Nhưng đây là chuyện đã cũ và xưa nay vẫn vậy: cái gì đã xảy ra từ xa xưa với những người Khắc kỷ thì ngày nay vẫn xảy ra, kể từ cái buổi mà triết học bắt đầu tin vào bản thân mình. Nó luôn sáng tạo ra thế giới dựa trên hình ảnh của chính mình; nó không thể làm khác được.

F. NIETZSCHE

Một trong những bước phát triển lạ lùng của cuộc sống hiện đại là huyền thoại hóa các loại vũ khí hạt nhân. Đây là một hiệu ứng mang đặc tính thế hệ mà tôi quan sát thấy qua những cuộc trò chuyện với mọi tầng lớp sinh viên, cũng như quan sát thấy ở chính các con trai tôi. Bọn họ thấy khía cạnh con người của chiến tranh là hết sức khó hiểu, và suy nghĩ về mấy thứ đó như những quyền năng trừu tượng, chứ không chịu xem đó như những tác nhân gây chết chóc. Điều này đã hằn sâu vào óc tôi khi đưa cậu con cả đi xem viện bảo tàng bom nguyên tử ở Hiroshima vào hè năm ngoái. Nó hoàn toàn không thể hiểu nổi sự khủng khiếp của bom hạt nhân, và khi nhìn ra ngoài cái khung nhà mái vòm nổi tiếng bị bom còn sót lại, nó chỉ còn biết chúi mắt vào các nhạc công đường phố chơi đàn ghi ta cạnh bờ sông, và đám trẻ cùng trang lứa mặc áo bơi đang phóng mô-tô nước hiệu Kawasaki trên mặt sông. Việc mang vũ khí hạt nhân ra sử dụng càng lùi xa vào quá khứ bao nhiêu thì thứ công nghệ này lại càng trở nên hão huyền bấy nhiêu trong tâm thức của nền văn minh, chẳng mấy khác biệt so với những con tàu vũ trụ và những robot biến hình bị nổ tung trong các chương trình phim hoạt hình sáng thứ Bảy.

Thật đáng buồn, vũ khí hạt nhân lại là một đóng góp về mặt kỹ nghệ có tính giật gân nhất của vật lý học, và đã nâng ngành khoa học này lên tầm cao vòi vọi vào những năm 1950, đồng thời lại gắn cho nó một vết nhơ không bao giờ phai mờ kể từ đó cho tới nay. Việc bôi nhọ như vậy vốn mang tính quy giản luận. Việc phát hiện ra phóng xạ và những nghiên cứu tiếp sau đó về phản ứng hạt nhân đã dẫn đến sự phát triển năng lượng nguyên tử. Điều này, đến lượt nó, lại đưa đến cho mọi người thói quen đặt tất cả mọi thứ dưới sự chi phối của những định luật của hạt nhân nguyên tử - một hiệu ứng phần nào được gây ra bởi lượng tiền quá lớn đầu tư cho ngành vật lý sau chiến tranh, ngầm hiểu là để phát triển vũ khí hạt nhân.[1] Cũng là tự nhiên khi thế giới quan của một người bị ảnh hưởng bởi cách mà người đó kiếm sống. Con sâu làm rầu nồi canh, trong khoa học hay ở đâu khác thì cũng vậy thôi.

Trớ trêu là những nguyên lý vật lý liên quan tới vũ khí hạt nhân lại chẳng có gì tinh vi mà cũng chẳng có gì rối rắm cho lắm. Ở phòng thí nghiệm Livermore nơi tôi thường làm việc, mọi người cứ liên tục bàn về việc tại sao lại phải loại bỏ nghiên cứu vật lý hạt nhân, vì theo mọi người thì nó đâu có phải là nguyên nhân của việc sử dụng vũ khí hạt nhân. Những vụ nổ hạt nhân thì khác gì lửa cháy. Một khi tập hợp đủ nguyên liệu rồi thì bạn chỉ cần kích mồi phản ứng để nó xảy ra và bùng lên thôi. Đó là điều thực sự đáng sợ khi bàn về công nghệ này và là lý do mà các chính phủ trên thế giới tỏ ra hết sức hoang mang về việc phổ biến nhiên liệu phân hạch. Một khi có các bộ phận rồi thì việc chế tạo vũ khí hạt nhân chẳng có gì khó.

Vào những năm 1930, người ta đã phát hiện ra rằng phóng xạ cũng rất giống với hóa học, chỉ khác nhau về tầm cỡ.[2] Hạt nhân nguyên tử nhỏ hơn nguyên tử tới khoảng một triệu lần, nhưng trong mỗi phản ứng thì hạt nhân lại giải phóng nhiệt lượng nhiều hơn cả triệu lần. Bản thân các phản ứng bao hàm việc một số các mảnh của hạt nhân bị bắn ra ngoài, việc các hạt nhân bắt giữ những electron lân cận, và việc hợp nhất hai hạt nhân nhỏ thành một hạt nhân lớn hơn; tất cả đều tương tự như những phản ứng cháy trong hóa học. Những quá trình nói trên cũng tuân theo cùng các định luật của cơ học lượng tử như trong hóa học. Sự khác biệt có ý nghĩa nhất ở đây chỉ là, các lực tác dụng giữa các thành phần khác nhau của hạt nhân không hề đơn giản. Trong hóa học, chỉ có một lực cơ bản duy nhất tác dụng là lực điện, ngoài ra không có lực nào khác, nhưng trong phản ứng hạt nhân còn có những lực không thể mô tả một cách đơn giản và được biết dưới cái tên đầy cảm hứng là lực hạt nhân.

Có thể coi lực hạt nhân giống như cuộc gặp gỡ đầu tiên của một sinh viên với ý tưởng cho rằng không gian trống rỗng thực ra là không trống rỗng. Việc nắm vững được sự thực này - một nghi lễ chuyển cấp trong vật lý học - là một việc kỳ thú nhưng đồng thời cũng gây rối trí, giống như việc định dẫn bạn gái trốn vào chỗ tối rồi chợt phát hiện ra là đi nhầm vào nhà ngủ tập thể. Do mọi người trong phòng đều say giấc và ngáy o o nên mặc dù hành trạng của bạn cũng đã phải khác đi, nhưng xét cho cùng thì hai người cũng vẫn là riêng tư. Tương tự như vậy, về cơ bản thì bên trong một hạt nhân chỉ có các proton và neutron, nhưng hành trạng của chúng bị thay đổi bởi môi trường mà chúng chuyển động qua, mặc dù nhìn bề ngoài thì môi trường đó chỉ là một không gian trống rỗng. Trong cả hai trường hợp, môi trường xung quanh chỉ thụ động khi người ta tiến hành một thí nghiệm tinh tế, giống như trong phòng ngủ tập thể người ta chỉ được thì thầm và đi nhón chân. Trong trường hợp này, mọi thứ sẽ tuân theo một lý thuyết trong đó không có gì khác ngoài các diễn viên chính và những mối tương tác giữa họ với nhau, tuy cũng bất thường và phức tạp. Nhưng trong một thí nghiệm dữ dội hơn thì bản chất động lực của môi trường trở nên rõ nét, và mọi lý thuyết kiểu như trên đều sẽ thất bại.

