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 10
THỐNG NHẤT VẬT LÝ HỌC

Như đã được giải thích trong chương đầu tiên, rất khó xây dựng một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh cho mọi thứ trong vũ trụ. Cho nên thay vào đó chúng ta đã tiến dần bằng cách tìm những lý thuyết từng phần mô tả một dãy những biến cố có giới hạn và bằng cách bỏ qua những hậu quả khác hoặc ước lượng chúng bằng một số những con số. (Môn hóa học chẳng hạn, cho phép chúng ta tính toán sự tương tác của các nguyên tử, mà không biết cấu trúc bên trong hạt nhân của một nguyên tử.) Tuy nhiên, cuối cùng, người ta sẽ hy vọng tìm ra một lý thuyết thống nhất, phù hợp và hoàn chỉnh sẽ bao gồm tất cả những lý thuyết từng phần này như những sự ước lượng, và không cần phải được điều chỉnh cho phù hợp với các dữ kiện bằng cách chọn các trị số của một số các con số bắt buộc trong lý thuyết. Cuộc tìm kiếm một lý thuyết như vậy được biết như là "sự thống nhất của vật lý học." Einstein đã bỏ ra phần lớn những năm cuối đời của ông để tìm kiếm một lý thuyết thống nhất mà không thành công, nhưng thời gian lúc đó chưa chín mùi: đã có những lý thuyết từng phần cho các hấp lực và lực điện từ, nhưng rất ít điều được biết về các lực hạt nhân. Hơn nữa, Einstein đã không chịu tin vào thực tế của cơ học lượng tử, bất kể vai trò quan trọng mà ông đã đóng góp trong việc phát triển của môn này. Tuy nhiên, có vẻ như nguyên tắc bất định là một đặc tính căn bản của vũ trụ mà chúng ta sống bên trong. Một lý thuyết thống nhất thành công do đó nhất thiết phải hội nhập nguyên tắc này.

Như tôi sẽ mô tả, viễn ảnh tìm ra một lý thuyết như vậy hiện có vẻ tốt đẹp hơn nhiều bởi vì ngày nay chúng ta hiểu biết nhiều hơn về vũ trụ. Nhưng chúng ta phải đề phòng sự tự tin quá lố -- chúng ta đã có những tin tưởng sai lầm trước kia rồi! Vào đầu thế kỷ này, chẳng hạn, người ta đã nghĩ rằng mọi chuyện có thể được giải thích theo các đặc tính của vật chất liên tục, như sự đàn hồi và sự dẫn nhiệt. Sự khám phá ra cấu trúc nguyên tử và nguyên tắc bất định đã đưa tới một sự kết thúc dứt khoát cho điều đó. Rồi một lần nữa, trong năm 1928, nhà vật lý đã chiếm giải Nobel là Max Born đã nói với một nhóm các khách viếng thăm trường đại học Gošttingen, "Vật lý học, như chúng ta biết, sẽ kết thúc trong vòng sáu tháng." Sự tự tin của ông đã được căn cứ vào sự khám phá mới bởi Dirac về phương trình chi phối điện tử. Người ta đã nghĩ rằng một phương trình tương tự sẽ chi phối proton, là loại hạt duy nhất khác được biết lúc đó, và điều đó sẽ là kết cuộc của vật lý lý thuyết. Tuy nhiên, sự khám phá ra trung hòa tử và các lực hạt nhân cũng đã đánh gục điều đó. Tuy nói vậy, tôi vẫn tin rằng có những lý do để lạc quan một cách thận trọng rằng chúng ta hiện có thể gần đến đoạn cuối của cuộc tìm kiếm những định luật tối hậu của vũ trụ.

