng vào năm 1992 lần đầu tiên xuất hiện một quan sát đƣợc xác nhận về một hành tinh có quỹ đạo quanh một ngôi sao khác mặt trời của chúng ta. Chúng ta giờ đã biết hàng trăm những hành tinh nhƣ vậy, và vài ngƣời ngờ rằng còn tồn tại vô số những hệ khác giữa nhiều tỉ ngôi sao trong vũ trụ. Điều đó khiến sự tình cờ của các tình trạng hành tinh của chúng ta – mặt trời đơn lẻ, sự kết hợp may mắn của khoảng cách mặt trời-trái đất và khối lƣợng mặt trời – ít phi thƣờng hơn nhiều và càng ít thuyết phục nhƣ một bằng chứng rằng trái đất đƣợc thiết kế cẩn thận chỉ để làm hài lòng con ngƣời. Đủ kiểu hành tinh tồn tại. Một vài – hay chí ít một – hỗ trợ sự sống. Rõ ràng, khi các thực thể trên hành tinh vốn hỗ trợ sự sống đó xem xét thế giới chung quanh chúng, chúng bị buộc phải nhận thấy môi trƣờng của chúng thỏa mãn các điều kiện chúng đòi hỏi cho tồn tại.

Vùng Goldilocks Khi Goldilocks đang lấy mẫu các hành tinh, bà đã nhận ra

chỉ những hành tinh trong vùng màu xanh là thích hợp cho sự sống. Ngôi

sao màu vàng tƣợng trƣng cho chính mặt trời của chúng ta. Những ngôi sao

trắng hơn thì lớn hơn và nóng hơn, những cái đỏ hơn là nhỏ hơn và nguội

hơn. Những hành tinh gần với mặt trời của chúng hơn sẽ quá nóng cho sự

sống, và các hành tinh vƣợt quá nó thì quá lạnh. Kích thƣớc của vùng khà

cƣ thì nhỏ hơn cho các ngôi sao nguội hơn.

101

Có thể chuyển phát biểu vừa rồi thành một nguyên lý khoa học: Sự tồn tại của chính chúng ta đặt ra những quy tắc xác định từ nơi và lúc nào để chúng ta có thể quan sát vũ trụ. Nói rõ ra, thực tế về sự tồn tại của chúng ta ràng buộc những đặc tính của loại môi trƣờng trong đó ta tìm thấy mình. Nguyên lý đó đƣợc gọi là nguyên lý vị nhân yếu. (Chúng ta sẽ thấy ngay tại sao tính từ “yếu” đƣợc đính kèm.) Một thuật ngữ hay hơn “nguyên lý vị nhân” sẽ là “nguyên lý chọn lọc,” bởi vì nguyên lý liên hệ tới làm thế nào nhận thức về sự tồn tại của chúng ta đặt ra những quy tắc sẽ chọn lọc, ra từ tất cả các môi trƣờng khả dĩ, chỉ những môi trƣờng với các đặc cho phép sự sống.

Dù nó nghe cứ nhƣ triết, nguyên lý vị nhân có thể sử dụng để tạo ra các dự đoán khoa học. Ví dụ, vũ trụ bao tuổi? Nhƣ chúng ta sẽ sớm thấy, để cho chúng ta tồn tại vũ trụ phải chứa các nguyên tố nhƣ là carbon, vốn đƣợc sản xuất bằng cách nấu các nguyên tố nhẹ hơn bên trong các ngôi sao. Carbon sau đó phải đƣợc phát tán khắp không gian trong một vụ nổ siêu tân tinh, và cuối cùng cô đọng lại thành một phần của một hành tinh trong một hệ mặt trời thế hệ sau. Năm 1961 nhà vật lý Robert Dicke tranh luận rằng quá trình đó mất khoảng 10 tỉ năm, cho nên giống loài chúng ta có ở đây nghĩa là vũ trụ chí ít phải chừng ấy tuổi. Mặt khác, vũ trụ không thể già hơn 10 tỉ năm nhiều, vì trong tƣơng lai xa tất cả nhiên liệu cho các ngôi sao sẽ bị dùng hết, và chúng ta đòi hỏi các ngôi sao nóng để duy trì chúng ta. Thế nên vũ trụ

phải khoảng 10 tỉ năm tuổi. Đó không phải là một dự đoán chính xác cực kì, nhƣng nó đúng – theo nhƣ các dữ liệu hiện tại vụ nổ lớn diễn ra cách đây 13,7 tỉ năm.

Nhƣ trong vấn đề tuổi vũ trụ, các dự báo vị nhân thƣờng tạo ra một tầm các giá trị cho một thông số vật lý thay vì xác định nó một cách chính xác. Đó là bởi vì sự tồn tại của chúng ta, trong khi có thể không đòi hỏi một giá trị cụ thể cho các thông số vật lý, thƣờng phụ thuộc vào việc những thông số này phải không biến thiên quá xa khỏi giá trị mà chúng ta thực tế tìm ra chúng. Chúng ta xa hơn còn trông chờ các điều điện thực tế trong thế giới của chúng ta sẽ mang tính tiêu biểu trong tầm cho phép vị nhân. Ví dụ, nếu chỉ các độ lệch tâm quỹ đạo khiêm tốn, giả sử giữa zero và 0.5, có thể cho phép sự sống, thì một độ lệch tâm 0.1 sẽ không làm chúng ta ngạc nhiên vì giữa những hành tinh trong vũ trụ một phần kha khá hẳn phải có các quỹ đạo với độ lệch tâm bé nhƣ thế. Nhƣng nếu hóa ra là trái đất chuyển động trên một vòng gần nhƣ tròn, với độ lệch tâm, giả sử, 0.00000000001, sẽ khiến trái đất thành một hành tinh thực sự rất đặc biệt, và tạo động lực cho chúng ta cố giải thích tại sao ta tìm thấy mình trong một quê hƣơng dị thƣờng nhƣ vậy. Ý tƣởng đó đôi khi đƣợc gọi là nguyên lý về sự thƣờng.

Những sự trùng hợp may mắn có dính dáng tới hình dạng của các quỹ đạo hành tinh, khối lƣợng mặt trời, và đại loại nhƣ thế đƣợc gọi là có tính môi trƣờng bởi vì chúng nổi lên từ sự may rủi của môi trƣờng xung quanh ta mà không phải một may mắn trong các định luật cơ bản của tự nhiên. Tuổi của vũ trụ cũng là một tác nhân môi trƣờng, vì có một thời gian sớm hơn một

102

thời gian muộn hơn trong lịch sử vũ trụ, thế nhƣng chúng ta phải sống trong kỉ đại này vì nó là kỉ đại duy nhất hậu thuẫn cho sự sống. Các trùng hợp môi trƣờng là dễ hiểu vì vũ trụ sống của chúng ta chỉ là một trong nhiều vùng khác tồn tại trong hoàn vũ. Và chúng ta dĩ nhiên phải tồn tại trong một môi trƣờng sống hỗ trợ cho sự sống.

Thuyết vị nhân yếu không quá đáng tranh cãi. Nhƣng có một dạng mạnh hơn chúng ta sẽ tranh luận về nó, dù nó vấp phải sự lạnh nhạt của nhiều nhà vật lý. Nguyên lý vị nhân mạnh đề xuất rằng thực tế chúng ta tồn tại đặt ra những ràng buộc cho không chỉ môi trường của chúng ta mà còn cho chính hình thức và nội dung của các định luật tự nhiên khả dĩ. Ý tƣởng này nổi lên vì không chỉ các đặc tính kì dị của hệ mặt trời của chúng ta có vẻ hậu thuẫn một cách kì lạ cho sự phát triển cho sự sống con ngƣời mà còn là các đặc tính của toàn bộ vũ trụ, và nó khó giải thích hơn nhiều.

Câu chuyện làm sao vũ trụ hoang sơ toàn khí hydrogen, helium và một chút lithium tiến hóa thành một vũ trụ neo đậu cho một thế giới có các sự sống có trí tuệ nhƣ chúng ta là một câu chuyện nhiều chƣơng. Nhƣng chúng ta đã đề cập trƣớc đó, các lực tự nhiên phải nhƣ thế để các nguyên tố nặng hơn – đặc biệt là carbon – có thể đƣợc sản xuất ra từ các khí sơ khai, và tiếp tục ổn định cho ít nhất hàng tỉ năm. Những nguyên tố nặng này đƣợc hình thành trong các lò nung chúng ta gọi là các ngôi sao, cho nên trƣớc hết các

lực phải cho phép các ngôi sao và thiên hà hình thành. Chúng lại hình thành từ các hạt giống không đồng bộ trong vũ trụ sơ khai, vốn hầu nhƣ hoàn toàn đồng nhất nhƣng may thay chứa các biến thiên mật độ chỉ khoảng 1 phần 100.000. Tuy nhiên, sự tồn tại của các ngôi sao, và sự tồn tại của các nguyên tố tạo nên chúng ta bên trong các ngôi sao, vẫn chƣa đủ. Đặc tính động lực của các ngôi sao phải nhƣ thế nào để cho nó cuối cùng phát nổ, và, hơn thế, phát nổ theo một cách mà có thể trả lại không gian các nguyên tố nặng hơn. Thêm vào đó, các định luật của tự nhiên phải đòi hỏi sao cho các tàn dƣ có thể tái kết tụ thành một thế hệ các sao mới, đƣợc bao quanh bởi các hành tinh tích hợp các nguyên tố nặng mới hình thành. Cũng nhƣ các sự kiện trên trái đất sơ khai phải xảy ra để cho phép chúng ta phát triển, thế nên mỗi mắt xích trong chuỗi này là cần thiết cho sự tồn tại của chúng ta. Nhƣng trong trƣờng hợp các sự kiện dẫn tới sự tiến hóa của vũ trụ, những phát triển nhƣ thế bị chi phối bởi cân bằng các lực cơ bản của tự nhiên, và chính các lực này với sự tác động lẫn nhau phải vừa đúng để cho chúng ta tồn tại.

