Ba Phút đầu tiên - Steven Weinberg

Ba Phút đầu Steven Weinberg Steven Ba Phút Ba Phút Lời nói đầu Một cách nhìn đại nguồn gốc vũ trụ C uốn sách nói phút hình thành vũ trụ, theo thuyết vũ trụ học đại gọi thuyết “mô hình chuẩn” Nó xuất phát từ thuyết “Vụ nổ lớn” nhà bác học Lemaitre Gamow, đại hóa, xác hóa sau khám phá phông xạ vũ trụ cực ngắn nhiệt độ kenvin (khoảng âm 270 độ C) vào năm 1964 - 1965 Đây công lao trực tiếp hai nhà bác học Mỹ Penzias Wilson, họ giải thưởng Nobel năm 1978 khám phá quan trọng Nhưng, sách nêu rõ, công lao tập thể lớn nhà khoa học chục năm trời, hàng trăm phòng thí nghiệm, đài quan sát thiên văn, nhóm nghiên cứu lý thuyết, đóng góp cho thuyết “Vụ nổ lớn” có dạng “chuẩn” nhiều người công nhận Bản thân tác giả, Steven Weinberg, thành viên Viện hàn lâm khoa học Mỹ, nhà bác học tiếng có nhiều cống hiến cho vật lý lý thuyết, vật lý hạt bản, lý thuyết trường, dù trực tiếp nhà vũ trụ học, gián tiếp tham gia vào đấu tranh cho “mô hình chuẩn” Năm 1979 Weinberg giải Nobel vật lý với hai nhà bác học khác đóng góp ông vào việc tìm thuyết thống hai tương tác: tương tác yếu tương tác điện tử Cuốn sách xuất tiếng Việt lần đầu năm 1981 Từ đến sách tái nhiều lần nước ngoài, song sửa đổi tính kinh điển Theo yêu cầu đông đảo bạn đọc yêu thích khoa học, xin trân trọng giới thiệu in “Ba phút - Một cách nhìn đại nguồn gốc vũ trụ” Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Steven Weinberg Ba Phút Lời tựa Steven Weinberg Sách viết từ nói chuyện lễ khánh thành Trung tâm khoa học sinh viên năm cuối Harvard tháng 11 năm 1973 Một người bạn chung, Daniel Bell, kể lại Ba Phút đầu Steven cho ông Erwin Glikes, chủ tịch giám đốc công ty xuất “Sách bản” nghe nói chuyện đó, Glikes giục biến thành sách Đầu tiên không thật say mê với ý Tuy có tiến hành nghiên cứu nhỏ vũ trụ học, công việc dính líu nhiều đến vật lý bé nhỏ, lý thuyết hạt Ngoài ra, vật lý hạt tỏ sinh động cách năm cuối đây, tốn nhiều thời gian không phục vụ nó, viết báo không chuyên môn cho tạp chí Tôi muốn trở làm việc toàn thời chỗ sinh sống tự nhiên tôi, Tạp chí vật lý Tuy nhiên, thấy ngừng suy nghĩ sách kể vũ trụ sơ khai Có hấp dẫn vấn đề “Phát minh trời đất”? Ngoài ra, vũ trụ sơ khai, đặc biệt phần trăm giây đầu tiên, vấn đề lý thuyết hạt gắn chặt với vấn đề vũ trụ học Và trước hết, thời điểm tốt để viết vũ trụ sơ khai Đúng thập niên vừa qua, lý thuyết chi tiết trình diễn biến kiện vũ trụ sơ khai công nhận rộng rãi tên “mô hình chuẩn” Thật điều tuyệt vời ta kể vũ trụ sau giây đầu tiên, năm Đối với nhà vật lý, điều đáng phấn khởi kể việc với số, nói thời điểm nhiệt độ, mật độ hay hợp phần hóa học vũ trụ đạt trị số Thật ta không hoàn toàn thật vấn đề này, đáng phấn khởi ta nói vấn đề với chút tin tưởng Sự phấn khởi mà muốn đưa đến cho bạn đọc Tốt hết phải nói sách dành cho bạn đọc Tôi viết cho bạn đọc sẵn sàng theo dõi vài lập luận chi tiết thật am hiểu toán học vật lý Mặc dầu phải đưa vào số ý tưởng khoa học phức tạp, song môn toán học dùng sách số học mà bạn đọc không cần biết nhiều, chí biết trước vật lý thiên văn Tôi cố gắng thận trọng định nghĩa danh từ khoa học dùng chúng lần đầu, thêm vào cung cấp bảng từ vựng danh từ vật lý thiên văn Ở đâu được, viết số chữ (như: trăm nghìn triệu) mà không dùng cách ghi khoa học tiện lợi hơn: 10 mũ 11 Tuy nhiên, có nghĩa cố viết sách dễ hiểu Khi nhà luật học viết cho bạn đọc bình thường, ông ta giả thiết họ tiếng Pháp luật đạo luật “chống thừa hưởng suốt đời”, ông ta, mà suy nghĩ tệ họ, ông không “hạ cố” đến họ Tôi muốn nói ngược lại: hình dung bạn đọc luật sư già tinh khôn, ông ta không nói ngôn ngữ tôi, dù mong đợi nghe vài lập luận có tính thuyết phục trước có ý kiến cá nhân Đối với bạn đọc muốn thấy thực vài phép toán làm sở cho lập luận sách này, soạn “Phụ trương toán học” liền sau sách Trình độ toán học dùng làm cho Ba Phút đầu Steven thích hiểu có trình độ năm cuối đại học khoa học vật lý toán học May thay, tính toán quan trọng vũ trụ học lại có phần đơn giản: có chỗ chỗ điểm tinh tế thuyết tương đối rộng vật lý hạt nhân dùng chút Những bạn đọc muốn tiếp tục hiểu vấn đề trình độ cao tìm nhiều giáo trình trình độ cao (kể tôi) ghi mục “Gợi ý đọc thêm” Tôi phải nói rõ đối tượng sách Đó sách nói khía cạch vũ trụ học Có phần “cổ điển” vấn đề, nói nhiều cấu trúc vũ trụ quy mô lớn: tranh luận chất thiên hà tinh vân xoắn ốc; khám phá dịch chuyển đỏ thiên hà xa phụ thuộc dịch chuyển vào khoảng cách; mô hình vũ trụ học theo thuyết tương đối rộng Einstein, de Sitter, Lemaitre Friedmann; v v… Phần vũ trụ học mô tả hay số sách xuất sắc, ý thuật lại đầy đủ lần phần Cuốn sách nói vũ trụ sơ khai, đặc biệt hiểu biết vũ trụ sơ khai dấy lên từ khám phá phông xa cực ngắn vũ trụ năm 1965 Cố nhiên, thuyết vũ trụ giãn nở thành phần quan trọng cách nhìn ta vũ trụ sơ khai, chương II, buộc phải giới thiệu ngắn gọn khía cạnh “cổ điển” vũ trụ học Tôi tin chương cung cấp sở thích hợp, dù cho bạn đọc không quen biết vũ trụ học để hiểu phát triển gần thuyết vũ trụ sơ khai mà phần lại sách bàn đến Tuy nhiên, bạn đọc muốn giới thiệu đầy đủ phần cổ vũ trụ học xin xem sách ghi “Gợi ý đọc thêm” Mặt khác, không tìm tường thuật lịch sử có hệ thống phát triển gần vũ trụ học Do buộc phải sâu chút, đặc biệt vấn đề hấp dẫn tìm kiếm phông xạ cực ngắn vũ trụ nhiều năm trước 1965 (Điều thảo luận chương VI) Như để nói coi sách lịch sử có tính chất dứt điểm phát triển - tôn trọng cố gắng tìm hiểu ý đến chi tiết cần thiết lịch sử khoa học nên có ảo tưởng việc Trái lại, hạnh phúc nhà sử học khoa học thật dùng sách điểm xuất phát viết lịch sử đầy đủ ba mươi năm cuối nghiên cứu vũ trụ học Tôi cảm ơn Erwin Glikes Farrell Phillips công ty “Sách bản” gợi ý có giá trị hai ông chuẩn bị thảo để xuất Tôi giúp nhiều nói viết sách này, gợi ý thân thiện bạn đồng nghiệp vật lý thiên văn Tôi muốn đặc biệt cảm ơn Ralph Alpher, Bernard Burke, Robert Dicke, George Field, Gary Feinberg, William Fowler, Robert Herman, Fred Hoyle, Jim Peebles, Arno Penzias, Bill Press, Ed Purcell Robert Wagoner việc ông bận tâm đọc phát biểu phần sách Tôi cảm ơn Isaac Asimov, I Bernard Cohen, Martha Liller Phillips Morrison cho thông tin loạt vấn đề đặc biệt Tôi đặc biệt biết ơn Nigel Calder đọc suốt thảo đầu tiên, cho lời bình luận xác đáng Tôi hy vọng sách Steven Ba Phút đầu hoàn toàn chỗ sai tối nghĩa, rõ xác nhiều so với trường hợp không giúp đỡ rộng lượng mà may mắn nhận Steven Weinberg Cambridge, Massachusetts Tháng 7/1976 Steven Weinberg Ba Phút Mở đầu Người khổng lồ bò Nguồn gốc vũ trụ giải thích sách “Edda trẻ”, sưu tập truyện thần thoại mà nhà tộc trưởng