Trong những chương trước tôi đã mô tả thuyết tương đối tổng quát, lý thuyết từng phần về hấp lực, và những lý thuyết từng phần chi phối các lực yếu, lực mạnh và lực điện từ. Ba loại lực này có thể được kết hợp vào điều được gọi là những lý thuyết thống nhất lớn, hay GUT (Grand Unified Theories). Những lý thuyết này không hoàn hảo cho lắm bởi vì chúng không bao gồm hấp lực và bởi vì chúng chứa một số những số lượng, như các khối lượng tương đối của những hạt khác nhau, không thể tiên đoán được từ lý thuyết nhưng phải được lựa chọn để thích hợp với những quan sát. Khó khăn chính trong việc tìm ra một lý thuyết thống nhất hấp lực với các lực khác nằm ở chỗ thuyết tương đối tổng quát là một lý thuyết "cổ điển," nghĩa là, nó không hội nhập nguyên tắc bất định của cơ học lượng tử. Mặt khác, các lý thuyết từng phần khác trên căn bản phụ thuộc vào cơ học lượng tử. Do đó, một bước đầu cần thiết là phải kết hợp thuyết tương đối tổng quát với nguyên tắc bất định. Như chúng ta đã thấy, điều này có thể sinh ra vài hậu quả đáng kể, như các hố đen không phải đen, và vũ trụ không có điểm kỳ dị nào cả, mà hoàn toàn tự chứa và không có biên giới. Rắc rối là, như đã được giải thích trong chương 7, nguyên tắc bất định có nghĩa rằng ngay cả không gian "trống rỗng" cũng chứa đầy những cặp hạt và phản hạt ảo. Những cặp này sẽ có một số năng lượng nhất định và, do đó, theo phương trình nổi tiếng của Einstein E = mc2, chúng sẽ có một số khối lượng nhất định. Hấp lực của chúng như vậy sẽ uốn cong vũ trụ thành cỡ nhỏ vô hạn.

Hơi tương tự, những vô hạn có vẻ vô lý xảy ra trong những lý thuyết từng phần khác, nhưng trong tất cả những trường hợp này những vô hạn có thể bị triệt tiêu bởi một tiến trình gọi là tái bình thường hóa. Điều này liên quan đến việc triệt tiêu những vô hạn bằng cách đưa vào những vô hạn khác. Mặc dù kỹ thuật này hơi mơ hồ về toán học, nó hình như có hiệu quả trong thực tế, và đã được sử dụng với những lý thuyết này để thực hiện những tiên đoán phù hợp với những quan sát với một mức độ chính xác phi thường.Tuy nhiên, sự tái bình thường hóa quả thật có một nhược điểm nghiêm trọng từ quan điểm cố tìm kiếm một lý thuyết hoàn toàn, bởi vì nó có nghĩa những trị số thực của các khối lượng và sức mạnh của các lực không thể được tiên đoán từ lý thuyết, mà phải được lựa chọn để thích hợp với những quan sát.

Trong khi cố gắng hội nhập nguyên tắc bất định vào thuyết tương đối tổng quát, người ta chỉ có hai số lượng có thể được điều chỉnh: sức mạnh của trọng lực và trị số của hằng số vũ trụ. Nhưng sự điều chỉnh những số lượng này không đủ để loại trừ mọi vô hạn. Do đó người ta có một lý thuyết có vẻ tiên đoán rằng một vài số lượng, như độ cong của không-thời gian, thực ra là vô hạn, tuy những vô hạn này có thể được quan sát và đo đạc để hoàn toàn hữu hạn! Khó khăn trong việc kết hợp thuyết tương đối tổng quát với nguyên tắc bất định đã có lúc bị nghi ngờ, nhưng cuối cùng đã được xác nhận bằng những tính toán chi tiết vào năm 1972. Bốn năm sau, một giải pháp có thể, được gọi là "siêu hấp lực," đã được đề nghị. Ý tưởng là kết hợp hạt có số quay 2 gọi là các hạt hấp lực (graviton), mang hấp lực, với vài hạt mới khác có số quay 3/2, 1, 1/2, và 0. Trong một ý nghĩa, tất cả những hạt này khi đó có thể được coi như những khía cạnh khác nhau của cùng "siêu hạt," do đó thống nhất các hạt vật chất với số quay 1/2 và 3/2 với những hạt mang lực có số quay 0, 1, và 2. Những cặp hạt/phản hạt ảo có số quay 1/2 và 3/2 sẽ có năng lượng âm, và do đó sẽ có khuynh hướng triệt tiêu năng lượng dương của các cặp hạt ảo có số quay 2, 1, và 0. Điều này sẽ khiến những vô hạn triệt tiêu, nhưng người ta nghi rằng vài vô hạn có thể còn tồn tại. Tuy nhiên, những tính toán cần thiết để biết liệu có bất cứ vô hạn nào còn lại mà không bị triệt tiêu hay không đã mất thì giờ và khó khăn đến nỗi không ai sẵn sàng thực hiện. Ngay cả với một máy điện toán, người ta ước tính sẽ cần ít nhất 4 năm, và nhiều rủi ro là người ta sẽ phạm ít nhất một sai lầm, có thể nhiều hơn. Do đó người ta sẽ chỉ biết câu trả lời đúng hay không nếu có người khác lập lại sự tính toán và nhận được cùng câu trả lời, và điều đó hình như rất khó xảy ra!

