Ebook Vũ trụ trong một vỏ hạt: Phần 1

Sự co và sự chậm lại của đồng hồ làm cho tất cả mọi người sẽ đo được một tốc độ ánh sáng như nhau không phụ thuộc vào việc họ chuyển động như thế nào đối với ê- te (George Fitzgerald v[r]

(1)

V Ũ T R Ụ

TRONG

(2)

V

ụ

ộ

ỏ

ạ

VŨ TRỤ TRONG MỘT VỎ HẠT

Tác giả: Stephen Hawking

Dịch trình bày: Dạ Trạch

Hiệu đính: Võ Quang Nhân

Scan ảnh: Bunhia

Nhà xuất Bantam, 2001

(3)

V

ụ

ộ

ỏ

ạ

G

ớ

ệ

ủ

V

Thời gian gần ngành khoa học đặc biệt ngành vật lý làm bước tiến dài Kiến thức ngành vật lý khơng cịn rời rạc, xa vời mà dần trở thành khoa học thống Các lý thuyết kết nối với thành trường ca Bản trường ca không nhằm giải thích quan điểm triết học cao siêu người với vũ trụ mà lại thâm nhập vào lĩnh vực ngõ ngách ứng dụng đời sống

Một nhà vật lý bật sau Newton Einstein sống cuối thiên niên kỷ thứ hai nhân loại không khác Stephen Hawking (sinh năm 1942) Ngồi đóng góp vĩ đại ơng nỗ lực thống qui luật vật lý ơng cịn có khả truyền đạt tư tưởng tuyệt vời Các sách cuả ông viết nhằm giới thiệu triết học, vật lý vũ trụ quan sinh động dễ hiểu có nhiều lần sách dược dịch nhiều thứ tiếng chúng bán chạy tiểu thuyết hay ho hấp dẫn

Vietsciences xin giới thiệu với bạn tác phẩm “Vũ Trụ Trong Một Vỏ Hạt” cuả dịch giả Dạ Trạch từ nguyên Anh ngữ “The Universe in a Nutshell” (2001) Vì người làm việc nghiên cứu chuyên ngành vật lý nên anh Dạ Trạch hiểu sâu, xác, rõ ràng tư tưởng mà Hawking nêu sách cuả ông

Chúng tin dịch Việt ngữ mà anh Dạ Trạch dày công dịch thuật mang đến cho bạn cảm giác kiến thức lý thú, hấp dẫn, bất ngờ mà Hawking đem lại cho hàng triệu độc giả tiếng mẹ đẻ Anh ngữ

Trân Trọng Võ Quang Nhân

(4)

V

ụ

ộ

ỏ

ạ

GIỚI THIỆU CỦA NHÀ XUẤT BẢN

Cuốn Lược sử thời gian (A Brief History of Time), sách bán hàng triệu Stephen Hawking đưa tư tưởng nhà vật lý lý thuyết thiên tài tới bạn đọc toàn giới Còn đây, lần xuất này, Hawking trở lại với phần với sách có nhiều hình minh họa mở bí mật khám phá quan trọng đạt năm kể từ sách ông đời VŨ TRỤ TRONG MỘT VỎ HẠT

Một nhà tư tưởng vĩ đại thời đại Ste-phen Hawking, biểu tượng trí tuệ, ơng biết đến khơng qua ý tưởng bất ngờ mà cịn sáng thông minh cách ông diễn giải ý tưởng Cuốn sách đưa đến vấn đề vật lý lý thuyết, đó, theo nguyên tắc điều khiển giới người bình thường, thật cịn kỳ lạ trí tưởng tượng

Giống nhiều nhà vật lý lý thuyết khác, giáo sư Hawking tìm kiếm điều cốt lõi khoa học – “Lý thuyết vạn vật” (Theory of Everything) nằm trái tim vũ trụ Với phong cách dễ tiếp cận hài hước, ông đưa vào lĩnh vực nghiên cứu để mở bí mật vũ trụ - từ hấp dẫn đến siêu hấp dẫn, từ lượng tử đến thuyết-M, từ ảnh đa chiều đến lưỡng tính Ơng đưa đến biên giới khoa học, thuyết siêu dây màng-p đầu mối cuối cho tốn Ơng cho phép chuyến thám hiểm trí tuệ thú vị ơng ông tìm cách “kết hợp thuyết tương đối rộng Einstein ý tưởng lấy tổng theo lịch sử Feynman vào lý thuyết thống mô tả tất kiện xảy vũ trụ”

