Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & Leonard Mlodinow (Phần 7)

Quark, cái chúng ta cũng không nhìn thấy, là một mô hình giải thích các tính chất của proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử. Mặc dù người ta nói proton và neutron cấu tạo từ quark, nhưng sẽ không bao giờ quan sát thấy một hạt quark vì lực liên kết giữa các quark tăng theo khoảng cách, và do đó những hạt quark tự do, tách rời không thể tồn tại trong tự nhiên. Thay vào đó, chúng luôn luôn xuất hiện thành những nhóm ba (proton và neutron), hoặc những cặp gồm một quark và một phản quark (meson pi), và hành xử như thể chúng được nối với nhau bằng dây cao su vậy.

Câu hỏi rằng có ý nghĩa hay không khi nói các quark tồn tại trong khi bạn không bao giờ có thể tách rời một hạt quark là vấn đề gây tranh cãi trong nhiều năm trời sau khi mô hình quark lần đầu tiên được đề xuất. Quan điểm rằng những hạt nhất định có cấu tạo từ những kết hợp khác nhau của một vài hạt dưới-dưới hạt nhân mang lại một nguyên tắc có tổ chức thu về một lời giải thích đơn giản và hấp dẫn cho những tính chất của chúng. Nhưng mặc dù các nhà vật lí đã quen với việc chấp nhận những hạt chỉ được suy luận ra là tồn tại từ những đốm sáng thống kê trong dữ liệu chứa đầy sự tán xạ của những hạt khác, nhưng ý tưởng gán thực tại cho một hạt có lẽ, trên nguyên tắc, không thể quan sát được là quá nhiều đối với nhiều nhà vật lí. Tuy nhiên, theo năm tháng, khi mô hình quark đưa đến những tiên đoán ngày một chính xác hơn, thì sự phản đối nhạt dần. Chắc chắn có khả năng một số giống loài ngoài hành tinh với 17 cánh tay, đôi mắt hồng ngoại, và thói quen thổi kem cục từ lỗ tai ra sẽ làm những quan sát thực nghiệm giống như chúng ta làm, nhưng mô tả chúng mà không cần đến quark. Tuy nhiên, theo thuyết duy thực phụ thuộc mô hình, các quark tồn tại trong một mô hình phù hợp với những quan sát của chúng ta về cách thức những hạt dưới hạt nhân hành xử.

Thuyết duy thực phụ thuộc mô hình có thể cung cấp một khuôn khổ để thảo luận những câu hỏi đại loại như: Nếu thế giới được sáng tạo ra cách nay một thời gian hữu hạn, thì cái gì xảy ra trước đó? Một nhà triết lí Cơ đốc giáo, St Augustine (354 – 430) cho biết câu trả lời không phải là Chúa đang chuẩn bị địa ngục cho kẻ nêu ra những câu hỏi như vậy, mà thời gian là một tính chất của thế giới mà Chúa đã sáng tạo ra và thời gian không tồn tại trước sự sáng tạo đó, cái ông tin rằng đã xảy ra cách nay không lâu lắm. Đó là một mô hình có khả năng, được những người tín ngưỡng Chúa sáng thế ưa chuộng, mặc dù thế giới có những hóa thạch và bằng chứng khác trông lớn tuổi hơn? (Hay chúng xuất hiện ở đó để đánh lừa chúng ta?) Người ta cũng có thể có một mô hình khác, trong đó thời gian lùi ngược 13,7 tỉ năm cho tới Big Bang. Mô hình đó giải thích hầu hết những quan sát hiện nay của chúng ta, trong đó có bằng chứng lịch sử và địa chất, là sự mô tả tốt nhất của quá khứ mà chúng ta có. Mô hình thứ hai có thể giải thích hóa thạch và số liệu phóng xạ và thực tế chúng ta nhận ánh sáng phát ra từ những thiên hà ở xa hàng triệu năm ánh sáng, và vì thế mô hình này – lí thuyết Big Bang – có ích hơn lí thuyết thứ nhất. Tuy nhiên, không thể nói mô hình nào là thực tế hơn mô hình nào.

