PHẦN KẾT

TƯƠNG LAI CỦA NHỮNG ĐIỀU TƯỞNG CHỪNG BẤT KHẢ

Không có điều gì to tát và điên rồ tới mức không xã hội nào trong số một triệu xã hội công nghệ không cảm thấy muốn làm, miễn là nó khả dĩ về mặt vật lý.

— FREEMAN DYSON

Số mệnh không phải là vấn đề của cơ hội — nó là vấn đề của sự lựa chọn.

Nó không phải là thứ để chờ đợi — nó là thứ phải đạt tới.

— CỰU NGOẠI TRƯỞNG MỸ WILLIAM JENNINGS BRYAN

Liệu có sự thật nào mà chúng ta vĩnh viễn không thể nắm bắt được? Hay có miền tri thức nào luôn nằm ngoài tầm hiểu biết, ngay cả với một nền văn minh cực kỳ tiến bộ? Trong tất cả các công nghệ đã được chúng ta phân tích cho tới lúc này, chỉ có động cơ vĩnh cửu và linh cảm được xếp vào nhóm Bất khả thi loại III. Còn công nghệ nào khác cũng hầu như bất khả thi như vậy?

Toán học thuần túy đầy những định lý cho biết một số thứ là hoàn toàn bất khả thi. Một ví dụ đơn giản là việc chia một góc thành ba phần bằng nhau chỉ sử dụng compa và thước thẳng; điều này được chứng minh là bất khả thi vào năm 1837.

Thậm chí trong những hệ thống đơn giản như số học cũng có những thứ bất khả thi. Như tôi đã đề cập, chúng ta không thể chứng minh mọi mệnh đề đúng trong số học chỉ bằng các tiên đề số học. Số học không toàn diện. Sẽ luôn tồn tại những mệnh đề đúng trong số học mà chúng ta chỉ chứng minh được khi viện đến một hệ thống lớn hơn có bao gồm số học như một tập con.

Mặc dù toán học có những điều bất khả, nhưng việc tuyên bố thứ gì đó là hoàn toàn bất khả trong vật lý lại ẩn chứa nhiều rủi ro. Hãy nhớ lại bài phát biểu của nhà vật lý đạt giải Nobel Albert A. Michelson trong lễ vinh danh Phòng Thí nghiệm Vật lý Ryerson tại Đại học Chicago vào năm 1894. Ông đã tuyên bố không còn gì thực sự mới mẻ trong vật lý để chúng ta khám phá: “Thực tại vật lý và những định luật cơ bản nhất của ngành khoa học này đều đã được khám phá; hiện chúng đã được thiết lập chắc chắn đến nỗi khả năng chúng bị những khám phá mới hơn nữa lật đổ là cực kỳ nhỏ bé… Những khám phá của chúng ta trong tương lai chỉ là xác định chữ số thứ sáu sau dấu phẩy mà thôi.”

Nhận định của ông được thốt ra ngay trước thềm của sự chuyển dịch vĩ đại nhất trong lịch sử khoa học: cuộc cách mạng lượng tử năm 1900 và cuộc cách mạng tương đối tính vào năm 1905. Điều mấu chốt là những thứ hiện bất khả thi vi phạm các định luật vật lý đã biết, nhưng như chúng ta đều rõ, các định luật vật lý có thể thay đổi.

Năm 1825, trong cuốn Cours de Phylosophie (Chuyên luận về triết học), nhà triết học vĩ đại người Pháp Auguste Comte, viết đã tuyên bố rằng khoa học không thể xác định thành phần cấu tạo các ngôi sao. Đây có lẽ là một tuyên bố an toàn vào thời điểm đó, vì người ta vẫn chưa biết gì về các đặc trưng tự nhiên của các ngôi sao. Chúng ở quá xa chúng ta. Nhưng chỉ vài năm sau, các nhà vật lý (sử dụng phương pháp phân tích quang phổ) tuyên bố rằng Mặt Trời được tạo thành từ hiđrô. Thực tế, giờ đây chúng ta đều biết rằng bằng cách phân tích các vạch quang phổ do các ngôi sao phát ra hàng tỷ năm trước, chúng ta có thể xác định thành phần hóa học của hầu hết mọi thứ trong vũ trụ.

Comte thách thức cộng đồng khoa học bằng cách đề ra một danh sách những điều “bất khả thi” khác:

• Ông khẳng định “cấu trúc tận cùng của sự vật luôn vượt quá khả năng hiểu biết của chúng ta”. Nói cách khác, chúng ta không thể biết bản chất tự nhiên của vật chất.

• Ông nghĩ chúng ta không thể dùng toán học để giải thích sinh học và hóa học. Ông quả quyết rằng việc quy các ngành khoa học này về toán học là bất khả thi.

• Ông nghĩ việc nghiên cứu những thiên thể không có bất cứ ảnh hưởng nào đến đời sống con người.

Ở thế kỷ 19, người ta có lý do để xem những thứ như vậy là “bất khả” vì hiểu biết về khoa học cơ bản tại thời điếm đó còn quá hạn hẹp. Bí mật của vật chất và sự sống hầu như chưa được hé lộ. Nhưng hiện nay chúng ta đã có lý thuyết nguyên tử, giúp mở ra một địa hạt hoàn toàn mới trong những nghiên cứu khoa học về cấu tạo của vật chất. Chúng ta biết về các ADN và lý thuyết lượng tử, những lĩnh vực mang lại nhiều khám phá mới mẻ về bí mật của sự sống và hóa học. Chúng ta cũng biết thêm về những vụ va chạm với các thiên thể tới từ không gian và những va chạm này không chỉ ảnh hưởng đến tiến trình của sự sống trên Trái Đất mà còn giúp định hình chính sự tồn tại của hành tinh này.

Nhà thiên văn học John Barrow lưu ý: “Các sử gia vẫn còn tranh luận về quan điểm cho rằng những nhận định của Comte phải chịu một phần trách nhiệm cho sự tụt hậu của nền khoa học Pháp sau đó.”

Để phản đối những tuyên bố của Comte, nhà toán học David Hilbert viết: “Theo suy nghĩ của tôi, lý do thực sự khiến Comte không thể tìm thấy một vấn đề không giải quyết được nằm ở thực tế là chẳng có vấn đề nào là không thể giải quyết.”

Nhưng hiện nay, một số nhà khoa học đang đề xuất một danh sách những thứ bất khả thi mới: chúng ta sẽ không bao giờ biết được những gì đã xảy ra trước Vụ Nổ Lớn (hay thậm chí tại sao nó “nổ”), và sẽ không bao giờ có thể đạt đến một “lý thuyết của vạn vật”.

Nhà vật lý John Wheeler đã bình luận về vấn đề “bất khả thi” thứ nhất nêu trên như sau: “200 năm trước, bạn có thể hỏi ai đó rằng ‘Đến một ngày, chúng ta có thể hiểu được sự sống bắt đầu như thế nào hay không?’ và anh ta sẽ trả lời ngay tức thì, ‘Thật ngớ ngẩn! Điều đó là bất khả thi!’ Tôi cũng có cảm giác giống như vậy đối với câu hỏi ‘Rồi chúng ta sẽ hiểu được vũ trụ bắt đầu như thế nào chứ?”‘

Nhà thiên văn John Barrow thêm vào: “Tốc độ ánh sáng là hữu hạn nên hiểu biết của chúng ta về cấu trúc của vũ trụ cũng vậy. Chúng ta không thể nào biết vũ trụ hữu hạn hay vô hạn, nó có khởi đầu hoặc kết thúc hay không, liệu các định luật vật lý có giống nhau ở mọi nơi, hoặc vũ trụ được sắp xếp ngăn nắp hay bừa bãi… Mọi câu hỏi bao quát nhất về bản chất của vũ trụ — từ khởi đầu cho đến kết thúc — đều không có câu trả lời.”

