NGUYÊN LÝ ĐỘT SINH TRONG VẬT LÝ

 

Nguyên lý đột sinh trong vật lý

                                     

                                                                               Michel Bitbol

 

 

    

 

                                                             Michel Bitbol

 

 Xin giới thiệu cùng bạn đọc bài viết La nature s’organise

 comme les poupées russes (Thiên nhiên được tổ chức như những con búp bê Nga) của tác giả Michel Bitbol , Trung tâm nghiên cứu nhận thức luận ứng dụng Pháp (Centre de Recherche en épistémologie appliquée), đăng trên Tạp chí Les Dossiers de la Recherche, số 43, tháng 5/ 2011  về nguyên lý đột sinh trong khoa học.

 

Theo  Robert Laughlin, giải Nobel vật lý năm 1998: đột sinh (emergence) là  nguyên lý cấu trúc vật lý theo đó xuất hiện những định luật mà  ta không thể suy diễn từ những nguyên lý vật lý cơ bản hơn. Quan điểm đột sinh của  Robert Laughlin được nhiều nhà khoa học  chia sẻ,  tạo nên một nguyên lý  khoa học mới có khả năng làm lung lay cơ sở vật lý hiện đại [1].

Nguyên lý đột sinh khẳng định rằng những định luật của thiên nhiên đều độc lập với các định luật điều khiển các quá trình ở lớp dưới.

Nguyên lý  đó dựa trên có sở : các hạt vốn có những cách hành xử cá nhân rất ngẫu nhiên lại có một hành xử tập thể rất tất định (xem hình 1). Quan điểm đó dẫn đến giả thuyết cho rằng mọi định luật đều là đột sinh.

 

 

       

 

         Hình1 .Các lớp tổ chức của vật chất: nếu xuất phát từ quy giản luận thì mọi lớp tổ chức (pha khí, rắn hoặc lỏng, phân tử,nguyên tử, nucleon, quark) đều có thể hiểu được từ mức ở dưới. Song một nucleon cấu thành bởi 3 quark lại có những tính chất mà quark không có nếu xét riêng từng quark. Tương tự như vậy nhiều triệu phân tử nước làm thành một chất lỏng với nhiệt độ của môi trường và  không có các tính chất của một phân tử riêng lẻ.

 

Đột sinh là quá trình biểu lộ những cấu trúc mới, những tính chất mới trong một hệ phức hợp. Các tính chất đột sinh hiện ra khi hệ phức hợp đạt đến một ngưỡng tổng hợp về  tổ chức và liên thông.

 A /  Nguyên lý đột sinh

 Các nhà khoa học theo quan điểm đột sinh (tiêu biểu là Robert Betts Laughlin (hình 2)  muốn phủ nhận  quy giản luận (reductionism) là luận thuyết quy mọi hành xử của thế giới về một số định luật cơ bản. Danh từ đột sinh do George Henry Lewes đưa ra năm 1875. Theo quan điểm đột sinh thì vật lý giống như một con búp bê Nga nhiều lớp ( tiếng Nga là матрёшка – xem hình 3), ứng với mỗi lớp tổ chức chúng ta có những định luật riêng.

Một khoa học dựa trên nguyên lý đột sinh sẽ đặt trọng tâm vào những hiện tượng  thuộc phạm vi  khả năng lý thuyết và thực nghiệm của chúng ta.

 

 

Hình 2 . Robert Betts Laughlin (sinh: 1/tháng 11/1950), Đại học Stanford, giải Nobel vật lý năm 1998 (cùng với Horst L.Stormer & Daniel C.Tsui) về hiệu ứng Hall phân số lượng tử.

 

 

Hình 3 . Hình ảnh cấu của vũ trụ theo nguyên lý đột sinh là con búp bê nhiều lớp của Nga, mỗi lớp  là một con búp bê rỗng để có thể bỏ lồng con búp bê này vào con búp bê lớn hơn tiếp theo.

 

B /  Quy giản luận (reductionism)

Hình 4 .  Con vịt  rôbốt  thiết kế bởi Jacques de Vaucanson, thế kỷ XVIII  để thể hiện quan điểm “cơ túy-mécaniste” cho rằng sự sử dụng  nhiều linh kiện cơ học có thể thực hiện được mọi vật quan sát được trong thiên nhiên. 

