Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & Leonard Mlodinow (Phần 18)

CHƯƠNG TÁM

THIẾT KẾ VĨ ĐẠI

Trong tập sách này, chúng ta đã mô tả làm thế nào sự đều đặn trong chuyển động của những thiên thể như mặt trời, mặt trăng, và các hành tinh cho thấy chúng bị chi phối bởi những quy luật nhất định, chứ không phải do sự tùy hứng bất chợt và tính đồng bóng của các vị thần và ma quỷ. Ban đầu, sự tồn tại của những quy luật như thế chỉ hiển hiện rõ ràng trong thiên văn học (hay chiêm tinh học, lĩnh vực nghiên cứu na ná như vậy). Hành trạng của vạn vật trên trái đất là quá phức tạp và chịu nhiều tác động, nên những nền văn minh sơ khai không có khả năng nhận thức rõ bất kì khuôn mẫu hay quy luật nào chi phối những hiện tượng này. Tuy nhiên, dần dần những định luật mới đã được khám phá ra trong những lĩnh vực khác ngoài thiên văn học, và điều này dẫn tới quan niệm quyết định luận khoa học: Phải có một tập hợp đầy đủ những định luật mà, cho trước trạng thái của vũ trụ tại một thời điểm nhất định, sẽ có thể chỉ rõ vũ trụ phát triển như thế nào từ thời điểm đó về sau. Những định luật này phải đúng ở mọi nơi và mọi lúc; nếu không chúng sẽ không phải là những định luật. Không có ngoại lệ hay phép màu nào hết. Thần thánh và ma quỷ không thể can thiệp vào sự hoạt động của vũ trụ.

Vào lúc thuyết quyết định luận khoa học lần đầu tiên được đề xuất, các định luật Newton về chuyển động và sự hấp dẫn là những định luật duy nhất được biết tới. Chúng ta đã mô tả Einstein đã mở rộng những định luật này như thế nào trong thuyết tương đối tổng quát của ông, và những định luật khác chi phối những mặt khác của vũ trụ đã được khám phá ra như thế nào.

Các định luật của tự nhiên cho ta biết vũ trụ hành xử như thế nào, chứ chúng không trả lời những câu hỏi tại sao? mà chúng ta đã nêu ra lúc mở đầu tập sách này:

Tại sao lại có vạn vật, chứ không phải hư vô cả?

Tại sao chúng ta tồn tại?

Tại sao lại là tập hợp những định luật đặc biệt này mà không là một tập hợp nào khác?

Một số người sẽ khẳng định câu trả lời cho những câu hỏi này là có một vị thần đã chọn sáng tạo ra vũ trụ theo kiểu như thế. Thật hợp lí nếu hỏi ai hay cái gì đã sáng tạo ra vũ trụ, nhưng nếu câu trả lời là Chúa, thì câu hỏi trên sẽ chuyển hướng sang hỏi ai đã tạo ra Chúa? Theo quan điểm này, người ta chấp nhận một số thực thể tồn tại mà không cần đấng sáng tạo, và thực thể đó được gọi là Chúa. Đây là lập luận nguyên nhân số một cho sự tồn tại của Chúa. Tuy nhiên, chúng ta khẳng định có thể trả lời thuần túy những câu hỏi này trong địa hạt khoa học, mà không cần viện đến bất kì thế lực thần thánh nào.

Theo quan điểm của thuyết duy thực phụ thuộc mô hình đã giới thiệu trong chương 3, não của chúng ta hiểu input (cái thu nhận) từ các cơ quan cảm giác của chúng ta bằng cách tạo dựng một mô hình của thế giới bên ngoài. Chúng ta tạo ra những khái niệm trong não của ngôi nhà, cây cối, những người khác, dòng điện chạy ra từ ổ cắm trên tường, các nguyên tử, phân tử, và những vũ trụ khác. Những khái niệm trí não này là thực tại duy nhất mà chúng ta biết. Không có phép kiểm tra độc lập mô hình nào của thực tại. Một mô hình được xây dựng tốt tạo ra một thực tại của riêng nó. Một thí dụ giúp chúng ta nghĩ về những vấn đề thực tại và sự sáng thế là Trò chơi Cuộc sống, phát minh ra vào năm 1970 bởi một nhà toán học trẻ tại Cambridge tên là John Conway.

