lỗ đen, lỗ sâu đục và cổ máy thời gian

L ĐEN , L S ÂU Đ C VÀ C MÁY TH I GIAN JIM AL-KHALILI (Trần Nghiêm dịch) T ặ n g J u li e , D a v i d v K a t e Jim Al-Khalili sinh năm 1962 nhà vật lí lí thuyết trường Đại học Surrey Guildford, Anh quốc Ông tác giả nhiều tập sách phổ biến kiến thức khoa học Lĩnh vực nghiên cứu ơng tính chất loại hạt nhân ngun tử có chứa quầng neutron Ơng lấy tiến sĩ vật lí hạt nhân lí thuyết trường Surrey vào năm 1989 và, sau hai năm làm việc trường Đại học College London, ông trở lại Surrey làm nhà nghiên cứu khách mời bổ nhiệm làm giảng viên vào năm 1992 Ông dạy mơn vật lí lượng tử, thuyết tương đối, tốn học vật lí hạt nhân trường Surrey Nội dung Lời nói đầu Lời cảm ơn KHƠNG GIAN Chiều thứ tư S ự h ấp d ẫ n 23 Vũ trụ 41 L ỗ đ e n 73 TH Ờ I G I A N Thời gian thay đổi 99 Thời gian Einstein 125 Nghịch lí du hành thời gian 157 C Ỗ M Á Y TH Ờ I G I A N L ỗ s â u đ ục 175 Làm xây dựng cỗ máy thời gian 193 10 Chúng ta biết gì? 215 Lời nói đầu T rong vài năm trở lại đây, có bùng nổ số lượng sách chương trình truyền hình phổ biến ý tưởng lí thuyết khoa học đại đưa chúng đến gần với đơng đảo cơng chúng Chẳng biết thật có nhu cầu tìm hiểu vấn đề hay khơng, sách viết đề tài nhận nhiều quan tâm hết thảy: chất không gian thời gian nguồn gốc Vũ trụ chúng ta? Có hơm, tơi lướt qua lượt website câu lạc sách lớn Internet Dưới danh mục khoa học tự nhiên, tơi tìm tất sách có chứa từ “thời gian” tựa sách Tơi tìm thấy 29 kết quả! Tất nhiên, Lược sử thời gian Stephen Hawking trội số này, cịn có nhiều khác với tựa đề Về thời gian, Sự đời thời gian, Biên giới thời gian, Dòng chảy thời gian, vân vân Dường câu hỏi chất thời gian cấp độ chù đề “nóng” Cái khiến bất ngờ thấy nhiều số 29 tựa sách xuất kể từ bắt đầu viết sách Những bút khoa học tiếng Paul Davies, John Gribbin, Richard Dowkins nguồn động viên tơi tơi cịn sinh viên chưa tốt nghiệp hồi thập niên 1980 Nhưng họ trình bày biết Họ nhắm vào độc giả quen thuộc Vì thế, tham vọng viết sách cấp độ hơn, giải thích số ý tưởng lí thuyết vật lí đại cho muốn tìm hiểu, tất nhiên phải thu hút họ đọc sách từ dòng Tôi cố gắng làm cho nội dung sách thân thiện, dễ hiểu, nhắm tới (có lẽ không thành công cho lắm) phong cách Stephen Hawking pha lẫn Terry Pratchett Nhiều nhà khoa học cho chủ đề khó thuyết tương đối tổng quát Einstein “làm ngơ” trước đạt tới mức độ mà lí giải khơng cịn Tơi ghét kiểu gọi đó”: làm ngơ Nghe bề Và xã hội san phẳng người người khác, không xem thơng minh ai, nhà khoa học vốn người có nhiều năm đào tạo để hiểu rõ thuật ngữ chuyên ngành, khái niệm trừu tượng cơng thức tốn học Cái khó phiên dịch nội dung thành lời ý tưởng mà người không qua đào tạo chuyên sâu lĩnh hội Cuốn sách viết với độc giả nhỏ tuổi ln ngự trị đầu tác giả Tuy nhiên, dành cho có hứng thú hay say mê Cho dù bạn chưa đọc sách khoa học từ năm 15 tuổi không Vậy sách đời nào? Vâng, khoảng ba năm trước đây, trưởng khoa vật lí tơi trường Đại học Surrey, Bill Gelletly, u cầu tơi có giảng “lỗ sâu đục”, loạt giảng dành cho sinh viên năm bao quát nhiều chủ đề vật lí lí thú thuộc vật lí đại Một chủ đề chắn phần khóa học vật lí truyền thống dành cho sinh viên Thật ra, người hâm mô chương trình truyền hình Star Trek: Deep Space Nine có lẽ hiểu lỗ sâu đục nhiều nhà vật lí trung bình bạn Dẫu sao, tơi nghĩ chủ đề thật thú vị, tiến hành tham khảo số tài liệu nhằm chuẩn bị cho giảng Một ngày nọ, thật bất ngờ bắt gặp số khán giả có nhiều sinh viên ngồi khóa học, nhiều nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ nhân viên trường Dường có kì diệu với chủ đề Mỗi năm, khoa gửi danh sách giảng viên, số nhân viên thức, tiêu đề giảng đến trường trung học cao đẳng địa phương Đây chủ yếu sách quảng bá khoa hi vọng giảng có vai trị việc thu hút thêm sinh viên Tôi đưa giảng “lỗ sâu đục” vào số Với thành cơng nó, tơi Viện Vật lí yêu cầu làm Giảng viên Trường học năm 1998 Công việc khắp đất nước, giảng cho trẻ 14 – 16 tuổi, với vài trăm khán giả lượt Và, sau chuẩn bị kĩ lưỡng cho đợt thuyết giảng này, tơi nhận thấy tích lũy nhiều chất liệu hấp dẫn để đưa vào giảng đồng hồ định viết thành sách Tôi cố gắng cập nhật thông