Thuyết Tương Đối Hẹp và Rộng – Albert Einstein

Tôi sẽ dẫn dắt người đọc lên một con đường mà chính tôi đã đi, một con đường khá gồ ghề và uốn khúc, vì nếu khác đi, tôi không thể hy vọng anh ta sẽ có hứng thú với các kết quả ở cuối cuộc hành trình.

Albert Einstein

2015 đánh dấu 100 năm Thuyết tương đối rộng của Einstein, nền tảng của một lý thuyết của vũ trụ học trong thế kỷ XX về nguồn gốc, cấu trúc và sự tiến hóa của vũ trụ. Cùng với nó, các ngành thiên văn học và vật lý thiên văn dựa trên quan sát cũng phát triển song song chưa từng thấy như những minh họa đẹp mắt. Có thể nói tương tự như nhà di truyền học Theodosius Dobzhansky đã nói về thuyết tiến hóa của Darwin: “Không có gì trong vũ trụ học có ý nghĩa trừ khi được đặt dưới ánh sáng của thuyết tương đối rộng.” Thuyết tương đối rộng có những hệ lụy sâu rộng. Nó truyền cảm hứng cả cho các nhà khoa học giả tưởng, cũng như chạm đến những vấn đề triết học và tôn giáo ở chiều sâu.

Theo thuyết tương đối rộng, lực hấp dẫn ngày xưa, gravity, nay không còn là một “lực” nữa, mà là độ cong của không-thời-gian. Hay nói một cách khác: Độ cong của không-thời-gian chính là sự biểu thị của lực, đúng như ý tưởng ban đầu của Riemann. Một tờ giấy cong biểu thị một lực nhất định. Không gian và thời gian mà chúng ta sống và các vật thể chuyển động trong đó cũng không còn là cố định hay tuyệt đối, như Newton đã quan niệm. Chúng bị cong và co giãn bởi sự hiện diện của vật chất và năng lượng như một khu sân golf. Các vật thể khi được đặt trong đó sẽ chuyển động như các trái banh trên sân golf với những chỗ cao chỗ thấp. Không gian và thời gian không phải là cái sân khấu cố định và có sẵn cho vật chất, mà chúng cùng tồn tại hay cùng biến đi với vật chất. Chúng cũng không phải không gian Euclid và “tiên nghiệm” như Kant quan niệm, mà là phi-Euclid với các độ cong. Quan điểm của Kant dễ hiểu, bởi vì cho đến khi Kant mất, khái niệm không gian phi-Euclid của Gauss, Riemann vẫn chưa ra đời cho đến gần nửa thế kỷ sau.

Trong lịch sử phương Tây có hai khám phá thiên văn gây chấn động mạnh mẽ nhất: Quyển sách Sidereus Nuncius (Thông điệp sao) của Galilei năm 1610 báo cáo những kết quả quan sát trên bầu trời bằng viễn vọng kính tự tạo, chứ chưa phải là tác phẩm “Về các vòng quay” của Copernic 67 năm trước đó. Thông điệp sao đã hé lộ một thế giới hoàn toàn khác với những gì Aristote, Ptolemy và Giáo hội La Mã quan niệm, và làm hiện ra chứng cứ càng rõ của thuyết nhật tâm Copernic. Rồi “Gần cả trăm năm, vũ trụ hoạt động theo bộ máy đồng hồ của Galilei và Newton – dựa trên các quy luật tuyệt đối – đã tạo thành nền tảng tâm lý cho Khai sáng, với niềm tin vào quy luật nhân quả, trật tự, tính hữu lý và cả nhiệm vụ cần thiết” (W. Isaacson).

Sự kiện thứ hai ba trăm năm sau đó, càng gây chấn động cả thế giới hơn, là thuyết tương đối rộng của Einstein năm 1915, đã cách mạng đến nền tảng quan niệm về thế giới, thời gian, không gian, lực hấp dẫn và năng lượng. Nó giúp con người hiểu sự hình thành và tiến hóa của vũ trụ, sự “Tạo thiên lập địa” – Creation – Big Bang – và những hiện tượng huyền bí khác trên trời, như ánh sáng bị cong, không gian cong, sự chuyển dịch đỏ, đồng hồ chạy chậm hơn ở những nơi trường hấp dẫn mạnh hơn, thấu kính hấp dẫn, bức xạ nền của vũ trụ thời trẻ, tuổi của vũ trụ, sự giãn nở, giãn nở gia tốc, sóng hấp dẫn, các pulsar, quasar, lỗ đen. Sóng hấp dẫn ban sơ của vũ trụ vẫn còn là một bí ẩn lớn. Chúng là hệ quả của các chấn động của sự lạm phát, diễn ra vào thời điểm 1035 giây sau Big Bang, như tiên đoán của Einstein, và truyền đi dọc theo tấm thảm của không-thời-gian. Nhưng các nhà vật lý rất hy vọng tìm thấy các sóng này trong những năm tới, và cùng với bức xạ nền vào thời điểm 300.000 năm sau Big Bang, một khám phá có ý nghĩa rất to lớn, chúng sẽ hoàn thiện bức tranh tráng lệ và vĩ đại của thuyết Big Bang.

