The grand design

Rất tự nhiên khi xuất hiện câuhỏi: Liệu tiến trình này có cuối cùng chạm tới điểm kết thúc, một lý thuyết tối hậucho vũ trụ có thể bao gộp tất cả các lực và tiên đoán mọi quan sát chúng

Mỗi chúng ta tồn tại, nhưng chỉ trong một khoảng thời gian ngắn ngủi

Và trong chốc lát ấy khám phá chỉ một mẩu nhỏ của toàn bộ vũ trụ Thế

nhưng con người là một giống loài biết tò mò Ta băn khoăn, ta tìm câu trảlời Sống trong một vũ trụ mênh mông cứ lần lượt tử tế rồi tàn nhẫn, ngắmnhìn thượng giới thăm thẳm bên trên, người ta vẫn thường luôn băn khoănvới một tập hợp những câu hỏi kiểu như: Làm sao ta hiểu được thế giới tađang sống trong đó? Vũ trụ hành xử như thế nào? Đâu là bản chất của thựctại? Tất cả đến từ đâu? Vũ trụ có cần một đấng sáng tạo? Phần lớn chúng takhông bỏ tất cả thời gian bận tâm tới những câu hỏi này, nhưng hầu hết

chúng ta đều bận tâm tới chúng vào một lúc nào đó trong khoảnh thời giancủa mình

Theo truyền thống thì tuýp những câu hỏi này là dành cho triết học,

nhưng triết học đã chết từ lâu Nó không theo kịp sự phát triển của khoa học,đặc biệt là vật lý Các nhà khoa học đã trở thành những người mang ngọnđuốc khám phá cho sứ mệnh đi tìm tri thức Mục đích của quyển sách này làđưa ra những câu trả lời được đề xuất từ những khám phá và tiến triển trongcác lý thuyết gần đây Chúng dẫn ta tới một bức tranh vũ trụ mới rất khácbiệt về vũ trụ và chỗ của chúng ta trong đó so với vũ trụ truyền thống màchúng ta vẫn biết, và bức tranh đó thậm chí còn khác biệt ngay với những gìchúng ta đã vẽ nên chỉ một hai thập kỉ trước đó Tuy nhiên, những đườngphác họa cho khái niệm mới này có thể lần ngược lại từ trước đó gần mộtthế kỉ

Theo khái niệm truyền thống về vũ trụ, mọi đối tượng chuyển động theonhững quỹ đạo xác định cụ thể và có một lịch sử xác định Chúng ta có thểxác định vị trí chính xác của chúng tại mỗi thời điểm Dù cho lối miêu tả nàyrất thành công cho các mục đích thường ngày, vào thập niên 1920 người taphát hiện rằng nó không thể miêu tả chính xác các hành vi có vẻ kì quặcquan sát được trên các thực thể ở phạm vi nguyên tử và dưới nguyên tử.Thay vào đó là sự cần thiết phải tiếp nhận một cơ cấu vật lý mới, gọi là vật lýlượng tử Các lý thuyết lượng tử hóa ra vừa chính xác một cách đáng ngạcnhiên khi được dùng để dự đoán các hiện tượng ở phạm vi này, đồng thời

có thể tái tạo ra những dự đoán của các lý thuyết cổ điển khi áp dụng chothế giới vĩ mô trong cuộc sống thường ngày Dù vậy, lý thuyết lượng tử và cổđiển lại dựa trên những khái niệm rất khác nhau về thực tại vật lý

“…Và đây triết lý của tôi”

Thuyết lượng tử có thể được trình bày theo nhiều cách khác nhau,

nhưng cách mô tả gần với trực giác nhất đã được đề ra bởi Richard (Dick)

Feynman, một nhân vật muôn màu muôn vẻ làm việc tại Viện Công nghệ

California (California Institution of Technology – Caltech - lnd) và chơi trống

vỗ tại một con ngõ nối ra phố Theo Feynman, một hệ không chỉ có một lịch

sử mà là mọi lịch sử khả dĩ Trong khi đi tìm các câu trả lời, chúng ta sẽ giảithích chi tiết cách tiếp cận của Feynman, và áp dụng nó để khám phá ý

tưởng về một vũ trụ mà bản thân nó không có một lịch sử duy nhất, hay

thậm chí cũng không có một sự tồn tại độc lập Đó dường như là một ý

tưởng khác biệt từ căn bản, thậm chí đối với nhiều nhà vật lý Quả thật,

giống như nhiều ý tưởng trong khoa học ngày nay, nó có vẻ vi phạm trực

giác chung Nhưng trực giác chung lại dựa trên kinh nghiệm hằng ngày củachúng ta, không dựa trên bản thân vũ trụ như nó được phô bày qua các kì

quan công nghệ có thể cho phép chúng ta nhìn sâu vào các nguyên tử hoặcngoảnh ngược về vũ trụ thuở xa xưa

Trước thời của vật lý hiện đại người ta vẫn có một niềm tin tổng quát là tất

cả kiến thức của thế giới có thể đạt được từ những quan sát trực tiếp, mọi vậttồn tại theo cách chúng hiện ra, và được nhận thức thông qua các giác quan củachúng ta Tuy nhiên thành công ngoạn mục của vật lý hiện đại, dựa trên nhữngkhái niệm giống như của Feynman vốn xung đột với kinh nghiệm hằng ngày, đãcho thấy chuyện đó không thành vấn đề Cái nhìn ngờ nghệch về thực tại từ đókhông thể tương thích với vật lý hiện đại Để đương đầu với những nghịch lý ấychúng ta sẽ tiếp thu một lối tiếp cận gọi là thực tại phụ thuộc mô hình luận Nódựa trên ý tưởng rằng bộ não chúng ta diễn dịch tín hiệu vào từ các cơ quancảm nhận bằng cách tạo ra một mô hình của thế giới Một khi mô hình đó giảithích thành công các hiện tượng, chúng ta có xu hướng gán cho nó, cũng nhưcác yếu tố và khái niệm tạo nên nó, phẩm chất của thực tại hay còn gọi là chân

lý tuyệt đối Nhưng có những cách khác nhau để mô hình hóa cùng một tìnhhuống vật lý, mỗi cách áp dụng những yếu tố và khái niệm cơ bản khác nhau

Nếu hai lý thuyết vật lý hay mô hình dự đoán chính xác cùng một sự kiện, không

ai có thể nói cái nào thực hơn cái nào; thay vào đó, chúng ta tự do chọn bất kì

mô hình nào là thuận tiện nhất

Suốt lịch sử khoa học, chúng ta đã phát hiện ra một chuỗi các lý thuyết hay

mô hình càng về sau càng tốt hơn cái có trước nó, từ Plato tới thuyết cổ điểncủa Newton cho tới lý thuyết lượng tử hiện đại Rất tự nhiên khi xuất hiện câuhỏi: Liệu tiến trình này có cuối cùng chạm tới điểm kết thúc, một lý thuyết tối hậucho vũ trụ có thể bao gộp tất cả các lực và tiên đoán mọi quan sát chúng ta cóthể thấy, hay chúng ta sẽ mãi mãi tiếp tục tìm ra những lý thuyết tốt hơn, nhưngkhông bao giờ chạm tới được một lý thuyết không thể cải tiến thêm được nữa?Chúng ta chưa có câu trả lời nhất định cho câu hỏi này, nhưng hiện giờ ta đang

có một ứng viên cho lý thuyết tối thượng về mọi thứ, nếu có, gọi là thuyết M.Thuyết M là mô hình duy nhất có tất cả các đặc tính mà chúng ta nghĩ lý thuyếtcuối cùng phải có, và nó sẽ là lý thuyết mà phần lớn thảo luận sau này của

chúng ta sẽ dựa trên nó

Thuyết M không phải là lý thuyết theo lối nghĩ thông thường Nó là cả một giađình các lý thuyết khác nhau, mỗi cái là một cách mô tả tốt cho riêng những quansát trong một phạm vi các tình huống vật lý Nó từa tựa như bản đồ Như vẫnthường biết, người ta không thể vẽ toàn bộ bề mật trái đất trên một bản đồ đơn

lẻ Phép chiếu Mercator thông dụng dùng cho các bản đồ thế giới luôn khiến cáckhu vực phình rộng dần ra về phía bắc và nam mà lại không thể che phủ cả cựcBắc cũng như cực Nam Để vẽ được trọn vẹn trái đất, người ta phải dùng một bộcác bản đồ Mỗi cái che phủ một khu vực có giới hạn Khi hai bản đồ chồng lấnlên nhau, chúng sẽ chỉ tới cùng một khu vực Thuyết M cũng tương

tự Các lý thuyết khác nhau trong gia đình thuyết M có thể trông rất khác nhau,nhưng chúng đều có thể coi như những khía cạnh của một lý thuyết cơ sở Tất

cả chúng đều là các phiên bản của thuyết M và chỉ áp dụng được trong một sốphạm vi có giới hạn – ví dụ, khi các đại lượng cụ thể giống như năng lượng vẫncòn bé Giống như những bản đồ lấn lên nhau trong phép chiếu Mercator, khiphạm vi của các phiên bản khác nhau này chồng lấn, chúng sẽ dự đoán cùngmột hiện tượng Nhưng cũng như việc không có bản đồ phẳng nào đủ tốt để đạidiện cho toàn bộ bề mặt trái đất, không có một lý thuyết đơn lẻ nào có thể là đạidiện tốt cho mọi quan sát trong mọi tình huống

Bản đồ thế giới Thực tế có thể đòi hỏi một chuỗi các thuyết chồng lấn lên

nhau để đại diện cho vũ trụ, cũng như ta cần các bản đồ gối chồng lên nhau

để đại diện cho trái đấtChúng ta sẽ mô tả làm cách nào thuyết M có thể sẽ đưa ra câu trả lời chotạo hóa Theo thuyết M, vũ trụ của chúng ta không phải là vũ trụ duy nhất

Ngược lại, thuyết M dự đoán vô vàn các vũ trụ được tạo ra từ hư không Sự kiếntạo của chúng không đòi hỏi sự can thiệp của một đấng siêu nhiên hay còn gọi làChúa Thay vào đó, vô vàn các vũ trụ này ló dạng một cách tự nhiên từ các địnhluật vật lý Chúng là các dự đoán của khoa học Mỗi vũ trụ đó có nhiều lịch sửkhả dĩ và nhiều trạng thái có thể có vào những thời điểm về sau, ví dụ như vàonhững lúc như hiện tại, rất lâu sau sự bắt đầu của chúng Phần lớn những trạngthái này là hoàn toàn khác biệt với vũ trụ chúng ta quan sát được và hoàn toànkhông thích hợp cho bất kì dạng sống nào Chỉ một số rất ít cho phép nhữngsinh vật như chúng ta tồn tại Nên chính sự hiện diện của chúng ta đã chọn ra từmênh mông trong số này này chỉ những vũ trụ tương thích với sự tồn tại củachúng ta Mặc dù chúng ta bé mọn và không đáng kể so với tầm vóc vũ trụ, điềunày khiến ta thấy mình trong vai chúa tể của tạo hóa

Để hiểu được vũ trụ ớ mức độ sâu sắc nhất, chúng ta không chỉ cần biết

cách mà nó hành xử, mà còn phải vì sao nó hành xử.

Vì sao có thứ gì đó hơn là hư không?

Vì sao chúng ta tồn tại?

Tại sao là bộ các định luật này mà không phải một tập hợp nào khác?

