Các lý thuyết phải trải qua bốn giai đoạn để được chấp nhận:

i. nó vô nghĩa và vô giá trị

ii. nó thú vị nhưng khó hiểu

iii. nó đúng nhưng chẳng mấy quan trọng

iv. Tôi luôn nói vậy mà.

— J. B. S. HALDANE, 1963

Trong tiểu thuyết kinh điển The God themselves (Bản thân các vị thần) của văn hào Isaac Asimov, một nhà hóa học vô danh vào năm 2070 đã vô tình phát minh ra máy bơm electron có khả năng tạo ra nguồn năng lượng vừa vô hạn vừa miễn phí, được xem là khám phá vĩ đại nhất mọi thời đại. Phát minh này có tác động tức thì và vô cùng sâu sắc. Nhà hóa học này được tôn vinh là nhà khoa học vĩ đại nhất trong lịch sử nhờ làm thỏa mãn được cơn khát năng lượng của nhân loại. “Đó là ông già Noel và cây đèn thần của chúng ta.” Asimov viết. Công ty của nhà phát minh nọ nhanh chóng trở nên giàu nhất hành tinh, đẩy dầu mỏ, khí đốt, than đá và nền công nghiệp hạt nhân vào dĩ vãng.

Thế giới khi ấy tắm mình trong năng lượng miễn phí và nền văn minh vận hành nhờ nguồn năng lượng mới được tìm thấy này. Nhưng trong khi mọi người đang hồ hởi với thành tựu to lớn này thì một nhà vật lý lại trăn trở. “Tất cả năng lượng này đến từ đâu?” Ông tự hỏi. Cuối cùng ông đã khám phá ra bí mật: năng lượng miễn phí được đánh đổi với một cái giá khủng khiếp. Nó thoát ra từ một lỗ hổng trong không gian kết nối vũ trụ chúng ta với một vũ trụ song song, và dòng chảy năng lượng đột ngột vào vũ trụ của chúng ta đang khởi phát một chuỗi phản ứng dây chuyền, cuối cùng sẽ phá hủy các ngôi sao và các thiên hà, biến Mặt Trời thành một vụ nổ siêu tân tinh và phá hủy Trái Đất cùng với nó.

Kể từ khi lịch sử bắt đầu được ghi nhận, chiếc chén thánh của các nhà phát minh, các khoa học gia cũng như của những kẻ bịp bợm và những nghệ sĩ giả danh chính là thiết bị hoang đường mang tên “động cơ vĩnh cửu”, thứ sẽ chạy mãi mà không hao phí năng lượng. Một dạng thức thậm chí còn tốt hơn nữa là một thiết bị có thể tạo ra mức năng lượng lớn hơn cả mức tiêu thụ của nó, giống như máy bơm electron ở trên, thứ tạo ra năng lượng miễn phí và không giới hạn.

Trong những năm tới, khi nền công nghiệp của chúng ta dần sử dụng cạn kiệt nguồn dầu thô giá rẻ, nhân loại sẽ phải đối mặt với áp lực khủng khiếp là làm sao để tìm ra những nguồn năng lượng thay thế vừa sạch vừa có trữ lượng lớn. Giá khí đốt tăng vụt, sản lượng khai thác giảm, vấn nạn ô nhiễm môi trường trầm trọng hơn và sự biến đổi của bầu khí quyển đang khiến vấn đề năng lượng được quan tâm trở lại.

Hiện nay, một số nhà phát minh “dựa hơi” vào mối lo lắng này vẫn hứa hẹn sẽ cung cấp được nguồn năng lượng miễn phí không giới hạn, thậm chí chào bán các phát minh của họ với giá hàng trăm triệu đô-la. Số nhà đầu tư liên tục tăng nhanh do bị cám dỗ từ những tuyên bố có cánh của giới truyền thông tài chính rằng đây sẽ là những Edison tiếp theo.

Động cơ vĩnh cửu được ưa thích rộng rãi. Trong tập “Sự giải thể PTA” của bộ phim The Simpsons (Gia đình Simpson), Lisa chế tạo một động cơ vĩnh cửu dưới sự thúc ép của một giáo viên. Điều này khiến bố Homer đưa ra tuyên bố chắc nịch: “Lisa, vào đây đi… trong ngôi nhà này, mọi thứ tuân theo các định luật nhiệt động lực học!”

Trong các trò chơi điện tử như The Sims, Xenosaga phần I và II, Ultima VI: The False Prophet, cũng như trong phim hoạt hình Invader Zim (Zim, kẻ xâm lược) của Nickelodeon, động cơ vĩnh cửu đều xuất hiện nổi bật trong cốt truyện.

Nhưng nếu năng lượng quý giá đến vậy thì khả năng chính xác của việc tạo ra một động cơ vĩnh cửu là gì? Những thiết bị như vậy có thực sự bất khả thi, hay việc chế tạo ra chúng sẽ đòi hỏi chúng ta phải nhìn nhận lại các định luật vật lý?

