LượcSửThờiGian(ABriefHistoryofTime)StephenHawkingNgườidịch:CaoChi,PhạmVănThiều

Ebookmiễnphítại:www.Sachvui.Com

MụclụcGiớithiệucuốnsách"Lượcsửthờigian"LờigiớithiệucủanhàxuấtbảnBantamBooksLờicảmơncủaStephenHawkingChương1:BứctranhcủachúngtavềvũtrụChương2:KhônggianvàthờigianChương3:VũtrụgiãnnởChương4:NguyênlýbấtđịnhChương5:CáchạtcơbảnvàcáclựctựnhiênChương6:LỗđenChương7:LỗđenkhôngquáđenChương8:NguồngốcvàsốphậncủavũtrụChương9:MũitêncủathờigianChương10:LýthuyếtthốngnhấtcủavậtlýhọcALBERTEINSTEINGALILEOGALILEIISAACNEWTONThuậtngữLượcsửvề“mộtlượcsử”VŨTRỤTUẦNHOÀNVũtrụhệIsaacNewtonvàtácphẩmnguyêntắctoánhọcĐẤUTRANHSINHTỒNCHAĐỠĐẦUCỦAKỶNGUYÊNNGUYÊNTỬ

Giớithiệucuốnsách"Lượcsửthờigian"Cuốnsáchmàchúngtôigiớithiệuvớicácbạnsauđâycótênlà"Lược

sửthờigian"(ABriefHistoryofTime),mộtcuốnsáchtuyệtdiệu,đượcviếtbởimộttrongnhữngnhàkhoahọcvĩđạinhấtcủathờiđạichúngta:nhàtoánhọcvàvậtlýlýthuyếtngườiAnhStephenHawking.

S.W.Hawkingsinhnăm1942.Trongcuộcsốngcánhân,ônggặpnhiềubấthạnh.Năm1985,ôngbịsưngphổivàsaukhiphẫuthuậtmởkhíquản,Hawkingmấtkhảnăngphátâm.Trướcđó,mộtcănbệnh tê liệt thầnkinh(bệnhALS)đãgắnchặtôngvàochiếcxeđẩy.Hawkingchỉcòncách làmviệcvàgiaotiếpvớimọingườibằngmộtmáyvitínhvàmộtmáytổnghợptiếngnóilắpliềnvớighế.Tuynhiên,tấtcảnhữngbấthạnhnàykhôngquậtngãđượcýchícủanhàvậtlýthiêntài.HiệnnayônglàgiáosưtạiĐạihọcCambridge (Anh), ở chức vụmà ngày xưaNewton, rồi sau đó là P.A.M.Dirac, đảm nhiệm. Ông chuyên nghiên cứu về lý thuyết tương đối rộng.NhữngkếtquảthuđượccùngvớiGeorgeEllis,RogerPenrose,...vànhấtlàsựpháthiệnkhảnăngbứcxạcủacáccáclỗđenđãđưaHawkinglênhàngnhữngnhàvậtlýnổitiếngnhấtthếgiới.

Cuốn"Lượcsửthờigian"đượcviếtxongnăm1987.Ngaytừkhirađời,nóđãtrởthànhmộttrongnhữngcuốnsáchbánchạynhấtthếgiới."Lượcsửthờigian"đứng trongdanhmục sáchbánchạynhất củaNewYorkTimestrong53tuần,vàtạinướcAnh,205tuầnliềnnócótêntrongmụcsáchbánchạynhấtcủaSundayTimes.ChínhStephenHawkingcũngphảikinhngạc.Từ trướcđếnnay, chưacómột cuốn sáchkhoahọcnàođượccôngchúngđónnhậnnồngnhiệtnhưvậy(tuyrằngnhiềungườinói,họmuanóchỉđểbàyởtủsáchchứkhôngthựcsựđọc.Vềđiểmnày,cuốnsáchcủaHawkingcũng có số phận tương tự như Kinh Thánh hoặc các vở kịch củaShakespeare).

Bằngmộtlốitrìnhbàysángsủa,giọngvănhàihước,hơinhuốmmàubiquan,StephenHawkingđãdẫndắtngườiđọcphiêulưusuốtlịchsửvũtrụ,từkhinócònlàmộtđiểmkỳdịvớinănglượngvôcùnglớn,chotớingàynay.CuộctìmkiếmcủaHawkinggiúpngườiđọckhámpháhếtbímậtnàyđếnbímậtkhác.Đôikhiôngdụđộcgiảvàonhữngngộnhậntưởngnhưrấtcólý,rồilạibấtngờchỉrasựphilýtrongcáchnghĩ,đểrồiphávỡmọingộnhận.Cuốnsáchđềcậpđếnnhữngvấnđềnghiêmtrọngvàhócbúanhấtcủavậtlýlýthuyết,nhưvụnổlớn,lỗđen,không-thờigian,thuyếttươngđối,nguyên lý bất định...màkhônghề làmbạn đọc bị rối.Bản tiếngViệtmàchúngtôigiớithiệuvớicácbạnsauđâyđượcdịchbởiCaoChivàPhạmVănThiều,nhàxuấtbảnVănhóaThôngtin,HàNội,2000.MinhHy

Lời giới thiệu của nhà xuất bản BantamBooks

Chúng ta đang sống cuộc sống hàng ngày của chúng ta mà hầu nhưkhônghiểuđượcthếgiớixungquanh.Chúngtacũngítkhisuyngẫmvềcơchếđãtạoraánhsángmặttrời-mộtyếutốquantrọnggópphầntạonênsựsống,vềhấpdẫn - cái chất keođãkết dính chúng tavào trái đất,mànếukhác đi chúng ta sẽ xoay tít và trôi dạt vào không gian vũ trụ, về nhữngnguyêntửđãcấutạonêntấtcảchúngta-màchúngtahoàntoànlệthuộcvàosựbềnvữngcủachúng.Chỉtrừcótrẻem(vìchúngcònbiếtquáítđểkhôngngầnngạiđặt ranhữngcâuhỏiquantrọng)cònítai trongchúngtatốnthờigianđểbănkhoăntạisaotựnhiênlạinhưthếnàymàkhôngnhưthếkhác,vũtrụrađời từđâu,hoặcnócómãimãinhưthếnàykhông, liệucómộtngàynàođóthờigiansẽtrôigiậtlùi,hậuquảcótrướcnguyênnhânhaykhông; hoặc có giới hạn cuối cùng cho sự hiểu biết của con người haykhông?Thậmchícónhữngđứatrẻcon,màtôicógặpmộtsố,muốnbiếtlỗđenlàcáigì;cáigìlàhạtvậtchấtnhỏbénhất,tạisaochúngtachỉnhớquákhứmàkhôngnhớtươnglai;vànếulúcbắtđầulàhỗnloạnthìlàmthếnàocósựtrậttựnhưtathấyhômnay,vàtạisaolạicóvũtrụ.

Trongxãhộicủachúng ta,cácbậcphụhuynhcũngnhưcác thầygiáovẫncònthóiquentrảlờinhữngcâuhỏiđóbằngcáchnhúnvaihoặcviệnđếncác giáo lýmơ hồ.Một số giáo lý ấy lại hoàn toàn không thích hợp vớinhữngvấnđềvừanêuởtrên,bởivìchúngphơibàyquárõnhữnghạnchếcủasựhiểubiếtcủaconngười.

Nhưngrấtnhiềumôntriếthọcvàkhoahọc lại rađời từnhữngcâu lụcvấnnhưvậy.Ngàycàngcónhiềungườilớncũngmuốnđặtnhữngcâuhỏithuộcloạiđóvàthithoảnghọđãnhậnđượcnhữngcâutrảlờikhálạlùng.Nằmtrunggiangiữacácnguyên tửvàcácvì sao,chúng tađangmởrộngchân trờikhámphácủachúng ta,nhằmbaoquátcảnhữngcái rấtnhỏ lẫnnhữngcáirấtlớn.Mùaxuânnăm1974,khoảng2nămtrướckhicontàuvũtrụVikinghạcánhxuốngsaoHỏa,tôicóthamdựmộtcuộchọptổchứcởAnh,doHộiHoànggiaLondontàitrợ,bànvềvấnđềlàmthếnàotìmkiếmsựsốngngoàiTráiđất.Vàogiờgiải lao, tôi thấymộtcuộchọplớnhơnnhiềuđượctổchứcởphòngbêncạnhvàvì tòmòtôibướcvàoxem.Thìra tôiđangchứngkiếnmộtnghilễcổkính,lễkếtnạphộiviênmớicủaHộiHoànggiaLondon,mộttrongnhữngtổchứchọcthuậtlâuđờinhấtcủahànhtinhchúngta.Ởhàngtrêncùng,mộtthanhniênngồitrongxeđẩyđangrấtchậmrãikýtênmình

vàocuốnsổmàởnhữngtrangđầutiêncủanócòngiữđượcchữkýcủaIsaacNewton.KhiStephenHawking,cuốicùngđãkýxongtênmình,nhữngtrànghoanhônhưsấmnổilên,ngaytừlúcđóôngđãlàcảmộthuyềnthoại.

Hiệnnay,HawkinglàgiáosưtoánhọccủatrườngĐạihọcCambridge,với cương vị mà trước đây Newton, rồi sau này P.A.M Dirac - hai nhànghiên cứu nổi tiếng về những cái cực lớn và những cái cực nhỏ - đảmnhiệm.Hawkinglàngườikếtụchếtsứcxứngđángcủahọ.CuốnsáchđầutiêncủaHawkingdànhchonhữngngườikhôngphải làchuyêngianàycóthểxem làmộtphần thưởngvềnhiềumặt chocôngchúngkhôngchuyên.Cuốn sách hấp dẫn vừa bởi nội dung phong phú của nó, vừa bởi nó chochúng tamột cái nhìn khái quát qua những công trình của chính tác giả.Cuốnsáchchứađụngnhữngkhámphátrênnhữngranhgiớicủavậtlýhọc,thiênvănhọc,vũtrụhọcvàcủacảlòngdũngcảmnữa.

ĐâycũnglàcuốnsáchvềThượngđế...hayđúnghơnlàvềsựkhông-có-mặt-của-Thượng-đế. Chữ Thượng đế xuất hiện trên nhiều trang của cuốnsáchnày.HawkingđãdấnthânđitìmcâutrảlờichocâuhỏinổitiếngcủaEinstein:LiệuThượngđếcósựlựachọnnàotrongviệctạoravũtrụnàyhaykhông?Hawkingđãnhiều lần tuyênbốmộtcáchcôngkhai rằngôngcóýđịnhtìmhiểuýnghĩacủaThượngđế.Vàtừnỗlựcđó,ôngđãrútrakếtluậnbấtngờnhất, ítnhất làchođếnhiệnnay,đólàvũtrụkhôngcóbiêntrongkhônggian,khôngcóbắtđầuvàkếtthúctrongthờigianvàchẳngcóviệcgìchoĐấngsángthếphảilàmởđâycả.PeterGuzzardi

LờicảmơncủaStephenHawkingLờicảmơnsauđâyđượcintronglầnxuấtbảnđầutiêncủacuốn"Lượcsửthờigian",nhàxuấtbảnBatamBooks,1987.

Tôiđãquyếtđịnh thửviếtmột cuốn sáchphổ thôngvềkhônggianvàthờigian saukhiđãđọcmột loạtbàigiảngởĐạihọcHarvardnăm1982.Trướcđó,cũngđãcókhánhiềucuốnsáchviếtvềgiaiđoạnđầucủavũtrụvàcác lỗ đen, từ những cuốn sách rất hay như cuốn “Ba phút đầu tiên” củaStevenWeinberg (Bảndịch tiếngViệt củaNhàxuất bảnKhoahọcvàKỹthuật ra mắt năm 1982 - VnExpress), cho tới những cuốn rất tồi mà tôikhôngmuốnnhắctênởđây.Tuynhiên, tôicảmthấychưacócuốnnàođềcậpđếnnhữngvấnđềđãdẫntôiđinghiêncứuvũtrụhọcvàlýthuyếtlượngtửnhư:Vũtrụrađờitừđâu?Nóbắtđầunhưthếnàovàtạisaolạinhưvậy?Nócókết thúckhông,vànếucóthìsẽkết thúcnhưthếnào?Đólànhữngvấnđềmàtấtcảchúngtađềuquantâm.Nhưngkhoahọchiệnđạiđãtrởnênchuyênsâu tớimứcchỉcómột số ít chuyêngianắmvữngnhữngcôngcụtoánhọcđượcdùngđểmôtảchúngmớicóthểhiểuđượcchúng.Tuynhiên,nhữngýtưởngcơbảnvềnguồngốcvàsốphậncủavũtrụvẫncóthểtrìnhbàydướidạngphổthôngchonhữngngườikhôngthuộcgiớikhoahọccũngcó thểhiểuđượcmàkhôngcần tới toánhọc.Đó làmục tiêumà tôimuốnthựchiệntrongcuốnsáchnày.Mụctiêuđócóđạtđượchaykhông,xinđểbạnđọcphánxét.

Có ai đónói với tôi rằng,mỗimột phương trìnhmà tôi đưavào cuốnsáchsẽ làmgiảmsố lượngbánđimộtnửa.Dođó, tôiquyếtđịnhsẽhoàntoànkhôngdùngđếnmộtphươngtrìnhnào.Tuynhiên,cuốicùngtôicũngđành phải đưa vào một phương trình, đó là phương trình nổi tiếng củaEinsteinE=mc2.Tôihyvọngnósẽkhônglàmchomộtsốbạnđọctiềmtàngcủatôiphảihoảngsợ.

Ngoại trừ căn bệnhALS (bệnh liệt toàn thân), hay bệnh về thần kinhchuyểnđộng,ởhầuhếtcácphươngdiệnkhác, tôi làmộtngườimaymắn.Nhờ sự giúp đỡ và hỗ trợ của Jane, vợ tôi và các con Robert, Lucy vàTimmymàtôicóthểsốnggầnnhưbìnhthườngvàcómộtsựnghiệpthànhcông.Tôicònmaymắnởmộtđiểmnữalàtôiđãchọnvậtlýlýthuyết,vìtấtcảchỉđượclàmtrongtríóc.Dođóbệnhtậtcủatôikhôngphảilàmộtsựtànphếquánghiêmtrọng.Tấtnhiên,nhữngđồngnghiệpcũngđãgiúpđỡtôirấtnhiều.

Tronggiaiđoạnđầutiên,giaiđoạn“cổđiển”củaconđườngsựnghiệp,nhữngngườibạnvàcộngsựchínhcủatôilàRogerPenrose,RobertGeroch,BrandonCartervàGeorgeElis.Tôirấtbiếtơnsựgiúpđỡmàhọđãdànhchotôi,vàvềcôngviệcmàchúngtôicùngtiếnhànhvớinhau.Giaiđoạnnàyđã

được đúc kết thành cuốn sách “Cấu trúc ở thang vĩmô của không - thờigian”doElisvàtôiviếtnăm1973.Tôikhôngcóýđịnhkhuyênđộcgiảtìmđọccuốnsáchđóđểlấythêmthôngtin,bởivìnóquáchuyênsâuvàtươngđốikhóđọc.Tôihyvọngrằngtừkhiviếtcuốnsáchđóđếnnay,tôiđãhọcđượccáchviếtsaochodễhiểuhơn.

Tronggiaiđoạnthứhai,giaiđoạn“lượngtử”củaconđườngsựnghiệpcủatôi,từnăm1974,cáccộngsựchínhcủatôilàGary,Gibsons,DonPagevàJimHartle.Tôiphảimangơnhọvàcácnghiêncứusinhcủatôirấtnhiềuvìsựgiúpđỡtolớncủahọđốivớitôi.Sựtiếpxúcvớisinhviênluônkíchthích tôi mạnhmẽ, và tôi hy vọng nó đã giúp tôi tránh được những conđườngmòn.

Khiviếtcuốnsáchnày,tôiđãnhậnđượcsựgiúpđỡlớncủaBrianWhitt,mộtsinhviêncủatôi.Tôibịsưngphổinăm1985,saukhiđãviếtsongbảnthảođầutiên.Tôiđãphảiphẫuthuậtmởkhíquản.Sauphẫuthuật,tôimấtkhảnăngphátâm,vàdođó,hầunhưkhôngcònkhảnănggiaotiếpnữa.Tôinghĩsẽkhôngthểhoànthànhđượccuốnsách.NhưngBriankhôngchỉgiúptôisửalạibảnthảomàcòngiúptôisửdụngchươngtrìnhgiaotiếpcótênlàLiving Center do Walt Woltosz thuộc World Plus Inc. ở Sunnyvale,California tặngcho tôi.Vớichương trìnhđó, tôivừacó thểviết sáchbáo,vừa có thể giao tiếp vớimọi người bằngmộtmáy tổng hợp tiếng nói doSpeechPlus,cũngởSunnyvale,California,tặngchotôi.Máytổnghợptiếngnóiđóvàmộtmáyvi tínhđượcDavidMansonlắpngaytrênchiếcxeđẩycủa tôi.Hệ thốngnàyđã làmđượcmộtchuyệnhoàn toànbấtngờ: thực tếbâygiờtôicóthểgiaotiếpcòntốthơnsovớikhitôichưabịmấttiếngnói.

Tôi cũng đã nhận được nhiều đề nghị hoàn thiện cuốn sách từ nhiềungườiđãxembảnthảosơbộcủanó.Đặcbiệt,ôngPeterGuzzardi,biêntậpviên của tôi ở nhà xuất bảnBantamBooks đã gửi cho tôi rất nhiều trangnhậnxét vàyêu cầuvềnhữngđiểmông cảm thấy tôi giải thích chưa thậtthỏađánglắm.Tôicũngphảithúnhậnrằngtôiđãcảmthấyrấtbựcmìnhkhinhậnđượcnhữngbản liệtkêdàigồmnhữngđiềucầnphảisửađổi,nhưngôngđãhoàntoàncólý.Tôitinchắcrằngcuốnsáchsởdĩhayhơnchínhlàdoôngđãbắttôiphảilàmviệccậnlực.

Tôicũngrấtcảmơnnhữngtrợtácủatôi:ColinWilliams,DavidThomasvàRaymondLaflamme;cácthưkýJudyFella,AnnRalph,CherylBillingtonvà SueMasey; cũng như đội ngũ các hộ lý của tôi. Cuốn sách này cũngkhôngthểrađờinếukhôngcósợhỗtrợchochonghiêncứuvàchiphíytếcủatôitừTrườngGonvillevàCaius,từHộiđồngnghiêncứukhoahọcvàkỹthuật,cũngnhưcácQuỹLeverhulme,McArthur,NuffieldvàRalphSmith.Tôixintỏlòngbiếtơnđốivớicáccơquanđó.StephenHawkingNgày20tháng10năm1987

Chương1:Bức tranhcủachúng tavềvũtrụ

Mộtnhàkhoahọcnổitiếng(hìnhnhưlàBertrandRussell)mộtlầnđọctrước công chúngmột bài giảng vềThiên văn học.Ông đãmô tả trái đấtquayquanhmặttrờinhưthếnàovàđếnlượtmình,mặttrờilạiquayquanhtâmcủamộtquầnthểkhổnglồcácvìsao-màngườitagọilàthiênhà-rasao.Khibàigiảngkếtthúc,mộtbàgiànhỏbéngồiởcuốiphòngđứngdậyvànói:“Anhnóivớichúngtôichuyệnnhảmnhígìvậy?Thếgiớithựctếchỉlàmộtcáiđĩaphẳngtựatrênlưngmộtconrùakhổnglồmàthôi”.Nhàkhoahọcmỉmmộtnụcườihạcố trướckhi trả lời: “Thếcon rùaấy tựa lêncáigì?”.“Anhthôngminhlắm,anhbạntrẻạ,anhrấtthôngminh”,bàgiànói,“nhưngnhữngconrùacứxếpchồnglênnhaumãixuốngdưới,chứcònsaonữa”.

Nhiềungườichắcthấyrằngbứctranhvềvũtrụcủachúngtanhưmộtcáithangvô tậngồmnhững con rùa chồng lênnhau là chuyệnkhánực cười,nhưng tại saochúng ta lạinghĩ rằngchúng tahiểubiếthơnbàgiànhỏbékia?Chúngtađãbiếtgìvềvũtrụvàbằngcáchnàochúngtabiếtvềnó?Vũtrụtớitừđâuvànósẽđivềđâu?Vũtrụcóđiểmbắtđầukhôngvànếucóthìđiềugìxảyratrướcđó?Bảnchấtcủathờigianlàgì?Nócóđiểmtậncùngkhông?Nhữngđộtphámớiđâytrongvậtlýhọcmộtphầnnhờnhữngcôngnghệmớituyệtxảo-đãđưaracâutrảlờichomộtsốcâuhỏitồntạidaidẳngtừxaxưavừanêuởtrên.Mộtngàynàođó,rấtcóthểnhữngcâutrảlờinàysẽtrởnênhiểnnhiênđốivớichúngtanhưchuyệntráiđấtquayxungquanhmặttrờihoặccũngcóthểtrởnênnựccườinhưchuyệnthápnhữngconrùa.Chỉcóthờigian(dùchocóthếnàođinữa)mớicóthểphánquyết.

Từrấtxaxưa,khoảngnăm340trướccôngnguyên,nhàtriếthọcHyLạpAristotle,trongcuốnsáchcủaôngnhanđề“VềBầutrời”,đãđưarahailuậnchứngsánggiáchứngminhrằngtráiđấtcóhìnhcầuchứkhôngphảilàcáiđĩaphẳng.Thứnhất,ôngthấyrằnghiệntượngnguyệtthựclàdotráiđấtxenvàogiữamặttrờivàmặttrăng.Màbóngcủatráiđấtlênmặttrăngluônluônlàtròn,điềunàychỉđúngnếutráiđấtcódạngcầu.Nếutráiđấtlàmộtcáiđĩaphẳngthìbóngcủanóphảidẹtnhưhìnhelip,nếutrongthờigiancónguyệtthựcmặttrờikhôngluônluônởngaydướitâmcủacáiđĩađó.Thứhai, từnhữngchuyếnduhànhcủamình,ngườiHyLạpbiếtrằngsaoBắcđẩunhìnởphươngnamdườngnhưthấphơnkhinhìnởnhữngvùngphươngbắc!(BởivìsaoBắcđẩunằmngaytrêncựcbắc,nênnódườngnhưởngaytrênđầungườiquansátởBắccực,trongkhiđóđốivớingườiquansátởxíchđạo,nó

dườngnhưnằmngaytrênđườngchântrời).TừsựsaikhácvềvịtríbiểukiếncủasaoBắcđẩuởAiCậpsovớiởHy

Lạp,Aristotle thậm chí còn đưa ramột đánh giá về chiều dài con đườngvòngquanh tráiđất là400.000 stadia.Hiệnnay takhôngbiết chínhxác1stadia dài bao nhiêu, nhưng rất có thể nó bằng khoảng 200 thướcAnh (1thướcAnhbằng0,914mét).Nhưvậy,ướclượngcủaAristotlelớngầngấp2lầnconsốđượcchấpnhậnhiệnnay.NhữngngườiHyLạpthậmchícònđưaramộtluậnchứngthứ3chứngtỏrằngtráiđấttrònbởivìnếukhôngthìtạisaokhinhìnrabiển,cáiđầutiênmàngườitanhìnthấylàcộtbuồmvàchỉsauđómớinhìnthấythâncontàu?

Aristotlenghĩ rằng tráiđấtđứngyêncònmặt trời,mặt trăng,cáchànhtinh và những ngôi sao chuyển động xung quanh nó theo những quỹ đạotròn.Ôngtinvàođiềuđóbởivìôngcảmthấy-donhữngnguyênnhânbíẩnnào đó - rằng trái đất là trung tâm của vũ trụ, rằng chuyển động tròn làchuyểnđộnghoànthiệnnhất.ÝtưởngnàyđãđượcPtolemypháttriểnthànhmộtmôhìnhvũtrụhoànchỉnhvàothếkỷthứ2sauCôngnguyên.Theomôhìnhnày thì tráiđấtđứngở tâmvàbaoquanhnó là8mặtcầu tươngứngmangmặttrăng,mặttrời,cácngôisaovà5hànhtinhđãbiếtvàothờigianđó:saoThủy,saoKim,saoHỏa,saoMộcvàsaoThổ(Hình1.1).

Chínhcáchànhtinhlạiphảichuyểnđộngtrênnhữngvòngtrònnhỏhơngắnvớicácmặtcầutươngứngcủachúngđểphùhợpvớiđườngđiquansátđượctươngđốiphứctạpcủachúngtrênbầutrời.Mặtcầungoàicùngmangcácthiênthểđượcgọilàcácngôisaocốđịnh,chúngluônluônởnhữngvịtrícốđịnhđốivớinhau,nhưnglạicùngnhauquayngangquabầutrời.Bênngoàimặtcầucuốicùngđólàcáigìthìmôhìnhđókhôngbaogiờnóimộtcách rõ ràng, nhưngchắc chắnnó cho rằngđó làphần củavũ trụmàconngườikhôngthểquansátđược.

MôhìnhcủaPtolemyđãtạorađượcmộthệthốngtươngđốichínhxácđểtiênđoánvịtrícủacácthiênthểtrênbầutrời.Nhưngđểtiênđoánnhữngvị tríđómộtcáchhoàn toànchínhxác,Ptolemyđãphảiđưa ragiả thuyếtrằngmặttrăngchuyểnđộngtheomộtquỹđạođôikhiđưanótớigầntráiđấttới2 lầnnhỏhơnsovớiởnhữngthờiđiểmkhác.Ptolemyđànhphảichấpnhậnđiểmyếuđó,nhưngdẫusaovềđạithể,làcóthểchấpnhậnđược.MôhìnhnàyđãđượcnhàthờThiênchúagiáochuẩnynhưmộtbứctranhvềvũtrụphùhợpvớiKinhThánh,bởivìnócómộtưuđiểmrấtlớnlàđểdànhkhánhiều chỗ ở ngoàimặt cầu cuối cùng của các ngôi sao cố định cho thiênđườngvàđịangục.

Tuynhiên,mộtmôhình đơngiản hơnđã đượcmộtmục sư ngườiBaLan,tênlàNicholasCopernicusđềxuấtvàonăm1554.(Thoạtđầu,cólẽvìsợnhàthờquylàdịgiáo,Copernicusđãcholưuhànhmôhìnhcủamìnhnhưmộttácphẩmkhuyếtdanh).Ýtưởngcủaônglàmặttrờiđứngyên,còntrái

đấtvànhữnghành tinhchuyểnđộng theonhữngquỹđạo trònxungquanhmặt trời. Phảimất gầnmột thế kỷ, ý tưởng nàymới được chấp nhậnmộtcáchthựcsự.Hainhàthiênvăn-mộtngườiĐứctênlàJohannesKeplervàmột người Italy tên làGalileoGalilei - đã bắt đầu công khai ủng hộ họcthuyếtCopernicus,mặcdùnhữngquỹđạomànó tiênđoán chưa ănkhớphoàntoànvớinhữngquỹđạoquansátđược.Vàvàonăm1609mộtđònchímạngđãgiángxuốnghọcthuyếtAristotle-Ptolemy.Vàonămđó,Galileobắtđầuquansátbầutrờibằngchiếckínhthiênvăncủaôngvừaphátminhra.KhiquansátsaoMộc,Galileothấyrằngkèmtheonócòncómộtsốvệtinhhaynóicáchkhác lànhữngmặt trăngquayxungquanhnó.Điềunàyngụýrằngkhôngphảimọithiênhàđềunhấtthiếtphảitrựctiếpquayxungquanhtráiđất,nhưAristotlevàPtolemyđãnghĩ. (Tấtnhiênvẫncóthể tinrằngtráiđấtđứngyênởtrungtâmcủavũtrụvàcácmặttrăngcủasaoMộcchuyểnđộngtheonhữngquỹđạocựckỳphứctạpkhiếntacócảmtưởngnhưnóquayquanhsaoMộc.TuynhiênhọcthuyếtcủaCopernicusđơngiảnhơnnhiều).Cùngthờigianđó,KeplerđãcảitiếnhọcthuyếtcủaCopernicusbằngcáchđưa ragiả thuyết rằngcáchành tinhkhôngchuyểnđộng theođườngtrònmàtheođườngelip.Vànhữngtiênđoánbấygiờhoàntoànănkhớpvớiquansát.

ĐốivớiKepler,cácquỹđạoelipđơngiảnchỉlàmộtgiảthuyếttiệnlợivàchínhthếnócàngkhóchấpnhậnbởivìcáceliprõrànglàkémhoànthiệnhơncácvòngtròn.Khipháthiệnthấygầnnhưmộtcáchngẫunhiênrằngcácquỹđạoeliprấtănkhớpvớiquansát,Keplerkhôngsaodunghòađượcnóvớiýtưởngcủaôngchorằngcáchànhtinhquayquanhmặttrời làdocáclựctừ.Điềunàyphảimãi tớisaunày,vàonăm1867,mớigiải thíchđược,khi Isaac Newton công bố tác phẩm Philosophiae Naturalis PrincipiaMathematica(Nhữngnguyênlýtoánhọccủatriếthọctựnhiên)củaông.Cólẽđâylàcôngtrìnhvậtlýhọcquantrọngbậcnhấtđãđượcxuấtbảntừtrướcđếnnay.Trongcôngtrìnhnày,Newtonkhôngchỉđưaramộtlýthuyếtmôtảsựchuyểnđộngcủacácvậttrongkhônggianvàthờigian,màôngcònpháttriểnmộtcôngcụtoánhọcphứctạpdùngđểphântíchcácchuyểnđộngđó.Hơnthếnữa,Newtoncònđưaramộtđịnhluậtvềhấpdẫnvũtrụmàtheođómỗimộtvậttrongvũtrụđềuđượchútbởimộtvậtkhácbằngmộtlựccàngmạnhnếuhaivậtcàngnặngvàcàngởgầnnhau.Chínhlựcnàyđãbuộccácvậtphảirơixuốngđất.(Câuchuyệnkểrằng,docóquảtáorơitrúngđầumàNewtonđãcảmhứngphátminhrađịnhluậthấpdẫnvũtrụchắcchắnchỉlàchuyệnthêudệt.TấtcảnhữngđiềumàNewtonnóirachỉlà:ýtưởngvềhấpdẫnđếnvớiôngkhiđangngồiở“trạng tháichiêmnghiệm”và“đượcnảysinhbởisựrơicủaquảtáo”).Newtonđãchỉrarằngtheođịnhluậtcủaông,lựchấpdẫnsẽlàmchomặttrăngchuyểnđộngtheoquỹđạoelipxungquanhtráiđấtvàcáchànhtinhchuyểnđộngtheoquỹđạoelipxungquanhmặttrời.

MôhìnhCopernicusđãvứtbỏnhữngthiêncầucủaPtolemyvàcùngvớichúng vứt bỏ luôn ý tưởng cho rằng vũ trụ cómột biên giới tự nhiên.Vì“nhữngngôisaocốđịnh”dườngnhưkhôngthayđổivịtrícủachúngtrừsựquayxungquanhbầutrờidotráiđấtquayxungquanhtrụccủanó,nênsẽlàhoàntoàntựnhiênnếugiảthiếtrằngcácngôisaocốđịnhlànhữngthiênthểgiốngnhưmặt trờicủachúngta,nhưngởxahơnrấtnhiều.Căncứvàolýthuyếthấpdẫncủamình,Newtonthấyrằngdocácngôisaohútnhaunênvềcănbảnchúngkhôngthểlàđứngyênđược.Vậyliệuchúngcócùngrơivàomộtđiểmnàođókhông?Trongbứcthưviếtnăm1691gửiRichardBentley,cũnglàmộtnhàtưtưởnglỗilạcthờiđó,Newtonđãchứngtỏrằngđiềuđóthựctếcóthểxảyranếuchỉcómộtsốhữuhạncácngôisaođượcphânbốtrongmộtvùnghữuhạncủakhônggian.Nhưngmặtkhác,ôngcũngchỉrarằngnếucómộtsốvôhạncácngôisaođượcphânbốtươngđốiđồngđềutrongkhônggianvôtậnthìđiềuđókhôngthểxảyrađược,bởivìkhiđósẽkhôngcóđiểmnào là trung tâmđểchochúngrơivào.Luậnchứngnày làmộtvídụvềnhữngcáibẫymàtacóthểgặpkhinóivềsựvôhạn.Trongvũtrụ vô hạn,mỗimột điểmđều có thể được xem làmột tâm, bởimỗimộtđiểmđềucómộtsốvôhạncácngôisaoởmỗiphíacủanó.Cáchtiếpcậnđúngđắn-màđiềunàyphảimãisaunàymớicó-phảilàxemxétmộttìnhtrạnghữuhạntrongđótấtcảcácngôisaosẽrơivàonhauvàsauđóđặtcâuhỏitìnhhìnhsẽthayđổinhưthếnàonếutathêmvàomộtsốngôisaonữađượcphânbốgầnnhưđồngđềuởngoàivùngđangxét.TheođịnhluậtcủaNewtonthìvềtrungbình,nhữngngôisaomớithêmvàonàycũnghoàntoànkhônglàmđượcđiềugìkhácvớinhữngngôisaobanđầu,tứclàchúngcũngrơi nhanh như vậy. Chúng ta có thể thêm vào bao nhiêu ngôi sao tùy ý,nhưngchúngcũngsẽrơisậpvàonhau.Bâygiờthìchúngtahiểurằngkhôngthểcómộtmôhìnhtĩnhvôhạncủavũtrụtrongđóhấpdẫnluônlàlựchút.

Đâylàsựphảnánhlýthúvềbầukhôngkhítưtưởngchungcủamộtgiaiđoạn trước thếkỷhaimươi, trongđókhôngmột ainghĩ rằngvũ trụđanggiãnnởhoặcđangcolại.Mọingườiđềuthừanhậnrằnghoặcvũtrụtồntạivĩnh cửu trong trạng thái không thay đổi, hoặc nó được tạo ra ởmột thờiđiểmhữuhạntrongquákhứđãgầngiốngchúngtaquansátthấyhiệnnay.Điềunày có thểmột phần là do thiênhướng của conngườimuốn tin vàonhữngsựthậtvĩnhcửucũngnhưsựtiệnlợimàhọtìmthấytrongýnghĩrằngvũtrụlàvĩnhcửuvàkhôngthayđổi,mặcdùngaybảnthânhọcũngcóthểgiàđivàchết.Thậm chí ngay cả những người thấy rằng lý thuyết hấp dẫn của Newtonchứngtỏvũtrụkhôngthểlàtĩnh,cũngkhôngnghĩtớichuyệnchorằngnócóthểđanggiãnnở.Thayvìthế,họlạicóýđịnhcảibiếnlýthuyếtnàybằngcách làmcho lựchấpdẫn trở thành lựcđẩyởnhữngkhoảngcách rất lớn.Điềunàykhôngảnhhưởngđángkểđếnnhữngtiênđoáncủahọvềchuyển

độngcủacáchànhtinh,nhưnglạichophépmộtsựdàntrảivôhạncủacácngôi saocònở trạng thái cânbằng:những lựchút củacácngôi saoởgầnnhausẽđượccânbằngbởilựcđẩytừcácngôisaoởrấtxa.Tuynhiên,ngàynaychúngtabiếtchắcchắnrằng,sựcânbằngđólàkhôngbền:nếunhữngngôisaoởmộtvùngnàođóchỉcầnxích lạigầnnhaumộtchút là lựchútgiữachúngsẽmạnhhơnvàlấnátlựcđẩy,vàthếlàcácngôisaosẽtiếptụccolạivàonhau.Mặtkhác,nếunhữngngôisaodịchraxanhaumộtchútlàlựcđẩysẽlạilấnát,vàcácngôisaosẽchuyểnđộngraxanhau.

MộtphảnbácnữađốivớimôhìnhvũtrụtĩnhvôhạnthườngđượcxemlàcủanhàtriếthọcngườiĐứcHeinrichOlbers,ngườiviếtvềlýthuyếtnàyvàonăm1823.ThựctếthìrấtnhiềungườiđươngthờicủaNewtonđãnêuravấnđềnày,vàbàibáocủaOlbersthậmchícũngkhôngphảilàbàiđầutiênchứađựngnhữnglý lẽhợp lýchống lạinó.Tuynhiên,đây làbàibáođầutiênđượcnhiềungườichúý.Khókhănlàởchỗtrongmộtvũtrụtĩnhvôhạnthìgầnnhưmỗimộtđườngngắmđềukếtthúctrênbềmặtcủamộtngôisao.Nhưthếthìtoànbộbầutrờisẽphảisángchóinhưmặttrời,thậmchícảbanđêm.LýlẽphảnbáccủaOlberschorằngánhsángtừcácngôisaoxasẽbịmờnhạtđidosựhấpthụcủavậtchấtxengiữacácngôisao.Tuynhiên,dùchođiềuđócóxảyrađinữathìvậtchấtxengiữacuốicùngsẽnónglên,chođếnkhinócũngphátsángnhưnhữngngôisao.Conđườngduynhất tránhđượckếtluậnchorằngtoànbộbầutrờiđêmcũngsángchóinhưbềmặtcủamặttrời làphảigiảthiếtrằng,cácngôisaokhôngphátsángvĩnhviễn,màchỉbậtsángởmộtthờiđiểmhữuhạnnàođótrongquákhứ.Trongtrườnghợphợpđó,vậtchấthấpthụcònchưathểđủnóng,hayánhsángtừcácngôisaoxachưakịptớichúngta.Vàđiềunàylạiđặtrachochúngtamộtcâuhỏi:cáigìđãlàmchocácngôisaobậtsángđầutiên?

Sựbắtđầucủavũtrụ,tấtnhiên,đãđượcngườitathảoluậntừtrướcđórấtlâu.Theomộtsốlýthuyếtvềvũtrụcótừxaxưa,vàtheotruyềnthốngcủangườiDoTháigiáo/ThiênChúagiáo/Hồigiáo,thìvũtrụbắtđầucótừmột thời điểm hữu hạn nhưng chưa thật quá xa trong quá khứ.Một lý lẽchứng tỏ có sự bắt đầu đó là cảmgiác cần phải có cái “nguyênnhânđầutiên”đểgiải thích sự tồn tại củavũ trụ. (Trongvũ trụ, bạn luôn luôngiảithíchmộtsựkiệnnhưlàđượcgâyrabởimộtsựkiệnkhácxảyratrướcđó,nhưngsựtồntạicủachínhbảnthânvũtrụchỉcóthểđượcgiải thíchbằngcáchđó,nếunócósựbắtđầu).MộtlýlẽnữadoSt.AugustineđưaratrongcuốnsáchcủaôngnhanđềThànhphốcủaChúa.Ôngchỉrarằng,nềnvănminhcònđang tiếnbộ,và chúng tanhớđượcai làngườiđã thựchiệnkỳcôngnàyhoặcaiđãpháttriểnkỹthuậtkia.Nhưvậy,conngườivàcólẽcảvũtrụnữađềuchưathểđượctrảinghiệmđượcquálâudài.Vàđãthừanhậnngàyrađờicủavũtrụvàokhoảng5.000nămtrướcCôngnguyên,phùhợpvới sáchChúasáng tạo ra thếgiới (phầnSáng thếkýcủaKinhCựuước).

(Điều lý thú là thờiđiểmđókhôngquáxa thờiđiểmkết thúccủa thờikỳbănghàcuối cùng,khoảng10.000năm trướcCôngnguyên, thờiđiểmmàcácnhàkhảocổnóivớichúngtarằngnềnvănminhmớithựcbắtđầu).

Mặtkhác,AristotlevàcáctriếtgiaHyLạpkháclạikhôngthíchýtưởngvềsựSángthếvìnódínhlíuquánhiềutớisựcanthiệpcủathầnthánh.Dođóhọtinrằngloàingườivàthếgiớixungquanhđãtồntạivàsẽcòntồntạimãimãi.Nhữngngườicổđạiđãxemxétlýlẽnêuởtrênvềsựtiếnbộvàhọgiảiđápnhưsau:đãcónhiềunạnhồng thuỷhoặccác taihọakhácxảy ramộtcáchđịnhkỳđưaloàingườitụtlạiđiểmbắtđầucủanềnvănminh.

Nhữngvấnđề:vũtrụcóđiểmbắtđầutrongthờigianvàcóbịgiớihạntrongkhônggianhaykhôngsaunàyđãđượcnhàtriếthọcImmannuelKantxemxétmột cáchbaoquát trongcuốnPhêphán sự suy lý thuần tuý,mộtcôngtrìnhvĩđại(vàrất tốinghĩa)củaông,đượcxuấtbảnnăm1781.Ônggọinhữngcâuhỏiđólàsựmâuthuẫncủasuylýthuầntuý,bởivìôngcảmthấycónhữnglýlẽvớisứcthuyếtphụcnhưnhauđểtinvàoluậnđềchorằngvũtrụcóđiểmbắtđầu,cũngnhưvàophảnđềchorằngvũtrụđãtồntạimãimãi.Lýlẽcủaôngbênhvựcluậnđềlà:nếuvũtrụkhôngcóđiểmbắtđầuthìtrướcbấtkỳmộtsựkiệnnàocũngcómộtkhoảngthờigianvôhạn,điềunàyôngcholàvôlý!Lýlẽcủaôngbảovệphảnđềlà:nếuvũtrụcóđiểmbắtđầu,thìsẽcómộtkhoảngthờigianvôhạntrướcnó,vậythìtạisaovũtrụlạibắtđầuởmột thờiđiểmnàođó?Sựthật thìnhữngtrườnghợpôngđưarachocảluậnđềvàphảnđềđềuchỉlàmộtlýlẽmàthôi.Cảhaiđềudựatrênmộtgiảthiếtkhôngnóirõrachorằngthờigianlùivôtậnvềphíasaubấtkểvũ trụ có tồn tạimãimãi hay không.Như chúng ta sẽ thấy sau này, kháiniệmthờigianmấtýnghĩatrướcthờiđiểmbắtđầucủavũtrụ.St.Augustinelàngườiđầutiênđãchỉrađiềuđó.Khiđượchỏi:ChúađãlàmgìtrướckhiNgườisángtạorathếgiới?Ôngkhôngđáp:NgườiđangtạoraĐịangụcchonhữngkẻđặtnhữngcâuhỏinhưvậy.Thayvìthế,ôngnóirằngthờigianlàmộttínhchấtcủavũtrụmàChúađãtạoravàthờigiankhôngtồntạitrướckhivũtrụbắtđầu.

Khimàsốđôngtinrằngvũtrụvềcănbảnlàtĩnhvàkhôngthayđổithìcâuhỏinócóđiểmbắtđầuhaykhông thực tếchỉ làmộtcâuhỏicủasiêuhìnhhọchoặc thầnhọc.Người tacó thểviện lẽ rằngnhữngđiềuquansátđượcđềuphùhợptốtnhưnhauvớilýthuyếtchorằngnóbắtđầuvậnđộngởmộtthờiđiểmhữuhạnnàođó,theocáchsaochodườngnhưlànóđãtồntạimãimãi.Nhưngvàonăm1929,EdwinHubbleđãthựchiệnmộtquansátcótínhchấtlàmộtcộtmốcchothấydùbạnnhìnởđâuthìnhữngthiênhàxaxôicũngđangchuyểnđộngrấtnhanhraxachúngta.Nóimộtcáchkhác,vũtrụđanggiãnnởra.Điềunàycónghĩalà,ởnhữngthờigiantrướckiacácvậtgầnnhauhơn.Thựctế,dườngnhưlàcómộtthời,mườihoặchaimươingàntriệunămvềtrước,tấtcảchúngđềuchínhxácởcùngmộtchỗvàdođómật

độcủavũtrụkhiđólàvôhạn.Phátminhnàycuốicùngđãđưacâuhỏivềsựbắtđầuvũtrụvàođịahạtcủakhoahọc.

NhữngquansátcủaHubbleđãgợiýrằngcómộtthờiđiểm,đượcgọilàvụnổlớn,tạiđóvũtrụvôcùngnhỏvàvôcùngđặc(mậtđộvôhạn).Dướinhữngđiềukiệnnhưvậy, tất cả cácđịnh luậtkhoahọcvàdođómọikhảnăngtiênđoántươnglaiđềukhôngdùngđược.

Nếucónhữngsựkiệnởtrướcđiểmđóthìchúngkhôngthểảnhhưởngtớinhữngcáiđangxảyratronghiệntại.Dođó,sựtồntạicủachúngcóthểbỏquabởivìnókhôngcónhữnghậuquảquansátđược.Ngườitacóthểnóirằngthờigiancóđiểmbắtđầuởvụnổlớn,theonghĩalànhữngthờiđiểmtrướcđókhôngthểxácđịnhđược.Cũngcầnnhấnmạnhrằngsựbắtđầunàycủathờigianrấtkhácvớinhữngsựbắtđầuđãđượcxemxéttrướcđó.Trongvũtrụtĩnhkhôngthayđổi,sựbắtđầucủathờigianlàcáigìđóđượcápđặtbởimộtĐấngởngoàivũtrụ,chứkhôngcómộtyếutốnàochosựbắtđầuđócả.NgườitacóthểtưởngtượngChúatạorathếgiớiởbấtkỳmộtthờiđiểmnàotrongquákhứ.Tráilại,nếuvũtrụgiãnnởthìcónhữngnguyênnhânvậtlýđểcầnphảicósựbắtđầu.NgườitavẫncòncóthểtưởngtượngChúađãtạorathếgiớiởthờiđiểmvụnổlớnhoặcthậmchísauđótheocáchsaochodườngnhưcóvụnổlớn,nhưngsẽlàvônghĩanếuchorằngvũtrụđượctạoratrướcvụnổlớn.MộtvũtrụgiãnnởkhôngloạitrừĐấngsángtạo,nhưngnóđặtranhữnghạnchếkhiNgườicầnthựchiệncôngviệccủamình!

Đểnóivềbảnchấtcủavũtrụvàthảoluậnnhữngvấnđềnhư:nócóđiểmbắtđầuhaykếtthúchaykhông,cácbạncầnhiểurõmộtlýthuyếtkhoahọclànhưthếnào.Ởđây,tôisẽlấymộtquanniệmmộcmạcchorằnglýthuyếtchỉlàmộtmôhìnhvềvũtrụ,hoặcvềmộtphầnhạnchếnàođó,củanócùngvớitậphợpnhữngquytắcliênhệcácđạilượngcủamôhìnhvớiquansátmàchúngtasẽthựchiện.Tấtnhiênlýthuyếtchỉtồntạitrongđầucủachúngtachứkhôngcómộtthựctạinàokhác(dùnócóthểcóýnghĩagìđinữa).Mộtlýthuyếtđượcxemlàtốtnếunóthỏamãnhaiyêucầu:nóphảimôtảchínhxácmộtlớprộnglớnnhữngquansát,trêncơsởcủamôhìnhchỉchứamộtsố ítnhữngphần tử tùyý;vànóphảiđưarađượcnhững tiênđoánvềcácquansáttrongtươnglai.Vídụ,lýthuyếtcủaAristotlechorằngmọivậtđềuđượccấutạonêntừbốnyếutố:đất,khôngkhí,lửavànước.Nócóưuđiểmlàkháđơngiản,nhưnglạikhôngđưarađượcmộttiênđoánxácđịnhnào.Trongkhiđó, lý thuyếtcủaNewtonvềhấpdẫndựa trênmộtmôhìnhcònđơngiảnhơn,trongđócácvậthútnhaubởimộtlựctỷlệvớimộtđạilượngđượcgọilàkhốilượngcủavật,vàtỷlệnghịchvớibìnhphươngkhoảngcáchgiữachúng.Thếnhưngnó lại tiênđoánđượcnhữngchuyểnđộngcủamặttrời,mặttrăngvàcáchànhtinhvớimộtđộchínhxáccao.

Bấtkỳmộtlýthuyếtvậtlýnàocũngchỉlàtạmthời,theonghĩanóchỉlàmộtgiả thuyết:bạnsẽkhôngkhinàocó thểchứngminhđượcnó.Dùcho

nhữngkếtquảthựcnghiệmphùhợpvớimộtlýthuyếtvậtlýbaonhiêulầnđinữa, bạn cũng không bao giờ đảm bảo được chắc chắn rằng kết quả thínghiệmlần tớisẽkhôngmâuthuẫnvới lý thuyết.Trongkhiđó,đểbácbỏmộtlýthuyếtbạnchỉcầntìmramộtquansátkhôngphùhợpvớinhữngtiênđoáncủalýthuyếtđó.NhưnhàtriếthọccủakhoahọcKarlPopperđãnhấnmạnh,mộtlýthuyếttốtđượcđặctrưngbởiđiềulà:nóđưarađượcnhiềutiênđoánmàvềnguyêntắccóthểbácbỏbởiquansát.Mỗimộtlầnnhữngthựcnghiệmmớicònphùhợpvớinhữngtiênđoánthìlýthuyếtcònsốngsótvàniềmtincủachúngtavàonólạiđượctăngthêm,nhưngnếuthậmchíchỉcómộtquansátmớitỏralàkhôngphùhợpthìchúngtacầnphảivứtbỏhoặcphảisửađổilýthuyếtđó.Ítnhấtđólàđiềuđượcxemlàsẽxảyra,nhưngbạncũngluônluôncóthểđặtvấnđềvềthẩmquyềncủangườithựchiệnquansátđó.

Trênthựctế,điềuthườnghayxảyralàmộtlýthuyếtmớithựcrachỉlàsựmởrộngcủalýthuyếttrước.Vídụ,nhữngquansátrấtchínhxácvềhànhtinhThủy(màtaquengọisailàsaoThủy)đãchothấysựsaikhácnhỏgiữachuyểnđộngcủanóvànhữngtiênđoáncủalýthuyếthấpdẫnNewton.SựthậtlànhữngtiênđoáncủaEinsteinhoàntoànănkhớpvớiquansát, trongkhinhữngtiênđoáncủaNewtonchưađạtđượcđiềuđó-làmộttrongnhữngkhẳngđịnhcótínhchấtquyếtđịnhđốivớilýthuyếtmới.Tuynhiên,chúngtavẫncònthườngxuyênsửdụnglýthuyếtcủaNewtonchonhữngmụcđíchthực tiễn, bởi vì sự khác biệt giữa những tiên đoán của nó và của thuyếttươngđốirộnglàrấtnhỏtrongnhữngtìnhhuốngmàchúngtagặpthườngngày. (Lý thuyết củaNewton cũng cònmột ưu điểm lớn nữa là nó dễ sửdụnghơnlýthuyếtcủaEinsteinrấtnhiều).

Mụcđíchtốihậucủakhoahọclàtạorađượcmộtlýthuyếtduynhấtcókhảnăngmôtảđượctoànbộvũtrụ.Tuynhiên,cáchtiếpcậnmàphầnđôngcácnhàkhoahọcthựcsựtheođuổilàtáchvấnđềnàyralàmhaiphần.Thứnhấtlànhữngquyluậtchobiếtvũtrụsẽthayđổinhưthếnàotheothờigian.(Nếuchúngtabiếtởmộtthờiđiểmnàođóvũtrụlànhưthếnàothìcácđịnhluậtvậtlýsẽchochúngtabiếtnósẽrasaoởbấtkỳthờiđiểmnàotiếpsau).Thứhailàvấnđềvềtrạngtháibanđầucủavũtrụ.Mộtsốngườicảmthấyrằngcólẽkhoahọcchỉnênquantâmtớiphầnthứnhất;họxemvấnđềvềtrạngtháibanđầucủavũtrụlàvấnđềcủasiêuhìnhhọchoặccủatôngiáo.Họcho rằngChúa,Đấng toànnăngcó thể chovũ trụbắt đầu theobất cứcáchnàomàNgườimuốn.Cũngcóthểlànhưvậy,nhưngtrongtrườnghợpđóNgườicũngcó thể làmchovũ trụphát triểnmộtcáchhoàn toàn tùyý.NhưnghóaraNgườilạichọncáchlàmchovũtrụtiếntriểnmộtcáchrấtquycủphùhợpvớimộtsốquyluật.Vìvậycũngsẽlàhợplýnếugiảthiếtrằngcũngcónhữngquyluậtchiphốitrạngtháibanđầu.

Thựcra,rấtkhócóthểxâydựngđượcmộtlýthuyếtmôtảđượctoànbộ

vũtrụtrongtổngthểcủanó.Thayvìthế,chúngtaphânbàitoánthànhtừngphầnvàtừđóphátminhranhiềulýthuyếtcótínhchấtriêngphần.Mỗimộtlýthuyếtnhưthếmôtảvàtiênđoánchỉđượcmộtlớphạnchếnhữngquansát, trongkhiphảibỏquaảnhhưởngcủanhữngđại lượngkháchoặcbiểudiễnchúngbằngtậphợpđơngiảncácconsố.Cũngcóthểcáchtiếpcậnnàylàhoàntoànsailầm.Nếumọivậttrongvũtrụphụthuộcvàonhaumộtcáchcănbản,thìsẽkhôngthểtiếpcậnlờigiảiđầyđủbằngcáchnghiêncứucácphầncủabàitoánmộtcáchriêngrẽ,côlập.Tuynhiên,đóchắcchắnlàcáchmàchúngtađãlàmrasựtiếnbộtrongquákhứ.MộtvídụkinhđiểnlạilàlýthuyếthấpdẫncủaNewton.Lýthuyếtnàynóivớichúngtarằnglựchấpdẫngiữahaivậtchỉphụthuộcvàomộtconsốgắnliềnvớimỗivật-đólàkhốilượngcủachúng,nhưnglạihoàntoànđộclậpvớichuyệnvậtđóđượclàmbằngchấtgì.Nhưvậyngườitakhôngcầnphảicómộtlýthuyếtvềcấutrúcvàthànhphầncủamặttrờivàcáchànhtinhmàvẫntínhđượcquỹđạocủachúng.Ngàynay,cácnhàkhoahọcmôtảvũtrụdựatrênhailýthuyếtcơsởcótínhchấtriêngphần,đólàthuyếttươngđốirộngvàcơhọclượngtử.Hailý thuyết đó là những thành tựu trí tuệ vĩ đại củanửađầu thếkỷnày.Lýthuyếttươngđốirộngmôtảlựchấpdẫnvàcấutrúccựcvĩcủavũtrụ,-cấutrúctừquymôítdặmtớitriệutriệutriệutriệu(1vàhaimươibốnsố0tiếpsau)dặmtứclàkíchthướccủavũtrụquansátđược.Tráilại,cơhọclượngtửlạimôtảnhữnghiệntượngởphạmvicựcnhỏ,cỡmộtphầntriệutriệucủa1inch.Tuynhiên,khôngmay,hai lý thuyếtnàylạikhôngtươngthíchvớinhaunghĩalàcảhaikhôngthểđềuđồngthờiđúng.Mộttrongnhữngnỗlựcchủyếutrongvậtlýhọcngàynayvàcũnglàđềtàichủyếucủacuốnsáchnày,đólàtìmkiếmmộtlýthuyếtmớicóthểdungnạpcảhailýthuyếttrên-lýthuyếtlượngtửcủahấpdẫn.Hiệnchúngtacònchưacómộtlýthuyếtnhưvậyvàcóthểcònlâumớicóđược,nhưngchúngtađãbiếtđượcnhiềutínhchấtmàlýthuyếtđócầnphảicó.Vànhưchúngtasẽthấytrongcácchươngsau,chúngtacũngđãbiếtkhánhiềuvềnhữngtiênđoánmàlýthuyếtlượngtửcủahấpdẫncầnphảiđưara.

Bâygiờ,nếubạnđãtinrằngvũtrụkhôngphảilàtùytiệnmàđượcđiềukhiểnbởinhữngquyluậtxácđịnhthìđiềutốihậulàcầnphảikếthợpnhữnglý thuyết riêng phần thành những lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh có khảnăngmô tảmọiđiều trongvũ trụ.Nhưng trongquá trình tìmkiếmmột lýthuyếtthốngnhấthoànchỉnhnhưvậy,lạivấpphảimộtnghịchlýrấtcơbản.Nhữngýniệmvềcáclýthuyếtkhoahọcđượcphácraởtrênxemrằngchúngtalànhữngsinhvậtcólýtrítựdoquansátvũtrụtheoýchúngtavàrútranhữngsuydiễnlogictừnhữngcáimàchúngtanhìnthấy.Trongmộtsơđồnhưthế,sẽlàhợplýnếuchorằngchúngtacóthểngàycàngtiếngầntớicácquyluậtđiềukhiểnvũtrụ.Nhưngnếuquảthựccómộtlýthuyếtthốngnhấthoànchỉnh,thìnócũngsẽcóthểquyếtđịnhnhữnghànhđộngcủachúngta.

Vànhưvậytựbảnthânlýthuyếtđósẽquyếtđịnhkếtquảviệctìmkiếmlýthuyếtấycủachúngta!Hơnnữa,tạisaonósẽquyếtđịnhrằngchúngtasẽđitới những kết luận đúng từ những điều quan sát được?Hay là tại sao nókhôngthểquyếtđịnhđểchúngtarútranhữngkếtluậnsai?Haylàkhôngcómộtkếtluậnnàohết?

CâutrảlờiduynhấtmàtôicóthểđưarachovấnvấnđềnàylàdựatrênnguyênlýchọnlọctựnhiêncủaDarwin.Ytưởngđónhưsau:trongbấtcứquầnthểnàocủacáccơthểtựsinhsản,cũngđềucónhữngbiếnđổitrongvậtliệuditruyềnvàsựgiáodưỡng,khiếnchocócáccáthểkhácnhau.Sựkhácnhauđócónghĩalà,mộtsốcáthểcókhảnănghơnnhữngcáthểkháctrongviệcrútranhữngkết luậnđúngvềthếgiớiquanhmìnhvàbiếthànhđộngmột cáchphùhợp.Nhữngcá thểnày có sức sốngvà sinh sảnmạnhhơn,vàvì thế,kiểumẫuhànhvivàsuynghĩcủahọsẽdầnchiếmưu thế.Trongquákhứ,đúng lànhữngcáimàchúng tagọi là trí tuệvàphátminhkhoahọcđãtruyềnđượccáilợithếsốngsótcủaconngười.Nhưngcònchưarõ ràng là liệu điều đó có còn đúng trong trường hợp khimà những phátminhkhoahọccủachúngtacóthểsẽtiêudiệttấtcảchúngtavàthậmchínếukhôngxảyrađiềuđó,thìmộtlýthuyếtthốngnhấthoànchỉnhcũngcóthểkhônglàmkhácđibaonhiêucơhộisốngsótcủachúngta.Tuynhiên,vớiđiềukiệnvũtrụđãtiếntriểnmộtcáchquycủ,chúngtacóthểhyvọngrằngnhữngkhảnăngsuyluậnmàsựchọnlọctựnhiênđãchochúngtavẫncònđắcdụngtrongcuộctìmkiếmmộtlýthuyếtthốngnhấthoànchỉnhvàsẽkhôngdẫnchúngtatớinhữngkếtluậnsailầm.

Vìnhữnglýthuyếtriêngphầnmàchúngtađãcóđủđểđưaranhữngtiênđoánvềtấtcả,trừnhữngtìnhhuốngcựcđoannhất,nênviệctìmkiếmmộtlýthuyết tốihậuvềvũ trụkhócó thểbiệnminh trêncơ sởnhữngứngdụngthựctiễn.(Tuynhiên,cầnphảithấyrằngchínhlýlẽtươngtựđãđượcđưarađể chống lại thuyết tươngđối và cơhọc lượng tử, thếmà chínhnhững lýthuyếtnàyđãmanglạichochúngtacảnănglượnghạtnhânlẫncuộccáchmạngviđiệntử!).Dođósựphátminhralýthuyếtthốngnhấthoànchỉnhcóthểkhônggiúpgìchosựsốngsótcủachúngta.Nóthậmchícũngkhôngảnhhưởnggìđếnlốisốngcủachúngta.Nhưngngaytừbuổibìnhminhcủanềnvănminh,loàingườiđãkhôngbằnglòngnhìnnhữngsựkiệnnhưnhữngthứrờirạcvàkhônggiảithíchđược.Họđãkhaokháthiểubiếtcáitrậttựnằmsâukíntrongthếgiới.Ngàyhômnaychúngtacũngvẫntrăntrởmuốnbiếttại saochúng ta lạiởđâyvàchúng ta từđâu tới.Khátvọng tri thức,khátvọngsâuxanhấtcủaloàingười,đủđểbiệnminhchosựtìmkiếmliêntụccủachúngta.Vàmụcđíchcủachúngtakhônggìkháchơnlàsựmôtảđầyđủvũtrụ,nơichúngtađangsống.

Chương2:KhônggianvàthờigianNhững ý niệm của chúng ta hiện nay về chuyển động của vật thể bắt

nguồntừGalileovàNewton.Trướchọ,ngườitatinAristotle,ngườiđãnóirằngtrạngtháitựnhiêncủamộtvậtlàđứngyên,vànóchỉchuyểnđộngdướitácdụngcủamộtlựchoặcmộtxunglực.Từđósuyrarằng,vậtnặngsẽrơinhanhhơnvậtnhẹ,bởivìnócómộtlựckéoxuốngđấtlớnhơn.

Truyền thốngAristotle cũng cho rằngngười ta có thể rút ra tất cả cácđịnh luậtđiềukhiểnvũ trụchỉbằng tưduy thuần túy,nghĩa làkhôngcầnkiểmtrabằngquansát.Nhưvậy,chotớitậnGalileokhôngcóaibănkhoănthửquansátxemcóthựclàcácvậtcótrọnglượngkhácnhausẽrơivớivậntốckhácnhauhaykhông.NgườitakểrằngGalieođãchứngminhniềmtincủaAristotle là sai bằng cách thả những vật có trọng lượng khác nhau từtháp nghiêng Pisa. Câu chuyện này chắn hẳn là không có thật , nhưngGalileođãlàmmộtviệctươngđương:ôngthảnhữngviênbicótrọnglượngkhácnhautrênmộtmặtphẳngnghiêngnhẵn.Tìnhhuốngởđâycũngtươngtựnhưtìnhhuốngcủacácvậtrơitheophươngthẳngđứng,nhưngcóđiềunódễquansáthơnvìvậntốccủacácvậtnhỏhơn.CácphépđocủaGalileochỉrarằngcácvậttăngtốcvớimộtnhịpđộnhưnhaubấtkểtrọnglượngcủanóbằngbaonhiêu.Vídụ,nếubạnthảmộtviênbitrênmộtmặtphẳngnghiêngcóđộnghiêngsaochocứ10mdọctheomặtphẳngthìđộcaolạigiảm1m,thìviênbisẽlănxuốngvớivậntốc1m/ssau1giây,2m/ssau2giây...bấtkểviênbi nặngbaonhiêu.Tất nhiên, viênbi bằngchì sẽ rơi nhanhhơnmộtchiếclôngchim,nhưngchiếclôngchimbịlàmchậmlạichỉvìsứccảncủakhôngkhímàthôi.Nếuthảhaivậtkhôngchịunhiềusứccảnkhôngkhí,vídụnhưhaiviênbiđềubằngchì,nhưngcótrọnglượngkhácnhau,thìchúngsẽrơinhanhnhưnhau.

Những phép đo của Galileo đã được Newton sử dụng làm cơ sở chonhững định luật về chuyển động của ông. Trong những thực nghiệm củaGalileo,khimộtvậtlăntrênmặtphẳngnghiêng,nóluônluônchịutácdụngcủacùngmộtlực(làtrọnglựccủanó)vàkếtquảlàlàmchovậntốccủanótăngmộtcáchđềuđặn.Điềuđóchứngtỏrằng,hậuquảthựcsựcủamộtlựclàluônluônlàmthayđổivậntốccủamộtvật,chứkhôngphảilàlàmchonóchuyểnđộngnhưngườitanghĩtrướcđó.Điềunàycũngcónghĩalà,bấtcứkhinàovậtkhôngchịutácdụngcủamộtlực,thìnóvẫntiếptụcchuyểnđộngthẳngvớicùngmộtvậntốc.Ýtưởngnàyđãđượcphátbiểumộtcáchtườngminh lần đầu tiên trong cuốn PrincipiaMathematica (Các nguyên lý toánhọc),đượccôngbốnăm1867,củaNewtonvàsaunàyđượcbiếtnhưđịnhluậtthứnhấtcủaNewton.ĐịnhluậtthứhaicủaNewtonchobiếtđiềugìsẽxảyrađốivớimộtvậtkhicómột lực tácdụng lênnó.Định luậtnàyphát

biểurằngvậtsẽcógiatốc,haynóicáchkháclàsẽthayđổivậntốctỷlệvớilực tácdụnglênnó. (Vídụ,gia tốcsẽ tănggấpđôi,nếu lực tácdụngtănggấpđôi).Giatốccũngsẽcàngnhỏnếukhốilượng(lượngvậtchất)củavậtcànglớn.(Cùngmộtlựctácdụnglênvậtcókhốilượnglớngấphailầnsẽtạoramộtgiatốcnhỏhơnhailần).Mộtvídụtươngtựlấyngaytừchiếcôtô:độngcơcàngmạnh thìgia tốccàng lớn,nhưngvớicùngmộtđộngcơ,xecàngnặngthìgiatốccàngnhỏ.

Ngoàinhữngđịnhluậtvềchuyểnđộng,Newtoncònphátminhrađịnhluậtvề lựchấpdẫn.Định luậtnàyphátbiểurằngmọivậtđềuhútmộtvậtkhácvớimộtlựctỉlệvớikhốilượngcủamỗivật.Nhưvậylựcgiữahaivậtsẽmạnhgấpđôinếumộttronghaivật(vídụvậtA)cókhốilượngtănggấphai.Đâylàđiềubạncầnphải trôngđợibởivìcó thểxemvậtmớiAđượclàmtừhaivậtcókhốilượngbanđầu,vàmỗivậtđósẽhútvậtBvớimộtlựcbanđầu.NhưvậylựctổnghợpgiữaAvàBsẽhailầnlớnhơnlựcbanđầu.Vànếu,vídụ,mộttronghaivậtcókhốilượnghailầnlớnhơnvàvậtkiacókhốilượngbalầnlớnhơnthìlựctácdụnggiữachúngsẽsáulầnmạnhhơn.Bâygiờ thì tacó thểhiểu tạisaocácvật lại rơivớimộtgia tốcnhưnhau:mộtvậtcótrọnglượnglớngấphailầnsẽchịumộtlựchấpdẫnkéoxuốngmạnhgấphailần,nhưngnólạicókhốilượnglớngấphailần.Nhưvậytheođịnhluật2củaNewton,thìhaikếtquảnàybùtrừchínhxácchonhau,vìvậygiatốccủacácvậtlànhưnhautrongmọitrườnghợp.

ĐịnhluậthấpdẫncủaNewtoncũngchochúngtabiếtrằngcácvậtcàngởxanhauthìlựchấpdẫncàngnhỏ.Vídụ,lựchúthấpdẫncủamộtngôisaođúngbằngmộtphầntưlựchútcủamộtngôisaotươngtự,nhưngởkhoảngcách giảm đimột nửa.Định luật này tiên đoán quỹ đạo của trái đất,mặttrăngvàcáchànhtinhvớiđộchínhxácrấtcao.Nếuđịnhluậtnàykhácđi,chẳnghạn,lựchúthấpdẫncủamộtngôisaogiảmtheokhoảngcáchnhanhhơn,thìquỹđạocủacáchànhtinhkhôngcònlàhìnhelipnữa,màchúngsẽlànhữngđườngxoắnốcvềphíamặttrời.Nếulựcđólạigiảmchậmhơn,thìlựchấpdẫntừcácngôisaoxasẽlấnátlựchấpdẫntừmặttrời.

SựkhácbiệttolớngiữanhữngtưtưởngcủaAristotlevànhữngtưtưởngcủaGalileo vàNewton là ở chỗAristotle tin rằng trạng thái đứng yên làtrạngtháiđược“ưathích”hơncủamọivật-mọivậtsẽlấytrạngtháiđó,nếukhôngcómộtlựchoặcxunglựcnàotácdụngvàonó.Đặcbiệt,ôngchorằngtrái đất là đứng yên. Nhưng từ những định luật của Newton suy ra rằngkhôngcómộttiêuchuẩnđơnnhấtchosựđứngyên.Ngườitahoàntoàncóquyềnnhưnhaukhinóirằng,vậtAlàđứngyênvàvậtBchuyểnđộngvớivận tốckhôngđổiđốivớivậtAhoặcvậtB làđứngyênvàvậtAchuyểnđộng.Vídụ,nếutạmgácramộtbênchuyểnđộngquaycủatráiđấtquanhtrụccủanóvàquỹđạocủanóxungquanhmặttrời,ngườitacóthểnóirằngtráiđấtlàđứngyênvàđoàntàutrênnóchuyểnđộngvềphíabắcvớivậntốc

90dặmmộtgiờhoặcđoàntàulàđứngyêncòntráiđấtchuyểnđộngvềphíanam cũng với vận tốc đó. Nếu người ta tiến hành những thí nghiệm củachúngtavớicácvậtchuyểnđộngtrêncontàuđóthìtấtcảcácđịnhluậtcủaNewtonvẫncònđúng.Vídụ,khiđánhbóngbàntrêncontàuđó,ngườitasẽthấyrằngquảbóngvẫntuântheocácđịnhluậtcủaNewtonhệtnhưkhibànbóngđặtcạnhđườngray.Nhưvậykhôngcócáchnàochophéptanóiđượclàcontàuhaytráiđấtđangchuyểnđộng.

Việc không cómột tiêu chuẩn tuyệt đối cho sự đứng yên có nghĩa làngười takhông thểxácđịnhđượchaisựkiệnxảyraởhai thờiđiểmkhácnhaucó cùngởmộtvị trí trongkhônggianhaykhông.Vídụ, giả sửquảbóngbàn trêncon tàunảy lênvàrơixuốngchạmbànởcùngmộtchỗsaukhoảng thời gian 1 giây. Đối với người đứng cạnh đường ray thì hai lầnchạmbànđóxảyraởhaivịtrícáchnhau40mvìcontàuchạyđượcquãngđườngđótrongkhoảngthờigiangiữahailầnquảbóngchạmbàn.Sựkhôngtồntạisựđứngyêntuyệtđối,vìvậy,cónghĩalàngườitakhôngthểgánchomộtsựkiệnmộtvịtrítuyệtđốitrongkhônggian,nhưAristotleđãtâmniệm.Vịtrícủacácsựkiệnvàkhoảngcáchgiữachúnglàkhácnhauđốivớingườiởtrêntàuvàngườiđứngcạnhđườngrayvàchẳngcólýdogìđểthíchvịtrícủangườinàyhơnvịtrícủangườikia.

Newtonlàngườirấtbănkhoănvềsựkhôngcóvịtrítuyệtđối,haynhưngườitavẫngọilàkhôngcókhônggiantuyệtđối,vìđiềuđókhôngphùhợpvớiýniệmcủaôngvềThượngđế tuyệtđối.Thực tế,Newtonđãchốibỏ,khôngchấpnhậnsựkhôngtồntạicủakhônggiantuyệtđối,mặcdùthậmchíđiềuđóđãngầmchứatrongnhữngđịnhluậtcủaông.Ôngđãbịnhiềungườiphêphánnghiêmkhắcvìniềmtinphi lýđó,màchủyếunhất làbởiGiámmụcBerkeley,mộtnhàtriếthọctinrằngmọiđốitượngvậtchấtvàcảkhônggianlẫnthờigianchỉlàmộtảoảnh.KhingườitakểchotiếnsĩJohnsonnổitiếngvềquanđiểmcủaBerkeley,ôngkêulớn:“Tôisẽbácbỏnónhưthếnàynày!”vàôngđángónchâncáivàomộthònđálớn.

CảAristotlelẫnNewtonđềutinvàothờigiantuyệtđối.Nghĩalà,họtinrằngngườitacóthểđomộtcáchđànghoàngkhoảngthờigiangiữahaisựkiện, rằng thời gian đó hoàn toàn nhưnhaudù bất kỳ ai tiến hànhđo nó,miễnlàhọdùngmộtchiếcđồnghồtốt.Thờigianhoàntoàntáchrờivàđộclậpvớikhônggian.Đólàđiềumànhiềungườixemlàchuyệnthườngtình.Tuy nhiên, đến lúc chúng ta phải thay đổi những ý niệm của chúng ta vềkhông gian và thời gian.Mặc dù những quan niệm thông thường đó củachúngtavẫncókếtquảtốtkhiđềcậptớicácvậtnhưquảtáohoặccáchànhtinhlànhữngvậtchuyểnđộngtươngđốichậm,nhưngchúngsẽhoàntoànkhôngdùngđượcnữađốivớinhữngvậtchuyểnđộngvớivậntốcbằnghoặcgầnbằngvậntốcánhsáng.

Năm 1676, nhà thiên văn học Đan Mạch Ole Christensen Roemer là

ngườiđầutiênpháthiệnrarằngánhsángtruyềnvớivậntốchữuhạn,mặcdùrấtlớn.ÔngquansátthấyrằngthờigianđểcácmặttrăngcủasaoMộcxuấthiệnsaukhiđiquaphíasaucủahànhtinhđókhôngcáchđềunhaunhưngười tachờđợi,nếucácmặt trăngđóchuyểnđộngvòngquanhsaoMộcvớivậntốckhôngđổi.KhitráiđấtvàsaoMộcquanhxungquanhmặttrời,khoảngcáchgiữachúng thayđổi.Roemer thấy rằngsựchekhuấtcácmặttrăngcủasaoMộcxuấthiệncàngmuộnkhichúngtacàngởxahànhtinhđó.Ông lý luận rằng điều đó xảy ra là do ánh sáng từ cácmặt trăng đó đếnchúngtamấtnhiềuthờigianhơnkhichúngtaởxachúnghơn.Tuynhiên,donhữngphépđo củaôngvề sựbiến thiênkhoảngcáchgiữa trái đất và saoMộckhôngđược chínhxác lắm, nêngiá trị vận tốc ánh sángmàôngxácđịnhđượclà140.000dặm/s,trongkhigiátrịhiệnnayđođượccủavậntốcnàylà186.000dặm/s(khoảng300.000km/s).DùsaothànhtựucủaRoemercũngrấtđángkể,khôngchỉ trongviệcchứngminhđượcrằngvận tốccủaánhsáng làhữuhạn,màcả trongviệcđođượcvận tốcđó,đặcbiệtnó lạiđược thực hiện 11 năm trước khi Newton cho xuất bản cuốn PrincipiaMathematica.

Một lý thuyết đích thựcvề sự truyền ánh sángphảimãi tới năm1865mớirađời,khinhàvật lýngườiAnhJamesClerkMaxwellđã thànhcôngthốngnhấthai lý thuyếtriêngphầncho tới thờigianđóvẫnđượcdùngđểmôtảriêngbiệtcáclựcđiệnvàtừ.CácphươngtrìnhcủaMaxwelltiênđoánrằngcóthểcónhữngnhiễuđộnggiốngnhưsóngtrongmộttrườngđiệntừkếthợp,rằngnhữngnhiễuđộngđósẽđượctruyềnvớimộtvậntốccốđịnhgiống như những gợn sóng trên hồ. Nếu bước sóng của những sóng đó(khoảngcáchcủahaiđỉnhsóngliêntiếp)làmộtméthoặclớnhơn,thìchúngđượcgọilàsóngradio(haysóngvôtuyến).Nhữngsóngcóbướcsóngngắnhơnđượcgọilàsóngcựcngắn(vớibướcsóngvàicentimet)hoặcsónghồngngoại (với bước sóng lớn hơnmười phần ngàn centimet). Ánh sáng thấyđượccóbướcsóngnằmgiữabốnmươiphầntriệuđếntámmươiphầntriệucentimet.Nhữngsóngcóbướcsóngcònngắnhơnnữalàtiatửngoại,tia-Xvàcáctiagamma.

Lý thuyết củaMaxwell tiênđoán các sóngvô tuyếnvà sóng ánh sángtruyềnvớimộtvậntốccốđịnhnàođó.NhưnglýthuyếtcủaNewtonđãgạtbỏ khái niệm đứng yên tuyệt đối, vì vậy nếu ánh sáng được giả thiết làtruyềnvớimộtvậntốccốđịnh,thìcầnphảinóivậntốccốđịnhđólàđốivớicáigì.Dođóngườitachorằngcómộtchấtgọilà“ether”cómặtởkhắpmọinơi, thậmchícả trongkhônggian“trốngrỗng”.Cácsóngánhsáng truyềnquaethernhưsóngâmtruyềntrongkhôngkhí,vàdovậy,vậntốccủachúnglàđốivớiether.Nhữngngườiquansátkhácnhauchuyểnđộngđốivớiethersẽthấyánhsángđitớimìnhvớinhữngvậntốckhácnhau,nhưngvậntốccủaánhsángđốivớietherluônluôncómộtgiátrịcốđịnh.Đặcbiệt,vìtráiđất

chuyểnđộngquaether trênquỹđạoquayquanhmặt trời,nênvận tốccủaánhsángđượcđotheohướngchuyểnđộngcủatráiđấtquaether(khichúngtachuyểnđộng tớigầnnguồnsáng) sẽphải lớnhơnvận tốccủaánhsánghướngvuônggócvớiphươngchuyểnđộng(khichúngtakhôngchuyểnđộnghướng tới nguồn sáng). Năm 1887, Albert Michelson (sau này trở thànhngười Mỹ đầu tiên nhận được giải thưởng Nobel về vật lý) và EdwardMorleyđãthựchiệnmộtthựcnghiệmrấttinhxảotạitrườngKhoahọcứngdụngCaseởCleveland.Họđãsosánhvậntốcánhsángtheohướngchuyểnđộngcủa tráiđấtvớivận tốcánhsánghướngvuônggócvớichuyểnđộngcủatráiđất.Vàhọđãvôcùngngạcnhiênkhithấyrằnghaivậntốcđóhoàntoànnhưnhau!

Giữanăm1887vànăm1905cómộtsốýđịnh,màchủyếulàcủavậtlýngười Hà Lan Hendrik Lorentz, nhằm giải thích kết quả của thí nghiệmMichelson-Morleybằngsựcolạicủacácvậtvàsựchậmlạicủađồnghồkhichúngchuyểnđộngquaether.Tuynhiên,trongbàibáocôngbốvàonăm1905,Albert Einstein,một nhân viên thuộc văn phòng cấp bằng sáng chếphátminhởThụySĩ,ngườimàtrướcđócònchưaaibiếttới,đãchỉrarằngtoànbộýtưởngvềetherlàkhôngcầnthiếtnếungườitasẵnlòngvứtbỏýtưởngvềthờigiantuyệtđối.QuanniệmtươngtựcũngđãđượcmộtnhàtoánhọchàngđầucủaPháplàHenriPoincaréđưarachỉíttuầnsau.Tuynhiên,nhữnglýlẽcủaEinsteingầnvớivậtlýhơnPoincaré,ngườiđãxemvấnđềnày nhưmột vấn đề toán học. Công lao xây dựng nên lý thuyếtmới nàythường được thừa nhận là của Einstein, nhưng Poincaré vẫn thường đượcnhắcnhở tớivà tên tuổi củaônggắn liềnvớimộtphầnquan trọngcủa lýthuyếtđó.

Tiên đề cơ bản của lý thuyếtmới -mà người ta thường gọi là thuyếttươngđốiđượcphátbiểunhưsau:mọiđịnhluậtcủakhoahọclànhưnhauđốivớitấtcảnhữngngườiquansátchuyểnđộngtựdobấtkểvậntốccủahọlàbaonhiêu .Điềunàyđúngđốivớicácđịnh luậtcủaNewtonvềchuyểnđộng,nhưngbâygiờlýthuyếtđóđượcmởrộngrabaohàmcảlýthuyếtcủaMaxwellvàvậntốcánhsáng:mọingườiquansátđềuđođượcvậntốcánhsángcógiátrịhoàntoànnhưnhaubấtkểhọchuyểnđộngnhanh,chậmnhưthếnào.Ý tưởngđơngiảnđócómột sốhệquả rấtđángchúý.Có lẽnổitiếngnhấtlàhệquảvềsựtươngđươngcủakhốilượngvànănglượngđượcđúckếttrongphươngtrìnhnổitiếngcủaEinstein:E=mc2vàđịnhluậtnóirằngkhông cóvật nào có thể chuyểnđộngnhanhhơn ánh sáng.Vì có sựtươngđươnggiữanănglượngvàkhốilượngnênnănglượngmàvậtcóthểnhờchuyểnđộngsẽlàmtăngkhốilượngcủanó.Nóimộtcáchkhác,nósẽlàmchoviệctăngvậntốccủavậttrởnênkhókhănhơn.

Hiệuứngnàychỉtrựcsựquantrọngđốivớicácvậtchuyểnđộngvớivậntốcgầnvớivậntốcánhsáng.Vídụ,vậntốcchỉbằng10%vậntốcánhsáng

khốilượngcủavậtchỉtăng0,5%sovớikhốilượngbìnhthường,trongkhivậntốcbằng90%vậntốcánhsángkhốilượngcủanócòntăngnhanhhơn,vìvậysẽcàngmấtnhiềunăng lượnghơnđể tăngvận tốccủanó lênnữa.Thực tếkhôngbaogiờcó thểđạt tớivận tốccủaánh sángvìkhiđókhốilượngcủavậtsẽtrởthànhvôhạnvàdosựtươngđươnggiữanănglượngvàkhốilượng,sẽphảitốnmộtlượngvôhạnnănglượngđểđạtđượcđiềuđó.Vìlýdođó,mộtvậtbìnhthườngvĩnhviễnbịtínhtươngđốigiớihạnchuyểnđộng chỉ chuyển động với vận tốc nhỏ hơn vận tốc ánh sáng.Chỉ có ánhsánghoặccácsóngkháckhôngcókhốilượngnộitạilàcóthểchuyểnđộngvớivậntốcánhsáng.

Mộthệquảcũngđángchúýkhôngkémcủathuyết tươngđối lànóđãlàm cách mạng những ý niệm của chúng ta về không gian và thời gian.TronglýthuyếtcủaNewton,nếumộtxungánhsángđượcgửitừnơinàyđếnnơikhácthìnhữngngườiquansátkhácnhauđềunhấttrívớinhauvềthờigiantruyềnxungánhsángđó(vìthờigianlàtuyệtđối).Vìvậntốcánhsángchínhbằngkhoảngcáchmànótruyềnđượcchiachothờigianđãtốnđểđihếtquãngđườngđó,nênnhữngngườiquansátkhácnhausẽđođượcvậntốccủaánhsángcógiátrịkhácnhau.Trongthuyếttươngđối,tráilại,mọingườiquansátđềuphảinhấttrívềgiátrịvậntốccủaánhsáng.Tuynhiên,họvẫncònkhôngnhấttrívềkhoảngcáchmàánhsángđãtruyền,vìvậyhọcũngphảikhôngnhấttrívềthờigianmàánhsángđãtốn(thờigiannàybằngkhoảngcáchánhsángđãtruyền-điềumàcácnhàquansátkhôngnhấttrí-chiachovậntốcánhsáng-điềumàcácnhàquansátđềunhấttrí).Nóimộtcáchkhác,lýthuyếttươngđốiđãcáochungchoýtưởngvềthờigiantuyệtđối!Hóaralàmỗingườiquansátcầnphảicómộtbộđothờigianriêngcủamìnhnhưđượcghinhậnbởiđồnghồmàhọmangtheovàcácđồnghồgiốnghệtnhauđượcmangbởinhữngngườiquansátkhácnhaukhôngnhất thiếtphảichỉnhưnhau.

Hình 2.1:Thời gian được đo theo trục đứng và khoảng cách từ ngườiquansátđượcđotheotrụcngang.Đườngđicủangườiquansáttrongkhông-thờigianđượcbiểudiễnbằngđườngthẳngđứngbêntrái;đườngđicủacáctiasángtớivàphảnxạtừsựkiệnlàcácđườngchéo.Mỗimộtngườiquansátcóthểdùngradarđểbiếtmộtsựkiệnxảyraởđâuvàkhinàobằngcáchgửimộtxungánhsánghoặcsóngvôtuyến.Mộtphầncủaxungphảnxạ từ sựkiện trởvềvàngườiquan sátđo thờigianmàhọnhậnđượctiếngdội.Thờigianxảyrasựkiệnkhiđósẽbằngmộtnửathờigian tính từkhixungđượcgửiđiđếnkhinhậnđược tiếngdội trở lại,cònkhoảngcáchtớisựkiệnbằngnửasốthờigianchohailượtđi-vềđónhânvớivậntốcánhsáng.(Mộtsưkiện,theoýnghĩanày,làmộtđiềugìđóxảyraởmột điểm duy nhất trong không gian và ở một điểm xác định trong thờigian).

