Một cuộc phỏng vấn chi tiết với nhà thiên văn học Kelsey Johnson, tác giả của cuốn sách Into the Unknown, khám phá những điều vẫn còn chưa biết về Vũ trụ.
Khi nói đến việc hiểu toàn bộ Vũ trụ, chúng ta có thể lập ra danh sách ấn tượng về những điều mà ta đã và chưa hiểu, ít nhất là ở một mức độ tạm thời. Khoa học hiện đại, đặc biệt nhờ vào những tiến bộ lý thuyết và thực nghiệm/ quan sát trong thế kỷ 20 và 21, đã giải mã được một số lượng khổng lồ các chi tiết về lịch sử vũ trụ. Chúng ta hiểu rằng:
– Vũ trụ đang giãn nở,
– Nó có thể truy ngược lịch sử trở về một trạng thái nóng hơn, đặc hơn và đồng nhất hơn,
– Giai đoạn đầu tiên của nó được mô tả bởi một Big Bang Nóng,
– Trước đó là một giai đoạn lạm phát vũ trụ,
Và tất cả những gì chúng ta nhìn thấy và trải nghiệm ngày nay – các ngôi sao, thiên hà, hành tinh, mặt trăng, mạng lưới vũ trụ và thậm chí cả sự sống – đều xuất hiện sau những sự kiện ấn tượng này trong lịch sử chung của chúng ta.
Những câu hỏi lớn về vũ trụ
Dù những điều đã biết về vũ trụ ấn tượng đến đâu, vẫn còn rất nhiều điều cần được giải thích. Tại sao các hằng số cơ bản lại có giá trị như hiện tại, và liệu có lựa chọn thay thế nào cho chúng không? Vật chất tối và năng lượng tối bí ẩn – dường như chiếm phần lớn Vũ trụ – là gì? Chúng ta được tạo thành từ vật chất như thế nào, và tại sao không có lượng phản vật chất tương đương? Tại sao trong Vũ trụ lại có một điều gì đó thay vì hư vô? Và, đặc biệt là đối với những người không phải nhà khoa học, làm thế nào để tiếp cận một cách có trách nhiệm với những bí ẩn vũ trụ lớn này khi mà không ai, kể cả những chuyên gia thông minh nhất ngày nay, biết được giải pháp cuối cùng sẽ ra sao?
Trong cuốn sách mới xuất sắc của mình, Into the Unknown: The Quest to Understand the Mysteries of the Cosmos, nhà thiên văn học Kelsey Johnson, cựu chủ tịch Hiệp hội Thiên văn Hoa Kỳ, đã đi sâu vào tất cả các vấn đề này và nhiều hơn thế. Dưới đây là những điểm nổi bật sâu sắc từ cuộc phỏng vấn gần đây với cô.
Bìa sách mang tên Into the Unknown: The Quest to Understand the Mysteries of the Cosmos của Kelsey Johnson, với phông nền không gian và các hành tinh đầy màu sắc.
Cuốn sách mới của nhà thiên văn học Kelsey Johnson, Into the Unknown: The Quest to Understand the Mysteries of the Cosmos, đưa độc giả vào một hành trình vừa mở rộng tâm trí vừa mang tính cá nhân và gần gũi qua những câu hỏi lớn nhất mà chúng ta có thể đặt ra về bản chất thực tại.
Hiểu lầm phổ biến nhất mà mọi người có về khoa học
Ethan Siegel: Kelsey, sau khi đọc cuốn sách của anh, tôi rất vui khi thấy rằng anh bắt đầu bằng lời mời gọi, như anh nói, Quên những gì anh nghĩ rằng anh biết về khoa học. Theo anh, những hiểu lầm phổ biến nhất mà mọi người có về khoa học và cách nó hoạt động là gì? Và làm thế nào quan niệm của anh về quy trình khoa học thay đổi khi anh tiến xa hơn trong sự nghiệp để trở thành một nhà thiên văn hàng đầu thế giới?
Kelsey Johnson: Thành thật mà nói, có bao nhiêu nhà khoa học thực sự mà một người bình thường biết? Tôi hoàn toàn hiểu tại sao những hiểu lầm về khoa học lại xuất hiện, và chúng có thể rất khó thay đổi nếu không được tiếp xúc thực sự với cách mà các nhà khoa học thực sự làm việc. Tôi chắc chắn rằng tôi cũng có rất nhiều hiểu lầm về, chẳng hạn, phi công hàng không, mặc dù tôi đi máy bay với sự tự tin, cũng giống như nhiều người sử dụng các kết quả của khoa học mà không cần suy nghĩ nhiều và thường là trong khi vẫn giữ những hiểu lầm.
Tôi nghĩ rằng nhiều người có một quan niệm về khoa học dựa trên những trải nghiệm mà họ từng có ở trường – thường rất cứng nhắc và theo khuôn mẫu (nghe có quen không?), giống như việc học chính tả và ngữ pháp, hoặc luyện tập các âm giai trên một nhạc cụ (và để rõ, tôi không thích bất kỳ điều nào trong số này khi tôi còn đi học, mặc dù tôi rất thích chơi nhạc).