Barrow đã đúng khi nói rằng chúng ta sẽ không bao giờ biết chắc chắn bản chất thực sự của vũ trụ. Nhưng chúng ta có khả năng “bóc dần” các câu hỏi dai dẳng đó và tiến gần hơn đến câu trả lời. Thay vì đại diện cho những biên giới không thể vượt qua trong hiểu biết của chúng ta, những thứ “bất khả thi” đó có lẽ nên được xem là thách thức chờ đợi các thế hệ nhà khoa học kế tiếp. Những giới hạn này giống như lớp vỏ của chiếc bánh nướng, được chúng ta làm ra để bóc đi.

Một thế hệ máy dò mới đang được xây dựng để giải đáp một số câu hỏi dai dẳng về Vụ Nổ Lớn. Hiện nay, các máy dò bức xạ ngoài không gian mới chỉ đo được bức xạ vi sóng phát ra vào khoảng 300.000 năm sau Vụ Nổ Lớn, khi các nguyên tử đầu tiên hình thành. Chúng ta không thể sử dụng bức xạ vi sóng để thăm dò những gì xảy ra trước thời điểm 300.000 năm kể từ Vụ Nổ Lớn, vì bức xạ phát ra từ quả cầu lửa vũ trụ ban đầu là quá nóng và ngẫu nhiên để thu được các thông tin hữu ích.

Nhưng nếu phân tích những loại bức xạ khác, chúng ta có thể tiến gần hơn tới Vụ Nổ Lớn. Chẳng hạn, lần theo dấu chân các neutrino đưa chúng ta đến gần thời khắc bùng nổ ban đầu của vũ trụ hơn (các neutrino khó nắm bắt đến mức chúng có thể di chuyển qua một hệ mặt trời được làm từ chì đặc). Bức xạ neutrino có thể đưa chúng ta về tới thời điểm vài giây sau Vụ Nổ Lớn.

Nhưng có lẽ bí mật tối thượng của Vụ Nổ Lớn sẽ được hé lộ bằng cách kiểm tra “các sóng hấp dẫn”, loại sóng truyền men theo kết cấu không-thời gian. Như nhà vật lý Rocky Kolb ở Đại học Chicago cho biết: “Bằng cách đo đạc tính chất của các neutrino nguyên thủy, chúng ta có thể nhìn ngược về thời điểm một giây sau Vụ Nổ Lớn. Nhưng sóng hấp dẫn phát ra từ thời kỳ lạm phát là những tàn dư của vũ trụ chỉ 10-35 giây sau Vụ Nổ Lớn.”

Sóng hấp dẫn được Einstein tiên đoán đầu tiên vào năm 1916. Chúng có thể trở thành mẫu dò quan trọng nhất của ngành thiên văn học. Về mặt lịch sử, mỗi lần một dạng bức xạ mới được thu thập là một kỷ nguyên mới trong thiên văn học mở ra. Dạng bức xạ đầu tiên là ánh sáng khả kiến, được Galileo sử dụng để nghiên cứu Hệ Mặt Trời. Dạng bức xạ thứ hai là sóng vô tuyến, giúp chúng ta cuối cùng cũng thăm dò được khu vực trung tâm của các thiên hà để tìm kiếm hố đen. Các máy dò sóng hấp dẫn có thể tiết lộ bí mật của chính sự khởi tạo vũ trụ.

Theo lẽ nào đó, sóng hấp dẫn phải tồn tại. Để hiểu được điều này, hãy nhìn lại câu hỏi có từ xa xưa: điều gì xảy ra nếu Mặt Trời bỗng nhiên biến mất? Theo Newton, chúng ta sẽ lập tức cảm nhận được những tác động của sự kiện này. Ngay lúc Mặt Trời biến mất, Trái Đất sẽ văng khỏi quỹ đạo và bị bắn vào không gian tối tăm. Điều này xảy ra do định luật hấp dẫn của Newton không tính tới vận tốc chuyển động nên các lực tác dụng trong vũ trụ diễn ra tức thời. Nhưng theo Einstein, không gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng, vì vậy thông tin về sự kiện Mặt Trời biến mất sẽ mất tới tám phút để đến được Trái Đất. Nói cách khác, một “sóng xung kích” hình cầu của lực hấp dẫn sẽ xuất phát từ Mặt Trời và cuối cùng truyền đến Trái Đất. Bên ngoài hình cầu tạo bởi sóng hấp dẫn này, Mặt Trời vẫn đang chiếu sáng bình thường, vì thông tin về sự biến mất của Mặt Trời chưa đến được Trái Đất. Tuy nhiên, bên trong mặt sóng cầu, Mặt Trời đã biến mất, vì sóng xung kích của lực hấp dẫn lan truyền với tốc độ ánh sáng.

Một cách khác để hiểu được tại sao sóng hấp dẫn phải tồn tại là tưởng tượng đến một tấm trải giường lớn. Theo Einstein, không-thời gian là một kết cấu có thể gập lại hoặc trải ra, giống như một tấm trải giường vậy. Nếu nắm mép của tấm trải giường và giũ nhanh, chúng ta sẽ thấy những gợn sóng chạy dọc theo bề mặt tấm với một vận tốc xác định. Theo cách tương tự, sóng hấp dẫn có thể được xem như những con sóng di chuyển dọc theo cấu trúc không-thời gian.

Sóng hấp dẫn nằm trong số những chủ đề được quan tâm nhất trong vật lý ngày nay. Năm 2003, máy dò sóng hấp dẫn cỡ lớn đầu tiên được đưa vào vận hành, được gọi là hệ thống LIGO (Đài quan sát Sóng hấp dẫn Sử dụng Giao thoa của các Chùm tia Laser), có chiều dài hơn bốn kilômét, với một trạm được đặt ở Hanford, Washington và trạm còn lại ở Livingston Parish, Louisiana. Với chi phí xây dựng 365 triệu đô-la, LIGO được tin là có thể dò thấy bức xạ phát ra từ các vụ va chạm sao neutron và hố đen.

Cú nhảy vọt tiếp theo sẽ diễn ra khi một thế hệ các vệ tinh mới được phóng lên quỹ đạo để phân tích các bức xạ hấp dẫn ngoài không gian được phát ra từ thời điểm khởi tạo vũ trụ. Ba vệ tinh tạo thành hệ thống LISA (Các anten Không gian sử dụng sự Giao thoa của tia Laser), một dự án liên kết giữa NASA và Cơ quan Vũ trụ châu Âu, sẽ được phóng lên quỹ đạo quanh mặt trời. Các vệ tinh đó có khả năng dò tìm các sóng hấp dẫn phát ra trước thời điểm một phần nghìn tỷ giây sau Vụ Nổ Lớn. Nếu một đoàn sóng hấp dẫn được tạo ra từ Vụ Nổ Lớn vẫn còn đang lang thang trong vũ trụ va phải một trong các vệ tinh này, nó sẽ làm nhiễu động các chùm tia laser và nhiễu động này có thể được đo đạc chính xác, mang lại cho chúng ta “bức tranh ấu thơ” ở thời khắc khởi thủy của vũ trụ.

