Thực tại không như ta tưởng

Làm cho vật lý lý thuyết có thể tiếp cận người đọc bình thường luôn là một nhiệm vụ khó khăn. Những cuốn sách khoa học phổ thông hay nhất vừa phải có khả năng chào đón những người mới làm quen với bộ môn khoa học này, đồng thời phải cung cấp những thông tin mới mẻ cho những người am hiểu về bộ môn đó.

Carlo Rovelli, sinh năm 1956 tại Verona, Ý, và hiện đang sống ở Pháp, là một nhà khoa học xuất sắc, người đã cùng với Lee Smolin và Abhay Ashtekar xây dựng lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử. Cuốn Bảy bài học ngắn gọn về Vật lý của ông trở thành sách bán chạy trên toàn thế giới.

Trong cuốn Thực tại không như ta tưởng - Hành trình đến hấp dẫn lượng tử xuất bản tiếp sau đó, Rovelli hé mở cho chúng ta thấy một trạng thái cực kỳ kỳ lạ của thực tại mà chúng ta đang sống, trong đó không tồn tại vô cực, thời gian và không gian theo cách chúng ta vẫn thường nghĩ.

Phong cách viết của ông thấm đẫm chất trữ tình, tạo ra những âm hưởng giống như một bài thơ lãng mạn. Việc Rovelli đề cập đến một số nhà thơ, đặc biệt là Dante và Petrarch, cho thấy hiểu biết của ông trải rộng trên nhiều lĩnh vực. Không nhiều nhà vật lý ý thức được về mối liên hệ sâu sắc giữa khoa học và nhân văn, những đối tác song sinh trong cuộc hành trình gian lao của con người để tìm ra ý nghĩa của một vũ trụ bí ẩn và khó hiểu mà chúng ta đang sống trong đó, như Rovelli.

Khi bắt tay vào viết một cuốn sách phổ biến khoa học để trình bày những ý tưởng của mình về lực hấp dẫn lượng tử - những nỗ lực lý thuyết nhằm kết nối thuyết tương đối rộng của Albert Einstein và vật lý lượng tử, Rovelli đã phải lần ngược hành trình lịch sử của tư duy nhân loại để tìm về nguồn gốc của vật lý hiện đại, bắt đầu từ thời Hy Lạp cổ đại của Socrates, rồi phục dựng những bước tiến tiếp sau gắn với những tên tuổi lẫy lừng như Galileo, Kepler, Newton, Einstein và những nhà vật lý lượng tử như Planc, Bohr,Heisenberg, Dirac… Rovelli làm điều này với một cách nhìn hoàn toàn mới, thể hiện ở khả năng tóm tắt những ý tưởng rất khó và trừu tượng bằng những câu ngắn gọn, hiệu quả.

Câu hỏi mà nhân loại đã tự đặt ra cho mình ngay từ buổi bình minh của loài người, đó chính là: “Thế giới được làm bằng gì?” - cái mà các nhà triết học gọi là bản thể luận. Vào thời Newton, đó là không gian, thời gian và các hạt. Sau vật lý lượng tử và thuyết tương đối của Einstein, đó chính là không-thời gian và trường lượng tử. Đây là điểm xa nhất mà trí tuệ của chúng ta đã đi tới và khi dừng lại ở đó, chúng ta chưa hề có một dự đoán đáng tin cậy nào về điều gì sẽ xảy ra tiếp theo.

Thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử thực sự là hai viên ngọc quý mà thế kỷ 20 đã trao tặng cho thế kỷ 21 để giúp nhân loại thấu hiểu thế giới cũng như tạo ra một loạt những thành tựu công nghệ. Nhưng ở đây xuất hiện một nghịch lý vô cùng nan giải, như một trái núi sừng sững ngáng đường những ai muốn đi tiếp: Hai lý thuyết này dường như mâu thuẫn với nhau! Trường hấp dẫn trong lý thuyết tương đối không tính đến cơ học lượng tử, không xem các trường là trường lượng tử; còn cơ học lượng tử khi được xây dựng không tính đến thực tế là không – thời gian là cong và được biểu diễn bằng các phương trình Einstein. Điều này làm cho các nhà vật lý lý thuyết rất đau đầu, nhưng một xung đột kiểu này đồng thời lại mang đến cho họ niềm hạnh phúc lớn lao vì đó là cơ hội tuyệt vời để đi tiếp một bước đi vĩ đại. “Câu hỏi đặt ra là: Liệu có thể xây dựng một cấu trúc khái niệm tương thích với những gì chúng ta đã biết về thế giới đồng thời bằng cả hai lý thuyết đó không?”* (tr. 141). Đây chính là động lực thúc đẩy cho sự ra đời của hai lý thuyết tồn tại song song: lý thuyết dây và lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng (mà Rovelli mà một trong những chuyên gia hàng đầu hiện nay).

Vấn đề lớn nhất đối với lực hấp dẫn lượng tử là gì? Thuyết tương đối rộng của Einstein đánh đồng không gian và thời gian với trường hấp dẫn, một thực thể co giãn và uốn cong để phản ứng với vật chất và năng lượng. Lý thuyết này gắn chặt với khái niệm về tính liên tục và được xem xét trên bình diện vĩ mô (được xem là hữu hình đối với chúng ta), ngay cả khi nó gây ra những hiệu ứng kỳ lạ như lỗ đen trong không gian. Trong khi đó, cơ học lượng tử lại khẳng định với chúng ta rằng mọi trường đều được cấu tạo bởi các lượng tử, tức là nó có cấu trúc dạng hạt. Đúng như cái tên gọi của nó, lý thuyết hấp dẫn lượng tử mà Rovelli muốn trình bày đã đề xuất một quan điểm táo bạo rằng cấu trúc hạt cũng chính là cấu trúc của trường hấp dẫn và vì vậy nó cũng áp dụng cho cả không-thời gian, và các không gian vật lý từ nay được xem là cấu thành từ các hạt - các “nguyên tử của không gian”.

Đi xa hơn nữa, lý thuyết này quy định rằng thể tích không thể nhỏ tùy ý, sẽ tồn tại một thể tích nhỏ nhất và không thể có không gian nào có thể tích nhỏ hơn. Với hấp dẫn lượng tử, ý niệm về không gian như một thùng chứa vô hình của vạn vật đã biến mất. “Giờ đây các vật (lượng tử) không cư ngụ trong không gian […], và không gian chỉ là kết cấu của các mối quan hệ láng giềng giữa chúng” (tr. 168). Quan niệm thời gian như một dòng bất động mà thực tại trải dọc theo nó cũng biến mất. “Các lượng tử của trường hấp dẫn không tiến triển trong thời gian, thời gian chỉ đếm các tương tác của chúng mà thôi” (tr. 169) và rằng “mọi đối tượng trong vũ trụ đều có thời gian riêng của nó, chạy với nhịp độ được xác định bởi trường hấp dẫn tại đó” (tr. 171). Nói tóm lại, không còn không gian chứa đựng thế giới và cũng không còn thời gian trong suốt quá trình mà các sự kiện xảy ra.

Không gian biến mất, thời gian biến mất, các hạt cổ điển cùng với các trường cổ điển cũng biến mất, vậy thế giới được tạo ra bởi thứ gì? Theo Rovelli thì “Thế giới, các hạt, ánh sáng, năng lượng, không gian và thời gian – tất cả không là gì khác ngoài sự biểu hiện của một thực thể duy nhất: các trường lượng tử hiệp biến”.

Một trong những hệ quả quan trọng của hấp dẫn lượng tử là sự biến mất của khái niệm vô hạn. Theo Rovelli thì: “Lý do rất rõ ràng: Không gian không thể phân chia nhỏ vô hạn, tức là không có các điểm vô cùng bé, không có vô hạn các thứ cộng lại với nhau. Vậy là cấu trúc hạt rời rạc của không gian đã giải quyết được một loạt những khó khăn của lý thuyết lượng tử của trường, những thứ bấy lâu nay đã phương hại đến nó” (tr. 225) và “điều duy nhất thực sự vô hạn chính là sự vô minh của chúng ta” (tr. 231).