Học sinh thường rời khỏi các lớp học khoa học với ấn tượng rằng khoa học chỉ xoay quanh việc ghi nhớ các sự kiện, biết cách giải phương trình, và thực hiện các thí nghiệm mà hàng triệu người khác đã làm trước đó và có đáp án đúng. Bản chất cốt lõi của khoa học hoàn toàn bị mất đi trong những trải nghiệm như vậy. Khi nói về khoa học, việc ghi nhớ các sự kiện, biết cách giải phương trình và thực hiện các thí nghiệm như vậy (không có nguy cơ khám phá ra điều gì mới) giống như việc học chính tả và ngữ pháp hoặc các âm giai âm nhạc. Nhưng nếu đó là tất cả những gì anh làm, anh sẽ hoàn toàn bỏ lỡ những điều tuyệt đẹp mà những kỹ năng đó mang lại, và điều này cũng đúng với khoa học.
Vâng, anh cần có những kỹ năng cơ bản trong khoa học, nhưng tiến bộ trong khoa học phụ thuộc vào sự tò mò và sáng tạo, điều mà tôi lo ngại đã hoàn toàn bị bỏ qua trong hầu hết các lớp học.
Qua sự nghiệp của mình và chứng kiến cách những tiến bộ lớn xảy ra trong khoa học, tôi đã ngày càng trân trọng tầm quan trọng của việc thách thức bản thân bằng cách hỏi Điều gì sẽ xảy ra nếu…? Điều này có thể không thoải mái khi có một loạt các suy nghĩ kế thừa về một chủ đề. Trong giai đoạn đầu của sự nghiệp, tôi thường giả định rằng những người thông minh và giàu kinh nghiệm hơn tôi có lý do chính đáng để loại bỏ những câu hỏi Điều gì sẽ xảy ra nếu…. Tất nhiên, đôi khi điều đó đúng, nhưng nếu chúng ta né tránh việc đặt câu hỏi Điều gì sẽ xảy ra nếu… vì sợ trông có vẻ ngây thơ, chúng ta đã tự cắt đứt những ý tưởng trước khi cho phép bản thân thấy được nơi chúng dẫn đến. Đúng vậy, có thể chúng là ngõ cụt, nhưng kịch bản tệ nhất là chúng ta có thể phát triển kiến thức và hiểu biết thông qua việc khám phá ý tưởng đó.
Đến thời điểm này trong sự nghiệp, với nhiều kinh nghiệm hơn trong tuyến đầu của khoa học, tôi ngày càng dấn thân vào việc đặt câu hỏi Điều gì sẽ xảy ra nếu… và xem nơi chúng dẫn dắt. Ở độ tuổi trung niên, một trong những lợi ích là sẵn sàng chấp nhận sự ngây thơ như một cơ hội để học hỏi.
Những dao động lượng tử vốn có của không gian, được kéo giãn khắp Vũ trụ trong quá trình lạm phát vũ trụ, đã tạo ra những dao động mật độ in dấu trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Từ đó, chúng dẫn đến sự hình thành các ngôi sao, thiên hà và các cấu trúc quy mô lớn khác trong Vũ trụ ngày nay.
Đây là hình ảnh tốt nhất mà chúng ta có về cách toàn bộ Vũ trụ vận hành, trong đó lạm phát diễn ra trước và thiết lập điều kiện cho Big Bang. Thật không may, chúng ta chỉ có thể tiếp cận thông tin nằm trong chân trời vũ trụ của mình, vốn là một phần nhỏ thuộc khu vực nơi lạm phát kết thúc cách đây khoảng 13,8 tỷ năm.
Trách nhiệm nói về tri thức của một nhà khoa học
Ethan Siegel: Một chủ đề phổ biến trong thiên văn học và vật lý thiên văn là khái niệm rằng chúng ta cần phải suy nghĩ lại về những gì mình biết. Hoặc, nếu nói chính xác hơn, chúng ta đã phải suy nghĩ lại về những gì từng cho là mình đã biết chính xác, nhưng bằng chứng mới sau đó cho thấy điều đó không thể là toàn bộ câu chuyện. Trong cuốn sách của anh, anh đã thảo luận về cách tri thức là sự giao thoa giữa những gì chúng ta tin, những gì là sự thật, và những gì được chứng minh. Anh có thể giải thích sự khác biệt giữa cách chúng ta thường dùng Tôi biết… trong hội thoại hàng ngày và cách một nhà khoa học có trách nhiệm nói về tri thức khoa học không?
Kelsey Johnson: Tri thức là một từ mà chúng ta sử dụng khá tùy tiện và thiếu chính xác trong cuộc sống hàng ngày. Tôi cho rằng chúng ta thường đánh giá quá cao số lượng điều mà mình thực sự biết với chữ K viết hoa. Tôi nghĩ rằng hầu hết mọi người muốn tin rằng có sự chồng chéo lớn giữa những gì họ tin và những gì họ biết. Nhưng chúng ta phải thừa nhận rằng chắc chắn có những điều chúng ta tin nhưng không đúng, và ngược lại, có những điều đúng mà chúng ta lại không tin.
Do đó, khi chúng ta sử dụng từ biết, điều mà chúng ta thực sự muốn nói thường là Tôi thực sự nghi ngờ mạnh mẽ dựa trên những lý lẽ mà tôi quen thuộc cho đến nay, và tiếng anh thực sự không có một từ nào phù hợp hơn để diễn đạt điều đó.
