Vũ trụ toàn ảnh

Dẫn: Trong Entry trước, Lý tôi trót nổ về lý thuyết Vũ trụ toàn ảnh, một comment (của bác Giao) có đề nghị nói rõ thêm. Nhưng tôi cũng chỉ là một anh thầy bói xem voi, chưa chắc đã sờ được cái lông đuôi, mà con voi này lại to quá, biết gì mà nói rõ thêm? Thời may lục được bài của tác giả Cao Chi viết từ 2009 về vấn đề này, xin chia sẻ cùng bác Giao và các bạn. Nhân đây tôi xin tỏ lòng biết ơn tác giả và chúc ông mạnh khỏe.

Giáo sư Cao Chi, năm nay đã 82 tuổi, là một chuyên gia hàng đầu của VN về vật lý lý thuyết và hạt nhân, ông là một trong số rất ít các nhà khoa học ở nước ta chỉ thuần làm khoa học chứ không giữ một chức vụ quản lý nào. Ông viết nhiều bài báo với sự hiểu biết rất sâu sắc những vấn đề về vật lý hiện đại, trừu tượng và phức tạp nhưng lại tiếp cận được với bạn đọc có học vấn phổ thông, như bản thân tôi.

Cụ Tạ Quang Bửu đánh giá ông thế này: Cao Chi "là một chuyên gia về lý thuyết trường lượng tử và là một nhà toán học sâu sắc, và cái gì bạn ấy viết cũng đều đã được suy tính kỹ, những bài viết của bạn ấy dù là về các vấn đề chuyên môn cũng đẹp về nhiều mặt: ý tứ, lời văn, tình nghĩa và trách nhiệm tương hỗ giữa người viết và người đọc...”.

Ông thường ký dưới các bài viết là Cao Chi, không kèm theo danh hiệu gì.  

(Dưới đây là bài đăng trên Tia sáng 03:48-16/04/2009, tôi có chỉnh lại một chút ở phần ảnh cho chính xác hơn.) 

Vũ trụ toàn ảnh: một kỷ nguyên khoa học mới?

Nhóm các nhà vật lý Đức và Anh GEO600 khi đang truy tìm sóng hấp dẫn đã ghi đo được một tiếng ồn lạ lùng mà họ không giải thích được. Nhà vật lý Mỹ CRAIG HOGAN đã tiên đoán sự tồn tại của tiếng ồn đó và đồng nhất tiếng ồn đó với tiếng ồn toàn ảnh (holographic noise) của vũ trụ. Trong vũ trụ toàn ảnh mọi thực thể trong không gian và thời gian đều liên thông với nhau (interconnectedness) và cách tiếp cận toàn ảnh  giúp thống nhất  hấp dẫn và lượng tử ( bài toán số một của vật lý ) và rộng hơn cung cấp một tầm nhìn nhất quán đối với mọi hiện tượng thuộc vật lý, sinh học, bệnh học, tâm lý học, ngoại tâm lý học (parapsychology)...Vũ trụ toàn ảnh nếu đúng sẽ mở ra một kỷ nguyên khoa học mới có chiều sâu hơn hiện nay (ScienceDaily Feb.4, 2009).

To see a World in a Grain of Sand         
And a Heaven in a Wild Flower,             
Hold Infinity in the palm of your hand   
And Eternity in an hour.                      

Dịch nghĩa:
Để  thấy Vũ trụ trong một Hạt cát                                     
Và  Bầu trời  trong một Đóa hoa Rừng,                         
Hãy giữ Vô cùng trong lòng tay bạn
Và Thiên thu trong một khắc đồng hồ.William Blake (thi sĩ Anh 1757-1827)

Toàn ảnh ( holography) là gì?
Như chúng ta biết trong quang học có phương pháp ghi một vật thể 3 chiều bằng một ảnh 2 chiều  (hologram). Kỹ thuật này gọi là holography (phương pháp toàn ảnh). Chữ holography có gốc từ tiếng Hy Lạp (whole, toàn thể) + graphe (writing, ghi ảnh). Đây là một phương pháp chụp ảnh hiện đại. Holography được phát minh năm 1948 bởi nhà vật lý người Hung Dennis Gabor (1900-1079), nhờ thành tích này ông được nhận giải Nobel năm 1971.