Hệ thống LISA gồm ba vệ tinh nằm tại ba đỉnh của một tam giác quay tròn quanh mặt trời, chúng được kết nối với nhau bằng các chùm tia laser trải dài trên khoảng cách 4,8 triệu kilômét, trở thành thiết bị lớn nhất mà khoa học từng tạo ra. Hệ thống này sẽ quay quanh mặt trời ở khoảng cách gần 50 triệu km tính đến Trái đất.

Mỗi vệ tinh sẽ bắn ra một chùm tia laser chỉ có công suất 0,5 W. Bằng cách tham chiếu các chùm tia laser từ hai vệ tinh kia truyền đến, mỗi vệ tinh có thể tạo ra một bức tranh giao thoa ánh sáng. Nếu một sóng hấp dẫn làm nhiễu động các chùm tia laser, nó sẽ làm thay đổi hình ảnh giao thoa và nhờ đó, vệ tinh sẽ có khả nàng dò thấy sự nhiễu này. (Sóng hấp dẫn không khiến cho các vệ tinh dao động. Nó thực sự làm sự méo mó phần không gian giữa ba vệ tinh.)

Mặc dù các chùm tia laser rất yếu nhưng độ chính xác mà chúng mang lại thật đáng kinh ngạc. Chúng có khả năng dò thấy những rung động với độ chính xác lên đến vài phần của một nghìn tỷ tỷ, tương ứng với độ lệch chỉ bằng 1/100 kích thước một nguyên tử. Mỗi chùm tia laser có thể dò tìm một sóng hấp dẫn từ khoảng cách chín tỷ năm ánh sáng, bao trùm hầu như toàn bộ vũ trụ nhìn thấy hiện nay.

Hệ thống LISA đủ nhạy để thừa nhận hoặc bác bỏ một số kịch bản “tiền vụ nổ lớn.” Một trong những chủ đề nóng sốt nhất hiện nay trong vật lý lý thuyết là việc tính toán các đặc trưng của vũ trụ trước Vụ Nổ Lớn. Hiện tại, lý thuyết lạm phát có thể mô tả tương đối tốt cách mà vũ trụ tiến hóa kể từ khi Vụ Nổ Lớn diễn ra. Nhưng lý thuyết này không giải thích được tại sao Vụ Nổ Lớn lại xảy ra đúng thời điểm đó. Mục đích ở đây là sử dụng các mô hình mang tính phỏng đoán của kỷ nguyên tiền Vụ Nổ Lớn để tính toán các bức xạ hấp dẫn do Vụ Nổ Lớn phát ra. Các lý thuyết tiền vụ nổ lớn khác nhau đưa ra những tiên đoán khác nhau. Chẳng hạn, bức xạ khởi thủy mà Thuyết Vụ Va Chạm Lớn tiên đoán tỏ ra khác biệt với tiên đoán của các lý thuyết lạm phát khác, vì vậy LISA có thể giúp loại bỏ vài lý thuyết trong số đó. Dĩ nhiên, các mô hình tiền Vụ Nổ Lớn đó không thể kiểm nghiệm trực tiếp, vì chúng liên quan tới những hiểu biết về vũ trụ trước cả khi vũ trụ hình thành, nhưng chúng ta có thể kiểm tra các lý thuyết này gián tiếp vì chúng đưa ra những tiên đoán khác nhau về phổ bức xạ theo sau Vụ Nổ Lớn.

Nhà vật lý Kip Thorne viết: “Vào lúc nào đó trong khoảng từ năm 2008 đến năm 2030, các sóng hấp dẫn khởi phát từ Vụ Nổ Lớn sẽ được phát hiện. Điều này sẽ mở ra một kỷ nguyên mới, kéo dài ít nhất tới năm 2050… Những nỗ lực đó sẽ hé lộ những chi tiết sâu sắc về kỳ dị Vụ Nổ Lớn, nhờ đó xác minh một dạng lý thuyết dây nào đó là lý thuyết lượng tử phù hợp để mô tả lực hấp dẫn.”

Nếu LISA không thể giúp phân biệt các lý thuyết tiền vụ nổ lớn khác nhau, Hệ thống Quan trắc Vụ Nổ Lớn (BBO) kế nhiệm sẽ đảm nhiệm công việc này. BBO được lên kế hoạch phóng lên quỹ đạo vào năm 2025. Đài quan trắc này có thể quét qua toàn bộ vũ trụ để xác định tất cả các hệ thống đôi bao gồm các sao neutron và các hố đen với khối lượng nhỏ hơn Mặt Trời 1.000 lần. Nhưng mục đích chính của nó là phân tích các sóng hấp dẫn phát ra trong suốt thời kỳ lạm phát của Vụ Nổ Lớn. Vì lẽ này, hệ thống BBO được thiết kế chuyên biệt để xác nhận các tiên đoán của lý thuyết Vụ Nổ Lớn theo kiểu lạm phát.

Hệ thống BBO hơi giống với hệ thống LISA về thiết kế. Nó cũng gồm ba vệ tinh chuyển động song hành với nhau trên quỹ đạo quanh mặt trời, các vệ tinh cách đều nhau các khoảng 50.000 km (các vệ tinh này gần hơn nhiều so với các vệ tinh của hệ thống LISA.) Mỗi vệ tinh của BBO có thể bắn ra chùm laser có công suất 300W. BBO có khả năng dò tìm sóng hấp dẫn trong khoảng tần số nằm giữa khoảng dò của LIGO và LISA, giúp khỏa lấp khoảng trống quan trọng này. (LISA có thể dò thấy các sóng hấp dẫn trong khoảng từ 10 tới 3 000 Hz, trong khi LIGO có thể dò thấy sóng hấp dẫn trong dải tần từ 10 pHz đến 10 mHz. BBO có thể dò tìm các tần số bao gồm cả hai dải tần đó.)

“Đến năm 2040, chúng ta sẽ sử dụng các định luật này của lý thuyết hấp dẫn lượng tử để xây dựng câu trả lời khá chắc chắn cho nhiều câu hỏi sâu sắc và đầy thách đố,” Thorne viết, “bao gồm… thứ gì đã tồn tại trước kỳ dị Vụ Nổ Lớn, hoặc thậm chí liệu khái niệm ‘trước’ Vụ Nổ Lớn có ý nghĩa hay không? Các vũ trụ khác có tồn tại không? Và nếu các vũ trụ khác tồn tại thì chúng có thể liên hệ hoặc kết nối với vũ trụ của chúng ta như thế nào? Liệu các định luật vật lý có cho phép các nền văn minh bậc cao tạo ra và duy trì lỗ sâu để phục vụ cho những chuyến du hành liên sao, hay tạo ra cỗ máy thời gian để du hành ngược về quá khứ hay không?”

Điểm mấu chốt là trong vài thập niên tới, các máy dò sóng hấp dẫn đặt ngoài không gian sẽ thu thập được đủ dữ liệu để phân biệt các lý thuyết tiền Vụ Nổ Lớn khác nhau.

KẾT CỤC CỦA VŨ TRỤ

Thi hào T. S. Eliot từng đặt ra câu hỏi: “Vũ trụ sẽ cáo chung trong một vụ nổ khủng khiếp hay chỉ là một cơn rên rỉ nhẹ?” Còn Robert Frost thì thắc mắc “tất cả chúng ta sẽ bị tận diệt trong lửa hay băng giá?” Những bằng chứng mới nhất cho thấy vũ trụ đang chết dần trong một Vụ Đóng Băng Lớn, với nhiệt độ tiến gần đến không độ tuyệt đối và tất cả các dạng sống thông minh sẽ bị diệt vong. Nhưng chúng ta có thể đoan chắc về điều đó hay không?

