Chương 4
CHÚNG TA CÓ THỂ DỰ BÁO TƯƠNG LAI KHÔNG?
Vào thời xa xưa, thế giới phải là một nơi vô cùng lộn xộn. Các thảm họa như lũ lụt, dịch bệnh, động đất hay núi lửa cứ xảy ra mà không có cảnh báo trước hay có mùa rõ rệt. Loài người nguyên thủy gán những hiện tượng thiên nhiên như thế cho các vị thần có tính cách thất thường và kì quái. Chẳng có cách nào đoán được họ sẽ làm gì, và hi vọng duy nhất là lấy lòng họ bằng quà biếu hay hành động. Nhiều người vẫn phần nào tán thành đức tin này và cố thỏa ước cầu may. Họ hứa sẽ xử sự tốt hơn hoặc tử tế hơn nếu họ được điểm A cho một khóa học hoặc thi đậu bằng lái xe.
Tuy nhiên, dần dần người ta phải để ý rằng có những thường kì nhất định trong hành xử của tự nhiên. Các thường kì này dễ thấy nhất là ở chuyển động của các thiên thể trên bầu trời. Vì thế thiên văn học là ngành khoa học đầu tiên được phát triển. Nó được Newton thiết lập một nền tảng toán học vững chắc cách nay hơn 300 năm, và chúng ta vẫn sử dụng lí thuyết của ông về lực hấp dẫn để dự đoán chuyển động của hầu như mọi thiên thể. Sau ví dụ thiên văn học, người ta thấy các hiện tượng thiên nhiên khác cũng tuân theo các quy luật khoa học rõ ràng. Điều này đưa đến quan niệm tất định luận khoa học, lần đầu tiên nó được giới thiệu rộng rãi bởi nhà khoa học Pháp Pierre-Simon Laplace. Tôi muốn trích dẫn với bạn những lời thật sự của Laplace, nhưng Laplace hơi giống Proust ở chỗ ông viết các câu dài dòng và phức tạp đến khác thường. Vì thế tôi quyết định giảng giải lời ông nói. Nói chung điều ông nói là nếu một lúc nào đó chúng ta biết vị trí và tốc độ của tất cả các hạt trong vũ trụ, thì chúng ta có thể tính ra hành trạng của chúng tại bất kì thời điểm nào trong quá khứ hay trong tương lai. Có một câu chuyện có lẽ được ngụy tạo kể rằng khi Napoleon hỏi Laplace rằng làm thế nào lắp khớp Chúa vào hệ thống của ông, ông đáp, “Thưa ngài, tôi không cần đến giả thuyết đó.” Tôi không nghĩ Laplace đang khẳng định rằng Chúa không tồn tại. Đó chỉ là Chúa không can thiệp để phá vỡ các định luật khoa học mà thôi. Đó phải là vị thế của mỗi nhà khoa học. Một định luật khoa học không còn là một định luật khoa học nữa nếu nó chỉ đúng khi một thế lực siêu nhiên nào đó quyết định để cho mọi thứ vận hành và không can thiệp.
Quan điểm cho rằng trạng thái của vũ trụ tại một thời điểm xác định trạng thái tại mọi thời điểm khác từng là một trụ cột trung tâm của khoa học kể từ thời Laplace. Nó ngụ ý rằng chúng ta có thể dự đoán tương lai, tối thiểu là trên nguyên tắc. Tuy nhiên, trên thực tế, khả năng của chúng ta dự đoán tương lai bị hạn chế rất nhiều bởi sự phức tạp của các phương trình, và bởi thực tế chúng thường có một tính chất gọi là hỗn độn. Như những ai từng xem Công viên Kỉ Jura đều biết, điều này có nghĩa là một nhiễu loạn tí hon ở một nơi này có thể gây ra một thay đổi lớn ở nơi khác. Một con bướm vỗ cánh ở Úc có thể gây mưa ở Central Park, New York. Vấn đề là, nó không có tính lặp lại được. Lần tiếp theo con bướm vỗ cánh của nó thì một loạt thứ khác sẽ không giống vậy nữa, nhưng nó cũng sẽ ảnh hưởng đến thời tiết. Yếu tố hỗn độn này là nguyên do khiến các kênh dự báo thời tiết có thể chẳng mấy đáng tin cậy.
Gia đình Hawking, năm 1978. Hawking và người vợ đầu, Jane, cùng hai con Robert và Lucy. Con thứ ba của họ, Timothy, ra đời vào năm sau.
Bất chấp những khó khăn thực tế này, tất định luận khoa học vẫn là giáo điều chính thức xuyên suốt thế kỉ mười chín. Tuy nhiên, vào thế kỉ hai mươi, đã có hai phát triển cho thấy tầm nhìn của Laplace, về việc dự đoán hoàn chỉnh tương lai, không thể nào hiện thực hóa được. Phát triển thứ nhất là cái gọi là cơ học lượng tử. Lí thuyết được thiết lập vào năm 1900 bởi nhà vật lí Đức Max Planck như là một giả thuyết đặc biệt, để giải quyết một nghịch lí dai dẳng. Theo các quan điểm cổ điển thế kỉ mười chín có từ thời Laplace, một vật thể nóng, như một miếng kim loại nóng đỏ, sẽ phát ra bức xạ. Nó sẽ mất năng lượng thành sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia X và tia gamma, tất cả ở tỉ lệ như nhau. Điều này có nghĩa là không những tất cả chúng ta đều chết vì ung thư da, mà mọi thứ trong vũ trụ cũng sẽ ở một nhiệt độ bằng nhau, điều đó rõ ràng là không phải.
Tuy nhiên, Planck chỉ ra rằng người ta có thể tránh được thảm họa này nếu từ bỏ quan niệm rằng lượng bức xạ có thể có giá trị bất kì, và thay vào đó ông nói rằng bức xạ chỉ xuất hiện thành từng gói hay từng lượng tử có một cỡ nhất định. Nó có chút na ná như việc nói rằng bạn không thể mua đường đổ đống trong siêu thị, nó phải được đựng trong các túi cân kí. Năng lượng trong các gói hay các lượng tử đối với tia tử ngoại và tia X là cao hơn so với đối với tia hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy. Nó có nghĩa là trừ khi một vật rất nóng, kiểu như Mặt Trời, bằng không nó sẽ không có đủ năng lượng để giải phóng dù là một lượng tử của tia tử ngoại hay tia X. Đó là lí do chúng ta không bị sạm da vì một tách cà phê.
Planck xem quan điểm về các lượng tử chỉ là một thủ thuật toán học, và không xem nó có chút thực tiễn vật chất nào, cho dù điều đó có ý nghĩa gì. Tuy nhiên, các nhà vật lí bắt đầu tìm thấy những hành trạng khác chỉ có thể giải thích được theo các đại lượng có giá trị rời rạc hay bị lượng tử hóa thay cho những đại lượng biến thiên liên tục. Ví dụ, người ta tìm thấy rằng các hạt sơ cấp hành xử có chút giống như những con quay tí hon, xoay xung quanh trục của nó. Nhưng lượng chuyển động quay không thể có giá trị bất kì. Nó phải bằng một bội số nào đó của một đơn vị cơ bản. Bởi vì đơn vị này rất nhỏ, cho nên người ta không để ý rằng một con quay bình thường thật sự chậm đi trong một chuỗi nhanh gồm những bước rời rạc, chứ không phải một quá trình liên tục. Thế nhưng, đối với những con quay nhỏ như nguyên tử, bản chất rời rạc của chuyển động quay là rất quan trọng.