Chân dung Albert Einstein của Hermann Struck đăng trong bản dịch tiếng Anh 1920 theo đòi hỏi của Robert W. Lawson

Thuyết tương đối rộng được Einstein trình bày trước Hàn lâm viện khoa học Phổ cuối 1915, và được công bố trên tạp chí Annalen der Physik đầu năm sau. Cuối năm đó, Einstein cũng viết xong tác phẩm bất hủ cho đại chúng về các ý tưởng chính của thuyết này cũng như của thuyết tương đối hẹp có tên Thuyết tương đối hẹp và rộng mà quý độc giả đang có trong tay. Quyển sách được xuất bản vào đầu năm 1917 tại Nhà xuất bản Vieweg & Sohn, nước Đức.

Sau sự kiện độ lệch của ánh sáng mà Einstein tiên đoán trong trường hấp dẫn của mặt trời được hai đoàn thám hiểm Anh xác nhận đúng, gây tít lớn trên báo Times Luân Đôn: “Cách mạng trong Khoa học – Lý thuyết mới của Vũ trụ – Ý tưởng của Newton bị lật đổ” vào ngày 7, thảng 11, năm 1919, truyền đi những chấn động dữ dội, quyển sách của Einstein lọt vào tầm ngắm của thế giới. Nó được dịch ngay sang tiếng Anh (1920), tiếng Pháp (1921), tiếng Ý (1921), tiếng Nhật (1921), tiếng Nga (1921), tiếng Hoa (1922), tiếng Hebrew (1928), và nhiều thứ tiếng khác nữa. Việt Nam suýt cũng được đi vào lịch sử thế giới: năm 1929 một đoàn các nhà thiên văn Pháp cũng đã từng đến Côn Đảo để đo đạc lại độ lệch ánh sáng và kiểm tra thuyết tương đối Einstein vào lúc nhật thực toàn phần diễn ra, nhưng không may thời tiết bị xấu nên không có được kết quả đo đạc như mong muốn.

Bản dịch tiếng Anh được Einstein ủy thác cho Robert W. Lawson, một giảng viên vật lý tại Đại học Sheffield, Anh quốc, là người đầu tiên đề nghị với Einstein dịch tác phẩm sang tiếng Anh vì tầm quan trọng của nó. Bản này ra mắt tháng 8, 1920, được phát hành đồng thời tại Hoa Kỳ.

Một trăm năm qua, thuyết tương đối rộng đã vượt qua mọi phép thử và đứng vững không lay chuyển. Nhưng đối với Einstein, bản giao hưởng tác phẩm của đời ông còn dang dở. Ông dành ra ba mươi năm cuối đời để tìm sự thống nhất thuyết tương đối rộng và thuyết điện từ trong một cuộc chiến đấu cô đơn và vô vọng. Rồi những thập kỷ cuối thế kỷ XX, tức không bao lâu sau khi ông mất, các nhà vật lý lý thuyết và toán học thế giới lại tiếp tục công việc dang dở của ông, đi tìm sự thống nhất của thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử là hai cột trụ của vật lý học thế giới nhưng lại đứng quá xa nhau, một thuyết trị vì thế giới vô cùng lớn, còn thuyết kia thế giới vô cùng nhỏ. Những nỗ lực thống nhất này đã dẫn đến sự ra đời của nhiều ý tưởng rất táo bạo và độc đáo với những cái tên như Hấp dẫn lượng tử, Thuyết siêu dây, hay Thuyết-M, Nguyên lý toàn ảnh, chỉ kể một số tên. Những đợt sóng mới dâng cao trong nghiên cứu, một “cosmic landscape” hiện ra những hứa hẹn về một chân trời mới. Nhưng sương mù vẫn còn nhiều phía trước.

