CON LẮC FOUCAULT – GIAI ĐIỆU BÍ ẨN

Trịnh Xuân Thuận là nhà khoa học người Mỹ gốc Việt trong lĩnh vực vật lý thiên văn, ông đồng thời là một nhà văn đã viết nhiều cuốn sách có giá trị cao về vũ trụ học và về những suy nghĩ của bản thân trong mối tương quan giữa khoa học và niềm tin của ông là Phật giáo. Ông còn là một nhà thơ, một triết gia, một Phật tử và một nhà hoạt động vì môi trường và hòa bình. Ông đã được trao nhiều giải thưởng trong lĩnh vực thiên văn và văn hoá xã hội. Hiện ông đang là giáo sư ngành vật lý thiên văn tại đại học Virginia, Hoa Kỳ.

*****

Khoa học thường xuyên theo đuổi những mối liên hệ mới. Thực vậy, vũ trụ mà khoa học muốn mô tả dường như là hoàn toàn liên hệ với nhau. Toàn bộ vũ trụ hiện ra đầy bí ẩn ở khắp mọi nơi và ở mọi thời gian. Mỗi bộ phận của nó đều phản ánh cái toàn thể. Hai thực nghiệm có bản chất hoàn toàn khác nhau đã khẳng định với chúng ta điều này.

Thực nghiệm thứ nhất liên quan tới con lắc Foucault. Nhà vật lý người Pháp là Léon Foucault muốn chứng minh rằng Trái đất quay quanh mình nó. Vào năm 1851, trong một thí nghiệm vẫn còn nổi tiếng đến tận ngày nay, ông đã cho treo một con lắc (đơn giản chỉ gồm một vật nặng treo vào đầu một sợi dây dài) vào mái vòm của đền Panthéon ở Paris. Con lắc, một khi thả cho dao động, có một hành trạng rất lạ: mặt phẳng mà trong đó con lắc chuyển động quét qua không khí (gọi là mặt phẳng dao động), theo thời gian, sẽ quay xung quanh một trục thẳng đứng. Chẳng hạn, nếu ban đầu con lắc dao động theo hướng bắc - nam thì sau ít giờ nó sẽ dao động theo hướng đông - tây. (Tại các cực của Trái đất, mặt phẳng dao động sẽ quay trọn một vòng sau thời gian một ngày. Ở Paris, do hiệu ứng vĩ độ, trong 24 giờ mặt phẳng dao động chỉ quay được một phần của vòng).

Tại sao mặt phẳng dao động của con lắc Foucault lại quay?

Foucault trả lời rằng chuyển động này chỉ là biểu kiến, trong thực tế, mặt phẳng đó vẫn cố định và chỉ có Trái đất quay mà thôi. Và ông đã dừng lại ở đó. Tuy nhiên, câu trả lời đó chưa đầy đủ, bởi vì một chuyển động chỉ có thể được mô tả đối với không có chuyển động. Trái đất quay là đối với một vật nào đó không quay. Không tồn tại chuyển động tuyệt đối. Nếu chỉ có một vật duy nhất trong vũ trụ thì ta không thể nói về chuyển động của vật đó, bởi vì chuyển động này không thể so sánh với một vật nào khác. Để mô tả chuyển động quay của Trái đất, lẽ ra Foucault phải đưa ra những vật cố định để so sánh. Nhưng làm thế nào tìm được các vật đó và nhất là làm thế nào đảm bảo được chúng là cố định? Chính con lắc Foucault giúp ta làm được việc này. Vì con lắc, một khi đã thả cho dao động, sẽ có mặt phẳng dao động cố định, nên chỉ cần định hướng con lắc theo hướng tới một tinh tú mà ta muốn kiểm tra sự cố định của nó. Nếu tinh tú được kiểm tra quả thật là bất động thì nó sẽ luôn luôn phải nằm trong mặt phẳng dao động của con lắc. Ngược lại, nếu tinh tú đó là chuyển động thì nó sẽ chậm chạp lệch ra khỏi mặt phẳng dao động đó. Chúng ta sẽ lần lượt kiểm tra các thiên thể mà chúng ta đã biết, bắt đầu từ những thiên thể ở gần nhất rồi tới những thiên thể ở xa hơn. Trước hết, ta hãy định hướng mặt phẳng dao động của con lắc tới Mặt trời.

