Cuộc chiến lỗ đen

Tai Lieu Chat Luong Chủ biên: PHẠM VĂN THIỀU NGUYỄN VĂN LIỄN VŨ CÔNG LẬP THE BLACK HOLE WAR Copyright © 2006 by Spin Networks, Ltd All rights reserved Bản tiếng Việt © Nhà xuất Trẻ, 2010 BIỂU GHI BIÊN MỤC TRƯỚC XUẤT BẢN ĐƯỢC THỰC HIỆN BỞI THƯ VIỆN KHTH TP.HCM Susskind, Leonard Cuộc chiến lỗ đen / Leonard Susskind ; ng.d Phạm Văn Thiều, Phạm Thu Hằng - T.P Hồ Chí Minh : Trẻ, 2010 530 tr ; 21 cm - (Khoa học khám phá) Nguyên : The black hole war Hawking, S W.(Stephen W.) Thuyết lượng tử Lý thuyết tương đối tổng quát (Vật lý) Lỗ đen (Thiên văn học) Không gian thời gian I Phạm Văn Thiều d II Phạm Thu Hằng d III Ts: The black hole war 530.12 — dc 22 S964 Điều thổi lửa vào phương trình làm cho chúng mơ tả vũ trụ? Stephen Hawking MỤC LỤC Mở đầu Phần I TÍCH BÃO Phát súng Sao tối Khơng phải hình học thời ơng nội bạn “Einstein, đừng có bảo Chúa phải làm gì” Planck phát minh thước tốt Trong quán bar Broadway Năng lượng entropy Bạn nhét thông tin vào lỗ đen Ánh sáng đen 24 34 62 94 134 141 152 172 189 Phần II CUỘC TẤN CÔNG BẤT NGỜ 10 Stephen để bit khơng biết phải tìm chúng đâu 214 11 Sự chống trả người Hà Lan 231 12 Ai quan tâm chứ? 239 13 Sự bế tắc 253 14 Vụ đụng độ Aspen 270 MỞ ĐẦU Phần III PHẢN CÔNG 15 16 17 18 Cuộc chiến santa barbara Khoan đã! Hãy đảo ngược lại thay đổi nhận thức Ahab Cambridge Thế giới toàn ảnh 278 315 322 344 Phần IV KẾT THÚC CUỘC ĐẤU 19 Vũ khí suy luận hàng loạt 364 20 Máy bay Alice, hay cánh quạt nhìn thấy cuối 417 21 Đếm lỗ đen 430 22 Nam Mỹ thắng chiến 465 23 Vật lý hạt nhân ư? Anh không đùa chứ! 492 24 Sự khiêm nhường 505 Vĩ 516 Thuật ngữ 523 CUỘC CHIẾN LỖ ĐEN VĨ THANH NĂM 2002, STEPHEN HAWKING đến sinh nhật lần thứ 60 ông Không nghĩ ơng làm điều đó, bác sĩ ông Sự kiện xứng đáng kỷ niệm trọng thể – bữa tiệc sinh nhật thực lớn – lần lại đến Cambridge, với hàng trăm người khác – nhà vật lý, nhà báo, nhạc rock, nhạc sĩ, có người đóng giả Marilyn Monroe vũ công nhảy điệu căng-căng, nhiều thức ăn, rượu đồ uống Đây kiện truyền thơng hồnh tráng, bên cạnh hội thảo vật lý nghiêm túc Mọi người, xuất đời khoa học Stephen có phát biểu, kể Stephen Dưới đoạn trích ngắn từ phát biểu Stephen, tất biết, người bướng bỉnh dễ làm người khác điên tiết vũ trụ Mối quan hệ mặt khoa học tơi với ông, nghĩ gọi thù địch Chúng bất đồng sâu sắc vấn đề có liên quan đến lỗ đen, thơng tin tất thứ tương tự Có lúc ơng khiến tơi phải vị đầu bứt tóc thất vọng – bạn thấy rõ hậu Tơi đảm bảo với bạn rằng, bắt đầu tranh cãi 20 năm trước, đầu cịn đầy tóc 516 CUỘC CHIẾN LỖ ĐEN Đến đây, tơi thấy Stephen ngồi phía sau khán phòng với nụ cười tinh quái cố hữu Tơi tiếp tục: Tơi nói số tất nhà vật lý mà biết, ơng có ảnh hưởng mạnh mẽ đến tơi tư tưởng tơi Tất mà nghiền ngẫm từ năm 1983, theo cách hay