TƯ LIỆU2

Trang -1 GIảI MÃ NHữNG BÍ ẩN CủA THờI GIAN I. NÊU VẤN ĐỀ: Không có gì ám ảnh con người hơn thời gian, đơn giản vì sự sống và cái chết gắn bó với thời gian. Ước mơ trường sinh, khả năng luân hồi, thiên đường và địa ngục, linh hồn bất tử . được sử dụng như những cách thức để vượt qua nỗi sợ hãi trước thời gian. Và thật lạ lùng, mặc cho những bước tiến khổng lồ của khoa học, nhận thức của chúng ta về thời gian vẫn còn nhiều điều cần làm sáng tỏ. II. THỜI GIAN LÀ GÌ? Đối với nhà vật lý, thời gian là cái mà một đồng hồ chính xác đo được. Với nhà toán học, đó là không gian một chiều, được xem là liên tục, nhưng có thể được chia thành các “thời khắc”, giống như từng tấm ảnh trong một cuộn phim. Với số đông, thời gian là cái luôn trôi từ quá khứ qua hiện tại để tới tương lai. Trong thuyết Tương đối, thời gian là chiều thứ tư của vũ trụ, nhưng điều đó không có nghĩa nó đồng nhất với ba chiều không gian, vì công thức tính khoảng cách không thời gian khác công thức tính khoảng cách không gian. Sự phân biệt không gian và thời gian là bệ đỡ cho quan hệ nhân quả, vốn có vai trò thiết yếu trong vận hành vũ trụ. Tuy nhiên, một số nhà vật lý tin rằng, ở thang bậc Planck (10-33 cm và 10-43 giây), là thang bậc nhỏ nhất còn có ý nghĩa vật lý, có thể không gian và thời gian không còn chia tách với nhau. 1.ẢO GIÁC DÒNG THỜI GIAN: Thật lạ là khái niệm dòng thời gian rất quen thuộc trong cuộc sống hàng ngày lại gây tranh cãi mãi không thôi giữa các nhà tư tưởng. Khái niệm dòng liên quan với vận động. Không có vấn đề gì khi ta nói tới chuyển động của một đối tượng vật lý, như một mũi tên đang bay về đích chẳng hạn. Ta có thể theo dõi sự thay đổi vị trí không gian của nó trong quá trình vận động qua việc xác định tốc độ và gia tốc bay. Ta thường nói vũ trụ vận động hay biến đổi đối với thời gian. Vậy thời gian biến đổi đối với cái gì? (Vì vận động là tương đối, nên ta phải xác định hệ qui chiếu đối với một vận động bất kì). Trong khi mọi dạng vận động khác đều tạo ra mối liên hệ giữa các quá trình vật lý khác nhau, dòng thời gian lại liên hệ thời gian với chính nó. Khi được hỏi: “Mũi tên bay nhanh như thế nào?”, ta có thể nói, chẳng hạn: “Với tốc độ 200 km/giờ”. Nhưng không ai hỏi: “Thời gian trôi nhanh như thế nào?”; vì câu trả lời: “Với tốc độ một giây trên một giây” hoàn toàn vô nghĩa. Hãy khảo sát cách lập luận mà các nhà triết học Hy Lạp cổ Parmenides và Zeno, cũng như nhà triết học Anh thế kỉ XIX McTaggart, đã dùng. Giả thuyết Alice hy vọng một Giáng sinh có tuyết, nhưng cô thất vọng vì hôm đó trời mưa; tuy nhiên hôm sau cô vui vì trời đổ tuyết. Ta có thể đặt mối liên hệ giữa dòng thời gian với trạng thái tinh thần của cô gái như sau: Ngày 23-12: Alice hy vọng ngày Giáng sinh có tuyết. Ngày 24-12: Alice thất vọng vì trời mưa. Ngày 25-12: Alice vui vì trời đang đổ tuyết. Trong mô tả trên, không có gì vận động hay biến đổi cả, đó chỉ là trạng thái cụ thể của thế giới tại các ngày khác nhau (mà ta gọi là chuỗi sự kiện A) và trạng thái tinh thần của Alice liên quan với chúng (ta gọi là chuỗi sự kiện B). Rõ ràng là từng chuỗi sự kiện mô tả chân xác hiện thực, đồng thời chúng lại mâu thuẫn nhau. Chẳng hạn, sự kiện “Alice thất vọng” ban đầu ở thời tương lai, sau đó ở thời hiện tại, rồi trở thành quá khứ. Nhưng quá khứ, hiện tại và tương lai là các phạm trù loại trừ nhau, vậy tại sao một sự kiện đơn nhất lại có thuộc tính của cả ba? McTaggart dùng nghịch lý đó để xem thời gian không có thật. Tuy nhiên phần lớn giới vật lý đặt vấn đề ít nghiêm trọng hơn: dòng thời gian không có thật, nhưng bản thân thời gian thì có thật, giống như không gian. 2.MŨI TÊN THỜI GIAN: Ảo giác dòng thời gian liên quan với khái niệm mũi tên thời gian. Tuy bác bỏ dòng thời gian, nhưng giới vật lý chấp nhận mũi tên thời gian (chỉ hướng từ quá khứ qua hiện tại tới tương lai), cũng như xem việc phân biệt “quá khứ” và “tương lai” là có cơ sở vật lý. Hawking đã luận giải rất sâu sắc vấn đề này trong tác phẩm Lược sử thời gian: Từ vụ nổ lớn tới lỗ đen, xuất bản từ 1988. Nói chung, các sự biến vũ trụ sắp xếp theo thứ tự một chiều. Như gương rơi xuống sàn sẽ vỡ thành từng mảnh, còn quá trình ngược lại – các mảnh vỡ từ sàn bay lên ghép lại thành gương – chưa từng xẩy ra. Đó là bằng chứng trực tiếp và rõ ràng của nguyên lý hai nhiệt động học, cho rằng độ mất trật tự (entropy) của một hệ cô lập luôn tăng. Gương vỡ mất trật tự hơn, có entropy lớn hơn, nên quá trình “gương vỡ lại lành” không thể xẩy ra. Trang -2 Đối với con người, thời gian tâm lý cũng trôi từ quá khứ tới tương lai như thời gian nhiệt động, vì các quá trình tâm lý có cơ sở vật chất là các quá trình điện hóa trong bộ óc, mà các phản ứng sinh học cũng tuân theo các qui luật nhiệt động học. Nói cách khác, hai mũi tên thời gian nhiệt động và tâm lý trùng nhau. (Hawking còn chứng minh mũi tên vũ trụ giãn nở sau Big Bang cũng chỉ hướng như thế; tuy nhiên ta có thể bỏ qua lập luận này, vì khi vũ trụ co lại (ngược với giãn nở), mũi tên cũng không đổi chiều. Điều đó chứng tỏ việc gắn mũi tên thời gian với sự giãn nở có thể không xác đáng). Chính vì “gương vỡ không lành” mà có sự bất đối xứng giữa quá khứ và tương lai theo trục thời gian. Mũi tên thời gian hình tượng hóa sự bất đối xứng của thế giới theo thời gian, chứ không phải sự bất đối xứng của dòng thời gian. Mũi tên thời gian chỉ hướng về tương lai. Nhưng điều đó không có nghĩa nó bay về tương lai; giống như kim la bàn luôn chỉ phương bắc, nhưng không chạy về phương bắc. Cả hai mũi tên đều hình tượng hóa sự bất đối xứng, chứ không phải vận động hay sự biến dịch. Như vậy mũi tên thời gian chỉ ra sự bất đối xứng trong thời gian, chứ không phải sự bất đối xứng của dòng thời gian. Và các khái niệm “quá khứ” và “tương lai” trong thời gian cũng giống như khái niệm “phía trên” và “phía dưới” trong không gian. Tương quan giữa chúng tùy thuộc vào hệ qui chiếu, vào bản chất thế giới vật chất xung quanh. Chẳng hạn, với người Việt Nam, cảm nhận “phía trên” có thể ngược 180o với cảm nhận của người Mỹ phía bên kia địa cầu. Nói cách khác, sự bất đối xứng theo thời gian là một thuộc tính của các trạng thái vũ trụ, chứ không phải là thuộc tính của bản thân thời gian. Và trong vũ trụ, chỉ người quan sát có ý thức mới ghi nhận được “dòng thời gian” (khi ta ngủ, tức ở trạng thái dưới ý thức, ý niệm dòng thời gian hoàn toàn biến mất). Đồng hồ cũng không đo dòng thời gian, mà chỉ đo khoảng cách thời gian giữa các sự kiện. Vì thế có thể dòng thời gian là đặc điểm chủ quan trong tâm trí con người, chứ không phải là thuộc tính khách quan của vũ trụ. 3.TRIẾT HỌC CỦA THỜI GIAN: Tuy rất kiêu ngạo, nhưng trước những bí ẩn của thời gian, các nhà vật lý cũng phải cầu cứu giới triết học. Theo Carlo Rovelli, một chuyên gia hàng đầu về hấp dẫn lượng tử, lý thuyết hiện đại nhất về không thời gian, đóng góp của triết học đối với quan niệm mới về không thời gian sẽ rất quan trọng. Có nhiều ví dụ minh họa cho nhận định này, tiêu biểu nhất là bài toán “thời gian đông cứng”. Bài toán xuất hiện khi giới lý thuyết cố gắng lượng tử hóa thuyết tương đối rộng bằng một qui trình gọi là “lượng tử hóa chính tắc”. Qui trình được áp dụng rất tuyệt cho thuyết điện từ, nhưng với thuyết tương đối, sản phẩm của nó – phương trình Wheeler – DeWitt – không có biến thời gian. Nói một cách nôm na, phương trình chỉ ra rằng, vũ trụ không thay đổi mà đông cứng trong thời gian. Kết quả sai lầm đó có thể xuất phát từ qui trình kỹ thuật, nhưng có thể bắt nguồn từ căn nguyên sâu xa hơn: tính đồng biến tổng quát, xem các qui luật vật lý như nhau với mọi người quan sát. Vật lý quan niệm nguyên lý đó theo nghĩa hình học (tương đối tổng quát là lý thuyết hình học về không thời gian): hai người quan sát sẽ cảm nhận không thời gian có hai hình dạng khác nhau, tùy thuộc vào hệ qui chiếu riêng của mình. Hai hình dạng là “phiên bản biến dạng” một cách trơn tru của nhau, như tách cà phê là phiên bản biến dạng cái bát ăn cơm chẳng hạn. Tính đồng biến nói rằng, sự khác nhau đó không