Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & Leonard Mlodinow (Phần 7) docx

Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & Leonard Mlodinow (Phần 7) Quark, cái chúng ta cũngkhôngnhìn thấy, là một mô hìnhgiải thích cáctính chất của protonvà neutrontronghạt nhân nguyên tử.Mặc dù người ta nói proton và neutroncấu tạo từ quark,nhưng sẽ không bao giờ quan sát thấy một hạt quark vì lực liên kếtgiữa các quark tăng theokhoảngcách, và dođó những hạtquark tự do, táchrời không thể tồn tại trong tự nhiên. Thayvào đó,chúng luôn luôn xuất hiện thành nhữngnhómba (protonvàneutron), hoặc những cặp gồm một quark và mộtphản quark(mesonpi), vàhànhxử như thể chúng được nối với nhau bằng dây caosu vậy. Câu hỏi rằng cóý nghĩa haykhôngkhi nói các quarktồntại trongkhi bạn khôngbao giờ có thể tách rời mộthạt quarklàvấn đề gây tranh cãi trong nhiều năm trờisau khimô hình quark lần đầu tiên đượcđề xuất. Quan điểmrằng những hạt nhất định có cấu tạo từ những kếthợp khác nhau củamộtvài hạt dưới-dưới hạt nhân mang lại mộtnguyêntắc có tổ chức thuvề một lời giải thích đơn giảnvà hấp dẫn cho những tínhchất của chúng. Nhưngmặc dùcác nhàvật lí đã quen với việc chấp nhận những hạt chỉ đượcsuy luận ra làtồn tại từ những đốm sángthống kê trong dữ liệu chứa đầysự tán xạ của nhữnghạt khác, nhưng ý tưởnggán thực tại chomột hạt có lẽ, trên nguyên tắc, không thể quan sát đượclà quá nhiều đối với nhiều nhà vật lí. Tuy nhiên, theo năm tháng, khimô hìnhquark đưa đến những tiên đoán ngày một chínhxác hơn,thìsự phản đối nhạt dần.Chắc chắn có khả năng một số giống loàingoài hành tinh với17 cánh tay, đôi mắt hồngngoại, và thói quen thổi kem cục từ lỗ tai ra sẽ làm những quan sát thực nghiệm giống như chúng ta làm,nhưng mô tả chúngmà khôngcần đến quark.Tuy nhiên, theothuyết duythực phụ thuộc môhình, các quarktồn tại trong một mô hình phù hợpvới những quan sát của chúngta về cách thức những hạtdưới hạt nhân hành xử. Thuyết duy thựcphụ thuộc môhình có thể cungcấp một khuôn khổ để thảo luận những câuhỏi đạiloại như: Nếuthế giới được sángtạo ra cáchnay một thời gian hữuhạn,thì cái gì xảy ra trước đó?Một nhàtriết lí Cơ đốc giáo, St Augustine (354 – 430)chobiết câu trả lời không phải là Chúa đang chuẩn bị địa ngục cho kẻ nêu ranhững câu hỏi như vậy, mà thời gianlà một tính chất của thế giới mà Chúa đã sángtạo ravà thời gian không tồntại trước sự sángtạo đó,cái ông tinrằng đã xảy ra cách naykhông lâu lắm.Đó là một mô hìnhcó khả năng, đượcnhữngngười tín ngưỡng Chúa sáng thế ưa chuộng, mặc dù thế giới cónhững hóa thạch và bằng chứng khác trônglớntuổi hơn?(Hay chúng xuất hiện ở đó để đánhlừa chúngta?) Ngườita cũng có thể có mộtmô hình khác, trong đó thời gian lùi ngược 13,7tỉ năm cho tới BigBang.Mô hìnhđó giải thích hầu hết nhữngquan sáthiện nay của chúng ta, trongđó có bằng chứng lịchsử và địachất, làsự mô tả tốt nhất của quá khứ mà chúng ta có. Mô hình thứ hai cóthể giải thích hóa thạch vàsố liệu phóng xạ và thực tế chúng ta nhận ánh sáng phát ra từ những thiên hà ở xa hàng triệu năm ánh sáng, và vì thế mô hìnhnày – lí