Cho tới khi Sir Isaac Newton viết ra định luật vạn vật hấp dẫn, người ta chẳng có lý do gì để cho rằng định luật vật lý ở nhà mình sẽ giống với mọi nơi khác trong vũ trụ. Dưới Trái Đất có các thế sự xảy ra và trên trời cao có các chuyện thiên đường vận động. Theo giáo lý của Kitô giáo thời bấy giờ, Thiên Chúa cai quản cõi thiên đường và vì thế nới ấy nằm ngoài tầm hiểu biết của các đầu óc ngu muội phàm phu. Khi Newton đã phát hiện rằng trọng lực kéo quả táo chín từ trên cành xuống cũng hướng dẫn vật thể bị tung lên cao chuyển động theo quỹ đạo cong và chỉ dẫn cho Mặt Trăng quay quanh Trái Đất. Định luật hấp dẫn của Newton còn hướng dẫn cho hành tinh, tiểu hành tinh và sao chổi đi theo quỹ đạo quanh Mặt Trời và giữ cho hàng trăm tỉ ngôi sao đi theo quỹ đạo trong dải Ngân Hà của chúng ta.

Tính phổ quát này của định luật vật lý thúc đẩy khám phá khoa học hơn bao giờ hết. Và lực hấp dẫn chỉ mới là khởi đầu. Hãy tưởng tượng niềm hứng khởi bao trùm giới thiên văn học thế kỷ 19 khi lăng kính phòng thí nghiệm, thứ bẻ gãy ánh sáng thành quang phổ đủ màu, lần đầu được xoay hướng lên Mặt Trời. Quang phổ không chỉ đẹp, mà còn chứa đựng muôn vàn thông tin về vật thể phát ra ánh sáng, bao gồm nhiệt độ và hợp chất của nó. Nguyên tố hóa học bộc lộ bản thân thông qua dãy vạch sáng tối đặc thù cắt ngang dải quang phổ. Sung sướng và ngạc nhiên, người ta phát hiện rằng các dấu hiệu hóa học đặc trưng trên Mặt Trời cũng có cùng gốc rễ với những gì có trong phòng thí nghiệm. Không còn là công cụ riêng của nhà hóa học nữa, lăng kính cho thấy rằng dẫu Mặt Trời có khác biệt với Trái Đất đến đâu về kích cỡ, khối lượng, nhiệt độ, vị trí, vẻ bề ngoài, thì cả hai đều chứa cùng thứ: hydro, carbon, oxy, nitơ, canxi, sắt, và nhiều nữa. Nhưng hơn cả bảng liệt kê thành phần chung dài thậm thượt, quan trọng là t nhận thức được rằng các định luật vật lý quyết định dấu hiệu quang phổ trên Mặt Trời cũng chính là các định luật vận hành dưới Trái Đất, cách xa chín mươi ba triệu dặm trường.

Khái niệm đầy tính phổ quát này thật màu mỡ đến độ ở chiều ngược lại nó cũng được áp dụng thành công. Việc phân tích kỹ hơn quang phổ Mặt Trời hé lộ dấu hiệu về một nguyên tố chưa hề có bản tương ứng nào mà ta biết trên Trái Đất. Do thuộc về Mặt Trời, chất mới được đặt cho cái tên bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp là helios (“Mặt Trời”), và chỉ mãi sau này nó mới được phát hiện trong phòng thí nghiệm. Bởi thế, hêli trở thành nguyên tố đầu tiên và duy nhất trong bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học được khám phá ở một nơi không phải Trái Đất.

Xem nào, các định luật vật lý áp dụng được trong hệ Mặt Trời, nhưng liệu chúng có áp dụng cho xuyên khắp thiên hà? Xuyên khắp vũ trụ? Xuyên suốt thời gian? Từng bước một, các định luật được kiểm nghiệm. Những sao lận cận cũng hé lộ chất hóa học quen thuộc. Các ngôi sao đôi xa xôi, bị buộc quay chung một quỹ đạo quanh nhau, dường như cũng thông tỏ định luật hấp dẫn của Newton. Cùng lẽ ấy, các thiên hà đôi cũng vậy.