Từ “trò chơi” trong Trò chơi Cuộc sống là một tên gọi sai lạc. Không có người thắng và kẻ thua cuộc; thật ra, không có người chơi nào hết. Trò chơi Cuộc sống thật sự không phải là một trò chơi, mà là một tập hợp những định luật chi phối một vũ trụ hai chiều. Nó là một vũ trụ quyết định luận: Một khi bạn xác lập cấu hình ban đầu, hay điều kiện ban đầu, các định luật xác định cái xảy ra trong tương lai.

Thế giới mà Conway hình dung ra là một ma trận vuông, giống như một bàn cờ, nhưng trải rộng vô hạn về mọi phía. Mỗi ô vuông có thể ở một trong hai trạng thái: sống (thể hiện màu xanh) hay chết (thể hiện màu đen). Mỗi ô vuông có tám ô láng giềng: trên, dưới, trái, phải, và bốn ô theo đường chéo. Thời gian trong thế giới này không liên tục mà chuyển về phía trước theo những bước rời rạc. Cho trước bất kì sự sắp xếp nào của những ô chết và sống, số lượng ô láng giềng sống quyết định cái xảy ra tiếp sau đó theo những quy luật sau đây:

1. Một ô sống với hai hoặc ba láng giềng sống còn lại (sống sót).

2. Một ô chết với chính xác ba láng giềng sống trở thành một tế bào sống (ra đời).

3. Trong mọi trường hợp khác, một ô chết hoặc tiếp tục chết. Trong trường hợp một ô sống không có hoặc có một láng giềng, ta nói nó chết cô đơn; nếu có nhiều hơn ba láng giềng, ta nói nó chết hân hoan.

Đó là toàn bộ luật chơi: Cho biết bất kì điều kiện ban đầu nào, những quy luật này tạo ra thế hệ này đến thế hệ khác. Một ô đang sống cô lập hoặc hai ô sống liền kề chết trong thế hệ tiếp theo vì chúng không có đủ láng giềng. Ba ô sống nằm trên một đường chéo thì sống lâu hơn một chút. Sau bước thời gian thứ nhất, những ô cuối chết hết, chỉ để lại những ô ở giữa, những ô này chết trong thế hệ sau đó. Mọi đường chéo của những hình vuông đều “bay hơi” theo kiểu này. Nhưng nếu ba ô sống nằm ngang trong một hàng, một lần nữa ô chính giữa có hai láng giềng và sống sót, còn hai ô hai đầu thì chết, nhưng trong trường hợp này các ô ngay bên trên và bên dưới ô chính giữa lại ra đời. Vì thế, hàng đã chuyển thành cột. Tương tự, thế hệ tiếp theo là cột trở lại thành hàng, và cứ thế. Những cấu hình dao động như thế được gọi là đèn tín hiệu.

Đèn tín hiệu

Đèn tín hiệu. Đèn tín hiệu là một loại đơn giản của đối tượng phức hợp trong Trò chơi Cuộc sống.

Nếu ba ô sống nằm theo hình chữ L, thì một hành trạng mới xảy ra. Trong thế hệ tiếp theo, ô vuông cắt bởi chữ L sẽ ra đời, dẫn tới một khối 2 × 2. Khối đó thuộc về một dạng kiểu hình gọi là sống thọ vì nó sẽ đi từ thế hệ này sang thế khác mà không bị biến đổi. Nhiều loại kiểu hình tồn tại có hình dạng thay đổi trong những thế hệ đầu nhưng sớm chuyển thành dạng sống thọ, hay chết thọ, hay trở về dạng ban đầu của chúng và sau đó lặp lại quá trình.

