Giai điệu dây và bản giao hưởng của vũ trụ

8/14/2019 Giai iu dy v bn giao hng ca v tr

1/191

1

http://vnthuquan.net/truyen/truyen.aspx?tid=2qtqv3m3237nnn4n2nqn31n343tq83a3q3m3237nvn

Brian Greene

Giai iu giy v bn giao hng v tr

Phn I

Li gii thiu

Hai l thuyt v i to nn nhng tr ct ca vt l hin i l c hc lng t v thuyt tngi ra i gn nh ng thi vo u th k XX.

C hc lng t, l thuyt v nhng ci v cng b, c xy dng trong nhng nm 1910-1930 bi mt

nhm nhng con ngi lng mn nh Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Edwin Schrodinger,

Wolfgang Pauli v Louis de Broglie, gii thch c mt cch tuyt vi hnh trng ca cc ht s cp v

cc nguyn t cng nh cc tng tc ca chng vi nh sng. Chnh nh c hc lng t m chng ta c

c nhng cng c k diu nh my thu thanh, TV, cc b dn stereo, in thoi, my fax, my tnh v Internet,

nhng cng c lm cho cuc sng ca chng ta tr nn th v hn v lin kt chng ta vi nhau.

Thuyt tng i l l thuyt ca nhng ci v cng ln: n c sinh ra t trc gic thin ti ca mt

chuyn vin k thut hng ba chng my ai bit ti c tn l Albert Einstein thuc phng ng k sngch pht minh Bern (Thu S) v l thuyt ny a ng ln tt nh vinh quang. Vi thuyt tng i

hp c cng b nm 1905, Einstein thng nht c thi gian v khng gian nh xem xt li tnh ph qut

ca chng: thi gian ca mt nh du hnh vi vn tc khng i gn vn tc nh sng s b gin ra trong khi

khng gian li b co li so vi thi gian v khng gian ca mt ngi no ng yn. ng thi, Einstein cng

thit lp c s tng ng gia khi lng v nng lng, do cho php ta gii thch c l la ca cc

ngi sao: chng bin mt phn khi lng ca chng thnh nng lng v, than i, n cng dn ti nhng qu

bom nguyn t gy ra cht chc v tn ph hai thnh ph Nht Bn Hiroshima v Nagasaki. Vi thuyt tngi rng c cng b nm 1915, Einstein chng minh c rng mt trng hp dn mnh, nh trng gn

mt l en (l thnh, chng hn bi s co li ca mt ngi sao dng ht nng lng d tr ca n) khng ch

lm cho thi gian gin ra m cn lm cong c khng gian na. ng thi, cc phng trnh ca thuyt tng i

rng cng ni rng V tr hoc l ang gin n hoc l ang co li, ch khng th l tnh ti, cng ht nh mt

qu bng c tung ln khng hoc l bay ln cao hoc l ri xung ch khng th treo l lng trong khng kh

c. V thi ngi ta ngh rng V tr l tnh, nn Einstein buc phi a vo mt lc phn hp dn

b tr cho lc hp dn ht ca V tr nhm lm cho n tr nn dng. Sau ny, vo nm 1929, khi nh thin vn

M Edwin Hubble pht hin ra V tr ang gin n, Einstein phi tuyn b rng l sai lm ln nht ca
http://vnthuquan.net/truyen/truyen.aspx?tid=2qtqv3m3237nnn4n2nqn31n343tq83a3q3m3237nvnhttp://vnthuquan.net/truyen/truyen.aspx?tid=2qtqv3m3237nnn4n2nqn31n343tq83a3q3m3237nvn


2/191

2

cuc i ng.

Hai l thuyt v i c nhiu ln kim chng qua cc php o v quan st, ng thi chng hot ng rt

tt chng no chng tch ri v gii hn trong a ht ring ca mnh. C hc lng t m t chnh xc hnh

trng ca cc nguyn t v nh sng khi m hai lc ht nhn mnh v yu cng vi lc in t dn dt v iu cn

lc hp dn th nh khng ng k. Thuyt tng i gii thch rt tt nhng cht ca hp dn thang cc ln ca

V tr, ca cc thin h, cc ngi sao v cc hnh tinh, khi m lc ny chim u th v cc lc ht nhn cng nh

lc in t khng cn ng vai tr hng u na. Nhng vt l hc bit li ht hi v mt ht phng tin khi

lc hp dn, vn nh khng ng k thang hi nguyn t, li tr nn ng k nh ba lc kia. M iu ny li

chnh xc l ci xy ra nhng khonh khc u tin ca V tr.

Ngy hm nay, ngi ta ngh rng khong 15 t nm trc, mt v n cc mnh tc Big Bang - sinh ra

V tr, khng gian v thi gian. T , din ra mt qu trnh thng tin, khng mt pht no ngi, trn

con ng phc tp ha. Xut pht t mt chn khng ni nguyn t, V tr ang gin n khng ngng

phnh to v n ra. Cc quark v electron, cc proton v notron, cc nguyn t, cc ngi sao v cc thin h k

tip nhau c to thnh. Vy l mt tm thm v tr bao la c dt nn, bao gm ti hng trm t thin h,

mi thin h li bao gm hng trm t ngi sao. Trong vng bin ca mt trong s nhng thin h v c tn l

Ngn H, trn mt hnh tinh gn ngi sao c tn l Mt Tri, xut hin con ngi c kh nng bit kinh ngc

trc v p v s hi ha ca V tr, c thc v c tr tu cho php n c th t ra nhng cu hi v V tr

sinh ra n. Nh vy l ci v cng b sinh n ra ci v cng ln. hiu c ngun gc ca V tr v do

c ngun gc ca ring chng ta na, chng ta cn c mt l thuyt vt l c kh nng thng nht c hc

lng t vi thuyt tng i v m t c tnh hung trong c bn lc c bn u bnh ng vi

nhau.

Nhng nhim v thng nht khng phi d dng g, bi l c s khng tng thch c bn gia c hc lng t

v thuyt tng i rng trong vn lin quan ti hnh hc ca khng gian, iu m Brian Greene m t rt

hay. Theo thuyt tng i, khng gian thang rt ln, ni trin khai cc thin h v cc ngi sao, l trn v hon

ton khng c nhng ch sn si v gai gc. Tri li, khng gian thang ni nguyn t ca c hc lng t li

khng trn tru m tr thnh mt loi mt xp khng c hnh hng xc nh, y ry nhng ln sng v nhngim k d, xut hin ri li bin mt trong nhng khong thi gian v cng nh, lun lun chuyn ng v lun

lun thay i. cong v tp ca th mt lng t ny l hn n v ch c th m t c thng qua xc sut.

Mt bc tranh thuc trng phi ha im ca Seurat, khi m ta xem gn, s thy n c phn tch thnh hng

ngn nhng im mu sc s, tng t nh vy, thang ni nguyn t, khng gian c phn ha thnh cc thng

ging v tr nn c tnh cht ngu nhin. S khng tng thch gia hai l thuyt ny khin cho chng ta khng

th ngoi suy nhng nh lut ca thuyt tng i ti tn im thi gian zero ca V tr, tc l thi im sng

to ra khng gian v thi gian. Nhng nh lut ca thuyt tng i s hon ton mt ch ng thi im vcng b 10-41 giy sau Big Bang, cn c gi l thi gian Planck. thi im , V tr ch c ng knh


3/191

3

bng 10-33cm (c gi l chiu di Planck), tc l nh hn mt nguyn t c 10 triu t t ln. Nh vy l bc

tng Planck c dng ln chn ngang con ng tin ti s nhn thc ngun gc ca V tr.

c t trc s thch thc, cc nh vt l lao tm kh t nhm vt qua bc tng chn . H n lc

phi thng tm kim ci m ngi ta gi mt cch hi i ngn l l thuyt v tt c, mt l thuyt thng

nht bn lc ca t nhin thnh mt siu lc duy nht. Nm 1967, nh vt l ngi M Steven Weinberg v nh

vt l ngi Pakistan Abdus Salam thng nht c lc in t v lc ht nhn yu thnh mt lc in-yu.

Cc l thuyt thng nht ln dng nh c th thng nht c lc ht nhn mnh v lc in-yu. Trong

mt thi gian rt di, lc hp dn vn ng bng t chi mi s hp nht vi cc lc khc. Cho ti khi xut hin

l thuyt dy, n nhn vt ca cun sch ny.

Theo l thuyt dy, cc ht khng cn l nhng phn t c bn na m ch l nhng dao ng ca mt dy

v cng nh c chiu di c 10-33cm, tc chiu di Planck. Cc ht ca vt cht v nh sng chuyn ti cc lc

(chng hn nh photon l ht truyn lc in t) lin kt cc phn t ca th gii vi nhau v lm cho n bin i.

Tt c nhng iu ch l cc biu hin khc nhau ca cc dy. Nhng mt iu k diu l, ht graviton ht

truyn lc hp dn cng trong s nhng biu hin . Nh vy, s thng nht gia lc hp dn v ba lc cn

li t ra l c th thc hin c. Hon ton ging nh s dao ng ca cc dy n violon to ra nhng m

thanh khc nhau cng vi cc ha m ca chng, m thanh v cc ha m ca cc siu dy cng c th hin

trong t nhin v i vi cc dng c o ca chng ta, di dng cc ht photon, proton, nton, electron, graviton

v.v... Nhng siu dy rung ng khp ni xung quanh chng ta v th gii ch l mt bn giao hng bt ngt.

Theo mt phng n ca l thuyt, cc siu dy dao ng trong mt v tr c chn chiu khng gian. Trong mt

phng n khc, chng dao ng trong mt v tr hai mi lm chiu. V chng ta ch cm nhn c ba chiu

khng gian, nn cn phi gi thit rng nhng chiu b sung c cun li cho n khi nh ti mc chng ta

khng cn cm nhn c na.

Brian Greene k cho chng ta mt cch rt sinh ng v ti nng v s ra i v pht trin ca l thuyt

siu dy. Vi mt vn phong sng sa v truyn cm, ng ch cho chng ta thy l thuyt ny m

ng dung ho c lng t vi thuyt tng i nh th no. ng cng m t cho chng ta thy khng

ch nhng cuc cch mng v khi nim lm ny sinh ra l thuyt ny m cn c nhng con ng sai lm vnhng ng ct, ngha l cho chng ta thy con ng pht trin quanh co ca khoa hc. Vn l ngi trc tip

tham gia pht trin l thuyt dy, Brian Greene xng ng l ngi hng dn l tng dn dt chng ta ln

theo nhng con ng khc khuu ca ti ny. Mc d, ht sc nhit thnh vi l thuyt dy, nhng Greene

cng khng h che du nhng m my en lm u m phong cnh. L thuyt dy cn lu mi c th hon chnh

v con ng cn phi i ti c ch cui cng s cn rt di v cc k gian kh. Mt khc, n cn c bao

bc trong mt bc mn ton hc dy c v tru tng ti mc thch thc nhng nh vt l ti nng nht hin

thi. Cui cng, l thuyt ny cn cha bao gi c kim chng bng thc nghim, bi v nhng hin tng mn tin on din ra nhng nng lng vt qu xa nng lng m nhng my gia tc ht hin nay c th t


4/191

4

c. Vy l bn giao hng ca cc dy vn cn dang d. Liu n mi mi dang d nh th hay khng ? Brian

Greene tr li l khng. Nhng ch c tng lai mi ni c iu vi chng ta.

Trnh Xun Thun

Paris, thng 6 nm 2000.

Bn dch sau y ca Phm Vn Thiu, Nh xut bn Tr, nm 2000

Phn I

Chng I - c kt ni bi cc dy(1)

C ng l V tr, mc c bn nht ca n, c phn chia mt cch rch ri: c mt tphp nhng nh lut dng m t nhng hin tng thang nh v mt tp hp cc nh lut

khc, khng tng thch vi tp th nht, dng m t cc hin tng thang rt ln?

Ni rng ngi ta c tnh m i th k cng hi qu ng. Nhng t hn mt na th k nay, thm ch ngay c khi

dn thn vo mt trong s nhng cuc phiu lu khoa hc v i nht ca thi i chng ta, cc nh vt l cng c

l i cc m my en m h nhn thy lp l pha chn tri. Nguyn do l th ny: vt l hin i da trn

hai tr ct. Mt l l thuyt tng i rng ca Albert Einstein m t t nhin thang ln nht, thang ca cc sao,

cc thin h v thm ch ca ton V tr. V hai l l thuyt lng t m t t nhin thang nh nht, thang ca

cc phn t, nguyn t v cc thnh phn s cp ca vt cht, chng hn nh cc quark v cc electron. Nhng

tin on ca c hai l thuyt u c khng nh hng hn bi rt nhiu thc nghim vi mt chnh xc

khng th tng tng ni. Tuy nhin, chnh hai cng c l thuyt ny li khng trnh khi dn ti mt kt lun

ng lo ngi: theo nh cch chng c trnh by hin nay th thuyt tng i rng v c hc lng t khng

th c hai u ng c. Hai l thuyt t c s cho s tin b v i ca vt l trong sut mt trm nm

tr li y li khng tng thch vi nhau.

Nu trc y bn cha bao gi c nghe ni ti s i khng gay gt th chc chn bn s thy rt ngc

nhin. Nhng iu ny cng chng c g l kh hiu c: thng th tr nhng tnh hung cc oan nht, cn th

cc nh vt l hoc l ch nghin cu nhng h rt nh v rt nh (cc nguyn t hoc cc thnh phn cu to nn

n) hoc l cc h cc ln v cc nng (nh cc sao v cc thin h), nhng cha bao gi nghin cu ng thi c

hai loi h . iu ny c ngha l, cc nh vt l hoc ch cn dng c hc lng t hoc ch dng thuyt tng

i rng. V nh vy, trong sut nm mi nm nay, h c hi lng nh vy trong cnh bnh an chng khc g k


5/191

5

ic khng s sng.

Khn ni, t nhin cng rt c th l cc oan. Trong su thm trung tm ca mt l en, c mt khi lng

rt ln c giam trong mt th tch cc nh. Hoc thi im Big Bang, ton b V tr c phun ra t mt

im nh ti mc m bn cnh n mt ht ct cng tr nn khng l. Nhng hin tng ny va c khi lng

cc ln va c kch thc cc nh, nn cn phi c c thuyt tng i rng ln c hc lng t mi m t c.