thuyết Big Bang –có ích hơn lí thuyếtthứ nhất. Tuy nhiên,không thể nói mô hìnhnàolà thựctế hơn mô hìnhnào. Quark. Khái niệm quark là một thành phần thiết yếu của những lí thuyết vật lí sơ cấp của chúng ta, mặc dù từng hạt quark riêng lẻ là không thể quan sát thấy. Một số ngườiủng hộ mô hình trongđó thời gianlùi ngượcxa hơn cả Big Bang. Vẫn không rõ là một môhình trong đó thời gian tiếp tục lùi ngượcqua Big Bang cógiảithích nhữngquansát hiện nay tốthơn hay không, vì dường như các định luật pháttriển của vũ trụ bị phá vỡ tại Big Bang.Nếu đúng như vậy,thì sẽ khôngcó ý nghĩakhi sáng tạo ramột mô hình vượt thờigian quatrướcBig Bang, vì cái tồn tại khi đó sẽ không có nhữnghệ quả có thể quan sát hiện nay, và vì thế chúng ta tạm hài lòngvới quan điểmBig Bang làsự sángtạo của thế giới. Một mô hình làtốt nếunhư nó: 1. tao nhã 2. chứamột vài thành phần tùy ýhoặc có thể điều chỉnh 3. phù hợp vớivà giải thích được mọi quan sát hiện có 4. đưa radự đoán chi tiết về nhữngquan sát trongtươnglai có thể bác bỏ hoặc chứngminhmô hình sai nếu như chúng khôngra đời. Thí dụ, lí thuyết của Aristotle rằng thế giới cấu tạo gồmbốn nguyên tố, đất, khôngkhí, lửa, và nước, và cácvật hoạtđộng để thỏa mãn mụcđích của chúnglà tao nhã và không chứa nhữngthành phần có thể điều chỉnh.Nhưng trong nhiều trường hợp, nó không đưa ranhững tiên đoán dứt khoát,và khinhư vậy,những tiên đoán đó không phải luônluôn phùhợp với quansát. Một trong những tiên đoán này là những vật nặng sẽ rơinhanh hơn vì mục đích của chúnglà rơixuống. Dường như chẳng ai thấy nên kiểm tra tiên đoán này, mãi cho đến thời galileo.Có một câu chuyệnkể rằng ôngđã kiểm tra tiên đoán đó bằng cáchthả nhữngquả nặng từ tháp nghiêng Pisa.Đây cólẽ là câu chuyện ngụy tạo, nhưng chúngta biết ông đã thật sự cho lănnhững quả nặngkhác nhauxuống một mặt phẳng nghiêng và nhận thấy chúng đều thu vận tốc với tốc độ như nhau,trái với tiên đoáncủa Aristotle. Điều kiện trên rõ rànglà chủ quan. Tính tao nhã, chẳnghạn, không phải là cái gì đó dễ dàng đo được, nhưngnó được các nhà khoa họcđánh giá cao vì các định luật của tự nhiên muốn thu hẹp hiệu quả một số trường hợp đặc biệt thành một công thứcđơn giản. Tính tao nhã gợi đến dạng thứccủa một lí thuyết, nhưng nó có sự liên hệ gần gũi với sự thiếu những thànhphần cóthể điều chỉnh, vì một lí thuyết cónhiềuyếu tố vớ vẩn thì không taonhãcho lắm. Tóm lại, một lí thuyết nên càng đơn giản càng tốt, chứ không đơngiảnhơn. Ptolemybổ sungthêm ngoại luân cho quỹ đạo tròn của các thiên thể để mô hìnhcủa ôngcó thể mô tả chính xác chuyển động của chúng.Mô hìnhtrêncó thể làm cho chính xác hơn bằng cách bổ sungthêm ngoại luân cho những ngoại luân, haythậm chíbổ sungthêmngoại luân cho những ngoại luânmới bổ sung thêm đó nữa. Mặc dù sự bổ sung phức tạp như thế có thể làm cho môhình này chính xáchơn, nhưng các nhà khoahọc xem một mô hình bị bóp méođể khớp với một tập hợp đặcbiệt của những quansátlà khôngthỏa đáng,nó thuộc về một danhmục dữ liệu hơn làmộtlí thuyết có khả năng tiêu biểu cho bất kì nguyên lí hữuích nào. Chúng tasẽ thấy trong chương 