Lưới Trời Ai Dệt? — Tiểu luận về khoa học và triết học

Dirac và đối vật chất

Dường như ngành cơ học lượng tử chưa đủ khó hiểu, năm 1928, con người lại phát hiện ra một điều lạ lùng.

Nhà vật lý người Anh, Paul Dirac sớm tiếp thu hai phát hiện mới của thế kỷ, đó là nền vật lý tương đối và cơ học lượng tử. Chỉ trong vòng ba mươi năm, kể từ ngày Max Planck đề ra ý niệm lượng tử vào năm 1900, nền vật lý hiện đại đã phát hiện quá nhiều điều mới mẻ và khó hiểu, nó lật đổ toàn bộ nền tảng của tư duy cũ. Con người hầu như choáng ngợp trước vô số những kết quả thực nghiệm, những phát hiện trong thực tế, những lý thuyết mới và cả những phép diễn giải khác nhau về cùng một lý thuyết trên mặt khoa học và triết học.

Trong thế kỷ hai mươi, các nhà vật lý không còn thống nhất với nhau nữa khi nhận thức về thế giới và tự tính của vật chất. Đó là một điều hoàn toàn mới so với các thế kỷ trước. Con người đã đi vào những lĩnh vực nằm xa đời sống bình thường. Hoặc là chúng thuộc về lĩnh vực vĩ mô với vận tốc và năng lượng cực lớn, hoặc là lĩnh vực vi mô với kích thước thật bé nhỏ. Cả hai phía đều đem đến những kết luận mà tư duy con người – vốn bị trói buộc trong lĩnh vực của đời sống hàng ngày – không thể đạt đến nổi chỉ tính sắc bén của toán học cộng với những kết quả thực nghiệm không thể chối cãi mới buộc con người phải tin những lý thuyết đó là đúng. Thế nhưng trong thế kỷ hai mươi xuất hiện một khái niệm mới, đó là ta “diễn giải” thế nào về một lý thuyết, về một hiện tượng, về một công thức… khi chúng nói về những điều mà đầu óc thông thường của ta không quan niệm được. Bởi vậy trong thế kỷ hai mươi, nền vật lý đi tới tình trạng “phân kỳ” khi ta suy tư về “ý nghĩa” của mọi sự.

Mặc dù con người bị phân kỳ trong việc đi tìm ý nghĩa triết học của các phát hiện vật lý, một khả năng và cơ hội khác lại hiện ra làm nức lòng các nhà vật lý. Đó là khả năng thống nhất của ngành vật lý trong thời đại mới. Trong một chương trước ta đã nói, nền vật lý Newton, cho thấy nền vật lý cổ điển có thể được suy ra từ vật lý tương đối, khi vận tốc của vật thể nhỏ hơn so với vận tốc ánh sáng.

Ngành cơ học lượng tử cũng có sức thống nhất cao độ. Nó chứng minh nền cơ học thông thường trong phạm vi hàng ngày cũng có thể suy ra được từ cơ học lượng tử khi mối liên hệ bất định theo ý nghĩa của Heisenberg tại nơi đó quá nhỏ, không đáng kể.

Thế nhưng giữa vật lý tương đối và cơ học lượng tử chưa được thiết lập mối quan hệ nào cả. Và đó là đối tượng nghiên cứu của Dirac vào năm 1928. Ông tìm ra được cách “ghép” chúng lại với nhau, nhưng quan trọng hơn, ông phát hiện ra – về mặt lý thuyết – một dạng vật chất được gọi là đối vật chất.

Xuất phát từ Thuyết tương đối đặc biệt, Dirac xem khối lượng là một dạng của năng lượng, ông phát biểu lại phương trình của năng lượng và nêu lại phương trình sóng của hạt electron. Khi giải phương trình sóng này Dirac gặp hai lời giải, trong đó một lời giải cho thấy năng lượng là một số dương và trong đáp án kia, năng lượng là một số âm. Giải pháp thứ hai không thể chấp nhận được vì năng lượng không thể âm. Hãy tưởng tượng diện tích một hình vuông là 4m2, mỗi cạnh hình vuông là bao nhiêu. Về mặt toán học ta có hai lời giải, đó là mỗi cạnh hình vuông là 2m và -2m. Về mặt vật lý chỉ có lời giải thứ nhất là chấp nhận được vì trong giải pháp thức hai, cạnh hình vuông là một số âm. Đó là điều “vô lý”.

Dirac chạm trán với sự “vô lý” này với năng lượng âm của ông và chần chừ suốt một năm mới công bố đề nghị của mình. Ông cho rằng toán học đã cho giải pháp thì thực tế cũng phải như thế. Ông công bố công trình chứa một thứ năng lượng âm và điều đó dẫn tới khái niệm của một hạt electron “ngược”. Đó là một hạt có khối lượng và tính chất giống như electron nhưng mang điện tích dương mà ông gọi là “đối electron”. Dĩ nhiên tất cả những gì đã nêu đều xuất phát từ lý thuyết, không có thực nghiệm nào chứng minh.

Kỳ lạ thay, năm 1932 một nhà khoa học tên là David Anderson phát hiện ra hạt “đối electron” thực. Ông phát hiện ra hạt này từ các tia bức xạ trong thiên nhiên. Hạt này đúng như tiên đoán của Dirac, có khối lượng và tính chất như electron, mang điện tích dương. Anderson đặt tên cho nó là positron. Năm 1933 Dirac lãnh giải Nobel vật lý nhờ phương trình của mình, còn Anderson cũng lãnh giải đó nhờ công trình phát hiện bằng thực nghiệm. Dirac còn đi xa hơn, ông quả quyết mỗi hạt trong nhân như pronton và neutron đều có đối hạt của chúng. Quả nhiên, năm 1955 và 1956 người ta lần lượt phát hiện đối hạt của proton và neutron.

Vấn đề kế tiếp là khi những đối hạt của proton và neutron gặp nhau, liệu chúng có thể kết hợp trở thành một hạt nhân, tức là một hạt nhân đối ngược với hạt nhân nguyên tử thông thường hay không. Năm 1965 hai nhóm nghiên cứu độc lập, một tại Thụy Sĩ, một tại Mỹ, thực hiện được công trình đó. Và gần đây, năm 1995, người ta đã thực hiện được một công trình ly kỳ, tạo ra một nguyên tử đối vật chất bằng cách ghép positron với hạt nhân đối vật chất.

Thế nên, về mặt nguyên tắc mỗi nguyên tử đều có một nguyên tử đối nghịch. Nhưng chúng nằm ở đâu?

Người ta không biết nhiều về lĩnh vực đối vật chất. Đến nay người ta chỉ biết rõ khi vật chất và đối vật chất gặp nhau, chúng hủy hoại lẫn nhau và biến thành năng lượng. Vậy, ta có thể nói, cả hai dạng đều do năng lượng tạo thành. Thế nhưng liệu chúng thật giống nhau hay không, người ta chưa biết rõ. Thực tế là không đâu có sẵn đối vật chất để mà nghiên cứu và thực hiện những thí nghiệm, chúng chỉ xuất hiện hết sức ngắn ngủi trong những thử nghiệm hiếm hoi. Trong thời gian gần đây, với các thiết bị gia tốc khổng lồ người ta đã có thể phân hủy quang tử photon thành hai hạt electron và posotron, tức là có thể “chế tạo” hạt đối vật chất được. Thế nhưng vận tốc của chúng rất lớn, con người cần nhiều kỹ thuật cao cấp mới “tóm” được chúng cũng như giảm thiểu vận tốc của chúng lại. Vấn đề lớn nhất là hầu như ta không thể cất chứa các hạt đối vật chất được vì lẽ, khi chúng tiếp xúc với vật chất thông thường thì sẽ phát nổ. Hai loại hạt đó gặp nhau là liền tiêu diệt lẫn nhau để sinh ra năng lượng.

