Charles Darwin và Vật lí học Leonard Susskind pot

1 Charles Darwin và Vật lí học Leonard Susskind (Physics World, 07/2009) Ra đời cách đây 200 năm, Charles Darwin nổi tiếng với công trình nghiên cứu của ông giải thích nguồn gốc của các loài. Nhưng khi đặt ra một tiêu chuẩn mới cho cái mà một sự giải thích của tự nhiên sẽ phải như vậy, ông còn có sự tác động to lớn lên vật lí học và vũ trụ học, như Leonard Susskind giải thích sau đây. Charles Darwin không phải nhà vật lí lí thuyết, và tôi chẳng phải là nhà sinh học. Nhưng, với tư cách là nhà vật lí lí thuyết, tôi tìm thấy nhiều thứ để nghĩ về di sản của Darwin – và cả di sản của nhà tự nhiên học đồng chí của ông, Alfred Russell Wallace. Phong cách khoa học của Darwin thường không được xem là mang tính lí thuyết và nhất định không có tính toán học: ông là một người quan sát tự nhiên thận trọng, ghi chép nhiều, đóng góp cho các bộ sưu tập động vật học; và cuối cùng từ vô số mục quan sát của ông đã suy luận ra quan điểm rằng sự chọn lọc tự nhiên là nguồn gốc của các loài. Giá trị của sự lí thuyết hóa thường bị bỏ qua trong khoa sinh học vì nó kém quan trọng hơn việc quan sát; và Darwin là nhà quan sát bậc thầy. Ảnh: Bill Sanderson/Science Photo Library Tôi nghĩ quan điểm đó thiếu mất một số điều căn bản, đó là vẻ đẹp trang nghiêm và tính chắc chắn hầu như toán học của các quan niệm Darwin. Giống như các quan niệm vĩ đại của Einstein, lí thuyết tiến hóa dựa trên một trải nghiệm đơn giản: bắt đầu với một sinh vật tự sao chép rất đơn giản, cộng thêm các định luật di truyền và biến dị của Mendel, và rồi hệ đó chắc chắn phân nhánh thành một cây tiến hóa. 2 Darwin chẳng hứng thú đặc biệt gì với thiên văn học hay vật lí học, nhưng sự tác động của ông lên ngành vũ trụ học là rất lớn, nhưng theo một kiểu mang tính tiềm thức. Trong khi giải thích thành công nguồn gốc của các loài, ông đã bài trừ mê tín dị đoan và đặt ra một chuẩn mới cho cái mà một lời giải thích của tự nhiên phải như thế. Như tôi đã viết trong cuốn sách của mình, Cuộc chiến Lỗ đen (Little Brown, 2008), kì công của Darwin là đã “tiễn Chúa ra khỏi khoa học của sự sống”. Đúng vậy, Darwin không phải là nhà khoa học đầu tiên bác bỏ các niềm tin siêu nhiên. Hai thế kỉ trước đó, Newton – một nhà khoa học Cambridge vĩ đại khác – đã làm việc đó nhiều hơn bất kì ai trước thời kì của ông. Quán tính (khối lượng), gia tốc và định luật vạn vật hấp dẫn đã thay thế bàn tay của Chúa, Chúa không còn cần thiết để chỉ dẫn các hành tinh chuyển động nữa. Nhưng như các nhà viết sử khoa học thế kỉ 17 chưa hề mệt mỏi nhắc nhở chúng ta, Newton là một tín đồ Cơ đốc và là một con chiên ngoan đạo số một. Ông đã mất nhiều thời gian, công sức và giấy mực cho thần học Cơ đốc hơn là cho vật lí học. Đối với Newton và những người đương thời của ông, sự tồn tại của một đáng sáng tạo thông minh phải là một nhu cầu trí tuệ: nếu không thì làm sao bạn giải thích được sự tồn tại của loài người? Chẳng có gì trong quan điểm của Newton về thế giới có thể giải thích sự sáng tạo, từ vật chất vô tri vô giác cho đến đối tượng phức tạp như con người có khả năng nhận thức. Newton có nhiều lí do để tin vào một nguồn gốc thần thánh. Phân tử ADN (trái) với, nói ví dụ, một trăm triệu cặp base khác nhau A, G, C và T có thể sắp thành theo 4 100 000 000 cách khác nhau. Để cho cái gì đó lí thú – sự sống – phát sinh từ vô số kiểu hình của những mẫu thiết kế sinh học khả dĩ, cả sự chọn lọc tự nhiên Darwin lẫn khả năng ADN đột biến đều cần thiết. Trong khi đó, lí thuyết dây (phải) phát biểu rằng vũ trụ gồm các dòng chảy, các brane và những thành phần khác sắp xếp trên một nơ gút nhỏ xíu của không gian nhiều chiều hơn. Vô số “kiểu hình” thuộc những cách khác nhau trong đó những thành phần này có thể là những dạng sắp xếp tương ứng kì lạ với nhiều sắp xếp khả dĩ khác của các cặp base trên một phân tử ADN (Ảnh (trái): Pasieka/Science Photo Library; (phải): Mehau Kulyk/Science Photo Library) Nhưng cái Newton thất bại, hai thế kỉ sau đó cuối cùng (và bất đắc dĩ) Darwin đã thành công. Quan niệm của Darwin về sự chọn lọc tự nhiên – cùng với khám phá sau đó bởi James Watson và Francis Crick (cũng ở Cambridge) về cấu trúc chuỗi xoắn kép của ADN – đã thay thế sự thần kì sáng tạo bằng các định luật xác suất và hóa học. 3 Nói cách khác, trước Darwin, ngay cả những nhà vật lí vĩ đại nhất cũng ít có khả năng thay thế một lời giải thích siêu nhiên của nguồn gốc của sự sống, và do đó nguồn gốc của bản thân tự nhiên. Sự thành công của học thuyết Darwin đã giải quyết được vấn đề và đặt ra tiêu chuẩn cho các lí thuyết tương lai về nguồn gốc, cho dù là nguồn gốc của sự sống hay của vũ trụ. Những lời giải thích phải xây dựng trên các định luật vật lí, tians học và xác suất – và không dựa vào bàn tay của Chúa. Loại bỏ người thợ đồng hồ vĩ đại Lúc còn nhỏ, Darwin đã ấn tượng sâu sắc bởi các lập luận của Reverend William Paley (1743–1805), một giáo sĩ đã biện hộ cho cái ngày nay chúng ta gọi là “thiết kế thông minh”. Paley tưởng tượng tìm thấy một đồng hồ bỏ túi nằm trên mặt đất, có lẽ trong khi đang tản bộ trong rừng. Ông có thể tự hỏi chẳng biết làm sao mà một vật phức tạp, tinh vi như vậy lại có thể tồn tại. Một câu trả lời khả dĩ là nó là kết quả của một biến cố ngẫu nhiên; một lượng lớn phân tử thuộc những loại khác nhau kết hợp lại bởi vận may hình thành nên chiếc đồng hồ. Paley phát biểu chí lí rằng điều này khó mà xem xét một cách nghiêm túc được. Phải có một cách giải thích khác. Điều duy nhất có ý nghĩa là cái đồng hồ được chế tạo vì một số mục đích bdi nào đó bởi một người thợ thủ công khéo tay – người thợ đồng hồ. Paley tiếp tục theo đuổi ý tưởng đó. Chúng ta tìm thấy trong tự nhiên những cơ chế nhất định phức tạp đến mức khó tin, ví dụ như sự tồn tại của loài người, có khả năng thuộc những hoạt động còn phức tạp hơn nhiều so với cái đồng hồ bỏ túi. Bằng sự tương tự, Paley cho rằng sự sáng tạo tình cờ rất ít có khả năng và con người tồn tại phải được tạo ra bởi một đấng tạo hóa thông minh vì một số mục đích nào đó. Vậy làm thế nào và tại sao Darwin lại đi đến bác bỏ luận lập thuyết phục của Paley đã được mọi người biết rõ, nhưng cái ít được chú ý hơn là vật lí học và vũ trụ học có những câu hỏi rất giống như vậy, ví dụ như tại sao vũ trụ dường như tinh vi quá mức kinh ngạc cho sự tồn tại của sự sống. Lời giải thích duy nhất, nếu chúng ta có thể gọi nó là một lời giải thích, là nếu như vũ trụ kém tinh vi hơn thì những người quan sát thông minh kiểu như chúng ta sẽ không thể có mặt. Tôi, tất nhiên, đang nói tới hằng số vũ trụ, L. Trên lí thuyết, người ta muốn L là đơn vị trong hệ đơn vị Planck tự nhiên. Nhưng nếu nó lớn hơn giá trị được biết hiện nay của nó một chút - 10 –123 - nó sẽ cản trở sự tiến hóa của các thiên hà, các sao và chúng ta. Giống như Paley, chúng ta gặp phải cái dường