Vì sao vũ trụ tồn tại bền vững? (Phần 2)

Hà Yên
Nguyên lý tương ứng Bohr 1.Về Nguyên lý tương ứng – Nhà vật lý lừng danh người Áo Niels Bohr đã khám phá ra Nguyên lý này. Với Vật lý hiện đại, nguyên lý chỉ ra rằng: Các kết quả thu được từ lý thuyết lượng tử phải hội tụ về các kết quả thu được từ lý thuyết cổ điển. Những con đường khám phá đi đến Cơ học lượng tử đã xác nhận một sự thật là Thế giới vi mô và Thế giới vĩ mô luôn có những hiện tượng, những sự thể, tương ứng và tương đương. Ví dụ : Các biến động lực như tọa độ x và vận tốc v là những đại lượng liên hợp, đặc trưng đầy đủ để mô tả trạng thái của một hệ cơ học thông qua phương trình chuyển động. Chúng là những đại lượng đo lường được, có ý nghĩa xác định khi nhận các giá trị đo. Thế nhưng, khi khám phá ra Cơ học ma trận (tiền thân của Cơ học lượng tử), người ta phải viết phương trình chuyển động của hệ cơ học này, không phải bằng các biến động lực thông thường : tọa độ x và vận tốc v, mà tương ứng với chúng, lại là những dạng thức đã được trừu tượng hóa. Đó là những ma trận, những cái bảng vuông, trên đường chéo là các con sô 1 những chỗ còn lại là các con số 0. Chúng không phải là những đại lượng đo được, những đại lượng có thể được gán những giá trị số. Để khẳng định sự tồn tại của Nguyên lý tương ứng, một nguyên lý nêu lên khả năng nhất thể hóa các yếu tố không hoàn toàn tương thích của thế giới Tự nhiên, Heisenberg – Nhà vật lý đã dựa theo sự dẫn dắt của Nuyên lý tương ứng này mở toang cánh cữa bước vào Thế giới vi mô, đã tuyên bố: “Cơ học lượng tử xuất hiện từ những nổ lực mở rộng Nguyên lý tương ứng cua Bohr thành một sơ đồ Toán học hoàn chỉnh bằng cách chính xác hóa những khẳng định của ông” Về sau, chính các nhà vật lý lý thuyết lừng danh như Paul Dirac, Pascual Jordan đã xác lập một cách có hệ thống các định luật của Cơ học cổ điển đã được chuyển sang hệ thống mới của Cơ học lượng tử mà hoàn toàn không cần thay đổi. Cái cần sửa đổi là các đại lượng, những yếu tố là các biến động lực, được coi là cơ sở của Cơ học (như vị trí và vận tốc chẳng hạn), bị những định luật này chi phối. Tóm lại, nhờ dựa trên Nguyên lý tương ứng mà các Nhà vật lý lý thuyết đã vượt được một quãng đường dài, đầy chông gai, trong thời kỳ chuyển tiếp từ Vật lý cổ điển xâm nhập vào Vật lý lương tử, bằng cách đoán chừng, trong đó, coi mỗi công thức, mỗi phương trình của Cơ học lượng tử đều được gợi ra từ một công thức, một phương trình tương ứng của Cơ học cổ điển. 2. Về ý nghĩa Triết học: Tương ứng – Chiếc cầu nối Tự nhiên – Xã hội Có hai nội dung mang ý nghĩa sâu sắc của Nguyên lý tương ứng: Thứ nhất, phát hiện sự tương ứng của các công thức và phương trình Vật lý mô tả vận động Vật chất của hai Thế giới vĩ mô và vi mô (chỉ có các biến động lực là thay đổi), là một minh chứng hùng hôn về sự tương đương, với mức độ khác nhau, của các qui luật Tự nhiên của hai Thế giới ấy: Hai Thế giới mà người ta quá nhấn mạnh về mặt không tương thích của chúng. Sự thật là, cho đến đầu thế kỷ 21, mặc dù với một nỗ lực to lớn, các Nhà vật lý lý thuyết trên thế giới vẫn chưa xây dựng được mô hình Toán học cho một lý thuyết hợp nhất Hấp dẫn lượng tử - tức là một lý thuyết hợp nhất Thế giới vĩ mô với Thế giới vi mô, được hoàn toàn công nhận. Nhưng đó là thực tại Vật lý chứ không phải thực tại Vũ trụ. Vũ trụ vẫn thế từ lúc hình thành cho đến 15 tỷ năm sau. Nó vận hành vô cùng chính xác trong một thể thống nhất hài hòa. “Vũ trụ thống nhất ở tính