 

Quy giản luận (reductionism-nhiểu tác giả còn dùng từ reductivism) là luận thuyết nhằm giải thích mọi hiện tượng trong thiên nhiên bằng những quy luật cơ bản nằm ở lớp cơ sở. Ý tưởng quy giản luận xuất phát từ  Descartes (phần V tác phẩm Discourses – 1637). Quy giản luận  chứa những luận thuyết tương tự như  vật lý luận (physicalism) là luận thuyết quy mọi khoa học về vật lý. Hình  4 mô tả một rôbốt thực hiện tinh thần quy giản luận.

Có thể nêu một ví dụ về lối tiếp cận trong quy giản luận: mọi hiện tượng tâm lý sẽ được quy về một quá trình  hoạt động của thần kinh hệ (neurophysiology), hoạt động này lại được quy về một quá trình sinh hóa (biochemistry) rồi về một quá trình hóa học và sau cùng quy quá trình hóa học này về một quá trình vật lý.

Các luận thuyết đối ngược với quy giản luận là các luận thuyết như đột sinh (emergence) và tổng thể luận (holism-luận thuyết cho rằng tổng thể lớn hơn tổng cộng các thành phần - Aristote).

 

C /  Thiên nhiên là một cái giếng không đáy?

 Theo nguyên lý đột sinh thì không có một lý thuyết vật lý nào là cơ bản cả.  Cấu trúc của thiên nhiên  không có  lớp đầu tiên và cũng  không có những thực thể cơ bản ban đầu.

Năm 2005 , Robert Laughlin, giải Nobel 1998, công bố  cuốn sách “Một vũ trụ khác-Un Univers different ” gây nên một một làn sóng tranh luận sôi nổi trong giới khoa học. Trong cuốn sách nói trên, tác giả đưa ra quan điểm mọi định luật về thiên nhiên đều là “đột sinh”. Các định luật ở một lớp trên là hệ quả của một hành xử tập thể ở  lớp ấy và thực chất không phụ thuộc vào các định luật điều khiển thiên nhiên ở lớp dưới. Nếu không quan niệm rằng số lớp là vô cùng thì phải mặc nhận tồn tại một lớp đầu tiên mà các định luật của nó không thể đột sinh từ một lớp dưới nữa! Như thế theo nguyên lý đột sinh ta có thể hình dung thiên nhiên như một cái giếng không đáy.

 

Lý thuyết của Robert Laughlin có thể xem là đối cực của  quy giản luận. Như đã nói trên theo quy giản luận, mọi đa dạng của thế giới có thể giải thích nhờ một số những định luật cơ sở và một số nhỏ hữu hạn  những thực thể cơ bản. Nhà vật lý người Pháp Jean Perrin đã tóm tắt mục tiêu của quy giản luận như sau: giải thích cái phức tạp hữu hình bằng cái đơn giản vô hình” và xem sự đơn giản đầu tiên là dấu hiệu của sự thật.

Quy giản luận bắt đầu từ lý thuyết nguyên tử Hy lạp cổ và cũng thành công trong việc giải thích các chất khí , chất lỏng nhờ luận điểm cho rằng các chất đó được cấu thành bởi những hạt đứng cách xa nhau ít nhiều trong chân không. Song quy giản luận cũng chỉ dừng đến đó và không phát triển xa hơn được nữa.

Mãi đến thế kỷ XIX người ta mới quan niệm được nhiệt độ và áp suất là hệ quả hành xử thống kê của một tập lớn các phân tử dẫu rằng mỗi phân tử tuân theo các định luật cơ học cổ điển.

Hơn nữa tồn tại một khoảng cách lớn giữa quy giản luận dựa trên lý thuyết nguyên tử và sự hình thành thế giới của sự sống. Sự sống có những định luật riêng của nó không suy được từ lý thuyết nguyên tử (một trong những luận thuyết theo quan điểm đó là luận thuyết về sức sống-vitalism- cho rằng sự sống tuân theo những quy luật riêng không thể chỉ quy về các quá trình hóa học và vật lý được – Paul Joseph Barthez,1806).

Luận thuyết này thực chất là biến hình của nguyên lý  đột sinh áp dụng vào sự sống. Quả thật như vậy nếu dựa trên một cơ sở hoa-lý của các nguyên tử cho sinh học thì các nhà khoa học Anh đã chỉ ra rằng những hệ phức tạp nối các thành phần của cơ sở đó có thể làm đột sinh những định luật chưa biết. Đó là các định luật điều khiển sự sống cũng như các định luật vĩ mô trung gian điều khiển các chất lỏng và chất rắn.

Người ta chỉ giữ lại được từ  quy giản luận quan điểm cho rằng trong thế giới tồn tại những vật thể vi mô tuân theo những định luật nhất định.

