LƯỢC SỬ THỜI GIAN
(A Brief History of Time)
Tác Giả:-Steven Hawking - Dịch Giả:-Thích Viên Lý
Viện Triết Lý Việt Nam và Triết Học Thế Giới, USA

CHƯƠNG 1
BỨC TRANH VŨ TRỤ CỦA CHÚNG TA

Một khoa học gia nổi tiếng (có người nói đó là Bertrand Russell) có lần diễn thuyết trước công chúng về thiên văn học. Ông mô tả địa cầu quay chung quanh mặt trời như thế nào, và, mặt khác, mặt trời lại quay quanh trung tâm của một quần thể các vì sao gọi là thiên hà như thế nào. Vào cuối buổi diễn thuyết, một bà cụ nhỏ thó ngồi cuối phòng đứng lên nói: "Những lời ông nói đều là tầm bậy. Thế giới này thực ra là một cái đĩa bằng phẳng nằm trên lưng một con rùa khổng lồ." Vị khoa học gia mỉm cười hợm hĩnh trước khi trả lời: "Vậy thì con rùa nó đứng trên cái gì?" "Ông rất khôn lanh, ông bạn trẻ ạ, rất khôn lanh," bà cụ nói. "Nhưng, đây là bầy rùa cứ con nọ cõng con kia liên tiếp như thế!"

Phần lớn người ta sẽ cho rằng hình ảnh vũ trụ của chúng ta như một tháp rùa vô tận nghe hơi tức cười, nhưng tại sao chúng ta tự cho rằng mình biết rõ hơn? Chúng ta biết gì về vũ trụ? và chúng ta biết về nó như thế nào? Vũ trụ từ đâu mà đến, và nó sẽ đi về đâu? Vũ trụ có một khởi thủy hay không? và nếu có thì chuyện gì xảy ra trước đó? Bản chất thời gian là gì? Liệu nó sẽù đi tới kết cuộc hay không? Những khai thông mới đây về vật lý học, một phần nhờ những kỹ thuật mới kỳ diệu, đưa ra những giải đáp cho một vài trong số những câu hỏi lâu đời này. Một ngày nào đó những câu trả lời này có thể sẽ tỏ ra hiển nhiên đối với chúng ta như chuyện địa cầu quay chung quanh mặt trời – hoặc cũng có thể tức cười như một cái tháp gồm những con rùa. Chỉ có thời gian (dù đó là gì chăng nữa) sẽ cho biết.

Ngay từ năm 340 trước Tây Nguyên, Aristotle, triết học gia Hy Lạp, trong quyển sách "Luận Thiên"(On the Heaven) của ông, đã có thể đưa ra hai luận cứ giá trị để tin rằng địa cầu là một trái cầu tròn chứ không phải là một đĩa bằng phẳng. Thứ nhất, ông nhận thức rằng nguyệt thực là do địa cầu vận hành đến giữa mặt trời và mặt trăng. Bóng địa cầu ở trên mặt trăng luôn luôn tròn là vậy, điều này chỉ đúng nếu bản thân trái đất hình cầu. Nếu địa cầu là một cái đĩa tròn bằng phẳng, cái bóng sẽ bị kéo dài ra hoăïc có hình bầu dục e-lip (ellipse), trừ phi nguyệt thực luôn luôn xẩy ra vào lúc mặt trời nằm ngay dưới trung tâm cái đĩa tròn này. Thứ hai, nhờ những cuộc du hành, người Hy Lạp đã biết rằng khi quan sát bầu trời từ những vùng phía nam, sao Bắc Đẩu có vẻ thấp hơn trong bầu trời so với khi quan sát từ những vùng gần phía bắc. (Bởi vì sao Bắc Đẩu nằm ngay phía trên Bắc Cực, cho nên nó có vẻ nằm ngay trên đỉnh đầu của người quan sát đứng tại Bắc Cực, còn đối với người quan sát từ xích đạo, sao Bắc Đẩu có vẻ nằm ngay ở chân trời).

Từ sự khác biệt về vị trí biểu kiến của sao Bắc Đẩu tại Ai Cập và Hy Lạp, Aristotle thậm chí còn tính phỏng chu vi của địa cầu là 400,000 stadia (chuẩn cự). Hiện nay không thể biết chính xác, độ dài 1 stadium (số ít của stadia) là bao nhiêu, nhưng có lẽ là trên dưới 200 yards , như thế thì sự phỏng tính của Aristotle gấp đôi con số được công nhận hiện nay. Người Hy Lạp còn đưa ra một luận cứ thứ ba là trái đất phải hình tròn, nếu không thì tại sao người ta nhìn thấy cột buồm của một chiếc thuyền từ chân trời đi tới và sau đó mới thấy thân thuyền?