V nhng l do m ri dn dn chng ta s bit: khi kt hp cc phng trnh ca thuyt tng i rng vi cc

phng trnh ca c hc lng t, l thuyt s bt u lc xc v phun khi m mt nh mt c xe ht hi. Ni

mt cch khc, trong cuc hn phi bt hnh ca hai l thuyt , nhng bi ton vt l c t mt cch

nghim chnh li cho nhng cu tr li v ngha. Thm ch, ngay c khi chng ta sn sng chp nhn mc

cho nhng chuyn bn trong l en v s sng to ra V tr vn nm trong vng b mt i na th chng ta khng

th khng cm thy rng s i ch gia thuyt tng i rng v c hc lng t ang i hi khn thit phi c

mt trnh hiu bit su sc hn. Liu c ng l V tr, mc c bn nht ca n, c phn chia mt

cch rch ri: c mt tp hp nhng nh lut dng m t nhng hin tng thang nh v mt tp

hp cc nh lut khc, khng tng thch vi tp th nht, dng m t cc hin tng thang rt ln?

L thuyt siu dy, mt k ng ngo tr tui so vi cc bc lo lng l thuyt tng i rng v c hc

lng t, kiu hnh tr li ph nh cu hi trn. Nhng nghin cu ro rit hn mt chc nm qua ca

cc nh vt l v ton hc trn khp th gii cho thy rng l thuyt mi ny, l thuyt m t vt cht mc c

bn nht ca n, gii ta c s cng thng gia l thuyt lng t v l thuyt tng i rng. Thc t, l

thuyt siu dy cn cho thy hn th: trong khun kh ca l thuyt mi, hai l thuyt ny cn tr nn cn thit

cho nhau lm cho l thuyt mi c ngha. Theo l thuyt siu dy th cuc hn phi gia hai l thuyt

khng nhng ch l hnh phc m cn khng th trnh c.

mi ch l mt phn ca tin tc tt lnh. L thuyt siu dy m sau ny ngn gn ta gi l l thuyt dy

cn xem s kt hp ny l mt bc tin khng l. Trong sut ba chc nm rng, Einstein tm kim mt lthuyt thng nht ca vt l, mt l thuyt c kh nng an bn tt c cc lc ca t nhin v tt c cc thnh phn

to nn vt cht trong mt tm thm l thuyt duy nht. Nhng ng tht bi. Gi y, vo bui bnh minh ca

thin nin k mi, nhng chuyn gia ca l thuyt siu dy tuyn b rng nhng u mi ca tm thm thng nht

kh nm bt ny cui cng c h l. L thuyt dy c kh nng chng t rng tt c nhng iu k diu

ca V tr u xut pht t mt nguyn l vt l duy nht, t mt phng trnh c bn duy nht, t v

iu cung lon ca ht quark trong nguyn t ti iu van nhp nhng ca cc h sao i, t v n nguyn

t (Big Bang) ti vng xoy tuyt p ca cc thin h...


6/191

6

Nhng tt c nhng iu i hi chng ta phi thay i mt cch cn bn quan nim ca chng ta v khng

gian, thi gian v vt cht, v vy phi c thi gian quen dn, thm dn ti mc ta cm thy tht thoi mi. Nh

chng ta s thy, khi c nhn nhn trong bi cnh ring ca n, l thuyt dy xut hin nh mt h qu t nhin

v y kch tnh ca nhng pht minh c tnh cch mng ca vt l hc trong sut mt trm nm qua. Thc t, s

xung t gia thuyt tng i rng v l thuyt lng t khng phi l cuc xung t u tin m l th ba trong

dy nhng xung t c tnh cht bc ngot trong mt th k qua. C mi ln mt cuc xung t c gii quyt

l mt ln s hiu bit ca chng ta v t nhin li c nhng bin i ng ngc nhin.

Ba cuc xung t

Cuc xung t u tin khi ngun t cui nhng nm 1800, lin quan ti mt s tnh cht l lng ca nh sng.

Ni mt cch vn tt, theo cc nh lut v chuyn ng ca Newton, nu chy tht nhanh th ta nht nh s ui

kp tia sng. Tuy nhin, theo nhng nh lut in t ca Maxwell, th iu l khng th. Nh chng ta s thy

Chng 2, Einstein gii quyt c xung t thng qua thuyt tng i hp ca ng, mt l thuyt

lm o ln nhng quan nim ca chng ta v khng gian v thi gian. Theo thuyt tng i hp, khng gian v

thi gian khng phi l nhng khi nim tuyt i nh trc: chng khng c mi ngi tip nhn theo cch

nh nhau m tu thuc vo trng thi chuyn ng ca mi ngi.

S pht trin ca thuyt tng i hp ngay lp tc gy ra cuc xung t th hai. Thc vy, mt trong s

nhng kt lun trong cng trnh ca Einstein ni rng khng c mt vt no, cng nh khng c mt thng tin hay

mt nh hng no c th truyn i nhanh hn nh sng. Nhng Chng 3, l thuyt hp dn ca Newton, mt

l thuyt rt hp vi trc gic v c thc nghim kim chng nhiu ln, li xem rng nhng nh hng ca

lc hp dn c truyn i mt cch tc thi, ngay c khi truyn trn nhng khong cch khng l. V li mt

ln na, Einstein gii quyt c xung t ny bng cch a ra mt cch m t mi v hp dn, l thuyt

tng i rng c cng b nm 1915. Cng nh thuyt tng i hp, l thuyt mi ny cng lm o ln

nhng quan nim ca chng ta v khng gian v thi gian: chng gi y b cong v b xon i p ng li shin din ca vt cht hoc nng lng. V chnh nhng bin dng ny ca cu trc khng-thi gian truyn lc

hp dn t ni ny n ni khc. Khng gian v thi gian, do , khng cn c xem nh mt mn nh n gin

v tr m cc hin tng t nhin c chiu ln: gi y chng cn l mt phn khng tch ri ca chnh cc

hin tng m vt l hc tm cch m t.

Li mt ln na, s pht minh ra thuyt tng i rng, trong khi gii quyt c mt xung t, li dn ti

mt xung t khc. T u th k XX cho ti tn nhng nm 30, cc nh vt l xy dng l thuyt lng t(xem Chng 4) tr li mt lot nhng vn nng bng c t ra ngay khi ngi ta nh dng vt l ca


7/191

7

th k XIX m t th gii vi m. V chnh y, nh ni trn, ra i cuc xung t th ba, cng l

cuc xung t su sc nht, xut hin t s khng tng thch gia c hc lng t v thuyt tng i rng. Nh

chng ta s thy trong Chng 5, cong trn tru ca khng-thi gian m thuyt tng i rng ban cho li hon

ton khng ph hp vi s si ng in cung m l thuyt lng t gn cho th gii vi m. Do mi ti gia

nhng nm 1980, lng t dy mi a c ra mt gii php, nn cuc xung t ny c gi rt ng l bi

ton trung tm ca vt l hin i. Hn th na, l hu du ca thuyt tng i hp v rng, l thuyt dy cng

i hi phi xem xt li nhng quan nim v khng gian v thi gian theo cch ring ca n. Chng hn, phn ln

chng ta u tin rng th gii ca chng ta ang sng c ba chiu khng gian. Tuy nhin, iu ny khng ng i

vi l thuyt dy bi l l thuyt ny tin on rng ngoi nhng chiu m chng ta c th nhn thy c cn c

nhng chiu khc khng nhn thy b cun cht li trong nhng chi tit nh nht ca cu trc khng gian. Nhng

iu mi m y n tng s l si dy dn ng cho chng ta trong cc bc tip sau. V thc t, l thuyt

dy l phn tip ni ca lch s v khng-thi gian bt u t Einstein.

c mt nim chnh xc v l thuyt dy, chng ta hy tm li li mt bc m t vn tt nhng iu m

chng ta bit c trong sut th k trc v cu trc vi m ca V tr

... Tt c nhng tng tc gia cc vt v cht khc nhau, cng nh hng triu tng tc khc mchng ta gp hng ngy, u c th quy v nhng t hp ca bn lc c bn. Mt trong s bn lc

l lc hp dn. Ba lc khc l lc in t v hai lc ht nhn mnh v yu...

V tr di knh lp: chng ta bit g v vt cht

Cc nh trit hc c Hy Lp cho rng V tr c cu thnh t nhng phn t nh b khng th ct nh c

na m h gi l cc nguyn t. H on rng cc i tng vt cht u c to thnh t t hp ca mt s t

cc vin gch s cp , cng gn ging nh cc t l t hp ch ca dm ba ch ci. V h on ng. Hn

2000 nm sau, chng ta vn cn tin rng iu l ng, mc d bn cht ca nhng vin gch c bn nht

cng tin ha rt nhiu. th k XIX, nhiu nh khoa hc chng t c rng nhiu cht quen thuc nh

xy v ccbon u c mt thnh phn nh nht c th nhn dng c v theo truyn thng Hy Lp h cng gi

chng l cc nguyn t. Ci tn th vn th, nhng lch s chng t rng n l mt ci tn khng t, bi l cc


8/191

8

nguyn t thc s vn c th ct nh c. Vo u nhng nm 1930, nhng cng trnh tp th ca Joseph John

Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr v James Chadwick cho ra i mt m hnh nguyn t ging nh h

mt tri (v th m hnh ny cn c gi l mu hnh tinh) m phn ln chng ta u rt quen thuc. Trong

m hnh ny, nguyn t khng phi l thnh phn s cp nht ca vt cht m l c to thnh t mt ht nhn

cha proton v ntron vi m my cc electron bao quanh.

C mt thi, nhiu nh vt l tng rng proton, ntron v cc electron chnh l cc nguyn t theo nh

ngha ca ngi c Hy Lp. Nhng vo nm 1968, nhng th nghim c tin hnh trn my gia tc tuyn tnh

Stanford, Hoa K, cho thy rng cc proton v ntron cng khng phi l cc ht c bn nht, chng li c

cu to bi ba ht nh hn, l cc ht quark. Ci tn k cc ny c Murrey Gell-Mann ngi u tin

tin on s tn ti ca chng ly t cun tiu thuyt Finnegan Wake ca nh vn ni ting ngi Scotlen

James Joyce. Thc nghim cng khng nh s tn ti ca hai loi quark: quark u (up) v quark d (down). Proton

c to bi hai quark u v mt quark d, cn ntron bi hai quark d v mt quark u.

Tt c mi vt m bn thy trong th gii mt t cng nh trn tri u c to t t hp cc electron, cc

quark u v cc quark d. Khng c mt bng chng thc nghim no ch ra rng cc ht ny khng phi l s cp

nht, tc l c cu to nn t cc ht khc nh hn. Nhng cng c rt nhiu bng chng cho thy V tr cn

c nhng ht s cp khc na. Vo gia nhng nm 1950, Frederick Reines v Clyde Cowan tm c mt

bng chng thc nghim xc thc cho loi ht c bn th t gi l ht ntrin v Wolfgang Pauli tin on s

tn ti ca n vo u nhng nm 1930. Ntrin l nhng ht rt kh pht hin v chng rt him khi tng tc

vi cc ht vt cht khc: Mt ntrin c nng lng trung bnh c th i qua mt tm ch dy hng ngn kilmt

m chuyn ng ca n khng my may chu mt nh hng no. iu ny s khin bn cm thy yn tm hn rt

nhiu, bi l ngay khi bn ang c nhng dng ny, th hng t ntrin do Mt Tri phng vo khng gian ang

xuyn qua c th bn v qua c Tri t na, nh mt phn trong hnh trnh n c ca chng trong V tr. Mt

ht c bn khc c tn l muon c pht hin vo cui nhng nm 30 bi cc nh vt l nghin cu tia V tr

( l nhng trn ma ht ti t khng gian V tr thng xuyn ti bn ph Tri t). Muon rt ging electron

ch c iu khi lng ca n ln hn c 200 ln. Do khng c g trong trt t ca V tr, khng c mt vn

no cha c gii quyt cng nh chng c mt v tr thch hp no i hi phi c s tn ti ca ht muon, nnnh vt l ht no c gii thng Nobel Isaac Isidor Rabi n tip s pht minh ra n vi li chc mng

khng my ho hng: Ai ra lnh c my trn i ny ?. Tuy nhin, muon vn hin din v chng ta vn

s cn cha ht ngc nhin.

Nh nhng cng ngh ngy cng tn tin hn, cc nh vt l tip tc bn ph cc khi vt cht vi nng lng

ngy cng cao hn, v bng cch , c lc, h to li c nhng iu kin cha tng thy k t Big Bang.

H o bi trong cc mnh v nhm tm kim nhng ht c bn mi thm vo danh sch ngy cng di ca cc

ht. V h pht hin thm 4 ht quark mi, l quark c (charm), quark s (strange), quark b (bottom), quark t(top) v ht h hng th hai ca electron c tn l ht tau cn nng hn c muon cng vi hai ht khc na tng


9/191

9

t nh ht ntrin (m ngi ta gi l ntrino-mu v ntrino-tau phn bit vi ntrino u tin c tn l

ntrino-e hay ntrino-electron). Tt c nhng ht c to ra trong nhng va chm nng lng cao ny u rt

ph du v khng thuc s nhng thnh phn to nn vt cht ca th gii xung quanh chng ta.

Tuy nhin, chng ta vn cn cha hon ton tn cng ca bn danh sch, bi v ng vi mi mt ht cn c mt

phn ht, c cng khi lng vi ht, nhng mt s c tnh khc ca n th ngc li, chng hn nh in tch

hay mt s tch khc tng ng vi cc lc khc m chng ta s gii thiu ngay di y. V d, phn-ht ca

electron gi l positron, n c khi lng ng nh electron, nhng din tch ca n l +1 thay v l -1 nh

electron. Khi vt cht gp phn vt cht, chng s hu nhau ch to ra nng lng thun tu, chnh v l m

ch c rt t phn vt cht c trong t nhin ca th gii bao quanh chng ta.