Một số người còn đặt ra một câu hỏi “bất khả thi” khác: Bằng cách nào chúng ta biết được số phận cuối cùng của vũ trụ, khi mà sự kiện này phải nhiều tỷ tỷ năm nữa mới xảy ra. Các nhà khoa học tin rằng “năng lượng tối” hay năng lượng của chân không dường như đang đẩy các thiên hà ra xa nhau với tốc độ ngày càng tăng, cho thấy vũ trụ đang trong kỳ giãn nở. Sự giãn nở này sẽ làm giảm nhiệt độ của vũ trụ và cuối cùng dẫn đến một Vụ Đóng Băng Lớn. Nhưng liệu sự giãn nở này có là tạm thời? Liệu nó có thể đảo chiều trong tương lai hay không?

Ví dụ, trong kịch bản Vụ Va Chạm Lớn khi hai màng vũ trụ va vào nhau và tạo ra vũ trụ, dường như các màng va chạm một cách tuần hoàn. Nếu vậy, khi đó sự giãn nở đưa đến một Vụ Đóng Băng Lớn sẽ chỉ là nhất thời và quá trình sau đó sẽ bị đảo ngược.

Thứ đang khiến vũ trụ hiện nay giãn nở gia tốc là năng lượng tối — loại năng lượng nhiều khả năng được tạo ra bởi “hằng số vũ trụ”. Do vậy, vấn đề mấu chốt là phải hiểu được hằng số bí ẩn này, nói cách khác là nắm bắt được năng lượng của chân không. Liệu hằng số đó thay đổi theo thời gian hay luôn có giá trị cố định? Hiện tại, không ai biết chắc về điều này. Nhờ vệ tinh WMAP, chúng ta biết hằng số vũ trụ dường như đang khiến cho vũ trụ giãn nở gia tốc, nhưng chúng ta không biết sự giãn nở có diễn ra mãi mãi hay không.

Vấn đề này thực ra đã được đưa ra từ trước, khi Einstein đề xuất hằng số vũ trụ lần đầu tiên vào năm 1916. Không lâu sau đề xuất về thuyết tương đối rộng vào năm trước đó, ông bắt đầu tính toán các hệ quả dành cho vũ trụ trong lý thuyết của mình. Hết sức ngạc nhiên, ông nhận thấy vũ trụ ở trạng thái động, hoặc đang giãn nở hoặc đang co lại. Nhưng ý tưởng này dường như mâu thuẫn với các dữ liệu thực nghiệm.

Khi ấy, Einstein đối mặt với nghịch lý Bentley, thứ đã khiến ngay cả Newton phải trăn trở. Trở lại năm 1692, đức giám mục Richard Bentley đã viết cho Newton một lá thư, trong đó có một câu hỏi hóc búa: Nếu lực hấp dẫn như Newton mô tả luôn là lực hút thì tại sao vũ trụ không bị co sụp? Nếu vũ trụ bao gồm một tập hợp hữu hạn các ngôi sao hút lẫn nhau thì chúng hẳn phải tiến đến gần nhau và vũ trụ cuối cùng hẳn sẽ co lại thành một quả cầu lửa! Lá thư này đã khiến Newton phiền muộn sâu sắc, bởi nó chỉ ra một vết nứt nghiêm trọng trong lý thuyết hấp dẫn của ông: bất cứ lý thuyết nào coi hấp dẫn đóng vai trò là lực hút đều không bền vững. Một tập hợp hữu hạn các ngôi sao sẽ luôn bị co sụp dưới tác dụng của lực hấp dẫn của chính nó.

Newton đã trả lời Bentley rằng cách duy nhất để tạo ra một vũ trụ bền vững là nó phải có số ngôi sao vô hạn và đồng đều, với mỗi ngôi sao bị kéo đều theo mọi hướng, sao cho tất cả các lực vừa đủ khử lẫn nhau. Đây là một câu trả lời khôn ngoan, nhưng Newton đủ thông minh để nhận ra rằng sự bền vững như vậy chỉ là giả tạo. Giống như một ngôi nhà được dựng lên từ các lá bài, chỉ một rung động nhỏ cũng khiến toàn bộ sụp đổ. Đó là trạng thái “giả cân bằng”, tức là chỉ cân bằng tạm thời cho đến khi những nhiễu động dù nhỏ khiến trạng thái này sụp đổ. Newton kết luận sự tồn tại của Chúa là cần thiết để đều đặn hích nhẹ vào các ngôi sao, sao cho vũ trụ không bị co sụp.

Nói cách khác, Newton coi vũ trụ như một chiếc đồng hồ khổng lồ, được Chúa lên dây ở điểm khởi đầu của thời gian và tuân theo các định luật của Ngài. Nó bắt đầu đếm nhịp tự động kể từ đó mà không cần thêm một sự can thiệp siêu nhiên nào. Tuy nhiên, theo Newton, đôi lúc Chúa cũng phải tác động chút ít lên các ngôi sao để vũ trụ không bị suy sụp thành một quả cầu lửa.

Khi Einstein vấp phải nghịch lý Bentley vào năm 1916, các phương trình của ông cho ông biết chính xác rằng vũ trụ ở trạng thái động — hoặc đang giãn nở hoặc đang co lại, và một vũ trụ tĩnh là không bền vững và sẽ sụp đổ dưới tác dụng của lực hấp dẫn. Nhưng các nhà thiên văn thời đó khẳng định vũ trụ là tĩnh và không thay đổi. Vì vậy, trong động thái nhượng bộ các quan sát thiên văn, Einstein đã đưa thêm vào hằng số vũ trụ — một lực phản hấp dẫn giúp đẩy các ngôi sao ra xa để cân bằng với lực hút hấp dẫn khiến vũ trụ co lại. (Lực phản hấp dẫn này tương ứng với năng lượng chứa trong chân không. Trong bức tranh này, thậm chí không gian trống rỗng cũng chứa một lượng lớn năng lượng bất khả kiến) Hằng số này phải được chọn thật chính xác để khử được lực hút hấp dẫn.

Sau này, khi Edwin Hubble chứng tỏ vào năm 1929 rằng vũ trụ thực sự đang giãn nở, Einstein đã gọi hằng số vũ trụ là “sai lầm ngớ ngẩn nhất” của mình. Nhưng hiện nay, hơn 80 năm sau, “sai lầm ngớ ngẩn” của Einstein, hay hằng số vũ trụ, nhiều khả năng lại là nguồn năng lượng lớn nhất trong vũ trụ, đóng góp 73% thành phần vật chất — năng lượng của vũ trụ. (Ngược lại, những nguyên tố bậc cao tạo thành cơ thể chúng ta chỉ chiếm 0,03% thành phần của vũ trụ.) Sai lầm của Einstein có thể sẽ giúp xác định kết cục của vũ trụ.

Nhưng hằng số vũ trụ này từ đâu đến? Hiện tại, chúng ta vẫn chưa biết. Ở điểm khởi đầu của thời gian, lực phản hấp dẫn có lẽ đủ lớn để khiến vũ trụ lạm phát, từ đó tạo nên Vụ Nổ Lớn. Sau đó, nó bỗng nhiên biến mất với lý do chưa rõ ràng. (Vũ trụ vẫn tiếp tục giãn nở trong giai đoạn này nhưng với tốc độ chậm lại.) Rồi tới khoảng tám tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn, lực phản hấp dẫn lại trỗi dậy, khiến các thiên hà bị đẩy ra xa nhau và vũ trụ gia tốc trở lại.

