Hai lỗi của Albert Einstein

Ngọc cũng có vết, vĩ nhân cũng mắc lỗi.

Văn bản gốc do giáo sư người Pháp François Vannucci thực hiện, bài viết dưới đây dựa trên bản dịch của cô Rosie Marsland, được đăng trên The Conversation.

Nghiên cứu khoa học dựa trên mối liên hệ giữa thực tế (theo cách chúng ta quan sát) và mô tả của thực tế, được tạo ra bởi các giả thuyết viết bằng ngôn ngữ toán học. Nếu tất cả các kết quả từ các giả thuyết đều được chứng minh thông qua thực nghiệm, chúng ta sẽ chấp nhận giá trị của chúng. Con người đã sử dụng phương pháp nghiên cứu này suốt 4 thế kỷ, tạo ra một khối lượng kiến thức khổng lồ. 

Tuy nhiên, những tiến bộ mà chúng ta đạt được thường dựa trên trí tuệ của những cá nhân cứng đầu, vẫn giữ vững niềm tin và định kiến vào những thứ đã tồn tại; đôi khi họ không theo đuổi cái mới mà vẫn trung thành với cái cũ. Điều này có thể ảnh hưởng đến tiến trình phát triển của khoa học, thậm chí những bộ óc lỗi lạc nhất cũng có thể mắc lỗi.

Albert Einstein cũng mắc lỗi

Trong tác phẩm nổi tiếng “Thuyết tương đối rộng” (1915) của Albert Einstein, ông viết ra phương trình mô tả sự phát triển của Vũ trụ theo thời gian. Giải ra phương trình này, ta thấy Vũ trụ không ổn định, không phải là một khối cầu khổng lồ chứa một lượng sao xác định di chuyển liên tục; điều này trái ngược với cách nhìn của các nhà khoa học đương thời về Vũ trụ.

Trong đầu thế kỷ 20, người ta tin rằng Vũ trụ là một thực thể tĩnh lặng, với sao không bao giờ thay đổi. Ý tưởng này có thể xuất phát từ triết lý của Aristotle, cho rằng Vũ trụ là không đổi và chỉ có Trái Đất có thể biến đổi.

Quan điểm này của Aristotle gây ra tranh cãi: năm 1054, các nhà thiên văn Trung Quốc phát hiện một vệt sáng mới trên bầu trời, nhưng không có tài liệu nào từ châu Âu nhắc đến điều này. Ban ngày, một điểm sáng lạ có thể thấy rõ trên bầu trời.

Đó là một sự kiện hiếm khiến một ngôi sao chết phát ra ánh sáng; ngày nay, khi quan sát Tinh vân Con Cua, vẫn còn thấy ánh sáng từ vụ nổ này. Người Châu Âu cứng đầu, như cái tên của chính Tinh vân chứa ngôi sao này, từ chối tin rằng có một sự kiện trái ngược với đức tin của họ rằng bầu trời/Vũ trụ là không đổi.

Hiện tượng siêu tân tinh hiếm, chỉ có đủ sáng cho mắt thường thấy mỗi thế kỷ một lần; lần cuối cùng một ngôi sao phát ra ánh sáng đến như vậy là năm 1987. Có thể kết luận: Aristotle có thể đã gần đúng khi nói rằng bầu trời là không đổi; ít nhất là trong cuộc đời của một con người.

Để nghiên cứu của mình phù hợp với quan niệm thời đại về một Vũ trụ tĩnh, Einstein thêm vào phương trình của mình hằng số Vũ trụ, giữ cho trạng thái của Vũ trụ không thay đổi. Tuy nhiên, ông đã nhận ra rằng ý tưởng này là sai lầm lớn khi Edwin Hubble chứng minh rằng Vũ trụ đang mở rộng vào năm 1929, khiến ông phải thừa nhận mình đã mắc sai lầm lớn nhất đời mình.

Sự ngẫu nhiên trong cơ học lượng tử

Cơ học lượng tử, một lĩnh vực mô tả vật lý ở quy mô nhỏ, gần như được phát triển song song với thuyết tương đối. Từ năm 1905, Einstein đã đóng góp lớn cho sự phát triển của cơ học lượng tử thông qua việc giải thích hiệu ứng quang điện - tương tác giữa photon và electron. Thật không ngờ, ánh sáng - một thứ vốn được coi là sóng - lại được Einstein mô tả như một chuỗi hạt. Điều này không phải là thuyết tương đối, nhưng lại là một bước tiến quan trọng trong vật lý, đã mang về cho ông giải Nobel năm 1921.

