Làm quen với vật lý hiện đại: Đi tìm những định luật mới
Trước hết tôi muốn kể với các bạn tình trạng hiện nay của vật lý học. Các bạn có thể nghĩ rằng tất cả những điều đó tôi đã nói rồi, vì rằng trong những bài giảng trước tôi đã trình bày cho các bạn tất cả những định luật cơ bản đã biết. Nhưng tất cả các định luật phải là định luật đối với một cái gì đó: định luật bảo toàn năng lượng nói về năng lượng của một cái gì đó, những định luật cơ học lượng tử - đó là những định luật cơ học lượng tử của một vật nào đó - và tất cả những định luật đó gộp chung lại cũng chưa nói được cho chúng ta giới tự nhiên là như thế nào, mà ở đây chúng ta đang nói về giới tự nhiên. Vì thế tôi muốn kể với các bạn một ít về vật chất mà chuyển động của nó tuân theo tất cả các định luật đó. Trước hết chúng ta không lạ gì tất cả các vật chất đều đồng nhất. Ta biết rằng vật chất tạo thành các ngôi sao, cũng giống như vật chất tạo thành quả đất. Đặc trưng của ánh sáng phát ra bởi các ngôi sao cho ta những tài liệu giống như dấu vân tay để khẳng định rằng những nguyên tử trên những sao cũng thuộc loại như trên Trái đất. Giới sinh vật và vô sinh cũng được cấu thành từ những nguyên tử cùng loại như nhau. Con ếch cũng được cấu tạo bởi cùng một loại vật chất như hòn đá, chỉ khác là để cấu thành một con ếch thì vật chất được sử dụng không giống như trong hòn đá. Tất cả những những điều đó làm cho vấn đề của chúng ta đơn giản đi. Chúng ta có các nguyên tử, ngoài ra không có gì khác nữa, các nguyên tử thì cùng loại và ở khắp cơi đề như nhau.
Các nguyên tử rõ ràng có cấu tạo như nhau. Trong nguyên tử có hạt nhân và có electron bao quanh hạt nhân. Có thể lập ra một bảng các hạt mà (theo như chúng ta nghĩ) từ đó tạo thành vũ trụ và chúng ta cho rằng mình đã biết về các hạt đó.
Electron Photon Graviton Notrinon | Nơtron Proton |
+Các phản hạt |
Trong bảng trên trước hết có electron là hạt tạo thành lớp vỏ bên ngoài của nguyên tử. Sau đó là hạt nhân, nhưng hạt nhân lại gồm nhiều hạt thuộc hai loại khác nhau gọi là nơtron và proton. Và đây các bạn còn thấy thêm hai hạt nữa. Nếu nhìn lên các sao thì các bạn thấy những nguyên tử, chúng phát ra ánh sáng, mà ánh sáng lại được tạo thành từ các hạt gọi là photon. Ngay từ bài giảng đầu tiên tôi đã nói về lực hấp dẫn và nếu lý thuyết lượng tử là đúng thì trường hấp dẫn phải là một loại sóng nào đó và sóng này cũng có tính chất hạt (như sóng ánh sáng). Các hạt đó gọi là graviton. Còn nếu các bạn không tin vào sự tồn tại của hạt ấy thì cứ gọi nó một cách đơn giản là sự hấp dẫn. Trên kia tôi đã nói đến sự phân rã của bêta, trong đó hạt notron có thể phân rã thành hạt proton, electron và notrinô. Ngoài các hạt nói trên thì các hạt có những phản hạt tương ứng. Điều tương ứng đó đã làm tăng số hạt của chúng ta biết lên hai lần.
Nhờ các hạt vừa được kể ra ở trên chúng ta có thể giải thích được tất cả các hiện tượng xảy ra ở năng lượng thấp và cả những hiện tượng thông thường xảy ra ở bất cứ phần nào của vũ trụ. Nhưng khi nào có sự tham gia của các hạt năng lượng cao thì điều đó không còn đúng nữa và trong điều kiện của phòng thí nghiệm, chúng ta đã tạo ra được một vài hiện tượng rất lạ. Nếu bỏ qua những trường hợp ngoại lệ như vậy thì tất cả các hiện tượng thông thường có thể giải thích bằng tương tác và chuyển động của các hạt đã kể. Chẳng hạn như chính sự sống, theo ý kiến chung, về nguyên tắc, có thể giải thích bằng những chuyển động của các nguyên tử, và những nguyên tử đó gồm các nơtron, proton và electron. Tôi cũng phải rào trước ngay là khi nói rằng một cái gì đó về nguyên tắc có thể được giải thích bằng một cách nào đó là muốn nói như sau: nếu chúng ta nắm được mọi vấn đề đến cùng thì để hiểu được các hiện tượng của giới sinh vật không cần phải phát minh ra một định luật nào nữa. Ta lại xét thêm một thí dụ nữa. Hiện tượng phát ra năng lượng của các sao hay là của Mặt trời cũng có thể giải thích bằng phản ứng hạt nhân giữa các hạt đó, ít nhất thì người ta cũng cho rằng như vậy. Nhờ có mô hình ấy mà có thể mô tả một cách đúng đắn mọi loại chi tiết về tính chất của nguyên tử mà hiện nay chúng ta đã biết. Thậm chí tôi có thể khẳng định rằng trong số các hiện tượng được biết hiện nay chúng ta tin rằng không có một hiện tượng nào mà không thể giải thích được bằng một cách tương tự như thế, hoặc là sự giải thích đó liên quan tới việc giải quyết một điều dự đoán sâu xa nào đó.
Nhưng không phải bao giờ cũng vậy. Thí dụ như hiện tượng siêu dẫn, đó là hiện tượng kim loại ở nhiệt độ thấp, dẫn điện mà không điện trở. Thoạt nhìn hiện tượng ấy không mấy hiển nhiên là hệ quả của các định luật đã biết. Nhưng ngày nay sau khi nghiên cứu kĩ thì thấy rằng hiện tượng siêu dẫn hoàn toàn có thể giải thích được bằng các định luật đã biết. Bây giờ chúng ta hãy xét các định luật khác, chẳng hạn như hiện tượng thần giao cách cảm là hiện tượng mà chúng ta không thể giải thích được bằng các kiến thức vật lý đã biết. Tuy bây giờ chưa xác định được một cách đáng tin cậy rằng có hiện tượng này và chúng ta không thể đảm bảo về sự tồn tại của nó. Nhưng nếu bằng thực nghiệm người ta chứng minh được có hiện tượng này thì môn vật lý của chúng ta là không hoàn chỉnh, vì thế các nhà vật lý phải quan tâm đến việc giải thích xem hiện tượng như vậy có thể có được hay không. Bây giờ thì nhiều thí nghiệm đã chứng tỏ rằng hiện tượng đó là không có. Đối với môn chiêm tinh học cũng có tình trạng tương tự. Nếu như đi đến thầy thuốc chữa răng vào ngày nào tốt phụ thuộc vào các ngôi sao - các nhà chiêm tinh học cho là như vậy - thì những quan niệm của chúng ta về vật lý sẽ không hình dung được cách giải thích hiện tượng đó trên cơ sở tương tác của các hạt nói trên. Mối hoài nghi của các nhà khoa học đối với các lý thuyết tương tự cũng được giải thích đúng đắn như vậy.
Sự thực trong trường hợp thôi miên thì mới nhìn người ta tưởng rằng không thể giải thích được. Nhưng điều đó chỉ đúng khi hiện tượng này chưa được nghiên cứu đầy đủ. Bây giờ thì chúng ta đã biết nhiều hơn về thôi miên và hoàn toàn có khả năng giải thích hiện tượng đó bằng các quá trình sinh học thông thường, mặc dù hiện nay ta chưa biết các quá trình đó. Dĩ nhiên để giải thích hiện tượng thôi miên không cần phải có một loại lực mới nào.
Hôm nay, trong khi mà lý thuyết chúng ta về những hiện tượng xảy ra bên ngoài hạt nhân nguyên tử tỏ ra chính xác và hoàn chỉnh, đã cho phép ta tính - dù có thể là không tính được ngay - tất cả các đại lượng với độ chính xác cỡ độ chính xác của phép đo, thì về các lực tương tác giữa các nơtron và proton hợp thành hạt nhân chúng ta biết ít hơn nhiều và hiểu chưa đủ về những đặc trưng của những lực ấy. Tôi muốn nói rằng hiện nay chúng ta hiểu về đặc trưng của lực tương tác giữa các nơtron và proton chưa đủ tốt để tôi có thể, nếu các bạn yêu cầu, với thời gian và số máy tính đầy đủ, xác định một cách chính xác tất cả các mức năng lượng của hạt nhân cacbon hoặc giải một bài toán khác cùng loại. Chúng ta biết cách giải bài toán một cách tương tự đối với những mức năng lượng của electron bên ngoài của nguyên tử, còn đối với hạt nhân thì chưa biết, vì rằng chúng ta hiểu chưa đầy đủ về bản chất của các lực bên trong hạt nhân.
