Lịch sử khoa học dưới góc nhìn của một nhà vật lý

Trong cuốn sách mới Giải thích Thế giới: Sự Phát kiến Khoa học Hiện đại (To Explain the World: The Discovery of Modern Science) vừa xuất bản đầu năm nay, Weinberg tìm hiểu sự ra đời của khoa học hiện đại. Bằng cách lần theo sự phát triển của cái mà ngày nay chúng ta gọi là “phương pháp khoa học”- một cách tiếp cận được phát triển qua hàng thế kỷ, chú trọng vào thí nghiệm và quan sát hơn là lý luận từ những nguyên lý cơ bản - ông lập luận rằng khoa học, không như các cách lý giải thế giới xung quanh khác, có thể mang lại tiến bộ thực sự. Qua khoa học, hiểu biết của chúng ta về thế giới được cải thiện theo thời gian, dựa vào những thành tựu đi trước. Sai lầm có thể xảy ra, nhưng cuối cùng cũng có thể được sửa chữa.

Weinberg đã trò chuyện với tạp chí Quanta về quá khứ và tương lai của vật lý, về vai trò của triết học trong khoa học, và về một khả năng đáng kinh ngạc rằng vũ trụ mà chúng ta thấy chỉ là một mảnh bé xíu của một đa vũ trụ rộng lớn hơn rất nhiều.

Tạp chí Quanta: Là một nhà khoa học, góc nhìn của ông về lịch sử khoa học khác với góc nhìn của một nhà sử học như thế nào?

STEVEN WEINBERG: Một khác biệt hiển nhiên là họ biết nhiều hơn tôi - ít nhất là trong lĩnh vực chuyên môn của họ. Các nhà sử học thực thụ có thể nắm bắt những nguồn tư liệu gốc tốt hơn tôi nhiều. Ví dụ nếu họ nghiên cứu lịch sử thế giới cổ đại, họ sẽ phải thành thạo tiếng Hi Lạp và La-tinh, trong khi tôi hoàn toàn không có hiểu biết gì về những ngôn ngữ đó.

Nhưng cũng có cả sự khác biệt trong quan điểm nữa. Nhiều nhà sử học rất phản đối cách diễn giải lịch sử theo trường phái Whig (the Whig interpretation of history), theo đó ta cố tìm ra những sợi chỉ dẫn dắt quá khứ đến hiện tại. Họ cho rằng khi làm lịch sử, điều quan trọng hơn nhiều là phải thâm nhập được vào trong khung tư tưởng của những người sống trong thời kỳ mà ta đang nghiên cứu. Họ có cái lý của họ, nhưng tôi sẽ tranh luận rằng, đối với lịch sử khoa học thì sử dụng cách diễn giải trường phái Whig hợp lý hơn nhiều. Lý do là vì khoa học, khác với chính trị hay tôn giáo, là một nhánh kiến thức mang tính chất tích lũy. Ta có thể nói, với một đánh giá tỉnh táo chứ không dựa vào ý thích riêng, rằng Newton biết về thế giới nhiều hơn Aristotle, và Einstein biết nhiều hơn Newton. Thực sự là đã có sự tiến triển trong khoa học. Và để theo dõi tiến triển đó, sẽ là có lý nếu ta soi xét nền khoa học trong quá khứ để tìm ra những phương thức tư duy đã dẫn đến hay cản trở sự tiến triển.

Vì sao ông lại tập trung vào lịch sử vật lý và thiên văn học?

Bời vì đó là lĩnh vực tôi hiểu biết và có ít nhiều năng lực. Nhưng cũng có một lý do khác nữa: khoa học trở nên “hiện đại” đầu tiên là ở lĩnh vực vật lý và thiên văn. Newton mang đến cho chúng ta cách tiếp cận vật lý hiện đại vào cuối thế kỷ 17. Các nhánh khác của khoa học chỉ trở nên hiện đại gần đây hơn: hóa học vào đầu thế kỷ 19, sinh vật học vào giữa thế kỷ 19 hay có lẽ là đầu thế kỷ 20. Bởi vậy mà nếu ta muốn tìm hiểu sự phát kiến khoa học hiện đại- đây cũng là phụ đề cho cuốn sách của tôi - thì phát kiến đó được hình thành trong bối cảnh vật lý, đặc biệt là khi áp dụng trong thiên văn học.