Ýtưởngnàyđượcminhhọa trênhình2.1,nó làmộtvídụvềgiảnđồkhông-thờigian.Dùngthủtụcnày,nhữngngườiquansátchuyểnđộngđốivớinhausẽgánchocùngmộtsựkiệnnhữngthờigianvàvịtríkhácnhau.Khôngcónhữngphépđocủangườiquansátđặcbiệtnàolàđúnghơnnhữngngười khác, nhưng tất cả các phép đo đều quan hệ với nhau.Bất kỳmộtngườiquansátnàocũngtínhrađượcmộtcáchchínhxácthờigianvàvịtrímàmột người quan sát khác gán chomột sự kiện,miễn là người đó biếtđượcvậntốctươngđốicủangườikia.

Ngàyhômnayđểđokhoảngcáchmộtcáchchínhxác,chúngtavẫncòndùngphươngphápnói trên,bởivì chúng ta có thểđo thờigianchínhxáchơnđochiềudài.Thựctế,métđượcđịnhnghĩalàkhoảngcáchmàánhsángđiđược trongkhoảng thờigian0,000000003335640952giâyđo theođồnghồnguyêntửxesi.(Nguyênnhândẫntớiconsốlạlùngnàylàđểnótươngứng với định nghĩa có tính chất lịch sử củamét: là khoảng cách giữa haivạchtrênmộtcáithướcđặcbiệtlàmbằngbạchkimđượcgiữởParis).Nhưvậychúngtacóthểdùngmộtđơnvịmớithuậntiệnhơn,đượcgọilàgiây-ánh-sáng.Nóđơngiảnlàkhoảngcáchmàánhsángđiđượctrongmộtgiây.Tronglýthuyếttươngđối,bâygiờtađịnhnghĩakhoảngcáchthôngquathờigianvàvậntốcánhsáng,nhưvậyphảitựđộngsuyrarằngmọingườiquansátđovậntốccủaánhsángsẽnhậnđượccùngmộtgiátrị(theođịnhnghĩalà1méttrong0,000000003335640952giây).Khỏicầnphảiđưavàokháiniệmether,vàlạisựcómặtcủanókhôngthểđượcghinhậnbằngcáchnào,nhưthínghiệmcủaMichelson-Morleyđãchứngtỏ.

Tuynhiên,lýthuyếttươngđốibuộcchúngtaphảithayđổimộtcáchcănbảnnhữngýniệmcủachúngtavềkhônggianvàthờigian.Chúngtabuộcphảichấpnhậnrằngthờigiankhônghoàntoàntáchrờivàđộclậpvớikhônggianmàkếthợpvớinóthànhmộtđốitượnggọilàkhông-thờigian.Theokinhnghiệmthôngthường,ngườitacóthểmôtảvịtrícủamộtđiểmtrong không gian bằng ba con số, hay nói cách khác là ba tọa độ.Ví dụ,ngườitacóthểnói:mộtđiểmởtrongphòngcáchmộtbứctường7bộ,cáchmộtbứctườngkhác3bộ,vàcaosovớisàn5bộ.Hoặcngườitacóthểchỉrõmộtđiểmởkinhtuyếnnào,vĩtuyếnbaonhiêuvàởđộcaonàosovớimựcnướcbiển.Ngườitacóthểthoảimáidùngbatọađộthíchhợpnàomàmìnhmuốn,mặcdùchúngchỉcóphạmviứngdụnghạnchế.Chẳnghạn,chúngtasẽ không chỉ vị trí của mặt trăng bằng khoảng cách theo phương bắc vàphươngtâysovớirạpxiếcPiccadillyvàchiềucaocủanósovớimựcnướcbiển.Thayvìthế,ngườitacầnphảimôtảnóquakhoảngcáchtừmặttrời,khoảngcáchtừmặtphẳngquĩđạocủacáchànhtinhvàgócgiữađườngnốimặttrăngvớimặttrờivàđườngnốimặttrờitớimộtngôisaoởgầnnhưsaoAlpha của chòm sao NhânMã. Nhưng thậm chí những tọa độ này cũngkhôngđượcdùngnhiềuđểmôtảvịtrícủamặttrờitrongthiênhàcủachúng

ta hoặc của thiên hà chúng ta trong quần thể thiên hà khu vực. Thực tế,người ta có thểmô tả toàn bộ vũ trụ bằngmột tập hợp cácmảng gối lênnhau.Trongmỗimộtmảng,ngườitacóthểdùngmộttậphợpbatọađộkhácnhauđểchỉvịtrícủacácđiểm.

Mộtsựkiệnlàmộtcáigìđóxảyraởmộtđiểmđặcbiệttrongkhônggianvàởmộtthờiđiểmđặcbiệt.Nhưvậy,ngườitacóthểchỉnóbằng4consốhaylà4tọađộ.Vàlầnnàycũngthế,việclựachọncáctọađộlàtùyý,ngườitacó thểdùngba tọađộkhônggianđãbiếtvàmộtđộđonàođócủa thờigian.Trongthuyếttươngđối,khôngcósựphânbiệtthựcsựgiữacáctọađộkhônggianvàthờigian,cũnghệtnhưkhôngcósựkhácbiệtthựcsựgiữahaitọađộkhônggian.Ngườitacóthểchọnmộttậphợptọađộmới,trongđó,chẳnghạn,tọađộkhônggianthứnhấtlàtổhợpcủatọađộkhônggiancũthứnhất và thứ hai. Ví dụ, thay vì đo vị trí củamột điểm trênmặt đất bằngkhoảngcáchtheophươngbắcvàtâycủanóđốivớirạpxiếcPiccadillyngườita có thể dùng khoảng cách theo hướng đông bắc và tây bắc đối vớiPiccadilly.Cũngtươngtựnhưvậy,trongthuyếttươngđối,ngườitacóthểdùngtọađộthờigianmớilàthờigiancũ(tínhbằnggiây)cộngvớikhoảngcách(tínhbằnggiây-ánhsáng)theohướngbắccủaPiccadilly.

Mộtcáchrấthữuíchđểsuynghĩvềbốntọađộcủamộtsựkiệnlàchỉvịtrícủanótrongmộtkhônggian4chiều,đượcgọilàkhông-thờigian.Chúngtakhông thể tưởng tượngnổimộtkhônggian4 chiều.Riêngbản thân tôihìnhdungmộtkhônggian3chiềucũngđãvấtvảlắmrồi.Tuynhiênvẽmộtsơđồvềkhônggian2chiềuthì lạikhádễdàng,chẳnghạnnhưvẽbềmặtcủatráiđất(Bềmặtcủatráiđấtlàhaichiềuvìvịtrícủamộtđiểmtrênđócóthể được ghi bằng hai tọa độ, kinh độ và vĩ độ). Tôi sẽ thường sử dụngnhữnggiảnđồ trongđó thờigian tăng theophương thẳngđứnghướng lêntrên, còn một trong những chiều không gian được vẽ theo phương nằmngang.Haichiềukhônggiancònlạisẽbỏqua,hoặcđôikhimộttronghaichiềuđóđượcvẽ theophốicảnh.(Nhữnggiảnđồnàyđượcgọi làgiảnđồkhông-thờigian,giốngnhưhình2.1).Vídụ,tronghình2.2thờigianđượcđặthướnglêntrênvớiđơnvịlànăm,cònkhoảngcáchnằmdọctheođườngthẳng nối mặt trời với sao Anpha của chòm sao Nhân mã được đặt nằmngangvớiđơnvịlàdặm.NhữngconđườngcủamặttrờivàsaoAlphaquakhông-thờigianlànhữngconđườngthẳngđứngởbêntráivàbênphảicủagiảnđồ.Tiasángtừmặttrờiđitheođườngchéovàphảimất4nămmớitớiđượcsaoAlpha.Hình2.2:Tiasángtừmặttrờiđitheođườngchéovàphảimất4nămmớitớiđượcsaoAlpha.

Nhưchúngtađãthấy,cácphươngtrìnhMaxwelltiênđoánrằngvậntốccủaánhsángsẽlànhưnhaubấtkểvậntốccủanguồnsángbằngbaonhiêu,vàđiềunàyđãđượckhẳngđịnhbằngnhiềuphépđochínhxác.

Hình2.3:vòngtrònlớndầncủacácgợnsóngsẽtạothànhmộtnóncóđỉnhnằmđúngtạichỗvàtạithờiđiểmhònđáchạmvàomặtnước.

Điềunàysuyratừsựkiệnlànếumộtxungánhsángđượcphátraởmộtthờiđiểmđặcbiệt, tạimộtđiểmđặcbiệt trongkhônggian, thì sauđóvớithời gian nó sẽ lan ra nhưmộtmặt cầu ánh sáng với kích thước và vị tríkhôngphụthuộcvàovậntốccủanguồnsáng.Saumộtphầntriệugiây,ánhsángsẽlantruyền,tạothànhmộtmặtcầucóbánkính300mét,sauhaiphầntriệugiây,bánkínhlà600mét,vàcứnhưvậymãi.Điềunàycũnggiốngnhưnhữnggợnsóngtruyềntrênmặtnướckhicóhònđánémxuốnghồ.Hình2.4:Mặtnónánhsángquákhứlàtậphợpcácsựkiệnmàtừchúngmộtxungánhsángcóthểtớiđượcsựkiệnđangxét.

Những gợn sóng truyền nhưmột vòng tròn cứ lớn dầnmãi theo thờigian.Nếutanghĩvềmộtmôhìnhbachiềugồmbềmặthaichiềucủahồvàmộtchiềuthờigianthìvòngtrònlớndầncủacácgợnsóngsẽtạothànhmộtnóncóđỉnhnằmđúngtạichỗvàtại thờiđiểmhònđáchạmvàomặtnước(hình2.3).Tươngtự,ánhsánglantruyềntừmộtsựkiệnsẽtạonênmộtmặtnónbachiềutrongkhông-thờigian4chiều.Mặtnónđóđượcgọilàmặtnónánhsángtươnglaicủasựkiệnđangxét.Cũngbằngcáchnhưvậytacóthểdựngmộtmặtnónkhác,gọilàmặtnónánhsángquákhứđólàtậphợpcácsựkiệnmàtừchúngmộtxungánhsángcóthểtớiđượcsựkiệnđangxét(hình2.4).Hình2.5:NhữngmặtnónánhsángquákhứvàtươnglaicủamộtsựkiệnPchiakhônggianthànhbamiền.

Nhữngmặtnónánhsángquákhứvà tương laicủamộtsựkiệnPchiakhông gian thành bamiền (hình 2.5.). Tương lai tuyệt đối của sự kiện làvùngnằmtrongmặtnónánhsángtươnglaicủaP.ĐâylàtậphợpcủatấtcảcácsựkiệncóthểchịuảnhhưởngcủanhữngđiềuxảyraởP.

Những tínhiệu từPkhông thể tớiđượcnhữngsựkiệnnằmngoàinónánhsángcủaPbởivìkhônggìcóthểchuyểnđộngnhanhhơnánhsáng.DovậymàcácsựkiệnđókhôngchịuảnhhưởngnhữnggìxảyraởP.QuákhứtuyệtđốicủaPlàvùngnằmtrongnónánhsángquákhứ.ĐâylàtậphợpcácsựkiệnmàtừđónhữngtínhiệutruyềnvớivậntốcbằnghoặcnhỏhơnvậntốccủaánhsángcóthểtớiđượcP.Dođó,tậphợpnhữngsựkiệnnàycóthểảnhhưởngtớinhữnggìxảyraởP.NếubiếtđượcởmộtthờiđiểmđặcbiệtnàođónhữnggìxảyraởmọinơitrongvùngkhônggiannằmtrongnónánhsángquákhứcủaPthìngườitacóthểtiênđoánnhữnggìsẽxảyraởP.Hình2.6:Nónánhsángkhimặttrờitắt.

Phầncòn lại làvùngkhông - thờigiankhôngnằm trongnónánhsángtươnglaihoặcquákhứcủaP.CácsựkiệntrongphầncònlạinàykhôngthểảnhhưởnghoặcchịuảnhhưởngbởinhữngsựkiệnởP.Vídụ,nếumặttrờingừngchiếusángởchínhthờiđiểmnày,thìnósẽkhôngảnhhưởngtớicác

sựkiện trên tráiđấtởngay thờiđiểmđóbởivìchúngnằmngoàinónánhsángcủaánhsángkhimặttrờitắt(hình2.6).Chúngtasẽbiếtvềsựkiệnđóchỉsau8phút-làthờigianđủđểánhsángđitừmặttrờiđếntráiđất.Vàchỉkhinàynhữngsựkiện trên tráiđấtmớinằm trongnónánhsáng tương laicủasựkiệnởđómặttrờitắt.Tươngtựnhưvậy,ởthờiđiểmhiệnnaychúngtakhôngthểbiếtnhữnggìđangxảyraởnhữngnơixaxôitrongvũtrụ,bởivìánhsángmàchúngtathấytừnhữngthiênhàxaxôiđãrờichúngtừhàngtriệunămtrước.Nhưvậy,khichúngtaquansátvũtrụthìthựcralàchúngtađangthấynótrongqúakhứ.Hình 2.7: Nón ánh sáng của các sự kiện trên đường đi của vật thể trongkhônggian.

Nếungườitabỏquanhữnghiệuứnghấpdẫn,nhưEinsteinvàPoincaréđãlàmnăm1905,thìtacóthuyếttươngđốiđượcgọilàthuyếttươngđốihẹp.Đốivớimỗisựkiệntrongkhông-thờigiantađềucóthểdựngmộtnónánhsáng(làtậphợpmọiconđườngkhảdĩcủaánhsángtrongkhông-thờigianđượcphátraởsựkiệnđó),vàvìvậntốcánhsánglànhưnhauởmỗisựkiệnvàtheomọihướng,nêntấtcảcácnónánhsánglànhưnhauvàcùnghướngtheomộthướng.Lýthuyếtnàycũngnóivớichúngtarằngkhônggìcóthểchuyểnđộngnhanhhơnánhsáng.Điềuđócónghĩalàđườngđicủamọivậtquakhông-thờigiancầnphảiđượcbiểudiễnbằngmộtđườngnằmtrongnónánhsángởmỗimộtsựkiệntrênnó(hình2.7.).

Lýthuyếttươngđốihẹprấtthànhcôngtrongviệcgiảithíchsựnhưnhaucủavậntốcánhsángđốivớimọingườiquansát(nhưthínghiệmMichelson-Morley đã chứng tỏ) và trong sự mô tả những điều xảy ra khi các vậtchuyểnđộngvớivậntốcgầnvớivậntốcánhsáng.Tuynhiên,lýthuyếtnàylạikhônghòahợpvớithuyếthấpdẫncủaNewtonnóirằngcácvậthútnhauvớimộtlựcphụthuộcvàokhoảngcáchgiữachúng.Điềunàycónghĩalà,nếulàmchomộtvậtchuyểnđộngthìlựctácdụnglêncácvậtkhácsẽthayđổingay lập tức.Haynóimộtcáchkhác,các tácdụnghấpdẫn truyềnvớivậntốcvôhạn,thayvìnóbằnghoặcnhỏhơnvậntốcánhsángnhưthuyếttươngđốihẹpđòihỏi.

Trongkhoảng thờigian từnăm1908đếnnăm1914,Einsteinđãnhiềulần thửtìmmột lý thuyếthấpdẫnhòahợpđượcvới thuyết tươngđốihẹp,nhưngđãkhôngthànhcông.Cuốicùng,vàonăm1915,ôngđãđưarađượcmộtlýthuyếtmàngàynaychúngtagọilàthuyếttươngđốirộng(haythuyếttươngđốitổngquát).Ôngđãđưaramộtgiảthiếtcótínhchấtcáchmạngchorằnghấpdẫnkhôngphảilàmộtlựcgiốngnhưnhữnglựckhácmànólàkếtquảcủasựkiệnlà:không-thờigiankhôngphảiphẳngnhưtrướckiangườitavẫn tưởng,mànóconghay“vênh”đidosựphânbốcủakhối lượngvànănglượngtrongnó.Cácvậtnhưtráiđấtkhôngphảiđượctạorađểchuyểnđộngtrêncácquĩđạocongbởi lựchấpdẫn,màthayvì thế,chúngchuyển

độngtheođườngrấtgầnvớiđườngthẳngtrongkhônggiancongmàngườitagọilàđườngtrắcđịa.Đườngtrắcđịalàđườngngắnnhất(hoặcdàinhất)giữahaiđiểmcạnhnhau.Vídụ,bềmặttráiđấtlàmộtkhônggianconghaichiều.Hình2.8:Đường trắcđịa trênmặt tráiđấtchính làvòng tròn lớnvànó làđườngngắnnhấtgiữahaiđiểmtrênmặtđất.

Đườngtrắcđịa trênmặt tráiđấtchính làvòngtròn lớnvànó làđườngngắnnhất giữahai điểm trênmặt đất (H.2.8).Vì đường trắc địa là đườngngắn nhất giữa hai sân bay, nên nó là đườngmà những người dẫn đườnghàngkhônghướngcácphicôngbay theo.Tronglý thuyết tươngđốirộng,các vật luôn luôn chuyển động theo các đường “thẳng” trong không-thờigian4chiều,nhưngđốivớichúngta,chúngcóvẻchuyểnđộngtheonhữngđườngcongtrongkhônggian3chiều.(Điềunàyrấtgiốngvớiviệcquansátchiếcmáybaytrênmộtvùngđồigò.Mặcdùnóbaytheođườngthẳngtrongkhônggian3chiều,nhưngcáibóngcủanólạichuyểnđộngtheomộtđườngcongtrênmặtđấthaichiều).

Khối lượng củamặt trời làm cong không-thời gian theo cách sao chomặc dù trái đất chuyển động theo đường thẳng trong không-thời gian 4chiều,nhưngnó lại thểhiệnđốivớichúngta làchuyểnđộngtheoquĩđạotròntrongkhônggianbachiều.Vàthựctế,quĩđạocủacáchànhtinhđượctiênđoánbởi lý thuyết tươngđối rộngcũngchínhxácnhưđược tiênđoánbởilýthuyếthấpdẫncủaNewton.Tuynhiên,trongtrườnghợpđốivớisaoThủy,hànhtinhgầnmặttrờinhất,dođócảmthấyhiệuứnghấpdẫnmạnhnhấtvàcóquĩđạothuôndàihơn,thì thuyếttươngđốirộngtiênđoánrằngtrụcdàicủaelipquĩđạoquayquanhmặttrờivớivậntốc1độtrong10ngànnăm.Mặcdùhiệuứnglàrấtnhỏ,nhưngnóđãđượcghinhậntừtrướcnăm1915vàđượcdùngnhưmộtbằngchứngđầutiênkhẳngđịnhlýthuyếtcủaEinstein.Trongnhữngnămgầnđây,nhữngđộ lệch thậmchícònnhỏhơnnữa của quĩ đạo các hành tinh khác so với những tiên đoán của lý thuyếtNewtoncũngđãđượcđobằngradavàchothấychúngphùhợpvớinhữngtiênđoáncủathuyết tươngđốirộng.Nhữngtiasángcũngcầnphảiđi theonhữngđườngtrắcđịatrongkhông-thờigian.Cũnglạidokhônggianbịcongnên ánh sáng không còn thể hiện là truyền theo đường thẳng trong khônggiannữa.Nhưvậythuyếttươngđốirộngtiênđoánrằngánhsángcóthểbịbẻcongbởicáctrườnghấpdẫn.Vídụ,lýthuyếtnàytiênđoánrằngnónánhsángcủanhữngđiểmởgầnmặttrờisẽhơibịuốnhướngvàophíatrongdotácdụngcủakhốilượngmặttrời.Điềunàycónghĩalàánhsángtừmộtngôisaoxakhiđiquagầnmặttrờicóthểbịlệchđimộtgócnhỏ,khiếnchođốivớinhữngngườiquansáttrênmặtđất,ngôisaođódườngnhưởmộtvịtríkhác(H.2.9).Hình2.9:Điềunàycónghĩalàánhsángtừmộtngôisaoxakhiđiquagần

mặttrờicóthểbịlệchđimộtgócnhỏ.Tấtnhiên,nếuánhsángtừngôisaođóluônluônđiquagầnmặttrời,thì

chúngtakhôngthểnóitiasángcóbịlệchhaykhônghoặcthayvìthếngôisaocóthựcsựnằmởđúngchỗchúngtanhìnthấynóhaykhông.Tuynhiên,vìtráiđấtquayquanhmặttrờinênnhữngngôisaokhácnhaucólúcdườngnhưđiquaphíasaumặt trờivàánhsángcủachúngbị lệch.Vì thếnhữngngôisaonàythayđổivịtríbiểukiếncủachúngđốivớicácngôisaokhác.

Thườngthìrấtkhóquansáthiệuứngnày,bởivìánhsángcủamặttrờilàmchotakhôngthểquansátđượcnhữngngôisaocóvịtríbiểukiếnởgầnmặttrờitrênbầutrời.Tuynhiên,điềunàycóthểlàmđượctrongthờigiancónhậtthực,khimàánhsángmặttrờibịmặttrăngchắnmất.NhưngtiênđoáncủaEinsteinkhôngđượckiểmchứngngaylậptứctrongnăm1915vìcuộcchiếntranhthếgiới lầnthứnhất lúcđóđanglanrộng,vàphải tới tậnnăm1919mộtđoànthámhiểmAnhkhiquansátnhậtthựcởTâyPhiđãchứngtỏđược rằng ánh sáng thực sựbị lệchdomặt trời đúngnhư lý thuyết đãdựđoán.Sự chứngminh lý thuyết củamột ngườiĐứcbởi các nhà khoa họcAnhđãđượcnhiệtliệthoannghênhnhưmộthànhđộnghòagiảivĩđạigiữahainướcsauchiếntranh.Dođó,thậtlàtrớtrêukhikiểmtralạisauđónhữngbứcảnhmàđoànthámhiểmđãchụp,ngườitapháthiệnrarằngsaisốcũnglớncỡhiệuứngmàhọđịnhđo.Phépđocủahọhoàntoànchỉlàmaymắnhoặcmột trườnghợpđã biết trước kết quảmàhọmuốnnhậnđược -mộtđiềucũngthườngxảyratrongkhoahọc.Tuynhiên,sựlệchcủatiasángđãđượckhẳngđịnhhoàntoànchínhxácbởinhiềuquansátsaunày.

Một tiên đoán khác của thuyết tươngđối rộng là thời gian dườngnhưchạychậmhơnkhiởgầnnhữngvậtcókhốilượnglớnnhưtráiđất.Đólàbởivìmộtmốiliênhệgiữanănglượngcủaánhsángvàtầnsốcủanó(tầnsốlàsóngánhsángtrongmộtgiây):nănglượngcànglớnthìtầnsốcàngcao.Khiánhsángtruyềnhướnglêntrongtrườnghấpdẫncủatráiđất,nósẽmấtnănglượngvàvìthếtầnsốcủanógiảm.(Điềunàycónghĩalàkhoảngthờigiangiữahaiđỉnhsóngliêntiếptănglên).Đốivớingườiởtrêncaomọichuyệnởphíadướixảy rachậmchạphơn.Điều tiênđoánnàyđãđượckiểmchứngvàonăm1962bằngcáchdùnghaiđồnghồrấtchínhxác:mộtđặtởđỉnhvàmộtđặtởchânmộtthápnước.Đồnghồởchântháp,gầntráiđấthơn,chạychậmhơn-hoàntoànphùhợpvớithuyếttươngđốirộng.Sựkhácbiệtcủatốc độ đồng hồ ở những độ cao khác nhau trênmặt đất cómột tầmquantrọngđặcbiệttrongthựctiễnhiệnnaykhingườitasửdụngnhữnghệthốngđạohàngchínhxácdựatrênnhữngtínhiệutừvệtinh.Nếukhinàyngườitabỏquanhữngtiênđoáncủathuyếttươngđốirộng,thìvịtrítínhtoánđượccóthểsaikháctớivàibadặm!

NhữngđịnhluậtvềchuyểnđộngcủaNewtonđãđặtdấuchấmhếtchoýniệmvềvịtrí tuyệtđốitrongkhônggian.Thuyếttươngđốiđãvứtbỏkhái

niệmthờigiantuyệtđối.Tahãyxéthaiđứatrẻsinhđôi.Giảsửrằngmộtđứađượcđưalênsốngtrênđỉnhnúivàmộtđứasốngởngangmựcnướcbiển.Đứathứnhấtsẽgiànhanhhơnđứathứhai.Nhưvậy,nếugặplạinhaumộtđứasẽgiàhơnđứakia.Trongtrườnghợpnàysựkhácnhauvềtuổitácsẽrấtnhỏ,nhưngnósẽlớnhơnrấtnhiềunếumộtđứathựchiệnchuyếnduhànhdàitrongcontàuvũtrụchuyểnđộngvớivậntốcgầnvậntốcánhsáng.Khitrởvềnósẽtrẻhơnrấtnhiềusovớiđứaởlạitráiđất.Điềunàyđượcgọilànghịchlýhaiđứatrẻsinhđôi,nhưngnólànghịchlýchỉnếuýniệmvềthờigiantuyệtđốivẫncònlẩnquấttrongđầuócchúngta.Tronglýthuyếttươngđốikhôngcómộtthờigiantuyệtđốiduynhất,màthayvìthếmỗicánhâncómộtđộđothờigianriêngcủamìnhvàđộđođóphụthuộcvàonơihọđangởvàhọchuyểnđộngnhưthếnào.

Trướcnăm1915,khônggianvàthờigianđượcxemlàmộtsânkhấucốđịnhnơidiễnramọisựkiệnvàkhôngchịuảnhhưởngbởinhữngđiềuxảyratrong nó. Điều này đúng thậm chí cả với thuyết tương đối hẹp. Các vậtchuyểnđộng,cáclựchútvàđẩy,nhưngkhônggianvàthờigianvẫnliêntụcvàkhôngbịảnhhưởnggì.Vàýnghĩchorằngkhônggianvà thờigiancứtiếptụcnhưthếmãimãicũnglàchuyệntựnhiên.

Tuynhiên, tìnhhìnhhoàn toànkhác trong thuyết tươngđối rộng.Bâygiờkhônggianvàthờigianlànhữngđạilượngđộnglực:khimộtvậtchuyểnđộng,hoặcmộtlựctácdụng,chúngđềuảnhhưởngtớiđộcongcủakhônggianvàthờigianvàđáplại,cấutrúccủakhông-thờigiansẽảnhhưởngtớicáchthứcmàcácvậtchuyểnđộngvàcáclựctácdụng.Khônggianvàthờigiankhôngchỉcótácđộngmàcònbịtácđộngbởimọiđiềuxảyratrongvũtrụ.Chínhvìngườitakhôngthểnóivềcácsựkiệntrongvũtrụmàkhôngcókháiniệmvềkhônggianvàthờigian,nêntrongthuyếttươngđốirộngsẽtrởnênvônghĩanếunóivềkhônggianvàthờigianởngoàigiớihạncủavũtrụ.Trongnhữngthậpkỷtiếpsau,sựnhậnthứcmớinàyvềkhônggianvàthờigianđãlàmcáchmạngquanniệmcủachúngtavềvũtrụ.Ýtưởngxưacũchorằngmộtvũtrụcănbảnkhôngthayđổicóthểđãtồntạivàcóthểcòntiếptụctồntạiđãvĩnhviễnđượcthaythếbằngkháiniệmmộtvũtrụđộng,đanggiãnnở,mộtvũ trụdườngnhưđãbắt đầuởmột thờiđiểmhữuhạntrongquákhứvàcóthểchấmdứtởmộtthờiđiểmhữuhạntrongtươnglai.Cuộccáchmạngnàylàđềtàicủachươngtiếpsau.Vànhữngnămsauđónócũng đã là điểm xuất phát cho hoạt động của tôi trong lĩnh vực vật lý lýthuyết.RogerPenrosevàtôiđãchứngtỏđượcrằngchínhthuyếttươngđốirộngđãngụývũ trụcầnphảicóđiểmbắtđầuvàcó thểcảđiểmkết thúcnữa.

Chương3:VũtrụgiãnnởNếutanhìnlênbầutrờivàonhữngđêmquangđãng,khôngtrăng,những

vật sángnhấtmà chúng ta nhìn thấy có lẽ là các hành tinh: saoKim, saoHỏa,saoMộcvàsaoThổ.Cũngcórấtnhiềucácngôisaotươngtựnhưmặttrờicủachúngtanhưngởrấtxa.Mộtsốnhữngngôisaocốđịnhđó,thựctế,lạidườngnhưthayđổi-dùlàrấtítvịtrítươngđốicủachúngvớinhaukhitráiđấtquayxungquanhmặttrời:chúnghoàntoànkhôngphảilàcốđịnh!Sởdĩcóđiềunàylàdochúngtươngđốiởgầnchúngta.Khitráiđấtquanhxungquanhmặttrời,từnhữngvịtríkhácnhauchúngtathấychúngtrênnềncủa những ngôi sao ở xa hơn. Đó làmột điềumaymắn, vì nó cho phépchúngtađođượcmộtcáchtrựctiếpkhoảngcáchtừnhữngngôisaođóđếnchúngta:chúngcàngởgầnthìcàngcóvẻdichuyểnnhiềuhơn.

NgôisaogầnchúngtanhấtlàsaoProximacủachòmsaoNhânMãđượctìmthấycáchchúngtakhoảng4nămánhsáng(nghĩalàánhsángtừnóphảimất4nămmớitớiđượctráiđất),haykhoảnghaimươibatriệutriệudặm.Đa số các ngôi sao khác thấy được bằngmắt thường nằm cách chúng tatrongkhoảngvàitrămnămánhsáng.Đểsosánh,bạncầnbiếtrằngmặttrờichỉcáchchúngtacó8phútánhsáng!Nhữngngôisaothấyđượcdườngnhưnằmrảirắctrêntoànbộbầutrờiđêm,nhưngchúngđặcbiệttậptrungtrongmộtdảimàngườitagọilàdảiNgânhà(MilkyWay).Rấtlâuvềtrước,vàokhoảng năm1750, đa số các nhà thiên văn cho rằng sự xuất hiện của dảiNgânhàcó thểgiải thíchđượcnếuphần lớncác saonhìn thấynằm trongmộtcấuhìnhđĩaduynhất -mộtvídụvềcáimàhiệnnaychúng tagọi làthiênhàxoắnốc.Phảimấychụcnămsau,nhàthiênvănWilliamHerschelmớikhẳngđịnhđượcýtưởngđócủamìnhbằngcáchcầnmẫnlậpmộtbộsưutậpvềvịtrívàkhoảngcáchcủamộtsốrấtlớncácngôisao.Thậmchínhư thế,nhữngý tưởngnàychỉđượcchấpnhậnhoàn toànvàođầu thếkỷnày.

Bức tranhhiệnđạivềvũ trụkhởiđầuchỉmớivàonăm1924,khinhàthiênvănngườiMỹEdwinHubblechứngtỏđượcrằngthiênhàcủachúngtakhôngphảilàthiênhàduynhất.Thựctếcòncónhiềuthiênhàkhácvàgiữachúnglànhữngkhoảngkhônggiantrốngrỗngrộnglớn.Đểchứngminhđiềunày, ông đã phải xác định khoảng cách đến các thiên hà khác đó.Nhữngthiênhànàyởquáxachúngta,nênkhônggiốngnhữngngôisaogần,chúngdườngnhư thựcsựcốđịnh.DođóHubblebuộcphải sửdụngcácphươngphápgiántiếpđểđokhoảngcách.Ngườitabiếtrằngđộchóibiểukiếncủacácngôisaophụthuộcvàohaiyếutố:ánhsángnóphátrabaonhiêu(tứcđộtrưngcủanó)vànóởxachúng ta tớimứcnào.Đốivớinhữngngôisaoởgần,chúngtacóthểđođượccảđộchóibiểukiếnlẫnkhoảngcáchcủachúng

vànhưvậychúngtacóthểtínhđượccảđộtrưngcủachúng.Ngượclạinếuchúngtabiếtđượcđộtrưngcủacácngôisaoởcácthiênhàkhácchúngtacóthể tính được khoảng cách bằng cách đo độ chói biển kiến của chúng.Hubblethấyrằngcómộtsốloạisaoluônluôncócùngđộtrưngkhichúngởđủgầnđểtacóthểđođược,dođóôngrútrakếtluậnrằngnếutatìmthấynhững ngôi sao loại đó ở các thiên hà khác thì chúng ta có thể xem rằngchúngcũngcócùngđộtrưng-vànhưvậycóthểtínhđượckhoảngcáchđếnthiênhàđó.Nếuchúngtacóthểlàmđiềuđóchonhiềungôisaotrongcùngmột thiênhàmàkếtquả tính toánđềuchomộtkhoảngcáchnhưnhau thìhoàntoàncóthểtinđượcvàođánhgiácủachúngta.Hình3.1:Ảnhcủamộtthiênhàxoắnốc.

TheocáchđóEdwinHubbleđãxácđịnhđượckhoảngcáchđến9thiênhàkhácnhau.Bâygiờthìchúngtabiếtrằngthiênhàcủachúngtachỉlàmộttrongsốvài trămngàn triệu thiênhàcó thểnhìn thấyđượcbằngcáckínhthiênvănhiệnđại,mỗimộtthiênhàlạigồmkhoảngvàitrămngàntriệungôisao.Hình3.1.làảnhcủamộtthiênhàxoắnốcmàchúngtanghĩrằngthiênhàcủachúngtasẽđượcnhìngiốngnhưthếdướiconmắtcủangườisốngởmộtthiênhàkhác.Chúngtasốngtrongmộtthiênhàcóbềngangrộngchừngmột trăm ngàn năm ánh sáng và quay chậm; các ngôi sao nằm trong cácnhánhxoắncủathiênhàquayxungquanhtâmcủanóvớivậntốcgócmộtvòngtronghai trămtriệunăm.Mặt trờicủachúngtacũngchỉ làmộtngôisaobìnhthườngmàuvàng,cókíchthướctrungbìnhvànằmởméptrongcủamộtnhánhxoắnốc.KểtừthờiAristotlevàPtolemy,thờimàchúngtanghĩrằngtráiđấtlàtrungtâmcủavũtrụ,chotớingàynay,-quảthậtchúngtađãđiđượcmộtchặngđườngrấtdài.

Nhữngngôi saoởxa chúng tađếnnỗi, đối với chúng ta, chúngchỉ lànhữngchấmsángnhợtnhạt.Chúngtakhôngthểthấyđượckíchthướccũngnhưhìnhdạngcủachúng.Vậythìbằngcáchnàotacóthểnóivềcácloạisaoriêng biệt khác nhau?Đối với đại đa số các ngôi sao, chỉ cómột nét đặctrưngmàchúngtaquansátđược-đólàmầuánhsángcủachúng.Newtonđãpháthiệnrarằngnếuánhsángmặttrờiđiquamộtlăngkínhnósẽtáchthànhcácmàuthànhphần(còngọilàquangphổcủanó)nhưmàucủacầuvồng.Bằngcáchhướngkínhthiênvănvàomộtngôisaoriênglẻhaymộtthiênhàngườitacóthểquansátmộtcáchtươngtựquangphổcủaánhsángtừngôisaohay thiênhàđó.Nhữngngôi saokhácnhau cóquangphổkhácnhau,nhưngđộchóitươngđốicủacácmàukhácnhauluônluônchínhxáchệtnhưngườitamongđợitìmthấytrongánhsángcủanhữngvậtphátsángnóngđỏ.(Thực tế, ánh sángđượcphát rabởimộtvậtkhông trongsuốtnóngđỏcóphổđặctrưngchỉphụthuộcvàonhiệtđộcủanó-quangphổnhiệt.Điềunàycónghĩalàchúngtacóthểbiếtnhiệtđộcủangôisaotừquangphổánhsángcủanó).Hơnnữa,chúngtacòntìmthấyrằngmộtsốmàurấtxácđịnhkhông

cómặttrongquangphổcủangôisao,vànhữngmàuvắngmặtđókhácnhauđốivớinhữngngôisaokhácnhau.Vìchúngtabiếtrằngmỗinguyêntốhóahọchấpthụmộttậphợpđặctrưngnhữngmàurấtxácđịnh,nênbằngcáchđốichiếunhữngmàunàyvớinhữngmàuvắngmặttrongquangphổcủamộtngôisao,chúngtacóthểxácđịnhđượcchínhxácnhữngnguyêntốnàocómặttrongkhíquyểncủangôisaođó.

Trongnhữngnăm1920,khi cácnhà thiênvănbắtđầuquan sát quangphổcủacácngôisaothuộcnhữngthiênhàkhác,họđãtìmthấymộtđiềurấtđặcbiệt:cónhữngtậphợpđặc trưngcácmàuvắngmặtgiốnghệtnhưđốivớinhữngngôisaotrongthiênhàchúngta,nhưngchúngbịdịchđicùngmộtlượngtươngđốivềphíađỏcủaquangphổ.Đểhiểuđượcýnghĩacủađiềunày,chúngtatrướchếtcầnphảitìmhiểuvềhiệuứngDoppler.Nhưchúngtađãthấy,ánhsángthấyđượcgồmnhữngthănggiáng,haynhữngsóng,trongtrườngđiệntừ.Tầnsố(haysốsóngtrongmộtgiây)củaánhsánglàrấtcao,tràidàitừbốnđếnbảytrămtriệutriệusóngtrongmộtgiây.Cáctầnsốkhácnhau của ánh sáng đượcmắt người nhìn thấy như nhữngmàu khác nhau.Nhữngánhsángcótầnsốthấpnhấtnằmởphíađỏcủaquangphổvànhữngánhsángcó tầnsốcaonhấtnằmởphía tímcủanó.Bâygiờchúng tahãyhìnhdungmộtnguồnsángởcáchchúng tamộtkhoảngkhôngđổi, tỷnhưmộtngôisao,vàphátsóngánhsángcótầnsốkhôngđổi.Rõrànglàtầnsốcủacácsóngmàchúngtanhậnđượccũngchínhlàtầnsốmàchúngđãđượcnguồnphátra.(Trườnghấpdẫncủathiênhàchưađủmạnhđểgâyrahiệuứngđángkể).Bâygiờgiảthửrằngnguồnsóngbắtđầuchuyểnđộnghướngvềphíachúngta.Khinguồnphátmộtđỉnhsóngtiếptheothìnóởgầnchúngtahơn,vìvậythờigianđểđỉnhsóngđótớiđượcchúngtasẽíthơnsovớikhinguồnsóngđứngyên.Điềunàycónghĩalàthờigiangiữahaiđỉnhsóngtớichúngtalànhỏhơnvàdođósốsóngmàchúngtanhậnđượctrongmộtgiây(tứclàtầnsố)sẽlớnhơnsovớikhinguồnsóngđứngim.Tươngứng,nếunguồnsóngđiraxachúngtathìtầnsốmàchúngtanhậnđượcsẽthấphơn.Dođó,trongtrườnghợpánhsángđiềunàycónghĩalànhữngngôisaochuyểnđộngraxachúngtasẽcóquangphổdịchvềphíađỏcủaquangphổ(hiệntượngdịchvềphíađỏ)vànhữngngôisaochuyểnđộngvềphíachúngtasẽcóquangphổdịchvềphíatím.Mốiquanhệnàygiữatầnsốvàvậntốc-đượcgọi làhiệuứngDoppler- làmộtkinhnghiệmhàngngày.Hãylắngnghemộtchiếcxeôtôchạytrênđường:khichiếcxetiếnlạigần,tiếngđộngcơcủanónghebổnghơn(tứclàtầnsốsóngâmcaohơn),cònkhinóđiraxaâmcủanónghetrầmhơn.Đốivớicácsóngvôtuyếncũngtươngtựnhưvậy.ThựctếcảnhsátđãdùnghiệuứngDopplerđểxácđịnhvậntốccủacácxeôtôbằngcáchđotầnsốcủacácxungsóngvôtuyếnphảnxạtừcácxeđó.

Saukhichứngminhđượcsựtồntạicủacácthiênhàkhác,trongnhữngnăm tiếp sau, Hubble đã dành nhiều thời gian để lậpmột kho dữ liệu về

khoảngcáchgiữacác thiênhàvàquansátquangphổcủacác thiênhàđó.Vàothờigianấy,nhiềungườinhĩrằngcácthiênhàchuyểnđộnghoàntoànngẫunhiên,chonênhọchờđợitìmthấynhữngquangphổdịchvềphíatímcũngnhiềunhưnhữngquangphổdịchvềphíađỏ.Dođó,ngườitahếtsứcngạcnhiênkhipháthiệnrarằngđasốcácthiênhàđềucóquangphổdịchvềphía đỏ: nghĩa là gầnnhư tất cả chúngđang chuyểnđộng ra xa chúng ta!Điềucònngạcnhiênhơnnữa làpháthiệnmàHubblecôngbốnăm1929:thậmchíđộdịchvềphíađỏcủathiênhàcũngkhôngphảilàngẫunhiên,mànótỷlệthuậnvớikhoảngcáchgiữathiênhàđóvàchúngta.Hoặcnóimộtcách khác, thiên hà càng ở xa thì nó chuyển động ra xa càng nhanh! Cónghĩalàvũtrụkhôngphảilàtĩnhnhưtrướckiangườitavẫntưởng,mànóthựctếđanggiãnnở,khoảngcáchgiữacácthiênhàngàycàngtănglêntheothờigian.

Phátminhvũtrụđanggiãnnởlàmộttrongnhữngcuộccáchmạngtrítuệvĩđạicủathếkỷ20.Vớinhậnthứcmuộnmàng,thìviệcchỉngạcnhiênmàtự hỏi tại sao trước kia không ai nghĩ tới điều đó là chuyện quá dễ dàng.Newtonvànhữngngườikháclẽraphảithấyrằngvũtrụtĩnhsớmhaymuộnrồicũngsẽcolạidướiảnhhưởngcủahấpdẫn.Nhưngbâygiờ,tahãycứgiảthửrằngvũ trụđanggiãnnở.Nếunógiãnnởđủchậm, thì lựchấpdẫnsẽlàm cho nó cuối cùng sẽ ngừng giãn nở và sau đó sẽ bắt đầu co lại. Tuynhiên,nếuvũtrụgiãnnởvớivậntốcnhanhhơnmộtvậntốcgiớihạnnàođó,thìlựchấpdẫnsẽkhôngbaogiờđủmạnhđểlàmdừngnólạivàvũtrụsẽtiếptụcgiãnnởmãimãi.Điềunàycũnghơigiốngnhưkhingườitaphóngmộttênlửalênkhôngtrungtừmặtđất.Nếunócóvậntốcnhỏthìlựchấpdẫncuốicùngsẽlàmnódừnglạivàbắtđầurơixuống.Ngượclại,nếutênlửacóvậntốclớnhơnmộtvậntốctớihạnnàođó(khoảngbảydặmtrongmộtgiây),thìlựchấpdẫnsẽkhôngcònđủmạnhđểkéonólạinữa,vànósẽtiếptụcrờixatráiđấtmãimãi.

TínhchấtđócủavũtrụlẽracóthểhoàntoànđượctiênđoántừlýthuyếthấpdẫncủaNewtonởbấtkỳthờiđiểmnàocủathếkỷ19,18, thậmchíởcuốithếkỷ16.Nhưngvìniềmtinvàovũtrụtĩnhquámạnhtớimứcnóvẫncòndaidẳngchotớiđầuthếkỷ20.ThậmchíngaycảEinstein,khixâydựngthuyếttươngđốirộngvàonăm1915,cũngđinhninhrằngvũtrụcầnphảilàtĩnh.Vìthếôngđãphảisửađổilýthuyếtcủamìnhđểđiềuđócóthểxảyra,bằngcáchđưavàonhữngphươngtrìnhcủamìnhcáiđượcgọilà"hằngsốvũtrụ".Einsteinđãđưavàomộtlực“phảnhấpdẫn”mới,màkhônggiốngnhưnhữnglựckhác,nókhôngcóxuấtxứtừmộtnguồnđặcbiệtnào,màđượctạo dựng ngay trong cấu trúc của không-thời gian.Ông đặt ra yêu cầu làkhông-thờigiancóxuhướngnộitạilànởra,vàđiềuđólàđểcânbằngchínhxácvớilựchútcủatoànbộvậtchấttrongvũtrụ,saochokếtquảthuđượclàmộtvũtrụtĩnh.Dườngnhưchỉcómộtngườimuốnchấpnhậnthuyếttương

đối rộngở dạng ban đầu của nó, đó là nhà vật lý và toán học ngườiNgaAlexanderFriedmann.VàtrongkhiEinsteinvàcácnhàvậtlýkháctìmmọicáchđểlảngtránhsựtiênđoánvềmộtvũtrụkhôngtĩnh,thìFriedmannđãchấpnhậnvàbắttayvàogiảithíchnó.

Friedmann đã đưa ra hai giả thiết rất đơn giản về vũ trụ: đó là vũ trụđồngnhấttheomọihướngmàchúngtaquansát,vàđiềunàycũngđúngvớibất kỳ vị trí quan sát nào.Chỉ từ hai ý tưởng đó, Friedmann đã chứng tỏđượcrằngchúngtakhôngthểchờđợivũtrụchỉlàtĩnh.Thựctế,vàonăm1922,ítnămtrướcphátminhcủaHubble,FriedmannđãtiênđoánchínhxácđiềumàHubbletìmra!

Giả thiết cho rằng vũ trụ nhìn y hệt nhau theomọi hướng rõ ràng làkhôngđúngvớithựctế.Vídụ,nhưchúngtađãthấy,nhữngngôisaokháctrongthiênhàchúngtatạonênmộtdảisángnổibậttrênnềntrờiđêm,tứclàdảiNgânhà.Nhưngnếuchúngtaquansátnhữngthiênhàởxathìsốlượngcủachúngtươngđốigiốngnhau.Nhưvậy,vềđạithểthìvũtrụcóthểxemlànhưnhautheomọihướng,vớiđiềukiệnlàtaphảinhìnnóởquimôlớnsovớikích thướcgiữacác thiênhà,vàbỏquanhữngsaikhácởquimônhỏ.Trong một thời gian dài, điều này đã đủ biện minh cho giả thiết củaFriedmannnhưmộtphépgầnđúngthôđốivớivũtrụthực.Nhưnggầnđâyhơn,mộtsựtìnhcờmaymắnđãchỉrarằnggiảthiếtcủaFriedmannthựctếlàsựmôtảkháchínhxácvũtrụcủachúngta.

Năm1965,hainhàvậtlýMỹlàmviệcởphòngthínghiệmcủahãngBellTelephoneởNewJerseylàArnoPenziasvàRobertWilsonđangtiếnhànhtrắcnghiệmmộtmáydòsóngcựcngắnrấtnhạy.(Sóngcựcngắncũnggiốngnhư ánh sáng nhưng với tần số chỉ cỡ 10 ngàn triệu sóng trong 1 giây).PenziasvàWilsonrấtbănkhoănkhihọpháthiệnrarằngmáydòcủahọđãghi được quá nhiều tiếng ồn hơnmức cần thiết. Tiếng ồn này dường nhưkhông đến theomột phương đặc biệt nào.Đầu tiên họ phát hiện có phânchimtrongmáy,sauđóhọđãkiểmtramọikhảnăngcóthểhỏnghóc,nhưngtấtcảđềubịloạitrừ.Họcũngbiếtrằngmọiloạitiếngồnbêntrongbầukhíquyểnsẽmạnhhơnkhimáydòkhônghướngtheophươngthẳngđứng,bởivì các tia sáng truyền trongkhí quyển sẽ thuđượcởgầnđường chân trờinhiềuhơnlàtrênđỉnhđầu.Nhưngtiếngồntháiquáởđâylạinhưnhautheomọiphươngmàhọhướngđầudòtớivànhưvậynóphảitớitừbênngoàikhíquyển.Tiếngồnnàycũngnhưnhaucảngàylẫnđêmtrongsuốtcảnămbấtkể trái đất vẫn quay quanh trục của nó và quay quanhmặt trời.Điều nàychứngtỏbứcxạphảitớitừbênngoàihệmặttrời,thậmchítừngoàicảthiênhàchúngta,vìnếukhôngnósẽthayđổikhichuyểnđộngcủatráiđấtlàmchomáydòhướngtheonhữnghướngkhácnhau.Thựctế,chúngtabiếtrằngbứcxạđó tớiđượcchúng tađãphảiđiquaphần lớnvùngvũ trụquansátđượcvàvìnónhưnhautheocácphươngkhácnhaunênvũtrụcũngcầnphải

nhưnhautheomọiphương,nếuchỉxéttrênquimôlớn.Bâygiờthìchúngtađãbiếtrằngbấtkểnhìntheophươngnào,thìtiếngồnđócũngchỉbiếnthiênkhôngbaogiờvượt quámột phầnvạn.Nhưvậy,Penzias vàWilsonhoàntoàntìnhcờđãpháthiệnđượcmộtbằngchứngkháchínhxáckhẳngđịnhgiảthiếtthứnhấtcủaFriedmann.

Gầnkhoảngthờigianđó,hainhàvậtlýMỹởgầnĐạihọcPrincetonlàBodDickevàJimPeeblescũngđangquan tâmtớicácsóngcựcngắn.Họđang làmviệc theomộtđềxuấtcủaGeorgeGamow(ngườiđãmột thời làsinhviêncủaAlexanderFriedmann)chorằngvũtrụởthờikỳđầuphảirấtnóngvàđặc,đồngthờiphátsángnóng,trắng.DickevàPeebleslýluậnrằngchúngtahiệnnayvẫncòncóthểthấyđượcánhsángchóilọiđócủavũtrụởthờikỳđầu,bởivìánhsángtừnhữngphầnrấtxacủavũtrụchỉbâygiờmớiđếnđược chỗ chúng ta.Tuynhiên, sựgiãnnở củavũ trụ cónghĩa là ánhsángđỏphảidịchrấtmạnhvềphíađỏkhiếnchobâygiờchúngtathấynódướidạngbứcxạviba(sóngcựcngắn).DickevàPeeblesđangchuẩnbịtìmkiếmbứcxạđóthìPenziasvàWilsonnghenóivềcôngtrìnhcủahọvàhaiông hiểu ngay rằngmình đã phát hiện được chính bức xạ đó. Vì thếmàPenziasvàWilsonđãđượctraogiảithưởngNobelvềvậtlýnăm1978(mộtđiềuhơichuachátđốivớiDickevàPeebles,ấylàchưanóitớiGamow!).

Giờ đây thoạt nhìn thì toàn bộ bằng chứng đó - bằng chứng xác nhậnrằngvũtrụnhìnnhưnhautheobấtkỳhướngnàomàchúngtaquansát-cóthểdẫnđếnýnghĩchorằngcómộtcáigìđóđặcbiệtvềvịtrícủachúngtatrongvũtrụ.Đặcbiệt,cóthểnghĩrằngnếuchúngtaquansátthấytấtcảcácthiênhàkhácđangchuyểnđộngraxachúngta,thìchúngtacầnphảiởtrungtâmcủavũ trụ.Tuynhiên, cũng cómột cáchgiải thíchkhác: vũ trụ cũngphảinhưnhautheomọihướngkhinóđượcquansáttừbấtkỳmộtthiênhànào khác.Nhưng, như chúng ta đã thấy, đó chính là giả thiết thứ hai củaFriedmann.Hiệnchúngtachưacóbằngchứngkhoahọcđểkhẳngđịnhhaybácbỏgiảthiếtđó.Chúngtatinnóchỉtrêncơsởcủasựkhiêmtốn:sẽlàquánổibậtnếuvũtrụlànhưnhautheomọiphươngxungquanhchúngta,nhưnglạikhôngnhư thếxungquanhcácđiểmkhác trongvũ trụ.TrongmôhìnhcủaFriedmanntấtcảcácthiênhàđềuchuyểnđộngraxanhau.Tìnhhuốngnàykhágiốngmộtquảbóngbay,trênmặtcóvẽnhiềuchấmmàu,đangđượcthổicănglêntừtừ.Khiquảbóngcănglên,khoảngcáchgiữacácchấmmàutănglên,nhưngkhôngthểnóichấmmàunàolàtrungtâmcủasựgiãnnởđó.Hơn nữa các chấm càng xa nhau thì chúng chuyển động ra xa nhau càngnhanh.Tươngtựnhưvậy,trongmôhìnhcủaFriedmannvậntốcmàhaithiênhàchuyểnđộng raxanhau tỷ lệvớinhữngkhoảngcáchgiữachúng.Nhưvậy,môhìnhnàytiênđoánrằngmọisựdịchvềphíađỏcủamộtthiênhàtỷlệthuậnvớikhoảngcáchtừnóđếnchúngta,đúngnhưHubbleđãpháthiện.Mặcdùthànhcôngcủamôhìnhvàtiênđoáncủanóvềnhữngquansátcủa

Hubble,nhưngcôngtrìnhcủaFriedmannítđượcbiếttới,chotớikhinhữngmôhìnhtươngtựđượcphátminhbởinhàvậtlýMỹHowardRobertsonvànhàtoánhọcAnhArthurWalker,đểgiảithíchpháthiệncủaHubblevềsựgiãnnởđềucủavũtrụ.

MặcdùFriedmannchỉtìmramột,nhưngthựctếcótớibaloạimôhìnhkhácnhaucùngtuântheohaigiảthiếtcơbảncủaFriedmann.Trongloạiđầutiên(loạimàFriedmannđãpháthiện)vũtrụgiãnnởđủchậmđểlựchúthấpdẫngiữacácthiênhàkhácnhau,làmchosựgiãnnởchậmlại,vàcuốicùngthìdừnghẳn.Sauđócácthiênhàbắtđầuchuyểnđộnglạigầnnhau,vàvũtrụcolại.Hình3.2:Khoảngcáchgiữahaithiênhàlâncậnthayđổitừ0,tăngtớicựcđạirồilạigiảmdầnxuống0.

Hình3.2chothấy,khoảngcáchgiữahaithiênhàlâncậnthayđổitừ0,tăngtớicựcđạirồilạigiảmdầnxuống0.Trongloạithứhai,vũtrụgiãnnởnhanhtớimứclựchúthấpdẫnkhôngbaogiờcóthểlàmquátrìnhđódừnglại,mặcdùnócóthểchậmlạiđôichút.

Hình3.3:Haithiênhàngàycàngtáchxanhau.Hình3.3chothấycósựtáchxacủahaithiênhàcạnhnhautrongmôhìnhnày.Nóbắtđầutừ0,vàđếnmột lúcnàođó, các thiênhà chuyểnđộng raxanhauvới tốcđộđều.Cuốicùng làkhảnăng thứba:vũ trụgiãnnởvừađủnhanhđể tránhđượcquátrìnhcovềtrạngtháibanđầu.Hình3.4:Sựtáchbiệtgiữahai thiênhàcũngbắtđầu từ0và tăng lênmãimãi.

Trongtrườnghợpđó,sựtáchbiệt-nhưđượcthấytrênhình3.4-cũngbắtđầutừ0rồitănglênmãimãi.Tuynhiên,vậntốcmàcácthiênhàchuyểnđộngraxanhaungàycàngnhỏ,mặcdùkhôngbaogiờđạttới0.

Một đặc điểm nổi bật của mô hình đầu tiên của Friedmann là vũ trụkhôngphảilàvôhạntrongkhônggian,nhưngkhônggianlạikhôngcóbiên.Lựchấpdẫnđãmạnhtớimứckhônggianbịcuốntrònlạivàlàmchonónanánhưbềmặtcủatráiđất.Nếungườitachỉđitheomộthướngtrênbềmặtcủatráiđất,ngườirasẽkhôngbaogiờgặpmộtràochắnkhôngthểquađượchoặcrơixuốngquamộtmépvực,màcuốicùngsẽquayvềchỗđãxuấtphát.Trongmô hình đầu tiên của Friedmann không gian đúng như thế, chỉ cókháclànócóbachiềuchứkhôngphảihaichiềunhưbềmặttráiđất.Chiềuthứtư-thờigian-cũnghữuhạn,nhưngnógiốngnhưđườngthẳngcóhaiđầu,haynóicáchkháclàhaibiên:bắtđầuvàkếtthúc.Saunàychúngtasẽthấyrằngkhingườitakếthợpthuyếttươngđốirộngvớinguyênlýbấtđịnhcủacơhọclượngtửthìcảkhônggianlẫnthờigianđềucóthểhữuhạnmàkhôngcóméphoặcbiên.

Ýtưởngchorằngngườitacóthểchuduvòngquanhvũtrụvàkếtthúcởchínhchỗxuấtphát sẽ làmnênmộtcâuchuyệnviễn tưởngkhoahọchay,

nhưngkhôngcónhiềuýnghĩa thực tiễn,vìngười tacó thểchứngtỏđượcrằngvũ trụ sẽ co lại trở về kích thước zero trước khi người ta đi hếtmộtvòngquanhnó.Bạncầnphảiđinhanhhơnánh sángmớikịpvềchỗxuấtpháttrướckhivũtrụcáochung,nhưngđiềuđólạikhôngđượcphép.

TrongloạimôhìnhđầutiêncủaFriedmann,vũtrụnởrarồicolại,khônggianbịuốntrònlạigiốngnhưbềmặttráiđất.Dođó,nólàhữuhạn.Trongloạimôhìnhthứhai-vũtrụnởramãimãi-khônggianbịuốntheocáchkhác,nógiốngnhưhìnhmộtchiếcyênngựa.Nhưvậy,trongtrườnghợpnàykhônggianlàvôhạn.Cuốicùngtrongmôhìnhthứba,vớitốcđộgiãnnởtớihạn,khônggianlàphẳng(vàdođócũngvôhạn).

NhưngmôhìnhnàocủaFriedmannmôtảđúngvũtrụcủachúngta?Liệuvũtrụcuốicùngcóngừnggiãnnởvàbắtđầucolạihaysẽgiãnnởmãimãi?Đểtrảlờicâuhỏiđócầnphảibiếttốcđộgiãnnởhiệnnaycủavũtrụvàmậtđộtrungbìnhhiệnnaycủanó.Nếumậtđộnhỏhơnmộtgiátrịtớihạnnàođóđượcxácđịnhbởitốcđộgiãnnở,thìlựchúthấpdẫnsẽquáyếuđểlàmdừngquátrìnhgiãnnở.Nếumậtđộlớnhơngiátrị tớihạn,lựchấpdẫnsẽlàmdừngquátrìnhgiãnnởởmộtthờiđiểmnàođótrongtươnglaivàsẽlàmchovũtrụcolại.

ChúngtacóthểxácđịnhđượctốcđộgiãnnởhiệnthờibằngcáchdùnghiệuứngDopplerđovận tốcmàcác thiênhàchuyểnđộngraxachúngta.Điềunàycóthểthựchiệnđượcmộtcáchrấtchínhxác.Tuynhiên,khoảngcáchgiữacác thiênhà lạiđượcbiếtkhôngchínhxác lắm,dochúng tađochúngchỉbằngphươngphápgián tiếp thôi.Vìvậy,hiệnnaychúng tachỉbiếtđượclàvũtrụđanggiãnnở5%đến10%trongmỗikhoảngthờigianlàngàntriệunăm.Tuynhiên,sựbấtđịnhvềmậtđộtrungbìnhhiệnnaycủavũtrụthậmchícònlớnhơnnữa.Nếuchúngtacộngkhốilượngcủatấtcảcácngôisaonhìnthấytrongthiênhàcủachúngtavàcácthiênhàkháclại,thìtổngsốcònnhỏhơnmộtphầntrămkhốilượngcầnthiếtđểhãmsựgiãnnởcủavũtrụlại,thậmchícảtrongtrườnghợpđánhgiáthấpnhấttốcđộgiãnnở.Tuynhiên,thiênhàcủachúngtavàcácthiênhàkháccòncầnphảichứamột lượng lớn “vật chất tối”mà chúng ta không thể thấy được trực tiếp,nhưngchúngtabiếtnóphảicóvìảnhhưởngsứchúthấpdẫncủanólênquỹđạocủacácngôisaotrongcácthiênhà.Hơnnữa,đasốcácthiênhàđượctìmthấynằmthànhtừngcụm,vàtươngtựnhưtrên,chúngtacóthểsuyrasựcómặtcủamột lượngvậtchất tốicòn lớnhơnnữa trongkhoảnggiữacácthiênhàthuộcmộtcụmbởitácđộngcủanólênchuyểnđộngcủacácthiênhà.Khi cộng tất cả lượngvật chất tối đó lại, chúng ta cũng chỉmới nhậnđượckhoảngmộtphầnmườikhốilượngcầnthiếtđểhãmsựgiãnnởlại.Tuynhiên,chúngtakhôngthểloạitrừkhảnăngcóthểcómộtdạngvậtchấtkhácđượcphânbốđồngđều trong toànvũ trụmàchúng tacònchưapháthiệnđượcvànócóthểsẽnângmậtđộtrungbìnhcủavũtrụlêntớigiátrịtớihạn

đểhãmsựgiãnnởlại.Dovậy,bằngchứngmàhiệnnaychúngtacógợiýrằngvũtrụcólẽsẽgiãnnởvĩnhviễn,nhưngđiềumàchúngtathựcsựtinchắc,đólànếuthậmchícuốicùngvũtrụcócolạiđinữa,thìđiềuđócũngchưaxảyraítnhấttrongvòngmườingàntriệunămnữa,bởivìnóvẫncòngiãnnởítnhấtcũngtừngấythờigian.Điềunàychắckhôngkhiếnchúngtaphải lolắng: tới thờigianđónếuchúngtakhôngđịnhcưđượcởngoàihệmặttrời,thìloàingườicũngđãdiệtvongtừlâucùngvớimặttrờicủachúngta!TấtcảcácmôhìnhcủaFriedmannđềucómộtđặcđiểmlàởmộtthờiđiểmnàođótrongquákhứ(khoảnggiữamườivàhaimươingàntriệunămtrước)khoảngcáchgiữahai thiênhà lân cậnphảibằng0.Ở thờiđiểmđó - thờiđiểmmàchúngtagọilàvụnổlớn(BigBang)-mậtđộcủavũtrụvàđộcongcủakhông-thờigian là lớnvôhạn.Vìcácnhà toánhọckhông thể thựcsựthaotácvớicácsốvôhạn,nênđiềunàycónghĩalàthuyếttươngđốirộng(màcácmôhìnhcủaFriedmanndựa trênđó) tiênđoán rằng cómộtđiểmtrongvũtrụmàtạiđóchínhbảnthânlýthuyếtcũngkhôngdùngđượcnữa.Mộtđiểmnhưvậylàmộtvídụvềcáimàcácnhàtoánhọcgọilàđiểmkỳdị.Thực tếmọi lý thuyết khoahọc của chúng ta đềuđượcphát biểu trêngiảthuyếtchorằngkhông-thờigianlàtrơnvàgầnnhưphẳng,vìvậychúngsẽkhôngcòndùngđượcởđiểmkỳdịvụnổlớnvìởđóđộcongcủakhông-thờigianlàvôhạn.Điềunàycónghĩalàthậmchínếucónhữngsựkiệnxảyratrướcvụnổlớn,thìngườitacũngkhôngthểdùngchúngđểxácđịnhnhữnggìxảyrasauđó,bởivìtínhtiênđoánđượccũngsẽkhôngcònnữatạivụnổlớn.Tươngứng,nếuchỉbiếtnhữnggìtừsauvụnổlớn-đóchínhlàtrườnghợpcủachúngta-thìchúngtacũngkhôngthểxácđịnhđượcnhữnggìđãxảyratrướcđó.Đốivớichúngta,thìnhữngsựkiệnxảyratrướcvụnổlớncóthểkhôngcóhậuquảgì,vìvậychúngkhôngtạothànhmộtbộphầntrongmôhìnhkhoahọcvềvũtrụ.Dođó,chúngtasẽcắtbỏchúngkhỏimôhìnhvànóirằngthờigianbắtđầutừvụnổlớn.

Nhiềungườikhôngthíchýtưởngxemrằngthờigiancóđiểmbắtđầu,cólẽbởivìnódâydưavớisựcanthiệpcủathầnthánh.(NhàthờThiênChúagiáo,tráilại,đãnắmngaylấymôhìnhvụnổlớnvàvàonăm1951,vàchínhthứctuyênbốnóhoàntoànphùhợpvớiKinhthánh).Dođóđãcónhiềunỗlựcnhằmtránhkếtluậnchorằngđãcóvụnổlớn.Mộtđềxuấtđượcủnghộrộngrãinhấtgọilàlýthuyếttrạngtháibềnvững.Nóđượcđưaravàonăm1948,bởihaingười tịnạnchạykhỏinướcÁođangbịbọnphátxít chiếmđóng,đólàHermannBondivàThamasGoldcùngvớiFredHoyle-ngườiđãcùnghọnghiêncứupháttriểnradartrongthờikỳchiếntranh.Ýtưởngcủahọnhư sau:Khi các thiênhà chuyểnđộng raxanhau, thìởkhoảng trốnggiữachúng,cácthiênhàmớiliêntụcđượctạothànhtừvậtchấtmới.Dođó,vềđại thể,vũtrụsẽnhìnnhưnhauởmọi thờiđiểmcũngnhưởmọiđiểm

củakhônggian.Lýthuyếttrạngtháibềnvữngyêucầuphảisửađổithuyếttươngđối rộngđểchophép liên tục tạo ravậtchất,nhưng tốcđộcủaquátrìnhđóchậmtớimức(cỡmộthạttrênmộtkilométkhốitrongmộtnăm)đểnókhôngmâuthuẫnvớithựcnghiệm.Lýthuyếtnàylàmộtlýthuyếtkhoahọctốt theonghĩađãđượcmôtảởchương1:nóđơngiảnvàđưarađượcnhữngtiênđoánxácđịnhcóthểkiểmchứngđượcbằngquansát.Mộttrongsốnhữngtiênđoáncủanóchorằngsốthiênhàhoặccácđốitượngtươngtựtrongmộtthểtíchkhônggianchotrướcsẽlànhưnhauởbấtkỳđâuvàbấtkỳkhinàochúngtaquansátvũtrụ.Vàocuốinhữngnăm50vàđầunhữngnăm60,việclậpmộtbảnđồcácnguồnsốngvôtuyếntừngoàikhônggianvũtrụđãđượctiếnhànhbởimộtnhómcácnhàthiênvănởCambridgedoMartinRyleđứngđầu(ôngcũngđãtừnglàmviệcvớiBondi,GoldvàHoylevềradar trong thờikỳchiến tranh).NhómCambridgeđãchỉ ra rằngđasốcácnguồnsóngvôtuyếnnàyphảinằmngoàithiênhàcủachúngta(thựctếnhiềutrongsốđócóthểđồngnhấtvớicácthiênhàkhác)vàsốnguồnyếulàdoởxahơnvàcácnguồnmạnhlàdoởgầnhơn.Khiđóhóarasốcácnguồnnằmtrongmộtđơnvịthểtíchcủakhônggianđốivớicácnguồnởgầnsẽíthơnsovớicácnguồnởxa.Điềuđócóthểcónghĩalàchúngtanằmởtrungtâmcủamộtvùngrộnglớncủavũtrụtrongđócósốcácnguồníthơncácnơikhác.Hoặc,cũngcóthểcónghĩalàtrongquákhứ,ởthờiđiểmcácsóngvô tuyếnxuấtphátđi tới chúng ta thì sốcácnguồnnhiềuhơnsovớihiệnnay.Cảhaicáchgiảithíchđềumâuthuẫnvớitiênđoáncủathuyếttrạngtháibềnvững.Hơnthếnữa,sựpháthiệnthấycácbứcxạcựcngắncủaPenziasvàWilsonvàonăm1965cũngchỉrarằngvũtrụtrongquákhứphảiđặchơnrấtnhiều.Dovậylýthuyếttrạngtháibềnvữngcầnphảivứtbỏ.

Mộtnỗlựckhácnhằmtránhkếtluậncầnphảicóvụnổlớn,vàdođócósựbắtđầucủathờigian,đãđượchainhàkhoahọcNgalàEvgeniiLifshitzvàIsaacKhalatnikovđưaranăm1963.HọchorằngvụnổlớncóthểchỉlàmộtđặcđiểmriêngcócủacácmôhìnhFriedmann;vàxétchocùng,nhữngmôhìnhnàycũngchỉ lànhữngmôhìnhgầnđúngcủavũ trụ thực.Có lẽ,trongsốtấtcảcácmôhìnhgầngiốngvũtrụthựcthìchỉcónhữngmôhìnhFriedmannlàchứađiểmkỳdịvụnổlớn.TrongcácmôhìnhFriedmann,tấtcảcácthiênhàđềuchuyểnđộngthẳngraxanhau,vàvìvậysẽkhôngcógìngạcnhiênnếuởmột thờiđiểmnàođó trongquákhứ, tấtcảchúngđềuởcùng một chỗ. Tuy nhiên, trong vũ trụ thực, các thiên hà không thực sựchuyểnđộngthẳngraxanhau,màchúngcòncócảvậntốccạnh,mặcdùlànhỏ.Nhưvậy,trênthựctế,cácthiênhàkhôngbaogiờphảicùngởđúngmộtchỗmàchỉcầnởrấtsátnhauthôi.Cólẽkhiđóthìvũtrụđanggiãnnởhiệnnayđượctạothànhkhôngphảitừđiểmkỳdịvụnổlớn,màlàtừmộtphacolạitrướckia.Khivũtrụđãcolại,cáchạttrongđócóthểkhôngphảitấtcảđềuvachạmvớinhaumàchỉbayquarồisauđóchuyểnđộngraxanhautạo

nênsựgiãnnởhiệnnaycủavũtrụ.Vậythìlàmsaochúngtacóthểnóiđượcvũ trụ thực có bắt đầu từ vụ nổ lớn hay không? Điều mà Lifshitz vàKhalatnikovđãlàmlànghiêncứucácmôhìnhcủavũtrụgầngiốngvớicácmôhìnhcủaFriedmannnhưngcó tínhđếnnhữngđiểmbất thườngvàvậntốcngẫunhiêncủacác thiênhà trongvũ trụ.Họđãchỉ ra rằngnhữngmôhìnhnhưvậycũngcóthểbắtđầutừvụnổlớn,thậmchímặcdùcácthiênhàkhôngphảiluônluônchuyểnđộngthẳngraxanhau,nhưnghọlạibiệnbạchrằngđiềunàychỉkhảdĩtrongmộtsốmôhìnhđặcbiệttrongđócácthiênhàphải chuyển động đúng cách. Họ lý luận rằng vì các mô hình giốngFriedmannkhôngcóđiểmkỳdịvụnổlớnnhiềuvôhạnhơnnhữngmôhìnhcóđiểmkỳdịđó,nêncầnphảirútrakếtluậnrằngthựctếkhôngcóvụnổlớn. Tuy nhiên, sau này họ thấy rằng có một lớp các mô hình giốngFriedmannnhưng tổngquáthơnnhiềuđềucócácđiểmkỳdịmà trongđócácthiênhàkhôngcầnphảichuyểnđộngtheomộtcáchđặcbiệtnào.Vàdođó,họđãrútlạiýkiếnvàonăm1970.Công trìnhcủaLifshitzvàKhalatnikovcógiá trịởchỗ,nóchứng tỏđượcrằngvũtrụcóthểđãcóđiểmkỳdị,tứclàvụnổlớn,nếuthuyếttươngđốirộng là đúng. Tuy nhiên, điều đó chưa giải quyết được vấn đề căn bản:thuyếttươngđốirộngcótiênđoánrằngvũtrụcủachúngtacầnphảicóvụnổlớn,nghĩalàsựbắtđầucủathờigiankhông?Câutrảlờixuấtpháttừmộtcách tiếp cậnhoàn toànkhácdonhàvật lývà toánhọcngườiAnhRogerPenroseđưaravàonăm1965.Sửdụngtínhchấtcủacácnónánhsángtrongthuyếttươngđốirộngvàsựthậtlàlựchấpdẫnluônluônlàlựchút,ôngđãchứngtỏđượcrằngmộtngôisaođangcolạidướitácdụngcủalựchấpdẫnriêngcủamìnhsẽbịbẫyvàomộtvùngmàbềmặtcủanócuốicùngsẽcolạikíchthước0.Vàvìbềmặtcủavùngđócolạitới0,nênthểtíchcủanócũngcầnphảinhưthế.Nhưvậytoànbộvậtchấtsẽđượcnénépvàomộtvùngcóthểtích0,vàdođó,mậtđộcủavậtchấtvàđộcongcủakhông-thờigiansẽtrởnênvôhạn.Nóimộtcáchkhác,tacómộtkỳdịnằmtrongvùngkhông-thờigianđượcgọilàlỗđen.

Thoạtnhìn,kếtquảcủaPenrosechỉápdụngđượcchocácngôisao,chứchưachobiếttoànbộvũtrụđãcómộtđiểmkỳdịvụnổlớntrongquákhứhaykhông.Tuynhiên,vàothờigianPenroseđưarađịnhlýcủaôngthìtôicònlàmộtnghiêncứusinhđangtrăntrởtìmvấnđềđểhoàntấtluậnántiếnsĩ.Hainămtrướcđó,tôiđượcchuẩnđoánlàđãmắcbệnhALS,thườngđượcgọilàbệnhLouGehrighaylàbệnhvềthầnkinhchuyểnđộng,vàngườitađãchotôihiểurằngtôichỉcònsốngđượcmộthainămnữa.Trongnhữnghoàncảnhnhưvậy,chẳngcótâmtríđâumàlàmluậnán,vìtôikhôngnghĩlàmìnhsốngđượcđếnkhihoàntấtnó.Nhưngrồihainămđãtrôiquavàtôivẫn chưa thấy tình trạng sức khỏe của mình xấu đi nhiều. Thực tế, mọichuyệndiễnrakhátốtđẹpđốivớitôi,vàtôiđãhứahônvớiJaneWilde,một

côgáituyệtvời.Nhưngđểcướinàngtôicầnphảicóviệclàm,màmuốncóviệclàmtôiphảicóbằngtiếnsĩ.

Năm1965tôiđãđọcđượcđịnhlýcủaPenrosenóirằngbấtcứvậtnàocolạidướitácdụngcủalựchấpdẫncuốicùngsẽphảitạothànhmộtđiểmkỳdị.ChẳngbaolâusautôithấyrằngnếuđổichiềuthờigiantrongđịnhlýcủaPenrose,saochosựcolạitrởthànhsựgiãnnở,thìcácđiềukiệncủađịnhlýđóvẫncònđúngvớiđiềukiệnvũtrụhiệnnaygầngiốngvớimôhìnhcủaFriedmanntrênquimôlớn.ĐịnhlýcủaPenroseđãchứngtỏrằngbấtkỳmộtngôisaođangcolạinàocũngphảikết thúcởmộtđiểmkỳdị,cònlý luậndựatrênsựnghịchđảothờigianthìchỉrarằngmọivũtrụgiãnnởgiốngnhưFriedmannphảibắtđầutừmộtđiểmkỳdị.Vìnhữnglýdokỹthuật,địnhlýPenroseđòihỏirằngvũtrụlàvôhạntrongkhônggian.Nhưvậy,thựctế,tôiđãsửdụngđịnhlýđóđểchứngminhđượcrằngsẽcầnphảicóđiểmkỳdị,chỉnếuvũtrụgiãnnởđủnhanhđểnókhôngbịcolạimộtlầnnữa(vìnhữngmôhìnhFriedmannnhưthếmớilàvôhạntrongkhônggian).Trong ítnămsau, tôiđãphát triểnnhữngkỹ thuật toánhọcmớichophéploạibỏnhữngđiềukiệncótínhchấtkỹthuậtđórakhỏinhữngđịnhlýchứngminhrằngnhữngđiểmkỳdịcầnphảixảyra.Kếtquảlàbàibáoviếtchungcủa Penrose và tôi công bố năm 1970; trong đó, cuối cùng chúng tôi đãchứngminhđượcrằngcầnphảicóđiểmkỳdịvụnổlớn,nhưngchỉvớiđiềukiệnthuyếttươngđốirộnglàđúng,vàvũtrụchứamộtlượngvậtchấtnhưchúngtaquansátthấy.Córấtnhiềuphảnbácđốivớicôngtrìnhcủachúngtôi,một phần từ những ngườiNga do niềm tinMác-xít của họ vào quyếtđịnhluậnkhoahọc,mộtphầntừnhữngngườicảmthấyrằngtoànbộýtưởngvề các kỳ dị là khó chịu, và làmhỏngvẻ đẹp của lý thuyếtEinstein.Tuynhiênngườitakhôngthểthựcsựtranhcãivớicácđịnhlýtoánhọc.Vàvìvậy, cuối cùngcông trìnhcủachúng tôinói chungđãđượcchấpnhận,vàhiệnnay,hầuhếtmọingườiđềuchorằngvũtrụđãbắtđầutừđiểmkỳdịvụnổlớn.Nhưngcólẽthậtlàtrớtrêu,hiệnnaytôiđãthayđổiýnghĩcủamình,vàđangcốgắngthuyếtphụccácnhàvậtlýkháctinrằng,thựctếchẳngcóđiểmkỳdịnàoởthờiđiểmbắtđầucủavũtrụ,vìnhưchúngtasẽthấyởsaunày,điểmkỳdịsẽbiếnmấtmộtkhitatínhđếncáchiệuứnglượngtử.

Nhưchúngtađãthấytrongchươngnày,chỉchưađầymộtnửathếkỷmàquanniệmcủaloàingườivềvũtrụđượchìnhthànhtừhàngnghìnnămnayđãbiếnđổinhư thếnào.PhátminhcủaHubblevềvũ trụgiãnnởvànhậnthứcvềsựnhỏnhoicủahànhtinhchúngtatrongkhoảngbaolacủavũtrụchínhlàđiểmxuấtphát.Khimànhữngbằngchứngthựcnghiệmvàlýthuyếtđượckhớplại,thìchúngtangàycàngthấyrõrằngvũtrụcầnphảicóđiểmbắt đầu trong thời gian, vàmãi đến tận năm1970, điều này cuối cùng đãđược Penrose và tôi chứng minh trên cơ sở thuyết tương đối rộng củaEinstein.Chứngminhnàycònchỉrarằng,thuyếttươngđốirộngcũnglàmột

lýthuyếtchưahoànchỉnh:nóchưathểnóichochúngtabiếtvũtrụđãkhởiphátnhưthếnào,vìnótiênđoánrằngmọilýthuyếtvậtlý,kểcảchínhbảnthânnó,đềukhôngcòndùngđượcởthờiđiểmbắtđầuđócủavũtrụ.Tuynhiên,lýthuyếttươngđốirộngchỉlàmộtlýthuyếtriêngphần,nênđiềumàcácđịnhlývềđiểmkỳdịthựcsựchỉra,làđãcómộtlúctronggiaiđoạnrấtsớmcủavũtrụ,khinócònnhỏtớimứckhôngthểbỏquanhữnghiệuứngtrênquymônhỏcủamộtlýthuyếtriêngphầnkháccũngrấtvĩđạicủathếkỷ20,đólàcơhọclượngtử.

Vàonhữngnămđầucủathậpkỷ70,chúngtôibuộcphảithayđổihướngnghiêncứuvũtrụtừlýthuyếtcủachúngtavềcácvậtcựclớntớilýthuyếtcủachúngtavềcácvậtcựcnhỏ.Lýthuyếtđó,tứccơhọclượngtử,sẽđượcmôtảởchươngsautrướckhichúngtaquaytrởlạivớinhữngnỗlựckếthợphailýthuyếtriêngphầnthànhmộtlýthuyếtduynhất:lýthuyếtlượngtửcủahấpdẫn.

Chương4:NguyênlýbấtđịnhThànhcôngcủanhiều lý thuyếtkhoahọcmàđặcbiệt là lý thuyếthấp

dẫncủaNewtonđãđưanhàkhoahọcPháp,hầutướcLaplace,vàothếkỷ19tớilậpluậnrằngvũtrụlàhoàntoàntấtđịnh.Ôngchorằngcómộttậphợpcácđịnhluậtkhoahọcchophépchúngtatiênđoánđượcmọichuyệnxảyratrongvũtrụ,miễnlàchúngtaphảibiếtđượctrạngtháiđầyđủcủavũtrụởmộtthờiđiểm.Vídụ,nếuchúngtabiếtvịtrívàvậntốccủamặttrờivàcáchành tinhởmột thờiđiểm, thìchúng tacó thểdùngcácđịnh luậtNewtontínhđượctrạngtháicủahệmặttrờiởbấtkểthờiđiểmnàokhác.Quyếtđịnhluậndườngnhưkháhiểnnhiêntrongtrườnghợpnày,nhưngLaplacecònđixa hơn nữa, ông cho rằng có những qui luật tương tự điều khiểnmọi thứkhácnữa,kểcảhànhvicủaconngười.

Học thuyếtvềquyếtđịnh luậnkhoahọcđãbị chốngđối rấtmạnhbởinhiều người, những người cảm thấy rằng nó xâm phạm đến sự tự do canthiệpcủaChúavào thếgiớinày,nhưngnóvẫncònmột sứmạngvới tínhcáchlàtiêuchuẩncủakhoahọcchotớitậnđầuthếkỷnày.MộttrongnhữngchỉdẫnđầutiênchothấyniềmtinđócầnphảivứtbỏlàkhinhữngtínhtoáncủahainhàkhoahọcAnh,huântướcRayleighvàngàiJamesJeans,chokếtquả là:mộtđối tượnghayvật thểnóng,chẳnghạnmộtngôisao,cầnphảiphátxạnănglượngvớitốcđộvôhạn.Theonhữngđịnhluậtmàngườitatinlàđúngởthờigianđóthìmộtvậtthểnóngcầnphảiphátracácsóngđiệntừ(nhưsóngvôtuyến,ánhsángthấyđược,hoặctiaX)nhưnhauởmọitầnsố.Vídụ,mộtvật thểnóngcầnphảiphátxạmột lượngnănglượngnhưnhautrongcácsóngcótầnsốnằmgiữamộtvàhaitriệutriệusóngmộtgiâycũngnhưtrongcácsóngcótầnsốnằmgiữahaivàbatriệutriệusóngmộtgiây.Vàvìsốsóngtrongmộtgiâylàkhôngcógiớihạn,nênđiềunàycónghĩalàtổngnănglượngphátralàvôhạn.

Đểtránhcáikếtquảrõrànglàvôlýnày,nhàkhoahọcngườiĐứcMaxPlanckvàonăm1900đãchorằngánhsáng, tiaXvàcácsóngkháckhôngthểđượcphátxạvớimộttốcđộtùyý,màthànhtừngphầnnhấtđịnhmàônggọi là lượng tử.Hơnnữa,mỗimột lượng tử lại cómột lượngnăng lượngnhấtđịnh,nănglượngnàycànglớnnếutầnsốcủasóngcàngcao,vìvậyởtầnsốđủcao,sựphátxạchỉmộtlượngtửthôicũngcóthểđòihỏimộtnănglượnglớnhơnnănglượngvốncócủavật.Nhưvậysựphátxạởtầnsốcaophảiđượcrútbớtđi,khiđótốcđộmấtnănglượngcủavậtmớicònlàhữuhạn.

