TiaSang
Chủ nhật, Ngày 23 tháng 7 năm 2017
Khoa học và Công nghệ

Sự hiệu quả đến khó hiểu của toán học trong khoa học tự nhiên

08/07/2017 08:19 - Eugene Wigner

Có một câu chuyện giữa hai người bạn từng học cùng lớp thời phổ thông, nói về công việc hiện tại của họ. Một người trở thành nhà thống kê nghiên cứu về các xu hướng phát triển dân số. Anh ta đưa ra một dữ liệu được biểu diễn bằng phân bố Gaussian, và giải thích cho bạn về ý nghĩa của các ký hiệu phản ánh tình trạng dân số, dân số trung bình, v.v. Người bạn ngạc nhiên hỏi: “Làm sao cậu biết được điều đó, và ký hiệu này có ý nghĩa gì?” Nhà thống kê nói đó là số Pi, chính là tỉ số giữa chu vi đường tròn với đường kính của nó. “Thôi đi, cậu đùa quá mức rồi đấy”, người bạn phản đối. “Chắc chắn rằng dân số không liên quan gì đến cái chu vi của đường tròn”.


Eugene Wigner (1902 -1995) là nhà vật lý, toán học người Mỹ gốc Hungary. Ông được trao giải Nobel vật lý năm 1963 “cho những đóng góp về lý thuyết hạt nhân nguyên tử và các hạt cơ bản, đặc biệt thông qua khám phá và ứng dụng các nguyên lý đối xứng cơ bản”.

Một cách tự nhiên, chúng ta chỉ mỉm cười về cái nhìn đơn giản của người bạn nọ. Tuy nhiên, khi nghe câu chuyện này, tôi phải thừa nhận một cảm giác huyền hoặc bởi phản ứng của người bạn kia là điều rất bình thường. Tôi thậm chí bị rối khi một vài ngày sau đó, một người khác tình cờ nói với tôi sự khó hiểu của anh ta về thực tế là các nhà nghiên cứu thường chỉ chọn một số ít dữ liệu để kiểm chứng lý thuyết của mình đưa ra. “Khi chúng ta tạo ra một lý thuyết tập trung vào các hiện tượng chưa được quan sát đầy đủ, và bỏ sót các hiện tượng khác lẽ ra phải được quan tâm đến, vậy làm sao ta biết rằng mình không thể xây dựng một lý thuyết khác, không hề giống lý thuyết đang có, nhưng hoàn toàn có khả năng tương đương trong việc lý giải các hiện tượng?” Phải thừa nhận rằng chúng ta không có bằng chứng phủ định sự tồn tại của một lý thuyết như thế.

Hai câu chuyện trên minh chứng cho hai điểm sẽ được bàn trong bài viết này. Điều đầu tiên là giữa những khái niệm toán học hình thành các mối liên hệ có khả năng mô tả các hiện tượng tự nhiên một cách chính xác ngoài mong đợi của chúng ta. Điều thứ hai, do thực tế như vậy và do chúng ta vẫn chưa hiểu căn nguyên dẫn tới sự hữu ích này, chúng ta cũng không thể khẳng định rằng một lý thuyết được diễn tả bằng các khái niệm toán học là chân lý duy nhất. Để dễ hiểu, chúng ta có thể hình dung về một người được cấp một chùm chìa khóa để mở nhiều cánh cửa nối tiếp nhau, và anh ta luôn dùng đúng chìa khóa với mỗi cánh cửa chỉ sau một hoặc hai lần thử. Kết quả đó khiến anh ta trở nên hoài nghi, rằng liệu có đúng là mỗi cánh cửa chỉ có thể được mở bằng một chìa duy nhất.

Bài viết này sẽ tập trung bàn về hiệu quả thần bí của toán học trong khoa học tự nhiên, điều không thể có lời giải thích hợp lý; việc này dẫn tới nghi vấn về tính đúng đắn duy nhất ở các lý thuyết vật lý. Để thiết lập điểm thứ nhất, rằng toán học đóng vai trò quan trọng đến mức khó lí giải trong vật lý, ta cần nói vài lời để trả lời câu hỏi, Toán học là gì? Rồi Vật lý là gì?, sau đó là câu hỏi toán học được áp dụng trong lý thuyết vật lý như thế nào, cuối cùng tại sao sự thành công của toán học trong vật lý gợi lên cảm giác khó hiểu.

