[ebook©vctvegroup] Vật lý điều tưởng chừng bất khả ★ — — Tác giả: Michio Kaku Người dịch: Thới Ngọc Tuấn Quốc Phát hành: Alphabooks Nhà xuất Thế Giới 2019 NHỮNG LỜI NGỢI KHEN “Kaku khuyến khích nhìn nhận nghiêm túc ý tưởng mà bậc trí tuệ tinh anh giới coi điên rồ Ông gợi nhắc óc siêu việt đơi tự hỏi liệu lý thuyết mơ hình khác biệt có đủ điên rồ để trở thành thật.” — The Seattle Times “Cuốn sách thú vị đầy cảm hứng; lời nhấn mạnh việc nhà khoa học biết-tuốt cần tránh sớm tự mãn với đạt được.” — Physics World “Cả người hâm mộ khoa học khoa học viễn tưởng dễ dàng bắt theo giải thích Kaku, ông giới khoa học diệu kỳ, điều bất khả xảy ngày.” — Publishers Weekly “Cuốn sách dễ tiếp cận… Với nghiêm túc tuyệt đối, Kaku chạm đến câu hỏi khiến cậu bé trở nên hứng thú.” — The Sunday Telegraph (London) “Cuốn sách đầy ắp thơng tin bổ ích dễ đọc… Kaku vui mừng lạc quan điều kỳ diệu chờ đợi chúng ta.” — The Inspector Dành tặng người vợ yêu tôi, Shizue, Michelle Alyson LỜI NÓI ĐẦU Nếu ý tưởng khơng có ngớ ngẩn đừng mong có hy vọng cho — ALBERT EINSTEIN Liệu đến ngày xuyên tường? Chế tạo tàu vũ trụ di chuyển nhanh tốc độ ánh sáng? Đọc suy nghĩ người khác? Tàng hình? Di chuyển đồ vật ý nghĩ? Hay dịch chuyển tức thời? Từ thuở bé, bị vào câu hỏi Giống nhiều nhà vật lý khác, lớn lên bị mê khả du hành thời gian, súng bắn tia, trường lực, vũ trụ song song, v.v Pháp thuật, tác phẩm huyền ảo, khoa học viễn tưởng sân chơi rộng lớn cho trí tưởng tượng tơi Chúng khơi nguồn tơi tình u lâu dài cho điều tưởng chừng khơng thể Tơi cịn nhớ hồi xem series phim truyền hình Flash Gordon[1] chiếu tivi Cứ thứ Bảy, tơi lại dán mắt vào hình, kinh ngạc trước phiêu lưu nhóm Flash, tiến sĩ Zarkov Dale Arden với thiết bị tuyệt vời mang cơng nghệ tương lai: tàu tên lửa, áo khốc tàng hình, súng bắn tia thành phố khơng Tơi khơng bỏ lỡ tập Chương trình mở giới hoàn toàn trước mắt Tôi hứng khởi với ý nghĩ ngày cưỡi tên lửa đặt chân lên miền đất người hành tinh khám phá địa lạ lẫm Bị phát minh tuyệt vời hút, tơi biết đời gắn liền với thành tựu khoa học hứa hẹn mà phim gợi mở Và hóa ra, tơi khơng đơn độc Nhiều nhà khoa học lẫy lừng trở nên hứng thú với khoa học nhờ khoa học viễn tưởng Nhà thiên văn học vĩ đại Edwin Hubble đam mê tác phẩm Jules Verne tới mức định từ bỏ nghiệp luật gia hứa hẹn, không theo tâm nguyện cha mà tâm theo đuổi khoa học Cuối cùng, ông trở thành nhà thiên văn học vĩ đại kỷ 20 Carl Sagan, nhà thiên văn học lỗi lạc tác giả tiếng, khai sáng sau đọc loạt truyện John Carter of Mars (John Carter Hỏa Tinh) nhà văn Mỹ Edgar Rice Burroughs Giống nhân vật John Carter truyện, ông mơ ước ngày thám hiểm dải cát Hành tinh Đỏ Ngày Albert Einstein qua đời, tơi cịn đứa trẻ, tơi nhớ người ta nói đời ơng đầy kính cẩn Ngày hơm sau, thấy báo ảnh chụp bàn làm việc với thảo dở dang công trình vĩ đại chưa hồn tất ơng Tơi tự hỏi điều quan trọng đến mức nhà khoa học vĩ đại thời đại lại khơng thể hồn thành? Bài báo viết Einstein có giấc mơ bất khả thi, vấn đề q khó mà khơng người phàm tục hồn thành Tơi phải hàng năm trời tìm thảo viết gì: viết lý thuyết vĩ đại, thống nhất; “lý thuyết vạn vật” Giấc mơ — thứ lấy ba thập kỷ cuối đời ông — giúp tơi đưa suy tưởng tập trung Tơi mong muốn, theo cách nhỏ bé đó, phần nỗ lực hồn thành cơng trình Einstein, để thống định luật vật lý thành lý thuyết Khi lớn hơn, bắt đầu nhận nhân vật anh hùng Flash Gordon chiếm thiện cảm nhân vật nữ chính, nhân vật nhà khoa học linh hồn series truyền hình Khơng có tiến sĩ Zarkov khơng có tàu tên lửa, khơng có hành trình tới Mongo, chẳng thể giải cứu Trái Đất Chỉ có pha mạo hiểm, mà khơng có khoa học, chẳng có khoa học viễn tưởng Và tơi nhận câu chuyện bất khả mặt khoa học; chúng bay bổng trí tưởng tượng Càng lớn người ta rời xa ảo tưởng Tôi dạy đời thực, ta phải rời xa điều bất khả đón nhận thứ thực tiễn Tuy vậy, kết luận muốn tiếp tục theo đuổi suy tưởng dường bất khả chìa khóa nằm địa hạt vật lý học Nếu khơng có tảng vững vật lý tiên tiến, tơi