Aristotle nghĩ rằng địa cầu bất động và rằng mặt trời, mặt trăng, các hành tinh và các ngôi sao di chuyển theo những quỹ đạo hình tròn chung quanh địa cầu. Ông tin tưởng điều này bởi vì ông cảm thấy, vì những lý do thần bí, rằng địa cầu là trung tâm của vũ trụ, và rằng chuyển động tròn là hoàn hảo nhất. Quan niệm này đã được phát triển bởi Ptolemy vào thế kỷ thứ hai sau Tây Nguyên thành một mô hình vũ trụ học đầy đủ. Địa cầu nằm ở trung tâm, bao quanh bởi tám hình cầu mang mặt trăng, mặt trời, các ngôi sao và năm hành tinh được biết hồi đó: Thủy tinh, Kim tinh, Hỏa tinh, Mộc tinh và Thổ tinh. (Hình 1.1). Những hành tinh này lại chuyển động trên những vòng tròn nhỏ hơn gắn vào những hình cầu tương ứng để giải thích đường đi tương đối phức tạp của chúng khi được quan sát trên bầu trời. Hình cầu tầng ngoài cùng chứa những ngôi sao gọi là sao cố định, chúng luôn luôn nằm ở cùng vị trí so với nhau, nhưng cùng nhau quay trong bầu trời. Những gì bên ngoài hình cầu ngoài cùng thì không hề được minh định, nhưng chắc chắn nó không nằm trong cái vũ trụ có thể quan sát được của con người.

Mô hình của Ptolemy cung cấp một hệ thống chính xác một cách hợp lý để tiên đoán vị trí của các thiên thể trong bầu trời. Nhưng để tiên đoán đúng những vị trí này, Ptolemy đã phải giả định rằng mặt trăng đi theo một quỹ đạo mà đôi khi nó tới gần địa cầu gấp đôi những lúc khác. Và điều đó có nghĩa rằng mặt trăng đôi khi phải nhìn lớn gấp đôi những lúc khác! Ptolemy đã thừa nhận khuyết điểm này, mặc dù thế, mô hình của ông vẫn được tiếp nhận rộng rãi tuy không phải ai cũng đồng ý. Nó được giáo hội Cơ Đốc giáo tiếp nhận như hình ảnh của vũ trụ phù hợp với Thánh Kinh, bởi vì nó có ưu điểm lớn lao là dành nhiều chỗ bên ngoài hình cầu các tinh tú cố định cho thiên đường và địa ngục.

Tuy nhiên, năm 1514, một vị giáo sĩ người Ba Lan, tên là Nicholas Copernicus, đã đề ra một mô hình đơn giản hơn. (Ban đầu, có lẽ sợ bị giáo hội của mình gán cho là một kẻ theo dị giáo, Copernicus chỉ luân lưu mô hình của ông một cách nặc danh.) Quan niệm của ông là, mặt trời nằm cố định ở trung tâm, còn địa cầu và các hành tinh di chuyển theo các quỹ đạo tròn quanh mặt trời. Gần một thế kỷ sau, quan niệm của ông mới được coi trọng. Rồi hai nhà thiên văn học – Johannes Kepler, người Đức, và Galileo Galilei, người Ý – đã khởi sự công khai ủng hộ lý thuyết của Copernicus, mặc dù các quỹ đạo mà nó dự đoán đã không hoàn toàn phù hợp với các quỹ đạo quan sát được. Đòn chí tử cho lý thuyết của Aristotle và Ptolemy xảy ra vào năm 1609. Năm ấy, Galileo dùng viễn vọng kính vừa phát minh để quan sát bầu trời ban đêm. Khi quan sát Mộc tinh, Galileo đã phát hiện có mấy vệ tinh nhỏ hoặc mặt trăng chuyển động quanh nó. Điều này ngụ ý rằng không phải mọi vật đều phải quay quanh trái đất như Aristotle và Ptolemy đã nghĩ. (Đương nhiên, người ta vẫn có thể tin rằng địa cầu đứng yên tại trung tâm vũ trụ, còn các vệ tinh của Mộc tinh di chuyển theo những quỹ đạo hết sức phức tạp quanh địa cầu, khiến có vẻ như chúng quay quanh Mộc tinh. Tuy nhiên, lý thuyết của Copernicus đơn giản hơn nhiều.) Cùng lúc đó, Johannes Kepler đã cải tiến lý thuyết của Copernicus, cho rằng các hành tinh di chuyển không phải theo hình tròn mà theo hình e-lip (một e-lip là một vòng tròn được kéo dài ra, giống như hình bầu dục). Những tiên đoán đó ngày nay phù hợp với những quan sát.