Vật chất của nó” Mác và Lênin – những Nhà biện chứng vĩ đại nhất – đã viết như vậy khi hai ông chưa biết đến “Lý thuyết siêu dây” trong không gian trừu tượng 11 chiều, mà ngày nay được bàn luận náo nhiệt. Thứ hai, Thế giới Tự nhiên và Thế giới nhân sinh có những yếu tố hình thái không tương thích, nhưng đều là bộ phận của một cơ thể thống nhất : Vũ trụ. Sự không tương thích cơ bản nhất, là Thế giới nhân sinh không thuần túy chỉ là vận động Vật chất như trong Thế giới Tự nhiên, mà còn là một Thế giới ngự trị bởi Ý thức và Tinh thần. Dù có thuộc tính khác biệt như vậy, Thế giới nhân sinh vẫn phải vận hành trong giới hạn qui luật vận động chung, đảm bảo tính thống nhất của toàn Vũ trụ. Nguyên lý tiết kiệm sử dụng phương án dùng chung bằng cái được gọi là Nguyên lý tương ứng như chúng ta đã biết. Không thể tồn tại một Vũ trụ, mà trong đó, mỗi hình thái, mỗi hiện tượng, tự xác lập cho mình một hệ thống các nguyên lý, các định luật riêng. Điều này tương đương với sự tan rã tất yếu của một Quốc gia, nếu cho phép các địa phương, các miền, tự ban hành hệ thống pháp luật riêng theo “ý chí tự do” của mình vậy. Với thuộc tính khác biệt đó, Khoa học tự nhiên và Khoa học xã hội không thể cứng nhắc tuân theo tương ứng một – một, mà tuân theo hệ quả tương đương, được chỉ ra bởi Triết học. Chính vì thế mà Triết học hiện đại không thể phát triển mà không dựa vào những thành tựu mới nhất của Khoa học, đặc biệt là Vật lý học. Vì vậy, mối quan hệ giữa Vật lý và Triết học là mối liên hệ khăng khít hình với bóng. Một mệnh đề đúng của Triết học phải là hệ quả tương ứng của một qui luật Tự nhiên hay một định luật Vật lý nào đó. Trong tác phẩm Triết học nổi tiếng :”Chủ nghĩa Duy vật và chủ nghĩa kinh nghiệm phê phán”của mình, V.I.Lênin đã dẫn những lời của L. Boltzmann khi nói đến tính tương đương lạ lùng của các phương trình vi phân mô tả các hiện tượng khác nhau theo bản chất vật lý của chúng. Tính tương đương này phản ảnh sự đồng dạng của các khách thể có bản chất khác nhau. Sự đồng dạng ấy tạo ra khả năng mô hình hóa. Tính tương đương, theo Lênin, là một trong những biểu hiện sự thống nhất của giới Tự nhiên, của Vũ trụ. Trước Lênin, C.Mac và Ph. Ănghen đã rất chú ý đến mối quan hệ và sự tác động lẫn nhau giữa các Khoa học. Trong bản thảo “Kinh tế - Triết học” năm 1844, C.Mác đã cho rằng : Tình trạng tách rời giữa các Khoa học, sự phân biệt một cách quá cứng nhắc giữa Khoa học Tự nhiên và Khoa học Xã hội là có nguyên nhân lịch sử và nguyên nhân nhận thức của nó. Nhưng đó không phải là vĩnh viễn. Với sự phát triển lịch sử và văn hóa của nhân loại, tình trạng đó sẽ được khắc phục” C.Mac còn nhấn mạnh : “Về sau, Khoa học Tự nhiên bao hàm trong nó Khoa học về con người, cũng như Khoa học về con người bao hàm trong nó Khoa học Tự nhiên: Đó sẽ là một Khoa học đích thực”. Vũ trụ thống nhất ở tính Vật chất của nó, cho nên các Khoa học phải phản ảnh được tính thống nhất đó, và vì thế sự tác động và sự thống nhất của tri thức khoa học là điều tất yếu. 3. Về vai trò dẫn dắt của Nguyên lý tương ứng trong phát minh Vật lý Vào những năm đầu của Thế kỷ XX, mô hình nguyên tử được hình dung như hệ Mặt trời thu nhỏ/ Trong đó các electron chuyển động trên những quĩ đạo quanh hạt nhân theo đúng các định luật cơ học Newton. Cho đến năm 1913, Niels Bohr đưa vào mô hình này một nguyên lý Lượng tử, đòi hỏi rằng, chỉ có một số quĩ đạo trong vô vàn những quĩ đạo khả dĩ là thực sự được phép. Khi các electron