tin tốt Thật vậy, nhà xuất gửi thảo cho sửa chữa hiệu chỉnh lần cuối, tơi sửa hồn tồn chương nói vũ trụ học Do khám phá thiên văn học gần đây, nhiều ý tưởng kích cỡ hình dạng Vũ trụ thay đổi vài tháng ngắn ngủi kể từ tơi viết chương Jim Al-Khalili Portsmouth, Anh quốc, tháng 7/1999 Lời cảm ơn N hìn lại nửa cuối năm 1998, phần lớn tập sách viết, tơi thấy nợ Julie, vợ tơi, hai David Kate nhiều Vì tơi khơng phép viết làm việc đơn vị, nên phải viết nhà vào buổi tối cuối tuần Tôi cảm ơn người bạn, gia đình đồng nghiệp sau đọc thảo có nhiều nhận xét, góp ý: Julie Al-Khalili, Reya Al-Khalili, Richard Wilson, Johnjoe Mac Fadden, Greg Knowles, Simon Doran, James Christley, Ray Mackintosh, John Miller James Curry Tơi nghĩ tập sách cịn có thiếu sót, tơi chịu trách nhiệm điều Tơi cảm ơn Bill Gelletly đề xuất nhờ mà toàn dự án triển khai, Kate Jones số thảo luận mang tính xây dựng bữa trưa entropy, Youcef Nedjadi làm sáng tỏ số phương diện ý thức, Matt Visser cung cấp cho tơi số quan điểm lỗ sâu đục, Brian Stedeford đánh giá hữu ích tác phẩm Lewis Carroll, Phil Palmer làm sáng tỏ số điểm vũ trụ học, James Malone cung cấp hình ảnh lỗ sâu đục vẽ máy vi tính dùng làm bìa tập sách, cuối vị biên tập viên đáng kính tơi Viện Vật lí, Michael Taylor, giúp đỡ ủng hộ ông quy t c lư ng t lên thuy t tương ñ i t ng quát theo m t ki u thích h p Tóm l i, thuy t tương đ i t ng quát h c lư ng t ch ng h tương thích v i M t s c ng sinh gi a hai mô t thành công c a th c t i s ch có th thu ñư c n u chúng h p nh t m t khuôn kh th ng nh t đó; m t lí thuy t hồn thi n c a s h p d n lư ng t Cho đ n tìm m t lí thuy t th , s khơng th tr l i d t khoát câu h i gi thuy t b o v niên ñ i c a Hawking th t có m t quy lu t c a t nhiên, t ngăn c m s du hành th i gian, hay không Tôi s k t thúc chương v i m t trích d n t Frank Tipler, nhà v t lí ñã công b báo nghiêm túc ñ u tiên trình bày cách xây d ng m t c máy th i gian Ba năm sau tác ph m y, vào năm 1977, ơng cơng b thêm m t báo dài ơng kh o sát kĩ lư ng kh hi n th c hóa c máy th i gian hình tr quay c a ơng Ơng k t thúc báo v i m t trích d n t nhà thiên văn h c Simon Newcomb, tác gi c a m t s báo lúc chuy n giao th k b o v quan m cho r ng khơng th có nh ng chi c máy bi t bay n ng khơng khí Tipler c m th y áp d ng quan m cho nh ng c máy th i gian đúng: “Minh ch ng r ng khơng có s k t h p kh dĩ c a nh ng ch t ñã bi t, nh ng d ng máy móc bi t, nh ng l c bi t có th h p nh t thành m t c máy th c t ñ ngư i ta bay [ngư c v q kh ], đ i v i tác gi hoàn ch nh kh cho minh ch ng c a b t kì m t s th t v t lí đó.” Tơi khơng c n ph i nh c b n Orville Wilbur Wright ñã ch ng minh Newcomb sai th v nh ng chi c máy bay n ng không khí ch vào năm sau 214 10 CHÚNG TA BIẾT ĐƯỢC NHỮNG GÌ? 215 “Bây gi tơi tin r ng n u h i m t câu h i th m chí đơn gi n – ví d , Anh mu n nói v i kh i lư ng? hay s gia t c, tương đương khoa h c c a câu nói, Anh bi t đ c khơng? – ch ng có m t s mư i ngư i có h c th c s c m th y tơi nói th ngơn ng v i h Vì th , dinh th c a n n v t lí hi n đ i đ s ph n đơng nh ng ngư i thơng minh nh t th gi i phương tây s có ki n th c v ngang ng a t tiên ti n s c a h mà thôi.” C P Snow, Hai n n văn hóa “Các nhà thơ nói r ng khoa h c ñã cư p m t ñ p c a nh ng – chúng ch nh ng đám ngun t ch t khí mà thơi Ch ng có “ch là” h t Tơi nhìn th y nh ng b u tr i đêm sa m c, tơi c m nh n chúng Nhưng tơi nhìn th y nhi u hay ch ? S mênh mông c a b u tr i làm m r ng trí tư ng tư ng c a tơi – đơi m t nh bé c a tơi có th b t g p ánh sáng m t tri u năm tu i; m t khung tr i bao la mà tơi m t b ph n đó… ðâu khung tr i, hay ý nghĩa, hay nguyên nhân? Tơi khơng làm t n h i đ n bí n bi t nhi u v ðó s th t kì di u nhi u so v i b t kì ngư i ngh sĩ th i kh t ng tư ng tư ng V y t i nhà thơ th i khơng nói v n a?” Richard Feynman, Nh ng gi ng v t lí c a Feynman, T p chương cu i này, mu n dành đ nói đơi u v tin r ng bi t v Vũ tr c a xét xem có th phát tri n ti n b th Mẹ lí thuyết Lí thuy t hình h c c a s h p d n (thuy t tương ñ i t ng quát) c a Einstein h c lư ng t hai thành t u vĩ ñ i c a n n v t lí h c th k th hai mươi, c t tr cho m i th khác mà ñã bi t v th gi