Một trong những ngƣời đầu tiên nhận ra rằng điều này có lẽ dính dáng tới một mức độ rõ ăn may là Fred Hoyle, vào những năm 1950. Hoyle tin rằng tất cả các nguyên tố hóa học phải đƣợc đƣợc tạo nên bắt nguồn từ hydrogen, vốn ông tin là chất thực sự sơ khai. Hydrogen có hạt nhân đơn giản nhất, chỉ chứa một proton, hoặc đơn lẻ hoặc kết hợp với một hay hai neutron. (Các dạng khác nhau của hydrogen, hay nguyên tố bất kì, có cùng số proton nhƣng khác số neutron đƣợc gọi là các đồng vị.) Ngày nay chúng ta biết rằng helium và lithium, các nguyên tử có hạt nhân chứa hai hay ba

103

proton, cũng là các nguyên tử đƣợc tổng hợp từ sơ khai, với số lƣợng ít hơn nhiều, khi vũ trụ mới 200 giây tuổi. Sự sống, mặt khác, phụ thuộc vào nhiều nguyên tố phức tạp hơn. Carbon là quan trọng nhất trong đó, nền tảng của tất cả hóa hữu cơ. Dù một ngƣời có thể tƣởng tƣợng các thể hữu cơ “sống” giống nhƣ các máy tính có trí tuệ tạo ra từ các nguyên tố khác, nhƣ silicon, thật đáng ngờ nếu sự sống có thể ngẫu nhiên tiến hóa đƣợc mà thiếu vắng carbon. Các lý do cho việc đó là thuần kỹ thuật nhƣng việc đó dính tới cách thức độc nhất mà carbon liên kết với các nguyên tố khác. Carbon dioxide, ví dụ, là thể khí tại nhiệt độ phòng, và rất có ích cho sinh học. Vì silicon là nguyên tố ngay dƣới carbon trong bản tuần hoàn, nên nó có cùng đặc tính hóa học. Tuy nhiên, silicon dioxide, thạch anh, thì có ích cho cho một bộ sƣu tập đá hơn nhiều so với phổi của các thể hữu cơ. Tuy nhiên, có lẽ các dạng sống có thể tiến hóa từ bữa tiệc silicon đó và thơ thẩn vẫy đuôi trong một các ao ammonia lỏng. Ngay loại sự sống ngoại lai đó cũng không thể tiến hóa chỉ từ các nguyên tố sơ khai, vì các nguyên tố ấy chỉ có thể tạo nên hai hợp chất ổn định, lithium hydride, vốn là một chất rắn tinh thể không màu, và hydrogen thể khí, không hợp chất nào trong đó có khả năng sinh sản hay thậm chí biết yêu. Ngoài ra, thực tế còn lại là chúng ta là một dạng sống carbon, và điều đó làm nổi lên vấn đề làm thế nào carbon, có hạt nhân chứa sáu proton, và các nguyên tố nặng khác trong cơ thể chúng ta đã đƣợc tạo nên.

Bƣớc đầu tiên diễn ra khi các ngôi sao bắt đầu tích lũy helium, vốn đƣợc tạo ra khi hai hạt nhân hydrogen va đập và dung hợp. Sự dung hợp này là cách các ngôi sao tạo ra năng lƣợng sƣởi ấm chúng ta. Tới lƣợt hai nguyên tử helium có thể va đập nhau để tạo thành berylium, một nguyên tử có hạt nhân chứa bốn proton. Một khi berylium đƣợc tạo thành, theo nguyên tắc nó có thể dung hợp với một hạt nhân helium thứ ba để tạo thành carbon. Nhƣng điều đó không xảy ra, bởi vì đồng vị berylium đƣợc tạo ra phân rã hầu nhƣ ngay lập tức thành các hạt nhân helium.

Tình huống sẽ khác khi một ngôi sao bắt đầu dùng hết hydrogen. Khi điều đó xảy ra lõi của ngôi sao sụp lại tới khi nhiệt độ trung tâm của nó tăng lên đến khoảng 100 triệu độ Kelvin. Với các điều kiện này, các hạt nhân chạm trán nhau thƣờng xuyên tới nỗi một vài hạt nhân berylium sẽ va đập với một hạt nhân helium trƣớc khi chúng có cơ hội phân rã. Berylium lúc này có thể dung hợp với helium để hình thành một đồng vị bền. Nhƣng carbon vẫn còn một chặng đƣờng dài để hình thành các tổ hợp có trật tự của các kiểu hợp chất hóa học biết thƣởng thức một ly Bordeaux, tung hứng các quả chuy bowling đang cháy, hay hỏi những câu về vũ trụ. Để cho những thực thể nhƣ con ngƣời tồn tại, carbon phải đƣợc chuyển từ bên trong các ngôi sao tới những vùng lân cận gần. Điều đó, nhƣ chúng ta đã nói, đƣợc hoàn tất khi ngôi sao, vào cuối chu kì sống của nó, nổ tung trong một vụ nổ siêu tân tinh, ném văng carbon và các nguyên tố nặng khác mà sau này cô đọng lại thành các hành tinh.

104

Quá trình hình thành nên carbon đƣợc gọi là quá trình ba alpha bởi vì “hạt alpha” là tên gọi khác cho hạt nhân của đồng vị helium có liên quan, và bởi vì quá trình đòi hỏi ba hạt đó (cuối cùng) dung hợp với nhau. Vật lý thông thƣờng dự đoán rằng tỉ lệ tạo thành của carbon qua quá trình ba alpha phải hoàn toàn ít. Chú ý tới điều này, năm 1952 Hoyle dự đoán rằng tổng các năng lƣợng của một hạt nhân berylium và helium phải gần nhƣ chính xác bằng năng lƣợng của một mức lƣợng tử của đồng vị carbon đƣợc tạo thành, một tình huống đƣợc gọi là sự cộng hƣởng, vốn làm tăng tỉ lệ của một phản ứng hạt nhân lên rất nhiều. Thời điểm đó, không một mức năng lƣợng nào giống vậy đƣợc biết tới, nhƣng dựa trên đề xuất của Hoyle, William Fowler tại Caltech đã đi tìm và phát hiện ra nó, cung cấp một ủng hộ quan trọng cho quan điểm của Hoyle về cách mà các hạt nhân phức tạp đã đƣợc tạo thành.

Hoyle đã viết, “Tôi không tin có nhà khoa học nào xem xét chứng cứ này lại không thể rút ra suy luận rằng các định luật của vật lý hạt nhân đã đƣợc thiết kế có chủ đích cho hệ quả mà chúng tạo ra trong các ngôi sao”. Vào thời điểm ấy chƣa ai biết đủ về vật lý hạt nhân để hiểu tầm cỡ của sự may rủi dẫn đến các định luật vật lý chính xác này. Nhƣng khi nghiên cứu hiệu lực của của nguyên lý vị nhân mạnh, trong những năm gần đây các nhà vật lý bắt đầu tự hỏi mình vũ trụ sẽ giống nhƣ thứ gì nếu các định luật của tự nhiên bị khác đi. Ngày nay chúng ta có thể tạo ra các mô hình máy tính có thể chỉ cho chúng ta tỉ lệ của phản ứng ba alpha phụ thuộc vào độ lớn của các lực cơ bản của tự nhiên nhƣ thế nào. Những tính toán nhƣ thế cho thấy một sự thay đổi ít ỏi chỉ 0,5 phần trăm trong độ lớn của lực hạt nhân mạnh, hay 4 phần trăm trong lực điện, sẽ phát hủy hầu nhƣ toàn bộ carbon cũng nhƣ

Quá trình Ba Alpha Carbon đƣợc tạo nên bên trong các ngôi sao từ sự va

đập của ba hạt nhân helium, một hiện tƣợng sẽ không có khả năng nếu

không vì một đặc tính đặc biệt trong các định luật của vật lý hạt nhân.

105

oxygen trong mỗi ngôi sao, và do thế khả năng cho sự sống nhƣ chúng ta biết. Thay đổi các quy luật của vũ trụ của chúng ta chỉ một chút, và điều kiện cho sự tồn tại của chúng ta sẽ biến mất!

Bằng cách xem xét các mô hình vũ trụ chúng ta tạo ra khi các lý thuyết vật lý đƣợc thay đổi theo những kiểu nhất định, một ngƣời có thể nghiên cứu các hiệu ứng của sự thay đổi đối với định luật vật lý theo một kiểu cách có phƣơng pháp. Hóa ra là không chỉ có độ lớn của lực hạt nhân mạnh và lực điện từ đƣợc tạo ra để sắp xếp cho sự tồn tại của chúng ta. Hầu hết các hằng số cơ bản trong các lý thuyết của chúng ta có vẻ đƣợc tinh chỉnh theo một kiểu mà nếu nhƣ nó bị thay đổi chỉ những lƣợng khiêm tốn, vũ trụ sẽ khác đi một cách định lƣợng, và trong nhiều trƣờng hợp không thích hợp cho sự phát triển của sự sống. Ví dụ nhƣ, nếu lực hạt nhân còn lại, lực yếu, trở nên nhỏ hơn nhiều, trong vũ trụ sơ khai tất cả hydrogen trong vũ trụ sẽ chuyển thành helium, và từ đó sẽ không có những ngôi sao bình thƣờng; nếu nó lại mạnh hơn nhiều, các siêu tân tinh phát nổ sẽ không bóc các lớp bao bên ngoài của chúng ra, từ đó không thể gieo vào không gian giữa các vì sao các nguyên tố nặng mà các hành tinh cần để dung dƣỡng sự sống. Nếu proton chỉ nặng hơn 2 phần trăm, chúng sẽ sớm phân rã thành các neutron, làm các nguyên tử không bền. Nếu tổng các khối lƣợng của các loại quark tạo nên một proton bị thay đổi chỉ khoảng 10 phần trăm, sẽ có ít hạt

nhân bền hơn nhiều vốn tạo nên chúng ta; thực tế, tổng khối lƣợng quark có vẻ nhƣ khá đƣợc đo ni để sự tồn tại của nhiều hạt nhân bền nhất.

Nếu một ngƣời giả sử rằng có quỹ đạo ổn định trong vài trăm triệu năm là cần thiết cho sự sống hành tinh tiến hóa, số chiều không gian cũng đƣợc cố định cho sự tồn tại của chúng ta. Đó là vì, theo các định luật hấp dẫn, chỉ trong không gian ba chiều mới có các quỹ đạo ellipse ổn định. Các quỹ đạo tròn vẫn có khả năng trong các không gian khác, nhƣng những quỹ đạo đó, cũng nhƣ Newton đã lo ngại, thì không ổn định. Trong nhiều không gian trừ không gian ba chiều chỉ một sự xáo trộn nhỏ, nhƣ sức kéo của một hành tinh khác, sẽ làm một hành tinh rời khỏi quỹ đạo tròn của nó và khiến nó hoặc xoáy vào hoặc khỏi mặt trời, cho nên chúng ta sẽ hoặc bị thiêu hoặc đông cứng. Hơn nữa, trong hơn ba chiều lực hấp dẫn giữa hai vật thể sẽ giảm đi nhanh hơn trong ba chiều. Trong không gian ba chiều lực hấp dẫn sẽ sụt còn 14 giá trị nếu ta gấp đôi khoảng cách. Trong không gian bốn chiều nó sẽ

giảm còn 1 8 . Trong năm chiều nó sẽ giảm xuống 1 16 và tƣơng tự. Thành

một kết quả, trong không gian hơn ba chiều mặt trời sẽ không thể tồn tại trong một trạng thái ổn định với áp suất trong cân bằng với sức gì của lực hấp dẫn. Nó sẽ hoặc văng ra từng mảnh hoặc đổ sụp thành một lỗ đen, kiểu nào cũng làm hỏng ngày đẹp của bạn. Trên phạm vi nguyên tử, các lực điện sẽ hành xử theo cách tƣơng tự nhƣ các lực hấp dẫn. Nghĩa là các electron trong nguyên tử sẽ hoặc thoát khỏi hay xoáy vào hạt nhân. Trong trƣờng hợp nào các nguyên tử cũng sẽ đều không thể mà nhƣ chúng ta biết về chúng.

