MỤCLỤCGIỚITHIỆUCỦAVIETSCIENCESGIỚITHIỆUCỦANHÀXUẤTBẢN
LỜINÓIĐẦUCHƯƠNG1
LƯỢCSỬVỀTHUYẾTTƯƠNGĐỐICHƯƠNG2
HÌNHDÁNGCỦATHỜIGIANCHƯƠNG3
VŨTRỤTRONGMỘTVỎHẠTCHƯƠNG4
TIÊNĐOÁNTƯƠNGLAICHƯƠNG5
BẢOVỆQUÁKHỨCHƯƠNG6
TƯƠNGLAICỦACHÚNGTA?CÓTHỂLÀSTARTREKHAYKHÔNG?
CHƯƠNG7MÀNGVŨTRỤMỚI
THUẬTNGỮCHỈMỤC
GIỚITHIỆUCỦAVIETSCIENCES
Thờigiangầnđâycácngànhkhoahọcđặcbiệtngànhvậtlýđãlàmđượcmộtbướctiếnrấtdài.Kiếnthứccủangànhvậtlýđãkhôngcònrờirạc,xavờimànóđãdần trở thànhmộtkhoahọc thốngnhất.Các lý thuyếtđãvàđangkếtnốivớinhauthànhmộtbảntrườngca.Bảntrườngcanàykhôngchỉnhằmgiảithíchcácquanđiểmtriếthọccaosiêucủaconngườivớivũtrụmànólạicònthâmnhậpvàomọilĩnhvựcmọingõngáchứngdụngtrongđờisống.Một trongnhữngnhàvật lýnổibậtnhất sauNewtonvàEinstein sốngở
cuối thiên niên kỷ thứ hai của nhân loại không ai khác hơn là StephenHawking(sinhnăm1942).Ngoàinhữngđónggópvĩđạicủaôngtrongnỗlựcthốngnhấtcácquiluậtcủavậtlýthìôngcòncómộtkhảnăngtruyềnđạttưtưởngtuyệtvời.Cácsáchcủaôngviếtnhằmgiớithiệuvềtriếthọc,vậtlýcũngnhưvềvũtrụquansinhđộngvàdễhiểuđếnnỗicónhiềulầnnhữngsách này đã dược dịch ra nhiều thứ tiếng và chúng còn bán chạy hơn cảnhữngtiểuthuyếthayhohấpdẫnnhất.Vietsciencesxingiớithiệuvớicácbạntácphẩm“VũTrụTrongMộtVỏ
Hạt” của dịch giả Dạ Trạch từ nguyên bản Anh ngữ “The Universe in aNutshell”(2001).Vìlàngườilàmviệcnghiêncứutrongchuyênngànhvậtlý nên anhDạTrạch hiểu rất sâu, chính xác, và rõ ràng các tư tưởngmàHawkingnêuratrongcuốnsáchmớinàycủaông.ChúngtôitinrằngbảndịchViệtngữmàanhDạTrạchđãdàycôngdịch
thuậtsẽmangđếnchocácbạnđúngnhữngcảmgiácvàcáckiếnthứclýthú,hấpdẫn,bấtngờmàHawkingđãđemlạichohàngtriệuđộcgiảbằngtiếngmẹđẻlàAnhngữ.TrânTrọngVõQuangNhânVietsciences:http://vietsciences.free.fr
Ebookmiễnphítại:www.Sachvui.Com
GIỚITHIỆUCỦANHÀXUẤTBẢN
CuốnLượcsử thờigian (ABriefHistoryofTime), cuốn sáchđãbán rahàngtriệubảncủaStephenHawkingđãđưanhữngtưtưởngcủanhàvậtlýlýthuyếtthiêntàinàytớibạnđọctrêntoànthếgiới.Cònđây,tronglầnxuấtbảnnày,Hawkingtrởlạivớiphầntiếptheovớimộtcuốnsáchcórấtnhiềuhìnhminh họa hémởbímật về những khámphá quan trọng đã đạt đượctrongnhữngnămkểtừkhicuốnsáchđầutiêncủaôngrađời.VŨTRỤTRONGMỘTVỎHẠTMộttrongnhữngnhàtưtưởngvĩđạinhấtcủathờiđạichúngtalàStephen
Hawking, một biểu tượng của trí tuệ, ông được biết đến không chỉ quanhữngý tưởngbấtngờmàcònvìsự trongsángvà thôngminh trongcáchôngdiễngiảicácýtưởngđó.Cuốnsáchmớinàysẽđưachúngtađếnnhữngvấnđềmớinhấtcủavậtlýlýthuyết,ởđó,theonhữngnguyêntắcđiềukhiểnthếgiớicủangườibìnhthường,sựthậtcònkỳlạhơncảtrítưởngtượng.Giống như nhiều nhà vật lý lý thuyết khác, giáo sư Hawking đang tìm
kiếm điều cốt lõi của khoa học - “Lý thuyết về vạn vật” (Theory ofEverything) nằmở trái timcủavũ trụ.Với phong cáchdễ tiếp cậnvàhàihước,ôngđưachúngtavàolĩnhvựcnghiêncứuđểhémởnhữngbímậtcủavũ trụ- từhấpdẫnđếnsiêuhấpdẫn, từ lượng tửđến thuyết-M, từảnhđachiềuđến lưỡng tính.Ôngđưachúng tađếnbiêngiới củakhoahọc,ởđóthuyếtsiêudâyvàcácmàng-pcóthểlàđầumốicuốicùngchobàitoán.Ôngchophépchúngtađicùngmộttrongnhữngchuyếnthámhiểmtrítuệthúvịnhấtcủaôngkhiôngtìmcách“kếthợpthuyếttươngđốirộngcủaEinsteinvàýtưởnglấytổngtheocáclịchsửcủaFeynmanvàomộtlýthuyếtthốngnhấtmôtảtấtcảmọisựkiệnxảyratrongvũtrụ”.Vớilờivănđầynhiệthuyết,giáosưHawkingmờichúngtađitheobước
châncủanhữngnhàduhànhtrongkhôngthờigian.Cuốnsáchvớicáchìnhminhhọamàugiúplàmsángtỏchuyếnduhànhvàothếgiớisiêuthựccủacác hạt, các dây, cácmàng chuyển động trong không thời gianmườimộtchiềunày,ởđócáchốđenbốchơivàbiếnmấtvàmangnhữngbímậtđitheochúng;vàởđóhạtgiốngvũtrụnguyênthủymàtừđóvũtrụcủachúngtaxuấthiệnchínhlàmộtcáihạtnhỏbé.Vũtrụtrongmộtvỏhạtlàmộtcuốnsáchcầnthiếtvớitấtcảchúngtađể
hiểuvũtrụchúngtađangsống.Giốngnhưtậptrướccủacuốnsách-Lượcsửvềthờigian,cuốnsáchnàytruyềntảiđiềuthúvịtrongkhoahọckhicácbí
mậttựtiếtlộbảnthânchúng.
StephenHawkingnăm2001
LỜINÓIĐẦU
Tôi không ngờ cuốn sách khoa học phổ thốngLược sử về thời gian lạithànhcôngđếnthế.NónằmtrongdanhsáchnhữngcuốnsáchbánchạynhấtcủatờbáoSundayTimestronghơnbốnnăm,lâuhơnbấtkỳcuốnsáchbánchạykhác,vàđặcbiệtlàsáchvềkhoahọclạikhôngphảidễdànggì.Sauđó,mọingườihỏitôicótiếptụckéodàicuốnsáchđóhaykhông.TôitừchốivìtôikhôngmuốnviếtĐứaconcủalượcsửvềthờigianhayLịchsửdàihơnvềthờigianvàbởivì tôibận rộnvớicôngviệcnghiêncứu.Nhưng tôiđãnhậnrarằngcónhữngvấnđềchomộtloạisáchkháccóthểhiểumộtcáchdễ dàng.Lược sử về thời gian được viết theo kiểu trình tự, phải đọc cácchươngđầumớitiếptụccácchươngtiếp.Mộtsốngườithíchkiểuđọcnàynhưngmộtsốkhácnếubịtắcởcácchươngđầusẽkhôngbaogiờđọcnhữngphầnthúvịhơncủachươngtiếptheo.Ngượclại,cuốnsáchnàygiốngnhưmộtcáicây:chươngmộtvàhailàcáithânvàcácchươngsaulàcáccànhlá.Các cành lákháđộc lậpvớinhauvà có thể tómđược saukhiđọcxong
phầnthânchính.ChúngliênquanđếnnhữngvấnđềtôiđãnghiêncứutrongkhoảngthờigiantừsaukhixuấtbảncuốnLượcsửvềthờigianđếnnay.Dođóchúngmôtảnhữngvấnđềnóngbỏngnhấtcủakhoahọchiệnnay.Trongchươngmộttôicốtránhcấutrúctrìnhtự.Cácminhhọavàcácchúthíchchocáchìnhđược thểhiệnkháđộc lậpvới lờiviếtgiốngnhưLượcsửvề thờigian:ấnbảnminhhọaxuấtbảnnăm1996,cácthôngtinbổsungcungcấpthêmcơhộiđàosâuthêmchủđềđượcchươngsáchđềcập.Năm 1988, khi cuốn Lược sử thời gian ra đời thì Lí thuyết về tất cả
(Theory of Everything) vừamới được phát triển. Từ đó đến nay thì hiệntrạng thay đổi thế nào? Chúng ta đã tiến đến gầnmục đích của chúng tachưa?Cuốnsáchnàymôtả,từđóđếnnaychúngtađãđiđượcrấtxa.Nhưngquãngđườngphíatrướcvẫncòndàichưabiếtbaogiờcóthểkếtthúcđược.Nhưngnhưngườitathườngnói,đitronghyvọngtốthơnlàđếnđích.Mongmuốnkhámpháchínhlànhiênliệuchosựsángtạocủachúngta,khôngchỉtrongkhoahọc.Nếuchúngtađếnđíchthìtinhthầncủachúngtasẽteolạivàchết.Nhưngtôikhôngnghĩrằngchúngtachịudẫmchântạichỗ:chúngtasẽlàmtăngđộphứctạp,khôngtheochiềusâuthìchúngtacũnglàtheochiềurộngđanggiatăng.Tôimuốnchia sẻniềmvui sướngkhicác tạo raphátminhvàbức tranh
hiện thực đang hợp lại với nhau.Chi tiết về các công trìnhmang tính kỹ
thuậtnhưngtôitincácýtưởngchínhđượcchuyểntảimàkhôngcầnđếncáccôngcụtoánhọc.Tôihyvọngtôisẽthànhcông.Tôinhậnđượcnhiềusựgiúpđỡkhiviếtcuốnsáchnày.Tôiđặcbiệtmuốn
nhắcđếnThomasHertogvàNeelShearervìđãgiúpđỡsoạnthảocáchìnhvẽ,chúthích,thôngtinthamkhảo,AnnHarrisvàKittyFergusonvìchuẩnbịbảnthảo(đúnghơnlàcácfilemáytínhvì tấtcảnhữngđiềutôiviếtđềuởdướidạngđiệntử)PhilipDunnởBookLabvàMoonrunnerDesignvìchuẩnbịcáchìnhminhhọa.Ngoàiratôimuốncámơntấtcảnhữngngườiđãgiúpđỡ tôi có một cuộc sống bình thường và tiếp tục nghiên cứu khoa học.Khôngcóhọtôikhôngbaogiờcóthểviếtđượccuốnsáchnày.StephenHawkingCambridge,2/5/2001
CHƯƠNG1
LƯỢCSỬVỀTHUYẾTTƯƠNGĐỐI
Eisteinthiếtlậphailýthuyếtcănbảncủathếkỷhaimươi:Lýthuyếttươngđốirộngvàlýthuyếtlượngtửnhưthếnào?
AlbertEinstein,chađẻcủathuyếttươngđốihẹpvàthuyếttươngđốirộngsinhraởUlm,Đứcvàonăm1879.MộtnămsauđógiađìnhôngchuyểnđếnMunich,tạiđó,chaông-Hermanvàcậuông-Jacobkhởisựkinhdoanhvềđồ điện nhưng khôngmấy thành công. Einstein không phải là thần đồngnhưngcóngườichorằngônglàmộthọcsinhcábiệtởphổthôngthìlạilàmộtsựcườngđiệu.Năm1894côngviệclàmăncủachaôngbịđổbểnêngiađìnhchuyểnđếnMilan.Giađìnhquyếtđịnhôngnênởlạiđểhoànthànhbậchọcphổthông,nhưngôngkhôngthíchchủnghĩađộcđoáncủatrườnghọc
nên chỉ sau đómấy tháng ông đoàn tụ với gia đình ởÝ. Sau đó ông tốtnghiệpphổthôngởZurichvàtốtnghiệpđạihọctrườngBáchkhoaliênbangvàonăm1900.BảntínhhaytranhluậnvàvàáccảmvớiquyềnlựcđãkhôngmangchoôngmộtchângiáosưởtrườngBáchkhoaliênbangvàkhôngmộtgiáo sưnàocủa trườngmờiông làm trợgiảng,mà thờibấygiờđó làconđườngbìnhthườngđểtheođuổisựnghiệpkhoahọc.CuốicùngthìhainămsauôngcũngxoaysởđượcmộtviệcởVănphòngsángchếởBern.Ônglàmviệctạiđótrongthờigianôngviếtbabàibáo,trongđóhaibàiđãđưaôngtrởthànhnhàkhoahọchàngđầuthếgiớivàbắtđầuhaicuộccáchmạngvềtưtưởnglàmthayđổihiểubiếtcủachúngtavềkhônggian,thờigianvàbảnthânthựctạivàonăm1905.Gầncuốithếkỷthứ19,cácnhàkhoahọctinrằnghọgầnnhưđãmôtảvũ
trụmộtcáchtoànvẹn.HọchorằngkhônggianđượclấpđầybởimộtloạivậtchấtliêntụcgọilàÊ-te.Ánhsángvàcáctínhiệuvôtuyếnlàcácsónglantruyền trongê-tegiốngnhưsóngâmlan truyền trongkhôngkhí.Và tấtcảcácđiềucầnlàmchomộtlýthuyếthoànthiệnlàphépđochínhxácđểxácđịnhtínhđànhồicủaê-te.Thựcracácphépđonhưthếđãđượcxâydựnghoàn chỉnh tại phòng thí nghiệm Jefferson ở trường đại học Harvard màkhông dùng đếnmột cái đinh sắt nào để tránh làm nhiễu các phép đo từtrường yếu. Tuy vậy những người xây dựng hệ đo đã quên rằng các viêngạchnâuđỏxâynênphòngthínghiệmvàphầnlớncáctòanhàởHarvardđều chứamột lượng lớn sắt.Ngày nay các tòa nhà đó vẫn được sử dụng,nhưnghọvẫnkhôngchắclànếukhôngcócácđinhsắtthìsànthưviệncủatrườngcóthểnângđỡđượcsứcnặnglàbaonhiêu.
AlbertEinsteinnăm1920Vàocuốithếkỷ19,cácýtưởngtráingượcnhauvềsựcómặtcủaê-tebắt
đầuxuấthiện.Ngườitatinrằngánhsángchuyểnđộngvớimộttốcđộxác
địnhsovớiê-tevànếubạnchuyểnđộngcùnghướngvớiánhsángtrongê-tethìbạnsẽ thấyánhsángchuyểnđộngchậmhơn,vànếubạnchuyểnđộngngượchướngvớiánhsáng thìbạnsẽ thấyánhsángdichuyểnnhanhhơn.(hình1.1)
(Hình1.1)LÝTHUYẾTÊ-TECỐĐỊNH
Nếuánhsánglàsóngtrongmộtloạivậtchấtđànhồiđượcgọilàê-tethìvậntốccủaánhsángđốivớingườiởtrêntàuvũtrụchuyểnđộngngượchướngánhsáng(a)sẽnhanhhơnvậntốccủaánhsángđốivớingườitrongcontàuchuyểnđộngcùnghướngvớiánhsáng(b).
(Hình1.2)Ngườitakhôngthấysựkhácbiệtvềvậntốcánhsángtheocáchướngtrongmặtphẳngquỹđạocủatráiđấtvàhướngvuônggócvớimặtphẳngquỹđạođó.Vàmột loạt các thí nghiệm để chứngminh điều đó đã thất bại. Albert
MichelsonvàEdwardMorleycủa trườngkhoahọcứngdụngởCleveland,bangOhiođãthựchiệncácthínghiệmcẩnthậnvàchínhxácnhấtvàonăm1887.Họsosánhtốcđộánhsángcủahaichùmsángvuônggócvớinhau.Vìtráiđấttựquayquanhmìnhvàquayquanhmặttrờinêndụngcụthínghiệm
sẽdichuyểntrongê-tevớitốcđộvàhướngthayđổi.NhưngMichelsonvàMorleycho thấy rằngkhôngcósựkhácbiệtgiữahaichùmsángđó.Hìnhnhưlàánhsángtruyềnvớitốcđộnhưnhauđốivớingườiquansát,khôngphụthuộcvàotốcđộvàhướngcủangườichuyểnđộng.(hình1.3)
(Hình1.3)ĐOVẬNTỐCÁNHSÁNG
TronggiaothoakếMichenson-Morley,ánhsángtừnguồnsángđượctáchthànhhaichùmbằngmộtgươngbánmạ.Haichùmsángđitheohaihướngvuônggócvớinhausauđólạikếthợpthànhmộtchùmsángsaukhiđậpvàogươngbánmạmộtlầnnữa.Sựsaikhácvềtốcđộánhsángcủahaichùmsángđitheohaihướngcóthểlàmchocácđỉnhsóngcủachùmsángnàytrùngvớiđáysóngcủachùmsángkiavàchúngtriệttiêunhau.
Hìnhphải:sơđồthínghiệmđượcvẽlạitừsơđồđượcintrêntạpchíScientificAmericannăm1887.
DựatrênthínghiệmMichelson-Morley,mộtnhàvậtlýngườiAi-lentênlàGeorgeFitzgerald và nhà vật lý ngườiHàLan tên làHendrikLorentz giảthiếtrằngcácvậtthểchuyểnđộngtrongê-tesẽcolạivàthờigiansẽbịchậmđi.Sựcovàsựchậmlạicủađồnghồlàmchotấtcảmọingườisẽđođượcmột tốcđộánh sángnhưnhaukhôngphụ thuộcvàoviệchọchuyểnđộngnhưthếnàođốivớiê-te(GeorgeFitzgeraldvàHendrikLorentzvẫncoiê-telàmộtloạivậtchấtcóthực).Tuyvậy,năm1905,Eisteinđãviếtmộtbàibáochỉ ra rằngnếu người ta không thể biết đượcngười ta chuyểnđộng trongkhônggianhaykhôngthìkháiniệmê-tekhôngcòncầnthiếtnữa.Thayvàođó,ôngbắtđầubằngmộtgiảthuyếtrằngcácđịnhluậtkhoahọcxuấthiệnnhưnhauđốivớitấtcảnhữngngườiquansátchuyểnđộngtựdo.Đặcbiệtlà
họsẽđođượctốcđộánhsánhnhưnhaukhôngphụthuộcvàotốcđộchuyểnđộngcủahọ.Tốcđộcủaánhsángđộclậpvớichuyểnđộngcủangườiquansátvànhưnhautheotấtcảcáchướng.Ýtưởngnàyđòihỏiphảitừbỏýnghĩchorằngtồntạimộtđạilượngphổ
quátđượcgọilàthờigiancóthểđođượcbằngtấtcảcácđồnghồ.Thayvàođó,mỗi người cómột thời gian riêng của họ. Thời gian của hai người sẽgiốngnhaunếuhaingườiđóđứngyêntươngđốivớinhau,nhưngthờigiansẽkhácnhaunếuhaingườiđóchuyểnđộngtươngđốivớinhau.Giả thuyết này được khẳngđịnh bằng rất nhiều thí nghiệm, trong đó có
mộtthínghiệmgồmhaiđồnghồchínhxácbaytheohướngngượcnhauvòngquanhtráiđấtvàquaylạichothấythờigiancósailệchchútít.Giảthuyếtgợiýrằngnếuaiđómuốnsốnglâuhơnthìngườiđónênbayvềhướngđôngvìnhưthếthìtốcđộcủatráiđấtsẽbổsungvàotốcđộcủamáybay.Tuyvậycácbữaăntrênmáybaysẽrútngắncuộcsốngcủabạnnhiềuhơnnhiềulầnmộtphầnnhỏcủagiâymàbạncóđược.
(Hình1.4)Mộtphiênbảnvềnghịchlýanhemsinhđôi(hình1.5)đãđượckiểmtrabằngthựcnghiệm
từhaichiếcđồnghồchínhxácbayngượcchiềunhauvòngquanhTráiĐất.Khichúnggặpnhauthìđồnghồbayvềhướngđôngđãghilạithờigianngắnhơnchútít.
(Hình1.5)NGHỊCHLÝANHEMSINHĐÔI
Trongthuyếttươngđối,mỗingườiquansátsẽđothờigiankhácnhau.Điềunàycóthểdẫnđếnnghịchlýanhemsinhđôi(twinparadox).Mộtngườitrongcặpanhemsinhđôi(a)trongmộtphithuyềnthámhiểmkhônggian
chuyểnđộngvớivậntốcgầnbằngvậntốcánhsáng(c)trongkhingườianhemcủaanhta(b)vẫntrênmặtđất.Vìthờigiancủa(a)trongphithuyềnchậmhơnthờigiancủa(b)trêntráiđất.Nênkhi
người(a)trởvề(a2)anhtasẽthấyngườianhemcủaanhtatrêntráiđất(b2)giàhơnanhta.Mặcdùnócóvẻchốnglạicảmnhậnchungcủachúngta,rấtnhiềuthínghiệmchứngminh
trongkịchbảnnày,ngườiduhànhvũtrụsẽtrẻhơnngườicònlại.
(Hình1.6)Mộtphithuyềnđingangquatráiđấttừtráisangphảivớivậntốcbằngbốnphầnnămvận
tốcánhsáng.Mộtxungánhsángphátratừcabinvàphảnxạlạiởđầukia(a).Ngườitrêntráiđấtnhìnánhsángtrênphithuyền.Vìphithuyềnchuyểnđộngnênhaingười
sẽquansátkhoảngcáchmàánhsángđãđiđượckhiphảnxạlạikhôngbằngnhau(b).Vàvớihọthờigianmàánhsángdùngđểtruyềncũngkhôngbằngnhau,vìtheogiảthuyết
củaEinstein,tốcđộánhsánglànhưnhauđốivớitấtcảcácngườiquansátchuyểnđộngtựdo.Giả thuyết của Einstein cho rằng các định luật khoa học xuất hiện như
nhauđốivớitấtcảcácngườiquansátchuyểnđộngtựdolàcơsởcủathuyếttươngđối.Gọinhưvậyvìnóngụý rằngchỉcóchuyểnđộng tươngđối làquan trọng.Vẻ đẹp và sự đơn giản của giả thuyết này đã thuyết phục rấtnhiềucácnhà tư tưởng, tuynhiên,vẫncó rấtnhiềucácýkiến tráingược.Einsteinđãvứtbỏhaikháiniệmtuyệtđốicủakhoahọcthếkỷ19:đứngyêntuyệtđối-đạidiệnlàê-tevàthờigiantuyệtđốivàphổquátmàtấtcảcácđồnghồđođược.Rất nhiềungười thấy rằngđây làmột khái niệmkhôngbình thường.Họhỏi, giả thuyết ngụý rằng tất cảmọi thứ đều tươngđối,
rằngkhôngcómột tiêuchuẩnđạođức tuyệtđối?Sựbứt rứtnày tiếpdiễntrongsuốtnhữngnăm20và30của thếkỷ20.KhiEinsteinđược traogiảiNobelvàonăm1921vềmộtcôngtrìnhkémquantrọnghơncũngđượcôngchorađờivàonăm1905.Lúcđó,thuyếttươngđốikhôngđượcnhắcđếnvìnóvẫncòngâynhiềutranhcãi(đếnbâygiờ tôivẫnnhậnđượcvàibabứcthưhàng tuầnnói rằngEinsteinđã sai).Tuyvậy,hiệnnay, cácnhàvật lýhoàntoànchấpnhậnthuyếttươngđối,vàcáctiênđoáncủanóđãđượckiểmchứngtrongvôvànứngdụng.
(Hình1.7)Mộthệquảquantrọngcủathuyếttươngđốilàhệthứcgiữakhốilượngvà
nănglượng.Giả thiếtcủaEinsteinvề tốcđộcủaánhsánglànhưnhauđốivới tất cả cácngườiquan sát ngụý rằngkhôngcógì có thể chuyểnđộngnhanhhơnánhsáng.Nếutadùngnănglượngđểgiatốcmộtvậtnàođó,dùlàmộthạthaymộttàuvũtrụ,thìkhốilượngcủavậtđósẽgiatăngcùngvớitốcđộvàdođósẽkhócóthểgiatốcthêmđượcnữa.Takhôngthểgiatốcmộthạtđếntốcđộánhsángvì tacầnmộtnănglượnglớnvôcùngđểlàmđiềuđó.Khốilượngvànănglượnglàtươngđươngvàđiềuđóđượctổngkếttrongmộtphươngtrìnhnổi tiếngE=mc2 (hình1.7).Có lẽđây làphươngtrìnhvậtlýduynhấtmàchúngtacóthểnhìnthấynóđượcviếttrênđườngphố.MộttrongsốcáchệquảcủaphươngtrìnhtrênlàhạtnhâncủanguyêntửUraniumphânrãthành2hạtnhânnhỏhơncótổngkhốilượngnhỏhơnkhối lượngcủahạtnhânbanđầu, việcnày sẽgiải tỏamộtnăng lượngvôcùnglớn.(hình1.8)
(Hình1.8)NĂNGLƯỢNGLIÊNKẾTHẠTNHÂN
Hạtnhânđượctạothànhtừprotonvàneutronliênkếtvớinhaunhờlựchạtnhânmạnh.Nhưngkhốilượngcủahạtnhânluônnhỏhơntổngkhốilượngcủacácprotonvàneutronriênglẻtạonênchúng.Sựkhácnhauchínhlàmộtphépđonănglượngliênkếthạtnhânmàgiữhạtnhânlạivớinhau.NănglượngliênkếtnàycóthểđượctínhtừhệthứcEinstein:nănglượngliênkếthạtnhân
=∆mc2trongđó∆mlàsựkhácnhaugiữakhốilượnghạtnhânvàtổngcácthànhphần.Nógiảithoátmộtlượngnănglượngđủđểtạonênmộtsứccôngphákhổnglồ.
Vàonăm1939,khimàkhảnăngmộtcuộcchiếntranhthếgiớinữađanglờmờxuấthiện,mộtnhómcácnhàkhoahọcđãnhậnratầmquantrọngvàđãthuyếtphụcEinsteinvượtquasựlưỡnglựcủabảnthânđểđiềntêncủaôngvàomột bức thư gửiTổng thốngRoosevelt nhằm thúc giụcHoaKỳ khởiđộngchươngtrìnhnghiêncứuhạtnhân.
BứcthưtiênđoáncủaEinsteingửitổngthốngRooseveltnăm1939:“Trong thời gian bốn tháng qua, thông qua các công trình của Joliot ở Pháp cũng như
FermivàSzilardởHoaKỳ,chúngtacó thểxâydựngmộtphảnứnghạtnhânvớimộtkhốilượnglớnUranium,nhờđómàsinhramộtnguồnnănglượnglớn.Bâygiờ,chúngtacóthểlàmđiềunàytrongmộttươnglaigần.Mặcdùchưachắcchắn,nhưnghiệntượngmớinàycókhảnăngdẫnđếnviệc tạoracác
quảbomcósứccôngphácựclớn.”
ViệcnàydẫnđếndựánManhattanvàkếtquảcủanólà2quảbomnguyêntửđượcnémxuốngHiroshimavàNagasakivàonăm1945.MộtsốngườiđãđổtộichoEinsteinvềbomnguyêntửbởivìôngđãkhámpháramốiliênhệgiữa khối lượng và năng lượng; nhưng điều này giống như là đổ tội choNewtonđãgâyracácvụ tainạnmáybayvìđãpháthiện rađịnh luậthấpdẫn.Saucácbàibáogâychấnđộngvàonăm1905,Einsteintrởlênnổitiếntrên
thếgiới.Nhưngđếntậnnăm1909ôngmớiđượcmờivàolàmviệctạitrườngđạihọcZurichvàdođó,ôngcóthểtừbỏcôngviệcởvănphòngsángchếThụySỹ.HainămsauôngchuyểnsangđạihọcĐứcởPrague,nhưngôngquaytrởlạiZurichvàonăm1912,nhưnglầnnàyôngvềtrườngBáchkhoaliên bang.Mặc dù chủ nghĩa chống bài Do thái (anti-semitism) đang phổbiếnởchâuÂu,ngaycảởtrongcáctrườngđạihọc,nhưngôngvẫnlàmộttàisảnquýcủatrườngđạihọc.CónhiềuđềnghịlàmviệcđếntừViennavà
Utrecht, nhưng ông đã chấp nhận một vị trí ở Viện hàn lâm khoa họcPrussianởBerlinvìởđóôngkhôngphảiđảmnhiệmcôngviệcgiảngdạy.ÔngchuyểnđếnBerlinvàotháng4năm1914vàsauđóítlâuvợvàhaiconcủa ông cũng chuyển đến đó với ông. Cuộc hôn nhân của ông gặp nhiềusónggió,dovậy,vợvàcácconôngnhanhchóng trở lạiZurich.Mặcdầuthỉnhthoảngôngvẫntrởlạithămhọnhưngcuốicùngcuộchônnhâncủahọcũngtanvỡ.SauđóEinsteinlấymộtngườiemhọtênlàElsasốngởBerlin.Trongnhữngnămchiếntranhôngđãsốngđộcthânvàkhôngcóràngbuộcvềgiađình,cólẽchínhvìthếđâylàthờikỳthănghoanhấtcủaôngvềmặtkhoahọc.Mặcdầuthuyếttươngđốirấtphùhợpvớicácđịnhluậtđiệnvàtừnhưng
nó lại không tích hợp với định luật hấp dẫn của Newton. Định luật củaNewtonnóirằngnếumộtlượngvậtchấttrongmộtvùngcủakhônggianbịthayđổithìtrườnghấpdẫnmànótạoratrongtoànvũtrụcũngthayđổingaylậptức.Điềunàycónghĩalàngườitacóthểgửicáctínhiệunhanhhơnánhsáng(mâuthuẫnvớithuyếttươngđối);đểhiểutứcthờicónghĩalàgì,ngườitalạicầnđếnkháiniệmthờigiantuyệtđốivàphổquát,chínhđiềunàylạiloạibỏthờigiancánhân.Năm 1907, Einstein nhận ra khó khăn này khi ông còn làm việc ở văn
phòngsángchếởBern,nhưngphảiđếnkhiôngởPraguevàonăm1911ôngmớisuynghĩvềvấnđềnàymộtcáchnghiêmtúc.Ôngnhậnrarằngcómộtmối liênhệmật thiếtgiữagia tốcvà trườnghấpdẫn.Mộtngườinàođóởtrongmộtcáihộpđóngkínnhưlàtrongmộtcáithangmáychẳnghạnkhôngthểnhậnbiếtđượccáihộpđóđangđứngyêntrongtrườnghấpdẫncủatráiđấthayđangbịgiatốcbởimộttênlửatrongkhônggian(tấtnhiênlúcnàylàtrướckỷnguyêncủaStarTrek,vàEinsteinnghĩvềnhữngngườiđứngtrongthangmáyhơnlàvềnhữngcontàuvũtrụ).Nhưngngười takhôngthểgiatốchoặc rơi tự do lâuđược trong cái thangmáy trướckhi tai nạnxảy ra!(hình1.9)
(Hình1.9)Mộtngườiquansátđứngtrongmộtcáihộpkhôngthểnhậnrasựkhácnhaukhiđứngtrong
mộtchiếcthangmáytĩnhtrêntráiđất(a)hoặcbịgiatốcbởimộttênlửatrongkhônggiantựdo(b).Nếungườitatắtđộngcơcủatênlửa(c)cảmgiácsẽgiốngnhưtrongmộtchiếcthangmáyrơitựdoxuốngđất.NếutráiđấtphẳngthìtacóthểnóirằngquảtáorơixuốngđầuNewtonlà
dohấpdẫnhoặcNewtonvàbềmặttráiđấtbịgiatốclêntrên,haicáchnóitrênlàtươngđương(hình1.10).Sựtươngứnggiữagiatốcvàhấpdẫnkhôngsẽcònđúngkhitráiđấtlàhìnhcầu,tuyvậy-ngườiởmặtkiatráiđấtcóthểbịgia tốc theocácchiềungược lạinhưngvẫnđứngởnhữngkhoảngcáchkhôngđổivớinhau.(hình1.11)
NhưngkhiôngquaylạiZurichvàonăm1912,ôngđãcómộtbướcđộtphákhinhậnrarằngsựtươngứngđólàđúngnếuhìnhdángcủakhôngthờigianbịbẻcongchứkhôngthẳngnhưngườitavẫnnghĩchotớithờiđiểmđấy.Ýtưởng của ông là khối lượng và năng lượng đã làm cong không thời giantheomộtcáchcóthểxácđịnhđược.Cácvậtthểnhưlàquảtáohoặclàhànhtinhsẽcốgắngchuyểnđộngthẳngtrongkhôngthờigian,nhưngquỹđạocủachúng sẽ bị bẻ cong bởimột trường hấp dẫn do không thời gian bị cong.(hình1.12)
(Hình1.12)ĐỘCONGCỦAKHÔNGTHỜIGIAN
Giatốcvàhấpdẫnchỉcóthểtươngđươngvớinhaunếumộtvậtthểcókhốilượnglớnbẻcongkhôngthờigian,dođóbẻcongcảlộtrìnhcủacácvậtthểxungquanhnó.Nếutráiđấtphẳng(hình1.10)thìngườitacóthểgiảithíchbằngmộttronghaicáchtương
đươngsau:quảtáorơixuốngđầuNewtondolựchấpdẫnhoặcdoNewtongia tốc lênphíatrên.Sựtươngđươngnàykhôngcònđúngkhitráiđấthìnhcầu(hình1.11)vìnhữngngườiởmặtkiacủa tráiđất sẽrờixanhau.Einsteinđãgiảiquyếtbài toánnàybằngviệcgiả thiếtkhônggianvàthờigianbịcong.Với sự giúp đỡ của Marcel Grossmann, Einstein nghiên cứu lý thuyết
khônggianvàmặtphẳngcongdoGeorgeFriedrichRiemannpháttriểntrướcđó.Tuyvậy,Riemannnghĩrằngchỉcókhônggianbịbẻcong.Điềuđólàmcho Einstein nghĩ rằng không thời gian cũng bị bẻ cong. Einstein vàGrossmannđãviếtchungmộtbàibáovàonăm1913,trongđóhọđãđẩyýtưởngmàchúngtanghĩvềlựchấpdẫnchỉlànhữngbiểuhiệncủasựcongcủakhông thờigian.Tuyvậy,vìmột sai lầmdoEinsteingây ra (Einsteincũng rất con người và có thể nhầm lẫn), họ không thể tìm ra các phươngtrìnhliênhệđộcongcủakhônggianvớikhốilượngvànănglượngtrongđó.Einsteinvẫn tiếp tụcnghiêncứuvấnđềnàyởBerlin,khôngbịảnhhưởngbởicácvấnđềgiađìnhvàchủyếulàkhôngbịảnhhưởngbởichiếntranh,
chođếnkhiôngtìmthấycácphươngtrìnhđóvàotháng11năm1915.ÔngđãtraođổicácýtưởngcủaôngvớinhàtoánhọcDavidHilberttrongchuyếnthămtrườngđạihọcGottingenvàomùahènăm1915,vàHilbertcũngtìmracác phương trình tương tựmột cách độc lập trướcEinstein vài ngày.Tuynhiên,ngaycảbảnthânHilbertcũngthừanhận,tácquyềncủalýthuyếtmớilà thuộcvềEinstein.Ý tưởng liênhệhấpdẫnvớiđộcongcủakhông thờigianchínhlàcủaông.ĐâycũnglàmộtlờikhenchonướcĐứcvàothờiđiểmđókhicáccuộctraođổivàthảoluậnkhoahọccóthểdiễnramàkhôngbịảnh hưởng bởi chiến tranh.Điều này hoàn toàn trái ngược với kỷ nguyênĐứcquốcxã(Nazi)20nămsauđó.Lýthuyếtmớivềsựcongcủakhôngthờigianđượcgọilàthuyếttươngđối
rộng để phân biệt với lý thuyết ban đầu không có lực hấp dẫn đượcmọingườibiếtđếnvớicáitênlàthuyếttươngđốihẹp.Lýthuyếtnàyđượckhẳngđịnhtrongmộtthínghiệmrấtấntượngvàonăm1919,trongmộtcuộcthámhiểm của các nhà khoa học ngườiAnh về phía Tây châu Phi đã quan sátđượcđộlệchrấtnhỏcủaánhsángđếntừmộtngôisaođigầnmặttrờitrongquá trìnhnhật thực (hình1.13).Đây làmộtbằngchứng trực tiếpcho thấyrằngkhôngthờigianbịbẻcong,vànóđãkhíchlệsựthayđổilớnnhấtcủaconngườitrongnhậnthứccủachúngtavềvũtrụmàchúngtađangsốngtừkhiEuclidviếtcuốnsáchHìnhhọccơsởvàokhoảng300nămtrướcCôngnguyên.
(Hình1.13)ÁNHSÁNGBỊBẺCONG
Ánhsángtừcácngôisaođiđếngầnmặttrờilệchhướngdokhốilượngcủamặttrờilàmcongkhôngthờigian(a).Điềunàylàmdịchchuyểnvịtríbiểukiếncủangôisaokhinhìntừtráiđất(b).Hiệntượngnàycóthểquansátkhinhậtthực.Thuyết tươngđối rộngcủaEinsteinđãbiếnkhông thờigian từvai trò là
mộtkhungnền thụđộng trongđócáchiện tượngxảy ra trở thànhmột tácnhânchủđộngtrongchuyểnđộngcủavũtrụ.Điềuđódẫntớimộtbàitoánrấtlớnvàlàmốiquantâmhàngđầucủavậtlýởthếkỷ20.Vũtrụtrànđầyvậtchấtvàvậtchấtbẻcongkhôngthờigiantheomộtcáchlàmchocácvậtthể rơi vào nhau. Einstein thấy rằng các phương trình của ông không có
nghiệmmôtảmộtvũtrụtĩnhtạivàkhôngthayđổitheothờigian.Thayvìviệc từbỏmộtvũtrụvĩnhcửumàôngvàphầnlớnnhữngngườikháctin,ôngđãthêmvàomộtsốhạnggọilàhằngsốvũtrụmộtcáchkhiêncưỡng.Hằngsốnàylàmcongkhôngthờigiantheohướngngượclại,dođócácvậtthểsẽchuyểnđộngraxanhau.Hiệuứngđẩycủahằngsốvũtrụcóthểcânbằngvớihiệuứnghútcủavậtchất,chophépôngthuđượcmộtvũtrụtĩnhtại.Đâylàmộttrongnhữngcơmaybịmấtđángtiếcnhấttrongvậtlýthuyết.NếuEinsteindừnglạiởcácphươngtrìnhbanđầucủaông,ôngcóthểtiênđoánrằngvũtrụsẽgiãnnởhoặccolại.Khảnăngvũtrụthayđổitheothờigianchỉđượcxemxétmộtcáchnghiêmtúcchođếnkhicóđượcnhữngquansát thuđược từkính thiênvăn2,5mđặt trênđỉnhWilsonvàonhữngnăm1920.Nhữngquansátnàychothấyrằngcácthiênhàởcàngxanhauthìchuyển
độngraxanhaucàngnhanh.Vũ trụđanggiãnnởvớikhoảngcáchgiữa2thiênhàtăngdầntheothờigian(hình1.14).Pháthiệnnàyđãloạibỏsựcómặtcủahằngsốvũtrụđểcóđượcmộtvũtrụtĩnh.SaunàyEinsteinnóirằnghằngsốvũtrụlàsailầmlớnnhấtcủađờiông.Tuyvậy,ngàynay,ngườitathấyrằnghằngsốvũtrụhoàntoànkhôngphảilàmộtsailầm:nhữngquansátgầnđâysẽđượcmôtảtrongchương3gợiýrằngthựcralàcómộthằngsốvũtrụrấtnhỏ.
(Hình1.14)
Quansátvềcácthiênhàchỉrarằngvũtrụđanggiãnnở:khoảngcáchgiữahầuhếtcáccặpthiênhàđanggiatăng.Thuyếttươngđốirộngđãthayđổihoàntoànviệcbànluậnnguồngốcvà
sốphậncủavũ trụ.Mộtvũ trụ tĩnh tại có thể tồn tạimãimãihoặccó thểđượctạoravớihìnhdạnghiệnnaycủanótạimộtthờiđiểmtrongquákhứ.Tuy vậy, nếu bây giờ các thiên hà đang rời xa nhau, điều đó có nghĩa làtrong quá khứ chúng đã từng rất gần nhau.Khoảng 15 tỷ năm trước đây,chúngđãtừngchậplạivớinhauvàmậtđộrấtlớn.TrạngtháinàyđượcmộtlinhmụcCônggiáotênlàGeorgesLemaitre,ngườiđầutiênnghiêncứuvềnguồngốccủavũtrụgọilà“nguyêntửnguyênthủy”màngàynaychúngtagọilàvụnổlớn.
Kínhviễnvọng100-inchtạiđàiquansátMountWilson.DườngnhưEinsteinchưabaogiờnghiêncứuvụnổlớnmộtcáchnghiêm
túc.Rõrànglàôngnghĩrằngmôhìnhđơngiảnvềvũtrụgiãnnởđồngnhấtsẽkhôngđúngnếungườitatheodõichuyểnđộngcủacácthiênhàtrongquákhứvàrằngcácvậntốcbiêncủacácthiênhàcóthểlàmchochúngkhôngchạmvàonhau.Ôngnghĩrằngtrướcđóvũtrụởphacolạivàtrượtquanhauđểchuyểnsangphadãnnởhiệnnayvớimộtmậtđộ trungbình.Tuyvậy,bâygiờchúngtabiếtrằngđểchocácphảnứnghạtnhânởtrongvũtrụbanđầutạoramộtlượnglớncácnguyêntốnhẹmàchúngtaquansátđượcxungquanh,thìmậtđộcầnphảilớnhơn0.64tấn/cm3vànhiệtđộphảitrênmộttỷ
độ.Hơnnữacácquansátvềphôngvisóngchỉrarằngcóthểmậtđộđạtđến1026tấn/cm3.NgàynaychúngtabiếtrằngthuyếttươngđốirộngcuaEisteinkhôngchophépvũ trụ trượtquanhauđểđếnphadãnnởhiện tại.Nhưsẽđượcthảoluậntrongchương2,RogerPensosevàtôiđãcóthểchỉrarằngthuyếttươngđốirộngtiênđoánvũtrụbắtđầubằngmộtvụnổlớn.Dođó,lýthuyết của Einstein tiên đoán rằng thời gian, có sự khởi đầumặc dù ôngkhôngthíchýtưởngnàycholắm.ThậmchíEinsteincònmiễncưỡnghơn thừanhậnrằng thuyết tươngđối
rộngtiênđoánthờigiansẽkếtthúcđốivớicácngôisaonặngkhichúngởgiaiđoạncuốicủacuộcđờivàkhichúngkhôngcònđủnhiệtlượngđểcânbằng với lực hấp dẫn của bản thân chúng. Lực hấp dẫn này đang cố làmchúngnhỏđi.Einsteinnghĩrằng,cácngôisaonhưvậysẽkếtthúccuộcđờiởmộttrạngtháicuốicùng,nhưngngàynaychúngtabiếtrằngsẽkhôngcótrạng thái cuối cùng cho các ngôi sao có khối lượng lớn hơnhai lần khốilượngmặttrời.Cácngôisaonhưvậysẽtiếptụccolạichođếnkhichúngtrởthànhcáchốđen,nhữngvùngmàkhông thờigianbịbẻcongđếnnỗiánhsángkhôngthểthoátrakhỏiđóđược.(hình1.15)
(Hình1.15)Mộtngôisaolớncạnkiệtnguyênliệuhạtnhânsẽmấtđinhiệtlượngvàcolại.Độcongcủa
khônggiansẽtrởlênlớnđếnmứctạoramộthốđenmàánhsángkhôngthểthoátrađược.Thờigiankếtthúctronglònghốđen.Penrosevàtôichothấyrằngthuyếttươngđốirộngtiênđoánthờigiansẽ
kếtthúctrongmộthốđen,đốivớibảnthânngôisaovàđốivớimộtnhàduhànhvũtrụkhôngmaybịrơivàonó.Nhưngcảđiểmkhởiđầuvàkếtthúccủathờigianlànhữngnơimàcácphươngtrìnhcủathuyết tươngđốirộngkhôngthểđượcxácđịnh.Dođólýthuyếtkhôngtiênđoánđượccáigìthamgiavụnổlớn.MộtsốngườithấyrằngđâylàbiểuhiệnchotựdocủaChúasáng tạo thếgiới theobất lỳ cáchnàomàngàimuốn,nhưngnhữngngườikhác(trongđócótôi)cảmthấyrằngsựkhởiđầucủavũtrụcũngđượcđiềukhiểnbởicácđịnhluậtkhoahọcmàđiềukhiểnvũtrụtạicácthờiđiểmsau
khivũtrụhìnhthành.Chúngtađãđạtđượcmộtsốtiếnbộtrongvấnđềnày,nhưsẽđượcmôtảtrongchương3,nhưngchúngtavẫnchưahiểuhoàntoànnguồngốccủavũtrụ.Lý domà thuyết tương đối không còn đúng tại thời điểm vụ nổ lớn là
thuyếttươngđốikhôngtíchhợpđượcvớilýthuyếtlượngtử,mộtcuộccáchmạngkhácvềtưtưởngvàothờiđiểmđầuthếkỷ20.Bướcđầutiếntớithuyếtlượngtửđượcthựchiệnvàonăm1900,khiMaxPlankởBerlinkhámphárarằngbứcxạphát ra từcácvật thểnóngđỏcó thểđượcgiải thíchnếuánhsángchỉcóthểđượcphátrahoặcbịhấpthụtheonhữnglượngrờirạcđượcgọi làcác lượng tử(quanta).Một trongsốcácbàibáocáchmạngcủaôngđượcviếtnăm1905,khiôngcònlàmviệcởvănphòngsángchế,Einsteinđãchứngminh rằnggiả thuyết lượng tửcủaPlankcó thểgiải thíchmộthiệuứnggọilàhiệuứngquangđiện,tronghiệuứngnày,cáckimloạisẽphátracácđiệntửkhibịánhsángchiếuvào.Hiệuứnglàlàcơsởcủacácđầuthuánh sángvàvô tuyến, và cũngnhờcông trìnhnàyEinsteinđược traogiảiNobelvậtlý.Einsteintiếptụcnghiêncứulýthuyếtlượngtửchođếnnhữngnăm1920,
nhưngôngrấtbănkhoănvềcôngtrìnhcủaHeisenbergởCopenhagen,PaulDiracởCambridgevàErwinSchrodingerởZurich, đó lànhữngngườiđãpháttriểnmộtbứctranhmớivềthựctạiđượcgọilàcơhọclượngtử.Nhữnghạt tí honkhông còn cóvị trí và tốcđộ chínhxácnữa.Thayvàođó, nếungườitaxácđịnhvịtrícủahạtcàngchínhxácbaonhiêuthìngườitacàngkhóxácđịnhvậntốccủanóbấynhiêuvàngượclại.Einsteinrấtkhóchịuvềnhữngyếu tốngẫunhiên,bấtđịnh trongcácđịnh luậtcơbảnvàôngchưabaogiờchấpnhậnhoàn toàncơhọc lượng tử.Suynghĩcủaôngđược thểhiệntrongcâuchâmngôn“chúakhôngchơitròxúcsắc”.Tuyvậy,phầnlớncácnhàkhoahọcchấpnhậntínhđúngđắncủalýthuyếtlượngtửmớinàybởivìchúngđãgiảithíchđượcmộtloạtcáchiệntượngkhóhiểutrướcđóvàrấtphùhợpvớicácquansát.Cácquyluậtlượngtửlàcơsởchosựpháttriểncủahóahọc,sinhhọcphântử,vàđiệntửhiệnđạivàlàcơsởchonềncôngnghệđãthayđổithếgiớitrong50nămqua.Tháng12năm1932,nhậnthấyĐứcquốcxãvàHitlersắplênnắmquyền,
EisteinrờinướcĐứcvà4thángsauđóôngtừbỏquyềncôngdânđểgiànhtrọn 20 năm cuộc đời còn lại của mình cho Viện nghiên cứu cấp cao ởPrinceton,bangNewJersey.
