Einstein và những cuộc cách mạng tư duy khoa học trong thế kỷ 20

Chuyện kể rằng có lần Eduard, con trai Einstein, hỏi bố: Vì sao mà bố nổi tiếng đến vậy? Einstein đã trả lời: “Khi một con gián mù bò trên vỏ một cành cây cong, nó không để ý rằng cái vết mà nó để lại trên đó là cong. Bố có cái may mắn là đã chú ý đến điều mà con gián mù không chú ý đến đó”. Có khả năng chú ý đến những điều mà kẻ tầm thường không chú ý đến, nhìn thấu và cảm nhận được những vẻ đẹp mà những con người bình thường như đa số chúng ta có nhìn cũng không thấy, đã từng là biệt tài của những năng lực sáng tạo lớn trong các lĩnh vực của nghệ thuật, thi ca, âm nhạc, hội hoạ, và ... cả của khoa học.

Biệt tài đó thường bắt nguồn từ những cảm thụ cực kỳ tinh tế gần như kỳ diệu, từ những tứ thơ ý nhạc chợt hiện một cách xuất thần mà trí tuệ con người không lý giải được. Trong thời đại chúng ta, đặc biệt trong thế kỷ 20 vừa đi qua, có một địa hạt của khoa học đã từng là nơi xuất hiện không ít những biệt tài như vậy, đó là địa hạt của vật lý các hạt cơ bản. Nhà phê bình văn học nổi tiếng George Steiner đã có lần phê bình ban tổ chức một buổi tiếp tân dành cho các nhà văn, nhà thơ, nhà triết học,... bằng những lời gay gắt: “Đâu không thấy các nhà vật lý? Hẳn các ngài phải biết là các nhà văn ẩn dụ, các thi sĩ thực tài lớn nhất của thời đại chúng ta hiện đang sáng tạo trong lĩnh vực vật lý các hạt cơ bản chứ?”. Một nhận xét thú vị và xác đáng.

Quả là các nhà vật lý lý thuyết lớn trong thời đại chúng ta hẳn phải giàu trí tưởng tượng thơ mộng đến nhường nào để có thể hình dung được những điều kỳ diệu mà mắt người đời không thể thấy, những sóng và hạt, những dây và siêu dây, những chiều không gian uốn cong và cuộn tròn, ... trong cái thế giới tận cùng bé nhỏ của vật chất, để rồi làm nên biết bao sáng tạo kỳ vĩ cho cuộc sống nhân loại hôm nay mà những kẻ phàm tục tầm thường như đa số chúng ta được an nhiên thụ hưởng. Dẫn đầu đội ngũ đông đảo các nhà thơ–vật–lý vĩ đại đó là thiên tài Albert Einstein, người đã được toàn nhân loại tôn vinh là trí tuệ siêu việt nhất của thế kỷ 20.

Tại Hội trường này, chúng ta đã vui mừng được nhiều anh chị em vật lý thân quen và tài năng của chính chúng ta kể lại và giảng giải cho nghe nhiều điều hứng thú và kỳ diệu về những phát minh vĩ đại của Khoa học vật lý, về các thiên tài vật lý như Albert Einstein, Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, v.v..., về thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng, các quan điểm mới về không gian, thời gian và vận động, về việc hình thành và phát triển của cơ học lượng tử, về lưỡng tính sóng–hạt của các hạt cơ bản như electron, photon, về nguyên lý bất định và đặc tính xác suất trong vật lý lượng tử, về những tìm tòi, những trăn trở, cả những tranh luận chưa có hồi kết giữa các nhà vật lý,...

Trong năm 1905, khi còn là một thanh niên 26 tuổi, là nhân viên bình thường ở một Văn phòng bằng sáng chế ở Bern, Einstein đã công bố 4 công trình quan trọng về vật lý, trong đó có một là thuyết tương đối hẹp nổi tiếng như ta đã biết. Con người từng là tác giả của phát minh vĩ đại làm đảo ngược nhận thức của loài người về một thời gian tuyệt đối không phụ thuộc vào chuyển động, sáng tạo nên một trong những công thức quan trọng nhất của muôn đời về quan hệ giữa khối lượng và năng lượng (E = m c²), về sau đã giải thích học thuyết kỳ diệu của mình bằng những lời cực kỳ giản dị: “Đưa tay vào lò sưởi một phút, anh tưởng như một giờ; ngồi bên cô gái đẹp một giờ, anh tưởng mới một phút. Đó là tương đối.”