Chỉ mất công vô ích. Bởi vì chỉ sau một tháng, Mặt trời đã rời khỏi mặt phẳng dao động. Những ngôi sao gần nhất, trong vòng bán kính vài năm ánh sáng, nằm trong mặt phẳng dao động lâu hơn, nhưng rồi sau một vài năm cũng sẽ chệch ra ngoài. Điều gì sẽ xảy ra đối với thiên hà Andromede, ở cách chúng ta 2,3 triệu năm ánh sáng? Nó có khá hơn, nhưng rồi cũng đi ra khỏi mặt phẳng dao động. Tiếp theo đến đám các thiên hà địa phương, ở khoảng cách khoảng 40 triệu năm ánh sáng. Thời gian nằm trong mặt phẳng dao động tăng lên một cách đáng kể theo mức độ các thiên thể ở xa dần, nhưng chúng vẫn chậm chạp rời khỏi mặt phẳng đó. Không còn cách nào khác, chúng ta đành định hướng cho con lắc hướng tới đám thiên hà ở cách xa vài tỷ năm ánh sáng, mà ta chỉ thấy được nhờ những kính thiên văn lớn nhất. Sự kiên nhẫn của chúng ta đã được đền bù: không còn sự lệch ra khỏi mặt phẳng dao động nữa. Những kết quả này là hoàn toàn có thể hiểu được. Chúng ta đã biết rằng vũ điệu quay cuồng của vũ trụ được chồng chập với chuyển động giãn nở của nó. Trái đất quay xung quanh Mặt trời, Mặt trời lại quay xung quanh tâm của Ngân hà. Ngân hà lại được hút về phía tâm của cụm thiên hà địa phương. Và đến lượt mình, cụm này lại hướng tới tâm của đám thiên hà địa phương. Rồi đám thiên hà địa phương lại rơi về phía một khối lớn và phức tạp các thiên hà có tên là Nhân hút lớn (xem H.27). Chỉ ở ngoài xa đám thiên hà địa phương những chuyển động của vũ điệu vũ trụ mới suy giảm và sự giãn nở của vũ trụ mới được biểu hiện một cách thuần túy nhất. Chính những chuyển động của vũ điệu đã làm cho các thiên thể lệch ra ngoài mặt phẳng dao động của con lắc Foucault. Sự lệch này chỉ chấm dứt khi các thiên thể ở đủ xa để không tham gia vào vũ điệu đó.

Kết luận rút ra từ những thí nghiệm này là hết sức lạ lùng: con lắc Foucault dao động hoàn toàn không đếm xỉa gì đến địa phương xung quanh nó, bất chấp cả Trái đất, Mặt trời cho tới cả các cụm và đám thiên hà địa phương. Nó hiệu chỉnh hành trạng của nó theo các thiên hà ở xa, hay cũng có nghĩa là theo toàn vũ trụ, bởi vì toàn bộ vật chất nhìn thấy được của vũ trụ là nằm trong các thiên hà. Nói một cách khác, tất cả những gì đang ngầm diễn ra trong mỗi chúng ta đều được quyết định trong khoảng bao la của vũ trụ, tất cả những gì đang xảy ra trên hành tinh nhỏ bé của chúng ta đều được chi phối bởi toàn bộ hệ thống phân cấp các cấu trúc của vũ trụ.

Mỗi một bộ phận đều mang trong nó cái toàn thể và phụ thuộc vào phần còn lại. Vũ trụ là một chỉnh thể. Chính kết luận này cũng đã được nhà triết học và vật lý học người áo Ernst Mach (tác giả của các vận tốc siêu thanh) rút ra vào cuối thế kỷ 19, khi ông cũng trăn trở về vấn đề các vật thể quay. Nhà vật lý này cho rằng khối lượng của mỗi vật - đại lượng đo quán tính, tức mức độ chống lại chuyển động của chúng - là kết quả ảnh hưởng của toàn vũ trụ lên vật đó. Theo ông, khi bạn tốn công để đẩy chiếc xe bị chết máy hoặc để xê dịch bàn ghế trong phòng khách của bạn, thì sự chống lại chuyển động mà bạn cảm nhận được chính là được phát ra từ khoảng bao la của vũ trụ. Mach chưa bao giờ mô tả một cách chi tiết ảnh hưởng bí ẩn này của vũ trụ tác động lên chiếc xe hoặc trong phòng khách của bạn và từ đó cũng không có ai làm được điều đó. Dẫu thế nào đi nữa, hành trạng của con lắc Foucault cũng buộc chúng ta phải rút ra kết luận rằng, có tồn tại một loại tương tác hoàn toàn khác với những tương tác đã được mô tả bởi vật lý học, một loại tương tác bí ẩn không có liên quan với lực hoặc trao đổi năng lượng mà chỉ có tác dụng làm liên kết toàn bộ vũ trụ.

