Không giống triết học, logic học, hay toán học thuần túy, vật lí là một khoa học vừa mang tính kinh nghiệm vừa mang tính định lượng.1 Nó dựa trên việc kiểm tra và xác thực các ý tưởng thông qua quan sát, đo lường, và thực nghiệm tái tạo được. Mặc dù thỉnh thoảng các nhà vật lí có thể đề xuất những lí thuyết toán học mới lạ và kì quái, song số đo duy nhất đúng về hiệu quả và sức mạnh của họ là họ có mô tả được các hiện tượng trong thế giới thực mà chúng ta có thể kiểm tra hay không. Đây là lí do vì sao Stephen Hawking chưa từng giành Giải Nobel cho công trình của ông hồi giữa thập niên 1970 về cách lỗ đen phát xạ năng lượng, một hiện tượng gọi là sự phát bức xạ Hawking: Giải Nobel chỉ được trao cho những lí thuyết hay khám phá đã được xác nhận thực nghiệm. Tương tự, Peter Higgs và những tác giả khác đã đưa ra một dự đoán phải chờ nửa thế kỉ thì sự tồn tại của boson Higgs mới được xác nhận tại Máy Va chạm Hạt Lớn.
Đó cũng là lí do vì sao vật lí học với vai trò một ngành khoa học chỉ bắt đầu có những tiến bộ thật sự ấn tượng một khi các công cụ và thiết bị cần thiết để kiểm tra các lí thuyết – thông qua quan sát, thực nghiệm, và đo lường định lượng – được phát minh. Người Hi Lạp cổ đại có thể xuất sắc về tư duy trừu tượng, họ đã phát triển những ngành như triết học và hình học đến một mức phức tạp vẫn có giá trị cho đến ngày nay, thế nhưng – không kể Archimedes – họ không nổi tiếng lắm về năng lực thực nghiệm. Thế giới vật lí chỉ thật sự ra đời vào thế kỉ mười bảy, nhờ phạm vi rộng được mở ra bởi sự ra đời của hai thiết bị quan trọng nhất của mọi khoa học: kính thiên văn và kính hiển vi.
Nếu như chúng ta chỉ có thể tìm hiểu thế giới mà chúng ta có thể trông thấy với đôi mắt trần của mình, thì vật lí học đã không tiến xa như thế. Phạm vi bước sóng có thể ‘nhìn thấy được’ bởi mắt người chỉ là một lát mỏng của phổ điện từ đầy đủ, và đôi mắt của chúng ta bị ràng buộc chỉ nhìn thấy những vật thể không quá nhỏ và không quá xa. Mặc dù trên nguyên tắc chúng ta có thể nhìn xa vô tận, miễn là có đủ số photon đi vào mắt chúng ta (và miễn là có thời gian vô hạn cho chúng đi tới chúng ta!), nhưng điều này không có khả năng đem lại cho chúng ta sự tường tận hữu ích. Thế nhưng, một khi kính hiển vi và kính thiên văn được phát minh, chúng đã mở ra những cánh cửa sổ nhìn vào thế giới làm tăng rất nhiều nhận thức của chúng ta, phóng đại những vật rất nhỏ và mang ở những vật ở rất xa đến gần hơn. Cuối cùng, chúng ta có thể thực hiện các quan sát, và các phép đo cụ thể, để kiểm tra và hiệu chỉnh các ý tưởng của mình.
Vào ngày 7 tháng Một 1610, Galileo đã hướng chiếc kính thiên văn nhỏ do ông tự cải tiến và chế tạo về phía bầu trời và làm tan biến mãi mãi quan niệm cho rằng chúng ta ngự tại trung tâm của vũ trụ.2 Ông đã quan sát bốn vệ tinh của Mộc tinh và suy luận đúng rằng mô hình nhật tâm của Copernicus là đúng – rằng Trái đất chuyển động xung quanh Mặt trời chứ không phải ngược lại. Bằng cách quan sát các vật thể trong quỹ đạo xung quanh Mộc tinh, ông chỉ ra rằng không phải mọi thiên thể đều quay xung quanh chúng ta. Trái đất không nằm tại trung tâm của vũ trụ, mà chỉ là một hành tinh khác, giống như Mộc tinh, Kim tinh, và Hỏa tinh, đang quay xung quanh Mặt trời. Với khám phá đó, Galileo đã khai sinh ra thiên văn học hiện đại.
Thế nhưng đó chưa hẳn là một cuộc cách mạng trong thiên văn học mà Galileo sẽ mang lại. Ông còn giúp xây dựng phương pháp khoa học trên một nền tảng chắc chắn hơn. Dựa trên công trình của nhà vật lí Arab thời trung đại Abn al-Haytham, Galileo đã ‘toán hóa’ vật lí học. Trong khi phát triển các liên hệ toán học mô tả, và quả vậy dự đoán, chuyển động của các vật, ông đã chỉ ra rõ ràng rằng, như lời của ông, quyển sách của tự nhiên ‘được viết bằng ngôn ngữ toán học’.3
Ở đầu bên kia của cấp độ của những quan sát thiên văn của Galileo, một thế giới mới rất khác đã được mở ra bởi Robert Hooke và Antonie van Leeuwenhoek với kính hiển vi. Quyển sách nổi tiếng của Hooke, Micrographia, được xuất bản vào năm 1665, có chứa những hình vẽ tuyệt vời về những thế giới tí hon, từ mắt ruồi và lông lưng bọ chét cho đến từng tế bào thực vật, chưa ai từng trông thấy chúng trước đó.
