SỰ PHỨC TẠP KHÔN CÙNG CỦA CÁI ĐƠN GIẢN
Trên các nẻo đường tìm kiếm các đối tượng và khái niệm đơn giản nhất - bản chất sơ đẳng của sự vật, nền tảng và các nguyên lý cơ bản - vật lý vẫn thường gặp phải những quy luật không đơn giản, một công cụ toán học ngày càng phức tạp, những phương pháp thí nghiệm ngày càng tinh tế hơn. Thay thế cho các phòng thí nghiệm ở các trường đại học là các thành phố khoa học cùng với các phương pháp công nghiệp nhận thức thiên nhiên các nhà tư tưởng - sáng tạo nhường bước cho các tập thể khoa học nhiều ngàn người. Khi đi sâu vào vật chất đến các dạng sơ đẳng, vật lý học đã bị tước mất những biểu tượng quen thuộc, bị mất khả năng giải thích ''trên đầu ngón tay'' cho bất kỳ một người bình thường nào ngay cả những thành tựu to lớn nhất của mình. Những cố gắng lớn lao, những món tiền khổng lồ đã được chi cho việc khám phá hạt quark thứ sáu, đã kết thúc vào năm 1995 bằng kết quả mong đợi từ lâu… Tuy nhiên các nghiên cứu xác nhận sự đúng đắn của các luận đề cơ bản trong mô hình chuẩn các hạt cơ bản đã không gây được một tiếng vang nào trong xã hội. Thế mà khám phá này không kém phần quan trọng so với việc tìm ra bằng chứng thực nghiệm cho các kết luận của lý thuyết tương đối rộng vào năm 1919, từng được các báo chí trên toàn thế giới hăng hái đưa tin lúc bấy giờ. Nhưng để những người có bằng tốt nghiệp đại học có thể hiểu được thực chất của thành tựu này người ta đã phải viết hàng chục trang báo, hay tổ chức các buổi giảng chuyên đề.
Trong khoa học vật lý hiện đại, hầu như không còn những lĩnh vực mà khi chưa vượt khỏi khuôn khổ của những quan niệm rõ ràng được mọi người thừa nhận theo ý nghĩ “lành mạnh”, lại có thể có được một kết quả lý thú nào dù là cỏn con.
Tính chất trừu tượng của các quan niệm - đó là nét đặc trưng của vật lý ngày nay. Do vậy mà khác với vật lý cổ điển, ta sẽ không mô tả được các hiện tượng khi chưa vận dụng các khái niệm toán học rành rọt. Một ngôn ngữ toán học cô đọng, chính xác và chứa nhiều tượng thông tin từ lâu đã trở thành ngôn ngữ nghề nghiệp của các nhà vật lý. Ngay cả khi muốn đưa ra một cách giải thích sơ bộ hiện tượng được quan sát hay một sự kiện thực nghiệm, thật ra họ đã ''phiên dịch'' các khái niệm toán thành các khái niệm phổ cập, điều mà không phải lúc nào cũng làm được và đôi khi không làm được. Trong mọi trường hợp bức tranh về hiện tượng sẽ không tương thích với cái được nhà vật lý phát hiện ra. Mỗi lần lại có một cái gì đó, đôi khi rất quan trọng, vẫn còn nằm ngoài khuôn hình của bức tranh.
Trong vật lý Newton, người ta cũng đã dùng các hình ảnh trừu tượng: các chất điểm, vật rắn tuyệt đối các chất lỏng lý tưởng v.v... Song chúng đã xuất hiện trên cơ sỏ các quan
niệm hàng ngày bằng cách bỏ bớt các tính chất thừa, không mang tính nguyên tắc trong khuôn khổ các hiện tượng nghiên cứu của các đối tượng thực. Khi mô tả các sự kiện của thế giới dưới cấp nguyên tử và thế giới các hạt cơ bản, các nhà vật lý dựa trên các khái niệm không có cái tương tự trong thế giới vĩ mô: spin, quark, boson, fermion, gluon, các điện tích màu các số lepton và barion, số lạ, số thật v.v... Các khái niệm trừu tượng này được gán cho các tính chất quan trọng và chỉ cần bỏ qua một cái trong chúng thì ta sẽ có một bức tranh hoàn toàn khác. Bản thân các khái niệm trừu tượng của thế giới vi mô là một bộ phận không thể tách rời trong công cụ toán học của các lý thuyết, còn tính chất của các khái niệm lại là đối tượng của các nghiên cứu toán học riêng. Do vậy trước khi xây dựng công cụ toán thích hợp cho một lý thuyết lượng tử bất kỳ không thể phán đoán gì nhiều về các khả năng hay thiếu sót dự báo của nó. Lý thuyết siêu dây hiện nay đang ở trong tình trạng đúng như vậy - một lý thuyết đứng đầu trong kỳ vọng giải thích tất cả các tương tác trên cùng một cơ sở thống nhất - thường được gọi là lý thuyết của toàn bộ cái tồn tại.
