Cá vàng trong bể kính tròn nhìn thấy một phiên bản hiện thực khác với hiện thực của chúng ta (Stephen Hawking)

LÝ THUYẾT VỀ MỌI THỨ, MỘT LÝ THUYẾT KHÓ ĐẠT ĐƯỢC[1]

Tác giả: Stephen Hawking và Leonard Mlodinow; Người dịch: Phạm Việt Hưng

Lời dẫn của người dịch: Tư tưởng thống nhất vật lý vốn là tham vọng “bẩm sinh” và truyền thống của vật lý học, nhưng nó bắt đầu trở thành một mục tiêu cụ thể kể từ khi Albert Einstein khởi xướng Lý thuyết trường thống nhất (Unified Field Theory) trong những năm 1920. Hậu duệ của Einstein đã tiếp tục phát triển tư tưởng của ông theo những hướng mới, với niềm tin cốt lõi rằng trước sau thể nào cũng khám phá ra Lý thuyết cuối cùng (Final Theory), hay còn gọi là Lý thuyết về mọi thứ (Theory of Everything), cho phép “giải thích được mọi khía cạnh của hiện thực”, như cách nói của Stephen Hawking. Bài báo của Hawking và Mlodinow nói cho chúng ta biết liệu có thể có một lý thuyết như thế hay không. Câu trả lời là KHÔNG – không thể có một lý thuyết duy nhất, hoặc một hệ phương trình duy nhất, mô tả đầy đủ thế giới hiện thực. Nói rõ hơn, không thể có một lý thuyết cuối cùng hoặc một lý thuyết về mọi thứ. Thay vào đó, có nhiều (rất nhiều?) lý thuyết khác nhau cùng mô tả hiện thực, mỗi lý thuyết chỉ có thể mô tả một phần nào đó, một khía cạnh nào đó của hiện thực. Toàn bộ chú thích trong bản dịch này đều là của người dịch (ND). Hình minh hoạ cũng được bổ sung thêm (PVHg)

Lời dẫn của tạp chí Scientific American:

Người ta cho rằng công trình của Stephen Hawking về hố đen và nguồn gốc vũ trụ là tiến bộ cụ thể nhất mà các nhà vật lý lý thuyết đã đạt được theo hướng kết hợp lý thuyết hấp dẫn của Einstein với vật lý lượng tử vào trong một lý thuyết cuối cùng về mọi thứ.

Các nhà vật lý có một ứng cử viên ưa thích nhất cho một lý thuyết như thế, đó là lý thuyết dây, nhưng có tới 5 dạng trình bầy lý thuyết dây khác nhau, mỗi dạng bao gồm một phạm vi điều kiện hạn chế.

Tuy nhiên, một mạng lưới các liên kết toán học kết nối các lý thuyết dây khác nhau thành một hệ thống bao trùm, được gọi một cách bí ẩn là lý thuyết M: có lẽ bản thân mạng lưới này là lý thuyết cuối cùng.

Trong một cuốn sách mới, The Grand Design, Hawking và nhà vật lý tại Đại học Công nghệ California, Leonard Mlodinow, lập luận rằng cuộc tìm kiếm nhằm khám phá ra một lý thuyết cuối cùng trên thực tế có thể không bao giờ dẫn tới một tập hợp các phương trình duy nhất. Mọi lý thuyết khoa học, các tác giả viết, gắn liền với mô hình hiện thực của nó, và có thể sẽ không khôn ngoan khi thảo luận xem hiện thực thực sự là cái gì. Bài báo này được viết dựa trên cuốn sách đó.

Bài báo “The Elusive Theory of Everything” trên Scientific American Tháng 10/2012

vài năm trước, hội đồng thành phố Monza ở Ý đã ngăn cấm những người nuôi súc vật không được nuôi cá vàng trong những chậu cá có bề mặt cong. Những người bảo trợ cho biện pháp này giải thích rằng nuôi cá trong chậu như thế là độc ác, bởi vì mặt cong của chậu sẽ làm cho cá có một cái nhìn méo mó đối với thế giới bên ngoài. Bên cạnh ý nghĩa bảo vệ những con cá vàng tội nghiệp, câu chuyện này đã làm dấy lên một câu hỏi triết học thú vị: Làm thế nào chúng ta biết cái hiện thực mà chúng ta lĩnh hội trong đầu là đúng với sự thực?