Bất kể những khó khăn này, và sự kiện rằng các hạt trong các lý thuyết siêu hấp lực đã không có vẻ phù hợp với những hạt đã quan sát được, hầu hết các khoa học gia tin rằng siêu hấp lực có thể là câu trả lời đúng cho vấn đề thống nhất vật lý học. Có vẻ đó là phương cách tốt nhất để thống nhất hấp lực với các lực khác. Tuy nhiên, trong năm 1984 có một thay đổi quan điểm đáng kể thiên về cái được gọi là những lý thuyết dây. Trong những lý thuyết này các vật thể căn bản không phải là các hạt, chiếm một điểm duy nhất trong không gian, mà là những cái có một chiều dài mà không có chiều khác, giống như một mẩu dây mỏng vô hạn. Những sợi dây này có thể có hai đầu (được gọi là dây mở) hoặc chúng có thể nối với nhau thành những vòng kín (dây kín) (Hình 10.1 và 10.2). Một hạt chiếm một điểm trong không gian tại mỗi điểm thời gian. Do đó lịch sử của nó có thể được biểu diễn bởi một đường trong không-thời gian ("đường thế giới'). Một dây, mặt khác, chiếm một đường trong không gian tại mỗi thời điểm. Do đó lịch sử của nó trong không-thời gian là một bề mặt hai chiều gọi là phiến thế giới. (Bất cứ điểm nào trên một phiến thế giới như vậy cũng có thể được mô tả bằng hai con số, một số chỉ thời gian và số kia chỉ vị trí của điểm trên sợi dây). Phiến thế giới của một sợi dây mở là một dải; các bờ của nó tượng trưng những con đường qua không-thời gian của những đầu của sợi dây (Hình 10.1). Phiến thế giới của một sợi dây đóng là một ống hình trụ (Hình 10.2); một đường cắt qua ống là một vòng tròn, tượng trưng vị trí của sợi dây tại một thời điểm đặc biệt.

Hai mẩu dây có thể nối với nhau để làm thành một sợi dây duy nhất; trong trường hợp những sợi dây mở chúng giản dị nối tại các đầu dây (Hình 10.3), trong khi trong trường hợp các dây kín nó giống hai ống quần (Hình 10.4). Tương tự, một mẩu dây duy nhất có thể chia thành hai sợi. Trong các lý thuyết dây, những gì trước kia được nghĩ như các hạt bây giờ được hình dung như các sóng di chuyển dọc sợi dây, giống như sóng trên một sợi dây diều đang rung. Sự phát ra hoặc hấp thụ của một hạt bởi một hạt khác tương ứng với sự phân chia hoặc nối với nhau của các sợi dây. Thí dụ, hấp lực của mặt trời tác động lên trái đất được hình dung trong các lý thuyết hạt như gây ra bởi sự phát ra một hạt graviton bởi một hạt ở mặt trời và sự hấp thụ của nó bởi một hạt ở trái đất (Hình 10.5). Trong lý thuyết dây, tiến trình này tương ứng với một ống hình chữ H (Hình 10.6). (Lý thuyết dây hơi giống công việc đặt ống nước, theo một cách nhìn). Hai bên chiều thẳng đứng của chữ H tương ứng với những hạt ở mặt trời và trái đất và ống nối nằm ngang tương ứng với hạt graviton di chuyển giữa chúng.