106

Sự xuất hiện của các cấu trúc phức tạp có khả năng hỗ trợ những ngƣời quan sát có trí tuệ có vẻ nhƣ rất mong manh. Các định luật tự nhiên hình thành nên một hệ thống cực kì tinh tế, và rất ít các định luật có thể đƣợc thay đổi mà không hủy diệt khả năng của sự phát triển sự sống mà nhƣ ta biết. Nếu không có một chuỗi những sự trùng hợp gây sững sốt trong từng chi tiết chi li của các định luật vật lý, nó có vẻ nhƣ, con ngƣời và các dạng sống tƣơng tự sẽ không bao giờ trở thành các thực thể.

Sự trùng hợp tinh tế ấn tƣợng nhất dính tới cái gọi là hằng số vũ trụ, trong các phƣơng trình của Einstein về thuyết tƣơng đối tổng quát. Nhƣ chúng ta đã nói, vào năm 1915, khi ông xây dựng lý thuyết này, ông vẫn còn tin rằng vũ trụ là tĩnh, nghĩa là, không có giản nở hay co lại. Vì vật chất hút lấy vật chất, ông giới thiệu vào trong lý thuyết của mình một lực phản hấp dẫn để chọi với xu hƣớng của vũ trụ tự sụp lên chính nó. Lực này, không giống nhƣ các lực khác, không đến từ những nguồn cụ thể nào mà đƣợc luồn vào cấu trúc của không-thời gian. Hằng số vũ trụ mô tả độ lớn của của lực đó.

Khi vũ trụ đƣợc khám phá ra là không hề tĩnh, Einstein đã loại bỏ hằng số vũ trụ khỏi lý thuyết của ông và gọi việc mang nó vào là điều ngớ ngẩn lớn nhất đời mình. Nhƣng vào năm 1998 các quan sát về những siêu tân tinh xa thẳm hé lộ rằng vũ trụ đang giản nở với một tỉ lệ có gia tốc, một hiệu ứng

không thể có khả năng nếu thiếu một loại lực đẩy tác dụng khắp không gian. Hằng số vũ trụ đã đƣợc hồi sinh. Vì chúng ta biết rằng giá trị của nó không phải là zero, câu hỏi còn lại, tại sao nó có giá trị mà nó có? Các nhà vật lý đã tạo ra các lập luận giải thích nó có thể nổi lên từ các hiệu ứng cơ lƣợng tử nhƣ thế nào, nhƣng giá trị mà họ tính đƣợc là khoảng mƣời mũ 120 lần (1 với 120 số không) lớn hơn giá trị thực tế, thu đƣợc từ các vụ nổ siêu tân tinh. Điều này có nghĩa là lý luận đƣợc dùng tới trong các tính toán đã sai hoặc một hiệu ứng nào khác tồn tại và một cách thần kì đã hủy hầu hết trừ một chút bé xíu của con số tính ra đƣợc. Điều duy nhất chắc chắn là nếu giá trị của hằng số vũ trụ lớn hơn nhiều so với thực tế, vũ trụ của chúng ta hẳn đã thổi bay chính nó trƣớc khi các thiên hà có thể hình thành và – một lần nữa – sự sống mà nhƣ ta biết sẽ bất khả thi.

Chúng ta có thể nhận xét gì về những trùng hợp này? Cái hên trong hình thức và bản chất của các định luật vật lý cơ bản là một loại rất khác với cái hên chúng ta tìm thấy trong các nhân tố môi trƣờng. Nó không thể đƣợc giải thích một cách bình thƣờng, và có những ngụ ý mang tính triết học và vật lý hơn nhiều. Vũ trụ của chúng ta và các định luật của nó có vẻ nhƣ có một thiết kế đƣợc đo ni đóng giầy để hỗ trợ chúng ta và, nếu chúng ta tất phải tồn tại, nó không chừa nhiều chỗ cho sự thay thế. Nó không dễ giải thích, và làm nổi lên câu hỏi tự nhiên tại sao nó lại nhƣ vậy.

Nhiều ngƣời muốn chúng ta dùng những sự trùng hợp này để làm chứng cứ cho công việc của Chúa. Ý tƣởng rằng vũ trụ đƣợc thiết kế để chứa chấp nhân loại xuất hiện trong các thần thuyết và thần thoại có từ hàng

107

ngàn năm trƣớc cho tới hiện tại. Theo tƣờng thuật huyền sử của ngƣời Maya Popol Vuh các vị thần tuyên bố, “Chúng ta sẽ không nhận đƣợc vinh quang hay sự tôn kính từ tất cả những gì chúng ta đã tạo ra cho tới khi con ngƣời tồn tại, và đƣợc phú cho tri giác.” Một văn bản Ai Cập tiêu biểu vào năm 2000 TCN phát biểu, “Ngƣời, bầy chiên của Thần, đã đƣợc chu cấp đầy đủ. Ngài (thần mặt trời) tạo ra bầu trời và mặt đất cho lợi ích của chúng.” Tại Trung Quốc nhà triết học Đạo giáo Liệt Ngữ Khấu (khoảng năm 400 TCN) diễn đạt ý tƣởng này thông qua một nhân vật trong truyện kể đã nói, “Trời khiến ngũ cốc sinh sôi, và làm ra các giống có vẩy và lông vũ, riêng vì ích lợi của chúng ta.” Trong văn hóa phƣơng Tây quyển Cựu Ƣớc chứa những ý tƣởng về thiết kế may mắn trong câu truyện về sáng tạo, nhƣng quan điểm truyền thống của Thiên Chúa Giáo bị ảnh hƣởng to lớn của Aristotle, ngƣời tin vào một thế giới tự nhiên có trí tuệ hoạt động theo một thiết kế có chủ ý.” Nhà thần học Thiên Chúa Giáo trung cổ Thomas Aquinas vịn vào ý tƣởng của Aristotle về trật tự của tự nhiên để tranh luận cho sự tồn tại của Chúa. Trong thế kỉ mƣời tám một nhà thần học Thiên Chúa Giáo khác còn đi quá xa khi nói rằng thỏ có đuôi màu trắng để chúng ta dễ dàng bắn chúng. Một minh họa hiện đại hơn về cái nhìn của Thiên Chúa Giáo đƣợc đƣa ra một vài năm trƣớc khi Hồng Y Giáo Chủ Christoph Schönborn, tổng giám mục thành Viên, đã viết, “Nay, lúc khởi đầu của thế kỉ 21, đối mặt với các tuyên bố khoa

học nhƣ thuyết Darwin mới và thuyết đa vũ trụ (nhiều vũ trụ) trong vũ trụ học đƣợc phát minh ra để tránh né chứng cứ áp đảo cho mục đích và sự thiết kế đƣợc tìm thấy trong khoa học hiện đại, nhà thờ Công Giáo lần nữa sẽ bảo vệ bản chất con ngƣời bằng tuyên bố rằng sự thiết kế của tự nhiên ở mọi nơi là thực.” Trong vũ trụ học chứng cứ áp đảo cho mục đích và sự thiết kế mà hồng y đã nói liên hệ tới sự tinh tế của các định luật chúng ta đã diễn tả trên đây.

Bƣớc ngoặt của sự khƣớc từ mang tính khoa học đối với một vũ trụ nhân-tâm chính là mô hình kiểu Copernic về hệ mặt trời, trong đó trái đất không còn giữ vị trí trung tâm. Mỉa may thay, thế giới quan của chính Copernicus là một cái nhìn duy nhân dạng, thậm chí tới mức độ rằng ông an ủi chúng ta bằng cách chỉ ra rằng, mặc cho mô hình nhật tâm của mình, trái đất hầu như ở trung tâm vũ trụ: “Mặc dù [trái đất] không ở trung tâm vũ trụ, dẫu sao khoảng cách [tới trung tâm] đó không là gì đáng kể khi so với khoảng cách của các ngôi sao cố định.” Với phát minh về kính viễn vọng, các quan sát trong thế kỉ mƣời bảy, nhƣ thực tế là hành tinh của chúng ta không phải là hành tinh duy nhất có một mặt trăng quay quanh, càng làm nặng kí cho nguyên lý chúng ta không nắm giữ vị trí đặc ân nào trong vũ trụ.

Trong những thế kỉ tiếp theo chúng ta càng khám phá về vũ trụ nhiều bao nhiêu, hành tinh của chúng ta càng có vẻ chỉ là một hành tinh bình thƣờng bấy nhiêu. Nhƣng các khám phá tƣơng đối gần đây về sự cực kì tinh tế của quá nhiều định luật tự nhiên có thể dẫn ít nhất một vài ngƣời trong chúng ta trở lại ý tƣởng cũ rằng thiết kế vĩ đại này là công trình của một đấng

108

sáng tạo vĩ đại. Tại Mỹ, bởi vì hiến pháp cấm việc dạy tôn giáo trong trƣờng học, kiểu ý tƣởng ấy đƣợc gọi là thiết kế có trí tuệ, với một ngụ ý bất thành văn hiểu rằng đấng sáng tạo đó là Chúa.

Đó không phải là câu trả lời của khoa học hiện đại. Chúng ta đã thấy trong Chƣơng 5 rằng vũ trụ của chúng ta có vẻ nhƣ là một trong rất nhiều vũ trụ, mỗi cái với các định luật khác nhau. Ý tƣởng đa vũ trụ đó không phải là một tƣ tƣởng để giải thích cho sự tinh tế. Nó là hệ quả của điều kiện không biên cũng nhƣ nhiều lý thuyết khác trong vũ trụ học hiện đại. Nhƣng nếu nó là sự thực, thì nguyên lý vị nhân mạnh có thể đƣợc đánh giá thực tế là tƣơng đƣơng với nguyên lý vị nhân yếu, đặt sự tinh tế của định luật vật lý vào cùng chỗ đứng với các nhân tố môi trƣờng, vì nó nghĩa rằng vùng cƣ trú vũ trụ của chúng ta – hiện giờ là toàn bộ vũ trụ quan sát đƣợc – chỉ là một trong vô số, cũng nhƣ hệ mặt trời của chúng ta chỉ là một trong nhiều hệ khác. Nghĩa là theo cùng một cách mà các trùng hợp môi trƣờng của hệ mặt trời của chúng ta đƣợc coi nhƣ không có gì phi thƣờng khi ta nhận ra rằng hàng tỉ hệ mặt trời nhƣ vậy tồn tại, sự tinh tế trong các định luật của tự nhiên có thể đƣợc giải thích bằng sự tồn tại của nhiều vũ trụ. Nhiều ngƣời qua các thời kì đã gán cho Chúa vẻ đẹp và sự phức tạp của tự nhiên vốn có vẻ không có đƣợc lời giải đáp khoa học trong thời của họ. Nhƣng giống nhƣ Darwin và Wallace đã giải thích làm cách nào các thiết kế màu nhiệm hiển hiện trên các

thể sống có thể xuất hiện mà không có sự can thiệp của một đấng tối thƣợng, khái niệm đa vũ trụ có thể giải thích sự tinh tế của các định luật vật lý mà không cần một đấng sáng tạo rộng lƣợng tạo ra vũ trụ vì lợi ích của chúng ta.