Aixơlen Snorri Sturleson sưu tầm vào khoảng năm 1220 Thủa sơ khai - sách Edda viết - “Không tìm thấy đất, phía trời, có khoảng trống lớn kinh khủng, không đâu có cỏ” Phía bắc phía nam khoảng không trống rỗng vùng giá rét lửa, Niflheim Muspelheim Sức nóng từ vùng Muspelheim làm tan khối băng giá Niflheim từ hạt nước người khổng lồ xuất hiện, Ymer Thế Ymer ăn gì? Hình truyện có bò tên Audhumla Thế ăn gì? Không sao, có muối, v v…và v v… Tôi không muốn làm mếch lòng có thiện cảm tôn giáo, kể có thiện cảm với tín ngưỡng Viking (Viking: tên gọi tên cướp biển Scanđinavia thuở xưa (ND).), cho nói câu chuyện không cho hình ảnh thỏa mãn nguồn gốc vũ trụ Dù bỏ qua điều trái với chuyện dĩ nhiên, thông thường, câu chuyện làm nảy sinh câu hỏi nhiều vấn đề giải đáp, giải đáp lại dẫn đến điều phức tạp cho điều kiện ban đầu Chúng ta mỉm cười nghe chuyện Edda khước từ toàn suy đoán nguồn gốc vũ trụ, lòng ham muốn tìm hiểu lịch sử vũ trụ kể từ buổi sơ khai thực không ngăn cản Từ lúc khoa học đại bắt đầu, kỷ 16 17, nhà vật lý, thiên văn nhiều lần trở nguồn gốc vũ trụ Tuy nhiên, quanh loại nghiên cứu luôn phảng phất điều tai tiếng Tôi nhớ lại lúc sinh viên tự bắt đầu nghiên cứu khoa học (về vấn đề khác) năm 1950, nghiên cứu vũ trụ sơ khai bị nhiều người coi công việc mà nhà khoa học đứng đắn phải để nhiều thời vào Sự đánh không Ba Phút đầu Steven phải vô Trong suốt phần lớn lịch sử vật lý học, thiên văn học đại, rõ ràng sở quan sát lý thuyết vững vàng để dựa vào người ta xây dựng lịch sử vũ trụ sơ khai Bây giờ, 10 năm qua, điều thay đổi Một thuyết vũ trụ sơ khai công nhận rộng rãi đến mức nhà thiên văn thường gọi “mô hình chuẩn” Nó phần giống mà gọi thuyết “vụ nổ lớn”, bổ sung toa (ở dịch “recipe” “toa” để giữ cách nói hóm hỉnh tác giả Còn dịch “công thức” “đơn” (ND).) rõ ràng nhiều thành phần vũ trụ Thuyết vũ trụ sơ khai đề tài sách Để thấy ta tới đâu, cần bắt đầu với đoạn tóm tắt lịch sử vũ trụ sơ khai hiểu “mô hình chuẩn” Đây lướt qua ngắn gọn - chương giải thích chi tiết lịch sử lý khiến ta tin vào phần Lúc đầu xảy vụ nổ Không phải vụ nổ thường xảy trái đất, trung tâm định lan truyền vùng xung quanh lúc xa, mà vụ nổ xảy đồng thời điểm nào, lấp đầy toàn không gian từ đầu, hạt vật chất rời xa hạt khác “Toàn không gian” hiểu toàn không gian vũ trụ vô hạn vũ trụ hữu hạn, tự khép kín bề mặt hình cầu Cả hai khả dễ hiểu, việc không cản trở ta; vũ trụ sơ khai, việc không gian hữu hạn hay vô hạn không quan trọng Sau khoảng 1/100 giây, thời gian sớm mà ta tường thuật với trăm nghìn triệu (10 mũ 11) độ bách phân (Trong sách, tác giả dùng độ bách phân cho dễ hiểu, độ Kelvin Thực ra, phải dùng đơn vị “kenvin” thay độ bách phân độ Kelvin (ND).) Như nóng nhiều so với trung tâm nóng nhất, nóng thực thành phần vật chất bình thường, phân tử, nguyên tử dù hạt nhân nguyên tử bám vào Thay vào đó, vật chất rời xa vụ nổ gồm có loại hạt khác nhau, hạt đối tượng nghiên cứu vật lý hạt nhân lượng cao đại Chúng ta gặp hạt nhiều lần sách - cần gọi tên hạt có mặt nhiều vũ trụ sơ khai, chương III IV có giải thích chi tiết Một loại hạt phổ biến lúc electron, hạt mang điện âm chạy dây dẫn điện tạo nên lớp vỏ nguyên tử phân tử vũ trụ Một loại hạt khác có nhiều buổi sơ khai pozitron, loại hạt mang điện dương khối lượng electron Trong vũ trụ pozitron tìm thấy phòng thí nghiệm lượng cao, vài kiểu phóng xạ tượng thiên văn cực mạnh tia vũ trụ siêu mới, vũ trụ sơ khai, số lượng pozitron số lượng electron Ngoài electron pozitron lúc có loại neutrino, số lượng gần vậy, hạt “ma” mang khối lượng điện tích không Cuối cùng, vũ trụ lúc chứa đầy ánh sáng Không xem Ba Phút đầu Steven xét ánh sáng tách rời với hạt Thuyết lượng tử cho ta biết ánh sáng gồm hạt khối lượng không, điện tích không, gọi photon (Mỗi lần nguyên tử dây tóc bóng đèn điện chuyển từ trạng thái lượng cao đến trạng thái lượng thấp photon phát ra) Số photon phát từ bóng điện nhiều chúng dường nhập với thành luồng ánh sáng liên tục, tế bào quang điện đếm photon Mỗi photon mang lượng lượng xung lượng xác định, phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng Để mô tả ánh sáng tràn ngập vũ trụ sơ khai, nói số lượng lượng trung bình photon lúc xấp xỉ số lượng lượng trung bình electron, pozitron neutrino Các hạt - electron, pozitron, neutrino, photon - tạo nên cách liên tục từ lượng túy sau khoảnh khắc tồn lại bị hủy diệt Như vậy, số lượng chúng định từ đầu, mà thay vào cố định cân bằng- trình sinh hủy Từ cân ta suy mật độ thứ xúp (Chúng dịch “cosmic soup” xúp vũ trụ (một “hẩu lốn” vũ trụ) để giữ cách nói hóm hỉnh tác giả (ND).) vũ trụ nhiệt độ trăm nghìn triệu độ, lớn gấp khoảng bốn nghìn triệu lần mật độ nước Lúc có pha số hạt nặng hơn, proton neutron, mà giới thành phần hạt nhân nguyên tử (Proton mang điện tích dương, neutron nặng trung hòa điện) Tỷ lệ lúc vào khoảng proton neutron nghìn triệu electron pozitron neutrino photon Con số - nghìn triệu photon hạt nhân - số định cần phải rút từ quan sát để tạo mô hình chuẩn vũ trụ Sự phát phông xạ vũ trụ thảo luận chương III thực phép đo số Khi vụ nổ tiếp tục nhiệt độ hạ xuống tới ba mươi nghìn triệu (3 10 mũ 10) độ C sau khoảng phần mười giây; mười nghìn triệu độ sau giây ba nghìn triệu độ sau 14 giây Như đủ lạnh để electron pozitron bắt đầu bị hủy với nhanh tái sinh từ photon neutrino Năng lượng giải phóng hủy vật chất tạm thời làm giảm tốc độ lạnh dần vũ trụ, nhiệt độ tiếp tục giảm, cuối đến nghìn triệu độ sau ba phút Lúc đủ lạnh để photon neutron bắt đầu tạo thành hạt nhân phức tạp, bắt đầu hạt nhân hydro nặng (hay đơteri) gồm proton neutron Mật độ lúc cao (hơi nhỏ mật độ nước), hạt nhân nhẹ hợp lại với cách nhanh chóng thành hạt nhân nhẹ bền nhất, hạt nhân heli, gồm hai photon hai neutron Sau ba phút đầu tiên, vũ trụ gồm chủ yếu ánh sáng, neutrino phản neutrino Lúc chút chất hạt nhân, gồm có khoảng 73 % hydro 27 % heli số, vậy, electron lại từ trình hủy electron pozitron Vật chất tiếp tục rời xa nhau, ngày lạnh hơn, loãng Mãi lâu sau, sau vài trăm nghìn năm bắt đầu đủ lạnh electron kết hợp với hạt nhân thành nguyên tử hydro heli Chất khí hình thành bắt đầu, ảnh hưởng Ba Phút đầu Steven lực hấp dẫn, tạo nên khối kết mà sau ngưng tụ lại, tạo thiên hà vũ trụ Tuy nhiên, thành phần mà dùng để bắt đầu đời sống chúng thành phần tạo ba phút Ngoài việc cần quy định điều kiện ban đầu, đặc biệt tỷ lệ nghìn triệu photon hạt nhân không tự nhiên Chúng ta thích thuyết trình có lôgic chặt chẽ Ví dụ thuyết khác hấp dẫn mặt triết học nhiều, mô hình trạng thái dừng Trong thuyết Herman Bondi, Thomas Gold (dưới dạng khác) Fred Hoyle đưa năm cuối thập