Thiên văn vật lí cho người bận rộn – Neil DeGrasse Tyson (Phần 2)

Chương 2

Trên trời dưới đất đều như nhau

Cho đến khi Ngài Isaac Newton viết ra định luật vạn vật hấp dẫn, chẳng ai có lí do gì để giả định rằng các định luật vật lí ở nhà cũng giống như ở mọi nơi khác trong vũ trụ. Trái Đất có những điều trần tục diễn ra và trên trời có những điều thiêng liêng diễn ra. Theo giáo lí Thiên Chúa ngày nay, Chúa kiểm soát thiên đường, đó là điều nằm ngoài phạm vi nhận biết đối với tâm trí phàm tục yếu đuối của chúng ta. Khi Newton chọc thủng rào cản triết lí này bằng cách nêu rằng mọi chuyển động đều có thể lĩnh hội được và dự báo được, một số nhà thần học đã chỉ trích ông vì chẳng để lại gì cho Đấng Sáng thế làm cả. Newton đã tính được rằng lực hấp dẫn hút quả táo chín rời khỏi cành của chúng cũng dẫn hướng cho các vật bị ném đi theo quỹ đạo cong của chúng và chỉ đạo Mặt Trăng trong quỹ đạo vòng quanh Trái Đất. Định luật hấp dẫn của Newton còn chỉ dẫn các hành tinh, các tiểu hành tinh, và các sao chổi trong quỹ đạo của chúng xung quanh Mặt Trời và giữ hàng trăm tỉ sao trong quỹ đạo trong thiên hà Ngân Hà của chúng ta.

Tính phổ quát này của các định luật vật lí là cái thúc đẩy khám phá khoa học không có gì sánh bằng. Và lực hấp dẫn chỉ mới là khởi đầu thôi. Hãy hình dung sự hào hứng trong cộng đồng thiên văn học thế kỉ mười chín khi các lăng kính trong phòng thí nghiệm, chúng phân tách các chùm ánh sáng thành phổ màu sắc, lần đầu tiên được hướng lên Mặt Trời. Quang phổ không những đẹp mắt, mà còn chứa rất nhiều thông tin về vật thể phát sáng, bao gồm nhiệt độ và thành phần của nó. Các nguyên tố hóa học tự biểu hiện chúng bởi hệ vạch sáng tối độc nhất vô nhị của chúng cắt trên nền phổ. Trước sự vui mừng và phấn khích của mọi người, các chữ kí hóa học trên Mặt Trời là y hệt với trong phòng thí nghiệm. Không còn là công cụ độc quyền của các nhà hóa học nữa, lăng kính cho thấy Mặt Trời khác với Trái Đất về kích cỡ, khối lượng, nhiệt độ, vị trí, và diện mạo, song chúng đều chứa vật chất y hệt nhau: hydrogen, carbon, oxygen, nitrogen, calcium, sắt, và vân vân. Nhưng quan trọng hơn cả bản danh sách của chúng ta về các thành phần chung là việc công nhận rằng các định luật mô tả sự hình thành của những chữ kí phổ này trên Mặt Trời cũng chính là các định luật hoạt động trên Trái Đất, ở xa chín mươi ba triệu dặm.

Món hời lớn là khái niệm về tính phổ quát này được áp dụng thành công theo chiều ngược lại. Tiếp tục phân tích quang phổ Mặt Trời, người ta thấy chữ kí của một nguyên tố chưa có đối tác được biết trên Trái Đất. Thuộc về Mặt Trời, nên chất liệu mới ấy được đặt cho cái tên có xuất xứ từ tiếng Hi Lạp helios (nghĩa là “Mặt Trời”), và mãi sau này nó mới được tìm thấy trong phòng thí nghiệm. Bởi thế, helium trở thành nguyên tố đầu tiên và duy nhất trong Bảng Tuần hoàn của các nhà hóa học được khám phá ở một nơi khác, ngoài Trái Đất.

Vâng, các định luật vật lí vận hành trong hệ mặt trời, thế chúng có vận hành trên quy mô thiên hà không? Trên toàn cõi vũ trụ thì sao? Trên bản thân thời gian nữa? Từng bước một, các định luật đã được kiểm tra. Các sao ở gần cũng biểu hiện các hóa chất quen thuộc. Các sao đôi ở xa, quay quanh nhau trong quỹ đạo tương hỗ, hình như biết tuốt về định luật hấp dẫn của Newton. Tương tự, các thiên hà đôi cũng thế.

