🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Một Vũ Trụ Lạ Thường Ebooks Nhóm Zalo A DIFFERENT UNIVERSE Chủ biên PHẠM VĂN THIỀU VŨ CÔNG LẬP NGUYỄN VĂN LIỄN Copyright © 2005 By Robert B.Laughlin First published in the United States by Basic Books, a member of the Perseus Books Group Bản tiếng Việt Nhà xuất bản Trẻ, 2012 BIỂU GHI BIÊN MỤC TRƯỚC XUẤT BẢN DO THƯ VIỆN KHTH TP.HCM THỰC HIỆN General Sciences Library Cataloging-in-Publication Data Laughlin, Robert B Một vũ trụ lạ thường: phát mình lại môn vật lý theo chiều ngược / Robert B. Laughlin; Chu Lan Đình ... [và nh.ng. khác] dịch. - T.P. Hồ Chí Minh: Trẻ, 2012. 342 tr. ; 20.5 cm. - (Kiến thức bách khoa) (Khoa học và khám phá). Nguyên bản: A different universe. 1. Vật lý học. I. Chu Lan Đình. II. Ts: A different universe. 530 -- dc 22 L374 Tặng Anita Mục lục Lời tựa.............................................................................7 Lời cảm tạ ................................................................... 19 Luật biên giới.............................................................. 23 Sống chung với sự không chắc chắn....................... 35 Đỉnh Newton.............................................................. 55 Nước, băng và hơi nước............................................ 71 Con mèo của Schrödinger........................................ 91 Máy tính lượng tử.................................................... 109 Rượu vang nhãn Klitzing........................................ 127 Tôi đã giải được lúc đang ăn tối ............................ 141 Gia đình hạt nhân.................................................... 167 Cấu trúc của Không - Thời gian............................ 193 Vũ hội hóa trang của những món đồ hàng mã... 207 Tà diện của cơ chế bảo vệ ...................................... 231 Những nguyên lý của sự sống................................ 251 Những chiến binh trong cuộc chiến giữa các vì sao........................................................... 279 Bữa ăn ngoài trời...................................................... 303 Thời đại đột sinh...................................................... 319 Vũ trụ này không chỉ khác lạ hơn những gì ta hình dung, mà nó còn khác lạ hơn những gì ta có thể hình dung LỜI TỰA Mọi dòng sông đều đổ ra biển; biển chẳng thấy đầy; nơi cội nguồn các dòng sông đến, chúng lại ngược về. Sách Giảng Viên, hồi 1, dòng 7 Có hai điều tối quan trọng mâu thuẫn với nhau thôi thúc tâm trí con người - một là ý muốn đơn giản hóa một sự việc thành những bản chất của nó, thứ nữa là ý muốn thông qua những bản chất để thấy được những hàm nghĩa lớn hơn. Tất cả chúng ta đều đang sống trong cái mâu thuẫn ấy, rồi lúc này lúc kia lại thấy mình đang suy tư về nó. Đứng trước biển, chẳng hạn, hầu như ai cũng phải trầm tư suy nghĩ về sự uy nghi hùng vĩ của thế giới, cho dù thực ra thì biển chỉ là một cái hố chứa đầy nước. Rất nhiều những áng văn chương triết lý nói về chủ đề này, một số có từ rất xa xưa, thường mô tả sự mâu thuẫn đó như thuộc về vấn đề phẩm hạnh, hoặc như sự giằng co căng thẳng giữa cái thiêng liêng và cái thế tục. Thành thử, nhìn biển như một cái gì đó giản đơn và có hạn là một cách nhìn mang tính vật linh và nguyên thủy, còn nhìn nó như cội nguồn của tiềm năng bất tận thì lại là cách nhìn tiến bộ và mang tính nhân văn. Nhưng mâu thuẫn ở đây không đơn thuần chỉ là vấn đề của tri giác: nó còn là một vấn đề thuộc vật lý học. Giới tự nhiên được điều chỉnh bởi cả những cái thuộc về bản chất lẫn bởi cả những nguyên lý tổ chức đầy quyền lực tuôn trào ra từ những cái thuộc về bản 7 Bản chất cuộc sống chất đó. Những nguyên lý này là những nguyên lý siêu nghiệm, ở chỗ chúng có thể tiếp tục đúng ngay cả khi những cái mang tính bản chất bị thay đổi chút đỉnh. Cái nhìn mâu thuẫn của chúng ta về tự nhiên phản ánh một sự mâu thuẫn ngay trong bản thân giới tự nhiên, vốn đồng thời bao gồm cả những yếu tố sơ đẳng và ổn định, cả những cấu trúc phức hợp mang tính tổ chức được hình thành nên từ chúng, chẳng khác gì như biển cả vậy. Bãi biển còn là nơi vui chơi, tất nhiên rồi, và rồi có những điều không nên quên khi ai đó trầm ngâm rảo bước xuống tận con đường lát gỗ ven bờ nước. Cái bản chất thực của cuộc sống khiến ta tản bộ thật gần vòng quay ngựa gỗ và phải chiến thắng trong trò yo-yo. May thay, các nhà vật lý chúng ta lại ý thức được một cách đầy đủ những khuynh hướng làm ra vẻ cao đạo của bản thân mình, và tìm mọi cách để kiềm chế chúng. Thái độ đó đã được bày tỏ một cách tế nhị trong bức thư của người bạn đồng nghiệp của tôi, Dan Arovas, giảng viên đại học California ở Sandiego, viết cho người phụ trách chuyên mục hài hước Dave Barry: 8 - ROBERT B. LAUGHLIN Thân gửi Dave, tôi là người rất hâm mộ chuyên mục của anh và xem nó hằng ngày. Tôi sẵn sàng đánh đổi bất cứ thứ gì để viết được như anh. Tôi đã cất một cái nhà gỗ để tôn vinh anh và sống ở đó. Kính thư, Dan. Dan kể rằng Dave đã trả lời như sau: Thân gửi Dan, cảm ơn vì lá thư hâm mộ của anh. Nhân tiện, không biết họ có cho anh dựng nhà ở gần nơi chứa vũ khí hạt nhân không? Thân mến, Dave. Vài năm trước đây, tôi có dịp thảo luận với ông nhạc tôi, một viện sĩ hàn lâm đã nghỉ hưu, về chủ đề bản tính tập thể của định luật vật lý. Chúng tôi vừa kết thúc mấy ván bài bridge vào cuối giờ chiều và chuyển sang làm vài ly gin pha tonic để khỏi phải tranh cãi về mấy bộ phim mùi mẫn với các bà vợ. Tôi đưa ra luận cứ cho rằng các mối quan hệ nhân quả đáng tin cậy trong giới tự nhiên cũng nói cho ta biết đôi điều về bản thân mình, ở chỗ là, những mối quan hệ ấy có được sự đáng tin cậy chính là nhờ vào những nguyên lý tổ chức chứ không hẳn là nhờ vào những quy tắc vi mô. Nói cách khác, những định luật tự nhiên mà chúng ta quan tâm được đột sinh từ sự tự tổ chức mang tính tập thể và thực ra không nhất thiết phải có kiến thức về những bộ phận cấu thành nên chúng mới hiểu và khai thác được chúng. Sau khi lắng nghe một cách kỹ lưỡng, ông nhạc tôi nói rằng ông chẳng hiểu gì sất. Ông luôn nghĩ rằng định luật sinh ra tổ chức, chứ không phải ngược lại. Ông thậm chí không chắc điều ngược lại là có lý. Tôi hỏi ông liệu các nhà lập Lời tựa - 9 pháp và ban giám đốc công ty viết ra các điều luật, hay là họ được các điều luật tạo ra, thế là ông chợt hiểu ra ngay. Ông trầm tư một lúc và sau đó thú nhận rằng đến đây thì ông thực sự bối rối về việc tại sao mọi thứ lại xảy ra, và bảo cần thêm thời gian để suy ngẫm về điều này. Câu chuyện chính xác là như vậy. Điều kinh khủng đáng nói là khoa học đã phát triển vượt quá xa so với phần còn lại của đời sống trí tuệ của chúng ta, bởi nó đâu có từng khởi đầu theo hướng ấy1. Những bài viết của Aristotle, chẳng hạn, dù có tiếng là thiếu chính xác nhưng vẫn rõ ràng một cách mỹ miều, vẫn rất có ý nghĩa và dễ hiểu2. Tác phẩm Nguồn gốc các loài của Darwin cũng vậy3 [Nxb. Tri Thức, Hà Nội 2009, ND.]. Sự tối nghĩa của nền khoa học hiện đại là hiệu ứng phụ đáng tiếc của việc thiên về chuyên môn hóa, và là điều mà vì thế các nhà khoa học chúng ta thường bị mang ra bêu riếu - mà cũng đáng thôi. Ai mà chẳng cười phá lên khi bật đài trên đường lái xe từ công sở về nhà và nghe Tiến sĩ Khoa học đưa ra những câu trả lời rất hóm qua điện thoại khi nhận được những câu hỏi như vì sao khi gặm cỏ lũ bò lại quay về một cùng một hướng (chắc phải hướng mặt về phía Đại học Wisconsin nhiều lần trong ngày), và rồi cuối cùng kết thúc bằng câu “Nên nhớ tôi hiểu biết hơn các bạn, tôi đã có bằng Thạc sĩ khoa học cơ đấy”4. Trong một dịp khác, ông nhạc tôi đưa ra nhận 1. Mâu thuẫn giữa khoa học (tự nhiên) và những nghiên cứu nhân văn thì ai cũng đã rõ. Xem C. P. Snow, The Two Cultures (Cambridge U. Press, Cambridge, 1993). 2. Aristotle, The Complete Works of Aristotle: The Revised Oxford Edition, J. Barnes, ed. (Princeton U. Press, Princeton, 1995). 3. Thuyết Darwin rất rõ ràng nên tốt nhất hãy xem bản gốc. Xem C. Darwin, The Origin of Species, G. Suriano, ed. (Bantam, New York, 1999). 4. Nhà hát The Duck’s Breath Mystery, được biết đến ở một số nơi như là American Monty Python, được một nhóm sinh viên của trường Đại học Iowa sáng lập vào năm 1975. Sau đó họ chuyển tới San Francisco và trở nên nổi tiếng với những buổi diễn hài kịch thường nhật 10 - ROBERT B. LAUGHLIN xét rằng kinh tế học đã từng rất tuyệt vời cho mãi tới khi người ta biến nó thành một môn khoa học. Ông có lý của mình. Những cuộc trao đổi qua lại về định luật vật lý đã khiến tôi bắt đầu nghĩ đến việc khoa học đã nói gì đến vấn đề về các định luật - hiển nhiên là rất phi khoa học - thuộc thể loại con-gà-quả-trứng, về những tổ chức của các định luật và về những định luật xuất phát từ sự tổ chức. Tôi bắt đầu đánh giá cao nhiều người có những cái nhìn rất sâu sắc về chủ đề này, nhưng lại chưa thể diễn đạt được rành mạch vì sao họ có được những cái nhìn ấy. Gần đây, vấn đề trở nên bức bách hơn khi tôi nhận ra rằng mình có những cuộc trò chuyện lặp đi lặp lại giống hệt nhau với các bạn đồng nghiệp về cuốn sách có nhan đề The Elegant Universe [Giai điệu Dây và bản Giao hưởng Vũ trụ, Phạm Văn Thiều dịch, Nxb. Trẻ, 2005, ND.] của Brian Greene, một quyển sách khá phổ biến mô tả một số ý niệm có tính tư biện về cơ học lượng tử của không gian1. Các cuộc thảo luận tập trung vào câu hỏi liệu vật lý học có phải là một sáng tạo logic của trí tuệ không, hay chỉ là sự tổng hợp được xây dựng trên cơ sở quan sát. Tất nhiên, động lực của các cuộc thảo luận này chưa bao giờ là vấn đề bản thể luận, mà lúc nào cũng chỉ là tiền, vì vấn đề thiếu hụt ngân sách luôn là mẫu số chung xưa nay của giới khoa học. Nhưng bận nào rồi các ý kiến thảo luận cũng có vẻ như chuyển dần sang chủ đề về sự vô nghĩa của việc tạo dựng những mô hình thế giới tuy rất đẹp nhưng chẳng tiên đoán được một thí nghiệm nào, và từ đó dẫn tới câu hỏi khoa học là gì? Sau khi chuyện này xảy ra một vài và bắt đầu xuất hiện thường xuyên trên chuyên mục Science Friday của Đài phát thanh quốc gia. Những bản ghi âm lại và những sự kiện đáng ghi nhớ của nhóm có thể tìm thấy trên trang web http://www.drscience.com. 1. B. Greene, The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory (Norton, New York, 1999). Lời tựa - 11 lần tại những cuộc gặp gỡ khác nhau ở Seatle, Đài Bắc, và Helsinki, tôi mới sực nhận ra rằng sự bất đồng do cuốn sách của Greene đẻ ra về căn bản là thuộc cùng một vấn đề mà chúng tôi đã từng bàn cãi sau ván bài bridge ngày nào. Hơn thế nữa, nó còn là một cuộc tranh cãi về quan niệm: nó chẳng liên quan chút gì đến việc cái gì là đúng, mà liên quan đến việc thế nào là “đúng”. Mọi người đều nhất trí với nhau rằng trong vật lý học thì việc dùng ký hiệu tốt sẽ thúc đẩy công việc, còn dùng ký hiệu tồi sẽ làm chậm công việc. Điều đó hoàn toàn đúng. Nắm bắt hệ chữ tượng thanh tốn ít thời gian hơn là nắm bắt hệ chữ tượng hình và do đó khiến cho văn bản trở nên dễ tiếp cận hơn. Số thập phân dễ sử dụng hơn số La Mã. Điều này cũng đúng cho các hệ ý niệm. Việc xem nhận thức về tự nhiên của chúng ta như một sự kiến tạo toán học đưa đến những hàm ý khác về căn bản so với việc nhìn nhận nó như một sự tổng hợp mang tính thường nghiệm. Có quan điểm coi chúng ta là những chủ nhân của vũ trụ, lại có quan điểm khác coi vũ trụ là chủ nhân của chúng ta. Chẳng mấy ai thắc mắc vì sao các bạn đồng nghiệp đang ngụp lặn trong khoa học thường nghiệm của tôi lại xôn xao đến thế với câu hỏi này. Cốt lõi của vấn đề hoàn toàn không phải là chuyện khoa học, mà là chuyện về ý nghĩa sinh tồn và chỗ đứng của bản thân mình trong thế giới này. Những dòng suy nghĩ thuộc hai thế giới quan khác nhau này còn tiến thêm rất sâu vào các ngõ ngách. Lúc nhỏ, tôi đã có lần đi xe cùng bố mẹ tới vườn quốc gia Yosemite để gặp chú và dì tôi từ Chicago đến. Rất thông minh và là một công chứng viên xét bằng phát minh sáng chế hết sức thành đạt, chú tôi có vẻ như cái gì cũng biết và cũng chẳng ngại ngùng thể hiện điều đó với mọi người. Chẳng hạn như có bận ông đã thuyết giảng rất dài dòng cho tôi về 12 - ROBERT B. LAUGHLIN việc tia laser hoạt động như thế nào, khi thừa biết là tôi vừa được nghe chính người phát minh ra laser là Charles Townes giảng về chủ đề này. Đúng là chú tôi còn biết nhiều về laser hơn cả giáo sư Townes. Trong mấy ngày đó, chú và dì tôi thuê phòng khách sạn ở Ahwahneen, một khách sạn sang nhất vùng, gặp gỡ và cùng ăn sáng vài bữa với chúng tôi, rồi sau đó lái xe theo hướng Tuolumne Pass băng qua sa mạc để về nhà. Tôi không nghĩ họ đã tấp xe vào ngắm nghía một thác nước nào. Chẳng sao, vì các loại thác nước thì họ đã từng xem chán rồi, đâu còn lạ gì. Sau khi họ đi, tôi và gia đình cặm cụi cuốc bộ đến tận bờ sông Merced, giữa tiếng gào thét hung hãn của dòng nước, tới thác Nevada và có một bữa ăn ngoài trời trên một phiến đá hoa cương lớn cạnh cánh đồng cỏ mọc đầy hoa dại. Chúng tôi cũng thừa hiểu thế nào là thác nước, nhưng cũng đủ sáng suốt để không coi hiểu biết của mình là cái gì ghê gớm. Cái thế giới quan khiến chú tôi có một thái độ như vậy đối với Yosemite, và có lẽ cũng là thái độ đối với vật lý học của Brian Greene, được thể hiện hết sức rõ ràng trong cuốn sách The End of Science [Sự cáo chung của khoa học] của John Horgan, trong đó tác giả lập luận rằng mọi cái cơ bản ta đều đã biết cả, chỉ còn lại mỗi việc là bổ sung thêm thật nhiều chi tiết vào đó nữa mà thôi.1 Điều này đã như giọt nước tràn ly đánh vào lòng kiên nhẫn vốn đã chạm đến giới hạn của các nhà thực nghiệm bạn tôi, bởi nó vừa sai lại vừa là một đòn chơi không đúng luật. Tìm kiếm những điều mới mẻ có vẻ như là một sự nghiệp cầm chắc thất bại cho đến khi ai đó có được một phát kiến. Cái đã hiển nhiên thì còn phải mất công tìm kiếm mà làm gì. 1. J. Horgan, The End of Science: Facing the Limits of Knowledge in the Twilight of the Science Age (Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, 1997). Lời tựa - 13 Thật không may, đó lại là quan điểm của số đông. Một lần, tôi trò chuyện với David Scharamm, một nhà vũ trụ học nổi tiếng đã quá cố của trường đại học Chicago, về các tia thiên hà. Có những chùm plasma mảnh mai xuất phát từ lõi của một số thiên hà và rọi đến tận những khoảng cách rất xa, đôi khi xa gấp nhiều lần bán kính của thiên hà, và được làm cho mạnh lên bằng cách nào đó bởi chuyển động tròn cơ học xảy ra trong lõi. Làm thế nào để chúng có thể tiếp tục giữ được độ mảnh như vậy trong suốt một quãng đường vô cùng dài là điều vẫn chưa ai hiểu được, và đó là một điều mà tôi thấy cực kỳ lý thú. Nhưng David đã không tính gì đến hiệu ứng đó, coi nó chỉ như chuyện “thời tiết”. Ông chỉ quan tâm tới thời kỳ sơ khai của vũ trụ và những quan sát thiên văn học giúp ta hiểu được nó, dù chỉ một phần không đáng kể. Ông xếp các tia thiên hà vào loại các hiện tượng rắc rối gây mất tập trung, vì nó chẳng giúp gì cho ta hiểu về bản chất vấn đề. Với tôi thì ngược lại, tôi bị quyến rũ bởi tiết trời và tin rằng những người tuyên bố không quan tâm đến nó chỉ là nói quấy quá vậy thôi. Tôi nghĩ rằng những hiện tượng sơ đẳng mang tính tổ chức, ví dụ như thời tiết, có một tầm quan trọng đặc biệt, giúp ta hiểu được những hiện tượng phức hợp hơn, kể cả bản thân chúng ta: tính sơ đẳng của chúng cho phép chúng ta chứng minh một cách chắc chắn rằng chúng phải tuân theo những định luật vi mô, nhưng mặt khác, một cách đầy nghịch lý, một số khía cạnh tinh vi hơn của chúng lại không nhạy cảm lắm với những chi tiết của các định luật vi mô đó. Nói cách khác, ta có thể chứng minh trong một số trường hợp đơn giản này rằng tổ chức có thể mang một ý nghĩa và có thể có đời sống riêng của nó, và rồi bắt đầu vượt trội lên hẳn những bộ phận cấu thành nên nó. Do đó, khi mà khoa học vật lý nói với ta 14 - ROBERT B. LAUGHLIN rằng cái toàn thể còn là một cái gì đó khác hơn là tổng của những bộ phận cấu thành của nó gộp lại thì điều đó không chỉ đơn thuần là một khái niệm mà còn là một hiện tượng vật lý. Tự nhiên được điều khiển không chỉ bởi một thứ quy tắc vi mô được lấy làm nền tảng mà còn bởi những nguyên lý đầy uy lực của tính tổ chức. Ta có biết về một số nguyên lý như vậy, nhưng phần lớn thì không được biết tới. Những nguyên lý mới vẫn luôn được khám phá. Ở những cấp độ cao hơn thì các mối quan hệ nhân quả khó được dẫn chứng hơn, nhưng cũng không có bằng chứng nào cho thấy những định luật ra đời một cách có thứ tự trong thế giới sơ đẳng phải được thay thế bởi bất cứ thứ gì khác. Do đó, nếu một hiện tượng vật lý đơn giản có thể thực sự trở nên độc lập với những định luật cơ bản hơn khiến nó xuất hiện, thì con người chúng ta cũng có thể như thế. Tôi hiện là cacbon, nhưng tôi không nhất thiết vốn phải là cacbon. Tôi mang cái ý nghĩa được truyền đời từ những nguyên tử tạo nên tôi. Những nét chủ chốt của thông điệp này được trình bày một cách súc tích trong rất nhiều bài viết của Ilya Prigogine1 và thậm chí còn được trình bày một cách độc đáo hơn trong bài tiểu luận nổi tiếng của P. W. Anderson có nhan đề More is Different [Nhiều hơn có nghĩa là Khác biệt]2 được xuất bản hơn 30 năm về trước. Bài tiểu luận này ngày nay dường như vẫn còn nóng hổi và gây nhiều cảm hứng như vào thời nó mới được viết ra, và bất kỳ sinh viên nào làm việc với tôi cũng đều đã được khuyên nên đọc. Những quan điểm của tôi tuy nhiên cấp tiến hơn nhiều so với của những người đi trước, vì chúng đã được mài giũa bởi những sự 1. I.Prigogine, The End of Certainty: Time, Chaos, and the New Laws of Nature (Simon and Schuster, New York, 1997). 