Thời gian trôi qua, rồi người ta mới nhận ra các hàm ý của hành vi lượng tử này đối với tất định luận. Mãi đến năm 1927 Werner Heisenberg, một nhà vật lí Đức khác, mới chỉ ra rằng bạn không thể đo đồng thời vị trí lẫn tốc độ của một hạt thật chính xác. Để thấy một hạt ở đâu, người ta phải rọi ánh sáng lên nó. Nhưng theo công trình của Planck, người ta không thể sử dụng một lượng ánh sáng nhỏ tùy ý được. Người ta phải dùng ít nhất một lượng tử. Điều này sẽ gây nhiễu với hạt và làm thay đổi tốc độ của nó theo một kiểu không thể dự đoán được. Để đo vị trí của một hạt thật chính xác, bạn sẽ phải sử dụng ánh sáng có bước sóng ngắn, như tia tử ngoại, tia X hay tia gamma. Nhưng một lần nữa, theo công trình của Planck, các lượng tử của những dạng ánh sáng này có năng lượng cao hơn của ánh sáng nhìn thấy. Vì thế chúng sẽ gây nhiễu tốc độ của hạt đó. Đó là một tình huống cầm hòa: bạn cố đo vị trí của một hạt càng chính xác, thì bạn có thể biết tốc độ của nó càng kém chính xác, và ngược lại. Điều này được tóm gọn trong Nguyên lí Bất định do Heisenberg thiết lập; độ bất định về vị trí của một hạt nhân với độ bất định về tốc độ của nó luôn lớn hơn một đại lượng gọi là hằng số Planck, chia cho hai lần khối lượng của hạt đó.
Tầm nhìn của Laplace về tất định luận khoa học liên quan đến việc biết tốc độ và vị trí của các hạt trong vũ trụ, tại một thời điểm nào đó. Vì thế nó bị xói mòn nghiêm trọng bởi Nguyên lí Bất định của Heisenberg. Làm thế nào người ta có thể dự đoán tương lai, khi mà người ta không thể đo chính xác đồng thời vị trí và tốc độ của các hạt ở thời hiện tại? Cho dù bạn có một cỗ máy tính mạnh bao nhiêu, nếu bạn nạp vào đó dữ liệu không sạch thì bạn sẽ thu được các dự đoán không sạch.
Einstein đã rất bực mình trước sự ngẫu nhiên biểu kiến này trong tự nhiên. Quan điểm của ông được tóm gọn trong câu nói nổi tiếng của ông, “Chúa không chơi xúc xắc”. Dường như ông cảm thấy rằng sự bất định chỉ là tạm thời thôi và rằng có một thực tại nền tảng, trong đó các hạt sẽ có vị trí và tốc độ rõ rệt và sẽ diễn tiến theo các định luật tất định luận theo tinh thần Laplace. Thực tại này có thể được Chúa biết, song bản chất lượng tử của ánh sáng sẽ ngăn chúng ta nhìn thấy nó, ngoại trừ nhìn qua một cái kính lờ mờ.
Quan điểm của Einstein là cái ngày nay sẽ được gọi là lí thuyết một biến ẩn. Các lí thuyết ẩn biến có vẻ là cách dễ thấy nhất để sáp nhập Nguyên lí Bất định vào vật lí. Chúng tạo nên cơ sở của bức tranh tinh thần về vũ trụ của nhiều nhà khoa học, và hầu như của mọi triết gia khoa học. Thế nhưng các lí thuyết ẩn biến này là sai. Nhà vật lí Anh John Bell đã nghĩ ra một phép thử thực nghiệm có thể bác bỏ các lí thuyết ẩn biến. Khi thí nghiệm đó được tiến hành thận trọng, các kết quả không phù hợp với các biến ẩn. Do đó, có vẻ như Chúa cũng bị ràng buộc bởi Nguyên lí Bất định và không thể biết đồng thời vị trí và tốc độ của một hạt. Tất cả bằng chứng đều hướng tới Chúa là một con bạc nghiện, người tung xúc xắc cho mỗi tình huống khả dĩ.
