Grete Hermann: Người phụ nữ thách thức Werner Heisenberg và John von Neumann

Bà là người phụ nữ tuyệt vời có thể sánh vai cùng các nhân vật “lừng lẫy năm châu, chấn động địa cầu” như von Neumann, Heisenberg, Bell, Schrodinger, v.v.. Sau một thời gian dài bị lãng quên (vô tình hay hữu ý), nay bà trở về chói lòa trước hậu thế.

Bà là người phụ nữ tuyệt vời có thể sánh vai cùng các nhân vật “lừng lẫy năm châu, chấn động địa cầu” như von Neumann, Heisenberg, Bell, Schrodinger, v.v.. Sau một thời gian dài bị lãng quên (vô tình hay hữu ý), nay bà trở về chói lòa trước hậu thế.

Sidney Perkowitz – nhà khoa học và nhà văn khoa học; giáo sư danh dự về Vật lý tại Đại học Emory ở Atlanta, Georgia (Mỹ); thành viên của Hiệp hội vì sự tiến bộ của khoa học Hoa Kỳ – đã phát hiện ra công trình tiên phong của một nhà vật lý và triết gia người Đức tên là Grete Hermann. Bà đã tranh luận, “đấu khẩu” với những người nổi tiếng như Werner Heisenberg và John von Neumann, nhưng những đóng góp của bà cho khoa học lượng tử chỉ mới được khám phá ra trong thời gian gần đây.

Mặc dù lý thuyết về cơ học lượng tử đã có những thành công đáng kể trong những năm đầu đời, bản chất cấp tiến của nó khiến các nhà vật lý thời đó khó chấp nhận. Đáng nói là năm 1925, Werner Heisenberg đã lần đầu tiên công thức hóa thành công toàn diện cơ học lượng tử và năm 1926, Erwin Schrödinger đã có thể dự báo quang phổ ánh sáng phát ra từ nguyên tử hydro từ phương trình mang tên ông, phương trình Schrödinger. Tuy những thành tựu này rất đáng giá, nhưng vẫn còn nhiều rắc rối tiềm ẩn. Từ lâu, mọi người đã quen với quan điểm cơ học của Isaac Newton về vũ trụ, cho rằng các hệ vật lý giống hệt nhau luôn tiến hóa theo thời gian theo cùng một cách, có nghĩa mọi điều xảy ra trong vũ trụ đều là “tất định”. Thế nhưng, nguyên lý bất định của Heisenberg và bản chất xác suất của hàm sóng trong phương trình Schrödinger lại cho thấy những ‘khiếm khuyết’ đáng lo ngại về khái niệm “tất định” này. Điều nghi ngờ đó đã được Albert Einstein, Boris Podolsky và Nathan Rosen trình bày trong bài báo “EPR” nổi tiếng của họ vào năm 1935 [“Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?”. Physical Review 47, 777 (1935)], dấy lên nhiều cuộc tranh luận “nảy lửa” giữa Niels Bohr và Albert Einstein. Bohr là “thủ lĩnh” của cái gọi là diễn giải Copenhagen cho rằng tính xác suất là đặc tính nội tại của thế giới vi mô.  Einstein thì cho rằng cơ học lượng tử chưa hoàn thiện và muốn hoàn thiện nó bằng giả thiết cho rằng trong thế giới vi mô còn có những biến ẩn (hidden variables) chưa được biết và nếu biết được các biến này thì sẽ “khử” được tính xác suất và mọi việc sẽ trở nên “tất định”.   

Liệu chúng ta có sống trong một vũ trụ “tất định” hay không. Đó là câu hỏi liên quan đến ý chí tự do của con người và tính trung tâm của quan hệ nhân-quả được nhà nữ toán học, vật lý học và triết học người Đức, bà Grete Hermann (1901–1984) giải quyết nghiêm túc và chặt chẽ.