Vật lý lý thuyết thường được coi là cuộc tìm kiếm sự thống nhất- Newton thống nhất vật lý trái đất và vật lý vũ trụ, hay James Clerk Maxwell thống nhất điện, từ trường, và ánh sáng. Và tất nhiên cả công trình của ông cũng như vậy. Cuộc tìm kiếm sự thống nhất này hiện nay đang đứng ở đâu?

Nó chưa tiến bộ nhiều lắm, trừ việc những lý thuyết mà chúng ta suy đoán vào những năm 1960 đã được khẳng định bởi quan sát. Trong lý thuyết mà tôi phát triển vào năm 1967 (Abdus Salam cũng phát triển về cơ bản cùng lý thuyết đó một cách độc lập vào năm 1968), một trường phá vỡ đối xứng đóng vai trò cơ bản, được biểu thị ở một hạt có tên gọi là boson Higgs, những thuộc tính của hạt này ta đã đều dự đoán được, trừ khối lượng. Ngày nay, nhờ có các thí nghiệm được tiến hành ở CERN, hạt Higgs đã được xác nhận. Như vậy, chúng ta đã có được một nền tảng vững chắc hơn, nhưng lại chưa tiến thêm được bước nào. Đã có những nỗ lực rất lớn để tiến xa hơn, đặc biệt là trong bối cảnh lý thuyết dây (string theory). Lý thuyết dây thống nhất tất cả các lực- cả lực hạt nhân mạnh và yếu, lực điện từ, cùng với lực hấp dẫn, và đã đưa ra một số ý tưởng toán học sâu sắc về một cơ chế thống nhất đó. Nhưng chúng ta vẫn còn xa khả năng chứng thực được lý thuyết đó- xa hơn nhiều so với khả năng chứng thực lý thuyết điện yếu (electroweak theory) của chúng ta 40 năm trước đây.

Máy gia tốc hạt lớn (LHC) được dự kiến sẽ bắt đầu hoạt động lại năm nay, với công suất gấp đôi lần hoạt động đầu tiên. Ông hi vọng nó sẽ tìm ra được những gì? - tôi không rõ dùng từ “hi vọng” có đúng không? 

“Hi vọng” là từ chính xác! Nó phụ thuộc vào việc những hạt mới có khối lượng nằm trong phạm vi mà LHC có thể dò không. Cái hiển nhiên nhất mà ta đang muốn tìm là hạt vật chất tối. Ta biết từ thiên văn học rằng năm phần sáu vật chất trong vũ trụ không khớp với Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, nhưng ta không biết tí gì về khối lượng của nó. Các nhà thiên văn học có thể cho chúng ta biết tổng khối lượng của vật chất tối, nhưng không phải khối lượng của từng hạt vật chất. Nếu nó là một hạt vật chất tối thông thường, gọi là WIMP- các hạt có khối lượng tương tác yếu, thì LHC có thể tìm ra. Điều này còn phụ thuộc vào hạt nặng bao nhiêu, phân rã như thế nào, bởi vì ta không bao giờ nhìn được hạt cả mà chỉ nhìn được các sản phẩm phân rã của nó.

LHC cũng có thể sẽ tìm được những dấu hiệu của “siêu đối xứng’ (supersymmetry), một lý thuyết thừa nhận rằng mỗi hạt đã được biết đến đều có một hạt đi kèm (partner particle), nhưng chúng ta cũng không biết được khối lượng của những hạt đi kèm này là gì. Và ở đây còn có một sự mơ hồ hơn nữa: Chúng ta không biết liệu siêu đối xứng có ý nghĩa gì trong thế giới thực hay không. Có thể còn có những hạt quark nặng hơn, hay thậm chí là những phiên bản nặng hơn của hạt Higgs.