Hình 1 . Holography trong quang học

Hologram là một ảnh 2D (2 chiều), song khi được nhìn dưới những điều kiện chiếu sáng nhất định thì tạo nên một hình ảnh 3D (3 chiều) trọn vẹn. Mọi thông tin mô tả vật thể 3D đều được mã hoá trên mặt biên 2D. Như vậy chúng ta có hai thực tại 2D và 3D tương đương với nhau về mặt thông tin (xem hình 1).Một tính chất quan trọng khác của hologram là nếu chỉ lấy một phần của nó người ta cũng có thể khôi phục được hình ảnh 3D  của vật. Tính chất này   được diễn tả trong mấy vần thơ đề tựa của William Brake ở đầu bài viết ( trùng hợp vì triết lý toàn ảnh), mặc dầu chúng được viết từ nhiều thế  kỷ trước.  

Hai kiến trúc sư lớn của toàn ảnh 

Hai nhà khoa học, kiến trúc sư của lý thuyết toàn ảnh là: nhà vật lý  David Bohm (Đại học London) và nhà thần kinh học xuất sắc Karl Pribram (Đại học Stanford , tác giả cuốn sách nổi tiếng Các ngôn ngữ của não bộ – Languages of the Brain). Một điều kỳ lạ là hai nhà khoa học này vốn làm việc trong hai lĩnh vực hoàn toàn khác nhau lại cùng đi đến những  kết luận giống nhau. Bohm  đi đến kết luận về tính toàn ảnh của vũ trụ sau nhiều năm không hài lòng với những giải thích các hiện tượng vi mô theo thuyết lượng tử, còn Pribram - vì sự thất bại của các lý thuyết cổ điển sinh học đối với những bí ẩn trong sinh lý học thần kinh ( neurophysiology).Cuối cùng họ gặp nhau và cùng hiểu rằng mô hình toàn ảnh cho phép hiểu được một loạt những điều bí ẩn trong vật lý, trong thần giao cách cảm (telepathy), tiên tri (precognition-biết trước sự vật), sự thống nhất con người và vũ trụ (oneness), động học tâm lý (psychokinesis),...

Vũ trụ là một toàn ảnh (hologram)Khi làm việc tại Phòng thí nghiệm Bức xạ Berkeley về plasma, Bohm đã nhận xét rằng trong trạng thái plasma các electron không hành xử như những thực thể riêng lẻ mà như thành phần của một hệ thống nhất liên thông (interconnected). Điều đáng ngạc nhiên là plasma có thể hút các tạp chất ở biên giống như một trực trùng amip (amoeboid) nuốt chất lạ vào bào nang. Bohm có ấn tượng là biến các electron là một sinh thể. Những ý tưởng đó giúp Bohm tìm ra plasmon, tạo nên tiếng tăm cho nhà vật lý. 

Hình2 . Hai cá vàng trên hai màn hình từ hai camera chỉ là hai hình ảnh của một thực thể ở mức sâu hơn.