Với lời văn đầy nhiệt huyết, giáo sư Hawking mời theo bước chân nhà du hành không thời gian Cuốn sách với hình minh họa màu giúp làm sáng tỏ chuyến du hành vào giới siêu thực hạt, dây, màng chuyển động không thời gian mười chiều này, hố đen bốc biến mang bí mật theo chúng; hạt giống vũ trụ nguyên thủy mà từ vũ trụ xuất hạt nhỏ bé

Vũ trụ vỏ hạt sách cần thiết với tất để

hiểu vũ trụ sống Giống tập trước sách – Lược

sử thời gian, sách truyền tải điều thú vị khoa học

bí mật tự tiết lộ thân chúng Stephen Hawking giáo sư

(5)

V

ụ

ộ

ỏ

ạ

(6)

V

ụ

ộ

ỏ

ạ

LỜI NÓI ĐẦU

T

ÔI KHÔNG NGỜ CUỐN SÁCH KHOA HỌC PHỔ THÔNG Lược

sử thời gian lại thành công đến Nó nằm danh sách

những sách bán chạy tờ báo Sunday Times bốn năm, lâu sách bán chạy khác, đặc biệt sách khoa học lại khơng phải dễ dàng Sau đó, người hỏi tơi có tiếp tục kéo dài sách hay khơng Tơi từ chối tơi khơng muốn viết Đứa

con lược sử thời gian hay Lịch sử dài thời gian tơi

bận rộn với cơng việc nghiên cứu Nhưng tơi nhận có vấn đề cho loại sách khác hiểu cách dễ dàng Lược sử

về thời gian viết theo kiểu trình tự, phải đọc chương đầu tiếp

tục chương tiếp Một số người thích kiểu đọc số khác bị tắc chương đầu không đọc phần thú vị chương Ngược lại, sách giống cây: chương hai thân chương sau cành

Các cành độc lập với nắm bắt sau đọc xong phần thân Chúng liên quan đến vấn đề tơi nghiên cứu khoảng thời gian từ sau xuất Lược sử thời gian đến

nay Do chúng mơ tả vấn đề nóng bỏng khoa học Trong chương tơi cố tránh cấu trúc trình tự Các minh họa thích cho hình thể độc lập với lời viết giống

Lược sử thời gian: ấn minh họa xuất năm 1996, thông tin

(7)

V

ụ

ộ

ỏ

ạ

Năm 1988, Lược sử thời gian đời “Lý thuyết vạn vật” (Theory of Everything) vừa phát triển Từ đến trạng thay đổi nào? Chúng ta tiến đến gần mục đích chưa? Cuốn sách mơ tả từ đến xa Nhưng quãng đường phía trước cịn dài chưa biết kết thúc Nhưng người ta thường nói, hy vọng tốt đến đích Mong muốn khám phá nhiên liệu cho sáng tạo chúng ta, điều khơng khoa học Nếu đến đích tinh thần teo lại chết Nhưng không nghĩ chịu dẫm chân chỗ: làm tăng độ phức tạp, không theo chiều sâu theo chiều rộng gia tăng

Tôi muốn chia sẻ niềm vui sướng có phát tranh thực hợp lại với Chi tiết công trình mang tính kỹ thuật tơi tin ý tưởng chuyển tải mà khơg cần đến cơng cụ tốn học Tơi hy vọng tơi thành công

Tôi nhận nhiều giúp đỡ viết sách Tôi đặc biệt muốn nhắc đến Thomas Hertog Neel Shearer giúp đỡ soạn thảo hình vẽ, thích, thơng tin tham khảo, Ann Harris Kitty Ferguson chuẩn bị thảo (đúng ﬁle máy tính tất điều viết dạng điện tử) Philip Dunn Book Lab Moonrunner Design chuẩn bị hình minh họa Ngồi tơi muốn cám ơn tất người giúp đỡ tơi có sống bình thường tiếp tục nghiên cứu khoa học Khơng có họ tơi khơng viết sách Stephen Hawking

(8)

V

ụ

ộ

ỏ

ạ

MỤC LỤC CHƯƠNG - trang

LƯỢC SỬ VỀ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI

Einstein thiết lập hai lý thuyết kỷ hai mươi: Lý thuyết tương đối rộng Lý thuyết lượng tử nào?

CHƯƠNG - trang 29 HÌNH DÁNG CỦA THỜI GIAN

Thuyết tương đối rộng Einstein cho thời gian hình dáng Nó tương hợp với thuyết lượng tử nào?