Con lắc Foucault đã chứng minh cho chúng ta thấy rằng, vũ trụ là một chỉnh thể ở thang vĩ mô. Bây giờ chúng ta cũng sẽ thấy rằng, thế giới nội nguyên tử cũng không thể chia cắt được. Bằng chứng về điều này dựa trên một thực nghiệm nổi tiếng được Albert Einstein, Boris Podolsky và Nathan Rosen đề xuất vào năm 1930 với mục đích tìm ra điểm yếu trong cách giải thích xác suất của cơ học lượng tử đối với thực tại. Ta hãy tưởng tượng, họ nói, một hạt bị phân rã tự phát thành hai hạt ánh sáng A và B. Không gì cho phép ta có thề nói trước hướng bay ra của hai hạt này. Chỉ có một điều được biết chắc chắn: đó là do đối xứng, chúng cần phải bay theo hai hướng ngược nhau. Nếu hạt A bay về hướng tây thì hạt B sẽ bay về hướng đông. Vậy, chúng ta hãy đặt các dụng cụ đo và kiểm tra: đúng là hạt A bay về hướng tây và hạt B bay về hướng đông. Tất cả diễn ra đúng như chúng ta dự đoán.

Nhưng chúng ta chưa tính đến tính không tất định của thế giới nội nguyên tử. Cơ học lượng tử nói với chúng ta rằng, A không thể có hướng chính xác trước khi dụng cụ đo bắt được nó. Khi đó nó đeo bộ mặt sóng nên không thể lấy bất cứ một hướng nào. Chỉ sau khi tương tác với detector, A mới biến thành hạt và “cho biết” rằng nó bay về hướng Tây. Nhưng nếu như A không “biết” nó sẽ bay theo hướng nào trước khi bị dụng cụ đo bắt thì làm sao B có thể “đoán” trước được hướng bay của A mà định hướng quỹ đạo của mình sao cho cũng bị bắt ở cùng thời điểm nhưng theo hướng ngược lại? Điều này là hoàn toàn không có ý nghĩa. Einstein và các đồng nghiệp của ông do đó rút ra kết luận rằng, cơ học lượng tử đã chọn con đường sai lầm, rằng thực tại không thể được mô tả thông qua các xác suất và Chúa không chơi trò xúc xắc: trước khi xuất phát A đã “biết” trước hướng mà nó sẽ bay theo và nó thông báo điều đó với hạt B trước khi chúng tách ra khỏi nhau để cho hạt B bay theo hướng ngược lại. A và B đều có một thực tại khách quan rất xác định, độc lập với hành động quan sát. Nhưng Einstein đã nhầm. Những thực nghiệm trong phòng thí nghiệm luôn cho phần đúng thuộc về cơ học lượng tử. Và cơ học lượng tử đã giải thích rất tốt tính chất của các nguyên tử: A không hề “biết” nó sẽ bay theo hướng nào, Chúa cũng chơi trò xúc xắc và các hạt không có một thực tại khách quan độc lập với hành động quan sát. Vậy thì làm thế nào có thể giải quyết được nghịch lý EPR (tên viết tắt của ba tác giả)?

Nghịch lý này sẽ thực sự chỉ là nghịch lý nữa nếu chúng ta giả thiết rằng thực tại được “định xứ” trên mỗi hạt ánh sáng, rằng các hạt này là phân biệt và tách rời, chúng không ảnh hưởng gì đến nhau hết. Nhưng nó sẽ không còn là nghịch lý nữa nếu chúng ta chấp nhận ý tưởng cho rằng hai hạt ánh sáng, thậm chí cách xa nhau hàng tỷ năm ánh sáng, trước khi được ghi nhận bởi dụng cụ đo đều là một bộ phận của cùng một chỉnh thể, chúng thường xuyên liên lạc với nhau thông qua một tương tác bí ẩn. Điều đó giải thích tại sao B “biết” ngay tức thời tất cả những gì xảy ra với A: chúng không cần phải gửi thông báo cho nhau. Thực tại không phải là cục bộ mà là toàn bộ. Không còn có “ở đây” hoặc “ở kia” nữa. Tất cả đều liên hệ với nhau và “ở đây” cũng đồng nhất với “ở kia”. Con lắc Foucault và thí nghiệm EPR đã buộc chúng ta phải vượt qua những khái niệm vốn đã quen thuộc về không gian và thời gian.

Chúng ta đã được dẫn tới kết luận rằng, vũ trụ có một cấp độ tổng thể và không thể chia cắt được, dù là ở thang vĩ mô hay vi mô. Một ảnh hưởng hiện diện ở khắp nơi và đầy bí ẩn làm cho mỗi cái bộ phận đều chứa cái toàn thể và cái toàn thể phản ánh từng cái bộ phận. Tất cả các sinh vật trong vũ trụ, toàn bộ vật chất, quyển sách mà bạn đang cầm trên tay, đồ đạc ở xung quanh bạn, quần áo mà bạn đang mặc, tất cả các vật mà chúng ta đồng nhất với các mảnh của thực tại đều chứa cái toàn thể được ẩn giấu giữa chúng. “Mỗi chúng ta ai cũng đều giữ cái vô hạn trong lòng bàn tay mình”.