Sự diễn tiến sang sống thọ

Sự diễn tiến sang sống thọ. Một số đối tượng phức hợp trong Trò chơi Cuộc sống phát triển thành một dạng mà các quy tắc yêu cầu sẽ không bao giờ thay đổi.

Còn có những kiểu gọi là tàu lượn, chúng biến đổi thành hình dạng khác và, sau một vài thế hệ, trở về hình dạng ban đầu của chúng, nhưng ở vị trí tụt xuống một ô vuông theo đường chéo. Nếu bạn quan sát những hình dạng này phát triển theo thời gian, chúng có vẻ như bò trườn trên ma trận. Khi những tàu lượn này va vào nhau, thì có thể xảy ra những hành trạng hiếu kì, phụ thuộc vào mỗi hình dạng của tàu lượn tại thời điểm va chạm.

Tàu lượn

Tàu lượn. Tàu lượn thay đổi qua những hình dạng trung gian này, sau đó trở lại dạng ban đầu chúng, dịch xuống một ô theo đường chéo.

Cái làm cho vũ trụ này hấp dẫn là mặc dù “vật lí học” cơ bản của vũ trụ này là đơn giản, nhưng “hóa học” có thể phức tạp. Nghĩa là những đối tượng phức tồn tại ở những thang bậc khác nhau. Ở thang bậc nhỏ nhất, vật lí học cơ bản cho chúng ta biết rằng chỉ có những ô sống và chết. Ở một thang bậc lớn hơn, có tàu lượn, đèn tín hiệu giao thông, và những khối sống thọ. Ở một thang bậc lớn hơn nữa, còn có những đối tượng phức tạp hơn, thí dụ như "súng tàu lượn” những hình ảnh đứng yên tuần tự sinh ra những tàu lượn mới để lại cái tổ và giáng bậc xuống theo đường chéo.

Nếu bạn quan sát vũ trụ Trò chơi Cuộc sống trong một thời gian ở một thang bậc bất kì nào đó, bạn có thể suy luận ra những quy luật chi phối những vật thể ở thang bậc đó. Thí dụ, ở thang bậc của những vật chỉ vài ô vuông bề ngang, bạn có thể có những quy luật như “Các khối không bao giờ di chuyển”, “Tàu lượn đi theo đường chéo”, và những quy luật đa dạng cho cái xảy ra khi các vật va chạm nhau. Bạn có thể xây dựng một nền vật lí hoàn chỉnh trên bất kì cấp độ nào của những đối tượng phức. Những quy luật đó sẽ đưa đến thực thể và khái niệm không có trong những quy luật ban đầu. Thí dụ, không có các khái niệm như “va chạm” hay “chuyển động” trong những quy luật ban đầu. Những quy luật đó chỉ đơn thuần mô tả sự sống và chết của từng ô vuông đứng yên. Như trong vũ trụ của chúng ta, trong Trò chơi Cuộc sống, thực tại của bạn phụ thuộc vào mô hình bạn sử dụng.

Sắp xếp ban đầu của Súng tàu lượn

Sắp xếp ban đầu của Súng tàu lượn. Súng tàu lượn lớn chừng bằng 10 lần tàu lượn.

Conway và học trò của ông đã sáng tạo ra thế giới này vì họ muốn một vũ trụ với những quy tắc cơ bản đơn giản như vũ trụ họ định nghĩa có thể chứa những đối tượng đủ phức tạp để tái tạo hay không. Trong thế giới Trò chơi Cuộc sống, có tồn tại những đối tượng phức, mà sau khi đơn thuần tuân theo những quy tắc của thế giới đó trong vài thế hệ, sẽ sinh ra những đối tượng khác thuộc loại của chúng hay không? Conway và học trò của ông không những chứng minh rằng điều này là có thể, mà họ còn chứng minh rằng một đối tượng như thế, theo một ý nghĩa nào đó, sẽ là thông minh! Nói cho chính xác thì họ đã chứng minh rằng những khối kết lớn gồm các ô vuông tự sao chép là “những cỗ máy Turing vạn vật”. Đối với những mục đích của chúng ta, điều đó có nghĩa là đối với mọi phép tính mà một máy vi tính trong thế giới vật chất của chúng ta trên nguyên tắc có thể thực hiện, nếu cỗ máy trên được cung cấp input thích hợp – nghĩa là, được cung cấp môi trường thế giới Trò chơi Cuộc sống thích hợp – thì một vài thế hệ sau, cỗ máy sẽ ở trong trạng thái từ đó một output có thể đọc ra tương ứng với kết quả của phép tính vi tính đó.

