Lai Lịch của Thời Gian

Phỏng theo “A Brief History of Time”

Stephen Hawking

Lương Tấn Lực - Master, Computer Science

*** WARNING:: This article may be used, and only used, for educational and/or non-commercial purposes provided it is used as is , i.e., with proper citation and without modifications whatsoever.

Phần 1

Hình Ảnh Vũ Trụ

Một khoa học gia (một số người cho đó là Bertand Russell) có lần đã thuyết giảng trước công chúng về Thiên Văn Học. Ông ta mô tả cách thức trái dất quay chung quanh mặt trời và mặt trời lại quay chung quanh một trung tâm của một quần thể tinh tú được gọi là thiên hà của chúng ta. Cuói buổi giảng, một bà cụ ở cuối phòng đứng dậy và nói, “Những điều ông nói là nhảm nhí. Thế giới thực ra là một đĩa phẳng được đặt trên lưng một con rùa khổng lồ.” Nhà khoa học điềm nhiên mỉm cười trước khi trả lời, “Con rùa đúng trên cái gì vậy?” Bà cụ nói, “Ông khéo nói lắm, ông bạn trẻ ạ, khéo nói lắm. Nhưng dưới con rùa nầy là một con rùa khác và cứ thể tiếp tục xuống mãi!”

Hầu hết mọi người đều xem biểu tượng vũ trụ như một cái tháp rùa bất tận là lố bịch, nhưng tại sao nghĩ rằng chúng ta hiểu biết khá hơn? Chúng ta biết gì về vũ trụ, và làm sao chúng ta biết thế? Vũ trụ từ đâu đến và đang đi về đâu? Liệu vũ trụ có một khởi đầu hay không, và nếu thế thì cái gì đã xảy ra trước đó? Bản chất của thời gian là gì? Có khi nào thời gian chấm dứt không? Những khám phá vật lý gần đây, thực hiện một phần nhờ những kỹ thuật tuyệt vời mới, đề nghị trả lời một số những câu hỏi ngàn đời nầy. Một ngày nào đó những câu trả lời nầy sẽ tỏ ra hiển nhiên với chúng ta như việc trái đất quay chung quanh mặt trời – hay lố bịch như chuyện tháp rùa. Chĩ có thời gian (hay cái gì đó khác) mới trả lời được.

Khoảng 340 năm trước Công Nguyên, nhà hiền triết Hy lạp Aristote, trong cuốn sách “On the Heavens (Trên Trời)”, đã có thể đưa ra hai luận cứ giá trị để tin rằng trái đất là một quả cầu tròn thay vì một đĩa phẳng. Thứ nhất, ông nhận định rằng nguyệt thực (eclipses) là do trái đất đứng giửa mặt trời và mặt trăng. Bóng của trái dất trên mặt trăng luôn luôn tròn, điều nầy chứng tỏ trái đất phải hình cầu. Nếu trái đất là một đĩa phẳng thì bóng của nó sẽ kéo dài ra và có hình bầu dục, trừ phi nguyệt thực luôn luôn xảy ra khi mặt trời ở trực tiếp dưới trung tâm của đĩa. Thứ hai, qua các cuộc du hành, người Hy lạp biết rằng sao Bắc Đẩu xuất hiện thấp hơn về phiá chân trời khi nhìn ở phiá Nam so với khi nhìn ở những vùng xa về phiá Bắc. (Vì sao Bắc Đẩu nằm bên trên Bắc Cực, nó xuất hiện trực tiếp bên trên người quan sát đứng ở Bác Cực, nhưng đối với ngườ nhìn từ đường xích đạo, sao Bắc Đẩu xuất hiện ngay tại chân trời.) Căn cứ vào sự khác biệt về vị trí hiển nhiên của sao Bắc Đẩu tại Ai Cập và Hy Lạp, Aristote ước tính chu vi trái đất bằng 400,000 lần chiều dài một sân vận động. Không ai biết chính xác chiều dài một sân vận động là bao nhiêu, nhưng đó có thể là 200 yards, nghĩa là con số của Aristote hai lần lớn hơn con số hiện nay được chấp nhận. Người Hy Lạp có một luận cứ thứ ba chứng minh trái dất tròn, vì nếu không thì tại sao lúc đầu người ta thấy những cánh bườm của một con tàu ở chân trời và sau đó thì chĩ thấy có đỉnh cột bườm mà thôi?