Bohm đưa ra một ví dụ: hãy lấy một con cá vàng đang bơi trong bể cá cảnh (hình 2) và tưởng tượng rằng bạn chưa bao giờ thấy một cảnh tượng như vậy, mọi nhận thức của bạn chỉ có được nhờ hai camera tivi A & B quét từ hai góc khác nhau. Khi nhìn vào hai màn hình tivi  bạn lầm tưởng đang quan sát hai con cá vàng. Song theo dõi một lúc bạn thấy rằng có mối liên hệ đồng bộ giữa hai con cá này. Như vậy hai ảnh trên hai màn hình chỉ là hai biểu hiện của một thực thể ở mức sâu hơn, trong trường hợp này thực thể đó là bể cá cảnh với cá vàng bên trong. Tình huống này  giống như hai photon phát ra từ sự phân rã của một positronium.Theo Bohm tồn tại một thế lượng tử chiếm đầy không gian và các hạt liên thông với nhau một cách không định xứ (nonlocal).
Nguyên lý toàn ảnh có thể dẫn đến một triết học sâu sắc. David Bohm (hình 3) quan niệm rằng thực tại mà chúng ta tiếp xúc hằng ngày chỉ là một loại ảo tưởng giống như một bức tranh toàn ảnh (hologram). Dường như thực tại có hai mức: một mức ở sâu hơn gọi là mức tiềm ẩn (cuộn lại) /implicate (enfolded) và một mức gọi là mức tường minh (mở ra) /explicate (unfolded). Một film toàn ảnh (hologram) và hình ảnh nó tạo ra là ví dụ của hai mức tiềm ẩn và tường minh. Cuộn film thuộc mức tiềm ẩn vì hình ảnh được mã hóa trong các dạng giao thoa chứa trong film còn hình ảnh chiếu ra thuộc mức tường minh vì các giao thoa mã hóa được mở ra (unfolded).Theo David Bohm sóng và hạt đều bị cuộn lại trong một thực thể lượng tử, chỉ có quá trình tương tác mới bộc lộ tường minh một khía cạnh nào đó còn khía cạnh kia vẫn nằm tiềm ẩn. Vì từ toàn ảnh (holographic) có tính tĩnh tại (static) nên để mô tả những quá trình động (dynamic) cuộn lại và mở ra liên tục của thực tại nên David Bohm đưa ra danh từ toàn ảnh động (holomovement)Bohm quan niệm rằng mọi vật trong vũ trụ đều là những phần tử của một continium [1]. Bohm cho rằng phân biệt thế giới sống (living) và không sống (nonliving) là điều vô nghĩa. Vì mỗi phần của một bức toàn ảnh (hologram) đều chứa thông tin của toàn ảnh cho nên mỗi bộ phận của vũ trụ đều chứa thông tin của toàn vũ trụ. Điều đó có nghĩa là nếu biết cách tiếp cận thì chúng ta có thể tìm thấy thiên hà Tiên nữ (Andromeda) trong móng ngón tay bàn tay trái [2]. Bài thơ của William Blake (thi sĩ Anh 1757-1827) đề dẫn trên đây diễn tả cùng một ý.

Não bộ là một toàn ảnh (hologram)Pribram (hình 4) xuất phát từ việc tìm hiểu não bộ lưu trữ trí nhớ bằng cách nào và ở đâu . Trong những năm 1940 người ta tin rằng trí nhớ nằm trong não bộ. Mỗi dấu vết trí nhớ gọi là một engram, tuy chẳng ai biết engram được cấu tạo bằng gì .

Từ năm 1920 Wilder Penfield dường như chứng minh được rằng các engram nằm trong những vùng nhất định của não bộ [3]. Pribram, lúc còn là một nhà phẫu thuật thần kinh nội trú không có một nghi ngờ nào đối với lý thuyết engram của Penfield. Song nhiều điều xảy ra đã làm Pribram thay đổi quan điểm. Tại Phòng thí nghiệm sinh học Yerkes, Florida,  nhà tâm lý thần kinh (neuropsychologist) Karl Lashley đã huấn luyện chuột một số kỹ năng rồi cắt bỏ những phần trong não bộ có thể liên quan đến kỹ năng đó (không một nhà phẫu thuật nào tìm được một vị trí xác định của các engram ). Song một điều ngạc nhiên là dù cắt bỏ bao nhiêu đi nữa kỹ năng được huấn luyện vẫn lưu tồn. Và Pribram đi đến kết luận quan trọng: trí nhớ không được lưu trữ tại một nơi nào cả trong não bộ mà bằng một cách nào đó lan truyền và phân bố trong toàn não bộ. Vào giữa năm 1960 khi Pribram đọc một bài báo trên Scientific American về cấu tạo của một hologram thì ông hiểu rằng:  não bộ là một toàn ảnh (hologram).Trí nhớ được xem như là những xung lượng thần kinh đan chéo chằng chịt trong não bộ tương tự như những hình ảnh giao thoa tia laser trên một diện tích của hologram.Không riêng gì đối với trí nhớ mà đối với các khả năng khác của con người như thị giác và thính giác người ta cũng quan sát được các tính chất toàn ảnh (nhà nghiên cứu Hugo Zucarelli phát triển kỹ thuật gọi là âm học toàn ảnh - holophonic sound, sử dụng tính toàn ảnh của thính giác).Nếu như một phần của hologram có khả năng tái tạo toàn ảnh của một vật thì mỗi phần của não bộ cũng chứa tất cả thông tin để phục hồi toàn bộ trí nhớ.

