Einstein cũng sai, và câu hỏi ông để lại vẫn treo

Nếu có một cái tên được dùng thay cho chữ "thiên tài" thì đó là Albert Einstein. Ông đưa ra thuyết tương đối, giải thích hiệu ứng quang điện (photoelectric effect), và tiên đoán rằng trong vũ trụ có những gợn sóng vô hình mà ngày nay ta gọi là sóng hấp dẫn (gravitational waves).

Vậy một người như thế có bao giờ tính sai không? Có. Và chuyện lạ nhất là chính ông từng viết hẳn một bài báo tuyên bố sóng hấp dẫn không hề tồn tại, rồi ít lâu sau tự tay sửa lại thành kết luận ngược hẳn.

Câu hỏi thật sự là gì

Câu hỏi còn treo tới hôm nay không phải "Einstein có sai không". Nó thế này: nếu bạn nén một lượng vật chất khổng lồ vào một chỗ bé xíu thì ở đúng chỗ đó, chuyện gì thực sự xảy ra?

Con người hiện có hai bộ luật để mô tả thế giới. Thuyết tương đối rộng (general relativity) của Einstein lo những thứ to và nặng: ngôi sao, thiên hà, thời gian, lực hấp dẫn. Cơ học lượng tử (quantum mechanics) lo những thứ cực nhỏ: hạt, nguyên tử. Hai bộ luật này, ai lo phần nấy thì chạy rất tốt.

Rắc rối là hố đen (black hole). Tâm một hố đen vừa nặng khủng khiếp vừa nhỏ tí xíu, nên cả hai bộ luật đều có quyền lên tiếng, và chúng nói hai chuyện khác nhau. Thuyết tương đối rộng nói ở đó có một điểm kỳ dị (singularity), tức một chỗ mà các con số vọt lên vô hạn. Cơ học lượng tử thì không có cách nào mô tả nổi chỗ ấy. Chưa ai biết bên nào đúng.

Chuyện Einstein tự bắt mình sai

Năm 1916, Einstein nhận ra rằng khi vật chất chuyển động nhanh dần lên, nó có thể tạo ra những gợn sóng lan trong không gian và thời gian. Đó là một tiên đoán đúng. Nhưng khi ông cùng nhà vật lý Nathan Rosen ngồi tính bằng toán, kết quả cứ "nổ tung": các con số phóng ra vô hạn. Mà một nghiệm vô hạn thì không thể là hình ảnh của một thứ có thật ngoài đời. Thế là Einstein đổi ý và kết luận sóng hấp dẫn không thể tồn tại.

Ông gửi bài cho tạp chí Physical Review. Tạp chí này khi ấy vừa bắt đầu một thói quen mới: đưa bài cho chuyên gia bên ngoài đọc và bắt lỗi trước khi đăng. Một người phản biện ẩn danh đã tìm ra chỗ sai trong phần toán. Einstein tức tới mức rút bài về, gửi sang tạp chí khác.

Nhưng lỗi là có thật. Người phản biện kia sau đó kết thân với người trợ lý của Einstein và chỉ ra chỗ sai cho anh này, rồi anh này giải thích lại cho Einstein. Ông sửa, công bố lại, với kết luận đảo ngược: sóng hấp dẫn có tồn tại. Ngày nay các máy dò trên mặt đất đã ghi được chúng thật.

Vì sao chỗ này khó tới vậy

Mấu chốt nằm ở chữ "vô hạn". Không phải cái vô hạn nào cũng thật.

Bạn hãy lấy một quả địa cầu ra xem. Các đường kinh tuyến, những đường dọc chạy từ Bắc xuống Nam, càng lên cao càng sát vào nhau, và tại Bắc Cực chúng chụm cả vào đúng một điểm. Nhìn trên quả cầu thì chỗ đó có vẻ đặc biệt lắm. Nhưng nếu bạn đứng thật ở Bắc Cực, dưới chân bạn chỉ là băng tuyết bình thường, không có gì kỳ lạ hết. Cái chụm ấy là do cách ta vẽ bản đồ, chứ không phải do nơi ấy có gì.

Vô hạn trong bài toán sóng hấp dẫn của Einstein đúng là loại "giả" như thế. Chỉ cần đổi sang một cách đặt toạ độ khác là nó biến mất.