2. P. W. Anderson, More is Different, Science 177, 393 (1972). Lời tựa - 15 kiện diễn ra gần đây. Tôi ngày càng bị thuyết phục phải nghĩ rằng mọi định luật vật lý mà ta biết đều có những nguồn gốc chung, chứ không chỉ một vài định luật trong số đó. Nói cách khác, sự khác biệt giữa những định luật cơ bản và những định luật sinh ra từ chúng là một huyền thoại, giống như ý tưởng kiểm soát vũ trụ chỉ bằng toán học. Nói chung, chỉ đơn thuần bằng vào tư duy thì không thể đoán trước được các định luật vật lý, mà phải bằng vào thực nghiệm để khám phá ra chúng, vì việc chế ngự tự nhiên chỉ đạt được khi được tự nhiên cho phép, thông qua một nguyên lý tổ chức. Người ta có thể đặt tiêu đề cho luận điểm này là sự cáo chung của quy giản luận (niềm tin cho rằng muốn cho mọi việc sáng tỏ thì nhất thiết phải chia chúng thành những yếu tố ngày càng nhỏ), nhưng nói như thế thì cũng không hoàn toàn chính xác. Tất cả các nhà vật lý trong thâm tâm đều là những người theo quy giản luận, kể cả bản thân tôi. Tôi không muốn hoàn toàn bài bác quy giản luận, mà chỉ muốn xác lập cho nó một chỗ đứng hợp lý trong cái sơ đồ bao quát của mọi sự vật. Để bảo vệ khẳng định của mình, tôi cần bàn luận một cách cởi mở một số ý tưởng gây sốc: chân không của không-thời gian là “vật chất”, thuyết tương đối có thể không phải là thứ lý thuyết cơ bản, bản chất tập thể của khả năng tính toán, những rào cản tri thức luận đối với tri thức lý thuyết, những rào cản tương tự đối với sự làm giả thực nghiệm, và bản chất huyền thoại của những bộ phận quan trọng của vật lý lý thuyết hiện đại. Tất nhiên, sự cấp tiến ở đây cũng phần nào mang tính dàn cảnh, bởi vì với tư cách là một công việc liên quan đến thực nghiệm, không thể coi khoa học là cấp tiến hay là bảo thủ, mà nó phải luôn trung thành với các thực kiện. Nhưng những vấn đề về quan niệm này, vốn chẳng phải là khoa học mà 16 - ROBERT B. LAUGHLIN là triết học, lại thường là những gì quan thiết nhất đối với chúng ta, vì chúng là những gì mà ta dùng làm thước đo phẩm giá, dùng để soạn thảo ra các điều luật, và để cân nhắc những lựa chọn của mình trên đường đời. Vậy, mục tiêu ở đây không phải là cãi vã chỉ để cố giành phần thắng về mình, mà là để giúp ta thấy rõ khoa học đang trở thành cái gì. Để làm được điều này, chúng ta phải cương quyết phân biệt rạch ròi giữa chức năng của khoa học với tư cách một tiện ích về công nghệ và chức năng của nó với tư cách những phương tiện nhằm cho việc nhận thức vạn vật - bao gồm cả bản thân chúng ta. Trái ngược hẳn với sự lý tưởng hóa đẹp đẽ do cái huyền thoại của khoa học hiện đại vẽ ra, thế giới ta đang thực sự sống chứa đầy những điều tuyệt diệu và có ý nghĩa mà ta không nhìn ra được, vì ta không chịu nhìn hay chưa đủ sức nhìn do những hạn chế về mặt kỹ thuật. Sức mạnh vĩ đại của khoa học nằm ở khả năng thông qua tính khách quan tàn bạo để bộc lộ cho ta thấy được cái chân lý mà ta chưa hề tiên đoán. Bằng vào đó, khoa học vẫn tiếp tục là vô giá và là một trong những sáng tạo vĩ đại nhất của loài người. Lời tựa - 17 LỜI CẢM TẠ Cuốn sách này hẳn đã không thể ra đời nếu không có những nỗ lực vô song của Steve Lew, người đã có những gợi ý độc đáo và đã không biết mệt mỏi giới thiệu dự án với các nhà xuất bản, và khích lệ tôi viết. Sự khích lệ này đóng một vai trò trọng yếu, bởi những nhà khoa học chúng ta phải chịu chấp nhận hy sinh một số trách nhiệm và một số bổn phận đã giao ước để hoàn thành một nhiệm vụ ở tầm cỡ như thế này. Mối quan hệ của tôi với Steve là một trong những mối quan hệ đáng ghi nhớ nhất trong suốt sự nghiệp hàn lâm của mình; tôi hết sức biết ơn vì những tặng vật vô giá của ông với tư cách một người đỡ đầu và tổ chức, cũng như những sự giúp đỡ lớn lao mà ông đã dành cho tôi trong việc nhìn ra hiện tượng đột sinh vật lý từ góc độ nhân văn. Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đối với những ý tưởng của ông. Lối diễn đạt, hình thức trình bày và quy mô của dự án này cũng một phần là của ông vì chúng được lộ diện sau một loạt các cuộc đàm đạo của chúng tôi trong suốt nhiều tháng trời. Vì tất cả những điều đó, và thêm nữa là vì sự giúp đỡ của ông trong việc biên tập bản thảo, tôi dành cho Steve những lời cảm ơn chân thành nhất từ tận đáy lòng. Tôi cũng chịu ơn giáo sư David Pines vì sự kiên trì giúp đỡ của ông trong việc khởi động dự án này và vì những nhận xét quý báu của ông đối với bản thảo. Trong chuyến viếng thăm của giáo sư 19 David tới đại học Standford vào mùa xuân năm 1999, chúng tôi đã phát hiện ra rằng cái nhìn của chúng tôi về vật lý học của các tổ chức mang tính tập thể là trùng khớp - một sự ngạc nhiên lớn nếu xét tới sự khác biệt giữa chúng tôi về kiến thức nền - và cũng không có gì khác nhau trong nhận thức của chúng tôi về sự cần thiết phải diễn giải những điều quá hiển nhiên đối với mình bằng một thứ ngôn từ thông dụng của đời thường. Đỉnh điểm của sự hợp tác này là bài tiểu luận viết chung của chúng tôi nhan đề “Lý thuyết Vạn vật” mà trong đó lần đầu tiên những luận điểm chính dẫn đến sự ra đời của cuốn sách này đã được trình bày một cách gãy gọn.1 Điều bất ngờ ngay cả với chúng tôi chính là việc bài tiểu luận đã được phổ biến rộng rãi, khiến chúng tôi nhận ra rằng cần phải có một phiên bản quy mô hơn. Bằng chuyến thăm của mình, David còn thuyết phục được tôi tham gia một cách tích cực vào công việc của Viện Nghiên cứu Vật chất Thích nghi Phức hợp [Institude fof Complex Adaptive Matter] do ông lãnh đạo, một diễn đàn giao-ngành [cross disciplinary] nhằm phục vụ cho cái nhìn toàn cảnh về việc toán học phát triển đi lên từ quan sát thực nghiệm, chứ không phải từ hướng ngược lại. Trong số các chức năng khác, phải kể đến việc Viện còn có chức năng khuyến khích (thúc ép) các nhà khoa học diễn giải những công trình nghiên cứu của họ với nhau bằng ngôn từ thông thường. Không còn gì phải bàn về giá trị của những buổi tập dượt này. Tôi đã học hỏi được rất nhiều về khoa học từ những buổi hội thảo được Viện này tài trợ và từ những mối quan hệ cá nhân có được từ đó, nhiều hơn là từ tất cả các hoạt động chuyên môn khác của tôi cộng lại. 1. R. B. Laughlin and D. Pine, Proc. Natl. Acad. Sci, 97, 28 (2000). 20 - ROBERT B. LAUGHLIN Tôi còn muốn bày tỏ những lời cảm ơn chân thành nhất tới hai Viện nghiên cứu, nơi đã miễn trừ cho tôi nhiệm vụ giảng dạy trong suốt thời gian tôi viết cuốn sách. Một là Viện Nghiên cứu Vật liệu [Institude for Materials Research] ở Sendai, Nhật Bản, nơi tôi đã dành một phần lớn thời gian để làm việc trong kỳ nghỉ du khảo của mình vào tháng Mười Một năm 2002. Tôi cũng vô cùng biết ơn sự đón tiếp nồng hậu của giáo sư Sadamichi Maekawa với những bữa dạ tiệc ngon lành cùng những món sushi và lươn đắt tiền bên bờ sông Hirose. Hai nữa là Viện Nghiên cứu Cao cấp của Hàn Quốc [Korea Institude for Advance Study] ở Seoul, nơi tôi hiện vẫn là Giáo sư trợ giảng. Chuyến thăm của tôi vào năm 2003 cực kỳ hiệu quả, và tôi mang một món nợ với chủ nhà, giáo sư C. W. Kim, với lòng biết ơn sâu sắc, chưa kể đến những nhà hàng sang trọng mà chúng tôi được nếm thưởng. Cuối cùng tất nhiên tôi phải cảm ơn vợ tôi, Anita, vì sự kiên nhẫn tưởng chừng như vô tận của cô ấy và xin hứa rằng tôi sẽ thực sự nghỉ ngơi một thời gian để chúng tôi có thể cùng nhau đi du lịch tới xứ Main, chuyến đi mà cô ấy mong đợi từ rất lâu để thăm thú lại những nơi mà gia đình từng thường lui tới và để kiếm cho bằng được những chú tôm hùm ngon lành. Lời cảm tạ - 21 Chương 1 Luật biên giới Tự nhiên là một khái niệm có tính tập thể, và mặc dù bản chất của nó hiện diện trong mỗi cá thể của muôn loài, nhưng sự hoàn hảo của khái niệm này không bao giờ có thể nằm trong một đối tượng cá lẻ. Henri Fuseli Nhiều năm trước, khi còn sống gần New York, tôi đã chú tâm nhiều đến một cuộc triển lãm về cuộc đời sáng tác của Ansel Adams, một nhà nhiếp ảnh lớn thuộc Bảo tàng Nghệ thuật Hiện đại, chuyên chụp phong cảnh tự nhiên. Cũng giống nhiều người sinh thành ở miền Tây nước Mỹ, tôi luôn ưa thích những tác phẩm của Adams và cảm thấy mình trân trọng chúng hơn bất kỳ một người New York nào khác cảm thấy, vậy là tôi nắm lấy cơ hội này để được chứng kiến chúng tận mắt. Thật không uổng công chút nào. Bất kỳ ai nhìn cận cảnh những hình ảnh này đều ngay lập tức nhận ra rằng chúng không đơn thuần là những tấm ảnh khô khan chụp toàn đất đá với cây cối, mà là những lời dẫn giải thâm trầm về cái đạo của vạn vật, về tuổi đời mênh mông của trái đất, về những lo toan hời hợt trước mắt của con người. Cuộc trưng bày này mang lại cho tôi những ấn tượng sâu sắc hơn những gì tôi mong đợi, và ngay giờ đây nó vẫn 23 cứ lóe sáng lên trong tâm trí mỗi khi tôi phải đánh vật với một bài toán khó nhằn hoặc gặp những trục trặc trong việc phải phân định việc gì là quan trọng, việc gì là không. Mới đây, tập phim tài liệu xuất sắc mang tên Kinh nghiệm Mỹ của nhà làm phim Ric Burns đã nhắc nhở cho công chúng xem truyền hình biết rằng, không khác gì những loại hình nghệ thuật khác, cả các tác phẩm của Adams lẫn bản thân nhân cách nghệ sĩ của ông chủ yếu đều là sản phẩm sáng tạo của một vùng miền và một giai đoạn đặc thù1. Vào đầu thế kỷ hai mươi, khi Adams còn là một cậu bé và cũng là khi biên giới được tuyên bố đóng cửa, người dân Mỹ 1. Ansel Adams: American Experience, đạo diễn Ric Burns. Thông tin thêm xin xem trên trang web http://pbs.org/wgbh/amex/ansel. 24 - ROBERT B. LAUGHLIN tranh cãi một cách sôi nổi về những gì mà sự mất mát đó sẽ mang đến cho tương lai của họ1. Cuối cùng, họ quyết định không muốn mình giống với châu Âu nữa, rằng một phần bản sắc của họ, và một phần ý nghĩa cuộc sống nói chung, là sự gần gũi thân thiết với thiên nhiên hoang dã. Từ đó một biên giới mang tính ẩn dụ đã ra đời, định hình cho nền văn hóa Mỹ tới tận ngày nay - đó là huyền thoại về những chàng cao bồi, là phong cảnh bao la hùng vĩ khôn tả, là ý tưởng về cái cá nhân thô mộc. Những tác phẩm của Adams đã kề vai sát cánh cùng với phép ẩn dụ đó để đạt tới độ chín muồi, và đã tạo được sức cuốn hút bằng việc khơi gợi nơi người xem cái hoài niệm về một vùng đất hoang dã bất kham từ tận trong cốt cách của nó. Ở châu Âu, huyền thoại về biên giới thường bị ngộ nhận là một nếp nghĩ quê mùa, tỉnh lẻ đã xưa cũ. Ý tưởng về biên giới không hẳn chỉ là một nếp nghĩ tỉnh lẻ quê mùa đã xưa cũ. Người ta cứ hay tưởng như vậy, nhất là ở châu Âu, nơi mà bản tính huyền thoại của miền Tây nước Mỹ lúc nào cũng được nhận ra một cách dễ dàng hơn so với ở chốn này, và thường được nhìn bằng một con mắt nghi ngại. Lần đầu tiên tôi thấy ý tưởng này được trình bày trong một bài báo dài nói về châu Mỹ đăng trên tạp chí Stern khi tôi còn là một quân nhân đồn trú ở Đức vào đầu những năm 1970. Những bài báo như vậy thời nay vẫn xuất hiện với tần suất ngày càng tăng khi mà chiến tranh lạnh đã lui vào lịch sử. Nhưng nhận thức như vậy là thiếu chính xác. Trong khi sự hợp lưu của những tác động văn hóa đã sản sinh ra những hình ảnh của Adams là sự hợp lưu độc nhất vô nhị mang màu sắc Mỹ, thì bản thân những hình ảnh đó lại không phải như vậy. Niềm 1. J. M. Faragher, Rereading Frederick James Turner (Yale U. Press, New Haven, 1999). Luật biên giới - 25 khao khát có được một biên giới riêng dường như nằm lẩn khuất đâu đó trong tâm hồn mỗi người, và rồi mọi người từ những vùng miền khác nhau trên thế giới và với những can cốt văn hóa khác nhau đều nhanh chóng và bằng vào trực cảm hiểu ngay ra điều này. Chẳng ở một đất nước nào mà người ta phải đào xới thật sâu như thế mới tìm thấy được một sự trân trọng đối với cái hoang dã và một sự hòa đồng cùng với cái hoang dã. Cũng là vì nguyên do đó mà những tác phẩm của Adams được mang đi triển lãm ở khắp nơi và được đồng thanh tán thưởng. Ý niệm về khoa học xem như một vùng biên giới rộng lớn cũng là một ý niệm muôn thuở tương tự như vậy1. Trong khi những cuộc phiêu lưu mạo hiểm nằm ngoài lĩnh vực khoa học rõ ràng là chẳng còn lại được bao nhiêu, thì khoa học lại là nơi duy nhất mà ở đó tình trạng hoang dã đích thực vẫn còn có thể tìm thấy. Sự hoang dã ta đang nói ở đây không phải là thứ chủ nghĩa cơ hội công nghệ gớm ghiếc có vẻ như đang gây cho các xã hội hiện đại một cơn nghiện thâm căn cố đế, mà là một thế giới tự nhiên tinh khôi vốn vẫn ở đó từ trước khi loài người xuất hiện - hình ảnh khoáng đạt vô bờ bến của gã đàn ông cô đơn rong ruổi trên yên ngựa đi cùng ba chú la thồ hàng đang vượt qua ngọn suối, làm nước bắn tung tóe dưới cái nhìn chòng chọc của những chóp núi cao ngạo nghễ. Đó là vũ điệu liên hoàn của thảm sinh thái, là quá trình tiến hóa đường bệ của những khoáng vật trên trái đất, là sự vận động nơi chín tầng 1. Hiệp hội khoa học mà tinh thần tiên phong là ý tưởng chủ đạo của bản ghi nhớ nổi tiếng với tựa đề “Science, the Endless Frontier” được Vannevar Bush đệ trình lên Tổng thống Roosevelt, sau cùng, bản ghi nhớ này đã dẫn đến việc thành lập Quỹ khoa học quốc gia (National Science Foundation). Xem G. P. Zachary, Endless Frontier: Vannevar Bush, Engineer of the American Century (MIT Press, Cambridge, Mass, 1999); and V. Bush, Endless Horizons (Ayer Co. Pub, Manchester, New Hampshire, 1975). 