Chương IV. Chân không lượng tử Nguyên tử và con người

Thuyết tương đối của Einstein và cái chết của ether chỉ là một phần của lịch sử vật lý thế kỷ 20. Sự phát triển của cơ học lượng tử, vật lý của cái vô cùng bé, chiếm phần còn lại. Trong khi thuyết tương đối là sản phẩm của một cá nhân kiệt xuất, làm việc xa môi trường học thuật, thì cơ học lượng tử là kết quả của trực giác và lao động tập thể của một nhóm người xuất chúng, gồm có Niels Bohr (1885-1962) người Đan Mạch, Max Planck (1858-1947) và Werner Heisenberg (1901-1976) người Đức, Paul Dirac (1902-1984) người Anh, Wolfgang Pauli (1900-1958) người Thụy Sĩ và Erwin Schrödinger (1887- 1961) người Áo, hợp tác làm việc tại các trung tâm đại học khác nhau ở châu Âu. Chính Einstein cũng đóng vai trò quyết định trong cuộc cách mạng lượng tử này, cuộc cách mạng sẽ làm thay đổi một cách căn bản quan niệm của chúng ta về chân không.

Vào thế kỷ 5 trước CN, các triết gia Hy Lạp Leucippus và Democritus, như chúng ta đã biết, là những người đầu tiên phát triển ý tưởng cho rằng vật chất được cấu tạo từ các thực thể cơ bản, không thể phân chia, gọi là “nguyên tử”, chuyển động không ngừng trong một vũ trụ trống rỗng và vô hạn. Vì không có bằng chứng thực nghiệm, nên mọi thứ chỉ dừng lại đó trong suốt hai mươi mốt thế kỷ tiếp theo. Ý tưởng về nguyên tử đã bị che khuất để nhường chỗ cho bộ tứ nguyên tố cơ bản của Aristotle: nước, không khí, đất và lửa.

Chỉ tới giai đoạn Phục Hưng, vào những năm 1600, ý tưởng về nguyên tử lại trỗi dậy và được xem xét một cách nghiêm túc. Lấy cảm hứng từ bài thơ vũ trụ tuyệt vời De rerum natura của nhà thơ La Mã Lucretius, một bản tụng ca tuyệt vời triết lý nguyên tử, nhà triết học người Pháp Pierre Gassendi (1592-1655) đã khẳng định sự cần thiết phải làm các thực nghiệm để kiểm tra sự tồn tại của nguyên tử. Nhiều người đã lên tiếng ủng hộ giả thuyết nguyên tử. Nhà vật lý học và hóa học người Ireland Robert Boyle (1627-1691) đã thông báo vào năm 1662 rằng có thể giải thích định luật về tính nén được của các khí nếu coi chúng được tạo từ các nguyên tử. Antoine de Lavoisier (1743-1794) người Pháp, được coi là cha đẻ của hóa học hiện đại, đã có một bước tiến quan trọng khác để chứng minh sự tồn tại của các nguyên tử bằng cách chứng minh rằng không khí và nước đều được tạo từ các nguyên tô hóa học kết hợp với nhau theo một tỷ lệ cố định. Các công trình xuất sắc này, thật thảm thương là không thể cứu ông khỏi lưỡi dao của chiếc máy chém thời kỳ Khủng bố năm 1794, bởi vì để có tiền cho công việc nghiên cứu khoa học của mình, ông đã phải giữ chức quan thầu thuế ( fermier general ). Vào năm 1808, nhà bác học người Anh John Dalton (1766- 1844) đã chứng minh được rằng hành vi của các nguyên tố hóa học có thể giải thích được nếu như mỗi nguyên tố đó được cấu thành từ một loại nguyên tử khác nhau, đặc trưng bởi khối lượng nguyên tử riêng của nó.

Mendeleev và bảng tuần hoàn các nguyên tố

Nhưng chính nhà hóa học người Nga Dmitri Mendeleev (1834-1907) mới là người có bước đi quyết định chứng minh sự tồn tại của các nguyên tử (hình bên). Ông đã thành công trong việc sắp xếp trật tự trong thế giới các nguyên tố hóa học mà dường như đang nảy nở một cách hỗn loạn. Mendeleev có ý tưởng thiên tài là sắp xếp các nguyên tố theo khối lượng nguyên tử của chúng. Như một phép lạ, các nguyên tố có cùng tính chất hóa học tự động sắp xếp theo quy luật (hay có tính tuần hoàn), gióng thẳng theo cùng một cột. Tất cả các cột này tạo thành cái ngày nay gọi là “Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học”, điểm trang trên tường các lớp học ở các trường trung học trên khắp thế giới. Khi Mendeleev lập ra bảng này vào năm 1869, chỉ mới có 63 nguyên tố hóa học được biết đến trong tổng số 118 hiện được liệt kê ( 46 ) . Do đó bảng vẫn còn chứa các ô trống. Nhưng Mendeleev rất tự tin trong khám phá của mình: nếu có các ô trống, thì đó không phải là vì tự nhiên không có cảm tình đối với một số nguyên tố hóa học, mà là bởi vì con người chưa tìm ra mà thôi. Những khám phá sau này chứng tỏ ông đã đúng. Thành công này đã đưa tên tuổi Mendeleev trở nên nổi tiếng trên toàn thế giới, ngoại trừ ở đất nước của mình, nơi mà quan điểm chính trị quá tự do của ông làm phiền lòng các Sa hoàng…

Việc các nguyên tố hóa học được sắp xếp theo khối lượng nguyên tử của chúng trong bảng tuần hoàn của Mendeleev cho thấy các nguyên tử không thể nào hoàn toàn giống nhau, mà có mức độ phức tạp khác nhau, các nguyên tử nặng nhất cũng sẽ phức tạp nhất. Do đó nguyên tử không thể là đơn vị cơ bản không thể phân chia được của vật chất, như Democritus và Leucippus đã nghĩ. Trái lại, nó phải có một cấu trúc nội tại và được tạo nên từ các hạt còn cơ bản hơn. Nhưng cho đến lúc đó chưa có ai từng nhìn thấy một nguyên tử, chứ đừng nói gì tới cấu trúc bên trong của nó.

Chân không trong nguyên tử

Nhà vật lý người Anh Joseph J. Thomson (1856-1940) là người đầu tiên đưa ra được những bằng chứng thực nghiệm về cấu trúc bên trong của nguyên tử. Vào năm 1897, khi nghiên cứu sự phóng điện trong chất khí, ông đã phát hiện ra một hạt hạ nguyên tử với điện tích âm nhẹ hơn gần 2.000 lần so với nguyên tử hydrogen. Hạt cơ bản mới này được gọi là “electron” (điện tử), nghĩa là “hổ phách” theo tiếng Hy Lạp – người Hy Lạp đã nhận thấy hổ phách sở hữu một lực hút “điện” bí ẩn khi ta cọ xát nó với len. Đột phá tiếp theo được thực hiện bởi nhà vật lý người Anh Ernest Rutherford (1871-1937) (hình trên). Để khám phá bí mật cấu trúc của vật chất, ông đã có ý tưởng bắn phá nó bằng những viên đạn phóng ra hết tốc lực; hành vi của những viên đạn này trong quá trình tương tác với vật chất sẽ cho ta thông tin về thành phần nội tại của nó. Năm 1909, nhà vật lý bắt đầu tiến hành bắn các hạt nhân helium – còn gọi là hạt a (các nguyên tử helium bị tước hết các electron) - có tốc độ rất cao vào các lá vàng mỏng. Những gì phát hiện được đã làm ông rất kinh ngạc: nếu đại đa số các hạt đi qua lá vàng như không có chuyện gì xảy ra, thì một phần rất nhỏ (một trong tám nghìn) bị phản xạ và quay ngược trở lại. Rutherford sau đó đã bình luận về kết quả thí nghiệm của mình như sau: “Thật ngạc nhiên chẳng khác gì bạn bắn đạn đại bác vào một chiếc khăn giấy và viên đạn bị bật ngược trở lại!”

