Vào thời cổ xưa, thế giới chắc phải rối ren lắm. Các thảm họa như lụt lội, dịch bệnh, động đất hay núi lửa cứ thế xảy ra chẳng hề có cảnh báo hay nguyên nhân rõ ràng nào. Con người nguyên thủy gán những hiện tượng tự nhiên như thế cho các thần và nữ thần, mà họ hành xử một cách rất thất thường và kỳ quái. Chẳng có cách nào dự đoán họ sẽ làm gì và hy vọng duy nhất là giành được sự chiếu cố bằng quà biếu hoặc các hành vi công quả.

Nhiều người vẫn còn phần nào ủng hộ niềm tin này và thử ký kết hiệp ước với vận may. Họ sẵn lòng ứng xử đẹp hơn hay trở nên tốt bụng hơn chỉ nếu như họ có thể được xếp loại A cho môn học hoặc được đánh giá đạt yêu cầu trong bài kiểm tra lái xe của mình.

Tuy nhiên, dần dần, chắc hẳn con người đã nhận ra những biểu hiện đều đặn nhất định trong cách hành xử của tự nhiên. Sự đều đặn này được ghi nhận rõ nhất trong chuyển động của các thiên thể ngang qua bầu trời. Vì thế, môn khoa học được phát triển sớm nhất chính là thiên văn học.

Sách Trả lời ngắn gọn những câu hỏi lớn. Ảnh: Việt Linh.

Hơn 300 năm trước, Newton đã xây dựng cho môn khoa học này một nền tảng toán học vững chắc và giờ đây chúng ta vẫn dùng lý thuyết hấp dẫn của ông để dự đoán chuyển động của hầu hết thiên thể.

Noi gương thiên văn học, người ta đã nhận thấy rằng các hiện tượng tự nhiên khác cũng tuân theo quy luật khoa học xác định. Điều này dẫn tới quyết định luận khoa học, mà dường như nhà khoa học Pháp Pierre-Simon Laplace là người đầu tiên công bố luận điểm này. Tôi muốn trích dẫn tại đây chính xác các từ ngữ của Laplace, nhưng Laplace khá giống Proust ở chỗ ông luôn viết các câu dài và phức tạp bất thường. Nên tôi quyết định diễn giải đoạn trích đó.

Thực ra, điều mà Laplace nói đến là nếu biết vị trí và tốc độ của tất cả hạt trong vũ trụ tại một thời điểm, chúng ta có thể tính được trạng thái của chúng tại thời điểm bất kỳ trong quá khứ hoặc tương lai.

Tương truyền một chuyện có vẻ là bịa đặt khi Laplace được Napoleon hỏi rằng thế Chúa Trời phù hợp như thế nào với hệ thống này, ông đã đáp lại: “Thưa ngài, tôi không cần đến giả thuyết đó".

Tôi không nghĩ là Laplace đã tuyên bố rằng không có Chúa Trời. Ý của ông chỉ là Chúa Trời không can thiệp để phá vỡ các định luật khoa học. Đó phải là quan điểm của mọi nhà khoa học. Một định luật khoa học sẽ không còn là định luật khoa học nữa nếu nó chỉ đúng khi một thế lực siêu nhiên nào đó quyết định để các sự vật diễn ra và không can thiệp vào.

Ý tưởng rằng trạng thái của vũ trụ ở một thời điểm xác định trạng thái của nó ở tất cả thời điểm khác đã luôn là nguyên lý trung tâm của khoa học từ thời Laplace. Nguyên lý đó ngụ ý, ít nhất là về nguyên tắc, chúng ta có thể dự đoán tương lai.

Tuy nhiên, trong thực tế, khả năng dự đoán tương lai của chúng ta bị hạn chế nghiêm trọng bởi sự phức tạp của các phương trình, và bởi chúng thường có một tính chất gọi là hỗn độn. Như những ai đã xem phim Công viên kỷ Jura đều thấy điều này ý là một rối loạn nhỏ ở một nơi có thể gây ra thay đổi lớn ở nơi khác.

Một con bướm đập nhẹ đôi cánh của mình ở Australia có thể gây ra mưa tại Công viên Trung tâm ở New York. Cái phiền toái là điều đó không lặp lại. Lần sau, con bướm đập đôi cánh của mình, vô số sự vật khác sẽ khác đi, và chúng lại sẽ ảnh hưởng đến thời tiết. Chính yếu tố hỗn độn này là lý do các dự báo thời tiết có thể không xác thực như thế.

Bất chấp những khó khăn thực tế này, quyết định luận khoa học vẫn là tín điều chính thống xuyên suốt thế kỷ 19. Tuy nhiên, sang thế kỷ 20, có hai thành tựu khoa học chỉ ra rằng ảo mộng của Laplace về dự đoán tương lai một cách đầy đủ là không thể thực hiện được.