i v t ch t c a ngồi n a, c trư c k t Chúng đ u mơ t r t thành cơng nh ng phương di n b n nh t c a th c t i Nhưng tơi nói chương trư c, v n đ chúng khơng tương thích v i Chúng xây d ng nh ng lo i toán h c r t khác có nh ng quy t c nh ng ngun lí b n hồn tồn tách bi t Thuy t tương ñ i t ng quát s p đ t i kì d vịng l p th i gian kín, cịn h c lư ng t khơng mơ t đư c l c h p d n khn kh c a V y ti n ñư c bao xa ñ n m t lí thuy t c a s h p d n lư ng t ; m t ‘lí thuy t c a t t c ’ s ch a bên c u trúc toán h c c a nh ng ngun t c ngun lí c a c thuy t 216 tương ñ i h c lư ng t ? Vâng, ñã th y th k hai mươi bư c sang th k hai mươi m t, có l có m t lí thuy t th t m tay r i Einstein ñã hồn thành lí thuy t tương đ i t ng quát c a ông vào năm 1915, r i gi m t vai trị tương đ i th y u (khơng có ý đ nh chơi ch nhé) s phát tri n sau c a thuy t lư ng t chi m lĩnh ph n l n nh ng nhà khoa h c hàng ñ u khác th gi i mư i năm ti p sau Nhưng m t khái ni m s tốn h c đư c s p x p c n làm nh ng n a? M t s nhân v t l n th i đ i Einstein s khơng ch u d ng l i v i vi c ch m lên nh ng ch ‘i’ g ch ngang nh ng ch ‘t’ Vì th , ba mươi năm cu i đ i, ơng tìm, không thành công, g i m t lí thuy t trư ng th ng nh t; m t lí thuy t s k t h p thuy t tương đ i t ng qt khơng ph i v i h c lư ng t mà v i thuy t ánh sáng (hay xác thuy t ñi n t ) Einstein ñã th m t s cách ti p c n chưa l n d n sâu n i ðư c bi t, ngư i ta tìm th y nh ng báo v i lí thuy t chưa hồn thành c a ông bàn làm vi c c a ơng sau ơng qua đ i Cơ s tốn h c sáng giá nh t, khó hi u nh t, cho m t lí thuy t th ng nh t mà Einstein tìm ki m t hai nhà toán h c: Theodor Kaluza ngư i Ba Lan, Oska Klein ngư i Th y ði n Kaluza ti n hành m i cơng vi c b n và, vào năm 1919, ñã g i m t báo cho Einstein ơng đ xu t m t cách gi i thích b c x n t khn kh c a thuy t tương ñ i t ng quát Kaluza ch ng minh r ng c n thi t ñ thu ñư c l i gi i thích vi t phương trình c a ơng khơng ph i không th i gian 4D mà 5D, b ng cách g p thêm m t chi u không gian b sung n a M c dù ñi u nghe th t tùy ti n xa r i v i xem th c t , tương đ i d ti n hành v m t toán h c, nơi có th c ng chi u mà mu n Nhưng chi u không gian th tư mà Kaluza đ xu t có th c hay không? Ch c ch n không nh n th c đư c n u hi n di n Nhưng ông g p thêm chi u khơng gian b sung này, Kaluza tìm th y r ng ánh sáng, thay m t trư ng n t dao đ ng khơng gian 3D, th t m t dao ñ ng c a chi u th năm Cho nên b n c yên tâm ti n lên Nhưng ñ ng lo, ch ng th t s hi u u có nghĩa T t c nh ng có th nói c g ng gi i thích ngu n g c c a ánh sáng m t c p ñ hình h c, b n gi ng ki u Einstein mơ t s h p d n s cong c a không th i gian 4D Không nh ng th , chi u th năm khơng tr i theo đư ng th ng ba chi u không gian mà t ‘cu n l i’ M t cách ñơn gi n hình dung u có ý nghĩa nghĩ t i th gi i 2D Hãy tư ng tư ng không gian 2D ph ng cu n l i thành m t hình tr M t hai chi u c a – chi u hư ng theo tr c dài c a – v n khơng bi n đ i, cịn chi u khép kín thành m t vịng trịn 217 T t nhiên, v n ñ là, b t ch p nét đ p tốn h c c a lí thuy t Kaluza, ch ng có m nh b ng ch ng th c nghi m cho th y chi u th năm th t s t n t i Ngay c Einstein, n tư ng trư c cách Kaluza th ng nh t ánh sáng s h p d n, khơng s n lịng tin vào th c t có m t chi u th năm Nói chung, ơng có chút mi n cư ng đưa vào xét khái ni m khơng th i gian b n chi u làm ñi m xu t phát Ít nh t b n chi u ñó (m t chi u th i gian ba chi u khơng gian) có th t Ngun nhân cho s hồi nghi c a Einstein nh ng ngư i khác chưa bao gi nhìn th y chi u b sung Câu h i ñư c tr l i vào năm 1926 Oskar Klein đ xu t r ng lí ngư i ta không phát hi n chi u th năm cu n l i thành m t vịng trịn nh đ n m c nh hàng t l n so v i m t nguyên t M t l n n a, nghĩ t i m t hai chi u c a th gi i 2D cu n vòng l i thành b m t c a m t hình tr Klein nói r ng hình tr s m ng đ n m c trơng m t ñư ng th ng Nghĩa th gi i 2D s trơng có m t chi u s nói r ng chi u th hai b che gi u Tôi e r ng khơng th nêu cho b n m t ví d cao chi u ví d b i vì, th y Chương 1, c n m t chi u th ba ñ u n cong m t hai chi u c a th gi i 2D vào Và b n nghĩ b n v t b đư c n nh c ñ u v chi u l i phía sau lưng Nhưng b n chưa ph i tay