Cc nh vt l cng pht hin c mt loi s sp xp cc ht: cc thnh phn cu to nn vt cht c t

chc thnh ba nhm hay thng c gi l ba h nh c trnh by trong Bng 1.1. Mi h u cha hai quark,

mt electron hay mt trong s hai ht h hng ca n cng vi ntrino gn vi chng. Cc loi ht tng ng

trong c ba h u c tnh cht nh nhau, ch c iu khi lng ca chng ln dn t h th nht ti h th ba.

Kt qu l, hin nay cc nh vt l thm d c cu trc ca vt cht ti cc thang khong mt phn t mt v

chng t c rng mi th m ta gp d l c trong t nhin hay c con ngi to ra t nhng my va chm

nguyn t khng l - u c to thnh ch t mt t hp no ca cc ht trong ba h v cc phn-ht ca

chng.


10/191

10

Bng 1.1. Ba h cc ht s cp. Khi lng ca chng c tnh theo khi lng ca proton ly lm n v. Gi

tr khi lng ca ntrino lun lng trnh s xc nh bng thc nghim

Nhn vo Bng 1.1., ta hiu r hn s lng tng ca Rabi khi i mt vi s pht hin ra ht muon: s sp xp cc

h ht dng nh kh c t chc nhng cng li t ra nhiu cu hi. Ti sao li c nhiu ht c bn n th, nht

l khi hu ht cc vt trong th gii xung quanh chng ta li ch c to bi electron, quark u v quark d? Ti sao

li cn ti nhng ba h ch khng phi l mt? V ti sao li khng phi l bn h hay bt c mt s h no khc?

Ti sao khi lng ca cc ht li c v nh c gn cho mt cch ngu nhin nh vy? Chng hn, ti sao ht

tau li nng hn electron ti ba ngn nm trm hai mi ln? V ti sao quark t li nng hn ht ng loi vi n

l quark u ti bn mi ngn hai trm ln ? l nhng con s tht l lng v dng nh kh ngu nhin. Liu

chng c phi kt qu ca s ngu nhin hay do mt ng thn thnh no to ra, hoc c mt cch gii thch

khoa hc c th hiu c i vi tt c nhng c im c bn ca V tr chng ta.Cc lc hay bn cht ca photon

Mi chuyn tr nn phc tp hn khi chng ta xt ti cc lc ca t nhin. Th gii xung quanh chng ta y ry

nhng phng tin gy tc ng: nhng chic vt dp vo qu bng, nhng vn ng vin nhy cu c th tung

mnh lao xung t nhng cu nhy cao, cc nam chm ln nng nhng on tu cao tc trn c ray ring ca

chng, cc my m Geiger pht tn hiu khi c cht phng x, nhng qu bom ht nhn pht n... V bn thn

chng ta cng c th tc ng ln cc vt bng cch ko, y hoc lc chng, bng cch nm hoc bn cc vt

khc vo chng, bng cch ko gin, vn xon hoc nghin nt chng, hoc bng cch lm lnh, t nng, hoct chy chng... Trong sut th k XX, cc nh vt l tch lu c rt nhiu bng chng cho thy tt c


11/191

11

nhng tng tc gia cc vt v cc cht khc nhau, cng nh hng triu tng tc khc m chng ta gp hng

ngy, u c th quy v nhng t hp ca bn lc c bn. Mt trong s bn lc l lc hp dn. Ba lc khc l

lc in t v hai lc ht nhn mnh v yu.

Trong s bn lc trn, lc hp dn l lc quen thuc nht. Chnh lc ny gi cho Tri t ca chng ta quay

quanh Mt Tri v cng nh n m bn chn chng ta bm cht c vo mt t. Khi lng ca mt vt l

thc o lc hp dn m n c th tc dng cng nh lc hp dn m n c th b tc dng. N l nn tng ca

nhng tin nghi trong i sng hin i (in, TV, in thoi, my tnh...), cng nh ca sc mnh y n tng

ca sm st v ngay c ca ci vut ve du dng ca bn tay. thang vi m, in tch ca ht ng vai tr i vi

lc in t nh l khi lng i vi lc hp dn: n xc nh cng ca lc in t m ht c th tc dng

cng nh cng phn ng ca n i vi lc y.

Cc lc ht nhn mnh v yu t quen thuc hn, n gin l v cng ca chng gim rt nhanh ngoi thang

kch thc di nguyn t. Chnh v th m rt gn y, cc nh vt l mi pht hin ra chng. Nh lc ht nhn

mnh m cc quark vn cn dnh vi nhau bn trong cc proton v ntron cng nh gi cht chnh cc ht ny

bn trong ht nhn nguyn t. Cn lc yu l lc gy ra s phn r phng x ca mt s nguyn t nh urani,

coban...

Trong sut th k trc, cc nh vt l cng pht hin ra hai im chung ca tt c cc lc c bn. Th nht,

nh chng ta s thy trong Chng 5, mc vi m, mi mt lc u tng ng vi mt loi ht m ta c th hiu

nh l mt b nh nht ca lc . Nu bn bn mt chm laser tc cng l mt chm tia ca bc x in t

th c ngha l bn bn mt chm ht photon nhng b nh nht ca tng tc in t. Cng tng t, cc lc

yu v mnh c cc b s cp tng ng l cc ht boson yu v cc ht gluon. (Ci tn gluon y l rt gi:

chng c th c xem nh l cc thnh phn vi m ca mt cht keo (ting Anh l glue) m bo s gn kt

ca cc ht nhn nguyn t). Ngay t nm 1984, cc nh thc nghim xc lp c s tn ti cng nh tnh

cht ca ba loi ht tng tc (xem Bng 1.2). Cn graviton ht tng tc gn vi lc hp dn, mc d cn

cha c nhng khng nh bng thc nghim, nhng cc nh vt l hu nh tin vo s tn ti ca chng

Bng 1.2. i vi mi lc c bn u cho ht tng tc tng ng v khi lng ca n (tnh theo n v l khi

lng ca proton). i vi lc ht nhn yu, c nhiu ht tng tc vi khi lng nhn mt trong hai gi tr cho

trong bng. S khng c khi lng ca graviton vn ch l gi thuyt.


12/191

12

im chung th hai ca tt c cc lc c bn lin quan ti cc tch: cng ht nh khi lng ca cc ht do

tc dng ca lc hp dn ln n, in tch xc nh cng ca lc in t tc dng ln ht, cc ht mang tch

yu hoc tch mnh l nhng tnh xc nh cng ca cc lc yu v lc mnh tng ng tc dng ln ht

. (Chi tit v tnh cht ca cc ht c bn c cho trong bng phn Ch thch ca bi ny [1]). in tch v

khi lng c cc nh vt l thc nghim o c rt chnh xc, nhng tht khng may, cho ti nay cha c ai

c th gii thch c ti sao V tr ca chng ta li to bi nhng ht mang ng nhng gi tr khi lng v

in tch ?

Mc d c nhng im chung, nhng vic xem xt bn lc c bn li t ra nhiu cu hi mi. Trc ht, ti sao

li l bn lc? Ti sao khng phi l nm, l ba hay thm ch ch l mt lc duy nht? Ti sao cc lc li th hin

nhng tnh cht rt khc nhau nh vy? Ti sao cc lc ht nhn mnh v yu li b buc ch ng hot ng

mc vi m, trong khi cc lc hp dn v in t li c tm tc dng v hn? V cng ti sao, cng ca bn

lc li khc bit nhiu nh vy?

bn c c mt nim v s khc bit , hy tng tng mi tay bn u gi mt electron v c a

chng li gn nhau. Hai ht tch in v ging ht nhau ny s ht nhau bi lc hp dn v y nhau bi lc in

t. Vy lc no s thng th? Cc electron s ht li gn nhau hay y nhau ra xa? Tt nhin l lc y s thng

th v lc in t mnh hn lc hp dn ti mt triu t t t t (1042) ln. V nu nh c bp tay phi bn

tng trng cho lc hp dn, th khi tng trng cho lc in t, c bp tay tri bn phi ko di ti tn bn

ngoi bin gii tn cng ca V tr m ta quan st c! L do duy nht gii thch ti sao lc in t khng ln

t lc hp dn trong th gii bao quanh chng ta l bi v phn ln cc vt c to bi lng in tch dng v

m ngang nhau, do lc in t trit tiu ln nhau. Trong khi , lc hp dn ch l ht, nn khng c s trit

tiu nh th: cng c nhiu vt cht th lc hp dn ch cng mnh thm. Hn th na, v bn cht lc hp dn l

mt lc cc yu. (iu ny gii thch ti sao khng nh bng thc nghim s tn ti ca graviton l mt vic rt

kh. Do vy, vic tm kim ci b nh nht ca lc yu nht ny qu l mt thch thc). Thc nghim cng

chng t c rng lc mnh ln gp mt trm ln lc in t v ln gp mt ngn ln lc yu. V y, mt ln

na, mt cu hi c t ra l: do u m V tr chng ta li c nhng c im ?

y khng phi l cu hi c sinh ra t s trit l bn tr kiu nh ti sao mt s chi tit li xy ra theo cchny m khng theo cch khc. Vn l ch V tr s khc i rt nhiu nu ta lm thay i, d ch l t cht,

nhng tnh cht ca vt cht v cc ht tng tc. V d, s tn ti ca cc ht nhn bn vng to nn hn mt

trm nguyn t trong Bng tun hon ph thuc mt cch st sao vo t s gia cng ca lc ht nhn mnh

v cng ca lc in t. Thc vy, lc in t gia cc proton b giam bn trong ht nhn lm cho chng y

nhau, trong khi , tht may mn, lc ht nhn mnh tc dng gia cc ht quark to nn chng li thng lc y

ny v gi cht cc proton li vi nhau. Nhng ch cn mt thay i nh trong cng tng i ca hai lc

l s cn bng gia chng s b ph v v c th s lm cho phn ln cc ht nhn nguyn t b phn r. Mt v dkhc: nu khi lng ca electron ln hn mt cht, cc electron v proton s c xu hng kt hp vi nhau


13/191

13

to thnh ntron, khi th nguyn t hir (nguyn t n gin nht trong V tr vi ht nhn ch gm mt

proton duy nht) s bin mt v do lm cho qu trnh sn xut ra cc nguyn t phc tp hn b ngng tr. Cc

ngi sao ch tn ti c l nh vo s tng hp cc ht nhn trong lng ca chng, vi s thay i ny, cng s

khng cn cc ngi sao na. y cng ca lc hp dn cng ng vai tr quan trng. Mt ln ca vt

cht trong li ca cc ngi sao c tc dng duy tr l la ht nhn trong v dn ti s pht sng ca cc ngi

sao. Nu nh lc hp dn mnh hn mt cht, li ca cc ngi sao s ht mnh hn v do s lm tng nhp

din ra cc phn ng tng hp ht nhn. Cng ging nh cc b uc sng s tiu th nhin liu nhanh hn mt

ngn nn chy chm ri, nu nhp xy ra cc phn ng tng hp ht nhn gia tng, th cc ngi sao nh Mt

Tri ca chng ta s tt nhanh hn v do vic to thnh s sng nh chng ta bit s hon ton l chuyn

ng ng. Tri li, nu lc hp dn yu hn mt cht, vt cht s phn tn v do s khng c cc ngi sao cng

nh chng c cc thin h.

Nhng v d trn cn c rt nhiu, nhng tng ny l r rng: V tr ca chng ta nh n hin nay l bi v

vt cht v cc tng tc ca chng c nhng tnh cht nh chng ang c. Nhng liu c mt gii thch khoa hc

cho cu hi: Ti sao chng li c nhng tnh cht ?

Bng di y kh chi tit hn so vi Bng 1.1., trong lit k khi lng, tch lc ca cc ht thuc c ba h.

Mi loi quark mang ba tch lc mnh kh d c gi vn v l ba tch mu, tng trng cho gi tr bng s ca


14/191

14

ba tch lc mnh. Cc tch yu thc cht l thnh phn th ba ca isospin yu.

L thuyt dy cho chng ta mt khun kh gii thch duy nht cho vt cht v tt c cc tng tcca n m ch da trn mt nguyn l duy nht: cp nh nht, tt c ch l nhng t hp ca

cc dy dao ng.


15/191

15

L thuyt dy: tng c bn

L thuyt dy ln u tin cho mt khun mu khi nim mnh m cho php tr li c nhng cu hi m

chng ta nu trn. Trc ht chng ta hy lm quen vi tng c bn ca n.

Cc ht c lit k trong Bng 1.1 l nhng ch ci ca vt cht. Cng ging nh bng cc ch ci, chng

khng c cu trc ni ti. Nhng l thuyt dy li tuyn b khc. Theo l thuyt ny, nu chng ta c th xem xt

cc ht vi chnh xc cao hn cao hn nhiu bc so vi chnh xc ca kh nng cng ngh hin nay

th chng ta s thy rng mi mt ht khng c dng im, m thay v th chng gm mt vng dy nh xu

mt chiu. Ging nh mt di cao su cc mnh, mi mt ht ny cha mt si dy nhy ma v dao ng,

m cc nh vt l do khng c ci duyn vn hc ca Gell-Mann t tn cho n l dy. Hnh 1.1. minh

ho tng cn bn ny ca l thuyt dy: xut pht t mt mu vt cht thng thng mt qu to v lin

tip c phng i nhn r nhng thnh phn ngy cng thang nh hn ca n. L thuyt dy thm mt

cp vi m mi, nh b nht cp ca cc vng dy dao ng vo tin trnh m ta bit trc, t qu to

ti cc nguyn t qua proton, ntron, ri electron n quark [1]

Hnh 1.1. Vt cht c cu to t cc nguyn t, ri cc nguyn t li c to thnh t cc quark v electron.

Theo l thuyt dy, tt c cc ht li c to thnh t cc dy dao ng.

Mc d iu ny hon ton r rng, nhng chng ta s thy trong Chng 6 rng vic thay th cc thnh phn

c bn nht ca vt cht c dng im bng cc dy gii quyt c s khng tng thch gia c hc lng t

v thuyt tng i rng. V nh vy l thuyt dy cho php ta g c ci nt nan gii nht ca vt l hin

i. y l mt thnh tu to ln, nhng mi ch l mt phn ca ci l do khin cho l thuyt dy to ra c

mt s phn khch n nh vy.

L thuyt dy l thuyt ca tt c?