Nhiều người cho rằng, vật chất và đối vật chất đều xuất hiện cùng lúc và cùng có số lượng trong vụ nổ ban đầu (Big Bang), chúng đều là dạng xuất hiện có “giá trị tương đương” của năng lượng. Thế nhưng trong vũ trụ của chúng ta chỉ có vật chất, còn đối vật chất chỉ xuất hiện khi ta khổ công tìm kiếm nó. Phải chăng đối vật chất đã hình thành một vũ trụ khác, song hành với vũ trụ chúng ta. Phải chăng mỗi một nguyên tử, mỗi một vật thể, mỗi một con người cá thể… đều có dạng đối vật chất trong vũ trụ song hành đó?

Lĩnh vực nói trên là vô cùng hấp dẫn cho các câu chuyện khoa học giả tưởng và quả thực đã có nhiều tiểu thuyết và phim ảnh được xây dựng tên đề tài này. Trong ngành vật lý của các nhà khoa học đạo mạo, người ta không ưa nghe những chuyện hoang đường thiếu căn cứ. Thế nhưng các hạt đối vật chất rất được các nhà vật lý coi trọng vì một lẽ đơn giản: nó đóng một vai trò then chốt trong việc tìm hiểu sự hoạt động và chuyển hóa của các hạt cơ bản, các hạt nằm trong lòng nguyên tử, trong lĩnh vực “hạ nguyên tử”. Trong lĩnh vực đó, các đối hạt có những vai trò và tác động hẳn hoi mà chúng ta sắp nói đến trong những chương sau. Đó là lĩnh vực vi mô. Liệu các cơ cấu vĩ mô của các đối hạt – nói chung là các cơ cấu đối vật chất – sẽ được phát hiện và đóng một vai trò trong thực tại vật lý thông thường của con người hay không, hiện nay chúng ta chưa thể trả lời.

Công trình ban đầu của Dirac đã dẫn tới những phát hiện lạ lùng mà thiên tài và sự liều lĩnh của ông là dám cho rằng thiên nhiên tuân thủ những lời giải lý thuyết của toán học. Nơi đây, một câu hỏi cũ của chúng ta lại được đặt lại, tại sao thiên nhiên lại chịu tuân thủ những kết luận lý thuyết, sản phẩm của đầu óc con người?

Những “hạt cơ bản” của vật chất

Năm 1911, Rutherford đã khám phá ra nguyên tử không hề là những hạt cuối cùng của vật chất mà chỉ là một khoảng không trống rỗng gồm có một hạt nhân tí hon và một số electron vận hành xung quanh hạt nhân với một khoảng cách rất lớn. Qua đó, người ta thấy rằng bản thân nguyên tử cũng có một cơ cấu và cơ cấu đó tương tự như hệ thống các hành tinh quay xung quanh mặt trời. Cho nên nguyên tử là một hệ thống gồm những hạt nhỏ hơn tạo thành; và lĩnh vực của những hạt nhỏ đó được gọi là “hạ nguyên tử”. Trong cơ cấu hạ nguyên tử mới đầu người ta chỉ biết rõ có một thứ hạt mang tên electron với các tính chất của nó. Thế thì hạt nhân nguyên tử là một khối cứng chắc hay bản thân nó cũng gồm nhiều hạt nhỏ?

Năm 1919, Rutherford lại phát hiện trong nhân nguyên tử có các hạt mang điện tích dương nhằm trung hòa với diện tích âm của các electron mà ông gọi là proton. Năm 1921 hai nhà khoa học Chadwick và Bieler quả quyết trong nhân phải có một thứ lực rất mạnh để giữ proton lại với nhau vì proton đều có điện tích dương, lẽ ra chúng phải đẩy lẫn nhau, không thể nằm gần nhau. Thứ lực đó về sau sẽ được phát hiện là lực hạt nhân mà hiệu quả của nó sớm được các nhà chính trị sử dụng. Năm 1932 Chadwick phát hiện trong nhân có một loại hạt nữa mang tên là neutron, hạt này không mang điện tích.

Như thế khoảng năm 1932, người ta đã biết đến ba hạt: electron, proton và neutron của cơ cấu nguyên tử. Ngoài ra người ta đã biết thêm một thứ hạt thứ tư nữa, đó là hạt quang tử photon.

Khoảng từ những năm 1930 người ta bắt đầu khám phá rất nhiều hạt hạ nguyên tử khác trong khi phát hiện tính chất phóng xạ của nguyên tử. Người ta thấy rằng có nhiều hạt, nhất là các hạt không mang điện tích như hạt neotron tự phân hủy để sinh ra các hạt khác có mang điện tích với điều kiện là tổng số điện tích phải trung hòa như hạt nguyên thủy. Trong quá trình tự phân hủy đó chúng còn sinh ra những hạt khác nữa có điện tích trung hòa mà người ta gọi là neutrino. Ngoài ra có nhiều trường hợp các hạt bị “vỡ” ra không phải do sự tự phân hủy mà do các thí nghiệm trong đó các hạt va chạm nhau dữ dội, với vận tốc và năng lượng cao.

Song song người ta còn phát hiện những hạt được sinh ra do sự hoán chuyển giữa các hạt khác. Chính sự hoán chuyển đó tạo nên các lực liên kết trong nội bộ hạt nhân nguyên tử.

Trong thiên nhiên, trên các vùng núi cao người ta cũng phát hiện nhiều loại hạt đặc biệt. Trong các tia vũ trụ các nhà khoa học cũng tìm thấy nhiều loại hạt, dường như chúng xuất phát từ những phản ứng trong các hệ hành tinh xa xôi.

Sau đây là tiến trình phát hiện các hạt cơ bản từ cuối thế kỷ trước đến khoảng 1995.

Sau khoảng 30 năm hào hứng phát hiện liên tục các hạt cơ bản từ 1930 đến 1960, người ta đứng trước một loạt những loại hạt khác nhau với tính chất khác nhau. Kể từ đó, người ta bắt đầu tìm cách phân loại và xếp đặt chúng trong một hệ thống, tương tự như bảng phân loại tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Con số các hạt “cơ bản” được phát hiện lên tới hàng trăm, mức độ mà người ta không thể xem là “cơ bản” nữa, chúng không thể là những hạt nguyên thủy tạo nên thế giới vật chất nữa. Liệu bản thân chúng cũng do một số các hạt “cơ bản hơn” cấu tạo thành, phải chăng có một mô hình nào đó biểu diễn được cấu trúc của chúng?

Năm 1964 nhà vật lý Gell-Mann đề nghị khái niệm quark, một loại hạt nhỏ hơn nữa để xây dựng các hạt cơ bản đã được biết. Ông sử dụng ba hạt quark với ba “mùi vị” khác nhau mà ông gọi là “up”(u), “down”(d) và “strange”(s) và ba đối hạt của chúng.

Với mô hình quark thì một proton được xem là do hai hạt quark “up” và một hạt quark “down” tạo nên. Hạt Pion (p+) sẽ do một hạt quark “up” và một đối hạt của quark “down” hợp thành. Tổng quát hơn, các hạt nặng baryon do ba hạt quark hình thành, trong lúc các hạt trung bình meson do một quark và một hạt đối hạt của quark tạo nên. Các hạt quark cho phép lý giải rất thỏa đáng những tính chất của các hạt, thậm chí mô hình này cũng cho phép tiên đoán cả sự hiện diện của một số hạt mà sau này người ta phát hiện được, thế nhưng không ai tìm được hạt quark riêng lẻ nào cả. Điều chắc chắn là thực nghiệm cho thấy proton có một cấu trúc bên trong và người ta đoán nó phải là những hạt quark và cho chúng một cái tên là các hạt quark “bị giam giữ”.