Cá vàng nhìn thấy một phiên bản hiện thực khác với chúng ta, nhưng liệu chúng ta có thể biết chắc chắn rằng phiên bản đó là kém hiện thực hơn so với hiện thực của chúng ta hay không? Để có tất cả những gì chúng ta biết, chúng ta có thể cũng đã dành trọn cả cuộc đời để nhìn ra thế giới thông qua một thấu kính méo mó.

Trong vật lý, vấn đề này không phải là chuyện lý thuyết suông. Thật vậy, các nhà vật lý và vũ trụ học đang ở trong một tình trạng khó chịu tương tự như cá vàng. Trong hàng thập kỷ qua chúng ta đã cố gắng đạt tới một lý thuyết cuối cùng về mọi thứ – một tập hợp các định luật cơ bản đầy đủ và nhất quán, giải thích được mọi khía cạnh của hiện thực. Hiện nay dường như cuộc tìm kiếm này dẫn tới không chỉ một lý thuyết duy nhất, mà cả một họ lý thuyết liên đới với nhau, mỗi lý thuyết mô tả một phiên bản hiện thực riêng của nó, như thể nó nhìn vũ trụ thông qua chậu cá của riêng nó vậy.

Đối với nhiều người, kể cả một số nhà khoa học đang làm việc, khái niệm này khó có thể chấp nhận. Phần lớn mọi người tin rằng tồn tại một hiện thực khách quan ở ngoài kia, và rằng cảm giác của chúng ta và khoa học của chúng ta đã trực tiếp truyền đạt cho chúng ta những thông tin về thế giới vật chất. Khoa học cổ điển dựa trên niềm tin cho rằng tồn tại một thế giới bên ngoài mà những tính chất của nó là  xác định và độc lập với người quan sát đang nghiên cứu chúng. Trong triết học, niềm tin đó được gọi là chủ nghĩa hiện thực.

Tuy nhiên, những ai nhớ tới Timothy Leary và những năm 1960, sẽ biết còn có một khả năng khác: quan niệm của chúng ta về hiện thực có thể phụ thuộc vào cách suy nghĩ của chúng ta. Quan điểm đó, với những phân biệt tinh tế khác nhau, được gọi bằng những cái tên khác nhau như chủ-thuyết-từ-chối-hiện-thực (antirealism), chủ-thuyết-phương-tiện (instrumentalism), hoặc chủ-thuyết-duy-tâm (idealism). Theo những chủ thuyết này, thế giới mà chúng ta biết được xây dựng bởi tư duy của con người sử dụng các dữ liệu giác quan như vật liệu thô của nó, và được định hình bởi cấu trúc diễn dịch của bộ não. Quan điểm này có thể khó chấp nhận, nhưng không khó để hiểu. Không có cách nào có thể loại bỏ người quan sát – chúng ta – khỏi nhận thức của chúng ta về thế giới.

Với sự tiến triển của vật lý, chủ nghĩa hiện thực đang ngày càng trở nên khó bảo vệ. Trong vật lý cổ điển – vật lý Newton mô tả chính xác kinh nghiệm thường ngày – việc diễn dịch các thuật ngữ như “vật thể” (object) hay “vị trí” (position) phần lớn là phù hợp với cảm giác thông thường của chúng ta và với hiểu biết “hiện thực” của các khái niệm đó. Tuy nhiên, với tư cách của những dụng cụ đo lường, chúng ta là những công cụ thô thiển. Các nhà vật lý khám phá ra rằng những đồ vật hàng ngày và ánh sáng, mà nhờ nó chúng ta nhìn thấy những đồ vật đó, được tạo nên bởi những đối tượng khách thể mà chúng ta không nhận thức trực tiếp được – như electron và photon chẳng hạn. Những đối tượng đó bị chi phối không phải bởi vật lý cổ điển mà bởi những định luật của lý thuyết lượng tử.