Khi chúng ta lùi lại một bước và tự hỏi tại sao mình tin vào điều gì đó, chúng ta sẽ đi đến phần lý lẽ, vốn là cốt lõi của sự tìm tòi thực nghiệm (hay còn gọi là khoa học). Một số lý lẽ tốt hơn những lý lẽ khác; một số nguồn bằng chứng mạnh mẽ hơn, và số lượng lớn bằng chứng từ các nguồn khác nhau có thể xây dựng một cơ sở khá vững chắc. Nếu chúng ta tích lũy đủ bằng chứng từ các nguồn đáng tin cậy, các nhà khoa học có thể đạt đến mức độ tự tin mà chúng ta gọi là tri thức (với chữ k viết thường). Nhưng trong khoa học, chúng ta luôn phải cởi mở với khả năng rằng thí nghiệm tiếp theo kiểm tra một lý thuyết theo cách mới hoặc trong các điều kiện khác nhau có thể làm lung lay tri thức của chúng ta. Sự sẵn sàng sửa đổi những gì mình tin là đúng là điều cơ bản để tiến bộ trong khoa học (và tôi cho rằng cả trong phần còn lại của cuộc sống chúng ta).
Tôi sẽ thừa nhận rằng mình hoàn toàn không nhất quán trong cách nghĩ về tri thức. Về mặt trí tuệ, tôi nghiêng về quan điểm rằng chúng ta không bao giờ thực sự biết (với chữ K viết hoa) bất cứ điều gì – theo các lập trường nhận thức luận, điều này đặt tôi vào phạm vi của cái gọi là chủ nghĩa hoài nghi toàn cầu. Mặt khác, tôi rõ ràng sống cuộc sống hàng ngày của mình như thể có những điều mà mình biết (với chữ k viết thường), bởi vì sau cùng thì chúng ta cần thực tế và tiếp tục với sự hiểu biết tốt nhất của mình về thực tại.
Nguồn gốc vũ trụ và câu hỏi về không có gì
Ethan Siegel: anh đề cập đến một câu hỏi rất lớn – câu hỏi về nguồn gốc của Vũ trụ và mọi thứ trong đó, hoặc nói cách khác, tại sao lại có cái gì đó thay vì không có gì – khá sớm trong cuốn sách của anh. Anh kể về một câu chuyện khi con gái anh, lúc đó mới 4 tuổi, hỏi anh về nguồn gốc của nước, và lưu ý rằng cô bé làm mặt nhăn nhó không hài lòng khi câu trả lời của anh không thực sự chạm đến trọng tâm của câu hỏi. Câu hỏi về nguồn gốc cuối cùng của vũ trụ, hoặc tại sao lại có cái gì đó thay vì không có gì, có phải vẫn là điều khiến anh phải nhăn mặt, hay anh đã chấp nhận với lượng kiến thức hạn chế mà chúng ta đã thu thập được trong nỗ lực trả lời câu hỏi lớn nhất này?
Kelsey Johnson: Tôi không chắc rằng mình có khả năng chấp nhận câu hỏi Tại sao lại có cái gì đó thay vì không có gì? ngay cả khi tôi muốn. Chắc chắn rằng, câu trả lời có thể nằm ngoài khả năng nhận thức của con người; sau cùng thì, DNA của chúng ta chỉ khác khoảng 1,2% so với loài tinh tinh; liệu chúng ta thực sự nghĩ rằng bộ não của mình đã đạt đến đỉnh cao của khả năng nhận thức không? Câu trả lời cho câu hỏi cái gì đó từ không có gì có thể nằm ngoài giới hạn của khoa học, nhưng tôi không sẵn sàng từ bỏ và cho rằng nó ngoài tầm với.
Tôi nghĩ rằng động lực để hiểu được vũ trụ là một phần rất sâu sắc của việc trở thành con người. Với việc đây là một trong những bí ẩn lớn nhất đã làm loài người bối rối trong hàng thiên niên kỷ, ngay cả khi nó khiến tôi phải nhăn mặt, tôi cũng không thể ngừng suy nghĩ về nó.
Tôi cũng nghĩ rằng điều quan trọng là chúng ta cần cho phép bản thân sống trong một trạng thái tò mò hiện sinh, mà không bác bỏ sự tò mò này chỉ vì có thể sẽ không có câu trả lời. Việc ở trong trạng thái này có thể không thoải mái, nhưng tôi nghĩ điều đó đáng để chấp nhận sự khó chịu đó – giống như một chuyến đi bộ đường dài khó khăn qua một địa hình tuyệt đẹp, sự khó chịu trong không gian hiện sinh này có thể mang lại những tầm nhìn tuyệt vời, và cuối cùng chúng ta sẽ tốt hơn nhờ đã tham gia cuộc hành trình.