phải suy đốn cơng nghệ tương lai mà khơng biết liệu chúng có khả trở thành thực hay không Tôi nhận cần phải đắm lĩnh vực tốn cao cấp nghiên cứu vật lý lý thuyết Và điều tơi làm Trong dự án khoa học thời trung học, lắp ráp máy nghiền nguyên tử gara mẹ Tôi đến công ty Westinghouse xin 180 kg thép bỏ Cả kỳ nghỉ Giáng sinh, nối 35 km dây dồng sân bóng trường Cuối cùng, xây dựng thành công máy gia tốc hạt beta 2,3 triệu eV (electronvolt) ngốn đến gần kw điện (tồn cơng suất điện gia đình tơi) tạo từ trường lớn gấp 20.000 lần từ trường Trái Đất Mục đích thiết bị phát chùm tia gamma đủ mạnh để tạo phản vật chất Dự án khoa học tham dự Triển lãm Khoa học Quốc gia giúp thực giấc mơ — giành học bổng vào Harvard, nơi tơi theo đuổi mục tiêu trở thành nhà vật lý lý thuyết tiếp bước thần tượng Albert Einstein Ngày nay, nhận nhiều email từ nhà văn biên kịch phim khoa học viễn tưởng nhờ trau chuốt câu chuyện họ cách khám phá giới hạn định luật vật lý “BẤT KHẢ” CHỈ LÀ TƯƠNG ĐỐI Là nhà vật lý, học “bất khả thi” thường giới hạn tương đối Tôi cịn nhớ thời học, giáo đến bên đồ Trái Đất treo tường cho đường bờ biển Nam Mỹ châu Phi Cơ nói liệu có phải trùng hợp kỳ lạ hai đường bờ biển vừa khít với hai miếng xếp hình Cơ nói số nhà khoa học cho có lẽ chúng nằm chung lục địa rộng lớn Nhưng người ta cho điều ngớ ngẩn Khơng có tác động đủ mạnh để đẩy hai lục địa lớn xa Suy nghĩ bất khả, kết luận Cũng năm học đó, chúng tơi nghiên cứu khủng long Giáo viên nói với chúng tơi em có thấy lạ khơng lồi khủng long ngự trị Trái Đất suốt hàng triệu năm dưng biến vào ngày nọ? Không biết chúng tuyệt chủng Một vài nhà cổ sinh vật học cho có lẽ thiên thạch tiêu diệt chúng, người ta cho điều bất khả, tồn khoa học viễn tưởng Ngày biết lục địa thực có di chuyển hoạt động kiến tạo mảng 65 triệu năm trước thiên thạch có đường kính chín kilơmét xóa sổ khủng long hầu hết sống khỏi Trái Đất Trong năm đời ngắn ngủi qua, thấy hết lần đến lần khác điều tưởng bất khả dần trở thành thực tế khoa học Vậy liệu có bất khả khơng nghĩ ngày dịch chuyển tức thời từ nơi đến nơi khác, hay chế tạo phi thuyền khơng gian đưa lồi người vượt nhiều năm ánh sáng đến xa xôi? Những kỳ công thường nhà vật lý nhìn nhận bất khả thi Nhưng vài kỷ tới sao? Hoặc 10.000 năm tới, công nghệ tiến vượt bậc? Hay triệu năm nữa? Hoặc theo cách khác, chạm trán với văn minh tiến hàng triệu năm, liệu công nghệ mà họ sử dụng hàng ngày có giống “ma thuật” hay khơng? Đây câu hỏi xuyên suốt sách này: dù “bất khả thi” thời điểm tương lai hàng kỷ triệu năm tới liệu có cịn điều khơng thể? Dựa vào thành tựu bật đạt kỷ trước, đặc biệt khai sinh thuyết lượng tử thuyết tương đối rộng, ước lượng sơ thời điểm số công nghệ tuyệt vời đưa vào thực tiễn Với tham gia lý thuyết tân tiến nữa, lý thuyết dây chẳng hạn, khái niệm có khoa học viễn tưởng du hành thời gian vũ trụ song song nhà vật lý xem xét lại Hãy nghĩ 150 năm trước: công nghệ mà nhà khoa học thời cho bất khả thi lại phần sống thường nhật Jules Verne viết tiểu thuyết Paris in the twentith (Paris kỷ 20) vào năm 1863 không xuất bị rơi vào quên lãng kỷ, người chắt trai nhà văn tình cờ phát xuất lần vào năm 1994 Trong sách, Verne tiên đoán quang cảnh Paris vào năm 1960 Cuốn tiểu thuyết đầy ắp công nghệ cho bất khả thi vào kỷ 19, bao gồm máy fax, hệ thống thơng tin tồn cầu, tịa nhà kính chọc trời, xe chạy khí đốt tàu tốc hành chạy cao Khơng ngạc nhiên Verne đưa tiên đốn xác đến vậy, ơng đắm giới khoa học học hỏi từ óc học thuật quanh Chính niềm trân trọng sâu sắc dành cho tảng khoa học cho phép ông đưa dự báo gây sửng sốt đến Buồn thay, số nhà khoa học lớn kỷ 19 lại có quan điểm trái ngựợc cho cơng nghệ hồn tồn bất khả thi Nam tước Kelvin, có lẽ nhà vật lý lỗi lạc thời Victoria (ông chôn cất bên cạnh Isaac Newton tu viện Westminster), tun bố phương tiện “nặng khơng khí” máy bay bất khả Ông nghĩ tia X trị bịp chẳng có tương lai cho sóng vơ tuyến Nam tước Rutherford, người phát hạt nhân nguyên tử, lại gạt bỏ khả