Giảthuyếtlượngtửđãgiảithíchrấttốttốcđộphátxạcủacácvậtnóng,nhưngnhữngngụýcủanóđốivớiquyếtđịnhluậnthìmãitớitậnnăm1926,khimộtnhàkhoahọcĐứckháclàWernerHeisenbergphátbiểunguyênlý

bấtđịnhnổitiếngcủamình,thìngườitamớinhậnthứcđược.Đểtiênđoánvịtrívàvậntốctrongtươnglaicủamộthạt,ngườitacầnphảiđovịtrívàvận tốchiện thờicủanómộtcáchchínhxác.Mộtcáchhiểnnhiênđể làmviệcnàylàchiếuánhsánglênhạt.Mộtsốsóngánhsángbịtánxạbởihạtvàđiềuđósẽchỉvịtrícủanó.Tuynhiên,ngườitakhôngthểxácđịnhvịtrícủahạt chính xác hơn khoảng cách giữa hai đỉnh sóng của ánh sáng, vì vậyngườitaphảidùngánhsángcóbướcsóngngắnđểđochínhxácvị trícủahạt.Nhưng theo giả thuyết lượng tử củaPlanck, người ta không thể dùngmột lượng ánh sáng nhỏ tùy ý được,mà phải dùng ít nhấtmột lượng tử.Lượng tửnày sẽ làmnhiễuđộnghạt và làm thayđổivận tốc củahạtmộtcáchkhôngthểtiênđoánđược.Hơnnữa,càngđochínhxácvịtrícủahạt,thìphải cần dùng ánh sáng có bước càng ngắn, nghĩa là năng lượng củamộtlượng tử càng cao.Vàvì thế vận tốc của hạt sẽ bị nhiễu độngmột lượngcànglớn.Nóimộtcáchkhác,bạncàngcốgắngđovịtrícủahạtchínhxácbaonhiêu thìbạnsẽđođượcvận tốccủanókémchínhxácbấynhiêu,vàngược lại.Heisenbergđãchứng tỏđược rằngđộbấtđịnhvềvị trí củahạtnhânvớiđộbấtđịnhvềvậntốccủanónhânvớikhốilượngcủahạtkhôngbaogiờnhỏhơnmộtlượngxácđịnh-lượngđólàhằngsốPlanck.Hơnnữa,giớihạnnàykhôngphụthuộcvàocáchđovịtrívàvậntốccủahạthoặcvàoloạihạt:nguyênlýbấtđịnhcủaHeisenberglàmộttínhchấtcănbảnkhôngthểtránhkhỏicủathếgiới.

Nguyên lýbất định cónhữngngụý sâu sắcđốivới cáchmàchúng tanhìnnhận thếgiới.Thậmchísauhơn50nămchúngvẫnchưađượcnhiềunhàtriếthọcđánhgiáđầyđủvàvẫncònlàđềtàicủanhiềucuộctranhluận.Nguyên lý bất định đã phát tín hiệu về sự cáo chung cho giấc mơ củaLaplacevềmộtlýthuyếtkhoahọc,mộtmôhìnhcủavũtrụhoàntoàncótínhchấttấtđịnh:ngườitachắcchắnkhôngthểtiênđoánnhữngsựkiệntươnglaimộtcáchchínhxácnếunhưngười takhông thểdùchỉ làđo trạng tháihiệnthờicủavũtrụmộtcáchchínhxác!Chúngtavẫncòncóthểchorằngcómộttậphợpcácđịnhluậthoàntoànquyếtđịnhcácsựkiệndànhriêngchomộtđấngsiêunhiênnàođó,ngườicóthểquansáttrạngtháihiệnthờicủavũtrụmàkhônglàmnhiễuđộngnó.Tuynhiên,nhữngmôhìnhnhưthếkhônglợilộcbaonhiêuđốivớinhữngngườitrầnthếchúngta.TốthơnlàhãysửdụngnguyênlýtiếtkiệmđượcbiếtnhưlưỡidaocạocủaOccamvàcắtbỏđitấtcảnhữngnétđặcbiệtcủalýthuyếtmàtakhôngthểquansátđược.CáchtiếpcậnnàyđãdẫnHeisenberg,EdwinSchrodingervàPaulDiracvàonhữngnăm20xâydựnglạicơhọctrêncơsởcủanguyênlýbấtđịnhthànhmộtlýthuyếtmớigọilàcơhọclượngtử.Tronglýthuyếtnày,cáchạtkhôngcóvịtrí, khôngcóvận tốc táchbạchvàkhônghoàn toànxácđịnh.Thayvì thếchúngcómộttrạngtháilượngtửlàtổhợpcủavịtrívàvậntốc.Nóichung,cơhọclượngtửkhôngtiênđoánmộtkếtquảxácđịnhduynhất

chomộtquansát.Thayvìthế,nótiênđoánmộtsốkếtcụckhảdĩkhácnhauvànóichochúngtabiếtmỗimộtkếtcụcđólànhưthếnào.Nghĩalà,nếutatiếnhànhcùngmộtphépđotrênmộtsốlớncáchệtươngtựnhau,mỗimộthệđềukhởiphátmộtcáchhệtnhưnhau,thìtasẽthấyrằngkếtquảcủaphépđo có thể là A trong một số trường hợp, là B trong một số trường hợpkhác...NgườitacóthểtiênđoánđượcgầnđúngsốlầnxuấthiệnAhoặcB,nhưngngười takhông thể tiênđoánmộtkếtquảđặcbiệtnàocủachỉmộtphépđo.Dođó,cơhọclượngtửđãđưavàokhoahọcmộtyếutốkhôngthểtránhkhỏi-đólàyếutốkhôngthểtiênđoánhayyếutốngẫunhiên.Einsteinđãkịchliệtphảnđốiđiềunày,mặcdùôngđãđóngvaitròquantrọngtrongsựpháttriểnnhữngýtưởngđó.EinsteinđãđượctraogiảithưởngNobelvìnhữngđónggópcủaôngđốivớithuyếtlượngtử.Tuynhiênôngkhôngbaogiờchấpnhậnrằngvũ trụ lạiđượcđiềukhiểnbởisựmayrủi.Những tìnhcảmcủaôngđãđượccôđúctrongcâunóinổitiếngsau:“Chúakhôngchơitròxúcxắc”.Tuynhiên,phầnlớncácnhàkhoahọckháclạisẵnsàngchấpnhậncơhọclượngtửvìnóphùhợptuyệtvờivớithựcnghiệm.Quảthậtđâylàmộtlýthuyếtthànhcôngrựcrỡvàlàcơsởchohầuhếtcáckhoahọcvàcôngnghệhiệnđại.Nóđiềukhiểnhànhvicủacáctranzitovàcácmạchtíchhợp-nhữngthànhphầncănbảncủacácdụngcụđiệntửnhưmáythuhìnhvàcomputer,đồngthờicũnglànềntảngcủahóahọcvàsinhhọchiệnđại.Lĩnhvựcduynhấtcủavậtlýmàcơhọclượngtửcònchưathâmnhậpvàomộtcáchthíchđánglàhấpdẫnvàcấutrúccủavũtrụởquimôlớn.

Mặcdùánhsángđượctạobởicácsóng,nhưnggiảthuyếtlượngtửcủaPlancknóivớichúngtarằngtrongmộtsốphươngdiệnnóxửsựnhưlàđượctạothànhtừcáchạt:nócóthểđượcphátxạhoặchấpthụchỉtheotừngphầnriêng biệt hay theo các lượng tử. Cũng như vây, nguyên lý bất địnhHeisenberglạingụýrằngtrênmộtsốphươngdiệncáchạtlạixửsựnhưcácsóng:chúngkhôngcóvịtríxácđịnhmàbị“nhoè”đivớimộtphânbốxácsuấtnàođó.Lýthuyếtcơhọclượngtửđượcxâydựngtrênmộtloạitoánhọchoàntoànmới.Nókhôngmôtảthếgiớithựcbằngcácsóngvàcáchạtnữavàchỉcónhữngquansátthếgiớilàcóthểđượcmôtảbằngnhữngkháiniệmđó.Nhưvậylàgiữasóngvàhạttrongcơhọclượngtửcótínhhaimặt:đốivớimột sốmục đích sẽ rất lợi ích nếu xem hạt như các sóng và đối vớinhữngmụcđíchkhácthìsẽtốthơnnếuxemsóngnhưcáchạt.Mộthệquảquan trọng của điều này là người ta có thể quan sát được cái gọi là hiệntượnggiaothoagiữahaitậphợpsónghoặchạt.Tứclà,cácđỉnhcủatậphợpsóngnàycóthểtrùngvớicáchõmcủatậphợpkia.Haitậphợpsóngkhiđósẽtriệttiêulẫnnhauhơnlàcộnglạiđểtrởthànhmạnhhơnnhưngườitachờđợi(H.4.1).Hình4.1:Nếuđỉnhcủa tậphợpsóngnày trùngvớihõmcủa tậphọcsóngkia, thìchúngsẽ triệt tiêu lẫnnhauchứkhôngcộng lạiđể trở thànhmạnh

hơn.Một ví dụ quen thuộc của hiện tượng giao thoa ánh sáng là các màu

thườngthấytrêncácbongbóngxàphòng.Hiệntượngnàyđượcgâybởisựphảnxạánhsángởhaimặtbiêncủamàngmỏngnướctạonênbongbóng.Ánhsángtrắnggồmcácsóngánhsángcóbướcsóngkhácnhau, tức làcómàusắckhácnhau.Đốivớimộtsốbướcsóng,đỉnhcủacácsóngphảnxạtừmộtmặtbiên trùngvớihõmsóngđượcphảnxạ từmặtbiênkia.Cácmàutươngứngvớicácbướcsóngnàysẽvắngmặttrongánhsángphảnxạvàdođóánhsángnàyhóaracómàu.Hình4.2:Chỉcómộtlượngsángnhỏđiquakhe.

Sựgiaothoacũngcóthểxảyrađốivớicáchạtvìtínhhaimặtđượcđưavàobởicơhọclượngtử.Mộtvídụnổitiếnglàcáiđượcgọilàthínghiệmhai-khe(H.4.2).Xétmộtmànchắncóhaikhehẹpsongsongnhau.Ởmộtphíacủamànchắn,ngườitađặtmộtnguồnsángcómàuxácđịnh(tứclàcóbướcsóngxácđịnh).Đasốánhsángsẽđậpvàomànchắn,chỉcómộtlượngnhỏđiquahaikhethôi.Bâygiờgiảsửđặtmộtmànhứngởphíabênkiacủamànchắnsáng.Mọiđiểmtrênmànhứngsẽđềunhậnđượcsóngánhsángtớitừhaikhe.Tuynhiên,nóichung,lộtrìnhmàánhsángđitừnguồntớimànhứngquakhesẽ làkhácnhau.Điềunàycónghĩa làcácsóngánhsángtớimànhứngtừhaikhesẽkhôngtrùngphanhau:ởmộtsốchỗcácsóngsẽtriệttiêunhauvàởmộtsốchỗkhácchúngsẽtăngcườngnhau.Kếtquảlàtasẽnhậnđượcbứctranhđặctrưnggồmnhữngvântốivàsángxenkẽnhau.

Điềuđánglưuýlàngườitacũngnhậnđượcbứctranhcácvânhệtnhưvậynếuthaynguồnsángbằngnguồnhạt,chẳnghạnnhưcácelectroncóvậntốcxácđịnh(nghĩalàsóngtươngứngcóbướcsóngxácđịnh).Điềunayxemrahếtsứclạlùng,bởivìnếuchỉcóhaikhethôithìtasẽkhôngnhậnđượchệvânnàohếtmàchỉthuđượcmộtphânbốđềuđặncủacácelectrontrênmànhứng.Dođóngườitacóthểnghĩrằngviệcmởthêmmộtkhenữasẽchỉlàmtăngsốelectronđậpvàomỗiđiểmtrênmànhứng,nhưngdohiệntươnggiaothoa,nólạilàmgiảmconsốđóởmộtsốchỗ.Nếucácelectronđượcgửiquahaikhemỗilầnmộthạt,thìngườitachờđợirằngmỗimộthạtsẽđiquakhenàyhoặckhekiavànhưvậysẽxửsựhệtnhưkhichỉcómộtkhe,nghĩalàsẽchomộtphânbốđềutrênmànhứng.Nhưngthựctế,thậmchícảkhigửimỗilầnmột electron, các vân giao thoa vẫn cứ xuất hiện.Dođómỗi electronphảiđồngthờiđiquacảhaikhe.

Hiệntươnggiaothoagiữacáchạtlàhiệntượngcótínhchấtquyếtđịnhđốivớisựtìmhiểucủachúngtavềcấutrúcnguyêntử-phântửcơbảncủahóahọc,sinhhọcvàcácđơnnguyêntạonênbảnthânchúngtavàcácvậtxungquanhchúngta.Ởđầuthếkỷnày,ngườitanghĩrằngnguyêntửkhágiống với hệ mặt trời, trong đó các electron (mang điện âm) quay xungquanhmộthạtnhânở trung tâmmangđiệndương, tương tựnhưcáchành

tinhquayxungquanhmặt trời.Lựchútgiữađiệnâmvàđiệndươngđượcxemlà lựcđểgiữcácelectron trênquĩđạocủachúnghệtnhưlựchúthấpdẫngiữamặttrờivàcáchànhtinhgiữchocáchànhtinhởtrênquĩđạocủachúng.Nhưngởđâycómộtkhókhăn,đólàcácđịnhluậtcủacơhọcvàđiệnhọc(trướccơhọclượngtử),lạitiênđoánrằngcácelectronsẽmấtdầnnănglượngvàvìthếsẽchuyểnđộngtheođườngxoáytrônốcđivàochotớikhirơivàohạtnhân.Điềuđócónghĩa lànguyên tử,và thực tế là toànbộvậtchất,sẽsuysậprấtnhanhvềtrạngtháicómậtđộrấtcao.LờigiảimộtphầncủabàitoánnàyđãđượcnhàkhoahọcĐanMạchNielsBohrtìmravàonăm1913.Ôngchorằngcácelectronkhôngthểchuyểnđộngtheonhữngquỹđạocáchhạtnhânmộtkhoảngtùyýmàchỉtheonhữngquỹđạocókhoảngcáchxácđịnh.Vànếucòngiảthiếtthêmrằngtrênmộtquĩđạonhưthếchỉcóthểcómộthoặchaielectronthìbàitoánvềsựsuysậpcủanguyêntửxemnhưđãđượcgiảiquyết,bởivìcácelectronkhôngthểchuyểnđộngxoáytrônốcđivàomãiđểlấpđầycácquỹđạovớicáckhoảngcáchvànănglượngnhỏhơn.

Môhìnhnàyđãgiảithíchkhátốtcấutrúccủanguyêntửđơngiảnnhất-nguyên tử hydro - chỉ cómột electron quay xung quanh hạt nhân.Nhưngngườitacònchưarõphảimởrộngnónhưthếnàochocácnguyêntửphứctạphơn.Hơnnữa,ýtưởngvềmộttậphợphạnchếcácquỹđạođượcphépdườngnhư là khá tùy tiện.Lý thuyếtmới - tức cơ học lượng tử - đã giảiquyết được khó khăn này. Nó phát hiện ra rằng các electron quay xungquanhhạtnhâncóthểxemnhưmộtsóngcóbướcsóngphụthuộcvàovậntốc của nó. Đối với một số quỹ đạo có chiều dài tương ứng với một sốnguyênlầnbướcsóngcủaelectron,đỉnhsóngluônluônởnhữngvịtrínhấtđịnhsaumỗi lầnquay,vìvậycácsóngđượccộng lại:nhữngquỹđạonàytươngứngvớicácquỹđạođượcphépcủaBohr.Tuynhiênđốivớicácquỹđạocó chiềudàikhôngbằng sốnguyên lầnbước sóng, thìmỗiđỉnh sóngcuối cùng sẽ bị triệt tiêu bởimột hõm sóngkhi các electron chuyểnđộngtròn:nhữngquỹđạonàylàkhôngđượcphép.

Một cách rất hay để hình dung lưỡng tính sóng/hạt là cái được gọi làphéplấytổngtheocáclịchsửquỹđạodonhàkhoahọcngườiMỹRirchardFeynmanđềxuất.Trongcáchtiếpcậnnày,hạtđượcxemlàkhôngcómộtlịchsửhaymộtquỹđạoduynhấttrongkhông-thờigian.Thayvìthế,ngườitaxemnóđitừAđếnBtheomọiquỹđạokhảdĩ.Mỗimộtquỹđạođượcgắnliềnvớihaiconsố:mộtsốbiểudiễnbiênđộcủasóng,cònsốkiabiểudiễnvịtrítrongchukỳ(tứclàởđỉnhsónghayởhõmsóng).XácsuấtđểhạtđitừA đếnB tìm được bằng cách cộng các sóng cho tất cả các quỹ đạo.Nóichung,nếungườitasosánhtậphợpcácquỹđạoởlâncậnnhau,thìphahayvịtrítrênchukỳsẽkhácnhaunhiều.Điềunàycónghĩalàcácsónggắnliềnvớinhữngquỹđạođósẽgầnnhưhoàntoàntriệttiêunhau.Tuynhiên,đối

vớimộtsốtậphợpcácquỹđạolâncậnnhau,phakhôngthayđổinhiềulắmgiữacácquỹđạo.Nhữngsóngcủacácquỹđạonàysẽkhôngtriệttiêunhau.NhữngquỹđạođótươngứngvớicácquỹđạođượcphépcủaBohr.

Vớinhữngýtưởngđó,vàdướimộtdạngtoánhọccụthể,ngườitacóthểtínhkhôngkhókhănlắmnhữngquỹđạođượcphéptrongnhữngnguyêntửphứctạphơn,thậmchítrongcảcácphântửđượctạothànhtừnhiềunguyêntửliênkếtvớinhaubằngcácelectronchuyểnđộngtrênnhữngquỹđạovòngquanhnhiềuhạtnhân.Vìcấutrúccủaphântửvàcácphảnứngcủachúngvớinhaulàcơsởcủatoànbộhóahọcvàsinhhọc,nêncơhọclượngtử,vềnguyêntắc,tiênđoánđượchầunhưmọithứxungquanhchúngtatronggiớihạndonguyênlýbấtđịnhquyđịnh.(Tuyvậy,trênthựctế,nhữngtínhtoáncủacáchệchứanhiềuelectronlàquáphứctạpvàtựchúngtakhôngthểlàmđược).

LýthuyếttươngđốirộngcủaEinsteindườngnhưđiềukhiểncấutrúccủavũtrụtrênquymôlớn.Nóđượcgọilàlýthuyếtcổđiển,tứclànóchưatínhđếnnguyênlýbấtđịnhcủacơhọclượngtử.Nguyênnhântạisaođiềunàylạikhôngdẫnđếnnhữngbấtđồngvớiquansátlàvìtấtcảnhữngtrườnghấpdẫnmàchúngtathườnggặpđềurấtyếu.Tuynhiên,nhữngđịnhlývềkỳdịđượcthảoluậnởtrênchỉrarằngtrườnghấpdẫnsẽtrởnênrấtmạnhítnhấttrong hai tình huống: các lỗ đen và vụ nổ lớn. Trong các trường hấp dẫnmạnhnhưthế,nhữnghiệuứngcủacơhọc lượngtửsẽ trởnênquantrọng.Theonghĩađó thì thuyết tươngđối rộngcổđiểnbằng sự tiênđoánnhữngmậtđộvôhạn,đãtiênđoáncảsựsụpđổcủachínhmình,cũnghệtnhưcơhọccổđiển(tứclàphi lượngtử)đã tiênđoánsựsụpđổcủanóbằngcáchchorằngcácnguyêntửsẽsuysậpvềtrạngtháicómậtđộvôhạn.Chúngtahiệncònchưacómộtlýthuyếthòahợphoànchỉnhthốngnhấtthuyếttươngđốirộngvớicơhọclượngtử,nhưngchúngtađãbiếtnhiềuđặcđiểmmàlýthuyếtđóphảicó.Cáchệquảrútratừnhữngđặcđiểmnàyđốivớilỗđenvàvụnổlớnsẽđượcmôtảtrongcácchươngsau.Tuynhiên,bâygiờchúngtasẽchuyểnsangnhữngnỗlựcmớiđâynhằmtổngkếtsựhiểubiếtcủachúngtavềcác lựckhácnhautrongtựnhiên thànhmột lý thuyết lượngtử thốngnhấtvàduynhất.

Chương5:Cáchạtcơbảnvàcáclựctrongtựnhiên

Aristotletinrằngtoànbộvậtchấttrongvũtrụđượctạothànhtừbốnyếutốcơbản:đất,khôngkhí,nướcvàlửa.Cácyếutốnàyđượctácđộngbởihailực: lựchấpdẫncóxuhướng làmchìmxuốngđốivớiđấtvànướcvà lựcnângcóxuhướnglàmnânglênđốivớikhôngkhívàlửa.Sựphânchianộidungcủavũ trụ thànhvậtchấtvàcác lựcnhư thếvẫncònđượcdùngchođếnngàynay.

Aristotlecũng tin rằngvậtchất là liên tục, tức làngười tacó thểphânchiamộtmẩuvậtchấtngàycàngnhỏmàkhôngcómộtgiớihạnnào:ngườitakhôngbaogiờđitớimộthạtvậtchấtmàkhôngthểphânchiađượcnữa.TuynhiênmộtsốítngườiHyLạp,chẳnghạnnhưDemocritus,lạichorằngvậtchấtvốncódạnghạtvàvạnvậtđược tạo thành từmộtsố lớncác loạinguyêntử(atom)khácnhau(atomtheotiếngHyLạpcónghĩalà“khôngthểphânchiađượcnữa”).Cuộctranhcãikéodàihàngthếkỷmàkhôngbênnàocómộtbằngchứngthựctếnào.Mãitớinăm1830,JohnDalton-nhàvậtlývàhóahọcngườiAnh-đãchỉrarằngviệccáchợpchấthóahọcluônluônđượchóahợp theonhững tỷ lệnhất định có thểđượcgiải thích làdo cácnguyên tửđã cụm lại vớinhau tạonênnhữngđơnnguyêngọi làphân tử.Tuynhiên,chotớitậnnhữngnămđầuthếkỷnày,cuộctranhluậngiữahaitrườngpháitưtưởngmớingãngũvớiphầnthắngthuộcvềnhữngngườitheonguyên tử luận. Einstein là người đã đưa ra đượcmột bằng chứng vật lýquantrọng.Trongmộtbàibáoviếtnăm1905,chỉíttuầntrướcbàibáonổitiếngvềthuyếttươngđốihẹp,EinsteinđãchỉrarằngcáiđượcgọilàchuyểnđộngBrown-tứclàchuyểnđộngkhôngđềuđặn,ngẫunhiêncủacáchạtbụilơlửngtrongmộtchấtlỏng-cóthểđượcgiảithíchnhưlàkếtquảcủasựvachạmcủacácnguyêntửchấtlỏngvớicáchạtbụi.

Vàothờigianđócũngđãcónhữngnghingờđốivớigiảthuyếtchorằngcácnguyêntửlàkhôngthểphânchiađược.Vàinămtrướcđó,mộtnghiêncứusinhcủatrườngTrinityCollege,Cambridge,làJ.J.Thomsonđãchứngminhđượcsựtồntạicủamộthạtvậtchấtmàônggọilàelectron.Đólàmộthạtcókhốilượngnhỏhơnkhốilượngcủanguyêntửnhẹnhấtkhoảngmộtngànlần.Ôngđãdùngmộtdụngcụkhágiốngvớichiếcđènhìnhcủamộtmáythuhìnhhiệnđại:mộtsợikimloạinóngđỏphátracáchạtelectronvàbởivìcáchạtnàymangđiệnâmnêncóthểdùngmộtđiệntrườngđểgiatốccủachúnghướngtớimộtmànphủphotpho.Khicáchạtnàyđậpvàomàn,chúngsẽgâyranhữngchớpsáng.Chẳngbaolâusau,ngườitathấyrằngcáchạtelectronđóbắnra từchínhbên trongcácnguyêntửvàvàonăm1911,

nhàvật lýngườiAnhErnestRutherford cuối cùngđã chứng tỏđược rằngcácnguyêntửvậtchấtcócấutrúcbêntrong:chúngtạobởimộthạtnhâncựckỳnhỏmangđiệndươngvàcácelectronquayquanhhạtnhânđó.Ôngrútrađiềunàytừviệcphântíchsựlệchhướngcủacáchạtalpha-hạtmangđiệndươngdocácnguyêntửphóngxạphátra-khivachạmvớicácnguyêntử

Thoạtđầungườitanghĩrằnghạtnhânnguyêntửđượctạobởielectronvàmộtsốhạtmangđiệndươnggọilàproton(theotiếngHyLạpprotoncónghĩalà“đầutiên”,vìngườitanghĩrằngnólàđơnnguyêncơbảntạonênvật chất). Tuy nhiên, vào năm 1932 một đồng nghiệp của Rutherford ởCambridgelàJamesChadwickđãpháthiệnrarằnghạtnhâncònchứamộthạt khác gọi là neutron. Đó là hạt có khối lượng gần như proton nhưngkhôngmangđiện.Chadwickđãđược traogiải thưởngNobelvìphátminhnày và được bầu làm hiệu trưởng của trường Gonville và Caius College,Cambridge (trườngmàhiện tôi là thànhviêncủabangiámhiệu).Saunàyôngđãphải từchứchiệu trưởngvìbấtđồngvớicác thànhviên trongbangiámhiệu.Sựbấtđồng trong trườngcòngaygắthơnkhinhómcác thànhviênlãnhđạotrẻtrởvềsauchiếntranhđãbỏphiếuloạicácthànhviêngiàrakhỏicácchứcvụcủanhàtrườngmàhọđãgiữquálâu.Chuyệnnàyxảyratrướcthờicủatôi.

Tới tận gần hai mươi năm trước (tức là cuối những năm 1960 -VnExpress) người ta vẫn còn nghĩ rằng proton và neutron là các hạt “cơbản”, nhưng các thí nghiệm trongđóprotonva chạmvới cácprotonkháchoặcvớicácelectronởvận tốccaođãchỉ ra rằng thực tếchúngđược tạothànhtừcáchạtnhỏhơn.CáchạtnàyđượcnhàvậtlýMurayGell-MannởHọcviệnkỹthuậtCaliforniagọilàcáchạtquark.Chínhnhờcôngtrìnhvềcáchạtnàymàôngđãđượctraogiải thưởngNobelvàonăm1969.Nguồngốccủacái tênnàylàmộtcâutríchdẫnđầybíẩntừmộtcuốntiểuthuyếtcủanhàvănnổitiếngJamesJoyce:“BaquarkchoMusterMark”.

Cónhiềuloạiquarkkhácnhau:ítnhấtcótới6“mùi”màngườitagọilàu (up),d (down), s (strange),c (charmed),b (bottom),và t (top).Mỗimộtmùilạicóba“màu”:đỏ,xanhvàlục.(Cầnphảinhấnmạnhrằngcácquarkcóbướcsóngnhỏhơnánhsángnhìnthấyrấtnhiềuvàvìvậykhôngcómàutheo nghĩa thông thường.Đó chỉ là vì các nhà vật lý hiện đại được tự dotưởngtượnghơntrongviệcđặttêncáchạtvàcáchiệntượngmới,chứkhôngnhưtrướcbịbóhẹptrongtiếngHyLạp).Protonvàneutronđượctạoratừbaquark,mỗi quarkmộtmàu.Một proton chứa2quarkuvà1quarkd, cònneutronchứa2quarkdvà1quarku.Chúngtacũngcóthểtạoracáchạttừnhữngquarkkhác(s,c,b,vàt),nhưngtấtcảchúngđềucókhốilượnglớnhơnnhiềuvàsẽphânrã rấtnhanh thànhprotonvàneutron.Nhưvậy,hiệnnaychúng tabiết rằngcácnguyên tửcũngnhưcácprotonvàneutronđềukhôngphảilàkhôngphânchiađượcnữa.Thànhthửmộtcâuhỏiđượcđặtra:

cáchạtthựcsựlàcơbản,nhữngviêngạchtạonênvạnvậtlàgì?Vìbướcsóngcủaánhsánglớnhơnnhiềusovớikíchthướccủanguyêntử,nên chúng ta không thể “nhìn” các thành phần của nguyên tử theo cáchthôngthườngđược.Chúngtacầnphảidùngcáigìđócóbướcsóngnhỏhơn.Nhưchúngtađãthấyởchươngtrước,cơhọclượngtửnóivớichúngtarằngthựctếcáchạtđềulàsóngvànănglượngcủahạtcàngcaothìbướcsóngcủasóngtươngứngcàngnhỏ.Nhưvậycâutrảlờitốtnhấtchocâuhỏicủachúngtatùythuộcvàonănglượngcủahạtcóthểđạttớicaođếnmứcnào,bởivìđiềuđóquyếtđịnhchúngtacóthểnhìnđượcthangchiềudàinhỏtớimứcnào. Năng lượng này của các hạt thường được đo bằng đơn vị gọi làelectron-volt.(TrongcácthínghiệmcủaThomsonvớicácelectron,chúngtađã thấyrằngôngdùngđiện trườngđểgia tốccáchạtnày.Nănglượngmàmộtelectronthutừđiệntrường1voltchínhlàmộtelectron-volt).Ởthếkỷ19,khinhữngnănglượngcủahạtmàconngườibiếtcáchsửdụnglànănglượngthấpchỉcỡmấyelectron-voltđượcsinhra từcácphảnứnghóahọcnhưsựcháychẳnghạn,người tanghĩrằngnguyêntửlàphầntửnhỏnhất.Trong thí nghiệm củaRutherford, năng lượng của hạt alpha cỡ hàng triệuelectron-volt.Vàgầnđâyhơnnữa, chúng tađãbiết cáchdùngcác trườngđiệntừđểlàmchonănglượngcủahạtlúcđầuđạttớihàngtriệu,rồisauđótớihàngtỉelectron-volt.Vànhưvậy,chúngtabiếtđượcrằngcáchạtmà20nămtrướcngườitanghĩlà“cơbản”,thìthựctếlạiđượctạothànhtừcáchạtnhỏhơnnữa.Vậythìliệucáchạtnhỏnày,đếnlượtmình,cóđượctạothànhtừnhữnghạtnhỏhơnnữakhông?Điềunàycũngrấtcóthể,nhưngchúngtacónhữngcăncứ lý thuyếtđể tin rằngchúng tacó,hoặc rấtgần tớicó, sựhiểubiếtvềnhữngviêngạchcuốicùngnàycủatựnhiên.

Dùnglưỡngtínhsóng/hạtđượcthảoluậnởchươngtrước,vạnvậttrongvũtrụ,kểcảánhsángvàhấpdẫnđềucóthểmôtảthôngquacáchạt.Cáchạtnàycómộttínhchấtđượcgọilàspin.Mộtcáchdễhìnhdungvềspinlàchúngtahãytưởngtưởngcáchạtnhưnhữngconquayquayxungquanhtrụccủa chúng. Tuy điều này có thể dẫn đến những hiểu lầm, vì theo cơ họclượngtửthìcáchạtkhôngcómộttrụcquaynàothậtxácđịnhcả.Điềumàspincủamộthạtnóivớichúngtalàhạtnhìngiốngcáigìtừcáchướngkhácnhau.Mộthạtcóspin0giốngnhưmộtchấmtròn:nónhìntừmọihướngđềugiốnghệtnhau. (Hình5.1a).Trái lại,hạt có spin1 lạigiốngnhưmộtmũitên:nhìntừcáchướngkhácnhausẽthấynókhácnhau(Hình5.1b).Hình5.1a,b,c:Hìnhminhhọavềcácdạngspinkhácnhaucủahạt.

Chỉnếungườitaquaynótrọnmộtvòng(360độ)thìhạtmớinhìngiốngnhưtrước.Hạtcóspin2giốngnhưmộtmũitêncóhaiđầu(Hình5.1c):nónhìngiốngnhưtrướcnếuquaymộtnửavòng(180độ).Tươngtự,cáchạtcóspincaohơn sẽnhìngiốngnhư trướcnếuquaynómộtphầnnhỏhơncủamộtvòngtrọnvẹn.Toànbộđiềunàyxemracóvẻkháđơngiản,nhưngmột

điềuđángchúýlàcónhữnghạtnhìnlạikhônggiốngnhưtrướcdùcóquaynó trọnmộtvòng,muốnnhìnnógiốngnhư trướcphảiquay trọnđúnghaivòng.Nhữnghạtnhưvậyngườitanóilànócóspin1/2.

Tấtcảnhữnghạttrongvũtrụmàchúngtabiếtđượcchialàmhainhóm:cáchạtcóspin1/2tạonênvậtchấttrongvũtrụvàcáchạtcóspin0,1,2,nhưchúngtasẽthấy,lànhữnghạtgâyracáclựcgiữacáchạtvậtchất.CáchạtvậtchấttuântheocáiđượcgọilànguyênlýloạitrừPauli.Điềunàyđượcpháthiệnvàonăm1925bởinhàvậtlýngườiÁoWolfgangPauli,vàvìthếôngđãđượctraogiảithưởngNobelvàonăm1945.Ônglàmộtnhàvậtlýlýthuyếtđiểnhình:ngườitanóirằngthậmchísựcómặtcủaôngởmộtthànhphốnàođócũnglàmchomọithìnghiệmởđósailạchết!NguyênlýloạitrừPauliphátbiểurằnghaihạtđồngnhấtkhôngthểtồntạitrongcùngmộttrạngthái, tức làchúngkhông thểvừacócùngvị trívừacócùngvận tốc, tronggiớihạnđượcquyđịnhbởinguyênlýbấtđịnh.NguyênlýloạitrừPaulilàcựckỳquantrọngvìnóchophépgiảithíchtạisaocáchạtvậtchấtkhôngcovềtrạngtháicómậtđộrấtcaodướiảnhhưởngcủacáclựctạobởinhữnghạtcóspin0,1và2:nếucáchạtvậtchấtcóvị trí rấtgầnnhau, thìchúng lạiphảicóvậntốckhácnhaumàđiềunàycónghĩalàchúngkhôngdừnglâuởmộtvịtrí.Nếuthếgiớiđượctạorakhôngcónguyênlýloạitrừ,thìcácquarksẽkhôngtạonêncáchạtprotonvàneutrontáchbiệtvàhoàntoànxácđịnh.Vàcùngvớicácelectronchúngcũngsẽkhôngtạonêncácnguyêntử táchbiệtvàhoàntoànxácđịnh.Khiđótấtcảchúngsẽsuysậptạonênmộtmón“súp”đặcvàtươngđốiđồngđều.

Sựhiểubiếtđúngđắnvềelectronvàcáchạtcóspin1/2khácchỉcóvàonăm1928khiPaulDiracđưaramộtlýthuyếtmới.SaunàyDiracđãđượcbầulàmgiáosưtoánhọcởCambridge(cươngvịtrướckiacủaNewtonvàcủatôihiệnnay).LýthuyếtcủaDiraclàlýthuyếtđầutiênhòahợpđượccảvớicơhọclượngtửvàthuyếttươngđốihẹp.Nógiảithíchđượcbằngtoánhọctạisaoelectronlạicóspin1/2, tứclàtạisaonónhìnkhônggiốngnhưtrước nếu chúng ta quay nó trọnmột vòng; và nhìn giống như trước nếuchúng ta quay nó trọn hai vòng. Lý thuyết của Dirac còn tiên đoán rằngelectroncómộtphảnhạtcủanó:đólàanti-electronhaycòngọilàpositron.Việcpháthiệnđượchạtpositronvàonăm1932đãkhẳngđịnhlýthuyếtcủaDiracvàdẫn tới việcôngđược traogiải thưởngNobelvềvật lývàonăm1933.Bâygiờthìchúngtađềubiếtrằngmỗimộthạtđềucómộtphảnhạtvàhạtvớiphảnhạtcủanócó thểhủynhau.(Trongtrườnghợpcáchạtmanglựcthìphảnhạtgiốnghệtnhưchínhhạtđó).Nhưvậycóthểcócảcácphảnthếgiới,phảnnhânloạiđượctạothànhtừcácphảnhạt.Tuynhiên,nếubạngặpphảncủachínhbạnthìchớcóbắttayđấy!Vìcảhaisẽbiếnmấttrongchớpmắt.Vấnđềtạisaoxungquanhchúngtasốhạtlạinhiềuhơncácphảnhạt rấtnhiều làmộtvấnđềquan trọng,và tôi sẽ trở lạivấnđềnàyởcuối

chương.Trongcơhọclượngtử,ngườitachorằngcáclựchoặctươngtácgiữacác

hạtvậtchấtđược truyềnbởicáchạtcóspinnguyên0,1hoặc2.Điềunàyxảyranhưsau:Mộthạtvậtchất,vídụmộtelectronhoặcmộthạtquark,phátramộthạttruyềntươngtác.Sựgiậtlùidoviệcphátnàyluônlàmthayđổivậntốccủahạtvậtchấtđó.Sauđó,hạttruyềnvachạmvớimộthạtvậtchấtkhácvàbịhạtnàyhấpthụ.Kếtquảvậntốccủahạtthứhaicũngbịthayđổihệtnhưcómộtlựctácdụnggiữahaihạtvậtchấtđó.

Một tính chấtquan trọngcủa cáchạt truyền tương tác là chúngkhôngtuântheonguyênlýloạitrừ.Điềunàycónghĩalàcómộtsốkhônghạnchếcáchạtnhưvậyđượctraođổigiữacáchạtvàvìvậycóthểlàmcholựctrởnênrấtmạnh.Tuynhiên,nếucáchạttruyềntươngtáccókhốilượnglớn,thìchúngsẽkhóđượctạoravàkhótraođổitrênkhoảngcáchlớn.Vìvậy,lựcdocáchạtđómangsẽcótầmtácdụngngắn.Ngượclại,nếucáchạttruyềntươngtáckhôngcókhối lượngthì lựccótầmtácdụngdài.Cáchạt truyềntươngtácgiữanhữnghạtvậtchấtđượcgọilàcáchạtảo,bởivìkhônggiốngnhưcáchạt“thực”,chúngkhôngthểđượcpháthiệntrựctiếpbằngmộtmáydòhạtnào.Tuynhiên,chúngtabiếtchúngtồntại,vìchúnggâyrahiệuứngcóthểđođược:đólàlựcgiữacáchạtvậtchất.Cáchạtcóspin0,1hoặc2trongmộtsốtrườnghợpcóthểtồntạinhưnhữnghạtthựckhichúngcóthểđượcpháthiện trực tiếp.Khiđóđốivớichúngtachúnggiốngnhưcáimàcácnhàvậtlýcổđiểngọilàcácsóngnhưsóngánhsánghoặcsónghấpdẫn.Cácsóngnàyđôikhicóthểđượcphátrakhicáchạtvậtchấttươngtácvớinhau bằng cách trao đổi hạt lực ảo. (Ví dụ, lực đẩy tĩnh điện giữa haielectronlàdosựtraođổicácphotonảomàtakhôngbaogiờpháthiệnđượctrựctiếp;nhưngnếumộtelectronchuyểnđộngquamộtelectronkhácthìcácphotonthựccóthểđượcphátravàchúngtapháthiệnđượcchúngnhưcácsóngánhsáng).Cáchạttruyềntươngtáccóthểnhómlạithànhbốnloạitùytheocườngđộcủalựcmàchúngmangvàcáchạtvậtchấtmàchúngtươngtác.Cầnnhấnmạnhrằngsựphânchiathànhbốnloạinàycótínhchấtnhântạo,nóchỉ thuận tiệnchoviệcxâydựngcác lý thuyết riêngphầnmà thôi,chứkhôngtươngứngvớimộtđiềugìsâusắchơn.Xétđếncùng,phầnđôngcácnhàvậtlýđềuhyvọngtìmđượcmộtlýthuyếtthốngnhấtcókhảnănggiảithíchbốnloạilựcnóitrênchỉlànhữngmặtkhácnhaucủamộtlựcduynhất.Thựctế,nhiềungườicònnóirằngđólàmụctiêuhàngđầucủavậtlýhọcngàynay.Mớiđây,ngườitađãthànhcôngtrongviệcthốngnhấtđược3trongsố4loạilựctrênvàtôisẽđềcậpđếnvấnđềnàyởcuốichương.Vấnđềthốngnhấtnốtlựccònlạilàhấpdẫntasẽđềcậpđếnsau.Loạilựcđầutiênlàlựchấpdẫn.Lựcnàycótínhchấtphổquát,tứclàmọihạtđềucảmthấynótùytheokhốilượnghoặcnănglượngcủahạt.Trongsốbốnlực,thìlựchấpdẫnlàyếunhất,yếutớimứcchúngtasẽkhôngthểnhận

thấynó,nếunókhôngcóhaitínhchấtđặcbiệtsau:nócóthểtácdụngtrênkhoảngcáchlớnvàluônluônlàlựchút.Điềunàycónghĩalànhữnglựchấpdẫnrấtyếugiữacáchạtcáthểthuộchaivậtthểlớn,chẳnghạnnhưtráiđấtvàmặttrời,cóthểđượccộnggộplạiđểtạonênmộtlựclớn.Baloạilựccònlại,hoặccótầmtácdụngngắn,hoặcđôikhilàlựchútvàđôikhilạilàlựcđẩy,vìvậychúngcóxuhướngtriệttiêunhau.Theocáchnhìnnhậncủacơhọclượngtửđốivớilựchấpdẫn,thìlựcgiữahaihạtvậtchấtđượcmangbởimộthạtcóspin2,gọilàhạtgraviton.Hạtnàykhôngcókhốilượngriêngvàvìvậycótầmtácdụngdài.Lựchấpdẫngiữatráiđấtvàmặttrờichínhlàdosựtraođổicácgravitongiữacáchạttạonênhaivậtthểđó.Mặcdùcáchạtđượctraođổilàảo,nhưngđiềuchắcchắnlàchúngtạoramộthiệuứngđođược-đólàlàmchotráiđấtquayxungquanhmặttrời.Cácgravitontạonêncáimàcácnhàvậtlýcổđiểngọilàcácsónghấpdẫn,chúngrấtyếuvàkhópháthiệntớimứcchođếnnayvẫnchưaquansátđược.

Loạilựctiếpsaulàlựcđiệntừ.Đâylàlựctươngtácgiữacáchạtmangđiệnnhưcácelectronvàcácquark,chứkhôngphảigiữacáchạtkhôngmangđiệnnhưgraviton.Lựcnàylớnhơnlựchấpdẫnnhiều:lựcđiệntừgiữahaielectronkhoảngtriệutriệutriệutriệutriệutriệutriệu(1vớibốnmươihaisố0tiếpsau)lầnlớnhơnlựchấpdẫngiữachúng.Tuynhiên,cóhailoạiđiệntích,điệntíchâmvàđiệntíchdương.Lựcgiữahaiđiệntíchdươngcũngnhưhaiđiệntíchâmđềulà lựcđẩy, trongkhi lựcgiữamộtđiệntíchdươngvàmộtđiện tíchâm lại là lựchút.Mộtvật thể lớnnhư tráiđấthoặcmặt trờichứacácđiệntíchdươngvàâmvớisốlượnggầnnhưnhau.Vìvậylựchútvàlựcđẩycủacáchạtcáthểgầnnhưtriệttiêunhauvàlựcđiệntừtổngcộngcònlạirấtnhỏ.Tuynhiên,ởquymônhỏnhưcácnguyêntửvàphântửlựcđiệntừlạichiếmưuthế.Lựchútđiệntừgiữacácelectronmangđiệnâmvàcácprotonmangđiệndươngtronghạtnhânlàmchocácelectronquayxungquanhhạt nhân củanguyên tử, hệt như lựchấpdẫn làmcho trái đất quayxungquanhmặttrời.Lựcđiệntừđượchìnhdungnhưđượcgâybởisựtraođổimộtsốlớncáchạtảokhôngkhốilượng,cóspin1gọilàcácphoton.Cácphotonđược traođổi làcáchạtảo.Tuynhiên,khielectronchuyển từmộtquỹđạođượcphépnàysangmộtquỹđạođượcphépkhácgầnhạtnhânhơn,năng lượng sẽđượcgiảiphóngvàmộtphoton thựcđượcphát ra -photonnàycóthểquansátđượcbằngmắtngườinếunócóbướcsóngứngvớiánhsángnhìnthấyhoặcbởimộtmàngnhưphimảnh,chẳnghạn.Cũngnhưvậy,nếumột photon thực va chạm vớimột nguyên tử nó có thể làm chomộtelectronchuyểntừquỹđạogầnhạtnhânhơnsangquỹđạoxahơn.Quátrìnhnàyđãsửdụnghếtnănglượngcủaphoton,vìvậynóđãbịhấpthụ.

Loạilựcthứbađượcgọilàlựchạtnhânyếu.Nógâyrasựphóngxạvàchỉtácdụnglêncáchạtcóspin1/2chứkhôngtácdụnglêncáchạtcóspin0,1hoặc2nhưphotonvàgraviton.Lựchạtnhânyếuchỉđượchiểuthấuđáotừ

năm1967, khiAbdusSalamở trường ImperalCollege,LondonvàStevenWeinbergởĐạihọcHarvardđưaracáclýthuyếtthốngnhấttươngtácnàyvới tương tác điện từ, hệt nhưMaxwell đã thốngnhất lực điện với lực từkhoảng100nămtrước.Họđưaragiảthuyếtchorằng,ngoàiphoton,còncóbahạtspin1khácgọilàcáchạtbosonmanglựcyếu.ĐólàcáchạtW+,W-vàZo,mỗihạtcókhối lượngkhoảng100GeV(GeVlàgigaelectron-volt,bằngmộttỷelectron-volt).LýthuyếtWeinberg-Salamđãđưaramộttínhchất gọi là sự phá vỡ đối xứng tự phát. Điều này có nghĩa làmột số hạttưởngnhưlàhoàntoànkhácnhauởnănglượngthấpthựctếlạilàcùngmộtloạihạt,chỉcóđiềuởtrạngtháikhácnhaumàthôi.Ởmứcnănglượngcao,tất cả các hạt này phản ứng hoàn toàn tương tự nhau. Hiệu ứng này khágiốngvớihànhtrạngcủaquảcầutrongtròquayxổsố.Ởmứcnănglượngcao (tứckhibánhxequaynhanh),quảcầuvềcănbảnphảnứng theomộtcách, đó là quay tròn, quay tròn.Nhưngkhi bánhxequay chậm lại, nănglượngcủaquả cầugiảmvà cuối cùngquả cầu sẽ rơi vàomột trong số36rãnhtrongbánhxe.Nóimộtcáchkhác,ởmứcnănglượngthấp,quảcầucóthểtồntại trong36trạngtháikhácnhau.Nếuvìmộtnguyênnhânnàođó,chúngtachỉcóthểquansátđượcquảcầuởmứcnănglượngthấp,tacóthểnghĩrằngcó36loạiquảcầukhácnhau.

Trong lý thuyếtWeinberg - Salam, ở nhữngmức năng lượng lớn hơn100GeVnhiều,bahạtmớivàphotonphảnứngmộtcáchhoàntoàntươngtựnhau.Ởnhữngmứcnănglượngthấphơn,điềumàtahaygặptrongnhữngtìnhhuốngbìnhthường,thìsựđốixứngnàygiữacáchạtsẽbịphávỡ.W+,W-vàZokhiđósẽcókhốilượnglớn,vàlàmchocáclựcmàchúngmangcótầmtácdụngngắn.VàothờiSalamvàWeinbergđưaralýthuyếtcủamình,cònítngườitinhọvàcácmáygiatốchạtcònchưađủmạnhđểđạttớinănglượng100GeV-năng lượngcầnphảicóđể tạoracáchạtW+,W-vàZothực.Tuynhiên, khoảnggầnmười năm sau, những tiên đoán khác của lýthuyếtđóởnănglượngthấpphùhợprấttốtvớithựcnghiệm,khiếnchovàonăm1979SalamvàWeinbergđãđượctraogiảithưởngNobelvềvậtlýcùngvớiSheldonGlashow,mộtnhàvậtlýcũngởĐạihọcHarvardvàcũngđưaramộtlýthuyếttươngtựthốngnhấtlựcđiệntừvàlựchạtnhânyếu.ỦybantraogiảiNobelđãhoàntoànyêntâm,khôngsợmắcsailầmkhimàvàonăm1983 tạiCERN(Trung tâmnghiêncứuhạtnhânchâuu)người tađãpháthiệnđượcbahạtW+,W-vàZovớikhốilượngvàcáctínhchấtkhácđúngnhưlýthuyếtđãtiênđoán.CarloRubbia,ngườilạnhđạomộtnhómnghiêncứugồmkhoảngvàitrămnhàvậtlý-tácgiảcủaphátminhđó-đãđượctraogiảithưởngNobelvàonăm1984cùngvớiSimonVanderMeer,mộtkỹsưởCERN,ngườiđãpháttriểnmộthệthốngtíchlũyphảnvậtchấtđượcsửdụngtrong phátminh trên. (Thật khó đặtmột dấu ấn trong vật lý thực nghiệmnhữngngàynàynếubạnkhôngởđỉnhcao!).

Loạilựcthứtưlàlựchạtnhânmạnh.Đâylàlựcgiữchocáchạtquarkởtrongprotonvàneutronở tronghạtnhânnguyên tử.Người ta tin rằng lựcnàyđượcmangbởimộthạtcóspin1khácgọilàgluon.Hạtgluonchỉtươngtácvớichínhnóvàvớicácquark.Lựchạtnhânmạnhcómộttínhchấtrấtlạgọilà"sựcầmtù":nóluônluônliênkếtcáchạtnàylạithànhnhữngtổhợpkhôngcómầu.

Nhưvậytakhôngthểcómộthạtquarkriêngrẽ tựnóvìnósẽcómàu(đỏ, xanh hoặc lục). Thay vì thế,một quark đỏ cần phải liên kết vớimộtquarkxanhvàmộtquarklụcbằngmột“dây”cácgluon(đỏ+xanh+lục=trắng).Một tam tuyếnnhư thế tạonênmột protonhoặcmột neutron.Mộtkhảnăngkháclàcặptạobởimộtquarkvàmộtphản-quark(đỏ+phản-đỏ,hoặcxanh+phản-xanh,hoặclục+phản-lục=trắng).Cáctổhợpnhưvậytạonêncáchạtđãbiếtnhưcácmesonlànhữnghạtkhôngbền,vìquarkvàphản-quarkcóthểhủynhautạothànhcácelectronvàcáchạtkhác.Tươngtự,sựcầmtùcũngkhôngchophépcómộtgluonriênglẻtựnó,vìcácgluoncũngcómàu.Thayvì thế,ngườitacầnphảicómộttậphợpcácgluonvớitổngmàu là trắng.Một tậphợpnhư thế tạonênmộthạtkhôngbềngọi làglueball.

Việc"sựcầmtù"khôngchophépchúngtaquansátđượcmộthạtquarkhoặcmộtgluoncôlậpdườngnhưlàmchotoànbộkháiniệmvềcácquarkvàgluonnhưcáchạttrởnênhơicóvẻsiêuhình.Tuynhiên,lựchạtnhânmạnhcòncómộttínhchấtkhác,gọilàsựtựdotiệmcận,làmchokháiniệmvềcáchạtquarkvàgluon trởnênhoàn toànxácđịnh.Ởnhữngmứcnăng lượngbình thường, lựchạtnhânmạnh thực tế là rấtmạnhvànó liênkếtcáchạtquarkrấtchặtvớinhau.Tuynhiên,nhữngthựcnghiệmtrêncácmáygiatốclớnchothấy,ởnhữngmứcnănglượngcao,lựcmạnhtrởnênyếuhơnnhiềuvàcácquarkcũngnhưcácgluonxửsựgầnnhưcáchạttựdo.Hình5.2:Ảnhchụpsựvachạmcủamộtprotonvàmộtphản-protonởmứcnănglượngcao.Hạtquarksinhratạoracáctiatronghình.

Hình5.2chothấybứcảnhchụpsựvachạmcủamộtprotonvàmộtphản-protonmứcởnănglượngcao.Mộtsốhạtquarkgầnnhưtựdođãđượctạoravàlàmxuấthiệncác“tia”vếtnhìnrõtrênhìnhvẽ.

Thànhcôngcủasựthốngnhấtcáclựcđiệntừvàhạtnhânyếuđãdẫntớinhiều cố gắng định kết hợp hai lực này với lực hạt nhânmạnh nhằmxâydựngmộtlýthuyếtgọilàlýthuyếtthốngnhấtlớn(viếttắtlàGUT-GrandUnifiedTheory).Cáitênnàycóvẻhơicườngđiệu,vìcáclýthuyếtnhưvậychưahoàn toàn là lớnvàcũngchưa thốngnhấtđượchoàn toàn,dochúngkhôngbaogồmcảlựchấpdẫn.Chúngcũnglạichưaphảilànhữnglýthuyếtthựcsựhoànchỉnhvìcònchứanhiềuthamsốcógiátrịkhôngthểtiênđoánđượctừlý thuyếtmàlạicầnphảichọnđểlàmkhớpvới thựcnghiệm.Tuynhiên,nhữnglýthuyếtnàylàmộtbướctiếntớimộtlýthuyếtthốngnhấtđầy

đủvàhoànchỉnh.TưtưởngcơbảncủacácGUTlà,nhưđãnóiởtrên,lựchạtnhânmạnhtrởnênyếuhơnkhiởnănglượngcao.Tráilại,cáclựcđiệntừvàhạtnhânyếu-vốnkhôngcótínhtựdotiệmcận-lạimạnhhơnlênởnhữngmứcnănglượngđó.Vìvậy,ởmộtmứcnănglượngrấtcaonàođó-gọilànănglượngthốngnhấtlớn-cảbalựcnàysẽcócườngđộnhưnhauvànhưvậycóthểchỉlànhữngmặtkhácnhaucủacùngmộtlựcduynhất.CácGUTcũngtiênđoánrằngởnănglượngnày,cáchạtvậtchấtkhácnhaucóspin1/2,nhưcácquarkvàelectron,vềcănbảncũngsẽhoàntoànnhưnhauvànhưvậylàđạttớimộtsựthốngnhấtnữa.

Giátrịcủanănglượngthốngnhấtlớncònchưađượcbiếtmộtcáchchínhxác,nhưngcólẽítnhấtcũngphảicỡmộtngàntriệutriệuGeV.Thếhệcácmáygia tốchạthiệnnaycóthểlàmchocáchạtvachạmởnănglượngcỡ100GeVvàcácmáygiatốcdựđịnhsẽxâydựngcóthểnângconsốnàylêntớicỡvàingànGeV.Nhưngmộtmáyđủmạnhđểgiatốccáchạttớinănglượngthốngnhấtlớnphảicókíchthướccỡgầnbằngcảhệmặttrời,điềumàbốicảnhkinhtếhiệnnaykhôngchophép.NhưvậytakhôngthểkiểmchứngcácGUTmộtcáchtrựctiếptrongphòngthínghiệmđược.Tuynhiên,cũngnhưđốivớitrườnghợplýthuyếtthốngnhấtlựcđiệntừvàhạtnhânyếu,cónhững hệ quả của lý thuyết ở năng lượng thấpmà chúng ta có thể kiểmchứngđược.

Lýthúnhấttrongsốcáchệquảnàylàtiênđoánchorằngcácproton-tứclàcáchạttạonênphầnlớnkhốilượngcủavậtchấtthôngthường-cóthểtựphânrãthànhcáchạtnhẹhơnnhưcácphảnelectron.Sởdĩđiềunàycóthểlàbởi vì ở năng lượng thống nhất lớn không có sự khác nhau căn bản giữaquark và phản electron. Ba quark trong proton thường không có đủ nănglượngđểbiếnđổi thànhcácphảnelectron,nhưngrấthiếmhoi,có thểmộttrongbahạtđócóđủnănglượngđểthựchiệnbiếnđổitrên,bởivìnguyênlýbấtđịnhnóirằngnănglượngcủacácquarktrongprotonkhôngthểcốđịnhmộtcáchchínhxác.Vàkhiđó,protoncóthểphânrã.Xácsuấtđểmộthạtquarkcóđủnănglượnglà thấp tớimứcngười tacầnphảichờđợikhoảngmột triệu triệu triệu triệu triệu (1vàbamươiconsố0 tiếpsau)năm.Nhưvậy,ngườitacóthểxemrằngkhảnăngphânrãtựphátcủaprotonlàkhôngthểkiểmchứngbằng thựcnghiệmđược.Tuynhiên,người ta tăngcơmaypháthiệnsựphânrãbằngcáchquansátmộtsốlượnglớnvậtchấtchứamộtsốrấtlớnproton.(Vídụ,nếungườitaquansátmộtsốlượngprotoncỡ1vàbamươiconsố0tiếpsautrongsuốtmộtnăm,thìtheoGUT,đơngiảnnhấtngườitacóthểhyvọngquansátđượchơnmộtvòngphânrãcủaproton).Nhiềuthínghiệmnhưthếđãđượcthựchiện,nhưngchưacómộtthínghiệmnàochomộtbằngchứngxác thựcvề sựphân rã củaprotonhoặcneutron.Một thínghiệmđãdùng tới8.000 tấnnướcvàđược thựchiệnởmỏmuốiMortonbangOhio,HoaKỳ(đểtránhnhữngsựkiệnkhácdotiavũtrụgâyra

lẫnlộnvớisựphânrãcủaproton).Vìkhôngcómộtphânrãtựphátnàocủaprotonquansátđượctrongquátrìnhthựcnghiệm,ngườitacóthểướctínhđược rằng thờigian sốngcủaprotonphải lớnhơn10 triệu triệu triệu triệutriệu(1vàbamươiconsố0tiếpsau)năm.Consốnàycònlớnhơncảthờigiansốngcủaprotonđượctiênđoánbởilýthuyếtthốngnhấtlớnđơngiảnnhất,nhưngcũngcónhữnglýthuyếttinhxảohơntiênđoánthờigiansốngđócònlâuhơn.Nhưvậycầnphảicónhữngthínghiệmnhạyhơnnữadùngnhữnglượngvậtchấtcònlớnhơnnữađểkiểmchứngnhữnglýthuyếtđó.

Mặcdùrấtkhómàquansátđượcsựphânrãtựphátcủaprotonnhưngcũngcóthểchínhsựtồntạicủachúngtalạilàkếtquảcủaquátrìnhngượclại,quátrìnhtạoracácprotonhayđơngiảnhơnlàtạoracácquarktừmộttìnhhuốngbanđầutrongđósốquarkkhôngnhiềuhơnsốphản-quark(giảthuyếtnàylàcáchtựnhiênnhấtđểhìnhdungsựkhởiphátcủavũtrụ).Vậtchất trên tráiđất chủyếuđược tạobởi cácprotonvàneutron,vàđến lượtmình các hạt này được tạo bởi các quark.Hoàn toàn không có các phản-protonvàphản-neutrontạobởicácphản-quark,trừmộtsốítdocácnhàvậtlýtạoratrongcácmáygiatốclớn.Chúngtacónhữngbằngchứngtừcáctiavũtrụchothấyđiềunàycũngđúngđốivớivậtchấttrênthiênhàchúngta:khôngcócácphản-protonvàphản-neutrontrừmộtsốítđượctạoranhưcáccặphạt/phảnhạttrongcácvachạmởnănglượngcao.Nếucónhữngvùnglớnphảnvậtchấttrongthiênhàchúngta,thìchúngtaphảiquansátthấymộtlượnglớnbứcxạ tới từvùngranhgiớigiữacácvùngvậtchấtvàphảnvậtchất,nơinhiềuhạtcóthểvachạmvớicácphảnhạtcủachúng,rồihủynhautạothànhcácbứcxạnănglượngcao.

Chúngtakhôngcóbằngchứngtrựctiếpchothấyvậtchấtởcácthiênhàkhác,bởicácprotonvàneutron,haybởicácphản-protonvàphản-neutron,nhưngnóphảichỉlàloạinàyhoặcloạikia:khôngthểcósựhỗnhợptrongmộtthiênhà,bởivìnếukhôngnhưvậy,chúngtalạisẽphảiquansátđượcmộtlượnglớnbứaxạsinhradosựhủy.Dođó,chúngtatinrằngtấtcảcácthiênhàđềuđược tạobởi cácquarkhơn là cácphản-quark, cònkhảnăngmộtsốthiênhàlàvậtchấtvàmộtsốthiênhàkháclàphản-vậtchấtthuầntúylàđiềurấtđángngờ.

Vậy tại sao số lượng các quark lại lớn hơn nhiều so với số lượng cácphản-quark?Tạisaosốlượngmỗiloạilạikhôngbằngnhau?Cũngmaychochúngtalàsốlượngcủachúngkhôngbằngnhau,bởivìnếukhôngthìgầnnhưhầuhếtcácquarkvàphản-quarksẽhủynhauởgiaiđoànđầucủavũtrụvàđểchovũtrụchỉcònchứađầybứcxạ,trừmộtlượngrấtítvậtchất.Khiđósẽchẳngcócácthiênhà,chẳngcócácvìsaovàcũngchẳngcócáchànhtinhnơiđờisốngcủaconngườicóthểpháttriểnđược.Maymắnthay,cáclýthuyếtthốngnhấtlớnđưaramộtcáchlýgiảitạisaovũtrụhiệnnaylạichứamộtsốlượngquarknhiềuhơnphản-quark,chodùlúcbanđầusốlượngmỗi

loạicóthểbằngnhau.Nhưchúngtađãthấy,cácGUTchophépcácquarkbiếnđổithànhcácelectronởnănglượngcao.Chúngcũngchophépcácquátrìnhngượclại,cácphản-quarkbiếnthànhelectronvàcácelectronvàphản-electronbiếnthànhphản-quarkvàquark.Cómột thờigiantronggiaiđoạnrấtsớmcủavũtrụkhimàvũtrụnóngtớimứcnănglượngcủacáchạtđủcaođểchocácbiếnhóađócó thểxảy ra.Nhưng tại saoxuhướngbiến thànhquarklạinhiềuhơntạothànhphản-quark?Nguyêndolàcácđịnhluậtvậtlýkhônghoàntoànnhưnhauđốivớihạtvàphảnhạt.

Chođếntậnnăm1956ngườitavẫntinrằngcácđịnhluậtvậtlýđềutuântheobađối xứngcó tên làC,PvàTmột cách riêngbiệt.ĐốixứngCcónghĩa làcácđịnh luậtđốivớihạtvàphảnhạt lànhưnhau.ĐốixứngPcónghĩa là các định luật là như nhau đối vớimột tình huống bất kỳ và ảnhgươngcủanó(ảnhgươngcủamộthạtquaytheohướngphảisẽlàhạtquaytheohướngtrái).CònđốixứngTcónghĩalànếutađảongượcchiềuchuyểnđộngcủatấtcảcáchạtvàphảnhạtthìhệsẽtrởlạicáctrạngtháimànóđãquaởnhữngthờiđiểmsớmhơn;nóimộtcáchkhác,cácđịnhluậtsẽkhôngthayđổitheohướngtiếnhoặclùicủathờigian.

Năm1956hainhàvậtlýMỹlàTsung-DaoLeevàChenNinhYangđãđưa ragiả thuyết rằng lựcyếukhông tuân theođốixứngP.Nóimột cáchkhác, lực yếu làm cho vũ trụ phát triển theo cách khác với cáchmà ảnhgươngcủavũtrụpháttriển.CũngnămđómộtđồngnghiệpcủahọlàChien-ShiungWuđãchứngminhđượcrằngtiênđoánđólàđúngđắn.Bàđãlàmđiềuđóbằngcáchsắphạtnhâncủacácnguyêntửphóngxạtrongtừtrườngsao cho chúng quay theo cùngmột hướng và chứng tỏ rằng các electronđượcphátratheomộthướngnhiềuhơntheohướngkhác.NămsauLeevàYangđã được trao giải thưởngNobel choý tưởng của họ.Người ta cũngthấyrằnglựcyếukhôngtuântheođốixứngC.Điềunàycónghĩalàlựcyếulàmchovũ trụgồmcácphảnhạtxửsựkhácvớivũ trụcủachúngta.Tuynhiên,dườngnhưlựcyếulạituântheođốixứngtổhợpCP.Nghĩalàvũtrụsẽpháttriểntheocáchhệtnhưảnhgươngcủanónếuthêmvàođómỗihạtđược thaybằngphảnhạt củanó!Tuynhiên,vàonăm1964haingườiMỹnữa làJ.W.CroninvàValFitchđãpháthiện ra rằngđốixứngCPkhôngđượctuântheotrongphânrãcủanhữnghạtgọilàK-Meson.CroninvàFitchcuối cùngđãđược traogiải thưởngNobel chocông trìnhcủahọvàonăm1980. (Khánhiềugiải thưởngđãđược traođểchứng tỏ rằngvũ trụkhôngđơngiảnnhưchúngtađãnghĩ).CómộtđịnhlýtoánhọcnóirằngmọiýthyếttuântheocơhọclượngtửvàthuyếttươngđốiđềuphảiluônluôntuântheođốixứngtổhợpCPT.Nóimộtcáchkhác,vũtrụsẽxửsựnhưtrướcnếutathayhạtbằngphảnhạt.Lấyảnhgương và nghịch đảo hướng thời gian. Nhưng Cronin và Fitch đã chứngminhđượcrằngnếungườitathayhạtbằngphảnhạtvàlấyảnhgươngnhưng

khôngnghịchđảohướngthờigianthìvũtrụkhôngxửsựnhưtrướcnữa.Dođócácđịnhluậtvậtlýcầnphảithayđổinếutađổihướngthờigian,nghĩalàchúngkhôngtuântheođốixứngT.

Chắcchắnlàtronggiaiđoạnđầu,vũtrụkhôngtuântheođốixứngT:vìthờigiantrôivềphíatrướctheohướngvũtrụgiãnnở(nếuthờigiantrôigiậtlùi,vũtrụsẽcolại).VàdocónhữnglựckhôngtuântheođốixứngT,suyrarằngvìvũtrụgiãnnởnênnhữnglựcnàycóthểlàmchocácphản-electronbiếnthànhquarknhiềuhơncácelectronbiếnthànhphản-quark.Sauđó,vìvụtrụgiãnnởvàlạnhđi,cácphảnquarksẽhủyvớicácquark,nhưngvìcónhiều quark hơnphản-quark nênmột số nhỏquark còndư lại tạo nên vậtchấtmàchúngtathấyhômnay,trongđócócảbảnthânchúngta.Nhưvậychínhsựtồntạicủachúngtacóthểđượcxemnhưmộtbằngchứngkhẳngđịnhcác lý thuyết thốngnhất lớn,mặcdùmớichỉ làmộtkhẳngđịnhđịnhtínhmàthôi.Nhưngbấtđịnhcònnhiềutớimứcngườitakhôngthểtiênđoánđượcsốlượngcácquarkcònlạisauquátrìnhhủyhoặcthậmchícònchưatiênđoánđượccáchạtcònlạilàquarkhayphản-quark.(Tuynhiên,nếusốhạt dư thừa là phản-quark thì chúng ta đơn giản có thể gọi phản-quark làquarkvàquarklàphản-quark).

Các lý thuyết thống nhất lớn không bao hàm lực hấp dẫn. Điều nàykhôngphảilàquánghiêmtrọngbởivìhấpdẫnlàlựcyếutớimứccáchiệuứngcủanóthườngcóthểbỏquakhiđềcậptớicáchạtcơbảntrongnguyêntử.Tuynhiên,vìnócótầmtácdụngdàivàlạiluônluônlàlựchútnêncáchiệuứngcủanóđềuđượccộnglại.Vìvậyđốivớimộtsốlượnghạtvậtchấtđủlớnlựchấpdẫncóthểsẽlấnáttấtcảcáclựckhác.Điềunàygiảithíchtạisaohấpdẫnchínhlàlựcquyếtđịnhsựtiếnhóacủavũtrụ.Thậmchíđốivớicácvậtthểcókíchthướcnhưmộtngôisaothôi,lựchấpdẫncũngđãcóthểthắngtấtcảcác lựckhácvà làmchongôisaobịco lại.Côngtrìnhcủa tôitrongnhữngnăm1980tậptrungvàocáclỗđen-mộtđốitượngcóthểlàkếtquảcolạicủamộtngôisao-vàlựchấpdẫnxungquanhnó.Chínhđiềunàyđãdẫn tớinhữnggợiýđầu tiênvềviệcphảikếthợpcơhọc lượng tửvớithuyếttươngđốirộng-mộthìnhbóngđầutiênvềthuyếtlượngtửcủahấpdẫntrongtươnglai.

Chương6:LỗđenThuật ngữ lỗ đen còn rấtmới.Nóđược nhà khoa học ngườiMỹ John

Wheelerđưaravàonăm1969nhằmmôtảmộtcáchhìnhtượngmộtýtưởngbắtnguồnítnhấtkhoảng200nămtrước,vàothờimàcòncóhailýthuyếtvềánh sáng:một lý thuyếtđượcNewtonủnghộcho rằngánh sángđược tạothànhtừcáchạt,cònlýthuyếtkiachorằngnóđượctạothànhtừcácsóng.

Hiệnnaytabiếtrằngcảhailýthuyếttrênđềuđúng.Theoquanđiểmnhịnguyênsóng/hạtcủacơhọc lượng tử, thìánhsángcó thểxemnhưvừa làsóngvừa làhạt.Theo lý thuyết sóngvềánhsáng thìkhông rõnósẽphảnứngthếnàođốivớihấpdẫn.Nhưngnếuánhsángđượctạothànhtừcáchạtthìngườitacóthểnghĩrằngnósẽbịtácđộngbởihấpdẫnhệtnhưcácviênđạnđạibác,tênlửavàcáchànhtinh.Banđầungườitatưởngrằngánhsángtruyềnvớivậntốclớnvôhạnvànhưthếthìhấpdẫnkhôngthểnàolàmchonóchậmlạiđược,nhưngphátminhcủaRoemercho thấyánhsáng truyềnvớivận tốchữuhạn,điềuđócónghĩa làhấpdẫncó thểcó tácđộngquantrọng.

Dựatrêngiảithuyếtđó,mộtgiảngviêncủaĐạihọcCambridgelàJohnMichellđãviếtmộtbàibáointrêntạpchí“nhữngvănkiệntriếthọccủaHộiHoàng gia London” (Philosophical Transaction of the Royal Society ofLondon)vàonăm1783, trongđóôngchỉrarằngmộtngôisaođủnặngvàđặc có thể có trường hấp dẫnmạnh tớimức không cho ánh sáng thoát rađược:bấtkỳánh sángnàophát ra từbềmặtngôi saođócũngđềubịkéongược trở lại trướckhinókịp truyềnđi rấtxa.Michellchorằngcó thểcómột số rất lớn những sao như vậy.Mặc dù chúng ta không thể nhìn thấynhữngngôi saođóbởivì ánh sáng từnhữngngôi saođókhôngđếnđượcchúng ta, nhưng chúng ta vẫn cảm thấy được lực hút hấp dẫn của chúng.Những đối tượng đó là cái bây giờ chúng ta gọi là lỗ đen, bởi vì thực tếchúnglànhữngkhoảngđentrongvũtrụ.

MộtgiảthuyếttươngtựcũngđượcmộtnhàkhoahọcngườiPháplàhầutướcdeLaplaceđưarasauđóítnăm,tấtnhiênlàđộclậpvớiMichell.MộtđiềukhálýthúlàLaplacechỉđưaragiảthuyếtnàyvàolầnxuấtbảnthứnhấtvà thứ hai của cuốn sách “Hệ thống thế giới”, nhưng rồi lại bỏ đi trongnhữnglầnxuấtbảnsau,chắcôngchorằngđólàmộtýtưởngđiênrồ.(Cũngnhưlýthuyếthạtcủaánhsángkhôngđượcủnghộtrongsuốtthếkỷ19,vàdườngnhưmọichuyệnđềucóthểgiảithíchbằnglýthuyếtsóng,nhưngtheolýthuyếtsóngthìhoàntoànkhôngrõánhsángbịhấpdẫntácđộngnhưthếnào).Thựctế,xemánhsángnhưnhữngviênđạnđạibáctronglýthuyếthấpdẫncủaNewtonlàhoàntoànkhôngthíchhợpbởivìánhsángcóvậntốccốđịnh.

(Một viên đạn đại bác khi bắn lên từmặt đất sẽ bị lực hấp dẫn làm chochuyểnđộngchậmlạivàcuốicùngsẽdừnglạivàrơixuống, trongkhiđóhạtphotonvẫnphảitiếptụcbaylênvớivậntốckhôngđổi.VậythìlựchấpdẫncủaNewtonlàmthếnàocóthểtácđộngtớiánhsáng?).PhảimãichotớikhiEinsteinđưara thuyết tươngđốirộngvàonăm1915, tamớicómột lýthuyếtnhấtquánchobiếthấpdẫn tácđộngnhư thếnàođếnánhsáng.Vàthậmchíngaycảkhiđócũngphảimấtmộtthờigiansaungườitamớihiểuđượcnhữnghệquảcủalýthuyếtđốivớicácsaonặng.

Đểhiểumộtlỗđencóthểđượchìnhthànhnhưthếnào,trướchếtchúngtaphảihiểuvòngđờicủamộtngôisao.Mộtngôisaođượchìnhthànhkhimộtlượnglớnkhí(màchủyếulàhydro)bắtđầucolạidolựchúthấpdẫncủachínhmình.Vàvìkhicáckhốikhícolại,nêncácnguyêntửkhívachạmnhau thườngxuyênhơnvàngàycàngcóvận tốc lớnhơndẫn tớikhốikhínónglên.Cuốicùng,khốikhísẽnóngtớimứckhicácnguyêntửhydrovachạm nhau chúng sẽ không rời nhau ra nữa mà liên kết với nhau thànhnguyêntửheli.Nhiệtgiảiphóngratừphảnứngnày-giốngnhưvụnổcủabomkhinhkhí - sẽ làmchongôi saophát sáng.Lượngnhiệtđócũng làmtăngápsuấtcủakhốikhíchotớikhiđủđểcânbằngvớilựchúthấpdẫnvàkhốikhíngừngcolại.Điềunàycũnghơigiốngvớitrườnghợpquảkhícầu,trongđócósựcânbằnggiữaápsuấtcủakhôngkhíbêntrongcóxuhướnglàmchoquảkhícầuphồngravàsứccăngcủavỏcaosucóxuhướnglàmchonócolại.Nhữngngôisaosẽcònổnđịnhnhưthếmộtthờigiandàivớinhiệt từ các phản ứng hạt nhân tỏa ra cân bằng với lực hút hấp dẫn.Tuynhiên,cuốicùngrồicácngôisaocũngsẽdùnghếtsốkhíhydrovàcácnhiênliệuhạtnhâncủanó.Mộtđiềuthậtnghịchlýlàcácngôisaocàngcónhiềunhiênliệulúcbắtđầuthìsẽhếtcàngsớm.Đólàbởivìngôisaocàngnặngthìnóphảicàngnóngđểcânbằngvớilựchúthấpdẫn.Mànóđãcàngnóngthìsẽdùnghếtsốnhiênliệucủanócàngnhanh.Mặttrờicủachúngtacólẽcònđủnhiên liệu chokhoảnggầnnămngàn triệunămnữa, nhưngnhữngngôi saonặnghơncó thểdùnghếtnhiên liệucủachúngchỉ trongkhoảngmột trăm triệunăm, íthơn tuổicủavũ trụ rấtnhiều.Khimộtngôi saohếtnhiênliệu,nósẽlạnhđivàcolại.Chỉcuốinhữngnăm20,ngườitamớihiểuđượcđiềugìxảyrađốivớinókhiđó.

Năm 1928 một sinh viên Ấn Độ mới tốt nghiệp đại học tên làSubrahmanyanChandrasekharđãdongthuyềntớinướcAnhđểtheohọcnhàthiênvănngàiArthurEddington,mộtchuyêngiavềthuyếttươngđốirộngởCambridge.(Theomộtsốdưluận,thìmộtnhàbáovàođầunhữngnăm20cónói vớiEddington, rằng ông ta nghe nói cả thế giới chỉ có ba người hiểuđược thuyết tương đối rộng. Eddington im lặngmột lát rồi nói: “Tôi cònđangcốnghĩxemngườithứbalàai”).TrongsuốtchuyếnchuducủamìnhtừẤnĐộ,Chandrasekharđãgiảiquyếtđượcvấnđề:mộtngôisaocóthểlớn

tớimứcnàođểkhiđãsửdụnghếtnhiênliệuvẫnchốngchọiđượcvớilựchấpdẫn riêngcủanó.Ý tưởngcủaôngnhưsau:khimộtngôi sao trởnênnhỏ, các hạt vật chất sẽ ở rất gầnnhau, và vì vậy theo nguyên lý loại trừPauli,chúngcầnphảicóvậntốckhácnhau.Điềunàylàmchochúngchuyểnđộngraxanhauvàvìthếcóxuhướnglàmchosaogiãnnởra.Dođómộtngôisaocóthểtựduytrìđểcómộtbánkínhkhôngđổibằngcáchgiữcânbằnggiữalựchúthấpdẫnvàlựcđẩyxuấthiệndonguyênlýloạitrừ,hệtnhưởgiaiđoạnđầutrongcuộcđờicủanólựchấpdẫnđượccânbằngbởinhiệt.

Tuynhiên,Chandrasekharthấyrằnglựcđẩydonguyênlýloạitrừtạoracómộtgiớihạn.Lýthuyếttươngđốirộngđặtmộtgiớihạnchosựkhácbiệtcựcđạivềvậntốccủacáchạtvậtchấttrongcácngôisao-đólàvậntốccủaánh sáng.Điều này có nghĩa là khimột ngôi sao đủ đặc, lực đẩy gây bởinguyên lý loại trừsẽnhỏhơn lựchúthấpdẫn.Chandrasekhar tínhra rằngmộtngôisaolạnhcókhốilượnglớnhơnkhốilượngmặttrờichừng1,5lầnsẽkhông thể tựchốngchọinổivới lựchấpdẫnriêngcủanó. (Khối lượngnàyhiệnnayđượcgọilàgiớihạnChandrasekhar).PhátminhtươngtựcũngđượcnhàkhoahọcngườiNgaLevDavidovichLandauđưaravàocùngthờigianđó.

Điềunàycónhữnghệquảquan trọngđốivới sốphận tốihậucủacácngôi sao nặng. Nếu khối lượng của một ngôi sao nhỏ hơn giới hạnChandrasekhar, thì cuối cùng nó cũng có thể ngừng co lại và yên phận ởtrạngtháicuốicùngkhảdĩnhư“mộtsaolùntrắng”vớibánkínhchỉkhoảngvàingàndặmvàmậtđộkhoảngvài trămtấn trongmột inchkhối.Sao lùntrắngchốngđỡđượcvớilựchúthấpdẫnlàbởilựcđẩydonguyênlýloạitrừsinhragiữacácelectrontrongvậtchấtcủanó.Chúngtađãquansátđượcmộtsốkhálớnnhữngsaolùntrắngnày.MộttrongnhữngsaolùnđầutiênquansátđượclàngôisaoquayxungquanhsaoThiênLang(Sirius)-ngôisaosángnhấttrênbầutrờiđêm.

Landauchỉrarằngcòncómộttrạngtháicuốicùngkhảdĩnữachocácngôisaocókhốilượnggiớihạncỡ1đến2lầnlớnhơnkhốilượngmặttrờinhưngcókích thướccònnhỏhơncảcácsao lùn trắngnhiều.Cácsaonàychốngchọiđượcvớilựchúthấpdẫn,bởilựcđẩydonguyênlýloạitrừtạoragiữacácneutronvàprotonlớnhơnlàgiữacácelectron.Dođóchúngđượcgọilàcácsaoneutron.Chúngcóbánkínhchỉcỡmươidặmvàcómậtđộcỡvàitrămtriệutấntrênmộtinchkhối.Khisaoneutronlầnđầutiênđượctiênđoán,ngườitakhôngcócáchnàoquansátđượcchúngvàthựctếmãirấtlâuvềsaungườitacũngkhôngpháthiệnđược.

Tráilại,nhữngngôisaocókhốilượnglớnhơngiớihạnChandrasekharlạicóvấnđềrấtlớnđặtrakhichúngđãdùnghếtnhiênliệu.Trongmộtsốtrườnghợpchúngcóthểnổhoặcđiềuchỉnhđểrútbớtđimộtlượngvậtchấtđủđểlàmgiảmkhốilượngcủanóxuốngdướigiớihạnvànhưvậysẽtránh

đượctaihọacolạidohấpdẫn.Tuynhiên,thậtkhólòngtinđượcrằngđiềunàyluônluônxảyrabấtkểngôisaolớntớimứcnào.Vảlại, làmsaobiếtđượcnócầnphảigiảmtrọnglượng?Vàchodùmọingôisaođềubiếtđiềuchỉnhgiảmkhốilượngđủđểtránhđượcquátrìnhcolạithìđiềugìsẽxảyranếu ta thêm khối lượng cho một sao lùn trắng hoặc sao neutron để khốilượngcủanólớnhơnkhốilượnggiớihạn?Liệunócócolạitớimậtđộvôhạnkhông?Eddingtonđãbị“sốc”bởihệquảđóvàôngđãchốibỏkhôngtinkếtquảcủaChandrasekhar.Eddingtonnghĩ rằngđơngiản làkhông thểcómộtngôisaocóthểcolạithànhmộtđiểmđược.Đócũnglàquanđiểmcủađasốcácnhàkhoahọc.ChínhEinsteincũngviếtmộtbàibáotrongđóôngtuyênbố rằngmột ngôi sao không thể co lại tới kích thướcbằng0 được!Trướcsựchốngđốicủacácnhàkhoahọckhác,màđặcbiệtlàEddington-vừa là thầy giáo cũ vừa là người có uy tín hàng đầu về cấu trúc các sao,Chandrasekharđànhbỏphươnghướngnghiêncứuđócủamìnhvàchuyểnsangnghiêncứunhữngvấnđềkháctrongthiênvănhọcnhưsựchuyểnđộngcủacáccụmsao.Tuynhiên,khiôngđượctraogiảithưởngNobelvàonăm1938, thì ít nhất cũngmột phần là do công trình đầu tay của ôngvề khốilượnggiớihạncủacácsaolạnh.

Chandrasekharđã chứngminhđược rằngnguyên lý loại trừkhông thểngănchặnđượcsựcolạicủacácngôisaocókhối lượnglớnhơngiớihạnChandrasekhar,nhưngvấnđềhiểuđượcđiềugìsẽxảyrađốivớinhữngsaonhư vậy theo thuyết tương đối rộng thì phải tới năm 1939mới được nhàkhoahọctrẻngườiMỹlàRobertOppenheimergiảiquyếtlầnđầutiên.Tuynhiên,kếtquảcủaôngchothấyrằngkhôngcómộthệquảquansátnàocóthểpháthiệnđượcbằngcáckínhthiênvănthờiđó.Rồichiếntranhthếgiớithứ2xảyra,vàchínhOppenheimerlạicuốnhútvàodựánbomnguyêntử.Sauchiếntranh,vấnđềsựcolạidohấpdẫnbịlãngquênvìđasốcácnhàkhoahọcbắtđầulaovàocáchiệntượngxảyratrongquymônguyêntửvàhạtnhâncủanó.Tuynhiên,vàonhữngnăm60sựquantâmtớicácvấnđềởthangvĩmôcủathiênvănhọcvàvũtrụhọclạisốngdậyvìsốlượngcũngnhư tầmquan sát thiên văn tăng lên rất lớn, do việc áp dụng những côngnghệhiệnđại.CôngtrìnhcủaOppenheimerkhiđólạiđượcpháthiệnlạivàđượcmởrộngthêmbởinhiềungườikhác.

BứctranhmàhiệnnaychúngtacótừcôngtrìnhcủaOppenheimernhưsau:trườnghấpdẫncủangôisaolàmthayđổiđườngtruyềncủacáctiasángtrongkhông-thờigian.Cácnónánh sáng - chỉđường truyền trongkhông-thờigiancủacácchớpsángđượcphátratừđỉnhcủanón-sẽhơibịuốnvàophíatrong,phíagầnvớibềmặtcủasao.Điềunàycóthểthấyđượctheoquỹđạocongcủatiasángpháttừnhữngngôisaoxatrongquátrìnhnhậtthực.Vìngôisaonặngđangcolại,nêntrườnghấpdẫnởbềmặtcủanóngàycàngmạnhvànónánhsángcàngbịuốncongvàophíatrong.Điềunàylàmchotia

sángngàycàngkhóthoátkhỏingôisao,vàánhsángsẽngàycàngmờđivàđỏhơnđốivớingườiquansáttừxa.Cuốicùng,khingôisaođãcotớimộtbánkínhtớihạnnàođó,trườnghấpdẫnởbềmặtcủanótrởnênmạnhtớimứcnónánhsángbịuốnvàophíatrongnhiềuđếnnỗiánhsángkhôngthểthoátrađượcnữa(hình6.1).

Khingôisaođãcotớimộtbánkínhtớihạnnàođó,trườnghấpdẫnởbềmặtcủanótrởnênmạnhtớimứcnónánhsángbịuốnvàophíatrongnhiềuđếnnỗiánhsángkhôngthểthoátrađượcnữa.