Giống như trầm tích phân tầng địa chất đóng vai dòng thời gian biểu thị các biến cố trên Trái Đất, càng nhìn xa hơn vào không gian, ta càng nhìn lùi sâu hơn vào quá khứ. Quang phổ từ các vật thể xa xôi nhất trong vũ trụ cho thấy dấu hiệu hóa học tương đồng với những gì ta thấy ở không gian và thời gian lân cận. Quả thật, nguyên tố nặng thời ấy thưa thớt hơn - chúng được chế tạo chủ yếu trong các thế hệ sao liên tiếp phát nổ - nhưng định luật miêu tả quy trình nguyên tử và phân tử tạo thành dấu hiệu quang phổ vẫn không đổi. Cụ thể, đại lượng được gọi là hằng số cấu trúc tinh tế (fine-structure constant), thứ quy định dấu vân tay cơ bản của mọi nguyên tố, vẫn không thay đổi gì qua hàng tỉ năm trời.

Dĩ nhiên, không phải mọi vật, mọi hiện tượng trong vũ trụ đều phải có bản tương ứng trên Trái Đất. Hẳn bạn chưa bao giờ đi qua đám mây plasma chói sáng hàng triệu độ, và hẳn bạn chưa bao giờ bắt gặp lỗ đen trên phố. Điều quang trọng ở đây là tính phổ quát của các định luật vật lý mô tả chúng. Khi phép phân tích quang phổ lần đầu được áp dụng cho ánh sáng phát ra từ tinh vân liên sao (interstellar nebulae), một lần nữa, người ta phát hiện dấu hiệu đặc trưng không có bản tương ứng trên Trái Đất. Lúc bấy giờ, bảng tuần hoàn các nguyên tố không có chỗ nào rõ ràng để chèn khít nguyên tố mới vào. Đáp lại, các nhà vật lý thiên văn chế ra cái tên nebulium để tạm gọi, cho tới chừng nào họ làm rõ những gì đang diễn ra. Hóa ra trong không gian, tinh vân bụi khí quá loãng đến độ nguyên tử có thể dịch chuyển một đoạn xa mà không va chạm. Dưới điều kiện này, electron trong nguyên tử có thể làm những thứ mà ta chưa từng thấy trong phòng thí nghiệm dưới mặt đất. Nebulium chỉ đơn giản là dấu hiệu của oxy bình thường đang làm những chuyện phi thường.

Tính phổ quát của định luật vật lý cho biết rằng nếu chúng ta đáp xuống một hành tinh khác có nền văn minh xa lạ và thịnh vượng, thì họ cũng sẽ hoạt động dựa theo cùng các định luật mà ta đã phát hiện và kiểm nghiệm tại đây trên Trái Đất – cả khi giống loài xa lạ đó có đức tin rất khác ta về chính trị và xã hội. Hơn nữa, nếu bạn muốn bắt chuyện với sinh vật ngoài hành tinh, dám cá họ không nói được tiếng Anh, tiếng Pháp, lẫn tiếng Hoa. Bạn thậm chí không biết liệu bắt tay với họ - nếu quả tình họ có tay để mà bắt – sẽ được xem là một hành động chiến tranh hay hòa bình. Hy vọng khá nhất của bạn là tìm một cách giao tiếp bằng ngôn ngữ khoa học.

Từng có nỗ lực giao tiếp như vậy được thực hiện vào những năm 1970 với tàu Pioneer 10 và 11, rồi Voyager 1 và 2. Cả bốn tàu vũ trụ đều được cấp đủ năng lượng, sau khi được trợ giúp bằng lực hấp dẫn từ các hành tinh khổng lồ, để vượt thoát hoàn toàn khỏi hệ Mặt Trời.