niên 40 này, vũ trụ luôn tồn Khi giãn ra, vật chất “mới” tạo thành cách liên tục để lấp khoảng trống thiên hà Có thể câu hỏi việc vũ trụ giải đáp thuyết cách cách để luôn không đổi Vấn đề vũ trụ sơ khai bị loại trừ: vũ trụ sơ khai Vậy lại đến “mô hình chuẩn”? Và thay thuyết khác “mô hình trạng thái dừng”? Đây điểm đáng khâm phục tính khách quan vật lý thiên văn đại, trí đạt thay đổi thiên triết học ảnh hưởng “ông quan” vật lý thiên văn mà áp lực số liệu thực nghiệm Hai chương mô tả hai kiện lớn mà quan sát thiên văn cung cấp, chúng dẫn ta đến “mô hình chuẩn” - phát lùi xa thiên hà xa xăm phông xạ yếu chứa đầy vũ trụ Đây câu chuyện phong phú cho nhà nghiên cứu lịch sử khoa học, chứa đầy bước ban đầu sai lệch, dịp may bị bỏ lỡ, định kiến lý thuyết vai trò nhân vật quan trọng Sau trình bày sơ lược vũ trụ học quan sát, cố gắng xếp số liệu lại với để có tranh quán điều kiện vật lý vũ trụ sơ khai Như ta quay lại ba phút với nhiều chi tiết Cách trình bày theo nghệ thuật điện ảnh thích hợp: cảnh cảnh khác, quan sát vũ trụ giãn nở lạnh dần Chúng ta thử nhìn chút vào thời đại mà bao phủ bí mật - phần trăm giây xảy trước Chúng ta hoàn toàn tin vào mô hình chuẩn không? Những phát đánh đổ thay thuyết “nguồn gốc vũ trụ” khác đó, kể làm sống lại mô hình trạng thái dừng hay không? Cũng Tôi chối có cảm giác không thật viết ba phút đầu tiên, thể biết câu chuyện muốn nói Tuy nhiên, dù phải bị thay thế, mô hình chuẩn coi đóng vai trò có giá trị lớn lịch sử vũ trụ học Hiện người ta coi trọng (tuy mười năm gần thôi) việc Steven Ba Phút đầu thử nghiệm ý tưởng lý thuyết vật lý vật lý thiên văn cách rút hệ chúng theo mô hình chuẩn Hiện người ta thường dùng mô hình chuẩn sở lý thuyết để biện hộ cho chương trình quan sát thiên văn Như vậy, mô hình chuẩn cho ngôn ngữ chung cần thiết, cho phép nhà lý thuyết quan sát đánh giá công việc Nếu ngày mô hình chuẩn bị thay lý thuyết tốt hơn, quan sát hay xuất phát từ mô hình chuẩn Trong chương cuối, nói đoạn ngắn tương lai vũ trụ Nó giãn nở mãi, ngày lạnh hơn, trống rỗng “chết” Ngược lại, co hẹp lại, làm cho thiên hà, hạt nhân nguyên tử nổ tung trở hợp phần Tất vấn đề gặp muốn hiểu ba phút lúc xuất trở lại ta muốn tiên đoán kiện xảy ba phút cuối Steven Weinberg Ba Phút Sự giãn nở vũ trụ Nhìn vào bầu trời ban đêm, ta có cảm giác mạnh mẽ vũ trụ không biến động Thực ra, đám mây bay qua mặt trăng, bầu trời xoay quanh Bắc đẩu sau khoảng thời gian dài mặt trăng tròn khuyết, mặt trăng hành tinh chuyển động phông Nhưng biết tượng cục bộ, chuyển động thái dương hệ gây Ngoài hành tinh ra, dường đứng yên Cố nhiên, chuyển động với tốc độ đạt vài trăm kilômet giây, năm, chuyển động nhanh mười nghìn triệu kilômet Đấy khoảng nghìn lần nhỏ khoảng cách đến dù gần nhất, vị trí biểu kiến chúng bầu trời thay đổi chậm (Ví dụ chuyển động tương đối nhanh, gọi Barnard cách ta khoảng chừng 56 triệu triệu kilômet Nó chuyển động qua đường nhìn với tốc độ 89 km/s 2,8 nghìn triệu kilômet năm, kết vị trí biểu kiến thay đổi góc 0,0029 độ năm) Các nhà thiên văn gọi thay đổi vị trí biểu kiến gần bầu trời “chuyển động riêng” Vị trí biểu kiến bầu trời xa thay đổi chậm đến mức chuyển động riêng chúng phát chí quan sát kiên nhẫn Ở thấy cảm giác không biến động sai lầm Các quan sát mà thảo Ba Phút đầu Steven luận chương cho thấy vũ trụ trạng thái nổ dội, đảo lớn gọi thiên hà rời xa với tốc độ gần tốc độ ánh sáng Sau ngoại suy nổ lùi thời gian để kết luận tất thiên hà phải gần nhiều lúc khứ - gần đến mức mà thực thiên hà kể nguyên tử hay hạt nhân nguyên tử tồn riêng biệt Đó kỷ nguyên mà gọi “vũ trụ sơ khai”, đối tượng nghiên cứu sách Sự hiểu biết giãn nở vũ trụ hoàn toàn dựa kiện nhà thiên văn có khả đo chuyển động vật thể sáng theo hướng trực tiếp dọc theo đường nhìn xác nhiều so với đo chuyển động theo hướng vuông góc với đường nhìn Kỹ thuật đo dùng tính chất quen thuộc chuyển động sóng, gọi hiệu ứng Doppler Khi ta quan sát sóng âm sóng ánh sáng từ nguồn bất động, thời gian đỉnh sóng chúng đến thiết bị quan sát ta thời gian đỉnh sóng chúng rời khỏi nguồn Mặt khác, nguồn chuyển động tách khỏi thời gian lần tới đỉnh sóng liên tiếp lớn thời gian lúc chúng rời khỏi nguồn, đỉnh sau tới chỗ ta phải quãng đường dài chút so với đỉnh trước Thời gian đỉnh bước sóng chia cho tốc độ sóng, sóng phát nguồn chuyển động xa khỏi ta có bước sóng dài so với nguồn đứng yên (Cụ thể độ tăng tỷ đối bước sóng tỉ số tốc độ nguồn sóng tốc độ sóng, thích toán học 1) Cũng vậy, nguồn chuyển động phía ta, thời gian lần xuất hai đỉnh sóng giảm đỉnh sóng quãng đường ngắn sóng có bước sóng ngắn Điều giống thể người bán hàng lưu động muốn gửi thư nhà cách đặn, tuần lần suốt chuyến mình: người xa nhà, thư tiếp sau phải khoảng cách xa thư trước, thư người đến cách tuần; đường trở về, thư tiếp sau khoảng cách ngắn nên thư đến cách chưa đầy tuần Hiện dễ quan sát hiệu ứng Doppler sóng âm Chỉ cần đứng bên đường nhận xét động xe ô tô chạy nhanh phát âm cao (nghĩa có bước sóng ngắn hơn) ô tô lao phía ta so với ô tô chạy khỏi ta Hiệu ứng Johann Christian Doppler, giáo sư toán học trường Realschule Praha nêu lần cho sóng âm sóng ánh sáng năm 1842 Hiệu ứng Doppler cho sóng âm nhà khí tượng học Hà Lan Buys - Ballot thử nghiệm thí nghiệm hấp dẫn vào năm 1845 - ông dùng dàn nhạc kèn đặt toa xe lửa mui trần phóng nhanh qua vùng nông thôn Hà Lan gần Utrecht làm nguồn âm di động Doppler cho hiệu ứng ông cắt nghĩa màu sắc khác Ánh sáng chuyển động rời xa đất phải dịch chuyển phía bước sóng dài hơn, ánh Ba Phút đầu Steven sáng đỏ có bước sóng dài bước sóng trung bình ánh sáng thấy được, nên đỏ bình thường Cũng vậy, ánh sáng từ chuyển động phía đất dịch chuyển phía bước sóng ngắn hơn, nhìn xanh bình thường Không lâu sau Buys - Ballot số người khác hiệu ứng Doppler không dính líu đến màu sắc - ánh sáng xanh từ xa đất bị dịch phía đỏ, đồng thời phần ánh sáng tử ngoại, thường không thấy sao, lại dịch chuyển phía xanh phổ thấy được, màu sắc toàn không thay đổi Các có màu sắc khác chủ yếu chúng có bề mặt nhiệt độ khác Tuy nhiên, hiệu ứng Doppler bắt đầu có tầm quan trọng to lớn thiên văn học vào năm 1868, áp dụng cho việc nghiên cứu vạch phổ cá biệt Nhiều năm trước nhà quang học Joseph Frauenhofer Muynkhen phát ra, năm từ 1814 đến 1815, ánh sáng mặt trời qua khe hẹp sau qua lăng kính thủy tinh phổ màu sắc có hàng trăm vạch tối, vạch hình ảnh khe hẹp (Một vài vạch William Hyde Wollaston nhận thấy trước kia, năm 1802, lúc không nghiên cứu kỹ lưỡng) Các vạch tối luôn thấy mầu sắc cố định Những vạch phổ tối Frauenhofer tìm thấy vị trí quang phổ mặt trăng sáng Người ta hiểu