Từ lý thuyết lượng tử đến nghệ thuật hiện đại và hậu hiện đại
Hậu hiện đại (post-modernism), thoát thân từ hiện đại (modernism), là triết lý mang tính chất đa
dạng, cái nhìn tương đối trong mọi vấn đề và hiện nay được thể hiện trong nhiều ngành nghệ
thuật, văn hóa xã hội từ hội họa, kiến trúc, văn học...ở nhiều nước trên thế giới. Ít người trong
chúng ta có thể nghĩ rằng Max Planck và thuyết lượng tử (quantum theory) của ông lại có liên hệ
đến sự phát triển triết lý và văn hóa ở phương Tây trong thế kỷ 20. Trong bối cảnh của thế giới
ngày nay, khoa học, nhất là trong lãnh vực vật lý, mà nền tảng là thực nghiệm và khách quan đã
có những sự va chạm trong lãnh vực tư tưởng và triết học với nghệ thuật và nhân văn mà cái
nhìn tương đối của hậu hiện đại đã chiếm địa vị trọng tâm. Đã có nhiều nhà nghiên cứu cho rằng
khoa học và nghệ thuật là hai thế giới với tư duy và văn hóa quá khác biệt khó có sự gặp nhau.
Nhưng trong lịch sử trước đây từ cuối thế kỷ 19 đến nửa đầu thế kỷ 20, khoa học và nghệ thuật
đã gặp nhau và bổ sung cho nhau trong giai đoạn quan trọng nhất của sự phát triển khoa học bắt
đầu từ thời khai sáng ở thế kỷ 17, đặt nền tảng cho khoa học hiện đại ngày nay: vật lý lượng tử
và thuyết tương đối.
Chính sự phát triển của thuyết lượng tử và sau này thuyết nguyên tử và tương đối đã là cơ nguồn
thúc đẩy phát sinh những tư tưởng, những nhận thức mới, những đột phá trong lãnh vực triết lý,
văn học, nghệ thuật ảnh hưởng đến những trào lưu hiện sinh (existentialism), siêu thực
(surrealism), hiện đại (modernism) và từ đó đến hậu hiện đại (post-modernism) ngày nay.
Khoa học, nhất là vào đầu thế kỷ 20, đã có ảnh hưởng sâu rộng trong nghệ thuật và là khởi
nguồn của hứng cảm, suy tư của các triết gia, văn thi sĩ, họa sĩ... Họ dùng những thành quả và
những khám phá mới trong khoa học vật lý để dũng cảm, tự tin đưa ra những nhận thức hoàn
toàn mới đối với vật thể, thế giới chung quanh, thoát khỏi những gò bó mà họ cho là đóng khung,
cổ điển và không còn hợp thời với cách mạng mà thuyết lượng tử đã mang lại.
Để có thể hiễu rõ hơn về tiến trình ảnh hưởng của thuyết lượng tử đến văn hóa phương Tây trong
thế kỷ 20, ta hãy xem xét tình hình khoa học và tư tưởng trong giai đoạn cuối thế kỷ 19 và đầu
thế kỷ 20.
Vật lý cổ điển qua cơ học của Newton và thuyết sóng điện từ của Maxwell cuối thế kỷ 19 hoàn
toàn chiếm lãnh địa vị độc tôn là cơ sở các nhà khoa học dùng để tìm hiểu, phân tách giải thích
sự kiện, quá trình của thiên nhiên. Khi Gustav Kirchoff, thầy của Max Planck, nghiên cứu về
quang phổ phát ra từ vật nóng (blackbody radiation) qua thí nghiệm đã chứng minh là năng
lượng từ vật đen nóng phụ thuộc vào hai yếu tố, tầng số phát xạ và nhiệt độ. Ở nhiệt độ nhất
định, năng lượng phát từ vật đen tăng tỉ lệ với tầng số ở tầng số thấp đến điểm cực tối đa sau đó
giảm khi tầng số cao hơn. Khi nhiệt độ cao hơn thì đường biểu diễn cũng giống như vậy nhưng
cực điểm của năng lượng phát xảy ra ở tầng số cao hơn so với nhiệt độ thấp. Kirchoff, năm 1859,
sau khi không thể dùng lý thuyết vật lý để chứng minh giải thích phù hợp với kết quả thí nghiệm,
đã kêu gọi thách thức các nhà vật lý dùng lý thuyết làm sao chứng minh được phương trình giữa
năng lượng, tần số và nhiệt độ của năng lượng phát từ vật đen nóng.
