Chương 18 Những công cụ chính xác tới mức phi lý

Hãy thử nghĩ về giáo viên khoa học khó tính nhất bạn từng học: người sẽ hạ điểm của bạn nếu làm tròn không chính xác chữ số thứ sáu sau dấu thập phân; chỉnh sửa từng học sinh nhầm “khối lượng” thành “trọng lượng”, mặc áo phông in bảng tuần hoàn lại còn sơ vin và bắt tất cả (kể cả bản thân) phải đeo kính bảo hộ ngay cả khi pha nước đường. Bây giờ hãy thử tưởng tượng một người mà giáo viên của bạn rất ghét vì quá chính xác. Đó chính là những người làm việc cho cục tiêu chuẩn và đo lường.

Hầu hết các quốc gia đều có văn phòng tiêu chuẩn, có nhiệm vụ đo lường mọi thứ : từ một giây thực sự dài bao nhiêu đến lượng thủy ngân trong gan bò mà bạn có thể ăn mà không ngộ độc – theo Viện Tiêu chuẩn và Kỹ thuật Quốc gia Mỹ (NIST) thì lượng đó rất nhỏ. Đối với các nhà khoa học làm việc tại cục tiêu chuẩn, đo lường không chỉ là một công cụ hiện thực hóa khoa học mà bản thân nó đã là một ngành khoa học. Tiến bộ trong bất kỳ lĩnh vực nào – từ vũ trụ học hậu-Einstein cho đến tìm kiếm sinh vật sống trên hành tinh khác – đều phụ thuộc vào việc ta có thể đo càng chính xác từ các mẩu thông tin hiện đang nhỏ hơn bao giờ hết.

Vì các lý do lịch sử (những người theo trường phái Khai sáng của Pháp là những người cuồng đo lường), Cục Cân đo Quốc tế (BIPM) ngoại ô Paris đóng vai trò là cục tiêu chuẩn của các cục tiêu chuẩn, đảm bảo mọi “phân cục” đều đúng tiêu chuẩn. Một trong những công việc đặc biệt của BIPM là gìn giữ Kilogram Chuẩn Quốc tế: kilogram chính thức của thế giới. Đó là một khối trụ bạch kim rộng 5 cm, chứa 90% là bạch kim với khối lượng chính xác là 1,000000… kilogram (đến bao nhiêu chữ số thập phân tùy thích). Tôi có thể nói rằng nó nặng khoảng 900 gram nhưng sẽ cảm thấy tội lỗi vì không chính xác.

Kilogram Chuẩn Quốc tế rộng 5 cm (giữa) được làm bằng bạch kim và iridi, nằm trong ba cái lồng úp vào nhau trong một hầm kiểm soát độ ẩm và nhiệt độ ở Paris. Bao quanh là sáu bản sao chính thức, mỗi bản đựng trong hai lồng úp vào nhau. (Được sao chép lại với sự cho phép của BIPM. BIPM giữ bản quyền.)

Kilogram Chuẩn là một thực thể vật lý có thể bị hư hỏng. Và vì 1 kg không bao giờ được thay đổi nên BIPM phải đảm bảo rằng nó không bao giờ trầy xước, dính một hạt bụi hay mất đi một nguyên tử (như họ hy vọng). Nếu bất cứ điều gì kể trên xảy ra, khối lượng của nó có thể tăng lên tới 1,000000…1 kilogram hoặc giảm xuống còn 0,99999999…9 kilogram – điều mà một cục tiêu chuẩn quốc gia không thể chấp nhận. Giống như những bà mẹ lo lắng thái quá, họ liên tục theo dõi nhiệt độ và áp suất xung quanh Kilogram Chuẩn để ngăn chặn sự co giãn nở ở cấp độ vi mô có thể làm bật nguyên tử. Nó cũng được đặt trong ba lồng nhỏ chồng lên nhau để ngăn độ ẩm ngưng tụ trên bề mặt và để lại một lớp màng cực mỏng. Kilogram Chuẩn được làm từ bạch kim đặc (và iridi) để giảm thiểu diện tích tiếp xúc với không khí “bẩn” – loại không khí mà chúng ta vẫn hít thở. Bạch kim dẫn điện tốt, giúp giảm lượng tĩnh điện “ký sinh” (từ của BIPM) có thể “dụ dỗ” các nguyên tử dính vào mẫu.

Cuối cùng, độ cứng của bạch kim làm giảm khả năng để lại vết xước khi móng tay ai đó chẳng may cào vào mẫu. Các quốc gia khác cần có bản sao kilogram chính thức của riêng mình để tránh phải bay tới Paris mỗi khi muốn cân chính xác một cái gì đó. Và vì Kilogram Chuẩn là tiêu chuẩn nên bản sao của mỗi nước phải được so sánh với nó. Bản kilogram chính thức của Mỹ được gọi là K20 (bản sao chính thức thứ 20), đặt trong một tòa nhà chính phủ ở ngoại ô Maryland. Trưởng nhóm phụ trách quản lý khối lượng và lực ở NIST là Zeina Jabbour cho hay K20 mới chỉ được hiệu chuẩn một lần kể từ năm 2000, và đã đến lúc cần hiệu chuẩn một lần nữa. Quá trình hiệu chuẩn kéo dài nhiều tháng và các quy định an ninh kể từ năm 2001 khiến việc đưa K20 đến Paris trở nên vô cùng rắc rối. Jabbour cho biết: “Chúng tôi phải xách tay K20 trong suốt chuyến bay, nhưng rất khó để vượt qua an ninh và hải quan với một khối kim loại và nói với người ta rằng họ không thể chạm vào nó. “Chỉ riêng việc mở chiếc vali thiết kế riêng cho K20 ở “sân bay đầy bụi” cũng có thể làm hỏng nó”, cô cho biết. “Và nếu ai đó khăng khăng đòi chạm vào, quá trình hiệu chuẩn sẽ đi tong.”