Theothuyếttươngđốithìkhôngcógìcóthểchuyểnđộngnhanhhơnánhsáng.Vìvậy,nếuánhsángkhôngthểthoátrađược,thìcũngkhôngcógìcóthểthoátđượcra;tấtcảđềubịtrườnghấpdẫnkéolại.Dođó,tacómộttậpcác sự cố, tức làmột vùng trong không-thời gian,mà không có gì có thểthoátratừđóđểđếnđượcvớingườiquansáttừxa.Vùngnàychínhlàcáimàngườitagọilàlỗđen.Biêncủavùngnàyđượcgọilàchântrờisựcố,vànótrùngvớiđườngtruyềncủacác tiasángvừachớmkhôngthoátrađượckhỏilỗđen.

Đểhiểuđượcđiềumàbạnsẽthấynếubạnđangquansátsựcolạicủamộtngôi saođể tạo thành lỗđen, thì cầnnhớ rằng trong thuyết tươngđốikhôngcókháiniệm thờigian tuyệtđối.Mỗimộtngườiquansátcóđộđothời gian riêng củamình.Thời gian đối với người ở trênmột ngôi sao sẽkhácthờigiancủangườiởxa,docótrườnghấpdẫncủacácngôisao.Giảsửcómộtnhàduhànhvũtrụquảcảmởngaytrênbềmặtmộtngôisaođangcolạivàophíatrongcủanó,cứmỗimộtgiâytheođồnghồcủaanhtalạigửivềcontàuđangquayquanhngôisaođómộttínhiệu.Ởthờiđiểmnàođótheođồnghồcủaanhta,vídụlúc11giờ,ngôisaocolạidướibánkínhtớihạnkíchthướcmàởđótrườnghấpdẫnbắtđầumạnhtớimứckhônggìcóthểthoátđượcra,-vànhưvậy,cáctínhiệucủanhàduhànhkhôngtớiđượccontàunữa.Khitớigần11giờ,cácđồngnghiệpcủanhàduhànhquansáttừcontàuthấykhoảngthờigiangiữahaitínhiệuliêntiếpdonhàduhànhgửivềngàycàngdàihơn,nhưngtrước10giờ59phút59giâyhiệuứngđórấtnhỏ.Họchỉphảiđợihơnmộtgiâychútxíugiữatínhiệumànhàduhànhgửivềlúc10giờ59phút58giâyvàtínhiệuanhtagửivềlúcđồnghồanhtachỉ10giờ59phút59giây,nhưnghọsẽphảiđợivĩnhviễnviễntínhiệugửilúc11giờ.Cácsóngánhsángđượcpháttừbềmặtngôisaotrongkhoảngthờigiangiữa10giờ59phút59giâyvà11giờtheođồnghồcủanhàduhànhsẽđượctruyềnquamộtkhoảngthờigianvôhạn,nếuđotừcontàu.Khoảngthờigiangiữahaisóngánhsángliêntiếptớicontàumỗilúcmộtdàihơn,dođóánhsángtừngôisaomỗi lúcmộtđỏvànhợtnhạthơn.Cuốicùng,ngôisaosẽmờtốitớimứctừcontàukhôngthểnhìnthấynónữa;tấtcảnhữngcáicònlạichỉlàmộtlỗđentrongkhônggian.Tuynhiên,ngôisaovẫntiếptụctácdụngmột lựchấpdẫnnhư trước lêncon tàu làmchonóvẫn tiếp tụcquay

xungquanhlỗđen.Thựcra,kịchbảnnàykhôngphảihoàntoànlàhiệnthựcvìvấnđềsau:

Lựchấpdẫncàngyếukhibạncàngởxangôi sao,vìvậy lựchấpdẫn tácdụnglênchânnhàduhànhvũtrụquảcảmcủachúngtasẽluônluônlớnhơnlực tácdụng lênđầucủaanh ta.Sựkhácbiệtvề lựcđósẽkéodàinhàduhànhvũtrụcủachúngtagiốngnhưmộtsợimìhoặcxéđứtanhtaratrướckhingôisaocotớibánkínhtớihạn,tạiđóchântrờisựcốđượchìnhthành!Tuynhiên,chúngtatinrằngtrongvũtrụcónhữngvậtthểlớnhơnrấtnhiều,chẳnghạnnhưnhữngvùngtrungtâmcủacácthiênhà,cũngcóthểcolạidohấpdẫnđểtạothànhcáclỗđen;mộtnhàduhànhvũtrụởtrênmộttrongcácvậtthểđósẽkhôngbịxéđứttrướckhilỗđenđượctạothành.Thựctế,anhtasẽchẳngcảm thấygìđặcbiệtkhiđạt tớibánkính tớihạn,vàcó thểvượtđiểm-không-đường-quay-lạimàkhôngnhậnthấy.Tuynhiên,chỉmộtítgiờsau, khi vùngđó tiếp tục co lại, sựkhácbiệt về lựchấpdẫn tác dụng lênchânvàđầusẽlạitrởnênmạnhtớimứcnósẽxéđứtngườianhta.

Công trìnhmàRogerPenrosevà tôi tiếnhànhgiữanăm1965và1970chứngtỏ,rằngtheothuyếttươngđốirộng,thìcầnphảicómộtkỳdịvớimậtđộvàđộcongkhông-thờigianvôhạnbêntronglỗđen.Điềunàykhágiốngvớivụnổlớnởđiểmbắtđầu,chỉcóđiềuởđâylạilàthờiđiểmcuốicủamộtvậtthểcùngnhàduhànhđangcolại.Ởkỳdịnày,cácđịnhluậtkhoahọcvàkhả năng tiên đoán tương lai đều không dùng được nữa. Tuy nhiên, mộtngườiquan sát cònởngoài lỗđen sẽkhôngbị ảnhhưởngbởi sựmấtkhảnăngtiênđoánđóvìkhôngmộttínhiệunàohoặctiasángnàotừđiểmkỳdịđó tới được anh ta. Sự kiện đáng chú ý đó đã dẫnRoger Penrose tới giảthuyếtvềsựkiểmduyệtvũtrụ-mộtgiảthuyếtcóthểphátbiểudướidạng“Chúacămghétsựkỳdịtrầntrụi”.Nóimộtcáchkhác,nhữngkỳdịđượctạorabởisựcolạidohấpdẫnchỉxảyraởnhữngnơigiốngnhưlỗđen-nơimàchúngđượcchegiấukínđáobởichântrờisựcốkhôngchongườingoàinhìnthấy.Nóimộtcáchchặtchẽthìđâylàmớilàgiảthuyếtvềsựkiểmduyệtvũtrụyếu:nóbảovệchonhữngngườiquansátcònởngoàilỗđentránhđượcnhữnghậuquảdosựmấtkhảnăngtiênđoánxảyraởđiểmkỳdị,nhưngnóhoàntoànkhônglàmđượcgìchonhàduhànhbấthạnhđãbịrơivàolỗđen.

Cómộtsốnghiệmcủacácphươngtrìnhcủathuyếttươngđốirộng,trongđónóchophépnhàduhànhcủachúngtacóthểnhìnthấyđiểmkỳdịtrầntrụi:nhưvậyanhtacóthểtránhkhôngđụngvàonóvàthayvìanhtacóthểrơiquamộtcái“lỗsâuđục”vàđiramộtvùngkháccủavũtrụ.Điềunàytạoranhữngkhảnăng to lớnchoviệcduhành trongkhônggianvà thờigian,nhưngthậtkhôngmay,nhữngnghiệmđólạirấtkhôngổnđịnh;chỉcầnmộtnhiễuđộngnhỏ,vídụnhưsựcómặtcủanhàduhành,làđãcóthểlàmchochúngthayđổitớimứcnhàduhànhkhôngcònnhìnthấykỳdịnữachotớikhichạmvàonóvàthờigiancủaanhtasẽchấmhết.Nóicáchkhác,kỳdị

luônluônnằmởtươnglaichứkhôngbaogiờnằmởquákhứcủaanhta.Giảthuyếtkiểmduyệtvũtrụmạnhphátbiểurằngtrongnghiệmhiệnthựcthìcáckỳdị luônluônhoặchoàntoànnằmtrongtươnglai(nhưcáckỳdịdoquátrìnhcolạidohấpdẫn)hoặchoàntoànnằmtrongquákhứ(nhưvụnổlớn).Ngườitarấthyvọngmộttronghaigiảthuyếtkiểmduyệtlàđúng,bởivìởgầncáckỳdịtrầntrụisẽcóthểchuduvềquákhứ.Trongkhiđiềunàythậttuyệt vời đối với các nhà viết truyện khoa học viễn tưởng thì nó cũng cónghĩalàcuộcsốngcủabấtkỳaiđềukhôngantoàn:mộtkẻnàođócóthểmòvềquákhứgiếtchếtbốhoặcmẹcủabạntrướckhibạnđượcđầuthai!

Chântrờisựcố,biêncủavùngkhông-thờigianmàtừđókhônggìthoátrađược,cótácdụngnhưmộtmàngmộtchiềubaoquanhlỗđen:cácvật,tỷnhưnhàduhànhkhinhsuấtcủachúngta,cóthểrơivàolỗđenquachântrờisựcố,nhưngkhônggìcó thể thoát ra lỗđenquachân trờisựcố(cầnnhớrằngchân trời sựcố làđườngđi trongkhông-thờigiancủaánhsángđangtìmcáchthoátkhỏilỗđen,vàkhônggìcóthểchuyểnđộngnhanhhơnánhsáng).CóthểdùnglờicủathisĩDantenóivềlốivàođịangụcđểnóivềchântrờisựcố:“Hỡinhữngngườibướcvàođâyhãyvứtbỏmọihyvọng!”.Bấtkỳcáigìhoặcbấtkỳai,mộtkhiđã rơiquachân trờisựcố thìsẽsớmtớivùngcómậtđộvôhạnvà,chấmhếtthờigian.

Thuyết tươngđốirộngtiênđoánrằngcácvậtnặngkhichuyểnđộngsẽphátrasónghấpdẫn-nhữngnếpgợntrongđộcongcủakhônggiantruyềnvớivậntốccủaánhsáng.Nhữngsóngnàytươngtựnhưcácsóngánhsáng,lànhữnggợn sóngcủa trườngđiện từ,nhưng sónghấpdẫnkhópháthiệnhơnnhiều.Giốngnhưánhsáng,sónghấpdẫncũngmangnănglượnglấytừcácvậtphátranó.Dođó,hệthốngcácvậtnặngcuốicùngsẽanbàiởmộttrạngtháidừngnàođóbởivìnănglượngởbấtcứdạngvậnđộngnàođềuđượccácsónghấpdẫnmangđi.(Điềunàygầntươngtựvớiviệcnémmộtcáinútxuốngnước.Banđầu,nódậpdềnhkhámạnh,nhưngrồivìcácgợnsóngmangdầnđihếtnănglượngcủanó,cuốicùngnóanbàiởmộttrạngtháidừng).Vídụ,chuyểnđộngcủatráiđấtxungquanhmặttrờitạoracácsónghấpdẫn.Tácdụngcủaviệcmấtnăng lượngsẽ làmthayđổiquỹđạotráiđất, làmchonódầndần tiến tớigầnmặt trờihơn, rồicuốicùngchạmmặttrờivàanbàiởmộttrạngtháidừng.Tuynhiên,tốcđộmấtnănglượngcủatráiđấtvàmặttrờirấtthấp:chỉcỡđủđểchạymộtlòsưởiđiệnnhỏ.Điềunàycónghĩalàphảimấtgầnmộtngàntriệutriệutriệutriệunămtráiđấtmớiđâmvàomặttrờivàvìvậychúngtachẳngcólýdogìđểlolắngcả!Sựthayđổiquỹđạocủatráiđấtcũngrấtchậmkhiếnchokhócóthểquansátđược,nhưng chính hiện tượng này đã được quan sát thấy ít năm trước trong hệthốngcó tên làPSR1913+16PSRlà tênviết tắtcủamộtpulsar (pulsar làchuẩntinh:mộtloạisaoneutronđặcbiệtcókhảnăngphátđềuđặncácxungsóngradio).Hệthốngnàygồmhaisaoneutronquayxungquanhnhauvàsự

mất năng lượng do phát sóng hấp dẫn làm cho chúng chuyển động theođườngxoắnốchướngvàonhau

Trongquátrìnhcolạidohấpdẫncủamộtngôisaođểtạothànhmộtlỗđen,cácchuyểnđộngsẽnhanhhơnnhiềuvàvìvậytốcđộnănglượngđượcchuyểnđicũngcaohơnnhiều.Dovậymàthờigianđểđạt tớisựanbàiởmộttrạngtháidừngsẽkhôngquálâu.Vậycáigiaiđoạncuốicùngnàynhìnsẽnhưthếnào?Ngườitachorằng,nósẽphụthuộcvàotấtcảcácđặctínhcủangôisao.Cónghĩalà,nókhôngchỉphụthuộcvàokhốilượngvàtốcđộquay,màcònphụthuộcvàonhữngmậtđộkhácnhaucủacácphầntửkhácnhaucủangôisaovàcảnhữngchuyểnđộngphứctạpcủacáckhítrongngôisaođónữa.Vànếucáclỗđencũngđadạngnhưnhữngđốitượngđãcolạivàtạonênchúngthìsẽrấtkhóđưaramộttiênđoánnàovềcáclỗđennóichung.

Tuynhiên,vàonăm1967,mộtnhàkhoahọcCanadatênlàWernerIsrael(ôngsinhởBerlin,lớnlênởNamPhi,vàlàmluậnántiếnsĩởIreland)đãtạoramộtbướcngoặt trongviệcnghiêncứucáclỗđen.Israelchỉrarằng,theothuyếttươngđốirộngthìcáclỗđenkhôngquaylàrấtđơngiản;chúngcódạng cầu lý tưởngvà có kích thước chỉ phụ thuộc vào khối lượng củachúng;hailỗđennhưthếcókhốilượngnhưnhaulàhoàntoànđồngnhấtvớinhau.

Thựctế,nhữnglỗđennàycóthểđượcmôtảbằngmộtnghiệmriêngcủaphươngtrìnhEinsteinđãđượcbiếttừnăm1917,doKarlSchwarzchildtìmragầnnhưngaysaukhi tuyết tươngđối rộngđượcphátminh.Thoạtđầu,nhiềungười,thậmchíngaycảIsrael,lýluậnrằng,vìcáclỗđencầnphảicódạngcầulýtưởngnênchúngchỉcóthểđượctạothànhtừsựcolạicủađốitượngcódạngcầulýtưởng.Màmộtngôisaochẳngbaogiờcóthểcódạngcầulýtưởngđược,nênnóchỉcóthểcolạiđểtạothànhmộtkỳdịtrầntrụimàthôi.

Tuynhiên,cómộtcáchgiảithíchkhácchokếtquảcủaIsraelmàRogerPenrose và đặc biệt là JohnWheeler rất ủng hộ. Họ lý luận rằng, nhữngchuyểnđộngnhanhtrongquátrìnhcolạicónghĩalàcácsónghấpdẫndonóphátrasẽlàmchonócódạngcầuhơnvàvàothờiđiểmanbàiởtrạngtháidừng nó có dạng chính xác là cầu. Theo quan điểm này thìmột ngôi saokhôngquay,bấtkểhìnhdạngvàcấutrúcbêntrongphứctạpcủanó,saukhikếtthúcquátrìnhcolạidohấpdẫnđềulàmộtlỗđencódạngcầulýtưởngvớikích thướcchỉphụ thuộcvàokhối lượngcủanó.Những tính toánsaunàyđềucủngcốchoquanđiểmnàyvàchẳngbaolâusaunóđãđượcmọingườichấpnhận.KếtquảcủaIsraelchỉđềcậptrườnghợpcáclỗđenđượctạothànhtừcácvậtthểkhôngquay.Năm1963RoyKerrngườiNewZealandđãtìmramộttậphợp nghiệm của các phương trình của thuyết tương đốimô tả các lỗ đen

quay.Các lỗđen“Kerr”đóquayvớivận tốckhôngđổi,cókích thướcvàhìnhdángchỉphụthuộcvàokhốilượngvàtốcđộquaycủachúng.Nếutốcđộquaybằngkhông,lỗđensẽlàcầulýtưởngvànghiệmnàysẽtrùngvớinghiệmSchwarzchild.Nếutốcđộquaykhác0,lỗđensẽphìnhraphíangoàiởgầnxíchđạocủanó(cũngnhưtráiđấtvàmặttrờiđềuphìnhradosựquaycủachúng),vànếunóquaycàngnhanhthìsựphìnhrasẽcàngmạnh.Nhưvậy,đểmởrộngkếtquảcủaIsraelchobaohàmđượccảcácvậtthểquay,ngườitasuyđoánrằngmộtvậtthểquaycolạiđểtạothànhmộtlỗđencuốicùngsẽanbàiởtrạngtháidừngđượcmôtảbởinghiệmKerr.

Năm1970,mộtđồngnghiệpvàcũnglànghiêncứusinhcủatôi,BrandonCarterđãđiđượcbướcđầutiênhướngtớichứngminhsuyđoántrên.Anhđãchứng tỏđượcrằngvớiđiềukiện lỗđenquaydừngcómột trụcđốixứng,giốngnhưmộtconquay,thìnósẽcókíchthướcvàhìnhdạngchỉphụthuộcvàokhốilượngvàtốcđộquaycủanó.Sauđóvàonăm1971,tôiđãchứngminhđượcrằngbấtkỳmộtlỗđenquaydừngnàođềucầnphảicómộttrụcđối xứng như vậy. Cuối cùng, vào năm 1973, David Robinson ở trườngKingsCollege,LondonđãdùngkếtquảcủaCartervàtôichứngminhđượcrằngướcđoánnói trên làđúng.Những lỗđennhưvậy thực sự lànghiệmKerr.Nhưvậy,saukhicolạidohấpdẫn,lỗđensẽanbàitrongtrạngtháicóthểquaynhưngkhôngxungđộng.Hơnnữa,kíchthướchìnhdạngcủanóchỉphụthuộcvàokhốilượngvàtốcđộquaychứkhôngphụthuộcvàobảnchấtcủavậtthểbịcolạitạonênnó.Kếtquảnàyđượcbiếtdướichâmngôn:“lỗđenkhôngcótóc”.Địnhlý“khôngcótóc”nàycómộttầmquantrọngthựctiễntolớnbởinóhạnchếrấtmạnhcácloạilỗđenlýthuyết.Dovậy,ngườitacóthểtạoranhữngmôhìnhchitiếtcủacácvậtcókhảnăngchứalỗđenvà so sánh những tiên đoán củamô hình với quan sát.Điều này cũng cónghĩalàmộtlượngrấtlớnthôngtinvềvậtthểcolạisẽphảimấtđikhilỗđenđượctạothành,bởivìsauđấytấtcảnhữngthứmàtacóthểđođượcvềvậtthểđóchỉlàkhốilượngvàtốcđộquaycủanó.Ýnghĩacủađiềunàysẽđượcthấyrõởchươngsau.

Cáclỗđenchỉ làmột trongsốrất ítcác trườnghợptronglịchsửkhoahọc,trongđólýthuyếtđãđượcpháttriểnrấtchitiếtnhưmộtmôhìnhtoánhọctrướckhicónhữngbằngchứngtừquansátxácnhậnnólàđúngđắn.

Thực tế, điều này đã được dùng nhưmột luận cứ chủ yếu của nhữngngườiphảnđốilỗđen:làmsaongườitacóthểtinrằngcónhữngvậtthểmàbằngchứngvề sự tồn tại củanóchỉ lànhững tính toándựa trên lý thuyếttươngđốirộng,mộtlýthuyếtvốnđãđángngờ?Tuynhiên,vàonăm1963,Maarten Schmidt, một nhà thiên văn làm việc ở Đài thiên văn Palomar,Caliornia,Mỹ,đãđođượcsựchuyểndịchvềphíađỏcủamộtđốitượngmờtựanhưsaotheohướngmộtnguồnphátsóngradiocótênlà3C273(tứclàsốcủanguồnlà273trongcataloguethứ3ởCambridge).Ôngthấysựchuyển

dịch này là quá lớn, nếu xem nó do trường hấp dẫn gây ra: nếu đó là sựchuyểndịchvềphíađỏdotrườnghấpdẫngâyrathìđốitượngđóphảirấtnặngvàởgầnchúngtatớimứcnósẽlàmnhiễuđộngquỹđạocủacáchànhtinhtrongHệmặttrời.Điềunàygợiýrằngsựchuyểndịchvềphíađỏnàylàdosựgiãnnởcủavũtrụvàvìvậyđốitượngđóphảiởrấtxachúngta.Đểthấyđượcởmộtkhoảngcáchxanhư thếvật thểđóphải rất sánghaynóicáchkháclàphảiphátramộtnănglượngcựclớn.Cơchếduynhấtmàconngườicóthểnghĩrađểmiêutảmộtnănglượnglớnnhưthế,làsựcolạidohấpdẫnkhôngphảichỉcủamộtngôisaomàcủacảvùngtrungtâmcủathiênhà.Nhiềuđối tượng“tương tựsao” (chuẩn tinh),haynóicáchkhác làcácquasar,cũngđãđượcpháthiện.Tấtcảđềucóchuyểndịchlớnvềphíađỏ.Nhưngtấtcảchúngđềuởquáxa,khóquansátđểchomộtbằngchứngquyếtđịnhvềcáclỗđen.

SựcổvũtiếptheochosựtồntạicủacáclỗđenlàphátminhcủaJocelynBell,mộtnghiêncứusinhởCambridge,vềnhững thiên thểphátcácxungradio đều đặn. Thoạt đầu, Bell và người hướng dẫn của chị làAntonyHewish,nghĩrằngcólẽhọđãliênlạcđượcvớimộtnềnvănminhlạtrongthiênhà!Thựctế,trongbuổiseminarkhihọthôngbáophátminhcủahọ,tôinhớ là họ đã gọi bốn nguồn phát sóng radio đầu tiên đó là LGM1-4 vớiLGMlàviếttắtcủa“LittleGreenMen”(nhữngngườixanhnhỏ).Tuynhiên,cuốicùnghọvàmọingườiđềuđiđếnmộtkếtluậnítlãngmạnhơnchorằngnhữngđốitượngđó-cótênlàpulsar-thựctếlànhữngsaoneutronquay,cókhả năngphát các xung sóng radio, do sự tương tác phức tạp giữa các từtrườngcủanóvớivậtchấtxungquanh.Đâylàmộttinkhôngmấyvuivẻđốivớicácnhàvănchuyênviếtvềcácchuyệnphiêulưutrongvũtrụ,nhưnglạiđầyhyvọngđốivớimộtsốítngườitinvàosựtồntạicủalỗđenthờiđó:đâylà bằng chứng xác thực đầu tiên về sự tồn tại của các sao neutron. Saoneutroncóbánkínhchừngmườidặm,chỉlớnhơnbánkínhtớihạnđểngôisaotrởthànhmộtlỗđenítlần.Nếumộtsaocóthểcolạitớimộtkíchthướcnhỏnhưvậythìcũngkhôngcólýdogìmànhữngngôisaokháckhôngthểcolạitớimộtkíchthướccònnhỏhơnnữađểtrởthànhlỗđen.

Làm sao chúng ta có thể hy vọng phát hiện được lỗ đen, khimà theochínhđịnhnghĩacủanó,nókhôngphátramộttiasángnào?Điềunàycũngna ná như đi tìm conmèo đen trongmột kho than.May thay vẫn cómộtcách.NhưJohnMichellđãchỉratrongbàibáotiênphongcủaôngviếtnăm1983,lỗđenvẫntiếptụctácdụnglựchấpdẫnlêncácvậtxungquanh.Cácnhà thiên văn đã quan sát được nhiều hệ thống, trong đó có hai sao quayxung quanh nhau và hút nhau bằng lực hấp dẫn. Họ cũng quan sát đượcnhữnghệ thống, trongđó chỉ cómột sao thấyđượcquayxungquanh saođồnghành(khôngthấyđược).Tấtnhiên,ngườitakhôngthểkếtluậnngayrằngsaođồnghànhđólàmộtlỗđen,vìnócóthểđơngiảnchỉlàmộtngôi

saophátsángquáyếunêntakhôngthấyđược.Tuynhiên,cómộtsốtrongcáchệ thốngđó,chẳnghạnnhưhệ thốngcó tên làCygnusX-1 (hình6.2)cũnglànhữngnguồnpháttiaXrấtmạnh.HệthốngCygnusX-1cónguồnpháttiaXmạnh(mũitêntrắng).

Cáchgiảithíchtốtnhấtchohiệntượngnàylàvậtchấtbịbắnrakhỏibềmặt của ngôi sao nhìn thấy.Vì lượng vật chất này rơi về phía đồng hànhkhôngnhìnthấy,nênnópháttriểnthànhchuyểnđộngtheođườngxoắnốc(khágiốngnhưnướcchảyrakhỏibồntắm)vàtrởnênrấtnóng,phátratiaX(hình6.3).Muốnchocơchếnàyhoạtđộng,saođồnghànhkhôngnhìnthấyphảirấtnhỏ,giốngnhưsaolùntrắng,saoneutronhoặclỗđen.Từquỹđạoquansátđượccủangôi saonhìn thấy,người ta có thểxácđịnhđượckhốilượng khả dĩ thấp nhất của ngôi sao đồng hành không nhìn thấy. Trongtrườnghợphệ thốngCygnusX-1 saođócókhối lượng lớngấp6 lầnmặttrời. Theo kết quả của Chandrasekhar thì như thế là quá lớn để cho saokhôngnhìnthấylàmộtsaolùntrắng.Nócũngcókhốilượngquálớnđểlàsaoneutron.Vìvậy,nódườngnhưphảilàmộtlỗđen...

Cũng có nhữngmô hình khác giải thích rằng Cygnus X-1 không baogồmlỗđen,nhưng tấtcảnhữngmôhìnhđóđềurấtgượnggạo.Lỗđen làcáchgiảithíchthựcsựtựnhiênduynhấtnhữngquantrắcđó.Mặcdùvậy,tôi đã đánh cuộc vớiKipThorne ởViện kỹ thuậtCalifornia, rằng thực tếCygnusX-1khôngchứa lỗđen!Đâychẳngquachỉ làsách lượcbảohiểmchotôi.Tôiđãtốnbiếtbaocôngsứcchonhữnglỗđenvàtấtcảsẽtrởnênvôích,nếuhóaralàcáclỗđenkhôngtồntại.NhưngkhiđótôisẽđượcanủilàmìnhthắngcuộcvàđiềuđósẽmanglạichotôibốnnămliềntạpchíPrivateEye.NếulỗđentồntạithìKipđược1nămtạpchíPenthouse.Khichúngtôiđánhcuộcvàonăm1975 thìchúng tôiđãchắc tới80%rằngCygnus là lỗđen.Vàbâygiờ tôicó thểnói rằngchúng tôiđãbiếtchắc tới95%,nhưngcuộcđánhcuộcvẫnchưathểxemlàđãngãngũ.

GiờđâychúngtacũngcóbằngchứngvềmộtsốlỗđenkháctrongcáchệthốnggiốngnhưCygnusX-1trongthiênhàcủachúngtavàtronghaithiênhàlâncậncótênlàMagellanicClouds.Tuynhiên,sốcáclỗđenchắccòncaohơnnhiều;tronglịchsửdàidằngdặccủavũtrụnhiềungôisaochắcđãđốthếttoànbộnhiênliệuhạtnhâncủamìnhvàđãphảicolại.Sốcáclỗđencóthểlớnhơnnhiềusovớisốnhữngngôisaonhìnthấy,màchỉriêngtrongthiênhàcủachúngtathôisốnhữngngôisaođóđãtớikhoảngmộttrămngàntriệu.Lựchúthấpdẫnphụ thêmcủamộtsố lớnnhư thếcác lỗđencó thểgiảithíchđượctạisaothiênhàcủachúngtalạiquayvớitốcđộnhưnóhiệncó:khối lượngcủacác sao thấyđượckhôngđủđể làmđiềuđó.Chúng tacũngcómột sốbằngchứngcho thấy rằngcómột lỗđen lớnhơnnhiềuởtrungtâmthiênhàcủachúngtavớikhốilượnglớnhơnkhốilượngcủamặttrờitớitrămngànlần.Cácngôisaotrongthiênhàtớigầnlỗđenđósẽbịxé

tandosựkhácbiệtvềhấpdẫnởphíagầnvàphíaxacủanó.Tàntíchcủanhữngngôisaođóvàkhídocácsaokháctungrađềusẽrơivềphíalỗđen.Cũng như trong trường hợpCygnusX-1, khí sẽ chuyển động theo đườngxoắnốcđivàovànónglênmặcdùkhôngnhiềunhưtrongtrườnghợpđó.NósẽkhôngđủnóngđểphátracáctiaX,nhưngcũngcóthểlàcácnguồnsóngradiovàtiahồngngoạirấtđậmđặcmàngườitađãquansátđượcởtâmthiênhà.

Ngườitachorằngnhữnglỗđentươngtựhoặcthậmchícònlớnhơn,vớikhốilượngkhoảngtrămtriệulầnlớnhơnkhốilượngmặttrờicóthểgặpởtâmcácquasar.Vậtchấtrơivàonhữnglỗđensiêunặngnhưvậysẽtạoramộtnguồnnănglượngduynhấtđủlớnđểgiảithíchlượngnănglượngcựclớnmàcácvậtthểđóphátra.Vìvậtchấtchuyểnđộngxoáyốcvàolỗđen,nósẽlàmcholỗđenquaycùngchiềutạochonómộttừtrườngkhágiốngvớitừtrườngcủatráiđất.Cáchạtcónănglượngrấtcaocũngsẽđượcsinhragầnlỗđenbởivậtchấtrơivào.Từtrườngnàycóthểmạnhtớimứchộitụđượccáchạtđó thànhnhững tiaphóngrangoàidọc theo trụcquaycủa lỗđen,tứclàtheohướngcáccựcbắcvànamcủanó.Cáctianhưvậythựctếđãđượcquansátthấytrongnhiềuthiênhàvàcácquasar.

Người tacũngcó thểxét tớikhảnăngcónhữnglỗđenvớikhối lượngnhỏhơnnhiềusovớikhốilượngmặttrời.Nhữnglỗđennhưthếkhôngthểđượctạothànhbởisựcolạidohấpdẫn,vìkhốilượngcủachúngthấphơngiớihạnChandrasekhar:Cácsaocókhốilượngthấpđótựnócóthểchốngchọiđượcvớilựchấpdẫnthậmchícảkhichúngđãhếtsạchnhiênliệuhạtnhân.Dovậy,những lỗđenkhối lượng thấpđóchỉcó thểđược tạo thànhnếuvậtchấtcủanóđượcnénđếnmậtđộcựclớnbởimộtáplựcrấtcaotừbênngoài.Điềukiệnnhưthếcóthểxảyratrongmộtquảbomkhinhkhírấtlớn:nhàvậtlýJohnWheelermộtlầnđãtínhrarằngnếutalấytoànbộnướcnặngtrongtấtcảcácđạidươngthìtacóthểchếtạođượcquảbomkhinhkhícóthểnénđượcvậtchấtởtâmmạnhtớimứccóthểtạonênmộtlỗđen.(Tấtnhiênsẽchẳngcònai sốngsótmàquansátđiềuđó!).Mộtkhảnăngkhácthực tiễnhơn làcác lỗđencókhối lượng thấpcó thểđược tạo thànhdướinhiệtđộvàápsuấtcaoởgiaiđoạnrấtsớmcủavũtrụ.Mặtkhácnhữnglỗđenchỉcóthểtạothànhnếuvũtrụởgiaiđoạnrấtsớmkhôngtrơntruvàđềuđặnmộtcáchlýtưởng,bởivìchỉcầnmộtvùngnhỏcómậtđộlớnhơnmậtđộtrungbìnhlàcóthểbịnéntheocáchđóđểtạothànhlỗđen.Nhưngchúngtabiếtrằngnhấtthiếtphảicómộtsốbấtthườngnhưvậy,bởivìnếukhôngvậtchấttrongvũtrụchotớinayvẫnsẽcònphânbốđềumộtcáchlýtưởngthayvìkếtlạithànhkhốitrongcácngôisaovàthiênhà.

Nhữngbấtthườngđòihỏiphảicóđểtạoracácngôisaovàthiênhàcódẫn tới sự tạo thànhmột sốđángkể“lỗđennguyên thủy”haykhôngcònphụ thuộcvàochi tiếtcủanhữngđiềukiệnởgiaiđoạnđầucủavũ trụ.Vì

vậy,nếuhiệnnaychúngtacóthểxácđịnhđượccóbaonhiêulỗđennguyênthủythìchúngtasẽbiếtđượcnhiềuđiềuvềnhữnggiaiđoạnrấtsớmcủavũtrụ.Cáclỗđennguyênthủyvớikhốilượnglớnhơnngàntriệutấn(bằngkhốilượngcủamộtquảnúilớn)cóthểđượcpháthiệnchỉthôngquaảnhhưởnghấpdẫncủachúnglêncácvậtthểkháclàvậtchấtthấyđượchoặcảnhhưởngtớisựgiãnnởcủavũtrụ.Tuynhiên,nhưchúngtasẽbiếtởchươngsau,cáclỗđenxétchocùngcũngkhôngphảiquáđen:chúngphátsángnhưnhữngvậtnóng,vàcáclỗđencàngnhỏthìchúngphátsángcàngmạnh.Vànhưvậymộtđiềuthậtnghịchlýlàcáclỗđencàngnhỏthìcàngdễpháthiệnhơncáclỗđenlớn.

Chương7:LỗđenkhôngquáđenTrướcnăm1970,nghiêncứucủa tôivề thuyết tươngđối rộngchủyếu

tậptrungvàovấnđềcótồntạihaykhôngkỳdịvụnổlớn.Tuynhiên,vàomộtbuổitốitháng11nămđó,ngaysaukhicongáitôi,cháuLucy,rađời,tôibắtđầusuynghĩvềnhữnglỗđenkhitôitrênđườngvềphòngngủ.Vìsựtàntậtcủamình,tôidichuyểnrấtchậm,nêncóđủthờigianđểsuynghĩ.Vàothờiđócònchưacómộtđịnhnghĩachínhxácchobiếtnhữngđiểmnàocủakhông-thờigianlànằmtrong,vànhữngđiểmnàolànằmngoàilỗđen.TôiđãthảoluậnvớiRogerPenroseýtưởngđịnhnghĩalỗđennhưmộttậphợpmàcácsựcốkhôngthểthoátrakhỏinóđểđếnnhữngkhoảngcáchlớn,vàbâygiờnóđãtrởthànhmộtđịnhnghĩađượcmọingườichấpnhận.Điềunàycónghĩa làbiêngiớicủa lỗđen,cũnggọi làchân trờisựcố,được tạobởiđườngđi trongkhông-thờigiancủacác tia sángvừachớmkhông thoát rađượckhỏilỗđen,vàvĩnhviễnchơivơiởmépcủanó(hình7.1).Nócũnggầngiốngnhưtròchơichạytrốncảnhsát,chỉhơivượttrướcđượcmộtbướcnhưngcònchưathểbứtrađược.Hình7.1:Chântrờisựcốđượctạorabởiđườngđi trongkhông-thờigiancủacác tia sángvừachớmkhông thoát rađượckhỏilỗđen,vàvĩnhviễnchơivơiởmépcủanó.

Bấtchợttôinhậnrarằngđườngđicủacáctiasángấykhôngbaogiờcóthểtiếntớigầnnhau.Vìnếukhôngthế,cuốicùngchúngcũngsẽphảichậpvàonhau.Điềunàycũnggiốngnhưđóngặpmộtngườibạnđangphảichạytrốn cảnh sát ở phía ngược lại - rốt cuộc cảhai sẽ đềubị bắt! (Hay trongtrườnghợpcủachúngtacảhaitiasángsẽđềubịrơivàolỗđen).Nhưngnếucảhaitiasángđóđềubịnuốtbởilỗđen,thìchúngkhôngthểởbiêngiớicủalỗđenđược.Nhưvậyđườngđicủacáctiasángtrongchântrờisựcốphảiluônluônsongsonghoặcđiraxanhau.Mộtcáchkhácđểthấyđiềunàylàchântrờisựcố-biêngiớicủa lỗđen-giốngnhưmépcủamộtcáibóng-bóng của sốphận treo lơ lửng.Nếubạnnhìn cái bóng tạobởimột nguồnsángởrấtxa,chẳnghạnnhưmặttrời,bạnsẽthấyrằngcáctiasángởmépcủanókhônghềtiếntớigầnnhau.

Nếucáctiasángtạonênchântrờisựcố-biêngiớicủalỗđen-khôngbaogiờcóthểtiếntớigầnnhau,thìdiệntíchcủachântrờisựcốcóthểgiữnguyênkhôngđổihoặctăngtheothờigianchứkhôngbaogiờgiảm,vìnếukhông,ítnhấtsẽcómộtsốtiasángtrênbiênphảitiếngầntớinhau.Thựctếthìdiệntíchsẽ tăngbấtcứkhinàocóvậtchấthoặcbứcxạrơivàolỗđen(hình7.2).Hoặcnếucóhailỗđenvachạmrồixâmnhậpvàonhautạothànhmộtlỗđenduynhất,thìdiệntíchchântrờisựcốcủalỗđentạothànhsẽlớnhơnhoặcbằngtổngdiệntíchchânrờisựcốcủahailỗđenriênglẻbanđầu(hình7.3).

-Hình7.2(trái):Diệntíchtăngkhivậtchấtrơivàolỗđen.-Hình7.3(phải):Diệntíchcủachântrờisựcốcủalỗđenmớitạothànhsẽlớnhơnhoặcbằngtổngdiệntíchcủahaihốđenriênglẻbanđầu.

Tínhkhônggiảmđó của diện tích chân trời sự cố đã đặtmột hạn chếquantrọngđốivớihànhvikhảdĩcủacáclỗđen.Tôiđãxúcđộngvềphátminhcủamìnhtớimứcđêmđótôikhôngsaochợpmắtđược.NgayhômsautôigọiđiệnchoRogerPenrose.Ôngđãđồngývớitôi.Thựctế,tôinghĩrằngchínhôngcũngđãý thứcđược tínhchấtđócủadiện tíchchân trời sựcố.Tuynhiên,ôngđãdùngmộtđịnhnghĩahơikháccủalỗđen.Ôngkhôngthấyđượcrằngbiêngiớicủacáclỗđentheohaiđịnhnghĩađóthựcchấtlànhưnhau,vàdođó,diệntíchcủachúngcũngnhưnhauvớiđiềukiệnlỗđenđãanbàiởtrạngtháikhôngthayđổitheothờigian.

Tínhchấtkhônggiảmcủadiệntíchlỗđenrấtgiốngvớitínhchấtcủamộtđạilượngvậtlýcótênlàentropy-đạilượnglàthướcđomứcđộmấttrậttựcủamộthệthống.Kinhnghiệmhàngngàycũngchochúngtabiếtrằngnếuđểcácvậttựdothìmứcđộmấttrậttựsẽcóxuhướngtăng.(Chỉcầnngừngsửachữaxungquanhlàbạnsẽthấyđiềuđóngay!).Ngườitacóthểtạoratrậttựtừsựmấttrậttự(vídụnhưbạncóthểquétsơnlạinhà),nhưngđiềuđóyêucầuphảitốnsứclựchoặcnănglượng,vànhưvậycónghĩalàsẽlàmgiảmlượngnănglượngcủatrậttựsẵncó.

PhátbiểuchínhxácýtưởngnàychínhlàĐịnhluậtIIcủanhiệtđộnghọc.Định luậtđóphátbiểu rằng:entropycủamộthệcô lập luôn luôn tăng,vàrằngkhihaihệhợplạivớinhaulàmmộtthìentropycủahệhợpthànhsẽlớnhơn tổngentropycủahaihệ riêng rẽ.Vídụ,xétmộthệphân tửkhíđựngtrongmột cái hộp.Có thể xemnhững phân tử như những quả cầu billardnhỏ,liêntụcvachạmvớinhauvàvớithànhhộp.Nhiệtđộcủakhícàngcaothì các phân tử chuyển động càng nhanh, và chúng va chạm càng thườngxuyênvàcàngmạnhvớithànhhộp,vàápsuấtchúngđèlênthànhhộpcànglớn.Giảsửrằngbanđầutấtcảcácphântửbịgiamởnửatráicủahộpbằngmộtváchngăn.Nếubỏváchngănđi, cácphân tử sẽ cóxuhướng tràn rachiếmcảhainửacủahộp.Ởmộtthờiđiểmnàođósauđấy,domayrủi,cóthểtấtcảcácphântửsẽdồncảsangnửaphảihoặctrởlạinửatráicủahộp,nhưngkhảnăngchắcchắnhơnrấtnhiềulàchúngcósốlượnggầnbằngnhauởcảhainửahộp.Mộttrạngtháikémtrậttựhơn,haynóicáchkháclàmấttrậttựhơn,trạngtháibanđầumàtrongđómọiphântửchỉởtrongmộtnửahộp.Dođó,ngườitanóirằngentropycủakhíđãtănglên.Tươngtự,giảsửrằngtabắtđầuvớihaihộp,mộthộpchứacácphântửôxyvàmộthộpchứacácphântửnitơ.Nếungườitaghéphaihộpvớinhauvàbỏváchngănđithìcácphântửôxyvànitơsẽbắtđầutrộnlẫnvàonhau.Ởmộtthờiđiểmnàođósauđấy,trạngtháicóxácsuấtlớnnhấtsẽlàsựtrộnkháđềucácphântửôxyvànitơtrongcảhaihộp.Trạngtháiđólàkémtrậttựhơntrạngtháibanđầu

củahaihộpriêngrẽ.Địnhluật thứhaicủanhiệtdộnghọccóvị tríhơikhácsovớicácđịnh

luậtkhoahọckhác,chẳnghạnnhưđịnhluậthấpdẫncủaNewton,bởivìnókhôngphảiluônluônđúng,màchỉđúngtrongđạiđasốcáctrườnghợpmàthôi.Xácsuấtđểtấtcảcácphântửtronghộpđầutiêncủachúngtadồncảvềmộtnửacủahộpởthờiđiểmsaukhibỏváchngănchỉbằngmộtphầnnhiềutriệutriệu,nhưngnóvẫncóthểxảyra.Tuynhiên,nếucómộtlỗđenởcạnhthìđịnhluậtđódườngnhưsẽbịviphạmkhádễdàng:chỉcầnnémmộtsốvậtchấtcólượngentropylớn,nhưmộthộpkhíchẳnghạn,vàolỗđen.Khiđótổngsốentropycủavậtchấtởngoàilỗđensẽgiảm.Tấtnhiên,ngườitavẫncòncóthểviệnlýrằngentropytổngcộng,kểcảentropytronglỗđensẽkhônggiảm,nhưngvìkhôngcó cáchgìđểnhìnvào lỗđen, nên chúng takhôngthể thấyđượcvậtchất trongđóchứabaonhiêuentropy.Khinàysẽthật là tuyệtvờinếucómộtđặc tínhnàođócủa lỗđen,màquanó,ngườiquansátởbênngoàicóthểbiếtvềentropycủalỗđen,vàđặctínhnàylạităngbấtcứkhinàocómộtlượngvậtchấtmangentropyrơivàolỗđen.Sựpháthiệnvừamôtảởtrênchothấyrằngdiệntíchcủachântrờisựcốsẽtăngbấtcứkhinàocómộtlượngvậtchấtrơivàolỗđen.MộtnghiêncứusinhởPrinceton tên là JacodBekenstein đã đưa ra giả thuyết rằng diện tích củachân trời sự cố chính là thước đo entropy của lỗ đen.Khi vật chấtmangentropyrơivàolỗđen,diệntíchcủachântrờisựcốtăng,nêntổngentropycủavậtchấtngoàilỗđenvàdiệntíchchântrờisựcốsẽkhôngkhinàogiảm.

Giảthuyếtnàydườngnhưđãtránhchođịnhluậtthứhainhiệtđộnghọckhôngbịviphạmtronghầuhếtmọitìnhhuống.Tuynhiên,vẫncònmộtkhehởtaihại.Nếulỗđencóentropythìnócũngsẽphảicónhiệtđộ.Nhưngmộtvậtcónhiệtđộthìsẽphảiphátxạvớitốcđộnàođó.Kinhnghiệmhàngngàycũngchothấyrằngnếungườitanungnóngmộtquecờitronglửathìnósẽnóngđỏvàbứcxạ,nhưngnhữngvậtởnhiệtđộthấpcũngbứcxạ,chỉcóđiềulượngbứcxạkhánhỏnênngườitathườngkhôngnhìnthấymàthôi.Bứcxạnàyđòihỏiphảicóđểtránhchođịnhluậtthứhaikhỏibịviphạm.Nhưvậy,cáclỗđencũngcầnphảibứcxạ.Nhưngtheochínhđịnhnghĩacủanóthìlỗđenlàvậtđượcxemlàkhôngphátragìhết.Vàdođó,dườngnhưdiệntíchcủachântrờisựcốkhôngthểxemnhưentropycủalỗđen.Năm1972cùngvớiBradonCartevàmộtđồngnghiệpMỹJimBardeen,tôiđãviếtmộtbàibáotrongđóchỉrarằngmặcdùcónhiềuđiểmtươngtựgiữadiệntíchcủachântrờisựcốvàentropynhưngvẫncònkhókhănđầytaihạiđó.TôicũngphảithúnhậnrằngkhiviếtbàibáođótôiđãbịthúcđẩymộtphầnbởisựbựctứcđốivớiBekenstein,ngườimàtôicảmthấyđãlạmdụngpháthiệncủatôivềdiệntíchcủachântrờisựcố.Tuynhiên,cuốicùnghóaraanhtavềcănbảnlạilàđúng,mặcdùởmộtmứcđộmàchínhanhtacũngkhôngngờ.

Tháng9năm1973,trongthờigianđếnthămMatxcơva,tôiđãthảoluận

vềcáclỗđenvớihaichuyêngiahàngđầucủaLiênXôlàYakovZedovichvàAlexanderStarobinsky.Họkhẳngđịnh với tôi rằng theo nguyên lý bấtđộngcủacơhọc lượngtử thìcác lỗđenquaycầnphảisinhvàphátracáchạt.Tôi tincơsởvật lý trong lý lẽcủahọ,nhưng tôikhông thíchphươngpháptoánhọcmàhọsửdụngđểtínhtoánsựphátxạhạt.Dođó,tôiđãbắttay vào tìm tòi một cách xử lý toán học tốt hơn mà tôi đã trình bày tạiseminarthôngbáoởOxfordvàocuốitháng11năm1973.Vàothờigianđó,tôicònchưatiếnhànhtínhtoánđểtìmrasựphátxạlàbaonhiêu.TôichờđợingườitasẽpháthiệnđượcchínhbứcxạtừcáclỗđenquaymàZedovichvàStarobinskyđãtiênđoán.Tuynhiên,khitínhsongtôivôcùngngạcnhiênvàbănkhoănthấyrằngthậmchícảcáclỗđenkhôngquaydườngnhưcũngsinhvàphát racáchạtvới tốcđộđều.Thoạt tiên, tôinghĩ rằngđó làdấuhiệuchobiếtmộttrongnhữngphépgầnđúngmàtôisửdụnglàkhôngthỏađáng.TôingạirằngnếuBekensteinpháthiệnrađiềuđó,anhtasẽdùngnónhưmộtlýlẽnữađểcủngcốýtưởngcủaanhtavềentropycủacáclỗđen,điềumà tôi vẫn còn không thích. Tuy nhiên, càng suy nghĩ tôi càng thấynhữngphépgầnđúngđó thựcsự làđúngđắn.Nhưngđiềuđã thuyếtphụchẳnđượctôirằngsựphátxạlàcóthựclà:phổcủacáchạtbứcxạgiốnghệtnhưphổphátxạcủavậtnóng,vàcáclỗđenphátracáchạtvớitốcđộchínhxácđểkhôngviphạmđịnhluậtthứhai.Sauđó,nhữngtínhtoánđãđượclặpđilặplạidướinhiềudạngkhácnhauvàbởinhữngngườikhác.Tấtcảhọđềukhẳngđịnhrằnglỗđencầnphảiphátracáchạtvàbứcxạhệtnhưnólàmộtvậtnóngvớinhiệtđộchỉphụthuộcvàokhốilượngcủanó:khốilượngcànglớnthìnhiệtđộcàngthấp.

Nhưnglàmsaocác lỗđenlạicó thểphátracáchạt trongkhichúngtabiếtđượcrằngkhôngcóvậtgìtừphíatrongcóthểthoátrakhỏichântrờisựcố?Câutrảlờimàcơhọclượngtửnóivớichúngtalà:cáchạtkhôngphátratừbêntronglỗđenmàlàtừkhônggian“trốngrỗng”ởngaybênngoàichântrờisựcốcủalỗđen!Chúngtacóthểhiểuđiềunàynhưsau:cáimàchúngtaquennghĩlàkhônggian“trốngrỗng”lạikhôngthểhoàntoànlàtrốngrỗng,bởivìđiềuđócónghĩa là tấtcảcác trườngnhưtrườnghấpdẫnvà trườngđiệntừsẽcầnphảichínhxácbằng0.Tuynhiên,giátrịcủatrườngvàtốcđộthay đổi của nó theo thời gian cũng giống như vị trí và vận tốc của hạt:nguyênlýbấtđịnhbuộcrằngnếungườitabiếtmộttronghaiđạilượngđócàngchínhxácthìcóthểbiếtvềđạilượngkiacàngkémchínhxác!Vìvậytrongkhônggiantrốngrỗng,trườngkhôngcốđịnhởgiátrịchínhxácbằng0,bởivìnếutráilạithìtrườngsẽcócảgiátrịchínhxác(bằng0)vàtốcđộthay đổi cũng trị chính xác (bằng 0).Cần phải cómột lượng bất định tốithiểunàođó,hayngườitanóirằng,cónhữngthănggiánglượngtửtronggiátrịcủatrường.Ngườitacóthểxemnhữngthănggiángđónhưmộtcặphạtánhsánghoặchấpdẫncùngxuấthiệnởmộtthờiđiểmnàođó,điraxanhau

rồilạigặplạivàhủynhau.Nhữnghạtnàylànhữnghạtảogiốngnhưcáchạtmanglựchấpdẫncủamặttrời:khônggiốngcáchạtthực,chúngkhôngthểquansátđượcmộtcách trực tiếpbằngmáydòhạt.Tuynhiên,nhữnghiệuứnggiántiếpcủachúng,chẳnghạnnhữngthayđổinhỏvềnănglượngcủacácquỹđạoelectron trongnguyên tử,đềucó thểđođượcvàphùhợpvớinhữngtínhtoánlýthuyếtvớimộtmứcđộchínhxácrấtcao.Nguyênlýbấtđịnh cũng tiênđoán rằng, có cảnhữngcặphạt vật chất nhưelectronhoặcquarklàảo.Tuynhiên,trongtrườnghợpnàymộtthànhviêncủacặplàhạt,cònthànhviênkialàphảnhạt(cácphảnhạtcủaánhsángvàhấpdẫngiốnghệtnhưhạt).

Vìnănglượngkhôngthểsinhratừhưvô,nênmộttrongcácthànhviêncủacặphạt/phảnhạtsẽcónănglượngdươngvàthànhviênkiasẽcónănglượngâm.Thànhviên cónăng lượngâmbuộcphải làhạt ảo có thờigiansống ngắn, vì các hạt thực luôn luôn có năng lượng dương trong các tìnhhuốngthôngthường.Dođóhạtảonàyphảiđi tìmthànhviêncùngcặpđểhủycùngvớinó.Tuynhiên,mộthạt thựcởgầnmộtvậtnặng sẽ cónănglượngnhỏhơnsovớikhinóởxa,bởivìkhiđưanóraxacầnphảitốnnănglượngđểchốnglạilựchúthấpdẫncủavậtđó.Thườngthường,nănglượngcủahạtvẫncònlàdương,nhưngtrườnghợphấpdẫntronglỗđenmạnhtớimứcthậmchímộthạtthựcởđócũngcónănglượngâm.Dođó,khicómặtlỗđen,hạtảovớinănglượngâmkhirơivàolỗđencũngcóthểtrởthànhhạtthựchoặcphảnhạtthực.Trongtrườnghợpđó,nókhôngcòncầnphảihủyvớibạncùngcặpcủanónữa.Hình7.4:Hạtảocũngcóthểrơivàolỗđennhưmộthạtthựchoặcphảnhạtthực.

Ngườibạnbịbỏ rơinàycũngcó thể rơivào lỗđen,hoặckhi cónănglượngdương,nócũngcóthểthoátrangoàivùnglâncậncủalỗđennhưmộthạt thực hoặc phản hạt thực (hình 7.4). Đối với người quan sát ở xa thìdườngnhưnóđượcphátratừlỗđen.Lỗđencàngnhỏthìkhoảngcáchmàhạtcónănglượngâmcầnphảiđitrướckhitrởthànhhạtthựcsẽcàngngắnvàvìvậytốcđộphátxạvànhiệtđộbiểukiếncủalỗđencànglớn.

Nănglượngdươngcủabứcxạđirasẽđượccânbằngbởidònghạtnănglượngâmđivào lỗđen.Theophương trìnhEinsteinE=mc2 (ởđâyE lànănglượng,mlàkhốilượngvàclàvậntốcđộsáng),nănglượngtỷlệvớikhối lượng.Dođó,dòngnăng lượngâmđivào lỗđen sẽgiảmgiảmkhốilượngcủanó.Vìlỗđenmấtkhốilượngnêndiệntíchchântrờisựcốsẽnhỏđi,nhưngsựgiảmđócủaentropyđượcbùlạicònnhiềuhơnbởientropycủabứcxạphátra,vìvậyđịnhluậtthứhaisẽkhôngkhinàobịviphạm.

Hơnnữa,khốilượngcủalỗđencàngnhỏthìnhiệtđộcủanócàngcao.Nhưvậy, vì lỗ đenmất khối lượngnênnhiệt độ và tốc độ bức xạ của nótăng,dẫn tớinómấtkhối lượngcònnhanhhơnnữa.Điềugìsẽxảyrakhi

khốilượngcủalỗđencuốicùngcũngtrởnêncựckỳnhỏhiệnvẫncònchưarõ,nhưngsẽrấtcólýkhichúngtaphỏngđoánrằngnósẽhoàntoànbiếnmấttrongsựbùngnổbứcxạkhổnglồcuốicùng,tươngđươngvớisựbùngnổcủahàngtriệuquảbomH.Lỗđencókhốilượnglớnhơnkhốilượngcủamặttrờimộtítlầnsẽcónhiệtđộchỉkhoảngmộtphầnmườitriệuđộtrênkhôngđộtuyệtđối.Nónhỏhơnnhiều so với nhiệt độ của các bức xạ sóng cực ngắn choán đầy vũ trụ(khoảng2,7K),vìthếnhữnglỗđennàyphátxạthậmchícòníthơnhấpthụ.Nếuvũtrụđượcanbài làsẽgiãnnởmãimãi, thìnhiệtđộcủacácbứcxạsóngcựcngắncuốicùngsẽgiảmtớimứcnhỏhơnnhiệtđộcủalỗđenvàlỗđenkhiđósẽbắtđầumấtkhốilượng.Nhưngngaycảkhiđóthìnhiệtđộcủanóvẫnthấpđếnmứccầnkhoảng1triệutriệutriệutriệutriệutriệutriệutriệutriệutriệutriệu(1vớisáumươisáusốkhôngđứngsau)nămđểlỗđenbayhơihoàntoàn.Consốđólớnhơnnhiềutuổicủavũtrụbằng1hoặc2và10consốkhôngđứngsau(tứckhoảng10hoặc20ngàntriệunăm).

MặtkhácnhưđãnóiởChương6cóthểnhữnglỗđennguyênthủyđượctạothànhbởisựcolạicủanhữngbấtthườngtronggiaiđoạnrấtsớmcủavũtrụ.Nhữnglỗđennguyênthủyvớikhốilượngbanđầucỡngàntriệutấnsẽcóthờigiansốngxấpxỉtuổicủavũtrụ.Nhữnglỗđennguyênthủyvớikhốilượngnhỏhơnconsốđóchắclàđãbốchơihoàntoàn,nhưngnhữnglỗđenvớikhốilượnghơilớnhơnsẽvẫncònđangtiếptụcphátxạdướidạngtiaXhoặctiagamma.CáctiaXvàtiagammanàygiốngnhưánhsángchỉcóđiềubướcsóngcủachúngngắnhơnnhiều.Nhữnglỗnhưthếkhómàgánchocáinhãnlàđen:chúngthựcsựnóngtrắngvàphátnănglượngvớitốcđộkhoảngmườingànmegaoat.

Mộtlỗđennhưvậycóthểcungcấpđủnănglượngchomườinhàmáyđiệnlớn,nếuchúngtabiếtcáchkhaithácnó.Tuynhiênviệcnàychẳngphảidễdànggì:lỗđenđócókhốilượngbằngcảmộtquảnúibịnénlạitớikíchthướcnhỏhơnmộtphầntriệutriệucủainch,nghĩalàcỡkíchthướccủahạtnhânnguyêntử!Nếubạncómộtlỗđennhưthếtrênmặtđất,bạnsẽkhôngcócáchnàogiữchonókhỏirơixuyênquasànnhàxuốngtớitâmtráiđất.Nósẽdaođộngxuyênquatráiđấtchotớikhicuốicùngđậulạiởtâm.Nhưvậychỗduynhấtđặtđượcmộtlỗđennhưvậyđểcóthểkhaithácnănglượngdonóbứcxạ ra làở trênmộtquỹđạoquayxungquanh tráiđấtvàcáchduynhấtcóthểđưanólênquỹđạoấylàhútnótớiđóbằngcáchkéomộtkhốilượnglớnphíatrướcnóhệtnhưdùngcủcàrốtnhửconlừa.Điềunàyxemrakhôngphảilàmộtđềnghịthựctếlắm,ítnhấtcũnglàtrongtươnglaigần.

Nhưngthậmchínếuchúngtakhôngthểkhaithácđượcsựphátxạtừcáclỗđennguyênthủythìliệuchúngtacócơmayquansátđượcchúngkhông?Chúngtacóthểtìmkiếmcáctiagammamàcáclỗđennguyênthủyphátratronghầuhếtthờigiansốngcủachúng.Mặcdùphátxạtừphầnlớncáclỗ

đenđềumờnhạtvìchúngởquáxa,nhưngtổngsốcủachúngthìcóthểpháthiệnđược.Chúngtahãyquansátkỹmộtnềntiagammanhưvậy:Hình7.5:Đườngchấmchấmchothấycườngđộphảibiếnthiênthếnàotheotầnsốđốivớicáctiagammadolỗđennguyênthủygâyranếutrungbìnhcó300lỗđennhưthếtrongmộtnăm-ánhsángkhối.

Hình 7.5 cho thấy cường độ quan sát được khác nhauở những tần sốkhácnhau.Tuynhiên,nềntiagammanàycóthểvàchắclàđượcsinhrabởinhữngquátrìnhkháchơnlàbởicáclỗđennguyênthủy.ĐườngchấmchấmtrênHình7.5chothấycườngđộphảibiếnthiênthếnàotheotầnsốđốivớicác tiagammadolỗđennguyênthủygâyranếutrungbìnhcó300lỗđennhư thế trongmột năm - ánh sáng khối. Do đó người ta có thể nói rằngnhữngquansátnềntiagammakhôngchomộtbằngchứngkhẳngđịnhnàovềcác lỗđennguyênthủy,nhưngchúngchochúngtabiết trongvũ trụvềtrungbìnhkhôngthểcóhơn300lỗđennhưthếtrongmộtnăm-ánhsángkhối.Giớihạnđócónghĩalàcáclỗđennguyênthủycóthểtạonênnhiềunhấtlàmộtphầntriệusốvậtchấtcủavũtrụ.

Vớicác lỗđennguyên thủyphânbố thưa thớtnhưvậykhómàcókhảnăngmộtlỗđennhưthếởđủgầnchúngtađểcóthểquansátnónhưmộtnguồntiagammariêngrẽ.Nhưngvìlựchấpdẫnsẽkéolỗđennguyênthủytới gần vật chất nên chúng sẽ thường gặp nhiều hơn ở trong hay gần cácthiênhà.Nhưvậy,mặcdùnềntiagammachochúngtabiếtrằngtrungbìnhkhôngthểcóhơn300lỗđennhưthếtrongmộtnăm-ánhsángkhốinhưngnólạichẳngchochúng tabiếtgìvề tầnsuấtgặpchúng trong thiênhàcủachúng ta.Chẳnghạnnếunhư chúngmột triệu lần thườnggặphơn con sốtrungbìnhthìlỗđengầnchúngtanhấtchắccũngphảicáchchúngtachừngmột ngàn triệu km, tức là xa như saoDiêmvương, hành tinh xa nhấtmàchúngtabiết.Ởkhoảngcáchđóvẫncònrấtkhópháthiệnbứcxạđềucủamộtlỗđenngaycảkhinólàmườingànmegaoát.Đểquansátđượcmộtlỗđennguyênthủyngườitaphảipháthiệnđượcmộtvàilượngtửgammatớitừchínhhướngđó trongmộtkhoảng thờigianhợp lý,chẳnghạnnhưmộttuần lễ. Nếu không, chúng chỉ làmột phần của phông. Nhưng nguyên lýlượng tử của Planck cho chúng ta biết rằngmỗimột lượng tử gamma cónănglượngrấtcao,vìtiagammacótầnsốrấtcao,nếuthậmchínócóphátxạvớicôngsuất10ngànmegaoátthìcũngkhôngphảicónhiềulượngtử.Vàđểquansátđượcmộtsốlượngtử,lạitớitừkhoảngcáchrấtxanhưsaoDiêm vương, đòi hỏi phải cómộtmáy dò lớn hơn bất cứmáy dò nào đãđượcchếtạochotớinay.Hơnnữamáydònàylạiphảiđặttrongkhônggianvũtrụvìcáctiagammakhôngthểthâmnhậpquabầukhíquyển.TấtnhiênnếumộtlỗđenởcáchxanhưsaoDiêmvươngđãđếnngàytậnsốvàbùngnổthìsẽdễdàngpháthiệnđượcsựbùngnổbứcxạcủanó.Nhưngnếulỗđenđóliêntụcbứcxạtrongkhoảng10hoặc20ngàntriệunămtrởlại

đâythìxácsuấtđểnótậnsốtrongvòngítnămtớithựcsựlàrấtnhỏ!Vìvậy,đểcómộtcơmayhợplýnhìnthấyvụnổcủalỗđentrướckhitiềntrợcấpnghiêncứucủabạntiêuhếtthìbạnphảitìmcáchpháthiệnnhữngvụnổởtrongkhoảngcáchmộtnămánhsáng.Bạnvẫnphảigiảiquyếtvấnđềcómộtmáydòtiagammalớncóthểpháthiệnđượcmộtvàilượngtửgammatớitừvụnổđó.Tuynhiên,trongtrườnghợpnàysẽkhôngcầnphảixácđịnhrằngtấtcảcáclượngtửtớicùngmộthướng:chỉcầnquansátthấytấtcảchúngđềutớitrongmộtkhoảngthờigianngắnlàcóthểtinđượcrằngchúngtớitừcùngmộtvụbùngnổ.

Mộtmáydòtiagammacókhảnăngpháthiệnracáclỗđennguyênthủychínhlàtoànbộbầukhíquyểncủatráiđất.(Trongmọitrườnghợpchúngtakhôngthểchếtạođượcmộtmáydòlớnhơn).Khimộtlượngtửgammanănglượngcaođậpvàocácnguyêntửtrongkhíquyển,nósẽtạoracặpelectronvàpositron (tức làphảnelectron).Khi cáchạtnàyđậpvàocácnguyên tửkhác,đếnlượtmình,chúngsẽtạoracáccặpelectronvàpositronnữa,vànhưvậyngườitasẽthuđượccáigọilàmưaelectron.KếtquảlàmộtdạngánhsángcótênlàbứcxạCherenkov.Dođó,ngườitacóthểpháthiệnrasựbùngnổtiagammabằngcáchtìmcácchớpsángtrongbầutrờiđêm.Tấtnhiêncónhiềuhiệntươngkhácnhưchớphoặcsựphảnxạánhsángtừcácvệtinhrơixuốnghoặccácmảnhvỡtrênquỹđạocũngcóthểtạoracácchớpsángtrênbầutrời.Ngườitacóthểphânbiệtsựbùngnổtiagammavớicáchiệntượngđóbằngcáchquansátcácchớpsángđồngthờiởhaihoặcnhiềuvịtríởcáchrấtxanhau.MộtthínghiệmnhưthếđãđượchainhàkhoahọcởDublinlàNeil Porter và Trevor Wecks thực hiện khi dùng các kính thiên văn ởArizona.Họđãtìmthấynhiềuchớpsángnhưngkhôngcócáinàocóthểgánmộtcáchchắcchắnchosựbùngnổtiagammatừcáclỗđennguyênthủy.

Ngaycảkhinếuviệctìmkiếmcáclỗđennguyênthủykhôngcókếtquả,vìđiềunàyvẫncóthểxảyra,thìnóvẫnchochúngtanhữngthôngtinquantrọngvềnhữnggiaiđoạnrấtsớmcủavũtrụ.Nếuvũtrụởgiaiđoạnrấtsớmlàhỗnloạnvàbấtthườnghoặcnếuápsuấtvậtchấtlàthấpthìngườitacóthểnghĩrằngnóđãtạoranhiềulỗđennguyênthủyhơnlàgiớihạnđãđượcxáclậpdựatrênnhữngquansátvềphôngtiagamma.Chỉnếuởgiaiđoạnrấtsớm,vũtrụlàrấttrơntruvàđềuđặnvớiápsuấtcaothìngườitamớicóthểgiảithíchđượctạisaolạikhôngcónhiềulỗđennguyênthủy.

Ý tưởngvềbứcxạphát từcác lỗđen làmộtvídụđầu tiênvề sự tiênđoánphụthuộcmộtcáchcănbảnvàocảhailýthuyếtlớncủathếkỷchúngta:thuyếttươngđốirộngvàcơhọclượngtử.Nóđãgặpnhiềuýkiếnphảnđốilúcđầuvìnóđảolộnquanđiểmhiệnthời“làmsaolỗđenlạiphátracáigìđó?”.KhilầnđầutiêntôicôngbốcáckếtquảtínhtoáncủatôitạimộthộinghịởPhòngthìnghiệmRurtherfordAppletongầnOxford,tôiđãđượcchàođónbằngsựhoàinghicủahầuhếtmọingười.Vàolúckếtthúcbảnbáocáo

của tôi, vị chủ tọa phiên họp, ông JohnTaylor của trườngKingsCollege,Londonđãđứngdậytuyênbốrằngtấtcảnhữngthứđólàvônghĩa.Thậmchíôngcònviếtmộtbàibáovềvấnđềnày.Tuynhiên,rồicuốicùng,hầuhếtmọingười,kểcảôngJohnTaylocũngđãđiđếnkếtluậnrằngcáclỗđencầnphảiphátbứcxạnhưcácvậtnóng,nếunhữngquanniệmkháccủachúngtavềthuyếttươngđốirộngvàcơhọclượngtửlàđúngđắn.Nhưvậy,mặcdùngaycảkhichúngtacònchưatìmthấymộtlỗđennguyênthủynàovẫncómộtsựkhánhất tríchorằngnếuchúngtapháthiệnra lỗđenđóthìnósẽphảiphátramộtlượnglớntiaXvàtiagamma.

Sựtồntạicủabứcxạphátratừlỗđencũngcònngụýrằngsựcolạidohấpdẫnkhôngphảilàchấmhếtvàkhôngthểđảongượcđượcnhưmộtthờichúngtađãnghĩ.Nếumộtnhàduhànhrơivàomộtlỗđenthìkhốilượngcủanó sẽ tăng, nhưng cuối cùng năng lượng tương đương với khối lượng giatăngđó sẽđược trả lại chovũ trụdướidạngbứcxạ.Nhưvậy theomộtýnghĩanàođónhàduhànhvũtrụcủachúngtađãđượcluânhồi.Tuynhiên,đólàmộtsốphậnbấttửđángthương,vàquanniệmcánhânvềthờigiancủanhàduhànhchắccũngsẽchấmhếtkhianhtabịxératừngmảnhtronglỗđen!Ngaycảcácloạihạtcuốicùngđượcphátratừlỗđennóichungcũngsẽkhácvớinhữnghạtđãtạonênnhàduhành:đặcđiểmduynhấtcònlạicủaanhtachỉlàkhốilượngvànănglượng.

Nhữngphépgầnđúngmàtôisửdụngđểtínhrasựphátxạtừlỗđenvẫncònhiệulựctốtkhilỗđencókhốilượngchỉlớnhơnmộtphầncủagam.Tuynhiênchúngsẽkhôngcòndùngđượcnữaởđiểmcuốiđờicủalỗđen,khimàkhốilượngcủanótrởnêncựcnhỏ.Kếtcụccónhiềukhảnăngnhấtlàlỗđensẽbiếnmất, ítnhất làkhỏivùngvũtrụcủachúngtamangtheocảnhàduhànhvàkỳdịcóthểcóởbêntrongnó.Đâylàchỉdẫnđầutiênchothấycơhọc lượng tửcó thểkhửcáckỳdịđãđược tiênđoánbởi thuyết tươngđốirộng.Tuynhiêncácphươngphápmàtôivànhữngngườikhácsửdụngvàonăm1974chưathểtrảlờiđượcchonhữngcâuhỏi,vídụnhưliệunhữngkỳdịđócóxuấthiện trong lý thuyết lượng tửhấpdẫnhaykhông?Dođó từnăm1975trởđitôiđãbắtđầupháttriểnmộtcáchtiếpcậnmạnhhơnđốivớihấpdẫnlượngtửdựatrêný tưởngcủaRichardFeynmanvềphéplấy tổngtheonhữnglịchsử.Câutrảlờimàcáchtiếpcậnnàyđưarachonguồngốcvàsốphậncủavũtrụvànhữngthứchứabêntrongnó,chẳnghạnnhưnhàduhành,sẽđượcmôtảởhaichươngsau.Chúngtasẽthấyrằngmặcdùnguyênlýbấtđịnhđặtnhữnghạnchếvềđộchínhxácchotấtcảcáctiênđoáncủachúngta,nhưngđồngthờinólạiloạibỏđượctínhkhôngthểtiênđoán-mộttínhchấtrấtcơbảnxảyraởđiểmkỳdịcủakhông-thờigian.

Chương 8:Nguồn gốc và số phận của vũtrụ

Lýthuyết tươngđối rộngcủaEinstein, tiênđoánrằngkhônggian, thờigianbắtđầutừkỳdịcủavụnổlớn,sẽkếtthúchoặctạimộtkỳdịcuốicùng(trườnghợptoànvũtrụcolại)hoặctạimộtkỳdịnằmbêntrongmộtlỗđen(trườnghợpmộtvùngđịnhxứ,vídụmộtsaocolại).Mọivậtchấtrơivàolỗđen, sẽ bị phá hủy tại điểm kỳ dị, chỉ còn lại hiệu ứng hấp dẫn của khốilượnglàcònđượccảmnhậntừphíabênngoài.Mặtkhác,khicáchiệuứnglượngtửđượctínhđếnthìdườngnhưkhốilượngvànănglượngcủavậtchấtcuốicùngsẽtrởvềvớiphầncònlạicủavũtrụ,vàlỗđencùngvớimọikỳdịbêntrongsẽbayhơivàbiếnmất.Liệucơhọclượngtửcógâymộthiệuứngbikịchnhưthếđốivớivụnổlớnvàkỳdịchungcuộchaykhông?Điềugìthựctếđãvàsẽxảyravàocácgiaiđoạnrấtsớmvàmuộnhơncủavũtrụ,khicáctrườnghợphấpdẫnmạnhđếnmứcmàcáchiệuứnglượngtửkhôngthểnàobỏquađược?Thựctếvũtrụcómộtđiểmbắtđầuvàmộtđiểmkếtthúchaykhông?Vànếucó,thìphảihìnhdungchúngrasao?

Trongsuốtnhữngnăm70tôiđãtậptrungnghiêncứucáclỗđen,nhưngvàonăm1981,tôilạilưutâmđếncácvấnđềxungquanhnguồngốcvàsốphậncủavũtrụkhitôithamgiamộthộithảovềvũtrụhọctổchứcbởicáctusĩdòngJesuittạiVatican.NhàthờThiênchúagiáođãphạmmộtsailầmđốivớiGalileokhihọphủđịnhmộtđịnhluậtkhoahọcvìtuyênbốrằngmặttrờiphảiquayquanhquảđất.Bâygiờ saunhiều thếkỷ,họđãquyếtđịnhmờinhiềunhàkhoahọclàmcốvấnvềvũtrụhọc.CuốihộinghịcácnhàkhoahọcđãđượctiếpkiếnGiáohoàng.ÔngnóirằngnghiêncứusựtiếntriểncủavũtrụsauvụnổlớnlàđúngsongNhàthờkhôngtìmhiểuvềbảnthânvụnổlớnvìđólàthờiđiểmcủaSángtạo,nênthuộccôngviệccủaChúa.Tôirấtvuimừng vì đứcGiáo hoàng không biết đến bài phát biểu của tôi tại hộithảo:khảnăngkhông-thờigianlàhữuhạnsongkhôngcóbiên,điềuđócónghĩalàkhôngcócáibanđầu,khôngcóthờiđiểmcủaSángtạo.Tôikhôngcóýmuốn chịu cùng số phận củaGalileo, ngườimà tôi cómột cảmgiácmạnhmẽvềsựđồngnhấtvớitôi,mộtphầnvìsựtrùnghợpgiữangàysinhcủatôiđúngtròn300nămsaungàychếtcủaông.Đểgiảithíchcácýtưởngcủatôivànhữngngườikhácvềđiềucơhọclượngtửcóthểtácđộnglênnguồngốcvàsốphậncủavũtrụ,trướchếtcầnphảihiểuvềlịchsửcủavũtrụtheoquanđiểmđượcnhiềungườichấpnhận,dựatrênmôhìnhđượcbiếtdưới“môhìnhnóngcủavụnổlớn”.MôhìnhnàygiảđịnhrằngvũtrụđượcmiêutảbởimộtmôhìnhFriedmann,ngượctheothờigianmãitậnlúccóvụnổlớn.Trongnhữngmôhìnhnhưvậyngườitathấy

rằnglúcvũtrụnở,mọivậtchấtvàbứcxạsẽlạnhdần.(Khivũtrụđạtkíchthướcgấpđôithìnhiệtđộcủavũtrụgiảmxuốngmộtnửa).Vìnhiệtđộlàsốđonănglượngtrungbình-hayvậntốc-củacáchạt,quátrìnhlạnhdầnnàysẽgâymộthiệuứnglớnđốivớivậtchấttrongvũtrụ.Ởnhiệtđộrấtcao,cáchạt chuyểnđộngnhanhđếnmứccó thể thoát rakhỏimọi trườnghútgiữachúngvớinhaudolựchạtnhân,hoặcđiệntửtạonên,songkhichúngtrởnênlạnhthìchúnghútnhauvàkếtdínhvớinhau.

Ngoàira,cácloạihạttồntạitrongvũtrụcũngphụthuộcvàonhiệtđộ.Ởnhiệt độ đủ cao, các hạt có năng lượng lớn và khi chạm nhau, nhiều cặphạt/phảnhạtcóthểsinhravàmặcdùnhiềuhạtsaukhisinhracóthểbịhủylúcchạmcácphảnhạt,chúngvẫnđượcsinhranhanhhơnbịhủyđi.Ởnhiệtđộ thấp hơn, khi các hạt va chạm nhau có năng lượng nhỏ hơn, các cặphạt/phảnhạtsinhravớitốcđộchậmhơnvànhưvậyquátrìnhhủycủachúngnhanhhơnquátrìnhsinh.

Tạivụnổlớn,kíchthướccủavũtrụđượcxemnhưlàbằngkhông,vìvậynhiệtđộlàvôcùnglớn.Songtrongquátrìnhgiãnnở,nhiệtđộcủabứcxạsẽgiảmxuống.Mộtgiâysauvụnổlớn,nhiệtđộđãgiảmxuốngcònkhoảng10ngàntriệuđộ.Nhiệtđộnàycỡngànlầnnhiệtđộởtâmmặttrờivàcỡnhiệtđộ đạt được lúc bomH (tức bomkhinhkhí) nổ.Vào thời điểmđóvũ trụchứaphầnlớnlàcácphoton,electronvàneutron(lànhữnghạtnhẹchỉthamgiatươngtácyếuvàhấpdẫn)vàcácphảnhạtcủachúng,cùngvớimộtsốprotonvàneutron.

Lúc vũ trụ tiếp tục giãn nở và nhiệt độ hạ xuống thì các cặpelectron/phản - electron sinh ra chậm hơn là bị hủy. Vì thế phần lớn cácelectronvàphản-electronhủyvớinhauđểtạothànhnhiềuphotonvàđểsótlạimộtsốelectron.Songcáchạtneutrinovàphản-neutrinoíthủynhauvìcáchạtnàytươngtácvớinhauvàvớicáchạtkhácrấtyếu.Chonênhiệnnaychúngcòntồntạitrongvũtrụ.Nếutacóthểquansátđượcchúngthìtacómộtbằngchứngchắcchắnvềbứctranhcủagiaiđoạnnóngđầutiêncủavũtrụ.Tiếcthay,nănglượngcủachúngngàynayquánhỏđểtacóthểquansátđượcchúngmộtcáchtrựctiếp.Nhưngnếuneutrinocómộtkhốilượngnhỏ,theo kết quảmột thí nghiệm chưa được kiểm nghiệm lại do những ngườiNgathựchiệnnăm1981,thìtacóthểghiđođượcchúngmộtcáchgiántiếp:chúngphải tạo thànhmột“vậtchất tối”,nhưđãnói trướcđây,vậtchất sẽsinhramộtlựchấpdẫnđủđểhãmđứngsựgiãnnởcủavũtrụvàbuộcvũtrụcotrởlại.Khoảngmộttrămgiâysauvụnổlớn,nhiệtđộxuốngcònmộtngàntriệuđộ,bằng nhiệt độ trong các sao nóng nhất. Ở nhiệt độ đó proton và neutronkhôngcònđủnănglượngđểthoátkhỏisứchútcủalựchạtnhânvàkếthợpvớinhauđểtạothànhhạtnhâncủanguyêntửđơteri(hydronặng),gồmmộtproton vàmột neutron. Các hạt nhân của đơteri lại kết hợp thêm với các

protonvàneutronđểtạothànhhạtnhânheli,gồmhaiprotonvàhaineutronvàmột sốhạtnhânnặnghơn là litivàberili.Người ta có thể tính ra rằngtrong mô hình nóng của vụ nổ lớn, khoảng một phần tư các proton vàneutron biến thànhhạt nhânheli, cùngmột số nhỏhydro nặngvà các hạtnhânkhác.Sốneutron còn lại phânhủy thànhprotonvốn là hạt nhân củanguyêntửhydro.

Bứctranhvềgiaiđoạnnóngtrướcđâycủavũtrụlầnđầutiênđượcpháchọa bởi George Gamow trong công trình nổi tiếng năm 1948, thực hiệnchungvớimộtsinhviêncủaônglàRalphAlpher.Gamowlàmộtngườigiàutínhhómhỉnh,ông thuyếtphụcnhàvật lýhạtnhânHansBetheđiền thêmtên vào công trình với ýmuốn làm cho danh sách tác giảAlpher, Bethe,GamowđọclênnghegầnnhưâmcủabachữcáiđầutiêncủabảngvầnHyLạplàalpha,beta,gamma:thậtlàthíchhợpchomộtcôngtrìnhnóivềgiaiđoạnđầucủavũ trụ!Trongcôngtrìnhnày,các tácgiả tiênđoánmộtcáchđặcsắcrằngbứcxạ(dướidạngcácphoton)từnhữnggiaiđoạnnóngtiềnsửcủavũtrụsẽtàndưlạitronggiaiđoạnhiệnnay,songvớinhiệtđộhạxuốngchỉ cònvàiđộ trênkhôngđộ tuyệtđối (-273độC).BứcxạnàyđãđượcPenziasvàWilsonpháthiệnnăm1965.

Vào thờigiankhiAlpher,Bethe,Gamowviếtcông trình trên,người tachưabiếtnhiềuvềcácphảnứnghạtnhângiữaprotonvàneutron.Cáctínhtoándựbáovềtỉsốcácnguyêntốtrongtiềnsửcủavũtrụvìlẽtrênkhôngđượcchínhxáclắm,songnhữngtínhtoánđóđãđượcthựchiệnlạitrêncơsởnhữngkiếnthứchiệnđạivàchonhữngkếtquảtrùnghợptốtvớicácquantrắcthựcnghiệm.Khómàcắtnghĩatheomộtcáchnàokhácvìsaotrongvũtrụnhiềuhelinhưvậy.Dođóchúngtacóthểtintưởngrằngchúngtacómộtbứctranhđúngđắn,ítnhấtngượclạitheothờigianđếnthờiđiểmkhoảng1giâysauvụnổlớn.

Trongvòngmộtvàigiờsauvụnổlớn,sựsinhrahelivàcácnguyêntốkhácdừnglại.Sauđótrongvòngtriệunămtiếptheo,vũtrụtiếptụcgiãnnởvàkhôngcóđiềugìđặcbiệtxảy ra.Cuốicùng lúcnhiệtđộhạxuốngcònkhoảngvàingànđộ,vàelectroncùngcáchạtnhânkhôngcònđủnănglượngthoátkhỏilựchútđiệntừgiữachúng,thìchúngkếthợpvớinhautạothànhcác nguyên tử.Vũ trụ trongHoàn cục tiếp tục giãn nở và lạnh dần, songtrongcácvùngmàmậtđộcaohơntrungbình,quátrìnhgiãnnởcóchậmhơndolựchấpdẫnởđấylớnhơn.Điềunàycóthểdẫnđếnsựdừnghẳnquátrìnhgiãnnởcủamộtsốvùngnàođóvàbắtđầuquátrìnhcolại.Khicácvùngnàycolại, lựchúthấpdẫncủavậtchấtchungquanhbênngoàisẽlàmchocácvùngđóbắtđầuquay.Vìcácvùngnàytiếptụcconhỏlạinênchúngquaynhanhhơn,hoàntoàntươngtựnhưvậnđộngviêntrượtbăngđangquaytrênbăngsẽquaynhanhhơnkhihọcotaysátsơthể.Cuốicùngkhivùngđangxéttrởnênđủnhỏ,thìnóquaynhanhhơnđủcânbằngvớilựchấpdẫnvà

nhữngthiênhàquaydạnghìnhđĩađượchìnhthànhtheocáchđó.Cácvùngkhác,nếukhông thuđượcmột chuyểnđộngquay thì sẽ códạnghìnhbầudụcvàsẽđượcgọilànhữngthiênhàelliptic.Cácthiênhànàysẽdừngcolạivìnhiềubộphậnriênglẻcủachúngsẽchuyểnđộngtrênnhữngquỹđạoổnđịnhquanhtâmthiênhà,songvềtoàncụcthìthiênhàkhôngcóchuyểnđộngquay.

Cùngvớithờigian,cáckhốikhíhydrovàhelitrongcácthiênhàsẽphânrãthànhcácđámkhínhỏhơnvànhữngđámkhínàysẽcolạidướisứchấpdẫncủachúng.Khichúngcolạithìcácnguyêntửởtrongsẽvachạmnhauvànhiệtđộcủakhísẽtănglên,cóthểđếnmứcđủcaođểxảyraphảnứngnhiệthạch.Lúcnàyhydrokết thànhheli,nhiệt lượng thoát ra làm tăngápsuấtvàcácđámmâykhôngcolạithêmnữa.Chúngổnđịnhtrongtrạngtháiđórất lâunhưcácsaogiốngmặttrời,đốtcháyhydrothànhhelivàbứcxạphátsinhdướidạngnhiệtvàánhsáng.Nhữngsaocókhốilượnglớnhơncầncónhiệtđộcaohơnđểcânbằnglựchúthấpdẫnlớnhơncủachúng,vàcácphản ứng nhiệt hạch xảy ra nhanh hơn, cho nên chúng sẽ tiêu hủy hydrotrongvòngchừngmộttrămtriệunăm.Chúngsẽcolại,nónglênvàbắtđầubiếnhelithànhnhữngnguyêntốnặnghơnnhưcacbonhoặcoxy.Songchúngkhôngđểthoátnhiềunănglượnghơn,vìvậymộttrạngtháitớihạnsẽxảyranhưđãmiêutảởchươngnóivềcáclỗđen.