Kỹ năng ngăn bản thân bị cuốn vào tuyên bố ngụy khoa học
Ethan Siegel: anh đã xem xét khả năng về sự sống ngoài Trái Đất trong Vũ trụ, và mặc dù anh cố gắng giữ quan điểm trung lập về những điều chúng ta chưa biết, phần lớn các tin tức về sự sống ngoài Trái Đất, thậm chí từ các thành viên trong cộng đồng khoa học, thường là những báo cáo đáng nghi ngờ về việc chúng tôi đã tìm thấy dấu hiệu khả dĩ của sự sống ngoài hành tinh ở đâu đó. Vì cuốn sách của anh chủ yếu được viết cho những người không chuyên và không phải nhà khoa học, anh muốn mọi người trang bị cho mình những kỹ năng gì để ngăn bản thân bị cuốn vào những tuyên bố phi thường mà quá thường xuyên lại không có bằng chứng phi thường tương xứng để hỗ trợ chúng?
Kelsey Johnson: Tôi hiểu quan điểm của mọi người – việc phát hiện sự sống ngoài Trái Đất sẽ là một trong những sự kiện phi thường nhất trong lịch sử loài người, nên tôi nghĩ có một xu hướng thiên vị thật sự muốn điều này là sự thật. Để rõ ràng, nếu sự sống ngoài Trái Đất tồn tại dưới bất kỳ hình thức nào, nó có khả năng cao nhất là vi sinh vật, chứ không phải thông minh (theo cách chúng ta định nghĩa về nó). Nếu chúng ta tìm thấy bất kỳ bằng chứng chắc chắn nào về sự sống ngoài Trái Đất, tôi cũng sẽ vui mừng với khám phá đó cùng mọi người khác.
Nhưng tôi cũng biết rằng con người chúng ta rất dễ bị lừa. Như thường thấy với thiên kiến xác nhận, càng muốn điều gì đó là sự thật, chúng ta càng cần phải hoài nghi nhiều hơn. Các báo cáo về sự sống ngoài hành tinh thông minh thực sự đến thăm Trái Đất làm tăng mức độ cần cảnh giác về thiên kiến và lý lẽ của chúng ta lên một cấp độ cao hơn.
Bộ não của chúng ta rất giỏi trong việc đưa ra các lối tắt trong suy luận, và điều quan trọng là phải nhận thức được nhiều cách mà bộ não và thiên kiến của chúng ta có thể đánh lừa chính chúng ta. Như cố nhà vật lý Richard Feynman đã nói: Nguyên tắc đầu tiên là không được tự lừa dối mình, và anh chính là người dễ lừa nhất. Tôi muốn nghĩ rằng hầu hết mọi người đều không muốn bị lừa. Tuy nhiên, nhờ thiên kiến xác nhận, chúng ta lại rất dễ bị hấp dẫn bởi các nguồn thông tin hỗ trợ những gì mình tin tưởng (và phớt lờ những gì không phù hợp).
Nếu chúng ta không muốn bị lừa, chúng ta phải chú ý cẩn thận đến độ mạnh của bằng chứng và khả năng của các phương án hoặc kịch bản khác. Ví dụ, vì một thứ gọi là thiên kiến sẵn có, chúng ta thường nghĩ đến những lời giải thích dễ dàng xuất hiện trong tâm trí. Và nhờ Hollywood, sự sống ngoài hành tinh luôn dễ dàng xuất hiện trong tâm trí khi, ví dụ, có một hiện tượng không xác định trên không. Nếu chúng ta chưa bao giờ nghe về sự sống ngoài hành tinh (và chưa từng xem vô số chương trình truyền hình, phim ảnh và sách về nó), thì những lời giải thích nào có thể xuất hiện trong đầu? Một cách khách quan, có rất nhiều thứ khác – và trong nhiều trường hợp, chúng còn hợp lý hơn rất nhiều – so với sự sống ngoài hành tinh.
Vì vậy, bất cứ khi nào chúng ta bị cám dỗ để đi đến kết luận rằng sự sống ngoài hành tinh chỉ từ việc một điều gì đó kỳ lạ xảy ra, chúng ta thực sự cần tạm dừng và đánh giá bằng chứng cũng như những kết luận mà chúng ta có thể rút ra từ nó. Ví dụ, câu chuyện hấp dẫn của một người chú của đồng nghiệp ai đó về việc bị bắt cóc bởi sự sống ngoài hành tinh có những lời giải thích thay thế mà có lẽ còn hợp lý hơn rất nhiều so với việc sự sống ngoài hành tinh tồn tại, vượt qua thiên hà, và bắt cóc một con người.
Tất cả những điều đó được nói, một ngày nào đó chúng ta có thể tìm thấy bằng chứng không thể chối cãi về sự sống ngoài Trái Đất. Đúng vậy, radar hoài nghi của chúng ta nên được cảnh giác cao độ, nhưng nếu bằng chứng vượt qua được, tôi (cùng với rất nhiều nhà khoa học) sẽ háo hức tìm hiểu và học hỏi những gì chúng ta có thể.
Thực tế, đây đơn giản là một bức ảnh chụp nhìn lên ánh sáng của Radio City Tower trong điều kiện trời tối và sương mù, và điều này không tạo thành bằng chứng khoa học về UFO hay người ngoài hành tinh.