Thông thường, BIPM sử dụng một trong sáu bản sao chính thức (được giữ trong hai lồng úp) của Kilogram Chuẩn để hiệu chỉnh bản của các nước khác. Nhưng chính các bản sao chính thức cũng phải được hiệu chuẩn, nên cứ sau vài năm, các nhà khoa học lại lấy Kilogram Chuẩn ra khỏi chỗ để (dĩ nhiên là sử dụng kẹp và găng tay cao su đặc biệt để không lưu lại vân tay và phải là găng tay không phủ bột; cũng không được giữ quá lâu bởi nhiệt độ cơ thể sẽ truyền sang và phá hỏng mẫu) và hiệu chuẩn các bộ hiệu chuẩn.* Các nhà khoa học nhận thấy một điều đáng báo động trong quá trình hiệu chuẩn vào những năm 1990: tính cả các nguyên tử bị bong ra khi có người chạm vào nó thì trong vài thập kỷ qua, Kilogram Chuẩn đã mất thêm nửa microgram mỗi năm – khối lượng tương đương với một dấu vân tay! Không ai biết tại sao.

Chính thất bại trong việc giữ cho Kilogram Chuẩn hoàn toàn không đổi đã đổi mới nội dung thảo luận về giấc mơ tối thượng của mọi nhà khoa học bị ám ảnh bởi khối trụ này: họ cân nhắc không dùng nó nữa. Đa phần tiến bộ khoa học đạt được từ khoảng năm 1600 nhờ việc áp dụng một quan điểm khách quan về vũ trụ (bất cứ khi nào có thể): không-lấy-con-người-làm-trung-tâm. (Đây được gọi là Nguyên lý Copernicus hay kém sang hơn là Nguyên lý Tầm thường.) Kilogram là một trong bảy “đơn vị đo lường cơ bản” được sử dụng trong mọi ngành khoa học, và nay bất kỳ đơn vị nào dựa trên vật thể nhân tạo đều không còn được chấp nhận nữa, đặc biệt là nếu nó teo đi một cách bí ẩn.

Văn phòng tiêu chuẩn quốc gia Anh đưa ra mục tiêu với mọi đơn vị là: một nhà khoa học gửi định nghĩa của nó qua email cho đồng nghiệp ở lục địa khác, và người đó có thể tái tạo ra nó với đúng các kích thước chỉ nhờ mô tả trong email. Bạn không thể gửi Kilogram Chuẩn qua email, và chưa ai từng đưa ra một định nghĩa đáng tin cậy hơn khối trụ mập lùn, bóng loáng được cưng chiều nhất mực ở Paris. (Các nhà khoa học đang thu hẹp khoảng cách, nhưng tính đến giờ thì những ý tưởng hay nhất lại quá tỉ mẩn đến mức không khả thi như đếm hàng ngàn ngàn ngàn tỷ nguyên tử, hoặc các phép đo đòi hỏi độ chính xác vượt xa các công cụ tốt nhất hiện nay.) Câu hỏi hóc búa chưa có lời giải về Kilogram Chuẩn, ngăn nó co lại hay ngừng sử dụng nó đã và đang trở thành một mối lo quốc tế ngày càng tăng (ít nhất là với bọn kỹ tính như chúng tôi).

Nỗi lo càng trầm trọng hơn vì kilogram là đơn vị đo lường cơ bản cuối cùng bị ràng buộc bởi sự nghiêm ngặt của con người. Một thanh bạch kim ở Paris được dùng làm nguyên mẫu cho đơn vị “mét” trong hầu hết thế kỷ 20, trước khi được các nhà khoa học định nghĩa lại vào năm 1960. 1 m lúc này được xác định là khoảng cách tương đương 1.650.763,73 lần bước sóng ánh sáng trong phổ đỏ-cam do một nguyên tử krypton-86 phát ra. Khoảng cách này gần như khớp với chiều dài của thanh bạch kim cũ, nhưng các bước sóng ánh sáng do Kr-86 phát ra lại có cùng độ dài ở bất kỳ đâu trong chân không. (Phải định nghĩa như vậy thì mới gửi qua email được chứ!) Kể từ đó, các nhà khoa học đo lường đã tái định nghĩa 1 m là khoảng cách mà ánh sáng di chuyển trong chân không trong 1/299.792.458 giây.

Tương tự, định nghĩa chính thức của một giây từng được công nhận là khoảng 1/86.400 của một vòng Trái Đất tự quay quanh trục. Nhưng vài sự thật phiền nhiễu đã khiến định nghĩa này trở nên bất tiện. Độ dài một ngày dần tăng lên do sự lên xuống của thủy triều, khiến vòng quay của Trái Đất bị níu chậm. Để khắc phục, cứ khoảng mỗi ba năm, các nhà đo lường lại chèn thêm một “giây nhuận” (vào nửa đêm ngày 31 tháng 12, thường là khi chẳng có ai chú ý). Nhưng giây nhuận chỉ là một giải pháp tạm thời. Thay vì gắn một đơn vị thời gian được cho là phổ quát với sự vận động của một hành tinh đá “tầm thường” như Trái Đất, cục quản lý tiêu chuẩn Mỹ đã phát triển đồng hồ nguyên tử cesi.