Aristote nghĩ rằng trái đất đứng yên một chổ và mặt trời, mặt trăng, các hành tinh, và tinh tú quay chung quanh trái đất theo quỉ đạo hình tròn. Ông tin điều đó vì ông cảm thấy rằng, vì lý do thần bí, trái đất là trung tâm của vũ trụ, và quỉ đạo hình tròn là hoàn hảo nhất. Ý tưởng nầy được Ptolemy bổ sung vào thế kỷ thứ hai trước Công Nguyên để trở thành một mô hình vũ trụ học hoàn chỉnh. Trái đất đứng ở trung tâm, vây quanh bỡi tám quả cầu kéo theo mặt trăng, mặt trời, các tinh tú, va năm hành tinh được biết vào thời kỳ đó là Mercury, Venus, Mars, Jupiter, and Saturn.

Những hành tinh di chuyển theo những vòng tròn nhỏ hơn gắn liền với những quả cầu liên hệ của chúng để giải thích những lộ trình khá phức tạp được quan sát trên bầu trời. Quả cầu ngoài cùng kéo theo những cái gọi là định tinh, luôn luôn giữ một khoảng cách cố định đối với các định tinh khác nhưng cùng quay trong bầu trời. Những gì nằm bên kia quả cầu ngoài cùng không bao giờ được nói rõ, nhưng chắc chắn đó không phải là phần vũ trụ có thể quan sát được của loài người.

Mô hình của Ptolemy cho thấy một hệ thống tương đối chính xác nhằm tiên liệu được vị trí những thiên thể trên bầu trời. Nhưng để tiên liệu đúng những vị trí nầy, Ptolemy phải ước đoán là mặt trăng đi theo một lộ trình đôi lúc kéo nó gần lại trái đất hai lần so với những khi khác. Và điều đó có nghĩa là đôi lúc mặt trăng phải xuất hiện hai lần lớn hơn so với những khi khác! Ptolemy nhìn nhận khuyết điểm nầy, tuy nhiên, nói chung được chấp nhận, mặc dù không phải là phổ cập. Mô hình nầy được Giáo hội Thiên Chúa chấp nhận như là hình ảnh của vũ trụ phù hợp với Kinh Thánh, bỡi vì nó có được lợi điểm lớn là chừa lại nhiều khoảng bên ngoài quả cầu của các định tinh dành cho thiên đàng và địa ngục.

Tuy nhiên, một mô hình đơn giản hơn được một giáo sỹ người Ba Lan là Nicholas Copernicus đưa ra vào năm 1514. (Ban đầu, có lẽ sợ bị giáo hội xem như một kẻ tà đạo, Copernicus phổ biến mô hình của mình một cách vô danh.) Ông quan niệm rằng mặt trời đừng yên tại trung tâm và trái đất và những hành tinh quay chung quanh mặt trời theo những quỉ đạo tròn. Mãi gần một thế kỷ sau tư tưởng nầy mới được xem xét nghiêm chỉnh. Sau đó hai nhà thiên văn học – Johannes Kepler, người Đức, và Galileo, người Ý - bắt đầu công khai hậu thuẩn lý thuyết của Copernicus, mặc dù những quỉ đạo mà ông tiên đoán không hoàn toàn đúng với những quỉ đạo được quan sát. Lý thuyết Aristote/Ptolemy được khai tữ vào năm 1609. Vào năm đó, Galileo khởi sự quan sát bầu trời ban đêm với một viễn vọng kính vừa mới sáng chế. Khi nhìn hành tinh Jupiter, Galileo thấy rằng hành tinh nầy được đi kèm bỡi một số vệ tinh nhỏ hay mặt trăng bay quanh. Điều nầy có nghĩa là mọi cái không phải trực tiếp quay chung quanh trái đất như Aristote và Ptolemy nghĩ. (Đương nhiên vẫn còn có thể tin là trái đất đứng yên tại trung tâm vũ trụ, và những mặt trăng của Jupiter di chuyển theo những lộ trình cực kỳ phức tạp chung quanh trái đất, tạo ra ảo giác là chúng quay chung quanh Jupiter. Tuy nhiên, lý thuyết của Copernicus đơn giản hơn nhiều.) Cùng một lúc, Johannes Kepler đã sữa đổi lý thuyết của Copernicus, cho rằng các hành tinh không di chuyển theo vòng tròn nhưng hình bầu dục. Cuối cùng những tiên đoán đó ngày nay phù hợp với những điều được quan sát.