Nhưng vấn đề không chỉ là sự bất đồng giữa các nhà vật lý, mà còn là một câu hỏi triết học lâu đời về việc liệu chúng ta có sống trong một vũ trụ “tất định” hay không. Đó là câu hỏi liên quan đến ý chí tự do của con người và tính trung tâm của quan hệ nhân-quả. Có một người đã giải quyết nghiêm túc và chặt chẽ các câu hỏi nêu trên – đó là nhà nữ toán học, vật lý học và triết học người Đức, bà Grete Hermann (1901–1984).

Hermann nổi bật trong thời đại mà phụ nữ hiếm khi có đóng góp cho vật lý hoặc triết học, chứ đừng nói đến cho cả hai lĩnh vực này. Trong “Sổ tay Oxford về Lịch sử của các Giải thích Lượng tử” (“The Oxford Handbook of the History of Quantum Interpretations)” xuất bản năm 2022, nhà triết học khoa học Elise Crull của Đại học New York đã viết về tác phẩm của Hermann và gọi đó là “một trong những tác phẩm triết học đầu tiên và tuyệt vời nhất về cơ học lượng tử”. Cụ thể hơn, năm 1932 nhà toán học và vật lý người Mỹ gốc Hungary John von Neumann đã chứng minh rằng lý thuyết biến ẩn là không thể có trong cơ học lượng tử [xem J. von Neumann, Mathematisch Grundlagen der Quanten-mechanik. Julius Springer-Verlag, Berlin (1932)]. Và Hermann chính là người đầu tiên đã lật ngược “chứng minh” nổi tiếng của von Neumann. 

Vậy tại sao những thành công to lớn của Hermann trong nghiên cứu về nguồn gốc và ý nghĩa của vật lý lượng tử lại thường bị bỏ qua? Phải chăng đó là do sự thống trị của cách diễn giải Copenhagen của Niels Bohr và việc bà là phụ nữ trong một thế giới học thuật do nam giới thống trị. Nhân dip năm 2025 được UNESCO ghi nhận là Năm Quốc tế về khoa học và công nghệ lượng tử, đã đến lúc phải tìm hiểu và làm rõ vấn đề này.

Nhà tư tưởng tự do 

Hermann sinh ngày 2 tháng 3 năm 1901 tại thành phố cảng Bremen, miền Bắc nước Đức. Là một trong bảy người con, mẹ bà rất sùng đạo, trong khi cha bà là một thương gia, một thủy thủ và sau này là một nhà thuyết giáo lưu động. Theo cuốn sách với nhan đề “Grete Hermann: Giữa Vật lý và Triết học” (“Grete Hermann: Between Physics and Philosophy”) của Elise Crull và Guido Bacciagaluppi xuất bản năm 2016, bà được nuôi dạy theo phương châm của cha: “Tôi dạy con trong sự tự do!”. Về cơ bản, cha đã giúp Hermann phát triển nhiều sở thích khác nhau và hưởng lợi từ những điều tốt nhất mà hệ thống giáo dục có thể mang lại cho một người phụ nữ vào thời điểm đó. Nhờ thế, bà được nhận vào học với tư cách là một trong số ít nữ sinh tại Neue Gymnasium – một trường ngữ pháp ở Bremen – nơi bà được học theo một chương trình nghiêm ngặt gồm nhiều môn. Năm 1921, Hermann đã nhận được chứng chỉ để dạy học sinh trung học – một sở thích về giáo dục đã tái hiện trong cuộc sống sau này của bà – và bắt đầu học toán, vật lý và triết học tại Đại học Göttingen. Chỉ trong bốn năm, Hermann đã lấy được bằng tiến sĩ dưới sự hướng dẫn của nhà toán học xuất chúng Emmy Noether (1882–1935), người nổi tiếng với định lý đột phá liên kết tính đối xứng với các định luật bảo toàn trong vật lý. Kỳ thi vấn đáp cuối cùng của Hermann năm 1925 không chỉ có toán học, là môn học tiến sĩ của bà, mà còn có vật lý và triết học. Bà đã yêu cầu một cách đặc biệt để được Leonard Nelson ở Göttingen kiểm tra môn triết học vì “sự sắc sảo về mặt logic” trong các bài giảng của ông đã gây ấn tượng với bà. Leonard Nelson (1882 – 1927) là một nhà toán học và triết gia người Đức, có ảnh hưởng trong cả triết học và toán học. Vào thời điểm này, mối quan tâm của Hermann đối với triết học bắt đầu chi phối cam kết của bà đối với toán học. Mặc dù Noether, thầy hướng dẫn tiến sĩ của bà, đã tìm được một vị trí toán học cho bà tại Đại học Freiburg (Đức), nhưng Hermann lại quyết định trở thành trợ lý của Nelson và biên tập các cuốn sách về triết học của ông. Noether giãi bày: “Cô ấy học toán trong bốn năm và đột nhiên lại khám phá ra trái tim triết học của mình!” Hermann thấy Nelson là người đòi hỏi cao và đôi khi áp đặt nhưng lại được hưởng lợi từ những thách thức mà ông đặt ra. Sau này bà tâm sự: “Tôi dần học được cách từng bước từng bước một để có được lòng can đảm cho sự thật, điều cần thiết nếu một người muốn hoàn toàn tin tưởng, ngay cả trong suy nghĩ của chính mình, vào một phương pháp tư duy được công nhận là thuyết phục”. Hermann dường như đang tìm kiếm một con đường để khám phá ra chân lý bên trong của sự vật, giống như trong thí nghiệm tư duy (Gedankenexperimente) của Einstein.