Đồng hồ nguyên tử hoạt động dựa trên cơ chế nhảy qua lại giữa các trạng thái dừng của các electron bị kích thích mà ta đã thảo luận. Nhưng đồng hồ nguyên tử cũng khai thác một chuyển động tinh vi hơn: “cấu trúc tế vi” (fine structure) của các electron. Nếu bước nhảy bình thường của một electron giống như ca sĩ nhảy quãng tám giữa hai nốt sol, thì ở cấu trúc tế vi cũng có những bước nhảy như từ sol lên sol giáng hay sol thăng 1 . Các hiệu ứng của cấu trúc tế vi thể hiện rõ nhất trong từ trường, gây ra bởi những những hiệu ứng mà bạn hoàn toàn có thể phớt lờ nếu chỉ học vật lý cơ bản (trừ khi đang học một lĩnh vực vật lý rất chuyên sâu như tương tác từ giữa electron và proton, hay hiệu chỉnh do tính tương đối của Einstein). Kết quả là những điều chỉnh cấu trúc tế vi*: mỗi electron nhảy thấp hơn một chút (lên sol giáng) hoặc cao hơn một chút (lên sol thăng) so với dự kiến.

1 . Trong âm nhạc, hai nốt cách nhau quảng tám có cùng tên gọi nhưng khác nhau về cao độ. (BTV)

Vì electron “quyết định” nhảy lên mức nào đều dựa trên spin nội tại, nên một electron không bao giờ nhảy lên sol thăng rồi sol giáng trong hai lần liên tiếp. Bên trong đồng hồ nguyên tử (có hình thù như những ống khí nén thon dài), một nam châm “loại bỏ” tất cả các nguyên tử cesi (Cs) có electron ở lớp ngoài cùng nhảy lên một mức nhất định (tạm gọi là “sol giáng”). Các nguyên tử còn lại (có electron sol thăng) dồn vào một buồng và bị kích thích bởi một vi sóng rất mạnh, khiến các electron của chúng “nhảy lên” (sau đó sẽ trở về) và phát ra các photon. Mỗi chu kỳ nhảy lên-xuống như vậy luôn mất cùng một lượng thời gian cực ngắn nên đồng hồ nguyên tử có thể đo thời gian chỉ bằng cách đếm các photon của ánh sáng. Nam châm phải “loại bỏ” các electron thuộc cùng một loại (sol giáng hay sol thăng không quan trọng), vì thời gian nhảy mức của hai loại này là khác nhau. Và ở thang đo mà các nhà đo lường sử dụng, sự thiếu chính xác đó không thể chấp nhận được.

Cesi thuận tiện khi dùng làm lò xo chính trong đồng hồ nguyên tử vì chỉ có một electron ở lớp ngoài cùng, không có các electron gần đó để ngăn cản nó. Các nguyên tử cesi cồng kềnh và nặng nề là những tấm bia to lớn cho maser bắn vào. Tuy nhiên, dù nguyên tử cesi khá cồng kềnh thì electron ngoài cùng của nó vẫn di chuyển cực nhanh. Thay vì vài chục hoặc vài ngàn lần, nó đi được tới 9.192.631.770 chu kỳ mỗi giây. Các nhà khoa học đã chọn con số cồng kềnh đó thay vì cắt ở 9.192.631.769 hoặc để tới 9.192.631.771 vì nó ứng với dự đoán tốt nhất của họ cho độ dài một giây vào năm 1955, khi chế tạo đồng hồ cesi đầu tiên. Dù gì đi nữa, 9.192.631.770 hiện đã được ấn định. Nó trở thành định nghĩa đơn vị đo lường cơ bản đầu tiên có khả năng gửi qua email, thậm chí còn giúp tách đơn vị mét khỏi thanh bạch kim tiêu chuẩn sau năm 1960.

Các nhà khoa học đã áp dụng tiêu chuẩn cesi thành phép đo thời gian chính thức của thế giới vào những năm 1960, thay cho định nghĩa giây dựa trên thiên văn học. Dù tiêu chuẩn cesi có lợi cho khoa học nhờ đảm bảo độ chính xác trên toàn thế giới, con người không thể tránh khỏi mất mát. Trước cả người Ai Cập và Babylon cổ đại, con người đã biết xem thiên tượng để theo dõi thời gian và ghi lại những khoảnh khắc quan trọng nhất. Cesi đã cắt đứt liên kết với thiên đàng, xóa bỏ nó chẳng khác gì đèn đường xóa nhòa các chòm sao. Dù chính xác tới mức nào, cesi vẫn không có cảm giác thần thánh của Mặt Trăng hay Mặt Trời. Bên cạnh đó, ngay cả lý do của việc chuyển đổi sang cesi (là tính phổ quát, vì các electron của cesi dao động cùng tần số ở mọi nơi trong vũ trụ) có thể không còn là một sự đánh cược an toàn.

Nếu có gì sâu sắc hơn tình yêu của các nhà toán học dành cho biến số thì đó là tình yêu với hằng số. Điện tích của electron, độ lớn của gia tốc hấp dẫn trên Trái Đất, tốc độ ánh sáng trong chân không không bao giờ thay đổi, bất kể thí nghiệm gì hay trong hoàn cảnh nào. Nếu chúng thay đổi, độ chính xác vốn tách biệt khoa học tự nhiên với khoa học xã hội như kinh tế học – nơi tính bốc đồng và sự ngu ngốc của con người khiến các quy luật phổ quát trở nên bất khả thi – sẽ không còn nữa.