Lần lượt trong các năm 1975, 1977 và 1995 người ta phát hiện các hạt quark thứ tư, thứ năm và thứ sáu mà tên của chúng là charm (c), bottom (b) và top (t). Hiện nay người ta vẫn chưa biết, liệu cá hạt quark “có thật” hay chúng chỉ là một giả định toán học.

Song song với hạt hạt quark – vốn là các hạt xây dựng hạt nhân nguyên tử – là các hạt lepton, đó là các hạt nhẹ, ngang tầm với electron. Điều đáng ngạc nhiên nhất là nếu ta có 6 hạt quark thì ta cũng chỉ có 6 hạt lepton mà một trong 6 hạt lepton đó là electron. Ngày nay ngành vật lý hạt có tổng cộng 12 hạt cơ bản, đó là 6 hạt quark và 6 hạt lepton cùng với các đối hạt của chúng. Những hạt cơ bản này là chất liệu xây dựng toàn bộ hạt nhân, nguyên tử, tức là toàn bộ vật chất. Những hạt này được chia làm ba hạng nhẹ (I), vừa (II) và nặng (III).

Đây là mô hình cơ bản của hạt đến cuối thế kỷ thứ 20 và là mô hình cho phép lý giải thoả đáng rất nhiều hiện tượng hạ nguyên tử. Thật là lạ lùng khi nhìn các hạt cơ bản nói trên, những hạt được xem là nền tảng của thế giới vật chất, của thiên nhiên. Dường như chúng mang một tính đối xứng, dấu ấn của đầu óc suy tư lý luận của con người. Thế nhưng đó là mô hình mới nhất của vật lý, được phần lớn các nhà khoa học thừa nhận. Hiện nay mô hình này được sử dụng chung trong cộng đồng, nó là nền tảng của một ngành vật lý rất phức tạp mang tên là “hạt cơ bản”. Mặc dù tự tính của hạt quark rất khó hiểu, thế nhưng mô hình này cho phép lý giải và phân loại một cách đầy thuyết phục các hiện tượng hạ nguyên tử. Đây là một sự đồng thuận hiếm hoi của ngành vật lý hiện đại.

Trong chương này, các hạt vật chất vi tế nhất, cơ bản nhất đã được phát hiện và trình bày bằng hai biểu đồ đầu tiên. Theo quan điểm của các nhà vật lý, đó là những viên gạch lớn bé xây nên tòa lâu đài vật chất của vũ trụ. Vì số lượng các viên gạch đó quá lớn, người ta đi tìm mô hình của cấu trúc nội tại của chúng và đến với một tập hợp gồm 12 hạt nhỏ hơn. Dù chưa cô lập riêng được từng hạt của 12 hạt đó, nhưng hiện nay người ta vẫn xem chúng là có thực và là cấp bậc cuối cùng của vật chất. Tại mức độ bí nhiệm này dĩ nhiên người ta không còn “thấy” được các hạt. Phương pháp tư duy ở đây là, nêu giả định về cấu trúc nội tại của vật chất và trên cơ sở đó mà tiên đoán các hiện tượng vật lý. Và khi thực nghiệm cho thấy các tiên đoán đó là đúng thì giả định về cấu trúc của vật chất là đúng.

Bất chấp tính chất hoàn toàn trừu tượng của phép tư duy này, nền vật lý hạt vẫn có những thành công bất ngờ, nhất là nó thống nhất và lý giải những hiện tượng tưởng chừng không liên quan gì đến cấu trúc nội tại của vật chất, kể cả các hiện tượng thuộc thế giới vĩ mô.

Lực là các hạt đang “tương tác”

Trong nền vật lý cổ điển Newton, người ta cho “lực” trọng trường là một tác động từ xa và tức thời mà nguồn gốc của nó nằm trong tay Thượng đế. Trong thời kỳ đó của thế kỷ thứ 17, nhiều người đã nêu nghi vấn, làm sao có một thứ lực tác động “cách không”, làm sao không tiếp xúc với nhau và tương tác lên nhau được.

Cuối thế kỷ thứ 19, với trường điện từ của Faraday, Maxwell, người ta đến với khái niệm chung về trường. Các nhà vật lý nhận rằng trường là một thực tại vật lý độc lập và phát sóng tỏa khắp không gian. Trong các thứ trường đó, các vật bị tác động trực tiếp, được thay thế. Quan trọng nhất là, trường không phải là sản phẩm của hai vật thể đang hút hay đẩy lẫn nhau mà chính nó là một thực tại riêng. Trường tồn tại xung quanh một vật thể, thậm chí có quan niệm cho rằng vật thể chỉ là điểm cô đọng nhất của trường.

Với thuyết tương đối tổng quát của Einstein, lực trọng trường bỗng nhiên được lý giải một cách hoàn toàn mới. Trong thuyết này, không gian mất tính tuyệt đối, dạng hình của nó bị vật thể quyết định. Khối lượng của một vật thể làm không gian xung quanh nó cong lại và làm thay đỗi quĩ đạo của một vật thể khác đang vận hành gần đó. “Trọng trường” trở thành một thực tại vật lý, hệ quả của nó là “ép” vật thể đang vận hành gần đó theo một đường con đường về trung tâm trường, một điều mà xưa nay ta quan niệm là vật thể hút lẫn nhau.

Với sự phát triển của cơ học lượng tử, người ta sớm nhìn trường – trọng trường hay điện từ trường – dưới một ánh sáng mới. Điện từ trường là một thực tại vật lý có tính chất sóng. Thế nhưng, theo nguyên lý lượng tử, mỗi hiện tượng sóng đều được xem là tương đương với một hiện tượng hạt. Thế thì trường điện từ có những hạt gì? Đó là câu hỏi đầu tiên.

Người đi xa hơn một bước và suy ra rằng, mỗi lực đẩy hay hút đều được quan niệm là mỗi trường phát sóng, thế thì các lực đó cũng phải do “hạt đang trao đổi” mà thành. Einstein cho rằng trọng trường phải là một thực thể có dạng sóng. Thế thì liệu trọng trường có “hạt” chăng? Trong hạt nhân nguyên tử có proton cả neutron, thế thì lực gì giữ chúng lại với nhau, liệu lực đó cũng có hạt chăng. Tổng cộng có bao nhiêu loại lực trong thiên nhiên, liệu tất cả các lực đều có hạt cả không và các hạt đó có gì giống nhau, có gì khác nhau với 12 hạt trong thế giới hạ nguyên tử mà ta nói đến trong chương trước?

Tất cả những loại vấn đề này được nêu trong những lý thuyết của ngành “trường lượng tử”, một ngành vật lý hết sức thú vị mà hướng phát triển của nó còn hết sức mạnh mẽ và chứa vô số bất ngờ. Nếu giải quyết được hết những câu hỏi này, người ta hy vọng tiến đến một sự đại thống nhất giữa lý thuyết tương đối và cơ học lượng tử, sẽ viết nên được công thức cuối cùng của vũ trụ. Liệu con người có bao giờ đạt được mục đích đó chăng? Thiên tài của thế kỷ hai mươi, Einstein, dành gần 30 năm cuối đời mình để nghiên cứu các luận đề này nhưng cũng không đạt được kết quả nào đáng kể.