Toán học là gì?

Toán học là khoa học của những thao tác nhuần nhuyễn trên các khái niệm và quy luật, những thứ được tạo ra thuần túy cho mục đích tự thân của toán học. Toán học chủ yếu chú trọng việc tạo ra những khái niệm mới, bởi nếu chỉ dựa trên những khái niệm cũ của những tiên đề sẵn có thì sẽ chẳng mấy chốc toán học sẽ không còn định lý nào mới mẻ thú vị. Toán học sơ cấp, đặc biệt là hình học sơ cấp, được xây dựng nhằm mô tả những đối tượng trực tiếp liên quan tới thế giới tự nhiên, nhưng điều này không còn đúng với những khái niệm toán học cao cấp hơn, cụ thể là những khái niệm đóng vai trò quan trọng trong vật lý học.

Trong thực tế, các khái niệm toán học với cách định nghĩa cho phép mở ra những suy xét thú vị và đột phá, chính là minh chứng đầu tiên cho thiên tài của các nhà toán học xây dựng nên các định nghĩa đó. Chiều sâu tư duy ẩn sau quá trình xây dựng các khái niệm toán học được bộc lộ ra về sau, thông qua những kỹ năng thao tác trên các khái niệm này. Nhà toán học thiên tài là người khai thác triệt để, tới tận cùng địa phận có thể tư duy, và đi đường vòng né qua những lãnh địa nơi không thể tư duy. Thật kỳ diệu khi sự táo tợn ấy không khiến anh ta sa lầy trong những kết quả mâu thuẫn nhau.

Điểm chính yếu cần lưu ý ở đây là nhà toán học sẽ tạo ra rất ít các định lý nếu họ không vượt rào, xây dựng những khái niệm nằm ngoài các tiên đề, được định nghĩa với tầm nhìn hướng tới những thao tác logic thông minh phù hợp với cảm quan của nhà toán học, cho ra những kết quả có tính bao quát và minh giản một cách tuyệt vời. Một ví dụ rất điển hình là số phức. Chắc chắn rằng các nhà toán học đưa ra khái niệm này mà không hề dựa trên một kinh nghiệm đời thực nào.

Vật lý là gì?

Điều các nhà vật lý quan tâm là khám phá những quy luật của tự nhiên. Vậy trước hết, cần hiểu rõ thế nào là quy luật của tự nhiên.

Như Schrodinger đã nói, bất chấp sự phức tạp khôn lường của tự nhiên, thật kỳ diệu rằng chúng ta vẫn có thể khám phá ra một số quy luật từ các sự kiện. Một trong những quy luật đó, được khám phá bởi Galileo, là hai hòn đá được thả từ cùng một độ cao ở cùng một thời điểm thì chạm mặt đất cùng một thời điểm. Quy luật do Galileo khám phá là hình mẫu cho một nhóm lớn các quy luật, nó đáng kinh ngạc bởi ba lý do.

Lí do thứ nhất là nó đúng không chỉ ở tháp nghiêng Pisa trong thời đại của Galileo, mà nó đúng ở mọi nơi mọi lúc. Tính chất này được ghi nhận là tính bất biến, một điều kiện tiên quyết cho sự tồn tại của vật lý học.

Điều đáng kinh ngạc thứ hai là quy luật mà chúng ta đang bàn đến không phụ thuộc vào rất nhiều điều kiện tưởng chừng có thể liên quan. Bất kể trời mưa hay không, được tiến hành trong phòng hay từ tháp nghiêng Pisa, và bất kể người thả hòn đá là đàn ông hay phụ nữ,… rõ ràng, có vô số những điều kiện tưởng chừng có thể can thiệp nhưng thực chất không hề gây ảnh hưởng gì tới quy luật khám phá bởi Galileo. Sự không chịu ảnh hưởng bởi nhiều hoàn cảnh khác nhau cũng được coi là tính bất biến. Việc tìm ra những yếu tố có ảnh hưởng hay không có ảnh hưởng đến hiện tượng là công việc sơ khởi của những thí nghiệm thực tế trên con đường khám phá một lĩnh vực. Chính là kỹ năng và tài cán của của người thực hiện thí nghiệm đã chỉ ra cho anh ta thấy những hiện tượng chịu phụ thuộc vào một số ít các điều kiện có tính lặp lại và cho phép tiến hành tái thí nghiệm được. Trong trường hợp Galileo, bước tiến quan trọng ông đạt được là giới hạn điều kiện tiến hành thí nghiệm với những vật thể nặng. Nhấn mạnh một lần nữa, nếu như không có hiện tượng nào chỉ phụ thuộc vào một số ít điều kiện và độc lập với tất cả những điều kiện khác thì vật lý sẽ không thể hình thành và tồn tại.