Theo quan điểm đột sinh, khi  nói rằng thiên nhiên là một cái giếng không đáy sâu đến vô cùng, người ta cũng muốn hàm ẩn thêm hai ý tưởng sau:

a  .  Những nghiên cứu vật lý  không có điểm dừng xác định trước được,

b  .  Mọi nghiên cứu ở một lớp không thể tách rời với trình độ, khả năng tính toán và thực nghiệm của chúng ta.

 D /  Các định luật đột sinh.

 Hai khả năng có thể xảy ra:

a  /  Các định luật đột sinh không thể suy từ các định luật của lớp cơ bản. Như thế các định luật đột sinh ở một lớp trên là độc lập với các định luật ở lớp dưới và có một tính tự trị (autonomie) nào đó.

b  /  Nếu chỉ vì sự hạn chế của  toán học  mà chúng ta không thể suy các định luật đột sinh từ những định luật cơ bản (kể cả sử dụng máy tính) thì các định luật mà chúng ta gọi là đột sinh chẳng qua chỉ thuộc một tập con của các định luật cơ bản.

Sau đây chúng ta sẽ thấy dường như khả năng thứ nhất là gần với sự thật của vật lý học.

 E/  Vật lý thống kê

 Vật lý thống kê chứng tỏ rằng các định luật nhiệt động học mô tả  cách hành xử không trật tự của tập lớn các phân tử. Các phân tử riêng lẻ có tuân theo hay không các định luật tất định, điều đó không quan trọng: điều quan trọng để suy ra các định luật nhiệt động học vĩ mô là các phân bố thống kê (như phân bố Gibbs, Maxwell, Boltzmann, Fermi, Bose) tương ứng với những quá trình  vi mô không trật tự.

Cuối  năm 1920,  thuyết lượng tử cho phép người ta tin rằng không những các định luật nhiệt động học mà cả cơ học cổ điển cũng đột sinh từ cơ sở các định luật lượng tử vốn là một lý thuyết không tất định (indéterminisme) vi mô. Từ đó một kết luận: các định luật đột sinh cũng dựa trên cơ sở của một số định luật cơ bản, song thể hiện ra dưới nhiều hình thức rất khác nhau. Điều này làm thành một hố ngăn cách giữa các lớp vì sự hiểu biết các định luật đột sinh không cho phép tái lập các định luật cơ bản.

 F/.  Nguyên lý “bảo vệ ( protection)”

 Trong những năm 1980 Stephen Wolfram [2] và nhiều chuyên gia khác về mô phỏng các hệ phức tạp trên máy tính đã chứng minh được rằng các luật vĩ mô của thủy động học và của nhiệt động học mà người ta nhầm tưởng là dựa trên những định luật vi mô của cơ học cổ điển hay lượng tử đều có thể đột sịnh từ một cơ sở đơn giản hơn. Đó là mô hình của “tế bào automat” một mạng các “tế bào” có thể nằm trong các trạng thái 0 và 1 và biến đổi phụ thuộc theo trạng thái của những tế bào lân cận (hình 5). 

  

 

   Hình5 . Mô phỏng các hệ phức hợp. Sự phát triển của tế bào automat dựa trên một quy tắc đơn giản: mỗi tế bào hình lập phương sẽ được bôi màu nếu ở bước lặp trước 2 trong số 26 tế bào lân cận (tại các mặt,các cạnh và các đỉnh) đều có màu. Phương thức này cho phép tìm được một số lớn các lối hành xử quan sát được trong thiên nhiên. Song những quy tắc này phải chăng là những định luật cơ bản?

  

Như vậy các định luật đột sinh dường như bị tách khỏi lớp cơ sở giả định. Các định luật đột sinh là bền đối với các biến thiên đáng kể của cơ sở và người ta nói rằng chúng được “bảo vệ” đối với các biến thiên bất định của cơ sở. Quan điểm bảo vệ các định luật đột sinh đối với các thay đổi của cơ sở là một điều quan trọng.

 

Qua những điều vừa trình bày chúng ta thấy các định luật đột sinh bị tách rời  khỏi các định luật cơ sở mà chúng ta có thể hình dung đến. Các định luật đột sinh ổn định đối với  các giả định khác nhau về phương án các định luật cơ sở. Người ta nói rằng chúng được bảo vệ đối với tính đa dạng  của các phương án cơ sở giả định. Đối với nhiều nhà khoa học theo lý thuyết đột sinh thì thậm chí các định luật mà chúng ta xem là cơ bản như các định luật hấp dẫn, điện từ cũng là những định luật đột sinh.