nhảy giữa các quĩ đạo này thì nguyên tử hoặc nhận vào, hoặc phát ra một lượng tử năng lượng điện từ - gọi là một photon – phù hợp với hiệu năng lượng gữa hai quĩ đạo đó. Cơ chế này đã giải thích được, tại sao các nguyên tử lại có những dấu hiệu phổ đặc trưng, khi phát hay hấp thụ ánh sáng chỉ ở một số những tần số xác định. Như vậy, mô hình hành tinh của nguyên tử, tuân theo Vật lý cổ điển, lần đầu tiên được khoác chiếc áo lượng tử, mà ngày này người ta hay gọi là lý thuyết lượng tử cũ. Lý thuyết lượng tử cũ không giải thích được rất nhiều những nét tinh tế trong phổ nguyên tử. Người ta nghi ngờ các electron trong nguyên tử chuyển động theo nguyên tắc khác một cách căn bản so với cơ học cổ điển. Điều này đã làm bối rối các Nhà vật lý tài năng nhất lúc bấy giờ, trong số đó có Werner Heisenberg. Ông cho rằng, chắc chắn phải tồn tại một định luật mà phương trình viết cho nó không phải liên kết các biến vị trí và vận tốc của electron như trong cơ học cổ điển, điều mà người ta xem là quá hiển nhiên. Chẳng hạn, nếu Einstein không phá bỏ cái khuôn mẫu hiển nhiên tuyệt đối của khái niệm không gian và thời gian để định nghĩa lại nó một cách cơ bản và rộng lớn hơn, thì làm sao có được Thuyết tương đối vĩ đại ra đời? Với tư duy ấy, Heisenberg đưa ra ý kiến xét lại khái niệm cứng nhắc về vị trí và vận tóc, từ cơ học cổ điển, áp dụng cho electron trong Thế giới lượng tử. Nghĩa là phải tìm những đại lượng tương ứng có thể liên kết một cách chặt chẽ trong phương trình chuyển động viết cho electron trong nguyên tử. Vây, những đại lượng tương ứng, giữ vai trò là những biến chính tắc ấy, là những đại lượng gì? Một lóe sáng bất chợt, Heisenberg nghĩ đến hình ảnh hình học của một dao động tuần hoàn : Một điểm bất kỳ chuyển động trên đường tròn, có thể triển khai, theo thời gian, thành một sóng sin có biên độ và chu kỳ, đúng bằng chu kỳ vá bán kính đường tròn mà trên đó điểm chuyển động. Lập tức, ông nhận ra các biến chính tắc để viết nên phương trình dao động ở đây phải là biên độ và tần số. Nhưng với dao động bất kỳ thì thế nào, Chẳng hạn dao động của dây đàn violon phát ra âm thanh réo rắc đầy quyến rũ? Đó là tổ hợp hài hòa các âm sơ cấp của dây đàn. Một diễn đạt như thế, thì vị trí và vận tốc tức thời của một điểm bất kỳ dọc theo dây đàn, đều được biểu diễn bằng một tổng, có trọng số, của âm cơ bản và các họa âm của dây đó. Về hình thức luận Toán học, thì một dao động bất kỳ có thể khai triển thành chuỗi Fourier, mà các số hạn của chuỗi chính là những tần số sơ cấp, cũng là những âm sơ cấp của dây đàn vậy. Sự chói sáng thiên tài của Heisenberg là ở chỗ, ông nhận ra sự Tương ứng, hoàn toàn lôgic, giữa Thế giới vĩ mô và Thế giới vi mô, áp dụng cho chuyển động của electron trong nguyên tử. Ví dụ được viện dẫn trên đây, một lần nữa, cho thấy, tính phổ quát của Nguyên lý tương ứng, trong Tự nhiên, được biểu hiện dưới nhiều hình thức phong phú. Sự tương đương giữa các đối ứng tồn tại trong Thế giới vĩ mô và Thế giới vi mô, như các biến động lực, các phương trình chuyển động, các đại lượng tác dụng tối thiểu, v.v.. Tuy chúng hiện hữu với “độ nhòe”khác nhau, nhưng có cùng ý nghĩa Vật lý, và thống nhất trong một hệ hình thức hết sức chặt chẽ, thậm chí, có thể chuyển đổi cho nhau, từ Vật lý lượng tử sang Vật lý cổ điển. Chẳng hạn, trường hợp phương trình Schcrödinger mô tả chuyển động của electron trong nguyên tử, như một sóng dừng trải rộng. Nhà vật lý Mỹ David Bohm đã sử dụng cách