Đây là Câu hỏi Tối Hậu của Sự Sống, Vũ Trụ và của Mọi thứ Chúng ta sẽ

nỗ lực trả lời những câu hỏi đó trong quyển sách này Câu trả lời của chúng ta

sẽ không giống như trong “Cẩm nang cho người quá giang tới Ngân Hà”, đơn

giản là “42”

Skoll chú sói sống trong rừng Woe

Cứ bay ra là lại dọa chị Hằng

Mặt Trời kia sao cứ mãi trốn chạy

Sói Hati dòng dõi của Hridvinir

Trong thần thoại Viking, Skoll và Hati rượt đuổi mặt trăng và mặt trời.Khi hai con sói chộp được một trong hai, thiên thực sẽ xuất hiện Khi điều đóxảy ra, con người trên mặt đất lại nháo nhào đi giải cứu mặt trăng, mặt trờibằng cách gây ra càng nhiều tiếng động càng tốt nhằm dọa bọn sói Cũng cónhững thần thoại tương tự vậy trong các nền văn hóa khác Nhưng sau mộtthời gian người ta phải nhận ra là mặt trời hay mặt trăng rồi cũng ló dạngkhỏi thiên thực bất chấp việc họ có chạy lòng vòng vừa la hét vừa gõ vào đồvật hay không Thêm một thời gian nữa người ta nhận ra là thiên thực khôngxảy ra ngẫu nhiên: chúng xảy ra theo những kiểu mẫu thường xuyên lặp lạichính chúng Trình tự này dễ thấy nhất đối với mặt trăng và đã cho phépngười Babylon cổ đại dự đoán khá chính xác các lần nguyệt thực dù họ

không nhận ra rằng đó là do trái đất đã ngăn cản ánh sáng từ mặt trời Nhậtthực vốn khó dự đoán hơn nhiều bởi vì nó chỉ có thể thấy được trong một vệthẹp rộng khoảng 30 dặm trên trái đất Tuy nhiên, một khi đã nắm bắt được,các kiểu mẫu ấy chứng tỏ rằng thiên thực chẳng phải dựa trên những cơnhứng tùy tiện của các đấng siêu nhiên, mà thực ra đều bị chi phối bởi cácđịnh luật

Thiên thực Người cổ đại chẳng biết được điều thật sự gây ra thiên

thực, nhưng họ hẳn đã phải chú ý tới quy cách xảy ra của chúng.

Mặc cho những thành công trong dự đoán chuyển động của các thiênthể, phần lớn sự kiện trong tự nhiên trông không thề đoán trước đối với tổtiên của chúng ta Núi lửa, động đất, bão tố, dịch hại và cả cái móng chânmọc vẹo đều có vẻ như xảy ra không có lý do rõ ràng hay không theo quycách nào Vào thời cổ đại thật là hiển nhiên khi đổ cho một phe phái nhữngthần thể ma mãnh hay quái ác là nguyên nhân cho những vận động bạo lựccủa tự nhiên Tai họa thường được giáng xuống như là dấu hiệu cho thấy ai

đó đã xúc phạm các vị thần Ví dụ, vào khoảng năm 5600 TCN ngọn núi lửaMazama ở Oregon bùng nổ, mưa đất đá và tro bụi cháy rực hàng năm trời,

và sau nhiều năm mưa rơi nước dâng đầy miệng hố mà ngày nay gọi là HồLõm Người da đỏ Klamath ở vùng Oregon có một truyền thuyết khá ăn khớpvới các chi tiết địa kiến tạo của sự kiện nhưng họ cho thêm một chút kịchtính bằng cách mô tả một con người như nguồn căn của thảm họa này Nănglực tội lỗi của con người thật lớn đến nỗi họ luôn luôn tìm ra cách nào đó đểkết tội mình Theo như truyền thuyết, Llao, tù trưởng của Âm Giới phải

lòng cô con gái xinh đẹp của vị tù trưởng Klamath Cô khước từ ông ta, và đểtrả thù Llao tìm cách hủy diệt Klamath trong lửa May mắn thay, theo truyềnthuyết, Skell, tù trưởng của Thượng Giới đã rủ lòng thương con người vàgiao chiến với địch thủ âm giới của ông Tới cuối cùng Llao, trọng thương, rút

về bên trong ngọn Mazana, để lại một cái lỗ khổng lồ, chính là hố lõm chứađầy nước sau này

đại tới việc chế tác ra những vị thần làm chúa tể tất cả hay từng khía cạnhđời sống con người Có những vị thần của tình yêu và chiến tranh; của mặttrời, mặt trăng, và của bầu trời; thần của đại dương và sông suối; thần củamưa và sấm chớp; và cả động đất hay núi lửa Khi các thấy hài lòng, loàingười được đối đãi bằng thời tiết tốt lành, hòa bình và tránh được thảm họathiên nhiên hay bệnh tật Khi các thần thấy mất lòng, họ giáng xuống nàohạn hán, nào chiến tranh, dịch bệnh và chết chóc Chính vì liên hệ giữa

nguyên nhân và hậu quả là vô hình trong mắt họ, những vị thần có vẻ bấtkhả thấu hiểu, và con người lệ thuộc sự nhân từ của họ Tuy nhiên kể từThales của Miletus (khoảng 624 TCN – khoảng 546 TCN) gần 2600 năm vềtrước, mọi thứ bắt đầu thay đổi Tư tưởng tin rằng tự nhiên tuân theo nhữngnguyên tắc phi mâu thuẫn vốn có thể giải mã được đã nổi lên Và rồi bắt đầucho một quá trình lâu dài nhằm thay thế cho niềm tin vào sự cai trị của các vịthần bằng khái niệm về một vũ trụ chi phối bởi các định luật tự nhiên, vàđược tạo ra theo một bản thảo mà ngày nào đó ta có thể học được cách đọcnó

Xét trên chiều dài lịch sử nhân loại, chất vấn khoa học là một nỗ lực còn

rất mới Giống loài của chúng ta, Người hiểu biết (Homo sapiens), bắt nguồn

từ vùng Châu phi cận Shahara vào khoảng năm 200,000 TCN Ngôn ngữviết chỉ xuất hiện từ năm 7000 TCN, là sản phẩm của những cộng đồng quâyquần quanh các mùa vụ ngũ cốc (Một số trong các bản viết cổ nhất liên

quan tới khẩu phần bia hằng ngày cho mỗi công dân.) Những ghi chép sớmnhất từ nền văn minh vĩ đại của Hy Lạp cổ đại có từ thế kỉ thứ chín TCN,nhưng đỉnh cao của nền văn minh đó, “giai đoạn cổ điển”, phải đến nhiềutrăm năm sau đó, bắt đầu trước năm 500 TCN một chút Theo Aristotle (384TCN – 322 TCN), chính vào lúc đó Thales đã lần đầu tiên phát triển tư tưởng

về một thế giới mà ta có thể hiểu được, rằng những việc phức tạp xảy raxung quanh ta có thể gói gọn lại thành những nguyên lý đơn giản hơn vàđược giải thích mà không cần viện tới các giải thích mang tính huyền bí haythần thánh

Thales được tin là đã lần đầu tiên dự đoán đúng hiện tượng nhật thựcvào năm 585 TCN dù cho sự chính xác của dự đoán đó cỏ vẻ như chỉ là một

cú ăn may Ông là một nhân vật ẩn khuất không để lại ghi chép nào của

mình Quê hương của Thales là một trong những trung tâm trí tuệ của vùngđất Ionia, định cư bởi những người Hy Lạp và đã vươn sức ảnh hưởng củamình từ Thổ Nhĩ Kỳ tới tận nước Ý Khoa học Ionia là một nỗ lực nổi bật bởiniềm hứng thú trong việc lột tả những định luật cơ sở để giải thích các hiệntượng tự nhiên, một cột mốc kì vĩ trong lịch sử tư tưởng nhân loại Hướngtiếp cận của họ đầy lý lẽ và trong nhiều trường hợp dẫn tới những kết luậntương tự một cách đáng ngạc nhiên so với các phương thức tiên tiến hơncủa chúng ta ngày nay mà chúng ta tin vào Nó đã đại diện cho một khởi đầu

lớn lao Nhưng qua hàng thế kỉ, phần nhiều khoa học Ionia đã bị lãng quên –chỉ loay hoay được tái khám phá hoặc là tái sáng tạo, lắm lúc hơn một lần.Theo truyền thuyết, trình bày toán học đầu tiên chúng ta ngày nay có thểgọi là một định luật của tự nhiên được lần ngược thời gian tới thời của mộtngười Ionia tên là Pythagoras (khoảng 580 TCN – khoảng 490 TCN), nổitiếng với định lý mang tên ông: bình phương cạnh huyền (cạnh dài nhất) củamột tam giác vuông bằng tổng các bình phương của hai cạnh còn lại.

Pythagoras còn được cho là đã phát hiện ra quan hệ số học giữa chiều dàidây trong các nhạc cụ với các tổ hợp họa âm của âm thanh Theo ngôn ngữngày nay ta sẽ diễn tả quan hệ đó bằng phát biểu là tần số – số dao độngtrong một giây – của một dây đang rung động dưới áp lực cố định thì tỉ lệnghịch với chiều dài của dây Từ góc nhìn thực tế, điều này giải thích tại saođàn guitar bass phải có dây dài hơn đàn guitar thường Pythagoras khônghẳn như đã thực sự khám phá ra điều này – ông cũng không phát hiện rađịnh lý mang tên ông – nhưng có bằng chứng là một vài quan hệ giữa dây và

âm vực đã được biết đến trong thời của ông Nếu vậy, người ta có thể gọicông thức toán học đơn giản đó là ví dụ đầu tiên của thứ mà chúng ta bâygiờ gọi là vật lý lý thuyết

IoniaCác học giả ở Ionia nằm trong số những người đầu tiên đã giải thích các hiện tượng tự nhiên bằng các định luật tự nhiên thay vì huyền thoại hay thần lý.Tách biệt với định lý của Pythagoras về các dây dao động, các định luậtvật lý duy nhất được biết đến chính xác vào thời cổ đại là ba định luật đượcchi tiết hóa bởi Archimedes (khoảng 287 TCN – khoảng 212 TCN), đíchthực là nhà vật lý nhất đáng kính vào thời xưa Theo thuật ngữ ngày nay,định luật về đòn bẩy giải thích cho việc các lực nhỏ có thể nâng các vật cótrọng lượng lớn bởi vì đòn bẩy khuếch đại một lực dựa trên tỉ số giữa các

khoảng cách tính từ điểm tựa của đòn bẩy Định luật về sự nổi phát biểurằng một vật nhúng vào một chất lỏng sẽ chịu một lực hướng lên cân bằngvới trọng lực của khối chất lỏng bị chiếm chỗ Và định luật phản xạ xác nhậnrằng góc giữa chùm sáng tới và gương bằng với góc giữa gương và chùmphản xạ Nhưng Archimedes đã không gọi chúng là các định luật, cũng

không giải thích chúng dựa trên quan sát và đo đạc Thay vào đó ông coichúng như các định lý thuần toán học, trong một hệ thống mang tính tiên đềgiống như hệ thống mà Euclid đã tạo ra cho hình học

Trong khi ảnh hưởng của Ionia lan tỏa, lại xuất hiện những cá nhân khácthấy rằng vũ trụ sở hữu một trật tự nội tại, một trật tự có thể hiểu đượcthông qua quan sát và lý luận Anaximander (khoảng 610 TCN – khoảng 546TCN), một người bạn và cũng có thể là học trò của Thales, lập luận rằng vìnhững đứa trẻ sơ sinh là bất lực, nếu con người đầu tiên bằng cách nào đóxuất hiện trên trái đất như là một đứa trẻ sơ sinh, nó phải không thể tồn tạiđược Với ý tưởng có thể là sự mơ hồ đầu tiên của con người về sự tiếnhóa, Anaximander lập luận, con người vì vậy phải tiến hóa từ những loàiđộng vật khác có con non rắn rỏi hơn Ở Sicily, Empedocles (khoảng 490TCN – khoảng 430 TCN) đã quan sát công dụng của một dụng cụ gọi là

clepsydra Đôi khi dùng như vật múc, nó gồm một khối cầu với một chiếc cổloe rộng và một lỗ dưới đáy cầu Khi nhấn chìm trong nước nó sẽ đầy, vànếu như chiếc cổ loe được bít lại, món đồ này có thể được nhấc ra mà khônglàm nước rơi khỏi cái lỗ Empedocles chú ý rằng khi ta bít chiếc cổ lại trướckhi nhúng chìm, chiếc clepsydra sẽ không thể đầy được Ông lập luận rằngđiều gì đó vô hình phải ngăn không cho nước chui vào khối cầu qua cái

lỗ – Empedocles đã phát hiện ra thành tố vật chất mà chúng ta gọi là khôngkhí

Cùng khoảng thời gian đó, ở một vùng lãnh địa Ionia ở phía bắc Hy Lạp,Democritus (khoảng 460 TCN – khoảng 370 TCN) cũng đang suy tư điều gì

sẽ xảy ra khi ta bẻ hay cắt một vật thành nhiều mảnh Ông lập luận rằng bạnphải không thể tiếp tục quá trình này vô hạn Thay vào đó, ông giả thuyếtrằng mọi vật, kể cả các vật sống, được tạo nên từ các hạt cơ sở không thể bịcắt hay bẻ thành nhiều mảnh được Ông đặt tên cho các hạt tận cùng này là

atoms (nguyên tử), từ tính từ Hy Lạp nghĩa là “không cắt được nữa”.