CHƯƠNG - trang 67 VŨ TRỤ TRONG MỘT VỎ HẠT

Vũ trụ có nhiều lịch sử, lịch sử xác định hạt tí hon.

CHƯƠNG - trang 101 TIÊN ĐOÁN TƯƠNG LAI

Sự biến thông tin hố đen làm giảm khả tiên đoán tương lai nào?

CHƯƠNG - trang 131 BẢO VỆ QUÁ KHỨ

Liệu du hành thời gian khơng?

Một văn minh tiên tiến quay lại thay đổi khứ không?

CHƯƠNG - trang 155

ĐÂU LÀ TƯƠNG LAI CỦA CHÚNG TA? CĨ THỂ LÀ STAR TREK HAY KHƠNG?

Làm mà sống sinh học điện tử tiếp tục phát triển độ phức tạp với tốc độ chưa thấy?

CHƯƠNG - trang 173 MÀNG VŨ TRỤ MỚI

Chúng ta sống màng ảnh đa chiều?

(9)

(10)

Cơ học lượng tử

Thuyết tương đối rộng

Màng 10 chiều Các siêu dây

Hố đen Siêu hấp dẫn 11 chiều

Các màng-p

(11)

(12)

Trang

CHƯƠNG 1

LƯỢC SỬ VỀ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI

(13)

V

ụ

ộ

ỏ

ạ

Trang Người dịch: da_trạch@yahoo.com; http://datrach.blogspot.com

A

(14)

L

ợ

S

ề T

ế

T

Đ ố

Trang

Người dịch: da_trạch@yahoo.com; http://datrach.blogspot.com

(15)

V

ụ

ộ

ỏ

ạ

Vào cuối kỷ 19, ý tưởng trái ngược có mặt ê-te bắt đầu xuất Người ta tin ánh sáng chuyển động với tốc độ xác định so với ê-te bạn chuyển động hướng với ánh sáng ê-te bạn thấy ánh sáng chuyển động chậm hơn, bạn chuyển động ngược hướng với ánh sáng bạn thấy ánh sáng di chuyển nhanh (hình 1.1)

Và loạt thí nghiệm để chứng minh điều thất bại Albert Michelson Edward Morley trường khoa học ứng dụng Cleveland, bang Ohio thực thí nghiệm cẩn thận xác vào năm 1887 Họ so sánh tốc độ ánh sáng hai chùm sáng vng góc với Vì trái đất tự quay quanh quay quanh mặt trời nên dụng cụ thí nghiệm di chuyển ê-te với tốc độ hướng thay đổi Nhưng Michelson Morley cho thấy khơng có khác biệt hai chùm sáng Hình ánh sáng truyền với tốc độ người quan sát, không phụ thuộc vào tốc độ hướng người chuyển động (hình 1.3) Dựa thí nghiệm Michelson-Morley, nhà vật lý người Ai-len tên George Fitzgerald nhà vật lý người Hà Lan tên Hendrik Lorentz giả thiết vật thể chuyển động ê-te co lại thời gian bị chậm Sự co chậm lại đồng hồ làm cho tất người đo tốc độ ánh sáng không phụ thuộc vào việc họ chuyển động ê-te (George Fitzgerald Hendrik Lorentz coi ê-ê-te loại vật chất có thực) Tuy vậy, năm 1905, Einstein viết báo người ta biết người ta chuyển động

(Hình 1.1, phía trên)

LÝ THUYẾT Ê-TE CỐ ĐỊNH Nếu ánh sáng sóng loại vật chất đàn hồi gọi ê-te vận tốc ánh sáng người tàu vũ trụ chuyển động ngược hướng ánh sáng (a) nhanh vận tốc ánh sáng người tàu chuyển động hướng với ánh sáng (b)

(Hình 1.2, trang kế)

Người ta không thấy khác biệt vận tốc ánh sáng theo hướng mặt phẳng quỹ đạo trái đất hướng vng góc với mặt phẳng quỹ đạo

(16)

L

ợ

S

ề T

ế

T

Đ ố

Trang

Trái đất quay từ tây sang đông Ánh sáng vng góc với quĩ

(17)

V

ụ

ộ

ỏ

ạ

(HÌNH 1.3) ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG Trong giao thoa kế Michenson-Morley, ánh sáng từ nguồn sáng tách thành hai chùm gương bán mạ Hai chùm sáng theo hai hướng vng góc với sau lại kết hợp thành chùm sáng sau đập vào gương bán mạ lần Sự sai khác tốc độ ánh sáng hai chùm sáng theo hai hướng làm cho đỉnh sóng chùm sáng trùng với đáy sóng chùm sáng chúng triệt tiêu