Những kết quả này làm lung lay mô hình nguyên tử từng tồn tại cho tới khi đó. Các nhà vật lý cho rằng nguyên tử tạo bởi các đám mây electron, được sắp xếp trong một vật rắn tựa như những quả táo xếp trong một cái thùng: chúng chiếm hầu hết không gian, chỉ để lại giữa chúng những khoảng trống nhỏ. Nhưng trong trường hợp này, thì không có hạt nào bắn vào với tốc độ cao lại bật ngược trở lại. Tất cả các hạt này phải xuyên qua mục tiêu một cách dễ dàng như viên đạn bắn xuyên qua tờ giấy. Vậy là Rutherford đã đẩy mô hình cũ của nguyên tử vào quên lãng và đề xuất một mô hình mới: mỗi nguyên tử của lá vàng không chỉ bao gồm một đám mây electron, mà còn có một hạt nhân đặc và rắn tới mức làm cho bất kỳ hạt nào va chạm trực diện với nó cũng phải bật ngược trở lại. Nhưng vì chỉ có một trong số tám ngàn hạt bị bật trở lại, nên hạt nhân chỉ chiếm một thể tích cực nhỏ so với tổng thể tích của nguyên tử, vì phần lớn các hạt đều trượt qua nó và xuyên qua lá vàng mà không bị cản trở gì.

Ngày nay chúng ta biết rằng một hạt nhân chỉ chiếm một phần triệu tỷ (10 -15 ) thể tích nguyên tử. Nói cách khác, kích thước của hạt nhân (10 -13 cm) nhỏ hơn khoảng 100 ngàn lần so với đường kính của nguyên tử (10 -8 cm). Có thể ví hạt nhân trong nguyên tử như một viên bi 1 cm trong một sân vận động dài 1 km vậy. Phần còn lại của nguyên tử chỉ là không gian trống rỗng, đây đó bị chiếm bởi các đám electron không ngừng chuyển động. Vì 99,999999999999999% thể tích của nguyên tử là trống rỗng, nên chúng ta có thể nói rằng vật chất ở đây “gần như là chân không”. Ngày nay chúng ta biết rằng hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ proton, nặng hơn electron 1836 lần và có điện tích trái dấu, và neutron, có khối lượng nặng hơn một chút (1%) so với proton, và không mang điện, chúng được liên kết với nhau bởi lực hạt nhân mạnh (ta sẽ còn trở lại khái niệm này cụ thể hơn). Mỗi proton và neutron lại được cấu tạo từ ba hạt cơ bản gọi là “quark”, cũng được liên kết bởi lực hạt nhân mạnh.

Như vậy các vật rắn xung quanh chúng ta, và tạo ra vẻ đẹp và sự phức tạp của thế giới, như đồ đạc, cánh hoa hồng, bức Nymphéas (hoa loa kèn) của Monet, hoặc các bức tượng của Rodin, đều gần như trống rỗng. Vậy làm thế nào mà chúng lại là các vật rắn? Nếu vật chất gần như chỉ là không gian trống rỗng, chỉ gồm những đám electron quay cuồng trong phòng khiêu vũ khổng lồ của nguyên tử, thì tại sao tay chúng ta không thể xuyên qua bàn, hoặc đi xuyên tường giống như nhân vật của Marcel Aymé trong truyện ngắn cùng tên (Người xuyên tường)? Đó là do tác động tổng hợp của lực điện từ đối với các hạt có điện tích ở trong các nguyên tử, và các định luật lạ lùng của cơ học lượng tử chi phối hành vi của các electron chuyển động xung quanh hạt nhân.

Sự mờ nhòe lượng tử

Vậy là vật chất gần như trống rỗng. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta loại bỏ tất cả vật chất khỏi không gian? Liệu chúng ta có nhận được một chân không thực sự hay không? Đối với vật lý cổ điển, câu trả lời là chắc chắn có. James Maxwell, người thống nhất điện, từ và quang học, đã định nghĩa chân không là “cái còn lại sau khi đã loại bỏ tất cả mọi thứ có thể loại bỏ được ra khỏi vật chứa ( 47 ) ”. Ngược lại, với Bergson, chúng ta đã thấy, câu trả lời là không, bởi vì ngay cả khi tưởng tượng loại bỏ vật chất ra khỏi toàn bộ vũ trụ, ta vẫn không tiếp cận được hư vô bởi vì, xét cho cùng, nhà triết học sẽ vấp phải một trở ngại căn bản, đó chính là ý thức của ông ta: làm thế nào để loại bỏ được chính mình? Chúng ta sẽ thấy ở đây vật lý lượng tử cũng trả lời là không, không phải vì không thể loại bỏ được ý thức, mà vì việc loại bỏ “mọi thứ” là không thể trong thế giới nguyên tử và hạ nguyên tử. Sự bất khả thi này là hệ quả của cái được gọi là “sự mờ nhòe lượng tử”, liên quan đến nguyên lý có tên là “nguyên lý bất định”, nguyên lý chi phối thế giới của cái vô cùng bé.

Nguyên lý chi phối thế giới lượng tử này do nhà vật lý người Đức Werner Heisenberg (hình bên) đưa ra năm 1926. Nó cho chúng ta biết rằng thông tin có thể thu thập được từ một hạt cơ bản không bao giờ là hoàn chỉnh: hoặc đo vị trí của một electron với độ chính xác cao, trong trường hợp đó chúng ta phải từ bỏ ý muốn biết chính xác về động lượng (được định nghĩa là tích của khối lượng với tốc độ của hạt), hoặc chúng ta quan sát động lượng của nó với độ chính xác cao và đành phải chấp nhận rằng vị trí của nó là không chính xác, chúng ta hoàn toàn không bao giờ có thể xác định chính xác đồng thời cả động lượng và vị trí ( 48 ) . Nói cách khác, chúng ta không bao giờ có thể xác định được quỹ đạo của một hạt chính xác như mong muốn. Sự bất định này không bắt nguồn từ thực tế rằng chúng ta thiếu trí tưởng tượng trong tính toán của mình hoặc các thiết bị đo lường không đủ tinh xảo, mà đây là một tính chất cơ bản của tự nhiên. Và bởi vì thông tin có thể nhận được từ một hạt sẽ luôn luôn không đầy đủ, nên chúng ta không thể dự đoán chính xác tương lai của nó. Nguyên lý bất định chủ yếu tuyên bố rằng tri thức tuyệt đối là không thể và luôn tồn tại một giới hạn cơ bản cho kiến thức của chúng ta về thế giới vật chất nguyên tử và hạ nguyên tử. Đây chính là tiếng chuông báo hiệu sự cáo chung của thế giới tất định của Newton. Nó cũng làm tan vỡ ước mơ của nhà vật lý người Pháp Pierre Simon de Laplace, người ca tụng tất định luận sẽ tất thắng, để “thâu tóm trong cùng một công thức chuyển động của các vật lớn nhất trong vũ trụ và chuyển động của các nguyên tử nhẹ nhất ( 49 ) ”, cũng như biết được một cách chính xác quá khứ, hiện tại và tương lai của chúng. Thực tế, sẽ luôn tồn tại sự bất định về số phận của các nguyên tử.

