Điểm Lại Nền Vật Lý Mới

Kể từ bản in lần đầu của Đạo của vật lý, có nhiều tiến bộ đáng kể trong các lĩnh vực của vật lý hạ nguyên tử xảy ra. Khi tôi viết những dòng cho lời nói đầu của bản in mới này thì những phát triển mới không có điểm nào bác bỏ những tương đồng với tư tưởng phương Đông, mà ngược lại, chỉ tăng cường thêm. Trong lời cuối này, tôi mong được thảo luận thêm về kết quả của những nghiên cứu mới mẻ trong vật lý nguyên tử và hạ nguyên tử cho đến mùa hè năm 1982.

Một trong những tương đồng mạnh nhất với đạo học phương Đông là sự thừa nhận rằng những đơn vị cấu thành vật chất và hiện tượng cơ bản do chúng sinh ra, tất cả đều tác động qua lại với nhau; rằng chúng không thể được hiểu như những đơn vị độc lập mà là phần không tách rời được của một cái toàn thể. Khái niệm của tương tác lượng tử mà tôi đã trình bày chi tiết trong chương 10 được Bohr và Heisenberg nhấn mạnh suốt trong lịch sử của thuyết lượng tử. Thế nhưng, nó vừa thêm được sự quan tâm mới mẻ trong hai thập niên vừa qua, khi nhà vật lý tiến đến chỗ thấy rằng vũ trụ quả thật được liên hệ lẫn nhau trong những cách tinh tế hơn người ta nghĩ nhiều. Phương thức mới của mối liên hệ lẫn nhau vừa được xác định không những đã tăng cường thêm cho sự song hành giữa cách nhìn vật lý và đạo học, nó còn sinh ra những khả năng hết sức lý thú để kết nối vật lý hạ nguyên tử với tâm lý học của Jung và, có thể thậm chí với siêu tâm lý học; và nó cho thêm ánh sáng mới về vai trò cơ bản của tính chất xác suất trong vật lý lượng tử.

Trong vật lý cổ điển, tính xác suất chỉ được dùng khi các chi tiết tham dự vào một biến cố không rõ ràng. Thí dụ khi ta đổ hạt súc sắc, trên nguyên tắc ta có thể tiên đoán mặt nào sẽ ra nếu ta biết hết tất cả lý tính và hóa tính đó: thành phần cấu tạo của hạt, bề mặt mà hạt rơi xuống, v.v... những chi tiết này được gọi là biến số tại chỗ hay biến số địa phương vì chúng nằm trong lòng vật thể đó. Trong vật lý hạ nguyên tử, biến số địa phương của những mối liên hệ giữa các biến cố nằm trong không gian là những tín hiệu - những tín hiệu đó là hạt hay nhóm các hạt - chúng tuân thủ định luật thông thường trong không gian.Thí dụ không có tín hiệu nào có thể đi nhanh hơn vận tốc ánh sáng. Nhưng trong thời gian qua, ngoài những mối liên hệ địa phương này, người ta phát hiện ra những mối liên hệ khác, liên hệ liên thông, đó là những liên hệ xảy ra tức thời, hiện nay không thể tiên đoán trước bằng phép toán học chính xác.

Những biến cố liên thông này được nhiều nhà vật lý xem là rất cốt tủy trong vật lý lượng tử. Trong thuyết lượng tử, các biến cố riêng lẻ luôn luôn không có một nguyên nhân rõ ràng.Thí dụ khi một electron nhảy từ một quĩ đạo này qua một quĩ đạo khác hay sự tự hủy của một hạt hạ nguyên tử, chúng có thể xảy ra thình lình, không cần có một biến cố tạo ra nó. Không bao giờ chúng ta có thể tiên đoán một hiện tượng như thế sẽ xảy ra vào lúc nào và xảy ra như thế nào; chúng ta chỉ nói trước về xác suất của chúng. Điều đó không có nghĩa là các hiện tượng nguyên tử xảy ra hoàn toàn tùy tiện; mà chỉ nói lên rằng chúng không bị những tác nhân địa phương tác kích. Hoạt động của mỗi hạt được xác định bởi các biến số liên thông và vì chúng ta không biết rõ các mối liên hệ này nên đành phải thay thế nội dung cổ điển chật hẹp của nhân - quả bằng khái niệm rộng hơn của tính nhân quả thống kê. Các định luật của vật lý nguyên tử là định luật thống kê, theo đó mà xác suất của hiện tượng nguyên tử được xác định bởi tính động của toàn hệ thống.Trong vật lý cổ điển, tính chất và hoạt động của cái riêng lẻ quyết định tính chất và hoạt động của cái toàn thể, tình hình đó là ngược lại trong vật lý lượng tử: chính cái toàn thể xác định hoạt động của cái riêng lẻ. 