chế tạo bom nguyên tử xem ý tưởng điên rồ Các nhà hóa học kỷ 19 cho cơng tìm kiếm đá hiền triết, vật hoang đường biến chì thành vàng, vào ngõ cụt Hóa học kỷ 19 dựa tính chất bất biến nguyên tố, chì Tuy nhiên, với máy va chạm nguyên tử ngày nay, nguyên tắc biến chì thành vàng Hãy nghĩ xem, cơng nghệ ngày tivi, máy vi tính Internet hẳn phải “kỳ diệu” vào thời điểm chuyển giao sang kỷ 20 Cho đến gần thôi, hố đen xem thứ thuộc khoa học viễn tưởng Bản thân Einstein viết nghiên cứu vào năm 1939 để “chứng minh” hố đen khơng thể hình thành Nhưng ngày Kính thiên văn Khơng gian Hubble Kính thiên văn tia X Chandra tìm thấy hàng ngàn hố đen tồn vũ trụ Những công nghệ cho “bất khả thi” định luật vật lý khoa học chưa biết đến vào kỷ 19 đầu kỷ 20 Với khoảng trống lớn hiểu biết khoa học thời điểm đó, đặc biệt thang nguyên tử, chẳng ngạc nhiên người ta coi ý tưởng bất khả thi NGHIÊN CỨU NHỮNG ĐIỀU BẤT KHẢ THI Trớ trêu thay, nghiên cứu nghiêm túc thứ bất khả thi lại thường mở lĩnh vực khoa học phong phú hồn tồn nằm ngồi dự tính Ví dụ, kỷ tìm kiếm vơ vọng “động vĩnh cửu” đưa nhà vật lý đến kết luận loại máy tồn tại, thúc đẩy họ tìm định luật bảo toàn lượng ba định luật nhiệt động lực học Như vậy, việc cố gắng chế tạo động vĩnh cửu mở chân trời hoàn toàn nhiệt động lực học, làm tảng cho động nước, thời đại giới xã hội công nghiệp đại Cuối kỷ 19, nhà khoa học cho Trái Đất tồn hàng tỷ năm Nam tước Kelvin Trái Đất nóng chảy từ 20 đến 40 triệu năm để nguội đi, ngược lại với quan điểm giới địa chất học nhà sinh học theo trường phái Darwin cho Trái Đất hàng tỷ năm tuổi Điều khơng thể cuối chứng minh có thể, nhờ phát bà Curie cộng lực hạt nhân, cho thấy cách lõi Trái Đất trì trạng thái nóng chảy hàng tỷ năm nhờ hấp nhiệt từ phân rã phóng xạ Chúng ta tự đặt vào hiểm nguy phớt lờ điều bất khả Những năm 1920 1930, Robert Goddard, người phát minh tên lửa đại, trở thành đối tượng trích kịch liệt người nghĩ tên lửa di chuyển khơng gian ngồi vũ trụ Họ mỉa mai gọi theo đuổi ơng “trị ngốc Goddard” Năm 1921, biên tập viên Thời báo New York gần sỉ vả cơng trình ông: “Tiến sĩ Goddard mối liên hệ lực với phản lực cần thiết phải có thứ chắn chân khơng để phản lại tác động Có vẻ ơng thiếu kiến thức mà người ta giảng dạy ngày trường phổ thông.” Các biên tập viên nặng lời tên lửa khơng khả thi khơng có khơng khí để đẩy ngược lại mơi trường chân không Thật đáng buồn người hiểu ý tưởng Goddard tên lửa “bất khả thi” lại Adolf Hitler Trong Thế chiến II, hàng rào tên lửa tân tiến đến “bất khả” V-2 Đức gieo rắc nỗi chết chóc tàn phá xuống London Nghiên cứu điều bất khả làm thay đổi lịch sử giới Những năm 1930, hầu hết nhà khoa học, chí Einstein tin bom nguyên tử “bất khả.” Các nhà vật lý biết có lượng khổng lồ bị nhốt bên hạt nhân nguyên tử, theo phương trình Einstein E = mc2, lượng giải phóng từ hạt nhân riêng lẻ lại không đáng kể Tuy nhiên, nhà vật lý nguyên tử Leo Szilard nhớ tiểu thuyết The World Set free (Thế giới tự do) H G Wells xuất năm 1914 mà ông đọc, tác giả tiên đoán phát triển Nhờ vệ tinh WMAP, biết số vũ trụ dường khiến cho vũ trụ giãn nở gia tốc, khơng biết giãn nở có diễn mãi hay không Vấn đề thực đưa từ trước, Einstein đề xuất số vũ trụ lần vào năm 1916 Không lâu sau đề xuất thuyết tương đối rộng vào năm trước đó, ơng bắt đầu tính tốn hệ dành cho vũ trụ lý thuyết Hết sức ngạc nhiên, ơng nhận thấy vũ trụ trạng thái động, giãn nở co lại Nhưng ý tưởng dường mâu thuẫn với liệu thực nghiệm Khi ấy, Einstein đối mặt với nghịch lý Bentley, thứ khiến Newton phải trăn trở Trở lại năm 1692, đức giám mục Richard Bentley viết cho Newton thư, có câu hỏi hóc búa: Nếu lực hấp dẫn Newton mô tả lực hút vũ trụ khơng bị co sụp? Nếu vũ trụ bao gồm tập hợp hữu hạn ngơi hút lẫn chúng hẳn phải tiến đến gần vũ trụ cuối hẳn co lại thành cầu lửa! Lá thư khiến Newton phiền muộn sâu sắc, vết nứt nghiêm trọng lý thuyết hấp dẫn ông: lý thuyết coi hấp dẫn đóng vai trị lực hút khơng bền vững Một tập hợp hữu hạn bị co sụp tác