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