Năng lượng là yếu tố sống còn của nền văn minh. Trên thực tế, chúng ta có thể sử dụng năng lượng làm tham chiếu để xem xét toàn bộ lịch sử loài người. Phải tới 99,9% các xã hội nguyên thủy có đời sống du mục, kham khổ kiếm ăn nhờ săn bắt và hái lượm. Cuộc sống khi ấy thật tàn khốc và ngắn ngủi. Năng lượng có sẵn chỉ bằng 1/5 mã lực, chính là sức mạnh cơ bắp. Những phân tích về xương của tổ tiên chúng ta cho thấy bằng chứng của những tổn thương và hao mòn do áp lực sinh tồn thường nhật. Tuổi thọ trung bình của họ chưa tới 20.

Nhưng sau khi thời kỳ băng hà kết thúc khoảng 10.000 năm trước, chúng ta phát minh ra nền nông nghiệp và thuần hóa động vật, đặc biệt là ngựa, giúp nguồn năng lượng tạo ra tăng dần lên một đến hai mã lực. Điều này thúc đẩy sự hình thành cuộc cách mạng lớn đầu tiên trong lịch sử loài người. Với sức ngựa hay trâu bò, một người có đủ năng lượng tự cày xới cả cánh đồng, đi hàng chục kilômét mỗi ngày, hay di chuyển hàng tấn đá hay lương thực từ nơi này đến nơi khác. Lần đầu tiên trong lịch sử, các gia đình có nguồn năng lượng thặng dư và kết quả là những thành phố đầu tiên bắt đầu thành hình. Nhờ dư thừa năng lượng, xã hội có thể hỗ trợ hình thành các tầng lớp thợ thủ công, kiến trúc sư, kỹ sư xây dựng và công nhân, nhờ đó nền văn minh cổ đại trở nên thịnh vượng hơn. Những kim tự tháp và các đế quốc mọc lên từ rừng sâu và hoang mạc. Tuổi thọ trung bình của con người tiến đến con số 30.

Cuộc cách mạng lớn lần hai trong lịch sử loài người diễn ra khoảng 300 năm sau đó. Với việc phát minh ra máy móc và động cơ hơi nước, năng lượng mà một người có thể sở hữu tăng vụt lên hàng chục mã lực. Sử dụng đầu máy hơi nước, giờ đây con người có thể băng qua các lục địa chỉ trong vài ngày. Máy móc giúp cày xới các cánh đồng, đưa hàng trăm hành khách vượt qua quãng đường hàng nghìn kilômét và cho phép chúng ta xây dựng nên những thành phố chọc trời. Tuổi thọ trung bình vào những năm 1900 ở Mỹ là khoảng 50.

Hiện nay, chúng ta đã đi qua cuộc cách mạng lớn lần thứ ba trong lịch sử nhân loại: cuộc cách mạng thông tin. Do bùng nổ dân số và cơn khát điện cũng như các năng lượng khác, nhu cầu năng lượng của chúng ta đã tăng vọt và các nguồn cung đang bị đẩy tới giới hạn. Mức năng lượng khả dĩ dành cho mỗi cá nhân đã lên đến hàng nghìn mã lực. Vì chỉ một chiếc xe hơi cũng có thể tạo ra công suất hàng trăm mã lực nên chẳng mấy ngạc nhiên khi thấy nhu cầu năng lượng ngày càng tăng cao đã khơi mào mối quan tâm đối với việc tìm kiếm các nguồn năng lượng lớn hơn, trong đó có động cơ vĩnh cửu.

ĐỘNG CƠ VĨNH CỬU TRONG LỊCH SỬ

Công cuộc tìm kiếm động cơ vĩnh cửu đã bắt đầu ngay từ xa xưa. Nỗ lực chế tạo một động cơ vĩnh cửu đầu tiên được ghi nhận vào thế kỷ 8 ở xứ Bavaria. Nó là nguyên mẫu của hàng trăm biến thể trong 1.000 năm tiếp theo, hoạt động dựa vào một dãy nam châm nhỏ gắn trên một bánh xe giống như vòng đu quay. Bánh xe được đặt ngay phía trên một nam châm lớn nằm trên sàn. Khi mỗi nam châm nhỏ trên bánh xe đi qua nam châm lớn, nam châm lớn kéo rồi đẩy nó, làm cho bánh xe quay tạo ra chuyển động lâu dài.

Một thiết kế khéo léo khác được nhà triết học Ấn Độ Bhaskara thực hiện vào năm 1150. Ông duy trì chuyển động của bánh xe bằng cách thêm một vật nặng vào vành bánh xe, khiến bánh xe này quay do bị mất cân bằng. Vật nặng quay sẽ sinh công làm cho bánh xe quay rồi trở lại vị trí ban đầu. Bằng cách lặp đi lặp lại động tác này, Bhaskara tuyên bố con người có thể tạo ra công vô hạn một cách miễn phí.

Thiết kế động cơ vĩnh cửu của người Bavaria và của Bhaskara cũng như nhiều hậu duệ của chúng đều có chung đặc điểm: một bánh xe có thể quay giáp vòng mà không cần bổ sung năng lượng, đồng thời tạo ra công có ích trong quá trình quay. (Khi kiểm tra cẩn thận những cỗ máy tinh tế này, ta thường nhận thấy năng lượng thật ra có bị mất mát trong mỗi vòng quay, hoặc chúng không tạo ra công có ích.)