Quay lại với quy luật của tự nhiên mà Galileo tìm ra, rằng một vật nặng rơi từ một độ cao cho sẵn rơi xuống đất trong một lượng thời gian không phụ thuộc vào kích thước, loại vật liệu và hình thù của vật rơi đó. Trong khuôn khổ định luật II của Newton, nó tương đương với phát biểu rằng trọng lực tác động lên vật rơi tỉ lệ thuận với khối lượng nhưng không phụ thuộc vào kích thước, chất liệu, và hình thù của vật rơi.

Như vậy, những quy luật của tự nhiên thực ra không tồn tại một cách tự nhiên [bởi thực chất chúng đã lược bỏ đi vô vàn các điều kiện, hoàn cảnh có trong tự nhiên, chỉ tập trung vào một số ít điều kiện chọn lọc nhất định nào đó], và việc con người tìm ra chúng lại càng không thể coi là điều tự nhiên. Tất cả những quy luật tự nhiên này chứa đựng chỉ một phần nhỏ hiểu biết của chúng ta về thế giới xung quanh. Tất cả các quy luật của tự nhiên là những phát biểu có điều kiện, chúng cho phép dự đoán một vài sự kiện trong tương lai dựa trên những kiến thức có được ở hiện tại, song dự đoán đó lại không liên hệ gì với phần lớn những yếu tố và điều kiện của thế giới đang hiện hữu – sự không liên hệ được hiểu theo nghĩa đã thảo luận tại điểm đáng kinh ngạc thứ hai về định lý của Galileo.

Trong trạng thái hiện tại của thế giới, nơi tồn tại trái đất cùng sự sống của nhân loại, nơi trước đây Galileo từng tiến hành thí nghiệm, nơi tồn tại mặt trời cùng tất cả những gì xung quanh chúng ta, ở đó các quy luật của tự nhiên hoàn toàn im lặng. Chúng được dùng để tiên đoán các sự kiện sẽ xảy ra trong tương lai nhưng chỉ đúng với điều kiện hết sức đặc biệt – đó là các yếu tố quyết định đến trạng thái hiện tại của thế giới đều đã được biết trước. Tuy nhiên, nhờ kỳ tích vĩ đại của các nhà vật lý, con người chế tạo được những cỗ máy vận hành một cách chính xác, trong đó nhà vật lý tạo ra một hoàn cảnh đặc thù nơi tất cả các yếu tố liên đới được biết trước và cho phép hoạt động của cỗ máy có thể dự đoán được. Ra đa và lò phản ứng hạt nhân là những ví dụ.

Trên đây chúng ta đã khẳng định rằng tất cả các quy luật của tự nhiên là những phát biểu đúng với các điều kiện nhất định và chúng chỉ liên hệ đến một phần rất nhỏ kiến thức của chúng ta về thế giới. Cũng cần nói cho chính xác hơn rằng, chúng ta đã khám phá ra 30 năm về trước rằng ngay cả các phát biểu kèm theo điều kiện cũng không đảm bảo tính chính xác: chúng chỉ là quy luật mang tính xác suất, cho phép chúng ta đánh cược một cách thông minh khi nhận định về các tính chất của thế giới tương lai. Tính xác suất của quy luật tự nhiên được phản ánh rõ trong các cỗ máy do con người chế tạo, có thể kiểm chứng ít nhất với các lò hạt nhân khi chạy ở mức năng lượng thấp.