5rằng nhiều người xem “mô hìnhchuẩn”, mô hình mô tả sự tương táccủa cáchạt sơ cấp củatự nhiên, là không tao nhã. Mô hình đó thành công hơn nhiều so với các ngoại luân của Ptolemy. Nótiên đoán sự tồntại của một vài hạt mới trước khichúng được quan sát thấy, và môtả kết quả của vô số thí nghiệm trongvài thập niênqua với độ chính xác cao. Nhưngnó chứa hàng tá những thông số có thể điều chỉnhcó giátrị phảisửa đổi để phù hợpvới quansát, thayvì được xác địnhbởi bản thân lí thuyết đó. Như với yêu cầu thứ tư ở trên, cácnhà khoahọc luôn luônấn tượngkhi mà những tiên đoán mới và bấtngờ tỏ ra chính xác. Mặt khác, khi ngườita thấy một mô hình còn thiếu cái gì đó, phảnứng thôngthường là người ta nói thí nghiệm đó khôngđúng. Nếu khôngchứng minhđượctrường hợp đó,ngườita vẫn chưa chịu từ bỏ môhình mà cố cứu lấy nó quanhững cải tiến. Mặc dù các nhà vật lí thật sự kiêntrì trongnhững nỗ lực của họ nhằm cứu lấynhững líthuyết mà họ ngưỡng mộ, nhưngkhuynh hướngsửa đổi mộtmô hìnhphai nhạtdần đến mức những sửa đổi đó trở nên mang tính nhân tạohoặc cồng kềnh,và vì thế “không tao nhã” nữa. Nếu những sửa đổi cần thiết để cho phù hợp với nhữngquan sátmới trở nên quá lố bịch, thìcó nghĩalà cần cómột mô hình mới. Mộtthí dụ của trường hợp một mô hình cũ phải nhượngbộ dưới sức épcủa những quan sát mới là quanniệmvũ trụ tĩnh tại. Vào thập niên 1920,đa số các nhà vật lí tinrằng vũ trụ là tĩnh tại, hoặc khôngthay đổikích cỡ. Sau đó,vào năm1929, EdwinHubblecôngbố nhữngquan sát của ôngcho thấy vũ trụ đang dãn nở. Nhưng Hubblekhông quan sát trực tiếp thấyvũ trụ đang dãn nở. Ông quan sát ánh sáng do các thiênphátra. Ánh sáng đó mang một dấu hiệu đặc trưng, hayquang phổ, dựa trênthành phần củamỗi thiên hà, nóthay đổiđi một lượngbiết được nếu thiên hà đangchuyển động tương đối so với chúngta. Vì thế, bằng cách phân tích quangphổ của nhữngthiênhà ở xa, Hubble đã cóthể xác địnhvận tốc của chúng. Ôngtrông đợi tìm thấy số thiên hà đang chuyển động ra xachúng ta nhiềunhư số thiên hà đang chuyển động đến gần chúng ta.Nhưng cái ông tìm thấy làhầu như tất cả các thiên hà đều đang chuyển độngra xa chúng ta, vànếu chúng càng ở xa thì chúng chuyển động càngnhanh. Hubble kết luậnrằngvũ trụ đangdãn nở, nhưng những người khác, cố gắng bám lấy môhình cũ, đã nỗ lực giải thích những quan sát củaôngtrongkhuôn khổ của vũ trụ tĩnh. Thí dụ,nhà vật lí CaltechFritz Zwickyđề xuất rằng mộtphần ánh sáng vì lí do nào đó chưa rõ có thể từ từ mất năng lượng khi nótruyền đi những khoảng cách xa. Sự giảm năng lượng như thế này sẽ tương ứng vớisự thay đổi trongquang phổ của ánh sáng, cái Zwicky cho rằngcó thể giống với những quansát củaHubble. Nhưng mô hìnhtự nhiên nhất là mô hìnhcủa Hubble, mô hìnhcủa một vũ trụ đang dãn nở, và nóđã trở thànhmột mô hình được mọi người chấp nhận. Trongcông cuộc truy tìm của chúngta nhằm tìm ranhữngđịnh luật chi phối vũ trụ, chúng ta đã thiết lập một số lí thuyết hoặc môhình, thí dụ như lí thuyếtbốn nguyêntố, môhình Ptolemy,lí thuyết nhiên liệu cháy, líthuyết BigBang, và vân vân. Với mỗi líthuyết hoặc mô hình,quanniệm