Chúa của các nhà khoa học

Vũ trụ hình thành như thế nào và tại sao lại vận hành trơn tru, tinh vi và chính xác đến như thế? Tại sao là tập hợp này các định luật của Tự nhiên chứ không phải là tập hợp khác? Chúng ta từ đâu tới? Vì sao lại xuất hiện con người có ý thức để có thể chiêm ngưỡng được vẻ đẹp kỳ diệu của Vũ trụ và dần dà hiểu được cấu trúc tinh vi của Vạn vật? v.v...

Tất cả những thứ đó, dù là ngẫu nhiên hay tất yếu, hình như cũng đều xuất phát từ một “Bản thiết kế vĩ đại” (Stephen Hawking,  Bản thiết kế vĩ đại, NXB Trẻ, 2012) hay một “Nguyên lý sáng tạo” (Trịnh Xuân Thuận,  Vũ trụ và Hoa sen, NXB Tri thức, 2013). Tác giả của những cái đó là ai? Đấy chính là Đấng Sáng tạo hay là “Chúa” của các nhà khoa học. Chỉ có điều vị “Chúa” này không có hình hài con người như các vị Chúa trời (liên quan đến số phận và hành động của con người) của các Tôn giáo mà là một nguyên lý phiếm thần biểu hiện các định luật chính xác và hài hòa đến bất ngờ của Tự nhiên.

Cần phải nói thêm rằng, tuy trong cuốn sách của mình Hawking khẳng định là Khoa học sẽ đạt được “điểm son” khi giải mã được toàn bộ Bản thiết kế vĩ đại mà không phải nhờ đến Chúa; nhưng ai là tác giả Bản thiết kế vĩ đại ấy thì ông lại lờ đi. Trái lại Trịnh Xuân Thuận đã không ngần ngại đặt cược vào một vị Chúa phiếm thần.    

Từ thời cổ đại cho đến nay, nhiều ngành khoa học, kể cả triết học, đã góp phần làm sáng tỏ từng bước những câu hỏi trên đây, nhưng có lẽ Vật lý học đã và vẫn đang đóng vai trò then chốt. Hai thành tựu mới nhất cho đến thời điểm hiện nay của Vật lý học (mà các bạn sẽ được giới thiệu tóm tắt sau đây) cũng mang những tên đượm mầu “ thần thánh”:

1) Lý thuyết M (M-theory) được hy vọng là Lý thuyết của mọi thứ (Theory of Everything), trong đó M dường như có ngụ ý là “mẹ” (Mother), là “chủ” (Master), là “kỳ diệu” (Miracle) hay “bí ẩn” (Mystery)...

2) Hạt Higgs (mang tên nhà khoa học Anh Peter Higgs, Giải Nobel năm 2013), đã từng được gọi là “Hạt của Chúa” (God particle) một cách tình cờ khi Tổng biên tập một nhà xuất bản sách khoa học đề nghị tác giả cuốn sách viết về hạt này thay vì gọi nó là hạt Goddamn (hạt “Chết tiệt” - vì gần nửa thế kỷ sau khi được tiên đoán vẫn không được tìm ra) hãy gọi nó đơn giản là hạt God.

Các nhà vật lý khẳng định rằng: Toàn bộ Vũ trụ và Vật chất cấu tạo nên nó chung quy chỉ bao gồm tất cả 18 hạt cơ bản (như Electron – hạt điện âm, Photon – hạt ánh sáng, các loại hạt Quark cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử v.v…); Và bốn loại lực tương tác giữa chúng: lực Hấp dẫn, lực Điện từ, lực Hạt nhân yếu và lực Hạt nhân mạnh. 

Lực Hấp dẫn tác động lên mọi vật trong Vũ trụ. Với các vật lớn lực này lấn át tất các các lực khác và các định luật vật lý cổ điển của Newton khi nào cũng đúng. Trong thuyết tương đối của Einstein lực Hấp dẫn được mô tả như là độ cong của không – thời gian bốn chiều (ba chiều không gian và một chiều thời gian) dưới tác dụng của khối lương vật chất.