Vai trò của toán học trong các lý thuyết vật lý

Một cách tự nhiên, chúng ta sử dụng toán học trong vật lý thường ngày để đánh giá kết quả của những quy luật tự nhiên, áp dụng những phát biểu có điều kiện vào những hoàn cảnh cụ thể, hiện hữu một cách rõ rệt hoặc khiến chúng ta chú ý vì lý do nào đó. Muốn vậy, quy luật của tự nhiên cần được diễn tả bằng ngôn ngữ toán học. Tuy nhiên, đánh giá hệ quả của các lý thuyết đã được thiết lập sẵn không phải là vai trò quan trọng nhất của toán học trong vật lý, bởi ở đó toán học hay đúng hơn là toán ứng dụng chỉ đơn giản được sử dụng như là một công cụ. Vai trò quan trọng hơn của toán học trong vật lý chính là điều ta đã khẳng định phía trên, rằng quy luật của tự nhiên phải được thể hiện bằng ngôn ngữ toán để có thể được xem xét bằng toán ứng dụng.

Vật lý học đã chọn một số ít khái niệm trong toán học để biểu diễn quy luật tự nhiên. Trong nhiều trường hợp, nếu không muốn nói là đa số các trường hợp, các nhà vật lý lựa chọn các khái niệm một cách độc lập, sau đó họ mới nhận ra rằng các khái niệm này đã được các nhà toán học sáng tạo ra trước đó. Tuy nhiên, người ta thường ngộ nhận rằng các nhà vật lý lựa chọn các khái niệm toán học bởi tính minh giản của chúng. Như chúng ta thấy, các nhà toán học xây dựng các khái niệm toán học không phải vì chúng đơn giản, mà nhằm dễ vận dụng các thao tác, dẫn tới những lý luận đột phá. Đừng quên rằng không gian Hilbert trong cơ học lượng tử là không gian Hilbert phức, với tích vô hướng Hermitean (Hermitean scalar product) mà số phức thì chắc chắn không hề đơn giản và cũng không xuất phát từ các hiện tượng quan sát được trong tự nhiên. Hơn nữa, việc sử dụng số phức trong trường hợp này không xuất phát từ đòi hỏi kỹ năng tính toán, mà là một phần không thể thiếu khi thiết lập quy luật cơ học lượng tử.

Lý giải tốt nhất cho sự xuất hiện các khái niệm toán học trong vật lý có lẽ nằm trong phát biểu của Einstein, rằng chỉ những lý thuyết vật lý đẹp đẽ mới có thể được chúng ta sẵn sàng công nhận. Điều đó gián tiếp minh chứng cho vẻ đẹp của các khái niệm toán học. Tuy nhiên, phát hiện của Einstein chỉ cho thấy tính chất của các lý thuyết mà chúng ta sẵn sàng tin tưởng, nó không hề chứng minh các lý thuyết đó là đúng đắn.

Thành công của các lý thuyết vật lý thật đáng kinh ngạc?

Việc sử dụng toán học để xây dựng các quy luật của tự nhiên có thể được tạm lý giải là do nhà vật lý hơi thiếu trách nhiệm. Khi thấy một sự liên hệ nào đó giữa hai đại lượng khá giống với một liên hệ đã biết nào đó trong toán học, anh ta thường nhanh chóng kết luận rằng mối liên hệ giữa các đại lượng kia chính là sự liên hệ sẵn có trong toán học, đơn giản vì anh ta không hề biết một sự liên hệ tương đương nào khác. Tuy nhiên, cần thấy rằng việc sử dụng công thức toán học căn cứ trên kinh nghiệm thô sơ của các nhà vật lý thường dẫn tới những mô tả chính xác một cách đáng kinh ngạc các hiện tượng trong nhiều trường hợp. Điều này cho thấy rằng ngôn ngữ toán học xứng đáng được ca ngợi, hay thực sự có thể nói, đó là một ngôn ngữ chính xác. Hãy xem xét một vài ví dụ sau.