Einstein có lần đặt câu hỏi cho trợ lý của mình là Ernst Straus “Chúa có sự lựa chọn nào không khi tạo ra thế giới?” Trong cuối thế kỉ mƣời sáu Kepler đã bị thuyết phục rằng Chúa tạo ra vũ trụ theo một nguyên lý toán học hoàn hảo nào đó. Newton chỉ ra rằng cùng các định luật áp dụng cho thƣợng giới cũng áp dụng cho trên trái đất, và phát triển các phƣơng trình toán học để diễn đạt những định luật đó quá thanh thoát khiến chúng truyền niềm tin tôn giáo tha thiết cho nhiều nhà khoa học thế kỉ mƣời tám, vốn có vẻ hăng hái sử dụng chúng để cho thấy rằng Chúa là một nhà toán học.

Kể từ Newton, và đặc biệt là từ Einstein, mục tiêu của vật lý đã trở thành việc đi tìm những nguyên lý toán học đơn giản nhƣ kiểu mà Kepler đã hình dung tới, và cùng với chúng tạo ra một lý thuyết thống nhất cho mọi thứ có thể giải thích đƣợc mọi chi tiết về vật chất và các lực chúng ta quan sát đƣợc trong tự nhiên. Trong cuối thế kỉ mƣời chín và đầu thế kỉ hai mƣơi Maxwell và Einstein đã thống nhất điện, từ, và ánh sáng. Những năm 1970, mô hình chuẩn đã đƣợc tạo ra, một lý thuyết đơn lẻ cho lực hạt nhân mạnh, yếu, và lực điện từ. Thuyết dây và thuyết M đến lƣợt trở thành một nỗ lực để bao gồm luôn lực còn lại, hấp dẫn. Mục tiêu không phải là chỉ tìm một lý thuyết đơn lẻ để giải thích tất cả lực mà còn là một lý thuyết giải thích các con số cơ bản mà chúng ta đã nói tới, nhƣ là độ lớn của các lực và khối lƣợng cùng

109

điện tích của các hạt nguyên tố. Nhƣ Einstein đã diễn đạt, niềm hy vọng đó có thể đƣợc nói là “tự nhiên quả đƣợc kiến tạo mà từ đó có thể nêu ra một cách có logic những định luật đƣợc xác định một cách chặt chẽ mà nội trong các định luật đó chỉ có các trị số hoàn toàn có lý lẽ xuất hiện (không còn là hằng số, từ đó, với các giá trị số của chúng có thể đƣợc thay đổi mà không phá hủy lý thuyết.)” Một lý thuyết độc nhất có vẻ không thể có sự tinh tế cho phép chúng ta tồn tại. Nhƣng nếu dƣới ánh sáng từ các tiến bộ gần đây chúng ta diễn dịch giấc mơ của Einstein thành một lý thuyết độc nhất giải thích cho vũ trụ này và vũ trụ khác, với toàn bộ phổ các định luật khác nhau của chúng, thì thuyết M có thể là thuyết đó. Nhƣng nếu thuyết M là độc nhất, hay đƣợc đòi hỏi bởi các nguyên lý logic đơn giản? Chúng ta có thể trả lời câu hỏi, tại sao thuyết M?

110

111

VIII

Trong quyển sách này chúng ta đã giải thích làm thế nào sự quy củ trong chuyển động của các vật thể thiên văn nhƣ mặt trời, mặt trăng, và các hành tinh đã gợi ra rằng chúng đƣợc chi phối bởi các định luật cố định thay vì bị lệ thuộc vào các cơn hứng và sự bốc đồng tùy tiện của thần thánh và ma quỷ. Ban đầu sự tồn tại của các định luật nhƣ vậy trở nên hiển hiện chỉ trong thiên văn học (hay chiêm tinh, vốn đƣợc liên hệ gần nhƣ nhau). Biểu hiện của những thứ trên trái đất quá phức tạp và lệ thuộc vào nhiều ảnh hƣởng nên các nền văn minh sơ khai đã không thể nhận thức các kiểu rõ ràng về các định luật chi phối những hiện tƣợng này. Một cách từ từ, dù vậy, những định luật mới đã đƣợc phát hiện trong những lĩnh vực ngoài thiên văn, và điều này dẫn tới ý tƣởng về thuyết tất định khoa học: Phải có một tập hợp hoàn chỉnh, từ trạng thái biết trƣớc của vũ trụ tại một thời điểm cụ thể, sẽ chỉ ra vũ trụ sẽ phát triển nhƣ thế nào từ thời điểm ấy trở đi. Những định luật này phải đứng vững ở mọi nơi và tại mọi thời điểm; ngƣợc lại chúng sẽ không thành những định luật. Sẽ không thể có ngoại lệ cho các phép màu. Chúa hay quỷ dữ sẽ không thể can thiệp vào guồng quay của vũ trụ.

Vào thời điểm thuyết tất định khoa học đƣợc đề xuất đầu tiên, các định luật chuyển động và hấp dẫn của Newton là các định luật duy nhất đƣợc biết. Chúng ta đã mô tả cách mà các định luật này đƣợc mở rộng bởi Einstein trong thuyết tƣơng đối tổng quát của ông, và cách mà các định luật khác đƣợc khám phá để chi phối các khía cạnh khác của vũ trụ.

Các định luật tự nhiên nói cho chúng ta biết vũ trụ hành xử như thế nào, nhƣng chúng không trả lời câu hỏi vì sao? mà chúng ta đã đặt ra tại phần đầu của quyển sách này:

Vì sao có thứ gì đó hơn là hư không? Vì sao chúng ta tồn tại? Tại sao là bộ các định luật này mà không phải một tập hợp nào khác? Ai đó có thể tuyên bố câu trả lời cho những câu hỏi này là có một vị

Chúa ngƣời đã chọn để tạo ra vũ trụ nhƣ thế. Nó là hợp lý khi hỏi ai hay cái gì tạo ra vũ trụ, nhƣng nếu câu trả lời là Chúa, thì câu hỏi chỉ bị lảng sang ai tạo ra Chúa. Theo quan điểm này nó đƣợc chấp nhận rằng một thực thể nào

đó tồn tại mà không cần ngƣời tạo ra, và thực thể đó đƣợc gọi là Chúa. Điều này đƣợc biết nhƣ lập luận nguyên-nhân-đầu-tiên cho sự tồn tại của Chúa. Chúng ta, trái lại, tuyên bố rằng vẫn có khả năng để trả lời những câu hỏi này đơn thuần trong lãnh địa của khoa học, mà không phải động tới những đấng thần thánh.

112

Theo nhƣ ý tƣởng về thực tại phụ thuộc mô hình luận đã giới thiệu trong Chƣơng 3, bộ não của chúng ta diễn giải các tín hiệu vào từ các cơ quan tri giác bằng cách tạo nên một mô hình về thế giới bên ngoài. Chúng ta hình thành các ý niệm tinh thần về nhà mình, cây cối, những ngƣời khác, điện chạy trong các ổ cắm trên tƣờng, nguyên tử, phân tử, và các vũ trụ khác. Những ý niệm tinh thần này là thực tại duy nhất chúng ta biết. Không có sự kiểm tra thực tại nào độc lập mô hình. Kéo theo đó là một mô hình đƣợc xây dựng chính xác tạo nên một thực tại cho chính nó. Một thí dụ có thể giúp chúng ta nghĩ về các vấn đề về thực tại và sự sáng tạo là Trò chơi Sự sống, đƣợc phát minh vào năm 1970 bởi một nhà toán học trẻ tại Cambridge tên là John Conway.

Từ “trò chơi” trong Trò chơi Sự sống là một thuật ngữ gây lầm lẫn. Không có kẻ thắng hay ngƣời thua; thực tế, không có ngƣời chơi nào cả. Trò chơi Sự sống Không thực sự là một trò chơi mà là một tập hợp các định luật chi phối một vũ trụ hai chiều. Nó là một vũ trụ tất định: Một khi bạn cài một thiết đặt khởi đầu, hay một sơ kiện, các định luật xác định điều gì sẽ xảy ra trong tƣơng lai. Thế giới mà Conway đã hình dung là một ma trận các ô vuông, giống nhƣ một bàn cờ, nhƣng mở rộng vô hạn về mọi hƣớng. Mỗi ô vuông có thể rơi vào một trong hai trạng thái (có màu xanh) hay chết (có màu đen). Mỗi ô vuông có tám hàng xóm: các hàng xóm trên, dƣới, trái, phải

và các hàng xóm trên đƣờng chéo. Thời gian trong thế giới này không liên tục mà chạy tới theo từng bƣớc cách nhau. Cho trƣớc một sự sắp xếp cho các ô vuông sống hay chết, số các hàng xóm đang sống sẽ xác định điều gì xảy ra kế tiếp theo các định luật sao:

1. Mỗi ô vuông đang sống với hai hay ba hàng xóm đang sống sẽ sống tiếp (sinh tồn).

2. Một ô vuông chết với đúng ba hàng xóm đang sống sẽ trở thành một ô sống (sinh thành).

3. Trong tất cả các trƣờng hợp còn lại một ô sẽ chết hoặc tiếp tục chết. Trong trƣờng hợp một ô vuông sống không có hàng xóm hay có một hàng xóm, nó đƣợc bảo là chết vì cô đơn; nếu nó có hình hơn ba hàng xóm, nó đƣợc bảo là chết vì bon chen.

Đó là tất cả những gì nó có: Cho trƣớc một sơ kiện bất kì, các định luật này tạo ra các thế hệ tiếp sau các thế hệ. Một ô vuông sống biệt lập hay hai ô vuông kề nhau chết trong thế hệ tiếp theo vì chúng không có đủ hàng xóm. Ba ô vuông sống trên một đƣờng chéo sống lâu hơn một chút. Sau bƣớc nhảy thời gian đầu tiên các ô vuông hai đầu chết, chỉ còn lại ô vuông giữa, vốn lại sẽ chết trong thế hệ tiếp theo. Một đƣờng chéo các ô vuông bất kì đều “bốc hơi” theo cách thức này. Nhƣng nếu ba ô vuông sống đƣợc đặt ngang trên một hàng, một lần nữa ô giữa có hai hàng xóm và sinh tồn trong khi các ô vuông hai đầu chết đi, nhƣng trong trƣờng hợp này các ô ngay phía trên và dƣới ô giữa trải qua sự sinh thành. Từ đó hàng này chuyển

113

thành cột. Tƣơng tự, trong thế hệ kế tiếp cột này chuyển lại thành hàng, và cứ thế. Các thiết đặt dao (chao) động nhƣ thế đƣợc gọi là con nháy.