Và, giống như các trầm tích phân tầng của nhà địa chất, cái giữ vai trò dòng thời gian cho các sự kiện trên Trái Đất, chúng ta càng nhìn xa vào không gian, chúng ta càng nhìn thấy lùi xa về thời gian. Quang phổ từ những vật thể xa xôi nhất trong vũ trụ cho thấy các chữ kí hóa học y hệt như cái chúng ta thấy trong không gian và thời gian lân cận. Quả thật, các nguyên tố nặng ngày xưa kém dồi dào hơn – chúng chủ yếu được sinh ra trong các thế hệ sao nổ về sau – song các định luật mô tả các quá trình nguyên tử và phân tử sản tạo ra các chữ kí quang phổ này vẫn nguyên vẹn. Đặc biệt, một đại lượng gọi là hằng số cấu trúc tinh tế, nó kiểm soát dấu vân tay cơ bản cho mỗi nguyên tố, phải giữ nguyên bất biến trong hàng tỉ năm.

Tất nhiên, không phải thứ gì và hiện tượng gì trong vũ trụ cũng đều có cái giống vậy trên Trái Đất. Có lẽ bạn chưa bao giờ từng cuốc bộ qua một đám mây plasma phát sáng cả triệu độ, và tôi cược rằng bạn sẽ không bao giờ bắt gặp một lỗ đen nào trên đường phố. Vấn đề nằm ở tính phổ quát của các định luật vật lí mô tả chúng. Khi phép phân tích quang phổ lần đầu tiên được áp dụng cho ánh sáng phát ra bởi các tinh vân giữa các sao, một chữ kí được tìm thấy, một lần nữa lại chẳng có đối tác trên Trái Đất. Lúc ấy, Bảng Tuần hoàn Các nguyên tố chẳng có chỗ rõ rệt nào cho một nguyên tố mới lắp khớp. Đáp lại, các nhà thiên văn vật lí đã nghĩ ra cái tên “nebulium” để giữ chỗ, cho đến khi họ có thể xác định được cái đang diễn ra. Hóa ra thì trong không gian, các tinh vân khí loãng đến mức các nguyên tử tha hồ chạy những chặng xa mà chẳng hề xảy ra va chạm. Dưới những điều kiện này, các electron có thể làm những chuyện bên trong các nguyên tử mà người ta chưa từng thấy trước đây trong các phòng thí nghiệm Trái Đất. Nebulium chỉ là chữ kí của oxygen bình thường đang làm những chuyện khác thường mà thôi.

Tính phổ quát này của các định luật vật lí cho chúng ta biết rằng nếu chúng ta đặt chân lên một hành tinh khác với một nền văn minh sinh sôi ở đó, thì họ sẽ dựa trên các định luật giống như chúng ta đã khám phá và thử nghiệm ngay trên Trái Đất này – cho dù những người ngoài hành tinh ấy nuôi dưỡng những niềm tin xã hội và chính trị khác với chúng ta. Hơn nữa, nếu bạn muốn nói chuyện với người ngoài hành tinh, bạn có thể cược rằng họ chẳng nói tiếng Anh hay tiếng Pháp hoặc cả tiếng Trung. Bạn cũng sẽ chẳng biết có nên bắt tay họ hay không – thật vậy nếu phần chi phụ của họ là một cánh tay – ai mà biết đó sẽ được xem là một hành động chiến tranh hay là hòa bình. Hi vọng tốt nhất của bạn là tìm một cách nào đó để giao tiếp bằng ngôn ngữ khoa học.

Một nỗ lực như thế đã được thực hiện hồi thập niên 1970 với phi thuyền Pioneer 10 và 11, cùng Voyager 1 và 2. Cả bốn phi thuyền đều được cấp đủ năng lượng, với sự trợ giúp hấp dẫn từ các hành tinh khí khổng lồ, để thoát khỏi hệ Mặt Trời hoàn toàn.

