Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 75)

Sự cáo chung của vật lí lí thuyết

Từ những gì trình bày ở phần trước, bạn có thể nghĩ rằng nền vật lí lí thuyết đã sắp đến hồi cáo chung. Có lẽ lí thuyết-M sẽ trả lời mọi câu hỏi của chúng ta, trong đó có những câu hỏi cho đến nay vẫn được xem là nằm ngoài địa hạt khoa học. Có lẽ chúng ta cứ ngồi chen chút chờ trong khi Witten và các đồng nghiệp của ông chỉ ra các chi tiết của lí thuyết-M trong vài năm sắp tới. Rồi toàn bộ nền vật lí cơ bản sẽ được biết rõ. Tôi là một người không tán thành quan điểm này. Đây một phần là vì thực tế tôi chẳng phải là một chuyên gia về lí thuyết siêu dây hay lí thuyết-M, và do đó tôi không thể chia sẻ cái cảm giác hào hứng mà những người trong cuộc trong lĩnh vực này phải cảm nhận thấy. Nhưng có một lí do khác, chính đáng hơn, cho sự hoài nghi của tôi.

Trong khi nhiều nhà vật lí tin chắc rằng chúng ta đã có một lí thuyết của sự hấp dẫn lượng tử ở dạng các siêu dây đa chiều hay lí thuyết-M, thì còn có những người khác không thấy chắc ăn cho lắm. Họ nhắc lại tình trạng ngành vật lí hồi cuối thế kỉ trước [thế kỉ mười chín – ND] khi người ta nghĩ sự cáo chung đã là nhãn tiền và toàn bộ các định luật của tự nhiên đã được khám phá và tìm hiểu. Rồi xuất hiện các khám phá tia X và sự phóng xạ, Max Planck đề xuất rằng năng lượng xuất hiện dưới dạng những gói rời rạc, hay lượng tử, và Einstein vứt bỏ khái niệm không gian và thời gian Newton luận. Hồi một trăm năm trước, không có nhà khoa học nào trong những giấc mơ điên cuồng của họ lường trước nổi cái sẽ xảy ra trong một phần tư thế kỉ tiếp sau đó. Vậy cớ gì ngày nay chúng ta dám chắc chắn như vậy? Thật ra, các nhà nghiên cứu lịch sử khoa học cho biết rằng so với ngày nay, khi ấy các nhà khoa học có lẽ còn có lí do chính đáng hơn để tin rằng nền vật lí học sắp cáo chung rồi. Một số nhà vật lí hàng đầu thế giới, như Roger Penrose và David Deutsch, tin chắc rằng trước khi cơ học lượng tử và thuyết tương đối tổng quát có thể hợp nhất thành một lí thuyết hấp dẫn lượng tử, một hoặc thậm chí cả hai lí thuyết này cần có một đợt phẫu thuật lớn.

Một số quan điểm vật lí vẫn trụ vững theo thời gian và phát triển dần khi bằng chứng thực nghiệm ủng hộ chúng tích lũy dần. Rồi dần dà chúng ta hiểu chúng nhiều hơn và đi tới tin chắc rằng chúng là một mô tả chính xác của Vũ trụ vật chất. Những quan điểm khác thì xuất hiện bất ngờ do thời khắc sáng tạo của một thiên tài hay một kết quả thực nghiệm bất ngờ. Nhưng nhiều lí thuyết đã vỡ vụn tan tành khi chúng không trụ nổi trước những thử nghiệm kĩ lưỡng hơn.

Một vài lí thuyết thành công đã gây ra một cuộc cách mạng ở cách chúng ta nhìn nhận thế giới – gọi là sự chuyển dịch mô hình nhận thức của chúng ta. Đây là trường hợp xảy ra với thuyết tương đối của Einstein khi ông đề xuất rằng không cần có ether làm môi trường cho ánh sáng truyền qua. Đề xuất này lập tức dẫn tới kết luận là một chùm ánh sáng truyền đi ở một tốc độ như nhau cho dù chúng ta đang chuyển động về phía nguồn sáng hay đang chuyển động ra xa nó. Hóa ra, đề xuất này không thể tránh khỏi đưa đến thực tế là thời gian trôi chậm đi đối với những nhà quan sát khác nhau.