Trong hơn 40 năm, các nhà vật lý từ Stefan, Boltzman (Định luật Stefan-Boltzman) đến Wien
(định luật Wien) đã đưa ra các công thức duy nghiệm cố gắng giải thích phù hợp với kết quả
thực nghiệm. Mùa thu 1900, sau khi nghe tin định luật Wien, qua kết quả thí nghiệm mới là
không còn đúng ở các tần số thấp hơn nữa, Max Planck, trước đây đã quan tâm đến vấn đề trên
và qua nhiều năm cố gắng không thành công dùng lý thuyết nhiệt động lực học mà ông chuyên
tâm để tìm ra lời giải đưa đến công thức cho hiện tượng phát xạ từ vật đen, đã lập tức trở lại vấn
đề bỏ dở trước đây và dùng phương thức giản dị nhất mà sau này Planck cho là may mắn qua
trực giác để đưa ra công thức giải thích được thỏa đáng các dữ kiện thí nghiệm phát xạ từ vật
đen. Nhưng ông không hài lòng là tìm được đúng phương trình qua suy đoán và trực giác mà
theo ông thì nhất thiết phải dựa vào lý thuyết nào đó, như nhiệt động lực học với entropy, để giải
ra nó thì mới toàn vẹn, có cơ sở và chính xác.
Ông đã dựa vào lý thuyết xác suất của Bolzmann về entropy qua sự chuyển động các “hạt”
nguyên tử khí về sự liên hệ của entropy với độ hỗn loạn của các hạt tử và để có thể đặt một trị số
cho độ hỗn loạn phải tìm cách phân chia năng lượng giữa các dao động phát sinh các tần số ở vật
đen nóng. Chính tại điểm này, Planck đã nghĩ ra ý tưởng về các thành phần năng lượng - các
mảnh năng lượng, của các dao động mà khi hợp lại sẽ bằng tổng năng lượng phát ra từ vật đen.
Cuối cùng ông đã xây dựng và giải ra công thức năng lượng phát ra từ vật đen đặt trên một ý
niệm cơ bản hoàn toàn bất ngờ và lạ lùng khi cho rằng năng lượng phát ra không phải liên tục mà
là ngắt đoạn, riêng rẽ, từng các gói đơn vị năng lượng gọi là lượng tử (quanta), mỗi lượng tử có
năng lượng tỉ lệ với tần số dao động. Một ý niệm cách mạng trong khoa học và tư tưởng mà hệ
quả và ảnh hưởng bao gồm nhiều ngành và hoạt động tri thức trong xã hội con người sau này mà
ngay cả Max Planck không dự đoán hết được. Không lâu sau, năm 1905 Einsein đã dùng thuyết
lượng tử của Planck để giải thích thỏa đáng hiện tượng quang điện của các tia tử ngoại qua các
hạt năng lượng gọi là photon, tạo ra niềm tin về cơ sở cho thuyết lượng tử. Quan niệm của
Einstein cho rằng ánh sáng được cấu tạo bằng hạt tử photon với năng lượng lượng tử mà Planck
đã tìm ra, trái với quan niệm sóng của ánh sáng thịnh hành qua phương trình Maxwell cổ điển
mà nhiều nhà vật lý ứng dụng, là một đột phá trong khoa học.
Sau khi electron được khám phá vào năm 1897 bởi Thompson, và hạt nhân nguyên tử với proton
bởi Rutherford và mô hình nguyên tử với các electron chung quanh thì gặp phải nhiều vấn nạn
mà vật lý cổ điển Newton-Maxwell không thể giải thích được: khi electron chuyển động chung
quanh hạt nhân thì theo vật lý cổ điển, sóng sẽ được phát ra và vì thế sẽ mất năng lượng do đó sẽ
rơi vào hạt nhân. Tại sao chúng không rơi vào hạt nhân nguyên tử? Thêm nữa khi các phát xa từ
nguyên tử như hydrogen khi chúng bi kích thích thì chỉ có vài tần số rõ rệt được phát ra chứ
không liên tục (hiện tượng Balmer).
Để giải quyết khó khăn trên, Niels Bohr đã dùng ý niệm lượng tử của Planck và cho rằng
electron không phải có bất cứ một quỹ đạo nào mà chỉ có trên một vài quỹ đạo với trạng thái
năng lượng nhất định. Sự thay đổi các tầng trạng thái năng lượng tương ứng với năng lượng
chúng hấp thụ hay mất đi qua phát xạ. Tầng năng lượng đầu tiên là tầng có năng lượng nhỏ nhất.