Đối với Kepler, những quỹ đạo hình e-lip chỉ là một giả thuyết tạm thời, và là một giả thuyết hơi khó chấp nhận, bởi vì hình e-lip rõ ràng không hoàn hảo bằng hình tròn. Sau khi hầu như tình cờ khám phá ra rằng các quỹ đạo hình e-lip phù hợp với những quan sát, ông lại không thể thỏa hiệp chúng với quan niệm của ông rằng các hành tinh phải quay chung quanh mặt trời do tác dụng của các lực từ tính. Mãi về sau, vào năm 1687, một sự giải thích mới được đưa ra, khi Sir Isaac Newton xuất bản cuốn sách của ông nhan đề Triết Lý Nguyên Tắc Tự Nhiên của Toán Học, có lẽ là tác phẩm đơn độc quan trọng nhất từng được xuất bản về khoa vật lý. Trong quyển sách này, Newton không những đưa ra một lý thuyết về vấn đề làm thế nào các vật thể di chuyển trong không gian và thời gian, mà còn phát triển những bài toán phức tạp cần thiết để phân tích những chuyển động này. Ngoài ra, Newton còn đề ra định luật vạn vật hấp dẫn, theo đó, mọi vật thể trong vũ trụ đều thu hút lẫn nhau bởi một lực. Lực này càng mạnh nếu khối lượng của vật thể càng lớn và khi chúng càng nằm gần nhau. Chính lực này đã khiến mọi vật đều rơi xuống mặt đất. (Câu chuyện rằng Newton đã được gợi ý bởi một trái táo rơi trúng đầu hầu như chắc chắn chỉ là huyền thoại. Chính Newton chỉ nói rằng ý tưởng về trọng lực đã tới với ông khi ông ngồi "trầm tư," và "tình cờ một trái táo rơi xuống.") Newton tiếp tục chứng tỏ rằng, theo định luật của ông, hấp lực khiến mặt trăng di chuyển theo một quỹ đạo hình e-lip chung quanh trái đất và khiến trái đất cùng các hành tinh quay theo các đường e-lip chung quanh mặt trời.

Mô hình theo Copernicus loại bỏ các hình cầu của Ptolemy, và cả quan niệm rằng vũ trụ có một biên giới tự nhiên. Bởi vì các "ngôi sao cố định" có vẻ như đã không thay đổi vị trí ngoại trừ chuyện quay ngang bầu trời gây ra bởi địa cầu quay theo trục của nó, điều đã trở thành tự nhiên khi cho rằng những ngôi sao cố định là những vật thể gống như mặt trời của chúng ta nhưng ở xa hơn rất nhiều.

Theo lý thuyết hấp lực của ông, Newton nhận thấy rằng các ngôi sao phải thu hút lẫn nhau, do đó hình như chúng không thể bất động mãi. Thế liệu sẽ có một lúc nào đó chúng sẽ rơi vào nhau không? Trong một bức thư năm 1691 viết cho Richard Bentley – một nhà tư tưởng hàng đầu khác vào thời đó – Newton lý luận rằng điều này quả thực sẽ xảy ra nếu chỉ có một con số hữu hạn các ngôi sao, được phân bố trong một khoảng không gian hữu hạn. Nhưng mặt khác, ông lý luận rằng nếu có một con số vô hạn các vì sao được phân bố tương đối đồng đều trong không gian vô hạn, thì điều này sẽ không xẩy ra, bởi vì khi đó sẽ không có trung tâm điểm nào để chúng rơi xuống.

Luận cứ này là một loại cạm bẫy mà bạn có thể gặp phải khi nói về cái vô hạn. Trong một vũ trụ vô hạn, mọi điểm đều có thể coi như trung tâm, bởi vì mọi điểm đều có một con số vô hạn các ngôi sao ở mọi phía của nó. Phương pháp chính xác, rất lâu sau mới được nhận thức, là xem xét tình trạng hữu hạn, trong đó các ngôi sao đều rơi vào nhau, và rồi tự hỏi mọi chuyện sẽ thay đổi như thế nào nếu người ta thêm vào các ngôi sao được phân bố tương đối đồng đều bên ngoài vùng này. Theo định luật của Newton, những ngôi sao cộng thêm đó tính trung bình sẽ không làm thay đổi gì đối với những ngôi sao nguyên thủy, khiến những ngôi sao này vẫn rơi vào nhau nhanh như cũ. Chúng ta có thể thêm bao nhiêu ngôi sao tùy ý, nhưng chúng vẫn luôn luôn rơi vào nhau. Hiện chúng ta biết rằng không thể có một mô hình vũ trụ ở trong trạng thái tĩnh mãi mãi trong đó trọng lực luôn luôn thu hút.

Điều lý thú khi nhớ lại bầu không khí chung của tư trưởng trước thế kỷ 20, là không ai từng cho rằng vũ trụ đang bành trướng hoặc đang co rút. Người ta thường chấp nhận rằng vũ trụ hoặc tồn tại mãi mãi trong một trạng thái không thay đổi, hoặc đã được tạo ra trong quá khứ vào một thời điểm nhất định, gần giống như chúng ta thấy ngày nay. Điều này một phần có thể do khuynh hướng của con người muốn tin vào những chân lý vĩnh hằng, cũng như sự dễ dãi mà người ta tìm thấy trong ý nghĩ rằng dù họ có thể già đi và chết, vũ trụ vẫn tồn tại mãi mãi và không thay đổi.