có ý nghĩa; và hai hình học hoàn toàn tương đương nhau về mặt vật lý. Khoảng 20 năm trước, các nhà triết học Earman và Norton thuộc đại học Pittsburgh cho rằng tính chất tổng quát nêu trên có hệ luận đáng ngạc nhiên với một câu hỏi truyền thống: Không gian và thời gian tồn tại độc lập đối với vật chất (thuyết tồn tại độc lập) hay chúng chỉ đơn giản là một phương thức nhân tạo để xem các thực thể vật lý liên hệ với nhau như thế nào (thuyết tương quan)? Theo lời Norton, chúng giống như giấy vẽ để các họa sĩ vẽ lên; do đó chúng luôn tồn tại cho dù có họa sĩ hay không? Hay chúng giống như tình bạn; và tình bạn chỉ xuất hiện khi có những người bạn? Có lẽ đến nay giới vật lý thiên về thuyết quan hệ, điều Thánh Augustine đã nói từ lâu. Tuy nhiên chính quan hệ luận lại dẫn tới bài toán thời gian đông cứng: Hình học không gian có thể biến đổi theo thời gian, nhưng vì các hình học là tương đương về vật lý, nên không gian thực ra không thay đổi hay bị đông cứng (về mặt vật lý). Và nó cũng có thể mâu thuẫn với cơ lượng tử: nếu không - thời gian không có ý nghĩa cố định Cần nhấn mạnh rằng, ngay cả các lý thuyết hấp dẫn lượng tử (các lý thuyết không thời gian hiện đại nhất) cũng bất lực trước vấn đề nói trên. Giới lý thuyết dây xem không thời gian tồn tại trước, và họ chỉ viết phương trình cho các dao động của dây trong đó mà thôi. Thuyết hấp dẫn lượng tử vòng thì cho rằng các lượng tử không gian và thời gian ghép nối với nhau tạo thành không - thời gian và vũ trụ; nhưng cũng không cho biết thời gian là gì và các lượng tử của nó từ đâu mà có. Quan niệm của Engels (không - thời gian là hình thức tồn tại của vật chất và vận động) cũng chỉ là một kiểu quan hệ luận mà thôi. Có thể nói, bài toán bản chất của thời gian chỉ có thể hé mở khi khoa học xây dựng được một lý thuyết hấp dẫn lượng tử hoàn chỉnh. Vấn đề là không ai biết khi nào thì xuất hiện bước đột phá đó. Trang -3 4.XÁC ĐỊNH THỜI GIAN: Loài người đã cố gắng xác định chính xác thời gian trong suốt tiến trình lịch sử của mình. Khoa học công nghệ phát triển giúp việc đo đạc ngày càng chính xác; ngược lại, đo đạc thời gian chính xác cũng thúc đẩy sự phát triển khoa học công nghệ trong sự phát triển chung của loài người. Ngày nay hệ thống định vị toàn cầu cho phép toàn nhân loại thống nhất trong hành động về mặt thời gian. Theo bằng chứng khảo cổ, người Babylone và người Ai Cập bắt đầu đo thời gian ít nhất từ 5000 năm trước. Ho xây dựng lịch dựa trên ba chu trình tự nhiên: ngày mặt trời theo chu trình sáng tối dựa trên sự tự quay của trái đất; tháng mặt trăng dựa theo chuyển động của mặt trăng quanh trái đất; và năm mặt trời, dựa trên chuyển động của trái đất quanh mặt trời. Dương lịch ngày nay (Lịch Gregory) bắt nguồn từ lịch của người Babylone, người Ai Cập, người Do Thái và người La Mã. Người Ai Cập, Hy Lạp và La Mã chế ra đồng hồ mặt trời, đồng hồ nước và các loại đồng hồ khác. Đồng hồ cơ vận hành bằng vật nặng xuất hiện lần đầu tại Bedfordshire, nước Anh, năm 1283. Đến ngày Giáng sinh năm 1656, đồng hồ quả lắc đầu tiên xuất hiện do đóng góp trực tiếp của nhà thiên văn học Đan Mạch Brahe và nhà thiên văn và toán học Hà Lan Huyghens, cùng sự góp sức của nhiều nhà khoa học khác, chẳng hạn Galilei. Ngày nay khoa học dùng các dao động dưới nguyên tử để đếm thời gian. Năm 1967, người ta định nghĩa giây là “khoảng thời gian bằng 9.192.631.770 chu kì bức xạ ứng với sự chuyển dời giữa hai mức siêu tinh tế tại trạng thái cơ bản của nguyên tử cesium 133”. Đồng hồ nguyên tử chính xác nhất hiện nay có độ chính xác 10-17, tức chỉ sai một giây sau khoảng ba tỉ năm. Tuy nhiên chúng có tuổi thọ không cao so với đồng hồ cơ khí. Với công nghệ hiện hành, các kĩ sư có thể chế tạo đồng hồ cơ khí chỉ sai một giây sau một năm mà tuổi thọ đạt tới 12 ngàn năm. Về nguyên tắc, có thể đạt độ chính xác vô hạn, nhưng hấp dẫn và chuyển động làm thời gian co giãn (thuyết tương đối hẹp), nên đồng hồ nào cũng sẽ có sai số. Các nhà khoa học hy vọng trong tương lai rất gần, có thể đạt độ chính xác 10-22, tức đồng hồ chỉ sai một giây sau ba trăm ngàn tỷ năm! Mức chính xác đó rất cần thiết để tạo các xung laser atto giây (10-18 giây) hay điều khiển các chuyến bay vũ trụ. 5.THỜI GIAN SINH HỌC, THỜI GIAN TÂM LÝ VÀ THỜI GIAN VĂN HÓA: Thời gian sinh học quan trọng nhất là nhịp ngày đêm, do nhịp sáng tối và thăng giáng địa từ qui định. Khi ánh sáng tới võng mạc, nó qua nhân trên chéo thị giác rồi tới nhân cận thất để dừng sự chế tiết melatonin của tuyến tùng, một tuyến nội tiết thần kinh giữa vai trò điều nhịp của cơ thể. Khi không có thông tin về chu trình sáng tối, tuyến tùng đo đạc các thăng giáng địa từ, cũng có chu kì 24 giờ, để điều nhịp. Chỉ trong lồng Faraday kín (ngăn được cả tín hiệu sáng tối và tín hiệu địa từ), các nhịp sinh học (nhịp tim, nhịp tiết nội tiết tố, nhịp ngưỡng đau .) mới rối loạn, với chu kì 25, chứ không phải 24 giờ như thường lệ. Hội chứng trễ do các chuyến bay (jet-lag), tức mất sự điều hòa cơ thể sau một chuyến bay xuyên lục địa có thể ngăn ngừa bằng melatonin là vì vậy. Cơ thể sinh vật cũng nhạy cảm với nhịp mặt trăng (28 ngày), nhịp mùa và nhịp năm. Cơ chế của chúng còn chưa được hiểu rõ. Đó là cách thức để các sinh hệ hành xử đồng điệu với môi trường nhằm tiết kiệm năng lượng và tăng cường khả năng sinh tồn. Thời gian tâm lý được xác định nhờ các cấu trúc não như hồi hải mã hay thùy thái dương. Tổn thương tại đó dẫn tới các rối loạn trí nhớ như không truy xuất được ký ức quá khứ hay không thể tạo ký ức mới. Tuy nhiên việc giải đoán thời gian còn phụ thuộc vào cảm xúc và các hoạt động tinh thần cao cấp khác. Giai thoại về bếp lò nóng và cô gái đẹp của Einstein là minh họa cho điều này. Và đó cũng là căn nguyên của quan niệm xem dòng thời gian chỉ là ảo giác, tức chỉ là một đặc tính chủ quan của trí óc, chứ không phải là thuộc tính khách quan của vũ trụ. Cuối cùng, quan niệm thời gian còn phụ thuộc vào các chiều kích văn hóa và xã hội. Trễ vài phút khi trả lời phỏng vấn xin việc có thể gây hệ quả nghiêm trọng, nhưng dự tiệc cưới tại Sài Gòn thì trễ hàng tiếng vẫn không sao. Thời gian không phải là vàng ngọc mà cũng không hẳn vô giá trị; nó chỉ đơn giản là chính nó với biết bao bí ẩn đang chờ được khám phá. Một khám phá lớn khi đi ngược thời gian là tìm hiểu về sự hình thành của vũ trụ: 6.DU HÀNH XUYÊN THỜI GIAN: Có thể du hành tới tương lai hay quay về quá khứ hay không? Câu trả lời là các nguyên lý vật lý không cấm, nhưng những rào cản kỹ thuật thì không thể vượt qua trong vũ trụ mà chúng ta đang sống. Cách duy nhất du hành tới tương lai là dùng hiệu ứng thời gian trôi chậm trên con tàu vũ trụ bay rất nhanh của thuyết tương đối hẹp. Nếu rời Trái đất trên con tàu tăng tốc liên tục với gia tốc trọng trường (để cơ thể chịu một lực gia tốc thuận lợi đúng bằng sức hút Trái đất), thì sau một năm có thể đạt gần tới tốc độ ánh sáng. Tiếp Trang -4 tục gia tốc, ta có thể bay nhanh xấp xỉ ánh sáng. Khi đó chuyến bay tới trung tâm Ngân hà rồi quay về (khoảng cách cỡ 60 ngàn năm ánh sáng) chỉ mất 40 năm, trong khi trên Trái đất, 600 thế kỉ đã trôi qua. Bạn sẽ gặp tương lai nhân loại, với biết bao vật đổi sao dời, nếu loài người vẫn còn tồn tại. Mặc dù không một qui luật vật lý nào ngăn cản chuyến du hành thú vị đó, nhưng những khó khăn kỹ thuật thì khó lòng vượt qua. Chẳng hạn, năng lượng cần thiết, ngay cả khi biến đổi khối lượng hoàn toàn thành năng lượng theo hệ thức E = mc 2 , còn lớn hơn cả khối lượng hành tinh! Khả năng du hành ngược thời gian còn khó khăn hơn nhiều, tuy các qui luật khoa học cũng không hề cấm đoán. Vấn đề là tạo được bộ máy thời gian thích hợp. Khả năng đầu tiên do Frank Tipler, ĐH Maryland, đưa ra năm 1973, liên quan với một kì dị trần trụi quay rất nhanh (kì dị là điểm có mật độ vô hạn, ví như lỗ đen). Khi đó cấu trúc không thời gian bị trường hấp dẫn quá mạnh làm xoắn, khiến một chiều không gian được thay bằng thời gian. Con tàu vũ trụ bay thận trọng gần đó có thể may mắn gặp một quĩ đạo mà phi hành đoàn tưởng vẫn đang