Các nhà khoa học khác thì sẵn lòng hơn nhiều so với Einstein, họ chấp nhận sửa đổi quan niệm cổ điển của thế kỉ mười chín về tất định luận. Một lí thuyết mới, cơ học lượng tử, đã được thiết lập bởi Heisenberg, Erwin Schrodinger đến từ Áo và nhà vật lí Anh Paul Dirac. Dirac là người tiền nhiệm của tôi với cương vị Giáo sư ngạch Lucasian tại Cambridge. Mặc dù cơ học lượng tử đã tồn tại gần bảy mươi năm, song nói chung nó vẫn chưa được hiểu và đánh giá đúng, kể cả bởi những người dùng nó để làm tính toán. Thế nhưng nó liên quan đến tất cả chúng ta, bởi vì nó hoàn toàn khác với bức tranh cổ điển về vũ trụ vật chất, và về chính thực tại. Trong cơ học lượng tử, các hạt không có tốc độ và vị trí rõ rệt. Thay vậy, chúng được biểu diễn bởi cái gọi là hàm sóng. Đây là một con số tại mỗi điểm của không gian. Cỡ của hàm sóng cho biết xác suất hạt đó sẽ được tìm thấy tại vị trí đó. Tốc độ mà hàm sóng biến thiên từ điểm này sang điểm khác cho biết tốc độ của hạt. Người ta có thể có một hàm sóng đạt cực đại rất mạnh trong một vùng nhỏ. Điều này sẽ có nghĩa là độ bất định về vị trí là nhỏ. Song hàm sóng đó sẽ biến thiên rất nhanh gần cực đại đó, tăng ở bên này và giảm ở bên kia. Thành ra độ bất định về tốc độ sẽ lớn. Tương tự, người ta có thể có những hàm sóng trong đó độ bất định về tốc độ là nhỏ nhưng độ bất định về vị trí là lớn.
Hàm sóng chứa tất cả những điều người ta có thể biết về hạt, cả vị trí của nó và tốc độ của nó. Nếu bạn biết hàm sóng tại một thời điểm, thì giá trị của nó tại những thời điểm khác được xác định bằng cái gọi là phương trình Schrodinger. Như vậy, người ta vẫn có một kiểu tất định luận, song nó không thuộc loại mà Laplace hình dung. Thay vì có thể dự đoán vị trí và tốc độ của các hạt, toàn bộ những gì chúng ta có thể dự đoán là hàm sóng mà thôi. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể dự đoán chỉ một nửa cái chúng ta có thể làm theo quan niệm cổ điển thế kỉ mười chín.
Mặc dù cơ học lượng tử đưa đến sự bất định khi chúng ta cố gắng dự đoán cả vị trí lẫn tốc độ, song nó vẫn cho phép chúng ta dự đoán, với một độ xác định nào đó, một kết hợp của vị trí và tốc độ. Tuy nhiên, ngay cả mức xác định này cũng có vẻ bị đe dọa bởi những phát triển trong thời gian gần đây hơn. Vấn đề phát sinh bởi vì lực hấp dẫn có thể bẻ cong không-thời gian nhiều đến mức có thể có những vùng không gian chúng ta không thể quan sát được.
Các vùng không gian ấy là phần bên trong của lỗ đen. Điều đó có nghĩa là chúng ta không thể, dù là trên nguyên tắc, quan sát các hạt ở bên trong một lỗ đen. Vì thế chúng ta không thể đo vị trí hay vận tốc gì của chúng hết. Như vậy vấn đề phát sinh là liệu điều này có làm cho độ bất định trong dự đoán vượt quá mức được tìm thấy trong cơ học lượng tử hay không.
Tóm lại, quan niệm cổ điển, do Laplace nêu ra, cho rằng chuyển động tương lai của các hạt là hoàn toàn tất định, nếu người ta biết vị trí và tốc độ của chúng tại một thời điểm. Quan niệm này phải sửa đổi khi Heisenberg thiết lập Nguyên lí Bất định của ông, nó nói rằng người ta không thể biết chính xác đồng thời vị trí và tốc độ. Tất nhiên, người ta vẫn có thể dự đoán một kết hợp của vị trí và tốc độ. Thế nhưng có lẽ ngay cả khả năng dự đoán hạn chế này cũng có thể không còn nữa nếu xét đến các lỗ đen.
--
Các định luật chi phối vũ trụ có cho phép chúng ta dự báo chính xác cái sắp xảy ra với chúng ta trong tương lai hay không?
Câu trả lời ngắn gọn là không, và có. Trên nguyên tắc, các định luật cho phép chúng ta dự báo tương lai. Nhưng trên thực tế các phép tính thường là quá khó.
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn | Stephen Hawking