Democritus tin rằng mọi hiện tượng vật chất đều là sản phẩm của sự va

chạm của các nguyên tử Quan điểm của ông, tạm gọi thuyết nguyên tử, chorằng mọi hạt di chuyển chung quanh trong không gian, và, trừ phi có xáođộng, sẽ di chuyển thẳng tiến mãi mãi Ngày nay ý tưởng đó được gọi làđịnh luật quán tính Ý tưởng cách mạng cho rằng chúng ta chì là những cưdân bình thường của vũ trụ, không phải những thực thể đặc biệt tách biệt tồntại ở trung tâm vũ trụ, đã đạt được nhờ Aristarchus (khoảng 310 TCN –

khoảng 230 TCN), một trong số những nhà khoa học Ionia cuối cùng Chỉmột trong số những tính toán của ông tồn tại, một phân tích hình học phứctạp từ những quan sát thực tế kĩ lưỡng ông thu được từ kích thước bóng của

trái đất trên mặt trăng khi có nguyệt thực Ông kết luận rằng mặt trời phải tohơn nhiều so với trái đất Có lẽ có cảm hứng từ ý tưởng rằng những vật nhỏxíu phải chuyển động xung quanh những vật lớn xác mà không phải kiểu nàokhác, Aristarchus là người đầu tiên đã tuyên bố rằng trái đất không là trungtâm trong hệ hành tinh của chúng ta, thay vào đó nó và các hành tinh khácchuyển động theo quỹ đạo xoay xung quanh mặt trời lớn hơn nhiều Nó làmột bước nhỏ từ ý tưởng trái đất chỉ là một hành tinh cho tới ý tưởng rằngmặt trời của chúng ta cũng không có gì đặt biệt Aristarchus ngờ rằng đóchính là vấn đề và ông tin rằng các ngôi sao ta thấy trên bầu trời đêm thật racũng không hơn gì ngoài những mặt trời xa xăm.

Những người Ionia chỉ thuộc về một trong số nhiều trường phái của triếthọc Hy Lạp cổ đại, mỗi phái có những truyền thống khác nhau và thườngxuyên xung đột Không may, quan điểm về tự nhiên của những người Ionia –rằng tự nhiên có thể được giải thích thông qua các định luật tổng quát và rútgọn thành một tập hợp các nguyên lý – chỉ phát huy ảnh hưởng mạnh mẽtrong vài thề kỉ Một lý do cho điều đó là vì các giả thuyết của Ionia thường

có vẻ như không có chỗ đứng cho khái niệm ý chí tự do hay mục đích, hay ýniệm về các vị thần có thể can thiệp vào các công việc của thế giới Đây làmột khước từ đáng kinh ngạc đã gây bất an một cách sâu sắc cho nhiều bộ

óc Hy Lạp cũng như nó vẫn còn làm đối với nhiều người ngày nay Nhà triếthọc Epirurus (341 TCN – 270 TCN), lấy làm ví dụ, đã phản đối thuyết nguyên

tử trên lập trường “tốt hơn nên tuân theo những huyền thoại về các vị thầnthay vì trở thành “nô lệ” cho sự an bài của các nhà triết học tự nhiên.”

Aristole cũng khước từ khái niệm nguyên tử vì ông không thể chấp nhận ýtưởng rằng con người lại được tổng hợp từ những vật thể vô hồn, không sựsống Ý tưởng của những người Ionia về một vũ trụ không có con người làmtrung tâm là một cột mốc trong hiểu biết của chúng ta về vũ trụ, nhưng nó làmột tư tưởng rồi sẽ bị đình trệ mà không được đoái hoài, hay được chấpnhận rộng rãi trở lại, tới tận thời của Galileo, gần hai mươi thế kỉ sau đó

Dù có sáng tỏ như những phỏng đoán về tự nhiên rút ra từ đó, các tưtưởng của người Hy Lạp cổ đại sẽ không thể vượt qua khảo hạch để thànhkhoa học có hiệu lực trong thời hiện đại Vì một lẽ, những người Hy Lạp cổđại đã không sáng tạo ra các phương pháp mang tính khoa học, các giả

thuyết của họ không được phát triển nhằm mục đích tìm kiếm sự xác minh từthực nghiệm Do thế nếu một học giả tuyên bố một nguyên tử di chuyển theomột đường thẳng cho tới khi nó va phải một nguyên tử thứ hai và một họcgiả khác tuyên bố một nguyên tử di chuyển theo đường thẳng cho tới khi nóđâm vào một quái vật ba mắt, thì cũng chẳng có cách nào khách quan đềdàn xếp cuộc tranh luận Cùng với đó, không có sự phân biệt rạch ròi giữacác quy chế của con người và các định luật vật lý Trong thế kỉ thứ năm

TCN, ta lấy làm ví dụ, Anaximaner viết rằng mọi thứ nổi lên từ một chất cơbản, và sẽ quay về là nó, nhằm tránh “nộp phạt và trả giá cho sự bất lươngcủa chúng” Và theo như nhà triết học Ionia Heraclitus (khoảng 535 TCN –

khoảng 475 TCN), mặt trời cư xử như nó vẫn vậy vì ngược lại nữ thần công

lý sẽ đi triệt hạ nó Nhiều trăm năm sau đó, những môn đồ Không Sân Si,một trường phái của các triết gia Hy Lạp nổi lên khoảng thế kỉ thứ 3 TCN, đãrạch ròi giữa các quy chế của con người với các định luật tự nhiên, nhưng

họ cũng gộp luôn các nhân cách mà họ coi là thuộc về vũ trụ – như sự tônkính Chúa và phục tùng cha mẹ – vào chung chỗ với các định luật tự nhiên.Một cách ngược ngạo giống vậy, họ thường miêu tả các quá trình vật lý

trong khuôn khổ hợp pháp và tin rằng chúng cần phải được tuân phục, mặt

dù những đối tượng được đòi hỏi phải “tuân thủ” các định luật là không có sựsống Nếu bạn nghĩ khó mà bắt người ta đi đúng luật giao thông, thử tưởngtượng việc thuyết phục một thiên thạch di chuyển trên một quỹ đạo ellipse.Truyền thống này tiếp tục ảnh hưởng lên những bộ óc kế thừa các nhà khoahọc Hy Lạp nhiều thế kỉ tiếp theo Vào khoảng thế kỉ thứ mười ba nhà triếthọc Thiên Chúa sơ khai Thomas Aquinas (khoảng 1225 – 1274) đã tiếp thuquan điểm này và dùng nó để xác nhận cho sự tồn tại của Thượng đế, ôngviết “ Rõ ràng rằng (các thực thể không sống) chạm tới kết thúc của mìnhkhông phải bằng xác suất mà là bằng dự định Cho nên phải có một thựcthể cá nhân với trí tuệ mà từ đó, mọi vật được yêu cầu tới kết thúc của

chúng.” Thậm chí mãi tới thế kỉ mười sáu, nhà chiêm tinh học vĩ đại ngườiĐức Johannes Kepler (1571 – 1630) vẫn còn tin rằng các hành tinh sở hữunhận thức giác quan và tuân theo các định luật về chuyển động được chúngnắm bắt bằng “tư duy”

Tư tưởng cho rằng các định luật phải được phục tùng có chủ ý phảnánh sự tập trung của những người cổ đại đối với việc vì sao tự nhiên biểuhiện như cách nó đang biểu hiện hơn là nó biểu hiện như thế nào Aristotle

là một trong những người đề xuất hàng đầu cho cách tiếp cận này, khước từ

ý tưởng rằng khoa học chủ yếu dựa các quan sát Các đo đạc tỉ mỉ và tíntoán toán học thường gặp đủ kiểu khó khăn vào thời cổ đại Ý tưởng về cơ

số mười mà ta thấy rất tiện lợi ngày nay trong các phép toán chỉ có khoảng

từ năm 700 SCN, khi người Ấn Độ có những bước tiến to lớn cho việc biến

nó thành một công cụ toán học mạnh mẽ Các kí hiệu cho phép cộng và trừvẫn chưa xuất hiện mãi tới tận thế kỉ mười lăm Và dấu bằng cũng như cácđồng hồ đo được chi tiết tới từng giây cũng chưa xuất hiện cho tới tận thế kỉmười sáu

Aristotle, dù vậy, vẫn không coi những vấn đề trong đo đạc và tính toán

là trở ngại để phát triển một môn vật lý có thể đưa ra các dự đoán định

lượng Hơn nữa, ông thấy không cần thiết phải làm chuyện đó Thay vào đó,Aristotle xây dựng vật lý của ông dựa trên các nguyên lý cuốn hút ông mộtcách hàn lâm Ông che lấp sự thật mà ông cảm thấy không thu hút và tậptrung nỗ lực cho các lý do mà mọi việc xảy ra, với khá ít công sức bỏ ra đểxem chi tiết thực sự điều gì đang xảy ra Aristotle chỉ điều chỉnh các kết luậncủa mình khi sự bất đồng lồ lộ với quan sát không thể phớt lờ được Nhưngnhững điều chỉnh đó thường chỉ là những giải thích kiểu ứng biến và không

làm được gì hơn là chắp vá lên sự mâu thuẫn Theo cái cung cách ấy, khôngcần biết lý thuyết của ông chệch khỏi thực tế như thế nào, ông luôn có cách

để chỉnh nó lại vừa đủ để có vẻ như không còn xung đột Ví dụ như giả

thuyết về chuyển động của ông tuyên bố rằng các vật thể rơi với một tốc độkhông đổi tỉ lệ thuận với trọng lượng của chúng Để giải thích cho sự thật làcác vật thể tăng tốc khi rơi, ông sáng chế ra một nguyên lý mới – rằng cácvật thể tiến tới một cách hứng khởi hơn, thành thử sẽ tăng tốc, khi chúngđến gần với vị trí nghỉ tự nhiên, một nguyên lý có vẻ như giống một miêu tảđích xác cho một số người cụ thể hơn là cho các vật thể không có sự sống

Dù các giả thuyết của Aristotle thường có ít giá trị dự đoán, hướng tiếp cậncủa ông đối với khoa học đã thống lĩnh tư duy phương Tây cho đến gần haingàn năm

Những người Thiên Chúa giáo kế thừa Hy Lạp đã khước từ ý tưởngrằng vũ trụ bị chi phối bởi các định luật vô tư Họ cũng khước từ ý tưởng conngười không ở giữa một chỗ được đặc ân ở trong vũ trụ đó Mặc dù thờitrung cổ không hề có lấy một hệ triết lý dễ hiểu, bối cảnh chung vẫn là vũ trụnhư một ngôi nhà búp bê của chúa, với tôn giáo là một nghiên cứu có giá trịhơn nhiều so với các hiện tượng tự nhiên Còn thực ra, năm 1277 Giám mụcTempier của Paris, theo chỉ dụ của giáo hoàng John XXI, đã xuất bản mộtdanh sách 219 sai phạm hay còn gọi là những điều dị giáo mà sẽ bị kết tội.Trong số các điều dị giáo có tư tưởng về một tự nhiên tuân theo các địnhluật, vì điều này xung đột với sự toàn năng của Chúa Điều thú vị là GiáoHoàng John đã bị mất mạng dưới tác dụng của lực hấp dẫn chỉ vài thángsau đó khi bị trần điện của mình rơi xuống đầu

“Nếu có một điều ta đã học suốt sự trường trị của

mình, đó là sức nóng tăng”

Khái niệm hiện đại về các định luật tự nhiên ló dạng đầu tiên vào thế kỉmười bảy Kepler có vẻ như là người đầu tiên hiểu được thuật ngữ này theotiêu chuẩn khoa học hiện đại, mặc dù như đã nói, ông vẫn còn bảo lưu mộtquan điểm duy tâm về các vật thể vật lý Galileo (1564–1642) đã không dùngthuật ngữ “định luật” trong phần lớn các công trình khoa học của mình (dù

nó xuất hiện trong một số dịch bản của các công trình này) Dù có dù khôngviệc dùng đến từ này, Galileo đã thực sự khám phá ra rất nhiều định luật vàủng hộ nguyên tắc quan trọng rằng quan sát là nền tảng của khoa học vàmục đích của khoa học là để nghiên cứu các quan hệ định lượng tồn tại giữacác hiện tượng vật lý Nhưng người đầu tiên xây dựng một cách tường tận

và năng nổ khái niệm về các định luật của tự nhiên như chúng ta hiểu ngàynay chính là René Descartes (1596–1650) Descartes tin rằng tất cả các hiệntượng vật lý phải được giải thích trong khuôn khổ sự va chạm của các khốilượng di chuyển, bị chi phối bởi ba định luật – các tiền thân cho những địnhluật chuyển động của Newton Ông quả quyết rằng các định luật này luôn cóhiệu lực ở mọi nơi và mọi lúc, và khẳng định đích xác rằng sự phục tùng cácđịnh luật này không ngụ ý rằng các thực thể đó có tư duy Descartes cũnghiểu được tầm quan trọng của cái mà ngày nay chúng ta gọi là “sơ kiện”

(điều kiện đầu - lnd) Chúng mô tà trạng thái của một hệ thống vào điểm đầu

bất kỳ khoảng thời gian nào mà ta đi tìm những dự đoán Với một tập hợpcho trước các sơ kiện, các định luật tự nhiên xác định một hệ thống sẽ tiếnhóa như thế nào theo thời gian, nhưng thiếu một tập hợp các sơ kiện cụ thể,

sự tiến hóa không thể được xác định Nếu, lấy làm ví dụ, tại thời điểm zeromột con chim bồ câu ngay phía trên đầu thả rơi một vật, quỹ đạo của vật thể

đó được xác định bởi các định luật của Newton Nhưng kết cục sẽ rất khácnhau tùy thuộc vào, tại thời điểm zero, con bồ câu đang ngồi yên trên sợicáp điện thoại hay đang bay với vận tốc 20 dặm một giờ Để áp dụng cácđịnh luật của vật lý, ta phải biết một hệ bắt đầu như thế nào, hoặc ít nhấttrạng thái của nó tại thời điểm xác định nào đó (Một người có thể sử dụngcác định luật để lần theo một hệ ngược về trước đó theo thời gian.)