Để có thể hiểu tốt hơn về những lực đó người ta cần làm những thí nghiệm đặc biệt, nghiên cứu các hiện tượng ở năng lượng rất cao. Nội dung chủ yếu của các thí nghiệm ấy thực hiện sự va chạm giữa các nơtron và proton ở năng lượng rất cao và quan sát những hiện tượng khác thường xảy ra trong quá trình va chạm đó. Chúng ta hy vọng rằng việc nghiên cứu những hiện tượng khác thường đó sẽ cho chúng ta hiểu rõ hơn về tương tác giữa các proton và nơtron.
Mặc dù chúng ta chỉ muốn hiểu được nhiều hơn về đặc trưng của các lực tác dụng giữa nơtron và proton, nhưng khi cho các hạt đó va chạm với nhau thì chúng lại phát hiện ra một loại hạt mới. Trong khi cố gắng để hiểu kĩ hơn về lực bên trong hạt nhân chúng ta đã thu được khoảng bốn chục hạt mới mà chúng ta có thể đặt vào cùng một cột với nơtron và proton (xem bảng dưới) vì chúng tương tác với các hạt đó và liên quan với tương tác giữa các hạt đó.
Electron Photon Graviton µ - mêzôn nơtrinô-µ | Nơtron Proton (+ hơn 40 hạt khác |
+ tất cả các phản hạt |
Ngoài ra trong bảng trên bây giờ còn có một cặp hạt không có liên quan gì tới vấn đề lực bên trong hạt nhân. Một hạt trong cặp ấy là µ - mêzôn hay là muyôn, còn hạt kia là nơtrinô - µ, đồng thời hạt thứ hai luôn đi kèm với hạt thứ nhất. Như vậy, có hai loại nơtrinô: một loại luôn đi kèm theo electron còn loại kia thì đi kèm theo µ - mêzôn. Các định luật về tính chất của cặp µ - mêzôn và nơtrinô - µ bây giờ đã được nghiên cứu đầy đủ đến mức độ hiện đại của kĩ thuật thực nghiệm và có một điều đáng ngạc nhiên là các tính chất đó giống hệt nhau như tính chất của cặp electron và nơtrinô, chỉ khác nhau ở một tính chất: khối lượng µ - mêzôn lớn hơn khối lượng electron 207 lần. Nhưng đó là sự khác nhau duy nhất giữa chúng và điều đó kể cũng thật lạ lùng. Bốn chục hạt mới hợp thành một cách đáng sợ, ấy là còn phải nhớ đến các phản hạt nữa. Các hạt mới có những tên khác nhau: mêzôn, piôn, kaôn, lamđam, xichma… Những cái tên đó không nói lên được điều gì với các bạn, đối với bốn chục hạt mới bạn phải ngồi nghĩ ra không ít tên gọi mới! Nhưng các hạt đó lại hợp thành từng họ, và điều đó làm cho công việc của ta nhẹ bớt đi. Thực ra thời gian sống của một số hạt nhỏ bé đến nỗi hiện nay có những tranh luận về vấn đề có thể xác lập được sự tồn tại của các hạt đó trong thực tế hay không. Nhưng tôi không muốn trình bày về sự tranh luận đó ở đây. Để các bạn có một khái niệm về họ các hạt cơ bản, chúng ta hãy xét trường hợp nơtron và proton. Nơtron và proton có khối lượng bằng nhau với độ chính xác đến vài phần nghìn hay vào khoảng như vậy. Nơtron nặng hơn electron 1836 lần, còn proton thì nặng hơn electron 1839 lần. Còn điều đáng chú ý hơn là các lực bên trong hạt giữa hai proton thì cũng giống như giữa nơtron và proton hoặc giữa hai nơtron. Nói cách khác, nểu chỉ nghiên cứu lực tương tác mạnh bên trong hạt nhân thì không thể phân biệt được proton và nơtron. Thế là ta có thể thêm một định luật đối xứng mới: nơtron có thể thay thế bằng proton và không có gì thay đổi nếu chỉ xét tới lực tương tác mạnh. Thế nhưng nếu nơtron thực sự được thay thế bằng proton thì sự khác nhau sẽ rất lớn vì rằng proton mang điện tích, còn nơtron thì không. Bằng những phép đo điện các bạn có thể phát hiện ra ngay sự khác nhau giữa proton và nơtron, vì thế sự đối xứng cho phép thay thế proton bằng nơtron thực ra chỉ là một sự đối xứng gần đúng. Nó tồn tại thực sự đối với tương tác hạt nhân mạnh, nhưng với ý nghĩa vật lý sâu sắc thì sự đối xứng đó không có, vì rằng nó không bao trùm được các hiện tượng điện. Tính quy luật như vậy gọi là đối xứng yếu và chúng ta cần tìm hiểu về các đối xứng này.
Hiện nay khi mà các họ hạt cơ bản đã lập xong, chúng ta biết được rằng những phép thay thế thuộc loại như thay thế nơtron bằng proton là có thể đối với cả một số hạt rộng lớn hơn. Nhưng sự khác biệt thực sự trong phép thay thế đó lại là rất lớn. Điều khẳng định rằng nơtron luôn luôn có thể thay thế bởi proton chỉ là gần đúng, và nó sẽ là sai theo quan điểm về điện, nhưng một loạt phép thay thế khả dĩ khác còn cho một sự đối xứng xấu hơn nữa. Tuy vậy, tất cả các phép đối xứng yếu đó cho phép ta sắp xếp các hạt cơ bản trong những họ riêng biệt và nhờ thế tìm được chỗ cho những hạt chưa được sắp xếp và phát minh ra một số hạt mới.
Một trò chơi thuộc loại như vậy - tức là phỏng đoán một cách thô sơ những mối quan hệ xác định trong một họ nào đó - là phương pháp đặc trưng trong những trận tấn công đầu tiên vào tự nhiên, chuẩn bị cho việc phát minh một định luật nào đó thật sâu sắc và rất là quan trọng. Quá khứ của khoa học đã nhiều lần chứng minh như vậy. Chính bằng một trò chơi loại đó mà Menđeleev đã phát minh ra bảng tuần hoàn các nguyên tố. Đó mới chỉ là bước khởi đầu. Sau một thời gian khá lâu nữa nhờ có những lý thuyết về nguyên tử người ta mới hiểu được một cách đầy đủ nguyên nhân của cấu trúc như thế của bản tuần hoàn. Cũng đúng như vậy, những hiểu biết của chúng ta về mức năng lượng hạt nhân đã được Maria Mayer và Jensen sắp xếp trong mẫu vỏ của hạt nhân cách đây không lâu. Toàn bộ vật lý học nói chung, trong đó để cho đơn giản ta đã dùng những giả thuyết và những cách tính gần đúng, thực chất cũng là một trò chơi loại đó.
Ngoài ra tất cả những hạt nói trên chúng ta còn có những nguyên lý mà tôi nói đến trước đây: nguyên lý đối xứng và nguyên lý tương đối, nguyên lý cho rằng tất cả đều phải tuân theo các đinh luật của cơ học lượng tử, kể cả những lập luận suy ra tính định xứ của các định luật bảo toàn từ thuyết tương đối.
