() LƯỢC SỬ THỜI GIAN (A Brief History of Time) Tác Giả Steven Hawking Dịch Giả TT Thích Viên Lý Viện Triết Lý Việt Nam và Triết Học Thế Giới, USA o0o Nguồn http //thuvienhoasen org Chuyển sang ebook 2[.]
LƯỢC SỬ THỜI GIAN (A Brief History of Time) Tác Giả:-Steven Hawking Dịch Giả:-TT.Thích Viên Lý Viện Triết Lý Việt Nam Triết Học Thế Giới, USA -o0o Nguồn http://thuvienhoasen.org Chuyển sang ebook 26-7-2009 Người thực : Nam Thiên – namthien@gmail.com Link Audio Tại Website http://www.phatphaponline.org Mục Lục Lời Giới Thiệu Cảm Tạ CHƯƠNG - BỨC TRANH VŨ TRỤ CỦA CHÚNG TA CHƯƠNG - KHÔNG GIAN VÀ THỜI GIAN CHƯƠNG - VŨ TRỤ BÀNH TRƯỚNG CHƯƠNG - NGUYÊN TẮC BẤT ĐỊNH CHƯƠNG - NHỮNG HẠT CƠ BẢN VÀ CÁC LỰC THIÊN NHIÊN CHƯƠNG - HỐ ĐEN CHƯƠNG - HỐ ĐEN KHÔNG ĐEN LẮM CHƯƠNG - NGUỒN GỐC VÀ VẬN MỆNH CỦA VŨ TRỤ CHƯƠNG - MŨI TÊN THỜI GIAN CHƯƠNG 10 - THỐNG NHẤT VẬT LÝ HỌC CHƯƠNG 10 - KẾT LUẬN -o0o - Lời Giới Thiệu Hàng ngày sinh hoạt không hiểu biết giới Chúng ta quan tâm chút máy phát ánh sáng mặt trời mà nhờ có sống, trọng lực buộc chặt trái đất mà khơng có bị thảy lăn lóc khơng gian, nguyên tử cấu tạo nên thân thể, tùy thuộc vào ổn cố chúng Ngoại trừ trẻ (chúng ngây thơ nên không ngần ngại hỏi câu hỏi quan trọng), có số dành nhiều để thắc mắc thiên nhiên lại thế nọ; vũ trụ phát sinh từ đâu, xưa vĩnh diện đây; phải tới ngày thời gian trơi ngược chiều hậu trước nguyên nhân; phải có giới hạn tối hậu mà người hiểu biết Có trẻ em – tơi gặp số – muốn biết hố đen vũ trụ giống nào; phận nhỏ vật chất gì; nhớ khứ mà tương lai; thời sơ khai có hỗn loạn làm mà lại có trật tự thấy; lại có vũ trụ Trong xã hội bậc cha mẹ thầy giáo cịn có thói quen trả lời đa số câu hỏi cách nhún vai, cách mượn ý niệm tôn giáo mà họ nhớ cách mơ hồ Một số người cảm thấy lúng túng khó chịu vấn đề loại này, chúng phơi bày cách rõ ràng giới hạn hiểu biết người Nhưng phần lớn triết học khoa học thúc đẩy tra vấn để tới Ngày có nhiều người lớn muốn hỏi câu hỏi loại này, họ tìm số câu trả lời đáng kinh ngạc Đứng nguyên tử sao, nới rộng chân trời thám hiểm để tìm hiểu nhỏ lẫn lớn Mùa Xuân năm 1974, khoảng hai năm trước phi thuyền Viking đáp xuống Hỏa tinh, dự hội nghị Anh Quốc, Học Hội Hoàng Gia Luân Đôn bảo trợ để thảo luận vấn đề truy tìm đời sống ngoại địa cầu Trong nghỉ uống cà–phê tơi nhận thấy có hội họp, đông đảo hơn, cử hành sảnh đường bên cạnh; tơi vào hiếu kỳ Tơi liền nhận chứng kiến nghi thức cổ xưa, nghi lễ tiếp nhận hội viên nhận vào Học Hội Hoàng Gia, tổ chức học thuật lâu đời hành tinh Ở hàng phía trước, người trẻ tuổi ngồi xe lăn chậm chạp ký tên vào sổ mà trang có chữ ký Isaac Newton Đến người ký tên xong, người vỗ tay hoan hơ nồng nhiệt Ngay từ hồi Stephen Hawking nhân vật truyền thuyết