Vậy liệu việc xác định số phận cuối cùng của vũ trụ có phải là “bất khả thi”? Có lẽ là không. Hầu hết các nhà vật lý tin rằng các hiệu ứng lượng tử sẽ quyết định độ lớn của hằng số vũ trụ. Khi thực hiện tính toán với dạng nguyên bản của lý thuyết lượng tử, ta thu được kết quả hằng số vũ trụ vượt quá giá trị cần có của nó 10120 lần. Đây là sai lệch lớn nhất từng có trong lịch sử khoa học.

Nhưng các nhà vật lý cũng nhất trí rằng sự dị thường này chỉ mang hàm ý đơn giản rằng chúng ta cần đến một lý thuyết hấp dẫn lượng tử. Vì hằng số vũ trụ xuất hiện qua các hiệu chỉnh lượng tử, nên cần phải có một lý thuyết của vạn vật — lý thuyết cho phép chúng ta tính toán không chỉ cho Mô hình Chuẩn mà còn cả giá trị của hằng số vũ trụ, thứ sẽ giúp xác định kết cục của vũ trụ.

Vì vậy, một lý thuyết của vạn vật là cần thiết để xác định số phận kết cục của vũ trụ. Điều đáng tiếc là một số nhà vật lý tin rằng việc đạt đến lý thuyết của vạn vật là bất khả thi.

LÝ THUYẾT CỦA VẠN VẬT CÓ THỰC SỰ TỒN TẠI?

Như tôi đã nhắc đến ở chương 13, lý thuyết dây là ứng cử viên hàng đầu cho một “lý thuyết của vạn vật”, nhưng vẫn có những hoài nghi về điều này. Một bên là những người như giáo sư Max Tegmark của MIT, cho rằng: “Tôi nghĩ là tới năm 2056, bạn sẽ có thể mua một chiếc áo thun có in các phương trình mô tả các định luật vật lý thống nhất của vũ trụ chúng ta.” Phía bên kia là một nhóm những người chỉ trích đầy quyết tâm cho rằng trường phái dây vẫn chưa đưa ra được kết quả cụ thể nào. Một số còn nhận định rằng dù có bao nhiêu bài báo hay phim tài liệu ngợi ca lý thuyết dây đi chăng nữa thì nó cũng vẫn chưa đưa ra được dự đoán thực tế có thể kiểm chứng nào. Những nhà phê bình này gọi nó là lý thuyết của không gì cả, chứ không phải lý thuyết của vạn vật. Cuộc tranh luận trở nên căng thẳng hơn bao giờ hết vào năm 2002, khi Stephen Hawking “đổi phe”, trích dẫn định lý bất toàn và nói rằng một lý thuyết của vạn vật có lẽ không khả thi ngay ở mặt toán học.

Chẳng mấy ngạc nhiên khi cuộc tranh luận lại gây chia rẽ giới vật lý đến vậy, vì mục tiêu của nó quá to tát, nếu không muốn nói là xa vời vợi. Nhiệm vụ thống nhất tất cả các định luật của tự nhiên đã không ngừng trêu ngươi và cám dỗ các nhà triết học và vật lý suốt hàng thiên niên kỷ. Chính Socrates cũng từng nói: “Dường như đối với tôi, điều tối thượng là nắm bắt được cách giải thích cho tất cả, tại sao nó xuất hiện, tại sao nó tàn lụi, tại sao nó như vậy.”

Đề xuất nghiêm túc đầu tiên cho một lý thuyết của vạn vật xuất hiện vào khoảng năm 500 TCN, khi trường phái Pythagore ở Hy Lạp được ghi nhận là đã giải mã được các định luật toán học của âm nhạc. Bằng cách phân tích các nốt nhạc và những rung động của một chiếc dây đàn lia, họ cho thấy âm nhạc tuân theo những quy luật toán học cực kỳ đơn giản. Từ đó, họ suy đoán các hòa âm của dây đàn lia có thể giải thích mọi điều về tự nhiên. (Theo lẽ nào đó, lý thuyết dây đã làm sống lại giấc mơ của trường phái Pythagore.)

Trong kỷ nguyên hiện đại, hầu như mọi tượng đài của nền vật lý thế kỷ 20 đều từng thử vận may với một lý thuyết trường thống nhất. Nhưng, như Freeman Dyson cảnh báo thì “Sân chơi của vật lý vương vãi những bộ xương của các lý thuyết thống nhất.”

Năm 1928, trên tờ Thời báo New York xuất hiện dòng tít ấn tượng: “Einstein đang tiến gần tới một khám phá vĩ đại nữa; cấm quấy rầy!” Câu chuyện trong bản tin này đã khơi lên một cơn sốt truyền thông mong muốn tìm kiếm tin tức về một lý thuyết của vạn vật. Những tít báo khác thì huyên thuyên: “Einstein choáng váng với những tiến triển của lý thuyết. Đã từ chối 100 nhà báo trong một tuần.” Hàng tá phóng viên vây quanh ngôi nhà của ông ở Berlin, cầu nguyện không ngừng nghỉ, chỉ chờ đợi chộp được một bức hình của nhà khoa học thiên tài để giật tít. Einstein buộc phải đi trốn.

Nhà thiên văn Arthur Eddington đã viết cho Einstein: “Hẳn anh sẽ phấn khích khi biết một trong những trung tâm thương mại lớn nhất của chúng tôi ở London (Selfridges) đã dán bài nghiên cứu của anh lên cửa sổ (sáu trang liền nhau) để người đi qua đọc được. Đám đông tụ tập vây quanh để đọc nó đấy.” (Năm 1923, Eddington đã đề xuất lý thuyết trường thống nhất của riêng mình. Công trình này đã khiến ông lao tâm khổ tứ suốt phần đời còn lại, cho đến khi mất vào năm 1944.)

Năm 1946, Erwin Schrödinger, một trong những người khai sinh cơ học lượng tử, đã tổ chức họp báo để công bố lý thuyết trường thống nhất của mình. Thậm chí thủ tướng Eamon De Valera của Ireland cũng góp mặt. Khi một nhà báo hỏi rằng ông sẽ làm gì nếu lý thuyết của mình sai, Schrödinger đáp: “Tôi tin rằng mình đúng. Tôi sẽ như một gã ngớ ngẩn dễ sợ nếu tôi sai.” (Schrödinger đã bị bẽ mặt khi Einstein lịch sự chỉ ra những lỗi sai trong lý thuyết của ông.)

Người đưa ra những chỉ trích gay gắt nhất về việc thống nhất các lý thuyết là nhà vật lý Wolfgang Pauli. Ông quở trách Einstein: “Cái gì mà Chúa đã tách ra thì không ai có thể hàn gắn.” Ông hạ thấp không thương tiếc bất cứ lý thuyết nửa vời nào với câu châm biếm: “Nó thậm chí còn không sai.” Vì vậy càng mỉa mai hơn khi chính một người phê bình cay nghiệt như Pauli cũng bị cuốn theo cơn lũ này. Vào những năm 1950, chính ông cũng đề xuất một lý thuyết trường thống nhất cùng với Werner Heisenberg.

