Lịch sử vật lí thế kỉ 20 – Phần 58

“Mọi thứ” là gì?

Những kết quả khó hiểu đó còn ảnh hưởng đến quá trình hướng đến một “lí thuyết của tất cả”. Khi lí thuyết dây phát triển, nó phải đi đến chỗ mô tả nhiều vũ trụ có khả năng xảy ra, mỗi một vũ trụ trong số đó có một tập hợp khác nhau của những hằng số cơ bản (như hằng số Planck, hằng số liên hệ các khối lượng với lực hấp dẫn giữa chúng, tốc độ ánh sáng, điện tích nguyên tố và khối lượng của các hạt sơ cấp). Có phải vũ trụ đã biết là vũ trụ duy nhất tồn tại, hay không thời gian trong đó loài người sinh sống đơn thuần là một lát mỏng bốn chiều của một thực tại rộng lớn hơn nhiều? Nếu đây là vũ trụ duy nhất, thì tại sao nó lại có những hằng số đặc biệt như thế?

Một số nhà vật lí xem nhiều khả năng thể hiện trong lí thuyết dây là có tính khích lệ. Một số người khác thì xem nó là hết sức đáng ngờ vì nó có thể điều chỉnh để khớp với mọi quan sát, và cho đến nay nó chưa mang lại những tiên đoán có thể kiểm tra được. Có lẽ những đầu mối lỏng lẻo trong lí thuyết dây có liên quan đến những khám phá kì lạ trong thời gian gần đây trong ngành vũ trụ học. Điều đó có ý nghĩa gì cho tương lai của lí thuyết dây và, thật vậy, toàn bộ các lí thuyết vật lí? Câu kết luận hợp lí duy nhất là tương lai của khoa học là không thể dự báo trước như cách nay 100 năm về trước nữa.

David Gross (1941– ) thuộc Viện Vật lí Lí thuyết Kavli ở trường đại học California, Santa Barbara, đồng ý như vậy. Gross cùng chia sẻ Giải thưởng Nobel Vật lí năm 2004 cho sự phát triển lí thuyết sắc động lực học lượng tử (phiên bản lực mạnh của điện động lực học lượng tử) trong những năm 1970 và từng là một người đề xướng mạnh mẽ cho lí thuyết dây. Công trình nghiên cứu của ông đã khiến ông là người được chọn phát biểu bế mạc tại Hội nghị Vật lí Solvay lần thứ 23, tổ chức tại Brussels, Bỉ, vào tháng 12 năm 2005, một sự kiện uy tín với lịch sử tận năm 1911, năm Rutherford công bố khám phá của ông về hạt nhân nguyên tử. “Nhiều người trong chúng ta nghĩ rằng lí thuyết dây là một bức phá rất ngoạn mục với các quan niệm trước đây của chúng ta về thuyết lượng tử. Nhưng nay chúng ta biết rằng lí thuyết dây rốt lại chẳng mang tính bức phá nhiều như thế”.

Ông so sánh trạng thái hiện tại của lí thuyết dây với các khám phá gây hoang mang dư luận của sự phóng xạ, do Becquerel phát hiện ra vào năm 1896, được Rutherford và Soddy mô tả chi tiết trong thập niên đầu của thế kỉ 20, nhưng không được giải thích cho đến khi cơ học lượng tử được phát triển. Các nhà vật lí “đang thiếu cái gì đó cơ bản tuyệt đối” vào lúc tổ chức Hội nghị Solvay lần thứ nhất, ông lưu ý như thế. “Có lẽ chúng ta cũng đang thiếu cái gì đó tương tự như vậy”.

Một số người có thể xem các lời lẽ của Gross về tương lai của vật lí học là bi quan, nhưng họ không nên hiểu như thế. Thành phần lí thuyết còn thiếu đó là một thách thức, chứ không phải là một thất bại. Các nhà vật lí luôn luôn dấn thân vào những công cuộc truy vấn khó khăn. Những Einsteins, Rutherfords, Paulis, Meitners, Feynmans, Bardeens, Gell-Manns, Alvarezes, Hawkings, và Ledermans mới đã vào cuộc, tìm kiếm những phương pháp mới xem xét những bài toán cũ. Không biết nền vật lí thế kỉ 21 có thu về hạt Higgs, một lí thuyết siêu dẫn nhiệt độ cao, hay một lí thuyết của tất cả hay không? Không biết các công nghệ phát sinh từ vật lí học có mang đến điện năng nhiệt hạch, các máy tính lượng tử, hay các chất liệu mới lạ hay không?

Câu trả lời cho nhiều câu hỏi trong số đó hầu như chắc chắn là có.

PHỤ LỤC
Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Năm 1869, Dmitry Mendeleyev đã nghĩ ra các hàng và cột của các nguyên tố hóa học, nhóm chúng lại theo các tính chất của chúng. Ông gọi nó là bảng tuần hoàn các nguyên tố. Bắt đầu tại góc trên bên trái với nguyên tử nhẹ nhất, hydrogen, ông đặt có kí hiệu hóa học vào cột đầu tiên của bảng theo trật tự khối lượng nguyên tử tăng dần. Sau đó, ông di chuyển sang phải từ cột này sang cột tiếp theo, đặt các nguyên tử có các tính chất vật lí và hóa học giống nhau ở liền nhau trong các hàng.

Bảng tuần hoàn hóa học hiện đại, có ở trang sau, đảo ngược lại vai trò của các hàng và cột so với cách sắp xếp của Mendeleyev. Sự sắp xếp đó đã phục vụ các nhà khoa học trong gần một thế kỉ rưỡi qua, mang lại chỗ trống để bổ sung thêm các nguyên tố mới khi chúng được khám phá hay tổng hợp ra.

Bảng tuần hoàn hóa học là một thành tựu lớn, nhưng những câu hỏi quan trọng vẫn còn đó. Cái gì phân biệt các nguyên tử thuộc nguyên tố này với các nguyên tử thuộc nguyên tố khác, và làm thế nào những khác biệt đó mang lại tính quy cũ của bảng tuần hoàn? Câu trả lời đến từ những bước đột phá trong ngành vật lí hồi cuối thế kỉ thứ 19 và một phần tư đầu của thế kỉ 20 – đặc biệt là sự khám phá ra electron và hạt nhân nguyên tử, và sự phát triển của cơ học lượng tử.

Mảnh ghép cuối cùng của câu đố là đề xuất hồi năm 1924 của Wolfgang Pauli về spin electron và nguyên lí loại trừ của ông vào năm 1925. Cùng với nhau, những thành tựu này đã mang lại cơ sở cho hành trạng tuần hoàn của các nguyên tố.