Súng tàu lượn sau 116 thế hệ

Súng tàu lượn sau 116 thế hệ. Theo thời gian, súng tàu lượn thay đổi hình dạng, phát ra một tàu lượn, rồi sau đó trở lại hình dạng và vị trí ban đầu của nó. Quá trình cứ thế lặp lại vô hạn.

Để thưởng thức chút hương vị thế giới đó hoạt động như thế nào, hãy xét cái xảy ra khi các tàu lượn được bắn ra ở dạng khối gồm những ô vuông sống 2 × 2 đơn giản. Nếu các tàu lượn đó đi tới theo hướng thích hợp, thì khối kết đó, đã đứng yên, sẽ di chuyển đến gần hoặc ra xa nguồn tàu lượn. Theo kiểu này, khối kết đó có thể mô phỏng một bộ nhớ máy tính. Thật vậy, toàn bộ những hàm cơ bản của một máy vi tính hiện đại, như cổng AND và cổng OR, cũng có thể tạo ra từ các tàu lượn. Như vậy, giống hệt như tín hiệu điện được sử dụng trong máy vi tính vật chất, các dòng tàu lượn có thể dùng để gửi và xử lí thông tin.

Trong Trò chơi Cuộc sống, giống như trong thế giới của chúng ta, những khuôn mẫu tự tái tạo là những đối tượng phức tạp. Một ước tính, dựa trên nghiên cứu trước đây của nhà toán học John von Neumann, đặt ra kích cỡ tối thiểu của một khuôn mẫu tự tái tạo trong Trò chơi Cuộc sống là mười nghìn tỉ ô vuông – đại khái bằng số phân tử có trong một tế bào ở người.

Người ta có thể định nghĩa sinh vật sống là những hệ phức tạp có kích cỡ hạn chế, bền và tự tái tạo chúng. Những đối tượng mô tả ở trên thỏa mãn điều kiện tái tạo nhưng có khả năng không bền: Một nhiễu loạn nhỏ từ bên ngoài có khả năng sẽ phá hỏng cơ chế tinh vi trên. Tuy nhiên, người ta dễ tưởng tượng rằng những quy luật hơi phức tạp hơn một chút sẽ cho phép những hệ phức tạp với tất cả những thuộc tính của sự sống. Hãy tưởng tượng một thực thể thuộc loại đó, một vật thể trong thế giới kiểu Conway. Một vật thể như thế sẽ phản ứng với kích thích môi trường, và vì thế có vẻ đưa ra quyết định. Sự sống như thế liệu có sự nhận thức về bản thân nó hay không? Nó có ý thức hay không? Đây là một câu hỏi mà các ý kiến chia rẽ sâu sắc. Một số người khẳng định sự tự nhận thức là cái gì đó thuộc riêng về con người. Nó mang lại cho họ sự ý thức, khả năng chọn lựa giữa những cách hành động khác nhau.