Tàu Pioneer mang một bản khắc bằng vàng cho thấy, bằng hình vẽ khoa học, sơ đồ hệ Mặt Trời, vị trí của chúng ta trog dải Ngân Hà, và cấu trúc nguyên tử hydro. Tàu Voyager, hơn thế nữa, còn kèm theo một album thu âm lưu đủ loại âm thanh phong phú từ Đất mẹ, bao gồm âm thanh nhịp tim con người, “bài hát” của cá voi, những bản nhạc tinh tuyển khắp thế giới, trong đó có tác phẩm của Beethoven và Chuck Berry. Dù điều này nhân tính hóa thông điệp, ta cũng không rõ tai sinh vật ngoài hành tinh có thấu được chút nào những gì họ nghe hay không – đó là ta đã giả định họ có tai để mà nghe. Một vở diễu nhại lại điều này mà tôi rất thích là tiểu phẩm hài trên chương trình Saturday Night Live của đài NBC, chẳng bao lâu sau khi tàu Voyager cất cánh; trong tiểu phẩm này họ trưng ra dòng chữ phản hồi từ những sinh vật ngoài hành tinh đã tìm thấy con tàu. Dòng tin yêu cầu đơn giản, “Gửi thêm Chuck Berry”.

Khoa học lớn mạnh không chỉ dựa trên tính phổ quát của các định luật vật lý mà còn dựa trên sự tồn tại và bền vững của các hằng số vật lý. Hằng số hấp dẫn, còn được nhiều nhà khoa học gọi là “G lớn”, cung cấp cho phương trình hấp dẫn của Newton phép đo để biết độ mạnh của lực tới cỡ nào, và nó đã được kiểm nghiệm tuyệt đối ở nhiều dạng khác nhau qua nhiều năm trời ròng rã. Thử làm phép tính, bạn sẽ thấy rằng độ trưng (luminosity: một đại lượng đo độ sáng) của một ngôi sao phụ thuộc rất lớn và G lớn. Nói cách khác, nếu trong quá khứ mà G lớn có khác đi dù chỉ một chút, thì công suất năng lượng Mặt Trời sẽ biến thiên nhiều hơn bất cứ thứ gì các hồ sơ sinh học, khí hậu học, địa chất học có thể chỉ ra.

Đường đi và phương tiện vũ trụ chúng ta là như thế đấy.

Trong tất cả các hằng số, tốc độ ánh sáng là nổi tiếng nhất. Bất kể bạn chạy nhanh tới đâu, bạn sẽ không bao giờ vượt mặt một tia sáng. Tại sao? Chưa từng có thí nghiệm nào trên đời cho thấy một vật thể dưới bất kỳ hình dạng nào lại có thể đạt tốc độ ánh sáng. Thực tế ấy được dự đoán và lý giải bằng các định luật vật lý đã qua kiểm nghiệm chặt chẽ. Tôi biết những lời này nghe có vẻ bảo thủ. Trong quá khứ, một số tuyên bố dựa trên cơ sở khoa học nhưng cực kỳ đần độn đã đánh giá thấp tài nghệ của các nhà sáng chế và kỹ sư: “Chúng ta sẽ không bao giờ bay được”, “Việc bay lượn sẽ không bao giờ thương mại hóa được”, “Chúng ta sẽ không bao giờ tách được nguyên tử”, “Chúng ta sẽ không bao giờ vượt qua được bức tường âm thanh”, “Chúng ta sẽ không bao giờ đi đến được Mặt Trăng”. Điểm chung ở đây là không định luật vật lý nào cản đường phát triển của chúng.

Tuyên bố “Chúng ta sẽ không bao giờ chạy nhanh hơn tia sáng” cũng là một dự đoán định tính khác. Nó nảy ra từ các nguyên lý vật lý cơ bản đã được thời gian kiểm nghiệm. Trong tương lai trên đường cao tốc danh cho những nhà du hành liên sao, biển hiệu sẽ hiên ngang đề rằng:

Tốc Độ Ánh Sáng

Mà Nó Là Luật.

Không giống như bị thổi còi vì chạy xe quá tốc độ trên những con đường ở Trái Đất, cái hay của định luật vật lý là nó không cần đến các cơ quan bắt buộc người ta thực thi đúng luật lệ, mặc dù tôi từng sở hữu chiến áo thun lập dị ghi dòng chữ “TUÂN THỦ LỰC HẤP DẪN”.