Trong vật lý hạt nhân thì sự dữ dội là thường xuyên, vì những lực tương tác giữa các proton và neutron là vô cùng lớn. Những nỗ lực bỏ ra để tiến hành một thí nghiệm tinh tế đối với hạt nhân đều không tránh khỏi có kết cục giống như trong phim hoạt hình của Gary Larson, “Pil sbury Doughboy vớ phải Dịch vụ Trải nhựa và Lát đường của Frank”. Thông thường trong thực tế thì người ta không cố thử, mà thay vì thế người ta tìm cách cho hai hạt nhân có vận tốc lớn va vào nhau xem cái gì xảy ra tiếp đó. Trớ trêu thay, một trong số ít ỏi những hiệu ứng tinh tế trong vật lý hạt nhân hóa ra lại là sự phân hạch của urani do các neutron nhiệt. Sự tình cờ kỳ diệu của tự nhiên khiến cho một neutron di chuyển không nhanh hơn một phân tử khí thông thường lại có thể khởi phát phản ứng đó, qua đó khuếch đại năng lượng của neutron đó lên gấp một trăm triệu lần. Tính chất đặc biệt này của urani khiến cho việc sử dụng lò phản ứng hạt nhân dùng nước làm trung gian trở nên khả thi.

Cũng giống như nhiều người khác, tôi cũng đã có một đôi kinh nghiệm cá nhân về những không gian tưởng chừng như trống rỗng nhưng lại không như vậy. Vào đầu thập kỷ 1970, khi còn là lính, tôi quyết định đi Thụy Sĩ chơi vào dịp nghỉ cuối tuần với một đồng đội nữa cùng đơn vị. Để cho tiện, chúng tôi quyết định đi bằng tàu hỏa, nhưng thế nào lại nhỡ mất một chuyến ở Stuttgart, và khi đến Zurich thì đêm đã khuya nên không còn chuyến tốc hành nội tuyến nào dẫn đến các nhà ga khác cả. Vào giờ khuya khoắt này thì cũng không thuê phòng được, và chúng tôi đã làm một việc dại dột, mà cho tới giờ vẫn còn ân hận là băng qua đường vào một công viên gần đó, mở túi ngủ ra và ngủ trên ghế băng. Nói cho oai thôi chứ tất nhiên là có ngủ được mấy đâu. Chúng tôi đâu có được “một mình”. Thật vậy, suốt đêm dài trong công viên vẫn liên tục nhộn nhịp, và tôi chưa bao giờ thấy vui đến thế khi mặt trời mọc vào sáng sớm hôm sau. Ai còn không tin rằng không gian trống rỗng chỉ là chuyện hư cấu thì nên qua đêm ở công viên là biết ngay.

Lần gặp gỡ thứ hai, trực tiếp hơn, của tôi với bài toán không gian là khả năng kỳ lạ sản sinh ra các hạt của các hạt nhân. Một trong những dạng phóng xạ phổ biến là phân rã beta, bao gồm việc phát ra một electron vận tốc cao kèm với một phản-neutrino, một đối tượng như ma, có khả năng xuyên qua tâm trái đất mà không va chạm với bất kỳ thứ gì. Người ta giải thích hiệu ứng này là do neutron, một thành tố cấu thành nên hạt nhân, đã “chuyển hóa” thành proton, một thành tố khác của hạt nhân, cộng với một electron và một phản-neutrino, hạt mà sau đó biến mất. Cách kiến giải này nhất quán với những đặc tính của một neutron tự do được giải phóng ra khỏi hạt nhân; neutron này cũng “chuyển hóa” đúng hệt theo lối ấy trong vòng một phút. Trong quá trình đó, nó cũng có thể “chuyển hóa” một người thành bệnh nhân ung thư, nếu anh ta không cẩn thận - đó là lý do vì sao người ta cứ hay cử một sinh viên cao học xuống sửa các phổ kế neutron thay vì tự mình làm. Do vậy, điều đó khiến người ta mô tả neutron như một trạng thái liên kết của một proton, một electron, và một phản-neutrino mà trạng thái này có thể tự tách rời ra theo cách tựa như một nguyên tử hay một phân tử không bền trong một phản ứng hóa học. Không may là hóa ra lại còn có một dạng phân rã beta nữa, trong đó có một proton trong hạt nhân “chuyển hóa” ngược thành một neutron, giải phóng ra một hạt phản-electron và một neutrino. Vậy là không những không chính xác mà cũng chẳng có ích gì khi cho rằng neutron được cấu thành bởi một proton cộng với các thứ khác. Cái khiến cho tính tương đồng với hóa học bị phủ bác chính là sự tồn tại của các phản hạt - những phiên bản của các hạt thông thường, nhưng có những đặc tính trái ngược - và khả năng của hạt nhân trong việc thình lình phóng ra từ chân không những cặp hạt bất kỳ lúc nào tùy thích, miễn là nó kiếm được đủ năng lượng cần thiết. Việc người ta phát hiện thấy dạng phân rã beta phụ thuộc vào quỹ năng lượng của lực hạt nhân khiến ta chỉ rất gần đây chợt có cảm tưởng rằng trong hạt nhân số lượng neutron có nhỉnh hơn chút ít so với số lượng proton.

Phản vật chất là một trong những sự thực lạ lùng của tự nhiên, điên rồ tới mức những nhà văn viết truyện khoa học giả tưởng cũng chưa dám từ đó bịa ra nhiều chuyện lắm. Nó là một bản sao chính xác của vật chất thông thường, ngoại trừ mọi điện tích đều trái dấu, nên khi tương tác với vật chất thông thường, nó sẽ gây ra một vụ nổ kinh hoàng, tiêu hủy tất cả mọi thứ, để lại đằng sau một bầy tia gamma dữ tợn - thuật ngữ của các nhà vật lý hạt nhân dùng để gọi ánh sáng với bước sóng ngắn. Vụ nổ này chính là hiệu ứng đã cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ mang tên Enterprise trong bộ phim Star Trek. Tôi luôn cảm thấy rằng trong Star Trek người ta đã không tỏ ra tôn trọng đúng mức đối với các tia gamma, và rằng những tay kỹ sư khốn khổ làm việc trên con tàu lẽ ra phải được phát đồ lót bằng chì để phù hợp với thực tế. Có lẽ điều này cắt nghĩa việc người ngoài hành tinh từ đâu đến. Tuy nhiên, không giống như trong Star Trek, phản vật chất là có thật. Nó được tạo ra hằng ngày bởi sự phân rã phóng xạ và các phòng thí nghiệm gia tốc lớn trên thế giới.