Pioneer có đính một tấm thẻ khắc vàng thể hiện, theo kí hiệu khoa học, diện mạo của hệ mặt trời, vị trí của chúng ta trong thiên hà Ngân Hà, và cấu trúc của nguyên tử hydrogen. Voyager bay đi xa hơn và cũng mang theo một album vàng ghi lại các âm thanh đa dạng từ đất mẹ Trái Đất, bao gồm nhịp tim người, “bài ca” cá voi, và các bản nhạc chọn lọc từ khắp thế giới, có cả tác phẩm của Beethoven và Chuck Berry. Cách làm này đã nhân bản hóa thông điệp gửi đi, song chẳng rõ tai người ngoài hành tinh có manh mối gì về cái họ nghe được hay chăng – cứ giả sử là họ có tai đi đã. Trò giễu ưa thích của tôi về hành động này là một tiểu phẩm trên chương trình Saturday Night Live của đài NBC, phát không bao lâu sau khi Voyager rời bệ phóng, trong đó họ diễn một lời phúc đáp được ghi bởi những người ngoài hành tinh trục vớt con tàu ấy. Ghi chép ấy chỉ đơn giản yêu cầu, “Gửi thêm Chuck Berry.”

Khoa học phát triển mạnh không những dựa trên tính phổ quát của các định luật vật lí mà còn dựa trên sự tồn tại và dai dẳng của các hằng số vật lí. Hằng số hấp dẫn, được đa số các nhà khoa học biết tới là “G bự”, tiếp tế cho phương trình lực hấp dẫn của Newton một số đo cho biết lực sẽ mạnh bao nhiêu. Lượng này đã được kiểm tra kĩ lưỡng xem có biến thiên không trên những khoảng thời gian dài. Nếu bạn làm toán, thì bạn có thể xác định được rằng độ trưng của một sao phụ thuộc dốc đứng vào G bự. Nói cách khác, nếu G bự từng khác đi chút xíu trong quá khứ, thì công suất phát năng lượng của Mặt Trời sẽ thay đổi rất nhiều so với bất cứ thứ gì mà các số liệu sinh học, khí hậu học, hay địa chất học cho biết.

Sự đồng nhất của vũ trụ của chúng ta cũng thế.

*

Trong các hằng số, tốc độ ánh sáng là nổi tiếng nhất. Cho dù bạn chuyển động bao nhanh, bạn không bao giờ đuổi kịp một chùm sáng. Tại sao không ư? Chưa từng có thí nghiệm nào được tiến hành cho biết một vật thể thuộc bất kì hình thức nào đạt tới tốc độ ánh sáng. Các định luật đã được thẩm tra kĩ lưỡng của vật lí học dự đoán và giải thích cho sự thật đó. Tôi biết những nhận định này nghe có vẻ bảo thủ. Một số tuyên bố ngốc nghếch nhất, dựa trên khoa học trong quá khứ trước đây đã đánh giá thấp sự khéo léo của các nhà phát minh và các kĩ sư: “Chúng ta sẽ không bao giờ bay được.” “Bay sẽ không bao giờ khả thi về mặt thương mại.” “Chúng ta sẽ không bao giờ chia tách nguyên tử được.” “Chúng ta sẽ không bao giờ phá vỡ rào cản âm thanh.” “Chúng ta sẽ không bao giờ đi tới Mặt Trăng.” Cái chung của chúng là chẳng có định luật vật lí chắc chắn nào ngáng đường của chúng cả.

Tuyên bố “Chúng ta sẽ không bao giờ đuổi kịp một chùm ánh sáng” là một dự đoán khác về chất. Nó tuân theo các nguyên lí vật lí cơ bản, đã được thời gian kiểm tra. Biển báo trên đường cao tốc dành cho các vị khách giữa các vì sao trong tương lai sẽ đọc như sau:

Tốc độ ánh sáng:

Đó không chỉ là một ý hay

Đó là luật

Không giống như việc giữ tốc độ trên đường xá Trái Đất, cái hay ho ở các định luật vật lí là chúng chẳng cần lực lượng hành pháp để duy trì luật, mặc dù tôi thật sự từng có một cái sơ mi mang dòng chữ, “OBEY GRAVITY” (tuân thủ lực hấp dẫn).