Song các định luật ở lớp đột sinh và ở lớp dưới có thể có sự tương tự hình thức (analogie formelle). Một số định luật của môi trường  đông đặc (mà chúng ta xem là đột sinh) tương tự với các định luật của vật chất cơ bản (mà chúng ta xem là cơ sở). Ví dụ phonon (trong môi trường  đông đặc) tương tự như photon (trong chân không, môi trường cơ bản), các lỗ trống trong các giải phổ bán dẫn tương tự với các positron trong lý thuyết Dirac. Vậy có chăng một sự “đồng dạng” các định luật ở các lớp? hay nói cách khác có chăng một nguyên tắc thống nhất để thiết lập các định luật ở các lớp khác nhau?

 

G /  Lý thuyết trường lượng tử

 

Lý thuyết trường lượng tử (LTTLT) là lý thuyết kết hợp lý thuyết lượng tử và lý thuyết tương đối (hẹp). LTTLT xây dựng trên tương tác vi mô của các hạt cơ bản và cho những kết quả quan sát được với độ chính xác cao đáng ngạc nhiên (ví dụ dịch chuyển Lamb [3] quan sát được năm 1947-48).

Vậy đây có phải là một lý thuyết thuộc quy giản luận và là một ví dụ chống lại quan điểm đột sinh?

Song đi sâu vào LTTLT người ta thấy một lỗ hổng lớn: đó là sự tồn tại những đại lượng lớn vô cùng phát sinh trong quá trình tính toán. Muốn thu được những kết quả so sánh được với thực nghiệm người ta phải tìm cách loại bỏ những đại lượng vô cùng đó. Thuật toán này được gọi là “tái chuẩn hóa”.  Nội dung thực chất  là cần phải cắt ngưỡng năng lượng tại một trị số nào đó. Như vậy dưới ngưỡng năng lượng đó thì LTTLT đúng còn trên ngưỡng năng lượng đó thì chưa có lý thuyết để mô tả hiện tượng.

Vậy vùng năng lượng thấp dưới ngưỡng thuộc về một lớp cấu trúc đột sinh. Dưới lớp này là vùng năng lượng cao hơn ngưỡng nói trên.

Như vậy LTTLT với thuật tái chuẩn hóa phải xem là một lý thuyết đột sinh. Trong những năm gần đây có một sự thay đổi trong thái độ của các nhà vật lý đối với vật lý các hạt cơ bản, dẫn đến việc hiểu các lý thuyết trường lượng tử như là những lý thuyết trường hiệu dụng (EFT-Effective Field Theories).Trong LTTLT tái chuẩn hóa người ta thực chất đã làm việc với những trường hiệu dụng.

Hiện tại lý thuyết siêu dây có tham vọng tìm một lý thuyết cho tất cả xuất phát từ một thực thể cơ bản là một dây vi mô theo tinh thần quy giản luận.  Song tiếc rằng hiện nay chưa có một cơ sở thực nghiệm để kiểm chứng được lý thuyết dây.

 

Nhiều tác giả khác ngã theo lý thuyết đột sinh: không có định luật nào là cơ bản có chỉ có những định luật đột sinh. Lý thuyết này là một thách thức quan trọng đối với vật lý học hiện đại và đối với triết học.

 H/.  Lý thuyết đột sinh trong  những lĩnh vực khác

 Robert Laughlin, nhà vật lý giải Nobel, là một trong những nhà khoa học ủng hộ mạnh mẽ thuyết đột sinh. Robert Laughlin quan niệm rằng thiên nhiên chứa đầy những vật thể có thể so sánh với những bức tranh phái ấn tượng chủ nghĩa (impressionisme). Robert Laughlin nêu một ví dụ: bức tranh Khu vườn của Monet ở Giverny (hình 6). Trong tranh này không có nét vẽ chỉ có những vết màu chấm phá, các vết màu này không thể hiểu là hoàn chỉnh theo một ý nghĩa nào đó được, song khu vườn đã xuất hiện hoàn chỉnh, đã đột sinh từ những vết màu chấm phá đó. Đây là một đặc trưng của đột sinh: sự hoàn chỉnh đột sinh  từ sự không hoàn chỉnh ( la perfection émerges  de l’ imperfection) tương tự như  trật tự đột sinh từ bất trật tự.

