Cùng bàn về các vấn đề lớn của ngành Vật Lý thế giới!

Cùng bàn về các vấn đề lớn của ngành Vật Lý thế giới!

Dưới dây là các bài viết rất tuyệt của http://chungta.com, tôi xin mạn phép được trích dẫn để những ai quan tâm, chúng ta cùng bàn bạc:

Trí tuệ con người không chấp nhận hỗn độn và cố gắng thấu hiểu các trật tự của thiên nhiên dưới hình thức các quy luật. Tuy nhiên, không phải con người có thể xác định ngay được các quy luật khách quan. Đôi khi, người ta tin vào quy luật ngay cả khi nó không hề có, như thời trung cổ đã truyền bá ?oquy luật? hễ sao chổi xuất hiện là có biến động lớn ở cõi nhân thế. Các quy luật khách quan của khoa học được xác lập nhờ vào tính hoài nghi của con người giúp ngăn ngừa những kết luận thiếu chín chắn.

Từ thời Hy Lạp cổ đại con người đã đạt được nhiều tri thức khoa học quan trọng, đặc biệt là toán học. Tuy nhiên, chỉ đến thế kỷ 16 và 17 của thời kỳ Phục Hưng các cuộc tranh cãi triết lý và khoa học mới chuyển dần từ các tu viện về các trường đại học và thậm chí cả các phòng khách salon. Thời kỳ này có hai tên tuổi lớn với hai tuyên ngôn về phương pháp nghiên cứu khoa học được giải thoát khỏi các giả định tùy tiện hay mê tín, đó là Francis Bacon (1561-1626) và René Descartes (1596-1650). Bacon nhấn mạnh đến tầm quan trọng của các sự kiện quan sát như là khởi điểm của mọi khoa học và lý thuyết chỉ đáng tin cậy trong chừng mực được dẫn xuất ra từ những sự kiện ấy. Một cách lý tưởng thì nhà khoa học phải đưa ra được một bản liệt kê toàn diện tất cả các thí dụ theo lối kinh nghiệm luận của hiện tượng được khảo sát'' trước khi đồng nhất sự biểu thị của chúng với "hình thức" tự nhiên của chúng. Dù rằng Bacon không ninh định được đặc tính chính xác của sự trừu tượng hóa được hàm nghĩa ở đây là thế nào, nhưng người ta vẫn coi ông là người đã đòi hỏi rằng các đề xuất lý thuyết là chính đáng) chỉ khi nào chúng được suy diễn ra một cách hình thức từ một liệt kê như vậy. Ngược lại với "phép quy nạp Bacon", Descartes lại chú trọng đến việc xây dựng các hệ thống diễn dịch (deductive systems) chặt chẽ và không chứa đựng mâu thuẫn nội tại cho lý thuyết, trong đó các lập luận được theo đuổi với sự an toàn giống như trong hình học Euchde. Trong khi Bacon phản ứng chống lại sự tin tưởng kinh viện dựa trên uy tín của Anstotle bằng cách kêu gọi quay về với trải nghiệm trực tiếp, thì Descartẹs phản ứng chống lại chủ nghĩa hoài nghi thời đó bằng cách chỉ vào toán học là cái mà mọi tri thức chắc chắn về tự nhiên có thể dựa vào. Ông cho rằng nhiệm vụ của vật lý thế kỷ 17 là mở rộng cấu trúc trí tuệ kiểu Euchde bằng cách đưa thêm các tiên đề, định nghĩa và giả thiết mang tính hiển nhiên tự thân (self-evident) rồi từ đó suy ra các hệ quả. ông cũng tin rằng các hiện tượng tự với vật lý học cũng có thể khảo sát bằng một hệ thống chặt chẽ giống như vậy.


Xét về mặt triết học ta có thể xem Bacon biểu lộ xu hướng của phái duy nghiệm (Empiricism), còn Descartes đại diện cho phái duy lý (Rahonalism). Các luận chứng của Bacon và Descartes mang tính tuyên ngôn: cả hai đều đưa ra cương lĩnh trí tuệ cho nền khoa học tự nhiên đang còn phải xây dựng. Quả thực là trong vòng 150 năm kế tiếp, Galileo, Newton và nhiều người khác nữa mới thực sự đã kiến tạo ra nền khoa học vật lý mới.


Nguyên lý của Newton Tác phẩm "Nguyên lý toán học của vật lý" (Philosophiae aturnhs Principia Mathematica) của Newton ra đời năm 16871à một kiệt tác khoa học có tầm an trọng rất lớn. Tuy nhiên, cũng lại là một sự thật, răng hình thức của lý thuyết mới ấy không hoàn toàn giống hẳn một khuôn mẫu nào mà hai ông bacon và Descartes đã tiên đoán . Mở mặt là có rất ít kiểu quy nạp Bacon trong các quy trình trí tuệ của Newton. Có nhà khoa học như Robert Boyle (một trong những người sáng lập ra môn hóa học hiện đại) đã cố thử áp dụng các châm ngôn của Bacon, nhưng lại thấy chúng cản trở hơn là bổ ích cho việc đúc kết thành các khái niệm mang tính soi sáng.Mặt khác là tuy Newton chịu ảnh hưởng rất mạnh bởi thí dụ toán học của Descartes, nhưng Newton cũng chỉ theo châm ngôn phương pháp luận luận của ông này đến một điểm nhất định. Đúng là Newton đã đưa thêm các tiên đề, định nghĩa và giả thiết mang tính động lực học vầo lý thuyết chuyển động và lực hấp dẫn của mình theo chỉ dẫn của Descartes, nhưng Newton không hề có kỳ vọng chứng tỏ các mặc định bổ xung ấy là duy nhất hiển nhiên và đúng đắn. Thay vào đó, Newton coi chúng là những mặc định để làm việc, được chấp nhận như là giả thuyết trong chừng mực các hệ quả của chúng soi sáng được chính xác đến chi tiết cho các hiện tượng vẫn còn chưa được giải thích. Rõ ràng là những mặc định như thế không đáp ứng được tham vọng "Diễn dịch" của Descartes một cách đầy đủ. Thí dụ như Newton chưa từng biết đến hiện tượng nào chứng tỏ co các cơ chế hút hấp dẫn Và không hề bận tâm về việc bịa đặt" ra giả thuyết như thế (trái ngược với giai thoại quả táo rơi mà nhiều người vẫn lầm tưởng là sự thực lịch sử) .


Như vậy trên thực tế Newton gần như vô tình đã sáng tạo nên cái mà các triết gia về khoa học từ đó gọi là phương pháp diễn dịch-giả thuyết (hypothefico-deductive method): hình thức thích đáng của lý thuyết được xem như một hệ thống toán học, trong đó các hiện tượng kinh nghiệm luận cá biệt được giải thích bằng cách trên hệ chúng ngược trở lại theo cách diễn dịch với một số ít các nguyên lý tổng quát và các định nghĩa. Phương pháp này bỏ qua yêu cầu của Descartes là các nguyên lý và định nghĩa ấy bản thân chúng có thể được thiết lập một cách thuyết phục và dứt khoát trước khi tra vấn xem các hệ quả của chúng soi sáng thế nào lên các vấn đề khoa học và các hiện tượng mang tính thời sự.

Các nhà triết học lên tiếng từ năm 1700 các cuộc tranh cãi về khoa học luận chuyển sang hướng khác. Thoạt tiên là những đả kích nhằm vào phương pháp của Newton trong đó phải kể đến các tên tuổi như Gottfried Leibniz (1646- 1716) và George Berkeley (1685-1753), nhưng kể từ năm 1740 thì hầu như không còn ai nghi ngờ sự đúng đắn trong quan điềm của Newton nữa, vì cơ học Newton phù hợp kỳ diệu với các quan sát thực nghiệm.

Câu hỏi bây giờ trở thành: làm sao mà Newton lại làm được điều đó? Trong bối cảnh ấy tác phẩm "Phê phán lý tính thuần túy" của Immanuel Kant xuất bản lần đầu vào năm 1781 đã phần nào trả lời cho câu hỏi đó. Trong tác phẩm này Kant đã khảo sát bản thân lý tính của con người ông bác bỏ thuyết duy nghiệm vì cho rằng tuy mọi nhận thức bắt đầu từ kinh nghiệm, nhưng không phải tất cả đều bắt nguồn từ kinh nghiệm. Ông chứng minh rằng có những điều kiện có giá trị phổ quát độc lập với kinh nghiệm làm cơ sở cho kinh nghiệm. Khả năng thấu hiểu của con người có thể dẫn đến sản sinh ra tri thức hiệu quả, chỉ trong chừng mực bản thân giác tính ban đầu có cấu trúc khái niệm. ông cũng phản đối phái duy lý. Mặc dù ông thừa nhận có lý tính thuần túy độc lập với kinh nghiệm, nhưng cho rằng không thể nhận thức được thực tại bằng tư duy đơn thuần Kant cho rằng con người ban tặng một cấu trúc cho tri thức của mình thông qua các khái niệm và phạm trù mà cơn người sử dụng cho việc tạo lập và diễn giải trải nghiệm. Kant và những người thời đó đều tin chắc hình học Euchde và cơ học Newton là các hệ thống toán học và vật lý hoàn bị và duy nhất đúng, nếu như không phải là chân lý toán học cuối cùng vế tự nhiên . Niềm tin ấy thực tế kẻo dài cho đến cuối thế kỷ 19. Hình học Euchde và cơ học Newton luôn là khuôn mẫu cho các lĩnh vực nghiên cứu tự nhiên khác. Lý thuyết điện từ Maxwen Và Vật lý thống kê đều được xây dựng trong tinh than đó và cùng với cơ học Newton đã tạo dựng nên tòa lâu đài vật lý cổ điển.


Thuyết tương đối ra đời.

Thí nghiệm của Albert Michelson (1852-1931) thực hiện một mình tại berlin năm 1881vàcùngvới E. W. Morley tại hoa kỳ năm 1887đã trực tiếp dẫn đến sự ra đời của thuyết tương đối. Vào thời đó người ta nhìn nhận ánh sáng là chuyền động sóng lan truyền với vận tốc nhất định trong môi truờng cơ học được gọi là ê te (ether). Khi trái đất quay sẽ tạo ra chuyền động tương đối với ê-te, như vậy ánh sáng truyền từ một nguồn đặt trên trái đất theo cùng chiều với tốc độ của trái đất sẽ phải có tốc độ khác với ánh sáng truyền theo chiều ngược lại. Thí nghiệm Michelson có mục đích xác định sự khác biệt ấy để từ đó "do" được tốc độ của trái đất tương đối với ê-te. Kết quả thí nghiệm rất bất ngờ không có sự khác biệt nào cả! Các nhà vật lý đã loay hoay rất lâu cố giải thích kết quả thí nghiệm trong khuôn khổ cơ học Newton và giả thiết ê-te . Cuối cùng, Pomcaré đã kết luận rằng việc không có khác biệt nào trong thí nghiệm chính là định luật: ánh sáng truyền Với tốc độ nhừ nhau không phụ thuộc vàn tốc độ của trái đất và là một hằng số vũ trụ. Các nhà vật lý xem trái đất như hệ quy chiếu mà thí nghiệm Michelson được thực hiện trên đó . Các hệ quy chiếu chuyển động tương đối với nhau với một tốc độ không đổi (chuyển động thẳng đều) gọi là các hệ quán tính Các định luật cơ học đều như nhau trong các hệ quán tính và không thể dựa vào chúng để phát hiện ra một hệ quy chiếu đặc biệt nào trong các hệ quán tính. Như vậy Pomcaré đi đến kết luận là đinh luật của thuyết điện từ (ánh sáng truyền với tốc độ không đổi) cũng như nhau trên các hệ quán tính và người ta cũng không thể sử dụng nó đề phát hiện ra một hệ quy chiếu đặc biệt nào (gắn với ê-te) . Einstem cứu ảnh hưởng của Emst Mach (1838-1916) đã đi xa hơn nữa: ông khước từ giả thuyết về tính tuyệt đối của thời gian hàm chứa trong cơ học Newton (một thời gian duy nhất cho một hệ quy chiếu). Tính tuyệt đối của thời gian trong cơ học Newton vốn đã được Mach vạch ra từ trước . Einstein cho rằng mỗi hệ quy chiếu có không gian và thời gian riêng đảm bảo cho các định luật điện từ cũng như cơ học đều như nhau trong mọi hệ quán tính. Để đảm bảo yêu cau này Einstein đã xây dựng lại các định luật cơ học và đó là nội dung của thuyết tương đối riêng ra đời năm 1905 khi Albert Einstem mới 26 tuổi . Trong lý thuyết mới này sự tồn tại của ê-te không còn là điều cần thiết nữa và ngày nay nó không còn hiện diện trong vật lý hiện đại. Cơ học Einstein đưa ra nhiều kết quả khác thường đối với cảm nhận thông thường của con người, thí dụ như thời gian trôi qua đối với người đi trên tàu vũ trụ khác với người ở trên trái đất, khiến cho huyền thoại

Từ Thức nhập Thiên thai lại được nhớ tới như một viễn tượng có thể có. Tuy nhiên, sự khác biệt giữa cơ học Einstein và cơ học Newton thể hiện trong bài toán chuyển động của vật thề đủ biểu lộ rõ rệt với các chuyển động có vận tốc rất lớn xấp xỉ với tốc độ ánh sáng là tốc độ có giá trị gần 300000 klômet mỗi giây .

Với các chuyển động có tốc độ như máy bay thì sự khác biệt là quá nhỏ nên không thể nhận ra được. Thuyết tương đối cũng khẳng định không thể gia tăng vận tốc của vật thể vượt quá vận tốc ánh sáng. Thuyết tương đối của Einstein đã ảnh hướng mạnh mẽ đến tư duy triết học trong việc thẩm định tính chân lý của các lý thuyết khoa học.