dụng lực hấp dẫn Newton trả lời Bentley cách để tạo vũ trụ bền vững phải có số ngơi vơ hạn đồng đều, với bị kéo theo hướng, cho tất lực vừa đủ khử lẫn Đây câu trả lời khôn ngoan, Newton đủ thông minh để nhận bền vững giả tạo Giống nhà dựng lên từ bài, rung động nhỏ khiến toàn sụp đổ Đó trạng thái “giả cân bằng”, tức cân tạm thời nhiễu động dù nhỏ khiến trạng thái sụp đổ Newton kết luận tồn Chúa cần thiết để đặn hích nhẹ vào ngơi sao, cho vũ trụ khơng bị co sụp Nói cách khác, Newton coi vũ trụ đồng hồ khổng lồ, Chúa lên dây điểm khởi đầu thời gian tuân theo định luật Ngài Nó bắt đầu đếm nhịp tự động kể từ mà khơng cần thêm can thiệp siêu nhiên Tuy nhiên, theo Newton, đôi lúc Chúa phải tác động chút lên ngơi để vũ trụ không bị suy sụp thành cầu lửa Khi Einstein vấp phải nghịch lý Bentley vào năm 1916, phương trình ơng cho ơng biết xác vũ trụ trạng thái động — giãn nở co lại, vũ trụ tĩnh không bền vững sụp đổ tác dụng lực hấp dẫn Nhưng nhà thiên văn thời khẳng định vũ trụ tĩnh khơng thay đổi Vì vậy, động thái nhượng quan sát thiên văn, Einstein đưa thêm vào số vũ trụ — lực phản hấp dẫn giúp đẩy xa để cân với lực hút hấp dẫn khiến vũ trụ co lại (Lực phản hấp dẫn tương ứng với lượng chứa chân không Trong tranh này, chí khơng gian trống rỗng chứa lượng lớn lượng bất khả kiến) Hằng số phải chọn thật xác để khử lực hút hấp dẫn Sau này, Edwin Hubble chứng tỏ vào năm 1929 vũ trụ thực giãn nở, Einstein gọi số vũ trụ “sai lầm ngớ ngẩn nhất” Nhưng nay, 80 năm sau, “sai lầm ngớ ngẩn” Einstein, hay số vũ trụ, nhiều khả lại nguồn lượng lớn vũ trụ, đóng góp 73% thành phần vật chất — lượng vũ trụ (Ngược lại, nguyên tố bậc cao tạo thành thể chiếm 0,03% thành phần vũ trụ.) Sai lầm Einstein giúp xác định kết cục vũ trụ Nhưng số vũ trụ từ đâu đến? Hiện tại, chưa biết Ở điểm khởi đầu thời gian, lực phản hấp dẫn có lẽ đủ lớn để khiến vũ trụ lạm phát, từ tạo nên Vụ Nổ Lớn Sau đó, nhiên biến với lý chưa rõ ràng (Vũ trụ tiếp tục giãn nở giai đoạn với tốc độ chậm lại.) Rồi tới khoảng tám tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn, lực phản hấp dẫn lại trỗi dậy, khiến thiên hà bị đẩy xa vũ trụ gia tốc trở lại Vậy liệu việc xác định số phận cuối vũ trụ có phải “bất khả thi”? Có lẽ khơng Hầu hết nhà vật lý tin hiệu ứng lượng tử định độ lớn số vũ trụ Khi thực tính tốn với dạng ngun lý thuyết lượng tử, ta thu kết số vũ trụ vượt giá trị cần có 10120 lần Đây sai lệch lớn có lịch sử khoa học Nhưng nhà vật lý trí dị thường mang hàm ý đơn giản cần đến lý thuyết hấp dẫn lượng tử Vì số vũ trụ xuất qua hiệu chỉnh lượng tử, nên cần phải có lý thuyết vạn vật — lý thuyết cho phép tính tốn khơng cho Mơ hình Chuẩn mà cịn giá trị số vũ trụ, thứ giúp xác định kết cục vũ trụ Vì vậy, lý thuyết vạn vật cần thiết để xác định số phận kết cục vũ trụ Điều đáng tiếc số nhà vật lý tin việc đạt đến lý thuyết vạn vật bất khả thi LÝ THUYẾT CỦA VẠN VẬT CĨ THỰC SỰ TỒN TẠI? Như tơi nhắc đến chương 13, lý thuyết dây ứng cử viên hàng đầu cho “lý thuyết vạn vật”, có hồi nghi điều Một bên người giáo sư Max Tegmark MIT, cho rằng: “Tôi nghĩ tới năm 2056, bạn mua áo thun có in phương trình mơ tả định luật vật lý thống vũ trụ chúng ta.” Phía bên nhóm người trích đầy tâm cho trường phái dây chưa đưa kết cụ thể Một số nhận định dù có báo hay phim tài liệu ngợi ca lý thuyết dây chưa đưa dự đốn thực tế kiểm chứng Những nhà phê bình gọi lý thuyết khơng cả, lý thuyết vạn vật Cuộc tranh luận trở nên căng thẳng hết vào năm 2002, Stephen Hawking “đổi phe”, trích dẫn định lý bất tồn nói lý thuyết vạn vật có lẽ khơng khả thi mặt toán học Chẳng ngạc nhiên tranh luận lại gây chia rẽ giới vật lý đến vậy, mục tiêu q to tát, khơng muốn nói xa vời vợi Nhiệm vụ thống tất định luật tự nhiên không ngừng trêu cám dỗ nhà triết học vật lý suốt hàng thiên niên kỷ Chính Socrates nói: “Dường tơi, điều tối thượng nắm bắt cách giải thích cho tất cả, xuất hiện, tàn lụi, vậy.” Đề xuất nghiêm túc cho lý thuyết vạn vật xuất vào khoảng năm 500 