Vì thế, tính xác suất được sử dụng cho cả vật lý cổ điển và lượng tử có lẽ vì một vấn đề chung: trong cả hai, đó chính là những ẩn số ta không biết tới, và sự không rõ này ngăn cản ta có một tiên đoán chính xác. Thế nhưng, ở đây có một sự khác biệt quyết định. Trong lúc những ẩn số trong vật lý cổ điển chỉ là cơ chế địa phương, thì trong lượng tử, chúng là liên thông; chúng có mối liên hệ tức thời trong toàn bộ vũ trụ. Trong đời sống hàng ngày, trong thế giới vĩ mô, các mối quan hệ liên thông tương đối không quan trọng, nên ta mới có thể nói về các vật thể riêng lẻ và phát biểu các định luật mô tả hoạt động của chúng bằng các trị số chắc chắn. Nhưng khi nghiên cứu ở kích thước nhỏ, tính chắc chắn được thay bằng tính xác suất và càng lúc càng khó tách vật nào trong vũ trụ ra khỏi cái toàn thể.

Sự hiện hữu của những mối quan hệ liên thông và vai trò quyết định của tính xác suất được suy ra từ đó là điều mà Einstein không bao giờ chịu chấp nhận. Đó chính là đề tài của cuộc tranh luận lịch sử của ông với Bohr trong những năm 1920, trong đó Einstein phát biểu sự bác bỏ của mình chống lại cách diễn dịch thuyết lượng tử của Bohr bằng ẩn dụ nổi tiếng: “Chúa không chơi trò súc sắc”. Cuối cùng, Einstein phải thừa nhận thuyết lượng tử, diễn giải bởi Bohr và Heisenberg, đã tạo ra một hệ thống tư tưởng nhất quán, nhưng ông vẫn tin nơi quan điểm quyết định luận, với các ẩn số địa phương trong tương lai sẽ được hiện ra.

Cái cốt tủy về sự bất đồng giữa Einstein với Bohr xuất phát từ lòng tin chắc chắn của Einstein nơi một thực tại bên ngoài, thực tại đó gồm có những yếu tố tách rời trong không gian và độc lập. Nhằm chứng minh rằng cách diễn giải của Bohr về thuyết lượng tử là không nhất quán, Einstein nghĩ ra một mô hình tư tưởng được biết đến cái tên Einstein-Podisky-Rosen (EPR). Ba thập niên sau, John Bell đề xuất một lý thuyết, dựa trên mô ình EPR, mô hình này chứng minh sự hiện hữu của ẩn số địa phương là không tương thích với những tiên đoán mang tính thống kê của thuyết lượng tử. Thuyết của Bell đã bác bỏ luận cứ của Einstein bằng cách cho thấy rằng hình dung một thực tại gồm các phần tử tách rời, nối với nhau bằng liên hệ địa phương là không thể tương thích với thuyết lượng tử.

Trong những năm qua, mô hình EPR vẫn liên tục được thảo luận và phân tích bởi các nhà vật lý quan tâm đến lý giải thuyết lượng tử, vì nó rất thích hợp để chỉ ra sự khác biệt giữa quan niệm cổ điển và quan niệm lượng tử. Đối với mục đích của ta, có lẽ chỉ cần mô tả một cách đơn giản mô hình này, nó gồm có hai electron tự quay tròn, dựa trên cách trình bày của David Bohm. Nhằm nắm bắt cốt tủy vấn đề, ta cần hiểu vài tính chất của electronspin. Hình ảnh của một quả bóng tennis quay quanh trục hoàn toàn không phù hợp để mô tả một hạt hạ nguyên tử có spin. Trong một nghĩa nhất định, spin là sự quay quanh trục của hạt, nhưng như nhiều lần đã xảy ra trong vật lý hạ nguyên tử, khái niệm cổ điển này bị hạn chế. Trong trường hợp của electron thì spin của hạt được giới hạn bởi hai trị số: trị số của spin không thay đổi nhưng electron có thể quay theo chiều này hoặc chiều kia, theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ, qui vào một chiều đã cho sẵn. Nhà vật lý thường gọi hai trị số này là lên và xuống.