Karl Popper đưa ra tiêu chí tính thử sai (falsthabthty) để nhận diện lý thuyết khoa học: một lý thuyết chỉ được coi là khoa học trong trường hợp lý thuyết đó cho phép rút ra các kết luận có thể kiểm chứng bằng thực nghiệm; nhiều kết quả kiểm chứng phù hợp vẫn không đủ chứng minh lý thuyết đó là đúng, nhưng một kết quả không phù hợp cũng đủ chứng minh lý thuyết đó là sai . Một lý thuyết không cho phép rút ra kết luận nào khả dĩ kiểm chứng được bằng quan sát thực nghiệm để phân định đúng sai thì lý thuyết đó không phải là khoa học. Thomas Kuhn khảo sát lịch sử các hoạt động khoa học từ góc nhìn xã hội học và thấy rằng trong thực tiễn lịch sử các nhà khoa học không dễ dàng bác bỏ một lý thuyết khoa học đang hiện hữu như một bộ phận cấu thành hệ ý niệm của cộng đồng những người thực hành khoa học chuẩn mực. Chỉ khi nào các quan sát dị thường tạo nên tình trạng khủng hoảng mà lý thuyết hiện hành không giải quyết nổi thì mới có nhu cầu đối với lý thuyết mới. Sự tiếp nhận một lý thuyết mới là một cuộc cách mạng khoa học thay đổi hệ ý niệm của cộng đồng những người thực hành nghiên cứu khoa học chuẩn mực. Lý thuyết tương đối của Einstein không phải là một bổ xung cho cơ học Newton mà là sự thay thế hệ thống khái niệm của cơ học Newton bằng những ý niệm mới. Thí dụ như khái niệm khối lượng của vật thể trong cơ học Newton là một đại lượng bảo toàn trong khi khối lượng theo Einstein lại chuyển đổi được với năng lượng .

Ảnh hưởng của hai thiên tài Newton và Einstein được thừa nhận là những thiên tài khoa học lớn lao nhất mà nhân loại từng biết đến Đóng góp của các ông tạo nền móng cho tòa lâu đài vật lý học hiện đại và ảnh hưởng sâu sắc đến nhiều ngành khoa học khác. Các thành tựu khoa học đã dẫn đến cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật.

Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật lần thứ nhất đã sản sinh ra nền kinh tế công nghiệplàm biến đổi sâu sắc xã hội Châu âu và Bắc Mỹ vào thế kỷ 18. Thành tựu to lớn ấy đã đưa khoa học lên đỉnh cao vinh quang trong con mắt của toàn xã hội, tri thức khoa học được xem là tri thức đáng tin cậy nhất bới vì nó được xác nhận bởi thực tiễn kỹ thuật. Phương pháp khoa học được đề cao và người ta tin tưởng rằng với sự trợ giúp nó nhân loại sẽ nhanh chóng được khai sáng. Phong trào Khai Sáng (Enhghtenment) lan tỏa khắp châu âu và Bắc Mỹ tạo nên thời đại ánh Sáng của phương Tây thế kỷ18.

Các nhà tư tưởng của phong trào Khai Sáng tin tưởng rằng vũ trụ không phải được điều hành bởi các phép mầu của thượng đế mà bởi các quy luật duy lý có thể thấu hiểu được bằng phương pháp khoa học. Khoa học sẽ giúp nhân loại cải thiện đời sống vật chất đồng thời khắc phục được sự tối tăm dốt nát, mê tin dị đoan và các định kiến lạc hậu mà các thế lực chuyên chế của vua chúa và nhà thờ đã duy trì trong quá khứ. Phát triển và tiến bộ được coi là chiều hướng tất yếu của lịch sử. Thực tiễn lịch sử thế giới sau đó đã không xác nhận niềm lạc quan ngây thơ ấy và nhiều nhà tư tưởng thế kỷ 20 đã phê phán phong trào Khai Sáng xuất phát từ những lập trường rất khác nhau. Tuy nhiên, giá trị quan trọng của phong trào Khai Sáng với sự suy tôn con người như một chủ thề tự do và tự chủ trong một xã hội văn minh, vẫn là một di sản văn hóa quý báu cho nhân loại.

Đưa ra các khái niệm cơ bản cho việc mô tả chuyển động của vật thể như không gian và thời gian, khối lượng, quỹ đạo, vận tốc?của vật thể, lực tác động lên vật thể?
Đưa ra một số tiền để (axiom) được thừa nhận không có chứng minh làm điểm xuất phát, trong đó có tiên đề động lực học dưới hình thức ?ophương trình chuyển động lực học dưới hình thức ?ophương trình chuyển động?.
Từ phương trình chuyển động có thể dùng toán học như phương tiện diễn dịch để suy ra các hệ quả vật lý dưới dạng các hiện tượng có thể kiểm chứng được bằng quan sát thựuc nghiệm. Cơ học Newton thuyết phục mọi người suốt mấy trăm năm là vì mọi quan sát thực nghiệm cũng như quan trăc thiên văn đều phù hợp với tiến đoán lý thuyết trong độ chính xác cho phép của các dụng cụ đo lường có được vào thời kỳ đó. Chỉ đến khi xuất hiện thí nghiệm của Michelson vào cuối thế kỷ 19 cơ học Newton mới gặp khó khăn trong việc khớp nối với kết quả thực nghiệm.

Cả Einstein lẫn Newton đều có trí tuệ vĩ đại khiến cho mọi người đều biết về những cống hiến của họ và ngoài đó nữa. Newton đã phát minh ra phép tinh vi tích phân, đã phát biểu các định luật của cơ học và đưa ra định luật vạn vật hấp dẫn. Còn Einstein đã đặt cơ sở cho hai toà nhà chọc trời của vật lý hiện đại, đó là thuyết tương đối hẹp và lý hiện đại, đó là thuyết tương đối hẹp và vật lý lượng tử, đồng thời cũng xây dựng một lý thuyết mới về hấp dẫn.
Nhưng ngoài những thành tựu cụ thể đó ra, cả hai ông đều đã làm thay đổi triệt để lối tư duy trong khoa học. Cả hai đều đã phát triển một thế giới quan mới, mà ngày hôm nay chúng ta thường gọi là Vũ trụ Newton và Vũ trụ Einstein-vũ trụ thứ nhất là thế giới của những cái tuyệt đối và vũ trụ thứ hai là thế giới của những cái tương đối. Trong vũ trụ Newton, thời gian trôi không gì cản nổi với nhịp độ đều đặn, cả trước kia, bây giờ và mãi mãi. Quan hệ nhân quả ở đó được đảm bảo một cách nghiêm ngặt như mệnh lệnh của Thượng đế. Hoàn toàn không có ngoại lệ, mỗi kết quả đều có nguyên nhân của nó. Trương lai hoàn toàn tiên đoán được từ quá khứ. Trong vũ trụ Einstein, thời gian không còn là tuyệt đối nữa. Nhịp độ trôi của thời gian phụ thuộc vào người quan sát. Hơn thế nữa, theo lý thuyết lượng tử, một lý thuyết mà Einstein đã góp phần tạo dựng được cho nó mặc dù có những phản đối quyết liệt sau đó, thì những bất định có tính chất nội tại của tự nhiên ở quy mô nội nguyên tử, đã cản trở sự tiên đoán tương lai từ quá khứ. Những hiểu biết chắc chắn được thay thế cho những hiểu biết mang tính xác suất.
Có thể nói những ý tưởng đò còn lớn lao hơn những lý thuyết khoa học cụ thể . Chúng là triết học, là chủ đề của bản giao hưởng, là những con đường tồn tại khác nhau trong thế giới này.
Cả Newton lẫn Einstein đều chủ yếu là những nhà vật lý lý thuyết. Và cũng giống như nhiều nhà lý thuyết khác họ đã hoàn tất những công trình vĩ đại nhất của đời họ ở lứa tuổi hai mươi. Nhưng cả hai cũng đều đã thử nhúng tay vào thực nghiệm. Newton, nhà thực nghiệm vĩ đại hơn, người mà ngoài những điều khác ra, đã phát hiện ra ánh sáng trắng là tổ hợp của các màu sắc khác nhau. Newton đã phát minh ra những công cụ toán học mà ông cần. Einstein thì không, nhưng trực giác sáng chói của ông đã dẫn ông tới nghiên cứu và sử dụng hình học phi Euclid phức tạp, cho lý thuyết hình học của ông về hấp dẫn.
Cả hai thiên tài này đều là những nghệ sĩ. Cả hai đều đắm mình trong hành trình tìm kiếm sự giản dị, sự tao nhã và vẻ đẹp toán học. Và cũng giống như các nghệ sĩ lớn, họ đều thích làm việc trong sự đơn độc. Newton giam mình hàng tháng trời liền để hoàn tất một công trình. Einstein hầu như không có một học trò nào và cũng hiếm khi ông tham gia giảng dạy. Cả hai đều là những người đơn độc. Nhưng Newton cô đơn hơn. Ông dường như rất gét sự giao du, và như nhà văn Pháp vĩ đại Voltaire đã viết lúc Newton qua đời: ?oTrong suốt cuộc đời khá dài của mình, ông (Newton) không có một sự mê đắm hay yếu lòng nào; ông cũng chưa bao giờ tới gần một người đàn bà?. Newton còn lập một kế hoạch để giữ gìn sử đơn chiếc của mình: ?oMột cách để giữ sự trinh khiết của mình đó là không nên giày vò với những suy nghĩ không tự chủ được mà nên né trành những ý nghĩ đó bằng một công việc nào đấy, hoặc đọc sách hoặc suy tư về những điều khác?.
Trong giai đoạn sau của cuộc đời, Einstein có dành nhiều thời gian cho những hoạt động xã hội, như đi nhiều nước trên thế giới giảng về chính trị, triết học và giáo dục, giúp đỡ lập quỹ cho trường ĐH Do thái Jerusalem. Einstein cũng là người có nhiều mối quan hệ lãng mạn. Nhưng ở trong sâu thẳm con người ông, ông vẫn là người đơn độc như Newton. Trong một tiểu luận công bố năm 1931, khi ông 52 tuổi, Einstein viết: ?oTình cảm mãnh liệt của tôi về công bằng và trách nhiệm xã hội lại tương phản một cách lạ lùng với sự thiếu vắng rõ rệt nhu cầu tiếp xúc trực tiếp với những người khác và cộng đồng con người. Tôi thực sự là một ?olữ hành đơn độc? và chưa bao giờ thuộc về đất nước tôi, ngôi nhà tôi, bạn bè tôi, và ngay cả gia đình gần gũi của tôi với toàn bộ trái tim mình.
Isaac Newton và Albert Einstein đã để lại những di sản hết sức sâu sắc. Newton đã đánh bại quan niệm cho rằng có một số lĩnh vực của tri thức mà trí tuệ của con người không thể tiếp cận tới được. Ý tưởng này đã bắt rễ trong văn hoá phương Tây nhiều thế kỷ trước đó. Trước Newton, người ta quan niệm rằng loài người chỉ được phép hiểu những gì mà Thượng đế đã chiếu cố hé lộ. Tuy nhiên, với sự ra đời tác phẩm kỳ vĩ Những nguyên lý toán học của triết học tự nhiên (1687) của Newton tất cả những hạn chế cùng những khu vực bị cấm đoán đó đều đã được gạt sang một bên. Ở đây, bằng một ngôn ngữ toán học chính xác, Newton đã khảo sát mọi hiện tượng của thế giới vật lý đã biết, từ con lắc, đến chiếc lò xo, đến sao chổi và tới các quỹ đạo xa vời của các hành tinh. Sau Newton, sự phân chia giữa tâm linh và vật lý đã trở nên rạch ròi hơn. Và con người có thể hiểu được thế giới vật lý đã biết.
Còn Einstein, với những tiên đề lạ lùng và dường như vô lý của thuyết tương đối hẹp, ông đã chứng minh rằng những chân lý vĩ đại của tự nhiên không thể đạt tới chỉ đơn giản bằng sự quan sát kỹ lưỡng thế giới bên ngoài. Thực ra, đôi khi các nhà khoa học phải bắt đầu ngay trong bộ óc của họ, từ đó nêu ra những giả thuyết và những hệ thống logic, rồi sau đó mới đem kiểm chứng bằng thực nghiệm. Ví dụ, toàn bộ kinh nghiệm của chúng ta từ lúc cất tiếng khóc chào đời đều mách bảo chúng ta rằng thời gian trôi với nhịp độ đều đặn, nhưng niềm tin đó không đúng. Vật lý hiện đại cuối cùng đã vươn tới hiểu được tự nhiên ở bên ngoài những cảm nhận của các giác quan con người, nó dạy chúng ta rằng sự nắm bắt thế giới tự nhiên bằng lẽ phải thông thường và kinh nghiệm rất dễ mắc sai lầm. Trong di sản đó, Einstein đã lật nhào nhiều thế kỷ của tư tưởng về quyền lực tối cao của nghiên cứu thực nghiệm và kinh nghiệm. Chính ở đây Einstein đã phản đối câu châm ngôn của Newton: Tôi không khuôn mình trong các giả thuyết với ý muốn nói rằng ông (newton) không phải là nhà triết học trong tháp ngà như Aristôtle, mà là nhà khoa học luôn lấy những sự kiện quan sát được làm cơ sở cho những lý thuyết của mình.