phát biểu thủy động lực học do E. Madelung đề xuất năm 1926, để chuyển phương trình này thành phương trình chuyển động có dạng như trong Vật lý cổ điển (nhưng thêm vào đó một số hạng gọi là thế lượng tử). Cũng cần lưu ý đến những bài viết gần đây, trong đó nêu lên những lập luận không tán thành mở rộng các khái niệm, các sự kiện lượng tử liên hệ với Thế giới vĩ mô với bất kỳ mức độ nào. Đặc biệt trong bài viết “Lời giới thiệu của Paul Davies” trong cuốn VẬT LÝ & TRIẾT HỌC của W.Heisenberg. (Paul Davies là Nhà vật lý, Nhà văn. Giáo sư Triết học Tự nhiên Đại học Macquarie – Sydney). Khi nói về Nguyên lý bất định, P. Davies thừa nhận đó là nguyên lý mấu chốt của cuộc cách mạng lượng tử, và ông cũng viết rằng :”Người ta quá quen thuộc với tính bất định trong nhiều quá trình Vật lý – thí dụ, trong thị trường chứng khoán, hoặc trong Nhiệt động lực học – nhưng trong trương hợp này, tính bất định là do sự thiếu thông tin chứ không phải là do bất kỳ hạn chế cơ bản nào trong những thứ có thể biết được về các hệ này”. Có thể P. Davies đã quá bó hẹp khái niệm Thông tin chăng ? Ở đây ông coi “Thông tin”chỉ là lượng tin trong một thông báo. Ngày nay, khái niệm Thông tin có nội hàm sâu rộng hơn rất nhiều: Các quá trình hóa học, sinh học, vật lý, điều khiển học v.v.., thậm chí là các quá trình lôgic đều là những quá trình vận động Thông tin. Với ý nghĩa đó, thì độ bất định của quĩ đạo của electron trong nguyên tử chẳng hạn, cũng phải là do thiếu Thông tin, chứ không riêng gì tính bất định – nói là do thiếu thông tin - của Thị trường chứng khoán. Hơn thế nữa, gọi là một “Nguyên lý” thì nó phải có tính khái quát cao. Chẳng hạn, nguyên lý bất định nếu chỉ là quan hệ của sai số đo thì nó đâu được coi là trung tâm của Cơ học lượng tử, thậm chí là Vũ trụ học lượng tử. Như Nhà Vật lý vũ trụ - Giáo sư Stephen Hawking – tuyên bố : “Một lý thuyết thống nhất (toàn thể Vũ trụ) thành công phải chứa Nguyên lý bất định” Mặt khác, sự thiếu Thông tin là thuộc tính của Tự nhiên. Bởi vì, hệ quả Triết học của định lý Bất toàn Kurt Göden chỉ ra rằng, một hệ thống, nếu nhất quán thì nó không đầy đủ. Đó chính là hạn chế cơ bản của Tự nhiên, mà Nguyên lý bất định là biểu hiện trực tiếp. Và, khi nói về Nguyên lý chồng chập, với những nghịch lý gây tranh cãi nhiều nhất trong cách giải thích Cơ học lượng tử ở thế kỷ XX, trong đó, nghịch lý “con mèo Shcrödinger” tồn tại trong một trạng thái lơ lửng : Mèo vừa sống, lại vừa chết, trong một thí nghiệm (giả định) : Con mèo bị nhốt trong một cabin, trong đó có đặt một lọ cyanua. Phía trên lọ có treo một chiếc búa mà sự rơi xuống của nó được kiểm soát bằng sự phân rã của một chất đồng vị. Ngay khi nguyên tử đầu tiên bị phân rã, chiếc búa rơi xuống làm vỡ lọ và chất độc cyanua thoát ra : con mèo kia chết. Theo những qui luật của Vật lý lượng tử, ta không thể biết lức nào xảy ra phân rã phóng xạ, mà chỉ có thể nói theo xác suất, chẳng hạn, có 50% khả năng xảy ra một phân rã trong vòng một giờ. Nếu không mở cabin để quan sát, thì sự tiên đoán con mèo còn sống hay đã chết là rất mong manh. Như vây, rõ ràng bên trong cabin là một sự trộn lẫn kỳ lạ những hiện thực lượng tử gồm 50% con mèo còn sống và 50% con mèo đã chết. Một tình huống mà Schrödinger cho là không thể chấp nhận được. Nhưng theo nguyên lý chồng chập, một hệ có thể tồn tại bỡi các trạng thái riêng, và vì vậy, theo một cách nào đó, nó lơ lửng giữa các thực tại cổ điển khác nhau. Ở khía cạnh mà chúng