Khi Heisenberg gợi ý rằng một nguyên tử radium cụ thể phát ra một electron là một ví dụ về một sự kiện ngẫu nhiên không thể đoán trước và không có nguyên nhân, Hermann phản bác bằng cách nói rằng chỉ vì không tìm thấy nguyên nhân nào, không có nghĩa là không tồn tại một nguyên nhân như vậy. 

Năm 1927, Nelson qua đời khi mới 45 tuổi, Hermann ở lại Göttingen tiếp tục biên tập và mở rộng công trình triết học của Nelson cùng các ý tưởng chính trị liên quan. Ủng hộ một hình thức chủ nghĩa xã hội dựa trên lý luận đạo đức để tạo ra một xã hội công bằng, Nelson đã đồng sáng lập một nhóm hành động chính trị và thành lập Học viện Triết học-Chính trị (Philosophical-Political Academy: PPA) với mục đích truyền đạt các ý tưởng của mình. Hermann đã đóng góp tích cực cho cả nhóm hành động chính trị và PPA, đồng thời cũng viết bài cho một tờ báo chống Đức quốc xã của PPA. Do tham gia vào các tổ chức mà Nelson đã thành lập, Hermann sau đó đã chuyển đến các địa điểm khác nhau ở Đức, bao gồm cả Berlin. Nhưng, năm 1933, sau khi Hitler lên nắm quyền, Đức quốc xã đã cấm PPA, và Hermann cùng những người theo chủ nghĩa xã hội của bà đã vạch ra kế hoạch rời khỏi nước Đức. Ban đầu, bà sống tại một “trường lưu vong” (“school-in-exile”) của PPA ở nước láng giềng Đan Mạch. Khi Đức quốc xã bắt đầu bắt giữ những người theo chủ nghĩa xã hội, Hermann lo sợ rằng Đức có thể chiếm đóng Đan Mạch (như thực tế đã xảy ra sau đó) nên đã tiếp tục chuyển đi, đầu tiên là đến Paris và sau đó là London. Khi đến Anh vào đầu năm 1938, Hermann đã làm quen với Edward Henry, một người cũng theo chủ nghĩa xã hội, người mà sau này trở thành chồng bà. Tuy nhiên, đó chỉ là một cuộc hôn nhân vì lợi ích. Cuộc hôn nhân này đã mang lại cho Hermann quyền công dân Anh và – khi Chiến tranh Thế giới Thứ hai bùng nổ vào năm 1939 – đã giúp bà không bị giam giữ như một kẻ thù ngoài hành tinh. Sau chiến tranh, hai người đã ly hôn. Giữa tất cả những biến động gián đoạn như thế, Hermann vẫn tiếp tục mang quan điểm triết học và toán học của mình vào vật lý, và đặc biệt là vào lĩnh vực cơ học lượng tử.