Ngày nay, phạm vi cấp độ được con người khám phá là đáng kinh ngạc. Với kính hiển vi điện tử chúng ta có thể nhìn thấy từng nguyên tử, đường kính chỉ bằng một phần mười triệu của một mili mét, và với những chiếc kính thiên văn khổng lồ chúng ta có thể săm soi những ranh giới xa xôi nhất của vũ trụ quan sát được ở xa 46,5 tỉ năm ánh sáng.4 Không một ngành khoa học nào khác nghiên cứu một phạm vi cấp độ lớn đến thế. Thật vậy, hãy quên độ phân giải đến kích cỡ nguyên tử đi, một đội tại Đại học St Andrews ở Scotland mới đây đã cho tôi xem một thứ ấn tượng thiếu điều muốn nổ banh não khi tiến tới đo cấp độ dài nhỏ nhất. Họ đi tới một cách đo bước sóng ánh sáng bằng một dụng cụ gọi là sóng kế (wavemeter) đến độ chuẩn xác một atto mét – hay một phần nghìn đường kính của một proton. Họ làm điều này bằng cách cho ánh sáng laser đi qua một sợi quang ngắn, nén ánh sáng thành một dạng hạt gọi là ‘speckle’, sau đó theo dõi dạng này thay đổi như thế nào theo những điều chỉnh tinh vi đối với bước sóng ánh sáng.
Và vật lí học không chỉ bao quát phạm vi cấp độ dài; mà chúng ta còn có thể đo thời gian từ những phần nhỏ của một cái chớp mắt cho đến ngàn đời vũ trụ. Đây là một ví dụ đáng kinh ngạc. Trong một thí nghiệm được thực hiện ở Đức vào năm 2016, các nhà vật lí đã đo một khoảng thời gian ngắn hầu như không tưởng tượng nỗi. Họ nghiên cứu một hiện tượng gọi là hiệu ứng quang điện, trong đó các photon giải phóng electron bằng cách đánh bật chúng ra khỏi nguyên tử. Quá trình đã được giải thích chính xác lần đầu tiên bởi Einstein vào năm 1905 trong một bài báo nổi tiếng nhờ đó mà ông giành Giải Nobel nhiều năm sau này (chứ không phải cho công trình của ông về thuyết tương đối, như bạn có thể tưởng lầm). Ngày nay, quá trình đánh bật electron ra khỏi vật liệu như vậy được gọi là quang phát xạ và là cách chúng ta biến ánh sáng mặt trời thành điện trong pin mặt trời.
Trong thí nghiệm năm 2016, hai laser đặc biệt được dùng đến. Laser thứ nhất chiếu một xung tử ngoại ngắn gần như không tưởng tượng nỗi vào một luồng khí helium. Độ dài của xung này chỉ bằng một phần mười nghìn của một phần nghìn tỉ của một giây, hay 100 atto giây (10-18 giây).5 Laser thứ hai có năng lượng yếu hơn (tần số của nó nằm trong vùng hồng ngoại) và độ dài xung của nó hơi dài hơn laser thứ nhất một chút. Nhiệm vụ của nó là bắt giữ electron, cho phép các nhà nghiên cứu tính ra thời gian cần thiết để chúng bị đánh bật ra. Các nhà nghiên cứu tìm thấy thời gian này còn nhanh hơn: chỉ một phần mười độ dài của xung laser thứ nhất. Cái thú vị ở kết quả này là các electron bật ra thật sự có kéo lê gót một chút. Bạn thấy đó, mỗi nguyên tử helium có chứa hai electron, và các electron bị bật ra chịu tác động của đối tác mà chúng bỏ lại, thành ra làm hoãn một chút quá trình bay vọt ra. Thật choáng ngợp khi nghĩ tới một quá trình vật lí chỉ diễn ra trong vài atto giây lại thật sự có thể được đo như vậy trong phòng thí nghiệm.
Trong lĩnh vực vật lí hạt nhân mà tôi nghiên cứu, có những quá trình còn nhanh hơn quá trình này, mặc dù chúng không thể được đo trực tiếp trong phòng thí nghiệm. Thay vậy, chúng tôi phát triển các mô hình máy tính để giải thích những cấu trúc khác nhau của hạt nhân nguyên tử và các quá trình xảy ra khi hai hạt nhân va chạm và tương tác. Ví dụ, bước thứ nhất trong sự nhiệt hạch – khi hai hạt nhân nhẹ tiến đến với nhau giống như sự nối liền hai giọt nước để tạo ra một hạt nhân nặng hơn nữa – liên quan đến sự tổ chức lại rất nhanh của toàn bộ proton và neutron trong cả hai hạt nhân thành hạt nhân kết hợp mới. Quá trình lượng tử này diễn ra chưa tới một zepto giây (10-21 giây).
Tại thái cực kia của thang đo thời gian, các nhà vũ trụ học và các nhà thiên văn học đã có thể tính ra tuổi của vũ trụ (phần vũ trụ của chúng ta) chính xác đến mức ngày nay chúng ta tin chắc rằng Big Bang đã xảy ra hồi 13,8242 tỉ năm trước (sai lệch vài triệu năm). Sự tin chắc của chúng ta vào giá trị này nghe có vẻ ngạo mạn đối với một số người – và còn khó tin hơn nữa đối với những ai vẫn đang bám víu lấy ý tưởng thời trung cổ rằng vũ trụ chỉ sáu nghìn năm tuổi – vì thế hãy để tôi giải thích cách chúng ta thu được con số này.
Trước tiên hãy để tôi nêu hai giả thuyết quan trọng, tôi sẽ thảo luận chi tiết hơn về chúng ở phần sau, còn lúc này tôi chỉ nói rằng chúng đều được hậu thuẫn mạnh mẽ bởi bằng chứng quan sát: (1) các định luật vật lí là như nhau ở mọi nơi trong vũ trụ của chúng ta, và (2) không gian trông y hệt nhau theo mọi hướng (mật độ như nhau và phân bố như nhau của các thiên hà). Điều này đem lại cho chúng ta sự tự tin rằng chúng ta có thể sử dụng các quan sát được thực hiện từ Trái đất, hoặc thông qua các đài thiên văn trên vệ tinh quay xung quanh Trái đất, để tìm hiểu về toàn cõi vũ trụ. Làm như vậy cho phép chúng ta tính ra tuổi của vũ trụ bằng vài cách khác nhau.
Ví dụ, ta có thể học được rất nhiều bằng cách nghiên cứu các sao trong thiên hà của chúng ta. Chúng ta biết các sao có thể sống bao lâu, tùy thuộc vào kích cỡ và độ sáng của chúng, những yếu tố xác định tốc độ đốt cháy nhiên liệu của chúng thông qua sự nhiệt hạch. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể tính ra tuổi của các sao già nhất, thiết lập một giới hạn dưới cho tuổi của thiên hà của chúng ta, đến lượt nó tuổi thiên hà này đem lại cho chúng ta một giới hạn dưới về tuổi của vũ trụ. Vì các sao già nhất vào khoảng 12 tỉ năm tuổi, nên vũ trụ không thể trẻ hơn con số ấy.
Thế rồi, bằng cách đo độ sáng và màu sắc của ánh sáng đi vào kính thiên văn của chúng ta từ những thiên hà ở xa, chúng ta có thể tính ra vũ trụ đang giãn nở nhanh bao nhiêu, cả ở hiện nay và trong quá khứ. Chúng ta nhìn ra càng xa, thì chúng ta thám hiểm càng lùi về thời gian, vì ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy phải mất hàng tỉ năm để đi tới chúng ta và do đó cung cấp cho chúng ta thông tin về quá khứ xa xăm. Và nếu chúng ta biết vũ trụ đang giãn nở nhanh bao nhiêu, ta có thể vặn ngược đồng hồ đến thời điểm khi vạn vật bị nén lại vào cùng một nơi: thời khắc ra đời của vũ trụ.
Làm việc độc lập một chút, bằng cách nghiên cứu những biến thiên nhỏ xíu về nhiệt độ của không gian sâu thẳm (cái gọi là phông nền vi sóng vũ trụ) ta có thể thu được một ảnh chộp nhanh chính xác của vũ trụ như nó vốn thế trước khi bất kì ngôi sao và thiên hà nào ra đời, chỉ vài trăm nghìn năm sau Big Bang. Điều này cho phép chúng ta ấn định tuổi của vũ trụ còn chính xác hơn.
Mặc dù trước tiên phải nói rằng vật lí học đã cho phép chúng ta tìm hiểu về vũ trụ ở những thang bậc khoảng cách và thời gian ngắn nhất và dài nhất, song điều tôi thấy nổi bật không kém là chúng ta đã khám phá các định luật vật lí áp dụng được cho toàn bộ những phạm vi này. Có lẽ bạn chẳng thấy điều này có gì bất ngờ; có lẽ điều tự nhiên với bạn là giả sử các định luật của tự nhiên hoạt động ở cấp độ con người cũng sẽ hoạt động ở những cấp độ khác của khoảng cách, thời gian, và năng lượng. Thế nhưng điều này còn lâu mới là hiển nhiên.
Để tiếp tục nội dung này, tôi sẽ giới thiệu ba khái niệm không phải lúc nào cũng được dạy cho sinh viên vật lí, nhưng đó là những khái niệm tất nhiên nhất: tính vạn vật, sự đối xứng, và giản hóa luận.
TÍNH VẠN VẬT
Định luật ‘vạn vật’6 đầu tiên của vật lí học được khám phá bởi Isaac Newton.7 Cho dù ông có chứng kiến một quả táo rơi từ trên cành xuống trong khu vườn của mẹ ông hay không, từ đó kích thích ông phát triển định luật hấp dẫn của mình, hay công thức toán học làm rõ định luật này trông như thế nào, đều không quan trọng ở đây. Điểm mấu chốt là Newton nhận ra rằng lực hút quả táo xuống đất có cùng nguồn gốc với lực giữ cho Mặt trăng trong quỹ đạo quay xung quanh Trái đất – một liên hệ toán học đơn giản có thể mô tả tốt cả hai quá trình ấy. Cách vật thể hành xử do trọng trường trên Trái đất này y hệt như cách hành xử của Mặt trăng quay xung quanh Trái đất, các hành tinh quay xung quanh Mặt trời, và Mặt trời quay xung quanh tâm của thiên hà Ngân hà. Lực hấp dẫn định hình sự sống trên Trái đất cũng chính là lực đã định hình toàn cõi vũ trụ kể từ Big Bang. Thực tế mô tả của Newton về lực hấp dẫn đã bị thay thế bởi một mô tả chính xác hơn của Einstien hơn hai thế kỉ sau này không làm suy suyễn nhận thức về tính vạn vật của lực hấp dẫn.