26 - ROBERT B. LAUGHLIN mây và là sự sinh thành và băng hà của các vì tinh tú. Những tiếng đồn về sự kết liễu của một thế giới tự nhiên như vậy đã bị người đời cường điệu quá mức, và đó cũng chính là điều mà nhà văn Mark Twain muốn giãi bày. Chuyên ngành của tôi, vật lý lý thuyết, là ngành học chú tâm tìm hiểu những nguyên nhân tối hậu của vạn vật. Các nhà vật lý đương nhiên không giữ độc quyền trong việc nghiên cứu những nguyên nhân tối hậu, vì trong một chừng mực nhất định, đó là cái mà ai ai cũng quan tâm. Tôi ngờ rằng đó là một nét tiêu biểu mang tính truyền đời mà con người đã có được từ thời xa xưa khi còn ở vùng đất Phi châu để sinh tồn được trong một thế giới cơ lý, nơi thực sự có nhân có quả - chẳng hạn như ở việc đến gần sư tử ắt sẽ bị ăn thịt. Chúng ta được sinh ra để tìm kiếm những mối quan hệ nhân quả giữa muôn vật, và cảm thấy vô cùng thỏa mãn khi khám phá được một quy tắc với nhiều hàm ý bao trùm1. Chúng ta được sinh ra còn để luôn nóng vội với điều trái ngược - với cả một khu rừng rậm rạp đầy thực kiện mà ta chưa đủ sức rút ra được bất kỳ một ý nghĩa nào. Tất cả chúng ta đều thầm ước về một lý thuyết tối hậu, một tập hợp toàn bộ các định luật từ đó có thể suy ra mọi chân lý, vĩnh viễn giải phóng chúng ta khỏi những thất vọng trong việc xử lý các thực kiện. Mối quan tâm của nó đến những nguyên nhân tối hậu khiến cho môn vật lý lý thuyết có một sức hấp dẫn đặc biệt đối với cả những người không làm khoa học, thậm chí mặc dù nó quá chuyên sâu và cực kỳ khó hiểu. Nó cũng còn là một sự pha trộn, trong đó có cả tin lành lẫn tin dữ. Đầu tiên, bạn thấy rằng ước ao của bạn về một lý thuyết tối hậu 1. S. J. Gould, the Lying Stones of Marrakech (Three Rivers Press, New York, 2000), trang 147ff. Luật biên giới - 27 ở mức có thể giải thích được tất cả các hiện tượng ở tầm cỡ con người đã được mãn nguyện. Chúng ta là chủ nhân đầy kiêu hãnh của một tập hợp các mối quan hệ toán học, mà theo những gì ta biết, có thể giải thích được tất cả mọi thứ trong thế giới tự nhiên ở mức lớn hơn hạt nhân nguyên tử. Chúng thật đơn giản và đẹp đẽ, và có thể được viết ra chỉ bằng đôi ba dòng. Nhưng sau rồi bạn lại thấy sự đơn giản đó rất dễ dẫn đến sai lầm - giống như những chiếc đồng hồ đeo tay kỹ thuật số rẻ tiền chỉ có một hoặc hai nút để chỉnh. Những phương trình này cực kỳ khó xử lý và không thể giải chúng cho thật đầy đủ, ngoại trừ một số nhỏ trường hợp. Việc chứng minh chúng đúng đòi hỏi những luận cứ rất dài dòng, tinh tế và có tính định lượng. Nó còn đòi hỏi người ta phải nắm vững một khối lượng khổng lồ các công trình khoa học được tiến hành từ sau Thế chiến thứ Hai. Những ý tưởng cơ bản đã được Schrödinger, Bohr và Heisenberg phát minh ra từ những năm 1920, ấy vậy mà phải chờ đến khi máy tính điện tử phát triển và vô số chuyên viên máy tính được đào tạo, thì người ta mới có thể mang các ý tưởng ấy ra trắc nghiệm về mặt định lượng dựa trên thực nghiệm trong những điều kiện vô cùng đa dạng. Những phát triển kỹ thuật có tính then chốt, ví như việc tinh chế silicon và việc hoàn thiện các loại máy bắn ra các chùm nguyên tử, cũng hết sức quan trọng. Thật vậy, ta có thể chẳng bao giờ biết chắc chắn được rằng liệu toàn bộ mọi thứ có chính xác hay không nếu không có chiến tranh lạnh xảy ra và nếu không biết tới ý nghĩa kinh tế của các thiết bị điện tử, của radar và của những thiết bị đo thời gian chính xác, những thứ khiến cho hoạt động tài chính được thông suốt vì rất nhiều những mục đích thiết thực trước mắt. Do vậy, dù lý thuyết cơ bản tối hậu đã được khám phá ra ngót 28 - ROBERT B. LAUGHLIN nghét tám mươi năm nay mà ta vẫn còn đang thấy mình chìm ngập trong khó khăn. Sự khẳng định về mặt thực nghiệm một cách chi tiết, được lặp đi lặp lại nhiều lần, đối với những mối quan hệ này đã chính thức khép lại biên giới của quy giản luận ở cấp độ của những sự việc hằng ngày. Không khác gì việc đóng cửa biên giới nước Mỹ, đây cũng là một sự kiện văn hóa quan trọng, khiến những người thận trọng khắp mọi nơi phải tranh cãi xem liệu điều đó có ý nghĩa gì đối với tương lai của tri thức. Thậm chí có cả một cuốn sách bán rất chạy tìm cách khai thác giả thuyết cho rằng khoa học đã đi đến tận cùng và sẽ khó có thể có được một khám phá cơ bản nào có ý nghĩa nữa. Trong cùng thời gian đó thì danh sách những điều thậm chí rất đơn giản nhưng hóa ra “rất khó” mô tả được bằng những phương trình toán học ấy lại tiếp tục kéo dài lê thê một cách đáng báo động. Những người sống ở miền biên giới thực thụ như chúng tôi nghe tiếng bọn sói đồng hoang tru hằng đêm chỉ thấy như mình đang cười thầm với tất cả những chuyện như vậy. Chẳng có mấy thứ khiến một người dân vùng biên đích thực khoái trá hơn là những hiểu biết thấu đáo về cuộc sống hoang dã của những người ở thế giới văn minh, những người chẳng biết gì ngoài việc dễ dàng tìm được đường đến siêu thị. Tôi nhận thấy thời khắc này đây của lịch sử cũng thú vị không khác gì việc Lewis và Clark trú đông ở cửa sông Columbia1. Với sự bền bỉ và quyết tâm, đoàn thám hiểm của họ dấn bước dọc suốt lục địa, và khám phá ra rằng giá trị không nằm ở việc chạm được đến bờ biển, mà nằm ở bản thân chuyến đi. Biên giới chính 1. Cuộc thám hiểm của Lewis và Clark (1804-1806), do Meriwether Lewis và William Clark dẫn đầu, là cuộc thám hiểm trên bộ đầu tiên của người Mỹ đến vùng duyên hải Thái Bình Dương và ngược lại, ND. Luật biên giới - 29 thức thời bấy giờ mới chỉ là sự hư cấu về mặt luật pháp, chủ yếu để giải quyết vấn đề về quyền sở hữu tài sản và chính sách trang trại, hơn là để đương đầu với thiên nhiên. Điều này vẫn đúng cho tới ngày nay. Biên giới đích thực, vốn hoang sơ, có thể được tìm thấy ngay ngoài cửa, nếu người ta thực sự muốn tìm kiếm. Dẫu có là đồng không mông quạnh thì biên giới vẫn là do luật pháp quy định. Ở miền Tây huyền thoại xưa kia, luật pháp có nghĩa là sức mạnh của nền văn minh thể hiện nơi một vùng đất hoang vu quạnh quẽ, và thường được thực thi bởi một nhân vật yêng hùng nào đó biết kiềm chế bản tính hoang dã trong con người của mình bằng vào sức mạnh của ý chí. Một gã đàn ông có quyền lựa chọn hoặc tuân thủ luật pháp hoặc không, nhưng hắn có thừa khả năng bị bắn gục nếu không tuân thủ. Nhưng cũng còn cả những lề luật của tự nhiên, những mối quan hệ luôn đúng đắn giữa các sự vật, bất luận có hay không có ai đứng đó để quan sát chúng. Mặt trời vẫn mọc vào mỗi sáng ra. Nhiệt luôn truyền từ vật nóng sang vật lạnh. Hươu nai luôn chạy bán sống bán chết khi phát hiện thấy bọn báo và sư tử. Chúng hoàn toàn trái ngược với những lề luật do người ta tưởng tượng ra, ở chỗ chúng bắt nguồn từ sự hoang dã và thể hiện bản chất của sự hoang dã thay vì là những phương tiện để ngăn chặn sự hoang dã. Thật vậy, người ta phần nào vẫn bị nhầm lẫn trong việc miêu tả những thứ gọi là lề luật hay định luật này, vì sự miêu tả ấy hàm ý một thứ đạo luật mà những sự vật tự nhiên ngang ngạnh không còn cách nào khác là buộc phải tuân theo. Điều đó không đúng. Đây chỉ là việc mã hóa những gì mà vạn vật trong tự nhiên vốn vẫn tuân theo mà thôi. Không hề có ngoại lệ, những định luật quan trọng mà chúng ta biết đều được tình cờ khám phá ra chứ không phải do suy luận 30 - ROBERT B. LAUGHLIN mà có được. Điều đó hoàn toàn tương thích với kinh nghiệm đời thường của mọi người. Thế giới đầy ắp những trình tự theo quy tắc do tư biện mà có và những mối quan hệ nhân quả có thể mang ra định lượng, vì chỉ như thế ta mới có khả năng tìm hiểu mọi sự việc và khai thác tự nhiên vì những mục đích của riêng mình. Nhưng việc khám phá những mối quan hệ đó thật vô cùng chán nản vì không thể nào đoán trước được chúng, và chắc chắn là các chuyên gia khoa học cũng không dự đoán nổi. Ngay cả khi vấn đề được cứu xét một cách thận trọng hơn và có tính định lượng hơn, thì cái cách nhìn theo lương năng thông thường này vẫn tiếp tục đứng vững. Hóa ra việc chúng ta làm chủ vũ trụ hầu như chỉ là một sự tự lừa phỉnh - chỉ là chuyện khoe mẽ. Luận cứ cho rằng tất cả các định luật quan trọng của tự nhiên đều đã được biết hết đơn thuần chỉ là một phần của sự lừa phỉnh đó. Với ta, biên giới vẫn còn kia, và vẫn còn hoang sơ lắm. Bằng hiện tượng đột sinh [emergence], ta có thể giải quyết được sự đụng độ về mặt logic giữa một bên là một biên giới mở và bên kia là một tập hợp các quy tắc chủ đạo. Đáng tiếc là thuật ngữ “đột sinh” đã được sử dụng ngày càng nhiều để chỉ vô số những thứ khác nhau, bao gồm cả những hiện tượng siêu nhiên không được chi phối bởi các định luật vật lý1. Tôi không dùng nó theo nghĩa ấy. Tôi dùng nó theo nghĩa là một nguyên lý vật lý về sự tổ chức. Các xã hội loài người rõ ràng là có những quy tắc tổ chức vượt trội lên hẳn cá nhân. Một công ty sản xuất ô tô, chẳng hạn, không thể giải tán nếu một trong số các kỹ sư của họ bị xe tải cán phải. Sau một cuộc bầu cử, chính quyền Nhật Bản cũng chẳng thay đổi là bao. Rồi thế giới vô 1. Trong triết học và khoa học, thuật ngữ “đột sinh” được định nghĩa là cách mà các hệ phức tạp và các mô hình của nó sinh ra từ nhiều mối tương tác khá đơn giản, ND. Luật biên giới - 31 tri vô giác cũng có những quy tắc tổ chức, và chúng cũng cắt nghĩa được nhiều điều quan trọng đối với chúng ta, bao gồm cả phần lớn những định luật vật lý cao cấp mà ta sử dụng trong đời sống hằng ngày của mình. Những chuyện cũ rích như tính liên kết của nước hay tính rắn của thép là những trường hợp đơn giản trong thực tế, nhưng còn vô vàn những cái khác nữa. Thiên nhiên chứa đầy ắp những cái có tính xác thực cao độ, tạo nên những phiên bản thô sơ của những bức họa theo trường phái ấn tượng. Một cánh đồng hoa do Renoir hoặc Monet lột tả khiến ta phải ngạc nhiên vì nó là một tổng thể hoàn chỉnh, trong khi những vết cọ lem luốc vẽ ra nó lại được tạo hình một cách ngẫu nhiên và không hoàn chỉnh. Sự thiếu hoàn chỉnh của những vệt bút lông riêng lẻ nói với ta rằng bản chất của bức họa là việc tổ chức bố cục của nó. Tương tự như vậy, việc một số kim loại có khả năng đẩy từ trường ra vào đúng mỗi khi chúng được làm lạnh tới những nhiệt độ siêu thấp cũng khiến ta phải ngạc nghiên, vì các nguyên tử đơn lẻ tạo ra những kim loại ấy lại không làm được điều đó. Vì những nguyên lý tổ chức - hay nói cho chính xác hơn là những hệ quả của chúng - có thể được xem là những định luật, cho nên bản thân chúng lại có thể tổ chức thành những định luật mới, rồi những định luật mới này lại tổ chức thành những định luật mới hơn nữa, và cứ vậy. Những định luật về chuyển động của electron đẻ ra những định luật về nhiệt động học và hóa học, rồi các định luật này lại đẻ ra các định luật về sự kết tinh, các định luật ấy lại đẻ ra các định luật về tính rắn và tính đàn hồi, để từ đó lại đẻ ra các luật về kỹ thuật. Vậy nên thế giới tự nhiên là một hệ thống thứ bậc trên dưới phụ thuộc lẫn nhau chẳng khác nào xã hội loài bọ chét của Jonathan Swift: 32 - ROBERT B. LAUGHLIN Thế là những nhà tự nhiên học quan sát thấy con bọ chét. Có những con bọ chét bé hơn đang xin ăn trên thân mình nó; Rồi bọn này còn có bọn bé hơn nữa đang cắn xé chúng, Và cứ vậy cho tới bất tận. Khuynh hướng tổ chức này mạnh tới mức rất khó phân biệt được một định luật cơ bản với một trong những định luật được dẫn xuất từ nó. Chẳng hạn như nếu ta cứ tạm coi rằng, cái duy nhất để biết được cách ứng xử của bọn mèo là không cơ bản, đó là vì chúng không biết ứng xử ra sao khi bị đẩy ra xa khỏi giới hạn hoạt động hợp lý của chúng. Tương tự, cách duy nhất để biết các nguyên tử không phải là cơ bản, đó là việc chúng vỡ ra khi bị va chạm ở vận tốc rất lớn. Nguyên lý này tiếp tục được tuân thủ xuống dần tới những thang độ nhỏ hơn rồi lại nhỏ hơn nữa: hạt nhân tạo nên nguyên tử vỡ ra khi chúng bị va chạm ở vận tốc lớn hơn, những phần được giải phóng ra từ những hạt nhân này lại tiếp tục bị vỡ ra ở những vận tốc còn lớn hơn nữa, và cứ thế. Như vậy là khuynh hướng của tự nhiên trong việc hình thành một xã hội có thứ bậc của các định luật vật lý có tầm vóc lớn hơn nhiều so với một cuộc tranh luận mang tính hàn lâm đơn thuần. Đó là lý do tại sao người ta có thể hiểu được thế giới. Nó khiến cho những định luật cơ bản nhất, bất kể chúng như thế nào, mất đi tính quan yếu và bảo vệ chúng ta khỏi bị chúng áp chế. Đó là lý do vì sao ta có thể sống mà không cần hiểu biết tường tận về những bí mật tối hậu của vũ trụ. Do đó, sự cáo chung của tri thức và việc đóng cửa biên giới mà nó tượng trưng hoàn toàn không hề là cái bóng lù lù của một cuộc khủng hoảng đang tới gần, mà chỉ đơn thuần là một trong nhiều cơn trăn trở trong lịch sử lâu dài của nền văn minh do ta đã quá ư ngạo mạn đó mà thôi. Cuối cùng, nó sẽ qua đi và rơi vào quên lãng. Luật biên giới - 33 Chúng ta nào phải là thế hệ đầu tiên phải phấn đấu vật vã để nắm hiểu được các định luật mang tính tổ chức của miền biên giới, tự dối mình rằng đã thành công, để rồi mang theo cả thất bại sang thế giới bên kia. Người khôn phải biết mình khó, giống như kẻ ngư phủ kia ở xứ Ai-len thầm biết rằng thuyền mình thì bé nhỏ mà biển cả thì mênh mông. Cái hoang dã mà hết thảy mỗi chúng ta đều cần để sống, để lớn mạnh và để tự biết mình là ai vẫn còn đó trường tồn và khỏe mạnh, và rồi những định luật huy hoàng lộng lẫy của nó vẫn đâu đó quanh quất bên ta. 34 - ROBERT B. LAUGHLIN Chương 2 Sống chung với sự không chắc chắn Nhanh thì tốt, nhưng chính xác mới là tất cả. Wyatt Earp Nhà di truyền học David Bostein bạn tôi thường bắt đầu các bài giảng của mình bằng việc giải thích rằng sống chung với sự bất định chính là bản chất của môn sinh học. Ông đặc biệt nhấn mạnh điều đó với thính giả là những nhà vật lý vì ông biết họ luôn gặp khó khăn với quan niệm này và sẽ lý giải sai rất nhiều những gì ông nói ra, trừ khi họ được cảnh báo trước. Ông chưa một lần tiết lộ mình nghĩ thế nào về họ với tôi, nhưng tình cờ tôi biết được rằng phần lớn các nhà sinh học xem sự ám ảnh của các nhà vật lý về tính chắc chắn và về sự chính xác là một nỗi ám ảnh quá ư trẻ con và là bằng chứng cho khả năng tư duy hạn chế của họ. Ngược lại, các nhà vật lý lại xem việc dung thứ cho tính bất định chỉ là một lời biện bạch cho những thí nghiệm hạng hai và là nguồn gốc tiềm tàng của những thông báo sai lầm. Những khác biệt mang tính văn hóa này có cội rễ từ sự phát triển lịch sử của hai ngành khoa học (vật lý và hóa học 35 tiến hóa sóng đôi cùng với ngành kỹ thuật, trong khi sinh học thì lại bắt nguồn từ nghề nông và nghề y), và chúng là tấm gương phản chiếu những khác biệt nói chung trong xã hội chúng ta về những cái gì là thật, là có ý nghĩa và cái gì là không. Nhưng chính vì những khác biệt ấy mà trong hiện tại sự giao lưu giữa các nhà vật lý và các nhà sinh học chẳng có mấy hữu ích. Một phiên bản của bài toán giao lưu này thỉnh thoảng cũng xuất hiện trong những cuộc trò chuyện giữa vợ chồng tôi, mà điển hình là về chuyện tiền nong. Cô ấy hay mở đầu câu chuyện bằng việc làm như tình cờ gợi ý về một số món hàng đắt kinh người mà cô không thể tự mình quyết định được. Tôi liền hỏi mấy câu mà theo tôi là đi vào bản chất của sự việc, ví dụ như chúng tôi sẽ phải trả bao nhiêu lãi, hoặc nó sẽ ảnh hưởng đến tổng thu nhập của chúng tôi ra sao. Cô ấy đáp rằng tôi thật quá đáng, lúc nào cũng muốn trắng ra trắng đen ra đen, chẳng bao giờ chịu thấy màu xám. Tôi phân trần là mình chỉ cố tìm cách giải quyết vấn đề thôi. Vợ tôi lại phản đối, bảo tôi cứ thích chẻ hoe sự việc. Màu sắc trên thế gian này hòa quyện lẫn lộn, cô ấy bảo, chứ có rạch ròi ra đâu mà lúc nào cũng chỉ muốn nhồi nhét mọi việc vào những phạm trù trong các ngăn hộp, chẳng thực tế tí nào. Tôi bảo chẳng có gì thực tế hơn là tránh ngồi tù và phá sản. Cuộc trao đổi tay đôi có màu sắc hiện sinh này dài ngắn thế nào còn tùy xem nó liên quan đến bao nhiêu tiền, nhưng cuối cùng thể nào rồi cũng đi đến chỗ mỗi người nhịn một tí. Tất nhiên, lý lẽ bọn tôi đưa ra chẳng phải về thế giới quan hay về thực tại gì to tát cả, mà cũng chỉ là vấn đề kiểm soát các nguồn thu nhập mà thôi. Trong gia đình thì tôi thường sắm vai nhà luân lý, nên đương nhiên là thua nhiều hơn được. Các nhà khoa học vật lý không ưa những lời tuyên bố chắc nịch 36 - ROBERT B. LAUGHLIN về cái gì là đúng và cái gì không đúng. Ta biết rằng