Kết hợp triết học và vật lý

Một động lực lớn cho công việc của Hermann đến từ các cuộc thảo luận của bà vào năm 1934 với Heisenberg và Carl Friedrich von Weizsäcker tại Viện Vật lý lý thuyết ở Leipzig. Lưu ý rằng Hermann và Heisenberg là đồng niên, cùng sinh năm 1901, tức là một năm sau khi Max Planck lân đầu tiên đưa ra khái niệm lượng tử năng lượng (energy quantum) vào năm 1900. Một năm trước khi gặp Heisenberg, năm 1933, Hermann đã viết một bài luận có tựa đề “Chủ nghĩa tất định và cơ học lượng tử” (“Determinism and quantum mechanics”), trong đó bà phân tích xem bản chất bất định của cơ học lượng tử – cốt lõi của “diễn giải Copenhagen” về hành vi lượng tử – có thách thức khái niệm nhân quả hay không.

Được các nhà vật lý rất coi trọng, quan hệ nhân quả nói rằng mọi sự kiện đều có nguyên nhân và một nguyên nhân nhất định luôn tạo ra một sự kiện cụ thể duy nhất. Nhân quả cũng là một nguyên lý của triết gia người Đức Immanuel Kant thế kỷ 18, được biết đến nhiều nhất với chuyên luận nổi tiếng năm 1781 có tên “Phê phán lý tính thuần túy” (“Critique of Pure Reason”). Kant tin rằng nhân quả là nền tảng cho cách con người sắp xếp các trải nghiệm của mình và hiểu thế giới. Hermann, giống như Nelson, là một người theo chủ nghĩa “Kant mới” (“neo-Kantian”) và tin rằng các ý tưởng của Kant nên được xử lý một cách nghiêm ngặt về mặt khoa học. Trong bài luận năm 1933 của mình, Hermann đã xem xét cách diễn giải Copenhagen làm suy yếu hệ thức nhân quả của Kant như thế nào. Mặc dù bài viết không được xuất bản vào thời điểm đó, bà đã gửi bản sao cho Heisenberg, von Weizsäcker, Bohr và cả Paul Dirac (Dirac lúc đó đang làm việc tại Đại học Cambridge của Anh).

“Tôi dần học được cách từng bước từng bước một để có được lòng can đảm cho sự thật, điều cần thiết nếu một người muốn hoàn toàn tin tưởng, ngay cả trong suy nghĩ của chính mình, vào một phương pháp tư duy được công nhận là thuyết phục” (Grete Hermann).

Trên thực tế, chúng ta chỉ biết được sự tồn tại của bài luận của Hermann nhờ Crull và Bacciagaluppi đã phát hiện ra một bản sao trong kho lưu trữ của Dirac tại Cao đẳng Churchill, Cambridge. Năm 1933, họ cũng tìm thấy một lá thư gửi cho Hermann từ nhà vật lý Gustav Heckmann, nói rằng Heisenberg, von Weizsäcker và Bohr đều đã đọc bài luận của bà và coi đó là “hoàn toàn nghiêm túc”. Heisenberg nói thêm rằng Hermann là một “người phụ nữ cực kỳ thông minh”. Sau đó, Heckmann khuyên Hermann nên thảo luận đầy đủ hơn về các ý tưởng của mình với Heisenberg, người mà ông cảm thấy sẽ cởi mở hơn Bohr đối với những ý tưởng mới từ một một người lạ hoặc từ một nguồn bất ngờ. Năm 1934, Hermann đến gặp Heisenberg và von Weizsäcker ở Leipzig. Sau đó Heisenberg đã mô tả lại cuộc gặp gỡ này trong cuốn hồi ký nhan đề “Vật lý và hơn thế: Những cuộc gặp gỡ và hội thoại” (“Physics and Beyond: Encounters and Conversations”) xuất bản năm 1971. Trong cuốn hồi ký này, Heisenberg kể lại việc Hermann muốn xử lý các câu hỏi triết học một cách nghiêm ngặt như thế nào. Heisenberg nhớ lại: “[Bà] tin là bà có thể chứng minh rằng luật nhân quả – dưới dạng mà Kant đã đưa ra – là không thể lay chuyển. Giờ đây, cơ học lượng tử, một nhánh khoa học mới ra đời, dường như đang thách thức quan niệm của Kant, và do đó bà đã quyết định đấu tranh với chúng tôi để giải quyết vấn đề này”. 