Năm 1958, Pauli trình bày lý thuyết thống nhất Heisenberg-Pauli tại Đại học Columbia. Niels Bohr cũng tham dự và không lấy làm ấn tượng với kết quả này. Bohr đứng dậy và nói: “Chúng tôi ngồi dưới đây tin rằng lý thuyết của anh quả là điên rồ. Nhưng điều mà chúng tôi chưa thống nhất với nhau là lý thuyết này đã đủ điên rồ hay chưa.” Những lời bình phẩm nhờ thế cũng bùng nổ. Bởi tất cả các lý thuyết rõ ràng đều đã được xem xét và loại bỏ, nên lý thuyết trường thống nhất thực sự phải vượt trội so với những lý thuyết đã có từ trước. Lý thuyết Heisenberg-Pauli quá tầm thường, quá đơn giản để có thể trở thành lý thuyết thống nhất vạn vật. (Cùng năm đó, Pauli bị sốc mạnh khi Heisenberg bình luận trên sóng truyền thanh rằng chỉ có một vài chi tiết kỹ thuật trong lý thuyết của họ là dùng được. Pauli đã gửi cho bạn bè mình một bức thư vẽ một hình chữ nhật để trống với đề tựa: “Đây là thế giới mà tôi có thể tô vẽ nên như một vị thần. Chỉ thiếu mỗi các chi tiết kỹ thuật trong đó.”)

NHỮNG CHỈ TRÍCH ĐỐI VỚI LÝ THUYẾT DÂY

Hiện nay, ứng cử viên hàng đầu (và duy nhất) cho một lý thuyết của vạn vật là lý thuyết dây. Nhưng nó cũng làm dấy lên nhiều phản ứng chỉ trích dữ dội. Những người chống lại lý thuyết này mỉa mai rằng để có một vị trí chắc chắn trong một trường đại học hàng đầu, ta phải làm việc với lý thuyết dây. Nếu không, ta sẽ thất nghiệp. Nó chỉ là trào lưu nhất thời và nó không tốt cho vật lý.

Tôi thường bật cười khi nghe những lời chỉ trích này, vì vật lý, giống như mọi trải nghiệm của đời người, phụ thuộc vào trào lưu và xu hướng. Vận may của những lý thuyết vĩ đại, đặc biệt là những lý thuyết làm thay đổi triệt để hiểu biết của nhân loại, có thể tăng hoặc giảm giống như cái gấu quần vậy. Trên thực tế, lý thuyết dây từng bị ruồng bỏ, bị cho là một lý thuyết nổi loạn và là nạn nhân của chủ nghĩa bè phái.

Lý thuyết dây được khai sinh vào năm 1968, khi hai phó tiến sĩ trẻ tuổi là Gabriel Veneziano và Mahiko Suzuki vướng phải một biểu thức dường như mô tả sự va chạm của các hạt hạ nguyên tử. Họ nhanh chóng khám phá ra rằng biểu thức kỳ lạ này có thể được rút ra từ sự va chạm của các sợi dây đang dao động. Nhưng cho tới năm 1974, lý thuyết này chết yểu khi đang trên đà phát triển. Một lý thuyết mới có tên gọi là sắc động lực học lượng tử (viết tắt là QCD hay lý thuyết của các quark và tương tác mạnh) đã đè bẹp tất cả các lý thuyết khác. Các nhà nghiên cứu vứt bỏ lý thuyết dây để chuyển sang làm việc với lý thuyết QCD. Mọi nguồn đầu tư, công việc và sự ghi nhận đều dành cho các nhà vật lý làm việc với mô hình quark.

Tôi còn nhớ rất rõ những năm tháng đen tối đó. Chỉ những kẻ liều lĩnh dại dột hay khăng khăng cố chấp mới tiếp tục làm việc với lý thuyết dây. Và khi người ta biết rằng các dây đó chỉ có thể dao động trong không gian 10 chiều, lý thuyết này trở thành tâm điểm của sự đùa cợt. Nhà lý thuyết dây tiên phong John Schwarz ở Cal Tech đã đôi lần đâm sầm vào Richard Feynman trong thang máy. Là một tay pha trò nổi tiếng, Feynman liền hỏi: “Kìa John, hôm nay anh ở trong bao nhiêu chiều vậy?” Chúng tôi thường đùa rằng nơi duy nhất có thể tìm thấy một nhà lý thuyết dây là ngay trên lằn ranh của sự thất nghiệp. (Nhà vật lý đạt giải Nobel Murray Gell-Mann, cha đẻ của mô hình quark, từng tâm sự rằng ông thấy thương cho những nhà lý thuyết dây và đã tạo ra “một nơi ‘bảo tồn’ cho các nhà lý thuyết dây đang gặp nguy hiểm” ở Cal Tech để những người như John có công ăn việc làm.)

Khi thấy hiện có rất nhiều nhà vật lý trẻ hăm hở lao vào lý thuyết dây, Steve Weinberg đã viết: “Lý thuyết dây mang lại cho chúng ta nguồn ứng viên duy nhất cho một lý thuyết tối hậu. Có ai lại nghĩ rằng nhiều nhà lý thuyết trẻ tuổi thông minh nhất lại không làm về lĩnh vực này cơ chứ?”

LÝ THUYẾT DÂY LÀ KHÔNG THỂ KIỂM CHỨNG?

Một chỉ trích chính nhắm vào lý thuyết dây là nó không thể kiểm chứng được. Những người chỉ trích quả quyết rằng phải cần đến một cỗ máy gia tốc có kích thước cả thiên hà mới kiểm chứng được lý thuyết này.

Nhưng chỉ trích này lại bỏ qua một thực tế là khoa học hầu hết được thực hiện gián tiếp chứ không phải trực tiếp. Chưa ai từng đến Mặt Trời để thực hiện một phép đo trực tiếp nhưng chúng ta đều biết nó được tạo thành từ hiđrô vì chúng ta có thể phân tích quang phổ của nó.

Hoặc ta có thể lấy các hố đen làm ví dụ. Lý thuyết về các hố đen được đưa ra vào năm 1783, khi John Michell công bố một bài nghiên cứu trong Kỷ yếu triết học của Hội Hoàng gia. Ông khẳng định một ngôi sao có thể nặng đến mức “tất cả ánh sáng phát ra từ một thực thể như vậy sẽ bị lực hấp dẫn của nó kéo ngược trở lại”. Lý thuyết về các “ngôi sao tối” của Michell trôi vào quên lãng suốt nhiều thế kỷ vì không thể kiểm chứng trực tiếp. Năm 1939, thậm chí Einstein còn đưa ra một nghiên cứu chứng minh một ngôi sao tối như vậy không thể tự nhiên hình thành. Theo ông, những ngôi sao tối đó vốn dĩ không thể kiểm chứng được vì theo định nghĩa, chúng là bất khả kiến. Nhưng hiện nay, Kính thiên văn Không gian Hubble đã mang lại cho chúng ta những bằng chứng tuyệt vời về sự tồn tại của hố đen. Giờ thì chúng ta tin rằng có hàng tỷ hố đen có thể lẩn khuất đâu đó ở tâm của các thiên hà và hàng chục hố đen lang thang có thể đang tồn tại ngay trong thiên hà của chúng ta. Nhưng điểm mấu chốt là những bằng chứng về hố đen đều là gián tiếp; chúng ta thu thập thông tin về các hố đen bằng cách phân tích các đĩa vật chất bồi tích cuộn xoáy quanh chúng.

