Câu Chuyện Về Phương Trình Thâu Tóm Cả Vũ Trụ

Với những giai thoại dí dỏm và ly kỳ, vừa giàu chất chuyện kể vừa mang tính hàn lâm. Câu chuyện về phương trình thâu tóm cả vũ trụ đã làm sống lại lịch sử đặc biệt là những sự kiện nóng bỏng vừa xảy ra cách đây 12 năm làm thay đổi hẳn cách nhìn về vũ trụ. Qua đó không những giúp chúng ta hiểu rõ hơn về lai lịch, nguồn gốc của Thuyết tương đối tổng quát một sản phẩm nhận thức đến nay đã được coi là cổ điển nhưng vẫn là trụ cột của tòa nhà vật lý, mà còn có cái nhìn tổng quan về vật lý và vũ trụ học. Con người là một cây sậy yếu ớt nhưng có tư tưởng, đó là một nhận định của Blaise Pascal. Nhờ có tư tưởng loài người trở thành một thực thể đặc biệt trong vũ trụ, ít nhất đến khi chúng ta chưa phát hiện được một thực thể nào khác cũng có tư tưởng như chúng ta. Cái tư tưởng ấy làm cho con người luôn luôn phải lục vấn. Một trong những lục vấn sâu xa nhất là câu hỏi: Vũ trụ từ đâu mà ra? Câu hỏi này đã có từ hàng ngàn đời nay, nhưng mãi đến thế kỷ 20 mới có câu trả lời: Lý thuyết Big Bang. Đó là một sự kiện vĩ đại của nhận thức. Lý thuyết này ra đời khi các nhà khoa học truy ngược hiện tượng vũ trụ giãn nở về quá khứ Nhưng xuôi theo chiều thời gian, vũ trụ học phải đối mặt với một trong những câu hỏi khoa học và triết học lớn nhất thế kỷ 20: Số phận tương lai của vũ trụ sẽ ra sao? Nhiều kịch bản đã được thiết kế, đôi khi mâu thuẫn đối chọi nhau: vũ trụ tinh, vũ trụ co, vũ trụ đàn hồi, vũ trụ tuần hoàn, v.v. Và phải đợi đến thời điểm bản lề chuyển sang thế kỷ mới và thiên niên kỷ mới, khoa học mới tìm thấy một kịch bản sát với hiện thực: Vũ trụ sẽ giãn nở mãi mãi Đây cũng là một sự kiện vĩ đại của nhận thức. Con người là một cây sậy yếu ớt nhưng có tư tưởng, đó là một nhận định của Blaise Pascal. Nhờ có tư tưởng loài người trở thành một thực thể đặc biệt trong vũ trụ, ít nhất đến khi chúng ta chưa phát hiện được một thực thể nào khác cũng có tư tưởng như chúng ta. Cái tư tưởng ấy làm cho con người luôn luôn phải lục vấn. Một trong những lục vấn sâu xa nhất là câu hỏi: Vũ trụ từ đâu mà ra? Câu hỏi này đã có từ hàng ngàn đời nay, nhưng mãi đến thế kỷ 20 mới có câu trả lời: Lý thuyết Big Bang. Đó là một sự kiện vĩ đại của nhận thức. Lý thuyết này ra đời khi các nhà khoa học truy ngược hiện tượng vũ trụ giãn nở về quá khứ Nhưng xuôi theo chiều thời gian, vũ trụ học phải đối mặt với một trong những câu hỏi khoa học và triết học lớn nhất thế kỷ 20: Số phận tương lai của vũ trụ sẽ ra sao? Nhiều kịch bản đã được thiết kế, đôi khi mâu thuẫn đối chọi nhau: vũ trụ tinh, vũ trụ co, vũ trụ đàn hồi, vũ trụ tuần hoàn, v.v. Và phải đợi đến thời điểm bản lề chuyển sang thế kỷ mới và thiên niên kỷ mới, khoa học mới tìm thấy một kịch bản sát với hiện thực: Vũ trụ sẽ giãn nở mãi mãi Đây cũng là một sự kiện vĩ đại của nhận thức. Với những giai thoại dí dỏm và ly kỳ, vừa giàu chất chuyện kể vừa mang tính hàn lâm. Câu chuyện về phương trình thâu tóm cả vũ trụ đã làm sống lại lịch sử đặc biệt là những sự kiện nóng bỏng vừa xảy ra cách đây 12 năm làm thay đổi hẳn cách nhìn về vũ trụ. Qua đó không những giúp chúng ta hiểu rõ hơn về lai lịch, nguồn gốc của Thuyết tương đối tổng quát một sản phẩm nhận thức đến nay đã được coi là cổ điển nhưng vẫn là trụ cột của tòa nhà vật lý, mà còn có cái nhìn tổng quan về vật lý và vũ trụ học. Con người là một cây sậy yếu ớt nhưng có tư tưởng, đó là một nhận định của Blaise Pascal. Nhờ có tư tưởng loài người trở thành một thực thể đặc biệt trong vũ trụ, ít nhất đến khi chúng ta chưa phát hiện được một thực thể nào khác cũng có tư tưởng như chúng ta. Cái tư tưởng ấy làm cho con người luôn luôn phải lục vấn. Một trong những lục vấn sâu xa nhất là câu hỏi: Vũ trụ từ đâu mà ra? Câu hỏi này đã có từ hàng ngàn đời nay, nhưng mãi đến thế kỷ 20 mới có câu trả lời: Lý thuyết Big Bang. Đó là một sự kiện vĩ đại của nhận thức. Lý thuyết này ra đời khi các nhà khoa học truy ngược hiện tượng vũ trụ giãn nở về quá khứ Nhưng xuôi theo chiều thời gian, vũ trụ học phải đối mặt với một trong những câu hỏi khoa học và triết học lớn nhất thế kỷ 20: Số phận tương lai của vũ trụ sẽ ra sao? Nhiều kịch bản đã được thiết kế, đôi khi mâu thuẫn đối chọi nhau: vũ trụ tinh, vũ trụ co, vũ trụ đàn hồi, vũ trụ tuần hoàn, v.v. Và phải đợi đến thời điểm bản lề chuyển sang thế kỷ mới và thiên niên kỷ mới, khoa học mới tìm thấy một kịch bản sát với hiện thực: Vũ trụ sẽ giãn nở mãi mãi Đây cũng là một sự kiện vĩ đại của nhận thức. Với những thắng lợi lớn lao của vũ trụ học như hiện nay, nhà vũ trụ học Micheal Turnur tại Fermilab phải thốt lên rằng chúng ta đang sống trong Thế kỷ vàng của vũ trụ hạch” (The Golden Age of Cosmology). Nhưng cái gì đã giúp cho loài người làm nên Thế kỷ vàng đó? Câu trả lời: Phương trình của Chúa Đó là phương trình trường trong Thuyết tương đối tổng quát của Albert Einstein. Cuốn sách Câu chuyên về phương trình thâu tóm cả vũ trụ (dịch từ cuốn Gods Equation) của Amir Aczel là câu chuyện về phương trình kỳ lạ đó, về lịch sử và ảnh hưởng sâu xa của nó đối với nhận thức của nhân loại, về ý nghĩa nền tảng của nó đối với khoa học hiện tại và tương lai. Nếu không dẫn giải quá trình lịch sử và diễn biến logic trong tư duy, cộng với thiên tài bấm sinh của một con người kỳ lạ như Einstein sẽ rất khó để hiểu được làm sao mà một phương trình có thể thâu tóm được cả vũ trụ như thế. Thật vậy hằng số vũ trụ, một sáng tạo vừa quái dị vừa phi thường của Einstein và chỉ của Einstein mà thôi, tưởng là một số hạng dư thừa trong phương trình trường, hóa ra lại chứa đựng toàn bộ bí mật của vũ trụ trong nó. Nó không những giúp giải thích những hiện tượng vũ trụ học đã biết, mà còn cho phép tiên đoán hàng loạt bí mật của vũ trụ. Một trong những bí mật lớn nhất đã trở thành chủ đề trung tâm của vật lý và vũ trụ học thể kỷ 21 là năng lượng tối nguyên nhân gây nên lực phản hấp dẫn làm vũ trụ giãn nở gia tốc như hiện nay. Hoàn toàn không ngoa ngoắt để nói rằng nếu nhận thức của loài người có cái gì kỳ lạ nhất, và nếu bản thân vũ trụ có gì kỳ lạ nhất thì đó là hằng số vũ trụ của Einstein Với những giai thoại thú vị, dí dỏm, ly kỳ, vừa giàu chất chuyện kể, vừa thấm đậm chất nhân văn, vừa mang tính hàn lâm, Câu chuyện về phương trình thâu tóm cả vũ trụ đă làm sống lại lịch sử, đặc biệt là những sự kiện sôi động đầu thế kỷ 20, và những sự kiện nóng bỏng mới xảy ra cách đây một hai năm làm thay đổi hàn cách nhìn về vũ trụ. Qua đó không những độc giả có thể hiểu rõ hơn lai lịch, nguồn gốc của Thuyết tương đối tổng quát một sản phẩm nhận thức đến nay đã được coi là cổ điển nhưng vẫn là trụ cột của tòa nhà vật lý mà còn có một cái nhìn tổng quan về vật lý và vũ trụ học hiện đại. Với những giai thoại thú vị, dí dỏm, “ly kì”, vừa giầu chất truyện kể, vừa thấm đậm chất nhân văn, vừa mang tính hàn lâm, Phương trình của Chúa đã làm sống lại lịch sử, đặc biệt là những sự kiện sôi động đầu thế kỷ 20, và những sự kiện nóng bỏng mới xẩy ra cách đây một, hai năm làm thay đổi hẳn cách nhìn về vũ trụ. Qua đó không những độc giả có thể hiểu rõ hơn lai lịch, nguồn gốc của Thuyết Tương đối Tổng quát – một sản phẩm nhận thức đến nay đã được coi là cổ điển nhưng vẫn là trụ cột của toà nhà vật lý – mà còn có một cái nhìn tổng quan về vật lý và vũ trụ học hiện đại. Vì nó là truyện kể về một phương trình, nên không thể tránh đề cập đến một số chi tiết kỹ thuật, một số ký hiệu và công thức toán lý đôi khi khó hiểu, bởi lẽ tác giả không thể trình bầy kỹ hơn. Nhưng điều đó không hề làm mất đi cái thần hấp dẫn của câu chuyện. Trong khi dịch, chúng tôi cố gắng theo đuổi cái thần đó, vì thế nhiều khi phải dịch ý, thay vì dò từng câu đếm từng chữ. Tuy nhiên, do lực bất tòng tâm, kiến thức còn hạn hẹp, bản dịch chắc còn nhiều thiếu sót. Mong độc giả lượng thứ và mong nhận được sự góp ý để sửa chữa trong những dịp tái bản sau này. Xin chân thành cảm ơn và kính chúc độc giả có thêm một cuốn sách bổ ích trong tủ sách của mình (Phạm Việt Hưng và Nguyễn Thế Trung)