 

         Hình 6  . Claude Monet : Khu vườn của Monet ở Giverny (ấn tượng chủ nghĩa)

 

Có thể chứng minh rằng các nguyên tử kết thành tinh thể vì chúng tương tác với nhau ở mức vi mô. Song không thể chứng minh vì sao sự kết thành đó lại hoàn chỉnh mà sự sắp xếp hoàn chỉnh các nguyên tử lại rất quan trọng, vì không hoàn chỉnh  thì tinh thể không bền cứng được. Điều này chứng tỏ quy giản luận không hoạt động ngoài một phạm vi nhất định.

Ngay cả trong vật lý các hạt cơ bản vốn là một lĩnh vực mang tính quy giản luận cao thì cách tiếp cận suy cho cùng cũng mang tính hiện tượng luận. Trong hóa học nếu ta sử dụng thuần túy cơ học lượng tử thì ta không tính được mọi kết quả các phản ứng (ngoại trừ một số trường hợp rất đơn giản).

Robert Laughlin đoạt giải Nobel năm 1998 về hiệu ứng Hall phân số lượng tử (các electron trong vật liệu có thể có điện tích phân số, không nguyên) đã phát biểu rằng chính nguyên lý đột sinh đã giúp ông  đi đúng hướng khi sử dụng ý tưởng về chất lỏng lượng tử, một ý tưởng có tính đột sinh và nhờ đó tìm ra hiệu ứng Hall nói trên.

Đặc biệt trong sinh học người ta sử dụng rộng rãi tiếp cận đột sinh. Nhiều nhà vật lý lầm tưởng rằng họ có thể suy diễn sinh học bằng những phương pháp quy giản luận, cho nên các nhà vật lý thường là những nhà sinh học tồi (pietre biologiste).

Lý thuyết Bigbang thực chất là một ý tưởng mang tính đột sinh. Người ta không thể suy Bigbang từ  những phương trình. Bigbang có thể đã tạo ra nhiều vũ trụ song song, ở đấy các hằng số vật lý có thể khác nhau dẫn đến những định luật khác nhau, cho nên vũ trụ   không phải là hệ quả của một quy trình tất định  mà là hệ quả của nhiều yếu tố mang tính ngẫu hợp (contingent) liên quan đến quá trình tự tổ chức (auto-organisation) của vật chất.

 

Nhiều hiện tượng có bản chất xa nhau có thể có cùng một cơ chế. Hãy lấy hiện tượng từ hóa (aimantation) và hiện tượng dịch bệnh. Trong hiện tượng từ hóa các nguyên tử gần nhau tương tác với nhau và dẫn đến một trật tự từ hóa trong một khoảng cách nào đó. Song đến một lúc quá trình chuyển pha (loại hai) phát sinh hay nói cách khác đột sinh, tại đó hàm liên kết trở nên rất lớn và hệ “mất ký ức “ về cấu trúc vi mô của mình để biểu hiện một liên kết vĩ mô ở khoảng cách lớn (the system near the second order phase transition “loses memory” of  its microscopic structure and begins to display new long-range macroscopic correlations) [4]. Trong dịch bệnh một số người tiếp xúc gần với con bệnh sẽ bị lây nhiễm sau đó truyền bệnh cho một số ngưòi khác trong một phạm vi nhất định và đến một lúc thật sự dịch bệnh mới bùng phát tương ứng với quá trình chuyển pha (loại  hai) trong từ hóa của vật lý.

Như vậy có những tính chất phổ quát trong sự phát sinh những định luật đột sinh ở nhiều hiện tượng khác nhau không cùng một bản chất.

 

 I  / Kết luận

 

Nguyên lý đột sinh tỏ ra có nhiều ưu thế trong vật lý khi người ta bắt đầu nhận thức được  cấu trúc nhiều lớp của vật lý. Song liệu có phải vì  toán học không bao giờ  đủ mạnh  mà chúng ta không thể suy các định luật đột sinh từ những định luật cơ bản (kể cả sử dụng máy tính)? hay chính đây là bản chất sâu xa của nguyên lý đột sinh?

Tài liệu  tham khảo và chú thích

 

[1]  Michel Bitbol, Robert Laughlin, Cécile Michaut, La Recherche số 405, tháng hai/2007

[2]  Stephen Wolfram, A new kind of Science: NKS | ON LINE, 2007

[3]  Dịch chuyển Lamb là sự khác nhau giữa hai mức năng lượng đặc biệt do electron  tương tác với chân không  chỉ  tính được nhờ LTTLT.

[4] Rajesh R. Parwani, usprrp@nus.edu.sg