Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & Leonard Mlodinow (Phần 1)

The Grand Design, tạm dịch Mẫu thiết kế vĩ đại, là một tập sách mới xuất bản của nhà vật lí danh tiếng Stephen Hawking. Mời các bạn đón đọc tập sách này tại 360.thuvienvatly.com với bản dịch của Trần Nghiêm. Rất mong nhận được ý kiến góp ý của các bạn.

Tập sách gồm 8 chương:

1. Bí ẩn của sự tồn tại

2. Vai trò của quy luật

3. Thực tại là gì?

4. Những lịch sử khác

5. Lí thuyết của tất cả

6. Lựa chọn vũ trụ của chúng ta

7. Phép màu hiển hiện

8. Mẫu thiết kế lớn

Chương 1
Bí ẩn của sự tồn tại

Mỗi người chúng ta tồn tại nhưng chỉ trong một thời gian ngắn, và trong thời gian đó chúng ta khám phá nhưng chỉ một phần nhỏ của toàn bộ vũ trụ. Nhưng con người vốn là giống loài hay hiếu kì. Chúng ta muốn biết, chúng ta đi tìm những câu trả lời. Sống trong thế giới rộng lớn này đã phân chia thành thiện và ác, và săm soi vào bầu trời bát ngát phía trên đầu, con người luôn luôn nghi vấn biết bao nhiêu câu hỏi: Làm thế nào chúng ta có thể tìm hiểu thế giới mà chúng ta tìm thấy bản thân mình trong đó? Vũ trụ hành xử như thế nào? Bản chất của thực tại là gì? Tất cả những cái này từ đâu mà có? Vũ trụ có cần một đấng sáng tạo không? Đa số chúng ta không mất nhiều thời gian trong quãng đời của mình để lo ngại về những câu hỏi này, nhưng hầu như tất cả chúng ta đều lo ngại về chúng vào lúc này hay lúc khác.

Thường thì đây là những câu hỏi dành cho triết học, nhưng triết học không còn sinh sôi nữa. Triết học không đuổi kịp các phát triển hiện đại trong khoa học, đặc biệt là vật lí học. Các nhà khoa học đã trở thành những người cầm đuốc khám phá trong công cuộc đi tìm tri thức của chúng ta. Mục đích của cuốn sách này là đưa ra những câu trả lời mà những khám phá và tiến bộ lí thuyết gần đây đề xuất. Chúng dẫn chúng ta đến với một bức tranh mới của vũ trụ và vai trò của chúng ta trong đó rất khác với vai trò truyền thống xưa nay và thậm chí còn khác với bức tranh mà chúng ta đã có thể vẽ ra cách đây một hoặc hai thập kỉ trước. Tuy nhiên, những phác họa đầu tiên của quan điểm mới đó về vũ trụ có thể lần ngược dòng lịch sử về cách nay gần một thế kỉ trước.

Theo quan niệm truyền thống của vũ trụ, các vật thể chuyển động trên những lộ trình rõ ràng và có lịch sử xác định. Chúng ta có thể chỉ rõ vị trí chính xác của chúng tại mỗi thời điểm trong thời gian. Mặc dù mô tả đó đủ thành công cho những mục đích hàng ngày, nhưng vào thập niên 1920 người ta nhận ra rằng bức tranh “cổ điển” này không thể nào mô tả cho hành trạng có vẻ kì quái quan sát thấy ở cấp bậc nguyên tử và hạ nguyên tử của sự tồn tại. Thay vì thế, điều cần thiết là thừa nhận một khuôn khổ khác, gọi là vật lí lượng tử. Các lí thuyết lượng tử hóa ra hết sức chính xác trong việc tiên đoán các sự kiện ở những cấp bậc đó, đồng thời còn tái dựng các tiên đoán của các lí thuyết cổ điển cũ kĩ khi áp dụng cho thế giới vĩ mô của cuộc sống hàng ngày. Nhưng vật lí lượng tử và vật lí cổ điển xây dựng trên những quan niệm rất khác nhau của thực tại vật chất.

