Chương 7 - Cái "siêu" trong siêu dây(2)

Bản chất của định luật vật lý

Hãy hình dung một vũ trụ, trong đó các định luật vật lý cũng phù du như thời trang, nghĩa là chúng thay đổi từ năm này sang năm khác, từ tuần này sang tuần khác hoặc thậm chí từ thời điểm này sang thời điểm khác. Giả thử rằng, trong một thế giới như vậy, những thay đổi đó không làm phá vỡ những quá trình cơ bản của sự sống, thì ít nhất cũng có thể nói rằng, khi đó bạn sẽ không bao giờ cảm thấy buồn phiền, cho dù chỉ là một khoảnh khắc. Những hành động đơn sơ nhất của bạn cũng đã có thể là cả một cuộc phiêu lưu, vì những biến đổi ngẫu nhiên không cho phép bạn hoặc bất kỳ ai khác có thể dùng kinh nghiệm của quá khứ để dự đoán bất cứ điều gì về những kết cục tương lai.

Một vũ trụ như vậy quả thực là một cơn ác mộng đối với các nhà vật lý. Cũng như hầu hết mọi người, các nhà vật lý chủ yếu dựa vào sự ổn định của vũ trụ: các định luật đúng ngày hôm nay đã đúng ngày hôm qua và sẽ vẫn còn đúng ngày mai (thậm chí ngay cả khi chúng ta còn chưa đủ thông minh để phát minh ra hết tất cả những định luật đó). Sau hết, thuật ngữ "định luật" phỏng còn có ý nghĩa gì nữa, nếu như nó có thể thay đổi một cách đột ngột? Tất nhiên, điều này không có nghĩa là vũ trụ là tĩnh mà nó chắc chắn sẽ thay đổi bằng vô vàn cách từ thời điểm này sang thời điểm tiếp sau. Thực ra, điều này chỉ muốn nói rằng các định luật chi phối sự tiến hóa như thế mới là cố định và không thay đổi. Bạn có thể hỏi liệu chúng ta có thực sự biết điều đó là đúng không? Sự thực thì chúng ta không biết. Nhưng những thành công của chúng ta trong việc mô tả rất nhiều đặc tính của vũ trụ, từ những khoảnh khắc ngắn ngủi sau Big Bang cho tới tận hiện nay bảo đảm với chúng ta rằng, nếu các định luật có thay đổi thì chúng thay đổi cực kỳ chậm chạp. Đơn giản nhất mà lại phù hợp với tất cả những gì chúng ta đã biết là giả thiết rằng các định luật là cố định.

Bây giờ hãy tưởng tượng một vũ trụ trong đó các định luật lại có tính địa phương giống như các nền văn hóa, tức là chúng thay đổi không thể tiên đoán được từ địa phương này sang địa phương khác và kiên quyết chống lại mọi ảnh hưởng bên ngoài nhằm đồng hóa chúng. Tựa như những cuộc phiêu lưu của Gulliver, những cuộc du ngoạn vào những xứ sở như vậy hứa hẹn sẽ mang lại cho bạn nhiều trải nghiệm phong phú và đầy bất ngờ. Nhưng trên quan điểm của các nhà vật lý thì đó cũng lại là một cơn ác mộng khác. Chẳng hạn, thật khó mà sống với một thực tế là, những định luật đúng với một nước này, hoặc thậm chí đúng với một bang này, lại không còn đúng trong một nước hoặc một bang khác. Nhưng hãy thử hình dung tình hình sẽ ra sao nếu các định luật của tự nhiên lại thay đổi như vậy. Trong một thế giới như thế, các thí nghiệm tiến hành ở nơi này không hề có liên quan gì với những định luật vật lý ở bất cứ nơi nào khác. Vì thế, các nhà vật lý phải làm lại nhiều lần thí nghiệm đó ở những chỗ khác nhau để khám phá những định luật vật lý ở mỗi nơi. Thật may mắn, mọi thứ mà chúng ta biết đều cho thấy rằng các định luật vật lý là như nhau ở khắp nơi. Tất cả những thí nghiệm trên khắp thế giới đều quy tụ về cùng một tập hợp những giải thích là cơ sở của những thực nghiệm đó. Ngoài ra, chúng ta còn có khả năng giải thích được rất nhiều những quan sát thiên văn ở những vùng rất xa của vũ trụ mà chỉ dùng một tập hợp cố định những nguyên lý vật lý. Điều này dẫn chúng ta tới niềm tin rằng chính những định luật vật lý đó đúng ở mọi nơi. Do chưa bao giờ tới được đầu bên kia của vũ trụ, nên chúng ta không thể loại trừ khả năng ở đâu đó có những loại định luật vật lý hoàn toàn mới, nhưng mọi thứ cho tới nay đều chứng tỏ điều ngược lại.

Lại một lần nữa, điều này không có nghĩa là vũ trụ nhìn giống hệt nhau hay nói cách khác là có mọi tính chất như nhau ở những nơi khác nhau. Trên mặt trăng, một nhà du hành đi cà kheo có thể làm được những thứ mà anh ta không thể làm được trên mặt đất. Nhưng chúng ta phải thừa nhận rằng, sở dĩ có sự khác biệt này là bởi vì mặt trăng nhẹ hơn nhiều so với trái đất, nhưng điều đó không có nghĩa là định luật vạn vật hấp dẫn thay đổi từ nơi này sang nơi khác. Định luật hấp dẫn của Newton, hay chính xác hơn là của Einstein, là như nhau, trên trái đất cũng như trên mặt trăng. Sự khác biệt trong trải nghiệm của nhà du hành vũ trụ chẳng qua là do sự thay đổi trong chi tiết của môi trường chứ không phải do sự thay đổi của định luật vật lý.