Đến thời Phục Hưng, đề xuất cho động cơ vĩnh cửu tăng vọt. Năm 1635, bằng sáng chế đầu tiên được cấp cho loại động cơ này. Năm 1712, sau khi phân tích khoảng 300 mô hình, Johann Bessler đã tự thiết kế một động cơ vĩnh cửu. (Theo đồn đại, sau này người hầu của ông cho biết động cơ đó chỉ là trò lừa gạt.) Thậm chí, họa sĩ và nhà khoa học vĩ đại thời Phục Hưng Leonardo da Vinci cũng quan tâm đến động cơ vĩnh cửu. Dù phản đối các động cơ này trước công luận bằng cách so sánh chúng với công cuộc vô vọng để tìm kiếm đá hiền triết, nhưng ông vẫn tạo ra những thiết kế tinh tế cho riêng mình. Trong sổ tay, ông vẽ các mô hình động cơ vĩnh cửu tự hoạt động, trong đó có một bơm hướng tâm và cả một máy nướng dùng để quay xiên thịt trên bếp lửa.

Đến năm 1775, số thiết kế được trình lên nhiều đến nỗi Viện Khoa học Hoàng gia ở Paris phải ra thông cáo “không cấp chứng nhận hay thương thảo với những đề xuất liên quan tới động cơ vĩnh cửu”.

Arthur Ord-Hume, sử gia chuyên về động cơ vĩnh cửu, đã viết về những nỗ lực không mệt mỏi của các nhà phát minh này dù phải đối diện với vô vàn khó khăn. Ông thường so sánh họ với những nhà giả kim thuật cổ. Nhưng ông cũng kết luận: “Kể cả các nhà giả kim… cũng biết khi nào mình thất bại.”

TIN ĐỒN THẤT THIỆT VÀ NHỮNG TRÒ BỊP

Mối quan tâm dành cho việc tạo ra một động cơ vĩnh cửu lớn đến nỗi những trò bịp trở nên phổ biến. Năm 1813, Charles Redheffer đã trình diễn một động cơ làm mê hoặc khán giả New York khi nó tạo ra năng lượng miễn phí không giới hạn. (Nhưng khi Robert Fulton kiểm tra cẩn thận động cơ này, ông tìm thấy một dây truyền động được ẩn đi. Sợi dây này gắn với một tay quay do một người núp trên mái nhà vận hành.)

Các nhà khoa học và kỹ sư cũng bị cuốn theo các động cơ vĩnh cửu. Năm 1870, các biên tập viên của tạp chí Scientific American đã bị một động cơ do E. P. Willis chế tạo qua mặt. Khi cho đăng câu chuyện về thiết bị này cùng dòng tít ấn tượng “Khám phá lớn nhất từng được thực hiện”. Sau đó các nhà nghiên cứu mới phát hiện ra nguồn năng lượng được giấu đi của động cơ này.

Năm 1872, John Ernst Worrell Kelly thực hiện một cú lừa tinh vi và đắt giá nhất thời điểm đó, khi bòn rút của các nhà đầu tư gần năm triệu đô-la, nhờ đó trở thành ông hoàng thực sự vào cuối thế kỷ 19. Động cơ vĩnh cửu của Kelly dựa trên một hệ âm thoa mà ông tuyên bố là có khả năng rút năng lượng từ “ete”. Kelly, một người không có chút nền tảng về khoa học, đã mời các nhà đầu tư giàu có đến nhà mình, mê hoặc họ bằng Động cơ Chân không tạo Dao động bằng Khí hiđrô (HPPVE), có thể chạy mà không cần bất cứ nguồn năng lượng bên ngoài nào. Bị động cơ tự đẩy này thuyết phục, các nhà đầu tư háo hức tranh giành bỏ tiền vào kho bạc của Kelly.

Về sau, một số nhà đầu tư vỡ mộng đã giận dữ cáo buộc Kelly tội lừa đảo, thậm chí đẩy ông vào tù một thời gian, nhưng đến tận khi qua đời, Kelly vẫn là một người giàu có. Sau khi ông mất, các nhà nghiên cứu đã tìm ra bí mật tinh vi đằng sau động cơ này. Khi ngôi nhà của ông bị kéo sập, người ta tìm thấy một số đường ống được che đậy kỹ càng trên sàn nhà và trong các bức tường của tầng trệt; chúng đã bí mật bơm khí nén cho động cơ của ông. Các ống này được cấp năng lượng bởi một bánh đà.

Ngay cả Hải quân Mỹ và tổng thống Mỹ cũng bị loại động cơ này mê hoặc. Năm 1881, John Gamgee phát minh ra động cơ sử dụng amoniac lỏng. Hơi amoniac lạnh giãn nở làm di chuyển pit tông và cung cấp năng lượng cho động cơ chỉ với nhiệt lấy từ nước biển. Hải quân Mỹ đã ấn tượng với ý tưởng rút năng lượng vô hạn từ các đại dương tới mức phê chuẩn việc chế tạo thiết bị này, thậm chí còn trình nó cho tổng thống James Garfield. Nhưng vấn đề gặp phải là hơi amoniac không thể ngưng tụ thành chất lỏng đúng cách nên chu trình của động cơ không hoàn tất được.