Nếu ba ô vuông sống đƣợc đặt thành hình một chữ L, một hành vi mới

xuất hiện. Trong thế hệ tiếp theo ô vuông đƣợc ấp bởi chữ L sẽ sinh thành, dẫn tới một khối 2x2. Khối này thuộc về một loại kiểu hình gọi là sự sống tĩnh vì nó sẽ trải qua thế này tới thế hệ kia mà không thay đổi. Nhiều loại kiểu hình tồn tại vốn lột xác trong các thế hệ đầu nhƣng sớm sau đó chuyển thành một sự sống tĩnh, hoặc chết, hoặc trở lại dạng gốc và lập lại quá trình đó.

Còn có những kiểu hình gọi là các con lƣợn, vốn biến hình thành các hình dạng khác và, sau một vài thế hệ, trở lại dạng gốc của chúng, nhƣng tại vị trí cách một xuống dƣới trên đƣờng chéo. Nếu bạn nhìn các hình này phát triển này theo thời gian, chúng có vẻ nhƣ đang trƣờng trên ma trận. Khi những con lƣợn này đâm vào nhau, các biểu hiện gây tò mò xảy ra, tùy thuộc vào hình dạng của mỗi con tại thời điểm va chạm.

Các con nháy Các con nháy là một loại đơn giản các đối tƣợng đa

hợp trong Trò chơi Sự Sống.

Sự tiến hóa thành Sự sống Tĩnh Một vài đối tƣợng đa hợp trong Trò

chơi Sự sống tiến hóa thành một hình thức mà các quy tắc ràng buộc

không bao giờ thay đổi.

114

Điều làm vũ trụ này thú vị là dù “vật lý” cơ bản của vũ trụ này thật đơn

giản, “hóa học” thì có thể phức tạp. Nghĩa là, các đối tƣợng đa hợp tồn tại trên những thang khác nhau. Tại thang nhỏ nhất, vật lý cơ bản nói rằng chỉ có các ô vuông sống và chết. Trên một thang rộng hơn, có các con lƣợn, con nháy và khối sống tĩnh. Tại một thang lớn hơn nữa thậm chí còn có các đối tƣợng phức hợp, nhƣ các pháo con lƣợn: những kiểu hình định chỗ tuần hoàn sinh ra các con lƣợn sau đó rời tổ và chảy xuống theo đƣờng chéo.

Nếu bạn quan sát vũ trụ Trò chơi Sự sống một lúc trên bất kì thang nào, bạn có thể đúc kết các định luật chi phối các đối tƣợng trên thang đó. Ví dụ, trên thang của các đối tƣợng chỉ vài ô vuông bạn có thể có các định luật kiểu nhƣ “Các khối tĩnh không bao giờ động,” “Các con lƣợn đi chéo,” và nhiều định luật khác nhau cho việc xảy ra khi các đố tƣợng va chạm. Bạn có thể tạo ra cả một nền vật lý trên bất kì cấp độ nào của các đối tƣợng đa hợp. Các định luật sẽ kéo theo các thực thể và khái niệm vốn không hề có trong các định luật gốc. Ví dụ, không có các khái niệm nhƣ là “va chạm” hay “di chuyển” trong các định luật gốc. Những định luật đó chỉ mô tả sự sống và chết của các ô vuông cá thể định chỗ. Cũng nhƣ trong vũ trụ của chúng ta, trong Trò chơi Sự sống thực tại của bạn phụ thuộc vào mô hình bạn mƣợn tới.

Các con lượn Các con lƣợn biến hình qua những hình dạng tức thời

này, rồi trở lại dạng gốc của chúng, bị dịch chuyển một ô dọc theo

đƣờng chéo.

115

Conway và các sinh viên của ông tạo ra thế giới này vì họ muốn biết một vũ trụ với các quy tắc cơ bản đơn giản nhƣ những gì họ định nghĩa có thể chứa các đối tƣợng đủ phức hợp để nhân bản hay không. Trong Trò chơi Sự sống, liệu các đối tƣợng đa hợp có tồn tại mà, sau khi chỉ đi theo những định luật của thế giới đó trong vài thế hệ, sẽ đẻ ra những đối tƣợng khác cùng loại với nó? Conway và các sinh viên của ông không chỉ có thể xác nhận điều đó là có khả năng, họ còn chỉ ra rằng những đối tƣợng nhƣ thế sẽ, theo một kiểu nào đó, có trí tuệ! Chúng ta có ý gì khi nói nhƣ vậy? Để cho chi tiết, họ đã cho thấy khối phức hợp các ô vuông khổng lồ tự nhân bản đó là các “máy Turing vũ trụ”. Đối với các mục đích của chúng ta điều đó có nghĩa rằng với bất kì tính toán nào một máy tính trong thế giới vật lý của chúng ta về nguyên tắc có thể thực hiện được, nếu cỗ máy được nạp đúng chương trình vào – ví dụ nhƣ, đƣợc cung cấp môi trƣờng thích hợp của Trò chơi Sự sống – thì một vài thế hệ sau cỗ máy sẽ ở trong một trạng thái từ đó một tín hiệu ra có thể đƣợc đọc và tương ứng với kết quả của tính toán từ chiếc máy tính đó.

Thiết đặt khởi đầu của Pháo Con Lượn Pháo con lƣợn lớn gần

bằng mƣời lần so với một con lƣợn.

116

Để có chút trải nghiệm việc đó là nhƣ thế nào, hãy xem xét điều gì xảy

ra khi các con lƣợn đƣợc bắn tới một khối 2x2 đơn giản các ô vuông sống. Nếu nhƣ các con lƣợn tiến tới đúng cách, khối đó, vốn vẫn định chỗ, sẽ chuyển động tới hay khỏi nguồn của các con lƣợn. Theo cách này, khối ấy có thể mô phỏng một bộ nhớ máy tính. Thực tế, tất cả các hàm cơ bản của một máy tính hiện đại, nhƣng là các cổng AND và OR, có thể đƣợc tạo ra từ các con lƣợn. Theo cách thức này, cứ nhƣ các tín hiệu điện chúng ta mƣợn tới trong một máy tính vật lý, các dòng con lƣợn có thể đƣợc mƣợn tới để gửi và xử lý thông tin.

Trong Trò chơi Sự Sống, giống nhƣ trong thế giới của chúng ta, các kiểu hình tự tái sản sinh là các đối tƣợng phức tạp. Một ƣớc tính, dựa trên các công trình trƣớc đó của nhà toán học John von Neumann, đặt ra kích thƣớc tối thiểu của một kiểu hình tự nhân bản trong Trò chơi Sự sống với

mƣời ngàn tỉ ô vuông – gần bằng số phân tử trong một tế bào đơn lẻ của ngƣời.

Một ngƣời có thể định nghĩa các thực thể sống là các hệ phức hợp có kích thƣớc giới hạn ổ định và tái sản sinh ra chúng. Những đối tƣợng đƣợc mô tả ở trên thỏa mãn điều kiện tái sản sinh nhƣng hẳn không ổn định: Một xáo trộn nhỏ từ bên ngoài có thể phá hỏng cơ cấu mong manh này. Tuy nhiên dễ dàng tƣởng tƣợng rằng các định luật hơi phức tạp hơn sẽ cho phép các hệ phức hợp với tất cả các đặc tính của sự sống. Thử tƣởng tƣợng một thực thể kiểu đó, một đối tƣợng trong một thế giới kiểu-Conway. Một đối tƣợng nhƣ thế có thể phản ứng lại các kích thích môi trƣờng, và từ đó có vẻ nhƣ ra các quyết định. Những sự sống nhƣ thế có thể nhận thức đƣợc bản thân của nó không? Nó có tự ý thức không? Đây là một câu hỏi mà các ý

Pháo Con Lượn Sau 116 Thế Hệ Theo thời gian, khẩu pháo con lƣợ

nthay đổi hình dạng của nó, phát ra một con lƣợn, sau đó trở lại dạng

và vị trí gốc của nó. Nó lập lại quá trình đó đến vô hạn.

117

kiến về nó bị chia rẽ sâu sắc. Một vài ngƣời tuyên bố rằng tự ý thức là thứ gì đó độc nhất ở con ngƣời. Nó trao cho họ ý chí tự do, khả năng để chọn lựa giữa các hƣớng hành động khác nhau.

Làm sao một ngƣời có thể nói một thực thể có ý chí tự do? Nếu một ngƣời chạm trán một ngƣời ngoài hành tinh, làm thế nào một ngƣời có thể nói nó chỉ là một ngƣời máy hay nó có tƣ duy của riêng nó? Hành vi của một ngƣời máy có thể hoàn toàn đƣợc xác định, không giống của một thực thể có ý chí tự do. Nên một ngƣời về nguyên tắc có thể thăm dò một ngƣời máy nhƣ một thực thể mà hành động có thể đƣợc dự đoán.

Nhƣ chúng ta đã nói trong Chƣơng 2, điều này có thể khó một cách bất khả thi nếu thực thể đó lớn và phức hợp. Chúng ta thậm chí không thể giải chính xác phƣơng trình cho ba hay nhiều hơn hạt đang tƣơng tác nhau. Vì một ngƣời ngoài hành tinh sẽ phải chứa một tỉ tỉ tỉ hạt thậm chí nếu nó là ngƣời máy, nó sẽ bất khả thi để giải các phƣơng trình và dự đoán điều nó sẽ làm. Chúng ta từ đó phải nói rằng các thực thể phức hợp có ý chí tự do – không phải là một tính chất cơ bản, mà là một lý thuyết thực tiễn, một sự thừa nhận sự bất lực để thực hiện các tính toán có thể cho phép chúng ta dự đoán các hành động của nó.

Ví dụ về Trò chơi Sự sống của Conway cho thấy rằng thậm chí một tập hợp rất đơn giản các định luật cũng có thể tạo ra các nét phức tạp giống với

những nét của sự sống có trí tuệ. Hẳn phải có nhiều tập hợp các định luật với đặc tính này. Điều gì chọn ra các định luật cơ bản (ngƣợc lại các định luật hiển hiện) vốn chi phối vũ trụ của chúng ta? Nhƣ trong vũ trụ của Conway, các định luật của vũ trụ của chúng ta xác định sự tiến hóa của hệ, cho trƣớc trạng thái tại một thời điểm. Trong thế giới của Conway chúng là các đấng sáng tạo – chúng ta chọn trạng thái khởi đầu cho vũ trụ bằng cách thiết đặt các đối tƣợng và các vị trí của chúng lúc bắt đầu của trò chơi.