Vượt lên khỏi Einstein, để nới rộng thêm, các nhà vật lý còn đặt ra những vấn đề như không gian và thời gian đến từ đâu, và những bí mật nào đang chứa trong lỗ đen? Người ta tin rằng không gian và thời gian ở cấp độ Planck cực nhỏ sẽ là một cái gì khác, và có điểm chung gì đó với cơ học lượng tử. Nhà vật lý học John Archibald Wheeler (1971 – 2008), một trong những người có công lớn làm sống lại thuyết tương đối rộng sau ba thập niên bị bỏ quên, cho rằng nếu vật chất và năng lượng được lượng tử hóa, thì không-thời-gian có lẽ cũng như thế, rằng với một chiếc kính hiển vi siêu mạnh, người ta có thể thấy “hình học sẽ giống như tấm bọt”. Ông thích ví không gian lượng tử như một đại dương: Nhìn từ trên cao, mặt đại dương nhẵn (smooth), nhưng nếu chèo thuyền trên đó, “chúng ta sẽ thấy sóng và bọt nhấp nhô. Đó chính là bức tranh cấu trúc của không gian ở cấp độ rất nhỏ.” Chính Einstein ngay sau khi hoàn tất thuyết tương đối rộng cũng linh cảm rằng “Dường như thuyết mới về hấp dẫn cần phải được tu chỉnh”.

Mặt khác, sau khi Mô hình chuẩn và hạt Higgs đã trả lời rốt ráo sự cấu tạo vật chất thông thường, thì câu hỏi “Thế giới được cấu tạo bằng gì” vẫn còn nằm ở phía trước. Các nhà thiên văn học khám phá ra rằng vũ trụ thật sự còn chứa một loại “vật chất tối”, mục đích để giữ cho các thiên hà, hay cụm thiên hà ở lại bên nhau, bởi lực hấp dẫn thôi không đủ, và một loại “năng lượng tối” để đẩy sự giãn nở vũ trụ lên gia tốc, hiện tượng đã quan sát được ở các siêu sao mới (supernova). Các vật chất và năng lượng tối này chiếm đến 96% toàn năng lượng của vũ trụ. Chúng là gì? Đó là những câu hỏi vô cùng quan trọng. Hằng số lambda, được Einstein đưa ra năm 1917 như một lực đẩy nhằm cân bằng lực hấp dẫn để giữ vũ trụ tĩnh, cái tưởng chừng như một “ngớ ngẩn lớn nhất của tôi”, sau gần 90 năm bị khuất trong bóng tối bỗng sống lại một cách đầy kịch tính như một dạng năng lượng tối, hay năng lượng chân không.

Bước vào thế kỷ XXI, với cả một thiên hà những khám phá kỳ thú vừa thực nghiệm vừa lý thuyết của thế kỷ qua, nhân loại như đặt chân lên bờ của một lục địa mới kỳ lạ. Một cuộc tìm kiếm các định luật cuối cùng của vũ trụ tuy là một sự thách thức lớn, nhưng đầy thú vị và hứa hẹn. Bức tranh của vũ trụ thế kỷ XXI chắc chắn sẽ còn khác nhiều so với bức tranh của vũ trụ cuối thế kỷ XX, giống như bức tranh ấy đã từng quá khác biệt giữa thời kỳ cuối thế kỷ XIX và cuối thế kỷ XX.

Chúng tôi mong rằng quyển sách này truyền cảm hứng đến bạn đọc, nhất là các bạn trẻ, như nó đã từng truyền cảm hứng cho hàng triệu người trên thế giới từ học sinh đến người lớn, từ Tây sang Đông. Một “Tân thế giới” đang nằm trong bàn tay các bạn để khám phá. Hiểu được vũ trụ, con người cũng sẽ hiểu được cái tôi trong cái nôi kỳ quan của mình mà sự tồn lại của trái đất và bản thân là một ân huệ kỳ diệu trong đó. Vũ trụ này có phải được tạo ra, với những hằng số vật lý tích hợp với nhau một cách tinh tế để tương thích với sự tồn tại của chúng ta không, để cho con người của nó có ý thức về nó? Dù có thể có nhiều vũ trụ, nhưng chưa chắc có một bộ hằng số đặc biệt “hòa điệu tinh tế” như vũ trụ chúng ta? (Nguyên lý vị nhân)

