Chúa có chơi súc sắc không?

Xin giới thiệu cùng độc giả bản dịch bài viết nổi tiếng của Stephen Hawking "Does Dod play dice" (Chúa có chơi súc sắc không). Bài viết này được Hawking thực hiện năm 1999, lưu ý rằng từ đó đến nay chúng ta đã biết thêm nhiều điều về vũ trụ.

Giới thiệu:
Dịch giả là em Phạm Quỳnh Chi, học sinh trường THPT Hanoi Amsterdam. Tuy là bản dịch của một học sinh, nhưng bản dịch đạt chất lượng rất tốt, chúng tôi chỉ phải hiệu đính một số đoạn nhỏ cho hợp lý cũng như sửa một số thuật ngữ ở các đoạn nói về cơ học lượng tử. Ngoài ra có thể một số đoạn mà theo các độc giả khó tính là chưa được hoàn toàn trôi chảy nhưng chúng tôi không sửa chữa để giữ nguyên văn phong của dịch giả.
Xin trân trọng giới thiệu!
VACA

---

Chúa có chơi súc sắc không?

Bài giảng này là về liệu chúng ta có thể dự đoán được tương lai, hay tương lai là ngẫu hứng và không thể đoán biết. Vào thời cố đại, thế giới chắc chắn có vẻ khá khó đoán biết. Thảm hoạ như bão hoặc bệnh dịch xảy ra không có báo trước, và không có nguyên nhân rõ ràng. Người cổ đại quy những hiện tượng tự nhiên như vậy cho các vị thần, những nhân vật hành xử một cách rất ngẫu hứng và thất thường. Không có cách nào để dự đoán họ sẽ làm gì, và niềm hi vọng duy nhất là lấy lòng họ với quà cáp hoặc hành động. Ngày nay, nhiều người vẫn phần nào ủng hộ niềm tin này, và họ cố gắng thoả hiệp với vận may. Họ tình nguyện làm một số điều nhất định để hi vọng họ có thể có một điểm A trong một khoá học, hay đỗ kì thi lái xe.

Tuy nhiên, dần dần con người đã để ý một số quy tắc nhất định của thiên nhiên. Những quy tắc này thể hiện rõ nhất qua sự chuyển động của những vật thể trên bầu trời. Vì vậy, thiên văn học là ngành khoa học đầu tiên được phát triển. Hơn 300 năm trước, Newton đã chứng minh một nền tảng toán học vững chắc của thiên văn học, và ngày hôm nay chúng ta vẫn sử dụng định luật vạn vật hấp dẫn của ông để dự đoán sự chuyển động của hầu hết các hành tinh. Tiếp sau thiên văn học, các hiện tượng tự nhiên khác cũng đã được chứng minh là tuân theo một số quy tắc khoa học nhất định. Điều này đã dẫn tới sự phát triển của thuyết khoa học tiền định, lý thuyết đã được phát biểu công khai đầu tiên bời nhà khoa học người Pháp, Laplace. Ông đã nói, nếu tại một thời điểm, chúng ta biết vị trí và vận tốc của tất cả các hạt của vũ trụ, vậy chúng ta có thể tính toán hoạt động của chúng tại bất kì một thời điểm nào khác, trong quá khứ hay tương lai. Đã có một câu chuyện vui, rằng khi Napoleon hỏi Laplace Chúa đóng vai trò gì trong mối quan hệ này, Laplace đã trả lời: “Thưa ngài, tôi chưa bao giờ quan tâm tới giả thiết đó.” Tôi không nghĩ rằng Laplace ý nói rằng Chúa không tồn tại. Chỉ là Chúa đứng ngoài, để không phá vỡ các quy tắc của khoa học. Đó chắc chắn là quan điểm của mọi nhà khoa học. Một định luật khoa học sẽ không còn là một định luật khoa học, nếu nó chỉ áp dụng khi một đấng tối cao nào đó quyết định không can thiệp và để mặc mọi việc diễn ra.