Dùng bảng tuần hoàn hóa học của Mendeliev, ông đã giải thích thỏa đáng và xác định được sự
phân phối electrons trong các chất hóa học và tại sao chúng lai có những đặc tính hóa học giống
nhau trong cùng một cột nhóm trên bảng tuần hoàn. Sau Bohr, Sommerfeld cải thiện mô hình
nguyên tử của Bohr thêm vào, ngoài độ lớn của quỹ đạo (n), còn hình dáng quỹ đạo (k) và hướng
quay của electron gây ra từ trường (m) cũng chỉ có các trị số nhất định. Pauli bổ túc thành 4 số
lượng tử với electron tự quay với động lượng góc hướng kim đồng hồ hay ngược lại (2). Mô hình
hoàn tất của Bohr, Sommerfeld, Pauli đã giải thích hết các hiện tượng được biết lúc đó qua các
thí nghiệm như Balmer, Zeeman..
Nhưng các hình ảnh quỹ đạo, hướng quay, trục quay... không quan sát được của mô hình trên
vẫn còn dựa vào quan niệm, cái nhìn của vật lý cổ điển. Werner Heisenberg cùng với Born và
Jordan phát triển lý thuyết cơ học lượng tử từ đầu dùng toán học xác suất, ma trận (matrix) và
các con số lượng tử để giải thích kết quả của mô hình Bohr mà không dựa vào hình ảnh của vật
lý cổ điển. Mô hình của Heisenberg được gọi là cơ học ma trận (matrix mechanics) giải thích
gọn đẹp quang phổ từ nguyên tử hydrogen qua lý thuyết toán học trong không gian Hilbert mà
không cần hình tượng quỹ đạo. Đây là bước ngoặt của ngành vật lý mới, vật lý lượng tử. Sự
không hoán chuyển của các ma trận khi dùng toán tử nhân trong thuyết của Heisenberg, như
công thức nổi tiếng pq – qp = -ihI/2p (ma trận động lượng p, ma trận vị trí q, ma trận đồng nhất
I, h hằng số Planck), đã làm Heisenberg lo ngại không hiểu và giải quyết ra sao nhưng được Paul
Dirac cho là đó chính là đặc tính cơ bản của thuyết lượng tử mới mà thuyết cổ điển đã bỏ sót.
Dirac dùng động lực học Hamilton để thiết lập thuyết mới mà Dirac gọi là “đại số học lượng tử”
(quantum algebra).
Nguyên lý bất định (Uncertainty Principle) của Heisenberg là hệ quả của sự không hoán chuyển
của toán tử nhân trong ma trận mà ông đã đặt ra sau này: trong trạng thái lượng tử, khi được đo
lường thì không thể nào định được độ chính xác cao của cả vị trí và động lực của hạt tử
(electron) cùng một lúc được. Đây là tư tưởng hoàn toàn trái với sự hiểu biết thông thường của
chúng ta trong thế giới hiện thực. Qua vật lý cổ điển, một khi ta biết được vị trí và động lực hay
vận tốc của vật thể, ta sẽ tiên đoán được vị trí sau đó. Nhưng với nguyên lý trên, ta không bao
giờ xác định được vật thể tương lai sẽ ở đâu dù muốn. Không những nó gây ra câu hỏi và vấn
nạn cho các nhà vật lý mà là còn cho nhiều người khác trong lãnh vực tư tưởng, xã hội, nghệ
thuật và triết học về sự bất định của thế giới khi con người tiếp cận với vật thể, đụng chạm với
thế giới lượng tử.
Heisenberg và Dirac cùng quan niệm với Bohr trong sự thành lập thuyết lượng tử, dùng lý thuyết
dựa chủ yếu trên những biến số cho phép những gì có thể quan sát được qua thí nghiệm thí dụ
như dữ liệu quang phổ phát ra từ nguyên tử. Vị trí của electron, không như tầng năng lượng và
cường độ, không quan sát được thì không nằm trong phương trình lý thuyết. Đây là quan điểm
của triết học thực chứng mà Bohr là người theo đuổi và chịu ảnh hưởng của Ernst Mach mà ta sẽ
bàn sau.