Sự hiện hữu và những đặc tính của phản vật chất là manh mối cực kỳ quan trọng để tìm hiểu bản chất của vũ trụ. Từ những năm 1920, người ta đã phát hiện ra rằng việc viết các phương trình lượng tử cho chuyển động của một hạt cô lập để có thể diễn tả chính xác hành trạng được đo của nó ở cả những vận tốc cao lẫn những vận tốc thấp, là điều không thể thực hiện được về cơ bản. Giải pháp đơn giản nhất lúc đó - và hóa ra lại là giải pháp chính xác về mặt thực nghiệm - là mô tả không gian như là một hệ nhiều hạt tương tự với một hòn đá bình thường. Đây không phải là một phát biểu hoàn toàn chính xác, vì Paul Dirac đã trình bày lý thuyết tương đối về electron trước khi người ta hiểu về các electron và các lỗ trống trong chất rắn ở dạng tinh thể, nhưng khi nhìn lại vấn đề thì rõ ràng đó là cùng một ý tưởng mà thôi. Chẳng hạn, trong silic nguyên tố, nơi có rất nhiều electron bị khóa cứng vào các liên kết hóa học, ta có thể bứt một electron ra khỏi liên kết hóa học để tạo ra một lỗ trống. Lỗ trống này có thể cơ động, và hành xử giống hệt như một electron dư được thêm vào silic, chỉ trừ việc nó mang điện tích trái dấu. Đó chính là hiệu ứng phản vật chất. Điều không may là ý tưởng về lỗ trống chẳng có nghĩa gì nếu thiếu một cái gì đó tương tự về mặt vật lý với độ dài liên kết của vật rắn, vì độ dài này cố định mật độ electron mà người ta đã bứt ra. Không có nó, mật độ electron nền sẽ là vô hạn. Tuy nhiên, một độ dài như vậy lại mâu thuẫn một cách căn bản với nguyên lý tương đối, vốn ngăn cấm không gian không được có bất cứ một thang kích thước được thiên vị nào. Người ta vẫn chưa tìm ra lời giải nào cho nan đề này. Thay vào đó, các nhà vật lý đã phát triển một kỹ thuật ngữ nghĩa thông minh để vá víu. Thế là thay vì các lỗ trống, người ta nói đến các phản hạt. Thay vì độ dài liên kết, người ta nói về một khái niệm trừu tượng gọi là kỹ thuật cắt cực tím, một độ dài cực ngắn được đưa thêm vào bài toán để điều chỉnh nó - tức là làm cho nó trở nên có nghĩa. Người ta đơn giản bỏ qua các phép tính toán ở dưới thang độ dài này, xem như các phương trình ở đó trở nên mất hiệu lực, vì đến đây là đã chạm đến độ dài liên kết. Người ta thực hiện kỹ thuật cắt trong mọi quá trình tính toán, và cuối cùng lập luận rằng nó là quá nhỏ nên không thể đo đạc được, do đó coi như là không tồn tại.

Bài toán về kỹ thuật cắt cực tím làm tôi nhớ đến một cảnh trong bộ phim hài Frankenstein Thời Trẻ của đạo diễn Mel Brooks, khi tiến sĩ Frankenstein hỏi người hầu gù lưng Igor của mình là anh ta sống với cái bướu của mình như thế nào, và Igor đã trả lời bằng cách hỏi lại “Cái bướu nào cơ ạ?”. Rất nhiều những gì thuộc về điện động lực học lượng tử - sự mô tả toán học cách mà ánh sáng liên hệ với cái đại dương electron nhìn bề ngoài như đang như tràn ngập vũ trụ - đều được thu gọn lại thành việc chứng minh cho khả năng không thể đo được của ngưỡng cực tím. Mối liên hệ này, vốn rất rộng, chứa một hệ quả hết sức hấp dẫn, đó là, ánh sáng thực có dính dáng đến sự chuyển động của một thứ gì đó đang chiếm giữ chân không của không gian, cụ thể là tất cả các electron (và cả những thứ khác nữa), mặc dù quy mô của sự chuyển động này lại phụ thuộc một cách rất nhạy vào giá trị của ngưỡng cực tím, là đại lượng mà ta không biết. Có vô số các luận cứ được đưa ra xung quanh việc đâu là phép chỉnh lý khả quan nhất, liệu thực sự có ngưỡng cực tím hay chỉ là võ đoán, liệu có phải hy sinh tính tương đối hay không, và ai là quá thiển cận nên không nhìn thấy chân lý. Thật vô cùng rắc rối. Việc hy vọng có thể vượt qua được bài toán cực tím còn là nguyên nhân sâu xa hơn tạo ra sức quyến rũ của lý thuyết dây, một mô hình vi mô về chân không, vốn đã thất bại trong việc cắt nghĩa tất cả những gì đo được.

Nguồn gốc của tình trạng điên đảo này rất dễ được nhận biết nếu người ta chỉ cần đứng lùi ra xa bài toán và xem xét nó như một toàn thể. Những tính chất của không gian trống rỗng có liên quan đến đời sống của chúng ta bộc lộ mọi dấu hiệu cho thấy chúng là những hiện tượng đột sinh vốn đặc trưng cho một pha của vật chất. Chúng rất đơn giản, chính xác, không phụ thuộc mạnh vào một mô hình nhất định nào, và mang tính phổ quát. Điều đó giải thích tại sao sự không nhạy cảm đối với ngưỡng cực tím là có ý nghĩa vật lý.

Những nét tương đồng giữa chân không trong không gian và các pha vật chất ở nhiệt độ thấp là điều huyền thoại trong vật lý học. Không những các pha là các trạng thái lượng tử tĩnh, đồng đều, mà những chuyển động nội tại tinh tế nhất của chúng lại cũng không thể phân biệt được về mặt vật lý với các hạt cơ bản nói một cách chung nhất.[3] Đây là một trong những thực kiện đáng kinh ngạc nhất trong khoa học, và cũng là điều luôn khiến các sinh viên bối rối và khó tin. Nhưng rốt cuộc họ cũng bị thuyết phục sau khi chứng kiến đủ nhiều các thí nghiệm, vì bằng chứng có rất nhiều và lại rất nhất quán. Thực vậy, người ta càng nghiên cứu sâu sự mô tả toán học các pha lạnh bao nhiêu, thì người ta càng trở nên quen thuộc hơn với việc sử dụng các hệ thuật ngữ song song có thể hoán đổi lẫn nhau để nói về vật chất và không gian. Chẳng hạn, thay vì nói một pha của vật chất, ta nói về một chân không. Thay vì nói các hạt, ta nói các kích thích. Thay vì các chuyển động tập thể, ta nói các chuẩn hạt (quasiparticle). Tiền tố “chuẩn” (quasi) hóa ra chỉ là dấu tích của những cuộc tranh cãi trong lịch sử về ý nghĩa vật lý của những đối tượng nói trên chứ bản thân nó không mang nghĩa gì. Trong những cuộc trò chuyện riêng tư, người ta không đề cập tới nghĩa của nó mà chỉ đề cập đến các đối tượng được xem như các hạt.

Đáng tiếc là những pha ở nhiệt độ không tuyệt đối lại không phải là những thứ có sức lôi cuốn cho lắm, ít nhất là có vẻ như thế, nên sự ám ảnh của mọi người về chúng dễ dàng trở thành cái đích cho những chuyện hài về chuyên môn. Chẳng hạn, khi còn là một sinh viên giữa thập niên 1970 tôi có nghe kể lại một màn kịch vui nói về chúng dựa theo một bài báo nổi tiếng trên tờ National Lampoon viết về Dan Blocker, diễn viên từng sắm vai Hoss trong chương trình truyền hình mang tên Vận Hên. Dan lúc đó mới mất vì chứng tắc mạch máu phổi, và một người nào đó trong ban biên tập quyết định rằng sẽ rất hài hước nếu họ tổ chức “phỏng vấn” anh để hỏi đủ kiểu câu hỏi về chương trình biểu diễn, về những sự kiện trong ngày, về các bộ phim mới nhất, vv..., còn anh thì sẽ liên tục trả lời những câu hỏi đó bằng cách lặng thinh. Trong cuộc phỏng vấn giả đó, Dan được hóa thân thành một bình khí heli-3, và vẫn người phóng viên đó hỏi anh các câu hỏi về cuộc đời mới của anh, rằng anh cảm thấy thế nào khi để dòng chảy cuốn đi, rằng có khi nào anh ở trạng thái kích thích không, rằng anh phản ứng thế nào với áp suất, kiểu như vậy. Đó là những gì đã diễn ra tại MIT.