PHƯƠNG TRÌNH CỦA CHÚA Einstein, Thuyết tương đối, vũ trụ giãn nở Tác giả: Amir D Aczel Nhà xuất Four Walls Eight Windows, New York 1999 Bản tiếng Việt: “Câu chuyện phương trình thâu tóm vũ trụ”[1] Người dịch: Phạm Việt Hưng(và Nguyễn Thế Trung) NXB Trẻ tạp chí Tia Sáng xuất Saigon năm 2003 Mục lục Lời giới thiệu dịch giả Lời nói đầu tác giả Chương 01 Những bùng nổ Chương 02 Einstein thời trẻ Chương 03 Praha năm 1911 Chương 04 Thách đố Euclid Chương 05 Vở ghi chép Grossmann Chương 06 Cuộc thám hiểm Crimea Chương 07 Khoảng cách Riemann Chương 08 Berlin: Phương trình trường Chương 09 Đảo Principe Chương 10 Hội nghị khoa học phối hợp Chương 11 Suy xét Vũ trụ Chương 12 Giãn nở không gian Chương 13 Bản chất vật chất Chương 14 Hình học vũ trụ Chương 15 Batavia, Illinois, ngày tháng năm 1998 Chương 16 Phương trình chúa Lời giới thiệu dịch giả Nếu bạn có tủ sách trơng vườn bạn cịn thiếu đâu? (Blaise Pascal) “Con người sậy, thứ yếu ớt tự nhiên, có tư tưởng”, lời Blaise Pascal Nhờ có tư tưởng, loài người trở nên thực thể đặc biệt vũ trụ, đến chưa phát thực thể khác có tư tưởng Cái tư tưởng làm cho người luôn lục vấn Một lục vấn sâu xa câu hỏi “Vũ trụ từ đâu mà ra?” Câu hỏi có từ hàng ngàn đời nay, đến kỷ 20 có câu trả lời: Lý thuyết big bang Đó kiện vĩ đại nhận thức Lý thuyết đời nhà khoa học truy ngược tượng vũ trụ giãn nở khứ Nhưng xuôi theo chiều thời gian, vũ trụ học phải đối mặt với câu hỏi khoa học triết học lớn kỷ 20: số phận tương lai vũ trụ sao? Nhiều kịch thiết kế, mâu thuẫn đối lập nhau: vũ trụ tĩnh, vũ trụ co, vũ trụ giãn, vũ trụ đàn hồi, vũ trụ tuần hoàn, v.v phải đợi đến đến thời điểm lề chuyển sang kỷ thiên niên kỷ mới, khoa học tìm thấy kịch sát với thực: vũ trụ giãn nở mãi! Đây kiện vĩ đại nhận thức Với thắng lợi lớn lao vũ trụ học nay, nhà vũ trụ học Micheal Turner Fermilab phải lên sống “thế kỷ vàng vũ trụ học” (the golden age of cosmology)! Nhưng giúp cho lồi người làm nên “thế kỷ vàng” đó? Câu trả lời: Phương trình Chúa! Đó phương trình trường Thuyết Tương đối Tổng quát Albert Einstein Cuốn sách God’s Equation (Phương trình Chúa) Amir Aczel câu chuyện phương trình kỳ lạ đó, lịch sử ảnh hưởng sâu xa nhận thức nhân loại, ý nghĩa tảng khoa học tương lai Nếu khơng dẫn giải q trình lịch sử diễn biễn logic tư duy, cộng với thiên tài bẩm sinh người kỳ lạ Einstein, khó để hiểu mà phương trình thâu tóm vũ trụ Thật vậy, gọi số vũ trụ, sáng tạo vừa quái dị vừa phi thường Einstein Einstein mà thôi, tưởng số hạng dư thừa phương trình trường, hố lại chứa đựng tồn bí mật vũ trụ Nó khơng giúp giải thích tưọng vũ trụ học biết, mà cho phép tiên đốn hàng loạt bí mật vũ trụ Một bí mật lớn trở thành chủ đề trung tâm vật lý vũ trụ học kỷ 21 lượng tối (dark energy), coi nguyên nhân gây nên lực phản hấp dẫn làm vũ trụ giãn nở gia tốc Hồn tồn khơng ngoa ngoắt để nói nhận thức lồi người có kỳ lạ nhất, thân vũ trụ có kỳ lạ nhất, số vũ trụ Einstein! Với giai thoại thú vị, dí dỏm, “ly kì”, vừa giầu chất truyện kể, vừa thấm đậm chất nhân văn, vừa mang tính hàn lâm, Phương trình Chúa làm sống lại lịch sử, đặc biệt kiện sôi động đầu kỷ 20, kiện nóng bỏng xẩy cách một, hai năm làm thay đổi hẳn cách nhìn vũ trụ Qua khơng độc giả hiểu rõ lai lịch, nguồn gốc Thuyết Tương đối Tổng quát – sản phẩm nhận thức đến coi cổ điển trụ cột tồ nhà vật lý – mà cịn có nhìn tổng quan vật lý vũ trụ học đại Vì truyện kể phương trình, nên khơng thể tránh đề cập đến số chi tiết kỹ thuật, số ký hiệu cơng thức tốn lý đơi khó hiểu, lẽ tác giả khơng thể trình bầy kỹ Nhưng điều khơng làm thần hấp dẫn câu chuyện Trong dịch, cố gắng theo đuổi thần đó, nhiều phải dịch ý, thay dị câu đếm chữ Tuy nhiên, lực bất tòng tâm, kiến thức cịn hạn hẹp, dịch cịn nhiều thiếu sót Mong độc giả lượng thứ mong nhận góp ý để sửa chữa dịp tái sau Xin chân thành cảm ơn kính chúc độc giả có thêm sách bổ ích tủ sách (Phạm Việt Hưng Nguyễn Thế Trung) LỜI NĨI ĐẦU Kính tặng cha tơi, thuyền trưởng E L Aczel Kể từ tháng năm 1998, hiểu biết vũ trụ thay đổi mãi Các nhà thiên văn tìm thấy chứng vũ trụ giãn nở tăng tốc chưa có Ngay sau khám phá cơng bố, nhà vũ trụ học khắp giới vội vã lao vào giải thích tượng mang tính tảng Lý thuyết hứa hẹn mà nhà khoa học tìm thấy lý thuyết mà Albert Einstein nêu lên từ tám thập kỷ trước lại nhanh chóng vứt bỏ, coi sai lầm lớn đời Hàng năm, phát triển chứng tỏ lý thuyết Einstein xác Và đánh giá nhà vũ trụ học Einstein trường hợp ông tin sai Vào khoảng thời gian tin tức gây kinh ngạc loan báo, tơi nhận mẩu thư đáng tị mị Đó thư L.P.Lebel, độc giả Định lý cuối Fermat trở thành người bạn mà lâu trao đổi thư từ Tuy nhiên lần phong bì khơng có thư: mà đơn giản có báo George Johnson cắt từ tờ New York Times Tôi đọc báo với ý đặc biệt: báo tốn học, vật lý vũ trụ học Trong báo, ông Johnson đặt câu hỏi lý thú: liệu tồn vũ trụ dạng toán học khác với dạng mà có hay khơng? Để làm thí dụ, Johnson đưa tốn số pi đường trịn Liệu tồn tỷ lệ chu vi đường kính đường trịn khác với số pi hay không, ông hỏi? Einstein vũ trụ học dường bề ngồi chẳng có dính dáng đến thứ tốn học qi dị đường trịn khơng giống với đường trịn mà ta biết Nhưng thực có mối liên hệ chặt chẽ, thấy rõ Việc suy ngẫm chủ đề song song vật lý toán học dẫn ngược trở khứ hai thập kỷ Thời sinh viên Đại học California Berkeley, tơi theo học chương trình vật lý toán học Trong giảng, giáo sư giải thích khái niệm thách thức hiểu biết vật “Điện tử”, vị giáo sư nói, “sống khơng gian khác với khơng gian sống” Câu nói làm cho tơi thay đổi định hướng học tập nghiên cứu, từ tơi theo đuổi chương trình liên quan đến khơng gian: topo, giải tích, hình học vi phân Tôi muốn hiểu không gian khác này, chúng tồn cảm giác không phát chúng Những không gian kỳ lạ áp dụng cho giới vi mơ (trong Cơ học Lượng tử) vĩ mô (trong Thuyết Tương đối Tổng quát) Để hiểu vật lý tương đối, người ta phải nghiên cứu khơng gian mà hình học hoạt động trái ngược với trực giác Toán học quái dị Johnson phương trình Einstein vũ trụ học thực hai mặt đồng xu Dần dần, trở nên bị ám ảnh ý tưởng quyến rũ Tơi dành hàng để giải tốn hình học phi-Euclid, ngành tốn học liên quan đến khơng gian đường thẳng có vơ số đường song song với qua điểm cho trước, thay đường Euclid, đường trịn có tỷ lệ chu vi đường kính khác với số pi (Albert Einstein nghiên cứu hình học phi-Euclid ơng tìm kiếm lý thuyết tốn học tính tốn độ cong khơng-thời-gian mà ơng khám phá) Tơi làm lại tốn cũ hình học vi phân – dạng hình học khác mà Einstein sử dụng ông cần đến sở toán học cho Thuyết Tương đối Tổng quát nẩy sinh đầu ông Và dành thời gian để đọc tất cơng trình tương đối tổng quát Einstein Mới đây, sau làm sống lại hiểu biết tốn học Thuyết Tương đối Tổng quát, gọi điện cho giáo sư cũ Berkeley để hỏi ơng vài câu hỏi hình học Thuyết Tương