các phép đo không bao giờ hoàn hảo và vì thế mà muốn biết xem một phép đo đã thành công như thế nào thì phải xem nó đúng sai đến mức nào. Đó là một thông lệ tốt, khiến mọi người lúc nào cũng phải trung thực và tránh được cho những báo cáo nghiên cứu khỏi rơi vào tình trạng của những câu chuyện khoác lác. Tuy nhiên, thái độ kiêu hãnh của chúng ta đã làm rối tung những thứ đáng lẽ dễ hiểu hơn nhiều: động lực thúc đẩy việc đo lường chính xác cũng lại chính là động lực khiến ta bắt tay vào tự khắc phục sai lầm. Sự quyến rũ thực sự không nằm ở những ý niệm cao siêu, mà là ở những cỗ máy sáng loáng, phức hợp, tua tủa dây điện và phím điều khiển, ở việc thức trắng đêm vận hành máy tính bên cạnh ly cà phê trên nền nhạc Rock-and-Roll xập xình phát ra từ giàn stereo. Đó là các ống tia X gớm ghiếc, những mỏ hàn bốc khói, những lò phản ứng hạt nhân có các lỗ cho neutron có thể thoát ra, những hóa chất cực kỳ độc hại và những biển chỉ dẫn hữu dụng với nội dung kiểu như: “Đừng nhìn nguồn laser với con mắt duy nhất còn lại của bạn”. Về cơ bản lại còn cả vấn đề chiến lược giải quyết bài toán nữa, một nét nhân cách khét tiếng liên quan đến giới tính và là nguồn gốc của tất cả những câu chuyện cười về các bà vợ không dò được bản đồ và những ông chồng không bao giờ chịu hỏi đường.1 Đó là lý do vì sao mà người ta lại đánh số các tòa nhà và các ngành học thay vì đề tên tại Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT). Việc đo đạc chính xác đơn giản chỉ là hành vi tự nhiên của những ai chẳng thấy có gì kỳ quặc trong việc sáng tạo ra tòa nhà số mười, tòa nhà số mười ba và khóa 1. Xu hướng đàn ông và đàn bà mỗi phái tìm đường đi theo lối khác nhau là một câu chuyện cười khá nổi tiếng giữa các cặp vợ chồng. Thậm chí còn có bằng chứng cho thấy sự cộng hưởng từ trường chức năng (functional magnetic resonance) có cơ sở sinh lý học. Xem G. Gron et al., Nature 3, 404 (2000). Sống chung với sự không chắc chắn - 37 học số tám. Tôi nghĩ rằng tất cả những việc đó là rất tốt cho bản thân mình, nhưng chẳng phải với ai cũng vậy. Một trong số những điều mà đám người làm công nghệ như chúng tôi lấy làm hài lòng khi phải quy phục sự bốc đồng ấy chính là việc thế giới của các ý nghĩa đã được bộc lộ ra thông qua những phép đo ngày càng chính xác. Ví dụ, với độ chính xác tới một phần một trăm nghìn, người ta phát hiện ra rằng chiều dài của viên gạch không giữ nguyên từ ngày này sang ngày khác. Việc kiểm tra các nhân tố môi trường cho thấy nguyên nhân là do nhiệt độ thay đổi đã khiến cho viên gạch giãn ra hoặc co vào chút đỉnh. Viên gạch đã trở thành một thứ nhiệt kế. Đây không hề là một quan sát ngớ ngẩn, vì sự giãn nở nhiệt là nguyên lý cơ bản của tất cả các nhiệt kế thông thường1. Việc đo khối lượng với độ chính xác tương tự lại không cho thấy những biến thiên như vậy - đó là một trong số rất nhiều quan sát dẫn đến khái niệm về tính bất khả vi phạm của khối lượng. Nhưng ở độ chính xác tới một phần một trăm triệu thì người ta lại thấy khối lượng viên gạch có khác đi chút đỉnh khi được chuyển từ phòng thí nghiệm này sang phòng thí nghiệm khác. Viên gạch giờ đây trở thành dụng cụ đo trọng lực, vì đây là một hiệu ứng về những biến thiên nhẹ của lực trọng trường được gây ra bởi sự khác nhau của mật độ đất đá ngay phía dưới bề mặt trái đất.2 Nếu dùng dây treo viên gạch lên trần nhà để biến nó thành một con lắc thì tần số dao động của nó cũng là một số đo của lực trọng trường. Sự ổn định tuyệt đỉnh của dao động đu đưa là nguyên lý cơ bản để 1. Dải lưỡng kim trong máy điều nhiệt dùng ở nhà chỉ là một trong số rất nhiều loại nhiệt kế. Xem J. F. Schooley, Thermometry (CRC Press, Boca Raton, FL, 1986) 2. Lực trọng trường được các nhà địa lý đo đạc một cách thường xuyên tới độ chính xác 1/100.000.000 với các thiết bị sử dụng là lò xo và quả cân thông thường. Xem W. Torge, Geodesy, 3rd edition (Walter de Gruyter, Berlin, 2001). 38 - ROBERT B. LAUGHLIN điều chỉnh quả lắc của các loại đồng hồ cơ.1 Nếu trần nhà cao, khối lượng con lắc lớn và khớp quay được gắn với một bộ tăng điện nhỏ để giữ cho con lắc khỏi chết, thì ta sẽ thấy mặt phẳng đu đưa của con lắc sẽ xoay tương ứng với độ quay của trái đất, còn tần số quay là số đo vĩ tuyến.2 Những người không làm trong ngành kỹ thuật kiên tâm chấp nhận kiểu quan sát đo đạc này, mặc dù đối với họ là vô cùng buồn tẻ, nhưng âu cũng là vì những công nghệ mới mẻ và hữu ích mà nó đẻ ra. Trái lại, các nhà khoa học tự nhiên có xu hướng nhìn vấn đề dưới góc độ đạo đức. Họ hướng cuộc sống của mình dựa trên giả thuyết cho rằng thế giới là chính xác và có trật tự, rằng sự thất bại đôi lúc của giả thuyết này trong việc tuân theo cách nhìn nói trên chỉ là một sự nhận thức sai lệch, do họ đã không đo đạc một cách chính xác hoặc chưa chịu suy nghĩ một cách thấu đáo về các kết quả mà thôi. Điều này đôi khi mang lại những hệ quả buồn vui lẫn lộn. Anh rể tôi, một luật sư chuyên về ly hôn bảo rằng mấy gã kỹ sư ở 1. Christiaan Huygens đã phát minh ra đồng hồ quả lắc vào năm 1656 và sử dụng con lắc Galileo để điều chỉnh các bộ máy đồng hồ hiện hành. Chiếc đồng hồ đầu tiên của ông có độ chính xác trong phạm vi 1 phút một ngày. Sau đó ông đã nâng nó lên 10 giây một ngày. Huygens cũng phát minh ra bộ phận bánh xe cân bằng và lò xo. Xem J. G. Yoder, Unraveling Time, Christiaan Huygens and the Mathematization of Nature (Cambridge U. Press, Cambridge, 2002). 2. Leon Foucault đã đo vòng quay của trái đất bằng cách đung đưa một quả cầu nặng bằng kim loại với một sợi dây dài 200 bộ (khoảng 60m), và ông đã nhận được huy chương Copley của hiệp hội hoàng gia vì những thành tựu đạt được vào năm 1855. Ông cũng làm việc với Fizeau về ánh sáng và nhiệt, sử dụng gương xoay để đo tốc độ ánh sáng trong các môi trường khác nhau, và cho thấy tốc tốc độ ánh sáng biến đổi tỉ lệ nghịch với chỉ số khúc xạ. Con lắc Foucault được miêu tả trong bất kỳ giáo trình cơ học cơ bản nào. Xem, Newtonian Mechanics (W. W. Norton, New York, 1971), A. P. French. Việc xây dựng một con lắc Foucault nghiệp dư được mô tả trong Scienctific American 198, 115 (1958), C. L. Stong. Tài liệu tham khảo gốc là M. L. Foucault, “Démonstration du Movement de Rotation de la Terre moyen du Pendule,” Comptes Rendus Acad. Sci. 32, 5 (1981). Xem thêm http://www.calacademy.org/products/pendulum.html. Sống chung với sự không chắc chắn - 39 Thung lũng Silicon là những khách hàng khó chịu nhất của anh, bọn họ chỉ chăm chăm muốn liệt kê tài sản gia đình, chia đều chúng ra, bắt tay chào tạm biệt và kết thúc câu chuyện. Anh đã phải rất mất công cắt nghĩa cho họ biết rằng không dễ như họ tưởng - rằng mọi người thường hay nói dối và hay chèo kéo trong những tình huống căng thẳng, rằng người ta đôi khi có thể đánh lừa chính bản thân mình, và rằng giá trị tài sản không phải là tuyệt đối nên còn phải đôi co nhiều, rằng sẽ còn bao nhiêu thứ nghĩa vụ rối rắm nữa, và v.v.... Điều đó không muốn nói rằng những quan điểm đơn giản hơn là sai lầm, mà chỉ muốn nói rằng không phải lúc nào chúng cũng thực tế. Trong ba thế kỷ vừa qua, sự lưu tâm mê mải tới những tiểu tiết đã dần dà cho thấy rằng một số các đại lượng vật lý không những chỉ được tái thể hiện một cách chính xác từ những thí nghiệm này đến những thí nghiệm khác, mà còn hoàn toàn mang tính phổ quát. Khó lòng mà cường điệu thêm việc điều đó đã gây ngạc nhiên và bối rối như thế nào. Sự chính xác và đáng tin cậy tuyệt đối của những đại lượng đó đã nâng vị thế của chúng từ việc chỉ đơn giản là thực kiện hữu ích lên thành một điều chắc chắn mang tính đạo lý. Nhiều người cảm thấy khó chịu khi phải nghĩ về những con số theo lối đạo lý, nhưng họ không nên nghĩ như vậy. Nếu tôi đâm phải một chú chó khi đang lái xe với tốc độ hơn sáu mươi cây số một giờ thì điều này mang ý nghĩa hoàn toàn khác với việc tôi đụng phải chú chó đó khi đang chạy với tốc độ chưa tới hai cây số một giờ. Những đại lượng này càng được đo đạc một cách cẩn thận bao nhiêu, thì người ta càng biết được những giá trị phổ quát của chúng một cách chính xác bấy nhiêu, ngay cả khi những giới hạn của tiềm năng về mặt kỹ thuật đã bị đẩy xa một cách ngoạn mục, một quá trình hôm nay vẫn đang tiếp diễn. Ý nghĩa sâu xa của những khám phá đó vẫn còn đang được mang ra tranh cãi, nhưng ai ai cũng nhất trí 40 - ROBERT B. LAUGHLIN với nhau rằng chúng rất quan trọng, vì những điều chắc chắn đến như vậy là không bình thường xét về bản tính và đòi hỏi phải có những lời giải thích. Vận tốc ánh sáng là một ví dụ quen thuộc về một đại lượng phổ quát như vậy. Vào cuối thế kỷ mười chín, người ta quan tâm ngày càng nhiều đến việc đo đạc chuyển động của trái đất trên quỹ đạo quanh mặt trời thông qua hiệu ứng của nó gây ra đối với tốc độ lan truyền của ánh sáng được nhìn thấy bởi một người quan sát trên mặt đất. Vào thời điểm đó, công việc này từng là một thách thức kỹ thuật dễ làm nản lòng người, vì nó đòi hỏi tốc độ ánh sáng phải được đo với độ chính xác lên đến một phần tỉ. Việc nó đã được thực hiện ra sao là cả một câu chuyện kỳ thú được kể đi kể lại nhiều lần trong những đêm lửa trại của sinh viên vật lý, nhưng với những mục đích trước mắt, ta hãy nói gọn là nó được tiến hành với một số gương phản chiếu.1 Vào năm 1891, người ta đã thấy rất rõ rằng tối thiểu hiệu ứng này nhỏ hơn 2 lần so với trường hợp tính dựa theo sự tương tự với âm thanh và tốc độ di chuyển của trái đất trên quỹ đạo của nó mà người ta đã biết. Vào năm 1897, phương pháp này đã được hoàn thiện và con số trên bây giờ là 40, một sự cách biệt khổng lồ đến mức không thể coi thường, xem nó như một thiếu sót hoặc như một sai số thí nghiệm có nguồn gốc con người. 1. Thí nghiệm được biết đến nhiều nhất trong những thí nghiệm đó là thí nghiệm giao thoa của Albert Michelson, thí nghiệm này sau đó được Michelson và Morley cải tiến, nhờ đó Michelson đã nhận được giải Nobel vào năm 1907. Xem Studied in Optics (Univ, of Chicago Press, Chicago, 1962) của A. A. Michelson. Một bài tổng quan tuyệt vời về những cải tiến sau này của thí nghiệm Michelson-Morley có thể tìm thấy trong bài báo Rev. Mod. Phys. 27, 167 (1955), R. Shankland et al. Tài liệu tham khảo gốc là A. A. Michelson, Am J. Sci. 22, 20 (1881) và A. A. Michelson và E. W. Morley, ibid. 34 (1887). Xem thêm E. Whittaker, A History of the Theories of Aether and Electricity: The Classical Theories (Nelson and Sons, London, 1951). Sống chung với sự không chắc chắn - 41 Sự thay đổi của vận tốc ánh sáng do chuyển động của trái đất đã không diễn ra như người ta mong đợi. Phát hiện này cuối cùng đã dẫn Albert Einstein đến kết luận rằng vận tốc ánh sáng là vận tốc cơ bản và khối lượng của các vật thể đang chuyển động cũng phải tăng khi tốc độ của chúng tăng lên. Sự tồn tại của các đại lượng phổ quát có thể chắc chắn đo đếm được là điều mang lại sự ổn định và an toàn cho khoa học vật lý. Chân lý căn bản này đôi khi cũng dễ bị lãng quên, vì những nền tảng của vật lý học đã tồn tại cùng với chúng ta từ quá lâu, đến mức rất nhiều trong số chúng đã trở nên cứng nhắc như rập khuôn. Nhưng dù người ta có cảm nhận như thế nào chăng nữa về thông điệp mà chúng đưa ra thì những triết gia hậu hiện đại vẫn đã hiểu một cách đúng đắn và đầy tuệ kiến rằng các lý thuyết khoa học bao giờ cũng mang trong mình một yếu tố cấu thành mang tính chủ quan được xem như vừa là một sự sáng tạo của thời đại vừa là một sự mã hóa của thực tại khách quan.1 Câu châm ngôn chua cay nổi tiếng của Otto von Bismarck, “Pháp luật2 không khác gì mấy cái xúc xích - tốt nhất là đừng có xem khi chúng đang được làm”, đem áp dụng cho các lý thuyết khoa học theo như kinh nghiệm của bản thân tôi xem ra còn hay hơn nhiều. Giống như trong mọi hoạt động khác của con 1. Có rất nhiều tài liệu về triết học khoa học hậu hiện đại (postmodern science). Công trình được trích dẫn nhiều nhất có thể là J.-F. Lyotard, The Postmodern Condition: A Report on Knowledge (U. of Minnesota Pres, Minneapolis, 1984). Xem thêm H. Lefebvre, Introduction to Modernity: Twelve Preludes (Verso, London, 1995); và M. Foucault, The order of Things: An Archaeology of the Human Sciences (Random House, New York, 1994). Cũng có nhiều tài liệu viết về chủ nghĩa phản-hậu hiện đại. Ví dụ xem tài liệu N. Koertse, A House Built on Sand: Exposing Postmodernist Myths about Science (Oxford U. Press, Oxford, 1998); và sự giải thích về trò đùa Sokal trong A. D. Sokal và J. Bricmont, Fashionable Nonsense: Postmodern Intellectuals’ Abuse of Science (St. Martin’s Press, New York, 1998). 2. Trong tiếng Anh laws còn được hiểu là các định luật, ND. 42 - ROBERT B. LAUGHLIN người, trong khoa học lúc này lúc kia cũng cần phải kiểm điểm và đánh giá lại xem những gì mọi người đã hiểu được một cách thấu đáo và những gì chưa. Trong vật lý học, việc đánh giá lại gần như luôn được quy giản thành những số đo chính xác. Trong thâm tâm sâu thẳm của mỗi nhà khoa học tự nhiên đều có một niềm tin cho rằng sự chuẩn xác của việc đo đạc là những phương tiện dự phòng an toàn duy nhất dùng để phân biệt rạch ròi những gì là đúng đắn với những cái mà người ta tưởng tượng ra, và thậm chí còn dùng để xác định xem thế nào gọi là đúng. Còn theo lối suy nghĩ hậu hiện đại thì chẳng cần phải trăn trở về một con số phổ quát nào đó được đo đạc chính xác đến một phần tỉ mà làm gì. Mỗi khi tiệc tùng với nhau để nói chuyện phiếm về những điều mình quan tâm thì một trong những chủ đề ưa thích của các nhà vật lý là bài giảng nổi tiếng về chủ đề “giả khoa học”1 của Irving Langmuir, người phát minh ra bóng đèn điện dùng dây tóc vônfram hiện đại. Bài giảng gồm toàn các mẩu chuyện lịch sử lý thú về những sự giả mạo và bịp bợm trong khoa học, nhưng tầm quan trọng lớn lao của nó nằm ở cái thông điệp chính yếu sau đây: trong vật lý học, những tri giác đúng khác với những tri giác sai ở chỗ chúng sẽ trở nên sáng rõ hơn khi độ chính xác thực nghiệm được cải thiện. Ý niệm giản đơn đó bao hàm được cái cốt lõi trong cách suy nghĩ của các nhà vật lý và cắt nghĩa được tại sao họ luôn bị toán học và những con số ám ảnh: thông qua sự chính xác, cái sai lầm và giả dối mới được vạch trần. 1. Bài giảng “Pathological Science” của Irving Langmuir được giảng ở Phòng nghiên cứu Knolls vào ngày 18 tháng 12 năm 1953. Bản sao của bài giảng này có thể tìm thấy tại R. L. Park, Voodoo Science (Oxford U. Press, London, 2000). Cũng có thể xem tại đây http:// www.cs.princeton.edu/~ken/Langmuir/langmuir.html. Sống chung với sự không chắc chắn - 43 Một hệ quả khó thấy nhưng không thể tránh khỏi của cách nhìn đó là sự đan quyện bền chặt giữa chân lý và kỹ thuật đo đạc. Nói một cách chính xác thì việc những gì bạn đo, việc máy móc hoạt động ra sao, việc người ta tính sai số đến số thập phân thứ bao nhiêu, việc những nhân tố không kiểm soát được nào quy định khả năng tái thực hiện phép đo, và vân vân, rốt cuộc lại còn quan trọng hơn cả quan niệm được lấy làm cơ sở. Nói rằng không tránh khỏi được các đại lượng phổ quát là chỉ nói theo kiểu phổ biến vậy thôi chứ nói riêng với nhau thì việc coi cái gì đó là phổ quát xem ra chẳng chuyên nghiệp hơn chút nào so với việc khẳng định rằng chơi chứng khoán thì ta sẽ kiếm được bao nhiêu tiền. Bạn phải thực sự làm thí nghiệm. Thói quen làm việc như vậy xem ra có vẻ như một kiểu mô phạm tồi tệ nhất, nhưng đó mới thực sự theo đúng với lương năng thông thường. Đã bao lần, những cái mọi người nghĩ là phổ quát hóa ra lại không phải, còn những cái ai ai cũng cho là biến thiên thì thực sự lại không. Vì vậy mỗi khi nói về những đại lượng phổ quát thì thực ra là ta đang nói về những thí nghiệm để đo chúng. Do đó, một số rất lác đác những thí nghiệm có độ chính xác cực kỳ cao, đối với vật lý, lại có một ý nghĩa hết sức to lớn vượt quá cả tầm vóc của chính chúng. Có khoảng từ mười tới hai mươi thí nghiệm đặc biệt kiểu như vậy, phụ thuộc vào cách mà người ta đánh giá, và chúng đều đáng được khâm phục1. Ngoài các chuyên gia thì đa phần những thí nghiệm đặc biệt này không mấy ai biết đến. Chẳng hạn, tốc độ ánh sáng trong chân không hiện nay đã được biết chính xác với sai số là một phần mười nghìn tỉ. Rồi còn cả hằng số Rydberg, là con số mô tả sự lượng tử hóa các bước sóng 1. P. J. Morh và B. N. Taylor, J. Phys. Chem. Ref. Data 28, 1713 (1999); Rev. Mod. Phys. 72, 351 (2000); http://physics.nist.gov/constants. 