Một nhà sinh học là Paul Pietsch (Đại học Indiana) muốn chứng minh rằng Pribram sai đã thực hiện hơn 700 thí nghiệm (cắt lớp, đảo chiều, thay đổi thứ tự, cắt bỏ, thái mỏng) trên bộ não của nhiều con kỳ giông (salamandridae) song lúc đặt lại trong bộ não những gì còn lại thì thấy các con vật vẫn hành xử như không có điều gì xảy ra đối với trí nhớ.

Bohm và Pribram gặp nhau 

Hình 3 . David Bohm (1917-1992)

Hình 4. Karl H.Pribram

Các lý thuyết của Bohm và Pribram đã tạo nên một quan điểm sâu sắc về nhận thức luận đối với thế giới khách quan: toàn bộ vũ trụ là một toàn ảnh (the entire universe is a hologram), bộ não là một hologram cuộn vào trong vũ trụ toàn ảnh (the brain is a hologram enfolded in a holographic universe).

Các lý thuyết của Bohm và Pribram đã tạo nên một quan điểm sâu sắc về nhận thức luận đối với thế giới khách quan: toàn bộ vũ trụ là một toàn ảnh (the entire universe is a hologram), bộ não là một hologram cuộn vào trong vũ trụ toàn ảnh (the brain is a hologram enfolded in a holographic universe).
Năm 1982 Alain Aspect (Đại học Paris) đã thực hiện một thí nghiệm có thể nói là quan trọng nhất trong thế kỷ 20, liên quan đến nghịch lý EPR [4], chứng minh rằng trong những điều kiện nhất định các hạt như electron có thể tức thời liên lạc với nhau (vậy vận tốc truyền thông tin lớn hơn vận tốc ánh sáng) bất kể khoảng cách giữa chúng là 10 m hay 10 triệu dặm. Theo David Bohm thì thí nghiệm của Aspect càng chứng minh vũ trụ quả là một hologram. Trong nghịch lý EPR , theo Bohm thì Einstein sai lầm vì cho rằng hệ đó là hai hạt riêng lẻ trong khi phải xét chúng như một hệ không phân chia được.Và không phải các electron đã truyền thông tin cho nhau theo một cách bí ẩn nào đó mà là sự phân cách giữa chúng chỉ là một ảo tưởng. Tại một mức sâu các hạt đó không là những thực thể riêng lẻ mà chỉ là những biểu kiến của một thực thể cơ bản. 

Rộng hơn mọi thành phần của vũ trụ ở một mức sâu đều liên thông với nhau (interconnectedness) và ngược lại vũ trụ hiện hữu trong mỗi bộ phận(“whole in every part”). Một ví dụ của mức sâu đó của thực tại chính là cái bể cá cảnh cùng con cá vàng trong ví dụ nói ở trên đây. Theo Bohm ta thấy được những thực thể riêng biệt chỉ vì ta chỉ nhìn được một khía cạnh của thực tại. Các thực thể riêng biệt đó chỉ là những bóng ma (eidolon) còn vũ trụ tự thân là một hình chiếu, nói cách khác là một hologram.Các electron của nguyên tử carbon trong não bộ của con người liên thông với các nguyên tử của mỗi con cá vàng đang bơi, của mỗi quả tim đang đập và của những vì sao đang chiếu sáng trên bầu trời. Vì sự liên thông phổ quát này mà trong vũ trụ toàn ảnh , thậm chí không gian và thời gian không còn là cơ bản nữa!

