Vũ trụ học lượng tử đã cứu vớt sự khủng hoảng của vật lý như thế nào?

Kể từ khi khám phá ra nguyên tử, các nhà vật lý đã tuân theo triết lý của chủ nghĩa quy giản. Theo ý tưởng này, tự nhiên có thể được nắm bắt thông qua sự hiểu biết thống nhất bằng cách phân tách mọi thứ xung quanh chúng ta thành các thành phần nhỏ hơn từ những đơn vị nhỏ bé giống nhau.

Mở đầu

Theo câu chuyện phổ biến này, các vật thể hàng ngày như ghế, bàn và sách được tạo nên từ các nguyên tử, nguyên tử được cấu tạo từ hạt nhân nguyên tử và electron, hạt nhân nguyên tử chứa proton và neutron, còn proton và neutron bao gồm các hạt quark. Các hạt sơ cấp như quark hoặc electron được hiểu là những khối cấu trúc cơ bản của vũ trụ.

Trong suốt năm mươi năm qua, để làm sáng tỏ và cụ thể hóa quan điểm này, hàng trăm nghìn trang giấy đã được lấp đầy với các phương trình phức tạp chứa đầy những ký hiệu kỳ lạ. Để kiểm tra những ý tưởng này, các máy va chạm hạt khổng lồ đã được xây dựng, với những ống dài hàng dặm và trị giá hàng tỷ đô la, để tăng tốc vật chất hạ nguyên tử gần với tốc độ ánh sáng, để cho chúng va chạm mạnh mẽ và tìm kiếm các mảnh nhỏ hơn hoặc chưa được phát hiện. Với sự giúp đỡ của NASA và Cơ quan Vũ trụ châu Âu, các kỳ quan kỹ thuật đã được phóng vào không gian để nghe ngóng những sự kiện đầu tiên trong vũ trụ, nhằm hiểu được thế giới trông như thế nào khi nó chỉ là một nồi súp các hạt nóng.

Triết lý này đã cực kỳ thành công, nhưng vẫn có một điểm mù. Nguyên tử, proton và neutron, electron và quark đều được miêu tả bởi cơ học lượng tử. Và theo cơ học lượng tử, nhìn chung, việc phân tách một đối tượng là không thể mà không mất đi một số thông tin thiết yếu. Các nhà vật lý hạt cố gắng tìm kiếm một mô tả cơ bản về vũ trụ, một mô tả không bỏ sót thông tin nào. Nhưng nếu chúng ta thực sự nghiêm túc với cơ học lượng tử, điều này ngụ ý rằng, ở cấp độ cơ bản nhất, tự nhiên không thể được cấu thành từ các thành phần. Mô tả cơ bản nhất của vũ trụ phải bắt đầu từ chính vũ trụ.

Giống như bất kỳ nhà vật lý chuyên nghiệp nào khác, tôi làm việc với cơ học lượng tử hàng ngày. Chúng tôi sử dụng cơ học lượng tử để tính toán và dự đoán kết quả của các thí nghiệm, quan sát và vấn đề mà chúng tôi quan tâm, dù đó là các vụ va chạm hạt trong các máy gia tốc khổng lồ, các quá trình tán xạ trong plasma nguyên thủy của vũ trụ sơ khai, hay hành vi của các trường điện hoặc từ trong các thí nghiệm về trạng thái rắn. Nhưng trong khi chúng ta hầu như luôn áp dụng cơ học lượng tử để miêu tả các quan sát và thí nghiệm cụ thể, chúng ta thường không áp dụng nó cho toàn bộ vũ trụ. Điều này dẫn đến một hệ quả vô cùng khó tin. Như tôi sẽ tranh luận trong cuốn sách này, một khi cơ học lượng tử được áp dụng cho toàn bộ vũ trụ, nó sẽ hé lộ một ý tưởng có từ ba nghìn năm trước: rằng ẩn dưới tất cả những gì chúng ta trải nghiệm, chỉ có một thứ duy nhất bao trùm tất cả – rằng mọi thứ khác mà chúng ta thấy xung quanh chỉ là một dạng ảo giác.

All is One

Hãy công nhận rằng, tuyên bố rằng tất cả là Một (all is One) không nghe giống như một khái niệm khoa học tuyệt vời

Lúc đầu, nó nghe có vẻ phi lý. Chỉ cần nhìn ra ngoài cửa sổ. Hầu hết thời gian, sẽ có nhiều hơn một chiếc xe trên đường. Phải có hai người (ít nhất!) cho một mối tình, hai hoặc ba tín đồ để tổ chức một Thánh lễ, và cần có hai mươi hai cầu thủ cho một trận bóng đá đàng hoàng. Từ lâu, các nhà thiên văn học đã thuyết phục chúng ta rằng Trái Đất không phải là hành tinh duy nhất trong vũ trụ, và ngày nay, vũ trụ học hiện đại biết rằng có vô số ngôi sao.

Nhưng cơ học lượng tử thay đổi mọi thứ. Trong các hệ lượng tử, các đối tượng hòa nhập đến mức hoàn toàn không thể nói bất kỳ điều gì về các tính chất của các thành phần của chúng nữa. Hiện tượng này được gọi là vướng víu (entanglement), và mặc dù nó đã được Albert Einstein và các cộng sự chỉ ra cách đây khoảng tám mươi năm, chỉ bây giờ nó mới được đánh giá đúng mức. Áp dụng vướng víu vào toàn bộ vũ trụ và bạn sẽ gặp phải giáo điều của Heraclitus: Từ tất cả mọi thứ thành Một.