Trong bản tự thuật của mình Einstein đã diễn đạt hướng đi khác với Newton của ông như sau: ?oNewton, mong ông hãy tha thứ cho tôi; ông đã tìm được con đường duy nhất, mà ở thời đại ông, có thể đạt được đối với một con người có sức mạnh tư duy và sáng tạo cao nhất. Những khái niệm mà ông sáng tạo ra, thậm chí ngay cả ngày hôm nay, cũng đang dẫn dắt tư duy của chúng tôi trong vật lý, mặc dù giờ đây chúng tôi biết rằng chúng cần phải được thay thế bằng những cái khác, xa rời hơn phạm vi của kinh nghiệm trực tiếp?.
Trong lời giới thiệu cho cuốn Opticks của Newton, Einstein đã viết về Newton, ?oThiên nhiên đối với ông là một cuốn sách mở....Trong một con người ông là sự tổ hợp của nhà thực nghiệm, nhà lý thuyết, nhà cơ khí và sau nữa, nhưng không phải là cuối cùng, là nhà nghệ sĩ trong sự trình bày. Đứng trước chúng ta, ông là một con người mạnh mẽ, chắc chắn và đơn độc?. Giả dụ như trong tương lai, bằng thuật du hành theo thời gian, Newton có tái thế thì rất có thể ông cũng sẽ viết những lời tương tự về Einstein.
Việc cho ra đời thuyết "tương đối" và thuyết "lượng tử" đã ghi tên Albert Einstein vào danh sách những nhà bác học, khoa học hàng đầu thế kỉ và tạo nên 1 cuộc cách mạng trong khoa học và nó vẫn được áp dụng rộng rãi cho tới tận ngày nay sau gần 100 năm ra đời.
Sự ra đời của thuyết "tương đối" và thuyết "lượng tử"
Đầu tiên là thuyết tương đối, do chuyên viên kĩ thuật hạng ba Einstein sinh ra. Thuyết tương đối ra đời đã 100 năm (tính từ thuyết tương đối hẹp), ngày nay mỗi sinh viên đều có thể hiểu được nó. Vì vậy nhiều người đã xếp thuyết tương đối vào các lý thuyết cổ điển (theo một cách hiểu khác, cổ điển nghĩa là không chứa các yếu tố lượng tử). Thuyết tương đối mô tả vũ trụ vĩ mô (trên thang nguyên tử).
Thuyết lượng tử được Einstein tham gia xây dựng, cùng với một nhóm những con người lãng mạn khác: Bohr, Heisenberg, Pauli, Schrodinger, Born, Planck... Thường được thể hiện trong cơ học lượng tử, thuyết lượng tử mô tả vũ trụ với các yếu tố bất định, chủ yếu là mô tả thế giới vi mô (từ nguyên tử trở xuống).
Và trong suốt quãng đời còn lại của mình, nhà bác học Albert Einstein đã ra sức kết hợp giữa hai lý thuyết đó lại với nhau nhằm tạo ra lý thuyết lớn hơn là "trường thống nhất".
Vậy thống nhất 2 lý thuyết để làm gì?
Bài toán thống nhất được đặt ra để giải quyết vấn đề điểm kì dị của không-thời gian, vốn được Hawking nghiên cứu rất kĩ. Bài toán liên quan đến các điểm kì dị của không-thời gian, là những điểm có kích thước bằng 0, mật độ không gian bằng vô hạn và thời gian bị kéo giãn tới mức vô hạn (thực ra tại đó không gian và thời gian được coi như không còn tồn tại). Tại đó, do không-thời gian bị uốn cong đến vô hạn nên trường hấp dẫn tạo ra là... vô hạn.
Hai loại điểm kì dị nổi tiếng nhất là lỗ đen (bạn đời của Hawking) và ''cục'' Big Bang, tức là vũ trụ sơ khai. Tại tâm lỗ đen, hay tại những thời khắc đầu tiên của vũ trụ, hiệu ứng hấp dẫn thể hiện qua sự cong của không-thời gian cũng như các hiệu ứng lượng tử đều được thể hiện. Tuy nhiên chính do đó mà không thể áp dụng được cả 2 lý thuyết, vì thuyết tương đối rộng chỉ áp dụng được cho không gian trơn nhẵn, không phải là không gian chứa đầy bọt lượng tử (có độ cong và tôpô hỗn độn).
Bức tường Planck của các hiện tượng có kích thước dưới 1E-33 cm và xảy ra trong khoảng dưới 1E-43 giây đã chắn ngang con mắt của khoa học. Ở đó, thuyết tương đối và mọi thứ đều sụp đổ.
Nhưng rốt cuộc đành phải bỏ dở giữa chừng, để lại cho các thế hệ sau tiếp nối các bài toán thật hóc búa đó. Nhưng mặc cho sự nỗ lực của nhân loại, hai thuyết (tương đối và thuyết lượng tử) đó, cho đến ngày hôm nay vẫn ngoan cố và tách rời một cách độc lập, làm như chúng không có dây mơ rễ má gì với nhau. Đồng thời cho đến ngày hôm nay vẫn là bài toán hóc búa, làm đau đầu cho các nhà khoa học hàng đầu trên Thế Giới. Và trong các nhà khoa học hàng đầu trên Thế Giới đang tìm cách kết hợp hai thuyết đó lại, phải kể đến nhà khoa học Stephen Hawking người Anh, đã dùng mọi cách, kể cả dùng kiến thức toán học tiến bộ nhất ngày nay, chỉ với mục đích duy nhất, nhằm kết hợp hai thuyết (tương đối và thuyết lượng tử) lại với nhau, nhưng đến hôm nay vẫn không tài nào làm được.
Tại sao không thể thống nhất hai thuyết?
Chủ yếu là do các vấn đề toán học quá khó khăn.
Để thống nhất 2 lý thuyết trên, cần phải thống nhất được 4 lực cơ bản của tự nhiên là lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân yếu, lực hạt nhân mạnh. Các nhà vật lý đã thống nhất được ba lực phi hấp dẫn trong mô hình chuẩn của vật lý hạt. Lý thuyết này là một lý thuyết lượng tử, nhưng vẫn không thể thâu tóm được lực hấp dẫn. Vì thế lực hấp dẫn vẫn là ông anh kiêu căng khó thuyết phục.
Các xu hướng chủ yếu hiện nay tập trung vào thuyết dây. Thuyết dây ra đời với tham vọng kết hợp các kết quả của 2 lý thuyết trên. Sau này khi nhập thuyết siêu đối xứng vào thì gọi là thuyết siêu dây hay thuyết dây siêu đối xứng. Các vấn đề toán học của nó khó đến nỗi các nhà vật lý khi nghiên cứu thuyết siêu dây lần đầu tiên đã vượt trên các nhà toán học bằng việc tự tạo ra công cụ toán học cho mình để phục vụ nghiên cứu (trước đây toán học luôn phải dẫn trước một bước). Còn rắc rối hơn khi không chỉ có một lý thuyết dây mà là có tới 5 lý thuyết dây khác nhau, tuy có ít nhiều biểu hiện đối xứng đang dần lộ diện.
Hawking vốn ban đầu không quan tâm đến thuyết dây nên ông đã lỡ nhịp trong nghiên cứu. Hiện nay ông không còn là người tiên phong nữa, nhưng vẫn rất lạc quan khi tuyên bố rằng thuyết M sắp lộ diện. Thuyết M là tên được dùng để đồng nhất với TOE (Theory of Everything). Thuyết này phải bao gồm được các thuyết trước đây, giải thích được mọi hiện tượng vật lý. Nghe thật to tát và người ta vẫn chỉ đang mơ ước đến nó. Một đống các thứ từ siêu dây, siêu hấp dẫn, p-brane... đang được nhét vào đó, đưa không gian phình từ 3 chiều lên thành 10 chiều, rồi hơn 20 chiều... (!?) nhưng tất cả chỉ là lý thuyết chưa hoàn chỉnh.
Hiện nay ngoài các khó khăn lý thuyết còn có khó khăn thực nghiệm khi các máy gia tốc lớn còn đang được xây dựng. Các nhà lý thuyết còn khá lâu mới có thể kiểm chứng được lý thuyết của mình.

Tóm lại, việc thống nhất 2 trụ cột của vật lý hiện đại không chỉ làm Einstein bó tay trong suốt 30 năm cuối cuộc đời mà con đang làm bó tay nhiều thế hệ các nhà khoa học khác. Newton trong suốt những năm cuối của cuộc đời không thể giải nổi bài toán 3 vật tương tác, cho mãi đến tận sau này khi Poincaré đưa ra lý thuyết hỗn độn thì người ta mới có được lời giải. Có lẽ vấn đề TOE còn lâu mới được giải quyết.
"Để nêu bật những vấn đề điển hình nhất, các câu hỏi vừa phải đủ hóc búa, đủ thách thức và đủ mời mọc mọi người cùng tham gia suy ngẫm", tổng biên tập Donald Kennedy phát biểu.
Sau đây là 10 câu nổi bật trong Science số này:
1. Vũ trụ được làm bằng gì?
Trong những thập kỷ gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng vật chất thông thường tạo nên các ngôi sao, hành tinh và thậm chí con người chỉ chiếm 5% trong tất cả mọi thứ của vũ trụ. Số còn lại là vật chất tối, năng lượng tối, những hiện tượng mà các nhà khoa học vẫn đang tìm hiểu.
2. Đâu là nền tảng sinh học của ý thức?
Vào thế kỷ 17, nhà triết lý và toán học René Descartes của Pháp tuyên bố rằng đầu óc và cơ thể con người hoàn toàn tách biệt. Điều này đã gây ra cuộc tranh cãi về bản chất của ý thức trong các nhà triết học khác.
Ngày nay, các nhà khoa học lại đưa ra một luận điểm rằng ý thức nảy sinh từ các đặc tính và cấu trúc thần kinh trong não. Các cuộc thí nghiệm nhằm tìm ra những đặc điểm này mới chỉ bắt đầu.
3. Tuổi thọ con người có thể kéo dài bao lâu?
Các cuộc thí nghiệm về việc kéo dài tuổi thọ ở men, giun và chuột đã thuyết phục một số nhà khoa học rằng con người cũng sẽ đến lúc kỷ niệm ngày sinh nhật thứ hàng trăm. Các nhà khoa học khác lại nói rằng cuộc sống của con người sẽ bị giới hạn hơn. Cho dù đúng hay không, triển vọng của việc kéo dài tuổi thọ con người sẽ "có những tác động xã hội sâu sắc", nhà nghiên cứu Jennifer Couzin nhận định.
4. Nhân trái đất hoạt động thế nào?
Giả thuyết mang tính cách mạng rằng vỏ trái đất được chia thành nhiều mảnh nhỏ chen chúc nhau trên bề mặt hành tinh chúng ta vẫn còn quá đơn giản. "Còn thêm 6.300 km sắt đá ở dưới các mảng thạch quyển liên tục xáo trộn tạo nên sự hoạt động nhiệt bên trong", Richard A. Kerr viết.
Khi các nhà khoa học tìm hiểu bên trong trái đất bằng các công cụ phức tạp hơn, họ tìm thấy bộ máy quả đất còn phức tạp hơn nhiều ở bên dưới chiếc vỏ.
5. Chúng ta có cô độc trong vũ trụ?
Các tính toán khoa học nói rằng không: Có hàng trăm tỷ vì sao trong dải thiên hà của chúng ta - Milky Way, và còn hàng trăm tỷ thiên hà khác trong vũ trụ. Gần với ta nhất, các nhà khoa học đã phát hiện được 150 hành tinh quay quanh các ngôi sao.
Tóm lại, các nhà khoa học cho rằng vũ trụ đầy rẫy những nơi đủ điều kiện để cuộc sống thông minh phát triển. "Vấn đề là khi nào, và liệu có khi nào chúng ta có đủ kỹ thuật để vươn xa và chạm vào những nền văn minh đó", Richard A. Kerr nói.
6. Sự sống trên trái đất bắt nguồn từ đâu và như thế nào?
Các cuộc thí nghiệm gần đây cho thấy sự sống đầu tiên trên trái đất có thể bắt nguồn từ ARN - chứ không phải ADN và các protein cần thiết cho mọi sinh vật sống ngày nay.
Khi các nhà khoa học tập trung tìm hiểu mô hình này, thì một số khác lại chuyển sang tìm hiểu trái đất không sự sống đã sinh ra thế giới RNA như thế nào. Các nhà nghiên cứu khác lại tranh cãi tại đâu mà những sự sống và cái chết này gặp nhau. Ở sâu dưới các lỗ thông hơi dưới đại dương, vực thuỷ triều, biển băng? Hay các vi khuẩn từ sao Hoả đã được đưa tới trái đất 4 tỷ năm trước?
7. Có thể tìm ra văcxin HIV hiệu quả?
Các nhà nghiên cứu đã xác định virus HIV là nguyên nhân của hội chứng suy giảm miễn dịch mắc phải (AIDS) 2 thập kỷ trước. Từ đó đến nay, công cuộc tìm kiếm văcxin hiệu quả cho căn bệnh truyền nhiễm chết người này đã nhận được nhiều ngân sách hơn bất cứ loại vắcxin nào trong lịch sử.
Và công cuộc tìm kiếm, khai thác những biện pháp cải tiến hơn, vẫn tiếp tục. Những người hoài nghi cho rằng sẽ không bao giờ tìm ra được văcxin. Cho dù có thành công, chúng cũng sẽ trở nên vô giá trị trước sự biến đổi khôn lường của virus.
8. Thế giới nhà kính sẽ nóng đến mức độ nào?
Các nhà khoa học biết rõ rằng thế giới đang nóng dần lên và con người là nguyên nhân của hầu hết sự biến đổi khí hậu này. Nhưng họ còn biết ít hơn về việc trái đất sẽ ấm lên bao nhiêu khi lượng khí thải nhà kính dự đoán sẽ tăng gấp đôi trong thế kỷ này.
Các mô hình nghiên cứu cho thấy trái đất sẽ tăng lên ít nhất 1,5 độ C và có thể lên tới 11 độ C. Cần phải có một biện pháp nghiên cứu hiện đại hơn nữa để dự đoán được nhiệt độ trong tương lai.
9. Cái gì có thể thay thế dầu? Khi nào?
Giá dầu và nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng gia tăng. Trữ lượng dầu vẫn tiếp tục thu nhỏ và các tảng băng thì đang tan chảy. Đã đến thời điểm chín muồi để con người chuyển từ dầu sang một nguồn năng lượng khác. Các nguồn năng lượng thay thế thì sẵn có nhưng cần phải được khai thác và xử lý sao cho hiệu quả để thay thế được dầu. Những tiến bộ trong ngành công nghiệp nano có thể là câu trả lời. Nhưng liệu chúng có ra đời kịp thời để tránh được sự khủng hoảng năng lượng?
10. Liệu Malthus có tiếp tục sai?
Năm 1798, nhà kinh tế học người Anh Thomas Malthus đã tuyên bố rằng sự tăng trưởng dân số thế giới sẽ luôn luôn được kìm hãm, do bị khống chế bởi chiến tranh, nghèo đói, bệnh tật và các tai hoạ khác. Hơn 2 thế kỷ sau, dân số toàn cầu đã tăng gấp 6, lên hơn 6 tỷ người, phá vỡ mọi phỏng đoán của Malthus. Các nhà nhân khẩu học dự đoán rằng dân số thế giới sẽ còn đạt 10 tỷ người vào năm 2100. Liệu xu hướng này có được ngăn chặn? Một trong những thách thức của nó là làm sao chuyển đổi xã hội sang một cơ chế tiêu dùng và phát triển bền vững hơn, Erik Stokstad nhận định.
Vũ trụ có nguồn gốc từ đâu, vì sao vũ trụ xuất hiện? Vũ trụ tiến hoá như thế nào và có kết thúc hay không? Thú vị là chỉ trong vòng một thế kỷ, con người đã có thể thảo luận những câu hỏi ngàn đời đó một cách khoa học. Bài viết này cố gắng đưa ra một bức tranh sơ bộ về những câu hỏi nói trên.