AlbertEinsteincùngconrốimôphỏngchínhôngngaysaukhiđếnHoaKỳđịnhcưlâudài.ỞĐức,đảngquốcxãđãtiếnhànhmộtchiếndịchchốnglại“khoahọcDo
thái”vàvìrấtnhiềucácnhàkhoahọcĐứclàngườiDothái,nênđâycũnglàmộtnguyênnhân làmchongườiĐứckhôngchế tạođượcbomnguyên tử.Einsteinvàthuyếttươngđốicủaônglàđốitượngchínhcủachiếndịchnày.Khiđượchỏivềmộtcuốnsáchđượcxuấtbảnvớitiêuđề100tácgiảchốnglạiEinstein thìôngtrảlời:“Tạisaolạimộttrăm?Nếutôisaithìmộtcũngđủ”.Sau thếchiếnhai,ôngthúcgiụccácnướcđồngminhthiết lậpmột tổchứcquốctếkiểmsoátbomnguyêntử.Năm1948,ôngđượcmờilàmtổngthốngcủanhànướcIsraelnon trẻnhưngôngđã từchối.Một lầnôngnói:“chínhtrịlànhấtthời,chỉcócácphươngtrìnhmớilàvĩnhcửu”.Cácphươngtrình thuyết tươngđối củaEinstein là tấmbia ghi nhận công lao củaông.Chúngsẽtồntạimãimãicùngvũtrụ.Trongvàitrămnămqua,thếgiớiđãthayđổinhiềuhơnbấtkỳthếkỷnào
trướcđó.Nguyênnhânkhôngphảilàcácthànhtựuvềkinhtếhaychínhtrịmàlàsựpháttriểnvượtbậcvềcôngnghệđượcxâydựngtrênnềnkhoahọccơbản.VậythìaixứngđánglàbiểutượngchosựtiếnbộđóhơnEinstein?
CHƯƠNG2
HÌNHDÁNGCỦATHỜIGIAN
ThuyếttươngđốirộngcủaEinsteinchothờigianmộthìnhdángNócóthểtíchhợpvớithuyếtlượngtửnhưthếnào?
Thờigianlàgì?Mộtbàithánhcanói:thờigianlàmộtluồngchảyvôtậncuốntheobaomơướccủachúngta.Nócóphảilàmộttuyếnđườngrayxelửahaykhông?Cóthểthờigiancónhữngvònglặpvàphânnhánhvànhờđóchúng ta có thểđi tớivà lại còncó thểquay lạimộtganào trướcđó trênđườngray.(hình2.1)Mộttácgiảthếkỷ19tênlàCharlesLambviết:“Khôngcógìlàmtôibối
rốihơnthờigianvàkhônggian,bởivìtôichưabaogiờnghĩvềnó”.Hầuhết
mọingườitrongchúngtachẳngmấtthìgiờbậntâmvềthờigianvàkhônggian,chúnglàgìcũngđược,nhưngđôilúctấtcảchúngtatựhỏithờigianlàgì,nóbắtđầuthếnàovànóđangdẫnchúngtavềđâu.Theotôi,bấtkỳmộtlýthuyếtmangtínhkhoahọcnàovềthờigianhoặcvề
bấtkỳmộtkháiniệmnàokhácđềudựatrênmộttriếtlýkhoahọchiệuquảnhất:phươngphápthựcchứng(positivism)donhàtriếthọcKarlPoppervàcộngsựđưara.Theophươngpháptưduynàythìmộtlýthuyếtkhoahọclàmộtmôhìnhtoánhọcmôtảvàgiảimãcácquansátmàchúngtathuđược.Mộtlýthuyếttốtsẽmôtảđượcnhiềuhiệntượngdựatrênmộtsốítcácgiảthiếtvàsẽtiênđoánđượccáchiệntượngcóthểkiểmchứngđược.Nếucáctiênđoánphùhợpvới thựcnghiệm thì lý thuyết đó sẽ vượt quađượcđợtkiểm chứng mặc dù có thể người ta không bao giờ chứng minh rằng lýthuyếtđó làchínhxác.Mặtkhác,nếucác lý thuyếtđókhôngphùhợpvớicác tiênđoánthìchúngtacần loạibỏhoặcsửađổi lý thuyết(ítnhấtđó lànhữngđiềucầnxảyra.Trênthựctế,ngườitathườngđặtcâuhỏivềđộchínhxáccủacácquansátvàkhíacạnhđạođứccủanhữngngười thựchiệncácquansátđó).Nếungườitađứngtrênquanđiểmthựcchứnggiốngnhưtôithìngườitakhôngthếnóithựcsựthờigianlàgì.Tấtcảnhữngviệcmàngườitacóthểlàmôtảcácsựkiệnđãđượctìmraphùhợptốtvớicácmôhìnhtoánhọcvềthờigianvàtiênđoáncácsựkiệnmới.
IsaacNewtonđãxuấtbảnmôhìnhtoánhọcvềkhônggianvàthờigiancáchđâyđã300năm.
IsaacNewtonđãchochúngtamôhìnhtoánhọcđầutiênvềthờigianvàkhônggiantrongcuốnCácnguyênlýtoánhọc(PrincipiaMathematica),xuấtbản năm 1687.Newton từng giữ ghế giáo sưLucasian tại trường đại họcCambridge,vị trímà tôiđanggiữhiệnnay,mặcdù, lúcđóchiếcghếcủaNewtonkhôngđượcđiềukhiểnbằngđiệnnhưcủatôi!TrongmôhìnhcủaNewton, thời gian và không gian là khung nền cho các sự kiện xảy ra vàkhônggianvàthờigiankhônglàmảnhhưởngđếncácsựkiệnxảyratrongđó.Thờigiantáchbiệtkhỏikhônggianvàđượccoilàđơntuyến,hoặcđượccoilàđườngraytàuhỏadàivôtậntheohaihướng(hình2.2).Bảnthânthờigianđượcxemlàvĩnhcửutheonghĩanóđãtồntại,vànósẽtồntạimãimãi.Nhưngngượclại,phầnlớnmọingườiđềunghĩrằngvũtrụvớitrạngtháigầngiốnghiệntạiđượcsángtạocáchđâyvàingànnăm.ĐiềunàylàmcácnhàtriếthọcvínhưImmanuelKant,mộtnhàtưtưởngngườiĐức,trăntrở.Nếuthựcsựvũ trụđượcsáng tạo tạimột thờiđiểmthì tạisao lạiphảiđợimộtkhoảngthờigianvôtậntrướcđó?Mặtkhác,nếuvũtrụtồntạimãimãithìtạisaonhữngsựkiệnsẽxảyratrongtươnglailạikhôngxảyratrongquákhứ,ngụýlịchsửđãkếtthúc?Đặcbiệtlà,tạisaovũtrụlạikhôngđạtđếntrạngtháicânbằngnhiệttrongđómọivậtđềucócùngnhiệtđộ?Kant gọi vấn đề này là một “sự tự mâu thuẫn của lý tính thuần túy”
(antinomyofpurereason),bởivìdườngnhưđólàmộtmâuthuẫnlô-gíc;nó
khôngcó lờigiải.Nhưngnóchỉ làmộtmâu thuẫn trongbối cảnhcủamôhìnhtoánhọccủaNewton, trongđóthờigianlàmộtđườngthẳng,độclậpvớicácsựkiệnxảyratrongvũtrụ.Tuynhiên,nhưchúngtađãthấytrongchương1,Einsteinđãđềxuấtmộtmôhìnhtoánhọchoàntoànmới:thuyếttươngđốirộng.KểtừkhibàibáocủaEinsteinrađời,chúngtađãbổsungmộtvàisửađổinhưngmôhìnhvềkhônggianvàthờigianvẫndựatrênmôhìnhmàEinsteinđãđềxuất.Chươngnàyvàcácchươngsausẽmôtảcáctưtưởngcủachúng tađãphát triểnnhưthếnàokể từkhibàibáocáchmạngcủaEinstein.Đólàcâuchuyệnvềthànhcôngcủarấtnhiềungười,vàtôitựhàođãđónggópmộtphầnnhỏcôngsứcvàocâuchuyệnđó.Thuyếttươngđốirộngđãkếthợpchiềuthờigianvớibachiềucủakhông
gianđểtạothànhcáigọilàkhôngthờigian(spacetime-hình2.3).Lýthuyếtgiảithíchhiệuứnghấpdẫnlàsựphânbốcủavậtchấtvànănglượngtrongvũtrụlàmcongvàbiếndạngkhôngthờigian,dođókhôngthờigiankhôngphẳng. Các vật thể trong không thời gian cố gắng chuyển động theo cácđườngthẳng,nhưngvìkhôngthờigianbịcongnêncácquĩđạocủachúngbịcongtheo.Cácvậtthểchuyểnđộngnhưthểchúngbịảnhhưởngbởitrườnghấpdẫn.
(Hình2.3)HÌNHDÁNGVÀHƯỚNGCỦATHỜIGIAN
ThuyếttươngđốicủaEinstein-lýthuyếtphùhợpvớirấtnhiềuthựcnghiệm-chothấyrằngthờigianvàkhônggianliênhệchặtchẽvớinhau.Người takhông thểbẻcongkhônggianmàkhôngảnhhưởngđến thờigian.Dođó, thời
giancómộthìnhdáng.Tuyvậy,dườngnhưnóchỉcómộthướnggiốngnhưcácđầumáyxelửatronghìnhminhhọaởtrên.
Mộtcáchhìnhdungthôthiển,khôngthờigiangiốngnhưmộttấmcaosu.Khitađặtmộtviênbilớntượngtrưngchomặttrờilêntấmcaosuđó.Trọnglượngcủaviênbisẽkéotấmcaosuvàlàmchonóbịconggầnmặttrời.Nếubâygiờtalăncácviênbinhỏlêntấmcaosuđóthìchúngsẽkhônglănthẳngqua chỗ viên bi lớnmà thay vào đó chúng sẽ di chuyển xung quanh nó,giốngnhưcáchànhtinhchuyểnđộngxungquanhmặttrời.hình2.4)
(Hình2.4)TẤMCAOSUVŨTRỤ
Hònbilớnởtrungtâmđạidiệnchomộtvậtthểnặngnhưlàmộtngôisao.Khốilượngcủanólàmcongtấmcaosuởxungquanh.Nhữnghònbikháclăntrêntấmcaosusẽbịảnhhưởngbởiđộcongvàchuyểnđộngxungquanhhònbilớn,cáchànhtinhtrongtrườnghấpdẫncủamộtngôisaocũngchuyểnđộngxungquanhnógiốngnhưtrên.Sựhìnhdungđókhônghoàntoànđúngbởivìchỉmộtphầnhaichiềucủa
khônggianbị bẻ cong,và thờigiankhôngbị biếnđổigiốngnhư trong lýthuyếtcủaNewton.Trongthuyếttươngđốirộng,lýthuyếtphùhợpvớirấtnhiều thực nghiệm, thời gian và không gian gắn liền với nhau. Người takhôngthểlàmcongkhônggianmàkhônglàmbiếnđổithờigian.Dođóthờigiancómộthìnhdáng.Bằngcáchlàmcongkhônggianvàthờigian,thuyếttươngđốiđãbiếnchúngtừkhungnềnthụđộngmàtrongđócácsựkiệnxảyra thành tácnhânnăngđộng thamgiavàocácsựkiệnđó.Trong lý thuyếtcủaNewtonthờigiantồntạiđộclậpvớitấtcảmọisựvậtkhác,tacóthểhỏi:
Chúađãlàmgìtrướckhisángtạoravũtrụ?NhưthánhAugustintrảlờirằng,takhôngnênnóiđùavềđiềuđó,nếucóaitróthỏivậythìôngtrảlời“Ngàiđãchuẩnbịđịangụcchonhữngkẻquátòmò”.Đólàmộtcâuhỏinghiêmtúcmàconngườisuynghĩtrongnhiềuthếkỷ.TheothánhAugustin, trướckhiChúatạothiênđườngvàtráiđất,Ngàikhônglàmgìcả.Thựcraýtưởngnàyrấtgầnvớicáctưtưởnghiệnđại.
ThánhAugustine,nhàtưtưởngthếkỷthứnămchorằngthờigiankhôngtồntạitrướckhithếgiớirađời.
Trongthuyếttươngđốirộng,khôngthờigianvàvũtrụkhôngtồntạiđộclậpvớinhau.Chúngđượccácđịnhbằngcácphépđotrongvũtrụnhưlàsốcácdaođộngcủatinhthểthạnhanhtrongđồnghồhoặcchiềudàicủamộtcáithước.Trongvũtrụthờigianđượcđịnhnghĩanhưthếnàycũnglàđiềudễhiểu,nócầncómộtgiátrịbénhấtvàlớnnhất-haynóicáchkhác,cómột
sựkhởiđầuvàkếtthúc.Việchỏicáigìđãxảyratrướckhithờigianbắtđầuvàcáigìsẽxảyrasaukhithờigiankếtthúclàvônghĩavìlúcđónókhôngđượcxácđịnh.Việcxácđịnhmôhìnhtoánhọccủathuyếttươngđốirộngtiênđoánvũtrụ
vàbảnthânthờigiancóbắtđầuhaykếtthúchaykhônghiểnnhiênlàmộtvấnđềquantrọng.ĐịnhkiếnchorằngthờigianlàvôtậntheohaihướnglàphổbiếnđốivớicácnhàvậtlýlýthuyếttrongđócóEinstein.Mặtkhác,cónhiềucâuhỏirắcrốivềsựsángthế,cáccâuhỏinàycóvẻnằmngoàiphạmvi nghiên cứu của khoa học. Trong các nghiệm của các phương trình củaEinstein,thờigiancóbắtđầuvàcókếtthúc,nhưngtấtcảcácnghiệmđóđềurấtđặcbiệt,cónhiềuphépđốixứng.Ngườitađãchorằng,trongmộtvậtthểđangsuysụpdướilựchấpdẫncủachínhbảnthânnó,thìcácáplựchoặccácvậntốcbiên(sideway)tránhchovậtchấtkhôngcùngnhaurơivàomộtđiểmmàởđómậtđộvậtchấtsẽtrởnênvôhạn.Tươngtựnhưthế,nếungườitatheodõisựdãnnởcủavũtrụtrongquákhứ,ngườitasẽthấyrằngvậtchấtcủavũtrụkhôngxuấtpháttừmộtđiểmcómậtđộvôhạn.Mộtđiểmcómậtđộvôhạnnhưvậyđượcgọilàmộtđiểmkỳdịvànólàđiểmkhởiđầuvàkếtthúccủathờigian.Năm 1963, hai nhà khoa học người Nga là Evgenii Lifshitz and Isaac
KhalatnikovkhẳngđịnhđãchứngminhtấtcảcácnghiệmcủaphươngtrìnhcủaEinsteincho thấyvậtchấtvàvận tốcđượcsắpxếpmộtcáchđặcbiệt.Xácxuấtđểvũtrụsắpxếpđặcbiệtnhưthếgầnnhưbằngkhông.Hầuhếttấtcảcácnghiệmbiểudiễntrạngtháicủavũtrụđềutránhđượcđiểmkỳdịvớimậtđộvôhạn:trướcphagiãnnở,vũtrụcầnphảicómộtphacolạitrongđóvật chất bị kéovàonhaunhưngkhôngva chạmvới nhau sauđó rời nhautrongphagiãnnởhiệnnay.Nếuđúngnhưthếthìthờigianliêntụcmãimãitừvôtậntrongquákhứtớivôtậntrongtươnglai.LuậncứcủaLifshitzvàKhalatnikovkhông thuyếtphụcđược tất cảmọi
người.Thayvàođó,RogerPenrosevà tôiđãchấpnhậnmộtcách tiếpcậnkhác không dựa trên nghiên cứu chi tiết các nghiệm của phương trìnhEinstein mà dựa trên một cấu trúc bao trùm của không thời gian. Trongthuyếttươngđối,khôngthờigiankhôngchỉbịcongbởikhốilượngcủacácvậtthểmàcònbịcongbởinănglượngtrongđónữa.Nănglượngluônluôndương,dođókhôngthờigianbịuốncongvàbẻconghướngcủacáctiasánglạigầnnhauhơn.
(Hình2.5)NÓNÁNHSÁNGQUÁKHỨCỦACHÚNGTA
Khichúngtanhìncácthiênhàxaxôi,chúngtađangnhìnvũtrụtrongquákhứvìánhsángchuyểnđộngvớivậntốchữuhạn.Nếuchúngtabiểudiễnthờigianbằngtrụcthẳngđứngvàhaitrongbachiềucủakhônggianbằngtrụcnằmngangthìnhữngtiasángđếnvớichúngtangàynaynằmởđỉnhnón.
Bây giờ chúng ta xem xét nón ánh sáng quá khứ (hình 2.5), đó là cácđườngtrongkhôngthờigianmàcác tiasángtừcác thiênhàxaxôiđiđếnchúngtahômnay.Tronggiảnđồthểhiệnnónángsáng,thờigianđượcbiểudiễnbằngphương thẳngđứngvàkhônggianđượcbiểudiễnbằngphươngnằmngang,vịtrícủachúngtatrongđólàởđỉnhcủanónángsángđó.Khichúngtađivềquákhứ,tứclàđitừđỉnhxuốngphíadướicủanón,chúngta
sẽthấycácthiênhàtạicácthờiđiểmrấtsớmcủavũtrụ.Vìvũtrụđanggiãnnởvàtấtcảmọithứđãtừngởrấtgầnnhau,nênkhichúngtanhìnxahơnvềquákhứthìchúngtađangnhìnlạivùngkhônggiancómậtđộvậtchấtlớnhơn. Chúng ta quan sát thấy một phông bức xạ vi sóng (microwavebackground)lantớichúngtadọctheonónánhsángquákhứtừcácthờiđiểmrấtxaxưakhimàvũtrụrấtđặc,rấtnónghơnbâygiờ.Bằngcáchđiềukhiểncácmáyđovềcáctầnsốvisóngkhácnhau,chúngtacóthểđođượcphổcủabứcxạnày(sựphânbốcủanănglượngtheotầnsố).Chúngtađãtìmthấymộtphổđặctrưngchobứcxạtừmộtvậtthểvớinhiệtđộ2,7độK.Bứcxạvisóngnàykhôngđủmạnhđểlàmnóngchiếcbánhpiza,nhưngphổnàyphùhợpmộtcáchchínhxácvớiphổcủabứcxạtừmộtvậtcónhiệtđộ2,7độK,điềuđónóivớichúngtarằngbứcxạcầnphảiđếntừcácvùngcóvậtchấtlàmtánxạvisóng.(hình2.6)
(Hình2.6)KẾTQUẢPHÉPĐOPHỔPHÔNGVISÓNG
Phổ(phânbốcườngđộtheotầnsố)củabứcxạphôngvisónggiốngphổphátratừmộtvậtnóng.Đốivớibứcxạtrongtrạngtháicânbằngnhiệt,vậtchấtlàmtánxạbứcxạđónhiềulần.Điềunàychothấyrằngcóđủmộtlượngvậtchấttrongnónánhsángquákhứđểbẻcongánhsáng.Dođóchúng tacó thểkết luậnrằngnónánhsángquákhứcủachúng ta
cầnphảivượtquamột lượngvật chấtkhingười tađi ngược lại thờigian.Lượngvậtchấtnàyđủđểlàmcongkhôngthờigian,dođócáctiasángtrongnónánhsángquákhứcủachúngtabịbẻcongvàovớinhau.(hình2.7)
(Hình2.7)LÀMCONGKHÔNGTHỜIGIAN
Vìlựchấpdẫnlàlựchútnênvậtchấtluônlàmcongkhôngthờigiansaochocáctiasángbịbẻconglạivớinhau.Khichúngtađingượclạithờigian,cácmặtcắtcủanónánhsángquákhứ
đạtđếnmộtkíchthướccựcđạivàsauđólạitrởlênnhỏhơn.Quákhứcủachúngtacóhìnhquảlê.(hình2.8)
(Hình2.8)THỜIGIANCÓHÌNHQUẢLÊ
Nếutađitheonónánhsángvềquákhứthìchiếcnónnàybịbẻcongdovậtchấtởnhữnggiaiđoạnrấtsớmcủavũtrụ.Toànbộvũtrụmàchúngtaquansátnằmtrongmộtvùngmàbiêncủanónhỏlạibằngkhôngtạithờiđiểmvụnổlớn.Đâycóthểlàmộtđiểmkỳdị,ởđómậtđộvậtchấtlớnvôhạnvàthuyếttươngđốicổđiểnkhôngcònđúngnữa.Khitatiếptụcđitheonónánhsángvềquákhứthìmậtđộvậtchấtnăng
lượngdươngsẽlàmchocáctiasángbịbẻcongvàovớinhaumạnhhơnnữa.Mặtcắtcủanónánhsángsẽcolạivề0tạimộtthờiđiểmhữuhạn.Điềunàycónghĩalàtấtcảvậtchấttrongnónánhsángquákhứcủachúngtabịbẫy
trongmộtvùngkhôngthờigianmàbiêncủanócolạivề0.Dođó,khôngngạcnhiênkhiPenrosevàtôicóthểchứngminhbằngcácmôhìnhtoánhọccủathuyếttươngđốirộngrằngthờigiancầnphảicómộtthờiđiểmbắtđầuđượcgọilàvụnổlớn.Lýluậntươngtựchothấythờigiancũngcóđiểmkếtthúckhicácngôi saohoặccác thiênhàsuysậpdưới lựchấpdẫncủabảnthânchúngđểtạothànhcáchốđen.BâygiờchúngtaphảiquaylạimộtgiảthuyếtngầmcủaKantvềsựtựmâuthuẫncủalýtínhthuầntúymàtheođóthời gian làmột thuộc tính của vũ trụ.Bài tiểu luận của chúng tôi chứngminhthờigiancómộtđiểmkhởiđầuđãđạtgiảinhìtrongmộtcuộcthidoQuỹnghiên cứuvềhấpdẫn tài trợvàonăm1968.Rogervà tôi cùngchianhausốtiềnthưởng300USD.Tôikhôngnghĩrằngvàonămđócácbàiluậnđạtgiảikháccógiátrịlâudàihơnbàicủachúngtôi.Đãcó rấtnhiềunhữngphảnứngkhácnhauvềcông trìnhcủachúng tôi.
Côngtrìnhcủachúngtôilàmbuồnlòngnhiềunhàvậtlý,nhưngnólạilàmhàilòngcácnhàlãnhđạotôngiáo,nhữngngườitinvàohànhvisángthếvàchođâylàmộtminhchứngkhoahọc.Trongkhiđó,LifshitzvàKhalatnikovđangởtrongmộttìnhtrạngrấtkhóxử.Họkhôngthểtranhluậnvớicácđịnhlýtoánhọcmàchúngtôiđãchứngminh,nhưngdướihệthốngXôViếthọkhôngthểchấpnhậnlàhọđãsaivàkhoahọcphươngTâyđãđúng.Tuyvậy,họđãthoátđượctìnhtrạngđóbằngcáchtìmramộthọnghiệmvớimộtđiểmkỳdịtổngquáthơn,nhữngnghiệmnàycũngkhôngđặcbiệthơncácnghiệmtrướcđómàhọđãtìmra.ĐiềunàychophéphọkhẳngđịnhcáckỳdịvàsựkhởiđầuhoặckếtthúccủathờigianlàphátminhcủanhữngngườiXôViết.Phầnlớncácnhàvậtlýđềucảmthấykhôngthíchýtưởngvềsựkhởiđầu
vàkết thúc của thời gian.Dođó, họ chỉ ra rằng cácmôhình toán học sẽkhôngmôtảtốtkhôngthờigiangầnđiểmđiểmkỳdị.Lýdolàthuyếttươngđốirộngmôtảlựchấpdẫnlàmộtlýthuyếtcổđiểnvàkhôngtíchhợpvớinguyênlýbấtđịnhcủalýthuyếtlượngtửđiểukhiểncáclựckhácmàchúngtabiết.Sựmâuthuẫnnàykhôngquantrọngđốivớiphầnlớnvũtrụvàthờigianvìkhôngthờigianbịbẻcongtrênmộtphạmvirấtlớncòncáchiệuứnglượngtửchỉquantrọngtrênphạmvirấtnhỏ.Nhưngởgầnmộtđiểmkỳdị,haiphạmvinàygầnbằngnhauvàcáchiệuứnghấpdẫnlượngtử(quantumgravity)sẽtrởlênquantrọng.DođócácđịnhlývềđiểmkỳdịdoPenrosevàtôithiếtlậplàvùngkhôngthờigiancổđiểncủachúngtaliênhệvớiquákhứvàcóthểlàcảtươnglainữabởicácvùngkhôngthờigianmàởđóhấpdẫnlượngtửđóngvaitròquantrọng.Đểhiểunguồngốcvàsốphậncủavũtrụ,chúngtacầnmộtlýthuyếtlượngtửvềhấpdẫn(quantumtheoryofgravity),vàđâysẽlàchủđềcủaphầnlớncuốnsáchnày.
MộtbướctiếnquantrọngtrongthuyếtlượngtửlàđềxuấtcủaMaxPlankvàonăm1900làánhsángtruyềnđivớitừngbónhỏgọilàlượngtử.MặcdùgiảthuyếtlượngtửcủaPlankgiảithíchrấttốttốcđộbứcxạcủacácvậtnóngnhưngphảiđếntậngiữanhữngnăm1920khinhàvậtlýngườiĐứcWernerHeisenbergtìmranguyênlýbấtđịnhnổitiếngcủaôngthìngườitamớinhậnthấyhếtýnghĩacủanó.TheoHeisenbergthìgiảthuyếtcủaPlankngụýrằngnếutamuốnđovịtrícủahạtcàngchínhxácbaonhiêuthìphépđovậntốccàngkémchínhxácbấynhiêuvàngượclại.Nóichínhxáchơn,Heisenbergchứngminhrằngđộbấtđịnhvềvịtrícủahạtnhânvớiđộ
bấtđịnhvềmômencủanóluônlớnhơnhằngsốPlank-mộtđạilượngliênhệchặtchẽvớinănglượngcủamộtlượngtửánhsáng.
Lýthuyếtlượngtửcủacáchệnhưnguyêntửvớimộtsốlượnghữuhạncác
hạt đã được xây dựng vào những năm 1920 do công của Heisenberg,Schrodinger,vàDirac(Diraccũnglàmộtngườitừnggiữchếmàhiệnnaytôiđang giữ, nhưng đó không phải là chiếc ghế tự động!).Mặc dù vậy, conngườivẫngặpkhókhănkhicốgắngmởrộngýtưởnglượngtửvàotrườngđiện,từ,vàánhsángcủaMaxwell.
TRƯỜNGMAXWELLNăm1865,nhàvậtlýngườiAnhClerkMaxwellđãkếthợpcácđịnhluậtđiệnvàtừđãbiết.
LýthuyếtcủaMaxwelldựatrênsựtồntạicủacác“trường”,cáctrườngtruyềntácđộngtừnơinàyđếnnơikhác.Ôngnhậnthấyrằngcáctrườngtruyềnnhiễuloạnđiệnvàtừlàcácthựcthểđộng:chúngcóthểdaođộngvàtruyềntrongkhônggian.TổnghợpđiệntừcủaMaxwellcóthểgộplạivàohaiphươngtrìnhmôtảđộnghọccủacác
trườngnày.Chínhôngcũngđiđếnmộtkếtluậntuyệtvời:tấtcảcácsóngđiệntừvớitấtcảcáctầnsốđềutruyềntrongkhônggianvớimộtvậntốckhôngđổi-vậntốcánhsáng.Ta có thể xem trường củaMaxwell tạo thành từ các sóng với các bước
sóng(khoảngcáchgiữahaiđỉnhsóng)khácnhau.Trongmộtsóng,trườngđósẽdaođộngtừgiátrịnàyđếngiátrịkhácgiốngnhưmộtconlắc.(hình2.9)
(Hình2.9)SÓNGLANTRUYỀNVỚICONLẮCDAOĐỘNG
Bức xạ điện từ lan truyền trong không gian giống như một sóng với điện trường và từtrường dao động giống nhưmột con lắc và hướng truyền thì vuông góc với hướng chuyểnđộngcủasóng.Bứcxạcũngcóthểđượctạothànhtừnhiềutrườngvớicácbướcsóngkhácnhau.Theolýthuyếtlượngtử,trạngtháicơbảnhaytrạngtháinănglượngthấp
nhấtcủaconquaykhôngchỉlàđiểmnănglượngthấpnhấthướngthẳngtừtrênxuống.Vịtríđócóvịtrívàvậntốcxácđịnhlàbằngkhông.Điềunàyviphạmnguyênlýloạitrừ,nguyênlýkhôngchophépđomộtcáchchínhxácvịtrívàvậntốctạimộtthờiđiểm.ĐộbấtđịnhvềvịtrínhânvớiđộbấtđịnhvềmômencầnphảilớnhơnmộtđạilượngxácđịnhđượcbiếtvớicáitênlàhằngsốPlank-mộtconsốnếuviếtrasẽrấtdài,dođóchúngradùngmộtbiểutượngchonó:ħ.Dođó,nănglượngcủaconquayởtrạngtháicơbảnhaytrạngtháicónăng
lượngcựctiểukhôngphảibằngkhôngnhưngườitatrôngđợi.Thayvàođó,ngay cảở trạng thái cơbản củanó,một conquayhaybất kỳmột hệdaođộngnàocũngcómộtlượngnănglượngcựctiểunhấtđịnhcủacáimàtagọilàthănggiángđiểmkhông(zeropointfluctuation).Điềunàycónghĩalàconquaykhôngnhất thiếtphảinằm theohướng thẳng từ trênxuốngmànósẽlàmvớiphươngthẳngđứngmộtgócnhỏvớimộtxácxuấtnhấtđịnh(hình2.10). Tương tự như vậy, ngay cả trong chân không hoặc trạng thái nănglượngthấpnhất,cácsóngtrongtrườngMaxwellsẽkhôngbằngkhôngmàcóthểcómộtgiátrịnhỏnàođó.Tầnsố(sốdaođộngtrongmộtphút)củaconquayhaysóngcànglớnthìnănglượngtrạngtháicơbảncànglớn.
(Hình2.10)CONLẮCVÀPHÂNBỐXÁCSUẤT
TheonguyênlýbấtđịnhHeisenberg,conlắckhôngthểhướngthẳngđứngtuyệtđốitừtrênxuốngdướivớivậntốcbằngkhôngđược.Thayvàođó,cơhọclượngtửchothấyrằng,ngaycảởtrạngtháinănglượngthấpnhấtconlắccũngcómộtlượngthănggiángcựctiểu.Điềunàycónghĩalàvịtrícủaconlắcsẽđượcchobởimộtphânbốxácsuất.Ởtrạngthái
cơbản,trạngtháikhảdĩnhấtlàhướngthẳngtừtrênxuống,nhưngcũngcóxácsuấttìmthấyconlắclàmmộtgócnhỏvớiphươngthẳngđứng.CáctínhtoánthănggiángtrạngtháicơbảntrongtrườngMaxwellchothấy
khốilượngvàđiệntíchbiểukiếncủađiệntửlớnvôcùng,điềunàykhông
phù hợp với các quan sát. Tuy vậy, vào những năm 1940, các nhà vật lýRichardFeynman, JulianSchwingervàShinichiroTomonagađãphát triểnmộtphươngphápchặtchẽđểloạibỏgiátrịvôhạnvàthuđượcgiátrịhữuhạncủakhối lượngvàđiện tíchgiốngnhưquansát.Tuynhiên,các thănggiángtrạngtháicơbảnvẫngâycáchiệuứngnhỏcóthểđođượcvàphùhợpvới thực nghiệm.Các sơ đồ loại trừ các giá trị lớn vô hạn tương tự cũngđúng đối với các trường Yang-Mills trong lý thuyết do Chen Ning Yang(YangChenNing-DươngChấnNinh)vàRobertMillsxâydựng.LýthuyếtYang-MillslàmởrộngcủalýthuyếtMaxwellđểmôtảtươngtáccủahailựckhácgọilàlựchạtnhânyếuvàlựchạtnhânmạnh.Tuyvậycácthănggiángtrạngtháicơbảncóhiệuứngđángkểhơntronglýthuyếtlượngtửvềhấpdẫn.Lạinữa,mộtbướcsóngcómộtnănglượngtrạngtháicơbản.VìbướcsóngcủatrườngMaxwellcóthểnhỏbaonhiêucũngđượcnêncómộtsốvôhạncácbướcsóngkhácnhauvàmộtsốvôhạncácnănglượngtrạngtháicơbảntrongbấtkỳvùngnàocủakhôngthờigian.Vìmậtđộnănglượngcũnggiốngnhưvậtchấtlànguồngốccủahấpdẫnnênmậtđộnănglượngvôhạnnàycónghĩalàcóđủlựchúthấpdẫntrongvũtrụđểlàmcongkhôngthờigianthànhmộtđiểmmàđiềuđórõrànglàđãkhôngxảyra.Ngườitacũngcóthểhyvọnggiảiquyếtbàitoáncóvẻmâuthuẫngiữalý
thuyếtvàthựcnghiệmnàybằngcáchchorằngcácthănggiángtrạngtháicơbảnkhôngcóhiệuứnghấpdẫn,nhưnggiảthiếtnàykhôngđúng.NgườitacóthểghinhậnnănglượngcủathănggiángtrạngtháicơbảnbằnghiệuứngCasimir.Nếubạnđặthaitấmkimloạisongsongvớinhauvàrấtgầnnhauthìsựcómặtcủahaitấmkimloạisẽlàmgiảmsốcácbướcsóngcóthểkhớpgiữahaitấmkimloạisovớisốcácbướcsóngởbênngoàihaitấmmộtchútít.Điềunàycónghĩalàmậtđộnănglượngcủathănggiángtrạngtháicơbảngiữahaitấm,mặcdùvẫnlàvôhạn,vẫnnhỏhơnmậtđộnănglượngởbênngoàihaitấmmộtlượnghữuhạn(hình2.11).Sựkhácbiệtvềmậtđộnănglượngnàylàmxuấthiệnmộtlựckéohaitấmkimloạivàovớinhauvàlựcnàyđãđượcquansátbằngthựcnghiệm.Trongthuyếttươngđối,giốngnhưvật chất các lựcgâycũngnênhấpdẫn,dođó, chúng takhông thểbỏquahiệuứnghấpdẫncủasựkhácbiệtvềnănglượngnày.
(Hình2.11)HIỆUỨNGCASIMIR
SựtồntạicủathănggiángtrạngtháicơbảnđượckhẳngđịnhbằngthựcnghiêmthôngquahiệuứngCasimirvềsựcómặtcủamộtlựcnhỏgiữahaitấmkimloạisongsong.Mộtnghiệmkháccủabài toánmàcó thểđòihỏi cómộthằng sốvũ trụ
giốngnhưEinsteinđãđưarađểcóđượcmôhìnhvũtrụtĩnh.Nếuhằngsốnàycógiátrịâmvôcùngthìnócóthểloại trừchínhxácgiátrịdươngvôcùngcủanănglượngtrạngtháicơbảntrongkhônggiantựdo,nhưnghằngsốnàycóvẻnhưkhôngđượcdựtínhtrước(adhoc)vànócóthểđượcđiềuchỉnhmộtcáchcựckỳchínhxác.Thậtmaymắn,ngườitađãpháthiệnmộtloạiđốixứnghoàntoànmớivào
nhữngnăm1970,nócungcấpmộtcơchếvậtlýtựnhiênđểloạitrừcácgiátrịvôhạnxuấthiệntừthănggiángtrạngtháicơbản.Siêuđốixứnglàmộtđặcđiểmcủacácmôhìnhtoánhọchiệnđạicủachúngtamàcóthểđượcmôtả theonhiều cách.Một trongnhữngcáchđónói rằngkhông thờigian cóthêmcácchiềukhácbêncạnhcácchiềumàchúngtađangtrảinhiệm.Nhữngchiềunàyđượcgọi lànhữngchiềuGrassmannbởivìchúngđượcđobằngcácconsốđượcgọilàcácbiếnsốGrassmannchứkhôngpháilànhữngconsốthựcbìnhthường.Cácsốbìnhthườnggiaohoánvớinhau;tứclà;bạncóthểnhânchúng theomột trật tựnàocũngđược:6nhânvới4cũngbằng4nhân với 6. Nhưng những biến Grassmann thì lại phản giao hoán(anticommute)vớinhau:xnhânvớiybằng-ynhânvớix.Lầnđầutiên,siêuđốixứngđượcnghiêncứukhiloạitrừcácgiátrịvôhạn
trongcáctrườngvậtchấtvàtrườngYan-MillstrongkhôngthờigianởđócảcácchiềusốthựcvàcácchiềuGrassmannđềuphẳng,khôngbịcong.Việcmở rộngsiêuđốixứngvàocácchiều số thựcvàchiềuGrassmannkhicácchiểunàybịuốnconglàmộtđiềurấttựnhiên.Sựmởrộngnàydẫnđếnmộtsốcáclýthuyếtđượcgọilàsiêuhấpdẫn(supergravity)vớisốlượngcácđốixứngkhácnhau.Mộthệquảcủasiêuđốixứnglàmỗitrườnghoặcmỗihạtđềucómộtsiêuđốitác(superpartner)cóspinlớnhơnhoặcnhỏhơnspincủanó½.(hình2.12)
(Hình2.12)SPIN
Tấtcảcáchạtcómộttínhchấtgọilàspin,tácdụngcủaspinlàlàmchocáchạtđượcthấynhưnhìntừcáchướngkhácnhau.Ngườitacóthểminhhọađiềunàybằngmộtbộbài.Trướctiênhãyxemconátpích,nếubạnquayđúngmộtvònghay360độthìbạnsẽthấynógiốngnhưtrướckhiquay.Dođó,conátpíchcóspinbằng1.Ngượclại,conquicơcóhaiđầu.Nếubạnquaymộtnửavònghay180độbạnsẽthấynó
giốngnhưbanđầu.Conquicơcóspinbằnghai.Tươngtự,tacóthểtưởngtượngcácvậtthểcóspinbằng3hoặcnhiềuhơnnếuhìnhdángcủanógiốngnhưbanđầukhiquaymộtphầnnhỏhơncủamộtvòngquay.Spincàngcaothìgócquayđểvậtthểcóhìnhdángbanđầucàngnhỏ.Nhưngcómộtđiều
đángchúýlàcócáchạtmàhìnhdángcủachúnggiốngnhưbanđầuchỉkhibạnquayđủhaivòng.Ngườitagọinhữnghạtnhưvậycóspinbằng1/2.
Nănglượngtrạngtháicơbảncủacáchạtboson,trườngcóspinlàmộtsốnguyên(0,1,2,v.v.),làdương.Ngượclạinănglượngtrạngtháicơbảncủacáchạtfermion,trườngcóspinbánnguyên(1/2,3/2,v.v.),làâm.Vìcómộtlượnglớncáchạtbosonvàfermionbằngnhau,cácgiá trịvôhạn lớnnhấttriệttiêunhautrongcáclýthuyếtsiêuhấpdẫn.(hình2.13)
(Hình2.13)SIÊUĐỐITÁC
Tất cả các hạt trong vũ trụ đều thuộc một trong hai nhóm: Fermion hoặc Boson. HạtFermion là các hạt có spin bán nguyên (như là 1/2) tạo nên vật chất thường.Năng lượngtrạngtháicơbảncủachúnglàâm.HạtBosonlànhữnghạtcóspinnguyên(vídụ:0,1,2)làmtănglựcxuấthiệngiữacáchạt
Fermionnhưlàlựchấpdẫnvàánhsángchẳnghạn.Nănglượngtrạngtháicơbảncủachúnglàdương.ThuyếtsiêuhấpdẫngiảthuyếtrằngtấtcảcáchạtFermionvàBosonđềucómộtsiêuđốitáccóspinlớnhơnhoặcnhỏhơnspincủahạtđó1/2.Vídụmộtphoton(làhạtboson)cóspinlà1,nănglượngtrạngtháicơbảnlàdương.Siêuđối táccủaphotonlàphotioncóspinbằng1/2làmộtfermion.Dođónănglượngtrạngtháicơbảnlàâm.Trongsơđồsiêuhấpdẫnnày,chúngtasẽcósốcáchạtfermionvàbosonbằngnhau.Năng
lượngtrạngtháicơbảncủacáchạtbosonlàmnghiêngcáncânvềphíadươngvànănglượngtrạng thái cơ bản của các hạt fermion làmnghiêng cán cân về phía năng lượng âm, nănglượngtrạngtháicơbảnsẽtriệttiêulẫnnhauvàloạibỏgiátrịlớnvôhạn.Vẫncònlạixácxuấtđểcógiátrịvôhạnmặcdùrấtnhỏnhưngvẫntồntại.
Khôngaicóđủsựkiênnhẫncầnthiếtđểtínhtoánxemcáclýthuyếtnàycóthựcsựlàhoàntoànhữuhạnhaykhông.Ngườitatínhrằngđềlàmđiềuđómộtsinhviêngiỏiphảimất200năm,và làmsaobạncóbiết sinhviênđókhôngphạmphảisailầmngayởtrangthứhai?Đếnnăm1985,phầnlớnmọingười vẫn tin rằng hầu hết các lý thuyết siêu hấp dẫn siêu đối xứng(supersymetric)khôngcóchứacácgiátrịvôhạn.Sauđóthìđộtnhiênmốtđóthayđổi.Ngườitatuyênbốrằngkhôngcólý
dogìđểkhôngtrôngđợicácgiátrịvôhạntrongcáclýthuyếtsiêuhấpdẫn,điềunàycóngụý rằngcác lý thuyết siêuhấpdẫnđócũngcócác sai lầmchếtngườinhưcáclýthuyếtkhác.Thayvàođó,ngườitaquảquyếtrằngmộtlýthuyếtđượcgọilàlýthuyếtdâysiêuđốixứnglàcáchduynhấtđểkếthợplý thuyếthấpdẫnvà lý thuyết lượngtử.Cácdây,giốngnhưcácdây trongkinhnghiệmhàngngày, làcácvật thểmộtchiều.Chúngchỉcóchiềudài.Cácdâytronglýthuyếtdâychuyểnđộngtrongkhôngthờigian.Cácsựdaođộngcủadâythểhiệnchocáchạt.(hình2.14)
(Hình2.14)DAOĐỘNGCỦADÂY
Tronglýthuyếtdây,cácthựcthểcơbảnkhôngphảilàcáchạtchiếmmộtđiểmtrongkhônggianmàlàcácdâymộtchiều.Cácdâynàycócácđầukhácnhauhoặccácđầuđócóthểnốivớinhauđểtạothànhcácvòngdây.Giốngnhưcácsợidâycủađànviolon,cácdây trong lý thuyếtdâycócáckiểudaođộng
hoặctầnsốcộnghưởngnhấtđịnh,bướcsóngcủacáckiểudaođộngnàytrùngkhớpchínhxácvớikhoảngcáchgiữahaiđầudây.Nhưngtrongkhicáctầnsốcộnghưởngcủadâyđànkhácnhautạonêncácnốtnhạckhác
nhauthìdaođộngcộnghưởngcủamộtdâysẽtạorakhốilượng,lựckhácnhau-nhữngthựcthểđượcgiảithíchlàcáchạtcơbản.Nóinômnalàbướcsóngdaođộngcủadâycàngnhỏthìkhốilượngcủahạtcànglớn.NếucácdâynàycócácchiềuGrassmannvàcácchiềusố thườngthìcác
daođộngsẽtươngứngvớicáchạtbosonvàfermion.Trongtrườnghợpnày,
nănglượngtrạngtháicơbảnâmvàdươngtriệttiêumộtcáchchínhxácđếnnỗisẽhoàntoànkhôngcócácgiátrịvôhạn.Cácsiêudây(superstring)đượcgọilàlýthuyếtvềmọithứ(theoryofeverything).
Cácnhàviếtlịchsửkhoahọctrongtươnglaisẽthấyrấtthúvịkhilậpbiểuđồbiểudiễnxuhướng thayđổi tư tưởngcủacácnhàvật lý lý thuyết.Chỉtrongvàinăm, lý thuyếtdâyđãngựtrị tuyệtđốivà thuyếtsiêuhấpdẫnbịgiángxuốngthànhmộtlýthuyếtgầnđúng,chỉphùhợpởnănglượngthấp.Đạilượng“nănglượngthấp”bịcoinhưmộtsựchêbai,dùlàtrongngữcảnhnàycácnănglượngthấpngụýcáchạtvớinănglượngnhỏhơnhàngtỷtỷlầnsovớicáchạttrongmộtvụnổTNT.Nếusiêuhấpdẫnchỉlàmộtphépgầnđúngnănglượngthấpthìnókhôngthểlàlýthuyếtcơbảnchovũtrụđược.Màthayvàođó, lýcơbảnđượcđềxuấtcóthểlàmộttrongnămlýthuyếtsiêudây.Nhưnglýthuyếtnàotrongnămlýthuyếtsiêudâymôtảvũtrụcủachúng ta?Và thuyếtdây sẽđượcphátbiểunhư thếnàođểvượtquađượcphépgầnđúngtrongđócácdâyđượcmôtảnhưlàcácmặtvớimộtchiềukhông gian vàmột chiều thời gian dao động trongmột phông không thờigianphẳng.Liệucácdâycólàmcongphôngkhôngthờigianhaykhông?Vàonhữngnămsau1985,ngườitadầnnhậnthấyrằng,thuyếtdâykhông
phảilàmộtbứctranhhoànhảo.Khởiđầulàviệcngườitanhậnrarằngcác
dâychỉlàmộtthànhphầncủamộtlớpcácthựcthểbaoquáthơn,cácthựcthểnàycóthểđượcmởrộngvàonhiềuhơnmộtchiều.PaulTownsend,mộtngườicũnglàthànhviêncủakhoaToánứngdụngvàVậtlýlýthuyếtgiốngnhưtôiởĐạihọcCambridge,mộtngườiđã thựchiệnnhiềucông trìnhcơbản về các thực thể này, đặt cho chúngmột cái tên là các “màng-p” (p-brane).Mộtmàng-pcóchiềudàitheophướng.Dođó,màngcóp=1làmộtdây,màngcóp=2làmộtmặthaymộtmàngbìnhthường,vàv.v.(hình2.15).Cácmàngvớip=1trongtrườnghợpcủacácdâycóvẻnhưkhôngđượcưutiênhơnsovớicácgiá trịcó thểkháccủap.Thayvàođó,chúngta thôngquamộtnguyêntắcdânchủchocácmàng-p:tấtcảcácmàng-psinhrađềucóquyềnbìnhđẳng.