xuyên qua không gian, nhưng lại là xuyên thời gian. Khi rời xa điểm kì dị, con tàu sẽ xuất hiện ở một thời gian khác, như thời người tiền sử đang sống trong hang chẳng hạn. Khả năng này không khó như ta tưởng: một hình trụ dài 100 km, rộng 10 km, chứa vật chất có mật độ của sao neutron (100 triệu tấn/cm 3 ), quay hai ngàn vòng một giây là đạt yêu cầu. Trong vũ trụ, một số sao xung gần đạt tiêu chuẩn này. Loại máy thời gian thứ hai liên quan với lỗ sâu (wormhole), tức hệ đường hầm xuyên không - thời gian, giống lỗ sâu đục trên quả táo của bạn. Theo thuyết tương đối rộng, lỗ sâu có thể nối một lỗ đen ở vùng không - thời gian này với một lỗ đen hay lỗ trắng ở vùng không - thời gian khác (ngược với lỗ đen luôn hút vật chất và năng lượng, lỗ trắng là nơi phun năng lượng. Big Bang chính là một lỗ trắng như vậy). Quan niệm về lỗ sâu xuất hiện trong vật lý một cách khá hài hước. Số là nhà thiên văn Carl Sagan, tác giả của viễn cảnh mùa đông hạt nhân nổi tiếng, viết một cuốn sách viễn tưởng về du hành qua lỗ đen để đi từ trái đất tới sao Vega giả định. Vì muốn các lập luận khoa học chính xác tối đa, Sagan nhờ Kip Thorne, một chuyên gia về trường hấp dẫn của Viện Công nghệ California, tính toán. Cuối 1985, Thorne nhận thấy rằng, lỗ sâu có thể mở khi chứa loại vật chất kỳ lạ có sức căng rất lớn để chống lại lực hấp dẫn ở lỗ đen. Thích hợp nhất là các dây vũ trụ, loại vật chất giả thuyết dưới dạng các ống năng lượng nhỏ hơn kích thích nguyên tử trải dài trên toàn vũ trụ. Nếu có thật, và luồn được vào lỗ sâu, nó có khả năng giữ cho lỗ sâu luôn luôn mở để đóng vai một đường hầm xuyên qua không - thời gian. Đó là kết luận rất thú vị về mặt khoa học, nhưng Thorne rất sợ người khác cười nhạo và cho rằng ông bị điên khi nghiên cứu khả năng du hành xuyên thời gian. Có lẽ không biết Tipler chẳng hề hấn gì khi nghiên cứu bộ máy thời gian, nên ông rất lo khi học trò công bố công trình, nghề nghiệp của họ sẽ tiêu tan trước khi bắt đầu. Nghiên cứu cẩn trọng và bí mật với Mike Morris và Ulvi Yurtsever, ông dần tự thuyết phục bản thân rằng, quả thật phương trình Einstein cho phép lỗ sâu nối các điểm thời gian với nhau và do đó có thể đóng vai bộ máy thời gian. Đến 1988, ba người công bố kết quả trên tạp chí nổi danh Physical Review Letters. Vẫn lo sợ phản ứng không thuận lợi, ông yêu cầu lãnh đạo Viện không những giữ im lặng mà còn kiên quyết cấm mọi người bàn luận về công trình! Kết quả ngược với lo lắng của Thorne. Cả giới chuyên môn và công chúng đều rất hào hứng với khả năng du hành xuyên thời gian, dù chỉ trên lý thuyết. Nghề nghiệp của ông thăng tiến rõ rệt, hai học trò được nhiều nơi mời làm việc. Theo gương ông, nhiều nhà vật lý công bố các kết quả nghiên cứu chuyên sâu với bạn đọc đại chúng, một việc được nhiều phía hoan nghênh. Viện Công nghệ California trở thành thánh địa của khả năng du hành xuyên thời gian. Ngay lập tức xuất hiện hàng loạt tác phẩm về du hành xuyên không thời gian. Trong khi giới chuyên môn thiên về các khía cạnh khoa học và triết lý, thì giới nghiệp dư hân hoan tuyên bố, đó chính là cách nhân loại du hành hướng tới tương lai hay quay về quá khứ! Nhưng nghịch lý ông nội có thể làm nguội niềm phấn khích đó. Giả sử bạn du hành ngược về quá khứ và lỡ tay làm chết ông nội khi ông còn bé tí, lúc ông chưa sinh cha bạn. Không có cha thì tại sao lại có bạn để mà du hành ngược thời gian? Cũng có ý kiến cho rằng, có thể bạn không gặp ông nội, nhưng đó chỉ là ngụy biện (tại sao lại không?). Đó là lý do Hawking đưa ra Ước đoán bảo vệ trình tự thời gian, cho rằng các qui luật vật lý cấm một thực thể vĩ mô du hành xuyên thời gian. Muốn du hành như thế, cần nhảy vào lỗ đen, và ngay lập tức bạn bị nghiền nát thành các hạt cơ bản, qua lỗ sâu để phun trào ra ở một lỗ trắng tại vùng không - thời gian khác. Chỉ các hạt cơ bản từng tạo nên cặp chân dài gợi cảm, chứ không phải chính cô người mẫu, mới trải nghiệm chuyến du hành kỳ thú đó. II. TRƯỚC BIGBANG CÓ GÌ? Trang -5 Như chúng ta biết, vũ trụ hình thành