Ý tưởng rằng trạng thái của vũ trụ tại một thời điểm quyết định trạng thái của tất cả các thời điểm  còn lại đã trở thành một nguyên lí trung tâm của khoa học, kể từ thời của Laplace. Nó gợi ý rằng chúng ta có thể đoán được tương lai, ít ra là trên lý thuyết. Tuy nhiên, trong thực tế, khả năng dự đoán tương lai của chúng ta đã bị hạn chế một cách nghiêm trọng bởi độ phức tạp của các phương trình, và bởi việc các phương trình thường có một thành phần gọi là sự mất trật tự. Như những người đã xem bộ phim Công viên kỉ Jura sẽ hiểu, điều này có nghĩa là một sự rối loạn nhỏ ở một nơi có thể gây ra một thay đổi lớn ở một nơi khác. Một con bướm vỗ cánh cũng có thể gây mưa ở Công viên Trung tâm, New York. Vấn đề là, điều này không có tính lặp lại. Lần tiếp theo con bướm vỗ cánh, rất nhiều các yếu tố khác sẽ trở nên khác biệt, và những điều này cũng sẽ gây ảnh hưởng. Đó là lí do tại sao dự báo thời tiết lại không đáng tin cậy như vậy.

Bất chấp những khó khăn thực tiễn, thuyết khoa học tiền định vẫn là niềm tin chính thức xuyên suốt thế kỉ XIX. Tuy nhiên, vào thế kỉ XX, đã có hai sự phát triển chỉ ra rằng giấc mơ của Laplace để dự đoán trọn vẹn tương lai, không thể được thực hiện. Phát triển thứ nhất là ở cơ học lượng tử. Lý thuyết này lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà vật lý học người Đức, Max Planck, như một giả thiết để giải thích một nghịch lý nổi tiếng. Theo những quan niệm của thời Laplace vào thế kỉ XIX, một vật thể nóng, ví dụ như một mảnh kim loại nóng đỏ, sẽ phát ra phóng xạ. Nó sẽ mất năng lượng ở dạng sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím, tia X và tia gamma voi cùng một vận tốc không thay đổi. Điều này không chỉ có nghĩa là tất cả chúng ta sẽ cùng chết vì ung thư da, nó còn có nghĩa là tất cả mọi vật thể trong vũ trụ có cùng chung nhiệt độ, và điều này hiển nhiên sai. Tuy nhiên, Planck đã chứng minh chúng ta có thể thoát khỏi thảm hoạ này, nếu chúng ta từ bỏ quan niệm rằng lượng phóng xạ có thể mang bất cứ giá trị nào, và thay vào đó phát biểu rằng phóng xạ tồn tại duy nhất theo phần hay định lượng của một định mức nhất định. Điều này gần giống như việc nói bạn không thể mua đường bừa bãi trong siêu thị, mà phải mua theo từng cân. Năng lượng ở trong từng phần hay định lượng này sẽ cao hơn đối với tia cực tím và tia X, và thấp hơn đối với tia hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy. Vì vậy, trừ khi một vật thể có nhiệt độ rất cao, ví dụ như Mặt Trời, nó sẽ không có bao giờ có đủ năng lượng để phát ra một chút năng lượng nào ở dạng tia cực tím hoặc tia X. Đây là lí do vì sao chúng ta không bị cháy nắng vì một tách cà phê.

Planck coi ý tưởng về những phần hoặc định lượng này đơn thuần chỉ là một mẹo toán học mà không có bất cứ giá trị nào trong thực tế. Tuy nhiên, các nhà vật lý đang bắt đầu tìm thấy những hiện tượng khác chỉ có thể được giải thích dưới dạng các đại lượng mang các giá trị hằng số nhất định, chứ không phải những đại lượng biến thiên. Ví dụ, nghiên cứu đã chứng minh các hạt cơ sở hoạt động giống như những con quay, quay xung quanh một trục nhất định. Tuy nhiên vận tốc quay không thể nhận một giá trị bất kì. Nó phải là một bội số của một đơn vị nhất định. Vì đơn vị này là rất nhỏ, chúng ta thường không để ý một con quay thường quay chậm lại qua một chuỗi các hành động diễn ra rất chóng vánh gồm các bước riêng biệt, thay vì một quá trình liên tiếp. Nhưng với những con quay rất nhỏ như các nguyên tử, bản chất gián đoạn của sự quay này là rất quan trọng.