Nhưng chắc chắn cơ học lượng tử không thể sai rồi, đúng không nào? Sức mạnh tiên đoán của nó không cần phải nghi ngờ gì nữa, đã 75 năm trôi qua rồi và hiện nay nó đang là cơ sở của phần nhiều khoa học hiện đại. Tất nhiên, nhưng ai có học đôi chút về cơ học lượng tử sẽ biết nó đề xuất về thế giới vi mô lạ lùng như thế nào, nhưng lí lẽ cơ bản là như thế này: Dạng thức toán học thì đúng, nhưng các phương trình có ý nghĩa gì thì đúng là chưa hiểu nổi, và đó là vấn đề triết học chứ không còn vật lí nữa. Phần đông các nhà vật lí ngày nay tin rằng mặc dù trong ngành có nhiều cách hiểu khác nhau của cơ học lượng tử, nhưng tất cả chúng đều có giá trị như nhau, và khuôn khổ toán học cơ sở là đúng, và tùy theo khẩu vị của mỗi người mà tự chọn cho mình một cách hiểu nào đó. Cho dù bạn tin vào cách hiểu Copenhagen trong đó vũ trụ phân tách thành một số vô hạn bản sao, hay cách hiểu Bohm trong đó các tín hiệu truyền đi nhanh hơn ánh sáng hay thậm chí, mới đây hơn, cách hiểu kỉ yếu trong đó các tín hiệu truyền ngược dòng thời gian, thì không thành vấn đề. Cho đến nay, người ta chưa nghĩ ra thí nghiệm nào phân biệt giữa những quan điểm khác biệt này. Cái duy nhất chúng ta dám chắc chắn là cơ học lượng tử không có một sự lí giải chung đơn giản.

Theo quan điểm của tôi, việc nói ý nghĩa của các phương trình toán học mô tả thực tại ở cấp độ cơ bản nhất của nó là không quan trọng, và toàn bộ những cái chúng ta quan tâm là những con số mà chúng ta thu được bằng cách giải những phương trình này, là một lối thoát. Trong hơn mười năm qua, tôi, và một số nhà vật lí đang trưởng thành, trở nên bị thuyết phục rằng không phải cách hiểu nào của cơ học lượng tử cũng có thể đúng. Tự nhiên hành xử theo một kiểu nhất định và thực tế chúng ta chưa tìm ra cái gì đang diễn ra là cái chúng ta phải ưu tiên giải quyết. Chẳng hạn, hoặc là Vũ trụ phân tách thành nhiều bản sao của chính nó, hoặc là không như vậy. Thật may mắn cho chúng ta nếu chúng ta không thể tìm ra xem điều này có xảy ra hay không, nhưng chúng ta không nên ngừng nỗ lực tìm kiếm. Có lẽ chúng ta không bao giờ thành công trong việc tìm thấy cái gì đang thật sự diễn ra, nhưng có cái gì đó đang diễn ra. Tôi tin rằng một ngày nào đó chúng ta sẽ tìm thấy.

Khi còn là sinh viên, thần tượng của tôi là John Bell, một nhà vật lí lí thuyết người Ireland và là một trong những chuyên gia hàng đầu của thế kỉ hai mươi về cơ học lượng tử. Ông cũng là tiếng nói phân giải khi cách hiểu của cơ học lượng tử cần đến nó, trong chừng mực mà tôi bình chọn. Vào thập niên 1920, hai nhà khổng lồ của ngành vật lí, Neils Bohr và Einstein, đã có một cuộc tranh cãi dai dẳng, kịch liệt về ý nghĩa của lí thuyết mới khi ấy. Einstein cho rằng cơ học lượng tử không thể là ngôn từ cuối cùng và phải có cái gì đó còn thiếu, còn Bohr khẳng định rằng cơ học lượng tử cho chúng ta biết tất tần tật mọi thứ chúng ta có thể biết về tự nhiên. Bohr bị thuyết phục rằng các lí thuyết vật lí không mô tả thực tại trực tiếp mà chỉ mô tả cái chúng ta có thể biết về thực tại. Phiên bản cơ học lượng tử của ông được gọi là quan điểm Copenhagen vì đó là nơi đặt trụ sở làm việc của ông. Mặt khác, Einstein cảm thấy một lí thuyết tốt phải có tính bản thể ở chỗ nó mô tả thực tại thật sự là ra sao. Cơ học lượng tử không nên phân chia phe phái như thế. Thường người ta biết rằng Bohr đã thắng cuộc tranh cãi đó và kể từ đấy các thế hệ nhà vật lí đã đi theo trường phái Copenhagen.