cách khác, đáp lại câu hỏi sâu sắc ông số phận thông tin rơi vào lỗ đen Trong tin tưởng cách chắn câu trả lời ơng sai, câu hỏi kiên định câu trả lời có sức thuyết phục ông buộc phải nghĩ lại tảng vật lý học Kết hình mẫu hồn tồn hình thành Tơi vơ vinh dự có mặt để kỷ niệm đóng góp vĩ đại Stephen đặc biệt bướng bỉnh cao thượng ông Và thực nghĩ Tôi nhắc tới ba phát biểu khác Hai số Roger Penrose Tơi khơng thể nhớ Roger lại có hai bài, thực ông làm Trong thứ nhất, ông khẳng định thông tin bị bay lỗ đen Đó lập luận ban đầu mà Stephen đưa 26 năm trước, Roger khẳng định ông Stephen tiếp tục tin Tôi đỗi ngạc nhiên tơi (cũng theo sát bước phát triển gần đây) Lý thuyết ma trận, khám phá Maldacena, tính tốn entropy Strominger Vafa cuối giải xong vấn đề Nhưng nói thứ hai, Roger nói Nguyên lý tồn ảnh cơng trình nghiên cứu Maldacena dựa chuỗi quan niệm sai lầm Nói cách đơn giản, ông cho rằng, 517 VĨ THANH “Có thể mà vật lý học, nhiều chiều hơn, lại mơ tả lý thuyết chiều hơn?” Tơi cho ơng khơng suy ngẫm điều cách đủ kỹ lưỡng Roger bạn bè 40 năm, biết ông kẻ loạn, chống lại thông thái chuẩn mực Tôi lẽ ngạc nhiên ông lại người phản đối Bài nói thứ ba cịn in sâu trí nhớ Stephen – ơng nói, mà ơng khơng nói Ông nhắc lại cách ngắn gọn thời điểm đáng nhớ nghiệp – vũ trụ học, xạ Hawking, phim hoạt hình tuyệt vời – ơng tịnh khơng nói từ đến thơng tin Liệu có phải ông bắt đầu nao núng không? Tơi cho Sau đó, họp báo vào năm 2004, Hawking tuyên bố ông thay đổi quan điểm Ơng nói, nghiên cứu gần ông cuối giải nghịch lý ơng: rốt thơng tin có rị rỉ ngồi lỗ đen cuối lẫn vào sản phẩm bốc Theo Stephen, không hiểu chế bị bỏ qua suốt thời gian qua, cuối ơng nhận thông báo kết luận ông hội thảo tới Dublin Giới truyền thông rúng động hội thảo người ta nín thở chờ đợi Báo chí thơng tin Stephen trả nợ cá cược với John Preskill (người khiến lo lắng Santa Barbara với thí nghiệm tưởng tượng tài tình ơng) Năm 1997, John đánh với Stephen thông tin thoát khỏi lỗ đen Giá cá cược bách khoa thư bóng chày 518 CUỘC CHIẾN LỖ ĐEN Gần đây, biết vào năm 1980, Don Page cá cược với Stephen Như tơi ngờ ngợ từ nói chuyện với Don Santa Barbara, ơng ln hồi nghi tuyên bố Stephen Vào ngày 23 tháng Tư năm 2007, hai ngày trước tơi viết dịng này, Stephen thức thừa nhận thua Don có hảo tâm gửi cho tơi hợp đồng gốc – vụ cá cược bảng Anh ăn đôla Mỹ – với thừa nhận thua ký Stephen Giọt mực đen cuối hợp đồng dấu vân tay Stephen 519 VĨ THANH Hấp dẫn lượng tử tiên đoán nào? Don Page đánh cược với Stephen Hawking đồng bảng Anh nguyên lý kiểm duyệt vũ trụ lượng tử mạnh đúng, cụ thể là, trạng thái ban đầu khiết hoàn tồn tạo cấu hình trường quy siêu mặt phẳng cách tiệm cận có tiến hóa ma trận S tuân theo định luật vật lý tới trạng thái cuối khiết hoàn toàn tạo cấu