Chỉ một thời gian sau mọi người mới nhận ra mối liên hệ giữa lý thuyết về đơn vị năng lượng ở trên và thuyết khoa học tiền định. Năm 1926, Werner Heisenberg, một nhà vật lý học người Đức khác, đã chứng minh rằng chúng ta không thể xác định đồng thời vị trí và vận tốc của một hạt một cách chính xác. Để biết được một hạt đang ở đâu, nó phải được chiếu sáng. Nhưng theo kết quả nghiên cứu của Planck, chúng ta không thể dùng một lượng ánh sáng bất kì. Chúng ta phải sử dụng ít nhất một đơn vị năng lượng ánh sáng. Nhưng việc này sẽ làm ảnh hưởng tới hạt chúng ta đang nghiên cứu, và khiến nó thay đổi vận tốc một cách không thể đoán trước. Nó là một tình huống khá bất lực: chúng ta càng cố đo đạc vị trí của hạt một cách càng chính xác, chúng ta sẽ càng không thể đo được vận tốc của hạt, và ngược lại. Điều này đã được trình bày ở Nguyên lý bất định của Heisenberg; tích của tính bất định trong vị trí của hạt và tính bất định trong vận tốc của nó sẽ luôn luôn lớn hơn thương số giữa khối lượng của hạt và một đại lượng được gọi là hằng số của Planck.

Laplace hoài bão về thuyết khoa học tiền định đòi hỏi chúng ta phải biết tất cả các vị trí và vận tốc của tất cả các hạt trong vũ trụ vào bất cứ thời điểm nào. Vì vậy, nó đã bị phản chứng một cách nghiêm trọng bởi nguyên lý bất định của Heisenberg. Làm sao chúng ta có thể dự đoán được tương lai, khi chúng ta không thể đo đạc một cách chính xác vị trí và vận tốc của tất cả các hạt vào thời điểm hiện tại. Dù chúng ta có một hệ thống máy móc hiện đại đến đâu, nếu chúng ta chỉ có những dữ liệu sai lệch, chúng ta sẽ luôn nhận được những dự đoán sai lệch.

Einstein rất không hài lòng về tính bất định này của tự nhiên. Quan điểm của ông đã được thể hiện rất rõ qua câu nói nổi tiếng: “Chúa không chơi súc sắc.” Ông cảm thấy sự khó đoán biết chỉ là tạm thời: nhưng còn một kha năng ẩn đằng sau, khi tất cả các hạt sẽ được xác định chính xác vị trí và vận tốc, và khả năng này sẽ phát triển dựa trên thuyết khoa học tiền định của Laplace. Chúa có thể đã biết về thực tế này, nhưng bản chất lượng tử của ánh sáng sẽ cản trở chúng ta nhìn thấy nó, trừ khi là xuyên qua một thấu kính mờ mịt.

Quan điểm của Einstein đã trở thành điều mà ngày nay được gọi là một thuyết biến số ẩn. Thuyết biến số ẩn có lẽ là cách rõ ràng nhất để áp dụng nguyên lý bất định vào vật lý. Thuyết này dựng lên nền tảng của vũ trụ nhìn qua con mắt của nhiều nhà khoa học và triết gia khoa học. Nhưng thuyết biến số ẩn này là sai. John Bell, nhà vật lý người Anh người vừa qua đời cách đây không lâu đã chế tạo một thí nghiệm có thể nhận biết được các biến số ẩn. Khi thí nghiệm được tiến hành rất kĩ lưỡng, kết quả không phù hợp với sự tồn tại của các biến số ẩn. Vì vậy, nó trở nên rất rõ ràng rằng kể cả Chúa cũng nằm trong tầm ảnh hưởng  của nguyên lý bất định, và Người không thể biết vị trí và vận tốc của một hạt. Vậy nên Chúa không thể không chơi súc sắc với vũ trụ. Tất cả các bằng chứng đều chỉ ra rằng Người là một con bạc không biết mệt mỏi, liên tục ném súc sắc bất cứ khi nào có cơ hội.