Ngay cả những người ý thức rằng lý thuyết hấp dẫn của Newton cho thấy vũ trụ không thể ở trạng thái tĩnh, họ cũng không suy nghĩ để cho rằng vũ trụ có thể đang bành trướng. Ngược lại, họ cố cải tiến lý thuyết bằng cách cho rằng lực hấp dẫn trở thành lực đẩy khi ở những khoảng cách rất lớn. Điều này đã không ảnh hưởng đáng kể tới những tiên đoán của họ về chuyển động của các hành tinh, nhưng nó cho phép một sự phân bố vô hạn những ngôi sao để duy trì sự cân bằng – với những lực hấp dẫn giữa những ngôi sao nằm gần nhau được cân bằng bởi những lực đẩy từ những ngôi sao nằm xa hơn. Tuy nhiên, hiện nay chúng ta tin rằng một sự cân bằng như vậy cũng không ổn định: nếu các ngôi sao ở một khu vực nào đó hơi nhích lại gần nhau thêm một tí, hấp lực giữa chúng với nhau sẽ mạnh hơn và vượt trộiù các lực đẩy, do đó các ngôi sao sẽ tiếp tục rơi về phía nhau. Mặt khác, nếu các ngôi sao hơi xa lìa nhau thêm một tí, các lực đẩy sẽ chiếm ưu thế và thúc đẩy chúng lìa nhau càng xa thêm.

Một phản bác khác đối với thuyết vũ trụ tĩnh vô hạn thường được gán cho triết gia Đức Heinrich Olbers, người đã viết về lý thuyết của ông vào năm 1823. Thật vậy, nhiều người cùng thời với Newton đã nêu lên vấn đề này và bài viết của Olbers không phải là tài liệu đầu tiên chứa đựng những luận cứ đáng tin chống lại nó. Tuy nhiên, đây là bài viết đầu tiên được nhiều người chú ý. Điều khó khăn là trong một vũ trụ ở trạng thái tĩnh và vô hạn, gần như mọi luồng thị tuyến đều tận cùng ở bề mặt một ngôi sao. Như vậy, người ta có thể trông đợi cả bầu trời sẽ sáng như mặt trời, ngay cả vào ban đêm. Luận cứ phản bác của Olbers cho rằng ánh sáng chiếu từ các ngôi sao ở xa sẽ bị yếu đi bởi sự hấp thụ của vật chất nằm chen ở giữa. Tuy nhiên, nếu điều đó xảy ra, vật chất nằm giữa này cuối cùng sẽ bị nóng lên cho tới khi phát sáng như các ngôi sao. Cách duy nhất để tránh kết luận rằng cả bầu trời ban đêm phải sáng như mặt trời là giả định rằng các ngôi sao chẳng phải chiếu sáng vĩnh viễn như thế, mà đã được bật sáng ở một thời điểm xác định nào đó trong quá khứ. Trong tình huống này, vật chất hấp thụ nhiệt có thể chưa được hâm nóng, hoặc giả ánh sáng từ các ngôi sao ở xa có thể chưa đạt tới chúng ta. Và điều đó đưa chúng ta tới câu hỏi là cái gì có thể làm cho các ngôi sao bật sáng lúc đầu.

Đương nhiên, vấn đề khởi thủy của vũ trụ đã được thảo luận trước chuyện này rất lâu. Theo một số các học thuyết vũ trụ thời kỳ đầu và truyền thống của người Do Thái / Cơ Đốc giáo / Hồi giáo, vũ trụ đã bắt đầu vào một thời điểm xác định, và cách đây không xa lắm trong quá khứ. Một luận cứ cho một sự khởi đầu như vậy là cảm nghĩ rằng cần phải có "Nguyên Nhân Thứ Nhất" để giải thích sự hiện hữu của vũ trụ. (Bên trong vũ trụ, bạn luôn luôn giải thích một biến cố như là gây ra bởi một biến cố trước đó, nhưng sự hiện hữu của chính vũ trụ, chỉ có thể được giải thích bằng cách này nếu nó có một khởi thủy nào đó.) Một luận cứ khác đã được đưa ra bởi Thánh Augustine trong tác phẩm "Thành Phố của Thượng Đế." Ông vạch ra rằng nền văn minh đang tiến bộ và chúng ta nhớ ai đã làm công trình này hoặc phát triển kỹ thuật kia. Như vậy, con người, và cũng có thể là vũ trụ, không thể nào đã có mặt từ lâu như thế. Thánh Augustine đã chấp nhận một thời điểm khoảng 5,000 năm trước Tây Nguyên cho việc Sáng Tạo vũ trụ theo cuốn Kinh Cựu Ước. (Cần lưu ý rằng đây không phải là lúc kết thúc thời kỳ băng hà mới nhất, khoảng trước Tây Nguyên 10,000 năm, đó là lúc các nhà khảo cổ cho ta biết rằng nền văn minh đã thực sự bắt đầu.)