hình trường quy siêu mặt phẳng cách tiệm cận Stephen đánh cược với Don Page đô la hấp dẫn lượng tử, tiến hóa trạng thái ban đầu khiết vậy, nói chung, cho ma trận $ tới trạng thái cuối pha trộn lúc ma trận S tới trạng thái cuối khiết Don N Page “Tôi thừa nhận điểm yếu ma trận $” Stephen Hawking, 23/4/2007 Thế cịn điều nói thuyết trình Stephen? Tơi khơng biết; tơi khơng có mặt Nhưng báo tiếp sau, viết sau vài tháng, trình bày chi tiết Cũng khơng có nhiều: lược sử nghịch lý, mô tả lời số lập luận Maldacena, giải thích méo mó sau người Nhưng người Trong suốt vài năm gần đây, thấy số lập luận dễ gây tranh cãi ngụy trang hình thức tranh luận khoa học, thực chất chúng cãi vã mang màu sắc trị Chúng bao gồm tranh cãi thiết kế trí 520 CUỘC CHIẾN LỖ ĐEN tuệ; chuyện liệu nóng lên tồn cầu có thực xảy hay khơng, xảy có phải người gây nên; giá trị hệ thống phòng thủ tên lửa đắt tiền; chí Lý thuyết dây Tuy nhiên, may mắn thay, tất tranh cãi khoa học có tính khiêu khích Thi thoảng khác biệt quan điểm vấn đề trọng yếu xuất dẫn đến hiểu biết sâu sắc hơn, chí dẫn đến thay đổi hình mẫu Cuộc chiến lỗ đen ví dụ tranh luận chưa có tính khiêu khích; liên quan tới khác biệt quan điểm chân thực nguyên lý khoa học có xung đột Mặc dù vấn đề thơng tin có bị lỗ đen hay không, lúc đầu chắn vấn đề quan điểm, quan điểm khoa học kết hợp lại thành khối xung quanh hình mẫu Nhưng chiến ban đầu kết thúc, không cho học tất học quan trọng Cái đầu lỏng lẻo rắc rối Lý thuyết dây ứng dụng vào vũ trụ thực Nguyên lý toàn ảnh khẳng định cách ngoạn mục lý thuyết Maldacena khơng gian anti de Sitter, hình học vũ trụ thực lại không gian anti de Sitter Chúng ta sống vũ trụ giãn nở mà, nói, lại giống với không gian de Sitter cả, với chân trời vũ trụ vũ trụ bong bóng Lúc này, chưa biết làm để ứng dụng Lý thuyết dây, Nguyên lý toàn ảnh, hay học khác chân trời lỗ đen cho chân trời vũ trụ, kết nối chắn sâu sắc Phỏng đoán riêng kết nối nằm gốc rễ nhiều câu đố vũ trụ Ngày đó, tơi hy vọng viết sách khác giải thích chuyện, cuối cùng, tất thứ phơi bày nào, tơi khơng nghĩ đến q sớm 521 VĨ THANH Claudio Teitelboim (Bunster), Gerard’ t Hooft, tác giả, John Wheeler, Francois Englert, Valparaiso, năm 1994 Stephen tác giả, Valdivia, Chilê năm 2008 522 CUỘC CHIẾN LỖ ĐEN THUẬT NGỮ ảnh toàn ký (toàn ảnh) [hologram] Một biểu diễn hai chiều thông tin ba chiều Một loại ảnh mà từ hình ảnh ba chiều tái dựng bán kính Schwarzchild [Schwarzchild radius] Bán kính chân trời lỗ đen biểu đồ nhúng [embedding diagram] Một biểu diễn hai chiều không-thời gian thời điểm tạo “cắt lát” continum khôngthời gian bit [bit] Đơn vị thơng tin xạ cực tím [ultraviolet radiation] Sóng điện từ với bước sóng ngắn ánh sáng nhìn thấy xạ Hawking [Hawking radiation] Bức xạ vật đen phát xạ lỗ đen xạ vật đen [black body radiation] Bức xạ điện từ phát vật không phản xạ nhờ nhiệt bước sóng [wavelength] Khoảng cách chiếm sóng trọn vẹn, tính từ đỉnh sóng đến đỉnh sóng chân trời [horizon] Bề mặt mà bên khơng thoát điểm kỳ dị lỗ đen chuyển động Brown [Brownian motion] Chuyển động ngẫu nhiên hạt phấn hoa lơ lửng nước Nguyên nhân bị bắn phá liên tục phân tử nước bị kích thích nhiệt chuyển động điểm zêrơ [zero point motion] Chuyển động dư hệ lượng tử, khơng loại bỏ Ngun lý bất định Còn gọi thăng giáng lượng tử D-brane Bề mặt không-thời gian mà dây có đầu kết thúc dây [fundamental string] Dây tạo nên graviton Kích thước điển hình dây cho khơng lớn nhiều so với kích thước Planck 523 THUẬT NGỮ dây đóng [closed string] Dây khơng có đầu, tương tự sợi dây chun dây mở [open string[ Dây có hai đầu Một sợi dây chun dây đóng, cắt kéo, trở thành dây mở dây QCD [QCD string] Dây tạo gluon liên kết quark tạo thành hadron dao động tử [oscillator] Hệ thực dao động tuần hồn điểm khơng thể quay lui [point of no return] Một tương tự chân trời lỗ đen điểm kỳ dị [singularity] Một điểm đặc vô hạn trung tâm lỗ đen nơi mà lực thủy triều trở nên lớn vô hạn điện trường [electric field] Trường lực xung quanh điện tích độ cong [curvature] Độ uốn cong khơng gian hay không-thời gian độ dài Planck [Planck length] Đơn vị đo độ dài ba số tự nhiên c, h G – đặt Thường xem chiều dài có nghĩa nhỏ nhất, 10-33 cm độ nhớt [viscosity] Ma sát lớp chất lỏng chúng trượt qua đối ngẫu [duality] Mối quan hệ hai mơ tả bề ngồi khác hệ đường trắc địa [geodesic] Đường gần với đường thẳng không gian cong; đường ngắn hai điểm đường vũ trụ Quỹ đạo hạt không-thời gian entropy Một thước đo thông tin bị giấu kín, thường thơng tin lưu giữ vật thể nhỏ nhiều để theo dõi giao thoa [interference] Một tượng sóng mà sóng từ hai nguồn khác triệt tiêu tăng cường vị trí định glueball Một hadron tạo gluon, khơng có quark Glueball dây đóng gluon Các hạt mà kết hợp lại tạo nên dây liên kết quark 524 CUỘC CHIẾN LỖ ĐEN grok Một từ đặt để hiểu điều trực giác cách sâu sắc nhất, cấp độ tinh túy hadron Các hạt liên quan mật thiết với hạt nhân: nucleon, meson glueball Hadron tạo quark gluon số Newton [Newton constant] Hằng số, G, định luật vạn vật hấp dẫn Newton ; G=6,7 × 10-11 theo hệ SI; cịn gọi số hấp dẫn số Planck [Planck constant] Hằng số, h, chi phối tượng lượng tử hấp dẫn lượng tử [quantum gravity] Lý thuyết thống Cơ học lượng tử với Thuyết tương đối rộng Einstein; gọi lý thuyết lượng tử hấp dẫn Hiện lý thuyết chưa hoàn chỉnh hec (Hz) [hertz] Đơn vị tần số dùng để đo số dao động trọn vẹn giây IR [infrared] Hồng ngoại Cũng thường sử dụng để khoảng cách lớn khối lượng Planck [Planck mass] Đơn vị đo khối lượng theo đơn vị Planck; 10-8 kg Không gian anti de