Lý thuyết dây có một lịch sử kỳ lạ. Nó đầu tiên được nghĩ ra vào cuối thập niên 1960 trong một cố gắng để tìm ra một lý thuyết để mô tả lực mạnh. Ý kiến là các hạt như proton và trung hòa tử có thể được coi như những sóng trên một sợi dây. Các lực mạnh giữa những hạt sẽ tương ứng với những mẩu dây đi giữa những khúc dây khác, như trong một màng nhện. Để lý thuyết này cho trị số đã quan sát được của lực mạnh giữa những hạt, các dây phải giống như những vòng dây thun với một sức kéo khoảng 10 tấn. Trong năm 1974 Joešl Scherk ở Paris và John Schwarz thuộc Viện Kỹ Thuật California đã xuất bản một tài liệu trong đó họ chứng minh rằng lý thuyết dây có thể mô tả hấp lực, nhưng chỉ trong trường hợp sức căng trong sợi dây mạnh hơn rất nhiều, khoảng một ngàn triệu triệu triệu triệu triệu triệu tấn (số 1 với 39 số không theo sau). Những tiên đoán của lý thuyết dây sẽ giống như những tiên đoán của thuyết tương đối tổng quát, trên những cỡ chiều dài bình thường, nhưng chúng sẽ khác ở những khoảng cách rất nhỏ, dưới một phần ngàn triệu triệu triệu triệu triệu của một centimét (một centimét chia cho số 1 với 33 số không theo sau). Tuy nhiên, công trình của họ đã không được chú ý nhiều, bởi vì cũng đúng khoảng thời gian đó hầu hết mọi người đã bác bỏ lý thuyết dây nguyên thủy của lực mạnh để thiên về lý thuyết căn cứ vào các quark và gluon, có vẻ phù hợp hơn nhiều với những quan sát. Scherk đã chết trong trường hợp bi thảm (ông bị bệnh tiểu đường và đã bị hôn mê khi không có ai ở gần để chích cho ông một mũi thuốc insulin). Do đó Schwarz bị bỏ lại một mình hầu như là người duy nhất ủng hộ thuyết dây, nhưng hiện giờ trị số của sức căng dây được đề nghị cao hơn nhiều.

Trong năm 1984 sự chú ý về các dây bỗng sống lại, có vẻ như vì hai lý do. Một là người ta không thực sự tiến bộ nhiều theo chiều hướng chứng tỏ rằng siêu hấp lực là hữu hạn hoặc có thể giải thích các loại hạt mà chúng ta quan sát. Lý do kia là việc xuất bản một tài liệu của John Schwarz và Mike Green ở trường Queen Mary College ở Luân Đôn, chứng minh rằng thuyết dây có thể giải thích sự hiện hữu của các hạt có một đặc tính nội tại là thuận bên trái, giống như vài trong số những hạt mà chúng ta quan sát. Dù với lý do nào, nhiều người chẳng bao lâu khởi sự nghiên cứu về lý thuyết dây và một phiên bản mới đã được phát triển, cái được gọi là thuyết dây dị biệt, có vẻ như có thể giải thích các loại hạt mà chúng ta quan sát.

Các lý thuyết dây cũng đưa tới những vô hạn, nhưng người ta cho rằng chúng sẽ triệt tiêu tất cả trong những phiên bản như thuyết dây dị biệt (mặc dù điều này chưa được biết chắc chắn). Tuy nhiên, các lý thuyết dây, có một khó khăn lớn lao hơn: chúng hình như chỉ phù hợp nếu không-thời gian hoặc có mười hoặc có hai mươi sáu chiều, thay vì bốn chiều bình thường! Dĩ nhiên những chiều không-thời gian phụ trội là một chuyện thông thường của khoa học giả tưởng; thật vậy, chúng hầu như là một sự cần thiết, bởi vì nếu không chuyện thuyết tương đối cho rằng người ta không thể du hành nhanh hơn ánh sáng có nghĩa rằng di chuyển giữa các ngôi sao và các thiên hà sẽ mất quá nhiều thì giờø. Ý tưởng của khoa học giả tưởng là có lẽ người ta có thể dùng một con đường tắt qua một chiều cao hơn. Người ta có thể hình dung điều này như sau. Hãy tưởng tượng rằng không gian mà chúng ta đang sống chỉ có hai chiều và bị cong như bề mặt của một vòng neo tầu hoặc hình vành khuyên (Hình 10.7). Nếu bạn ở một phía của bờ trong của vành và bạn muốn đi tới một điểm nằm phía bên kia, bạn sẽ phải đi quanh bờ trong của vành. Tuy nhiên, nếu bạn có thể di chuyển trong chiều thứ ba, bạn có thể đi tắt thẳng qua bên kia.

