Einstein có thể đã sai

Lý thuyết lượng tử về hấp dẫn rất cần để kết hợp thuyết tương đối rộng với các nguyên lý cơ học lượng tử, nhưng khó khăn lại nảy sinh từ đây.

Có một điều kỳ lạ, dù ta như thể đang lướt qua giữa quá khứ và tương lai, nhưng hiện tại – lằn ranh mỏng manh ở giữa – vẫn là điều các nhà vật lý học chưa thể định nghĩa được.

Trong Thuyết tương đối của Albert Einsteins, thời gian đan kết với không gian ba chiều, tạo nên thể liên tục không thời gian bốn chiều uốn cong, một “khối” vũ trụ bao gồm cả quá khứ, hiện tại và tương lai. “Không gian có thể uốn thành các hình dạng khác nhau”, ông viết.

Phương trình của Einsteins miêu tả sinh động tất cả những gì trong khối vũ trụ đó theo tuần tự, các điều kiện đầu tiên của vũ trụ quyết định cái gì đến sau. Hoàn toàn không có bất ngờ xảy ra.

“Đối với chúng tôi – những nhà vật lý – cố gắng phân biệt giữa quá khứ, hiện tại và tương lai chỉ là ảo tưởng dai dẳng đến ngoan cố”, Einstein viết vào năm 1955, trong những tuần trước khi ông qua đời.

Thuyết tương đối của Einstein cho rằng không gian có thể uốn thành các hình dạng khác nhau. Ảnh: New Scientist.

Giải thích thời gian thông qua toán học

Quan điểm về thời gian và thực tại được định trước của Albert Einsteins vẫn còn phổ biến cho đến ngày nay. “Hầu hết nhà vật lý học đều tin vào vũ trụ khối, vì nó được dự đoán dựa trên thuyết tương đối rộng”, nhà vũ trụ học tại đại học Lisbon, Bồ Đào Nha, Marina Cortês nói.

Tuy nhiên cô cũng cho rằng, nếu ai đó được yêu cầu giải thích sâu hơn về ý nghĩa của vũ trụ khối, họ sẽ bắt đầu đặt câu hỏi và cảm thấy nghi ngờ.

Những nhà vật lý từng nghiên cứu kỹ lưỡng về thời gian, đã chỉ ra nhiều vấn đề bị ảnh hưởng bởi cơ học lượng tử và các định luật mô tả hành vi xác suất của hạt.

Ở quy mô lượng tử, những thay đổi không thể đảo ngược xảy ra, phân biệt giữa quá khứ và tương lai. Đó là quá trình các hạt duy trì trạng thái lượng tử đồng thời cho đến khi ta đo được nó, tại những điểm mà các hạt chấp nhận một trong nhiều trạng thái.

Một cách bí ẩn, các kết quả đo riêng biệt là ngẫu nhiên và không thể dự đoán trước, ngay cả khi hành vi của hạt được thống kê mô hình hóa. Sự nhất quán không rõ ràng giữa bản chất của thời gian trong cơ học lượng tử và cách nó hoạt động trong thuyết tương đối đã gây ra những hoài nghi nhất định.

Năm vừa qua, một nhà vật lý người Thụy Sĩ là Nicolas Gisin đã xuất bản bốn bài báo khoa học, cố gắng xua tan sương mù xung quanh khái niệm thời gian trong vật lý.

Giáo sư Nicolas Gisin (sinh 1952) là nhà vật lý đang nghiên cứu về cơ học lượng tử tại đại học Geneva, Thụy Sĩ . Ảnh: Wikipedia.

Gisin tiếp cận vấn đề bằng toán học. Ông cho rằng thời gian nói chung có thể được diễn giải thông qua ngôn ngữ toán học có từ thế kỷ trước gọi là toán học trực giác (intuitionist mathematics).