ñư c ñâu! Hãy ti p t c Sau nhi u th p k b xem xa l , lí thuy t Kaluza-Klein có s h i sinh vào th p niên 1970 Khi y, lí thuy t th ng nh t mà nh ng nhà v t lí lí thuy t tham v ng nh t tìm ki m làm mưa làm gió Th ng nh t l c h p d n ánh sáng thơi chưa đ Lúc y, ngư i ta ñã bi t rõ mà ch ng nghi ng r ng m i hi n tư ng t nhiên, c p ñ b n nh t c a nó, có th đư c mơ t b i b n l c L c h p d n m t l c ñi n t m t l c khác L c ñi n t l c hút gi a ñi n tích liên k t nguyên t l i b ng cách gi electron tích n âm vây quanh h t nhân ngun t tích n dương Nó l c hút tác d ng b i nam châm lên lên nh ng kim lo i nh t đ nh Tơi mu n nói r ng, m c dù l c n l c t dư ng khác bi t, th t ñây ch b ngồi Michael Faraday ch ng minh h i th k th mư i chín r ng chúng có liên h m t thi t có ngu n g c chung l c ñi n t G n m i hi n tư ng mà th y xung quanh xét cho m t hai l c này: l c h p d n l c ñi n t Ngày nay, bi t, hai l c này, có hai l c khác ch tác d ng ph m vi nh xíu c a h t nhân nguyên t , chúng quan tr ng hai l c ñ u tiên v i vai trị nh ng đ nh lu t b n c a t nhiên ñáng quan tâm Như v y, lí thuy t t i h u ñư c tìm ki m h i cu i th p niên 1970 m t lí thuy t khơng nh ng th ng nh t l c h p d n v i l c ñi n t , gi ng lí thuy t KaluzaKlein, mà cịn bao hàm hai l c h t nhân n a M t lí thuy t v y s đư c g i “lí thuy t c a t t c ” s cho bi t làm th c b n l c c a t nhiên nh ng m t khác 218 c a m t “siêu l c” Nguyên nhân lí thuy t Kaluza-Klein tr l i vũ ñài v t lí s khéo léo c a vi c th ng nh t l c ñưa thêm nh ng chi u không gian cao vào phương trình T t nhiên, v i b n l c ph i x lí, thay hai l c, s c n thêm m t chi u b sung n a Cu i cùng, vào gi a th p niên 1980, m t lí thuy t ng c viên đư c phát hi n Nó đư c đ t tên lí thuy t siêu dây nhanh chóng đư c phát tri n thành lí thuy t ph c t p nh t, ñ p nh t, r c r i nh t, m nh nh t khó hi u nh t mà ngư i ta t ng nghĩ Nói chung, m t lí thuy t g m mư i chi u N u đúng, phát bi u r ng ñang s ng m t vũ tr có mư i chi u Nhưng lúc tồn b sáu chi u không gian b sung s ph i cu n l i thành m t qu c u cao chi u nh xíu mà khơng bao gi có th phát hi n ra, đ l i b n chi u khơng th i gian Lí thuy t siêu dây mang tên th ñ xu t r ng v n v t xét cho g m nh ng s i dây nh xíu dao đ ng mư i chi u ði u nghe có v quái g th t s thu ñư c s th ng nh t c a thuy t tương ñ i t ng quát v i h c lư ng t , nói chung chén thánh c a v t lí h c V y lí thuy t siêu dây có lí thuy t t i h u c a s h p d n lư ng t mà nhà v t lí lùng s c, tìm ki m? Và, quan tr ng ñ i v i b n ñ c gi thân m n, li u phương trình c a có ch a câu tr l i cho câu h i s du hành th i gian ñư c phép hay khơng? Tơi e r ng cịn q s m đ nói lên b t c u Nhi u nhà v t lí mơ t lí thuy t siêu dây lí thuy t c a th k hai mươi m t ñã ñư c phát hi n s m: trư c có h i phát tri n nh ng cơng c tốn h c có s ph c t p c n thi t Có v khó khăn đ cho hi u m t cách tr n v n Cơ s toán h c c a n m ngồi kh hi n c a đa s , n u khơng nói t t c , nhà tốn h c Khơng nh ng th , vào đ u th p niên 1990 có đ n nh ng năm phiên b n khác c a lí thuy t siêu dây ch ng bi t ñâu phiên b n đúng, hay th t s có m t phiên b n th ng nh t hay không Sau ñó, vào năm 1995, m t nhà khoa h c m nh danh “k thông minh nh t Trái ñ t” ñã tìm th y m t câu tr l i, có l câu tr l i ðĨ Tên c a ông Edward Witten ông làm vi c t i Vi n Nghiên c u Cao c p Princeton, New Jersey (đó nơi Einstein tr i qua nh ng năm cu i ñ i c a ông) Cùng v i m t ngư i ñ ng nghi p, Paul Townsend thu c trư ng ð i h c Cambridge, Witten tin r ng ông ñã khám phá t i có nhi u phiên b n c a lí thuy t siêu dây th Cái giá ph i tr tương ñ i r dư i nh ng trư ng h p Witten ch địi h i có thêm m t chi u n a thôi! V i mư i m t chi u thay mư i chi u, nhi u vư ng m c c a lí thuy t siêu dây hơ bi n Gi nh ng s i dây nh xíu đư c thay th b ng nh ng t m g i màng (membrane) lí thuy t m i c a Witten Townsend đư c g i lí thuy t màng, hay lí thuy t-M cho g n Tuy nhiên, ch “M” thư ng ñư c cho vi t t t c a “Magic” (Th n kì), “Mystery” (Bí n), hay “Mother” (M ), th t s s m -c a-m i-lí-thuy t 219 Nhưng có th ti p t c phát tri n ti p hay không? N u nh ng phiên b n khác c a lí thuy t-M đư c khám phá