(Hình2.15)MÀNG-P
Cácmàng-plàcácthựcthểkéodàitheopchiều.Trườnghợpđặcbiệtlàcácdâyvớip=1vàcáctấmvớip=2,nhưngcácgiátrịkhảdĩcủapcóthểlớnhơntới10hoặc11chiều.Nhưngthườngthìmộtsốhoặctấtcảpchiềuđóbịcuộnlạigiốngnhưnhữngvòngxuyến.
Chúngtatinmộtsựthậthiểnnhiênlàtấtcảcácmàng-psinhrađềucóquyềnbìnhđẳng.
Tấtcảcácmàng-pđềuđượctìmthấylànghiệmcủacácphươngtrìnhtrongthuyếtsiêuhấpdẫnvới10hoặc11chiều.10hoặc11chiềucóvẻnhưkhônggiống không thời gianmà chúng ta đang trải nghiệm nhưng ý tưởng là 6hoặc7chiềutrongsốcácchiềuđóbịcuộnlạinhỏđếnnỗitakhôngthểthấychúng,chúngtachỉcóthểnhậnra4chiềulớnvàgầnnhưphẳngcònlạimàthôi.Với tưcáchcánhânmànói, tôi rấtmiễncưỡngkhi tinvàocácchiềubổ
sung.Nhưngvìtôilàmộtngườitheochủnghĩathựcchứngnêncâuhỏi“Cácchiềubốsungcóthựcsựtồntạihaykhông?”khôngcóýnghĩagìcả.Tấtcảnhữngđiềumàngườitacóthểhỏiđólàmôhìnhtoánhọcvớicácchiềubổsungđócómôtảtốtvũtrụcủachúngtahaykhông.Chúngtavẫnchưacóquansátnàomàđểgiải thíchnóngười tacầnđếncácchiềubổsung.Tuyvậy,chúng tacó thểcócơhộiquansátchúng trongmáyvachạmHadron(LargeHadronCollider)ởGeneva.Nhưngđiềuđãthuyếtphụcnhiềungườitrongđócótôinghiêmtúcchọncácmôhìnhvớicácchiềubốsunglàcómộtmớcácmốiliênhệkhôngngờđượcgọilàtínhđốingẫu(duality)giữacácmô hình. Tính đối ngẫu này cho thấy rằng tất cả cácmô hình đều tươngđương; tức là, chúng chỉ là những khía cạnh khác nhau của cùngmột lýthuyếtcơbảnđượcgọivớicái tên là thuyết-M(M-theory).Nếukhônglấytínhđốingẫulàmdấuhiệuchothấychúngtađiđúnghướngthìđiềuđócũnggần giống như cho rằng Chúa đã đặt các hóa thạch vào trong đá để làmDarwinnhầmlẫnvềsựtiếnhóacủacuộcsống.
PaulTownsend,chuyêngiavềmàng-pTínhđốingẫuchothấyrằngcả5lýthuyếtsiêudâyđềumôtảcácbảnchất
vật lýgiốngnhauvàchúngchothấyrằngvềmặtvật lýchúngcũngtươngđươngvớilýthuyếtsiêuhấpdẫn(hình2.16).Takhôngthểnóirằngcácsiêudâycơbảnhơnsiêuhấpdẫnhoặcngượclại.Đúnghơn,chúngchỉlànhữngbiểudiễnkhácnhaucủacùngmộtlý thuyếtcơbản,mỗilýthuyếtđềutínhtoánmộtcáchhiệuquảtrongcáctìnhhuốngkhácnhau.Vìcáclýthuyếtdâykhôngcóchứacácgiátrịvôhạn,chúngđượcdùngđểtínhcáckếtquảcóthểxảyrakhimộtsốítcáchạtnănglượngcaovachạmvàtánxạvớinhau.Tuyvậychúngkhônghayđượcsửdụngđểmôtảnănglượngcủamộtsốlớncáchạtlàmcongvũtrụnhưthểnàohoặchìnhthànhcáctrạngtháibịtróibuộc(boundstate),giốngnhưmộthốđen,rasao.Vớicáctrườnghợpnày,ngườitacầnđến thuyết siêuhấpdẫn,vềcơbản lý thuyếtnàydựa trên lý thuyếtEinsteinvềkhôngthờigiancongvớimộtsốloạivậtchấtbổsung.Đâychínhlàbứctranhtôisẽdùngchủyếutrongcácphầnsau.
(Hình2.16)MÔHÌNHTHỐNGNHẤT
Cómộtmạnglướicácmốiliênhệđượcgọilàtínhđốingẫukếtnốinămlýthuyếtdâyvàsiêuhấpdẫnmườimộtchiều.Tínhđốingẫuchothấyrằngcáclýthuyếtdâykhácnhauchỉlànhữngbiểudiễnkhácnhaucủamộtlýthuyếtcơbảnđượcgọilàthuyết-M.Trước thậpniên90người tachorằng5 lý thuyếtdây làcác lý thuyếtriêngbiệtvàhoàn
toànkhôngliênhệvớinhau.Thuyết-Mthốngnhất5 lý thuyếtdâyvàomộtmôhìnhlý thuyếtduynhất,nhưngngười ta
vẫnchưahiểurấtnhiềutínhchấtcủamôhìnhnày.
Thuyết-Mthốngnhất5lýthuyếtdâythànhmộtlýthuyếtcơbảnduynhất,nhưngngườitavẫnchưahiểurấtnhiềutínhchấtcủalýthuyếtnày.
Đểmô tả lý thuyết lượng tử tạohìnhdáng chokhông thời giannhư thếnào,việcđưaýtưởngthờigianảosẽrấthiệuquả.Thờigianảonghecóvẻnhưmộtcáigìđóđếntừnhữngcâuchuyệnviễntưởngkhoahọc,nhưngnólàmộtkháiniệm toánhọcđượcđịnhnghĩa rất rõ ràng: thờigianđượcđo
bằngcácsốmàtagọilàcácsốảo.Tacóthểnghĩvềcácsốthựcbìnhthườngnhưcácsố1,2,-3,5,v.v.tươngứngvớicácvịtrítrênmộtđườngthẳngkéodàitừtráisangphải:điểm0ởgiữa,cácsốthựcdươngnằmởbênphảivàcácsốthựcâmnằmởbêntrái.(hình2.17)
(Hình2.17)Tacóthểxâydựngmộtmôhìnhtrongđótrụcthờigianảonằmvuônggócvớitrụcthờigian
thực.Cácquitắccủamôhìnhnàysẽxácđịnhlịchsửthờigianảodựatheothờigianthựcvàngượclại.Cácsốảocó thểđượcbiểudiễn làcácvị trínằm trênmộtđường thẳng
vuônggóc:điểm0vẫnnằmởgiữa,cácsốảodươngnằmởphíatrênvàcácsốảoâmđượcvẽởphíadưới.Dođó,cácsốảocóthểđượccoinhưmộtloạisốmớinằmvuônggócvớicácsốthựcbìnhthường.Vìchúnglàcácthành
phầntoánhọcnênchúngkhôngcầnphảitươngứngvớithựctạivậtlýnào;chúngtakhôngthểcómộtsốảocácquảcamhoặcmộthóađơnđiệnthoạiảođược.(hình2.18)
(Hình2.18)Sốảolàmộtkháiniệmtoánhọc.Bạnkhôngthểcómộthóađơnthẻtíndụngảo.Ngườitacóthểnghĩđiềunàyngụýrằngcácsốảochỉlàmộttròchơitoán
họcmàchẳngcógìliênquanđếnthựctại.Tuyvậy,trênquanđiểmtriếthọcthựcchứng,ngườitakhôngthểđịnhnghĩathựctạilàgì.Tấtcảnhữngđiềumàngườitacóthểlàmlàtìmramôhìnhtoánhọcnàolàmôhìnhmôtảvũtrụmàchúng tađang sống.Hóa ra làmộtmôhình toánhọc có chứa thờigianảokhôngchỉtiênđoáncáchiệuứngmàchúngtađãquansátđượcmàcòn tiênđoáncảnhữnghiệuứngmàchúng tavẫnchưa thểđođược.Tuychưađođượcnhưngvìcáclýdokhácmàchúngtavẫntinvàocáchiệuứngđó.Vậythìthựctạilàgìvàảoảnhlàgì?Liệusựkhácbiệtgiữachúngchỉcóởtrongđầuóccủachúngtahaykhông?Lý thuyết tương đối rộng cổ điển (tức là không có tính lượng tử) của
Einsteinđãkếthợp thờigian thựcvàbachiềukháccủakhônggian thànhmộtkhôngthờigianbốnchiều.Nhưngchiềuthờigianthựcvẫnkhácbiệtvớiba chiều của khônggian.Vũ trụ tuyến (world line) hay lịch sử của ngườiquansátluôntăngtheothờigianthực(tứclàthờigianluônchuyểnđộngtừquákhứđếntươnglai),nhưngvũ trụ tuyếnlạicó thể tănghoặcgiảmtheobấtkỳchiềunàocủakhônggian.Nóicáchkhác,người tachỉcó thểquayngược lại trongkhônggianchứkhông thểquayngược lại trong thờigian.(hình2.19)
(Hình2.19)Trongkhôngthờigiancủathuyếttươngđốirộngcổđiển,thờigiankhácbiệtvớicáchướng
củakhônggianvìnóchỉtăngtheolịchsửcủangườiquansátchứkhônggiốngnhưcácchiềucủa khônggian có thể tănghoặcgiảm theo lịch sửđó.Ngược lại, hướng của thời gianảogiốngnhưmộttrụckhônggian,cóthểtănghoặcgiảm.Mặtkhác,vìthờigianảovuônggócvớithờigianthực,nênthờigianhành
xửnhưmột trụckhônggian thứ tư.Dovậy, thờigiannàycó rấtnhiều sựkiệncóthểxảyrahơnđườngrayxelửacủathờigianthực(thờigianthựcchỉcómộtđiểmkhởiđầuhoặckếtthúchoặcđithànhcácđườngvòng).Vớiýnghĩaảonày,thờigiancómộthìnhdáng.Đểthấycácsựkiệncóthểxảyra,hãycoikhôngthờigianảonhưmộtquả
cầu, giống như bềmặt trái đất. Giả thiết rằng thời gian ảo là độ của cácđườngvĩtuyến(hình2.20).KhiấylịchsửcủavũtrụtrongthờigianảosẽbắtđầutạiNamCực.Câuhỏi“Cáigìđãxảyratrướckhivũtrụhìnhthành?”sẽtrởnênvônghĩa.Đơngiảnlàthờigiantrướckhivũtrụhìnhthànhkhôngđượcđịnhnghĩa,giốngnhưkhôngcóđiểmnàonằmởphíanamcủaNamCực.NamCựclàmộtđiểmhoàntoànbìnhthườngtrênbềmặt tráiđất,vàcácđịnh luậtkhoahọccũngđúngởNamCựcgiốngnhưđúngởcácđiểmkháctrêntráiđất.Điềunàygợiýrằngsựkhởiđầucủavũtrụtrongthờigian
ảocó thể làmộtđiểmbình thườngcủakhông thờigian,vànócũnggợiýrằngcácđịnhluậtkhoahọccũngđúngtạiđiểmkhởiđầucủathờigiangiốngnhưtạicácthờiđiểmkháccủavũtrụ(nguồngốclượngtửvàsựtiếnhóacủavũtrụsẽđượcthảoluậntrongchươngsau).
(Hình2.20)THỜIGIANẢO
Khôngthờigianảolàmộthìnhcầu,trongđó,hướngthờigianảođượcbiểudiễnlàkhoảngcáchtừcựcnam.Nếutađivềhướngbắcthìcácvĩtuyến(nhữngđiểmnằmtrênđócáchđềucựcnam)sẽlớndầntươngđươngvớivũtrụgiãnnởtrongthờigianảo.Vũtrụsẽđạtkíchthướccựcđạitạixíchđạovàsauđónếutatiếptụctăngthờigianảothì
vũtrụsẽcolạichođếnkíchthướcbằngkhôngtạicựcbắc.Mặcdùkíchthướccủavũtrụbằngkhôngtạicáccực,nhưngnhữngđiểmnàykhôngphải lànhữngđiểmkỳdị,cũnggiốngnhưbắccựcvànamcựccủatráiđấtlànhữngđiểmhoàntoànbìnhthường.Điềunàygợiýrằng,nguồngốccủavũtrụtrongthờigianảocóthểlànhữngđiểmbìnhthườngtrongkhôngthờigian.
(Hình2.21)Thaychovĩđộ,tacóthểtưởngtượnghướngthờigianảotronghìnhcầukhôngthờigian
giốngnhưcáckinhđộ.Vìtấtcảcácđườngkinhtuyếnđềugặpnhautạicựcbắcvàcựcnamnênthờigiansẽdừngtạicáccực,nếutamuốntăngthờigianảotạiđóthìtađứngyêntạichỗ,giốngnhưtađứngởbắccựccủatráiđấtvàđivềhướngtâythìtavẫnsẽởnguyênchỗđó.Tacóthểthấymộtsựkiệnkháccóthểxảyrakhicoithờigianảolàđộcủa
các đường kinh tuyến trên trái đất. Tất cả các đường kinh tuyến đều gặpnhauởBắcCựcvàNamCực(hình2.21).Dođó, tạicáccực, thờigiansẽdừngnếutacoithờigianảotrôitươngtựnhưđộcủacáckinhtuyếntănglên.Hìnhdungmộtngườiđứngởmộttronghaicựcvàđivềhướngđônghoặchướngtây(theohướngkinhtuyếntăng)thìanhtasẽtựquayquanhmìnhvàđứngyênmộtchỗ.Điềunàytươngtựnhưcáchmàthờigianthựcdừnglạiởchântrờicủahốđen.Chúngtacầnnhậnthấyrằngsựdừnglạicủathờigianthựcvàảo(hoặccảthờigianthựcvàảocùngdừng,hoặckhôngcóthờigiannàodừng)cónghĩalàkhôngthờigiancómộtnhiệtđộ,giốngnhưtôiđãpháthiệnrađiềuđóchohốđen.Hốđenkhôngchỉcónhiệtđộmànócònhànhxửnhưlànócómộtđạilượnggọilàentropy.Entropyđosốcáctrạngtháinội(sốcáccáchmàbêntronghốđenđượcđịnhhình)màhốđencóthểcó.Mộtngười quan sát bên ngoài không nhận thấy có sự khác biệt nào về số cáctrạngtháinộinàycủahốđen.Ngườiquansátnàychỉcóthểquansátđượckhốilượng,sựquayvàđiệntíchcủahốđenmàthôi.Entropycủahốđennàyđượcchobởimộtcôngthứcrấtđơngiảnmàtôidãtìmravàonăm1974.Nó
tỷlệvớidiệntíchcủachântrờicủahốđen:cómộtchútthôngtinvềtrạngtháinộicủahốđenđốivớimỗiđơnvịdiệntíchcơbảncủachântrời.Điềunày cho thấy rằng cómộtmối quan hệ sâu sắc giữa hấp dẫn lượng tử vànhiệt động học -mộtmôn khoa học về nhiệt (môn này có nghiên cứu vềentropy).Nócũnggợiýrằnghấpdẫnlượngtửcóthểchobiếtmộtcáimàngườitagọilàphươngphápchụpảnhbachiều(holography).(hình2.22)
Côngthứcdiệntíchentropy-haylàsốcáctrạngtháinộicủamộthốđengợiýrằngthôngtinbịrơivàotrongmộthốđencóthểđượclưutrữtrongđógiốngnhưmộtmáyghiâmvàđượcphụchồikhihốđenbayhơi.S=Akc3/4hGCôngthứctínhEntropycủahốđenA:diệntíchchântrờisựkiệncủahốđenh:hằngsốPlankk:hằngsốBoltzman
G:hằngsốhấpdẫnNewtonc:vậntốcánhsángS:entropy
NGUYÊNLÝẢNHĐACHIỀUNgười ta thấy rằng diện tích bề mặt chân trời bao xung quanh hố đen là một phép đo
entropycủahốđen.Điềunàylàmchongườitagiảthiếtrằngentropycựcđạicủabấtkỳvùngkhônggianđóngnàocũngkhông thểvượtquámộtphần tưdiện tíchbềmặtgiớihạnvùngkhônggianđó.Vìentropykhônglàgìkháchơnlàphépđothôngtintoànphầncótronghệ,dođó,thôngtinliênquanđếntấtcảmọihiệntượngtrongthếgiớibachiềucóthểđượclưutrữtrênbiênhaichiềucủanógiốngnhưmộtbứcảnhđachiều.Theomộtýnghĩanhấtđịnh,thếgiớicóthểlàhaichiều.
(Hình2.22)Vềnguyêntắc,ảnhđachiềulàmộthiệntượnggiaothoacủacácloạisóng.Ảnhđượctạora
khiánhsángtừmộtchùmlaserđơnbịtáchthànhhaichùm(a)và(b).Chùm(b)đậpvàovậtthể(c)vàphảnxạlênđĩanhạyánhsáng(d).Chùm(a)sẽđiquamộtthấukính(e)vàchạmvàoánhsángphảnxạ(b)tạoravângiaothoatrênđĩa.Khimộtchùmlaserđượcchiếuquađĩathìngườitathuđượchìnhảnhbachiềuđầyđủcủa
vậtthể.Mộtnhàquansátcóthểnghiêncứubứcảnhđachiềunàyvàcóthểnhìnthấynhữngmặtmànhữngbứcảnhthườngkhôngthểchothấyđược.Bềmặthaichiềucủađĩabêntrái,khônggiốngnhưmộtbứcảnhbìnhthường,cómộttính
chấtđángchúýlàbấtkỳmộtphầnnhỏnàotrênbềmặtcủanóđềuchứatấtcảcácthôngtincầnthiếtđểtáicấutrúctoànbộhìnhảnh.Vìmột lý do nào đómà thông tin về các trạng thái lượng tử trongmột
vùngkhôngthờigiancóthểđượcmãhóaởbiêncủavùngkhôngthờigianđó.Sốchiềuởbiêncủakhông thờigian ít hơnhai chiều sovớivùngbêntrong.Điềunàygiốngnhưviệcchụpảnhbachiều trênmộtmặtphẳnghaichiều.Nếuhấpdẫnlượngtửkếthợpchẽvớinguyênlýchụpảnhbachiềuthìđiều này có thể cho phép ta theo dõi các sự kiện bên trong hố đen.Việcchúngtacóthểtiênđoánbứcxạthoátrakhỏihốđenhaykhônglàđiềurất
quantrọng.Nếutakhônglàmđượcđiềuđóthìchúngtakhôngthểtiênđoánđượctươnglaimộtcáchđầyđủnhưchúngtađãnghĩ.Vấnđềnàysẽđượcthảoluậntrongchương4.Kỹthuậtchụpảnhbachiềusẽđượcbànluậnlạitrongchương7.Dườngnhư làchúng tađangsống trongmộtmộtmàng-3chiều(3-brane)-đólàmộtmặtbốnchiều(bachiềukhônggianvàmộtchiềuthờigian).Mặtbốnchiềunàylạilàbiêncủamộtvùngnămchiềuvớichiềucònlạibịcuộnlạirấtnhỏ.Trạngtháicủavũtrụtrênmộtmàngsẽgiảimãnhữngsựkiệnxảyratrongmộtvùngnămchiều.
CHƯƠNG3
VŨTRỤTRONGMỘTVỎHẠT
Vũtrụcónhiềulịchsử,mỗimộtlịchsửđượcxácđịnhbằngmộthạttíhon.
CóthểtôibịgiamtrongmộtvỏhạtVàtựcoimìnhlàchúatểcủakhoảngkhôngvôtận...
-Shakespeare,Hamlet,hồi2,cảnh2
(nguyênvăn:Icouldbeboundedinanutshell
Andcountmyselfakingofinfinitivespace...)Hamlet muốn nói rằng, về mặt vật lý, loài người chúng ta bị giới hạn,
nhưngtríóccủachúngtatựdokhámphátoànbộvũtrụvàtáobạođiđếnnhữngnơimàngaycảStarTrekcũngsợkhôngdámđặtchân-nơimàchỉđượcphépđếntrongnhữngcơnácmộng.Vũtrụlàvôtậnhaychỉlàrấtlớn?Vàvũtrụlàvĩnhcửuhaychỉlàtrường
thọ?Làmthếnàomàtríóchữuhạncủachúngtacóthểhiểumộtvũtrụvôhạn?Cóphảichúngtaquáliềulĩnhkhithửtrảlờicáccâuhỏiđó?ChúngtasẽkhôngmaygiốngPrometheus,ngườiđãlấycắplửacủathầnZeuschoconngườisửdụngvàbịtrừngphạtvìsựliềulĩnhđóbằngmộtsợidâyxíchtróivàonúiđáđểmộtconđạibàngănlágancủamình,haykhông?
Prometheus:hìnhvẽtrênmộtchiếcbìnhEtruscanvàothếkỷthứsáutrướccôngnguyên.Mặcdùcócâuchuyệncảnhbáotrên,tôivẫntinchúngtacóthểvànêncố
gắnghiểuvũ trụnày.Loàingườiđãcónhữngbước tiếnbộđángkể trongviệcnhậnthứcvũtrụ,đặcbiệtlàchỉtrongmộtvàinămqua.Chúngtavẫnchưacómộtbứctranhhoànchỉnh,nhưngchúngtatiếnrấtgầnđếnnó.
MộtphithuyềnconthoiđangnângcấpốngkínhvàgươngcủađàithiênvănvũtrụHubble.PhíadướilàlụcđịaÚc.
Điều rõ ràngnhấtvềkhônggian là chúng liên tụcvà liên tục.ĐiềunàyđượckhẳngđịnhbằngcácdụngcụrấthiệnđạinhưlàkínhthiênvănHubble,chophépchúngtathămdònhữngnơisâuthẳmcủakhônggian.Nhữngđiều
màchúngtanhìnthấylàhàngtỷtỷcácthiênhàvớinhữnghìnhdạngvàkíchthướckhácnhau(hình3.1),mỗithiênhàgồmnhiềutỷngôisao,trongđó,rấtnhiềungôisaocócáchànhtinhquayxungquanh.Chúngtađangsốngtrênmộthành tinhđangquayxungquanhmộtngôisaonằmtrênmộtcánh taybênngoàicủadảiNgânhàhìnhxoắnốc.Bụitrongcáccánhtayxoắnốcgiớihạntầmnhìncủachúngtavàovùngvũtrụnằmtrongmặtphẳngcủathiênhà.Nhưngchúngtacóthểnhìnrấtrõvùngkhônggiannằmtrongmặtnóncó trụcvuônggócvớimặtphẳngđó.Và ta có thểvẽ sơđồvị trí của cácthiênhàxaxôi(hình3.2).Tathấyrằngcácthiênhàphânbốtươngđốiđồngnhất trong không gian với một số nơi có mật độ dày đặc hơn và cả cáckhoảngkhôngtrốngrỗng.Mậtđộcácthiênhàgiảmđiởnhữngkhoảngcáchlớn,tathấychúngcóvẻnhưthếvìcácthiênhàởquáxavàquáyếuđếnnỗichúngtakhôngthểnhậnrachúng.Vớitầmquansátcủaconngườibâygiờ,tacóthểnóivũtrụlàvôtậntrongkhônggian.(hình3.3)
(Hình3.1)Khichúngtanhìnsâuvàotrongvũtrụ,chúngtasẽthấyhàngtỷtỷthiênhà.Cácthiênhàcóthểcóhìnhdạngvàkíchthướckhácnhau;chúngcóthểcóhìnhe-líphoặc
hìnhxoáyốcgiốngnhưdảingânhàcủachúngta.
(Hình3.2)Tráiđấtcủachúngta(E)quayxungquanhmặttrời,mặttrờinằmtrongmộtcánhtayngoài
rìacủadảingânhà.Bụisaocủacánhtayđócảntrởtầmnhìncủachúngtatheomặtphẳngcủangânhànhưngkhôngcảntrởtầmnhìnvềhaiphíacủamặtphẳngđó.
(Hình3.3)Ngoại trừmột sốnơi cómậtđộcao, chúng ta thấy rằngcác thiênhàđượcphânbốkhá
đồngnhấttrongkhônggian.Mặcdùtạimỗivịtrítrongkhônggian,vũtrụcóvẻnhưkhôngthayđổi,
nhưng chắc chắn nó thay đổi theo thời gian. Điều này chỉ được biết vàonhữngnămđầucủathếkỷ20.Trướcđó,ngườitachorằngvũtrụkhôngthayđổitheothờigian.Vũtrụcóthểđãtồntạitrongmộtthờigianvôhạn,nhưngđiềuđósẽdẫnđếncáckết luậnvô lý.Nếucácngôisaobứcxạ trongmộtthờigianvôtậnthìchúngsẽnungnóngvũtrụchođếnnhiệtđộcủachúng.Thậmchíngaycảbanđêm,toànbộbầutrờicủachúngtacũngsẽsángnhưmặt trờibởivìmỗimộtđườngngắmsẽđiđếnmộtngôisaohaymộtđám
mâybụibịcácngôisaonungnóngchođếnbằngnhiệtđộcủacácngôisao.(hình3.4)
(Hình3.4)Nếuvũtrụlàtĩnhtạivàvôhạntheotấtcảcáchướng,mỗimộtđườngngắmsẽkếtthúcở
mộtngôisao,điềunàylàmbầutrờiđêmsẽsángnhưmặttrời.Việcchúngtathấybanđêmbầutrờitốilàrấtquantrọng.Điềuđóchothấy
rằngvũ trụkhông thể tồn tạimãimãiở trạng tháimàchúng ta thấyngàyhômnay.Phảicócáigìđóđãxảyratrongquákhứđểcácngôisaotỏasángchỉtrongmộtthờigianhữuhạntrướcđây.Điềunàynóirằngánhsángtừcácngôisaorấtxaxôivẫnchưakịpđếnchỗchúngta.Nósẽgiảithíchtạisaobầutrờibanđêmkhôngsángtheotấtcảcáchướng.Nếutừtrướcđếnnaycácngôisaovẫnởvịtríđóthìtạisaocáchđâyvàitỷ
nămchúnglạiđộtnhiêntỏasáng?Đồnghồnàonóivớichúngrằngđãđếnlúccầnchiếusáng?Nhưchúngtađãthấy,điềunàylàmcácnhàtriếthọcnhưImmanuelKant,người tin rằngvũ trụ tồn tạimãimãi,bối rối.Nhưngvớiphầnđôngmọingười,ýtưởngchorằngvũtrụđượcsángtạogiốngnhưngàynaychỉcáchđâyvàingànnămlàhợplý.Tuyvậy,vàothậpniên20củathếkỷ20,cácýtưởngkhácđếntừcácquan
sát của Vesto Slipher và Edwin Hubble bắt đầu xuất hiện. Năm 1923,
Hubbleđãpháthiệnrarằngthựcrarấtnhiềuvùngsángđượcgọilàtinhvân(nebulae)chínhlàcácthiênhà,mộttậphợpkhổnglồcácngôisaonhưmặttrời nhưng ở khoảng cách rất xa. Để chúng xuất hiện rất nhỏ và yếu thìkhoảngcáchcầnphảilớnđếnnỗiánhsángtừđóphảimấthàngtriệuthậmchíhàngtỷnămmớiđếnđượcchúngta.Điềuđóchỉrarằngđiểmbắtđầucủavũtrụkhôngthểchỉvàingànnămtrướcđây.
HIỆUỨNGDOPPLERHiệuứngDopplernóilênmốiquanhệgiữatốcđộvàbướcsóng,mộtkinhnghiệmtathấy
hàngngày.Hãylắngnghemộtchiếcmáybayđingangquađầuchúngta;khinótiếnlạigầnchúngta
tanghethấytiếngđộngcơchóitaihơn,cònkhinóđiraxachúngtathìtiếngđộngsẽtrầmhơn.Tiếngđộngchóitaitươngứngvớibướcsóng(khoảngcáchgiữahaiđỉnhsóngkếtiếpnhau)
ngắnhơnvàtầnsố(sốsóngtrongmộtgiây)caohơn.Đólàdokhimáybaytiếnlạigầnchúngtathìkhoảngcáchgiữahaiđỉnhsóngâmdomáy
bayphátđiđếnchúngtasẽgầnnhauhơn.Ngượclại,khimáybayđiraxacácbướcsóngsẽtănglênvàâmtầnsẽthấpđi.Nhưngđiều thứhaimàHubblequansátđượccònquan trọnghơn.Bằng
việcphântíchánhsángtừcácthiênhàkhác,cácnhàthiênvăncóthểbiếtcácthiênhàđangtiếnlạigầnchúngtahayđiraxachúngta(hình3.5).Họcựckỳngạcnhiênkhipháthiệnrarằnggầnnhưhầuhếtcácthiênhàđangđi
raxachúngta.ChínhHubbleđãnhậnthấyhàmýđầykịchtínhcủapháthiệnnày:tạicáckhoảngcáchlớn,mỗithiênhàđiềuchuyểnđộngraxakhỏicácthiênhàkhác.Vũtrụđanggiãnnở(hình3.6).
(Hình3.5)HiệuứngDopplercũngđúngđốivớisóngánhsáng.Nếukhoảngcáchtừmộtthiênhàtới
trái đấtmà không đổi thì các vạch đặc trưng trong quang phổ sẽ xuất hiện tại vị trí bìnhthườnghaycòngọilàvịtríchuẩn.Tuynhiênnếuthiênhàđóđangchuyểnđộngraxachúngtathìcácsóngsẽbịkéodàiravàvạchđặctrưngsẽbịdịchchuyểnvềphíađỏ(phải).Nếuthiênhàđóđangchuyểnđộnglạigầnchúngtathìcácbướcsóngsẽbịéplạivàcácvạchsẽbịdịchvềphíaxanh(trái).
(Hình3.6)ĐỊNHLUẬTHUBBLE
Từphântíchtiasángtừcácthiênhàkhác,vàonhữngnăm1920,EdwinHubblepháthiệnrarằnghầuhếtcác thiênhàđangchuyểnđộngraxakhỏichúngtavớivậntốcVtỷ lệ vớikhoảngcáchRtừchúngđếntráiđất,dođóV=H*R.ĐịnhluậtnàyđượcgọilàđịnhluậtHubble,nóchothấyvũtrụđanggiãnnởvớihằngsố
HubbleHxácđịnhtốcđộgiãnnở.Đồ thịbêndưới thểhiệncácquansátrấtmớivềdịchchuyểnđỏcủacác thiênhàkhẳng
địnhđịnhluậtHubbleđúngvớikhoảngcáchrấtxachúngta.Sựconglênởvùngcókhoảngcáchrấtlớntrênđồthịchothấyrằngsựgiãnnởđangđược
tăngtốc,điềunàycóthểdonănglượngchânkhông.
EdwinHubbletrênđàithiênvănMountWilson100inchnăm1930.
ẢnhchụpthiênhàlánggiềngAndromedadoHubblevàSlipherchụp.CÁCKHÁMPHÁCỦASLIPHERVÀHUBBLEVÀONHỮNGNĂM1910-1930
1912–SlipherđoánhsángtừbốntinhvânvàthấyrằngbatinhvânbịdịchvềphíađỏcònAndromedabịdịchvềphíaxanh.ÔnggiảithíchrằngAndromedađangchuyểnđộnglạigầnchúngtacònbatinhvânkiathìchuyểnđộngraxachúngta.1912-1914–Slipherđo12tinhvân.Tấtcảtrừmộttinhvânđềudịchvềphíađỏ.1914–SlipherbáocáopháthiệncủaôngtrướcHộithiênvănHoaKỳ.Hubblenghebáo
cáonày.1918–Hubblebắtđầunghiêncứucáctinhvân.1923–Hubblexácđịnhcáctinhvâncóhìnhxoáyốclàcácthiênhà.1914-1925–SliphervànhữngngườikháctiếptụcđodịchchuyểnDoppler.Năm1925,họ
ghinhậnđược43dịchchuyểnđỏvà2dịchchuyểnxanh.1929–HubblevàMiltonHumason-saukhitiếptụcđodịchchuyểnDopplervàthấyrằngở
tầmvĩmôcácthiênhàđanglùiraxanhau-côngbốkhámphácủahọvềvũtrụđanggiãnnở.
Pháthiệnvềsựgiãnnởcủavũtrụlàmộttrongnhữngcáchmạngtrítuệvĩđạinhấtcủathếkỷ20.Tấtcảmọingườihoànrấtnhiênvềpháthiệnnàyvànóthayđổihoàntoàntranhcãivềnguồngốccủavũtrụ.Nếucácthiênhàchuyểnđộngraxanhauthìtrongquákhứchúngcầnphảiởgầnnhauhơn.Từtốcđộgiãnnởhiệnthời,chúngtacóthểướcđoánrằngcácthiênhàcầnphảiởrấtgầnnhaucácđâymườiđếnmườilămtỷnăm.Nhưđãnói trongchươngtrước,RogerPenrosevàtôicóthểchứngminhrằngthuyếttươngđốirộngcủaEinsteinngụývũtrụvàbảnthânthờigianđượcsinhratrongmộtvụnổdữdội.Đóchínhlàlờigiảithíchchocâuhỏitạisaobanđêmbầutrờilạitối:khôngmộtngôisaonàocóthểphátsánglâuhơnmườiđếnmườilămtỷnăm,khoảngthờigiantínhtừvụnổlớn.
VỤNỔLỚNNÓNGBỎNGGiảsửthuyếttươngđốirộngđúng,thìvũtrụsẽkhởiđầuvớimậtđộvànhiệtđộvôhạncủa
điểmkỳdịvụnổlớn.Vìvũtrụđanggiãnnởnênnhiệtđộcủabứcxạbịgiảmđi.Khoảngmộtphần trăm giây sau vụ nổ lớn, nhiệt độ vào khoảng 100 tỷ độ và vũ trụ chủ yếu gồm cácphoton,điệntửvàneutrino(nhữnghạtcựcnhẹ)vàcácphảnhạtcủachúngcùngvớimộtsốprotonvàneutron.Bagiâytiếptheo,vũtrụlạnhxuốngcòn1tỷđộ,proton,neutronbắtđầukếthợptạorahạtnhânnguyêntửhelium,hydrovàcácnguyêntốnhẹkhác.Hàngtrămngànnămsau,nhiệtđộxuốngcònvàingànđộ,cácđiệntửchuyểnđộngchậm
dầnvàhạtnhâncácnguyêntốnhẹbắtđiệntửđểtạothànhnguyêntử.Tuynhiên,cácnguyêntốnặngtạonênchúngtanhưcarbonvàoxygenchỉđượchìnhthànhhàngtỷnămsautừviệcđốtheliumởtâmcácngôisao.BứctranhvềtrạngtháiđặcnóngvàothờikỳsơkhaicủavũtrụđượcnhàkhoahọcGeorge
Gamowđưaravàonăm1948trongmộtbàibáoôngviếtcùngvớiRalphAlpher.Bàibáođưaramộttiênđoánquantrọnglàbứcxạtừgiaiđoạnsơkhainóngbỏngđóvẫncòntồntạichođếnngàynay.TiênđoáncủahọđượcnhàvậtlýArnoPenziasvàRobertWilsonkiểmchứngvàonăm1965
dựavàoquansátbứcxạphôngvisóng.Chúngtađãquenthuộcvớiquanniệmchorằngcácsựkiệnlàhệquảcủa
cácsựkiệntrướcđó,vàđếnlượtcácsựkiệntrướcđólạilàhệquảcủacácsựkiệntrướcnữa.Cómộtchuỗinhânquảkéodàimãivềquákhứ.Nhưngbâygiờhãygiảsửrằngchuỗinhânquảđócómộtđiểmkhởiđầu.Hãygiảsửrằngcómộtsựkiệnđầutiên.Cáigìđãgâyranó?Đâykhôngphảilàmộtcâuhỏimànhiềunhàkhoahọcmuốnđềcập.HọcốgắngtránhcâuhỏiđóbằngcáchchorằngvũtrụkhôngcóđiểmkhởiđầunhưngườiXôViếthoặcníukéo rằngnguồngốccủavũ trụkhôngnằm trongđịahạt củakhoahọcmàthuộcvềsiêuhìnhhọc(metaphysics)hoặctôngiáo.Theotôi,mộtnhàkhoahọc chân chính sẽ không làmnhư thế.Nếu các định luật khoa học khôngđúng tại thờiđiểmbắtđầucủavũ trụ thìchúngcó thểkhôngđúng tạicácthờiđiểmkháchaykhông?Mộtđịnhluậtsẽkhônglàmộtđịnhluậtnếuthỉnhthoảngnómớiđúng.Chúngtacầnphảicốgắnghiểuđiểmkhởiđầucủavũtrụdựa trên cơ sở khoahọc.Có thểnó vượt qua khảnăng của chúng ta,nhưngítnhấtchúngtanêncốgắngthửlàmđiềuđó.
MặcdùcácđịnhlýdoPenrosevàtôichứngminhchothấyrằngvũtrụphảicóđiểmbắtđầu,nhưngchúngkhôngchobiếtnhiều thông tinvềbảnchấtcủasựkhởiđầuđó.Chúngchỉrarằngvũtrụbắtđầubằngmộtvụnổlớn,mộtđiểmmàởđótoànbộvũtrụvàtấtcảmọithứtrongđóbịnénvàomộtđiểmcómậtđộvôhạn.Tạiđiểmnày, thuyết tươngđối rộngcủaEinsteinkhôngcònđúng,dođó,khôngthểdùngnóđểtiênđoánvũtrụbắtđầunhưthếnào.Conngườivẫnchưahiểunguồngốccủavũtrụvàhiểnnhiênlànónằmngoàiphạmvicủakhoahọc.Các nhà khoa học không hài lòng với kết luận này. Như chương 1 và
chương2đãchỉrõ,lýdothuyếttươngđốikhôngđúngtạigầnvụnổlớnlànó không tích hợp với nguyên lý bất định, yếu tố ngẫu nhiên của thuyết
lượngtửmàEinsteinđãphảnđốidựatrênChúakhôngchơitròxúcxắc.TuyvậytấtcảcácbằngchứngđềuchothấyChúalàmộttaychơibạc.Ngườitacóthểnghĩvềvũtrụnhưmộtsòngbạckhổnglồvớicácconxúcxắcđượcgieovàcácvòngsốđượcquaymỗikhicódịp(hình3.7).Bạncóthểnghĩrằngđiềukhiểnmộtsòngbạcnhưvậylàmộtvụlàmănrấtmayrủibởibạnrấtcókhảnăngmấthếttiềnkhixúcxắcgieohayvòngsốquay.Nhưngvớimộtsố lớncácvụđánhcược, số lần thắngvà thua trungbìnhcó thểđoánđược,mặcdùkếtquảcủamộtlầncụthểkhôngđoántrướcđược(hình3.8).Nhữngchủsòngbạcbiếtchắc tỷ lệ trungbìnhcó lợichohọ.Điềuđógiảithíchtạisaochủsòngbạcrấtgiàu.Cơhộiduynhấtđểbạncóthểthắnghọlàđặccượctấtcảsốtiềncủabạnvàomộtsốítlầngieoxúcxắchoặcquaysố.
(Hình3.7vàhình3.8)Nếumộtngườichơibạcđặtcượcôđỏchorấtnhiềulầnquaythìtacóthểđoánkháchính
xáckếtquảchoanhtavìkếtquảcủacáclầnquaysẽđượclấytrungbình.Ngượclại,takhôngthểđoánđượckếtquảcủabấtkỳlầnđánhcượcnào.Vũtrụcũnggiốngnhưvậy.Khivũtrụlớnnhưngàynay,cómộtsốlớnlần
gieoxúcxắc,vàkếtquảtrungbìnhcóthểđoántrướcđược.Vìthếcácđịnhluậtcổđiểnđúngđốivớicáchệlớn.Nhưngkhivũtrụrấtnhỏ,giốngnhưởgầnthờiđiểmvụnổlớn,chỉcómộtsốítlầngieoxúcxắc,vànguyênlýbấtđịnhtrởlênquantrọng.Vìvũtrụcứgieoxúcxắchoàiđểxemcáigìsẽxảyranênvũtrụkhôngcó
mộtlịchsửduynhấtnhưngườitacóthểnghĩ.Thayvàođó,vũtrụcótấtcảcáclịchsửkhảdĩ,mỗimộtlịchsửcómộtxácxuấtcủariêngnó.PhảicómộtlịchsửvũtrụtrongđóBelizeđạthuychươngvàngtạicáckỳOlympicmặcdùxácxuấtcủavũtrụđóthấp.Ýtưởngvềvĩtrụcónhiềulịchsửnghecóvẻnhưchuyệnkhoahọcviễn
tưởng,nhưngngàynaykhoahọcđãchấpnhậnnó.Ýtưởngđóđượcmộtnhàvậtlývĩđại,mộtngườiđầycátínhlàRichardFeynmanđềxuất.
CÂUCHUYỆNVỀFEYNMANSinh ra tại Brooklyn, New York năm 1918, Richard Feynman bảo vệ tiến sỹ tại đại học
PrincetondướisựhướngdẫncủaJohnWheelervàonăm1942.Ngaysauđó,ôngbịlôikéovàodự ánMahattan.Ởđó, ông nổi tiếng về tính cách cởimở và hài hước - tại phòng thínghiệmLosAlamos,ôngrấtthíchphácáchệthốngbảomật-vàđểtrởthànhmộtnhàvậtlýkhácthường:ôngtrởthànhngườiđónggópchủyếucholýthuyếtbomnguyêntử.Thóiquenliên tục tìm tòi khámphácủaFeynmanvề thếgiới chính làgốc rễ của conngườiông.NókhôngchỉlàcáimáylàmnêncácthànhcôngkhoahọcmàcòndắtôngđếnrấtnhiềukhámphákỳthúvínhưgiảimãnhữngchữtượnghìnhcủangườiMaya.Vào những năm sau Thế chiến hai, Feynman tìm ramột phương phápmới rất hiệu quả
trongviệcnhậnthứccơhọclượngtử.VàchínhđiềuđómanggiảiNobelnăm1965đếnvớiông.Ôngtháchthứcgiảthuyếtcổđiểncơbảnlàmỗihạtcómộtlịchsửđặcbiệt.Thayvàođó,ôngchorằngcáchạtdichuyểntừnơinàyđếnnơikháctheotấtcảcáclộtrìnhkhảdĩtrongkhông thời gian.Vớimỗi lộ trìnhFeynman liên hệ với hai con số, con số thứ nhất là kíchthước-biênđộ-củasóngvàconsốthứhailàpha-chobiếtđólàđỉnhhoặchõmsóng.XácsuấtcủamộthạtđitừAđếnBchobởitổngcácsóngliênquanđếnlộtrìnhkhảdĩđiquaAvàB.Tuyvậy trongcuộcsốnghàngngày,chúng ta thấydườngnhưcácvật thểđi theomột lộ
trìnhduynhấttừđiểmđầuđếnđiểmcuối.Điềunàyphùhợpvớiýtưởngđalịchsử(hoặctổngtheocáclịchsử),vìđốivớicácvậtthểlớnthìquitắccủaôngvềgáncácconsốchomỗilộtrìnhđảmbảotấtcảcáclộtrình(trừmộtlộtrìnhduynhất)phảitriệttiêulẫnnhaukhiđónggópcủachúngđượckếthợplại.ChỉcómộttrongsốvôhạncáclộtrìnhcóýnghĩađốivớichuyểnđộngcủacácvậtthểvĩmôlàđượcxemxétvàđóchínhlàlộtrìnhcóđượctừcácđịnhluậtchuyểnđộngcổđiểncủaNewton.
TrongtíchphânlộtrìnhFeynman,mộthạtcóthểlấytấtcảcáclộtrìnhkhảdĩ.BâygiờchúngtakếthợpthuyếttươngđốirộngcủaEinsteinvàýtưởngvũ
trụcónhiềulịchsửcủaFeynmanthànhmộtlýthuyếtthốngnhấthoàntoànmôtảmọithứxảyratrongvũtrụ.Lýthuyếtthốngnhấtnàysẽchophéptatínhđượcvũtrụsẽpháttriểnthếnàonếutabiếtcáclịchsửbắtđầunhưthếnào.Nhưngbảnthânlýthuyếtđókhôngnóichochúngtabiếtvũtrụbắtđầuthếnàohaytrạngtháibanđầucủavũtrụlàgì.Đểbiếtđượcđiềuđóchúngtacầnmộtcáigọilàđiềukiện,quytắcbiên.Cácđiềukiệnbiênnóichochúngtabiếtcáigìxảyraởrìacủavũtrụ,ởbiêncủakhôngthờigian.Nếu rìa của vũ trụ chỉ là những điểmbình thường của không thời gian,
chúngtacóthểđiquanóvàtuyênbốlãnhthổbênngoàirìavũtrụlàmộtphần của vũ trụ.Mặt khác, nếu biên của vũ trụ nằm trênmột đường lởmchởmtrongkhôngthờigianmàởđókhôngthờigianbịcuộnlạivàmậtđộlớnvôcùngthìsẽrấtkhóxácđịnhcácđiềukiệnbiêncóýnghĩa.
Nếubiêncủavũtrụlàmộtđiểmcủakhôngthờigian,chúngtacóthểgiữchobiêngiãnra.Tuyvậy,mộtđồngnghiệpcủatôilàJimHartlevàtôiđãnhậnrarằngcó
mộtkhảnăng thứba.Vũ trụ có thểkhông cóbiên trongkhông thời gian.Thoạtnhìn,điềunàycóvẻmâuthuẫntrựctiếpvớicácđịnhlýmàPerosevàtôiđãchứngminh,chúngcho thấyvũ trụcầnphảicómộtđiểmkhởiđầu,mộtcáibiênthờigian.Tuyvậy,nhưđượcgiảithíchtrongchương2,cómộtloại thời gian được gọi là thời gian ảo vuông góc với thời gian thực bìnhthườngmàchúngtađangtrảinghiệm.Lịchsửvũtrụtheothờigianthựcsẽxácđịnhlịchsửcủanótheothờigianảovàngượclại,nhưnghailoạilịchsửnàycóthểrấtkhácnhau.Đặcbiệtlàvũtrụcầncókhởiđầuvàkếtthúctrongthờigianảo.Thờigianảohànhxửnhưgiốnghệtmộttrụckháccủakhônggian.Chonêncáclịchsửcủavũtrụtrongthờigianảocóthểđượccoinhưcácmặtconggiốngnhưmộtquảbóng,mộtmặtphẳng,hoặcmộthìnhyênngựanhưngcóbốnchiềuthayvìhaichiều(hình3.9).
(Hình3.9)CÁCLỊCHSỬCỦAVŨTRỤ
Nếucác lịchsửcủavũ trụ tiếnđếnvôhạnnhưhìnhchiếcyênngựa, ta sẽgặpkhókhăntrongviệctìmđiềukiệnbiênvìlúcđónólàvôhạn.Nếucáclịchsửcủavũtrụtrongthờigianảolàcácmặtđónggiốngnhưbềmặttráiđấtthìtacũngkhôngthểchỉrađiềukiệnbiênđược.
