Ta có thể dễ dàng nhận thấy cách những nỗ lực trong khoa học mang lại kiến thức, vậy nhưng các nhà khoa học đạt được chân lý như thế nào? Đó là trăn trở của Curtis Brand qua câu hỏi sau

Tôi nói chuyện với một người bạn [là] nhà phân tích kinh tế, và định nghĩa cá nhân của anh về chân lý là khi điều gì đó có trên 51% xác suất xảy ra… Trong khoa học, có bao giờ ta thực sự chấp nhận điều gì là chân lý không, và nếu có, ta thường quyết định điều đó xứng đáng được coi là “thật” dựa trên những cơ sở nào?

Dưới góc độ khoa học, “chân lý” rất khác so với cách hiểu thông thường. Khác biệt đó như sau.

Hãy cùng xem xét tuyên bố sau: “Trái Đất tròn.” Nếu bạn không phải là một nhà khoa học (và cũng không tin là Trái Đất phẳng), chắc bạn sẽ nghĩ tuyên bố trên không thể bắt bẻ được, và chính xác về mặt khoa học. Trên thực tế, tuyên bố Trái Đất tròn là một kết luận có giá trị chính xác về khoa học và là một sự thật mang tính khoa học, ít nhất trong ngữ cảnh đặt Trái Đất tròn đối nghịch với Trái Đất phẳng.

Nhưng ở đây luôn có thêm sắc thái và lời cảnh báo. Nếu ta đo đường kính của Trái Đất dọc theo xích đạo, kết quả thu được sẽ là 7.926 dặm (12.756 km). Còn nếu ta đo đường kính Trái Đất dọc từ cực Bắc xuống cực Nam, giá trị thu được sẽ hơi khác là 7.900 dặm (12.712 km). Trái Đất không phải một khối cầu, mà là một khối gần giống khối cầu, phình tại xích đạo và dẹt tại hai cực.

Với một nhà khoa học, trường hợp trên thể hiện rõ nét những lời cảnh báo có liên quan tới các thuật ngữ như chân lý khoa học. Hiển nhiên tuyên bố Trái Đất có hình cầu sẽ chuẩn hơn là Trái Đất có hình đĩa hay hình tròn. Nhưng Trái Đất có hình cầu lại không phải chân lý tuyệt đối, vì đúng hơn thì Trái Đất có hình cầu dẹt. Và kể cả gọi Trái Đất là một khối cầu dẹt cũng không phải chân lý tuyệt đối.

Trái Đất có những đặc điểm bề mặt khác xa bề mặt trơn láng của khối cầu hay khối cầu dẹt. Bề mặt Trái Đất có các dãy núi, sông ngòi, thung lũng, cao nguyên, đại dương sâu, rãnh nứt, sơn tích, núi lửa và hơn thế nữa. Có những vị trí đất liền cao trên 29.000 ft (gần 9.000 m) so với mực nước biển, và có những nơi muốn chạm được đến mặt đất phải xuống sâu 36.000 ft (11.000 m) tính từ bề mặt đại dương.

Ví dụ trên nhấn mạnh một số phương diện quan trọng trong tư duy khoa học khác với cách tư duy thông thường.

Không có chân lý tuyệt đối trong khoa học; chỉ có các chân lý gần đúng.

Một tuyên bố, lý thuyết hay khung lý luận có chính xác hay không phụ thuộc vào các yếu tố định tính và mức độ chặt chẽ khi kiểm tra hay đo lường các kết quả.

Mọi lý thuyết khoa học có một giới hạn phạm vi hợp lệ: trong phạm vi, lý thuyết hoàn toàn chính xác, ngoài phạm vi, lý thuyết không còn đúng nữa.

Những điểm trên thể hiện khác biệt rất lớn giữa tư duy khoa học và tư duy thông thường về hiện thực và viễn tưởng, về chân lý và sai lầm, hay thậm chí là về đúng và sai.

Ví dụ, nếu thả một quả bóng xuống Trái Đất, ta có thể đặt các câu hỏi định lượng và khoa học về chuyển động của quả bóng. Cũng như mọi vật trên bề mặt Trái Đất, gia tốc rơi thẳng sẽ là 9,8 m/s2 (32 ft/s2). Đây là một câu trả lời tuyệt vời, vì nó gần chính xác.