“... Và đó là triết lí của tôi”

Các lí thuyết lượng tử có thể thiết lập theo nhiều cách khác nhau, nhưng cái có lẽ là mô tả trực quan nhất mang lại bởi Richard (Dick) Feynman, một nhân vật đa tài làm việc tại Viện Công nghệ California và là một tay trống bongo cừ khôi. Theo Feynman, một hệ không chỉ có một lịch sử mà có mọi lịch sử khả dĩ. Khi chúng ta đi tìm những câu trả lời của mình, chúng ta sẽ giải thích cách tiếp cận của Feynman một cách chi tiết, và dùng nó để khảo sát quan điểm cho rằng vũ trụ tự nó không có một lịch sử đơn lẻ, thậm chí không có một sự tồn tại độc lập. Điều đó có vẻ như một ý tưởng triệt để, thậm chí với nhiều nhà vật lí. Thật vậy, giống như nhiều quan điểm trong khoa học ngày nay, nó có vẻ như vi phạm giác quan thông thường. Nhưng giác quan thông thường dựa trên kinh nghiệm hàng ngày, chứ không dựa trên vũ trụ như nó hé lộ qua các thành tựu của công nghệ như các thành tựu cho phép chúng ta săm soi vào thế giới nguyên tử hoặc nhìn ngược về vũ trụ sơ khai.

Cho đến khi ra đời vật lí học hiện đại, người ta thường nghĩ rằng toàn bộ kiến thức về thế giới có thể thu được qua sự quan sát trực tiếp, rằng mọi thứ là cái như chúng trông như vậy, như được cảm nhận qua các giác quan của chúng ta. Nhưng sự thành công ngoạn mục của vật lí học hiện đại, nền khoa học xây dựng trên các quan niệm như quan niệm của Feynman xung đột với kinh nghiệm hàng ngày, chứng tỏ rằng suy nghĩ như thế là chưa đúng. Cái nhìn chất phác như thế của thực tại, do đó, không tương thích với vật lí học hiện đại. Để xử lí những nghịch lí như vậy, chúng ta sẽ chấp nhận một phương pháp chúng ta gọi là thuyết duy thực phụ thuộc mô hình. Nó xây dựng trên quan niệm cho rằng não của chúng ta giải mã tín hiệu thu vào bởi các cơ quan cảm giác của chúng ta bằng cách tạo ra một mô hình của thế giới. Khi một mô hình như vậy thành công ở việc giải thích các sự kiện, chúng ta có xu hướng gán cho nó, và cho các bộ phận và khái niệm cấu thành nên nó, chất lượng của thực tại hay sự thật tuyệt đối. Nhưng có thể có những phương pháp khác trong đó người ta có thể lập mô hình tình huống vật lí giống như vậy, với mỗi mô hình sử dụng các bộ phận và khái niệm cơ bản khác nhau. Nếu hai lí thuyết hay mô hình vật lí như vậy tiên đoán chính xác những sự kiện như nhau, thì người ta không thể nói mô hình này thực hơn mô hình kia; thay vào đó, chúng ta tùy ý sử dụng mô hình nào tiện lợi nhất với mình.

Trong lịch sử khoa học, chúng ta đã và đang khám phá ra một chuỗi những lí thuyết hay mô hình ngày một tốt hơn, từ Plato đến lí thuyết Newton cổ điển đến các lí thuyết vật lí hiện đại. Liệu chuỗi khám phá này cuối cùng có đạt tới một điểm kết, một lí thuyết tối hậu của vũ trụ, lí thuyết sẽ bao gồm hết các lực và tiên đoán mọi quan sát mà chúng ta có thể thực hiện, hay là chúng ta sẽ tiếp tục tìm thấy những lí thuyết tốt hơn nữa mãi mãi, và không bao giờ có một lí thuyết nào mà không thể nào cải tiến thêm nữa? Cho đến nay, chúng ta chưa có một câu trả lời dứt khoát cho câu hỏi này, nhưng hiện tại chúng ta đã có một ứng cử viên cho lí thuyết tối hậu của mọi thứ, nếu thật sự một lí thuyết như vậy có tồn tại, gọi là lí thuyết M. Lí thuyết M là mô hình duy nhất có mọi tính chất mà chúng ta nghĩ lí thuyết tối hậu sẽ phải có, và nó là lí thuyết mà phần lớn nội dung thảo luận của chúng ta ở phần sau xây dựng trên đó.