CÁCĐỊNHLUẬTTIẾNHÓAVÀCÁCĐIỀUKIỆNBANĐẦUCácđịnhluậtvậtlýbắtbuộcmộttrạngtháibanđầuphảitiếnhóatheothờigian.Vídụ,nếu
tanémmột hònđá vào trong không khí thì cácđịnh luật hấpdẫn sẽ quyết định chính xácchuyểnđộngsauđócủahònđá.Nhưngchúngtakhôngthểđoánđượchònđásẽrơichínhxáctạiđâutừcácđịnhluậtđó.
Đểlàmđượcđiềuđóchúngtacầnphảibiếttốcđộvàhướngbanđầukhihònđárờikhỏitaychúngta.Nóicáchkháclàchúngtacầnphảibiếtđiềukiệnbanđầu-hayđiềukiệnbiên-củachuyểnđộngcủahònđá.Vũtrụhọccũngcốgắngmôtảtiếnhóacủatoànbộvũtrụbằngcácđịnhluậtvậtlý.Dođó,
chúngtacầnphảihỏiđiềukiệnbanđầucủavũtrụlàgìđểápdụngnóvàocácđịnhluậttrên.Trạngtháibanđầucóthểcóảnhhưởngrấtquantrọnglêncácđặcđiểmcủavũtrụ,cólẽ
quantrọngnhưtínhchấtcủacáchạtvàlựccơbảnđốivớicuộcsốngsinhvật.Cómộtđềxuấtvềđiềukiệnkhôngbiên,đềxuấtnàychorằngkhônggianvàthờigianlà
hữuhạn,tạothànhmộtmặtđóngnhưngkhôngcóbiên,nógiốngnhưbềmặttráiđấtlàhữuhạnnhưngkhôngcóbiên.GiảthiếtkhôngbiêndựatrênýtưởnglấytổngtheocáclịchsửcủaFeynmannhưnglịchsửcủahạttrongtổngFeynmanđượcthaybằngtoànbộkhôngthờigianbiểudiễncholịchsửcủatoànbộvũtrụ.Nóimộtcáchchínhxác,điềukiệnkhôngbiênlàsựhạnchếcáclịchsửkhảdĩcủavũtrụvào
cáckhông thờigiankhôngcóbiên trong thờigianảo.Haynóicáchkhác,điềukiệnkhôngbiêncủavũtrụlàvũtrụkhôngcóbiên.Hiệnnaycácnhàvũtrụhọcđangnghiêncứucáccấuhìnhbanđầu-cấuhìnhcóđượctừ
giả thiếtđiềukiệnkhôngbiên, vàcó thểcùngvớinguyên lý vịnhânyếu (xemnguyên lý vịnhânởtrang86-ND)làmchovũtrụtiếnhóađếntrạngtháigiốngnhưtaquansáthiệnnay.Nếulịchsửcủavũtrụtiếnđếnvôhạngiốngnhưhìnhyênngựahaymặt
phẳngthìngườitagặpvấnđềtrongviệcchỉrõcácđiềukiệnbiênvôhạnlàgì.Nhưngngườitacóthểtránhphảikhôngcầnchỉrađiềukiệnbiênnếucáclịchsửcủavũtrụnằmtrongthờigianảolàcácmặtđóng,giốngnhưbềmặttráiđất.Bềmặttráiđấtkhôngcóbiênhoặcrìa.Khôngcóbáocáođángtin
nàovềviệcconngườibịrơirakhỏitráiđất!
NếucáclịchsửcủavũtrụtrongthờigianảothựcsựlàcácmặtđóngnhưHartlevàtôiđãđềxuấtthìđiềuđócóýnghĩaquantrọngvềtriếthọcvàhìnhdungcủachúngtavềnơichúngtasinhra.Vũtrụlàhoàntoàntựthân(self-contained);nókhôngcầnbấtkỳcáigìbênngoàilêngiâycótchođồnghồvũtrụvàlàmchonóhoạtđộng.Thayvàođó, tấtcảmọithứtrongvũtrụđềuđược xác định bằng các định luật khoa học và bằng các lần gieo xúc xắctrongvũtrụ.Điềunàynghecóvẻxaxỉnhưngđólàđiềumàtôivànhiềunhàkhoahọckháctin.
Hơn nữa, nếu vũ trụ không có các điều kiện biên như thế thì vũ trụ sẽkhôngcómộtlịchsửduynhất.VũtrụsẽcónhiềulịchsửnhưFeynmanđềxuất.Sẽcómộtlịchsửtrongthờigianảotươngứngvớimỗimặtđóngkhảdĩ,vàmỗilịchsửtrongthờigianảosẽxácđịnhmộtlịchsửtrongthờigianthực.Vậynênchúngtacórấtnhiềutrạngtháikhảdĩchovũtrụ.Cáigìđãchọnmộtvũtrụđặcbiệtmàchúngtađangsốngrakhỏirakhỏimộttậphợptấtcảcácvũtrụkhảdĩ?Mộtđiểmmàchúngtacầnchúýlàrấtnhiềulịchsửkhảdĩcủavũtrụsẽkhôngtrảiquamộtchuỗisựkiệnhìnhthànhcácthiênhàvàcácvìsao,trongkhichuỗisựkiệnđólạirấtquantrọngđốivớisựpháttriểncủariêngchúngta.Trongkhicácsinhvậtcótrítuệcóvẻnhưkhócóthểtiếnhóanếukhôngcócácthiênhàvàcácngôithìviệcchúngtatồntạinhư làmột sinhvật cókhảnăngđặt câuhỏi “Tại saovũ trụ lại nhưngàynay?”làmộtgiớihạncủalịchsửcủachúngta.Điềuđóngụývũtrụnàylàmộttrongmộtthiểusốcáclịchsửbaogồmcácthiênhàvàvìsao.Đâylàvídụcủamộtnguyênlýgọilànguyênlývịnhân(anthropicprinciple).Nguyênlývịnhânnóirằngvũtrụcầnphảigầngiốngnhưchúngtathấyvìnếuvũtrụnàykhácđi thìsẽkhôngcóaiởđâyđểquansátnó(hình3.10).Rấtnhiềunhàkhoahọckhôngthíchnguyênlývịnhânđóvìnócóvẻmơhồvàhìnhnhưkhông cónhiềukhảnăng tiênđoán.Nhưngnguyên lý vị nhân có thểđượcrútratừmộtcôngthứcchínhxácvàdườngnhưnórấtquantrọngkhigiảiquyếtvấnđềnguồngốcvũtrụ.Nhưđãnóiởchương2, thuyết-Mchophépmộtsốlớncáclịchsửkhảdĩcủavũtrụ.Phầnlớntrongsốđókhôngphùhợpchosựpháttriểncủađờisốngtrítuệ;chúnghoặclàtrốngrỗng,tồntạitrongmộtthờigianngắnvàbịuốncongquánhiềuhoặckhôngổnvềmộtsốkhíacạnhnàođó.ĐúngnhưtheoýtưởngcủaFeynmanvềvũtrụcónhiềulịchsử,xácsuấtcủacáclịchsửkhôngcósựhiệndiệncủasinhvậttrítuệđócóthểrấtcao.
(Hình3.10)Hìnhtậncùngphíatrái(a)minhhọacácvũtrụđangcolại,trởthànhcácvũtrụđóng.Hình
tậncùngphíaphải(b)làcácvũtrụmởtiếptụcgiãnnởmãimãi.Cácvũtrụtớihạncânbằnggiữaviệccolạivàgiãnnở(c1)hoặcvũtrụlạmpháthailần
(c2)cóthểcósinhvậtcótrítuệ.Vũtrụcủachúngta(d)hiệnnayđangởthếtiếptụcgiãnnở.
NGUYÊNLÝVỊNHÂNNóimộtcáchnômna,nguyênlývịnhânchorằngchúngtathấyvũtrụ,hoặcchíítmộtphần
củavũtrụ,nhưngàynaylàbởivìchúngtatồntại.Cómộtviễncảnhlàvũtrụhoàntoàntráingượcvớimộtgiấcmơvềmộtlýthuyếtthốngnhấtvàcóthểdựđoánchínhxác,trongđó,cácđịnhluậtcủatựnhiênlàhoànthiệnvàthếgiớilànhưvậyvìnókhôngthểkhácđiđược.Cónhiềuphiênbảncủanguyênlývịnhân:từnguyênlýrấtyếu(vũtrụkhôngliênquanđếnconngười)chođếnrấtmạnh(sựliênhệcủaconngườivớivũtrụmạnhđếnmứcvôlý).Mặcdùmộtsốcácnhàkhoahọcmiễncưỡngchấpnhậnnguyênlývịnhânmạnhthìmộtsốngườilạitranhcãivềtínhthiếtthựctrongmộtsốquanđiểmcủanguyênlývịnhânyếu.Chungquilànguyênlývịnhânyếugiảithíchvềcácthờikỳhoặccácphầnvũtrụkhảdĩ
khácnhaumàchúngtacóthểsốngđược.Vídụ,lídotạisaovụnổlớnlạixảyracáchđâykhoảngmườitỷnămlàvũtrụcầnphảitồntạiđủlâuđểmộtsốngôisaokếtthúcquátrìnhtiếnhóatạoracácnguyêntốnhưlàoxygenhoặccarbon,khôngcóchúng,conngườikhôngthểcómặtđược,và tuổivũ trụcũngphảiđủngắnđểmộtsốngôisaovẫn tiếp tụccungcấpnănglượngduytrìsựsống.Trêncơsởđiềukiệnkhôngbiên,chúngtacóthểsửdụngquitắccủaFeynmanđểxácđịnh
cácconsốchomỗilịchsửvũtrụnhằmtìmratínhchấtcóthểcócủacácvũtrụ.Trongbốicảnhnày,tacóthểdùngnguyênlývịnhânnhưlàmộtđòihỏichocáclịchsửcócuộcsốngtrítuệ.Tấtnhiênlàvớinguyênlývịnhân,conngườisẽcảmthấyhạnhphúchơnnếuconngườicóthểchứngminhrằngmộtsốcáccấuhìnhbanđầuchovũtrụcóvẻnhưlàsẽtiếnhóađểcómộtvũ trụgiốngnhưchúngtađangquansát.Điềunàyngụýrằng trạng tháibanđầucủaphầnvũtrụchúngtađangsốngđãkhôngnhấtthiếtphảiđượcchọnmộtcáchkỹlưỡng.Thựcraviệccóbaonhiêulịchsửmàkhôngcósựcómặtcủasinhvậtcó
trítuệkhôngquantrọng.Chúngtachỉquantâmđếnmộtnhómcáclịchsửcócuộcsốngcótrítuệpháttriển.Cuộcsốngtrítuệnàykhôngnhấtthiếtphảicócáigìđógiốngnhưconngười.Chúngcóthểlàcácsinhvậtlạmàuxanhnhỏbé.Thực ra chúng còn thôngminhhơn conngười.Loài người khôngphảilàsinhvậttrítuệnhấttrongvũtrụ.
Mộtvídụvềsứcmạnhcủanguyênlývịnhânkhixétsốchiềutrongkhônggian.Kinhnghiệmchungchothấychúngtađangởtrongmộtkhônggianbachiều.Điềuđómuốnnóirằngchúngtabiểudiễnvịtrícủamộtđiểmtrong
khônggianbằngbaconsố,vídụ,vĩđộ,kinhđộvàđộcaotrênmựcnướcbiển.Nhưngtạisaolạilàmộtkhônggianbachiều?Tạisaokhôngphảilàhaichiều, bốn chiều haymột số chiều khác như khoa học viễn tưởng?Trongthuyết-M,khônggiancóchínhoặcmườichiều,nhưngngườitachorằngcósáuhoặcbảychiềubịcuộnlạirấtnhỏ,chỉcònlạibachiềulớnvàgầnnhưphẳngmàthôi(hình3.11).
(Hình3.11)Nhìntừxa,mộtốnguốngnướcgiốngnhưmộtđườngmộtchiều.
Tạisaochúngtakhôngsốngtrongmộtlịchsửtrongđótámchiềubịcuộnnhỏ lại chỉ để lại hai chiều lớn cho chúng ta nhận biết?Một sinh vật haichiềusẽrấtkhócóthểtiêuhóathứcăn.Nếunócómộtcáiruộtchạysuốtcơthểchúngthìcáiruộtsẽchiasinhvậtđólàmđôivàhaimảnhđósẽrờikhỏinhau.Dođó, hai chiềuphẳngkhôngđủ chobất kỳ sinhvật phức tạpnhưcuộcsốngcótrítuệ.Mặtkhácnếusốchiềugầnphẳngnhiềuhơnbathìlựchấpdẫngiữahaivật thểtăngrấtnhanhkhichúngtiếnđếngầnnhau.Điềunàycónghĩalàcáchànhtinhsẽkhôngcóquĩđạobềnvữngquanhmặttrời.Cáchànhtinhhoặclàsẽrơivàomặttrời(hình3.12A),hoặclàsẽthoátvàokhoảngkhôngtốitămvàlạnhlẽo(hình3.12B).
Hình3.12A
Hình3.12BTươngtựnhưvậy,cácquĩđạocủađiệntửcũngsẽkhôngbền,vàvậtchất
nhưchúngtabiếtsẽkhôngtồntại.Vậynên,ýtưởngvũtrụcónhiềulịchsửchophépbấtkỳsốchiềugầnphẳng,nhưngchỉcócáclịchsửvớibachiềuphẳngmớicósinhvậtcótrítuệ.Chỉcótrongcáclịchsửnhưvậythìcâuhỏi“Tạisaokhônggiancóbachiều?”mớiđượcđặtra.Lịch sửđơngiảnnhất củavũ trụ trong thờigianảođó làmộthìnhcầu,
giốngnhưbềmặtcủatráiđất,nhưngcónhiềuhơnhaichiều(hình3.13).Nóxác định lịch sử của vũ trụ trong thời gian thực mà chúng ta đang trảinghiệm,trongđóvũtrụlànhưnhautheocácđiểmtrongkhônggianvàgiãnnở theo thời gian. Theo các khía cạnh này, nó giống như vũ trụ chúng tađangsống.Nhưng tốcđộgiãnnởrấtnhanh,vànóvẫncòngiãnnởnhanhhơnnữa.Việcgiatốcsựgiãnnởnhưvậyđượcgọilàlạmphát(inflation),vìnógiốngnhưviệcgiácảleothangvớimộttốcđộchưatừngthấy.
(Hình3.13)Lịchsửthờigianảokhôngbiênđơngiảnnhấtlàmộthìnhcầu.Lịchsửtrongthờigianảo
nàyxácđịnhlịchsửtrongthờigianthực(giãnnởtheokiểulạmphát).Nóichungsựlạmphátgiácảbịcoilàkhôngtốt,nhưngtrongtrườnghợp
củavũtrụthìlạmphátlạicólợi.Lạmphátlàmtrơnbấtkỳchỗtrồisụtnàocóthểxuấthiệntrongthờigianđầucủavũtrụ.Vìvũtrụgiãnnở,nênvũtrụsẽvaymượnnănglượngtừtrườnghấpdẫnđểtạothêmvậtchất.Nănglượngvậtchấtdươngsẽđượccânbằngmộtcáchchínhxácvớinănglượnghấpdẫnâm,dođó,nănglượngtoànphầnbằngkhông.Khikíchthướccủavũtrụtănggấp đôi, năng lượng vật chất và năng lượng hấp dẫn cùng tăng gấp đôi -nhưnghai lầnkhôngvẫn làkhông.Giámàgiới ngânhàngcũngđơngiảnnhưthếnhỉ!(hình3.14)
Hình3.14Nếulịchsửvũtrụtrongthờigianảolàmộthìnhcầuhoànhảothìlịchsử
tươngứngtrongthờigianthựcsẽlàmộtvũtrụtiếptụcgiãnnởmãimãitheokiểulạmphát.Khivũtrụđanglạmphátthìvậtchấtkhôngthểrơivàonhauđểhình thànhcác thiênhàvà cácvì sao, và cuộc sống, chứchưanóiđếncuộcsốngtrítuệnhưchúngta,khôngthểpháttriển.Dođó,mặcdùgiảthiếtvềvũtrụcónhiềulịchsửdẫnđếncáclịchsửcủavũtrụtrongthờigianảolàcáchìnhcầuhoànhảo,nhưngkhôngcógìthúvịcả.Tuynhiên,cáclịchsửtrong thời gian ảo là các hình cầu có cực namhơi bẹt thì thích đáng hơn(hình3.15).
(Hình3.15)VŨTRỤLẠMPHÁT
Trongmôhìnhvụnổlớnnóngbỏng,vàonhữnggiaiđoạnsơkhai,vũtrụkhôngcóđủthờigianđểnhiệttruyềntừnơinàyđếnnơikhác.Dùvậy,chúngtaquansátthấyrằngnhiệtđộcủabứcxạphôngvisónglànhưnhautheocáchướng.Điềunàycónghĩalàtrạngtháibanđầucủavũtrụcónhiệtđộnhưnhautạimọinơi.Đểtìmđượcmộtmôhình,trongđó,rấtnhiềucấuhìnhbanđầukhácnhaucóthểtiếnhóa
đếnmộtcáigìđógiốngnhưvũtrụhiệnnay,ngườitagiảthiếtrằngvàogiaiđoạnsơkhai,vũtrụtrảiquamộtthờikỳgiãnnởrấtnhanh.Sựgiãnnởnàyđượcgọilàlạmphát,tứclànóxảyravớimộttốcđộchưatừngcósauđógiảmtốcđộgiãnnởđếnnhưngàynay.Mộtphalạmphátnhưvậycóthểgiảithíchcâuhỏitạisaovũtrụlạigiốngnhautheotấtcảcáchướngvìcóđủthờigianđểánhsángtruyềntừvùngnàyđếnvùngkháctrongvũtrụsơkhai.Lịchsửtươngứngtrongthờigianảocủamộtvũtrụtiếptụcgiãnnởtheokiểulạmphátmãi
mãilàmộthìnhcầuhoànhảo.Nhưngvớivũtrụcủachúngta,quátrìnhgiãnnởlạmphátbịchậmlạisaumộtphầnnhỏcủamộtgiâyvàdođócácthiênhàcóthểđượchìnhthành.Trongthờigianảo,điềuđócónghĩalàvũtrụtrụcủachúngtalàmộthìnhcầubịbẹtởcựcnam.Trongtrườnghợpnày, lịchsửtươngứngtrongthờigianthựcsẽgiãnnở
trướctiêntheokiểuđượcgiatốcvàlạmphát.Nhưngsauđóquátrìnhgiãnnởsẽchậmdầnvàcácthiênhàcóthểđượchìnhthành.Đểcuộcsốngtrítuệcóthểpháttriểnthìđộbẹtởcựcnamphảirấtnhỏ.Điềuđónóirằngbanđầuvũ trụgiãnnở rấtnhanh.Mứckỷ lụcvề lạmphát tiền tệxuấthiệnởĐứcgiữahaicuộcđạichiếnthếgiới,khiđógiácảtăngđếnhàngtỷlần-nhưngmứcđộlạmphátđãxuấthiệntrongvũtrụítnhấtlàmộttỷtỷtỷlầnhơnthế(hình3.16).
(Hình3.16)LẠMPHÁTCÓTHỂLÀMỘTQUILUẬTCỦATỰNHIÊN
LạmphátởĐứctăngsauhòabìnhchođếntháng2năm1920,giácảlúcđócaohơnnăm1918nămlần.Sautháng7năm1922,thờikỳsiêulạmphátbắtđầu.Tấtcảniềmtinvàogiátrịđồngtiềnbiếnmấtvàchỉsốgiácảtăngcựcnhanhtrongmườilămtháng,giatăngtốcđộintiềnhếtcôngsuấtvàsựmấtgiácũngnhanhnhưthế.Vàocuốinăm1923,300nhàmáygiấylàmviệchếttốcđộvà150côngtyấnloátvới2000máyinlàmviệcsuốtngàyđêmđểintiền.Donguyênlýbấtđịnhnênsẽkhôngchỉcómộtlịchsửvũtrụcócuộcsống
có trí tuệ. Thay vào đó, các lịch sử trong thời gian ảo sẽ làmột họ gồmnhữnghìnhcầuhơibiếndạng,mỗihìnhcầusẽ tươngứngvớimột lịchsửtrongthờigianthựcmàởđó,vũtrụlạmpháttrongmộtthờigiandàinhưngkhôngphảilàvôhạn.Chúngtacóthểhỏivậythìlịchsửnàolàlịchsửcókhảnăngnhấttrongcáclịchsửđượcphép.Hóaralàcáclịchsửcókhảnăngnhấthoàntoànkhôngtrơntrumàcónhữngnơitrồisụt(hình3.17).Sựgợnsóngởcáclịchsửcókhảnăngnhấtrấtnhỏ,sovớilịchsửtrơntru,sựgợnsóngnàychỉbằngvàiphầntrămngàn.Tuychúngrấtnhỏnhưngchúngtacóthểđođượcchúng.Chúnglànhữngthănggiángnhỏtrongmiềnvisóngtớichúng ta từ các hướng trong không gian. Vệ tinh thăm dò phông vũ trụ(CosmicBackgroundExplorer)-COBEđãđượcphóngvàonăm1989vàđãlậpđượcbảnđồbứcxạvisóngcủavũtrụ.
(Hình3.17)CÁCLỊCHSỬKHẢDĨVÀKHÔNGKHẢDĨ
Cáclịchsửtrơnnhẵngiốnghình(a)lànhữnglịchsửkhảdĩnhất,nhưngchỉcómộtsốcáclịchsửnhưthế.Mặcdùcáclịchsửhơibấtbìnhthường(b)và(c)kémkhảdĩhơn,nhưngcórấtnhiềucác
lịchsửgiốngnhưvậy,khácbiệtsovớilịchsửtrơnnhẵnchútít.
BảnđồtoànbộbầutrờidovệtinhCOBEchụpchothấycácnếpnhăntheothờigian.Trên bản đồ vi sóng vũ trụ, cácmàu khác nhau cho biết các nhiệt khác
nhau,nhưngtoànbộdảinhiệtđộtừmàuđỏđếnmàuxanhchỉcógiátrịbằngmộtphầnvạnđộK.Cuốicùngthìsựthayđổigiữacácvùngkhácnhaucủavũtrụsơkhaicũngđủđểlựchútdohấpdẫnbổsungtrongcácvùngvũtrụđặchơnlàmchovùngđóngừnggiãnnởvàsuysậpdướilựchấpdẫncủabảnthânchúngđểhìnhthànhcácthiênhàvàcácvìsao.Dođó,vềnguyênlý,ítnhấtbảnđồbứcxạvisóngvũtrụcómàuxanhchotoànbộcấutrúccủavũ
trụ.Tínhchấtcủacáclịchsửkhảdĩnhấtcủavũtrụmàthíchhợpchosựxuất
hiệncủacácsinhvậtcótrítuệsẽnhưthếnào?Xemracórấtnhiềukhảnăngphụthuộcvàolượngvậtchấtcủavũtrụ.Nếuvậtchấttrongvũtrụlớnhơnmột lượng tới hạn thì lực hút hấp dẫn giữa các thiên hà sẽ làm chậm cácthiênhàvàthậmchícòndừngkhôngchochúngbayraxanhau.Sauđócácthiênhàsẽbắtđầurơivàonhauvàtấtcảsẽcùngđitớimộtvụcolớn(bigcrunch).Vụcolớnsẽkếtthúclịchsửcủavũtrụtrongthờigianthực(hình3.18).
(Hình3.18)Tấtcảvậtchấtsẽbịnuốtvàomộtcáigiếnghấpdẫnmạnhkhủngkhiếptrongmộtvụcolớn,
đócóthểlàmộttrongnhữngkếtcụccủavũtrụ.Nếumậtđộvũtrụ thấphơngiá trị tớihạn, lựchấpdẫnquáyếuđểngăn
cảncác thiênhà rờixanhaumãimãi.Tấtcảcácngôi saosẽđốtcháyhếtnhiênliệu,vàdầndầnvũtrụsẽtrởlênloãngvàlạnhhơn.Chonên,mộtlầnnữa,mọisựsẽđếnhồikếtnhưngtheomộtcáchkémkịchtínhhơn.Nhưngdùkếtcụcthếnàothìvũtrụcũngsẽtồntạithêmvàitỷnămnữa(hình3.19).
(Hình3.19)Mộtvũtrụlạnhlẽovàtrốngtrảitrongđótấtcảmọithứđềukiệtsứcvàcácngôisaocuối
cùngcũngđangchậpchờntrướckhitắtvìcạnkiệtnhiênliệu.Vũtrụcóthểcómộtthứgiốngnhưvậtchấtđượcgọilà“nănglượngchân
không” (vacuumenergy), năng lượng chânkhônghiệndiệnngay cả trongkhônggiantrốngrỗng.TừphươngtrìnhnổitiếngcủaEinstein,E=mc2,nănglượngchânkhôngnàycómộtkhốilượng.Điềuđónóirằngnănglượngchânkhônggâyramộthiệuứnghấpdẫnlênsựgiãnnởcủavũtrụ.Nhưngđiềuđángnóilàhiệuứnghấpdẫndonănglượngchânkhônggâyralạingượclạivớihiệuứnghấpdẫndovậtchấtgâyra.Vậtchấtlàmquátrìnhgiãnnởchậmlạivàcó thể làmdừngvàđảongượcquá trìnhđó.Ngược lại, năng lượngchânkhônglạigiatốcquátrìnhgiãnnởgiốngnhưtronggiaiđoạnlạmphát.Thựcra,nănglượngchânkhôngcótácđộngnhưhằngsốvũtrụđượcnhắcđếnởchương1màEinsteinđãbổsungvàocácphươngtrìnhcủaôngvàonăm 1917 khi ông nhận thấy các phương trình này không đưa đến mộtnghiệmbiểudiễnchomộtvũtrụtĩnh.SaukhiHubblepháthiệnvũtrụgiãnnở,ngườitakhôngthấycầnphảiđưahằngsốvũtrụvàocácphươngtrìnhnữa,vàEinsteincũngchorằnghằngsốvũtrụlàmộtsailầm.
Tuyvậy,hằngsốvũtrụlạihoàntoànkhôngphảilàmộtsailầm.Nhưđãnóitrongchương2,ngàynaychúngtanhậnthấyrằnglýthuyếtlượngtửnóirằngkhông thờigianđược lấpđầybởicác thănggiáng lượng tử.Trong lýthuyết siêu đối xứng, các năng lượng dương và âm vô hạn của các thănggiángtrạngtháicơbảnnàytriệttiêugiữacáchạtcóspinkhácnhau.Nhưngchúng takhông trôngđợicácnăng lượngâmvàdươngnày triệt tiêuhoàntoànđếnnỗikhôngcònsótlạimộtnănglượngchânkhôngnhỏbé,hữuhạnnào,bởivìvũtrụkhôngnằmtrongmộttrạngtháisiêuđốixứng.Điềungạc
nhiên duy nhất đó là năng lượng chân không nhỏ đến nỗi cách đây ít lâungườitamớinhậnranó.Cóthểđâylàmộtvídụnữacủanguyênlývịnhân.Mộtlịchsửcónănglượngchânkhônglớnsẽkhônghìnhthànhcácthiênhà,dođó,sẽkhôngcócácsinhvậtcóthểhỏicâuhỏi“Tạisaonănglượngchânkhônglạicógiátrịbằnggiátrịmàchúngtađangthấy?”Chúngtacốgắngthửxácđịnhlượngvậtchấtvànănglượngchânkhông
trongvũtrụtừcácquansátkhácnhau.Tacóthểbiểudiễncáckếtquảtrongmộtgiảnđồcótrụchoànhlàmậtđộnănglượngvàtrụctunglànănglượngchânkhông.Đườngchấmlàbiêngiớicủavùngmàtrongđósinhvậttrítuệcóthểpháttriển(hình3.20).
(Hình3.20)Kếthợpcácquansáttừcácvụnổsiêusaoxaxôivớibứcxạphôngvisóngvàphânbốvật
chấttrongvũtrụ,tacóthểướcđoánđượcnănglượngchânkhôngvàmậtđộvậtchấttrongvũtrụ.
Mỗiquansátvềsaosiêumới,cácđámthiênhàvàphôngbứcxạvisóngđềuvạchragiớihạntrêngiảnđồnày.Maymắnthay,cảbavùngnàycómộtkhuvựcgiaonhau.Nếumậtđộvậtchấtvànănglượngchânkhôngnằmởtrongkhuvựcgiaonhaunàythìquátrìnhgiãnnởcủavũtrụsẽbanđầusẽrấtnhanhvàsauđóchậmdần.Hìnhnhưlàlạmphátlàmộtquiluậtcủatựnhiên.Trongchươngnày,chúngtađãthấyquátrìnhtìmhiểutínhchấtcủavũtrụ
rộnglớnbằngkháiniệmlịchsửcủavũtrụtrongthờigianảodiễnranhưthếnào.Cáivũtrụtrongthờigianảođólàmộthìnhcầunhỏbévàhơibẹt,nógiốngnhưcáivỏhạtcủaHamlet,tuynhiên,cáihạtnàylạigiảimãđượctấtcảmọi thứ xảy ra trong thời gian thực. Do vậy, Hamlet hoàn toàn đúng.Chúng tabịgiớihạn trongmộtvỏhạtnhưngvẫncoimình là chúa tể củakhoảngkhôngvôtận.
“CóthểtôibịgiamtrongmộtvỏhạtVàtựcoimìnhlàchúatểcủakhoảngkhôngvôtận...”
-Shakespeare,Hamlet,hồi2,cảnh2
CHƯƠNG4
TIÊNĐOÁNTƯƠNGLAI
Sựbiếnmấtcủathôngtintrongcáchốđencóthểlàmgiảmkhảnăngtiênđoántươnglaicủachúngtanhưthếnào.
Nhânloạiluônmongmuốnđiềukhiểntươnglai,hoặcítnhấtlàđoántrướcđượcđiềugìsẽxảyra.Đólàlýdotạisaongànhchiêmtinhhọclạiphổbiếnđến thế.Chiêm tinhhọccho rằngcác sựkiệnxảy ra trên tráiđấtđều liênquanđếnchuyểnđộngcủacáchànhtinhtrênbầutrời.Đâylàmộtgiảthiếtcóthểkiểmchứngmộtcáchkhoahọc,àkhông,nósẽlàmộtgiảthiếtcóthếkiểmchứngmộtcáchkhoahọcnếunhưcácnhàchiêmtinhdámmạohiểmnóimộtdựđoánchắcchắnmàcóthểkiểmtrađược.Tuynhiên,họcũngđủthôngminhđểchỉnóinhữngdựđoánmơhồcóthểđúngvớibấtkỳkếtquả
nào.Những phát biểu kiểu như “Cácmối quan hệ cá nhân có thể trở lênmãnhliệthơn”hoặclà“Bạnsẽcómộtcơmayvềtàichính”sẽkhôngbaogiờbịchứngminhlàsaicả.
“ThángnàysaoHỏachiếmcungNhânmã,đólàthờigiantốtđểbạntựhọc.SaoHỏayêucầubạnsốngmộtcuộcsốngtheocáchbạncholàđúngvàthườngnhữngngườikháccholàsai.Vànhữngđiềuđósẽxảyra.Vàongày20,saoHỏasẽđiđếnphầnhọcvấncủabạn,nóliênquanđếnnghềnghiệpvàbạn
sẽhọcđểnhậnlấytráchnhiệmvàgiảiquyếtcácquanhệkhókhăn.Tuyvậy,đếnkỳtrăngrằmbạnsẽcóđượcmộtsựthôngsuốtvàtầmbaoquáttuyệtvờivề
toànbộcuộcđờimàbạnsẽnhậnđược.”Nhưnglýdomàphầnđôngcácnhàkhoahọckhôngtinvàochiêmtinhhọc
khôngphảilànhữngbằngchứngphikhoahọchoặcthiếunhữngbằngchứngkhoahọcmàvìnókhôngphùhợpvớinhữnglýthuyếtkhácđãđượckiểmchứngbằng thựcnghiệm.KhiCopernicusvàGalileopháthiệnra rằngcáchành tinh quay quanh mặt trời chứ không phải quay quanh trái đất, vàNewtontìmrađịnhluậthấpdẫnđiềukhiểnchuyểnđộngcủacáchànhtinhthìchiêmtinhhọctrởlêncựckỳđángngờ.Tạisaovịtrícủacáchànhtinhkhác trênnền trờikhichúngđượcnhìn từ tráiđất lạicónhữngmối tươngquanvớinhữngđạiphântử tựgọi làsinhvậtcó trí tuệsốngtrênmột tiểuhànhtinh?(hình4.1)Chiêmtinhhọccònphảilàmchochúngtatinvàosựtươngquanđó.Cáclýthuyếtđượctrìnhbàytrongcuốnsáchnàycũngkhônghơngìchiêmtinhhọcởchỗkhôngcóthêmcácbằngchứngthựcnghiệmđểcủngcốcáclýthuyếtđó,nhưngtavẫntinvìcáclýthuyếtnàyphùhợpvớicáclýthuyếtđãđượckiểmchứng.
(Hình4.1)Mộtngườiquansát trên tráiđất (màuxanh)đangchuyểnđộng trênquĩđạoxungquanh
mặttrờisẽthấysaoHỏa(màuđỏ)intrênvòngcầucácsao.Chuyểnđộngbiểukiếnphứctạpcủacáchànhtinhcóthểđượcgiảithíchbằngcácđịnhluật
củaNewtonvàkhôngcóảnhhưởnggìđếnsốphậncủaconngười.SựthànhcôngcủacácđịnhluậtcủaNewtonvàcáclýthuyếtvậtlýkhác
dẫn đến ý tưởng về quyết định luận khoa học (scientific determinism).ÝtưởngnàyđượcmộtnhàkhoahọcngườiPháptênlàMarquisdeLaplaceđưaralầnđầutiênvàođầuthếkỷthứmườichín.Laplacechorằngnếuchúngtabiếtđượcvịtrívàtọađộcủatấtcảcáchạttrongvũtrụtạimộtthờiđiểmthìcácđịnhluậtvậtlýsẽchophépchúngtađoánđượctrạngtháicủavũtrụsẽnhư thếnào tạibấtkỳmột thờiđiểmnàokhác trongquákhứvà tương lai(hình4.2).
(Hình4.2)Nếubạnbiếtvịtrívàtốcđộcủaquảbóngmàbạnnémđi,bạncóthểtínhđượcnósẽđiđến
đâu.Nóicáchkhác,nếuquyếtđịnhluậnkhoahọcmàđúngthìchúngtacóthể
đoán trướcđược tương lai vàkhông cầnđến chiêm tinhhọc.Tất nhiên làtrênthựctếngaycảnhữngcáiđơngiảnnhưđịnhluậthấpdẫncủaNewton
cũngdẫnđếncácphươngtrìnhmàchúngtakhôngthểgiảimộtcáchchínhxác cho hệ có nhiều hơn hai hạt được. Hơn nữa, các phương trình nàythườngcómộttínhchấtđượcbiếtlàhỗnloạn,dođó,mộtthayđổinhỏvềvịtrívàvậntốctạimộtthờiđiểmcóthểdẫnđếnmộttínhchấthoàntoànkháctại các thờiđiểm tiếp theo.NhữngngườiđãxemphimCôngviênkỷJura(JurassicPark,hình4.3)đềubiết,mộtxáotrộnnhỏởmộtnơinàycóthểgâyramộtthayđổilớnởmộtnơikhác.MộtconbướmvỗcánhởTokoycóthểgâyramưaởcôngviêntrungtâmởNewYork.Điềuphiềnphứclàchuỗisựkiệnđókhôngcó tính lặp lại.Lầnsauconbướmvỗcánh,một loạtcácsựkiệnkhácsẽkhácđivàcácsựkiệnnàysẽảnhhưởngđếnthờitiết.Đólàlýdotạisaocácdựbáothờitiếtrấtkhôngđángtincậy.
(Hình4.3)Dovậy,mặcdùvềnguyênlýthìcácđịnhluậtcủađiệnđộnglựchọclượng
tửsẽchophépchúngtatínhtoánđượctấtcảmọithứtronghóahọcvàsinhhọc,nhưngchúngtavẫnkhôngcónhiềuthànhcôngtrongviệcđoántrướcđượchànhvi conngười từcácphương trình toánhọc.Tuynhiên,mặcdùgặpphảinhữngkhókhăntrênthựctiễnnhưthế,nhưngvềnguyêntắc,phầnlớncácnhàkhoahọcvẫnđượcanủivớiýtưởngchorằngtươnglaivẫncóthểdựbáođược.Thoạtnhìnthìquyếtđịnhluậnkhoahọccóvẻnhưbịnguyênlýbấtđịnhđe
dọa.Nguyênlýbấtđịnhnóirằngchúngtakhôngthểđochínhxácvịtrívàvậntốccủamộthạttạimộtthờiđiểm.Chúngtađovítrícàngchínhxácbaonhiêuthìchúngtaxácđịnhvậntốccàngkémchínhxácbấynhiêu,vàngượclại. Lối giải thích về quyết định luận khoa học củaLaplace cho rằng nếuchúngtabiếtvịtrívàvậntốccủacáchạttạimộtthờiđiểmthìchúngtacó
thểxácđịnhđượcvịtrívàvậntốccủachúngtạibấtkỳthờiđiểmnàotrongquákhứvàtươnglai.Nhưnglàmthếnàomàchúngtacóthểlàmđượcđiềuđónếunhưngaytừđầunguyênlýbấtđịnhđãkhôngchochúngtabiếtđượcvịtrívàvậntốctạimộtthờiđiểm?Dùmáytínhcủachúngtatốtthếnàođichăngnữa,nếuchúngtacungcấpdữliệuđầuvàosaithìchúngtasẽnhậnđượccácdựđoánsailầm.
Tuyvậy,quyếtđịnhluậnđượckhôiphụcdướimộtdạngkháctrongmộtlýthuyếtmớiđượcgọilàcơhọclượngtử,tươngthíchvớinguyênlýbấtđịnh.Trongcơhọclượngtử,nóimộtcáchgầnđúng,tacóthểdựđoánmộtcáchchínhxácmộtnửanhữngđiềumàtamongmuốnthựchiệntrênquanđiểmLaplacecổđiển.Trongcơhọclượngtử,mộthạtkhôngcóvịtríhoặcvậntốcxácđịnhnhưngtrạngtháicủahạtcóthểđượcbiểudiễnbằngmộtcáigọilà
hàmsóng(hình4.4).
(Hình4.4)Hàmsóngxácđịnhxác suấtmàhạt sẽ có các vị trí và vận tốc khácnhau theocáchmà
chúngphảituântheonguyênlýbấtđịnh.Tạimỗivịtrítrongkhônggian,mộthàmsónglàmộtconsốchobiếtxác
xuấtmàhạtcóthểđượctìmthấytạivịtríđó.Tốcđộthayđổicủahàmsóngtừđiểmnàyđếnđiểmkhác chobiết khảnăngđểhạt có cácvận tốckhácnhau.Một số hàm sóng có một đỉnh rất nhọn tại một điểm cụ thể trongkhônggian.Trongtrườnghợpnày,độbấtđịnhvềvịtrícủahạtlàrấtnhỏ.Trêngiảnđồtacũngcóthểthấytrongnhữngtrườnghợpđó,hàmsóngthayđổirấtnhanhgầnđỉnhcủasóng,hàmsóngtăngnhanhởmộtsườnvàgiảmnhanhởphíasườnkia.Điềunàycónghĩa làphânbốxácsuấtcủavậntốcđượctrảitrênmộtvùnggiátrịrấtlớn.Haynóimộtcáchkhác,độbấtđịnhvềvậntốcrấtlớn.Mặtkhác,chúngtahãyxemcáchàmsóngthoaithoảithìđộbấtđịnhvềvịtrílớnnhưngđộbấtđịnhvềvậntốclạinhỏ.Vậynên,việcmôtảcáchạtbằnghàmsóngkhôngchotavịtrívàvậntốcchínhxác.Giờđâytathấyrằnghàmsónglàtấtcảnhữnggìmàtacóthểxácđịnh.ThậmchíchúngtacũngkhôngthểchorằngChúabiếtvịtrívàvậntốccủacáchạtnhưnggiấukhôngchochúng tabiết.Các lý thuyết“biếnsốẩn” (hiddenvariable)nhưthếkhôngphùhợpvớicácquansátthựcnghiệm.Hơnthếnữa,Chúabịgiớihạnbởinguyênlýbấtđịnhvàkhôngthểbiếtvịtrívàvậntốccủahạt;Chúa
chỉcóthểbiếthàmsóngcủahạtmàthôi.Tốcđộ thayđổi củahàmsóng theo thờigianđượcchobởimộtphương
trìnhgọi làphương trìnhSchrodinger (hình4.5).Nếu tabiếthàmsóng tạimột thời điểm thì chúng ta có thể dùng phương trình Schrodinger để tínhhàmsóngtạibấtkỳthờiđiểmnàokháctrongquákhứvàtươnglai.Vậynên,quyếtđịnhluậnkhoahọcvẫnđúngtronglýthuyếtlượngtửnhưngvớimộtmứcđộthấphơn.Thaychokhảnăngđoántrướcđượccảvịtrívàvậntốc,chúngtachỉcóthểbiếtđượchàmsóng.Hàmsóngchỉchobiếtchínhxácvịtríhoặcvậntốcchứkhôngthểbiếtđượccảhai.Dođó,trongcơhọclượngtử,khảnăngtiênđoánchínhxácchỉbằngmộtnửakhảnăngtiênđoántrongthếgiớiquanLaplacecổđiển.Vớiýnghĩagiớihạnnày,tacóthểnóiquyếtđịnhluậnkhoahọcvẫnđúng.
(Hình4.5)PHƯƠNGTRÌNHSCHRODINGER
Sựphụ thuộccủahàmsóngΨ theo thờigianđượcxácđịnhbởi toán tửH liênquanđếnnăng lượngcủahệđangxét.Tuynhiên, việcdùngphương trìnhSchrodinger tínhhàm sóng theo thời
gian(tứclàdựđoánnhữngđiềusẽxảyratrongtươnglai)hiểnnhiênthừanhậnrằngthờigiantrôiđimộtcáchtrơntrumãimãitạikhắpcácđiểmtrongkhônggian.ĐiềunàyrõrànglàđúngtrongvậtlýNewton.Thờigianđượccholàtuyệtđối,tứclàmỗisựkiệntronglịchsửcủavũtrụđượcđánhdấubởimộtconsốđượcgọilàthờigianvàchuỗiconsốđótrôimộtcáchtrơn
trutừvôhạntrongquákhứđếnvôhạntrongtươnglai.Đócóthểnóilàcảmnhậnchungvềthờigianvàlàcáchnhìnmàphầnđôngmọingườithậmchílàphầnđôngcácnhàvậtlýtâmniệm.Tuynhiênvàonăm1905,nhưchúngtađãthấy,thuyếttươngđốihẹpđãvứtbỏkháiniệmthờigiantuyệtđối,trongđó,thờigiantựnókhôngcònlàmộtđạilượngđộclậpcủamộtthểliêntụcbốnchiềuđượcgọilàkhôngthờigian.Trongthuyếttươngđốihẹp,cácnhàquansátkhácnhauchuyểnđộngvớicácvậntốckhácnhautrongkhôngthờigiantheocáchướngkhácnhau.Mỗinhàquansátcóphépđothờigianriêngcủaanhtahoặccôtadọctheohướngmàanhhoặccôtađangchuyểnđộng.Vàcácnhàquansátkhácnhausẽđođượccáckhoảngthờigiankhácnhaugiữacácsựkiện(hình4.6).
(Hình4.6)Trongkhôngthờigianphẳngcủathuyếttươngđốihẹp,nhữngngườiquansátchuyểnđộng
vớicáctốcđộkhácnhausẽcócácphépđothờigiankhácnhau,nhưngchúngtacóthểdùngphươngtrìnhSchrodingertrongbấtkỳthờigiannàođểđoánđượchàmsóngtrongtươnglai.Dođó,trongthuyếttươngđốihẹp,khôngcóthờigiantuyệtđốiđểchúng
tacóthểđánhdấucácsựkiện.Tuynhiênkhôngthờigiantrongthuyếttươngđốihẹplạiphẳng.Điềunàycónghĩalà,trongthuyếttươngđốihẹp,thờigianđượcđobởibấtkỳnhàquansátchuyểnđộngtựdosẽtăngmộtcáchtrơntrutrongkhông thời gian từ âmvô cùng của quá khứvô cùngđếndươngvôcùngcủatươnglaivôcùng.ChúngtacóthểdùngbấtkỳphépđothờigiannàotrongphươngtrìnhSchrodingerđểtínhsựphụthuộccủahàmsóngvàothời gian.Vậynên, trong thuyết tươngđối hẹp, chúng ta vẫn cómột kiểuquyếtđịnhluậnlượngtử.Trongthuyếttươngđốirộngthìtìnhhuốnglạikhácđivìkhôngthờigian
khôngcònphẳngmàbịbẻcongbởivậtchấtvànănglượngtrongđó.Tronghệmặttrờicủachúngta,ítnhấtlàtrênnấcthangvĩmô,độcongcủakhông
thờigiannhỏđếnnỗinókhôngảnhhưởngđếnquanniệmchungcủachúngta về thời gian.Trong trườnghợpđó, chúng ta vẫn có thể dùng thời giantrongphươngtrìnhSchrodingerđểbiếtsựphụthuộccủahàmsóngvàothờigian.Tuynhiên,mộtkhichúngtachophépkhôngthờigiancóthểbịcongthìkhảnăng,trongđókhôngthờigiancómộtcấutrúckhôngchophépthờigiantăngmộtcáchtrơntruđốivớimỗinhàquansátnhưchúngtatrôngđợi,có thể xảy ra.Ví dụ, không thời gian giốngnhưmột hình trụ thẳng đứng(hình4.7).
(Hình4.7)THỜIGIANDỪNG
Mộtphépđothờigiancóthểnhấtthiếtphảicómộtđiểmdừngmàtạiđóquaicầmcủachiếccốctiếpxúcvớiphầntrụchính:tạicácđiểmđó,thờigiansẽdừng.Tạicácđiểmnhưthế,thờigiankhôngtăngtheobấtkỳhướngnào.Dođó,tacóthểdùngphươngtrìnhSchrodingerđểtiênđoánhàmsóngtrongtươnglai.Chiềucaocủahìnhtrụcóthểlàphépđothờigian,thờigiantăngđốivới
mỗingườiquansátvàchạytừâmvôcùngđếndươngvôcùng.Tuynhiên,hãytưởngtượngrằng,thaychohìnhtrụđólàmộthìnhtrụvớimộtcáiquai(hoặc làmột“hốgiun”(wormhole)) tách rờikhỏihình trụsauđó lạinhậplại.Dođó,bấtkỳphépđothờigiannàođềucócácđiểmdừngtạinơimàcáiquainhậpvàohìnhtrụchính:cácđiểmmàtạiđóthờigiandừnglại.Tạicácđiểmnàythờigiankhôngtăngđốivớibấtkỳngườiquansátnào.TrongmộtkhôngthờigiannhưvậychúngtakhôngthểdùngphươngtrìnhSchrodingerđểbiếtđượcsựphụthuộccủahàmsóngvàothờigian.Hãycẩnthậnvớicáchốgiun:bạnkhôngbaogiờbiếtđượccáigìsẽchuiratừđó.Cáchốđenlànguyênnhânđểchúngtanghĩthờigiankhôngtăngđốivới
cácnhàquansát.Thảoluậnđầutiênvềhốđenxuấthiệnvàonăm1783.MộtcựugiáosưcủađạihọcCambridge,JohnMichellđãtrìnhbàyluậncứsauđây:nếuaiđóbắnmộthạt,nhưlàmộtviênđạnđạibácchẳnghạn,thẳnglên
trờithìchuyểnđộnglêntrênsẽbịchậmlạidolựchấpdẫnvàcuốicùnglàhạt sẽdừngchuyểnđộng lên trênvàsẽ rơi trở lại (hình4.8).Tuyvậynếuvậntốcbắnbanđầulớnhơnmộtvậntốctớihạnđượcgọilàvậntốcthoátthìlựchấpdẫnsẽkhôngđủmạnhđểdừnghạtđólạivàhạtđósẽbayđi.Trêntráiđất,vậntốcthoátvàokhoảng12km/giây;trênmặttrờithìgiátrịđóvàokhoảng618km/giây.