Tuy vậy hai mô hình lượng tử của Heisenberg và Dirac dưa vào đặc tính hạt mà không để ý đến
đặc tính sóng của hạt tử. Einstein cho rằng lý thuyết lượng tử chưa đầy đủ, hoàn tất nếu không
bao gồm sóng. Louis de Broglie cho thấy sự thể có hai đặc tính, cả sóng và hạt. Năm 1925,
Schrödinger đã dùng kết quả của de Broglie vào vật lý lượng tử với phương trình sóng
Schodinger trên quỹ đạo electron và thiết lập mô hình thứ ba sau Heisenberg và Dirac gọi là “cơ
học sóng” (wave mechanics) mang đến hình ảnh trong đầu mà ta có thể hình dung được của vật
lý cổ điển, trái ngược với ý niệm của Heisenberg. Phương trình Schrödinger cho thấy các số
lượng tử, tầng năng lượng là lời giải của phương trình trong trường hợp sóng đứng. Điều kiện
lượng tử ngắt đoạn không liên tục đơn giản phát sinh từ phương trình sóng liên tục. Về phương
diện triết học như vậy là sự rời rạc, ngắt đoạn không liên tục chỉ là biểu hiện của trạng thái đặc
biệt mà cơ bản vẫn là liên tục không rời.
Einstein cho rằng khám phá của Schrödinger là rất quan trọng, xác nhận sự hồ nghi của ông về
tính chất trừu tượng của Heisenberg về lượng tử và dè dặt trước đây ngay cả về lượng tử. Đối với
Bohr và Heisenberg thì sóng không “thật”. Vật lý lượng tử lúc này có hai khuynh hướng,
Einstein-Schrödinger và Heisenberg-Bohr, cạnh tranh nhau. Theo Kant thì sự hình dung sự thể là
một sự trừu tượng hóa hiện tượng mà chúng ta chứng kiến ('Erscheinung’, phenomenon), khác
với khả năng hình dung được liên quan đến các đặc tính của vật thể mà tự nó có, dù ta quan sát
hay đo lường nó hay không (Kant gọi là 'noumenon' hay 'ding an sich' tức 'vật trong vật' độc lập
với quan sát). Trong vật lý Newton ở bối cảnh vĩ mô thì cả hai gần như đồng nghĩa và hiển nhiên
nhưng trong thế giới vi mô của vật lý lượng tử thì chúng là hai phạm trù có khác nhau và phân
biệt được. Mô hình tiên nghiệm của sự thể khác với “sự thật”, đặc tính thật sự của vật thể mà ta
không quan sát đươc. Nhưng Einstein và Schrödinger không hoàn toàn chấp nhận tính chất quá
trừu tượng của cơ học lượng tử Heisenberg. Cả hai mặc dầu đồng ý với sự khẳng định của
Galileo là “sách của thế giới vạn vât” được viết bằng toán học nhưng cũng nhận ra sự cần thiết,
khả năng và công dụng dùng hình ảnh hình dung được trong tư tưởng của các ký hiệu toán học.
Tuy vậy Heisenberg, đã đi xa hơn nữa, các nghiên cứu sau này của ông đã đặt nền tảng của các
biểu đồ Feynman - hình ảnh tượng trưng qua sự liên kết giữa trực giác và hình ảnh. Ở đây hình
ảnh được sinh ra từ toán học của cơ học lượng tử, chứ không phải được trừu tượng hóa từ các
hiện tượng mà ta thật sự quan sát (11).
Trong biểu đồ Feynman, một electron và một positron triệt tiêu nhau và tạo ra một photon ảo để
trở trành một cặp quark-antiquark, rồi phát ra một gluon (Thời gian đi từ trái sang phải và chiều
không gian đi từ dưới lên trên) - Trích từ Wikipedia (Vietsciences)
Các mô hình của Schrödinger và Heisenberg-Dirac khác nhau về tiếp cận toán học và về sự diễn
giải thế giới vật thể: sóng và hạt, nhưng tương đương nhau. Từ phương trình Schrödinger, ta có
thể biến đổi tương đương với công thức trong cơ học ma trận của Heisenberg-Dirac. Qua nhiều
sự tranh luận giữa Schrödinger và Heisenberg, Dirac, Bohr, cuối cùng dẫn đến sự hợp nhất qua
nguyên lý được đưa ra gây nhiều tranh cải và sâu sa nhất về phương diện triết học (ngoài nguyên
lý bất định của Heisenberg) là nguyên lý bổ sung (Complementary Principle) của Bohr. Nguyên
lý bổ sung của Borh là cơ bản của Diễn giải Copenhagen (Copenhagen Interpretation) về vật thể
trong thế giới lượng tử và thế giới cổ điển mà ta sẽ bàn sau. Diễn giải Copenhagen được đa số
các nhà vật lý chấp nhận và hoá giải được mầm mống sự phân cực giữa hai khuynh hướng
Einstein-Schrödinger và Heisenberg-Bohr.