Các nhà khoa học khác có một quan điểm khá thoải mái so với Einstein trong việc thay đổi quan điểm khoa học tiền định của thế kỉ XIX. Một lý thuyết mới, được gọi là cơ học lượng tử, đã được giới thiệu bởi Heisenberg, nhà vật lí học người Úc Erwin Schroedinger và nhà vật lý người Anh Paul Dirac. Dù cơ học lượng tử đã có mặt gần 70 năm, thuyết này vẫn không được hiểu rõ hay được tôn trọng, kể cả từ phía những người sử dụng nó để tính toán các phương trình. Tuy vậy, tất cả chúng ta đều nên chú ý đến thuyết này, vì nó mang lại một bức tranh hoàn toàn khác biệt về vũ trụ hữu hình, và về thực tế. Trong cơ học lượng tử, vận tốc và vị trí của các hạt không được xác định rõ. Thay vào đó, chúng được biểu diễn bởi các hàm sóng. Đại lượng này mang một giá trị khác nhau tại mỗi điểm của vũ trụ. Độ lớn của hàm sóng cung cấp xác suất hạt đang nghiên cứu sẽ được tìm thấy tại một điểm. Vận tốc hàm sóng biến thiên từ điểm này tới điểm khác cung cấp vận tốc của hạt đó. Một hạt có thể có một hàm sóng đột ngột đạt cực đại trong một vùng nhỏ. Điều này nghĩa là tính khó đoán biết được tại vị trí đó là rất nhỏ. Nhưng hàm sóng sẽ biến thiên rất nhanh chóng ở gần đỉnh, lên ở một bên, và  xuống ở bên còn lại. Vì thế tính khó đoán biết được của vận tốc sẽ trở nên rất lớn. Tương tự, một hạt khác có thể có một hàm sóng với tính bất định ở vận tốc rất nhỏ, nhưng tính bất định ở vị trí rất lớn.

Một hàm sóng cung cấp tất cả những điều chúng ta cần biết về một hạt: vị trí và vận tốc của nó. Nếu chúng ta biết hàm sóng tại một thời điểm, vậy giá trị của nó tại các thời điểm khác có thể được xác định bằng phương trình Schroedinger. Vì vậy, vẫn tồn tại một yếu tố tiền định nhất định, nhưng không chính xác như điều Laplace đã hình dung. Thay vì có thể dự đoán vị trí và vận tốc của các hạt, tất cả những gì chúng ta có thể dự đoán chỉ là hàm sóng. Điều này có nghĩa là chúng ta chỉ có thể dự đoán một nửa những gì chúng ta có thể dự đoán, theo như quan điểm của thế kỉ XIX.

Dù cơ học lượng tử dẫn đến sự không chắc chắn, khi chúng ta cố gắng dự đoán cả vị trí và vận tốc, chúng ta vẫn có thể dự đoán một cách chắn chắn một sự kết hợp của vận tốc và vị trí. Tuy nhiên, ngay cả khả năng chắc chắn này vẫn bị đe doạ bởi những phát hiện gần đây. Vấn đề nảy sinh vì trọng lực có thể làm cong không gian và thời gian, vì vậy sẽ tồn tại những khu vực chúng ta không thể quan sát.

Năm 1799, Laplace cũng đã viết một bài nghiên cứu về việc một số ngôi sao có thể có một trọng trường mạnh tới mức tới ánh sáng cũng không thể thoát ra ngoài, mà sẽ bị kéo trở về phía ngôi sao. Ông thậm chí còn tính toán được rằng một ngôi sao với kích thước tương đương với Mặt Trời, nhưng 250 lần lớn hơn, vẫn sẽ có tính chất này. Nhưng dù Laplace có nhận ra hay không, ý tưởng tương tự cũng đã được đề xuất 16 năm trước bởi một giáo sư từ Cambridge, John Mitchell. Cả Mitchell và Laplace nghĩ rằng ánh sáng được tạo nên bởi các hạt, giống như các quả đạn đại bác, vì vậy có thể bị làm giảm vận tốc bởi trọng lực, và bị kéo về phía các ngôi sao. Nhưng một thí nghiệm nổi tiếng tiến hành bởi hai người Mỹ, Michelson và Morley vào năm 1887 đã chứng minh rằng ánh sáng luôn luôn đi với một vận tốc là 186000 dặm một giây, không kể nó xuất phát từ đâu. Vì vậy trọng lực không thể làm ánh sáng di chuyển chậm lại, hay thậm chí là di chuyển ngược lại.