Hiện thời Hawking Giáo Sư Toán Học Hàm Lucasian Đại Học Cambridge, chức vụ mà Newton giữ, sau Paul Dirac giữ – hai nhà khai phá lừng danh lớn nhỏ Hawking xứng đáng người kế nghiệp họ Đây sách mà Hawking viết cho giới độc giả không chuyên môn, chứa đựng cống hiến nhiều loại dành cho giới độc giả đại chúng Ngoài nội dung bao quát sách, điều không thú vị độc gỉa thấy thống qua tác động tâm trí tác giả Trong sách có khải thị rõ ràng biên cương vật lý học, thiên văn học, vũ trụ luận, can đảm Đây sách Thượng Đế có lẽ vắng mặt Thượng Đế Chữ Thượng Đế tràn đầy trang sách Hawking lên đường tìm câu trả lời cho câu hỏi tiếng Einstein phải Thượng Đế có lựa chọn cấu tạo vũ trụ Hawking muốn thử tìm hiểu tâm trí Thượng Đế – ơng nói rõ Và điều khiến cho kết luận thêm bất ngờ, nay: vũ trụ mà khơng gian khơng có giới hạn, thời gian khơng có khởi đầu kết thúc, khơng có Đấng Tạo Hóa làm – Carl Sagan Đại Học Cornell Ithaca, New York -o0o - Cảm Tạ Tôi định thử viết sách phổ thông không gian thời gian sau tơi phụ trách khóa giảng Loeb Đại Học Harvard năm 1982 Trước có số đáng kể sách vũ trụ thời sơ khai hố đen, từ sách hay, Ba Phút Đầu Tiên (The First Three Minutes) Steven Weinberg, sách dở mà không nêu tên Tuy nhiên, cảm thấy khơng có sách số thực đề cập vấn đề xui khiến nghiên cứu vũ trụ luận thuyết lượng tử: Vũ trụ đến từ đâu? Nó bắt đầu sao? Nó có tới kết thúc hay khơng, kết thúc nào? Đây câu hỏi đáng tất quan tâm Nhưng khoa học đại trở thành kỹ thuật hóa có số chun gia nắm vững tốn học dùng để mơ tả vấn đề Tuy nhiên, ý niệm khởi thủy vận mệnh vũ trụ lý giải khơng cần tới tốn học, hình thức mà người khơng huấn luyện khoa học hiểu Đây điều mà tơi thử làm sách Độc giả phán đốn xem tơi có thành cơng hay khơng Có người bảo tơi phương trình mà tơi đem vào sách khiến cho số lượng tiêu thụ giảm xuống phân nửa Vì tơi định khơng dùng tới phương trình Tuy nhiên, rốt tơi đem vào phương trình, phương trình tiếng Einstein, E=mc2 Tơi hy vọng điều không khiến cho nửa số độc giả tương lai sợ hãi bỏ chạy Ngoại trừ điều xui xẻo bị mắc bệnh ALS – tức bệnh thần kinh vận động – hầu hết phương diện khác may mắn Nhờ trợ lực Jane, vợ tôi, tơi – Robert, Lucy, Timmy – tơi sống đời bình thường có nghiệp thành công Tôi lại may mắn chọn mơn vật lý học lý thuyết, mơn cần dùng tới tâm trí mà thơi Cho nên bại liệt điều bất lợi trầm trọng Các đồng khoa học tơi, khơng trừ ai, tận tình giúp đỡ Ở giai đoạn "cổ điển" nghiệp tơi, người hợp tác yếu Roger Penrose, Robert Geroch, Brandon Carter, George Ellis Tôi mang ơn họ giúp đỡ họ dành cho tơi, cơng trình mà thực Giai đoạn thâu tóm sách Cấu Trúc Vĩ Mơ Không–Thời Gian (The Large Scale Structure of Spacetime) mà Ellis viết chung vào năm 1973 Tôi không khuyên