Trong một công trình khác cũng viết năm 1905, Einstein đã xét hiện tượng được phát hiện bởi Max Planck, theo đó năng lượng điện từ dường như được truyền từ các bức xạ bằng những lượng tử rời rạc. Năng lượng của những lượng tử này tỷ lệ thuận với tần số phóng xạ. Điều này có vẻ như mâu thuẫn với lý thuyết cổ điển dựa trên các phương trình Maxwell và các luật của nhiệt động học giả thuyết rằng năng lượng điện từ bao gồm các sóng có thể mang các năng lượng tuỳ ý bé. Như vậy, Einstein đã dùng giả thuyết lượng tử của Planck để mô tả bức xạ điện từ của ánh sáng, và do đó ông thực sự là một trong những nhà khoa học đặt nền móng cho vật lý lượng tử sau này.

Từ những thập niên 1920–30 của thế kỷ trước cho mãi đến ngày nay, cơ học lượng tử luôn ở vị trí trung tâm của khoa học vật lý hiện đại, đó là nơi xuất hiện nhiều ý tưởng khoa học độc đáo, kỳ lạ, và cũng là nơi những ý tưởng khoa học khác nhau có những cuộc đấu tranh không khoan nhượng. Những cuộc đấu tranh đó có thể là giữa các nhà khoa học khác nhau, mà cũng có thể là ở ngay trong bản thân một nhà khoa học. Chính Einstein, nhà khoa học vĩ đại, người có một tâm hồn thơ mộng và một đam mê âm nhạc, cũng chính là người đã giữ một lòng tin không lay chuyển vào khoa học, cụ thể là vào những nguyên tắc của tư duy khoa học ở thời đại ông.

Ông tin rằng với tư duy khoa học đó không thể có một mâu thuẫn nào có thể đưa vào trong tự nhiên, một lý thuyết với cách giải thích duy lý là có thể tìm được cho thế giới, tức thế giới là có thể hiểu được bằng lý lẽ của con người. Chính vì lẽ đó mà tại Hội nghị Solvay năm 1927 ông đã để lại câu nói nổi tiếng: “Thượng đế không chơi trò xúc xắc với vũ trụ” để phản đối cách thể hiện xác suất của lý thuyết lượng tử được đa số các nhà sáng lập cơ học lượng tử như Planck, Niels Bohr, de Broglie, Heisenberg, Dirac, Schrödinger tán thành.

Và với niềm tin vào khả năng hoá giải các “mâu thuẫn” giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối bằng tư duy khoa học trên nền tảng của tất định luận và suy luận duy lý mà Einstein đã gần như dành cả những thập niên cuối đời mình cho việc tìm kiếm một “lý thuyết trường thống nhất”, tức một “lý thuyết về mọi thứ” (theory of everything), một niềm mơ ước đã lôi cuốn theo nó tài năng của nhiều thế hệ các nhà vật lý của thế kỷ 20.

Sự phản đối của Einstein đối với việc xem thể hiện xác suất như cơ sở của cơ học lượng tử và ý đồ bất thành về một lý thuyết đại thống nhất của vật lý đã được sách báo nói đến nhiều trong mấy thập niên qua, và không ít người xem đó là một “thất bại” của Einstein. Cần hiểu như thế nào cho đúng về các sự kiện đó? Tôi chỉ là một người ngoại đạo đối với vật lý lý thuyết, am hiểu còn nông cạn những vấn đề tinh tế của lĩnh vực khoa học hết sức cơ bản này, nhưng với lòng ngưỡng mộ sâu sắc đối với thiên tài Einstein, cũng muốn được tìm hiểu cặn kẽ hơn các lý giải hợp lý cho các sự kiện đó.