Tính chất quyết định của electron có spin, điều mà không nên hiểu theo nghĩa cổ điển, là trục quay của nó luôn luôn không xác định được một cách chắc chắn. Cũng như electron có khuynh hướng hiện hữu tại một chỗ nhất định, chúng cũng có khuynh hướng quay quanh một trục nào đó. Khi đo một trục quay bất kỳ nào đó, người ta tìm thấy electron đang quay theo chiều này hay chiều kia của trục. Nói cách khác, tiến trình đo lường đã cho hạt một trục quay nhất định, còn trước khi đo lường thì ta không thể nói nó có quay quanh một trục nhất định hay không; ta chỉ có thể nói nó có khả năng quay.

Với sự hiểu biết này về spin của electron, bây giờ ta hãy xét mô hình thí nghiệm EPR và thuyết của Bell. Mô hình thí nghiệm này xét hai hạt electron đang quay trái chiều với nhau, thế nên tổng số spin của chúng bằng không.

Có nhiều phương pháp thí nghiệm được sử dụng để đưa hai electron đó vào trong một trạng thái, trong đó chiều quay của mỗi spin không được biết đích xác nhưng tổng số spin của hai electron đó chắc chắn bằng không. Bây giờ ta giả định rằng hai electron đó bị cách ly ra xa bởi một tiến trình, triến trình đó không ảnh hưởng lên spin của chúng. Khi chúng bị tách ra mà chúng vẫn bị quay ngược chiều, tổng số spin của chúng bằng không, nhưng khi chúng đã thật xa nhau, hãy đo mỗi một spin của chúng. Một khía cạnh quan trọng của thí nghiệm này là khoảng cách giữa hai hạt này phải xa bất kỳ; một hạt có thể ở New york, hạt kia ở Paris, hay một hạt ở trên trái đất, hạt kia ở mặt trăng.

Hãy giả định rằng spin của hạt 1 được đo theo một trục đứng và được thấy là lên. Vì tổng số spin của hai hạt phải bằng không, số đo này cho ta biết spin của hạt hai phải là xuống. Thế nên khi đo spin của hạt 1, ta sẽ biết một cách gián tiếp spin của hạt 2 mà không đụng gì đến hạt này cả. Khía cạnh nghịch lý của thí nghiệm EPR xuất hiện từ thực tế là quan sát viên được tự do lựa chọn trục đo. Thuyết lượng tử cho ta biết rằng spin của hai electron này xung quanh mọi trục đều quay ngược chiều cả, nhưng chúng chỉ tồn tại như là khuynh hướng, hay khả năng, trước khi tiến trình đo lường được thực hiện. Bây giờ khi quan sát viên đã lựa chọn một trục nhất định và tiến hành đo, thì hành động này đã cho hai hạt một trục quay cụ thể. Điều quyết định là, như thế ta có thể lựa một trục quay ở thời điểm cuối, khi hai hạt đã xa nhau hẳn rồi. Ngay tức thời khi ta đo hạt 1, thì hạt 2 lúc đó đã cách xa vài ngàn dặm, thế mà sẽ nhận được một spin quanh trục ta chọn. Làm sao hạt 2 biết ta chọn trục nào được? Vì là tức thời, đâu có thời gian nào để nhận được thông tin từ một tín hiệu qui ước.

Đây là điểm chốt của thí nghiệm EPR và cũng là chỗ bất đồng của Einstein với Bohr. Theo Einstein thì, vì không có tín hiệu nào có thể đi nhanh hơn ánh sáng, nên không thể có một phép đo nào lên một electron lại tức thời xác định chiều quay của hạt kia, hạt cách xa vài ngàn dặm. Theo Bohr thì hệ thống hai hạt này là một cái toàn thể không chia cắt được, dù cho hai hạt bị cách ly ra xa nhau một khoảng cách lớn; hệ thống này cũng không thể được phân tích như hai phần tử độc lập. Ngay cả khi hai electron tách ra xa trong không gian, chúng vẫn nối với nhau bằng liên hệ tức thì, liên thông. Môi liên hệ này không phải là tín hiệu trong nghĩa của Einstein; chúngchuyển hóa khái niệm qui ước của ta về việc trao truyền thông tin. Thuyết của Bell hỗ trợ quan niệm của Bohr và chứng minh một cách rõ ràng rằng, cách nhìn của Einstein về thực tại vật lý gồm những yếu tố độc lập, nằm rải rác trong không gian, cách nhìn đó không tương thích với định luật của thuyết lượng tử. nói cách khác, thuyết của Bell chỉ rõ rằng vũ trụ là liên hệ cơ bản với nhau, phụ thuộc lẫn nhau và không tách rời được. Cũng như vị thánh nhân Phật giáo Long Thụ nói cách đây hàng trăm năm:

Tính chất và sự hiện hữu của sự vật xuất phát từ những mối tương quan mà ra, tự nó không có gì cả.

Hiện nay, các nghiên cứu trong vật lý nhằm mục đích thống nhất hai thuyết cơ bản, thuyết lượng tử và thuyết tương đối, trong một thuyết hoàn chỉnh cho các hạt hạ nguyên tử. 

Chúng ta chưa đủ khả năng để phát biểu một thuyết hoàn chỉnh như thế, nhưng có nhiều thuyết và mô hình toàn phần, chúng mô tả rất tốt một số khía cạnh của hiện tượng hạ nguyên tử. Hiện nay ta có loại thuyết lượng tử - tương đối khác nhau cho vật lý hạt, chúng thành công trong những lĩnh vực khác nhau. Lý thuyết đầu là một nhóm lý thuyết trường (xem chương 14), nó được áp dụng cho tương tác điện từ và tương tác yếu; lý thuyết thứ hai là thuyết mang tên ma trận S (xem chương 17), nó được áp dụng thành công để mô tả tương tác mạnh. Một vấn đề lớn hiện nay chưa giải quyết được là sự thống nhất giữa thuyết lượng tử và thuyết tương đối tổng quát để hoàn thành một thuyết lượng tử trọng trường. Mặc dù gần đây sự phát triển của thuyết siêu trọng trường có thể được xem là một bước về hướng giải quyết vấn đề này, tới nay chưa tìm ra được một thuyết nào khả dĩ tốt hơn.

Các thuyết lượng tử, như trình bày chi tiết trong chương 14, đặt trên cơ sở của trường lượng tử, một đơn vị cơ bản, nó có thể hiện hữu ở trạng thái liên tục là trường, trong trạng thái phi liên tục là hạt, nhiều hạt khác nhau được xem như liên hệ với những trường khác nhau. Những thuyết này đã thay thế khái niệm xem hạt là vật thể cơ bản bằng nội dung một trường lượng tử tinh tế hơn nhiều. Tuy thế, các thuyết này vẫn xem có những đơn vị cơ bản và thế nên trong một nghĩa nhất định, vẫn là thuyết bán cổ điển, chúng không chỉ rõ được toàn thể tự tính lượng tử - tương đối của vật chất hạ nguyên tử.

Thuyết điện động lượng tử, thuyết đầu tiên của trường lượng tử, đạt thành quả là nhờ tương tác điện từ vốn rất yếu mà nhờ thế có thể giữ tính chất của một sự phân biệt cổ điển giữa vật chất và lực tương tác. Điều này cũng đúng với lý thuyết trường của tương tác yếu đã được nhận thấy rõ hơn hẳn trong thời gian qua, nhờ sự phát triển một loại thuyết mới về trường, được gọi là lý thuyết Gauge, nó có thể thống nhất hai tương tác này làm một. Trong thuyết thống nhất đó - được gọi là thuyết Weinberg - Salam để chỉ hai kiến trúc sư chính là Steven Weinberg và Abdus Salam - hai loại tương tác vẫn được phân biệt, nhưng về toán học chúng được nối với nhau và được gọi chung là tương tác điện từ yếu.