Mặt khác, Aristotle và hầu hết các triết gia Hy Lạp khác không thích tư tưởng sáng thế, bởi vì nó mang quá nhiều mùi vị sự can thiệp thần quyền. Cho nên họ tin rằng, nhân loại và thế giới chung quanh đã và sẽ tiếp tục tồn tại vĩnh viễn. Người xưa đã xem xét luận cứ về sự tiến bộ như mô tả ở trên, và trả lời bằng cách nói rằng đã có những trận lụt có tính cách định kỳ hoặc những tai nạn khác đã liên tiếp đưa nhân loại trở lại thời văn minh sơ khai.

Năm 1781, triết gia Immanuel Kant trong tác phẩm vĩ đại (và rất khó hiểu) Phê Phán về Thuần Lý, đã khảo sát cặn kẽ vấn đề liệu vũ trụ có một khởi thủy về thời gian hay không và liệu nó có bị giới hạn về không gian hay không. Ông gọi những câu hỏi này là những mâu thuẫn của thuần lý bởi vì ông cảm thấy rằng có những luận cứ đáng tin như nhau để tin vào mệnh đề, rằng vũ trụ có một khởi thủy, và phản đề, rằng vũ trụ đã hiện hữu từ vĩnh cửu. Luận cứ của ông cho mệnh đề là, nếu vũ trụ không có một mở đầu, thì sẽ có một thời gian vô hạn trước bất cứ biến cố nào, điều ông coi là phi lý. Luận cứ cho phản đề là, nếu vũ trụ có một mở đầu, sẽ có một thời kỳ vô hạn về thời gian trước đó, vậy thì tại sao vũ trụ lại phải bắt đầu vào một thời khắc đặc định nào đó? Thật ra, lý luận của ông cho cả đề và phản đề đều giống nhau. Chúng đều đặt căn bản trên giả thiết hiểu ngầm của ông, rằng thời gian là vô tận trở về trước, dù vũ trụ đã hiện hữu vô tận hay không. Như chúng ta sẽ thấy, ý niệm về thời gian không có ý nghĩa trước khi vũ trụ khởi đầu. Đây là điểm được nêu lên đầu tiên bởi Thánh Augustine. Khi được hỏi: Thượng đế đã làm gì trước khi sáng tạo ra vũ trụ? Augustine đã không trả lời: Ngài đang sửa soạn Địa Ngục cho những ai hỏi những câu hỏi như vậy. Thay vào đó ông nói rằng thời gian là một tính chất của vũ trụ mà Thượng Đế đã sáng tạo, và rằng thời gian đã không hiện hữu trước khởi thủy của vũ trụ.

Khi phần đông người ta tin vào một vũ trụ bản chất tĩnh và bất biến, vấn đề nó có khởi đầu hay không, thực sự là một vấn đề siêu hình hoặc có tính cách thần học. Người ta có thể giải thích những gì đã được quan sát một cách khá đồng đều về lý thuyết cho rằng vũ trụ đã tồn tại vĩnh viễn hoặc về lý thuyết cho rằng nó đã được khởi động ở một thời điểm hữu hạn nào đó theo một cách sao cho nó có vẻ như đã tồn tại vĩnh viễn. Nhưng vào năm 1929, Edwin Hubble đã thực hiện cuộc quan sát quan trọng cho thấy dù bạn nhìn từ đâu, những thiên hà ở xa cũng di chuyển nhanh xa lìa chúng ta. Nói cách khác, vũ trụ đang bành trướng. Điều này có nghĩa là vào thời xa xưa, các vật thể sẽ nằm gần nhau hơn. Thật vậy, hình như có một thời điểm, khoảng 10 đến 20 ngàn triệu năm về trước, chúng tất cả đều ở đúng một chỗ và, do đó, mật độ vũ trụ lớn vô hạn. Phát hiện này rốt cuộc đưa vấn đề khởi thủy của vũ trụ vào lãnh vực khoa học.