Mặc dù vật chất hầu như trống rỗng, nhưng chính nguyên lý bất định của Heisenberg đã làm cho các vật trở nên rắn chắc, và chúng ta không thể thọc tay xuyên qua bức tường hay rơi qua sàn nhà được. Ta có thể tự hỏi cái gì đã ngăn cản, không cho các electron của một nguyên tử rơi vào hạt nhân của nó, và do đó phá hủy sự vững chắc của các vật. Nhờ lực điện từ làm cho các điện tích trái dấu hút nhau, các proton tích điện dương tạo nên hạt nhân nguyên tử sẽ hút các electron mang điện tích âm về phía nó. Tuy nhiên, nguyên lý bất định không cho các electron rơi vào hạt nhân: vì nếu có, chúng ta sẽ biết chính xác vị trí của chúng (đó là tâm nguyên tử) và tốc độ của chúng (bằng 0), điều này sẽ vi phạm nguyên lý bất định. Để đảm bảo sự vững chắc và tính không thể xuyên qua của các vật, có một nguyên lý khác cũng chi phối thế giới nguyên tử hỗ trợ cho nguyên lý Heisenberg. Đó là nguyên lý loại trừ của nhà vật lý Wolfgang Pauli. Nguyên lý này khẳng định rằng hai electron với các tính chất giống hệt nhau không thể nằm chính xác ở cùng một vị trí. Nghĩa là tồn tại một lực chống lại việc các electron nằm chồng lên nhau trong hạt nhân các nguyên tử. Hành động phối hợp của nguyên lý bất định và nguyên lý loại trừ làm cho vật chất không bị co sụp lại, mặc dù nó trống rỗng.

Lại nữa, do đâu mà có một giới hạn cho hiểu biết của chúng ta bị áp đặt bởi nguyên lý bất định? Nó bắt nguồn từ chính hành động quan sát. Thực tế, ánh sáng vốn là phương tiện được ưa chuộng để xác định các tính chất của một hạt cơ bản, chẳng hạn như một electron. Để quan sát nó, tôi phải chiếu sáng nó bằng các hạt ánh sáng, hay photon. Mỗi photon có một năng lượng nhất định, tỷ lệ nghịch với bước sóng của nó. Như ta đã thấy, ánh sáng có hai mặt: nó vừa là hạt vừa là sóng, và bước sóng theo định nghĩa là khoảng cách giữa hai đỉnh (hoặc hai hõm) liên tiếp của sóng này. Độ chính xác mà ánh sáng có thể định vị electron phụ thuộc vào bước sóng của nó. Bước sóng càng dài, năng lượng càng thấp thì chi tiết càng mờ và thực tại càng ít rõ ràng. Ngược lại, bước sóng càng giảm thì năng lượng càng tăng và chi tiết càng trở nên chính xác và thực tại càng được xác định. Vì vậy, nếu tôi chiếu sáng electron bằng ánh sáng năng lượng rất thấp, ví dụ như ánh sáng radio, chẳng hạn, thì tôi chỉ có thể nói rằng nó nằm ở đâu đó trong một vùng rộng lớn có kích thước bằng bước sóng của ánh sáng này, tức là từ vài centimet đến vài chục mét. Nếu tôi chiếu sáng electron bằng ánh sáng có năng lượng cao hơn, chẳng hạn như ánh sáng nhìn thấy của đèn pin, tôi có thể xác định vị trí với độ chính xác tới một vài phần trăm của phần nghìn centimet. Mặt khác, nếu tôi sử dụng ánh sáng gamma, có năng lượng cao nhất, tôi có thể xác định vị trí của electron với độ chính xác cực cao cỡ một phần tỷ của milimet.

Vì vậy, bạn chắc sẽ nghĩ rằng không có vấn đề gì khi đo vị trí của electron với độ chính xác như bạn muốn: chỉ cần chiếu sáng bằng ánh sáng có năng lượng rất cao, như ánh sáng gamma. Nhưng vấn đề là ở chỗ chỉ vị trí của electron thôi thì không đủ để thâu tóm thực tại của nó. Động lượng của nó (mà cụ thể là tốc độ) cũng rất cần thiết. Nhưng bằng cách chiếu sáng electron để xác định vị trí của nó, chúng ta không thể tránh khỏi làm nhiễu động nó, vì các photon chiếu vào sẽ truyền cho electron năng lượng của chúng, điều này làm thay đổi hoàn toàn động lượng của electron. Và sự thay đổi này càng đáng kể khi năng lượng của ánh sáng càng lớn. Nói cách khác, càng làm giảm sự mờ nhòe của vị trí electron bằng cách chiếu sáng nó với các photon năng lượng cao hơn, chúng ta càng làm nhiễu động nó và làm tăng độ mờ nhòe động lượng của nó. Chính hành động cố gắng xác định là một nguồn gốc của sự bất định! Chẳng hạn nếu bạn đo vị trí của một electron với độ chính xác bằng kích thước của một nguyên tử, tức là một phần trăm triệu (10 -8 ) cm, thì sự bất định về tốc độ của nó sẽ lớn hơn một ngàn km/s. Nói cách khác, bạn sẽ không thể biết liệu electron di chuyển chậm như một con rùa hay nhanh hơn hàng ngàn lần so với máy bay siêu âm, nghĩa là bạn gần như không biết gì về chuyển động của nó.

Do đó sự mờ nhòe lượng tử đã áp đặt một giới hạn cho sự hiểu biết của chúng ta về thế giới nguyên tử và hạ nguyên tử. Nhưng có một câu hỏi phát sinh: tại sao sự mờ nhòe này không ảnh hưởng đến các vật thể vĩ mô? Tại sao tôi có thể đo, ví dụ, cả vị trí và động lượng của một quả bóng bàn? Thực tế, hãy tưởng tượng bạn đang quay một trận đấu và sau đó phân tích các trình tự. Tại bất kỳ thời điểm nào, bạn cũng có thể đo chính xác cả vị trí lẫn tốc độ của quả bóng đi qua lại trên lưới. Bây giờ chúng ta hãy thay thế hai người chơi bóng bàn bằng hai nguyên tử trong một phân tử, thay vì đánh một quả bóng, chúng sẽ trao đổi các electron. Bây giờ bạn không thể tiến hành phân tích tương tự như trên, nghĩa là xác định chính xác cả vị trí và động lượng của chúng. Tại sao? Đó là bởi vì tổng số hạt của các vật thuộc đời sống vĩ mô là rất lớn, và do đó khối lượng của chúng cũng lớn hơn đáng kể so với hạt cơ bản. Do đó, khối lượng của quả bóng bàn lớn gấp hàng tỷ tỷ tỷ lần so với electron và vì khối lượng lớn này, hành động quan sát, trong trường hợp này là chiếu sáng vật thể vĩ mô, không hề làm nhiễu động chúng, và chúng ta có thể xác định chính xác vị trí và tốc độ của quả bóng bàn.

Đó là lý do tại sao nguyên lý bất định chỉ hoạt động ở thang nguyên tử và hạ nguyên tử. Ở thang này, cơ học lượng tử buộc chúng ta phải từ bỏ ước mơ xưa cũ của con người về kiến thức tuyệt đối. Các định luật tất định của Newton chỉ có giá trị ở thang vĩ mô mà thôi.

Bản chất kép của các hạt cơ bản

Do nguyên lý bất định, chúng ta không thể biết chính xác cả vị trí và động lượng, do đó không bao giờ có thể mô tả quỹ đạo của electron xung quanh hạt nhân nguyên tử như nói quỹ đạo của một hành tinh xung quanh Mặt Trời. Trong nguyên tử, một electron không ngoan ngoãn đi theo một quỹ đạo duy nhất như một hành tinh, mà có thể cùng một lúc ở khắp mọi nơi. Từ đâu lại có khả năng hiện diện ở khắp mọi nơi này? Đó là từ bản chất kép của electron. Thật vậy, cơ học lượng tử nói rằng, như bất kỳ hạt cơ bản nào, electron có thể là sóng hoặc hạt tùy thuộc hoàn cảnh. Khi chúng ta không quan sát nó, nó sẽ mang tính chất sóng. Chỉ khi nhà thực nghiệm kích hoạt công cụ đo lường của mình thì nó mới chuyển sang tính hạt. Nói cách khác, quan sát làm thay đổi thực tại và tạo ra một thực tại mới. Là một sóng, electron lan truyền để chiếm toàn bộ không gian trống rỗng của nguyên tử, cũng như các sóng tròn do một hòn đá ném xuống ao sẽ lan tỏa khắp mặt nước. Dạng của sóng cho biết xác suất tìm thấy electron ở vị trí nào đó: ta có nhiều khả năng gặp được electron ở đỉnh sóng nơi có biên độ lớn nhất so với các nút sóng nơi biên độ nhỏ nhất ( 50 ) . Tất cả mọi thứ chỉ là xác suất, và tất định luận đã bị trục xuất ra khỏi thế giới nguyên tử và hạ nguyên tử.