Làm thế nào người ta nói được một sinh vật là có ý thức hay không? Nếu chạm trán một người ngoài hành tinh, làm thế nào người ta nói được nó chỉ là một con rô bôt hay nó có một trí tuệ của riêng nó? Hành vi của một con rô bôt sẽ là hoàn toàn xác định, không giống với hành vi của một sinh vật có ý thức. Vì thế, trên nguyên tắc, người ta có thể phát hiện ra con rô bôt là một sinh vật có những hành động có thể dự đoán được. Như chúng ta đã nói trong chương 2, công việc này có thể hết sức khó khăn nếu như sinh vật đó có kích cỡ lớn và phức tạp. Chúng ta thậm chí không thể giải chính xác các phương trình cho ba hoặc nhiều hạt đang tương tác với nhau. Vì một sinh vật ngoài hành tinh cỡ bằng con người sẽ chứa một nghìn nghìn tỉ nghìn tỉ hạt, cho dù sinh vật đó là rô bôt, nên sẽ không thể giải các phương trình và dự đoán nó sẽ làm gì. Vì thế, chúng ta phải nói rằng mọi sinh vật phức tạp là có ý thức – đó không phải là một đặc trưng cơ bản, mà là một lí thuyết tác dụng, một sự thừa nhận sự bất lực của chúng ta không tính nối những phép tính sẽ cho phép chúng ta dự đoán những hành động của nó.

Thí dụ Trò chơi Cuộc sống của Conway cho thấy ngay cả một tập hợp định luật rất đơn giản cũng có thể mang lại những đặc điểm phức tạp tương tự như những đặc điểm của sự sống thông minh. Phải có nhiều tập hợp định luật với tính chất này. Cái gì tạo ra những định luật cơ bản (trái với định luật biểu kiến) chi phối vũ trụ của chúng ta? Như trong vũ trụ của Conway, các định luật của vũ trụ của chúng ta xác định sự phát triển của hệ, cho trước trạng thái tại một thời điểm bất kì. Trong thế giới của Conway, chúng ta là đấng sáng tạo – ta chọn trạng thái ban đầu của vũ trụ bằng cách chỉ rõ các đối tượng và vị trí của chúng tại lúc bắt đầu trò chơi.

Trong một vũ trụ vật chất, đối tác của những đối tượng như tàu lượn trong Trò chơi Cuộc sống là những thực thể vật chất cô lập. Bất kì tập hợp định luật nào mô tả một thế giới liên tục như thế giới của chúng ta sẽ có một khái niệm năng lượng, đó là một đại lượng được bảo toàn, nghĩa là nó không thay đổi theo thời gian. Năng lượng của không gian trống rỗng sẽ là một hằng số, độc lập với thời gian lẫn vị trí. Người ta có thể trừ ra năng lượng chân không hằng số này bằng cách đo năng lượng của bất kì thể tích không gian nào so với năng lượng của thể tích không gian trống rỗng bằng như vậy, nên chúng ta có thể gọi là hằng số zero. Một yêu cầu mà bất kì định luật nào của tự nhiên phải thỏa mãn là nó đòi hỏi năng lượng của một vật cô lập bao quanh bởi không gian trống rỗng là dương, nghĩa là người ta phải thực hiện công để xây dựng vật đó. Đó là vì nếu năng lượng của một vật cô lập là âm, thì nó có thể được tạo ra trong một trạng thái chuyển động sao cho năng lượng âm của nó cân bằng chính xác với năng lượng dương do chuyển động của nó. Nếu đúng như thế, thì sẽ không có lí do gì để các vật không thể xuất hiện ở bất kì nơi nào và ở mọi nơi. Do đó, không gian trống rỗng sẽ là không bền. Nhưng nếu phải tiêu tốn năng lượng để tạo ra một vật cô lập, thì sự mất cân bằng như thế không thể xảy ra, vì như chúng ta đã nói, năng lượng của vũ trụ phải giữ nguyên không đổi. Đó là cái làm cho vũ trụ bền trên phương diện địa phương – làm cho các vật không xuất hiện ở mọi nơi từ hư vô.