TCN, trường phái Pythagore Hy Lạp ghi nhận giải mã định luật toán học âm nhạc Bằng cách phân tích nốt nhạc rung động dây đàn lia, họ cho thấy âm nhạc tuân theo quy luật toán học đơn giản Từ đó, họ suy đốn hịa âm dây đàn lia giải thích điều tự nhiên (Theo lẽ đó, lý thuyết dây làm sống lại giấc mơ trường phái Pythagore.) Trong kỷ nguyên đại, tượng đài vật lý kỷ 20 thử vận may với lý thuyết trường thống Nhưng, Freeman Dyson cảnh báo “Sân chơi vật lý vương vãi xương lý thuyết thống nhất.” Năm 1928, tờ Thời báo New York xuất dịng tít ấn tượng: “Einstein tiến gần tới khám phá vĩ đại nữa; cấm quấy rầy!” Câu chuyện tin khơi lên sốt truyền thơng mong muốn tìm kiếm tin tức lý thuyết vạn vật Những tít báo khác hun thun: “Einstein chống váng với tiến triển lý thuyết Đã từ chối 100 nhà báo tuần.” Hàng tá phóng viên vây quanh ngơi nhà ông Berlin, cầu nguyện không ngừng nghỉ, chờ đợi chộp hình nhà khoa học thiên tài để giật tít Einstein buộc phải trốn Nhà thiên văn Arthur Eddington viết cho Einstein: “Hẳn anh phấn khích biết trung tâm thương mại lớn London (Selfridges) dán nghiên cứu anh lên cửa sổ (sáu trang liền nhau) để người qua đọc Đám đông tụ tập vây quanh để đọc đấy.” (Năm 1923, Eddington đề xuất lý thuyết trường thống riêng Cơng trình khiến ơng lao tâm khổ tứ suốt phần đời cịn lại, vào năm 1944.) Năm 1946, Erwin Schrödinger, người khai sinh học lượng tử, tổ chức họp báo để công bố lý thuyết trường thống Thậm chí thủ tướng Eamon De Valera Ireland góp mặt Khi nhà báo hỏi ơng làm lý thuyết sai, Schrưdinger đáp: “Tơi tin Tơi gã ngớ ngẩn tơi sai.” (Schrưdinger bị bẽ mặt Einstein lịch lỗi sai lý thuyết ơng.) Người đưa trích gay gắt việc thống lý thuyết nhà vật lý Wolfgang Pauli Ông quở trách Einstein: “Cái mà Chúa tách khơng hàn gắn.” Ơng hạ thấp khơng thương tiếc lý thuyết nửa vời với câu châm biếm: “Nó chí cịn khơng sai.” Vì mỉa mai người phê bình cay nghiệt Pauli bị theo lũ Vào năm 1950, ơng đề xuất lý thuyết trường thống với Werner Heisenberg Năm 1958, Pauli trình bày lý thuyết thống Heisenberg-Pauli Đại học Columbia Niels Bohr tham dự không lấy làm ấn tượng với kết Bohr đứng dậy nói: “Chúng tơi ngồi tin lý thuyết anh điên rồ Nhưng điều mà chưa thống với lý thuyết đủ điên rồ hay chưa.” Những lời bình phẩm nhờ bùng nổ Bởi tất lý thuyết rõ ràng xem xét loại bỏ, nên lý thuyết trường thống thực phải vượt trội so với lý thuyết có từ trước Lý thuyết Heisenberg-Pauli tầm thường, đơn giản để trở thành lý thuyết thống vạn vật (Cùng năm đó, Pauli bị sốc mạnh Heisenberg bình luận sóng truyền có vài chi tiết kỹ thuật lý thuyết họ dùng Pauli gửi cho bạn bè thư vẽ hình chữ nhật để trống với đề tựa: “Đây giới mà tơ vẽ nên vị thần Chỉ thiếu chi tiết kỹ thuật đó.”) NHỮNG CHỈ TRÍCH ĐỐI VỚI LÝ THUYẾT DÂY Hiện nay, ứng cử viên hàng đầu (và nhất) cho lý thuyết vạn vật lý thuyết dây Nhưng làm dấy lên nhiều phản ứng trích dội Những người chống lại lý thuyết mỉa mai để có vị trí chắn trường đại học hàng đầu, ta phải làm việc với lý thuyết dây Nếu khơng, ta thất nghiệp Nó trào lưu thời khơng tốt cho vật lý Tôi thường bật cười nghe lời trích này, vật lý, giống trải nghiệm đời người, phụ thuộc vào trào lưu xu hướng Vận may lý thuyết vĩ đại, đặc biệt lý thuyết làm thay đổi triệt để hiểu biết nhân loại, tăng giảm giống gấu quần Trên thực tế, lý thuyết dây bị ruồng bỏ, bị cho lý thuyết loạn nạn nhân chủ nghĩa bè phái Lý thuyết dây khai sinh vào năm 1968, hai phó tiến sĩ trẻ tuổi Gabriel Veneziano Mahiko Suzuki vướng phải biểu thức dường mô tả va chạm hạt hạ nguyên tử Họ nhanh chóng khám phá biểu thức kỳ lạ rút từ va chạm sợi dây dao động Nhưng năm 1974, lý thuyết chết yểu đà phát triển Một lý thuyết có tên gọi sắc động lực học lượng tử (viết tắt QCD hay lý thuyết quark tương tác mạnh) đè bẹp tất lý thuyết khác Các nhà nghiên cứu vứt bỏ lý thuyết dây để chuyển sang làm việc với lý thuyết QCD Mọi nguồn đầu tư, công việc ghi nhận dành cho nhà vật lý làm việc với mơ hình quark Tơi cịn nhớ rõ năm tháng