độc giả sách tham khảo sách để hiểu biết thêm: thuộc loại nặng kỹ thuật khó đọc Tơi hy vọng kể từ tơi học cách viết dễ hiểu Ở giai đoạn "lượng tử" thứ nhì nghiệp tôi, từ năm 1974, người cộng tác yếu Gary Gibbon, Don Page, Jim Hartle Tôi nợ họ sinh viên nghiên cứu nhiều, người giúp đỡ tơi tận tình, kể ý nghĩa thể chất lẫn ý nghĩa lý thuyết từ ngữ Vì phải theo kịp sinh viên nên cảm thấy hào hứng, điều giúp tránh đời sống buồn tẻ Một sinh viên Brian Whitt giúp tơi nhiều việc viết sách Năm 1985 bị viêm phổi, sau viết xong sơ thảo thứ Tơi phải giải phẫu khai thơng khí quản, điều khiến tơi bị khả nói, khơng thể truyền thơng với người khác Tơi tưởng khơng thể hồn tất sách Tuy nhiên, Brian giúp tơi duyệt lại thảo mà cịn giúp tơi sử dụng chương trình truyền thơng gọi "Trung Tâm Sinh Hoạt" mà ông Walt Woltosz, thuộc công ti Word Plus Inc., Sunnyvale, California, hiến tặng Với hệ thống tơi viết sách, viết luận văn, nói chuyện với người ta cách sử dụng máy tổng hợp tiếng nói hãng Speech Plus – Sunnyvale, California – hiến tặng Máy tổng hợp tiếng nói máy vi tính cá nhân nhỏ ông David Mason gắn xe lăn cho Hệ thống tạo biến đổi lớn lao: Trên thực tế tơi truyền thơng tốt trước tơi bị tiếng nói Tôi nhận đề nghị cải tiến sách từ nhiều người đọc sơ thảo Đặc biệt, ông Peter Guzzardi, người chủ biên nhà xuất Bantam Book, liên tiếp gửi nhiều trang bình luận câu hỏi điểm mà ơng cảm thấy tơi khơng giải thích rõ ràng Tơi phải nhìn nhận tơi bực nhận danh sách dài ơng ấy, ghi điều cần sửa đổi, ơng thật có lý Tơi tin thúc đẩy không nương tay ông giúp sách trở thành Tôi biết ơn phụ tá tôi, Colin William, David Thomas, Raymond Laflamme; thư ký Judy Fella, Ann Ralph, Cheryl Billington, Sue Masey; toàn ban y tá tơi Cuốn sách khơng thể hồn thành khơng có yểm trợ cho phí tổn nghiên cứu y khoa tôi, cung cấp Phân Khoa Gonville & Caius, Hội Đồng Nghiên Cứu Khoa Học Cơ Khí, quan Leverhulme, McArthur, Nuffield, Ralph Smith Foundations Tôi biết ơn họ – Stephen Hawking 20 tháng 10 năm 1987 Xem Thêm: Cùng Tác Giả, Khác Dịch Giả: Lược Sử Thời Gian, Dịch Gỉa: Cao Chi Phạm Văn Thiều -o0o - CHƯƠNG - BỨC TRANH VŨ TRỤ CỦA CHÚNG TA Một khoa học gia tiếng (có người nói Bertrand Russell) có lần diễn thuyết trước cơng chúng thiên văn học Ơng mơ tả địa cầu quay chung quanh mặt trời nào, và, mặt khác, mặt trời lại quay quanh trung tâm quần thể gọi thiên hà Vào cuối buổi diễn thuyết, bà cụ nhỏ thó ngồi cuối phịng đứng lên nói: "Những lời ông nói tầm bậy Thế giới thực đĩa phẳng nằm lưng rùa khổng lồ." Vị khoa học gia mỉm cười hợm hĩnh trước trả lời: "Vậy rùa đứng gì?" "Ơng khơn lanh, ông bạn trẻ ạ, khôn lanh," bà cụ nói "Nhưng, bầy rùa cõng liên tiếp thế!" Phần lớn người ta cho hình ảnh vũ trụ tháp rùa