Thuyết tương đối rộng của Einstein, được cải tiến trên các dự đoán của Newton, còn đem lại cho chúng ta một mô tả hoàn toàn mới về thực tại, tôi sẽ khảo sát điều đó tận tường hơn ở chương tiếp theo. Quả vậy, lí thuyết của Einstein chứng minh một tính vạn vật khá đáng kinh ngạc, và ở đây tôi sẽ chỉ đề cập một phương diện của nó để làm nổi bật cái tôi muốn nói. Dạng thức toán học đẹp đẽ mà Einstein trình làng trước thế giới vào năm 1915 còn là lí thuyết tốt nhất hiện nay của chúng ta về bản chất của không gian và thời gian, và nó cực kì chính xác. Nó cũng dự đoán đúng rằng trường hấp dẫn sẽ làm chậm sự trôi qua của thời gian: trường hấp dẫn càng mạnh, thì thời gian trôi càng chậm. Hiệu ứng này có hệ quả kì lạ đó là thời gian trôi hơi chậm hơn một tí trong lõi Trái đất (ở sâu trong giếng hấp dẫn của nó) so với trên mặt đất. Sự chênh lệch tuổi tác này đã tích góp trong hơn bốn tỉ rưỡi năm tồn tại của hành tinh chúng ta, nghĩa là lõi Trái đất trẻ hơn lớp vỏ hai năm rưỡi. Nói cách khác, ứng với sáu mươi năm lịch sử Trái đất, lõi của nó già đi kém một giây so với lớp vỏ của nó. Con số này được tính bằng công thức có từ thuyết tương đối rộng, và không phải mọi thứ đều rõ ràng khi kiểm tra nó trên thực nghiệm, mà vấn đề là niềm tin của chúng ta vào công thức ấy khiến không nhà vật lí nào có chút nghi ngờ đối với tính xác thực của nó.
Nếu bạn suy nghĩ về dự đoán trên, thì bạn có thể thấy nó có phần nghịch lí. Xét cho cùng, nếu chúng ta khoan một cái lỗ xuyên vào Trái đất, sau đó đi xuống tâm của nó, chúng ta sẽ không còn cảm thấy các hiệu ứng của lực hấp dẫn vì Trái đất sẽ hút chúng ta đồng đều theo mọi hướng – chúng ta sẽ cảm thấy không trọng lượng. Tuy nhiên, hiệu ứng về thời gian không phải do cường độ của lực hấp dẫn tại tâm Trái đất, nó bằng không, mà do ‘thế’ hấp dẫn ở đó. Đây là lượng năng lượng cần thiết để hút một vật từ vị trí đó ra một nơi ở xa hoàn toàn khỏi trọng trường của Trái đất. Một nhà vật lí sẽ nói rằng lõi Trái đất nằm trong phần sâu nhất của giếng thế của Trái đất, nơi thời gian trôi chậm lại nhất.
Chúng ta thậm chí có thể đo độ chênh lệch về tốc độ của dòng thời gian trên độ cao chỉ vài ba mét. Một cái đồng hồ trên tầng lầu nhà bạn ở trong thế hấp dẫn yếu hơn một chút (xa lõi Trái đất hơn) so với một cái đồng hồ dưới tầng trệt, và vì thế nó chạy hơi nhanh hơn một chút. Song hiệu ứng này vô cùng nhỏ: hai cái đồng hồ sẽ bị lệch đồng bộ đúng một giây sau mỗi trăm triệu năm.
Nếu bạn đang cảm thấy hoài nghi về toàn bộ điều này, thì hãy để tôi cam đoan với bạn rằng tác dụng định lượng của lực hấp dẫn lên thời gian là rất thật; nếu chúng ta không xét đến nó trong viễn thông hiện đại, thì điện thoại thông minh trong túi bạn sẽ không thể xác định vị trí của bạn một cách gần như chính xác như thế. Nơi bạn ở trên Trái đất được xác định dựa trên việc điện thoại của bạn gửi đi và nhận về tín hiệu từ một vài vệ tinh GPS trên quỹ đạo. Thời gian cần thiết cho các sóng điện từ này đi hết quãng đường phải được biết trong độ chuẩn xác vài phần trăm của một micro giây (vì thế vị trí của bạn có thể được xác định trong độ chuẩn xác vài ba mét). Thế nhưng cách này sẽ không hoạt động được nếu chúng ta giả định rằng thời gian trôi ở tốc độ như nhau ở mọi nơi. Trên thực tế, các đồng hồ nguyên tử chính xác cao trên các vệ tinh nhận thêm 40 phần triệu của một giây mỗi ngày và vì thế chúng phải được làm chậm lại một cách tinh vi để khớp với tốc độ của các đồng hồ trên mặt đất vốn chạy chậm hơn. Không có điều này, các đồng hồ trên vệ tinh sẽ chạy nhanh lên và vị trí GPS của bạn sẽ bị trôi giạt mười kilo mét mỗi ngày – đem lại thông tin vô dụng.
Một điều cũng nổi bật là chính các phương trình đó của thuyết tương đối rộng dự đoán cách lực hấp dẫn gây ra những biến đổi nhỏ xíu đối với tốc độ chạy của đồng hồ cũng có thể cho chúng ta biết về những cấp thời gian dài nhất có thể tưởng tượng, lập bản đồ lịch sử vũ trụ trong hàng tỉ năm ngược về cho đến Big Bang, và còn dự đoán tương lai của nó. Thuyết tương đối của Einstein áp dụng tốt như nhau ở những khoảng thời gian ngắn nhất và dài nhất.