từ một vụ nổ lớn có tên là Bigbang. Vậy trướcBigbang có gì? 1.Những định luật vật lý từ đâu đến? Nhiều nhà vật lý cho rằng các định luật vật lý không tồn tại trong không - thời gian. Giống như toán học, chúng có một đời sống riêng. Chúng mô tả vũ trụ, song chúng không"nằm trong" vũ trụ. Thực thế, nếu các định luật vật lý được sinh ra cùng với vũ trụ, thì làm sao chúng ta lại có thể sử dụng chúng đề giải thích vũ trụ đã sinh ra như thế nào? Như vậy để có một cơ may hiểu được vũ trụ đã xuất hiện như thế nào, chúng ta phải chấp nhận rằng các định luật vật lý là trừu trượng, trường cửu. Vậy các định luật vật lý từ đâu mà ra? Tại sao là những định luật này mà không là những định luật khác? Đây là những câu hỏi nghiêm chỉnh thuộc phạm vi siêu hình. Một số tác giả cho rằng các định luật đã là như thế vì đòi hỏi của logic, một số khác cho rằng tồn tại nhiều vũ trụ với những định luật vật lý khác nhau, và chỉ có một số vũ trụ là có những định luật cần thiết cho quá trình phát sinh sự sống và những sinh vật có khả năng nhận định các định luật đó. Các định luật vật lý làm thành cơ sở của một tập logic giống như các định đề Euclide là cơ sở của một tập logic mà chúng ta gọi là hình học Euclide. Chúng ta có quyền không chấp nhận các định đề Euclide, song các định đề này đơn giản nhất để xây dựng một hình học và có thể các định luật vật lý ta dùng thoả mãn tính đơn giản đó để giải thích vũ trụ. Khi gặp những vấn đề khác không giải thích được ta phải tìm ra những định đề khác - những định luật khác! Bên cạnh những định luật, quá trình tiến triển của vũ trụ gắn liền với những đối xứng. Một số đối xứng đã mất đi từ lúc Bigbang, một trong các đối xứng như thế có thể là siêu đối xứng (supersymmetry), đối xứng nối liền fermion và boson. Đối xứng này là một yếu tố cơ bản của lý thuyết siêu dây. Các máy gia tốc sẽ kiểm nghiệm vai trò của siêu đối xứng trong lý thuyết thống nhất, trong đó có vấn đề xác định xem hạt neutralino có thuộc vật chất tối hay không. Hạt neutralino là một siêu hạt = tổ hợp các siêu hạt Zino + Photino + Higgsino. Khối lượng các siêu hạt có thể liên quan đến trường Higgs. 2.Những cỗ máy đi ngược thời gian Hãy nhìn lên mặt trăng, khoảng cách giữa mặt trăng và quả đất là vào khoảng 380.000 km, như vậy ánh sáng cần một thời gian hơn một giây để đi từ mặt trăng đến trái đất. Do đó khi nhìn mặt trăng ta đã thu nhận hình ảnh của mặt trăng trước đó một giây trong quá khứ, chứ không phải hình ảnh của nó hiện tại. Khi nhìn những sao trên bầu trời ta chỉ thu nhận được hình ảnh của chúng cách hiện tại hàng triệu triệu năm tuỳ theo khoảng cách của chúng đến mặt đất. Như vậy khi quan sát bầu trời, các nhà thiên văn đã đi lùi vào quá khứ và đã trở thành những nhà khảo cổ nghiên cứu lịch sử của vũ trụ. Lịch sử này đã có quá khứ khoảng 13, 7 tỷ năm! Bức xạ tàn dư của vũ trụ (CMB - Cosmic Microwave Bacground) đã được phát đi vào thời điểm sau Bigbang khoảng 380.000 năm: Lúc này các hạt nhân hydrogen và helium đã bắt hết các electron đang lang thang tự do, ánh sáng thoát khỏi tương tác với các electron lan truyền trong vũ trụ để thành CMB. Vậy có thể nói các nhà thiên văn đã nắm bắt được 99,999 % lịch sử của vũ trụ! Và trước đó? Các neutrino đã xuất hiện 1 giây sau Bigbang và đã du hành trong vũ trụ trong một thời gian bằng 13,7 tỷ năm trừ bớt 1 giây. Còn trước đó? Trước bức xạ neutrino là bức xạ hấp dẫn, phát sinh vào thời điểm 10-43 giây sau Bigbang vào cuối kỷ nguyên gọi là kỷ nguyên Planck. Bức xạ hấp dẫn này có hy vọng ghi đo được nhờ những kính viễn vọng hấp dẫn Virgo (Ýá), Ligo (Mỹ) và trong tương lai nhờ Lisa, một hệ thống vệ tinh của Nasa. Và chúng ta đã tiến sát thời điểm Bigbang chỉ còn cách Bigbang khoảng một phần tỷ của một phần tỷ của một phần tỷ của một phần tỷ giây. Trang -6 Và trước đó? Trước đó trong kỷ nguyên Planck chúng ta chưa biết có bức xạ nào vì chúng ta chưa có một lý thuyết nào để mô tả kỷ nguyên này. Một thời khoảng vô cùng nhỏ cách biệt chúng ta với Bigbang, thế mà chúng