Những quan sát của Hubble gợi ý rằng có một lúc, gọi là bùng nổ lớn (big bang), vũ trụ vô cùng nhỏ và dầy đặc vô cùng. Dưới những điều kiện này, mọi định luật khoa học, và do đó mọi khả năng tiên đoán tương lai, đều sụp đổ. Nếu có những biến cố xảy ra trước thời khắc này, chúng không thể ảnh hưởng tới những gì xảy ra trong hiện tại. Chúng ta có thể không lý đến sự hiện hữu của chúng, bởi vì chúng không có những hậu quả có thể quan sát được. Người ta có thể nói rằng thời gian có một khởi đầu ở vụ nổ lớn, theo một ý nghĩa rằng thời gian trước đó giản dị không định nghĩa được. Cần phải nhấn mạnh rằng sự khởi đầu này của thời gian rất khác biệt với những gì đã được quan niệm trước kia. Trong một vũ trụ bất biến, một khởi điểm của thời gian là cái được đặt ra bởi một đấng nào đó bên ngoài vũ trụ; không cần có một khởi đầu về vật lý. Người ta có thể tưởng tượng rằng Thượng Đế đã tạo ra vũ trụ ở bất cứ thời điểm nào đó trong quá khứ. Mặt khác, nếu vũ trụ đang bành trướng, có thể có những lý do vật lý là tại sao phải có một khởi đầu. Người ta vẫn có thể tưởng tượng rằng Thượng Đế đã tạo ra vũ trụ trong cái khoảnh khắc của vụ nổ lớn, hoặc giả thậm chí sau đó, để nó giống như đã xảy ra một vụ nổ lớn, nhưng sẽ vô nghĩa khi giả định rằng vũ trụ được tạo ra trước vụ nổ lớn. Một vũ trụ đang bành trướng không loại trừ một đấng sáng tạo, nhưng nó quả thật đặt ra những giới hạn về chuyện khi nào đấng sáng tạo đã thực hiện công việc của mình!

Để nói về bản chất của vũ trụ và thảo luận các vấn đề như liệu nó có một khởi đầu hoặc chung cuộc hay không, bạn cần thấu hiểu một lý thuyết khoa học là gì. Tôi sẽ dùng quan điểm đơn giản cho rằng một lý thuyết chỉ là một mô hình của vũ trụ hoặc một phần có giới hạn của nó, và là một bộ những quy luật liên kết các số lượng trong mô hình với những quan sát mà chúng ta thực hiện. Nó chỉ tồn tại trong đầu chúng ta và không có bất cứ thực tế nào khác (bất kể điều đó có ý nghĩa gì). Một lý thuyết là một lý thuyết tốt nếu nó thỏa mãn hai đòi hỏi: Nó phải mô tả chính xác một số lớn các quan sát trên căn bản một mô hình chỉ chứa một ít các yếu tố độc đoán, và nó phải đưa ra những tiên đoán rõ rệt về những kết quả của những cuộc quan sát trong tương lai. Ví dụ, lý thuyết của Aristotle cho rằng mọi vật đều được cấu tạo bởi bốn nguyên tố, đất, không khí, lửa và nước, đủ giản dị để được chấp nhận, nhưng nó đã không đưa ra bất cứ tiên đoán nào rõ rệt. Mặt khác, thuyết hấp lực của Newton được đặt căn bản trên một mô hình còn đơn giản hơn nữa, trong đó các vật thể hút lẫn nhau với một lực tỉ lệ thuận với một số lượng gọi là khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng với nhau. Vậy mà nó tiên đoán các chuyển động của mặt trời, mặt trăng, và các hành tinh với một độ chính xác cao.

Bất cứ lý thuyết vật lý nào cũng luôn luôn có tính cách tạm thời, theo ý nghĩa rằng nó chỉ là một giả thuyết: bạn không bao giờ có thể chứng minh nó. Bất kể bao nhiêu lần kết quả của những cuộc thí nghiệm phù hợp với một lý thuyết nào đó, bạn không bao giờ có thể quả quyết kết quả lần sau không mâu thuẫn với lý thuyết đó. Mặt khác, bạn có thể chứng minh một lý thuyết sai lầm bằng cách chỉ cần tìm ra một lần quan sát duy nhất không phù hợp với những tiên đoán của lý thuyết đó. Như triết gia khoa học Karl Popper đã nhấn mạnh, đặc trưng của lý thuyết tốt là, nó đưa ra một số các tiên đoán mà trên nguyên tắc có thể bị bác bỏ hoặc ghi nhận là sai lầm bằng cách quan sát. Chừng nào những thực nghiệm mới được ghi nhận phù hợp với những tiên đoán thì lý thuyết còn tồn tại, và sự tin tưởng của chúng ta đặt vào nó tăng lên; nhưng nếu có một ghi nhận mới không phù hợp, chúng ta phải bỏ hoặc tu chính lý thuyết này. Ít nhất đó là điều được dự trù sẽ xảy ra, nhưng bạn luôn luôn có thể nghi ngờ khả năng của người thi hành việc quan sát.