Cơ học lượng tử đã đảo lộn hoàn toàn quan điểm của chúng ta về thế giới. Nó đã thay thế vũ trụ cơ giới của Newton, với các hạt vật chất bất động, ngoan ngoãn mù quáng tuân theo các lực bên ngoài, bị chi phối bởi một số nhỏ các định luật vật lý, không có tự do và sáng tạo, bằng một vũ trụ không tất định và đầy sáng tạo, nơi mà cả tự do và ngẫu nhiên đều có ảnh hưởng, và nơi mà tương lai không chứa đựng trong hiện tại và quá khứ. Thay vì được xác định trước như một bản nhạc cổ điển, số phận của vũ trụ là mở. Tự nhiên giống như một loại nhạc jazz. Tựa như khi một nghệ sĩ nhạc jazz ứng tấu xung quanh một chủ đề chung để tạo ra âm thanh mới, tự nhiên thêu dệt dựa trên các định luật vĩnh hằng của vật lý để tạo ra vẻ đẹp và sự phức tạp của thế giới.

Các hạt với sự tồn tại ma quái

Sự mờ nhòe lượng tử cũng đã cách mạng hóa quan niệm của chúng ta về chân không. Thực tế, nguyên lý bất định không chỉ ngăn cản chúng ta biết được chính xác đồng thời vị trí và động lượng của một hạt cơ bản, mà còn ngăn cấm chúng ta cùng lúc biết chính xác năng lượng của một hạt và thời gian sống của nó ( 51 ) . Nói cách khác, độ chính xác mà ta đạt được khi đo năng lượng của một hạt phụ thuộc vào tuổi thọ của nó. Tuổi thọ càng ngắn, năng lượng của nó càng bất định. Ngược lại, tuổi thọ của một hạt càng dài thì năng lượng của nó sẽ càng được đo chính xác hơn. Để đo được năng lượng với độ chính xác vô hạn sẽ đòi hỏi một thời gian vô tận. Chính sự mờ nhòe này đã cho phép thế giới nguyên tử và hạ nguyên tử vi phạm định luật bảo toàn năng lượng và khi làm như vậy, đã tạo ra trong chân không vô số các hạt được mệnh danh là “ảo” – trong khi định luật này không thể bị vi phạm, dù là nhỏ nhất, trong thế giới vĩ mô. “Không có gì là miễn phí trên đời này, mọi thứ đều có giá của nó. Ta chỉ có cái mà ta xứng đáng”, ta có thể tóm tắt định luật bảo toàn năng lượng như thế. Định luật này khiến cho một chiếc xe chỉ có thể chạy nếu chúng ta đổ đầy bình nhiên liệu của nó. Nó buộc chúng ta phải làm việc và tiêu tốn năng lượng để nuôi sống mình. Mọi thứ không đột nhiên xuất hiện chỉ vì ta mong muốn, để sở hữu chúng, chúng ta phải trả bằng tiền mồ hôi nước mắt.

Tuy nhiên, nhờ sự mờ nhòe của nguyên lý bất định, cơ học lượng tử cho phép vi phạm định luật bảo toàn năng lượng mà không phải trả giá. Trong thế giới nguyên tử và hạ nguyên tử, tự nhiên có thể cho vay năng lượng miễn phí mà không cần bất cứ điều gì đáp lại, và đến lượt mình, năng lượng này lại có thể tạo ra các hạt cơ bản với một khối lượng nhất định ( 52 ) . Nhưng hoạt động của ngân hàng Tự nhiên được quy định chặt chẽ theo nguyên lý bất định. Những khoản vay năng lượng này không thể kéo dài vô thời hạn, sớm hay muộn cũng sẽ phải được hoàn trả, và lượng năng lượng mượn càng lớn, thì việc hoàn trả phải càng nhanh. Mặc dù khoản vay năng lượng cần thiết cho sự tồn tại của một hạt cơ bản là rất nhỏ (ta sẽ không cảm thấy gì nếu hạt đó va phải chúng ta), nhưng nó đã là quá lớn đối với ngân hàng Tự nhiên, vì vậy mà thời hạn cho vay vô cùng ngắn. Đối với một hạt như electron, nguyên lý bất định quy định thời hạn cho vay nhỏ hơn một phần ngàn tỷ tỷ (10 - 21 ) giây. Khi hoàn trả, ngân hàng Tự nhiên thu hồi khoản vay năng lượng, cân bằng tài khoản và hạt sẽ biến mất.

Các hạt được sinh ra từ sự mờ nhòe của năng lượng xuất hiện và biến mất với tốc độ điên cuồng, theo những chu kỳ sinh tử chỉ trong một phần vô cùng nhỏ của giây. Một sự xuất hiện ngắn ngủi và vụng trộm trong thế giới thực và lại quay trở lại thế giới của bóng tối. Nếu chỉ một mình, chúng không có khả năng thoát khỏi thế giới ảo để xuất hiện một cách lâu dài trong thế giới thực. Những hạt ảo này là những hạt ma đang trong quá trình tạo ra, và không thể thành hiện thực. Bởi vì để làm được điều đó chúng sẽ cần năng lượng và tự nhiên từ chối cho vay với thời hạn dài.

Cho đến giờ, chúng ta mới chỉ đề cập đến sự tồn tại của các hạt vật chất ảo, chẳng hạn như electron. Nhưng vật chất không phải là thứ duy nhất có quyền chơi trò ma quái. Thực tế, sự tồn tại ảo của vật chất chỉ có thể có được nhờ sự hiện diện cũng không kém phần ảo của phản vật chất. Thật vậy, nếu ngân hàng Tự nhiên sẵn sàng cho vay năng lượng miễn phí, nó lại không làm như thế với khoản vay điện tích. Luật bảo toàn điện tích phải được tuân thủ nghiêm ngặt, cả trong thế giới nguyên tử và hạ nguyên tử cũng như trong thế giới vĩ mô. Điện tích của không gian là 0 trước khi xuất hiện một hạt ảo, chẳng hạn như một electron, và nó cũng phải bằng 0 sau đó. Nói cách khác, việc tạo ra một electron ảo mang điện tích âm nhất thiết phải đi kèm với một phản electron (hay còn được gọi là positron) ảo có cùng khối lượng nhưng với điện tích trái dấu. Vũ điệu điên cuồng của các hạt ảo không thể tồn tại mà không có điệu nhảy ma quái của các phản hạt ma của chúng.

Như vậy, không gian xung quanh chúng ta – cũng như của căn phòng nơi bạn đang đọc cuốn sách này – không phải là chân không, mà có vô số các hạt và phản hạt ma xuất hiện rồi biến mất theo các vòng sinh tử vô cùng ngắn ngủi. Tại một thời điểm nhất định, thể tích một centimet khối có thể chứa tới một ngàn tỷ tỷ tỷ (10 3 0 ) các electron và phản electron ảo. Không gian xung quanh chúng ta không bao giờ hoàn toàn trơ hoặc mịn, mà liên tục chuyển động và thăng giáng. Chẳng qua là chúng ta không nhận thức được điều đó mà thôi, bởi vì hoạt động sôi sục này diễn ra ở những thang vô cùng bé, mà các giác quan của chúng ta không thể tiếp cận trực tiếp được.

