Hai sai lầm của Albert Einstein

Văn bản gốc được giáo sư người Pháp François Vannucci thực hiện, bài viết dưới đây dựa theo bản dịch của cô Rosie Marsland, được đăng tải trên The Conversation .

Nghiên cứu khoa học dựa trên mối quan hệ giữa thực tế tự nhiên (theo cách chúng ta nhìn nhận) và những mô tả về thực tại, tạo nên bởi các giả thuyết được viết bằng ngôn ngữ toán học. Nếu tất cả kết quả xuất phát từ giả thuyết đều được chứng minh thông qua thử nghiệm, ta sẽ thừa nhận giá trị của chúng. Con người đã sử dụng cách thức nghiên cứu này suốt 4 thế kỷ, để rồi viết nên lượng kiến thức khổng lồ.

Thế nhưng những tiến bộ ta có được lại dựa trên trí tuệ của những cá nhân cứng đầu, vẫn giữ vững niềm tin và định kiến vào những thứ vốn đã tồn tại; nhiều khi họ không hướng tới cái mới mà trung thành với cái cũ. Điều này có thể ảnh hưởng tới tiến trình phát triển của khoa học, thậm chí những bộ óc lỗi lạc nhất cũng có thể sai lầm.

Albert Einstein cũng mắc sai lầm

Trong tuyệt tác “thuyết tương đối rộng” (1915) của Albert Einstein, ông viết nên phương trình mô tả cách thức Vũ trụ tiến hóa theo thời gian. Giải ra phương trình này, ta thấy Vũ trụ bất ổn, không phải là một khối cầu khổng lồ chứa một lượng sao xác định di chuyển liên tục; điều này đi ngược lại với cách các nhà khoa học đương thời nhìn nhận Vũ trụ.

Đầu thế kỷ 20, người ta sống với ý tưởng bất di bất dịch rằng Vũ trụ là một sự vật tĩnh, trong đó vận động của sao không bao giờ đổi. Nhiều khả năng, đức tin này tới từ những lời thuyết giáo của Aristotle, cho rằng Vũ trụ là bất biến còn Trái Đất có thể tiêu biến bất kỳ lúc nào.

Ý tưởng trên của Aristotle gây ra tranh cãi: năm 1054, các nhà thiên văn học Trung Hoa phát hiện ra sự xuất hiện của một tia sáng mới trên bầu trời, thế nhưng không thấy văn bản nào của các nhà khoa học Châu Âu nhắc tới nó. Trên bầu trời ban ngày, người ta có thể nhìn thấy rõ đốm sáng bí ẩn.

Nó là một siêu tân tinh, là ánh sáng phát ra từ một ngôi sao đang chết; ngay lúc này khi quan sát Tinh vân con Cua, ta vẫn còn thấy được chút ánh sáng còn vương lại từ vụ nổ xưa kia. Người Châu Âu cứng đầu, ngang như chính cái tên Tinh vân chứa ngôi sao lóe sáng kia, từ chối tin vào sự tồn tại một hiện tượng đi ngược với đức tin sắt đá người đương thời rằng bầu trời/Vũ trụ là bất biến.

Hiện tượng siêu tân tinh hiếm có vô cùng, chỉ đủ sáng cho mắt thường nhìn thấy với tần suất 1 lần/thế kỷ; lần cuối một ngôi sao nổ sáng đến vậy là hồi năm 1987. Có thể đưa ra nhận định: Aristotle đã SUÝT đúng khi nói rằng bầu trời là bất biến; bởi ít nhất nó chỉ bất biến trong vòng đời một con người thôi.

Để những nghiên cứu của mình phù hợp với ý tưởng đương thời về một Vũ trụ tĩnh, Einstein đưa vào phương trình của ông hằng số Vũ trụ, cho phép trạng thái của Vũ trụ không đổi. Trực giác của ông đã sai khi bám lấy ý tưởng vốn được chấp thuận rộng rãi: năm 1929, khi nhà thiên văn học Edwin Hubble chứng minh được rằng Vũ trụ đang nở rộng ra, Einstein đã phải thừa nhận ông gây ra “lỗi lầm lớn nhất đời mình”.