Lí thuyết M không phải là một lí thuyết theo ý nghĩa thông thường. Nó là cả một họ gồm những lí thuyết khác nhau, mỗi một lí thuyết đó là một mô tả tốt của những quan sát chỉ trong một chừng mực nào đó của các tình huống vật lí. Nó có chút gì đó giống như một tấm bản đồ. Như ai cũng biết, người ta không thể nào thể hiện toàn bộ bề mặt của trái đất trên một tấm bản đồ. Phép chiếu Mercator bình thường dùng cho bản đồ thế giới tạo ra những vùng trông mỗi lúc một lớn hơn ở xa về phía bắc và phía nam, nhưng không bao quát Cực Bắc và Cực Nam. Để lập bản đồ đầy đủ của toàn bộ trái đất, người ta phải sử dụng một tập hợp bản đồ, mỗi bản đồ bao quát một khu vực hạn chế. Các bản đồ chồng lên nhau, và ở nơi chúng chồng lên nhau, chúng thể hiện địa hình giống như nhau. Lí thuyết M tương tự như vậy. Những lí thuyết khác nhau trong họ hàng lí thuyết M có thể trông rất khác nhau, nhưng chúng đều có thể xem là những khía cạnh của cùng một lí thuyết cơ sở. Chúng là các phiên bản của lí thuyết chỉ có khả năng áp dụng trong những ngưỡng hạn chế - thí dụ, khi những đại lượng nhất định, như năng lượng, là nhỏ. Giống như các tấm bản đồ chồng lên nhau trong phép chiếu Mercator, nơi các vùng thuộc những phiên bản khác nhau chồng lấn, chúng tiên đoán các hiện tượng giống như nhau. Nhưng giống hệt như việc không có tấm bản đồ phẳng nào là đại diện tốt cho toàn bộ bề mặt của trái đất, không có một lí thuyết đơn lẻ nào là đại diện tốt của các quan sát trong mọi tình huống.

Bản đồ thế giới. Có thể cần đến một loạt những lí thuyết chồng lấn lên nhau để thể hiện vũ trụ, giống hệt như việc cần có nhiều tấm bản đồ chồng lên nhau để thể hiện toàn bộ bề mặt trái đất.

Chúng ta sẽ mô tả lí thuyết M có thể mang lại những câu trả lời như thế nào cho câu hỏi sáng tạo. Theo lí thuyết M, vũ trụ của chúng ta không phải là vũ trụ duy nhất. Thay vào đó, lí thuyết M tiên đoán rằng có rất nhiều vũ trụ đã sinh ra từ trống rỗng. Sự sáng tạo của chúng không đòi hỏi sự can thiệp của một thế lực siêu nhiên hay thần thánh nào hết. Thay vào đó, các đa vũ trụ này phát sinh tự nhiên từ quy luật vật lí. Chúng là một dự đoán của khoa học. Mỗi vũ trụ có nhiều lịch sử khả dĩ và nhiều trạng thái khả dĩ ở những thời điểm sau này, nghĩa là ở những thời điểm như hiện nay, đã lâu sau sự sáng tạo của chúng. Đa số những trạng thái này sẽ có chút không giống với vũ trụ mà chúng ta quan sát và khá không thích hợp cho sự tồn tại của bất kì dạng thức sống nào. Chỉ rất rất ít vũ trụ sẽ cho phép những loài sinh vật như chúng ta tồn tại mà thôi. Vì thế, sự có mặt của chúng ta chọn ra từ vô số những vũ trụ này chỉ những vũ trụ có khả năng tương thích với sự tồn tại của chúng ta. Mặc dù loài người chúng ta nhỏ bé và yếu đuối ở cấp bậc vũ trụ, nhưng chính điều này mang lại cho chúng ta cảm giác mình là những vị vua của tạo hóa.

Để tìm hiểu vũ trụ ở cấp độ sâu sắc nhất, chúng ta cần phải biết không những vũ trụ hành xử như thế nào, mà còn phải hiểu tại sao nữa.

Tại sao lại có cái gì đó chứ chẳng phải hư vô?

Tại sao chúng ta tồn tại?

Tại sao lại là tập hợp những quy luật đặc biệt này chứ chẳng phải những quy luật nào khác?

Đây là Câu hỏi Tối hậu của Cuộc sống, Vũ trụ, và Mọi thứ. Chúng ta sẽ cố gắng trả lời nó trong quyển sách này. Không giống như câu trả lời có trong cuốn Tìm hiểu Thiên hà của Hitchhiker, câu trả lời của chúng ta sẽ không đơn giản là “42”.