Đối với giới khoa học, các hằng số cơ bản thậm chí quyến rũ hơn nữa, do sự trừu tượng và phổ quát của chúng. Rõ ràng trị số của kích thước hay tốc độ của hạt sẽ thay đổi nếu chúng ta tùy tiện thay đổi định nghĩa 1 m cho dài thêm hay kilogram bỗng dưng teo đi (e hèm!). Tuy nhiên, các hằng số cơ bản lại không phụ thuộc vào phép đo. Giống như số π , các giá trị này là thuần túy và bất biến; và cũng giống như số π , chúng xuất hiện trong mọi bối cảnh mà khả năng lý giải dường như nằm ngay trước mắt nhưng cũng xa tận chân trời.

Hằng số không thứ nguyên lừng danh nhất là hằng số cấu trúc tế vi, liên quan đến mức độ phân chia tế vi của các electron. Nói một cách ngắn gọn, nó kiểm soát độ lớn của lực hút giữa các electron tích điện âm và hạt nhân tích điện dương. Nó cũng xác định cường độ của một số quá trình xảy ra trong hạt nhân. (Tôi sẽ gọi hằng số cấu trúc tế vi là “alpha” như các nhà khoa học.) Trên thực tế, nếu alpha nhỏ hơn một chút ngay sau Vụ nổ Lớn thì phản ứng hợp hạch tại lõi các ngôi sao sẽ không bao giờ đủ nóng để hợp hạch ra được cacbon. Ngược lại, nếu alpha có giá trị lớn hơn một chút, các nguyên tử cacbon sẽ tan rã từ tám thuở bảy mươi đời trước khi trở thành con người. Alpha đã tránh được “núi đao biển lửa” ở cấp độ hạt nhân. Điều này khiến các nhà khoa học nhẹ nhõm (tất nhiên phải thế rồi) nhưng cũng rất hoang mang vì họ không thể giải thích được nó. Ngay cả nhà vật lý vô thần thâm căn cố đế lừng danh Richard Feynman cũng từng nói về hằng số cấu trúc tế vi như sau: “Tất cả các nhà vật lý lý thuyết giỏi đều dán con số này lên tường và suy tư về nó… Đó là một trong những bí ẩn chết tiệt lớn nhất của vật lý: một con số ma thuật đến với con người nhưng chúng ta lại chằng hiểu gì về nó. Bạn có thể nói rằng “bàn tay của Chúa” đã viết lên con số đó, nhưng chúng tôi không biết Ngài đưa bút bằng cách nào.”

Điều đó không ngăn được nỗ lực giải mã thông điệp này. Nhà thiên văn học người Anh Arthur Eddington (người đã cung cấp bằng chứng thực nghiệm đầu tiên về Thuyết Tương đối Rộng trong lần nhật thực năm 1919) vô cùng say mê alpha. Eddington có khuynh hướng (hay nói đúng hơn là tài năng) tìm về thần số học*. Vào đầu thế kỷ 20, sau khi giá trị của alpha được đo vào khoảng 1/136, Eddington bắt đầu bày ra các “bằng chứng” chứng minh giá trị chính xác của alpha là 1/136, phần vì ông đã tìm thấy một liên kết toán học giữa 136 và 666. (Một đồng nghiệp đã mỉa mai đề nghị viết lại Sách Khải Huyền để bổ sung “phát hiện” này.) Khi các phép đo sau đó cho thấy alpha có giá trị xấp xỉ 1/137, Eddington chỉ ném thêm 1 vào chỗ nào đó trong công thức của ông và tiếp tục như thể lâu đài cát của mình vẫn đứng vững (mang lại cho ông biệt danh bất tử Arthur Cộng-thêm-Một 1 ). Trong một lần chạm trán Eddington tại phòng gửi áo ở Stockholm, một người bạn khó chịu khi thấy ông khăng khăng treo mũ của mình lên móc số 137.

1 . Nguyên văn là “Adding-one”. Từ này phát âm gần giống với “Eddington”. (BTV)

Ngày nay alpha có giá trị (hoặc xấp xỉ) là 1/137,0359. Dù gì đi nữa, giá trị của nó làm cho bảng tuần hoàn trở nên khả dĩ. Nó cho phép các nguyên tử tồn tại, và cũng giúp chúng phản ứng đủ mạnh để tạo thành hợp chất vì các electron không “lang thang” quá xa hạt nhân nhưng cũng không níu kéo quá chặt. Sự cân bằng vừa phải này đã khiến nhiều nhà khoa học kết luận rằng hằng số cấu trúc tế vi của vũ trụ không thể tình cờ mà có. Cụ thể hơn, các nhà thần học cho rằng alpha là bằng chứng cho việc một nhà sáng tạo đã “lập trình” vũ trụ để tạo ra phân tử và cả sự sống. Đó là lý do tại sao đây là một vấn đề lớn vào năm 1976 khi nhà khoa học Alexander Shlyakhter nghiên cứu kỹ địa điểm Oklo kỳ quái ở châu Phi và tuyên bố rằng: alpha – một hằng số cơ bản và bất biến của vũ trụ – đang ngày càng lớn hơn.