Nhưng nếu tập hợp tất cả các nguyên lý đó lại thì chúng ta thấy rằng chúng nhiều quá, mà lại không phù hợp với nhau. Nếu xét cơ học lượng tử, tính tương đối, cụ thể là khẳng định tất cả phải định xứ và một vài giả thuyết mà ta mặc nhận nữa thì chúng ta sẽ đi tới mâu thuẫn, vì rằng khi tính một vài đại lượng chúng ta sẽ thu được kết qủa vô cùng lớn. Mà ai có thể khẳng định được lượng vô cùng lớn đó phù hợp với thực tế tự nhiên? Còn về những giả thuyết được mặc nhận mà tôi đã nhắc đến ở trên thì do chúng ta đã quá quen thuộc với chúng đến nỗi chúng ta không muốn hiểu hoặc không hiểu được ra nghĩa thực của chúng. Đây là một ví dụ. Nếu bạn tính xác suất của một loạt sự kiện xảy ra độc lập với nhau, chẳng hạn như 50% để xảy ra điều này, 25% để xảy ra điều nọ… thì tính tổng số xác suất đó phải bằng 1. Tức là chúng ta cho rằng nếu cộng tất cả các xác suất thì phải có được xác suất 100%. Điều đó có vẻ hợp lý, nhưng bắt đầu từ chính cái hợp lý đó mà xảy ra các tai hoạ của chúng ta. Một thí dụ khác: giả thiết cho rằng năng lượng luôn luôn phải là dương và không thể là âm. Và một giả thiết nữa mà chắc là được thừa nhận cho đến khi gặp mâu thuẫn, đó là nguyên lý nhân quả, theo nguyên lý này thì, nói một cách thô sơ, kết quả không thể đi trước nguyên nhân. Bây giờ thì chưa có ai thử xây dựng một lý thuyết trong đó không có giả thuyết về xác suất toàn phần, hoặc là không tuân theo nguyên lý nhân quả mà lại phù hợp với cơ học lượng tử, thuyết tương đối, nguyên lý định xứ…Vì vậy chúng ta không biết do từ giả thiết nào trong các giả thiết mà nảy sinh ra những khó khăn và làm cho chúng ta thu được những giá trị vô cùng lớn. Đó chính là bài toán hiện nay của chúng ta! Thực ra thì nhờ những phương pháp thô sơ tất cả các đại lượng vô cùng lớn đó có thể tạm thời được “cất dấu dưới thảm”, vì vậy chúng ta còn phải sẵn sàng làm tính toán cần thiết.
Đó chính là tình trạng hiện nay là như vậy. Còn bây giờ tôi sẽ cố gắng nói về việc phát minh ra các định luật mới như thế nào.
Nói chung thì việc tìm tòi một định luật mới được tiến hành như sau. Trước tiên người ta dự đoán về định luật đó. Tiếp theo thì tính toán những hệ quả của định luật đó như thế nào và tìm cho rõ những điều suy ra từ định luật đó nếu như nó là đúng. Sau đó so sánh những kết qủa tính toán với những điều quan sát được trong thiên nhiên, với kết quả thực nghiệm và với các kinh nghiệm của chúng ta, và xem xét kết quả của việc so sánh như thế nào. Nếu những tính toán cho kết quả không phù hợp với các số liệu thực nghiệm thì định luật không đúng. Chính mầm mống của khoa học là điều xác nhận đơn giản đó. Còn tác giả của điều dự đoán đó là ai, tên gì, thông minh đến mức nào là những điều không quan trọng - nếu lý thuyết không phù hợp với thực nghiệm thì có nghĩa là lý thuyết sai. Đó là tất cả. Dĩ nhiên để khẳng định dứt khoát một lý thuyết nào đó không đúng còn cần phải kiểm tra thêm, nhưng không cần nhiều lắm. Bởi lẽ, dù rằng người thí nghiệm là ai, bao giờ cũng có khả năng các kết quả thí nghiệm không được thông báo đúng, hoặc trong thực nghiệm có sự kiện nào đó bị bỏ qua, có một vết bẩn hoặc một cái gì đó, hoặc người tính toán các hiệu ứng phạm sai lầm trong quá trình phân tích, mặc dù đó là giả thiết của chính tác giả. Tất cả những điều lưu ý đó đều hoàn toàn tự nhiên và vì vậy khi tôi nói: “Vì rằng kết quả tính toán không phù hợp với thực nghiệm nên định luật đưa ra không đúng” tức là tôi cho rằng thí nghiệm và tính toán đã được tiến hành một cách đúng đắn và sau khi đã phân tích một cách toàn diện, chúng ta đảm bảo rằng các hiện tượng quan sát được là kết quả suy ra một cách logic từ giả thuyết mà ta thừa nhận và giả thuyết đó quả thực là không phù hợp với thực nghiệm đã được hiệu chính một cách cực kỳ cẩn thận.
Ở bạn có thể hình thành một quan điểm không hoàn toàn đúng về khoa học. Các bạn có thể nghĩ rằng hình như chúng tôi luôn luôn dự đoán, rồi kiểm tra các dự đoán bằng thực nghiệm, khiến cho thực nghiện chỉ đóng vai trò phụ. Nhưng thực ra các nhà thực nghiệm là những người hoàn toàn tự lập. Họ thích làm thí nghiệm ngay trước khi có một người nào đó suy nghĩ ra một điều gì và họ rất hay làm việc trong những lĩnh vực mà các nhà lý thuyết còn chưa có một dự đoán nào. Thí dụ chúng ta có thể biết một mớ các định luật, nhưng chúng ta không biết ở năng lượng rất cao thì các đinh luật đó có còn đúng hay không, vì rằng giả thuyết về tính đúng đắn của chúng ta chẳng qua mới chỉ là một giả thuyết tốt. Các nhà thực nghiệm cố gắng làm các thí nghiệm ở năng lượng rất cao, nhưng thỉnh thoảng họ vấp phải những khó khăn - điều mà chúng ta coi là đúng hoá ra lại là không còn đúng nữa. Như vậy, thực nghiệm có thể dẫn tới những kết quả bất ngờ, và điều đó bắt buộc chúng ta phải đưa ra những dự đoán mới. Một thí dụ về kết quả thực nghịêm không ngờ tới là sự phát minh ra - mêzôn và nơtrinô - trước khi tìm ra hai hạt này thì không có ai nêu ra giả thuyết về sự tồn tại của chúng và ngay đến bây giờ cũng không ai biết làm thế nào mà tiên đoán được sự tồn tại của chúng.
Dĩ nhiên là các bạn hiểu rằng phương pháp như thế chỉ cho phép lật đổ một lý thuyết bất kì. Nếu chúng ta chỉ có một lý thuyết nào đó, một giả thuyết chân chính nào đó, nhờ có nó ta có thể tiên đoán bằng các phương pháp thông thường những kết quả của thực nghiệm, thì nói chung như vậy là đủ để chấm dứt đối với lý thuyết đó, dù nó có tốt đến đâu. Chúng ta luôn có khả năng lật đổ một lý thuyết nhưng hãy chú ý rằng chúng ta không bao giờ có thể chứng minh lý thuyết đó là đúng. Giả sử rằng anh ta đưa ra một lý thuyết có hiệu quả, tính toán được các hệ quả của nó và chứng tỏ rằng tất cả các kết quả đó được khẳng định bằng thực nghiệm. Phải chăng như vậy là lý thuyết của anh đúng? Không, điều đó chỉ có nghĩa là anh chưa bác bỏ được lý thuyết đó mà thôi. Sau này anh có thể tính toán được một loạt kết quả rộng rãi hơn, tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm sâu sắc hơn và chứng minh lý thuyết của các anh là không đúng. Tại sao các định luật về chuyển động của hành tinh của Newton lại sống lâu được đến vậy? Newton dự đoán định luật vạn vật hấp dẫn, từ đó suy ra nhiều hệ quả rất khác nhau về Hệ Mặt trời, nhưng khi so sánh chúng với các kết quả quan sát sau đó vài thế kỉ người ta mới thấy được những sai lệch rất nhỏ của chuyển động của Thuỷ tinh so với dự đoán. Trong suốt những năm đó lý thuyết của Newton chưa được bác bỏ và tạm thời người ta coi nó là đúng. Nhưng sự đúng đắn của nó không thể chứng mịnh được vì rằng rất có thể ngày mai thí nghiệm sẽ chứng tỏ điều mà hôm nay anh tin là đúng lại không còn nữa. Điều đáng ngạc nhiên là chúng ta lại có thể nghĩ ra những lý thuyết có thể đứng vững qua các thử thách của thực nghịêm trong một thời gian dài đến như vậy.
Một trong những phương pháp chắc chắn nhát để làm dừng lại sự tiến bộ của khoa học là chỉ cho phép thực nghiệm tiến hành trong những lĩnh vực mà ở đó có các định luật đã được phát minh. Nhưng các nhà thực nghiệm lại tiến hành tìm tòi một cách nhiệt tình hơn hết ở chỗ có nhiều khả năng nhất tìm ra cách bác bỏ những lý thuyết của chúng ta. Nói cách khác thì chúng ta cố gắng tự bác bỏ mình càng nhanh càng tốt, vì rằng đó là con đường duy nhất của tiến bộ. Chẳng hạn, ngày nay trong các hiện tượng thông thường ở năng lượng thấp, chúng ta không biết tìm đâu được chỗ hở, chúng ta thấy dường như đã ổn định và vì vậy các bạn sẽ không tìm thấy ở đây những người mở một mặt trận nghiên cứu rộng rãi để đi tìm những chỗ yếu trong lý thuyết về phản ứng hạt nhân hay siêu dẫn. Trong bài giảng này tôi tập trung chú ý vào việc tìm ra các định luật cơ bản. Thực ra vật lý xét về toàn bộ, mà điều đó không kém phần quan trọng, bao gồm cả mức độ khác nhau của việc nghiên cứu, cả việc giải thích các hiện tượng thuộc loại phản ứng hạt nhân hoặc siêu dẫn theo quan điểm những định luật cơ bản đó. Nhưng bây giờ tôi muốn nói về việc tìm những chỗ yếu, tìm những sai lầm đó trong các định luật cơ bản và vì hiện nay không ai biết tìm những điều đó ở đâu trong số các hiện tượng ở năng lượng thấp, cho nên tất cả các nhà thực nghiệm ngày nay muốn phát minh ra các định luật mới đều tìm nó trong lĩnh vực năng lượng cao.