Tuy nhiên, xét từ một góc độ chín chắn hơn thì sự ám ảnh này không hề nực cười một chút nào. Các cá nhân đã làm việc trong những hệ thống này hết sức tận tâm, trong một số trường hợp còn làm ảnh hưởng đến tình trạng tài chính của mình, vì những pha ở nhiệt độ không (khác với các chất bán dẫn và những kim loại thông thường) chẳng mang lại giá trị kinh tế là bao nhiêu, và do đó bị các quỹ và các nhà đầu tư coi thường. Nhưng có cái may là khối công việc này lại đặc biệt đáng tin cậy, và vì nó là kết quả của một quá trình lao động đầy đam mê và được tiến hành với sự thận trọng cao và cởi mở. Đó là lý do vì sao mà chúng ta tin tưởng chắc chắn rằng sự giống nhau giữa những phản hạt và những lỗ trống trong các chất cách điện dưới dạng tinh thể là chính xác, bền vững và phổ quát. Đó cũng là lý do vì sao ta nhận biết được sự giống nhau này có thể được mở rộng ra cho kim loại siêu dẫn và cho heli-3 siêu chảy, một chất hoàn toàn đồng nhất, không có trật tự tinh thể.[4] Đó cũng lại là lý do khiến ta biết được rằng cả chất siêu chảy và khí đều cùng tồn tại,[5] và rằng vật chất bên trong một hạt nhân nguyên tử có dạng lỏng. Phần chót này chính là cơ sở khái niệm giúp ta hiểu được các sao neutron[6] và hiểu được lớp vỏ cứng của thể tinh thể lượng tử lỏng vốn có thể được hình thành trên bề mặt của những sao neutron.[7]

Sau các electron và các lỗ trống, ví dụ đơn giản nhất về sự đột sinh của các hạt trong các khối đá là hiện tượng lượng tử hóa âm thanh. Hiện tượng đáng kinh ngạc này là thứ gần gũi nhất với phép màu có thực mà tôi được biết. Âm thanh là thứ rất quen thuộc đối với mọi người với tư cách là sự dao động của vật liệu đàn hồi, mà điển hình là không khí, nhưng cũng bao gồm cả những bức tường cứng, như ta thừa biết khi cố ngủ mà hàng xóm thì đang tiệc tùng ầm ĩ. Trong hai môi trường nói trên, âm thanh trong các chất rắn đáng quan tâm hơn xét từ góc độ lượng tử, vì nó tiếp tục tồn tại và có nghĩa ngay cả ở các nhiệt độ siêu thấp. Các đo đạc được thực hiện ở những nhiệt độ như vậy cho thấy nó có dạng hạt. Ví dụ, giả sử áp sát một bộ biến âm vào một vật rắn rồi bật máy để truyền âm thanh vào đó, sau đó giảm cường độ để hạ thấp mức âm. Máy thu ở phía đầu kia của vật rắn nhận được không phải một âm thanh yếu mà là các xung năng lượng sắc nét đến vào những thời điểm ngẫu nhiên. Sự truyền phát các xung được lượng tử hóa này chuyển thành dạng truyền phát âm thanh quen thuộc khi cường độ tăng lên - một ví dụ thường ngày về sự đột sinh của thực tại kiểu Newton từ cơ học lượng tử. Nhưng tại cường độ thấp, sự đột sinh này không xảy ra, và kết luận không thể tránh được là các hạt âm thanh là hiện hữu thực sự, mặc dù chúng không hiện hữu khi chất rắn bị phân tách thành các nguyên tử. Các hạt này đột sinh, cũng giống hệt như bản thân chất rắn vậy.

Hiện tượng lượng tử hóa âm thanh là một ví dụ đặc biệt rõ ràng để nhận biết sự đột sinh của hạt, vì nó có thể được tính toán một cách chính xác, tới từng chi tiết nhỏ, xuất phát từ những định luật cơ học lượng tử chi phối các nguyên tử - với điều kiện mặc định ngay từ đầu là các nguyên tử đã được tinh thể hóa một cách hoàn toàn. Cái mà ta gọi là âm thanh lượng tử hóa là một đặc điểm phổ quát của trạng thái tinh thể. Hiện tượng này là ví dụ có tính nguyên mẫu của định lý Goldstone, theo đó các hạt tất yếu phải đột sinh ở bất cứ dạng vật chất nào bộc lộ sự phá vỡ đối xứng một cách tự phát. Các phép phân tích cũng đã chỉ ra rằng các hạt âm thanh càng đạt được tính toàn vẹn hơn khi cao độ của âm tương ứng hạ thấp xuống, và trở nên chính xác tại giới hạn của âm thanh thấp. Lượng tử âm thanh có cao độ rất cao khi truyền qua chất rắn có thể phân rã theo xác suất thành hai hay nhiều lượng tử âm thanh có độ cao thấp hơn; sự phân rã này giống như sự phân rã của một hạt nhân phóng xạ hay một hạt cơ bản như hạt pion. Sự phân rã của chúng hóa ra cũng giống như tính phi tuyến đàn hồi - sự biến dạng của chất rắn không tỉ lệ thuận với ứng suất tác dụng lên nó khi ứng suất lớn, đúng như những gì xảy ra ngay trước thời điểm gẫy. Nhưng bởi vì tính phi tuyến này trở nên ngày càng không quan trọng khi bước sóng của âm thanh tăng lên, cho nên thang thời gian của sự phân rã cũng tăng lên và trở thành vô cùng lớn khi âm thanh thấp dần xuống. Lượng tử hóa âm thanh là một trường hợp tuyệt đẹp của việc phép màu trong vật lý được chứng minh thông qua những phép phân tích kỹ càng rằng nó không phải là một phép màu, mà chẳng qua chỉ là một sai lầm của trực giác.

Những tính chất lượng tử của âm thanh hoàn toàn đồng nhất với những tính chất lượng tử của ánh sáng. Điều này hết sức quan trọng, vì nó không hiển nhiên tí nào nếu cho âm thanh là một chuyển động tập thể của vật chất đàn hồi, trong khi ánh sáng nhìn bề ngoài có vẻ như không phải thế. Sự giống nhau ở đây được bộc lộ một cách đơn giản và trực tiếp nhất bởi nhiệt dung. Khả năng giữ nhiệt của các chất cách điện tinh thể trong những môi trường đông lạnh luôn giảm tỉ lệ nghịch với lập phương nhiệt độ. Hiệu ứng này là một hệ quả của vật lý lượng tử, vì rất dễ chỉ ra rằng nhiệt dung phải là một hằng số và có giá trị lớn (ở nhiệt độ phòng), nếu tất cả các nguyên tử đều tuân theo các định luật của Newton. Nhiệt dung của không gian trống rỗng cũng tuân theo quy tắc này một cách chính xác. Tất nhiên là không gian không phải là trống rỗng khi bị hâm nóng, nó chứa đầy ánh sáng mà màu sắc và cường độ của ánh sáng phụ thuộc vào nhiệt độ. Hiệu ứng này là rất quen thuộc đối với ánh sáng đỏ phát ra từ hổ phách khi bị nung nóng, và đối với ánh sáng trắng rực rỡ phát ra từ dây tóc bóng đèn hay từ bề mặt mặt trời. Tương tự như vậy, một tinh thể ấm cũng sẽ chứa đầy âm thanh. Trong cả hai trường hợp, sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ được cắt nghĩa một cách định lượng bởi định luật Plank, một biểu thức đơn giản xuất phát từ giả thuyết cho rằng ánh sáng hay âm thanh chỉ có thể được sinh ra hay bị hủy theo những lượng gián đoạn.[8] Thực vậy, biểu thức về nhiệt dung của tinh thể rắn cũng chỉ đơn giản là biểu thức nhiệt dung của không gian trống rỗng, mà trong đó vận tốc ánh sáng được thay bằng vận tốc âm thanh. Lượng tử âm thanh đột sinh, được gọi là phonon, giống một cách lạ lùng với lượng tử ánh sáng, tức photon. Rất nhiều thí nghiệm đã khẳng định sự tương đương về mặt vật lý giữa hai loại hạt trên, trong số đó có những thí nghiệm rất đẹp và thông minh.[9]