Oklo là một điều kỳ diệu tầm cỡ thiên hà: lò phản ứng phân hạch tự nhiên duy nhất từng tồn tại mà ta biết. Nó được hình thành khoảng 1,7 tỷ năm trước và khi các thợ khai mỏ Pháp khai quật địa điểm này vào năm 1972, nó đã làm chấn động giới khoa học. Một số nhà khoa học lập luận rằng Oklo không thể xảy ra, trong khi một số nhóm khác coi Oklo như là “bằng chứng” cho các lý thuyết con cưng kỳ lạ như các nền văn minh châu Phi đã mất từ lâu hay các tai nạn của tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng hạt nhân ngoài hành tinh. Trên thực tế, như các nhà khoa học hạt nhân xác định, nguồn cấp năng lượng Oklo chỉ có urani, nước và vi khuẩn lam (tức váng ao). Thực vậy. Tảo ở một con sông gần Oklo đã tạo ra lượng oxy dư thừa sau khi quang hợp. Oxy khiến nước có tính axit mạnh đến nỗi hòa tan urani trong lớp đá nền khi chảy trong lòng đất. Urani ngày đó chứa lượng đồng vị U-235 (nguyên liệu dùng để tạo bom) là 3%, giàu hơn so với mức chỉ 0,7% ngày nay. Loại nước này rất giàu U-235; khi vi khuẩn lam lọc nước, urani tập trung tại một điểm và đạt được khối lượng tới hạn.

Nhưng khối lượng tới hạn chỉ là điều kiện cần chứ chưa đủ. Để phản ứng phân hạch dây chuyền xảy ra, hạt nhân urani không chỉ cần bị neutron “tấn công” mà chúng còn phải hấp thụ các neutron. Khi urani tinh khiết phân hạch, hạt nhân bắn ra các neutron “nhanh” bật vào các hạt bên cạnh (giống như những viên đá lướt trên mặt nước). Về cơ bản, đó là những neutron vô dụng. Urani ở Oklo đạt được phản ứng phân hạch dây chuyền vì nước sông đã làm chậm neutron xuống đủ để các hạt nhân lân cận hấp thụ chúng. Không có nước, phản ứng sẽ không bao giờ xảy ra.

Nhưng chưa hết. Phản ứng phân hạch hiển nhiên là sinh nhiệt; và khi urani nóng lên, nó đã đun sôi nước. Không có nước, các neutron trở nên quá nhanh để hấp thụ và quá trình dừng lại. Đó là lý do không tồn tại một miệng hố lớn ở châu Phi ngày nay. Chỉ khi urani nguội đi, nước chảy trở lại và neutron chậm lại thì lò phản ứng mới tái khởi động. Đây là một mạch nước phun Old Faithful phiên bản hạt nhân tự điều hòa, và nó đã tiêu thụ gần sáu tấn urani trong hơn 150.000 năm tại mười sáu địa điểm quanh Oklo, với chu kỳ bật/ tắt 150 phút.

Làm thế nào mà sau 1,7 tỷ năm các nhà khoa học lại xâu chuỗi được chuyện này? Chính là nhờ các nguyên tố hóa học. Các nguyên tố được trộn kỹ trong vỏ Trái Đất, nên tỷ lệ của các đồng vị của cùng nguyên tố phải giống nhau ở mọi nơi. Tại Oklo, nồng độ U-235 thấp hơn bình thường từ 0,003 đến 0,3% – một sự khác biệt rất lớn. Nhưng điều khẳng định Oklo là một nhà máy điện hạt nhân tự nhiên chứ không phải là tàn dư từ hoạt động buôn lậu của khủng bố là sự thừa thãi của các nguyên tố vô dụng như neodymi. Neodymi chủ yếu tồn tại ở ba dạng đồng vị với nguyên tử khối chẵn là Nd-142, Nd-144 và Nd-146. Lò phản ứng phân hạch urani tạo ra các đồng vị neodymi có nguyên tử khối lẻ với tỷ lệ cao hơn bình thường. Trên thực tế, khi các nhà khoa học phân tích nồng độ neodymi tại Oklo và loại trừ neodymi tự nhiên, họ đã phát hiện ra rằng “dấu ấn hạt nhân” của Oklo trùng hợp với lò phản ứng phân hạch nhân tạo hiện đại. Thật đáng kinh ngạc.

Tuy nhiên, neodymi trùng hợp còn các nguyên tố khác thì không. Khi Shlyakhter so sánh chất thải hạt nhân của Oklo với chất thải hiện đại vào năm 1976, ông phát hiện ra rằng một số đồng vị của samari hình thành quá ít. Bản thân vấn đề này không quá quan trọng, nhưng các quá trình hạt nhân thường xuyên đem lại cùng kết quả nên các nguyên tố như samari không chỉ đơn giản là “quên” hình thành. Vấn đề samari này đã gợi ý cho Shlyakhter rằng đã có điều gì đó chưa đúng. Với một bước táo bạo, ông tính toán rằng nếu hằng số cấu trúc tế vi chỉ nhỏ hơn một chút khi Oklo xảy ra các phản ứng hạt nhân thì sự khác biệt rất dễ giải thích. Chính ông cũng không rõ nguyên nhân, chỉ biết là nó giải thích được (giống như trường hợp nhà vật lý Ấn Độ Bose với các phương trình photon “sai”). Vấn đề nằm ở chỗ alpha là một hằng số cơ bản. Về mặt vật lý, nó không thể thay đổi. Tồi tệ hơn với một số người là, nếu alpha thay đổi thì tức là không ai (hay nói đúng hơn là không Đấng Sáng Tạo nào) “tinh chỉnh” nó để tạo ra sự sống.

Với rất nhiều nghi vấn, nhiều nhà khoa học từ năm 1976 đã nghiên cứu và tìm cách giải thích lại về mối liên kết alpha-Oklo.