Tôi là một vị khách thường xuyên đến thăm Viện Niels Bohr ở Copenhagen, nơi nhiều nghiên cứu vẫn đang diễn ra ngày nay. Từ bên ngoài, trông nó có chút là lạ gồm một tập hợp những tòa nhà nhỏ bé hẳn đi vì đứng cạnh một bệnh viện to ở gần bên. Tuy nhiên, ở bên trong, khách khứa dễ đi lạc giữa vô số đường hầm và hành lang dưới lòng đất nối các tòa nhà với nhau. Tuy nhiên, nguồn cảm hứng thật sự của tôi đến từ việc thả bộ trong công viên phía sau viện nơi Bohr và những nhà khổng lồ khác của nền vật lí học đầu thế kỉ hai mươi dành phần nhiều thời gian cố gắng luận ra những hàm ý lạ lẫm của cơ học lượng tử mới.

John Bell thuộc về thế hệ sau này. Tôi có nghe ông giảng ở một số dịp trong đó ông luôn nói rằng những ai cố bám lấy quan điểm Copenhagen là giống như những con đà điểu vùi đầu trong cát, không dám hỏi tới ý nghĩa sâu xa hơn của cơ học lượng tử, mà thỏa mãn với việc mù quáng tuân thủ những quy tắc hoạt động suôn sẻ của nó. Điều này khiến Bell không thích vì ông cảm thấy vật lí học nên cố gắng tìm hiểu ý nghĩa sâu xa hơn của những cái đang diễn ra trong tự nhiên.

Tuy nhiên, Bell chẳng phải là kẻ ngoài lề. Ông là một trong những nhân vật được trọng vọng nhất trong thế giới vật lí kể từ đầu thập niên 1960 và đã có một số khám phá thuộc loại quan trọng nhất trong vật lí hiện đại. Tôi tình cờ gặp ông lần cuối tại một cuộc họp của Hội Vật lí Hoa kì ở Baltimore vào năm 1989, một năm trước khi ông qua đời. Tôi có dự một cuộc họp bên lề về những nền tảng của cơ học lượng tử trong đó người thuyết trình đề xuất một số cách hiểu mới, và rõ ràng không đáng tin. Tôi để ý thấy John Bell cũng có mặt trong hàng khán giả. Cuối buổi sáng hôm đó, tôi có dịp một mình đi thang máy với Bell lên sảnh cà phê trên tầng thượng của tòa nhà hội nghị. Để bắt chuyện với một nhân vật lớn, tôi đã hỏi xem ông nghĩ gì về bài thuyết trình vừa mới kết thúc.

“Ồ, rõ ràng anh ta sai rồi,” ông cười, “anh ta rõ ràng chẳng có chút nhận thức nào về bài toán helium.”

“Rõ ràng là không,” tôi cười hăm hở, tự hỏi bài toán helium là cái quái gì thế không biết, nhưng tôi nhìn ra là ông biết tôi hoàn toàn tán thành ý kiến của ông.

Tôi nhớ có lần hỏi Bell một câu sau một bài giảng tại trường Queen Mary College London. Ông vừa có phần trình bày rằng ông là một fan của cách hiểu của David Bohm của cơ học lượng tử mô tả toàn bộ Vũ trụ kết nối đan xen với nhau trên cấp độ lượng tử đến mức cái xảy ra với một nguyên tử ở đây trên Trái đất có thể ảnh hưởng tức thời đến một nguyên tử khác ở một thiên hà khác. Loại kết nối này giữa tất cả các hạt trong Vũ trụ được gọi là phi định xứ, hay tác dụng xa, và sẽ đòi hỏi một số kiểu truyền tín hiệu phải truyền nhanh hơn ánh sáng. Nhưng chắc chắn, tôi hỏi Bell, điều này vi phạm thuyết tương đối đặc biệt Einstein. Ông trả lời rằng ông thà bỏ thuyết tương đối chứ không bỏ thực tại, đó là cái giá mà người ta phải trả nếu tin vào quan điểm Copenhagen. Bạn thấy đó, theo Bohm, thậm chí chẳng có cái gì tồn tại trong thế giới lượng tử cho đến khi chúng ta đo nó và quan sát nó, và vì mọi thứ rốt cuộc được cấu tạo từ những vật lượng tử, nên chẳng có cái gì (không kể trang tiếp theo của quyển sách này) tồn tại cho đến khi chúng ta nhìn vào nó. Bell cho rằng nếu không đúng như vậy, thì chúng ta sẽ biết vẽ ở đâu đường ranh giới giữa thế giới vi mô tuân theo các quy tắc lượng tử và thế giới vĩ mô của cuộc sống hàng ngày?