10 lí thuyết khoa học có thể bạn chưa biết

John Gribbin (Đại học Sussex)

Nhà vật lí Richard Feynman chứng minh mọi lộ trình ‘gián tiếp’ đều giao thoa với nhau, để lại duy nhất một lộ trình có giá trị - lộ trình nhanh nhất.

1. Nguyên lí tác dụng tối thiểu

Đây là một cách nói chua ngoa rằng tự nhiên là lười biếng. Mọi thứ diễn ra theo con đường đòi hỏi sự nỗ lực ít nhất, đó là nguyên do vì sao, trong số những nguyên do khác, ánh sáng truyền đi theo đường thẳng. Thật vậy, các hạt, và ánh sáng, truyền đi theo những con đường đòi hỏi thời gian ít nhất. Điều này giải thích tại sao một tia sáng xiên góc bẻ cong về phía vuông góc khi nó đi từ không khí vào thủy tinh, trong đó nó chuyển động chậm đi (điều này làm giảm lượng thủy tinh mà nó phải đi qua). Nguyên tắc trên đặc biệt quan trọng trong thuyết lượng tử. Thoạt nhìn, thuyết lượng tử dường như ngụ ý rằng một hạt như một electron có thể đi theo bất cứ lộ trình nào từ A đến B, cho dù lộ trình đó là đi đến sao Hỏa rồi trở về. Điều này sẽ khiến người ta không thể điều khiển các thứ như máy vi tính, chúng phụ thuộc vào việc các electron dễ nghe lời. Nhưng nhà vật lí vĩ đại Richard Feynman đã chứng minh rằng mọi lộ trình ‘gián tiếp’ đều giao thoa với nhau, để lại duy nhất một lộ trình có giá trị - lộ trình nhanh nhất.

Memetics là thuật ngữ do Richard Dawkins đặt ra để mô tả ‘các bản sao văn hóa’ sao chép và lan truyền thông tin sinh học.

2. Memetics

Hễ khi nào chúng ta sao chép thói quen, kĩ năng, chuyện kể hay bất kì loại thông tin nào khác từ người sang người, là chúng ta đang xử lí các mem. Thuật ngữ do Richard Dawkins đặt ra để mô tả ‘các bản sao văn hóa’ sao chép và lan truyền thông tin sinh học. Con người sao chép các mem, bao gồm các ý tưởng và kĩ năng, qua sự bắt chước và giảng dạy; nhưng chúng đã thay đổi, bất ngờ hoặc có mục đích, sao cho nền văn hóa phát triển. Điều này phản ánh cách thức các loài tiến hóa dưới dạng biến dị gen. Giống như các gen, một số mem là thành công, trong khi một số khác thì không. Thật hiển nhiên vì sao một số mem được nhân rộng – vì chúng có ích, hoặc thỏa mãn trí thẩm mĩ, giống như các giai điệu. Nhưng một số vẫn nhân rộng dẫu cho chúng chẳng thể hiện lợi ích nào rõ ràng – thí dụ như các virus máy tính.

3. Lí thuyết trường lượng tử

Tất cả chúng ta đã quen thuộc với khái niệm từ trường, vùng không gian xung quanh một nam châm trong nó sức ảnh hưởng của nó được nhận ra. Cách thức các trường hành xử được mô tả bởi lí thuyết trường. Nhà vật lí người Scotland James Clerk Maxwell đã thiết lập các phương trình mô tả điện trường và từ trường, và Einstein đã thiết lập các phương trình mô tả trường hấp dẫn. Nhưng trong thế kỉ 20, các nhà vật lí đã nhận ra các ‘trường’ thật ra gồm các hạt đang chuyển động trong không gian: các ‘lượng tử’ của trường. Khi hai hạt tích điện tác dụng lực lên nhau, chúng làm như thế bằng cách tráo đổi các photon, lượng tử của trường điện từ. Lí thuyết trường lượng tử thu được (điện động lực học lượng tử, hay QED) giải thích mọi thứ về hành trạng của các nguyên tử cấu thành nên thế giới của chúng ta.

Arrhenius đề xuất rằng sự sống đã được mang tới Trái đất bởi những bào tử trôi nổi trong vũ trụ, một quan điểm ông gọi là thuyết tha sinh, nghĩa là ‘gieo mầm mọi nơi’.