Điềugìsẽxảyrasauđókhônghoàntoànrõlắmsonghìnhnhưcácvùngởtâmsaosẽcolạiđếnmộttrạngtháimậtđộcaonhưmộtsaoneutronhoặclỗđen.Cácvùngbênngoàiđôikhicóthểbịbắnratrongmộtvụnổgọilàvụnổsiêusao,phátraánhsángmạnhhơnmọisaokháctrongthiênhà.Mộtsốnguyêntốnặnghìnhthànhởcuốiđờimộtsaosẽbịbắntrởlạivàođámkhícủathiênhàvàsẽlànguyênliệuchothếhệtiếptheocủacácsao.Mặttrờicủachúngtachứakhoảng2%cácnguyêntốnặngđóvìthuộcthếhệsaothứhaihoặcthứba,hìnhthànhchừngnămngàntriệunămvềtrướctừmộtđámmâyquaychứacácmảnhvụncủacác siêu sao thếhệ trước.Phần lớnkhítrongcácđámmâyđósẽcấu thànhmặt trờihoặcbịbắnxa,cònmộtkhốilượngnhỏcácnguyêntốnặngsẽkếtvớinhauthànhcácthiênthểhiệnđangchuyểnđộngtrêncácquỹđạoquanhmặttrờinhưtráiđất.Lúcbanđầuquảđấtrấtnóngvàkhôngcókhíquyển.Theothờigianquảđấtlạnhdầnvàcóđượcbầukhíquyểnhìnhthànhnhờsựkhuếchtáncácchấtkhí từ khoáng chất. Bầu khí quyển trong quá khứ không phải là bầu khíquyểnthíchhợpvớicuộcsống.Bầukhíquyểnnàykhôngchứaôxymàchỉchứamộtsốchấtkhíkháclàđộctốchocuộcsốngnhưsunfuahydro(làcácchấtkhígâyramùitrứngthối).Songcónhữngdạngsốngsơkhaicóthểpháttriểntrongnhữngđiềukiệnnhưvậy.Ngườitachorằngsựsốngđóbắtđầutrongnhữngđạidương,rấtcóthểlàkếtquảngẫunhiêncủasựphứchợpcácnguyêntửthànhnhữngcấutrúclớn,gọi làđạiphântử,nhữngđạiphântử

nàycókhảnăngtậphợpnhiềunguyêntửkháctrongđạidươngthànhnhữngcấutrúctươngtự.Nhưthếchúngcóthểtựtạovàsinhsản.

Trongmộtsốtrườnghợpcóthểxảyracácsailầmtrongquátrìnhsinhsản.Phầnlớncácsailầmđódẫnđếnnhữngđạiphântửmớikhôngcókhảnăngtựtạovàdođótànlụidần.Songcũngcónhữngsailầmdẫnđếnnhữngđạiphântửlạicókhảnăngtựtạo.Cácđạiphântửnàyhoànhảohơnvàsẽthaythếdầncácđạiphântửtrước.Bằngcáchđóhìnhthànhmộtquátrìnhtiếnhóadẫnđếnsựpháttriểnnhữngcơthểphứctạphơn,cókhảnăngtựtạo.Nhữngdạngsốngsơđẳnglúcđầutiêuthụnhiềunguyênliệukhácnhaunhưsunfuahydrovàôxythoátsinh.Quátrìnhnàydầndầnbiếnđổithànhphầncủakhíquyểnđếnhiệntrạngvàdođótạođiềukiệnthuậnlợichocácdạngsốngcaocấphơnnhưcá,bòsát,loàicóvú,vàcuốicùnglàconngười.

Bứctranhpháchọatrênđâycủavũtrụtừtrạngtháirấtnóngvàlạnhdầntrongquátrìnhgiãnnởcủavũtrụphùhợpvớinhữngquantrắccóđược.Tuynhiên,bứctranhđócũngđặtranhiềucâuhỏiquantrọngchưacócâutrảlời:(1)Tạivìsaovũtrụnóngđếnnhưvậyởcácgiaiđoạnđầutiên?

(2)Vì saovũ trụ đồngnhất nhưvậyởkích thước lớn?Tại saovũ trụgiốngnhauởmọiđiểmvà theomọihướng?Nói riêngvìsaonhiệtđộcủabứcxạphôngcótrịsốbằngnhautheomọihướng?Tìnhhuốngtươngtựnhưkhitahỏinhiềusinhviênmộtcâuhỏithi,nếuchúngtrảlờigiốngnhauthìtacó thể tin rằngchúngđã traođổivớinhau.Còn trongmôhìnhmô tả trênđây,từvụnổlớnánhsángkhôngđủthờigianđểđitừmộtvùngquáxaxôiđếnmộtvùngkhác,mặcdùcácvùngnàyvốnđãkềnhau tronggiaiđoạnsớmcủavũ trụ.Theo thuyết tươngđối,nếuánh sángkhông thểđi từmộtvùngnàyđếnmộtvùngkhác,thìkhôngcóthôngtinnàođãđượctraođổi.Nhưvậycácvùngkhácnhaukhôngthểcócùngmộtnhiệtđộ,trừkhichúngcócùngmộtnhiệtđộlúcbanđầuvìmộtlýdonàođóchưagiảithíchđược.(3)Vìsaovũtrụbắtđầugiãnnởvớivậntốctớihạnlàvậntốcranhgiớigiữamôhìnhcolạivàmôhìnhgiãnnở,vàngaytrongthờigianhiệntại,mườingàntriệunămsauvẫncòngiãnnởvớivậntốctớihạnđó?Nếunhưvậntốcgiãn nở tại thời điểmmột giây sau vụ nổ lớn chỉ nhỏhơnmột phần trămngàntriệutriệuthìvũtrụđãcolạitrướckhibắtđầuđạtkíchthướchiệnnay.

(4)Mặc dầu vũ trụ đồng nhất xét ở kích thước lớn, vũ trụ vẫn chứanhữngvùngđịnhxứcónồngđộvậtchấtcaohơnnhưcácsaovàthiênhà.Ngườitachorằngcácsaovàthiênhàđượchìnhthànhdosựkhácnhauvềmậtđộcủacácvùngngay trongcácgiaiđoạnsớmcủavũ trụ.Vậynguồngốccủacácthănggiángmậtđộlàởđâu?

Lýthuyếttươngđối,xétđộclập,khôngthểgiảithíchđượccácđiểmtrênvàđưaracáccâutrảlờichonhữngcâuhỏivừađặtravìlýthuyếttươngđốiđoánnhậnrằngvũtrụsinhratừmộtkỳdịvớimậtđộvôcùngcủavụnổlớn.Tạiđiểmkỳdịđó,lýthuyếttươngđốivàcácđịnhluậtvậtlýkháckhông

cònđúngnữa:ngườitakhôngthểbiếtđiềugìsẽxảyravớimộtđiểmkỳdịđó.Nhưđãgiảithíchtrướcđây,điềuđócónghĩarằngtacóthểtáchrờivụnổlớnvàcácsựkiệntrướcnórakhỏilýthuyếtvìchúngkhôngthểtácđộnglênnhữnggìchúngtaquansátđược.Không-thờigiancầnphảicóbiên-đólàđiểmbắtđầutừvụnổlớn.

Khoahọchyvọngtìmracácđịnhluậtchophéptrongcácgiớihạnxácđịnhbởihệthứcbấtđịnh,tiênđoánđượcsựpháttriểncủavũtrụnếutabiếtđược trạng tháicủanó tạimột thờiđiểm.Nhữngđịnh luậtđócó thể làdoChúabanhành,nhưnghìnhnhưsauđóChúađãđểchovũtrụtựpháttriểnvàkhôngbuồncanthiệpvàonữa.NhưngChúađãchọnđiềukiệnbanđầuhoặccấuhìnhvũtrụnhưthếnào?“Điềukiệnbiên”tạiđiểmbắtđầucủathờigianlàđiềukiệngì?

MộtcâutrảlờikhảdĩlàchorằngChúađãchọnmộtcấuhìnhđầutiêntheonhững lý lẽmàchúng takhôngcóhyvọnghiểuđược.Điềuđóhoàntoàn trongquyền lựccủamộtđấng siêunhân, songnếuông tađãbắtđầutheomộtkiểukhóhiểunhưvậy,thìtạisaoôngtalạiđểchovũtrụpháttriểntheonhữngquyluậtmàchúngtacóthểhiểuđược?Toànbộlịchsửkhoahọclàmộtquátrìnhtiệmcậnđếnnhậnthứcđượcrằngcácsựkiệnkhôngpháttriểnmộtcáchngẫunhiên,màchúngphảnánhmộttrậttựtiềmẩnnàođócóhoặckhôngcónguồngốcthầnthánh.Tacóthểgiảđịnhmộtcáchtựnhiênrằngtrậttựđókhôngnhữngđượcápdụngvàocácđịnhluậtmàcảvàocácđiềukiệnbanđầucủakhông-thờigian.Cóthểcórấtnhiềumôhìnhvũtrụvớicácđiềukiệnbiênbanđầukhácnhau.Chúngtaphảiđưarađượcmộtnguyên tắcnàođóđểchọnđượcmột trạng tháibanđầu,dođóchọnđượcmộtmôhìnhđểmôtảvũtrụ.

Một khả năng là chọn cái gọi là điều kiện hỗn độn (chaotic) ban đầu.Điềukiệnnàygiảđịnhhoặcvũtrụvôcùngtrongkhônggianhoặctồntạivôsốtrongvũtrụ.Theođiềukiệngọilàhỗnđộnbanđầu,xácsuấttìmthấymộtvùngkhônggianbấtkỳtrongmộtcấuhìnhchotrướcbấtkỳsauvụnổlớnlàbằngnhau:trạngtháibanđầucủavũtrụlàhoàntoànmangtínhngẫunhiên.Điềuđócónghĩalàvũtrụtrướcđâycónhiềuxácsuấtlàvôtrậttựvìrằngđốivớivũ trụ tồn tạinhiềucấuhìnhhỗnđộnvàvô trật tựhơn làcáccấuhìnhđềuđặnvàtrậttự.(Nếumỗicấuhìnhcóxácsuấtbằngnhauthìvũtrụphảixuấtpháttừmộttrạngtháihỗnđộn,vôtrậttựvìmộtlýdođơngiảnlàtồntạiquánhiềutrạngtháinhưvậy).Rấtkhóhìnhdungđượcvìsaonhữngtrạngtháihỗnđộnbanđầulạicóthểdẫnđếnmộtvũtrụđềuđặn,trậttựởkíchthướclớnnhưvũtrụhiệnnay.Ngườitacũngbắtbuộcphảinghĩrằngnhữngthănggiángmậtđộtrongmộtmôhìnhnhưthếnhấtđịnhphảidẫnđếnsựhìnhthànhmộtsốlượnglỗđennguyênthủylớnhơncậntrênthuđượctừcácquantrắcphôngtiagamma.

Nếuvũtrụvôcùngtrongkhônggian,hoặcnếutồntạivôsốvũtrụ,thì

phảitồntạiởđâuđónhiềuvùnglớnđãtrởnênđồngnhất.Tìnhhuốngnàygiốngnhưlúccómộtđànkhỉ rấtđônggõmáychữ-phần lớnnhữngđiềuchúnggõ ravônghĩanhưngcũngkhông loại trừcóxác suất làchúng thuđượcmộtbàithơngắncủaShakespear.Tươngtựnhưvậytrongtrườnghợpvũtrụ,cũngcóthểchúngtangẫunhiênsốngtrongmộtvùngđồngnhấtnhưthế?Thoạtnghĩcóthểđiềuđócóquáítxácsuấtvìnhữngvùnghỗnđộnvàvôtrậttựlàquánhiềusovớinhữngvùngđồngnhất.Songhãygiảđịnhrằngchỉtrongnhữngvùngđồngnhấtmớitồntạinhữngthiênhàvàcácsao,ởđấycónhữngđiềukiệnthuậnlợichosựpháttriểncủanhữngsinhvậtphứctạpcókhảnăngsinhsảnnhưconngườicókhảnăngđặtcâunghivấn:Tạisaovũtrụlạiđồngnhấtnhưthế?Đâylàmộtvídụđểứngdụngcáigọilànguyênlývịnhân(anthropic)đượcphátbiểunhưsau:“Chúng tanhìn thấyvũ trụnhưvậybởivìchúngtatồntại”.

Cóhaicáchdiễndịchnguyên lývịnhân:Nguyên lýyếuvànguyên lýmạnh.Nguyên lývịnhânyếukhẳngđịnh rằng trongvũ trụvôcùng trongkhônggianvàhoặctrongthờigian,điềukiệnthuậnlợichosựnảysinhmộtdạngsốngcó trí tuệchỉxuấthiệnởmột sốvùngnhấtđịnhhữuhạn trongkhônggianvàthờigian.Nhữngsinhvậtcótrí tuệtrongnhữngvùngđósẽkhôngngạcnhiênnếuchúngnhậnthấyrằngđịaphươngcủachúngtrongvũtrụ thỏamãn các điều kiện cần thiết cho sự sống của chúng. Tình huốngtươngtựnhưlúcmộtngườigiàucósốngtrongmôitrườngnhunglụakhôngthấyđượccảnhbầncùngchungquanh.

Mộtvídụứngdụngnguyênlývịnhânyếulà“giảithích”vìsaovụnổlớnđãxảyragầnmườingàntriệunămvềtrướcthìcũngcầngầnấythờigianchosựtiếnhóacủasinhvậtcótrítuệ.Nhưtrướcđâyđãnói,đầutiênmộtthếhệ sớm các sao được hình thành. Các sao này biếnmột số hydro và helinguyênthủythànhcacbonvàoxyvốnlàcácthànhphầncơthểcủachúngta.Cácsaonàylạinổthànhcácsiêusao,vàcácmảnhvỡtàndưlạihợpthànhcácsaovàhànhtinhkhác,trongsốnàycótháidươnghệcủachúngtađãtồntạikhoảngnămngàntriệunăm.Trongmộthoặchaingàntriệunămđầutiêncủatráiđất,nhiệtđộquácaovìthếcáccấutrúcphứctạpkhônghìnhthànhđược.Trongbangàntriệunămcònlạithìmộtquátrìnhtiếnhóachậmsinhhọcđãnảysinhdẫnđếnsựhìnhthànhtừnhữngcơthểđơngiảnđếncácsinhvậtcókhảnăngtưduyđingượctheothờigianvềvụnổlớn.

Nhiều người đặt nghi vấn về sự đúng đắn và ích lợi của nguyên lý vịnhânyếu.Ngoài ramột sốngườiđixahơnvàđềnghịnguyên lývịnhânmạnh.Theonguyênlýnày,tồntạihoặcnhiềuvũtrụkhácnhauhoặcnhiềuvùngkhácnhaucủamộtvũtrụduynhất,mỗiđốitượngcócấuhìnhbanđầuriêngvàcóthểcótổhợpriêngcácđịnhluậtkhoahọc.Trongđasốcácvũtrụđó,điềukiệnkhôngthuậnlợichosựpháttriểncủanhữngcơthểphứctạp;chỉcómộtvàivũ trụnhưvũ trụcủachúng ta làcóđiềukiệnchosựphát

triểncủanhữngsinhvậtcótrítuệđủkhảnăngđểđặtracâuhỏi:vìsaovũtrụphảigiốngnhư taquansátđược?Câu trả lờibâygiờsẽ trởnênđơngiản.Nếuvũtrụkhácđithìchúngtasẽkhôngthểtồntạiởđâyđược!

Cácđịnhluậtkhoahọc,trongdạngmàchúngtanhậnthứcnhưhiệnnaychứanhiềuhằngsốcơbảnvídụđiệntíchcủaelectronvàtỷsốkhốilượngcủaprotonvà của electron.Chúng takhông thể, ít nhất là trongđiềukiệnhiệnnay,tínhđượcgiátrịcủanhữnghằngsốđótừlýthuyết-chúngtachỉthuđượccáctrịsốđóbằngthựcnghiệm.Cólẽmộtngàynàođóchúngtasẽtìmđượcmột lý thuyết thốngnhấthoànchỉnhcókhảnăng tínhđượcmọihằng số, songcũng rất có thể rằngmột sốhoặc tất cảhằng sốđó lạibiếnthiêntừvũtrụnàysangvũtrụkháchoặcngaytrongmộtvũtrụ.Điềuđángchúýlàtrịsốcủanhữnghằngsốđódườngnhưđãđượcđiềuchỉnhmộtcáchtinhtếsaochocuộcsốngcóthểnảysinhvàpháttriểnđược.Vídụnếuđiệntíchelectronchỉkhácđimộttýthìcácsaohoặckhôngthểđốtcháyhydrovàhelihoặckhácđichúngkhôngthểnổthànhsiêusao.Lẽdĩnhiêncóthểtồntạinhữngdạngsốngkhác,màthậmchícácnhàvănviễntưởngcũngkhôngsángtạonổi,nhữngdạngsốngkhôngcầnđếncảánhsángcủacácsaonhưmặttrờihoặccácnguyêntốhóahọcnặnghơnđượctạothànhtrongcácsaovàbịbắnvàokhônggiankhisaonổ.Cólẽcũngdễhiểulàmiềnxácđịnhcủacáchằngsốkhôngthểrộngđượcnếucáchằngsốđóphảiphùhợpvớisựpháttriểncủacuộcsốngtrítuệ.Đasốcáctậpgiátrịcủacáchằngsốdẫnđếnsựhìnhthànhnhữngvũtrụmặcdầu rất đẹp, song không phù hợp cho sự phát triển sinh vật có khả năngchiêm ngưỡng vẻ đẹp đó. Chúng ta có thể đoán nhận hoặc điều đó là sựchứngminhchomụcđíchthiêngliêngcủaChúatrongsựsángtạovàsựlựachọncácđịnhluậtkhoahọchoặcđiềuđólàsựchứngminhchonguyênlývịnhânmạnh.Cómộtsốýkiếnngườitacóthểđưarađểphảnđốiýkiếnchorằngnguyênlývịnhânmạnhcóthểgiảithíchtrạngtháiquansátđượccủavũtrụ.

Thứnhất,taphảihiểusựtồntạicủanhiềuvũtrụkhácnhưthếnàođây?Nếuquảthựcchúngtáchriêngxanhau,thìnhữngđiềuxảyratrongmộtvũtrụkhácsẽkhônggâymộthệquảnàoquansátđượctrongvũtrụchúngta.Vìvậychúng taphảisửdụngnguyên lý tiếtkiệmđểcắtbỏchúngkhỏi lýthuyếtcủachúngta.Nếu,mặtkhác,tồntạinhiềuvùngkhácnhaucủacùngmộtvũtrụ,thìcácđịnhluậtkhoahọcphảilàchungchotấtcảcácvùng,vìtrái lại thìchúng takhông thểchuyểnđộng liên tục từmộtvùngnàysangvùngkhác.Trong trườnghợpđó thìsựkhácbiệtgiữacácvùngquyvềsựkhácbiệtcủacáccấuhìnhbanđầuvànhưthếnguyênlývịnhânmạnhlạiquyvềnguyênlývịnhânyếu.

Ýkiếnphảnđốithứhaicholànguyênlýnàyđingượclạidòngchảycủalịchsửkhoahọc.Chúngtađãđitừmôhìnhvũtrụxemquảđấtlàtrungtâm

của Ptolemy và các tiền bối, qua mô hình mặt trời là trung tâm củaCopernicusvàGalileo,đếnmôhìnhhiệnđại trongđóquảđất chỉ làhànhtinhkíchthướcvừaphảiquayquanhmộtsaotrungbìnhtrongvùngbiêncủamột thiênhàxoắnốcbình thườngvốnchỉ làmột trongtriệu triệu thiênhàcủavũtrụquansátđược.Nguyênlývịnhânmạnhlạicóthamvọngchorằngtoànbộkiếntrúckhổnglồđótồntạichỉvìconngười.Điềuđóquảthậtlàkhó tin. Chắc chắn rằng thái dương hệ làmột tiền đề cho cuộc sống củachúngta,vàchúngtacũngcóthểngoạisuynghĩđóchotoànthiênhàcủachúng ta để cho phép sự tồn tại các thế hệ sao trước đã tạo nên nhữngnguyêntốnặnghơn.Songdườngnhưkhôngcómộtsựcầnthiếtnàobuộccác thiên hà khác và cho vũ trụ phải đồng nhất và giống nhau theo mọiphươnghướngởkíchthướclớn.

Chúng ta sẽ cảm thấy yên tâm hơn với nguyên lý vị nhân, ít nhất ởphươngányếu,nếuchúngtacóthểchứngminhrằngnhiềucấuhìnhbanđầukhácnhaucủavũtrụsẽtiếntriểnđểtạomộtvũtrụgiốngnhưvũtrụđangquansátđược.Nếuquảnhưvậy,thìmộtvũtrụthoátthaitừnhữngđiềukiệnhỗnđộnbanđầusẽchứamộtvùngđồngnhất,đềuđặnthíchhợpchosựnảysinhcuộcsốngtrítuệ.Mặtkhác,nếutrạngtháibanđầuđãđượcchọntuyệtđốicẩnthậnđểđượcmộtvũtrụmàchúngtathấychungquanh,thìvũtrụđóchắccóítxácsuấtchứamộtvùngnàođótrongđósựsốngcóthểxuấthiện.Trongmôhìnhnóngcủavụnổlớnmôtảtrướcđây,chúngtađãthấyởgiaiđoạnsớmcủavũ trụ,nhiệt lượngkhôngđủ thờigianđểchảy từvùngnàysangvùngkhác.Điềuđócónghĩarằngtrạngtháibanđầucủavũtrụphảicócùngmộtnhiệtđộởmọinơi,cónhưthếthìtamớiquansátđượchiệntượngbứcxạphôngcócùngmộtnhiệtđộởmọinơitheomọihướng.Tốcđộgiãnnởbanđầucũngphảiđượcchọnrấtchínhxác thì tốcđộgiãnnởhiệnnaymớitiếptụcxấpxỉtốcđộtớihạncầnthiếtđểtránhquátrìnhcolại.Điềuđócónghĩarằngtrạngtháibanđầucủavũtrụphảiđượcchọnrấtcẩnthậnnếumôhìnhnóngcủavụnổlớnlàđúngngượcmãitậntớiđiểmbanđầucủathờigian.Rấtkhógiảithíchvìsaovũtrụđượcbắtđầunhưvậy,trừkhichorằngđâylàhànhđộngcủaChúamuốntạonênnhữngsinhvậtnhưchúngta.

Vớiýđồtìmmộtmôhìnhcủavũtrụ,trongđónhiềucấuhìnhkhácnhaubanđầucóthểtiếntriểnđếnmộtvũtrụnhưhiệntại,mộtnhàkhoahọccôngtáctạiViệncôngnghệMassachusettslàAlanGuthđãđưaragợiýtrongcácgiaiđoạnsớmvũtrụđãtrảiquamộtthờikỳgiãnnởcựcnhanh.Thờikỳgiãnnởcựcnhanhnàyđượcgọilàthờikỳlạmphát,vớiýnghĩarằngtrongthờikỳđóvũtrụđãgiãnnởvớitốcđộtăngdầnchứkhôngphảigiảmdầnnhưhiệntại.TheoGuth,bánkínhcủavũtrụđãtăngvọtlêntriệutriệutriệutriệutriệu(1vớibamươiconsốkhông)lầntrongchỉmộtphầnrấtnhỏcủagiây.

Guthgợiýrằngvũtrụđãbắtđầutừmộtvụnổlớn,từmộttrạngtháirấtnóng,nhưngrấthỗnđộn.Cácnhiệtđộcaonàylàmchocáchạttrongvũtrụ

chuyểnđộngrấtnhanhvàcónănglượngrất lớn.Nhưđãnóiởtrênnhữngnhiệtđộcaonhưvậycáclựctươngtácmạnh,yếuvàđiệntửhợpnhấtthànhmộtlựcduynhất.Trongquátrìnhgiãnnở,vũtrụlạnhdần,nănglượngcáchạtgiảmđi.Cóthểxảyraquátrìnhgọilàchuyểnphavàđốixứnggiữacáclựcbịphávỡ:lựctươngtácmạnhtrởnênkhácbiệtvớicáclựctươngtácyếuvàđiện từ.Mộtvídụ thông thườngcủaquá trìnhchuyểnpha làquá trìnhnướcđóngbăngkhinhiệtđộhạthấp.Nướclỏngcóđốixứnggiốngnhauởmọiđiểmvàtheomọihướng.Songcáctinhthểbănghìnhthành,chúngsẽchiếmnhữngvịtrínhấtđịnhvàxếpthànhhàngtheomộthướngnàođó.Điềunàyphávỡđốixứngcủanướcởtrạngtháilỏng.

Trong trườnghợpnước, nếu cẩn thận chúng ta có thể làm“siêu lạnh”nước,điềuđócónghĩalàchúngtacóthểđưanhiệtđộxuốngdướinhiệtđộđóngbăng0độCmàbăngvẫnchưaxuấthiện.Guthgợiýrằngđiềuđócóthểxảyrachovũtrụ:nhiệtđộgiảmxuốngdướitrịsốgiớihạnmàđốixứnggiữacáclựcvẫnchưabịphávỡ.Nếuđiềuđóxảyra,vũtrụsẽrơivàomộttrạngtháiổnđịnh,vớinănglượnglớnhơnnănglượngứngvớilúcđốixứngbịphávỡ.Cóthểchứngminhrằngnănglượngdôinàysẽgâyrahiệuứngphảnhấpdẫn:nósẽcótácđộngnhưhằngsốvũtrụmàEinsteinđãđưavàolýthuyếttươngđốirộngkhiôngmuốnxâydựngmộtmôhìnhtĩnhcủavũtrụ.

Vìvũtrụđãgiãnnởgiốngnhưtrongmôhìnhnóngcủavụnổlớn,chonênhiệuứngđẩycủahằngsốvũtrụnàylàmchovũtrụgiãnnởvớivậntốcluôntăng.Ngaycảtrongnhữngvùngvớimậtđộhạtlớnhơntrungbình,hiệuứngphảnhấpdẫngâyrabởihằngsốvũtrụđócũngvượtquáhấpdẫn.Dođócácvùngnàyphảigiãnnởtheoquyluậtgiatănglạmphát.Trongquátrìnhgiãnnở,cácvùngđóvàcáchạtvậtchấtsẽđixanhauvàtacóđượcmộtvũtrụgiãnnởvớimậtđộhạtnhỏvàhiệnnằmtrongtrạngtháisiêulạnh.Mọiđiểmbấtthườngtrongvũtrụsẽbịlàđềuvìquátrìnhgiãnnở,tươngtựnhưnhữngnếpnhăncủamộtquảbóngbiếndầnkhitathổikhôngkhívào.Nhưvậy trạng thái đồng nhất và đều đặn hiện nay của vũ trụ có thể đạt đượctrongquátrìnhtiếntriểntừnhiềutrạngtháikhôngđồngnhấtkhácnhau.

Trongmộtvũtrụnhưthế,quátrìnhgiãnnởđượcgiatốcbởihằngsốvũtrụvàkhôngbịhãmdầnbởilựchấpdẫncủavậtchất,ánhsángcóđủthờigianđểthựchiệnhànhtrìnhtừvùngnàysangvùngkháctrongcácgiaiđoạnsớmcủavũ trụ.Tìnhhuốngnàycó thểđưa ra lờigiảichobài toánnêuratrướcđây: vì sao cácvùngkhácnhau củavũ trụ có cùngnhững tính chấtgiốngnhau.Ngoàira,vậntốcnởcủavũtrụsẽtựđộngtrởnênxấpxỉvậntốcgiớihạnxácđịnhbởimậtđộtrongvũtrụ.Điềunàycóthểgiảithíchcâuhỏivìsaovậntốcgiãnnởcủavũtrụvẫngầnvậntốcgiớihạn,màkhôngcầngiảđịnhrằngvậntốcgiãnnởbanđầucủavũtrụđãđượclựachọnmộtcáchcẩnthận.

Ýniệmvềlạmphátcũnggiúptagiảithíchđượcvìsaocónhiềuvậtchấtnhưvậy trongvũ trụ.Cóchừngmười triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệutriệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu (1với támmươi sốkhông) hạt trongvùngkhônggianmàchúngtacóthểquansátđược.Chúngtừđâuđến?Theothuyết lượng tử cáchạt đóđược sinh ra từnăng lượng trongcặphạt/phảnhạt.Songbâygiờlạiđếncâuhỏi,nănglượngtừđâura?Câutrảlờilànănglượngtoànphầncủavũtrụchínhxácbằngkhông.Vậtchấttrongvũtrụđượccấu tạo từ năng lượng dương. Song vật chất lại hút nhau vì hấp dẫn.Hailượngvậtchấtgầnnhaucóítnănglượnghơnlàkhichúngxanhau,bởivìchúngphảisảnranănglượngđểkéochúngraxachốnglạihấpdẫnđangkéochúnglạigầnnhau.Nhưthếtrongmộtýnghĩanhấtđịnh,trườnghấpdẫncónănglượngâm.Trongtrườnghợpcủamộtvũtrụgầnđồngnhấttrongkhônggian,ngườitacóthểchứngminhđượcrằngnănglượnghấpdẫnâmnàysẽtriệttiêunănglượngdươngcủavậtchất.Nhưthếnănglượngtoànphầncủavũtrụbằngkhông.Hailầnkhôngvẫnlàkhông.Chonênvũtrụcóthểtănggấpđôinănglượngdươngcủavậtchấtvàđồngthờitănggấpđôinănglượngâmcủahấpdẫnmàvẫnkhôngviphạmđịnhluậtbảotoànnănglượng.Điềunàykhông thểxảy ra trongmộtquá trìnhgiãnnởbình thườngcủavũ trụ,trongđómậtđộnănglượngvậtchấtgiảmđikhivũtrụtrởnênlớnhơn.Songđiềuđócó thểxảy ra trongmộtquá trìnhgiãnnở lạmphátbởivìmậtđộnănglượngcủatrạngtháisiêulạnhvẫnkhôngthayđổikhivũtrụgiãnnở:Khikíchthướcvũtrụtănggấpđôi,nănglượngdươngcủavậtchấtvànănglượngâmcủahấpdẫncũng tănggấpđôidođónăng lượng toànphầnvẫnbằngkhông.Trongpha lạmphát,kích thướccủavũ trụ tăng lênrấtnhiều.Nhưthếtoànphầnnănglượnghiệnhữuđểtạonêncáchạtđềutrởnênrấtlớn.NhưGuthđãnhậnxét:“Cóthểnóiđâylàmộtbữatiệckhôngmấttiền.Vàvũtrụlàbữatiệckhôngmấttiềntốihậu”.

Vũtrụhiệnnaykhônggiãnnởtheoquyluậtlạmphát.Nhưthếphảitồntạimộtcơchếcókhảnăngloạibỏhằngsốvũtrụhiệudụngquálớnvànhưvậybiếnvậntốcgiãnnởtừquátrìnhgiatốcvềquátrìnhchậmdầnvìhấpdẫnnhưchúngtahiệnnay.Tronggiaiđoạnlạmphátcóthểđốixứnggiữacáclựcbịphávỡ,tươngtựnướcsiêulạnhrồicuốicùngcũngphảiđônglại.Nănglượngdôiracủađốixứngbịphávỡthoátravàhâmnóngvũtrụđếnmộtnhiệtđộvừađúngdướinhiệtđộtớihạnứngvớiđốixứnggiữacáclực.Vũtrụtiếptụcgiãnnởvàlạnhdầnđúngnhưmôhìnhnóngcủavụnổlớn,songbâygiờtalạicầngiảithíchtạisaovũtrụgiãnnởvớivậntốctớihạnvàvìsaocácvùngkhácnhaucócùngmộtnhiệtđộ.

TronglýthuyếtbanđầucủaGuth,quátrìnhchuyểnphađượcgiảđịnhlàxảyrađộtngột,tươngtựnhưcáctinhthểbăngtrongnướcthậtlạnh.Cóthểnghĩrằngcác“bongbóng”củaphamớicủađốixứngbịphávỡđượchìnhthànhtrongphacũ,tươngtựnhưcácbongbónghơiđượcbaobọcbởinước

đangsôi.Cácbongbóngđượcgiảđịnhlàgiãnnởvàgặpnhauchođếnkhitoànbộvũtrụrơivàophamới.Mộtkhókhăn,màtôivànhiềungườikhácđãchỉralàvũtrụgiãnnởquánhanhchodẫurằngcácbongbónglớnlênbằngtốcđộánhsáng,chúngcũngsẽchuyểnđộngxanhauravàkhôngkịpgặpnối nhau.Nhưvậy vũ trụ rơi vào trạng thái không đồng nhất, vớimột sốvùngvẫncòncóđốixứnggiữacáclực.Mộtbứctranhnhưthếkhôngtươngứngvớinhữngđiềutaquansátđược.

Tháng 10 năm 1981, tôi đếnMatxcơva tham dự hội thảo về hấp dẫnlượngtử.Sauhộithảo,tôicólàmmộtseminarvềmẫulạmphátvàcácvấnđềcủamẫuđótạiViệnthiênvănSternberg.Trướcđâytôithườngnhờmộtngườikhácđọcbáocáothaytôivìđasốkhônghiểuđượcgiọngnóicủatôi.Nhưng lúc này tôi không còn thì giờ chuẩn bị nên tôi tự đọc, và chỉ nhờnghiêncứusinhcủatôiphátlạinhữnglờitôinói.Phươngthứcnàykhácókếtquảvàtạođượcmốitiếpxúcvớithínhgiả.TrongbuổiseminarcómộtngườiNgacòntrẻlàAndreiLindelàmviệcởViệnLebedevtạiMatxcơva.Lindechorằngcóthểtránhđượckhókhăngắnliềnvớiđiềucácbongbóngkhôngnốivớinhau,nếutachorằngcácbongbónglớntớimứcmàvùngvũtrụcủatanằmtrọntrongmộtbongbóng.Đểgiảthuyếtđượchợplýthìsựphávỡđốixứngphảixảyrarấtchậmtrongbongbóngvàđiềunàylàhoàntoànkhảdĩtrênlýthuyếtthốngnhấtlớn.

Ý tưởng củaLindevềmột quá trìnhphávỡđối xứng chậm là rất hấpdẫn, song saunày tôi hiểu rằngnhữngbongbóngcủaLindephải lớnhơnkích thướcvũ trụvào lúcđó.Tôiđãchứngminhrằngđốixứngbịphávỡkhắpmọinơichứkhôngphải trong lòngcácbongbóng .Điềunàysẽdẫnđếnmộtvũtrụđồngnhất,đúngnhưtaquansát.TôirấttâmđắcvớiýtưởngnàyvàcùngbànluậnvớimộtsinhviêncủatôilàIanMoss.VớitưcáchlàmộtngườibạncủaLinde,tôihơibốirốikhisaunàynhậnđượcbàibáocủaLindedomộttạpchíkhoahọcgửiđếnhỏiliệubàibáocóthểcôngbốhaykhông.Tôiđã trả lời rằngcònđiểmyếuvềcácbongbóng lớnhơnvũ trụ,songýtưởngcơbảnvềquátrìnhphávỡđốixứngchậmlàrấthay.Tôicókhuyếnnghịchođăngbàibáovì tôinghĩrằngnếukhôngLindesẽmấtrấtnhiềuthángđểsửachữalại,bởivìmọitàiliệumàôngđãgửisangphươngTâyphảiđượcthôngbáoquakiểmduyệtcủaLiênXô(cũ),vốnkhôngamhiểulắmvàcũngkhôngmaumắngìđốivớinhữngbàibáokhoahọc.Tôicóviết cùngvới IanMossmột bài báo ngắngửi đăng cùng số báo, trong đóchúngtôiđặtlạivấnđềcácbongbóngvàchỉracáchgiảiquyếtvấnđề.

Vừa từMatxcơva trởvề, hômsau tôi đãbay tớiPhiladenphiađểnhậnhuychươngcủaViệnFranklin.CôthưkýcủatôilàJudyFellađãsửdụngsắcđẹpduyêndángcủamìnhđểthuyếtphụchãngBritishAirwayscấpchocôtavàtôihaivémáybaykhôngmấttiềnxemnhưmộthợpđồngquảngcáochohãng.Tiếcrằngtôiđếnsânbaychậmvìmưatovàlỡchuyếnmáybay.

NhưngrồitôicũngđếnđượcPhiladenphiađểnhậnhuychươngdànhchotôi.NgườitayêucầutôilàmmộtseminarvềmẫulạmphátcủavũtrụtạiTrườngĐạihọcDrexelởPhiladenphia.Vàtôiđãbáocáovềcácvấnđềnởlạmphátcủavũtrụ,tươngtựnhưởMatxcơva.

MộtýtưởnggầngiốngcủaLindecũngđượcpháttriểnđộclậpsauđóvàitháng bởi Paul Steinhardt và Andreas Albrecht tại trường Đại họcPensylvania.BâygiờhọcùngvớiLindecóvinhdựchungvìđãđưara“môhìnhlạmphátmới”,dựatrênýtưởngvềmộtquátrìnhđốixứngchậm.(MôhìnhlạmphátcũdựatrênýtưởngbanđầucủaGuthvềmộtquátrìnhphávỡđốixứngnhanhkèmtheosựhìnhthànhcácbongbóng).Môhìnhlạmphátmớilàmộtmôhìnhtốtcókhảnănggiảithíchvìsaovũtrụlạicódạngnhưhiệnnay.Song,nhiềungườikhácvàtôiđãchứngminhrằngmôhìnhđó,ítnhấtlàtrongphươngánbanđầu,đãdẫnđếnnhữngthayđổivềnhiệtđộcủabứcxạphônglớnhơnnhiềusovớicácquantrắcthuđược.Cácphươngánsaucũnggâyramốinghingờliệucótồntạimộtquátrìnhchuyểnphakiểunhưvậyởgiaiđoạnrấtsớmcủavũtrụhaykhông.Theoýkiếncủariêngtôi,thìmôhìnhlạmphátmớinàybâygiờcũngđãchếtnhưmột lý thuyếtkhoahọc,mặcdầucũngcònmột sốngườidườngnhưchưanghebiếtvàvẫntiếptụcviếtvềmôhìnhđó.

MộtmôhìnhhayhơncótênlàmôhìnhlạmpháthỗnđộnđãđượcpháttriểncũngbởiLindevàonăm1983, trongmôhìnhnày,không tồn tạiquátrìnhchuyểnphahoặctrạngtháisiêulạnh.Thayvàođó,cómộttrườngspin0,trườngnàycóthểcónhữngtrịsốlớnởmộtvàivùngcủavũtrụgiaiđoạnsớm, do sự tồn tại của thăng giáng lượng tử.Năng lượng của trường nàytrongnhữngtrườngđóđóngvaitrònhưmộthằngsốvũtrụ.Nănglượngnàygây ra tác dụng đẩy và làm cho các vùng đó giãn nởmột cách lạm phát.Trongquátrìnhgiãnnở,nănglượngcủatrườngởcácvùngđógiảmchậmchođếnkhiquátrìnhgiãnnởlạmpháttrởthànhmộtquátrìnhgiãnnởtươngtựnhưtrongmôhìnhnóngcủavụnổlớn.Mộttrongnhữngvùngđósẽtrởthànhvũ trụmàhiệnnaychúng taquansátđược.Môhìnhnàycómọiưuđiểmcủacácmôhìnhlạmphátcũ,songkhôngphụthuộcvàomộtquátrìnhchuyển pha đáng ngờ,mà lại cho những thăng giáng nhiệt độ của bức xạvibaphônghợplývàphùhợpvớicácquantrắc.

Cácnghiêncứuvềnhữngmôhìnhlạmphátchỉrarằnghiệntrạngcủavũtrụđược thoát thai từmộtsố rất lớncáccấuhìnhbanđầu.Điềunàyquantrọngvìchotathấyrằng,trạngtháibanđầucủaphầnvũtrụtrongđótasinhsốngkhôngcầnđượcchọnmộtcáchquáxácđịnh.Vìvậychúngtacóthể,nếumuốn,sửdụngnguyênlývịnhânyếuđểgiảithíchvìsaovũtrụlạicódạngnhưngàynay.Songcũngkhôngphảimọicấuhìnhbanđầuđềusẽdẫnđếnvũtrụgiốngnhưvũtrụtaquansát.Tacóthểchứngminhđiềuđóbằngcáchxétmột trạng thái rấtkhácvũ trụngàynay,vídụ,một trạng thái rất

khôngđồngnhất.Tacóthểsửdụngcácđịnhluậtkhoahọcđểđingượclạithờigiantìmcáccấuhìnhsớmtrướcđâycủavũtrụ.

Theocácđịnhlývềkỳdịcủalýthuyếttươngđốirộng,thìtồntạimộtkỳdịcủavụnổlớn.Nếutalạichovũtrụtiếntriểnvềphíatrướctheothờigianthìchúngtasẽthuđượcmộtvũtrụkhôngđồngnhấtmàtừđóchúngtađãxuấtphát.Nhưthếtồntạinhữngcấuhìnhbanđầucókhảnăngdẫnđếnmộtvũtrụkhônggiốngvũtrụtaquansáthiệnnay.Nhưthế,môhìnhlạmphátcũngkhôngnóiđược tại saocáccấuhìnhbanđầu lạikhông lànhữngcấuhìnhcókhảnăngdẫnđếnnhữngvũ trụ rấtkhácvớivũ trụquan sátđượchiệnnay.Taphảicầucứuđếnnguyênlývịnhânđểgiải thíchđiềuđóhaysao?Cóphảiđâyđúnglàmộtngẫunhiênmaymắn?Điềunàycóvẻnhưlàmộtlờituyệtvọng,mộtphủđịnhmọihyvọngcủachúngtavềkhảnănghiểuđượccáitrậttựsâukíncủavũtrụchúngta.

Đểhiểuđượcvũ trụđãbắtđầunhư thếnào, chúng tacầnnhữngđịnhluậtđúngđắnởđiểmxuấtphátcủathờigian.Nếuquảthuyếttươngđốirộngcổđiểnđúngđắn,thìcácđịnhlývềkỳdịmàRogerPenrosevàtôiđãthiếtlậpchỉrằngxuấtphátđiểmcủathờigianlàmộtđiểmvớimậtđộvàđộcongkhông- thờigianvôcùng lớn.Vàmọiđịnh luậtđãbiếtcủakhoahọcđềukhôngcòntácdụngtạimộtđiểmnhưvậy.Ngườitacóthểgiảđịnhrằngtồntạinhữngđịnhluậtmới,đúngđắntạicácđiểmkỳdị,songrấtkhómàphátbiểuranhữngđịnhluậtnhưthếtạicácđiểmcódángđiệukỳdịnhưvậy,vàchúngtacũngkhôngcómộtsựhướngdẫnnàotừcácquantrắckhảdĩgiúptahìnhdungđượccácđịnhluậtđó.

Songcácđịnh lývềkỳdị thực tếđãchỉđượcrằng trườnghấpdẫn trởnênmạnhđếnnỗicáchiệuứnglượngtửtrởthànhquantrọng:lýthuyếtcổđiểnkhôngcònkhảnăngmôtảvũtrụđượcnữa.Vậychúngtaphảisửdụnglý thuyếthấpdẫnlượngtửkhibànluậnđếncácgiaiđoạnsớmcủavũtrụ.Nhưchúngtasẽthấy,tronglýthuyếtlượngtử,cácđịnhluậtkhoahọcthôngthườnglạitrởnênđúngđắnmọinơikểcảtạixuấtphátđiểmcủathờigian:khôngcầnthiếtphảiphátbiểunhữngđịnhluậtmớiđốivớicácđiểmkỳdị,bởivìrằngkhôngcầncócácđiểmkỳdịtronglýthuyếtlượngtử.

Hiệnnay chúng ta chưa cómột lý thuyết hoàn chỉnhvà tươnghợpđểtổnghợpcơhọclượngtửvàhấpdẫn.Songchúngtacóthểchắcchắnvềmộtvàiyếutốmàmộtthuyếtthốngnhấtnhưvậyphảicó.Mộttrongnhữngyếutốđó là sựcần thiếtđưavàoý tưởngcủaFeynmanđể trìnhbày lý thuyếtlượngtửdướidạngcáctíchphântheolịchsửquỹđạo.Trongcáchtiếpcậnđó,một hạt không cómột lịch sử đơn chiếc như trong lý thuyết cổ điển.Thayvì,hạtcóthểchuyểnđộngtheomọiquỹđạokhảdĩtrongkhông-thờigian,vàứngvớimỗilịchsửchuyểnđộngtacómộtcặpsố,trongđósốthứnhấtmôtảbiênđộcủasóngcònsốthứhaimôtảvịtrítrongchukỳtứclàpha.Xácsuấtđểhạt,vídụ,điquamộtđiểmnhấtđịnhnàođó,sẽthuđược

bằngcáchcộngtấtcảcácsóngứngvớimọilịchsửkhảdĩđiquađiểmđó.Khichúngtatìmcáchthựchiệnphépcộngđó,chúngtagặpphảinhiều

vấnđềkỹthuật.Mộtthủthuậtđểgiảiquyếtlàdùngphươngthứcsau:cộngcácsónglịchsửđókhôngphảitrongthờigian“thực”trongđóchúngtasốngmàtrongcáigọilàthờigian“ảo”.Thờigianảomớinghetưởngnhưđólàchuyệnkhoa học viễn tưởngnhưng thực tế thời gian ảo làmột khái niệmtoánhọcxácđịnh.Nếuchúngtalấymộtsốthựcvànhânchochínhnóthìkếtquảlàmộtsốdương(vídụ,2nhânvới2là4,cũngnhư-2nhânvới-2là4).Song ngoài số thực, tồn tại những số đặc biệt (gọi là số ảo) khi nhân vớichínhnó,kếtquảsẽlàmộtsốâm(Sốảoikhinhânvớichínhnósẽchota-1,sốảo2ikhinhânvớichínhnósẽchota-4,vàv.v...).

Để tránh cáckhókhănvềkỹ thuật tính toán lúc cộngcác lịch sử theoFaynman, người ta đã sửdụng thời gian ảo.Nói rõ hơn, vìmụcđích tínhtoánngười taphảiđo thờigianbằngcácsốảo,chứkhôngbằngnhữngsốthực.Thủthuậtnàydẫnđếnmộthệquảlýthú:sựkhácbiệtgiữakhônggianvàthờigiansẽbiếnmấthoàntoàn.Mộtkhông-thờigiantrongđócáctrịsốđềucótrịsốảotrêntọađộthờigiangọilàkhônggianEuclide,theotêncủanhàtoánhọcHyLạp,ngườiđãsánglậphìnhhọccácmặthaichiều.Không-thờigianmàchúngtagọilàEuclidelàmộtkhônggiantươngtựchỉcókháclàkhông-thờigiancóbốnchiềuchứkhôngphảilàhai.Trongkhông-thờigianEuclidekhôngcósựkhácbiệtgiữachiềuthờigianvàcácchiềukhônggian.Còntrongkhông- thờigianthực,trongđómọisựcốđượcđánhdấubởinhữngtrisốthựctheotrụcthờigian,thìdễdàngchỉrasựkhácbiệtgiữakhôngvàthờigian-chiềuthờigiantạimọiđiểmnằmtrongnónánhsángvàcácchiềukhônggianthìnằmngoài.Trongmọi trườnghợpkhixétcơhọclượng tử, chúng ta xem việc sử dụng thời gian ảo và không - thời gianEuclide nhưmột thủ thuật toán học để tìm các câu trả lời cho không thờigianthực.

Mộtyếutốthứhai,màchúngtôichophảilàthànhphầntronglýthuyếttốihậu,làýtưởngcủaEinsteinchorằngtrườnghấpdẫnphảiđượcbiểudiễnbởikhôngthờigiancong:cáchạtsẽchọnquỹđạongắnnhất, tứcmộtquỹđạothẳngtrongkhônggiancong,songkhông-thờigiankhôngphẳngchonênquỹđạocủacáchạtsẽbịcong,giốngnhưchịutácđộngcủatrườnghấpdẫn.KhichúngtaápdụngphươngphápcộngtheocáclịchsửquỹđạocủaFeynmanvàoquanđiểmcủaEinsteinvềhấpdẫn,thìlịchsửcủamộthạtbâygiờtươngứnglàmộtkhôngthời-giancongmôtảlịchsửcủatoànvũtrụ.Để tránhcáckhókhănvềkỹ thuật trong lúc thựchiệnphépcộng theocáclịchsử,cáckhông-thờigiancongđóphảilàEuclide.Nhưtrênđãnói,điềuđócónghĩa là thờigianphải làảovàkhôngkhácbiệtvớikhônggian.Đểtínhxácsuấttìmthấymộtkhông-thờigianthựcvớimộttínhchấtxácđịnhnàođó,vídụđồngnhấtởmọiđiểmvàtheomọihướng,thìtacầncộngcác

sónggắnliềnvớitấtcảcáclịchsửvốncótínhchấtđó.Trong lý thuyết tương đối rộng cổ điển, tồn tại rất nhiều không - thời

giancongkhácnhaukhảdĩ,mỗikhông-thờigianđóứngvớimộttrạngtháibanđầucủavũ trụ.Nếuchúng tabiếtđược trạng tháibanđầucủavũ trụ,chúng ta sẽ biết được toànbộ lịch sử củanó.Tương tựnhưvậy, trong lýthuyếthấpdẫnlượngtử,tồntạirấtnhiềutrạngtháilượngtửkhácnhaukhảdĩ chovũ trụ.Vànếu chúng tabiết đượcdángđiệu cáckhông - thờigiancongEuclidetrongtổngtheolịchsửvàonhữnggiaiđoạnsớmcủavũtrụ,thìchúngtacũngsẽbiếtđượctrạngtháilượngtửcủavũtrụ.

Tronglýthuyếthấpdẫncổđiển,vốndựatrênkhông-thờigianthực,chỉcóhaikhảnăngchodángđiệucủavũtrụ:hoặcvũtrụtồntạivôcùngtrongthờigian,hoặcvũtrụđãbắtđầuởmộtđiểmkỳdịvàtạimộtthờiđiểmhữuhạnnàođótrongquákhứ.Tronglýthuyếthấpdẫnlượngtử,còncómộtkhảnăngthứba.Bởivìchúngtađangsửdụngkhông-thờigianEuclide,trongđókhôngcósựkhácbiệtgiữahướngthờigianvàcáchướngkhônggian,chonênkhông-thờigiancóthểlàhữuhạnvàkhôngcóđiểmkỳdịtạonênbiên.Không- thờigiansẽcódạng tương tựnhưmặtquảđất, songcó thêmhaichiềunữa.Mặtquảđấtlàhữuhạnsongkhôngcóbiên:nếutatrươngbuồmđivềphíamặttrờilặn,takhôngrơivàomộtbiênhoặcmộtđiểmkỳdịnào(tôibiếtnhưthế,bởivìtôiđãđivòngquanhthếgiới!).

Nếukhông - thờigianEuclidekéodàingượcvô tận theo thờigian ảohoặcxuấtpháttừmộtđiểmkỳdịtrongthờigianảo,thìchúngtasẽđốidiệnvớibàitoántươngtựnhưtronglýthuyếtcổđiểnlàphảixácđịnhtrạngtháibanđầu của vũ trụ:Chúa có thể biết vũ trụ đã bắt đầu như thế nào, songchúngtathìkhôngcómộtlýdođặcbiệtnàođểnghĩrằngvũtrụđãbắtđầunhưthếnàychứkhôngphảinhưthếkhác.Mặtkhác,lýthuyếthấpdẫnlượngtửđãmởramộtkhảnăngmới,theođókhông-thờigiankhôngcóbiênvàdođókhôngcầnthiếtxácđịnhdángđiệutạibiên.Khôngcóđiểmkỳdịtạiđó các định luật khoa học không còn đúng, cũng không có điểmmút củakhông-thờigian,tạiđóchúngtaphảicầucứuđếnChúahoặcđếnmộtđịnhluậtmớinàođóđểxácđịnhbiêncủakhông-thờigian.Tacóthểnói:“Điềukiệnbiêncủavũtrụlàkhôngcóbiên”.Vũtrụlàmộthệtựthânvàkhôngbịảnhhưởngcủabấtcứđiềugìbênngoàivũtrụ.Vũtrụkhôngsinhkhôngdiệt.Vũtrụluôntồntại.

TạicuộchộithảoVanticanmàtrướcđâytôiđãnhắcđến,tôiđãđưaraýtưởnggợiýkhông-thờigiancấuthànhmộtmặthữuhạnvềkíchthướcvàkhôngcóbiên,khôngcóđiểmmút.Bàibáocủatôimangtínhtoánhọc,songcũngrõlàphủnhậnvaitròcủaChúatrongviệcsángtạoravũtrụvàđiềuđóđãkhôngđượcđôngđảochấpnhậnởthờigianđó.Trongthờigianhộithảotôikhôngcócáchnàođểsửdụngýtưởng“khôngcóbiên”đểđưaranhữngđoánnhậnvềvũtrụ.MùahènămsautôilưulạitrườngđạihọcCaliforniaở

SantaBarbara.ỞđấytôicómộtngườibạnvừalàđồngnghiệplàJimHartle,chúngtôicùngphântíchxemnếukhông-thờigiankhôngcóbiênthìphảicónhữngđiềukiệngì chovũ trụ.Khi trởvềCambridge, tôi tiếp tụccôngtrìnhvớihainghiêncứusinhlàJulianLuttrelvàJonathanHalliwell.

Tôi muốn nhấn mạnh rằng ý tưởng về không - thời gian hữu hạn vàkhôngcóbiênchỉlàmộtgiảthiết:giảthiếtnàykhôngthểsuyrađượctừmộtnguyênlýkhác.Cũngtươngtựnhưmọilýthuyếtkhoahọckhác,taphảiđưaramộtgiả thiếtbanđầunàođóhoặcvì lýdo thẩmmỹhoặcvì lýdosiêuhình,vàsựđúngđắncủanóchỉcóthểkiểmnghiệmđượcbằngthựctếtheonhững hệ quảmà giả thiết đó dẫn đến. Song đối với trường hợp hấp dẫnlượngtửcókhókhănvìhailýdo.Thứnhất,nhưsẽđượcgiảithíchởchươngsau,chúngtachưabiếtchắcchắnvềmộtlýthuyếtcókhảnăngtổnghợpmộtcáchcóhiệuquảlýthuyếttươngđốirộngvàcơhọclượngtửmặcdầuchúngtađãhìnhdungđượcnhữngnétchínhcủamộtlýthuyếtnhưvậy.Thứhai,mọimôhìnhmôtảtoànbộvũtrụvềchitiếtphảirấtphứctạpvềmặttoánhọc,dođóchúngtakhólòngtínhtoánđượcchínhxáckếtquả.Vìvậychúngtaphảiđưaranhữnghạnchếđểđơngiảnhóasơđồvànhữngphéptínhgầnđúng-thậmchísaunhữngphépđóbàitoánchiếtranhữngkếtquảsẽvẫncònlàmộtbàitoánrấtkhókhăn.

Mỗilịchsửtrongtổngcáclịchsửsẽmôtảkhôngchỉkhông-thờigianmàphảimôtảmọichitiết,trongđóbaogồmcảnhữngcơthểphứctạpnhưconngườilàsinhvậtcókhảnăngquansátlịchsửcủavũtrụ.Điềunàycóthểcungcấplýdobiệnminhchonguyênlývịnhân,vìnếumọilịchsửđềukhảdĩ,thìchúngtacóthểsửdụngnguyênlývịnhânmộtkhichúngtacũngtồntạitrongmộttrongcáclịchsửđó.Cònýnghĩacủanhữnglịchsửkhảdĩkhác, trongđóchúng takhông tồn tại, thìquả là chúng takhông rõđược.Quanđiểmnàycủalýthuyếthấpdẫnlượngtửsẽmangtínhchấtthuyếtphụchơnnếuchúngtacóthểchứngminhrằngkhilấytổngtheocáclịchsử,thìvũtrụcủachúngtakhôngphảichỉlàmộttrongsốcáclịchsửkhảdĩmàcònlàmộttrongsốcáclịchsửcóxácsuấtlớnnhất.Đểlàmđiềuđó,chúngtaphảilấy tổng theo các lịch sửđốivớimọikhông - thờigianEuclidekhảdĩ vàkhôngcóbiên.

Dướigiảthiếtkhôngcóbiên,tachorằngkhảnăngmàvũtrụtiếntriểntheophầnlớncáclịchsửkhảdĩlànhỏkhôngđángkể,vàtồntạimộtlớplịchsửcóxácsuấtlớnhơncáclịchsửkhác.Cáclịchsửnàycóthểđượcminhhọanhưmặtquảđất,trênmặtđókhoảngcáchtừcựcBắcbiểudiễnthờigianảo,cònđườngtròncáchđềucựcBắcbiểudiễnkíchthướccủavũtrụ.VũtrụbắtđầutừcựcBắcnhưlàmộtđiểmđơn.KhichúngtachuyểnđộngvềphíaNam,cácđườngtrònvĩtuyếnvốncáchđềucựcBắcsẽlớndầnlên,điềunàytươngứngvớiquátrìnhnởcủavũtrụtrongthờigianảo(Hình8.1).Vũtrụđạtkíchthướccựcđạitạiđườngxíchđạovàsẽcolạitheothờigianảovề

mộtđiểmđơntạicựcNam.MặcdùvũtrụcókíchthướcbằngkhôngtạihaicựcNamvàBắc,nhữngđiểmnàykhôngphảilànhữngđiểmkỳdị,cácđiểmkhácđềulànhữngđiểmbìnhthường.Cácđịnhluậtkhoahọcđềuđúngởtấtcảcácđiểm,kểcảởcựcBắcvàcựcNam.

Hình8.1:Trong thờigianảo,khi chúng ta chuyểnđộngvềphíaNam,cácđườngtrònvĩtuyếnvốncáchđềucựcBắcsẽlớndầnlên,điềunàytươngứngvớiquátrìnhnởcủavũtrụ.

Songlịchsửcủavũtrụtheothờigianthựcsẽkhác.Vàothờiđiểmmườihoặchaimươingàntriệunămvềtrước,vũtrụcókíchthướcnhỏnhấtbằngbánkínhcựcđạitronglịchsửtheothờigianảo.Ởcácthờiđiểmmuộnhơn,vũ trụ giãn nở theo mô hình lạm phát hỗn độn của Linde (song giờ đâychúngtakhôngcầnphảigiảđịnhtừmộttrạngtháiđúngđắnnàocả).Vũtrụsẽgiãnnởđếnmộtkích thước rất lớnvà có thể co lạivềmộtđiểmkỳdịtrongthờigianthực.Nhưthế, trongmộtýnghĩanàođó,chúngtavẫncònchưahếttráchnhiệm,dẫucótránhxacáclỗđen.Chỉkhinàochúngtacóthểmôtảvũtrụbằngthờigianảothìmớihếtcácđiểmkỳdị.

Nếuvũtrụthựctếởtrongmộttrạngtháilượngtửnhưthế,thìsẽkhôngcókỳdịtronglịchsửcủavũtrụtheothờigianảo.Dođótôinghĩrằng,côngtrìnhgầnđâycủatôiđãkhôngtínhđếnhếtcáckếtquảcủacôngtrìnhtrướcđâycủatôivềkỳdị.Songnhưđãnóitrướcđây,sựquantrọngthựctiễncủacácđịnhlývềkỳdịlàởchỗđãchứngminhđượcrằngtrườnghấpdẫnphảilớnđếnnỗicáchiệuứnglượngtửkhôngthểnàobỏquađược.Điềunàylạidẫnđếnýtưởngchorằngvũtrụphảihữuhạntrongthờigianảosongkhôngcóbiênvàđiểmkỳdị.Songkhichúngtađingượcthờigianthựctrongđóchúngtasốngthì lạixuấthiệncáckỳdị.Nhàduhànhvũtrụđángthươngnếurơivàomộtlỗđensẽđiđếnmộtkếtcụcbithảm;chỉlúcnhàduhànhsốngtrongthờigianảothìmớikhônggặpphảinhữngkỳdịmàthôi.

Tìnhhuốngtrêncóthểgợiýrằngcáigọilàthờigianảothựctếlàthờigian thực, còn cái gọi là thời gian thực thì lại là sản phẩm của trí tưởngtượngcủachúng ta .Trong thờigian thực,vũ trụcómộtđiểmbanđầuvàmộtđiểmcuốitạicáckỳdịlàbiêncủakhông-thờigian,tạibiênđócácđịnhluậtkhoahọckhôngcònđúngnữa.Songtrongthờigianảothìkhôngcònkỳdị,khôngcònbiên.Nhưthếrấtcóthểlàcáimàtagọilàthờigianảothìthựctế làcơbảnhơn,vàcáimàtagọi là thờigianthựcthìchẳngqualàmộtýniệmtabàyđặtrađểmôtảcáimàtatưởnglàvũtrụ.TheocáchtiếpcậntôitrìnhbàyởChương1,thìmộtlýthuyếtkhoahọcchínhlàmôhìnhtoánhọctasángtạorađểmôtảcácđiềuquansát:môhìnhđóchỉtồntạitrongtríóctamàthôi.Vìvậythậtlàvônghĩakhinêuracâuhỏi:Thờigian“thực”vàthờigian“ảo”,cáinàothựchơn?Vấnđềlàởchỗthờigiannàocóíchhơnchoviệcmôtảvũtrụ.

Chúngtacóthểsửdụngtổngcáclịchsửkếthợpvớigiảthiếtkhôngcó

điềukiệnbiênđể tìm ranhững tínhchấtnàocủavũ trụcónhiềuxác suấtcùngxảyra.Vídụchúngtacóthểtínhxácsuấtđểvũtrụgiãnnởgầncùngmộttốcđộtrongmọihướnglúcmàmậtđộtrongvũtrụcótrịsốhiệnnay.Trongcácmôhìnhđãđượcđơngiảnhóamàchúngtađãxétđếnđây,xácsuấtnàylàlớn;điềuđócónghĩalàđiềukiệnkhôngcóbiêndẫnđếnhệquảlàcóxácsuấtlớnđểtốcđộgiãnnởhiệntạilàgầnnhưnhautheomọihướng.Điềunàyphùhợpvớicácquantrắcvềbứcxạvi-baphông,nhữngquantrắcnàychứngtỏrằngbứcxạcócùngmộtcườngđộtheobấtcứhướngnào.Nếuvũ trụgiãnnởnhanhhơn theomộtsốhướngnàođó, thìcườngđộbứcxạtheocáchướngđóphảigiảmđidomộtsựdịchphụvềphíađó.

Nhữnghệquảkháccủagiảthiếtkhôngcóđiềukiệnbiênhiệnnayđangđượcnghiêncứu.Mộtvấnđềđặcbiệtlýthúlàtrịsốcủanhữngđộlệchnhỏkhỏimậtđộđồngnhấtcủavũtrụvàonhữnggiaiđoạnsớm,chínhnhữngđộlệchnhỏđósaunàysẽcấuthànhtrướchếtlàcácthiênhà,sauđólàcácsaovàcuốicùnglàbảnthânchúngta.Nguyênlýbấtđịnhbuộcrằngvũtrụvàocácgiai đoạn sớmkhông thể tuyệt đối đồngnhất bởi vì tồn tại nhữngbấtđịnhhaynhữngthănggiángcủavịtrívàvậntốccủacáchạt.Sửdụngđiềukiệnkhôngcóbiên,chúngtathấyrằngvũtrụtrongthựctếphảixuấtpháttừsựkhôngđồngnhấttrongphạmvichophépbởinguyênlýbấtđịnh.

Vũtrụđãphảitrảiquamộtthờikỳgiãnnởnhanhnhưtrongcácmôhìnhlạm phát. Suốt thời kỳ đó, những chỗ không đồng nhất ban đầu sẽ đượcphóngđạilênđếnkhiđủlớnđểchophépchúngtagiảithíchđượcnguồngốccủanhữngcấu trúcquansátđược trongvũ trụ.Trongmộtvũ trụgiãnnở,trongđómậtđộvậtchấtthayđổikhôngnhiềutừchỗnàysangchỗkhác,thìhấpdẫnlàmchonhữngvùngcómậtđộcaohơngiãnnởchậmvàbắtđầucolại.Điềunàydẫnđếnsựhìnhthànhcácthiênhà,cácsaovàsauđólàcơthểcủa chúng ta.Như vậymọi cấu trúc phức tạpmà chúng ta quan sát đượctrongvũtrụđềucóthểgiảithíchđượcbởigiảthiếtkhôngcóbiêncủavũtrụcộngvớinguyênlýbấtđịnhcủacơhọclượngtử.

Ý tưởng cho rằng không và thời gian có thể làm thànhmộtmặt đóngkhôngcóbiêncũngđưaranhữngđiềuràngbuộcsâusắcđốivớivaitròcủaChúa trongcáccôngviệc trongvũ trụ.Với tiếnbộcủacác lý thuyếtkhoahọccókhảnăngmôtảnhiềuhiệntượng,đasốtinrằngChúachophépvutrụtiếnhóatheonhữngquyluậtnhấtđịnhvàkhôngcanthiệpđểviphạmcácđịnhluậtđó.Songcácđịnhluậtnàykhôngnóilênđượcvũtrụđãthoátthaitừtrạngtháinào-lêndâycótđồnghồvàchọnxemvũtrụbắtđầunhưthếnàovẫnlàphầncủaChúa.Nếumàvũtrụcómộtđiểmxuấtphát,chúngtabuộc lòngphảigiảđịnhcómộtĐấng sáng tạo.Nhưngnếuvũ trụ làhoàntoàntựthân,khôngbiênkhôngmútthìvũtrụcũngkhôngcóbắtđầu,khôngcókếtcuộc:vũtrụchỉtồntại.VậythìĐấngsángtạogiữvịtrígìởđây?

Chương9:MũitêncủathờigianNhận thức của chúng ta về bản chất của thời gian thay đổi theo năm

tháng.Mãiđếnđầuthếkỳnàyngườitavẫntinvàomộtthờigiantuyệtđối.Điềuđócónghĩalàmỗisựcốcóthểđánhdấuđơntrịbằngmộtconsốgọilàthờigianvàtấtcảcácđồnghồchínhxácphảichocùngmộtquãngthờigiangiữahaisựcố.Songvìsựpháthiệntốcđộánhsánglànhưnhauđốivớimọiquan sát viên, không phụ thuộc vào chuyển động của họ, đã dẫn đến lýthuyếttươngđốibuộcngườitaphảihủybỏýtưởngvềmộtthờigiantuyệtđốiduynhất.Thayvì,mỗiquansátviêncósốđothờigianriêngtheođồnghồhọmang theo: nhữngđồnghồ của các quan sát viên khác nhau khôngnhất thiếtphùhợpnhau.Như thế thờigianđã trở thànhmộtnhận thứccánhângắnliềnvớiquansátviênthựchiệnphépđo.

Khingườitatìmcáchthốngnhấthấpdẫnvớicơhọclượngtử,ngườitađãphảiđưavàokháiniệmthờigian“ảo”.Thờigianảonhưnhauđốivớimọihướngkhônggian.Nếu tacó thểđivềhướngBắc thì tacũngcó thểquayngườivàđivềphíaNam;tươngtựnếutacóthểđitrongthờigianảothìtacũngcókhảnăngquayngườivàđi lui .Điềuđócónghĩa làkhôngcósựkhácbiệtquantrọngnàogiữahướngtrướcvàhướngsaucủathờigian“ảo”,mặtkháckhitaxétthờigian“thực”thìcómộtsựkhácbiệtrấtlớngiữacáchướngtrướcvàsau,nhưchúngtađềubiết.Từđâurasựkhácbiệtđógiữaquákhứvàtươnglai?Tạisaochúngtachỉnhớquákhứmàkhôngnhớtươnglai?

Cácđịnhluậtkhoahọckhôngphânbiệtquákhứvớitươnglai.Nóichínhxáchơn,cácđịnhluậtkhoahọckhôngthayđổidướitổhợpcáctoántự(haylàcácphépđốixứng)đượcbiếtdướicáckýhiệuC,PvàT(Cbiếnđổihạtthànhphảnhạt,Plàphépđốixứngquagương,dođótráivàphảithaychỗnhau,cònTlàphépđảohướngchuyểnđộngcủahạt:kếtquảlàhạtchuyểnđộnglùi).CácđịnhluậtkhoahọcđiềukhiểntiếntrìnhcủavậtchấttrongmọitìnhhuốngbìnhthườnglàkhôngthayđổidướitácđộngcủatổhợphaitoántửCvàP.Nóicáchkhác,sựsốngvẫnsẽ lànhưthếđốivớingườiởhànhtinhkhácnếuhọ làphản chiếugươngcủa chúng tavàđược cấu tạobằngphảnvậtchấtchứkhôngphảibằngvậtchất.

NếucácđịnhluậtkhoahọckhôngthayđổidướitổhợpcáctoántửCvàPvàcảdướitổhợpC,PvàTthìchúngtacũngphảikhôngthayđổidướitácđộng củamộtmình toán tử T. Song cómột sự khác biệt lớn giữa hướngtrướcvàhướng sau của thời gian trongđời sống thườngngày.Hãy tưởngtượngmộtcốcthủytinhrơitừbànvàvỡtandướisàn.Nếutanhìnphimghilạihiệntượngđó,tacóthểdễdàngnóirằngphimđangbịquaytớihayquaylui.Nếuphimbịquayluithìtasẽthấycácmảnhvỡbỗngnhiêntậpkếtlại

vớinhau,rờikhỏisànvàrồinhảylênbànthànhcáicốcnguyênvẹn.Sởdĩtanóiđượclàphimđangquayluilàvìtrongmộttiếntrìnhnhưvậykhôngbaogiờcóthểquansátđượctrongcuộcsốngthườngngày.Vìngượclạicácnhàmáythủytinhđãbịphásản.

Ngườitathườnggiảithíchhiệntượngvìsaocốcvỡdướisànkhôngthểtrởthànhcốclànhtrênbànbằngđịnhluậtthứhaicủanhiệtđộnghọc.Địnhluậtđónóirằngtrongmộthệthốngkínthìvôtrậttựhayentropi,luôntăngvớithờigian.Nóicáchkhác,đấylàmộtdạngcủađịnhluậtMurphy:mọivậtluôntiếntriểntheochiềuxấuđi!Mộtcốclànhởtrênbànlàmộttrạngtháivới trật tự cao cònmột cốc vỡ dưới sàn nhà làmột trạng thái vô trật tự.Ngườitacóthểđidễdàngtừcáicốctrênbànđếncáicốcvỡdướisàntrongtươnglai.Songkhôngthểđingượclại.

Sựtăngvôtrậttựhayentropivớithờigianlàmộtthídụvềcáigọilàmũitêncủa thờigian,mộtkháiniệmphânbiệtquákhứvớihiện tại,mộtkháiniệmxácđịnhhướngcủathờigian.Ítnhấtcótớibamũitênkhácnhaucủathờigian.Thứnhấtlàmũitênnhiệtđộnghọccủathờigian,chỉhướngcủathờigiantheođóvôtrậttựhayentropitănglên.Tiếpđếnlàmũitêntâmlýhọccủa thờigian.Đólàhướngtheođóchúngtacảmnhậnđượcthờigianđangchảy,theođóchúngtachỉnhớquákhứmàkhôngcóthểcóbấtcứmộtlưuniệmnàocủatươnglai.Cuốicùnglàmũitênvũtrụhọccủathờigian.Đólàhướngcủathờigian,theođóvũtrụnởrachứkhôngcolại.

Trongchươngnàytôisẽchứngminhrằngđiềukiệnkhôngcóbiêncủavũtrụkếthợpvớinguyênlývịnhânyếucóthểgiảithíchđượcvìsaophảitồn tạimộtmũi tên thờigiancóhướngxácđịnh .Tôisẽchứngminhrằngmũitêntâmlýhọcđượcxácđịnhbởimũitênnhiệtđộnghọcvàhaimũitênđónhấtthiếtphảiluônluônchỉcùnghướng.Nếutagiảđịnhđiềukiệnkhôngcóbiênchovũtrụ,tasẽthấytồntạicácmũitênnhiệtđộnghọcvàvũtrụhọccủathờigian,songchúngkhôngchỉvềcùngmộthướngtrongsuốtlịchsửcủavũ trụ.Nhưng tôisẽchứngminhrằngchỉ trong trườnghợpkhichúngchỉ về cùngmột hướng thìmới có nhữngđiều kiện thuận lợi cho sự pháttriểnnhữngsinhvậttrítuệcókhảnăngđặtracâuhỏi:vìsaovôtrậttựtăngtheohướngthờigian,theođóvũtrụnởra?

Tôisẽbàntrướctiênđếnmũitênnhiệtđộnghọccủathờigian.Địnhluậtthứhaicủanhiệtđộnghọcđượcsuyratừdữkiện:luônluôncónhiềutrạngtháivôtrậttựhơntrạngtháicótrậttự.Vídụ,hãyxétnhữngmiếnglắphìnhtrongmộttròchơi.Cómộtvàchỉcómộtcáchxếpnhữngmiếnglắphìnhnàythànhmộthìnhcho trước.Mặtkháccóvôsốcáchxếp trongđócónhữngmiếnglắphìnhvôtrậttựvàkhôngtạothànhmộthìnhnàocả.

Giảsửmộthệxuấtpháttừmộttrongsốítỏicáctrạngtháitrậttự.Cùngvớithờigian,hệsẽtiếntriểntheocácđịnhluậtkhoahọcvàtrạngtháicủahệthayđổi.Ởmộtthờiđiểmsau,cónhiềuxácsuấtđểhệrơivàomộttrạngthái

vô trật tựhơn làmột trạng thái trật tựbởivìcónhiều trạng tháivô trật tựhơn.Nhưthếvôtrậttựsẽcóchiềuhướngtănglênvớithờigiannếuhệlúcbanđầucómộttrậttựcao.

Giảsửcácmiếnglắphìnhlúcbanđầunằmtronghộptròchơitheomộtcáchxếptrậttựvàtạothànhmộthình.Nếutalắchộp,cácmiếnglắphìnhsẽđượcxếplạitheocáchkhác.Đósẽlàmộtcáchxếpvôtrậttự,trongđócácmảnhkhôngtạothànhmộthìnhnào,vìmộtlýdođơngiảnlàcónhiềucáchxếpvôtrậttựhơn.Mộtsốnhómcácmảnhcóthểvẫncòntạothànhmộtsốbộphậncủahìnhbanđầu,songcànglắchộpthìcàngcónhiềuxácsuấtlàcácnhómđócũngtanvỡvàcácmảnhsẽrơivàotrạngtháihoàntoànvôtrậttự,trongđócácmảnhkhôngcòntạonênmộthìnhdạngnàocả.Nhưthếvôtrậttựcủacácmảnhsẽcónhiềuxácsuấttănglênvớithờigiannếubanđầuchúngởtrạngtháicótrậttựcao.

SongbâygiờgiảsửrằngChúađãquyếtđịnhlàvũtrụphảikếtthúcbằngmộttrạngtháicótrật tựcaobấtkểtrạngtháibanđầulànhưthếnào.Nhưvậyởnhữnggiaiđoạnsớmvũtrụcónhiềuxácsuấtởvàotrạngtháivôtrậttự.Điềuđócónghĩalàvôtrậttựsẽgiảmtheothờigianvàtasẽthấycốcvỡtậpkếtlạithànhcốclànhvànhảylênbàn.Nhữngconngườiquansátđượccáicốcđósẽphảisốngtrongmộtvũtrụởđấyvôtrậttựgiảmvớithờigian.Tôisẽchứngminhrằngnhữngconngườinhưthếsẽcómũitêntâmlýhọccủathờigianhướngvềphíasau.Nghĩalàhọsẽnhớcácsựkiệntrongtươnglaimàkhôngnhớcácsựkiệntrongquákhứ.Khicốcvỡ,họsẽnhớnólúcởtrênbàn,họsẽkhôngnhớlúcnóởdướisàn.

Rấtkhónóivềtrínhớcủaconngườibởivìchúngtakhôngbiếtbộnãohoạtđộngchi tiếtnhưthếnào.Songcólẽchúngtabiếtrõcáchhoạtđộngcủabộnhớcácmáytínhđiệntử.Vìvậytôisẽbànvềmũitêntâmlýhọccủathờigianđóvớimáytínhđiệntử.Tôichorằngtacólýkhigiảđịnhrằngmũitênđốivớimáytínhđiệntửtrùngvớimũitênđốivớiconngười.Nếukhôngchúngtacóthểtrúngtotạithịtrườngchứngkhoánbằngcáchsửdụngmộtmáytínhđiệntửcókhảnăngnhớgiácảcủangàymai.

Bộnhớcủamáytínhđiệntửcơbảnlàmộtthiếtbịchứanhữngyếutốcóthểnằmởmộttronghaitrạngthái.Mộtvídụđơngiảnlàcáibàntính.Trongdạngđơngiảnnhất,bàntínhgồmmộtsốdâykimloại,trênmỗidâysâumộthạt,hạtcóthểởmộttronghaivịtrí.Trướckhimộtthôngtinđượcghivàobộnhớcủamáytính,bộnhớởtrongmộttrạngtháivôtrậttự,vớixácsuấtbằngnhauchocáccặptrạngtháikhảdĩ(cáchạtcủabàntínhphânbốngẫunhiêntrêncácdây).Saukhibộnhớtươngtácvớihệcầnnhớ,bộnhớsẽởvàomộttrạngtháinhấtđịnhứngvớitrạngtháicủahệ.(Mỗihạttrênbàntínhsẽởhoặcbên tráihoặcbênphảicủadây).Như thếbộnhớchuyển từmộttrạngtháivôtrậttựsangmộttrạngtháitrậttự.

Song,đểthựchiệnsửchuyểntrạngtháiđó,cầnphảitiêutốnmộtnăng

lượng (đểchuyểnđộngcáchạt củabàn tínhhoặccungcấpđiệnnăngchomáy tínhđiện tử).Năng lượngnàysẽkhuếch tán thànhnhiệtnăngvà làmtăngvôtrậttựcủavũtrụ.Ngườitacóthểchứngminhrằngđộgiatăngvôtrậttựnàyluônluônlớnhơnđộgiatăngtrậttựcủabảnthânbộnhớ.Nhưthếlượngnhiệtxuađibởicáiquạtlàmmátmáytínhlàbằngchứngnóirằngkhimáytínhghimộtthôngtinvàobộnhớthìtổngvôtrậttựtrongvũtrụtănglên.Hướngđicủathờigiantheođómộtmáytínhghilạiquákhứtrongbộnhớlàcùnghướngvớisựgiatăngvôtrậttự.

Nhưthếsựcảmnhậnchủquancủachúngtavềhướngđicủathờigian,tứcmũitêntâmlýhọccủathờigian,đượcxácđịnhtrongbộnãobởimũitênnhiệtđộnghọccủathờigian.Tươngtựnhưmáytínhđiệntử,chúngtaphảinhớsựviệctheothứtựmàentropităng.Điềunàylàmchođịnhluậtthứhaicủanhiệt độnghọc trở thànhhầunhưhiểnnhiên.Vô trật tự tăngvới thờigianvìchúngtađothờigiantheohướngtăngcủavôtrậttự.Bạnkhôngthểcómộtcáchđánhcuộcnàokhácchắcănhơn!.Nhưngvìsaonóichunglạitồntạimộtmũitênnhiệtđộnghọccủathờigian?Haynóicáchkhác,vìsaovũtrụphảiởtrongmộttrạngtháitrậttựcaoởđầukiacủathờigian,đầumàngườitagọilàquákhứ?Tạisaovũtrụkhôngnằmtrongmộttrạngtháivôtrật tựởmọi thời gian?Nói cho cùng, điềunày cóvẻnhưnhiềuxác suấthơn.Vàtạisaohướngđicủathờigiantheođóvôtrậttựtănglạitrùngkhớpvớihướngtheođóvũtrụnởra?

Trong lý thuyết tương đối rộng cổ điển người ta không thể tiên đoánđượcvũtrụđãbắtđầunhưthếnàobởivìmọiđịnhluậtkhoahọcđãbiếtđềukhôngđúngtạiđiểmkỳdịcủavụnổlớn.Vũtrụcóthểbắtđầutừmộttrạngtháirấtđồngnhấtvàtrậttự,điềunàysẽdẫnđếnmũitênnhiệtđộnghọcvàvũtrụhọcxácđịnhcủathờigiannhưchúngtaquansát.Songvũtrụcóthểhoàntoànbắtđầutựmộttrạngtháirấtkhôngđồngnhấtvàvôtrậttự.Trongtrườnghợpnàyvìvũtrụđãởtrongtrạngtháirấtvôtrậttựrồi,chonênvôtrậttựkhôngthểtăngtheothờigiannữa.Vôtrậttựhoặckhôngthayđổi,lúcnàykhôngtồntạimũitênnhiệtđộnghọcxácđịnhcủathờigian,hoặcgiảmđi,lúcnàymũitênnhiệtđộnghọccủathờigianchỉhướngngượclạicủamũitênvũtrụhọc.Cáckhảnăngnàykhôngphùhợpvớiđiềutaquansátđược.Song ở đây lý thuyết tương đối rộng cổ điển tự tiên đoán sự sụp đổ củamình.Khiđộcongcủakhông-thờigiantrởnênlớn,cáchiệuứnghấpdẫnlượngtửtrởnênquantrọngvàlýthuyếtcổđiểnkhôngcònmôtảtốtvũtrụđượcnữa.Đểhiểuđượcvũtrụđãbắtđầunhưthếnào,taphảisửdụngmộtlýthuyếthấpdẫnlượngtử.

Trongmộtlýthuyếthấpdẫnlượngtửmuốnxácđịnhtrạngtháicủavũtrụchúngtacầnphảibiếtcáchdiễnbiếncủamọilịchsửkhảdĩcủavũtrụởbiênkhông-thờigiantrongquákhứ.Tacóthểtránhviệcmôtảnhữnggìmàtakhôngbiếtvàkhôngthểbiếtđượcnếuchorằngcáclịchsửthỏamãnđiều

kiện không có biên: chúng hữu hạn song không có biên, không có kỳ dị.Trong trường hợp đó, khởi điểm thời gian là một điểm không kỳ dị củakhông-thờigianvàvũtrụbắtđầuquátrìnhgiãnnởtừmộttrạngtháiđồngnhấtvàtrậttự.Songvũtrụkhôngthểtuyệtđốiđồngnhấtvìnhưthếnósẽviphạmnguyên lýbấtđịnhcủa lý thuyết lượng tử.Phải tồn tạinhững thănggiángnhỏvàmậtđộvàvậntốccáchạt.Mặtkhácđiềukiệnkhôngcóbiênbuộcrằngcácthănggiángđóphảiđủnhỏ,nhưngtrongmứcđộchophépcủanguyênlýbấtđịnh.

Vũtrụcóthểbắtđầubằngmộtgiaiđoạngiãnnởhàmmũhaygiãnnở“lạm phát”, trong giai đoạn này vũ trụ đã gia tăng kích thước nhiều lần.Trong quá trình giãn nở này, các thăng giángmật độ lúc đầu có thể nhỏ,songsauđóthìbắtđầulớnlên.Nhữngvùngvớimậtđộlớnhơntrungbìnhmột tý giãnnở chậmhơnvì lựchút hấpdẫn củakhối lượng thừa.Nhữngvùngnhưthếcóthểngừnggiãnnởvàcolạiđểhìnhthànhnhữngthiênhà,các sao và cả những sinh vật như chúng ta.Vũ trụ có thể bắt đầu từmộttrạngtháiđồngnhấtvàtrậttự,vàdầndầntrởthànhkhôngđồngnhấtvàvôtrậttự.Điềunàycóthểgiảithíchmũitênnhiệtđộnghọccủathờigian.