Đã có lúc người ta nói rằng siêu đối xứng sẽ “bật đèn xanh” cho lý thuyết dây, một lý thuyết không thể được kiểm chứng một cách trực tiếp. Nếu LHC không tìm thấy bằng chứng gì về siêu đối xứng thì chuyện gì sẽ xảy ra với lý thuyết dây?  

Tôi không thể biết được. Không may là lý thuyết dây không đưa ra những dự đoán cụ thể về vật lý ở những loại năng lượng mà chúng ta có thể tiếp cận được. Loại năng lượng của những cấu trúc mà lý thuyết dây đề cập quá cao, chúng ta có lẽ sẽ không bao giờ có thể mô phỏng được những năng lượng đó trong phòng thí nghiệm. Nhưng những năng lượng này đã từng phổ biến ở thời kỳ đầu hình thành vũ trụ. Như vậy, bằng cách quan sát vũ trụ, ta có thể nắm được vật lý của những năng lượng cực kỳ cao này. Ví dụ, nếu mật độ vật chất-năng lượng tại thời điểm lạm phát của vũ trụ mà có bậc độ lớn mang đặc trưng của lý thuyết dây thì một lượng lớn bức xạ hấp dẫn đã phải được tạo ra vào lúc đó, và như thế nó đã phải để lại dấu vết trên nền vi sóng vũ trụ. Năm ngoái, các nhà khoa học làm việc với kính viễn vọng BICEP2 tuyên bố rằng họ đã tìm ra những sóng hấp dẫn này; bây giờ thì có vẻ như thực sự họ đã đo bụi vũ trụ. Tiếp tục quan sát với vệ tinh Planck có thể sẽ giúp trả lời câu hỏi này. Tôi nghĩ đây là một trong những chủ đề nghiên cứu thú vị nhất trong ngành khoa học vật lý hiện giờ.

Mục đích cuối cùng của các nhà lý thuyết có phải là để tìm ra được một hệ phương trình mà ta có thể in được trên áo phông?

Mục tiêu đúng là như vậy đấy, vì Mô hình Chuẩn thì phức tạp quá nên hơi khó để in lên áo phông. Lý thuyết mới mà chúng tôi đang nghiên cứu sẽ không tính đến lực hấp dẫn nên sẽ không phải là một “thuyết vạn vật” được, nhưng nó sẽ là một lý thuyết về tất cả những gì mà chúng tôi nghiên cứu trong phòng thí nghiệm vật lý. Mô hình Chuẩn quá phức tạp và có nhiều những thông số bất kỳ nên chúng tôi biết nó không thể là câu trả lời cuối cùng được. Mục tiêu là phải có được một lý thuyết đơn giản hơn với ít thông số bất kỳ hơn, thậm chí là không có thông số bất kỳ nào- một lý thuyết mà có thể in vừa trên một chiếc áo phông. Chúng ta vẫn chưa đến được cái đích đó.

Một số nhà vật lý gợi ý rằng chúng ta có thể sẽ phải tiến đến một loạt những lý thuyết khác nhau, đại diện cho những lời giải khác nhau cho các phương trình của lý thuyết dây. Có thể mỗi lời giải đó tương ứng với một vũ trụ khác nhau- là từng phần của một “đa vũ trụ” nào đó rộng lớn hơn?

Tôi không phải là một người đề xướng ý tưởng rằng vũ trụ sinh ra từ vụ nổ Big Bang của chúng ta chỉ là một phần của một đa vũ trụ rộng lớn hơn. Nhưng ý kiến này cũng cần được xem xét nghiêm túc như một khả năng. Và nó cũng dẫn ra một số hệ quả thú vị. Ví dụ như nó sẽ lý giải vì sao một số hằng số trong tự nhiên, đặc biệt là năng lượng tối, lại mang những giá trị có vẻ thuận lợi cho sự xuất hiện sự sống. Thử tưởng tượng bạn có một đa vũ trụ mà trong đó các hằng số như năng lượng tối thay đổi từ vụ nổ lớn này đến vụ nổ lớn khác. Khi đó, nếu bạn hỏi tại sao nó lại mang đúng những giá trị mà nó đã mang trong vụ nổ Big Bang của vũ trụ chúng ta, bạn sẽ phải cho rằng đã có tác động của sự chọn lọc: chỉ ở những vụ nổ lớn mà năng lượng tối mang giá trị thuận lợi cho sự xuất hiện sự sống thì mới tồn tại con người để đặt ra câu hỏi này.