4. Học thuyết tha sinh

Có phải toàn bộ sự sống trên Trái đất đã bắt nguồn từ loại vi khuẩn do những người ngoài hành tinh để lại sau một chuyến picnic hay không? Nghe thì có vẻ gượng gạo, nhưng đó là một quan điểm được xem xét nghiêm túc bởi nhà thiên văn học ‘cà chớn’ Thomas Gold. Ông đang xây dựng trên một đề xuất của nhà khoa học người Thụy Điển Svante Arrhenius cách đây một thế kỉ. Arrhenius đề xuất rằng sự sống đã được mang tới Trái đất bởi những bào tử trôi nổi trong vũ trụ, một quan điểm ông gọi là thuyết tha sinh, nghĩa là ‘gieo mầm mọi nơi’. Một biến thể của ý tưởng này là quan điểm cho rằng các bào tử được gửi đi có cân nhắc bởi một nền văn minh ngoài hành tinh – ‘tha sinh chủ động’. Và rồi có đề xuất của Gold rằng những người ngoài hành tinh đã từng đi qua Trái đất cách đây hàng tỉ năm trước và đã dừng chân để ăn tối. Khùng quá ư? Có lẽ. Nhưng có một người đã từng xem xét ý tưởng tha sinh một cách nghiêm túc là Francis Crick, một trong hai người khám phá ra cấu trúc chuỗi xoắn kép của ADN.

Nếu bạn có niềm tin đủ mạnh, thì hầu như mọi thứ đều có thể có một hiệu ứng trấn an.

5. Hiệu ứng Trấn an

Nếu ai đó đưa cho bạn một viên thuốc và bảo nó sẽ chữa hết chứng nhức đầu của bạn, và tình hình sức khỏe của bạn được cải thiện, mặc dù viên thuốc đó chẳng chứa gì ngoài bột phấn cả, thì bạn đã trải qua hiệu ứng trấn an. Nếu bạn có niềm tin đủ mạnh, thì hầu như mọi thứ đều có thể có một hiệu ứng trấn an.

Hiệu ứng trấn an giải thích tại sao một số phép chữa bệnh như phép chữa vi lượng đòng cân có tác dụng đối với nhiều người – đơn giản vì các bệnh nhân tin rằng chúng sẽ có tác dụng. Các kiểm tra khoa học dưới những điều kiện có điều khiển cho thấy hiệu ứng trấn an có thể cải thiện bằng cách đưa cho mọi người những viên thuốc to hơn, trao cho họ những viên thuốc màu hồng thay cho màu trắng, và bởi sự thâm niên của người bác sĩ kê toa thuốc.

Cho đến thế kỉ 20, đa số thuốc uống hoàn toàn là vô dụng, nhưng có chủ ý hoặc không có chủ ý, hiệu ứng trấn an đã được khai thác đến mức trọn vẹn nhất, đặc biệt khi điều trị cho các bệnh nhân giàu có.

Không ai biết cái gì làm cho Trái đất đóng băng, nhưng một khi điều đó xảy ra, thì bề mặt trắng xóa sáng bóng của băng làm phản xạ nhiệt và duy trì thời tiết ‘quả cầu tuyết’

6. Quả cầu tuyết Trái đất

Trong hàng triệu năm trời, hơn 635 triệu năm trước, Trái đất đã bị bao phủ trong băng giá. Lúc ấy, đa phần đất liền co cụm xung quanh xích đạo, nhưng các sông băng để lại vết tích chúng trên đá kể cả ở xích đạo. Không ai biết cái gì làm cho Trái đất đóng băng, nhưng một khi điều đó xảy ra, thì bề mặt trắng xóa sáng bóng của băng làm phản xạ nhiệt và duy trì thời tiết ‘quả cầu tuyết’, cho đến khi CO₂ do các núi lửa giải phóng ra gây ra một hiệu ứng nhà kính đủ mạnh để làm tan chảy băng hà. Nếu băng giá đã từng bao phù toàn bộ hành tinh, thì sự sống có lẽ đã từng bị diệt vong. Nhưng có bằng chứng những vũng nước bùn lầy vẫn tồn tại trong thời kì này, và các dạng sống nguyên thủy nhưng khỏe mạnh đã sống sót trong các vũng bùn ấy. Khi Trái đất tan băng, sự sống đã bùng phát trên khắp hành tinh trong một cơn bùng nổ tiến hóa. Chúng ta có lẽ có sự tồn tại của mình trước sự kiện quả cầu tuyết Trái đất này.

Những người chủ trương ý tưởng Trái đất hiếm chỉ rõ một chuỗi tình huống cho phép nền văn minh của chúng ta xuất hiện, mặc dù điều đó đòi hỏi gần bốn tỉ năm tiến hóa.