Mô hình Big bang tiêu chuẩn
Mô hình Big Bang (vụ nổ lớn) cho rằng vũ trụ khởi thuỷ bằng một vụ nổ khoảng 15 tỷ năm trước. Tại vụ nổ, kích thước vũ trụ được xem là bằng không nên mật độ năng lượng và nhiệt độ vô cùng lớn. Sau vụ nổ, vũ trụ giãn nở và nguội dần, cho phép thành các cấu trúc như ta đã thấy ngày nay.
Ít nhất có ba cơ sở lý luận và thực tiễn dẫn tới mô hình. Thật thú vị khi biết chính một nhà văn là người đầu tiên cho rằng vũ trụ phải có điểm khỏi đầu. Nghịch lý Olbers (1823) cho rằng nếu vũ trụ vô tận trong không ?" thời gian thì nó phải có nhiều sao đến mức khi nhìn nên bầu trời, tia mắt ta bao giờ cũng gặp một ngôi sao. Và ta sẽ thấy bầu trời luôn sáng rực như mặt trời, ngay cả vào ban đêm. Những thực tế bầu trời ban đêm lại tối đen. Trong bài thơ văn xuôi dài Eureku năm 1848, Edgar Poe cho rằng, đó là do các ngôi sao không đủ thời gian để chiếu sáng toàn vũ trụ. Và bầu trời đêm tối đen chứng tỏ vũ trụ không tồn tại mãi mãi. Không chỉ đứng vững trước thử thách của thời gian mà giả thuyết còn đóng vai trò quyết định trong việc hình thành lý thuyết Big Bang.
Cơ sở lý luận thứ hai là thuyết tương đối tổng quát, cho rằng không ?" thời gian là các đại lượng động lực, phụ thuộc vật chất đồng thời chi phối vật chất (lưu ý quan niệm của Engels, cho rằng không ?" thời gian là hình thức tồn tại của vật chất). Điều đó dẫn tời việc không ?" thời gian la hình thức tồn tại của vật chất). Điều đó dẫn tời việc không ?" thời gian và do đó vũ trụ có thể có khởi đầu và kết thúc, một ý tưởng ban đầu chính Einstein cũng tìm cách chống lại.
Cơ sở thực tiễn của mô hình là phát hiện vũ trụ giãn nở của Hubble những năm 1920. Vũ trụ hiện đang giản nở và các thiên hà ngày càng xa nhau chứng tỏ trong quá khứ chúng gần nhau, khi vũ trụ có kích thước nhỏ hơn. Suy diễn ngược thời gian mãi sẽ đi đến thời điểm khai sinh, khi toàn vũ trụ tập trung tại một điểm, nơi có mật độ năng lượng, nhiệt độ và độ cong không thời gian vô hạn. Và một vụ bùng nổ sẽ khiễn vũ trụ sinh thành.
Tuy nhiên mật độ vật chất hay lực hấp dẫn quá lớn có thể khiến vũ trụ co lại ngay khi vừa giãn nở. Cùng với những nguyên nhân khác mà Alan Guth giả định sự giãn nở lạm phát, cho phép vũ trụ tăng kích thước 1030 lần chỉ trong khoảnh khắc (từ thời điển 10-35 đến thời điểm 10-32 giây sau vụ nổ). Vượt qua cái ranh giới thành bại tế vi đó, vũ trụ đắc thắng giãn nở và tạo ra mọi thứ, kể cả bản thân chúng ta.
Đó là mô hình vũ trụ nóng giãn nở lạm phát tiêu chuẩn. Năm 1991 khi viễn kính Hubble trên vệ tinh Cobe đo được phông bức xạ tàn dư từ nổ quá khứ đúng như tiên đoán, mô hình Big Bang được thừa nhận rộng rãi.
Những vấn đề bỏ ngỏ
Big Bang là mô hình tốt nhất hiện nay, nhưng tất nhiên nó vẫn còn nhiều vấn đề, bao gồm điểm kì dị và sự khởi đầu tối hậu. Vật lý luân tránh các điểm kì dị, nơi một đại lượng nào đó đạt giá trị vô cùng ?" điều chỉ có trong thế giới toán học trừu tượng. Big Bang chính là điểm kì dị như vậy và đó là điều cần tránh. Rồi Big Bang sinh ra vũ trụ, vậy cái gì sinh Big Bang? Không la khi nhà thờ rất hoan nghênh mô hình, vì xem Big Bang là hiện thân của đấng sáng tạo.
Một cách tránh vấn đề kì dị là lý thuyết dây của vật lý hạt (cơ bản). Lý thuyết dây xem cấu tử cơ bản nhất củ vũ trụ không phải là hạt (như điện tử, quark...) mà là dây hay siêu dây với 10 chiều. Có đến 5 lý thuyết dây và đến 1995 người ta thấy rằng chúng chỉ là phiên bản của một lý thuyết nền tảng hơn là lý thuyết màng 11 chiều. Các kiểu dao động khác nhau của màng được thể hiện thành các hạt cơ bản mà ta thấy. Quan điểm cũ xem hạt cơ bản là chất điểm không kích thước nên dẫn tới điểm kì dị, còn màng thì không vì chúng có kích thước xác định, dù rất nhỏ.
Bài toán khởi đầu tồi hậu thì phức tạp hơn. Một cách giải quyết vấn đề là khảo sát sự kết thúc. Vũ trụ giãn nở mãi mãi hay dần co lại trong một vụ co lớn (Big Crunch)? Nếu vũ trụ đủ vật chất, lực hấp dẫn sẽ thắng dần sự giãn nở và vũ trụ đủ vật chất, lực hấp dẫn sẽ thắng dần sự giãn nở và vũ trụ sẽ co về điểm kì dị chung cục. Và vụ nổ tạo nên chúng ta có thể có thể là kết quả của vụ co trước. Đó là mô hình vũ trụ luân hồi của Wheeler, với các chu trình co giãn nối thành vòng tròn như triết lý nhà Phật, một phương thức để tránh sự khởi đầu tối hậu.
Đáng tiếc Big Cruch không phải là đối xứng gương hoàn hảo của Big Bang. Khi vũ trụ co, các Photon sẽ nhận thêm năng lượng do trường hấp dẫn mạnh. Và vũ trụ khi kết thúc sẽ nóng hơn lúc khởi đầu. Kết quả là vụ nổ càng về sau càng mạnh hơn. Điều đó chứng tỏ vũ trụ vẫn cần một điểm khởi đầu tối hậu, giống như mô hình chỉ có một Big Bang vậy. Nhà thơ vẫn chưa mất đi nỗi hào hứng.
Cuộc cách mạng cuối thiên niên kỷ
Quan niệm luân hồi hàm ý vũ trụ đủ vật chất để có thể co lại. Nhưng quan niệm đó bị bác bỏ năm 1998. Việc quan sát các sao siêu mới đã dẫn tới một kết luận mang tính cách mạng: vũ trụ đang giãn nở ngày càng nhanh. Đó là tin không vui vì mô hình luân hồi được ưu thích hơn, nơi vũ trụ và sự sống có thể sinh diệt không ngừng nghỉ.
Tại sao vũ trụ giãn nở ngày càng nhanh? Câu trả lời khá đơn giản: vì thiếu lượng vật chất cần thiết. Quan trọng hơn, dường như vũ trụ chứa một dạng năng lượng đặc biệt có tác dụng phản hấp dẫn.
Vài chục năm trước các nhà thiên văn xem vũ trụ chỉ chứa vật chất sáng thông thường. Khi thấy tốc độ quay của các thiên hà quá nhanh, người ta giả định loại chất tối nhiều gấp 10 lần chất sáng (để lực hấp dẫn đủ bù với lực lý tâm do thiên hà quay, nều không thiên hà sẽ tan rã). Chất tối được chia thành hai loại; Loại thường (như sao lùn nâu, lỗ đen...) và loại lạ (như neutrino có khối lượng, các hạt giả thuyết axion hay Wimp...). Nay cần thêm vào loại vật chất hay năng lượng mới, gọi là năng lượng tối, chiếm tới hai phần ba khối lượng vũ trụ:
Bản chất năng lượng tối với áp lực âm (để tạo phản hấp dẫn) có lẽ là thách thức lâu dài đối với vật lý và vũ trụ học.
Đầu tiên là năng lượng chân không. Chân không vật lý không phải là cõi hư vô, mà chứa đầy các hạt ?" phản hạt ảo, sinh diệt không ngừng do nguyên lý bất định Heisenberg. Theo đó, không thể xác định chính xác đồng thời giá trị các gặp đại lượng vật lý liên hợp (như vị trí và tốc độ, giá trị các cặp đại lượng vật lý liên hợp (như vị trí và tốc độ, giá trị và độ biến thiên của một trường vật lý...). Nên năng lượng chân không phải khác không, vì nếu bằng không thì độ biến thiên cũng bằng không; có nghĩa hai đại lượng được xác định chính xác đồng thời, điều mà nguyên lý bất định cấm. Đó là do sinh hạt và phản hạt ảo. Chẳng hạn trong 1cm3 trước mắt ta, luôn có 1030 điện tử ảo! Chúng gây hiệu ứng đó đếm được, như hiệu ứng Casimir. Tính toán thấy chúng tạo mật độ năng lượng lớn gấp 10120 lần các dạng vật chất khác, một con số khiến giới vật lý choáng váng!
Ứng cử viên thứ hai là thành phần thứ năm (chơi chữ theo Aristotle, người xem bốn yếu tố nước, lửa, không khí và đất tao nên vũ trụ). Đơn giản nhất là một trường lượng tử thay đổi rất chậm theo thời gian, cơ chế giải thích giai đoạn giãn nở lạm phát. Khả năng khác đến từ vật lý các chiều dư kỳ ảo, tức dây 10 chiều hay màng 11 chiều nói ở trên. Trong lý thuyết này, vật chất thông thường nằm trên các màng ba chiều. Các màng này nằm sát nhau trong chiều thứ 11. Ánh sáng đi theo các màng ba chiều đến mắt ta phải mất hàng tỷ năm, trong khi tác động hấp dẫn (hay phản hấp dẫn) thì đến ngay theo chiều dư, tạo giá trị ước lượng vô cùng lớn như vừa nói. Tuy nhiên, những khó khăn toán học khiến việc đưa ra một mô hình hoàn chỉnh là bất khả chỉ trước mắt mà còn có thể trong tương lai.
Mô hình màng và chạm
Nhằm giải quyết hai vấn đề kì dị và khởi đầu tối hậu, cuối 2001 các nhà khoa học Steinhardt, Turok, Khoury, Ovrut và Seiberg đề xuất mô hình màng và chạm, xem Big Bang không phải là khởi đầu của không ?"thời gian, mà là điểm chuyển tiếp giữa pha đang giãn nở và pha co lại trước đó. Đây chính là mô hình luân hồi, nhưng có ưu điểm hơn các mô hình luân hồi khác.
Mô hình giả định vũ trụ của chúng ta là một màng ba chiều trôi trong không gian bốn chiều. Một màng khác ?" một vũ trụ song song ?" nằm ngay bên cạnh ở khoảng cách vi mô trong chiều thứ tự. Vũ trụ này gần hơn cả làn da, những ta không thể thấy hay chạm được vào nó. Các màng này hành động giống như nối với nhau bằng lò xo: kéo lại khi các màng xa nhau và đẩy ra khi chúng lại gần, khiến các màng dao động ra xa rồi đến gần. Chúng tuần tự va chạm chính là Big Bang. Năng lượng Big Bang nguyên thuỷ là năng lượng va chạm; còn các thăng giá mật độ (thấy rõ trên phông bức xạ hoá thạch do vệ tinh Cobe đo được năm 1991 và là hạt giống phát triển thành các thiên hà sau này) là các vết nhăn của màng. Trong quá trình dao động và va chạm, các màng vẫn có thể tự co giãn.
So với mô hình lạm phát tiêu chuẩn, mô hình này co ưu điểm là không cần năng lượng tối để giải thích sự giãn nở ngày càng tăng của vũ trụ. Đơn giản đó là năng lượng ?olò xo?. Theo Turok, ưu điểm khác là kì dị chỉ xuất hiện trong chiều thứ tư (khi hai màng va chạm thì khoảng cách bằng không), khả năng nhẹ nhất trong số các kì dị. Và do vẫn tiếp tục giãn nở trước và sau va chạm, các Photon sẽ không thu thêm năng lượng, nên Big Crunch không nóng hơn Big Bang, cho phép loại bỏ sự khởi đầu tối hậu, một chủ đề thần học ưa thích.
Tất nhiên mô hình cũng để lại nhiều vấn đề. Đầu tiên, kì dị nhẹ nhất thì vẫn là kì dị. Tiếp nữa, không rõ các thăng giáng nhỏ hay các vết nhăn của màng tái xuất hiện thế nào sau và chạm. Theo Linde, một người xây dựng mô hình lạm phát, điều đó giống như ném một cái ghế vào lỗ đen và hy vọng nó sẽ tái sinh. Rồi bản chất lực lò xo cũng là bài toán nan giải. Tuy nhiên nhiều nhà thiên văn hoan nghênh mô hình, vì như lời nhà lý thuyết dây nổi tiếng Veneziano ở Cern, chúng ta dễ chấp nhận ý tưởng Big Bang là kết quả của một cái gì đó hơn là nguyên nhân của mọi thứ.
?oTà Thuyết? Monday
Các mô hình trên đều vưởng phải bài toán năng lượng tối. Vì thế từ 1983, Mordehai Milgrom (israel) đề xuất Mond, tức động lực Newton biến đổi (Modified Newtonian Dynamics). Ông cho rằng định luật hai Newton F=ma sẽ biến thành F=ma2 ở các gia tốc thấp, cỡ 10-10 m/s2. Có nghĩa là chỉ cần một lực nhở hơn hay ít vật chất hơn để gia tốc các thiên hà. Và bài toán chất tối hay năng lượng tối sẽ mặc nhiên được loại trừ.
Ban đầu giới thiên văn bác bỏ Mond. Nhưng những thành công trong việc giải thích sự hình thành và tiến hoá của thiên hà (các phép đo mới đây phù hợp với tiên đoán của Milgrom nhiều năm trước) thuyết phục được một số nhà khoa học. Tuy nhiên họ không nghĩ động lực Newton sai, mà xem đó là một bổ chính có ý nghĩa thực hành, khi gọi nó là MIFF, tức công thức làm khớp Milgrom (Milgrom Fitting Formula).
Vũ trụ hữu hạn hay vô hạn?
Hãy xét nguyên lý Mach, cho rằng quán tính của vật là do nó tương tác với toàn vũ trụ. Có thể hiểu rõ hơn qua việc xét lực ly tâm trên một thùng nước. Khi quay nước trong thùng, mặt nước sẽ lõm xuống: ta nói nó chịu tác dụng của lực ly tâm. Đó là do nước quay so với thùng đứng yên? Hoàn toàn không, vì khi quay cả thùng và nước với cùng tốc độ, mặt nước vẫn lõm xuống. Mach cho rằng, mặt nước lõm vì ?obiết? nó đang quay đối với toàn vũ trụ. Nói cách khác, quán tính là do tương tác của toàn vũ trụ lên vật. Vì thế vũ trụ phải hữu hạn. Nếu vũ trụ vô hạn thì quán tính sẽ lớn vô hạn: Mọi vật không thể thay đổi trạng thái chuyển động, một điều trái với thực tế.
Nhưng đó chỉ là đơn vũ trụ (universe) của chúng ta. Nhiều người giả định các vũ trụ song sóng hay đa vũ trụ (munltiverse), mỗi vũ trụ có hệ qui luật riêng. Hãy nhớ lại các màng va chạm, không chỉ hai mà có thể nhiều hơn. Hoặc hình dung trò thổi bong bóng xà phòng, mỗi bong bóng là một đơn vũ trụ. Các bong bóng có thể nỗi với nhau bằng các lỗ sâu đục (wormhole). Theo thuyết tương đối tổng quát, chúng là đường tắt nối các vùng không thời gian trong một bong bóng, thậm chí nối các bong bóng vũ trụ với nhau. Chúng cho phép năng lượng phun trào giữa các bong bóng. Có thể hình dung một sự phun trào như thế chính là Big Bang đã sinh ra vũ trụ mà ta đang sống.
Như vậy có thể chúng ta đang sống trong một đơn vũ trụ hữu hạn. Đơn vũ trụ này là một trong vô vàn các màng hay bong bóng của một đa vũ trụ vô hạn. Ai cũng có thể hài lòng, du thích vũ trụ vô hạn hay hữu hạn.
Giả thuyết này giúp loại bỏ đấng sáng tạo tối cao. Trong tác phẩm nổi danh Giai điệu bí ẩn (đã dịch ra tiếng Việt), Trịnh Xuân Thuận đặt niềm tin vào đấng sáng và cho rằng ông muốn đặt niềm tin vào hy vọng chứ không phải tuyệt vọng. Theo ông, tìm được một bong bóng thích hợp cho sự sống giữa vô tận các bong bóng là việc bất khả, cũng như xem sự sống chỉ là sự biến ngẫu nhiên không thoả mãn được lòng tự tôn của con người. Thiển nghĩ vấn đề có khi ngược lại. Nếu con người do một đấng tối thượng tạo ra thì chúng ta chỉ là những con rối. Khi đó sẽ không có ý chí tự do chủ đề ưu thích của Bergson; cũng không có sự lựa chọn một trong những khả năng khác nhau, như một cách tự quyết định số phận ?" đặc trưng cơ bản của tính người. Còn nếu chúng ta xuất hiện như sự kết hợp vi diệu giữa cái ngẫu nhiên và cái tất nhiên chúng ta cần sống xứng đáng với tất cả những khó khăn của sự sinh thành. Và điều đó có thể có ý nghĩa nhân văn.
Đa vũ trụ sinh ra như thế nào?
Như trên đã nói, từng đơn vũ trụ là hữu hạn nhưng đã vũ trụ có thể vô hạn. Điều đó chúng tỏ nó chứa một năng lượng vô hạn, điều vô nghĩa về mặt vật lý? Rất may không phải như vậy.
Tính bật định lượng tử cho phép các cặp hạt ?" phản hạt ảo, hay các ?obọt? năng lượng xuất hiện từ chân không, miễn là chúng ta sẽ biến mất sau thời gian tồn tại ngắn ngủi. Bọt càng ít năng lượng thì tồn tại càng lâu. Vì năng lượng trường hấp dẫn là âm, còn năng lượng chứa trong vật chất là dương, nên nếu đa vũ trụ là phẳng (dù đơn vũ trụ có thể cong), hai dạng năng lượng đó triệt tiêu nhau và năng lượng đa vũ trụ chính xác bằng không. Khi đó các qui tắc lượng tử cho phép nó tồn tại mãi mãi. Nói cách khác, chính tình hình bất định là nguyên nhân khiến vũ trụ có thể xuất hiện từ hư vô, một ý tưởng độc đáo đến mức khi nghe Gamow kể tại Princeton những năm 1940, Einstein đã đứng sững giữa đường khiến hai người suýt bị xe đâm chết.
Ta có thể đặt câu hỏi, vậy hư vô từ đâu xuất hiện? có lẽ đó là câu hỏi không hợp lý. Thoả đáng hơn là đặt câu hỏi, tại sao có tình bất định để vũ trụ có thể sinh thành? Và liệu có những câu hỏi nền tảng hơn nữa hay không?
Cuối cùng xin nhấn mạnh sự thống nhất giữa vi mô và vĩ mô. Chính nhờ đi đến tận cùng bản chất vi mô mà khoa học có thể hiểu hành tung vũ trụ. Những ý kiến cho rằng qui giản luận (re-ductionism), một cách tiếp cận dựa trên phép phân tích để ngày càng đi sâu vào cấu trúc vi mô của thế giới, đã mất hết khả năng nhận thức là không có cơ sở. Trong cuốn Các giấc mơ về lý thuyết cuối cùng, 1992, Steven Weinberg, nhà vật lý đoạt giải Nobel vì công lao thống nhất các tương tác yếu và điện tử, đã dành hẳn hai chương để phê phán các nhà triết học và bênh vực cho qui giản luận cùng phép phân tích.
Trên xưa & nay số 96 (144) tháng 7-2001 có bài viết ?othuyết Big Bang? về sự phát sinh vũ trụ. Thiển nghĩ một bức tranh khái quát và chính xác về lịch sử nhận thức vũ trụ cũng cần thiết đối với các nhà sử học. Đó là lý do bài viết này.