Thuyết Gauge cũng được mở rộng cho tương tác mạnh với sự phát triển một lý thuyết trường gọi là sắc động lượng tử (QCD), nhiều nhà vật lý đang cố gắng thiết lập một sự đại thống nhất giữa QCD và thuyết Weinberg - Salam. Tuy nhiên việc sử dụng thuyết Gauge để mô tả các hạt tương tác mạnh là hết sức khó khăn. Sự tương tác giữa hadron quá mạnh đến nỗi sự phân biệt giữa hạt và lực bị triệt tiêu và, vì thế, QCD không được sử dụng thành công để mô tả tiến trình có hạt gây tương tác mạnh. Nó chỉ ứng dụng được cho một số ít hiện tượng rất đặc biệt - trong tiến trình gọi là Deep Inelastic (tán xạ mạnh không đàn hồi) - trong đó hạt phản ứng, ta chưa hiểu hết lý do, hao hao giống như vật thể cổ điển. Dù có nhiều cố gắng lớn lao, nhà vật lý vẫn chưa áp dụng được QCD ngoài một số hiện tượng nhỏ hẹp và hy vọng ban đầu về vai trò của nó trong khuôn khổ lý thuyết nhằm suy ra tính chất của các hạt tương tác mạnh, tới nay hy vọng đó không được đáp ứng.

Sắc động lượng tử đại diện cho phát biểu toán học hiện nay về mô hình quark (xem chương 16), Trong đó trường được liên hệ với quark và chromo được dựa trên tính chất có màu của các trường quark này. Cũng như tất cả thuyết Gauge, QCD được mô hình hóa dựa theo động điện lượng tử (QED). Trong QED, tương tác điện từ được kiểm soát bởi sự hoán chuyển các gluon giữa các hạt quark có màu. Những hạt này không phải là hạt thật mà chỉ là loại lượng tử, chúng dán các quark với nhau để tạo thành menson và baryon.

Trong thập niên qua, mô hình quark được mở rộng và tinh tế hơn, đáng kể khi nhiều hạt mới được phát hiện trong thí nghiệm va chạm cao năng lượng. Như trình bày trong chương 16, mỗi một của ba hạt giả định ban đầu và được dán thêm các vị up, down và strange phải xuất hiện trong ba màu, và sau đó là một hạt quark thứ tư được giả định, cũng lại xuất hiện trong ba màu và được gắn thêm vị charm. Gần đây hơn, hai vị mới được thêm cho mô hình, được gọi là t và b, viết tắt của top và bottom (hay nói văn vẻ hơn, cho true và beautiful), chúng mang tổng số các hạt lên 18 - sáu vị và ba màu. Vì thế cũng chẳng ngạc nhiên gì khi nhiều nhà vật lý thấy đa số những đơn vị vật chất cơ sở này không hấp dẫn nữa và đã đề xuất là đã tới lúc nghĩ ra những hạt nhỏ hơn, thật sự cơ bản, những hạt đó là thành phần cấu tạo nên quark...

Trong lúc tất cả những lý thuyết và mô hình này phát triển, nhà thực nghiệm tiếp tục tìm kiếm các hạt quark thực sự, nhưng không tìm ra hạt nào cả và sự vắng mặt triền miên của các hạt quark trở thành vấn đề chính của mô hình quark. Trong khuôn khổ của QCD, hiện tượng vắng mặt quark đã được mang tên là quark bị giam, có nghĩa là hạt quark, vì lý do nào đó, đã bị giam giữ trong hadron và vì thế ta không bao giờ thấy nó. Nhiều cơ chế đã được đề ra để tính sự giam giữ của quark, nhưng tới nay chưa có lý thuyết nào hợp lý được đề xuất.

Đó là tình trạng hiện nay của mô hình quark: để lý giải cấu trúc được quan sát trong mọi hadron, ta cần ít nhất là 18 hạt quark cộng thêm 8 gluon; không hạt nào trong số đó được phát hiện có thật và sự hiện hữu của chúng với tính cách là thành phần của hadron sẽ đưa đến nhiều khó khăn về mặt lý thuyết; nhiều mô hình đã được đề xuất để giải thích sự giam giữ thường xuyên của nó nhưng không có thuyết nào cho thấy một thuyết động khả dĩ, trong lúc QCD, khuôn khổ lý thuyết của mô hình quark, chỉ có thể áp dụng trong phạm vi rất nhỏ hẹp của hiện tượng. Mặc những khó khăn đó, phần lớn các nhà vật lý vẫn còn đeo bám nơi ý niệm của những hạt cơ bản xây dựng nên vật chất, chúng đã bắt rễ sâu xa trong truyền thống khoa học phương Tây.