như là một biến cố cực kì không có khả năng xảy ra. Đa số các nhà vật lí bác bỏ một lời giải thích siêu nhiên – một người thợ đồng hồ vũ trụ - để giải thích cho thực tế điều chỉnh tinh vi này. Nhưng nếu không phải là người thợ đồng hồ, vậy thì là cái gì chứ? Cho đến gần đây, đa số nhà vật lí vẫn nói rằng đó là ngẫu nhiên, là một sự trùng hợp số học. Tham vọng của ngành vật lí lí thuyết là khám phá ra một lời giải thích toán học độc nhất, chẳng có gì để làm với sự tồn tại của bản thân chúng ta, cho toàn bộ các hằng số của tự nhiên. Đúng là một biến cố may mắn vì chúng dường như rơi vào ngưỡng giá trị hẹp trong đó sự sống thông minh có thể tồn tại. Nhưng như Paley than phiền, các biến cố có đến 123 chữ số thập phân rất không có khả năng. 4 Tính đa dạng của kiểu hình Trong thập kỉ vừa qua, một quan niệm mới đã và đang được định hình, một quan điểm cho rằng theo những cách nhất định có những đặc điểm chung với sự tiến hóa sinh học. Darwin và Wallace nhấn mạnh đột biến và sự chọn lọc tự nhiên là những động cơ chính của sự tiến hóa, nhưng có một số thứ còn cơ bản hơn nữa. Đột biến và chọn lọc tự nhiên sẽ không có sức mạnh sáng tạo ra loài người nếu như không có một thực tế quan trọng: tính đa dạng kiểu hình của các mẫu thiết kế sinh học. Các mẫu thiết kế sinh học được mã hóa trong các phân tử ADN, ADN chứa hai chuỗi polynucleotide xoắn lại, mỗi chuỗi có bốn cặp base khác nhau (A, G, C và T) gắn vào. Trong một sinh vật phức tạp, mỗi một phân tử ADN này có thể chứa nhiều triệu cặp base. Những sắp xếp khả dĩ của những cặp base này xác định kiểu hình sinh học, và số khả năng là cực kì lớn. Một trăm triệu cặp base, chẳng hạn, có thể sắp xếp theo 4 100 000 000 cách. Giả sử tại một thời điểm nào đó chỉ có một nghìn mẫu thiết kế có khả năng, hay thậm chí là một triệu. Vậy thì mẫu nào trong số chúng có khả năng tạo ra một dạng sống thông minh? Hoàn toàn không đáng kể. Nhưng cho dù những thiết kế may rủi như vậy là cực kì hiếm, thì 4 100 000 000 kết hợp sẽ là một con số rất lớn trong số chúng. Nguyên lí đầu tiên của sự tiến hóa sinh học – còn cơ bản hơn cả sự chọn lọc tự nhiên – là tính đa dạng kiểu hình của các mẫu sinh học. Nguyên lí thứ hai là sự biến dị: thực tế thì trong khi tái tạo, những chỉ dẫn mã hóa trong ADN có thể nhảy rời rạc sang những cấu hình mới. Sự chọn lọc tự nhiên tất nhiên là quan trọng, nhưng không có kiểu hình biến dị thì chẳng có cái gì lí thú phát sinh cả. Mô hình đang xuất hiện giải thích những tính chất đặc biệt của vũ trụ của chúng ta, theo một ý nghĩa nào đó, là một nỗ lực nhằm làm sống dậy tiêu chuẩn đặt ra bởi thuyết tiến hóa Darwin: để cung cấp một lời giải thích tự nhiên (đối lập với siêu nhiên) không ngẫu nhiên cho sự đặc biệt rõ ràng rất không có khả năng của vũ trụ và các định luật của nó. Thật bất ngờ, nó cũng gồm hai nguyên lí trọng tâm: một địa hạt vô số khả năng và biến dị ngẫu nhiên. Nó còn gồm một cơ chế tương tự như ADN. Các tiêu chuẩn Darwin Chúng ta hãy bắt đầu với ADN của một vũ trụ. Nó là cái gì và tại sao chúng ta tin rằng một cái như thế là có ý nghĩa? Lí thuyết dây là một chìa khóa mở vấn đề này. Nó giả sử rằng ở những khoảng cách cực kì nhỏ, không gian là một đa diện nhiều chiều phức tạp với nhiều – thường là sáu – chiều “thêm vào” nhỏ xíu ngoài ba chiều chúng ta thấy trong cuộc sống hàng ngày. Nếu chúng ta nhìn vũ trụ qua một kính hiển vi siêu mạnh, thì chúng ta sẽ thấy nó