Vo thi Einstein, cc lc ht nhn yu v mnh cn cha c pht hin, nhng ng thy rng s tn ti ca

hai lc khc bit l lc hp dn v lc in t gy ra nhng kh khn rt su sc. Einstein khng chp nhn

chuyn t nhin li c xy dng trn mt bn thit k phung ph nh vy. ng lao vo mt cuc hnh trnhko di 30 nm tm kim ci gi l l thuyt trng thng nht m ng hy vng s chng t c hai lc ny

thc s ch l nhng biu hin khc nhau ca mt nguyn l ln. Cuc tm kim y o tng tch Einstein

ra khi dng chnh ca vt l hc thi . Nhng nh vt l cng thi vi ng ang mi m lao vo nhng nghin

cu si ng hn nhiu trong khun kh ca vt l lng t va mi xut hin. Vo u nhng nm 1940, ng

vit cho mt ngi bn: Ti tr thnh mt lo gi n c c bit ti ch v khng mang v v c trng

by trong nhng dp l lt ln nh l mt th ca l [2].

Chng qua n gin l v Einstein i trc thi i mnh. Hn mt na th k sau, gic m v mt l thuytthng nht ca ng tr thnh mc tiu ca vt l hin i. Hin nay, mt b phn ng k ca cng ng cc
http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2003/12/3B9CDC85/#_ftn2http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2003/12/3B9CDC85/#_ftn2


16/191

16

nh vt l v ton hc ang ngy cng tin rng l thuyt dy ang i theo con ng ng. L thuyt ny cho

chng ta mt khun kh gii thch duy nht cho vt cht v tt c cc tng tc ca n m ch da trn mt

nguyn l duy nht: cp nh nht, tt c ch l nhng t hp ca cc dy dao ng.

Chng hn, l thuyt dy khng nh rng cc tnh cht ca nhng ht bit (c lit k trong cc Bng 1.1. v

1.2.) ch l s phn nh nhng cch dao ng khc nhau ca cc dy. Cng ging nh cc dy n Piano hay

Violon c th dao ng theo nhiu tn s cng hng m tai ta cm nhn nh nhng nt nhc khc nhau v cc

ha ba bc cao ca chng, iu ny cng ng i vi cc vng ca l thuyt dy. Nhng nh chng ta s thy,

nhng mode dao ng ca dy trong l thuyt dy khng to ra nhng nt nhc m chng l cc ht c khi lng

v in tch c xc nh bi mode dao ng . Electron l mt kiu dao ng ca dy, quark u l mt kiu dao

ng khc v.v. Nhng tnh cht m l thuyt dy trao cho cc ht hon ton khng phi l mt tp hp h ln cc

s kin thc nghim m chng l s th hin ca cng mt c im vt l, l cc mode dao ng cng hng,

hay c th ni l giai iu ca nhng vng dy s cp . Chnh tng ny cng c p dng cho cc lc ca

t nhin. Chng ta cng s thy rng cc ht lc cng c gn vi nhng mode dao ng c th ca dy, v t

m ton b vt cht v tt c cc lc s c thng nht trong cng mt khun kh nhng dao ng vi m ca cc

dy, nh nhng nt nhc khc nhau m cc dy c th to ra.

Do y l ln u tin trong lch s vt l chng ta c c mt khun kh c th gii thch c tng

c trng c bn ca t nhin. V l do m l thuyt dy i khi c xem l l thuyt cui cng. Vi

nhng li l to tt , thc ra ngi ta ch mun ni rng l thuyt ny s l mt l thuyt su sc nht ca tt c

nhng l thuyt khc v khng phi da trn mt l thuyt no. Tuy nhin, nhiu nh l thuyt dy c mt cch

tip cn thc t hn, h xem l thuyt v tt c n gin ch l mt l thuyt c kh nng gii thch c nhng

tnh cht ca cc ht c bn v cc tng tc gia chng. Mt nh quy gin lun thun tu v cng rn chc s ni

vi bn rng hon ton khng phi l s hn ch, rng s hiu bit cc qu trnh vi m s cp, v nguyn tc, l

chng ta gii thch c tt c nhng th cn li, t Big Bang cho ti tn nhng gic m ca chng ta.

Trit l quy gin lun gy ra nhng cuc tranh lun gay gt. Nhiu ngi thy rng s tht l ng ngn v d

gy phn n nu cho rng nhng iu k diu ca s sng v ca V tr ch n gin l kt qu ca ci v iu t

nht ca cc ht c bn di s ch huy ca cc nh lut vt l. L no nim vui hay ni bun thc s ch l ktqu ca nhng phn ng ha hc bn trong b no ca chng ta nhng phn ng gia cc phn t v nguyn

t, nhng ht m thang nh hn li l kt qu ca nhng phn ng gia cc ht c lit k trong Bng 1.1. v

chnh nhng ht ny li ch n gin l cc si dy nh b dao ng ? i mt vi kiu ph phn , li l ca nh

vt l c gii Nobel Steven Weinberg trong cun Gic m v mt l thuyt cui cngvn cn rt thn trng:

u ph bn kia l nhng ngi phn i quy gin lun nhng ngi hong s trc ci m h cm thy s l

cnh tiu iu kh cn ca khoa hc hin i. Trong bt k phm vi no, h v th gii ca h u c th quy v

khun kh ca cc ht hoc trng cng vi nhng tng tc ca chng v iu khin cho h cm thy gi trca mnh b h thp... Ti khng c nh tr li nhng kin ph bnh bng mt bn trnh by hng hn v


17/191

17

nhng v p ca khoa hc hin i. Hn nhin, quan im quy gin lun khin chng ta u cm thy n lnh

sng lng. Nhng chng ta chp nhn n nh vn c, khng phi bi v n khin chng ta thch th m bi v

th gii ca chng ta vn hnh ng nh vy[3].

Mt s ngi ng vi quan im khc nghit nhng thc t , song khng phi l tt c.

Mt s ngi vin n, chng hn nh l thuyt hn n, bin lun rng mi khi phc tp ca mt h

thng tng ln th s li xut hin nhng dng nh lut mi. Vic hiu c hnh trng ca cc electron hay cc

quark l mt chuyn, cn p dng nhng tri thc ny m t mt cn lc, chng hn, li l mt chuyn khc.

Gn nh khng c phn i iu . Nhng cc kin bt u phn k ngay khi ni v tnh a dng v c tnh

i khi bt ng ca cc hin tng c th xut hin t nhng h thng phc tp hn nhng ht n l. Phi chng

chng l h qu ca nhng nguyn l mi? Hay nhng hin tng c th c suy ra mt cch cc k phc tp

t nhng quy lut vt l chi phi mt s rt ln cc thnh phn s cp? Cm gic ring ca ti l chng khng

phi l th hin ca nhng nh lut vt l mi v c lp. Tt nhin, s l rt kh khn khi phi m t mt cn lc

bng nhng nh lut ca vt l ht c bn, nhng ti thy vn y ch l do thiu cc phng tin tnh ton

ch khng phi l du hiu ca s cn phi c nhng nh lut mi. Nhng li mt ln na khng phi mi ngi

u ng vi quan im .

Mt im c tm quan trng hng u i vi cuc phiu lu c m t trong cun sch ny v khng ai c th

nghi ng, l: thm ch ngay c khi ta chp nhn quan im quy gin lun thun tu v cng rn nht i na th

l thuyt v thc tin vn l hai chuyn khc nhau. Hu ht mi ngi u tha nhn rng vic tm ra l thuyt

v tt c hon ton khng c ngha l tt c nhng vn ca tm l hc, sinh hc, ha hc v thm ch ca vt

l hc na s c gii quyt ht. V tr cc k a dng v phc tp ti mc s pht minh ra l thuyt cui cng

theo ngha chng ta m t y khng h l li tuyn b co chung ca khoa hc. M hon ton ngc li. L

thuyt ny, l thuyt cho s gii thch ti hu v V tr cp vi m nht ca n v khng da trn mt

cch gii thch no khc cp su hn, s cung cp cho ta mt nn tng vng chc nht xy dng nn

s hiu bit ca chng ta v th gii. S pht minh ra l thuyt nh du mt s khi u ch khng phi kt

thc. L thuyt ti hu mang li cho chng ta mt c s vng chc cho s nht qun v vnh vin m bo cho

chng ta rng V tr l c th hiu c.[1] Ngoi cc vng dy kn nh minh ho trn Hnh 1.1, cc dy cng c th c hai u t do (gi l cc dy h).

d trnh by, chng ti ch yu tp trung xt cc dy kn, nhng phn ln nhng iu chng ti ni p dng

c c cho hai loi dy.

[2] Albert Einstein, trong bc th gi cho mt ngi bn nm 1942, c trch trong cun Einsteins Mirror ca

Tony Hey v Patrick (Cambridge University Press, 1997).

[3] Steven Weinberg, Dreams of a Final Theory (Pantheon, 1992), trang 52.

Hin trng ca l thuyt dyMc ch ch yu ca cun sch ny l gii thch s hot ng ca V tr theo l thuyt dy v c im nhn
http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2003/12/3B9CDC85/#_ftn3http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2003/12/3B9CDC85/#_ftn3http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2003/12/3B9CDC85/#_ftnref1http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2003/12/3B9CDC85/#_ftnref2http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2003/12/3B9CDC85/#_ftnref3http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2003/12/3B9CDC85/#_ftn3http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2003/12/3B9CDC85/#_ftnref1http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2003/12/3B9CDC85/#_ftnref2http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2003/12/3B9CDC85/#_ftnref3


18/191

18

mnh ti nhng h qu ca n i vi s nhn thc ca chng ta v khng gian v thi gian. Khng ging nh

nhiu tc phm khc vit v s tin b ca khoa hc, cun sch m bn ang cm trong tay y khng m t mt

l thuyt hon ton sng t, c khng nh bi nhiu quan st thc nghim v c ton th cng ng

khoa hc th gii chp nhn. S d nh vy l do, l thuyt dy l mt cu trc l thuyt rt su sc v tinh

xo ti mc, mc d c nhng tin b rt ln trong hai chc nm tr li y, nhng chng ta cn xa mi

c th tuyn b l lm ch c hon ton.

Do vy, l thuyt dy nn c xem nh mt cng trnh ang thi cng, nhng nhng b phn c hon tt ca

n h l nhng c trng l lng ca vt cht, khng gian v thi gian. S kt hp hi ha c thuyt tng

i rng vi c hc lng t l mt thnh cng ch yu. Hn na, khng ging nh nhng l thuyt trc , l

thuyt dy c kh nng tr li c nhng cu hi cn bn nht v nhng thnh phn v cc lc c bn ca t

nhin, l s thanh nh ca c nhng cu tr li ln khun kh tr li m l thuyt dy a ra. Chng hn,

rt nhiu c im ca t nhin tng nh ch n gin l nhng chi tit c tnh k thut (nh s lng cc ht c

bn v nhng tnh cht tng ng ca chng) th ha ra li l h qu ca mt s c trng cn bn v c th l c

trng hnh hc ca V tr. Nu nh l thuyt dy l ng, th cu trc vi m ca V tr chng ta s l mt m l

a chiu an xen nhau, trong cc dy ca V tr khng ngng dao ng v vn xon nhp theo nhng nh lut

ca V tr. Cc tnh cht ca nhng vin gch s cp cu to nn V tr hon ton khng phi l dy nhng chi

tit ngu nhin m gn b mt cch mt thit vi cu trc ca khng gian v thi gian.

Tuy nhin, theo nhng phn tch mi nht, l thuyt ny vn cha c nhng tin on c tnh cht quyt nh

c th kim chng bng thc nghim xc nh dt khot n thc s vn c bc mn b mt che

giu nhng chn l su xa nht ca V tr chng ta hay cha. C l phi cn mt thi gian na, khi m s

hiu bit ca chng ta t ti su cn thit, chng ta mi c th n c mc tiu . Tuy nhin, nh chng

ta s thy trong Chng 9, nhng kim chng thc nghim trong vng chc nm ti vn c th to ra c nhng

bng chng gin tip nhng vng chc v s ng n ca mt s kt qu do l thuyt dy tin on. Hn th

na, nh chng ta s thy trong Chng 13, l thuyt dy va mi gii quyt c mt bi ton trung tm ca vt

l cc l en, lin quan ti ci gi l entropy Bekenstein Hawking, m cc phng php thng thng bt lc

trong sut 25 nm. Nh c thnh cng , nhiu ngi tin rng l thuyt dy s cho chng ta mt s hiu bitsu sc nht v s hot ng va V tr.

Edward Witten, mt chuyn gia hng u v l nh vt l tin phong trong lnh vc ny, tng kt tnh hnh trn

trong nhn xt rng: l thuyt dy l mt b phn ca vt l th k XXI tnh c ri xung th k XX [1] -

(mt nh gi c nu ra u tin bi nh vt l ni ting ngi Italia Daniele Amati). V mt phng din no

, iu ny cng tng t nh chng ta t cc nh bc hc ca th k XIX trc mt siu my tnh m khng c

ti liu hng dn s dng. Dn d, bng nhng bc i d dm, ri h cng s hiu c sc mnh ca chic

my , nhng h s cn phi b ra nhiu sc lc v thi gian mi c th lm ch c n. Nhng mch bo vtim nng ca chic my (cng nh chng ta cm nhn c sc mnh gii thch ca l thuyt dy) s mang li
http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2003/12/3B9CDC85/#_ftn1http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2003/12/3B9CDC85/#_ftn1


19/191

19

cho h mt ng c cc k mnh m chinh phc ht nhng tnh nng ca n. Ngy hm nay, mt ng c

tng t cng ang thi thc c mt th h cc nh vt l hm h tm kim mt s hiu bit y v chnh xc

v l thuyt dy.

kin ca Witten v ca nhiu chuyn gia khc trong lnh vc ny ch ra rng phi mt hng chc thm ch hng

trm nm na chng ta mi trin khai c y v mi thc s hiu ht l thuyt dy. C l ng l nh vy.