7. Trái đất hiếm

Sự sống trong vũ trụ có lẽ là phổ biến, nhưng sự sống thông minh có lẽ là hiếm. Những người chủ trương ý tưởng Trái đất hiếm chỉ rõ một chuỗi tình huống cho phép nền văn minh của chúng ta xuất hiện, mặc dù điều đó đòi hỏi gần bốn tỉ năm tiến hóa. Mặt trời là một ngôi sao tương đối ổn định, nên cho phép sự sống tiến hóa đều đặn trong suốt thời gian đó. Mộc tinh khổng lồ bảo vệ chúng ta trước các sao chổi. Lực hút hấp dẫn của mặt trăng lớn của chúng ta ngăn không cho Trái đất lắc lư và nghiêng thêm nữa, gây ra các điều kiện cực độ về khí hậu. Và Trái đất có một từ trường mạnh khác thường, che chắn chúng ta khỏi các bức xạ nguy hại. Sự kết hợp những điều kiện này và các đặc điểm khác thường khác của hành tinh chúng ta cấu thành nên một chuỗi trùng hợp ngẫu nhiên khó xảy ra đến mức một số nhà thiên văn học nghĩ rằng chúng ta có lẽ là dạng sống thông minh duy nhất trong vũ trụ.

Một số nhà vũ trụ học nghĩ rằng vũ trụ của chúng ta là một trong một cặp vũ trụ ba chiều, phân cách nhau bởi một khoảng cách nhỏ xíu (nhỏ chưa tới đường kính của một nguyên tử) trong một chiều bổ sung.

8. Vũ trụ song song

Đây là ý tưởng điên rồ. Một số nhà vũ trụ học nghĩ rằng vũ trụ của chúng ta là một trong một cặp vũ trụ ba chiều, phân cách nhau bởi một khoảng cách nhỏ xíu (nhỏ chưa tới đường kính của một nguyên tử) trong một chiều bổ sung. Mỗi điểm trong không gian là một cánh cửa dẫn sang vũ trụ kia, nhưng hai vũ trụ đang dần dần tách ra xa nhau. Tuy nhiên, hàng tỉ năm nữa tính từ bây giờ, một lực kiểu lò xo sẽ hút chúng trở lại với nhau trong một va chạm phát sinh ra những lượng lớn nhiệt và ánh sáng – một vụ nổ lớn. Hai vũ trụ khi đó sẽ nảy ra xa nhau và toàn bộ quá trình sẽ lặp lại. Đây là lựa chọn thay thế hàng đầu cho lí thuyết Big Bang, và nó khẳng định rằng vũ trụ vốn tự khai sinh ra nó.

9. Sự vướng víu

Khi hai đối tượng lượng tử, thí dụ các electron hay photon (hạt ánh sáng) tiếp xúc với nhau, chúng trở nên vị ‘vướng víu’ theo một ý nghĩa lượng tử. Điều này có nghĩa là mãi mãi sau đó, cái xảy ra với một trong hai đối tượng sẽ ảnh hưởng đến đối tượng kia ngay tức thời, cho dù chúng ở cách xa nhau bao nhiêu. Nếu một hạt bị nắm, thì hạt kia sẽ co giật. Ý tưởng này đưa một số người đến chỗ hi vọng rằng sự vướng víu có thể dùng cho sự truyền thông nhanh-hơn-ánh-sáng. Khó khăn là, mặc dù bạn biết từ việc quan sát một hạt rằng hạt kia đã bị kích thích, nhưng bạn không biết nó đã bị kích thích như thế nào. Nhưng nếu thông tin đó được gửi tới chúng ta bằng phương tiện thông thường, thì chúng ta có thể giải thích sự co giật đó – nghĩa là sự kích thích lượng tử có thể dùng để gửi đi những tin nhắn mã hóa không thể bẻ khóa được.

10. Vũ trụ hữu hạn

Nếu vũ trụ là hữu hạn, thì nó hình dạng của nó có thể giống như một cái bánh rán dạng vòng. Và nếu đúng là trường hợp đó, nếu bạn nhìn vào cái vòng đó từ một phía, bạn sẽ thấy chính những thiên hà bạn có thể nhìn thấy bằng cách nhìn vào phía bên kia của vòng. Một hình dạng phức tạp hơn sẽ là hình khối trong đó các mặt đối nhau nối lại với nhau. Nếu bạn có thể đi qua mặt ‘nắp’, bạn sẽ trở lại trong khối qua mặt ‘đáy’. Một số trò chơi máy tính đơn giản hoạt động theo kiểu như thế này. Các quan sát cho thấy vũ trụ của chúng ta không có dạng hình học đơn giản như vậy. Nhưng nó có thể có hình dạng giống như một khối mười hai mặt nhiều chiều.

• Trọng Khương (theo Daily Mail)

Bài trước | Bài kế tiếp