Hạt ảo, sứ giả của lực

Có lẽ bạn sẽ nghĩ rằng các nhà vật lý có đầu óc rất điên rồ mới có thể tưởng tượng ra đủ thứ lý thuyết rắc rối như thế để giải thích tự nhiên; cần gì phải vẽ ra các hạt ma quái mà sự tồn tại của chúng quá phù du tới mức không thể trực tiếp phát hiện được? Phải chăng vật lý đã trở nên hoàn toàn hoang tưởng? Liệu có phải nó đã từ bỏ sự kiểm chứng bằng thực nghiệm, cơ sở của phương pháp khoa học? May mắn là không phải như thế, bởi vì mặc dù không thể quan sát trực tiếp được các hạt ảo bằng dụng cụ, nhưng chúng có những tác động gián tiếp mà ta có thể quan sát được. Các đặc tính của thế giới sẽ khác đi nếu những hạt đó không tồn tại.

Bất chấp sự tồn tại ma quái của mình, các hạt ảo vẫn có thể tương tác với các hạt trong thế giới thực. Chúng cũng chịu tác dụng của cùng các lực và cũng có điện tích giống như các hạt thực tương đồng với chúng, chỉ có năng lượng là khác nhau mà thôi. Chẳng hạn, một hạt thực chuyển động rất nhanh được đặc trưng bởi năng lượng cao trong khi một hạt ảo có thể đạt tốc độ rất cao mà không cần có năng lượng rất lớn. Trong sự tồn tại ngắn ngủi của mình, một hạt ảo có thể chuyển động qua lại giữa hai hạt bền của thế giới thực. Như vậy, hạt ảo đóng vai trò của một sứ giả truyền các lực từ hạt thực này sang hạt thực khác, cho phép chúng tương tác với nhau. Chẳng hạn, chính nhờ sự trao đổi các photon ảo, hạt truyền lực điện từ, mà hai electron cảm nhận được lực điện từ đẩy chúng ra xa nhau (hình trang sau).

Photon là hạt truyền lực điện từ. Trong giản đồ này, trục thời gian là trục dọc và đi từ dưới lên trên. Hai electron (e - ) tiến lại gần nhau, trao đổi một photon ảo (đường lượn sóng) làm cho chúng đẩy nhau và mỗi hạt đi về một phía.

Một ví dụ khác cho thấy các hạt ảo đóng vai trò quan trọng như thế nào trong việc hình thành hiện thực. Chúng ta (và toàn bộ vật chất xung quanh chúng ta) được cấu tạo từ các proton, neutron và electron. Các nhà vật lý còn cho rằng các Proton và neutron này được tạo thành từ những thực thể cơ bản hơn, gọi là “quark”. Lý thuyết “chuẩn” (nghĩa là được cộng đồng khoa học chấp nhận) cho biết các hạt ảo có mặt nhung nhúc trong các proton (hoặc neutron), và chính chúng, hoạt động như những sứ giả truyền tải lực hạt nhân được gọi là “mạnh” từ một quark này sang một quark khác, và liên kết chúng với nhau. Các tính toán cho thấy các quark đóng góp rất ít vào khối lượng của proton hoặc neutron. Khối lượng của chúng chủ yếu là do trường năng lượng tạo ra bởi nhiều hạt ảo bên trong proton (hãy nhớ lại, khối lượng và năng lượng là tương đương theo Einstein). Vì vậy, lần sau khi bạn tự vấn, hãy tự nói với mình rằng chính là nhờ có nhiều hạt ảo mà cơ thể bạn có khối lượng!

Chúng ta đã thấy rằng các hạt ảo đóng vai trò sứ giả truyền các lực điện từ và lực hạt nhân mạnh. Điều này cũng đúng với lực cơ bản thứ ba, đó là lực hạt nhân yếu. Còn về lực thứ tư là lực hấp dẫn, thì chúng ta vẫn chưa biết nó thế nào, bởi vì, bất chấp những nỗ lực miệt mài, các nhà vật lý vẫn chưa thể xây dựng được một lý thuyết lượng tử của hấp dẫn. Sự thống nhất của lực hấp dẫn với ba lực còn lại vẫn còn là việc phải làm, và chúng ta sẽ quay trở lại vấn đề này sau.

Các hạt ảo làm thay đổi thế giới thực

Các hiệu ứng khác do sự hiện diện của hạt ảo gây ra cũng đã được quan sát. Sự tồn tại của chúng ảnh hưởng một cách khá tinh tế đến mức năng lượng của nguyên tử hydrogen, nguyên tử chỉ bao gồm một electron và một proton. Hydrogen là nguyên tố hóa học nhẹ nhất và phong phú nhất trong vũ trụ, chiếm 3/4 khối lượng các sao và thiên hà. Các tính toán cho thấy sự hiện diện của các hạt ảo tương tác với electron trong nguyên tử hydrogen tạo ra một sự thay đổi nhỏ ở một số mức năng lượng của nó, chỉ cỡ bằng một phần mười triệu năng lượng ban đầu. Mặc dù khác biệt rất nhỏ, nhưng sự thay đổi năng lượng gây ra bởi các hạt ảo này được nhà vật lý người Mỹ Willis Lamb (1913-2008) đo được cực kỳ chính xác vào năm 1947, đúng như tỷ lệ đã được cơ học lượng tử tiên đoán!

Một hiệu ứng khác có tên là hiệu ứng “Casimir”, được đặt theo tên nhà vật lý người Hà Lan Hendrik Casimir (1909- 2000). Ông đã băn khoăn tự hỏi tại sao một số kết quả thực nghiệm cho thấy cường độ của các lực đo được giữa một số nguyên tử lại không hoàn toàn phù hợp với kết quả mà lý thuyết tiên đoán. Liệu sự dị thường này có thể do sự hiện diện của các hạt ảo trong chân không gây ra không? Liệu nó có thể gây ra một lực làm thay đổi rất nhỏ lực giữa các nguyên tử không? Vào năm 1948, Casimir đề xuất thí nghiệm sau đây để chứng minh sự tồn tại của các hạt ảo. Ông gợi ý hãy xem xét hai tấm kim loại, dẫn điện, đặt song song với nhau trong một không gian “trống rỗng”. Giả sử không gian này chứa một đại dương các hạt ảo, xuất hiện và biến mất trong vòng sinh tử vô cùng ngắn. Do tính chất kép của vật chất, mỗi hạt ảo cũng có thể được biểu diễn như một sóng, với bước sóng nhất định đặc trưng cho khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai hõm liên tiếp. Trước khi đưa hai tấm kim loại vào không gian “trống rỗng” ( 53 ) , tất cả các sóng, bất kể bước sóng bao nhiêu, đều hiện diện. Nhưng một khi hai tấm được đặt vào vị trí, thì chỉ có một số sóng nhất định có thể tồn tại trong khoảng trống giữa hai tấm: đó là những sóng có một số nguyên lần nửa bước sóng trong không gian này, hay nói cách khác chúng bắt đầu với một biên độ bằng không tại một tấm và kết thúc cũng với biên độ bằng không ở tấm kia. Sự lựa chọn các sóng đặc biệt này làm cho số các hạt ảo trong không gian giữa hai tấm ít đi đáng kể so với không gian bên ngoài. Sự thiếu hụt các hạt ảo làm nảy sinh một lực tác dụng lên mỗi tấm và kéo chúng về phía nhau một chút (hình bên). Lực này không liên quan gì đến lực hút hấp dẫn bé hơn rất nhiều giữa hai tấm. Lực dự kiến này rất nhỏ – lực tác dụng lên các tấm có kích thước một quân bài, cách nhau một phần mười phân ngàn cm, tương đương với trọng lượng của một giọt nước ( 54 ) – nhỏ đến nỗi nó chỉ được đo chính xác 50 năm sau các tính toán của Casimir. Các kết quả của phép đo rất rõ ràng: chúng phù hợp với các tiên đoán của cơ học lượng tử. Như vậy, hiệu ứng Casimir thực sự tồn tại và các hạt ảo không chỉ là một trò chơi của trí não.