(Hình4.8)Cảhaivậntốcthoátđóđềulớnhơnnhiềuvậntốccủacácviênđạnđạibác
nhưnglạinhỏhơnvậntốcánhsáng(vàokhoảng300.000km/giây).Vậynênánhsángcóthểthoátkhỏitráiđấtvàmặttrờimộtcáchkhôngmấykhókhăn.
NhưngMichelllạilýluậnrằngcóthểcócácngôisaolớnhơnnhiềulầnmặttrờivàcóvậntốcthoátlớnhơnvậntốcánhsáng(hình4.9).Chúngtakhôngthểnhìnthấycácngôisaođóvìbấtkỳtiasángnàođượcphóngđisẽbịlựchấpdẫncủangôisaokéotrởlại.
(Hình4.9)ÝtưởngvềcácngôisaotốicủaMichelldựatrênnềnvậtlýcủaNewton,
trongđóthờigianlàtuyệtđốivàthờigiankhôngđếmxỉađếnnhữngsựkiệnxảyra.Vậynên,trongbứctranhvậtlýcổđiểncủaNewton,cácngôisaođenkhông ảnh hưởng đến khả năng tiên đoán tương lai của chúng ta.Nhưngtrongthuyếttươngđốirộng,trongcácvậtthểkhổnglồlàmcongkhôngthờigianthìtìnhhuốnglạikháchẳn.Năm1916,ngaysaukhi thuyết tươngđốirộngđượcđưaralầnđầutiên,
KarlSchwarzschild(ôngđãmấtngaysaukhimắcbệnhởmặttrậnvớiNgatrong đại chiến thế giới lần thứ nhất) đã tìm thấy một nghiệm của cácphương trình trườngcủa thuyết tươngđối rộngbiểudiễn chomộthốđen.Trong rất nhiều năm, người ta không hiểu hoặc không nhận ra tầm quantrọngcủanhữngđiềumàSchwarzschildđã tìmra.Bản thânEinsteincũng
khôngbaogiờtinvàocáchốđenvàquanđiểmcủaôngcũngđượcphầnlớncácnhàkhoahọccóuytínvềthuyếttươngđốichiasẻ.TôicònnhớchuyếnđiParisđểtrìnhbàymộtbáocáovềpháthiệncủatôichorằngthuyếtlượngtửngụýcáchốđenkhônghoàntoànđen.BáocáocủatôikhátẻnhạtvìvàolúcđógầnnhưkhôngcóaiởParistinvàocáchốđen.NgườiPhápcòncảmthấyrằngcáitêntrounoirmàhọdịchratiếngPhápcónghĩahơitụctĩuvànênthaybằngcáitênastreocclutứclà“ngôisaoẩn”(hiddenstar).Tuyvậy,dùlàngôisaoẩnhoặcbấtkỳtênnàokháccũngkhôngnhậnđượcsựnhìnnhậncủacôngchúngbằngcáitênhốđen.ĐâylàtêndoArchibaldWheelerđưa ra.Ông làmộtnhàvật lýMỹ,ngườiđãgâynhiềucảmhứngchocáccôngtrìnhtronglĩnhvựcnày.
JOHNWHEELERJohnChibaldWheelersinhnăm1911tạiJacksonville,Florida,HoaKỳ.Ônglấybằngtiến
sỹvềtánxạcủaánhsánglênnguyêntửHeliumởđạihọcJohnHopkinsnăm1933.Năm1938ônglàmviệccùngnhàvậtlýĐanMạchNielsBohrđểpháttriểnlýthuyếtphânhạch.Sauđómộtthờigian,ônglàmviệccùngvớisinhviêncủaônglàRichardFeynman,tậptrungnghiêncứunhiệtđộnghọc;nhưngngay saukhiHoaKỳ thamgiađại chiến thếgiới2, cảhaiđềuđónggópvàosựánMahattan.Vàonhữngnămđầu thập kỷ 50, lấy cảmhứng từ công trình về sự suy sụp hấpdẫn của
nhữngngôi saonặngcủaRobertOppenheimer vàonăm1939,Wheeler chuyển sang thuyếttươngđốirộngcủaEinstein.Vàothờigianđó,phầnlớncácnhàvậtlýđềunghiêncứuvậtlýhạt nhân và thuyết tương đối rộng không thực sự được coi là phù hợp với thế giới vật lý.NhưnggầnnhưmộtmìnhWheelerđơnthươngđộcmãlàmthayđổilĩnhvựcnghiêncứuthôngquacáccôngtrìnhcủaôngvàthôngquaviệcgiảngdạykhóahọcđầutiênvềthuyếttươngđốiởđạihọcPrinceton.Rấtlâusau,vàonăm1969,ôngđưarakháiniệm“hốđen”,màlúcbấygiờchỉcómộtsốít
ngườitinrằngnótồntại,đểchỉtrạngtháisuysụpcủavậtchất.VàtừcôngtrìnhcủaWernerIsrael,ôngdựđoánrằnghốđenkhôngcótóc,ámchỉtrạngtháisuysụpcảbấtkỳngôisaonặngkhôngquaynàocũngcóthểđượcmôtảbằngnghiệmSchswarzschild.Sựpháthiệnracácquasarvàonăm1963đãgâyramộtcuộcbùngphátcác
nghiêncứulý thuyếtvềhốđenvàcácnỗ lựcquansátđểnhìn thấychúng(hình4.10).Đâylàbứctranhđượcghéplại.Hãyxemxétnhữngđiềuchúngtatinvềlịchsửcủamộtngôisaocókhốilượnglớngấphaimươilầnkhốilượngmặttrời.Cácngôisaonhưvậyđượchìnhthànhtừcácđámmâykhínhưlàcácngôisao trong tinhvânThiênLang(Orion,hình4.11).Khicácđámmâykhícolạidướilựchấpdẫncủachínhbảnthânchúng,cáckhínàysẽnungnóngvàthậmchítrởnênđủnóngđểkhởiđộngphảnứngnhiệthạchbiếnhydro thànhhelium.Nhiệt tạobởiquá trìnhnàygâynênmộtáp suấtgiúpngôisaochốngtrọilạilựchấpdẫncủanóvàlàmchongôisaokhôngbịcothêmnữa.Ngôisaosẽởtrạngtháinàytrongmộtthờigiandài,đốtcháyhydrovàbứcxạánhsángvàokhônggian.
(Hình4.10)Quasar3C273,nguồnphátsóngvôtuyếngiảsaođầutiênđượcpháthiện,phátramộtnăng
lượngrấtlớntrongmộtvùngnhỏ.Cơchếduynhấtđểgiảithíchhiệntượngđộsángcaonhưthếlàvậtchấtđangrơivàohốđen.
(Hình4.11)CácngôisaođượchìnhthànhtừcácđámbụikhígiốngnhưtinhvânThiênLang.Trườnghấpdẫncủangôi sao sẽ ảnhhưởngđếnđường truyềncủachùm
sángphátratừngôisaođó.Tacóthểvẽmộtgiảnđồvớithờigianlàtrụcthẳngđứng,khoảngcáchtừtâmcủangôisaolàtrụcnằmngang(hình4.12).Trong giản đồ này, bề mặt của ngôi sao được biểu diễn bằng hai đườngthẳngđứngnằmhaibêncủa tâmsao.Tacó thểđo thờigianbằnggiâyvàkhoảngcáchbằng“giâyánhsáng”-khoảngcáchmàánhsángđiđượctrongmộtgiây.Khitadùngcácđơnvịnàythìtốcđộcủaánhsánglà1;tứclà,tốcđộcủaánhsánglàmộtgiâyánhsángtrêngiây.Giảnđồngụrằng,ởphíaxangôisao,xatrườnghấpdẫncủanóthìđườngtruyềncủatiasángtrêngiảnđồlàmộtđườngthẳngtạovớitrụcthẳngđứngmộtgóc45độ.Tuynhiên,gầnngôisaothìđộcongcủakhôngthờigiandokhốilượngcủangôisaogâyrasẽ làm thay đổi đường truyền của các tia sáng và làm cho chúng tạo vớiphươngthẳngđứngmộtgóchẹphơn.
(Hình4.12)Khôngthờigianxungquanhmộtngôisaokhôngbịsuysập.Ánhsángcóthểthoátratừbề
mặt ngôi sao (đường thẳng đứngmàuđỏ).Ở xa ngôi sao, ánh sáng tạo với phương thẳngđứngmộtgóc45độ,nhưngởgầnngôisao,khốilượngcủangôisaolàmcongkhôngthờigianlàmchocáctiasánglàmmộtgócnhỏhơnvớiphươngthẳngđứng.Cácngôisaonặngsẽđốtcháyhydrothànhheliumnhanhhơnmặttrờirất
nhiều.Điềunàycónghĩalàchúngsẽcạnkiệthydrochỉtrongmộtthờigian
ngắnkhoảngvàitrămtriệunăm.Sauđó,cácngôisaonàysẽđốimặtvớimộtcuộckhủnghoảng.Chúngcóthểđốtheliumthànhcácnguyêntốnặnghơnnhưlàcarbonvàoxygen,nhưngcácphảnứnghạtnhânnàykhônggiảithoátnhiềunăng lượng,dođócácngôisaosẽmấtnhiệtvàmấtđiápsuấtnhiệtgiúpngôisaochống lại lựchấpdẫn.Dođócácngôisao trởnênnhỏhơn.Nếukhốilượngcủachúnglớnhơnhailầnkhốilượngmặttrờithìápsuấtsẽkhôngbaogiờđủđểngănchặnquátrìnhcolại.Chúngsẽsuysụpthànhmộtđiểmvớimậtđộvôhạntạonêncáigọilàđiểmkỳdị(hình4.13).Tronggiảnđồthờigiantheokhoảngcáchtừ tâmngôisao,khimộtngôisaocolại thìđường truyền của các tia sáng từ bềmặt ngôi sao sẽ tạo với đường thẳngđứngnhữnggócnhỏhơnvànhỏhơn.Khingôisaođạtđếnmộtbánkínhtớihạnxácđịnhthìcácđườngtruyềncủatiasángsẽlàđườngthẳngđứngtrêngiảnđồ,tứclàánhsángsẽđitrênmộtkhoảngcáccốđịnhvớitâmngôisaomàkhôngbaogiờcóthểthoátđiđược.Đườngtruyềntớihạncủatiasángsẽlướttrênmộtbềmặtđượcgọilàchântrờisựkiện(eventhorizon)phâncáchvùngkhôngthờigianmàánhsángcóthểthoátkhỏingôisaovàvùngkhôngthờigianmàánhsángkhôngthểthoátđược.Bấtkỳmộttiasángnàođượcngôisaophátđisaukhiđiquachântrờisựkiệnsẽbịbẻcongtrởlạibởiđộcongcủakhôngthờigian.NgôisaosẽtrởthànhmộttrongnhữngngôisaođencủaMichell,hoặcnhưngàynaychúngtanói,mộthốđen.
(Hình4.13)Nếumộtngôisaosuysập(đườngmàuđỏcắtnhautạimộtđiểm)khôngthờigianbịbẻcong
đến nỗi ánh sáng gần bềmặt bị hướng vào trong.Một hố đen được hình thành,một vùngkhôngthờigianmàánhsángtừđókhôngthểthoátrađược.
Chân trời là vùng biên giới củamột hố đen được hình thành bởi các tia sáng chỉ chớmkhôngthoátkhỏihốđenvàgiữmộtkhoảngcáchkhôngđổivớitâmcủahốđen.Làmthếnàođểcóthểghinhậnmộthốđennếukhôngmộttiasángnàocó
thểthoátkhỏinó?Câutrảlờilàhốđenvẫntạoramộtlựchúthấpdẫnkhôngđổilêncácvậtthểlâncậnkhingôisaobịsuysụp.Nếumặttrờilàmộthốđenhoặctrởthànhmộthốđenmàkhôngmấtđikhốilượngcủanóthìthìcáchànhtinhvẫnquaynhưchúngđangquayhiệnnay.Cómộtcáchđể tìmkiếmcáchốđenđó là tìmkiếmvậtchấtquayxung
quanhmộtvậtthểkhổnglồ,đặcvàkhôngnhìnthấy.Ngườitađãquansátrấtnhiềucáchệnhưthế.Cólẽấntượngnhấtlàcáchốđenkhổnglồxuấthiệnởtâmcủacácthiênhàvàcácquasar(hình4.15).
(Hình4.15)MỘTHỐĐENỞTÂMTHIÊNHÀ
Trái:PháthiệnthiênhàNGC4151từốngkínhthiênhàtrườngrộng.Giữa:Đườngnằmngangbứchìnhlàánhsángphátratừmộthốđenởtâmthiênhà4151.Phải:Hìnhnàychothấytốcđộphátraoxygen.Tấtcảcácbằngchứngđềuchothấyrằng
NGC4151cóchứamộthốđencókhốilượngbằngmộttrămtriệulầnkhốilượngmặttrời.Cáctínhchấtcủahốđenđãđượcthảoluậnchođếnnaykhônggâynênvấn
đềlớnnàochoquyếtđịnhluận.Thờigiansẽkếtthúcđốivớinhàduhànhvũtrụrơivàohốđenvàchạmvàođiểmkỳdị.Tuynhiên, trongthuyết tươngđối,ngườitahoàntoàntựdokhiđothờigianvớicáctốcđộkhácnhauvàtạicácđịađiểmkhácnhau.Dođó,ngườitacóthểtăngtốcđồnghồcủanhàduhànhvũtrụkhianhtahoặccôtatiếnđếngầnđiểmkỳdị,vậynên,ngườitavẫnghinhậnđượckhoảngthờigianvôtận.Trêngiảnđồthờigian-khoảngcách(hình4.14),cácmặtphẳngmàtạiđóthờigianlàhằngsốsẽrấtdàyđặctại trung tâm - bên dưới điểmmà tại đó kỳ dị xuất hiện.Nhưng cácmặtphẳngđó lại phùhợpvới phépđo thời gian thông thường tại vùngkhôngthờigiangầnphẳngcáchxahốđen.
Hìnhminhhọamộtnhàduhànhhạcáchxuốngmộtngôisaođangsuysậpvàohồi11giờ59phút57giâyvàchạmvàongôi saođangco lại tớibánkính tớihạnmà tạiđóhấpdẫnmạnhđếnnỗikhôngmộttínhiệunàocóthểthoátrađược.Nhàduhànhgửitínhiệutừđồnghồcủaanhtavềphithuyềnđangquaycáchquanhngôisaomộtkhoảngcáchtươngđốilớn.Mộtaiđóđangnhìnngôisaotừphíaxasẽkhôngbaogiờnhìnthấynóđiquađườngchân
trờivàohốđen.Thayvàođó,ngôisaocóvẻnhưlượnlờbênngoàikíchthướctớihạnvàđồnghồtrênbềmặtngôisaosẽchậmdầnrồitắthẳn.Ta có thể dùng thời gian trong vùng không thời gian gần phẳng cho
phươngtrìnhSchrodingervàtìnhhàmsóngtạicácthờiđiểmsauđónếutabiếtthờigiantrướcđó.Dođó,tavẫncóquyếtđịnhluận.Tuyvậy,cũngđánglưuýrằng,tạicácthờiđiểmsau,mộtphầncủahàmsónglạiởbêntronghốđen-nơimàkhôngaibênngoàicóthểquansátthấyhàmsóngđó.Vìthế,mộtngườiquansát-ngườiđủnhạycảmđểkhôngbịrơivàohốđen,khôngthểchạyngượcphươngtrìnhSchrodingerđểtínhhàmsóngtạicácthờiđiểm
trướcđó.Đểlàmđiềuđó,anhtahoặccôtacầnbiếtphầncủahàmsóngnằmbêntronghốđen.Phầnhàmsóngnàycóchứacácthôngtinvềnhữngcáirơivàohốđen.Rấtcókhảnăngđólàmộtlượnglớncácthôngtinvìhốđenvớikhốilượngvàtốcđộquayđãchocóthểđượctạothànhtừrấtnhiềutậphợpcáchạtkhácnhau;hốđenkhôngphụthuộcvàobảnchấtvậtthểsuysụpđểtạonênnó.JohnWheelergọikếtquảnàylà“hốđenkhôngcótóc”.ĐốivớingườiPháp,điềunàykhẳngđịnhcácmốinghingờcủahọ.
HốđenkhôngcótócKhókhănchoquyếtđịnhluậnxuấthiệnkhitôithấyrằngcáchốđenkhông
phảilàhoàntoànđen.Nhưlàtađãthấytrongchương2,thuyếtlượngtửngụýrằngcáctrườngcóthểkhônghoàntoànbằngkhôngngaycảtrongcáimàta gọi là chân không.Nếu chúng bằng không thì chúng sẽ có cả vị trí tạiđiểmkhôngvàtốcđộthayđổihaycòngọilàvậntốccũngbằngkhông.Điềungàyviphạmnguyênlýbấtđịnhnóirằngngườitakhôngthểxácđịnhchínhxácvậntốcvàvịtrí.Thayvàođó,tấtcảcáctrườngcầnphảicómộtcáigọilàthănggiángchânkhôngnhấtđịnh(tươngtựnhưlàconquaytrongchương2phải có thănggiángđiểmkhông).Thănggiáng chânkhông có thểđượcgiảithíchtheomộtvàicáchcóvẻkhácnhaunhưngthựctếlàchúngtươngđươngvớinhauvềmặttoánhọc.Trênquanđiểmthựcchứng,takhôngbịbóbuộc khi sử dụng bất kỳmô hình nào hiệu quả nhất cho bài toán đặt ra.Trongtrườnghợpnày,sẽrấtcóíchkhicoithănggiángchânkhôngnhưcáccặphạtảoxuấthiệncùngnhautạimộtđiểmtrongkhôngthờigian,chuyểnđộng raxanhau rồi quay trở lại vớinhauvàhủynhau lẫnnhau. “Ảo”cónghĩalàcáchạtnàykhôngthểđượcquansátmộtcáchtrựctiếp,nhưngtacó
thểđođượccáchiệuứnggiántiếp,vàcácphépđonàyphùhợpvớicáctiênđoánlýthuyếtvớimộtđộchínhxácđángkể(hình4.16).
(Hình4.16)Trongkhônggiantrốngrỗng,cáccặphạtxuấthiệntrongkhoảnhkhắcrồihủylẫnnhau.
(Hình4.17)Cáchạtảoxuấthiệnvàhủylẫnnhauởgầnchântrờisựkiệncủahốđen.Mộthạtbịrơivàohốđentrongkhihạtkiathoátrangoài.Từbênngoàichântrờisựkiện
dườngnhưhốđenđangbứcxạcáchạtrakhônggian.Nếuhốđenhiệndiệnthìmộtthànhphầncủacặphạtcóthểbịrơivàohố
đenđể lại thànhphầnkia tựdo thoátvàovô tận (hình4.17).Đốivớimộtngườiởphíaxahốđen thìhạt thoát rakiadườngnhưđượcphátxạ từhốđen.Tatrôngđợiphổcủahốđenchínhlàphổcủamộtvậtnóngvớinhiệtđộtỷlệvớitrườnghấpdẫntạichântrờisựkiện-biêngiớicủahốđen.Nóicáchkhác,nhiệtđộcủahốđenphụthuộcvàokíchthướccủanó.
NHIỆTĐỘCỦAHỐĐENHốđenphátxạgiốngnhưmộtvậtnóngcónhiệtđộ(T)vàchỉphụthuộcvàokhốilượngcủa
nó.Nóichínhxáchơnlànhiệtđộđóchobởicôngthứcsau:T=hc3/8πkGMTrongcôngthứcnày(c)làvậntốcánhsáng,(h)làhằngsốPlank,(G)làhằngsốhấpdẫn
Newton,(k)làhằngsốBoltzman.Cuốicùnglà(M)làkhốilượngcủahốđen,dođó,hốđencàngnhỏthìnhiệtđộcàngcao.
Côngthứcnàychochúngtathấyrằng,nhiệtđộcủamộthốđencókhốilượngbằngvàilầnkhốilượngmặttrờicónhiệtđộchỉkhoảngmộtphầntriệuđộtrênkhôngđộtuyệtđối.Mộthốđencókhốilượnggấpvàilầnkhốilượngmặttrờisẽcónhiệtđộ
khoảngmộtphầntriệuđộtrênkhôngđộtuyệtđối,vàmộthốđenlớnhơnlạicónhiệtđộthấphơn.Dovậy,bấtkỳbứcxạlượngtửnàotừcáchốđennhưthếsẽbịchìmhoàntoàntrongbứcxạ2,7độcònsótlạitừvụnổlớn-bứcxạphôngvũtrụmàtađãthảoluậntrongchương2.Tacóthểghiđượcbứcxạtừcáchốđennhỏhơnvànónghơn,nhưngdườngnhưkhôngcónhiềucáchốđennhưthế.Thậtđángtiếc!NếungườitapháthiệnramộthốđenthìtôisẽđượcgiảiNobel.Tuynhiênchúngtavẫncónhữngbằngchứngkhảquangiántiếpvềbứcxạnày,bằngchứngnàyđếntừvũtrụsơkhai.Nhưđãmôtảtrongchương3,ngườitachorằngvàonhữnggiaiđoạnrấtsớmtronglịchsử,vũtrụ trảiquamột thờikỳlạmphát,khiđóvũtrụgiãnnởvớimột tốcđộchưatừngcó.Quátrìnhgiãnnởtrongthờikỳnàynhanhđếnnỗimộtsốvậtthểởquáxachúng tavàánhsángcủachúngkhôngbaogiờđếnđượcvớichúngta.Vũtrụgiảnnởquánhiềuvàquánhanhtrongkhiánhsángtừchúngtruyềnvẫnhướngvềchúngta.Dođósẽcómộtchântrờitrongvũtrụgiốngnhưchântrờicủahốđen,phâncáchvùngmàánhsángtừđócóthểđếnvớichúngtavàvùngmàánhsángkhôngthểđếnvớitađược(hình4.18).
(Hình4.18)Nghiệm“deSitter”củacácphươngtrìnhtrườngcủathuyếttươngđốibiểudiễnmộtvũtrụ
giãnnởtheokiểulạmphát.Trêngiảnđồ,thờigianhướnglêntrênvàkíchthướccủavũtrụtheophươngnằmngang.Khoảngcáchvềkhônggian tăngnhanhđếnmứcánhsáng từcácthiênhàxaxôi khôngbaogiờcó thểđếnvới chúng ta, vàdođó, cómộtchân trời sựkiệngiốngchântrờisựkiệncủahốđen,mộtbiêngiớingăncáchnhữngvùngvũtrụtakhôngthểquansátđược.Cáclậpluậntươngtựchothấtrằngcómộtbứcxạnhiệttừchântrờinày
giốngnhưbứcxạnhiệt từchântrờicủahốđen.Từbứcxạnhiệt,chúngtamuốnbiếtphổđặctrưngcủacácthănggiángmậtđộ.Ởđây,cácthănggiángmậtđộnàycũnggiãnnởcùngvũtrụ.Khikíchthướccủachúngtrởlênlớnhơn kích thước của chân trời sự kiện thì chúng sẽ bị đóng băng, cho nênngàynaytacóthểthấychúngnhưlànhữngthănggiángnhỏtrongnhiệtđộcủa bức xạ phông vũ trụ còn lại từ thời kỳ sơ khai của vũ trụ.Các thănggiángquansátphùhợpvớicáctiênđoánvềthănggiángnhiệtvớiđộchínhxáccao.Thậmchínếubằngchứngthựcnghiệmvềbứcxạcủahốđenkhôngtrực
tiếpcholắmthìtấtcảnhữngainghiêncứuvấnđềnàyđềuđồngýrằngbằngchứngđócầnphảiphùhợpvớicáclýthuyếtkhácmàđãđượckiểmchứngbằngcácquan sát.Điềunày cóýnghĩa rất quan trọngđốivớiquyếtđịnhluận.Bứcxạtừhốđensẽmangnănglượngđi,điềunàycónghĩalàhốđensẽmấtnănglượngvàtrởnênnhỏđi.Vàsựnhỏđinày,đếnlượtnó,cónghĩalànhiệtđộcủahốđensẽtăngvàtốcđộbứcxạcũngsẽtăng.Cuốicùngthìhốđensẽgiảmđếnkhốilượngbằngkhông.Lúcđóthìtakhôngbiếtlàmthếnàođểcóthểtínhđượcviệcgìsẽxảyra,nhưngkếtquảduynhấthợplývàđươngnhiênlàhốđendườngnhưbiếnmấthoàntoàn.Thếthìcáigìsẽxảyrasauđóđốivớiphầnhàmsóngnằmtronghốđenvàthôngtinvềnhữngcáiđãrơivàohốđenmàphầnhàmsóngđócó?Dựđoánđầutiêncóthểlàphầnhàmsóngnày,vàcácthôngtinmànómang,sẽthoátrakhihốđencuốicùngthìcũngbiếnmất.Tuynhiên,thôngtinkhôngđượctruyềnđimộtcáchmiễnphí,ngườitanhậnrađiềuđókhinhậnđượchóađơnđiệnthoại!
Thôngtincầnnănglượngmangnóđivàlạicórấtítnănglượngcònsótlạiởtrạngtháicuốicùngcủahốđen.Cáchduynhấtcóvẻhợplýđểthôngtinbêntrongcóthểđiđượcrangoài lànósẽthoátra liêntụcvớibứcxạchứkhôngđợiđến trạng tháicuốicùngnày.Tuynhiên, theobức tranhvềmộthạtcủacặphạtảobịrơivàohốđenvàhạtkiathoátrangoài,takhôngtrôngđợihạtthoátrangoàicóliênhệvớihạtbịrơivàohốđenhoặcmangđithôngtinvềhạtbịrơivàohốđen.Dovậycâutrảlờiduynhấtdườngnhưlàthôngtincủaphầnhàmsóngbêntronghốđenbịmất(hình4.19).
(Hình4.19)Bức xạnhiệt từ chân trời sự kiện củahốđenmangnăng lượngdươngđi làmgiảmkhối
lượngcủanó.Vìmấtđikhốilượng,nhiệtđộcủahốđentănglênvàtốcđộbứcxạcũnggiatănglàmchokhốilượngcủanógiảmđicàngnhanh.Chúngtakhôngbiếtđiềugìxảyranếukhốilượngtrởlêncựcnhỏ,nhưngkếtquảhợplýnhấtcóthểlàhốđenbiếnmấthoàntoàn.Sựmấtmátthôngtinnhưthếcóhàmýrấtquantrọngvớiquyếtđịnhluận.
Đểbắtđầu, tahãylưuýrằng, thậmchí,nếubạnbiếthàmsóngsaukhihốđenbiếnmấtthìbạncũngkhôngthểchạyngượcphươngtrìnhSchrodingervà tính xemhàm sóng đó như thế nào trước khi hố đen được hình thành.Hàmsóngtrướcđóphụthuộcmộtphầnvàohàmsóngbịmấttronghốđen.Chúng ta đã từng nghĩ là chúng ta biết quá khứmột cách chính xác.Tuynhiên, nếu thông tin bịmất tronghố đen thì suy nghĩ đó không còn đúngnữa.Bấtkỳđiềugìcũngcóthểxảyra.Mặc dù vậy thì nói chungmọi người như là các nhà du hành vũ trụ và
nhữngngườitưvấnchohọquantâmđếnviệctiênđoántươnglaihơnlàxemxétlạiquákhứ.Thoạtnhìn,cóvẻnhưlàviệcmấtmộtphầnhàmsóngtronghố đen không ngăn cản chúng ta tiên đoán hàm sóng bên ngoài hố đen.Nhưnghóarasựmấtmátnàylạitácđộngđếntiênđoánnhưthế,nhưchúngta sẽ thấy khi ta xem xét một thí nghiệm về tư duy do Einstein, BorisPodolskyvàNathanRosenđềxuấtvàonhữngnăm1930.Hãyhìnhdungmộtnguyêntửphóngxạphânrãvàphátrahaihạtđitheo
haihướngngượcnhauvớispincũngngượcnhau.Mộtngườiquansátmàchỉnhìnvàomộthạtthìkhôngthểtiênđoánhạtđósẽquayphảihayquaytrái.Nếungườiquansátđođượcmộthạtquayphảithìanhtahoặccôtacóthểđoánchắcchắnlàhạtkiasẽquaytrái,vàngượclại(hình4.20).Einsteinchorằngđiềunàychứngminhthuyếtlượngtửthậtnựccười:giảsửbâygiờhạtkiaởphíabênkiacủathiênhà,ngườitavẫncóthểbiếtngaytứcthìhướngquaycủanó.Tuyvậy,phầnlớncácnhàkhoahọcđồngýrằngchínhEinsteinlầm lẫn chứ không phải thuyết lượng tử. Thí nghiệm về tư duy Einstein-Podolsky-Rosenkhôngchứngminhrằngngườitacóthểgửithôngtinnhanhhơnánhsáng.Màđóchínhlàđiềunựccười.Người takhôngthểchọn hạtquayphảiđểquansátnênngườitakhôngthểđoántrướcđượchạtởphíaxangườiquansátsẽquaytrái.
(Hình4.20)TrongthínghiệmtưduyEinstein-Podolsky-Rosen,mộtngườiquansátđospincủamộthạt
sẽbiếthướngspincủahạtthứhai.
(Hình4.21)Mộtcặphạtảocómộthàmsóngtiênđoáncảhaihạtcóspinngượcnhau.Nhưngnếumột
hạtbịrơivàohốđenthìtakhôngthểđoánđượcchắcchắnspincủahạtcònlại.
Trênthựctế,thínghiệmvềtưduynàychínhlànhữngđiềuxảyravớibứcxạhốđen.Cặphạtảosẽcómộthàmsóngtiênđoánrằnghaihạtđósẽmãicóspinngượcnhau(hình4.21).Điềumàchúngtamuốnlàmđólàđoánspinvàhàmsóngcủahạtthoátra.Tacóthểlàmđượcđiềunàynếutacóthểquansátđượchạtbịrơivàohốđen.Nhưnghạtđóởtronghốđenthìtakhôngthểđođượcspinvàhàmsóngcủanó.Vậynêntakhôngthểtiênđoánspinvàhàm sóng của hạt thoát ra.Hạt đó có thể có các spin khác, các hàm sóngkhácvớicácxácsuấtkhácnhau,nhưngnókhôngcómộtspinhoặcmộthàmsóngduynhất.Vậynên,khảnăng tiênđoán tương laicủachúng tadườngnhưbịgiớihạnhơn.ÝtưởngcổđiểncủaLaplacevềviệctacóthểtiênđoáncảvịtrívàvậntốccủahạtcầnphảithayđổikhinguyênlýbấtđịnhchothấyrằngtakhôngthểđochínhxáccảvịtrívàvậntốc.Tuynhiên,ngườitavẫncóthểđođượchàmsóngvàsửdụngphươngtrìnhSchrodingerđểbiếttươnglaisẽnhưthếnào.Điềunàychophéptachắcchắnđoánđượctổhợpcủavịtrívàvậntốc-đólàmộtnửacủanhữngđiềucóthểđoántrướctheoýtưởngcủaLaplace.Chắcchắn là tacó thể tiênđoáncáchạtcóspinngượcnhau,nhưngnếumộthạtbịrơivàohốđenthìchúngtakhôngthểtiênđoánchắcchắnvềhạtcònlại.Điềunàycónghĩalàngườitakhôngthểtiênđoánchắcchắnbấtkỳphépđonàobênngoàihốđen:khảnăngtiênđoánchắcchắncủachúngtabịgiảmvềkhông.Dovậyngànhchiêmtinhhọccóthểtiênđoántươnglaikhôngtồihơncácđịnhluậtkhoahọc.Nhiềunhàvậtlýkhôngthíchsựsuygiảmtrongquyếtđịnhluậnvàdođó,
họchorằngthôngtinvềnhữngthứbêntrongcóthểthoátrangoàibằngcáchnàođó.Trongnhiềunăm,ngườitahảovọngtìmthấycáchđểcứulấythôngtin.Nhưngvàonăm1996,AndrewStromingervàCumrunVafađãthựchiệnmộtcảitiếnquantrọng.Họcoimộthốđenđượctạonênbởicácthànhphầnđượcgọilàcácmàng-p(p-branne:xemtrang54).
(Hình4.22)Cáchốđencóthểđượccoinhưlàphầngiaonhaucủacácmàng-ptrongcácchiềubổsung
củakhôngthờigian.Thôngtinvềcáctrạngtháibêntronghốđencóthểđượclưutrữdướidạngcácsóngtrênmàng-p.Nhắclạilàtacóthểhìnhdungvềcácmàng-pnhưlàcáctấmchuyểnđộng
trong không gian ba chiều và trong bảy chiều bổ sungmà ta không để ý(hình4.22).Trongmộtsốtrườnghợpnhấtđịnh,tacóthểchứngminhrằngsốcácsóngtrêncácmàng-pbằnglượngthôngtinmàtatrôngđợihốđencó.Nếu cáchạt đậpvàomàng-p, cáchạt đó sẽ tạo ra thêmcác sóng trên cácmàngđó.Tương tự,nếucác sóngđangchuyểnđộng theocáchướngkhácnhautrêncácmàng-pmàgặpnhautạimộtđiểmnàođóthìchúngcóthểtạonênmộtđỉnhsónglớnđếnnỗilàmchomộtphầncủamàng-pbịđứtvàthoátrangoàinhưmộthạt.Vậynêncácmàng-pcóthểhấpthụvàphátxạcáchạtgiốngnhưhốđen(hình4.23).
(Hình4.23)Mộthạtbịrơivàohốđencóthểđượccoinhưmộtvòngdâykínđậpvàomàng-p(1).Nó
kíchthíchmộtsóngtrênmàng-P(2).Cácsóngđócóthểđivớinhaulàmchomộtphầncủamàng-pbịđứtratạomộtvòngdâykín(3).Đấylàmộthạtthoátrakhỏihốđen.
Tacóthểcoicácmàng-pnhưlàmộtlýthuyếthiệudụng;tứclà,chúngtakhôngcầntinrằngthựcsựcócácmàngtíhonchuyểnđộngtrongmộtkhôngthờigianphẳnghaykhông,thìcáchốđenvẫncóthểxửsựnhưthểchúngđược tạo thành từcácmàngnhưvậy.Giốngnhưnướcvậy,nướcđược tạothànhtừhàngtỷtỷcácphântửH2Ovớicáctươngtácphứctạp.Nhưngmôhìnhchấtlỏngliêntụclàmôhìnhhiệudụngrấttốt.Môhìnhtoánhọcvềcáchốđenchorằngchúngđượctạothànhtừcácmàng-pchocáckếtquảtươngtựvớimôhìnhcặphạtảođượcmôtảtrướcđây.Dođó,trênquanđiểmthựcchứng,đâycũnglàmộtmôhìnhrấttốt,ítnhấtlàđốivớimộtsốloạihốđennhấtđịnh.Đốivớiloạihốđenđó,môhìnhmàng-ptiênđoánmộtcáchchínhxáctốcđộphátxạmàmôhìnhcặphạtảođưara.Tuynhiên,cómộtsựkhácnhauquantrọng:trongmôhìnhmàng-p,thôngtinvềnhữngcáirơivàohốđenđượclưutrữbởihàmsóngcủacácsóngtrêncácmàng-p.Cácmàng-pđượccoinhưlàcáctấmtrongkhônggianphẳng,vàvìlýdođó,thờigiansẽtrôiđimộtcáchtrơntru,đườngtruyềncủacáctiasángsẽkhôngbịbẻcong,và thông tin trong các sóng sẽ không bịmất. Thay vào đó, cuối cùng thìthôngtinhiệnratừhốđentheocácbứcxạtừcácmàng-p.Vậynên,theomôhìnhmàng-p,chúngtacóthểsửdụngphươngtrìnhSchrodingerđểtínhhàmsóngtạicácthờiđiểmsauđó.Khôngcógìbịmấtcả,thờigiansẽquayđềuđặn.Chúngtasẽcómộtquyếtđịnhluậnhoànhảotheonghĩalượngtử.
Thếthìbứctranhnàotronghaibứctranhtrênlàđúng?Mộtphầnhàmsóngsẽbịmất tronghốđenhay tấtcảcác thông tinsẽ thoát ranhưmàng-pdựđoán?Đâylàmột trongnhữngcâuhỏinổicộmnhất trongvật lý lý thuyếtngày nay.Nhiều người tin rằng công trình gầy đây cho thấy thông tin sẽkhôngbịmất.Thếgiớilàantoànvàcóthểdựđoánđược,sẽkhôngcógìbấtngờxảyra.Nhưngđiềuđóvẫnchưarõràng.Nếutachọnthuyếttươngđốirộng củaEinsteinmột cáchnghiêm túc thì ta phải thừanhậnxácxuấtmà
khôngthờigiantựtróimìnhnhưmộtcáinơvàthôngtinbịmấttrongnhữngnếpgấp.KhiphithuyềnEnterpriseđiquamộthốgiun,vàiđiềubấtngờđãxảy ra.Tôi biết điều đó vì chính tôi đã ở trên phi thuyền đó chơi bài vớiNewton,EinsteinvàData.Tôiđãrấtngạcnhiên.Hãyxemcáigìđãxảyraởđầugốicủatôinày!
MộtcảnhtrongphimStarTrek:TheNextGeneration,2001
CHƯƠNG5
BẢOVỆQUÁKHỨ
Liệucóthểduhànhthờigianđượckhông?Mộtnềnvănminhtiêntiếncóthểquaylạivàthayđổiquákhứđược
không?
KipThorneTôi đã đánh cuộc nhiều lần với một người bạn và là một người đồng
nghiệpcủatôiKipThorne,anhkhôngphảilàmộtngườitheoxuhướngđượcchấpnhậntrongvậtlýchỉvìnhữngngườikhácchấpnhận.Điềunàylàmchoanhcócanđảmtrởthànhnhàkhoahọcnghiêmtúcđầutiênnghiêncứuvềduhànhthờigiannhưlàmộtkhảnănghiệnthực.
Nghiêncứucôngkhaivềduhànhthờigianđòihỏiphảirấtkhéoléo.Tacónguycơvấpphải,hoặclà,sựphảnđốikịchliệtvềviệc lãngphí tiềncôngvàonhữngthứvôbổ,hoặc là,yêucầuviệcnghiêncứuphảiđượcxếpvàomụctiêuquânsự.Sauhếtlàlàmthếnàomàchúngtacóthểtựbảovệkhỏinhững người có chiếcmáy thời gian?Họ có thể thay đổi lịch sử và điềukhiểnthếgiới.Chỉcóvàingườitrongchúngtađủđiênrồđểnghiêncứuvềmộtvấnđềquákhôngđứngđắnvềmặtchínhtrịnhưthếtrongthếgiớivậtlý.Chúngtacheđậythựctếnàybằngcácthuậtngữkhoahọcđểmãhóachoviệcduhànhthờigian.
CơsởchotấtcảthảoluậnvềduhànhthờigianđólàthuyếttươngđốirộngcủaEinstein.Nhưchúngtađãthấytrongcácchươngtrước,cácphươngtrìnhEinsteinđãlàmchokhônggianvàthờigiantrởnênđộngbằngviệcmôtảcáchmàchúngbịcongvàbiếndạngbởivậtchấtvànănglượngtrongvũtrụ.Trongthuyếttươngđốirộng,thờigiancánhâncủamộtngườinàođóđượcđobởiđồnghồđeotaycủahọvàthờigianđóluôntănggiốngnhưviệcthờigian tăng trong lý thuyếtNewton hay không thời gian phẳng trong thuyếttươngđốihẹp.Nhưngbâygiờcókhảnăngkhôngthờigianbịbẻcongđếnnỗibạnkhôngthểthoátrakhỏiphithuyềnvàtrởlạitrướckhibạnđượcgửiđi(hình5.1).
(Hình5.1)Cómộtcáchđểđiềunàycóthểxảyranếucócáchốgiun-cácđườngống
củakhôngthờigianđượcnhắcđếntrongchương4-nốicácvùngkhácnhaucủakhônggianvàthờigian.Ýtưởnglàbạnláiphithuyềncủabạnvàomộtmiệngcủahốgiunvàđiramiệngkiađếnmộtnơikhácvàtạithờiđiểmkhác(hình5.2).
(Hình5.2)PHIÊNBẢNTHỨHAICỦANGHỊCHLÝANHEMSINHĐÔI
(1)Nếumộthốgiunnông,bạncóthểđivàohốgiunvàđiracùngmộtthờiđiểm.(2)Tacóthểhìnhdunglấymộtđầucủahốgiunsâuđặtởphithuyềnvàđầukiaởtráiđất.
(3)Vìhiệuứngnghịchlýanhemsinhđôi(*thờigianởtrênphithuyềnđangchuyểnđộngvớivậntốclớnsẽchậmhơnthờigianởtrêntráiđất-ND*),khichiếcphithuyềntrởlại,thờigiantrôiđiởđầuphithuyềnchậmhơnthờigianởđầutráiđất.Điềuđócónghĩalànếubạnbướcvàođầutráiđấtvàbướcrađầuphithuyềntạithờiđiểmsớmhơn.Nếucáchốgiuntồntạithìchúngsẽlàlờigiảichovấnđềgiớihạntốcđộ
trongkhônggian:phảimấtmườingànnămđểđingangquathiênhàbằngmột phi thuyền chuyển động chậm hơn ánh sáng như yêu cầu của thuyếttươngđối.Nhưngbạncóthểđiquahốgiunđểđếnlềbênkiacủathiênhàvàtrởlạiđúngvàobữatối.Tuynhiên,nếutachứngminhrằnghốgiuntồntạithìbạncũngcóthểđểquaylạitrướckhibạnđượcgửiđi.Vậynên,bạncóthểnghĩrằngbạncókhảnănglàmđiềugìđónhưlàchonổtênlửatrênbệphóngđểtránhkhôngphảilênđườngởvịtríđầutiên.Đâylàmộtbiếnđổicủa nghịch lý người ông (grandfather paradox): điều gì sẽ xảy ra nếu bạnquaytrởlạivàgiếtôngbạntrướckhibốbạnrađời(hình5.3)?
(Hình5.3)Mộtviênđạnbắnvàoquákhứquamộthốgiuncóảnhhưởngđếnxạthủhaykhông?Tấtnhiên,đâychỉlànghịchlýnếubạntinrằngbạncóýchítựdođểlàm
điềubạnmuốnkhibạnquaytrởlạiquákhứ.Cuốnsáchnàysẽkhôngđivàothảoluậntriếthọcvềýchítựdo.Màthayvàođó,cuốnsáchsẽtậptrungvàoviệccácđịnhluậtvậtlýcóchophépkhôngthờigianbịbẻcongđếnmứcmàcácvậtthểvĩmônhưlàmộtchiếcphithuyềncóthểquaytrởlạiquákhứcủachínhnóđượchaykhông.TheolýthuyếtEinstein,mộtchiếcphithuyềncầnphảichuyểnđộngchậmhơnvậntốcánhsángđịaphươngvàđitheomộtcáigọilàlộtrìnhthờigian(timelikepath)trongkhôngthờigian.Dođó,tacóthểphátbiểucâuhỏitrênbằngcácthuậtngữchuyênmôn:khôngthờigiancó chấp nhận các đường cong thời gian đóng (closed timelike curve) haykhông-tứclàcáclộtrìnhtrởlạiđiểmxuấtphátcủanónhiềulần?Tôisẽgọi
nhữngđườngnhưthếlà“chutrìnhthờigian”(timeloop).Chúngtacóthểcốgắngtrảlờicâuhỏinàytheobamứcđộ.Mứcđộthứ
nhất là lý thuyết tươngđối rộngcủaEinstein, lý thuyếtchorằngvũ trụcómộtlịchsửtấtđịnhmàkhôngcóbấtkỳđộbấtđịnhnào.Đốivớilýthuyếtcổđiểnnày,chúngtacómộtbứctranhkháhoànthiện.Tuynhiên,nhưchúngtađã thấy, lý thuyếtnàykhông thểđúnghoàn toànvìchúng ta thấyvậtchấttuântheonguyênlýbấtđịnhvàcácthănggiánglượngtử.Dođó,chúngtacóthểđặtcâuhỏivềduhànhthờigiantrênmộtmứcđộ
thứhai,mứcđộcủalýthuyếtbáncổđiển.Tronglýthuyếtnày,chúngtaxemxétvậtchấthànhxửtheothuyếtlượngtử,vớitínhbấtđịnhvàthănggiánglượngtử,nhưngkhôngthờigianhoàntoàntấtđịnhvàcổđiển.Ởđây,bứctranhkémhoànthiệnhơn,nhưngítnhấtchúngtacómộtvàiýtưởngvềviệcsẽtiếptụcnhưthếnào.Cuốicùng,cómộtlýthuyếtlượngtửhấpdẫnđầyđủ,dùnócóthểlàgìđi
chăngnữa.Tronglýthuyếtnày,khôngchỉcóvậtchấtmàcảkhônggianvàthờigianđềubấtđịnhvàthănggiáng,ngaycảviệclàmthếnàođểđặtracâuhỏilàduhànhthờigiancókhảthihaykhôngvẫncònchưarõràng.Cólẽđiều tốt nhất chúng ta có thể làm làhỏixemnhữngngười trongcácvùngkhôngthờigiangầncổđiểnvàkhôngcótínhbấtđịnhgiảithíchcácphépđocủahọnhưthếnào.Họcónghĩrằngduhànhthờigiancóthểxảyratrongnhữngvùnghấpdẫnmạnhvàthănggiánglượngtửlớnhaykhông?Đểbắtđầuvớilýthuyếtcổđiển:khôngthờigianphẳngcủathuyếttương
đốihẹp(tươngđốikhôngcóhấpdẫn)khôngchophépduhànhthờigianvàcũngkhôngchophépkhông thờigianbịbẻcongmà tađãbiết trướcđây.ChínhvìthếmàEinsteinrấtsửngsốtkhiKurtGodelpháthiệnramộtkhôngthờigian-mộtvũtrụtrànđầyvậtchấtđangquayvớicácchutrìnhthờigianxuyênquatạimỗiđiểm(hình5.4)-địnhlýGodel.