Điều này là bất khả thi, theo như những quan điểm được chấp nhận thời bấy giờ về không gian và thời gian. Nhưng vào năm 1915, Einstein đưa ra Thuyết Tương đối rộng. Ông chứng minh rằng không gian và thời gian không phải là những chủ thể tồn tại riêng rẽ và độc lập, thay vào đó, chúng chỉ là nhữg hướng đi khác nhau của một chủ thể chung gọi là không - thời gian. Không - thời gian không phẳng, mà bị bẻ cong bởi các vật chất và năng lượng ở trong nó. Để hiểu được điều này, chúng ta hãy hình dung một tấm cao su với một quả cân được đặt trên nó để đại diện cho một ngôi sao. Quả cân này sẽ tạo ra một chỗ lõm ở trên tấm cao su, và sẽ khiến những vùng gần quả cân bị bẻ cong, thay vì phẳng. Nếu chúng ta thả những hòn bi ở trên tấm cao su, hướng dịch chuyển của chúng sẽ bị cong, thay vì là những đường thẳng. Vào năm 1919, một đoàn thám hiểm người Anh đã tới Tây Phi đã quan sát ánh sáng từ các ngôi sao từ xa, băng qua Mặt trời trong một dịp nhật thực. Họ đã tìm ra rằng hình ảnh của các ngôi sao đã bị dịch chuyển nhẹ khỏi vị trí bình thường của chúng. Điều này phản ánh rằng đường đi của ánh sáng từ các ngôi sao đã bị bẻ cong bởi vùng không gian - thời gian bị bẻ cong xung quanh Mặt trời. Thuyết tương đối đã được chứng minh là đúng.

Hãy hình dung rằng chúng ta tiếp tục đặt thêm nhiều quả cân nặng hơn trên tấm cao su. Chúng sẽ làm tấm cao su tiếp tục bị oằn xuống. Cuối cùng, tới một trọng lượng và kích thước nhất định, chúng sẽ tạo thành một cái hố không đáy ở tấm cao su, một cái hố mà tất cả các hạt đều có thể đi vào, nhưng không hạt nào có thể đi ra.

Điều xảy ra trong không - thời gian theo Thuyết Tương đối cũng tương tự. Một ngôi sao sẽ bẻ cong và làm biến dạng không gian - thời gian xung quanh nó, và độ biến dạng sẽ tỉ lệ thuận với trọng lượng và độ rắn của ngôi sao. Nếu một ngôi sao khổng lồ, với tất cả nguyên liệu hạt nhân của nó đã bị đốt cháy, hạ nhiệt độ và co lại quá một kích thước nhất định, nó sẽ tạo ra một cái hố không đáy giữa không gian - thời gian, và ánh sáng không thể thoát khỏi cái lỗ này. Những cái hố này được gọi là Hố đen bởi nhà vật lý người Mỹ John Wheeler, một trong những nhà khoa học đầu tiên nhận ra tầm quan trọng cũng như những vấn đề hố đen mang lại. Cái tên này đã được lưu truyền nhanh chóng. Với những người Mỹ, nó gợi về một thứ gì đó tối tăm và bí ẩn, trong khi với người Anh, có một chút gì đó dư âm về Hố đen của Calcutta. Nhưng người Pháp nghĩ rằng cái tên này mang một chút gì đó khiếm nhã. Hàng năm trời, họ từ chối không sử dụng cái tên này, lấy lí do rằng nó quá thô tục. Nhưng cuối cùng, họ cũng phải đầu hàng. Ai có thể tảng lờ một cái tên nổi tiếng như vậy?

Ngày hôm nay, chúng ta đã thu thập được nhiều quan sát chứng minh sự tồn tại của hố đen trong nhiều sự vật, từ những hệ sao đôi, tới trung tâm những thiên hà. Vì vậy hôm nay số đông chúng ta chấp nhận rằng hố đen có tồn tại. Nhưng ngoài nguồn tài nguyên dồi dào cho các phim khoa học viễn tưởng, hố đen còn có một tầm quan trọng lớn đối với thuyết tiền định. Câu trả lời nằm trong một cái hình dán tôi có trong cánh cửa trước phòng làm việc: Không ai có thể quan sát hố đen. Không chỉ các hạt và các nhà du hành bất hạnh bị hút vào một hố đen không bao giờ ra ngoài nữa, cả những thông tin họ mang lại cũng bị thất lạc vĩnh viễn, ít nhất là đối với địa phận của chúng ta trong vũ trụ. Chúng ta có thể ném những ti vi, nhẫn kim cương, và kể cả những kẻ thù đáng ghét nhất của chúng ta vào một hố đen, và tất cả những gì cái hố đen sẽ ghi nhớ là tổng khối lượng, và trạng thái quay. John Wheeler gọi điều này là: “Một cái hố đen không có tóc.” Đối với người Pháp, câu nói này chỉ khẳng định những nghi ngờ của họ là đúng.