Thế nhưng tính vạn vật này chỉ kéo dài cho đến nay thôi. Chúng ta biết rằng, ở những cấp độ dài và thời gian nhỏ bé nhất, vật lí học của thế giới thường ngày của chúng ta (dù theo Newton hay Einstein) sụp đổ và phải bị thay thế bởi những dự đoán của cơ học lượng tử. Quả vậy, như tôi sẽ giải thích trong những chương tiếp theo, định nghĩa căn bản nhất của thời gian theo thuyết lượng tử là khác hoàn toàn với cách nó bước vào thuyết tương đối rộng, đó chỉ là một trong nhiều thách thức mà các nhà vật lí đang đối mặt trong những nỗ lực của họ nhằm kết hợp thuyết tương đối và cơ học lượng tử thành một lí thuyết thống nhất về lực hấp dẫn lượng tử.
SỰ ĐỐI XỨNG
Tính vạn vật của các định luật của tự nhiên đã và đang mê hoặc các cội nguồn toán học và liên hệ với một trong những ý tưởng quyền năng nhất trong khoa học: sự đối xứng. Ở một mức thô, mọi người đều hiểu một hình dạng đối xứng có nghĩa là gì. Một hình vuông là đối xứng vì nếu bạn vẽ một đường thẳng đứng đi qua tâm của nó, chia nó làm hai nửa (hoặc làm điều tương tự với một đường nằm ngang hoặc đường chéo), thì việc tráo đổi hai nửa không làm thay đổi hình dạng của nó. Bạn cũng thu được kết quả giống vậy nếu bạn quay nó đi 90 độ. Một đường tròn đối xứng hơn nữa, vì bạn có thể quay nó đi một góc tùy ý mà không làm thay đổi diện mạo của nó.
Trong vật lí học, các đối xứng có thể cho chúng ta biết đôi điều sâu sắc hơn nhiều về thực tại hơn là sự bất biến của những hình dạng nhất định khi chúng bị quay hay đảo lật. Khi các nhà vật lí nói một hệ vật chất có đối xứng, ý họ muốn nói một tính chất nào đó của hệ vẫn không đổi khi thứ khác biến đổi. Đây hóa ra là một khái niệm rất quyền năng. Các đối xứng ‘toàn cầu’ là khi các định luật vật lí vẫn không đổi (không có sự thay đổi ở cách chúng mô tả một đặc trưng nào đó của thế giới) trong khi một thay đổi, hay ‘chuyển hóa’, nào đó khác tác dụng đồng đều ở mọi nơi. Vào năm 1915, Emmy Noether đã khám phá rằng, ở nơi nào chúng ta nhìn thấy một đối xứng toàn cầu như thế trong tự nhiên, ở đó ta có thể đảm bảo tìm thấy một định luật bảo toàn (một đại lượng vật lí giữ không đổi). Ví dụ, thực tế các định luật vật lí không thay đổi khi bạn chuyển từ nơi này sang nơi khác cho chúng ta định luật bảo toàn động lượng, và thực tế các định luật vật lí không thay đổi từ lúc này sang lúc khác cho chúng ta định luật bảo toàn năng lượng.
Điều này tỏ ra là một ý tưởng cực kì hữu ích trong vật lí lí thuyết và có những hệ quả triết lí sâu sắc. Các nhà vật lí luôn tìm kiếm những đối xứng sâu sắc hơn, kém rõ nét hơn ẩn náu trong toán học của họ. Định lí Noether cho chúng ta biết rằng chúng ta không ‘phát minh’ ra toán học để có một cách mô tả thế giới, mà đúng hơn, như Galileo đã quan sát, tự nhiên trò chuyện bằng ngôn ngữ toán học, nó ‘ở đó’, sẵn sàng và chờ được khám phá.
Việc tìm kiếm những đối xứng mới còn giúp các nhà vật lí trong công cuộc tìm kiếm cách thống nhất các lực của tự nhiên. Một đối xứng toán học như thế – nó không dễ gì giải thích – được gọi là siêu đối xứng. Chúng ta chưa biết đây có phải là một tính chất đúng của tự nhiên hay không, nhưng nếu đúng, thì nó có thể giúp chúng ta giải được một số bí ẩn, ví dụ như vật chất tối được làm bằng gì và lí thuyết dây có là lí thuyết đúng về lực hấp dẫn lượng tử hay không. Vấn đề là đối xứng này dự đoán sự tồn tại của một số hạt hạ nguyên tử cho đến nay chưa được tìm thấy. Cho đến khi chúng ta có được sự xác nhận thực nghiệm, siêu đối xứng vẫn chỉ là một ý tưởng toán học tinh tế.
Các nhà vật lí cũng học được rất nhiều – và giành được một đống Giải Nobel cho những nỗ lực của họ – bằng cách cố tìm kiếm ngoại lệ cho những quy tắc và định luật mà những đối xứng này đem lại cho chúng ta, một ý tưởng được gọi là ‘phá vỡ đối xứng’. Bạn có bao giờ ngồi vào một bàn ăn tròn ở nhà hàng hay tại một chỗ được trang hoàng lộng lẫy và quên mất đĩa bánh mì cuộn của mình nằm ở bên trái hay bên phải mình chưa? Trước khi có vị khách nào đó trong bàn của bạn chạm tay vào thứ gì, thì sự bố trí bát đĩa, ly tách và dao nĩa trên bàn là đối xứng. Bên nào cũng như bên nấy, không quan trọng đĩa bánh mì của bạn nằm ở bên nào, nhưng ngay khi có một người thực hiện lựa chọn và đẩy (đúng) đĩa bánh mì bên cạnh sang bên trái họ, thì đối xứng hoàn hảo ấy bị phá vỡ và những người khác có thể thoải mái làm theo.