44 - ROBERT B. LAUGHLIN ánh sáng được phát ra từ khí nguyên tử loãng và là cái đảm trách cho độ tin cậy đến kinh ngạc của các loại đồng hồ nguyên tử; hằng số này được biết một cách chính xác với sai số là một phần một trăm nghìn tỉ. Hằng số Josephson lại là một ví dụ khác nữa, đó hằng số liên hệ hiệu điện thế được đem áp dụng cho một dạng bánh kẹp kim loại nhất định, với tần số sóng vô tuyến mà nó phát ra; hằng số này được biết chính xác đến một phần một trăm triệu. Lại còn cả trở kháng von Klitzing, con số liên hệ dòng điện phải chạy qua một chất bán dẫn được thiết kế đặc biệt với hiệu điện thế được cảm ứng theo các góc vuông bởi một thanh nam châm; con số này có độ chính xác tới một phần mười tỉ. Điều nghịch lý ở đây là, sự tồn tại của những thí nghiệm có khả năng lặp lại cao như vậy khiến ta phải nghĩ xem đâu là cái cơ bản theo hai cách nghĩ không tương hợp với nhau. Cách nghĩ thứ nhất cho rằng sự chính xác bộc lộ điều gì đó về những viên gạch cơ bản nhất được dùng để xây nên cái thế giới phức tạp và không mấy chắc chắn này của chúng ta. Do đó ta nói tốc độ ánh sáng là một hằng số vì nó vốn thế, và vì ánh sáng không được cấu tạo từ bất kỳ cái gì đơn giản hơn. Quá trình tư duy kiểu này dẫn ta tới chỗ diễn dịch những thí nghiệm có độ chính xác cao nói trên thành ra một nhúm các hằng số gọi là “cơ bản”. Cách nghĩ kia thì cho rằng sự chính xác là một hiệu ứng tập thể có được nhờ ở một nguyên lý tổ chức. Một ví dụ về cách nghĩ này là mối liên hệ giữa áp suất, thể tích và nhiệt độ của một chất khí, chẳng hạn như không khí. Con số phổ quát đặc trưng cho định luật về khí loãng được biết với độ chính xác đến một phần triệu, nhưng lại có những sai số khổng lồ đối với các mẫu khí quá nhỏ bé, và không còn đo được ở mức chỉ gồm vài nguyên tử. Nguyên nhân của sự nhạy cảm đối với kích thước này là tính chất thống kê của nhiệt độ, cũng giống việc phải dựa trên một Sống chung với sự không chắc chắn - 45 phép thống kê lớn các trường hợp thì mới định đoạt được nhu cầu về nhà đất của thị trường. Không có cách nào để dung hòa được hai ý niệm này; chúng hoàn toàn đối ngược nhau. Tuy nhiên, ta vẫn dùng từ cơ bản để mô tả cả hai. Tất nhiên tình trạng khó xử nêu trên có tính giả tạo. Duy chỉ có ý niệm về tính tập thể là đúng mà thôi. Điều đó không hiển nhiên, và thậm chí còn có thể bị một số nhà vật lý phản đối dữ dội, nhưng nó trở nên sáng tỏ sau khi người ta suy nghĩ một cách có phê phán về bản thân các thí nghiệm và việc chúng được tiến hành như thế nào. Sự chính xác mang tính tập thể có vẻ như một khái niệm khó nhằn đối với những ai không phải là nhà khoa học, nhưng thực ra không phải như vậy. Trong cuộc sống hằng ngày có rất nhiều ví dụ quen thuộc để minh họa cho khái niệm này - chẳng hạn như việc đi lại bằng xe cộ. Mặt trời mọc vào buổi sáng, một chân lý đáng tin cậy có liên quan đến sự chuyển động từ thuở nguyên sơ của trái đất, nhiệt lượng khổng lồ của mặt trời, và nhiều thứ nữa. Nhưng lại cũng còn một loại chân lý khác không kém phần quan trọng, đó là việc các tuyến đường cao tốc và các chuyến tàu hỏa luôn chật ních người đi lại vào một số giờ nhất định trong ngày, và hơn thế nữa, người ta có thể dự đoán trước số lượng người tham gia giao thông theo từng giờ. Chắc chắn có thể hình dung được rằng tất cả những người đi lại bằng tàu xe đều bị đau dạ dày vào cùng một ngày và đều nghỉ ở nhà, nhưng điều đó khó xảy ra tới mức có thể coi trên thực tế tuyệt đối không bao giờ có. Tình trạng xe cộ là một hiện tượng đơn giản, đáng tin cậy, đột sinh từ những quyết định phức hợp do một số lượng lớn các cá nhân đưa ra khi họ bắt đầu một ngày làm việc của mình. Chẳng cần biết người này kẻ kia điểm tâm như thế nào, họ làm việc ở đâu, có bao nhiêu con cái và tên chúng là gì, 46 - ROBERT B. LAUGHLIN v.v..., thì cũng vẫn hiểu được điều gì đang xảy ra ngoài kia vào lúc 8 giờ 15 phút sáng. Số lượng người đi lại bằng tàu xe cũng không khác gì hành trạng của khối khí loãng, là một sự chính xác có tính tập thể. Liệu điều này có đáng tin cậy giống như mặt trời mọc hay không thì rốt cuộc phải được thực nghiệm xác định rõ ràng mới biết, nhưng kinh nghiệm tàu xe của riêng tôi mách bảo với tôi rằng nó là một sự thực đáng tin cậy. Một ví dụ hay về hiệu ứng tập thể nấp dưới mặt nạ một hiệu ứng quy giản luận chính là sự lượng tử hóa của phổ nguyên tử. Ánh sáng được phát ra từ khí nguyên tử loãng với một số bước sóng đặc biệt có cường độ mạnh đủ sức giữ được độ ổn định trước những tác động bên ngoài tới mức người ta đã sử dụng chúng để chế tạo đồng hồ với độ chính xác tới một phần một trăm nghìn tỉ. Nhưng những bước sóng này, thực ra, có một độ dịch chuyển có thể phát hiện được khoảng một phần mười triệu - lớn hơn mười triệu lần so với sai số thời gian của đồng hồ - điều không thể hiện diện trong một thế giới lý tưởng không chứa gì khác ngoài nguyên tử đó1. Những tính toán khó khăn nhưng được kiểm soát chặt chẽ cho thấy sự dịch chuyển này là một hiệu ứng điện của chân không, không khác mấy so với những gì mà một electron gặp phải khi chuyển động bên trong một mẩu dây kim loại hoặc con chip máy tính. Nói cách khác, chân không có vẻ bề ngoài là trống rỗng nhưng thực sự không rỗng chút nào, mà lại còn chứa đầy “chất liệu”. Chuyển động giao cảm của chân không khi vật chất đi qua gần nó khiến những tính chất của vật chất thay đổi chút ít, cũng tựa như chuyển động 1. Có rất nhiều tài liệu về những hiệu ứng này, được xem như thuộc lĩnh vực điện động lực học. Hiệu ứng nổi tiếng nhất trong số đó là sự dịch chuyển Lamb. Xem W. E. Lamb và R. C. Retherford, Phys. Rev. 79, 549 (1950). Ibid. 81, 222 (1951). Sống chung với sự không chắc chắn - 47 giao cảm của các electron và các nguyên tử trong một mẩu kính cửa sổ đã làm thay đổi tính chất của ánh sáng khi nó đi xuyên qua, khiến nó bị khúc xạ. Do đó, khả năng tái lặp cực kỳ cao và tính đáng tin cậy của các thí nghiệm liên quan đến nguyên tử này phụ thuộc mạnh vào tính đồng đều của “chất liệu” đó, mà nguyên nhân của việc này thì vẫn chưa ai biết. Tìm ra một lời giải thích hợp lý cho sự đồng đều đó là một trong những bài toán trung tâm của vật lý học hiện đại và là mục tiêu quan trọng bậc nhất của các vũ trụ học lạm phát - tức những lý thuyết về vũ trụ đột sinh một cách cố hữu1. Vì vậy sự bất biến của các phổ nguyên tử thậm chí thực sự có nguồn gốc tập thể chăng nữa thì hiện tượng tập thể trong trường hợp này chính là bản thân vũ trụ. Một trường hợp gần gũi và gây tranh cãi hơn nhiều của thuyết tập thể là việc xác định điện tích của electron và xác định hằng số Planck bằng những phép đo vĩ mô. Điện tích của electron là đơn vị không thể chia nhỏ về mặt điện. Hằng số Planck là mối liên hệ phổ quát giữa xung lượng và độ dài, những đại lượng đặc trưng cho bản tính sóng của vật chất. Cả hai đều là những khái niệm mang tính quy giản luận cao và xưa nay đều được xác định bằng cách sử dụng những máy móc cồng kềnh dùng để đo những đặc tính của những electron đơn lẻ bị tách khỏi các nguyên tử. Nhưng việc xác định chúng một cách chính xác nhất hóa ra lại không hề phải viện đến những thứ máy móc đó mà đơn giản chỉ cần đến sự kết hợp giữa hằng số Josephson và hằng số von Klitzing, những phép đo không đòi hỏi máy móc gì phức tạp hơn là một máy làm đông 1. A. H. Guth và A. P. Lightman, The Inflationary Universe (Perseus Publishing, Cambridge, Massachusetts, 1998). 48 - ROBERT B. LAUGHLIN lạnh và một chiếc vôn kế để đo điện thế1. Khi khám phá ra điều này người ta đã hết sức ngạc nhiên vì những mẫu được sử dụng trong các phép đo của Josephson và von Klitzing là những mẫu rất không hoàn hảo. Những tạp chất hóa học, những nguyên tử nằm sai vị trí, những cấu trúc nguyên tử phức hợp kiểu như các mặt cắt gồ ghề và những hình thái bề mặt lộn xộn, tất cả những cái đó nhiều tới mức có thể ảnh hưởng lớn đến các phép đo đòi hỏi phải có một độ chính xác cao như vậy. Việc chúng không ảnh hưởng gì đến độ chính xác của phép đo chứng tỏ rằng những nguyên lý tổ chức đầy uy lực vẫn đang tác động. Một trong những lý do khiến các nhà vật lý hiếm khi nói về bản tính tập thể của các phép đo đối với những hằng số cơ bản đó là vì nó mang nhiều ngụ ý sâu xa có thể gây tranh cãi. Một khi mà tri thức của ta về giới tự nhiên vẫn bó gọn vào sự chính xác của thực nghiệm, thì việc ta buộc phải liên tưởng chân lý tối hậu với những phép đo xác thực nhất là điều hợp logic. Nhưng điều này lại có vẻ như ngụ ý rằng hiệu ứng tập thể biết đâu có thể chân xác hơn so với những quy tắc vi mô mà từ đó chúng được suy ra. Nhiệt độ là một đại lượng điển hình chưa bao giờ có được một định nghĩa mang tính quy giản, cho nên trong trường hợp này thì kết luận trên là khá dễ hiểu và chấp nhận được. Tất cả các nhà khoa học tự nhiên đều hiểu rằng xu hướng truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh là một xu hướng chung và không thể bị ảnh hưởng dù cho người ta có thay đổi một cách triệt để những khía cạnh vi mô - chẳng hạn như nhân đôi khối lượng của tất cả các nguyên tử trong vũ trụ - chừng nào mà kích thước hệ không bị thu nhỏ đi. Nhưng điện tích của 1. Hằng số Josephson và von Klitzing là KJ = 2e/h, và RK = h/e2, trong đó e là điện tích của electron và h là hằng số Planck. Sống chung với sự không chắc chắn - 49 electron lại là chuyện khác. Ta quen nghĩ rằng điện tích này là viên gạch nền tảng của tự nhiên và để nó có nghĩa thì không cần phải viện đến một bối cảnh tập thể nào. Nhưng những thí nghiệm mà ta vừa đề cập lại bác bỏ ý tưởng này một cách hiển nhiên. Những thí nghiệm này cho thấy rằng điện tích của electron chỉ có nghĩa trong một bối cảnh tập thể, một bối cảnh bị quy định hoặc bởi không gian trống rỗng, cái có thể làm thay đổi chút ít điện tích giống như cách nó làm thay đổi bước sóng của các nguyên tử, hoặc bởi một thứ vật chất nào đó vốn chiếm dụng trước các hiệu ứng của chân không. Hơn thế nữa, khả năng chiếm dụng trước của vật chất ở đây lại đòi hỏi cũng phải có sự tác động của những nguyên lý tổ chức giống hệt như những nguyên lý tổ chức trong chân không, vì nếu không như vậy thì các hiệu ứng này sẽ phải là những phép mầu. Hóa ra, câu hỏi hóc búa về điện tích của electron không phải là câu hỏi duy nhất. Tất cả các hằng số cơ bản đều đòi hỏi một bối cảnh để trở nên có nghĩa. Với tư cách một vấn đề thực tiễn thì không hề có sự khác biệt giữa các đại lượng mang tính quy giản và các đại lượng mang tính đột sinh trong vật lý. Nó đơn giản chỉ là một phát minh mang đầy chất nghệ thuật của con người, chẳng hơn gì việc đôi khi ta vẫn gán giới tính cho những thứ đồ vô tri vô giác. Ý tưởng về sự đột sinh của tính chắc chắn thông qua tổ chức đã ngấm sâu vào văn hóa của ngành sinh học hiện đại, và là một trong những lý do mà các bạn bè của tôi trong các ngành khoa học về sự sống đã cực kỳ hăm hở tuyên bố rằng họ hoàn toàn dung nạp tính bất định. Việc này cho thấy họ đã đi trước một bước. Qua những nhận định như vậy, cái thực sự mà họ muốn nói đó là, sự bất định trong thế giới vi mô không có gì quan trọng cả, vì đằng nào rồi sau đó tổ chức sẽ tạo ra cho nó tính chắc chắn ở một cấp độ cao hơn. Tất nhiên là còn một lý do khác nữa, đó là việc họ muốn gợi ý về 50 - ROBERT B. LAUGHLIN tài chính, một chiến lược được vợ tôi sử dụng trong những lúc thảo luận với nhau về vấn đề mua sắm. Trong cả hai trường hợp, ta không nên nhìn nhận sự dung nạp đó thông qua giá trị bề ngoài của nó. Nếu tính bất định thực sự là bản chất của môn sinh học, thì nó đâu còn là một môn khoa học nữa. Đối với vật lý học thì ngược lại, sự bất đồng tư tưởng sâu sắc về nguồn gốc của sự bất định và về ý nghĩa của nó vẫn còn chưa được giải quyết. Thay vào đó, ta thỏa thuận với nhau là không bàn về nó nữa. Sự thỏa hiệp này làm ta nhớ tới nhận định bất hủ của Đặng Tiểu Bình rằng mèo trắng hay mèo đen không quan trọng, miễn là bắt được chuột1. Không có gì lạ khi một người theo quy giản luận bác bỏ bằng chứng về bản chất cơ bản của các nguyên lý tập thể dựa trên những quan điểm cho rằng thực tế là có cách suy luận xuất phát từ thế giới vi mô để giải thích khả năng lặp lại của các thí nghiệm này. Điều này không đúng. Chẳng hạn, cách giải thích vi mô về nhiệt độ đã phải thông qua một bước suy diễn logic gọi là định đề về xác suất đồng đều mang tính tiên nghiệm - một dạng định luật Murphy về nguyên tử; đây là một định đề không thể suy diễn được và là một phát biểu ghi nhận ngắn gọn về nguyên lý tổ chức được coi là cơ sở của bộ môn nhiệt động học2. Những lời giải 1. Dưới ánh sáng của các sự kiện lịch sử, tài liệu về Đặng Tiểu Bình có rất nhiều và phức tạp. Xem M. J. Meisner, The Deng Xiaoping Era: An Inquyry into the Fate of Chinese Socialism, 1978-1994 (Hill and Wang, New York, 1996). 