Khi chúng ta nghĩ rằng hố đen sẽ tồn tại mãi mãi, không mấy ai để tâm đến sự thất lạc thông tin này. Một người có thể nói rằng các thông tin vẫn tồn tại bên trong một hố đen. Vấn đề chỉ là chúng ta không thể xác định được nó từ bên ngoài. Tuy nhiên bức tranh đã thay đổi hoàn toàn, khi tôi phát hiện ra là hố đen không hoàn toàn đen. Cơ học lượng tử đã chứng minh chúng phải phát ra bức xạ và các hạt ở một tốc độ nhất định. Kết quả này là một ngạc nhiên hoàn toàn cho tôi và tất cả mọi người. Nhưng khi suy nghĩ lại, nó thật rõ ràng. Khi chúng ta nghĩ tới một khoảng không gian trống, nó không hẳn trống, mà chứa đầy những cặp hạt và phản hạt. Hai loại này tồn tại đồng thời ở một số điểm của không gian và thời gian, di chuyển ra xa nhau, sau đó đâm vào nhau và huỷ diệt lẫn nhau. Các hạt và phản hạt này xảy ra bởi vì một trường, ví dụ như trường có chứa ánh sáng và trọng lực, không thể mang giá trị bằng không. Điều này có nghĩa là giá trị của một trường sẽ có một vị trí nhất định (tại không) và một vận tốc nhất định của dịch chuyển (cũng là không). Điều này sẽ phản chúng lại nguyên lý bất định, cũng như một hạt không thể có đồng thời một vị trí nhất định và một vận tốc nhất định. Bởi vậy tất cả các trường đều phải có sự dao động chân không. Bởi vì bản chất lượng tử của tự nhiên, chúng ta có thể hiểu những dao động chân không này dưới dạng các hạt và phản hạt như tôi vừa miêu tả.

Những cặp hạt và phản hạt này xảy ra với mọi sự biến thiên của các hạt cơ bản. Chúng được gọi là các hạt ảo, bởi vì chúng xảy ra cả ở trong khoảng chân không, và chúng không thể được chính xác đo đạc bởi các thiết bị dò hạt..Tuy nhiên, kết quả gián tiếp của các hạt ảo, hoặc của các dao đọng chân không đã được quan sát thấy qua nhiều thí nghiệm, và sự tồn tại của chúng được chứng minh.

Với một cái hố đen ở gần, một phần tử của cặp hạt - phản hạt có thể bị hút vào hố, để lại phần tử kia không còn là một cặp. Phần tử này cũng có thể rơi vào hố, nhưng nó cũng có thể trốn một quãng xa khỏi cái hố, nơi nó sẽ trở thành một hạt thật, có thể được nhận dạng bởi các thiết bị dò hạt. Đối với một người ở rất xa hố đen, hạt này sẽ được coi như đã bị hố đen thải ra.

Giải thích về việc hố đen thực chất không thực sự đen này đã làm sáng tỏ rằng sự thải các hạt sẽ phụ thuộc vào độ lớn của hố đen, và tốc độ quay của nó. Nhưng bởi vì hố đen không có tóc, theo cách nói của Wheeler, phóng xạ sẽ không phụ thuộc vào những vật thể gì bị hút vào hố đen. Nó không tạo ra sự khác biệt nếu chúng ta ném vào đó ti vi, nhẫn kim cương, hoặc kẻ thù của chúng ta. Những thứ được thải ra sẽ luôn luôn giống nhau.