Bí ẩn vật chất tối và năng lượng tối
Ethan Siegel: Khi đề cập đến các bí ẩn của vật chất tối và năng lượng tối, tôi không thể không cảm thấy rằng có rất nhiều phương pháp thăm dò trực tiếp về vật chất tối và các thuộc tính của nó. Từ các thiên hà đơn lẻ, nhóm và cụm thiên hà đến các cụm thiên hà va chạm, mạng lưới vũ trụ, bức xạ nền vi sóng vũ trụ và hơn thế nữa, tất cả đều vượt trội so với năng lượng tối. Năng lượng tối dường như chỉ bộc lộ khi chúng ta quan sát các quần thể lớn của những vật thể rất xa xôi. Anh có cảm thấy rằng chúng ta đang tiến gần hơn đến việc hiểu bản chất của vật chất tối so với năng lượng tối? Và bước tiếp theo nào anh muốn thực hiện để hiểu rõ hơn về bản chất của chúng?
Kelsey Johnson: Tôi hoàn toàn đồng ý, và tôi sẽ rất ngạc nhiên nếu sớm không phải chỉnh sửa phần nói về vật chất tối trong cuốn sách của mình. Nhưng, trong suốt hơn một thập kỷ qua, năm nào tôi cũng nghĩ rằng mình sẽ phải chỉnh sửa tài liệu giảng dạy về vật chất tối cho năm tiếp theo. Thế nhưng, hiện tại là năm 2024, hơn 50 năm sau khi Vera Rubin phát hiện ra vật chất tối, chúng ta vẫn chỉ có một tập hợp các giải pháp tiềm năng ngày càng tăng bị loại bỏ.
Tuy nhiên, hiện đang có nhiều thí nghiệm triển vọng có thể giải mã bí ẩn vật chất tối… bất cứ ngày nào.
Như anh gợi ý, năng lượng tối là một cấp độ bí ẩn hoàn toàn khác, và chúng ta có rất ít điểm bám với các quan sát hiện có. Hiểu một thứ trong vũ trụ mà không tương tác với ánh sáng theo bất kỳ cách nào là một thách thức lớn, và chúng ta không có nhiều cơ sở ngoài việc biết rằng năng lượng tối đang ngày càng mạnh hơn theo thời gian.
Chúng ta có một chút hy vọng rằng Đài Quan Sát Rubin sắp được đưa vào hoạt động có thể ít nhất kiểm tra một số dự đoán về hành vi của năng lượng tối. Nhưng các ý tưởng về năng lượng tối vẫn còn mang tính suy đoán nhiều hơn so với ý tưởng về vật chất tối. Việc giải mã bí ẩn này sẽ cần những bước tiến lớn trong cả quan sát lẫn lý thuyết, mà từ đó sẽ dựa vào các công nghệ và khung lý thuyết mới.
Cuộc tìm kiếm vật chất tối dạng hạt đã khiến chúng ta tìm kiếm các WIMP có thể va chạm với các hạt nhân nguyên tử. Sự Cộng Tác LZ (một đối thủ đương đại của XENON) và XENON đều dựa vào các va chạm trong các khu vực mục tiêu của bộ phát hiện tương ứng. Liệu hạt nhân hay electron bị va chạm là điều mà thí nghiệm phải phân biệt được.
Lỗ đen và bài học cá nhân
Ethan Siegel: Khi thảo luận về lỗ đen, anh chia sẻ một câu chuyện cá nhân về một kỳ thi quan trọng mà anh đã làm khi còn là sinh viên. Anh kể rằng mình đã dành rất nhiều thời gian bực bội vì một bài toán không giải được, chỉ để nhận ra rằng anh đã đọc sai đề bài và đang cố gắng giải một vấn đề không thể, thay vì vấn đề (tương đối dễ) mà anh thực sự được yêu cầu. Nếu có thể quay ngược thời gian để nói chuyện với Kelsey trẻ trước kỳ thi, anh sẽ đưa ra lời khuyên gì cho chính mình lúc đó?
Kelsey Johnson: Ôi. Đó là một kỳ thi khó khăn. Tôi nghĩ kinh nghiệm với kỳ thi đó liên quan nhiều đến kỳ vọng của chính mình, và kỳ vọng rất mạnh mẽ. Tôi đã tranh cãi về việc có nên chia sẻ câu chuyện này trong cuốn sách hay không nhưng cuối cùng quyết định chia sẻ, vì tôi nghĩ chúng ta thường không nói nhiều về điểm yếu và thất bại của mình. Điều này có thể khiến một người ngoài cuộc (hoặc một sinh viên vật lý tương lai) nghĩ rằng mọi thứ lẽ ra phải dễ dàng. Và nếu không dễ, rất dễ nghĩ rằng mình không phù hợp.
Tôi đã học được rằng cảm giác khó chịu về mặt trí tuệ là dấu hiệu cho thấy chúng ta đang xây dựng những khung hiểu biết mới. Đó chính là điều cuối cùng sẽ giúp chúng ta có những nhận thức mới. Tương tự như việc hình dung Vũ trụ của chúng ta (hoặc bất kỳ không gian ba chiều nào) được bao bọc bởi một ranh giới hai chiều, không gian ba chiều của chúng ta có thể thực sự là ranh giới quanh một không gian đa chiều cao hơn, đại diện tốt hơn cho thực tế cơ bản của chúng ta. Mặc dù có những ràng buộc về thuộc tính và số lượng các chiều không gian thêm vào như vậy, khả năng này không thể bị loại trừ. Tuy nhiên, sự thiếu vắng các cấu trúc lặp lại và sự phẳng của không gian Vũ trụ cho chúng ta thông tin quan trọng về kích thước của Vũ trụ không thể quan sát được, ít nhất là lớn hơn nhiều so với phần có thể quan sát.