Đầu tiên là sự di chuyển của các hành tinh. Quy luật về sự rơi của vật thể được thiết lập nhờ những thí nghiệm được tiến hành chủ yếu ở Italy. Những thí nghiệm này không thể đạt được độ chính xác như hiểu biết của chúng ta ngày nay, đơn giản vì ảnh hưởng lực cản của không khí và vì thời đó người ta chưa có khả năng đo các khoảng thời gian ngắn. Tuy vậy, những nhà khoa học tự nhiên Italia, thông qua các thí nghiệm, đã đạt được một sự hiểu biết tương đối tốt về sự di chuyển của vật thể trong không khí. Sau này, chính Newton đã nhìn thấy mối quan hệ giữa sự rơi tự do của vật thể với sự di chuyển của mặt trăng, nhìn thấy rằng quỹ đạo của một viên đá khi ném vào không trung và đường cong di chuyển của mặt trăng trên bầu trời là những trường hợp cụ thể của một hình ellipse, và đưa ra giả thuyết về lực hấp dẫn phổ quát dựa trên nền tảng của một sự trùng hợp ngẫu nhiên về số học. Xét về lý luận, quy luật về lực hấp dẫn như được mô tả bởi Newton quá cấp tiến so với thời đại của Newton cũng như với chính bản thân ông ta. Xét về thực nghiệm, nó dựa trên một quan sát quá ít ỏi. Ngôn ngữ toán học được sử dụng ở đây bao hàm khái niệm về đạo hàm bậc hai, một khái niệm khá trừu tượng với ngay cả đa số mọi người bình thường ngày nay. Tuy nhiên, kết quả là định luật về lực hấp dẫn mà Newton xây dựng đã được ông tự kiểm chứng với độ chính xác sai lệch khoảng 4%, ngày nay đã được khoa học chứng minh với độ chính xác sai lệch dưới 0,0001%, xem như gần chính xác tuyệt đối (R.H. Dicke. Am. Sci. t.25, 1959).

Ví dụ thứ hai liên quan đến cơ học lượng tử cơ bản (elementary quantum mechanics). Điều này bắt nguồn từ phát hiện của Max Born rằng những phép tính mà Heisenberg đưa ra giống hệt phép tính ma trận từ lâu vẫn được các nhà toán học sử dụng. Born, Jordan và Heisenberg, sau đó, đề nghị dùng ma trận thay thế những biến số liên quan đến vị trí và động lượng của những phương trình cơ học cổ điển. Họ áp dụng phép tính ma trận này vào các trường hợp lý tưởng và đạt được kết quả như mong đợi. Tuy nhiên, thời điểm đó chưa có bằng chứng nào cho thấy phương pháp ma trận trong cơ học áp dụng được vào những điều kiện thực tế. Phải tới sau này, tính toán năng lượng thấp nhất của helium được thực hiện bởi Kinoshita ở Đại học Cornell và Bazley ở Cục Tiêu chuẩn mới cho thấy sự phù hợp với kết quả thực nghiệm chính xác tới 1/10 triệu. Rõ ràng, ở đây các nhà vật lý đã may mắn thu được một kết quả mà họ không ngờ tới. Đây là điều kỳ diệu điển hình nhất mà ta từng biết trong quá trình phát triển của cơ học lượng tử cơ bản, và nhờ có những thành công đặc biệt như vậy, chúng ta mới có thể tin rằng lý thuyết này là đúng đắn.

Ví dụ cuối cùng liên quan đến điện động lực học lượng tử (quantum electrodynamics), hay lý thuyết về sự dịch chuyển Lamb. Khác với lý thuyết về lực hấp dẫn của Newton vẫn có những liên hệ rõ ràng với thực nghiệm, những ma trận cơ học lượng tử được xây dựng một cách thuần túy trừu tượng theo mô tả của Heisenberg. Lý thuyết lượng tử về sự chuyển dịch Lamb, như đã được khái niệm hóa bởi Bethe và được thiết lập bởi Schwinger, là một lý thuyết thuần túy toán học. Thực nghiệm chỉ đóng vai trò khi kiểm chứng sự tồn tại của các thông số đo đạc, cho thấy độ chính xác đạt được tốt hơn một phần nghìn.

Có thể nêu ra vô vàn ví dụ khác ngoài ba trường hợp nêu trên, cho thấy các nhà vật lý đã lựa chọn các khái niệm một cách phù hợp trong quá trình xây dựng mô hình toán học cho các quy luật của tự nhiên, đạt được mức chính xác gần như kỳ diệu, tuy nhiên lại kèm theo những điều kiện ràng buộc hết sức ngặt nghèo. Những thí nghiệm này minh chứng cho điều mà chúng ta có thể gọi là quy tắc thực nghiệm của nhận thức. Cùng với những quy tắc về tính bất biến, nó tạo nên nền tảng không thể thay thế cho những lý thuyết vật lý. Nếu không có các quy tắc về tính bất biến, các định luật vật lý sẽ không có nền tảng thực nghiệm nào; nếu quy tắc thực nghiệm của nhận thức là không đúng, chúng ta sẽ thiếu động lực và niềm tin cần thiết, điều kiện tiên quyết dẫn tới khám phá thành công các quy luật của tự nhiên.