đối Tổng quát Rất có lý để coi S.S Chern nhà hình học lớn sống Chúng tơi nói chuyện qua phone lâu, ông kiên nhẫn trả lời câu hỏi tơi tơi nói với ơng tơi có ý định viết sách thuyết tương đối, vũ trụ học, hình học, chúng liên kết với để giải thích vũ trụ sao, ông nói: “Đó ý tưởng tuyệt vời cho sách, việc viết chắn nhiều năm đời bạn… không làm điều đó” Rồi ơng treo máy Tơi tự xác định cho nhiệm vụ phải giải thích mối quan hệ xác vũ trụ giãn-nở-từ-xưa-tới-nay với phương trình trường tài tình Einstein, vũ trụ bị cong cách khó hiểu, vũ trụ mà ta sống Nếu tơi giải thích bí mật cho thân tơi làm thoả mãn tị mị tăng lên tơi, tơi cảm thấy tơi chia sẻ hiểu biết với người khác Tôi đọc sách tơi tìm vũ trụ học, thuyết tương đối, để thật hiểu tư tưởng quyến rũ này, phải tự giải phương trình Trong thực nhiệm vụ này, nhận nhiều giúp đỡ người nhiều mức dự kiến Bạn tơi hàng xóm tơi, Alan Guth, giáo sư vật lý phong danh hiệu weisskopt Đại học MIT (Massachusetts Institute of Technology – Viện Công nghệ Massachusetts), người phát minh lý thuyết có nhiều hứa hẹn việc giải thích điều xẩy sau big bang – Lý thuyết vũ trụ giãn nở lạm phát (Theory of the Inflationary Universe) Lý thuyết Guth thắng lợi xương sống mơ hình vũ trụ học tồn Alan rộng lịng chia sẻ với tơi cơng trình nghiên cứu ông dành nhiều với để thảo luận vũ trụ học hình học kỳ lạ không-thời-gian Peter Dourmashkin, dạy vật lý MIT, chia sẻ cách nhiệt thành thuyết trình ơng vũ trụ học giúp tơi hiểu số phương trình rắm rối phức tạp Jeff Weeks, nhà toán học kiêm cố vấn, giúp tơi nhìn thấy mối liên hệ tốn học xác phương trình trường Einstein với số vũ trụ hình học vũ trụ Colin Adams, nhà toán học Học viện Williams, nhiệt tình giúp đỡ tơi việc tìm hiểu sâu mối liên kết ẩn ta nhìn thấy tính tốn từ nghiên cứu lực hấp dẫn thiên hà Các mơ hình hình-học-vũ-trụ-phẳng lý thuyết lạm phát lý thuyết liên quan đến vũ trụ học xây dựng giả thiết cho có mật độ khối lượng tới hạn vũ trụ, mật độ khối lượng trung bình vũ trụ ngang mật độ khối lượng tới hạn hình học vũ trụ tổng thể phải phẳng Các nhà lý thuyết say mê quan điểm tìm kiếm khối lượng tích Khi khối lượng neutrino khám phá, tìm kiếm dấy lên niềm hy vọng neutrino nắm giữ chià khố khối lượng tích Tuy nhiên, neutrino thực có khối lượng – có nhiều neutrino vũ trụ – khối lượng bổ xung cịn q so với thành phần biến Hoặc phải có nguồn khối lượng khổng lồ khác ẩn trốn vũ trụ, mật độ khối lượng vũ trụ nhỏ Nếu mật độ nhỏ mật độ khối lượng tới hạn, vũ trụ dự đốn giãn nở mãi Chỉ mật độ khối lượng lớn mật độ tới hạn vũ trụ bị co lại lực hấp dẫn tạo vụ co lớn, dẫn tới vũ trụ từ big bang khác nối tiếp sau Những câu hỏi mật độ khối lượng vũ trụ, liệu vũ trụ bị thống trị vật chất có khối lượng hay khác nữa, liệu khối lượng tích có diện hay không, tất dẫn tới khái niệm quan trọng: hình học tổng thể vũ trụ Einstein giả thiết phương trình trường ban đầu vũ trụ bị thống trị khối lượng Tuy nhiên, số vũ trụ đưa vào phương trình, cánh cửa mở với khả khác Mơ hình giải thích hiệu ứng khối lượng hấp dẫn lẫn hiệu ứng khác – lực khơng nhìn thấy chống lại lực hấp dẫn, lượng bí mật chân khơng Những phương trình Einstein có quan hệ chặt chẽ với chất khơng gian: hình học Chương 14: HÌNH HỌC CỦA VŨ TRỤ Chúa nhà hình học vĩ đại (Plato) Bây đến câu hỏi thú vị: Hình học bao quát vũ trụ ? Chúng ta biết phạm vi địa phương, gần vật thể có khối lượng khác, khơng gian bị cong Không gian cong xung quanh vật thể cầu, chứng minh thí nghiệm nhật thực Nhưng hình dạng tổng thể vũ trụ ? Hình học liên hệ trực tiếp với phương trình tốn học Từ việc nghiên cứu phương trình trường Einstein, có ý niệm hình học vũ trụ Hình học vũ trụ giúp xác định số phận Các nhà tốn học xác định có dạng hình học có vũ trụ tổng thể Dạng thứ hình phẳng, Euclid Độ cong không gian vũ trụ Euclid Độ cong khái niệm Gauss đặt ký hiệu chữ k Các nhà khoa học giả định vũ trụ mặt có độ cong không thay đổi nơi Đối với vũ trụ phẳng, nói độ cong k = Nếu độ cong dương k = + Nếu độ cong âm k = – Một mặt có độ cong k = + đóng Trong khơng gian chiều, mặt cầu Nếu độ cong k = – 1, mặt mở hình học hyperbolic, mơ hình Gauss, Bolyai Lobachevsky Trong khơng gian chiều, mặt giả cầu (pseudosphere) mở Ba mơ hình có độ cong khơng đổi khơng gian chiều trình bầy đây: [1] (Hình 14-1: Các dạng hình học khơng gian, không gian phẳng (Euclid), cầu (Elliptic), giả cầu (Hyperbolic)) Hãy xét khơng-thời-gian chiều, xét tốn tương đương, xét tiến hoá vũ trụ chiều biến chuyển theo thời gian, cách sử dụng ba dạng hình học có độ cong khơng đổi nói Chúng ta thấy từ “phẳng”, “đóng”, “mở” nhà vũ trụ học sử dụng để xác định dạng vũ trụ có dựa hình dạng chúng Để làm điều đó, đến phương trình trường Einstein, phương trình xác định dạng hình học vũ trụ Phương trình khơng có số vũ trụ Einstein là: Rμν – 1/2gμνR = – 8πGTμν Nhưng với giải thiết vũ trụ đồng nhất, đẳng hướng, có độ cong khơng đổi Phương trình tensor (chú ý đại lượng Rμν , gμν , Tμν tensor – chúng tập hợp có trật tự phần tử thay số đơn giản), đơn giản hố thành phương trình vi phân vơ hướng (tức khơng có tensor) sau: (R’/ R)2 + k/R2 = (8πG / 3) ρ ρ mật độ khối lượng vũ trụ Phương trình vi phân phương trình liên hệ đạo hàm hàm với số đại lượng khác Ở đây, R nhân tố xác định tầm vóc, quy mơ, kích thước vũ trụ Đạo hàm nó, R’, xác định tốc độ thay đổi kích thước vũ trụ Do phương trình trên, dạng đơn giản hố phương trình trường tổng quát Einstein trường hợp “vũ trụ đơn giản” – vũ trụ xem nơi theo hướng – phương trình vi phân kích thước vũ trụ Mơ hình dựa giả thiết vũ trụ bị chi phối khối lượng, nghĩa là, vũ trụ khối lượng, thay dạng khác lượng, tạo nên lực chi phối Đây cho phép thay tensor động lượng tổng quát Einstein đại lượng vơ hướng xác định khối lượng Trong phương trình trên, k lấy giá trị 0, +1, – mật độ khối lượng vũ trụ ρ có giá trị tương ứng bằng, lớn hơn, nhỏ (R’/ R)2 / (8πG / 3) Đại lượng thú vị, đóng vai trị chủ yếu mơ hình vũ trụ học Trước hết, đại lượng R, nhân tố xác định quy mô vũ trụ, xác định bán kính cong vũ trụ vũ trụ đóng có độ cong Đại lượng R’/R, tỷ lệ đạo hàm đại lượng xác định kích thước với đại lượng ấy, số Hubble, ký hiệu H, đại lượng xác định tốc độ giãn nở vũ trụ (nghĩa là, tốc độ giãn nở đo theo tỷ lệ kích thước vũ trụ) Tồn đại lượng (R’/ R)2 / (8πG / 3) mật độ tới hạn vũ trụ Chúng ta thấy vũ trụ có mật độ mật độ này, nghĩa ρ biểu thức nói trên, độ cong k phải 0, ta có vũ trụ phẳng Khi ρ lớn biểu thức trên, k = + Trong trường hợp này, vũ trụ có khối lượng lớn khối lượng tới hạn cuối co lại Khi ρ nhỏ mật độ tới hạn, hình học vũ trụ hyperbolic, k = – Trong tường hợp này, không đủ khối lượng vũ trụ lực hấp dẫn không đủ mạnh để kéo vật chất vũ trụ lại với – vũ trụ tiếp tục giãn nở mãi Trong trường hợp vũ trụ phẳng, vũ trụ giãn nở mãi, với tốc độ chậm dần [2] Các nhà vũ trụ học có tên đặc biệt dành cho tỷ lệ hai mật độ, mật độ khối lượng thực tế vũ trụ thời điểm cho trước, ρ, với mật độ tới hạn xác định biểu thức nói Tỷ lệ gọi omega, W Omega đóng vai trị chủ yếu việc xác định dạng hình học vũ trụ Giả sử khơng có số vũ trụ, ta có trường hợp sau: Nếu W = 1, mật độ thực tế mật độ tới hạn, vũ trụ phẳng – giãn nở mãi, tốc độ giãn nở chậm dần Nếu W > 1, mật độ khối lượng vũ trụ lớn mật độ tới hạn – mật độ giữ cho vũ trụ cân – vũ trụ giãn nở chậm dần Trong trường hợp này, có nhiều khối lượng mức cần thiết để làm chậm