Toán học trực giác do nhà toán học người Hà Lan LEJ Brouwer giới thiệu. Ông cho rằng toán học là một sáng tạo của tâm trí. Tính đúng đắn của một tuyên bố toán học chỉ có thể có thông qua cấu trúc tinh thần chứng minh nó là đúng. Sự trao đổi giữa các nhà toán học chỉ đóng vai trò là phương tiện để cùng tạo ra một quá trình về mặt tinh thần của những tâm trí khác nhau.

Toán học trực giác từ chối sự tồn tại của các con số với vô số chữ số. Khi toán học trực giác được sử dụng để mô tả sự tiến hóa của các hệ thống vật lý, theo Gisin, thời gian thực sự trôi qua và thông tin mới được tạo ra. Hơn nữa, điều này còn bao hàm việc các phương trình của Einstein không thể giải thích cho những thứ khó lường như lượng tử.

Nếu những con số là hữu hạn, giá trị của những thứ được đo lường (ở đây là thời gian) có thể giới hạn trong độ chính xác của những con số, thì bản chất tự nhiên là không chính xác, do đó không thể đoán trước.

Đi tìm lý thuyết chung cho hấp dẫn lượng tử

Không nhiều người cố gắng cải tổ những định luật vật lý bằng ngôn ngữ toán học mới như Gisin. Nhưng nhiều nhà vật lý đang tiếp nhận hướng tiếp cận này của nhà khoa học người Thụy Sĩ. Họ cho rằng có thể liên kết nội dung mang xu hướng của chủ nghĩa quyết định (thuyết triết học cho rằng tất cả các sự việc xảy ra là do những điều tất yếu và do đó là không thể tránh được) trong thuyết tương đối rộng và tính ngẫu nhiên vốn có ở quy mô lượng tử.

Cortês gọi cách tiếp cận của Gisin là “cực kỳ thú vị, gây shock và đầy tính khiêu khích để giải quyết vấn đề về tính chính xác hữu hạn trong tự nhiên”.

Ảnh: New Scientist.

Một lý thuyết lượng tử về hấp dẫn rất cần thiết để kết hợp thuyết tương đối rộng với các nguyên lý cơ học lượng tử, nhưng những khó khăn lớn xuất hiện khi các nhà vật lý cố gắng sử dụng khuôn khổ của lý thuyết trường lượng tử để miêu tả trường hấp dẫn.

Gisin nói rằng xây dựng các định luật vật lý để chứng minh tính mở của tương lai và tính thật của hiện tại là rất quan trọng, bởi đó chính là những gì chúng ta đang trải nghiệm. “Tôi là nhà vật lý có đôi chân đi trên đất. Và chúng ta ai cũng đều biết là thời gian trôi”, ông nói, ám chỉ công việc của mình là việc làm rất thực tế, không hề hoang tưởng.

Nếu các nhà vật lý đi tìm lời giải cho sự bí ẩn của thời gian, họ chắc chắn phải vật lộn giữa hai dòng kiến thức. Một bên là không thời gian mang tính liên tục của Einstein, bên còn lại là sự thật rằng vũ trụ về cơ bản được xây dựng nên từ các hạt lượng tử, vốn chi phối bởi tính tình cờ và không chắc chắn.

Lý thuyết lượng tử vẽ nên bức tranh thời gian rất khác so với thuyết của Einstein. Sự không nhất quán này là cơ sở cho cuộc đấu tranh hiện nay trong giới khoa học để tìm ra một lý thuyết chung về hấp dẫn lượng tử, tập hợp nhiều lý thuyết vật lý với mục tiêu miêu tả tương tác hấp dẫn tuân theo những nguyên lý của cơ học lượng tử.

Hấp dẫn lượng tử còn quan trọng bởi nó sẽ là cách giải thích cho nguồn gốc lượng tử của không gian và thời gian, cũng như tìm hiểu tạo sao Vụ nổ lớn (Big Bang) lại xảy ra.

Đại Việt