Các nhà vật lý nói rằng hai tính chất nói ở trên của các định luật vật lý, tức là tính chất không phụ thuộc vào việc ta dùng chúng khi nào và ở đâu, là những đối xứng của tự nhiên. Điều mà họ muốn nói ở đây, đó là tự nhiên xem mọi thời điểm trong thời gian và mọi nơi trong không gian là đồng nhất, hay đối xứng, bằng cách đảm bảo rằng các định luật vật lý cơ bản là không thay đổi tại các thời điểm khác nhau trong thời gian và tại những nơi khác nhau trong không gian. Cũng giống như trong hội họa và âm nhạc, đối xứng tạo ra sự thỏa mãn sâu sắc; chúng làm nổi bật tính trật tự và kết hợp trong sự vận hành của vũ trụ. Sự thanh nhã của nhiều hiện tượng phức tạp, phong phú và đa dạng xuất hiện từ một tập hợp đơn giản các định luật của vũ trụ ít nhất là một phần của cái mà các nhà vật lý muốn nói khi dùng tới từ "đẹp".

Trong những thảo luận về các thuyết tương đối hẹp và rộng, chúng ta cũng đã gặp những đối xứng khác của tự nhiên. Hãy nhớ lại rằng, nguyên lý tương đối, nguyên lý nằm ở trung tâm của thuyết tương đối hẹp, nói với chúng ta rằng mọi định luật vật lý đều phải như nhau đối với những người quan sát chuyển động thẳng đều với nhau. Đó là một đối xứng, bởi vì nó muốn nói rằng tự nhiên coi tất cả những người quan sát như vậy là đồng nhất, tức là đối xứng. Mỗi người quan sát đó đều có lý khi tự xem mình là đứng yên điều đó không có nghĩa là những người quan sát chuyển động thẳng đều với nhau sẽ có những quan sát đồng nhất với nhau. Như ta đã thấy ở các chương trước, không thiếu những khác biệt lạ lùng trong những quan sát của họ. Giống như những khác biệt mà người đi cà kheo cảm thấy khi đi trên mặt đất và trên mặt trăng, những khác biệt trong các quan sát chẳng qua chỉ phản ánh sự thay đổi trong những chi tiết của môi trường, vì hai người quan sát chuyển động thẳng đều với nhau, thậm chí mặc dù những quan sát của họ đều được chi phối bởi những định luật như nhau.

Thông qua nguyên lý tương đương của thuyết tương đối rộng, Einstein đã mở rộng đáng kể đối xứng đó bằng cách chứng tỏ rằng các định luật của vật lý là thực sự như nhau đối với mọi người quan sát, ngay cả khi họ thực hiện những chuyển động có gia tốc phức tạp. Nên nhớ rằng Einstein đã thực hiện điều đó nhờ hiểu rằng một người quan sát có gia tốc cũng hoàn toàn có lý khi xem mình là đứng yên và khi tuyên bố lực mà người đó cảm thấy là do một trường hấp dẫn. Một khi lực hấp dẫn đã được tính đến, thì mọi điểm quan sát là hoàn toàn bình đẳng với nhau. Ngoài khía cạnh thẩm mỹ nội tại của việc đối xử một cách bình đẳng đối với mọi chuyển động, chúng ta còn thấy rằng, những nguyên lý đối xứng đó đã đóng một vai trò quan trọng trong những kết luận lạ lùng liên quan với hấp dẫn mà Einstein đã tìm ra.

Vậy, liệu có còn những nguyên lý đối xứng khác có liên quan với không gian, thời gian và chuyển động mà các định luật vật lý phải tôn trọng hay không? Nếu suy nghĩ kỹ về điều này, bạn sẽ còn phát hiện ra một đối xứng nữa. Các định luật vật lý còn phải như nhau bất kể góc nhìn của bạn trong quan sát là như thế nào. Ví dụ, nếu bạn thực hiện một thí nghiệm nào đó rồi sau đó quyết định xoay toàn bộ các thiết bị và tiến hành lại thí nghiệm một lần nữa, thì những định luật vật lý áp dụng cho hai lần thí nghiệm đó là hoàn toàn như nhau. Điều đó gọi là đối xứng ngay và nó có ý nghĩa là, các định luật vật lý xem mọi định hướng khả dĩ đều bình đẳng với nhau . Đây là nguyên lý đối xứng đứng ngang hàng với những đối xứng mà ta vừa thảo luận ở trên.

Liệu có còn những đối xứng khác? Liệu chúng ta có bỏ sót một đối xứng nào không? Bạn có thể gợi ý những đối xứng chuẩn (gauge) liên quan với các lực phi hấp dẫn mà ta đã nói tới ở chương 5. Tất nhiên, chúng là những đối xứng của tự nhiên, nhưng đó là loại đối xứng trừu tượng hơn; nhưng ở đây chúng ta chỉ tập trung xem xét những đối xứng có liên quan trực tiếp đến không gian, thời gian hoặc chuyển động. Thực tế, vào năm 1967, hai nhà vật lý Sidney Colêman và Jeffrey Mandula đã chứng minh được rằng, thời gian hay chuyển động có thể kết hợp với những đối xứng vừa thảo luận ở trên để tạo ra một lý thuyết phù hợp với thế giới mà chúng ta đang sống.