Hiện thực của lý thuyết lượng tử đã đoạn tuyệt một cách căn bản với hiện thực của vật lý cổ điển. Trong khuôn khổ của lý thuyết lượng tử, các hạt cơ bản chẳng hề có vị trí xác định lẫn vận tốc xác định, trừ khi và cho đến khi một người quan sát đo đạc những đại lượng đó. Trong một số trường hợp, những đối tượng cá biệt thậm chí không có một sự tồn tại độc lập, mà đúng ra chúng chỉ tồn tại như một thành phần của một tập hợp nhiều đối tượng. Vật lý lượng tử cũng chứa đựng những ngụ ý quan trọng đối với quan niệm của chúng ta về quá khứ. Trong vật lý cổ điển, quá khứ có vẻ tồn tại như một chuỗi các sự kiện xác định, nhưng theo vật lý lượng tử, quá khứ cũng như tương lai là không xác định và chỉ tồn tại như một phổ của các khả năng. Thậm chí vũ trụ xét trên tổng thể không có quá khứ hoặc lịch sử. Do đó vật lý lượng tử ngụ ý một hiện thực khác với hiện thực của vật lý cổ điển – dù cho hiện thực của vật lý cổ điển phù hợp với trực giác của chúng ta và vẫn phục vụ chúng ta một cách tốt đẹp khi chúng ta thiết kế những thứ như các toà cao ốc hay cầu cống.

Những thí dụ trên đưa chúng ta tới một kết luận quy định một khuôn khổ quan trọng để dựa vào đó mà diễn giải khoa học hiện đại. Theo quan điểm của chúng tôi, không có một bức tranh, một lý thuyết, một khái niệm nào mô tả hiện thực độc lập. Thay vào đó, chúng tôi chấp nhận một quan điểm mà chúng tôi gọi chủ-nghĩa-hiện-thực-phụ-thuộc-mô-hình (model-dependent-realism): tư tưởng cho rằng một lý thuyết vật lý hoặc một bức tranh về thế giới là một mô hình (nói chung là mô hình bản chất toán học của hiện thực) và một tập hợp các quy tắc kết nối các thành phần của mô hình với những quan sát. Nếu hai mô hình đều phù hợp với quan sát thì chẳng có mô hình nào được coi là hiện thực hơn mô hình nào. Một người có thể sử dụng bất kể mô hình nào phù hợp hơn với bối cảnh đang được xem xét.

Đừng cố gắng điều chỉnh bức tranh hiện thực

Tư tưởng về hiện thực có thể thay thế (alternative reality) là một cơ sở chủ yếu của nền văn hóa phổ cập ngày nay. Ví dụ, trong phim khoa học viễn tưởng The Matrix (Ma trận), loài người sống một cách không hay biết trong một hiện thực ảo được mô phỏng do những computer thông minh tạo ra để giữ cho họ bình an và hài lòng trong khi computer hút năng lượng điện sinh học của họ (bất kể đó là cái gì). Làm thế nào để chúng ta biết chúng ta không phải là những nhân vật do computer tạo ra đang sống trong một thế giới giống như ma trận? Nếu chúng ta sống trong một thế giới tưởng tượng, tổng hợp (synthetic), thì các sự kiện sẽ không nhất thiết phải tuân thủ bất kỳ một quy luật logic nhất quán nào. Người ngoài hành tinh khi chỉ đạo có thể cảm thấy thú vị hơn hoặc vui thích hơn khi xem phản ứng của chúng ta, chẳng hạn, nếu tất cả mọi người trên thế giới đột nhiên quyết định chê bai sô-cô-la và không lựa chọn chiến tranh, nhưng điều đó chưa bao giờ xảy ra. Nếu người ngoài hành tinh thực thi những định luật phù hợp, chúng ta sẽ không có cách nào để biết một hiện thực khác đứng đằng sau hiện thực mô phỏng. Rất dễ để gọi cái thế giới mà người ngoài hành tinh sống trong đó là một thế giới “thực” và thế giới computer tạo ra là một thế giới giả. Nhưng nếu những sinh thể trong thế giới mô phỏng không thể nhìn vào vũ trụ của họ từ bên ngoài, họ sẽ không có lý do để nghi ngờ hình ảnh về hiện thực của riêng của họ .