sớm vạch tối tạo hấp thụ chọn lọc ánh sáng có bước sóng xác định đó, ánh sáng từ bề mặt nóng qua khí bên lạnh Mỗi vạch hấp thụ ánh sáng nguyên tố hóa học xác định, người ta biết nguyên tố mặt trời natri, sắt, magie, canxi crom nguyên tố tìm thấy đất (Hiện biết bước sóng vạch tối bước sóng mà photon có bước sóng có lượng đủ để nâng nguyên tử từ trạng thái lượng thấp lên trạng thái kích thích nó) Năm 1868 William Huggins vạch tối phổ vài sáng chói dịch chuyển phía đỏ phía xanh so với vị trí bình thường chúng phổ mặt trời Ông giải thích đắn kiện dịch chuyển Doppler chuyển động xa khỏi đất phía đất gây Ví dụ, bước sóng vạch tối phổ Capella dài bước sóng vạch tối tương ứng phổ mặt trời 0,01 % Sự dịch chuyển phía đỏ chứng tỏ Capella rời xa ta với tốc độ 0, 01 % tốc độ ánh sáng 30 kilômet giây Hiệu ứng Doppler áp dụng thập niên sau để khám phá vận tốc tai lửa mặt trời, đôi vạch Thổ Phép đo vận tốc quan sát dịch chuyển Doppler kỹ thuật xác, bước sóng vạch phổ đo với độ xác cao; tìm bước sóng cho dầu với lượng cao đạt máy gia tốc nay, người ta phá vỡ hađron thành quark thành phần Một bất lực cô lập quark tự giống xuất vũ trụ học Nếu hađron thực vỡ thành quark tự điều kiện nhiệt độ cao vũ trụ sơ khai, người ta chờ đợi số quark tự sót lại đến Nhà vật lý thiên văn Liên Xô cũ Ya B Zeldovich ước tính hạt quark tự sót lại xấp xỉ nhiều nguyên tử vàng vũ trụ Không cần phải nói, vàng nhiều lạng vàng dễ kiếm lạng quark nhiều Bài toán hóc búa không tồn quark tự cô lập toán quan trọng vật lý lý thuyết Gross Wilezek thân giả thiết “tính tự tiệm cận” cung cấp cách giải thích có Nếu sức mạnh tương tác hai quark bớt chúng đẩy đến gần tăng lên chúng bị kéo xa Năng lượng cần để kéo quark khỏi quark khác hađron bình thường tăng khoảng cách tăng lúc trở thành đủ lớn để tạo nên cặp quark - phản quác từ chân không Cuối cùng, người ta có nhiều quark tự mà nhiều hađron thông thường Việc hoàn toàn giống ta định dứt đầu sợi dây: bạn kéo mạnh sợi dây đứt, kết cuối hai sợi dây, sợi có hai đầu Các quark vũ trụ sơ khai gần đủ để chúng không cảm thấy lực biểu diễn hạt tự Tuy nhiên quark tự có mặt vũ trụ sơ khai, vũ trụ giãn nở nguội đi, phải bị hủy với phản quark tìm nơi an nghỉ proton nơtron Như ta nói nhiều tương tác mạnh, có nhiều vấn đề cần phải giải ta quay đồng hồ lùi lại lúc bắt đầu thực Một hệ thực hấp dẫn lý thuyết đại hạt vũ trụ trải qua chuyển pha, đông đặc nước lạnh xuống 273 K (= độ C) Sự chuyển pha không liên quan tới tương tác mạnh, mà tới loại tương tác tầm ngắn khác vật lý hạt bản, tương tác yếu Tương tác yếu chịu trách nhiệm số trình phân rã phóng xạ phân rã nơtron tự nói rộng hơn, phản ứng bao gồm neutrino Như tên gọi chúng cho thấy, tương tác yếu yếu nhiều so với tương tác điện từ tương tác mạnh Chẳng hạn va chạm neutrino electron lượng triệu electron - vôn, lực yếu khoảng phần mười triệu (10 mũ âm 7) lực điện từ hai electron va chạm lượng Mặc dù tính yếu tương tác yếu, từ lâu người ta nghĩ có liên hệ sâu sắc lực yếu điện từ Một lý thuyết trường thống hai lực đưa năm 1967 Abdus Salam đưa cách độc lập năm 1968 Lý thuyết tiên đoán loại tương tác yếu mới, gọi dòng trung hòa, mà tồn khẳng định thực nghiệm năm 1973 Nó lại ủng hộ khám phá 1974, họ hađron Ý tưởng then chốt loại lý thuyết tự nhiên có độ đối xứng cao liên hệ hạt lực khác nhau, bị lu mờ tượng vật lý thông thường Các lý thuyết trường dùng từ 1973 để mô tả tương tác mạnh thuộc kiểu toán học (các lý thuyết hiểu chuẩn không giao hoán) nhiều nhà vật lý tin lý thuyết hiệu chuẩn cung cấp sở thống để hiểu lực tự nhiên: yếu, điện từ, mạnh lực hấp dẫn Quan điểm ủng hộ tính chất lý thuyết hiệu chuẩn Salam thân đoán Gerard’t Hoolt chứng minh lần năm 1971: đóng góp giản đồ Feynman phức tạp bề vô hạn, cho kết hữu hạn xác suất trình vật lý Đối với nghiên cứu vũ trụ sơ khai, điều quan trọng lý thuyết hiệu chuẩn là, năm 1972 D A Kizhnitz A D Linde viện vật lý Lebedvev Matxcơva rõ, lý thuyết đưa chuyển pha, kiểu đông đặc, “nhiệt độ tới hạn” khoảng 3000 triệu triệu độ Kelvin (3 x 10 mũ 10 K) Ở nhiệt độ nhiệt độ tới hạn vũ trụ bây giờ: tương tác yếu yếu có tầm ngắn Ở nhiệt độ nhiệt độ tới hạn tính thống tương tác yếu điện từ rõ rệt: tương tác tuân theo loại định luật bình phương nghịch đảo tương tác điện từ có cường độ Sự tương tác với cốc nước đông đặc có nhiều ý nghĩa Trên điểm đông đặc nước lỏng tỏ có độ đồng tính cao: xác suất tìm phân tử nước điểm cốc điểm khác Tuy nhiên, nước đông đặc, đối xứng điểm khác không gian bị phần: nước đá tạo mạng tinh thể với phân tử nước chiếm vị trí cách đặn định với gần xác suất không để tìm phân tử nước chỗ khác Cũng vũ trụ “đông đặc” với nhiệt độ xuống thấp 3000 triệu triệu độ, đối xứng bị - tính đồng tính không gian nó, cốc nước đá ta, mà đối xứng tương tác yếu điện từ Còn đưa tương tác xa Như người biết, nước đông lại thường không tạo tinh thể nước đá hoàn hảo, mà phức tạp nhiều: trạng thái hỗn độn miền (đômen) tinh thể ngăn cách sai hỏng tinh thể đủ kiểu Vũ trụ đông lại thành miền chăng? sống miền mà tính đối xứng tương tác yếu điện từ bị phá vỡ theo cách đặc biệt, lúc ta khám phá miền khác hay chăng? Cho đến trí tưởng tượng ta đưa ta lùi lại nhiệt độ 3000 triệu triệu độ ta nói đến tương tác mạnh, yếu điện từ Còn loại tương tác trọng yếu vật lý, tương tác hấp dẫn sao? Lực hấp dẫn cố nhiên đóng vai trò quan trọng câu chuyện chúng ta, chi phối quan hệ mật độ vũ trụ tốc độ giãn nở Tuy nhiên, lực hấp dẫn không thấy có tác động tính chất nội phần vũ trụ sơ khai Đó sức yếu hết mức lực hấp dẫn: chẳng hạn, lực hấp dẫn electron proton nguyên tử hyđro bé lực điện 10 mũ 39 lần (Một chứng yếu ớt lực hấp dẫn trình vũ trụ trình sản hạt trường hấp dẫn Leonard Parker trường đại học Wisconsin nêu hiệu ứng “thủy triều” trường hấp dẫn vũ trụ đủ lớn thời điểm khoảng phần triệu triệu triệu triệu giây(10 mũ âm 24 giây) sau lúc bắt đầu, để tạo cặp hạt - phản hạt từ không gian trống rỗng Tuy nhiên, lực hấp dẫn nhiệt độ yếu số hạt sản đóng góp cách không đáng kể vào số hạt có mặt cân nhiệt) Dù sao, ta tưởng tượng thời điểm lực hấp dẫn mạnh tương tác hạt nhân mạnh thảo luận Các trường hấp dẫn sinh khối lượng hạt, mà dạng lượng Quả đất quay xung quanh mặt trời nhanh so với trường hợp mặt trời không nóng vậy, lượng sức nóng mặt trời cho thêm vào nguồn lực hấp dẫn Ở nhiệt độ siêu cao, lượng hạt cân nhiệt trở thành lớn đến mức lực hấp dẫn chúng trở thành mạnh lực khác Ta ước tính trạng thái đạt nhiệt độ khoảng 100 triệu triệu triệu triệu triệu độ /(10 mũ 32 K) Ở nhiệt độ đó, điều kỳ lạ xảy Không lực hấp dẫn mạnh tạo hạt trường hấp dẫn khấm - mà ý tưởng “hạt” ý