2. Định luật Murphy đại ý nói rằng nếu bất cứ cái gì có thể sai thì rồi sẽ có lúc nó sai. Theo Văn phòng trung tâm lịch sử kiểm tra các chuyến bay của không lực Hoa Kỳ (U.S Air Force Flight Test Center History Office), định luật Murphy được sinh ra tại căn cứ không quân Edwards vào năm 1949. Định luật này được lấy tên của Cơ trưởng Edward A. Murphy, một kỹ sư làm việc trong một dự án nhằm xác định người ta có thể chịu được sự giảm tốc đột ngột tới bao nhiêu trong các vụ đâm nhau. Xem A. Bloch, Murphy’s Law and Other Reasons Why Things Go Wrong (Price Stern Sloan Pub., Los Angeles, 1977); và http:// www.edwards.af.mil/history/docs_html/tidbits/murphy’s_law.html. Sống chung với sự không chắc chắn - 51 thích có vẻ như mang tính suy luận về các hiệu ứng Josephson và von Klitzing luôn có những bước suy diễn “hiển nhiên về mặt trực giác” trong đó những nguyên lý tổ chức quan yếu được giả định là đúng. Tất nhiên, vì chúng quả thực là đúng, nên suy luận như vậy cũng là đúng, nhưng không nhất thiết là theo cách mà người suy luận mong muốn. Để tuân theo đúng giáo hóa của quy giản luận, các lý thuyết gia luôn gán cho những hiệu ứng đó những tên gọi khác thường, nhưng tra xét kỹ lưỡng thì chúng chẳng qua cũng chỉ là những cách dùng từ khác nhau để chỉ chính bản thân những thí nghiệm mà thôi. Trong cả hai trường hợp thì chẳng có trường hợp nào mà độ chính xác rất cao của phép đo lại được tiên đoán về mặt lý thuyết cả. Giống như những cái khác nữa mà người ta không nói tới, lối suy nghĩ không rành mạch về việc đâu là cái cơ bản là lối suy nghĩ có thể quay lại ám ảnh chúng ta sau này. Hiệu ứng ma quái nhất của nó là dẫn lối đưa đường ta lạc sâu vào hoang mạc bằng cách xui khiến ta tìm kiếm những thang cứ nhỏ mãi nhỏ mãi mà chẳng bao giờ thấy được ý nghĩa. Tôi bị vướng rất nhiều với bài toán này - hẳn cũng vì những nguyên do có tính văn hóa nữa. Ở cái nơi khô cằn của thế giới mà tôi trưởng thành, chúng tôi nhìn hoang mạc một cách nghiêm túc. Một trong những cụ tổ của tôi đến California qua ngả Santa Fe Trail khi còn là một thanh niên đã ghi vào nhật ký những sự việc ông trải qua trong suốt cuộc hành trình1. Theo những gì được ghi trong cuốn nhật ký đó, ông và bầu đoàn của mình đã suýt chết đâu đó ở bang New Mexico. Họ kéo vào một thị trấn để lấy đồ tiếp tế 1. Santa Fe Trail là tuyến đường ở cuối thế kỷ 19 từ Tây Nam Mỹ tới Missouri và Santa Fe, New Mexico, ND. 52 - ROBERT B. LAUGHLIN và nước uống rồi hỏi cách vượt qua hoang mạc. Dựa vào chỉ dẫn, họ ra đi và sau hai ngày thì tới được giếng nước đầu tiên nhưng nó đã cạn khô. Sau đó họ đi thêm hai ngày nữa để tới được giếng nước thứ hai cũng cạn khô. Lại thêm hai ngày đường nữa để lại gặp được một giếng cạn. Lúc đó, mọi người mới chợt hiểu rằng những kẻ trong thị trấn định hại chết họ; thế là mọi người tổ chức một buổi họp bàn và quyết định một phương án liều lĩnh. Cánh đàn ông tháo ngựa ra khỏi xe, để phụ nữ và trẻ em ở lại hoang mạc với tất cả lương thực, cưỡi ngựa quay trở lại thị trấn, bắn phá tan tành rồi mang nước uống quay trở lại. Câu chuyện kết thúc hiển nhiên là có hậu, vì thế tôi mới đang có mặt ở đây. Bất chấp bằng chứng cho thấy rằng thậm chí các nhà vật lý, bề ngoài có vẻ là những nhà khoa học logic nhất, có thể rút ra những kết luận không có giá trị hiệu lực từ những phép đo chính xác, sự chính xác và tính chắc chắn vẫn sẽ tiếp tục là những giá trị khoa học mà ta không thể sống thiếu chúng, vì việc cố gắng đạt được sự chắc chắn trong phép đo và việc diễn giải nó là cơ chế duy nhất dễ nắm bắt mà chúng ta có được hòng làm sáng tỏ những nguyên lý tổ chức đang chi phối vũ trụ. Tri thức chuyên môn cũng nhạy cảm với sự thất thường của đời sống chính trị không khác gì những loại tri thức khác, và là chỗ bám víu duy nhất về tính chắc chắn mà khoa học có được để giữ vững quyền lực và vị thế đặc biệt của mình. Nỗ lực đạt đến sự chắc chắn không phải là thứ nỗ lực đã lỗi mốt của một thời xưa cũ được các nhà vật lý bảo thủ kiểu dân Luddite quảng bá, mà là cốt lõi đạo lý của khoa học. Nó giống như một thứ tôn giáo cổ xưa - đôi khi gây chán chường và mệt mỏi nhưng không bao giờ không quan yếu. Tất cả chúng ta, và có thể thậm chí tất cả các chúng sinh trên đời này, đều sử dụng những thứ đặc biệt đáng tin cậy mà Sống chung với sự không chắc chắn - 53 tự nhiên đã chọn giao cho ta với tư cách những ngọn đèn chỉ lối để bươn chải trong một thế giới thực sự vô cùng bấp bênh. Giống như nhiều góc cạnh khác của đời sống, một trong những điều tồi tệ nhất mà một con người có thể làm là khiến cho hệ thống bị suy yếu bằng việc ngộ nhận một sai lầm và coi đó là chân lý. Hậu quả là hệ thống không còn hoạt động được ở vào thời điểm mấu chốt mà người ta cần nó nhất, khiến người ta bị mất phương hướng. 54 - ROBERT B. LAUGHLIN Chương 3 Đỉnh Newton Những định luật của Newton là chính quyền vô hình đang cai quản trái đất. Alfred A.Montapert Năm 1687, Issac Newton đã thay đổi lịch sử bằng cách cho cất giữ chiếc hòm khoa học chứa đựng định luật vật lý phổ quát1 vào trong cuốn Những Nguyên Lý [Principia] của mình. Tính quy luật của giới tự nhiên đã được thấu hiểu từ những thời đại xa xưa, và những gương mặt của thời Phục Hưng như Galileo, Kepler và Tycho Brahe đã gọt giũa và lượng hóa khối tri thức này một cách cẩn trọng thông qua phép quan sát thực nghiệm. Nhưng Newton đã vượt lên trên cả việc quan sát tính quy luật để nhận diện được những mối liên hệ toán học vốn đơn giản, lúc nào cũng áp dụng được và cùng lúc 1. Tác phẩm Philosophiae Naturalis Principia Mathematica của Newton được tái bản thường xuyên. Ví dụ xem I. Newton, bản dịch của I.B. Cohen và A. Witman, The Principia: The Mathematical Principles of Natural Philosophy (U. of California Press, Berkeley, CA, 1999). Cũng có nhiều cuốn tiểu sử về Newton và các tuyển tập về những công trình của ông đã được xuất bản. Xem R.S. Westfal, The Life of Isaac Newton (Cambridge U. Press, Cambridge, 1994); và B.I. Cohen, Newton: Text Backgrounds Commentaries (W.W. Norton, New York, 1996). 55 cắt nghĩa được những hành trạng nhìn bên ngoài có vẻ như không liên quan gì đến nhau. Những định luật chuyển động của Newton hóa ra lại được tín nhiệm đến mức cái gì tỏ ra không tương thích với chúng sớm muộn cũng trở thành một chỉ báo đáng tin cậy cho thấy sự sai lệch của quan sát. Những định luật này có những ứng dụng quan trọng trong kỹ nghệ, trong hóa học, trong thương mại và rốt cuộc trở thành nền tảng logic cho toàn bộ thế giới công nghệ của chúng ta. Không có gì đáng ngạc nhiên khi lời điếu ca bất hủ của Alexander Pope vẫn còn khiến mọi người nhỏ lệ: Tạo hóa và các luật của Tạo hóa đang ẩn mình trong đêm trường. Chúa bèn phán: Hãy cho Newton ra đời! Và vạn vật bừng sáng. Ảnh hưởng to lớn của thuyết Newton không đến từ lời kiến giải đẹp đẽ của ông về quỹ đạo của các hành tinh và về thủy triều, mà chính là từ việc sử dụng những cái đó để chứng minh cho tính có giá trị hiệu lực của sự đều đặn và chính xác như một chiếc đồng hồ của vũ trụ - chứng minh ý niệm cho rằng vạn vật của ngày mai, ngày kia, và ngày kìa được hoàn toàn xác định bởi vạn vật của ngay thời khắc này thông qua một tập hợp các quy tắc đơn giản, và khỏi cần thông qua gì nữa hết1. Sự ăn khớp tuyệt vời về mặt lượng tính giữa những tính toán của Newton và những quan sát thực nghiệm được tiến hành với các hành tinh khiến người ta phải tuyệt đối tin rằng những quy tắc của ông là chính xác đối với các thiên cầu và điều bí ẩn của bầu trời đã có lời giải đáp. Tính đơn giản của những quy tắc 1. Thuật ngữ vũ trụ tuần hoàn ngày nay ở một mức độ nào đó mang ý nghĩa không tốt. Xem S. J. Goerner, After the Clockwork Universe (Floris, Edinburgh, 1999). 56 - ROBERT B. LAUGHLIN Biết bao năng lượng sáng tạo đã được bỏ ra để trắc nghiệm và khai thác những định luật của Newton. này, sự hợp lý của chúng, và sự tương thích của chúng với những quan sát trên mặt đất từng được Galileo tiến hành, tất cả những cái đó đã khiến người ta nghĩ rằng chúng sẽ còn được áp dụng một cách phổ quát hơn rất nhiều – rằng chúng là chiếc máy đồng hồ. Điều này đã được xác nhận bởi những quan sát tiếp theo sau này. Trong suốt bốn thế kỷ với những thí nghiệm kỹ lưỡng, duy nhất chỉ có một trường hợp các định luật chuyển động của Newton bị vi phạm, được ghi lại ở kích thước nguyên tử, nơi mà những định luật của cơ học lượng tử thay thế những định luật của Newton. Ta biết rằng những định luật của Newton hẳn phải vô cùng chính xác do đã có biết bao năng lượng sáng tạo được bỏ ra để trắc nghiệm và sử dụng chúng. Trắc nghiệm được chia làm nhiều hạng kiểu. Một trong số đó là quan sát kỹ lưỡng chuyển động của các thiên thể. Những định luật của Newton không chỉ cắt nghĩa một cách chi tiết hình dạng và lịch sử của những quỹ đạo của các hành tinh, mà Đỉnh Newton - 57 còn tiên đoán một cách chính xác tác động của mặt trời lên quỹ đạo của mặt trăng, tiên đoán một cách chính xác đường đi phức tạp của các tiểu hành tinh và các sao chổi1, cũng như sự ổn định của các vành đai tiểu hành tinh. Việc Thiên vương tinh có vẻ như không tuân theo các định luật Newton đã dẫn đến sự khám phá ra Hải vương tinh và Diêm vương tinh2. Một kiểu trắc nghiệm khác là việc nghiên cứu và chế tạo những đồng hồ cơ chính xác, từ chiếc đồng hồ quả lắc nguyên bản của Huygens và những thế hệ sau của nó cho tới chiếc đồng hồ đếm bằng bánh đà3, rồi tới bộ dao động thạch anh được sử dụng trong những chiếc đồng hồ đeo tay hiện đại [đồng hồ quartz].4 Một cách khác là dựa trên nguyên lý của con 1. Việc các sao chổi chuyển động trong một quỹ đạo hình ellipse và quay lại định kỳ đã được Edmund Halley khám phá, ông đã sử dụng cơ học Newton để tiên đoán sự trở lại của sao chổi và các sao chổi đó giờ đây mang tên ông. Xem C. Sagan và A. Druyan, Comet (Ballantine, New York, 1997). Tài liệu tham khảo gốc về khám phá của Halley là E. Halley, Phil. Trans. Royal Soc. London 24, 1882-1899 (1705). 2. Quỹ đạo Hải Vương tinh (Neptune) được Adams và Leverrier tiên đoán và được Galle tìm ra. Xem S. Drake và C. T. Kowal, Scientific American 243, 52 (1980); và P. More, The Planet Neptune (Wiley, Chichester, 1988). Diêm Vương tinh (Pluto) được Percival Lowell tiên đoán và được Clyde Tombaugh tìm ra vào năm 1930. Xem S. A. Stern và D. J. Tholen, Pluto and Charon (U. of Arizona Press, Tuscon, 1998). 3. John Harrison đã phát minh ra đồng hồ bấm giờ hàng hải đầu tiên vào năm 1759 và gọi nó là H-4. Về bản chất nó là một cái đồng hồ lớn, đường kính 10cm với lò xo là dải lưỡng kim. Nó được kiểm tra lần đầu tiên vào năm 1762 trong chuyến đi 6 ngày từ Anh tới quần đảo Caribbe. Sai số được ghi nhận khi tới Jamaica chỉ là 5 giây. Sai số về kinh độ tương ứng là 1.25 phút hoặc sai số hàng hải tuyệt đối là 30 dặm. Harrison đã dễ dàng dành chiến thắng trong cuộc thi kinh độ được tài trợ bởi Hội đồng kinh độ London. Vì những lý do phức tạp, hội đồng chỉ trả cho ông một phần tiền trong tổng số 20 nghìn bảng giải thưởng và vua George III đã phải can thiệp thay mặt cho Harrison để số tiền còn lại được giải ngân. Một trong những chiếc đồng hồ bấm giờ đầu tiên của Harrison đã đi cùng với thuyền trưởng Cooke trong chuyến hành trình thứ hai của ông (3 năm) kết thúc vào năm 1776. Cooke đã gọi chiếc đồng hồ bấm giờ đó là “người hướng dẫn trung thành của chúng ta xuyên suốt những biến đổi thất thường của thời tiết”. Xem D. Sobel, Lonngitude (Walker and Co., New York, 1995). 4. Một cuộc thảo luận thú vị về đồng hồ nguyên tử có thể được xem trong C. Audoin, B. Guinot and S. Lyle, The Measurement of Time (Cambridge U. Press, Cambridge, 2001). 58 - ROBERT B. LAUGHLIN quay hồi chuyển [gyroscope], dựa trên công nghệ la bàn hồi chuyển và của bộ thăng bằng hồi chuyển được thiết kế theo nguyên lý đó1. Những ý tưởng của Newton được sử dụng trong việc chế tạo máy móc và thiết kế các tòa nhà cao tầng chịu được động đất, và những định luật này còn được hàm chứa trong các định luật điện học để rồi dẫn đến việc truyền tải năng lượng điện, đến các loại máy tính và đến vô tuyến điện. Bất chấp những thành công của các định luật Newton và những tiến bộ kỹ thuật đã đạt được nhờ vào chúng, rất nhiều người vẫn thấy việc đó là khó chấp nhận. Nó công khai đi ngược lại với nhận thức theo lương năng thông thường của chúng ta về tính phức hợp của tự nhiên, và với niềm tin của chúng ta cho rằng không thể hoàn toàn định trước được tương lai, mà nó phụ thuộc vào sự lựa chọn cách ứng xử của chúng ta. Việc xem vũ trụ như một chiếc đồng hồ còn có vẻ như không nhất quán với kinh nghiệm sống hằng ngày, và có vẻ như sẽ mang lại những hệ quả không đúng đắn về mặt đạo lý. Ví dụ như nó là cái cớ để bạn có thể muốn làm gì ai thì làm và để tạo ra những thứ nguy hiểm tùy hứng, vì dẫu gì thì tự nhiên cũng chỉ là một cái gì mang tính cơ giới mà thôi. Nó còn có thể hợp lệ hóa một đức tin mù quáng vào logic. Ý tưởng này ban đầu tôi nghe được một cách rõ ràng là từ cha tôi đã lâu trong một cuộc trò chuyện quanh bàn ăn về thuyết định mệnh. Đến một đoạn, ông đâm ra cáu tiết với những nhận định ngốc nghếch chướng tai của lũ trẻ về thế nào là hiện thực, và có vẻ như không 1. La bàn hồi chuyển đi biển đầu tiên được công ty của Hermann Anschutz chế tạo vào năm 1908 ở Đức, sử dụng những nguyên lý do Max Schuler phát triển. Elmer Sperry đã phát minh ra la bàn hồi chuyển rẻ hơn vào năm 1911, và ông cũng phát minh ra bộ thăng bằng hồi chuyển cho tàu. Xem T.P. Hughes, Elmer Sperry: Inventor and Engineer (John Hopkins U. Press, Baltimore, 1993). Đỉnh Newton - 59 kiềm chế được nữa, ông đã cắt nghĩa logic học là một phương pháp có hệ thống để phạm sai lầm. Giờ đây khi đã trưởng thành, tôi mới hiểu ra được điều ông muốn nói. Thông qua những sự việc đau lòng từng chứng kiến khi còn hành nghề luật sư, ông biết rằng con người thường suy luận dựa trên sự giống nhau. Khi bảo một điều gì đó là bất hợp lý, ta thường ngụ ý rằng điều đó không giống như những cái mà ta đã biết. Logic thuần túy là một siêu cấu trúc rất gần gũi với cách suy luận tiện lợi nguyên sơ hơn này và do vậy mà vốn dễ bị sai lầm. Không may là ta lại cần đến sự chính xác logic tối đa khi gặp phải những trở ngại lớn nhất - khi phải đối mặt những điều mới mẻ không giống gì những điều mà chúng ta đã biết. Khả năng chuyên tâm liên tục với điều đó trong một thời gian dài là điều khiến Issac Newton, Albert Einstein khác biệt với chúng ta. Vì vậy, về vấn đề này cha tôi dẫu đúng, nhưng cũng chỉ một phần thôi. Đôi khi ta cần, và phải tin vào logic. Bằng chứng xác đáng chứng tỏ vũ trụ giống như một chiếc đồng hồ ngày càng được củng cố qua nhiều thế kỷ đã trở nên vô cùng vững chắc. Để có được câu trả lời cho những bí ẩn của sự sống, người ta phải nhìn vào một nơi nào đó khác chứ không phải là vào sự thất bại của ý tưởng này. Bài toán hóc búa về thuyết tất định vật chất vào thế kỷ mười bảy khi môn vật lý mới được phát minh thậm chí còn gây phiền phức hơn bây giờ nhiều. Năm 1633, Galileo Galilei bị mang ra xét xử trước Tòa án Dị giáo Ý vì vi phạm một chỉ dụ được ban hành từ năm 1616 nghiêm cấm việc phổ biến thuyết vũ trụ học của Copernicus. Ông bị “tình nghi là người theo dị giáo”, một lời phán quyết nhẹ hơn chút đỉnh so với việc chính thức bị coi là kẻ dị giáo, và bị buộc phải công khai tuyên bố từ bỏ niềm tin cho rằng trái đất quay xung quanh 60 - ROBERT B. LAUGHLIN mặt trời1. Giống như nhiều nhà khoa học lớn khác, Galileo có một nhân cách bất khuất. Ông rời ghế đại học mà không nhận bằng tốt nghiệp để theo đuổi những dự định trí tuệ riêng của mình, đó là tiến hành đo đạc mọi thứ, chứ không chỉ suy nghĩ về chúng. Sự nghiệp của ông đã thành công một cách sáng chói. Ngày nay ta biết đến Galileo phần lớn nhờ những phát minh của ông về kính thiên văn và những phát hiện của ông nhờ vào nó, ví dụ như những vệt đen của mặt trời và các mặt trăng của Mộc tinh2, nhưng đóng góp sâu sắc hơn của ông lại là việc đã vạch rõ những hạn chế cơ bản trong cách tiếp cận khoa học không mạch lạc của Aristotle, và chủ trương là cần phải có sự chính xác toán học. Trong cuốn Nhà Thực Nghiệm của mình xuất bản năm 1623, Galileo đã nói rằng cuốn Sách của Tự nhiên đã “được viết bằng ngôn ngữ của toán học”. Thật không may, trong tác phẩm này Galileo đã quá nhiệt thành bênh vực cho thế giới quan tất định luận của mình đến mức không còn chỗ trống nào cho sự can thiệp của thần thánh, và tệ hơn nữa là nó lại ngụ ý quảng bá ý tưởng cho rằng con người có thể hiểu và chế ngự được thần thánh. Ông bị lén tố cáo với Tòa Dị giáo là trong cuốn Nhà Thực Nghiệm ông đã có những lời lẽ thóa mạ đối với môn thần học về Bí tích Thánh thể, nhất là lại có ý thóa mạ học thuyết biến đổi bản thể. Nhưng trớ trêu thay, cuốn sách lại được Galileo đề tặng cho người bạn chí cốt của mình là đức Hồng y Maffeo Barberini, nhân 1. S. Drake, Galileo at Work: His Scientific Biography (U. of Chicago Press, Chicago, 1978). 