Vấn đề này rất tương tự như một câu hỏi liên quan đến Trái đất và Mặt trời mà các nhà thiên văn học đã bàn cãi hàng nghìn năm nay. Tại sao Mặt trời lại cách chúng ta một khoảng cách như vậy? Nếu nó ở gần hơn, Trái đất sẽ bị quá nóng; nếu ở xa hơn, Trái đất sẽ quá lạnh cho sự sống. Vậy tại sao nó lại cách chúng ta khoảng cách chuẩn đó? Phần lớn mọi người, như vị bác sĩ thời La Mã Galen, cho rằng đó là nhờ sự từ bi của các vị chúa mà vạn vật được sắp xếp để có lợi cho con người. Một câu trả lời tốt hơn nhiều- câu trả lời mà chúng ta ngày nay đưa ra, đó là vì có hàng tỷ hành tinh trong thiên hà của chúng ta, và hàng tỷ thiên hà trong vũ trụ này. Như vậy chẳng có gì ngạc nhiên nếu một vài trong số hàng tỷ hành tinh có các hằng số thuận lợi cho sự sống.

Nhưng ít nhất thì ta có thể nhìn thấy một vài hành tinh khác, trong khi đó ta không thể nhìn thấy và kiểm chứng những vũ trụ khác mà người ta cho rằng tạo nên đa vũ trụ.

Một lý thuyết vật lý thành công không bắt buộc yêu cầu mọi điều nó giải thích phải quan sát được, hay mọi dự đoán của nó phải có thể xác minh được. Ví dụ, ta có một lý thuyết rất thành công về những lực hạt nhân mạnh, gọi là sắc động lực học lượng tử (QCD). Lý thuyết này dựa trên ý tưởng rằng các hạt quark được liên kết với nhau bởi các lực tăng theo khoảng cách, như vậy trên nguyên tắc, ta sẽ không bao giờ có thể quan sát hạt quark đứng riêng một mình. Tất cả những gì chúng ta có thể quan sát là những dự đoán thành công khác của QCD. Chúng ta không thực sự phát hiện được các hạt quark, nhưng điều đó không quan trọng; ta biết lý thuyết sắc động lực học lượng tử là đúng vì nó đưa ra những dự đoán mà ta có thể xác minh được.

Tương tự như vậy, lý thuyết dây dự đoán một đa vũ trụ cũng không thể được xác minh bằng cách phát hiện ra các phần khác của đa vũ trụ. Nhưng nó có thể đưa ra những dự đoán mà ta có thể xác minh được. Ví dụ, nó có thể cho rằng trong tất cả các vụ nổ lớn trong đa vũ trụ, một số đối xứng nhất định sẽ luôn luôn có thể quan sát được, hoặc một số đối xứng sẽ luôn luôn bị phá vỡ theo một cơ chế nào đó mà ta có thể quan sát. Nếu lý thuyết dây có thể đưa ra đủ những dự đoán như vậy thì ta có thể cho rằng nó đúng, từ đó dự đoán về đa vũ trụ của nó cũng đúng. Ta không cần phải xác minh mọi dự đoán để biết được rằng một lý thuyết là đúng.

Khi ta nói về đa vũ trụ, có vẻ như vật lý đang đụng chạm đến triết học. Một số nhà vật lý, bao gồm Stephen Hawking và Lawrence Krauss đã làm các nhà triết học tức giận khi coi triết học là vô dụng. Trong cuốn sách mới của mình, có vẻ như ông cũng đồng tình với họ. Không biết điều này có đúng không?