Cùng với niềm tin vừa hồi sinh về các định luật của tự nhiên các nỗ lựcmới để dàn xếp các định luật này với ý niệm về Chúa cũng bắt đầu xuất

hiện Theo Descartes, Chúa có thể tự ý hoán đổi chân lý hay phi lý của cáctuyên bố theo luân thường hay các định lý toán học, tự nhiên không làm việc

đó Ông tin rằng Chúa thụ phong các định luật nhưng không có sự chọn lựacho các định luật; thay vào đó, Chúa chọn chúng vì các định luật mà chúng

ta trải nghiệm là những định luật duy nhất có thể Điều này có vẻ như xâmphạm tới thẩm quyền của Chúa, nhưng Descartes đã lách vòng qua điều đóbằng cách tuyên bố rằng các định luật là không thể thay thế vì chúng là sựphản ánh cho bản chất nội tại của chúa Nếu đó là thật, ta vẫn có thể nghĩ làChúa có sự chọn lựa để tạo ra vô vàn các thế giới khác nhau, mỗi cái tương

ứng với một tập hợp khác nhau các sơ kiện, nhưng Descartes cũng từ chốiđiều này Bất luận sắp xếp của mọi thứ như thế nào tại khởi đầu của vũ trụ,ông khẳng định, theo thời gian một thế giới tương tự với thế giới của chúng

ta sẽ lại tiến hóa lên Thêm vào đó, Descartes cảm thấy rằng, một khi Chúathiết đặt cho thế giới vận động, Chúa bỏ nó hoàn toàn đơn độc

Một ý kiến tương tự (với một vài ngoại lệ) đã được tiếp nhận bởi IsaacNewton (1643 – 1727) Newton là người đã giành được sự đồng thuận rộngrãi cho khái hiện đại của định luật khoa học với ba định luật chuyển động và

và định luật của ông về lực hấp dẫn của ông, là những thứ lý giải cho quỹđạo của trái đất, mặt trăng, và các hành tinh, và giải thích các hiện tượng đạiloại như những con triều Một nhúm những công thức ông tạo ra, và cấu trúctoán học tinh vi mà từ đó chúng ta chuyển hóa chúng, vẫn còn được dạyngày nay, và được vay mượn bất cứ khi nào một kiến trúc sư thiết kế mộttòa nhà, một kĩ sư thiết kế chiếc xe, hay một nhà vật lý tính toán làm cáchnào nhắm một tên lửa cho nó đáp lên sao Hỏa Như nhà thơ Alexander Popetừng nói:

Tự nhiên với Định luật ẩn khuất trong đêm:

Chúa bảo, Newton tồn tại! và thảy sáng bừng.

Ngày nay hầu hết các nhà khoa học sẽ nói một định luật tự nhiên là mộtquy tắc dựa trên sự đều đặn quan sát được và cung cấp những dự đoánvượt qua tình huống tức thời mà nó dựa trên Ví dụ, chúng ta có lẽ vẫn chú ý

là mặt trời mọc từ hướng đông mỗi sáng trong đời mình, và giả sử một địnhluật “Mặt trời luôn mọc ở hướng đông.” Đây là một tổng quát hóa vượt quanhững quan sát có giới hạn của chúng ta về việc mặt trời mọc và tạo ra

những dự đoán có thể kiểm tra trong tương lai Mặt khác, một phát biểu kiểunhư “Những chiếc máy tính trong văn phòng này màu đen” không là một địnhluật tự nhiên bởi vì nó chỉ liên quan tới những chiếc máy tính ở trong vănphòng và không tạo ra những dự báo tỉ như “Nếu như văn phòng của tôimua một chiếc máy tính mới, nó sẽ mang màu đen.”

Hiểu biết hiện đại của chúng ta về thuật ngữ “định luật của tự nhiên” làmột vấn đề mà các triết gia cãi nhau trường kì, và nó là một câu hỏi tinh tếhơn nhiều so với khi ta mới đầu nghĩ Ví dụ, triết gia John W Caroll so sánhphát biểu “Tất cả các khối cầu bằng vàng đều có bán kính dưới một dặm” vớiphát biểu như “Tất cả khối cầu bằng uranium-235 đều có bán kính dưới mộtdặm.” Những quan sát của chúng ta về thế giới bảo rằng không có khối cầubằng vàng nào có bán kính rộng hơn một dặm, và ta có thể khá tự tin là sẽchẳng bao giờ có Tuy nhiên, chúng ta cũng không có lý do gì để tin rằngkhông thể có một vật như thế, thành thử phát biểu đó không được coi là mộtđịnh luật Mặt khác, phát biểu “Tất cả khối cầu bằng uranium-235 đều có bánkính dưới một dặm.” có thể nghĩ như là một định luật của tự nhiên vì, theonhững gì ta biết về vật lý hạt nhân, một khi một khối cầu uranium-235 lớn lên

tới một bán kính lớn hơn khoảng sáu inch (1 “lóng” = 2,54 cm - lnd), nó sẽ tự

triệt diệt bản thân trong một vụ nổ hạt nhân Thế nên ta có thể chắc rằng

những quả cầu như thế không tồn tại (Và cũng không hay ho gì để đi làmthứ đó!) Sự phân biệt này thành vấn về bởi vì nó minh họa rằng không phảitất cả sự tổng quát hóa chúng ta quan sát được có thể nghĩ tới như nhữngđịnh luật của tự nhiên, và rằng hầu hết các định luật của tự nhiên tồn tại nhưphần nhỏ của một hệ thống phức liên kết rộng hơn của các định luật.

Trong khoa học hiện đại các định luật tự nhiên thường được miêu bằngtoán học Chúng có thể hoặc tuyệt đối hoặc xấp xỉ, nhưng chúng phải đượcquan sát là đứng vững được với không ngoại lệ – nếu như không trên toàn

vũ trụ, chí ít phải dưới một tập hợp các điều kiện thi hành Ví dụ, chúng tanay đã biết các định luật của Newton phải được hiệu chỉnh nếu các đối

tượng di chuyển ở những vận tốc gần vận tốc ánh sáng Nhưng chúng tavẫn coi các định luật của Newton là định luật vì chúng đứng vững, ít nhất vớimột sự xấp xỉ rất tốt, trong những trường hợp các tốc độ mà chúng ta gặpphải thường thấp hơn nhiều vận tốc ánh sáng

Nếu tự nhiên tuân thủ bởi các định luật, ba câu hỏi ló dạng:

1 Đâu là nguồn gốc các định luật?

2 Có không các ngoại lệ cho các định luật, nói cách khác, phép

màu?

3 Có không chỉ một tập hợp duy nhất các định luật khả dĩ?

Những câu hỏi quan trọng này đã được truy vấn theo nhiều cách bởicác nhà khoa học, triết học, và thần học Câu trả lời truyền thống cho câu hỏiđầu tiên – trả lời của Kepler, Galileo, Descartes, và Newton – là các định luật

là công trình của Chúa Tuy nhiên, đó không khác gì hơn một định nghĩa vềchúa như là đại diện của các định luật tự nhiên Trừ phi ai đó gán cho Chúamột số đặc tính khác, như là Chúa trong kinh Cựu Ước, vịn tới Chúa như lờiđáp lại cho câu hỏi đầu tiên chỉ là thay thế một bí ẩn này bằng bí ẩn khác.Vậy nếu như ta để Chúa can dự tới câu hỏi đầu tiên, nút kẹt lại đến ở câuhỏi thứ hai: Có không phép màu, hay ngoại lệ cho các định luật?

Ý kiến về câu trả lời cho câu hỏi thứ hai bị chi rẽ sâu sắc Plato và

Aristotle, các tác gia Hy Lạp cổ đại nhiều ảnh hưởng nhất, đoan chắc là

không thể có ngoại lệ cho các định luật Nhưng nếu như ta lấy quan điểmkinh thánh, thì Chúa không chỉ tạo ra các định luật mà còn gây cuốn hút

bằng cách cầu nguyện để tạo ra ngoại lệ – hồi sinh người bệnh đang hấphối, hay mang kết thúc sớm cho những cơn hạn hán, hay phục hồi bóng gậythành môn thể thao trong Thế Vận Hội Đối lập với quan điểm của Descartes,hầu hết các các bộ óc Thiên Chúa giáo đều duy trì niềm tin rằng Chúa phải

có khả năng trì hoãn các định luật để thi triển phép màu Ngay cả Newtoncũng tin vào phép màu theo một kiểu Ông nghĩ rằng quỹ đạo của các hànhtinh phải không ổn định bởi vì hấp dẫn trọng trường của một hành tinh lênhành tinh khác sẽ gây ra xáo trộn tới các quỹ đạo và sự xáo trộn sẽ tích lũytheo thời gian dẫn đến kết quả là các hành tinh hoặc sẽ rơi vào mặt trời hoặc

sẽ bị quăng khỏi thái dương hệ Chúa phải đang liên tục thiết đặt lại các quỹđạo, ông tin vậy, hay “tua lại đồng hồ thiên thể, nhằm ngăn nó xuống cấp.”

Tuy nhiên, hầu tước Pierre-Simon de Laplace (1749 – 1827), thường gọi làLaplace, tranh luận rằng sự chệch hướng sẽ mang tính chu kì, ví dụ, đặctrưng bằng những vòng lặp, thay vì tích lũy Hệ mặt trời do đó sẽ tự thiết đặtlại và sẽ không cần tới sự can thiệp linh thiêng để giải thích vì sao nó vẫn tồntại cho đến ngày nay.

Chính Laplace là người thường được xem như đã đề xướng thuyết tấtđịnh khoa học: Có trạng thái của vũ trụ tại một thời điểm, một tập hợp hoànchỉnh các định luật sẽ trọn vẹn xác định được cả tương lai và quá khứ Điềunày loại trừ khả năng cho những phép màu hay vai trò chủ động của Chúa.Thuyết tất định khoa học mà Laplace xây dựng là lời đáp của các nhà khoahọc hiện đại cho câu hỏi thứ hai Nó, thực chất, là nền tảng của toàn bộ khoahọc hiện đại, và một nguyên tắc quan trọng trong suốt quyển sách này Mộtđịnh luật khoa học sẽ không thành một định luật khoa học nếu nó chỉ đứngvững khi một đấng siêu nhiên nào đó quyết định sẽ không can thiệp Nhận rađiều này, Napoleon được kể lại là đã hỏi Laplace rằng Chúa ăn khớp vớibức tranh này như thế nào, Laplace đã đáp lại: “Bệ hạ, thần vẫn chưa cầngiả thuyết đó.”