Max Planck và Ernst Mach
Trong các năm 1908-1913, Max Planck và Ernst Mach, nhà bác học Áo nổi tiếng, đã có những
tranh luận về sự hợp nhất và cái nhìn toàn thể của khoa học về thế giới, hiện tượng thiên nhiên.
Mach là cha đẻ của triết lý khoa học thực chứng có ảnh hưởng sâu rộng từ đầu đến giữa thế kỷ
20 mà đa số các nhà vật lý lượng tử sau này đều bị ảnh hưởng, vì thế sự tranh luận giữa Max
Planck và Ernst Mach rất thú vị và đáng quan tâm trong bối cảnh khoa học, triết học và nghệ
thuật mà ta sẽ phân tách sau.
Mach tin vào sự hợp nhất của khoa học dựa vào nguyên lý giản đơn (principle of parsimony,
giống như Ozcam razor), tư tưởng, ý kiến giải thích được sự kiện càng giản đơn càng có giá trị
và đúng hơn. Ta càng hiểu một hiện tượng thì ta càng giải thích được ngắn gọn. Khoa học là
dụng cụ để phục vụ con người, người làm khoa học vì thế phải tự biết vai trò của mình trong xã
hội (instrumentalism). Khoa học độc lập với giá trị xã hội chung quanh nhưng mở rộng cho tất cả
mọi người và tự do dùng khoa học để đạt mục đích mong muốn.
Đối với Planck thì hiện tượng trong thiên nhiên được chi phối bởi nguyên lý năng lương và
entropy (nguyên lý thứ hai của nhiệt động học) và thiên nhiên thay vì đơn giản, có khuynh hướng
càng tăng nhiêu khê (complex), hỗn loạn (chaos) - nghĩa là entropy tăng. Hoạt động con người,
xã hội được chi phối bởi ý tưởng. Khoa học là một lãnh vực riêng để tìm hiểu nghiên cứu và từ
đó thay đổi xã hội con người. Khoa học tách rời ra khỏi sự chi phối của xã hội, chính trị. Xã hội
tự nó cần phải nhận thức được giá trị của khoa học (realism). Ta có thể nói Mach tin là khoa học
phải thực tin, không siêu hình và vị nhân sinh trước tiên trong khi Planck lại tin là khoa học vị
khoa học trước và sau đó nếu xã hội chấp nhận và áp dụng thì mới vị nhân sinh.
Tuy vậy chính thuyết lượng tử của Planck lại dùng sự giản đơn và gọn nhất là lượng tử, phù hợp
với ý tưởng nguyên lý của Mach, để giải thích hiện tượng phát xạ từ vật nóng.
Mach không tin vào thuyết nguyên tử vì chúng không thể được quan sát được với kỷ thuật đầu
thế kỷ 20. Mặc dầu rất thân thiện và để ý đến thuyết tương đối của Einstein nhưng Mach chống
lại thuyết tương đối vì theo Mach thì không có bằng chứng nào để chứng minh được giả thuyết
tương đối. Trong cuộc tranh luận và đối đầu giữa Mach và Planck trong nhiều năm, và vào thời
điểm thuyết tương đối ra đời, có thể Mach chỉ chú ý đến Einstein vì ông hy vọng là Einstein có
thể sau này triển khai một lý thuyết khác về sự liên tục để phủ định lý thuyết ngắt đoạn, nhảy vọt
qua lượng tử của Planck. Mặc dầu hiện nay không còn ảnh hưởng và được chấp nhận nhưng tư
tưởng thực chứng (positivism) của Mach có ảnh hưởng rất lớn đến W. Pauli, E. Schrödinger, N.
Bohr, và ngay cả Einstein trong những giai đoạn đầu.
Nhóm Vienna (Wiener Kreis, Vienna circle)
Moritz Schlick, học trò của Max Planck ở Đại học Berlin, được bổ nhiệm giáo sư ở Đại học
Vienna vào năm 1922, vị trí mà Ernst Mach, và sau đó Ludwig Boltzman, đã giữ trước đó. Ở
Vienna, Schlick đã tập hợp được các nhà triết học và khoa học như Otto Neurath, Rudolf