Mặc dù có đóng góp lớn như vậy, Einstein vẫn từ chối tin vào một trong những yếu tố cơ bản nhất của cơ học lượng tử - đó là sự ngẫu nhiên của thế giới lượng tử vượt ra ngoài giới hạn của vật lý cổ điển. Thế giới lượng tử đầy khả năng, và chúng ta chỉ có thể dự đoán kết quả dựa trên những khả năng đó.

Phân tích niềm tin mù quáng của Einstein, ta thấy ảnh hưởng của triết học Hy Lạp. Plato dạy rằng suy nghĩ phải lý tưởng, phải tránh xa những bóng ma của thực tại; tuy nhiên, điều này không phù hợp với tiêu chuẩn của khoa học. Tri thức yêu cầu chúng ta phải tuân theo những sự thật đã được chứng minh, trong khi đức tin lại dựa trên khả năng và quan sát phiến diện.

Einstein tin rằng suy nghĩ thuần khiết có thể hiểu được thực tại, nhưng sự ngẫu nhiên lượng tử đã chứng minh rằng ông đã sai.

Thực tế, sự ngẫu nhiên này không hoàn toàn ngẫu nhiên, mà nó bị ràng buộc bởi nguyên lý không xác định của Heisenberg (Nguyên lý không xác định của Heisenberg - HUP).

Nguyên lý không xác định của Heisenberg

Năm 1927, nhà vật lý lý thuyết người Đức đã khẳng định rằng không thể đo chính xác vị trí và vận tốc của một vật thể cùng một lúc trong cùng một thời điểm, thậm chí trong lý thuyết. Cả hai khái niệm vị trí chính xác và vận tốc chính xác đều vô nghĩa trong tự nhiên. Tóm lại, khoa học không thể dự đoán chính xác điều gì sẽ xảy ra tiếp theo.

Mặc dù được gọi là một 'nguyên lý', HUP không phải là một lời xác nhận, một nguyên tắc hành vi hoặc một cách đánh giá. Nó phát sinh từ cơ học lượng tử, một lý thuyết áp dụng cho vật chất và năng lượng, tạm thời giải thích được bản chất của chúng với hiểu biết của chúng ta hiện nay.

Nguyên lý HUP áp dụng sự xác định tập thể (collective determinism, có thể hiểu là xác định nhóm, chỉ những kết quả SẼ xảy ra khi các vật thể tương tác trong không gian thời gian); một electron tự do có đường đi không thể tính toán, nhưng một triệu electron sẽ tạo ra nhiễu xạ, vân sáng và tối mà ta không thể tính toán được.

Einstein không chấp nhận thực tế rằng có những thứ không thể dự đoán được bằng các định luật vật lý và toán học, và từ chối cách tiếp cận lượng tử vật lý thông qua câu nói nổi tiếng: “Tôi, dù xét theo khía cạnh nào, cũng tin rằng [thánh thần] không tung xúc xắc”, ý nói rằng mọi sự kiện đều được vật lý định trước, và rằng không có sự ngẫu nhiên nào cả. Einstein cho rằng vẫn còn những biến số chưa được phát hiện, những định lượng khác ngoài khối lượng, điện tích và vòng quay để mô tả hạt; dù những nhận định đó của Einstein là đúng, nhưng việc ông từ chối yếu tố ngẫu nhiên là sai.

Các thí nghiệm lượng tử không hỗ trợ quan điểm của Einstein. Không thể phủ nhận rằng thế giới lượng tử là một ẩn số vượt ngoài khả năng hiểu biết của con người, và chúng ta chưa biết (hoặc chưa biết?) những bí mật của thế giới hạt hiện đại.

Phút lóe sáng ngẫu nhiên của trí tưởng tượng

Trong phạm vi của phương pháp khoa học, vẫn còn một giai đoạn không hoàn toàn khách quan. Chính những suy nghĩ phát sinh trong giai đoạn này dẫn tới việc hình thành các giả thuyết, và Einstein có thể cho ta một ví dụ cụ thể.