Hiệu ứng Casimir. Trong không gian giữa hai tấm kim loại song song, chỉ có các hạt ảo mà sóng của nó có một số nguyên lần nửa bước sóng trong không gian là có thể tồn tại. Ngược lại, các hạt ảo với tất cả các bước sóng có thể được phép tồn tại trong không gian bên ngoài hai tấm. Do đó có một sự dư thừa các hạt ảo ở bên ngoài so với bên trong, dẫn đến các lực ép đẩy các tấm hướng về phía nhau.

Các hạt ảo làm cho các lỗ đen không hẳn là đen

Như vậy, sự tồn tại của các hạt ảo đã được thiết lập, và chúng ta có thể tự hỏi liệu các hạt và phản hạt ảo có khả năng rời khỏi thế giới ma để hòa nhập thế giới thực hay không. Nói cách khác, liệu chúng có thể thành hiện thực hay không? Cấu trả lời là có. Tất cả những gì chúng phải làm là tìm kiếm một nhà hảo tâm giàu có và hào phóng sẵn sàng trả nợ cho ngân hàng Tự nhiên: đó là trường hấp dẫn – và đây chính là nơi mà các lỗ đen tham dự vào – nó sẵn sàng đóng vai trò bảo trợ để giúp các hạt ảo hiện thực hóa.

Sự bay hơi của lỗ đen. Các hạt ảo quanh bán kính không quay lui của một lỗ đen có thể được hình thành bằng cách vay mượn năng lượng từ trường hấp dẫn cường độ cao của lỗ đen. Các cặp hạt và phản hạt có thể xuất hiện trong thế giới thực và tự hủy diệt để trở thành ánh sáng. Do đó, lỗ đen phát xạ và giảm khối lượng: nó “bay hơi” thành ánh sáng!

Trường hấp dẫn của một lỗ đen có cường độ rất lớn, đến mức không gian của nó bị uốn cong và gập lại, ngăn không cho ánh sáng thoát ra một khi đã vượt qua bán kính không thể quay lui của nó. Trường hấp dẫn của lỗ đen rất giàu năng lượng, nó lấy từ quỹ dự trữ này để trả nợ cho ngân hàng Tự nhiên các khoản vay của các hạt ảo và phản hạt của chúng, nằm ngay bên ngoài bán kính không quay lui. Sau khi trả nợ, các cặp hạt-phản hạt có thể thoát khỏi thế giới của bóng tối để xuất hiện trong thế giới thực.

Ví dụ, hãy xét trường hợp của một cặp electron-phản electron (hoặc positron) được tạo ra bằng cách trên; sẽ có một số kịch bản có thể xảy ra. Hai hạt này ngay lập tức rơi vào lỗ đen, trong trường hợp đó sự tồn tại của chúng sẽ rất ngắn ngủi. Hoặc là electron thoát khỏi móng vuốt của lỗ đen, trong khi phản hạt của nó, kém may mắn hơn, rơi vào cái miệng há hốc của lỗ đen; electron sẽ gặp một positron khác, cũng xuất hiện nhờ vào trường hấp dẫn của lỗ đen và thoát khỏi sự phàm ăn của nó, và cả hai đều bị hủy thành một chớp ánh sáng. Trong trường hợp thứ ba, cặp electron-positron đều thoát được, và kết thúc cuộc đời của chúng trong sự chiến thắng của ánh sáng. Như vậy, trong hai trường hợp cuối, một nghịch lý của các nghịch lý, đó là lỗ đen phát ra ánh sáng. Bởi vì trong sự hủy nhau của các cặp hạt-phản hạt, ánh sáng thoát ra ở vùng nằm ngay bên ngoài bán kính không thể quay lui của lỗ đen. Nghĩa là nó phát xạ và không còn hoàn toàn đen nữa.

Năng lượng hấp dẫn cung cấp một cách hào phóng cho các hạt ảo vượt qua bán kính không quay lui, giúp chúng hòa nhập vào thế giới thực, xét cho cùng, là lấy từ năng lượng gắn liền với khối lượng của lỗ đen. Nói cách khác, khối lượng này giảm đi theo mức độ trường hấp dẫn phân phát năng lượng của nó cho các hạt ảo, để những hạt này trở thành thực, một số nữa bị hủy để trở thành ánh sáng và lỗ đen phát xạ. Nghĩa là khối lượng của lỗ đen “bay hơi”, nói theo thuật ngữ của nhà vật lý người Anh Stephen Hawking (1942-2018), người đã phát hiện ra quá trình này (hình dưới). Vì vậy, nếu một ngày bạn bị mắc kẹt trong một lỗ đen, bạn hãy tự nhủ mình rằng vẫn còn một niềm an ủi – mặc dù rất mong manh – đó là mình có thể xuất hiện trở lại dưới dạng bức xạ!

Nếu cứ để tự chúng, các lỗ đen sẽ chuyển đổi thành ánh sáng và bay hơi. Nhưng liệu chúng ta có thể thấy chúng bay hơi không? Nói chung, câu trả lời là không: những lỗ đen mà các nhà thiên văn đã khám phá ra trong dải Ngân Hà hoặc ở tâm của các thiên hà khác có khối lượng lớn tới mức mà chúng gần như vĩnh cửu. Tỷ lệ bốc hơi của một lỗ đen phụ thuộc vào khối lượng của nó, lỗ đen càng nặng, nó bay hơi càng chậm, và càng sống lâu hơn ( 55 ) . Các lỗ đen gọi là “sao” là kết quả cái chết của một ngôi sao có khối lượng lớn gấp nhiều lần Mặt Trời (nặng 2.10 3 0 kg). Khối lượng này lớn và tỷ lệ bốc hơi thấp đến nỗi các lỗ đen sao dường như là vĩnh hằng đối với chúng ta. Do đó, một lỗ đen nặng gấp mười lần khối lượng Mặt Trời sẽ mất 10 68 năm (tức là gấp hàng ngàn tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ tỷ lần tuổi của vũ trụ) để bay hơi hết. Lưu ý rằng ở tâm một số thiên hà có một lỗ đen siêu lớn với khối lượng lớn gấp vài tỷ khối lượng Mặt Trời. Bởi vì chúng có khối lượng lớn gấp hàng tỷ lần so với các lỗ đen sao nên chúng sẽ tồn tại lâu hơn hàng tỷ tỷ tỷ lần.

Liệu chúng ta có nên từ bỏ mọi hy vọng rằng một ngày nào đó sẽ nhìn thấy những lỗ đen bay hơi? Liệu ta có thể tưởng tượng những lỗ đen nhẹ hơn rất nhiều các lỗ đen sao lớn, và do đó sự bay hơi của chúng sẽ lớn hơn nhiều và tuổi thọ thấp hơn? Năm 1974, Hawking đưa ra giả thuyết về một số lỗ đen mini nguyên thủy có thể đã tồn tại trong những khoảnh khắc đầu tiên của một giây sau Big Bang, đáp ứng được các điều kiện này. Ngay từ thuở ban đầu, ông gợi ý, vũ trụ quá nhỏ và đặc đồng thời trường hấp dẫn lớn đến mức các bất thường nhỏ về mật độ có thể bị co lại mạnh do tác dụng của lực hấp dẫn để sinh ra một quần thể nhiều lỗ đen mini có khối lượng một tỷ tấn (10 12 kg), gần bằng khối lượng của núi Everest. Tuổi thọ của các lỗ đen mini nguyên thủy này tương đối ngắn. Các tính toán cho thấy rằng vào cuối mười bốn tỷ năm, tức là bằng tuổi của vũ trụ, khối lượng của lỗ đen mini nguyên thủy sẽ co lại như tấm da lừa, từ khối lượng của một ngọn núi trở thành một hạt bụi khoảng hai mươi microgram. Tính toán cũng cho chúng ta biết rằng lỗ đen mini sẽ kết thúc sự tồn tại của nó trong một vụ nổ lớn, giải phóng năng lượng bằng mười triệu quả bom một megaton dưới dạng tia gamma. Nếu quần thể này thực sự tồn tại, thì ngày nay chúng ta sẽ phải quan sát được một số vụ nổ dữ dội trong dải Ngân Hà hoặc trong các thiên hà gần. Nhưng những tràng pháo hoa này, tới thời điểm hiện nay, chưa bao giờ được phát hiện. Các lỗ đen mini nguyên thủy vẫn còn vắng bóng một cách tuyệt vọng, và có lẽ phải chờ đến một cảnh giới mới, chứ hiện tại chúng chỉ là sản phẩm của trí tưởng tượng phong phú của các nhà vật lý. Nhưng ngay cá khi chúng không tồn tại, có một điều chắc chắn: đó là cơ học lượng tử nói với chúng ta rằng một chân không chứa đầy các hạt ảo cho phép lỗ đen không hẳn là đen nữa.