Bởi vì người ta sống trong vũ trụ và tương tác với các đối tượng trong

đó, thuyết tất định khoa học cũng phải đúng trên con người Nhiều người,ngược lại, trong khi vừa chấp nhận thuyết tất định khoa học chi phối các quátrình vật lý, vừa tạo ra một ngoại lệ cho hành vi của con người vì họ tin conngười là có ý chí tự do Descartes, lấy làm ví dụ, để bảo tồn tư tưởng về ýchí tự do, quả quyết rằng tư duy con người là gì đó khác với thới giới vật lý

và không tuân theo các định luật này Trong quan điểm của ông một ngườigồm có 2 thành phần, một thân xác và một linh hồn Thân xác không là gìngoài một cỗ máy bình thường, nhưng linh hồn thì nằm ngoài chủ đề của cácđịnh luật khoa học Descartes vốn có hứng thú đối với giải phẫu học và sinh

lý và đã liên hệ một cơ quan bé xíu ở trung tâm não bộ, gọi là tuyến tùngnhư là chỗ khu trú nguyên bản của linh hồn Tại phần tuyến đó, ông tin rằng,tất cả ý nghĩ của chúng ta được hình thành, là giếng nguồn của ý chí tự do

“Tôi nghĩ anh nên cặn kẽ hơn ngay đây ở bước hai”

Con người ta có ý chí tự do không? Nếu chúng ta có ý chí tự do, ở đâutrên cây tiến hóa nó đã bắt đầu phát triển? Thế loài tảo lam lục hay vi khuẩn

có ý chí tự do không, hay là hành vi của chúng là tự động và nằm trong lãnhđịa của các định luật khoa học ? Phải chăng chỉ các cơ thể đa bào có ý chí

tự do, hay chỉ các loài thú có ? Ta có lẽ nghĩ một con tinh tinh đang thựchành ý chí tự do khi nó chọn xơi một quả chuối, hay con mèo khi nó cào bấy

bộ sofa của bạn, nhưng còn con sán có tên Caenorhabditis elegans – một

sinh vật đơn giản tạo thành từ 959 tế bào? Nó có vẻ như chẳng bao giờ suynghĩ, “Thật là mấy con vi khuẩn mặn mà mà mình chén bữa tối đây,” dù nó

có sự ưu tiên cho thức ăn và sẽ hoặc chấp nhận một bữa tối kém hấp dẫnhoặc đi bới móc ra thứ gì đó tốt hơn, phụ thuộc vào kinh nghiệm gần đây.Phải chăng đó cũng là thực hành ý chí tự do?

Dù chúng ta cảm giác là mình có thể chọn điều mình làm, hiểu biết củachúng ta về nền tảng phân tử của sinh học cho thấy các quá trình sinh lýtuân thủ các quy luật vật lý và hóa học và do thế sẽ tất định như quỹ đạo củacác hành tinh Những thí nghiệm gần đây trong thần kinh học ủng hộ quanđiểm rằng bộ não vật lý của chúng ta, vốn tuân theo các định luật đã biết củakhoa học, xác định các hành động của chúng ta, chứ không phải một thế lựcnào đó tồn tại bên ngoài những định luật này Cho ví dụ, một nghiên cứu trêncác bệnh nhân đang trải qua giải phẫu não khi tỉnh phát hiện rằng bằng cáckích thích điện lên những vùng thích hợp của bộ não, người ta có thể tạo ra

ở bệnh nhân mong muốn để di chuyển bàn tay, cánh tay, hay chân, hay cửđộng môi và nói chuyện Thật khó mà tưởng tượng làm sao ý chí tự do cóthể vận hành nếu hành vi của chúng ta được xác định bằng các định luật vật

lý, cho nên nó cho thấy chúng ta không gì hơn ngoài những cỗ máy sinh học

và rằng ý chí tự do chỉ là một ảo tưởng

Trong khi thừa nhận rằng hành vi của con người thực sự được xác địnhbởi các định luật tự nhiên, nó có vẻ hợp lý khi kết luận rằng kết quả đượcxác định theo một cách phức tạp và với rất rất nhiều biến số khiến cho nó trởnên bất khả thi để dự đoán trong thực tế Ví như người ta phải cần biết tớitrạng thái khởi đầu của mỗi phân tử trong hàng triệu tỉ tỉ các phân tử trong cơthể con người rồi giải kiểu như chừng ấy số hệ phương trình Việc ấy phảimất vài tỉ năm, và sẽ hơi trễ để hụp xuống một khi người đối diện đang ngắmđường cho một cú đánh

Vì nó hoàn toàn phi thực tế khi dùng các định luật vật lý nền tảng để dựđoán hành vi con người, chúng ta tiếp nhận cái gọi là lý thuyết thực tiễn.Trong vật lý, một lý thuyết thực tiễn là một cơ cấu được tạo ra để mô hìnhhóa một số hiện tượng cụ thể quan sát được mà không phải miêu tả chi tiếttất cả các quá trình cơ sở Ví dụ, ta không thể giải chính xác các phươngtrình chi phối tương tác hấp dẫn của mỗi nguyên tử trong cơ thể của mộtngười với mỗi nguyên tử của trái đất Nhưng tất cả vì các mục đích thực tế

lực hấp dẫn giữa một người và trái đất có thể được miêu tả trong khuôn khổchỉ một vài con số, như là tổng khối lượng của một người Tương tự, do

không thể giải các phương trinh chi phối hành vi của các nguyên tử và phân

tử, ta đành phát triển một lý thuyết thực tiễn gọi là hóa học để cung cấp một

lý giải vừa đủ cho việc các nguyên tử và phân tử cư xử như thế nào trongcác phản ứng hóa học mà không phải lý giải mọi chi tiết của tương tác

Trong trường hợp đối với con người, vì không thể giải các phương trình xácđịnh hành vi của chúng ta, chúng ta dùng một lý thuyết thực tiễn là con

người có ý chí tự do Ngành nghiên cứu về ý chí của chúng ta, và các hành

vi xuất phát từ đó, là khoa học tâm lý Kinh tế học cũng là một lý thuyết thựctiễn, dựa trên ý tưởng về ý chí tự do và giả định rằng người ta sẽ đánh giácác phương thức thay thế nhau có thể có cho một hành động và chọn lấy cáitốt nhất Lý thuyết thực tiễn đó chỉ thành công tương đối trong việc dự đoánhành vi vì, như ta đều biết, quyết định thường không duy lý hay chỉ dựa trên

sự phân tích vốn khiếm khuyết về hậu quả của lựa chọn Đó là vì sao thếgiới luôn thành một mớ lộn xộn

Câu hỏi thứ ba chất vấn về vấn đề liệu các định luật xác định cả vũ trụ

và hành vi của con người là duy nhất Nếu câu trả lời của bạn cho câu hỏithứ nhất là Chúa tạo ra các định luật, vậy thì câu hỏi này hiểu là, Chúa có tự

do trong việc chọn lựa chúng ? Cả Plato và Aristotle đều tin, cũng như

Descartes và trễ hơn nữa là Einstein, rằng các nguyên tắc của tự nhiên tồntại vì một lẽ“cần thiết”, nghĩa là, đó là những quy tắc duy nhất tạo ra sự nhậnthức logic Dựa trên niềm tin của mình về nguồn gốc của các định luật tựnhiên theo logic, Aristotle và những người đi theo ông cảm giác rằng người

ta có thể “suy ra” các định luật đó không cần chú ý nhiều tới việc tự nhiênthực sự hành xử như thế nào Điều đó, cùng sự tập trung vào vì sao các đốitượng tuân theo các quy tắc hơn là thực sự các quy tắc này là gì, chủ yếutoàn dẫn ông tới những định luật định tính thường sai lầm và trong mọi

trường hợp không chứng tỏ sự hữu dụng cho lắm, cho dù là nó đã thống trị

tư duy khoa học suốt nhiều thế kỉ Chỉ rất lâu sau đó những người như

Galileo mới dám thách thức uy thế của Aristotle và quan sát tự nhiên theocách thực sự của nó, thay vì điều mà “lý do” thuần khiết bảo rằng nó nênnhư vậy Quyển sách này bám rễ trên khái niệm về thuyết tất định khoa học,ngụ ý rằng câu trả lời cho câu hỏi hai là không có phép màu, hay ngoại lệtrong các định luật của tự nhiên Tuy nhiên, chúng ta sẽ quay lại để chất vấnsâu hơn câu hỏi một và hai, các vấn đề về các định luật ló dạng như thế nào

và có hay không chúng là các định luật duy nhất khả dĩ Nhưng trước tiên, ta

sẽ đề cập đến vấn đề về thứ mà các định luật của tự nhiên miêu tả Phần lớncác nhà khoa học sẽ nói chúng là các phản ánh toán học của một thực tạibên ngoài tồn tại độc lập với người quan sát nó Nhưng nếu chúng ta suy xétcách thức mà chúng ta quan sát và hình thành những khái niệm về mọi thứchung quanh, chúng ta lại đâm đầu vào một câu hỏi, rằng chúng ta có thực

sự có lý do để tin rằng một thực tại khách quan tồn tại?

Cách đây vài năm hội đồng thành phố Monza, Ý, ngăn chặn việc các chủthú nuôi giữ cá vàng trong những chiếc chậu cá cong Những người cổ súycho biện pháp này đã giải thích phần nào khi tuyên bố rằng sẽ thật tàn nhẫnkhi giữ một chú cá trong chiếc chậu với các thành chậu cong bởi vì, khi nhìn

ra, con cá sẽ có một cái nhìn méo mó về thực tại Nhưng làm sao ta biết mình

có một bức tranh chân thực, không biến dạng về thực tại? Có thể là khôngkhông khi nói rằng bản thân chúng ta cũng đang ở trong một cái chậu cávàng lớn nào đó và tầm nhìn chúng ta bị bóp méo bởi một cái thấu kính

khổng lồ? Bức tranh về thực tại của cá vàng khác với chúng ta, nhưng liệu ta

có thể chắc rằng nó kém thực hơn? Cái nhìn của cá vàng không giống vớichúng ta, nhưng cá vàng vẫn có thể xây dựng các công thức khoa học chiphối chuyển động của các đối tượng chúng quan sát bên ngoài chiếc chậu

Ví dụ, do sự biến dạng, một đối tượng ta quan sát đang chuyển động tự dotrên một đường thẳng sẽ được quan sát chuyển động theo một đường congbởi cá vàng Tuy là thế, cá vàng vẫn có thể xây dựng các công thức khoahọc từ hệ quy chiếu bị biến dạng của chúng và điều đó sẽ luôn được giữđúng và cho phép chúng dự đoán về chuyển động tương lai của các đối

tượng bên ngoài chiếc chậu Các định luật của chúng thì phức tạp hơn cácđịnh luật trong hệ quy chiếu của chúng ta, nhưng tính đơn giản chỉ là vấn đềnếm trải Nếu một con cá vàng có thể xây dựng một công thức như vậy,

chúng ta đáng ra vẫn phải công nhận cái nhìn của cá vàng như là một bứctranh có hiệu lực về thực tại

Một thí dụ nổi tiếng trong những bức tranh khác biệt nhau về thực tại là

mô hình được giới thiệu vào khoảng năm 150 bởi Ptolemy (khoảng

85-khoảng 165) để miêu tả chuyển động của các thiên thể, Ptolemy xuất bảncông trình của mình trong một chuyên thư mười ba quyển thường được biết

đến dưới tên gọi Ả Rập của nó, Almagest Bộ Almagest bắt đầu bằng cách

giải thích các lý do cho việc nghĩ trái đất là hình cầu, bất động và được đặttại trung tâm vũ trụ Mặc cho mô hình nhật tâm của Aristarchus, các niềm tin

đó đã được giữ lấy bởi hầu hết những người Hy Lạp có học ít nhất từ thờiAristotle, người đã tin rằng bằng những lý do huyền bí mà trái đất nên ở

trung tâm của vũ trụ Trong mô hình của Ptolemy trái đất đứng yên ở trungtâm và các hành tinh và ngôi sao di chuyển chung quanh nó theo những quỹđạo phức tạp liên quan tới những tạp luân, như những vòng xoay trên nhữngvòng xoay.