Vì có quá nhiều đề xuất về động cơ vĩnh cửu được trình lên Văn phòng Bản quyền Sáng chế và Bản quyền Thương mại Hoa Kỳ (USPTO) nên cơ quan này đã từ chối cấp bằng sáng chế cho các thiết bị kiểu này, trừ khi chủ sở hữu đưa ra được một mô hình thực sự hoạt động. Trong một số trường hợp hiếm hoi, khi các kiểm tra viên không tìm thấy sai sót nào rõ ràng của thiết kế thì bằng sáng chế mới được cấp. USPTO cho biết: “Ngoại trừ các trường hợp liên quan đến động cơ vĩnh cửu, Văn phòng không đòi hỏi một mô hình phải chứng minh cách thức hoạt động thực tiễn của nó.” (Lỗ hổng này giúp một số nhà phát minh vô đạo đức thuyết phục được các nhà đầu tư ngây thơ đổ tiền cho phát minh của họ bằng cách trưng ra các chứng nhận của USPTO.)

Tuy nhiên, việc theo đuổi các động cơ vĩnh cửu không hẳn là vô nghĩa dưới góc nhìn khoa học. Trên thực tế, mặc dù các nhà phát minh chưa bao giờ tạo ra được động cơ vĩnh cửu, nhưng lượng thời gian và nguồn lực đầu tư lớn như vậy cho việc chế tạo thiết bị hoang đường này đã giúp các nhà vật lý có cơ hội nghiên cứu kỹ lưỡng bản chất của các động cơ nhiệt. (Tương tự, công cuộc tìm kiếm đá hiền triết trong vô vọng của các nhà giả kim với mong muốn biến chì thành vàng đã giúp các nhà khoa học khám phá ra một số định luật cơ bản của hóa học.)

Ví dụ, vào những năm 1760, John Cox đã phát triển một loại đồng hồ có thể hoạt động mãi mãi, được nạp năng lượng bằng những thay đổi của áp suất khí quyển. Áp suất không khí thay đổi sẽ vận hành một áp kế, làm quay các kim đồng hồ. Loại đồng hồ này thực sự hoạt động được và thậm chí còn tồn tại cho đến ngày nay. Nó có thể hoạt động vĩnh viễn do năng lượng được cung cấp từ bên ngoài dưới dạng những sự thay đổi của áp suất khí quyển.

Các động cơ vĩnh cửu như đồng hồ Cox cuối cùng đã đưa các nhà khoa học đến giả thiết rằng những động cơ như vậy có thể hoạt động mãi mãi chỉ khi chúng được cung cấp năng lượng từ bên ngoài, sao cho tổng năng lượng của hệ thống được bảo toàn. Lý thuyết này đã dẫn đến nguyên lý I nhiệt động lực học, theo đó tổng năng lượng và vật chất không được tạo ra hay mất đi. Hai nguyên lý khác cũng được xây dựng, tạo thành bộ ba nguyên lý cơ bản của nhiệt động lực học. Nguyên lý II cho biết tổng entropy (mức độ mất trật tự) luôn tăng. (Hiểu đơn giản thì nguyên lý này quy định nhiệt chỉ tự truyền từ vật nóng sang vật lạnh hơn.) Nguyên lý III cho biết ta không thể đạt được không độ tuyệt đối.

Nếu chúng ta so sánh vũ trụ với một trò chơi và mục đích của trò chơi này là trích xuất ra được năng lượng, thì ba nguyên lý của nhiệt động lực học có thể phát biểu lại như sau:

“Ta không thể thu được gì từ hư vô.” (Nguyên lý I)

“Ta không thể chia đều.” (Nguyên lý II)

“Ta thậm chí không thể thoát khỏi trò chơi.” (Nguyên lý III)

(Các nhà vật lý còn thận trọng nhận định rằng các nguyên lý này không nhất thiết phải đúng ở mọi thời điểm. Tuy nhiên, vẫn chưa có sự sai lệch nào được tìm thấy. Bất cứ ai muốn chứng minh các nguyên lý này là sai đều sẽ phải chống lại các thí nghiệm khoa học được tiến hành cẩn thận trong hàng thế kỷ qua. Chúng ta sẽ thảo luận một chút về khả năng sai lệch của các nguyên lý này.)

Giữa một rừng thành tựu tuyệt vời của khoa học thế kỷ 19, các nguyên lý nhiệt động lực học nổi bật với cả đột phá lẫn bi kịch. Một trong những nhân vật nổi trội nhất là nhà vật lý vĩ đại người Đức Ludwig Boltzmann đã tự vẫn, một phần vì những tranh cãi mà ông tạo nên xung quanh việc xây dựng các nguyên lý này.

LUDWIG BOLTZMANN VÀ ENTROPY

Boltzmann là một chàng trai đậm người, vạm vỡ và bộ râu rậm. Tuy nhiên, vẻ ngoài dữ tợn ấy lại che đậy tất cả những tổn thương mà ông phải gánh chịu khi bảo vệ những ý tưởng của mình. Mặc dù nền vật lý Newton đã được thiết lập chắc chắn vào thế kỷ 19, nhưng Bolzmann biết rằng các định luật này không thể áp dụng hiệu quả cho khái niệm nguyên tử, lúc bấy giờ còn gây nhiều tranh cãi và chưa được các nhà vật lý hàng đầu chấp nhận. (Đôi khi chúng ta quên mất rằng cách đây một thế kỷ, hàng trăm nhà khoa học vẫn khăng khăng rằng nguyên tử chỉ là một mánh lới tinh vi chứ không phải là một thực thể. Họ khẳng định các nguyên tử nhỏ đến mức có lẽ không tồn tại.)