Tại sao chúng ta đã không nhận thấy tất cả những chiều phụ trội này, nếu chúng thực sự có mặt? Tại sao chúng ta chỉ nhìn thấy ba chiều không gian và một chiều thời gian? Đề nghị để giải đáp là những chiều kia bị uốn cong lại thành một không gian cỡ rất nhỏ, một cái gì đó như một phần triệu triệu triệu triệu triệu của một inch. Nó quá nhỏ đến độ chúng ta không nhận thấy nó, chúng ta chỉ nhìn thấy một chiều thời gian và ba chiều không gian, trong đó không-thời gian hơi phẳng. Nó như bề mặt của một trái cam: nếu bạn nhìn thật gần, nó cong và nhăn nheo, nhưng nếu bạn nhìn nó từ xa, bạn không nhìn thấy những chỗ lồi lõm và nó có vẻ nhẵn nhụi. Do đó với không-thời gian: trên một cỡ thật nhỏ, nó có mười chiều và rất cong, nhưng ở những cỡ lớn hơn bạn không nhìn thấy độ cong hoặc những chiều phụ trội. Nếu hình ảnh này là đúng, nó có nghĩa là tin buồn cho những nhà du hành không gian tương lai: những chiều phụ trội sẽ quá nhỏ để cho phép một phi thuyền không gian đi qua. Tuy nhiên, nó nêu lên một vấn nạn lớn khác. Tại sao một số, mà không phải tất cả, các chiều lại cong lại thành một trái banh nhỏ? Giả sử, trong một vũ trụ rất sơ khai mọi chiều đã rất cong. Tại sao một chiều thời gian và ba chiều không gian đã phẳng lại, trong khi những chiều kia vẫn cong vòng?

Một câu trả lời có thể có là nguyên tắc vị nhân chủng. Hai chiều không gian hình như không đủ để cho phép phát triển những sinh vật phức tạp như chúng ta. Thí dụ, những động vật hai chiều sống trên một trái đất một chiều sẽ phải bò lên nhau để vượt qua nhau. Nếu một sinh vật hai chiều ăn cái gì đó nó có thể không tiêu hóa hoàn toàn, nó sẽ phải đưa ngược trở lên những đồ còn sót lại theo cùng con đường nó đã nuốt vào, bởi vì nếu có một đường đi qua cơ thể của nó, con đường sẽ chia sinh vật này ra làm hai nửa rời nhau, sinh vật hai chiều của chúng ta sẽ rã ra (Hình 10.8). Tương tự, thật khó mà thấy bằng cách nào có thể có sự lưu thông của máu trong một sinh vật hai chiều.

Cũng sẽ có những vấn nạn với không gian có quá ba chiều. Hấp lực giữa hai vật thể sẽ giảm nhanh hơn theo khoảng cách so với trong không gian ba chiều. (Trong ba chiều, hấp lực giảm còn 1/4 nếu tăng gấp đôi khoảng cách. Trong bốn chiều, nó sẽ giảm còn 1/8, trong năm chiều còn 1/16, và cứ thế.) Ý nghĩa của điều này là những quỹ đạo của các hành tinh, như trái đất, quanh mặt trời sẽ không ổn định: sự quấy rối nhỏ nhất từ một quỹ đạo tròn (như gây ra bởi sức hút trọng lực của những hành tinh khác) sẽ khiến trái đất xoáy ra xa hoặc đâm vào mặt trời. Chúng ta hoặc sẽ lạnh băng hoặc bị cháy tiêu. Thật vậy, phản ứng như vậy của trọng lực với khoảng cách ở các không gian quá bốn chiều có nghĩa là mặt trời không thể tồn tại trong một trạng thái ổn định với trọng lực cân bằng áp lực. Nó hoặc sẽ rã ra hoặc sẽ suy sụp để tạo thành một hố đen. Trong bất cứ trường hợp nào, nó sẽ không ích lợi gì như một nguồn phát nhiệt và ánh sáng cho đời sống trên Trái Đất. Trên một tầm mức nhỏ hơn, các lực điện khiến các điện tử quay chung quanh nhân trong một nguyên tử sẽ xử sự giống như các hấp lực. Do đó các điện tử sẽ hoặc từ nguyên tử thoát đi hết hoặc sẽ xoáy vào nhân. Trong bất cứ trường hợp nào, người ta không thể có các nguyên tử như chúng ta biết.