Tôi nghĩ triết học hàn lâm chỉ có giá trị kiểm chứng phủ định – tức là đôi khi các nhà vật lý ấn tượng với các ý tưởng triết học, họ sẽ thấy hữu ích nếu được nghe từ các chuyên gia rằng những ý tưởng đó đã được thử thách trong cộng đồng triết học. Một ví dụ là chủ nghĩa thực chứng (positivism), quy định rằng ta chỉ nên nói về những gì có thể được trực tiếp nhận thấy hay quan sát. Tôi nghĩ các nhà triết học đã thách thức quan điểm này, và thật tốt để biết được điều đó đối với một nhà vật lý như tôi.

Mặt khác, lúc nào cũng có những thảo luận mang tính triết học diễn ra giữa các nhà vật lý. Ví dụ, thảo luận giữa chúng ta vừa rồi về đa vũ trụ đã đặt ra một vấn đề là chúng ta mong chờ gì ở một lý thuyết khoa học - khi nào thì chúng ta bác bỏ nó là vượt ra ngoài phạm vi khoa học; khi nào thì ta chấp nhận rằng nó là sự thật được khẳng định. Đây là những câu hỏi mang tính siêu khoa học (meta-scientific), và chính là những câu hỏi triết học. Các nhà khoa học dường như chẳng bao giờ có thể đồng ý với nhau về những vấn đề này- như trường hợp ý tưởng đa vũ trụ chẳng hạn- nhưng ngay cả các triết gia cũng không thể đi đến một kết luận chung.Đôi khi, những ý tưởng của các nhà triết học cũng làm cản trở sự tiến triển, như ví dụ về chủ nghĩa thực chứng. Một trường hợp tương tự là với cách tiếp cận kiến tạo (constructivism) - cho rằng mỗi lý thuyết khoa học đều là sản phẩm của một xã hội, như các tổ chức chính trị của nó vậy, và phải được hiểu như là sản phẩm của một môi trường văn hóa cụ thể. Tôi không rõ nên gọi đó là một lý thuyết triết học hay lý thuyết lịch sử, nhưng ở mức nào thì tôi cũng cho rằng quan điểm đó là sai. Tôi còn cho rằng nó có thể cản trở việc làm khoa học nữa, bởi vì nó tước đi mất một trong những động lực vĩ đại nhất của khoa học, đó là khám phá ra một điều gì đó, tuyệt đối tách biệt khỏi bất cứ môi trường văn hóa nào, là thực sự đúng.

Ông đã 81 tuổi. Nhiều người ở tuổi này thường tính chuyện nghỉ ngơi, không làm việc nữa, nhưng ông vẫn đang rất hăng say làm việc. Vậy hiện tại ông đang nghiên cứu gì?

Có một việc mà tôi đã nghiên cứu hơn một năm nay rồi - có lẽ nó chỉ là một nỗi ám ảnh của một ông già, nhưng tôi đang cố tìm ra một cách tiệm cận cơ học lượng tử thuyết phục hơn những cách tiếp cận hiện giờ. Tôi vừa biên tập xong tái bản lần hai của cuốn “Những bài giảng về cơ học lượng tử” của mình, trong đó tôi nghĩ tôi đã củng cố lập luận rằng không một cách diễn giải cơ học lượng tử nào hiện giờ là hoàn toàn thỏa đáng.

Tôi không có ý định nghỉ hưu, bởi vì tôi vẫn yêu thích công việc của mình hiện giờ. Tôi thích dạy, thích theo dõi các nghiên cứu và thích tự làm nghiên cứu độc lập nho nhỏ. Vào năm kia, trước khi bị cuốn vào mối quan tâm với cơ học lượng tử, tôi đã viết các bài nghiên cứu về những vấn đề thực tế trong lý thuyết hạt cơ bản, và tôi cũng nghiên cứu cả vũ trụ học nữa. Tôi hi vọng mình sẽ quay lại các vấn đề này.

Khánh Minh biên dịch từ phiên bản bài phỏng vấn đã được biên tập và rút gọn trên tạp chí Quanta.