Hơn nữa, nhiều lý thuyết “không thể kiểm chứng” rốt cuộc đều chứng thực được. Chúng ta cần đến 2.000 năm để chứng minh sự tồn tại của các nguyên tử kể từ khi chúng được Democritus đề xuất lần đầu tiên. Các nhà vật lý thế kỷ 19 như Ludwig Boltzmann đã bị chỉ trích cho đến chết vì tin vào lý thuyết đó. Nhưng hiện nay, chúng ta đã chụp được các bức ảnh rực rỡ sống động về nguyên tử. Năm 1930, chính Pauli đã giới thiệu khái niệm hạt neutrino — một hạt khó nắm bắt đến nỗi nó có thể xuyên qua một khối chì đặc có kích thước của cả hệ thống sao mà không bị hấp thụ. Pauli nói: “Tôi đã phạm một tội lỗi nặng nề khi đưa ra một hạt mà không bao giờ có thể quan sát thấy.” Người ta cho là “không thể” dò thấy neutrino nên đã xem nó là một yếu tố viễn tưởng trong suốt vài thập kỷ. Nhưng hiện nay, chúng ta đã có thể tạo ra chùm tia neutrino.

Thực tế, các nhà vật lý hy vọng một số thí nghiệm sẽ mang lại những bằng chứng gián tiếp đầu tiên cho lý thuyết dây:

• Máy gia tốc lớn (LHC) có lẽ đủ mạnh để tạo ra “các hạt đồng hành” hay siêu hạt, là những mức dao động bậc cao được lý thuyết siêu dây tiên đoán (cũng như tiên đoán của các lý thuyết siêu đối xứng khác).

• Nhiều phòng thí nghiệm đang nghiên cứu sự tồn tại của các chiều bậc cao bằng cách tìm kiếm sự sai lệch từ định luật nghịch đảo bình phương khoảng cách trứ danh của Newton ở thang milimét. (Nếu chiều không gian thứ tư tồn tại, thì lực hấp dẫn sẽ giảm theo bậc ba của khoảng cách, chứ không phải bình phương.) Kiểu lý thuyết dây mới nhất (còn gọi là lý thuyết M) tiên đoán không gian có 11 chiều.

• Như tôi đã đề cập, hệ thống quan trắc BBO có thể sẽ đủ nhạy để kiểm chứng một số lý thuyết “tiền Vụ Nổ Lớn”, trong đó có các phiên bản của lý thuyết dây.

• Nhiều phòng thí nghiệm đang nỗ lực tìm kiếm vật chất tối, vì Trái Đất đang di chuyển trong một làn gió vũ trụ gồm các vật chất tối. Lý thuyết dây đưa ra những tiên đoán cụ thể và có thể kiểm chứng về các tính chất vật lý của vật chất tối, vì loại vật chất này nhiều khả năng là một dao động bậc cao của dây (ví dụ: các hạt photino).

• Các nhà khoa học hy vọng một loạt thí nghiệm bổ sung (ví dụ: việc đo sự phân cực của neutrino ở Nam Cực) sẽ dò thấy sự tồn tại của các hố đen mini và các thực thể lạ lùng khác bằng cách phân tích các dị thường trong những chùm tia vũ trụ, có mức năng lượng vượt qua cả máy gia tốc LHC. Các thí nghiệm đo đạc các chùm tia vũ trụ và LHC sẽ mở ra một chân trời mới đầy hứng khởi vượt qua cả Mô hình Chuẩn.

• Và một số nhà vật lý còn đề ra khả năng Vụ Nổ Lớn mạnh đến nỗi có lẽ một siêu dây nhỏ bé đã được thổi bùng lên đến kích thước thiên văn. Nhà vật lý Alexander Vilenkin ở Đại học Tufts viết: “Một khả năng rất thú vị là các siêu dây đó… có thể có kích cỡ thiên văn… Khi đó chúng ta có thể quan sát các dây này trên bầu trời và kiểm chứng trực tiếp lý thuyết siêu dây.” (Xác suất tìm thấy một siêu dây khổng lồ còn sót lại do được thổi phồng lên trong thời kỳ Vụ Nổ Lớn hầu như rất nhỏ.)

VẬT LÝ ĐÃ HOÀN THIỆN HAY CHƯA?

Năm 1980, Stephen Hawking đã khơi lên mối quan tâm đến một lý thuyết của vạn vật nhờ bài giảng có tiêu đề “Liệu sự kết thúc của vật lý lý thuyết đã trong tầm ngắm?” Trong đó ông nói: “Chúng ta có thể sẽ tìm ra một lý thuyết trọn vẹn ngay trong quãng đời của một số người đang hiện diện ở đây.” Ông nhận định với cơ hội năm ăn năm thua rằng lý thuyết tối hậu sẽ được tìm thấy trong vòng 20 năm. Nhưng khi năm 2000 đã đến và không có sự nhất trí nào về một lý thuyết của vạn vật, ông thay đổi quan điểm và đưa ra cơ hội năm ăn năm thua cho việc tìm thấy một lý thuyết như vậy trong vòng 20 năm tới nữa.

Sau đó, vào năm 2002, Hawking lại thay đổi quan điểm một lần nữa khi tuyên bố định lý bất toàn của Gödel dẫn đến một sai sót không thể tránh khỏi trong suy nghĩ ban đầu của mình. Ông viết: “Một số người sẽ rất thất vọng nếu không có lý thuyết tối hậu nào được xây dựng nhờ vào một số lượng hữu hạn các nguyên lý. Tôi thường nghiêng về khả năng đó, nhưng giờ tôi đã thay đổi suy nghĩ… Định lý của Gödel đảm bảo cho các nhà toán học luôn có công ăn việc làm. Tôi nghĩ lý thuyết M sẽ đóng vai trò tương tự đối với các nhà vật lý.”

Lập luận của ông không phải điều mới mẻ: vì toán học không toàn diện và ngôn ngữ của vật lý lại là toán học, nên sẽ luôn có những mệnh đề đúng của vật lý vĩnh viễn không thể chứng minh, và do đó một lý thuyết của vạn vật là bất khả thi. Vì định lý bất toàn đã giết chết giấc mơ từ thời Hy Lạp về việc chứng minh tất cả các mệnh đề đúng trong toán học, nên nó cũng sẽ mang lý thuyết của vạn vật ra khỏi tầm với của chúng ta.

Freeman Dyson đã tuyên bố hùng hồn về điều này: “Gödel đã chứng minh thế giới toán học thuần túy là vô cùng vô tận; không có một tập hợp hữu hạn các tiên đề và các quy tắc suy luận nào có thể bao hàm toàn bộ toán học… Tôi nghĩ rằng thế giới vật lý cũng rơi vào tình cảnh tương tự. Nếu nhận định của tôi về tương lai là đúng thì thế giới vật lý và thiên văn học cũng vô cùng vô tận; bất kể chúng ta có tiến vào tương lai bao xa đi chăng nữa, sẽ luôn có những thứ mới diễn ra, những thông tin mới xuất hiện, những thế giới mới để khám phá; biên giới của sự sống, ý thức và ký ức sẽ liên tục được mở rộng.”

Nhà vật lý thiên văn John Barrow tổng kết suy luận này như sau: “Khoa học dựa trên toán học, toán học lại không thể khám phá mọi sự thật, do đó khoa học cũng không thể khám phá mọi sự thật.”

Lập luận như vậy có thể đúng hoặc sai, nhưng nó ẩn chứa nhiều thiếu sót. Các giáo sư toán học hầu như bỏ qua định lý bất toàn trong nghiên cứu của họ. Đó là bởi định lý bất toàn bắt đầu bằng cách phân tích các mệnh đề liên hệ với chính chúng; tức là chúng tự quy chiếu. Chẳng hạn, các mệnh đề sau đây là nghịch lý:

• Câu này là không đúng.

• Tôi là kẻ nói dối.

• Mệnh đề này không thể chứng minh được.