Như vậy, khoa học phương Tây, vì sự bó buộc mà phải là một khoa học mang tính quy giản luận (cần phải cô lập ra các mảng của thực tại để nghiên cứu chúng một cách chi tiết và phát triền dần lên) nay đang ngày càng hội tụ dần tới một cái nhìn tổng thể (mà người ta gọi là chỉnh thể luận) về vũ trụ. Những ý định hiện nay nhằm thống nhất các định luật vật lý chỉ là một biểu hiện của xu hướng đó. Khoa học đã dạy chúng ta rằng, chúng ta chia sẻ với toàn bộ vật chất của vũ trụ một lịch sử chung, chúng ta là con của các ngôi sao, là anh em với các loài thú hoang dã, là họ hàng xa với những cây mỹ nhân xinh đẹp trên đồng nội. Khoa học cũng nói với chúng ta rằng, chúng ta mang trong mình toàn bộ vũ trụ, rằng chúng ta hoàn toàn không thể cắt rời khỏi vũ trụ. Liệu ý thức về sự thuộc về vũ trụ này có tránh được cho chúng ta một tự sát hạt nhân hay sinh thái không? Trong mọi trường hợp, nhà khoa học không có sự lựa chọn.

Hay diễn đạt theo câu nói nổi tiếng của André Malraux:

“Khoa học ở thế kỷ 21 sẽ là tâm linh hoặc là không”.

Chúng ta hãy nhắc lại câu hỏi ban đầu của chúng ta: Liệu một ngày nào đó vũ trụ có tiết lộ cho chúng ta tổng thể của cái thực tại rực rỡ của nó hay không? Liệu chúng ta có khám phá ra bí mật của cái giai điệu thực của nó hay không? Dưới ánh sáng của những điều được trình bày ở trên, thì điều đó dường như rất khó và thậm chí không thể. Chính hành động quan sát đã làm biến đổi thực tại, như cơ học lượng tử đã từng dạy chúng ta. “Thực tại” này sau đó lại được con mắt của chúng ta, những dụng cụ đo của chúng ta và những “thiên kiến” của chúng ta giải thích và làm cho biến đổi. Và nghiêm trọng hơn nữa, do không thoát khỏi khả năng hữu hạn của mình, chúng ta mãi mãi chỉ có thể nghiên cứu được một phần nhỏ bé của vũ trụ bao la, một vũ trụ toàn bộ là một chỉnh thể.

Với cái giá là những nỗ lực phi thường của trí tưởng tượng và óc sáng tạo, những thiên tài ngày càng phát hiện ra nhiều mối liên hệ và khoa học cũng ngày càng tiến bộ. Nhưng sẽ không bao giờ phát hiện được tất cả các mối liên hệ. (Nhân đây, thiết nghĩ cũng rất bổ ích để nhắc lại những công trình của nhà toán học người Áo Kurt Godel, người đã chứng minh được vào năm 1931 rằng sẽ mãi mãi tồn tại trong toán học những mệnh đề không thể chứng minh được. Tương tự như không thể chứng minh được mọi điều trong toán học, trí tuệ con người cũng sẽ mãi mãi không thể hiểu được toàn thể Vũ trụ). Chúng ta sẽ không bao giờ tiếp cận được Vũ trụ với chữ V viết hoa. Giai điệu của nó sẽ vĩnh viễn còn là điều bí ẩn. Nhưng lẽ nào đó là cái lý để chúng ta chán nản và vứt bỏ mọi cuộc tìm kiếm? Tôi hoàn toàn không nghĩ như vậy. Con người sẽ không bao giờ thoát khỏi nhu cầu cấp bách là phải tổ chức thế giới bên ngoài thành một sơ đồ hài hòa và thống nhất. Sau vũ trụ Big Bang, con người sẽ tiếp tục sáng tạo ra những vũ trụ khác, ngày càng gần với Vũ trụ thực hơn, dù là không bao giờ đạt tới, nhưng chúng sẽ soi sáng và ngợi ca sự tồn tại của cái Vũ trụ thực ấy.

-----o0o-----

Trích: Giai Điệu Bí Ẩn

Tác Giả: Trịnh Xuân Thuận

Dịch Giả: Phạm Văn Thiều

NXB: Khoa Học Và Kỹ Thuật, in năm 2000

Ảnh: nguồn Internet