sao? Có l vi c b sung thêm m t chi u th mư i hai s gi i quy t ñư c v n ñ Th t v y, t i ta không ném thêm vài ba chi u n a ñ cho an tồn ch ! Hóa u khơng th Có r t đ c bi t phương di n toán h c v mư i chi u c a lí thuy t siêu dây mư i m t chi u c a lí thuy t-M Các nhà v t lí ñang v t v tìm hi u ý nghĩa c a lí thuy t-M, m c dù tơi nghĩ vài th p k n a t t c bí n s th n kì c a m i l M t nh ng câu h i y u c n tr l i t t nhiên t i làm th tồn b nh ng chi u b sung cu n l i nén xu ng l i ñúng b n chi u mà th y Suy nghĩ hi n ñi u x y t i th i kh c Big Bang Như v y hàm ý r ng có trư c Big Bang Có l ba chi u không gian m t chi u th i gian c a b ph n m t vũ tr nhi u chi u hơn, v i mư i ho c mư i m t chi u, t t c l c c a t nhiên ñư c th ng nh t làm m t R i Big Bang ñã làm cho sáu ho c b y chi u không gian cu n l i đ n m t kích c mà s khơng bao gi có th phát hi n Sự cáo chung vật lí lí thuyết T nh ng trình bày ph n trư c, b n có th nghĩ r ng n n v t lí lí thuy t s p đ n h i cáo chung Có l lí thuy t-M s tr l i m i câu h i c a chúng ta, có nh ng câu h i cho ñ n v n ñư c xem n m ngồi đ a h t khoa h c Có l c ng i chen chút ch Witten ñ ng nghi p c a ông ch chi ti t c a lí thuy tM vài năm s p t i R i tồn b n n v t lí b n s đư c bi t rõ Tơi m t ngư i khơng tán thành quan m ðây m t ph n th c t ch ng ph i m t chuyên gia v lí thuy t siêu dây hay lí thuy t-M, tơi khơng th chia s c m giác hào h ng mà nh ng ngư i cu c lĩnh v c ph i c m nh n th y Nhưng có m t lí khác, đáng hơn, cho s hồi nghi c a Trong nhi u nhà v t lí tin ch c r ng có m t lí thuy t c a s h p d n lư ng t d ng siêu dây đa chi u hay lí thuy t-M, cịn có nh ng ngư i khác không th y ch c ăn cho l m H nh c l i tình tr ng ngành v t lí h i cu i th k trư c [th k mư i chín – ND] ngư i ta nghĩ s cáo chung ñã nhãn ti n tồn b đ nh lu t c a t nhiên ñã ñư c khám phá tìm hi u R i xu t hi n khám phá tia X s phóng x , Max Planck ñ xu t r ng lư ng xu t hi n dư i d ng nh ng gói r i r c, hay lư ng t , Einstein v t b khái ni m không gian th i gian Newton lu n H i m t trăm năm trư c, khơng có nhà khoa h c nh ng gi c mơ ñiên cu ng c a h lư ng trư c n i s x y m t ph n tư th k ti p sau V y c ngày dám ch c 220 ch n v y? Th t ra, nhà nghiên c u l ch s khoa h c cho bi t r ng so v i ngày nay, y nhà khoa h c có l cịn có lí đáng đ tin r ng n n v t lí h c s p cáo chung r i M t s nhà v t lí hàng ñ u th gi i, Roger Penrose David Deutsch, tin ch c r ng trư c h c lư ng t thuy t tương ñ i t ng quát có th h p nh t thành m t lí thuy t h p d n lư ng t , m t ho c th m chí c hai lí thuy t c n có m t ñ t ph u thu t l n M t s quan m v t lí v n tr v ng theo th i gian phát tri n d n b ng ch ng th c nghi m ng h chúng tích lũy d n R i d n dà hi u chúng nhi u ñi t i tin ch c r ng chúng m t mơ t xác c a Vũ tr v t ch t Nh ng quan m khác xu t hi n b t ng th i kh c sáng t o c a m t thiên tài hay m t k t qu th c nghi m b t ng Nhưng nhi u lí thuy t v v n tan tành chúng không tr n i trư c nh ng th nghi m kĩ lư ng M t vài lí thuy t thành cơng gây m t cu c cách m ng cách nhìn nh n th gi i – g i s chuy n d ch mơ hình nh n th c c a ðây trư ng h p x y v i thuy t tương ñ i c a Einstein ơng đ xu t r ng khơng c n có ether làm mơi trư ng cho ánh sáng truy n qua ð xu t l p t c d n t i k t lu n m t chùm ánh sáng truy n ñi m t t c ñ cho dù chuy n đ ng v phía ngu n sáng hay ñang chuy n ñ ng xa Hóa ra, đ xu t khơng th tránh kh i ñưa ñ n th c t th i gian trơi ch m đ i v i nh ng nhà quan sát khác Nhưng ch c ch n h c lư ng t không th sai r i, khơng nào? S c m nh tiên đốn c a khơng c n ph i nghi ng n a, 75 năm trơi qua r i hi n s c a ph n nhi u khoa h c hi n đ i T t nhiên, có h c đơi chút v h c lư ng t s bi t đ xu t v th gi i vi mô l lùng th nào, lí l b n th này: D ng th c tốn h c đúng, phương trình có ý nghĩa chưa hi u n i, v n đ tri t h c ch khơng cịn v t lí n a Ph n đơng nhà v t lí ngày tin r ng m c dù ngành có nhi u cách hi u khác c a h c lư ng t , t t c chúng đ u có giá tr nhau, khn kh tốn h c s đúng, tùy theo kh u v c a m i ngư i mà t ch n cho m t cách hi u Cho dù b n tin vào cách hi u Copenhagen vũ tr phân tách thành m t s vô h n b n sao, hay cách