Trong câu đầu tiên, nếu câu nói là đúng, nó ngụ ý rằng nó sai. Nếu câu đó là sai thì mệnh đề là đúng. Tương tự câu thứ hai, nếu tôi đang nói sự thật thì tôi là người nói dối; và nếu tôi đang nói dối thì tôi lại đang nói sự thật. Trong trường hợp cuối cùng, nếu câu nói là đúng thì nó không thể chứng minh là đúng được.

(Mệnh đề thứ hai chính là nghịch lý nói dối nổi tiếng. Nhà triết học Epimenides ở đảo Crete từng minh họa nghịch lý này bằng cách nói: “Mọi người trên đảo Crete đều nói dối.” Tuy nhiên, Thánh Paul hoàn toàn không hiểu được ngụ ý trong câu nói này nên đã viết trong một bức thư gửi cho Titus: “Một trong những nhà tiên tri của chính Crete đã nói rằng ‘Dân Crete toàn là những kẻ nói dối, cục súc và háu ăn.’ Ông ta chắc chắn đã nói thật.”)

Định lý bất toàn xây dựng dựa trên những mệnh đề như “câu này không thể được chứng minh dựa trên các tiên đề số học” và tạo ra một mạng lưới phức tạp các nghịch lý tự thân.

Tuy nhiên, Hawking sử dụng định lý bất toàn để chỉ ra lý thuyết của vạn vật không thể tồn tại. Ông nhận định chìa khóa của định lý bất toàn Gödel nằm ở chỗ toán học là hệ thống tự quy chiếu và vật lý cũng phải chịu sự hạn chế này. Vì người quan sát không thể tách biệt khỏi quá trình quan sát nên vật lý sẽ luôn quy chiếu tới chính mình, vì chúng ta không thể rời khỏi vũ trụ. Hơn nữa, bản thân người quan sát cũng được tạo thành từ các nguyên tử và phân tử, do đó cũng là một phần tích hợp của thí nghiệm mà mình đang thực hiện.

Nhưng vẫn có một cách để lách khỏi những phê bình của Hawking. Để tránh những nghịch lý gắn với định lý Gödel, các giáo sư toán học ngày nay chỉ cần khẳng định là nghiên cứu của họ loại trừ tất cả các mệnh đề tự quy chiếu. Khi đó, họ có thể tránh được định lý bất toàn. Ở góc độ rộng hơn, toán học kể từ thời Gödel phát triển bùng nổ nhờ bỏ qua định lý bất toàn, bằng cách đòi hỏi những công trình gần đây phải được thực hiện dựa trên những mệnh đề không tự quy chiếu chính nó.

Tương tự, chúng ta có khả năng xây dựng một lý thuyết của vạn vật giúp giải thích những thí nghiệm đã biết mà không phụ thuộc vào tính lưỡng phân, “người quan sát cũng là người được quan sát”. Nếu một lý thuyết của vạn vật như vậy giải thích được mọi thứ từ nguồn gốc Vụ Nổ Lớn đến vũ trụ khả kiến mà chúng ta nhìn thấy quanh mình, khi đó cách thức mà chúng ta mô tả tương tác giữa người quan sát và được quan sát sẽ trở nên hàn lâm. Thực tế, một tiêu chuẩn đối với lý thuyết của vạn vật sẽ là kết luận mà nó thu được hoàn toàn không phụ thuộc vào cách chúng ta tách biệt giữa người quan sát và được quan sát.

Hơn nữa, tự nhiên có lẽ là vô cùng vô tận, thậm chí cả khi nó chỉ dựa trên một số ít các nguyên lý. Hãy thử xem xét trò đánh cờ. Bạn yêu cầu một người ngoài hành tinh thử đoán luật chơi chỉ bằng cách xem ván cờ đang diễn ra. Một lát sau, người ngoài hành tinh có thể chỉ ra quy luật di chuyển con tốt, con tượng và con vua. Các quy tắc của trò chơi là hữu hạn và đơn giản. Nhưng số cách chơi khả dĩ thì nhiều khủng khiếp. Tương tự như vậy, quy luật của tự nhiên có lẽ cũng hữu hạn và đơn giản, nhưng số ứng dụng của chúng có thể là vô hạn. Mục đích của chúng ta là tìm kiếm các quy luật của vật lý.

Ở mặt nào đó, chúng ta đã có một lý thuyết hoàn chỉnh cho nhiều hiện tượng. Chưa ai phát hiện ra bất cứ sai lệch nào trong các phương trình Maxwell dành cho ánh sáng. Mô hình Chuẩn thường được gọi là “lý thuyết của hầu hết mọi thứ”. Giả sử vào một thời điểm nào đó, chúng ta có thể tắt được tác dụng của lực hấp dẫn, khi đó Mô hình Chuẩn sẽ trở thành một lý thuyết hoàn hảo của tất cả các hiện tượng ngoài lực hấp dẫn. Lý thuyết này có thể trông xấu xí, nhưng nó hoạt động. Thậm chí với sự hiện diện của định lý bất toàn, chúng ta vẫn có một lý thuyết vô cùng hợp lý cho mọi thứ (ngoại trừ lực hấp dẫn).

Đối với tôi, điều thực sự gây kinh ngạc là chỉ trên một mặt giấy, chúng ta có thể viết ra các định luật chi phối mọi hiện tượng vật lý đã biết, trải rộng đến 43 bậc độ lớn, từ những nơi xa xôi nhất trong vũ trụ cách chúng ta hơn 10 tỷ năm ánh sáng đến thế giới vi mô của các quark và neutrino. Trên tờ giấy đó sẽ chỉ có hai bộ phương trình: các phương trình của lý thuyết hấp dẫn của Einstein và của Mô hình Chuẩn. Đối với tôi, đây là biểu hiện của sự đơn giản và hài hòa tối thượng của tự nhiên ở mức độ cơ bản nhất. Vũ trụ có thể ngẫu nhiên, ương ngạnh hay thất thường. Nhưng nó hiện ra trước chúng ta là một khối toàn thể, gắn kết và đẹp đẽ.

Nhà vật lý đạt giải Nobel Steve Weinberg so sánh công cuộc tìm kiếm lý thuyết của vạn vật với việc tìm kiếm Cực Bắc của Trái Đất. Suốt nhiều thế kỷ, những thủy thủ thời xưa đã làm việc với những tấm bản đồ không có Cực Bắc. Mọi chiếc kim la bàn và hải đồ đều chỉ đến mảnh còn thiếu này của bản đồ, nhưng chưa ai từng thực sự đến được đó. Tương tự, tất cả dữ liệu và lý thuyết của chúng ta đều hướng đến một lý thuyết của vạn vật. Nó là mảnh còn thiếu của các phương trình.

Luôn có những thứ nằm ngoài tầm với của chúng ta, đó là những thứ không thể khám phá (như vị trí chính xác của một electron hoặc phần thế giới nằm xa hơn cả những nơi mà ánh sáng tới được). Nhưng tôi tin rằng, các định luật cơ bản là có thể hiểu được và hữu hạn. Và những năm tới có thể là thời kỳ nhiều xáo trộn nhất trong vật lý, khi chúng ta khám phá vũ trụ với một thế hệ máy gia tốc hạt mới, các máy dò sóng hấp dẫn đặt ngoài không gian cũng như các công nghệ tân tiến khác. Chúng ta không ở vào giai đoạn kết thúc mà là giai đoạn khởi đầu của một nền vật lý mới. Nhưng với bất cứ thứ gì chúng ta có thể tìm thấy đi chăng nữa, sẽ luôn có những chân trời mới đang chờ đợi ở phía trước.