giãn nở, vũ trụ đến lúc dừng giãn nở lại bắt đầu co để cuối tránh “big crunch – vụ co lớn” nuốt chửng thứ điểm Sau tái sinh big bang mới, tiếp tục vịng tuần hồn big bang big crunch, vũ trụ đời từ đống tro tàn vũ trụ trước Trong trường hợp W < 1, mật độ khối lượng vũ trụ nhỏ mật độ tới hạn Không có đủ khối lượng để làm ngừng giãn nở làm vũ trụ co lại, vũ trụ tiếp tục giãn nở mãi Khi hình học vũ trụ hyperbolic Với số vũ trụ khác 0, số phận vũ trụ khác trường hợp nói trên, điều phụ thuộc vào giá trị hai tham số W l Hình học vũ trụ xác định chỗ vũ trụ chiều tiến hoá theo thời gian Một vũ trụ có dạng cầu giãn nở sau bắt đầu co – vũ trụ với W > – vẽ đường cycloid biến thiên theo thời gian (trong trường hợp này, thời điểm nào, vũ trụ thể hình trịn; phải bỏ bớt chiều khơng gian để minh hoạ điều giấy) Bức tranh vũ trụ trình bầy (Hình 14-2: Một điểm đường tròn chuyển động vẽ đường cycloid) Một vũ trụ phẳng, nghĩa vũ trụ có W = 1, giãn nở với tốc độ giảm dần Một vũ trụ có W < giãn nở với tốc độ tăng dần hình ảnh (Hình 14-3: Vũ trụ có W < giãn nở gia tốc) Nhưng điều xẩy cịn có yếu tố khác vũ trụ ảnh hưởng đến giãn nở, đến hình học số phận vũ trụ ? Nếu dạng “năng lượng kỳ quặc” có mặt khắp khơng gian, mà khơng thể nhìn thấy cảm thấy phát thấy, tác động lên cấu khơng-thời-gian đó, làm cho giãn nở nhanh lẽ có thể, vật chất lực hấp dẫn sinh vật chất khơng cịn tác động Ở đây, cịn có diện Trong giả định khả xẩy ra, nhà khoa học ngả ý định thay đổi định nghĩa W Thông số này, thơng số đóng vai trị chủ yếu vũ trụ, gán cho một ý nghĩa phóng khống nhằm tính đến yếu tố chưa biết Các nhà vũ trụ học định chia đại lượng W thành nhiều phần: phần vật chất thông thường gây ra, phần khác gắn với số vũ trụ Einstein gây Khi thơng số xác định hình học vũ trụ chia thành phần sau: W = WM + Wλ Trong W xác định hình học vũ trụ, số phận vũ trụ lại xác định chủ yếu “năng lượng kỳ quặc” Wλ Năng lượng số vũ trụ Einstein có khả vơ lớn đẩy vũ trụ giãn nở mãi, bất chấp giá trị số hạng WM Khả xác định dạng hình học lẫn số phận vũ trụ động thiết lập Dự án vũ trụ học siêu tân tinh (Supernova Cosmology Project) năm 1988 Saul Perlmutter cộng ông Những nhà khoa học muốn sử dụng quan sát thiên văn để cố gắng ước lượng giá trị thơng số W Họ hồn tất nhiệm vụ cách nghiên cứu cong ánh sáng “các nến tiêu chuẩn” họ – siêu tân tinh Loại Ia Nhưng kết mà nhóm nhà thiên văn tài tình thu vượt xa dự kiến người Sau thu thập số liệu quan sát tiến hành tính tốn vài năm trời, nhóm nghiên cứu nhìn thấy rõ có lực chưa biết đó, với độ lớn trước chưa quan sát chưa nghĩ đến, đóng vai trò rõ rệt vũ trụ Giá trị WM nhỏ ta tưởng nhiều Các bùng nổ vào khoảng thời gian kể từ vũ trụ đời đến kể lại cho câu chuyện dị thường: khơng có đủ khối lượng vũ trụ để bảo vệ cho lý thuyết dựa khối lượng, thiết phải có lực khơng nhìn thấy đẩy thứ chuyển động tách xa ngày nhanh Hằng số vũ trụ Einstein số hạng tương ứng với nó, Wλ, có ý nghĩa khơng thể lường hết Nhưng khám phá nói với vũ trụ? (Hình 14-4: Ba mơ hình hình học số phận vũ trụ) [1] Trong không-thời-gian chiều, khái niệm metric đặc biệt thuyết tương đối sử dụng để xác định khoảng cách Với khái niệm khoảng cách này, không gian hyperbolic với độ cong âm thường ví mặt yên ngựa [2] Tơi chịu ơn Jeff Weeks giải thích hình học từ phương trình trường Einstein Chương XV: BATAVIA, ILLINOIS, NGÀY THÁNG NĂM 1998 Vũ trụ nhẹ (Neta Bahcall) Paul Steinhard, người trẻ hệ nhà vật lý sáng tạo khoa học vũ trụ, sinh năm 1952 nhận tiến sĩ vật lý Đại học Harvard năm 1978 Ông theo học vật lý hạt bản, nhanh chóng chuyển mối quan tâm vào vũ trụ học Steinhard trở thành giáo sư Đại học Pennsylvania nghiên cứu mô hình vũ trụ lạm phát Guth Khơng giống người khác, Steinhard không coi vấn đề lạm phát thật – ơng muốn có tư mở liệu – quan sát thiên văn, số liệu đo đạc vũ trụ, thông tin vật lý khác – kể câu chuyện Steinhard nhanh chóng nhận thấy mơ hình vũ trụ lạm phát hay ho có nhiều hứa hẹn, cịn số vấn đề tồn mặt lý thuyết Trước hết hết số vấn đề chế bí ẩn làm ngừng giãn nở lạm phát hạn chế giãn nở mức độ từ tốn mà tin diễn thời đại ngày Paul làm việc với nghiên cứu sinh làm luận án tiến sĩ, Andy Albrecht, cuối giải toán thách đố cách xét lại mơ hình vũ trụ lạm phát Guth cho giãn nở – trường gây – phát triển với tốc độ hạn chế hơn, đáp ứng mục tiêu lạm phát việc giải thích tượng, đồng thời bị giới tự nhiên chặn lại điểm Sau ơng nghiên cứu mơ hình gọi lạm phát mở rộng, trường khác tương tác với trường hấp dẫn Trong lý thuyết này, vào ngày đầu sống vũ trụ, số hấp dẫn khơng giống Do số hạng G phương trình trường Einstein khơng phải số vũ trụ tuổi thiếu thời Trong thủa ban đầu – gọi giai đoạn Planck kéo dài giây kể từ big bang – hiệu ứng lượng tử xẩy Vào giây phút sớm sủa vũ trụ thế, học lượng tử – lý thuyết giới vi mô – thực đóng vai trị chủ yếu việc giải thích xẩy vũ trụ tồn thể, lý thuyết cổ điển Einstein tương đối chưa có ý nghĩa Paul Steinhard đóng góp đáng kể cho hiểu biết giai đoạn Planck lý thuyết quan trọng, đưa trường cần thiết, gọi vũ trụ lượng tử (hoặc trường lượng tử, N.D.) Năm 1995, dựa kết vật lý thiên văn từ nhiều nguồn khác nhau, Steinhard nhận thấy kết phương hướng : vũ trụ dường bị tăng tốc giãn nở Điều trái ngược với trực giác Tại vũ trụ lại ứng xử vậy, lý thuyết trường hấp dẫn – tương tác tác động qua khoảng cách lớn vũ trụ – lại nói với giãn nở big bang phải chậm dần vật chất kéo thứ lại với ? Tháng năm 1997, hưởng ứng kết vũ trụ học, Paul Steinhard nẩy sáng kiến tổ chức họp nhà thực hành nhiều lĩnh vực khác liên quan đến vũ trụ học: nhà thiên văn,vật lý thiên văn, vật lý thực nghiệm, vật lý hạt bản, toán học ứng dụng, người khác nữa, để thảo luận xem vũ trụ diễn tiến tiếp tục Các nhà khoa học lĩnh vực khác giải thích khám phá sao, ý nghĩa có chúng ? Steinhard định địa điểm tốt cho gặp gỡ Viện nghiên cứu quốc gia mang tên Fermi (gọi tắt Fermilab) Batavia Illinois Tại đây, nhiều thí nghiệm quan trọng tiến hành nhằm tìm hiểu chất vật chất điều kiện mô điều kiện có thật vũ trụ thủa sơ khai Cùng với Joshua Frieman Fermilab, Steinhard trù tính họp diễn vào tháng năm 1998 Tháng năm 1998, liệu siêu tân tinh Perlmutter nhóm Dự án Supernova Cosmology Project nghiên cứu cơng bố tạp chí Nature[1].Dữ kiện dường cho thấy thiên hà xa xôi không gian thời gian, chẳng hạn thiên hà nghiên cứu nhóm khoa học nói trên, rời xa với tốc độ chậm thiên hà gần[2] Nhóm khoa học quan sát 60 thiên hà khác với siêu tân tinh Loại Ia phân tích Liệu khuynh hướng có xác nhận liệu thiên hà khác hay không ? Nếu vậy, quan sát cung cấp thêm chứng cho thấy vũ trụ giãn nở nhanh thời đại so với tốc độ giãn nở khứ Trong họp vào tháng năm 1998 Hội thiên văn Mỹ Washington D.C., nhóm Perlmutter trình bầy kết họ gợi ý vũ trụ giãn nở nhanh dự kiến Ít lâu sau, nhóm cạnh tranh nghiên cứu siêu tân tinh Havard-Smithsonian báo cáo kết phù hợp với giả thuyết Perlmutter Nhóm Đại học Princeton Neta Bahcall dẫn đầu, nhóm khác Đại học Princeton Ruth Daly dẫn đầu, báo cáo kết ủng hộ giả thuyết Những nghiên cứu khối lượng tổng cộng vũ trụ không đủ để làm ngừng giãn nở vũ trụ từ trước đến Neta Bahcall sinh lớn lên Israel Bà theo học ngành toán vật lý Đại học Hebrew, đỗ Masters vật lý hạt nhân Viện Weizmann năm 1965 (Hình 15-1: Neta Bahcall Đại học Princeton nói: “Vũ trụ nhẹ bỗng”) Năm đó, bà gặp người chồng tương lai mình, John Bahcall, giáo sư vật