Tôi muốn lưu ý thêm một điều nữa là lý thuyết càng mơ hồ thì càng khó bác bỏ. Nếu điều dự đoán của anh được phát biểu một cách không tốt hoặc không thật xác định và nếu phương pháp tính toán của các hệ quả cũng mơ hồ - anh cảm thấy không tin tưởng và nói: “Đối với tôi có vẻ như là ở đây tất cả đều đúng, vì rằng tất cả điều đó được giải thích bằng chính điều này và bằng chính điều kia, mà từ đó ít nhiều lại suy ra điều này và dường như tôi có thể giải thích rõ làm thế nào để nhận được rằng…”, nếu như vậy thì lý thuyết của anh là tốt đối với mọi người - vì rằng không thể bác bỏ nó được. Ngoài ra nếu phương pháp tính toán các hệ quả không rõ ràng thì bao giờ cũng có thể sử dụng một sự khéo léo nào đó để làm cho kết quả tính bằng lý thuyết giống với kết quả tính bằng thực nghiệm. Có thể anh biết làm như vậy nhờ kinh nghiệm bản thân trong những lĩnh vực khác. Có một người nao đó ghét mẹ mình. Dĩ nhiên rằng lý do là vì bà mẹ không chăm sóc và không yêu anh ta đầy đủ khi anh ta còn bé. Nhưng nếu các bạn lục tìm lại quá khứ thì thấy rằng bà mẹ đã rất yêu anh ta và mọi chuyện ở họ đều tốt đẹp cả. Chà, thể là ta biết rõ rằng bà mẹ đã quá cưng chiều con trai mình. Như các bạn đã thấy đấy, một lý thuyết mơ hồ cho phép có được bất kì kết quả mơ hồ nào. Có thể có cách sửa lại như sau. Nếu các bạn có thể xác định được trước và chính xác bao nhiêu tình yêu là chưa đủ, và bao nhiêu là quá nhiều thì chúng ta có thể xây dựng một lý thuyết hoàn toàn hợp lệ, có thể kiểm tra lại được bằng thực nghiệm. Nhưng cũng phải nói thêm rằng, người ta sẽ nói các bạn: “Khi nói về tâm lý học thì những việc xác định chính xác như vậy là không thể có được”. Nhưng một khi mà đã như vậy thì không thể khẳng định rằng anh ta đã biết một cái gì đó.
Các bạn có thể khiếp sợ, nhưng trong vật lý học của chúng ta có những ví dụ đúng như kiểu đó. Chúng ta có những đối xứng yếu mà đối với chúng ta phải có cách xem xét như sau. Anh có một đối xứng yếu nào đó và anh tính toán những hệ quả với giả thiết là đối xứng đó là hoàn toàn chính xác. Ta so sánh những kết quả tính toán với thực nghiệm và thấy rằng chúng khác nhau. Thế thì rõ ràng là vì đối xứng mà ta nói tới chỉ là gần đúng cho nên nếu thí nghiệm phù hợp với tính toán một cách thoả mãn thì anh nói rằng “tuyệt quá”, và nếu chúng không phù hợp với nhau thì anh nói “đây là trường hợp nhạy đặc biệt đối với sự phá huỷ đối xứng”. Dĩ nhiên đó là một điều đáng buồn cười, nhưng chúng ta phải tiến lên chính bằng cách đó. Khi mà lĩnh vực nghiên cứu mới mà chúng ta vừa mới làm quen với các hạt cơ bản thì sự tự lừa dối là như vậy, sự mò mẫm như vậy là bước đầu tiên của khoa học. Đối với các nguyên lý đối xứng của vật lý học thì tất cả những gì nói được về tâm lý học đều là đúng cho nên không nên cười quá nhiều. Đầu tiên chỉ cần rất thận trọng. Do có những lý thuyết thuộc loại mơ hồ như vậy nên dễ dàng đi vào bế tắc. Bác bỏ một lý thuyết như vậy không phải dễ dàng và để khỏi bị vứt ra rìa trong cuộc chơi đó thì cần phải có nhiều lý trí và kinh nghiệm.
Trên con đường phỏng đoán đó, việc tính toán các hệ quả và so sánh với thực nghiệm có thể vướng mắc ở những chỗ rất khác nhau. Có thể vướng mắc ở giai đoạn phỏng đoán, khi mà chúng ta không co ý tưởng mang lại nhiều kết quả. Có thể vướng mắc khi tính toán hệ quả. Thí dụ Yakawa năm 1934 dề nghị một lý thuyết về lực hạt nhân nhưng không ai có thể tính toán được các hệ quả của nó vì có những khó khăn thuần tuý toán học và do đó không thể kiểm tra lý thuyết đó bằng thực nghiệm được. Lý thuyết đó còn trong dạng nguyên như thế trong một khoảng thời gian dài, khi đó chúng ta chưa phát minh ra tất cả những hạt phụ thêm nói ở trên, mà Yakawa cũng chưa hề tiên đoán, và do đó không phải tất cả đều xảy ra một cách đơn giản như lý thuyết đó suy ra. Còn một gian đoạn nữa mà ở đó có thể vướng mắc đó là giai đoạn thí nghiệm. Thí dụ, lý thuyết lượng tử về hấp dẫn được đẩy lên rất chậm, đó là vì trong bất kì một thí nghiệm nào được thực nghiệm trong thực tế thì những hiệu ứng lượng tử và hấp dẫn không bao giờ có tác dụng đồng thời. Lực hấp dẫn quá yếu so với lực điện.
Nhưng tôi là nhà vật lý lý thuyết nên tôi có nhièu ham thích về mặt lý thuyết của quá trình hơn. Và vì vậy tôi muốn nói một cách chi tiết hơn về cách phỏng đoán.
Như tôi đã nói ở trên, điều phỏng đoán này hay điều phỏng đoán khác sinh ra từ đâu là hoàn toàn không quan trọng chỉ quan trọng là nó phải xác định và phù hợp với thực nghiệm. Các bạn sẽ nói: “Ồ thế thì thật là đơn giản, chỉ cần chế tạo một cái máy, cái máy tính lớn hơn, máy đó có thể đề ra liên tiếp những lý thuyết khác nhau và mỗi lần máy đó làm một dự đoán và đưa ra một giả thiết về tính chất của tự nhiên thì nó lại tính toán ngay một hệ quả và tiến hành so sánh với một tập hợp nào đó các kết quả thực nghiệm đã được cài sẵn trong máy”. Nói cách khác, dự đoán là công việc của những anh chàng ngốc. Thực ra thì mọi việc hoàn toàn ngược lại và tôi cố gắng để giải thích với các bạn tại sao lại như vậy.
Trước tiên đặt câu hỏi: Bắt đầu từ đâu? Các bạn nói: “Tôi bắt đầu từ các nguyên lý đã biết”. Nhưng tất cả các nguyên lý mà ta đã biết không phù hợp với nhau, thế nên chúng ta cần phải bỏ một lý thuyết nào đó. Chúng tôi liên tục nhận được hàng chục bức thư, trong đó người ta kiên trì đề nghị chúng tôi hi sinh một cái gì đó trong dự đoán của chúng tôi, trong lý thuyết của chúng tôi. Trong một bức thư người ta viết: “Ông luôn luôn cho rằng không gian là liên tục. Nhưng từ đâu mà ông biết những đoạn thẳng đủ ngắn cách bởi những đoạn ngắn?”. Hoặc là: “Ông có biết không, những biên độ xác suất trong cơ học lượng tử - đó là điều rất phức tạp và không thể hiểu được, cái gì bắt ông phải suy nghĩ rằng nó là như vậy? Có thể ông sai không?” Những lời phản đối như vậy là tất nhiên và hoàn toàn rõ ràng với tất cả những ai nghiên cứu về vấn đề này. Có chỉ ra những sai lầm đó thì các bạn cũng không mang lại lợi ích gì cho ai. Vấn đề không phải là chỉ ra điều sai lầm có thể có, mà ở chỗ chỉ ra một cách chính xác cách sửa chữa những sai lầm đó và thay vì bị bỏ đi cái gì. Thí dụ trong trường hợp không gian liên tục ta giả thiết rằng điều khẳng định chính xác là như sau: không gian gồm một chuỗi các điểm và tất cả các điểm thì được sắp xếp trong mạng hình lập phương. Khi đó ta dễ dàng chứng minh được răng điều khẳng định đó là sai lầm. Nó không thể chấp nhận được. Vấn đề không phải chỉ nói rằng điều đó không đúng mà ở chỗ thay thế điều khẳng định cũ bằng điều khẳng định mới, cái đó không phải là đơn giản. Khi anh vừa đăt ra được một giả thuyết nào đó thực sự thay thế cho giả thiết bị bác bỏ thì gần như ngay tức khắc anh thấy rõ ràng giả thiết mới là không dùng được.