Quark

Quark. Khái niệm quark là một thành phần thiết yếu của những lí thuyết vật lí sơ cấp của chúng ta, mặc dù từng hạt quark riêng lẻ là không thể quan sát thấy.

Một số người ủng hộ mô hình trong đó thời gian lùi ngược xa hơn cả Big Bang. Vẫn không rõ là một mô hình trong đó thời gian tiếp tục lùi ngược qua Big Bang có giải thích những quan sát hiện nay tốt hơn hay không, vì dường như các định luật phát triển của vũ trụ bị phá vỡ tại Big Bang. Nếu đúng như vậy, thì sẽ không có ý nghĩa khi sáng tạo ra một mô hình vượt thời gian qua trước Big Bang, vì cái tồn tại khi đó sẽ không có những hệ quả có thể quan sát hiện nay, và vì thế chúng ta tạm hài lòng với quan điểm Big Bang là sự sáng tạo của thế giới.

Một mô hình là tốt nếu như nó:

tao nhã
chứa một vài thành phần tùy ý hoặc có thể điều chỉnh
phù hợp với và giải thích được mọi quan sát hiện có
đưa ra dự đoán chi tiết về những quan sát trong tương lai có thể bác bỏ hoặc chứng minh mô hình sai nếu như chúng không ra đời.

Thí dụ, lí thuyết của Aristotle rằng thế giới cấu tạo gồm bốn nguyên tố, đất, không khí, lửa, và nước, và các vật hoạt động để thỏa mãn mục đích của chúng là tao nhã và không chứa những thành phần có thể điều chỉnh. Nhưng trong nhiều trường hợp, nó không đưa ra những tiên đoán dứt khoát, và khi như vậy, những tiên đoán đó không phải luôn luôn phù hợp với quan sát. Một trong những tiên đoán này là những vật nặng sẽ rơi nhanh hơn vì mục đích của chúng là rơi xuống. Dường như chẳng ai thấy nên kiểm tra tiên đoán này, mãi cho đến thời Galileo. Có một câu chuyện kể rằng ông đã kiểm tra tiên đoán đó bằng cách thả những quả nặng từ tháp nghiêng Pisa. Đây có lẽ là câu chuyện ngụy tạo, nhưng chúng ta biết ông đã thật sự cho lăn những quả nặng khác nhau xuống một mặt phẳng nghiêng và nhận thấy chúng đều thu vận tốc với tốc độ như nhau, trái với tiên đoán của Aristotle.

Điều kiện trên rõ ràng là chủ quan. Tính tao nhã, chẳng hạn, không phải là cái gì đó dễ dàng đo được, nhưng nó được các nhà khoa học đánh giá cao vì các định luật của tự nhiên muốn thu hẹp hiệu quả một số trường hợp đặc biệt thành một công thức đơn giản. Tính tao nhã gợi đến dạng thức của một lí thuyết, nhưng nó có sự liên hệ gần gũi với sự thiếu những thành phần có thể điều chỉnh, vì một lí thuyết có nhiều yếu tố vớ vẩn thì không tao nhã cho lắm. Tóm lại, một lí thuyết nên càng đơn giản càng tốt, chứ không đơn giản hơn. Ptolemy bổ sung thêm ngoại luân cho quỹ đạo tròn của các thiên thể để mô hình của ông có thể mô tả chính xác chuyển động của chúng. Mô hình trên có thể làm cho chính xác hơn bằng cách bổ sung thêm ngoại luân cho những ngoại luân, hay thậm chí bổ sung thêm ngoại luân cho những ngoại luân mới bổ sung thêm đó nữa. Mặc dù sự bổ sung phức tạp như thế có thể làm cho mô hình này chính xác hơn, nhưng các nhà khoa học xem một mô hình bị bóp méo để khớp với một tập hợp đặc biệt của những quan sát là không thỏa đáng, nó thuộc về một danh mục dữ liệu hơn là một lí thuyết có khả năng tiêu biểu cho bất kì nguyên lí hữu ích nào.

