Vũ trụ một electron: Khi toàn bộ vật chất chỉ là một hạt duy nhất du hành xuyên thời gian

Có bao giờ bạn tự hỏi vì sao mọi electron trong vũ trụ đều có cùng khối lượng và cùng điện tích? Câu trả lời nghe như đùa của nhà vật lý John Wheeler năm 1940 lại mở ra một trong những ý tưởng kỳ lạ và ám ảnh nhất của vật lý hiện đại.

Giả thuyết "vũ trụ một electron" cho rằng tất cả electron và positron mà chúng ta quan sát được thực chất chỉ là những "lát cắt" của một hạt duy nhất, di chuyển tới lui trong thời gian như một sợi chỉ rối khổng lồ xuyên qua không-thời gian.

Ý tưởng ra đời từ một cuộc điện thoại

Vào mùa xuân năm 1940, John Wheeler — khi đó đang giảng dạy tại Đại học Princeton — gọi điện cho Richard Feynman, lúc ấy là nghiên cứu sinh. Wheeler nói một câu khiến Feynman nhớ mãi: "Feynman, tôi biết vì sao mọi electron đều có cùng điện tích và cùng khối lượng rồi. Bởi vì tất cả chúng chỉ là một electron duy nhất!"

Lập luận rất đơn giản về mặt logic: nếu vũ trụ chỉ có một electron, thì đương nhiên mọi phép đo về nó đều cho ra cùng một khối lượng và điện tích. Không cần bất kỳ cơ chế phức tạp nào để giải thích sự đồng nhất kỳ lạ ấy — chỉ cần một hạt, lặp lại vô số lần.

Đường thế giới và nút thắt không-thời gian

Ý tưởng dựa trên khái niệm đường thế giới (world line) — quỹ đạo mà một hạt vạch ra trong không-thời gian bốn chiều.

Thay vì tưởng tượng vô số đường thế giới riêng biệt cho từng electron, Wheeler hình dung chúng chỉ là các đoạn của một đường duy nhất, rối vào nhau như một nút thắt khổng lồ. Mỗi thời điểm trong vũ trụ tương ứng với một lát cắt ngang không-thời gian, và lát cắt ấy sẽ giao với sợi dây rối kia rất nhiều lần. Mỗi giao điểm như vậy chính là một electron mà ta quan sát được tại thời điểm đó.

Điểm mấu chốt nằm ở hướng di chuyển:

• Một nửa số giao điểm có đường đi hướng về tương lai — đó là electron.
• Nửa còn lại đã vòng ngược và hướng về quá khứ — Wheeler cho rằng chúng xuất hiện dưới dạng phản hạt, tức positron.

Nói cách khác, positron không phải là một hạt riêng biệt, mà chỉ là electron đang đi ngược thời gian trong một đoạn của cùng đường thế giới.

Feynman "đánh cắp" ý tưởng — và thừa nhận

Điều thú vị là chính Feynman lại không xem trọng phần "tất cả electron là một" của giả thuyết. Ông thừa nhận điều này một cách thẳng thắn trong diễn văn nhận giải Nobel năm 1965:

"Tôi không tiếp nhận ý tưởng rằng mọi electron đều là cùng một hạt một cách nghiêm túc như tôi tiếp nhận quan sát rằng positron có thể đơn giản được biểu diễn như electron đi từ tương lai về quá khứ trong một đoạn ngược của đường thế giới. Cái đó thì tôi đã đánh cắp!"

Chính quan sát này đã dẫn Feynman tới bài báo năm 1949 mang tên "The Theory of Positrons", trong đó ông đề xuất cách diễn giải positron như electron chuyển động ngược thời gian. Đây là một trong những viên gạch nền tảng của điện động lực học lượng tử (QED) — lý thuyết mô tả tương tác giữa ánh sáng và vật chất với độ chính xác chưa từng có trong lịch sử khoa học.

Về sau, nhà vật lý Yoichiro Nambu mở rộng cách diễn giải này cho mọi quá trình sinh và hủy cặp hạt–phản hạt. Theo ông, "việc sinh và hủy cặp tưởng như xảy ra đôi lúc thực chất không phải là sinh hay hủy, mà chỉ là sự đổi hướng chuyển động của hạt, từ quá khứ sang tương lai, hoặc từ tương lai về quá khứ."

Những lỗ hổng và điều còn dang dở

Giả thuyết vũ trụ một electron có một vấn đề hiển nhiên: số lượng electron quan sát được nhiều hơn positron rất nhiều lần. Nếu mỗi đoạn đi ngược thời gian đều tạo ra một positron, lẽ ra hai loại hạt phải xuất hiện với số lượng tương đương.

Khi Feynman nêu vấn đề này, Wheeler đưa ra một phỏng đoán táo bạo: có thể những positron "mất tích" đang ẩn giấu bên trong proton. Đây là giả thuyết chưa bao giờ được xác nhận, và ngày nay chúng ta biết positron thực sự khan hiếm trong vũ trụ hiện tại.

Một điểm đáng chú ý khác: cách diễn giải positron như electron đi ngược thời gian vẫn còn nguyên giá trị trong vật lý hiện đại, bất kể giả thuyết "một electron duy nhất" có đúng hay không. Cơ học lượng tử tương đối tính, được mô tả bởi phương trình Dirac, tự nhiên cho phép các nghiệm năng lượng âm và hướng thời gian đảo ngược.

Liên hệ với các ý tưởng đương đại

Vũ trụ một electron là một thí nghiệm tư tưởng thuộc lĩnh vực cơ học lượng tử, và nó có họ hàng gần gũi với một số khái niệm gây tranh cãi khác:

• Hạt đồng nhất: trong cơ học lượng tử, các electron là những hạt không thể phân biệt về nguyên lý — trao đổi hai electron cho nhau không tạo ra trạng thái vật lý mới. Giả thuyết của Wheeler là phiên bản cực đoan của tính chất này.
• Nhân quả ngược (retrocausality): ý tưởng rằng hiệu ứng có thể ảnh hưởng ngược trở lại nguyên nhân trong thời gian.
• Đối xứng T: đối xứng đảo ngược thời gian trong vật lý hạt.

Đối với những người làm công nghệ, câu chuyện này còn mang một bài học khác. Wheeler đưa ra một ý tưởng điên rồ qua một cuộc điện thoại, và Feynman chỉ giữ lại phần hữu ích nhất của nó để xây dựng nên lý thuyết vĩ đại nhất của mình. Trong nghiên cứu và phát triển sản phẩm, không phải ý tưởng nào cũng cần đúng hoàn toàn để có giá trị — đôi khi chỉ một mảnh nhỏ của nó cũng đủ thay đổi cả một lĩnh vực.

Giả thuyết vũ trụ một electron có thể mãi mãi không thể kiểm chứng bằng thực nghiệm. Nhưng nó vẫn là minh chứng cho thấy vật lý lý thuyết đôi khi tiến lên bằng những câu hỏi nghe có vẻ ngớ ngẩn — và bằng những cú điện thoại vào đúng thời điểm.