2. Kính thiên văn được phát minh ra tại Hà Lan. Chính quyền nhân dân ở Hague đã thảo luận vào tháng 10 năm 1608 về ứng dụng phát minh của Han Lipperley đối với việc sử dụng của kính thiên văn công suất thấp như ống nhòm xem hát. Trong vòng một năm, kính thiên văn đã có bán tại Paris. Kính thiên văn vũ trụ đầu tiên được Galileo tạo ra vào năm 1609. Sử dụng nó, ông đã tìm ra các mặt trăng của Mộc tinh và thấy được những dải tinh vân của các ngôi sao. Xem H. King, The History of the Telescope (Griffin, London, 1955). Đỉnh Newton - 61 dịp ông này được cử làm Giáo hoàng Urban VIII vào năm 16231. Tình hình lên đến tột đỉnh vào năm 1632 khi Galileo cho xuất bản công trình lớn nhất của ông nhan đề Cuộc Đối thoại giữa hai Hệ thống Thế giới chính, một cuộc công kích khoa học lỗi lạc và mang tính hủy diệt đối với vũ trụ Ptolemy2. Nghe theo lời khuyến dụ cho rằng những luận cứ trong công trình này quá sắc bén và thuyết phục đến mức có thể coi là còn nguy hiểm hơn so với cả Calvin và Luther cộng lại, đức Giáo hoàng đã ra lệnh ngừng xuất bản cuốn sách và đưa Galileo ra tòa. Ông bị kết tội và tuyên án quản thúc tại gia ở Arcetri, một ngôi làng nhỏ thuộc ngoại ô Florence, nơi ông đã trú ngụ trong tám năm cho đến khi qua đời. Không có Galileo thì công trình của Newton có lẽ đã chẳng ra đời. Gần như tất cả những ý tưởng vật lý cơ bản của Newton - và những thí nghiệm hỗ trợ cho những ý tưởng đó - đều bắt nguồn từ Galileo. Galileo là người đầu tiên nhận ra rằng các vật thể không hề cần đến một tác nhân bên ngoài nào để làm cho chúng chuyển động như kiểu Aristotle đã nghĩ cả, mà chúng sẽ chuyển động với vận tốc không đổi trên những quỹ đạo thẳng nếu như không bị ngoại lực tác dụng. Galileo cũng đã phát minh ra ý tưởng về vận tốc xem như một vector, một đại lượng gồm cả độ lớn và hướng. Ông cũng phát minh ra ý niệm về quán tính, sức ỳ tự nhiên của một vật thể nhằm chống lại sự thay đổi chuyển động của mình, và ông cũng là người đầu tiên xác định tác nhân làm thay đổi chuyển động chính 1. Có một vài ấn phẩm hay về việc xét xử và bỏ tù Galileo vì tội dị giáo. Xem P. Redondi, Galileo Heretic (Princeton U. Press, Princeton, 1987). Một cuộc tranh luận đặc biệt có chiều sâu có thể tìm thấy trên website của Đại học Quốc tế Thiên chúa giáo: W. E. Carroll, Galileo: Science and Religion, http:///www.catholicity.com/school/icu/c02907.html. 2. Galileo Galilei, Dialogue Concerning the Two Chief World Systems do S. Drake biên dịch (U. of California Press, Berkeley, 1967) 62 - ROBERT B. LAUGHLIN là lực, một thứ khiến cho tốc độ thay đổi gia tăng từ thời điểm này tới thời điểm khác, sao cho vận tốc cứ sau một giây tính từ thời điểm này sẽ là vận tốc ở thời điểm hiện tại cộng với một số gia mà số gia ấy phụ thuộc vào độ lớn của lực. Cho dù thế nào thì trong cuộc chia phần này, Issac Newton cũng đã giành phần danh tiếng lớn nhất trong việc phát minh ra môn vật lý học hiện đại vì ông đã khám phá ra cách tổng hợp tất cả các ý niệm lại thành một tổng thể toán học nhất quán. Newton sinh đúng vào ngày lễ mừng Giáng Sinh năm 1642, năm mất của Galileo1. Cũng như Galileo, Newton cũng là một nhân cách bất khuất không ưa thích quyền uy. Ông viết nguệch ngoạc vào lề một quyển vở ghi chép của ông tại Cambridge một dòng chữ bằng tiếng La Tinh như sau: “Amicus Plato, amicus Aristoteles; magis amica Veritas.” (Plato là bạn tôi, Aristotle là bạn tôi, nhưng chân lý là người bạn tốt hơn cả). Giống như bao thanh niên cầu tiến vào thời đó, ông đã bị môn thiên văn học mới mẻ cuốn hút và đã say sưa nghiền ngẫm những tác phẩm của Galileo và Kepler. Chúng ta hàm ơn những khám phá của Newton có lẽ cũng không kém phần hàm ơn trận Đại Dịch đã khiến ông phải ru rú trốn ở nhà tại Lincolnshire giữa những năm 1665 và 1667. Tại đó, có lẽ với thời gian quá rảnh rỗi, ông đã phát minh ra toán giải tích, một trong những bước đột phá quan trọng cần thiết cho việc giải thích những quan sát của Kepler về quỹ đạo 1. Liệu tuyên bố đó có đúng không vẫn còn để ngỏ. Tại thời điểm đó, nước Ý đã chuyển sang sử dụng lịch hiện đại do giáo hoàng Pope Gregory XIII đề xướng, nhưng nước Anh vẫn sử dụng lịch của Julius Caesar. Do đó mặc dù chứng nhận ngày sinh của Newton và ngày chết của Galileo đều vào năm 1642 nhưng theo lịch của giáo hoàng Pope Gregory, Newton được sinh vào 4 tháng 1 năm 1643 trong khi Galileo chết ngày 4 tháng 1 năm 1642, còn theo lịch của Julius Caesar những ngày đó tương ứng là 25 tháng 12 năm 1642 và 4 tháng 1 năm 1643. Xem trang web http://home.att.net/~numericana/answer. Đỉnh Newton - 63 các hành tinh - sự chuyển động của chúng trên một mặt phẳng, dạng elip hoàn hảo của chúng với mặt trời là một tiêu điểm, những sự gia tốc và giảm tốc kỳ diệu của chúng dẫn đến việc các hành tinh quét những diện tích bằng nhau trong một khoảng thời gian như nhau, những mối liên hệ toán học chính xác giữa kích thước của quỹ đạo và chu kỳ của nó. Với những ký hiệu giải tích, Newton đã có thể viết ra giấy những quy tắc về chuyển động của Galileo một cách đơn giản, bằng những phương trình chính xác, giải được, và qua đó có được một mô tả đúng đắn về sự chuyển động của một vật thể tương ứng với các lực tác dụng lên nó. Với những công nghệ toán học ấy và với việc đưa thêm ra một giả thuyết - cho rằng khoảng cách càng lớn thì lực hấp dẫn càng yếu dần đi theo một kiểu nào đó - ông có thể chứng minh rằng những quan sát của Kepler là thực sự phù hợp với những quy tắc của Galileo và không hề là những hiện tượng độc lập1. Điều này đến lượt nó lại cho phép ông xuất phát từ những quan sát cực kỳ chính xác của Kepler để lập luận rằng các quy tắc do Galileo đưa ra là rất đúng đắn. Galileo đã hoàn toàn bỏ sót điểm này. Ông không biết đến những định luật của Kepler, mặc dù lúc ông đang còn sống chúng đã được khám phá và đã có sự quan tâm đến toàn bộ ý tưởng về lực hấp dẫn phổ quát, xem nó như một điều “huyền bí”. Số phận dường như đã định sẵn rằng Galileo sẽ phải dẫn dắt đoàn người của mình tới Miền Đất Hứa, nhưng bản thân ông thì không được phép bước vào. Một trong những điều tệ hại lớn nhất chúng ta đã làm với học sinh là truyền dạy cho họ rằng định luật vật lý phổ quát là cái gì đó buộc phải đúng một cách hiển nhiên, và do đó nghiễm nhiên là có 1. J. B. Brackenridge, The Key to Newtonian Dynamics: The Kepler Problem and (U. of California Press, Berkeley, 1995). 64 - ROBERT B. LAUGHLIN thể học thuộc lòng. Điều đó thật kinh khủng xét trên nhiều bình diện, mà có lẽ tệ nhất là làm mất đi bài học rằng phải chiến đấu, phải chịu hy sinh và thiệt thòi lớn để có được những gì có ý nghĩa. Thái độ tự hài lòng đến mức tự mãn này cũng đi ngược lại với quan điểm đã mang lại những ý niệm mới mẻ và đẹp đẽ tới với thế giới, mang đến cho thế giới nói chung những ý nghĩa lớn lao. Thực vậy, sự hiện diện của định luật vật lý là một điều đáng kinh ngạc biết bao, và lẽ ra nó phải khiến những đầu óc có suy xét phải hoang mang ngỡ ngàng như những gì đã xảy ra hồi thế kỷ mười bảy, khi lần đầu tiên nó được khoa học lần mò giải thích. Ta tin vào định luật vật lý phổ quát không phải vì nó nhất thiết phải đúng, mà bởi những thí nghiệm có độ chính xác cực cao đã không cho ta một sự lựa chọn nào khác. Chẳng hiểu vì sao gần đây tôi lại bỗng cảm thấy lo âu về vấn đề này nhân một chuyến dã ngoại bằng xe hơi cùng gia đình. Tôi hỏi con trai mình, vốn đang học vật lý ở trường trung học, rằng có bằng chứng gì cho thấy các định luật của Newton là đúng không. Là một cậu bé hiền lành và khá nhạy cảm, con trai tôi phải miễn cưỡng nhận thấy rằng những điều cậu ta đang nói là không ăn nhập gì, nên cậu có vẻ lúng túng một chút, lẩm bẩm gì đó tôi không rõ, rồi im lặng. Tôi làm rõ câu hỏi bằng cách hỏi cậu xem những thí nghiệm nào là những thí nghiệm có tính then chốt. Im lặng vẫn kéo dài. Cái khoảnh khắc hài lòng đó là một hiệu ứng di truyền chung mà các bậc cha mẹ tạo ra để khiến bọn trẻ có lý do ghét họ. Lúc ấy tôi hoàn toàn ý thức được rằng con trai tôi không biết câu trả lời, và thế tôi đã cố gợi chuyện bàn kỹ về quỹ đạo của các hành tinh - và rốt cuộc tôi cũng đạt được ý muốn. Tôi có lý do để tin rằng, thế là câu chuyện đã có kết quả tích cực đối với con mình, nhưng ai mà biết được thế nào khi mọi chuyện còn chưa đến hồi ngã ngũ. Đỉnh Newton - 65 Định luật vật lý phổ quát là một tảng băng trôi mà hằng số vật lý chính xác chỉ là cái phần nhỏ nhô lên khỏi mặt nước mà thôi. Cả hai đều là những khía cạnh của cùng một hiện tượng vật lý nhưng định luật vật lý là khái niệm mang tính bao hàm hơn rất nhiều. Ở các nước vùng Viễn Đông nơi tôi hay lui tới, tôi ưa cắt nghĩa điều này bằng cách so sánh nó với hai phái Phật giáo là Nam Tông1 và Đại Thừa2. Với phái Nam Tông, người ta giới hạn sự chú tâm vào những pháp môn [những bài giảng. ND.] bảo thủ của một số tông phái nhất định nào đó trong lịch sử. Với phái Đại Thừa, hoặc là “cỗ xe lớn”, người ta không chỉ quan tâm tới những pháp môn đó, mà còn tới rất nhiều hàm ý của chúng. Một hằng số phổ quát là một phép đo cho ra kết quả giống nhau trong tất cả các lần đo. Một định luật vật lý là một mối liên hệ giữa các số đo giống nhau có được trong tất cả các lần đo. Trong trường hợp các định luật chuyển động, chẳng hạn như của Newton, đó là mối liên hệ giữa các phép đo ở các thời điểm khác nhau. Và do đó, khi giờ đây ta đo một số đại lượng nào đó, ta không cần đo lại chúng trong tương lai nữa (với giả định rằng chúng không bị đảo lộn), vì giá trị của chúng chắc chắn đã được xác định. Trong khi bàn luận về các định luật, ta thường bàn đến những phương trình chính xác thay vì những giá trị chính xác, nhưng ý tưởng cốt lõi thì vẫn giống nhau. Tính chính xác là điều quyết định. Giống như những phép đo chính xác mang tính phổ quát, ta có xu hướng phân loại các định luật trong đầu mình thành hai loại định luật có nguồn gốc hoặc vi mô hoặc tập thể và sử dụng từ cơ bản để miêu tả cả hai. Cũng giống như với các hằng số, ta nhận thấy rằng 1. Còn gọi là Trưởng Lão Thuyết Bộ hay Thượng Tọa Bộ, ND. 2. Bài tổng quan về đạo Phật (cho người phương Tây) xem D. C. Conath, Buddhism for the West: Theravada, Mahayana, and Vajrayana (McGraw-Hill, New York, 1974). 66 - ROBERT B. LAUGHLIN sự khác biệt giữa hai cái đó có xu hướng biến mất khi các thực kiện thí nghiệm được khảo sát một cách kỹ lưỡng. Theo năm tháng, khi danh sách những thành công của các định luật Newton cứ dài ra mãi, chúng dần bắt đầu được áp dụng một cách đầy võ đoán, khác xa với cách áp dụng rất dè dặt lúc ban đầu. Chiến thuật mới là: giả định rằng các định luật Newton vẫn sẽ đúng trong các trường hợp mà người ta không thể kiểm chứng trực tiếp được, ta tính toán các đặc tính vật lý dựa trên sự giả định đó, và sau đó xuất phát từ sự trùng hợp với thực nghiệm để lập luận rằng những giả định ban đầu là đúng đắn. Ví dụ, lý thuyết động học chất khí đã giả định rằng khí được tạo thành bởi những nguyên tử tuân theo các định luật của Newton với lực đẩy tầm ngắn khiến chúng va chạm với nhau tựa như những viên bi-a. Thế rồi người ta lại thấy rằng những nguyên tử huyền thoại sau khi va chạm với nhau có khuynh hướng chuyển động hỗn loạn một cách ngẫu nhiên - mà bất kỳ ai chơi bi-a cũng đều biết rõ. Xu hướng đó được gọi là nguyên lý hỗn độn và là nguồn gốc gây ra sự thất thường khó dự đoán của thời tiết1. Sau khi chuyển động hỗn loạn, đám bi hỗn độn trên bàn bi-a lại đua tranh một cách đẹp mắt để có được hành trạng của khí loãng, y hệt như những bổ chính cho định luật khí lý tưởng khi mật độ khí tăng do có sự tương tác giữa các nguyên từ. Vậy nên ta mới bảo rằng lý thuyết động học đã “cắt nghĩa” được định luật về khí lý tưởng - có nghĩa là nó giải thích được nguồn gốc của định luật đó. Nhưng cách suy luận này có một kẽ hở rất hiển nhiên về 1. Điều hay nhất trong những cuốn sách bàn về hỗn độn là về những người tìm ra nó: E. N. Lorentz, The Essence of Chaos (U. of Washington Press, Seattle, 1994). Xem thêm J. Gleick, Chaos: Making a New Science (Penguin, New York, 1998); và G. P. Williams, Chaos Theory Tamed (Joseph Henry Press, Washington, D. C., 1994). Đỉnh Newton - 67 mặt logic, đó là, hành trạng mà người ta dùng để trắc nghiệm cho các giả thuyết lại cũng rất có thể là một hiện tượng tập thể phổ quát. Trong trường hợp như thế thì về cơ bản phép đo không thể nhạy cảm được đối với những giả thuyết vi mô, chẳng hạn như với sự tồn tại của các nguyên tử, và do đó những giả thuyết này hoàn toàn không thể được trắc nghiệm. Đó là một phép tam đoạn luận giả tạo: Thượng Đế là tình yêu, tình yêu thì mù lòa, Ray Charles bị mù, vậy Ray Charles là Thượng Đế1. Rủi thay, với những lý thuyết nói trên, sự việc lại là đúng như vậy. Ở cấp độ kích thước nguyên tử, các định luật của Newton hóa ra là sai. Vào đầu thế kỷ 20, người ta đã khám phá ra rằng, nguyên tử, phân tử, và các hạt dưới nguyên tử được đặc trưng bởi những định luật của cơ học lượng tử - những quy tắc quá khác với những quy tắc của Newton đến mức các nhà khoa học đã vật vã để tìm ra những câu chữ thích hợp nhằm mô tả chúng. Ở thang kích thước này, các định luật của Newton đã đưa ra những tiên đoán sai về căn bản, ví dụ như việc tiên đoán rằng ở nhiệt độ không thì nguyên tử sẽ có kích thước bằng không và các vật rắn sẽ phải có nhiệt dung khổng lồ, mà trên thực tế thì đâu có như vậy. Một chùm nguyên tử heli chiếu vào bề mặt nguyên tử chất rắn hoàn hảo không bị bật trở lại theo mọi hướng như các định luật của Newton đã tiên đoán, mà bị nhiễu xạ thành cầu vồng giống như hành trạng của một chùm tia sáng2. Các nguyên tử chẳng hề giống những viên bi chút nào mà lại 1. Suy luận đặc biệt nhưng không đúng này đến từ trang chủ của đại học Golden Gate: http:// internet.ggu.edu/university _libray/if/false_syllogisms. 2. Đối với những cái nhìn khái quát về hiện tượng nhiễu xạ của nguyên tử Heli trung hòa trên bề mặt, xem G. Scoles, ed., Atomic and Molecular Beam Methods, Vols. I and II (Oxford U. Press, New York, 1992); and D. P. vWoodruff and T. A. Delchar, Modern Techniques of Surface Science (Cambridge U. Press, New York, 1994). Tài liệu tham khảo gốc về phát 68 - ROBERT B. LAUGHLIN là các sóng; rồi các thành phần của nguyên tử cũng vậy, chúng kết lại với nhau tạo thành nguyên tử, giống như kiểu sóng nước lăn tăn kết lại với nhau để thành sóng cồn1. Vậy là hóa ra những định luật thần kỳ của Newton lại mang tính đột sinh. Chúng chẳng lấy gì làm cơ bản cả mà chỉ là hệ quả của sự kết tập của vật chất lượng tử thành các thể lỏng và các thể rắn vĩ mô - một hiện tượng tổ chức mang tính tập thể. Chúng là những định luật được khám phá đầu tiên và đã mang lại sự tồn tại cho kỷ nguyên công nghệ, và chúng cũng đúng và chính xác như bất kỳ điều gì chúng ta biết trong vật lý - nhưng khi được khảo sát kỹ lưỡng thì chúng biến vào hư vô. Thật ngạc nhiên là hình như một số các nhà vật lý vẫn còn phủ nhận điều này. Tới tận giờ này họ vẫn còn tổ chức những hội nghị về chủ đề ấy và nói đi nói lại chuyện các định luật của Newton như là sự “gần đúng” của cơ học lượng tử, có giá trị hiệu lực đối với các hệ có kích thước lớn - mặc dù cho đến giờ vẫn chưa có một sơ đồ gần đúng nào được tìm ra. Nhu cầu muốn xem những định luật của Newton như những định luật mang tính đột sinh trong giới hạn vĩ mô đã được đặt tên thánh là “nguyên lý tương ứng” trong những ngày tháng khi cơ học lượng tử còn non trẻ, và đã được sử dụng như một điều kiện bắt buộc để hiểu được phép đo lượng tử. Những ý niệm phi logic một cách trầm trọng (và phần nào sai lầm) về thuyết bất định lượng tử còn minh ra sự nhiễu xạ của nguyên tử xem I. Estemann and A. Stern, Z. Physik 61, 95 (1930). Xem thêm trang web http://sibener-group.uchicago.edu/. 