Về phần Kepler, những quỉ đạo bầu dục chĩ là một giả thuyết tạm, hay đúng hơn là giả thuyết đáng ghét bất đắc dĩ, vì bầu dục kém tuyệt hảo hơn là hình tròn. Sau khi gần như tình cờ khám phá ra rằng những quỉ đạo bầu dục đúng với thực tế quan sát, ông ta không thể hoà giải chúng với quan niệm của ông cho rằng những hành tinh được tạo ra để quay chung quanh mặt trời do lực từ trường. Chĩ sau nầy, năm 1687, mới có một giải thích, khi Newton cho xuất bản cuốn Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, có lẽ là tác phẩm đơn tác quan trọng nhất được xuất bản từ trước đến nay trong khoa học vật lý. Trong tác phẩm nầy, Newton không những đưa ra lý thuyết về phương thức các thiên thể di chuyển trong không gian và thời gian, nhưng còn triển khai những toán học phức tạp dùng để phân tích những khái niệm đó. Hơn nữa, Newton đưa ra một định luật về trọng lực phổ biến (universal gravitation) theo đó mọi thiên thể trong vũ trụ bị cuốn hút bỡi mọi thiên thể khác bằng một lực; lực nầy càng mạnh hơn khi trọng khối của chúng lớn hơn và khoảng cách giửa chúng ngắn hơn. Chính lực nầy làm cho vật thể rơi xuống đất. Newton thêm rằng, theo định luật nầy, trọng lực khiến mặt trăng quay chung quanh trái đất theo một quỉ đạo bầu dục và làm cho trái đất và các hành tinh quay chung quanh mặt trời theo quỉ đạo bầu dục.

Mô hình Copernicus gạt bỏ những biểu tượng hình cầu của Ptolemy và luôn cả giả thuyết cho rằng vũ trụ có một ranh giới tự nhiên (natural boundary). Vì những “định tinh – fixed stars” không có vẻ thay đổi vị trí khỏi đường quay trong bầu trời do sức hút của trái đất, đương nhiên có thể giả định rằng các các định tinh là những thiên thể giống như mặt trời nhưng ở rất xa.

Newton nhận thấy rằng, theo lý thuyết của ông vể trọng lực, tinh tú hút kéo lẫn nhau, nên dường như chúng không thể chủ yếu đứng yên một chổ. Liệu tất cả chúng sẽ không cùng nhau rơi tại một điểm nào đó chăng? Trong một lá thư gởi năm 1691 cho Richard Bentley, một tư tưởng gia hàng đầu thời đó, Newton lý luận rằng chuyện đó sẽ xảy ra nếu chĩ có một số tinh tú hữu hạn rải rác trên một không gian hữu hạn. Ngược lại, ông nói rằng, nếu có vô số tinh tú rải rác ít nhiều đồng đều trong không gian vô hạn thì chuyện đó sẽ không xảy ra, vì như thế sẽ không có một trọng tâm cho chúng rơi vào.

Lý luận nầy là một thí dụ của những nhược điểm mà chúng ta có thể gặp phải khi nói về vô hạn (infinity). Trong một vũ trụ vô hạn, mọi điểm đều có thể được nhìn như là trung tâm, vì mọi điểm đều có vô số những tinh tú ở mỗi bên của nó. Chĩ mãi sau nầy mới nhận thức ra rằng phương thức đúng là xem xét hoàn cảnh hữu hạn, trong đó tất cả tinh tú rơi vào nhau, sau đó tìm hiểu sự thể thay đổi ra sao nếu người ta đưa thêm những tinh tú được phân bố đại để đồng đều ở bên ngoài khu vực. Theo định luật Newton, những tinh tú thêm vào sẽ hoàn toàn không tạo nên một thay đổi nào đối với những tinh tú ban đầu xét trên bình quân, do đó những tinh tú nầy vẫn rơi nhanh như cũ. Chúng ta có thể đưa thêm bao nhiêu tinh tú tùy ý, nhưng chúng vẫn luôn luôn va chạm với nhau thôi. Chúng ta biết rằng không thể có một mô hình vũ trụ vô hạn đứng yên tỉnh trong đó trọng lực luôn luôn tác động.

Đó là một phản ảnh đáng chú ý của bầu không khí tư duy chung trước thế kỷ hai mươi theo đó không ai cho rằng vũ trụ co hay giãn. Mọi người chấp nhận hoặc là vũ trụ đã tồn tại vĩnh viển trong một trạng thái không thay đổi, hoặc là vũ trụ đã được sáng tạo vào một thời gian nhất định trong quá khứ ít nhiều như chúng ta nhận định ngày nay. Điều nầy một phần có thể do khuynh hướng con người muốn tin những chân lý vĩnh cửu, cũng như sự bình yên mà họ tìm thấy khi suy nghĩ rằng, mắc dù họ già đi và chết, vũ trụ vẫn là vĩnh cửu và bất biến.