Chúng ta sẽ thấy trong chương 5 rằng nhiều người xem “mô hình chuẩn”, mô hình mô tả sự tương tác của các hạt sơ cấp của tự nhiên, là không tao nhã. Mô hình đó thành công hơn nhiều so với các ngoại luân của Ptolemy. Nó tiên đoán sự tồn tại của một vài hạt mới trước khi chúng được quan sát thấy, và mô tả kết quả của vô số thí nghiệm trong vài thập niên qua với độ chính xác cao. Nhưng nó chứa hàng tá những thông số có thể điều chỉnh có giá trị phải sửa đổi để phù hợp với quan sát, thay vì được xác định bởi bản thân lí thuyết đó.

Như với yêu cầu thứ tư ở trên, các nhà khoa học luôn luôn ấn tượng khi mà những tiên đoán mới và bất ngờ tỏ ra chính xác. Mặt khác, khi người ta thấy một mô hình còn thiếu cái gì đó, phản ứng thông thường là người ta nói thí nghiệm đó không đúng. Nếu không chứng minh được trường hợp đó, người ta vẫn chưa chịu từ bỏ mô hình mà cố cứu lấy nó qua những cải tiến. Mặc dù các nhà vật lí thật sự kiên trì trong những nỗ lực của họ nhằm cứu lấy những lí thuyết mà họ ngưỡng mộ, nhưng khuynh hướng sửa đổi một mô hình phai nhạt dần đến mức những sửa đổi đó trở nên mang tính nhân tạo hoặc cồng kềnh, và vì thế “không tao nhã” nữa.

Nếu những sửa đổi cần thiết để cho phù hợp với những quan sát mới trở nên quá lố bịch, thì có nghĩa là cần có một mô hình mới. Một thí dụ của trường hợp một mô hình cũ phải nhượng bộ dưới sức ép của những quan sát mới là quan niệm vũ trụ tĩnh tại. Vào thập niên 1920, đa số các nhà vật lí tin rằng vũ trụ là tĩnh tại, hoặc không thay đổi kích cỡ. Sau đó, vào năm 1929, Edwin Hubble công bố những quan sát của ông cho thấy vũ trụ đang dãn nở. Nhưng Hubble không quan sát trực tiếp thấy vũ trụ đang dãn nở. Ông quan sát ánh sáng do các thiên phát ra. Ánh sáng đó mang một dấu hiệu đặc trưng, hay quang phổ, dựa trên thành phần của mỗi thiên hà, nó thay đổi đi một lượng biết được nếu thiên hà đang chuyển động tương đối so với chúng ta. Vì thế, bằng cách phân tích quang phổ của những thiên hà ở xa, Hubble đã có thể xác định vận tốc của chúng. Ông trông đợi tìm thấy số thiên hà đang chuyển động ra xa chúng ta nhiều như số thiên hà đang chuyển động đến gần chúng ta. Nhưng cái ông tìm thấy là hầu như tất cả các thiên hà đều đang chuyển động ra xa chúng ta, và nếu chúng càng ở xa thì chúng chuyển động càng nhanh. Hubble kết luận rằng vũ trụ đang dãn nở, nhưng những người khác, cố gắng bám lấy mô hình cũ, đã nỗ lực giải thích những quan sát của ông trong khuôn khổ của vũ trụ tĩnh. Thí dụ, nhà vật lí Caltech Fritz Zwicky đề xuất rằng một phần ánh sáng vì lí do nào đó chưa rõ có thể từ từ mất năng lượng khi nó truyền đi những khoảng cách xa. Sự giảm năng lượng như thế này sẽ tương ứng với sự thay đổi trong quang phổ của ánh sáng, cái Zwicky cho rằng có thể giống với những quan sát của Hubble. Nhưng mô hình tự nhiên nhất là mô hình của Hubble, mô hình của một vũ trụ đang dãn nở, và nó đã trở thành một mô hình được mọi người chấp nhận.