đen tối Chỉ kẻ liều lĩnh dại dột hay khăng khăng cố chấp tiếp tục làm việc với lý thuyết dây Và người ta biết dây dao động không gian 10 chiều, lý thuyết trở thành tâm điểm đùa cợt Nhà lý thuyết dây tiên phong John Schwarz Cal Tech đôi lần đâm sầm vào Richard Feynman thang máy Là tay pha trò tiếng, Feynman liền hỏi: “Kìa John, hơm anh chiều vậy?” Chúng thường đùa nơi tìm thấy nhà lý thuyết dây lằn ranh thất nghiệp (Nhà vật lý đạt giải Nobel Murray Gell-Mann, cha đẻ mô hình quark, tâm ơng thấy thương cho nhà lý thuyết dây tạo “một nơi ‘bảo tồn’ cho nhà lý thuyết dây gặp nguy hiểm” Cal Tech để người John có cơng ăn việc làm.) Khi thấy có nhiều nhà vật lý trẻ hăm hở lao vào lý thuyết dây, Steve Weinberg viết: “Lý thuyết dây mang lại cho nguồn ứng viên cho lý thuyết tối hậu Có lại nghĩ nhiều nhà lý thuyết trẻ tuổi thông minh lại không làm lĩnh vực chứ?” LÝ THUYẾT DÂY LÀ KHƠNG THỂ KIỂM CHỨNG? Một trích nhắm vào lý thuyết dây khơng thể kiểm chứng Những người trích phải cần đến cỗ máy gia tốc có kích thước thiên hà kiểm chứng lý thuyết Nhưng trích lại bỏ qua thực tế khoa học hầu hết thực gián tiếp trực tiếp Chưa đến Mặt Trời để thực phép đo trực tiếp biết tạo thành từ hiđrơ phân tích quang phổ Hoặc ta lấy hố đen làm ví dụ Lý thuyết hố đen đưa vào năm 1783, John Michell công bố nghiên cứu Kỷ yếu triết học Hội Hồng gia Ơng khẳng định ngơi nặng đến mức “tất ánh sáng phát từ thực thể bị lực hấp dẫn kéo ngược trở lại” Lý thuyết “ngôi tối” Michell trôi vào quên lãng suốt nhiều kỷ khơng thể kiểm chứng trực tiếp Năm 1939, chí Einstein cịn đưa nghiên cứu chứng minh tối khơng thể tự nhiên hình thành Theo ơng, ngơi tối khơng thể kiểm chứng theo định nghĩa, chúng bất khả kiến Nhưng nay, Kính thiên văn Khơng gian Hubble mang lại cho chứng tuyệt vời tồn hố đen Giờ tin có hàng tỷ hố đen lẩn khuất tâm thiên hà hàng chục hố đen lang thang tồn thiên hà Nhưng điểm mấu chốt chứng hố đen gián tiếp; thu thập thông tin hố đen cách phân tích đĩa vật chất bồi tích cuộn xốy quanh chúng Hơn nữa, nhiều lý thuyết “không thể kiểm chứng” rốt chứng thực Chúng ta cần đến 2.000 năm để chứng minh tồn nguyên tử kể từ chúng Democritus đề xuất lần Các nhà vật lý kỷ 19 Ludwig Boltzmann bị trích chết tin vào lý thuyết Nhưng nay, chụp ảnh rực rỡ sống động nguyên tử Năm 1930, Pauli giới thiệu khái niệm hạt neutrino — hạt khó nắm bắt xun qua khối chì đặc có kích thước hệ thống mà khơng bị hấp thụ Pauli nói: “Tơi phạm tội lỗi nặng nề đưa hạt mà không quan sát thấy.” Người ta cho “khơng thể” dị thấy neutrino nên xem yếu tố viễn tưởng suốt vài thập kỷ Nhưng nay, tạo chùm tia neutrino Thực tế, nhà vật lý hy vọng số thí nghiệm mang lại chứng gián tiếp cho lý thuyết dây: • Máy gia tốc lớn (LHC) có lẽ đủ mạnh để tạo “các hạt đồng hành” hay siêu hạt, mức dao động bậc cao lý thuyết siêu dây tiên đoán (cũng tiên đoán lý thuyết siêu đối xứng khác) • Nhiều phịng thí nghiệm nghiên cứu tồn chiều bậc cao cách tìm kiếm sai lệch từ định luật nghịch đảo bình phương khoảng cách trứ danh Newton thang milimét (Nếu chiều không gian thứ tư tồn tại, lực hấp dẫn giảm theo bậc ba khoảng cách, khơng phải bình phương.) Kiểu lý thuyết dây (còn gọi lý thuyết M) tiên đốn khơng gian có 11 chiều • Như đề cập, hệ thống quan trắc BBO đủ nhạy để kiểm chứng số lý thuyết “tiền Vụ Nổ Lớn”, có phiên lý thuyết dây • Nhiều phịng thí nghiệm nỗ lực tìm kiếm vật chất tối, Trái Đất di chuyển gió vũ trụ gồm vật chất tối Lý thuyết dây đưa tiên đốn cụ thể kiểm chứng tính chất vật lý vật chất tối, loại vật chất nhiều khả dao động bậc cao dây (ví dụ: hạt photino) • Các nhà khoa học hy vọng loạt thí nghiệm bổ sung (ví dụ: việc đo phân cực neutrino Nam Cực) dò thấy tồn hố đen mini thực thể khác cách phân tích dị thường chùm tia vũ trụ, có mức lượng vượt qua máy gia tốc LHC Các thí nghiệm đo đạc chùm tia vũ trụ LHC mở chân trời đầy hứng khởi vượt qua Mơ hình Chuẩn • Và số nhà vật lý đề khả Vụ Nổ Lớn mạnh có lẽ siêu dây nhỏ bé thổi bùng lên đến kích thước thiên