Ta biết rằng cho đến đầu thế kỷ 20, gần như tất cả các lý thuyết khoa học đều được xây dựng và phát triển trong một khung mẫu tư duy có uy tín tuyệt đối mà nền tảng chủ yếu là tất định luận và các phương pháp tư duy duy lý. Toán học được phát triển mạnh đã cung cấp cho khoa học những công cụ tuyệt vời để thực hiện các “phương pháp khoa học” đó. Trong bối cảnh đó, việc đòi hỏi tìm các mô hình và phương trình tất định để mô tả hoạt động của các thực thể vật lý, kể cả các “hạt cơ bản”, nên được xem là những đòi hỏi tự nhiên. Cái ngẫu nhiên, bất định, hỗn độn, nhiễu loạn vốn từ lâu đã là khó hiểu, xa lạ và gây dị ứng với tuyệt đại đa số các nhà khoa học nói chung, và các nhà vật lý nói riêng.

Và vì vậy, cũng nên xem là tự nhiên nếu từ chối đưa một khái niệm chưa có ý nghĩa khoa học rõ ràng làm nền móng cho một lý thuyết khoa học cơ bản. Chính Heisenberg, một người sáng lập cơ học lượng tử, tác giả của nguyên lý bất định nổi tiếng, cũng hoài nghi về khả năng tìm được cách hợp thức hoá khoa học cho khái niệm nhiễu loạn, ngẫu nhiên.

Trên giường bệnh trước khi qua đời, ông có nói là sẽ hỏi Thượng đế hai điều: vì sao có Tương đối, và vì sao có nhiễu loạn? Và ông thêm: “Tôi tin là Thượng đế có câu trả lời cho điều thứ nhất.” Còn câu hỏi “vì sao có nhiễu loạn?”, do đâu mà nhiễu loạn xuất hiện, vẫn là một câu hỏi treo lơ lửng trên đầu các nhà vật lý.

Mãi cho đến thập niên 1970, khi từ nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau, bằng cách mô phỏng trên máy tính hành vi của các hệ động lực phi tuyến, người ta phát hiện ra một loại hiện tượng kỳ lạ, ngày nay gọi là “hỗn độn tất định”, một thứ hỗn độn, ngẫu nhiên và nhiễu loạn mà nguồn gốc sinh ra lại là từ việc chuyển trạng thái của những hệ thống động lực tuân theo các luật tất định có một ít các quan hệ phi tuyến.

Việc xuất hiện “lý thuyết hỗn độn” trong những thập niên cuối thế kỷ 20 đã gây nhiều phản ứng mạnh mẽ, đôi khi trái ngược nhau, trong giới khoa học thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau. Riêng trong lĩnh vực vật lý, thoạt đầu người ta hy vọng tìm được ở đây một cách trả lời cho câu hỏi “từ đâu có nhiễu loạn?”, nhưng rồi dần dần nhận ra rằng giữa cái hỗn độn tất định của các hệ động lực phi tuyến và cái nhiễu loạn lượng tử không hề có gì giống nhau cả, vì rằng nếu cái đặc trưng cho hỗn độn tất định là tính “phụ thuộc nhạy cảm vào điều kiện ban đầu” và tính “không dự đoán được”, thì các hệ lượng tử lại không có các tính chất đó, đơn giản là vì các phương trình sóng Schrödinger là các phương trình vi phân (đạo hàm riêng) tuyến tính!

Mặc dầu vậy, cho đến nay các nhà vật lý vẫn thích kể lý thuyết hỗn độn vào “ba cuộc cách mạng lớn” trong khoa học vật lý của thế kỷ 20 là thuyết tương đối, cơ học lượng tử và lý thuyết hỗn độn, bởi vì nếu “thuyết tương đối loại bỏ ảo tưởng Newton về không gian và thời gian tuyệt đối; lý thuyết lượng tử loại bỏ giấc mơ Newton về những tiến trình đo lường điều khiển được”; thì “lý thuyết hỗn độn loại bỏ nốt ảo tưởng Laplace về khả năng dự đoán một cách tất định”.

Như vậy là các trụ cột chính của khung mẫu tư duy cơ giới Newton, nền móng của khoa học trong suốt mấy thế kỷ từ thế kỷ 17 đến đầu thế kỷ 20 đã “sụp đổ”! Liên hệ với những sự kiện đó ta nhớ rằng trong mấy thập niên đầu thế kỷ 20 cũng đã có một sự kiện tương tự đối với một chương trình của nhà toán học vĩ đại Hilbert nhằm cứu vãn tính hợp thức của toán học cổ điển trước những công kích của trường phái trực giác chủ nghĩa trong toán học.