Thật là nghịch lý, nhưng đúng là để mô tả các thực chất sơ khai cơ bản nhất của vật chất ta phải áp dụng một công cụ toán học còn phức tạp hơn nữa. Trong vật lý hạt nhân và vật lý các hạt cơ bản đang sử dụng, công cụ lý thuyết trường lượng tử nó có vị trí hàng đầu xét theo tính chất trừu tượng của các khái niệm. Ở đây, có cả lý thuyết nhóm, lý thuyết hàm biến phức, lý thuyết các hàm suy rộng, lý thuyết không gian phân thớ và tôpô đại số. Trong những thập kỷ gần đây, cùng với sự phát triển của lý thuyết dây, các nhà vật lý còn nắm vững cả các phương pháp của lý thuyết số, mà trước đây vẫn được xem là ''cấm địa'' của toán học thuần tuý.
Với tất cả những thành công trong việc mô tả hành trạng của các hạt vi mô, thì ngay cả cơ học lượng tử tương đối tính của Dirac vẫn chưa thể được xem là một lý thuyết lượng tử nhất quán. Toàn bộ vấn đề là ở chỗ, những người sáng tạo ra nền vật lý mới vẫn còn tin vào các quan niệm xa xưa của Demoritus về các hạt vật chất không thể bị hủy diệt hay được tạo ra. Điều đó đôi khi đưa họ tới những cấu trúc rất kỳ quặc, ví như ''biển Dirac'' không quan sát được về nguyên tắc dưới dạng một bình chứa độ sâu vô tận các trạng thái có năng lượng âm, được lấp đầy bởi vô số các electron.
Một quan niệm khác như thế là giả thiết về “các electron hạt nhân” (đầu những năm 30 của thế kỷ XX) giải thích tính phóng xạ 
của các hạt nhân giống như phân rã 
Nếu trong phân rã 
, từ hạt nhân bay ra một tổ hợp gồm hai nơtron và hai proton trước đây tồn tại trong hạt nhân, thì các hạt (các electron) xét về ý tưởng phải nằm bên trong hạt nhân. Sau khi Heisenberg khám phá ra hệ thức bất định, người ta mới hiểu được là sự định vị electron trong thể tích nhỏ của hạt nhân sẽ dẫn đến độ bất định quá lớn trong xung lượng của nó. Nảy sinh câu hỏi: ở các giá trị lớn cho phép của xung lượng, bằng cách nào các electron có thể nằm trong hạt nhân cho dù chỉ một thời gian nào đó. Một bài toán không có lời giải khác có tên gọi rất kêu là ''tai biến nitơ”, nó xuất hiện khi xác định spin của các hạt nhân nitơ vào thời kỳ mà nơtron còn chưa được phát hiện.
Khối lượng nguyên tử của hạt nhân nitơ là 14, còn điện tích bằng 7, nghĩa là hạt nhân gồm 14 proton và 7 electron (trong tổng số 21 hạt). Vật spin của các electron và proton bằng 1/2 nên cả spin của hạt nhân nitơ cũng phải là bán nguyên, thế mà các thí nghiệm lại cứ khăng khăng chỉ ra tính chất nguyên của spin hạt nhân nitơ.
Trong vật lý các hạt cơ bản năm 1932 thường được gọi là ''năm của những khám phá lớn''. Học trò của Rutherford là James Chadwick khám phá ra notron, giải quyết vĩnh viễn bài toán ''tai biến nitơ'' và vấn đề ''các electron hạt nhân''. Nhà vật lý Mỹ Carl David Anderson (1905- 1991) đã phát hiện thấy trong các tia vũ trụ hạt ''phản electron'' đã được Dirac tiên đoán, được gọi là positron. Tuy nhiên khám phá quan trọng nhất đối với sự phát triển tiếp theo của vật lý hạt là người ta đã biết được rằng các hạt không phải là những viên gạch vật chất'' không thể tự hủy và tự sinh ra được. Chúng có thể tự sinh và tự hủy được. Năm 1934, Enrico Fermi đưa ra lý thuyết phân rã 
theo đó các proton và nơtron của hạt nhân có thể tương tác với nhau và khi đó sinh ra các positron (hay các electron) cùng với nơtrinô - một hạt đã được Pauli tiên đoán năm 1930.