Khó khăn thứ hai là chỗ số giả thuyết mới có thể là vô hạn. Điều đó có thể được trình bày một cách đại khái như sau. Anh đang ngồi làm việc, loay hoay toát mồ hôi một lúc lâu để mở một cái két sắt. Có một anh chàng thông minh xuất hiện, anh ta không có khái niệm là anh ta đang làm việc gì mà chỉ cần biết rằng cần phải mở két sắt, anh ta nói: “Thế sao không thử mở bộ ba số 10; 20; 30?”. Nhưng anh đâu có ngồi khoanh tay, anh đã thử với hàng nghìn bộ ba số, có thể anh đã thử với bộ ba số đó rồi cũng nên. Có thể anh còn biết ở giữa bộ ba số đó là 32 chứ không phải 20. Hoặc có thể anh đã xác định được rằng tổng tổ hợp chỉ có năm chữ số…
Thế đấy, xin làm ơn đừng gửi thư cho tôi để thử giải thích mọi việc phải như thế nào. Tôi đọc các bức thư đó, tôi luôn đọc các bức thư đó để đảm bảo rằng tôi đã suy nghĩ về những vấn đề được nêu lên, nhưng xin nói thật, trả lời những bức thư đó thì tốn quá nhiều thì giờ, vì thực ra thì chúng cũng thuộc loại bộ ba số đã nêu. Thường thì, như các bạn đã thấy trong thí nghiệm về những lý thuyết khác rất sâu sắc và tinh vi, thiên nhiên phong phú hơn trí tưởng tượng của chúng ta nhiều. Đưa ra một lý thuyết sâu sắc và tinh vi như vậy hoàn toàn không phải là đơn giản. Để có thể dự đoán được, cần phải thật thông minh, và không thể làm một cách mù quáng trên máy móc.
Bây giờ tôi sẽ kể cho các bạn về nghệ thuật phỏng đoán các định luật của tự nhiên. Đó thực sự là một nghệ thuật. Thế thì phỏng đoán như thế nào? Để có thể cố gắng tìm câu trả lời cho vấn đề này ta hãy thử đi ngược lại lịch sử khoa học và xem những người khác đã làm việc này như thế nào. Chính vì thế mà chúng ta nghiên cứu lịch sử.
Chúng ta cần bắt đầu từ Newton . Vào thời đó kiến thức còn chưa hoàn chỉnh và Newton có thể phỏng đoán các định luật bằng cách đối chiếu các khái niệm và sự hiểu biết gần với thực nghiệm. Giữa sự quan sát và kiểm tra lại bằng thực nghiệm không có một khoảng cách lớn. Phương pháp thứ nhất là như vậy, nhưng bây giờ mà dùng phương pháp ấy thì khó mà đạt được kết quả.
Một nhà vật lý học vĩ đại tiếp theo là Maxwell, người đã phát minh ra các định luật về điện và từ. Đây là những việc ông đã làm. Maxwell hợp nhất tất cả các định luật về điện do Faraday và các nhà khoa học trước ông đã tìm ra, hiểu rõ những điều ông đã thu nhận được và biết rằng, theo quan điểm toán học thì một trong những định luật đó mâu thuẫn với các định luật kia. Để sửa chữa được điều đó thì cần phải thêm vào các phương trình một số hạng nữa. Ông đã làm điều ấy sau khi đã nghĩ ra cho mình một mô hình gồm có những bánh xe răng cưa phân bố trong không gian. Ông đã tìm ra định luật mới, nhưng chẳng ai chú ý đến định luật ấy vì không ai tin vào những cơ cấu bánh xe như thế. Bây giờ chúng ta cũng không tin vào những cơ cấu đó, nhưng những phương trình mà Maxwell nhận được lại là đúng. Cho nên sự suy luận có thể không đúng, mà câu trả lời lại đúng.
Trong trường hợp cảu giả thuyêt đối thì đặc tính của sự phát minh lại hoàn toàn khác. Vào thời điểm đó đã tích tụ lại nhiều điều nghịch lý: các định luật đã biết cho kết quả mâu thuẫn với nhau. Một loại phân tích mới được hình thành theo quan điểm tính đối xứng có thể của các định luật vật lý. Tình trạng đó đặc biệt phức tạp, vì lần đầu tiên người ta thấy rõ ràng những định luật (thí dụ như các định luật Newton ) đã được coi là đúng trong một thời gian rất dài cuối cùng lại hoá ra không chính xác. Ngoài ra, khó mà tin được rằng những quan niệm thông thường mà chúng ta có từ thuở thiếu thời về không gian và thời gian lại có thể không còn đúng nữa.
Chúng ta đã đi bằng hai con đường hoàn toàn khác nhau để đến chỗ phát minh ra cơ học lượng tử và chúng ta hãy lấy đó làm bài học. Lại một lần nữa, ở đây cũng chất chứa nhiều nghịch lý, mà còn ở mức độ cao hơn, những điều nghịch lý đó được phát hiện bằng thực nghiệm và không có nghịch lý nào giải quyết được trên cơ sở các định luật đã biết. Đó không phải chúng ta thiếu kiến thức, mà vì kiến thức còn quá nhiều. Anh dự đoán điều này cần phải xảy ra, nhưng thực tế lại xảy ra một điều hoàn toàn khác. Hai con đường khác nhau là con đường của Schrodinger người dự đoán phương trình cơ bản, và con đường của Heisenberg, người khẳng định rằng chỉ cần nghiên cứu cái gì đó có thể đo được. Hai cách nghiên cứu có luận lý hoàn toàn khác nhau đó cuối cùng cũng đều dẫn tới một phát minh.
Thời gian gần đây nhất, cùng sự phát minh ra các định luật mà tôi đã nhắc về tương tác yếu (sự phân rã nơtron thành proton, electron và phản nơtrinô, về những hạt này thì còn lâu mới biết được hết) thì có nảy sinh một tình trạng hoàn toàn khác. Nhưng lần này chỉ do chúng ta thiếu kiến thức và chỉ đưa ra được những điều phỏng đoán về phương trình. Nhưng bây giờ khó khăn đặc biệt là ở chỗ tất cả các thí nghịêm đều không đúng. Mà làm thế nào có thể dự đoán được câu trả lời chính xác nếu mỗi kết quả của lý thuyết đều không phù hợp với thực nghiệm? Để khẳng định được rằng thực nghiệm không đúng đòi hỏi phải có nhiều can đảm. Và từ đâu mà có được lòng can đảm đó, sau tôi sẽ trình bày.
Bây giờ chúng ta không có các nghịch lý, ít nhất lúc mới nhìn thì là như vậy. Thực ra thì chúng ta có những đại lượng vô cùng lớn, chúng bị lộ ra khi chúng ta cố gắng thống nhất các định luật vào một định luật duy nhất, nhưng người ta vốn thạo cách dấu rác rưởi dưới thảm đến mức bây giờ đã bắt đầu thấy hình như là những điều ấy không đến nỗi trầm trọng đến như vậy. Cũng như trước đây, việc chúng ta phát minh ra các hạt mới không nói lên điều gì khác là kiến thức của chúng ta chưa hoàn chỉnh. Tôi tin rằng trong vật lý học, lịch sử không lặp lại, như ta đã thấy trong các ví dụ nói trên, và đây là lý do. Mọi sơ đồ thuộc loại “hãy tìm các định luật đối xứng” hoặc là “hãy viết tất cả các điều anh biết dưới dạng toán học”, hoặc là “hãy dự đoán phương trình” bây giờ thì ai cũng biết và luôn luôn cố gắng sử dụng các sơ đồ đó. Nếu như anh vướng mắc, không tìm được câu trả lời theo một trong những sơ đồ ấy, thì trước hết vì anh đã dùng chính những sơ đồ đó. Mỗi lần cần phải tìm một con đường mới. Khi nào có ùn lại quá nhiều vấn đề không giải quyết được thì đó là vì ta đã dùng những phương pháp như đã dùng trước đây. Một sơ đồ mới, một phát minh mới cần phải tìm bằng con đường hoàn toàn mới. Cho nên không nên chờ đợi ở lịch sử khoa học một sự giúp đỡ đặc biệt.