Trong một vũ trụ vật lý, các đối tƣợng tƣơng tự với các con lƣợn trong Trò chơi Sự sống là các vật thể vật chất biệt lập. Một tập hợp bất kì các định luật mô tả một thế giới liên tục nhƣ chúng ta sẽ có một khái niệm về năng lƣợng, vốn là một đại lƣợng bảo toàn, nghĩa là nó không đổi theo thời gian. Năng lƣợng của không gian trống sẽ là một hằng số, độc lập với cả thời gian và vị trí. Một ngƣời có thể trừ đi hằng số năng lƣợng chân không này bằng các đo năng lƣợng trong thể tích của không gian bất kì tƣơng đối với năng lƣợng của cùng thể tích không gian trống, nên chúng ta cũng có thể gọi hằng số đó là zero. Một đòi hỏi bất kì định luật tự nhiên nào cũng phải thỏa mãn đó là nó ràng buộc năng lƣợng của một vật thể biệt lập bao quanh bởi không gian trống là phải dƣơng, nghĩa là chúng ta phải tốn công để tổng hợp nên vật thể đó. Đó là vì nếu năng lƣợng của một vật thể biệt lập là âm, nó có thể đƣợc tạo ra trong một trạng thái chuyển động sao cho năng lƣợng âm của nó phải chính xác cân bằng với năng lƣợng dƣơng của nó nhờ vào chuyển động. Nếu điều đó thành thật, sẽ không có lý do nào để các vật thể không thể xuất hiện bất kì đâu và khắp đâu đâu. Không gian trống do thế sẽ không

118

ổn định. Nhƣng nếu phải tốn năng lƣợng để tạo nên một vật thể biệt lập, sự bất ổn định nhƣ vậy không thể xảy ra, bởi vì, nhƣ chúng ta đã nói, năng lƣợng của vũ trụ phải giữ nguyên là hằng số. Đó là điều phải mất để làm cho vũ trụ ổn định cục bộ – làm cho mọi thứ không tự nhiên xuất hiện khắp nơi từ hƣ không.

Nếu nhƣ tổng năng lƣợng của toàn vũ trụ luôn giữ nguyên là zero, và phải tốn năng lƣợng để tạo nên một vật thể, làm thế nào tồn bộ vũ trụ có thể đƣợc tạo ra từ hƣ không? Đó là vì sao có một lực giống nhƣ lực hấp dẫn. Bởi vì lực hấp dẫn là lực hút, năng lƣợng hấp dẫn là âm: Một ngƣời phải tốn công để tách một hệ đƣợc ràng buộc bằng hấp dẫn, nhƣ trái đất và mặt trăng. Năng lƣợng âm này có thể cân bằng năng lƣợng dƣơng cần có để tạo ra vật chất, nhƣng nó không hoàn toàn đơn giản. Năng lƣợng hấp dẫn âm của trái đất, lấy làm ví dụ, thì nhỏ hơn một phần tỉ năng lƣợng dƣơng từ vật chất mà trái đất đƣợc tạo thành. Một vật thể nhƣ một ngôi sao có thể có nhiều năng lƣợng hấp dẫn âm hơn, và nó càng nhỏ hơn (các phần khác nhau của nó càng gần nhau hơn), năng lƣợng hấp dẫn âm của nó sẽ càng lớn hơn. Nhƣng trƣớc khi nó có thể trở nên lớn hơn năng lƣợng dƣơng của vật chất, ngôi sao sẽ đổ sụp thành một lỗ đen, và các lỗ đen có năng lƣợng dƣơng. Đó là vì sao không gian trống lại ổn định. Các vật thể nhƣ là các ngôi sao không thể chỉ xuất hiện từ hƣ không. Nhƣng cả một vũ trụ thì có thể.

Bởi vì lực hấp dẫn định hình không gian và thời gian, nó cho phép không-thời gian ổn định cục bộ nhƣng bất ổn định cho toàn cục. Trên phạm vi toàn vũ trụ, năng lƣợng dƣơng của vật chất có thể bị cân bằng bằng năng lƣợng hấp dẫn âm, và do thế không có giới hạn nào cho sự sáng tạo của toàn bộ các vũ trụ. Bởi vì có một lực nhƣ lực hấp dẫn, vũ trụ có thể và sẽ tạo ra chính nó từ hƣ không nhƣ cách thức đã đƣợc mô tả trong Chƣơng 6. Sự sáng tạo tự ngẫu là lý do có thứ gì đó thay vì hƣ không, tại sao vũ trụ tồn tại, tại sao chúng ta tồn tại. Không cần thiết phải viện tới Chúa để thắp sáng bản đồ án và thiết đặt cho vũ trụ chuyển động. Tại sao các định luật cơ bản lại nhƣ cách chúng ta mô tả chúng? Lý thuyết tối hậu phải phi mâu thuẫn và phải dự đoán những kết quả hữu hạn cho các đại lƣợng mà chúng ta cần đo. Chúng ta đã thấy rằng phải có một định luật nhƣ lực hấp dẫn, và chúng ta đã thấy trong Chƣơng 5 rằng để cho một lý thuyết hấp dẫn dự đoán các đại lƣợng hữu hạn, lý thuyết đó phải có thứ gọi lả siêu đối xứng giữa các lực của tự nhiên và vật chất mà chúng tƣơng tác. Thuyết M là thuyết siêu đối xứng tổng quát nhất về lực hấp dẫn. Với những lý do này thuyết M là ứng viên duy nhất cho một lý thuyết hoàn chỉnh về vũ trụ. Nếu nó là hữu hạn – và điều này chƣa đƣợc chứng minh – nó sẽ là một mô hình cho một vũ trụ tự tạo ra chính nó. Chúng ta phải là một phần của vũ trụ này vì không còn lý thuyết phi mâu thuẫn nào khác.

Thuyết M là lý thuyết thống nhất Einstein đã hy vọng tìm thấy. Thực tế là nhân loại chúng ta – bản thân chỉ là các tập hợp hạt cơ bản của tự nhiên – đã có thể đến gần nhƣ vậy tới sự hiểu biết về các định luật chi phối chúng ta

119

và vũ trụ của chúng ta là một đại khải hoàn. Nhƣng có lẽ phép màu thực sự chính là các suy luận trừu tƣợng về logic đã dẫn chúng ta tới một lý thuyết độc nhất mà có thể dự đoán và mô tả vũ trụ mênh mông đầy những sự phong phú đáng ngạc nhiên mà chúng ta thấy. Nếu lý thuyết đó đƣợc xác nhận bằng quan sát, nó sẽ là một kết luận thành công cho một cuộc lùng kiếm có từ hơn 3.000 năm. Chúng ta sẽ tìm ra thiết kế vĩ đại.

120

TỪ MỤC Các lịch sử thay thế • Một cách trình bày của thuyết lƣợng tử trong đó xác của một quan sát bất kì đƣợc tạo nên từ tất cả các lịch sử khả dĩ có thể dẫn tới quan sát đó. Nguyên lý vị nhân • Ý tƣởng rằng chúng ta có thể rút ra các kết luận về các định luật hiển hiện của vật lý dựa trên thực tế là chúng ta tồn tại. Phản vật chất • Mỗi hạt vật chất có một phản hạt tƣơng ứng. Nếu chúng gặp nhau, chúng sẽ triệt tiêu nhau, để lại năng lƣợng thuần. Các định luật hiển hiện • Các định luật tự nhiên mà chúng ta quan sát đƣợc trong vũ trụ của chúng ta – các định luật về bốn lực, và các thông số nhƣ khối lƣợng và điện tích đặc trƣng cho các hạt nguyên tố – ngƣợc lại các định luật cơ bản hơn của thuyết M vốn cho phép các vũ trụ khác nhau với các định luật khác nhau. Tự do tiệm cận • Một đặc tính của lực mạnh vốn khiến cho nó yếu hơn ở các khoảng cách ngắn. Thế nên, dù các quark bị trói buộc trong hạt nhân bằng lực hạt nhân mạnh, chú có thể chuyển động nội trong hạt nhân hầu nhƣ thể chúng không chịu một lực nào cả. Nguyên tử • Cơ sở của mọi vật chất bình thƣờng, chứa một hạt nhân với các proton và neutron, bao quanh bởi các electron trên quỹ đạo. Baryon • Một loại hạt nguyên tố, nhƣ proton và neutron, vốn đƣợc tạo ra từ

ba quark. Vụ nổ lớn • Khởi đầu rất đặc, nóng của vũ trụ. Thuyết vụ nổ lớn giả sử rằng khoảng 13,7 tỉ năm về trƣớc phần vũ trụ ta có thể thấy ngày nay chỉ có kích thƣớc một vài milimét. Ngày nay vũ trụ lớn hơn và nguội hơn rất nhiều. Nhƣng chúng ta có thể quan sát các tàn dƣ của giai đoạn sơ khai đó trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ thẩm thấu toàn không gian. Lỗ đen • Một khu vực trong không-thời gian mà, do lực hấp dẫn khủng khiếp

của nó, bị cắt rời khỏi phần vũ trụ còn lại. Boson • Một hạt nguyên tố truyền lực. Hướng tiếp cận từ dưới lên • Trong vũ trụ học, một ý tƣởng dựa trên giả thiết rằng chỉ có một lịch sử đơn lẻ cho vũ trụ, với một điểm đầu đƣợc xác định cụ thể, và trạng thái của vũ trụ ngày nay là một sự tiến tiến hóa từ sự bắt đầu đó. Vật lý cổ điển • Một lý thuyết vật lý bất kì trong đó vũ trụ đƣợc giả thiết có

một lịch sử đơn lẻ, đƣợc xác định cụ thể. Hằng số vũ trụ • Một thông số trong các phƣơng trình Einstein gây ra cho không-thời gian xu hƣớng vốn có là giãn nở. a parameter in Einstein’s equations that gives space-time an inherent tendency to expand. Lực điện từ • Lực mạnh thứ nhì trong bốn lực của tự nhiên. Nó tác dụng giữa

các hạt mang điện tích. Electron • Một hạt nguyên tố vật chất có điện tích âm và chịu trách nhiệm cho mọi đặc tính hóa học của các nguyên tố. Fermion • Một loại hạt vật chất.