Như vậy có vẻ rõ ràng đời sống, ít nhất như chúng ta biết, chỉ có thể tồn tại trong những vùng không-thời gian trong đó một chiều thời gian và ba chiều không gian không bị uốn cong nhỏ lại. Điều này sẽ có nghĩa người ta có thể cầu cứu tới nguyên tắc vị nhân chủng yếu, với điều kiện người ta có thể chứng tỏ rằng thuyết dây quả thật ít ra cho phép có những vùng vũ trụ như vậy -- và có vẻ như thuyết dây cho phép. Rất có thể có những vùng khác của vũ trụ, hay những vũ trụ khác (dù cái đó có nghĩa là gì), trong đó mọi chiều đều cong nhỏ lại hoặc trong đó hơn bốn chiều gần như phẳng, nhưng sẽ không có các sinh vật thông minh ở những vùng như vậy để quan sát con số khác nhau của những chiều thật sự.

Ngoài vấn đề số chiều mà không-thời gian có vẻ có, lý thuyết dây vẫn có nhiều vấn đề khác phải được giải quyết trước khi nó có thể được tuyên bố như thuyết thống nhất tối hậu của vật lý. Chúng ta chưa biết liệu mọi vô hạn có triệt tiêu lẫn nhau hết hay không, hay làm thế nào để liên kết chính xác các sóng trên sợi dây với các loại hạt đặc biệt mà chúng ta quan sát. Tuy nhiên, có thể rằng những giải đáp cho những câu hỏi này sẽ được tìm ra trong những năm tới đây, và rằng trước cuối thế kỷ 20 chúng ta sẽ biết liệu lý thuyết dây có thật là lý thuyết thống nhất của vật lý mà từ lâu người ta tìm kiếm hay không.

Nhưng liệu thật sự có thể có một thuyết thống nhất như vậy hay không? Hoặc chúng ta chỉ đuổi theo một ảo ảnh? Có thểû có ba điều khả dĩ:

1) Thật sự có một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh, mà một ngày nào đó chúng ta sẽ khám phá ra nếu chúng ta đủ tinh khôn.

2) Không có lý thuyết tối hậu nào của vũ trụ, chỉ là một chuỗi vô tâïn các lý thuyết mô tả vũ trụ ngày càng chính xác hơn.

3) Không có lý thuyết của vũ trụ; các biến cố không thể được tiên đoán vượt xa hơn một mức độ nào đó mà xảy ra một cách tình cờ và độc đoán.

Vài người sẽ bênh vực cho điều khả dĩ thứ ba với lý luận rằng nếu có một bộ hoàn chỉnh các định luật, điều đó sẽ cản trở tự do của Thượng Đế để đổi ý và can thiệp vào thế giới. Nó hơi giống như điều mâu thuẫn cũ: Thượng Đế có thể làm ra một tảng đá nặng đến độ Ngài không thể nhấc lên nổi hay không? Nhưng ý tưởng rằng Thượng Đế có thể muốn đổi ý là một thí dụ của sự ngụy biện, đã được vạch ra bởi St. Augustine, khi tưởng tượng Thượng Đế như một sinh vật hiện hữu trong thời gian: thời gian là một đặc điểm chỉ có ở vũ trụ mà Thượng Đế tạo ra. Giả sử Thượng Đế đã biết những gì người dự tính khi thành lập ra nó!