Sự phá vỡ đối xứng đã giúp các nhà vật lí tìm hiểu những viên gạch cấu trúc của vật chất: các hạt sơ cấp, và các lực giữa chúng. Ví dụ nổi tiếng nhất liên quan đến một trong hai loại lực tác dụng bên trong phạm vi hạt nhân nguyên tử, gọi là lực hạt nhân yếu. Cho đến những năm 1950, người ta vẫn cho rằng các định luật vật lí là y như vậy trong ảnh qua gương của vũ trụ chúng ta. Ý tưởng này (hoán đổi trái phải) được gọi là ‘bảo toàn tính chẵn lẻ’ và được tuân thủ bởi ba lực kia của tự nhiên: lực hấp dẫn, lực điện từ, và lực hạt nhân mạnh. Thế nhưng hóa ra lực hạt nhân yếu, lực làm cho proton và neutron chuyển hóa lẫn nhau, phá vỡ đối xứng gương này. Nó không đưa đến cơ sở vật lí y hệt khi bên trái và bên phải được hoán đổi cho nhau. Ngày nay, sự vi phạm đối xứng gương này tạo nên một thành phần quan trọng trong Mô hình Chuẩn của vật lí hạt.
GIẢN HÓA LUẬN
Phần nhiều khoa học hiện đại được xây dựng trên ý tưởng rằng để tìm hiểu một tính chất phức tạp nào đó của thế giới, chúng ta cần chia nhỏ nó thành các bộ phận cơ bản của nó, giống như việc tháo gỡ một chiếc đồng hồ cơ để xem các bánh răng và đòn bẩy khớp với nhau như thế nào để làm cho nó hoạt động. Quan điểm này, rằng cái tổng thể không gì hơn là tổng các bộ phận của nó, được gọi là giản hóa luận, và nó từng là nguyên liệu chính của nhiều bộ môn khoa học cho đến ngày nay. Ý tưởng có từ thời nhà triết học Hi Lạp, Democritus, và quan niệm của ông về nguyên tử luận – rằng vật chất không thể được chia nhỏ vô hạn mà thay vậy nó được cấu tạo bởi những viên gạch cấu trúc cơ bản. Những nhà triết học sau này, như Plato và Aristotle, cãi lại nguyên tử luận, họ tin rằng phải có thứ gì đó bị bỏ sót, họ tin rằng đó là ‘hình thức của sự vật’, và nó phải được thêm vào chính chất đó. Ví dụ, xét hình thức một bức tượng. Ý nghĩa của nó và cốt lõi của nó chẳng gì hơn là đá cấu tạo nên nó. Quan niệm siêu hình học mơ hồ này không phải là một bộ phận của vật lí hiện đại. Song việc suy nghĩ về các sự vật theo cách này giúp đưa ra một lập luận rõ ràng hơn chống lại giản hóa luận.
Hãy xét một ví dụ khác: nước. Chúng ta có thể nghiên cứu các tính chất của một phân tử H2O bao nhiêu tùy thích: dạng hình học của các liên kết giữa nguyên tử oxygen và hydrogen và các quy tắc lượng tử chi phối dạng hình học này, cách các phân tử nước bám dính vào nhau và tự sắp xếp, và vân vân. Thế nhưng chúng ta sẽ không thể suy diễn tính chất ‘ướt’ của nước chỉ bằng cách nhìn vào các bộ phận cấu thành của nó ở cấp độ phân tử. Tính chất ‘biểu kiến’ này chỉ trở nên rõ rệt khi hàng nghìn tỉ phân tử nước ở chung trong một khối.
Phải chăng điều này có ngụ ý rằng cái toàn thể chẳng gì hơn là tổng các bộ phận của nó, theo nghĩa là chúng ta cần bao gộp một cơ sở vật lí nào nữa khác để giải thích, chẳng hạn, các tính chất nguyên khối của vật chất? Không nhất thiết như thế. Ý tưởng về sự biểu kiến – rằng có những đại lượng của thế giới vật chất, như nhiệt hay áp suất hay tính ướt của nước, không có đối tác ở cấp vật lí nguyên tử – không có nghĩa là một hệ có nhiều hơn tổng các bộ phận của nó, biết rằng những tính chất biểu kiến đó vẫn chỉ được xây dựng trên những khái niệm cơ bản hơn, ví dụ như lực điện từ giữa các hạt hạ nguyên tử trong trường hợp của nước.
Phong trào giản hóa luận vẫn tiếp tục khi các nhà vật lí thế kỉ mười chín cố gắng tìm hiểu tính chất của những hệ phức tạp không thể lí giải được bằng những định luật đơn giản của cơ học Newton. Về cuối thế kỉ mười chín, James Clerk Maxwell và Ludwig Boltzmann đã phát triển hai lĩnh vực con mới của vật lí học – nhiệt động lực học và vật lí thống kê – giúp các nhà vật lí tìm hiểu về những hệ được làm bằng nhiều hạt bằng cách nhìn vào chúng ‘ở dạng tổng thể’. (Chúng ta sẽ xét kĩ hơn những lĩnh vực vật lí này trong chương 6.) Như vậy, trong khi quả thật chúng ta không thể đo nhiệt độ hay áp suất của một chất khí bằng cách nhìn vào cách từng phân tử của nó dao động và va đập lên nhau, song chúng ta vẫn biết rằng nhiệt độ và áp suất chẳng gì hơn là do hành trạng tập thể của từng phân tử. Còn có thể có gì khác nữa không?