Trong công cuộc truy tìm của chúng ta nhằm tìm ra những định luật chi phối vũ trụ, chúng ta đã thiết lập một số lí thuyết hoặc mô hình, thí dụ như lí thuyết bốn nguyên tố, mô hình Ptolemy, lí thuyết nhiên liệu cháy, lí thuyết Big Bang, và vân vân. Với mỗi lí thuyết hoặc mô hình, quan niệm của chúng ta về thực tại và những thành phần cơ bản của vũ trụ đã thay đổi. Chẳng hạn, xét lí thuyết ánh sáng. Newton nghĩ rằng ánh sáng gồm những hạt nhỏ hay tiểu thể. Mô hình này giải thích được tại sao ánh sáng truyền đi theo đường thẳng, và Newton cũng dùng nó để giải thích tại sao ánh sáng bị bẻ cong hay bị khúc xạ khi nó đi từ môi trường này sang môi trường khác, thí dụ từ không khí vào thủy tinh hoặc từ không khí vào nước.

Sự khúc xạ

Sự khúc xạ. Mô hình ánh sáng của Newton có thể giải thích tại sao ánh sáng bị bẻ cong khi nó đi từ môi trường này sang môi trường khác, nhưng nó không thể giải thích một hiện tượng khác mà ngày nay chúng ta gọi là vòng Newton.

Tuy nhiên, lí thuyết hạt không thể dùng để giải thích một hiện tượng mà chính Newton quan sát thấy, cái gọi là các vòng Newton. Đặt một thấu kính lên trên một tấm phản xạ phẳng và chiếu lên nó một ánh sáng đơn sắc, thí dụ ánh sáng đèn natrium. Nhìn từ trên xuống, người ta sẽ thấy một dải vòng sáng và tối có tâm là nơi thấu kính tiếp xúc với mặt phẳng bên dưới. Hiện tượng này khó giải thích bằng lí thuyết hạt ánh sáng, nhưng nó có thể giải thích được trong lí thuyết sóng.

Theo lí thuyết sóng ánh sáng, các vòng sáng và tối đó có nguyên nhân là một hiện tượng gọi là giao thoa. Một sóng, thí dụ sóng nước, gồm một dải những đỉnh sóng và hõm sóng. Khi các sóng chạm trán với nhau, nếu những đỉnh sóng và hõm sóng đó xuất hiện tương ứng, thì chúng sẽ tăng cường lẫn nhau, mang lại một sóng lớn hơn. Hiện tượng đó gọi là giao thoa tăng cường. Trong trường hợp đó, người ta nói các sóng “cùng pha” với nhau. Trong trường hợp ngược lại, khi các sóng gặp nhau, đỉnh của sóng này trùng với hõm của sóng kia. Trong trường hợp đó, các sóng triệt tiêu nhau và người ta nói chúng “ngược pha” với nhau. Tình huống đó được gọi là giao thoa triệt tiêu.

Trong các vòng Newton, những vòng sáng nằm ở những khoảng cách đến tâm, nơi chia tách giữa thấu kính và bản phản xạ, sao cho sóng ánh sáng từ thấu kính lệch với sóng phản xạ từ bản phẳng một số nguyên (1, 2, 3...) lần bước sóng, tạo ra sự giao thoa tăng cường. (Bước sóng là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng hoặc hai hõm sóng liên tiếp của một sóng) Mặt khác, những vòng tối nằm ở những khoảng cách đến tâm nơi chia tách giữa thấu kính và bản phẳng một số bán nguyên (1/2, 1^1/2, 2^1/2,...) lần bước sóng, gây ra sự giao thoa triệt tiêu – sóng phản xạ từ thấu kính triệt tiêu với sóng phản xạ từ bản phẳng.

Sự giao thoa 1

Sự giao thoa 2

Sự giao thoa. Giống như con người, khi các sóng gặp nhau, chúng có xu hướng tăng cường nhau hoặc triệt tiêu nhau.

Vào thế kỉ thứ 19, sự giao thoa đã xác nhận bản chất sóng của ánh sáng và chứng tỏ lí thuyết hạt là không đúng. Tuy nhiên, vào đầu thế kỉ 20, Einstein đã trình bày rằng hiệu ứng quang điện (ngày nay dùng trong ti vi và camera kĩ thuật số) có thể giải thích bởi một hạt hay một lượng tử ánh sáng va chạm với một nguyên tử và đánh bật ra một electron. Như vậy, ánh sáng hành xử vừa là sóng vừa là hạt.