Mối liên hệ giữa những lập luận này và thuyết tiền định là những gì bài giảng này xoay quanh. Điều nó chỉ ra là có rất nhiều giai đoạn ban đầu, chứa ti vi, nhẫn kim cương, và cả con người, và chúng tiến hoá để trở thành cùng một trạng thái ban đầu, ít nhất ở bên ngoài hố đen. Nhưng ở trong Laplace viễn cảnh của thuyết khoa học tiền định, có một mối quan hệ một một giữa giai đọan đầu tiên và giai đoạn cuối cùng. Nếu chúng ta biết trạng thái của vũ trụ vào một thời điểm trong quá khứ, chúng ta có thể dự đoán tương lai. Tương tự, nếu chúng ta biết trạng thái của nó ở tương lai, chúng ta cũng có thể dự đoán trạng thái của nó trong quá khứ. Sự phát triển của thuyết lượng tử vào những năm 1920 đã giảm thiểu những khả năng chúng ta có thể dự đoán xuống một nửa, nhưng nó vẫn để lại một mối liên hệ giữa các trạng thái của vũ trụ ở những thời điểm khác nhau. Nếu chúng ta biết hàm sóng ở một thời điểm, chúng ta có thể tính toán nó tại bất kì thời điểm nào.

Tuy nhiên, với hố đen, mọi việc đều thay đổi. Chúng ta sẽ luôn kết thúc với cùng một trạng thái ở bên ngoài hố đen, bất chấp chúng ta ném vật gì vào, chỉ cần chúng có chung trọng lượng. Vì vậy, không tồn tại một mối quan hệ một một nào giữa giai đoạn đầu tiên, và giai đoạn cuối cùng bên ngoài hố đen. Nhưng vẫn tồn tại một mối quan hệ một một giữa trạng thái đầu tiên và trạng thái cuối cùng ở cả bên ngoài và bên trong hố đen. Nhưng điều đáng chú ý là sự phát ra các hạt và phóng xạ của các hố đen sẽ khiến cái hố này mất dần khối lượng, và trở nên nhỏ hơn. Cuối cùng, cái hố đen sẽ đạt mức không khối lượng, và sẽ biến mất hoàn toàn. Tới lúc đó điều gì sẽ xảy ra với tất cả những vật thể đã rơi vào bên trong hố, và tất cả những người đã nhảy vào, hay bị đẩy vào? Họ không thể ra ngoài được, bởi vị không còn đủ khối lượng hay năng lượng bên trong hố đen để gửi họ ra ngoài. Họ có thể được tới một vũ trụ khác, nhưng điều này không tạo ra một khác biệt lớn lao đối với chúng ta, những người đủ sáng suốt để không nhảy vào một hố đen. Ngay cả thông tin về việc những gì đã rơi vào bên trong hố đen, cũng không thể được tiết lộ khi hố đen biến mất. Thông tin không thể được vận chuyển một cách miễn phí, những người phải trả hoá đơn điện thoại sẽ hiểu điều này. Thông tin đòi hỏi năng lượng để lưu thông, và sẽ không còn đủ năng lượng còn lại khi hố đen biến mất.

Điều việc này chỉ ra là thông tin sẽ bị thất lạc khỏi miền của chúng ta trong vũ trụ khi hố đen được tạo ra và biến mất. Sự thất lạc thông tin này có nghĩa là chúng ta chỉ dự đoán được còn ít hơn chúng ta nghĩ, dựa trên thuyết lượng tử. Trong thuyết lượng tử, không ai có thể dự đoán một cách chắc chắn cả vị trí và vận tốc của một hạt. Nhưng vẫn còn một sự kết hợp của vị trí và vận tốc có thể được dự đoán. Trong trường hợp của một hố đen, sự dự đoán này đòi hỏi cả hai phần tử của một cặp hạt. Nhưng chúng ta chỉ có thể đo đạc hạt được thải ra. Không có cách nào trên lý thuyết để chúng ta có thể đo đạc được hạt đã rơi vào bên trong hố đen. Vì vậy, với tất cả những dự đoán của chúng ta, nó có thể mang bất kì hình dạng nào. Điều này có nghĩa là chúng ta không thể có một dự đoán chắc chắn nào về hạt được thải ra khỏi hố. Chúng ta có thể tính toán xác suất hạt này có vị trí này hay vận tốc nọ. Nhưng chúng ta không thể dự đoán một sự kết hợp nào của vị trí và vận tốc của chỉ một hạt, vì vị trí và vận tốc của hạt này sẽ dựa vào hạt còn lại, hạt mà chúng ta không thể quan sát. Vì vậy, có vẻ Einstein đã rất sai lầm khi ông nói Chúa không chơi súc sắc. Chúa không chỉ chắc chắn chơi súc sắc, ông còn thỉnh thoảng làm chúng ta hoang mang bằng cách ném những quân súc sắc vào những nơi chúng không thể bị nhìn thấy.

