Vì sao vũ trụ tồn tại bền vững? (Phần 1)

Hà Yên
Các Định luật bảo toàn Trong Tự nhiên tồn tại một số hiện tượng mang tính yếu tố, mà định lượng của nó không đổi, không phụ thuộc thời gian, và có mặt trong mọi lĩnh vực của Thế giới vật lý. Vật lý học gọi chúng là các đại lượng bảo toàn. Đó là những nền móng và tuyệt đối của Tự nhiên. Chúng có ý nghĩa hết sức to lớn trong vai trò kiểm soát và dẫn dắt diễn biến của mọi quá trình vật lý diễn ra trong Tự nhiên. Vì vậy, chúng có thể cho phép tiên đoán diễn biến của các quá trình Vật lý, nghĩa là các quá trình này phải diễn ra, sao cho không làm thay đổi giá trị của các đại lượng bảo toàn đó. Mặc dù một số, trong hệ thống các định luật bảo toàn, thuộc về những định luật có điều kiện, nghĩa là chúng chỉ bảo toàn ở mức độ gần đúng, hoặc chỉ trong một số quá trình nhất định. Một số định luật bảo toàn khác là vô điều kiện, nghĩa là chúng luôn luôn thỏa mãn trong mọi quá trình với mọi độ chính xác mà dụng cụ đo cho phép. Đó là tính tuyệt đối , có liên quan chặt chẽ với tính chất đối xứng của các hệ Vật lý tồn tại trong Không – thời gian. Và, cũng chính vì vậy, các định luật bảo toàn có một ý nghĩa rất sâu xa về mặt nhận thức Tự nhiên -Vũ trụ. Mặt khác,có một số đại lượng bảo toàn chỉ bộc lộ dưới dạng tích hay tỷ số của các đại lượng khác, như động lượng (tích của khối lượng và vận tốc), mô-men động lượng đối với một điểm đã cho (tích của vectơ động lượng với khoảng cách của vật đến điểm đó), v.v.. Không một hiện tượng Tự nhiên nào mâu thuẫn với định luật bảo toàn bất kỳ. Nếu xuất hiện mâu thuẫn, mà việc giải thích hiện tượng Tự nhiên đó là đúng, thì người ta bắt buộc phải xét lại cơ sở của Vật lý học. Nhiều khi, vì sự xét lại đó, lại dẫn đến một khám phá mới : đó là trường hợp phát hiện ra hạt nơtrino. Tập hợp các đại lượng bảo toàn và các Hằng số Vũ trụ lập thành “đội ngũ” những Trật tự viên” kiểm soát và điều chỉnh, hết sức chính xác, mọi diễn biến trong quá trình tiến hóa của Vũ trụ và Tự nhiên, theo những ‘cột mốc”, những ranh giới mà tại đó Vũ trụ mãi mãi ổn định trong trạng thái cân bằng động lực. Bài toán chỉ có “Trời” mới giải được Thử tưởng tượng ra một tình huống như sau : Một Xí nghiệp sản xuất theo kế hoạch được giao, Với mỗi lô sản phẩm nào đó được cấp cho số vốn ban đầu, chẳng hạn là một tỷ đồng. Xí nghiệp phải cân đôi, sao cho, giứa sức sản xuất và lực lượng sản xuất, phải được giữ hài hòa, để guồng máy Xí nghiệp hoạt động không ngừng. Giá trị mỗi lô sản phẩm đưa ra, xí nghiệp luôn được hoàn trả đủ. Giá trị gia tăng, vừa đủ làm nghĩa vụ và tái sản xuất loạt sản phẩm tiếp theo. Tóm lại, xí nghiệp phải được quản trị ổn định với một độ chinh xác định lượng như một cỗ máy. Vấn đề là tổng quyết toán bất kỳ thời điểm nào, sau mỗi lô sản phẩm, số vốn một tỷ đồng kia vẫn được Bảo toàn. Rõ ràng vận hành Xí nghiệp trong mối tương hỗ vật tư – máy móc – nhân công – tiêu hao…phải được tính toán điều tiết hết sức chính xác trong mọi biến động, để nó luôn khớp được với hạn mức đã cho trước tại bất kỳ thời điểm nào. Cái hạn mức ấy, trong Tự nhiên, được gọi là Đại lượng bảo toàn. So với sơ đồ tổ chức và quản trị Xí nghiệp, Bộ máy tổ chức khổng lồ của Tự nhiên còn phức tạp hơn cả tỷ tỷ lần. Chính vì thế, Tự nhiên cần một hệ thống các Đại lượng bảo toàn. Hệ thống đó có tên gọi chung là Định luật bảo toàn và biến đổi năng lượng. Ngoài một số ít ỏi các Đại lượng bảo toàn và các hằng số Vũ trụ học đóng vai trò duy trì “cấu hình” và vận động của một hệ tối ưu, Tự nhiên còn có một số công cụ hỗ trợ hữu hiệu trong “quản trị” vận hành, đó là một số Nguyên lý cơ bản như : Nguyên lý Tác dụng tối thiểu : Một Hệ vật lý chuyển động với một năng lượng nào đó, từ vị trí này đến vị trí khác, thì trong số các lộ trình khả dĩ, hệ sẽ luôn luôn chọn một lộ trình nhanh nhất (không nhất thiết là ngắn nhất) , nghĩa là hệ chọn phương án tối ưu nhất để tiết kiệm thời gian, và do đó, năng lượng mà hệ sử dụng cũng đạt tối ưu. Vì vậy, Vật lý học xem tích của năng lượng và thời gian là một đại lượng vật lý được gọi là Tác dụng. Theo đó, quĩ đạo chuyển động của hệ là lộ trình ứng với tác dụng tối thiểu . Đây là định luật, được gọi là Nguyên lý tác dụng tối thiểu (hay còn gọi là nguyên lý Hamilton), nó diễn đạt một cách tổng quát định luật chuyển động của các hệ cơ học. Nguyên lý tổng quát này cho phép rút ra phương trình chuyển động của hệ và một loạt các định nghĩa, và các khái niệm đặc trưng khác. Trong các lĩnh vực khoa học khác, ngoài cơ học, người ta cũng khám phá thấy các thuộc tính tương tự :Từ đầu thế kỷ 17, Pièrre de Fermat (một nhà toán học Pháp) đã nhận thấy thuộc tính tiết kiệm do sự chọn lựa tối ưu của Tự nhiên, đã khám phá một nguyên lý, gọi là nguyên lý Fermat, phát biểu như sau : Chuyển động của ánh sáng luôn luôn diễn ra dọc theo quang lộ, sao cho thời gian chuyển động là ngắn nhất. Nhờ nguyên lý Fermat, ta có thể giải thích được tất cả các định luật của quang hình. Đặc biệt là định luật khúc xạ ánh sáng. Đối với vật lý hiện đại, từ cuối năm 1900, M. Planck đã tìm ra một trong những đại lượng cơ bản nhất, mà lúc đó bản thân ông cũng không hiểu được ý nghĩa của nó : Đó là sự tồn tại một lượng tử tác dụng cơ bản h . Thực tế chỉ ra rằng, Tác dụng không phải là một đại lượng có thể có giá trị nhỏ tùy ý , trái lại nó luôn luôn có một giá trị nhỏ nhất bằng h, và được gọi là hằng số Planck, có giá trị rất nhỏ : h = 6,626. 10-34 js. Đó là lượng tử tác dung tối thiểu tồn tại trong Thế giới lượng tử, và chỉ có Cơ học lượng tử, một lý thuyết ra đời sau đó hơn hai chục năm , mới giải thích được ý nghĩa và bản chất của lượng tử tác dụng h này. Trong đời sống vĩnh hằng của mình, Tự nhiên sử dụng một cách phổ biến chiến lược tiết kiệm.Thuộc tính ấy được con người nhận biết từ rất lâu : Từ cuối thế kỷ thứ XIII , nhà Thần học và triết học Guillaume d’Occam đã tìm ra Nguyên lý tiết kiệm này và thường được gọi là “Lưỡi dao cạo Occam”. Với lưỡi dao sắc ngọt Occam, Tự nhiên sẽ gọt bỏ những gì rườm rà phung phí năng lượng một cách vô ích. Sự lãng phi nào cũng đều là nguyên nhân của sự bất ổn định dẫn đến sụp đổ. Các nguyên lý tác dụng tối thiểu, kiểm soát năng lượng chuyển động của các hệ Cơ học, là biểu hiện trực tiếp của Nguyên lý tiết kiệm. Cái nguyên lý có thể là một gợi mở cho cơ hội trả lời một câu hỏi lớn : “Vì sao Vũ trụ tồn tại một cách bền vững”, mà không ít các nhà Vật lý và Triết học vẫn luôn trăn trở. Bởi vì một hệ tồn