nghĩa “Chân trời”, khoảng cách mà bên ta nhận tín hiệu lúc gần bước sóng hạt điển hình cân nhiệt Nói cách không chặt chẽ lắm, lúc hạt lớn vũ trụ quan sát ! Ta đủ rõ chất lượng tử lực hấp dẫn dù để suy luận cách thông minh lịch sử vũ trụ trước thời điểm Ta ước lượng thô thiển nhiệt độ 10 mũ 32 K đạt vào khoảng 10 mũ âm 43 giây sau lúc bắt đầu, không thấy rõ ước lượng có ý nghĩa không Nhưng che khác kéo đi, lại che nhiệt độ 10 mũ 32 K, chắn không cho ta nhìn thời điểm sơ khai Tuy nhiên, không chắn số quan trọng thiên văn học vào năm 1976 Lý suốt giây vũ trụ trạng thái cân nhiệt, số lượng phân bố hạt, kể neutrino, xác định định luật học thống kê, chi tiết lịch sử trước chúng Hiện đo độ nhiều hêli, xạ cực ngắn, neutrino, ta quan sát tàn sư trạng thái cân nhiệt kết thúc sau giây Theo hiểu biết ta nay, mà ta quan sát phụ thuộc vào lịch sử vũ trụ trước thời điểm (Đặc biệt, ta quan sát phụ thuộc vào việc vũ trụ trước giây có đẳng hướng đồng tính hay không, có lẽ, trừ thân tỷ số photon hạt hạt nhân) Việc giống thể bữa tiệc chuẩn bị cẩn thận - chất tươi nhất, gia vị chọn cẩn thận nhất, rượu ngon - lại đặt tất vào nồi lớn để đun sôi vài Khó mà biết - dù bạn người sành ăn - bạn dọn ăn Có thể có ngoại lệ Hiện tượng hấp dẫn, tượng điện từ, thể dạng sóng dạng tác dụng tĩnh qua khoảng cách quen thuộc Hai electron trạng thái nghỉ đẩy với lực tĩnh điện phụ thuộc vào khoảng cách chúng, ta lắc tới lắc lui electron, electron không cảm thấy thay đổi lực tác động lên có đủ thời gian cho tin tức thay đổi khoảng cách mang sóng điện từ từ hạt qua hạt khác Không cần phải nói sóng lan truyền với vận tốc ánh sáng chúng ánh sáng, không thiết ánh sáng thấy Cũng vậy, người khổng lồ có ác ý lăn mặt trời qua lại, ta mặt đất không cảm thấy ảnh hưởng trước tám phút, thời gian cần cho sóng với vận tốc ánh sáng từ mặt trời đến đất Đây sóng ánh sáng, sóng trường điện từ dao động, mà sóng hấp dẫn, dao động trường hấp dẫn Cũng sóng điện từ ta gộp chung sóng hấp dẫn bước sóng danh từ “bức xạ hấp dẫn” Bức xạ hấp dẫn tương tác với vật chất yếu nhiều so với xạ điện từ so với neutrino (vì lý đó, dù ta tin tưởng có lý vào sở việc tồn xạ hấp dẫn, cố gắng lớn không đạt kết phát sóng hấp dẫn từ nguồn nào) Bức xạ hấp dẫn phải từ bỏ cân nhiệt với thành phần khác vũ trụ sơ khai - thực nhiệt độ khoảng 10 mũ âm 32 K Từ nhiệt độ hiệu dụng xạ hấp dẫn giảm tỷ lệ nghịch với kích thước vũ trụ Đó định luật giảm mà nhiệt độ thành phần lại vũ trụ tuân theo trừ hủy cặp quark - phản quark lepton - phản lepton xạ hấp dẫn, nung nóng phần lại vũ trụ.Cho nên, vũ trụ phải chứa xạ hấp dẫn nhiệt độ gần bé tý so với nhiệt độ neutrino photon - khoảng K Sự phát xạ quan sát trực tiếp thời điểm xưa lịch sử vũ trụ mà vật lý lý thuyết nghĩ đến Tiếc thay may bé để phát phông xạ hấp dẫn 1K tương lai nhìn trước Nhờ lý thuyết có tính suy đoán cao độ ta ngoại suy lịch sử vũ trụ trở lùi đến thời điểm mật độ vô hạn Nhưng việc chưa làm cho thỏa mãn Chúng ta tự nhiên muốn biết tồn trước lúc đó, trước bắt đầu giãn nở nguội Một khả không lúc thực có trạng thái vô hạn Sự giãn nở vũ trụ bắt đầu cuối giai đoạn co lại trước kia, mật độ vũ trụ đạt trị số cao hữu hạn Tôi nói khả chương sau Tuy nhiên, dù có thật, mặt lôgic có lúc bắt đầu, thân thời gian ý nghĩa trước lúc Chúng ta tất quen với ý nghĩ nhiệt độ không tuyệt đối Không thể làm lạnh vật âm 273,16 độ C, việc khó, chưa nghĩ đến tủ lạnh đủ tài tình mà nhiệt độ thấp độ không tuyệt đối ý nghĩa - ta có nhiệt chút nhiệt Cũng vậy, có lẽ ta phải quen với ý nghĩ thời gian không tuyệt đối - thời điểm khứ mà trước nguyên tắc vạch chuỗi nhân Vấn đề chưa giải đáp mãi không giải đáp Đối với tôi, điều thỏa mãn có từ lập luận vũ trụ lúc thật sơ khai tương đương có lịch sử vũ trụ cấu lôgic Tự nhiên ngày “phô bày” nhiều hạt loại tương tác khác Nhưng mà ta học cách nhìn tính đa dạng đó, cố coi hạt tương tác khác mặt lý thuyết trường hiệu chuẩn thống đơn giản Vũ trụ lạnh đến mức tính đối xứng hạt tương tác khác bị lu mờ kiểu đông đặc, chúng không xuất tượng bình thường, mà phải biểu diễn toán học, lý thuyết trường hiệu chuẩn Cái mà ta làm nhờ toán học làm vũ trụ thật sơ khai nhờ nhiệt - tượng vật lý thể cách trực tiếp tính đơn giản tự nhiên Nhưng không có mặt lúc để thấy điều Steven Weinberg Ba Phút Phần kết Viễn cảnh trước mắt Vũ trụ tiếp tục giãn nở thời gian Về số phận sau đó, mô hình chuẩn cho lời tiên đoán mơ hồ: phụ thuộc hoàn toàn vào việc mật độ vũ trụ bé hay lớn giá trị tới hạn Như ta thấy chương II, mật độ vũ trụ bé mật độ tới hạn lúc vũ trụ vô hạn mãi giãn nở Con cháu chúng ta, lúc có, thấy phản ứng nhiệt hạch đến kết thúc chầm chậm tất sao, để lại sau loại tro bụi khác nhau; lùn đen, nơtron, lỗ đen Các hành tinh tiếp tục quay quỹ đạo chậm dần chúng xạ sóng hấp dẫn, không nghỉ sau thời gian hữu hạn Nhiệt độ phông xạ neutrino vũ trụ tiếp tục hạ tỷ lệ nghịch với kích thước vũ trụ, chúng đi; ta phát phông xạ cực ngắn K Mặt khác mật độ vũ trụ lớn giá trị tới hạn vũ trụ hữu hạn giãn nở lúc kết thúc, thay co ngày mạnh Nếu chẳng hạn, mật độ vũ trụ gấp đôi giá trị tới hạn giá trị công nhận số Hubble (15 km giây cho triệu năm ánh sáng) vũ trụ có tuổi 10000 triệu năm; tiếp tục giãn nở 50000 triệu năm sau bắt đầu co lại (xem hình bốn) Sự co giãn nở theo chiều ngược lại: sau 50000 triệu năm, vũ trụ lấy lại kích thước sau 10000 triệu năm sau đến gần trạng thái kỳ dị có mật độ vô hạn Suốt phần đầu giai đoạn co, nhà thiên văn (nếu có đó) tiêu khiển quan sát dịch chuyển đỏ lẫn dịch chuyển xanh Ánh sáng từ thiên hà gần xạ thời điểm vũ trụ lớn so với ánh sáng quan sát, quan sát, ánh sáng dịch chuyển phía đầu bước sóng ngắn phổ, nghĩa phía xanh Mặt khác, ánh sáng từ vật xa phải xạ thời kỳ vũ trụ giai đoạn đầu giãn nở nó, vũ trụ bé so với ánh sáng quan sát, quan sát, ánh sáng dịch chuyển phía bước sóng dài phổ, nghĩa phía đỏ Nhiệt độ phông photon neutrino vũ trụ hạ xuống, sau tăng lên vũ trụ giãn nở co lại, luôn tỷ lệ nghịch với kích thước vũ trụ Nếu mật độ vũ trụ gấp đôi trị số tới hạn nó, tính toán ta rõ vũ trụ lúc lớn gấp đôi bây giờ, nhiệt độ phông sóng cực ngắn lúc nửa giá trị K nay, khoảng 1,5 K Sau vũ trụ bắt đầu co lại nhiệt độ bắt đầu tăng lên Lúc đầu báo động - hàng nghìn triệu năm phông xạ lạnh đến mức cần có cố gắng lớn phát Tuy nhiên, vũ trụ co hẹp lại đến phần trăm kích thước nay, phông xạ bắt đầu ngự trị bầu trời: bầu trời ban đêm nóng bầu trời ban ngày (300 K) Bảy mươi triệu năm sau vũ trụ co lại mười lần nữa, cháu (nếu có) thấy bầu trời sáng cách không chịu Các phân tử khí hành tinh và khoảng không bắt đầu tách thành nguyên tử thành phần