Sự ngẫu nhiên lượng tử

Cơ học lượng tử, học thuyết mô tả nền vật lý ở quy mô hiển vi, gần như hình thành cùng khoảng thời gian với thuyết tương đối. Từ năm 1905, Einstein đã là một trong những người có cống hiến lớn cho sự phát triển của cơ học lượng tử, thông qua việc diễn đạt hiệu ứng quang điện - va chạm giữa một photon và một electron. Nói một cách khác, ánh sáng - thứ vốn được cho có dạng sóng - lại được Einstein mô tả như một chuỗi các hạt. Không phải thuyết tương đối, đây mới là bước tiến vĩ đại của nền vật lý đã mang về cho Einstein giải Nobel năm 1921.

Như dù với cống hiến lớn kia, Einstein vẫn một mực từ chối tin vào một trong những yếu tố cơ bản nhất của cơ học lượng tử - đó là luật lệ của thế giới tí hon này vượt ngoài những giới hạn của vật lý cổ điển. Thế giới lượng tử chứa đầy xác suất, ta chỉ biết dự đoán kết quả dựa trên những khả năng có thể xảy ra.

Phân tích cái đức tin mù quáng của Einstein, ta lại một lần nữa thấy ảnh hưởng của triết học Hy Lạp. Plato dạy rằng dòng suy nghĩ phải lý tưởng, phải thoát khỏi những bó buộc của những sự kiện bất ngờ của thực tại; ý tưởng này cao cả lắm, nhưng lại không tuân theo kim chỉ Nam của khoa học. Tri thức yêu cầu chúng ta phải tuyệt đối tuân theo những sự thật đã được chứng minh, trong khi đó đức tin lại dựa trên khả năng, sản sinh ra từ các quan sát phiến diện.

Bản thân Einstein tin rằng một dòng suy nghĩ thuần khiết hoàn toàn có thể nhận định được thực tại, nhưng sự ngẫu nhiên lượng tử đã chứng minh rằng Einstein đã sai.

Trên thực tế, sự ngẫu nhiên này không hẳn ngẫu nhiên, mà chúng bị bó buộc bởi nguyên tắc không rõ ràng do Werner Heisenberg đề xuất (Heisenberg’s Uncertainty Principle - HUP).

Nguyên tắc không rõ ràng của Heisenberg

Năm 1927, nhà vật lý lý thuyết người Đức nhận định rằng vị trí và vận tốc của một vật thể không thể cùng lúc được đo đạc một cách chính xác trong cùng một thời điểm, thậm chí ngay cả trong giả thuyết. Bản thân khái niệm vị trí chính xác và vận tốc chính xác đều vô nghĩa trong tự nhiên. Về cơ bản, khoa học không thể dự đoán chính xác điều gì sẽ xảy ra tiếp theo.

Dù có tên như vậy, nhưng HUP không hẳn là một "nguyên tắc" (với nghĩa không phải một lời xác nhận, một giá trị dẫn lối hành vi hay cách thức đánh giá). Nó được sinh ra từ cơ học lượng tử, một học thuyết ứng lên vật chất và năng lượng, tạm thời giải thích được bản chất của chúng với vốn hiểu biết của ta hiện tại.

Nguyên tắc HUP áp đặt tính khoa học (collective determinism, tạm dịch là tập hợp tiền định, chỉ những kết quả SẼ xảy ra khi các vật thể tồn tại trong không-thời gian tương tác với nhau) lên một nhóm các hạt; bản thân một hạt electron bay tự do bởi ta không thể tính toán được đường bay của nó, nhưng một triệu hạt electron sẽ tạo ra sự nhiễu xạ, những lớp vân tối và sáng và cũng không thể tính toán được.

Einstein không chấp nhận sự thật rằng có những thứ không cho phép các định luật vật lý và toán học tính được nó, và từ chối chấp nhận vật lý lượng tử bằng câu nói nổi tiếng : “Tôi, dù xét theo khía cạnh nào, cũng tin rằng [thánh thần] không tung xúc xắc”, ý nói rằng mọi sự kiện đều được vật lý định trước, và rằng chẳng có sự ngẫu nhiên nào cả. Einstein cho rằng vẫn còn những biến số chưa được phát hiện ra, những định lượng khác ngoài khối lượng, điện tích và vòng quay để mô tả hạt; dù những nhận định kia của Einstein là đúng, nhưng việc ông bác bỏ yếu tố ngẫu nhiên là sai.

Các thí nghiệm lượng tử không hậu thuẫn góc nhìn của Einstein. Không thể phủ nhận lượng tử giới là một phạm trù vượt ngoài tầm hiểu biết của con người, và ta không biết (hay là chưa biết?) những bí ẩn của thế giới hạt hiển vi.