Những khái niệm như tọa độ và thời điểm  sẽ không còn ý nghĩa trong một vũ trụ mà không vật gì được tách rời với vật khác trong không gian và thời gian. Tại mức sâu hơn này, thực tại là một siêu hologram trong đó quá khứ, hiện tại và tương lai quyện vào nhau và tồn tại đồng thời. Tại mức sâu siêu hologram  nếu tìm được phương pháp thích hợp chúng ta có thể làm tái hiện được những cảnh tượng từ quá khứ xa xôi.Sự tổng hợp hệ thống ý tưởng của Bohm và Bribram  dẫn đến là hệ mẫu toàn ảnh HP (Holographic Paradigm). Nhiều nhà khoa học công nhận rằng nhiều hiện tượng ngoại tâm lý học (para-psychological [5]) như thần giao cách cảm, luân hồi, tiên tri... có thể hiểu được nhờ HP.Thời gian sẽ trả lời HP đúng hay sai song hiện tại HP ,vì hàm lượng triết lý lớn,  đang làm say đắm nhiều  nhà khoa học và là nguồn cảm hứng dồi dào cho điện ảnh (các phim ‘The Matrix’, ‘The 13th Floor’,  Star Trek...) cho nghệ thuật, văn chương.

Cuộc chiến quanh lỗ đen & nguyên lý toàn ảnh Vì sao mà nguyên lý toàn ảnh trở nên quan trọng cho vật lý lượng tử?[6]

Năm1993 Gerard ‘t Hooft (và có thể cùng thời  Leonard Susskind, một trong những người phát triển lý thuyết dây) đề ra nguyên lý holographic: theo nguyên lý này tồn tại một vật lý nD trên mặt biên (không gian n chiều) mô tả được hoàn toàn vật lý (n+1)D của hệ nằm trong mặt biên (không gian n+1 chiều).Thông tin trong một thể tích không gian sẽ được lưu trữ bề mặt của thể tích đó, ở đấy một bit thông tin chiếm 1/4 yếu tố diện tích Planck (Bekenstein). Đối với lỗ đen thông tin này sẽ được mã hóa  trên mặt chân trời của lỗ đen.Theo nguyên lý holographic các quy luật vật lý trên mặt biên (xem là hologram) mô tả tương tác giữa các hạt như quark, gluon trong khi các quy luật vật lý của không gian nằm trong mặt biên được mô tả bởi lý thuyết siêu dây như thế có chứa cả hấp dẫn! 

Hình 5  . Lý thuyết trường conform (CFT)  trên mặt biên (hologram ) tương đương với lý thuyết dây có hấp dẫn trong không gian anti-de Sitter ( ánh xạ holographic : AdS / CFT )

Năm 1997, tác giả Maldacena (Đại học Harvard) đã thực hiện nguyên lý holography nhờ thiết lập mối quan hệ sau:
Một vũ trụ mô tả bởi lý thuyết siêu dây  (như vậy có hấp dẫn) trong một không-thời gian anti-de Sitter 5 chiều tương đương với một lý thuyết trường lượng tử (không chứa hấp dẫn) trên mặt biên 4 chiều của không-thời gian đó (xem hình 5).
Bài toán lớn nhất hiện nay của vật lý lượng tử là thống nhất được hai lý thuyết lớn nhất của thời đại: lý thuyết lượng tử và lý thuyết tương đối rộng. Nguyên lý toàn ảnh nói trong bài này có hy vọng là một phương án để làm được điều đó!Công trình của Maldacena gây một tiếng vang lớn trong giới vật lý lý thuyết, trong vòng 5 năm công trình của Maldacena được trích dẫn trên 5000 lần và được xem như một bước đột phá về quan niệm, tạo nên một cách nhìn mới đối với hấp dẫn và lý thuyết trường lượng tử.Cuốn sách vừa xuất bản “ Cuộc chiến quanh lỗ đen- La guerre du trou noir ” của Leonard Susskind [6] mô tả lại cuộc tranh luận giữa Stephen Hawking và nhiều người khác thuộc phái phản đối. Stephen Hawking cho rằng lỗ đen là một thực thể vi phạm nguyên lý bảo toàn thông tin trong lý thuyết lượng tử (và trong vật lý nói chung), một thực thể xé nuốt thông tin (dévoreurs d’informations). Song đến năm 2004 thì Stephen Hawking tuyên bố thua cuộc  John Preskin trong một cuộc đánh đố rằng thông tin bảo toàn hay biến mất sau khi lỗ đen bay hơi. Như vậy bài toán nghịch lý về thông tin trong lỗ đen có thể xem như được sáng tỏ phần nào (thông tin là bảo toàn song thu hồi nó như thế nào?). Nguyên lý toàn ảnh khẳng định rằng mọi thông tin trong lỗ đen giờ đây được mã hoá trên diện tích chân trời và thông tin được bảo toàn trong quá trình bay hơi của lỗ đen. Thất bại này của Stephen Hawking càng làm cho giới khoa học chú ý nhiều đến HP.