lý Viện công nghệ California (Caltech) đến thăm Viện Weizmann Năm sau hai người cưới chuyển đến sống Caltech, Neta làm luận án tiến sĩ vật lý thiên văn hạt nhân hướng dẫn William Fowler – người đoạt giải Nobel vật lý vài năm sau Nghiên cứu Fowler tập trung vào phản ứng hạt nhân xẩy bên làm cho chúng phát sáng Năm 1970, Bahcall nhận học vị tiến sĩ Đại học Tel Aviv Bà trở nên đặc biệt quan tâm đến thiên văn học, thực dự án nghiên cứu kết hợp với nhà vật lý thiên văn Caltech, nghiên cứu quasars tượng thiên văn khác Năm 1972, Neta John Bahcall quan sát ngơi qua kính viễn vọng vừa hoàn tất Đài quan sát Wise sa mạc Negev Israel Hai vợ chồng nghỉ lại nhà nghỉ đài quan sát khơng có buồng dành cho trẻ em Vì hai vợ chồng kéo ln hai đứa Safi tuổi Dan tuổi đến đài quan sát lấy ngăn kéo trải chăn lên làm giường ngủ cho chúng Trong say sưa ngủ, Neta John Bahcall khám phá hệ quang học xâm thực kép (the first binary eclipsing optical system) đồng thời hệ tia X kép (the first X-ray binary system) vệ tinh phát Vật thể kép tạo nên đám gas phát tia X pulsar[3] kép khám phá Đây kiện hoàn toàn thiên văn học Sự khám phá khám phá quan sát mới, nhà nước Israel bầu chọn Neta Bahcall người phụ nữ khoa học năm Gia đình Bahcall di chuyển đến Princeton, Neta giáo sư thiên văn vật lý Đại học Princeton, John giáo sư khoa học tự nhiên Viện nghiên cứu cao cấp Đại học Princeton Năm 1998, John Bahcall tổng thống Clinton trao tặng Huy chương quốc gia khoa học Trong năm Neta Bahcall làm giám đốc Cơ quan tuyển chọn đề tài khoa học (Science Selection Office) thuộc Viện khoa học kính viễn vọng khơng gian, bà có đóng góp lớn lao cho khoa học cách giúp tuyển chọn dự án thiên văn quan trọng cho kính viễn vọng Hubble Qua nhiều năm, mối quan tâm bà chuyển sang vũ trụ học, bà trở nên quan tâm đặc biệt đến việc làm để khám phá vật lý thiên văn toả ánh sáng vào cấu trúc vũ trụ, thủa ban đầu nó, tuổi vũ trụ, số phận Neta Bahcall dành nhiều năm để nghiên cứu cấu trúc phạm vi lớn vũ trụ nhằm cố gắng trả lời câu hỏi vũ trụ học Nghiên cứu bà đạt nhiều kết quả, dựa thành tựu đó, bà bầu vào Viện hàn lâm khoa học quốc gia Hoa Kỳ năm 1997 Tại họp vào tháng năm 1998 Hội thiên văn Mỹ, Neta Bahcall trình bầy kết dựa số nghiên cứu mà bà cộng hoàn tất, sử dụng số phương pháp độc lập để “cân đo” vũ trụ Các nhà nghiên cứu sử dụng cụm thiên hà để nghiên cứu tiến hoá vật chất vũ trụ phân bố Một phương pháp khai thác hiệu ứng thấu kính hấp dẫn Einstein Tại đây, ánh sáng từ thiên hà xa xôi quan sát chúng bị cong xung quanh thiên hà nằm gần hơn, độ cong ánh sáng cung cấp thông tin khối lượng thiên hà gần Các phương pháp khác nghiên cứu đám gas nóng bỏng bên thiên hà tốc độ, dịch chuyển đỏ tỷ lệ khối lượng ánh sáng vũ trụ Bahcall nghiên cứu quầng sáng thiên hà, nơi có nhiều vật chất tối nằm đó, nghiên cứu bà khẳng định Dựa tất nghiên cứu mình, Neta Bahcall kết luận mật độ vật chất vũ trụ 20% mật độ cần thiết để làm cho vũ trụ giãn nở chậm lại cuối co lại Con số thu cách độc lập từ số phương pháp nghiên cứu khác Theo tính tốn, xác suất sai kết luận nhỏ phần triệu [4] Báo chí nói nhiều khám phá đáng kinh ngạc Perlmutter, Bahcall cộng họ Những điều sáng tỏ kích thích trí tưởng tượng người giới Chẳng nói biết dường người – từ nhà khoa học đến cơng dân trung bình – hy vọng vũ trụ “chất đầy vật chất”, có lẽ vết tích mơ hình vũ trụ tĩnh Einstein Nếu vũ trụ thực giãn nở không tĩnh – mà lần nghiên cứu Hubble năm 1920 nói vũ trụ có nhiều điều ngạc nhiên – người ta muốn phải dao động giãn nở co lại Một vũ trụ thay đổi giãn nở co thắt dù giữ khả đổi bản, thay đổi diễn tương lai xa Trong vũ trụ giãn nở mãi khơng có hy vọng co lại để trở big bang khác khởi đầu cho kịch Vì hội nghị tháng diễn Fermilab, báo chí có mặt Nhưng nhà khoa học tụ họp Fermilab băn khoăn vấn đề khác chí cịn quan trọng vấn đề vũ trụ giãn nở mãi Đó vấn đề số phận vật lý Các nhà khoa học đối mặt với kết luận khơng thể né tránh: có quái dị diễn vũ trụ – mà nhà khoa học khơng thể hiểu Tự nhiên có loại lực thứ kho vũ khí nó, loại lực chưa quan sát trực tiếp Ý nghĩ này, đoán khoa học chia xẻ tất người có mặt, đọng lại tư tưởng nhà vật lý, nhà lý thuyết hạt bản, nhà thiên văn, giải thích kỹ thuật khám phá trình bầy Các nhà khoa học có kinh nghiệm để đặt nghi vấn: Họ muốn nhìn thấy chứng thuyết phục trước họ đồng ý để thay lý thuyết cũ lý thuyết Khi người tập hợp đơng đủ, 60 người tất cả, trình diễn kịch bắt đầu William Press, nhà thiên văn thuộc nhóm Harvard-Smithsonian, đóng vai trị luật sư phản biện đại diện cho nhóm ơng nhóm Đại học Berkeley, nhóm nghiên cứu siêu tân tinh trình bầy khám phá họ “Điều xẩy kết khơng ?” câu hỏi lớn Saul Perlmutter thành viên nhóm nghiên cứu siêu tân tinh khác Robert Kirshner bảo vệ khám phá nhóm họ Có nhiều vấn đề có khả xẩy với liệu Đầu tiên, phải siêu tân tinh thực “các nến tiêu chuẩn” ? [5] Làm để biết siêu tân tinh Loại Ia xẩy từ tỷ năm trước có độ cong ánh sáng siêu tân tinh xẩy nửa tỷ năm trước ? Sau câu hỏi điều chỉnh mà nhóm áp dụng liệu độ sáng cho liệu so sánh Sự điều chỉnh tiến hành ? Cuối vấn đề không lường trước được: thiên hà nghiên cứu khơng thấy có bụi Tại khơng phát bụi ? Hai nhóm đưa giải thích kỹ thuật dài dịng làm thoả mãn người Hội nghị đến biểu thăm dò, nhà khoa học biểu lấn át thiên phía chấp nhận thơng tin chứng thuyết phục khoa học Bây lúc trốn tránh câu hỏi tất yếu săn đuổi: Cái gây giãn nở gia tốc vũ trụ ? Khối lượng tổng cộng vũ trụ kéo vật chất co cụm lại, nói Một giãn nở từ big bang dù phải chậm lại diện vật chất có khối lượng phân bố thiên hà khắp vũ trụ Nhưng rõ ràng chứng trình bầy Fermilab vào ngày hơm tháng năm 1998 dường chẳng có diễn dự kiến Vũ trụ không chứa đủ vật chất để làm chậm giãn nở Và loại lực bí mật thực làm cho vũ trụ giãn nở gia tốc Tồn áp lực âm chân khơng – hồn tồn lạ hoắc tồn khoa học Đó ? “Có lượng kỳ dị vũ trụ”, Michael Turner thuộc Fermilab viết tập giấy ghi chép ơng Ơng thêm vào hình vẽ ngơi người gãi đầu, với chữ Hy lạp to: (Lamda) Bức tranh ông đăng trang khoa học tờ New York Times ngày tháng năm 1998 Turner nói: “Cái đủ tốt với Einstein, phải đủ tốt với chúng ta”, để ám vai trò số vũ trụ Nhưng nhà vũ trụ học liên quan đến lý thuyết mới, chẳng hạn lý thuyết vũ trụ lạm phát, muốn bước xa Về nguyên tắc, số vũ trụ sử dụng, để tính tới lực bí mật tự nhiên đẩy không gian giãn ra, chống lại lực hấp dẫn làm cho vũ trụ giãn nở gia tốc tới vô Nhưng theo lý thuyết lạm phát, trước có lực tương tự vũ trụ, làm cho vũ trụ giãn nở với tốc độ hàm mũ đoản khắc ban đầu sau big bang Do số vũ trụ thích hợp với giai đoạn Nhưng có vấn đề lên Độ lớn lực khơng nhìn thấy thủa ban đầu vũ trụ sau big bang phải khác với độ lớn giai đoạn Khoa học làm thể kết hợp giá trị đại lượng L thay đổi ? Một câu trả lời tự nhiên câu hỏi quan trọng này, câu hỏi giải hàng loạt bí mật vũ trụ học đại, coi số vũ trụ đại lượng biến thiên vũ trụ – hàm số thời gian đại lượng biến đổi khác phương trình Einstein Nhưng chua biết làm để thực điều Einstein từ bốn thập kỷ rồi, dường khơng có đủ can đảm, hiểu thấu bên trong, tri thức để biến đổi phương trình ông theo cách mà thân Einstein làm ơng đưa số vũ trụ vào vị trí Những người theo Einstein, nhà vật lý chuyên thuyết tương đối tổng quát, dành thời gian họ để giải phương trình trường Einstein Vì mục đích này, họ sử dụng nguồn dự trữ phương pháp cũ: số phương pháp kỹ thuật