Những phút lóe sáng ngẫu nhiên của trí tưởng tượng

Trong phạm vi của phương thức khoa học, vẫn còn một giai đoạn riêng không hoàn toàn khách quan. Chính những suy nghĩ phát sinh trong giai đoạn này dẫn tới việc hình thành các giả thuyết, và Einstein có thể cho ta một ví dụ cụ thể.

Nhà bác học từng nói thế này, “trí tưởng tượng quan trọng hơn tri thức”. Đúng vậy, khi có trong tay một loạt các quan sát riêng lẻ, một nhà vật lý học phải mường tượng ra một quy luật nào đó với vai trò là nền móng cho mọi quan sát kia dựa vào mà vận hành. Đôi lúc, một hiện tượng sản sinh ra nhiều giả thuyết khác nhau, đây mới là lúc lập luận logic phát huy khả năng của mình, để chọn ra giả thuyết hợp lý nhất.

Hiểu theo nghĩa này, tiến trình nảy sinh ý tưởng xuất phát từ trực giác. Có thể coi đây là bước nhảy cóc từ tri thức tới sự thật. Đường ranh giới giữa khách quan và chủ quan không còn rõ ràng nữa, những suy nghĩ xuất phát từ neuron thần kinh chịu ảnh hưởng trực tiếp từ các xung điện từ - cứ như dòng điện giữa các tế bào chập mạch ngẫu nhiên, để rồi phát sinh một vài dòng suy nghĩ đặc biệt.

Không phải ai cũng có những trực giác này; bộ não xuất chúng của Einstein cho chúng ta “E=mc²”, trong khi đó trí tưởng tượng của J.R.R Tolkien lại vẽ nên những khung cảnh tráng lệ và một hệ thống ngôn ngữ riêng của giống loài chỉ tồn tại trong tưởng tượng. Trực giác xuất hiện ngẫu nhiên, nhưng chính sự ngẫu nhiên này bị bó buộc bởi trải nghiệm, văn hóa và hiểu biết của từng cá nhân.

Lợi ích của sự ngẫu nhiên

Chẳng ngạc nhiên khi trí tuệ của nhân loại không nắm bắt được bản chất của thực tại. Nếu không tồn tại sự ngẫu nhiên, ta chỉ có bản năng và thói quen làm bạn đồng hành, đó là những yếu tố biến chúng ta thành một giống loài dễ đoán. Những gì ta đang làm chỉ tồn tại trong một lớp thực tại dễ thấy, với những lo lắng rất đỗi giản dị và những công việc miễn cưỡng phải thực hiện mà xã hội giao cho. Nhưng vẫn còn một lớp thực tại nữa, nơi sự ngẫu nhiên là yếu tố chủ đạo điều khiển mọi hoạt động.

Einstein là ví dụ điển hình của một tinh thần tự do và một bộ óc sáng tạo, thế nhưng ông vẫn nặng định kiến. 

“Lỗi đầu tiên” của Einstein có thể gọi gọn lại thành “Tôi từ chối tin vào điểm khởi đầu Vũ trụ”, để rồi các thí nghiệm chứng minh rằng Einstein đã sai.

“Lỗi thứ hai” của Einstein có thể được mô tả rằng “Tôi từ chối tin rằng trên đời tồn tại sự ngẫu nhiên thuần túy”. Thế rồi cơ học lượng tử thực sự tồn tại, với đặc tính mấu chốt là sự ngẫu nhiên.

Einstein ngoan cố cho rằng mọi sự việc đều tuân theo tiền định, đều được các quy luật tự nhiên chi phối; với ông, não bộ con người hoàn toàn hiểu được bản chất Vũ trụ. Nhưng rồi Einstein sai, và Heisenberg dạy chúng ta rằng vật lý chỉ là công cụ có giới hạn, chỉ mô tả được cách thức tự nhiên phản ứng trong những điều kiện nhất định. Thuyết lượng tử cho thấy ta không thể tinh tường mọi thứ. Nó mang tới cho chúng ta sự ngẫu nhiên thuần túy, đi kèm cả những hiểm nguy, những thất bại nhưng trong đó có cả lợi ích.

Nhà vật lý học huyền thoại với mái đầu xù và bộ ria dày là ví dụ hoàn hảo của một cá nhân sở hữu trí tưởng tượng xuất chúng. Buồn cười thay, việc ông từ chối tin vào sự ngẫu nhiên chính là một nghịch lý, bởi lẽ chính sự ngẫu nhiên tạo nên trực giác, động cơ thúc đẩy quá trình sản sinh ra cả khoa học và nghệ thuật.

Dink