Sự tương tự giữa các phonon và các photon rõ ràng đặt ra câu hỏi: vậy liệu bản thân ánh sáng có đột sinh hay không? Ở chỗ này ta phải thận trọng tách vấn đề chính đáng coi chân không là một pha ra khỏi vấn đề không có thật là liệu nó có phải là một pha mà ta biết rồi hay không. Luận cứ chung cho rằng chân không không phải là một pha bởi vì nó không phải là chất rắn (đúng là như vậy), thì cũng giống như luận cứ cho rằng kẻ hấp hối là kẻ không bị bệnh vì đó không phải bệnh đậu mùa. Người ta chưa khám phá ra hết các pha của vật chất, và rõ ràng là chúng không thể được suy ra từ các nguyên lý cơ bản. Điều đó là đúng kể cả đối với thế giới hóa học hằng ngày, và càng đúng hơn nữa trong thế giới rộng lớn hơn của những nền tảng vi mô khả dĩ của vũ trụ. Để suy nghĩ về vật chất một cách tích cực, ta cần phải tập trung vào những gì mà ta biết chứ đừng tập trung vào việc lý thuyết hóa một cách quá đáng. Sự tương tự giữa âm thanh và ánh sáng cần phải được cắt nghĩa rõ ràng, vì không có lý do hiển nhiên nào khiến cho cơ học lượng tử của chúng là như nhau. Trong trường hợp âm thanh, sự lượng tử hóa có thể suy ra được từ những định luật nền tảng của cơ học lượng tử mà các nguyên tử phải tuân theo. Trong trường hợp ánh sáng thì ta lại phải thừa nhận điều đó. Kết luận lỏng lẻo về mặt logic này gây nhiều hoang mang, và là điều mà các nhà vật lý chúng ta muốn giấu nhẹm đi bằng cách sử dụng ngôn ngữ hình thức. Thế là ta nói luôn rằng ánh sáng và âm thanh đều cùng tuân theo định luật Planck nhờ sự lượng tử hóa chính tắc và bản chất boson của các bậc tự do cơ bản. Nhưng như thế đâu gọi là giải thích, vì cách suy luận ở đây là luẩn quẩn. Tước bỏ tính phức hợp của nó đi thì “lượng tử hóa chính tắc” chẳng qua chỉ là quy về việc đòi hỏi ánh sáng phải có những tính chất khuôn theo những tính chất của âm thanh.

Ánh sáng có một khía cạnh gây nhiều tranh cãi, đó là hiệu ứng chuẩn (gauge), mà trong âm thanh không có gì giống thế, và thường được sử dụng để lập luận rằng ánh sáng không thể là đột sinh. Luận cứ này là sai, vì còn có hàng lô cách để người ta có thể hình dung ra ánh sáng là đột sinh, nhưng dẫu sao thì hiệu ứng nói trên cũng là một cái gì đó nghiêm túc xét về mặt quan niệm để chỉ rõ sự khác biệt quan trọng về mặt vật lý giữa ánh sáng và âm thanh. Biểu hiện đơn giản nhất của nó nằm ở nhiệt dung. Khi có sóng âm truyền qua, một nguyên tử cho trước sẽ bị chuyển dịch đi một chút ra khỏi vị trí tĩnh của nó trong mạng. Nguyên tử có ba cách khác biệt để làm điều đó - trái-phải, trên-dưới và tiến-lui - mỗi cách đóng góp một cách riêng biệt cho nhiệt dung, và cụ thể là phải nhân kết quả cuối cùng lên ba lần. Trong khi đó thì hệ số nhân tương ứng đối với ánh sáng chỉ là hai, mặc dù ánh sáng cũng là sự chuyển dịch của một cái gì đó. Trên một trục nào đó trong ba trục thì đơn giản là vật liệu của vũ trụ, bất kể là thứ vật liệu gì, không thể dao động – ít nhất là trên những thang thời gian liên quan đến các nhiệt độ mà thí nghiệm có thể tiếp cận được - hay không thể giữ nhiệt. Người ta không biết được đâu là nguyên do vi mô là cơ sở của hiện tượng đó, do đó trong vật lý hiện đại nó được coi như một định đề.

Tuy nhiên, việc chỉ đơn giản chấp nhận hiệu ứng chuẩn bằng cách đưa ra một định nghĩa dẫn đến một loạt những khía cạch khó chịu nom có vẻ như những cách biện minh lỏng lẻo của một phép kiến giải theo lối quy giản luận đối với một hiện tượng đột sinh - giống như kiểu vài vụn bỏng ngô trong chạn bát là bằng chứng của việc nhà có chuột. Hóa ra là, chẳng hạn, việc làm cho cả một mode dao động biến mất là một việc rất khó, nhất là khi nó dính líu đến chuyển động của các đối tượng - các electron trong chân không - vốn tự chúng dao động một cách hoàn hảo theo cả ba chiều không gian. Bí quyết ở đây là phải mặc định rằng hàm sóng kiểu cơ học lượng tử của ánh sáng bị vướng víu theo một cách nào đó với toàn bộ vật chất tích điện trong vũ trụ - bao gồm cả vật chất vùi lấp trong bản thân chân không của không gian - trước khi có một sự tiếp xúc vật lý giữa chúng với nhau. Một khi đã được xác lập, sự vướng víu này tồn tại vĩnh cửu và ngăn cấm không cho một số điều có thể xảy ra. Ngoài ra, còn có một sự bất tương thích căn bản giữa hiệu ứng chuẩn với nguyên lý tương đối, mà người ta phải tạm giấu nó dưới thảm bằng cách vận dụng kỹ thuật cắt cực tím. Cuối cùng, còn có vấn đề là, những chuyển động “phi vật lý” của các sóng được mã hóa trong sự vướng víu lại bắt đầu cuộc sống như những chuyển động vật lý trong các phép mô tả toán học, và trở lại thành những chuyển động phi vật lý chỉ đến khi kết thúc tính toán, vì thực tế là chúng không thể đo được.

Một ứng viên nghiêm túc cho một nguyên nhân đột sinh của hiệu ứng chuẩn chính là tính siêu dẫn. Tính chính xác của hiệu ứng Meissner đã ngụ ý sự tương đẳng ai cũng biết giữa tính siêu dẫn và hiệu ứng chuẩn, và sự tương đẳng ấy cũng lại là lý do để người ta thường gọi sự bắt đầu của tính siêu dẫn là sự phá vỡ đối xứng chuẩn. Đó cũng là lý do vì sao tính siêu chảy lại là một thành phần cốt lõi của phần lớn các mô hình trong đó một nguyên lý chuẩn có thể đột sinh. Cho tới nay, tất cả các mô hình được xây dựng theo cách đó đều tỏ ra giả tạo không thỏa đáng, không hẳn vì chúng sai, mà vì không thể chứng minh là chúng sai. Với trình độ thí nghiệm hiện nay thì những mô hình này không có gì khác biệt nhau, hoặc khác biệt với những mô hình trong đó nguyên lý chuẩn chỉ đơn giản là một nguyên lý được mặc định. Việc trong thực tiễn người ta chấp nhận tuyên bố rằng những thứ không đo được là những thứ không tồn tại - ngay cả khi vấn đề khúc mắc xuất phát từ bản thân những sai sót của thí nghiệm - cũng là một vấn đề cần được bàn cãi.