Trên thực tế, điều thường xảy ra là một lý thuyết mới thực ra là một sự nới rộng của lý thuyết trước. Chẳng hạn, những cuộc quan sát chính xác về Thủy Tinh cho thấy một sai biệt nhỏ giữa chuyển động của nó và những tiên đoán của thuyết hấp dẫn của Newton. Thuyết tương đối tổng quát của Einstein đã tiên đoán một chuyển động hơi khác so với thuyết của Newton. Sự kiện rằng những tiên đoán của Einstein phù hợp với những gì được thấy, trong khi những tiên đoán của Newton thì không, đã là một trong những sự xác nhận quan trọng của lý thuyết mới. Tuy nhiên, phần lớn chúng ta vẫn còn sử dụng lý thuyết của Newton cho mọi mục tiêu thực tiễn bởi vì sự khác biệt giữa các tiên đoán của nó và những tiên đoán của thuyết tương đối tổng quát rất nhỏ trong những hoàn cảnh mà chúng ta thường gặp. (Lý thuyết của Newton cũng có những ưu điểm lớn là giản dị hơn nhiều so với lý thuyết của Einstein!)

Mục đích chung cuộc của khoa học là cung cấp một lý thuyết đơn nhất để mô tả toàn thể vũ trụ. Tuy nhiên, phương pháp mà phần lớn các nhà khoa học thực sự theo đuổi là phân chia vấn đề thành hai phần. Đầu tiên, có những định luật cho chúng ta biết vũ trụ thay đổi theo thời gian như thế nào (Nếu chúng ta biết vũ trụ ra sao ở bất cứ thời điểm nào, những định luật vật lý này sẽ cho ta biết vũ trụ sẽ ra sao ở bất cứ thời điểm nào sau này). Thứ hai, có vấn đề tình trạng sơ khai của vũ trụ. Một số người cảm thấy rằng khoa học chỉ nên lưu tâm tới phần thứ nhất, họ coi vấn đề trạng thái ban sơ là một vấn đề siêu hình hoặc thuộc về tôn giáo. Họ sẽ nói rằng Thượng Đế toàn năng có thể khai mở vũ trụ bất cứ cách nào tùy ý. Có thể như vậy, nhưng trong trường hợp đó, Thượng Đế cũng có thể phát triển vũ trụ theo một cách hoàn toàn độc đoán. Tuy nhiên, xem ra Thượng Đế đã chọn cách cho vũ trụ tiến hóa theo một đường lối rất bình thường theo một số định luật. Cho nên, cũng hợp lý không kém khi giả định rằng cũng có những định luật chi phối tình trạng ban sơ.

Hóa ra rất khó phác họa một lý thuyết để mô tả hết vũ trụ. Thay vào đó, chúng ta chia vấn đề ra thành nhiều mảnh nhỏ, và phát minh ra một số lý thuyết từng phần. Mỗi một bộ phận lý thuyết này mô tả và dự đoán một phạm vi quan sát có giới hạn, không để ý tới các hiệu ứng của các lượng khác, hoặc trình bày chúng bằng những loạt con số đơn giản. Có thể phương pháp này hoàn toàn sai. Nếu mọi vật trong vũ trụ đều tùy thuộc vào mọi điều khác về căn bản, có lẽ không thể nào tới gần được một giải đáp đầy đủ bằng cách xem xét những phần riêng rẽ của vấn đề. Mặc dù như vậy, chắc chắn đây là phương pháp giúp chúng ta tiến bộ trong quá khứ. Thí dụ cổ điển vẫn là thuyết hấp lực của Newton, nó cho chúng ta biết rằng lực hấp dẫn giữa hai vật thể chỉ tùy thuộc vào một con số gắn liền với mỗi vật thể, đó là khối lượng của nó, mà không tùy thuộc vào cái gì làm thành những vật thể đó. Như vậy, người ta không cần có một lý thuyết về kết cấu và thành phần của mặt trời và các hành tinh để tính toán các quỹ đạo của chúng.

Các khoa học gia ngày nay mô tả vũ trụ theo hai lý thuyết từng phần cơ bản – thuyết tương đối tổng quát và cơ học lượng tử. Chúng là những thành quả vĩ đại trong tiền bán thế kỷ 20. Thuyết tương đối tổng quát mô tả trọng lực và cơ cấu vĩ mô của vũ trụ, nghĩa là, cơ cấu trên một tầm mức từ vài dặm cho đến lớn cỡ 1 triệu triệu triệu triệu (số 1 với 24 con số 0 theo sau) dặm, là tầm cỡ có thể quan sát của vũ trụ. Mặt khác, cơ học lượng tử xử lý các hiện tượng ở tầm cỡ cực kỳ nhỏ, chẳng hạn một phần triệu của một phần triệu của một inch. Tuy nhiên, đáng tiếc là, hai lý thuyết này được biết không phù hợp với nhau – chúng không thể đồng thời đều đúng. Một trong số những cố gắng chủ yếu của vật lý học ngày nay, và chủ đề chính của quyển sách này, là tìm kiếm một lý thuyết mới có thể hợp nhất cả hai – một thuyết hấp dẫn lượng tử. Chúng ta chưa có một lý thuyết như vậy, và có thể còn lâu chúng ta mới có, nhưng chúng ta quả đã biết nhiều trong số các tính chất mà nó phải có. Và chúng ta sẽ thấy, ở những chương sau, rằng chúng ta đã biết khá nhiều những tiên đoán mà một thuyết hấp lục lượng tử phải có.

