Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & Leonard Mlodinow (Phần 2)

Chương 2
Vai trò của quy luật

Chú sói Skoll xua đuổi Mặt trăng
Cho đến khi chú bay lên Khu rừng Đau buồn
Còn sói Hati, họ Hridvirnir
Thì ráo riết theo đuổi Mặt trời

“Grimnismal” – Văn thơ Băng đảo cổ

Trong thần thoại của người Viking, Skoll và Hati săn đuổi mặt trời và mặt trăng. Khi hai con sói bắt gặp nhau, thì có một kì nhật nguyệt thực. Khi hiện tượng này xảy ra, mọi người trên trái đất đổ xô đi cứu mặt trời hoặc mặt trăng bằng cách la hét càng ồn ào càng tốt nhằm xua đuổi lũ sói. Có những câu chuyện thần thoại na ná như vậy trong những nền văn hóa khác. Nhưng sau một thời gian, người ta phải để ý thấy rằng mặt trời và mặt trăng sớm hiện ra khỏi pha nhật nguyệt thực, cho dù họ có chạy vòng quanh, la hét, và gõ tung mọi thứ lên hay không. Sau một thời gian, họ cũng phải để ý thấy rằng nhật nguyệt thực không chỉ xảy ra một cách ngẫu nhiên: Chúng xuất hiện đều đặn, với chu kì lặp lại hẳn hoi. Những chu kì lặp lại này dễ thấy nhất đối với hiện tượng nguyệt thực và đã cho phép những người Babylon cổ đại dự báo nguyệt thực khá chính xác mặc dù họ không nhận ra được rằng chúng có nguyên do là bởi trái đất chặn mất ánh sáng của mặt trời. Nhật thực thì khó dự báo hơn vì chúng chỉ có thể trông thấy ở những dải hẹp trên trái đất rộng chừng 30 dặm thôi. Tuy nhiên, một khi đã hiểu thấu, thì rõ ràng chu kì nhật thực không phụ thuộc vào ý thích tùy hứng của các thế lực siêu nhiên, mà bị chi phối bởi những quy luật nào đó.

Nhật thực. Người cổ đại không biết nguyên nhân gây ra nhật thực, nhưng họ thật sự để ý đến sự xuất hiện có chu kì của chúng.

Bất chấp một số thành công buổi đầu trong việc dự đoán chuyển động của các thiên thể, đa số các sự kiện trong tự nhiên trước mắt tổ tiên chúng ta là không thể nào dự báo trước được. Núi lửa, động đất, bão tố, dịch bệnh, và móng chân mọc ngược vào trong dường như xảy ra mà chẳng có nguyên do rõ ràng hay chu kì lặp lại nào hết. Vào thời cổ đại, cái người ta tự nhiên nghĩ đến là quy các tác động dữ dội của tự nhiên cho một vị thần tinh nghịch hay những vị chúa trời ác tính. Các tai họa được xem là dấu hiệu của việc chúng ta đã làm điều gì đó xúc phạm đến chúa trời. Thí dụ, vào khoảng năm 5600 tCN, núi lửa Mazama ở Oregon bùng nổ, gieo vãi đất đá và tro bụi trong nhiều năm, và dẫn tới nhiều năm mưa rào cuối cùng gây ngập miệng núi lửa ngày nay gọi là Hồ Miệng núi lửa. Những người thổ dân Klamath xứ Oregon có một truyền thuyết phù hợp chính xác với từng chi tiết địa chất của sự kiện trên, nhưng thêm thắt một chút hư cấu với việc miêu tả một người là nguyên nhân gieo rắc tai ương. Tội lỗi của con người là người ta luôn có thể tìm ra những cách để tự khiển trách. Như truyền thuyết kể lại, Llao, chúa tể Địa ngục, đã phải lòng cô con gái xinh đẹp tuyệt trần của một thủ lĩnh Klamath. Cô gái cự tuyệt vị chúa tể, cho nên để trả thù, Llao muốn thiêu trụi xứ Klamath trong biển lửa. May thay, theo truyền thuyết, Skell, vị chúa tể Thiên đường, đã thương xót loài người và ra tay đấu sức với vị chúa tể cõi âm. Cuối cùng thì Llao bị thương và rơi trở vào trong ngọn Mazama, để lại một cái hố khổng lồ, và miệng hố ấy cuối cùng thì chứa đầy nước.