chúng, nguyên tử vỡ thành electron tự hạt nhân nguyên tử Sau bảy trăm nghìn năm nhiệt độ vũ trụ 10 triệu độ; thân hành tinh hòa tan thành thứ xúp vũ trụ gồm xạ, electron, hạt nhân Sau hai mươi hai ngày nhiệt độ tăng lên 10 000 triệu độ Các hạt nhân lúc bắt đầu vỡ tung thành proton nơtron thành phần chúng, phá hủy toàn công trình tổng hợp hạt nhân theo vũ trụ học Một thời gian ngắn sau electron pôzitron tạo nên với số lượng lớn va chạm photon - photon, phông neutrino phản neutrino vũ trụ trở lại cân nhiệt với vũ trụ lại Ta đưa câu chuyện buồn tẻ suốt kết thúc, đến trạng thái mật độ nhiệt độ vô hạn không? Thời gian dừng lại khoảng phút sau nhiệt độ đạt nghìn triệu độ không? Rõ ta Mọi không mà ta gặp phải chương trước, khảo sát tỷ mỉ phần trăm giây đầu tiên, quay lại để làm cho ta băn khoăn ta nhìn vào phần trăm giây cuối Trước hết, toàn vũ trụ phải mô tả theo ngôn ngữ học lượng tử nhiệt độ 100 triệu triệu triệu triệu độ (10 mũ 32 K), ý niệm việc xảy lúc Ngoài ra, vũ trụ không thật đồng tính đẳng hướng (xem cuối chương V), toàn câu chuyện ta nghĩa từ lâu trước ta gặp phải vấn đề vũ trụ học lượng tử Từ không số nhà vũ trụ học rút hy vọng Có thể vũ trụ trải qua kiểu “nảy bật” vũ trụ bắt đầu giãn nở lại Trong Edda, sau trận cuối thần người khổng lồ Rangorak, đất bị lửa nước phá hủy nước rút lui, người Thor từ địa ngục lại tiến lên mang theo búa cha giới lại bắt đầu lần Ba Phút đầu Steven Nhưng vũ trụ thực giãn nở lại, giãn nở chậm dần lần sau có co hẹp, kết thúc Rangorak vũ trụ khác, lại có lần nảy bật khác nữa, tiếp tục mãi Nếu tương lai, khứ Vũ trụ giãn nở giai đoạn co hẹp trước nảy bật vừa qua (Thật ra, năm 1965, thông báo phông xạ cực ngắn vũ trụ, Dicke, Peebles, Roll Wilkinson cho có thời kỳ giãn nở co hẹp vũ trụ hoàn toàn trước đây, họ lập luận vũ trụ phải co hẹp đủ để nâng nhiệt độ lên 10000 triệu độ để phá vỡ nguyên tố nặng tạo nên giai đoạn trước) Nhìn lùi trước, ta tưởng tưởng chương trình không chấm dứt giãn nở mà lúc bắt đầu Một số nhà vũ trụ học bị hấp dẫn mặt triết học mô hình dao động, đặc biệt vì, mô hình trạng thái dừng, tránh cách khôn khéo vấn đề “phát sinh trời đất” Nhưng gặp khó khăn lý thuyết lớn Trong chu kỳ tỷ số photon hạt hạt nhân (hoặc, xác hơn, entropi cho hạt hạt nhân) tăng lên chút loại ma sát (gọi “độ nhớt khối”) vũ trụ giãn nở co hẹp Với hiểu biết ta, vũ trụ lúc bắt đầu chu kỳ với tỷ số photon hạt hạt nhân mới, lớn trước Cho đến tỉ số lớn vô hạn, khó mà thấy vũ trụ trải qua trước số chu kỳ vô hạn Tuy nhiên, vấn đề giải quyết, dù mô hình vũ trụ học tỏ ta đắn, không làm cho ta an tâm Đối với người, gần khó cản lòng tin có mối liên hệ đặc biệt với vũ trụ, đời sống loài người kết tất nhiên hài hước chuỗi tai nạn kéo lui dài đến ba phút đầu tiên, mà tạo nên cách từ lúc đầu tiên.Trong viết điều máy bay cao 30 000 fut, bay bầu trời Wyoming từ San Francisco nhà Boston Phía mặt đất xem mềm dễ chịu, có đám mây mượt mà chỗ chỗ nọ, tuyết nhuộm hồng mặt trời mọc, đường thẳng đất nước từ thành phố đến thành phố Rất khó nhận tất phần nhỏ bé vũ trụ không thân thiện Lại khó nhận thức vũ trụ tiến hóa từ điều kiện sơ khai không bình thường cách không tả đứng trước hủy diệt tương lai lạnh vĩnh viễn nóng không chịu Vũ trụ thấy dễ hiểu lại vô nghĩa nhiêu Nhưng kết nghiên cứu ta điều an ủi ta, có khuây khỏa thân việc nghiên cứu Con người ta, nam hay nữ, không lòng với việc tự an ủi với câu chuyện thần người khổng lồ, tập trung suy nghĩ vào câu chuyện đời sống hàng ngày; họ chế tạo kính thiên văn, vệ tinh nhân tạo máy gia tốc, ngồi bàn giấy suốt hàng để xử lý ý nghĩa Ba Phút đầu Steven số liệu mà họ thu thập Sự cố gắng hiểu vũ trụ làm cho đời sống người nâng lên cao trình độ hý kịch, cho phần dáng đẹp bi kịch (Hết) Các bảng Bảng Tính chất số hạt Tính chất số hạt “Năng lượng nghỉ” lượng giải phóng toàn khối lượng hạt chuyển thành lượng “Nhiệt độ ngưỡng” lượng nghỉ chia cho số Boltzmann; nhiệt độ mà hạt tạo nên tự từ xạ nhiệt “Số hiệu dụng loại” cho đóng góp tỉ đối loại hạt vào lượng toàn phần, áp suất entrôpi, nhiệt độ cao nhiệt độ ngưỡng Số viết tích ba thừa số: thừa số đầu hay tuỳ theo hạt có phản hạt khác với nó; thừa số thứ hai số hướng có spin hạt, thừa số cuối 7/8 theo hạt có tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli hay không “Thời gian sống trung bình” thời gian trung bình mà hạt sống sót trước chịu phân rã phóng xạ thành hạt khác Bảng Tính chất vài loại xạ Tính chất vài loại xạ Mỗi loại xạ đặc trưng khoảng bước sóng cho theo centimet Ứng với khoảng bước sóng khoảng lượng phôton cho theo electron – vôn Nhiệt độ “vật đen” nhiệt độ mà xạ vật đen có đa số lượng tập trung gần bước sóng cho; nhiệt độ cho theo độ Kelvin (Chẳng hạn, bước sóng mà Penzias Wilson điều hưởng khám phá phông xạ vũ trụ 7,35 cm, xạ cực ngắn; lương phôton giải phóng hạt nhân trải qua biến đổi phóng xạ thường vào khoảng triệu êlectron – vôn, tia γ; bề mặt mặt trời nhiệt độ 5800 K, mặt trời phát ánh sáng thấy được) Cố nhiên, phân chia loại xạ hoàn toàn tách bạch, thoả thuận chung khoảng bước sóng khác Từ vựng Angstrom phần trăm triệu xentimet (10 mũ âm 8) Ký hiệu 0A Kích thước nguyên tử điển hình vài angstrom Bước sóng ánh sáng thấy điển hình vài nghìn angstrom Andromeda (Tinh vân tiên nữ) Thiên hà lớn gần ta Nó có hình xoắn ốc, chứa khoảng x 10 mũ 11 khối lượng mặt trời Ghi M31 catalô Messier, NGC 224 “Catalô tổng quát mới” Baryon Một loại hạt tương tác mạnh gồm nơtron, photon hađron không bền gọi hyperon Số baryon tổng số baryon có mặt hệ trừ tổng số phản baryon Bức xạ hồng ngoại Sóng điện từ có bước sóng khoảng 0,0001 cm 0,01 cm (mười nghìn đến triệu angstrom), trung gian ánh sáng thấy xạ cực ngắn Các vật nhiệt độ phòng xạ chủ yếu sóng hồng ngoại Bức xạ tử ngoại Sóng điện từ với bước sóng từ 10 mũ âm cm đến x 10 mũ cm (10 đến 2000 angstrom), trung gian ánh sáng thấy tia X Bức xạ cực ngắn Sóng điện từ với bước sóng khoảng 0,01 cm 10 cm, trung gian xạ vô tuyến tần số cao hồng ngoại Vật nhiệt độ vài độ Kelvin xạ chủ yếu dải sóng cực ngắn Bức xạ vật đen Bức xạ với mật độ lượng không đổi khoảng bước sóng, xạ phát từ vật nung nóng hấp thụ hoàn toàn Bức xạ trạng thái cân nhiệt xạ vật đen Bước sóng Khoảng cách hai đỉnh sóng Đối với sóng điện từ định nghĩa bước sóng khoảng cách hai điểm mà thành phần vectơ trường điện từ có giá trị cực đại Cân nhiệt Một trạng thái hạt vào khoảng vận tốc, spin, v.v… cân với tỷ số chúng rời khoảng Nếu để không bị nhiễu loạn đến thời gian đủ lâu, hệ vật lý lúc đến gần trạng thái cân nhiệt Chân trời Trong vũ trụ học, khoảng cách mà không tín hiệu ánh sáng có hội đến chỗ ta Nếu vũ trụ có tuổi xác định, khoảng cách đến chân trời vào cỡ tuổi nhân với vận tốc ánh sáng Chuyển động riêng Sự dịch chuyển vị trí thiên thể bầu trời chuyển động chúng vuông góc với đường nhìn Thường đo theo giây cung năm Chuyển pha Sự chuyển đột ngột hệ từ cấu hình đến cấu hình khác, thường với thay đổi đối xứng Ví dụ: nóng chảy, sôi, chuyển từ tính dẫn bình thường qua tính siêu dẫn Cơ học lượng tử Lý thuyết vật lý bản, phát triển năm 1920 thay học cổ điển Ở sóng hạt hai mặt thực thể Hạt liên kết với sóng cho trước lượng tử Các trạng thái hệ liên kết nguyên tử hay phân tử chiếm mức lượng rõ rệt đó, lượng xem bị lượng tử hoá Chùm (thiên hà) Thất nữ Một chùm khổng lồ bao gồm 1000 thiên hà chòm Thất nữ Chùm chuyển động xa ta với vận tốc khoảng 1000 km/s; người ta cho cách ta 60 triệu năm ánh sáng Dịch chuyển đỏ Sự dịch chuyển vạch phổ phía bước sóng dài hiệu ứng Doppler nguồn xa khỏi ta Trong vũ trụ học dịch chuyển quan sát vạch phổ thiên hà xa bề phía bước sóng dài Khi biểu diễn độ tăng tỉ đối bước sóng, ký hiệu z Dịch chuyển xanh Sự dịch chuyển vạch phổ phía sóng ngắn hiệu ứng Doppler nguồn tới ta Đẳng hướng Một tính chất thừa nhận vũ trụ, mà người quan sát xem giống theo hướng Đồng tính Một tính chất thừa nhận vũ trụ, mà người quan sát bất kỳ, thời điểm xem không đổi Độ trưng tuyệt đối Năng lượng toàn phần mà thiên thể xạ đơn vị thời gian Ba Phút đầu Steven Độ trưng biểu kiến Năng lượng toàn phần nhận đơn vị thời gian đơn vị diện tích từ thiên thể Đơtêri Một đồng vị nặng hyđrô, H mũ Hạt nhân (đơtêron) gồm prôton nơtron Đường (quãng đường) tự trung bình Khoảng cách trung bình mà hạt cho trước va chạm với môi trường chuyển động Thời gian tự trung bình thời gian va chạm Ec Đơn vị lượng hệ CGS Động khối lượng gam chuyển động với vận tốc cm/s 1/2 ec Entrôpi Một đại lượng học thống kê liên quan đến độ hỗn độn hệ vật lý Entrôpi bảo toàn trình cân nhiệt giữ vững liên tục Định luật thứ hai nhiệt động lực học nói entrôpi toàn phần không giảm phản ứng Electron Hạt có khối lượng nhẹ Mọi tính chất hoá học nguyên tử phân tử xác định tương tác điện electron với với hạt nhân nguyên tử Electron – vôn Một đơn vị lượng tiện dụng vật lý nguyên tử, lượng mà êlectron thu qua hiệu điện vôn Bằng 1,60219 x 10 mũ âm 12 ec Feynman (giản đồ) Các giản đồ tượng trưng đóng góp khác vào xác suất phản ứng hạt Friedmann (mô hình) Mô hình toán học cấu trúc không – thời gian vũ trụ, thuyết tương đối rộng (không có số vũ trụ học) nguyên lý vũ trụ học Hađron Mọi hạt tham gia vào tương tác mạnh Hađron chia baryon (như nơtron proton) tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli, meson, không theo nguyên lý Hạt hạt nhân Các hạt, proton nơtron, tìm thấy hạt nhân nguyên tử thông thường Thường gọi ngắn nuclon Hằng số Boltzmann số học thống kê liên hệ thang nhiệt độ với đơn vị lượng Thường ký hiệu k kB Bằng 1,3806 x 10 mũ 16 ec độ Kelvin, 0,00008617 electron – vôn cho độ Kelvin Hằng số cấu trúc tinh tế Hằng số không thứ nguyên vật lý nguyên tử điện động lực học lượng tử, định nghĩa bình phương điện tích electron chia cho tích số Planck vận tốc ánh sáng Ký hiệu anfa Bằng 1/137,036 Hằng số Newton Hằng số thuyết hấp dẫn Newton Einstein, Ký hiệu G Trong thuyết Newton, lực hấp dẫn hai vật G nhân với tích hai khối lượng chia cho bình phương khoảng cách chúng Trong đơn vị hệ mét 6,67 x 10 mũ âm cm3/gs Ba Phút đầu Steven Hằng số Planck Hằng số học lượng tử, ký hiệu h Bằng 6,625 x 10 mũ âm 27 ecs Hằng số lần đưa vào lý thuyết xạ vật đen Planck năm 1900 Sau xuất lý thuyết photon Einstein năm 1905 : lượng photon h nhân với vận tốc ánh sáng chia cho bước sóng Hiện người ta thường dùng số h (h gạch), số Planck chia cho pi Hằng số vũ trụ học Một số hạng mà năm 1917 Einstein thêm vào phương trình hấp dẫn ông Một số hạng gây lực đẩy khoảng cách xa, cần cho vũ trụ tĩnh để cân lực hút hấp dẫn Hiện lý số vũ trụ học tồn Hêli Nguyên tố hoá học nhẹ thứ hai nhiều thứ hai vũ trụ Có hai đồng vị bền hêli He mũ mà hạt nhân có hai proton hai nơtron He mũ mà hạt nhân có hai proton nơtron Các nguyên tử hêli chứa hai êlectron hạt nhân Hiệu ứng Doppler Sự thay đổi tần số tín hiệu, chuyển động tương đối nguồn nơi nhận tín hiệu Hyđrô Nguyên tố hoá học nhẹ nhiều Hạt nhân hyđrô bình thường có photon Còn hai đồng vị nặng hơn, đơtêri triti Nguyên tử loại hyđrô gồm hạt nhân hyđro electron: ion hyđrô dương electron Ion hyđrôxyn Ion OH- gồm có nguyên tử ôxy, nguyên tử hyđrô, electron dôi Kelvin Thang nhiệt độ Kelvin, giống thang bách phân, với độ không tuyệt đối độ không ứng với điểm tan nước đá Điểm 273,15 K áp suất atmốtphe Khối lượng Jeans Khối lượng bé mà lực hút hấp dẫn thắng áp suất sinh hệ liên kết lực hấp dẫn Ký hiệu Mj Lepton Mọi loại hạt không tham gia vào tương tác mạnh, bao gồm electron, muon, neutrino Số lepton tổng lepton có mặt hệ, trừ tổng phản lepton Luật bảo toàn Một định luật quy định tổng giá trị đại lượng không thay đổi phản ứng Luật Hubble Hệ thức vận tốc lùi xa thiên hà xa vừa phải khoảng cách tới chúng Hằng số Hubble tỷ số vận tốc khoảng cách hệ thức đó, ký hiệu H hay Ho Luật Rayleigh – Jeans Hệ thức đơn giản mật độ lượng (trên môt khoảng bước sóng đơn vị) bước sóng cho giới hạn bước sóng dài phân bố Planck Mật độ lượng giới hạn tỉ lệ với nghịch đảo luỹ thừa bốn bước sóng Luật Stefan – Boltzmann Hệ thức tỉ lệ thuận mật độ lượng xạ vật đen luỹ thừa bốn nhiệt độ Mật độ Số lượng đại lượng đơn vị thể tích Mật độ khối lượng khối lượng Ba Phút đầu Steven đơn vị thể tích; thường đơn giản gọi “mật độ” Mật độ lượng lượng đơn vị thể tích: mật độ số mật độ hạt số hạt đơn vị thể tích Mật độ tới hạn Mật độ khối lượng vũ trụ thấp cần cho chấm dứt dãn nở vũ trụ vào lúc sau có co Vũ trụ hữu hạn không gian mật độ vũ trụ vượt mật độ tới hạn Meson Một loại tương tác mạnh, bao gồm meson pi, meson K, meson ro, v v … với số baryon không; Meson pi Hađron có khối lượng bé Có ba loại, hạt điện tích dương (π+), phản hạt có điện tích âm (π -), phản hạt trung hoà nhẹ (π0) Đôi gọi pion Meson ro Một hađron không bền phân rã thành meson pi, với thời gian sống trung bình 4,4 x 10 mũ âm 24 giây Messier (số) Số catalô số tinh vân chùm theo cách Charles Messier Thường ký hiệu M … Ví dụ : tinh vân Tiên nữ M31 Muon Một hạt không bền có điện tích âm, giống electron nặng 207 lần Ký hiệu µ Đôi gọi meson muy, không tương tác mạnh meson thực Năm ánh sáng Đường tia sáng năm Năng lượng nghỉ Năng lượng hạt không chuyển động, giải phóng toàn khối lượng hạt bị huỷ Cho công thức Einstein E = mc2 Nguyên lý loại trừ Pauli Nguyên lý nói hai hạt loại trạng thái lượng tử Baryon lepton tuân theo