Lược sử thuyết vụ nổ lớn
Cho đến đầu thế kỷ 20, bằng chứng thực tiễn duy nhất về nguồn gốc vũ trụ là bầu trời ban đêm tối đen. Nghịch lý Olbers (1823) cho rằng nếu vũ trụ vô tận trong không thời gian thì nó phải có nhiều sao đến mức khi nhìn lên bầu trời, tia mắt ta bao giờ cũng gặp một ngôi sao. Và ta sẽ thấy bầu trời, tia mắt ta bao giờ cũng gặp một ngôi sao. Và ta sẽ thấy bầu trời luôn sáng rực như mặt trời, ngay cả vào ban đêm. Nhưng thực tế bầu trời ban đêm lại tối đen. Thật thú vị là trong bài thơ văn xuôi dài Eureka năm 1848, Edgar Poe cho rằng, đó là do các ngôi sao không đủ thời gian để chiếu sáng toàn vũ trụ. Vậy bầu trời đêm tối đen chứng tỏ vũ trụ không tồn tại mãi mãi. Không chỉ đứng vững trước thử thách của thời gian mà giả thuyết còn đóng vài trò quyết định trong việc hình thành lý thuyết Big Bang.
Cơ sở lý luận của Big Bang là thuyết tương đối tổng quát, cho rằng không thời gian là các đại lượng động lực, phụ thuộc vật chất đồng thời chi phối vật chất (lưu ý quan niệm của Engels, cho rằng không thời gian là hình thức tồn tại của vật chất). Điều đó dẫn tới việc không thời gian và do đó vũ trụ có thể có khởi đầu và kết thúc, một ý tưởng mà ban đầu chính Einstein cũng tìm cách chống lại. Để vũ trụ là tĩnh (không tự suy sụp do hấp dẫn), ông đưa ra một hằng số vũ trụ có tác dụng phản hấp dẫn. Năm 1922, Friednam tìm được nghiệm của phương trình Einstein cho một vũ trụ động, gần như đồng thời với giả thuyết nguyên tử nguyên thuỷ của mục sư Lemaitre.
Bằng chứng quyết định là phát hiện vũ trụ giãn nở của Hubble những năm 1920. Cho đến lúc đó, dải Ngân hà của chúng ta được xem là toàn bộ vũ trụ. Với viễn kính 100 inch tại núi Wilson, Hubble thấy Tinh vân Tiên nữ, một thiên hà sáng đôi cách 2 triệu năm ánh sáng, đang tiến lại gần chúng ta (theo ngôn ngữ vật lý dựa trên hiệu ứng Dopler, phổ của nó dịch về phía xanh). Khảo sát các thiên hà khác, ông thấy chúng đang tản ra xa (phổ dịch về phía đỏ). Điều đó có nghĩa vũ trụ gồm hàng tỷ thiên hà đang tản xa nhau. Vũ trụ hiện đang giãn nở và các thiên hà ngày càng xa nhau chứng tở trong quá khứ chúng gần nhau, khi vũ trụ có kích thước nhỏ hơn. Suy diễn ngược thời gian sẽ đi đến thời điểm khai sinh, không toàn vũ trụ tập trung tại một điểm, nới có mật độ, nhiệt độ và độ cong không thời gian vô hạn. Và một vũ trụ bùng nổ 15 tỷ năm trước đã khiến vũ trụ sinh thành. Đó là mô hình Big Bang tiêu chuẩn.
Năm 1946, nhà vật lý Gamow thấy rằng, ngọn lửa sáng thế buổi hồng hoang vẫn để lại ?ovết lông ngỗng? qua bức xạ tàn dư trải trên toàn vũ trụ, nay lạnh chỉ còn cỡ 3 độ trên độ không tuyệt đối. Năm 1965, hai kỹ sư vô tuyến điện Penzias và Wilson tình cờ phát hiện được bức xạ này khi chế tạo một ăng ten có thể bắt sóng từ vệ tinh. Như từng xẩy ra trong lịch sử, giải Nobel danh giá được trao cho phát kiến tình cờ của hai người ngoại đạo! Năm 1991, vệ tinh Cobe đo được phông bức xạ hoá thạch 2,7 0K này với độ chính xác rất cao. Và Big Bang được thừa nhận rộng rãi.
Khá hài hước là cái tên Big Bang lại do nhà thiên văn Hoyle đặt ra năm 1950 nhằm chế diễu lý thuyết. Ông là người đề xuất thuyết vũ trụ dừng (steady state) năm 1948, theo đó vũ trụ không có khởi đầu và kết thúc. Sau khám phá bức xạ tàn dư, nó đã chêt vẻ vang như hầu hết các lý thuyết khoa học khác.
Thuyết Big Bang lạm phát
Cuối những năm 1970, mô hình Big Bang tiêu chuẩn đối mặt với một số thách thức, trong đó có vấn đề tính đồng nhất của vũ trụ. Tại sao vũ trụ lại tương đối đồng nhất, như bức xạ hoá thạch chứng tỏ? Đó là lý do Guth và Linde giả định một sự giãn nở lạm phát từ 10-35 tới 10-32 giây sau Big Bang. Trong giai đoạn cực ngắn đó, vũ trụ giãn nở nhanh hơn ánh sáng, với bán kính tăng một ngàn tỷ tỷ tỷ lần. Như quả bong bóng phồng lên rất nhanh thì các nếp nhăn ban đầu giãn ra với độ nóng gần như nhau, sự giãn nở đó khiến vũ trụ trở nên đồng nhất. Đó là thuyết Big Bang lạm phát, một lý thuyết giải quyết được nhiều bài toán vũ trụ học.
Big Bang từ đâu xuất hiện? Big Bang sinh ra vũ trụ, vậy cái gì sinh Big Bang? Năm 1951, nhà thờ tuyên bố Big Bang chính là hiện tượng của đấng sáng tạo. Nên giới khoa học đưa ra nhiều giả định nhằm tránh quan điểm đó.
Một giả thuyết là vũ trụ luân hồi của Wheeler, cho rằng lực hấp dẫn sẽ thắng dần sự giãn nở và vũ trụ có về Vụ co lớn (Big Bang Crunch).
Và vụ bùng nổ tiếp theo sẽ khiến vũ trụ hồi sinh từ đống tro tàn. Quá trình cứ lặp lại mãi với các pha co giãn xen kẽ nhau. Đáng tiếc Big Crunch không phải là đối xứng gương hoàn hảo của Big Bang, và các vụ nổ sẽ ngày càng lớn hơn. Vì thế vũ trụ vẫn có thể có điểm khởi đầu tối hậu, một chủ đề thần học ưu thích.
Một vấn đề cũng được giới thần học ưu thích là giá trị của các hằng số vật lý (như khối lượng điện tử hay tốc độ ánh sáng). Người ta rất ngạc nhiên là chỉ cần một trong hàng chục hằng số vũ trụ đó thay đổi giá trị một phần trăm, vũ trụ đã diễn biến khác hẳn và con người không thể xuất hiện để nghiên cứu vũ trụ. Nên một số nhà khoa học cho rằng, vũ trụ đã được hiệu chỉnh cực kì chính xác nhằm tạo ra con người. Vì thế nhà thiên văn học Trịnh Xuân Thuận, là một phật tử, đặt niềm tin vào ý chí tối cao. Không đồng ý với niềm tin đó, nhiều nhà khoa học nêu giả thuyết các vũ trụ song song hay đa vũ trụ. Có thể hình dung một cách trực quan qua trò thổi bong bóng xà phòng, mỗi bong bóng là một vũ trụ với hệ qui luật và các giá trị hằng số riêng. Phần lớn các vũ trụ không thích hợp với sự sống. Vũ trụ chúng ta chỉ là một bong bóng may mắn co các hằng số thích hợp để con người xuất hiện. Đây chính là sự tiếp bước Copernicus đến giới hạn tột cùng. Không chỉ tước bỏ vị trí trung tâm của trái đất hay mặt trời, nó còn cho rằng Ngân hà chỉ là một trong vô vàn các thiên hà vũ trụ; thậm chí vũ trụ chúng ta cũng chỉ là một bong bóng mất hút giữa ngút ngàn các bong bóng đa vũ trụ. Và đa vũ trụ này có thể mất hút giữa vô vàn các đa vũ trụ khác.
Tuy nhiên dường như đó chỉ là những suy đoán thuần tuý, vì ta chưa có thuyết hấp dẫn lượng tử để nhìn qua bức tường Planck, hiện được xem là giới hạn của nhận thức (thời gian Planck là 10-43 giây, độ dài Planck là 10-33 cm, nhỏ hơn kích thước nguyên tử 10 triệu tỷ tỷ lần. Nếu khuếch đại nguyên tử lớn bằng vũ trụ nhìn thấy, độ dài Planck sẽ bằng một cái gậy!). Toàn bộ lập luận trên dựa trên thuyết tương đối tổng quát (mô tả cấu trúc vĩ mô) và cơ học lượng tử (mô tả cấu trúc vi mô). Đáng tiếc là hai thuyết không tương thích nhau. Ở qui mô vũ trụ, có thể bỏ qua các thăng giáng lượng tử xuất hiện do nguyên lý bất định Heisenberg. Còn ở các cấu trúc nhỏ cỡ kích thước Blanck, các thăng giáng đó rất mạnh nên giả thuyết không thời gian biến đổi liên tục và nhẵn của thuyết tương đối bị phá vỡ. Người ta nói các quy luật khoa học bị phá vỡ tại các kì dị (là vùng nhỏ hơn độ dài Planck nên mật độ vật chất lớn vô hạn).
Big Bang trong lý thuyết dây
Lý thuyết trường lượng tử xem các hạt cơ bản (như điện tử, quark....) là chất điểm không kích thước. Năm 1984, lý thuyết dây xuất hiện để thống nhất thuyết tương đối và thuyết lượng tử, hai nền tảng của vật lý hiện đại. Theo đó cấu tử cơ bản của vũ trụ là dây một chiều (giống đoạn dây nhìn từ xa nên dường như chỉ có chiều dài), màng hai chiều (giống tờ giấy mỏng vô hạn) hay các thực thể nhiều chiều hơn (đến 10 chiều). Chúng luôn dao động và các kiểu dao động cộng hưởng được xem là các hạt cơ bản mà ta thấy. Khác với không thời gian bốn chiều trong thuyết tương đối, không thời gian trong lý thuyết dây có 11 chiều, với bảy chiều cong lại và nhỏ bằng độ dài Planck. Đó là lý do ta sống trong 11 chiều mà chỉ ?othấy? bốn chiều đã trải rộng ra nhờ vụ nổ lớn.
Quá đẹp nên chỉ có thể hoặc đúng hoàn toàn hoặc sai hoàn toàn (phê phán năm 1986 của nhà vật lý hạt cơ bản đoạt giải Nobel Glashow), lý thuyết dây chứng tỏ các qui luật vật lý của thế giới ?onhỏ? sau bức tường Planck hoàn toàn đồng nhất thế giới ?olớn? trước bức tường. Điều đó cho phép đưa ra kịch bản mới cho Big Bang, theo đó khởi thuỷ không phải là một kì dị, mà là một trạng thái ?ohấp dẫn lượng tử? kích thước Planck với 11 chiều. Rồi một vụ nổ khiến bốn chiều không thời gian giãn ra tạo nên vũ trụ (lý thuyết dây giải thích được tại sao bảy chiều khác vẫn cong nhỏ như trước). Và nếu co lại, vũ trụ cũng không co về điểm kì dị chung cục Big Crunch (như mô hình Big Bang tiêu chuẩn), mà chỉ co đến kích thước Blanck rồi lại nở ra. Quá trình có thể lặp lại mãi như thế.
Theo lý thuyết dây thì vũ trụ chúng ta cũng có thể là một màng bốn chiều, vốn là biên của một hình cầu năm chiều. Nằm cách ta một khoảng cách vi mô trong chiều thứ năm là một màng khác, được gọi là ?omàng bóng? (như hình với bóng, nhưng bóng cũng thực như hình). Hai màng hình và bóng chỉ tương tác nhau qua lực hấp dẫn. Khi đó vật chất hay năng lượng tối của màng này chính là vật chất thông thường của màng bên cạnh. Hai màng có thể tự co giãn và va chạm nhau. Đối với chúng ta (đang sống trên một màng), cú và chạm chính là Big Bang. Và có thể có nhiều vụ nổ và co lớn nhỏ nối tiếp hay xen kẽ nhau. Điều đó giúp loại bỏ niềm tin về một ý chí tối cao.
Đa vũ trụ từ đâu xuất hiện?
Vũ trụ chúng ta là một trong những bong bóng mang tên đa vũ trụ. Vậy đa vũ trụ từ đâu xuất hiện và xuất hiện như thế nào? Câu trả lời là đa vũ trụ xuất hiện từ hư vô do nguyên lý bất định Heisenberg.
Nguyên lý bất định của cơ học lượng tử nói rằng, không thể xác định chính xác đồng thời vị trí và tốc độ của một hạt vi mô. Đó là hệ quả của lưỡng tính sóng hạt. Vì thế giá trị của các trường vật lý phải khác không ngay cả trong chân không, tức giá trị (hay vị trí) và sự biến thiên (hay tốc độ) được xác định chính xác đồng thời (đều bằng không). Đó là điều nguyên lý bất định cấm, nên các trường phải khác không và luôn thăng giáng. Trường là tập hợp các hạt, trường biến thiên có nghĩa các hạt luôn xuất hiện rồi biến mất. Năng lượng của hạt càng lớn thì nó biến mất càng nhanh. Tương tự như thế, một bong bóng năng lượng cũng có thể xuất hiện rồi lại biến mất. Đó là cách để đa vũ trụ xuất hiện từ hư vô.
Cần lưu ý rằng, năng lượng của vật chất là dương, còn năng lượng hấp dẫn là âm, nên nếu đa vũ trụ là ?ophẳng? trong không thời gian 11 chiều, hai dạng năng lượng có giá trị bằng nhau. Kết quả là năng lượng toàn vũ trụ bằng không, và nguyên lý bất định cho phép nó tồn tại mãi mãi. Đó là ý tưởng độc đáo đến mức, khi được Gamow kể cho nghe tại Viện nghiên cứu tiền phong Princeton (Mỹ) cuối những năm 1940, Einstein đứng sững giữa đường khiến hai người suýt bị xe đâm chết.
Đôi điều suy ngẫm
Chỉ trong vòng một thế kỷ, nhận thức nhân loại về vũ trụ đã trải qua nhiều bước đột phá. Sự thống nhất giữa vi mô và vĩ mô, như thể hiện trong lý thuyết dây, cho phép đưa ra bức tranh tổng thể về nguồn gốc, tiến hoá và kết cục của vũ trụ. Theo đó vũ trụ chúng ta chỉ là một trong vô vàn các bong bóng của một đa vũ trụ mênh mang, huyền bí (theo nghĩa ta không thể giao du). Và đa vũ trụ này có thể xuất hiện một cách tự nhiên từ hư vô với tổng năng lượng bằng không, cho dù năng lượng của từng vũ trụ có thể có giá trị tuỳ ý. Từ không hiện hữu biến thành hiện hữu, đó chính là một bữa tiệc không mất tiền tối hậu.
Vậy tại sao có nguyên lý bất định để vũ trụ có thể sinh thành từ hư vô? Tại sao bộ máy không thời gian lại cho phép tổng năng lượng chính xác bằng không để vũ trụ tồn tại mãi mãi? Vẫn có người xem đó là dấu ấn của một đấng tối thượng. Một số người như Stephen Hawking lừng danh của tác phẩm Lược sử thời gian, 1988, với hơn 10 triệu bản bán trên thế giới ?" thì dung nguyên lý vị nhân (một giả thuyết mang tính hậu nghiệm, xem vũ trụ phải diễn biến thích hợp để con người xuất hiện) để cho rằng, nếu vũ trụ không như vậy thì làm sao có con người để băn khoăn về vũ trụ. Số khác thì đồng ý với Brian Greene trong cuốn Vũ trụ duyên dáng (đấu giá được hai triệu đô la từ NXB, tái bản ba lần sau một tháng ấn hành năm 1999) rằng, lý thuyết dây có thể là con đường dẫn về La Mã, khi đang được xem phát điểm của một lý thuyết có tính tối hậu cao hơn trong tương lai. Và nhân loại từng bước vươn tới các vì sao.
Với tư cách là triết học tự nhiên, vật lý có vai trò quan trọng trong bản thể luận và nhận thức luận. Cơ học Newton hay quyết định luận Laplace từng chi phối nhận thức và hành động của toàn nhân loại. Vật lý hiện đại cũng không nằm ngoài xu hướng đó. Dưới đây là một số nhận thức cá nhân về các vấn đề triết lý, cũng như mối quan hệ giữa vật lý hiện đại cũng không nằm ngoài xu hướng đó. Dưới đây là một số nhận thức cá nhân về các vấn đề triết lý, cũng như mối quan hệ giữa vật lý hiện đại với các lĩnh vực khoa học khác.
Vật lý hiện đại là gì?
Trong thế kỷ XX, thuyết tương đối và cơ lượng tử vẫn được xem là nền tảng của vật lý hiện đại. Sang thế kỷ XXI điển hình nhất của vật lý hiện đại là thuyết hấp dẫn lượng tử, một lý thuyết tổng hợp của tương đối và lượng tử luận. Chính xác hơn, hấp dẫn lượng tử là sự thống nhất giữa thuyết tương đối tổng quát uý thuyết hấp dẫn Einstem) và mô hình tiêu chuẩn của vật lý hạt (lý thuyết lượng tử thống nhất về ba tương tác mạnh, yếu và điện từ). Có nhiều lý thuyết hấp dẫn lượng tử, nhưng phổ biến nhất là lý thuyết dây và lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng (loop quantum gravity) [1] .