văn Nhà vật lý Alexander Vilenkin Đại học Tufts viết: “Một khả thú vị siêu dây đó… có kích cỡ thiên văn… Khi quan sát dây bầu trời kiểm chứng trực tiếp lý thuyết siêu dây.” (Xác suất tìm thấy siêu dây khổng lồ cịn sót lại thổi phồng lên thời kỳ Vụ Nổ Lớn nhỏ.) VẬT LÝ ĐÃ HOÀN THIỆN HAY CHƯA? Năm 1980, Stephen Hawking khơi lên mối quan tâm đến lý thuyết vạn vật nhờ giảng có tiêu đề “Liệu kết thúc vật lý lý thuyết tầm ngắm?” Trong ơng nói: “Chúng ta tìm lý thuyết trọn vẹn quãng đời số người diện đây.” Ông nhận định với hội năm ăn năm thua lý thuyết tối hậu tìm thấy vòng 20 năm Nhưng năm 2000 đến khơng có trí lý thuyết vạn vật, ông thay đổi quan điểm đưa hội năm ăn năm thua cho việc tìm thấy lý thuyết vịng 20 năm tới Sau đó, vào năm 2002, Hawking lại thay đổi quan điểm lần tuyên bố định lý bất tồn Gưdel dẫn đến sai sót khơng thể tránh khỏi suy nghĩ ban đầu Ơng viết: “Một số người thất vọng khơng có lý thuyết tối hậu xây dựng nhờ vào số lượng hữu hạn ngun lý Tơi thường nghiêng khả đó, thay đổi suy nghĩ… Định lý Gưdel đảm bảo cho nhà tốn học ln có cơng ăn việc làm Tơi nghĩ lý thuyết M đóng vai trị tương tự nhà vật lý.” Lập luận ông điều mẻ: tốn học khơng tồn diện ngơn ngữ vật lý lại tốn học, nên ln có mệnh đề vật lý vĩnh viễn khơng thể chứng minh, lý thuyết vạn vật bất khả thi Vì định lý bất toàn giết chết giấc mơ từ thời Hy Lạp việc chứng minh tất mệnh đề tốn học, nên mang lý thuyết vạn vật khỏi tầm với Freeman Dyson tuyên bố hùng hồn điều này: “Gưdel chứng minh giới tốn học túy vơ vơ tận; khơng có tập hợp hữu hạn tiên đề quy tắc suy luận bao hàm tồn tốn học… Tôi nghĩ giới vật lý rơi vào tình cảnh tương tự Nếu nhận định tơi tương lai giới vật lý thiên văn học vô vô tận; có tiến vào tương lai bao xa nữa, ln có thứ diễn ra, thông tin xuất hiện, giới để khám phá; biên giới sống, ý thức ký ức liên tục mở rộng.” Nhà vật lý thiên văn John Barrow tổng kết suy luận sau: “Khoa học dựa toán học, tốn học lại khơng thể khám phá thật, khoa học khơng thể khám phá thật.” Lập luận sai, ẩn chứa nhiều thiếu sót Các giáo sư toán học bỏ qua định lý bất tồn nghiên cứu họ Đó định lý bất tồn bắt đầu cách phân tích mệnh đề liên hệ với chúng; tức chúng tự quy chiếu Chẳng hạn, mệnh đề sau nghịch lý: • Câu khơng • Tơi kẻ nói dối • Mệnh đề khơng thể chứng minh Trong câu đầu tiên, câu nói đúng, ngụ ý sai Nếu câu sai mệnh đề Tương tự câu thứ hai, tơi nói thật tơi người nói dối; tơi nói dối tơi lại nói thật Trong trường hợp cuối cùng, câu nói khơng thể chứng minh (Mệnh đề thứ hai nghịch lý nói dối tiếng Nhà triết học Epimenides đảo Crete minh họa nghịch lý cách nói: “Mọi người đảo Crete nói dối.” Tuy nhiên, Thánh Paul hồn tồn khơng hiểu ngụ ý câu nói nên viết thư gửi cho Titus: “Một nhà tiên tri Crete nói ‘Dân Crete tồn kẻ nói dối, cục súc háu ăn.’ Ơng ta chắn nói thật.”) Định lý bất toàn xây dựng dựa mệnh đề “câu chứng minh dựa tiên đề số học” tạo mạng lưới phức tạp nghịch lý tự thân Tuy nhiên, Hawking sử dụng định lý bất toàn để lý thuyết vạn vật tồn Ơng nhận định chìa khóa định lý bất tồn Gưdel nằm chỗ tốn học hệ thống tự quy chiếu vật lý phải chịu hạn chế Vì người quan sát khơng thể tách biệt khỏi trình quan sát nên vật lý ln quy chiếu tới mình, khơng thể rời khỏi vũ trụ Hơn nữa, thân người quan sát tạo thành từ nguyên tử phân tử, phần tích hợp thí nghiệm mà thực Nhưng có cách để lách khỏi phê bình Hawking Để tránh nghịch lý gắn với định lý Gưdel, giáo sư tốn học ngày cần khẳng định nghiên cứu họ loại trừ tất mệnh đề tự quy chiếu Khi đó, họ tránh định lý bất tồn Ở góc độ rộng hơn, tốn học kể từ thời Gưdel phát triển bùng nổ nhờ bỏ qua định lý bất tồn, cách địi hỏi cơng trình gần phải thực dựa mệnh đề không tự quy chiếu Tương tự, có khả xây dựng lý thuyết vạn vật giúp giải thích thí nghiệm biết mà khơng phụ thuộc vào tính lưỡng phân, “người quan sát người quan sát” Nếu lý thuyết vạn vật giải thích thứ từ nguồn gốc Vụ Nổ Lớn đến vũ trụ khả kiến mà nhìn thấy quanh mình, cách thức mà mô tả tương