Những thay đổi mà họ đo được rất nhỏ và thông tin về địa chất sau 1,7 tỷ năm lại quá rời rạc, dường như sẽ không ai chứng minh được bất cứ điều gì rõ ràng về alpha từ dữ liệu của Oklo. Nhưng một lần nữa, ta lại không nên đánh giá thấp giá trị của việc đưa ra các ý tưởng. Nghiên cứu về samari của Shlyakhter đã kích thích hàng chục nhà vật lý đầy tham vọng muốn loại bỏ các lý thuyết cũ; và nghiên cứu về sự thay đổi của các hằng số hiện đang là một lĩnh vực sôi động. Một cú hích cho các nhà khoa học này là sự thừa nhận dù alpha thay đổi rất ít “chỉ sau” 1,7 tỷ năm, nó có thể đã thay đổi nhanh chóng trong một tỷ năm đầu tiên của vũ trụ – thời kỳ hỗn loạn nguyên thủy. Trên thực tế, sau khi điều tra các hệ thống chuẩn tinh và các đám mây bụi liên sao, một số nhà thiên văn học Úc* tuyên bố họ đã phát hiện ra bằng chứng thực sự đầu tiên về sự bất định.

Chuẩn tinh là những lỗ đen xé toạc và nuốt chửng những ngôi sao khác, giải phóng rất nhiều năng lượng ánh sáng từ sự điên cuồng này. Khi các nhà thiên văn thu thập ánh sáng đó, hình ảnh mà họ nhìn thấy không phải của hiện tại mà là các sự kiện đã diễn ra từ rất, rất lâu (vì ánh sáng cần có thời gian để vượt qua vũ trụ). Những nhà khoa học người Úc nọ đã kiểm tra các ảnh hưởng của cơn bão bụi liên sao khổng lồ lên đường đi của ánh sáng từ chuẩn tinh cổ đại. Khi ánh sáng đi qua đám mây bụi, các nguyên tố ở thể khí trong đám mây sẽ hấp thụ nó. Nhưng không hấp thụ tất cả ánh sáng giống như vật chắn sáng, các nguyên tố trong đám mây hấp thụ ánh sáng ở các tần số cụ thể. Hơn nữa, tương tự đồng hồ nguyên tử, ánh sáng mà các nguyên tố này hấp thụ không phải chỉ thuộc một mà là hai phổ màu được tách ra rất tinh tế.

Những nhà khoa học Úc không may mắn lắm với một số nguyên tố trong các đám mây bụi: chúng sẽ chẳng phản ứng dù alpha có dao động mỗi ngày. Vì vậy, họ đã mở rộng tìm kiếm sang các nguyên tố vốn rất nhạy cảm với alpha như crom. Với trị số của alpha trong quá khứ càng nhỏ, ánh sáng mà crom hấp thụ càng đỏ và khoảng trống giữa hai phổ màu – được biểu diễn bằng mức năng lượng sol thăng và sol giáng – càng hẹp. Bằng cách phân tích khoảng trống giữa hai phổ màu mà crom và các nguyên tố khác tạo ra gần các chuẩn tinh hàng tỷ năm trước và so sánh với giá trị trong phòng thí nghiệm ngày nay của các nguyên tố tương ứng, các nhà khoa học có thể đánh giá liệu alpha có thay đổi hay không. Như mọi nhà khoa học – đặc biệt là những người đề xuất điều gây tranh cãi – nhóm người Úc phòng thủ và che giấu những phát hiện của mình bằng ngôn ngữ khoa học kiểu “những phát hiện này chỉ phù hợp với giả thuyết nọ”. Tuy nhiên, họ thực sự nghĩ rằng các phép đo siêu tinh tế ấy chứng minh alpha đã thay đổi đến 0,001% trong mười tỷ năm.

Thành thật mà nói, đó có vẻ là một con số nhỏ tới nực cười để phải tranh cãi (như kiểu Bill Gates phải tranh giành đồng xu trên vỉa hè). Nhưng độ lớn của sự thay đổi không quan trọng bằng khả năng một hằng số cơ bản thay đổi.* Nhiều nhà khoa học tranh cãi về kết quả từ Úc. Nhưng nếu nó đúng – hoặc bất kỳ nhà khoa học nào nghiên cứu về sự thay đổi của hằng số chứng minh được – thì các nhà khoa học có thể sẽ phải nghĩ lại về Vụ nổ Lớn, bởi các định luật của vũ trụ mà họ biết sẽ biến đổi so với lúc đầu.* Nếu quả thật alpha không còn là hằng số mà trở thành biến số thì nó sẽ lật đổ nền vật lý Einstein giống như cách Einstein hạ bệ Newton, và Newton phế truất vật lý kinh viện Trung đại. Và một biến alpha cũng có thể cách mạng hóa cách các nhà khoa học tìm dấu hiệu của sự sống trong vũ trụ (sẽ thảo luận trong phần tiếp theo).