vô tận nghe tức cười, tự cho biết rõ hơn? Chúng ta biết vũ trụ? biết nào? Vũ trụ từ đâu mà đến, đâu? Vũ trụ có khởi thủy hay khơng? có chuyện xảy trước đó? Bản chất thời gian gì? Liệu sẽù tới kết hay không? Những khai thông vật lý học, phần nhờ kỹ thuật kỳ diệu, đưa giải đáp cho vài số câu hỏi lâu đời Một ngày câu trả lời tỏ hiển nhiên chuyện địa cầu quay chung quanh mặt trời – tức cười tháp gồm rùa Chỉ có thời gian (dù nữa) cho biết Ngay từ năm 340 trước Tây Nguyên, Aristotle, triết học gia Hy Lạp, sách "Luận Thiên"(On the Heaven) ơng, đưa hai luận giá trị để tin địa cầu trái cầu trịn khơng phải đĩa phẳng Thứ nhất, ông nhận thức nguyệt thực địa cầu vận hành đến mặt trời mặt trăng Bóng địa cầu mặt trăng ln ln trịn vậy, điều thân trái đất hình cầu Nếu địa cầu đĩa trịn phẳng, bóng bị kéo dài hoăïc có hình bầu dục e-lip (ellipse), nguyệt thực luôn xẩy vào lúc mặt trời nằm trung tâm đĩa tròn Thứ hai, nhờ du hành, người Hy Lạp biết quan sát bầu trời từ vùng phía nam, Bắc Đẩu thấp bầu trời so với quan sát từ vùng gần phía bắc (Bởi Bắc Đẩu nằm phía Bắc Cực, nằm đỉnh đầu người quan sát đứng Bắc Cực, người quan sát từ xích đạo, Bắc Đẩu nằm chân trời) Từ khác biệt vị trí biểu kiến Bắc Đẩu Ai Cập Hy Lạp, Aristotle chí cịn tính chu vi địa cầu 400,000 stadia (chuẩn cự) Hiện khơng thể biết xác, độ dài stadium (số stadia) bao nhiêu, có lẽ 200 yards , tính Aristotle gấp đơi số cơng nhận Người Hy Lạp đưa luận thứ ba trái đất phải hình trịn, khơng người ta nhìn thấy cột buồm thuyền từ chân trời tới sau thấy thân thuyền? Aristotle nghĩ địa cầu bất động mặt trời, mặt trăng, hành tinh di chuyển theo quỹ đạo hình trịn chung quanh địa cầu Ơng tin tưởng điều ơng cảm thấy, lý thần bí, địa cầu trung tâm vũ trụ, chuyển động tròn hoàn hảo Quan niệm phát triển Ptolemy vào kỷ thứ hai sau Tây Nguyên thành mơ hình vũ trụ học đầy đủ Địa cầu nằm trung tâm, bao quanh tám hình cầu mang mặt trăng, mặt trời, năm hành tinh biết hồi đó: Thủy tinh, Kim tinh, Hỏa tinh, Mộc tinh Thổ tinh (Hình 1.1) Những hành tinh lại chuyển động vòng trịn nhỏ gắn vào hình cầu tương ứng để giải thích đường tương đối phức tạp chúng quan sát bầu trời Hình cầu tầng ngồi chứa ngơi gọi cố định, chúng ln ln nằm vị trí so với nhau, quay bầu trời Những bên ngồi hình cầu ngồi khơng minh định, chắn khơng nằm vũ trụ quan sát người Mơ hình Ptolemy cung cấp hệ thống xác cách hợp lý để tiên đốn vị trí thiên thể bầu trời Nhưng để tiên đốn vị trí này, Ptolemy phải giả định mặt trăng theo quỹ đạo mà đơi tới gần địa cầu gấp đơi lúc khác Và điều có nghĩa mặt trăng đơi phải nhìn lớn gấp đơi lúc khác! Ptolemy thừa nhận khuyết điểm này, thế, mơ hình ơng tiếp nhận rộng rãi khơng phải đồng ý Nó giáo hội Cơ Đốc giáo tiếp nhận hình