Brian Greene
Chương 5 - (1)
Tác giả: Brian Greene
Mâu thuẫn giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử: tiến tới một lý thuyết mới
Sự hiểu biết của chúng ta về thế giới vật lý đã được đào sâu hơn một cách đáng kể trong suốt thế kỷ XX. Nhờ những công cụ lý thuyết của cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng, chúng ta đã hiểu và tiên đoán được nhiều hiệu ứng vật lý có thể đo lường được từ thế giới nội nguyên tử cho đến thế giới các thiên hà, các cụm thiên hà và thậm chí tới cả Vũ trụ trong tổng thể của nó. Đó là cả một thành tựu đồ sộ. Lẽ nào không đáng phấn khởi khi mà con người bị giam trên một hành tinh quay quanh một ngôi sao cũng tẻ nhạt như hàng triệu ngôi sao khác, lại nằm ở gần mép một hiên hà cũng bình thường thôi, thế mà bằng tư duy và thực nghiệm của mình, lại có thể làm sáng tỏ và hiểu được những đặc tính bí ẩn nhất của thế giới vật lý. Tuy nhiên, do bản chất của mình, các nhà vật lý sẽ không thỏa mãn chừng nào mà sự hiểu biết cơ bản nhất và sâu sắc nhất về Vũ trụ còn chưa đạt được. Đó là cái mà Stephen Hawking xem là bước đầu tiên tiến tới hiểu được “tinh thần của Chúa” [1] .
Có rất nhiều những bằng chứng cho thấy cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng còn chưa cung cấp cho chúng ta sự hiểu biết đạt tới trình độ sâu sắc nhất đó. Vì những lĩnh vực ứng dụng thông thường của chúng rất khác nhau, khiến cho đa số những tình huống đòi hỏi sử dụng cơ học lượng tử hoặc chỉ thuyết tương đối rộng, chứ không yêu cầu phải dùng cả hai. Tuy nhiên, trong những điều kiện cực đoan, khi mà các vật có khối lượng cực lớn nhưng lại có kích thước cực nhỏ, chẳng hạn như ở gần tâm của các lỗ đen hay toàn bộ Vũ trụ ở thời điểm Big Bang, thì để hiểu được, chúng ta cần phải dùng cả thuyết tương đối rộng lẫn cơ học lượng tử. Nhưng cũng giống như khi trộn thuốc súng với lửa, khi chúng ta thử tổ hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối rộng, thì sự kết hợp đó mang lại những tai biến ghê gớm. Khi những phương trình của hai lý thuyết đó được kết hợp với nhau, thì nhiều bài toán vật lý được đặt rất nghiêm chỉnh lại cho những đáp số vô nghĩa. Sự vô nghĩa này thường có dạng là một tiên đoán nói rằng xác suất (tính theo cơ học lượng tử) của một quá trình nào đó không phải là 20% hay 73% hay 91% mà lại là vô hạn. Làm thế nào mà xác suất lại có thể lớn hơn 1, chứ chưa nói tới chuyện bằng vô cùng? Chúng ta buộc phải đi tới kết luận rằng có một điều gì đó đã sai một cách nghiêm trọng. Bằng cách xem xét một cách kỹ lưỡng những tính chất cơ bản của thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử, chúng ta có thể nhận dạng ra đó là cái gì.
[1] Stephen Hawking, Lược sử thời gian (Bản dịch của Cao Chi và Phạm Văn Thiều, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1995, 1998).