Sitter [anti de Sitter Space] Continum không-thời gian với độ cong âm đồng giống hộp hình cầu khơng-thời gian [space-time] Tồn khơng-thời gian thống thành đa tạp bốn chiều lỗ câm [dumb hole] Lỗ rị vận tốc dịng chảy vượt q tốc độ âm (trong nước) gần đến điểm rò lỗ đen [black hole] Đối tượng nặng đặc đến mức khơng khỏi lực hấp dẫn lỗ đen cực trị [extremal black hole] Lỗ đen tích điện đạt tới khối lượng nhỏ với điện tích cho trước lực thủy triều [tidal force] Lực gây biến dạng biến thiên theo không gian cường độ lực hấp dẫn Lý thuyết biên [boundary theory] Lý thuyết toán học biên vùng không gian mô tả thứ bên vùng 525 THUẬT NGỮ Lý thuyết dây [string theory] Lý thuyết tốn học hạt coi dây vơ nhỏ, chiều có lượng Một ứng cử viên cho hấp dẫn lượng tử Lý thuyết trường lượng tử [quantum field theory] Lý thuyết toán học thống đặc tính hạt sóng vật chất; sở vật lý hạt Ma trận đôla [dollar matrix ($-matrix)] Ma trận Hawking nhằm thay cho ma trận S Ma trận S [S-matrix] Một mơ tả tốn học va chạm hạt Ma trận S bảng liệt kê tất đầu vào biên độ xác suất tất kết cục Nguyên lý bất định Heisenberg [Heisenberg uncertainty principle] Nguyên lý Cơ học lượng tử giới hạn khả xác định đồng thời vị trí vận tốc hạt Nguyên lý phi chụp lượng tử [No-quantum-xerox principle (Nocloning principle)] Một định lý Cơ học lượng tử cấm khả máy chụp hồn hảo thơng tin lượng tử Cịn gọi Ngun lý phi nhân Nguyên lý thứ hai Nhiệt động lực học [Second law of thermodynamics] Entropy luôn tăng Nguyên lý thứ Nhiệt động lực học [First law of thermodynamics] Định luật bảo toàn lượng Ngun lý tồn ảnh [holographíc principle] Ngun lý cho thông tin nằm biên vùng không gian Nguyên lý tương đương [equivalence principle] Ngun lý Einstein nói khơng thể phân biệt hấp dẫn với gia tốc – ví dụ thang máy nhiệt độ [temperature] Sự tăng lượng hệ thêm vào chút entropy nhiệt độ Hawking [Hawking temperature] Nhiệt độ lỗ đen nhìn từ khoảng cách định nuclon Một proton nơtron photon Lượng tử (hạt) không phân chia ánh sáng 526 CUỘC CHIẾN LỖ ĐEN QCD [quantum chromodynamics] Sắc động lực học lượng tử định luận [determinism] Nguyên lý vật lý học cổ điển, phát biểu tương lai hoàn toàn xác định Bị sụp đổ Cơ học lượng tử RHIC [Relativistic Heavy Ion Collider] Máy gia tốc tăng tốc hạt nhân nặng đến gần tốc độ ánh sáng cho chúng va chạm với để tạo nên đám vật chất hạt nhân cực nóng Sắc động lực học lượng tử [quantum chromodynamics] Lý thuyết trường lượng tử mô tả quark gluon cách chúng tạo nên hadron lùn trắng [white dwarf] Giai đoạn cuối không nặng nhiều so với Mặt trời nơtron [neutron star] Giai đoạn cuối lớn để tạo thành lùn trắng lại không đủ lớn để co sập lại thành lỗ đen tối [dark star] Ngôi nặng đặc đến mức ánh sáng khơng thể khỏi Ngày gọi lỗ đen sóng điện từ [electromagnetic waves] Những nhiễu động không gian giống sóng tạo điện trường từ trường dao động Ánh sáng dạng sóng điện từ sóng vơ tuyến [radio waves] Sóng điện từ có bước sóng dài kiện [event] Một điểm khơng-thời gian thời gian riêng [proper time] Thời gian trôi theo đồng hồ chuyển động; thước đo khoảng cách dọc theo đường vũ trụ thời gian Planck [Planck time] Đơn vị đo thời gian theo đơn vị Planck; 10-42 giây thông tin [information] Dữ liệu phân biệt trạng thái việc với trạng thái khác Đơn vị đo bit Thuyết tương đối hẹp [special theory of relativity] Lý thuyết năm 1905 Einstein xử lý nghịch lý vận tốc ánh sáng Lý thuyết nói thời gian chiều thứ tư Thuyết tương đối rộng [general theory of relativity] Lý thuyết Einstein hấp dẫn dựa không-thời gian cong 527 THUẬT NGỮ tia gamma [gamma ray] Sóng điện từ có bước sóng ngắn có lượng lớn tia X [X ray] Sóng điện từ với bước sóng ngắn xạ cực tím khơng ngắn tia gamma tính bổ sung lỗ đen [black hole complementarity] Nguyên lý bổ sung Bohr áp dụng cho lỗ đen tính đồng thời [simultanneity] Liên quan tới kiện diễn vào thời điểm Vì Thuyết tương đối hẹp mà tính đồng thời khơng cịn coi tính chất khách quan tốc độ ánh sáng [speed of light] Tốc độ mà ánh sáng chuyển động, xấp xỉ 300.000 km giây; ký hiệu chữ c trạng thái [ground state] Trạng thái hệ lượng tử có lượng thấp Thường đồng với trạng thái độ tuyệt đối từ trường [magnetic field] Trường lực xung quanh nam châm dịng điện UV [ultraviolet] Cực tím Cũng thường sử dụng để kích thước bé vận tốc thoát (vận tốc vũ trụ cấp II) [escape velocity] Vận tốc tối thiểu mà vật phóng lên thoát khỏi lực hút hấp dẫn thiên thể vật lý học cổ điển [classical physics] Vật lý học không bao hàm Cơ học lượng tử Thường hàm ý vật lý học tất định vi sóng [microwaves] Sóng điện từ với bước sóng ngắn sóng vô tuyến xuyên hầm [tunneling] Một tượng học lượng tử hạt qua rào chắn khơng có đủ lượng để làm điều cách cổ điển 528 CUỘC CHIẾN LỖ ĐEN Cuộc CUỘC CHIẾN LỖ ĐEN chiến tác giả với Stephen Hawking để làm cho giới trở nên an toàn học lượng tử Leonard Dusskind Phạm Văn Thiều - Phạm Thu Hằng dịch _ Chịu trách nhiệm xuất bản: NGUYỄN MINH NHỰT Biên tập: HẢI VÂN Xử lý bìa: BÙI NAM Sửa in: THANH VIỆT Kĩ thuật vi tính: THANH HÀ _ NHÀ XUẤT BẢN TRẺ 161B Lý Chính Thắng - Quận - Thành phố Hồ Chí Minh ĐT: 39316289 - 39316211 - 38465595 - 38465596 - 39350973 Fax: 84.8.8437450 - E-mail: nxbtre@hcm.vnn.vn Website: http://www.nxbtre.com.vn CHI NHÁNH NHÀ XUẤT BẢN TRẺ TẠI HÀ NỘI 20 ngõ 91, Nguyễn Chí Thanh, quận Đống Đa - Hà Nội ĐT & Fax: (04)37734544 E-mail: vanphongnxbtre@hn.vnn.vn CÔNG TY TNHH SÁCH ĐIỆN TỬ TRẺ (YBOOK) 161B Lý Chính Thắng, P.7, Q.3, Thành phố Hồ Chí Minh Điện thoại: (08) 35261001 - Fax: (08) 38437450 Email: info@ybook.vn Website: www.ybook.vn