Newton chỉ ra rằng các lực cơ học, chứ không phải các linh hồn hay ước vọng, là đủ để xác định chuyển động của mọi vật. Dựa vào đó, Boltzmann đã rút ra nhiều định luật dành cho chất khí bằng một giả thiết đơn giản: chất khí được tạo thành từ các nguyên tử nhỏ bé và giống như những viên bi, các nguyên tử này tuân theo các định luật về lực đã được Newton tìm ra. Đối với Boltzmann, một bình chứa khí giống như một chiếc hộp được lấp đầy bằng hàng tỷ quả cầu thép nhỏ, mỗi quả có thể bật lại từ thành bình và đều tuân theo các định luật chuyển động của Newton. Trong một kiệt tác hàng đầu của vật lý, Boltzmann đã chứng minh bằng toán học cách mà giả thiết đơn giản trên có thể dẫn tới các định luật mới đầy bất ngờ và mở ra một nhánh mới trong vật lý là cơ học thống kê (James Clerk Maaxwell cũng độc lập đưa ra chứng minh tương tự về điều này).

Bỗng chốc, nhiều đặc tính của vật chất có thể được rút ra từ các nguyên lý nền tảng. Vì các định luật Newton quy định sự bảo toàn năng lượng khi áp dụng cho các nguyên tử nên mỗi va chạm giữa các nguyên tử cũng bảo toàn năng lượng; điều này có nghĩa năng lượng của toàn bộ bình chứa với hàng tỷ nguyên tử cũng được bảo toàn. Sự bảo toàn năng lượng giờ đây không chỉ được chứng minh bằng thực nghiệm mà còn từ các nguyên lý nền tảng, đó là các định luật chuyển động của Newton dành cho nguyên tử.

Nhưng vào thế kỷ 19, sự tồn tại của nguyên tử vẫn còn đang gây tranh cãi nảy lửa và thường bị những nhà khoa học lỗi lạc giễu cợt, điển hình là nhà triết học Ernst Mach. Là một người nhạy cảm và dễ rơi vào u uất, Boltzmann không mấy thoải mái khi thấy mình giống như một cột thu lôi, nơi tập trung các công kích đầy ác ý của những người chống lại thuyết nguyên tử. Đối với họ, bất cứ thứ gì không đo đạc được đều không tồn tại, bao gồm cả nguyên tử. Để khiến Boltzmann bẽ mặt thêm, nhiều bài viết của ông bị một tạp chí vật lý hàng đầu nước Đức trả lại vì họ quả quyết nguyên tử và phân tử chỉ là những công cụ tiện lợi về mặt lý thuyết chứ không phải những thực thể thực sự tồn tại trong tự nhiên.

Kiệt quệ và cay đắng vì những công kích cá nhân, Boltzmann đã treo cổ tự vẫn vào năm 1906 trong khi vợ con ông đang vui đùa ngoài bãi biển. Đau buồn thay, ông không hề biết rằng chỉ một năm trước, nhà vật lý trẻ tuổi tên là Albert Einstein đã làm nên điều bất khả thi: anh viết bài báo đầu tiên chứng minh sự tồn tại của các nguyên tử.

TỔNG ENTROPY LUÔN TĂNG

Công trình của Boltzmann và các nhà vật lý khác đã giúp phân loại đặc tính của các động cơ vĩnh cửu thành hai loại. Động cơ vĩnh cửu loại I là những động cơ vi phạm nguyên lý I nhiệt động lực học, tức là chúng tạo ra năng lượng nhiều hơn năng lượng tiêu thụ. Trong mọi trường hợp, các nhà vật lý đều nhận thấy kiểu động cơ vĩnh cửu này dựa trên các nguồn năng lượng ẩn đến từ bên ngoài, có thể bị giấu đi trong các trò bịp hoặc do các nhà sáng chế không nhận ra ảnh hưởng của các nguồn năng lượng này.

Động cơ vĩnh cửu loại II thì tinh vi hơn. Chúng tuân theo nguyên lý I nhiệt động lực học, tức là vẫn bảo toàn năng lượng, nhưng lại vi phạm nguyên lý II. Theo lý thuyết, động cơ vĩnh cửu loại II sẽ không phát sinh nhiệt hao phí, vì vậy hiệu suất của nó là 100%. Nhưng nguyên lý II nói rằng một động cơ như vậy không khả dĩ vì luôn có nhiệt hao phí được tạo ra và do đó, mức độ mất trật tự hay hỗn loạn trong vũ trụ, tức là entropy, luôn tăng. Bất kể động cơ có hiệu suất bao nhiêu, nó vẫn luôn tạo ra nhiệt hao phí, kéo theo sự tăng entropy của vũ trụ.

Entropy luôn tăng là một thực tế nằm ở trung tâm của lịch sử loài người và của chính tự nhiên. Theo nguyên lý II, phá bao giờ cũng dễ hơn xây. Có những thứ phải mất hàng nghìn năm để tạo ra, như đế quốc Aztec vĩ đại ở Mexico chẳng hạn, nhưng bị phá hủy chỉ trong vài tháng; và điều này diễn ra khi một nhóm quân xâm lược Tây Ban Nha dù trong tình trạng kiệt quệ, chỉ với ngựa và súng trường, đã đánh bại hoàn toàn đế quốc này.