Mọi phép đo đều đề xuất rằng các hằng số cơ bản đã biết, và các định luật vật lí dùng đến chúng, không phụ thuộc vào thời gian, cũng chẳng phụ thuộc vào vị trí. Chúng đúng là cơ bản và phổ quát.

*

Nhiều hiện tượng thiên nhiên chứng tỏ nhiều định luật vật lí vận hành cùng lúc. Sự thật này thường làm phức tạp thêm việc phân tích và, trong đa số trường hợp, đòi hỏi điện toán hiệu suất cao để tính ra cái đang xảy ra và theo dõi các tham số quan trọng. Khi sao chổi Shoemaker-Levy 9 cày xới vào bầu khí quyển giàu chất khí của Mộc tinh vào tháng Bảy 1994, và rồi phát nổ, mô hình máy tính chính xác nhất đã kết hợp các định luật về cơ học chất lưu, nhiệt động lực học, động học, và lực hấp dẫn. Khí hậu và thời tiết tiêu biểu cho những ví dụ hàng đầu khác về các hiện tượng phức tạp (và khó dự báo). Thế nhưng các định luật cơ bản chi phối chúng vẫn tác dụng. Vết Đỏ Lớn của Mộc tinh, một cơn bão dữ dội đã hoành hành trong ít nhất 350 năm qua, bị chi phối bởi các quá trình vật lí y hệt như cái tạo ra các cơn bão trên Trái Đất và ở bất kì đâu khác trong hệ mặt trời.

Một lớp sự thật phổ quát nữa là các định luật bảo toàn, trong đó lượng của một đại lượng được đo nào đó giữ nguyên không đổi bất kể chuyện gì xảy ra. Ba định luật quan trọng nhất là bảo toàn khối lượng và năng lượng, bảo toàn động lượng và moment động lượng, và bảo toàn điện tích. Các định luật này được chứng minh trên Trái Đất, và ở mọi nơi khác mà chúng ta từng nghĩ tới – từ lĩnh vực vật lí hạt cho đến cấu trúc vĩ mô của vũ trụ.

Dẫu tự hào thế, song không phải mọi thứ đều hoàn hảo như trên thiên đường. Cái xảy ra là chúng ta không thể nhìn thấy, sờ mó hay nếm thử nguồn gốc của tám mươi lăm phần trăm của lực hấp dẫn mà chúng ta đo được trong vũ trụ. Vật chất tối bí ẩn này, nó vẫn chưa được phát hiện ngoại trừ lực hút hấp dẫn của nó lên vật chất mà chúng ta nhìn thấy, có thể được cấu thành bởi những hạt kì lạ mà chúng ta chưa khám phá hoặc nhận dạng được. Tuy nhiên, một nhúm nhỏ các nhà thiên văn vật lí cảm thấy chưa bị thuyết phục và đề xuất rằng chẳng có vật chất tối gì hết – bạn chỉ cần sửa đổi định luật hấp dẫn của Newton là ổn. Chỉ đơn giản cộng thêm một thành phần mới vào các phương trình và mọi thứ sẽ suôn sẻ.

Có lẽ một ngày nào đó chúng ta sẽ biết rằng lực hấp dẫn Newton thật sự cần phải điều chỉnh. Điều đó tốt cả thôi. Nó từng xảy ra trước đây rồi. Thuyết tương đối rộng của Einstein đã mở rộng các nguyên lí hấp dẫn của Newon theo một cách đồng thời áp dụng được các vật thể có khối lượng cực kì lớn. Định luật hấp dẫn của Newton sụp đổ ở chế độ mở rộng này, đó là cái Newton không biết đến. Bài học ở đây là sự tin tưởng của chúng ta trải qua nhiều điều kiện trong đó định luật đã được kiểm tra và chứng thực. Phạm vi kiểm tra càng rộng, thì định luật càng trở nên hiệu nghiệm và quyền năng trong việc mô tả vũ trụ. Đối với lực hấp dẫn bình thường mỗi ngày, định luật Newton hoạt động vừa đúng. Nó đã đưa chúng ta đi lên Mặt Trăng và đưa chúng ta quay về Trái Đất an toàn vào năm 1969. Đối với các lỗ đen và cấu trúc vĩ mô của vũ trụ, chúng ta cần thuyết tương đối rộng. Và nếu bạn chèn khối lượng thấp và tốc độ thấp vào các phương trình Einstein, thì chúng đúng là (hay đúng hơn, về mặt toán học thôi) trở thành các phương trình Newton – toàn lí do hay ho để xây dựng lòng tin đối với hiểu biết hiện nay của chúng ta về toàn bộ những thứ chúng ta khẳng định là hiểu được.