Bây giờ tôi muốn dừng lại một chút ở quan điểm của Heisenberg cho rằng không nên nói về cái mà dầu sao cũng không đo được. Vì rằng có nhiều người giải thích điều khẳng định đó mà lại không hiểu đúng ý nghĩa của nó. Ta có thể giải thích nó như sau: những cấu trúc lý thuyết hoặc những phát minh của anh phải thế nào để những kết luận rút ra từ đó có thể so sánh với thực nghiệm, nghĩa là để từ đó ta không suy ra rằng “một cái này bằng ba cái kia” mà không ai biết được cái này và cái kia là cái gì. Rõ ràng việc không xảy ra như vậy. Nhưng nếu các kết quả có thể so sánh được với thực nghiệm thì đó là tất cả những gì đòi hỏi ở chúng ta. Tuy nhiên, như vậy hoàn toàn không có nghĩa là cái này hoặc rằng sự cái kia của anh không thể xuất hiện trong giả thiết ban đầu. Anh có thể nhồi nhét vào trong giả thiết của mình bao nhiêu thứ tạp nham tuỳ ý, miễn là kết quả của nó có thể so sánh với thực nghiệm. Mà điều đó không phải ai cũng hiểu được đến cùng. Thường có những lời trách là chúng ta mở rộng một cách hoàn toàn vô căn cứ vào lĩnh vực vật lý nguyên tử những khái niệm của chúng ta về hạt, về quỹ đạo… Nhưng thực ra hoàn toàn không phải thế, trong việc mở rộng như trên không có điều gì là vô căn cứ cả. Chúng ta bắt buộc phải mở rộng những điều chúng ta đã biết ra những lĩnh vực rộng hơn đến mức có thể, vượt ra ngoài giới hạn của những cái đã đạt được. Thế có nguy hiểm không? Có, Phải chăng như vậy là kém chắc chắn? Phải. Nhưng mà đó là con đường duy nhất của tiến bộ. Dù rằng con đường đó không rõ ràng, nhưng chỉ trên con đường đó khoa học mới có được thành qủa. Mà khoa học chỉ mang lại lợi ích khi nào mà nó nói với chúng ta về những thí nghiệm còn chưa được đặt ra. Nó sẽ chẳng cần thiết cho ai cả nếu nó chỉ cho phép phê phán về những điều đã biết được từ thí nghiệm, về những điều mới xảy ra. Vì vậy luôn luôn phải mở rộng những ý tưởng ra ngoài những pham vi đã được kiểm chứng. Thí dụ, định luật vạn vật hấp dẫn đã được nghĩ ra để giải thích chuyển động của những hành tinh, định luật này sẽ là vô ích nếu Newton chỉ nói: “Bây giờ tôi biết các hành tinh chuyển động như thế nào” và không cho áp dụng nó cho lực Trái Đất hút Mặt trăng, không cho những người kế tục mình có quyền giả thiết: “Mà có thể tất cả các thiên hà cũng được duy trì bởi lực hấp dẫn”. Chúng ta phải thử những ý tưởng như vậy. Dĩ nhiên là có thể nói: “Khi anh đi vào quy mô thiên hà, anh có thể chờ đợi cái gì cũng được vì anh chưa biết gì cả”. Điều đó đúng, nhưng một sự giới hạn như vậy là sự cáo chung của khoa học. Bây giờ chúng ta còn chưa có những khái niệm được phát triển đầy đủ về những định luật chi phối hành trang của thiên hà. Nếu giả thiết rằng hành trang của chúng ta hoàn toàn được giải thích bởi các định luật đã biết, thì giả thiết đó cụ thể và xác định đồng thời cũng dễ dàng bác bỏ bằng thực nghiệm. Chúng ta sẽ đi tìm chính những giả thiết thuộc loại đó, những giả thiết hoàn toàn xác định và dễ dàng so sánh với thực nghiệm. Và thực tế, tất cả các tính chất của thiên hà mà ngày nay chúng ta đã biết có vẻ như không bác bỏ giả thiết mà ta đã nêu ra ở trên.
Có thể dẫn ra thêm một thí dụ nữa rõ ràng và quan trọng hơn. Một ý tưởng mang lại nhiều kết qủa, thúc đẩy mạnh mẽ nhất sự tiến bộ trong sinh vật học, đó là giả thiết rằng tất cả những gì sinh vật làm được, thì cái đó cũng là do các nguyên tử làm, trong giới sinh vật tất cả đều là kết quả của những quá trình vật lý và hóa học nào đó. Dĩ nhiên có thể nói rằng “Khi anh chuyển sang lĩnh vực của giới sinh học thì tất cả đều là có thể”. Nhưng đứng trên quan điểm đó thì anh không bao giờ hiểu được các định luật của giới sinh vật. Thường thì rất khó tin được rằng những cái râu uốn khúc của con cá mực chẳng qua chỉ là một trò chơi của các nguyên tử tuân theo các định luật đã biết. Nhưng nếu nghiên cứu các chuyển động đó bằng cách dùng các giả thiết tương tự thì thấy rằng chúng ta có thể dự đoán một cách khá chính xác về đặc tính của nó. Và chính vì thế mà chúng ta đạt được những tiến bộ lớn.
Trong việc dự đoán không có cái gì là phản khoa học, dù rằng nhiều người không nghiên cứu khoa học lại cứ nghĩ như thế. Vài năm trước đây tôi phải nói chuyện với một người sính đĩa bay. Vì tôi là nhà khoa học nên tôi phải biết rất nhiều về đĩa bay ! Tôi giải thích cho các anh rằng tôi không cho rằng đĩa bay là có thật. Điều đó làm phật lòng người nói chuyện với tôi. Anh ta hỏi một cách tức giận: “Sao lại không có đĩa bay ? Anh có thể chứng minh được điều đó không? “Không, tôi không chứng minh được điều đó, tôi chỉ biết là khả năng có đĩa bay là rất ít”. Anh ta tiếp tục tấn công: “Nhưng lý luận như vậy thì hoàn toàn không đạt, nếu anh không chứng minh được điều đó không thể có thì làm sao anh có thể tự cho phép mình nói rằng điều ấy ít có khả năng xảy ra”. Nhưng đó chính là phương pháp lý luận khoa học nhất. Khoa học nói cái gì có xác suất lớn hơn, cái gì có xác suất nhỏ hơn, chứ không phải bao giờ cũng chứng minh được cái gì nhất định phải có, cái gì không thể có. Nếu nói một cách chính xác hơn thì tôi phải nói: “Lẽ nào anh không thấy, trên cơ sở những hiểu biết của mình về thế giới xung quanh chúng ta, tôi cho rằng các tin tức về đĩa bay là kết quả những suy nghĩ phi lý quen thuộc của con người trên Trái đất hơn là kết quả của những nỗ lực hợp lý của những sinh vật biết tư duy mà ta chưa biết ở trên hành tinh khác”. Giả thiết đầu tiên có ve hợp lý hơn nhiều, và tất cả chỉ là như thế. Đó là một giả thiết tốt. Và chúng ta luôn luôn cố gắng nghĩ ra những cách giải quyết có vẻ đúng đắn nhất mà không quên rằng nếu bất chợt không dùng được thì chúng ta phải nghiên cứu những khả năng khác.
Nhưng làm thế nào mà dự đoán được cái gì cần phải giữ và cái gì có thể hi sinh ? Chúng ta có biết bao nhiêu là nguyên lý đẹp và biết bao nhiêu là sự kiện đã được biết và mặc dù thế chúng ta vẫn không có những điều phù hợp hoàn toàn với nhau. Lúc thì chúng ta nhận đựơc những gía trị vô cùng lớn, lúc thì cách giải quyết của chúng ta là không phù hợp, có một cái gì đó đang còn thiếu. Đôi khi điều đó có nghĩa là ta phải từ bỏ một ý tưởng nào đó. Và ít ra thì trong quá khứ, mỗi lần muốn giải quyết khó khăn tương tự như thế thì chúng ta đều phải hi sinh một quan niệm nào đó có gốc rễ sâu xa. Toàn bộ vấn đề dẫn đến việc để lại cái gi và bỏ đi cái gì. Nếu bỏ đi ngay tất cả thì chúng ta sẽ đi quá xa và trong thực tế thì chúng ta chẳng còn lại cái gì để làm việc nữa. Cuối cùng định luật bảo toàn năng lượng có vẻ là đúng, nó thuận tiện và tôi không có ý muốn từ bỏ nó. Muốn dự đoán cái gì cần giữ lại, cái gì cần bỏ đi thì cần phải có không ít tài nghệ. Nói cho đúng tôi hoàn toàn thừa nhận rằng ở đây chỉ là chuyện may mắn, nhưng mọi chuyện xảy ra đúng như là cần phải có nhiều tài nghệ mới làm được điều ấy.