Lực Điện từ mạnh hơn lực Hấp dẫn và chỉ tương tác giữa các lực tích điện, cùng dấu (âm hay dương) thì đẩy nhau, khác dấu thì hút nhau. Trong các vật có kích thước lớn lực hút và đẩy triệt tiêu nhau thành trung hòa, nhưng ở thang bậc nguyên tử các lực này là vượt trội và gây ra tất cả các quá trình hóa học và sinh học.Thuyết Điện từ đã được toán học hóa một cách hoàn hảo bởi Maxwell.

Lực hạt nhân yếu gây ra phóng xạ của một số nguyên tử đặc biệt như Uran, Plutonium...và là tác nhân chính trong việc hình thành các nguyên tố trong các vì sao và trong Vũ trụ thuở sơ khai.

Lực hạt nhân mạnh liên kết các Proton (tích điện dương) với các Neutron (không tích điện) bên trong hạt nhân nguyên tử, và giữa các hạt Quark cấu tạo nên Proton và Neutron. Chính lực này là nguồn gốc của năng lượng Mặt trời và điện hạt nhân. 

Mặc dù mang tính cách mạng trong vật lý học, các lý thuyết của Maxwell và của Einstein đều vẫn là các lý thuyết  cổ điển như của Newton.  Cổ điển với ý nghĩa là chúng không tương hợp với thế giới lượng tử trong môi trường nguyên tử và hạ nguyên tử. Trong thế giới vô cùng nhỏ bé ấy hành vi của vật chất hết sức khác lạ so với kinh nghiệm của con người trong thế giới nhìn thấy được xung quanh ta. Cùng với thời gian trí não của loài người được tôi luyện chỉ để đón nhận những sự vật xác định và chỉ có một lịch sử tuân theo những quy luật  tất định ở thang bậc vĩ mô. Thế nhưng trong thế giới vi mô mà mắt thường không nhìn thấy được, thậm chí để hình dung ra được cũng không phải là công việc dễ dàng (nguyên tử và hạ nguyên tử) thì không có sự vật nào là hoàn toàn xác định, chúng ta chỉ có thể nói về  xác suất tồn tại của chúng ở đâu đó vào thời điểm nào đó mà thôi; và vì vậy chúng không có chỉ một lịch sử mà có bất kỳ lịch sử khả dĩ nào, mỗi lịch sử ứng với một cường độ hay biên độ xác suất riêng; ở đây cũng không thể có khái niệm  tất định. Đấy chính là cốt lõi của lý thuyết Lượng tử. Lý thuyết Lượng tử không loại trừ mà bao trùm lên các lý thuyết cổ điển: ở thang bậc vĩ mô  cổ điển là trường hợp riêng của  lượng tử.

Như vậy, nếu chúng ta muốn mô tả hành vi điện – từ của các nguyên tử và phân tử thì chúng ta phải có được phiên bản lượng tử của Lý thuyết Maxwell cổ điển. Phiên bản này đã được các nhà khoa học xây dựng vào những năm 1940 mang tên Lý thuyết Điện động lực học lượng tử và trở thành mẫu mực cho các lý thuyết trường lượng tử. Trong các lý thuyết cổ điển, các lực được truyền bởi các trường. Trong các lý thuyết lượng tử các trường lực được tạo thành bởi các hạt cơ bản gọi là Boson, nó bay đi bay lại truyền lực cho các hạt vật chất – các Fermion. Electron và các Quark là các Fermion; Photon – hạt ánh sáng là một thí dụ về hạt Boson, nó truyền lực điện từ cho các hạt Fermion. 

Thành công vang dội của Lý thuyết Điện động lực học lượng tử đã kích thích các nhà khoa học tìm kiếm các lý thuyết trường lượng tử cho cả ba lực của Tự nhiên còn lại. Năm 1967 lý thuyết trường lượng tử chung cho cả Lực điện từ và Lực hạt nhân yếu đã được xây dựng. Một lý thuyết trường lượng tử riêng cho Lực hạt nhân mạnh là Lý thuyết Sắc động lực học lượng tử sau đó cũng đã ra đời.

Cũng như vậy nếu chúng ta muốn mô tả Vũ trụ lúc sơ khai, khi mà toàn bộ vật chất và năng lượng đều bị nén chặt trong một thể tích vô cùng nhỏ thì chúng ta nhất thiết cần phải có phiên bản lượng tử của Lý thuyết Tương đối rộng của Einstein cho trường hấp dẫn. Tiếc thay cho đến tận ngày nay phiên bản này chưa có dưới dạng tường minh như đối với ba lực còn lại. Nhưng khó khăn không chỉ dừng lại ở đó...