Lý thuyết dây xem vũ trụ cấu trúc từ các dây một chiều, màng hai chiều hay các thực thể nhiều chiều hơn [2].
Giống sợi dây đàn khi dao động sẽ tạo ra các nết nhạc, dây hay màng khi dao động trong không- thời gian 11 chiều sẽ tạo mọi hạt cơ bản đã biết và chưa biết, cũng như mọi đặc trưng vật lý của chúng, như điện tích hay khối lượng. Là tiếp cận xuất phát từ vi mô, nên lý thuyết dây đạt nhiều thành công trong bài toán thống nhất vật chất và tương tác Nó cũng góp phần giải quyết những vấn đề nan giải như tại sao chỉ 4 chiều không - thời gian trải rộng ra sau. Vụ nổ lớn hay bài toán về bức tường Planck, nhược điểm căn bản của nó là phụ thuộc nền, khi nó viết phương trình chuyển động của dây trong một không - thời gian phi lượng tử tồn tại trước . Nói cách khác, không - thời gian không xuất hiện từ bản thân lý thuyết [3] .
Ngược lại, lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng của Smolin xuất phát từ vĩ mô, xem không - thời gian cấu trúc từ các lượng tử (lượng tử không gian là độ dài Planck 10-33 cm, lượng tử thời gian là thời gian Planck 10-43 giây). Như trong trò chơi ghép hình, các lượng tử kết nối nhau tạo nên không - thời gian và vũ trụ Môn đệ của trường phái này xem hấp dẫn lượng tử vòng còn cơ bản hơn dây hay màng, vì chính các lượng tử không - thời gian cũng cấu trúc nên dây hay màng (có kích thuật tiêu chuẩn gấp khoảng 10 lần độ dài Planck). Ưu điểm lớn của lý thuyết là không phụ thuộc nền, vì không - thời gian xuất hiện rất tự nhiên trong khuôn khổ logic của lý thuyết.
Nhược điểm chính của nó là bài toán thống nhất, nơi lý thuyết dây có ưu thế vượt trội [3]. Hiện cộng đồng vật lý lý thuyết cho rằng, có thể dây và vòng là hai mặt của một vấn đề, vì ưu điềm của lý thuyết nàylá là nhược điểm của lý thuyết kia [4] . Tuy nhiên những khó khăn kỹ thuật (chưa có loại toán học tương thích) khiến sự phát triển của từng lý thuyết cúng như sự thống nhất giữa chúng đang lâm vào bế tắc. Sau cuộc cách mạng lần 2 của Witten năm 1995, lý thuyết dây chưa đạt được thành tựu nổi bật nào trong 10 năm qua. Hấp dẫn lượng tử vòng cũng lâm vào tình trạng tương tự.
Vật lý hiện đại và vũ trụ học
Trước lý thuyết dây và lý thuyết vòng, vũ trụ học đã xây dựng được mô hình tiêu chuẩn cho mình là lý thuyết giãn nở lạm phát. Theo thuyết lạm phát vũ trụ khởi thủy từ Vụ nổ lớn khoảng 13.7 tỷ năm trước, trải qua giai đoạn giãn nở nhanh hơn ánh sáng (lạm phát) tại thời điểm 10-35s sau Big Bang để đi đến trạng thái đồng nhất và đẳng hướng hiện tại [5]. Cần lưu ý lý thuyết Big Bang chi mô tả tiến hóa vũ trụ sau vụ nổ, chứ không mô tả bản thân vụ nổ. Đó là nhiệm vụ của các lý thuyết hấp dẫn lượng tử, vì chỉ chúng mới đủ thẩm quyền phán xét về Vụ nổ lớn hay lỗ đen, là những thực tại vật lý vừa nhỏ (để không thể bỏ qua các hiệu ứng lượng tử) vừa nặng (để không thể bỏ qua các hiệu ứng tương đối). Cho đến nay, có hai mô hình vũ trụ xuất phát từ lý thuyết dây là mô hình tiền Big Bang và mô hình vũ trụ tuần hoàn. Mô hình tiền Big Bang do Veneziano, cha đẻ của lý thuyết dây, đưa ra năm 1991 [6]. Theo đó trong một vũ trụ đang hiện hữu, xuất hiện một vùng hấp dẫn đủ mạnh để hút vật chất co về Vụ co lớn. Khi co đến kích thước Planck thì Vụ co lớn đảo ngược thành Vụ nổ lớn. Vũ trụ chúng ta chính là một vụ nổ như thế khoảng 13.7 tỷ năm trước. Nói cách khác, tiền Big Bang chính Big Crunch.
Năm 2001, Steinhardt (đồng tác giả của thuyết vũ trụ lạm phát) và bốn đồng nghiệp đưa ra mô hình tuần hoàn cũng dựa trên lý thuyết dây [7]. Theo họ thì vũ trụ chúng ta là một màng đa chiều trôi trong không gian nhiều chiều hơn. Vụ nổ 13.7 tỷ năm trước là một va chạm giữa màng chúng ta với một màng khác nằm song song theo chiều dư. Va chạm có thể xẩy ra nhiều lần, trước va chạm hai màng cơ lại, sau va chạm hai màng giãn nở. Với chúng ta, những người đang sống trên một màng, cú va chạm đó chính là Bia Bang.