Những lý thuyết vật lý có phải không thể thay thế?

Rất có thể luôn tồn tại một số các quy luật của tự nhiên không hề gắn kết với nhau. Ở thời điểm hiện tại điều này là đúng, ví dụ giữa những quy luật di truyền và những quy luật của vật lý. Thậm chí có những quy luật tự nhiên mâu thuẫn với nhau, nhưng mỗi trong số chúng lại có sức thuyết phục trong từng lĩnh vực riêng. Chúng ta có thể phải bằng lòng thực tế ấy, hoặc là mong muốn xóa bỏ những mâu thuẫn đó của chúng ta sẽ ngày một phai nhạt, và không còn hứng thú tìm kiếm một chân lý bao trùm cuối cùng.

Toán học, nhìn một cách chính xác, không chỉ chứa đựng sự thật mà cả cái đẹp tối thượng, lạnh lùng và chính xác như những kiệt phẩm điêu khắc; nó không hề mơn trớn những bản ngã yếu đuối trong con người chúng ta, cũng không hề mang vẻ bề ngoài lộng lẫy như hội họa hay âm nhạc; toán học tinh khiết một cách cao cả và có khả năng thể hiện sự hoàn mỹ tuyệt đối mà chỉ thứ nghệ thuật cao nhất mới có thể làm được. Cảm xúc vui sướng chân thành, sự thăng hoa, vượt lên trên tầm vóc Con Người, đạt đến sự cao quý nhất, có thể được tìm thấy trong toán học cũng như trong thơ. Bertrand Russell, Nghiên cứu toán học


Một ví dụ điển hình trong vật lý là hai lý thuyết có sức mạnh to lớn được quan tâm hàng đầu, thuyết cơ học lượng tử và thuyết tương đối. Chúng có nguồn gốc từ hai nhóm hiện tượng độc lập. Thuyết tương đối áp dụng cho các vật thể vô cùng lớn, như các ngôi sao, tuy nhiên, khi xem xét đến tận cùng tại điểm khởi nguồn trong không – thời gian, tức là sự kiện cơ bản nhất trong thuyết tương đối, người ta phải tìm hiểu sự tương tác xảy ra cùng một lúc giữa các hạt ở quy mô vô cùng nhỏ. Thuyết cơ học lượng tử bắt nguồn từ thế giới vi mô, nhìn từ thuyết này thì sự va chạm, thậm chí nếu xảy ra giữa các hạt rất gần nhau trong không gian, không phải là nhỏ nhất và thậm chí không thể tách biệt trong không thời gian. Hai thuyết vận hành với các khái niệm toán học khác nhau – một thuyết sử dụng không gian 4 chiều Riemann, thuyết còn lại dùng không gian Hilbert (không xác định số chiều). Cho đến nay, hai thuyết này không thể hợp nhất, có nghĩa là chưa có mô hình toán học nào cho phép hợp nhất hai thuyết này để đạt đến một mô hình gần đúng cho cả hai. Tất cả các nhà vật lý đều tin rằng việc hợp nhất hai lý thuyết đó là có thể và chúng ta sẽ tìm ra cách. Tuy vậy, cũng hoàn toàn có thể chúng ta sẽ không bao giờ hợp nhất được hai thuyết trên.