Với sự ra đời của cơ học lượng tử, chúng ta đã đi tới việc thừa nhận rằng các biến cố không thể được tiên đoán với sự chính xác hoàn toàn nhưng rằng luôn luôn có một mức độ bất trắc nào đó. Nếu người ta muốn, người ta có thể cho sự tình cờ này là do sự can thiệp của Thượng Đế, nhưng đóù sẽ là một loại can thiệp rất lạ thường: không có bằng chứng nào là nó được hướng dẫn tới mục đích nào. Thật vậy, nếu nó đã được hướng dẫn, theo định nghĩa nó sẽ không còn là tình cờ nữa. Ở thời đại tân tiến, chúng ta đã loại bỏ điều khả dĩ thứ ba ở trên một cách hiệu quả bằng cách tái định nghĩa mục tiêu của khoa học: mục đích của chúng ta là hình thành một bộ các định luật cho phép chúng ta tiên đoán các biến cố chỉ tới giới hạn đặt ra bởi nguyên tắc bất định.

Điều khả dĩ thứ nhì, rằng có một chuỗi vô hạn các lý thuyết ngày càng tinh vi hơn, phù hợp với mọi kinh nghiệm của chúng ta cho tới ngày nay. Trong nhiều dịp chúng ta đã gia tăng độ chính xác những đo đạc của chúng ta hoặc thực hiện một lớp các quan sát mới, chỉ để khám phá những hiện tượng mới đã không được tiên đoán bởi lý thuyết hiện hữu, và để xét tới những hiện tượng này chúng ta đã phải phát triển một lý thuyết tiến bộ hơn. Do đó sẽ rất không có gì đáng ngạc nhiên nếu thế hệ hiện nay của các lý thuyết thống nhất lớn là sai lầm khi cho rằng trên căn bản không có gì mới sẽ xảy ra giữa năng lượng thống nhất điện yếu vào khoảng 100 GeV và năng lượng thống nhất lớn vào khoảng một ngàn triệu triệu GeV. Chúng ta có thể thực sự trông đợi tìm ra nhiều lớp mới về cấu trúc căn bản hơn là các quark và điện tử mà hiện giờ chúng ta coi như các hạt "căn bản."

Tuy nhiên, hình như hấp lực có thể cung cấp một giới hạn cho chuỗi "hộp bên trong hộp" này. Nếu người ta có một hạt với một năng lượng trên mức được gọi là năng lượng Planck, 10 triệu triệu triệu GeV (số 1 theo sau bởi mười tám số 0), khối lượng của nó sẽ tập trung đến độ nó sẽ tự tách rời khỏi phần còn lại của vũ trụ và hình thành một hố đen nhỏ. Như vậy hình như quả thật chuỗi lý thuyết ngày càng tinh vi phải có giới hạn nào đó khi chúng ta tiến tới những năng lượng ngày càng cao, để cho phải có một lý thuyết vũ trụ tối hậu nào đó. Dĩ nhiên, năng lượng Planck là một con đường dài từ năng lượng khoảng một trăm GeV, là năng lượng lớn nhất mà chúng ta có thể sản xuất trong phòng thí nghiệm ngày nay. Chúng ta sẽ không nối cách biệt đó bằng các máy gia tốc hạt trong tương lai có thể nhìn thấy được! Tuy nhiên, chính những giai đoạn sơ khai của vũ trụ là một khung cảnh mà những năng lượng như vậy đã phải xảy ra. Tôi nghĩ có một cơ may rằng việc nghiên cứu vũ trụ sơ khai và những đòi hỏi về sự phù hợp toán học sẽ đưa chúng ta tới một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh trong vòng cuộc đời của một vài người trong chúng ta hiện đang sống ngày nay, luôn luôn giả sử chúng ta không làm nổ tung chúng ta trước.