Năng lượng của điểm zero

Cơ học lượng tử và nguyên lý bất định làm thay đổi một cách căn bản quan điểm của chúng ta về chân không. Trong vật lý cổ điển, chúng ta có thể định nghĩa chân không là một phần của không gian không chứa bất kỳ hạt cơ bản nào và nơi mà giá trị của các trường lực (điện từ, hấp dẫn, v.v) bằng 0 tại mỗi điểm. Đối với Maxwell, như chúng ta đã thấy, chân không là “những gì còn lại sau khi đã loại bỏ mọi thứ có thể loại bỏ được.” Sự ra đời của cơ học lượng tử đã làm khó định nghĩa này. Thật vậy, nếu chúng ta xem xét nguyên lý bất định đối với những cái có liên quan đến mối quan hệ động lượng-vị trí, thì việc biết chính xác không có hạt nào tại một vị trí xác định (tức sự bất định về vị trí của nó bằng 0) hàm ý rằng chúng ta không biết gì về động lượng, và do đó cả về năng lượng của nó ở điểm đó (sự bất định về tốc độ của nó là vô hạn). Nguyên lý bất định cho chúng ta biết rằng có thể loại bỏ tất cả các khối lượng và vật chất tại một điểm nhất định, nhưng vẫn sẽ luôn có một lượng năng lượng tối thiểu ở điểm này – và dù có làm gì đi nữa, chúng ta cũng không bao giờ có thể giảm nó về 0. Kết quả cũng như thế khi chúng ta xem xét nguyên lý bất định theo một khía cạnh khác, liên quan tới mối hệ năng lượng-thời gian: Khẳng định rằng một trường có giá trị zero ở một điểm cụ thể và nó vẫn bằng zero ở thời gian tiếp sau cũng tựa như ta biết với độ chính xác hoàn hảo cả năng lượng của trường (bằng zero) và tốc độ biến thiên theo thời gian của nó (cũng bằng zero). Nhưng nguyên lý bất định cho chúng ta biết rằng việc hiểu biết hoàn hảo đồng thời cả hai đại lượng này là không thể. Nếu chúng ta biết chính xác giá trị của trường (bằng zero), thì hiểu biết về tốc độ biến thiên theo thời gian của nó sẽ trở nên hoàn toàn ngẫu nhiên: nó có thể nhận bất kỳ giá trị nào. Nói cách khác, giá trị của trường lực không bao giờ có thể chính xác bằng zero ở bất kỳ điểm nào trong không gian, mà phải liên tục thăng giáng xung quanh giá trị này. Những thăng giáng lượng tử đó được thể hiện dưới dạng, như chúng ta đã biết, một đại dương các hạt ảo, xuất hiện và biến mất theo vòng sinh tử hết sức ngắn ngủi của chúng.

Cơ học lượng tử nói với chúng ta rằng bất kể chúng ta làm gì, bao giờ cũng tồn tại ở mỗi điểm trong không gian một năng lượng cơ bản không thể bị loại bỏ. Năng lượng này vẫn còn lại dai dẳng sau khi tất cả các dạng của khối lượng và năng lượng khác đã bị lấy đi. Các nhà vật lý gọi nó, một cách rất thơ, là “năng lượng điểm không”. (hay ‘năng lượng điểm zero’). “Điểm zero” được gọi như thế không phải vì năng lượng của nó bằng 0, mà bởi vì nó được đặc trưng bởi năng lượng tối thiểu mà không gian có thể có. Chân không lượng tử không còn là không có gì nữa, mà trái lại là một khoảng trống chứa đầy những hạt ảo tạo thành một đại dương khổng lồ của năng lượng điểm zero, và cũng còn được gọi là “trường điểm zero” tương tự như trường điện từ do nhà vật lý người Anh Michael Faraday đưa ra vào thế kỷ 19. Cần hiểu rằng trường điểm zero này không chỉ trạng thái năng lượng tương đương với 0, mà là một trạng thái năng lượng tối thiểu. Trong trường hợp này, một cách nghịch lý, ta có thể nói rằng, sau hết thảy, cơ học lượng tử đã trả lại công bằng cho Aristotle: tự nhiên đúng là sợ hãi chân không. Chỉ có điều khác là nó không tràn ngập ether như triết gia Hy Lạp từng nghĩ, mà chứa đầy các thăng giáng lượng tử.

Vậy liệu chúng ta có thể trích xuất năng lượng từ cái đại dương vô hạn của năng lượng điểm zero ấy ra dùng không? Và nếu được, thì chúng ta hẳn sẽ có nguồn năng lượng không giới hạn, không chỉ miễn phí mà còn rất thân thiện với môi trường. Nhưng điều này dường như là không thể. Quả thực, việc trích xuất năng lượng ra khỏi đại dương này có nghĩa là năng lượng của trường điểm zero có thể sẽ rơi xuống dưới giá trị tối thiểu của nó, đây là điều bất khả.

Thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử giống như nước với lửa

Tới lúc này, chúng ta đã nói về các hạt ảo nảy nở trong một không gian đã tồn tại trước. Thế còn chính bản thân không gian thì sao? Điều gì sẽ xảy ra nếu xem xét kỹ nó ở thang đủ nhỏ? Cơ học lượng tử nói với chúng ta rằng ở các thang vô cùng bé, không gian tự tan thành một loại bọt lượng tử, nơi mà thời gian và không gian như chúng ta nghĩ trong thế giới vĩ mô sẽ không còn ý nghĩa nữa.

Như ta đã thấy, bằng thuyết tương đối rộng, Einstein đã chứng minh rằng trường hấp dẫn và hình học của không gian có liên quan chặt chẽ với nhau. Chính trường hấp dẫn quyết định hình học của không gian, và cũng chính nó quyết định không gian là phẳng, cong hay xoắn. Giống như bất kỳ trường lực nào, trường hấp dẫn cũng chịu sự chi phối của nguyên lý bất định. Nguyên lý này làm cho ở thang đủ nhỏ, trường hấp dẫn sẽ chịu những thăng giáng rất mạnh. Và đến lượt mình, các thăng giáng này lại gây ra những biến thiên bất thường ngẫu nhiên về hình dạng của không gian, và là nguồn gốc của những thăng giáng làm thay đổi không ngừng hình học của nó. Ở thang cuộc sống hằng ngày, chúng ta không ý thức được những thăng giáng này bởi vì chúng quá nhỏ để các giác quan của chúng ta có thể cảm nhận trực tiếp. Không gian đối với chúng ta có vẻ bình lặng và yên tĩnh, dường như chẳng có bất kỳ hoạt động nào. Các tính chất của nó dường như hoàn toàn xác định và không cho phép một sự ngẫu nhiên bất thường nào. Chỉ khi xem xét ở thang hạ nguyên tử thì không gian mới trở nên biến động, và chúng ta mới nhận thức được những thăng giáng hỗn loạn và không ngừng của nó. Theo nghĩa này, không gian giống như một bức điểm họa khổng lồ của Georges Seurat. Từ xa chúng ta có thể thưởng thức Un dimanche après-midi à l'île de la Grande Jatte ( Một buổi chi ề u chủ nhật tại đảo La Grande Jatte ) một cách tổng thể, nhưng rất khó phân biệt hàng ngàn chấm nhỏ với nhiều màu sắc và ánh sáng lung linh tạo nên bức tranh. Chỉ khi đến gần, chúng ta mới thấy các hình khối biến thành vô vàn điểm. Tương tự như vậy, khi ở những thang lớn, không gian là bình lặng và trơn mịn, nhưng ở những thang nhỏ nó biến thành một thứ bọt lượng tử không ngừng thăng giáng.