Sau tuyên bố về “sự cáo chung của cái vô hạn”, tác giả đề cập đến thông tin dưới một góc nhìn vô cùng độc đáo và mới lạ. Theo ông, mọi cách dùng thuật ngữ “thông tin” từ trước đến nay hầu như không chính xác và đã tạo ra rất nhiều nhầm lẫn trong khoa học. Bởi vì “thông tin không đo những gì tôi biết mà đo số các lựa chọn khả dĩ cho một điều gì đó” (tr. 233).

Rovelli giải thích vì sao khái niệm thông tin lại phải được xem là nền tảng để tìm hiểu thế giới: “Lý do khá tinh tế: bởi vì nó đo khả năng giao tiếp của một hệ vật lý này với một hệ vật lý khác” (tr. 235). Với quan niệm đó, Rovelli đi đến kết luận rằng “thông tin liên quan trong một hệ vật lý bất kỳ là hữu hạn” (bởi vì chỉ tồn tại hữu hạn khả năng) và rằng thông tin luôn mang tính bất định, “Tức là luôn có một điều gì đó không đoán trước được khi chúng ta thu được thông tin mới”. Vì tổng lượng thông tin không thể tăng vô hạn nên mỗi khi xuất hiện một thông tin mới thì “phần thông tin trước đó trở nên không liên quan nữa, tức là không còn bất kỳ ảnh hưởng nào đến những tiên đoán tương lai” (tr. 240).

Cuốn sách của Rovelli là một câu chuyện kể về những phát minh vĩ đại và kỳ diệu, những kỳ tích khoa học mà tác giả chiêm ngưỡng trong trạng thái xen lẫn của sự kính trọng, tò mò và cả những day dứt, băn khoăn. Ông ngưỡng mộ những phát minh đó nhưng không hề coi đó là những tín điều chắc chắn, bởi “khoa học là một cuộc phiêu lưu dựa trên sự thay đổi liên tục […] Công cuộc tìm kiếm tri thức không được nuôi dưỡng bằng sự chắc chắn mà ngược lại, nó được nuôi dưỡng bằng việc không tin tưởng triệt để vào sự chắc chắn” (tr. 257)

Lý thuyết trường hấp dẫn lượng tử, bằng triết lý của nó, đã giúp cho chúng ta khôi phục lại những nhân tính thiết yếu của con người, điều mà khoa học cổ điển đã tước đoạt một phần. Khoa học cổ điển từng cắt lát thực tại thành các đối tượng rời rạc rồi xem rằng thực tại là một tập hợp của các đối tượng đó. Khoa học hiện đại chỉ ra rằng thực tại là mạng lưới của các quan hệ, của thông tin qua lại đan dệt nên thế giới. Thực tại không được tạo ra từ các đối tượng rời rạc mà là một dòng chảy liên tục thay đổi. Chính vì thế Rovelli nhấn mạnh “Chúng ta không phải là “nguyên tử”; chúng ta là những trật tự trong đó các nguyên tử được sắp xếp, có khả năng phản chiếu các nguyên tử khác và chính bản thân mình” (tr. 251). Và vì thế bản chất của con người sẽ không nằm ở những cấu tạo bên trong của cơ thể mà được dệt nên từ mạng lưới các tương tác cá nhân, gia đình và xã hội trong đó con người tồn tại.

----

* Tất cả những chữ in nghiêng đặt trong ngoặc kép là trích dẫn từ bản dịch tiếng Việt của cuốn Thực tại không như ta tưởng. Hành trình đến hấp dẫn lượng tử của Carlo Rovelli. Phạm Quang Thiều - Phạm Thu Hằng dịch. NXB Trẻ. 2021.