Như vậy, vật lý các hạt cơ bản và hạt nhân nguyên tử đã tạo cho mình được một ngôn ngữ - ngôn ngữ của những biến đổi tương hỗ cấp dưới nguyên tử, chúng được điều chỉnh chỉ bởi một hệ các định luật bảo toàn điện tích, pin đồng vị, số lepton và số barion v.v... Các nhà vật lý Nga Yacov Borisovich Zeldovich (1914 - 1987) và Maxim Yuryevich Khlopov đã nhận xét: ''Đến thay thế cho ''các hạt vĩnh cửu” trong vật lý là ''các tích vĩnh cửu''. Các ý tưởng này là cơ sở cho một lý thuyết hiện đại về thế giới vi mô”.
Công cụ lý thuyết của các quan niệm mới về thế giới dưới nguyên tử là lý thuyết lượng tử trường. ''Biển Dirac'' trong lý thuyết này được thay bằng quan niệm về chân không, có khả năng sinh ra và hấp thụ các hạt. Trong ngôn ngữ mới các quá trình tương tác giữa các hạt trở thành các quá trình trao đổi các lượng tử của trường tương tác. Tham gia vào việc soạn thảo ngôn ngữ lượng tử của lý thuyết này có không ít các nhà vật lý nhưng việc tạo ra ''bảng chữ cái'' lượng tử phải kể đến công lao của Paul Dirac và Vladimir Aleksandrovich Fok (Fock). Fok đã đưa ra khái niệm toán tử sinh và hủy các lượng tử trường; ông đã xây dựng cho các lượng tử ''nơi ở tiện nghi'' phổ dụng, mà ngày nay người ta gọi là không gian Fok. Đã trên nửa thế kỷ nay, các nhà vật lý hạt nhân và ''vật lý trường'' trao đổi với nhau bằng thứ ngôn ngữ ấy, nhưng cũng giống với mọi thứ sinh ngữ khác, lý thuyết lượng tử trường vẫn tiếp tục được hoàn thiện với hy vọng hoàn thành tốt đẹp chức năng cơ bản của mình là, đem đến cho con người không tin về dạng cơ bản nguyên sơ của vật chất.
VỀ TÍNH HIỂN NHIÊN VÀ TÍNH TRỪU TƯỢNG TRONG VẬT LÝ
Ý kiến của những người khác nhau về tính hiển nhiên và tính trừu tượng trong cách giải thích một hiện tượng vật lý thường khác nhau vì mức độ ''hiển nhiên'' được quyết định bởi sự hiểu biết. Dựa trên giáo trình vật lý ở trường phổ thông và kinh nghiệm hàng ngày, phần đông trong chúng ta ngày nay suy nghĩ nhờ các mô hình cơ học. Một số ít hơn nhiều có thể nói rằng họ hình dung khá rõ ràng trường điện từ, và một số rất ít người có thể tuyên bố rằng với họ các khái niệm lượng tử quá ư là hiển nhiên. Các quan niệm cơ học, các quan niệm lượng tử và các quan niệm về trường điện từ (mỗi loại riêng rẽ) tạo thành một hệ thống hoàn toàn cân đối có thể giải thích các hiện tượng trong lĩnh vực này. Ta không thể hiểu được các quy luật lượng tử trên cơ sở các quan niệm cơ học hay các quan niệm về trường cũng như không thể hiểu được các hiện tượng điện từ nhờ các mô hình cơ học. Nhưng nếu nhờ các mô hình cơ học cũng không làm cho trường điện từ trở nên rõ ràng, thì từ đó nói chung không thể suy diễn rằng không có cách gì làm ta cảm nhận được rõ ràng trường điện từ. Chúng ta có thể hình dung rõ ràng trường điện từ nếu ta nghiên cứu tỉ mỉ các tính chất của nó và quen dần với nó. Các hệ thức định tính suy từ các phương trình trường sẽ đặc trưng cho trường ''một cách rõ ràng''. Chẳng hạn, chúng ta có thể hình dung trường tĩnh điện nhờ các đường sức của điện trường và các mặt đẳng thế; có thể mô tả từ trường nhờ các đường sức từ v.v...
Trích từ bài báo của Yu. V và V.Yu. Novozhilov
“Tiến tới kỷ niệm lần thứ 100 ngày sinh của V A. Fok”