Khi nghiên cứu các loại lực trong vũ trụ, từ vũ trụ cực đại đến cực tiểu, vật lý hiện đại phát hiện một điều giản đơn. Đó là tất cả các loại lực đó dường như có một cơ chế chung: tất cả đều là hệ quả của sự tương tác của các hạt cực nhỏ. Các hạt vi mô mà ta sắp nói đến cũng tương tự như các hạt trong thế giới hạ nguyên tử và bản thân chúng cũng tác động lên các hạt hạ nguyên tử đó.

Như ta đã biết, ngày nay ta có mô hình chuẩn với 12 hạt hạ nguyên tử. Chúng được chia thành hai loại: quark và lepton, mỗi loại 6 hạt. Nếu dựa trên sức nặng của chúng thì ta chia chúng làm 3 loại I, II và III, mỗi loại có 2 hạt quark và 2 hạt lepton. Tất cả 12 hạt đó được gọi là các hạt hợp thành nguyên tử của vật chất, chúng được gọi chung là fermion. Nền vật lý hạt cơ bản ngày nay phát hiện, ngoài 12 hạt fermion, còn một số hạt khác nữa. Các hạt này đóng vai trò “tương tác” trong các hiện tượng vật lý mà một trong những hệ quả của sự tương tác đó là sinh ra lực. Tất cả các hạt đóng vai trò tương tác được gọi là boson. Hiện nay người ta phát hiện được 6 hạt boson.

Điều thú vị nhất trong sự phát hiện này là khi nghiên cứu các hạt tương tác, người ta không những lý giải được các hiện tượng vật lý khác như sự bức xạ, sự nhiễu xạ…, nhất là sự chuyển hóa lẫn nhau giữa các hạt, tức là tính chất của bản thân các hạt fermion và boson, tự tính của vật chất và của cả chân không. Nơi đây người ta đụng đến cánh cửa cuối cùng của vật chất, của chân không, của cái đầy và cái không, của cái hiện hữu và phi hiện hữu.

Sáu hạt boson gồm có: hạt quang tử photon, hạt gluon, ba hạt W+, W-, Z0 và hạt cuối cùng là graviton. Các hạt đó tác động trong bốn loại tương tác: tương tác trọng trường, tương tác yếu, tương tác điện từ và tương tác mạnh.

Trong toàn bộ vũ trụ cực đại và cực tiểu, ta chỉ có bốn loại tương tác nêu trên. Đối với con người thì tương tác trọng trường là quen thuộc nhất. Ai cũng cảm thấy sức nặng của một vật khi cầm trên tay. Tương tác điện từ thì tưởng chừng như ít quen thuộc hơn, thế nhưng nó chính là nguyên nhân làm mọi vật chất có tính cứng nhắc. Nếu không có lực điện từ thì sàn nhà của chúng ta chỉ là một khoảng không vô tận và tất cả mọi người sẽ bị lực trọng trường kéo xuống mặt đất cả. Tương tác yếu thì xa lạ với hiện tượng bức xạ. Còn tương tác mạnh thì thật ra con người không thể cảm nhận được, nó chỉ xảy ra trong hạt nhân nguyên tử và trong một phạm vi hết sức nhỏ. Thế nhưng nó chính là nguyên nhân giữ vật chất tồn tại và một khi con người phóng thích được sức mạnh của nó thì không có lực nào có thể so sánh được với mức độ của lực này.

Tại sao “lực trọng trường” bây giờ được gọi là tương tác trọng trường? Thế nào là sự tương tác? Nhà vật lý hạt cơ bản quan niệm mọi sự vận hành là do các hạt tác động lên nhau và sự tác động đó không hề trừu tượng mà phải có những hạt “đi lại” với nhau. Những hạt đó chính là boson, chúng dường như đóng vai trò “sứ giả” giữa các hạt fermion (quark và lepton). Chúng tác động lên fermion và giữa bản thân chúng cũng có tác động lẫn nhau. Từ đó mà sinh ra lực cũng như các hiện tượng vật lý khác. Hãy tìm hiểu sơ lược về bốn loại tương tác. Tương tác điện từ có một nguyên lý duy nhất: một hạt có điện tích (thí dụ một electron, một lepton, một quark…) tại một lúc nhất định tự phóng thích hay hấp thụ một quang tử photon và đổi hướng vận động. Quang tử photon chính là “sứ giả” của hạt nói trên. Chính quang tử này giải thích tại sao khi hai hạt electron tiến gần nhau lại bị đẩy đi. Thông thường ta cho là có một “lực đẩy” giữa hai electron. Nhưng trong vật lý hạt, chính quang tử photon l2 sứ giả trao đổi làm hai electron đối hướng.

Hạt electron phía trên phóng thích một quang tử và quay hướng ngược đi lên và đổi vận tốc. Hạt dưới hấp thụ quang tử đó và quay đầu đi xuống. Biểu đồ được gọi là biểu đố Feyman và l2 phép diễn tả sự tương tác của tất cả các hạt trong mọi tương tác. Hiển nhiên các biểu đồ Feyman khác phức tạp hơn nhiều, nhất là khi có sự tham dự của nhiều hạt khác nhau và với các đối hạt.

Hãy nhớ lại rằng tương tác điện từ làm mọi vật chất có tính cứng chắc trên mặt vĩ mô. Cục đá nặng làm ta u đầu hay kết cấu xây dựng bền vững làm nên nhà cửa đều do tương tác điện từ mà ra cả. Thế nhưng tất cả lực đó đều do những hạt quang tử photon phi khối lượng trao đổi mà thành cả. Sự cứng chắc của vật chất có nguyên ủy từ ánh sáng! Đó là kết luận hiện nay. Ai có thể ngờ được điều đó?

Tương tác mạnh chỉ xảy ra giữa các hạt quark trong hạt nhân nguyên tử và các hạt tương tác được gọi là gluton. Các hạt gluton này “dán chặt” các quark lại với nhau và đó là lý do chúng có tên “gluon”. Hiện nay người cho rằng có 8 hạt gluton với những đặc tính khác nhau. Chính sự tương tác này làm nên lực hạt nhân nếu phóng thích chúng. Trước đây người ta tưởng lực hạt nhân là do proton và neutron trong nhân tạo nên nhưng nay vật lý đã chứng minh rằng chính các hạt quark trong proton và neutron đã tương tác với nhau khi hai loại hạt đó tiến sát với nhau. Các hạt quark đó chỉ bắt đầu tương tác khi chúng sát nhau ở khoảng mức độ mà con người không thể tưởng tượng được, khoảng 10-15m.

Tương tác yếu xảy ra trong các tiến trình phân hủy của các hạt, mà từ đó người ta có các hiện tượng phóng xạ hay bức xạ. Các hạt bị phân hủy thường là các hạt quark và lepton nặng để trở thành các hạt quark và lepton nhẹ hơn. Khi một hạt bị phân hủy thường thường ta có hai hay nhiều hạt mới nhưng tổng số khối lượng của những hạt mới không bằng khối lượng cũ vì một số đã biến thành động năng. Loại tương tác này rất khó được quan sát vì nó hay bị các loại tương tác khác che lấp. Tương tác yếu được thực hiện bởi các hạt “sứ giả” với khối lượng lớn như W+, W- và Z0 nên phạm vi của nó nhỏ. Nó khác hẳn tương tác điện từ, nơi mà hạt quang tử photon đóng vai trò “sứ giả” thì lại không có khối lượng nên có khả năng lan ra trong phạm vi rộng.