củachúngta về thực tại vànhững thành phầncơ bản của vũ trụ đã thayđổi. Chẳng hạn, xét lí thuyếtánh sáng. Newton nghĩ rằng ánh sánggồm những hạt nhỏ hay tiểu thể. Môhình này giải thích được tại saoánhsáng truyềnđi theo đường thẳng, vàNewton cũng dùng nó để giải thích tại saoánhsáng bị bẻ cong haybị khúc xạ khinó đi từ môi trườngnày sang môitrường khác, thí dụ từ không khí vào thủytinh hoặc từ không khí vào nước. Sự khúc xạ. Mô hình ánh sáng của Newton có thể giải thích tại sao ánh sáng bị bẻ cong khi nó đi từ môi trường này sang môi trường khác, nhưng nó không thể giải thích một hiện tượng khác mà ngày nay chúng ta gọi là vòng Newton. Tuy nhiên, lí thuyết hạt khôngthể dùng để giải thích mộthiện tượng mà chínhNewton quansát thấy, cái gọi là các vòngNewton.Đặt mộtthấu kínhlên trên một tấmphản xạ phẳngvà chiếu lên nó một ánhsáng đơn sắc, thí dụ ánh sáng đèn natrium.Nhìn từ trên xuống,người ta sẽ thấy một dải vòngsáng và tối cótâm là nơi thấu kính tiếp xúc với mặt phẳng bên dưới. Hiện tượng này khó giải thíchbằng lí thuyết hạt ánhsáng, nhưng nócó thể giải thích được trong lí thuyết sóng. Theo líthuyết sóng ánhsáng, các vòng sáng và tối đó có nguyênnhân là một hiện tượnggọi là giaothoa. Một sóng, thí dụ sóng nước, gồm mộtdải những đỉnh sóng và hõmsóng. Khi các sóngchạmtrán vớinhau, nếunhững đỉnh sóngvà hõm sóng đó xuất hiện tương ứng, thì chúng sẽ tăng cường lẫn nhau, mang lại một sóng lớn hơn.Hiệntượng đó gọi là giaothoa tăng cường.Trong trườnghợp đó, người ta nói các sóng“cùng pha” với nhau.Trongtrường hợp ngượclại, khicác sónggặp nhau, đỉnh củasóng này trùng với hõm củasóngkia. Trongtrường hợpđó, các sóng triệt tiêunhau vàngườita nói chúng “ngượcpha” với nhau. Tìnhhuống đó được gọi là giaothoa triệt tiêu. Trongcác vòng Newton,những vòngsáng nằmở những khoảng cách đến tâm,nơi chiatách giữa thấu kính và bản phản xạ, sao cho sóng ánhsángtừ thấu kính lệch với sóng phảnxạ từ bản phẳng một số nguyên (1, 2,3 )lần bước sóng, tạo ra sự giao thoa tăng cường.(Bướcsóng là khoảng cách giữa haiđỉnh sóng hoặc hai hõm sóng liên tiếp của một sóng) Mặt khác, nhữngvòng tối nằm ở những khoảng cách đếntâm nơi chia tách giữathấu kínhvàbản phẳngmột số bán nguyên (1/2, 1 1/2 , 2 1/2 , ) lầnbướcsóng, gây rasự giao thoatriệt tiêu – sóng phản xạ từ thấu kínhtriệttiêu với sóng phản xạ từ bảnphẳng. Sự giao thoa. Giống như con người, khi các sóng gặp nhau, chúng có xu hướng tăng cường nhau hoặc triệt tiêu nhau. Vào thế kỉ thứ 19, sự giao thoađã xác nhận bản chất sóng củaánh sáng và chứng tỏ lí thuyết hạtlà khôngđúng.Tuy nhiên, vào đầuthế kỉ 20, Einstein đã trìnhbày rằng hiệu ứngquang điện (ngày naydùng trong ti vivà camerakĩ thuật số) cóthể giải thích bởi một hạt hay mộtlượng tử ánh sáng vachạm với một nguyêntử và đánh bậtra mộtelectron. Như vậy, ánh sánghành xử vừa là sóng vừa là hạt. Khái niệm sóng có lẽ đã đi vàotư duy con người vì người ta đã nhìn thấy đại dương,hoặc một vũng nước nhỏ saukhi một hòn đá cuội rơi vào nó. Thật vậy, nếu bạn từng thả haihònsỏi vào một vũng nước nhỏ, có khả năng bạnđã nhìn thấy