(18)

L

ợ

S

ề T

ế

T

Đ ố

Trang

trong khơng gian hay khơng khái niệm ê-te khơng cịn cần thiết Thay vào đó, ông bắt đầu giả thuyết định luật khoa học xuất tất người quan sát chuyển động tự Đặc biệt họ đo tốc độ ánh sánh không phụ thuộc vào tốc độ chuyển động họ Tốc độ ánh sáng độc lập với chuyển động người quan sát theo tất hướng

Ý tưởng đòi hỏi phải từ bỏ ý nghĩ cho tồn đại lượng phổ quát gọi thời gian đo tất đồng hồ Thay vào đó, người có thời gian riêng họ Thời gian hai người giống hai người đứng yên tương nhau, thời gian khác hai người chuyển động tương

Giả thuyết khẳng định nhiều thí nghiệm, có thí nghiệm gồm hai đồng hồ xác bay theo hướng ngược vòng quanh trái đất quay lại cho thấy thời gian có sai lệch chút Giả thuyết gợi ý muốn sống lâu người nên bay hướng đơng tốc độ trái đất bổ sung vào tốc độ máy bay Tuy vậy, bữa ăn máy bay rút ngắn sống bạn gấp nhiều lần phần nhỏ giây mà bạn có

Bay từ tây sang đơng

Bay từ đơng sang tây

(Hình 1.4)

Một phiên nghịch lý anh em sinh đơi (hình 1.5) kiểm tra thực nghiệm từ hai đồng hồ xác bay ngược chiều vòng quanh trái đất

Khi chúng gặp đồng hồ bay hướng đơng ghi lại thời gian ngắn chút

Đồng hồ phi bay hướng tây ghi nhận khoảng thời gian lâu người anh sinh đơi bay hướng ngược lại

(19)

V

ụ

ộ

ỏ

ạ

(20)

L

ợ

S

ề T

ế

T

Đ ố

Trang 11

Giả thuyết Einstein cho định luật khoa học xuất tất người quan sát chuyển động tự sở thuyết tương đối Gọi ngụ ý có chuyển động tương đối quan trọng Vẻ đẹp đơn giản giả thuyết thuyết phục nhiều nhà tư tưởng, nhiên, có nhiều ý kiến trái ngược Einstein vứt bỏ hai khái niệm tuyệt đối khoa học kỷ 19: đứng yên tuyệt đối – đại diện ê-te thời gian tuyệt đối phổ quát mà tất đồng hồ đo Rất nhiều người thấy khái niệm không bình thường Họ hỏi, giả thuyết ngụ ý tất thứ tương đối, khơng có tiêu chuẩn đạo đức tuyệt đối? Sự bứt rứt tiếp diễn suốt năm 20 30 kỷ 20 Khi Einstein trao giải Nobel vào năm 1921 cơng trình quan trọng ông cho đời vào năm 1905 Lúc đó, thuyết tương đối khơng nhắc đến cịn gây nhiều tranh cãi (đến nhận vài ba thư hàng tuần nói Einstein sai) Tuy vậy, nay, nhà vật lý hoàn toàn chấp nhận thuyết tương đối, tiên đốn kiểm chứng vơ vàn ứng dụng

(Hình 1.7)

(Hình 1.5, trang trước)

NGHỊCH LÝ ANH EM SINH ĐÔI

Trong thuyết tương đối, người quan sát đo thời gian khác Điều dẫn đến nghịch lý anh em sinh đôi (twin paradox)

Một người cặp anh em sinh đôi (a) phi thuyền thám hiểm không gian chuyển động với vận tốc gần vận tốc ánh sáng (c) người anh em (b) mặt đất Vì thời gian (a) phi thuyền chậm thời gian (b) trái đất Nên người (a) trở (a2) thấy người anh em trái đất (b2) già

Mặc dù chống lại cảm nhận chung chúng ta, nhiều thí nghiệm chứng minh kịch này, người du hành vũ trụ trẻ người lại

(Hình 1.6, hình bên)

Một phi thuyền ngang qua trái đất từ trái sang phải với vận tốc bốn phần năm vận tốc ánh sáng Một xung ánh sáng phát từ cabin phản xạ lại đầu (a)

Người trái đất nhìn ánh sáng phi thuyền Vì phi thuyền chuyển động nên hai ngưới quan sát khoảng cách mà ánh sáng phản xạ lại không nhau(b)