*

Đối với nhà khoa học, tính phổ quát của các định luật vật lí biến vũ trụ thành một nơi đơn giản đến lạ thường. Hãy so sánh nhé, bản chất con người – lĩnh vực nghiên cứu của nhà tâm lí học – khó nắm bắt hơn rất nhiều. Ở Mĩ, các hội đồng trường học địa phương bỏ phiếu chọn môn học được giảng dạy trên lớp. Trong một số trường hợp, các phiếu bầu được định đoạt theo ý chí mới nảy sinh của các làn sóng văn hóa, chính trị, hay tôn giáo. Trên khắp thế giới, các hệ thống đức tin đa dạng dẫn tới những khác biệt về chính trị không phải lúc nào cũng được phân giải trong hòa bình. Sức mạnh và cái đẹp của các định luật vật lí là chúng áp dụng cho mọi nơi, dù bạn có chọn tin vào chúng hay là không.

Nói cách khác, theo các định luật vật lí, mỗi thứ khác đều là ý kiến mà thôi.

Không phải các nhà khoa học không cãi lại. Chúng tôi tranh cãi. Nhiều lắm. Nhưng khi chúng tôi làm thế, chúng tôi thường bày tỏ các ý kiến về việc giải thích không đầy đủ hoặc quá thừa mứa dữ liệu trên tiền phương đang đổ máu của nhận thức của chúng ta. Hễ ở đâu và khi nào một định luật vật lí có thể được viện dẫn trong tranh cãi, thì cuộc tranh luận được đảm bảo súc tích: Không, ý kiến của bạn về một cỗ máy chuyển động vĩnh cửu sẽ không bao giờ hoạt động được; nó vi phạm các định luật đã được kiểm tra kĩ lưỡng của nhiệt động lực học. Không, bạn không thể chế tạo một cỗ máy thời gian sẽ cho phép bạn đi ngược về quá khứ và giết chết bố mẹ đẻ trước khi bạn chào đời – nó vi phạm các định luật nhân quả. Và nếu không vi phạm định luật bảo toàn động lượng, bạn không thể nào tự ý nâng mình lên và lơ lửng phía trên mặt đất, cho dù bạn có ngồi trên đài sen hay không.¹

Trong một số trường hợp, kiến thức về các định luật vật lí có thể cho bạn sự tự tin đối mặt với những người khó chịu. Vài năm trước đây, tôi có gọi một cốc cacao nóng tại một tiệm giải khát ở Pasadena, California. Tất nhiên tôi gọi cốc có kem đánh. Khi cốc được mang lên bàn, tôi thấy chẳng có vết tích gì của kem hết. Tôi hỏi chàng bồi bàn sao cốc cacao của tôi không có kem đánh, anh chàng khăng khăng rằng tôi không thấy kem vì nó chìm xuống đáy rồi. Thế nhưng kem đánh có khối lượng riêng thấp, và nổi trên mọi chất lỏng mà con người uống vào chứ. Vì thế tôi cho người bồi bàn hai lời giải thích khả dĩ: hoặc là ai đó đã quên thêm kem đánh vào cốc cacao nóng của tôi, hoặc là các định luật vạn vật của vật lí học không áp dụng được trong tiệm của anh ta. Không chịu thua, anh ta ngang bướng bê lên một cục kem đánh to đùng để chứng minh khẳng định của anh ta. Sau một hai lần lắc kem đánh trồi lên trên cùng, nổi một cách an toàn.

Bạn cần bằng chứng nào tốt hơn nữa cho tính phổ quát của một định luật vật lí?

¹ Trên nguyên tắc, bạn có thể thực hiện màn trình diễn mạo hiệm này nếu bạn cho phụt ra một luồng hơi mạnh và duy trì được luồng hơi đó.

Thiên văn vật lí cho người bận rộn
Neil DeGrasse Tyson - Bản dịch của Thuvienvatly.com
Phần tiếp theo >>