tại bền vững, thì nó phải ở trạng thái cân bằng bền với thế năng cực tiểu. Mặt khác, bằng kinh nghiệm quan sát những hiện tượng diễn ra trong Tự nhiên, cũng chứng tỏ rằng, Tự nhiên luôn luôn sử dụng cái lượng tối thiểu để làm nên cái chất tối đa. Chẳng hạn, khi đi sâu vào nghiên cứu cấu trúc của Vật chất, Các Nhà Vật lý nhận ra rằng, với số họ hàng đông đúc trong Thế giới các hạt cơ bản, Tạo hóa chỉ cần 3 hạt để tạo ra toàn bộ Vật chất trong Vũ trụ với tất cả sự phức tạp và đa dạng của Tự nhiên. Đó là electron và hai hạt kia là proton và nơtron. Tổ hợp hai hạt cơ bản này tạo thành Hạt nhân. Và nhờ tương tác điện trường mà electron “vồ” lấy hạt nhân và “quấn quít” quay quanh nó: Thế là nguyên tử ra đời. Số Proton trong hạt nhân nguyên tử tăng (kéo theo sự tăng tương ứng của nơtron), làm cho khối lương của nguyên tử tăng ( gọi là Nguyên tử số Z), số electron quay quanh hạt nhân cũng tăng theo để nguyên tử trung hòa về điên. Toàn bộ quá trình thay đổi về lượng đó, dẫn đến sự thay đổi về chất. Nghĩa là từ một hình thái cấu trúc nguyên tử chuyển thành các hình thái cấu trúc các nguyên tố hóa học khác nhau : Tiền đề của cấu tạo hình thái vạn vật trong Tự nhiên. Và cũng chỉ có 92 nguyên tố hóa học mà thôi, để bắt đầu bước lên nấc thang thứ nhất của con đường tiến hóa. mà khởi đầu là 3 hạt cơ bản. Thật là một con số quá ít ỏi so với muôn hình muôn vẻ giống loài Trong Tự nhiên. Hóa ra, bí mật chính là ở cách kết nối của các nguyên tố hóa học. Lấy một ví dụ nhỏ : Một người tò mò quan sát và đếm số “cái bắt tay” của 10 người bạn lâu ngày gặp lại, anh ta ngạc nhiên với con số 45 cái bắt tay đã đếm được ! Nghĩa là 10 người đã tạo ra 45 sắc thái tình cảm khác nhau trong cuộc tái ngộ. Trong Tự nhiên còn tiếp tục diễn ra chuỗi kết nối “thứ cấp” , chắp nối theo nhóm, ngày càng rộng và càng phức tạp, kéo theo sự hình thành chất vô cùng đa dạng : từ khoáng chất cho đến sinh chất, cao nhất là các hình thái sống… Vì mỗi kết nối được thực hiện, là một sản phẩm mới ra đời, với bản chất hoàn toàn khác nhau, cho nên sự đa dạng của muôn loài mà Tạo hóa đã ra tay xếp đặt, chỉ chiêm ngưỡng thôi cũng không xuể, chứ nói gì đến đo đếm. Như vậy, với số lượng “vật liệu” ít ỏi ban đầu, bằng nghệ thuật kết nối,Tạo hóa đã giải quyết hết sức thông minh bài toán Tối ưu, chẳng những trong tiến trình phát sinh hinh thái, mà còn tối ưu cả trong tầm kiểm soát tính ổn định của chúng trong mọi nấc thang tiến hóa. chỉ bằng cách nắm giữ 92 “hồ sơ gốc” cùng với sơ đồ kết nôi chúng mà thôi. Khám phá ra chân lý này, con người như nhận được sự gợi ý từ Thiên nhiên, tạo ra vô số những phương tiện, tiện nghi theo ý muốn : Ngày nay, chúng ta biết rằng mọi tiện nghi vật chất tân tiến nhất, do kỷ thuật điện tử số cung cấp, từ chiếc Điện thoại di động đa dụng (vừa là công cụ thông tin liên lạc toàn cầu, vừa là máy chụp ảnh, quay video, xem truyền hình, giải trí GO…,), cho đến các thiết bị Y tế, như máy chụp công hưởng từ (MRI), các thiết bị laser, máy tính, họ hàng Robot v.v.. đều là sản phẩm của “công nghệ kết nối” theo các sơ đồ lôgic cơ bản. Toàn bộ những thành quả đó được tạo ra chỉ từ một số rất ít ỏi linh kiện cơ bản có thể đếm được trên đầu ngón tay! Đó là : Transistor, Diot, Thyristor, Triac, Diac, Tụ điện, Điện trở, Cuộn cảm, cùng một vài đèn chân không phát xạ đặc biệt. Và cũng nhờ “Nguyên lý tối ưu” đó mà nhà chuyên môn có thể kiểm soát hiệu quả toàn bộ thành quả kỷ thuật của mình vận hành chính xác, bền vững trong mọi điều kiện. Triết lý nhân sinh Phương đông có nêu lên bốn cột mốc đời người : Sinh, Lão, Bệnh, Tử. Trong đó, Lão và Tử là quá trình tất yếu của chu trình sống. Sinh và Bệnh là quá trình đấu tranh giữa sinh tồn và đào thải đầy thử thách. Bao đời nay, trong dân gian lưu truyền câu thành ngữ : Trời sinh voi ắt Trời sinh cỏ. Câu này đã bị hiểu sai lệch sang nghĩa thực dụng hơi nhiều, thực ra ý nghĩa Triết học của nó sâu sắc hơn thế : Tạo hóa đã làm ra sự sống thì Tạo hóa cũng phải tạo ra nguồn nuôi để duy trì sự sống đó. Nó tồn tại dưới nhiều hình thái khác nhau, để con người và muôn thú khai thác tự nuôi mình. Nhưng các Triết gia còn quên đúc kết một triết lý tương tự khác : Trời cho sinh ắt Trời cho thọ. Nhưng, lộ trình của chữ thọ thì gập ghềnh với quá nhiều ngẫu nhiên, do chữ Bệnh mà ra, có lẽ vì vậy mà Tạo hóa cũng phải tạo ra nguồn dược liệu, tiềm ẩn trong tự nhiên, để bù lại những rủi ro tính mạng mà tự thân con người không kiểm soát được. Có lẽ vì thế mà “thảo dược học” ứng dụng đã nảy sinh rất sớm, từ buổi con người còn sống nguyên sơ, và được phát triển ngày càng hoàn thiện. Đến nay, con người đã làm chủ công nghệ chiết xuất, chế biến từ côn trùng, thảo mộc, thành những đon vị dược liệu cơ bản, mà số lượng cững chỉ đếm được trên đầu ngón tay : Thục địa, Trần bì, Đương qui, cam thảo, Nhân sâm, đại táo, Bạch truật, quế chi v.v.. Và, cũng lại bằng cách kết nối (phối hợp) công năng từ các đơn vị dược liệu cơ bản đó, lúc ít lúc nhiều, đã tạo ra vô số những toa thuốc chữa trị rất nhiều bệnh tật khác nhau. Thật là tài tình vậy ! Và cũng từ thực tiễn này của cuộc sống, một lần nữa, ta thấy một cơ chế Tối ưu mà Tạo hóa sử dụng, để làm ra toàn bộ hiện thực Tự nhiên, giống như đã dùng chỉ 92 nguyên tố hóa học vậy. Nếu sơ đồ giản lược nhất của Ý thức là một chuỗi những so sánh lôgic “đúng” – “sai” giữa thông tin về ý tưởng của mục đích hành động và thông tin từ kho trải nghiệm sống, thì có lẽ ta cũng phải thừa nhận Vũ trụ (Tự nhiên) cũng có một “Ý thức” ở một mức độ nào đấy, biểu hiện trong hành vi chọn lựa những điều kiện tối ưu để tồn tại. Có vẻ sự khác nhau duy nhất giữa Ý thức người và Ý thức của Tự nhiên là : Trong khi Con người lấy kinh nghiệm sống, tích lũy được của riêng mình, làm tham chiếu so sánh giữa đúng và sai để dẫn dắt hành động, thì Vũ trụ không có cái gọi là kinh nghiệm tích lũy đó, mà dường như, hành động theo sự dẫn dắt của một loại “Mã” nào đó tồn tại ngay trong lòng nó. Phát thảo tuy còn sơ lược trên đây, cho thấy một sự thật, rằng tiết kiệm không đồng nghĩa với khắc khổ mà là một vẻ đẹp. Vẻ đẹp rực rỡ của Thiên nhiên, sự uy nghi hùng vĩ của Tạo hóa làm say đắm lòng người, lay động trái tim biết bao thế hệ nghệ sĩ. Nó vẫn mãi mãi còn đó, vẫn tiếp tục những nấc thang tiến hóa của mình, không bao giờ tàn lụi. Phải chăng, đó là bằng chứng làm cơ sở cho niềm tin để nhận thức một chân lý, giúp định hương cho tư duy và hành động suốt cuộc đời. (Còn nữa)