Vậy lý thuyết nào trong số ba lý thuyết trên mô tả thực tại chính xác hơn? Câu trả lời có thể đến khá nhanh. Trong vòng 10 năm tới, các vệ tinh Planck, LIGO và VIRGO sẽ được phóng lên quỹ đạo nhằm thu thập số liệu về sóng hấp dẫn. Khi đó hoặc một kịch bản vượt vũ môn, hoặc cả ba đều đúng hay đều sai. Và khoa học sẽ đi tìm một mô hình vũ trụ mới, có thể có đường nét từ các mô hình cũ.
Vật lý hiện đại và tôn giáo
Thiên chúa giáo là một tôn giáo đặc biệt trên quan điểm nhận thức học. Cho đến thời Phục hưng, chính nó đã bảo tồn các giá trị khoa học của hai nền văn minh Hy Lạp và La Mã. Sau 15 thế kỷ. quan điểm của thánh Augustine về bản chất của thời gian vẫn không lạc hậu so với quan điểm hiện đại ("Thượng Đế tạo ra vũ trụ cùng với thời gian chứ không phải trong thời giang [8]. Theo người viết bài này, đây là tôn giáo duy nhất mà nhà tư hành có thể đống thời là nhà khoa học. Nhiều người đồng ý với Prigogine khi ông cho rằng Thiên chúa giáo góp phần khai sinh khoa học, vì quan niệm Thượng Đế điều khiển vũ trụ bằng các qui luật. ở Việt Nam cố học giả Trần Đình Hượu cũng xem tôn giáo là cái túi chứa những gì chưa biết [9]; và sự suy nghiệm về tôn giáo có thể dần biến cái chưa biết thành cái biết (người viết chưa có điều kiện khảo cứu xem Prigogine và Trần Đình Hượu có lập thuyết đồng thời hay không). Cần nhấn mạnh tính duy lý của người phương Tây, khi họ tìm hiểu anh bản thân Thượng Đế, và do đó tìm ra khoa học!
Mối quan hệ giữa Thiên chúa giáo và vật lý đã diễn tiến khá lạ lùng. Từng thiêu Bruno trên giàn lửa và buộc Gahlee tù bỏ niềm tin khoa học, nhưng Thiên chúa giáo lại là người đầu tiên ủng hộ thuyết Big Bang năm 1951, khi nó còn ở thế ngang ngửa với thuyết vũ trụ dừng . Và thật ngược đời, trong sự phát triển cao độ của vật lý hiện đại, cùng với Phật giáo, Thiên chúa giáo đang rất tự tin rao giảng niềm tin. Theo đó thì chính các lý thuyết về nguồn gốc vũ trụ cho thấy đấng toàn năng có thật! Thuyết Big Bang cho thấy, Các hằng Số Vũ trụ Có giá trị Chính xác để con người xuất hiện. Chỉ cần một hằng số thay đổi giá trị 1%. vũ trụ đã diễn tiến khác hẳn và con người không thể xuất hiện để băn khoăn luận giải về vũ trụ Rất nhiều nhà khoa học xem đó là dấu hiệu của vũ trụ được thiết kế, vạ có thể gọi đó là nguyên lý sáng tạo vạn năng hay chính là thượng Đế. Một cách lý giải khác là lý thuyết đa vũ trụ (mulfiverse, chữ dùng của Martin Rees). theo đó vũ trụ chúng ta chỉ là một trong vô vàn các đơn vũ trụ (universe) mà thôi. Các đơn vũ trụ có thể có hệ qui luật bất kỳ, và vũ trụ chúng ta chỉ tình cờ có hệ qui luật phù hợp với sự sống. Smolin đã mở rộng quan điểm chọn lọc tự nhiên từ sinh học sang vũ trụ học như vậy [10].
Nhiều nhà khoa học, như Trijnh Xuân Thuận, không đồng ý như vậy. khi cho rằng đó là sự lãng phí, theo nguyên lý lưỡi dao Occam [11]. Bỏ qua vấn đề tình cảm (Trịnh Xuân Thuận xem chọn nguyên lý sáng tạo là chọn sự hy vọng) thì người viết bài này cho rằng, đa vũ trụ mới chính là tiết kiệm. Với đa vũ trụ Thượng Đế không phải làm gì cả, trong khi ngược lại Thượng Đế rất vất vả trong việc lựa chọn hệ qui luật và tính toán các hằng số. Theo Roger Penrose thì xác suất của vũ trụ chúng ta chưa. một con số mà ngay đấng toàn năng cũng rối trí [12] ! Bỏ qua vấn đề kỹ thuật thì việc lựa chọn giữa hai khả năng, đa vũ trụ hay nguyên lý sáng tạo, là không thỏa đáng về mặt nhận thức. Không nên so sánh hay lựa chọn giữa giả thuyết khoa học và niềm tin tôn giáo. Theo Smolin thì đó là thời điểm khoa học biến thành tôn giáo; chí ít thì đó cũng là việc dùng khoa học luận giải tôn giáo [13] . Theo quan điểm cá nhân, đó không phải là điều tết cho cả hai (xin nói thêm là Trịnh Xuân Thuận không trả lời câu hỏi người viết gửi qua mạng khi ông về thuyết giảng tại Việt Nam năm trước, có thể do mạng trục trặc). Tuy nhiên, với các lý thuyết vũ trụ mới dựa trên lý thuyết dây thì có lẽ bài toán đã được giải quyết Cả hai mô hình tiền Bia Bang và tuần hoàn đều mở ra khả năng đa vũ trụ. Phật giáo và vật lý hiện đại có chung mối quan tâm khác. Đó là bài toán sắc không. Đa vũ trụ từ đâu xuất hiện và xuất hiện hư thế nào? Câu trả lời là từ hư vô và do tính bất định. Vậy tổng năng lượng của đa vũ trụ bằng bao nhiêu và nó có bảo toàn trong quá trình sinh diệt không ngừng các đơn vũ trụ hay không? Câu trả lời là tổng năng lượng bằng không, vì năng lượng chứa trong vật chất là dương còn năng lượng hấp dẫn là âm, và chúng có giá trị bằng nhau. Vì thế tổng năng lượng được bảo toàn và luôn bằng không. Vẫn hiện hữu mà vẫn lại là số không, đa vũ trụ chính là ví dụ điển hình của triết lý sắc sắc không không Phật giáo về mặt ngôn ngữ [14]. Không lạ khi nhiều nhà khoa học cùng viết sách về vũ trụ luận với nhà sư.
Cá nhân người viết bài này cho rằng, Phật giáo và vật lý hiện đại không quan hệ gì với nhau. Chính xác hơn thì giáo lý dạo phật, cũng như các triết thuyết và tôn giáo phương Đông khác, tuy bước đầu có tính duy vật và biện chứng, nhưng đó chỉ là cái nhìn mang tính chất tổng hợp sơ bộ mà thôi. Trong khi đó vật lý hiện đại đã đi qua giai đoạn Phân tích khoa học để vươn tới giai đoạn tổng hợp chung kết [15] . Không nên quên rằng giáo lý tôn giáo là hệ thống tư biện dựa trên niềm tin; còn lý thuyết khoa học là hệ thống kiến thức dựa trên sự phủ định. Theo popp thì một lý thuyết chỉ được xem là khoa học khi nó chứa đựng các yếu tố tự phủ định để tạo điều kiện cho lý thuyết mới ra đời. Nói cách khác, tôn giáo mong chờ sự đồng cảm, còn khoa học mong chờ sự phủ định. Mọi tranh cãi giữa khoa học và tôn giáo đều là sự lạc đường. Xin nói thêm để tránh hiểu lầm, cá nhân người viết cho rằng. tôn giáo có vai trò quan trọng thậm chí hơn cả khoa học trong cuộc sống con người.
Vật lý hiện đại và dị thường học
Trong trào lưu Tân Kỷ nguyên (The New Age), thường xuyên xuất hiện các cố gắng dùng vật lý hiện đại biện minh và lý giải các hiện tượng dị thường như đĩa bay, người ngoài hành tinh, du hành xuyên không thời gian, du hành tới tương lai... Chẳng hạn khi Kịp Thorne (Viện công nghệ Cahfornia) đưa ra khái niệm lỗ sâu đục (wormulole) dựa trên thuyết hấp dẫn Einstein, nhiều người xem đó là kênh xuyên không thời gian để du hành tới mọi vùng vũ trụ. thậm chí quay ngược về quá khứ. Hay hiệu ứng giãn thời gian khi chuyển đống nhanh gần bằng ánh sáng của thuyết tương đối hẹp được dùng để giải thích khả năng du hành vào tương lai. Rồi hiệu ứng rối lượng tử được dùng để viễn tải đồ vật, thậm chí con người, đi xa vạn dặm; rối vật chất tối hay năng lượng tối được dùng để giải thích linh hồn, ma quỉ. nhân điện hay "năng lượng sinh học"... Tuy nhiên, các ngyên lý khoa học hay khả năng công nghệ không cho phép những khả năng huyền diệu đó biến thành hiện thực trong vũ trụ với hệ quí luật đã biết của chúng ta [16].