Một vấn đề khác được đặt ra trước mắt chúng ta, vấn đề này có liên quan đến sự tồn tại của các đối xứng yếu. Sự tồn tại của các đối xứng đại loại như đều khẳng định rằng nơtron và proton là hoàn toàn đồng nhất chỉ trừ có tính chất điện của chúng, hay như điều khẳng định rằng nguyên lý về sự phản xạ gương là đúng ở mọi nơi, chỉ trừ với phản ứng thuộc một loại, tất cả các điều đó là đàng tiếc. Hình như là tất cả đều đối xứng nhưng thực ra lại không đối xứng đến cùng. Về vấn đề ấy bây giờ có hai quan điểm khác nhau. Một quan điểm cho rằng thực ra thì tất cả là đơn giản, thực ra thì tất cả là đối xứng và mọi cái xảy ra có phức tạp một chút có phá vỡ một chút sự đối xứng lý tưởng. Một trường phái khác chỉ có một người theo, người đó là tôi, thì không đồng ý như vậy mà tôi tin rằng tất cả là rất phức tạp và sự đơn giản chỉ đạt được sau nhiều phức tạp. Những người Hi Lạp xưa kia cho rằng các hành tinh chuyển động theo những quỹ đạo tròn. Thực ra quỹ đạo có dạng elip. Chúng không đối xứng một cách hoàn hảo nhưng khác đường tròn rất ít. Nảy ra một vấn đề: tại sao các quỹ đạo lại chỉ đối xứng một cách gần đúng ? Tại sao chúng lại khác vòng tròn ít đến như vậy? Vì có hiệu ứng thuỷ triều lâu dài và phức tạp chăng? Đó là một lý thuyết rất phức tạp. Rất có thể ở sâu trong lòng thì thiên nhiên là hoàn toàn không đối xứng nhưng trong những đan chéo ranh ma trong thực tế thì có vẻ như là đối xứng và elip bắt đầu giống đường tròn. Đây là một khả năng khác với các bạn. Nhưng không ai biết được câu trả lời là chắc chắn, tất cả các điều đó chỉ là phỏng đoán.
Chúng ta giả thiết rằng có hai lý thuyết A và B hoàn toàn khác nhau theo quan điểm tâm lý học và được xây dựng trên những nguyên lý hoàn toàn khác nhau.v.v…nhưng đó là hai lý thuyết mà các kết luận suy ra từ chúng hoàn toàn giống nhau và đều phù hợp với thực nghiệm. Như vậy chúng ta có hai giả thiết hoàn toàn khác nhau nhưng tất cả các kết luân suy ra từ đó lại hoá ra giống nhau (thông thương thì chứng minh bằng toán học điều đó không khó khăn, bằng cách chứng minh rằng lôgic của các lý thuyết A và B luôn luôn dẫn tới kết quả đồng nhất). Ta giả thiết rằng có hai lý thuyết như vậy và đặt cho mình câu hỏi rằng trên cơ sở nào mà chúng ta lại thích một trong hai cái hơn cái kia. Khoa học không biết được điều đó vì mỗi một nguyên lý ấy đều phù hợp với một thực nghiệm ở một mức độ như nhau. Vì vậy hai lý thuyết dựa trên những nguyên lý khác nhau một cách sâu sắc, lại có thể đồng nhát theo quan điểm toán học, và không có một phương pháp khoa học nào để giải thích rõ lý thuyết nào đúng.
Tuy nhiên, theo quan điểm tâm lý học, hai lý thuyết đó có thể không hoàn toàn có gía trị như nhau đối với việc dự đoán những lý thuyết mới: ấy là vì chúng được xây dựng trên những nền móng hoàn toàn khác nhau. Trong khi đi tìm cho lý thuyết một chỗ đứng trong sơ đồ xác định của các khái niệm, các bạn có thể bất chợt nhận thấy rằng ở đây đòi hỏi phải có sự thay đổi. Thí dụ trong lý thuyết A có cái nói về điều gì đó, các bạn nói rằng: “Đấy điều ấy cần phải thay đổi”. Nhưng nói rõ cái gì cần thay đổi trong lý thuyết kia để cho ta đi đến kết quả tương đương lại là một điều có thể là rất phức tạp và nghĩ cho ra điều đó cũng lại có thể hoàn toàn không đơn giản. Nói cách khác thì sự thay đổi mà ta đề nghị có thể hoàn toàn là tự nhiên đối với một lý thuyết những lại không là lý thuyết kia, mặc dù trước đó cả hai hoàn toàn đồng nhất. Chính vì thế mà khi xét tới tâm lý học của các sáng tạo khoa học, chúng ta phải nhớ đến tất cả những lý thuyết ấy và điều đó giải thích tại sao mà mỗi nhà vật lý lý thuyết thực thụ đều biết được đến sáu, bẩy cơ sở lý thuyết của cùng một sự kiện vật lý. Họ biết rằng các cơ sở đó là tương đương và không ai và không bào giờ có thể ở trên cùng mức độ ấy mà quyết định được cái nào trong số các lý thuyết ấy là đúng, nhưng anh ta nhớ tất cả, với hi vọng rằng điều đó gợi cho anh ta những ý tưởng khác nhau trong công việc phỏng đoán về sau.
Và điều này gợi cho tôi thêm một vấn đề nữa là: những điều sửa chữa rất nhỏ nhặt đối với một lý thuyết có thể đòi hỏi phải xây dựng lại một cách căn bản các khái niệm và ý tưởng dùng làm cơ sở cho lý thuyết ấy. Thí dụ những ý tưởng của Newton về không gian và thời gian phù hợp một cách tốt đẹp với thực nghiệm, nhưng để giải thích đúng chuyển động của Thuỷ tinh (sao Thuỷ), chuyển động này chỉ khác rất ít so với chuyển động đáng lẽ phải có nếu ta suy ra từ lý thuyết của Newton, đòi hỏi phải có những thay đổi lớn lao về đặc tính toàn bộ của lý thuyết. Lý do ở chỗ các định luật Newton đã là rất đơn giản, rất hoàn chỉnh và cho những kêt quả hoàn toàn xác định. Muốn xây dựng một lý thuyết trong đó có những điều sửa chữa nhỏ thì cần phải thay đổi hoàn toàn lý thuyết của Newton . Khi phát biểu một định luật mới không thể đưa ra những điều không lý tưởng vào một sơ đồ lý tưởng: cần phải có một lý thuyết lý tưởng hoàn toàn mới. Chính vì thế mà có sự khác nhau rất lớn trong triết lý của lý thuyết hấp dẫn của Einsntein và lý thuyết hấp dẫn của Newton .
Có những người giữ ý kiến cho rằng điều quan trong duy nhất chỉ là sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, chúng ta hãy cho những người ấy hình dung một cuộc nói chuyện giữa một nhà thiên văn học của bộ lạc Maia với học trò của ông ta. Những ngưới Maia biết dự đoán thời gian nhật thực nguyệt thực, vị trí của Mặt trăng, của Kim tinh và các hành tinh khác trên bầu trời với một độ chính xác đáng ngạc nhiên. Họ tính ra một số nhất định, rồi trừ đi một số khác v.v…Họ không có một sự hiểu biết nhỏ nào về sự quay của các thiên thể. Họ chỉ biết cách tính thời gian trăng tròn và những cái tương tự. Bây giờ hãy tưởng tượng một chàng thanh niên nói với nhà thiên văn của chúng ta rằng: “Đây là điều mới xảy ra trong óc tôi. Có thể là tất cả những cái đó đều quay, chúng là những quả cầu bằng đá hay vật bất kì, đại loại như vậy, và chuyển động của chúng có thể được tính hoàn toàn khác, không phải đơn giản như thời gian xuất hiện của chúng trên bầu trời”. Nhà thiên văn học trả lời: “Tốt thôi, nhưng điều đó cho phép ta dự đoán nhật nguyệt thực với độ chính xác như thế nào?” Chàng thanh niên nói: “Tôi chưa đi đến kết quả đó”. Nhà thiên văn học trả lời anh ta: “Này, chúng tôi có thể tính nhật, nguyệt thực chính xác hơn anh, cho nên thôi đừng loay hoay với ý nghĩa của anh nữa, vì rằng lý thuyết toán học dĩ nhiên phải tốt hơn” Và thực tế hiện nay mỗi khi có người nào có nảy sinh ra một ý mới, anh ta nói: “Có thể là mọi việc xảy ra như thế này” và người ta vội phản đối lại: “Thế thì đã khi nào anh có được lời giải nào của bài toán như thế này chưa?”,, Câu trả lời là: “Tôi chưa đi đến đấy”. “Còn chúng tôi thì đã đi xa hơn nhiều rồi và có được lời giải rất chính xác”. Như chúng ta đã thấy đấy, không phải dễ dàng khẳng định rằng có nên hay không nên suy nghĩ về những điều ẩn sau những lý thuyết của chúng ta.