Phần lớn các phát triển đầy ấn tượng trong vật lý hạt, có lẽ, đã xảy ra gần đây trong thuyết ma trận S và phép Dung thông (xem chương 17 và 18), đó là thuyết không thừa nhận có một đơn vị nào là cơ bản mà tìm cách hiểu thiên nhiên một cách toàn thể thông qua tính chất tự tương thích của nó. Tôi đã nói rõ trong cuốn sách này là xem triết học dung thông là đỉnh cao của tư duy khoa học hiện nay và cũng đã nhấn mạnh đó là thuyết tới gần nhất với tư tưởng phương Đông, trong cả triết lý toàn thể và hình ảnh đặc biệt về vật chất. Đồng thời, nó cũng là cách tư duy rất khó cho nền vật lý, hiện nay chỉ có một số nhỏ nhà vật lý theo đuổi nó. Đối với phần lớn thành viên của cộng đồng vật lý thì triết học Dung thông quá xa lạ với cách suy nghĩ truyền thống để được trọng thị nghiêm túc, và sự thiếu trọng thị này cũng lan qua cho cả thuyết ma trận S. Điều kỳ lạ và nổi bật là, mặc dù những khái niệm cơ bản của thuyết này được tất cả nhà vật lý hạt sử dụng mỗi khi họ phân tích kết quả thí nghiệm phân tán và so sánh chúng với những tiên đoán lý thuyết, đến nay chưa có giải Nobel nào thừa nhận các nhà vật lý xuất sắc đã góp phần vào sự phát triển của thuyết ma trận S trong hai thập niên qua.

Sự thách thức lớn nhất đề ra cho thuyết ma trận S và Dung thông luôn luôn là quan tâm đến cấu trúc quark của hạt hạ nguyên tử. Mặc dù sự hiểu biết hiện nay của chúng ta về thế giới hạ nguyên tử loại bỏ sự hiện hữu của quark như hạt vật lý, không còn nghi ngờ gì tính đối xứng quark trong hadron sẽ được giải thích bằng một lý thuyết hoàn chỉnh về tương tác mạnh. Gần đây cách tiếp cận Dung thông không giải thích được những bất thường nổi bật đó, nhưng khoảng sáu mươi năm trở lại đây đã có một sự đột khởi trong thuyết ma trận S. Điều này đã được đúc kết trong Dung thông về hạt, thuyết này có thể giải thích các cấu trúc quan sát được của quark mà không cần giả định phải có sự hiện hữu của hạt quark lý tính. Hơn thế nữa, thuyết mới Dung thông làm sáng tỏ một số câu hỏi mà trước kia người ta không hiểu.

Để hiểu cốt tủy của sự phát triển mới này, ta cần làm rõ ý nghĩa của cấu trúc quark trong khuôn khổ của thuyết ma trận S. Trong mô hình quark thì hạt được hình dung chủ yếu như những trái banh bi-da, chúng chứa trong đó những trái banh bi-da nhỏ. Còn trong phép ma trận S, mang tính toàn thể và động, thì hạt là những cấu trúc năng lượng liên hệ với nhau trong một tiến trình vũ trụ đang vận hành; đang nối kết lẫn nhau, đang tương tác với nhau của những phần tử trong một tấm lưới vũ trụ không thể chia cắt. trong khuôn khổ như thế, từ cấu trúc quark nói đến thực tế là sự chuyển đổi năng lượng và dòng chảy của thông tin trong hệ thống biến cố phải đi theo những con đường được định nghĩa rõ ràng, đó là sinh ra Cái Hai liên hệ với Menson và Cái Ba liên hệ với Baryon. Đó là tính động tương tự như khi cho rằng hadron hàm chứa hạt quark. Trong thuyết ma trận S không có những đơn vị khác hẳn nhau và không có đơn vị xây dựng nào là cơ bản; chỉ có một dòng chảy của năng lượng cho thấy những cấu trúc được định nghĩa rõ ràng.