Một trường hợp về sự đột sinh của các đặc tính chân không ít gây tranh cãi hơn cả là mối quan hệ đặc biệt mà người ta thấy được giữa một bên là các lực điện và lực gây phân rã hạt nhân, với bên kia là khối lượng của hai hạt cơ bản đặc biệt có tên là các boson W và Z.[10] Nằm đằng sau mối quan hệ này là ý tưởng vật lý cho rằng chất lỏng siêu dẫn - chính xác hơn là một sự trừu tượng hóa đa thành phần của một chất lỏng như vậy - tràn ngập vũ trụ và làm biến đổi lực điện để tạo ra lực hạt nhân yếu, từa tựa như một chất siêu dẫn trong phòng thí nghiệm làm biến đổi các lực điện vậy. Chất lỏng này còn có những chuyển động tung tóe, mà cũng giống như âm thanh trong chất rắn, chúng được lượng tử hóa và vì vậy trong thí nghiệm chúng có những biểu hiện giống như những hạt.[11] Chuyển động tung tóe tương ứng của chất siêu dẫn, gọi là plasmon, thường xuyên được quan sát thấy trong những thí nghiệm với kính hiển vi điện tử.[12] Không những người ta quan sát được sự tồn tại của các boson W và Z, mà sự khác biệt rất nhỏ giữa khối lượng của chúng lại chính xác bằng với giá trị cần thiết của những khác biệt quan sát được giữa cường độ của lực hạt nhân và cường độ của lực điện. Liệu chất lỏng này thực sự tồn tại hay không còn là vấn đề gây tranh cãi, vì hạt Higgs, một chuyển động tung tóe phức tạp của chất lỏng, chưa được quan sát thấy. Nguyên nhân có lẽ chắc chắn là do những hạn chế của các máy gia tốc hiện hành, và phần lớn các nhà vật lý đều kỳ vọng rằng hạt Higgs sẽ sớm được tìm thấy.[13]

Nhiều khía cạnh khác của chân không cũng có vẻ rất đáng ngờ là mang tính đột sinh. Ví dụ, tính đơn giản quá mức của việc mô tả đặc trưng của chân không dựa trên lý thuyết trường lượng tử là một điều rất bất thường, vì những đặc trưng như vậy ở vật chất thông thường luôn có xu hướng là phức tạp, trừ khi chúng là đột sinh - giống như trường hợp chất siêu dẫn hay siêu chảy. Ngoài ra còn có cả một hệ thống các thang bậc xếp theo thứ tự từ thấp lên cao; đó là việc các hiện tượng luôn có xu hướng trở thành thứ yếu một cách có tuần tự khi kích thước và thời gian tăng dần từng nấc. Người ta cho rằng khi nguội đi từ những nhiệt độ rất cao, chân không phải trải qua những sự kiện có dạng bậc thang gọi là những bước chuyển tiếp thống nhất, trong đó các lực đã biết của tự nhiên tuần tự tách khỏi những lực cơ bản sinh ra chúng. Giống như vậy, kim loại holmi, một nguyên tố đất hiếm, khi nguội đi từ nhiệt độ rất cao, ban đầu ngưng tụ lại thành một chất lỏng ở 2993 độ Kelvin, rồi hóa rắn tại 1743 độ, sau đó hình thành một loại từ trường xoáy ốc đặc biệt ở 130 độ, rồi nghiêng vòng xoáy để tạo thành một loại sắt từ yếu ở 20 độ.[14] Giữa khoảng 130 độ và 20 độ, bước của vòng xoáy ốc liên tục biến thiên, giống như thể một cái đinh ốc làm bằng cao su bị kéo dãn dọc theo trục của nó. Cùng với mỗi một bước chuyển tiếp như vậy, những “lực” tác dụng giữa các electron trong kim loại được truyền bởi những biến dạng đàn hồi khác nhau của các trạng thái có trật tự sẽ tách khỏi những lực cơ bản sinh ra chúng, giống hệt như những gì diễn ra trong chân không. Không thể đạt được trong phòng thí nghiệm và thậm chí ở tâm các vì sao lớn nhất những nhiệt độ cần thiết để ở đó có được các bước chuyển tiếp thống nhất nói trên, cho nên bằng chứng về sự thống nhất chỉ là gián tiếp, nhưng nó giống một cách lạ lùng với những gì ta hẳn có thể thấy được ở một thanh nam châm hình xoáy ốc bị làm nghiêng đi chỉ miễn là các thí nghiệm được tiến hành ở những thang chiều dài và thời gian đủ lớn. Bằng chứng vững chắc nhất trong ít ỏi những bằng chứng này là tính tái chuẩn hóa, một hiệu ứng khiến cho các phép đo có thể tiếp cận được trở nên đơn giản và dư thừa (vì một phép đo này sẽ tiên đoán được một phép đo khác), nhưng đồng thời lại khiến người ta không thể biết bất kỳ cái gì về những lực nằm ở thứ bậc trên cùng. Những ví dụ như vậy có rất nhiều.

Khi năng lượng hạt nhân bắt đầu được sử dụng vào thập niên 1950 và các máy gia tốc lớn được xây dựng để khảo sát sự vận hành của lực hạt nhân thì dần dần người ta nhận thấy rằng, ở thang hạ hạt nhân, mọi thứ trở nên phức tạp hơn, chứ không hề đơn giản hơn. Nguyên lý chuẩn (gauge principle), tính tương đối, và những đặc tính chung của phản vật chất vẫn tiếp tục đúng, nhưng số lượng các hạt cơ bản lại sinh sôi nảy nở rất nhanh, và rồi những quy tắc tương tác giữa chúng với nhau cũng thế. Không một khám phá nào nói ở trên tỏ ra hữu ích trong việc tìm hiểu hạt nhân nguyên tử, ít hơn nhiều so với các nguyên tử, mà rồi hiện nay ta cũng không thể tính được chính xác khối lượng của proton và neutron xuất phát từ mô hình chuẩn của các hạt cơ bản. Các phương trình đúng là quá phức tạp. Tất nhiên, tính phức tạp này đáng buồn là lại không xa lạ gì trong vật chất thông thường, vì nó chính xác là những gì xảy ra, chẳng hạn, trong một miếng silic nếu bạn mắc sai lầm vì đã quá mạnh tay trong khi đo nó. Bạn phóng vù vù không để ý gì đến cái tinh tế, cái đơn giản phổ quát của các electron và các lỗ trống, và bắt đầu đo đạc đủ loại chi tiết thú vị nhưng rốt cuộc lại là những chi tiết không quan yếu vốn gắn với hóa học. Một điều đáng buồn khác cũng chẳng xa lạ gì đó là, sự sinh sôi nảy nở nhanh chóng của các khối lượng và liên kết của các hạt trong chân không, những thứ có các giá trị chính xác nhưng lại chẳng có lấy một sự liên quan giản đơn nào. Nó giống hệt như hàng chồng sách ghi chép các tính chất hóa học để ghi nhớ ở bộ phận tra cứu của thư viện hóa học. Những số liệu này có được trên cơ sở một vài nguồn sơ đẳng, điều ai cũng biết, nhưng chúng chỉ dễ đo đạc và lập bảng chứ không dễ tính toán.