hi u Bohm tín hi u truy n ñi nhanh ánh sáng hay th m chí, m i hơn, cách hi u k y u tín hi u truy n ngư c dịng th i gian, khơng thành v n ñ Cho ñ n nay, ngư i ta chưa nghĩ thí nghi m phân bi t gi a nh ng quan ñi m khác bi t Cái nh t dám ch c ch n h c lư ng t m t s lí gi i chung đơn gi n 221 Theo quan m c a tơi, vi c nói ý nghĩa c a phương trình tốn h c mô t th c t i c p ñ b n nh t c a khơng quan tr ng, tồn b nh ng quan tâm nh ng s mà thu ñư c b ng cách gi i nh ng phương trình này, m t l i Trong mư i năm qua, tơi, m t s nhà v t lí trư ng thành, tr nên b thuy t ph c r ng không ph i cách hi u c a h c lư ng t có th T nhiên hành x theo m t ki u nh t ñ nh th c t chưa tìm di n ph i ưu tiên gi i quy t Ch ng h n, ho c Vũ tr phân tách thành nhi u b n c a nó, ho c không v y Th t may m n cho n u không th tìm xem u có x y hay không, không nên ng ng n l c tìm ki m Có l khơng bao gi thành cơng vi c tìm th y th t s di n ra, có di n Tơi tin r ng m t ngày s tìm th y Khi cịn sinh viên, th n tư ng c a John Bell, m t nhà v t lí lí thuy t ngư i Ireland m t nh ng chuyên gia hàng ñ u c a th k hai mươi v h c lư ng t Ông ti ng nói phân gi i cách hi u c a h c lư ng t c n ñ n nó, ch ng m c mà tơi bình ch n Vào th p niên 1920, hai nhà kh ng l c a ngành v t lí, Neils Bohr Einstein, có m t cu c tranh cãi dai d ng, k ch li t v ý nghĩa c a lí thuy t m i y Einstein cho r ng h c lư ng t không th ngôn t cu i ph i có cịn thi u, cịn Bohr kh ng ñ nh r ng h c lư ng t cho bi t t t t n t t m i th có th bi t v t nhiên Bohr b thuy t ph c r ng lí thuy t v t lí khơng mô t th c t i tr c ti p mà ch mơ t có th bi t v th c t i Phiên b n h c lư ng t c a ơng đư c g i quan m Copenhagen nơi ñ t tr s làm vi c c a ông M t khác, Einstein c m th y m t lí thuy t t t ph i có tính b n th ch mơ t th c t i th t s Cơ h c lư ng t không nên phân chia phe phái th Thư ng ngư i ta bi t r ng Bohr th ng cu c tranh cãi k t ñ y th h nhà v t lí theo trư ng phái Copenhagen Tơi m t v khách thư ng xuyên ñ n thăm Vi n Niels Bohr Copenhagen, nơi nhi u nghiên c u v n ñang di n ngày T bên ngồi, trơng có chút l g m m t t p h p nh ng tòa nhà nh bé h n đ ng c nh m t b nh vi n to g n bên Tuy nhiên, bên trong, khách kh a d ñi l c gi a vơ s đư ng h m hành lang dư i lịng đ t n i tòa nhà v i Tuy nhiên, ngu n c m h ng th t s c a ñ n t vi c th b công viên phía sau vi n nơi Bohr nh ng nhà kh ng l khác c a n n v t lí h c đ u th k hai mươi dành ph n nhi u th i gian c g ng lu n nh ng hàm ý l l m c a h c lư ng t m i John Bell thu c v th h sau Tôi có nghe ơng gi ng m t s d p ơng ln nói r ng nh ng c bám l y quan ñi m Copenhagen gi ng nh ng ñà ñi u vùi ñ u cát, không dám h i t i ý nghĩa sâu xa c a h c lư ng t , mà th a mãn 222 v i vi c mù quáng tuân th nh ng quy t c ho t đ ng sn s c a ði u n Bell khơng thích ơng c m th y v t lí h c nên c g ng tìm hi u ý nghĩa sâu xa c a nh ng ñang di n t nhiên Tuy nhiên, Bell ch ng ph i k ngồi l Ơng m t nh ng nhân v t ñư c tr ng v ng nh t th gi i v t lí k t ñ u th p niên 1960 ñã có m t s khám phá thu c lo i quan tr ng nh t v t lí hi n đ i Tơi tình c g p ơng l n cu i t i m t cu c h p c a H i V t lí Hoa kì Baltimore vào năm 1989, m t năm trư c ơng qua đ i Tơi có d m t cu c h p bên l v nh ng n n t ng c a h c lư ng t ngư i thuy t trình đ xu t m t s cách hi u m i, rõ ràng khơng đáng tin Tơi đ ý th y John Bell có m t hàng khán gi Cu i bu i sáng hơm đó, tơi có d p m t thang máy v i Bell lên s nh cà phê t ng thư ng c a tòa nhà h i ngh ð b t chuy n v i m t nhân v t l n, tơi h i xem ơng nghĩ v thuy t trình v a m i k t thúc “ , rõ ràng sai r i,” ông cư i, “anh ta rõ ràng ch ng có chút nh n th c v tốn helium.” “Rõ ràng không,” cư i hăm h , t h i toán helium quái th khơng bi t, tơi nhìn ông bi t hoàn toàn tán thành ý ki n c a ơng Tơi nh có l n h i Bell m t câu sau m t gi ng t i trư ng Queen Mary College London Ông v a có ph n trình bày r ng ơng m t fan c a cách hi u c a David Bohm c a h c lư ng t mơ t tồn b Vũ tr k t n i ñan xen v i c p ñ lư ng t ñ n m c x y v i m t nguyên t ñây Trái ñ t có th nh hư ng t c th i ñ n m t nguyên t khác m t thiên hà khác Lo i k t n i gi a t t c h t Vũ tr ñư c g i phi