Tai Lieu Chat Luong TÁI BẢN LẦN THỨ LES VOIES DE LA LUMIÈRE Trịnh Xuân Thuận Copyright © LIBRAIRIE ARTHÈME FAYARD 2007 BIỂU GHI BIÊN MỤC TRƯỚC XUẤT BẢN DO THƯ VIỆN KHTH TP.HCM THỰC HIỆN General Sciences Library Cataloging-in-Publication Data Trịnh Xuân Thuận Những đường ánh sáng T.1 / Trịnh Xuân Thuận ; Phạm Văn Thiều, Ngô Vũ dịch - Tái lần thứ - T.P Hồ Chí Minh : Trẻ, 2014 324 tr ; 24 cm Nguyên : Les voies de la lumière. Ánh sáng Ánh sáng nghệ thuật Ánh sáng — Khía cạnh biểu tượng I Phạm Văn Thiều II Ngô Vũ III Ts: Les voies de la lumière 535 — dc 22 T833-T53 Tái lần thứ Đó hẻm xanh, nơi sông ca hát Những mảnh bạc vung vãi bay đầu cỏ Đỉnh núi cao rực rỡ mặt trời Đó thung nhỏ ánh nắng reo vui Arthure Rimbaud Người ngủ thung Kính tặng gia đình tơi tất sinh linh ánh sáng LỜI TỰA Ánh sáng người bạn tri kỉ Trong công việc nhà vật lý thiên văn, thường xuyên phải làm việc với Nó phương tiện đặc ân mà tơi có để đối thoại với vũ trụ Các hạt có lượng cao phát từ hấp hối bùng nổ nặng, mà người ta gọi “tia vũ trụ”, hay sóng hấp dẫn, sóng độ cong không gian tạo từ co mạnh lõi khôi nặng để trở thành nơi giam cầm ánh sáng – lỗ đen –, hay từ chuyển động điên cuồng cặp lỗ đen nhảy múa quanh nhau, mang đến cho nhiều thông tin lạ không gian xa xôi Nhưng tia vũ trụ, sóng hấp dẫn sứ giả vũ trụ Chính ánh sáng đảm nhiệm vai trị Khơng cịn nghi ngờ nữa, phần lớn thông tin vũ trụ mà biết nhờ giúp đỡ hữu hiệu trung thành ánh sáng Đó sứ giả tuyệt vời vũ trụ Chính ánh sáng cho phép giao tiếp kết nối với vũ trụ Chính ánh sáng chuyển tải đoạn nhạc nốt rời rạc giai điệu bí ẩn vũ trụ mà người kỳ công tái dựng với tất vẻ đẹp tráng lệ Ánh sáng đóng vai trị sứ giả vũ trụ nhờ ba tính chất mà bà mụ ban tặng cho lúc chào đời: 1) ánh sáng khơng lan truyền tức thì, phải khoảng thời gian đến chỗ chúng ta; 2) ánh sáng tương tác với vật chất; 3) ánh sáng thay đổi màu sắc phát nguồn sáng chuyển động người quan sát Bởi ánh sáng khơng lan truyền tức thì, nên nhìn vũ trụ muộn hơn, điều cho phép lần ngược trở lại theo NHỮNG CON ĐƯỜNG CỦA ÁNH SÁNG thời gian, để khám phá khứ vũ trụ tái tạo sử thi hoành tráng kỳ diệu vũ trụ khoảng 14 tỉ năm dẫn đến Ngay ánh sáng lan truyền với vận tốc lớn vũ trụ: 300.000 kilômét giây – nháy mắt ánh sáng chạy bảy vịng quanh Trái đất! –, thang vũ trụ vận tốc rùa bị Bởi nhìn xa, nghĩa nhìn sớm – nhìn Mặt trăng muộn hơn giây, Mặt trời gần tám phút, gần bốn năm, thiên hà gần giống dải Ngân hà chúng ta, thiên hà Andromède, sau 2,3 triệu năm, quasar1 xa sau khoảng mười hai tỉ năm –, nên kính thiên văn, hay gọi giáo đường thời đại, nơi đón nhận ánh sáng vũ trụ, cỗ máy đích thực lần ngược lại thời gian Các nhà thiên văn học miệt mài chế tạo kính thiên văn tiếp nối kính thiên văn khổng lồ để nhìn thiên thể mờ hơn, có nghĩa xa sớm hơn, lần ngược lại thời gian khoảng 13 tỉ năm ánh sáng, tới tận khoảng tỉ năm sau Big Bang, với hy vọng ngắm nhìn