Ngay cả những người nhận thấy theo thuyết trọng lực của Newton vũ trụ không thể yên tỉnh họ cũng không nghĩ cho rằng vũ trụ đó có thể bành trướng ra. Thay vì thế, họ cố sữa đổi lý thuyết bằng cách cho rằng trọng lực đẩy ra khi hai thiên thể ở cách nhau rất xa. Điều nầy không ảnh hưởng mấy những tiên đoán của họ về sự di chuyển của các hành tinh, nhưng nó cho thấy những tinh tú được phân phối vô hạn để giữ quân bình - lực hút nơi những tinh tú gần được cân bằng bỡi lực đẩy nơi các tinh tú ở xa. Tuy nhiên, ngày nay chúng ta tin rằng một quân bình như thế sẽ không ổn định: Nếu những tinh tú trong một vùng nào đó hơi tiến gần lại với nhau thì sức hút giửa chúng sẽ trở nên mạnh hơn và thắng thế những lực đẩy, do đó những tinh tú sẽ tiếp tục cuốn hút vào nhau. Mặt khác, nếu những tinh tú tiến ra xa hơn một chút thì lực đẩy sẽ thắng thế và đẩy chúng xa nhau ra hơn.

Quan niệm một vũ trụ tỉnh vô hạn (infinite static universe) cũng gặp phải một phản đối khác thường được xem là do một triết gia người Đức Heinrich Olbers, người đã viết về lý thuyết nầy vào năm 1823. Thực tế, nhiều người đương thời của Newton đã đặt vấn đề, và bài viết của Olbers không hẵn là tài liệu đầu tiên có những luận điểm chống lại quan niệm đó. Tuy nhiên, đó là tài liệu đầu tiên được lưu tâm rộng rải. Điều nan giải là, trong một vũ trụ tỉnh vô hạn, gần như mọi hướng nhìn (line of sight) đều sẽ chấm dứt trên mặt của một tinh tú. Như thế,người ta có thể mong đợi toàn bầu trời sẽ sáng như ban ngày, ngay cả vào ban đêm. Olders lý luận rằng ánh sáng đến từ những tinh tú xa xăm sẽ bị mờ đi do hấp thụ bỡi những thiên thể cản đường. Tuy nhiên, nếu hiện tượng nầy xảy ra thì những thiên thể cản đường cuối cùng sẽ bị nung nóng cho đến khi chúng chói sáng như các tinh tú. Phương cách duy nhất tránh đi đến kết luận rằng toàn bộ bầu trời ban đêm sẽ sáng chói như mặt trời là phải giả định rằng những tinh tú đã không sáng mãi nhưng chĩ được thắp sáng vào một thời điểm nhất định trong quá khứ. Trong trường hợp nầy, thiên thể cản đường có thể chưa được nung nóng hay ánh sáng từ những tinh tú xa có thể chưa đến được chúng ta. Và điều nầy khiến chúng ta tự hỏi trước hết cái gì đã thắp sáng các tinh tú.

Đương nhiên, sự khởi đầu của vũ trụ đã từng được bàn cải trước đó đã lâu. Theo một số vũ trụ học thời kỳ đầu và theo truyền thống Do Thái/Thiên Chúa/Hồi Giáo, vũ trụ bắt đầu từ một thời gian nhất định và không xa lắm trong quá khứ. Một trong những lý luận hậu thuẩn cho sự khởi đầu đó là cảm nghĩ cho rằng cần có “Nguyên nhân tiên khởi – First Cause” để giải thích sự hiện hữu của vũ trụ. (Trong vũ trụ, chúng ta luôn luôn giải thích một biến cố như là hậu quả của một biến cố nào đó có trước, nhưng sự hiện hữu của chính vũ trụ chĩ có thể giải thích theo cách nầy nếu nó có một khởi thủy.) Một luận điểm khác được St. Augustine đưa ra trong cuốn sách, “The City of God”. Ông cho thấy rằng văn minh đang tiến bộ và chúng ta nhớ ai thực hiện việc nầy hay triển khai kỷ thuật đó. Do đó, con người, và có lẽ cả vũ trụ có thể đã không thể tồn tại được lâu như vậy. St. Augustine chấp nhận thời điểm khoảng 5000 năm trước Công Nguyên như thời kỳ Sáng tạo của vũ trụ dựa theo Sáng Thế Ký. (Điều đáng chú ý là thời điểm nầy không xa mấy với thời kỳ cuối của Thời đại băng hà cuối cùng, khoảng 10,000 năm trước Công Nguyên, tức là thời điểm mà các nhà khảo cổ cho là khởi điểm của văn minh.)

Ngược lại, Aristote, và hầu hết các triết gia Hy Lạp, không thích ý tưởng về một sự sáng tạo vì nó dính dáng quá nhiều sự can dự của thần linh. Do đó, họ tin rằng nhân loại và thế giới chung quanh đã và sẽ tồn tại vĩnh viển. Các triết gia cỗ đại đã từng xem xét quan niệm tiến bộ như mô tả ở trên, và trả lời quan niệm đó bằng cách nói rằng đã có những trận lụt định kỳ hay những thiên tai khác từng liên tục đẩy lùi nhân loại trở về khởi thủy của văn minh.