số thực computer, phương pháp khác để giải phương trình vi phân phức tạp Nhưng nhà vật lý khơng có ý đồ thay đổi phương trình Einstein để phù hợp với khám phá lý thuyết Phương trình trường Einstein biểu tượng Phương trình sáng tạo bậc thầy vĩ đại Mọi tensor, số, thành phần nhỏ bé có mặt có lý Phương trình tensor thiết kế để giữ gìn định luật tự nhiên Những định luật bất biến – chúng không thay đổi nhìn vào q trình vật lý từ góc độ khác nhau, hệ toạ khác Khi giới hạn toán điều kiện phi tương đối, phương trình tensor mơ tả định luật Newton Einstein đưa mà sau ơng coi số hạng bất hợp lý vào phương trình cách tính tốn tensor khoảng cách cách khéo léo, đùa dỡn với nó, bẻ cong khơng gian chút để làm cho số trở nên thích hợp khơng làm tính chất mà ông phải tốn công sức năm trời gán cho phương trình Nhưng làm để biến số khiết thành hàm biến đổi hoàn tồn ? Có lẽ nhà khoa học bậc thầy vĩ đại Einstein khơng thể hồn tất kỳ cơng Vì thế, ý thức việc giải thích “năng lượng dị thường” khám phá vĩ đại hội để chống đỡ cho lý thuyết vũ trụ lạm phát, nhà vũ trụ học cố gắng làm công việc cần yếu tiếp theo: phát minh khái niệm Paul Steinhard theo đuổi mơ hình thay đổi Ơng gọi quintessence (cái tinh hoa), theo tên gọi Aristotle đặt cho nguyên tố thứ năm tự nhiên Tên gọi dành cho lực vơ hình tham khảo lực thứ năm tự nhiên Bốn lực biết vật lý lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân yếu lực hạt nhân mạnh Quintessence, mà chưa quan sát được, lực thứ năm Steinhard tìm cách đưa quintessence vào phương trình trường Einstein Bất kể lý thuyết cuối có hay khơng, Steinhard đến kết luận bí mật tồn “Có áp lực âm vũ trụ”, ơng nói với tơi “Một điều rõ ràng ΩM < Điều có ý nghĩa ? Độ cong, quintessence, hay L ? – Chúng ta khơng biết, tồn đó, vũ trụ, có hệ tảng vật lý” [1] Perlmutter, S cộng sự, “Discovery of a Supernova Explosion at Half the Age of the Universe” (Khám phá vụ nổ siêu tân tinh tuổi vũ trụ), Nature, tập 391, tháng năm 1998, trang 51-54 [2] Chú thích N.D.: Thống nghe điều trái với Định Luật Hubble Nhưng suy nghĩ kỹ thấy ngun nhân vũ trụ giãn nở ngày nhanh Để giải thích, ý chuyển động thiên hà nói lên tốc độ giản nở vũ trụ Vậy thiên hà cách ta tỷ năm ánh sáng chuyển động xa khỏi với tốc độ nhỏ thiên hà cách tỷ năm ánh sáng, có nghĩa là tốc độ giãn nở vũ trụ vào thời điểm tỷ năm trước nhỏ tốc độ giãn nở vào thời điểm tỷ năm trước Tức vũ trụ giãn nở ngày nhanh lên Điều tác giả trình bầy từ Chương [3] Chú thích N.D.: Ngơi khơng nhìn thấy phát tín hiệu radio [4] Giá trị xác suất theo tính tốn thống kê nhỏ [5] Vào mùa xn 1999, số cơng trình nghiên cứu công bố khoa học xác nhận siêu tân tinh thực coi nến tiêu chuẩn với độ xác cao ước lượng kết khoảng cách tốc độ cho mức độ khả tín cao Chương XVI: PHƯƠNG TRÌNH CỦA CHÚA Tơi muốn hiểu ý Chúa (Albert Einstein) Hằng số vũ trụ Einstein chưa thực chết, người sáng tạo phủi tay với Trong tài liệu chun khảo mình, Steven Weinberg vẽ phiêu lưu số kỳ quái khó nắm bắt [1] Weinberg cho thấy việc bổ xung số vào phương trình Einstein dẫn đến kết việc bổ xung đóng góp số hạng Λ/8πG vào tổng lượng có hiệu chân không Vấn đề liệu số có phản ánh đầy đủ lượng chân khơng hay khơng, hay liệu cịn có khác đẩy vũ trụ giãn hay không Và có số vũ trụ chịu trách nhiệm độ lớn phải ? Trong năm 1960 1970, nhà vật lý hạt quan tâm đến số vũ trụ, họ cần phải ước định mức độ lượng không gian trống rỗng nhằm mục đích phân biệt lượng với lượng hạt mà họ nghiên cứu máy gia tốc Nhưng dù cố gắng nữa, nhà vật lý hạt xác định số lượng lượng mà họ dự kiến phải có mặt không gian trống rỗng, khớp với số vũ trụ cung cấp Kết là, nhà vật lý hạt từ bỏ ý đồ họ Tuy nhiên vào khoảng thời gian đó, nhà vũ trụ học lại tái khám phá số bị ghét bỏ lại cố gắng tuyển mộ để phục vụ cho nhu cầu riêng Thật vậy, vào cuối năm 1960, tốn vũ trụ học khơng tìm lời giải rõ ràng Đó tốn quasars Quasars (hoặc vật thể gần giống sao) phát lượng lớn dạng sóng radio mà nhà thiên văn phát Một số lượng quasars nhiều đến mức khơng thể giải thích phát dịch chuyển phía đỏ vào khoảng z=1,95 Tất quasars xa thời gian lẫn không gian, tạo lúc (các dịch chuyển phía đỏ chúng – dẫn tốc độ lùi xa chúng so với – nói rõ điều đó) Nhưng ? Các nhà vũ trụ học biết tượng giải thích nếu, cách đó, vũ trụ không giãn nở nhiều khoảng thời gian quasars hình thành khoảng cách đến Do mà nhà vũ trụ học mong muốn vũ trụ tạm dừng giãn nở chốc lát kích thước cho trước, tương ứng với kích thước cần phải có vào thời điểm quasars hình thành Có cách để làm cho giãn nở vũ trụ chậm lại, chí ngừng, vào thời điểm cho trước áp dụng số vũ trụ Một số nhà vũ trụ học dành nhiều thời gian để cố gắng làm cho số vũ trụ cho phép tìm câu trả lời bí mật [2] Tiếp theo, nhà vật lý hạt lại đụng đầu với nan đề khác Lần này, họ cố gắng trả lời câu hỏi liên quan đến phá vỡ tính đối xứng tự nhiên lý thuyết điện-từ-yếu Họ tin tượng huỷ đối xứng chế mà nhờ loại hạt khác hình thành thời thơ ấu vũ trụ Vật lý hạt nói electron khác với quark, nên “cái đối xứng” phải bị phá vỡ để tạo hai hạt khác Các nhà lý thuyết phải đối mặt với tốn tính toán mật độ xác định dẫn tới kết âm Nhưng điểm đó, nhà lý thuyết phát việc áp dụng số vũ trụ L vào phương trình họ giúp huỷ bỏ số hạng quan trọng, cho phép trả lời câu hỏi chủ yếu toán với kết dương Tuy nhiên, việc áp dụng dẫn tới hệ q khứ xa xơi L phải có giá trị lớn Vấn đề trở nên rắc rối khó xử đến Guth đưa lý thuyết vũ trụ lạm phát Nếu thật số vũ trụ lớn nhiều khoảnh khắc ngắn ngủi sau big bang, lực tác động làm cho vũ trụ giãn nở với tốc độ hàm mũ khoảnh khắc Do đó, bổ xung số vũ trụ vào phương trình có nghĩa phải chọn giá trị số cách cẩn thận Khoa học cần lý thuyết tươi rói, lý thuyết địi hỏi cơng cụ tốn học Sẽ khơng đủ chắp vá phương trình Einstein cách thử nghiệm sai lầm Phương trình trứ danh chịu thử thách kinh khủng qua nhiều năm trời, luôn dẫn tới khám phá vật lý phù hợp cách đáng kinh ngạc với dự đốn phương trình Nhưng người ta cố gắng làm việc với phương trình bao gồm số vũ trụ – cố gắng kết hợp phương trình thuyết tương đối tổng quát với lý thuyết lượng tử – kết thật nghèo nàn Đơn giản hiểu biết nhân loại phương trình thần diệu chưa đầy đủ Năm 1985, xuất lý thuyết tỏ có nhiều hứa hẹn việc giải nhiều vấn đề vật lý: Lý thuyết siêu dây Lý thuyết mở rộng không-thời-gian chiều thành không-thời-gian 11 chiều, nghĩa phương trình lý thuyết siêu dây cố gắng xây dựng mơ hình vũ trụ bao gồm 11 chiều Kết lý thuyết thật dị thường, chúng chưa giải vấn đề số vũ trụ Einstein Cuối năm 1980, nhà toán học phát triển dị lý thuyết siêu dây cách liên kết hai biến số không gian Nhưng họ cố gắng mở rộng kết khơng-thời-gian chiều , kỹ thuật thất bại toàn cấu trúc sụp đổ Tháng 12 năm 1996, báo chí London đưa tin nhà vũ trụ học tiếng Stephen Hawking “dự thính lớp học cấp tốc tốn học” [3] Theo lịch trình thơng báo, ngài Roger Penrose, giáo sư tốn học Đại học Oxford, trình bầy lý thuyết topo mặt chiều quan hệ chúng thuyết tương đối tổng quát lý thuyết lượng tử Hawking nhà vũ trụ học khác quan tâm đến giảng Penrose khám phá mối quan hệ kỳ lạ mặt chiều với tượng vật lý “dị thường hấp dẫn”, xẩy không gian chiều Penrose nhà topo học tiếng áp dụng thành cơng ngun lý tốn học trừu tượng vào tốn vật lý Ơng mơ tả lý thuyết sau: “Cái mà lý thuyết làm sử dụng tư tưởng cách ứng xử hạt để thiết lập kết tốn học t hồn tồn chưa biết Trong khơng gian