ta đang theo đuổi, thí nghiệm giả định về nghịch lý “Con mèo”, nói lên rằng, các quá trình trong Thế giới vi mô (phân rã phóng xạ) có thể được liên kết với vật thể vĩ mô (con mèo), và như vậy Nguyên lý chồng chập cũng phải được áp dụng cho Thế giới vĩ mô, cho dù nó có dẫn đến nghịch lý. Đây là một ý tưởng mới của nhiều Nhà vật lý, hướng sự khám phá hiện thực vào quá trình chuyển tiếp giữa Thế giới vi mô và Thế giới vĩ mô, mà trước đây người ta cho rằng hai Thế giới ấy là cách biệt vì chúng không tương thích. Chẳng hạn, vào năm 1986, một số Nhà vật lý phát triển “Cách tiếp cận cục bộ tự phát” do P. Pierle đề xuất, trong đó, bổ sung thêm vào phương trình Schrödinger một số hạng phi tuyến đủ nhỏ, gọi là số hạng hiệu chỉnh, có tác dụng làm cho sự chồng chập lượng tử chuyển về một trang thái riêng xác định khi kích thước của hệ trở thành vĩ mô. Số hiệu chỉnh này đủ nhỏ để không làm nhiễu các định luật lương tử đã biết trong Thế giới vi mô. Một hướng nghiên cứu khác được gọi là Lý thuyết mất kết hợp, do Nhà vật lý W. Zurek vào những năm 1981 – 1982 xây dựng nhằm xóa bỏ sư ngăn cách giữa những chồng chập các trạng thái vi mô (được mô tả bỡi phương trình Schrödinger) và trạng thái vĩ mô quan sát được do suy biến Hàm sóng. Cho đến năm 1996, người ta tiến hành những thí nghiệm nhằm kiểm tra lý thuyết “Mất kết hợp”, để xem con mèo vừa sống, vừa chết của Schrödinger có thể chuyển sang Thế giới vĩ mô trở thành hoặc là sống, hoặc là chết như thé nào . Để tiến hành thí nghiệm,các nhóm nghiên cứu phải chế tạo cho được những hệ vừa là vĩ mô vừa là vi mô – có thể gọi là những hệTrung mô – nhằm làm cho quá trình diễn ra trong đó đủ chậm để có thể quan sát được. Nhóm thứ nhất tiến hành tại Viện tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST). Nhóm thí nghiệm thứ hai được tiến hành tại Trường Cao đẳng Sư phạm Paris. Những thí nghiệm trên đây, mặc dù theo nhận xét của một số Nhà vật lý cho rằng, những vật thể được chọn thí nghiệm chưa hoàn toàn là những vật thể vĩ mô, tuy nhiên chúng đã chứng tỏ một triển vọng lớn khả năng thăm dò bằng thực nghiệm, tìm con đường chuyển tiếp từ Thế giới lượng tử (vi mô), sang Thế giới cổ điển (vĩ mô) theo lý thuyết mất kết hợp. Đặc biệt là sự kiện thực nghiệm thành công, được coi là một trong 10 thành tựu Vật lý của năm 2010, mà Tạp chí PhysicsWorld bình chọn, do nhóm Andrew Cleland thực hiện : làm cho các hiệu ứng lượng tử có thể thấy được bằng mắt thường trong điều kiện Thế giới vĩ mô. Bằng cách giảm biên độ dao động trong một hộp cộng hưởng ở nhiệt độ rất lạnh (0,1độ K). Và nhờ đó tạo nên hiện tượng chồng chất (superposition) đồng thời của trạng thái kích thích và không kích thích trong hộp công hưởng. Điều này tương đương với tình huống con mèo nổi tiếng của Schrödinger – đồng thời vừa chết vừa sống. Có thể nói đây là lần đầu tiên, chúng ta thực sự có một tia sáng rọi vào ranh giới bí ẩn giữa Thế giới lượng tử và Thế giới cổ điển. Tóm lại, những yếu tố Tương ứng giữa Vật lý cổ điển và Vật lý lượng tử là bằng chứng nói rằng Thế giới vĩ mô và Thế giới vi mô chỉ là hai cực của một thực tại Vũ trụ duy nhất, như hai cực của một giải phổ trải dài: ở cực này là “xứ sở” của cái vô cùng bé, cái phi kích thước, cái tiềm năng, còn ở cực kia là “xứ sở” của cái vô cùng lớn, cái có kích thước, cái cụ thể. Dọc theo giải của “phổ” là trật tự hài hòa của những nấc thang hình thái và trạng thái vật chất, phản ảnh sự thống nhất trong một tổng thể Vũ trụ.