ảnh vũ trụ phù hợp với Thánh Kinh, có ưu điểm lớn lao dành nhiều chỗ bên ngồi hình cầu tinh tú cố định cho thiên đường địa ngục Tuy nhiên, năm 1514, vị giáo sĩ người Ba Lan, tên Nicholas Copernicus, đề mơ hình đơn giản (Ban đầu, có lẽ sợ bị giáo hội gán cho kẻ theo dị giáo, Copernicus ln lưu mơ hình ơng cách nặc danh.) Quan niệm ông là, mặt trời nằm cố định trung tâm, địa cầu hành tinh di chuyển theo quỹ đạo tròn quanh mặt trời Gần kỷ sau, quan niệm ông coi trọng Rồi hai nhà thiên văn học – Johannes Kepler, người Đức, Galileo Galilei, người Ý khởi công khai ủng hộ lý thuyết Copernicus, quỹ đạo mà dự đốn khơng hồn tồn phù hợp với quỹ đạo quan sát Địn chí tử cho lý thuyết Aristotle Ptolemy xảy vào năm 1609 Năm ấy, Galileo dùng viễn vọng kính vừa phát minh để quan sát bầu trời ban đêm Khi quan sát Mộc tinh, Galileo phát có vệ tinh nhỏ mặt trăng chuyển động quanh Điều ngụ ý vật phải quay quanh trái đất Aristotle Ptolemy nghĩ (Đương nhiên, người ta tin địa cầu đứng yên trung tâm vũ trụ, vệ tinh Mộc tinh di chuyển theo quỹ đạo phức tạp quanh địa cầu, khiến chúng quay quanh Mộc tinh Tuy nhiên, lý thuyết Copernicus đơn giản nhiều.) Cùng lúc đó, Johannes Kepler cải tiến lý thuyết Copernicus, cho hành tinh di chuyển khơng phải theo hình trịn mà theo hình e-lip (một e-lip vịng trịn kéo dài ra, giống hình bầu dục) Những tiên đốn ngày phù hợp với quan sát Đối với Kepler, quỹ đạo hình e-lip giả thuyết tạm thời, giả thuyết khó chấp nhận, hình e-lip rõ ràng khơng hồn hảo hình trịn Sau tình cờ khám phá quỹ đạo hình e-lip phù hợp với quan sát, ông lại thỏa hiệp chúng với quan niệm ông hành tinh phải quay chung quanh mặt trời tác dụng lực từ tính Mãi sau, vào năm 1687, giải thích đưa ra, Sir Isaac Newton xuất sách ông nhan đề Triết Lý Nguyên Tắc Tự Nhiên Toán Học, có lẽ tác phẩm đơn độc quan trọng xuất khoa vật lý Trong sách này, Newton đưa lý thuyết vấn đề làm vật thể di chuyển khơng gian thời gian, mà cịn phát triển toán phức tạp cần thiết để phân tích chuyển động Ngồi ra, Newton cịn đề định luật vạn vật hấp dẫn, theo đó, vật thể vũ trụ thu hút lẫn lực Lực mạnh khối lượng vật thể lớn chúng nằm gần Chính lực khiến vật rơi xuống mặt đất (Câu chuyện Newton gợi ý trái táo rơi trúng đầu chắn huyền thoại Chính Newton nói ý tưởng trọng lực tới với ơng ơng ngồi "trầm tư," "tình cờ trái táo rơi xuống.") Newton tiếp tục chứng tỏ rằng, theo định luật ông, hấp lực khiến mặt trăng di chuyển theo quỹ đạo hình e-lip chung quanh trái đất khiến trái đất hành tinh quay theo đường e-lip chung quanh mặt trời Mơ hình theo Copernicus loại bỏ hình cầu Ptolemy, quan niệm vũ trụ có biên giới tự nhiên Bởi "ngơi cố định" khơng thay đổi vị trí ngoại trừ chuyện quay ngang bầu trời gây địa cầu