tác người quan sát quan sát trở nên hàn lâm Thực tế, tiêu chuẩn lý thuyết vạn vật kết luận mà thu hồn tồn khơng phụ thuộc vào cách tách biệt người quan sát quan sát Hơn nữa, tự nhiên có lẽ vơ vơ tận, chí dựa số ngun lý Hãy thử xem xét trị đánh cờ Bạn yêu cầu người hành tinh thử đoán luật chơi cách xem ván cờ diễn Một lát sau, người hành tinh quy luật di chuyển tốt, tượng vua Các quy tắc trò chơi hữu hạn đơn giản Nhưng số cách chơi nhiều khủng khiếp Tương tự vậy, quy luật tự nhiên có lẽ hữu hạn đơn giản, số ứng dụng chúng vơ hạn Mục đích tìm kiếm quy luật vật lý Ở mặt đó, có lý thuyết hoàn chỉnh cho nhiều tượng Chưa phát sai lệch phương trình Maxwell dành cho ánh sáng Mơ hình Chuẩn thường gọi “lý thuyết hầu hết thứ” Giả sử vào thời điểm đó, tắt tác dụng lực hấp dẫn, Mơ hình Chuẩn trở thành lý thuyết hoàn hảo tất tượng lực hấp dẫn Lý thuyết trơng xấu xí, hoạt động Thậm chí với diện định lý bất tồn, có lý thuyết vô hợp lý cho thứ (ngoại trừ lực hấp dẫn) Đối với tôi, điều thực gây kinh ngạc mặt giấy, viết định luật chi phối tượng vật lý biết, trải rộng đến 43 bậc độ lớn, từ nơi xa xôi vũ trụ cách 10 tỷ năm ánh sáng đến giới vi mô quark neutrino Trên tờ giấy có hai phương trình: phương trình lý thuyết hấp dẫn Einstein Mơ hình Chuẩn Đối với tôi, biểu đơn giản hài hòa tối thượng tự nhiên mức độ Vũ trụ ngẫu nhiên, ương ngạnh hay thất thường Nhưng trước khối toàn thể, gắn kết đẹp đẽ Nhà vật lý đạt giải Nobel Steve Weinberg so sánh cơng tìm kiếm lý thuyết vạn vật với việc tìm kiếm Cực Bắc Trái Đất Suốt nhiều kỷ, thủy thủ thời xưa làm việc với đồ khơng có Cực Bắc Mọi kim la bàn hải đồ đến mảnh thiếu đồ, chưa thực đến Tương tự, tất liệu lý thuyết hướng đến lý thuyết vạn vật Nó mảnh cịn thiếu phương trình Ln có thứ nằm ngồi tầm với chúng ta, thứ khơng thể khám phá (như vị trí xác electron phần giới nằm xa nơi mà ánh sáng tới được) Nhưng tơi tin rằng, định luật hiểu hữu hạn Và năm tới thời kỳ nhiều xáo trộn vật lý, khám phá vũ trụ với hệ máy gia tốc hạt mới, máy dị sóng hấp dẫn đặt ngồi khơng gian công nghệ tân tiến khác Chúng ta không vào giai đoạn kết thúc mà giai đoạn khởi đầu vật lý Nhưng với thứ tìm thấy nữa, ln có chân trời chờ đợi phía trước [1] Flash Gordon series phim truyền hình khoa học viễn tưởng gồm 13 tập, công chiếu lần vào năm 1936 Phim nói phiêu lưu nhân vật truyện tranh tên, thăm thú hành tinh Mongo đụng độ hoàng đế Ming Tàn bạo [2] Đọc chương 5: Ngoại cảm, để tìm hiểu rõ Đế quốc Thiên [3] Điển tích TRÁO THÂN Kinh thánh hà [4] Spin đại lượng vật lý, có chất mơmen động lượng khái niệm túy lượng tử, khơng có khái niệm tương ứng học cổ điển [5] Ý nơi có cơng nghiệp suy thối [6] Cận tâm lý ngành khoa học nghiên cứu tượng dị thường, bất thường liên quan đến kinh nghiệm người Những kinh nghiệm gọi tâm linh [7] Muammar Gaddafi lãnh đạo thực tế Libya từ đảo lật đổ vua Libya năm 1969 đến ơng bị lật đổ vào năm 2011 [8] số liệu cập nhật ngày 26/10/2018 NASA [9] Darwin dự kiến phóng lên quỹ đạo vào năm 2013 khơng lâu sau đó, dự án kết thúc vào năm 2007 khơng có kế hoạch hoạt động (BTV) [10] Cách gọi vị trí giáo sư Tốn học Đại học Cambridge [11] Một từ lóng người Mỹ [12] Cuộc giao tranh lớn Chiến tranh Anh-Tây Ban Nha (1585-1604) Phần thắng thuộc Vương quốc Anh [13] Ý Elvis Presley (1935-1977), người mệnh danh ơng hồng nhạc rock & roll [14] Al Gore phó tổng thống Mỹ giai đoạn 1993-2001 thời tổng thống Bill Clinton Gore ứng cử viên Đảng Dân chủ cho chức Tổng thống kỳ tổng tuyển cử năm 2000 Table of Contents NHỮNG LỜI NGỢI KHEN LỜI NÓI ĐẦU LỜI CẢM ƠN PHẦN BẤT KHẢ THI LOẠI I 1: TRƯỜNG LỰC 2: TÀNG HÌNH 3: SÚNG PHASER VÀ NGƠI SAO TỬ THẦN 4: VIỄN TẢI 5: NGOẠI CẢM 6: VIỄN DI 7: ROBOT 8: SINH VẬT NGOÀI TRÁI ĐẤT VÀ UFO 9: TÀU LIÊN SAO 10: PHẢN VẬT CHẤT VÀ VŨ TRỤ PHẢN VẬT CHẤT PHẦN BẤT KHẢ THI LOẠI II 11: NHANH HƠN ÁNH SÁNG 12: DU HÀNH THỜI GIAN 13: VŨ TRỤ SONG SONG PHẦN BẤT KHẢ THI LOẠI III 14: ĐỘNG CƠ VĨNH CỬU 15: LINH CẢM PHẦN KẾT TƯƠNG LAI CỦA NHỮNG ĐIỀU TƯỞNG CHỪNG BẤT KHẢ