nhiều chiều có khơng gian chiều có tính chất này” Cơng trình Penrose tốn học t lống thống cho thấy lý nhà vũ trụ học vật lý học gặp khó khăn vấn đề số vũ trụ nhiều vấn đề khác thế: Hình học chiều hình học gặp phải nan đề Hình phải chịu khổ sở sống vũ trụ chiều (3 chiều không gian chiều thời gian), mức độ vật lý học quan tâm Không khuất phục khám phá mới, nhìn thấy hội khám phá này, nhà vũ trụ học bắt tay vào việc, đưa kết topo không gian chiều vào lý thuyết riêng họ liên quan đến thuyết tương đối tổng quát lý thuyết lượng tử Mục đích họ khơng phải để nắm bắt số vũ trụ, mà nhằm đạt tới mục tiêu kiêu căng vật lý: lý thuyết trường thống kết hợp tất lực tự nhiên làm Để đạt tới mục tiêu đó, nhà vũ trụ học theo bước chân Einstein Sau nhập cư vào Mỹ năm 1932 trở thành giáo sư Viện nghiên cứu cao cấp thuộc Đại học Princeton, Einstein dành tồn năm cịn lại đời để cố gắng thống lĩnh vực khác vật lý làm Albert Einstein theo đuổi nghiên cứu khoa học với niềm đam mê vĩ đại Ơng người có niềm tin chân thành, ông khoa học q trình khám phá cơng trình sáng tạo Chúa Nhiều người số nhà khoa học lớn ngày bị dẫn dắt mong muốn tương tự Họ nhà khai phá tiên phong công giải cách thách đố Đấng sáng tạo Những nhà khoa học nêu lên câu hỏi triết học sâu xa như: Vũ trụ từ đâu mà ra, vũ trụ đâu, hình dạng vũ trụ Năm 1997, Stephen Hawking nói ơng tin vịng hai mươi năm nữa, hiểu quy luật vũ trụ Các nhà vũ trụ học đối thủ nhanh chóng hai mươi năm trước Hawking có tiên đốn tương tự Nhưng Hawking hành động thể ơng có tay áo ông Bắt chước Einstein, ông nói: “Chúng ta gần Chúa” [4] Tháng năm 1998, Hawking lộ chút cánh tay áo ơng Ơng sử dụng khái niệm instanton (một hạt vi thời – hạt tồn vi lượng thời gian) để cố gắng giải thích big bang Hawking cộng ơng nói khái niệm mang khoa học đến gần với “lý thuyết thứ”, tháng sau, loạt kiện điển hình gây xúc động, tin tức lý thuyết thông báo lúc Hawking, thăm California, cộng ông Neil Turok, lúc trở London Nhưng Hawking Einstein, việc ông viện dẫn Chúa, Einstein làm, khơng thích hợp Cho đến giờ, Hawking cộng ông chưa đưa lý thuyết riêng biệt so sánh với lý thuyết Einstein Cho đến nhà khoa học đạt thành tựu ? Hawking Turok khởi từ mơ hình lạm phát Alan Guth Đề cập đến khám phá thông báo năm 1998 vũ trụ “mở” sẽ chốn khơng gian vơ hạn giãn nở mãi, họ nêu lên câu hỏi sau đây: Phải giãn nở lạm phát thiết gây vũ trụ “phẳng”, hầu hết người ủng hộ thuyết lạm phát tin vậy, phải tạo vũ trụ mở ? Hawking cộng ông James Hartle thử nghiệm phương pháp tương tự vài năm trước đó, việc áp dụng thuyết lạm phát cho vũ trụ đóng, sử dụng kỹ thuật tích phân đường nhà vật lý Mỹ huyền thoại Richard Feynman phát minh Năm 1995, Turok, người không tin vào vũ trụ phẳng đóng, có buổi nói chuyện Đại học Cambridge kết nghiên cứu liên quan đến vũ trụ mở Buổi nói chuyện ông làm cho Stephen Hawking ý, hai người bắt đầu làm việc với Họ cố gắng áp dụng phương pháp mà Hartle Hawking thực vũ trụ mở, không thành cơng lâu dài Bài tốn vơ hạn Sự xuất thành phần vơ hạn phương trình làm cho tích phân đường Feynman giá trị Một hơm, Turok viết biểu thức tốn học lên bảng Hawking Bỗng nhiên, Hawking ngăn ông ta lại nói với ơng thơng qua computer (Hawking bị bệnh liệt ngoại trừ ngón tay điều khiển chuột computer, cho phép ơng nói chuyện cách sử dụng thêm máy phát tiếng nói) Dường Turok phạm sai lầm đãng trí bỏ sót số hạng phương trình, số hạng có ý nghĩa quan trọng Hai người tìm cách sửa chữa biểu thức mầu nhiệm thay thành phần vô hạn biến Bây khơng gian mà họ có trước mặt mơ tả tiến hố vũ trụ từ big bang thơng qua lạm phát tiến phía trước tới vũ trụ mở – khơng có điểm kỳ dị vào lúc khởi đầu Thay điểm kỳ dị, Turok Hawking đề xuất instanton (hạt vi thời) – hạt không gian thời gian nén chặt, có khối lượng hạt đậu kích thước phần triệu phần tỷ phần tỷ hạt đậu Hạt vi thời đặt tên hạt tồn khoảnh khắc cực ngắn Trước hạt vi thời, thời gian không gian không tồn Khác với điểm kỳ dị big bang, hạt vi thời dịu dàng uyển chuyển Khi hạt vi thời bùng nổ, lạm phát vũ trụ bắt đầu y Alan Guth dự đoán Cuối vũ trụ nẩy sinh từ hạt vi thời nở rộng mãi Thời gian, quan sát từ khơng gian năm tới, có lẽ nói với lý thuyết đúng, vũ trụ bắt đầu sao, liệu thống lực tự nhiên hay khơng, liệu số vũ trụ có nằm phương trình tồn thể vật lý hay không Phần lớn nhà vật lý đồng ý vũ trụ phải bắt đầu với vụ nổ khủng khiếp từ trạng thái vơ đặc nóng, dạng big bang Vụ nổ lớn ban đầu khởi đầu công việc sáng tạo – hình thành vật chất lượng sau thiên hà, sao, hành tinh, vật chất tối bí mật khơng thể nhìn thấy Nhưng đó, sau big bang, chia rẽ quan điểm khuynh hướng triết học bắt đầu Saul Perlmutter nhà khoa học cẩn trọng, khác, thơng qua kính viễn vọng công cụ mạnh giới tiến gần đến chỗ thực nhìn thấy giãn nở vũ trụ Và khám phá ông dẫn ông đến lý thuyết đặc biệt Saul Perlmutter sinh Urbana-Champaign, Illinois, năm 1959 Cả bố lẫn mẹ ông nhà hàn lâm, làm việc Đại học Illinois Khi Perlmutter cịn cậu bé, gia đình cậu chuyển đến Philadelphia, cậu học trường Quaker Friends School Lên trung học, Perlmutter ln ln giỏi tốn khoa học, anh phải dành nhiều cho môn khoa học nhân văn – môn thách thức anh nhiều Anh chơi violin Saul vào Đại học Harvard tốt nghiệp ngành triết học vật lý năm 1981 Sau anh làm luận án tiến sĩ vật lý Đại học California Berkeley Tại đây, Saul Perlmutter hoạt động số nhóm nghiên cứu mạnh nhiều năm trời Năm 1982 ông bắt đầu hợp tác với nhóm nghiên cứu hạt có lượng điện tích nhỏ, nhanh chóng chuyển sang làm việc với nhóm sinh viên tốt nghiệp giáo sư Richard Muller hướng dẫn Muller cộng gần gũi nhà vật lý độc lập Louis Alvarez, người với trai Walter Alvarez tìm thấy chứng cho thấy tuyệt giống khủng long 65 triệu năm trước va chạm thiên thạch lớn (Hình 16-1: Saul Perlmutter Viện nghiên cứu quốc gia Lawrence Berkeley, người khám phá tượng vũ trụ giãn nở gia tốc) Muller sinh viên ông tiếp tục đẩy tư tưởng xa hơn: họ sử dụng quan sát thiên văn đỏ mờ để tìm kiếm ngơi gọi Nemesis Nemesis nghi bạn đồng hành mặt trời, quay xung quanh vịng hết 52 triệu năm Cứ sau 26 triệu năm, Nemesis gần mặt trời nhất, tuyệt giống hàng loạt xẩy ra, lực hấp dẫn Nemesis làm cho thiên thạch lao phía Vì việc tìm thấy Nemesis, thật tồn tại, không trả lời câu hỏi giống khủng long chết nào, mà cho biết thảm hoạ – kiện khác tương tự – xẩy Sử dụng phương pháp thị sai, nhóm nghiên cứu đo khoảng cách đến khoảng 300 ngơi nhóm gồm tổng cộng 2000 đáng ngờ, liệt kê danh mục tất q xa Sau việc tìm kiếm bị hỗn lại số lý khác Đúng vào thời gian Saul biến tháng để đến làm việc dành cho nghiên cứu vật lý Đại học Berkeley Và ông xuất lại với phát minh – kính viễn vọng robot Ứng dụng kính viễn vọng điều khiển computer, Saul nghĩ kỹ thuật phát siêu tinh tân tài tình thơng qua việc tìm kiếm thiên hà xa xơi cách hệ thống Đến năm 1985, ông chụp 20 ảnh điện tử vụ nổ hoi thiên hà xa xôi Năm 1986, Saul hoàn thành luận án tiến sĩ Đại học California Berkeley, năm sau ông bạn đồng nghiệp Carl Pennypacker nhận thấy kỹ thuật tìm siêu tân tinh kính viễn vọng robot Saul sử dụng để đo độ giảm tốc giãn nở vũ trụ Quyết định họ, vào quãng cuối năm 1987, phản ánh quan điểm thịnh hành giới vật lý vào giai đoạn đó: vũ trụ chúng ta, bắt đầu với big bang, phải giảm tốc giãn nở lực hấp dẫn tồn vật chất có khối lượng tác động lẫn Nhóm nghiên cứu bắt đầu sử dụng quan sát từ kính viễn vọng dài m đặt