Sau nầy, trong một tác phẩm dày cộm, rất ư tối nghĩa Critique of Pure Reason (Phê Bình Thuần Lý), xuất bản năm 1781, triết gia Emmanuel Kant đã xem xét qui mô những câu hỏi liệu vũ trụ đã có một khởi thủy trong thời gian và liệu nó có bị giới hạn trong không gian hay không. Ông gọi những câu hỏi nầy là những nghịch luận (antinomies) hay mâu thuẩn của lý trí vì ông cảm thấy có những luận điểm giá trị như nhau, một tin vào chính đề (thesis) cho rằng vũ trụ có một bắt đầu, và một tin vào phản đề (antithesis) cho rằng vũ trụ đã tồn tại vĩnh viển. Luận điểm của ông tin vào chính đề cho rằng, nếu vũ trụ không có một khởi thủy thì sẽ có một thời kỳ vô hạn đi trước mọi biến cố; ông xem điều nầy vô lý. Luận điểm tin vào phản đề cho rằng, nếu vũ trụ có một khởi thủy thì sẽ có một thời kỳ vô hạn trước đó; thế tại sao vũ trụ lại phải bắt đầu tại một thời điểm cá biệt? Thực tế, những luận điểm của ông về chính đề và phản đề cũng chĩ là một. Cả hai đều căn cứ trên giả định mặc nhiên của ông cho rằng thời gian vĩnh viển tiếp tục quay ngược trở lại, cho dù vũ trụ có tồn tại vĩnh viển hay không. Như chúng ta sẽ thấy, quan niệm về thời gian không có một ý nghĩa nào trước khi vũ trụ bắt đầu. Điểu nầy trước tiên được St. augustine nêu ra. Khi được hỏi, “Thượng Đế làm gì trước khi tạo ra vũ trụ?”, Augustine không trả lời, “Ngài chuẩn bị Địa ngục cho những ai hỏi những câu hỏi như thế.” Thay vì trả lời như trên, ông nói rằng thời gian là tài sản của vũ trụ mà Thượng Đế đã tạo ra, và thời gian đó không tồn tại trước khi vũ trụ bắt đầu.

Khi hầu hết mọi người tin vào một vũ trụ chủ yếu là tỉnh và bất biến thì câu hỏi liệu có hay không có một bắt đầu thực sự là một câu hỏi của siêu hình học và thần học. Người ta có thể giải thích hợp lý những điều quan sát được dựa trên lý thuyết cho rằng vũ trụ tồn tại vĩnh viển hay dựa trên lý thuyết cho rằng vũ trụ được khởi nguyên từ một thời điểm nào đó theo một phương thức giống như là vũ trụ đã tồn tại vĩnh viển vậy. Nhưng vào năm 1929, Edwin Hubble đã thực hiện được một quan sát kiệt xuất theo đó, dù nhìn từ bất kỳ vị trí nào đi nữa, những thiên hà xa xăm đang di chuyển nhanh ra xa chúng ta. Nói cách khác, vũ trụ đang giãn rộng ra. Điều đó có nghĩa là vào những thời kỳ xa xưa, các thiên thể có thể đã ở gần nhau hơn. Thực tế, dường như có một thời kỳ, khoảng 10 hay 20 tỉ năm trước đây, lúc đó tất cả những thiên thể cùng ở vào đúng một chổ và, do đó, mật độ (density) của vũ trụ lúc đó là vô hạn. Sự khám phá nầy cuối cùng đã đưa vào lỉnh vực khoa học câu hỏi về khởi thủy của vũ trụ.