Tương tác trọng trường được xem do một loại hạt graviton tác động. Đến nay người ta chưa phát hiện được graviton cũng như chưa xác định được sóng trọng trường. Lý do là tương tác trọng trường có trị số quá nhỏ. Theo Newton, tương tác trọng trường tỉ lệ thuận với tích số của hai khối lượng. Hãy xem hai proton tương tác trọng trường với nhau, tích số của chúng sẽ nằm ở mức độ 10-54kg2. Có lẽ vì mức độ trọng trường quá nhỏ, ngành vật lý chưa khám phá được hạt graviton, mặc dù về mặt lý thuyết phải có sự hiện diện của chúng.

Ta có thể rất ngạc nhiên về kết luận trên vì trên mặt vĩ mô, mọi vận hành của vật chất đều tuân thủ luật trọng trường một cách nghiêm nhặt. Điều đó không khó hiểu nếu ta biết rằng hệ thống vĩ mô là tập hợp của vô số những nguyên tử và qua đó khối lượng của chúng được nhân lên vô số lần. Để có hình dung về mức độ của sự tương tác, sau đây là bảng tỉ lệ của các loại tương tác, nếu ta cho tương tác mạnh một mức chuẩn là 1.

Tương tác trọng trường 10-38 Tương tác yếu 10-5 Tương tác điện từ 10-2 Tương tác mạnh 1 Những chỉ số trên cho thấy tương tác trọng trường thường bị bỏ qua trong khi ta nghiên cứu vận động của hạt trong thế giới hạ nguyên tử.

Mô hình 12 hạt cơ bản kết cấu thế giới vật chất vi mô và sáu hạt “sứ giả” (hạt graviton chưa được phát hiện) trong bốn phép tương tác để sinh ra lực là mô hình chuẩn, mô hình cuối cùng trong nền vật lý hiện đại, được thừa nhận chung của cộng đồng khoa học. Chúng lý giải rất tốt các hiện tượng xảy ra cũng như tiên đoán các kết quả thí nghiệm trong ngành vật lý hạ nguyên tử. Nhà vật lý Feynman, người ta đoạt giải Nobel vật lý năm 1965, đã nói vê mô hình này: “Mô hình chuẩn vận hành thật tốt”. Mô hình này bao gồm các hạt kết cấu vật chất lẫn các hạt đại diện cho sự tương tác của vật chất để sinh ra lực. Đây là mức độ mà hạt vừa có thể hình thành ánh sáng, vừa tạo tác nên những phần tử nhỏ nhất của vật chất.

Thế nhưng giữa nền cơ học lượng tử và thuyết tương đối vẫn chưa có sự tương thích với nhau. Nhằm tiến tới một sự đại thống nhất trong ngành vật lý, người ta đang nỗ lực tìm những mô hình mới, chúng phải có khả năng bao trùm tất cả mọi tri kiến hiện nay. Đến nay, chưa có dấu hiện nào của sự thành tựu này.

Các phát triển mới

Chấm một thế kỷ đã trôi qua kể từ ngày Max Plank nêu lên tính chất phi liên tục của năng lượng nhiệt đến ngày các nhà vật lý thiết lập được mô hình chuẩn của các hạt. Trong lịch sử loài người có lẽ chưa có thế kỷ nào có sự thành tựu vĩ đại trong ngành vật lý như thế kỷ 20. Trong thế kỷ này, con người đã mở rộng tầm nghiên cứu và phát hiện được những mối liên hệ trong thế giới tự nhiên từ phạm vi nhỏ nhất (khoảng 10-15m) đến phạm vi lớn nhất (hàng tỉ năm ánh sáng). Tầm hiểu biết của con người vươn rộng từ những vận động bình thường trong thế giới loài người đến những vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng, từ những vật thể tí hon như các hạt hạ nguyên tử đến những đối tượng to lớn như các thiên hà mà đầu óc con người không thể tưởng tượng được.

Đến đầu thế kỷ thứ 21, con người có trong tay hai lý thuyết hoàn chỉnh, đó là thuyết tương đối và mô hình chuẩn của hạt với cơ sở chính là cơ học lượng tử. Mỗi một lý thuyết này lại bao gồm những lý thuyết nhỏ hơn, chúng có giá trị trong phạm vi chuyên môn của riêng chúng. Thế nhưng hai rường cột đó hiện nay chưa được thống nhất vào một mối. Chưa có một lý thuyết nào bao trùm cả hai, giải thích một cách nhất quán thế giới tự nhiên, từ cực tiểu đến cực đại.

Nhà vật lý luôn luôn có một niềm tin là không sớm thì muộn phải có một lý thuyết chung kết mô tả một cách trọn vẹn thế giới tự nhiên. Họ mơ ước sẽ tìm đến với “phương trình vũ trụ” đó trong vài chục năm tới đây. Niềm tin của họ có một lý do chính đáng, đó là, trong những thế kỷ qua, sự phát triển của ngành vật lý luôn luôn được một lý thuyết mới hơn bao trùm, nhiều khái niệm tưởng như độc lập với nhau cuối cùng là các mặt của một khái niệm duy nhất. Thí dụ các lý thuyết về tương tác giữa các hạt có thể lý giải tự tính của lực; hiện tượng của thế giới nguyên tử, phân tử; thống nhất vật lý và hóa học vào một ngành khoa học duy nhất; lý giải các hiện tượng quang học, bức xạ, sự tự phân hủy của các hạt.

Cũng chính vì có một phần sự thống nhất đã đạt được trong thế kỷ trước đó, các nhà vật lý của thế kỷ 21 tự hỏi: phải chăng bốn loại tương tác được trình bày trong chương trước chẳng qua chỉ là bốn dạng của một phép tương tác? Tại sao lại có đến 12 hạt cơ bản, có các hạt “sứ giả” sinh lực cũng như các đối hạt của chúng, phải chăng chúng nằm trong một dòng họ duy nhất, phải chăng chúng chỉ là những dạng khác nhau của một thực thể khác? Tại sao lại có sự phân biệt giữa các hạt cấu thành vật chất và các hạt mang lực, phải chăng sự phân biệt đó hết sức giả tạo? Tại sao chúng ta chỉ quan sát được vật chất, còn đối vật chất hầu như không thể thấy được, mặc dù ta tin rằng vật chất và đối vật chất phải đối xứng với nhau. Tại sao mô hình chuẩn không thể lý giải: vì sao có hạt khối lượng, hạt khác thì không (thí dụ quang tử photon)?

Đó là những luận đề lớn đặt ra cho mô hình chuẩn. Các câu hỏi quan trọng khác thuộc về trọng trường cũng vẫn chưa được giải đáp: “vật chất tối” là gì, tại sao ta không thấy nó nhưng nó lại đóng vai trò quan trọng trong trọng trường. Tại sao chưa ai tìm ra được hạt graviton? Tại tương tác này quá nhỏ hay có một vấn đề nguyên tắc?

Vì những lý do trên, dù ngành vật lý đạt những thành công vang dội, người ta vẫn cho rằng thế kỷ mới sẽ còn mang lại nhiều phát hiện bất ngờ hơn nữa. Các nhà vật lý – dù thuộc ngành lý thuyết hay thực nghiệm – đều miệt mài nghiên cứu các mô hình mới nhằm lý giải tốt hơn nữa các hiện tượng. Các mô hình đó một mặt phải bao trùm những gì đã có sẵn, mặt khác phải thống nhất hơn nữa các lý thuyết hiện không tương thích với nhau. Hiện nay có bốn hướng phát triển của vật lý hiện đại.