Sức hấp dẫn của chiều không gian ẩn
Ethan Siegel: Phần lớn các nhà thiên văn học, ít nhất theo kinh nghiệm của tôi, không mấy quan tâm đến khái niệm về các chiều không gian thêm vào, vì không có dấu hiệu quan sát nào cho thấy sự tồn tại của bất cứ điều gì vượt ra ngoài ba chiều không gian (cộng thêm một chiều thời gian) của chúng ta. Tuy nhiên, anh không giống vậy; anh vẫn tò mò ngay cả về những kịch bản dường như hoàn toàn tách rời khỏi những gì khoa học thiên văn, dù chỉ trên nguyên tắc, có thể làm sáng tỏ. Anh có thể chia sẻ với chúng tôi giá trị mà anh tìm thấy khi suy ngẫm không chỉ về những điều chưa biết, mà còn về những điều có thể không bao giờ biết được, và tại sao khái niệm về các chiều không gian ẩn lại là một điều hấp dẫn đối với anh không?
Kelsey Johnson: Tôi nghĩ rằng bất cứ khi nào chúng ta đến những ranh giới của khoa học, nơi mà mọi thứ có thể không thể kiểm chứng được bằng thực nghiệm hiện tại (và có thể là không bao giờ), các nhà khoa học có xu hướng giơ tay và bỏ cuộc. Đôi khi họ có xu hướng gạt bỏ ý tưởng đó như một điều vô lý hoặc điên rồ. Theo cách này, việc thăm dò các chiều không gian thêm vào mà dường như không thể tiếp cận đối với chúng ta (ít nhất là ở thời điểm hiện tại) là một thách thức đặc biệt đối với các nhà khoa học, những người theo quy tắc luôn yêu thích tìm tòi thực nghiệm. Nhưng nếu chúng ta thành thật về mặt trí tuệ và muốn kiểm soát sự tự phụ của mình, chúng ta phải thừa nhận rằng có những khả năng vượt ra ngoài những gì chúng ta có thể kiểm chứng thực nghiệm (ít nhất là với công nghệ hiện tại). Trừ khi chúng ta muốn lập luận rằng hiểu biết vật lý hiện tại, các khuôn khổ toán học và khả năng công nghệ của chúng ta là đỉnh cao của những gì có thể, chúng ta cần chú ý đến những gì có thể hoặc không thể xảy ra trong tương lai.
Một nhà thực chứng có thể lập luận rằng nếu các chiều không gian khác không ảnh hưởng đến vũ trụ của chúng ta, thì sự tồn tại của chúng không quan trọng. Lập trường này khó tranh cãi, nhưng điều đó không ngăn tôi tranh luận. Nếu chúng ta giả định rằng hoặc không có chiều không gian nào khác, hoặc chúng ta không thể tương tác với chúng, thì tình huống này trở nên tự áp đặt. Hơn nữa, thực tế là có những gợi ý về các chiều không gian khác liên tục xuất hiện trong các lý thuyết của chúng ta, và khi chúng ta suy nghĩ sáng tạo và trừu tượng hơn, chúng ta đang đưa ra các ý tưởng có thể giúp chúng ta hiểu về vũ trụ mà chúng ta đang tham gia.
Lực hấp dẫn lượng tử cố gắng kết hợp thuyết tương đối rộng của Einstein với cơ học lượng tử. Các hiệu chỉnh lượng tử đối với lực hấp dẫn cổ điển được hình dung như các sơ đồ vòng lặp, như sơ đồ được hiển thị ở đây bằng màu trắng. Ngoài ra, có thể lực hấp dẫn luôn là cổ điển và liên tục, và lý thuyết trường lượng tử, chứ không phải thuyết tương đối rộng, cần được sửa đổi. Một sự không tương thích cơ bản giữa vật lý lượng tử và thuyết tương đối rộng đã được công nhận từ lâu, nhưng vẫn chưa được giải quyết một cách thỏa đáng.
Mục tiêu tìm kiếm lý tưởng sâu xa
Ethan Siegel: Đã có rất nhiều sự chú ý dành cho các định luật tự nhiên, đặc biệt là sự hiểu biết tốt nhất của chúng ta về các định luật này – Mô hình chuẩn cho lực điện từ, cũng như các lực hạt nhân mạnh và yếu, cộng với thuyết tương đối rộng như là lý thuyết về lực hấp dẫn – đã rất thành công trên hầu hết các mặt trận thực nghiệm và quan sát trong một thời gian dài. Qua các bài viết của Anh, tôi cảm nhận rằng anh là người không hài lòng với các xấp xỉ hiện tại về các quy tắc của thực tại, và là người hy vọng một ngày nào đó sẽ tìm ra một chân lý sâu sắc hơn, từ đó có được cái nhìn sâu sắc hơn về Vũ trụ thực sự như thế nào. Điều gì thúc đẩy anh tiếp tục tìm kiếm một chân lý sâu xa hơn khi những xấp xỉ tốt nhất hiện tại của chúng ta không thất bại trong việc mô tả thực tại quan sát được theo bất kỳ cách đo lường nào?