nguyên lý này, photon meson không Nguyên lý vũ trụ học Giả thiết cho vũ trụ đẳng hướng đồng tính Ngân hà Tên dải đánh dấu mặt phẳng thiên hà Đôi dùng để gọi thiên hà của “Nền dân chủ hạt nhân” Thuyết cho hađron Nhiệt độ ngưỡng Nhiệt độ mà loại hạt tạo nhiều xạ vật đen Nó khối lượng hạt nhân với bình phương vận tốc ánh sáng, chia cho số Boltzmann Nhiệt độ cực đại Giới hạn nhiệt độ vài lý thuyết tương tác mạnh Trong thuyết ước tính hai triệu triệu độ Kelvin Nhiệt độ tới hạn Nhiệt độ mà xảy chuyển pha Neutrino Một hạt trung hoà điện khối lượng tham gia tương tác yếu hấp dẫn Ký hiệu v Ít có hai loại neutrino gọi neutrino thuộc electron (ve) nơtrinô thuộc muyon (vµ) Pacsec Đơn vị khoảng cách thiên văn Được định nghĩa khoảng cách vật mà thị sai (độ dịch chuyển năm bầu trời) giây cung Ký hiệu pc Bằng 3,0856 x 10 mũ âm 13 km Ba Phút đầu Steven 3,2615 năm ánh sáng Đơn vị quy ước vũ trụ học triệu pacsec mêgapacsec, ký hiệu Mpc Hằng số Hubble thường cho kilômet giây mêgapacsec Phân bố Planck Sự phân bố lượng bước sóng khác xạ cân nhiệt, nghĩa là, cho xạ vật đen Phản hạt Hạt có khối lượng spin hạt khác, có điện tích, số baryon, số lepton, v v … độ lớn ngược dấu Mỗi hạt có phản hạt tương ứng, trừ vài hạt thực trung hoà photon meson π0, chúng phản hạt thân chúng Phản neutrino phản hạt neutrino; phản proton phản hạt proton, v v …Phản vật chất gồm phản proton, phản nơtron phản electron pôzitron Phôton Trong thuyết lượng tử xạ, hạt ghép với sóng ánh sáng Ký hiệu γ Pôzitron Phản hạt electron, mạng điện dương ký hiệu e+ Proton Hạt mang điện dương tìm thấy với nơtron hạt nhân nguyên tử thông thường Ký hiệu p, hạt nhân hyđrô proton Quark Hạt giả định coi thành phần hađron Chưa quan sát quark cô lập, có lý lẽ lý thuyết rằng, có thực theo ý nghĩa đó, quark không quan sát hạt cô lập Quaza (những vật chuẩn sao) Một loại thiên thể có dạng kích thước góc bé, có dịch chuyển đỏ lớn Khi chúng nguồn vô tuyến mạnh gọi “nguồn vô tuyến chuẩn sao” Bản chất thật chúng chưa rõ Sóng hấp dẫn Sóng trường hấp dẫn tương tự sóng ánh sáng trường điện từ Chúng lan truyền với vận tốc vận tốc ánh sáng, 299 792 km/s Chưa có chứng thực nghiệm thừa nhận rộng rãi sóng hấp dẫn tồn chúng thuyết tương đối rộng đòi hỏi, nghi ngờ tồn Lượng tử xạ hấp dẫn tương tự photon gọi graviton Sao siêu Những vụ nổ khổng lồ tất sao, trừ nhân trong, bị nổ tung khoảng không gian Một siêu tạo vài ngày nhiều lượng mặt trời xạ ngàn triêụ năm Sao siêu cuối quan sát thiên hà Kepler (và nhà thiên văn triều đình Trung Quốc Triều Tiên) nhìn thấy năm 1604 chòm Ophiuchus, nguồn vô tuyến Cas A cho siêu gần Spin Một tính chất hạt mô tả trạng thái quay hạt Theo định luật học lượng tử, spin có giá trị định số nguyên hay bán nguyên nhân với số Planck Sự tái hợp Sự kết hơp hạt nhân nguyên tử electron thành nguyên tử thông thường vũ trụ học, tái hợp thường dùng cách đặc biệt để tạo thành nguyên tử hêli Ba Phút đầu hyđrô nhiệt độ cỡ 3000 K Steven Tần số Diễn tả qua điểm cho trước đỉnh loại sóng Bằng tốc độ sóng chia cho bước sóng Tính theo Hz Thiên hà Một chùm liên kết với lực hấp dẫn, chứa đến 10 mũ 12 khối lượng mặt trời Các thiên hà thường xếp loại theo hình dáng : elip, xoắn ốc, xoắn ốc có gạch ngang, dạng không Thiên hà điển hình Ở dùng để nói thiên hà vận tốc đặc biệt, chuyền động với chuyển động chung vật chất dãn nở vũ trụ gây Một ý nghĩa tương tự gán cho từ hạt điển hình người quan sát điển hình Thời gian dãn nở đặc trưng Nghịch đảo số Hubble Vào khoảng 100 lần thời gian vũ trụ dùng để dãn nở thêm phần trăm Thông số giảm tốc Con số đặc trưng cho tỷ lệ giảm tốc độ lùi thiên hà xa Thuyết hiệu chuẩn Một loại lý thuyết trường thường nghiên cứu riết coi lý thuyết tương tác yếu, điện từ mạnh Những thuyết bất biến với phép biến đổi đối xứng, mà kết biến thiên từ điểm đến điểm không – thời gian Danh từ hiệu chuẩn (gauge) dùng phần nhiều lý lịch sử Tia vũ trụ Hạt mang điện có lượng cao từ khoảng không vũ trụ vào khí ta Tinh vân Thiên thể rộng lớn, có dạng đám mây Một số thiên hà; khác thực đám mây bụi khí thiên hà Triti Đồng vị nặng không bền H3 hyđrô Hạt nhân gồm photon hai nơtron Tự tiệm cận Tính chất vài lý thuyết trường tương tác mạnh, nói lực trở thành lúc yếu khoảng cách gần Thuyết trạng thái dừng Thuyết vũ trụ học mà Bondi, Gold Hoyle phát triển, tính chất trung bình vũ trụ không thay đổi với thời gian; vật chất phát sinh liên tục để giữ cho mật độ vũ trụ không đổi vũ trụ giãn nở Thuyết tương đối hẹp (thuyết tương đối đặc biệt) Một cách nhìn không gian thời gian mà Einstein đề năm 1905 Như học Newton, có nhóm phép đổi toán học liên hệ toạ độ không – thời gian, mà người quan sát khác dùng, cách định luật tự nhiên coi người quan sát Tuy nhiên, thuyết tương đối hẹp biến đổi không – thời gian co tính chất quan trọng làm cho vận tốc ánh sáng không thay đổi, không phụ thuộc vào vận tốc người quan sát Mọi hệ chứa hạt vận tốc gần vận tốc ánh sáng xem hệ tương đối tính phải nghiên cứu theo định luật thuyết tương đối hẹp không theo học Newton Thuyết tương đối rộng (thuyết tương đối tổng quát) Lý thuyết tượng hấp dẫn Einstein Ba Phút đầu Steven phát triển thập niên 1906 – 1916 Theo cách phát biểu Einstein ý tưởng thuyết tương đối rộng tượng hấp dẫn kết cong continum không – thời gian Tương tác mạnh Loại mạnh bốn loại tương tác tổng quát hạt Nó chịu trách nhiệm lực hạt nhân giữ proton nơtron lại hạt hân nguyên tử Tương tác mạnh ảnh hưởng đến hađrôn lepton photon không Tương tác yếu Một bốn loại tương tác tổng quát hạt Với lượng bình thường yếu tương tác điện từ tương tác mạnh nhiều, mạnh tương tác hấp dẫn Nó chịu trách nhiệm phân rã tương đối chậm hạt nơtron muon phản ứng có neutrino Ngày nhiều người hiểu tương tác yếu điện từ tương tác mạnh biểu lý thuyết trường hiệu chuẩn thống đơn giản Vận tốc ánh sáng Hằng số thuyết tương đối hẹp, 299729 km/s Ký hiệu c Mọi hạt có khối lượng không photon, nơtrino, graviton chuyển động với vận tốc ánh sáng Các hạt vật chất có vận tốc ánh sáng lượng chúng lớn so với lượng nghỉ mc2 khối lượng chúng Vũ trụ học “vụ nổ lớn” Thuyết cho vũ trụ thời điểm hữu hạn khứ, trạng thái có mật độ áp suất lớn Xêpheit Những sáng đổi ánh, có liên hệ xác định rõ độ trưng tuyệt đối, chu kỳ biến thiên, màu Tên theo tên Xêphei chòm Xêpheut (“Ông vua”) Được dùng để khoảng cách thiên hà tương đối gần Xian Hợp chất hoá học CN, tạo nên từ cacbon nitơ Tìm thấy khoảng không hấp thụ ánh sáng nhìn thấy Lời cuối: Cám ơn bạn theo dõi hết truyện Nguồn: http://vnthuquan.net Phát hành: Nguyễn Kim Vỹ Nguồn: vnexpress Được bạn: Thành Viên VNthuquan đưa lên vào ngày: 27 tháng 12 năm 2003