Chúng ta đã nhắc đến Enrico Fermi trong một hoàn cảnh khá buồn: ông chết vì ngộ độc beri sau một số thí nghiệm nguy hiểm và giành giải Nobel nhờ các nguyên tố siêu urani mà ông không hề tìm ra. Nhưng tôi sẽ thật tệ nếu khiến cho độc giả có ấn tượng xấu về nhà khoa học kiệt xuất này. Giới khoa học toàn cầu vẫn luôn yêu quý Fermi mà không hề e ngại. Tên ông được đặt cho nguyên tố thứ 100 (fermi) và ông được xem là nhà khoa học lý thuyết kiêm thực nghiệm vĩ đại cuối cùng – người mà bạn có thể bắt gặp tay vừa bám đầy dầu mỡ từ máy móc và vừa đầy phấn trắng vì viết bảng. Đầu óc ông vô cùng nhanh nhạy. Trong các cuộc họp, đôi khi các đồng nghiệp phải chạy về văn phòng để tìm lại các phương trình bí mật nhằm giải quyết một số vấn đề. Thường khi họ quay lại thì Fermi sốt ruột đã suy được toàn bộ phương trình và tính ra đáp án họ cần rồi. Một lần, ông yêu cầu cấp dưới đo xem bụi trên các cửa sổ bẩn nổi tiếng trong phòng thí nghiệm dày khoảng bao nhiêu milimet trước khi chúng bắt đầu rơi xuống sàn nhà bởi trọng lượng của chính mình. Lịch sử không ghi lại câu trả lời, mà chỉ có câu hỏi tinh quái này.*

Tuy nhiên, ngay cả Fermi cũng phải vò đầu bứt tai khi gặp câu hỏi đơn giản nhưng đầy ám ảnh này. Như đã đề cập ở phần trước, nhiều nhà triết học lấy làm ngạc nhiên rằng vũ trụ dường như được tinh chỉnh để tạo ra sự sống bởi một số hằng số cơ bản có giá trị “hoàn hảo”. Hơn nữa, các nhà khoa học từ lâu đã đinh ninh (theo lối tư duy mà họ tin định nghĩa về giây không nên dựa vào quỹ đạo Trái Đất) rằng Trái Đất chẳng phải là ngoại lệ trong vũ trụ. Sự bình thường đó cùng hằng hà sa số các ngôi sao và hành tinh, trong thời gian tưởng như vô tận kể từ Vụ nổ Lớn (bỏ qua mọi vấn đề tôn giáo lằng nhằng), vũ trụ đáng lẽ phải tràn đầy sự sống. Tuy nhiên, chúng ta không chỉ chưa từng gặp các sinh vật ngoài hành tinh mà còn chưa từng nhận được một lời chào nào. Khi nghiền ngẫm về những sự thật mâu thuẫn đó vào một bữa trưa, Fermi đã gào lên với các đồng nghiệp: “Vậy họ đang ở đâu?”, như thể trông đợi một ai đó đáp lại.

Các đồng nghiệp đã phá lên cười trước cái mà bây giờ được gọi là “Nghịch lý Fermi”. Nhưng phần còn lại của giới khoa học vẫn nghiêm túc xem xét câu hỏi của Fermi, và họ thực sự tin rằng có thể tìm ra câu trả lời. Nỗ lực đáng kể nhất là vào năm 1961, khi nhà vật lý thiên văn Frank Drake đưa ra cái mà hiện nay được gọi là Phương trình Drake. Giống như Nguyên lý Bất định, Phương trình Drake bị một loạt cách diễn giải che phủ thực chất vấn đề. Nói ngắn gọn, nó đưa ra một loạt dự đoán: có bao nhiêu ngôi sao tồn tại trong thiên hà; trong đó có bao nhiêu hành tinh giống Trái Đất; bao nhiêu trong các hành tinh giống Trái Đất đó có sự sống thông minh; bao nhiêu trong các dạng sống đó muốn liên lạc… Tính toán ban đầu của Drake* cho rằng trong thiên hà của chúng ta tồn tại mười nền văn minh biết giao tiếp. Nhưng đó vẫn chỉ là phỏng đoán và nhiều nhà khoa học chỉ coi đó như là một triết lý tự đại. Làm thế nào người Trái Đất có thể phân tích tâm lý người ngoài hành tinh và tìm ra phần trăm những người muốn trò chuyện?

Tuy nhiên, Phương trình Drake rất quan trọng: nó đề ra các dữ liệu mà giới thiên văn học cần thu thập, và nó đặt ra nền tảng khoa học cho ngành sinh học vũ trụ. Có lẽ ngày nào đó chúng ta sẽ nhìn nó giống như khi xem lại những nỗ lực sắp xếp các nguyên tố trong bảng tuần hoàn trước đây. Và với những cải tiến lớn gần đây trong kính thiên văn và các thiết bị đo lường bầu trời khác, các nhà sinh học vũ trụ có công cụ để không phải chỉ đoán nữa. Trên thực tế, Kính thiên văn vũ trụ Hubble và các thiết bị khác đã gợi được rất nhiều thông tin từ rất ít dữ liệu, nên các nhà sinh học vũ trụ hiện nay có thể vượt qua Drake. Họ không cần chờ đợi sinh vật ngoài hành tinh thông minh tìm đến chúng ta, hoặc lùng sục không gian sâu thẳm để kiếm tìm một Vạn Lý Trường Thành ngoài hành tinh. Họ có thể đo đạc bằng chứng trực tiếp về sự sống – ngay cả là sự sống không có trí tuệ như các loài thực vật kỳ lạ hay vi khuẩn thối rữa – bằng cách tìm kiếm các nguyên tố như magie.