Chương trình đó bao gồm việc xây dựng cho toán học cổ điển một hệ hình thức chứa đựng cả thuyết tập hợp và lô gích hình thức cổ điển, trong hệ hình thức đó chứa cả những công thức mang nội dung “hệ toán hình thức đó là phi mâu thuẫn”; rồi bằng các phương pháp của một siêu toán học tuân theo hữu hạn luận chứng minh rằng hệ hình thức đó là phi mâu thuẫn. Nếu chương trình đó được thực hiện thì ta có thể yên tâm về tính hợp thức của toán học cổ điển, trong toán học đó chỉ chứa (và cũng chứa đủ) mọi chân lý toán học!

Và vào thập niên 1930, Gödel, một nhà toán học lớn, sau này là một người bạn thân thiết của Einstein ở Princeton, đã chứng minh được một điều gây sửng sốt trong thế giới toán học: chương trình Hilbert là không thể thực hiện được, một hệ hình thức như Hilbert đề nghị xây dựng (tức hệ hình thức của toán học cổ điển) nếu là phi mâu thuẫn thì là không đầy đủ; và nếu phi mâu thuẫn thì tự nó không thể chứng minh được tính phi mâu thuẫn của mình!

Nói đơn giản hơn thì thế có nghĩa là không thể có một lý thuyết toán học hình thức nào xây dựng trên nền tảng các phương pháp tư duy duy lý có thể chứa đầy đủ và trọn vẹn các chân lý toán học, vì bao giờ cũng vẫn còn có những “chân lý” toán học mà nó không chứng minh được. Mở rộng ra, điều đó cũng có thể nói về mọi lý thuyết khoa học! Điều lý thú ở đây là toán học (hay rộng hơn, khoa học) trong phạm vi của cơ giới luận và tư duy duy lý, tự chứng minh được sự hạn chế và bất lực của chính mình!

Định lý Gödel có thể được hiểu là: bất cứ một lý thuyết nào mà con người xây dựng nên đều phản ánh một tình huống nhất định của nhận thức, từ bên trong một tình huống không thể hiểu hết mọi chuyện về tình huống đó; chỉ khi đứng ngoài tình huống đó thì may ra mới đạt tới một viễn cảnh sâu xa hơn để có thể nhìn thấu bên trong nó. Ta không thể hy vọng đứng bên trong thế giới duy lý mà hiểu hết mọi thứ.

Thế giới quả thực có nhiều thứ lạ lùng hơn mọi điều mà trí tuệ duy lý của chúng ta có thể nắm bắt được. Nhiều nhà khoa học, kể cả các nhà vật lý, đã nhận rõ là cần vượt ra ngoài biên giới của mọi qui giản về tư duy duy lý để có nhận thức đầy đủ hơn về thế giới.

Nhà vật lý lượng tử Max Planck đã viết từ 1936: “Khoa học [...] có nghĩa là một sự cố gắng không mệt mỏi và một sự phát triển tiến bộ liên tục nhằm hướng tới một mục đích mà trực giác thơ mộng có thể nắm bắt được nhưng trí tuệ không bao giờ có thể hiểu thấu hoàn toàn”.

Bản thân nhà bác học Einstein trong một bài giảng vào năm 1933 cũng đã nói: “Nếu anh muốn biết về các phương pháp mà nhà vật lý lý thuyết đã dùng thì tôi cho anh một lời khuyên: Đừng nghe nó nói mà hãy xét những thành tựu của nó. Đối với một nhà phát minh, các kiến trúc của trí tưởng tượng xuất hiện một cách tự nhiên như cần thiết phải thế, chứ không phải là những sáng tạo của tư duy”.

Nói cách khác, để cho khoa học có thể cung cấp cho con người nhiều hiểu biết sâu sắc hơn về thiên nhiên, về vũ trụ, về cuộc sống, đã đến lúc mà tư duy cơ giới với tất định luận, với những phương pháp phân tích, suy luận duy lý và qui giản,... đã không còn phù hợp nữa, mà cần được bổ sung những quan điểm tư duy mới, sử dụng những công cụ và phương pháp mới, vận dụng thêm những năng lực cảm thụ khác vốn có trên cơ sở các quan điểm và phương pháp mới đó để cảm nhận và tìm hiểu các đối tượng nhận thức của mình.