Songđiềugìsẽxảyranếuvũtrụngừnggiãnnởvàbắtđầucolại?Mũitênnhiệtđộnghọccóđổihướngkhôngvàvôtrậttựcógiảmđivớithờigiankhông?Sựđảongượcnàysẽdẫnđếnnhữngtìnhhuốngkhoahọcviễntưởngchonhữngngườisốngsótsauthờiđiểmchuyểnphatừquátrìnhcolạisangquátrìnhcolạicủavũtrụ.Nhữngngườinàysẽthấynhữngmảnhvỡtậpkếtlạitừdướisànthànhcốclànhvànhảylênbànchăng?Họsẽnhớđượcgiácảcủangàymaivàtrúngtotrênthịtrườngchứngkhoánchăng?

Nỗilolắngđiềugìsẽxảyrakhivũtrụcotrởlạiítnhiềumangtínhchấtkinhviệnvìlẽrằngvũtrụcócolạicũngítnhấtcũngvàichụctỷnămnữa.Songcómộtcáchnhanhchónghơnđểbiếtđiềugìsẽxảyralúcđólànhảyvàomột lỗđen.Quátrìnhco lạicủamộtsaođểhình thànhmột lỗđenrấtgiốngnhữnggiaiđoạncuốicủaquátrìnhcolạicủatoànbộvũtrụ.Nhưthếnếuvôtrậttựgiảmtrongphacolạicủavũtrụthìvôtrậttựcũngphảigiảmtronglòngmộtlỗđen.Nhưthếcóthểngườiduhànhvũtrụkhirơivàomộtlỗđensẽtrúngtotrênbànbiquaybằngcáchnhớlạibiđãrơivàođâutrướckhianhtađặtcược(songtiếcthayanhtakhôngđủthờigianchơilâutrướckhibiếnthànhsợimỳống.Anhtacũngkhôngthểthôngbáochochúngtabiếtvềsựđảohướngcủamũitênnhiệtđộnghọc,thậmchícũngkhôngđưakịptiềnthắngcượccủamìnhvàongânhàngvìanhtabịcuốnmấtsauchântrờisựcốcủalỗđen).Lúcđầutôinhữngtưởngrằngvôtrậttựsẽgiảmkhivũ trụco lại.Tôi tưởng thếvì tôicho làvũ trụsẽquayvề trạng tháiđồngnhấtvàtrậttựkhinótrởthànhnhỏ.Điềunàycónghĩalàphacolạilànghịchđảotheothờigiancủaphagiãnnở.Mọingườisốngtrongphacolạisẽsốngcuộcđờichảylùi:họsẽchếttrướclúcsinhravàcàngngàycàngtrẻralúcvũ

trụconhỏlại.Ýtưởngtrênrấthấpdẫnvìthiếtlậpđượcmộtđốixứngđẹpgiữahaipha

giãnnởvàcolại.Songchúngtakhôngthểchấpnhậnýtưởngnàymộtcáchtự thân,độc lậpvớinhữngý tưởngkhácvềvũ trụ.Câuhỏinảysinh là:ýtưởngnàytươngthíchhaymẫuthuẫnvớiđiềukiệnkhôngcóbiên?Nhưđãnóiởtrêntôiđãnghĩlúcđầurằngđiềukiệnkhôngcóbiênắtđòihỏirằngvôtrật tựsẽgiảmđi trongphacolại.Ởđâytôinhầmmộtphầnvì liêntưởngđếnmặtquảđất.NếutalấycựcBắclàmđiểmbắtđầutươngứngcủavũtrụ,thìđiểmkếtthúccủavũtrụsẽtươngtựnhưđiểmbanđầu,hoàntoàngiốngnhưcựcNam tương tựvớicựcBắc.SongcựcBắcvàcựcNamchỉ tươngứngvớiđiểmbắtđầuvàkếtthúccủavũtrụtrongthờigianảomàthôi.Điểmbắtđầuvàđiểmkếtthúccủavũtrụcóthểrấtkhácnhautrongthờigianthực.Tôinhầmphầnkhácvìmộtcôngtrìnhtôilàmtrướcdựatrênmộtmôhìnhđơngiảncủavũtrụtrongđóphacolạilànghịchđảotheothờigiancủaphagiãnnở.Nhưngmộtbạnđồngnghiệpcủatôi,DonPageởđạihọcquốcgiaPennsylvaniađãchỉrarằngđiềukiệnkhôngcóbiênkhôngđòihỏiphacolạinhấtthiếtphảilànghịchđạotheothờigiancủaphagiãnnở.Sauđómộtsinhviêncủatôi,RaymondLaflammeđãpháthiệnrằngtrongmộtmôhìnhphứctạphơnmộtchútthìsựcolạicủavũtrụkhácxasựgiãnnở.Tôihiểurằngtôiđãnhầm:điềukiệnkhôngcóbiênngụýrằngvôtrậttựthựctếvẫntiếptụctăng trongquá trìnhco lại.Cácmũi tênnhiệtđộnghọcvà tâm lýhọccủathờigiansẽkhôngđảohướngcảtronglỗđen,lẫnkhivũtrụbắtđầucolại.

Bạnphảilàmgìkhinhậnramìnhđãnhầmnhưthế?Mộtsốngườichẳngbaogiờchấpnhậnmìnhsaivàtiếptụctìmranhữnglýlẽmới,thườngmâuthuẫnvớinhauđểbảovệquanđiểmcủamìnhnhưtrườnghợpEddingtonđãlàmđểchốnglạithuyếtcáclỗđen.Mộtsốngườikhácphủnhậnrằngđãthựctếbảovệquanđiểmsailầm,hoặcnếucóbảovệthìcũngchỉvìmuốnvạchrasailầmcủaquanđiểmđó.Theoýtôitốthơncảlàcôngbốtrênbáoquanđiểmsailầmcủamình.MộtvídụđẹplàtrườnghợpEinsteinkhichorằnghằngsốvũtrụmàôngđưavàolýthuyếtđểthiếtlậpmôhìnhtĩnhcủavũtrụlàsailầmlớnnhấtcủađờimình.

Quaytrởlạimũitêncủathờigian,cònlạicâuhỏi:vìsaotaquansátthấycácmũitêncủanhiệtđộnghọcvàvũtrụhọclàđồnghướng?Haynóicáchkhác,vìsaovôtrậttựtănglêntheohướngcủathờigiantheođóvũtrụgiãnnở?Nếutatintưởngrằngvũtrụgiãnnởrồisauđósẽcolại,điềunàydườngnhưđãtiềmẩntrongđiềukiệnkhôngcóbiên,thìcâuhỏitrêntrởthànhcâuhỏivìsaochúngtaphảiởvàophagiãnnởchứkhôngphảiphacolại?

Chúngtacóthểtrảlờicâuhỏinàytrêncơsởcủanguyênlývịnhânyếu.Cácđiềukiệntrongphacolạikhôngchophépsựtồntạicácsinhvậtcótrítuệđểmàcókhảnăngđặtracâuhỏi:Vìsaovôtrậttựtăngtheohướngcủathờigiantheođóvũtrụgiãnnở?Sựgiãnnởlạmpháttrongnhữnggiaiđoạn

sớmcủavũtrụ,tiênđoánbởigiảthiếtkhôngcóbiên,cónghĩalàvũtrụphảigiãnnởgầntốcđộtớihạn,vớitốcđộvũtrụvừavặntránhđượcquátrìnhcolại,vànhưthếsẽkhôngcolạitrongmộtthờigianrấtdài.Đếnlúcđócácsaosẽcháyvàcácprotonvàneutrontrongcácsaosẽphânrãthànhbứcxạvàcáchạtnhẹ.Vũtrụsẽởvàotrạngtháigầnnhưvôtrậttựhoàntoàn.Mũitênnhiệtđộnghọccủa thờigiansẽkhôngxácđịnh.Vôtrật tựkhôngthể tănghơnvìvũtrụđãrơivàotrạngtháigầnvôtrậttựhoàntoàn.Song,mộtmũi tênnhiệtđộnghọcxácđịnh làcần thiếtchosựsốngcó trítuệ.Đểsống,conngườicầnthứcănvốnởdạngtrậttựcủanănglượng,biếnđổithứcănthànhnhiệtnănglàdạngvôtrậttựcủanănglượng.Nhưvậysứcsốngcó trí tuệkhông thể tồn tại trongpha co lại củavũ trụđiềunàygiảithíchvìsao taquansát thấycácmũi tênnhiệtđộnghọcvàvũ trụhọccủathờigianđềuchỉvềmộthướng.Khôngphảisựgiãnnởcủavũtrụlàmchovôtrậttựtănglên.Đúnghơnlàđiềukiệnkhôngcóbiênlàmchovôtrậttựtănglênvàcácđiềukiệntrởnênthíchhợpchosựsốngtrítuệchỉtrongphagiãnnởcủavũtrụ.

Tómlại,cácđịnhluậtkhoahọckhôngphânbiệthướngtớivàhướngluicủathờigian.Songítnhấtcóbamũitênthờigianlàmphânbiệtquákhứvớitươnglai.Đólàmũitênnhiệtđộnghọcchỉhướngtheothờigiantheođóvôtrậttựtănglên;mũitêntâmlýhọcchỉhướngtheothờigiantheođóchúngtachỉnhớquákhứmàkhôngnhớtươnglaivàmũi tênvũtrụhọcchỉhướngtheothờigiantheođóvũtrụgiãnnởchứkhôngcolại.Tôiđãchứngminhrằngmũitêntâmlýhọcvàmũitênnhiệtđộnghọcthựcchấtlàmột,vìchúngchỉcùnghướng.Giả thiếtkhôngcóbiênchovũtrụdẫnđếnsựtồntạicủamộtmũitênnhiệtđộnghọcxácđịnhcủathờigianvìvũtrụphảixuấtpháttừmột trạng thái thốngnhấtvà trật tự.Và lýdo làmsao taquansátmũi tênnhiệtđộnghọccùnghướngvớimũitênvũtrụhọclàcácsinhvậtcótrítuệchỉcóthểtồntại trongphagiãnnở.Phacolạicủavũtrụkhôngthíchhợpchosựsốngcótrítuệvìtrongphanàykhôngtồntạimũitênnhiệtđộnghọcđịnhhướngrõràng.

Tiếnbộcủaloàingườitrongquátrìnhnhậnthứcđãthiếtlậpnênmộtgócnhỏtrậttựtrongcáivôtrậttựngàycàngtăngcủavũtrụ.Nếubạnnhớmỗichữtrongquyểnsáchnày,trínhớcủabạnđãghinhậnkhoảnghaitriệuđơnvịthôngtin:trậttựtrongbộnãocủabạnđãtănglênchừnghaitriệuđơnvị.Songkhibạnđóngquyểnsáchnàybạnđãbiến ítnhấthaingàncalonănglượngtrậttựởdạngthứcănthànhnănglượngvôtrậttựởdạngnhiệtmàbạnmấtđivàomôitrườngxungquanhdođốilưuvàbayhơimồhôi.Điềunàysẽlàmtăngvôtrậttựcủavũtrụkhoảng20triệutriệutriệutriệuđơnvịhaykhoảngmườitriệutriệutriệulầnsốgiatăngtrậttựtrongbộnãocủabạn,nếubạnnhớmọithứtrongquyểnsáchnày.

Chương10:Lýthuyếtthốngnhấtcủavậtlýhọc

Chúngtađềubiếtxâydựngmộtlýthuyếtthốngnhấthoànchỉnhcủavạnvậttrongvũtrụlàmộtviệcvôcùngkhókhăn.Songthayvì,chúngtađãđạtnhiềutiếnbộtrongviệcxâydựngnhiềulýthuyếtriêngphầncókhảnăngmôtảmột tập hợp giới hạn nhiều hiện tượng bằng cách bỏ qua các hiệuứngkháchoặcxấpxỉ chúngbằngmột sốđại lượng. (Vídụ,hóahọcchophépchúngtatínhtươngtáccủacácnguyêntửmàkhôngcầnbiếtcấutrúcnộitạicủahạtnhânnguyên tử).Nhưngcuốicùngmànói,người ta luônhyvọngtìmramộtlýthuyếtthốngnhấthoànchỉnhđúngđắnbaotrùmlêntấtcảcáclýthuyếtriêngphầnnhưnhữngphépgầnđúngvàkhôngcầnđiềuchỉnhchophùhợpvớithựcnghiệmbằngcáchchọnlựagiátrịcủamộtsốđạilượngtùytiện tronglý thuyết.Sựtìmkiếmmột lý thuyếtnhưthếđượcgọi làsựtìmkiếm“lýthuyếtthốngnhấtcủavậtlý”.

Einsteinđãđểphầnlớnnhữngnămcuốiđờiđểtìmmộtlýthuyếtthốngnhất,nhưngvôvọngvìthờiđiểmchưachínmùi:lúcbấygiờngườitađãcólýthuyếtriêngphầncủahấpdẫn,củađiệntừnhưngngườitađãbiếtrấtítvềlựchạtnhân.HơnnữaEinsteinlạiphủnhậnthựctạicủacơhọclượngtử,mặcdầuôngđóngvaitròquantrọngtrongsựpháttriểncủacơhọclượngtử.Mànguyênlýbấtđịnhchắcchắnlạilàmộtđặcthùcơbảncủavũtrụtađangsống.Vìvậymộtlýthuyếtthốngnhấtthànhcôngphảichứađựngnguyênlýnày.

Nhưtôisẽtrìnhbày,hiệnnaytriểnvọngđểtìmramộtlýthuyếtnhưthếrấtsángsủabởivìchúngtađãbiếtvềvũtrụkhánhiều.Songcũngphảicảnhgiácvềmộtniềmquátựtin-chúngtatrướcđâycũngtừngcónhiềulầnbấtchợtnhữngtiasánggiảtạonhưvậy.Vídụvàođầuthếkỷnày,chúngtađãnghĩrằngmọiviệccóthểgiảithíchnhờcáctínhchấtcủamôitrườngliêntụcnhưtínhđànhồi,tínhdẫnnhiệt.Sựpháthiệncấutrúcnguyêntửvànguyênlýbấtđịnhđãkếtliễudòngtưtưởngnày.

Sauđólạimộtlầnnữa,năm1928nhàvậtlýđoạtgiảiNobelMaxBornđãphátbiểuvớimộtnhómđến thamquan trườngđạihọcGottingen:“Vậtlý,nhưchúngtađãquanniệm,sẽkếtthúctrongvòng6tháng”.NiềmtincủaMaxBorndựatrêncơsởsựpháthiệnbởiDiracphươngtrìnhmôtảchuyểnđộngcủaelectron.Ngườitanghĩrằngmộtphươngtrìnhtươngtựcũngsẽmôtảchuyểnđộngcủaproton,vốnlàmộthạtkhácduynhấtđượcbiếtvàolúcbấygiờ,vàđiềuđócónghĩa làvật lý lý thuyếtcáochung.Nhưngsựpháthiệnneutronvàlựchạtnhânđãlàmthayđổitấtcả.Dẫunóilênđiềunày,tôivẫntinrằngđãcónhiềucơsởchomộtniềmlạcquanthậntrọngrằngchúng

tahiệnnayđangởgầngiaiđoạncuốitrênquátrìnhtìmranhữngđịnhluậtcơbảncủathiênnhiên.Trướcđâytôiđãmôtảlýthuyếttươngđốirộngvốnlàthuyếtriêngphầnvềhấpdẫnvànhữnglýthuyếtriêngphầnkhácvềcáctươngtácyếu,mạnhvàđiệntừ.Batươngtácsaucóthểtổnghợplạithànhlýthuyếtthốngnhấtlớn(GUT),lýthuyếtnàykhônghoànchỉnhvìnókhôngbaohàmhấpdẫnvàvìnó chứamột số đại lượng, như khối lượng tương đối của nhiều hạt khácnhau,màchúng takhông tiênđoánđược từ lý thuyếtmàphải chọnđểcóđượckếtquảphùhợpvới thựcnghiệm.Khókhănchủyếu trongquá trìnhtìmkiếmmột lý thuyếtcókhảnăng thốngnhấthấpdẫnvớicác tương táckhác là lý thuyết tươngđối rộng -một lý thuyết “cổđiển”, cónghĩa là lýthuyếtnàykhôngchứađựngnguyên lýbấtđịnhcủacơhọc lương tử.Mặtkhác,cáclýthuyếtriêngphầnkháclạiphụthuộcthiếtyếuvàocơhọclượngtử.

Vìvậybướcđầu tiêncần thiết làkếthợp lý thuyết tươngđối rộngvớinguyên lý bất định.Nguyên lý bất định đưa đến kết quả là “chân không”cũngchứađầycáccặpảohạtvàphảnhạt.Nhữngcặpnàycómộtnănglượngvôcùng lớnvàvìvậychúngcómộtkhối lượng lớnvôcùng theophươngtrìnhnổitiếngcủaEinsteinE=mc2.Lựchúthấpdẫncủachúngsẽuốncongvũtrụvàomộtkíchthướcvôcùngbé.

Tươngtựnhưthế,nhữngđạilượngvôcùnglớnvônghĩacũngxuấthiệntrongcáclýthuyếtriêngphầnkhác,songtrongtấtcảcáctrườnghợp,nhữngđạilượngnàyđềucóthểloạibỏnhờquátrìnhtáichuẩnhóa.Quátrìnhnàyloại bỏnhữngđại lượngvô cùng lớnbằng cáchđưavàonhữngđại lượngkháccũnglớnvôcùng.Mặcdầukỹthuậtđángngờvềmặttoánhọcnhưngtỏrahữuhiệuvềmặtthựchànhvàđượcsửdụngtrongcáclýthuyếtđóđểđưaracáctiênđoánlýthuyếtphùhợpvớithựcnghiệmvớimộtđộchínhxáckỳdiệu.Songphéptáichuẩnhóachứamộtkhiếmkhuyếtnghiêmtrọngxéttừquanđiểmđitìmmộtlýthuyếthoànchỉnh,bởivìrằngtheophépnàythìgiátrịcủacáckhốilượngvàcườngđộcáctươngtáckhôngthểtiênđoántừlýthuyếtmàphảiđượcchọnsaochophùhợpvớithựcnghiệm.

Đểđưanguyênlýbấtđịnhvàolýthuyếttươngđốirộng,chúngtachỉcóhaiđạilượngcầnhiệuchỉnh:hằngsốhấpdẫnvàhằngsốvũtrụ.Songđiềuchỉnhchúngcũngchưađủđểloạitrừtấtcảcácđạilượngvôcùnglớn.Nhưvậyngười tađiđếnmột lý thuyết trongđómộtsốđại lượng,nhưđộcongcủakhông-thờigian,quảlàlớnvôcùng,songchúngtaphảiquansátvàđođượcchúngnhưnhữngđạilượnghữuhạnhoàntoàn!Vấnđềkếthợplýthuyếttươngđốirộngvớinguyênlýbấtđịnhđãbịnghingờtrongmộtthờigiannhưngcuốicùngđượcxácnhậnnhờnhữngtínhtoánchitiếtvàonăm1972.Bốnnămsau,mộtlờigiải,gọilà“siêuhấpdẫn”đượcđưara.Ýtưởngcủasiêuhấpdẫnlàkếthợphạtspin2gọilàgraviton,lượng

tửtruyềnlựchấpdẫn,vớinhữnghạtmớikháccóspin3/2,1,1/2và0.Trongmộtýnghĩanhấtđịnhtấtcảnhữnghạtnàycóthểđượcxemlànhữngtrạngtháikhácnhaucủacùngmột“siêuhạt”,nhưthếtathốngnhấtđượcnhữnghạtvậtchấtcóspin1/2và3/2vớinhữnghạttruyềntươngtáccóspin0,1và2.Cặpảohạt/phảnhạtcóspin1/2và3/2sẽcónănglượngâm,vànhưthếsẽtriệttiêunănglượngcủacáccặpảohạtcóspin2,1và0.Điềunàyloạiđượcnhiềuđạilượnglớnvôcùng,songmộtsốđạilượngnhưthếcóthểcònsótlại.Nhưngnhữngphéptínhcầnthiếtđểchứngminhrằngcócònsótlạimộtsốđạilượngnhưthếhaykhônglàquákhóvàquádàiđếnnỗikhôngaisẵnsàngthựchiệnchúng.Ngaycảvớimáytính,ngườitaướclượngcũngphảicầnítnhất4năm,vàxácsuấtphạmmộtphéptínhsaihoặccóthểnhiềuhơn,làrấtlớn.Vìvậyngườitadámtinrằngmìnhđãtínhđúngchỉkhinàocómộtngườinàokhác lặp lại nhữngphép tínhđóvà cũng thuđượcmộtkếtquảtươngtự,vàđiềunàyxemchừngkhóxảyra.

Dẫucónhữngkhảnăngđóvàthựctếcáchạttrongcáclýthuyếtsiêuhấpdẫnxemchừngkhôngtươngthíchvớicáchạtquansátđược,đasốcácnhàvậtlýtintưởngrằngsiêuhấpdẫncónhiềuxácsuấtlàcâutrảlờiđúngđắnchobàitoánlýthuyếtthốngnhấtcủavậtlý.Hìnhnhưđâylàconđườngtốtnhấtđểthốngnhấthấpdẫnvớicáctươngtáckhác.Songđếnnăm1984thìýkiếnthayđổinghiêngvềcáigọilànhữnglýthuyếtdây.

Hình10.1:Tronglý thuyếtdây,nhữngđối tượngcơbảnkhôngphải làcáchạt,vốnchỉchiếmmộtđiểmkhônggian,màlàmộtthựcthểcóđộdàivàkhôngcóchiềunàokhác,giốngnhưmộtsợidâyvôcùngmảnh.Nhữngsợidâynàycóthểcómút(gọilàdâyhở)hoặcchúngcócácmúttrùngnhauđểtạothànhmộtvòng(gọilàdâykín)(xemcácHình10.1và10.2).

Hình10.2:Mỗihạtchiếmmộtđiểmkhônggiantạimỗiđiểmthờigian.Nhưthếlịchsửcủanócóthểbiểudiễnđượcbởimộtđườngtrongkhông-thờigian (đó là“đườngvũ trụ”).Cònmộtdây thìchiếmmộtđường trongkhônggiantạimỗithờiđiểm.Vìvậylịchsửcủanólàmộtmặthaichiềugọilàmặtvũtrụ(mỗiđiểmtrênmặtvũtrụnhưthếđượcmôtảbởihaisố:mộtsốxácđịnhthờigiancònsốkiaxácđịnhvịtrícủađiểmtrêndây).Mặtvũtrụcủamộtdâyhở làmộtgiải;haiđườngbiên làmộtquỹđạocácmút trongkhông-thờigian(H.10.1).Mặtvũtrụcủamộtdâykínlàmộtốnghìnhtrụ(H.10.2)vớimặtcắtlàmộtđườngcongkínmôtảvịtrícủadâytạimộtthờiđiểm.

Hình10.3:Haidâycóthểnốivớinhauthànhmộtdây;trongtrườnghợpdâyhởchúngnốinhautạiđiểmmút(H.10.3),trongtrườnghợpdâykínthìchúngnốinhaunhưhaiốngmaylạivớinhautrongmộtcáiquần(H.10.4).

Tươngtựnhưvậy,mộtdâycóthểphânthànhhaidây.Tronglýthuyếtdây,thựctếtrướcđâyđượcxemnhưlàhạtthìgiờđâyđượcbiểudiễnnhưnhững sóng chạy dọc theo dây, giống như những sóng trên một dây đàn

rung.Hình10.4:Quátrìnhbứcxạhoặchấpthụmộthạtbởimộthạtkhácứng

vớiquátrìnhphânrãhoặctổnghợpcủacácdây.Vídụ,lựchấpdẫncủamặttrời lên tráiđấtđượcbiểudiễn trong lý thuyếthạtnhưphátsinh trongquátrìnhbứcxạgravitonbởimộthạtcủamặttrờivàhấpthụbởimộthạtcủatráiđất(H.10.5).Còntronglýthuyếtdây,quátrìnhnàyứngvớimộtốngcódạnghìnhchữH(H.10.6).HaiốngđứngcủachữHứngvớicáchạtcủamặttrờivàcủatráiđất,cònốngngangứngvớihạtgravitonchuyểnđộnggiữacáchạttrên.

Hình 10.5:Lý thuyết dây cómột lược sử lý thú.Đầu tiên cuối nhữngnăm60, lý thuyếtdâyđượcxâydựngđểmô tả tương tácmạnh.Tư tưởngxuấtphátlàcáchạtnhưprotonvàneutroncóthểxemnhưsóngcủamộtdây.Lựctươngtácgiữacáchạtsẽđượcmôtảbởinhữngđoạnnốigiữacácdâynhưtrongmộtmạngnhện.Đểlýthuyếtnàychonhữngtrịsốquansátđượccủatươngtácmạnhgiữacáchạt,cácdâynàyphảigiốngnhưnhữngdâycaosuvớilựckéokhoảngmườitấn.Hình 10.6:Năm1974, Joel Scherk ở Paris và John Schwarz ởViện côngnghệCaliforniacôngbốmộtbàibáochỉrằnglýthuyếtdâycóthểmôtảlựchấpdẫnnếulựccăngcủadâylớnhơnnhiều,khoảngnghìntriệutriệutriệutriệutriệutriệutriệu(1với39sốkhông)tấn.Nhữngtiênđoáncủalýthuyếtdâytrùngvớinhữngtiênđoáncủathuyếttươngđốirộngởcácđộdàibìnhthường,songkhácnhauởcáckhoảngcáchcựcbé,nhỏhơnmộtphầnnghìntriệutriệutriệutriệutriệucentimet(1centimetchiacho1với33sốkhông).Songcôngtrìnhcủahaitácgiảtrênkhôngnhậnđượcsựchúýđặcbiệt,bởivì vào đúng khoảng thời gian đó đa số từ bỏ lý thuyết dây của tương tácmạnhđểtheođuổilýthuyếtquarkvàgluonvìlýthuyếtsaucóvẻphùhợpvớiquansátthựcnghiệm.Scherkchếttronghoàncảnhbithảm(ôngbịbệnhđáiđườngrơivàotrạngtháihônmêkhikhôngcómộtaibêncạnhđểchíchchoôngmộtmũi insulin).Như thế chỉ còn lạiSchwarz làngườiduynhấtbênhvựccholýthuyếtdây,nhưngbâygiờvớimộttrịsốgiảđịnhcaohơnnhiềucủalựccăng.

Năm1984sựquantâmđếnlýthuyếtdâyđộtngộtđượctáisinh,vìhailýdo.Lýdothứnhấtlàthựctếngườitakhôngthuđượctiếnbộgìnhiềutrongviệcchứngminhrằngsiêuhấpdẫnlàhữuhạnhoặcsiêuhấpdẫncókhảnănggiảithíchcácloạihạtmàchúngtaquansátđược.Lýdothứhailàsựrađờibài báo của John Schwarz và Mike Green ở Đại học Nữ hoàng Mary,Londonchứngminh rằng lý thuyếtdâycó thểgiải thíchsự tồn tạicáchạtxoắntráinộitạiđãđượcquansát.Dẫulýdothếnàođinữa,mộtsốđôngđãđổvàolýthuyếtdây,vàmộtphươngánmớiđượcpháttriển,cáigọilàdâyhỗnhợp(heterotic),phươngánnàydườngnhưgiảithíchđượccácloạihạtquansát.

Lý thuyết dây cũng dẫn đến những vô hạn, song người ta nghĩ rằngchúngsẽbịloạitrừtrongnhữngphươngánnhưdâyhỗnhợp(mặcdầuhiệnnayđiềuđóchưachắcchắn).Lý thuyếtdâycũngcóvấnđề:các lý thuyếtnàychỉđúngnếukhông-thờigiancóhoặcmườihoặchaimươisáuchiều,chứkhôngphảilàbốn.Cácchiềukhônggianphụsẽlàcơsởchokhoahọcviễntưởng:Thựcvậy,cácchiềuđócókhilàcầnthiết,nếukhôngcóchúngthìchắcchắnphảicómộtthờigianrấtlớnđểđiđếnđượccácsaovàthiênhàvì thuyết tươngđốibuộcrằngchúng takhông thểchuyểnđộngnhanhhơnánhsáng.

Hình10.7:Ýtưởngkhoahọcviễntưởnglàhyvọngchúngtacóthểtìmđượcmộtquỹđạotắttheomộtchiềuphụ.Tacóthểhìnhdungđượcđiềunàynhưsau.Hãytưởngtượngrằngkhông-thờigianchúngtasốngchỉcóhaichiềuvàcongnhưmộtmặthìnhxuyến(H.10.7).NếubạnởđiểmAvàmuốnđiđếnđiểmBthìbạnphảiđi theođườngAMB(đườngđậmnét) trênmặtxuyến.SongnếucóchiềuthứbathìbạncóthểduhànhtheochiềuđódọcđườngAEB(đườnggạch)nhiềulầnngắnhơnAMB.

Tạisaochúngtakhôngcảmnhậnđượccácchiềuphụđó,nếuquảthậtchúngtồntại?Tạisaochúngtachỉ thấyđượcbachiềukhônggianvàmộtchiềuthờigian?Mộtgợiýgiải thíchđiềuđólàcácchiềuphụbịuốncongthànhmộtkhônggian cókích thước rất nhỏ, cỡmộtphần triệu triệu triệutriệu triệu inch. Không gian này quá nhỏ nên chúng ta không thấy được:chúng ta chỉ thấy thời gian một chiều và không gian ba chiều, trong đókhông-thờigiangầnnhưphẳng.Điềunàygiốngnhưmặtmộtquảcam:nếunhưbạnnhìngầnsátbạnsẽ thấynhữngchỗcongvànhănnheo,songnếubạnnhìn từkhoảngcáchxa,bạnsẽkhông thấynhữngchỗ lồi lõmvàmặtquảcamgầnnhưtrơntru.

Đối với không thời gian cũng vậy: ởmột kích thước rất bé ta cómộtkhônggianmườichiều,cóđộcong lớn,songởnhữngkích thước lớnhơnbạnsẽthấyđộconghoặccácchiềuphụ.Nếubứctranhđólàđúngthìcókhókhănchonhữngngườimuốnduhànhvàovũ trụ:cácchiềuphụquábéđểcontàuvũtrụcóthểlọtqua.Tạisaochỉcómộtsốchiều,chứkhôngphảitấtcả,bịuốncongtrongmộtquảcầunhỏ?Cóthểđoánchừngrằngtrongnhữnggiaiđoạnsớmcủavũtrụ,tấtcảcácchiềuđềubịuốncongrấtnhiều.Tạisaochỉmộtchiềuthờigianvàbachiềukhônggianmởphẳngra,còncácchiềukhácthìvẫnởtrongtrạngtháibịuốncong?

Hình 10.8.:Một câu trả lời là nguyên lý vị nhân.Một không gian haichiều khôngđủ để chophép hình thànhnhững sinh vật phức tạp như conngười.Vídụ,nhữngsinhvậthaichiềusốngtrênmộtkhônggianmộtchiềuphảitrèoquanhauđểvượtnhau.Nếumộtsinhvậthaichiềuănmộtvậtgìthì vật đó không thể tiêu hóa hoàn toàn được, sinh vật đó phải đưa phầnkhôngtiêuhóađượcrađằngmồmbởivìnếucómộtđườngtiêuhóaxuyên

quacơthểthìđườngnàysẽphâncơthểsinhvậtthànhhainửariêngbiệt:vàsinhvậthaichiềusẽphảirãthànhhaimảnh(H.10.8).Tươngtựnhưvậythậtkhómàhìnhdungđượcbấtkỳmộthệtuầnhoànmáunàotrongcơthểsinhvậthaichiều.

Nhiều vấn đề sẽ nảy sinh vớimột không gian có nhiều chiều hơn bachiều.Lựchấpdẫngiữahaivậtsẽgiảmnhanhvớikhoảngcáchhơnlàtrongkhônggianbachiều.(Trongkhônggianbachiềulựchấpdẫngiảm1/4lầnnếukhoảngcáchtănglêngấpđôi.Trongkhônggianbốnchiều,nógiảm1/8lần,trongkhônggiannămchiều,1/16lầnvàcứnhưvậy).Sựgiảmnhanhđódẫn đến quỹ đạo của các hành tinh, như quả đất, xung quanhmặt trời sẽkhôngổnđịnh:mộtnhiễuloạnnhỏkhỏiquỹđạotròn(nhiễuloạngâyrabởilực hút hấp dẫn của các hành tinh khác) sẽ làm cho quả đất chuyển độngxoắnvàrơivàohoặcxadầnmặt trời.Chúngtasẽbị thiêucháyhoặcchếtcóng.

Trongmột khônggian có số chiều lớnhơnba, dángđiệu củahấpdẫntheokhoảngcáchkhôngchophépmặt trời tồn tại trongmột trạng tháiổnđịnhvớiápsuấtcânbằnghấpdẫn.Mặttrờihoặcsẽrãrahoặccolạithànhmộtlỗđen.Trongtấtcảcáctrườnghợptrên,mặttrờisẽkhôngcònlànguồnnhiệtvàánhsángvốncầnthiếtchosựsốngtrêntráiđất.Ởmộtkíchthướcnhỏ hơn, các lực điện buộc rằng các electron phải quay quanh hạt nhânnguyêntửtheocáchquảđấtquayquanhmặttrời.Nhưvậyhoặccácelectroncũng thoát khỏi nguyên tử hoặc rơi xoắn vào hạt nhân. Do đó chúng takhôngthểcócácnguyêntửmàchúngtađãquansátđược.

Vậyrõràngcuộcsống,nhưchúngtanhậnthức,chỉcóthểtồntạitrongnhững vùng của không - thời gian ở đómột chiều thời gian và ba chiềukhônggiankhôngbịuốncongnhỏlại .Điềunàycónghĩalàchúngtacầnphảicầucứuđếnnguyênlývịnhânyếu,miễnlàchúngtachứngminhđượcrằnglýthuyếtdâyítnhấtchophépsựtồntạicủanhữngvùngnhưthếtrongvũtrụ-vàhìnhnhưlýthuyếtdâychophép.Cóthểtồntạinhữngvùngkháccủavũtrụ,hoặcnhữngvũtrụkhác(theobấtcứýnghĩanào),trongđótấtcảcácchiềuđềubịuốncongnhỏlạihoặctrongđócónhiềuhơnbốnchiềugầnnhưphẳng,songtiếcthayởđâykhôngthểtồntạimộtsinhvậtcótrítụênàođểquansátnhữngđiềucóthậtđó.

Ngoàivấnđềsốchiềucủakhônggian,lýthuyếtdâycònđặtranhiềuvấnđềkháccầngiảiquyếttrướckhilýthuyếtnàyđượccôngnhậnlàlýthuyếttốihậucủavậtlýhọc.Chúngtacònchưabiếtrằngcóphảimọiđạilượngvôhạn sẽ triệt tiêunhauvà cũng chưabiết làm thếnàođểnối liềnmột cáchchính xác các sóng trên dây với các hạt quan sát được. Tuy nhiên, có lẽnhữngcâutrảlờichocáccâuhỏiđósẽđượctìmratrongvàinămtớivàđếncuối thếkỷnày chúng ta sẽ rõ liệu lý thuyếtdây cóquả thực là lý thuyếtthốngnhấtcủavậtlýtừlâumongđợichăng.

Mặtkhác,cóthựctồntạimộtlýthuyếtnhưthếhaykhông?Haylàchúngtachỉđangsănđuổimộtảoảnh?Cóthểcóbakhảnăng:1.Quả thực tồn tạimột lý thuyết thốngnhấthoànchỉnh,màchúng tamộtngàynàođósẽphátminhranếuchúngtacóđủtàinăng.2.Khôngtồntạimột lý thuyết tốihậucủavũtrụ,chỉ tồntạimộtchuỗivôcùngcáclýthuyếtmôtảvũtrụngàycàngchínhxác.3.Khôngtồntạimộtlýthuyếtnàovềvũtrụ;cácsựcốkhôngthểtiênđoánvượtquámộtgiớihạnnàođó,chúngxảyramộtcáchngẫunhiênvàtùytiện.

Vớisựrađờicủacơhọclượngtử,chúngtaphảithừanhậnrằngcácsựcốkhôngthểđượctiênđoánvớiđộchínhxáchoàntoànmàluôntồntạimộtđộbất định.Nếumuốn,người ta có thểgán sựngẫunhiênđó cho sự canthiệp củaChúa, song đấy quả làmột loại can thiệp kỳ lạ : không cómộtchứngcứgìchothấycanthiệpđóđượcđịnhhướngđếnbấtkỳmộtmụcđíchnào.Thựcvậy,nếucómộtmụcđích,thìkhôngcònlàngẫunhiênnữa.Trongthờiđạihiệnnay,chúngtađãloạibỏhữuhiệukhảnăngthứbabằngcáchđịnhnghĩa lạimụcđíchcủakhoahọc:mục tiêucủakhoahọc làxâydựngmộtbộđịnhluậtcókhảnăngchophépchúngtatiênđoáncácsựcốchỉtronggiớihạnxácđịnhbởinguyênlýbấtđịnh.

Khảnăngthứhai,khảnăngtồntạimộtchuỗivôcùngnhữnglý thuyếtngày càng tinh tế, rất phù hợp với kinh nghiệm của chúng ta. Nhiều lầnchúngtađãtăngđộnhạycácphépđovàthựchiệnnhiềuloạithínghiệmmớichỉvớimụcđíchpháthiệnnhữnghiệntượngmớikhôngtiênđoánđượcbởilýthuyếthiệncóvàđểmôtảnhữnghiệntươngđóchúngtaphảipháttriểnmộtlýthuyếttiêntiếnhơn.Vìvậykhôngcógìđángngạcnhiêunếuthếhệhiệntạicáclýthuyếtthốngnhấtphạmsailầmkhikhẳngđịnhrằngkhôngcóđiềugìcănbảnmớixảyragiữanănglượngcỡ100GeVcủalýthuyếtthốngnhấtyếuđiệntừvànănglượngcỡngàntriệutriệuGeVcủalýthuyếtthốngnhấtlớn.Đánglýchúngtaphảihyvọngtìmranhiềutầngcấutrúcmớicơbảnhơnquarkvàelectronhiệnnayđượcxemnhưlànhữnghạt“cơbản”.

Songdườngnhưhấp dẫn có thể cung cấpmột giới hạn cho chuỗi các“hộp tronghộp”đó.Nếu ta cómộthạt vớinăng lượng lớnhơncái gọi lànănglượngPlanck,mườitriệutriệutriệuGeV(1theosaulà19sốkhông),thìkhốilượngcủanócómậtđộtậptrungđếnmứcmànótựcôlậptáchkhỏiphầnvũtrụcònlạivàbiếnthànhmộtlỗđennhỏ.Nhưvậydườngnhưchuỗicáclýthuyếtngàycàngtinhtếđóphảicómộtgiớihạnkhichúngtatiếpcậnvớinhữngnănglượngngàycàngcao,vàắtphảicómộtlýthuyếttốihậuvềvũtrụ.Lẽdĩnhiên,nănglượngPlancklàmộtquãngđườngdàikểtừnhữngnănglượngcỡnghìnGeVmàhiệnnaylànănglượnglớnnhấtchúngtacókhảnăng tạo ra trongphòng thínghiệm.Chúng tachưavượtquađượchốngăncáchđótrongmộttươnglaigầnnhờnhữngmáygiatốc!Nhưngnhữnggiaiđoạnsơsinhcủavũtrụđãtừngchứngkiếnnhữngnănglượngnhưvậy.

Tôinghĩrằngcónhiềuxácsuấtmaymắnlàsựnghiêncứunhữnggiaiđoạnsớmcủavũtrụkếthợpvớinhữngđòihỏichặtchẽcủatoánhọcsẽdẫnchúngtađếnmộtlýthuyếtthốngnhấthoànchỉnhtronggiớihạncuộcđờicủanhiềungườichúngta.

Nếuchúngtathựcsựtìmrađượcmộtlýthuyếttốihậuvềvũtrụ,thìđiềuđócóýnghĩanhưthếnào?Chúngtakhôngbaogiờcóthểchắcchắnhoàntoànrằngquảchúngtađãtìmrađượcmộtlýthuyếthoànchỉnh.Songnếulýthuyếtchặtchẽvềmặt toánhọcvà luônđưarađượcnhững tiênđoánphùhợpvớiquansát,thìchúngtacóthểtinmộtcáchhợplýrằngđólàmộtlýthuyếtđúngđắn.Nósẽkếtthúcmộtchươngdàivàvinhquangtronglịchsửđấutranhtrítuệcủaconngườiđểtìmhiểuvũtrụ.Đồngthờinócũngcáchmạnghóasựhiểubiếtcácđịnhluậtvũtrụcủaconngườibìnhthường.

ThờiNewtonmộtngườicógiáodụcrấtcó thểnắmđược toànbộkiếnthứccủanhânloại, ítnhấtlàtrongnhữngnétcơbản.Songsauđónhịpđộpháttriểncủakhoahọclàmchokhảnăngtrênkhôngcònnữa.Vìrằngcáclýthuyếtluônthayđổiđểphùhợpvớinhữngquansátmới,chúngkhôngthểđơngiảnhóađượcđểmộtngườibìnhthườngcóthểhiểuthấu.Bạnphảilàmột chuyêngia, và dẫu làmột chuyêngia bạn cũng chỉ hy vọngnắmbắtđượcmột phần các lý thuyết khoahọc.Ngoài ra, khoahọc tiếnnhanh tớimứcmànhữngkiếnthứcthunhậnđượcởhọcđườngcũngluônluônbấtcậpvớithờiđại.Chỉmộtsốítngườitheokịpđượcranhgiớitiềntiêucủakiếnthức và số người đó cũng phải dùng toàn bộ số thời gian để làm việc vàchuyênsâuvàomộtlĩnhvựcnhỏ.Sốđôngcònlạiítcókháiniệmvềnhữngthànhtựutiêntiếncủakhoahọcvànhữngvấnđềlýthúnảysinhtừđó.

Bảymươinămvềtrước,nếutinlờiEddington,thìchỉcóhaingườihiểuđược lý tuyết tương đối rộng.Ngày nay hàng vạn sinh viên đại học hiểuđược lý thuyết đó và hàng triệu người ít nhất đã làm quen với lý thuyếttươngđốirộng.Nếumột lý thuyết thốngnhấthoànchỉnhđượcphátminh,thìchỉcòn làvấnđề thờigianđểcho lý thuyếtđóđược thấu triệt rồiđơngiảnhóavàgiảngdạytrongnhàtrườngítnhấtlànhữngnétcơbản.Vàmọingườichúngtasẽđủkhảnăngcóđượcmộtkiến thứcnhấtđịnhvềnhữngđịnhluậttrịvìvũtrụvàđiềuhànhcuộcsốngcủachúngta.Ngaynếuchúngtatìmđượcramộtlýthuyếtthốngnhấthoànchỉnh,điềuđócũngkhôngcónghĩa rằngchúng tacókhảnăng tiênđoánmọisựcốnóichung,vìhai lẽ.Thứnhấtdogiớihạnmànguyênlýbấtđịnhcủacơhọclượngtửápđặtlênmọiquyềnlựctiênđoáncủachúngta.Chúngtakhôngthểlàmgìđượcđểvượtgiớihạnđó.Songtrongthựctiễngiớihạnthứnhấtđócònítràngbuộchơn giới hạn sau đây.Vấn đề là ở chỗ chúng ta không thể giải được cácphươngtrìnhcủalýthuyếtmộtcáchtuyệtđốichínhxác,trừvàitrườnghợprấtđơngiản.(ChúngtakhôngthểgiảichínhxácngaycảchuyểnđộngbavậttronglýthuyếthấpdẫncủaNewton,vàkhókhănsẽtănglênvớisốvậttham

giachuyểnđộngvàmứcđộphứctạpcủalýthuyết).Chúngtađãbiếtnhiềuđịnhluậtđiềuhànhvậtchấtdướimọiđiềukiện

cựcđoannhất.Nóiriêng,chúngtađãbiếtnhữngđịnhluậtcơbảnđiềukhiểnmọiđốitượngcủahóahọcvàsinhhọc.Nhưngchắcchắntakhôngquycácđốitượngđóvềthựctrạngcủanhữngbàitoángiảiđược;đếnnaychúngtađãđạtđượcquáíttiếnbộtrongviệctiênđoáncáchxửsựcủaconngườitừnhữngphươngtrìnhtoánhọc!Vìvậyngaylúcchúngtatìmrađượcmộtbộhoàn chỉnh các định luật cơ bản, cũng cần nhiều năm trong tương lai đểtháchđốtrítuệconngườitìmranhữngphươngphápxấpxỉhữuhiệuhơnđểcó thểđưaranhữngtiênđoáncó íchvềnhữnghệquảkhảdĩ trongnhữngtìnhhuốngthựctiễnvàphứctạp.Mộtlýthuyếtthốngnhấtchặtchẽvàhoànchỉnh,chỉmớilàbướcđầu:mụctiêucủachúngtalàmộtsựhiểubiếthoànchỉnhvềmọisựcốchungquanhvàvềbảnthânsựtồntạicủachúngta.Chương11:Kếtluận

Chúngtaởtrongmộtthếgiớiđanglàmchúngtaphảitrầmtưsuynghĩ.Chúngtamuốngánchomọivậtxungquanhchúngtamộtýnghĩanàođóvàtựhỏibảnchất củavũ trụ làgì?Chúng tađóngvai trògì trongvũ trụvàchúngtatừđâutới?Tạisaovũtrụlạinhưthếnày?

Để trả lờinhữngcâuhỏiđóchúng tahãychọnmột“bức tranhcủavũtrụ”.Mộtbứctranhlàhìnhảnhcủavôsốconrùachởtrênlưngmộtmặtđấtphẳng,cònbứctranhkháccóthểlàlýthuyếtsiêudây.Cảhaiđềulànhữnglýthuyếtvềvũtrụ,songlýthuyếtthứhaitoánhọchơnvàchínhxáchơn.Cảhai lý thuyết đều thiếu cơ sở thực nghiệm: chưa ai thấy con rùa khổng lồmangmặt đất trên lưngvà cũng chưa ai thấyđượcmột siêudây.Song lýthuyếtrùakhôngthểđứngvữngnhưmộtlýthuyếtkhoahọcvìtheothuyếtnày thìchúng tacó thểrơi từvùngbiêncủa thếgiới.Điềunàykhôngphùhợpvới thực nghiệm, nếu khônghóa ra đó lại là cách giải thích cho hiệntượngnhiềungườiđượcgiảđịnhlàbiếnmấttrongtamgiácBermuda!

Nhiềulýthuyếttrướcđâynhằmmôtảvàgiảithíchvũtrụgắnliềnvớiýtưởngchorằngcácsựcốvàhiệntượngthiênnhiênđềuđiềuhànhbởithầnlinh,dođómangsắctháicảmtínhvàkhôngcókhảnăngtiênđoán.Cácthầnlinhsốnggiữanhữngvậtthểnhưsông,núi,kểcảcáctinhcầunhưmặttrăng,mặt trời.Conngười phải cảm tạ và cầu xin thần linh để đất đai đượcphìnhiêu,mưagió thuậnhòa.Songdầndần,người tanhận thấyđượcmột sốquyluật:mặttrờiluônmọcởphươngĐôngvàlặnởphươngTâybấtkểlàngườitacódângvậthysinhchothầnmặttrờihaykhông.Hơnnữa,mặttrời,mặttrăngvàcáchànhtinhkhácluônchuyểnđộngtheonhữngquỹđạonhấtđịnhmàngườitacóthểtínhtoánđượctrướcvớimộtđộchínhxácrấtcao.Mặt trờivàmặt trăngcó thểvẫn lànhững thần linh, songnhững thần linhnày luôn tuân thủ những đinh luật rất nghiêm ngặt, không ngoại lệ, nếungườitatinvàonhữngtruyềnthuyếtnhưmặttrờiđãdừnglạichoJoshua.

Banđầunhữnghiện tượngbình thườngvànhữngquy luậtnhư thếchỉquansátđượctrongmộtsốlĩnhvựcnhưthiênvănhọcvàtrongmộtsốtìnhhuốngkhác.Song lúcvănminh loàingườicàng tiếnhóavàđặcbiệt trong300nămgầnđây,nhiềuđịnh luậtđãđượcpháthiện.Sự thànhcông trongviệcứngdụngnhữngđịnhluậtđóđãdẫnLaplaceởđầuthếkỷ19thiếtlậpthuyếtquyếtđịnhluận,vớinộidungkhẳngđịnhrằngdựatrêncácđịnhluậtchúngtacóthểxácđịnhđượcsựtiếntriểncủavũtrụmộtcáchchínhxáckhibiếtcấuhìnhcủavũtrụtạimộtthờiđiểm.

QuyếtđịnhluậncủaLaplacekhônghoànchỉnhởhaiđiểm.Luậnthuyếtđóchưanóirõphảichọncácđịnhluậtnhưthếnàovàkhôngxácđịnhđượccấuhìnhbanđầucủavũ trụ .Cácđiểmđó thuộcphầncủaChúa.Chúasẽchọnvũ trụbắtđầunhư thếnào,nhữngđịnh luậtnàomàvũ trụphải tuântheo,nhưngChúakhôngcanthiệpvàovũtrụnữa,mộtkhivũtrụđãbắtđầu.Thựcra,Chúachỉgiớihạnvàonhữnglĩnhvựcmàkhoahọcthếkỷ19chưahiểuđược.

HiệnnaythìchúngtađãbiếtcácniềmhyvọngvềmộtquyếtđịnhluậncủaLaplacekhông thể làhiện thựcđược, ítnhất là theonhữngquanđiểmcủaông.Nguyênlýbấtđịnhcủacơhọclượngtửbuộcrằngmộtsốcặpcácđại lượng liênhợp,nhưvị trívàvận tốccủamộthạt,không thể tiênđoánđồngthờiđược.

Cơhọclượngtửgiảiquyếttìnhhuốngnàythôngqualýthuyếtlượngtửtrongđó hạt không thể đồng thời có vị trí và vận tốc xác định, ở đây hạtđược biểu diễn bởimột sóng, những lý thuyết lượng tử là tất định với ýnghĩarằngchúngđưaranhữngđịnhluậtxácđịnhsựtiếntriểncủasóngtheothờigian.Như thếkhibiết sóng tạimột thờiđiểm thìngười tacó thể tínhsóngởbấtcứthờiđiểmnào.Điềukhôngtiênđoánđượcvàmangtínhxácsuấtchỉxuấthiệnkhitamuốnđoánnhậnsóngđểbiếtvịtrívàvậntốccủahạt.Nhưngcólẽđâylàmộtsailầmcủachúngta:rấtcóthểkhôngtồntạivịtrí,vậntốccủahạtmàchỉtồntạicácsóng.Chẳngqualàchúngtamuốnlàmứngsóngvớicáctiềnniệmcủachúngtavềvịtrívàvậntốc.Chonênsựkhókhăntrongviệcđoánnhậnnóitrênlànguyênnhâncủatínhkhôngthểtiênđoánbiểukiếncủalýthuyếtlượngtử.

Quảvậy,chúngtađãđịnhnghĩalạinhiệmvụcủakhoahọclàphátkiếnnhữngđịnh luậtchophépchúngta tiênđoáncácsựkiệnvớiđộchínhxácquyếtđịnhbởinguyênlýbấtđịnh.Nhữngcâuhỏicònlạilà:cácđịnhluậtvàtrạngtháibanđầucủavũtrụđãđượcchọnnhưthếnàovàvìsao?

Trongquyểnsáchnày, tôiđãchú trọngđặcbiệtđếncácđịnh luậtđiềuhànhhấpdẫn,bởivìchínhhấpdẫnđãquyếtđịnhhìnhdángcáccấutrúcvĩmôcủavũtrụ,mặcdầuhấpdẫnlàtươngtácyếunhấttrongbốnloạitươngtác.Cácđịnh luậthấpdẫnkhông tương thíchvớiquanniệmphổbiếnđếnmãigầnđâylàvũtrụkhôngthayđổitheothờigian:Lựchấpdẫnlàlựchút,

điều này buộc vũ trụ hoặc giãn nở hoặc co lại. Theo lý thuyết tương đốirộng,tồntạimộttrạngtháivớimậtđộvôcùngtrongquákhứ,vụnổlớnlàđiểmbắtđầucủathờigian.Tươngtựnhưvậy,nếutoànbộvũtrụcolại,phảitồntạimộttrạngtháikháccũngvớimậtđộvôcùngtrongtươnglai,vụnổlớn sẽ là chungcuộc của thờigian.Ngaycả trong trườnghợp toànvũ trụkhôngcolại,thìcũngtồntạinhữngkỳdịtrongnhữngvùngđịaphươngdẫnđếnsựcolạithànhnhữnglỗđen.Cáckỳdịnàysẽlàđiểmkếtthúccủathờigianđốivớiairơivàolỗđen.Tạivụnổlớnhoặccácđiểmkỳdịkhác,mọiđịnhluậtkhoahọckhôngcònđúngnữa,vàChúatoànquyềnchọnchovũtrụphảibắtđầunhưthếnào.

Khichúngtatổnghợpcơhọclượngtửvớilýthuyếttươngđốirộng,hìnhnhưtồntạimộtkhảnăngmới,chưaxuấthiệntrướcđây:khônggianvàthờigiancóthểlàmthànhmộtkhônggianhữuhạnbốnchiềukhôngkỳdị,khôngbiêntựanhưmặtđấtsongvớisốchiềulớnhơn.Dườngnhưýtưởngđócóthểgiảithíchđượcnhiềuđiềutrongvũtrụ,vínhưsựđồngnhấtởthangvĩmôcũngnhưnhữngnơilệchkhỏisựđồngnhấtđónhưthiênhà,cácsaovàthậmchícảcơthểnhưchúngta.Cũngphảitínhđếnchiềucủamũitênthờigianmàchúngtaquansátđược.Nếuvũtrụlàhoàntoàntựthân,khôngkỳdị,khôngbiênvàcóthểmôtảhoàntoànđượcbởimộtlýthuyếtthốngnhất,thìđiềunàysẽđưaranhữngràngbuộcsâusắcchovaitròcủaChúanhưlàĐấngsángtạo.

Einsteinđãmột lầnnêuracâuhỏi:“Chúacóbaonhiêuphươngánkhixâydựngvũtrụ?”.Nếuquảgiảthiếtkhôngcóbiênlàđúng,thìChúakhôngcòntựdođểchọncácđiềukiệnbanđầunữa.LẽdĩnhiênChúacòncóthểchọncácđịnhluậtmàvũtrụphảituântheo.Songsựlựachọncũngkhôngđượcnhiềulắm,cóthểchỉmột,haihoặcmộtsốítcáclýthuyếtthốngnhấthoànchỉnh,nhưthuyếtdâyhỗnhợp,làkhôngchứamâuthuẫnvàchophépsựtồntạinhữngcấutrúcphứctạpnhưconngườilànhữngsinhvậtcókhảnăngnghiêncứucácđịnhluậtcủavũtrụvàđặtracâuhỏivềbảnchấtcủaChúa.

Chodầuchỉcómộtlýthuyếtthốngnhấtlàkhảdĩ,thìlýthuyếtđócũnggồmcảmột tậphợpnhữngquy luật vàphương trình.Điềugì đã thổi sứcsống vào những phương trình đó và tạo ra vũ trụ để chúng có thểmô tảđược?Cáchtiếpcậncủakhoahọcđểxâydựngmộtmôhìnhtoánhọckhôngthểcungcấpcâutrảlờivìsaotồntạimộtvũtrụđểcóthểmôtả.Vìsaovũtrụphảichịutrảiquamọisựphiềnhàcủacuộcsống?Lýthuyếtthốngnhấtcóphảivìquáhấpdẫnmàphải tồn tạikhông?Hoặcvũ trụcầnmộtĐấngsángtạo,vànếuquảnhưvậy,Đấngsángtạocótácdụnggìkhácđốivớivũtrụ?VàaisángtạoraĐấngsángtạo?

Đến thờiđiểmnày,đa sốcácnhàkhoahọcquábận rộnvàoviệcpháttriểnnhữnglýthuyếtđểtrảlờicâuhỏinhưthếnàovàchưabậntâmtớicâu

hỏivìsao?Mặtkhác,nhữngtriếtgialànhữngngườimàcôngviệclàđặtracâuhỏivìsao,lạikhôngđủđiềukiệnđểthôngtuệđượccáclýthuyếthiệnđại.Ởthếkỷthứ18,cácnhàtriếthọcxemtoànbộkiếnthứccủaloàingườitrongđócókhoahọctựnhiênlàthuộclĩnhvựccủahọvànêuranhữngcâuhỏinhư:vũtrụcóđiểmbanđầukhông?Songđếncácthếkỷ19và20,khoahọc trởnênquákỹ thuật và toánhọchóađối với nhữngnhà triết họcnóiriêngvànóichunglàđốivớinhiềungườitrừmộtsốchuyênrấtsâu.CáctriếtgiagiớihạncáccâuhỏiđếnmứcmàWittgenstein,nhàtriếthọcdanhtiếngnhấtcủathếkỷnàyđãthốtlên:“Nhiệmvụduynhấtcònlạicủatriếthọclàphân tíchngônngữ”.Thật làmột thoái trào lớnkhởi truyền thống lớn laocủatriếthọctừAristotleđếnKant.Songnếuchúngtaphátkiếnđượcmộtlýthuyếtđầyđủ,thìlýthuyếtđócũngkhôngđượchiểungaybởiđasố,ngoạitrừmộtsốchuyêngia.Nhưngsauđó,tấtcảchúngta,cácnhàkhoahọc,cáctriếtgiavàcảmọingườibìnhthườngsẽhiểuđượcvàthamgiathảoluậncâuhỏivìsaovũtrụvàchúngtatồntại.Nếuchúngtatìmđượccâutrảlời,thìđólàsựthắnglợicuốicùngcủatrítuệconngười-chúngtasẽbiếtđượcýcủaChúa.

ALBERTEINSTEINEinsteincóliênquanđếnchínhsáchbomnguyêntử,điềuđóđượcnhiều

ngườibiết:Einsteinđãviếtmộtbức thưnổi tiếng thuyếtphụcTổng thốngFranklinRooseveltcầnnghiêmtúcnghiêncứuvấnđềbomnguyên tử,sauchiếntranhEinsteinlạihoạtđộngchốngchiếntranhhạtnhân.Nhưngnhữnghoạtđộngđókhôngphảilànhữnghoạtđộngcôlậpcủamộtnhàkhoahọcbịlôicuốnvàothếgiớichínhtrị.CuộcđờiEinsteintheocáchphátbiểucủaông“đượcchiađôigiữachínhtrịvàcácphươngtrình”.

Einsteinbắtđầunhữnghoạtđộngchínhtrịrấtsớm,vàothờigianChiếntranhthếgiới lầnthứnhất,khiôngcònlàgiáosưởBerlin.Đaukhổvìsốphậnnhiềungườibịchết,ôngthamgiavàonhiềucuộcbiểutìnhchốngchiếntranh. Ông bênh vực sự chống đối của công luận và hô hào quần chúngkhông tòng quân, nhưng điều này làm ôngmất cảm tình của nhiều đồngnghiệp.Sauđótrongthờikỳchiếntranh,ônghoạtđộngnhằmcảithiệncácmốiquanhệquốctế.Điềunàycũngvậy,làmchoôngbịnhiềuthếlựccămghét,vàchínhkiếncủaôngđãsớmgâychoôngnhiềukhókhăntrongviệcsangMỹ,thậmchíchỉđểđọcbàigiảng.

HoạtđộngchínhtrịlớnthứhaicủaEinsteinlàchủnghĩaphụcquốcDothái (Zionism).Mặc dầu thuộc dòng họDo thái, Einstein phủ nhận các ýtưởngkinhthánhcủaChúa.SongtrướcnhữnghànhđộngbàiDotháingàycàngpháttriểntrướcvàtrongChiếntranhthếgiớilầnthứnhất,EinsteinđãdầndầnhòanhậpvớicộngđồngDotháivàtrởthànhmộtngườiphátngônxuấtsắccủaphongtràoZionism.Bịnhiềukẻchốngđối,Einsteinvẫnkhôngngừngnóilênquanđiểmcủamình.Cáclýthuyếtcủaôngbịcôngkích,thậmchícảmộttổchứcchốngEinsteincũngđãđượcthànhlập.MộtkẻđãbịtruytốvìhôhàokẻkhácgiếtEinstein(vàchỉbịphạt6đôla).NhưngEinsteinluônbìnhtĩnh:khimộtcuốnsáchcótên“100tácgiảchốngEinstein”đượccôngbố,Einsteinđãtrảlời:“Nếutôisailầmthìchỉcầnmộtcũngđủrồi”.

Năm 1933, Hitle lên cầm quyền. Lúc đó Einstein ở Mỹ tuyên bố sẽkhôngvềĐức.Khibọnquốcxãđộtphánhàcủaôngvàtịchthutàikhoảnnhàbăngcủaông,mộttạpchíBerlinđãđăngtítđậm“NhữngtintứctốtlànhtừEinstein...ông ta không trở về nữa”.Trước sự đe dọa của bọn quốc xã,Einsteinđã từbỏchínhsáchhòabìnhvàsợcácnhàkhoahọcĐứcsẽ làmmộtquảbomnguyêntử,ôngđãđềnghịMỹphảilàmbomnguyêntử.Songngaytrướclúcquảbomnguyêntửđầutiênnổ,ôngcôngkhaibáođộngvềmốihiểmhọacủamộtcuộcchiếntranhhạtnhânvàđềnghịthiếtlậpsựkiểmsoátquốctếđốivớivũkhíhạtnhân.

Trongsuốtcuộcđời,cáchoạtđộngchochínhsáchhòabìnhcủaEinsteinđạt ítkếtquảvàcó lẽcũngkhônggâyđượcnhiều tìnhcảm trongbạnbè.

SongcáchoạtđộngchophongtràoZionnismcủaôngđãđượcđềnđápmộtcáchxứngđángnăm1952, khi ôngđượcđề cử tổng thống Israel.Ông từchốivớilýdolàngâythơvềchínhtrị.Songlýdochínhlạilàkhác:theolờicủaônglà:“phươngtrìnhquantrọnghơnđốivớitôi,vìchínhtrịlàchohiệntại,cònphươngtrìnhlàchovĩnhcửu”.

GALILEOGALILEICólẽGalileohơnaicảlàngườicócônglớntrongsựrađờicủakhoahọc

hiệnđại.Ôngđã chống lạiNhà thờThiên chúagiáo, sự chốngđối này làđiểmtrungtâmtriếthọccủaông.Galileolàmột trongnhữngngườikhẳngđịnhrằngconngườicóthểhyvọnghiểuđượcvũtrụhoạtđộngnhưthếnào,vàngoàira,chúngtacóthểlàmđượcđiềuđóbằngcáchquansátvụtrụthựctại.

GalileotinvàolýthuyếtCopecnicus(chorằngcáchànhtinhquayxungquanhmặt trời) từ lâu, nhưng chỉ khi tìm ra được những điều hiển nhiênchứngminhcholýthuyếtđóthìôngmớiphátbiểucôngkhai.GalileoviếtvềlýthuyếtcủaCopecnicusbằngtiếngItaly(khôngphảibằngtiếngLatinhhàmlâm),vàquanđiểmcủaôngđượcủnghộrộngrãingoàicáctrườngĐạihọc.Điều này làm các giáo sư phái Aristotle giận dữ, họ liênminh chống lạiGalileovàthuyếtphụcnhàthờThiênchúatriệtbỏlýthuyếtCopecnicus.

GalileobènđếnRomeyếtkiếnchínhquyềntôngiáo.ÔnglýluậnrằngKinhthánhkhôngnhằmmụcđíchnóivớichúngtamọiđiềuvềcáclýthuyếtkhoahọc,vàphảigiảđịnhrằng,nhữngđoạnmàKinhthánhtráivớilươngtrichỉ lànhữngđoạncó tínhchấtphúngdụ,biểu tượngmà thôi.NhưngNhàthờ, losợđếnmộtvụbêbốicóthểlàmthấtbạicuộcđấutranhchốngđạoTin lành,nênđã sửdụngnhữngbiệnphápđànáp.Nhà thờ tuyênbố luậnthuyếtCopecnicuslà“giảdốivàsailầm”vàonăm1616vàyêucầuGalileođừngbaogiờ“bảovệvàgiữquanđiểm”lýthuyếtđó.Galileođãphụctùng.

Năm1623,mộtngườibạncố tricủaGalileo lêngiữchứcGiáohoàng.LậptứcGalileotìmcáchhoạtđộngđểNhàthờthủtiêusắclệnhnăm1616.Ôngđãthấtbại,tuyvậycũngđượcphépviếtmộtcuốnsáchbànluậnvềhaithuyếtAristotlevàCopecnicusdướihaiđiềukiện:khôngđượcđứngvềpháinàovàphảikếtluậnrằngconngườikhôngbaogiờxácđịnhđượcvũtrụhoạtđộngnhưthếnàobởivìChúacókhảnăngtạoranhữnghệquảbằngcáchconngườikhônghìnhdungđược,conngườikhôngthểápđặtgiớihạnchoquyềnlựcvôbiêncủaChúa.

Cuốnsách“Đốithoạicủahaihệthốngchủyếucủathếgiới”đượchoànthànhvàxuấtbảnnăm1632.Vớisựgiúpđỡtriệtđểcủakiểmduyệt,cuốnsáchngaylậptứcđượchoannghênhkhắpchâuunhưlàmộtkiệttácvềvănchươngvàtriếthọc.Liềnsauđó,GiáohoànghiểungayrằngđộcgiảđãthấyrõcuốnsáchlàmộttácphẩmđầythuyếtphụccủalýthuyếtCopecnicusvàhốitiếcvìđãchophépxuấtbản.Giáohoànglýluậnrằngmặcdầucuốnsáchđãđượckiểmduyệt,nhưngGalileovẫnviphạmsắc lệnhnăm1616.GiáohoàngđãđưaGalileoratrướcTòaándịgiáo,tòaánnàyđãtuyênánquảnthúcGalileo tạigia suốtđờivàbuộcôngcôngkhai tuyênbố từbỏ thuyết

Copecnicus.Lầnthứhai,Galileophụctùng.GalileovẫnlàmộtngườiThiênchúagiáongoanđạo,songsựtintưởng

củaôngvào tínhđộc lập củakhoahọckhôngbaogiờbị lay chuyển.Bốnnămtrướckhichết,năm1642,trongkhiôngvẫnbịquảnthúc,mộtbảnthảocủacuốnsáchkiệttácthứhaicủaôngđãlọtđếnmộtnhàxuấtbảnHàLan.Đó là cuốn “Hai khoa học mới”, cuốn sách này không chỉ là sự ủng hộCopecnicus,màcònlàsựhìnhthànhcủavậtlýhiệnđại.

ISAACNEWTONIsaacNewtonkhôngphảilàmộtngườidễchịu.Nhữngmốiquanhệcủa

ôngvớicáchọcgiảkhácrấttaitiếng,phầnlớncácgiaiđoạnsaucủacuộcđờiôngquyệnliềnvớinhữngtranhluậngaygắt.SaukhicuốnsáchPrincipiaMathematica, cuốn sách uy tín nhất trong vật lý được xuất bản, Newtonnhanhchóngchiếmđược lòngngưỡngmộcủa côngchúng.ÔngđượcchỉđịnhlàmChủtịchHộiHoànggiavàtrởthànhnhàkhoahọcđầutiênđượcphongtướchầu.

NewtonmâuthuẫnvớinhàthiênvănHoànggia,JohnFlamsteed,ngườitrướcđâyđãcungcấpchoNewtonnhiềudữliệucầnthiếtchocuốnPrincipiaMathematica nhưng giờ đây từ chối không cung cấp các thông tin màNewtoncần.Newtonđãkhông lấysựbó tay làmcâu trả lời,ôngđã tựbổnhiệmmìnhvàobangiámđốcĐài thiênvănHoànggiavà tìmcáchbuộcphảicôngbốngaylậptứccácdữliệu.ÔngcònbốtríthugiữcôngtrìnhcủaFlamsteedvàgiao choEdmondHalley, kẻ tử thùcủaFlamsteed, chuẩnbịxuấtbảncôngtrìnhđó.

Flamsteedđưavụnàyratòavàkịpthờiđạtđượclệnhtòaánngănkhôngchoxuấtbảntàiliệubịđánhcắp.NewtontứcgiậnvàtrảthùbằngcáchxóabỏmọitàiliệudẫnvềFlamsteedtrongcáclầntáibảncủaPrincipia.

Một cuộc tranh luận nghiêm túc hơn đã xảy ra với nhà triết họcĐức,GottfriedLeibniz.CảLeibnizlẫnNewtonđãpháttriển,độclậpnhaungànhtoánhọcgọilàCalculus(Giảitích)vốnsẽlàcơsởchovậtlýhiệnđại.Mặcdầu hiện nay chúng ta đều biếtNewton đã phát hiệnCalculus nhiều nămtrước Leibniz, song ông đã công bố các công trình của mình muộn hơnLeibniz.NảysinhcuộctranhcãiomsòmchungquanhviệcailàngườiđầutiêntìmraCalculusgiữacácnhàkhoahọcủnghộhaiphía.Mộtđiềuđángchúý, là số lớncácbàibáoủnghộNewton lạiđượcchínhôngviết ravàcôngbốdướitêncácbạnông!Khicuộccãivãcóquymôlớn,LeibnizmắcsailầmlớnlàkêugọiHộiHoànggiagiảiquyết,NewtonvốnlàChủtịchHộihoànggia,đãchỉđịnhmộthộiđồng“khôngthiênvị”đểtraxétvấnđề,hộiđồngnày“tìnhcờ”lạigồmtoànnhữngngườibạncủaNewton!Songchưahết:NewtonđãđềlênhộiđồngmộtbảnbáocáovàHộiHoànggiađãcôngbốbảnbáocáonày,trongđóNewtoncôngkhaibuộctộiLeibnizđánhcắpcôngtrình.Chưathỏamãn,NewtoncònviếtmộtbàibáonặcdanhđiểmlạibảnbáocáonóitrênvàđăngvàotạpchíriêngcủaHộiHoànggia.SaukhiLeibnizchết,ngườitacònkểlạirằngNewtonđãtuyênbốôngvôcùngthỏadạkhi“làmvỡquảtimcủaLeibniz”.

Trongthờikỳhaicuộctranhluận,NewtonđãrờiCambridgevàtrườngĐạihọc.Ônglàngười tíchcực thamgiaphong tràochính trịchốngThiên

chúagiáoởCambridgevàsaunàytạiNghịviệnvàđượcbổnhiệmvàochứcvụrấthờilàThốngđốcSởđúctiềnHoànggia.ỞcươngvịnàyNewtonđãsửdụngtàinăngcủamìnhđểgiandốivàcayđộctheocáchdễđượcxãhộichấpnhậnhơn,ôngcũngđãthànhcôngtrongmộtchiếndịchlớnchốnglàmbạcgiảvàthậmchícũngđưanhiềukẻlêngiátreocổ.

Thuậtngữ1.Bảotoànnănglượng(Conservationofenergy):Địnhluậtkhẳngđịnhrằngnănglượng(cóthểtínhtươngđươngquakhốilượng)khôngsinhkhôngdiệt.

2.Bứcxạvibaphônghaynền (Microwavebackground radiation):Bứcxạ từ lúcvũ trụcònnóng,hiệnnaydịchvềphíađỏnhiềuđếnmứckhôngcòn là ánh sáng nữamà là dưới dạng viba (tức sóng radio với bước sóngkhoảngvàicm).3.Bướcsóng(Wavelength):Khoảngcáchgiữahaiđỉnhhoặchaihõmsóngkềnhau.

4.Chântrờisựcố(Eventhorizon):Biêncủalỗđen.5.Chiềucủakhônggian(Spatialdimension):mộttrongbachiềucủakhônggian,cácchiềunàyđồngdạngkhônggiankhácvớichiềuthờigian.6.Chuyểndịchđỏ(Redshift):SựchuyểndịchvềphíađỏcủaánhsángphátratừmộtsaođangchuyểnđộngxadầnbởihiệuứngDoppler.7.Cơhọclượngtử(QuantumMechanics):LýthuyếtpháttriểntừnguyênlýlượngtửcủaPlanckvànguyênlýbấtđịnhcủaHeisenberg.8.Điệntích(Electriccharge):Mộttínhchấtcủahạtđẩy(hoặchút)mộthạtkháccócùng(hoặckhác)dấuđiệntích.9.Điềukiệnkhôngcóbiên(Noboundarycondition):Ýtưởngchorằngvũtrụlàhữuhạnsongkhôngcóbiên(trongthờigianảo).10.Địnhlýkỳdị(Singulaitrytheorem):Mộtđịnhlýchứngminhrằngdướinhữngđiềukiệnnàođókỳdịphảitồntạivànóiriêngvũtrụphảixuấtpháttừmộtkỳdị.11.Đường trắc địa (Geodesic):Đườngngắn nhất (hoặc dài nhất) giữa haiđiểm.12.Electron(Electron):Hạtmangđiệntíchâmquaychungquanhhạtnhânnguyêntử.

13.Giatốc(Acceleration):Tốcđộthayđổicủavậntốc.14.Giâyánhsáng(nămánhsáng)(Lightsecond(lightyear):Khoảngcáchánhsángđitrongmộtgiây(mộtnăm).15.GiớihạnChandrasekhar(Chandrasekharlimit):Khốilượngtốiđakhảdĩchomộtsaolạnhbền,lớnhơnkhốilượngđóthìsaocolạithànhlỗđen.16.Hạtảo(Virtualparticle):Trongcơhọclượngtử,đólàmộthạttakhôngghi nhận được trực tiếp nhưng sự tồn tại của nó gây ra những hệ quả đođược.17. Hạt nhân (Nucleus): Hạch trung tâm của nguyên tử, gồm neutron vàprotonliênkếtvớinhaubởitươngtácmạnh.18.Hằngsốvũtrụ(CosmologicalConstant):MộthằngsốEinsteinđưavàolýthuyếtđểlàmchokhông-thờigiancóthểgiãnnở.

19.Khốilượng(Mass):Lượngvậtchấttrongmộtvậtthể;quántínhđốivớigiatốc.20.Không-thờigian(Space-time):Mộtkhônggianbốnchiều,mỗiđiểmtươngứngvớimộtsựcố.21.Khôngđộtuyệtđối(Absolutezero):Nhiệtđộthấpnhất,tạiđóvậtchấtkhôngcònnhiệtnăng.22.Kỳdị(Singularity):Mộtđiểmcủakhônggiantạiđóđộcongcủakhông-thờigiantrởnênvôcùng.

23.Kỳdịtrầntrụi(NakedSingularyty):Mộtđiểmkỳdịcủakhông-thờigiankhôngbaoquanhbởilỗđen.24.Lỗđen(Blackhole):Vùngcủakhông-thờigiantừđókhônggìthoátrakhỏiđược,kểcảánhsángvìhấpdẫnquámạnh.25.Lỗđennguyên thủy (Primordialhole):Lỗđen sinh raởcácgiaiđoạnsớmcủavũtrụ.26.Lựcđiệntừ(Electromagneticforce):Lựctươngtácgiữacáchạtcóđiệntích,đâylàloạilựcmạnhthứhaitrongbốnloạilựctươngtác.

27.Lựctươngtácmạnh(Strongforce):Lựctươngtácmạnhnhấttrongbốnloạilựctươngtác,cóbánkínhtácdụngngắnnhất.Lựcnàycầmgiữcáchạtquarktrongprotonvàneutron,vàliênkếtprotonvàneutronđểlàmthànhhạtnhân.

28.Lựctươngtácyếu(Weakforce):Lựctươngtácyếuthứhaitrongbốnloạitươngtáccơbảnvớibánkínhtácdụngrấtngắn.Lựcnàytácdụnglêncáchạtvậtchấtnhưngkhôngtácdụnglêncáchạttruyềntươngtác.29.Lượngtử(Quantum):Đơnvịkhôngphânchiađượctrongbứcxạvàhấpthụcủacácsóng.

30.Máy gia tốc hạt (Particle Accelerator): Thiết bị sử dụng các namchâmđiện, có khả năng làm chuyểnđộng của các hạt có điện tích, do đóchúngthuđượcnănglượnglớnhơn.

31.Nănglượngthốngnhấtđiệntừyếu(Electroweakunificationenergy):Nănglượngcỡ100GeV,caohơntrịsốđóthìkhôngcònsựkhácbiệtgiữacáctươngtácđiệntừvàyếu.32.Nănglượngthốngnhấtlớn(Grandunificationenergy):Nănglượngmàtrênđó,tươngtácđiệntừ,yếuvàmạnhkhôngcònkhácbiệtnhau.

33. Nguyên lý bất định (Uncertainty principle): Ta không bao giờ đođượcchínhxáccùngmộtlúcvậntốcvàvị trícủahạt;càngbiếtchínhxácđạilượngnàythìcàngbiếtítchínhxácvềđạilượngkia.

34.Nguyênlýloại trừ(Exclusionprinciple):Haihạtđồngnhấtcóspinbằng1/2khôngthểcócùngmộtvịtrívàvậntốc(tronggiớihạnxácđịnhbởinguyênlýbấtđịnh).

35. Nguyên lý lượng tử của Planck (Planck’s quantum principle): Ýtưởngchorằngánhsáng(hoặcbấtkỳmộtsóngcổđiểnnàokhác)cóthểhấp

thụtheotừnglượngnhỏrờirạc,gọilàlượngtử,cónănglượngtỷlệvớitầnsố.36.Nguyênlývịnhân(Anthropicprinciple):Tathấyvũtrụnhưthếnàybởivìnếuvũtrụkhácđithìtakhôngthểtồntạiđượcđểmàquansátnó.37.Nguyêntử(Atom):Đơnvịcơsởcủavậtchất,gồmhạtnhân(cấuthànhbởiprotonvàneutron)cócácelectronchuyểnđộngchungquanh.

38.Nhịnguyênsóng/hạt(Wave/particleduality):Mộtkháiniệmtrongcơhọclượngtửnóirằngkhôngcósựkhácbiệtgiữasóngvàhạt:mộthạtđôikhicódángđiệucủasóngvàngượclại.39.Nónánhsáng(Lightcone):Mộtmặttrongkhông-thờigiangiớihạncáchướngkhảdĩchonhữngtiaánhsángđiquamộtsựkiện.40.Neutrino:Mộthạtcơbảnrấtnhẹ(rấtcóthểlàkhôngcókhốilượng)chỉthamgiavàocáctươngtácyếuvàhấpdẫn.41.Neutron:Mộthạtkhôngcóđiện tích,nhiều tínhchất rấtgiốngproton,chiếmxấpxỉmộtnửasốtrongcáchạtcấuthànhhạtnhânnguyêntử.42.Pha(Phase):Đốivớisóng,vịtrícủanótrongchukỳtạimộtthờiđiểm:đâylàsốđoxemsóngđangởđỉnh,ởhõmhoặcởmộtđiểmnàokhácgiữađỉnhvàhõm.43.Phảnhạt(Antiparticle):Mỗiloạihạtcómộtphảnhạttươngứng.Mỗihạtchạmvớiphảnhạtthìchúnghủynhauvàchothoátranănglượng.44. Phóng xạ (Radioactivity): Quá trình chuyển biến tự phát củamột hạtnhânnguyêntửnàythànhmộthạtnhânkhác45. Phổ (Spectrum): Sự tách, ví dụ, của sóng điện từ ra các tần số thànhphần.46.Photon(Photon):Lượngtửcủaánhsáng.47.Positron(Positron):Phảnhạtcủaelectron,mangđiệntíchdương.48. Proton (Proton):Hạtmang điện tích dương, chiếm xấp xỉmột nửa sốtrongcáchạtcấuthànhhạtnhânnguyêntử.

49.Quark (Quark) :Hạt (có điện tích) thamgia tương tácmạnh.Mỗiprotonvàneutronđượccấuthànhbởibahạtquark.50.Radar(Radar):Mộthệthốngphátsóngvôtuyếnđểđịnhvịmộtvậtthểbằngcáchđothờigiansóngđếnvàphảnxạlạitừvậtđó.51.Saoneutron(Neutronstar):Mộtsaolạnhtồntạinhờlựcđẩyphátsinhvìnguyênlýloạitrừgiữacácneutron.52.Saolùntrắng(Whitedwarf):Saolạnhbềntồntạinhờlựcđẩyphátsinhvìnguyênlýloạitrừgiữacácelectron.53.Spin (Spin):Một thuộc tínhnội tại của cáchạt cơbản, gắn liền, songkhôngđồngnhấtvớikháiniệmquaythôngthường.54.Sựcố,sựkiện(Event):Mộtđiểmtrongkhông-thờigian,xácđịnhbởithờiđiểmvàvịtrícủanó.55.Tầnsố(Frequency):Đốivớiánhsáng,sốchukỳtrongmộtgiây.

56.Thờigianảo(Imaginarytime):Thờigianđobằngsốảo.57.Thuyết thốngnhất lớn (Grandunified theory -GUT):Lý thuyết thốngnhấtcáctươngtácđiệntừ,mạnhvàyếu.

58.Thuyết tương đối hẹp (Special relativity):Thuyết củaEinstein dựatrênýtưởngchorằngcácđịnhluậtkhoahọcphảilànhưnhauđốivớimọiquansátviênchuyểnđộngtựdo,vớivậntốcbấtkỳ.

59.Thuyếttươngđốirộnghaytổngquát(Generalrelativity):LýthuyếtcủaEinsteindựa trêný tưởngchorằngcácđịnh luậtkhoahọcphải lànhưnhauđốivớimọiquansátbấtkểhọchuyểnđộngnhưthếnào.Lýthuyếtnàygiảithíchlựchấpdẫnbằngđộcongcủakhông-thờigian4chiều.60.TiaGamma (Gamma ray): Sóng điện từ với bước sóng rất ngắn, phátsinhtrongquátrìnhphânrãphóngxạ,hoặcvachạmcủacáchạtcơbản.61.Tọađộ (Coordinates):Cácsốdùngxácđịnhvị trícủamộtđiểm trongkhônggianvàthờigian.62. Tổng hợp hạt nhân (Nuclear fusion):Quá trình trong đó hai hạt nhânchạmnhau,tổnghợpthànhmộthạtnhânduynhấtnặnghơn.

63. Trạng thái dừng (Stationary State): Trạng thái không thay đổi vớithờigian:Mộtquảcầuquayvớivậntốckhôngthayđổilàởvàomộttrạngtháidừngbởivìtrạngtháiđólànhưnhauởmọithờiđiểm,mặcdùđókhônglàmộttrạngtháitĩnh.64.Trọnglực(Weight):Lựctươngtáccủatrườnghấpdẫnlênmộtvật,lựcnàytỷlệvớikhốilượng.65.Trường(Field):Mộtthựcthểtồntạirộngtrongkhông-thờigian,ngượclạivớihạtchỉvốntồntạiởmộtđiểmvàmộtlúc.66.Từ trường (MagneticField):Trường của các lực từ, hiệnnayđãđượcthốngnhấtvớiđiệntrườngthànhđiện-từtrường.

67.Tỷlệ(Proportional):“XđượcgọilàtỷlệvớiY”nếukhinhânYvớimộtsốnàođó,thìXcũngbịnhânvớisốđó.“XđượcgọilàtỷlệnghịchvớiY”nếukhinhânYvớimộtsốnàođó,thìXbịchiachosốđó.68.Vụcolớn(Bigcrunch):Điểmkỳdịchungcuộccủavũtrụ.69.Vụnổ lớn (Bigbang):Điểmkỳdịbanđầucủavũ trụ.70.Vũ trụhọc(Cosmology):Mônhọcvềtoànbộvũtrụ.

Lượcsửvề“mộtlượcsử”Tôihãycònkinhngạcvớisựđónnhậncuốnsáchcủatôi:Lượcsửthời

gian.NóđãởdanhmụcsáchbánchạynhấtcủaNewYorkTimestrongbamươibảytuầnvàcủatờSundayTimestronghaimươitámtuần(cuốnsáchđượcxuấtbảnởAnhchậmhơnởMỹ).Vànóđượcdịch rahaimươi thứtiếng (haimươimốt,nếubạnxem tiếngMỹkhácvới tiếngAnh).Điềuđóvượtsựmongướccủatôidựđịnhlầnđầutiênvàonăm1982viếtmộtcuốnsáchvềVũtrụchođộcgiảrộngrãi.Mộttrongcácýđịnhcủatôilàkiếmtiềntrảhọcphíchocongái.(Trênthựctế,khicuốnsáchcuốicùngrồicũngrađược,congáitôiđanghọcnămchót).Nhưngđộngcơchủyếucủatôimuốngiảithíchsựhiểubiếtcủachúngtavềvũtrụđãtiếnlênđượcbaonhiêuvàcólẽchúngtađãgầntớimứcnàotrongviệc tìmkiếmmột lý thuyếthoànchỉnhmôtảvũtrụvàtấtcảmọithứtrongđó.