Sự thiếu hiểu biết trước các hiện tượng tự nhiên đã đưa những con người thời cổ đại phát minh ra thần thánh và tôn vinh các thế lực siêu nhiên trong mọi mặt đời sống của con người. Có các vị thần tình yêu và chiến tranh; thần mưa và thần sấm; kể cả thần động đất và thần núi lửa. Khi các vị thần vui vẻ, thì loài người được hưởng thời tiết tốt, hòa bình, và không phải hứng chịu thảm họa thiên nhiên và bệnh tật. Khi các vị thần bực dọc, thì xảy ra hạn hán, chiến tranh, dịch hạch và các loại dịch bệnh. Vì mối quan hệ nhân quả trong tự nhiên không hiện rõ trước con mắt của họ, nên những vị thần này có vẻ thật bí hiểm, và loài người sống nhờ vào lòng nhân đức của họ. Nhưng với Thales xứ Miletus (khoảng 624 tCN – khoảng 546 tCN), cách nay chừng 2600 năm trước, điều đó bắt đầu thay đổi. Quan điểm nảy sinh là tự nhiên tuân thủ những nguyên tắc phù hợp có thể hiểu được. Và vì thế bắt đầu quá trình lâu dài là thay thế quan niệm về thế giới thần thánh bằng quan niệm về một vũ trụ bị chi phối bởi các quy luật tự nhiên, và được tạo ra theo một bản thiết kế mà một ngày nào đó chúng ta sẽ có thể đọc ra được.

Nhìn theo tiến trình lịch sử nhân loại, sự thẩm tra khoa học là một nỗ lực rất mới. Giống loài của chúng ta, Homo sapiens, có gốc gác ở vùng hạ Sahara thuộc châu Phi khoảng năm 200.000 tCN. Ngôn ngữ viết chỉ có niên đại khoảng năm 7000 tCN, là sản phẩm của các xã hội quần tụ xung quanh những khu vực trồng ngũ cốc. (Một số chữ khắc cổ thậm chí nói về khẩu phần bia hàng ngày cho phép đối với từng người dân) Những bản viết tay sớm nhất từ nền văn minh vĩ đại thuộc Hi Lạp cổ đại có niên đại vào thế kỉ thứ 9 tCN, nhưng đỉnh cao của nền văn minh đó, “thời kì cổ điển”, xuất hiện vài trăm năm sau đó, bắt đầu đâu đó trước năm 500 tCN. Theo Aristotle (384 tCN – 322 tCN), khoảng thời gian đó Thales đã lần đầu tiên phát triển ý tưởng cho rằng thế giới là có thể hiểu được, rằng những thứ phức tạp diễn ra xung quanh chúng ta có thể giản lược thành những nguyên lí đơn giản hơn và giải thích được mà không cần viện dẫn những yếu tố hoang đường hoặc thần thánh.

Thales được sử sách ghi nhận là người đầu tiên dự báo nhật thực xảy ra vào năm 585 tCN, mặc dù độ chính xác lớn của cái ông dự đoán có khả năng chỉ là một sự may mắn tình cờ. Ông là một nhân vật không rõ ràng tung tích, vì ông chẳng để lại bản viết nào của riêng ông cả. Ngôi nhà của ông là một trong những trung tâm trí tuệ nằm trong một vùng gọi là Ionia, xứ xở thuộc địa của Hi Lạp, và có sức ảnh hưởng cuối cùng lan tỏa đến tận Thổ Nhĩ Kì và Italy ở phía tây xa xôi. Nền khoa học Ionia là một thành tựu được đánh dấu bởi sự say mê cao độ trong việc hé lộ các quy luật cơ bản nhằm giải thích các hiện tượng tự nhiên, một mốc son chói lọi trong lịch sử tư tưởng của loài người. Cách tiếp cận của họ là duy lí và trong nhiều trường hợp đưa đến những kết luận giống một cách bất ngờ với cái mà các phương pháp phức tạp hơn của chúng ta đưa chúng ta đến chỗ tin tưởng như ngày nay. Đó là một sự khởi đầu vĩ đại. Nhưng nhiều thế kỉ trôi qua, phần nhiều khoa học Ionia đã bị lãng quên – thỉnh thoảng đâu đó trong lịch sử, nó được khám phá trở lại hay phát minh ra trở lại.