Rõ ràng không quan trọng bằng oxy hay cacbon, nhưng nguyên tố thứ 12 có thể đã giúp ích rất nhiều cho các sinh vật nguyên thủy để chúng chuyển từ các phân tử hữu cơ sang dạng sống thực thụ. Hầu hết dạng sống sử dụng các nguyên tố kim loại với hàm lượng rất ít để tạo, lưu trữ hoặc luân chuyển các phân tử quan trọng bên trong chúng. Động vật chủ yếu sử dụng sắt trong huyết sắc tố, nhưng những dạng sống sớm nhất và thành công nhất – đặc biệt là vi khuẩn lam – lại dùng magie. Cụ thể, chất diệp lục (có lẽ là chất hữu cơ quan trọng nhất trên Trái Đất vì nó thúc đẩy quá trình quang hợp, chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành đường – nền tảng của chuỗi thức ăn) chứa các ion magie ở trung tâm. Magie trong động vật giúp ADN hoạt động đúng cách.

Trầm tích magie trên các hành tinh cũng cho thấy sự hiện diện của nước lỏng – môi trường khả thi nhất cho sự sống phát sinh. Các hợp chất magie hút nước, nên ngay cả các hành tinh đá khô cằn như Sao Hỏa cũng vẫn có hy vọng tìm thấy vi khuẩn (hoặc vi khuẩn hóa thạch) trong trầm tích kiểu đó. Trên các tinh cầu có nước (giống như vệ tinh Europa của Sao Mộc – một ứng cử viên tuyệt vời cho sự sống ngoài Trái Đất trong Hệ Mặt Trời), magie giúp giữ các đại dương ở dạng lỏng. Bề mặt Europa có lớp băng dày, nhưng các đại dương lỏng khổng lồ vẫn phát triển mạnh ở dưới băng. Bằng chứng vệ tinh cho thấy những đại dương đó chứa đầy muối magie. Giống như bất kỳ chất tan nào, muối magie hạ điểm đóng băng của nước. Nhờ đó, nước lỏng tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn. Muối magie cũng khuấy động núi lửa băng ở đá đáy đại dương, khiến thể tích nước chứa chúng tăng lên. Áp lực tăng lên từ sự gia tăng thể tích đã tiếp thêm năng lượng cho các núi lửa băng phun ra nước lợ và khuấy động các tầng sâu của đại dương. (Áp lực cũng làm vỡ bề mặt băng, khiến chúng rơi vào nước. Điều này rất tốt vì các bong bóng trong băng rất quan trọng trong việc tạo ra sự sống.) Ngoài ra, các hợp chất magie (cùng các hợp chất khác) có thể cung cấp nguyên liệu thô để tạo ra sự sống bằng cách “ăn mòn” các chất giàu cacbon từ đáy đại dương. Ngoài việc hạ cánh tàu thăm dò để thấy các dạng thực vật kỳ lạ, việc phát hiện ra muối magie trên một hành tinh khô cằn và không có không khí chính là dấu hiệu tốt cho thấy một chu trình sinh học có thể đang diễn ra.

Nhưng ta hãy cứ cho rằng Europa là một nơi cằn cỗi. Mặc dù cuộc săn lùng sự sống ngoài hành tinh nơi xa ngày càng phức tạp hơn về mặt công nghệ, nó vẫn dựa trên một giả định rất lớn: các định luật khoa học nghiệm đúng trên Trái Đất vẫn tiếp tục nghiệm đúng trong các thiên hà khác và tại các thời điểm khác. Nhưng nếu alpha biến thiên theo thời gian, hậu quả cho sự sống ngoài hành tinh tiềm năng có thể là rất lớn. Trong lịch sử, chỉ đến khi alpha đủ “thoải mái” để cho phép các nguyên tử cacbon bền hình thành thì sự sống mới hình thành mà không cần đến một Đấng Sáng Tạo. Và bởi Einstein xác định rằng không-thời gian là một phạm trù thống nhất, một số nhà vật lý tin rằng nếu alpha biến đổi được theo thời gian thì cũng biến đổi theo không gian. Theo lý thuyết này, cũng như sự sống xuất hiện trên Trái Đất mà không phải Mặt Trăng vì ở Trái Đất có nước và khí quyển, có lẽ sự sống nảy sinh trên Trái Đất – một hành tinh ngẫu nhiên trong một không gian dường như chẳng có gì nổi bật – bởi chỉ ở đây mới có điều kiện thích hợp cho các nguyên tử bền tồn tại và tạo ra các phân tử hoàn chỉnh. Điều này giải đáp Nghịch lý Fermi một cách rõ ràng: không có ai ngoài vũ trụ gửi lời chào Trái Đất vì ngoài đó vốn chẳng có ai cả.

Tại thời điểm này, bằng chứng có khuynh hướng ngả về tính thông thường của Trái Đất. Và dựa trên sự nhiễu loạn hấp dẫn của các ngôi sao xa xôi, các nhà thiên văn học hiện nay biết đến hàng ngàn hành tinh, làm tăng khả năng tìm thấy sự sống. Tuy nhiên, cuộc tranh luận lớn trong ngành sinh học vũ trụ sẽ là quyết định liệu Trái Đất (nói rộng ra là con người) có thực sự đặc biệt trong vũ trụ hay không. Săn lùng sự sống ngoài hành tinh sẽ cần tất cả tri thức đo đạc của con người, có thể cùng với cả một số ô bị bỏ qua trên bảng tuần hoàn. Tất cả những gì ta biết là nếu một nhà thiên văn học hướng kính thiên văn lên một cụm sao xa xôi đêm nay và tìm thấy bằng chứng không thể chối bỏ của sự sống (dù chỉ là các vi sinh vật) thì đó sẽ là phát hiện quan trọng nhất từ trước đến nay: chứng minh rằng loài người không phải quá đặc biệt. Chỉ là chúng ta tồn tại, có thể hiểu và thực hiện những khám phá như vậy mà thôi.