(Hình5.4)Khôngthờigiancóđượcphépđóng,tứclàtrởlạiđiểmxuấtphátbanđầucủachúngnhiều
lầnhaykhông?ĐỊNHLÝKHÔNGĐỦCỦAGODEL
Vàonăm1931,nhàtoánhọcKurtGodelchứngminhđịnhlýkhôngđủnổitiếngcủaôngvềbảnchấtcủatoánhọc.Địnhlýphátbiểurằngtrongbấtkỳmộthệtiênđềhìnhthứcnào,giốngnhưtoánhọcngàynay,cáccâuhỏivềviệcchứngminhhoặcbácbỏcáctiênđềxácđịnhcáchệ,luônluôntồntại.NóicáchkháclàGodelđãchứngminhrằngluôntồntạinhữngbàitoánkhôngthểgiảibằngbấtkỳtậphợpcácquytắchoặcquátrình.ĐịnhlýGodelđặtgiớihạnchotoánhọc.Điềunàyđãgâysửngsốtchogiớikhoahọcvìnó
đãđạpđổniềmtinbấylâuchorằngtoánhọclàmộthệthốngchặtchẽvàhoànthiệndựatrêncácchuyêntắclôgic.ĐịnhlýGodel,nguyênlýbấtđịnhHeisenbergvàviệckhôngthểtiênđoánsựtiếnhóangay
cảởtrongcáchệquyếtđịnhluận(trởthànhhỗnloạn)tạonênmộttậphợpcácgiớihạnchotrithứckhoahọc,điềuđóchỉcóthểđượcnhậnthấyvàothếkỷhaimươi.LờigiảiGodelcầnmộthằngsốvũtrụ,hằngsốđócóthểhoặckhôngthể
tồntạitrongtựnhiên,nhưngrồicáclờigiảikhácđượctìmthấymàkhôngcầnmộthằngsốvũtrụ.Mộttrườnghợpđặcbiệtlýthúlàtrườnghợpkhihaidâyvũtrụ(cosmicstring)chuyểnđộngvớitốcđộcaođiquanhau.
DÂYVŨTRỤCácdâyvũtrụlàcácvậtthểdài,nặngvàcóthiếtdiệnrấtnhỏ.Cácdâynàycólẽđượctạo
ratạicácthờikỳsơkhaicủavũtrụ.Mộtkhicácdâyđượchìnhthành,chúngbịkéodàiradovũtrụgiãnnở,vàbâygiờ,mộtdâyvũtrụcóthểkéodàitheotoànbộvùngvũtrụcóthểquansát.Sựxuấthiệncủacácdâyvũtrụđếntừcáclý thuyếtmớivềhạtcơbản.Chúngtiênđoán
rằng,tạicácgiaiđoạnbanđầunóngbỏng,vậtchấtởtrongmộtphađốixứng,rấtgiốngnướcở trạng thái lỏng - rất đối xứng: giốngnhau tạimọi điểmvà theomọi hướng - chứ khônggiốngtrongtinhthểnướcđóngbăngcócáccấutrúcrờirạc.Khivũtrụlạnhđi, tínhđốixứngcủaphabanđầunàycóthểđãbịphávỡtheocáccách
khácnhauởcácvùngxanhau.Kếtquảlàvậtchấtvũtrụởcácvùngđócócáctrạngtháicơbảnkhácnhau.Dođó,sựhìnhthànhcủachúnglàmộthệquảkhôngthểtránhkhỏicủaviệc
cácvùngkhácnhaucócáctrạngtháicơbảnkhácnhau.Khôngnênnhầmlẫncácdâyvũtrụvớicácdâycủalýthuyếtdâymặcdù
chúngkhôngphảilàhoàntoànkhôngcóliênhệgìvớinhau.Chúnglàcácvậtthểcóđộdàivớithiếtdiệnrấtnhỏ.Sựcómặtcủachúngđượctiênđoántrongmộtsốlýthuyếthạtsơcấp.Khôngthờigianbênngoàimộtdâyvũtrụđơnlàphẳng.Nhưngđólàmộtkhôngthờigianphẳngvớimộtgóchìnhcáinêmbị cắtđi,đầunhọncủacáinêm làdâyvũ trụ.Nógiốngnhưmộtcáinón:lấymộthìnhtrònlớnbằnggiấyvàcắtđimộtcungtròngiốngnhưcắtđimột góc bánh ngọt, ta cómột góc bánh hình cái nêm với cạnh nhọn củamiếngbánhchínhlàtâmcủahìnhtròn.Sauđóvứtphầncungtrònbịcắtđivàdánhaiđườngcắtcủaphầngiấycòn lạivớinhauvàbạnsẽcómộtcáinón.Cáinónnàybiểudiễnkhôngthờigianmàtrongđódâyvũtrụtồntại(hình5.5).
(Hình5.5)Lưuýrằngvìbềmặtcủanónchínhlàtấmgiấyphẳngbanđầu(trừđiphần
giấyhìnhcáinêm),bạnvẫncóthểgọinólàphẳngngoạitrừcáiđỉnh.Bạncóthểnhậnrarằngcóđộcongởđỉnhnónnhờvàomộthìnhtrònxungquanhđỉnhnóncóđườngkínhnhỏhơnhìnhtrònđượcvẽtrêntấmgiấytrònban
đầuvớicùngkhoảngcách từ tâmhình tròn.Nóicáchkhác,mộthình trònxungquanhđỉnhsẽcóchuvingắnhơnhìnhtròncócùngbánhkínhđượcvẽtrênkhônggianphẳngvìmộtcungtròncủanóbịmấtđi(hình5.6).
Tươngtựnhưvậy,trongtrườnghợpdâyvũtrụ,phầnkhôngthờigianhìnhcáinêmbịcắtkhỏikhôngthờigianphẳnglàmngắnđicáchìnhtrònxungquanhdâyvũtrụnhưngkhôngảnhhưởngđếnthờigianvàkhoảngcáchdọctheocácdâyđó.Điềunàycónghĩalàkhôngthờigianxungquanhmộtdâyvũtrụđơnlẻsẽkhôngcóbấtkỳchutrìnhthờigiannào,thếnêntakhôngthểduhànhvềquákhứ.Tuynhiên,nếucómộtdâyvũtrụthứhaichuyểnđộngtươngđốivớichiếcdâythứnhấtthìhướngthờigiancủadâythứhaisẽlàtổhợpcủacáchướngthờigianvàkhônggiancủadâythứnhất.Tứclà,phầnkhônggianhìnhcáinêmđượccắtchocáidâythứhaisẽlàmngắnđikhoảngthời gian và khônggian đối với ai đó chuyểnđộng cùng cái dây thứ nhất(hình5.7).Nếucácdâyvũtrụchuyểnđộngvớivậntốcgầnbằngvậntốcánhsángtươngđốivớinhauthìkhoảngthờigiantiếtkiệmđượcxungquanhcảhaidâycóthểlớnđếnmứctacóthểtrởvềtrướckhitađượcgửiđi.Nóicáchkhác,sẽcócácchutrìnhthờigianmàtacóthểtheonómàduhànhvềquákhứ.
Không thời gian của các giây vũ trụ có chứa vật chất vớimật độ nănglượngdươngvàphùhợpvới nềnvật lýmà ta biết.Tuyvậy, sự cong củakhông thờigianmà tạonêncácchu trình thờigian trảidàichođếnvô tậntrongkhônggianvàtrởlạiđếnquákhứvôtậntrongthờigian.Dovậy,tacóthểduhànhthờigiantrongcáckhôngthờigianđótừkhichúngđượctạora.Takhôngcólýdogìđểtinrằngvũtrụcủariêngchúngtađượctạoratheomộtcáchbịbẻcongnhưvậy,vàchúng tacũngkhôngcócácbằngchứngđángtincậyvềcácvịkháchcủatươnglai(Tôikhôngtínhđếngiảthuyếtimlặngchorằngcácvậtthểbaykhôngxácđịnh-UFOđếntừtươnglaivàcácchínhphủbiếtnhưngchedấuđi.Hồsơchegiấuchuyệnđókhôngthểkínnhưthếđược).Dođó,tôisẽgiảthiếtrằngkhôngcócácchutrìnhthờigiantrongquákhứxaxôi,haylàmộtcáchchínhxáchơn,khôngcócácchutrìnhthờigiantrongquákhứcủamộtsốmặtphẳngtrongkhôngthờigianmàtôigọi làS.Lúcđó câuhỏi sẽ là: liệu cácnềnvănminh tiên tiến có thểxâydựngmột chiếcmáy thời gian hay không?Tức là liệu nó có thể thay đổikhôngthờigiancủatươnglaicủaS(phíatrênmặtStrêngiảnđồ),làmchocácchutrìnhthờigianđượcxuấthiệntrongmộtvùnghữuhạnhaykhông?Tôinóimộtvùnghữuhạnbởivìdùnềnvănminhđócótrởthànhtiêntiếnđếnbaonhiêuđichăngnữathìnềnvănminhđócólẽchỉcóthểđiềukhiểnmộtphầnhữuhạncủavũtrụmàthôi.Trongkhoahọc,việctrìnhbàymộtcáchchínhxácmộtvấnđềthườnglà
chìakhóađểgiảiquyếtvấnđềđó,vàđây làmộtvídụ tốt.Đểđịnhnghĩamáy thời gianhữuhạn cónghĩa gì, tôi quay trở lại vớimột số công trìnhtrướcđâycủatôi.Cóthểduhànhthờigiantrongmộtvùngkhôngthờigian
cócácchutrìnhthờigian-cáclộtrìnhchuyểnđộngchậmhơntốcđộánhsáng,nhưngtuyvậy,chúnglạicóthểtrởlạithờigianvàđịađiểmmàchúngkhởiđầunhờvàođộcongcủakhôngthờigian.Vìtôigiảthiếtrằngkhôngcócácchutrìnhthờigiantrongkhônggianxaxôi,nêncầnphảicómộtcáigọilà“chântrời”duhànhthờigian(timetravelhorizon)-biêngiớiphâncáchvùngcóvàkhôngcóchutrìnhthờigian(hình5.8).
(Hình5.8)Nềnvănminhtiêntiếnnhấtcóthểbẻcongkhôngthờigiantrongmộtvùnghữuhạn.Chân
trờiduhànhthờigianlàbiêngiớingăncáchvùngkhôngthờigian,nóđượchìnhthànhbởicáctiasángphátratừcácvùnghữuhạn.Trongvùngđó,tacóthểduhànhvàoquákhứ.Cácchântrờiduhànhthờigiankhágiốngcácchântrờihốđen.Trongkhi
chântrờihốđenđượchìnhthànhbởicáctiasángsuýtbịrơivàohốđenthìchântrờiduhànhthờigianđượchìnhthànhbởicáctiasángsuýtgặpnhau.Vậynêntôichọntiêuchuẩncủatôivềmáythờigian-cáimàtôigọilàchântrờiphátsinhhữuhạn(finitlygeneratedhorizon)làmộtchântrờiđượchìnhthànhbởicáctiasángxuấthiệntừmộtvùngkhôngthờigianbóbuộc.Nóicáchkhác,cáctiasángkhôngđếntừvôtậnhoặctừđiểmkỳdịmàtừmộtvùnghữuhạncóchứacácchutrìnhthờigian-vùngkhôngthờigianmàtagiảthiếtnềnvănminhtiêntiếncủachúngtađượcsinhra.
Câuhỏilà:mộtsốnềnvănminhtiêntiếncóthểxâyđượcmáythờigianhaykhông?Khichọnđịnhnghĩanàylàmcơsởcủamáythờigian,chúngtacólợithế
đểcóthểsửdụngchiếcmáymàRogerPenrosevàtôiđãpháttriểnđểnghiêncứu các kỳ dị và các hố đen. Thậm chí không sử dụng các phương trìnhEinstein,tôicóthểchứngminhrằng,nóichung,mộtchântrờiphátsinhhữuhạnsẽcóchứamộttiasángmàthựcratựgặpchínhnó-tứclàmộttiasángcứquayđiquaylạimộtđiểm.Mỗilầntiasángquaylạinósẽbịdịchchuyểnvềphíaánhsángxanh,vàdầndầnnósẽtrởlênxanhhơn.Cácđỉnhsóngcủaxungánhsángsẽdầndầngầnnhauhơnvàánhsángsẽquayvòngtrongmộtkhoảngthờigianngắnhơn.Trênthựctế,mộthạtánhsángchỉcómộtlịchsửhữuhạnvàđượcxácđịnhbởiphépđo thờigian riêngcủanó,mặcdùnóquayđiquaylạitrongmộtvùngkhôngthờigianhữuhạnvàkhôngvaphảimộtđiểmkỳdị.Ngườitacóthểkhôngquantâmđếnchuyệnmộthạtánhsángcóchấmdứt
lịchsửcủanóhaykhông.Nhưngtôivẫncóthểchứngminhrằngcónhữnglộtrìnhchuyểnđộngchậmhơnvậntốcánhsángvàcóthờigiansốnghữuhạn.Cáclộtrìnhnàycóthểlànhữnglịchsửcủangườiquansát,ngườiquansátlạibịbẫytrongmộtvùngkhôngthờigianhữuhạnngaytrướcchântrờivàsẽbayvòngquanh,nhanhdầnnhanhdầnchođếnkhiđạtđếntốcđộánhsángtrongmộtthờigianhữuhạn.Dođó,nếucómộtngườingoàihànhtinhxinhđẹpởtrongmộtđĩabaymờibạnvàochiếcmàythờigiancủacôtathìbạnphảicẩnthậnkhibướcchânvàođấy.Bạncóthểbịrơivàomột trongnhữnglịchsửtuầnhoànbịbẫycóthờigianhữuhạn(hình5.9).
(Hình5.9)Sựnguyhiểmkhiduhànhthờigian.
Cáckếtquảnàykhôngphụ thuộcvàocácphương trìnhEinsteinmàchỉphụthuộcvàocáchmàkhôngthờigianbịcongđểtạoracácchutrìnhthờigian trongmộtvùnghữuhạn.Tuynhiên,bâygiờchúng tacó thểhỏi liệunềnvănminhtiêntiếnphảisửdụngloạivậtchấtgìđểbẻcongkhôngthờigianđểcó thểxâydựngđượcmộtchiếcmáy thờigiancókích thướchữuhạn?Vậtchấtđócóthểcómậtđộnănglượngdươngởkhắpnơigiốngnhưtrongkhôngthờigiandâyvũtrụmàtôimôtảtrướcđâyhaykhông?Khôngthờigiandâyvũtrụđãkhôngthỏamãnyêucầucủatôilàcácchutrìnhthờigianxuấthiệntrongmộtvùnghữuhạn.Tuynhiên,ngườitacóthểnghĩrằngyêucầuđóchỉlàdocácdâyvũtrụdàivôhạn.Ngườitacóthểtưởngtượngrằngngườitacóthểxâymộtcáimàythờigianhữuhạnsửdụngcácvòngdâyvũ trụhữuhạnvàcómậtđộnăng lươngdươngởkhắpmọinơi.ThậtđángtiếckhiphảilàmthấtvọngnhữngngườimuốnquaylạiquákhứgiốngnhưKip,nhưngđiềuđókhôngthểthựchiệnđượckhimàmậtđộnănglượnglàdươngởkhắpmọinơi.Tôicóthểchứngminhrằng,đểxâymộtmáythờigianhữuhạn,bạncầnnănglượngâm.Tronglýthuyếtcổđiểnthìmậtđộnănglượngluônluôndương,dođó,loại
trừmáy thờigianvớikích thướchữuhạn rakhỏimứcđộnày.Tuynhiên,tìnhhuốnglạikháctronglýthuyếtbáncổđiển,khimàtacoivậtchấttuântheo thuyết lượng tử nhưng không thời gian lại tất định và cổ điển. Nhưchúngtađãthấy,nguyênlýbấtđịnhcủacơhọclượngtửnóirằngcáctrườngluôn thănggiáng lên xuốngngay cả trong chân khôngvà cómật độ nănglượngvôhạn.Dođó,taphảiloạitrừđạilượngvôhạnđểnhậnđượcmậtđộnănglượnghữuhạnmàtaquansátđượctrongvũtrụ.Việcloạitrừnàycó
thể làm năng lượng âm, ít nhất là âm cục bộ. Ngay cả trong không gianphẳng,tacóthểtìmthấycáctrạngtháilượngtửcónănglượngâmcụcbộmặcdùnănglượngtoànphầnlàdương.Tacóthểtựhỏilàcácgiátrịâmnàycóthựcsựlàmkhôngthờigianbịbẻcongmộtcáchthíchhợpđểxâymộtmáythờigianhữuhạnhaykhông,dườngnhưlàcó.Nhưchúngtađãthấytrong chương 4, thăng giáng lượng tử có nghĩa là ngay trong chân khôngtrốngrỗngcũngđầyắpcáccặphạtảo,cùngxuấthiện,rờixanhaurồiquaytrởlạiđểhủylẫnnhau(hình5.10).Mộtthànhviêncủacặphạtảocónănglượngdươngvàthànhviênkiacónănglượngâm.Khicómặthốđenthànhviêncónănglượngâmcóthểbịrơivàohốđenvàthànhviêncónănglượngdươngcóthểthoátvàovôtận,ởđó,thànhviêncónănglượngdươngđượcquansátnhưlàbứcxạmangnănglượngdươngrakhỏihốđen.Cáchạtcónănglượngâmrơivàohốđensẽlàmchohốđenmấtkhốilượngvàtừtừbayhơi,kíchthướccủachântrờisựkiệnsẽbịsuygiảm(hình5.11).
(Hình5.10)
Việctiênđoánhốđenphátxạvàmấtđikhốilượngngụýrằngthuyếtlượngtửtạoracácnănglượngâmđivàohốđenquachântrờisựkiện.Đốivớihốđencolạiđếnkhông,mậtđộnăng lượng trênchân trờisựkiệnphải làâm,đó làdấuhiệucầncóđểxâydựngmáy thờigian.
(Hình5.11)Vậtchấtthườngvớimậtđộnănglượngdươnggâyrahiệuứnghấpdẫnâm
vàbẻcongkhôngthờigianlàmchoáctiasángđilạigầnnhau-giốngnhưhònbitrêntấmcaosutrongchươnghaibẻcongđườngđicủacáchònbinhỏhơnlạigầnnhauchứkhôngbaogiờlàmchochúngxanhau.Điềunàyngụýrằngdiệntíchcủachântrờihốđenluôntăngtheothờigian
chứkhôngbaogiờbịgiảmđi.Đốivớichântrờicủahốđenđanggiảmkíchthướcthìmậtđộnănglượngtrênchântrờiphảilàâmvàbẻcongkhôngthờigianđểlàmchocáctiasángđiraxanhau.Đólàđiềutôinhậnrađầutiênkhitôiđivềbuồngngủngaysaukhicongáitôirađời.Tôisẽkhôngnóikhiđócáchđâybaolâu,chỉbiếtrằngnaytôiđãcócháungoạirồi.
Cháungoạitôi,WilliamMackenzieSmith.Việccáchốđenbayhơichothấyrằngtrênmứcđộlượngtử,đôikhimật
độnănglượngcóthểlàâmvàlàmbẻcongkhôngthờigiantheohướngcầnthiết đểxâydựngmộtmáy thời gian.Dođó chúng ta có thể tưởng tượngrằng,mộtsốnềnvănminhrấtcaocóthểbốtrímậtđộnănglượngđủâmđểtạonênmộtmáythờigiancóthểsửdụngchocácvậtthểvĩmônhưlàcácphithuyền.Tuynhiên,cómộtsựkhácbiệtquantrọnggiữachântrờihốđen-đượchìnhthànhbởicáctiasángbayvòngquanhhốđen,vàchântrờicủamáythờigian-cóchứacáctiasángquayđiquaylại.Dođó,tacóthểtrôngđợimậtđộnănglượngvôhạntrênchântrời-biêncủamáythờigian-vùngkhôngthờigianmàtacóthểđivềquákhứ.Điềunàyđượcxácđịnhbởicáctínhtoánrấttườngminhtrênmộtsốnềntảngđủđơngiảnchocáctínhtoánchínhxác.Điềuđócónghĩa làmộtngườihaymộtmáydòkhônggiankhithửvượtquachântrờiđivàotrongmáythờigiansẽbịpháhủybởimộtvànhđaibứcxạ(hình5.12).Nêntươnglaicóvẻnhưlàmộtmàuđenvớiviệcduhànhthờigian-haylàmộtmàutrắngchếtchócnhỉ?
(Hình5.12)Tacóthểbịmộtvànhđaibứcxạxóasổkhibướcchânvàochântrờiduhànhthờigian.
Mậtđộnănglượngcủavậtchấtphụthuộcvàotrạngtháicủanónêncóthểmộtnềnvănminhtiêntiếncókhảnăngtạoramậtđộvậtchấthữuhạnởtrênbiêncủamáythờigianbằngviệc“vứtbỏ”hoặcloạitrừcáchạtảocứquayđiquaylạitrongmộtchutrìnhkín.Tuyvậy,vẫnchưarõmộtchiếcmáythờigiannhưthếcóthểổnđịnhhaykhông:mộtnhiễuloạnnhỏnhấtnhưlàviệcaiđóđingangquachântrờiđểvàotrongmáythờigiansẽlàmtăngcáchạtảochuyểnđộngtuầnhoànvàkhởiđộngvànhđaiánhsáng.Đâylàmộtcâuhỏimàcácnhàvật lýnên tựdo thảo luận, khôngnên cườikhinh thường.Thậmchíngaycảkhiduhànhthờigianlàbấtkhảthểthìviệctìmhiểutạisaonóbấtkhảthểlàđiềurấtquantrọng.Để trả lời dứt khoát câu hỏi này chúng ta cần xem xét các thăng giáng
lượngtửkhôngchỉcủacáctrườngvậtchấtmàcảcủabảnthânthờigiannữa.Tacóthểtrôngđợicácthănggiánggâyramộtđộmờnhấtđịnhtrongcáclộtrìnhthờigianvàtrongtoànbộkháiniệmthờigiantrậttự.Thựcvậy,tacóthểcoibứcxạtừcáchốđengiốngnhưmộtsựrògỉrangoàinhờcácthănggiánglượngtửcủakhôngthờigian,cónghĩalàchântrờikhônghoàntoànxácđịnhmộtcáchchínhxác.Vìchúngtavẫnchưacómộtlýthuyếthấpdẫnlượng tửhoàn thiệnnên thậtkhócó thểnói cáchiệuứngcủa thănggiángkhôngthờigianlàgì.Tuynhiên,chúngtacóthểhyvọngcóđượcmộtsốgợiýtừtổngtheocáclịchsửcủaFeynmanmàđãđượcmôtảtrongchương3.
(Hình5.13)LấytổngtheocáclịchsửcủaFeynmanđãtínhđếncáclịchsửtrongđócáchạtquayngược
lạithờigianvàngaycảcáclịchsửlàcácvòngđóngtrongthờigianvàkhônggian.Mỗilịchsửsẽcómộtkhôngthờigiancongvớicáctrườngvậtchấttrong
đó.Vìchúngtađãgiảthiếtlấytổngtheotấtcảcáclịchsửkhảdĩ,khôngchỉcáclịchsửthỏamãnmộtsốphươngtrìnhmàtổngcầnbaogồmcáckhôngthờigianđủcongđểduhànhvềquákhứ(hình5.13).Dođó,câuhỏilàtạisaoduhành thời giankhôngxảy raởkhắpnơi?Câu trả lời là thực ra duhànhthờigianxảyraởcấpđộvimô,nhưngchúngtakhôngchúýđếnnó.NếungườitaápdụngýtưởnglấytổngtheocáclịchsửcủaFeynmanđốivớimộthạt,ngườitaphảilấycảcáclịchsửtrongđócáchạtchuyểnđộngnhanhhơnánhsángthậmchícònquayngượctrongthờigian.Đặcbiệtlàsẽcócáclịchsửmàtrongđócáchạttheonhữnglộtrìnhtuầnhoàntrênmộtchutrìnhthờigianvàkhônggian.Điềunàygiốngnhư trongphimGroundbogDay,trongđómộtphóngviênphảisốngtrongmộtngàyđượclặpđilặplạinhiềulần(hình5.14).
Ngườitakhôngthểquansátmộtcáchtrựctiếpcáchạtvớicáclịchsửcóchutrìnhkínnhưthếbằngcácmáyđohạt.Tuyvậy,cáchiệuứnggiántiếpcủa chúng đã được thấy trong rất nhiều thí nghiệm.Một trong những thínghiệmđólàcómộtdịchchuyểnnhỏtrongánhsángphátratừcácnguyêntửhydro,gâyrabởicácđiệntửchuyểnđộngtrongcácchutrìnhkín.Mộtthínghiệmkhácnữađólàcómộtlựcnhỏxuấthiệngiữacáctấmkimloạisongsonggâyradocóíthơncáclịchsửchutrìnhkíncóthểkhớpvàogiữacáctấm kim loại so với các vùng bên ngoài - đó là một lời giải thích tươngđươngkhácchohiệuứngCasimir.Vậynênsự tồn tại củacác lịch sửchutrìnhkínđãđượckhẳngđịnhbằngthựcnghiệm(hình5.15).
Ngườitacóthểnghingờviệccáclịchsửchutrìnhkínliệucóliênquangìđến việc bẻ cong không thời gian hay không vì chúng xuất hiện ngay cảtrongkhungnềncốđịnhnhưlàkhônggianphẳng.Nhưngnhữngnămgầnđâychúngtađãtìmrarằngcáchiệntượngvậtlýthườngcóthểđượcmôtảtheohaicáchtươngđươngnhau.Ngườitahoàntoàncóthểnóirằngmộthạtchuyểnđộngtrênmộtchutrìnhkíntrongmộtkhungnềncốđịnhhoặcngườitacũngcó thểnói rằnghạtnằmtrong trạng tháicốđịnhvàkhônggianvàthờigianthănggiángxungquanhnó.Câuhỏichỉlàbạnlấytổngtheocáclộtrìnhcủahạttrướcrồisauđólấytổngtheokhôngthờigianconghoặcngượclại.Vậynên,dườngnhưthuyếtlượngtửchophépduhànhthờigianởcấpđộ
vi mô. Nhưng điều này không có nhiều tác dụng lắm với mục đích viễntưởngkhoahọcnhưlàviệcquaylạiquákhứvàgiếtngườiôngchẳnghạn.Vậy câu hỏi là: xác xuất trong việc lấy tổng theo các lịch sử xung quanhkhôngthờigianvớicácchutrìnhthờigianvĩmôcócaohaykhông?Ngườitacóthểxemxétcâuhỏinàykhinghiêncứutổngtheocáclịchsử
của các trường vật chất trong một chuỗi các không thời gian nền(backgroundspacetime)đangxíchlạigầnnhauđểcócácchutrìnhthờigian.Ngườitatrôngđợicáigìđókịchtínhxảyrakhicácchutrìnhthờigianxuất
hiệnđầutiên,vàđiềunàyđãđượcxácnhậntrongmộtthínghiệmđơngiảnmàtôiđãkhảocứuvớimộtsinhviêncủatôilàMichealCassidy.Cáckhôngthờigiannềntrongchuỗimàtôinghiêncứucóliênhệrấtmật
thiếtđốivớicáiđượcgọilàvũtrụEinstein,khôngthờigianmàEinsteinđưarakhiôngtinrằngvũtrụlàtĩnhtạivàkhôngđổitheothờigian,khônggiãnnởmàcũngkhôngco lại (xemchương1).Trongvũ trụcủaEinstein, thờigianchạytừquákhứvôcùngđếntươnglaivôcùng.Tuynhiên,cáchướngkhônggianlạihữuhạnvàtựđóng,giốngnhưbềmặttráiđấtnhưngcónhiềuhơnmộtchiều.Tacóthểmườngtượngkhôngthờigiannàygiốngnhưmộthìnhtrụvới trục thẳngđứnglàhướngthờigianvàmặtcắt làbachiềucủakhônggian(hình5.16).
(Hình5.16)VũtrụcủaEinsteingiốngnhưmộthìnhtrụ,nóhữuhạntheokhônggianvàkhôngđổitheo
thờigian,mọinơitrongvũtrụcóthểquayvớitốcđộnhỏhơntốcđộánhsáng.Vũ trụ củaEinsteinkhông thểhiệnvũ trụmà chúng ta đang sốngvì nó
khônggiãnnở.Tuyvậy,nó làmộtkhungnền rất thuận tiện trongviệc sửdụngkhinghiêncứuduhànhthờigianvìvũtrụđóđủđơngiảnkhi ta lấytổngtheocáclịchsử.Bâygiờtabỏquachuyệnduhànhthờigian,hãyxemxétvậtchấttrongvũtrụcủaEinsteinquayxungquanhmộtsốtrụcnàođó.Nếubạnđứngtrênmộtcái trụcquay,bạncóthểvẫnở tạimộtđiểmtrongkhônggian,giốngnhưbạnđứngởtrungtâmcủatròchơingựaquaycủatrẻcon.Nhưngnếubạnkhôngđứngởtâmthìbạnsẽchuyểnđộngtrongkhônggiankhibạnquayquanhtrục.Bạnởcàngxatrụcquaythìbạnchuyểnđộngcàngnhanh(hình5.17).Dođó,nếuvũtrụlàvôhạntrongkhônggian,thìcácđiểmđủxatrụcquaysẽquaynhanhhơnvậntốcánhsáng.Tuynhiên,vìvũtrụcủaEinsteinlàhữuhạntheocáchướngtrongkhônggian,nênsẽcómộttốcđộquaytớihạnmàdướinókhôngcóphầnnàocủavũtrụquaynhanhhơnvậntốcánhsáng.
(Hình5.17)Trongkhônggianphẳng,phầnởxatrụcquaycủamộtđĩacứngcóthểquaynhanhhơnvận
tốcánhsáng.Bâygiờtahãynghiêncứuviệclấytổngtheocáclịchsửhạttrongmộtvũ
trụEinsteinquay.Khiquaychậm,mộthạtcóthểtheorấtnhiềulộtrìnhkhidùngmộtlượngnănglượngđãcho.Dođó,tổngtheotấtcảcáclịchsửcủa
hạttrongkhungnềnnàysẽcóbiênđộlớn.Điềunàymuốnnóirằngxácxuấtcủakhungnềnnàysẽcaokhilấytổngtheotấtcảlịchsửkhôngthờigianbịuốncong-tứclà,nólàmộttrongnhữnglịchsửcóxácxuấtcaohơn.Tuyvậy,khitốcđộquaycủavũtrụEinsteinđạtđếngiátrịtớihạn,thìởrìangoàicủavũtrụchuyểnđộngvớivậntốctiếnđếnvậntốcánhsáng.Chỉcómộtlộtrìnhđượcphéptrongkhuônkhổcổđiểntrênrìavũtrụ,làlộtrìnhchohạtchuyểnđộngvớivậntốcánhsáng.Điềunàycónghĩalàtổngtheotấtcảcáclịchsửhạtsẽnhỏnênxácxuấtcủacáckhungnềnnàysẽthấphơnxácxuấtkhi lấy tổngtheotấtcảcác lịchsửkhônggiancong.Tứclà,chúngcóxácxuấtthấpnhất.VũtrụEinsteinquaythìcóliênquangìđếnduhànhthờigianvàcácchu
trình thờigian?Câutrả lời làvềmặt toánhọcchúngtươngđươngvớicáckhungnềnkhácchophéptồntạicácchutrìnhthờigian.Cáckhungnềnkhácnàylàcácvũtrụđanggiãnnởtheohaichiềukhônggian.Vũtrụkhônggiãnnởtheochiềuthứbamàchiềunàylàtuầnhoàn.Điềuđónóirằngnếubạnđimộtkhoảngcáchnhấtđịnhtheochiềunàythìbạnsẽquaytrởlạinơibạnđãxuấtphát.Tuyvậy,mỗilầnbạnđivòngquanhtheochiềukhônggianthứbanày thì tốcđộ củabạn trong chiều thứnhất và thứhai sẽ được tăng thêm(hình5.18).
Nếusựgiatốcnàynhỏthìsẽkhôngcócácchutrìnhthờigian.Nhưnghãyxemxétmộtchuỗicáckhungnềnvớigiatốctăngdần.Tạimộtgiatốctớihạnnhấtđịnh,cácchutrìnhthờigiansẽxuấthiện.ĐiềudễhiểulàsựgiatốctớihạnnàytươngứngvớitốcđộquaytớihạncủacácvũtrụEinstein.Vìcáctínhtoántổngtheocáclịchsửtrongcáckhungnềnnàylàtươngđươngnhau
vềmặttoánhọcnêntacóthểkếtluậnrằngxácxuấtcủacáckhungnềnnàytiếnđếnkhôngkhichúngtiếnđếnđộcongcầnthiếtchocácchutrìnhthờigian.Nóicáchkhác,xácxuấtđểcóđủđộcongchomộtmáy thờigian làbằngkhông.ĐiềunàycủngcốcáimàtôigọilàPhỏngđoánbảotoànlịchsử(ChronologyProtectionConjecture):đólàcácđịnhluậtvậtlýcốgắngtránhduhànhthờigianđốivớicácvậtthểvĩmô.Mặcdùcácchutrìnhthờigiancóthểxảyranhờviệclấytốngtheocáclịch
sử,nhưngcácxácxuấtlạicựckỳnhỏ.Dựatrênluậncứlưỡngtínhtôiđãnóitrướcđây,tôiướctínhxácxuấtmàKipThornecóthểquaylạivàgiếtchếtngườiôngcủaanhtalàmộtphầnmườitỷtỷtỷtỷtỷtỷtỷtỷtỷtỷ.
XácsuấtmàKipcóthểquaylạiquákhứvàgiếtngườiôngcủaanhtalàmộtphầnmườimũ
mườimũsáumươi .Nóicáchkhácxácsuấtđónhỏhơnmộtphầnngàntỷngàntỷngàntỷngàntỷngàntỷ.Đấylàmộtconsốrấtnhỏ,nhưngnếubạnnhìngầnvàobứctranhcủaKip
thìbạncóthểnhìnthấynhữngđườngmờởrìabứctranh.Nótươngứngvớixácsuấtkhimộtkẻvôlạinàođótừtươnglaiquaylạiquákhứvàgiếtchếtngườiôngcủaanhtađểanhtakhôngthểcómặtởđâyđượcnữa.Nhưnhữngtaycờbạc,Kipvàtôiđãđánhbạcvềđiềuđó.Nhưngvấnđềlà
chúngtôikhôngthểcácượcvớinhauvìbâygiờchúngtôiởcùngmộtphía.
Mặt khác, tôi sẽ không đánh bạc với bất kỳ ai nữa.Anh ta có thể đến từtươnglaivàbiếtrằngmáythờigianđãhoạtđộng.Bạncóthểtựhỏichươngsáchnàycóphảilàmộtphầnbiệnphápcheđậy
máythờigiancủachínhphủhaykhông.Cóthểbạnđúngđấy.
CHƯƠNG6
TƯƠNGLAICỦACHÚNGTA?CÓTHỂLÀSTARTREKHAYKHÔNG?
Làmthếnàomàcuộcsốngsinhhọcvàđiệntửsẽtiếptụcpháttriểnđộphứctạpvớimộttốcđộchưatừngthấy?
LýdomàStarTrekphổbiếnđếnthếlàvìđólàmộtviễncảnhtươnglaianủivàdễchịu.BảnthântôicũnglàmộtngườikháyêuthíchStarTrek,dođótôidễdàngbịthuyếtphụcthamgiavàomộtđoạnphimtrongđótôichơibàivớiNewton,Einstein và thuyền trưởngData.Tôi đã thắng họ, nhưng thậtkhôngmay, cóbáohiệukhẩn cấpnên tôi khôngbaogiờ lấyđược số tiềnthắngcược.
Newton,Einstein,thuyềntrưởngDatavàtôiđangchơibàitrongmộtcảnhphimStarTrek.MộtcảnhtrongphimStarTrek:TheNextGenearation,2001.StarTrekcho thấymộtxãhộicó trìnhđộkhoahọc,kỹ thuậtvà tổchức
chínhtrịpháttriểnrấtxavớichúngta(vềtổchứcchínhtrịcóthểkhôngkhókhănlắm).Sẽphảicónhữngthayđổilớnvớinhữngcăngthẳngvàxáotrộnđikèmtrongthờigiangiữabâygiờvàthờiđiểmđó,nhưngtronggiaiđoạnmàchúngtađãthấy,khoahọc,kỹthuậtvàtổchứcxãhộiđượcgiảthiếtlàđạtđếnmứcđộgầnnhưhoànhảo.Tôimuốnđặtnghivấnvềbứctranhnàyvàhỏirằngliệuchúngtasẽđạt
đếnmộttrạngtháiổnđịnhcuốicùngchưatừngcóvềkhoahọcvàcôngnghệhaykhông.Chưalúcnàotrongvòngkhoảngmườingànnămkểtừkỷbănghà, loàingườiở trongmột tìnhtrạngmàtri thứcbấtbiếnvàcôngnghệcốđịnhkhôngthayđổi.CóđôilúcthụtlùinhưlàthờikỳtrungcổsaukhiđếchếLaMãsụpđổ.Nhưngdânsốthếgiới-mộtphépđokhảnăngcôngnghệcủachúngtađểbảotồncuộcsốngvànuôisốngbảnthânchúngta,đãtăngmộtcáchvữngchắctrừmộtvàilầngiánđoạnnhưthờikỳcáichếtđenmàthôi(hình6.1).
Tronghai trămnămvừaqua, tốcđộphát triểndânsốtrởlêncấpsốmũ;tứclàdânsốpháttriểnvớimộtsốphầntrămgiốngnhauhàngnăm.Hiệnnaytốcđộđólà1,9phầntrămmộtnăm.Điềunàynghecóvẻkhôngthíchthúlắmnhưngnócónghĩalàdânsốthếgiớicứbốnmươinămlạitănggấpđôi(hình6.2).
(Hình6.2)(Trái)Mứctiêuthụnănglượngtoàncầu(đơnvịtỷtấnBCU,trongđómộttấnbằngmộtđơn
vịthanbitu=8.13MW-giờ)(Phải)Sốbàibáokhoahọcxuấtbảnhàngnăm,trụctungtheođơnvịngànbài.Năm1900
có9000bài,năm1950có90000bàivànăm2000có900000bài.Cácphépđosựpháttriểncôngnghệkháctrongthờigiangầnđâylàmức
tiêu thụđiệnnăngvàsốcácbàibáokhoahọc.Chúngcũng tăng theohàmmũvàthờigiantănggấpđôithìíthơnbốnmươinăm.Trongtươnglaigần-tấtnhiênlàkhôngphảithờiđạiStarTrek-thờiđạiđượcgiảthiếtkhôngquáxasovớichúngta,khôngcótínhiệunàochothấysựpháttriểncủakhoahọcvàcôngnghệsẽchậmdầnvàdừnghẳn.Nhưngnếutốcđộtăngdânsốvàsựgiatăngvềtiêuthụđiệnnăngtiếptụcvớitốcđộnhưhiệnnaythìđếnnăm2600dânsốthếgiớisẽtăngđếnmứcmọingườiđứngsátvaikềvaivàphủkín tráiđấtvàđiệnnăngsẽ làmchotráiđấtsẽ trởnênnóngđỏ(xemhìnhminhhọatrangkế).
Vàonăm2600,dânsốthếgiớiđôngđếnmứcphảiđứngsátvàonhauvàđiệnnăngtiêuthụcóthểlàmtráiđấtphátsángđỏ.
Nếubạnxếptấtcảcáccuốnsáchmớiđượcxuấtbảnsát lạivớinhauthìbạnphảichuyểnđộngvớivậntốcmộttrămnămmươikmmộtgiờđểcóthểbắt kịpphần cuối củahàng sách.Tất nhiên là vàonăm2600 thì các côngtrìnhnghệ thuật vàkhoahọcpháthành theodạngđiện tử chứkhôngphảitheodạngsáchbáovậtlý.Tuynhiên,nếuđộtăngtheohàmmũcứtiếptụcthìsẽcómườibàibáovềngànhvậtlýlýthuyếtcủatôirađờitrongmộtgiâyvàchẳngcóthờigianđểđọcchúng.Rõrànglàtốcđộtăngtheohàmmũnhưhiệnnaykhôngthểtiếptụcmãi
mãi.Thếthìcáigìsẽxảyra?Mộtkhảnănglàchúngtatựxóabỏhoàntoànbảnthânchúngtabằngmộtsốthảmhọanhưchiếntranhhạtnhânchẳnghạn.Cómộtchuyệnđùachánngấylàlýdomàngườingoàitráiđấtkhôngliênlạcvớichúngtađólàkhinềnvănminhđạtđếngiaiđoạnpháttriểncủachúngtathìnótrởlênbấtổnvàtựhủyhoạibảnthân.Tuyvậy,tôivẫnlàmộtngườilạcquan.Tôikhôngtinlàloàingườiđiquáxađểtựchấmdứtbảnthânkhimọithứđangtrởnênđángquantâm.
ViễncảnhtươnglaiStarTrekmàchúng tađạtđếnmộtmứcđộ tiên tiếnnhưnghầunhưtĩnhtạicóthểtrởthànhhiệnthựctheotrithứccủachúngtavềcácđịnhluậtcơbảnđiềukhiểnvũtrụ.Nhưtôisẽmôtảtrongchươngkếtiếp, có thể cómột lý thuyết tối thượngmà chúng ta sẽ tìm ra trongmộttươnglaikhôngxa.Lýthuyếttốithượngnày,nếutồntại,sẽquyếtđịnhgiấcmơStarTrekvềdichuyểntheođộcongkhônggiancóthànhhiệnthựchaykhông.Theocácýtưởnghiệnnay,chúngtasẽphảikhámpháthiênhàtheomộtcáchchậmchạmvàbuồntẻsửdụngphithuyềnchuyểnđộngchậmhơnvậntốcánhsáng,nhưngvìchúngtachưacólýthuyếtthốngnhấthoàntoànnênchúngtakhôngthểloạitrừkhảnăngdichuyểntheođộcongkhônggian(hình6.3).
(Hình6.3)MạchchuyệncủaStarTrekphụthuộcvàophi thuyềnEnterprisevàcácphi thuyềngiống
nhưthếcóthểdichuyểnvớivậntốccongnhanhhơnrấtnhiềuvậntốcánhsáng.Tuynhiên,nếuGiảđịnhbảotoànlịchsử(ChronologyProtectionConjecture)làđúngthìchúngtasẽphảikhámphávũtrụbằngcácphithuyềncótênlửađẩyvớivậntốcchậmhơnvậntốcánhsáng.Mặtkhác,chúngtađãbiếtcácđịnhluậtđúngtrongtấtcảcáctrườnghợp
nhưng không đúng trong các tình huống tới hạn nhất: các định luật điềukhiểnphihànhđoàncủaEnterprise, và cả bản thân chiếcphi thuyềnnữa.Nếucứtheophươngphápmàchúngtatìmracácđịnhluậtnàyhoặccứtheo
phươngphápmàchúngtaxâydựngnênđộphứctạpcủacáchệnhưhiệnnaythìchẳngcóvẻgìlàchúngtasẽđạtđếnmộttrạngtháiổnđịnh.Chúngtasẽđềcậpđếnsựphứctạpđótrongphầncònlạicủachươngnày.Cho tới nay, hệ thống phức tạp nhấtmà chúng ta có đó chính là cơ thể
chúngta.Dườngnhưsựsốngcónguồngốctừđạidươngnguyênthủybaophủbềmặttráiđấtbốntỷnămtrước.Chúngtakhôngbiếtđiềunàydiễnrathếnào.Cóthểlàsựvachạmngẫunhiêngiữacácnguyêntửđãtạoracácđạiphântử.Cácđạiphântửnàycóthểtựtáitạobảnthânchúngvàliênkếtvớinhauđể tạoracáccấu trúcphức tạphơn.Điềumàchúng tabiếtđó làcáchđâybatỷnămrưỡi,phântửcóđộphứctạprấtcaoADNđãxuấthiện.ADNlàcơsởcủasựsốngtrêntráiđất.Đólàmộtcấutrúchìnhxoắnkép
giốngnhưcầuthangxoáy,cấutrúcnàyđượcFrancisCrickvàJamesWatsonởphòng thí nghiệmCavendish tạiCambridge phát hiện ra vào năm1953.Hainhánhcủachuỗixoắnképnàyđượcliênkếtvớinhaunhờcáccặpba-zơgiống như bậc thang trên cầu thang xoắn. TrongADN có bốn loại ba-zơ:adenine,guanine,thyminevàcytosine.Trậttựcácba-zơxuấthiệndọctheocầuthangxoắnmangcácthôngtinditruyềnchophépADNliênkếtvớimộtcơquanxungquanhnóđểtáisinhchínhnó.VìADNtựtạoracácphiênbảncủachínhnónênđôilúccócácsaisóttrongtỷlệhoặctrậttựcủacácba-zơtrênchuỗixoắnkép.Trongphầnlớncáctrườnghợp,cácsaisóttrongviệcsaochépkhôngthểhoặcrất ítcókhảnăngtựtái tạochínhnó,cónghĩalàcác sai sót di truyền hay thường gọi là các đột biến sẽ bị loại bỏ.Nhưngtrongmộtsốtrườnghợp,cácsaisóthaycácđộtbiếnsẽlàmtăngkhảnăngsốngsótvàtáisinhcủaADN.Cácthayđổivềmãditruyềnnhưthếsẽđượcưutiên.ĐólàcáchmàthôngtinđượclưutrữtrongchuỗiADNtiếnhóadầndầnvàlàmtăngđộphứctạp(hình6.4).
(Hình6.4)TIẾNHÓAKHIHOẠTĐỘNG
HìnhdướilàmôhìnhtạorabằngmộtchươngtrìnhmáytínhdonhàsinhvậthọcRichardDawkinstạora.Sựtồntạicủamộtxuhướngnàođóphụthuộcvàocácđặctínhđơngiảnnhưlà“hấpdẫn”,
“khácbiệt”hoặc“giốngcôntrùng”(insect-like).Bắtđầutừmộtđiểmduynhất,cácthếhệngẫunhiênbanđầupháttriểntheomộtquátrình
tươngtựquátrìnhchọnlọctựnhiên.Dawkinstạoramộtdạngthứcgiốngcôntrùngvới29thếhệ(cùngrấtnhiềungõcụtkhitiếnhóa).Vì tiếnhóasinhhọcvềcơbản làmộtquá trìnhngẫunhiên trongkhông
giancủatấtcảcácxácxuấtditruyềnnêntiếnhóasinhhọcdiễnrarấtchậmchạp.ĐộphứctạphaylàsốcácbitthôngtinđượcmãhóatrongADNgầnbằngsốcácba-zơtrongphântửđó.Trongkhoảnghai tỷnămđầutiên,độphứctạptăngvớitốcđộkhoảngmộtbitthôngtintrongmộttrămnăm.Vàtrongvàitriệunămtrước,độphứctạpcủaADNtăngdầnvớitốcđộkhoảngmộtbitthôngtintrongmộtnăm.Nhưngsauđó,khoảngsáuhoặctámngànnămtrước,xuấthiệnmộtbướcphát triểnmới rấtquan trọng.Chúng tađãpháttriểnngônngữviết.Điềunàycónghĩalàthôngtincóthểđượctruyềntừthếhệnàyđếnthếhệkhácmàkhôngcầnphảiđợiquátrìnhđộtbiếnngẫunhiên và chọn lọc tự nhiên rất chậm chạp đểmã hóa thông tin vào chuỗiADN.Vàđộphứctạptănglênnhanhchóng.ChỉmộtcuốntiểuthuyếtcóthểchứamộtlượngthôngtinbằnglượngthôngtinvềsựkhácnhaugiữaADNcủavượnvàngười,vàbamươitậpbáchkhoatoànthưcóthểmôtảtoànbộchuỗiADNcủaloàingười(hình6.5).
(Hình6.5)ToànbộADNcủangườiđượcchứatrong30tậpsách.