Theo truyền thuyết, công thức toán học đầu tiên của cái ngày nay chúng ta gọi là một quy luật tự nhiên có từ một con người thời kì Ionia tên gọi là Pythagoras (khoảng 580 tCN – khoảng 490 tCN), nổi tiếng với định lí mang tên ông: bình phương cạnh huyền (cạnh dài nhất) của một tam giác vuông bằng tổng bình phương của hai cạnh còn lại. Sử sách kể rằng Pythagoras đã phát hiện ra mối liên hệ số học giữa chiều dài các sợi dây dùng trong các nhạc cụ và sự kết hợp hài hòa của âm thanh. Theo ngôn ngữ ngày nay, chúng ta sẽ mô tả mối liên hệ đó bằng cách nói rằng tần số - số dao động trong mỗi giây – của một sợi dây dao động dưới một sức căng cố định tỉ lệ nghịch với chiều dài của sợi dây. Từ quan điểm thực tiễn, điều này lí giải vì sao đàn ghita bass phải có dây dài hơn đàn ghita thường. Pythagoras có lẽ không thật sự phát hiện ra điều này – và có lẽ ông cũng chẳng khám phá ra định lí mang tên ông – nhưng có bằng chứng cho thấy vào thời đại của ông, người ta đã biết tới một số liên hệ giữa chiều dài dây nhạc cụ và phách. Nếu đúng như vậy thì người ta có thể gọi công thức toán học đơn giản đó là thí dụ đầu tiên của cái ngày nay chúng ta gọi là vật lí lí thuyết.

Ionia. Các học giả ở Ionia cổ đại nằm trong số những người đầu tiên lí giải các hiện tượng tự nhiên qua các quy luật của tự nhiên thay vì dựa trên thần thánh.

Ngoài định luật dây đàn của Pythagoras ra, những định luật vật lí duy nhất được biết chính xác đối với người cổ đại là ba định luật được mô tả chi tiết bởi Archimedes (khoảng 287 tCN – khoảng 212 tCN), nhà vật lí lỗi lạc nhất thời cổ đại. Theo thuật ngữ ngày nay thì định luật đòn bẩy lí giải rằng những lực nhỏ có thể nâng những đối trọng lớn vì đòn bẩy khuếch đại lực theo tỉ số của hai khoảng cách đến điểm tựa của đòn bẩy. Định luật sự nổi phát biểu rằng mọi vật nhúng trong một chất lỏng sẽ chịu một lực hướng lên bằng với trọng lượng của phần chất lỏng bị chiếm chỗ. Và định luật phản xạ ánh sáng thừa nhận rằng góc hợp giữa một chùm ánh sáng và gương bằng với góc hợp giữa gương và chùm tia phản xạ. Nhưng Archimedes không gọi chúng là những định luật, ông cũng không lí giải chúng theo kiểu liên hệ với sự quan sát và đo đạc. Thay vì thế, ông xem chúng như thể chúng là những định lí thuần túy toán học, trong một hệ tiên đề giống hệt như cái Euclid sáng tạo cho bộ môn hình học.