Giả sử lý thuyết trường lượng tử riêng cho Lực hấp dẫn rồi cũng sớm được tìm ra, thì bước tiếp theo phải là việc hợp nhất cả bốn trường lượng tử trong một lý thuyết chung cho mọi thứ. Không lý gì Tự nhiên là thống nhất và hài hòa đến thế, mà mỗi lực thành phần của nó lại được mô tả bằng một lý thuyết khác nhau. Ước vọng thống nhất này được nhen nhóm và bùng phát bắt đầu từ khi có Lý thuyết Dây (String Theory) vào khoảng những năm 70-80 thế kỷ 20. Theo lý thuyết Dây các hạt không phải là các điểm mà là các đoạn dây siêu mảnh dao động trong không – thời gian 11 chiều, bảy chiều dư so với không – thời gian bốn chiều (ba chiều không gian thực và một chiều thời gian trong Lý thuyết Tương đối của Einstein) bị cuộn lại rất chặt ở quy mô nhỏ đến mức chúng ta không nhìn thấy. Theo ngôn ngữ hiện đại, đó là các chiều “ẩn” hay “nội tại” trái ngược với ba chiều “ngoại tại” trải rộng trong không gian thực. Vào những năm cuối của Thế kỷ trước, các nhà vật lý lý thuyết đã nhận ra là có ít nhất 6 Lý thuyết Dây khác nhau (kể cả cho Lực hấp dẫn) và vô vàn cách cuộn khác nhau của các chiều dư. Họ tin rằng sáu Lý thuyết Dây này là những lý thuyết gần đúng khác nhau của một lý thuyết cơ bản hơn: Lý thuyết M như đã nói tới ở trên.

Nhưng đó vẫn còn là ước vọng xa vời, có khi còn là bất khả! May thay, không mấy nhà khoa học đỉnh cao lại có tâm trạng  Đường xa nghĩ nỗi sau này mà kinh! Họ càng dấn thân…

Thế còn số phận của 18 hạt cơ bản thì sao? Ở đây tình trạng có vẻ khả quan hơn nhiều: Đã có 16 hạt được tìm ra; và vào cuối năm 2012, sau nửa thế kỷ đằng đẵng theo đuổi các nhà vật lý thực nghiệm ở Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu, trên máy gia tốc LHC đã tìm được bằng chứng tồn tại của hạt cơ bản thứ 17 – Hạt boson Higgs, hạt gây ra khối lượng của các hạt cơ bản. Có thể gọi đây là Hạt của Chúa với ý nghĩa rằng: nếu không có nó thì cũng sẽ không thể có các thiên thể , cũng không có sự sống trên Hành tinh xanh tươi đẹp này của chúng ta. 

Chỉ còn một hạt cơ bản thứ 18 – hạt Graviton của trường Hấp dẫn là chưa được tìm ra. Nó sẽ phải bị làm lộ mặt cùng với Lý thuyết M hay muộn hơn bao lâu ai mà biết được. Mà dù cho Lý thuyết M cuối cùng cũng được hoàn thiện thì vẫn còn đó những câu hỏi lớn thách thức trí tuệ của các nhà khoa học, Chẳng hạn: Có một Vũ trụ mà ta đang ở trong, hay còn nhiều Vũ trụ khác? Ngoài Trái đất còn ở đâu có sự sống nữa không? Vật chất tối (chiếm khoảng 5/6 vật chất toàn Vũ trụ) và Năng lượng tối (chiếm khoảng 3/4 năng lượng toàn Vũ trụ) là những thứ chúng ta chưa nhìn thấy, có cấu trúc và vận động thế nào? v.v...

Tự nhiên quả là kỳ bí! Cứ mỗi lần khoa học vén được bức màn bí mật thì lại phát hiện ra một màn bí mật khác sừng sững trước mặt. Đúng như Heisenberg đã có lần nói, đại ý: Khoa học như bình rượu ngọt, mới uống ngụm đầu đã thấy mê say, nhưng uống đến cuối bình thì lại thấy “Chúa” ngồi dưới đáy mỉm cười.