Thứ nhất, nhiều nhà vật lý tin rằng bốn loại tương tác – tương tác mạnh, tương tác điện từ, tương tác yếu và tương tác trọng trường – chỉ là các dạng khác nhau của một thứ tương tác lực duy quát GUT. Nhưng làm sao chúng có thể hợp nhất được khi trị số của chúng khác nhau một trời một vực. Thế nhưng, người ta đang hy vọng ít nhất ba loại tương tác đầu tiên có thể hợp nhất trong một loại tương tác. Lý do là khi xét các loại tương tác đó trong môi trường có năng lượng cao thì xem ra chúng đồng qui với nhau.

Tuy thế, trong tương lai dù ba loại tương tác đó được hợp nhất thì loại tương tác trọng trường vẫn là một bài toán khó giải đáp vì hai lý do: thứ nhất người ta chưa tìm ra được hạt graviton; thứ hai, trị số của tương tác trọng trường quá bé nhỏ. Ở đây có lẽ người ta phải lý giải cho được vai trò của vật chất tối.

Hướng phát triển thứ hai là lý thuyết về “siêu đối xứng”. Trong lý thuyết này, người ta cho rằng mỗi hạt cấu tạo thành vật chất (fermion) hay mỗi hạt “sứ giả” mang lực (boson) đều có một “đối tác” liên hệ với mình. Đối tác của hạt vật chất là một hạt mang lực và ngược lại đối tác của một hạt mang lực là một hạt vật chất.

Như thế vũ trụ phải có gấp đôi số hạt. Với giả định này người ta hy vọng giải quyết được một số vấn đề về “phân kỳ” mà mô hình chuẩn không giải thích được. Đến nay con người vẫn chưa phát hiện được các đối tác nói trên của mô hình siêu đối xứng. Các nhà khoa học tin rằng, sở dĩ ta chưa phát hiện được chúng trên mặt thực nghiệm là vì khối lượng của chúng quá lớn và do đó đòi hỏi năng lượng quá cao. Vì thế, họ tin rằng đó chỉ là vấn đề thời gian.

Một điều làm nhà vật lý hào hứng là câu hỏi, phải chăng các hạt đối tác này chính là chất liệu làm nên vật chất tối. Người ta xác nhận được lực trọng trường của một thứ vật chất vô hình mang tên vật chất tối nhưng không thể thấy được loại vật chất này. Dường như nó không phải do proton, neutron và electron tạo nên, phải chăng nó được hình thành bởi các hạt đối tác siêu đối xứng này? Trong luận đề này, người ta nêu lên điều đáng ngờ là phải chăng thực tại có nhiều chiều hơn thực tại ba chiều của chúng ta, và đó là lý do tại sao vật chất tối “trốn” không cho ta thấy nó.

Hướng phát triển thứ ba là các “lý thuyết dây”. Đây là lý thuyết bắt đầu được đề cập tới từ những năm 70 của thế kỷ 20 và có nhiều triển vọng nhất. Xuất phát từ yêu cầu thống nhất thuyết tương đối tổng quát – trong đó trọng trường đóng vai trò trung tâm và hạt graviton vẫn chưa được phát hiện – với mô hình chuẩn của hạt với kích thước hết sức bé nhỏ, người ta đến với hạt là biểu hiện của những dạng kích động của một sợi dây cơ bản. Hãy nghĩ đến một sợi dây đàn. Tùy theo độ căng của nó mà dây phát ra những “tiếng trầm bổng” của một sợi dây vô cùng nhỏ bé. Độ lớn của sợi dây này liên hệ với mức độ phi liên tục được biểu diễn bởi hằng số Planck và có kích thước khoảng 10- 33cm. Hiển nhiên ta không thể thấy được sợi dây đó vì nó quá nhỏ!

Sợi dây này có những kích chiều vô cùng nhỏ bé và vận động trong thời gian không gian. Nó được xem có nhiều chiều hơn không gian ba chiều của chúng ta và vì thế đây là một khái niệm hoàn toàn trừu tượng, đối với đầu óc con người thì nó chỉ là một mô hình toán học. Lý thuyết dây được sử dụng để tìm hiểu các hạt boson (hạt mang lực) cũng như các hạt fermion (hạt vật chất). Khi nó bao trùm cả hai loại hạt thì lý thuyết dây phải sử dụng đến thuyết “siêu đối xứng” và vì thế ở đây lý thuyết dây mang tên là lý thuyết “siêu võng”. Trong lí thuyết siêu võng người ta cho rằng thực tại sẽ có 10 chiều, một chiều thời gian và 9 chiều không gian.

Sợi dây vận động trong 10 chiều đó để sinh ra các dạng kích động nhất định mà ta gọi là hạt trong thế giới bốn chiều thông thường (một chiều thời gian và ba chiều không gian). Hiện nay có nhiều lý thuyết dây khác nhau và người ta sớm tiến tới quan niệm không phải chỉ sợi dây có một chiều dài mà là một mặt phẳng hai chiều rất mỏng đang vận động. Mặt phẳng hai chiều vẫn chưa đủ nên ngày nay ta có một tấm lưới trừu tượng nhiều chiều mà nhà khoa học gọi là p-brane. Nếu p=0 thì đó là một điểm, p=1 là một sợi dây, p=2 là một mặt phẳng… tấm lưới trừu tượng đó có nhiều sợi, mỗi sợi lại có nhiều chiều nên đây là một mô hình mà con người không thể nghĩ ra một cách cụ thể vì tâm và thân của chúng ta bị giới hạn trong không gian ba chiều.

Những gì chúng ta thấy được trong không gian ba chiều, dù là trong lĩnh vực nhỏ nhất của hạ nguyên tử, đều là phản ánh của thế giới trừu tượng đó lên thế giới chúng ta. Hãy nghĩ đến cái bóng của một cây cột trên mặt đất, được hình thành do mặt trời chiếu. Cái bóng đó có thể dài ngắn khác nhau, cái bóng “vận động” theo thời gian nhưng cây cột đứng yên. Tương tự như thế ta có nhiều loại hạt khác nhau, nhiều hình thức vận động khác nhau nhưng có thể chúng chỉ là phản ánh của một cái gì hoàn toàn khác trong thế giới “thực” của nó.

Lý thuyết dây hay siêu võng mở ra một hướng phát triển mới. Ngày nay nhiều nhà vật lý xuất sắc của thế kỷ thứ 21, trong đó có nhà vật lý người Anh S.Hawking, đang mở rộng và phát biểu lý thuyết này theo nhiều hướng rất kỳ lạ. Lý thuyết này hứa hẹn thống nhất được nguyên lý trọng trường và cơ học lượng tử; bao trùm một cách nhất quán các kích thước cực đại và cực tiểu; hợp nhất các lực, từ lực cực mạnh trong nhân nguyên tử đến lực trọng trường nhỏ bé.

Hiện nay có khoảng năm lý thuyết siêu võng đang tồn tại song song và hướng của chúng là đồng qui đến một lý thuyết được gọi là M- theory, trong đó M biết tắt chữ “Mother”, thuyết được mệnh danh là cơ bản của vũ trụ. Trong lý thuyết này, một lần nữa có lẽ con người phải thay đổi một cách quyết liệt quan niệm của mình về vật chất. Cũng như trong cơ học lượng tử, quan niệm “quĩ đạo” đã mất giá trị thì tong lý thuyết siêu võng, vật chất sẽ được quan niệm hoàn toàn khác. Theo thuyết siêu võng, thực tại có thể là một mạng lưới vĩ đại gồm những dạng hình hết sức tinh tế. Mạng lưới đó vận hành, rung động mà một phần hệ quả của nó “lọt” vào trong không gian ba chiều của chúng ta thành những cấu trúc mà ta gọi là vật chất. Hình ảnh này làm ta liên tưởng đến các mô tả về vũ trụ của Phật giáo đại thừa mà trong các chương sau chúng ta sẽ nói đến.