ta chưa vượt qua được! 3.Lược sử vũ trụ Lúc vũ trụ được 10-35 giây xảy ra quá trình nở lạm phát (inflation) vàkết thúc vào thời điểm 10-32 giây. Đây là một quá trình giãn nở bột phát của vũ trụ: Trong một thời đoạn ngắn ngủi, kích thước của vũ trụ đã tăng lên 1050 lần. Quá trình nở lạm phát có thể bắt nguồn với một dạng năng lượng tối. Dạng năng lượng này đóng vai trò gì trong lý thuyết thống nhất? Có mốiliên quan gì đến sự tồn tại của hạt Higgs và với các chiều dư? Sau Bigbang 10-33 giây, vũ trụ ở vào trạng thái plasma của quark và gluon (PQG). Trong trạng thái này quark chuyển động tự do và tương tác với nhau bằng trao đổi gluon. Ngày 10.2.2000, Trung tâm CERN tuyên bố đã thu được PQG trong phòng thí nghiệm sau 15 năm nghiên cứu. Lúc vũ trụ được 10-6 giây thì hình thành các hadron. Lúc vũ trụ được 100 giây thì các hạt nhân nguyên tử được hình thành. Lúc vũ trụ được 300.000 năm tuổi thì bức xạ tách khỏi vật chất và dẫn đến CMB (Cosmic Microwave Background - bức xạ tàn tư của vũ trụ). Sau đó vũ trụ nguội dần và nhiều quá trình chuyển pha đã xảy ra. Những quá trình chuyển pha này có thể dựng lại trong phòng thí nghiệm nhờ những máy gia tốc năng lượng cao. Quá trình chuyển pha điện yếu đã gây nên sự bất đối xứng vật chất Q - phản vật chất. Trong quá trình chuyển pha ứng với sắc động lực học lượng tử QCD, vật chấtbaryonic ngưng tụ thành dạng plasma của quark - gluon. Người ta muốn kiểm nghiệm tất cả các quá trình này trong phòng thí nghiệm. 4. Các quan điểm: Có hai quan điểm: 1) Trước Bigbang có một thời kỳ tiền Bigbang 2) Không có điều gì có trước Bigbang. 4.1.Thời kỳ tiền Bigbang Nhiều nhà lý thuyết không đồng ý với quan điểm không có gì trước Bigbang. Họ đã đưa ra những kịch bản (không kém các kịch bản Hollywood): - Một vũ trụ gương (nhìn trong gương) đối xứng đối với điểm không của thời gian. - Những Bigbang nhiều vô số xảy ra ở mọi thời điểm từ các lỗ đen nguyên thuỷ. - Va chạm của các màng 3 chiều . Người ta hy vọng có lẽ chỉ có lý thuyết siêu dây mới giải quyết nổi vấn đề của thời diểm Bigbang và tiền Bigbang. Lý thuyết siêu dây là lý thuyết lấy yếu tố cơ bản là những dây vi mô (kích thước 10-34 m) chứ không phải những hạt. Lý thuyết này có khả năng thống nhất lượng tử và hấp dẫn nhờ những "dây" graviton (lượng tử của hấp dẫn). Trong lý thuyết siêu dây, số chiều của không thời gian lên đến 10 hoặc 11, như vậy có 6 hoặc 7 chiều dư (extra dimensions) so với không thời gian 4 chiều thông thường. Một đối xứng quan trọng trong lý thuyết siêu dây là siêu đối xứng như trên đã nói. Trang -7 Theo nhiều kịch bản vũ trụ luôn tồn tại. Trước Bigbang vũ trụ có kích thước lớn vô cùng, sau đó co lại và vào thời điểm Bigbang trở thành nhỏ như để chui qua một lỗ kim xong giãn nở trở lại. Theo kịch bản của Gabriele Veneziano, vũ trụ nguyên thuỷ đã co lại từ những thăng giáng và tạo nên những lỗ đen, trong những lỗ đen này đã xảy ra những Bigbang, trong số đó có Bigbang của chúng ta. Như vậy mỗi lỗ đen có thể tạo ra những vũ trụ riêng (xem hình 1) của đa vũ trụ. Một điều có thể khẳng định: Quá trình chuyển tiếp giữa "tiền" và "hậu" Bigbang vẫn là một vấn đề còn bỏ ngỏ. Người ta cho rằng có thể có thông tin về thời kỳ tiền Bigbang nhờ thu các sóng hấp dẫn phát sinh từ thời kỳ này, dấu tích của chúng sẽ là những thăng giáng trên phông của bức xạ tàn dư. Theo lý thuyết siêu dây, vũ trụ của chúng ta là một màng (brane - từ chữ membrane) 3 chiều đã va chạm với một phản màng khác và tạo ra Bigbang, hai màng lại đi xa nhau nhưng trong một tương lai có thể đến gần nhau để va chạm nhau trong một Bigbang tiếp theo như trong một vũ điệu có chu kỳ (hình 2). Sự va chạm của màng và phản màng sẽ tạo ra năng lượng Bigbang và quá trình giãn nở lạm phát.