quay theo trục nó, điều trở thành tự nhiên cho cố định vật thể gống mặt trời xa nhiều Theo lý thuyết hấp lực ông, Newton nhận thấy ngơi phải thu hút lẫn nhau, chúng bất động Thế liệu có lúc chúng rơi vào không? Trong thư năm 1691 viết cho Richard Bentley nhà tư tưởng hàng đầu khác vào thời Newton lý luận điều thực xảy có số hữu hạn sao, phân bố khoảng không gian hữu hạn Nhưng mặt khác, ông lý luận có số vơ hạn phân bố tương đối đồng khơng gian vơ hạn, điều khơng xẩy ra, khơng có trung tâm điểm để chúng rơi xuống Luận loại cạm bẫy mà bạn gặp phải nói vơ hạn Trong vũ trụ vơ hạn, điểm coi trung tâm, điểm có số vơ hạn ngơi phía Phương pháp xác, lâu sau nhận thức, xem xét tình trạng hữu hạn, rơi vào nhau, tự hỏi chuyện thay đổi người ta thêm vào phân bố tương đối đồng bên vùng Theo định luật Newton, ngơi cộng thêm tính trung bình khơng làm thay đổi nguyên thủy, khiến rơi vào nhanh cũ Chúng ta thêm tùy ý, chúng luôn rơi vào Hiện biết khơng thể có mơ hình vũ trụ trạng thái tĩnh mãi trọng lực luôn thu hút Điều lý thú nhớ lại bầu khơng khí chung tư trưởng trước kỷ 20, không cho vũ trụ bành trướng co rút Người ta thường chấp nhận vũ trụ tồn mãi trạng thái không thay đổi, tạo khứ vào thời điểm định, gần giống thấy ngày Điều phần khuynh hướng người muốn tin vào chân lý vĩnh hằng, dễ dãi mà người ta tìm thấy ý nghĩ dù họ già chết, vũ trụ tồn mãi không thay đổi Ngay người ý thức lý thuyết hấp dẫn Newton cho thấy vũ trụ trạng thái tĩnh, họ không suy nghĩ vũ trụ bành trướng Ngược lại, họ cố cải tiến lý thuyết cách cho lực hấp dẫn trở thành lực đẩy khoảng cách lớn Điều không ảnh hưởng đáng kể tới tiên đoán họ chuyển động hành tinh, cho phép phân bố vô hạn để trì cân – với lực hấp dẫn nằm gần cân lực đẩy từ nằm xa Tuy nhiên, tin cân không ổn định: khu vực nhích lại gần thêm tí, hấp lực chúng với mạnh vượt trộiù lực đẩy, ngơi tiếp tục rơi phía Mặt khác, ngơi xa lìa thêm tí, lực đẩy chiếm ưu thúc đẩy chúng lìa xa thêm Một phản bác khác thuyết vũ trụ tĩnh vô hạn thường gán cho triết gia Đức Heinrich Olbers, người viết lý thuyết ông vào năm 1823 Thật vậy, nhiều người thời với Newton nêu lên vấn đề viết Olbers tài liệu chứa đựng luận đáng tin chống lại Tuy nhiên, viết nhiều người ý Điều khó khăn vũ trụ trạng thái tĩnh vô hạn, gần luồng thị tuyến tận bề mặt Như vậy, người ta trơng đợi bầu trời sáng mặt trời, vào ban đêm Luận phản bác Olbers cho ánh sáng chiếu từ xa bị yếu hấp thụ vật chất nằm chen Tuy nhiên, điều xảy ra, vật chất nằm cuối bị nóng lên phát sáng Cách để tránh kết luận bầu trời ban đêm phải sáng mặt trời giả định chiếu sáng vĩnh viễn thế, mà bật sáng thời điểm xác định q khứ Trong tình này, vật chất hấp thụ nhiệt chưa hâm nóng, giả ánh sáng từ xa chưa đạt tới