Trong các phát triển vật lý hiện nay, điều nổi bật là con người dự đoán “thực tại” là một cái gì nằm ngoài thế giới ba chiều thông thường của chúng ta. Những gì chúng ta nhận biết chỉ là một phần, hay hình ảnh, hay phản chiếu của thực tại đó vào trong thế giới ba chiều. Con người tạo những mô hình về thực tại đó và dựa vào thực nghiệm trong thế giới ba chiều mà kết luận ngược lại, liệu mô hình về thực tại là đúng hay sai.

Trên cơ sở đó, ngành vật lý đã đi rất xa trong việc tìm hiểu thế giới khách quan, nhưng con người đã gặp phải một chướng ngại tự nhiên.

Đó là sự nhận biết thế giới của mình có giới hạn về mặt nguyên tắc vì tư duy của mình bị thế giới ba chiều qui định. Câu nói của Socrates cách đây 25 thế kỷ bỗng nhiên vang vọng lại trong một ý nghĩa mới: “Tôi biết mình không biết gì cả”.

Ngành vật lý ngày nay đang nêu lên câu hỏi về bản thể học sâu xa nhất “thực tại là gì?”. Đó cũng là luận đề cốt tủy của triết học, của thần học và tôn giáo. Tư duy con người đã đi một vòng xoắn ốc rõ rệt từ dưới lên trên. Từ sự tách biệt vật lý ra khỏi triết lý mà mối manh nha đầu tiên đã xuất hiện trong thời cổ đại, đến thời khoa học thực nghiệm của Galileo và tận ngày nay, 25 thế kỷ đã trôi qua. Trong thế kỷ thứ 21, con người lại đứng trước sự đồng qui của vật lý và triết học. Có lẽ, nay đã đến phiên mình, nhà triết học phải nêu lên những luận đề mới để mở đường cho vật lý tiến lên.

PHẦN THỨ NĂM

Các khuynh hướng triết học

Có hay không có

Thế kỷ thứ 20 đánh dấu những bước tiến vĩ đại của ngành vật lý.

Đặc trưng của ngành khoa học này là tin nơi một thế giới vật chất khách quan, độc lập với ý thức của con người. Lên đường đi tìm thực tại đó tức là nghiên cứu về các gọi là “vật chất”, tìm những yếu tố tạo nên vật chất, những gì làm chúng gắn chặt với nhau để tạo thành thế giới, tìm những qui luật về sự vận động của chúng.

Thế kỷ vừa qua đã mang lại những tri kiến chính xác nhất về vật chất, so với hàng thiên niên kỷ trước. Với nền vật lý hạt, con người đến được một mức độ là xác định những viên đá bé nhỏ nhất xây dựng nên thế giới vật chất. Thế giới của hạt là một không gian vô cùng bé, hoàn toàn nằm ngoài khả năng giác quan của con người. Chỉ thông qua những thiết bị tinh tế, con người mới suy đoán được một cách gián tiếp sự hiện diện của những phần tử được gọi là hạt đó. Đồng thời nhiều hạt trong số các hạt cơ bản nói trên tồn tại vô cùng ngắn ngủi. Sự hiện diện của chúng chỉ được đo bằng phần triệu của giây đồng hồ. Ngoài ra các hạt cơ bản cũng có khả năng biến thành những hạt khác một cách hết sức sinh động. Chúng chuyển hóa qua lại một cách quá dễ dàng, câu hỏi về tính “cá thể” của nó dường như không thể đặt ra. Trong giới các nhà vật lý, chỉ những điều này đã gây nên sự băn khoăn, liệu những hạt như thế có được gọi là “tồn tại” thực sự hay không.

Ngoài ra trong ngành vật lý hạt cũng xuất hiện khái niệm các hạt “giả”, sự tồn tại của chúng được xem là do có một sự phân hủy và hấp thụ một cách giả thiết. Trong những trường hợp đó, người ta cũng đặt vấn đề “có-không” một cách nghiêm túc, liệu tất cả khái niệm và lý thuyết đều chỉ là trò chơi của tư duy hay thiên nhiên “thực sự” vận hành như thế.

Ngoài luận đề có-không vô cùng phức tạp, cơ học lượng tử còn nêu lên một ý niệm khác nữa là, vật chất “đích thực” không phải là sóng cũng chẳng phải là hạt. Sóng hay hạt chỉ là dạng xuất hiện của vật chất khi người ta tìm hiểu và tra vấn nó. Như một ngôi tháp, sự vật hình như có nhiều mặt. Ta phải đến với nó và đi quanh nó và sẽ thấy nhiều mặt khác nhau. Mỗi bộ mặt đều là ngôi tháp nhưng không phải là tất cả ngôi tháp. Đó là cách nhận thức của triết học Ấn Độ. Chỉ khi ta hiểu nhiều mặt khác nhau của sự vật, ta mới hiểu sự vật đích thực. Vì lẽ đó mà ta có thể nói vật chất không phải là sóng, không phải là hạt; nhưng cũng có thể nói, vật chất vừa là sóng, vừa là hạt. Nguyên lý này được Niels Bohr phát hiện một cách hoàn toàn độc lập mà ông gọi là “nguyên lý bổ túc”. Chỉ vì ta đồng hóa sự vật là sóng hay hạt, thấy sóng hay hạt là “tự tính” của vật, ta mới thấy mâu thuẫn. Mâu thuẫn xuất hiện là do quan niệm của ta chứ không phải do sự vật. Cũng như điện có thể sinh ra hơi nóng, phát ra hơi lạnh. Nóng và lạnh mâu thuẫn với nhau nhưng chúng đều là “dụng” của điện, không phải tự tính của điện. Hiểu như thế thì không ai thấy điện “mâu thuẫn” cả.

Cũng trong ngành vật lý hạt, một vấn đề vô cùng lớn được đặt ra là tính chất xác suất của chúng. Vận tốc và vị trí của các hạt không phải là một con số chính xác nữa mà là một nhóm số mang tính xác suất được gọi là ma trận. Thế thì những gì là “chắc chắn” trong thế giới hạ nguyên tử? Không có gì cả ngoài tính chất thống kê cho một số lượng lớn những hạt. Khái niệm “có, không” bị đặt lại thành “có thể có, có thể không”.

Tính chất xác suất của hạt đưa đến một nhận thức luận vô cùng đáng ngạc nhiên. Đó là vật chất “khách quan”, khi nó vận động mà không ai biết đến nó, thì như thế nào? Theo cơ học lượng tử, trường phái Copenhagen, thì sự vận động là tổng hợp của mọi sóng xác suất, tất cả đều là khả năng. Chỉ khi con người truy tìm vật chất thì quan sát viên mới chính là tác nhân làm “sụp đổ” các phương trình sóng xác suất, biến một trong những khả năng đó thành hiện thực.

Điều xem ra thật khó hiểu này được Schrödinger cụ thể hóa thành “nghịch lý con mèo” nổi tiếng: Một con mèo bị giam trong một cái lồng có bình chứa acid. Giả định bình acid bị vỡ hay không chỉ vì một sự phân hủy nguyên tử duy nhất. Sự phân hủy nguyên tử này được giả định là tác nhân mở khóa đập vỡ bình và xác suất vỡ bình là 50%, xác suất nguyên vẹn là 50% trong vòng một tiếng đồng hồ. Nếu bình vỡ, con mèo sẽ chết.