Bất chấp mọi bằng chứng cho thấy rằng hệ hình quy giản luận trong vật lý học đang gặp rất nhiều trở ngại, những thí nghiệm ở thang hạ hạt nhân vẫn tiếp tục được miêu tả bằng ngôn ngữ quy giản luận. Cũng rất lạ là khi ta nhận ra rằng hầu hết các suy nghĩ được xây dựng khuôn theo mô hình chuẩn đều phản ánh ý tưởng cho rằng chân không là một pha và rằng những định luật vật lý là đơn giản một cách hợp lý và dễ hiểu ở thang hạt nhân - nhưng không xa hơn - vì chúng là những đặc tính phổ quát của pha. Tuy thế, thay vì tính phổ quát ở năng lượng thấp, các nhà vật lý lại nói về lý thuyết trường hiệu dụng. Thay vì các pha, họ lại nói về sự phá vỡ đối xứng. Thay vì các chuyển pha lại là sự thống nhất các loại lực. Tình huống này làm tôi liên tưởng đến một bệnh viện, nơi chưa từng có ai chết, nhưng thay vào đó bệnh nhân phải nếm mùi “chăm sóc bệnh nhân không tận tình”, hoặc “không đạt được sức khỏe mong muốn”.[15] Trong cả hai trường hợp, sự nhầm lẫn đều mang tính ý niệm. Cái chết của một bệnh nhân là một thất bại không được phép nghĩ đến với một bệnh viện có trọng trách duy trì cuộc sống. Hạ thấp tầm quan trọng của việc tìm hiểu các nguyên lý tổ chức pha cũng tương tự như vậy, cũng là một thất bại không được phép nghĩ đến trong nhiệm vụ làm chủ vũ trụ bằng toán học của chúng ta. Trong những trường hợp quan trọng như thế, các huyền thoại là những thứ có một mãnh lực to lớn, và đôi khi con người chúng ta làm tất cả những gì có thể chỉ để hiểu được thế giới mà ta cho là nó phải như thế, thậm chí cả khi có bằng chứng chỉ ra rằng chúng ta đang mắc sai lầm.

Tất nhiên là có cách đặt vấn đề trần tục hơn. Bạn đồng nghiệp tôi, George Chapline thường viện dẫn cái anh ta gọi là Định lý số Một của Khoa học và bảo là định lý của tôi, nhưng tôi nhớ đinh ninh rằng chính anh mới là tác giả của nó: Thuyết phục ai về một lẽ phải nào đó khiến người ta mất tiền là một chuyện bất khả. Hẳn ta nên bỏ từ Khoa học đi và đổi tên nó thành Định lý số Một thôi.

Một hệ quả của định lý này là, đôi khi chân lý cũng chỉ là tương đối. Khi còn học trung học, tôi từng tham gia vào một tiết học mô phỏng chính quyền khá hay. Giáo viên chia chúng tôi thành mấy đội, mỗi đội đại diện cho chính phủ của một quốc gia tưởng tượng. Mỗi đội được cung cấp một loạt các chỉ dẫn, bao gồm một bộ sử thế giới, một bản ghi nhận nhiệm vụ, một vài hướng dẫn về tiềm năng quân sự, vv..., và được chỉ định ngồi vào một bàn. Trò chơi bao gồm chuyển qua chuyển lại các thông điệp bằng đường ngoại giao (các mẫu giấy nhỏ), và phát biểu ở Diễn đàn Thế giới (là một cái bàn nhôm đặt ở đầu lớp). Quan hệ cá nhân trực tiếp bị cấm. Nước tôi là một trong số các nước nhỏ nhưng khác những nước khác là giàu tài nguyên urani. Những nước lớn hơn lại không có. Với tư cách tổng thống, nhiệm vụ của tôi là phải làm thế nào để tăng giá trị nguồn tài nguyên này để phục vụ nhân dân, bằng cách bán quặng thô cho tất cả mọi khách hàng, duy trì cán cân quyền lực sao cho không quốc gia lớn nào có thể ép giá. Chúng tôi đã chơi như thế trong vòng hai giờ, đọc những bài thuyết trình tẻ nhạt và gửi đi những bức thông điệp chẳng có nghĩa lý gì, cho tới lúc một quốc gia lớn bất ngờ đánh chiếm nước tôi dưới danh nghĩa để bảo vệ hòa bình và an ninh thế giới. Cuộc chiến không kéo dài lắm vì nước tôi rất bé, và tôi bị mọi người phế truất. Một sự phản bội gây choáng váng - chẳng là toàn bạn bè với nhau cả. Chả biết trò chơi kết thúc thế nào, vì tôi không còn nắm quyền nên được phép ra ngoài ăn bánh kẹp. Nhưng sau khi chơi xong, những người tổ chức tiết lộ bí mật: mỗi nước được trao một phiên bản lịch sử thế giới khác nhau. Trong khi tôi đang cố tìm cách tăng tối đa lợi nhuận thì các bên đối phương lại bị ám ảnh coi những nguồn quặng này như một vấn đề liên quan đến an ninh quốc phòng. Mỗi cường quốc đều tưởng rằng các cường quốc khác đang âm mưu ngăn chặn nguồn cung cấp nhiên liệu của họ, và nước tôi đi chui với các đối thủ của họ. Họ tiến hành xâm lược là phải thôi.

Trong khoa học cũng như trong mọi lĩnh vực khác, liều thuốc giải độc tốt nhất cho căn bệnh ưa huyền thoại đó là một liều thực nghiệm thật mạnh. Một đồng nghiệp của tôi là Chung-Wook Kim, anh đã có mặt ở Hiroshima khi thành phố này bị bỏ bom nguyên tử. Kim là người gốc Triều và hiện đang lãnh đạo Viện Nghiên cứu Cao cấp Hàn Quốc ở Seoul. Cha anh vốn rất thân Nhật vào những năm 1940 và là một thương gia hành nghề ở hải ngoại. Khi đó Kim mới học lớp năm. Tất cả học sinh từ lớp bốn trở lên được sơ tán ở một ngôi đền cách trung tâm vụ nổ bom khoảng 9 km, nơi họ có tiết học vào buổi sáng, buổi chiều thì đi hái rau dại và tập quân sự với gậy tre, lấy hình Roosevelt và Churchill làm bia. Tới 8 giờ 15 phút sáng, anh nhớ lại có một ánh sáng siêu nhiên chiếu qua khung cửa sổ ở trên cao và chiếu sáng khắp căn phòng, tiếp sau đó là một tiếng nổ kinh hoàng. Giáo viên tìm cách trấn an nhưng tất cả đều hết sức phấn khích bởi hình ảnh cây nấm khổng lồ màu sắc sặc sỡ mà một người bạn học của anh chỉ cho mọi người. Giáo viên lúc đó nói với họ là Nhật Bản vừa chế tạo ra một vũ khí phòng không đời mới, và họ đều tin tưởng như vậy, vì các vụ ném bom khi đó xảy ra hằng ngày. Nhưng tới chiều, khi họ nghe đài báo là Mỹ đã ném một quả siêu bom thì tất cả đều ngã ngửa. Kim kể rằng anh không bao giờ có thể quên được những gì mà mình chứng kiến ở Hiroshima và sẽ nhắc đến nó càng ít càng tốt, và cũng chưa bao giờ quay trở lại Hiroshima kể từ ngày ấy. Ai ở gần trung tâm lúc đó thì hẳn thấy các tòa nhà ban đầu nghiêng dần hướng ra phía ngoài vụ nổ, rồi bẹp hẳn xuống sau đó. Nhà chức trách tưới dầu lên các đống tử thi, rồi thiêu hủy. Một người cô của anh chết ngay tại chỗ khi tòa nhà sập xuống gần tâm vụ nổ. Một người anh em chú bác sống gần đó thì thoát chết nhưng sau một tháng thì rụng hết tóc, phát điên rồi chết - những triệu chứng kinh điển của việc bị nhiễm phóng xạ. Một người anh em họ khác đang đạp xe qua cầu thì vụ nổ xảy ra, người này bị bắn tung xuống một vũng nước nông gần đó. Khi tỉnh dậy thì nửa người đã bị nám như cháy nắng (phóng xạ). Người anh em này chết một cách bí ẩn ở Hàn Quốc vài năm sau. Câu chuyện này thật đau xót, vì Kim hiện lại là một nhà vật lý neutrino có tên tuổi, và đã viết một quyển sách nổi tiếng về đề tài này hiện vẫn được sử dụng rộng rãi.1