Thc t, c s ton hc ca l thuyt dy phc tp ti mc, cho ti nay cha c ai bit c nhng phng trnh

chnh xc chi phi l thuyt ny l nh th no. Cc nh nghin cu ch mi bit mt s dng gn ng ca cc

phng trnh , nhng d th chng cng qu phc tp v do mi ch gii c mt phn. Tuy nhin, vo

cui nhng nm 1900 ngi ta chng kin nhiu t ph l thuyt quan trng cho php tr li c nhiu cu

hi cc k kh v mt l thuyt. V iu ny khin ngi ta ngh rng s hiu bit l thuyt dy mt cch y

v mt nh tnh khng phi qu xa vi nh ngi ta tng. Cc nh vt l trn khp th gii ang pht trin

nhng k thut mi hng vt qua nhiu phng php gn ng c dng cho ti nay. H cng nhau lp ghp

nhng mnh ri rc ca cu ghp hnh l l thuyt dy ca chng ta vi mt tc rt ng khch l.

Mt iu l lng l, nhng tin b mi y lm xut hin nhiu quan nim mi cho php gii thch li

mt s kha cnh kin trc ca l thuyt m ngi ta tng l c xc lp. Chng hn, nhn hnh 1.1. bn

c th ny ra mt cu hi rt t nhin l: ti sao li l dy? Ti sao khng phi l cc a? Hay khng phi l

nhng git cc nh? Hay thm ch khng l t hp ca ba kh nng ? Nh chng ta s thy trong Chng 12,

nhng thnh tu mi nht cho thy rng cc phn t khc nhau ny thc t u ng mt vai tr quan trng trong

l thuyt dy v pht hin ra rng l thuyt dy thc s ch l b phn ca mt s tng hp rng ln hn

thng c gi (mt cch b n) l l thuyt M. Nhng pht minh mi nht s l ti c cp ti trong

nhng chng cui cng ca cun sch ny.

S tin b ca khoa hc thng din ra theo tng t. Mt s thi k dn dp nhng t ph ngon mc, trong khi

nhng thi k khc i vi cc nh nghin cu ch l nhng chng ng dng dc qua sa mc. Cc nh khoa hc

a ra nhng kt qu c v l thuyt ln thc nghim ri sau c c cng ng khoa hc tho lun. Nhng kt

qu i khi c th b t chi vt b hoc c sa i, nhng i khi chng cng mang li mt chp la cm

hng cn thit tm ra mt con ng mi v chnh xc hn hiu ci v tr vt l ca chng ta. Ni mt cchkhc, khoa hc lun i theo mt con ng zig zac ti ci m chng ta hy vng s l chn l cui cng. Con

ng bt u t nhng toan tnh thm d V tr u tin ca con ngi nhng cha ai on c im tn

cng ca n. V cng khng ai c th ni c, trn con ng dng dc , l thuyt dy n gin ch l mt

im dng, mt im mc quan trng hay chnh l ch cui cng. Du sao, nhng nghin cu mit mi ca nhiu

nh vt l v ton hc thuc nhiu quc tch khc nhau trong sut hai chc nm qua cho chng ta mt c s

hy vng rng chng ta ang i theo con ng ng v c th cng l con ng cui cng.

Ring chuyn trnh cha cao nh chng ta hin nay m c th rt ra c nhng kt lun mi v s hotng ca V tr cng chng t s giu c v tm vc ca l thuyt dy. Si ch trung tm xuyn sut trong


20/191


21/191

21

o ca bn to ra. Ngoi chuyn thng nht cc hin tng in v t trong mt khun kh ton hc duy

nht, l thuyt Maxwell cn bt ng chng t c rng nhng nhiu ng in t lun lun c truyn

vi cng mt vn tc khng i v vn tc li chnh l vn tc nh sng. iu ny cho php Maxwell hiu

ra rng nh sng thy c chng qua ch l mt loi sng in t c kh nng tng tc ha hc vi vng mc

to ra th gic. Hn na, iu quan trng, theo l thuyt Maxwell, cc sng in t, trong c nh sng thy

c u l nhng k du mc: chng khng bao gi dng li c. Chng cng khng bao gi chm li, m lun

lun chuyn ng vi vn tc ca nh sng.

Mi chuyn u tt p cho ti khi ta t ra cu hi, nh chng thanh nin Einstein 26 tui lm: iu g s xy

ra nu chng ta ui theo mt chm tia sng vi vn tc nh sng? L l trc gic, bt r t nhng nh lut

chuyn ng ca Newton, mch bo ta rng chng ta s ui kp cc sng nh sng v do s thy chng l

dng, tc l nh sng khi s ng yn. Nhng theo l thuyt ca Maxwell v nhng quan st ng tin cy khc,

th khng th c chuyn nh sng l dng c: khng ai c th gi mt nhm nh sng trong bn tay ca mnh.

V vn c ny sinh t . May thay, Einstein li khng h bit rng c nhiu nh vt l hng u th gii

tng vt ln vi vn , nhng tht bi v h ch cn nghin ngm v ci nghch l ca Maxwell

Newton trong nhng suy t thm kn ca h.

Trong chng ny chng ta s xem, thng qua thuyt tng i hp ca mnh, Einstein gii quyt cuc

xung t nh th no v khi lm nh vy, ng lm thay i vnh vin quan nim ca chng ta v

khng gian v thi gian ra sao. C l ngi ta s ngc nhin rng mi quan tm c bn ca thuyt tng i hp

l hiu mt cch chnh xc th gii s nh th no di con mt ca nhng c nhn, thng gi l nhng ngi

quan st, chuyn ng i vi nhau. Thot tin, iu tng nh ch l mt bi tp luyn tr c khng my

quan trng. Nhng thc t hon ton ngc li: vi hnh nh thng trc v ngi quan stui theo chm sng,

trong tay Einstein c nhng h qu su sc, thu tm mt cch y c nhng tnh hung t nht nht c

nhn nh th no di con mt ca nhng ngi quan stchuyn ng i vi nhau.

Trc gic v nhng sai lm ca n

Kinh nghim hng ngy cho php chng ta cm nhn c mt s khc bit gn lin vi hai ngi quan st

chuyn ng i vi nhau. Chng hn, theo quan im ca ngi li xe chng li l ng yn i vi ngi vyxe i nh ang ng bn ng. Cng tng t, bng ng h trn xe l ng yn i vi ngi li xe (tht may

mn thay!), nhng ging nh cc b phn khc ca chic xe, n li l chuyn ng i vi ngi vy xe i nh.

l nhng tnh cht qu s ng v trc quan v th gii xung quanh chng ta ti mc chng ta chng bun ch

ti na.

Tuy nhin, thuyt tng i hp li cho thy rng nhng khc bit trong s quan st ca hai c nhn ni trn

l tinh t v su sc hn nhiu. iu l lng l n tin on rng hai ngi quan stchuyn ng i vi nhau li

cm nhn v khong cch v thi gian mt cch khc nhau. iu ny c ngha l, hai chic ng h y ht nhau mhai ngi quan st mang theo s pht ra nhng ting tch tc vi nhp khc nhau, do khong thi gian


22/191

22

gia hai s kin chn s c ch bi hai ng h mt cch khc nhau. Thuyt tng i hp hon ton

khng t vn nghi ng v chnh xc ca cc ng h, m thc t n thit lp c rng chnh l mt

tnh cht ca thi gian. Tng t, hai ngi quan stca chng ta cn mang theo hai chic thc dy y ht nhau,

v h o c hai chiu di khc nhau ca cng mt vt. Vn khng phi l do s khng chnh xc ca cc

dng c o hay nhng sai s do cch s dng cc dng c . Nhng dng c o chnh xc nht th gii u

khng nh rng khng gian v thi gian - c o nh khong cch v ko di khng c cm nhn nh

nhau bi mi ngi quan st. Theo cch chnh xc do Einstein vch ra, thuyt tng i hp gii quyt c

s xung t gia trc gic ca chng ta v chuyn ng v nhng tnh cht ca nh sng, nhng ci gi

phi tr cho s gii quyt l: nhng ngi quan stchuyn ng i vi nhau s khng nht tr vi nhau

v nhng quan st ca h v c khng gian ln thi gian.

gn mt th k k t khi Einstein cng b vi th gii pht minh gy chn ng ca mnh, th nhng a s

chng ta vn quen dng khi nim khng gian v thi gian tuyt i. Thuyt tng i hp khng c trong mu

tht chng ta, do ta khng cm nhn c n. Nhng h qu ca n khng nm trong phn trung tm ca trc

gic chng ta. Nguyn do ca iu cng kh n gin: nhng hiu ng ca thuyt tng i hp ph thuc vo

vn tc m ta chuyn ng v i vi cc vn tc nh ca xe t, my bay, hoc ngay c ca tu con thoi i na

th nhng hiu ng cng rt b nh. S khc bit trong cm nhn v khng gian v thi gian ca mt ngi

ngi trong xe hi hoc trn my bay v ngi ng trn mt t vn c, nhng chng qu nh nn khng nhn

thy c. Tuy nhin, nu nh c mt ngi du hnh trn con ty v tr tng lai vi vn tc gn vi vn tc nh

sng th nhng hiu ng ca tnh tng i s tr nn rt r rt. Tt nhin, hin nay iu vn nm trong th gii

ca khoa hc vin tng, nhng nh chng ta s thy trong cc mc sau, nhiu th nghim thng minh cho

php chng ta quan st c, thm ch o c c c nhng tnh cht tng i ca khng gian v thi gian m

l thuyt ca Einstein tin on.

c mt nim v cc thang c lin quan, ta hy quay tr li nhng nm 1970, khi cc loi xe hi ln v chy

nhanh ra i. Slim mua mt chic Trans Am. Anh ta a ngi em tn l Jim n ng ua xe tin hnh th

vn tc. Slim cho xe lao vi tc 200 km mt gi trn mt ng ua di 1500m, trong khi Jim ng bn l

ng o thi gian. Trong khi ch i khng nh ca Jim, Slim cng dng mt ng h bm giy o thi gianchic xe ca anh ta chy ht on ng ua. Trc cng trnh ca Einstein, chng c ai li i t cu hi rng

nu c hai ng h ca Slim v Jim u hot ng tt th chng c o c cng mt khong thi gian hay

khng ? Nhng theo thuyt tng i hp, trong khi Jim o c khong thi gian l 30 giy, th ng h ca

Slim o c l 29,999999999952 giy tc l nh hn mt lng cc b. Tt nhin, s khc bit ny l nh ti

mc ta khng th o c bng ng h bm giy hoc thm ch bng c cc ng h nguyn t chnh xc nht.

V vy khng c g l l ti sao nhng kinh nghim hng ngy khng h l cho chng ta bit s tri qua ca thi

gian ph thuc vo trng thi chuyn ng ca chng ta.Cng c mt s bt ng tng t v cc php o chiu di. Chng hn, trong mt ln chy th khc, Jim dng


23/191

23

mt mo kh thng minh o chiu di chic xe mi ca Slim. Cu ta bm cho ng h chy ngay khi u trc

ca chic xe i ngang qua ch mnh ng ri bm cho n dng li ngay khi ui chic xe i ngang qua. V Jim

bit Slim cho xe chy vi tc 200km mt gi, nn cu ta tnh ngay ra chiu di chic xe bng cch nhn vn tc

vi khong thi gian ch bi chic ng h bm giy. Li mt ln na, trc Einstein, chng c ai li t cu

hi liu chiu di m Jim o c mt cch gin tip nh trn c trng vi chiu di m Slim o c khi chic

xe cn nm phng trng by ca ca hng hay khng. Tri li, thuyt tng i hp cho ta bit rng nu Jim v

Slim tin hnh o nh trn mt cch chnh xc v gi th Slim o c chiu di chic xe chnh xc bng 4m,

th kt qu php o ca Jim s l 3,999999999999314 mt, ngha l hi nh hn cht xu. Cng nh vi php o

thi gian, y l s sai khc rt b, b ti mc nhng dng c o thng thng khng chnh xc pht

hin c.

Mc d s khc bit l cc k nh, nhng chng cho ta thy mt s sai lm rt c bn ca quan nim thng

thng cho rng khng gian v thi gian l tuyt i v khng th thay i. Khi vn tc tng i ca hai ngi

quan st, nh Jim v Slim chng hn, ln hn, th sai lm s c th hin cng r rng hn. V khi vn tc

tng i ca h gn vi vn tc nh sng, th nhng khc bit s tr nn nhn bit c. L thuyt Maxwell

v nhiu thc nghim xc lp c rng vn tc nh sng trong chn khng vn tc ln nht kh d m khng

g c th vt qua c gi tr l ba trm ngn kilmt trong mt giy, tc hn mt t kilmt trong mt gi! Vi

vn tc ngi ta c th chy vng quanh Tri t hn 7 vng trong 1 giy. Nu gi th Slim cho xe chy khng

phi vi vn tc 200km/h m l 900 triu km/h (tc khong 83% vn tc ca nh sng), th nhng tnh ton theo

thuyt tng i s cho kt qu l chiu di chic xe m Jim o c ch di hn 2m cht t, ngha l khc rt xa

vi kt qu o ca Slim (cng l khc xa vi chiu di ghi trong l lch ca xe). Tng t, thi gian chy xe trn

ng ua theo php o ca Lim di hn gn hai ln so vi php o ca Slim.

V nhng vn tc ln nh th nm ngoi kh nng t c ca cc phng tin thng thng, nn cc hiu ng

gin n thi gian v co Lorenzt khng gian (thut ng chuyn mn ca cc nh vt l dng gi cc hin

tng m t trn) l cc k nh b trong i sng thng nht ca chng ta. Nu chng ta c dp c sng

trong mt th gii m cc vt thng chuyn ng gn vi vn tc nh sng, th nhng tnh cht ni trn ca

khng gian v thi gian s tr nn trc quan, (v chng ta cm nhn c chng hng ngy) v i vi chng ta,chng cng s hin nhin nh chuyn ng biu kin ca nhng hng cy bn ng m ta ni ti u

chng. Nhng v chng ta khng sng trong mt th gii nh th, nn nhng c tnh mi tr nn xa l nh

vy. V nh chng ta s thy, hiu v chp nhn chng, chng ta phi vt b hon ton quan nim ca chng ta

v th gii.


24/191

24

Nguyn l tng i da trn mt s kin n gin l: bt k khi no ni ti vn tc (k c lnv hng ca n) th nht thit ta phi ch r ai hoc ci g lm php o .