Kelsey Johnson: Thực tế, các lý thuyết vật lý hiện đại làm tốt công việc của chúng trên nhiều phương diện (mặc dù ngay cả các lý thuyết được chấp nhận rộng rãi nhất của chúng ta vẫn còn vấn đề), nhưng vẫn còn rất nhiều điều phải khám phá. Rõ ràng, vũ trụ dường như có những quy tắc, nhưng chúng ta không biết nguồn gốc của chúng, chúng được mã hóa ở đâu, cách chúng thông báo cho vũ trụ biết phải làm gì, hay liệu chúng có thể đã khác đi hay không. Chúng ta diễn giải các quy tắc này khi chúng biểu hiện dưới dạng các lực, nhưng sức mạnh tương đối của các lực dường như hoàn toàn ngẫu nhiên, bất chấp niềm tin phổ biến trong giới vật lý rằng các lực này cần phải được thống nhất. Theo quan điểm của tôi, hiểu biết hiện tại của chúng ta chỉ ở mức trung bình.
Vì chúng ta đang sống trong một vũ trụ với các quy luật này, và thực tế chúng ta là sản phẩm của chúng (một nghịch lý dẫn đến sự tham chiếu bản thân), chúng ta dễ bị cuốn vào suy nghĩ rằng các quy luật này đơn giản chỉ đã là như vậy và không suy nghĩ thêm nữa. Với tôi, việc chỉ chấp nhận các quy luật này là cách mọi thứ vốn là như vậy giống như cách một người trưởng thành trả lời trẻ em rằng: Bởi vì nó là như vậy thôi. Điều này khiến tôi cảm thấy không thỏa mãn sâu sắc, và tôi không nghĩ rằng mình là người duy nhất có tư duy hướng về bản thể học hơn – Tôi muốn biết bản chất thực sự của thực tại, không chỉ những gì chúng ta có thể đo lường trong phòng thí nghiệm.
Ngay cả khi các lý thuyết hiện tại của chúng ta hoàn hảo trong việc giải thích vũ trụ (mà chúng không), tôi tin rằng điều quan trọng là phải nhớ rằng mô tả của chúng ta về thực tại không nên bị nhầm lẫn với bản thân thực tại. Cuối cùng, các quy luật mà chúng ta suy luận ra có thể chỉ là một biểu hiện của một quy luật cơ bản sâu sắc hơn. Một nhà thực chứng chắc chắn sẽ tranh luận với tôi về điều này, và có lẽ không có mục đích thực tiễn nào trong việc đặt câu hỏi về bản chất của thực tại vượt ra ngoài khả năng quan sát của chúng ta. Tuy nhiên, việc đồng nhất nhận thức của chúng ta với thực tại có vẻ như là một sự tự phụ sâu sắc, và chúng ta có nguy cơ tự lừa dối chính mình, đồng thời bỏ lỡ những chân lý sâu sắc hơn.
Minh họa này cho thấy sự khác biệt về kích thước và năng lượng ion hóa của hydro tiêu chuẩn (với một proton và một electron), muonium (với một phản muon thay thế proton) và hydro muonic (khi một muon thay thế electron trong hydro). Trong khi kích thước và năng lượng ion hóa chỉ thay đổi nhẹ đối với muonium, hydro muonic nhỏ hơn nhiều và khó kích thích hoặc ion hóa hơn do khối lượng của muon lớn hơn nhiều so với electron.
Hằng số của sự sống
Ethan Siegel: Nhiều người đã hỏi (và ít nhất cố gắng trả lời) câu hỏi về mức độ tinh chỉnh của Vũ trụ và các định luật, tham số của nó đối với sự tồn tại của sự sống thông minh. Tôi thấy khá sâu sắc rằng nếu chúng ta thay đổi giá trị của bất kỳ tham số cơ bản nào – sức mạnh của lực hấp dẫn, khối lượng của bất kỳ quark nào, tốc độ ánh sáng, – theo hệ số 10 hoặc 100 theo bất kỳ hướng nào, các nguyên tử, phân tử, hành tinh và tiềm năng cho hóa học phức tạp và sự sống vẫn sẽ tồn tại. Nhưng nếu thay đổi khối lượng electron nhiều đến thế, ánh sáng từ các ngôi sao sẽ dễ dàng ion hóa và phá vỡ bất kỳ phân tử ổn định nào, khiến sự sống trở nên khó xảy ra, hoặc electron sẽ bị ràng buộc chặt chẽ đến mức không có phản ứng hóa học nào diễn ra tự nhiên. Có tham số hoặc hằng số nào khiến anh thấy đặc biệt tinh chỉnh để sự sống có thể tồn tại trong Vũ trụ của chúng ta không, và chúng ta có thể rút ra bài học nào từ điều đó?