Khái niệm sóng có lẽ đã đi vào tư duy con người vì người ta đã nhìn thấy đại dương, hoặc một vũng nước nhỏ sau khi một hòn đá cuội rơi vào nó. Thật vậy, nếu bạn từng thả hai hòn sỏi vào một vũng nước nhỏ, có khả năng bạn đã nhìn thấy sự giao thoa, như trong hình bên dưới. Người ta cũng quan sát thấy những chất lỏng có kiểu hành xử tương tự, có lẽ ngoại trừ rượu nếu như bạn đã quá chén. Khái niệm hạt thì quen thuộc từ những hòn đá, hòn sỏi và hạt cát. Nhưng sự lưỡng tính sóng/hạt này – quan niệm cho rằng một vật có thể được mô tả bằng một hạt hoặc một sóng – còn xa lạ với kinh nghiệm hàng ngày, giống như là bạn có thể uống một khoanh sa thạch vậy.

Giao thoa trong vũng nước

Sự giao thoa trong vũng nước. Khái niệm giao thoa thể hiện trong cuộc sống hàng ngày trong những vật chứa nước, từ những vũng nước nhỏ cho đến đại dương.

Những sự lưỡng tính như thế này – những tình huống trong đó hai lí thuyết rất khác nhau đều mô tả chính xác cùng một hiện tượng – phù hợp với thuyết duy thực phụ thuộc mô hình. Mỗi lí thuyết có thể mô tả và giải thích những tính chất nhất định, nhưng không thể nói lí thuyết này là tốt hơn hay thực tế hơn lí thuyết kia. Về những định luật chi phối vũ trụ, cái chúng ta có thể nói là như thế này: Dường như không có một mô hình toán học hay một lí thuyết đơn độc nào có thể mô tả mọi phương diện của vũ trụ. Thay vì đó, như đã đề cập trong chương mở đầu, dường như có một hệ thống lí thuyết gọi là lí thuyết M. Mỗi lí thuyết trong hệ thống lí thuyết M mô tả tốt những hiện tượng trong một phạm vi nhất định. Hễ khi phạm vi của chúng chồng lên nhau, thì những lí thuyết khác nhau trong hệ thống đều phù hợp, nên có thể nói tất cả chúng là những bộ phận của cùng một lí thuyết. Nhưng không có một lí thuyết đơn độc nào trong hệ thống có thể mô tả mọi phương diện của vũ trụ - tất cả những lực của tự nhiên, những hạt chịu những lực đó tác dụng, và cơ cấu của không gian và thời gian mà chúng trình hiện. Mặc dù tình huống này không thỏa mãn giấc mơ của các nhà vật lí truyền thống về một lí thuyết thống nhất chung, nhưng nó có thể chấp nhận được trong khuôn khổ thuyết duy thực phụ thuộc mô hình.

Chúng ta sẽ thảo luận thêm về sự lưỡng tính và lí thuyết M trong chương 5, nhưng trước đó chúng ta hãy chuyển sang một nguyên lí cơ bản trên đó quan điểm hiện đại của chúng ta về tự nhiên được xây dựng: thuyết lượng tử, và đặc biệt là phương pháp tiếp cận thuyết lượng tử gọi là những lịch sử thay thế. Theo quan điểm đó, vũ trụ không có một sự tồn tại hay một lịch sử duy nhất, mà mọi phiên bản khác nhau của vũ trụ tồn tại một cách đồng thời trong cái gọi là sự chồng chất lượng tử. Điều đó nghe kì quặc giống như là lí thuyết trong đó cái bàn biến mất hễ khi nào chúng ta rời khỏi phòng, nhưng trong trường hợp này lí thuyết đã vượt qua mọi phép kiểm tra thực nghiệm mà người ta đã từng thử qua.

Thiết kế vĩ đại
Stephen Hawking & Leonard Mlodinow
Trần Nghiêm dịch
Phần tiếp theo >>