Một nhà bác học đã nói, “trí tưởng tượng quan trọng hơn tri thức”. Đúng vậy, khi có trong tay một loạt các quan sát riêng lẻ, một nhà vật lý học phải mường tượng ra một quy luật nào đó để giải thích mọi quan sát đó. Đôi khi, một hiện tượng có thể dẫn đến nhiều giả thuyết khác nhau, và đó là lúc lập luận logic phát huy tác dụng của mình để chọn ra giả thuyết hợp lý nhất.

Hiểu theo nghĩa này, tiến trình nảy sinh ý tưởng bắt đầu từ trực giác. Có thể coi đây là bước nhảy từ kiến thức đến hiện thực. Đường ranh giới giữa khách quan và chủ quan trở nên không rõ ràng, những suy nghĩ bắt nguồn từ các tế bào thần kinh phản ánh trực tiếp sự ảnh hưởng của các xung điện - giống như dòng điện giữa các tế bào não ngẫu nhiên, tạo ra một vài suy nghĩ đặc biệt.

Không phải ai cũng có những trực giác này; bộ não đặc biệt của Einstein cho chúng ta “E=mc²”, trong khi trí tưởng tượng của J.R.R Tolkien lại tạo ra những cảnh tượng đẹp và một hệ thống ngôn ngữ mới của giống loài chỉ tồn tại trong trí tưởng tượng. Trực giác xuất hiện ngẫu nhiên, nhưng chính sự ngẫu nhiên này bị ảnh hưởng bởi trải nghiệm, văn hóa và kiến thức của mỗi người.

Ưu điểm của sự ngẫu nhiên

Không có gì ngạc nhiên khi trí tuệ của loài người không thể hiểu biết hoàn toàn về thế giới. Nếu không có sự ngẫu nhiên, chúng ta sẽ chỉ là những sinh vật theo bản năng và thói quen, trở thành một giống loài dễ đoán. Mọi thứ chúng ta làm chỉ tồn tại trong một lớp thực tại dễ quan sát, với những lo lắng đơn giản và nhiệm vụ mà xã hội giao phó. Nhưng cũng còn một lớp thực tế khác, nơi sự ngẫu nhiên là yếu tố quan trọng điều khiển mọi hoạt động.

Einstein là một ví dụ điển hình cho tinh thần tự do và trí tưởng tượng sáng tạo, nhưng ông vẫn mắc phải những định kiến.

“Lỗi đầu tiên” của Einstein có thể được tóm gọn thành “Tôi từ chối tin vào sự bắt đầu của Vũ trụ”, và sau này các thí nghiệm đã chứng minh ông đã sai.

“Lỗi thứ hai” của Einstein có thể được mô tả là “Tôi từ chối tin rằng có sự ngẫu nhiên hoàn toàn trong thế giới này”. Nhưng cơ học lượng tử thực sự tồn tại, và điều quan trọng nhất là nó chứa đựng sự ngẫu nhiên.

Einstein cứ kiên định rằng mọi thứ tuân theo luật lệ, đều bị chi phối bởi các quy tắc tự nhiên; theo ông, não bộ con người hiểu được bản chất của Vũ trụ. Nhưng sau này Einstein nhận ra mình đã sai, và Heisenberg đã giáo dục chúng ta rằng vật lý chỉ là một công cụ có giới hạn, chỉ mô tả được cách mà tự nhiên phản ứng trong các điều kiện cụ thể. Thuyết lượng tử đã chỉ ra rằng chúng ta không thể dự đoán mọi thứ một cách chính xác. Nó mang lại cho chúng ta sự ngẫu nhiên hoàn toàn, với cả những nguy cơ và thất bại, nhưng trong đó cũng có những lợi ích.

Nhà vật lý huyền thoại với mái tóc rối và bộ ria dày là minh chứng sống động cho một cá nhân sở hữu trí tưởng tượng phi thường. Thú vị thay, việc ông từ chối tin vào sự ngẫu nhiên chính là một nghịch lý, bởi vì chính sự ngẫu nhiên tạo ra trực giác, động lực đằng sau quá trình tạo ra cả khoa học và nghệ thuật.