Tất cả phép đo lường đều chỉ ra rằng những hằng số cơ bản mà ta biết, và các định luật vật lý tham chiếu đến chúng, đều không phụ thuộc vào thời gian lẫn địa điểm. Chúng thật sự bất biến.

Nhiều hiện tượng tự nhiên làm ra nhiều định luật vật lý đang vận hành cùng lúc. Thực tế này thường phức tạp hóa việc phân tích và, trong đa số trường hợp, cần đến máy tính tốc độ cao để tính toán những gì đang diễn ra cũng như theo dõi các tham số quan trọng. Tháng Bảy năm 1994 khi sao chổi Shoemaker-Levy 9 lao vào bầu khí quyển giàu khí của Sao Mộc rồi phát nổ, mô hình máy tính chính xác nhất được kết hợp từ các định luật cơ học chất lưu, nhiệt động lực học, chuyển động học và tương tác hấp dẫn. Khí hậu và thời tiết là đại diện nổi bật khác cho các hiện tượng rắc rối (và khó dự đoán). Nhưng định luật cơ bản chi phối chúng vẫn có tác dụng. Vết Đỏ Lớn trên Sao Mộc, một xoáy nghịch dữ dội đã và đang cuồn cuộn trong ít nhất 350 năm, vận hành theo cùng quá trình vật lý tạo bão xoáy trên Trái Đất và những nơi khác trong hệ Mặt Trời.

Một loại chân lý phổ quát khác là các định luật bảo toàn, theo đó một lượng đo được vẫn giữ nguyên bất kể chuyện gì có xảy ra. Ba định luật tối trọng là bảo toàn khối lượng và năng lượng, bảo toàn mômen động lượng quay và tuyến tính, và bảo toàn điện tích. Những định luật này có mặt rành rành trên Trái Đất, và bất cứ nơi đâu ta nghĩ đến – từ lĩnh vực vật lý hạt cho đến cấu trúc vĩ mô của vũ trụ.

Mặc cho khoe khoang là thế, không phải thứ gì trên thiên đường cũng hoàn hảo. Thực tế là ta không thể nhìn, sờ, hay nếm cái nguồn của 85% lực hấp dẫn ta đo được trong vũ trụ. Thứ vật chất tối huyền bí này, mà cho đến nay ta chưa dò ra được gì ngoại trừ lực hấp dẫn của nó tác dụng lên vật chất mà ta nhìn thấy, có thể được cấu thành từ các hạt lạ lẫm mà ta chưa khám phá hay xác định được. Tuy nhiên, một số ít các nhà vật lý thiên văn thấy không thuyết phục và cho rằng không có vật chất tối – chỉ cần sửa định luật hấp dẫn của Newton là được. Đơn giản là cứ thêm một ít thành phần vào mấy phương trình thì mọi thứ sẽ ổn.

Có lẽ một ngày nào đó chúng ta sẽ thấy quả thật định luật hấp dẫn của Newton cần được điều chỉnh. Như thế cũng tốt thôi. Trước đây điều này đã từng xảy ra. Thuyết tương đối tổng quát của Einstein năm 1916 đã mở rộng cái nguyên lý hấp dẫn của Newton theo một cách có thể áp dụng được cho cả vật thể khối lượng cực lớn. Định luật hấp dẫn của Newton bị gãy đổ khi đặt trong địa hạt mở rộng này, là địa hạt ông chưa biết đến. Bài học ở đây là mức độ tự tin của chúng ta xuôi theo một dải các điều kiện mà trong phạm vi đó, một định luật đã qua kiểm nghiệm và xác minh. Dải đó càng rộng thì định luật ấy càng mạnh và càng có quyền lực trong việc miêu tả vũ trụ. Đối với tương tác hấp dẫn ở quy mô đời thường, định luật Newton rất ổn. Nó đưa ta đến Mặt Trăng rồi chở ta về lại Trái Đất an toàn vào năm 1969. Đối với lỗ đen và cấu trúc quy mô lớn trong vũ trụ, ta lại cần đến thuyết tương đối tổng quát. Và nếu bạn chèn khối lượng thấp cùng tốc độ thấp vào phương trình của Einstein, thì theo nghĩa đen (hay phải nói, theo nghĩa toán học) chúng trở thành phương trình của Newton – càng có lý do để tăng sự tự tin vào hiểu biết của bản thân về những gì chúng ta vốn cho là đã hiểu.