Một kiểm chứng thực nghiệm: phát hiện tiếng ồn toàn ảnh (holographic noise) của dự án GEO600?
GEO600 là một dự án  hợp tác giữa  Viện Vật lý hấp dẫn  Max Planck, Đại học Leibniz Hannover, Đại học Cardiff, Đại học Glashow và Đại học Birmingham. GEO600 là một detector dài 600 m, xây dựng tại Hannover (Đức) có mục tiêu tìm sóng hấp dẫn phát ra từ những thiên thể như sao neutron, lỗ đen. Hiện nay GEO600 [7] chưa tìm ra sóng hấp dẫn song rất có thể đã phát hiện một hiện tượng quan trọng nhất trong thế kỷ này. Trong nhiều tháng qua đội ngũ GEO600 đau đầu vì một nhiễu loạn, một tiếng ồn không giải thích được trong detector của họ.

Hình 6 . Craig Hogan

Nếu nhóm GEO600 đã tìm thấy những gì mà Craig Hogan phỏng đoán thì chúng ta đang ở trong một hologram vũ trụ khổng lồ.

Một điều đáng ngạc nhiên, Craig Hogan (hình 6), Giám đốc Trung tâm Vật lý thiên văn các hạt cơ bản, Phòng thí nghiệm Gia tốc quốc gia Fermi , GS Đại học Chicago, Illinois lại tiên đoán được rằng nhóm GEO600 sẽ gặp vấn đề về tiếng ồn lạ lùng này và đưa ra cách giải thích: nhóm GEO600 đã tiến đến giới hạn cơ bản của không thời gian, đã  tiến đến điểm mà continium phẳng phiu của Einstein chấm dứt nhường chỗ cho cấu trúc dạng “hạt” gián đoạn, nhóm GEO600 đã chạm ngõ đến sự thăng giáng “run rẩy” lượng tử của không thời gian, một mức sâu của thực tại trong vũ trụ hologram [8]. Tại những khoảng cách vi mô với kích thước cỡ 10– 35 m ( độ dài Planck) không thời gian có cấu trúc gián đoạn như cấu tạo được bằng những pixel .
GS Bernard Schutz (Viện Thiên văn Hoàng gia Anh) nói: nếu tiếng ồn toàn ảnh được phát hiện thì đây là tín hiệu của một kỷ nguyên mới trong vật lý cơ bản (ScienceDaily,Feb.4,2009). GS Karsten Danzmann, Giám đốc Viện Albert Einstein Hannover dè dặt hơn phát biểu: vấn đề tiếng ồn toàn ảnh đã đặt nhóm nghiên cứu GEO600 vào tâm cơn lốc của một nghiên cứu cơ bản quan trọng của thế kỷ. Nhóm các nhà vật lý GEO600 đang tích cực thu thập dữ liệu để chứng minh liệu tiếng ồn họ thu được có phải là tiếng ồn toàn ảnh hay không?
Nếu nhóm GEO600 đã tìm thấy những gì mà Craig Hogan phỏng đoán thì chúng ta đang ở trong một hologram vũ trụ khổng lồ.

Kết luận Vũ trụ của chúng ta có thể là một hologram khổng lồ (Our World May Be a Giant Hologram [9]). Nếu điều này đúng thì trước mắt chúng ta là một kỷ nguyên khoa học mới (ScienceDaily,Feb.4,2009) có tầm bao quát một cách thống nhất nhiều hiên tượng (từ vật lý đến các khả năng kỳ diệu của não bộ) mà  khoa học hiện nay  chưa có lời giải thích. Vũ trụ toàn ảnh sẽ có tác động lớn đến triết học và là nguồn cảm hứng của nhiều ngành nghệ thuật. Nhiều nhà khoa học xếp lý thuyết Vũ trụ toàn ảnh ở tuyến đầu tri thức (latest frontier of knowledge), lý thuyết Vũ trụ toàn ảnh có nội dung lớn hàm ẩn cả toán, lý, sinh, triết học...