ñ nh x , hay tác d ng xa, s địi h i m t s ki u truy n tín hi u ph i truy n nhanh ánh sáng Nhưng ch c ch n, tơi h i Bell, u vi ph m thuy t tương ñ i ñ c bi t Einstein Ông tr l i r ng ông b thuy t tương ñ i ch không b th c t i, ngư i ta ph i tr n u tin vào quan m Copenhagen B n th y đó, theo Bohm, th m chí ch ng có t n t i th gi i lư ng t cho đ n đo quan sát nó, m i th r t cu c ñư c c u t o t nh ng v t lư ng t , nên ch ng có (khơng k trang ti p theo c a quy n sách này) t n t i cho ñ n nhìn vào Bell cho r ng n u khơng v y, s bi t v ñâu ñư ng ranh gi i gi a th gi i vi mô tuân theo quy t c lư ng t th gi i vĩ mô c a cu c s ng hàng ngày? 223 Thiên văn học chiêm tinh học Cách th c mà nhi u nhà v t lí tri t h c ngày phân chia phe phái ý nghĩa c a h c lư ng t có ph n gi ng nh ng đ c tin tôn giáo khác M t s ngư i b o v quan ñi m c a h m t cách n ng nhi t cho r ng b t c có quan m khác v i quan ñi m c a h sai l m m t cách ngu ng c M t s ngư i khác b t kh tri ch h khơng th quy t đ nh nên “tin vào” phiên b n c a h c lư ng t Vì cách hi u ưa thích c a m t ngư i khơng th ñư c ch ng minh, quan ñi m ñ i l p l i không th b bác b , nên tr thành v n đ đ c tin ðây khơng ph i đư ng khoa h c nên đi, hay nói chung khoa h c khơng th Trích d n sau ñây t nhà v t lí Michio Kaku quy n Siêu không gian c a ông: “M t s ngư i k t t i nhà khoa h c sáng t o m t lí thuy t th n h c m i d a tốn h c; nghĩa bác b tính th n tho i c a tơn giáo, ch theo m t th tơn giáo cịn l lùng n a xây d ng không th i gian cong, ñ i x ng h t s giãn n vũ tr Trong v linh m c có th c u kinh b ng ti ng Latin mà nh ng ngư i khác khó hi u, nhà v t lí c u kinh b ng nh ng phương trình bí n th m chí cịn có ngư i hi u “Ni m tin” vào m t ð c Chúa toàn gi b thay th b i “ni m tin” vào h c lư ng t thuy t tương đ i t ng qt.” V y làm th nh ng ngư i không làm khoa h c có th dám ch c ch n vào nh ng mà nhà khoa h c cho h bi t? Trư c tiên, không nên nghĩ r ng v t lí h c m m t cánh c a hồi nghi b t đ nh, hay s mô t c a v th c t i ch v n ñ kh u v c a t ng ngư i Hôm Th năm th tơi tin vào nh ng vũ tr song song, ngày mai s mang v xanh may m n nên s dũng c m theo ñu i quan ñi m t n t i dây vũ tr , vân vân Khoa h c tìm nh ng quy lu t mà t nhiên tuân theo, khám phá m t lí thuy t r i sau ki m tra nhi u l n xem có m t mơ t c a th c t i hay khơng N u th t b i b bác b Nhi u ngư i không làm khoa h c thư ng nghĩ có tư h p hòi tin tư ng mù quáng vào nh ng quan ñi m m i nh ng kh m i, nh t ñ n v i nh ng th nh ng hi n tư ng huy n bí Tuy nhiên, nói r ng m t tinh th nh t ñ nh có s c m nh ch a b nh th n kì hay có kh ph n ng v i m t lo i lư ng siêu linh đó, m t nhà khoa h c s mu n bi t d ng lư ng gì, s c m nh ti m n c a có th gi i thích đư c theo đ nh lu t bi t c a t nhiên hay khơng? Có th nhân b n hay khơng? Có th đo hay khơng? N u m t lư ng m i hay m t l c m i nh ng tính ch t c a có th hi u đư c hay khơng? S th t đơn gi n d hi u 224 là, cho ñ n nay, tin nhi u ngư i ñã tìm ki m m t trăm năm qua r i, khơng có b ng ch ng khoa h c cho b t kì m t hi n tư ng siêu linh h t ðây không ph i khơng c g ng tìm hi u hay thi u trí tư ng tư ng, hay tư chưa ñ ñ m ph n vi c c a nhà khoa h c, mà t t c nh ng kh ng ñ nh th nhanh chóng tan v đ i m t trư c nhu c u kh t khe c a s th m tra khoa h c Hãy nh r ng nhà khoa h c ph i có tư m ho c h s ch ng bao gi phát hi n m i m , th h b thuy t ph c r t nhi u ñ i m t trư c b t kì hi n tư ng m i ho c chưa đư c gi i thích M t nhà v t lí b n bè c a tơi, James Christley, thư ng trích d n t ng tơi câu châm ngơn: “Hãy tư m đ ng m đ n m c não tràn ngồi” Câu nghe m t l i khuyên Chúng ta ñã ti n m t ch ng ñư ng dài k t k nguyên mê tín ma thu t Hàng trăm năm trư c, chiêm tinh h c có s tác ñ ng m nh ñ i v i m i ngư i Ngày nay, ña s m i ngư i bi t r ng th t phi lí n u tin r ng m t xa xơi đó, ánh sáng t phát có l truy n hàng nghìn năm trư c ñi t i chúng ta, l i b ng cách có s tác đ ng th t s lên cu c s ng hàng ngày c a Nhưng vào th k th mư i sáu, c nhà thiên văn h c tin vào chiêm tinh h c M t ví d khác ngu n g c c a t ‘flu’ vi t t t cho t Italy ‘influenza’ nghĩa “ nh hư ng” c a hành tinh, ngư i ta tin r ng chúng