Cái khó là ở chỗ: khi con số vọt lên vô hạn, bạn không lập tức biết mình đang gặp loại nào. Vô hạn giả do cách vẽ, hay vô hạn thật báo rằng lý thuyết đã hết đất dùng? Einstein gặp lại y hệt tình huống ấy khi tính về hố đen, lần này vô hạn xuất hiện ở rìa hố đen. Ông kết luận vật thể đó không thể tồn tại. Theo giáo sư John D. Norton, Khoa Lịch sử và Triết học Khoa học, Đại học Pittsburgh, lần này Einstein không chịu nhận là mình sai, và đó không hẳn vì cố chấp, mà vì ông có một niềm tin riêng về việc toán học nên liên hệ với vật lý như thế nào. Ngày nay cái rìa ấy, gọi là chân trời sự kiện (event horizon), chỉ được xem là mốc không quay lại của vật rơi vào, chứ không phải một điểm kỳ dị.

Ai đang thử, và đã tới đâu

Chỗ Einstein hụt lớn nhất là vướng víu lượng tử (quantum entanglement): hai hạt gắn với nhau tới mức đo hạt này là lập tức ảnh hưởng hạt kia, dù chúng cách nhau bao xa. Trong lá thư năm 1947 gửi đồng nghiệp Max Born, ông viết rằng ông không tin nổi, vì nó không hợp với ý niệm rằng vật lý phải mô tả một thực tại nằm trong không gian và thời gian, không có thứ "tác động ma quái từ xa". Ông cho rằng nó vi phạm thuyết tương đối hẹp (special relativity), vốn nói không gì nhanh hơn ánh sáng, nên cơ học lượng tử chắc là chưa hoàn chỉnh.

Ông qua đời mà vẫn không ưa cơ học lượng tử. Tới năm 1964, gần một thập kỷ sau đó, John Bell chứng minh vướng víu là có thật.

Nhà vật lý lý thuyết Nicolás Yunes, Đại học Illinois Urbana-Champaign, nói rằng rất nhiều công nghệ hôm nay dựa vào cơ học lượng tử, nên ta biết nó đúng. Nhưng nó vẫn không tương thích với thuyết tương đối rộng. Ông nêu hai khả năng còn để ngỏ: hoặc thuyết tương đối rộng sai, hoặc cơ học lượng tử không phải mô tả đúng khi hấp dẫn quá mạnh, ở thang Planck (Planck scale), tức thang kích thước cực nhỏ nơi hiệu ứng lượng tử lấn át. Chưa ai chốt được bên nào.

Nếu gỡ được thì đổi việc gì

Gỡ được nghĩa là loài người có một bộ luật duy nhất, dùng được cho cả ngôi sao lẫn hạt. Khi ấy ta mới trả lời nổi tâm hố đen là gì, và mô tả nổi lúc vũ trụ vừa sinh ra, khi cả vũ trụ còn bé và nặng cùng lúc.

Cũng đáng nhớ điều này: theo Norton, Einstein dựng thuyết tương đối rộng trên hai ý tưởng, mở rộng nguyên lý tương đối sang chuyển động có gia tốc, và thứ ông gọi là nguyên lý Mach. Cuối cùng cả hai đều không khớp với chính lý thuyết ông làm ra. Ngã sai đường mà vẫn tới được một chỗ rất đáng giá.

Câu hỏi hôm nay đang đứng ở đó: hai bộ luật, cả hai đều đã được kiểm nghiệm, và một chỗ trong vũ trụ mà chúng cãi nhau.

Việc để nghĩ tiếp: nếu năm ấy không ai dám nói với Einstein rằng ông tính sai thì sao? Và lần gần nhất có người chỉ cho bạn một chỗ sai là khi nào? Việc để làm thử: tìm quả địa cầu hoặc bản đồ thế giới trong nhà, tìm chỗ các đường kinh tuyến chụm lại, rồi tự trả lời xem ở nơi đó có thật sự xảy ra chuyện gì không.

Lưu ý

Bài viết dựa trên tin khoa học đã công bố, viết lại cho bạn đọc nhỏ tuổi. Có chỗ nào con muốn tìm hiểu thêm thì rủ bố mẹ đọc cùng nhé.