Cá vàng nằm trong một tình huống tương tự. Quan điểm của chúng không giống quan điểm của chúng ta khi chúng ta ở bên ngoài chậu cá có bề mặt cong của chúng, nhưng chúng vẫn có thể xây dựng nên các định luật khoa học chi phối chuyển động của các đối tượng mà chúng quan sát thấy ở bên ngoài. Chẳng hạn, vì ánh sáng bị bẻ cong khi nó di chuyển từ không khí vào nước, do đó một đối tượng chuyển động tự do mà chúng ta thấy nó chuyển động thẳng thì cá vàng sẽ thấy nó chuyển động cong. Cá vàng có thể xây dựng những định luật khoa học từ cái khung quy chiếu méo mó của chúng, những định luật ấy sẽ luôn luôn đúng và có thể cho phép chúng dự đoán được chuyển động trong tương lai của các đối tượng bên ngoài chậu cá. Các định luật của chúng có thể phức tạp hơn so với các định luật trong khung quy chiếu của chúng ta, nhưng điều đó đơn giản chỉ là vấn đề khẩu vị. Nếu cá vàng xây dựng được một lý thuyết như vậy, chúng ta sẽ phải thừa nhận quan điểm của cá vàng như một bức tranh giá trị của hiện thực.

Một ví dụ nổi tiếng trong thế giới của chúng ta về những bức tranh khác nhau của hiện thực là sự tương phản giữa mô hình vũ trụ địa tâm của Ptolemy và mô hình nhật tâm của Copernicus. Mặc dù chẳng có gì khác thường đối với nhiều người khi nói rằng Copernicus đã chứng minh Ptolemy sai, nhưng thực ra nói như thế là không đúng. Giống như trong trường hợp quan điểm của chúng ta khác với cá vàng, người ta có thể sử dụng hoặc bức tranh này hoặc bức tranh kia như một mô hình của vũ trụ, bởi vì chúng ta có thể giải thích quan sát của chúng ta về vũ trụ bằng cách giả định hoặc trái đất đứng yên hoặc mặt trời đứng yên. (Nhưng) bất chấp vai trò của nó trong các cuộc tranh luận triết học về bản chất của
vũ trụ của chúng ta, lợi thế thực tế của hệ thống Copernicus
là các phương trình chuyển động đơn giản hơn nhiều trong khung quy chiếu coi mặt trời là tĩnh.

Chủ-nghĩa-hiện-thực-phụ-thuộc-mô-hình áp dụng không chỉ đối với các mô hình khoa học mà còn áp dụng cho các mô hình trí tuệ ý thức và tiềm thức mà tất cả chúng ta tạo ra để giải thích và hiểu thế giới hàng ngày. Ví dụ, bộ não con người xử lý dữ liệu thô từ các dây thần kinh thị giác, kết hợp đầu vào từ cả hai mắt, nâng cao độ phân giải và lấp đầy những khoảng trống chẳng hạn như khoảng trống trong điểm mù của võng mạc. Hơn nữa, nó tạo ra ấn tượng không gian ba chiều từ dữ liệu hai chiều của võng mạc. Khi bạn nhìn thấy một chiếc ghế, đơn thuần là bạn đã sử dụng ánh sáng tán xạ bởi chiếc ghế để xây dựng một hình ảnh trong trí óc hoặc mô hình của chiếc ghế. Bộ não quá giỏi trong việc tạo dựng mô hình đến nỗi ngay cả trong trường hợp người ta đeo một chiếc kính làm lộn ngược hình ảnh chiếc ghế trong mắt thì bộ não vẫn có thể biến đổi mô hình sao cho người ta lại thấy hình ảnh chiếc ghế đúng chiều – trước khi có thể ngồi xuống đàng hoàng.

Minh hoạ của Barron Storey trên Scientific American

Ý niệm lờ mờ về lý thuyết không thể diễn đạt được[2]