121

Thiên hà • Một hệ lớn gồm các ngôi sao, vật chất giữa các vì sao, và vật chất tối đƣợc giữ với nhau bằng lực hấp dẫn. a large system of stars, interstellar matter, and dark matter that is held together by gravity. Lực hấp dẫn • Lực yếu nhất trong bốn lực tự nhiên. Nó là cách thức mà các đối tƣợng có khối lƣợng hút nhau. Nguyên lý bất định Heisenberg • Một định luật của thuyết lƣợng tử nêu ra rằng các cặp đặc tính vật lý nhất định không thể biết đƣợc đồng thời với một độ chính xác tùy ý. Meson • Một loại hạt nguyên tố tạo nên từ một quark và một phản quark. Thuyết M • Một lý thuyết vật lý cơ bản là ứng viên cho lý thuyết về mọi vật. Đa vũ trụ • Một tập hợp các vũ trụ. Neutrino • Một hạt nguyên tố cực kì nhẹ chỉ chịu tác dụng của lực hạt nhân

yếu và lực hấp dẫn. Neutron • Một loại baryon trung hòa vốn cùng với proton hình thành nên hạt nhân của một nguyên tử. Điều kiện không biên • Điều kiện rằng tất cả các lịch sử của vũ trụ là nhƣng bề mặt kính không có biên. Pha • Một vị trí trong chu kì của một sóng. Photon • Một boson truyền lực điện từ. Một hạt lƣợng tử của ánh sáng. Biên độ xác suất • Trong một lý thuyết lƣợng tử, số phức có bình phƣơng giá trị tuyệt đối chỉ ra xác suất. Proton • Một loại baryon tích điện dƣơng vốn cùng với neutron hình thành hạt

nhân của một nguyên tử. Thuyết lượng tử • Một lý thuyết trong đó các đối tƣợng không có một lịch sử xác định đơn lẻ. Quark • Một hạt nguyên tố có điện tích phân số cảm ứng với lực hạt nhân

mạnh. Các proton và neutron đều đƣợc tạo nên từ ba quark. Tái bình thường hóa • Một kĩ thuật toán học đƣợc thiết kế để làm các vô hạn trong thuyết lƣợng tử có nghĩa. Điểm kì dị • Một điểm trong không-thời gian tại đó một đại lƣợng vật lý trở nên vô hạn. Không-thời gian • Một không gian toán học với các điểm phải đƣợc xác định bằng cả các tọa độ không gian và thời gian. Thuyết dây • Một lý thuyết vật lý trong đó các hạt đƣợc mô tả nhƣ là một kiểu hình rung động có chiều dài nhƣng không có chiều cao hay chiều rộng – giống nhƣ những đoạn dây mảnh vô cùng. Lực hạt nhân mạnh • Lực mạnh nhất trong bốn lực tự nhiên. Lực này giữ các proton và neutron bên trong hạt nhân một nguyên tử. Nó còn giữ vững bản thân các proton và neutron, vốn là cần thiết vì các proton và neutron đƣợc tạo nên từ các hạt nhỏ hơn, các quark. Siêu hấp dẫn • Một lý thuyết trong đó lực hấp dẫn có một loại tính chất đối xứng gọi là siêu đối xứng. Siêu đối xứng • Một loại đối xứng tinh tế không thể liên hệ với các phép biến

hình trong không gian thƣờng. Một trong những ngụ ý của tính siêu đối xứng

122

là các hạt lực và các hạt vật chất, từ đó lực và vật chất, thực sự chỉ là hai khía cạnh của cùng một thứ. Hướng tiếp cận từ trên xuống • Hƣớng tiếp cận trong vũ trụ học trong đó một ngƣời lần theo các lịch sử của vũ trụ từ “trên xuống,” nghĩa là, ngƣợc lại từ thời điểm hiện tại. Lực hạt nhân mạnh • Một trong bốn lực của tự nhiên. Lực yếu chịu trách

nhiệm cho tính phóng xạ và đóng vai trò chủ chốt trong sự hình thành các nguyên tố trong các ngôi sao và vũ trụ sơ khai.

123

LỜI CẢM ƠN Vũ trụ có một thiết kế, và quyển sách này cũng vậy. Nhƣng không nhƣ vũ trụ, một quyển sách không xuất hiện ngẫu nhiên từ hƣ không. Một quyển sách cần một ngƣời sáng tạo, và vai trò ấy không chỉ đặt trên vai của các tác giả của nó. Thế nên đầu tiên và trƣớc hết chúng tôi xin đƣợc cảm ơn các ngƣời biên tập, Beth Rashbaum and Ann Harris, cho sự nhẫn nại gần vô hạn của họ. Họ đã lả sinh viên khi chúng ta cần các sinh viên, là các giáo viên khi ta cần các giáo viên, và là những ngƣời thúc chúng ta khi chúng ta cần hối thúc. Họ kẹt cứng với bản thảo, và thực hiện nó với sự nhiệt tình, dù là thảo luận xung quanh việc thêm một dấu phẩy hay là sự bất khả thi khi gắn thêm một mặt độ cong âm đối xứng trục trong không gian phẳng. Chúng tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn tới Mark Hillery, ngƣời thật tử tế đọc gần hết bản thảo và có những bổ sung quý giá; Carole Lowenstein, ngƣời đã làm đƣợc rất nhiều với thiết kế trang sách; David Stephenson, ngƣời đã hƣớng dẫn trang bìa hoàn chỉnh; và Loren Noveck, ngƣời mà sự chú ý tới chi tiết đã cứu chúng ta khỏi những lỗi đánh chúng ta không hề muốn thấy chúng đƣợc in ra. Tới Peter Bollinger: cảm kích nhiều cho việc mang nghệ thuật vào khoa học với các minh họa của anh, và sự tỉ mĩ khi đảm bảo sự chính xác trong mỗi chi tiết. Và tới Sydney Harris: Cám ơn anh vì những biếm họa tuyệt vời, và sự nhạy cảm tuyệt vời đối với các với đề các nhà khoa học đang đối mặt. Trong một vũ trụ khác, anh sẽ là một nhà vật lý. Chúng tôi cũng cảm

kích các nhân viên của minh, Al Zuckerman và Susan Ginsburg, vì sự hỗ trợ và khích lệ của họ. Nó có hai thông điệp mà họ kiên định gởi tới chúng tôi, chúng là “Đến lúc để hoàn thành quyển sách rồi,” và “Đừng lo khi nào anh bạn sẽ hoàn thành, rồi bạn sẽ đến lúc đó thôi.” Họ luôn khôn ngoan để biết khi nào thì nói câu nào. Và cuối cùng, lời cảm ơn của chúng tôi tới trợ lý riêng của Stephen, Judith Croasdell; hỗ trợ máy tính của ông, Sam Blackburn; và Joan Godwin. Họ không chỉ cung cấp các hỗ trợ tinh thần, mà còn các hỗ trợ thực tế và kỹ thuật mà không có chúng chúng ta sẽ không thể viết ra cuốn sách này. Hơn nữa, họ luôn biết chỗ có các quán ba tốt nhất.

124

Air, discovery of

Almagest (Ptolemy)

Alternative histories. See also Quantum physics/quantum theory

Feynman diagrams and

Feynman’s sum over histories and

the past and

quantum vs. Newtonian worlds and

universe and

Anaximander

Anthropic principle

strong anthropic principle

weak anthropic principle

Antimatter

Anti-quarks (pi mesons)

Anti-realists

Apparent laws of nature

Aquinas, Thomas

Archimedes

Aristarchus

Aristotle

creation as deliberate design

four-element theory The Grand Design

on no exceptions to natural laws

rate of falling objects theory

reason for principles of nature

use of reason instead of observation

Asymptotic freedom

Atomism

Atoms

hydrogen, Lamb shift and

quarks, protons, and neutrons

strong nuclear force and

Augustine of Hippo, St.

Babylonians

Baryon

Berkeley, George

Beryllium

Big bang theory

CMBR and

evidence of

irregular universe and inflation

as spontaneous quantum event

when it happened

Black hole

Boshongo people

125

Boson The Grand Design

Brain

laws of science and

model building of

Buckyballs

buckyball soccer

particle paths

Buoyancy, law of

Caenorhabditis elegans

Carbon

as basis for life

creation of, in primordial universe

triple alpha process and

in universe

Carroll, John W.

Cathode rays

CERN, Geneva

Chemistry

Chinese philosophy and mythology

God as Creator

tale of the ten suns

Christianity

creation as deliberate design

John XXI’s list of heresies, science and

miracles The Grand Design

natural laws as obedient to God

notion of free will and purpose

Ptolemaic model adopted by Roman Catholic Church

rejection of indifferent natural laws

Roman Catholic Church acknowledges wrong to Galileo

Clepsydra

Conway, John

Copernicus

Corpuscle theory

Cosmic microwave background radiation (CMBR)

evidence of inflation and

Cosmological constant

Cosmology. See also Universe

“bottom up” approach

grand design and

laws of nature as “fine-tuned”

number of dimensions in the universe

predictions in

“top down” approach

Crater Lake, Oregon

126

Creation. See also Life; Universe

account in Genesis

big bang theory

empirical evidence of The Grand Design

God as Creator

as godless

of life

M-theory and

myths

origin of the universe

spontaneous quantum creation of the universe

Curvature/curved spaces

geodesics

great circle

Darwin, Charles

Davisson, Clinton

Davy, Sir Humphrey

Delayed-choice experiments

Democritus

De revolutionibus orbium coelestium (On the Revolutions of the Celestial Spheres

[Copernicus])

Descartes, René

Dicke, Robert

Double-slit experiment

buckyball soccer

delayed-choice experiments

Feynman’s insight

particle paths

two-slit soccer The Grand Design

“which-path” information

Dualities

Earth

as center of the universe

cessation of rotation

Copernican model and

creation

curvature of, and geodesics

eclipse and

ether (luminiferous ether) and

gravity and

as hospitable to life

laws of nature and

Mercator projection, world map

orbit

planetary system of

127

Ptolemaic model and

seasonal weather patterns

speed of

Eccentricity of elliptical orbits

Eclipse (lunar or solar)

prediction of

Economics

Eddington, Arthur The Grand Design

Effective theory

Egyptian creation myth

Einstein, Albert

cosmological constant

on creation of the universe

expanding universe and

general relativity

photoelectric effect

special relativity

on time

on unified theory

on the universe

Einstein’s theory of relativity

general relativity

GPS satellite navigation systems and general relativity

space-time and general relativity

special relativity

Electromagnetic force

bosons and

electroweak force and

light and

Maxwell’s equations

QED and

speed of electromagnetic waves The Grand Design

Electrons

double-slit experiment and

Feynman diagrams and

particle paths

Electroweak force

three new particles discovered

Elegance, of models

Empedocles

Energy

constant zero

of empty space

of universe

Epicurus

128

Ether (luminiferous ether)

Euclid

Evolution

Faraday, Michael

Fermion

Feynman, Richard (Dick)

Feynman diagrams

Feynman paths

QED and

sum over histories

van owned by The Grand Design

FitzGerald, George Francis

Force fields

bosons

fermions

Fowler, William

Free will

Friedmann, Alexander

Fuller, Buckminster

Galaxies

alternative histories and

cosmological constant and

expanding universe and

heavy elements and formation of

inhomogeneities in universe and

light from distant

number of and stars in

planetary systems of

quantum fluctuations and formation of

Galileo

rate of falling objects theory

Game of Life

blinkers

evolution of a still life

glider guns The Grand Design

gliders

still-life blocks

Geodesics

Germer, Lester

God (or gods)

as causal in nature

creation and

as dice-thrower

first-cause argument

Joshua praying for the sun and moon to halt

129

as mathematician

natural laws, human statues and

natural laws and

Newton’s belief in God’s intervention

universe as God’s dollhouse

what happened before the world existed?