trực tiếp đời thiên hà Bằng cách khám phá khứ vũ trụ, nhà vật lý thiên văn hiểu tiên đoán tương lai Ánh sáng cho phép lần ngược trở lại khứ cần phải khoảng thời gian đến Ánh sáng mang theo mật mã vũ trụ, giải mật mã tiếp cận bí mật cấu tạo hóa học thiên hà, bí mật chuyển động chúng Sở dĩ ánh sáng tương tác với nguyên tử cấu thành vật chất nhìn thấy vũ trụ Trên thực tế, ánh sáng nhìn thấy tương tác với vật Ánh sáng tự thân ánh sáng khơng nhìn thấy Để ánh sáng nhìn thấy được, đường phải bị vật chặn lại, vật cánh hoa hồng, chất màu bảng màu người họa sĩ, gương kính thiên văn hay võng mạc mắt Tùy theo cấu trúc nguyên tử vật chất mà ánh sáng tiếp xúc, ánh sáng bị hấp thụ lượng lượng xác Tới mức thu quang phổ ánh sáng hay thiên hà phát – hay nói cách khác, dùng lăng kính phân tách thành Viết tắt tên tiếng Anh: quasi-stellar object, có nghĩa vật thể giống (chuẩn tinh) thiên thể cực xa cực sáng, với dịch chuyển đỏ lớn đặc trưng Trong phần ánh sáng biểu kiến, quasar trơng giống ngơi bình thường Thực tế, nhân thiên hà có hoạt động mãnh liệt, với độ trưng lớn nhiều phần lại thiên hà, thường lỗ đen siêu lớn Được phát lần vào năm 1961 (ND) 320 NHỮNG CON ĐƯỜNG CỦA ÁNH SÁNG Bang Tính xác câu chuyện phụ thuộc vào tính xác lý thuyết Với thực trạng hiểu biết vũ trụ nay, liệu tin vào Big Bang? Tơi nghĩ có Kể từ xạ hóa thạch phát vào năm 1965, Big Bang phần lớn nhà vật lý thiên văn thừa nhận, thực tế, suốt bốn thập kỷ gần đây, phải trải qua sống đầy bất trắc Bất lúc quan sát mâu thuẫn với nó, làm cho chao đảo bờ vực thẳm có nguy bị tống vào nghĩa địa lý thuyết chết Nhưng điều khơng xảy Tính đắn lý thuyết dựa khả vượt qua tất kiểm chứng thông qua quan sát, loại quan sát Thực tế, chẳng thiếu quan sát mà nhà thiên văn chưa làm, họ miệt mài kiểm tra thuyết Big Bang khía cạnh góc khuất nhỏ Họ nghiên cứu chi tiết xạ hóa thạch Họ phát phân bố theo lượng photon xạ hóa thạch khơng giống với phân bố vũ trụ có khứ nóng mật độ cao Họ phát thấy xạ hóa thạch đồng tới mức khơng tương thích với thăng giáng mật độ cần thiết đời thiên hà Họ phát ngơi có lượng hêli thấp 25% (25% tiên đoán thuyết Big Bang), điều giáng địn chí mạng vào lý thuyết này, làm tăng lượng hêli nguyên thủy (bằng tổng hợp hiđrô thành hêli), khơng thể làm giảm Họ phát dồi đơteri tới mức điều kéo theo lượng nhỏ vật chất baryon, khơng tương thích với 4% mật độ tới hạn mà người ta quan sát Họ đo khối lượng nơtrino cao tới mức khối lượng tổng cộng nơtrino (với số lượng gần số photon vũ trụ nguyên thủy) vượt qua xa khối lượng đo toàn vũ trụ (trên thực tế, khối lượng nơtrino thấp tới mức chúng chí khơng thể giải thích vật chất tối ngoại lai vũ trụ) Họ có thể, kỹ thuật siêu mới, chứng tỏ lượng tối lớn tới mức mật độ toàn phần vũ trụ vượt xa mật độ tới hạn, điều mâu thuẫn với quan điểm thời kỳ lạm phát vũ trụ Chúng ta nhân lên tùy thích ví dụ địn chí mạng giáng vào thuyết Big Bang Vậy mà khơng