Thành tựu thứ nhất được gọi là cơ học lượng tử. Lĩnh vực này nảy sinh năm 1900 như một giả thuyết phi truyền thống của nhà vật lý Đức, Max Planck, để giải quyết một nghịch lý nổi tiếng. Theo ý tưởng cổ điển thế kỷ 19, có từ thời Laplace, một vật nóng, ví như mẩu kim loại nóng đỏ, sẽ phát ra bức xạ. Nó sẽ mất năng lượng qua các sóng vô tuyến, hồng ngoại, ánh sáng khả kiến, ánh sáng cực tím, tia X và tia gamma, tất cả với cùng định mức.

Điều này có nghĩa là không chỉ tất cả chúng ta đều sẽ chết vì ung thư da, mà còn là mọi thứ trong vũ trụ đều ở cùng một nhiệt độ, một điều rõ ràng không thể có.

Song, Planck đã chỉ ra rằng ta có thể tránh được thảm họa này nếu từ bỏ ý tưởng cho rằng lượng bức xạ có thể nhận giá trị bất kỳ, và thay vào đó ta giả định rằng bức xạ phát ra không liên tục mà chỉ trong các gói hay các lượng tử với kích cỡ xác định. Điều này hơi giống như việc bạn không thể mua đường vung vãi lung tung trong siêu thị, đường cần được đóng gói từng kilogram.

Năng lượng chứa trong các gói hay các lượng tử phụ thuộc vào bước sóng, với cực tím và tia X năng lượng cao hơn so với hồng ngoại hay ánh sáng khả kiến. Điều đó nghĩa là trừ khi vật thể cực nóng, như Mặt Trời, không thì nó sẽ không đủ năng lượng để phát ra thậm chí chỉ một lượng tử đơn lẻ của cực tím hay tia X. Đó là lý do vì sao ta không bị cốc cà phê làm cháy nắng.

Planck xem ý tưởng về lượng tử chỉ như một mẹo toán học và không có bất kỳ một thực tế vật lý nào, dù nó có thể ngụ ý bất kể thứ gì. Tuy nhiên, các nhà vật lý bắt đầu tìm kiếm những hiện tượng khác mà chỉ có thể giải thích qua các đại lượng nhận các giá trị gián đoạn hoặc bị lượng tử hóa thay vì các đại lượng biến đổi liên tục.

Chẳng hạn, người ta nhận thấy các hạt cơ bản hành xử khá giống con quay tí hon, quay quanh một trục. Nhưng tổng lượng quay (spin) không thể có giá trị bất kỳ. Nó phải là bội của một đơn vị cơ bản. Bởi vì đơn vị này rất nhỏ, người ta không nhận ra rằng, một con quay bình thường thực ra quay chậm lại theo một chuỗi các bước gián đoạn nhỏ, hơn là một quá trình liên tục. Nhưng, với những con quay nhỏ như các nguyên tử, thì bản chất gián đoạn của spin là rất quan trọng.

Phải mất một thời gian trước khi con người nhận thức đầy đủ các hàm ý hành xử lượng tử này đối với quyết định luận. Đến mãi năm 1927, Werner Heisenberg, một nhà vật lý người Đức khác, mới chỉ rõ rằng bạn không thể đo chính xác đồng thời cả vị trí lẫn tốc độ của một hạt. Để thấy hạt đang ở đâu, ta cần phải rọi ánh sáng vào nó.

Nhưng, theo công trình của Planck, không thể dùng một lượng ánh sáng nhỏ tùy ý. Ta phải dùng ít nhất một lượng tử. Việc này sẽ nhiễu loạn hạt và làm thay đổi tốc độ của nó theo cách không thể dự đoán được. Để xác định vị trí của hạt một cách cẩn thận hơn, bạn sẽ phải dùng ánh sáng bước sóng ngắn, như cực tím, tia X, hay tia gamma. Và một lần nữa, theo công trình của Planck, lượng tử của các dạng ánh sáng này có năng lượng cao hơn so với ánh sáng khả kiến. Vì thế chúng sẽ khiến tốc độ của hạt bị nhiễu động mạnh hơn.

Một tình thế bất khả chiến thắng: Cố gắng xác định vị trí của hạt với độ chính xác càng cao, thì bạn sẽ chỉ biết được tốc độ của nó với độ chính xác càng thấp và ngược lại. Điều này được thể hiện trong Nguyên lý Bất định do Heisenberg đề xuất: Tích của độ bất định về vị trí của một hạt với độ bất định về tốc độ của nó luôn lớn hơn một đại lượng gọi là hằng số Planck, chia cho hai lần khối lượng của hạt.

Quan điểm của Laplace về quyết định luận khoa học bao hàm việc biết vị trí và tốc độ của các hạt trong vũ trụ tại một thời điểm. Thế nên, với Nguyên lý Bất định Heisenberg, quan điểm này đã bị xói mòn một cách nghiêm trọng. Làm sao có thể dự đoán tương lai khi mà ta không thể xác định chính xác cả vị trí lẫn tốc độ của các hạt ở thời điểm hiện tại? Cho dù máy tính của bạn mạnh đến đâu đi nữa, nếu đưa vào một dữ liệu tồi thì tất nhiên bạn sẽ nhận ở đầu ra những dự đoán cũng tồi.