Thế thì, câu hỏi là làm sao những cấu trúc đặc trưng của quark xuất hiện được? Yếu tố then chốt của thuyết Dung thông mới là khái niệm về thứ bậc, nó là khía cạnh mới và quan trọng của vật lý hạt. Thứ bậc trong khung cảnh này là thứ bậc nằm trong tương quan của các tiến trình hạ nguyên tử. Có nhiều cách mà phản ứng hạt liên kết lẫn nhau và theo đó, người ta có thể định nghĩa nhiều loại thứ bậc. Ngôn ngữ của topology (công cụ toán học chuyên khảo sát một liên hệ) đã được các nhà toán học biết đến nhưng chưa bao giờ được áp dụng trong vật lý hạt - nay được sử dụng để phân loại thứ bậc được thể hiện trong khuôn khổ toán học của thuyết ma trận S, thì ngược lại, chỉ một ít thể loại của mối liên hệ có thứ bậc tương thích với tính chất của ma trận S đã biết. Các thể loại thứ bậc này rõ ràng là những cấu trúc quark đã được quan sát trong thiên nhiên. Thế nên, cấu trúc quark hiện ra, xem như biểu trưng của thứ bậc và nhất thiết phải tự tương thích, mà không cần phải giả định quark là phần cấu tạo hadron. 

Sự phát sinh của thứ bậc như một khái niệm mới và trung tâm của vật lý hạt không chỉ dẫn đến một sự đột phá trong thuyết ma trận S, mà còn có thể mở những con đường đi xa cho toàn bộ khoa học. Hiện nay, ý nghĩa của thứ bậc trong vật lý hạ nguyên tử vẫn còn như bí ẩn và chưa được khám phá hoàn toàn. Tuy thế, thật thú vị khi thấy rằng, cũng như ba nguyên lý của ma trận S, khái niệm thứ bậc đóng một vai trò cơ bản trong việctiếp cận khoa học với thực tại và là khái niệm then chốt của phương pháp quan sát. Thừa nhận thứ bậc xem ra là một khía cạnh chủ yếu của tư duy; mỗi sự nhận thức một cấu trúc, trong một nghĩa nhất định, là một sự nhận thức thứ bậc. Làm sáng tỏ khái niệm về thứ bậc trong lĩnh vực nghiên cứu, trong đó cấu trúc của vật chất và cấu trúc của tinh thần càng lúc càng được xem là phản ánh lẫn nhau, việc đó hứa hẹn sẽ mở ra những chân trời hấp dẫn của nhận thức.

Theo Geoffrey Chew, người tiên phong đề xuất ý niệm Dung thông và cũng là nhân tố đoàn kết cũng như nguyên thủ triết học trong thuyết ma trận S của hai thập niên qua, việc mở rộng của cách tiếp cận Dung thông qua sự mô tả hadron có thể đưa đến khả năng bất ngờ là buộc phải đưa ý thức con người vào hẳn trong lý thuyết tương lai về vật chất. Chew viết “Một bước đi tương lai như thế, sẽ vô cùng sâu sắc hơn mọi thứ đã đạt được liên quan tới Hadron - Dung thông...”. Sự cố gắng hiện nay của chúng ta với hadron - Dung thông chỉ là khái niệm đầu tiên cho một dạng hình hoàn toàn mới của một nỗ lực của tư duy con người. Từ khi ông viết những dòng này, hầu như mười lăm năm qua, sự phát triển mới của ma trận S đã đưa Chew tới gần một cách đáng kể với vai trò ý thức. Hơn thế nữa, ông không phải là nhà vật lý duy nhất của hướng đi này. Trong những nghiên cứu gần đây, một trong những phát triển hứa hẹn nhất là một thuyết mới được đề xuất bởi David Bohm, có lẽ là người đi xa hơn bất kỳ ai khác về việc nghiên cứu mối liên hệ giữa ý thức và vật chất trong khung cảnh khoa học. Phép tiếp cận của Bohm là tổng quát hơn và tham vọng hơn thuyết hiện nay của ma trận S và có thể được xem là một cố gắng để dung thông không gian - thời gian, nhằm suy ra một thuyết tương thích của lượng tử - tương đối.

Điểm xuất phát của Bohm là, như tôi đã trình bày trong chương 10, nội dung của một cái toàn thể không tách rời và ông nhìn các mối liên hệ liên thông mà chúng đã được nêu trong thí nghiệm EPR, là một khía cạnh chủ yếu của cái toàn thể đó. Các liên hệ liên thông bây giờ là nguồn gốc của các phát biểu có tính chất thống kê trong các định luật của vật lý lượng tử, thế nhưng Bohm còn muốn đi xa hơn tính xác suất và sự phát hiện ra thứ bậc, đó là điều mà ông tin là tự tính của mạng lưới liên hệ vũ trụ tại một lĩnh vực sâu xa, phi hình tướng. Ông gọi thứ bậc này là nội tại hay ràng buộc, thứ bậc mà trong đó các mối liên hệ của cái toàn thể không can dự gì với nơi chốn trong thời gian hay không gian, chúng cho thấy một tính chất ràng buộc hoàn toàn khác.