Quantrọnghơnlàthôngtintrongcáccuốnsáchcóthểđượccậpnhậtmộtcách rấtnhanhchóng.TốcđộcậpnhậtADNtrongquá trình tiếnhóasinhhọccủaconngườihiệnnay làmộtbit trongmộtnăm.Nhưngcóhai trămngàncuốnsáchmớixuấtbảnhàngnăm-tươngđươngvớitốcđộcậpnhấtthôngtinmớitrênmộttriệubitmộtgiây.Tấtnhiênlàphầnlớncácthôngtinđềuvôíchnhưngchỉcầnmộtphầntriệubithữuíchthìtốcđộvẫnlớnhơntốcđộtiếnhóasinhhọcmộttrămngànlần.Việctruyềndữliệubằngcácphươngphápngoại,phisinhhọcđãlàmcho
loàingườithốngtrịthếgiớivàtăngdânsốtheocấpsốmũ.Nhưngngàynaychúng tađangở tronggiaiđoạnbắtđầucủamộtkỷnguyênmới, trongđóchúngtacóthểtăngđộphứctạpcủathôngtinnội-tứclàADNmàkhôngcầnphảiđợiquátrìnhtiếnhóasinhhọcchậmchạp.Trongmườingànnămgầnđây,ADNcủaconngườikhôngcóthayđổinàođángkể,nhưngrấtcóthểtrongmộtngànnămtớichúngtacókhảnăngtáithiếtkếlạihoàntoàn.Tấtnhiênrấtnhiềungườisẽnóirằng,kỹthuậtditruyềntrênconngườisẽbịcấmnhưngviệcchúngtacóthểngăncảnnólàmộtđiềuđángngờ.Kỹthuậtgentrênthựcvậtvàđộngvậtđượcphépvìcáclýdokinhtếvàmộtsốngườisẽthửtrênconngười.Trừkhichúngtacómộtlệnhcấmtriệtđểtrêntoànthế
giớikhôngchophépngườinào,nơinàođượcthiếtkếconngườicảitiến.Rõrànglàviệctạoraconngườicảitiếnsẽgâynêncácvấnđềxãhộivà
chínhtrịvớiconngườikhôngđượccảitiến.Chủýcủatôikhôngphảilàbảovệchokỹthuậtgentrênconngườilàmộtbướcpháttriểnđángaoướcmàtôichỉmuốnnóirằngđiềuđórấtcóthểsẽxảyrachodùchúngtamuốnhaykhông.Đó chính là lý do tại sao tôi không tin vào chuyện khoa học viễntưởngnhưStarTrek,trongđó,conngườibốntrămnămtớilạigiốngchúngtangàynayvềcơbản.TôinghĩrằngconngườivàADNcủaconngườisẽgiatăngđộphứctạprấtnhanhchóng.Chúngtanênthừanhậnrằngđiềunàysẽxảyravàxemxétlàmthếnàođểgiảiquyếtvấnđềđó.
Thainhipháttriểnbênngoàicơthểconngườisẽchophéphìnhthànhnhữngbộnãolớn
hơnvớitrítuệvĩđạihơn.Theođó,conngườicầnphảicảitiếnthểchấtvàtrítuệđểđốiphóvớimột
thếgiới vớiđộphức tạpgia tăngvàđểđápứngvới thách thứcnhư làduhànhvũtrụchẳnghạn.Conngườicũngcầnphảităngđộphứctạpcủamìnhnếunhưcáchệsinhhọcvượt trêncáchệđiện tử.Tại thờiđiểmnày,máytínhcólợithếvềtốcđộnhưngkhôngchothấymộtdấuhiệunàovềtrítuệ.Điềunàykhôngcógìđángngạcnhiênvìcácmáytínhhiệnnaycủachúngtacònđơngiản hơnbộ não củamột congiun đất,một sinh vật chẳng có gìđángchúývềkhảnăngtrítuệ.
Tạithờiđiểmhiệnnay,cácmáytínhcủachúngtavẫnkémxakhảnăngtínhtoáncủabộnãocủamộtcongiunđấtngốcnghếch.
(Hình6.6)NhưngcácmáytínhlạituântheomộtđịnhluậtgọilàđịnhluậtMoore:tốc
độvàđộphứctạpcủachúngsẽtănggấpđôicứsaumườitámtháng(hình6.6).Đâycũnglàmộtquátrìnhtăngtheohàmmũvàrõrànglàkhôngthểkéodàimãimãiđược.Tuyvậy,nócóthểsẽtiếptụcchođếnkhicácmáytínhcóđộphứctạpnhưbộnãoconngười.Mộtsốngườinóirằngdùthếnàođichăngnữamáytínhkhôngbaogiờcóthểthểhiệntrítuệthựcsự.Nhưng
đốivớitôi,nếucácphântửhóahọcrấtphứctạpcóthểhoạtđộngtrongconngườiđểlàmchoconngười trởnêncótrí tuệ thìcácmạnhđiệntửvớiđộphứctạptươngđươngcũngcóthểlàmchocácmáytínhhoạtđộngtheomộtcáchcótrítuệ.Vànếuchúngcótrítuệthìchúngcóthểthiếtkếcácmáytínhcóđộphứctạpvàtrítuệthậmchícòncaohơn.
Cácmôcấythầnkinhcóthểgiatăngbộnhớvàcácgóithôngtinnhưlàmộtngônngữhaynộidungcủaquyểnsáchnàycóthểđượchọctrongvòngvàiphút.Conngườicaocấpnhưvậysẽcórấtítđiểmtươngđồngvớichúngta.Liệusựgiatăngđộphứctạpsinhhọcvàđiệntửdiễnramãimãihaycó
mộtgiớihạntựnhiênnàođó?Vềkhíacạnhsinhhọc,sựgiớihạnvềtrítuệcủaconngườichođếnnayđượcxácđịnhbởikíchthướccủabộnãomàsẽphảiđiquamộtđườngốngkhisinhnở.Khiquansátbađứacontôirađời,tôibiếtlàđểcáiđầuthoátrađượckhókhănnhưthếnào.Nhưngtronghàngtrămnămtới,tôihyvọngchúngtacóthểnuôidưỡngbàothaibênngoàicơthểconngười,dođósựgiớihạnnàysẽđượcloạibỏ.Tuynhiêncuốicùngthìsựgia tăngkích thướcbộnãoconngườinhờkỹ thuậtdi truyềnsẽgặpphảivấnđềlàsựtruyềntinhóahọccủacơthểchịutráchnhiệmchocáchoạtđộng tríócsẽdiễnra tươngđốichậm.Tức lànếuđộphức tạpcủabộnãotăng thêm thì sẽ phải trả giá bằng tốc độ.Chúng ta có thể nhanh trí hoặcthôngminhchứkhôngthểcócảhaiđược.Nhưngtôivẫnnghĩrằngchúngtacóthể trởnênthôngminhhơnphầnlớnnhữngngười trongStarTrek, chứ
việcchúngtakémthôngminhhơnrấtkhócóthểxảyra.Cácmạnhđiệntửcũngcócácvấnđềvềđộphứctạp-tốcđộgiốngnhưbộ
não người. Tuy vậy, trong trường hợp này thì các tín hiệu là điện tử chứkhôngphảilàhóahọcvàtruyềnvớitốcđộánhsáng,mộttốcđộcaohơnrấtnhiều.Tuyvậy,tốcđộánhsángđãlàmộtgiớihạnthựctếtrongviệcthiếtkếmáytínhtốcđộcaohơn.Tacóthểcảithiệntìnhhuốngbằngcáchlàmcácmạchnhỏhơn,nhưngcuốicùng thì cómộtgiớihạn thiết lậpbởicấu trúcnguyên tửcủavậtchất.Tavẫncómộtsốhướngđi trướckhivấpphải ràocảnnày.Mộtcáchkhácđểcácmạchđiệntửcóthểtăngđộphứctạpcủachúngmà
vẫngiữnguyêntốcđộđólàsaochépbộnãoconngười.Bộnãongườikhôngcómộtđơnvịxửlýtrungtâmđểxửlýcáclệnhtrongmộtchuỗicáclệnh.Thayvàođó,bộnãocóhàngtriệucácđơnvịxửlýlàmviệccùngnhautạicùngmộtthờiđiểm.Quátrìnhxửlýsongsongvĩđạinàycũnglàtươnglaichotrítuệđiệntử.Giảsửrằngtrongvàitrămnămtớichúngtakhôngtựhủyhoạichínhmình
thìchúngtacóthểdicưtớicáchànhtinhtronghệmặttrời,sauđótớicáchngôi saogầnnhất.NhưngsựdicưđósẽkhônggiốngnhưStarTrek hoặcBabylon5,vớimộtloàisinhvậtmớigầngiốngngườitronghầuhếtcáchệtinhcầu.Loàingườiởtronghìnhdạnghiệnthờimớiđượccóhaitriệunămtrongkhoảngmườilămtỷnămkểtừvụnổlớn(hình6.7).
(Hình6.7)Khoảngthờigianmàloàingườicómặtchỉbằngmộtphầnrấtnhỏcủalịchsửvũtrụ.(Nếu
hìnhtrênđượcbiểudiễntheotỷlệthìđộdàimàconngườicómặtchỉlà7cmcủamộtkmđộdàilịchsửvũtrụ).Bấtkỳmộtcuộcsốngngoàitráiđấtmàchúngtagặpthìđaphầnlàpháttriểnchậmhơnchúngtahoặcnhanhhơnchúngtarấtnhiều.Dođó,thậmchínếusựsốngcópháttriểntrongcáchệtinhcầukhácthìcơ
hộibắt gặpnó tronggiai đoạngiốngnhưconngười là rất nhỏ.Bấtkỳ sựsốngngoài tráiđấtnàomàchúng tabắtgặp rất có thể sẽmôngmuộihơnhoặcpháttriểnhơnchúngtarấtnhiều.Vànếunópháttriểnhơnthìtạisaonókhôngduhànhquacácthiênhàvàviếngthămtráiđất?NếunhữngngườingoàihànhtinhđãđếnđâythìđánglẽsựhiệndiệncủanóphảirõrànggiốngnhưtrongphimIndependenceDayhơnlàphimE.T.
Trítuệcóthểtồntạilâuđượckhông?Dođólàmthếnàomàtacóthểgiảithíchlàchưacóngườingoàihànhtinh
nàotớithămtráiđất.Cóthểlàcómộtsinhvậtpháttriểnngoàitráiđấtnhậnthấysựtồntạicủachúngtanhưngcứđểchúngtatựhầmmìnhtrongnướccốtnguyênthủycủachúngta.Tuyvậy,điềuđángngờlàsinhvậtđólạicẩn
trọng vớimột hình thức sống thấp hơn chúng đến thế: liệu phần lớnmọingườitrongchúngtacólolắngvềviệccóbaonhiêuvikhuẩnvàgiunđấtmàtagiẫmdướichânhaykhông?Mộtlờigiảithíchcólýhơnđólàcórấtítkhảnăng tồn tại sự sống hoặc sự sống có trí tuệ phát triển trên các hành tinhkhác.Vìchúngtachomìnhlàcótrítuệmặcdùcólẽkhôngcónhiềulýdocholắm,chúngtacóxuhướngxemxéttrítuệnhưlàmộttrìnhtựtiếnhóachắcchắnsẽxảyra.Tuynhiêntacóthểnghingờđiềuđó.Vikhuẩnlàmviệcrấttốtmàkhôngcầntrítuệvàsẽsốnglâuhơnchúngtanếucáigọilàtrítuệcủachúngtalàmchúngtabịhủydiệttrongmộtcuộcchiếntranhhạtnhân.Dođó, khi chúng takhámphá thiênhà, chúng ta có thể tìm thấy sự sốngnguyênthủynhưngchúngtacóthểkhôngtìmthấysinhvậtgiốngchúngta.Tươnglaicủakhoahọcsẽkhônggiốngnhưbứctranhannhànnhưtrong
StarTrek:mộtvũtrụdocácsinhvậtgiốngnhưngườisinhsốngvớimộtnềnkhoahọccôngnghệtiêntiếnnhưnghầunhưtĩnhtại.Thayvàođó,tôinghĩrằngsẽchỉcóchúngtanhưngpháttriểnrấtnhanhvềđộphứctạpsinhhọcvàđiệntử.Trongmộtvàitrămnămtới,khôngnhiềunhữngđiềunhưthếsẽxảyra,đólàtấtcảnhữnggìchúngtacóthểtiênđoánmộtcáchđángtincậy.Nhưngvàocuốithiênniênkỷtới,nếuchúngtacóthểđiđếnđó,thìsựkhácbiệtvớiStarTreksẽrõràng.
GIAODIỆNĐIỆNTỬ-SINHHỌCTronghaithậpkỷnữathìmộtchiếcmáytínhgiávàingànđôlasẽđạttớiđộphứctạpbằng
bộnãoconngười.Cácbộxửlýsongsongcóthểbắtchướccáchhoạtđộngcủabộnãochúng
tavàlàmchocácmáytínhhoạtđộngmộtcáchcótrítuệvànhậnthức.Cácmôcấythầnkinhcóthểchophépliênhệgiữabộnãovàmáytínhnhanhhơnrấtnhiều,
xóanhòakhoảngcáchgiữatrítuệđiệntửvàtrítuệsinhhọc.Trongtươnglaigần,phầnlớncácgiaodịchthươngmạigiữacáccánhânảocóthểsẽđược
thựchiệnthôngquamạngtoàncầu(worldwideweb).Trong vòngmột thập kỷ, rất nhiều người trong chúng ta có thể chọn cách sống ảo hình
thànhnhữngtìnhbạnvàmốiquanhệảo.Kiếnthứccủachúngtavềhệditruyềncủaconngườichắcchắnsẽtạoracácđộtphávề
trongchữabệnhvànócòncóthểchophépchúngtaratăngđộphứctạptrongcấutrúcADNmộtcáchđángkể.Trongmộtvàitrămnămtới,kỹthuậtditruyềnsẽthaythếtiếnhóasinhhọcvàtáithiếtkếconngườivàđặtracáccâuhỏimớivềmặtđạođức.Việcduhànhtrongkhônggianrakhỏihệmặttrờicóthểsẽcầnđếnnhữngngườicóhệdi
truyềnđượcthayđổitheoyêucầuhoặccácmáydòdomáytínhtựđộngđiềukhiển.
CHƯƠNG7
MÀNGVŨTRỤMỚI
Chúngtasốngtrênmộtmànghaychúngtachỉlàmộtảnhđachiều?
Chuyếnduhànhkhámphácủachúngtatrongtươnglaisẽtiếptụcnhưthếnào?Chúngtasẽthànhcôngtrongviệctruylùngmộtlýthuyếtthốngnhấthoàn toànđiềukhiểnvũ trụnàyvàmọi thứ trongđóhaykhông?Thựcra,nhưđãmôtảtrongchương2,chúngtacóthểđãđồngnhấtLýthuyếtvềtấtcả(TheoryofEverything-ToE)làlýthuyết-M.Lýthuyếtnàykhôngcómộtmôtảđơnnhất,ítnhấtlàvớihiểubiếtcủachúngtahiệnnay.Thayvàođó,chúngtađãtìmthấymộtmạnglướicáclýthuyếtkháchẳnnhau.Tấtcảcáclý thuyết đó dường như là các lý thuyết gần đúng theo các giới hạn khácnhaucủacùngmộtlýthuyếtcơbảnđằngsauđógiốngnhưlýthuyếthấpdẫncủaNewtonlàmộtlýthuyếtgầnđúngcủalýthuyếttươngđốitổngquátcủaEinstein trong giới hạn trường hấp dẫn yếu. Thuyết-M giống nhưmột tròchơighéphình:việcnhậndạngvàxếpcácmẩuởrìacủatấmhìnhlàdễnhất.Rìacủatấmhìnhtươngđươngvớicácgiớihạncủathuyết-Mtrongđómộtsốcácđạilượngcógiátrịnhỏ.Bâygiờchúngtađãcómộtkháiniệmtươngđối tốtvềcácrìanàynhưngvẫncómộtkhoảng trốngở tâmcủa tấmhìnhthuyết-M,ởđó,chúngtakhôngbiếtđiềugìđangxảyra(hình7.1).Chúngta
khôngthểnóilàchúngtađãtìmraLýthuyếtvềtấtcảchođếnkhichúngtalấpđầycáihốnày.
(Hình7.1)Thuyết-Mgiốngnhưmộttấmhìnhghép.Tacóthểdễdàngnhậnravàxếpcácmẩuởphần
biêncủanónhưngchúngtakhôngbiếtnhiềuvềnhữnggìxảyraởphầngiữa,ởđóchúngtakhôngthểlấygầnđúngvìcácđạilượngởđócógiátrịrấtnhỏ.Cáigìởtâmcủathuyết-M?Chúngtasẽtìmthấymộtconrồng(hoặcmột
cáigìđócũngkỳlạnhưthế)giốngnhưtrêncácbảnđồcổvềcácvùngđấtchưađượckhámphá?Kinhnghiệmcủachúngtatrongquákhứchothấycóthểchúngtatìmthấycáchiệntượngmớikhôngnhưtrôngđợikhichúngtamởrộngtầmquansátvàocácnấcthangnhỏhơn.Vàođầuthếkỷhaimươi,
chúng tađãhiểuquá trìnhvậnhànhcủa tựnhiên trênnấc thangvật lýcổđiển,nóđúngđắn từkhoảngcáchgiữacác thiêncầuchođếnkhoảngmộtphầntrămmilimét.Vậtlýcổđiểngiảthiếtrằngvậtchấtlàmộtmôitrườngliêntụcvớicáctínhchấtnhưlàđộdẻovàđộnhớt,nhưngcácbằngchứngbắtđầuxuấthiệnchothấyrằngvậtchấtkhôngliêntụcmàgiánđoạn:chúngđượctạothànhtừnhữngđơnvịnhỏlytiđượcgọilànguyêntử.Từnguyêntử bắt nguồn từ tiếngHyLạp và có nghĩa là không thể phân chia, nhưngngay sau đó người ta thấy rằng các nguyên tử bao gồm các điện tử quayxungquanhhạtnhânđượctạothànhtừprotonvàneutron(hình7.2).
(Hình7.2)Hìnhthứnhấtbênphải:MôhìnhnguyêntửvôhìnhcổđiểnHìnhthứhaibênphải:Nguyêntửvớicácđiệntửquayxungquanhhạtnhânđượctạothành
từcácneutronvàproton.Nghiêncứuvềvậtlýnguyêntửtrongbamươinămđầucủathếkỷtrước
chochúngtahiểubiếtđếnđộdàimộtphầntriệumilimét.Sauđóchúngtapháthiệnrarằngprotonvàneutronđượctạothànhtừcáchạtcònnhỏhơnđượcgọilàquark(hình7.3).
(Hình7.3)Trên:Mộtprotongồmcóhaiquarkthuận(mỗimộtquarkcóđiệntíchbằnghaiphầnba)và
mộtquarknghịch(mỗimộtquarkcóđiệntíchbằngâmmộtphầnba).Dưới:Mộtneutrongồmhaiquarknghịch(mỗimộtquarkcóđiệntíchbằngâmmộtphần
ba)vàmộtquarkthuận(mỗimộtquarkcóđiệntíchbằnghaiphầnba).Cácnghiên cứugầnđây của chúng ta vềvật lý hạt nhânvàvật lý năng
lượngcaođãdẫnchúngtatớicácnấcthangcònnhỏhơnmộtphầntỷmilimét.Dườngnhưchúngtacóthểtiếptụcmãimãi,pháthiệnracáccấutrúctrêncácnấcthangnhỏhơnvànhỏhơn.Tuynhiên,cómộtgiớihạnchocáichuỗinàygiốngnhưcómộtgiớihạnchocácconbúpbêlồngtrongnhaucủangườiNga(hình7.4).
(Hình7.4)Mỗiconbúpbêđạidiệnchomộtmôhìnhlýthuyếtvềtựnhiênchođếnmộtgiớihạnnhất
định.Mỗimộtconlạigồmmộtconkhácnhỏhơntươngứngvớimộtlýthuyếtmôtảtựnhiêntạicáckhoảngcáchngắnhơn.Nhưngtrongvậtlý,cómộtđộdàicơbảnnhỏnhất,đólàđộdàiPlank,tạicáckhoảngcáchđó,tựnhiêncóthểđượcbiểudiễnbằngthuyết-M.Cuốicùng,khitacầmđếnconbúpbênhỏnhất,nókhôngđượctạothành
từconnàokhácnữa.Trongvậtlý,conbúpbênhỏnhấtđóđượcgọilàđộdàiPlank.Việcdòđếncáckhoảngcáchngắnhơnđòihỏicáchạtcónănglượngcaogiốngcáchạt trongcáchốđen.Chúng takhôngbiếtchínhxácđộdàiPlank cơ bản trong thuyết-M, nhưng có thể nó chỉ bé bằngmộtmilimétđượcchiathànhmộttrămngàntỷtỷtỷlần.Chúngtasẽkhôngcóýđịnhxâycácmáygia tốchạtcóthểdòđếncácđộdàinhỏnhưthế.Chúngphải lớn
hơnhệmặttrờivàchắcchắnlàchúngkhôngđượcthôngquatrongbốicảnhtàichínhhiệnnay(hình7.5).
(Hình7.5)KíchthướccủamộtmáygiatốcđểcóthểthămdòcáckhoảngcáchnhỏnhưđộdàiPlank
cóthểlớnhơnđườngkínhcủahệmặttrời.Tuynhiên,đãcómộtbướcpháttriểnmớirấtthúvịchophépchúngtacó
thểkhámphámộtcáchdễdànghơn(vàrẻhơn)ítnhấtmộtvàiconrồngcủathuyết-M.Nhưđãgiải thích trongchương2và3, trongmạnglướicácmôhìnhtoánhọccủathuyết-M,khôngthờigiancómườihoặcmườimộtchiều.Chođếngầnđâyngườitavầnnghĩlàsáuhoặcbảychiềubốsungbịcuộnlạirấtnhỏ.Nógiốngnhưsợitóccủaconngười(hình7.6).
(Hình7.6)Dướimắtthườngthìmộtsợitócgiốngnhưmộtđườngvớimộtchiều.Tươngtựnhưthế,với
chúngta,khôngthờigiancóvẻnhưlàbốnchiềunhưngchúngsẽlàmườihaymườimộtchiềukhidòbằngcáchạtnănglượngrấtcao.Nếubạnnhìnvàomộtsợitócdướimộtcáikínhlúp,bạncóthểthấynócó
mộtđộdày,nhưngdướimắtthường,nógiốngnhưmộtđườngchỉcóđộdàimàkhôngcócácchiềukhác.Khôngthờigiancóthểtươngtựnhưthế:trênnấcthangkíchthướcconngười,nguyêntửhoặcthậmchíhạtnhân,khôngthờigiangiốngnhưlàcóbốnchiềuvàgầnnhưphẳng.Mặtkhácnếuchúngta dò tới các khoảng cách rất ngắn sử dụng các hạt năng lượng cực cao,chúngtacóthểthấykhôngthờigianlàmườihoặcmườimộtchiều.Nếucácchiềubổsungnàyrấtnhỏthìrấtkhócóthểquansátđượcchúng.
Tuyvậy,gầnđâycógợiýrằngcómộthoặcnhiềuhơnmộtchiềucóthểkhálớnhoặcthậmchílàvôhạn.Ýtưởngnàylàmộtlợithếrấtlớn(chíítlàđối
vớimộtngười theochủnghĩa thựcchứngnhư tôi) lànócó thểđượckiểmnghiệmbằngthếhệtiếptheocủacácmáygiatốchạthoặcbằngcácphépđolựchấpdẫntầmngắnrấtnhạy.Cácphépđonhưvậycóthểthỏamãncảlýthuyếthoặclàkhẳngđịnhbằngthựcnghiệmsựtồntạicủacácchiềukhác.Cácchiềubốsunglớnlàmộtbướcpháttriểnmớithúvịtrongnghiêncứu
củachúngtavềmôhìnhhaylýthuyếtcuốicùng.Cácchiềuđóngụýrằngchúngtađangsốngtrongmộtmàngvũtrụ(braneworld),mộtmặtphẳnghaymộtmàngbốnchiềutrongmộtkhôngthờigiancósốchiềunhiềuhơnthế.Vậtchấtvàcáclựcphihấpdẫnnhưlàlựcđiệntừbịgiớihạntrênmàng
này.Dođó,tấtcảngoạitrừhấpdẫnhànhxửnhưlàchúngởtrongbốnchiều.Đặcbiệtlàlựcđiệngiữahạtnhâncủanguyêntửvàđiệntửquayxungquanhnósẽgiảmnhanhtheokhoảngcáchvớimộttốcđộvừaphảiđểcácnguyêntửổnđịnhkhôngchođiệntửrơivàohạtnhân(hình7.7).
(Hình7.7)THẾGIỚIMÀNG
Lựcđiệnbịgiớihạntrênmàngvànósẽsuygiảmvớimộttốcđộvừaphảiđểcácđiệntửcócácquỹđạoổnđịnhxungquanhhạtnhâncủacácnguyêntử.Điềunàyphùhợpvớinguyên lývịnhân làvũ trụcầnphảiphùhợpcho
sinhvậtcótrítuệ:nếunguyêntửkhôngổnđịnhthìchúngtakhôngthểởđây
đểquansátvũtrụvàhỏitạisaonólạithểhiệnbốnchiều.Mặtkhác,hấpdẫntronghìnhdạngkhôngthờigiancongsẽthấmvàotoàn
bộkhông thời gianvới nhiều chiềuhơn.Điềunày cónghĩa là hấpdẫn sẽhànhxửkháchẳnvớicáclựckhácmàchúngtađãtrảinghiệm:vìhấpdẫncóthểlantruyềntheocácchiềubổsungnênnósẽsuygiảmtheokhoảngcáchnhanhhơnlàtatrôngđợi(hình7.8).
(Hình7.8)Hấpdẫntrảirộngtheocácchiềubổsungvàcótácđộngdọctrênmàngvàsẽsuygiảmtheo
khoảngcáchnhanhhơnlàsựsuygiảmkhihấpdẫnởtrongkhôngthờigiancóbốnchiều.Nếusựsuygiảmnhanhcủalựchấpdẫnmởrộngđếnkhoảngcáchvũtrụ
thì chúng ta sẽ thấy các hiệu ứng của nó trên quỹ đạo của các hành tinh.Thựcracácquỹđạođósẽkhôngbềnvànhưđãnhậnxétởchương3:cáchànhtinhhoặclàsẽrơivàomặttrờihoặclàsẽthoátvàokhoảngkhôngtốitămlạnhlẽogiữacácvìsao(hình7.9).
(Hình7.9)Lựchấpdẫnsuygiảmtheokhoảngcáchnhanhhơnthìquĩđạocủacáchànhtinhsẽbấtổn
định.Cáchànhtinhhoặclàsẽrơivàomặttrời(a)hoặclàsẽthoátkhỏisứchútcủamặttrời(b).Tuynhiênđiềunàysẽkhôngxảyranếucácchiềubổsungkết thúc trên
mộtmàngkháckhôngquáxamàngmàchúngtađangsống.Thếthìvớicáckhoảngcáchlớnhơnkhoảngcáchgiữacácmàngthìhấpdẫnkhôngthểlantruyềnmộtcáchtựdomàthựcsựbịgiớihạnvàomặtphẳngđógiốngnhưlựcđiệnvàsuygiảmvớimộttốcđộvừaphảiđểcáchànhtinhquayquanhmặttrời(hình7.10).
(Hình7.10)Mộtmàngthứhaigầnthếgiớimàngsẽlàmcholựchấpdẫnkhônglanxatheocácchiềubổ
sung,điềuđócónghĩalàtạicáckhoảngcáchlớnhơnkhoảngcácmàng,lựchấpdẫnsẽsuygiảmvớimộttốcđộmàtamongđợichotrườnghợpbốnchiều.Mặtkhác,đốivớicáckhoảngcáchnhỏhơnkhoảngcáchgiữacácmàng,
hấp dẫn suy giảmnhanh hơn rất nhiều. Lực hấp dẫn rất nhỏ giữa các vậtnặngđãđượcđomộtcáchchínhxáctrongphòngthínghiệmnhưngchođếnnay các thực nghiệmvẫn chưa quan sát được các hiệu ứng của cácmàngphâncáchnhaumộtkhoảngnhỏhơnmộtvàimilimét(hình7.11).
(Hình7.11)THÍNGHIỆMCAVENDISH
Mộtchùmlaser(e)xácđịnhbấtkỳsựxoắncủacánhtayđòn(b)vìnóđượcchiếulênmànhìnhđo(f).Haiquảcầuchìnhỏ(a)gắnvàohaibêncánhtayđòn(b).Trêncánhtayđòncómộtcáigươngnhỏ(c)vàcánhtayđònđượctreotựdobằngmộtsợidâyxoắn(d).Haiquảcầuchìlớn(g)gắnvớinhaubằngmộtthanhcânbằngcóthểquayđượcvàchúng
đượcđặtgầnhaiquảcầuchìnhỏ.Khihaiquảcầuchìlớnquaytớivịtríđốidiệnthìcánhtayđòn(b)sẽthiếtlậpmộtvịtrímới.Trongcácmàngvũtrụnày,chúngtađangsốngtrênmộtmàngnhưngcólẽ
làcómộtmàng“bóng”(shadow)khácgầnmàngcủachúngta.Vìánhsángbịgiớihạn trêncácmàngvàkhông thể lan truyềnxuyênquakhoảngcáchgiữachúngnênchúngtakhôngthểnhìnthấyvũtrụbóngđó.Nhưngchúngtacó thểcảmthấyảnhhưởnghấpdẫncủavậtchất lênmàngbóng.Trongmàng của chúng ta, ta thấy các lực hấp dẫn như thế được tạo ra bởi cácnguồnthựcsự“tối”màchỉcómộtcáchduynhấtbiếtđượcnólàthôngquahấpdẫncủachúng(hình7.12).Thựcrađểgiảithíchtốcđộquaycủacácvìsaoxungquanhtâmcủadảingânhàthìxemracầnphảicómộtlượngvậtchấtnhiềuhơnvậtchấtmàchúngtaquansátthấy.
(Hình7.12)Trongkịchbảnthếgiớimàng,cáchànhtinhcóthểquayxungquanhmộtkhốilượngtốitrên
màngbóngvìlựchấpdẫnlantheocácchiềubổsung.Khốilượngthiếuhụtcóthểlàdocómộtsốloạihạtkỳlạtrongthếgiớicủa
chúng ta như là các hạt nặng tương tác yếu (weakly interacting massiveparticles-WIMP)hoặclàcáchạtaxion(mộtloạihạtcơbảnrấtnhẹ).Nhưngkhốilượngthiếuhụtnàycóthểlàbằngchứngvềsựtồntạicủavũtrụbóngvới vật chất trong đó. Có thể trong vũ trụ đó có loài người cạn nghĩ bănkhoănvềkhốilượngdườngnhưbịthiếuhụttrongvũtrụcủahọđểgiảithíchquỹ đạo của các ngôi sao bóng xung quanh tâm của thiên hà bóng (hình7.13).
(Hình7.13)Cóthểchúngtakhôngnhìnthấythiênhàbóngtrênmộtmàngbóngvìánhsángkhôngthể
truyềntheocácchiềubổsung.Nhưnglựchấpdẫnthìcóthểlantheocácchiềuđó,dođó,quátrìnhquaycủathiênhàchúngtacóthểbịảnhhưởngbởivậtchấttốimàtakhôngnhìnthấyđược.
THIÊNHÀXOÁYỐCNGC3198
BẰNGCHỨNGVỀVẬTCHẤTTỐIRấtnhiềucácquansátvũtrụkhácnhaugợiýrằng,trongthiênhàcủachúngtavàtrong
cácthiênhàkhác,vậtchấtnhiềuhơnchúngtanhìnthấyrấtnhiều.QuansátthuyếtphụcnhấtlàcácngôisaoởngoàirìacácthiênhàxoáyốcnhưNgânhàcủachúngtaquayquánhanh,nếuchỉnhữngngôisaomàchúngtanhìnthấythìkhôngthểgiữchúngtrêncácquĩđạođược(xemhìnhtrên).Từnhữngnăm1970,chúngtađãthấycómộtsựchênhlệchgiữavậntốcquaycủacácngôi
saoởvùngrìacủacácthiênhàhìnhxoáyốc(biểudiễnbằngcácđườngchấmtrêngiảnđồ)vàvậntốcquaytheocácđịnhluậtchuyểnđộngcủaNewtonvớisựphânbốcủacácngôisaokhảkiếntrongthiênhà(đườngcongliềnnéttrêngiảnđồ).Sựchênhlệchnàychothấycầnphảicónhiềuvậtchấthơnởcácvùngbiêncủacácthiênhàxoáyốc.
BẢNCHẤTCỦAVẬTCHẤTTỐINgàynay,cácnhàvũtrụhọctinrằngphầntâmcủacácthiênhàxoáyốcchủyếugồmvật
chấtthường,nhưngởphầnbiêncủachúnglạichủyếugồmvậtchấttốimàchúngtakhôngthểnhìnchúngmộtcáchtrựctiếp.Nhưngmộttrongnhữngvấnđềquantrọngnhấtlàtìmrabảnchấtcủavậtchấttốithốngtrịvùngbiêncủacácthiênhà.Trướcnhữngnăm1980,ngườitacho rằng vật chất tối này cũng là vật chất thường tạo thành từ proton, neutron và điện tửnhưngởdạngkhôngthểquansátđược:cóthểlàcácđámmâykhí,hoặccácvậtthểcôđặcnặngkhôngphátsángMACHO(massivecompacthaloobject)nhưlàcácsaolùntrắng,saoneutron,hoặcthậmchílàcáchốđen.Tuynhiên,cácnghiêncứugầnđâyvềsựhìnhthànhcácthiênhàđãlàmchocácnhàvũtrụ
họctinrằngmộtphầnđángkểcủavậtchấttốicầnphảiởdạngkhácvậtchấtthường.Cóthểxuấthiệntừkhốilượngcủacáchạtrấtnhẹnhưlàcáchạtaxionhoặcneutrino.ChúngcòncóthểgồmcácthựcthểkỳlạhơnnhưlàcáchạtnặngtươngtácyếuWIMP(weaklyinteractingmassiveparticle)-tiênđoántừcáclýthuyếthạtcơbảnhiệnđại,nhưngtavẫnchưathuđượctừthựcnghiệm.
Thaychoviệccácchiềubổsungkếtthúctrênmộtmàngthứhai,mộtkhảnăngkháclàcácchiềuđólàvôhạnnhưngbịuốnrấtcongnhưmộtcáiyênngựa(hình7.14).LisaRandallvàRamanSundrumchứngminhrằngkiểuđộcongthếnàysẽhoạtđộngkhágiốngmộtmàngthứhai:ảnhhưởnghấpdẫncủamộtvật thể trênmàngbịgiớihạn trongmột lâncậnnhỏcủamàngvàkhônglan truyềnđếnvô tận theocácchiềubổsung.Trongmôhìnhmàngbóng,trườnghấpdẫnsuygiảmtheokhoảngkhácáchlớnđểgiảithíchquỹđạocủacáchànhtinhvàcácthínghiệmlựchấpdẫntrongphòngthínghiệm,nhưnglựchấpdẫnlạithayđổinhanhhơntạicáckhoảngcáchngắn.
(Hình7.14)TrongmôhìnhRandall-Sundrum,chỉcómộtmàng(thểhiệntronghìnhchỉvớimộtchiều).
Cácchiềubổsungmởrộngđếnvôhạnnhưngchúngbịuốncongnhưmộtchiếcyênngựa.Độcongnày làmcho trườnghấpdẫn của vật chất trênmàng không lan xa theo các chiềubổsung.Tuynhiên,cómộtsựkhácbiệtquantrọnggiữamôhìnhRandall-Sundrum
vàmôhìnhmàngbóng.Cácvật thểchuyểnđộngdướiảnhhưởngcủa lựchấpdẫnsẽtạoramộtsónghấpdẫn,nhữnggợnsóngcủađộconglantruyềntrongkhôngthờigianvớitốcđộánhsáng.Giốngnhưsóngđiệntừánhsáng,sóng hấp dẫn cũngmang năng lượng,một tiên đoán đã được khẳng địnhbằngcácquansáttừchòmpulsarđôiPRS1913+16.
CHÙMSAOPULSARĐÔIThuyết tươngđốirộngtiênđoánrằngcácvật thểnặngchuyểnđộngdướiảnhhưởngcủa
trườnghấpdẫnsẽphát racácsónghấpdẫn.Giốngnhưsóngánhsáng,cácsónghấpdẫncũngmangnănglượngkhỏivậtthểphátrachúng.Nhưngtốcđộmấtnănglượngrấtyếuvàrấtkhóquansát.Vídụ,việcphátrasónghấpdẫnsẽlàmchotráiđấtdầndầnrơivàomặttrờitheohìnhxoáyốc,nhưngquátrìnhđóphảimấtđến1027năm.Nhưngvàonăm1975,RussellHulsevàJosephTaylorđãpháthiệnrachùmsaopulsarđôi
PSR1913+16.Đây làmột hệ gồmhai ngôi sao neutronquay xungquanhnhau với khoảngcáchgiữachúngchỉbằngđườngkínhcủamặttrời.Theothuyếttươngđốirộng,chuyểnđộngnhanhcónghĩalàchukỳquaycủahệnàysẽgiảmnhanhhơnrấtnhiềuvìphảiphátrasónghấpdẫnrấtmạnh.SựthayđổitiênđoántừthuyếttươngđốirộngphùhợptuyệtvờivớicácquansátrấtcẩnthậncủaHulsevàTaylorvềcácthôngsốchuyểnđộng.Cácthôngsốnàychothấytừnăm1975chukỳquayđãgiảmđi10giây.Năm1993,họđạtgiảiNobelvậtlývềviệckhẳngđịnhthuyếttươngđối.
Nếuthựcsựchúngtađangsốngtrênmộtmàngtrongmộtkhônggiancócácchiềubổsungthìcácsónghấpdẫnđượctạobởicácvậtthểchuyểnđộngtrênmàngsẽtruyềnsangcácchiềukhác.Nếucómộtmàngbóngthứhaithìcácsónghấpdẫncóthểbịphảnxạtrởlạivàbịbẫygiữahaimàng.Mặtkhácnếuchỉ cómộtmàngđơnnhấtvà cácchiềubổ sung trảidàimãimãinhưtrongmô hìnhRandall-Sundrum thì sóng hấp dẫn có thể cùng thoát đi vàmangnănglượngđikhỏimàngvũtrụcủachúngta(hình7.15).
(Hình7.15)Trongmô hình Randall-Sundrum, các sóng hấp dẫn bước sóng ngắn có thể mang năng
lượngrakhỏinguồnphátnằmởtrênmànglàmchođịnhluậtbảotoànnănglượngbịviphạm.Điềunàycóvẻviphạmmột trongnhữngnguyên lýcănbảncủavật lý:
địnhluậtbảotoànnănglượng.Tổngnănglượngluônluônkhôngđổi.Tuynhiênsựviphạmđóchỉxuấthiệnvìtầmnhìncủachúngtavềcáiđangxảyrabịgiớihạnvàomàng.Mộtthiênthầncóthểnhìnthấycácchiềubổsungvàcóthểbiếtnănglượngvẫnkhôngđổimàchỉlantruyềnđiraxamàthôi.Cácsónghấpdẫntạobởihaingôisaoquayquanhnhaucóbướcsóngdài
hơn rất nhiều đường kính của độ cong hình yên ngựa trong các chiều bổsung.Điềunàycónghĩalàcácsónghấpdẫncóchiềuhướngbịgiamtrongmộtlâncậnnhỏcủamàng-giốnglựchấpdẫn-vàkhôngthểlantruyềnraxavàocácchiềubổsunghoặckhông thểmangnăng lượng rakhỏimàng.Mặtkhác,cácsónghấpdẫncóbướcsóngngắnhơnđộlớnmàcácchiềubổsungbịcuộnlạisẽdễdàngthoátrakhỏilâncậncủamàng.Nguồnduynhất có thể phát ramột lượngđángkể các sónghấp dẫn có
bướcsóngngắncóthểlàcáchốđen.Mộthốđentrênmàngsẽkéodàiđếnmộthốđentheocácchiềukhác.Nếuhốđenđónhỏthìnógầnnhưcóhìnhtròn; tức lànóvươn tớinhữngkhoảngcách trongcácchiềubổ sungbằngkíchthướccủanótrênmàng.Mặtkhác,mộthốđenlớntrênmàngsẽkéodàithànhmộtchiếc“bánhdẹt”,tứclànóbịgiớihạntrongmộtlâncậncủamàngvàchiềudày(theocácchiềubổsung)nhỏhơnrấtnhiềusovớichiềurộng(trênmàng).(hình7.16)
(Hình7.16)Mộthốđentrongvũtrụcủachúngtanằmtrênmàngsẽmởrộngtheocácchiềubổsung.
Nếuhốđennhỏthìnógầnnhưcódạnghìnhtròn,nhưnghốđenlớnhơntrênmàngsẽnởrathànhmộthốđencóhìnhchiếcbánhtrongcácchiềubổsung.
Như đã giải thích trong chương 4, thuyết lượng tử nói rằng các hố đenkhôngphảilàhoàntoànđen:chúngsẽphátratấtcảcácloạihạtvàbứcxạgiống như các vật nóng.Các hạt các ánh sáng kiểu bức xạ (radiation-likelight)sẽđượcphátradọctheomàngvìvậtchấtvàcáclựcphihấpdẫnnhưlàlựcđiệntừsẽbịgiớihạntrongmàng.Tuynhiên,cáchốđencònphátrasónghấpdẫn.Cácsóngnàykhôngbịgiớihạntrongmàngmàcòncóthểlantruyềntheocácchiềubổsungnữa.Nếuhốđenmàlớnvàcódạngchiếcbánhdẹt,cácsónghấpdẫnsẽởgầnmàng.Điềunàycónghĩalàcáchốđensẽmấtnănglượng(vàdođómấtcảkhốilượngdophươngtrìnhE=mc2)vớimộttốcđộcầnthiếttrongkhôngthờigianbốnchiều.Vậynêncáchốđensẽbayhơichậmchạpvàgiảmkích thướcchođếnkhinhỏhơnbánkínhcủađộcongcủacácchiềubổsunghìnhyênngựa.Tại thờiđiểmnàycácsónghấpdẫnthoátratừhốđenđóbắtđầutựdothoátvàocácchiềubổsung.ĐốivớimộtngườitrênmàngthìcáchốđenhaylàcácngôisaotốinhưMichellđãgọi(xemchương4)sẽphátracácbứcxạtối,cácbứcxạnàykhôngthểquansáttrựctiếptừmàngnhưngsựtồntạicủanócóthểđượcsuyratừviệccáchốđenmấtđikhốilượng.Điềuđócónghĩalàsựbùngphátbứcxạcuốicùngtừcáchốđenđangbay
hơisẽkémmạnhmẽ.Điềunàycóthểgiảithíchtạisaochúngtakhôngquansát thấycácđợtbùngphátcủacác tiagammamàcó thểmôtảcáchốđenđangchếtmặcdùcácmộtlờigiảithíchkhácdễhiểuhơnlàkhôngcónhiềucáchốđenvớikhốilượngđủthấpđểbayhơihếttrongmộtthờigianbằngtuổicủavũtrụchođếngiờ.Bứcxạtừcáchốđentrênmàngvũtrụxuấtpháttừcácthănggiánglượng
tửcủacáchạtnằmtrênvàkhôngphảinằmtrênmộtmàngmànhiềumàng,giống như tất cả các thứ khác trong vũ trụ đều phải chịu các thăng giánglượngtử.Điềunàycóthểlàmchocácmàngxuấthiệnvàbiếnmấtmộtcáchtựphát.Sựhìnhthànhlượngtửcủacácmànghơigiốngsựhìnhthànhcácbọtkhítrongnướcsôi.NướcdạnglỏngbaogồmhàngtỷtỷphântửH2Obịgói lại với nhau bằng các tương tác giữa các phân tử gần nhau nhất.Khinướcbịđunnóng,cácphântửchuyểnđộngnhanhhơnvàbịđâmvàonhau.Thườngthìcácvachạmnày làmchocácphân tửcóvận tốccaođếnmứcmột nhóm các phân tử có thể thoát khỏi lực liên kết giữa chúng và hìnhthànhcácbọtkhítrongnước.Cácbọtnàysẽtolênhaynhỏđimộtcáchngẫunhiênkhicóthêmcácphântửchấtlỏngthamgiavàobọtkhíhoặcngượclại.Phầnlớncácbọtkhínhỏsẽbịphávỡvàochấtlỏngnhưngmộtsốbọtkhípháttriểntớimộtkíchthướctớihạnnhấtđịnhmànếulớnhơnnóthìbọtkhísẽtiếptụclớnlên.Đóchínhlàcácbọtkhímàtathấytrongnướcđangsôi
(hình7.17).
(Hình7.17)Sựhìnhthànhthếgiớimàngcóthểgiốngnhưsựhìnhthànhcácbọtkhítrongnướcsôi.
Cácmàngvũtrụcũngtươngtựnhưvậy.Nguyênlýbấtđịnhchophépcácmàngvũtrụxuấthiệntừchânkhônggiốngnhưcácbọtkhí,bềmặtcủabọtkhítươngtựnhưmàngvàtronglòngbọtkhítươngtựnhưcácchiềubậccaohơn.Cácmàngrấtnhỏcóxuhướngbịbiếnmất,nhưngmộtmàngmànhờcácthănggiánglượngtửpháttriểnlớnhơnmộtkíchthướctớihạnnhấtđịnhsẽtiếptụcpháttriển.Nhữngngườigiốngnhưchúngtasốngởtrênmàng-trênbềmặtcủabọtkhí,sẽnghĩrằngvũtrụđanggiãnnở.Nógiốngnhưviệcvẽ các thiên hà lên bềmặtmột quả bóng và thổi nó lên. Các thiên hà sẽ
chuyểnđộngraxanhaunhưngkhôngmộtthiênhànàođượcchọnlàtrungtâmcủasựgiãnnở.Chúngtahyvọngrằngsẽkhôngcóaidùngmộtcáikimvũtrụđểchọcvàobọtkhíđó!
Theogiảthuyếtkhôngbiênnhưđãmôtảtrongchương3,thìsựhìnhthànhtựphátcủamàngvũtrụcómộtlịchsửtrongthờigianảogiốngnhưmộtvỏhạt:tứclànólàmộthìnhcầubốnchiều,giốngbềmặttráiđấtnhưngcóthêmhai chiều nữa. Sự khác nhau quan trọng đó là vỏ hạt được mô tả trongchương3,vềcơbảnlàtrốngrỗng:hìnhcầubốnchiềukhônglàbềmặtcủacáigìkháccảvàsáuhoặcbảychiềucủakhôngthờigianbổsungmàthuyết-Mtiênđoánbịcuộnlạicònnhỏhơncáivỏhạt.Tuyvậy,trênbứctranhvềmàngvũtrụmớithìcáivỏhạtlạibịlấpđầy:lịchsửtrongthờigianảocủamàngmàtrênđóchúngtasốngsẽlàmộthìnhcầubốnchiều,hìnhcầubốnchiềunàylàbiêncủabọtkhínămchiềuvớinămhoặcsáuchiềucònlạibịcuộnlạirấtnhỏ(hình7.18).