Nn tng ca thuyt tng i hp gm hai cu trc rt n gin nhng li rt cn bn. Chng ta bit rng, mttrong hai cu trc c lin quan ti nhng tnh cht ca nh sng v iu ny s c xem xt mt cch y hn

mc tip sau. Cu trc th hai c bn cht tru tng hn. N khng lin quan ti mt nh lut vt l c th,

m c p dng cho mi nh lut vt l. l nguyn l tng i. Nguyn l ny da trn mt s kin n

gin l: bt k khi no ni ti vn tc (k c ln v hng ca n) th nht thit ta phi ch r ai hoc ci

g lm php o . Ta s d dng hiu c ngha v tm quan trng ca iu ni trn bng cch xem xt

tnh hung sau:

Ta hy hnh dung mt anh chng George no , mc b qun o du hnh v tr c gn mt chic n chp pht

nh sng , ang tri ni trong mn m dy c ca khong khng v tr, cch xa ht thy cc hnh tinh, cc

ngi sao v cc thin h. Theo quan im ca George th anh ta l hon ton ng yn trong bng m mn mng

v tnh lng ca V tr. Ri Goerge cht nhn thy t xa c mt m sng xanh ang tin li gn. Cui cng, khi

n ti gn hn, Goerge mi nhn ra rng chic n c gn vo b qun o du hnh v tr ca mt nh du hnh

khc Gracie - ang chm chp tri ti. Khi i qua bn cnh, c gi v George vy tay cho nhau, ri c gi li

tri tip ra xa. Cu chuyn ny hon ton c th c k li ht nh th theo quan im ca Gracie. Ngha l ban

u Gracie cng hon ton n c trong bng m bao la v tnh lng ca khong khng V tr. Ri bt cht

Gracie cng thy t xa c m sng nhp nhy ang tin li gn. Cui cng, khi m n kh gn, c mi

nhn ra l mt nh du hnh khc, tc l George, ang chm chm tri qua cnh mnh. Anh ta v Gracie vy

cho nhau ri anh ta tip tc tri tip ra xa.

Hai cu chuyn m t ch mt tnh hung duy nht theo hai quan im khc nhau nhng u c l nh nhau.

Mi ngi quan st u cm thy mnh ng yn v ngi kia chuyn ng. Quan im ca mi ngi u hp l

v c th thng cm c. Do c s i xng gia hai nh du hnh , nn khng c cch no ni c rng ai

l ng, ai l sai. C hai quan im u c mt phn s tht ngang nhau.

V d trn nm bt c ngha ca nguyn l tng i: khi nim chuyn ng l c tnh tng i. Chng


25/191

25

ta c th ni v chuyn ng ca mt vt, nhng ch l i vi hay so vi mt vt khc. V vy ni rng: George

chuyn ng vi vn tc 15km/h l hon ton v ngha, v chng ta khng ch r anh ta chuyn ng so vi ci

g. Nhng ni rng: George chuyn ng ngang qua Gracie vi vn tc 15km/h li l c ngha v chng ta ch

ra Gracie nh mt vt mc. Nh v d trn ca chng ta cho thy, cu ni th hai trn hon ton tng ng

vi cu ni rng: Gracie chuyn ng ngang qua Goerge vi vn tc 15km/h (theo phng ngc li). Ni mt

cch khc, khng c chuyn ng tuyt i. Chuyn ng l tng i.

Yu t then cht ca cu chuyn trn l ch: c George ln Gracie u khng b y, hay b ko hay chu mt tc

dng no lm nhiu ng trng thi chuyn ng thng u m m ca h. V vy chnh xc hn, ta phi ni

rng chuyn ng khng chu tc dng ca mt lc no ch c ngha khi so snh vi cc vt khc. S chnh xc

ny rt quan trng, bi l nu c cc lc tham gia vo, th chng s lm thay i vn tc (c v ln ln v

hng) ca hai nh quan st v nhng thay i c th nhn thy c. Chng hn, nu nh George c eo mt

ng c phn lc nh sau lng, th anh ta chc s cm thy mnh ang chuyn ng. Nhng cm gic ch l

bn nng. Nu ng c bt u thc s y v pha sau, th Goerge s bit l mnh ang chuyn ng cho d anh

ta c nhm mt li v do khng th so snh vi cc vt khc. Ngay c khi khng c nhng vt mc so snh,

anh ta cng khng t tuyn b rng mnh l ng yn trong khi ton b th gii cn li chuyn ng qua bn

cnh anh ta. Nh vy, chuyn ng c vn tc khng i l tng i; nhng iu ny khng cn ng na

i vi cc chuyn ng c vn tc thay i, tc l nhng chuyn ng c gia tc. (Chng ta s cn tr li

pht biu ny trong chng sau, khi ni v chuyn ng c gia tc v thuyt tng i rng).

d hiu, chng ta b tr cho cu chuyn trn xy ra trong bng m ca khong khng v tr, nhm gt b

nhng vt th quen thuc nh ng ph, nh ca m chng ta thng mc nhin xem l ng yn (mc d l

khng ng). Tuy nhin, chnh nguyn l ny cng p dng c cho c mt t trn th ca chng ta v thc t ta

cng thng cm nhn c. V d, hy tng tng, sau khi ng mt gic say trn xe la, bn thc dy ngay khi

con tu ca bn i qua bn cnh mt ng ray khc t song song. Khi tm nhn ca bn hon ton b chn

bi mt on tu khc, nn khng nhn thy cc vt khc, v vy trong khonh khc bn khng bit chc chn con

tu ca bn hay con tu kia hay c hai ang chuyn ng. Tt nhin, con tu ca bn c th lc hoc git, hoc nu

n i hng theo mt ng vng, th bn s cm thy l mnh ang chuyn ng. Nhng nu con tu chy thtm, v nu vn tc ca n gi nguyn khng i th bn s ch thy chuyn ng tng i ca hai con tu ch

khng th ni chc chn l con tu no ang chuyn ng.

By gi chng ta tin thm mt bc na. Hy tng tng bn ang ngi trn xe la vi cc ca s u ng kn

mt. Do khng c kh nng nhn ra bn ngoi toa xe ca mnh v gi s rng con tu chy tht m vi vn tc

tuyt i l u, khi bn s khng c cch no xc nh c trng thi chuyn ng ca bn. Toa tu ca bn

nhn hon ton nh nhau, bt k l n ng yn trn ng ray hay ang chuyn ng. Einstein hnh thc ha

tng , mt tng thc s c bit ti t thi Galileo, bng cch tuyn b rng bn hay bt k mt hnhkhch no khc trong mt toa xe kn mt d c thc hin bt c th nghim no cng khng th pht hin ra c


26/191

26

con tu ng yn hay chuyn ng. iu ny cng thu tm c nguyn l tng i: v chuyn ng khng c lc

no tc dng l tng i, n ch c ngha khi so snh vi cc vt khc hay ngi quan st khc cng ang chuyn

ng m khng c lc no tc dng. i vi bn khng c cch no c th xc nh c trng thi chuyn ng

ca mnh m khng c s so snh trc tip hoc gin tip vi cc vt bn ngoi. n gin l khng c khi nim

chuyn ng thng u tuyt i, ch c nhng chuyn ng tng i l c ngha vt l.

Thc t, Einstein cn thy rng nguyn l tng i c mt tuyn b to ln hn: cc nh lut vt l bt k l

nh lut no l hon ton nh nhau i vi tt c nhng ngi quan st chuyn ng vi vn tc khng i.

Nu George v Gracie ngoi chuyn tri ni n c trong V tr cn tin hnh mt s th nghim ging ht nhau

trn trm khng gian cng tri ni nh h, th nhng kt qu m h tm c l hon ton nh nhau. Li mt ln

na hai ngi hon ton c l khi tin rng trm khng gian ca h l ng yn ngay c khi chng chuyn ng i

vi nhau. Nu nh tt c nhng thit b th nghim ca h l nh nhau v khng c g khc bit trong b tr th

nghim, th chng l hon ton i xng. Nhng nh lut vt l m mi ngi rt ra t nhng th nghim ca h

cng s hon ton nh nhau. C bn thn h ln nhng th nghim ca h u khng cm thy tc l khng

ph thuc theo bt c cch no vo chuyn ng c vn tc khng i. Chnh quan nim n gin ny thit

lp s i xng hon ton gia cc ngi quan st v cng chnh quan nim ny c hin thn thnh nguyn l

tng i. Ngay di y, chng ta s dng nguyn l ny cho mt hiu ng su xa hn.

Vn tc nh sng

Yu t then cht th hai ca thuyt tng i hp gn lin vi nh sng v nhng tnh cht chuyn ng

ca n. Tri vi pht biu ca chng ta ni rng: George chuyn ng vi vn tc 15km/h s l v ngha nu

khng ch ra mt vt mc c th no so snh, nhng n lc ca nhiu th h cc nh vt l thc nghim trong

gn mt th k chng t rng nh sng lun chuyn ng vi vn tc ba trm ngn kilmt mt giy (tc 1080

triu kilmt mt gi) i vi bt k vt mc so snh no.

u ny i hi mt cuc cch mng trong quan nim ca chng ta v V tr. Trc ht chng ta hy tm hiu

ngha ca khng nh trn bng cch i lp n vi nhng khng nh tng t p dng cho cc i tng thng

thng hn. Hy tng tng vo mt ngy p tri, bn i chi trong vn vi mt ngi bn. Trong khi c hai

ang li nhc nm qua nm li qu bng vi vn tc, chng hn 20km/h, th mt cn ging thnh lnh p tikhin cho hai ngi phi chy vo ch tr ma. Sau khi ma tnh, hai ngi li tip tc chi nhng bn nhn thy

ngi bn gi ca mnh khng cn nh trc na. Mi tc c ta b x, i mt trn trng in di. V khi nhn

bn tay c ta, bn sng s thy rng c ta ang nh nm cho bn... mt qu la n, ch khng phi l qu bng.

Hin nhin l bn chng cn tm tr u m chi bng v bn s vn cn ang bay nhng do bn chy, nn tc

ca n khng cn l 20km/h, m l nh hn. Thc t, kinh nghim hng ngy cho ta bit rng nu bn chy, v d

vn tc l 12km/h, th qu la n s tin v pha bn vi vn tc 8km/h (20-12=8). Mt v d khc: khi bn ang

trong ni v xy ra hin tng l tuyt p v pha bn, th phn ng t nhin ca bn s l quay lui v b chy,v iu s lm cho vn tc ca tuyt ui theo bn s gim i v ni chung l mt iu tt. Nh vy, li mt


27/191

27

ln na ta thy rng mt ngi quan st ng yn s nhn thy vn tc lao n gn ca tuyt l s ln hn so vi

cm nhn ca ngi b chy.

By gi chng ta s so snh nhng quan st c bn ny v qu bng, qu lu n v tuyt l vi nhng quan st

v nh sng. cho s so snh c st hn, chng ta s xem nh sng nh mt chm cc ht photon (c im

ny ca nh sng s c tho lun y hn Chng 4). Khi chng ta bt mt n flash hoc mt chm laser,

thc t l chng ta bn mt dng cc ht photon v hng m ta nh trc. Nh chng ta lm trong trng

hp qu lu n v trng hp tuyt l, ta hy xem chuyn ng ca cc photon s nh th no i vi mt ngi

quan st chuyn ng. Hy tng tng rng c bn gi in r ca bn thay qu lu n bng mt laser cc

mnh. Nu c ta bn chm laser v pha bn, v nu bn c mt thit b o thch hp, bn s thy rng vn tc ca

cc photon tin gn ti bn vi vn tc 1080 triu kilmt mt gi (tc 300.000km/s). Nhng iu g s xy ra nu

bn b chy, nh bn lm trong trng hp phi i mt vi qu lu n c nm ti? By gi bn s o

c vn tc ca cc photon ang tin ti gn bng bao nhiu? cho hp dn hn hy tng tng rng bn

nhy ln mt con tu v tr xuyn thin h chy trn vi mt vn tc khim tn l 180 triu kilmt gi (tc

50.000 km/s). Theo l lun da trn th gii quan truyn thng ca Newton, th v gi y bn ang chy ra xa,

nn bn hy vng rng s thy cc photon ui theo bn vi vn tc chm hn. C th, bn ch i s thy chng

tin v pha bn vi vn tc (1080 triu kilmt/gi) = 900 triu km/h.

Nhng bng chng thc nghim ngy cng nhiu bt u t nhng nm 1880 cng vi nhng phn tch su sc

ca l thuyt in t Maxwell v nh sng dn dn thuyt phc c cng ng khoa hc rng kt qu tnh

ton trn khng phi l iu m bn s thy. Ngay c khi bn b chy ra xa i na, th bn cng vn c o c

vn tc ca cc photon ang tin ti gn bng 300.000km/s, khng bt mt li. Mc d thot u iu xem ra c

v hon ton v l, khng h ging vi nhng g xy ra trong trng hp qu lu n hay trng hp tuyt l,

nhng s thc vn tc ca cc photon tin ti gn lun lun bng 300.000km/s. V iu ny cng ng nu bn

tin ti gn cc photon ang i ti hay ui theo chng, ngha l vn tc ca chng vn hon ton khng thay i:

chng vn chuyn ng vi vn tc 300.000km/s. Bt k chuyn ng tng i gia ngun photon v ngi

quan st l nh th no, vn tc ca nh sng lun lun c gi tr nh nhau [1].