Vũ trụ theo Ptolemy Trong cái nhìn của Ptolemy, chúng ta sống

ở trung tâm vũ trụ

Mô hình này có vẻ tự nhiên vì ta không cảm thấy trái đất dưới chân

mình chuyển động (trừ những khi động đất hay những khoảnh khắc sân si).Những học vấn sau này ở châu Âu đều dựa trên các nguồn của Hy Lạp

được truyền lại, nên các tư tưởng của Aristotle và Ptolemy đã trở thành nềntảng cho phần nhiều trong tư duy phương Tây Mô hình về vũ trụ của

Ptolemy đã được tiếp nhận bởi nhà thờ Công Giáo và được thiết đặt thànhchủ nghĩa chính thức suốt mười bốn thế kỉ Phải mãi tới năm 1543 thì một

mô hình thay thế mới được đề xuất bởi Copernicus trong quyển sách của

ông De revolutionibus orbium coelestium (Bàn về cuộc Cách mạng của các

thiên cầu), xuất bản chỉ ngay năm ông ta mất (dù ông đã làm việc với lý

thuyết này trong mấy thập kỉ)

Copernicus, như Aristarchus chừng mười bảy thế kỉ trước, mô tả thếgiới trong đó mặt trời đứng yên và các hành tinh sắp xếp xung quanh nó trênnhững quỹ đạo tròn Dù ý tưởng chẳng mới, sự hồi sinh của nó đã vấp phải

sự phản kháng mạnh mẽ Mô hình Copernicus bị tuyên là nghịch với Kinh

Thánh, vốn được dẫn giải là đã nói rằng các hành tinh chuyển động xungquanh trái đất, dù Kinh Thánh chưa bao giờ tuyên bố rõ ràng điều đó Trongthực tế, lúc Kinh Thánh được viết ra người ta vẫn còn tin là mặt đất phẳng.

Mô hình Copernicus dẫn tới một cuộc tranh cãi nảy lửa rằng có không việcTrái Đất đứng yên, đáo chung bằng phiên tòa xét xử Galileo về tội dị giáovào năm 1633 cho việc ủng hộ mô hình Copernicus, và cho việc nghĩ “rằng

ai đó có thể nắm giữ và biện hộ cho một ý tưởng là đúng sau khi nó đã đượctuyên bố và định nghĩa trong Thánh Kinh.” Ông bị tuyên có tội, bị giam lỏngtại nhà suốt quãng đời còn lại, và bị buộc công khai rút lại ý tưởng Ông

được kể lại là đã lầm bầm trong hơi thở của mình “Eppur si mouve,” “Nhưng

nó vẫn động.” Năm 1992 Nhà thờ Công giáo La Mã công nhận họ đã sai khikết tội Galileo

Vậy đâu mới là thực, hệ thống kiểu Ptolemy hay Copernicus? Dù là

không lạ gì ai đó nói Copernicus đã chứng minh Ptolemy sai, điều đó là

không đúng Giống như trường hợp về cái nhìn bình thường của chúng ta vàcái nhìn của cá vàng, người ta có thể dùng bất kì bức tranh nào làm mô hìnhcho vũ trụ, nên các quan sát của chúng ta về thượng giới có thể được giảithích bằng giả thiết hoặc trái đất hoặc mặt trời đứng yên Mặc cho vai trò của

nó trong các tranh cãi triết học về bản chất của vũ trụ, lợi thế thực sự của hệCopernicus chỉ đơn giản là các phương trình chuyển động sẽ đơn giản hơnnhiều trong hệ quy chiếu với mặt trời đứng yên Một loại khác về thực tại

thay thế xảy ra trong bộ phim khoa học viễn tưởng Ma Trận, trong đó loài

người bằng cách nào đó đang sống trong một thực tại ảo giả lập tạo ra bởicác máy tính có trí tuệ đễ giữ họ ôn hòa và được thỏa mãn trong khi nhữngchiếc máy tính hút điện sinh học từ họ (hay là gì cũng được) Có lẽ điều nàycũng không quá viễn vông, bởi vì nhiều người vẫn thích dành thời gian chothực tại ảo trên các website giống như Cuộc Sống Thứ Hai Làm sao ta biết

ta không phải chỉ là những nhân vật trong một bộ phim truyền hình phát trênmáy tính? Nếu chúng ta sống trong một thế giới giả lập được tổng hợp, các

sự việc sẽ không cần thiết có logic hay phi mâu thuẫn hay tuân theo các địnhluật Những ngoại thể nắm kiểm soát có thể thấy thú vị hay hài hước khiquan sát các phản ứng của chúng ta khi, ví dụ như, mặt trăng tách làm đôi,hay mọi người ăn kiêng trên thế giới phát triển một sự thèm thuồng khôngkiểm soát nổi đối với bánh kem chuối Nhưng nếu những ngoại thể ấy thực

sự áp đặt các định luật phi mâu thuẫn, không cách nào ta có thể nói được là

có một thực tại đằng sau cái giả lập Rất dễ để nói rằng cái thế giới các

ngoại thể đó đang sống là thế giới “thực” và thế giới được tổng hợp là “giả”

Nhưng nếu – như ta – các thực thể trong thế giới giả lập không thể nhìn vào

vũ trụ của họ từ bên ngoài, sẽ không có lý do để họ nghi ngờ bức tranh củachính họ về thực tại Đây là một phiên bản hiện đại về ý tưởng mà tất cảchúng ta đều là những hình ảnh trong giấc mơ của người khác

Đây là những thí dụ mang chúng ta đến một kết luận quan trọng trong

quyển sách này: Không có một bức tranh – hay khái niệm độc lập lý thuyết

về thực tại Thay vào đó chúng ta sẽ tiếp nhận quan điểm mà ta gọi là thực

tại phụ thuộc mô hình luận: ý tưởng rằng một lý thuyết vật lý hay bức tranhthế giới là một mô hình (thường là về bản chất toán học) và một tập hợp cácquy tắc liên hệ các yếu tố của mô hình với các quan sát Điều này cung cấpmột cơ cấu mà cùng với nó ta sẽ đi diễn giải khoa học hiện đại

Các triết gia từ Plato về sau đã tranh cãi bao năm về bản chất của thựctại Khoa học cổ điển đều dựa trên niềm tin rằng có một thế giới thực tại ởbên ngoài với các đặc tính xác định và độc lập với người quan sát đang

nhận thức nó Theo khoa học cổ điển, các đối tượng cụ thể tồn tại và có cácđặc tính vật lý, tỉ như tốc độ và khối lượng, vốn có những giá trị xác định cụthể Theo quan điểm này các giả thuyết của chúng ta là những nỗ lực để mô

tả các đối tượng đó và đặc tính của chúng, và các đo đạc và nhận thức củachúng ta tương ứng với chúng Cả người quan sát và vật bị quan sát là cácphần của một thế giới có sự tồn tại khách quan, và bất cứ sự rạch ròi nàogiữa chúng đều không có tầm quan trọng có nghĩa Nói một cách khác, nếubạn thấy một đàn ngựa vằn tranh nhau một chỗ trong bãi đỗ, đó là vì thực sự

có một bầy ngựa vằn tranh nhau một chỗ trong bãi đỗ Tất thảy các ngườiquan sát đang nhìn sẽ đo đạc cùng các đặc tính, và đàn ngựa sẽ có cùng

các đặc tính đó bất kể có ai đang quan sát chúng hay không Trong triết họcniềm tin đó gọi là thuyết duy thực.

Dù thuyết duy thực có vẻ là một quan điểm cuốn hút, như ta sẽ thấy saunày, những gì ta biết về vật lý hiện đại khiến nó khó mà biện hộ được Ví dụ,theo những nguyên lý của vật lý lượng tử, vốn là một miêu tả chính xác về tựnhiên, một hạt không vừa không có một vị trí xác định vừa không có một vậntốc xác định trừ phi và tới khi các đại lượng này được đo bởi một người quansát Cho nên không đúng khi nói rằng phép đo đó đưa ra một kết quả chắcchắn bởi vì đại lượng được đo có giá trị đó tại thời điểm của phép đo Thực

tế, trong một số trường hợp các đối tượng cá biệt còn không có một sự tồntại độc lập mà là tồn tại chỉ như một phần của một đồng thể nhiều phần Vànếu như một giả thuyết gọi là nguyên lý ảnh nổi được chứng minh đúng, ta

và thế giới bốn chiều của chúng ta có lẽ rủ bóng trên biên của một thời gian năm chiều rộng hơn Trong trường hợp đó, tình trạng của chúng tatrong vũ trụ cũng sẽ tương tự như của con cá vàng

không-Các nhà duy thực nghiêm khắc thường tranh cãi rằng bằng chứng màcác lý thuyết khoa học đại diện cho thực tại nằm trong thành công của họ.Nhưng những lý thuyết khác nhau có thể miêu tả thành công cùng các hiệntượng từ các cơ cấu có khái niệm dị biệt Thực tế, nhiều lý thuyết khoa học

đã chứng minh thành công sau đó được thay thế bởi lý thuyết khác, những lýthuyết tương đương dựa trên những khái niệm hoàn toàn khác về thực tại.Theo truyền thống những người không chấp nhận thuyết duy thực bị gọi

là những người kháng thực Những người kháng thực đòi hỏi một sự rạch ròigiữa kiến thức thực nghiệm và kiến thức lý thuyết Một cách tiêu biểu họ

tranh luận rằng quan sát và thí nghiệm đều có ý nghĩa nhưng các lý thuyếtkhông là gì hơn ngoài các công cụ hữu dụng mà không đại diện bất kì chân lísâu hơn nào có thể là nền tảng của các hiện tượng được quan sát Một vàingười kháng thực còn thậm chí muốn cách ly khoa học khỏi những thứ

không thể được quan sát Vì lẽ đó, nhiều người trong thế kỉ mười chín

khước từ ý tưởng về nguyên tử trên lập trường là ta không bao giờ có thểthấy một hạt George Berkeley (1685 – 1753) thậm chí còn đi xa hơn khi nóirằng không gì tồn tại ngoài tư duy và các ý tưởng của nó Khi một người bạnmách với tác gia và nhà viết từ điển người Anh TS Samuel Johnson (1709-1784) rằng tuyên bố của Berkeley không thể bị bác bỏ, Johnson được kể là

đã đáp lại bằng cách bước tới 1 hòn đá to, đá nó, và tuyên bố, “Tôi bác bỏ

nó đây.” Dĩ nhiên cơn đau mà TS Johson trải nghiệm ở chân ông cũng là

một ý tưởng trong đầu ông ta, nên ông đã không thực sự phủ định các ýtưởng của Berkeley Nhưng hành động của ông đã minh họa cho quan điểmcủa triết gia David Hume (1711 – 1776), người đã viết rằng dù chúng ta

không có lập trường có lý lẽ nào để tin vào một thực tại khách quan, chúng

ta cũng không có lựa chọn nào ngoài hành xử như nó là có thật

Thực tại phụ thuộc mô hình luận ngắn mạch tất cả các tranh luận vàthảo luận giữa hai trường phái tư duy duy thực và kháng thực

“Cả hai vị đều có điểm chung TS Davis vừa phát hiện một hạt chưa ai từng thấy và GS Higbe vừa phát hiện một thiên hà chưa ai từng thấy.”

Theo thực tại phụ thuộc mô hình luận, sẽ là vô ích khi đi hỏi có khôngmột mô hình thực, mà chỉ cần có không việc mô hình đó đồng thuận với

quan sát Nếu có cả hai mô hình cùng đồng thuận với quan sát, thì không ai

có thể nói cái nào thực hơn cái nào Người ta có thể dùng bất kì mô hình nàotiện lợi hơn trong từng tình huống theo đánh giá Ví dụ, nếu một người đang

ở trong chậu, bức tranh của cá vàng sẽ hữu dụng, nhưng với những người ởbên ngoài, nó sẽ rất rầy rà khi mô tả các sự kiện ở một thiên hà heo một hệquy chiếu của một chiếc chậu trên trái đất, đặc biệt khi chiếc chậu còn đang

di chuyển cùng trái đất trên quỹ đạo xung quanh mặt trời và lại còn xoayquanh trục của nó

Chúng ta tạo ra các mô hình trong khoa học, nhưng chúng ta còn tạo rachúng trong cuộc sống hằng ngày Thực tại phụ thuộc mô hình luận áp dụngkhông chỉ cho các mô hình khoa học mà còn cho các mô hình tinh thần có ýthức và không ý thức mà chúng ta thảy đều tạo ra nhằm diễn giải và hiểuđược thế giới hằng ngày Không có cách nào để loại bỏ người quan sát –chúng ta – khỏi nhận thức của chính chúng ta về thế giới, vốn được tạo rathông qua các xử lý bằng giác quan và thông qua cách chúng ta suy nghĩ và

lý luận Nhận thức của chúng ta – và do đó quan sát của chúng ta lên cái màcác giả thuyết của chúng ta dựa trên – là không trực tiếp, mà thay vào đóđược định hình bằng một loại thấu kính, cấu trúc diễn giải của bộ não conngười.