Mỗi khi soi gương và nhìn thấy một nếp nhăn mới hay một sợi tóc bạc, đó là ta đang quan sát những ảnh hưởng của nguyên lý II. Các nhà sinh học cho sự lão hóa là quá trình bồi đắp dần dần những lỗi của tế bào và gen, khiến khả năng vận hành của tế bào giảm dần theo thời gian. Sự lão hóa, han gỉ, thối rữa, phân hủy, tan rã và sụp đổ là những ví dụ của nguyên lý II.

Đánh giá về những hệ quả sâu sắc của nguyên lý II, nhà thiên văn học Arthur Eddington từng nói: “Tôi nghĩ định luật entropy luôn tăng chiếm vị trí tối thượng trong số các định luật của tự nhiên… Nếu lý thuyết của bạn không phù hợp với nguyên lý II nhiệt động lực học thì tôi sẽ chẳng thể cho bạn chút hy vọng nào; nó sẽ nhận được chẳng gì cả, ngoài sự bẽ bàng sâu cay nhất. Ngay cả ở thời nay, nhiều kỹ sư tài ba (và cả những kẻ bịp bợm khôn khéo) vẫn tiếp tục tuyên bố về việc phát minh được động cơ vĩnh cửu. Tạp chí phố Wall từng hỏi bình luận của tôi về phát minh của một nhà sáng chế đã kêu gọi được hàng chục triệu đô-la từ các nhà đầu tư. Những bài viết ngợi khen nức nở xuất hiện trên các tạp chí tài chính hàng đầu, được các cây bút không hề có nền tảng về khoa học viết nên, với những ưu điểm có thể làm thay đổi thế giới (và tạo ra lợi nhuận lớn đến mức hoang đường). “Thiên tài hay kẻ lập dị?” Các tựa bài này huyên thuyên.

Các nhà đầu tư đã ném hàng đống tiền cho thiết bị này, dù nó vi phạm các định luật vật lý và hóa học cơ bản nhất đã được dạy ở trường trung học. (Điều làm tôi sốc không phải là ai đó đang cố gắng lừa gạt những người thiếu cẩn trọng — việc này vốn vẫn xảy ra từ xa xưa rồi. Tôi chỉ ngạc nhiên vì nhà sáng chế này có thể qua mặt những nhà đầu tư giàu có quá dễ dàng chỉ vì họ thiếu hiểu biết về vật lý cơ bản.) Tôi nhắc lại với tạp chí Journal câu tục ngữ “kẻ ngốc thường rất dễ làm mất tiền của mình” và câu châm ngôn nổi tiếng của P. T. Barnum: “mỗi phút lại có một gã khờ được sinh ra”. Có lẽ cũng chẳng ngạc nhiên khi các tạp chí như Thời báo tài chính, Nhà kinh tế và Tạp chí phố Wall đều cho chạy những tựa bài lớn về các nhà phát minh đang chào hàng cho các động cơ vĩnh cửu mà họ sáng chế.

BA NGUYÊN LÝ VÀ CÁC ĐỐI XỨNG

Nhưng tất cả điều này làm bật lên câu hỏi sâu xa hơn: Tại sao các nguyên lý cứng nhắc của nhiệt động lực học lại đúng ngay từ đầu? Bí ẩn này đã gây trăn trở cho các nhà khoa học kể từ khi chúng được đưa ra. Trả lời được câu hỏi này, có lẽ chúng ta sẽ tìm thấy lỗ hổng trong các nguyên lý và hệ quả của nó sẽ làm rúng động toàn cầu.

Khi còn là sinh viên, tôi đã chẳng thốt nên lời khi biết được nguồn gốc thực sự của định luật bảo toàn năng lượng. Một trong những nguyên lý cơ bản nhất của vật lý (được nhà toán học Emmy Noether khám phá vào năm 1918) cho biết bất cứ khi nào một hệ có đối xứng thì ta sẽ có kết quả là một định luật bảo toàn. Nếu các định luật chi phối vũ trụ không đổi theo thời gian thì năng lượng của hệ đó sẽ bảo toàn. (Hơn nữa, nếu các định luật vật lý không thay đổi khi ta di chuyển theo một hướng bất kỳ thì động lượng sẽ bảo toàn theo hướng đó. Và nếu các định luật vật lý không thay đổi dưới phép quay thì momen động lượng sẽ được bảo toàn.)

Điều này đã làm tôi ngỡ ngàng. Tôi nhận ra khi chúng ta phân tích ánh sáng truyền tới từ các thiên hà xa xôi, ở tận chân trời của vũ trụ khả kiến và cách chúng ta hàng tỷ năm ánh sáng, chúng ta sẽ thấy phổ của ánh sáng này giống với các phổ có thể tìm thấy trên Trái Đất. Trong ánh sáng tàn dư đã phát ra từ hàng tỷ năm trước khi Trái Đất hay Mặt Trời hình thành, chúng ta nhận thấy những dấu vết không thể nhầm lẫn của quang phổ hiđrô, heli, cacbon, neon và nhiều nguyên tố khác hiện vẫn có thể tìm thấy trên Trái Đất. Nói cách khác, các định luật cơ bản của vật lý không đổi suốt hàng tỷ năm qua và sẽ không đổi cho tới tận biên giới của vũ trụ.