Vật lý hiện đại và một số lĩnh vực khác
Trong các khoa học về sự sống, các quan niệm về điện từ sinh học hay quang lượng tử mở ra một khả năng mới trong việc tìm hiểu và tác động lên các cấu trúc và chúc năng sỉnh học. Nó góp phần hiện đại hóa ngành y tế hay lý giải những bí ẩn của sự sống và các huyền bí phương Đông như châm cứu, khí công, Yoga [7]. Từ sau khám phá cấu trúc ADN, tiến bộ trong sinh học thường đi kèm với những phát triển công nghệ dựa trên thành tựu vật lý (hiển vi chui ngầm, tạo ảnh cộng hưởng từ mri hay bằng bức xạ positronpet...).
Vật lý hiện đại đóng góp nhiều cho sự phát triển nhận thức khoa học; và kỳ lạ thay, nó cũng có vai trò lớn trong việc chỉ ra giới hạn của nhận thức. Nói chung loài người nhận thức chủ yếu bằng suy luận và quan sát. Suy luận thì bị giới hạn vì định lý bất toàn Godel (nói rằng một hệ logic bất kỳ không thể tự hiểu bản thân). Còn quan sát thì bị giới hạn vì tính bất định (xem rằng không thể xác định chính xác đồng thời các đại lượng vật lý liên hợp, như tốc độ và vị trí hay năng lượng và thời gian). Nói cách khác loài người cần từ bỏ hy vọng có thể tính toán hay đo đạc bất cứ sự biến nào trong vũ trụ [18].
Vật lý hiện đại, cụ thể là thuyết tương đối và nguyên lý bất định. cũng góp phần sản sinh ra một số trào lưu nghệ thuật. Tuy nhiên đóng góp lớn nhất của vật lý đối với nghệ thuật chính là ở chỗ, vật lý không bao giờ có thể giải thích được bí ẩn cuối cùng của vũ trụ là sự tồn tại của chính bản thân vũ trụ. Một ngày kia các nhà vật lý có thể tìm ra lý thuyết thống nhất mô tả mọi thực thể vật lý, nhưng họ có thể không bao giờ cho chúng ta biết cái gì đã thổi lửa vào hệ phương trình của họ và cái gì đã hiện thực hóa chúng trong vũ trụ hiện hữu". Cùng những câu hỏi ngàn đời khác, "trả lời chúng có thể là câu hỏi không bao giờ chấm dứt" [19].
Và đó chính là một trong những lý do tồn tại vĩnh hằng của nghệ thuật hay tôn giáo.
Theo Weinberg, giải Nobel vì thống nhất tương tác điện từ và tương tác yếu, một mục tiêu căn bản của vật lý là chiêm ngưỡng sự đa dạng của tự nhiên bằng cái nhìn thống nhất [1]. Thành tựu quá khứ chính là minh họa điển hình: thống nhất giữa cơ học thiên thể và cơ học (trên) trái đất của Newton thế kỷ XVII, thống nhất giữa quang học và và lý thuyết điện và từ của Maxwell thế kỷ XIX, thống nhất hình học không - thời gian và lý thuyết hấp dẫn của Einstein năm 1905 và 1916, thống nhất giữa hóa học và vật lý nguyên tử thông qua cơ học lượng tử những năm 1920. Và nay là thống nhất giữa thuyết thống nhất cuối cùng của vật lý, một sự nghiệp vĩ đại có lẽ còn lâu mới kết thúc.
Lý thuyết trường thống nhất
Lý thuyết trường là Sự kết hợp giữa thuyết tương đối hợp hẹp (lý thuyết không - thời gian) và cơ lượng tử. Đến cuối những năm 1970, nó đạt tới đỉnh cao qua mô hình chuẩn (standard model) của vật lý hạt khi thống nhất được ba tương tác điện từ, yếu và mạnh trong khuôn khổ luận lý là lý thuyết nhóm. Theo mô hình chuẩn, vũ trụ cấu trúc từ 6 hạt quark và 6 hạt nhẹ (lepton) chia đều thành 3 nhóm. Các hạt đó kết nối nhau nhờ 4 tương tác cơ bản. Thêm nữa, 4 tương tác được thực hiện qua các boson (graviton cho hấp dẫn, photon ảo cho điện từ, 3 boson trung gian cho tương tác yếu và 8 gluon tương tác mạnh). Tất cả các hạt cấu trúc và hạt mang tương tác đó đã được thấy trong máy gia tốc, trừ graviton. Cho đến nay, mọi cố gắng thống nhất thuyết hấp dẫn Einstein (thuyết tương đối tổng quát) với mô hình chuẩn đều thất bại.
Có đến hơn 10 lý do để mô hình chuẩn - lý thuyết vật lý tết nhất lịch sử khoa học - không thể là mô hình cuối cùng của vật lý học [2]. Trong đó nổi bật là: 1) nó không bao gồm thuyết hấp dẫn Einstein; 2) nó có những đặc trưng ?otùy tiện?; chẳng hạn, tại sao 12 chứ không phải 11 hay 13 hạt, tại sao 3 chứ không phải 4 nhóm hạt, tại sao số lepton và quark bằng nhau?; và 3) nó không giải thích được tại sao các hạt, và do đó vật chất, lại có khối lượng.
Để giải quyết vấn đề thứ ba, Higgs giả định một loại trường vô hướng lấp đầy vũ trụ Tương tác với trường Higgs, vật chất sẽ có khối lượng, tương tác càng mạnh khối lượng càng lớn. Săn lùng boson Higgs là một mục tiêu quan trọng của các máy gia tốc trên thế giới, như Bộ va chạm hadron lớn LHC của Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu tại Geneva, Thụy Sĩ.
Lý thuyết dây
Bước ngoặt xảy ra khi Veneziano (1968) phát hiện lý thuyết dây khá tình cờ [3]. Khác với giả thuyết hạt điểm của lý thuyết trường khi xem kích thước hạt cơ bản đủ nhỏ so với khoảng cách giữa chúng, lý thuyết mới xem chúng là dây một chiều, màng hai chiều hay các thực thể nhiều chiều hơn với kích thước 10-32 cm (khoảng 10 lần độ dài Planck 10- 33 cm). Giống sợi dây đàn dao động sẽ tạo ra các nốt nhạc (các dao động cộng hưởng), dây hay màng dao động trong không - thời gian 11 chiều sẽ tạo ra mọi hạt cơ bản đã biết và chưa biết, cùng mọi đặc trưng vật lý của chúng (như điện tích hay khối lượng). Chính xác hơn, hạt cơ bản và tính chất vật lý chỉ là trạng thái dao động cộng hưởng của dây hay màng ở mức năng lượng nhỏ hơn năng lượng Planck. Năng lượng Planck là năng lượng cần thiết để thống nhất bốn tương tác, khoảng 1018 GeV, tương đương sức công phá của một quả tạc đạn. Tuy nhiên đề gia tốc một hạt cơ bản tới năng lượng đó, cần có máy gia tốc kích thước hệ mặt trời, thậm chí kích thước vũ trụ nhìn thấy [4]!
Tại sao không - thời gian có 11chiều? Câu trả lời không xuất phát từ một căn nguyên vật lý sâu xa, mà chỉ thuần túy đến từ toán học. Chỉ với không - thời gian chiều, mới tránh được xác suất tìm hạt có giá trị âm - một điều vô nghĩa về vật lý. Đó là do lý thuyết dây bị công kích, khi các đối thủ cho rằng, nó không dựa trên bằng chứng thực nghiệm, mà chỉ dựa trên sự thẩm mỹ. Tuy nhiên những công kích như thế đang lắng dịu dần, khi lý thuyết ngày càng có triển vọng.
Ưu điểm lớn nhất của lý thuyết dây là bài toán thống nhất, khi mọi tương tác đều có thể thống nhất rất tự nhiên trong khuôn khổ luận lý của nó. Ưu điểm lớn khác là đóng góp trong vũ trụ luận khi nó đưa ra hai kịch bản bổ sung cho kịch bản Big Bang lạm phát tiêu chuẩn (mô hình tiền Big Bang và mô hình màng va chạm). Nó cũng giải quyết được bài toán entropy lỗ đen. Nhược điểm căn bản của lý thuyết bao gồm:
1) thiếu nguyên lý dẫn dắt nền tảng, kiểu nguyên lý tương đương trong lý thuyết Einstein,
2) thiếu loại toán học cần thiết như hình học Euclid là cơ sở của vật lý Newton hay hình học Riemann là cơ sở của vật lý Einstein và
3) phụ thuộc nền, khi các phương trình được viết trong không - thời gian phi lượng tử có trước, nói cách khác không - thời gian không xuất hiện từ bản thân lý thuyết [5].
Quan niệm không - thời gian 11 chiều cũng có thể xem là một nhược điểm.
Lý thuyết dẫn lượng tử vòng
Có hai cách tìm lý thuyết thống nhất: từ cơ lượng tử và từ thuyết tương đối Lý thuyết dân đi từ cơ lượng tử và tuy đạt nhiều thành tựu, nhưng không là con đường duy nhất. Lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng (loop quantum gravity) của Smolin và đồng sự xuất phát từ lý thuyết Einstein, với hai nguyên lý hiển nhiên của tương đối luận [6] . Để xây dụng lý thuyết, Smolin đưa ra một quan điểm cách mạng về không - thời gian. Ông quan niệm, giống vật chất và năng lượng, không - thời gian cũng có cấu trúc gián đoạn từ các lượng tử. Lượng tử không gian là độ dài Planck 10-33 cm, lượng tử thời gian là thời gian Planck 10-43 giây. Các lượng tử đó kết nối nhau tạo thành không - thời gian và vũ trụ. Đáng chú ý là dây hay màng trong lý thuyết dây cũng có thể cấu trúc từ các lượng tử, giống con rắn đỏ chơi ghép từ các khúc gỗ lại với nhau.
Ưu điểm lớn nhất của hấp dẫn lượng tử vòng là không phụ thuộc nền, khi không cần giả định không - thời gian có trước như lý thuyết dây, mà nó xuất hiện tự nhiên từ hệ phương trình. Ưu điểm lớn khác là không cần tìm kiếm nguyên lý nền tảng mới (vì đã có nguyên lý tương đối). Entropy lỗ đen cũng được giải quyết tốt. Không - thời gian chỉ với 4 chiều cũng là một ưu điểm, theo nguyên lý lưỡi dao Occam [7].Nhược điểm chính của lý thuyết gồm: 1) chưa có ý tưởng thống nhất các tương tác; và 2) chưa có đóng góp trong vũ trụ luận [8].
Không loại trừ khả năng dây và vòng là hai mặt của một vấn đề, vì ưu điểm của lý thuyết này lại là nhược điểm của lý thuyết kia và ngược lại. Ngay nhà lý thuyết dây lừng danh Greene cũng đồng ý như vậy trong một cuộc phỏng vấn [9] .
Các lý thuyết khác
Ngoài hai tiếp cận trên, còn nhiều lý thuyết thống nhất khác, như lý thuyết twistor của Penrose, hình học không giao hoán của Connes, các mô hình vi phân Regge, các mô hình dựa trên vật lý vật chất ngưng tụ? Chúng chưa đạt tới mức độ thành công như lý thuyết dây hay hấp dẫn lượng tử vòng [8].
Thực nghiệm kiểm chứng
Trong một thời gian dài, thành công của lý thuyết trường tiếp sức cho việc xây dụng các máy gia tốc càng ngày càng lớn. Điển hình là Bộ va chạm hadron lớn LHC (Large Hadron Cothder) tại châu Âu và Bộ siêu va chạm siêu dẫn SSC (Superconducting Super-Collider) tại Mỹ. Bên cạnh các nhiệm vụ khác, chúng được thiết kế để truy tìm các boson Higgs. Với chu vi hơn 80 km, SSC sẽ đủ năng lượng để tạo ra hạt Higg, được xem là nguồn gốc của khối lượng nên được thậm xưng là ?ohạt của Chúa?. Đến 1993, Quốc hội Mỹ đã ngưng cấp tiền cho dự án, dù hệ đường hầm đã xây xong một nửa với phí tổn 2 tỉ đô la. Tuy nhiên lý do không phải vì quá tốn kém hay sự thay đổi chính sách khoa học, như có thể bị lầm tưởng.
Nguyên nhân sâu xa là sự xuất hiện các ý tưởng mới như dây hay hấp dẫn lượng tử vòng. Với quan niệm hạt cơ bản chỉ là trạng thái dao động của dây hay màng, boson Higgs giảm hẳn tầm quan trọng và sự quan tâm. Vấn đề là phải truy tìm được dây hay màng. Muốn thế thì phải đạt mức năng lượng Planck, một nhiệm vụ bất khả trên máy gia tốc. Vậy phải tìm năng lượng Planck ở đâu và bằng cách nào? Câu trả lời là ở Big Bang hay lỗ đen, các thực tại vật lý thỏa mãn tiêu chí thống nhất tối hậu. Đó là lý do Mỹ chuyển hướng từ xây máy gia tốc sang phóng các vệ tinh nghe ngóng bức xạ tàn dư và sóng hấp dẫn từ Big Bang, cũng như theo dõi các vụ bùng nổ bức xạ gamma trong vũ trụ (được xem là do siêu lỗ đen tại tâm các thiên hà hút vật chất về phía mình và gia tốc chúng tới gần tốc độ ánh sáng).
Khoảng 5 năm tới, đo đạc bức xạ từ các vụ nổ gamma có thể giúp trả lời câu hỏi không - thời gian cấu trúc liên tục hay gián đoạn, qua đó khẳng định tính đúng đắn của lý thuyết dây hay hấp dẫn lượng tử vòng. Và trong 10 năm tới, phép đo sóng hấp dẫn từ Big Bang có thể lựa chọn một trong ba kịch bản Big Bang [10]. Nếu kịch bản tiền Big Bang hay màng va chạm được khẳng định, đó cũng là bằng chứng gián hấp của lý thuyết dây. Điều đó chứng tỏ rằng, có thể tìm kiếm bằng chứng thực nghiệm của lý thuyết thống nhất, một điều tưởng như vô vọng nếu chỉ dùng máy gia tốc. Ngoài ra việc phát triển các hệ thống vệ tinh tìm kiếm cũng chứng tỏ sự bi quan về tương lai của khoa học cơ bản do thiếu đầu tư dường như không chính xác.
Không có ?osiêu tương tác? liên quan với sự sống
Liên quan với sự thống nhất tương tác, trên thế giới hiện lưu truyền một quan niệm cho rằng, có thể có các siêu tương tác hay siêu năng lượng gắn với các hiện tượng dị thường. Chúng nằm ngoài khả năng của khoa học hiện hành. Thực ra quan điểm đó đã bị khoa học phản bác từ lâu.
Quan niệm "sinh khí? phương Đông hay "chất lỏng sống? phương Tây đã bị bác bỏ từ 1818, khi Wohter tổng hợp được amoniac. Năm 1953, Miller tạo nhiều axit amin khi cho tia lửa điện phóng qua bình khí mô phỏng khí quyển trái đất xưa. Hiện người ta đã tạo được virus nhân tạo và gần như tạo được tế bào sống. Điều đó có nghĩa chỉ với vật chất và tương tác thông thường, sự sống cũng có thể tự phát sinh và phát triển. Việc giả định các siêu tương tác mà khoa học chưa có khả năng khám phá chỉ là suy tưởng. Siêu tương tác đó phải đủ mạnh hay đủ yếu thì khoa học hiện hành mới bó tay; điều đó trái với thực tế vì năng lượng đồ ăn thức uống mà ta nhận hàng ngày không có giá trị như thế. Từ thế kỷ XIX, Lavoisier đã chứng tỏ sự bảo toàn năng lượng của cơ thể sống khi đo đạc trong nhiệt lượng.
Theo quan điểm hiện đại, chỉ với vật chất và tương tác "thông thường? như trong thế giới không sống, nhưng khi chúng kết hợp với nhau tạo nên tế bào, cơ thể và bộ não, do quy luật lượng - chất của triết học biện chứng, các đặc trưng hợp nổi sẽ xuất hiện [11]. Chúng biểu tượng cho một trạng thái đặt biệt, gọi là trạng thái sống [12]. Theo Schrodinger, sự sống đặc biệt không vì loại tương tác hay năng lượng mới, mà vì cấu trúc vật chất của nó quá phức tạp [13]. Và sự biến đổi giữa sự sống và cái chết chỉ là sự chuyển pha giữa hai trạng thái động lực, chứ không phải do sự tham gia của các năng lượng hay tương tác siêu hình, như sinh lực luận từng quan niệm.

--------------------------------------------------------------------------------
[1] Weinberg S (1999). A Unified Physics by 2050?, Scientfic American, Dec 1999, pp 36 - 43. Trình bày xu hướng thống nhất của vật lý trong lịch sử và hiện tại, khẳng định thực nghiệm tại Châu Âu sẽ hoàn tất mô hình chuẩn nhưng có lẽ cần những quan niệm mới (siêu dày) về lý thuyết thống nhất, chưa trình bày về hấp dẫn lượng tử vòng.
[2] Kane G (2005), The Mysterles of Mass, Scientfic American, Jul. 2005, pp 30 -37. Trình bày cơ chế Higgs và lý do tại sao mô hình chuẩn không thể là lý thuyết cuối cùng.
[3] Wehberg S (1992), Dreams of a Final Theory, Pantheon Books, NY. Trình bày những cố gắng xây dựng lý thuyết thống nhất nhằm tìm kiếm sự ủng hộ dự án SSC, cuối cùng thất bại khi Quốc Hội Mỹ ngưng chi tiền năm 1993.
[4] Hawking S (2001), The Universe in a Nutshell, Bantam Press, London. Trình bày lý thuyết thống nhất và những cố gắng áp dụng trong vũ trụ học, băn khoăn về tương lai của trí tuệ và nhân loại, khẳng định máy gia tốc mức năng lượng Planck là bất khả về công nghệ.
[5] Smolin L (2001) Three Roads to Quantum Gravity Basic Books, NY. Trình bày ưu nhược điểm của ba tiếp cận cơ bản đến lý thuyết thống nhất: dây, hấp dẫn lượng tử vòng và các lý thuyết khác, khẳng định thực nghiệm sẽ quyết định trong tương lai gần.
[6] Smolh L (2004) Atoms of Space and Time, scientific American, Jan. 2004, phương pháp 56 - 65. Trình bày thuyết hấp dẫn lượng tử vòng của giả thuyết gián đoạn của không - thời gian đưa ra lý luận của việc tìm kiếm bằng chứng thực nghiệm.
[7] Occam?Ts razor: Châm ngôn của nhà logic và triết học William of Occam (hay Ockham) người Anh (khoảng 1285 - 1349). Theo đó ?othực tại không phát triển quá mức cần thiết?. Nếu có hai cách giải thích và một cách đơn giản hơn thì cần chọn cách đơn giản. Nguyên lý tiết kiệm Occam là một dẫn dắt tốt của khoa học phương Tây.
[8] Smolin L (2004), Quantum Theories of Gravity Results and Prospects, In: Science and the Ulti-mate Reality, E***ors: Barrow JD, Davies PCW, Harper CL, Cambridge Univ. Press, Cambridge, phương pháp 492 - 527. Trình bày ưu nhược điểm và triển vọng của các lý thuyết thống nhất với khả năng kiểm chứng trong tương lai không xa.
[9] Greene B (2003), The Future of String Theory, Scienfic American, Nov. 2003, phương pháp 48 - 53. Thảo luận triển vọng và tương lai lý thuyết dây, thừa nhận nhanạ dây và hấp dẫn lượng tử vòng vó thể là hai mặt của một vấn đề.
[10] Veneziano G (2004) The Myth of the Be-ginning of Time, Scientific American, April 2004, phương pháp 30 - 39. Trình bày bản chất thời gian trong hai mô hình vũ trụ dựa trên lý thuyết dây, khẳng định phép đo sóng hấp dẫn bằng vệ tinh trong tương lai gần sẽ lựa chọn giữa ba kịch bản Big Bang: lạm phát tiêu chuẩn, tiền Big bang và màng và chạm.
[11] Các đặc tính mới xuất hiện do độ phức tạp cấu trúc tăng, theo tinh thần lượng biến thành chất của Hegel (emergent properties). Sự sống là một đặc trưng hợp nổi như vậy. Phan Đình Diệu dùng thuật ngữ ?ohợp trội?, Phạm Văn Thiều dùng thuật ngữ ?ođột phát?. Người viết đề nghị thuật ngữ ?ohợp nổi?, vì các đặc trưng đó nổi lên do sự kết hợp của các cấu thành.
[12] Mishra PK (1984 & 1985), The Living State, vol 1, Wiley Eastern, New Dehli, 1984, vol 2, World scientific, Singapore, 1985. Tập hợp công trình của 2 Hội thảo quốc tế tại Ấn Độ về trạng thái sống và sự góp mặt của Prigogine (lý thuyết cấu trúc tiêu tán), Haken (kết năng luận), Thom (lý thuyết tai biến), Frohlich (lý thuyết bức xạ kết hợp sinh học), Smith (lý thuyết điện tử sinh học), Davydov (lý thuyết soliton sinh học) và nhiều nhà khoa học mở đường khác. Khẳng định sự sống là một trạng thái động lực, xuất hiện do sự chuyển pha.
[13] Schorodinger E (1944), Whats is Life? Oxford Univ., Press, Oxford. Công trình mở đường khảo sát sự sống theo quan điểm vật lý, khẳng định sự phức tạp sinh học là bản chất vấn đề, chứ không phải ?otrường sinh học siêu hình?.

Tôi đang thai nghén thuyết L !
1 ngày nào đó tôi công bố
.............................................................
Đằng sau số 1 là dấu phẩy
Được lanpurge sửa chữa / chuyển vào 20:15 ngày 02/02/2006