Thực tại phụ thuộc mô hình luận tương ứng cách chúng ta nhận thứccác đối tượng Với thị giác, bộ óc của một người nhận một chuỗi các tín hiệutruyền xuống các dây thần kinh thị giác Các tín hiệu này không kiến tạo nênloại hình ảnh bạn sẽ chấp nhận trên truyền hình Có một điểm mù nơi cácdây thần kinh thị giác kết nối vào nhãn cầu, và phần duy nhất trong trườngthị giác của bạn có độ phân giải tốt là một khu vực hẹp khoảng một độ củagóc nhìn chung quanh trung tâm của nhãn cầu, một vùng rộng bằng ngón cáicủa bạn khi duỗi thẳng cánh tay Và do thế dữ liệu thô gửi tới não giống nhưmột bức hình toàn điểm ảnh với một cái lỗ ở trong May mắn thay, bộ nãongười xử lý dữ liệu đó, kết hợp tín hiệu vào từ cả hai mắt, lấp đầy các chỗtrống với giả định là các đặc tính thị giác của các vị trí lân cận thì tương tự vàchèn cho nhau Hơn nữa, nó đọc một dãy hai chiều các dữ liệu từ nhãn cầu

và tạo ra từ đó ấn tượng về một không gian ba chiều Bộ não, nói cách khác,

đi xây dựng một bức tranh tinh thần hay một mô hình

Bộ não xây dựng mô hình quá khéo tới nỗi nếu người ta được lắp mộtcặp kính có thể xoay hình ảnh trong mắt họ lộn ngược xuống, bộ não, saumột thời gian, thay đổi mô hình nhờ vậy họ có thể nhìn được mọi thứ lậtđúng lên trở lại Nếu cặp kính được lấy đi, người ta sẽ thấy thế giới bị lậtngược trong một chốc, rồi điều chỉnh trở lại Điều này cho thấy ý nghĩa củaviệc khi một người nói “Tôi thấy một chiếc ghế” chỉ là vì người ấy đã dùngánh sáng tán xạ từ chiếc ghế để xây dựng một hình ảnh tinh thần hay môhình về chiếc ghế Nếu mô hình là lộn ngược từ trên xuống, hãy cầu maycho bộ não của ai đó kịp điều chỉnh nó trước khi có ai thử ngồi lên chiếc ghế.Một vấn đề khác mà thực tại phụ thuộc mô hình luận giải quyết, hay chí

ít cũng tránh được, là ý nghĩa của sự tồn tại Làm sao tôi biết rằng một chiếcbàn vẫn tồn tại khi tôi đi ra khỏi phòng và không thể thấy nó? Nó có nghĩa lý

gì khi nói những thứ chúng ta không thể thấy, như các electron hay quark –những hạt được bảo là tạo nên proton và neutron – tồn tại? Ai đó có thể cómột mô hình trong đó chiếc bàn biến mất khi tôi rời phòng và hiện ra lại ởcùng vị trí khi tôi quay lại, nhưng đó sẽ trông khập khiễng, và nếu có gì xảy

ra khi tôi ở ngoài, như trần nhà sụp xuống chẳng hạn? Làm thế nào, với môhình cái-bàn-biến-mất-khi-tôi-rời-phòng, tôi có thể giải đáp thực tế là lần tiếp

theo tôi đi vào, cái bàn lại hiện ra tan nát, dưới đống xà bần của trần nhà?

Mô hình trong đó chiếc bàn vẫn đặt đó thì đơn giản hơn nhiều và đồng thuậnvới quan sát Đó là tất cả những gì một người có thể đòi hỏi

Trong trường hợp của các hạt dưới nguyên tử mà ta không thể thấy,các electron là một mô hình để giải thích cho các quan sát như các vệt trongkhoang sương hay các điểm sáng trên ống đèn hình ti vi, cũng như nhiềuhiện tượng khác Chuyện kể lại rằng electron đã được phát hiện vào năm

1897 bởi nhà vật lý người Anh J.J Thomson tại Phòng thí nghiệm Cavendish

ở Đại học Cambridge Ông đang làm thí nghiệm với các dòng điện bên trongcác ống kính rỗng, một hiện tượng được biết như là tia cathode Các thí

nghiệm của ông dẫn tới một kết luận táo bạo rằng các tia bí ẩn được cấuthành từ các “vi thể” là các cấu tử của các nguyên tử, vốn vẫn được tin làđơn vị cơ sở không thể chia tách của vật chất Thomson đã không “thấy” mộtelectron, phỏng đoán của ông cũng không được khẳng định một cách trựctiếp hoặc tường minh bằng những thí nghiệm của ông Nhưng mô hình đãchứng minh tính chủ đạo trong các ứng dụng từ khoa học cơ bản tới kĩ thuật,

và ngày nay tất cả các nhà vật lý tin vào các electron, dù cho bạn không thểthấy chúng

Các Tia Cathode Chúng ta không thể thấy các electron cá biệt, nhưng

chúng ta có thể thấy các hiệu ứng chúng tạo ra.

Các hạt quark, mà ta cũng chẳng thể thấy, là một mô hình để giải thíchnhững đặc tính của các proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử Dẫucác proton và neutron được nói là tạo thành từ các quark, chúng ta sẽ khôngbao giờ thấy một quark vì lực liên kết giữa các quark tăng theo sự chia tách,

cho nên các quark biệt lập, tự do không thể tồn tại trong tự nhiên Thay vào

đó, chúng luôn tồn tại theo những nhóm ba (tạo thành proton hay neutron),hoặc các cặp đôi của một quark và một phản quark (các hạt meson pi), vàbiểu hiện giống như chúng được nối nhau bởi các sợi dây thun

Câu hỏi liệu nó có nghĩa lý không khi nói các quark thực sự tồn tại nếubạn không bao giờ có thể cô lập một hạt đã từng là một vấn đề gây tranh cãinhững năm đầu sau khi nó được đề xuất Ý tưởng rằng các hạt nhất địnhđược tạo nên từ những tổ hợp một vài hạt dưới-dưới hạt nhân cung cấp mộtnguyên lý ngăn nắp để từ đó rút ra một giải thích cuốn hút và đơn giản chocác đặc tính của chúng Nhưng dù các nhà vật lý đã dần quen việc chấpnhận các hạt vốn chỉ được suy luận ra sự tồn tại nhờ vào các chớp nháythống kê trong dữ liệu liên quan tới các sự tán xạ của các hạt, ý tưởng gánthực tại cho một hạt mà, theo nguyên tắc, là không thể quan sát được thậtkhó cam với nhiều nhà vật lý Theo năm tháng, dẫu vậy, khi mô hình quarkdẫn tới càng ngày càng nhiều các dự đoán chính xác, sự đối lập ấy phai nhạtdần Một điều chắc chắn có thể là khi một vài sinh vật ngoài hành tinh vớimười bảy cánh tay, mấy con mắt hồng ngoại và tập tính phun kem đánhbông khỏi lỗ tai cũng thực hiện các quan sát thí nghiệm tương tự như chúng

ta, nhưng sẽ mô tả chúng mà không dùng tới các quark Cho dù vậy, theothuyết lý thực tại phục thuộc mô hình, các quark tồn tại trong một mô hìnhđồng thuận với các quan sát của chúng ta về hành vi của các hạt dưới hạtnhân Thực tại phụ thuộc mô hình luận có thể cung cấp một cơ cấu để thảoluận các câu hỏi kiểu như: Nếu thế giới được tạo ra cách đây một khoảngthời gian xác định, điều gì đã xảy ra trước đó? Một triết gia Thiên Chúa giáothời sơ khai, Thánh Augustine (354 – 430), nói rằng câu trả lời không phải làChúa đi chuẩn bị địa ngục dành riêng cho những ai hỏi mấy câu giống nhưvậy, mà là thời gian là một đặc tính của thế giới mà Chúa tạo ra và thời giankhông tồn tại trước thời điểm sáng tạo, vốn ông tin rằng đã diễn ra cách đókhông lâu Đó là một mô hình khả dĩ, vốn được bênh vực bởi những ngườiduy trì niềm tin rằng mô tả trong kinh Khởi Nguyên là đoan chắc đúng mặc

dù thế giới chứa đựng các hóa thạch và các bằng chứng khác khiến cho nótrông lâu đời hơn nhiều (Họ đặt chúng đó để lòe ta chăng?) Một người cóthể có một mô hình khác, trong đó thời gian liên tục ngược lại cách đây 13,7

tỉ năm tới tận vụ nổ lớn Mô hình có thể giải thích hầu hết trong các quan sáthiện tại, bao gồm các chứng cứ địa kiến tạo và lịch sử, là đại diện tốt nhấtchúng ta có về quá khứ Mô hình thứ hai này có thể giải thích các thu thậpphóng xạ và hóa thạch và thực tế là chúng ta nhận được ánh sáng từ cácthiên hà cách chúng ta hàng triệu năm ánh sáng, vì vậy mô hình này – thuyết

vụ nổ lớn – thì hữu dụng hơn mô hình đầu tiên Dù vậy, không mô hình nào

có thế nói là thực hơn cái còn lại

Các Quark Khái niệm về quark là một yếu tố cốt yếu trong các lý

thuyết vật lý cơ bản của chúng ta mặc dù các quark tách biệt không thể quan sát được.

Một số người ủng hộ một mô hình trong đó thời gian lùi lại thậm chí xahơn vụ nổ lớn Nó còn chưa rõ ràng nếu một mô hình trong đó thời gian liêntục trước cả vụ nổ lớn sẽ tốt hơn khi giải thích các quan sát hiện tại vì nó có

vẻ như các định luật về tiến hóa của vũ trụ sẽ vô hiệu tại vụ nổ lớn Nếu

đúng vậy, sẽ chẳng có nghĩa lý gì để tạo ra một mô hình trong đó thời giantrải ra trước cả vụ nổ lớn, bởi vì những gì xảy ra tại đó sẽ chẳng có nhữngkết quả quan sát được cho hiện tại, vì vậy chúng ta cũng có lẽ sẽ bám lấy ýtưởng rằng vụ nổ lớn chính là điểm sáng tạo của thế giới

Một mô hình tốt là một mô hình:

1 Thanh thoát

2 Ít chứa những yếu tố tùy tiện cũng như có thể điều chỉnh

3 Đồng thuận giải thích cho tất cả cả các quan sát đang tồn tại

4 Tạo ra những dự đoán chi tiết về các quan sát trong tương lai mà

có thể phản chứng hay phủ nhận mô hình nếu chúng không đượcxác nhận

Ví dụ như, giả thuyết của Aristotle rằng thế giới được tạo nên từ bốnyếu tố, đất, khí, lửa và nước, và rằng các đối tượng hành động để hoàn

thành mục đích của chúng là thanh thoát và không chứa các yếu tố có thểđiều chỉnh Nhưng trong nhiều trường hợp nó không tạo ra các dự đoán xácđịnh, và khi nó dự đoán, các dự đoán không phải luôn luôn đồng thuận với

quan sát Một trong những dự đoán này là các đối tượng nặng hơn sẽ rơinhanh hơn vì mục đích của chúng là rơi Có vẻ như chẳng ai đã nghĩ rằng nóquan trọng để đi kiểm tra điều này cho tới khi có Galileo Có một câu truyệnrằng ông đã kiểm tra nó bằng cách thả rơi các vật nặng từ Tháp NghiêngPisa Đây hẳn là chuyện được thêu dệt Nhưng chúng ta biết chắc ông đãthả lăn các vật nặng trên một mặt dốc xuống và quan sát thấy chúng đềutăng tốc với cùng tỉ lệ, đối nghịch với dự đoán của Aristotle.