[BàinàyinlầnđầutiênvàothángChạpnăm1988trêntờIndependent.Trênthựctế,LượcSửThờiGianđãởtrongdanhmụcsáchbánchạynhấtcủatờNewYorkTimestrong53tuần,tạinướcAnh,đếnthángGiêngnăm1993,nóđãởtrongdanhmụcsáchbánchạynhấtcủatờSundayTimestrong205tuần.Đếnnayđãcó33bảndịchkhôngkểbảntiếngViệt.]Nếutôiphảidànhthờigianvàsứclựcđểviếtmộtcuốnsách,tôimuốnnócóthểđếnvớimộtsốngườicàngđôngcàngtốt.Cáctácphẩmkhoahọcmàtôiđãviếtcho tới lúcđóđềudoCambridgeUniversityPressxuấtbản.Họđãlàmcôngviệcrấttốt,nhưngcóvẻkhôngthànhthạovớithịtrườngđộcgiảrộngrãimàtôinhằmvào.Tôitiếpxúcvớimộtngườimôigiớivănhọc,AlZuckerman,vốnlàanhemrểcủamộtđồngsự.Tôiđưachoanhtabảnnhápchươngđầutiênvàgiảithíchrằngtôimuốnviếtmộtcuốnsáchcóthểbántạicácquầysáchcủacácsânbay.Anhtatrảlờilàđiềuđókhôngthểđược:mộtcuốn sách như thế có thể bán chạy cho giới đại học và sinh viên, nhưngkhôngcócơhộinàođểcạnhtranhvớiStephenKing(mộttiểuthuyếtgia).

TôiđưabảnnhápđầutiêncủacuốnsáchchoZuckermanvàonăm1984.AnhtađãgửinóchomấynhàxuấtbảnvàkhuyêntôinênnhậnđềnghịcủaNorton,nhàxuấtbảnMỹhơikénchọn.TôiquyếtđịnhchọnBantam,khôngchuyênmôn hóa chút nào trong việc xuất bản những tác phẩm khoa học,nhưngsáchcủahọđượcpháthànhrộngrãitạicácquầysáchsânbay.Nếuhọchấpnhậnsáchcủatôithìchắclàdomốiquantâmcủamộttrongcáccốvấnbiêntậpcủahọ,PeterGujjardi.Ôngnàyvốnrấtnghiêmtúctrongcôngviệcvàbắttôiviếtlạicuốnsáchsaochonhữngngườingoạiđạonhưôngtacũnghiểuđược.Cứmỗilầntôigửichoôngtamộtchươngđãđượcsoátlạivàsửachữathìôngtagửilạichotôimộtbảnliệtkêdàicácnhậnxétvàcáccâuhỏimàôngmuốntôilàmsángtỏ.Thỉnhthoảngtôinghĩrằngquátrình

nàychắckhôngcókếtthúc.Nhưngôngtacólý:rốtcuộccuốnsáchtrởnênhayhơnnhiều.

ÍtlâusaukhinhậnđượcđềnghịcủaBantam,tôibịsưngphổi.Tôiphảichịuphẫuthuậtmởkhíquảnlàmchomấtgiọng.Trongmộtthờigian,tôichỉcóthểgiaotiếpbằngcáchnhướnlôngmàykhiaiđóchỉđúngchữphùhợptrênmột lábài.Nếukhôngcóchương trìnhmáy tínhngười ta tặng thì tôihoàntoànkhôngthểviếtxongcuốnsách.Viếtnhưvậyhơichậm,nhưngtôinghĩngợicũngchậm,dovậyrấtphùhợpvớitôi.NhờchươngtrìnhmàtôihoàntoànviếtlạibảnnhápđầutiênđáplạisựcổvũcủaGujjardi.Trongviệcsửachữanàytôiđượcsựtrợgiúpcủamộttrongcácsinhviêncủatôi,BrianWhitt.

Tôi có ấn tượng rấtmạnh đối với bộ phim truyền hình nhiều tập củaJacob Bronowski có tên gọi là “Sự thăng tiến của đàn ông”.(Một tên gọiphânbiệt giới tínhnhưvậyngàynay sẽ khôngđượcphép).Bộphimgiớithiệutấtcảnhữnggìmàloàingườiđạtđượctừnhữngngườidãmannguyênthủy cách đây vạn rưởi năm đến chúng ta ngày nay. Tôi cũngmuốn giớithiệunhững tiếnbộmàchúng tađạtđượckhi tiếnđếnmột sự thônghiểuhoàntoàncácquyluậtchiphốivũtrụ.Tôitinchắcrằnghầuhếtmọingườiđềumuốnbiếtvũtrụvậnhànhnhưthếnào.Nhưngđasốhọkhôngđủkhảnăng theodõicácphương trình toánhọc -vả lạingay tôi cũngchẳngyêumếnlắmcácphươngtrình.Điềuđómộtphầnlàtôiviếtrấtkhókhăn,nhưngchủyếulàdotôikhôngcósựnhạycảmtrựcgiácđốivớicácphươngtrình.Tôisuynghĩbằnghìnhảnhvàmụcđíchcủatôilàmôtảbằngchữcáchìnhtượngtrongđầuquanhữngsosánhtươngtựquenthuộcvàbằngvàiđồthị.Tôihyvọngbằngcáchđócóthểchiasẻvớisốđôngngườisựphấnkhởivàtìnhcảmcủa tôivớicác tiếnbộnổibậtmàmônvật lýđạtđược tronghaimươilămnămgầnđây.

Tuyvậy,dùđãtránhđượccácdiễndịchtoánhọc,mộtsốýtưởngvậtlývẫncònxalạvàrấtkhótrìnhbày.Tôiđứngtrướchaiconđường:hoặclàtôithửgiảithíchchúngvớinguycơlàmđộcgiảrốitrí,hoặclàtôitránhcácchỗkhókhăn?Mộtsốkháiniệmlạlùng,nhưviệcnhữngnhàquansátdichuyểnvới tốcđộkhácnhauđođượcnhữngkhoảngcáchthờigiankhácnhauđốivới cùngmột cặp hiện tượng, không thực cần thiết cho bức tranhmà tôimuốnvẽra.Hìnhnhưtôicóthểbằnglòngvớiviệckểchúngramàkhôngđivàochitiết.Mặtkhác,mộtvàiýtưởngkhóhiểunhưnglạirấtcơbảnkhiếntôiphảigiảithích.Đặcbiệtcóhaikháiniệmmàtôibuộcphảiđưavào.Mộtkháiniệmmàngườitagọilà“tổnghòavềcáclịchsử”.Ýtưởngđónóirằngkhôngtồntạichỉmộtlịchsửduynhấtcủavũtrụ,màlàtậphợpcủatấtcảcáclịchsửcóthểcócủavũtrụ,vàrằngtấtcảcáclịchsửđóđềucóthựcnhưnhau(chodùnhưvậycóýnghĩagì).Ýtưởngkháccầnthiếtđểrútraýnghĩatoán học của tổng hòa của các lịch sử, đó là ý tưởng về “thời gian ảo”.

Ngượclạiquákhứ,ngàynaytôicócảmgiácrằngtôicầnbỏnhiềucôngsứchơnnữađểgiảithíchhaikháiniệmrấtkhóđó,cóvẻchúngđãđặtranhiềuvấnđềnhấtchocácđộcgiảcuốnsáchcủatôi.Tuyvậy,cũngkhôngthựcsựcầnthiếtphảihiểuchínhxácthờigianảolàgì,chỉcầnbiếtnókhácbiệtnhưthếnàovớicáimàchúngtagọilàthờigian“thực”.

Khi thời hạn phát hành đến gần, một nhà khoa học nhận được nhiềutrangđểbìnhluậntrêntờThiênnhiênđãngạcnhiênvềsốlượngcácsaisóttrongđó,đặcbiệtvềvị trívàchúgiảicủacácminhhọa.ÔngđãđiệnchoBantam,ởđóhọcũngđãrấtngạcnhiênnhưvậyvàquyếtđịnhthuhồitấtcảcácbản inđểsửachữa.Sauba tuần lễ sửachữavàkiểm tracật lực,cuốnsáchrồicũngđượcđặt lênquầycáchiệusáchđúng thờihạnpháthànhđãthôngbáo.Vào lúcđó, tờTimeđãdànhcho tôimộtbàibáodài.Cácnhàxuấtbảntuyvậycũngngạcnhiênvềsốlượngyêucầu.CuốnsáchđượctáibảnmườibảylầnởMỹ,vàmườilầnởAnh.

Tại sao nhiều người mua nó? Tôi khó mà khách quan được, vậy xinnhườnglờichocácýkiếnbênngoài.Tôithấyđasốcácbàibìnhduyệttuythuậnlợinhưngkhôngđượcsángtỏcholắm.Cácbàiđócókhuynhhướngđitheocáccôngthứcsauđây:StephenHawkingmắcbệnhLouGehrig(đốivớingườiMỹ)hoặcbệnhvềcácnơronvậnđộng(đốivớingườiAnh).Anhtabịgắnchặtvàomộtchiếcghếdiđộng,khôngnóiđượcvàchỉcóthểngọngậymột số x ngón tay (x biến thiên từ 1 đến 3, tùy theo bài báo khôngchínhxácmàngườibìnhduyệtđãđọcvề tôi).Tuyvậyanh tađãviếtmộtcuốnsáchvềvấnđềcơbảntrongcácvấnđềlàchúngtatừđâutớivàchúngtađiđâu?CâutrảlờimàHawkingđềnghịlàvũtrụkhôngđượcsángtạoracũngnhưmấtđi:đơngiảnlànótồntại.Đểphátbiểuýtưởngđó,Hawkingđãđưarakháiniệmthờigianảomàtôi(ngườibìnhduyệt)thấyhơikhótheodõi.DùsaonếuHawkingcó lývànếuchúng tađi tớimột lý thuyếthoàntoànthốngnhất,chúngtasẽbiếtđượctưtưởngcủaChúa.(Khisửachữacácbảnnháp, tôiđãđịnhgạchcâucuốicùngnói rằngchúng ta sẽbiếtđến tưtưởngcủaChúa.Nếutôilàmvậy,sốsáchbánđượccóthểgiảmđimộtnửa).

Sáng suốt hơnmột chút (theo tôi) là bài báo của The Indipendent nóirằngngaymộtcuốnsáchkhoahọcnghiêmtúcnhưlượcsửthờigiancũngcóthểtrởthànhcuốnsáchkíchđộng.Vợtôi(cuốinăm1995cácbáoloantinS.HawkinglydịvớibàJaneđãcóvớiôngbamặtconvàlấyngườihộlývẫnchămsócông)thìkinhhãinhưngtôihơikhoáivìthấycuốnsáchcủamìnhđượcsosánhvớicuốnLuậnvềthiềnvàviệcbảodưỡngxemáy.Tôihyvọngrằng,cũngnhưcuốnLuận,nóchomọingườicảmgiácrằnghọkhôngbịtáchrờimộtcáchđịnhmệnhkhỏicácvấnđềlớnvềtưduyvàtriếthọc.

Khôngnghingờgìlàkhíacạnhconngười,liênquanđếnviệctuybịtàntậtnhưngtôivẫntrởthànhmộtnhàvật lýlýthuyết,đãpháthuytácdụng.Nhưngnhữngaivìquantâmđếnđiềuấymàmuacuốnsáchcóthểthấtvọng,

vìcuốnsáchchỉcóđôichỗhiếmhoiđảđộngđếntìnhtrạngsứckhỏecủatôi;đây làcuốnsáchvề lịchsửcủavũ trụ,khôngphảicủa tôi.ĐiềuđókhônggiúpchoBantamkhỏibịbuộctộirằngđãkhaithácthôbạobệnhtậtcủatôi,vàtôithìđãhợptácbằngcáchchoinảnhcủamìnhlêntrangbìa.Trênthựctếthìtheohợpđồngtôikhôngcóquyềngìđốivớitờbìa.TuythếtôicũngthuyếtphụcđượcBantamdùngmột tấmảnh tốthơncho tờbìacuốnsáchxuấtbảnởAnh,thaychohìnhảnhthảmhạivàđãcũdùngđểtrangtríchocuốnxuấtbảnởMỹ.NhưnghọvẫnkhôngthayđổitờbìachocuốnsáchxuấtbảnởMỹvìhọnóivớitôirằngđộcgiảMỹbâygiờđãđồngnhấttấmảnhấyvớicuốnsách.

Ngườitacũngámchỉrằngmọingườimuasáchvìhọđãđọccácbàibìnhduyệt,hoặcvìcuốnsáchđượcliệtvàodanhmụccácsáchbánchạynhất,chứhọkhôngđọcnó;họchỉđơnthuầncónótrongtủsáchhayđặtnótrênbànxalôngđểđượctiếnglàsởhữunó,màkhôngcầnbỏcôngtìmhiểu.Tôitinrằngđiềuấycũngxảy ra,nhưng tôikhôngbiếtđócóphảicũng là trườnghợpcủacácsáchnghiêmtúckhác,baogồmcảThánhkinhvàShakespeare.Trái lại, tôibiết rằngmột sốngười ít ra cũngđãđọcnó,vìhàngngày tôinhậnđượcmộtchồngthưvềcuốnsáchcủamình;nhiềuthưcónhữngcâuhỏihaynhữngbìnhluậnchitiết,chứngtỏngườiviếtđãđọccuốnsách,dùrằnghọkhôngphảiluônluônhiểuđượctấtcả.Cũngcónhữngngườilạđóngặptôi trênđườngphốđểnóirằngcuốnsáchđãlàmhọhài lòngđếnmứcnào.Hiểnnhiêntôidễnhậnravàkhácbiệtnhiều,chứkhôngphảiđượccôngnhậnnhiềusovớiđasốcáctácgiảkhác.Nhưngtầnsốcủanhữngkhenngợicôngcộngđó (làmđứacon trai9 tuổicủa tôibối rối).Hìnhnhưchứng tỏrằngítracómộttỷlệnhữngngườimuasáchđãđọcnó.

Nhiềungườihỏi tôi rằnghiệnnay tôiđịnh tiếp tục làmgì.TôikhómàviếtđượcphầntiếptheocuốnsáchLượcsửthờigian.Tôisẽgọinólàgì?Mộtlịchsửdàihơncủathờigian?Bênkiasựkếtthúccủathờigian?Đứaconcủathờigian?Ngườimôigiớigợiýnênquaymộtcuốnphimvềcuộcđờicủatôi!Nhưngcảtôivàgiađìnhtôisẽkhôngcóđượcsựtôntrọngcánhânnếuchúngtôiđểchocácdiễnviênđóngvaicủamình.Cũngsẽlànhưvậy,trongchừngmựcíthơn,nếutôichophépaiđóviếttiểusửcủamình.Dĩnhiên,tôikhôngthểngăncấmaiđótựýviếttiểusửcủatôi,miễnlàkhôngbôinhọtôi,nhưngtôisẽcốlàmnảnlòngnhữngngườicódựđịnhấybằngcáchnóirằngtôinghĩđếnviệctựviếttiểusửchomình.Cóthểlàmnhưvậy,nhưngtôikhôngvội.Tôiđangdựtínhnhiềunghiêncứuchúnglàưutiênđốivớitôi.

VŨTRỤTUẦNHOÀNNicolausCopernicusvàtácphẩmDeRevolutionibusOrbiumCoelestium

Ngaytừthờitiềnsử,conngườiđãbịmêhoặcbởiquangcảnhbầutrờihùng vĩ:Mặt trời,mặt trăng, các hành tinh, các ngôi sao và sự tuần hoànkhônglúcnàongừngcủacácvìtinhtúấy.Mặttrờimọcrồilặn,mặttrăngtrònrồikhuyết,bốnmùathayđổi,cáchànhtinhxuấthiệnrồibiếnđikhôngnhữngchỉlànhữngsựkiệncóthểquansátđượcmàtrênnhiềuphươngdiệncònảnhhưởngđếnđờisốnghàngngàycủanhânloại.Vìvậy,khônglạgìcóhàngvạnchuyệnhoangđườngvàngaycảvôsốtínngưỡng,tôngiáođãphátsinhtừnhữnghiệntượngcủabầutrờiấy.Khi trìnhđộvănminh tiếnbộ, các triết gia đã tìmcáchgiải thích chuyểnđộngtuầnhoàncủabầutrờibằngnhữngdanhtừhợplý.CácnhàkhoahọcvàtưtưởngtiếnbộhơnhếtvềkhoathiênvănthờixưalàngườiHyLạp,bắtđầuvớiPythagorasvàothếkỷthứnămvàAristotlevàothếkỷthứtưtrướcCôngnguyên.MộtngườiAiCập,ClaudiusPtolemysinhsốngởAlexandriakhoảngnăm150sauCôngnguyênđãhệthốnglạinhữnghiểubiếtcủamìnhvàcủacácđờitrướcthànhmộtsốnhữnglýthuyếtdễhiểu.Trongkhoảngtừ1.500thuyếtcủaPtolemy,nhưđượctrìnhbàytrongquyển“TheAlmagest”đãchếngựtríócconngườivàđượccôngnhậnnhưlàquanniệmchínhxácvềvũtrụ.

Thuyết của Ptolemy được tạo dựng trên ý niệm:Quả đất làmột khốiđứngyên,bấtđộng,nằmgiữatrungtâmvũtrụvàtấtcảcácthiênthểgồmmặttrờivàcácđịnhtinhđềuquayxungquanhnó.Hồiđóngườitatintưởngquảđấtlàtrungtâmcủahệthốngcáctinhcầu.Cáchànhtinhđượckếtcứngvàohệthốngđó.Cácngôisaothìđượccộtchặtvàomộtquảcầukhácbọcbênngoàihệthốngđó,vàtấtcảđềuquaymỗivòngtronghaimươibốngiờ.Sựchuyểnđộngphức tạp của cácđịnh tinhđãđượcgiải thích làđãđượcđínhvàocácvòngngoài(épicycles),còncácvòngđínhcáchànhtinhnằmởtrong(planetaryspheres)thìquayngượcchiềuvớivònghìnhcầucủacácvìsao(sphereofstars)nhưnglạibịlôicuốntheobởimộtlựcmạnhhơn.SaoThổđượccoilàhànhtinhxatâmđiểmnhấtvàgầnvòmhìnhcầucủacácvìsaohơnhết,dođónóquaymộtvòngphảimấtmộtkhoảngthờigianlâuhơncả.Mặt trănggần tâmđiểmnhấtnênxoayxongmộtvòngvới thờigian ítnhất.RosenmôtảquanniệmcủaPtolemynhưsau:

“Lý thuyết thông thường lúc bấy giờ chủ trương rằng các hành tinhthườngdichuyểnvềhướngđông,đồngthờichậmdầnlạichotớikhingừnghẳn, rồi tựđảongượcmột lần thứhai để tiếp tục cuộchành trìnhvềphíaĐông,vàcứtiếptụcnhưthếmãimãi”.

Vũtrụdođóđượccoinhưmộtkhoảngcógiớihạnbởimộtcáibaohìnhcầubọclại.Bênngoàivũtrụkhôngcòngìnữa.

NgườitadễdàngchấpnhậnthuyếtcủaPtolemyvìhaiyếutốmàhaiyếutốđóchínhlàphảnánhbảntínhcủaconngười:Yếutốthứnhấtlàvìthuyếtđócóvẻphùhợpvớinhữngđiềumàngườinàongẫunhiênquansátcũngthấy.Yếutốthứhailàvìnónuôidưỡngcáichủquancủaconngười.Sungsướngbaonhiêukhingườita tinrằngquảđất là tâmđiểmcủavũtrụ,mọihànhvivàđịnhtinhđềuquayxungquanhmình.CảvũtrụhìnhnhưchỉđượcChúaTrờitạodựngđểphụcvụconngười.LâuđàivũtrụkiếntrúcxinhđẹpnhưnóitrênvẫncònnguyênvẹnchotớikhixuấthiệntràolưuPhụchưng,mộttràolưuvĩđạivềsựbừngtỉnhtríthứcởchâuu.

PháhủylâuđàikiếnthúcấylàcônglớncủaNicolausCopernicus,“mộtgiáosĩ,vừalàhọasĩ, thisĩ,vậtlýgia,chiếnsĩvàvừalànhàkhoahọc...”,một trongnhữngnhânvật uyênbác toàndiệnđã làmcho thờiPhụchưngđượcmuônđờicatụng.

Bảymươi tuổi đời củaCopernicus từ năm1473đến năm1543 là giaiđoạn hào hứng nhất và cũng nhiều sự kiện nhất của lịch sử châu u:ColumbustìmrachâuMỹ;Magellanđivòngquanhtráiđất;VascodeGamalầnđầutiênvượtbiểnsangấnĐộ;MartinLutherkhởixướngđạoTinLànhcảicách;MichelAngeloxâydựngmộtthếgiớinghệthuậtmới;ParacelsusvàVesaliusđặtnềnmóngchokhoayhọchiệnđại;vàLeonardodaVinci,“mộtthiêntàitoàndiện”,nổitiếnglàhọasĩ,nhàđiêukhắc,kỹsư,nhàkiếntrúc,nhàvậtlý,nhàsinhvậthọcvàtriếtgia.Đóquảlàmộtthờiđạithuậnlợibiếtbaođểmộtthiêntàikhác,Copernicuscốnghiếnchonhânloạimộtvũtrụquanmới.

NicolausCopernicussinhtạiTorun,mộtthịtrấntrênbờsôngVistulacủaBaLan,mộtthịtrấntrướckianằmtrongHiệphộinhữngthànhphốtựdoởPhổ.Về hướng nghiệp ông sớm bị ảnh hưởng sâu rộng của người cậu làLucasWatzelrodesaunàylàmTổngGiámmụcởErmeland.Ôngđượchấpthụmộtnềngiáodụclâudàivàphứctạp,trướcởTrườngsơcấpTorun,saunăm1491,tạiTrườngđạihọcKrakow.Trườngđạihọcnàycuốnhútôngvìnổi tiếng là trung tâmlãnhđạochâuuvề toánhọcvà thiênvănhọc.NămnămsauCopernicusdu lịch sang Italia, tiếp tụchọcởBologna,một trongnhữngtrườngđạihọccổxưanhấtvànổitiếngnhấtchâuu.ÔngbỏhếtthìgiờvàoviệchọcGiáoluậtvàthiênvănhọc.SauđóôngđếnsốngởRomemộtnăm,vừadạytoánvừadạythiênvăn.Saucùng,nămnămhọcYkhoavàGiáoluậtởPaduavàFerrara,đãhoàntấtchươngtrìnhhọcvấncủaông.VănbằngTiếnsĩGiáoluậtđượccấpchoôngnăm1503ởFerrara.Trong khi đó, do ảnh hưởng của người cậu, Copernicus được phong linhmụcởVươngcungThánhđườngthánhFrauenburgvàđólànơiôngsống37

nămcònlạiđờimìnhsaukhitừItaliatrởvềvàonăm1506.Nhiệm vụ linhmục củaCopernicus rất phức tạp: ông chăm sóc thuốc

menchocáctusĩvàgiáodân;giúpviệcphòngthủquậncủaôngvềquânsựtrongcuộc chiến tranh tái phátgiữaBaLan,Phổvà các chiếnbinhngườiĐức;thamdựhộinghịhòabìnhđượctriệutậpsaukhichiếntranhkếtthúc;gópýcảitổvấnđềđúctiềnvàlưuhànhtiềntệ,caiquảnnhữnghọđạoxaxôithuộcđịaphậnông;vàđểgiảitrí,ôngvẽvàdịchcáctácphẩmthicaHyLạpsangtiếngLatinh.

NghiêncứuthiênvănchỉlàmộttrongnhữnghoạtđộngcủaCopernicus,conngườicótrithứctoàndiện.Nhưngdầndầnmônkhoahọcđótrởthànhmốiquantâmlớnnhấtcủaông,khiôngthấyphátsinhnhữngnhậnđịnhvềcáchiệntượngthiênvăn,nhữngýniệmnàyhìnhnhưđãnảynởtrongtâmtríôngtừtrướcvàđượctănglênquasựhọchỏiởcáctrườngđạihọcKrakowvàItalia.Copernicusâmthầmvàđơnđộc tiếp tục tìmkiếm,khôngmộtaigiúpđỡvàgópý.Đểcómộttrạmquansátthiênvăn,ôngđãdùngmộtthápcanhtrênbứctườngbaoquanhthánhđường.

CácdụngcụthiênvăncủaCopernicusrấtthôthiển.Côngtrìnhcủaôngđượcthựchiệngầnmộtthếkỷtrướckhikínhviễnvọngđượcphátminh.Đểđo lường, ông cómột cái đồng hồ dùng bóngmặt trời;một cái thước đochiềucao(mộtdụngcụthôsơbằnggỗcóbamặt)tựôngchếrađểtínhđộcao của các vì sao và các hành tinh,một cái kính trắc tinh,một hình cầutrongđócónhữngvòngdọcngang.Hơnnữakhíhậugâytrởngạichoviệcquansátthiênvăn:biểnBalticvànhữngconsôngởgầnđóthườngxuyêntạoramâyvàsươngmù.Hiếmcónhữngngàyvàđêmbầutrờihoàntoàntrongsáng.Tuynhiên,hếtnămnàyquanămkhác,mỗikhicócơhộilàCopernicuslạivùiđầuvàocáctínhtoán.

LýthuyếtmangtínhcáchmạngmàCopernicuscốgắngbiệnminhđúnghaysaiquanhữngnghiêncứulâudàingượchẳnvớithuyếtcủaPtolemymàbấylâunayvẫnđượctônsùng.LýthuyếtcủaCopernicusđạikháilà:tráiđấtkhôngđứngyênmàquay tròn, tựanhưtrênmột trục,mỗingàymộtvòng.Mộtquanniệmnhưvậyvàothếkỷ16quảlàquákỳdị,đếnnỗiCopernicuskhôngdámcôngbốsớm,trướckhiôngtinchắcrằngnhữngđiềuôngđưarakhôngthểchốicãiđược.ĐólàlýdokhiếnCopernicusphảichờđợi30năm,mớiquyếtđịnhcôngbốlýthuyếtcủamìnhchothếgiới.Trướcđó,cóvàinhàthiênvănHyLạpchorằngtrungtâmcủavũtrụlàmặttrời chứ không phải là trái đất. Nhưng Aristarchus, “Copernicus của thờithượngcổ”,vàokhoảngthếkỷthứbatrướcCôngnguyênđãgiảithíchviệcmặttrờimọcvàlặnmỗingàybằngcáchđưaragiảthuyếtrằngtráiđấtquaytròntrênchínhmìnhnómỗingàymộtvòng.Tuynhiên,giảthuyếtnàycùngvới các giả thuyết tương tự của các nhà thiên văn khác đã bịAristotle vàPtolemybácbỏvàchỉbênhvựcgiảthuyếttráiđấtlàtrungtâmcủavũtrụ.

Nhờđọcnhữngángvăncổđiển,Copernicusđãbiếtnhữnggiảthuyếtcổxưaấyvàrấtcóthểnhữnggiảthuyếtnàyđãthúcđẩyôngtớichỗxétlạivấnđề.TheoCopernicushìnhnhư từ1800nămtrướcđóArstarchusđãđưaramột lối giải thích về chuyển động của bầu trời đơn giản hơn thuyết củaPtolemynhiều.

Cólẽngaytừnăm1951Copernicusđãviếtmộtbảntómtắtvềlýthuyếtmới của ông. Nhan đề là Commentariolus (hay là Tiểu luận). Quyển đókhôngđượcấnhànhtrongkhitácgiảcònsốngnhưngcómộtsốbảnviếttayđượclưuhànhtronggiớisinhviênkhoathiênvănhọc.Trongsốnhữngbảnviết tayđó,naycòn lại haibản.TrongquyểnCommentariolusCopernicuschothấysởdĩôngbắtđầukhảocứuvìôngthấycáclýthuyếtcủaPtolemyvềvũtrụvừaquáphứctạpvừaquávôlý,lạikhôngđưarađượcnhữnggiảithích thỏa đáng về các hiện tượng của bầu trời. Kết quả chính yếu màCopernicusđãpháthiện thấy là:quảđấtkhôngphải là trung tâmcủa tháidươnghệmàchỉlàtrungtâmcủaquỹđạomặttrăng,vàcáchànhtinhkhácđềuquayxungquanhMặttrời.QuyểnTiểuluậnthểhiệnmộtgiaiđoạndứtkhoáttrongsựpháthuytưtưởngcủanhàđịathiênvăn.

AicóthểngờrằngtácphẩmkiệtxuấtmàCopernicusđãdụngcôngxâydựng,bamươinămtrờivẫnchưađượcinthànhsách?DođótácphẩmrấtcóthểbịthấtlạcnếukhôngcónhữngcốgắngcủamộthọcgiảtrẻtuổingườiĐức .Mùa hạ năm 1539,một giáo sư 25 tuổi dạy toán ở trường đại họcWittenberg tới Frauenburg thăm Copernicus. Đó là George JoachimRheticus.DanhtiếngđanglêncủaCopernicusđãcuốnhútRheticusvàôngnàytìmđếncốtđểdòxétxemdanhtiếngkiacóxácđángkhông.ÔngtínhchỉởlạivàituầnlễnhưngôngđượcCopernicusđóntiếpnồnghậukhiếnôngđãởđóhơnhainăm.Rheticusnhậnthấyngayrằngchủnhàlàmộtthiêntàivàobậcnhất.

TrongbathángôngnghiêncứuvàbàncãivềcáctàiliệudoCopernicusghichép.SauđóRheticusđãviếtmộtbảntómtắtvềtưtưởngCopernicusvàgửi choông thầy cũ củamình là JohannSchoner dưới hình thứcbức thư.BứcthưđượcinởDantzignăm1540.BàiNarratioprimahaylàBảntómtắtthứ nhất của Rheticus là bản văn đầu tiên trình bày lý thuyết làm rungchuyểnđịa cầucủanhà thiênvănBaLan.Thực raquyển sáchnhỏấychỉtrìnhbàychitiếtmộtphầntrongtoànbộlýthuyếtcủaCopernicus:đólàsựkhảo sát về chuyển động của quả đất. Tiếp theo “Bản tóm tắt thứ nhất”Rheticuscòntínhchorathêmnhữngbản“tómtắt”khác,nhưngnhữngbảntóm tắt sau đều không cần thiết. Niềm thán phục của Rheticus đối vớiCopernicusbiến thànhgầnnhưsự tônsùngvàđãbộc lộra trongviệcôngtặngCopernicusdanhhiệu“TiếnsĩQuánThế”(DominusDoctor)trongvănbảncủaông.

ChotớiđóCopernicusvẫnkiênquyếtkhôngchịuchoấnhànhtoànbộ

công trìnhcủaông.Ôngvốncầu toànvàcho rằngmỗiđiềuquansát thấyđềuphảiđượcthẩmtranhiềulần.NguyênbảnviếttaytìmthấyđượcởPrahavàogiữathếkỷ19saukhibịthấtlạc300nămđãchứngtỏrằngbảnvănđãđượcsửalạitừtrênxuốngdướisáulần.Thêm vào những ngần ngại nói trên, Copernicus có thể còn bị cản trở vìGiáohộiThiênChúalúcđóngấmngầmphảnđối.

CuộccảicáchtôngiáocủagiáopháiTinlành,sựbừngtỉnhtrithứccủathờiPhụchưngđãlàmchocácgiớitôngiáonghingạicáclýthuyếtcótínhchấtcáchmạngcũngnhưnhữngtưtưởngcóthểđưangườitaxarờicácgiáolýchính thống.Copernicus,mộtgiáosĩ tinđạomãnh liệt, tấtnhiênkhôngmuốntrởthànhkẻphảnđạocũngkhôngmuốnhysinhvìmộtlýthuyết.

Tuy nhiên, cuốn Narratio prima (Bản tóm tắt thứ nhất), đã được tiếpnhậnnồnghậu.Rheticusvànhiềungườikhácyêucầuấnhànhtoànvăntácphẩm.CuốicùngCopernicusphảinhượngbộ.Bản thảoviết tayđượcgiaophóchoRheticusôngnàyđemvềNuembergvàtrôngnomviệcấnloát.

Trước khi công việc ấn hành hoàn tất thì Rheticus được chỉ định làmgiáo sư tại trường đại học Leibzig, vàAndreasOsiandermộtmục sưTinlànhđượcchỉđịnhtrôngcoiviệcấnloát.

Hình như Osiander đã lo ngại trước những ý kiến cấp tiến củaCopernicus.Khôngxinphépvàâm thầm,ông tựýbỏphầngiới thiệucủaquyểnmột. Thay vào đó ông viết bài tựa nói rằng: “Quyển sách chỉ gồmnhữnggiảthuyếtcólợichocácnhàthiênvăn;việctráiđấtquaykhôngphảilàđiềunhấtthiếtđúnghaycóthểđúng”.Nóicáchkhácđi,nhữngđiềuviếttrongquyểnsáchkhôngcógìbảođảmđãchínhxác.ChắcOsiandermuốnnétránhnhữnglờichỉtríchcủapheđốilập,vànhưMizwađãnhấnmạnh:“CóthểlàvôtìnhmàOsianderđãgópphầnlớnlaovàoviệcbảotoàncôngtrìnhvĩđạinàyhơnôngtưởng.Vìbàitựagiảdốivàônhòavôhạicủaôngkhéoléo núp dưới tên của tác giả (gửi cho người đọc định được thuyết nêu ratrong sách), nênGiáohộiThiênChúakhôngquan tâmđến tính chất cáchmạngcủaquyểnDeRevolutionibus(vềsựchuyểnđộng).Phảitớinăm1616họmớikịpnhậnravàghinóvàobảngsáchcấm”.

Trước khi việc ấn loát hoàn tất, Copernicus bị bệnh nặng. Một câuchuyệnđángtincậyđãkểlại trongđoạnbithảmnhấtrằng,mộtsứgiảtớiFrauenburg, mang từ Nuremberg bản in đầu tiên cuốn sách kiệt tác củaCopernicusvàchỉkịpđặtvàotayôngvàigiờtrướckhiôngchết.Hômđólàngày 24 tháng 5 năm 1543.Quyển sách đề làDeRevolutionibusOrbiumCelestium nghĩa là về sự vận động của các thiên thể”. Cũng như các tácphẩmgiáokhoahồiđó,quyểnsáchđượcviếtbằngtiếngLatinh.

Vừa vì khôn ngoan vừa vì xã giao, Copernicus đề tặng tác phẩm choGiáohoàngPaulIII.Qualờiđềtặngấy,rõràngCopernicusđãtiênđoánmộtsốkhókhănsẽgặpphải.

“TâuĐứcThánhCha,concóthểtinchắcrằngmộtsốngườikhinghenóiđếnsựxoayvầncủađịacầutrongnhữngcuốnsáchnàylậptứctuyênbốđấylànhữngýkiếncầnphảiloạibỏ.Lúcnày,nhữnggiảthuyếtcủachínhconcũng chưa làm cho con hoàn toàn thỏamãn đến độ không quan tâm đếnnhữnglờingườikháccóthểchêtrách.Khiconbắtđầunghĩđếndưluậncủanhữngngườicôngnhậnquảđấtđứngyên(nhưquanniệmphổbiếntừbaothế kỷ nay) đối với thuyết quả đất quay của con, con đã lưỡng lự rất lâukhôngbiếtcónêncôngbốnhữngđiềuconđãviếtđểchứngminhsựxoayvần của quả đất không, hay tốt hơn là nên theo gương các triết gia thuộcnhómPythagorechỉbáclạicácđiềuhuyềnbícủatriếthọcchobàconvàbạnbèbằngnóimiệngthôi.Saukhisuynghĩkỹ,congầnnhưbị thúcđẩyđếnchỗxếplạitoànbộtácphẩmđãviết,vìconnhìnthấytrướcsựkhinhbỉcủangườiđờiđốivớitínhchấtmớilạvàcóvẻphilýcủanó.

Tuynhiên,cácbạnbèkhuyênconbỏýđịnhđóvàbảoconphảiấnhànhquyểnsáchconđãgiấukíntrongnhàkhôngphảichínnămmàtớibốnlầncáichínnămđó.Khôngthiếunhữngnhânvậtdanhtiếngvàcóhọcthứcđãyêucầuconấnhànhquyểnsách.Họbảorằngkhôngcógìđánglongạimàphảitrìhoãncốnghiếncôngtrìnhcủaconchoíchlợichungcủatoánhọc...

Con tinchắc rằngnhữngngười thôngminhvàhọc rộngsẽđồngývớiconnếuhọthànhthậtcóthiệnchítìmhiểuvàcânnhắccácbằngchứngconđưaratrongquyểnsách.Nhưngđểcảngườithứcgiảlẫnngườithườngdâncóthểthấyrằngconkhôngsợsựphêpháncủangườiđời,conmuốnđềtặngquyểnsáchnày,kếtquảnhữngđêmdàivấtvảcủacon,choĐứcThánhChahơnlàbấtcứai.Dùlàmộtngườiởtrongmộtxóxaxôicủađịacầu,convẫncoiĐứcThánhChalàngườivĩđạinhấtvềđịavịvàthathiếtnhấtvớikhoahọcvàtoánhọc.DovậyĐứcThánhChanhờđịavịvànhậnxétcủangười,cóthểloạibỏdễdànglờilẽcủanhữngngườixấumiệng,mặcdầutụcngữcócâurằngkhôngcóthuốcgìchữađượcvếtcắncủakẻnóixấu.Cũngcóthểcótrườnghợpnhữngbọncóthóiquengièmpha,lườibiếng,dốttoánsẽđòiquyềnchỉ tríchcông trìnhcủaconbằngcáchviệndẫnmộtvàiđoạn trongThánhKinhmàhọđãvotrònbópméotheoýhọ.Nếucókẻnàodámliềulĩnhchỉtríchvàtỏýthanphiềnvềchủtrươngcủacon,consẽkhôngquantâmđến, và concoi nhữngphánđoáncủahọ làkhôngchín chắnvàđángkhinh”.Copernicusđãtómtắtvũtrụquancủaôngmấylờisauđây:

“Xahơnhếtlàvòmhìnhcầucủacácđịnhtinhnóchứađựngđủthứvàchínhvìlýdođó,khôngchuyểnđộng.Thựcrađólàcáikhungcủavũtrụmàsự chuyển động và vị trí của các vì sao phải quy chiếu vào. Tuymột sốngườinghĩrằngnócóthểchuyểnđộngtheolốinàođó,chúngtôivẫngánmột lýdokhácchođiều tại saonó lạixuấthiệnnhưvậy trong thuyếtcủachúngtavềsựchuyểnđộngcủatráiđất.Trongsốcáchànhtinh, trướchết

phảikểsaoThổ,đitrongbamươinămmớihếtmộtvòng.SauđólàsaoMộcvậnchuyểnmườihainămmộtvòng.Thứtưtrongsốđólàhànhtinhquaymộtnămmộtvòngmàchúngtôiđãnói,đólàtráiđấtvớiquỹđạomặttrăng(lunarorbit)nhưlàmộtvòngngoài.ThứnămđếnsaoKimquaymộtvòngđếnchíntháng.SaoThủyđứnghạngsáuđimộtvònghếttámmươingày.Ởgiữacáchànhtinhđólàmặttrời.Thậtragiữangôiđềnđẹphơnhếtthảyấy,aiđặtđượcmộtbóđuốcvàobấtcứchỗnàokháchơnlànơi,từđónócóthểsoisángtoànthểvàcùngmộtlúc?...Chonênchúngtôithấybêndướisựxếpđặtcótrậttựấymộtsựcânđốihuyềndiệutrongvũtrụ,vàmộtliênhệrõrệttrongsựchuyểnđộngvàtầmvócvĩđạicủacáctinhcầu.Sựcânđốiấyvàmốiliênhệănkhớpấythuộcloạichúngtakhôngthểcóđượcbằngbấtcứmột phương pháp nào khác”. Mấy nét đại quát về nội dung quyển DeRevolutionibusđủchotathấyphươngpháptrìnhbàycủatácgiả.TiếptheolờiđềtặngGiáoHoàngPaulIIIvàbàitựađánhlạchướngcủaOsiander,tácphẩm được chia làm sáu “quyển” hay sáu phần chính. Mỗi phần chia ranhiềuchương.

PhầnmộtgồmvũtrụquancủaCopernicus,nhữnglậpluậnôngđưarađểbênhvực thuyếtmặt trời là trung tâmcủaTháidươnghệ, ýniệmquảđấtquayquanhmặttrờinhưcáchànhtinhkhácvàsựkhácnhaugiữacácmùatrongnăm.NhiềuchươngởcuốiphầnnàytrìnhbàyvềlượnggiácvànhữngnguyêntắclượnggiácnàyđượcCopernicusdùngtrongnhữngphầnsau.

PhầnIIbànvềsựchuyểnđộngcủacácthiênthểđãđượcđolườngmộtcáchchínhxácvàkếtthúcbằngbảngliệtkêcáctinhtú,xácđịnhvịtríchúngtrongbầu trời.Bảng liệtkêphần lớnmượncủaPtolemy tuycósửađổiđichútđỉnh.

Bốnphầnsaumôtảchitiếtsựchuyểnđộngcủatráiđất,mặttrăngvàcáchànhtinhkhác.Trongmỗitrườnghợpsau,phầngiảithíchsựchuyểnđộngđềukèm theohìnhvẽđườngđi củahành tinhấy trênbầu trời theonhữngtínhtoáncủaCopernicus.

MộttrongnhữnglýlẽchínhyếuchốnglạithuyếttráiđấtxoayvầntrướcđóđãđượcPtolemyđưara: tráiđấtphảiyên,nếukhôngthể,bấtcứvậtgìbaytrênkhônggiannhư,mâytrời,chimchócsẽbịbỏlạiđằngsauvàmộtvậttungvàotrongkhônggiankhirơixuốngsẽphảichếchvềphíatâyrấtxa.Nguyhạihơnhếtlànếuđịacầuquaymộtcáchmauchóng,kinhkhủngnhưvậythìnósẽsớmtanthànhmuônmảnhvàbayvàokhônggian.TrướckhiGalileotìmracơhọcvàNewtontìmraluậthấpdẫnthìnhữnglậpluậncủaPtolemyquảlàkhómàphủđịnh.

Copernicustrảlờibằngcáchđưaraýkiếnrằngkhôngkhíquanhmặtđấtbịtráiđấtlôitheotrongkhiquay,vàquanniệmrằngtráiđấtquaychứkhôngphảicảvũtrụquaynghevẫnthuậnlý,hơnvìnếutráiđấtkhôngquaythìbầutrờiphảiquayđểcóngàyvàđêm.Nhữnglýlẽbàochữalạicàngthêmmạnh

nhờnhữngsuyluậnmangtínhtriếtlý:thiênnhiênkhôngtựdiệtvàThượngđếkhôngtạodựngnênvũtrụđểrồinólạitựdiệtnó.VớiCopernicus,mặt trờiđứngyênmộtchỗvà thụđộnggiữacác tinhcầuxungquanh,giốngnhưvaitròcủatráiđấttheoquanniệmcủaPtolemy.Vaitròcủamặt trờichỉ làcungcấpánhsángvàsứcnóng.Vũ trụcógiớihạnnhấtđịnh.Bênngoàivòmhìnhcầucủacácvìsao,theoPtolemy,khônggiankhôngcònnữa.Quanniệmvềsựvô tậncủakhônggiancó lẽcũngkhôngđược Copernicus biết tới như trường hợp Ptolemy 1400 năm trước.Copernicus cũng không ra ngoài hệ thống “vòng ngoài” của Ptolemy. Cómộttâmđiểmkhácchomỗiquỹđạovàmặttrờikhôngđượcđặtvàotrungtâmchính xác của bất cứ quỹđạo hành tinh nào.Đó là nhữngđiểm chưađúngthuộchệthốngcủaCopernicus,màcácnhàthiênvănlớpsauphảisửachữalại.

Thuyết củaCopernicus được giới khoa học lẫn quảng đại quần chúngchấpnhậnchậmchạp.Trừvàitrườnghợpngoạilệ,dưluậnđươngthờinóichung tỏ ra chốngđốimãnh liệt.Theomột chuyểnkể lại thì xưởng in ấnhànhquyểnDeRevolutionibusđãbịđámsinhviênđạihọcđậpphá:họpháhủybảninvàcảbảnviếttaycủatácgiả.Thợnhàinphảilàmràocảntrướccửađểcó thểhoàn tấtcôngviệc.MộtvởhàikịchchếdiễuCopernicusđãđượcgánhrongởElbingđặt ra.Vởkịchmô tảnhà thiênvănđã từngbánlinhhồnchoquỷSatan.TuynhiênnguyhiểmhơnchínhlàphảnứngđầyuyquyềncủacáctổchứcthuộcGiáohội.

Giảthuyếtmớimẻđãlậtnhàocảtiêuchuẩntriếthọc,niềmtintôngiáocủa thời tínngưỡng.Nếu thuyếtcủaCopernicusmàđúng thìconngườisẽkhôngcònlàtrungtâmvũtrụnữa;conngườibịxôđổkhỏiđàidanhvọngvàquảđấtcủaloàingườisẽchỉcònlàmộttrongsốnhữnghànhtinh.

NhưngvìGiáohộicònbậnlonhiềuchuyệnkhácvàcólẽmộtphầnvìbàitựanhằmđánhlạchướngngườiđọccủaOsiander,GiáohộiCônggiáokhôngcótháiđộngayvớiquyểnsáchcủaCopernicus.Nóngnảyhơncảlàcác lãnh tụ thuộcpheTin lànhMartinLuther - trongnhiều trườnghợpđãgaygắtcôngkíchCopernicus.ÔngnhắctớiCopernicusnhưmộtnhàthiênvănmớimẻ,muốnchứngminhrằngquảđấtquaytrònchứkhôngphảibầutrời,mặttrờivàmặttrăng;đúngynhưmộtngườingồitrênmộttoaxehaymộtcontàuđangdiđộnglạitưởngrằngyđangngồiyênvàquảđấtvàcâycỏđangchuyểnđộngvượtquamắty.Màđóchínhlàchuyệnhômnayđấy.Kẻnàomuốntỏratađâythôngminhcầnphảisảnxuấtramộtcáigìđócủachínhmình,màsảnphẩmấylạibóbuộcphảilàcáitốtđẹphơnhếtvìyđãtạo ra nó! Thằng khùng ấy sẽ đảo lộn tất cả khoa thiên văn.Nhưng, nhưThánhKinhđãdạy:chínhmặttrờichứkhôngphảilàquảđấtmàJoshuađãra lệch ngừng lại”.Melanchthon,môn đệ trung kiên của Luther, chế diễu

Copernicusthếnày:“Ychặnmặttrờiđứnglạirồichoquảđấtquay”.JohnCalvincũnghùnghồnbuộctộiCopernicus,nhắclạibài thànhca93:“Quảđấtđãđượcđịnhvị,nókhôngthểdichuyểnđiđược”vàôngđãgiậndữhỏi:“AidámcảganđặtuyquyềncủaCopernicustrênChúavàThánhThần?”.

Mãi tới năm 1615, Giáo hội Công giáo mới có thái độ nghiêm khắcchốnglạiquyểnDeRevolutionibus.VàhànhđộngcủaGiáohộilúcđólàđểchống lại những người bênh vực thuyết của Copernicus như trong vụ ánGalileovàBruno.NhữnglýthuyếtcủaCopernicusđượcloạibỏnhưsau:

“Điềuthứnhấtchorằngmặttrờilàtrungtâmvàkhôngquayquanhquảđấtlàđiênrồ,làphilý,làsailầmđốivớikhoathầnhọc,làphảnđạovìrõràngtráivớiKinhThánh.Điềuthứhaichorằngquảđấtquaychungquanhmặttrờivàkhônglàtrungtâmvũtrụlàphilý,tráivớitriếthọcvàtheoquanđiểmthầnhọcthìtráivớiĐứcTinchânchính”.

Nămsau,năm1616,tácphẩmcủaCopernicusbịliệtvàohạngsáchcấm“chođếnkhicóquyếtđịnhkhác”.Cùnglúcđó,“mọisáchvởquảquyếtrằngquảđấtquay”đềubịkếtán.Chotớihaithếkỷsau;têntuổiCopernicusvẫncònnằmtrongbảngcấm.Vàbảnánchỉđượchủybỏvàonăm1835.

SốphậncủaGalileovàBrunođủlàmsợhãinhữngaidámtheothuyếtCopernicus.GiordanoBruno,mộtngườinhiệtthànhtintheoCopernicusđãđixahơncảôngnàybằngcáchnêuthuyếtkhônggianvôtận,vàmặttrờivớicáchành tinhcủanóchỉ làmột“hệ” trongnhiều tinhhệ tương tự .Brunocònđixahơnnữavớiýkiếnlàcóthểnhiềuthếgiớikháccũngcóngười,vàhọlànhữngsinhvậtvănminhbằnghaycaohơnchúngta.

Vìnhữnglờilẽphạmthượngấy,BrunođãbịđưaraTòaánTôngiáo,kếtánvàbịđưalêngiànhỏathiêuvàotháng2năm1600.ChỉcócáchxửvớiGalileo,mộtnhàđạithiênvănngườiItalia,làbớtquyếtliệthơn.Năm1633vìTòaánTôngiáođedọatratấnvàxửtử,ôngđãphảiquỳgốituyênthệtừbỏmọitintưởngvàocácthuyếtcủaCopernicus,vàsauđóôngbịtùchungthân.CácnhàthầnhọcCônggiáovàTinlànhcũngnhưcáctriếtgiavànhàkhoahọc đều nghi ngại, không chấp nhận thuyết của Copernicus. Như FrancisBacon,mộttrongnhữngôngtổcủaphươngphápkhoahọchiệnđạiđãchốnglạiquanniệmquảđấtquay trênmộtcái trụcvàcònchạyxungquanhmặttrờivẽthànhmộtquỹđạo.

Một thời gian dài sau khi cuốn De Revolutionibus đời, địa vị củaAristotlevàPtolemy trongcác trườngđạihọc châuuvẫnkhôngđổ.Hiệnnay,nhưStebbinsnhấnmạnh“Sựchậmchạp trongviệcchấpnhận thuyếtCopernicuslàđiềuđặcbiệt trongmọiquốcgia.ỞMỹ,thuyếtcủaPtolemyvàcủaCopernicusđượcđemradạysongsongtạiHarvardvàcảtạiYale”.Tuynhiên,dầndầnvàtừngbướcmột,thuyếtcủaCopernicusđãđượcchấpnhận.

SựtiếptụctìmtòicủacácnhàkhoahọcnổidanhnhưGiordanoBruno,Tycho Brahe, Johann Kepler, Galileo Galilei và Isaac Newton hàng mấychụcnăm sauđã tìm ra nhữngbằng chứng lớn laovàkhông thể chối cãi.NhữnglỗilầmtrongthuyếtcủaCopernicusđượccácvịđóhaycácnhàkhảocứuxóabỏ,nhờhọcónhữngdụngcụquansáthoànhảohơnvàcũngvìmỗingườiđềucóthểdựavàokinhnghiệmngườiđitrước.

Nhàthiênvănvĩđại tiếpliềnCopernicuslàmộtngườiĐanMạch,ôngTychoBrahe.Tychokhôngcôngnhậnthuyếtquảđấtquaychungquanhmặttrời,nhưngvớinhữngdụngcụtuyệthảodonhàvuaĐanMạchtặng,ôngcóthểquansátvà tínhtoánvề thiênvănchínhxáchơnCopernicusrấtnhiều.Dựavàocácdữkiệnđó,viênphụtángườiĐứccủaônglàJahannKeplersaukhiTychochết,đãcóthểnêulênbađịnhluậtnổitiếng.a.Cáchànhtinhchạytheohìnhbầudục,chứkhôngtheohìnhtròn,vớimặttrờilàmtiêuđiểm.

b.Tráiđấtvàcáchành tinhkhácquanhxungquanhmặt trời theoquỹđạohìnhbầudụcnhưngtốcđộkhôngquayđềunhau,màhànhtinhnàogầnmặttrờihơnthìquaymauhơn.c.Khoảngcáchgiữamộthành tinhvàmặt trời tỷ lệvớikhoảng thờigianchuyểnđộngcủanóquanhmặttrời.

Galileolànhàquansátđầutiênđãsửdụngkínhviễnvọngtrongngànhthiênvăn,vànhữngkhámpháquakínhviễnvọngcủaôngđãlàmchothuyếtcủaCopernicusthêmvữngchắc.Galileotạodựngnềnmóngchomộtkhoahọcmới khi đưa ra những nguyên tắc cơ bản về động lực, khoa học củachuyển động. Bằng chứng cuối cùng khẳng định giá trị thuyết củaCopernicusđãdoIsaacNewtonđưaravớisựphátminhcủaôngvềluậthấpdẫnvàsựhình thànhnhữngluậtvềsựchuyểnđộngcủacáchànhtinh.VàmộtvàibímậtcònlạicủavũtrụđãđượcEinsteinkhámphávàothếkỷ20thuyếttươngđối.

Dựavàovôsốnhữngđiềuchỉnhdocácnhàkhoahọcthuộcvềthếkỷsaumang lại, một câu hỏi thường được đặt ra một cách hợp lý: Thuyết củaCopernicuscóđúngkhông?

KhôngthểchốicáilàthuyếtcủaCopernicuscònthiếusótvàsailầmtrênnhiềuphươngdiện.Quanniệmcủaôngchorằngcácthiênthểchuyểnđộngtheohìnhtrònlàsai;ngượclạichúngchuyểnđộngtheohìnhbầudục.QuanniệmcủaCopernicuschorằngvũtrụcóranhgiớinhấtđịnhđãđingượclạivớithuyếthiệnđạivềsốlượngvôbiêncủacáctháidươnghệ.

Trongnhiềuchitiếtkhác,nhữngnguyêntắcdoCopernicusnêulênbốnthếkỷtrướccũngkhônghoàntoànphùhợpvớisựhiểubiếthiệnnaycủaconngười.Nhưngtrongnhữngnétchínhnhưviệccoimặttrờilàtrungtâmcủahệthốnghànhtinh,Copernicusđãkhámphárachânlýcơbảnvàđãcócôngđặtnềnmóngchokhoathiênvănhiệnđại.

Sau hết, địa vị củaCopernicus trong lịch sử khoa học đã được khẳngđịnh.ẢnhhưởngcủaôngđốivớingườiđươngthờivàcácthếhệtríthứcvềsauđãlàmchovaitròcủaôngnổibậtnhưGoetheđãviết:“Trong tất cả các phát kiến cũng như các quan niệm, không cái nào ảnhhưởnglớnlaođếntinhthầnnhânloạibằngthuyếtcủaCopernicus.Ngườitakhólòngmàchorằngquảđấttrònvàtựnóquaytrênmìnhnó,khibịđòihỏiphảitừbỏđặcquyềnvĩđạicoinólàtrungtâmcủavũtrụ.Cólẽkhôngbaogiờnhânloạiphảichấpnhậnmộtđòihỏilớnlaohơnthế,vìcôngnhậnnhưthếtứclàtiêuhủybiếtbaothựctạithànhtrobụi!Rồicònthiênđườngcủachúng ta,cái thếgiớicủahồnnhiên,đạođứcvàcủa thica, tínhcáchhiểnnhiêncủagiácquan;lòngtintưởngởmộttínngưỡngthơmộng,tấtcảnhữngđiềuđó sẽ ra sao?Khôngcógì lạnếungườiđương thờikhôngmuốnchothuyếtđóđượcphổbiếnvàkhônglạgìkhihọđưaramọilậpluậnchốnglạithuyếtđó,một thuyếtvì tínhcáchmạngcủanó,đãkhẳngđịnhvàđòihỏimộtnhấtđịnhkhoángđạt,mộttưtưởngcaothâmngoàisứctưởngtượngcủachúngta”.

SaucùngxinnóiđếnlờiphêpháncủabanhàkhoahọcnổidanhHoaKỳhiện còn sống. Ông Vannevar Bush viết: “ Việc ấn hành kiệt tác củaCopernicusđánhdấubướcngoặtvôcùngquantrọngcủatưtưởngnhânloại,tạo ramột trườnghợpđiểnhìnhvềchân lýcủakhoahọc trongcôngcuộcgiảiphóngsựhiểubiếtcủanhânloại,vàlàmsángtỏsựnhậnđịnhvềviệcchiếnthắngsựngudốtvàlòngchấpnêtrongtươnglai”.

ÔngHaroldC.Urey,ngườitừngđoạtgiảiNobel,đãquảquyết:“TấtcảnhữngdanhtừvĩđạiđềukhôngđủđểmôtảgiátrịcôngtrìnhcủaNicolausCopernicus.Ông dứt khoát từ bỏmột quan niệm về hệ thốngmặt trời đãđứngvữngcảngànnămđểđưaramộtquanniệmhoàntoànmớivềtươngquangiữacáchànhtinhvớimặttrời.Làmnhưthếôngđãmởđầuchotoànbộphươngpháphiệnđạivềkhoahọcvàđãsửađổilốisuytưcủatatrongmọigiaiđoạncủađờisốngconngười”.Saucùng,đâylàýkiếncủaHarlanTrueSteson,mộtnhàthiênvănnổitiếng:

“Thậtlàlúngtúngkhiphảikiểmlạibảndanhsáchdàivềcácchânlýđãtừnggópphầnvàosựtiếnbộcủakhoahọctronglịchsửthếgiới,đểlựaramộtthiểusốchânlýnổibậtnhất.Tuynhiên,nếubắtbuộcphảilựachọnbatên tuổi thì tôikhôngngầnngạinóingay:Copernicus,NewtonvàDarwin.Ba tên tuổi đó có những đặc tính chung không thể tách rời khỏi sự chiếnthắngcủatiếnbộkhoahọc.Nhữngđặctínhđólàtrítưởngtượng,lòngcanđảmcủa thiên tài vàmộtnét độcđáobiểu lộkhảnăngphi thườngcủa tríthôngminh.Trong ba người, sau khi cân nhắc cận thận, tôi tin rằng vinhquanglớnnhấtphảithuộcvềCopernicus,ngườivĩđạinhất,vìchínhôngđãđặtnềnmóngchokhoathiênvănhiệnđại.Khôngcónhữngnềnmóngđó,Newtonkhôngthểxâydựngđịnhluậtvềtrọnglực.Copernicusđãmởđầu

chomột cuộc cáchmạngvề tư duy, đã thách thức lối tư duy chính thốngtừng thống trị trướckhi thuyết tiếnhóa tạođược thếđứng trongý thứchệcủachúngta”.

Vũ trụ hệ Isaac Newton và tác phẩmnguyêntắctoánhọc

Trongsốnhữngcuốnsáchgâyảnhhưởngsâurộngđếncuộcsống,cólẽhiếmcócuốnnàonổitiếngnhưnglạicóítđộcgiảbằngtậpNguyêntắctoánhọc trong vạn vật học (PhilosophiaeNaturalis PrincipiaMathematica) củaIsaacNewton.SáchviếtbằngcổngữLatinh,kèm thêmnhữnghìnhkỷhàchằngchịt,Newtonđãcốtìnhviếtnóthậtkhóhiểu,dùngtoànnhữnglờilẽchuyênmôntrừutượng.Chỉnhữngbáchọctrongcácngànhthiênvăn,toánvàvậtlýrấtthôngtháimớicóthểđọcnổisáchcủaông.

MộtnhàviếtsửNewtonđãkểlạirằng:KhicuốnsáchNguyêntắctoánhọcxuấtbảnvàocuốithếkỷ17,chỉcóbahaybốnngườiđươngthờicóthểhiểunổi.Mộtnhàviếttiểusửkhácnângconsốđólênmườihaymườihaingườilàcùng.Newtoncũngnhìnnhậnsáchcủaôngrấtkhóđọc;cóđiềulàôngmuốnvậy,đểnhữngngườicótrìnhđộtoánhọcthậtcaomớicóthểhiểuđượcsáchcủaông.

Tuynhiên,cácnhàkhoahọcnổi tiếngđềucoiNewton làmộtnhàbáchọcvĩ đại củamọi thời đại.Laplacenhà thiênvănhọc trứdanhPhápgọiNguyên tắc toánhọc “vượt lên trênmọi tácphẩmkhác của thiên tài nhânloại”.Lagrange,nhàtoánhọclừngdanhnhìnnhậnNewtonlàmộtthiêntàivĩđạichưatừngthấy.Boltzann,nhàkhaisángrakhoahọcvậtlýtoánhọchiệnđạigọicuốnsáchNguyêntắc toánhọclà tácphẩmđầutiênvàvĩđạinhấtvềmônvậtlýlýthuyết.NhàthiênvănlỗilạcMỹW.W.Campbellnhậnxét:“Đốivớitôi,khôngnhữngIsaacNewtonlàmộtvĩnhâncủakhoavậtlýhọcmàcònlàngườiđộcnhấtđãkhaiphárakhoavậtlýthiênvănhọc”.ViếtvềNewton,nhữngnhàkhoahọccựpháchtronggầnbathếkỷvừaquađềuđồng ý: Newton là nhà khoa học siêu việt bậc nhất, những người khôngthuộc giới khoa học chỉ có thể biết được kết quả cụ thể do học thuyếtNewton,vàtintưởngởnhữnglờinhậnxéttrên.

NewtonrađờigầnđúngmộtthếkỷsaukhiCopernicustạthế,vàđúngvàonhữngnămGalileotừtrần.HaibậcvĩnhânđótrongkhoathiênvănhọcđãcùngvớiJohannesKeplerđặtnềnmóngđểsaunàyNewtontiếptụcxâydựngsựnghiệp.

Newtonlànhàtoánhọcthiêntài,sinhtrongthờiđạicónhiềunhàtoánhọcnổitiếng.Marvinnhậnđịnhrằng:“Thếkỷ17làthếkỷtoánhọctrổhoa,cũngnhưthếkỷ18làthếkỷcủahoáhọc,thếkỷ19,sinhvậthọc.Khoahọctrongnửasauthếkỷ17đãtiếnđượcnhữngbướcdàihơnmọithờikỳkhác”.Newtonbaoquátđượccácngànhchínhcủakhoavậtlýnhư:toánhọc,hóahọc,vậtlýhọcvàthiênvănhọc,vìtrongthếkỷ17,nghĩalàtrướckhikhoa

họcchiaranhiềungànhchuyênmôn,mộtnhàkhoahọccóthểcùngmộtlúcbaoquátnhiềungànhkhoahọc.

Newton sinhđúngngày lễGiáng sinhnăm1642.Thiếu thờiôngđượcchứngkiếnsựthăngtrầmcủaChínhphủliênhiệpOliverCromwell,trậnhỏahoạntànpháhầuhếtthànhphốLondonvànạndịchhạchsáthạimộtphầnbadânsốthànhphốnày.Sau18nămsốngtrongmộtxómnhỏởWoolsthorpe,Newtonđượcgửi theohọc trườngđạihọcCambridge.ỞđâyNewtonmaymắnđượctheohọcmộtgiáosưtoánhọccótài tênlàIsaacBarrow,ngườiđượcgọilà“chatinhthần”củaNewton,BarrowbiếtlàkhuyếnkhíchthiêntàiNewton.Vàngaykhicònởtrường,Newtonđãkhámphárađịnhlýnhịthức.

TrườngđạihọcCambridgephảiđóngcửanăm1665vìnạndịchhạch,Newton lại trởvềquê.Tronghainămliềnsốngcáchbiệthẳnvới thếgiớibênngoài,Newtondànhhếtthìgiờđểsuytưvànghiêncứukhoahọc.Kếtquảthậtlàsiêuphàm:chưađầy25tuổi,Newtonđãthựchiệnđượcbaphátminhkhiếnôngnghiễmnhiêntrởnênnganghàngvớicácthiêntàikhoahọccủamọi thời đại .TrướchếtNewtonphátminh ra khoa toán học vi phândùngđểtínhnhữngsốlượngchuyểnbiếnnhưsựvậnđộngcủacácvậtthể,củalànsóngvàđểgiảinhữngbàitoánvậtlýcóliênquantớimọisựchuyểnđộng“Toánhọcviphâncóthểnóiđãmởđượccửakhotàngbáuvật toánhọc,đãđặtthếgiớitoánhọcdướichânNewtonvàcáchọctròcủaông”.

KhámpháquantrọngthứhaicủaNewtonlàđịnhluậtvềthànhphầnánhsángvàtừđóôngphântíchđượcbảnchấtcủamàusắcvàbảnchấtcủaánhsáng trắng.Newtonchứngminh rằng:ánhsáng trắngcủamặt trờigồmcónhữngtiasángmàumàtathườngthấyởcầuvồng.Nhưvậymàusắclàbảnchấtcủaánhsáng,vàánhsángtrắng-nhữngthínghiệmbằnglăngkínhcủaNewtonđãchứngminh-làdosựtrộnlẫntấtcảcácmàusắccủaquangphổ.Từkhámphánày,Newtontiếnđếnviệcchếtạokiểuviễnkínhphảnchiếuđầutiên,cóthểđemrasửdụngmộtcáchcóhiệuquả.

KhámpháthứbacólẽlàkhámphávĩđạinhấtcủaNewton,làđịnhluậtvạnvậthấpdẫn.Khámphánàyđãkíchđộng trí tưởng tượngcủacácnhàkhoahọc,mãnhliệthơnmọikhámphávềlýthuyếtkháctrongthờikỳcậnđại.TheomộtgiaithoạiaicũngbiếtthìNewtongiácngộrồitìmrađịnhluậthấpdẫnkhiôngquansátquảtáorơi.Sựthậtthìchuyệntráiđấthútnhữngvậtởgầnkhôngcógìmớilạ.NhưngđiềumớilạlàNewtonđãmởrộngnhậnxétđóđểápdụngđốivớivạnvật,từtráiđấtcáchànhtinhvàchứngminhđượcthuyếtcủaôngbằngtoánhọc.

ĐiềuđángngạcnhiênlàNewtonkhônghềcôngbốgìvềbaphátminhcựckỳquantrọngcủaôngvềtoánhọcviphân,màusắcvàđịnhluậthấpdẫn.Bảntínhrấtdèdặtkínđáo,ôngkhôngthíchtiếngtăm,khôngthíchtranhluận,vàcóýmuốnxếpxónhữngphátminhcủaông.Nhữnggìôngcôngbố

saunàyđềudobạnbèthúcép,nhữngcôngbốsongônglạihốihậnvìtrótmềm yếu nghe lời họ.Ông nghĩ rằng công bố sẽ khiến cho người ta phêbình, rồi từphêbìnhđi tới tranh luận,điềumàNewtonvớibẩmtínhnhạycảmrấtlấylàmkhổtâm.

Saunhữngnămsốngẩndậtvànhànhạbấtđắcdĩvìbệnhdịchhạchtànsát London, Newton lại trở lại Cambridge. Tốt nghiệp đại học xong, ôngđượccử làmgiáosư trườngTrinity. Ít lâusau,cựugiáosưcủaNewton làBarrowtừchức,Newtonkhiđómới27tuổiđượcbổnhiệmlàmgiáosưtoánhọc,mộtchứcvụônggiữtronghaimươibảynămliền.Mườihaymườihainămtiếptheo,ngườitabiếtrấtítvềnhữnghoạtđộngcủaNewton.Chỉbiếtôngtiếptụcnghiêncứuvềánhsángvàcôngbốkhámphácủaôngvềthànhphầncủaánhsángtrắng.Lậptứcôngbịlôicuốnvàomộtcuộctranhluậnvìlẽnhữngkếtluậncủaôngvềánhsángtráingượchẳnvớiquanniệmđươngthời,vàvìtrongtậptàiliệucôngbố,ôngđãtrìnhbàyquanniệmtriếtlýcủaôngvềkhoahọc.Ôngchủtrươngrằng:nhiệmvụchínhyếucủakhoahọclàtiếnhànhnhữngcuộcthínghiệm,ghinhậnnhữngkếtquảcủathìnghiệm,vàsau hết là rút ra những định luật toán học căn cứ vào kết quả những thínghiệmđó.Ôngviết:“Phươngphápthíchđángnhấtđểnghiêncứuđặctínhcủasựvậtlàsuyluậnxuấtpháttừnhữngcuộcthínghiệm”.Nhữngnguyêntắcnàyhoàntoànphùhợpvớiphươngphápnghiêncứukhoahọchiệnđại,nhưng trong thời Newton lại không được chấp nhận. Thời đó, chịu ảnhhưởngtriếthọccổ,cáchọcgiảthườnghaytinởtrítưởngtượng,ởlýtrí,ởbềngoàicủasựvậtnhiềuhơnlàtinởsựthínghiệm.CácnhàkhoahọccótiếngtămnhưHuygensvàHookecũnglên tiếngđảkíchNewtonkhiếnôngbựcdọcvàquyếtđịnhtừnayvềsausẽkhôngcôngbốgìnữa.Ôngviết:“Tôibịkhổsởvìnhữngcuộctranhluậnvềlýthuyếtquanghọcđếnnỗitôiphảihốihậntạisao lại từbỏnếpsốngyênvuicủa tôiđểchạytheomộtcáibóng”.Khôngnhữngvậy,ôngcòntỏrachánngấycảkhoahọcvànóiôngđãmấthếtlòng“nhiệtthành”trướckiađốivớikhoahọc.Saunàyvìnhiềubạnbè“khuyếnkhíchvàquấy rầy”nênôngmớiviết tập sáchvĩđại:Nguyên tắctoánhọc,mộttậpsáchđượcthànhhìnhchỉvìmộtsựngẫunhiên.

Vànăm1684,quanhữngcon tínhcủaPicard, lầnđầu tiênngười tađođượcchínhxácchuvitráiđất.DựavàonhữngkếtquảcủanhàthiênvănhọcPháp,Newtonápdụngnguyên tắc lựchấpdẫnđểchứngminhrằng:Sởdĩmặttrăngxoayquanhtráiđấtvàcáchànhtinhxoayquanhmặttrờiđềulàvìlựchấpdẫn(sứchút).Lựchấpdẫnnàythayđổitheokhốilượngvậtthểbịhút và thay đổi nghịch với bình phương của khoảng cách.Newton chứngminhrằngchínhđịnhluậtđógiảithíchhìnhbầudụccủaquỹđạocáchànhtinh,lựchấpdẫnđãgiữvữngđượcmặttrăngvàcáchànhtinhtrongquỹđạovàđãcânbằngđượcvớilựclytâmcủacáchànhtinhkhiquaytạora.

MộtlầnnữaNewtonlạikhôngmuốncôngbốphátminhcủaôngvềsựbí

mậtlớnnhấtcủavũtrụ.Tuynhiênđươngthờicũngcónhiềunhàkhoahọcnỗ lực tìmkiếmgiảiđápchonhữngcâuhỏivềsựchuyểnđộng trong tháidươnghệ.Nhiềunhà thiênvănhọcchorằng:cáchành tinhchạy theomặttrờilàvìlựchấpdẫn,trongsốđócóRobertHookexưanaychuyênmônđảkíchNewtonrấtdữdội.Tuyvậyvẫnkhôngcóvịnàochứngminhđượclýthuyếtcủamìnhbằngtoánhọc.Vàogiaiđoạnnày,Newtonđãtrởnênnhàtoánhọcnổitiếng,vànhàthiênvănhọcEdmundHalleytrìnhbàybàitoánxong,tớithămôngởCambridge,yêucầuônggiúpđỡ.KhiấyHalleymớivỡlẽrarằngtừhainămvềtrướcNewtonđãgiảiđápđượcbàitoánnàyrồi.HơnnữaNewtoncòntìmranhữngđịnhluậtvềsựchuyểnđộngcủacácvậtthểchịusựchiphốicủa lựchấpdẫn.ẤyvậymàNewtonkhônghềcóýđịnhcôngbốnhữngphátminhcủaông.

Halley thấyngay tầmquan trọngnhữngphátminhcủaNewtonvàônghếtlòngthuyếtphụcNewtonphảikhaitriểntrênbìnhdiệnlýthuyết.Phầnvìnhiệt tình củaHalley, phần vì ông lại cảm thấy hứng khởi với khoa học,NewtonkhởicôngviếttậpNguyêntắctoánhọcmàLangergọilà:“Mộtkhobáucủakhoahọc,mộttácphẩmmớilạnhấttừxưađếnnay”.ĐiềulykỳlàNewtonchỉmấtcómườitámthángđãviếtxongbộNguyêntắctoánhọc.Trongthờigianđó,quásaysưavàobộsáchđếnnỗiôngquênăn,quênngủ.Chỉcómộtbộócsiêuphàm,cósứclàmviệcsiêuphàmmớicóthểhoàntấtmộtcôngtrìnhvĩđạinhưbộNguyêntắctoánhọctrongmộtthờigianngắnngủinhưvậy.ViếtxongbộsáchNewtongầnnhưkiệtsứcvềcảvậtchấtlẫntinhthần.

TrongthờigianviếtbộNguyêntắctoánhọc,Newtoncònbịquấyrầyvìnhững cuộc tranh luận thường xuyên, nhất là những cuộc tranh luận vớiHooke,ngườiđãtựchochínhôngtamớilàngườitìmrathuyếtchuyểnđộngcủahành tinh,có thểgiải thíchbằng luậthấpdẫnbình thườngđốinghịch.Bựcmìnhvìnhữnglờivucáođó,NewtonchánnảnkhôngviếttiếpbộsáchNguyên tắc toánhọcmàôngđãviếtxongđượchaiphầnba.Một lầnnữaHalleylạiphảivannàiNewtonviếttiếpphầncònlại,vàlàphầnquantrọngnhấtcủabộsách.

Trong lịch sửbộNguyên tắc toánhọcngười ta không thểkhôngnhắcđến vai trò củaEdmundHalley.Không những ông đã khuyến khích, thúcđẩyNewtonlàmviệc,màôngcònvậnđộngđểHộikhoahọcHoànggiaxuấtbảnbộsách,vàchínhôngđãbỏrơimọiviệcriêngđểtrôngnomcôngviệcấnloát.VềsauHộikhoahọcHoànggialạitừchốitàitrợvàHalleyphảibỏtiềntúirađểchichoviệcxuấtbản,dùôngkhônggiàucógìvàcócảmộtgiađìnhphảinuôidưỡng.

Năm1687,saukhôngbiếtbaonhiêutrởngại,cuốnsáchNguyêntắctoánhọcinxong,khổnhỏ,bán10hay12shillingsmộtcuốn.Tranginnhanđềsáchcóghi:giấyphépxuấtbảncủaSamuelPepys,ChủtịchHộikhoahọc

Hoànggia.Cóngườinhậnxétrằng:rấtcóthểPepyskhônghiểumộtcâunàotrongsáchcủaNewton.

TómlượcsáchNguyêntắctoánhọcbằngnhữnglờilẽthôngthườnglàviệckhókhănnếukhôngnóilàkhôngthểlàmđược.Tuynhiênởđâychúngtacóthểghiramấyđiểmchínhyếucủabộsách.TrongNguyêntắctoánhọcNewtonđềcậpđếnsựchuyểnđộngcủacácvậtthểtrênbìnhdiệntoánhọc,nhất làsựápdụngđộnglựchọcvàluậtvạnvậthấpdẫnvàohệthốngmặttrời.Khởiđầu,Newtontrìnhbàyphéptoánhọcviphân,mộtphátminhđượcdùnglàmphươngtiệntínhtoántrongtoànthểbộsách.KếđóNewtonđịnhnghĩavềkhônggian,thờigian,trìnhbàynhữngđịnhluậtvềsựchuyểnđộngvàcácứngdụng.Nguyêntắccơbảnlà:mọivậtthểđềuhútlẫnnhauvớimộtlựcnghịchvớibìnhphươngkhoảngcách.NgoàiraNewtoncònđưaracácđịnhluậtvềsựvachạmcácvậtthể.Newtondùngnhữnghìnhkỷhàcổđiểnđểtrìnhbàycácthuyếtvậtlýcủaông.QuyểnđầutiêncủabộsáchNguyêntắctoánhọc,đềcậpđếnsựchuyểnđộngcác vật thể trongkhônggian . Phần thứhai của quyểnnàyđề cập đến sựchuyểnđộngtrongmôi trườngtrởlực, thídụnhưchuyểnđộngdướinước.TrongphầncuốiNewtonđềcậpđếnsựchuyểnđộngphứctạpcủathểlỏngvà những bài toán về sự chuyển động này đều được giải đáp. Ngoài raNewtoncótínhcáctốcđộcủaâmthanhvàdiễntảbằngtoánhọcsựchuyểnđộngcủalànsóng.Quyểnmộtnàylànềntảngcủakhoahọcvậtlýtoánhọc,khoathủytĩnhhọcvàthủyđộnghọcngàynay.

QuyểnthứhaiNewtonđảphávũtrụhệcủaDescartesđangthịnhhành.TheothuyếtcủaDescartesnhữngchuyểnđộngcủacácvậtthểtrongkhôngtrungđều làdocơn lốcmàra.Tấtcảkhônggianđều trànngậpmột“chấtlỏng”vàởnhiềunơinhữngchấtnàyquaycuồng thànhbão lốc.Hệ thốngmặttrờigồm14trungtâmbãolốc,trongtrungtâmlớncómặttrời.Cáchànhtinhđềuchỉlànhữngvậtthểbịcuốntheocơnbãolốcnhưnhữngmiếnggỗnhỏtrongxoáynước.Descartesđãdùngthuyết“báolốc”nàyđểgiảithíchhiện tượng hấp dẫn trong vũ trụ. Trái vớiDescartes,Newton chứngminhbằng thựcnghiệmvàbằng toánhọc rằng: “Thuyếtbão lốchoàn toànmâuthuẫnvớinhữngsựkiệnthiênvănvàkhônggiảithíchnổisựchuyểnđộngcủacácvậtthểtrongkhônggian”.

Quyểnthứbađượcđềlà:“Vũtrụhệ”đâylàphầnquantrọngnhấttrongcôngtrìnhcủaNewton.TrongphầnnàyNewtonđềcậpđếnnhữnghệquảthiênvănhọccủađịnhluậthấpdẫn,ôngviết:

“Trongnhữngquyển trước tôiđãxácđịnhnhữngnguyên tắccủakhoahọc,nhữngnguyêntắckhôngphảilàtriếtlýmàlàtoánhọc...Nhữngnguyêntắcđólànhữngđịnhluậtvàđiềukiệncủamộtsốnhữngchuyểnđộng,nhữngnănglực...Tôiđãchứngminhnguyêntắcđóởnhiềuđoạn...với...sựgiảithíchrằng:đâylànhữngsựkiệnthôngthườngtrongtạovật...nhưlàtrọnglượng

vàsứccảncủaánhsáng,củaâmthanh.Bâygiờ,cũngtừnhữngnguyêntắcđótôitrìnhbàyvũtrụhệ”.Giảithíchtạisaoôngkhôngphổthônghóathuyếtcủamình,Newtonviết:

“Phầnthứbanày,thoạtđầutôidùngngônngữphổthôngđểnhiềungườicóthểhiểu.Nhưngvềsaunghĩlại,tôiviếtphầnnàybằngnhữngcôngthứctoán học và chỉ những người nào nắm vững các nguyên tắc trình bày ởnhững quyển trước mới hiểu được. Sở dĩ tôi viết khó khăn như vậy, đểnhững ai cónắmvữngnhữngnguyên tắc đó thìmớiước lượngđược tầmquantrọngcủanó,vàdođómớigạtbỏđượcnhữngđịnhkiếnvềvũtrụmàhọquenthuộctừtrước.Tôikhôngkhuyênmọingườiphảinghiêncứunhữngnguyêntắctôiđãđềra,vìngaynhữngđộcgiảcótrìnhđộtoánhọccaocũngphảimấtnhiềucôngphumớihiểuđược”.Vìnhữnglẽđó,đãcóngườigọicuốnNguyêntắctoánhọccógiọngvăn“xavời,lạnhbuốt,giọngvăncủamộtgiáochủnóiđểmànói”.Ởđoạnmởđầu,Newtontrìnhbàyýkiếnmangtínhcáchmạngrằng:nhữnghiệntượngtrênmặtđấtcũngkhôngkhácgìnhữnghiệntượngtrongkhônggian.

“Nhữngnguyênnhânnhưnhauchokếtquảnhưnhau,loàingườivàloàivậtcũngthởnhưnhau,đárơiởchâuuhaychâuMỹthìcũngthế,ánhsángởbếplửakhôngkhácgìánhsángmặttrời,sựphảnchiếuánhsángtrênmặtđấtcũngtươngtựnhưởcáchànhtinh”.

VớilờixácđịnhnàyNewtonđãđảpháquanniệmcổtruyềnchorằngchỉcótráiđấtlàxấuxacòncácthếgiớikhácđềuhoànmỹcả.MacMuraybìnhluận:Nhữngđịnhluậtduylý“đemlạitrậttựvàdođólàmsángsủanhữngchốnxưanayvẫnđượccoilàhỗnmangvàbímật”.

Quyển thứ ba của bộ Nguyên tắc toán học đề cập đến vô số vấn đề.Newton đã khẳng định sự chuyển động của các hành tinh và các vệ tinh,trìnhbàyphươngphápđokhốilượngcủamặttrờivàcáchànhtinh,tínhtỷtrọngcủatráiđất,tínhsaibiệtvềnăm,trìnhbàylýthuyếtvềthuỷtriều,vềquỹđạocủasaochổi,sựchuyểnđộngcủamặttrăngvànhữngvấnđềtươngtự.

Trong lý thuyết về những sự “xáo trộn” trong không gian,Newton đãchứngminh:mặt trăngchịusứchútcủacảtráiđất lẫnmặt trời,dođóquỹđạocủamặttrăngbịsứchútcủamặttrờixáotrộnmặcdùsứchútcủatráiđấtmạnhhơn.Cáchành tinhkhác cũngbị xáo trộn tương tự.Mặt trời khôngphảitrungtâmđứngyênmộtchỗcủavũtrụnhưmọingườiđềutintưởngtừtrướctớinay.Mặttrờicũngchịusứchútcủacáchànhtinhcũngnhưhànhtinhchịusứchútcủamặttrời,vàcũngchuyểnđộngnhưcáchànhtinh.Saunàyvìápdụngthuyết“xáotrộntrongkhônggian”nênngườitađãkhámphárađượchaihànhtinhnữa:HảivươngvàDiêmvương.

Newtontínhkhốilượngcủacáchànhtinhvàmặttrờitươngđốivớikhối

lượngtráiđất.Ôngướclượngtỷtrọngcủatráiđấtgấpnămhaysáulầntỷtrọngcủanước(consốcủacácnhàkhoahọcngàynay là5,5)vàdựavàoước lượng nàyNewton tính khối lượng củamặt trời, các hành tinh và vệtinh,AdamSmithđãgọinhữngcontínhnàycủaNewtonlà“vượtlêntrêntầmlýtrívàkinhnghiệmcủaconngười”.

SauđóNewtongiảithíchsởdĩtráiđấtdẹphaiđầuvìtráiđấtquaytrênmìnhnó,vàôngtínhđượctráiđấtdẹpđầulàbaonhiêu.Căncứvàotráiđấtdẹphaiđầuvàhơiphìnhraởkhoảngxíchđạo,Newtonsuydiễnrarằng:sứchútởxíchđạomạnhhơnởhaiđầu-chínhhiệntượngnàyđãgiảithíchđượcbímậtsaibiệtvềniênlịch,giảithíchđượcsựchuyểnđộnghìnhnóncủatrụctráiđấtgiốngnhưconquay.Hơnnữanghiêncứunghiêncứuhìnhthùcủamặtđất,Newtoncònápdụngđịnh luậtvạnvậthấpdẫnđểgiải thíchhiệntượng thuỷ triều lênxuống.Khi trăng tròn,nước trênmặtđấtchịusứchútmạnhnhất,dođóthuỷtriềudângcao.Đếnkhisứchútcủacảmặttrờivàmặttrăngcùngtácđộngthìthuỷtriềudânglêncaonhất.