Một nghịch lý khác là một số thuyết vật lý mà chúng ta biết là sai nhưng lại cho những kết quả đúng đến kinh ngạc. Nếu sự hiểu biết của chúng ta ít hơn, căn cứ trên một lượng hữu hạn những kết quả đúng từ các lý thuyết “sai” này cũng đủ làm cho chúng ta tin rằng các thuyết đó là đúng và đã được chứng minh. Tuy nhiên, chúng bị coi là sai sau khi chúng ta thực hiện các phân tích trên một bình diện bao quát hơn và dẫn tới những kết quả không tương thích. Khi các lý thuyết sai đạt tới một số lượng đủ lớn, sẽ xuất hiện tình trạng mâu thuẫn nhau. Tương tự như vậy, các lý thuyết ngày nay được coi là đúng nhờ các căn cứ số liệu mà chúng ta cho rằng đã đủ thỏa mãn, nhưng chúng cũng hoàn toàn có thể mâu thuẫn với một lý thuyết tổng quát hơn nào đó ở một tầm mức mà năng lực hiểu biết và khám phá ngày nay của con người chưa đạt tới. Nếu điều này là đúng, sự mâu thuẫn giữa các lý thuyết sẽ đến lúc xuất hiện ngày càng nhiều, trở thành cơn ác mộng cho các nhà lý thuyết.

Hãy nhìn lại một số lý thuyết “sai” nhưng lại mô tả đúng nhiều nhóm các hiện tượng. Ví dụ như thuyết electron tự do (free-electron theory) mà ngày nay chỉ được coi là sự mô tả gần đúng các hiện tượng liên quan đến chất rắn, cần được thay thế bằng một lý thuyết khác chính xác hơn. Tuy nhiên, thuyết electron tự do vẫn có khả năng mô tả vô cùng chính xác nhiều tính chất của kim loại, chất bán dẫn, và chất cách điện. Đặc biệt nó có thể giải thích hiện tượng chất cách điện có điện trở riêng đạt tới 226 lần lớn hơn kim loại, điều không thể lý giải bởi bất kỳ thuyết nào khác được biết đến. Thực tế đó quả là gây phiền lòng, khiến chúng ta nghi ngờ về sự phù hợp số học giữa lý thuyết với thực nghiệm, rằng liệu đó có thể coi như bằng chứng cho sự đúng đắn của một lý thuyết?

Sẽ còn nan giải và khó hiểu hơn nếu một ngày nào đó chúng ta có thể thiết lập được lý thuyết về các hiện tượng của nhận thức, hay của sinh vật học, đạt đến mức độ thống nhất và đáng tin cậy như các lý thuyết vật lý. Quy luật của Mendel về sự di truyền và những nghiên cứu về sau liên quan đến gene có thể cung cấp một sự khởi đầu cho một lý thuyết như vậy. Hơn nữa, rất có thể người ta tìm ra sự mâu thuẫn giữa một lý thuyết như vậy với các nguyên lý đã được thừa nhận của vật lý. Lý luận đó có thể trừu tượng tới mức mâu thuẫn giữa hai bên là không thể hóa giải hoặc phân xử thông qua thí nghiệm. Điều ấy sẽ ảnh hưởng mạnh đến lòng tin dành cho các lý thuyết của chúng ta cũng như cho cách thức hình thành các khái niệm mà chúng ta vẫn tiến hành trong thực tế, và khiến chúng ta nản lòng một cách sâu sắc trong cuộc truy tìm một chân lý bao trùm cuối cùng.

Một kịch bản như vậy là điều chúng ta không thể bác bỏ, chủ yếu bởi ta không hề biết vì sao các lý thuyết con người xây dựng được lại chính xác đến vậy nên sự chính xác ấy chưa hẳn đã minh chứng cho chân lý và cũng không chắc sẽ đảm bảo nhất quán xuyên suốt. Người viết tin rằng một hiện tượng như vậy hoàn toàn có thể xảy ra nếu ta đem những quy luật di truyền trong sinh học đối mặt với những quy luật trong vật lý.

Tóm lại, sự diệu kỳ của ngôn ngữ toán học trong việc biểu diễn các quy luật trong vật lý là một món quà tuyệt vời mà con người không thể lý giải, và cũng không thể coi đó là phần thưởng mà chúng ta xứng đáng được nhận. Vì vậy, hãy biết ơn điều đó, và hy vọng rằng nó sẽ tiếp tục kéo dài trong suốt sự nghiệp nghiên cứu của chúng ta trên mọi lĩnh vực.

Lê Quốc Chơn dịch từ bài viết The Unreasonable Effectiveness of Mathematics in the Natural Sciences của Eugene Wigner,

Thanh Xuân lược và hiệu đính

Nguồn: https://www.dartmouth.edu/~matc/MathDrama/reading/Wigner.html