Thế nhưng trong khi hướng tư duy giản hóa luận đơn giản này không sai – theo nghĩa là chẳng có quá trình vật lí nào khác xuất hiện một cách thần kì khi chúng ta phóng to đến cấp độ phân tử – nhưng nó ít hữu dụng khi cố gắng mô tả tính chất của một hệ phức tạp. Cái chúng ta cần không phải là nền vật lí ‘mới’, mà là nền vật lí ‘rộng hơn’, để khám phá và hiểu được cách những tính chất nhất định có thể xuất hiện trong một hệ từ hành trạng tập thể của các thành phần cấu thành của nó. Nhân vật đoạt giải Nobel Philip Anderson từng tóm tắt quan điểm này trong tiêu đề của một bài báo nổi tiếng: ‘Nhiều hơn là khác.’8
Thế nhưng việc biết thêm nhiều cơ sở vật lí cần thiết khi chúng ta kết hợp các bộ phận cấu thành (các hạt, các nguyên tử và phân tử) lại với nhau thành vật chất nguyên khối là không giống như khi nói chúng ta biết thứ vật lí đang thiếu sót ấy là gì. Điều này trở nên rõ nét nếu chúng ta cố đi tìm một bức tranh thống nhất về vũ trụ vật chất. Chúng ta vẫn không thể suy luận ra các định luật nhiệt động lực học từ Mô hình Chuẩn của vật lí hạt, chẳng hạn – hoặc làm điều ngược lại, vì chẳng rõ lí thuyết nào trong hai trụ cột này của vật lí học là căn bản hơn. Và còn lâu chúng ta mới hiểu được những cấu trúc phức tạp hơn, ví dụ như cái phân biệt giữa vật sống và không sống. Xét cho cùng, bạn và tôi vẫn chỉ được làm bằng các nguyên tử, nhưng sự sống rõ ràng không chỉ đơn giản là sự phức tạp, một sinh vật đang sống thì về mặt cấu trúc nguyên tử chẳng có gì phức tạp hơn một sinh vật giống hệt như vậy nhưng đã chết không lâu.
Và còn nữa… có lẽ chúng ta có thể mơ tới lúc chúng ta có được một bức tranh vật lí thống nhất giải thích được mọi hiện tượng thiên nhiên. Cho đến khi ấy, đủ cơ sở để nói, hướng tư duy giản hóa luận chỉ đưa chúng ta đi xa hơn mà thôi, và chúng ta sử dụng các lí thuyết và mô hình khác nhau tùy thuộc vào thứ chúng ta đang cố gắng mô tả.
NHỮNG HẠN CHẾ CỦA TÍNH VẠN VẬT
Mặc dù chúng ta tìm thấy các định luật vật lí là mang tính vạn vật, song những hạn chế của giản hóa luận cho thấy thỉnh thoảng thế giới có thể hành xử rất khác ở những cấp độ khác nhau và cần phải được mô tả và giải thích bằng mô hình hoặc lí thuyết thích hợp. Ví dụ, ở cấp hành tinh, sao, và thiên hà, lực hấp dẫn thống trị vạn vật – nó kiểm soát cấu trúc của vũ trụ. Nhưng nó chẳng có vai trò gì, như chúng ta có thể phát hiện, ở cấp nguyên tử, nơi thống trị của ba lực kia (lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu). Thật vậy, có lẽ vấn đề lớn nhất chưa được giải quyết trong toàn bộ vật lí học – vấn đề chúng ta sẽ trở lại ở chương 5 – đó là các định luật vật lí mô tả thế giới thường ngày của chúng ta, cái gọi là thế giới ‘cổ điển’ của vật chất, năng lượng, không gian, và thời gian đơn giản không còn vận hành được khi chúng ta thu nhỏ xuống thế giới của từng nguyên tử, nơi các quy tắc rất khác của cơ học lượng tử khống chế cuộc chơi.
Ngay cả ở cấp lượng tử, chúng ta thường phải chọn mô hình thích hợp có khả năng áp dụng nhất cho hệ mà chúng ta muốn nghiên cứu. Chẳng hạn, chúng ta đã biết từ đầu thập niên 1930 rằng hạt nhân nguyên tử được làm bằng proton và neutron; nhưng vào cuối thập niên 1960, người ta lại phát hiện những hạt này không phải sơ cấp, và quả vậy chúng được làm bằng những thành phần còn sơ cấp hơn, bé nhỏ hơn: các quark. Điều này không có nghĩa là các nhà vật lí hạt nhân buộc phải mô tả tính chất của hạt nhân bằng mô hình quark. Một cách tiếp cận giản hóa luận đơn giản có thể đề xuất rằng điều này là cần thiết cho một mô tả sâu sắc hơn, chính xác hơn về hạt nhân nguyên tử. Thế nhưng điều đó sẽ không hữu ích lắm. Đến một mức gần đúng rất tốt, khi mô tả tính chất của hạt nhân, proton và neutron hành xử như thể chúng là những thực thể không cấu trúc chứ không phải những hệ phức gồm ba quark. Vì thế, trong khi tính chất và hành trạng của chúng rốt lại phải do cấu trúc sâu sắc hơn của chúng, nhưng điều này không biểu hiện hay không cần thiết nếu chúng ta muốn tìm hiểu các tính chất như hình dạng hay sự ổn định của một hạt nhân. Trên thực tế, ngay trong khuôn khổ vật lí hạt nhân, người ta sử dụng một số mô hình toán học rất khác nhau – mỗi mô hình áp dụng tốt nhất cho một lớp hạt nhân nhất định; không có một lí thuyết chung về cấu trúc hạt nhân.