Bohm sử dụng hình ảnh ba chiều hologram (ảnh toàn ký) như một ẩn dụ cho thứ bậc nội tại, vì tính chất đặc biệt của hình ảnh này là mỗi phần của nó, trong nghĩa nhất định, chứa đựng cái toàn bộ. Nếu mỗi phần của hologram được chiếu sáng lên, thì toàn bộ hình ảnh sẽ tái hiện, mặc dù nó ít chi tiết hơn là hình ảnh của hologram toàn thể. Theo cách nhìn của Bohm, thế giới thực tại có cơ cấu của nguyên lý đó, tức là cái toàn thể bị ràng buộc trong mỗi phần của chính nó.

Bohm thừa nhận rằng, tất nhiên, sự tương đồng với hologram quá hạn chế để có thể sử dụng nó như một mô hình khoa học cho thứ bậc nội tại trong lĩnh vực hạ nguyên tử, và để phát biểu tính chất động chủ yếu của thực tại trong lĩnh vực này, ông đã gắn chữ holomovement (vận động toàn thể) xem là nền tảng của mọi đơn vị hiện tượng. Theo cách nhìn của Bohm thì holomovement là một hiện tượng động, từ đó mọi dạng của vũ trụ vật chất xuất ra. Mục đích của sự tiếp cận này là nghiên cứu thứ bậc ràng buộc trong holomovement, không phải thông qua cấu trúc vật thể, mà với cấu trúc của sự vận hành, nhờ thế mà đáp ứng được hai đòi hỏi của tính nhất thể và tính động của vũ trụ.

Theo Bohm không gian và thời gian đều là sắc thể, xuất phát từ holomovement mà ra; chúng cũng bị ràng buộc trong thứ bậc của chúng. Bohm tin rằng sự hiểu biết thứ bậc nội tại sẽ không chỉ dẫn đến một sự hiểu biết toàn diện hơn về xác suất trong vật lý lượng tử, mà còn cho phép ta suy ra những tính chất cơ bản của không gian - thời gian tương đối. Thế nên, thuyết về thứ bậc nội tại sẽ cung cấp một cơ sở chung cho cả hai thuyết lượng tử và tương đối.

Nhằm hiểu thứ bậc nội tại, Bohm cho rằng cần phải xem ý thức là môt đặc trưng chủ yếu của holomovement và phải đưa hẳn nó vào trong lý thuyết của mình. Ông xem tinh thần và vật chất là phụ thuộc lẫn nhau và tương thích với nhau, nhưng không nối nhau theo tính nhân quả. Cả hai đều là sự phản chiếu, ràng buộc lẫn nhau, của một thực tại cao hơn, thực tại đó không phải vật chất cũng chẳng phải ý thức.

Hiện nay, thuyết của Bohm vẫn còn nằm trong dạng thử nghiệm và mặc dù ông đã phát triển một dạng toán học gồm ma trận và topology, phần lớn những phát biểu của ông vẫn còn định tính hơn định lượng. Tuy thế, dù mới ở giai đoạn ban đầu, thuyết của ông về thứ bậc nội tại dường như tương cận với thuyết Dung thông của Chew. Cả hai tiếp cận này dựa trên thế giới quan chung của một mạng lưới động gồm toàn liên hệ; cả hai cho khái niệm thứ bậc nội tại dường như tương cận với thuyết Dung thông của Chew. Cả hai tiếp cận này dựa trên thế giới quan chung của một mạng lưới động gồm toàn liên hệ; cả hai cho khái niệm thứ bậc có một vai trò trung tâm; cả hai sử dụng ma trận để biểu diễn sự thay đổi và chuyển hóa và dùng topology để phân loại thứ bậc. Cuối cùng, cả hai tiếp cận này đều thừa nhận là ý thức có lẽ là khía cạnh chủ yếu của vũ trụ, nó cần được gắn vào trong lý thuyết của tương lai về hiện tượng vật lý. Một lý thuyết như thế có thể xuất phát từ sự hợp nhất hai thuyết của Bohm và Chew, nó sẽ đại diện cả hai tiếp cận sáng tạo nhất và mang tính triết học sâu xa về thực tại vật lý.