Trong việc truy tìm nhằm khám phá ra những định luật cuối cùng của vật lý, không có nghiên cứu nào làm dấy lên nhiều hy vọng hơn hoặc gây ra nhiều tranh cãi hơn so với lý thuyết dây. Lý thuyết dây lần đầu tiên được đề xuất trong những năm 1970 như một nỗ lực để thống nhất tất cả các lực của thiên nhiên vào trong một khuôn khổ chặt chẽ và, đặc biệt, mang lực hấp dẫn vào trong lĩnh vực vật lý lượng tử. Tuy nhiên, vào đầu những năm 1990, các nhà vật lý khám phá ra rằng lý thuyết dây gặp phải chuyện khó xử: có 5 lí thuyết dây khác nhau. Chuyện này quả thật đã gây bối rối cho những người ủng hộ lý thuyết dây như một lý thuyết duy nhất của lý thuyết về mọi thứ. Vào giữa những năm 1990, các nhà nghiên cứu bắt đầu phát hiện ra rằng những lý thuyết dây khác nhau –  và cả một lý thuyết khác nữa được gọi là siêu hấp dẫn (supergravity) – thực ra cùng mô tả những hiện tượng như nhau, điều này tạo ra niềm hy vọng cho rằng rốt cuộc những lý thuyết đó sẽ quy về một lý thuyết thống nhất. Các lý thuyết này thực sự liên hệ với nhau bởi cái mà các nhà vật lý gọi là những đối ngẫu (dualities) – một loại từ điển toán học cho phép phiên dịch các khái niệm theo cả hai chiều ngược xuôi. Nhưng than ôi, mỗi lý thuyết chỉ có thể mô tả tốt các hiện tượng trong một phạm vi điều kiện nhất định, ví dụ như ở mức năng lượng thấp. Không lý thuyết nào có thể mô tả mọi khía cạnh của vũ trụ.

Hiện nay các nhà lý thuyết dây được thuyết phục rằng 5 lí thuyết dây khác nhau chỉ là những xấp xỉ khác nhau đối với một lý thuyết nền tảng hơn được gọi là lý thuyết M. (Dường như không ai biết chữ “M” là viết tắt cho cái gì. Nó có thể là “master” (bậc thầy), “miracle” (phép lạ) hay “mystery” (bí ẩn), hoặc cả ba). Mọi người vẫn đang cố gắng giải mã bản chất của lý thuyết M, nhưng dường như kỳ vọng truyền thống về việc tìm ra một lý thuyết duy nhất của tự nhiên có thể không còn đứng vững được nữa, và để mô tả vũ trụ, chúng ta phải sử dụng các lý thuyết khác nhau trong những tình huống khác nhau. Như vậy, lý thuyết M không phải là một lý thuyết theo nghĩa thông thường mà là một mạng lưới các lý thuyết. Nó hơi giống như một bản đồ. Để thể hiện trung thành toàn bộ Trái Đất trên một mặt phẳng, người ta phải sử dụng một bộ sưu tập các bản đồ, mỗi bản đồ bao phủ một khu vực giới hạn. Các bản đồ chồng chéo lên nhau, và ở chỗ nào chúng chồng lên nhau thì ở đó chúng thể hiện cùng một cảnh quan trên mặt đất. Tương tự như vậy, các lý thuyết khác nhau trong họ lý thuyết M trông có thể rất khác nhau, nhưng tất cả đều có thể được coi như các phiên bản của cùng một lý thuyết cơ bản, và tất cả đều dự đoán cùng một hiện tượng ở chỗ chúng chồng chéo lên nhau, nhưng không có lý thuyết nào có hiệu lực trong mọi tình huống.

Bất cứ khi nào chúng ta tạo ra một mô hình của thế giới và thấy nó thành công, chúng ta có xu hướng quy cho mô hình đó như phẩm chất của hiện thực hoặc chân lý tuyệt đối. Tuy nhiên, lý thuyết M, giống như ví dụ cá vàng, cho thấy cùng một tình huống vật lý có thể được mô hình hóa theo những cách khác nhau, mỗi cách sử dụng những yếu tố và khái niệm cơ bản khác nhau. Có lẽ là để mô tả vũ trụ chúng ta phải sử dụng nhiều lý thuyết khác nhau trong các tình huống khác nhau. Mỗi lý thuyết có thể có phiên bản riêng của mình về hiện thực, nhưng theo chủ-nghĩa-hiện-thực-phụ-thuộc-mô-hình, sự đa dạng là chấp nhận được, và không lý thuyết nào trong số các phiên bản có thể được cho là hiện thực hơn lý thuyết khác. Tính đa dạng ấy không phải là kỳ vọng truyền thống của nhà vật lý trong việc tìm kiếm một lý thuyết thống nhất về tự nhiên, nó cũng không đáp ứng với quan niệm thông thường của chúng ta về hiện thực. Nhưng có thể đó là kiểu cách của vũ trụ.