Dĩ nhiên là có một phương pháp làm việc nữa, đó là nghĩ ra những nguyên lý mới. Trong lý thuyết hấp dẫn, Einstein đã nghĩ ra một nguyên lý cao hơn tất cả những nguyên lsy khác, cơ sở của nguyên lý là ý tưởng cho rằng lực luôn tỉ lệ với khối lượng. Ông dự đoán rằng nếu anh ngồi trong một cái ôtô đang tăng tốc thì anh không biệt được trạng thái lúc đó với trạng thái lúc anh ở trong trường hấp dẫn. Sau khi thêm nguyên lý này vào những nguyên lý khác, ông đã đoán được một cách đúng đắn những phương trình của trường hấp dẫn.
Một trong những thời điểm quan trọng nhất trong chuỗi công việc “dự đoán - tính toán các hệ quả - so sánh thực nghiệm với kết quả” là ở chỗ biết được rằng anh đúng ở đâu. Điều đó có thể dự đoán được sớm hơn nhiều so với lúc các hệ quả được tính toán xong. Chân lý có thể nhận biết được theo tính đơn giản và vẻ đẹp của nó. Thường thì có thể biết được điều dự đoán của anh có đúng hay không một cách không mấy khó khăn sau vài ba phép tính sơ cấp cho phép tin rằng điều dự đoán không chắc chắn là sai. Nếu anh gặp may, thì điều đó đập ngay vào mắt (ít nhất là nếu anh có kinh nghiệm) vì rằng thường thì không phải là cái thêm vào bằng cái bỏ đi. Về bản chất điều dự đoán của anh là có một cái gì đó rất đơn giản. Nếu anh không cảm thấy ngay rằng điều đó là sai và nếu nó lại có vẻ đơn giản hơn trước đây thì có nghĩa là đúng. Thực ra thì những người không có kinh nghiệm và những người ngông cuồng cũng hay đề ra những lý thuyết đơn giản, nhưng ở đây ta thấy ngay rằng họ sai và không cần phải xét đến điều đó. Còn trong trường hợp khác, chẳng hạn như những sinh viên không có kinh nghiệm đề ra những dự đoán rất phức tạp và họ thấy hình như là đúng tất cả. nhưng tôi biết rằng không phải thế, vì chân lý bao giờ cũng đơn giản hơn là điều chúng ta có thể giả thiết. Cái mà chúng ta thực cần đến ấy là trí tưởng tượng, nhưng là trí tưởng tượng trong “bộ áo giữ an toàn”. Chúng ta cần tìm một quan điểm mới về thế giới, quan điểm ấy phải phù hợp với tất cả những điều đã biết nhưng có một chỗ nào đó không ăn khớp với những quan niệm đã được hình thành của chúng ta, nếu không thế thì điều đó chẳng có gì lý thú. Và sự không ăn khớp đó phải tương ứng với những điều xảy ra trong thiên nhiên. Nếu anh nghĩ ra được một quan điểm mới về thế giới phù hợp với tất cả những gì đã được biết rõ và ở đâu đó lại dẫn đến kết quả khác trong những lĩnh vực còn đang hồ nghi thì tức là anh đang làm một phát minh vĩ đại. Hầu như không thể tìm ra được một lý thuyết phù hợp với thực nghiệm trong lĩnh vực mà các lý thuyết hiện đã được khẳng định là đúng và đồng thời lại dẫn đến những kết quả mới nào đó trong những lĩnh vực khác, dù là không phù hợp với thực nghiệm. Nhưng đó chỉ là hầu như thôi. Nghĩ ra những ý tưởng mới là rất khó. Muốn thế phải có trí tưởng tượng hoàn toàn đặc biệt.
Ta có thể nói gì về tương lai của cuộc mạo hiểm đấy hấp dẫn này? Nó sẽ kết thúc bằng cái gì? Chúng ta dự đoán những định luật ngày càng mới. Cuối cùng thì sẽ có bao nhiêu những định luật đó? Tôi không biết. Một vài đồng nghiệp của tôi nói rằng cái quang cảnh chúng đó của khoa học chúng ta sẽ còn được giữ như thế mãi mãi. Nhưng tôi thấy có vẻ như khó mà có thể cứ thay cái cũ bằng cái mới mãi mãi, chẳng hạn cứ như thế trong 1000 năm tới đây. Sự tiến lên kiểu như vậy không thể kéo dài mãi mãi và chúng ta không thể cứ phát minh ra những định luật ngày một mới. Nếu như thế thì chẳng mấy chốc mà chúng ta phải ngao ngán về sự chồng chất tầng tầng lớp lớp của kiến thức. Tôi thấy là có lẽ trong tương lai sẽ có một trong hai điều này xảy ra. Hoặc là chúng ta biết tất cả các định luật, nghĩa là chúng ta biết một số định luật đủ để suy ra những kết luận cân thiết và chúng luôn phù hợp với thực nghiệm, sự tiến lên đến đây là chấm dứt. Hoặc là những thí nghiệm đó được tiến hành một cách khó khăn và đắt tiền hơn, khiến chúng ta biết 99% về một hiện tượng, nhưng chưa bao giờ cũng có những hiện tượng mới được phát minh rất khó quan sát và không phù hợp với lý thuyết đang có, và anh vừa giải thích được một số trong các hiện tượng đó thì lại nảy sinh ra một hiện tượng mới, và các quá trình đó trở nên ngày một chậm chạp và ít lý thú hơn. Đó là một dạng kết thúc khác. Nhưng tôi cho rằng dù cách này hay cách khác thì thế nào rồi cũng đến hồi kết thúc.
Có một điều may mắn lạ thường là chúng ta sống trong thế kỉ mà còn có thể phát minh được. Nhưng sự phát minh ra châu Mỹ chỉ có thể làm được một lần cho mãi mãi mà thôi. Thế kỉ mà chúng ta đang sống là thế kỉ phát minh ra các định luật cơ bản của thiên nhiên, và những giai đoạn như thế không bao giờ lặp lại. Đó là giai đoạn kì diệu, giai đoạn của những xao xuyến và đam mê, nhưng rồi sẽ hết. Dĩ nhiên là sau này thì sự thích thú hoàn toàn khác. Khi đó người ta sẽ chú ý đến mối quan hệ tương hỗ giữa các hiện tượng ở mức độ khác nhau – như các hiện tượng sinh học và v.v…hay là nếu nói về phát minh thì người ta sẽ chú ý đến việc nghiên cứu các hành tinh khác, nhưng dù sao thì những cái đó không giống những cái mà ta đang làm hiện nay.
Trong thời đại hiện nay, chúng ta có được niềm vui, niềm vui rất lớn vì chúng ta có thể thấy trước được giới tự nhiên sẽ diễn biến như thê nào trong những điều kiện mới mà chưa ai từng biết. Những thực nghiệm và thông tin về những lĩnh vực xác định cho phép ta dự đoán điều gì sẽ xảy ra trong các lĩnh vực mà chưa ai nghiên cứu tới. Tuy nhiên, những dự đoán đó thường lại hoàn toàn khác với những điều mà chúng ta quen quan sát và để dự đoán được như vậy cần có một đầu óc minh mẫn.
Thế thì có thể giải thích khả năng ấy như thế nào? Tại sao thiên nhiên lại cho phép chúng ta dựa vào những quan sát ở một phần của nó mà lại dự đoán được những điều xảy ra ở khắp mọi nơi. Dĩ nhiên đây không phải là một vấn đề khoa học, tôi không biết trả lời như thế nào cho đúng, và tôi trả lời một cách không khoa học thế này: tôi thấy có lẽ nguyên nhân là ở chỗ thiên nhiên thì đơn giản và vì vậy mà đẹp.