Grand design

laws of nature as “fine-tuned” and

no-boundary condition and

Grand unified theories (GUTS)

Gravitational waves

Gravity

cosmological constant

cosmological constant and The Grand Design

creation of stars, galaxies, planets

effective theory and

Einstein’s general relativity and

galaxies and

mathematical formulation of theory

M-theory and

Newton’s law of

orbits and three dimensions

quantum theory and

as shaper of space-time

standard model not applicable

supergravity theory

warpage of time and space by

as weak force

Great circle

Greece, ancient

distinction between human and natural laws lacking

Ionian science

laws of nature and

questions of creation and

scientific method lacking

Stoics

“Grimnismal” (The Elder Edda)

Harris, Sidney, cartoons by The Grand Design

Heisenberg, Werner

Heisenberg uncertainty principle

empty space, impossibility of, and

Planck’s constant

Helium

big bang theory and

creation of beryllium, carbon, and

130

in primordial universe

Heraclitus

Hitchhiker’s Guide to the Galaxy

Holographic principle

Hoyle, Fred

Hubble, Edwin

Humans. See also Life

creation of, Biblical

definition of living beings

existence relative to cosmic history

free will and

natural laws and

origins of homo sapiens

psychology as study of will and behavior

robot vs.

self-awareness

soul of The Grand Design

written language and cultivation begun

Hume, David

Hydrogen

fusion, in stars

isotopes

Lamb shift and

in primordial universe

Inertia, law of

Inflation theory

irregular universe and

“Initial conditions”

Intelligent design

Interference

constructive

destructive

double-slit experiment

Newton’s rings and

puddle interference

“which-path” information and

Young’s experiment and

Ionian science

Johnson, Samuel

John XXI, Pope

Kelvin, William Thomson, Lord The Grand Design

Kepler, Johannes

Klamath Indians

Lamb shift

Laplace, Pierre-Simon, marquis de

131

Large Hadron Collider, Geneva

Law of the lever

Laws of nature

ancient Greece and

apparent laws

Aristotle’s errors

changing conception of

dependent on history of the universe

Descartes and

electric and magnetic forces

energy and

exceptions to (i.e., miracles)

as fine-tuned

first recognition of

four classes of known forces

Galileo and

generalizations vs.

God and

grand design

gravity, as first in mathematical language The Grand Design

humans governed by

initial conditions and

Ionian science

mathematical formulation of

mathematical formulation of, first

modern concept of

modern definition

M-theory and

origin of

quantum physics and

rejection of indifferent

soul exempt from

strong anthropic principle and

uniqueness of

uniqueness of (one set of)

Lemaître, Georges

Lieh Yü-K’ou

Life

carbon-based life-form

creation of

definition of living beings

environmental conditions for

existence of

fundamental constants as fine-tuned The Grand Design

God as Creator

132

Goldilocks zone and

intelligent

multiverse concept and

solar system conditions and

strong anthropic principle

theory of evolution

Ultimate Question of Life, the Universe, and Everything

weak anthropic principle and

Light

electromagnetism and

interference

Michelson-Morley experiment

Newton’s theory of (particle/corpuscle theory)

photoelectric effect

polarized

refraction

speed of

theory of special relativity and

wavelength and

wave/particle duality

wave theory

Young’s experiment

Lithium The Grand Design

in primordial universe

Lorentz, Hendrick Antoon

Mathematics

development of

laws of nature phrased in

Matrix, The (film)

Maxwell, James Clerk

Mayan people

Mercator projection, world map

Mercury

Meson

Michelson, Albert

Miracles

Model-dependent realism

dualities and

four points of a good model

Game of Life and

meaning of existence and

M-theory and

quarks and

subatomic particles and

vision and

133

what happened before the world existed?

Monza, Italy The Grand Design

Moon

eclipse of

as gravitational bound system (with earth)

gravity and orbit of

in myth

of other planets

Morley, Edward

M-theory

eleven space-time dimensions of

as grand design

multiple universes and

p-branes

“why M-theory”

Multiverse concept. See also Universe

Napoleon Bonaparte

Neutrino

Neutron

Newton, Isaac

God as Creator and

theories of, limitations

Newton’s law of gravity

Newton’s laws of motion

earth’s rotation and

macroscopic objects and The Grand Design

“the past” and

planetary orbits and

Newton’s rings

No-boundary condition

Norse mythology

Ørsted, Hans Christian

P-brane

Phase

Photoelectric effect

Photon

delayed-choice experiments

Feynman diagrams and

Physics, classical

Archimedes and

Aristotle and

picture of the universe

shortcomings for atomic and subatomic scales of existence

Physics, modern. See also Quantum physics/quantum theories

Feynman diagrams, importance of

134

theoretical

Planck’s constant

Plato

Pope, Alexander

Principle of mediocrity The Grand Design

Probability amplitude

Protons

GUTS and

rate of decay (lifetime)

Psychology

Ptolemy

Pythagoras

Quantum chromodynamics (QCD)

asymptotic freedom and

Quantum electrodynamics (QED)

Feynman diagrams

Lamb shift and

renormalization and

sum over histories and

Quantum fluctuations

Quantum jitters

Quantum physics/quantum theory

alternative histories

atomic, subatomic scales, and

buckyball experiment and

determinism and

double-slit experiment

for electromagnetism (see also quantum electrodynamics)

electroweak force The Grand Design

Feynman paths

Feynman’s sum over histories

of forces

four classes of known forces

gravity, problem of

larger objects and

observation of system, and alteration of course

origin of universe as quantum event

“the past” and

Planck’s constant

principles of

principles of, and reality

probabilities and

probability amplitude

quantum chromodynamics (QCD)

quantum superposition

135

testing theories

uncertainty principle

wave/particle duality

Quantum superposition

Quarks

asymptotic freedom

baryons and

colors The Grand Design

mesons and

QCD and

Realism

Reality. See also Model-dependent realism

anti-realists

classical picture of objective existence

five-dimensional space-time

goldfish bowl example

holographic principle

law of nature and

model-dependent realism

multiple histories

objective, question of existence of

“the past” and

Ptolemaic model of

quantum physics and

realists

simulated or alternative

Reference frames

Reflection, law of

Renormalization

Resonance

Salam, Abdus

Schönborn, Christoph The Grand Design

Scientific determinism

Scientific method

Second Life

Singularity

Soul

pineal gland as seat of

Space

curvature/curved spaces

planetary orbits and three dimensions

straws and lines

three dimensions of

warpage by matter and energy

Space-time

136

cosmological constant

as curved and distorted

as fourth dimension

M-theory’s eleven dimensions

string theory’s ten dimensions

warpage by gravity

Standard model

Stars. See also Sun

explosions (supernova)

mass

Stoics The Grand Design

Straus, Ernst

Strings, law of

String theory

internal space

ten dimensions in

Strong anthropic principle

Strong nuclear force

QCD and

Sum over histories

multiverse concept and

Sun

Aristarchus and

as center of earth’s planetary system

governed by fixed laws

life on earth and

in myth

solar eclipse

strong nuclear force and

three dimensional space and

wavelengths of radiation

Supergravity theory

Supernova

Supersymmetry

Symmetry The Grand Design

System

observation of, and alteration of course

Tempier of Paris, Bishop

Thales of Miletus

Theory of everything. See also Feynman, Richard (Dick); M-theory

electroweak force

grand unified theories (GUTS)

gravity, problem of

M-theory

quantum chromodynamics (QCD)

137

quantum electrodynamics (QED)

standard model

string theory

Theory of relativity. See Einstein’s theory of relativity

Thomson, J. J.

Time. See also Space-time

beginning of

clock in airplane experiment

special theory of relativity and

time dilation

warpage of

Triple alpha process

Ultimate Question of Life, the Universe, and Everything. See also Grand design

Ultimate theory of everything. See Theory of everything The Grand Design

Uncertainty principle. See Heisenberg uncertainty principle

Unified theory. See Theory of everything

Universe. See also Creation; Life

age of

alternative histories of

ancient interpretations and celestial predictions

balloon universe analogy

big bang theory

binary star systems

carbon content

classical picture of

CMBR and

Copernican model of

dimensions of

earth as center of

earth’s planetary system

eccentricity of elliptical orbits

Einstein’s general theory of relativity and

elements in primordial

empty space, impossibility of

episode of inflation

expanding model

Feynman’s sum over histories and

gods as causal in The Grand Design

as God’s dollhouse

grand design

gravity and

helium, lithium, and hydrogen in

human-centered

inflation theory

inhomogeneities in

138

laws of (see also Laws of nature)

M-theory and

multiple (see also Multiverse concept)

multiple-star systems

no-boundary condition

origin of

phlogiston theory

planetary orbits

planetary systems of

Ptolemaic model of

rejection of indifferent natural laws

size of

size of our galaxy

space-time warpage

spontaneous quantum creation of

stars

static or steady-state theory The Grand Design

Ultimate Question of Life, the Universe, and Everything

Ussher, Bishop

Vacuum fluctuations

Virtual particles

Von Neumann, John

Wallace, Alfred Russel

Wavelength

radio waves

visible

X-rays

Wave-particle duality

Wave theory. See also Interference

double-slit experiment

Feynman’s sum over histories and

interference

phase

Weak anthropic principle

Weak nuclear force

quantum field theory of

Weinberg, Steven

Wheeler, John

“Which-path” information

Young, Thomas The Grand Design

“Zur Elektrodynamik bewegter Körper” (“On the Electrodynamics of Moving Bodies”

[Einstein])

Zwicky, Fritz

139

STEPHEN HAWKING là Giáo sƣ Toán học tại Đại Học Cambridge

trong ba mƣơi năm, và đã nhận rất nhiều giải thƣởng và tôn vinh bao gồm, gần đây nhất, Huy chƣơng Tổng thống cho Tự do. Các quyển sách của ông cho các đọc giả phổ thông bao gồm tác phẩm kinh điển Lược sử thời gian, tuyển tập các bài viết Hố đen và các Vũ trụ Bé con, Vũ trụ trong vỏ Hạt dẻ và Lược sử thời gian.

LEONARD MLODINOW là nhà vật lý tại Caltech và tác giả của

quyển sách bán chạy nhất Cuộc Tản bộ của Người Say: Sự Ngẫu Nhiên kiểm soát Cuộc sống của chúng ta như thế nào, Cánh cửa sổ của Euclid: Câu truyện về Hình học của các Đường Song Song tới Siêu Không Gian, Cầu vồng của Feynmann: Một cuộc tìm kiếm cho Vẻ Đẹp trong Vật Lý và Cuộc sống, và Lược sử Thời gian. Ông cũng đã viết cho Star Trek: Thế Hệ Kế Tiếp. Ông sống ở Pasadena, California.