Theo nhìn nhận của tôi, ít nhất định lý Noether ngụ ý rằng định luật bảo toàn năng lượng sẽ vẫn đúng trong hàng tỷ năm nữa, nếu không muốn nói là vĩnh viễn. Cho đến nay, chúng ta biết rằng chưa có định luật vật lý cơ bản nào thay đổi theo thời gian và đó là lý do năng lượng được bảo toàn.

Định lý Noether có ảnh hưởng rất sâu sắc lên vật lý hiện đại. Bất cứ khi nào một lý thuyết mới được đưa ra, dù là mô tả nguồn gốc của vũ trụ, tương tác của các quark và các hạt hạ nguyên tử khác hay mô tả phản vật chất, chúng ta đều bắt đầu với các đối xứng mà hệ phải tuân theo. Thực tế, ngày nay các đối xứng được xem là nguyên lý dẫn đường nền tảng để tạo ra bất cứ lý thuyết mới nào. Trước đây, đối xứng chỉ được xem là sản phẩm của một lý thuyết — một đặc điểm xinh xắn nhưng vô dụng, đẹp đẽ nhưng không phải là tất yếu. Giờ đầy chúng ta nhận ra các đối xứng là yếu tố then chốt để định hình bất cứ lý thuyết nào. Để tạo ra các lý thuyết mới, trước tiên các nhà vật lý bắt đầu với sự đối xứng, sau đó mới xây dựng lý thuyết xung quanh nó.

(Buồn thay, nhà nữ toán học Emmy Noether, cũng giống như Boltzmann trước đó, đã phải chiến đấu miệt mài để được thừa nhận. Bà bị từ chối một vị trí ổn định ở các viện nghiên cứu hàng đầu chỉ vì giới tính. Người bảo trợ cho Noether, nhà toán học vĩ đại David Hilbert, quá chán nản vì không đảm bảo được cho bà một chân giảng dạy đã phải thốt lên: “Chúng ta là gì vậy, một trường đại học hay một bãi tắm công cộng?”)

Điều này đưa đến một nghi vấn. Nếu năng lượng được bảo toàn vì các định luật vật lý không đổi theo thời gian, thì liệu đối xứng có bị phá vỡ trong các trường hợp hiếm hoi không? Định luật bảo toàn năng lượng vẫn có khả năng bị vi phạm ở thang vũ trụ nếu sự đối xứng của các định luật đã biết bị phá vỡ ở những nơi lạ kỳ không ngờ tới.

Điều này có thể xảy ra nếu các định luật vật lý thay đổi theo thời gian hoặc phụ thuộc vào khoảng cách. (Trong tiểu thuyết Bản thân các vị thần của Asimov, đối xứng này bị phá vỡ vì có một lỗ hổng trong không gian kết nối vũ trụ chúng ta với một vũ trụ song song. Các định luật vật lý thay đổi trong phạm vi quanh lỗ hổng, do đó cho phép sự vi phạm các định luật nhiệt động lực học. Như vậy, định luật bảo toàn năng lượng có thể bị vi phạm nếu tồn tại những lỗ hổng trong không gian, chính là các lỗ sâu.)

Một khúc mắc khác cũng đang được tranh luận sôi nổi hiện nay là liệu năng lượng có thể phụt ra từ hư vô.

NĂNG LƯỢNG TỪ CHÂN KHÔNG?

Câu hỏi đầy trêu ngươi được đặt ra là: Có thể rút ra năng lượng từ hư vô hay không? Chỉ tới gần đây, các nhà vật lý mới nhận ra “hư vô” của chân không rất sôi động chứ không hề trống rỗng.

Một trong những người tán thành ý tưởng này là thiên tài lập dị của thế kỷ 20 Nikola Tesla, đối thủ xứng tầm của Thomas Edison. Ông cũng thuộc nhóm những người ủng hộ nhiệt liệt cho năng lượng điểm không, xuất phát từ ý tưởng cho rằng chân không có thể chứa đựng một lượng năng lượng chưa được biết đến. Nếu điều này đúng, chân không sẽ là “bữa trưa hoàn toàn miễn phí”, có khả năng cung cấp năng lượng không giới hạn từ thinh không. Thay vì trống rỗng và không chứa vật chất trong đó, thực ra chân không là một bồn chứa năng lượng khổng lồ.

Tesla sinh ra tại một thị trấn nhỏ nay thuộc Serbia và đến Mỹ vào năm 1884 trong tình cảnh không một xu dính túi. Ông nhanh chóng trở thành cộng sự của Thomas Edison nhưng do tài năng của mình, ông dần trở thành đối thủ của Edison. Trong một cuộc tranh luận nổi tiếng được các sử gia gọi là “cuộc chiến của các dòng điện”, Tesla đã đánh bại Edison. Edison tin rằng mình có thể điện khí hóa toàn cầu với động cơ một chiều (DC), trong khi Tesla lại tạo ra dòng điện xoay chiều (AC) và đã thành công trong việc chứng tỏ biện pháp của mình vượt trội hơn so với Edison, đồng thời làm giảm thiểu đáng kể năng lượng thất thoát khi truyền đi xa. Ngày nay, hành tinh của chúng ta đã được điện khí hóa dựa trên sáng chế của Tesla chứ không phải của Edison.