Đây là cái tôi muốn nói tới khi nói thế giới hành xử khác biệt ở những cấp kích cỡ, khoảng thời gian, và năng lượng khác nhau. Trong khi có hai thứ tuyệt vời ở vật lí học đó là tính vạn vật của nhiều lí thuyết của nó và cách chúng ta có thể tìm hiểu thêm về một hệ bằng cách đào sâu hơn và tìm hiểu các bộ phận của nó liên hệ với cái toàn thể như thế nào, thì quả thật chúng ta thường phải chọn lí thuyết thích hợp nhất tùy thuộc vào cấp độ mà chúng ta quan tâm. Nếu bạn muốn sửa cái máy giặt của nhà bạn, bạn không cần phải hiểu những cái tinh xảo của Mô hình Chuẩn của vật lí hạt – mặc dù máy giặt, giống như mọi thứ khác trong thế giới, rốt lại được làm bằng các quark và electron. Nếu chúng ta cố gắng áp dụng những lí thuyết cơ bản nhất của chúng ta về bản chất lượng tử của thực tại cho mỗi phương diện của cuộc sống ngày-qua-ngày của chúng ta, thì chúng ta sẽ chẳng tiến xa được.
Giờ thì chúng ta đã khảo sát xong cả tiềm năng và hạn chế của những gì vật lí học có thể cho chúng ta biết – từ sức mạnh của những đối xứng toán học nền tảng của định luật vật lí của chúng ta, đến cấp độ đúng mà những định luật này có thể áp dụng, cho đến những hạn chế của giản hóa luận và tính vạn vật – chúng ta hãy sẵn sàng khép lại vấn đề. Trong chương tiếp theo, tôi bắt đầu với trụ cột hàng đầu trong ba trụ cột cơ bản của vật lí học: thuyết tương đối của Einstein.
1Để cho đầy đủ, tôi phải bổ sung thêm rằng trong hai thập niên vừa qua, một môn học mới gọi là triết học thực nghiệm đã ra đời.
2Tất nhiên các nhà nghiên cứu lịch sử khoa học sẽ cự lại tuyên bố đơn giản hóa này. Galileo không chứng minh thuyết nhật tâm một cách bất ngờ với các quan sát của ông mà thật ra ông chỉ đưa ra những thực tế từng chút một (như các vệ tinh của Mộc tinh).
3Một trích dẫn từ quyển sách nổi tiếng của Galileo, Nhà thực nghiệm, xuất bản ở Rome vào năm 1623.
4Ánh sáng xa xăm nhất mà chúng ta có thể nhìn thấy, đến từ rìa của vũ trụ quan sát được, đã truyền về phía chúng ta trong hơn 13 tỉ năm và vì thế cho chúng ta thấy vũ trụ trông như thế nào khi nó còn rất trẻ. Tuy nhiên, do sự giãn nở của không gian, gốc xuất phát của ánh sáng này ở xa hơn nhiều so với con số 13 tỉ năm.
5Có nhiều atto giây trong một giây hơn số giây đã có kể từ thời Big Bang.
6Ở đây tôi đang dùng từ theo nghĩa rất chung chung chứ không phải theo nghĩa đặc biệt được hiểu bởi một số nhà vật lí nghiên cứu trong lĩnh vực cơ học thống kê. Trong đó, thuật ngữ ‘tính vạn vật’, như nhà vật lí Mĩ Leo Kadanoff giới thiệu vào thập niên 1960, có nghĩa là việc quan sát thấy có những tính chất của một lớp hệ vật lí không phụ thuộc vào cấu trúc và động lực học chi tiết của mình mà thay vào đó có thể được suy luận ra từ một vài tham số toàn cầu.
7Thật vậy, công trình của Robert Hooke về lực hấp dẫn có trước cả Newton.
8Trong bài báo này, xuất bản vào năm 1972 [P.W. Anderson, Science 177 (4047): 393–96], Anderson đã nêu ra lập luận của ông chống lại giản hóa luận cực đoan. Ông lấy ví dụ là hệ thống các môn khoa học sắp xếp theo trật tự thẳng, từ vật lí, là khoa học ‘cơ bản’ nhất, đến hóa học đến sinh học đến tâm lí học đến các khoa học xã hội. Hệ thống sắp xếp này không có ý nói, theo lời ông, rằng một môn học chỉ là một phiên bản áp dụng của môn học bên dưới, vì ‘ở mỗi tầng, những định luật, những khái niệm và những khái quát hóa hoàn toàn mới là cần thiết, đòi hỏi nguồn cảm hứng và óc sáng tạo ở mức độ cao y hệt như tầng trước đó. Tâm lí học không phải là sinh học ứng dụng, sinh học không phải là hóa học ứng dụng.’ Là một luận cứ chống lại giản hóa luận, tôi thấy ví dụ này có phần yếu. Một khái niệm có cơ bản hay không đâu phụ thuộc vào nó sáng giá bao nhiêu, hay cần bao nhiêu cảm hứng và sáng tạo để tìm hiểu nó.
Trích từ Thế giới theo Vật lí học (Jim Al-Khalili). Bản dịch của Thuvienvatly.com.