Nếu tổng năng lượng của vũ trụ phải luôn luôn giữ nguyên bằng không, và phải tiêu hao năng lượng để tạo ra một vật, vậy thì làm thế nào toàn bộ vũ trụ được tạo ra từ hư vô? Đó là lí do tại sao phải có một định luật như sự hấp dẫn. Vì hấp dẫn là lực hút, nên năng lượng hấp dẫn là âm: Người ta phải thực hiện công để chia tách một hệ liên kết bằng sự hấp dẫn, thí dụ như trái đất và mặt trăng. Năng lượng âm này có thể cân bằng với năng lượng dương cần thiết để tạo ra vật chất, nhưng không hẳn là đơn giản như vậy. Năng lượng hấp dẫn âm của tác dụng, chẳng hạn, nhỏ bằng một phần tỉ của năng lượng dương của những hạt vật chất cấu tạo nên trái đất. Một vật như một ngôi sao sẽ có năng lượng hấp dẫn âm lớn hơn và nó càng nhỏ (những bộ phận khác nhau của nó càng gần nhau), thì năng lượng hấp dẫn âm này sẽ càng lớn. Nhưng trước khi nó có thể trở nên lớn hơn năng lượng dương của vật chất, thì ngôi sao sẽ co lại thành một lỗ đen, và các lỗ đen thì có năng lượng dương. Đó là nguyên do không gian trống rỗng là bền. Những vật thể như ngôi sao hay lỗ đen không thể hiện ra từ hư vô. Nhưng một vũ trụ tổng thể thì có thể.

Vì sự hấp dẫn định hình không gian và thời gian, nên nó cho phép không-thời gian là bền cục bộ nhưng không bền trên quy mô tổng. Trên thang bậc toàn vũ trụ, năng lượng dương của vật chất có thể cân bằng bởi năng lượng hấp dẫn âm, và vì thế không có sự ràng buộc nào lên sự ra đời của tổng thể vũ trụ. Vì có một định luật như sự hấp dẫn, nên vũ trụ sẽ có thể và tự tạo ra từ hư vô theo kiểu đã mô tả ở chương 6. Sự ra đời tự phát là nguyên do có cái gì đó chứ không phải không có gì, tại sao vũ trụ tồn tại, tại sao chúng ta tồn tại. Không nhất thiết viện dẫn Chúa để thắp để đưa vũ trụ đi vào hoạt động.

Tại sao những định luật cơ bản lại giống như chúng ta đã mô tả chúng? Một lí thuyết tối hậu phải phù hợp và phải dự đoán những kết quả hữu hạn cho những đại lượng chúng ta có thể đo được. Ta đã thấy rằng phải có một định luật như sự hấp dẫn, và ta đã thấy trong chương 5 rằng để cho một lí thuyết của sự hấp dẫn tiên đoán những đại lượng hữu hạn, thì lí thuyết đó phải có cái gọi là siêu đối xứng giữa các lực của tự nhiên và vật chất mà chúng tác dụng. Lí thuyết M là lí thuyết siêu đối xứng khái quát nhất của sự hấp dẫn. Vì những lí do này, lí thuyết M là ứng cử viên duy nhất cho một lí thuyết hoàn chỉnh của vũ trụ. Nếu nó là hữu hạn – và điều này cho đến nay chưa được chứng minh – thì nó sẽ là một mô hình của vũ trụ tạo ra chính nó. Chúng ta phải là một bộ phận của vũ trụ này, vì không có mô hình thích hợp nào khác nữa.

Lí thuyết M là lí thuyết thống nhất mà Einstein hi vọng đi tìm. Thực tế loài người chúng ta – bản thân chúng ta là tập hợp những hạt sơ cấp của vũ trụ có thể đi tới hiểu rõ những định luật chi phối chúng ta và vũ trụ của chúng ta là một sự thành công to lớn. Nhưng có lẽ điều thật sự kì diệu là những xét đoán lôgic trừu tượng đã dẫn tới một lí thuyết thống nhất dự đoán và mô tả một vũ trụ mênh mông chứa đầy những đa dạng bất ngờ mà chúng ta thấy. Nếu lí thuyết trên được quan sát xác nhận, thì nó sẽ là câu kết luận thành công của một cuộc tìm kiếm đã kéo dài hơn 3000 năm qua. Chúng ta sẽ tìm ra mẫu thiết kế vĩ đại ấy.

Thiết kế vĩ đại
Stephen Hawking & Leonard Mlodinow

Phần tiếp theo >>