Kelsey Johnson: Cuộc tranh luận về sự tinh chỉnh minh họa rất rõ ràng sự phức tạp của hệ sinh thái trong Vũ trụ của chúng ta; các tham số khác nhau đan xen sâu sắc với nhau theo cách cho phép một không gian và thời gian cho sự sống như chúng ta biết. Giống như các định luật tự nhiên, tôi nghĩ rằng sự cân bằng dường như mong manh của hệ sinh thái trong vũ trụ là điều dễ bị xem nhẹ trong cuộc sống hàng ngày, nhưng khi chúng ta dừng lại để suy nghĩ, các lời giải thích khả dĩ có ý nghĩa sâu sắc.
Một thông tin quan trọng trong cuộc tranh luận về sự tinh chỉnh mà tôi thấy thường bị thiếu là chúng ta không biết phạm vi các giá trị mà các tham số khác nhau có thể có (và điều gì xác định phạm vi này ngay từ đầu). Nếu không biết phạm vi giá trị có thể có, chúng ta không thể nói giá trị nào đặc biệt tinh chỉnh. Chẳng hạn, nếu anh có một nút chỉnh âm lượng trên dàn âm thanh có các mức nguyên từ 0 – 10, xác suất có một giá trị bất kỳ là 1 trên 11. Nhưng nếu nút đó có dải giá trị từ 0 – 1000, xác suất cho bất kỳ giá trị nào thấp hơn tương ứng. Tất nhiên, điều này chỉ đặt ra câu hỏi tại sao lại có phạm vi giá trị cụ thể đó, vì vậy tất cả những gì chúng ta làm là trì hoãn câu trả lời.
Trong số các tham số dường như được tinh chỉnh, tôi muốn chỉ ra một đặc tính tinh tế của vũ trụ mà tôi nghĩ rằng không nhận được sự chú ý xứng đáng nhưng lại cực kỳ quan trọng đối với sự sống như chúng ta biết. Cụ thể, ở quy mô vật lý và thời gian chúng ta đang sống, vũ trụ dường như ở trạng thái cân bằng mong manh giữa trật tự và hỗn loạn. Với tôi, sự cân bằng giữa hai cực đoan này có thể là điều vừa sâu sắc vừa bị bỏ qua nhiều nhất. Vũ trụ không cần phải như vậy. Nếu vũ trụ hoàn toàn trật tự, mọi thứ sẽ tuân theo các mô hình và đối xứng hoàn hảo, và không điều gì thú vị (bao gồm cả sự sống như chúng ta biết) có thể xảy ra. Mặt khác, nếu vũ trụ bị chi phối bởi hỗn loạn, sẽ có rất ít (nếu có) luật lệ và trật tự nào để chi phối thực tại, biến vũ trụ thành một cơn hỗn loạn.
Tuy nhiên, trong vũ trụ mà chúng ta đang sống, dường như có một số quy luật vật lý gọn gàng chi phối thực tại, đồng hành cùng với hành vi hỗn loạn.
Hai con lắc kép, bắt đầu với một dao động ban đầu giống nhau đến mức không thể phân biệt, sẽ nhanh chóng trở nên hỗn loạn, thể hiện hành vi khác biệt rõ rệt và không thể dự đoán được giữa chúng. Tuy nhiên, việc giải quyết đúng tập hợp các phương trình kết hợp dưới các điều kiện phù hợp có thể tiết lộ hành vi hỗn loạn này – một chi tiết quan trọng đối với bất kỳ ai đang cố gắng hiểu vấn đề này trong bối cảnh nghiên cứu.
Chúng ta có vị trí gì trong Vũ trụ?
Ethan Siegel: Câu hỏi lớn cuối cùng mà anh đặt ra trong cuốn sách của mình là, Chúng ta có vị trí gì trong Vũ trụ? Như một giáo sư giỏi, anh không trả lời câu hỏi này mà chỉ mời người đọc suy nghĩ và cân nhắc các khả năng. Nếu anh gặp lại phiên bản trẻ tuổi hơn của chính mình khi cô ấy phải đối mặt với bài kiểm tra khó khăn từ lâu, và cô ấy hỏi anh ở hiện tại rằng: Kelsey, vị trí của tôi trong Vũ trụ là gì? anh sẽ trả lời như thế nào?
Kelsey Johnson: Theo một cách nào đó, đây là bí ẩn cơ bản bao trùm mọi bí ẩn khác, và mong muốn biết câu trả lời là điều đã dẫn tôi đến với ngành vật lý thiên văn. Tôi không biết vị trí của mình trong vũ trụ, và có lẽ sẽ không bao giờ biết, nhưng tôi nghĩ rằng chính việc tìm kiếm câu trả lời đã là điều quan trọng và đáng giá. Ngay cả khi chúng ta không bao giờ tìm thấy câu trả lời, chúng ta vẫn có thể đạt được rất nhiều hiểu biết trong quá trình tìm kiếm.
Theo một cách rất thực tế, chúng ta về cơ bản là tập hợp các phân tử được ban cho thứ mà chúng ta gọi là ý thức – những dao động của vũ trụ tự làm cho chính nó trở nên tự nhận thức. Đối với tôi, điều này mang lại cho chúng ta một trách nhiệm, gần như là một nghĩa vụ đạo đức, để cố gắng tìm hiểu và hiểu rõ vũ trụ mà chúng ta là một phần của nó.