MộthiệntượngkhácrấtthườngthấycũngđượcNewtongiảithích,đólàhiệntượngsaochổi,Newtongiảithíchrằng:chuyểnđộngdướisứchútcủamặttrời,saochổibaytheomộthìnhbầudụcvôcùngrộnglớnvàphảimấtnhiềunămmớibayđượcmộtvòng.Giảithíchnhưvậy,saochổikhôngcònlàđiểmgởtheocáchmêtíndịđoan,màlàmộthiệntượngthiênvănngoạnmụcvàvôhại.CăncứvàothuyếtcủaNewtonvềsaochổi,EdmundHalleycóthểnhậnrõvàtiênđoánđúngsựxuấthiệncứ75nămmộtlầncủangôisaochổiđượcgọilà“SaochổiHalley”.Saochổimộtkhiđãquansátđược,ngườitacóthểtiênđoánbướcđườngtươnglạicủanó.

MộtkỳcôngnữacủaNewtonlàôngkhámphárađượcphươngphápđokhoảngcáchmộtđịnhtinh,căncứvàosốlượngánhsángnhậnđượctừmộthànhtinhdosựphảnchiếucủaánhsángmặttrời.

TrongsáchNguyêntắctoánhọcNewtonkhônghềtrảlờicâuhỏi:tạisaotrongvũtrụ,màchỉtrảlờicâuhỏi:thếnàotrongvũtrụ?SaunàycódưluậnlênánquanniệmcủaôngvềvũtrụcótínhchấtthuầntuýmáymócvìkhôngthừanhậnphầnsángtạothếgiancủaChúa,nênNewtonphảiviếtthêmlờituyênngônvềtínngưỡng.Trongkỳtáibảnlầnthứhai,ôngviết:

“Cảmộthệthốnghùngvĩvàvôcùngngoạnmụcgồmmặttrời,hànhtinhvàsaochổichỉcóthểxuấtpháttừmộtđấngtoàntrí,toànnăng...Giốngnhưngườimù, khôngbiết gì đếnmầu sắc, chúng ta cũngkhông thểbiết đượcThượngđếnhậnthứccácsựvậtrasao”.

Newtontintưởngrằng:sứmạngcủakhoahọclàtìmhiểu,vàhiểubiếtcàng sâu rộngchúng ta càng tiếngầnđượccái lýkhởiđầucủa sựvật, dùrằngchúngtakhôngthểkhámpháranhữngđịnhluậtKhởithuỷcủatạovật.

NguyêntắctoánhọccủaNewtonlàbộsáchvĩđại,tuynhiênnhữngnhàkhoahọchâmmộNewtonnhấtcũngđềunhìnnhậnrằngtácphẩmđókhông

phảilà“vôtiền”.Cohenviết:“Thànhcông lớncủaNewtonsởdĩcóđượcnhờnhữngcông trìnhcủa

cácnhàkhoahọctiềnbối.NgàytrướcNewton,DescartesvàFernatđãphátminh rakhoahìnhhọcgiải tích,Oughtred,HarriotvàWallisđãphát triểnmônđạisố,Keplertìmrađịnhluậtvềchuyểnđộng,Galileotìmrađịnhluậtvềtốcđộvàxácđịnhrằng:mộtsựchuyểnđộngcóthểchiaranhiềuthànhphầnđộc lập (thídụnhư tráiđạnbaygồmcómột tốcđộ tiếnđềuvềphíatrướcvàmột tốcđộ rơi xuống tăngdầnnhưkiểumột vật nặng rơi xuốngvậy). Nhưng công trình vừa kể của các nhà bác học chỉ là những yếu tốchuẩn bị cho khối óc vĩ đại củaNewton thực hiệnmột sự “tổng hợp” đểchứngminhmìnhdứtkhoátrằng:vũtrụchuyểnvậntheocácđịnhluậttoánhọc”.

ViếtvềNewton,Jeancũngnhìnnhậnrằng:“Thờiđóthếgiớiđangcầnmột người có khả năng hệ thống hoá, tổng hợp và triển khai những côngtrìnhtoánhọccótínhtoànthể,vàngườiđólàthiêntàiNewton”.

ChínhNewton cũng nhìn nhận rằng: vũ trụ hệ của ông chỉ là tiếp tụccông trình khởi đầu từCorpernicus đượcTychoBrahe,Kepler vàGalileopháttriểnthêm.Ôngviết:“nếutôinhìnđượcxahơnnhữngngườikhác,ấylàvì tôiđứng trênvai cácvĩnhân”.Tất cảnhữngcuộc tranh luậndiễn ratrong thờiNewton làvì thờiđó sựhoạtđộngkhoahọc rất sôinổi.Các lýthuyếtmớiđuanhaurađời,mởđườngchonhữngcôngcuộcnghiêncứucủacácnhàkhoahọctàinăng.Ngườitakhônglấylàmlạcóhainhàkhoahọcmỗi người ởmột nơimà đồng thời có những khám phá như nhau.Đó làtrường hợp xảy ra trong cuộc tranh luận giữaNewton với Leibniz và vớiHooke, đề ra thuyết vạn vật hấp dẫn.Tuy thành côngmuộn hơnNewton,nhưngLeibnizvàHookecôngbốcôngtrìnhtrướcNewton,vìNewtonvốnkhôngthíchsựphôtrương.

NướcAnhvàScotlandtiếpnhậnsáchNguyêntắctoánhọccủaNewtonnồngnhiệthơnlụcđịachâuu,vàkhắpmọinơisáchphổbiếnrấtchậmchạp.ĐúngnhưNewtonđãnóitrước,muốnhiểutưtưởngcủaôngphảicótrìnhđộtoánhọcrấtcao.TuynhiênngaynhữngngườichỉhiểuđạikháicũngphảinhìnnhậngiátrịvĩđạicôngtrìnhcủaNewton.Dầndần,cácnhàkhoahọcởkhắpthếgiớiđềuchấpnhậnhệthốngcủaNewtonvàđếnthếkỷ18hệthốngcủaNewtonđãchiếmđượcchỗđứngvữngchãitrongthếgiớikhoahọc.

ViếtvàchoxuấtbảnxongsáchNguyêntắctoánhọcNewtoncònsốnghơnbốnchụcnămnữa,nhưnghìnhnhưôngmấtgầnhếtsựhứngthúđốivớicôngcuộcnghiêncứukhoahọc.TrongthờigiannàyNewtonđượccửlàmViệntrưởngViệnsángchế,đượcNữhoàngAnnephongtước,đượcbầulàmChủtịchHộikhoahọcHoànggiaAnhtừnăm1703đếnnăm1727lànămôngtạthế,đượcchứngkiếnsáchNguyêntắctoánhọctáibảnlầnthứhairồilầnthứbavàđượcngườiđờitônsùngvàtrọngvọng.

NhữngkhámphákhoahọctrongthếkỷhaimươiđãchứngtỏcôngtrìnhcủaNewton có nhiều thiếu sót và phải sửa đổi lại, nhất là trong lĩnh vựcthiênvănhọc.Thídụ,Einsteintrongthuyếttươngđốiđãchứngminhrằng:không gian và thời gian không phải là tuyệt đối theo như quan niệm củaNewton.Tuynhiênnhiềunhàkhoahọcvàkỹthuậtđãnhậnxétrằng:nhữnghiệntượngthườngthấynhưcáchbốcụccủanhữngnhàtrọctrời,sựantoàncủavòmcầuxehoả,sựchuyểnđộngcủaxehơi,máybay,tàuthuỷvượtđạidương,cáchđothờigianvànhiềuthựchiệnkháccủanềnvănminhcơkhí,đềubắtnguồntừnhữngđịnhluậtdoNewtonkhámphára.

JamesJeansnhậnđịnhrằng:"NhữngnguyêntắccủaNewtonchỉlạchậuđốivớimộtphầnhếtsứcnhỏcủakhoahọchiệnđại.Khicácnhàthiênvănhọcmuốnviếtnhữngbàithôngthườngvềvấnđềhàngkhônghaymuốnthảoluận về sự chuyển động của các hành tinh, họ chỉ cần sử dụng những lýthuyếtcủaNewton.Cáckỹsưxâycầu,đóngtàuthuỷ,đầumáyxehoảvẫnsửdụngnhữngkiếnthứcxưa,vànhưthếlýthuyếtcủaNewtonkhôngcòngìthayđổi.Trườnghợpkỹsưđiệnsửachữamáyđiệnthoạihayvẽthiếtkếnhàmáy phát điện cũng tương tự. Khoa học ứng dụng trong cuộc sống hàngngàyvẫnhoàn toàn làkhoahọccăncứvàocông trìnhcủaNewton.Chínhkhốiócsiêuviệtcủaôngđãđưakhoahọcvàođúngđườngcủanó,vàbấtkỳaiamhiểuphươngphápcủaNewtonđềuphảitintưởngnhữngphươngphápđóchắcchắnsẽdẫntatìmrasựthậtvềkhoahọc”.

NhữnglờitándươngNewtoncủaEinsteinđãdứtkhoátđánhđổhẳnmọilýlẽphêphánNewton.Einsteinviết:“ĐốivớiNewton,tạovậtlàmộtquyểnsáchmởngỏmàôngcóthểđọcđượcmộtcáchdễdàng.ỞNewtonngườitathấysựkếthợpnhàthựcnghiệm,nhàlýthuyết,nhàcơkhíhọcvàôngcònlàmộtnghệsĩkhiôngphôdiễntưtưởngcủaông”.Vềcuốiđời,Newtonđãchứng tỏông làmộtngườihếtsứckhiêmtốnkhiôngnhậnđịnhvềcuộcđờicủamìnhnhưsau:

“Tôikhôngbiếtngườitachotôilàmộtngườinhưthếnào?Nhưngriêngmình,tôithấytôichỉlàmộtđứatrẻconchơiđùatrênbãibiển,thỉnhthoảngpháthiệnđượcmộthònsỏinhẵnnhụi,mộtvỏsòxinhđẹp,trongkhitrướcmặt tôi còn cảmột đại dương bao la đầy những bímật chưa được khámphá”.

ĐẤUTRANHSINHTỒNCharlesDarwinvàtácphẩmnguồngốccácchủngloại

Mộtsựtrùngphùngkỳlạxảyratrongnăm1809lànămđãchứngkiếnnhiềuvĩnhânchàođờihơnmọinămkhác.Trongmỗiđịahạtriêng,cácvĩnhân đó, vị nào cũng xây dựng được sự nghiệp siêu việt. Trong số cóCharlesDarwin,một“Newtoncủakhoasinhvậthọc”vàAbrahamLincoln,vịTổngthống“giảiphóngnôlệởHoaKỳ”.Haivĩnhânđósinhcùngngàyvàgầnnhưcùnggiờ.Ngoàihaivịđó,ngườitacònphảinhắcđếnnhữngtêntuổi như:Gladstone.Tennyson,EdgarAllanPoe,OliverWendellHolmes,ElizabethBarretBrowningvàFelixMendelsohn,cũngchàođời trongnăm1809.

CólẽngoạitrừKarlMarx,trongsốnhữngnhânvậtnổidanhđóvànóirộngra trongsốhàngtriệungườisinhtrongthếkỷ19,khôngaiđượcnhưDarwin,vìDarwinđãmởranhữngtràolưutưtưởng,nhữngquanniệmmớivềsứcsốngcủaconngười.Ngàynayngười tanóiđếnhọc thuyếtDarwinnhư nói đến học thuyết Karl Marx, học thuyết Malthus và học thuyếtMachiavelli.

Trong suốt gầnmột thế kỷ, các nhà bác học đã tranh luận sôi nổi vềnhững nguyên tắc nền tảng của học thuyết Darwin, và ngày nay nhữngnguyêntắcđóđãđượcgiớikhoahọcthừanhận.CuộctranhchấpgiữahaipháiTânvàCựukhởiđầunăm1859,kéodaidẳngsangcảthếkỷ20,vàácliệtnhất làkhixảy ra“vụánconkhỉ” lịch sửởbangTennessee.Chỉmớiđây,cuộccãicọgiữahaipháimớicódấuhiệudịuxuống.

KhiDarwincònởtuổithiếuniên,khôngaicóthểngờsaunàyôngsẽtrởnênnhàkhoahọcnổitiếngnhấtthếgiới.Darwinsinhtrưởngtrongmộtgiađình gồm những người làm nghề tự do và những học giả. Thân sinh củaDarwincũngnghĩrằngDarwinsẽkhócóthểlàmnêncôngchuyệngìđángkể.Ởtrườngtrunghọc,cậuhọcsinhDarwinrấtchánmôncổngữHyLạp,và chán luôn cả chương trình cổ điển cứng nhắc. Cậu thường bị giáo sưmắngvềtộiphíphạmthìgiờvàonhữngthínghiệmhóahọc,phíphạmthìgiờsưutầmsâubọcùngcácmẫuđá.Năm16tuổi,cũngnhưôngthânkhixưa,Darwin đượcgia đình cho theo học ngànhy khoa tại trườngđại họcEdinburgh. Hai năm sau, Darwin nói rằng nghề chữa bệnh không phải lànghềcủamình,nênliềnđóDarwinđượcgửitớitrườngđạihọcCambridge,họclàmmụcsưcủagiáohộiAnhquốc.

DarwinởCambridge3năm,vàtheoông,đólàbanămkhôngcóíchlợigì cho sựhọchỏi.Tuynhiên trong thờigiannàyDarwin có cáimaymắnđượcgiaothiệpthântìnhvớihaigiáosưcóhaithếlực,làHenslow,giáosưmônthựcvậthọcvàSedgwick,giáosưmônđịachấthọc.Darwindànhrất

nhiềuthìgiờtheohaigiáosưđidungoạncácmiềnquêđểsưutầmcôntrùngvàquansátvạnvật.ChínhgiáosưSedgwickđãvậnđộngcho“nhàvạnvậthọc”DarwinđượcđáptàuBeagleđinghiêncứurộngrãiởmiềnnambáncầu.SaunàyDarwinnóirằngchuyếnđiđólà“biếncốquantrọngnhấttrongđời”.Chuyếnđinàyđãquyếtđịnhtoànbộsựnghiệpcủađờiông;vàcũngởtrêntàuBeagle,ýđịnhtrởnênmộtgiáosư“chếthẳn”tronglòngông.

Trong5nămliền,từnăm1831đếnnăm1836,tàuBeagleđivòngquanhthếgiới,cậpbếnkhắpnămchâu,vàhầukhắpnhữnghảiđảolớn.Tớiđâu,nhàđịachấthọc,nhàthựcvậthọc,nhàđộngvậthọcDarwincũngsưutầmđủ loạicâycối,đủ loạiđộngvật,cònsốnghayđãhóa thạch, trêncạnhaydướinước,côngcuộcsưutầmđórấtcóíchchosựtìmkiếmvàviếtláchcủaôngsaunày.Vớiconmắtcủanhàvạnvậthọc,ôngnghiêncứuthôi thìđủloại thảomộchayđộngvật, cả trênnhữngđồngcỏhoangởApganixtang,trênnhữngsườnnúiAndestrơtrụi,trongnhữnghồnướcmặn,vàsamạcởChilê vàAustralia, những rừng rậm ởBrazin, Sierra del Fuego và Tahiti,nhữngquầnđảoCapeVerdetrụihếtcây.DarwincònnghiêncứucảđịachấtmiềnrừngnúivàbờbiểnNamMỹ,nhữngđảosanhô,nhữngdi tíchđộngvậtởPatagonia,nhữnggiốngngườiđãtuyệtchủngởPeru,nhữngthổdânởSirraDelFuegovàPatagonia.

TrongtấtcảnhữngnơiDarwinđặtchântới,cóquầnđảoGalapagoscáchbờbiểnphíatâyNamMỹchừng500dặmlàkhiếnôngchúýhơncả.Trênnhữnghònđảokhôngngườivàtrơtrụinày,Darwinthấycómộtgiốngrùakhổng lồmàôngđãgặpdướihình thứchóa thạchởnơikhác, thấynhữngconthằnlằnđãtuyệtchủngtừlâuởnhữngmiềnkháctrênthếgiới,nhữngconcuakhổnglồ,nhữngconsưtửbiển.ĐiềukhiếnDarwinngạcnhiênhơnhết là chimmuông ở đây tuy cùng chủng loại nhưng vẫn khác các chimmuôngởlụcđịachâuMỹ.Hơnnữa,ôngcònnhậnxétthấycónhiềugiốngchimtuycùngmộtchủngloại,nhưngởmỗiđảothuộcquầnđảoGalapagoslạicónhữngđiểmdịbiệtkhácnhau.

Hiện tượng kỳ lạ ở quần đảo Galapagos, cộng thêm những sự kiệnDarwinnhậnxét thấy trướcđâyởNamMỹ, tăng thêmquanniệmbắtđầuthànhhìnhvềquyluậttiếnhóacủavạnvậttrongtríông.ChínhDarwinkểlạirằng:

“TôingạcnhiênvôcùngkhitìmthấydicốtgiốngsúcvậttolớncóvỏcứngởnhữngcánhđồnghoangvubênNamMỹ,giốngnhưgiốngcừutrư(armadillos)hiệnnay.ThứđếnlàhìnhthểnhữngđộngvậtthuộccùngchủngloạithaythếnhauquasựquansátsâuvềphíanamtrênđạilụcchâuMỹ.Sauhết, là vì đặc tính NamMỹ của hầu hết những động vật trong quần đảoGalapagosvàđặcbiệtlàhìnhthứcnhữngchủngvậtnàyhơikhácnhautrênmỗiđảothuộcquầnđảoGalapagos,khôngphảivìnhữngđảonàycóvẻrất

giàcỗitheoquanniệmđịachấthọc”.TừđâyvềsauDarwinkhôngcòntinvàonhữnglờigiảngdạytrongkinh

thánhnóirằng:thượngđếtạoracácchủngloạiđộngvậtnguyênvẹnvàđờiđờikhônghềthayđổi.

NgaysaukhivềAnh,Darwinphát triển lý thuyếtcủaôngvề luật tiếnhóacủavạnvật,thuthậpcácbiếntháicủacácchủngloạiđểviếttậpNguồngốccácchủngloại.Bảnthảođầutiêncủatậpsáchnày,đượcviếtvàonăm1842vàchỉgồmbamươilămtrang,nhưngđếnnăm1844,tậpsáchđãlêntới230trang.KhởiđầuDarwinđặtvấnđềtạisaocácchủngloạiđãphátsinhrồivớithờigianlạibiếntháivàphânchiaralàmnhiềugiốngkhácnhau,vàcuốicùngmộtsốlạicóthểbịtuyệtchủng?

Darwinđãtìmđượcgiảiđápchonhữngcâuhỏiđó,saukhibấtngờôngđọc tậpLuậnvềdânsốcủaMalthus.ChínhMalthusđãnêuraýkiếnnày:mứcđộgiatăngdânsốtrênthếgiớibịtrìhoãnbởinhững“sứccảnrõràng”nhưbệnhtật,tainạn,chiếntranhvàđóikém,Darwinliềnnghĩrằng:cóthểnhữngtrởngạiđócũnglàmchậmlạiquátrìnhsinhsôinảynởcácchủngloạiđộngvậtthựcvật.Ôngviết:

“Saunhiềunămquansátkỹlưỡngsựsốngcácđộngvật,thựcvậttôiđãthấuhiểuthếnàolàquyluậtđấutranhsinhtồnngựtrịởkhắpmọinơi.Dođótôinhậnđịnhrằng,cácchủngloạisẽtồntạinếugặpđiềukiệnthuậnlợi,vànếugặpnghịchcảnhsẽcóthểbịtuyệtchủng,vàchínhyếutốhoàncảnhđãkhiếnphátsinhranhữngchủngloạimới.Đólàkhởiđiểmlýthuyếtcủatôi,vàcứtheochiềuhướngđótôitiếptụcviệcnghiêncứu”.

ChínhnhậnđịnhđóđãđưaDarwinkhámphá raquy luật “đào thải tựnhiên”,quyluật“đấutranhsinh tồn”,“khônsốngmốngchết”,nền tảnglýthuyếtcủacuốnNguồngốccácchủngloại.

Trong haimươi năm liền,Darwin sưu tầm gom góp các sự kiện, viếtthànhsáchđểchứngminhlýthuyếtcủaông.Ôngđọcrấtrộng,đủloạisáchbáo, các sách du ký, sách về thể thao, sách dạy làmvườn, chănnuôi, cácsáchvạnvậthọc.Darwinkểlạirằng:“Khitôinhớlạicácsáchbáotôiđãđọcvà trích yếu, chính tôi cũng phải ngạc nhiên tại sao tôi lại đọc nhiều nhưthế”. Không những đọcmà thôi, Darwin còn tiếp xúc với những chủ trạichuyênvềchănnuôi, trồngtrọt,vàgiảiđápnhữngbảngcâuhỏichotấtcảnhữngaicóthểcungcấpnhữngđiềuxétracóthểcóíchchocôngcuộcsưutầmnghiêncứucủaông.Darwinnghiêncứunhữngbộxươngchimnuôiởnhàrồiđemtuổivàtrọnglượngcủaxươngấysosánhvớichimrừngthuộccùngchủngloại.Ôngnuôirấtnhiềuchimbồcâuđểnghiêncứukếtquảsựghépgiống.Ôngthínghiệmnhữngloạihoaquảvàgiốngthảomộctrênmặtnướcvàdướibiểnsâu,tìmtòicácvấnđềtruyềngiống.Tấtcảkhotànghiểubiếtcủaôngvềthựcvậthọc,địachấthọc,độngvậthọcvàcổsinhvậthọcthuthậpđượcbốnnămđitheotàuBeagleđượcđemrasànglọcvàsửdụng

đểchứngminhcholýthuyếttiếnhoácủasinhvật.Darwinđãủnghộmạnhmẽnguyênlýđàothảitựnhiênquanhữngcuộc

nghiêncứuvềsựđàothảinhântạo.Trongtrườnghợpnuôitrồnggiasúcvàcâycỏ:ngựa,chó,mèohaylúamì,lúamạch,hoacỏv.v...ngườitalựachọnvànuôinhữnggiốngnàocóíchnhấtchonhucầucủamình.Kếtquảlàgiasúc,ngũcốcvàhoacỏđãbiếndạngđếnnỗirấtkhóphânbiệtđượctínhchấttươngtựcủachúngvớinhữngsinhvậtthuộccùngchủngloạihiệnđangsinhsôinảynởtrongthiênnhiên.Chínhsựđàothảinhântạonàyđãtạoranhữngnhánhchủng loạimới.Người chănnuôi lựa chọnnhữngconvậtvàgiốngcâycónhữngđặctínhhọcần.Họchỉnuôi,chỉtrồngnhữnggiốngấyđờinàyquađờikhácvàcuốicùngđãtạoranhữngchủngloạimớinhưlàconcháucủachủngloạiđãcótrướcđây.Thídụnhưnhiềugiốngchóngàynaytuyrấtkhácnhaunhưngđềucóchungmộtgốctổ,đólàgiốngchósói.

Darwinlýluận:nếusựtiếnhoácủacácchủngloạidosựđàothảinhântạo, vậy sự đào thải tự nhiên có thể là yếu tố quyết định sự tiến hoá cácchủngloạiđượckhông?Trongthiênnhiên,vaitròcủangườitrồngtrọt,chănnuôi được thay thế bởi quy luật đấu tranh sinh tồn (strugle for existence).Darwinnhậnthấyrằng:trongcácsinhvật,mộtsố“cáthểsinhvật”rấtlớnphảibị tiêudiệt,chỉmộtsốnàosốngsót.Nhiều loạisinhvậtphảichếtđểnuôisốngloạisinhvậtkhác.Cuộcchiếnđấutiếpdiễnkhôngbaogiờngừng,và loại rakhỏicuộcđấu tranhđể tồn tại tấtcảnhữngconvật,câycốinàokhôngđủđiềukiệntồntại.Vìlẽđómớicósựthayđổihìnhdạngcủacácsinhvậtđểthíchnghivớinhữngđiềukiệnmới,đểtồntại.

Chủ tâmcủaDarwin làxâydựng lý thuyếtvềsự tiếnhoácủasinhvậtthậtvữngchãivớiđầyđủbằngchứng,vìvậymãiđếnnăm1850ôngvẫnchưanghĩđếnviệccôngbốkếtquảcôngtrìnhcủaông.Nhưngsauđó,vìsựthúcgiụccủabạnbèôngmớibắttayvàoviếtmộtbộsáchvĩđạiđểchoxuấtbản thànhnhiều tập.Sáchviếtđượcmộtnửa thìmột tiếngsétnổ:Darwinnhận đượcmột bức thư của nhà vạn vật học Alferd RusselWallace hiệnđangnghiêncứuvềvạnvậthọcởquầnđảoMãLai.Trongthư,Wallacetiếtlộrằngôngcũngđangnghiêncứuvềnguồngốccácchủngloại,vàcũngnhưDarwin,chính tậpLuậnvềdânsốcủaMalthusđãgợicảmhứngchoông.Cùngvớibứcthư,DarwincònnhậnđượcmộttậpLuậnvềsựbiếndạngcủacácchủngloạilờilẽđúngnhưlờicủaDarwinkhiôngtrìnhbàylýthuyếtcủaông. Darwin kể lại rằng: “DùWallace có đọc bản thảo tôi viết vào năm1842,ôngcũngkhôngthểtómlượclýthuyếtcủatôimộtcáchthôngminhhơnthếnàyđược.Córấtnhiềucâuôngviếthiệntôidùngđểđềtênnhữngchươngtrongsáchcủatôi”.

Darwin lâmvào cái thếkhóxửvì rõ ràngôngvàWallace, cả hai đềucùngđitớimộtkếtluậnnhưnhau,tuycảhaikhôngcóliênhệgìvớinhau.CóđiềukháclàDarwinđãdàycôngsuytưnghiêncứu,cònWallaceđãphát

minh ra lý thuyết tiến hoá của sinh vật, trongmột phút xuất thần.Về sauDarwinvàWallaceđềuđồngýđệtrìnhnhữngtàiliệuvềlýthuyếtcủamìnhtrướcphiênhọptớicủahộiLinnaean.Thếlàlýthuyết“Tiếnhoácủavạnvậtdosựđào thải tựnhiên”đượccôngbốvàobuổihọpchiềungày1 tháng7năm1858,vàngaysauđótàiliệunàyđượcchođăngtrongtậpsancủahội.

Bịkích thíchvìvụWallacevàđể tranh thủ thờigian,Darwinbỏcôngtrình vĩ đại đang viết dở, quyết định viếtmột tập gọn hơnmà ông gọi là“Tómlược”.Đếncuốinăm1859,tậpsáchtrụcộtcủakhoavạnvậthọcngàynay được nhà JohnMurray ởLuânĐôn xuất bản. Lần xuất bản đầu tiên,sáchincó1.200bản,vàbánhếtngaytrongngàypháthành.Nhiềulầnxuấtbảnkháckếtiếp,vàđếnnăm1882lànămDarwintạthế,riêngởnướcAnhsáchbánđược24.000cuốn.Ngoài ra sáchcònđượcdịch rahầukhắpcáctiếngcủacácnướcpháttriểnvềkhoahọc.Khởiđầusáchnhanđềlà:Luậnvềnguồngốccácchủng loạiquaconđườngđào thải trongcuộcđấu tranhsinh tồn.Vềsau, tênsáchđược rútngắn,vàngàynayđượcđề lại:Nguồngốccácchủngloại.

Trongbốnchươngđầu,Darwintrìnhbàycơsởlýthuyếtcủaôngvềsinhvậthọc,bốnchươngsauôngđềcậpđếnnhữnglậpluậnngườitacóthểviệnrađểđánhđổlý thuyếtcủaông.Sauđóôngdànhnhiềuchươngđểnóivềmônđịachấthọc,vềđịalýhọccácloàiđộngvậtvàthựcvật,vàvềnhữngsựkiện thích đáng liên quan đến việc phân loại trong vạn vật học cũng nhưkhoasinhvậthình tháihọcvàphôi sinhhọc.Chươngcuốicùng tóm lượctoànbộnộidungbộsách.BắtđầuDarwintrìnhbàynhữngbiếnđổi tínhchấtcủacácgiốngvậtnuôi,giốngcây trồng,nghĩa lànhữngbiếnđổidoconngười tạora.Nhữngbiếnđổidotácđộngcủasự“đàothảinhântạo”đượcđemrasosánhvớinhữngbiếnđổi trong thiênnhiên,nóicáchkhác,do tácđộngcủasự“đào thải tựnhiên”.RồiDarwinkếtluận:sứcsốnglàluônbiếnđổivàkhôngthểcóhaivậthoàntoàngiốngnhau.

TheoDarwin,ngoàinhữngbiếnđổinhân tạovàbiếnđổi tựnhiên,cònphảikểđếntácđộngcủacuộcđấutranhsinhtồn.ỞđâyDarwinnêurarấtnhiềusựkiệnđểchứngminhrằng:khôngphảimộtconvậthaymộtcáicâynàorachàođờicũngcóđủkhảnăngbảotồncuộcsốngtrênthếgian.Thídụloàichậmlớnhơncảlà loàivoi,nếuconvoinàocósinhcũngcósốngvàsinhsảnđượcbìnhthườngthì“saumộtthờigiantừ740đến750nămmộtcặpvoicóthểsinhrabaogồmcảcháuchắtchútchít”chừngmườichíntriệucon.Và thếgiới sẽ trànngập toàn làvoi.Dựavàonhững thídụ tương tự,Darwinsuydiễnrarằng:nhiềusinhvậtcósinhnhưngkhôngcósống,đólàkếtquảsựđấutranhsinhtồndiễnragiữasinhvậtkhácchủngloại,hoặcdokếtquả sựđấu tranhvớiđiềukiện sinhhoạtvật lý.Nóichung, tất cảmọisinhvậttừcâycối,loàicáloàichimđếncácloàicóvú,kểcảngười,đềucó

thể sảnxuất ra rấtnhiều“mầmgiống”nhưngchỉ cómột thiểu sốđược rachàođời,hoặccóthểsốngtiếpđượctrongthếgiới.

Ngoàira,Darwincònchứngminhmộtcáchrõràngmốiliênhệgiữacácchủngloại .Ôngthấyloàiongđấtcócôngdụngtruyềngiốngchomộtvàithứcây,nhưcâyhoaPăng-xêhoặcvàiloạicỏ.Ôngviết:

“Số ong đã nhiều hay ít ởmộtmiền nào đó, phần lớn tuỳ thuộc ở sốchuộtđồng thườnghayphápháchbánhmậtvà tổong...Sốchuột,aicũngbiết,tuỳthuộcphầnlớnởsốmèo...Dođóngườitacóthểtinđượcrằng,ởmộtmiềnnàođó,sốmèoquyếtđịnhsựhiệndiệncủamộtsốchủngloạihoa,quasựtrunggiancủaloàichuộtvàloàiong”.

Kếtiếp,sáchNguồnsốngcácchủngloạiđềcậpđếnnguyênlý“đàothảitựnhiên”cảntrởsựsinhsôinảynởcácchủngloạinhưthếnào?Trongbấtkỳ chủng loại nào cũng có những conmạnh hơn, chạy nhanh hơn, thôngminhhơn,ítnhiễmbệnhhơn,vàchịuđượcnhữngthayđổigắtgaocủathờitiết tốt hơn các con khác cùng chủng loại.Những con “khoẻ” đó sẽ đượcsốngvàsinhsản,cònnhữngconkhácyếuhơnsẽphảichết.GiốngthỏtrắngsốngđượcởmiềnBắccựcnhờcóbộlônglẫnvàomàutuyết,cònloàithỏlôngmàudễnhậnhơn,dễbịcáovàchósóipháthiện,bắtănthịtchonênđãtuyệtchủng.Loàihươucaocổsởdĩcòntồntạiđếnngàynayvìtrongnhữngnămhạnhán,nhờcái cổdàingoằngngoẵnghươucó thểănhoa láở trênngọncây,trongkhihươungắncổphảichịuchếtđói.Chínhnhữngđặcđiểmvềsinhlývàhìnhthểthuậnlợiđóđãbảođảmcholoàinàocócơnăngthíchhợphơnhếtvớicuộcsống,vàrồisauquãngthờigiandàihàngngànnămđãtạoranhữngchủngloạimới.Darwinđãviếtmộtcáchbithảmvềđịnhluật“nanhvàvuốt”ngựtrịởkhắpmọinơi.

“Chúng ta chiêm ngưỡng bề ngoài của tạo vật chan hoà ánh sáng vuitươi. Chúng ta thấy có thừa thãi thức ăn chomuôn loài. Nhưng chúng takhôngbiếthayquênrằng,chimchócsởdĩsốngđượcvàríurítcaquanhta,phầnlớnvìchúngăncácloàisâubọhaycáchạtgiống,vànhưvậycónghĩachúngthườngxuyêntiêudiệtsựsống.Vàchúngtaquênrằngchínhnhữngchimchócđó, trứngvà tổcủachúngcũng thườngbịcác loàichimvà loàithú khác ăn thịt, phá huỷ. Chúng ta quên rằng thức ăn tuy thừa thãi chomuônloài,nhưngkhôngphảimùanàocũngthừathãi”.

Darwin cònnhậnxét rằngchínhhoạtđộng sinh sảnđóngvai tròquantrọngtrongsựđàothảitựnhiên“nhữngconđựccườngtráng,nhữngconvậtsốngthíchhợphơnhếtvớingoạicảnh,thườnghaycósừng.Nhữngcongàkhông có cựa sẽ ít có hy vọng nhiều con”.Về loài chim “cuộc tranh đấuthườngmang tính ôn hoà hơn”, và chim đực chinh phục chimmái khôngphảibằngsừng,bằngcựamàbằngtiếnghóthay,bộlôngrựcrỡ,bằngnhữngvũđiệutânkỳ.

Trong sự đào thải tự nhiên, khí hậu cũng làmột yếu tố quan trọng vì“nhữngmùaquálạnhhaylàquáhạnhánthườngcảntrởrấtnhiềusứcsinhsảncủasinhvật...nhìnquaaicũngtưởngrằngkhíhậukhôngcóảnhhưởnggìđếncuộcđấutranhđểsinhtồn.Nhưngxétkỹ,ngườitathấyrằngkhíhậutrướcnhấtlàmsuygiảmsựsảnxuấtthựcphẩm,dođókhíhậucóthểkhiếnchocuộcđấutranhđểsinhtồntrởnênmuônphầnácliệtgiữacácvậtcùngchủng loạihaykhácchủng loạinhưngcùngănmột thứ thựcphẩm.Trongtìnhtrạngđó,chỉnhữngconnàođủsứcchịuđựngnóng,lạnh,đủsứcđoạtthứcănmớicóthểbảotồnsựsống.Darwinviếtrằng:

“Hàngngàyhànggiờ,địnhluậtđàothảitựnhiênchếngựmuônloàitrênmặtđất.Nhữngconyếuhènbịtiêudiệtđểnhườngsựsốngchonhữngconcường tráng.Định luật đào thải tự nhiên diễn biếnmột cách âm thầm vàkhốcliệt.Địnhluậtđóđãbiếnđổinhữngsinhvậtcònbảotồnđượcsựsống,đểnhữngsinhvậtnàycóthểthíchnghihơnnữavớicácđiềukiệnsinhhoạt.Nhữngbiếnđổiđódiễntiếnrấtchậmchạpnênchúngtakhónhậnthấy.Phảinghiên cứu những thời kỳ địa chất học dài đằng đẵng, chúng tamới thấyrằngsinhvậtsốngchungquanhtangàynayđãkhácxưanhiềulắm”.

Trong chương kết luận sách Nguồn gốc các chủng loại , Darwin chorằng:quyluậtđàothảitựnhiêncósứcmạnhvôbiên,khiếnngườitacóthểsuydiễnrarằng:“cóthểtấtcảcácsinhvậthiệnsốngtrênmặtđấtnàyđềugốcởmộtvậtthểnàođóđãtiếpnhậnđượcsựsốngđầutiên”.Darwintinrằng:chínhthiênnhiênvớinhữngđịnhluậtkhắtkheđãsángtạoranhữngsinhvậtcócơcấurấtphứctạp,vàôngthấykếtquảcủađịnhluậtđàothảitựnhiênđãgợihứngchocôngviệccủaôngrấtnhiều.Darwinviết:

“Nhưvậy,chínhvìphảichiếnđấuđể tồn tại,chínhvìkẻyếuhènphảiđói,phảichết,nêncácsinhvậtcòn lạimỗi thếhệmột thêmtốtđẹp;đó làđiềuphấnkhởihơnhếtmàchúngtacóthểquanniệmđược.Quanniệmnhưvậy, chúng ta thấy cuộc sống quả là hùng vĩ, cuộc sống khởi thuỷ đượcThượngđếbanphátchomộthaynhiềuvật,nhưngchứađựngkhôngbiếtbaonhiêulàkhảnăngpháttriển.Trongkhiquảđấtvẫnquaybấtdibấtdịchtheođịnhluậtvềtrọnglựcthìmộtsinhvậtkhởithuỷhếtsứcđơngiảnlạicóthểđãvàđangphátsinhravôvànchủngloạisinhvậttuyệtvời.”

Đólàlýthuyết“tiếnhoákhôngngừng”đượctrìnhbàytrongsáchNguồngốccácchủngloại.Tuynhiên,tráivớisựtintưởngcủanhiềungười,Darwinkhôngphảilàngườisánglậprathuyếttiếnhoá,vìthuyếtđóđãcótừtrướcAristotle và Lucretius . Sau này, các nhà khoa học nổi tiếng nhưBuffon,Goethe, Erasmus Darwin (ông nội Charles Darwin), Lamarck và HerbertSpencercũngđềcaothuyếttiếnhoá.Tuynhiên,sựđónggópcủaDarwinvôcùngquantrọng.Trướchết,ôngđãsưutầmđượcrấtnhiềubằngchứnghiểnnhiênđểchứngminhrằngcósựkiện tiếnhoá thật trongcácsinhvật.Saunữa,Darwinđãnêuraquyluậtđàothảitựnhiênrấtnổitiếngvàlấyquyluật

nàyđểgiảithíchhợplýcáchthứctiếnhoácủacácsinhvật.SáchNguồngốccácchủngloạicủaDarwinrađời,dưluậnđươngthời

gọi đây là một đại họa, như tiếng “sét nổ ngang tai”, vì nếu thuyết củaDarwinđúng thìchuyệnSáng thếkỷ trongKinh thánhcủaCơđốcgiáo làkhông thểchấpnhậnđượcnữa.Giáohội liềnphátđộngphong tràochốngđốimạnhmẽvà lênán thuyếtcủaDarwin lànguyhiểmchotôngiáo.TuyDarwinđãhếtsứcdèdặt,tránhkhôngđảđộngđếntrườnghợptiếnhoácủaloàingười,ấyvậymàôngvẫnbịgánchotiếngxấulàchủtrươnggốctổcủaloàingườilàgiốngkhỉ.ĐểlàmgiảmgiátrịcủaDarwinngườitatìmcáchchếgiễuông.Mộtbàibáođăng trong tạpchíQuarterlyReviewgọiông là“conngườidạidột”đãcảganviếtsách“đểbênhvựcnhữnglờiphỏngđoánvànhữngsuyluậnhoàntoànthốinát”,conngườidạidộtđã“nghiêncứutạovật”theomộtcáchhoàntoàn“nhụcnhãchokhoahọc”.TạpchíSpectatorđảkíchthuyếtcủaDarwin“vìthuyếtđóphủnhậnđạođứcvàchứngtỏtácgiảcómộtcáchhiểulàmbạihoạiluânlý”.Darwincònbịkếttộilàđãthuthậpnhữngsựkiệnđểbiệngiảichomộtnguyêntắcsailầm.BáoSpectatorviết:“Ngườitakhôngthểlấybọtkhôngkhímàkết thànhsợidây thừngvữngchắcđược”.Mộtnhàbáomỉamai:“Liệungườitacóthểtinđượcrằngtấtcảmọigiốngcủcảitốtcótriểnvọng tiến hoá thành người không?”. Bằng giọng văn gay gắt, báoAthenaeumviết:VìởnướcAnhkhôngcótoàántôngiáo,chonêntađànhtraoDarwincho“cácthầnlinh,chocáctrườnghọcvàviệnbảotàngtrừngphạt”.Trướcnhữnglờiđảkíchđó,Darwinnói:“Họsẽkhôngthiêutôiđâu,nhưnghọđãchuẩnbịcủigỗvàbàycáchchonhữngthúdữbắttôi”.ỞngaytổquốccủaDarwinvàtạitrườngđạihọcCambridge,WhewellcấmtàngtrữsáchNguồngốccácchủngloạiởtủsáchcủabộmôn.

Trong giới khoa học, Darwin được sự ủng hộ nồng nhiệt, nhưng sựchống đối không phải ít. Đại diện cho phái bảo thủ cực đoan nào đó cóOwenởAnhvàAgassizởHoaKỳ.CảhaiôngnàylớntiếngchorằngthuyếtcủaDarwinlàngụykhoahọcvàmộtngàykiasẽbịchìmtrongquênlãng.Nhà thiênvănhọcJohnHerschelgọi thuyếtDarwin là“định luật loạnxạ”(higgledy-piggdedy).GiáosưcũcủaDarwinvềđịachấthọcởCambridge,Sedgwickcoi thuyết củaDarwin“hoàn toàn sai lầmvà rất cóhại”vàviếttrongthưgửichoDarwinrằngsáchcủaDarwinlàmchoông“cườiđếnvỡbụng”.Sedgwickcho“thuyếtcủaDarwincũngcótínhđiênkhùngnhưcáiđầuxelửacủaGiámmụcWilkinsẽđưachúngtalêncungtrăng”.

TuynhiênDarwinkhôngthiếungườiủnghộnồngnhiệt.Đứngđầuphảikểđếnnhữngngườinhưnhàđịa chấthọcCharlesLyell, nhà sinhvậthọcThomasHuxley,nhà thảomộchọcJosephHooker,vàAsaGray,nhà thảo

mộc học nổi tiếng củaHoaKỳ. Trong số các nhà khoa học này, DarwintrôngđợinhiềuhơncảởHuxleymàônggọilà“cộngtácviên”củaôngvàHuxleycũngtựnhậnlà“vệsĩcủaDarwin”.Vốnkhôngphảilàngườiquentranh luận, bút chiến,Darwin không hề công khai bênh vực lý thuyết củaông,việcnàyhoàntoàndoHuxley,mộtngườicótàilạivừahăngháiđảmnhiệm.

Trong cuộc xung đột nảy lửa diễn ra vào năm 1860 xung quanh họcthuyếtDarwin,chínhHuxleyđãđóngmộtvai tròquan trọng.Sânkhấu làphiên họp của học viện Anh quốc ở Oxford để thảo luận về học thuyếtDarwin.CỗtrọngpháocủađốiphươnglàGiámmụcWiberforceởOxford.Trongđoạnkết bản tham luậnmàông tin rằngđã đập tan được lý thuyếtDarwin, GiámmụcWiberforce quay về phía Huxley đang ngồi trên diễnđàn,nóigiọngcáchchâmbiếm:“TôimuốnhỏigiáosưHuxley,giòngtổnộihay tổngoại củagiáo sư thuộc loạikhỉ?”.NghevậyHuxleynói riêngvớibạn:“Thượngđếđã traosốmệnhông tavào tay tôi rồi”.Nói rồi, theo lờingườikểlại,Huxleyđứngdậytrảlờigiámmụcnhưsau:

“Chúngtakhôngcólýdogìđểxấuhổvìnguồngốcloàingườilàloàikhỉ.Nếutôicóvịtổtiênnàomàmỗikhinhớlạitôiphảilấylàmxấuhổ,thìvịtổtiênấyphảilàhạngtríthứclàmviệckhôngnghỉngơivàcóquánhiềutàinăngkhácnhauchonênông thamvọngquácao.Hạngngườinày thấyrằngthànhcôngtrongđịahạthoạtđộngcủamìnhchưađủlạicònmuốnbénmảngđếnđịahạtkhoahọcmàhọkhônghiểugìcả,vàhọchỉlàmchovấnđềkhoahọctrởthànhtốitămthêmvớinhữnglờivănvẻvônghĩa.Họcònkhéoléocầuviệntớinhữngtínđiềutôngiáovànhữnglờixáchméđaotobúalớnđểđánhlạchướngthínhgiả”.Đâylàtrậnxungđộtđầutiên,vàcònnhiềutrậnnảylửasaunàynữa,giữagiáohộivàgiớikhoahọcxungquanhhọcthuyếttiếnhóacủaDarwin.

Đốivớivấnđềtôngiáo,quanđiểmcủaDarwincóchiềuthayđổikhivềgià.Hồithiếuthời,ôngnhìnnhậnlàtạovậtđượcsinhramộtcáchhoàntoàntheoquy luật.TrongcuốnCuộcđờivà thư từ,Darwin tỏý tin tưởng rằng“trongmộttươnglaixaxôiconngườisẽhoànhảohơnbâygiờrấtnhiều”.VềgiàDarwinlạiviết:

“CómộtlýlẽrấtmạnhnữakhiếntôitinởThượngđế,đólàlýlẽlýtríchứkhôngphải lý lẽ cảm tính.Người ta rấtkhó, thậmchíhầunhưkhôngthể,quanniệmđượcrằng:cảcáivũtrụmênhmôngvàkỳdiệunày,trongđóconngườivớikhảnăngnhìnlùilạiquákhứvàhướngvềtươnglai,lạicóthểlàkết quả củamột sựngẫunhiênmùquánghaymột tất yếu.Saukhi suynghĩmiênmannhưvậy,tôitựcảmthấyphảitinrằngcómộtcộinguồnkhởithủy có trí thôngminh tương tựnhưngười, nghĩa là tôi tin có thượngđế.TrongthờigianviếtbộNguồngốccácchủngloại,tôinhớlàtâmtrạngcủatôi lànhưvậy.Tuynhiênquanhiềudiễnbiến thăng trầmvềsau,niềmtin

củatôikhôngcònđượcnhưtrước.Đếnđâylạinảysinhmộtmốihoàinghi:Tôitựhỏilàmsaocóthểtinđượcrằnglinhhồnconngười,thoạtđầukhôngkhácgìlinhhồncácloàivậthạđẳngnhất,lạicóthểsuyluậntớinhữngkếtluậnbaolanhưvậy?”Darwinkhôngtrảlờicâuhỏivàkếtluậnnhưsau:

“Tôikhôngcóthamvọngrọisángnhữngvấnđềtrừutượngđó.Chúngtakhông thể biết nổi nguồn gốc của vạn vật và tôi đành cam nhânmình làngườitheochủtrươnglýtríhữuhạn”.

Saukhi sáchNguồngốc các chủng loại xuất bản,Darwin viết tiếp rấtnhiềusáchkhácđềcậpđếntừngvấnđềriêngbiệt,nhưngtựutrungôngvẫntriểnkhai lý tuyết tiếnhóacủasinhvậtbằngquyluậtđàothải tựnhiênđãđược trìnhbàyminhbạch trongNguồngốccácchủng loại.Trướchếtôngviếthai tậpđềlà:Côntrùngbiếnthànhchấtbónchogiốnglan,vàNghiêncứuvềsựsốngcủacácgiốngcâyleo.SauđóDarwinviếthaitácphẩmquantrọnghơnnhanđề:Nhữngbiếnthểđộngvậtvàthựcvậtnuôitrongnhà,vàSựsinhsảncủaloàingườivàvấnđềtìnhdụcđàothải.Darwincònviếtrấtnhiềusáchđềcậpđếncácvấnđềnhưsosánhsựthểhiệncảmxúcgiữaloàingườivàloàivật,nhữngsáchnóivềgiốngcâyănsâubọ,vềtácdụngcủaviệclaigiống,khảnăngdiđộngcủathựcvật,hiệntượngcâybiếnthànhđất.

Trong sách Nguồn gốc các chủng loại , Darwin cố tránh bàn luận vềnguồngốcloàingười,vìôngsợdưluậncóthểbácbỏtoànbộlýthuyếtcủaông.ĐếncuốnDòngdõiloàingười,Darwinđưaranhiềusựkiệnđểchứngtỏrằngloàingườicũngtiếnhóatừnhữngsinhvậtthôsơmàra.

Nhìn bao quát lại, chúng ta thấy rằng, trênmọi địa hạt học thuật, ảnhhưởngcủaDarwinrấtsâuđậm.Vàngàynaycácnhàsinhvậthọc,địachấthọc,hóahọc,vậtlýhọc,cácnhànhânchủnghọc,tâmlýhọc,cácnhàgiáodụchọc, triếthọc,xãhộihọcvàngaycảcácnhàsửhọc,chính trịhọcvàngônngữhọcđều chấpnhận lý thuyết tiếnhóa củaông.CharlesEllwoodđánhgiánhưsau:

“Khi nghĩ đến ảnh hưởng lớn lao của Darwin trong mọi lĩnh vực tưtưởng,nhấtlàcáckhoasinhvậthọc,tâmlýhọcvàxãhộihọc,ngườitabắtbuộcphảikếtluậnrằng:Darwinlànhàtưtưởngphongphúnhấtthếkỷ18,khôngnhữngcủanướcAnhmàcủacảthếgiới.Dođó,ôngxứngđángcóvịtrívinhquangcaonhấttronggiớikhoahọc.VàngàynayngườitamớibắtđầunhậnrađượcýnghĩaxãhộicủahọcthuyếtDarwin”.

Bình luận về sáchNguồn gốc các chủng loạiWest cũng đồng ý rằng:“ảnhhưởngcủaDarwinthậtbaola.Nêulênmộtnguyêntắcmớimẻđồngthời vẫn tiếp tục nghiên cứuhọc hỏi,Darwin đã đảo lộn tất cả các ngànhkhoahọc,từthiênvănhọcđếnsửhọc,từcổsinhvậtđếntâmlýhọc,từphôihọcđếngiáodụchọc”.

MặtkhácngườitacònđemápdụnghọcthuyếtcủaDarwintrongnhững

lĩnhvựcmànếucònsốngchắcchắnôngsẽphảnđốikịchliệt.Thídụnhưchủnghĩaphátxítđãviệnraquyluậtđàothảitựnhiên,haylàluật“khônsốngmốngchết”đểbiệngiảinhữnghànhđộngsátnhânnhằmtiêudiệtmộtsốchủngtộccủahọ.Hoặcnhưbọnhiếuchiếnđãbiệngiảichiếntranhlàmộtphươngtiệnđểđàothảikẻyếuvàbảotồnkẻkhỏe.Thídụnhưnhữngcơsởlàmăn,cũngdựavàonhữngđịnhluậtđàothảitựnhiên,“khônsốngmốngchết”,đểtìmcáchtiêudiệtnhữngcôngtynhỏbéhơn.

Ngày nay kiến thức khoa học được phổ biến rộng rãi, công trình củaDarwincàngthêmcógiátrịvìbaogồmnhữngquansátvôcùngtinhtế.Chodùnhữngkhámphámới lạcủakhoahọchiệnđạicóbiếnđổiphầnnào lýthuyếtcủaDarwin,nhưngtựutrunglýthuyếttiếnhóavẫnđứngvữngtrongditruyềnhọc,cổsinhvậthọcvàtrongrấtnhiềubộmônkhoahọckhác.

VềđịavịcủaDarwintronglịchsửkhoahọc,khôngaicóthểviếtđúnghơnJulianHuxley,nhàsinhvậthọcnổitiếng,cháunộicủaThomasHuxley,ngườicộngtác,ngườibiệnhộvàlàbạncủaDarwin.JulianHuxleyviết:

“SựnghiệpcủaDarwin...đãđưathếgiớisinhvậtvàotrongphạmvichiphốicủađịnh luật thiênnhiên.SauDarwin,người takhôngcònnghĩ rằngmọisinhvậtvàđộngvậtđượcsángtạonguyênvẹntừlúckhởithủy,khôngcònnghĩ rằngcómột trí thôngminhhuyềnbíđã trangbịchocácsinhvậtnhững khí giới kỳ diệu để kiếm ăn hay đương đầu với kẻ thù, không cònnghĩrằngloàicómộtsứcmạnhhuyềnbídẫndắtsựtiếnhóacủamuônloài.Nếuthuyếtđàothảitựnhiênlàđúngthìchúngtacóthểtinrằngtấtcảcácđộngvật,thựcvật,kểcảngười,sởdĩnhưchúngtathấyngàynay,cũngvìđãtrảiquaquátrìnhtiếnhóatheonhữngđịnhluật tựnhiênmùquáng,khôngkhácgìnhữngđịnh luậtkhiếncónúimọc,khiếnquảđấtvàcáchành tinhkhácchạythànhđườngbầudụcchungquanhmặttrời.Địnhluậtmùquángphảichiếnđấuđểsinhtồn,địnhluậtditruyềnmùquángtấtnhiênđưatớikếtquảlàđàothảikẻyếuvàbảotồnsựsốngcủakẻmạnh,vàdođóthúcđẩyđàtiếnhóacủacácsinhvật...”JulianHuxleyviếttiếp:

“SựnghiệpcủaDarwinđãkhiếnchúngtacóthểxácđịnhđượcvịtrícủacon người và nền vănminh hiện đạimột cách chính xác hơn.Con ngườikhôngphảimộtsinhvậtđãhoàntất,khôngcóthểtiếnhóathêmđượcnữa.Nhìnlạilịchsửdàidằngdặc,conngườithấyrằngđólàmộtlịchsửkhôngphảiđixuốngmàlàđilên,vàconngườicòncókhảnăngbiếnhóanữatrongtươnglai.Hơnnữa,vớisựhiểubiếtvềsựtiếnhóacủacácsinhvật,chúngtabiếtkiênnhẫnhơn.Mấyngànnămlịchsửthậtkhôngcónghĩalýgìsosánhvớigầntriệunămconngườiđãcómặttrêntráiđất,vàconsốnàykhôngcónghĩa lýgìkhisosánhvớihàngngàn triệunămtiếnhóacủasinhvật trênmặtđất.Hiểunhưvậy,chúngtacóquyềnkiênnhẫnsaukhicácnhà thiênvănhọcchobiếtrằngítrachúngtacũngcòncómộtngàntriệunămnữađể

vượtlêntớinhữngđỉnhcaomớicủasựsống”.

CHA ĐỠ ĐẦU CỦA KỶ NGUYÊNNGUYÊNTỬ

AlbertEinsteinvàthuyếttươngđốiAlbertEinsteinlàmộttrongsốrấtítnhân vật trong lịch sử, mà ngay khi còn sống đã trở thànhmột nhân vậthuyềnthoại.Tưtưởngcủaôngcàngbíhiểm,ngườiđờicàngmuốnhiểu,vàtưtưởngchừngnhưtiếngnóicủaôngtừđỉnhnúiOlympiavọngxuốngtrầngian.BertrandRusselđãnhậnxét rấtđúng: “AicũngbiếtEinsteinđã làmđượcnhữngchuyệnkỳlạ,nhưngrấtítngườihiểuđólàchuyệngì”.Cứtạmchorằng,mặcdầukhôngđúnghẳn,thếgiớinàychỉcóchừngmộttángườihiểutrọnvẹnlýthuyếtcủaEinsteinvềvũtrụ,thìsựkiệnnàyđãtháchthứchàngngànnếukhôngnóilàhàngtriệungườiquyếttâmcốtìmhiểuxemnhàtoánhọcphùthủyđóđãnóinhữnggì.Einsteinkhóhiểuvìphạmvitưtưởngcủaôngvôcùngrộnglớnvàphứctạp.T.E.BridgesđãnhắcđếnmộtnhàkhoahọcAnh,từngviếtrằng:

“HọcthuyếtcủaEinsteinkếthợpsựkiệnvậtlývớisựkiệntoánhọcvàchỉ có thể giải thích bằng toán học. Muốn hiểu học thuyết của Einsteinkhôngthểkhôngcómộttrìnhđộtoánhọcrấtcao”.GeorgeW.Graycũngnóitươngtự:

“EinsteintrìnhbàythuyếtTươngđốibằngngônngữtoánhọc,vìvậyrấtkhótrìnhbàythuyếtnàybằngthứngônngữnàokhác.NếutrìnhbàythuyếtTươngđốibằngngônngữthôngthườngthìchẳngkhácgìdùngmộtcâykènsaxophoneđểdạokhúchòatấusố5củaBeethoven”.

TuynhiêncólẽcómộtvàinéttrongvũtrụquancủaEinsteincóthểdiễnđạtbằngngônngữ thông thườngmàchỉcầnđếnngônngữsốhệcủa toánhọc.Đâythậtlàmộtthứthếgiớikỳảo,làmđảolộnnhữngtưtưởngbắtrễtừbao thế kỷ nay, “một món hổ lốn lạ lùng rất khó tiêu hóa đối với nhiềungười”.Einsteinbắtchúngtatinnhữngđiềukhótinthídụnhư:khônggianhìnhcong,đườngngắnnhấtnốiliềnhaiđiểmkhôngphảilàđườngthẳng,vũtrụcóhạnnhưngkhôngcóbiêngiới,haiđườngsongsongcuốicùngsẽgặpnhau,tiasángđitheođườngvòngcung,thờigiancótínhchấttươngđốivàmỗinơiphảidomộtcách,phảiđochiềudài tùytheotốcđộ,vũtrụkhôngphảihìnhcầumàlàhìnhtrụ,mộtvậtthểchuyểnđộngthìkíchthướccolại,nhưngkhối lượnglại tăng lên, thờigian làchiều thứtư thêmvàobachiềucao,dàivàrộng...Những đóng góp của Einstein cho khoa học nhiều không kể xiết, nhưngtrướchếtphảikểđếnthuyếttươngđốimàtheolờiBaneshHoffman“cómộttínhchấtvĩđạiđểđặtEinsteinnganghàngvớinhữngnhàkhoahọclớnnhấtcủamọi thời đại như IsaacNewton vàArchimède . Những nghịch lýmê

hoặcvànhữngthànhcôngrựcrỡđãkíchđộngmãnhliệttrítưởngtượngcủamọingười”.

Cuộc cách mạng của Einstein bắt đầu vào năm 1905, tức là năm tờChuyên san vật lý học ở Đức Annalen der Physik đăng một bài báo dàichừng30trangvớicáinhanđềtầmthườnglàĐộngđiệncủanhữngvậtthểchuyểnđộng.NămđóEinsteinmới26tuổivàlàmộtviênchứcbìnhthườngtrongcơquancấpbằngsángchếởThụySĩ.EinsteinsinhtrongmộtgiađìnhDotháitrunglưuởUlm,Bavarianăm1879.Khicònnhỏkhôngcóbiểuhiệnnào chứng tỏ ông là “thầnđồng”, ngoại trừnăngkhiếu toánhọc.Vì hoàncảnh gia đình, nên năm 15 tuổi, Einstein phải tự lập. Sau này di cư sangThụySĩ,Einstein theohọckhoahọc tại trườngđạihọcbáchkhoaZurich,thànhhônvớimộtbạnsinhviênvàtrởthànhcôngdânThụySĩ.Khôngthựchiệnđượcgiấcmộnglàmgiáosưđạihọcđểkiếmsống,Einsteinđànhchấpnhậnlàmcôngchức,cónhiệmvụthảobáocáovàviếtlạiđơntừcủacácnhàsángchếgửichocơquancấpbằngsángchế.Thờigiờrảnh,Einsteinnghiêncứurộngrãi tácphẩmcủacácnhà triếthọc,khoahọcvà toánhọc.Chẳngbaolâusauôngđãchuẩnbịđầyđủđểtungramộtloạtnhữngđónggópmớichokhoahọc,nhữngđónggópsẽcótiếngvangrộnglớnsaunày.

Trongtácphẩmnăm1905,Einsteintungra“ThuyếtTươngđốiđặcbiệt”làmrungchuyểnquanniệmchungvềkhônggian,thờigian,vậtchấtvànănglượng .Toànbộ thuyết tươngđốinàydựavàohaigiả thuyếtcốtyếu.Giảthuyết thứnhất là:mọi sựchuyểnđộngđềucó tínhchất tươngđối.Đểcómộtýniệmcụthểvềnguyêntắcnày,ngườitathườnghaylấyvídụngườingồi trongtoaxehỏađangchạy.Nếutấtcảcáccửađềuđóngkín, tốinhưbưng thìmọi người ngồi trênxekhông cóý thứcgì về tốcđộvàphươnghướng, thậm chí có lẽ không biết cả xe đang chạy nữa.Một người đi tàuthủy,nếucáccửađóngkín,cũngởtrongtìnhtrạngtươngtự.Chúngtanhậnthứcđượcsựchuyểnđộnglàquasựtươngđốivớicácvậtkhác.Ngaycảtráiđấtquaychúngtacũngkhôngnhậnthấy,nếukhôngcónhữngtinhcầukhácđểsosánh.

GiảthuyếttrụcộtthứhaicủaEinsteinlà:Tốcđộcủaánhsángkhôngbịlệthuộcvàosựchuyểnđộngcủanguồnsáng.Tốcđộcủatiasángbaogiờcũng là186.000dặmmộtgiâyđồnghồ(xấpxỉ300.000km/giây),bấtkỳởnơi nào. Tia sáng xuyên qua trong toa xe hỏa đang chạy cũng có tốc độngangvớitốcđộtiasángchạyởngoàitoaxe.Khôngcómãnhlựcnàovượtđượctốcđộcủaánhsáng,chỉtốcđộhạtđiệntửmớisuýtsoátđượcvớitốcđộcủaánhsáng.Nhưvậyánhsánglàthựcthểđộcnhấttrongvũtrụkhôngbaogiờbiếnđổi.

CuộcthínghiệmnổitiếngdohainhàkhoahọcMỹMichelsonvàMorleythựchiệnvàonăm1887đãtạocơsởchothuyếtcủaEinsteinvềánhsáng.Đểđotốcđộcủaánhsángchođúngmộtcáchtuyệtđối,hainhàkhoahọckiađã

chếramộthệthốngmáymócnhưsau:Haiđườngống,mỗiđườngốngdàichừngmộtdặmđượcđặtthẳnggócvớinhau.Đườngốngthứnhấtđặttheocùngchiềuvớichiềutráiđấtquanhchungquanhmặttrời,đườngốngthứhaihướngngượclạivớichiềuquaycủatráiđất.Ởđầumỗimộtđườngốngđặtmột tấm gương cùngmột lúc chiếu vào cả hai đường ốngmột chùm ánhsáng.Thờiđóngườitatinrằngchỗnàotrốngkhông,làcókhíéther,vànếuthuyếtnàyđúngthìmột tiasángsẽchạytheođườngốngnhưngười tabơingượcchiều,vàmộttiasángkhácsẽchạytheođườngốngnhưngườitabơixuôichiều.Nhưngsaucuộcthínghiệm,mọingườiđềungạcnhiênthấyrằngcả hai chùm tia sáng cùngdội ngược lại vào đúngmột lúc nhưnhau.Thínghiệmđóbịcoilàmộtthấtbại.

Thuyết của Einstein tung ra năm 1905 để trả lời những thắcmắc củaMichelson, Morley và các nhà vật lý học khác. Trong các khoảng trốngkhôngcókhíéthervàcuộcthínghiệmvớihaiđườngốngđãđorấtđúngtốcđộcủaánhsáng.Căncứvàothínghiệmnày,Einsteinsuyrađiềuvôcùngquantrọnglàtốcđộcủaánhsángkhôngbaogiờthayđổibấtkểđodướiđiềukiệnnào,và sựchuyểnđộngcủa tráiđấtquaychungquanhmặt trời cũngkhôngảnhhưởnggìđếntốcđộcủaánhsáng.

TráivớiNewton,Einsteinkhẳngđịnhrằngkhông làmgìcósựchuyểnđộngtuyệtđối.Quanniệmcóvậtthểchuyểnđộngmộtcáchtuyệtđốitrongkhônggianlàđiềuvôlý.Sựchuyểnđộngcủavậtthểchỉlàtươngđốivớisựchuyểndộngcủavậtthểkhác.

Trạngtháicủamọivậtthểlàchuyểnđộngởtrênmặtđấtvàkhắpmọinơitrongvũtrụ,khôngcóvậtthểnàolàtuyệtđốiđứngyên.Trongvũtrụđộng,từvậtthểnhỏnhưnguyêntửđếnnhữngdảithiênhàbaola,sựchuyểnđộnglà trạng tháivĩnhhằng.Tráiđấtquaychungquanhmặt trờivới tốcđộ20dặm/giâyđồnghồ.Trongvũtrụtấtcảđềuchuyểnđộng,vàkhôngcóthứgìđứng immột chỗ, thì làm gì có tiêu chuẩn để đo tốc độ, chiều dài, kíchthước,khốilượngvàthờigian,ngoạitrừđovớisựchuyểnđộngtươngđối.Chỉ có ánh sáng là tuyệt đối, vì tốc độ của ánh sáng lúc nào cũng là186.000dặm/giâyđồnghồ,bất kểnguồn sáng,bất kểvị trí quan sát, đúngnhưcuộcthínghiệmMichelson-Morleyđãchứngtỏ.TrongsốnhữngquanniệmcủaEinsteinvềvũ trụ,quanniệmvềsự tươngđối của thời gian đi ngược với quan niệm xưa nay, và khó hiểu hơn cả.Einsteinchủtrươngrằng:nhữngbiếncốxảyraởnhiềunơikhácnhaucóthểxảyracùngmộtlúcđốivớikẻnày,nhưngxảyrakháclúcđốivớikẻkhácởmộtvịtríchuyểnđộngtươngđốivớingườitrước.Thídụhaibiếncốxảyracùngmộtlúcđốivớingườiquansátđứngtrênmặtđất,cóthểxảyrakháclúcđốivớingườingồitrênxehỏahaymáybay.Thờigiankhôngtuyệtđối,màlàtươngđốivớivịtrívàtốcđộcủangườiquansát.Ápdụngthuyếtnàyđểnhậnđịnhvũtrụ,ngườitathấyrằngmộtbiếncố,thídụmộtvụnổxảyra

khôngmộtlúcđốivớingườiquansátởngaytrêntinhcầuđóvàngườiquansátởtrêntráiđất.Mộtbiếncốdiễnratrênmộttinhcầuxalắccóthểhàngnămmới chuyểnhình ảnh tớimặt đất,mặcdầu ánh sáng chạyvới tốcđộ186.000dặm/giâyđồnghồ.Vìtinhtútaquansátthấyhômnaychỉlàvìtinhtúcủabaonhiêunămvềtrước,vàcóthểlúcnàyvìtinhtúấyđãkhôngcòn.

TheothuyếttươngđốicủaEinsteinthìngườitacóthểđuổikịpquákhứvàsinhraởtươnglainếungườitacótốcđộvượttốcđộánhsáng.Mỗitinhcầuchuyểnđộngcómộthệ thống thờigian riêng, kháchẳnhệ thống thờigianởmọitinhcầukhác.Mộtngàytrêntráiđấtchỉlàthờigianđủđểtráiđấtquaymộtvòngtrêntrụccủanó.SaoMộcmấtnhiềuthờigiờhơntráiđấtđểquaychungquanhmặttrời,vìvậymộtnămtrênsaoMộcdàihơnmộtnămtrêntráiđất.Tốcđộcàngnhanh,thờigiancàngchậm.Chúngtađềuquenchỉnghĩrằngmọivậtthểđềucóbachiều,nhưngEinsteinchủtrươngthờigiancũnglàmộtchiềucủakhônggian.Thờigianvàkhônggiankhôngthểtáchrời nhau. Mọi vật luôn luôn chuyển động, cho nên theo quan niệm củaEinstein,chúngtasốngtrongmộtvũtrụbốnchiềumàthờigianlàchiềuthứtư.

Nóitómlại,tiềnđềcơbảncủathuyếtEinsteintrìnhbàylầnđầutiênnửathếkỷ trướcđây là tính tươngđốicủamọichuyểnđộng,và tính tuyệtđốiđộcnhấtcủaánhsáng.

Triểnkhainguyên lý tươngđối củamọi sự chuyểnđộng,Einstein cònlàmsụpđổmộtquanniệmkhácvốnvữngchắctừxaxưa.Từtrướcngườitavẫntinrằngchiềudàivàkhốilượngtrongmọitrườnghợpcóthểquanniệmđượcvẫn là tuyệtđốivàkhông thể thayđổi.BâygiờEinsteinkhẳngđịnhkhốilượnghaytrọnglượngcùngchiềudàicủamộtvậtthểthayđổitùytheotốcđộcủavậtthểđó.Einsteinđưarathídụ:mộtđoànxelửadàimộtngànbộ(Bộ:0,304mét)chạyvớitốcđộbốnphầnnămtốcđộcủaánhsáng.Đốivớingườiđứngyênmộtchỗthìđoàntàuchạychỉcòndài600bộ,nhữngđốivớingườingồitrênthìđoàntàuvẫndàiđủ1000bộ.Tươngtựnhưđoàntàu,mọivậtthểchuyểnđộngtrongkhônggiancũngđềucongắnlạitùytheotốcđộ.Mộtchiếcgậydài100mã(mã(inch)=0,025mét),nếuphónglênkhônggianvới tốcđộ161.000dặm/giâyđồnghồ, sẽcongắn lạichỉcòndàinửamã.Tráiđấtthìquaytrụcnênchuvicũngcorútlạichừngsáuphânmét.

Khốilượngcũngcóthểthayđổi.Tốcđộcàngnhanhthìkhốilượngcủavật thểcàngtăng.Nhiềucuộcthínghiệmđãchứngtỏrằngvật thểbắnlênkhônggianvớitốcđộlêntới86%tốcđộánhsáng,sẽcânnặnggấpđôisovớikhicònnằmyêndướiđất.Sựkiệnnàycóhậuquảquantrọngtrongcôngcuộcpháttriểnnguyêntửsaunày.

ThuyếttươngđốicủaEinsteintrìnhbàynăm1905đượccoilà“Lýthuyếthạnchếvềtínhtươngđối”vìchỉápdụngriêngđốivớisựchuyểnđộng.Tuynhiên,trongvũtrụchúngta,hànhtinhvàcácthiênthểrấtítkhichuyểnđộng

đều theo đường thẳng.Một lý thuyết phải bao gồmđượcmọi thứ chuyểnđộng,mớiđủđểmôtảvũtrụ.Vìlẽđó,Einsteinđãphảidànhmườinămđểxâydựng“LýthuyếtTổngquátvềtínhtươngđối”,trongđóôngnghiêncứusứcmạnhhuyềnbíđãhướngdẫnsựchuyểnđộngcủacáchành tinh,địnhtinh,saochổi,thiênthạch,thiênhàvànhữngvậtthểkhácquaycuồngtrongkhoảngkhôngcủavũtrụbaola.

Trong “lý thuyết tổng quát về tính tương đối” công bố năm 1915,Einsteinđềramộtquanniệmmớivềsứchút,đảolộnhẳnnhữngquanđiểmvềtrọnglựcvàánhsángđãđượcngườitachấpnhậntừthờiIsaacNewton.Newtoncho trọng lực làmột lực,nhưngkhácvớiNewton,Einsteinchứngminhrằngkhoảngkhônggianchungquanhmộthànhtinhhaymộtthiênthể,làmột trườnghấpdẫn tương tựnhư từ trườngchungquanhđánamchâm.Nhữngvậtthểlớnnhưmặttrời,cácvìtinhtúđềutỏarachungquanhmộttrườnghấpdẫnrấtrộng.Tráiđấtvàmặttrănghútnhaulàvìvậy.

Thuyết trường hấp dẫn còn giải thích những chuyển động không bìnhthườngcủasaoKim,mộthànhtinhgầnmặttrờinhất,nhữngchuyểnđộnglànátócnhữngnhàthiênvănhọctờbaothếkỷnayvàlàmộttrườnghợpngoạilệ,không tuân theođịnh luậtvề sứchútcủaNewton.Trườnghấpdẫncáctinhtúcósứccựcmạnhcóthểbẻcongtiasáng.Vàonăm1919,tứclàmấynămsaukhithuyếttổngquátvềtínhtươngđốiđượctungra,nhữngbứcảnhchụpđượctrongmộtvụnhậtthựcđãxácnhậnthuyếtcủaEinsteinlàđúng:cáctiasángđitheođườngcongchứkhôngphảiđườngthẳng,dobịtácđộngtrườnghấpdẫncủamặttrời.Từtiềnđềđó,Einsteinsuyrarằng:khônggianhìnhcong.Chịuảnhhưởngcủamặttrời,cáchànhtinhquaytheonhữngđườngnàongắnnhất,tươngtựnhưconsôngkhichảyrabiển,tùytheođịahìnhmàchảytheonhữngđườngtựnhiênnhất,dễchảynhất .Trongphạmvi tráiđất,mộtcon tàuhaymộtchuyếnphicơvượtbiển,đitheokhôngphảiđườngthẳngmàlàđườngcongnghĩa là cung củamột vòng tròn.Hiển nhiên là đường gần nhất giữa haiđiểmkhôngphảiđườngthẳngmàlàđườngcong.Địnhluậtnàycònđúngcảvớisựchuyểnđộngcủahànhtinhhaytiasáng.

Nếuchấpnhậnthuyếtkhônggiancóhìnhcong,phảiđươngnhiênchấpnhậnthuyếtkhônggianhữuhạn.Vídụ,mộttiasángxuấtphátởmộtvìsao,sauhàngtriệunămrađi,vẫnsẽtrởvềnguồnsángcũ,chẳngkhácgìnhàdulịchđimộtchuyếnvòngquanhthếgiới.Vũtrụkhôngphảilàdiễnrabấttậntrongkhônggian,màcónhữnggiớihạntuykhôngthểxácđịnhđượcnhữnggiớihạnnày.

TrongsốnhữngkhámphávĩđạicủaEinsteinvềkhoahọc,đónggópcủaôngchocôngcuộcnghiêncứuvềnguyêntửlàcótácdụngtrựctiếpvàsâurộngnhấtđốivớithếgiớingàynay.Ítlâusaukhitờchuyênsanvậtlýhọctungrathuyếttươngđốivàonăm1905,Einsteincònchođăngởbáonàymột

bàibáongắncótầmvangdộirấtlớn,nhanđềlà“Quántínhcủamộtvậtthểcótùythuộcvàonănglượngcủavậtthểđókhông?”.Einsteinxácđịnhrằng:ítralàtrênlýthuyếtnănglượngnguyêntửcóthểsửdụngđược.Sứcmạnhkhủngkhiếpcủanguyên tửcó thểđượcgiải tỏa theomộtphương trìnhdoEinsteinđềra:E=mc2,nghĩalà:nănglượngbằngkhốilượngnhânvớitốcđộcủaánhsáng,rồilạinhânvớitốcđộcủaánhsánglầnnữa.Nóimộtcáchcụthể,Einsteinchorằng:trongnửacânAnh(cânAnh=453,592gam)củabấtkỳchấtgìđềuchứamộtnănglượngtươngđươngvớisứcmạnhcủabảytriệu tấn thuốc nổ TNT. Một nhà bình luận đã nhận xét: nếu không cóphươngtrìnhcủaEinstein“cácnhàkhoahọcvẫncóthểmòmẫmtáchđượcnguyêntửuranium,nhưngkhôngchắccácnhàkhoahọcđóđãhiểuđâylàmột nguồn năng lượng khủng khiếp, vật liệu của những trái bom khủngkhiếp”.

Trong phương trình nổi tiếng E =mc2, Einstein đã chứngminh nănglượngvàkhối lượngchỉ làmột,ởhai trạng thái khácnhauvàkhối lượngchínhlànănglượngđặclại.BarnettđãnhậnđịnhrấtđúnglàphươngtrìnhE=mc2“đãgiảithíchđượcrấtnhiềuđiểmvềvậtlýhọc,từbaolâunayvẫncòn là những điểm bí mật. Phương trình đã giải thích tại sao chất quangtuyếnphảnxạnhư radiumvàuranium lại có thể liên tiếp tronghàng triệunămbắnranhữngtialitichạyvớitốcđộkhủngkhiếp.Phươngtrìnhcòngiảithíchtạisaomặttrờivàcácvìtinhtúlạicóthểtuônánhsángvàsứcnóngtronghàngtỷtỷnăm,vìnếumặttrờichỉcólửatheolốithôngthườngthìtráiđất của chúng ta đã phải chết trong tối tăm u lạnh từ hàng triệu năm rồi.Phương trình còn cho chúng ta thấynăng lượngghêgớmchứa chất trongnhânnguyêntửvàtiênđoánchỉcầnmộtlượngrấtnhỏchấturaniumcũngđủtạoramộttráibomcósứccôngphácảmộtthànhphố”.

Chomãiđếnnăm1939phươngtrìnhcủaEinsteinvẫncònlàlýthuyết.Vàonămđó,saukhibịĐứcquốcxãtrụcxuấtkhỏichâuu,EinsteinsangMỹrồi ít lâusauôngnhậpquốc tịchMỹ.Einsteinđược tinĐứcquốcxãđanglùngđểnhậpcảnguraniumvàđangnghiêncứuvềbomnguyêntử,ôngliềnviếtchoTổngthốngRooseveltmộtbứcthưtốimật:

“NhữngcôngcuộcnghiêncứumớiđâycủaE.FermivàLzilardmàbảnthảo đã được gửi tới tôi, khiến tôi nghĩ rằng trong tương lai rất gần, chấturaniumcó thểbiến thànhmộtnguồnnăng lượngmớimẻvàquan trọng...Hiệntượngmớinàycóthểdẫntớiviệcchếtạobom,vàcóthểtinrằng...chỉmộttráibomloạiđó,mangdướitàuvàchonổởhảicảngcóthểtànphátoànthểhảicảngvàcácvùngphụcận”.

Kết quả tức khắc của bức thưEinstein gửi choRoosevelt là việc khởicông xây dựng đề án bom nguyên tửManhattan.Năm năm sau, trai bomnguyên tử đầu tiên được đưa ra thửởAlmagordoReservation thuộc bangNewMexico,vàítlâusauMỹthảbomnguyêntửtànpháHiroshima,đểsớm

kếtliễuchiếntranhvớiNhậtBản.Bomnguyêntửlàmộttrongnhữngkếtquảthựctếvangdộinhấtcủalý

thuyếtEinstein.Tuynhiênngười tavẫncònphảikểđến thực tếkhácnữa.Năm1905,năm thuyết tươngđối rađời, cácnhàkhoahọc triểnkhaiđịnhluậtvềđiệnảnhhọc (PhotoelectricLaw)củaEinstein,đểgiải thíchnhữngtácđộngđiệnảnhhuyềnbívàdođómởđườngchovô tuyến truyềnhình,phimcótiếngnói,“conmắtthần”cùngnhữngápdụngkhác.ChínhvìphátminhnàymàEinsteinđượctặnggiảiNobelvềvậtlýnăm1922.

Trongnhữngnămcuốiđời,Einsteinvẫnkhôngngừngnỗlựcxâydựnglý thuyếtvềTrường thốngnhất (UnfidedFieldTheory)nhằmchứngminhtínhchấthòahợpvàđồngnhấtcủatạovật.TheoEinstein,cácđịnhluậtvậtlýhọcchiphốinguyêntửnhỏbécũngcóthểápdụngđốivớinhữngvậtthểlớnlaotrongkhônggian.DođólýthuyếtvềTrườngthốngnhấtcủaEinsteingiảithíchđượcmọihiệntượngvậtlýtheomộtkhuônmẫucốđịnh.Lựchút,điện lực, từ lựcvànguyên tử lực tất cảđều lànhững lựccó thểgiải thíchđượcbằngmộtlýthuyếtduynhất.Năm1950,saugầnnửađờinghiêncứu,EinsteinlầnđầutiêntrìnhbàylýthuyếtTrườngthốngnhấtcủaôngtrướcthếgiới. Ông ngỏ ý tin rằng thuyết này nắm giữ được chìa khóa của vũ trụ,thống nhất trongmột quan niệm, từ thế giới cực nhỏ và quay cuồng củanguyêntửđếnkhônggianmênhmôngcủacácthiênthể.VìnhữngkhókhănvềtoánhọcnênthuyếtcủaEinsteinvẫnchưađượcnhữngsựkiệnvậtlýhọckiểmchứngtoànbộ.TuyvậyEinsteinvẫnvữngtinrằnglýthuyếtvềTrườngthốngnhấtcủaônggiảithíchđược“tínhchấtnguyêntửcủanănglượng”vàchứngminhđượcsựhiệnhữucủamộtvũtrụcósắpđặtrấttrậttự.

TưtưởngtriếtlýđãgâycảmhứngvàhướngdẫnEinsteinquabaonhiêunămnỗlực,vànhữngphầnthưởngchonhữngnỗlựcđó,đãđượcEinsteintrìnhbàytrongbàigiảngvềnguồngốcLýthuyếttổngquátvềtươngđốitạitrườngđạihọcGlasgownăm1933.

“Kếtquảcuốicùngrấtgiảndị,bấtkỳmộtsinhviênthôngminhnàocũngcóthểhiểuđượcmộtcáchdễdàng.Nhưngchỉcóthểhiểuđượcsaukhitrảiquanhữngnămâmthầmtìmkiếmmộtsựthậtmàngườitachỉcảmthấychứkhôngthểnóilênđược.Ngườitachỉcóthểhiểuđượcđiềuđókhilònghammuốnlênđếnmứccuồngnhiệt,vàkhiđãtrảiquanhữnggiaiđoạntintưởngrồinghingờ,nghingờ rồi tin tưởngcho tớimột lúcnàođó,bừnghiểu rõđượcsựthậtsángsủa”.Trongmộtdịpkhác,Einsteinđãbộclộcátínhtinhthầncủaông:

“Cảmxúcđẹpnhấtvàsâuxacủaconngườilàcảmxúctrướcsựhuyềnbí.Chínhcảmxúcnàyđãkhiếnchokhoahọcchânchínhnảynở.Nhữngaikhôngcòncónhữngcảmxúcđó,khôngcònbiếtngạcnhiênvàchỉbiếtđứngngẩnngườiravìsợhãithìsốngcũngnhưchết.Cảmthấyđiềuhuyềnbímàconngườikhôngsaogiảithíchnổi,làvìnóchỉbiểulộrakhimàkhảnăngít

ỏiđángbuồncủachúngtachỉhiểuđượcnhữnghìnhthứcthấpkémcủacáiquyluậtcaosiêudướivẻđẹprạngrỡhơnhết.Chínhsựbiếtđóvàcảmxúcđóđãlànềntảngđíchthựccủatôngiáo”.

ConsốnhàkhoahọctándươngEinsteinkhôngkểxiết.ChúngtahãyđọchaitácphẩmđãviếtvềEinstein,đểhiểuđịavịđộcnhấtcủaôngtronggiớikhoahọc.PaulOehserviết:“ĐốivớiAlbertEinstein,ngườitakhôngthểkhôngnóiđếnảnhhưởng.Phảigọinhữnglýthuyếtcủaônglàcáchmạngvìđãmởrakỷnguyênnguyêntử.Kỷnguyênnàyđưanhân loạiđiđếnđâuchúng tachưa thểbiết.HiệnnaychúngtachỉbiếtrằngEinsteinlànhàkhoahọc,nhàtriếthọcvĩđạinhấtcủathế kỷ. Trướcmắt chúng ta, Einstein có dáng dấpmột vị thánh và nhữngcôngtrìnhcủaôngđãkhiếnchúngtathêmtintưởngvàokhảnăngtrítuệcủaconngười.Ôngcònlàhìnhảnhbấtdiệtcủaconngườiluônluôntìmhiểu”.NhàkhoahọcBaneshHoffmanđãkếtluậnnhưsau:

“Einsteinvĩđạikhônghẳnchỉvìnhữngtưtưởngkhoahọcmàcònvìtácdụng tâm lý. Trong một giai đoạn nghiêm trọng của lịch sử khoa học,Einsteinđã chứngminh rằng,những tư tưởngxưakhônghẳnđã là thiêngliêngbấtdibấtdịch.Chínhsựchứngminhđóđãmởđườngcho trí tưởngtưởng của những người nhưBohr và Broglie khiến họ có thể thành côngtrongđịahạtlượngtử.Toànthểkhoavậtlýhọccủathếkỷ20đềumangdấuấnkhôngthểxóanhoàcủathiêntàiEinstein”.