Sẽ có nghĩa gì nếu chúng ta quả đã khám phá được thuyết tối hậu của vũ trụ? Như đã được giải thích ở Chương 1, chúng ta không bao giờ có thể chắc chắn rằng mình thực sự đã tìm ra lý thuyết đúng, bởi vì các lý thuyết không thể chứng minh được. Nhưng nếu lý thuyết phù hợp về toán học và luôn luôn cho những tiên đoán phù hợp với những quan sát, chúng ta có thể tin tưởng một cách hợp lý rằng đó là lý thuyết đúng. Nó sẽ đưa tới sự kết thúc một chương dài và đầy thắng lợi trong lịch sử tranh đấu trí tuệ của nhân loại để hiểu biết vũ trụ. Nhưng nó cũng sẽ cách mạng hóa sự hiểu biết của người thường về các định luật chi phối vũ trụ. Vào thời Newton một người có học thức có thể có một sự hiểu biết về toàn thể kiến thức con người, ít ra về đại cương. Nhưng kể từ đó, nhịp độ phát triển của khoa học đã làm cho điều này trở thành không thể được. Bởi vì các lý thuyết luôn luôn thay đổi để bao gồm những quan sát mới, chúng không bao giờ được tiêu hóa hoặc đơn giản hóa một cách thích hợp để người thường có thể hiểu được chúng. Bạn phải là một chuyên viên, và ngay cả khi đó, bạn chỉ có thể hy vọng nắm được một phần nhỏ của các lý thuyết khoa học. Hơn nữa, nhịp độ tiến bộ nhanh đến độ những gì người ta học được tại trường luôn luôn hơi lỗi thời. Chỉ một số ít người có thể bắt kịp biên cương mở rộng nhanh chóng của kiến thức, và họ phải dành trọn thì giờ và chuyên chú vào một lãnh vực nhỏ. Phần còn lại của người dân ít có ý kiến về những tiến bộ đang được thực hiện hoặc sự khích động mà chúng tạo ra. Bảy mươi năm về trước, nếu Eddington nói đúng, chỉ có hai người hiểu thuyết tương đối tổng quát. Ngày nay hàng chục ngàn những người tốt nghiệp đại học có thể hiểu rõ, và nhiều triệu người ít nhất quen thuộc với ý tưởng này. Nếu một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh được khám phá, sẽ chỉ là một vấn đề thời gian trước khi nó được tiêu hóa và đơn giản hóa giống như vậy và được dạy tại các trường học, ít nhất về đại cương. Khi đó tất cả chúng ta có thể có một ít hiểu biết về các định luật chi phối vũ trụ và chịu trách nhiệm về sự hiện hữu của chúng ta.

Cho dù chúng ta khám phá được một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh, nó sẽ không có nghĩa rằng chúng ta sẽ có thể tiên toán được các biến cố nói chung, vì hai lý do. Lý do thứ nhất là sự giới hạn mà nguyên tắc bất định của cơ học lượng tử đặt ra cho khả năng tiên đoán của chúng ta. Không có gì chúng ta có thể làm được để tránh điều đó. Tuy nhiên, trên thực tế, giới hạn thứ nhất này ít chặt chẽ hơn giới hạn thứ nhì. Nó phát sinh từ sự kiện rằng chúng ta đã không thể giải được các phương trình của lý thuyết một cách chính xác, ngoại trừ trong những tình huống rất đơn giản. (Chúng ta không thể giải đúng ngay cả sự chuyển động của ba vật thể trong thuyết hấp lực của Newton, và sự khó khăn gia tăng với con số vật thể và sự phức tạp của lý thuyết.) Chúng ta đã biết các định luật chi phối cách xử sự của vật chất dưới mọi tình huống ngoại trừ những tình huống cực đoan nhất. Đặc biệt, chúng ta biết các định luật căn bản làm nền móng cho hóa học và sinh học. Tuy nhiên chắc chắn chúng ta chưa giảm những môn này xuống tới địa vị của những bài toán đã được giải đáp, chúng ta cũng ít thành công trong việc tiên đoán động thái của con người bằng các phương trình toán học! Do đó dù chúng ta tìm được một bộ định luật căn bản hoàn chỉnh, trong những năm tới đây vẫn có những nhiệm vụ thách đố trí tuệ trong việc phát triển những phương pháp ước lượng tốt hơn, để chúng ta có thể thực hiện những tiên đoán có ích về các hậu quả có thể xảy ra trong những tình huống phức tạp và thực tế. Một lý thuyết thống nhất phù hợp, hoàn chỉnh chỉ là bước đầu: mục tiêu của chúng ta là một sự hiểu biết toàn diện các biến cố chung quanh chúng ta, và sự hiện hữu của chính chúng ta. 
 

TVHS