Tuy nhiên, trong khoa học, ta có thể tìm hiểu sâu hơn và nhận ra ước tính trên không còn chính xác nữa. Nếu thực hiện thí nghiệm trên ở vị trí mực nước biển hay ở các vĩ độ khác nhau, kết quả thực tế cũng sẽ thay đổi: từ 9,79 m/s2 ở xích đạo tới 9,83 m/s2 ở hai cực. Ở các vĩ độ cao hơn, ta sẽ thấy gia tốc bắt đầu giảm dần. Và nếu ta ra khỏi lực hút của Trái Đất, ta sẽ nhận ra rằng quy tắc trên không hề phổ quát, và được thay thế bằng một quy tắc khác phổ quát hơn: định luật vạn vật hấp dẫn.

Định luật này nhìn chung lại càng chính xác. Ngoài khả năng lý giải mọi thành công trong việc mô hình hoá gia tốc Trái Đất thành một hằng số, định luật vạn vật hấp dẫn của Newton còn làm được nhiều hơn thế. Định luật này có thể mô tả những chuyển động quỹ đạo của các mặt trăng, hành tinh, tiểu hành tinh và sao chổi trong hệ mặt trời, cũng như đo trọng lượng của ta trên bất kỳ hành tinh nào. Định luật này cũng miêu tả chuyển động của các ngôi sao trong các thiên hà, và thậm chí còn cho phép ta dự đoán cách phóng tên lửa đưa con người đáp xuống Mặt Trăng, với các quỹ đạo chính xác đáng kinh ngạc.

Nhưng tới cả định luật của Newton cũng có những hạn chế. Khi ta di chuyển gần với tốc độ ánh sáng, hay đến thật gần một khối lượng cực lớn, hay muốn biết về những gì đang diễn ra ở quy mô vũ trụ (ví dụ như trường hợp Vũ Trụ đang tiếp tục giãn nở), Newton sẽ không giúp được đâu. Để làm được những điều này, ta phải thay thế định luật của Newton và chuyển tới Thuyết Tương đối của Einstein.

Để tính các quỹ đạo của các hạt di chuyển gần với tốc độ ánh sáng, hay để thu được các dự đoán rất chính xác về quỹ đạo của của Sao Thuỷ (hành tinh gần nhất và di chuyển nhanh nhất trong Hệ Mặt Trời), hay để giải thích sự bẻ cong trọng lực của ánh sao do Mặt trời (trong sự kiện nhật thực) hay một nhóm lớn khối lượng (ví dụ trong trường hợp thấu kính hấp dẫn ở trên) gây ra, lý thuyết của Einstein đưa ra kết quả chính xác, trong khi lý thuyết của Newton thì không. Trên thực tế, với mọi kiểm tra quan sát hay thử nghiệm ta đã thực hiện với Thuyết Tương đối, từ sóng hấp dẫn cho tới hiện tượng kéo hệ quy chiếu của chính không gian, học thuyết này đều vượt qua các thí nghiệm kiểm tra hết sức thành công.

Vậy có thể coi lý thuyết của Einstein về Thuyết Tương đối là một chân lý khoa học không?

Tất nhiên rồi, nếu như ta áp dụng lý thuyết này vào các trường hợp cụ thể như trên. Nhưng có những trường hợp ta có thể áp dụng thuyết này nhưng chưa được kiểm chứng đầy đủ, và ta hoàn toàn chắc rằng các dự đoán được đưa ra sẽ không chính xác về mặt định tính.

Ta có thể đặt ra nhiều câu hỏi về hiện thực. Những câu hỏi này yêu cầu ta phải hiểu các sự kiện đang xảy ra tại nơi trọng lực đóng vai trò quan trọng, hoặc nơi độ cong của không-thời gian cực kỳ mạnh – cũng chính là nơi ta muốn áp dụng lý thuyết của Einstein. Nhưng nếu các thước đo khoảng cách chúng ta đang nghĩ tới lại rất nhỏ, lúc này ta cần cân nhắc cả vai trò quan trọng của các hiệu ứng lượng tử, và Thuyết Tương đối không ứng dụng được thêm những yếu tố này, gồm các câu hỏi như dưới đây:

Điều gì sẽ xảy ra với trường hấp dẫn của một electron khi nó đi qua một khe đôi1?
Điều gì sẽ xảy ra với thông tin của các hạt tạo nên một lỗ đen, nếu lỗ đen cuối cùng sẽ bốc hơi thành bức xạ nhiệt2?
Và hành vi của lực/trường hấp dẫn tại và xung quanh điểm kì dị là gì?