Tương tác giữa họ không phải là đấu tranh, mà là một cuộc thảo luận sôi nổi, với một số câu hỏi sắc bén từ Hermann. Ví dụ, khi Heisenberg gợi ý rằng một nguyên tử radium cụ thể phát ra một electron là một ví dụ về một sự kiện ngẫu nhiên không thể đoán trước và không có nguyên nhân, Hermann phản bác bằng cách nói rằng chỉ vì không tìm thấy nguyên nhân nào, không có nghĩa là không tồn tại một nguyên nhân như vậy. 

Đáng chú ý, đây là một tham chiếu đến cái mà chúng ta hiện gọi là các “biến ẩn” (“hidden variables”) – ý tưởng cho rằng cơ học lượng tử đang được điều khiển bởi các tham số bổ sung nào đó mà chúng ta chưa và có thể không biết gì về chúng. Sau đó, Heisenberg lập luận rằng ngay cả với những nguyên nhân như vậy, việc biết chúng (tức các biến ẩn) sẽ dẫn đến những phiền phức trong các thí nghiệm khác do bản chất sóng của hạt. 

Đã có một đoạn văn như thế này: “Giả sử, bằng cách sử dụng (ý nói biết) một biến ẩn, chúng ta có thể dự đoán chính xác hướng mà một electron sẽ di chuyển. Khi đó, electron sẽ không thể tự phân thân và giao thoa với chính nó và các vân giao thoa sẽ không thể xuất hiện. Nhưng các hiệu ứng giao thoa của electron như vậy đã được quan sát bằng thực nghiệm, điều Heisenberg coi là bằng chứng cho thấy không cần thêm biến ẩn nào để hoàn thiện cơ học lượng tử.” 

Một lần nữa, Hermann chỉ ra sự mâu thuẫn trong lập luận của Heisenberg. Bà cho rằng lập luận của Heisenberg là luẩn quẩn. Theo bà, không thể loại trừ các biến ẩn bằng cách cho rằng chúng hoạt động theo cách trái ngược với cơ học lượng tử rồi đưa ra mâu thuẫn đó và xem đó như bằng chứng chống lại các biến ẩn. Ý kiến sắc bén của bà là cần xem xét cẩn thận xem liệu lý thuyết biến ẩn có thể vẫn duy trì được sự giao thoa do một cơ chế phi cổ điển nào đó hay không – chẳng hạn như, theo cơ chế ngữ cảnh (contextual) hoặc cơ chế phi định xứ (nonlocal) như thế nào đó!

Tuy không bên nào hoàn toàn thuyết phục được bên kia, nhưng cuộc tranh luận với Hermann đã có những dấu ấn đối với Heisenberg. Trong cuốn sách xuất bản năm 1971 của mình Heisenberg kết luận rằng “tất cả chúng ta đã học được rất nhiều về mối quan hệ giữa triết học của Kant và khoa học hiện đại”. Bản thân Hermann đã bày tỏ lòng kính trọng đối với Heisenberg trong một bài báo có tên “Nền tảng triết học tự nhiên của cơ học lượng tử” (“Natural-philosophical foundations of quantum mechanics”) đăng trên Abhandlungen der Fries’schen Schule 6, 69 (1935) – một tạp chí triết học tương đối ít người biết đến. Trong bài đó, bà đã cảm ơn Heisenberg như sau: “… trên hết là vì sự sẵn lòng thảo luận về nền tảng của cơ học lượng tử, điều này rất quan trọng trong việc hỗ trợ các cuộc nghiên cứu đang diễn ra”. □ ( Xem tiếp kỳ sau) 

Nguyễn Bá Ân dịch

Nguồn: https://physicsworld.com/a/grete-hermann-the-quantum-physicist-who-challenged-werner-heisenberg-and-john-von-neumann/

Bài đăng Tia Sáng số 9/2025