Mà đối tượng nhận thức của con người thì trước hết phải là những vấn đề của đời sống bình thường, thuộc kích cỡ con người. Nhiều thế hệ các nhà khoa học mải mê trên con đường phân tích đi sâu mãi vào các thế giới vĩ mô và vi mô của vật chất, dường như xem rằng mọi vấn đề khoa học của đời thường đã được giải quyết. Nhưng bừng tỉnh lại thì ta chợt thấy còn biết bao câu hỏi của cuộc sống đời thường vẫn hàng ngày chờ câu trả lời mà chưa được ai giải đáp.

Sự sống đã được khởi đầu ra sao? ngẫu nhiên, hỗn độn là cái gì? trong một vũ trụ tuân theo luật entropy tăng thì độ vô trật tự sẽ càng ngày càng lớn, vậy làm thế nào mà trật tự lại có thể nảy sinh? Vân vân và vân vân. Cái “hỗn độn tất định” mà lý thuyết hỗn độn phát hiện ra là thuộc cơ học cổ điển, cơ học thuộc kích cỡ con người.

Các lý thuyết khoa học về vật lý ở tầm vĩ mô và vi mô đã và vẫn tiếp tục đạt được nhiều thành tựu kỳ diệu thúc đẩy sự phát triển nhiều ngành công nghệ hiện đại, góp phần to lớn làm tăng trưởng kinh tế và chuyển biến xã hội loài người, và ngày nay, hướng về những vấn đề của đời thường, khoa học đang thực hiện một cuộc “cách mạng” mới với những chủ đề về hỗn độn và phức tạp, về các hệ thống giàu các tương tác phức tạp và các khả năng thích nghi, về cạnh tranh và hiệp tác, về tính trật tự và tính tự tổ chức, về hợp trội và tiến hoá, v.v., với những phương pháp kết hợp phân tích và tổng hợp, định lượng và định tính, suy luận duy lý và cảm thụ trực giác, ..., nhằm một mục đích nhận thức không nhất thiết phải là tìm kiếm và phát hiện “các chân lý khách quan”, mà là tìm được ngày càng nhiều các cách thức “giải quyết vấn đề” đối với những bài toán mà con người gặp phải trong cuộc sống của mình.

Trở lại câu chuyện tranh luận giữa Einstein và Bohr về “Thượng đế có chơi trò xúc xắc với vũ trụ hay không?”, nhà vật lý học vũ trụ Stephen Hawking nổi tiếng về sau có phát biểu: “Thượng đế không chỉ chơi trò xúc xắc, mà đôi khi còn vứt bỏ những con xúc xắc đó ở đâu mà chúng không bị nhìn thấy”. Ông cũng có lần nói: “Khoa học vật lý có thể hoàn thành sứ mệnh của mình mà không có câu trả lời cho vài câu hỏi cơ bản nhất về tự nhiên”. Khoa học mãi mãi vẫn là con đường dài không giới hạn, và mục tiêu cuối cùng vẫn có thể còn là mãi xa tít tắp.

Vũ trụ, tự nhiên vẫn luôn luôn có những bí ẩn được giấu kín mà tri thức con người không đạt đến được.

Viết mấy dòng trên đây nhân tham gia kỷ niệm 100 năm ngày ra đời một lý thuyết vật lý vĩ đại là Thuyết tương đối, cho phép tôi được dâng lên bàn thờ Einstein một nén hương để tỏ lòng tôn kính và ngưỡng mộ chân thành, và được thầm khấn trước vong linh Người lời khấn mượn từ Đạo đức kinh của Lão Tử:

Đạo khả đạo, phi thường Đạo...

12–6–2005

Phan Đình Diệu

Ghi chú: George Steiner (sinh năm 1929 tại Paris, Pháp) là một nhà văn, nhà nghiên cứu và phê bình văn học, đồng thời là một giáo sư văn học có nhiều uy tín và ảnh hưởng tại nhiều trường Đại học của Anh, Mỹ.