Khi hệ tư tưởng Ionia lan rộng, ở Ionia xuất hiện những con người nhìn thấy vũ trụ có một trật tự bên trong, một trật tự có thể hiểu được thông qua quan sát và lí giải. Anaximander (khoảng 610 tCN – khoảng 546 tCN), một người bạn và có lẽ là học trò của Thales, cho rằng vì con người lúc mới sinh không có khả năng tự tồn tại, cho nên nếu những con người đầu tiên bằng cách nào đó được mang đến trên trái đất lúc mới sơ sinh, thì loài người chẳng thể sống sót. Trong cái có lẽ là sự nhận thức mơ hồ đầu tiên về sự tiến hóa của nhân loại, như Anaximander lí giải, loài người phải tiến hóa từ những loài động vật khác có con nhỏ mới sinh cứng cáp hơn. Ở Sicily, Empedocles (khoảng 490 tCN – khoảng 430 tCN) đã quan sát công dụng của một thiết bị gọi là cái đồng hồ nước. Thỉnh thoảng được dùng làm môi múc nước, nó gồm một quả cầu có một cái cổ hở và những lỗ nhỏ dưới đáy. Khi dìm trong nước thì nước tràn đầy vào bên trong, và khi đó nếu như người ta đậy nắp cổ lại, thì có thể nâng đồng hồ nước lên mà nước bên trong không chảy ra ngoài. Empedocles để ý thấy nếu như bạn đậy nắp cổ lại trước khi dìm nó vào trong nước, thì nước không tràn vào bên trong đồng hồ nước được. Ông lí giải rằng một cái gì đó không nhìn thấy đã ngăn không cho nước tràn qua các lỗ nhỏ vào trong quả cầu – ông đã khám phá chất liệu ngày nay chúng ta gọi là không khí.

Cũng khoảng thời gian trên, Democritus (khoảng 460 tCN – khoảng 370 tCN), quê xứ thuộc địa Ionia ở miền bắc Hi Lạp, thì suy nghĩ về cái xảy ra khi bạn đập vỡ hay cắt một vật thành từng mảnh. Ông cho rằng bạn không thể nào tiếp tục quá trình đó một cách vô hạn. Thay vào đó, ông cho rằng mọi thứ, kể cả mọi sinh vật sống, cấu tạo từ những hạt cơ bản không thể nào phân tách hay chia nhỏ ra được nữa. Ông đặt tên cho những hạt vật chất tối hậu này là nguyên tử, theo từ nguyên Hi Lạp có nghĩa là “không thể chia cắt”. Democritus tin rằng mỗi hiện tượng vật chất là sản phẩm của sự va chạm của các nguyên tử. Theo quan điểm của ông, đặt tên là nguyên tử luận, tất cả các nguyên tử liên tục chuyển động trong không gian và, trừ khi có sự tác động, chúng chuyển động mãi mãi thẳng về phía trước. Ngày nay, quan điểm đó được gọi là định luật quán tính.

Quan điểm mang tính cách mạng cho rằng chúng ta là những cư dân bình thường của vũ trụ, chứ chẳng phải giống loài đặc biệt hiện hữu tại trung tâm của vũ trụ, lần đầu tiên được bảo vệ bởi Aristarchus (khoảng 310 tCN – khoảng 230 tCN), một trong những nhà khoa học Ionia cuối cùng. Chỉ một trong những tính toán của ông còn sót lại, đó là một phân tích hình học phức tạp của những quan sát tỉ mĩ của ông về kích cỡ của cái bóng của Trái đất in lên trên mặt trăng trong một kì nguyệt thực. Ông kết luận từ số liệu của ông rằng Mặt trời phải lớn hơn rất nhiều so với Trái đất. Có lẽ lấy cảm hứng từ quan điểm cho rằng những vật thể nhỏ bé phải quay vòng xung quanh những vật thể đồ sộ chứ không thể nào khác đi, nên ông trở thành người đầu tiên cho rằng Trái đất không phải nằm tại trung tâm của hệ hành tinh của chúng ta, mà thay vì thế, nó và các hành tinh khác quay xung quanh mặt trời lớn hơn nhiều. Đó là một tiến bộ nhỏ từ sự nhận thức trái đất chỉ là một hành tinh bình thường cho đến quan điểm rằng mặt trời của chúng ta chẳng có gì đặc biệt hết. Aristarchus nghi ngờ vào điều này và ông tin rằng các ngôi sao mà chúng ta thấy trên bầu trời đêm thật ra chẳng là gì ngoài những mặt trời ở xa.