sự giao thoa, như tronghình bên dưới. Người ta cũng quan sát thấynhững chất lỏng có kiểu hành xử tương tự, có lẽ ngoại trừ rượunếu như bạn đã quá chén. Khái niệmhạt thì quen thuộc từ nhữnghòn đá,hòn sỏivà hạt cát. Nhưngsự lưỡng tính sóng/hạt này– quanniệm cho rằng mộtvật cóthể được mô tả bằng một hạthoặc một sóng– còn xalạ với kinh nghiệmhàng ngày, giốngnhư là bạn có thể uống một khoanhsa thạch vậy. Sự giao thoa trong vũng nước. Khái niệm giao thoa thể hiện trong cuộc sống hàng ngày trong những vật chứa nước, từ những vũng nước nhỏ cho đến đại dương. Những sự lưỡng tínhnhư thế này – nhữngtình huống trongđó hai lí thuyết rất khácnhau đều môtả chính xác cùngmột hiện tượng –phù hợp vớithuyết duy thực phụ thuộc mô hình. Mỗi lí thuyếtcó thể mô tả và giải thích những tínhchất nhất định,nhưngkhông thể nói líthuyết nàylà tốt hơn haythực tế hơn lí thuyết kia. Về những định luật chi phối vũ trụ, cái chúngta có thể nói là như thế này: Dường như không có một mô hìnhtoánhọc hay một lí thuyết đơn độc nào có thể mô tả mọi phương diện củavũ trụ. Thayvì đó, như đã đề cập trong chương mở đầu, dường như có một hệ thống lí thuyết gọi là lí thuyết M. Mỗi lí thuyết trong hệ thống lí thuyết M mô tả tốt những hiện tượngtrong mộtphạm vi nhất định. Hễ khi phạm vicủa chúngchồnglên nhau,thì những lí thuyết khác nhau tronghệ thống đều phùhợp, nên có thể nói tất cả chúng là những bộ phận của cùng một lí thuyết. Nhưng khôngcó một líthuyếtđơn độc nào tronghệ thống cóthể mô tả mọi phươngdiệncủa vũ trụ - tất cả những lực của tự nhiên, nhữnghạt chịu những lực đó tác dụng, và cơ cấu của không gian và thời gian màchúng trìnhhiện. Mặc dù tình huống này không thỏa mãn giấc mơ củacác nhà vật lí truyền thống về mộtlí thuyết thốngnhất chung,nhưngnó có thể chấp nhận đượctrong khuôn khổ thuyết duy thực phụ thuộc mô hình. Chúng tasẽ thảo luận thêm về sự lưỡng tính và lí thuyếtM trong chương 5, nhưng trước đó chúng ta hãy chuyển sangmột nguyên lí cơ bản trên đó quan điểm hiện đạicủa chúng ta về tự nhiên được xây dựng:thuyết lượngtử, và đặcbiệt là phươngpháptiếp cậnthuyết lượngtử gọi là những lịchsử thay thế. Theo quan điểm đó, vũ trụ không có một sự tồn tại haymột lịch sử duy nhất,mà mọi phiên bản khác nhaucủa vũ trụ tồn tại một cách đồng thời trong cái gọi là sự chồng chất lượng tử. Điều đó nghekì quặcgiống như là lí thuyết trongđó cái bànbiến mất hễ khi nào chúng ta rời khỏi phòng, nhưng trong trường hợp này lí thuyếtđã vượt qua mọi phép kiểm tra thực nghiệm màngười ta đã từng thử qua. . Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & Leonard Mlodinow (Phần 7) Quark, cái chúng ta cũngkhôngnhìn thấy, là một mô hìnhgiải thích. lần đầu tiên đượcđề xuất. Quan điểmrằng những hạt nhất định có cấu tạo từ những kếthợp khác nhau củamộtvài hạt dưới-dưới hạt nhân mang lại mộtnguyêntắc có tổ chức thuvề một lời giải thích đơn giảnvà hấp. proton và neutroncấu tạo từ quark,nhưng sẽ không bao giờ quan sát thấy một hạt quark vì lực liên kếtgiữa các quark tăng theokhoảngcách, và dođó những hạtquark tự do, táchrời không thể tồn tại trong