Rất nhiều nhà khoa học cũng giống như Einstein, ở việc họ có một sự gắn bó tình cảm sâu sắc  với thuyết tiền định. Khác Einstein, họ chấp nhất sự giảm thiểu khả năng dự đoán của chúng ta đã được chứng minh bởi thuyết lượng tử. Nhưng điều đó đã là quá đủ. Họ không thích giảm thiểu hơn nữa, như những gì hố đen hàm ý. Vì vậy, họ nói rằng thông tin không thực sự bị thất lạc ở sâu bên trong hố đen. Nhưng họ cũng chưa tìm ra bất kì một cách thức nào để mang thông tin đó trở lại. Nó chỉ là một hi vọng phù phiếm khi tin rằng vũ trụ là tiền định theo cách Laplace đã nghĩ. Tôi cảm thấy những nhà khoa học này đã không học tập được từ những bài học kinh nghiệm của lịch sử. Vũ trụ không bao giờ hoạt đọng dựa trên những quan điểm chúng ta đã tiếp nhận. Nó luôn luôn làm chúng ta ngạc nhiên.

Một người có thể không nghĩ việc thuyết tiền định bị phản chứng ở gần hố đen là một việc có tầm quan trọng lớn. Chúng ta đã chắc chắn về ít nhất một vài năm ánh sáng từ một hố đen ở bất kì độ lớn nào. Nhưng Thuyết không thể biết hàm ý rằng mọi miền của vũ trụ đều chứa đấy những hố đen ảo tí hon, những vật biến mất rồi lại tái sinh liên tục. Một người có thể sẽ nghĩ rằng hạt và thông tin có thể rơi vào bên trong những hố đen này, và bị thất lạc. Vì những hố đen ảo này quá nhỏ bé, một trăm tỉ tỉ lần nhở hơn hạt nhân của một nguyên tử, tốc độ thông tin bị thất lạc sẽ rất nhỏ. Nhưng ở trong những điều kiện khắc nghiệt, ví dụ như ở vũ trụ sơ khai, hoặc ở trong một sự va chạm giữa các hạt mang lại nguồn năng lượng cao, có thể tồn tại những sự mất mát và thất lạc lớn về thông tin. Điều này sẽ dẫn tới việc sự tiến hoá của vũ trụ không thể dự đoán được.

Tóm lại, những điều tôi đang trình bày, là liệu vũ trụ sẽ tiến hoá ở một cách bất kì, hay nó là tiền định. Quan điểm cổ, đề xuất bởi Laplace, là những chuyển động trong tương lai của các hạt là hoàn toàn được định trước, nếu chúng ta biết vị trí và vận tốc của nó vào một thời điểm. Quan điểm này phải được sửa đổi, khi Heisenberg đề xuất Nguyên lý bất định, chỉ ra rằng chúng ta không thể biết cả vị trí và vận tốc của hạt một cách chính xác. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể dự đoán một sự kết hợp của vận tốc và vị trí. Nhưng ngay cả khả năng dự đoán nhỏ hẹp này cung đã biến mất, khi những hệ quả của hố đen được đưa vào vấn đề. Sự mất mát của các hạt và thông tin sâu bên trong hố đen có nghĩa là các hạt bị thải ra ngoài là hoàn toàn ngẫu nhiên. Chúng ta có thể tính toán các xác suất, nhưng chúng ta không thể có một dự đoán chính xác nào. Vì vậy, tương lai của vũ trụ không hoàn toàn bị kiểm soát bởi các quy tắc khoa học hay trạng thái hiện tại của nó như Laplace đã nghĩ. Chúa vẫn còn một số mẹo nữa trong tay Người.

Đó là tất cả những gì tôi muốn nói cho ngày hôm nay. Xin cảm ơn.

Stephen Hawking (1999)
Dịch giả: Phạm Quỳnh Chi (2011)

Vui lòng ghi rõ tên dịch giả cũng như nguồn Thienvanvietnam.org khi bạn sử dụng bài viết này!