ví dụ nêu xảy thực tế Các quan sát khẳng định thuyết Big Bang bác bỏ Chính khả phù hợp tuyệt vời Big Bang với uốn khúc lắt léo tự nhiên khiến phải đặt niềm tin vào 321 Ánh sáng bóng tối Nếu ngày thuyết tinh xảo xuất thay cho nó, lý thuyết định phải lấy lại tất thành tựu lý thuyết Big Bang, giống vật lý Einstein phải sử dụng tất thành tựu vật lý Newton Sau xem xét tất nguồn sáng vũ trụ, tập trung vào nguồn sáng quan trọng chúng ta: Mặt trời Ngôi không nguồn gốc cảnh tượng sáng tuyệt vời Trái đất, mà cịn ngơi mang lại sống HẾT TẬP I MỤC LỤC LỜI TỰA CHƯƠNG CON MẮT CỔ ĐẠI VÀ NGỌN LỬA BÊN TRONG 15 CHƯƠNG “CÓ NEWTON, TẤT CẢ SẼ BỪNG SÁNG” CUỘC ĐẠI CÁCH MẠNG KHOA HỌC 43 CHƯƠNG SỰ KỲ LẠ CỦA ÁNH SÁNG: LƯỠNG TÍNH SĨNG/HẠT 79 CHƯƠNG ÁNH SÁNG VÀ BĨNG TỐI: BIG BANG, VẬT CHẤT TỐI VÀ NĂNG LƯỢNG TỐI 181 NHỮNG CON ĐƯỜNG CỦA ÁNH SÁNG VẬT LÝ SIÊU HÌNH HỌC CỦA ÁNH SÁNG VÀ BÓNG TỐI TRỊNH XUÂN THUẬN Phạm Văn Thiều - Ngô Vũ dịch _ Chịu trách nhiệm xuất bản: Giám đốc - Tổng biên tập NGUYỄN MINH NHỰT Chịu trách nhiệm nội dung: Phó Giám đốc - Phó Tổng biên tập NGUYỄN THẾ TRUẬT Biên tập: NGUYỄN THỊ HẢI VÂN Xử lý bìa: ĐẶNG TRÍ ĐỨC Biên tập tái sửa in: PHẠM TRỌNG LIÊM CHÂU - NGUYỄN PHAN NAM AN Trình bày: VŨ THỊ PHƯỢNG _ NHÀ XUẤT BẢN TRẺ Địa chỉ: 161B Lý Chính Thắng, Phường 7, Quận 3, Thành phố Hồ Chí Minh Điện thoại: (08) 39316289 - 39316211 - 39317849 - 38465596 Fax: (08) 38437450 E-mail: hopthubandoc@nxbtre.com.vn Website: www.nxbtre.com.vn CHI NHÁNH NHÀ XUẤT BẢN TRẺ TẠI HÀ NỘI Địa chỉ: Số 21, dãy A11, khu Đầm Trấu, Phường Bạch Đằng, Quận Hai Bà Trưng, Thành phố Hà Nội Điện thoại: (04) 37734544 Fax: (04) 35123395 E-mail: chinhanh@nxbtre.com.vn CÔNG TY TNHH SÁCH ĐIỆN TỬ TRẺ (YBOOK) 161B Lý Chính Thắng, P.7, Q.3, Tp HCM ĐT: 08 35261001 – Fax: 08 38437450 Email: info@ybook.vn Website: www.ybook.vn © David Parker/S.P.L/Cosmos Sự phân tách ánh sáng trắng thành màu cầu vồng nhờ lăng kính thủy tinh Hình Hình Quang phổ vạch phát xạ Mặt trời (hàng đầu tiên) ngun tố hóa học quen thuộc hiđrơ (hàng thứ hai), hêli (hàng thứ ba), thủy ngân (hàng thứ tư) urani (hàng thứ năm) Photo: NASA Tấm đồ bầu trời vệ tinh WMAP chụp hình ảnh xa xưa mà ta nhận vũ trụ Nó cho ta biết phân bố không gian xạ vi ba hóa thạch vũ trụ tới từ thời vũ trụ 380.000 năm tuổi Những điểm màu biểu diễn thăng giáng nhỏ nhiệt độ, cỡ vài phần trăm ngàn độ Kelvin, tương ứng với thăng giáng nhỏ mật độ vật chất Những thăng giáng vật chất hạt giống thiên hà, chúng nảy mầm cho đời thiên hà lộng lẫy vũ trụ ngày hơm Hình Photo: NASA Các kính thiên văn khổng lồ tương lai Để lần ngược trở lại theo thời gian khoảng 13 tỷ năm chiêm ngưỡng đời thiên hà đầu tiên, nhà thiên văn hăm hở bắt tay lập kế hoạch xây dựng kính tiên văn khổng lồ tương lai Một dự án xây dựng kính thiên văn khổng lồ, dự kiến vào năm 2015, kính TMT (chữ viết tătỉ gồm chữ cụm từ Thirty Meter Telesope) Kính có đường kính 30m (hãy so