Trong lịch sử, sự hưng vong của các quốc gia phương Tây có lúc cũng gắn liền với sự hưng vong của thiên văn học, của tri thức về thế giới như một khoa học đích thực. Và như nhà khoa học và sử học đầy tính nhân văn Mỹ Jacob Bronowski viết “Tri thức là định mệnh của chúng ta”. Tò mò, hay dùng từ của Augustin, “sự không yên” của trái tim, luôn luôn muốn đi xa hơn, khám phá và chấp nhận thách thức, đó là “nét cơ bản của con người”. “Xã hội nào ngăn chặn, kềm hãm nó, sẽ suy thoái hay tiêu vong” (Edmund Phelps). Con người từng được tôn giáo nâng lên là “đồng tác giả” với Thượng đế để thực hiện “những tiềm năng mà Đấng sáng tạo đã giấu bên trong”. Nói một cách nhân văn và hiện sinh như Michio Kaku: “Một số người đi tìm ý nghĩa của cuộc đời bằng lợi ích cá nhân, bằng các mối quan hệ cá nhân, hay bằng những trải nghiệm cá nhân. Tuy nhiên, đối với tôi dường như rằng được ban cho trí tuệ như một ân huệ để đoán ra được những bí mật chung cuộc của tự nhiên, điều đó sẽ đem lại ý nghĩa đủ cho cuộc sống”. Hoặc như Steven Weinberg viết trong tác phẩm Ba phút ban đầu với một chút kịch tính: “Con người không chịu tự an ủi mình với những câu chuyện về thần linh…, cũng không chịu giới hạn suy nghĩ mình vào cuộc sống thường nhật. Không chịu hài lòng, nên con người mới xây dựng viễn vọng kính, vệ tinh và máy gia tốc, tiêu pha vô số thì giờ ở bàn làm việc để giải mã những dữ liệu thu thập được. Niềm mong ước của họ là hiểu được vũ trụ, nâng cuộc sống con người lên khỏi sân khấu hề của đời thường một ít, và đem lại cho nó một chút nhân phẩm có tính bi kịch.”

Đối với người Việt Nam, để có một nền khoa học tự lực để phụng sự phồn vinh xã hội và những cái đích khoa học cao cả xem ra còn xa. Khoa học không phải là cái máy có thể nhập về rồi sử dụng để cho ra sản phẩm nhanh như ta mong muốn. Khoa học là “một cơ thể (organism), và, như những cơ thể khác, để phát triển tốt, nó cần một thời tiết đặc biệt, một không khí đặc biệt” như người bác sĩ Đức Erwin von Bӓlz (1849 – 1913) phát biểu năm 1900, người đã dạy Y khoa 25 năm tại trường Đại học Tokyo từ 1876. Có thể ví nó như “cây khoa học”. Muốn cho cây phát triển và cho ra quả tốt, cần có một miếng đất tốt cho nó, một thể chế tốt, định chế tốt, và luôn luôn được chăm sóc, vun bồi. Bӓlz không muốn làm người “bán trái cây” để bán quả cho các samurai, mà làm một “người làm vườn” chăm sóc miếng đất để người phương Tây có thể nhận ra được giống mảnh đất của họ. Chừng đó, ông tin quả mới ngon.

Ông nói tiếp, ở phương Tây, để đạt được “không khí tinh thần ” thuận lợi cho khoa học như hôm nay, các bộ óc vĩ đại đã phải lao động cật lực qua nhiều thời đại để giải mã các bí mật của vũ trụ”, và “xa lộ tinh thần con người” của họ đã được tưới bằng mồ hôi và máu, và thắp sáng bằng lửa của sự hành hình. Cái tinh thần ấy không thể học một sớm một chiều trong các giảng đường, mà chỉ được truyền đạt qua lao động “vai sánh vai” với những nhà nghiên cứu khác. Hơn nữa, khoa học phương Tây không phải hoàn toàn “trung tính ” như người ta tưởng để có thể dăm xuống những miếng đất lạ mà thành công ngay. Khoa học ẩn chứa các mặt triết học, văn hóa, dĩ nhiên cả xã hội trong đó. Người Nhật lúc đầu đã nhập khẩu khoa học mà vứt bỏ các tính chất triết học và văn hóa đi nhiều thập kỷ liền, cho đến khi họ nhận ra và thay đổi.

Việt Nam chừng nào có một miếng đất và những điều kiện thời tiết, các định chế và những sự chăm bồi như thế? Chừng nào các nhà làm khoa học Việt Nam, từ sự đam mê và lý tưởng, tự nguyện góp phần dăm bồi một nền văn hóa mới then chốt cho cuộc chấn hưng đất nước trên mảnh đất còn nghèo truyền thống khoa học này, biến khoa học Việt Nam thành một khu vườn màu mỡ giống nền khoa học thế giới?

Tháng 10 năm 2015

NGUYỀN XUÂN XANH

Mời các bạn đón đọc Thuyết Tương Đối Hẹp và Rộng của tác giả Albert Einstein.