Khoan đã, bạn có thể phản đối!

Cơ học lượng tử chỉ áp dụng cho những thứ nhỏ bé: nguyên tử, hạt sơ cấp, có lẽ là phân tử. Áp dụng nó cho vũ trụ không có lý. Bạn sẽ ngạc nhiên khi biết rằng ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy nhận thức này là sai. Chỉ từ năm 1996 đến 2016, đã có sáu giải Nobel được trao cho các hiện tượng lượng tử vĩ mô. Cơ học lượng tử dường như áp dụng một cách toàn diện, và những hệ quả của nó mới chỉ bắt đầu được khám phá.

Bạn có thể giơ tay phản đối rằng một cuộc thảo luận như vậy là vô ích. Vật lý dường như hoạt động tốt mà không cần bất kỳ sự suy nghĩ siêu hình nào như vậy. Sự thật là, không phải vậy. Hiện tại, vật lý đang đối mặt với một cuộc khủng hoảng buộc chúng ta phải xem xét lại những gì chúng ta hiểu là cơ bản ngay từ đầu. Ngay bây giờ, các nhà vật lý hạt và vũ trụ học tài giỏi nhất đều bị lạc hướng bởi những phát hiện thí nghiệm về các sự trùng hợp cực kỳ khó xảy ra mà cho đến nay vẫn chưa thể giải thích. Đồng thời, việc tìm kiếm một lý thuyết về mọi thứ đang làm mất đi các khái niệm nền tảng của vật lý, như vật chất, không gian và thời gian. Nếu những thứ này biến mất, thì điều gì sẽ còn lại?

Hiểu đúng về vũ trụ

Vũ trụ học lượng tử ngụ ý rằng lớp thực tại cơ bản không được tạo thành từ các hạt hay các vật thể một chiều nhỏ bé dao động được gọi là dây, mà chính là vũ trụ

Hiểu vũ trụ không phải là tổng hợp các thành phần của nó mà là một sự thống nhất bao trùm tất cả. Như tôi sẽ lập luận, quan niệm rằng tất cả là Một có tiềm năng cứu rỗi tâm hồn của khoa học: niềm tin rằng có một thực tại duy nhất, có thể hiểu và cơ bản. Một khi lập luận này được chấp nhận, nó sẽ thay đổi hoàn toàn cuộc tìm kiếm lý thuyết về mọi thứ – xây dựng trên vũ trụ học lượng tử thay vì vật lý hạt hoặc lý thuyết dây (hiện là ứng viên phổ biến nhất cho lý thuyết lượng tử của lực hấp dẫn). Quan niệm này cũng ngụ ý rằng chúng ta cần hiểu làm thế nào chúng ta có thể trải nghiệm thế giới như nhiều thứ nếu thực sự mọi thứ chỉ là Một. Điều này được đảm bảo nhờ một quá trình gọi là khử rối (decoherence), là điều cần thiết trong hầu hết các nhánh của vật lý hiện đại. Khử rối là cơ chế bảo vệ trải nghiệm cuộc sống hàng ngày của chúng ta khỏi những hiện tượng lạ kỳ của lượng tử. Và nó hiện thực hóa phần còn lại của giáo điều của Heraclitus: từ Một thành tất cả mọi thứ.

Khi quan điểm buộc phải thay đổi

Hệ quả là chúng ta sẽ phải tìm hiểu cách một quan niệm như vậy thay đổi quan điểm của chúng ta về những câu hỏi sâu sắc nhất của triết học.

Chúng bao gồm: Vật chất là gì? Không gian là gì? Thời gian là gì? Vũ trụ ra đời như thế nào? – và thậm chí là về cái mà những người tôn giáo gọi là Thượng Đế (vì trong nhiều thế kỷ, khái niệm về một sự thống nhất bao trùm tất cả đã được đồng nhất với Thượng Đế). Chúng ta cũng sẽ phải đối mặt với câu hỏi tại sao chủ nghĩa nhất nguyên (monism) không phổ biến hơn, nếu nó theo sát từ cơ học lượng tử một cách dễ hiểu đến vậy. Tại sao nó lại nghe có vẻ kỳ lạ đối với

chúng ta? Từ đâu xuất phát phản xạ trực giác tiêu cực này? Để thực sự hiểu được sự thiên vị này, chúng ta phải khám phá lịch sử của chủ nghĩa nhất nguyên.

The One là câu chuyện về cả một cuộc khủng hoảng nghiêm trọng trong vật lý và về khái niệm bị lãng quên một nửa có tiềm năng giải quyết nó. Nó khám phá ý tưởng rằng tất cả là Một, rằng vật chất, không gian, thời gian, và tư duy chỉ là những tạo tác của góc nhìn thô sơ của chúng ta về vũ trụ. Trên hành trình này, nó kể lại cách khái niệm này đã tiến hóa và định hình lịch sử, từ thời cổ đại đến vật lý hiện đại. Không chỉ chủ nghĩa nhất nguyên truyền cảm hứng cho nghệ thuật của Botticelli, Mozart, và Goethe, mà nó còn ảnh hưởng đến khoa học của Newton, Faraday, và Einstein. Ngay cả bây giờ, chủ nghĩa nhất nguyên đang trở thành một giả định ngầm dưới những lý thuyết tiên tiến nhất của chúng ta về không gian và thời gian. Đây là một câu chuyện đầy tình yêu và sự cống hiến, sợ hãi và bạo lực – và khoa học tiên tiến. Không hề nhỏ, đây là câu chuyện về cách loài người trở thành chính nó.