Lý thuyết của Einstein sẽ không chỉ đưa ra các câu trả lời sai, mà còn không thể đưa ra câu trả lời hợp lý cho các chất vấn này. Trong các vùng khoa học này, ta biết rằng sẽ cần một lý thuyết nâng cao hơn, ví dụ như một lý thuyết hợp lệ về hấp dẫn lượng tử, để biết được các sự kiện sẽ diễn ra trong các hoàn cảnh tương ứng.

Đúng là các khối lượng trên bề mặt Trái Đất rơi xuống với gia tốc 9,8 m/s2, nhưng nếu như đặt các câu hỏi hay thực hiện các quan sát hoặc thí nghiệm phù hợp, ta có thể tìm ra địa điểm hay trường hợp mà mô tả hiện thực này không còn là tiệm cận phù hợp của chân lý. Các định luật Newton có thể giải thích hiện tượng này và nhiều hiện tượng khác, nhưng ta có thể khám phá các quan sát và thí nghiệm cho thấy chính định luật của Newton cũng chưa đầy đủ.

Thậm chí việc thay thế các định luật Newton bằng Thuyết Tương đối của Einstein cũng dẫn đến kết quả tương tự: Lý thuyết của Einstein có thể giải thích thành công mọi điều chứng minh được bằng lý thuyết của Newton, và còn giải thích được thêm các hiện tượng khác nữa. Trong đó, một số hiện tượng đã được biết tới trong lúc Einstein xây dựng lý thuyết của ông; còn những hiện tượng khác lúc đó chưa được kiểm nghiệm. Nhưng chúng ta có thể chắc chắn rằng kể cả thành tựu vĩ đại nhất của Einstein rồi một ngày cũng sẽ được thay thế. Và ta hoàn toàn trông đợi sự thay thế ấy cũng sẽ xảy ra như khi các lý thuyết của Newton bị Thuyết Tương đối thay thế.

Khoa học không phải là tìm kiếm chân lý tuyệt đối của Vũ Trụ. Mong muốn được biết bản chất nền tảng của hiện thực – từ các phép đo hạt hạ nguyên tử nhỏ nhất cho tới các phép đo quy mô vũ trụ lớn nhất và hơn thế nữa – có mãnh liệt đến đâu cũng không quan trọng. Đây không phải là thứ khoa học có thể đem lại được. Mọi chân lý khoa học của ta đều tạm thời, và ta phải công nhận rằng các chân lý chỉ là mô hình hay ước tính của hiện thực mà thôi.

Kể cả những lý thuyết khoa học thành công nhất trong sức tưởng tượng sẽ, trong nội tại, có hạn chế về phạm vi hợp lệ. Nhưng ta có thể lý luận về bất cứ điều gì ta muốn, và khi một lý thuyết mới thỏa mãn được ba tiêu chí:
1. đạt được mọi thành tựu của các lý thuyết hiện hành, sẵn có,
2. thành công ở những mảng mà lý thuyết hiện tại được biết rõ là đã thất bại,
và 3. đưa ra những dự đoán mới lạ, khác biệt với lý thuyết trước đây, vượt qua các kiểm tra quan sát hoặc thử nghiệm chính yếu, cho các hiện tượng đến ngày nay vẫn chưa đo lường được,
khi đó thì lý thuyết này sẽ thay thế lý thuyết hiện có và trở thành ước tính gần đúng nhất của một chân lý khoa học.

Mọi chân lý khoa học hiện tại, từ Mô hình Chuẩn của các hạt sơ cấp, cho tới Vụ Nổ Lớn, cho tới vật chất tối và năng lượng tối, cho tới vũ trụ giãn nở và hơn thế nữa, cũng chỉ là tạm thời. Các chân lý này mô tả Vũ Trụ vô cùng chính xác và thành công trong những vùng mà các khuôn khổ trước đã không làm được. Nhưng các chân lý này đều có những hạn chế về phạm vi áp dụng các hệ quả của chúng, cho đến một điểm mà các dự đoán đưa ra không còn hợp lý, hay không còn mô tả hiện thực nữa. Đây không phải là các chân lý tuyệt đối, mà là các chân lý gần đúng và tạm thời.

Không thí nghiệm nào có thể chứng minh một lý thuyết khoa học là đúng; ta chỉ có thể chứng minh có hoặc không thể mở rộng tính hợp lệ của chúng trong bất cứ vùng kiểm chứng nào. Thất bại của một lý thuyết thực ra lại chính là thành công tột đỉnh của khoa học: đây là cơ hội để khám phá một chân lý khoa học thậm chí còn đúng đắn hơn để ước tính hiện thực. Khi đó, ta mắc sai lầm, nhưng theo cách tuyệt vời nhất ta có thể tưởng tượng ra được.