Bây giờ, nếu bạn tin rằng vũ trụ không phải tùy hứng, mà bị chi phối bởi những định luật nhất định, cuối cùng bạn phải kết hợp những lý thuyết từng phần này thành một lý thuyết thống nhất hoàn toàn để mô tả mọi thứ trong vũ trụ. Nhưng có một mâu thuẫn căn bản trong việc tìm kiếm một lý thuyết thống nhất hoàn toàn như vậy. Quan niệm về những lý thuyết khoa học được phác họa ở trên giả định rằng chúng ta là những sinh vật có lý trí được tự do quan sát vũ trụ như chúng ta muốn và rút ra những suy luận hợp lý từ những gì chúng ta thấy. Trong một phương án như vậy, chúng ta có lý khi cho rằng có thể tiến tới gần hơn bao giờ hết những định luật chi phối vũ trụ. Nhưng, nếu quả thật có một lý thuyết thống nhất hoàn toàn, thì chắc hẳn nó cũng sẽ quyết định tới hành động của chúng ta. Và do đó chính lý thuyết sẽ quyết định kết quả cuộc tìm kiếm của chúng ta dành cho nó! Và tại sao nó sẽ phải định rằng chúng ta đã đạt tới những kết luận đúng rút từ bằng chứng? Liệu nó cũng có thể quyết định rằng chúng ta rút ra những kết luận sai lầm hay không? Hoặc không có kết luận nào cả?

Câu trả lời duy nhất mà tôi mà có thể đưa ra cho vấn đề này được căn cứ trên nguyên tắc tuyển chọn tự nhiên của Darwin. Tư tưởng này cho rằng trong bất cứ quần thể sinh vật tự sanh sản nào, sẽ có những biến đổi trong vật liệu và chỉ thị di truyền chứa trong những cá thể khác nhau. Những khác biệt này sẽ có nghĩa vài cá thể có thể có khả năng hơn những cá thể khác trong việc rút ra những kết luận đúng đắn về thế giới chung quanh và hành động sao cho thích hợp. Những cá thể này có nhiều khả năng hơn để tồn tại, sanh sản và do đó mô thức về hành vi và tư tưởng của chúng sẽ trở nên vượt trội. Điều chắc chắn đúng trong quá khứ là những cái chúng ta gọi là trí thông minh và khám phá khoa học đã đưa tới lợi thế để sinh tồn. Điều không hiển nhiên như vậy là trường hợp những khám phá khoa học của chúng ta rất có thể hủy diệt toàn thể chúng ta, và dù chúng không hủy diệt, một lý thuyết thống nhất hoàn toàn có thể không thay đổi nhiều cơ may tồn tại của chúng ta. Tuy nhiên, giả thử vũ trụ đã tiến hóa theo một đường lối bình thường, chúng ta có thể trông đợi những khả năng lý luận mà sự tuyển chọn tự nhiên đã cho chúng ta sẽ có giá trị trong cuộc tìm kiếm một lý thuyết thống nhất hoàn toàn, và nhờ đó không đưa chúng ta tới những kết luận sai lầm.

Bởi vì những lý thuyết từng phần mà chúng ta đã có cũng đủ để đưa ra những tiên đoán đúng cho mọi tình huống, ngoại trừ những tình huống cực đoan nhất, cho nên cuộc tìm kiếm lý thuyết chung cuộc về vũ trụ có vẻ khó biện minh đối với những lý do thực tiễn. (Tuy nhiên, cũng nên ghi nhận rằng những luận điểm tương tự có thể đã được sử dụng để chống lại cả thuyết tương đối lẫn cơ học lượng tử, trong khi những lý thuyết này đã cho chúng ta cả năng lượng hạt nhân lẫn cuộc cách mạng vi điện tử !) Cho nên, khám phá về một lý thuyết thống nhất hoàn toàn có thể không trợ giúp gì cho sự sống còn của chủng loại chúng ta. Thậm chí nó cũng không ảnh hưởng tới lối sống của chúng ta. Nhưng kể từ buổi đầu của nền văn minh, con người ta đã không an phận nhìn các sự việc xảy ra như không liên hệ với nhau và không lý giải được. Họ khao khát một sự hiểu biết cái trật tự tiềm ẩn trong thế giới. Ngày nay chúng ta vẫn khao khát muốn biết tại sao chúng ta ở đây và chúng ta từ đâu mà đến. Ý nguyện sâu kín muốn hiểu biết của nhân loại đủ chánh đáng để chúng ta tiếp tục cuộc tìm kiếm. Và mục tiêu của chúng ta không ngoài việc mô tả toàn diện cái vũ trụ mà chúng ta đang sống bên trong. 
 

TVHS