Đây là kịch bản thường được gọi là kịch bảnekpyrotic (tiếng Hy Lạp có nghĩa là out of fire - ra từ lửa).Sự va chạm này sẽ tạo ra những bó dây khổng lồ gây nên những sóng hấp dẫn mà những trạm quan sát như Virgo hoặc Ligo có thể thu nhận được. 4.2.Không có điều gì trước Bigbang Theo một quan điểm khác thì không có gì trước Bigbang. Chúng ta thườnghình dung vũ trụ đã nổ ra từ một điểm vật chất. Song một hình ảnh đúng đắn hơn của vũ trụ giãn nở là một quả bóng có độ đàn hồi tuyệt đối đang bị thổi phồng lên, hai vùng nằm trong và ngoài quả bóng không tồn tại và không ứng với những thực tại nào của vũ trụ. Khi quả bóng co lại thành một điểm, đấy là điểm xuất phát ban đầu Bigbang. Nên chú ý rằng vũ trụ không giãn nở trong một "không gian" nào cả: Bản thân không gian sẽ được tạo nên trong quá trình giãn nở của vũ trụ. Stephen Hawking đã so sánh câu hỏi: Điều gì có trước Bigbang? với câu hỏi: Điều gì có ởphía Bắc của cực Bắc? Vì phía Bắc của cực Bắc không tồn tại cho nên không có gì ở đấy cả. Một câu hỏi khác: Không gian và thời gian đã được hình thành như thế nào? Hiện nay nhiều nhà vật lý quan niệm rằng không - thời gian được hình thành từ những thăng giáng lượng tử của chân không . 5.Không - thời gian lượng tử hoá Hai nhà vật lý lý thuyết Carlo Rovelli, người ý và Lee Smolin, người Mỹ đã phát triển lý thuyết không - thời gian lượng tử hoá gọi là lý thuyết vòng lượng tử (Loop Quantum Gravity); từ vòng xuất hiện do quá trình tính toán dẫn đến những vòng con trong không - thời gian. Không gian sẽ được kết thành bởi các yếu tố vi mô lượng tử hoá có kích thước khoảng 10-33 cm, thời gian sẽ không chảy liên tục mà nhảy từng thời đoạn giống như trong một chiếc đồng hồ cát. "Với các vòng thì tại thời điểm Bigbang vũ trụ không trở nên vô cùng nhỏ mà lấy kích thước cực tiểu ứng với lượng tử của không thời gian", theo Carlo Rovelli. Trong lý thuyết vòng lượng tử, các tác giả đã xây dựng không thời gian tiền Bigbang: Đó là không thời gian nghịch đảo của không thời gian hậu Bigbang với trái đổi thành phải và phải đổi thành trái. III. KẾT LUẬN: Các nhà vật lý đã xét lại khái niệm thời gian. Đây là một khái niệm vô cùng bí ẩn. Đối với một nhà sinh học thì đấy là quá trình lão hoá, đối với nhà tâm lý học thì đó là quá trình phát triển trong ý thức của mỗi đối tượng. Jean Giono nói về thời gian: Đó là điều đã đi qua khi không có điều gì đã đi qua cả. Người ta thường kể lại truyền thuyết Galilée đã tìm ra quy luật dao động của con lắc nhờ so sánh chuyển động của con lắc với nhịp tim của ông. Và vài năm sau các bác sĩ lại kiểm tra nhịp tim của bệnh nhân nhờ đồng hồ quả lắc. Vậy thời gian có can thiệp vào đây chăng? Hoàn toàn không! Đây chỉ là sự chuyển động của một vật này tương đối với một vật khác. Dẫu rằng biến số t (biến số thời gian) luôn có mặt ở mọi nơi nhưng thực tế các nhà vật lý cuối cùng chỉ đối tác với các đại lượng vật lý như thể tích, khối lượng, góc, nhiệt độ, . t đã biến mất (xem hình 4). Trang -8 Khái niệm thời gian chảy chỉ hữu ích ở mức vĩ mô, và vô ích ở kích thước vi mô khi người ta lượng tử hoá không - thời gian và vào lúc Bigbang hoàn toàn không tồn tại thời gian đang chảy, ở đây chỉ tồn tại một đám bọt, với đám bọt này thì cách suy nghĩ của chúng ta về thế giới, về thời gian sẽ phải khác một cách căn bản. Và như thế câu trả lời cho câu hỏi: Có gì trước bigbang là . không có gì cả. Hai quan điểm trái ngược trên đã đặt ra nhiều vấn đề lớn về lý thuyết cũng như thực nghiệm (thậm chí triết học) về vũ trụ học. Và câu hỏi trước Bigbang có gì đang chờ câu trả lời mà các nhà vật lý và thiên văn hy vọng rằng sẽ có được trong tương lai nhờ những kính viễn vọng hấp dẫn Virgo (ý), Ligo (Mỹ) và nhờ Lisa, một hệ thống vệ tinh của NASA. Tài liệu tham khảo - Paul Davies, La Recherche, No 349, Janvier 2002. - Cécile Bonneau, . Science et Vie, Juillet 2005. - Lee Smolin, Scientific American, January 2004. - Cao Chi, Einstein với khoa học & công nghệ hiện đại, 2005. . là cái luôn trôi từ quá khứ qua hiện tại để tới tư ng lai. Trong thuyết Tư ng đối, thời gian là chiều thứ tư của vũ trụ, nhưng điều đó không có nghĩa nó. không thôi giữa các nhà tư tưởng. Khái niệm dòng liên quan với vận động. Không có vấn đề gì khi ta nói tới chuyển động của một đối tư ng vật lý, như một