Những quan sát của Hubble cho thấy rằng có một thời kỳ, được gọi là Big Bang (Đại Bùng Nổ), lúc đó vũ trụ cực kỳ nhỏ và mật độ vô cùng lớn. Dưới những điều kiện như vậy, tất cả mọi định luật khoa học, và do đó, tất cả khả năng tiên đoán tương lai, sẽ sụp đổ. Nếu có những biến cố xảy ra trước thời kỳ đó thì những biến cố đó không thể ảnh hưởng những gì đang xảy ra trong hiện tại. Sự tồn tại của chúng có thể bị làm ngơ vì nó không có những hậu quả có thể quan sát được. Người ta có thể nói rằng thời gian có một bắt đầu vào thời kỳ Big Bang, theo nghĩa là những thời kỳ trước đó không được xác định. Xin nhấn mạnh là thời diểm bắt đầy nầy rất khác với những thời điểm bắt đầu khác được xem xét trước kia. Trong một vũ trụ bất biến, sự bắt đầu trong thời gian là điều được áp đặt bỡi một đấng nào đó bên ngoài vũ trụ; không có lý do tất yếu về mặt vật lý cần phải có một sự bắt đầu. Người ta vẫn có thể tưởng tượng là Thượng Đế đã sáng tạo vũ trụ vào bất kỳ thời kỳ nào trong quá khứ. Mặt khác, nếu vũ trụ bành trướng ra thì có thể có những lý do vật lý giải thích tại sao phải có một sự bắt đầu. Người ta vẫn có thể tưởng tượng là thượng Đế đã sáng tạo vũ trụ vào thời kỳ Big Bang, hay ngay cả sau đó nhưng với một phương thức nhằm tạo ảo giác như đã có một Big Bang vậy; nhưng nếu cho rằng vũ trụ bắt đầu trước Big Bang thì vô lý. Một vũ trụ bành trướng ra không loại bỏ hiện hữu một đấng sáng tạo, nhưng nó xác định khi nào đấng nầy có thể đã thi hành công việc của mình!

Để luận bàn về bản chất của vũ trụ và những câu hỏi liệu có một bắt đầu hay chấm dứt, chúng ta cần hiểu rõ thế nào là một lý thuyết khoa học. Theo một quan niệm đơn giản thì một lý thuyết chĩ là một mô hình vũ trụ, hay một phần hạn hữu của nó, và một tâp hợp những qui luật nhằm liên hệ những định lượng (quantities) trong mô hình với những quan sát mà chúng ta thực hiện được. Lý thuyết chĩ có trong đầu của chúng ta chứ không có một thực thể nào. Một lý thuyết được xem là tốt nếu thỏa mản được hai yêu cầu. Nó phải mô tả chính xác một tập hợp lớn những quan sát trên căn bản một mô hình chĩ chứa đựng một ít yếu tố tùy tiện, và phải đưa ra những tiên đoán rõ ràng về kết quả của những quan sát tương lai. Chẳng hạn, Aristote tin vào lý thuyết của Empidocles theo đó mọi vật đều được tạo bỡi bốn yếu tố: đất, không khí, lửa, và nước. Lý thuyết đó khá đơn giản, nhưng lại không đưa ra những tiên đoán rõ ràng. Ngược lại, thuyết trọng lực của Newton dựa trên một mô hình càng giản dị hơn, theo đó các thiên thể lôi cuốn nhau với một lực tỷ lệ thuận với một định lượng được gọi là trọng khối của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách giửa chúng. Tuy nhiên, thuyết nầy củng tiên đoán được những di chuyển của mặt trời, mặt trăng, và các hành tinh với độ chính xác cao.

Bất cứ lý thuyết vật lý nào cũng chĩ có tính cách tạm thời, nghĩa là đó chĩ là một giả thuyết mà thôi: không ai chứng minh nó được. Không cần biết bao nhiêu lần những kết quả thí nghiệm phù hợp với một vài lý thuyết, không bao giờ chúng ta thể chắc chắn rằng lần tới kết quả sẽ không mâu thuẩn với lý thuyết đó. Mặc khác, chúng ta có thể dẹp bỏ một lý thuyết khi tìm thấy chĩ một quan sát mâu thuẩn với những tiên đoán của nó. Như triết gia khoa học Karl Popper nhấn mạnh, đặc điểm của một lý thuyết tốt là đưa ra một số những tiên đoán trên nguyên tắc có khả năng bị phi bác hay chứng minh là sai qua quan sát. Mỗi lần những thí nghiệm được quan sát là phù hợp với những tiên đoán, lý thuyết tồn tại, và niềm tin của chúng ta tăng lên; nhưng nếu có một quan sát mới nào được xem như mâu thuẩn thì chúng ta gạt bỏ hay thay đổi lý thuyết.

Ít nhất đó là những gì giả định phải xảy ra, nhưng chúng ta luôn luôn có thể đặt câu hỏi liên quan đến kỷ năng của người đã thực hiện quan sát.

Thực tế, chúng ta thường thấy một lý thuyết mới đưa ra nhưng thực sự đó chĩ là một phần nối dài cũa lý thuyết đã có trước đó. Ví dụ, những quan sát rất chính xác của hành tinh Mercury cho thấy một khác biệt nhỏ về sự vận chuyển của nó và những tiên đoán trong thuyết trọng lực của Newton. Tổng thuyết tương đối của Einstein tiên đoán một vận chuyển hơi khác với lý thuyết Newton. Việc những tiên đoán của Einstein phù hợp với những điếu quan sát trong khi những tiên đoán của Newton thì không chĩ là một trong những xác định then chốt của lý thuyết mới. Tuy nhiên, chúng ta vẫn sử dụng lý thuyết của Newton vào tất cả những mục đích thực tiển vì sự khác biệt giửa những tiên đoán của thuyết nầy với những tiên đoán của tổng thuyết tương đối rất là nhỏ trong những trường hợp chúng ta thường gặp. (Thuyết Newton cũng có lợi điểm lớn nhờ nó giản dị hơn nhiều so với thuyết của Einstein!)