Australia để đo đạc Họ tìm thấy vụ nổ siêu tân tinh z=0,3 , tốc độ chậm Thời tiết không cho phép quan sát tần số, đồng thời cịn có số khó khăn khác Nhóm nghiên cứu, lúc đông hơn, chuyển đến trung tâm quan sát họ La Palma đảo Canary, nhóm phải sử dụng kính viễn vọng 2,5 m Các nhà khoa học nâng cấp quan sát tới gía trị z = 0,45 Và họ phát triển kỹ thuật quan sát gọi “kỹ thuật mẻ” (batch technique), cho phép nhận xử lý tập hợp liệu quan sát thiên hà rộng hơn, tìm ngày nhiều siêu tân tinh Họ gửi kết trực tiếp Berkeley thông qua internet Tới lúc này, Saul trở thành nhà nghiên cứu Viện nghiên cứu quốc gia Lawrence Berkeley, đồi phía bên khu nhà Đại học Berkeley, ông làm cho viện nghiên cứu trở thành trung tâm hoạt động ông Với thắng lợi ngày tăng lên, thành viên nhóm phép sử dụng kính viễn vọng lớn Cuối họ sử dụng cặp đơi kính viễn vọng Keck dài 10 m Hawaii, kính viễn vọng lớn giới, kính viễn vọng khơng gian Hubble Kết vụ nổ xa xôi suối đổ với điều hoà đáng kinh ngạc Nhưng tranh mà tất quan sát vẽ hoàn toàn trái ngược với mà khoa học dự kiến Vũ trụ không giảm tốc giãn nở – tăng tốc Bây giờ, dựa quan sát với cấp độ khác z, nhận xét từ thời điểm sau big bang đến khoảng tỷ năm trước đây, vũ trụ giảm tốc giãn nở Nhưng đơn giản mật độ vật chất vũ trụ không đủ để làm chậm giãn nở đến chỗ ngừng lại Khi vũ trụ tiếp tục lớn lên, khối lượng lỗng đi, cho phép “năng lượng dị thường” Einstein trội Và tỷ năm trước đây, tốc độ giãn nở bắt đầu tăng tốc, vũ trụ ngày giãn nở nhanh vào lúc Với tư cách nhà thực nghiệm, Perlmutter luôn mở cửa cho tất cách giải thích có liệu ơng Ơng nhấn mạnh, thay đổi giả thuyết cho trước phải khảo sát phạm vi đầy đủ Nhưng số liệu quan sát tập hợp, tới mùa xuân năm 1999 tất số liệu đo đạc cách rõ ràng vũ trụ giãn nở ngày nhanh Dựa quan sát mình, Perlmutter tin vũ trụ tổng thể có lẽ phải phẳng – hình học Euclid – giãn nở mãi Tới lúc đó, nhóm Perlmutter tập hợp liệu thiên hà nằm ngồi phạm vi ban đầu Nhóm nghiên cứu dịch chuyển phía đỏ khoảng cách thiên hà xa (z=1,2) đến mức vào lúc ánh sáng chúng bắt đầu lên đường để đến với vũ trụ giãn nở chậm dần Điều tương phản với số lượng lớn liệu mà nhóm thu thập được, bao gồm thiên hà phạm vi quan sát cho thấy vũ trụ giãn nở tăng tốc (các thiên hà với z = 0,7) Nhóm tập hợp liệu bên ngồi phạm vi ban đầu – nhà khoa học khơn ngoan làm – nhằm mục đích kiểm tra giới hạn lý thuyết mà họ nêu lên Và lý thuyết họ chống chọi thử thách Dựa khám phá nhóm, Perlmutter tin số vũ trụ quan trọng thay “sai lầm ngớ ngẩn nhất” Einstein, số phần khơng thể thiếu phương trình xác định vũ trụ, khứ tương lai Perlmutter, giống hầu hết nhà thiên văn hàng đầu, tin vào lý thuyết vũ trụ lạm phát Do đó, dựa quan sát thiên văn suy luận lý thuyết chấp nhận rộng rãi nhất, vũ trụ bắt đầu trình giãn nở mới; giãn nở chậm dần vài tỷ năm, tăng tốc trở lại tiếp tục Nếu kết luận đúng, vũ trụ giãn nở mãi Nhưng ngài Roger Penrose nói với tơi: “Chúng ta khơng biết điều thực xẩy – big bang cố hồn tồn dị thường Tơi khơng tin lý thuyết trường mà khơng tìm thấy, vũ trụ thơ ấu mà khơng có chứng nó, vũ trụ lớn vũ trụ phận Khơng có lý trực tiếp để tin vào giả thuyết giả thuyết đó” Năm 1965, Penrose cơng bố định lý ơng, đó, sử dụng phương pháp mạnh topo, cung cấp chứng điểm kỳ dị big bang Ông nói tiếp: “Tơi tin vũ trụ có dạng hình học hyperbolic số vũ trụ – tơi khơng tin Cũng lý thuyết vũ trụ lạm phát – kẻ đa nghi Những người ta làm đưa lý thuyết, chứng không ủng hộ nó, người ta lại thay đổi lý thuyết, thay thay lại” Alan Guth chống lại lý luận ý kiến sau đây: “Mặc dù chưa biết rõ chi tiết giãn nở lạm phát diễn xác nào, tơi nghĩ tư tưởng lý thuyết lạm phát chắn Lý thuyết đưa giải thích thuyết phục vấn đề làm mà vũ trụ lại trở nên lớn thế, đồng thế, phẳng thế” Chắc chắn tranh luận nhà khoa học tiếp tục, họ cố gắng khám phá bí mật vũ trụ Nhưng có điều mà tất nhà khoa học đồng ý, sức mạnh tuyệt đối cơng dụng tiện lợi tiếp tục kéo dài thuyết tương đối tổng quát Einstein Trong lý thuyết cuối cùng, khát vọng muốn hiểu đước “ý Chúa” đầy đủ đòi hỏi phát kết hợp thuyết tương đối tổng quát với học lượng tử Nhưng phương trình cuối sao, phương trình trường Einstein phải chiếm phần chủ yếu Trong phát triển phương trình lạ thường mình, Einstein thực mơ ước ông – ông hiểu phần ý nghĩ Chúa Đó phương trình trường Einstein với số vũ trụ, phương trình gần với Phương Trình Chúa: Rμν – 1/2gμν – λgμν = – 8πGTμν tensor Ricci, R “vết đặc trưng”[5] tensor Ricci, λ số vũ trụ, gμν đại lượng xác định khoảng cách – tức tensor khoảng cách hình học khơng gian, G số hấp dẫn Newton, Tμν tensor thể tính chất lượng, động năng, vật chất, 1/2, số thông thường Trong sách nhan đề Những năm sau đời (Out of My Later Years, Phylosophical Library xuất New York, năm 1950, trang 48), Einstein có tâm quan điểm ơng tương lai, ông cố gắng tìm kiếm lý thuyết trường thống cho thứ Ông viết: Thuyết tương đối tổng quát chưa đầy đủ chừng nguyên lý tương đối tổng quát áp dụng trường hấp dẫn, không áp dụng trường tổng quát Chúng ta chưa biết cách chắn trường tổng quát không gian mơ tả chế tốn học nào, trường tổng quát lệ thuộc vào định luật bất biến tổng quát Tuy nhiên có vấn đề dường chắn: nghĩa là, nguyên lý tương đối tổng quát chứng tỏ công cụ cần thiết hiệu để giải tốn trường tổng qt (Hình 16-2: Einstein : “Tơi muốn hiểu ý Chúa”) Einstein hiểu cố gắng ông bị giới hạn phương pháp tốn học có Trong phát triển thuyết tương đối đặc biệt, Einstein sử dụng toán học Lorentz Minkowski Đối với thuyết tương đối tổng quát, ông sử dụng thành cơng tốn học Ricci Levi-Civita toán học Riemann Nhưng đến đây, Einstein phải dừng lại Ông đoạn đường dài để tới Phương Trình Chúa, để xa hơn, ông cần đến công cụ toán học Một lý thuyết tốn học tìm thấy theo hướng mà S.S.Chern Đại học Princeton gợi ý, bao gồm phưpưng pháp trừu tượng hố hình học topo lên đến cấp độ cao Các nhà toán học phát minh công cụ, nhà vật lý áp dụng chúng, nhà thiên văn kiểm tra lý thuyết cung cấp liệu, nhà vũ trụ học tạo tranh lớn vũ trụ Nếu nguyên lý nhiều lý thuyết thực tiễn nhiều lĩnh vực khác ủng hộ, hy vọng bắt đầu hiểu định luật chủ yếu tự nhiên trình bầy đánh giá Phương Trình Chúa Khi phương trình cuối xây dựng, sử dụng để giải tốn thách đố kỳ diệu Đấng Sáng Tạo Và có lẽ lý Chúa gửi đến đây, vị trí bậc [1] Steven Weinberg, “The Cosmological Constant Problem” (Vấn đề số vũ trụ), Những giảng Morris Loeb vật lý, Đại học Harvard xuất bản, tháng năm 1988 [2] Hiện tượng quasars có cách giải thích khác Tơi mang ơn Alan Guth ý kiến trình bầy [3] H.Aldersley-William, “May the Force be with Us ?” (Có thể tồn lực lạ bên cạnh ?), tờ The Independence, ngày tháng 12 năm 1996, trang 20 [4] Trên tờ The Observer, ngày 23 tháng 11 năm 1997 [5] Chú thích N.D.: Xem ghi (8-1) Chương ...PHƯƠNG TRÌNH CỦA CHÚA Einstein, Thuyết tương đối, vũ trụ giãn nở Tác giả: Amir D Aczel Nhà xuất Four Walls Eight Windows, New York 1999 Bản tiếng Việt: ? ?Câu chuyện phương trình thâu tóm vũ trụ? ??[1]... nhau: vũ trụ tĩnh, vũ trụ co, vũ trụ giãn, vũ trụ đàn hồi, vũ trụ tuần hoàn, v.v phải đợi đến đến thời điểm lề chuyển sang kỷ thiên niên kỷ mới, khoa học tìm thấy kịch sát với thực: vũ trụ giãn... ông vũ trụ Khi hiểu toán học vật lý học đến mức thực nhìn thấy phương trình xác định hình học vũ trụ sao, số vũ trụ Einstein, số bị phỉ báng, ăn khớp cách đáng kinh ngạc với thách đố vũ trụ giãn