nh hư ng ñ n cu c s ng c a B n có tin th khơng hay b n có ch p nh n r ng có m t virus flu khơng? Khoa h c mang l i s ti n b cho m i th i ñ i, nh ng ti n b ñó hư ng ñ n s th t s khai sáng Con đư ng khoa h c khơng ph i lúc th ng, th nh tho ng l i ñi vào ngõ c t, nói chung t o nên s ti n b h t s c n tư ng Vì tơi cịn có k ho ch s ng làm vi c n a ñ u th k hai mươi m t, nên hi v ng th i gian s tìm th y Vũ tr v n ch a nhi u b t ng ñ i v i Sức hấp dẫn khoa học Khi m t s ñ ng nghi p c a tơi l n đ u nhìn th y tơi vi t m t quy n sách v l sâu ñ c c máy th i gian – nh r ng nh ng l đen đáng kính – h t t m t gáo nư c l nh lên d án, kh ng đ nh r ng khơng ph i v t lí đích th c, r ng tơi bn bán m ki n th c đ i chúng t m thư ng ðây ch t li u thu c nhóm X-Files khơng có ch đ ng n n khoa h c nghiêm túc 225 ðúng tơi khơng c n tóm l y nh ng câu h i sâu s c n i c m Vũ tr ñã xu t hi n th t i ñ truy n ñ t h ng thú c a n n v t lí th k hai mươi N u nhìn kĩ lư ng xung quanh mình, ta th y tồn b th gi i ch a ñ y nghi v n T i tơi khơng vi t v u đó? T i l i nêu nh ng câu h i v có th , ho c khơng th , di n t i gi a c a m t l đen mà tơi có th h i nh ng câu đơn gi n ‘Vì b u tr i có màu lam?’, ‘Vì khơng có màu xanh l c hay màu vàng?’ Th t không may, n bu n khơng ph i đa s m i ngư i không bi t câu tr l i cho câu h i này, mà có l h ch ng quan tâm D u sao, quy n sách s chia s ni m h ng thú c ñ i c a v i khái ni m th i gian Các nhà khoa h c m t lồi gi ng l Khơng, tơi khơng có ý nói chúng tơi nh ng k l p d không gi ng xã h i, mà mu n nói chúng tơi v n gi tính tr ni m khao khát không bao gi th a mãn mu n bi t “t i sao” Tôi th y th t phi thư ng mà nguyên t c u t o nên th c a tơi đư c t o bên m t ngơi xa xơi h i hàng t năm v trư c; r i m t phát n dư i d ng siêu m i, vương vãi m tro tàn c a kh p vũ tr M t ph n tro b i sau d n d n ngưng l i v i nhau, nóng lên tr l i đ sinh m t ngơi m i, M t tr i c a chúng ta, hành tinh c a N u b n khơng th y s chút trư c ñi u này, nh ng ngư i r t khác r i Nhưng, ôi chao, khoa h c không th làm xoay chuy n h t th y m i ngư i chúng ta; cịn có q nhi u khác ñang di n ra, cu c s ng th t ng n ng i Tôi cho r ng nh ng câu h i v ý nghĩa c a th i gian, có trơi hay khơng, q kh tương lai có đ ng th i t n t i v i hi n t i hay khơng m t ngày s có th đ n thăm chúng hay khơng nh ng câu h i vư t s hi u kì khoa h c Theo m t nghĩa ñó, ñi u ñó n quy n sách th t d vi t tơi ch ng ph i v t v thuy t ph c b n r ng v n đ trình bày có s c h p d n Nói t i th i gian, có l t i lúc tơi nên k t thúc t p sách dành chút th i gian quý báu l l trôi cho gia đình c a Nhưng tơi có thu đư c tơi s p làm hay khơng đây? S du hành th i gian v kh có l khơng bao gi có th , l sâu đ c có l khơng t n t i Vũ tr c a chúng ta, ch ng có “phía bên kia” c a m t l đen c Nhưng tơi mu n gi i thích rõ ràng v i nh ng ngư i không làm khoa h c m t s khái ni m n i c m nh t c a không gian th i gian, n u chúng có th h p d n d ñư c ch p nh n qua vi c trình bày v vi c xây d ng m t c máy th i gian, v y t i l i khơng ch ? Tôi hi v ng quy n sách v a mang tính gi i trí v a cung c p thơng tin h u ích Tơi khơng h b t tay vào vi t ph n gi i thi u v thuy t tương ñ i, tơi mang đ n cho b n, tơi hi v ng th , m t nhìn thống qua v n n v t lí hi n đ i trông th 226 h i s chia ni m h ng kh i c a vi c suy ng m m t s câu h i sâu s c nh t c a s t n t i Tôi hi v ng b n thích quy n sách HẾT 227 L ĐEN , L S ÂU Đ C VÀ C MÁY TH I GIAN JIM AL-KHALILI (Trần Nghiêm dịch) S c h d o w n l o a d m iễ n p h í t i h t t p : / / t h u v i e n v a t l y c o m ... Lược sử thời gian Stephen Hawking trội số này, cịn có nhiều khác với tựa đề Về thời gian, Sự đời thời gian, Biên giới thời gian, Dòng chảy thời gian, vân vân Dường câu hỏi chất thời gian cấp... nói đầu Lời cảm ơn KHƠNG GIAN Chiều thứ tư S ự h ấp d ẫ n 23 Vũ trụ 41 L ỗ đ e n 73 TH Ờ I G I A N Thời gian thay đổi 99 Thời gian Einstein 125 Nghịch lí du hành thời gian 157 C Ỗ M Á Y TH Ờ I... cho số quan điểm lỗ sâu đục, Brian Stedeford đánh giá hữu ích tác phẩm Lewis Carroll, Phil Palmer làm sáng tỏ số điểm vũ trụ học, James Malone cung cấp hình ảnh lỗ sâu đục vẽ máy vi tính dùng