Mục tiêu tối hậu của khoa học là cung ứng một lý thuyết duy nhất nhằm mô tả toàn thể vũ trụ. Tuy nhiên, phương án mà hầu hết các khoa học gia thực sự theo đuổi là tách những vấn đề ra thành hai phần. Thứ nhất, có những định luật cho thấy vũ trụ thay đổi theo thời gian. (Nếu chúng ta biết vũ trụ như thế nào vào một thời điểm nào đó thì những định luật vật lý cho chúng ta biết vũ trụ sẽ ra sao trong thời diểm tiếp theo.) Thứ hai, có câu hỏi liên quan đến trạng thái ban đầu của vũ trụ. Một số người thấy rằng khoa học chĩ nên quan tâm đến phần thứ nhất mà thôi; họ xem câu hỏi liên quan đến trạng thái ban đầu của vũ trụ như là vấn đề của siêu hình học hay tôn giáo. Họ có thể nói rằng Thượng Đế, vì là toàn năng, có thể đã khởi tạo ra vũ trụ bằng bất kỳ cách nào Ngài muốn. Có thể là thế, nhưng trong trường hợp nầy, Thượng Đế có thể đã làm cho vũ trụ phát triển một cách hoàn toàn tùy tiện. Tuy nhiên, dường như Thượng Đế đã quyết định cho vũ trụ tiến hóa một cách bình thường theo những qui luật nào đó. Vì thế, hình như hữu lý khi cho rằng cũng có những qui luật chi phối trạng thái ban đầu.

Chung qui rất khó mà xây dựng một lý thuyết để mô tả vũ trụ dứt diểm một lần. Thay vì thế, chúng ta tách vấn đề ra thành nhiều phần và phát kiến một số lý thuyết phân bộ. Mỗi lý thuyết phân bộ nầy mô tả và tiên đoán mộ số giới hạn những quan sát, bỏ qua những ảnh hưởng của các định lượng khác, hay trình bày chúng bằng những tập hợp đơn giản những con số. Có thể phương án nầy là hoàn toàn sai. Nếu mọi vật trong vũ trụ căn bản tùy thuộc vào mọi vật khác thì có lẽ không thể tiếp cận được một giải pháp toán diện bằng cách truy cứu riêng rẻ những phân bộ của vấn đề. Tuy nhiên, đó chắc chắn là phương cách mà chúng ta đã tiến bộ trong quá khứ. Một lần nữa ví dụ cỗ điển là thuyết trọng lực của Newton, theo đó trọng lực của hai thiên thể chĩ tùy thuộc vào một con số đi liền với mỗi thiên thể, tức trọng khối (mass), nhưng mặt khác lại độc lập với những gì chúng được cấu tạo ra. Như thế, người ta không cần phải có một lý thuyết vế cấu trúc và sự hình thành của mặt trời và các hành tinh mới tính được quỉ đạo của chúng.

Ngày nay các khoa học gia mô tả vũ trụ dựa trên hai lý thuyết phân bộ cơ bản (basic partial theories) - tổng thuyết tương đối và cơ học lượng tử (general theory of relativity and quantum mechanics). Những thuyết nầy là những thành tựu trí tuệ lớn của tiền bán thế kỷ nầy. Tổng thuyết tương đối mô tả trọng lực và cấu trúc quảng đại của vũ trụ, nghĩa là cấu trúc trên những phạm vi từ chĩ vài dặm đến cả triệu triệu triệu triệu (1,000,000,000,000,000,000,000,000) dặm, tức kích thước của vũ trụ quan sát được. Mặt khác, cơ học lượng tử giải quyết những hiện tượng trên phạm vi cực nhỏ, như một phần triệu của một phần triệu inch. Tuy nhiên, điều bất hạnh là hai lý thuyết nầy được biết là không ăn khớp với nhau (inconsistent) – chúng không thể đúng cả hai. Một trong những cố gắng lớn của vật lý học ngày nay, và là chủ đề lớn của cuốn sách nầy, là tìm kiếm một lý thuyết mới có khả năng kết nạp cả hai thuyết trên - một lý thuyết lượng tử về trọng lực (quantum theory of gravity). Hiện chúng ta vẩn chưa có được một lý thuyết như vậy, và có thể chúng ta còn lâu lắm mới có được nó, nhưng chúng ta đã biết được những thuộc tính (properties) mà thuyết đó phải có. Và trong các phần sau chúng ta sẽ thấy rằng chúng ta đã có một số kiến thức tương đối liên quan đến những tiên đoán mà một thuyết lượng tử về trọng lực phải thực hiện.