Nhng hn ch v mt cng ngh khin cho nhng th nghim vi nh sng c m t trn l khng th thchin c. Nhng tn ti nhng phng tin khc. Chng hn, vo nm 1913, nh vt l ngi H Lan Willem de

Siter gi rng nhng h sao i chuyn ng nhanh (tc l h gm hai ngi sao quay quanh nhau) c th

c dng o tc dng ca ngun chuyn ng n vn tc ca nh sng. Nhiu th nghim khc nhau thuc

loi ny c thc hin trong sut hn tm chc nm qua u xc nhn rng vn tc ca nh sng nhn c t

nhng ngi sao c nh hay chuyn ng vi vn tc khng i (tc chuyn ng thng u) l nh nhau v u

bng 300.000km/s. Gi tr ny c o vi chnh xc cao v khng ngng tng ln nh nhng dng c o ngy

cng tinh xo hn. Hn na, c mt kho tng nhng th nghim chi tit khc c thc hin trong gn mt th kqua nhng thc nghim o trc tip vn tc nh sng trong nhng iu kin khc nhau cng nh s kim chng
http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2003/12/3B9CE0D9/#_ftn1http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2003/12/3B9CE0D9/#_ftn1


28/191


29/191

29

ng c gia tc, nh chnh ng cng tng lm nh vy. Cn nh li rng, mt vt chuyn ng c gia tc nu

ln ca vn tc hoc phng chuyn ng ca n thay i. n gin, ta s xt chuyn ng c gia tc trong

ch c hng ca chuyn ng thay i cn ln ca vn tc th c nh. c bit, ta s xt chuyn ng

trn m ai cng cm thy khi ng yn trn mt sn quay c tn l Tornado thng thy trong cc cng

vin gii tr. Trong trng hp bn cha quen ng vng trn mt sn quay nh vy, bn c th ng ta lng

vo vch knh hnh trn lm bng thy tinh hu c quay vi tc cao cng vi sn. Ging nh mi chuyn ng

c gia tc khc bn c th cm nhn c chuyn ng ny: c th, bn cm thy mt lc ko bn theo phng

bn knh ra xa tm quay ng thi bn cng cm thy vch knh p ln lng bn, gi cho bn chuyn ng trn.

(Mc d khng c lin quan g n nhng iu tho lun y, nhng cng ni thm rng, thc t chuyn ng

quay gm c th bn vo vch knh vi mt lc mnh ti mc, d cho sn di chn bn c bin mt bn

cng khng b trt xung pha di). Nu nh sn quay cc k u v bn nhm mt li, th p lc ca s quay

ln lng bn c th khin cho bn cm thy gn nh l bn ang nm trn ging. Ni gn nh l bi v bn vn

cn cm thy lc hp dn bnh thng theo phng thng ng, khin cho khng th la b no ca bn hon

ton c. Nhng nu bn ng trong Tornado t bn ngoi khong khng v tr chng hn, v nu nh sn

quay vi tc thch hp, th bn s cm thy ng l ang nm trn chic ging ng yn trn mt t. Hn

na, nu nh bn ng dy v i li trn thnh trong ca vch knh quay, th chn bn p ln n ht nh khi i

bnh thng trn mt t. Thc t, cc trm khng gian u c thit k quay theo cch to ra cm gic gi

to v trng lc trong khng gian v tr.

By gi, khi quen vi chuyn ng c gia tc ca chic Tornado quay m phng hp dn (trng lc), bn c th

theo di s suy lun ca Einstein v xem khng gian v thi gian nhn nh th no di con mt ca ngi quan

stcng ng trn sn quay. Nhng suy lun ca Einstein p dng cho trng hp m t trn nh sau: Chng ta,

nhng ngi quan stng yn, c th d dng o c chu vi v bn knh ca sn quay. V d o chu vi ta thn

trng t thc k tip nhau dc theo vnh ai ca sn; cn i vi bn knh, ta cng lm theo phng php

bng cch t thc k tip nhau t tm quay sn n mp ngoi ca n. Cui cng, ta thy rng t s ca hai kt

qu o c bng hai ln ca s pi, tc l xp x 6,28 ng nh i vi mt hnh trn m ta v trn giy trong hnh

hc s cp. Nhng liu iu c ng i vi ngi quan stng trn sn quay khng? lm sng t vn ny, ta ngh Slim v Jim hin ang chi trn sn quay, thc hin mt s php o. Ta nm

cho Slim mt chic thc v nh anh ta o chu vi ca sn quay v mt chic thc cho Jim anh ta o bn knh

ca n. cho d quan st, ta chn mt ch ng trn cao nhn xung nh c minh ha trn Hnh 3.1.


30/191

30

Chng ta cng t im cho bc hnh chp nhanh ny mt mi tn ch hng chuyn ng

tc thi ca mi im trn sn. Khi Slim bt u o chu vi, t v tr trn cao ta thy ngay

rng anh ta s nhn c mt kt qu khc vi kt qu ca chng ta. l bi v, khi anh ta

t thc o chu vi, ta thy rng chiu di chic thc ca anh ta b co ngn li. y

chnh l s co Lorentz m chng ta tho lun Chng 2, theo , chiu di ca mt vt

b co ngn li dc theo hng chuyn ng. M chic thc ngn hn c ngha l s ln

t thc dc theo chu vi ca anh ta s nhiu hn. V Slim vn ngh rng chic thc ca anh

ta di 1m (do khng c chuyn ng tng i gia Slim v ci thc, nn anh ta cm nhn

thy chic thc di 1m nh bnh thng), iu ny c ngha l Slim s o c chu vi ca

sn di hn kt qu o ca chng ta. (Nu bn thy v l hy xem ch thch 1, trang 9).

Cn bn knh th sao? Jim cng dng phng php tng t o bn knh v t v tr quan

st trn cao, chng ta thy rng anh ta s tm thy kt qu ging nh chng ta. S d nh vy

l v, chic thc khi ny khng t dc theo hng tc thi ca chuyn ng (nh Slim o chu vi). Thay v th,

n li t vung gc vi hng chuyn ng v do chiu di ca n khng b co li. V vy, Jim s o c bn

knh ca sn ng nh chng ta o c.

Nhng by gi, khi m Slim v Jim tnh t s ca chu vi v bn knh ca sn quay, h s nhn c mt con s

ln hai hai ln s pi m chng ta tnh c, v chu vi by gi l di hn cn bn knh th vn nh trc. Tht l

mt iu l lng. Lm th qui no m mt vt hnh trn li c th vi phm mt pht minh ca ngi c Hy Lp

ni rng i vi bt c mt hnh trn no, t s ca chu vi v bn knh ca n u phi ng bng 2pi?

y l cu tr li ca Einstein: Pht minh ca ngi c Hy Lp l ng i vi nhng vng trn c v

trn mt phng. Nhng cng ging nh nhng chic gng cong trong nh ci cc cng vin gii tr lm mo

m nhng quan h khng gian trong nh ca chng ta qua nhng chic gng , nu vng trn c v trn mt

mt cong, th nhng quan h hnh hc bnh thng ca n cng s b mo m: khi , t s gia chu vi v bn

knh ca n, ni chung, s khng cn bng hai ln s pi na.

V d, Hnh 3.2 so snh ba vng trn c bn knh nh nhau. Tuy nhin, cn thy rng chu vi ca chng li khngnh nhau. Hnh trn (b) c v trn mt li ca hnh cu, n c chu vi nh hn chu vi ca vng trn (a) v trn

mt phng, ngay c khi chng c bn knh nh nhau. Bn cht cong ca mt cu khin cho cc ng bn knh hi

chm vo nhau, do lm gim chu vi ca hnh trn. Mt khc, chu vi ca hnh trn (c), cng c v trn mt

mt cong - c dng hnh yn nga - li ln hn chu vi vng trn v trn mt phng. Bn cht cong ca mt hnh

yn nga khin cho cc ng bn knh hi loe ra xa nhau, do lm cho chu vi ca vng trn tr nn ln hn.

T nhng nhn xt trn suy ra rng t s ca chu vi v bn knh ca vng trn (b) nh hn 2pi, trong khi t s

y ca vng trn (c) li ln hn 2pi. Nhng sai lch i vi 2pi, m c bit l gi tr ln hn trong trnghp (c) li chnh l iu chng ta tm thy i vi trng hp ci sn quay Tornado. iu ny dn Einstein

Hnh 3.1. Chicthc ca Slim bco li, v n nmdc theo hngchuyn ng ca

sn quay. Trong khi chic thc ca

Jim nm dc theobn knh, tc lvung gc vi

hng chuyn ngv vy chiu di can khng b co li.


31/191

31

a ra tng cho rng s cong ca khng gian chnh l nguyn nhn dn n s vi phm hnh hc

Euclide thng thng. Hnh hc phng ca ngi Hy Lp tng dy cho tr em t hng ngn nm nay ha ra

li khng dng c cho ngi trn sn quay. Nh phn (c) ca Hnh 3.2 cho thy, trong trng hp ny hnh

hc Euclide phi c thay bng hnh hc khng gian cong - mt s tng qut ha ca n [1].

Hnh 3.2 Vng trn c v trn mt cu (b) c chu vi nh hn vng trn v trnmt phng (a), trong khi vng trn v trn mt hnh yn nga (c) li c chu vi

ln hn ngay c khi chng c bn knh nh nhau.

V nh vy, Einstein nhn thy rng nhng quan h hnh hc quen thuc c xy dng bi nhng ngi Hy

Lp, tc l nhng quan h thuc v nhng hnh khng gian phng nh vng trn trn mt mt bn phng chng

hn, s khng cn ng na i vi ngi quan stchuyn ng c gia tc. Tt nhin, chng ta mi ch xem xt

mt loi chuyn ng c gia tc c bit, nhng Einstein chng minh c rng mt kt qu tng t, tc s

cong ca khng gian, cng ng i vi mi trng hp chuyn ng c gia tc.Thc t, chuyn ng c gia tc khng ch to ra s cong ca khng gian m cn gy ra s cong (hay bin dng)

ca c thi gian na. (V mt lch s th Einstein ban u tp trung vo s cong khng gian). Trong mt mc

no , khng c g phi qu ngc nhin v chuyn thi gian cng b nh hng, v Chng 2 chng ta thy

rng thuyt tng i hp to ra s khp ni gia khng gian v thi gian. Trong mt bi ging ca mnh v

thuyt tng i hp vo nm 1908, Minkowski ni v s ha nhp bng nhng li l rt th nh sau: T

nay, ring khng gian khng thi v ring thi gian khng thi s tn t nh nhng chic bng, ch c s thng

nht ca c hai mi gi c tnh c lp ca chng. Ni bng mt ngn ng i thng hn, nhng vi

chnh xc cng khng km, th bng cch an kt khng gian v thi gian thnh mt cu trc thng nht l khng-

thi gian, thuyt tng i hp trnh trng tuyn b: Ci g ng vi khng gian cng s ng vi thi gian.

Nhng mt cu hi li c t ra: Trong khi chng ta c th hnh dung khng gian cong bi dng cong ca n,

th thi gian cong c ngha l th no?.

c mt cm gic v cu tr li, ta li ngh Slim v Jim hin vn cn trn Tornado quay thc hin th

nghim sau. Slim ng u mt ca mt bn knh v p lng vo vch knh cn Jim th b dc theo mt bn

knh no xut pht t tm quay. C vi mt Jim li ngng b v hai anh em li so ng h vi nhau. H s thy

g? T v tr ng yn trn cao, ta li c th tin on c cu tr li: ng h ca h khng ch ging nhau. S

s
http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2004/01/3B9CEEDA/#_ftn1http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2004/01/3B9CEEDA/#_ftn1http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2004/01/3B9CEEDA/#_ftn1


32/191

32

d chng ta i ti kt lun l bi v chng ta thy rng Slim v Jim chuyn ng vi vn tc khc nhau. Ta bit

rng, trn sn quay, nu bn cng xa tm quay th sau mt vng bn s i c qung ng di hn, do vy m

bn chuyn ng nhanh hn. Nhng theo thuyt tng i hp, bn cng chuyn ng nhanh th ng h ca bn

cng chy chm v do chng ta thy rng ng h ca Slim chy chm hn ng h ca Jim. Hn na, Slim v

Jim cn thy rng khi Jim ti gn Slim, tc pht ting tc tc ca ng h ca Jim s chm li v tin gn ti

tc pht ca ng h Slim. iu ny phn nh mt thc t l, khi Jim i ra xa tm quay, tc chuyn ng

trn ca anh ta cng tng ln v tin gn ti tc ca Slim.

T , ta c th kt lun rng, i vi nhng ngi quan sttrn sn quay, nh Slim v Jim chng hn, th

tc tri ca thi gian ph thuc vo v tr chnh xc ca h (trong trng hp ang xt, l khong

cch ti tm quay). y chnh l s minh ha cho ci m ta gi l thi gian cong. Thi gian b cong hay bin

dng, nu nh tc tri ca n t ni ny n ni khc l khc nhau. Khi b dc theo mt bn knh, Jim cn cm

thy mt iu khc na, c bit quan trng i vi s tho lun ca chng ta y. Anh ta cm thy mt lc (ly

tm) ko mnh ra pha ngoi v tng dn, bi v khi b ra cng xa tm quay, khng ch vn tc m gia tc ca anh

ta cng tng. Cui cng chic sn quay cho php chng ta thy rng gia tc cng ln th km theo s chm ca

ng h cng ln, tc l gia tc cng ln th thi gian cng cong mnh.

Nhng nhn xt ny a Einstein n bc nhy cui cng. V ng chng t c rng hp dn v chuyn

ng c gia tc l thc s khng th phn bit c v v gi y ng cn chng t c rng chuyn ng c gia

tc cn gn lin vi s cong ca khng gian v thi gian nn ng a ra cch gii thch sau cho ci hp en

hp dn: hp dn chnh l s cong ca khng gian v thi gian. Di y chng ta s xt xem iu ny c ngha

g.

[1] S phn tch vng quay ca Tornado hay a quay cng theo cch gi chuyn mn hn, s dn n hiu lm.

