Những con số làm nên vũ trụ - Phần 17

Cơ học thống kê và Định luật khí lí tưởng

Giống như những khoa học khác, vật lí không những tìm kiếm sự thật mà còn tìm kiếm lời giải thích. Mặc dù định luật khí lí tưởng được suy luận ra từ định luật Boyle và định luật Charles, nhưng cả hai định luật này là theo lối kinh nghiệm, kết quả của việc làm thí nghiệm, quan sát và đo lường. Mục tiêu, như với các nghiên cứu định luật Kepler của Newton, không chỉ là có một mô tả theo lối kinh nghiệm của tự nhiên, mà còn là một khuôn khổ lí thuyết giải thích nó – để cho phép chúng ta dự đoán chính xác cái chúng ta quan sát thấy theo lối kinh nghiệm từ những cơ sở lí thuyết thuần túy. Nửa sau thế kỉ 19 đã chứng kiến một bước nhảy to lớn như thế trong sự tìm hiểu hành trạng của chất khí với sự có mặt của cơ học thống kê.

Cơ học thống kê là ứng dụng lí thuyết xác suất (một ngành toán học trong đó có thống kê học) cho nhiệt động lực học; nó xem một chất khí lí tưởng là một tập hợp gồm một số lượng rất lớn hạt (các nguyên tử hay phân tử của chất khí đó) với vị trí và vận tốc được cho dưới dạng những phân bố xác suất. Không phải lúc nào cũng biết một phân tử chất khí nhất định ở chỗ nào, nhưng người ta có thể giả sử tại một thời điểm bất kì nào đó, vị trí của nó trong một chai thủy tinh là ngẫu nhiên – có khả năng ở gần nắp hay ở gần đáy chai. Có thể suy luận ra định luật khí lí tưởng từ những giả thuyết của cơ học thống kê, sử dụng một số công cụ khá mạnh từ toán học (định lí phân kì, một trong những viên kim cương thu từ giải tích học nhiều biến) lẫn vật lí học (các định luật Newton của cơ học, các phương trình Hamilton, và định lí phân bố đều). Điều này đưa định luật khí lí tưởng vào một nền tảng lí thuyết chắc chắn (nếu một nền tảng như thế có thể mô tả là chắc chắn) giống như định luật Kepler thứ nhất.

Từ quan điểm thực tế, những lí thuyết khoa học hoàn chỉnh hơn được hưởng lợi vì một số lí do nhất định, chí ít ở chỗ chúng đề xuất công nghệ mới. Chúng còn cho phép các nhà khoa học suy luận ra vạn vật sẽ hành xử như thế nào mà không phải tiến hành các thí nghiệm, ngoại trừ xác nhận các tiên đoán. Từ quan điểm nhận thức luận (đây là lần đầu tiên trong gần bảy thập kỉ tôi sử dụng từ này có khả năng tôi sẽ không bao giờ sử dụng nó lần nữa), một lí thuyết khoa học hoàn chỉnh hơn đẩy lùi bức màn ngu dốt – nhưng có lẽ không bao giờ hoàn toàn loại bỏ nó được. Việc chứng minh định luật Kepler thứ nhất là một hệ quả toán học của lí thuyết hấp dẫn Newton thay thế câu hỏi “Tại sao các hành tinh chuyển động trong những quỹ đạo elip với Mặt trời là một tiêu điểm?” bằng câu hỏi “Tại sao lực hấp dẫn tác dụng theo đường thẳng nối giữa hai vật có độ lớn tỉ lệ với tích khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng?” Einstein đã hi vọng loại bỏ bức màn ngu dốt này bằng cách sáng tạo ra một lí thuyết trường thống nhất. Các nhà vật lí hiện đại hi vọng hoàn thành lí thuyết này với một TOE – lí thuyết của tất cả.

Tôi là người đa nghi. Một trong những lợi thế của việc viết một quyển sách giống như quyển này là bạn có thể đan xen vào đó những quan điểm cá nhân của bạn. Tôi tin rằng trong một khoảnh khắc rất nhỏ sau Big Bang, toàn bộ bốn lực được thống nhất – và đó là lần cuối cùng có một lời giải thích cơ bản đơn giản cho mọi thứ. Nhiều hiện tượng rơi vào những khuôn mẫu có thể giải thích – nhưng tôi không nhất thiết tin rằng những khuôn mẫu có thể giải thích này tạo ra những khuôn mẫu của riêng chúng, rồi thu về một khuôn mẫu đơn giản lí giải mọi thứ. Tôi đồng tình với Richard Feynman ở chỗ tin rằng sẽ hết sức thú vị nếu đúng là như vậy, nhưng tôi nghĩ vũ trụ xét trên tổng thể của nó là giống với củ hành tây của Feynman, với những lớp liên tục được bóc ra làm sáng tỏ những sự thật mỗi lúc một sâu sắc hơn. Có lẽ vật lí học có một sự thống nhất nào đó, nhưng đó chỉ là vì vật lí học xử lí hiện tượng có bản chất đơn giản so với hóa học, sinh học phân tử, hay não người. Xét đến mọi mức độ phức tạp, thật khó có cái gì có thể dự đoán trước – hay đơn giản.

Điều này không ngăn cản các nhà vật lí – hay những nhà khoa học khác, vì lí do đó – đi tìm một sự lí giải như thế; họ làm công việc ấy với động cơ giống như Albert Michelson đã bỏ khá nhiều thời gian và nỗ lực để đo tốc độ ánh sáng – vì công việc ấy thật sự thú vị.