Với nhà khoa học, tính phổ quát của định luật vật lý biến vũ trụ thành một nơi giản dị tuyệt trần. Nếu phải so sánh, bản tính con người – lãnh vực chuyên môn của nhà tâm lý học – mới là thứ gay go vô bờ bến. Ở Mỹ, hội đồng trường tại địa phương bầu chọn các môn để giảng dạy trong trường học. Trong một số trường hợp, lá phiếu đưa ra còn tùy thuộc vào làn sóng xã hội và tôn giáo nào đang bất chợp ập đến. Khắp thế giới, các hệ đức tin khác nhau dẫn đến sự bất đồng chính trị mà không phải lúc nào cũng có thể hòa giải. Sức mạnh và vẻ đẹp của định luật vật lý nằm ở chỗ chúng áp dụng được ở khắp mọi nơi, dù bạn có chọn tin chúng hay không.

Sau các định luật vật lý, mọi thứ khác chỉ là quan điểm.

Không phải khoa học gia không tranh cãi. Có chứ. Đầy ra. Nhưng những lúc như thế, chúng tôi sẽ phát biểu ý kiến về cách lý giải dữ liệu không đầy đủ hoặc tuềnh toàng trên tiền tuyến đầy máu lửa của tri thức chúng ta. Bất cứ nơi đâu, bất cứ khi nào một định luật vật lý được khơi lên trong thảo luận, thì chắc chắn rằng cuộc tranh luận sẽ rất ngắn gọn. Không, ý tưởng chế tạo động cơ vĩnh cửu của anh sẽ không bao giờ thành công; nó vi phạm định luật về nhiệt động lực học đã qua kiểm nghiệm kỹ càng. Không, cô không thể dựng cỗ máy thời gian cho phép bản thân quay về quá khứ và giết mẹ mình trước khi cô ra đời – thế là vi phạm luật nhân quả. Và bạn không thể tự nhiên bay bổng, lượn lờ trên mặt đất mà không vi phạm các định luật về động lượng, dù bạn có ngồi theo tư thế kiết già (lotus position – liên hoa tọa) đi chăng nữa[1].

Kiến thức về các định luật vật lý có thể, trong một số trường hợp, cho bạn sự tự tin để đương đầu với những người khiếm nhã. Vài năm trước, tôi đi uống ca cao nóng cuối ngày ở một quán tráng miệng tại Pasadena, California. Gọi kèm kem béo, dĩ nhiên rồi. Khi món được dọn ra, tôi không thấy chút gì gọi là kem. Sau khi tôi nhắc người phục vụ rằng ca cao của mình thiếu kem béo, anh ta khẳng định bởi kem lắng xuống đáy nên tôi không nhìn thấy nó. Nhưng kem béo có độ đặc thấp và sẽ nổi lên trên mọi thứ chất lỏng mà người ta uống. Thế là tôi đưa ra cho anh phục vụ hai lý giải khả dĩ: hoặc ai đó đã quên cho kem béo vào cốc ca cao nóng của tôi, hoặc định luật vật lý phổ quát bị thay đổi trong nhà hàng của anh ấy. Chưa tin, anh chàng mang đến một phần kem béo để tự kiểm chứng. Sau khi nhấp nhô một, hai lần, kem béo trồi lên trên, nổi như phao.

Bạn còn cần bằng chứng nào hơn để thấy tính phổ quát của các định luật vật lý?

[1] Theo nguyên lý, bạn có thể thực hiện kỹ xảo này nếu bạn bủm một phát cực mạnh kéo dài.