Thc t, cho ti nay vn cha c s nht tr hon ton v nhiu kha cnh tinh t ca v d ny. Trong phn trnh

by Chng 3, chng ti theo ng tinh thn phn tch ca Einstein v trong ch thch ny chng ti vn theo

quan im v tm cch lm sng t thm mt s c im m bn c th cn m h. Th nht, bn c th cm

thy kh hiu l ti sao chu vi ca sn quay li khng b co Lorentz ht nh ci thc v t chiu di ca chu vi

m Slim o c cng ng nh chng ta o c ban u. Tuy nhin, bn cn nh k rng trong ton b stho lun ca chng ta, Tornado lun lun quay, v chng ta khng khi no o c chu vi ca n khi n ng yn

c. V nh vy, theo quan im ca chng ta - nhng ngi quan stng yn - th s khc nhau duy nht gia

php o chu vi sn quay ca chng ta v ca Slim l chic thc ca Slim b co li; sn Tornado quay vn quay

t trc khi chng ta o v cng vn ang quay khi chng ta quan st Slim tin hnh o. V chng ta thy chic

thc ca Slim b co li, nn chng ta pht hin ra rng anh ta phi t chic thc dc theo chu vi sn quay vi

s ln ln hn chng ta. S co li ca chu vi sn quay c th s c lin quan ch khi chng ta so snh cc tnh cht

ca sn quay khi n quay v khi n ng yn, nhng chng ta khng cn ti s so snh . Th hai, mc d chngta khng cn phi o sn quay khi n ng yn, nhng c th bn vn cn bn khon v chuyn iu g s xy ra
http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2004/01/3B9CEEDA/#_ftnref1http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2004/01/3B9CEEDA/#_ftnref1


33/191

33

khi sn quay chm dn ri dng li. By gi th chng ta li cn phi tnh ti s thay i ca chu vi khi sn quay

chm dn bi v mc co Lorentz cng thay i. Nhng iu ny lm th no c th ph hp vi thc t l bn

knh ca sn khng thay i? y l mt vn rt t nh v vic gii quyt n da vo mt thc t l, trong th

gii thc khng c nhng vt rn tuyt i. Cc vt c th ko gin hoc un cong v do thch nghi vi s ko

gin hoc co li m chng ta gp phi; nu khng th, nh Einstein ch ra, th chic a quay - ban u c

ch to bng cch cho kim loi nng chy ngui i trong khun c chuyn ng quay - s bay tung to ra

ngoi khi vn tc quay sau b thay i. Chi tit hn v lch s chic a quay c th xem Einstein v chic a

quay rn Stachel trong cun General Relativity and Graviation (New York: Viking, 1997).

Ni tm li, Einstein hon ton ng vi pht biu ca Newton ni rng: Hp dn cn phic gy bi mt tc nhn no , nhng ng vt qua s thch thc ca Newton ni rng

bn cht ca tc nhn ni trn xin nhng cho c gi xem xt. Tc nhn ca hp dn, theoEinstein, l cu trc khng-thi gian ca V tr.

ABC v thuyt tng i rng

c mt cm gic i vi quan nim mi v hp dn, ta hy xt trng hp mt hnh tinh (chng hn nh Tri

t) quay quanh mt ngi sao (chng hn nh Mt Tri). Theo l thuyt hp dn ca Newton, Mt Tri gi c

Tri t trn qu o ca n l nh mt si dy hp dn cha bit r nhn dng tc thi vn xa trn mt

khong cch cc ln chp gi ly Tri t (tng t, si dy hp dn ca Tri t cng vn ra chp gi

ly Mt Tri). Einstein xy dng hn mt quan nim mi gii thch iu g thc s xy ra. S rt hu ch

cho vic bn v cch tip cn ca Einstein, nu chng ta c c mt m hnh trc quan c th ca khng-thi

gian m chng ta c th d dng vn dng. lm iu , ta s n gin ha s vt theo hai cch. Th nht, ta

tm thi khng m xa n thi gian v ch tp trung vo m hnh trc quan ca khng gian. Sau , ta s li gp

thi gian vo trong tho lun ca chng ta. Th hai, chng ta c th v v vn dng nhng hnh nh trc quan

trn nhng trang sch ny, chng ta thng vin n s tng t hai chiu ca khng gian ba chiu. Phn ln

nhng hiu bit m ta thu nhn c nh m hnh c s chiu thp hn u c th p dng trc tip cho nhng

tnh hung vt l ba chiu, do m hnh ny l mt cng c s phm kh hiu qu.

Trong Hnh 3.3, chng ta dng nhng cch n gin ha v v mt m hnh hai chiu ca mt vng khng

gian trong V tr chng ta. Cu trc ging nh mng li ny cho ta mt phng tin ch nh v tr ht nh


34/191

34

mng li cc ng ph cho ta mt phng tin xc nh mt a im trong thnh ph. Tt nhin, trong

thnh ph, cho a ch, ngoi vic ch a im trn mng li ng ph hai chiu, cn phi cho v tr theo

hng thng ng, nh s tng chng hn. V ci thng tin cui cng ny, tc l v tr theo chiu th ba khng

gian, c b i trong m hnh hai chiu d hnh dung hn.

Hnh 3.3 Biu din mt khnggian phng.

Khi khng c vt cht v nng lng, Einstein xem rng khng gian l phng.Trong m hnh hai chiu ca chng ta, iu ny c ngha l hnh dng ca khnggian ging nh b mt ca mt chic bn nhn, nh c minh ha trn Hnh 3.3. yl hnh nh khng gian V tr ca chng ta c hnh dung t hng ngn nm nay.

Nhng iu g s xy ra vi khng gian, nu nh c mt vt nng nh Mt Tri hindin? Trc Einstein, cu tr li l khng c g; khng gian (v thi gian) c xemn gin nh mt sn khu lnh lng ni din ra nhng s kin ca V tr. Tuy nhin,chui nhng suy lun ca Einstein m chng ta ang theo ui li dn ti mt kt lunkhc.Mt vt nng nh Mt Tri v thc t l mt vt bt k, u tc dng mt lc hp dnln cc vt khc. Trong v d v qu bom ca bn khng b, chng ta bit rng lchp dn v chuyn ng c gia tc l khng th phn bit c. Trong v d v snquay Tornado, ta li bit rng m t ton hc ca chuyn ng c gia tc i hi nhng

h thc ca khng gian cong. Nhng mi lin kt ny gia hp dn, chuyn ng cgia tc v khng gian cong dn Einstein ti mt xng quan trng ni rng shin din ca mt khi lng, chng hn nh Mt Tri, s lm cho cu trc ca khnggian xung quanh n b cong i, nh c minh ha trn Hnh 3.4. Mt tng t huch v vn thng c trch dn, l mt mng cao su trn c t mt qu

bowling. Hnh nh ny minh ha cho s bin dng ca cu trc khng gian do s hindin ca mt vt nng. Theo xut c tnh cch mng , khng gian khng cn lmt sn khu th ng ni din ra nhng s kin ca V tr na, m by gi hnh dngca khng gian phn ng li cc vt trong mi trng.

Hnh 3.4 Mt vt nng nh Mt Tri lm bin dng cu trc ca khng gian ta nh

tc dng ca qu bowling t trn mt tm vi n hi.

S cong ny, n lt mnh, li nh hng ti cc vt khc chuyn ng ln cn Mt Tri, v by gi chng phi

chuyn ng qua mt cu trc khng gian b bin dng. Li dng hnh nh tng t ca mng cao su vi qu

bowling, nu ta t mt vin bi nh trn mng v cho n mt vn tc ban u, th qung ng m n s i ph

thuc vo iu l qu bowling c c t tm khng. Nu khng c qu bowling , mng cao su s phng

v vin bi s chuyn ng theo mt ng thng. Nu c mt qu bowling v do lm cong mng cao su, th

vin bi s chuyn ng vi qu o cong. Thc t, khi b qua ma st, nu ta th cho vin bi chuyn ng vi vn

tc v hng thch hp, n s tip tc chuyn ng theo cng mt qu o cong, tun hon xung quanh qu


35/191


36/191


37/191

37

ca cc vt khc, nhng c ch vt l gy ra nhng bin dng l hon ton khc. C ch trong cc m hnh

tng t vn cn phi vin n trc gic ca chng ta v hp dn trong khun kh truyn thng ca Newton, trong

khi c ch do Einstein xut th hin s gii thch li trng hp dn qua khng gian cong.

Nhc im th hai ca m hnh tng t bt ngun t tnh hai chiu ca mng cao su. Thc t, mc d l

kh hnh dung, nhng Mt Tri (v tt c cc vt c khi lng khc) u thc s lm cong khng gian ba

chiu xung quanh n.

Hnh 3.6 l mt c gng minh ha iu mt cch th thin. Ton b khng gian bao quanh Mt Tri - bn trn,

bn di v cc bn - u chu cng mt loi bin dng m Hnh 3.6 ch cho thy c phn no. Mt vt, ta

nh Tri t chuyn ng qua vng khng gian ba chiu b un cong do s hin din ca Mt Tri. Bn c th

thy hnh ny c g hi kh hiu, chng hn nh ti sao Tri t li khng m sm vo bc tng thng

ng ca khng gian cong c v trn hnh? Tuy nhin, bn cn lun ghi nh trong u rng, khng gian khng

ging nh mng cao su v cng khng phi l mt bc tng chn cng rn. Thay v th, nhng li k b un

cong trn hnh ch l nhng lt ct mng qua ton b khng gian ba chiu b un cong, m bn, Tri t v mi

th u chm ngp v cuc sng hon ton t do trong . Cng c th bn thy rng iu ch lm cho vn

tr nn ti t hn: nu nh chng ta chm ngp bn trong cu trc ca khng gian, th ti sao chng ta li khng

cm nhn c n? Thc ra chng ta cm nhn c. Chng ta cm thy lc hp dn, m khng gian li l

mi trng qua lc hp dn c truyn i. Khi m t lc hp dn, nh vt l xut sc John Wheeler thng

ni: Khi lng p t s chi phi ca n ln khng gian bng cch ni cho khng gian bit phi cong i nh th

no, cn khng gian p t s chi phi ca n ln khi lng bng cch ni cho khi lng bit phi chuyn ng

nh th no [1].

Nhc im th ba ca cc m hnh tng t ny l trong chng ta b i chiu thi gian. Chng ta lm iu

cho d hnh dung vn , bi v mc d theo thuyt tng i hp chng ta cn phi xem chiu thi gian

bnh ng nh ba chiu khng gian quen thuc, nhng nhn thy thi gian khng phi l vic d dng. Song,

nh minh ha trong v d v ci sn quay Tornado, gia tc - v do hp dn - u lm cong c khng gian v

thi gian. (Thc t, nhng tnh ton t thuyt tng i rng cho thy rng, trong trng hp vt chuyn ng

tng i chm nh Tri t quay quanh Mt Tri chng hn, th s un cong ca thi gian thc s c nh hng

n chuyn ng ca Tri t ng k hn nhiu so vi s un cong ca khng gian). Chng ta s cn tr li tho

lun v s un cong ca thi gian trong mc sau.
http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2004/01/3B9CEF3C/#_ftn1http://vnexpress.net/Vietnam/Khoa-hoc/Tu-sach/2004/01/3B9CEF3C/#_ftn1


38/191


39/191

39

cu trc khng - thi gian ca V tr v tm thy rng n ng bng vn tc nh sng. iu ny, c ngha l

trong tnh hung gi tng c ni trn v ci cht ca Mt Tri nh hng ti Tri t do nhng thay i

trong lc ht hp dn gia chng, th nh hng khng c truyn i mt cch tc thi. Thc t, khi mt vt

khng thay i v tr ca n hoc thm ch b n tung, n s gy ra mt s thay i trong cong ca cu trc

khng - thi gian. S thay i ny c lan truyn ra xung quanh vi vn tc nh sng, hon ton ph hp vi

gii hn v vn tc ca thuyt tng i hp. Nh vy, mt t, chng ta s nhn bit c bng mt s bng n

ca Mt Tri ng thi im m chng ta cm thy c nhng h qu v mt hp dn, tc l khong 8 pht sau

khi bng n. Nh vy, l thuyt mi ca Einstein gii quyt c s xung t; nhng nhiu ng hp dn tuy

khng vt c qua nhng cng theo kp cc photon.

Chng ta s tip tc theo di phn tip sau nhng cuc phiu lu ca Slim v Jim trn sn quayTornado v c gng thu c ngha ca nhng h qu c suy ra t s cong ca thi gian b

cong do hp dn gy ra...

Li ni v s cong ca thi gian

Nhng minh ha nh cc hnh 3.2; 3.4 v 3.6 nm bt c ngha cn bn ca ci c gi l khng gian

cong. S cong lm mo i hnh dng ca khng gian. Cc nh vt l pht minh ra nhiu hnh nh tng t

nhm chuyn ti c ngha ca thi gian cong, nhng hiu c chng cng khng d dng g, v vy, chng

ti s khng a chng vo y. Thay v, chng ta s tip tc theo di phn tip sau nhng cuc phiu lu ca

Slim v Jim trn sn quay Tornado v c gng thu c ngha ca nhng h qu c suy ra t s cong ca thi

gian b cong do hp dn gy ra.

lm iu , chng ta hy gp li Goerge v Gracie khng phi trong bng m su thm ca khong khng

V tr m tri ni u vng ngoi vi ca h Mt Tri. H vn cn eo mt chic ng h s to tng trn

ngi v ban u c chnh gi nh nhau. cho n gin, ta s khng xt n nh hng ca cc hnh tinh

m ch xt trng hp dn ca Mt Tri. Hn na, ta cng tng tng rng c mt con tu v tr cng tri ni

gn hai ngi v th mt si cp di xung gn b mt ca Mt Tri. V Goerge dng si cp ny tt xung

pha Mt Tri. Khi lm nh vy, nh k anh ta li dng li cng vi Gracie so snh nhp tri ca thi gian

xt theo ng h ca h. S cong ca thi gian c tin on bi thuyt tng i rng dn ti h qu l ng h

ca Goerge chy ngy cng chm so vi ng h ca Gracie v trng hp dn tc dng ln anh ta ngy cng


40/191

40

mnh hn. iu ny c ngha l, cng tin gn ti Mt Tri th ng h ca anh ta chy cng chm. V ni rng

hp dn lm cong thi gian cng nh khng gian l hiu theo ngha .

Bn cng nn lu rng, khng ging nh trng hp nu Chng 2, trong Goerge v Gracie trong

khong khng v tr v chuyn ng thng u i vi nhau, trong trng hp ta ang xt, khng c s i xng

gia h. Khc vi Gracie, Goerge cm thy lc hp dn ngy cng mnh, nn anh ta ngy cng phi gi cht dy

cp hn khng b ko tt xung di. C hai ngi u nht tr rng ng h ca Goerge chy chm hn. Hon

ton khng c s tng ng ca hai quan im c th trao i vai tr ca h v o ngc li kt lun .

Thc t, y chnh l iu m chng ta tm thy trong Chng 2, khi Goerge cm nhn thy gia tc bng cch

bt ng c phn lc eo sau lng ui theo Gracie. Gia tc m Goerge cm nhn c lm cho ng h ca

anh ta chc chn

Documents

Giai điệu dây và bản giao hưởng của vũ trụ