Tesla có hơn 700 bằng sáng chế và phát minh, một số trong đó đóng vai trò cột mốc quan trọng bậc nhất trong lịch sử hiện đại về lĩnh vực điện. Các sử gia đã đưa ra những bằng chứng đáng tin cho thấy Tesla đã phát minh ra máy phát thanh trước cả Guglielmo Marconi (được công nhận rộng rãi là người đã phát minh ra máy phát thanh) và ông đã làm việc với tia X trước khi Wilhelm Roentgen có những khám phá chính thức về tia này. (Cả Marconi và Roentgen sau đó đều giành được giải Nobel cho những khám phá có lẽ đã được Tesla thực hiện trước đó.)

Tesla cũng tin mình có thể rút ra năng lượng không giới hạn từ chân không, nhưng tiếc rằng, tuyên bố này không được chứng minh trong sổ tay của ông. Thoạt nhìn, “năng lượng điểm không” (hay năng lượng chứa trong chân không) dường như vi phạm nguyên lý I nhiệt động lực học và không tuân theo các định luật của cơ học Newton, nhưng khái niệm này đã xuất hiện trở lại theo một hướng mới lạ trong thời gian gần đây.

Khi phân tích dữ liệu được các vệ tinh như vệ tinh WMAP thu thập, các nhà khoa học đi đến kết luận đáng kinh ngạc rằng 73% vũ trụ được tạo thành từ “năng lượng tối”, chính là năng lượng của chân không thuần khiết. Điều này ngụ ý khoảng chân không giữa các thiên hà chính là bể chứa năng lượng lớn nhất trong toàn vũ trụ. (Năng lượng tối lớn đến nỗi nó đang đẩy các thiên hà ra xa nhau và thậm chí có thể xé toạc vũ trụ trong một Vụ Đóng Băng Lớn.)

Năng lượng tối tồn tại ở mọi nơi trong vũ trụ, thậm chí ngay trong căn phòng ta ở và cơ thể của ta. Lượng năng lượng tối ngoài không gian thực sự khổng lồ, lớn hơn cả năng lượng của các ngôi sao và các thiên hà cộng lại. Chúng ta cũng có thể tính toán ra lượng năng lượng tối trên Trái Đất: nó hầu như không đáng kể để chạy một động cơ vĩnh cửu. Tesla đã đúng về năng lượng tối nhưng sai về trữ lượng của nó trên Trái Đất.

Hay là ông cũng đúng về điều này?

Một trong những vấn đề gây bối rối nhất trong vật lý hiện đại là chưa ai tính ra được lượng năng lượng tối mà chúng ta có thể đo bằng các vệ tinh. Nếu sử dụng lý thuyết mới nhất của vật lý lượng tử để tính lượng năng lượng tối trong vũ trụ, chúng ta sẽ thu được kết quả sai số đến 10120 lần! Đây là sai lệch giữa lý thuyết và thực nghiệm lớn nhất từng thấy trong vật lý.

Điểm mấu chốt là không ai biết phải tính “năng lượng hư vô” như thế nào. Đây là một trong những câu hỏi quan trọng nhất trong vật lý (vì nó sẽ dẫn đến việc xác định số phận của vũ trụ), nhưng ở thời điểm hiện tại, chúng ta vẫn chưa biết bắt đầu từ đâu. Không có lý thuyết nào giải thích được năng lượng tối, dù bằng chứng thực nghiệm về sự tồn tại của chúng đang nằm sờ sờ trước mắt chúng ta.

Vậy là chân không mang năng lượng, đúng như dự đoán của Tesla. Nhưng có lẽ lượng năng lượng này quá nhỏ để có thể sử dụng làm nguồn năng lượng hữu ích. Có một lượng năng lượng tối khổng lồ đang ngự trị trong khoảng không giữa các thiên hà, nhưng trữ lượng của chúng trên Trái Đất rất nhỏ. Nhưng điều khó khăn là không ai biết cách tính năng lượng này hay chúng đến từ đâu.

Theo tôi, sự bảo toàn năng lượng xuất phát từ những lý do sâu xa, mang tầm vóc vũ trụ. Bất cứ sự vi phạm nào đến các định luật như vậy đều dẫn đến những thay đổi sâu sắc trong hiểu biết của chúng ta về tiến hóa của vũ trụ. Và bí ẩn của năng lượng tối đang đẩy các nhà vật lý vào thế đối đầu trực diện với câu hỏi này

Vì việc tạo ra một động cơ vĩnh cửu thực sự đòi hỏi chúng ta phải xem xét lại các định luật cơ bản của vật lý trên bình diện vũ trụ, nên tôi xếp động cơ vĩnh cửu vào nhóm Bất khả thi loại III. Chúng có thể hoàn toàn bất khả thi, hoặc ta sẽ cần thay đổi căn bản những hiểu biết của mình về các định luật vật lý trên bình diện vũ trụ để những động cơ như vậy trở nên khả dĩ. Năng lượng tối vẫn là một trong những chương dang dở của khoa học hiện đại.