Những tiêu chí trên thì rõ ràng là chủ quan Sự thanh thoát, lấy làm ví dụ,không phải thứ dễ dàng đo đạc, nhưng nó được tưởng thưởng cao giữa cácnhà khoa học bởi vì các định luật tự nhiên thì phải nén một cách có gói ghémcác trường hợp cụ thể về một công thức đơn giản Sự thanh thoát liên quantới hình thức của giả thuyết, nhưng nó cũng liên quan chặt chẽ tới việc có ítnhững yếu tố có thể điều chỉnh, do lẽ một lý thuyết nhét đầy các nhân tố chấp

vá sẽ chẳng mấy thanh thoát Tóm gọn lời Einstein, một lý thuyết nên càngđơn giản càng tốt, nhưng không đơn giản hơn Ptolemy cho thêm các tạpluân vào các quỹ đạo tròn của của các thiên thể nhằm khiến mô hình của ông

có thể mô tả chính xác chuyển động của chúng Mô hình đáng ra còn có thểđược làm chính xác hơn bằng cách thêm các tạp luân cho các tạp luân, haythậm chí hàng loạt tạp luân vào đó Dù sự phức tạp thêm vào có thể làm cho

mô hình thêm chính xác, các nhà khoa học nhận xét một mô hình vặn vẹocho hợp với một tập hợp các quan sát là không thỏa mãn, giống như

một danh mục các dữ liệu hơn là một lý thuyết đại diện bất kì nguyên lý hữudụng nào Chúng ta sẽ thấy trong Chương 5 rằng nhiều người coi “mô hìnhtiêu chuẩn”, vốn mô tả các tương tác của các hạt nguyên tố của tự nhiên làkhông thanh thoát Mô hình đó thành công hơn nhiều so với các tạp luân củaPtolemy Nó dự đoán sự tồn tại của nhiều hạt mới trước khi chúng đượcquan sát, và dự đoán kết quả của vô số thí nghiệm qua nhiều thập kỉ với một

sự chính xác tuyệt vời Nhưng nó chứa hàng tá những thông số có thể điềuchỉnh mà giá trị phải được chỉnh cho hợp với quan sát, thay vì được xác địnhbằng chính bản thân lý thuyết

Nói về điểm thứ thư, các nhà khoa học luôn bị ấn tượng khi những dựđoán mới và gây choáng váng được chứng minh chính xác Ngược lại, khimột mô hình bị nhận thấy có thiếu hụt, một phản ứng chung là ta nói thí

nghiệm đã sai Nếu đó không chứng tỏ ra vấn đề, người ta thường khôngvứt bỏ lý thuyết mà thay vào đó nỗ lực cứu vãn nó bằng những hiệu chỉnh

Dù cho các nhà khoa học thực sự nhẫn nại trong nỗ lực giải cứu những lý

thuyết họ ngưỡng mộ, xu hướng hiệu chỉnh các giả thuyết phai nhạt dầntheo mức độ khi sự thay thế trở nên nhân tạo hay cồng kềnh, và do đó

“không thanh thoát” Nếu những hiệu chỉnh cần cho dung nạp những quansát mới trở nên quá kì cục, điều đó ra hiệu cho sự cần thiết về một mô hìnhmới Một thí dụ về một mô hình cũ phải chịu nhường bước dưới sức nặngcủa các quan sát mới là ý tưởng về một vũ trụ tĩnh Vào thập niên 1920,

phần lớn các nhà khoa học tin rằng vũ trụ là tĩnh, hay kích thước không đổi.Thế rồi, năm 1929, Edwin Hubble, xuất bản những quan sát của ông chothấy rằng vũ trụ đang giãn nở Ông đã quan sát ánh sáng phát ra từ các

thiên hà Ánh sáng đó mang một chữ kí đặc trưng, hay phổ, dựa trên cấu tạocủa mỗi thiên hà, vốn thay đổi một lượng biết trước nếu thiên hà đang

chuyển động tương đối so với chúng ta Từ đó, bằng cách phân tích các phổ

từ các thiên hà xa xôi, Hubble đã có thể xác định vận tốc của chúng Ông đãtrông đợi có thể tìm được số thiên hà chuyển động rời xa cũng như tiến tớichúng ta như nhau Thay vào đó, ông nhận ra rằng gần như tất cả các thiên

hà đều chuyển động rời xa khỏi chúng ta, và càng cách xa chúng ta, chúngcàng dịch chuyển nhanh hơn Hubble kết luận rằng vũ trụ đang giãn nở,

nhưng có những người khác, cố gắng bảo vệ cho mô hình trước đó, đã nỗlực giải thích cho những quan sát của ông dưới khung cảnh của một vũ trụtĩnh Ví dụ, một nhà vật lý của Caltech Fritz Zwicky đề xuất rằng bằng một lý

do chưa biết ánh sáng sẽ từ từ mất đi năng lượng khi nó chu du qua nhữngkhoảng cách lớn Sự sụt giảm năng lượng này tương ứng với sự thay đổiquang phổ, mà Zwicky gợi ý rằng có thể bắt chước ra các quan sát của

Hubble Nhưng mô hình tự nhiên nhất vẫn là của Hubble, về một vũ trụ đanggiãn nở, và nó đã tiến đến là mô hình được chấp nhận

Trong sứ mệnh của chúng ta để tìm ra những định luật chi phối vũ trụchúng ta đã xây dựng một số những lý thuyết hay mô hình, như thuyết bốnnguyên tố, mô hình kiểu Ptolemy, thuyết nhiên liệu, thuyết vụ nổ lớn, và vângvâng Với mỗi lý thuyết hay mô hình, các khái niệm của chúng ta về thực tại

và về các cấu tử cơ bản của vũ trụ đã lại thay đổi Ví dụ, xét giả thuyết vềánh sáng Newton nghĩ rằng ánh sáng được tạo nên từ các hạt nhỏ hay các

vi thể Điều này có thể giải thích tại sao ánh sáng đi theo những đường

thẳng, và Newton cũng dùng điều này để giải thích vì sao ánh sáng bị gậphay khúc xạ khi nó truyền qua một trường này sang môi trường khác, như từkhí sang thủy tinh hay từ thủy tinh hoặc khí sang nước

Sự khúc xạ Mô hình ánh sáng của Newton có thể giải thích tại sao

ánh sáng vị gập khi truyền qua các mội trường, nhưng nó không thể giải thích một hiện tượng khác mà giờ ta gọi là các vòng Newton.

Tuy nhiên, các vi thể không thể dùng được để giải thích một hiện tượng

mà Newton chính ông đã quan sát được, mà bây giờ được biết đến như làcác vòng Newton Đặt một thấu kính trên một bản phản chiếu và chiếu sáng

nó bằng ánh sáng đơn sắc, như ánh sáng hơi Natri Nhìn từ trên xuống, mộtngười sẽ thấy một chuỗi các vòng sáng và tối đồng tâm tại nơi thấu kính tiếpxúc mặt phẳng Điều này sẽ khó có thể giải thích bằng thuyết ánh sáng hạt,nhưng có thể được lý giải trong lý thuyết sóng ánh sáng Căn cứ theo thuyếtsóng ánh sáng, những vòng sáng và tối bị gây ra bởi một hiện tượng gọi làgiao thoa Một sóng, giống như sóng nước, bao gồm một chuỗi các đỉnh vàđáy Khi các sóng va đập, nếu các đỉnh và đáy xảy ra tương ứng, chứngtăng cường lẫn nhau, dẫn tới một sóng lớn hơn Đó được gọi là giao thoatăng cường Trong trường hợp đó hai sóng được bảo là “cùng pha” Tại mộtthái cực khác, khi các sóng gặp nhau, các đỉnh của một sóng sẽ trùng vớicác đáy của sóng còn lại Trong trường hợp đó các sóng hủy lẫn nhau vàđược bảo là “ngược pha.” Tình huống đó được gọi là giao thoa triệt tiêu.Trong các vòng Newton các vòng sáng xảy ra tại những khoảng cáchtính từ tâm tại đó cách biệt giữa thấu kính và bản phản chiếu làm cho ánhsáng phản chiếu từ thấu kính sai biệt với ánh sáng phản chiếu từ bản bằngmột số nguyên lần (1,2,3…) bước sóng, tạo nên giao thoa tăng cường (Mộtbước sóng là khoảng cách giữa một đỉnh hoặc đáy của một sóng tới cái kế

tiếp.) Các vòng tối, ngược lại, xảy ra ở những khoảng cách tính từ tâm tại đócách biệt giữa hai sóng phản xạ là một số bán nguyên (1

2, 1 1 2,2 1 2,…) cácbước sóng, gây ra giao thoa triệt tiêu – sóng phản xạ từ thấu kinh hủy sóngphản xạ từ bản

Sự giao thoa giống như người ta, khi các sống gặp nhau

chúng thường hoặc bổ trợ nhau hoặc hạn chế nhau.

Trong thế kỉ mười chín, điều này đã được lấy làm khẳng định cho thuyếtsóng ánh sáng và chỉ ra rằng thuyết ánh sáng hạt đã sai Tuy nhiên, đầu thế

kỉ hai mươi Einstein chỉ ra hiệu ứng quang điện (ngày nay chúng ta dùngtrong truyền hình và camera kĩ thuật số) có thể được giải thích bằng việc mộthạt hay một lượng tử của ánh sáng đâm vào một nguyên tử và đánh bật ramột electron Như vậy ánh sáng hành xử như cả hạt và sóng

Khái niệm về sóng hẳn đã đi vào ý nghĩ của con người vì con người đãquan sát đại dương, hay một vũng nước sau khi một viên sỏi rơi vào đó

Thực tế, nếu bạn có bao giờ thả hai viên sỏi vào một vũng nước, bạn hẳnphải thấy sự giao thoa hoạt động, như trong bức hình bên trên Những chấtlỏng khác cũng được quan sát có hành vi theo kiểu tương tự, ngoại trừ rượunếu bạn dùng quá nhiều Ý tưởng về các hạt thì quen thuộc với những hòn

đá, viên sỏi, và cát Nhưng lưỡng tính sóng/hạt này – ý tưởng về một đốitượng có thể vừa miêu tả như một hạt vừa như một sóng – thì nghe thật xa

lạ đối với kinh nghiệm thường ngày như ý tưởng rằng bạn có thể uống hếtmột mớ cát

Giao thoa vũng nước Khái niệm giao thoa xuất hiện trong cuộc sống

hằng ngày như các vùng nước, từ cái vũng nước tới các đại dương

Những lưỡng tính kiểu này – các tình huống trong đó hai giả thuyết rấtkhác nhau mô tả chính xác cùng một hiện tượng – là không mâu thuẫn vớithực tại phụ thuộc mô hình luận Mỗi giả thuyết có thể mô tả và giải thích cácđặc tính cụ thể, và không giả thuyết nào có thể được bảo là tốt hơn cái kia.Liên hệ tới các định luật chi phối vũ trụ, điều chúng ta có thể nói là: Có vẻnhư không có một mô hình hay lý thuyết toán học đơn lẻ nào có thể mô tảmọi khía cạnh của vũ trụ Thay vào đó, như chúng ta đã đề cập bên trên, có

vẻ như tồn tại một mạng lưới các lý thuyết gọi là thuyết M Mỗi lý thuyết trongthuyết M có thể mô tả tốt các hiện tượng trong một giới hạn cụ thể Bất kìđâu các giới hạn này gối chồng nhau, thì nhiều lý thuyết trong mạng lưới sẽđồng thuận, vì vậy chúng sẽ được bảo là các phần của cùng một lý thuyết.Nhưng không một lý thuyết đơn lẻ nào trong mạng lưới có thể mô tả tất cảkhía cạnh của vũ trụ – tất cả các lực của tự nhiên, những hạt cảm ứng cáclực này, và cơ cấu của không gian và thời gian trong đó tất thảy diễn ra Dẫutình huống này không hoàn thành được giấc mơ truyền thống của các nhà

vật lý về một lý thuyết thống nhất đơn lẻ, nó được chấp nhận trong cơ cấucủa thực tại phụ thuộc mô hình luận.

Chúng ta sẽ thảo luận về lưỡng tính và thuyết M sâu hơn trong Chương

5, nhưng trước khi chúng ta chuyển sang một nguyên lý cơ sở mà quan

điểm hiện đại của chúng ta dựa trên đó: thuyết lượng tử, và cụ thể, hướngtiếp cận thuyết lượng tử gọi là các lịch sử thay thế Trong quan điểm đó, vũtrụ không chỉ có một sự tồn tại đơn lẻ hay duy nhất, mà thay vào là mọi phiênbản có thể của vũ trụ tồn tại đồng thời trong cái gọi là siêu vị trí lượng tử.Điều đó có lẽ nghe cũng chướng tai như giả thuyết trong đó cái bàn biến mấtbất cứ khi nào nào ta rời phòng, như trong trường hợp này lý thuyết đó đãqua được mọi bài kiểm tra thí nghiệm mà nó từng bị xem xét