1. Đối với bài tổng quan toàn diện về nhiễu xạ electron xem L. M. Cowley, ed., Electron Difraction Techniques (Oxford U. Press, New York, 1992). Tài liệu tham khảo tổng quát phát hiện về nhiễu xạ electron xem C.J. Davisson and L.H. Germer, Phys. Rev. 30, 705 (1927). Đối với thảo luận về những kỹ thuật hiện đại xem A. Tonnomura, J. Endo, T. Matsuda, and T. Kawasaki, Am. J. Phys. 57, 117 (1989). Đỉnh Newton - 69 quanh quất với ta cho đến tận ngày nay chính là những hệ quả lộn xộn của quá trình đó. Nhưng nguyên lý tương ứng hiện vẫn chưa được chứng minh về mặt toán học. Tôi lần đầu tiên biết được bản tính đột sinh của các định luật Newton là từ bài tiểu luận nổi tiếng của P.W.Anderson nhan đề More Is Different [Nhiều hơn có Nghĩa Là Khác biệt]. Sau khi suy nghĩ rất lung về việc tại sao khi kim loại bị làm lạnh tới những nhiệt độ rất thấp lại bộc lộ sự chính xác kỳ lạ về tính siêu dẫn, Anderson đã nhận ra rằng nguyên lý tương ứng chính là trung tâm của tình trạng khó xử này. Nói một cách khác, thông qua sự chính xác của mình, hành trạng siêu dẫn đã phát lộ cho chúng ta thấy rằng thực tại hằng ngày chính là một hiện tượng tổ chức mang tính tập thể. Cho nên có vẻ như cậu con trai tội nghiệp của tôi lúc đó đã bị bức hại về mặt trí tuệ. Đừng giận cha, Todd nhé. 70 - ROBERT B. LAUGHLIN Chương 4 Nước, băng và hơi nước Định luật là trật tự, và định luật khả quan là trật tự khả quan. Aristotle Vào những ngày cuối tuần tháng Giêng, bao giờ ta cũng thấy có hàng đoàn xe tải kéo nhau chạy trên mặt các hồ nước đóng băng ở Minnesota để săn bắt cá1. Đám lái xe ai cũng thừa biết làm vậy là nguy hiểm, nhưng vẫn liều mạng vì họ đã chán ngấy mùa đông và không thể cưỡng lại đầu óc lúc nào cũng nghĩ đến bọn cá thái dương nhỏ, bọn cá kìm và cá pecca đại đang ngóng đợi họ. Họ bịa ra đủ cớ để đi bằng được, thậm chí còn phao lên rằng các bà vợ của họ rất khoái đánh vẩy và làm cá. Cũng nói dối cả thôi. Các bà vợ của họ chẳng ai ưa gì cá và lúc nào cũng lo lắng, đôi khi còn khiếp sợ về những chuyến đi đó. Họ cũng đành phải nhẫn nhịn chứ biết 1. Câu cá trên băng rất phổ biến, nhiều thông tin về hoạt động này có thể tìm thấy trên Internet. Ví dụ, xem trang web http://www.icefishingworld.com và http://www.invominnesota.com. Xem thêm J. Capossela, Ice Fishing: A Complete Guide, Basic to Advanced (Countryman Press, Woodstock, VT, 1992). 71 làm sao bây giờ. Thế nhưng cũng lạ là nếu tính theo đầu lái xe thì số tai nạn cũng chẳng là bao. Theo Tim Smalley, chuyên viên về an toàn thuyền bè và sông nước của Cục Tài nguyên Thiên nhiên Minnesota, thì từ giữa năm 1976 đến năm 2001 chỉ có 117 trường hợp tử vong liên quan đến băng, trong đó 68% có liên quan đến xe cộ1. Tất nhiên là băng rất cứng và nổi một cách đáng tin cậy - ít nhất là trong những mùa đông giá lạnh ở Minnesota, và miễn là người đi kiểm tra độ cứng và độ nổi của băng không say rượu. Không chỉ những tài xế ở Minnesota mới có triệu chứng cuồng cabin, mà hằng ngày hằng giờ ai trong chúng ta cũng đều giao phó đời mình cho các trạng thái đông đặc - từ việc đứng trên băng tới việc mua đậu phộng tại độ cao 12 nghìn mét - mà không mấy băn khoăn. Theo kinh nghiệm, ta biết rằng vật chất đông cứng chỉ nếu đủ độ lạnh và khi đông cứng bao giờ nó cũng có hình dạng, kiểu dáng và lực đàn hồi để chống lại sự biến dạng. Không bao giờ có chuyện chất rắn đột nhiên mất đi tính rắn của mình để phản bội ta, mặc dù một sự nhích lên rất khiêm tốn của nhiệt độ - đôi khi là một phần nhỏ của một độ - cũng có thể làm được chuyện đó bằng cách khiến cho vật chất tan chảy. Trong hỏa ngục của lò luyện kim, kim loại có thể nhảy múa loạn xạ và bắn tung tóe, nhưng trong thế giới của ta thì nó lại rất đúng mực và rất đáng tin cậy. Các thể của vật chất [hay các pha, ND.] - trong đó có những thể quen thuộc như thể lỏng, thể hơi và thể rắn - là những hiện tượng mang tính tổ chức. Nhiều người ngạc nhiên khi biết ra điều này vì các thể của vật chất dường như quá cơ bản và quen thuộc, nhưng quả đúng như vậy. Đặt niềm tin vào băng xem ra có vẻ giống với việc 1. Xem trang web http://icefishingoutdoors.com/safety.html. có thể liên lạc với ông qua Smalley hòm thư [email protected] hoặc trang web http://dnr.state.mn.us. 72 - ROBERT B. LAUGHLIN mua cổ phiếu của một công ty bảo hiểm hơn là mua vàng để trữ. Nếu vì sao đó mà cấu trúc tổ chức của công ty bị tan rã thì lập tức các khoản tiền đầu tư của mọi người sẽ mất tiêu, vì lúc này không còn một thứ tài sản vật chất nào để bảo đảm cả. Tương tự như vậy, nếu tổ chức của một vật rắn ở dạng tinh thể - một sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử thành một mạng lưới - bị tan rã thì tính rắn của nó sẽ biến mất vì đứng đằng sau nó cũng không còn một thứ tài sản vật chất nào để bảo đảm. Trong cả hai trường hợp nói trên, cái mà ta coi trọng chính là trật tự. Phần đông chúng ta chẳng ai muốn nghĩ mình đang giao phó cuộc sống cho một tổ chức cả, nhưng ta vẫn đang hằng ngày làm điều đó. Ví dụ nếu không có các nền kinh tế, cái vốn là những hiện tượng thuần túy mang tính tổ chức, thì nền văn minh ắt sẽ sụp đổ và tất cả chúng ta sẽ chết đói. Mỉa mai thay, tính đáng tin cậy tuyệt vời của những hiện tượng liên quan đến các pha của vật chất đã khiến cho chúng trở thành những cơn ác mộng tồi tệ nhất của những người theo quy giản luận - giống như con dã nhân khổng lồ Godzilla được các nhà hóa học giải thoát để nghiền nát, thiêu trụi và nói chung là khủng bố thế giới đang yên lành của họ. Một hiện tượng phổ biến, đơn giản mà người ta thường xuyên gặp không thể phụ thuộc một cách quá nhạy bén vào những chi tiết vi mô. Một hiện tượng chính xác, ví dụ như tính rắn, không thể phụ thuộc chút nào vào những tiểu tiết. Hơn nữa, trong khi một số khía cạnh của các pha của vật chất là những khía cạnh phổ quát, do đó dễ dàng được dự đoán, thì một số khía cạnh khác, ví như pha của vật chất trong một số trường hợp nhất định, lại không như vậy - một trường hợp cực kỳ phức tạp minh chứng cho điều đó chính là nước bình thường. Theo con số thống kê gần đây nhất (con số tiếp tục tăng vì những khám phá mới), nước đóng băng bình thường biểu hiện mười một dạng tinh thể khác nhau, và Nước, băng và hơi nước - 73 không một dạng nào trong số đó được tiên đoán một cách chính xác từ nguyên lý đầu tiên1. Những dạng đó được biết tới với tên gọi nước-đóng-băng-I, nước-đóng-băng-II, v.v..., nhưng không nên nhầm lẫn chúng với nước-đóng-băng IX, một vũ khí hủy diệt hàng loạt được hư cấu một cách châm biếm trong tiểu thuyết Cat’s Cradle [Cái Nôi Mèo] của Kurt Vonnegut. Các pha của vật chất là một trường hợp nguyên sơ của hiện tượng đột sinh và được nghiên cứu khá kỹ, nó đã chứng tỏ một cách thuyết phục rằng tự nhiên có những tường ngăn giữa các thang: những quy tắc của thế giới vi mô có thể đúng một cách hoàn hảo nhưng lại không thích hợp với các hiện tượng vĩ mô, hoặc vì những cái ta đo đạc không ảnh hưởng gì tới chúng, hoặc vì những cái ta đo đạc lại gây ảnh hưởng tới chúng một cách quá mức. Kỳ lạ là cả hai điều nói trên lại có thể đúng cùng một lúc. Do đó hiện nay rất khó có thể tính toán từ con số không xem tại một nhiệt độ và áp suất cho trước thì nước đóng băng sẽ có dạng tinh thể nào, tuy nhiên ta lại không cần tính toán những đặc tính vĩ mô của một dạng cho trước nào, vì chúng hoàn toàn có chung một đặc điểm. Khó khăn trong việc cắt nghĩa một cách rõ ràng làm thế nào để biết được là các pha của vật chất có tính tổ chức đã cho thấy vấn đề này nghiêm trọng đến đâu. Bằng chứng vẫn luôn luôn phức tạp, gián tiếp và lẫn vào với lý thuyết như cố ý trêu ngươi - chẳng khác 1. Về tình trạng hiện nay của những tính toán dựa trên nguyên lý thứ nhất về tính chất của nước, xem T. R. Truskett and K. A. Dill, J. Chem. Phys. 117, 5101 (2002) và những tài liệu tham khảo trong đó. Người ta vẫn không biết toàn bộ giản đồ pha của nước, thậm chí trong cả thực nghiệm. Những tranh cãi này được mô tả trong C. Lobban, J.L. Finney, và W.K. Kuhs, Nature 391, 268 (1998). Xem thêm ở F. Franks, Water: A Matrix of Life (Royal Society of Chemistry, Cambridge, 2000). Tài liệu tham khảo hữu ích trên Internet về giản đồ pha của nước bao gồm : http://www.sbu.ac.uk/water/phase.html và http://www.cmmp. ac.ul/people/finney/soi/html. 74 - ROBERT B. LAUGHLIN nào bằng chứng về tính ưu trội của sản phẩm trong quảng cáo xà phòng hoặc xe ô tô. Trong từng trường hợp thì nguyên do sâu xa lại nằm ở chỗ mối liên hệ logic giữa những cái mang tính nền tảng với kết luận lại không phải là quan trọng lắm. Một điều chúng ta biết chắc chắn là các chất rắn có dạng tinh thể là những mạng nguyên tử có trật tự - một sự thật được bộc lộ bằng việc tia X chiếu qua có xu thế bị lệch theo những góc nhất định - trong khi hiện tượng này không xảy ra đối với chất lỏng và chất khí. Chúng ta còn biết được rằng những hệ thống với một số lượng nhỏ các nguyên tử là những hệ thống bị chi phối bởi những định luật chuyển động đơn giản và mang tính tất định, ngoài ra không còn gì khác1. Chúng ta lại còn biết rằng những nỗ lực để khám phá ra thang mà đến đó những định luật trên không còn áp dụng được hoặc bị thay thế bởi những định luật khác là những nỗ lực không thành công. Và cuối cùng chúng ta còn biết rằng, về nguyên tắc, những định luật sơ đẳng có khả năng phát sinh các pha và sự chuyển pha như những hiện tượng mang tính tổ chức2. Vì vậy khi loại bỏ những sự phức tạp không giúp được gì đi thì người ta chỉ còn lại một luận cứ đơn giản như sau: những định luật vi mô là đúng và có lẽ chỉ có chúng mới là nguyên nhân gây ra các pha vật chất, do đó ta có thể cầm chắc là chính chúng đã gây các pha, mặc dù không thể chứng minh nó theo cách diễn dịch. Luận cứ này có thể tin được và tôi nghĩ rằng 1. Có quá nhiều tư liệu về hóa lý nên không có một tài liệu tổng quan tốt. Một tài liệu nhập môn tốt là W. J. Hehre, L. Radom, P. V. Schleyer, and J. Pople, Ab-Initio Molecular Orbital Theory (Wiley, New York, 1986). Một giáo trình nhập môn hay là cuốn A. M. Halpern, Experimental Physical Chemistry (Prentice-Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 1997). 2. Biểu diễn nổi tiếng nhất của sự chuyển pha xuất phát từ các định luật đơn giản là lời giải Onsager của mô hình Ising 2 chiều. Nó được giải thích chi tiết trong K. Huang, Statistical Mechanics (Wiley, New York, 1963), p. 349ff. Tài liệu tham khảo gốc xem ở L. Onsager, Phys. Rev. 65, 117 (1944). Xem thêm ở B. Kaufmann, Phys. Rev. 76, 1232 (1949). Nước, băng và hơi nước - 75 nó đúng, nhưng nó đưa lại một cảm giác lạ lùng khi ta sử dụng từ “gây ra” không theo cái nghĩa thông thường của nó. Người ta vẫn có quyền nói rằng các định luật hóa học là nguyên nhân “gây ra” sự tàn phá của thành phố Tokyo, nhưng sự thật thì chính con dã nhân Godzilla đã làm điều đó. Tính đáng tin của luận cứ này khiến cho tổ chức pha có một ý nghĩa lớn lao mà lẽ ra nó không có được, vì phải trung thực mà nói rằng chuyện các pha của vật chất cũng chẳng lấy gì gây hào hứng. Nhìn từ góc độ thực tiễn thì chẳng có gì khác biệt nhiều lắm giữa một định luật đột sinh từ đâu đó và một phép màu, nhưng nếu nhìn từ góc độ triết học thì sự khác biệt đó lại rất sâu rộng. Sự đột sinh đại diện cho một thế giới bị chi phối bởi sự phát triển theo tầng bậc một cách có trật tự, còn cái kia là một thế giới bị chi phối bởi phép thuật. Trường hợp các pha của vật chất chứng tỏ rằng ít nhất có một số những điều kỳ diệu của thế giới này là mang tính tổ chức - và việc đó lại gợi cho ta nghĩ rằng mọi điều kỳ diệu đều như vậy cả. Đó là một trong những lý do vì sao mà ta luôn có xu hướng nghi ngờ những nguyên nhân siêu nhiên của vạn vật cho tới khi nào mà những nguyên nhân mang tính tổ chức bị thực nghiệm bác bỏ sạch sành sanh. Có rất nhiều các ví dụ khác hằng ngày về sự chính xác được nảy sinh từ các pha của vật chất. Các chất lỏng, chẳng hạn, sẽ không bao giờ dung nạp một sự khác biệt nào hết về áp suất giữa điểm này với điểm kia, trừ những khác biệt do lực trọng trường gây ra. Đó là đặc tính chung của thể lỏng, không phụ thuộc vào việc chất lỏng được tạo nên từ cái gì. Điều này rất khó nhận ra, khiến đó là lý do vì sao nhà toán học Hy Lạp lừng danh Archimedes đã phải hét lên “Eureka!” khi phát hiện ra điều đó và trần như nhộng chạy ngoài 76 - ROBERT B. LAUGHLIN phố ở Syracuse1. Đó là nguyên lý đứng đằng sau nhiệt kế thủy ngân, đằng sau sự nổi của tàu thủy vỏ thép, và đằng sau các loại máy chạy bằng sức nước. Thể lỏng có một phiên bản điện tử, đó là việc kim loại cũng không dung nạp một sự khác biệt nào về điện thế. Đặc tính chính xác đó của kim loại chính là nguyên lý nằm đằng sau hiện tượng dẫn điện trong các dây dẫn, cũng như đứng đằng sau những quy tắc thực dụng, chẳng hạn như không được chạm vào các cột phát sóng khi chúng đang phát sóng. Cả chất lỏng và kim loại đều có các phiên bản đặc biệt ở một nhiệt độ thấp, đó là các chất siêu chảy và siêu dẫn, có những hành trạng chính xác vô cùng ấn tượng. Tuy nhiên, nguyên mẫu đơn giản nhất của sự chính xác mang tính đột sinh là trình tự đều đặn của các mạng tinh thể, một hiệu ứng cơ bản dẫn đến tính rắn. Trật tự nguyên tử của các tinh thể có thể hoàn hảo ở những thang lớn đến ngạc nhiên - trong những mẫu rất tốt, chiều dài có thể đạt tới khoảng 100 triệu lần khoảng cách giữa hai nguyên tử liên tiếp2. Từ đầu thế kỷ mười bảy người ta đã có ý nghi ngờ rằng trật tự nguyên tử chính là nguyên nhân của tính đơn giản và đều đặn của hình dạng các tinh thể3, nhưng mức độ hoàn hảo của trình tự này thì mãi cho đến khi môn tinh thể học sử dụng tia X được phát minh ra người ta mới biết đến.4 Chủ yếu 1. S. Stein, Archimedes: What Did He Do Beside Cry Eureka? (Math. Assn. Am., Washington., D. C., 1999). 2. Đối với việc chuẩn hóa tia X, xem Yu. V. Shvy’ko et al., Phys. Rev. Lett. 85, 495 (2000) và các tài liệu tham khảo trong đó. 3. Vào năm 1665, Robert Hooke đã quan sát rằng các tinh thể có thể là sự sắp xếp của các hạt nhỏ xíu giống hệt nhau của vật chất. Xem R. Hooke, Micrographia (Science Heritage Ltd., Lincolnwood, IL, 1987). 4. Có rất nhiều tài liệu về tinh thể học tia X. Xem B. D. Cullity, S. R. Stock, and S. Stock, Elements of X-ray Diffraction (Prentice Hall, New York, 2001) và J. Als-Nielson and D. McMorrow, Elements of Modern X-Ray Physics (Wiley, New York, 2001). Nước, băng và hơi nước - 77 là từ sự chính xác của những phản xạ của tia X mà người ta suy ra được sự sắp xếp hoàn hảo, mặc dù nó cũng được phát hiện ra một cách gián tiếp thông qua những thí nghiệm về truyền tải, ví dụ như hiện tượng dẫn điện ở nhiệt độ thấp. Để biết được hiện tượng kết tinh thần diệu đến như thế nào, ta hãy thử hình dung một trường học với mười tỉ em học sinh. Khi chuông hết giờ ra chơi vang lên, các giáo viên bắt bọn trẻ xếp hàng ngay ngắn trên một sân trường khổng lồ để chuẩn bị đưa chúng quay trở lại lớp học. Tuy nhiên bọn trẻ thì nghĩ khác, vì chúng bị buộc phải ngưng chơi và lại không thích học. Chúng không yên tay yên chân, trêu chọc lẫn nhau và chạy vòng tròn chơi trò đuổi bắt, trong khi các thầy cô ra sức giữ trật tự. Nếu không thực sự làm một thí nghiệm như vậy thì ta rất khó nói liệu trên sân trường có hình thành được một hình mẫu ổn định nào không, vì nếu chỉ với khoảng vài trăm học sinh thì hình mẫu rất dễ bị phá vỡ và thậm chí có thể nói là không thể có nổi. Nhưng ở thang khoảng một trăm nghìn đứa trẻ thì sự huyên náo của riêng một lớp học nào đó có lẽ khó nhận ra được, cho phép ta nói rằng một tinh thể trẻ con dài một trăm cây số đã được hình thành. Việc các nguyên tử trong tinh thể phải được sắp xếp một cách rất có trật tự không phải dễ nhận ra. Một là, điều đó không thường xuyên xảy ra. Ví dụ, nguyên tố heli luôn là chất lỏng cho dù ở nhiệt độ thấp bao nhiêu, tuy sẽ bị kết tinh nếu bị nén.1 Làm kết tinh những 1. Có rất nhiều tài liệu về Heli lỏng. Ví dụ xem J. F. Allen, Superfluid Helium (Academic Press, Burlington, MA, 1966) và J. Wilkes, The Properties of Liquyd and Solid Helium (Oxford U. Press, London, 1967). Tài liệu tham khảo gốc về sự khám phá hiện tượng siêu chảy của 4He là P. Kapitsa, Nature 141, 79 (1938). Đối với lý thuyết của hiện tượng siêu chảy trong 4He xem I. M. Khalatnikov, An Introduction to the Theory of Superfuidity (Benjamin, New York, 1966) và D. Pines and P. Nozieres, The Theory of Quantum Fluids (Benjamin, New York, 1966). 78 - ROBERT B. LAUGHLIN