Tôi kể lại câu chuyện này không phải để cố nhắc nhở đến nỗi kinh hoàng của thời chiến, mà chỉ để nhắc khéo với lớp trẻ, nhất là với các con tôi, rằng tự lừa dối mình sẽ mang lại nhiều hậu quả. Trong phần lớn cuộc đời thì tác động đó không đến nỗi thảm khốc như trong chiến tranh, mà chỉ đơn giản là làm giảm chất lượng cuộc sống. Sự giảm chất lượng này bao gồm cả những thứ ngớ ngẩn như việc cáu bẳn khi lái xe, như phòng xử lý ly hôn, hay như những cuộc họp khoa kéo dài lê thê.

Cái quan trọng hơn cả chính là việc để cho các hệ ý thức ngăn trở khám phá. Tất cả chúng ta đều quen nhìn thế giới theo cách mà ta muốn nó thế hơn là nhìn nó như đúng nó, vì đó là bản tính tự nhiên của con người, nhưng chúng ta phải ghi nhớ rằng đó là một khiếm khuyết về mặt thiết kế, và ta phải cưỡng lại nó nếu có thể. Nhìn xuyên suốt các hệ ý niệm và bóc trần chúng ra chính là nhiệm vụ của khoa học chân chính, hay đúng ra là của đời sống trí tuệ nói chung.

❀ ❀ ❀

[1] Chi phí trực tiếp cho vũ khí hạt nhân kể từ năm 1940 được một nghiên cứu do Viện Brookings tiến hành, ước tính khoảng 5 ngàn tỉ đô la. Xem S.I. Schwartz, Atomic Audit: the cost and Consequences of the U.S. Nuclear Weapons since 1940 (Brookings Inst. Press, Washington DC, 19980. Chi phí “hỗ trợ” khoa học thì khó ước tính hơn, vì khó định nghĩa rõ ràng hỗ trợ là như thế nào. Ngân sách của Department of Energy (Bộ Năng lượng) năm 2008 là 700 triệu đô la cho vật lý, 300 triệu đô la cho vật lý hạt nhân, và 300 triệu đô la cho nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch. Xem http://www.aip.org/enews/fyi/2001/134.html.

[2] Giáo trình vật lý hạt nhân rõ ràng nhất vẫn là quyển Nuclei and Particles: An Introduction to Nuclear and Subnuclear Physics của E. Sergei (Nhà xuất bản Benjamin Cunnings, San Francisco, 1977).

[3] Tài liệu tham khảo kinh điển về cơ học lượng tử năng lượng thấp của vật chất là quyển Quantum Theory of Solid của C. Kittel (Nhà xuất bản Wiley, New York, 1987). Xem thêm J.R. Schrieffer, Theory of Superconductivity (Nhà xuất bản Benjamin Cunnings, San Francisco, 1983).

[4] Có rất nhiều tài liệu nghiên cứu về 3He. Xem D. Vol hardt và P. Wolfle, The superfluid Phases of Helium 3 (Nxb Taylor and Francis, London, 19900; D. D. Osheroff, Rev. Mod. Phys. 69, 667 (19970); G. E. Volovik, Exotic Properties of Superfluid 3He (Nxb World, Singapore, 1998). Xem thêm http://boojum.hut.fi/research/theory).

[5] Pha lỏng đã được hiểu tường tận, nhưng pha khí chỉ mới được phát hiện gần đây. Nó thường được đề cập đến như là hiện tượng “ngưng tụ Bose-Einstein” nguyên tử. Xem M.H. Anderson et. al., Science 269, 198 (1995).

[6] Có rất nhiều tài liệu về vật liệu neutron và bên trong lòng các sao neutron. Xem J. Saham, J. de Phys. 41, C2-9 (1980) và J.A. Sauls, “Superfluidity in the Interiors of Neutron Stars”, Tuning Neutron Stars, H. Ogelman, E. Van den Heuvel, và J. vann Paradis, eds. (Nxb Kluwer, Dordrecht, 1989), trang 441-490.

[7] Xem A.D. Kaminker et.al. Astron. Astrophys. 343, 1009 (1999).

[8] Công thức để tính nhiệt lượng trên một đơn vị thể tích ánh sáng và âm là uánh sáng=(π2/15) kBT/(hc)3 và Uâm thanh/Uánh sáng = (c/vt)3 + 0,5 (c/vl)3, với vt và vl là tốc độ âm thanh ngang và dọc.

[9] Một trong các thí nghiệm mà tôi ưa thích là sử dụng một photon duy nhất tạo ra bởi một spin ngược, để đo bề dày của tấm phim heli chỉ mỏng cỡ vài nguyên tử. Xem E.S. Sabisky và C.H. Anderson, Phys. Rev. A 7, 790, (1973). Xem thêm D.J. Bishop và J.D. Reppy, Phys. Rev. Lett. 40, 1727 (1978) và chú thích trong bài báo.

[10] Xem P.M. Watkins, Story of the W and Z (Nxb Cambridge U. Press, London, 1986).

[11] Sự tương đồng với sự phá vỡ tính bất đối xứng tự phát của cơ chế Higgs trong vật lý siêu dẫn được P.W. Anderson chỉ ra trong Phys. Rev. 130, 439 (1963).

[12] Biểu diễn toán học ngắn gọn của Plasmon, xem A.A. Abrikosov, L.P. Gorkov, và I. Dzyaloshinskii, Methods of Quantum Field Theory in Statistical Physics (Nxb Dover, New York, 1963).

[13] Hạt Higgs đã được tìm thấy vào ngày 4 tháng 7 năm 2012 tại CERN (Nxb).

[14] H.P.J. Wijn, ed. Landolt-Bornstein, Group III: Crystal and Solid State Physics, Vol 19: Magnetic Properties of Metals, Subvolume d1: Rare Earth Elemént, Hydrides and Mutual Al oys (Nxb Springer, Berlin, 1991). Có rất nhiều tài liệu về tính chất từ của hợp chất đất hiếm và hợp kim. Xem J. Jensen và A.R. Mackintosh, Rare Earth Magnetism (Nxb Clarendon Press, Oxford, 1991). Phản nam châm xoắy ốc trong đất hiếm lần đầu tiên được W. C. Koehler et.al. phát hiện ra, trong Phys. Rev. 151, 414 (1966). Các nghiên cứu gần đây phát hiện ra thêm nhiều bước chuyển pha nhiệt độ thấp tương ứng với sự xoáy ốc của mạng nguyên tử bên dưới. Xem R.A. Cowley và S. Bates, J. Phys. C 21, 4113 (1988) và D. Gibbset et.al., Phys. Rev. Lett. 55, 234 (1985).

[15] Cách nói bóng bẩy này được H. Noel dùng trong “The Front Porch-Euphemisms”, xuất hiện trong Senior World Online, www. seniorworld.com/articles/a19991013195512.html.