gồm những thành phần “Tinkertoy” gọi là thông lượng, brane, mô-đun, mặt định hướng (và vân vân), tất cả sắp xếp trên một gút thắt nhỏ xíu của không gian nhiều chiều hơn gọi là đa diện Calabi– Yau. Đa diện Calabi–Yau giống như cái xương sống cơ bản của phân tử ADN, và những thành phần khác có thể sắp xếp và sắp xếp lại theo vô số cách khác nhau; có lẽ nhiều cách như một phân tử ADN thật sự. 5 Giống như các chi tiết của ADN xác định các chi tiết sinh học của một cơ thể sống, các chi tiết của thông lượng, brane và những thành phần khác xác định các tính chất của vũ trụ. Một lần nữa, các con số lại gây choáng, mặc dù thế giới như chúng ta biết dường như cực kì không có khả năng, nhưng sẽ vẫn có nhiều cách sắp xếp các thành phần để làm cho các hằng số của tự nhiên phù hợp với sự sống. Đặc biệt, sẽ có nhiều cấu hình trong đó hằng số vũ trụ sẽ được điều chỉnh tinh vi đến 123 chữ số thập phân. Thường thì một vùng không gian mới được tin là đã tạo ra trong vũ trụ sơ khai đang giãn nở, với những tính chất và hằng số khác. Cái bọt nhỏ xíu này lớn lên và trở thành một vũ trụ mới tự nó sinh sôi nảy nở và biến dị - cuối cùng dẫn đến một đa vũ trụ rất lớn, những nhánh hiếm của chúng cho phép sự sống phức tạp. (Ảnh: Detlev van Ravenswaay/Science Photo Library) Còn sự sinh sôi và biến dị thì sao? Đây là nơi lí thuyết lạm phát của vũ trụ học phát huy tác dụng. Có nhiều bằng chứng rằng trong kỉ nguyên sớm nhất của vũ trụ, không gian tự nó giãn nở theo hàm mũ. Lạm phát là một quá trình trong đó không gian lớn dần lên giống như bề mặt của một quá bóng đang bơm căng lên, nhưng thay vì mỏng dần đi, giống như lớp cao su của quả bóng, nhưng mảnh không gian mới sẽ được tạo ra để lấp đầy những chỗ trống. Đối với đa số bộ phận, những mảnh không gian mới có ADN giống như những vùng xung quanh chúng, nhưng thường thì biến dị xuất hiện. Một chút không gian với những tính chất mới, những hằng số mới và một giá trị mới cho hằng số vũ trụ được tạo ra. Theo thuyết tương đối tổng quát chuẩn, thì cái bọt nhỏ xíu này lớn dần lên và cuối cùng trở thành một vũ trụ lạm phát mới, sinh sôi nảy nở và biến dị. Toàn bộ quá trình này được gọi là sự lạm phát vĩnh viễn và nó tạo ra một đa vũ trụ rất lớn phong phú và đa dạng như cây sự sống, mỗi nhánh có những định luật vật lí, các hằng số tự nhiên và các hạt sơ cấp riêng của nó. Đây đó có một nhánh rất hiếm được tạo ra có những tính chất đặc biệt sẽ cho phép sự sống phức tạp. 6 Không biết lí thuyết dây với vô số kiểu hình của nó, và sự lạm phát vĩnh viễn vởi những gói không gian đang sinh sôi của nó, có đúng hay không, vấn đề đó hãy để cho tương lai quyết định. Cái đúng chính xác là ở thời điểm hiện nay, chúng đang mang lại lời giải thích tự nhiên duy nhất của vũ trụ làm sống dậy các tiêu chuẩn do Darwin lập ra. Leonard Susskind (Khoa Vật lí, Đại học Stanford, Mĩ) HiepKhachQuay dịch . lên vật lí học và vũ trụ học, như Leonard Susskind giải thích sau đây. Charles Darwin không phải nhà vật lí lí thuyết, và tôi chẳng phải là nhà sinh học. Nhưng, với tư cách là nhà vật lí lí. 1 Charles Darwin và Vật lí học Leonard Susskind (Physics World, 07/2009) Ra đời cách đây 200 năm, Charles Darwin nổi tiếng với công trình nghiên cứu. về di sản của Darwin – và cả di sản của nhà tự nhiên học đồng chí của ông, Alfred Russell Wallace. Phong cách khoa học của Darwin thường không được xem là mang tính lí thuyết và nhất định không