Giờ đây, nếu tin rằng vũ trụ không tự do tùy tiện (arbitrary), nhưng bị chi phối bỡi những định luật nhất định thì cuối cùng bạn phải kết hợp những lý thuyết phân bộ thành một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh có khả năng mô tả mọi vật trong vũ trụ. Nhưng có một nghịch lý (paradox) căn bản trong khi đi tìm một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh như thế. Những quan niệm về các lý thuyết khoa học sơ lược bên trên giả định chúng ta là những sinh vật có lý trí (rational beings) tự do quan sát vũ trụ theo ý muốn và tự do rút ra những diển dịch luận lý từ những gì chúng ta thấy. Theo tư duy đó, quả hợp lý nếu giả định rằng chúng ta có thể tiến đến gần hơn những định luật chi phối vũ trụ. Tuy nhiên, nếu quả thực có một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh thì chính lý thuyết đó cũng giả định sẽ định đoạt hành động của chúng ta. Và như thế, chính lý thuyết sẽ định đoạt kết quả của việc chúng ta tìm kiếm nó vậy! Và làm sao nó có thể quyết định là chúng ta sẽ đi đến những kết luận đúng từ chứng cứ hiển nhiên? Biết đâu nó lại chẳng quyết định chúng ta đi đến những kết luận sai? Hay không đi đến kết luận nào cả?

Câu trả lời duy nhất mà tôi (Stephen Hawking) có thể đưa ra cho vấn đề nầy là dựa theo nguyên tắc đào thải thiên nhiên (natural selection) của Darwin. Nguyên tắc nầy là, trong bất kỳ một dân số sinh vật tự sinh sản nào (population of self-reproducing organisms), cũng sẽ có những biến thể (variations) trong chất di truyền và dinh dưởng (genetic material and upbringing) hiện hữu nơi những cá nhân khác nhau. Những khác biệt nầy có nghĩa là một số cá nhân có khả năng hơn những cá nhân khác trong việc rút ra những kết luận đúng về thế giới chung quanh và hành động phù hợp. Những cá nhân nầy dễ tồn tại và sinh sản hơn, do đó biểu mẫu hành xử và tư duy của họ sẽ chiếm ưu thế. Trong quá khứ, sự thực cho thấy điều mà chúng ta gọi là thông minh và phát minh khoa học đã truyền tải một ưu thế sinh tồn. Không ai rõ lắm là điều nầy còn đúng không: những phát minh khoa học của chúng ta rất có thể hủy diệt tất cả chúng ta, và ngay cả nếu chúng không hủy diệt thì một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh cũng có thể không thay đổi gì nhiều những cơ may tồn tại của chúng ta. Tuy nhiên, với điều kiện là vũ trụ tiến hóa một cách bình thường, chúng ta có thể mong đợi rằng những khả năng suy luận của chúng ta được đào thải thiên nhiên ban cho cũng sẽ có giá trị giúp chúng ta tìm kiếm một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh, và từ đó sẽ không đưa chúng ta đến những kết luận sai.

Vì những lý thuyết phân bộ mà chúng ta đã có đủ để thực hiện những tiên đoán chính xác trong những trưòng hợp thông thường, việc tìm kiếm một lý thuyết tối hậu cho vũ trụ dường như khó mà biện minh được trên cơ sở thực tế. (Dù sao, cần ghi nhận rằng những luận điểm tương tự có thể đã được sử dụng để chống lại cả thuyết tương đối và cơ học lượng tử, và những thuyết nầy đã mang đến cho chúng ta cuộc cách mạng năng lượng hạch tâm và vi điện tử!) Do đó, việc phát minh một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh có thể không giúp nhân loại tồn tại. Ngay chúng có thể không ảnh hưởng lối sống của chúng ta. Nhưng từ thời bình minh của văn minh, con người đã không bằng lòng nhìn sự vật như những biến cố rời rạc và không thể giải thích được. Con người đã khao khát một hiểu biết về cái trật tự bên dưới của thế giới. Ngày nay chúng ta vẫn còn ước ao muốn biết tại sao chúng ta lại ở đây và chúng ta từ đâu đến. Mong muốn sâu xa nhất của nhân loại về hiểu biết là biện minh khả túc cho nổ lực tìm kiếm liên tục của chúng ta. Và mục tiêu của chúng ta không gì kém hơn là mô tả hoàn chỉnh vũ trụ mà chúng ta đang sống.

(Còn tiếp phần 2)

Lương Tấn Lực