(Hình7.18)Bứctranhthếgiớimàngcủanguồngốcvũtrụkhácvớibứctranhtrongchương3,bởivì,
hìnhcầuhayvỏhạtbốnchiềuhơibịdẹtkhôngcòn trốngrỗngnữamàbị lấpđầybởimộtchiềuthứnăm.Lịchsửcủamàngtrongthờigianảosẽxácđịnhlịchsửcủanótrongthời
gianthực.Trongthờigianthực,mànggiãnnởtheocáchlạmpháttăngdầnnhưmôtảtrongchương3.Mộtvỏhạttrơnvàtrònhoànhảosẽlàlịchsửkhả
dĩ nhất của bọt khí trong thời gian ảo. Tuy nhiên, nó tương ứng vớimộtmànggiảnnởmãimãitheocáchlạmpháttrongthờigianthực.Cácthiênhàsẽkhôngđượchìnhthànhtrêncácmàngnhưthếvàdođócáccuộcsốngtrítuệcũngkhôngthểpháttriển.Mặtkhác,cáclịchsửtrongthờigianảokhôngtrơnvà trònmộtcáchhoànhảocóxácxuất thấphơnnhưnglại tươngứngvớicáctínhchấttrongthờigianthựcmàtrongđó,banđầumàngcócácgiaiđoạngiãn nở lạmphát tăng dần nhưng sau đó chậmdần.Trongquá trìnhchậmdầnnày,cácthiênhàgiãnnởcóthểđượchìnhthànhvàcácsinhvậtcótrítuệpháttriển.Dođó,theonguyênlývịnhânmôtảtrongchương3,chỉcócácvỏhạthơisầnsùimớiđượccácsinhvậtcótrítuệ-đangbănkhoănvềnguồngốccủavũtrụtạisaolạikhôngtrơntruhoànhảo-nhìnthấymàthôi.Vìmàngđanggiãnnởnênthểtíchcủakhônggiancủacácchiềucaohơn
bêntrongtănglên.Thậmchícóthểcómộtbọtkhíkhổnglồbêncạnhmàngmàchúng tađangsống.Nhưngcó thậtchúng tađangsống trênmộtmànghaykhông?Dựatrênýtưởngvềảnhđachiềumôtảtrongchương2,thôngtin về những sự kiện đang xảy ra trongmột vùng không thời gian có thểđượcmãhóa trênbiêncủanó.Dođó, chúng tacó thểnghĩ rằngchúng tađangsốngtrênmộtthếgiớibốnchiềuvìchúngta làcáibónginlênmàngnhờnhữngsựkiệnđangxảyratronglòngmộtbọtkhí.Tuynhiên,trênquanđiểmthựcchứng, takhôngthểhỏi: thựctại làgì, làmànghaybọtkhí?Cảhaikháiniệmđóchỉlàcácmôhìnhtoánhọcmôtảnhữngđiềumàchúngtaquansát.Chúngtahoàntoàntựdosửdụngmôhìnhtiệnlợinhất.Cáigìbênngoàimàng?Cómộtvàikhảnăngcóthểxảyra:(hình7.19)
1.Cóthểchẳngcógìbênngoàicả.Mặcdùbọtkhícónướcxungquanh,nhưngđóchỉlàmộtsựmườngtượnggiúpchúngtahìnhdungvềnguồngốccủavũtrụ.Tacóthểtưởngtượngmộtmôhìnhtoánhọcchỉcómộtcáimàngvà một khoảng không gian nhiều chiều hơn bên trong nhưng hoàn toànkhôngcógìbênngoàinócả,ngaycảchânkhông.Tacóthểtínhđượcnhữngđiềumàmôhìnhtoánhọcđótiênđoánmàkhôngcầnphảiámchỉđếnnhữngthứbênngoài.2.Tacũngcóthểcómộtmôhìnhtoánhọcmàbênngoàicủabọtkhícórất
nhiềubọtkhítươngtự.Môhìnhnàythựcsựtươngđươngvềmặttoánhọcvớikhảnăngvềchẳngcógìngoàibọtkhíđược thảo luận trongphần trênnhưngcómộtsựkhácnhauvềtâmlý:conngườicảmthấyhạnhphúchơnkhi thấymình là trung tâm của không thời gian hơn là ở trên rìa của nó;nhưngđốivớimộtnhàthựcchứngthìkhảnăng1và2làtươngđương.3.Bọtkhícóthểgiảnnởvàokhônggian,màkhônggiannàykhôngphảilà
mộthìnhảnhthứyếucủacácsựkiệnbêntrongbọtkhí.Khảnăngnàykháchaikhảnăngtrênvànógiốngtrườnghợpnướcsôihơn.Cácbọtkháccóthểđượchìnhthànhvàgiãnnở.Nếuchúngvachạmvàkếthợpvớibọtkhímàchúngtađangsốngthìkếtquảrấtthêthảm.Cógiảthuyếtnóirằngbảnthânvụnổlớncóthểđượctạorakhicácmàngvachạmvớinhau.
ẢNHĐACHIỀUẢnhđachiềugiảimãthôngtintrongmộtvùngkhônggianlênmộtbềmặtmàbềmặtnàycó
íthơnvùngkhônggianđómộtchiều.Đâydườngnhưlàmộttínhchấtcủalựchấpdẫnvìdiệntíchcủachântrờisựkiệnđosốcáctrạngtháinộicủahốđen.Trongmôhìnhthếgiớimàng,ảnhđachiềucóthểlàmộtsựtươngứngmột-mộtgiữacáctrạngtháitrongmộtthếgiớibốnchiềuvàcáctrạngtháitrongmộtthếgiớicónhiềuchiềuhơn.Trênquanđiểmthựcchứng,takhôngphânbiệtđượcmôhìnhnàocơbảnhơn.
Môhìnhmàngvũ trụ như thế đang là các điểmnóng trong nghiên cứu.Chúngmangtínhtưbiệnrấtcaonhưngchúnglạiđòihỏicácloạitínhchấtmớicầnđượckiểmtrabằngthựcnghiệm.Chúngcóthểgiảithíchtạisaohấpdẫn có vẻ yếu đến thế. Hấp dẫn có thể khámạnh trong lý thuyết cơ bảnnhưngsựlantruyềncủalựchấpdẫnracácchiềubổsung,cónghĩalànósẽyếutạicáckhoảngcáchlớntrênmàngmàchúngtađangsống.
(Hình7.20)SơđồđườngốngLEPchothấyhạtầngđangcóvàcấutrúctươnglaicủaMáyvachạmlớn
ởGeneva,ThụySỹ.MộthệquảcủađiềunàychínhlàđộdàiPlank,khoảngcáchnhỏnhấtmà
chúngtacóthểdòđượcmàkhôngcầntạoramộthốđen,lớnhơnkhánhiềugiátrịmànócầncótừđộyếucủahấpdẫntrongmàngbốnchiềucủachúngta.ConbúpbêNganhỏnhấtnàyrốtcuộcsẽkhôngquánhỏvàcóthểnằmtrongtầmvớicủacácmáygiatốchạttrongtươnglai.Trênthựctế,chúngtađãpháthiệnraconbúpbênhỏnhấtrồi,độdàiPlankcơbản,nếuHoaKỳkhôngchịumộtđợtsuythoáinăm1994vàhủybỏSSC(máysiêuvachạmsiêudẫn-SuperconductingSuperCollider)mặcdùnóđãđượcxâymộtnửarồi.CácmáygiatốchạtkhácnhưlàLHC(máyvachạmhadronlớn-LargeHadronCollider)tạiGenevađangđượcxâydựng(hình7.20).Vớicácmáynàycùngvớicácquansátkhácnhưlàbứcxạphôngvisóng,chúngtacóthểxácđịnhlàchúngtađangsốngtrênmộtcáimànghaykhông.Nếuđúnglàchúngtađangsốngtrênmộtmàngthìcólẽnguyênlývịnhânđãchọncácmôhìnhmàng từmộtvườnbách thúgồmvôvàncácvũ trụcó thểxảyratrongthuyết-M.ChúngtacóthểdiễntảchoMirandatrongvởTheTempestcủaShakespeare:“ÔimộtmàngvũtrụmớiSaocónhiềusinhvậtnhưthếđếnvậy”(Nguyênvăn:“OBranenewworldThathassuchcreaturesin’t.”TácgiảnhạilạicâunóicủaMiranda:“ÔimộtthếgiớimớidũngcảmSaocónhiềungườinhưthếđếnvậy”“ObravenewworldThathassuchpeoplein’t.”)Đóchínhlàvũtrụtrongmộtvỏhạt.
THUẬTNGỮ
ADN:axítDeoxyribonucleicbaogồmphosphate,mộtđườngvàbốnba-zơ:adenine,guanine,thyminevàcytosine.HainhánhANDtạonêncấutrúchìnhxoắnképliênkếtvớinhaugiốngnhưcầuthangxoắn.ADNmãhóatấtcảcácthôngtinmàcáctếbàocầnđểtáitạovàđóngvaitròsốngcòntrongdituyền.Bảotoànnănglượng:địnhluậtkhoahọcphátbiểurằngnănglượng(hoặc
đạilượngtươngđươngcủanólàkhốilượng)khôngthểtựnhiênsinhrahoặcmấtđi.Biênđộ: độ cao cựcđại củađỉnhmột sónghayđộ sâu cựcđại củamột
hõmsóng.Boson:hạthoặckiểudaođộngdâycóspinlàmộtsốnguyên.Bứcxạphôngvisóng:bứcxạtừvũtrụsơkhainóngbỏng,dodịchchuyển
đỏmàngàynaynóxuấthiệnkhôngphảidướidạngánhsángmàdướidạngvisóng(sóngvôtuyếncóbướcsóngcỡvàivàicm).Bứcxạ:nănglượngđượctruyềnbởisónghoặchạttrongkhônggianhoặc
môitrườngnàođó.Bướcsóng:khoảngcáchgiữahaiđỉnhhoặchõmsóngliêntiếp.Chântrờisựkiện:biêncủahốđen,biêncủavùngkhônggianngăncách
vậtchấtthoátravôhạn.Chiềukhônggian:bấtkỳchiềunàotrongbachiềukhônggian.Chutrìnhthờigian:tênkháccủavòngthờigianđóng.Cơhọclượngtử:cácđịnhluậtvậtlýđiềukhiểnvươngquốccủacáchạtrất
nhỏ như nguyên tử, proton,… được phát triển từ nguyên lý lượng tử củaPlankvànguyênlýbấtđịnhHeisenberg.Dâyđóng:mộtvòngdây.Dâyvũ trụ:mộtvật thểnặng,dàicó tiếtdiện rấtnhỏcó thểđược tạo ra
trongcácthờikỳsơkhaicủavũtrụ.Ngàynay,mộtdâycóthểtrảidàitoànbộvũtrụ.Dây:vậtthểmộtchiềucơbảntronglýthuyếtdâymàcóthểlàmthayđổi
kháiniệmvềhạtcơbảnkhôngcócấutrúc.Cáckiểudaođộngkhácnhaucủadâysẽtạoracáchạtcơbảnvớicáctínhchấtkhácnhau.Dịch chuyển đỏ: bức xạ phát ra từ các vật thể chuyển động ra xa khỏi
ngườiquansátsẽđỏhơn,gâybởihiệuứngDoppler.
Dịchchuyểnxanh:sựcolạicủabướcsóngcủabứcxạphátratừmộtvậtthểđangchuyểnđộngvềphíangườiquansát,gâyrabởihiệuứngDoppler.Điểmkỳdị trần trụi:mộtđiểmkỳdịcủakhông thờigian,khôngbịbao
bởimộthốđen,khảkiếnđốivớingườiquansáttừxa.Điểmkỳdị:mộtđiểmtrongkhôngthờigianmàtạiđóđộcongcủakhông
thờigianlàvôhạn.Điệntích:tínhchấtcủamộthạtmànhờđóhạtđócóthểđẩy(hoặchút)các
hạtkháccóđiệntíchcùng(hoặctrái)dấu.Điệntử:hạtcóđiệntíchâm,quayxungquanhhạtnhânnguyêntử.Điềukiệnbanđầu:trạngtháicủamộthệvậtlýtạithờiđiểmbanđầu.Điềukiệnbiên:trạngtháibanđầucủamộthệvậtlý,haynóimộtcáchkhái
quáthơnlàtrạngtháicủahệtạibiêntrongthờigianvàkhônggian.Điềukiệnkhôngbiên:ýtưởngchorằngvũtrụlàhữuhạnnhưngkhôngcó
biêntrongthờigianảo.ĐịnhluậtchuyểnđộngcủaNewton:địnhluậtmôtảchuyểnđộngcủacác
vậtthểdựatrênkháiniệmkhôngthờigiantuyệtđối.CácđịnhluậtnàythốngtrịchođếnkhiEinsteinđưarathuyếttươngđối.ĐịnhluậtMoore:địnhluậtphátbiểurằngtốcđộcủacácmáytínhsẽtăng
gấpđôicứsaumườitámtháng.Điềunàyrõràngkhôngthểtiếptụcmãimãiđược.Địnhluậtthứhaicủanhiệtđộnghọc:địnhluậtphátbiểurằngentropy(của
mộthệkín-ND)luôntăngvàkhôngthểgiảm.Định lýđiểmkỳdị: định lý chứngminh rằngvớimột sốđiềukiệnnhất
địnhthìsẽtồntạimộtđiểmkỳdịmàtạiđóthuyếttươngđốirộngkhôngcònđúng,vàrằngvũtrụcầnphảibắtđầutừmộtđiểmkỳdị.ĐộdàiPlank:dàikhoảng10-35cm.Kíchthướccủadâyđặctrưngtronglý
thuyếtdây.Entropy:phépđođộmấttrậttựcủamộthệvậtlý,sốcáccấuhìnhvimô
khácnhaucủahệmàlàmchohìnhthứcvĩmôcủahệkhôngthayđổi.Ê-te:môitrườngphivậtchấtđãtừngđượccholàlấpđầytoànbộkhông
gian.Ýtưởngvềmôitrườngnhưthếcầnthiếtđểchosóngđiệntừcóthểlantruyềnđiđược,naykhôngcònđúngnữa.Fermion: một hạt hoặc một kiểu dao động dây có spin là một số bán
nguyên.Giả định bảo toàn lịch sử (Chronology protection conjecture): giả định
chorằngcácđịnhluậtvậtlýngăncảnkhôngchocácvậtthểvĩmôduhànhthờigian.
Giatốc:sựthayđổivậntốccủavậtthể.Giãnnởthờigian:đặcđiểmcủathuyếttươngđốirộngtiênđoánrằngdòng
thờigiansẽchảychậmđốivớingườiquansátchuyểnđộnghoặcdưới tácdụngcủatrườnghấpdẫnmạnh.Giâyánhsáng:khoảngcáchmàánhsángđiđượctrongmộtgiây.Hàmsóng:mộtkháiniệmcơbản trongcơhọc lượngtử;mộtconsố tại
mỗiđiểmtrongkhônggiancóliênquanđếnmộthạt,xácđịnhxácsuấtmàhạtcóthểđượctìmthấytạimộtvịtrí.HằngsốPlank:hònđátảngcủanguyênlýbấtđịnh-tíchgiữađộbấtđịnh
vềvịtrívàvậntốccầnphảilớnhơnhằngsốPlank.Biểudiễnbằngkýhiệuħ.Hằngsốvũtrụ:mộtcôngcụtoánhọcđượcEinsteinsửdụngđểgánchovũ
trụcóxuhướnggiãnnở,chophépthuyếttươngđốirộngtiênđoánmộtvũtrụtĩnh.Hấpdẫnlượngtử:lýthuyếtkếthợpcơhọclượngtửvớithuyếttươngđối
rộng.Hạtảo:trongcơhọclượngtử,mộthạtảolàmộthạtmàtakhôngbaogiờ
cóthểđođượctrựctiếpnhưngsựtồntạicủanógâyranhữnghiệuứngcóthểđođược.XemthêmHiệuứngCasimir.Hạtcơbản:hạtđượccoilàkhôngthểphânchiađượcnữa.Hạtnhân:phầntâmcủamộtnguyêntử,chỉbaogồmprotonvàneutronliên
kếtvớinhaubằnglựchạtnhânmạnh.HiệuứngCasimir:áplựchútgiữahaitấmkimloạiphẳng,songsongđược
đặtgầnnhautrongchânkhông.Ápsuấtxuấthiệnlàdosốcáchạtảoởgiữahaitấmkimloạinhỏhơnởbênngoài.HiệuứngDoppler:sựdịchchuyểntầnsốvàbướcsóngcủacácsóngâm
hoặcsóngánhsángmàngườiquansátthuđượckhinguồnphátchuyểnđộngtươngđốivớingườiquansát.Hiệuứngquangđiện:hiệuứngphátđiệntửkhiánhsángđậpvàocáckim
loại.Hốđennguyênthủy:mộthốđenhình thànhtừgiaiđoạnsơkhaicủavũ
trụ.Hốđen:mộtvùngkhông thờigiancó trườnghấpdẫnquámạnhđếnnỗi
ngaycảánhsángcũngkhôngthểthoátrađược.Hốgiun:mộtđườngốngrấtnhỏtrongkhôngthờigiankếtnốicácvùngxa
nhaucủavũtrụ.Cáchốgiuncũngcóthểkếtnốicácvũtrụsongsongvàcóthểtạorakhảnăngduhànhthờigian.Kenvin:thangnhiệtđộtuyệtđối.
Khốilượng:làmộtthuộctínhcủavậtthể,làquántínhhoặccảntrởgiatốctrongkhônggiantựdo.Khônggian tựdo: vùngkhônggiankhông có trườngnào, tức là, không
chịutácdụngcủalựcnào.Khôngthờigian:khônggianbốnchiềumàcácđiểmcủanólàcácsựkiện.Lạmphát:mộtthờikỳngắngiãnnởgiatốc,trongđó,vũtrụthờikỳrấtsơ
khaigiatăngkíchthướcvớimộttốcđộchưatừngcó.Lựcđiệntừ:lựcxuấthiệngiữacáchạtcóđiệntíchcùng(hoặctrái)dấu.Lựchấpdẫn:lựcyếunhấttrongbốnloạilựccơbảncủatựnhiên.Lực tương tácmạnh (lực hạt nhânmạnh): lựcmạnh nhất và có tầm tác
dụngngắnnhấttrongbốnlựccơbản.Nógiữcácquarklạivớinhauđểtạonênprotonvàneutron,vàcáchạtnàyđếnlượtnólạicùngnhaulàmnênhạtnhânnguyêntử.Lựctươngtácyếu(lựchạtnhânyếu):lựcyếuthứhaitrongbốnlựccơbản
cótầmtácdụngrấtngắn.Nótácdụngtớitấtcảcáchạtvậtchấtnhưngkhôngtácdụnglêncáchạttruyềntươngtác.Lưỡngtínhsóng/hạt:kháiniệmtrongcơhọclượngtửchorằngkhôngcó
sựkhácbiệtgiữacácsóngvàcáchạt;cáchạtcóthểhànhxửgiốngnhưcácsóngvàngượclại.Lượng tử: đơnvịkhông thểphân chiamàcác sóngcó thểhấp thụhoặc
phátxạ.Lýthuyếtảnhđachiều:lýthuyếtchorằngcáctrạngtháilượngtửcủamột
hệtrongmộtvùngkhôngthờigiancóthểđượcmãhóatrênbiêncủavùngđó.Lý thuyết cổ điển:một lý thuyết dựa trên các khái niệm được thiết lập
trướccơhọctươngđốivàcơhọclượngtử.Lýthuyếtgiảthiếtrằngcácvậtthểcóvịtrívàvậntốchoàntoànxácđịnh.Điềunàykhôngđúngởcácnấcthangrấtnhỏvìnguyênlýbấtđịnhsẽpháthuytácdụng.Lýthuyếtdây:lýthuyếtvậtlýchorằngcáchạtcóthểđượcmôtảnhưlà
cácsóngtrêncácdây; thốngnhấtcơhọc lượngtửvà tươngđốirộng.Cònđượcbiếtlàthuyếtsiêudây.Lý thuyết thốngnhất lớn: lý thuyết thốngnhất lựcđiện từ, lực tương tác
yếuvàlựctươngtácmạnh.Lýthuyếtthốngnhất:bấtkỳlýthuyếtnàomôtảtấtcảbốnlựcvàtấtcảvật
chấttrongmộtmôhìnhduynhất.Lýthuyếttươngđốihẹp:lýthuyếtcủaEinsteindựatrênýtưởngchorằng
cácđịnhluậtkhoahọccầnphảinhưnhauđốivớitấtcảcácngườiquansátkhôngphụthuộcvàocáchhọchuyểnđộngkhikhôngcótrườnghấpdẫn.
Lýthuyếttươngđốirộng:lýthuyếtcủaEinsteindựatrênýtưởngchorằngcácđịnh luậtkhoahọcxảy ranhưnhauđốivới tấtcảcácngườiquansát,khôngphụthuộcvàocáchmàhọchuyểnđộng.Lýthuyếtgiảithíchlựchấpdẫntrêncơsởvềđộcongcủakhôngthờigianbốnchiều.LýthuyếtvạnvậthấpdẫncủaNewton:lýthuyếtchorằnglựchútgiữahai
vật thểchỉphụ thuộcvàokhối lượngcủacácvật thểvàkhoảngcáchgiữachúng;lựchúttỷlệvớitíchcủakhốilượngvàtỷlệnghịchvớibìnhphươngkhoảngcách.LýthuyếtYang-Mills:lýthuyếtmởrộngcủalýthuyếttrườngMaxwellmô
tảlựctươngtácyếuvàlựctươngtácmạnh.Lý thuyết-M: lý thuyết thốngnhấtnămlý thuyếtdâycũngnhư lý thuyết
siêuhấpdẫnthànhmộtmôhìnhlýthuyếtđơnnhấtnhưngngườitavẫnchưahiểuhếtlýthuyếtnày.Màng:mộtthựcthểđượccoilàmộtthànhphầncơbảncủathuyết-M,có
thểcónhiềuchiều.Nóichung,mộtmàng-pcóchiềudàitheopchiều,màng-1làmộtdây,màng-2làmộtmặt,…Màng-p:mộtmàngcópchiều.XemthêmMàng.Máy gia tốc hạt:một cáimáy có thể gia tốc các hạtmang điện chuyển
độnglàmtăngnănglượngchúng.Môhìnhchuẩntrongvậtlýhạt:lýthuyếtthốngnhấtbalựcphihấpdẫnvà
cáchiệuứngcủachúnglênvậtchất.Môhìnhchuẩntrongvũtrụhọc:lýthuyếtvụnổlớncùngvớilýgiảicủa
môhìnhchuẩntrongvậtlýhạt.MôhìnhRandall-Sundrum:lýthuyếtchorằngmộtmàngtrongkhônggian
nămchiềuvôhạncủacácđộcongâm,giốngnhưhìnhyênngựa.Nămánhsáng:khoảngcáchmàánhsángđiđượctrongmộtnăm.Năng lượng chân không: năng lượng cómặt ngay cả trong chân không
trốngrỗng.Nócótínhchấtrấtkỳlạlà,khônggiốngnhưsựcómặtcủakhốilượng,sựcómặtcủanănglượngchânkhôngsẽlàmchovũtrụgiãnnởvàtăngtốc.Neutrino:cáchạtnhỏbéchỉchịutácdụngcủalựctươngtácyếu.Neutron:mộthạttươngtựhạtprotonnhưngkhôngmangđiện,chiếmgần
mộtnửakhốilượnghạtnhân.Nóđượctạothànhtừbaquark(hainghịchvàmộtthuận).Ngườiquansát:mộtngườihoặcmộtdụngcụquansátđểđocáctínhchất
vậtlýcủahệ.Nguyên lý bất định:Nguyên lý đượcHeisenberg đưa ra, phát biểu rằng
ngườitakhôngbaogiờcóthểxácđịnhchínhxáccảvịtrívàvậntốccủahạt.
Nếutabiếtchínhxácmộtđạilượngnàythìtasẽbiếtkémchínhxácmộtđạilượngkia.Nguyênlýloạitrừ:nguyênlýchorằngcáchạtcóspinbằng-1/2khôngthể
có(tronggiớihạnnguyênlýbấtđịnh)cùngvịtrívàvậntốc.NguyênlýlượngtửPlank:nguyênlýchorằngcácsóngđiệntừ(tứclàánh
sáng)chỉcóthểphátxạhayhấpthụmộtlượnggiánđoạngọilàlượngtử.Nguyênlývịnhân:nguyênlýchorằngchúngtathấyvũtrụnhưnóhiện
hữubởivìnếunókhácđithìchúngtakhôngthểcómặtởđâyđểquansátnó.Nguyêntử:đơnvịcơbảncủavậtchấtthường,tạothànhtừmộthạtnhân
nhỏbé(gồmprotonvàneutron)vàcácđiệntửquayxungquanh.Nhậtthực:hiệntượngmặttrăngđivàokhoảnggiữatráiđấtvàmặttrờivà
chemặttrời,hiệntượngđókéodàivàiphút.Nhậtthựcxảyranăm1919cóthểquansáttừvùngĐôngPhiđãchứngminhsựđúngđắncủathuyếttươngđối.Nhiệtđộkhôngtuyệtđối:nhiệtđộthấpnhấtcóthể,tạiđóvậtchấtkhông
cónhiệtnăng;khoảng-273độChay0độK.Nhiệtđộnghọc:nghiêncứuvềmốiliênhệgiữanănglượng,công,nhiệtvà
entropytronghệvậtlýđộng.Nónánhsáng:mộtbềmặttrongkhôngthờigianvạchrahướngkhảdĩđể
cáctiasángđiquamộtsựkiệnđãcho.Phảnhạt:mỗihạtvậtchấtđềucómộtphảnhạttươngứng,khimộthạtva
chạm với phản hạt của nó thì chúng sẽ hủy lẫn nhau và chỉ còn lại nănglượngmàthôi.Phânrãhạtnhân:quátrìnhcáchạtnhânbịphânrãthànhcáchạtnhânnhỏ
hơnvàgiảithoátnănglượng.Phổ:dảitầnsốcủasóng.Phầnkhảkiếncủaquangphổmặttrờiđôikhilà
cầuvồng.Phươngphápthựcchứng:phươngphápchorằnglýthuyếtkhoahọclàmột
môhình toánhọc có thểmô tảvàgiảimãcácquan sátmàchúng ta thựchiện.PhươngtrìnhSchrodinger:phươngtrìnhđiềukhiểnquátrìnhtiếnhóacủa
cácsóngtrongthuyếtlượngtử.Positron:phảnhạtcủađiệntửcóđiệntíchdương.Proton:hạtmangđiện tíchdương, rấtgiốngneutron,chiếmgầnmộtnửa
khốilượnghạtnhânnguyêntử.Protontạothànhtừbaquark(hai thuậnvàmộtnghịch).Quátrìnhphóngxạ:quátrìnhphávỡtựpháttừmộtloạihạtnhânnguyên
tửnàysangloạikhác.Quangtử(photon):một lượngtửánhsáng;bósóngnhỏnhấtcủa trường
điệntừ.Quark:hạtcơbảnmangđiệnchịutácdụngcủalựctươngtácmạnh.Quark
có sáu “mùi”: thuận (up), nghịch (down), lạ (strange), đẹp (charm), dưới(bottom)vàtrên(top).Mỗimùicóthểcóba“màu”:đỏ,lụcvàxanh.Quyếtđịnhluậnkhoahọc:mộtkháiniệmmáymócvềvũtrụcủaLaplace,
trongđó,cácthôngtinđầyđủvềtrạngtháicủavũtrụhiệntạichophéptiênđoáncácthôngtinđầyđủvềtrạngtháicủavũtrụtrongquákhứvàtươnglai.Siêuđốixứng:nguyênlýliênhệtínhchấtcủacáchạtcóspinkhácnhau.Siêuhấpdẫn:tậphợpcáclýthuyếtthốngnhấtlýthuyếttươngđốirộngvà
siêuđốixứng.Số ảo:một khái niệm toán học trừu tượng.Các số ảo và số thực có thể
đượccoinhưsựđánhsốvịtrícủacácđiểmtrongmộtmặtphẳng,dođó,cácsốảosẽvuônggócvớicácsốthựcbìnhthường.SốGrassman:một lớpcác sốkhônggiaohoánvớinhau.Đốivớicác số
thựcbìnhthường,thứtựcủacácsốhạngtrongphépnhânkhôngquantrọng:A*B=C vàB*A=C. Tuy nhiên sốGrassman lại phản giao hoán nênA*Bbằng-B*A.Sóngđiệntừ:daođộngkiểusóngtrongđiệntrường.Tấtcảcácsóngcủa
phổđiệntừchuyểnđộngvớivậntốcánhsáng,tứclàánhsángkhảkiến,tiaX,visóng,hồngngoại,…Sónghấpdẫn:daođộngkiểusóngtrongtrườnghấpdẫn.Spin:tínhchấtnộicủacáchạtcơbảncóliênquanđến(nhưngkhôngđồng
nhấtvới)kháiniệmtựquaytrongđờisốnghàngngày.SựcoLorentz:sựcongắnvềchiềudàicủavậtthểtheohướngdichuyển
khinóchuyểnđộng,tiênđoántừlýthuyếttươngđốihẹp.Sựkiện:mộtđiểmtrongkhôngthờigianxácđịnhbởivị trívà thờigian
củanó.Tầnsố:củamộtsónglàsốchukỳtrongmộtgiây.Thếgiớimàng:mộtbềmặthaymộtmàngbốnchiềutrongmộtkhôngthời
giancónhiềuchiềuhơn.Thờigianảo:thờigianđượcđobằngcácsốảo.ThờigianPlank:bằngkhoảng10-43giây, thờigianđểánhsángđiđược
mộtkhoảngcáchbằngđộdàiPlank.Thời gian tuyệt đối: khái niệm cho rằng cómột đồnghồ vũ trụ.Thuyết
tươngđốicủaEinsteinkhôngthểcókháiniệmnhưthế.Tínhđốingẫu:mộtsựtươngứnggiữacáclýthuyếthoàntoànkhácnhau
dẫnđếncáckếtquảvậtlýnhưnhau.Trạngtháicơbản:trạngtháicủamộthệcónănglượngcựctiểu.Trạngtháitĩnh:trạngtháikhôngthayđổitheothờigian.Trọnglượng:lựctácdụnglênvậtthểbằngmộttrườnghấpdẫn.Nótỷlệ
với(nhưngkhôngphảilà)khốilượngcủanó.Trườnghấpdẫn:phươngtiệnđểlựchấpdẫntraođổitácđộngcủanó.Trườnglực:phươngtiệnđểcáclựctraođổitácđộngcủanó.TrườngMaxwell:tổnghợpđiện,từ,ánhsángvàocáctrườngđộngcóthể
daođộngvàlantruyềntrongkhônggian.Trường:mộtcáigìđótồntạitrongsuốtkhôngthờigian,ngượclạivớimột
hạtchỉcóthểtồntạitạimộtđiểmtrongkhôngthờigian.Từtrường:trườngtruyềntươngtáctừ.Vângiaothoa:xuấthiệnkhihaihaynhiềusóng(phátra từcácvị trívà
thờigiankhácnhau)hòavàonhau.Vậntốc:mộtconsốbiểudiễntốcđộvàhướngcủachuyểnđộngcủavật
thể.Vậtchấttối:vậtchấtcómặttrongcácthiênhàvàcácđám,vàcóthểgiữa
cácđámmàchúngtakhôngthểquansátđượcnhưngchúngtavẫnghinhậnđượctrườnghấpdẫncủanó.Vĩmô:đủlớnđểcóthểnhìnbằngmắtthường;thườnglàvớikhoảngcách
lớnhơn0,01mm.Khoảngcáchnhỏhơnkhoảngcáchđóđượccoilàvimô.Vôhạn:mộtphạmvihaymộtconsốkhôngcógiớihạnhoặckhôngcókết
thúc.Vụcolớn:têncủamộtkịchbảnkhảdĩvềsựkếtthúccủavũtrụ,tạiđó,tất
cảkhônggianvàvậtchấtsuysậpvàhìnhthànhmộtđiểmkỳdị.Vụnổlớn:kỳdịtạiđiểmkhởiđầucủavũtrụ,cáchđâykhoảngmườilăm
tỷnăm.Vũtrụhọc:khoahọcnghiêncứuvềvũtrụ.
CHỈMỤC
Adenine,161ADN,161,163-165,170Alpher,Ralph,78Andromeda,76Ảnhđachiều,64-65,196,198Ánhsáng,4
Tốcđộcủa,6,7,8,9,10,11,111,113,142,144,168Augustine(thánh),35Axion(hạtcơbảnrấtnhẹ),187,188AxítNucleic,161,165Baryon,78Bộnão(conngười),167-170Bộnãongười,167-170Bohr,Niels,112Bomnguyêntử,13,26,83Boson,50,52Bứcxạnhiệt,121,122Bứcxạphôngvisóng,38-39,78,92,98-99,120,121,200Bứcxạ,78
Điệntừ,44Hốđen,118,120-122,124,147,192,195Phôngvisóng,38-39,78,92,98-99,120,121,200
Bụihànhtinh,71Bướcsóng,44-46,47,74Cácbàibáokhoahọc,sựxuấtbảncủa,158,159Cácnguyênlýtoánhọc(Newton),32Cáichếtđen,157Cânbằngnhiệt,32,38Carbon,78,86,114Cassimir,Michael,150Cấutrúcchuỗixoắnkép,161Chântrờiphátxạhữuhạn,143Chântrờisựkiện,111,115,117,119,120ChiềuGrassman,49,52
Chiều,87-90,178-181,183,188,191-193,197-199Chọnlọctựnhiên,163Chukỳsốngcủa,113-114ChủnghĩabàiDoThái,13Cơhọclượngtử,106
Sựpháttriểncủa,24,26Copernicus,103Crick,Francis,161Cuộcsốngtrítuệ,sựpháttriểncủa,85-87,93-95,98,171,196Cytosine,161ĐàiquansátthiênvănMountWilson,21,23,77Dawkins,Richard,162Dâyvũtrụ,138-141,144Đêmdàitrungkỷ,157Deuterium,78Đĩabay,142Dịchchuyểnđỏ,75-77Điệntửhọc,24,26Điệntử,51,78,90,176,181,187Điềukhiểnđộcong,160Điềukiệnbiên,80,82-85Điềukiệnkhôngbiên,82-86,196Địnhluậtbảotoànnănglượng,192ĐịnhluậtHubble,77ĐịnhluậtMoore,167Địnhlýkhôngđầyđủ,139Dirac,Paul,24,43ĐộdàiPlank,176-178,199Độphứctạpđiện,165-170DựánMahathan,13,112Dựbáothờitiết,105ĐứcQuốcxã,26Dừngtuyệtđối,11Einstein,Albert,5,26,27,57
Bomnguyêntửvà,12-13GiảiNobel,11,24Hằngsốvũtrụvà,21,49,96-97Hốđenvà,111
Hônnhâncủa,14Lýthuyếtlượngtửvà,24,26Lýthuyếttươngđốihẹpvà,9,11,12,14,108-109,139Lýthuyếttươngđốirộngvà,17-19,21-24,26,34-36,60,76,79,80,
129,135,138,175Lýthuyếtvụnổlớnvà,22,23Thínghiệmtưduy,123-124ThưgửiRoosevelt,12,13Tiểusửcủa,4
Entropy,63-64Ê-te,4,5,9Euclid,21Fermion,50,52Feynman,Richard,46,80,83,85-87,112,147,148FitzGerald,George,6GalileoGalilei,103Gamow,George,78Giảđịnhbảotoànlịchsử,64,153,160Giatốc,16-18Giãnnởlạmphát,90-93,99,120-121,196Goden,Kurt,139Grossmann,Marcel,18Guanine,161Hàmsóng,106-110,116,121,122,124-125,129HằngsốPlank,42-44,63Hằngsốvũtrụ,21,49,96-97,139Hànhtinh,quỹđạocủa103,182Hấpdẫn,35
ĐịnhluậtNewtonvề,14,17Thuyết tươngđốirộngvà,17-19,21-24,26,34-36,41,43,6,60,76,
78-80,109,111-113,116,129,135,138,175,190Hartle,Jim,82-85Hạtảo,118,119,122,124,145,146Hạtnặngtươngtácyếu(WIMP),187,188Hạt,42-43,83
Ảo,118,119,122,124,145,146Môhìnhvàtínhchất,51Vịtrívàvậntốccủa,104-108,125
Vớispin,48-50Heisenberg,Werner,24,42,43,45,139Helium,78,113,114HiệuứngCasimir,46,47,149HiệuứngDoppler,74-76Hiệuứngquangđiện,24Hilbert,David,19Hirosima,13Hốđen,24,25,41,57,63,64,101,187
Bứcxạ,118,120-122,124,147,192,195Chântrời,143,145,146Einsteinvà,111Giớithiệuvề,112,113Màng-p,126-127,129Nhiệtđộcủa,118,120,122Schwarzschild,111Sónghấpdẫnvà,192-193Sựhìnhthànhcủa,114-116,118Thảoluậnđầutiênvề,110
Hốgiun,110,135-137Hóahọc,26,105HộithiênvănHoaKỳ,76Hubble,Edwin,73,75-77,97Hulse,Russell,190Humason,Milton,76Hydrogen,78,113,114Israel,Werner,112Kant,Immanuel,32,34,41,73Khalatnikov,Isaac,36,41Khốilượngtớihạn,15Khốilượng
Hốđen,121,122Liênhệgiữanănglượngvà,12-13,14-15
Khôngthờigiancong,lýthuyếtvề,17-19,18,20,33,35,39,43,57,109,111,113,115,148.XemthêmLýthuyếttươngđốirộngKhôngthờigian,35-39,108
Cong,17-19,18,20,33,35,39,43,57,109,111,113,115,118KínhthiênvănHooker,21,23
KínhthiênvănvũtrụHubble,68,69Kỳdị,36,41,43,61,114,116KỷnguyênHadron,78KỷnguyênLepton,78Kỹthuậtditruyền,164,165,167-168,170Lạmpháttiềntệ,91,93Lamb,Charles,31Laplace,Marquisde,104-106,108,125Lemaitre,Georges,22Lịchsửchukỳđóng,148-149Lifshitz,Evgenii,36,41Lithium,78Lộtrìnhtựathờigian,138Lorentz,Hendrik,6Lựctươngtácmạnh,46Lựctươngtácyếu,46Lượcsửvềthờigian(Hawking),7Lượngtử,24,42Lýthuyết“biếnsốẩn”,107Lýthuyếtdâysiêuđốixứng,52Lýthuyếtdây,51,54,56,140LýthuyếtÊ-tecốđịnh,5-6,6Lýthuyếthỗnloạn,104,139Lý thuyết lượng tử,24,42,44-46,51,52,59,60,64,79,118,123,138,
139,144LýthuyếtNewton,83,104,111,135,175,186Lýthuyếtsiêuhấpdẫn,49,50,52-54,56-57Lýthuyếtthốngnhấtlớn(GUT),78Lýthuyếttươngđốirộng,17-19,21-24,26,34-36,41,43,46,60,76,78-
80,109,111-113,116,129,135,138,175,190Lýthuyếttươngđốihẹp,9,11,12,14,108-109,139Lýthuyết-M,56,87,88,174,175,177,178,196,200Mãditruyền,161Màng,xemthêmMàng-pMàng-p,54-55,125-127,129.XemthêmMôhìnhthếgiớimàng.Mậtđộ
Nănglượng,46,47,144-146Vậtchất,96-99
Vôhạn,36Mậtđộvôhạn,36Mặttrời,103,111Maxwell,JamesClerk,43Máygiatốchạt,54,57,199-200Máysiêuvachạmsiêuhấpdẫn,199Máytính,165-169MáyvachạmHadronlớn,Geneva,54,57,199-200Meson,78Michell,John,110,111,115,193Mills,Robert,46Môcấythầnkinh,176,170Môhìnhmàngbóng,188-189,191MôhìnhRandall-Sundrum,189,191Môhìnhthếgiớimàng,180-185,188,189,191-200Morley,Edward,6MộttrămtácgiảchốnglạiEinstein,26Nagasaki,13Nănglượngchânkhông,96-99Nănglượnghấpdẫn,91Nănglượngliênkếthạtnhân,14-15Nănglượng
Bảotoàncủa,192Cáchạt,51-53Liênhệgiữakhốilượngvà,12-13,14-15Mậtđộ,46,47,144-146
Neutrino,78,187Neutron,78,176,187Newton,Isaac,14,17,32Ngânhà,69,186Nghịchlýanhemsinhđôi,9,10,137NghiệmdeSitter,120Nghiêncứuhạtnhân,13Ngôisaotối,111,115.XemthêmHốđenNgôisao,71-72,78,85,96,111
Sựsuysậpcủa,23-24,41,114-115Nguyênlýbấtđịnh,42,44,45,79,94,105-107,118,125,139,144,195Nguyênlývịnhân,85,86,87,98,181,196,200
Nguyêntửnguyênthủy,22Nguyêntử,78,90,176,181Nhậtthực,21Nhiệtđộnghọclượngtử,105Nhiệtđộnghọc,64Nónánhsáng,36-41Oppenheimer,Robert,112Oxygen,78,86,114Penrose,Roger,23,24,36,41,43,76,79,82,143Penzias,Arno,78Phảnquark,78Phảnứngdâytruyền,15Phảnứngphânrãhạtnhân,113Pháttriểndânsố,156,157-158Phổ,38-39PhòngthínghiệmJefferson,Đạihọc
Harvard,4Photinos,50
PhươngtrìnhSchrodinger,107-110,116,122,125,129Plank,Max,24,42Podolsky,Boris,123-124Popper,Karl,31Positron,51Prometheus,69Proton,14,176,187PulsarđôiPSR1913+16,190Pulsarđôi,190,191Quangtử,50,78Quark,78,176Quasar3C273,161Quasar,78
Việctìmra,113Quỹnghiêncứuhấpdẫn,41Quyếtđịnhluậnkhoahọc,104-106,108,109,111,118,121,122,126,129Quyếtđịnhluận,104-106,108,109,116,118,121,122,126,129Randall,Lisa,189Riemann,GeorgFriedrich,18
Roosevelt,FranklinD.,13Rosen,Nathan,123-124Saolùntrắng,187Saoneutron,187,190Saosiêumới,99Schrodinger,Erwin,24,43Schwarzchild,Karl,111,112Schwinger,Julian,46Siêuđốitác,49,50Siêuđốixứng,49,52,97Sinhhọcphântử,26Sinhhọc,105Slipher,Vesto,73,76Sốảo,59Sốthực,59Sóngâm,4,74Sóngánhsáng,75Sónghấpdẫn,190-193Spin,48-50Startrek,129,157,160-161,165,171Strominger,Andrew,126Sựcongcủakhôngthờigian,39,39,140,142,144-146Sundrum,Raman,189Tấmcaosu,34,35Taylor,Joseph,190Thănggiángchânkhông,118Thănggiángđiểmkhông,45Thănggiángtrạngtháicơbản,45,46,47,50ThínghiệmCavendish,184ThínghiệmMichelson-Morley,6,8ThiênhàNGC3198,186ThiênhàNGC4151,116Thiênhà,36,37,38,69,85,95,98
Chuyểnđộngcủa,75-77Hìnhdángvàkíchthướccủa,70Khoảngcáchgiữa,21,22Phânbốcủa,71,72Suysậpcủa,41
Vậtchấttốivà,186-187Thiênvănhọc,103-104,126Thờigian(phổquát)tuyệtđối,9,11,14,108,109,111Thờigianảo,58-61,63,82-85,90-94,99,196Thờigiancánhân,9,14,135Thờigianthực,58,60,63,82,85,90,93,196Thờigian
Ảo,58-61,63,82-85,90-94,99,196Chântrờiduhành,143Chutrình,138-140,142-144,150,152Duhành,131,133,135-139,142-153Hìnhdángcủa,30,65
Thực,58,60,63,82,85,90,93,196Tuyệtđối(phổquát),9,11,14,108,109,111Thorne,Kip,132,133,133,144,153Tiênđoántươnglai,64,101-129Tiếnhóasinhhọc,161-165,170Tiềnthiênhà,78Tiêuthụđiệnnăng,158,159Tínhiệuvôtuyến,4Tínhđốingẫu,56,57Tinhvânhìnhxoáyốc,76TinhvânThiênlang,113Tinhvân,75,76Tốcđộánhsáng,6,7,8,9,10,11,111,113,142,144,168Tomonaga,Shinichiro,46Tổngtheocáclịchsử,147-148.XemthêmÝtưởngđalịchsửTownsend,Paul,54,55Tráiđất,103,111
Quỹđạocủa,71Sựquaycủa,6,9
Triếthọcthựcchứng,31,54,59,118,127,180,198Trườngđiệntừ,43-46,49TrườngMaxwell,43-46TrườngYang-Mills,46,49Tựmâuthuẫncủalýtínhthuầntúy,34,41Tươngđối
Lýthuyếttươngđốihẹp,9,11,12,14,108-109,139Lýthuyếttươngđốirộng,17-19,21-24,26,34-36,41,43,46,60,76,
78-80,109,111-113,116,129,135,138,175,190Tươnglai,tiênđoánvề,64,101-129U-235,14,15Vafa,Cumrun,126Vậntốcthoát,110-111Vậtchấttối,188
Bảnchấtcủa,187Bằngchứngvề,186
Vậtchất,175-176Mậtđộ,96-99Nănglượng,91XemthêmVậtchấttối
Vậtthểđặcnặngkhôngphátsáng(MACHO),187Vệtinhkhámpháphôngvũtrụ(COBE),94-95,95ViệnnghiêncứucaocấpPrinceton,26Vụcolớn,95,96Vụnổlớn,22-24,40,41,78-80,86,92,120Vũtrụcolại,21-23,36VũtrụEinstein,150-152Vũtrụgiãnnở,21-23,36,75-76,86,87,90-93,96-97,152Vũtrụkhôngphụthuộcvàothờigian,21Vũtrụtĩnhvôhạn,71-73Vũtrụtĩnh,21,22,49,150,151Vũtrụ
Điềukiệnbiên,80,82-85Điềukiệnkhôngbiên,82-86,196Giảnnởcủa,21-23,36,75-76,86,87,90-93,96-97,152Giãnnởlạmphát,90-93,99,120-121,196Lượcsửvề,168-169Môhìnhthếgiớimàng,180-185,188,189,191-200Nănglượngchânkhôngtrong,96-99Sựcocủa,21-23,36Tĩnhvôhạn,71-73Tĩnh,21,22,49,150-151Trongthờigianảo,82-85,90-94,99Vụnổlớn,22-24,40,41,78-80,86,92,120
Watson,James,161Wheeler,JohnArchibald,83,112,113,118
Wilson,Robert,78Xửlýsongsong,169,170Ýtưởngđalịchsử,80,83-85,87,93,147-148.XemthêmTổngtheocác
lịchsửYang,DươngChấnNinh,46
TableofContentsGIỚITHIỆUCỦAVIETSCIENCESGIỚITHIỆUCỦANHÀXUẤTBẢNLỜINÓIĐẦUCHƯƠNG1LƯỢCSỬVỀTHUYẾTTƯƠNGĐỐICHƯƠNG2HÌNHDÁNGCỦATHỜIGIANCHƯƠNG3VŨTRỤTRONGMỘTVỎHẠTCHƯƠNG4TIÊNĐOÁNTƯƠNGLAICHƯƠNG5BẢOVỆQUÁKHỨCHƯƠNG6TƯƠNGLAICỦACHÚNGTA?CÓTHỂLÀSTARTREKHAYKHÔNG?CHƯƠNG7MÀNGVŨTRỤMỚITHUẬTNGỮCHỈMỤC