Theo trường phái Copenhagen, khi người ta chưa mở lồng ra, chưa xem xét con mèo sống hay chết thì trạng thái của nguyên tử nọ là sự tổng hợp của hai sóng xác suất nói trên, trạng thái của nó không được xác định. Điều đó có nghĩa là số phận con mèo trong thời gian đó là sự tổng hợp của xác suất “nửa sống nửa chết”. Với hành động mở lồng, người ta xác định số phận con mèo là chết hay sống.

Theo đó thì con mèo chết hay sống chỉ vì hành động mở lồng.

Nhưng “thực tế” là nếu con mèo chết thì nó đã chết trước đó. Đó là nghịch lý con mèo nổi tiếng của Schrödinger mà ngày nay người ta còn bàn cãi. Bản thân Schrödinger, một nhà sáng lập quan trọng của cơ học lượng tử, là người đã viết nên các phương trình sóng cũng “khổ sở” với các hệ quả triết học nghịch thường của lượng tử. Ông từng nói: “Tôi không ưa nó (cơ học lượng tử), thật đáng tiếc là tôi đã từng làm việc với nó”.

Nghịch lý con mèo được Schrödinger nêu lên là để công kích trường phái Copenhagen. Quan điểm của trường phái này được Bohr và Heisenberg phát biểu: “Thuyết lượng tử nói về sự vận hành của tự nhiên trong lĩnh vực nguyên tử, cho thấy nó (tự nhiên) phản ứng thế nào khi được các thiết bị đo lường xem xét”. Trường phái này xem “thiết bị đo lường” có một vai trò trung tâm. Theo quan niệm này, khi không “đo lường” (tức là không mở lồng ra xem xét con mèo) thì con mèo không phải là đối tượng của nền vật lý lượng tử. Cho nên họ không quan tâm con mèo sống hay chết trước khi mở lồng. Họ chỉ quan tâm đến những gì quan sát và đo lường được.

Ngày nay ta biết rõ hơn, thái độ vật lý được gọi là “thực chứng” này chứa đựng một nội dung sâu sắc hơn nữa. Đó là quan niệm thế nào là có và không. Quan niệm này cho rằng khi sự vật không nằm trong tương tác với ý thức con người thì nó “không có”. Nếu con mèo đã không có thì làm gì có con mèo sống hay con mèo chết.

Bởi quan niệm trên của Niels Bohr và Heisenberg phải được phát biểu là “Thuyết lượng tử nói về sự vận hành của tự nhiên trong lĩnh vực nguyên tử, cho thấy nó (tự nhiên) phản ứng thế nào khi được nhận thức bởi một chủ thể có ý thức”. Và nếu phát biểu về thuyết lượng tử như thế thì ta đến rất gần với quan điểm của vị giám mục Berkeley “Ess est percipi, thực tại là thực tại được nhận thức”. Câu này nghe qua khó hiểu nhưng nếu nói một cách khác, ta có thể phát biểu” “không có người quan sát thì không có vật được quan sát”. Không có chủ thể thì không có khách thể.

Nội dung của phát biểu vừa rồi có vẻ khá “điên rồ” nhưng thật ra nó rất phù hợp với quan điểm Trung quán của Phật giáo mà ta sẽ nói đến sau. Ngày nay có nhiều nhà vật lý đã nhìn thực tại theo quan điểm nói trên. Nhà vật lý người Anh cùng thời với chúng ta John Gribbin từng nói, các hạt như nhân nguyên tử và electron cũng không hề có trước thế kỷ thứ 20 vì trước đó không ai thấy chúng cả.

Thế nhưng ngoài trường phái Copenhagen còn có nhiều quan niệm triết học “điên rồ” hơn nữa. Trường phái “đa thế giới” sẽ nói gì về con mèo trong lồng? Đối với quan điểm này thì có hai con mèo, một con sống và một con chết. Chúng nằm trong hai thế giới khác nhau. Theo phép diễn dịch này thì sự phân hủy nguyên tử đã buộc con mèo lẫn tất cả các thiết bị thí nghiệm phải tách ra làm hai thế giới, trong thế giới này thì con mèo sống, trong thế giới kia thì con mèo chết. Nếu chúng ta tìm cách biết con mèo sống hay chết thì bản thân chúng ta cũng bị tách đôi, trong thế giới này thì ta thấy con mèo sống, trong thế giới kia ta thấy con mèo chết. Sau người thứ nhất, nếu có thêm mười người nữa muốn biết con mèo sống hay chết thì cả mười người bị tách đôi. Trong thế giới này thì cả mười một người đồng thanh nói con mèo sống, thế giới kia thì họ đều thấy con mèo chết. Nếu có ai nói khác với những người còn lại thì người đó bị đưa vào “nhà thương điên”.

Nhưng chưa hết, giả định sau đó con mèo sống bị đưa vào một tình huống với khả năng xảy ra năm tình trạng khác nhau thì lập tức có năm con mèo “tách ra” và nằm trong năm thế giới mới. Còn con mèo chết kia thì sao? Nó nằm ngoài khả năng nhận thức của người ở thế giới này nhưng nó vẫn có thật. Các con mèo đều có số phận khác nhau, đó là lý do mà quan niệm đa thế giới được Hawking và Gell-Mann gọi tên là thuyết “đa số phận”.

Theo tinh thần của thuyết đa thế giới thì trong vũ trụ mọi thứ đều có, nhưng chỉ có một số biến cố lọt vào trong thế giới riêng lẻ của từng con người. Đó là quan điểm “tất cả đều có”, một thuyết đã từng có mặt trong triết học phương Đông, thí dụ của phái Nhất thiết hữu bộ.

Thú vị thay, các trường phái diễn dịch cơ học lượng tử nêu lên những nhận định cực kỳ khó tin và một số trong đó lại trùng hợp với những luận đề tưởng chừng như phi khoa học, như của Berkey, của Trung quán luận, của Nhất thiết hữu bộ. Chúng ta sẽ còn trở lại những luận điểm này.

Cơ học lượng tử cũng như những phát triển mới nhất của ngành vật lý còn vạch rõ ra một điều cơ bản nữa. Đó là cách suy tư và tất cả những khái niệm của chúng ta đều bị qui định bởi không gian và thời gian đặc biệt của con người. Đó là một không gian ba chiều và thời gian một chiều. Thiết bị máy móc của chúng ta cùng để đo lường cũng bị qui định trong khuôn khổ đó. Nghĩa là khái niệm và thiết bị của chúng ta vốn luôn luôn “cổ điển”, còn đối tượng của chúng ta – thí dụ thế giới hạ nguyên tử – thì tuân thủ các nguyên lý lượng tử. Sự khác biệt cơ bản là, vật bị quan sát và người quan sát nằm ở trong hai bình diện khác hẳn nhau. Và khi đo lường và nhận thức những vận động của cơ học lượng tử, con người không những dùng khái niệm cổ điển để xem xét chúng mà còn dùng để mô tả và diễn dịch chúng. Hành động mô tả và diễn dịch cũng phải dựa trên ngôn ngữ, khái niệm, tức là dựa trên sản phẩm của một thế giới quan cổ điển ba chiều. Đó là cái khó cơ bản nhất của con người khi có tham vọng tìm hiểu tự tính của thực tại. Tức là toàn bộ nhận thức của con người về thế giới “khách quan” không thể đúng như nó (thế giới) là, mà bị phụ thuộc vào chính số phận “ba chiều” của mình.