Ở thang càng nhỏ, tầm quan trọng của ngẫu nhiên càng tăng. Ở thang chiều dài Planck cỡ 10 - 33 cm ( 56 ) , tức hàng chục triệu tỷ tỷ lần nhỏ hơn kích thước của một nguyên tử, không gian, vốn yên tĩnh ở thang lớn, sẽ biến thành sủi bọt lượng tử sôi sục. Từ yên tĩnh và có trật tự, nó trở nên hỗn loạn và mất trật tự, từ bỏ mọi hình thức xác định để chứa đầy những chuyển động sóng và những bất thường sinh ra và biến mất trong khoảng thời gian vô cùng ngắn ngủi (hình bên). Trong lòng bọt lượng tử này, ý niệm về hướng không gian sẽ không còn ý nghĩa nữa: sẽ không còn trên hay dưới, phải hay trái, phía trước hay phía sau. Ở thang thời gian ngắn hơn thời gian Planck 10 -43 giây ( 57 ) , hàng chục triệu tỷ tỷ tỷ tỷ lần ngắn hơn chớp sáng của đèn flash máy ảnh, thời gian cũng mất đi ý nghĩa của nó: chúng ta không còn có thể nói trước hay sau, hoặc thậm chí một khoảng thời gian xác định nào đó. Độ cong và topo của bọt lượng tử này trở nên quá hỗn độn đến mức chúng chỉ có thể được mô tả bằng các xác suất.

Bọt lượng tử. Ở thang chiều dài Planck (10 -33 cm), không gian không còn trơn mịn mà trở nên thăng giáng dữ dội, không ngừng thay đổi và chuyển động, tạo thành cái mà nhà vật lý người Mỹ John Wheeler gọi là “bọt lượng tử”.

Cơ học lượng tử – môn vật lý mô tả thế giới vô cùng nhỏ – cho chúng ta một cái nhìn hoàn toàn khác về không-thời gian so với thuyết tương đối rộng – vật lý của những cái vô cùng lớn. Lý thuyết của Einstein cho thấy một không-thời gian bình lặng, trơn mịn và được xác định rõ ràng ở những thang nhỏ nhất. Trái lại, cơ học lượng tử khẳng định với chúng ta rằng ở những thang này không-thời gian không còn yên tĩnh nữa mà có những thăng giáng mạnh mẽ vốn do sự chi phối của nguyên lý bất định Heisenberg. Tại những thang này, tất cả chỉ là thăng giáng, chuyển động và bất định. Ở những kích thước không gian nhỏ cỡ chiều dài Planck và khoảng thời gian ngắn cỡ thời gian Planck, hai lý thuyết này, đều sinh ra vào đầu thế kỷ 20 và vẫn là hai trụ cột của vật lý đương đại một thế kỷ sau đó, tương khắc nhau như nước với lửa vậy.

Để hiểu được nguồn gốc của chúng ta, cần có lý thuyết hấp dẫn lượng tử

Các tính toán dựa trên sự kết hợp các phương trình của thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử hầu như luôn cho kết quả vô hạn, tức là chẳng có ý nghĩa gì. Những kết quả vô lý này cho chúng ta biết rõ rằng có một sự không tương thích rất cơ bản giữa hai lý thuyết. Tuy nhiên, qua nhiều lần kiểm tra bằng nhiều phép đo và quan sát, hai lý thuyết này vẫn vận hành cực kỳ tốt miễn là chúng tách biệt nhau và hạn chế trong các phạm vi tương ứng của chúng. Cơ học lượng tử mô tả chính xác hành vi của các nguyên tử và ánh sáng khi ba trong bốn lực cơ bản, gồm hai lực hạt nhân mạnh, yếu và lực điện từ, đóng vai trò chủ đạo và lực thứ tư, lực hấp dẫn, là không đáng kể. Trong khi đó, thuyết tương đối rộng giải thích tốt các tính chất của vũ trụ, các thiên hà, các sao và hành tinh khi mà lực hấp dẫn chiếm vai trò trung tâm trên sân khấu, còn ba lực kia lùi vào hậu cảnh. Nhưng vật lý học đã đứt hơi và mất hết phương tiện khi lực hấp dẫn, vốn thường không đáng kể ở thang nguyên tử và hạ nguyên tử, lại trở nên quan trọng như ba lực kia.

Tất nhiên, chúng ta có thể tự nhủ rằng nếu hai lý thuyết này vận hành hoàn hảo miễn là chúng hoạt động tách biệt trong các phạm vi tương ứng riêng của chúng, thì tại sao ta không cứ giữ chúng tách biệt như thế và dừng lại đó? Xét cho cùng thì đó chính xác là những gì các nhà vật lý đã làm trong gần một thế kỷ. Cách tiếp cận này cực kỳ có năng suất và hiệu quả. Những tiến bộ trong việc tìm hiểu vũ trụ qua thuyết tương đối rộng và hành vi của các nguyên tử và ánh sáng thông qua cơ học lượng tử là cực kỳ ngoạn mục. Vậy tại sao lại phải cố gắng kết hợp những cái dường như không thể dung hợp được?

Có nhiều lý do để các nhà vật lý làm việc miệt mài nhằm xây dựng một lý thuyết thống nhất được một cách nhất quán thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử. Lý do đầu tiên là ở tâm triết học và thẩm mỹ. Trực giác của tất cả chúng ta đều cảm thấy rằng tự nhiên không thể hoạt động theo kiểu thần kinh phân liệt được, nó không thể bị phân đối về hành vi, mô tả bằng một lý thuyết ở một thang và bằng một lý thuyết khác, hoàn toàn không tương thích với cái đầu tiên, ở một thang khác. Trái lại, khoa học đã làm cho chúng ta quen với ý tưởng về sự thống nhất sâu xa của vũ trụ: Newton đã thống nhất trời và đất trong thế kỷ 17, Maxwell thống nhất điện và từ vào thế kỷ 19 và Einstein thống nhất thời gian và không gian trong thế kỷ 20. Sẽ thật đáng ngạc nhiên nếu như bốn lực cơ bản của tự nhiên không đi theo sơ đồ thống nhất này và không thể được mô tả bởi cùng một lý thuyết lớn duy nhất, lý thuyết hấp dẫn lượng tử, mà đôi khi được gọi một cách khoa trương là “Lý thuyết của vạn vật”, một lý thuyết giải thích được các tính chất của vũ trụ ở mọi thang khả dĩ. Xét cho cùng thì không thể tồn tại một ranh giới kỳ diệu đánh dấu sự chuyển đổi từ thế giới vi mô sang thế giới vĩ mô, không có vạch lửa nào đó báo hiệu rằng, để mô tả hành vi của tự nhiên, đế chế cơ học lượng tử phải dừng lại ở đây và bắt đầu triều đại của thuyết tương đối rộng. Tự nhiên là đẹp và