với kích thước người xem hình ảnh) có suất phân giải lớn gấp 36 lần kính thiên văn 5m Palomar (bên trái) Hình © NASA/James Web Space Telescope Hình Kính thiên văn khơng gian James Webb (JWST - chữ đầu cụm từ tiếng Anh “James Webb Space Telescope”), dự kiến vào năm 2013 để kế tục kính Hubble Kính hoạt động vùng hồng ngoại gần phương tiện dùng để thu ánh sáng tới từ thiên hà Kính gồm 18 mảnh hình lục giác tạo thành gương có đường kính 6,5m lớn đáng kể so với kính Hubble 2,5m JWST hoạt động mà khơng có ống viễn vọng, bảo vệ ánh sáng cháy bỏng Mặt Trời chắn nắng lớn gồm nhiều lớp Photo: Millenium simalation, Virgo consortium - © NMM London Hình Một mơ vũ trụ Máy tính quỹ đạo 10 tỷ hạt vùng khơng gian vũ trụ hình khối lập phương có cạnh dài tỷ năm ánh sáng Sau q trình tiến hóa khoảng 13,7 tỷ năm, hạt vẽ nên mạng khổng lồ sợi đan bện với tường tạo từ thiên hà trải dài hàng trăm triệu năm ánh sáng giới hạn vùng chân không rộng lớn không Phần lớn vật chất (99,5%) không biến thành không phát sáng Chúng vật chất tối vũ trụ Chỉ có 0,5% vật chất vũ trụ phát sáng nơi có mật độ cao (các chấm sáng) tạo nên đám thiên hà Hình Sao siêu 1987A Đám mây Magellan lớn Một nguồn sáng vũ trụ tăng cách bất ngờ đáng kể độ sáng báo hiệu chết bùng nổ nặng, gọi siêu (Hãy so sánh độ sáng mũi tên ảnh bên trái với độ sáng ảnh bên phải) Ngôi bùng nổ Đám mây Magellan lớn, thiên hà lùn, vệ tinh Ngân Hà, cách Trái Đất khoảng 160.000 năm ánh sáng, có khối lượng lớn gấp Mặt Trời 20 lần Photo: Anglo - Australian Observary Thiên hà xanh compact (đặc nhỏ) I Zwicky 18 kính Hubble chụp, thiên hà lùn bất thường Cùng với Yuri Izotov, đồng nghiệp tôi, xác định tuổi già thiên hà I Zwicky 18 khoảng tỷ năm, lửa rơm so với tuổi 13,7 tỷ năm vũ trụ Do vậy, I Zwicky 18 thiên hà sơ sinh vũ trụ trưởng thành thiên hà trẻ vũ trụ Photo: NASA/STSCI/ Trịnh Xuân Thuận Hình Hình Những ngơi Ánh sáng có lượng lớn ngơi phát chiếu sáng đám mây hiđrô hêli vốn tổ kén chúng Vũ trụ lúc khơng có ánh sáng khả kiến, chiếu sáng vơ số cầu khí phát sáng khắp nơi pháo hoa khổng lồ Photo: NASA/STCcI Hình 10 Thiên hà elip Messier 89 hay NGC 4552 Nó số nhiều thiên hà thuộc đám Vierge cách Trái đất 60 triệu năm ánh sáng Photo: Anglo - Australian Observary Hình 11 Thiên hà xoắn ốc NGC 1309 kính thiên văn Hubble chụp Thuộc cụm thiên hà Eridanus, cách Trái đất 100 triệu năm ánh sáng Photo: NASA/STCcI Hình 12 Tinh vân hành tinh Helice Hubble chụp Nằm cách Trái đất 650 năm ánh sáng, số tinh vân hành tinh gần Ngân hà Điểm sáng nhỏ tâm tinh vân lùn trắng, xác ngơi chết Photo: NASA/STCcI Hình 13 Sự va chạm thông báo Ngân hà với thiên hà Andromede mơ hình hóa nhà Vật lý Thiên văn John Dubinski siêu máy tính Hình, đọc từ trái sang phải, từ xuống dưới, cho thấy bước khác trình va chạm Sau vũ điệu hấp dẫn phức tạp khoảng tỷ năm, hai thiên hà hòa nhập tạo nên thiên hà elip Dự liệu: John Dubinski, Đại học Toronto