Kiến thức về vũ trụ

Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ Lời giới thiệu Hai lý thuyết vĩ đại tạo nên những trụ cột của vật lý hiện đại là cơ học lượng tử và thuyết tương đối đã ra đời gần như đồng thời vào đầu thế kỷ XX. Cơ học lượng tử, lý thuyết về những cái vô cùng bé, đã được xây dựng trong những năm 1910-1930 bởi một nhúm những con người lãng mạn như Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Edwin Schrodinger, Wolfgang Pauli và Louis de Broglie, đã giải thích được một cách tuyệt vời hành trạng của các hạt sơ cấp và các nguyên tử cũng như các tương tác của chúng với ánh sáng. Chính nhờ cơ học lượng tử mà chúng ta có được những công cụ kỳ diệu như máy thu thanh, TV, các bộ dàn stereo, điện thoại, máy fax, máy tính và Internet, những công cụ làm cho cuộc sống của chúng ta trở nên thú vị hơn và liên kết chúng ta với nhau. Thuyết tương đối là lý thuyết của những cái vô cùng lớn: nó được sinh ra từ trực giác thiên tài của một “chuyên viên kỹ thuật hạng ba” chẳng mấy ai biết tới có tên là Albert Einstein thuộc phòng đăng ký sáng chế phát minh ở Bern (Thuỵ Sĩ) và lý thuyết này đã đưa ông lên tột đỉnh vinh quang. Với thuyết tương đối hẹp được công bố năm 1905, Einstein đã thống nhất được thời gian và không gian nhờ xem xét lại tính phổ quát của chúng: thời gian của một nhà du hành với vận tốc không đổi gần vận tốc ánh sáng sẽ bị giãn ra trong khi đó không gian lại bị co lại so với thời gian và không gian của một người nào đó đứng yên. Đồng thời, Einstein cũng thiết lập được sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng, do đó cho phép ta giải thích được lò lửa của các ngôi sao: chúng đã biến một phần khối lượng của chúng thành năng lượng và, than ôi, nó cũng dẫn tới những quả bom nguyên tử đã gây ra chết chóc và tàn phá hai thành phố Nhật Bản Hiroshima và Nagasaki. Với thuyết tương đối rộng được công bố năm 1915, Einstein đã chứng minh được rằng một trường hấp dẫn mạnh, như trường ở gần một lỗ đen (lỗ thành, chẳng hạn bởi sự co lại của một ngôi sao đã dùng hết năng lượng dự trữ của nó) không chỉ làm cho thời gian giãn ra mà còn làm cong cả không gian nữa. Đồng thời, các phương trình của thuyết tương đối rộng cũng nói rằng Vũ trụ hoặc là đang giãn nở hoặc là đang co lại, chứ không thể là tĩnh tại, cũng hệt như một quả bóng được tung lên không hoặc là bay lên cao hoặc là rơi xuống chứ không thể treo lơ lửng trong không khí được. Vì ở thời đó người ta nghĩ rằng Vũ trụ là tĩnh, nên Einstein đã buộc phải đưa vào một lực phản hấp dẫn để bù trừ cho lực hấp dẫn hút của Vũ trụ nhằm làm cho nó trở nên dừng. Sau này, vào năm 1929, khi nhà thiên văn Mỹ Edwin Hubble phát hiện ra Vũ trụ đang giãn nở, Einstein đã phải tuyên bố rằng “đó là sai lầm lớn nhất của cuộc đời ông”. Hai lý thuyết vĩ đại đó đã được nhiều lần kiểm chứng qua các phép đo và quan sát, đồng thời chúng hoạt động rất tốt chừng nào chúng ở tách rời và giới hạn trong địa hạt riêng của mình. Cơ học lượng tử mô tả chính xác hành trạng của các nguyên tử và ánh sáng khi mà hai lực hạt nhân mạnh và yếu cùng với lực điện từ dẫn dắt vũ điệu còn lực hấp dẫn thì nhỏ không đáng kể. Thuyết tương đối giải thích rất tốt những chất của hấp dẫn ở thang cực lớn của Vũ trụ, của các thiên hà, các ngôi sao và các hành tinh, khi mà lực này chiếm ưu thế và các lực hạt nhân cũng như lực điện từ không còn đóng vai trò hàng đầu nữa. Nhưng vật lý học đã biết lại hụt hơi và mất hết phương tiện khi lực hấp dẫn, vốn nhỏ không đáng kể ở thang hội nguyên tử, lại trở nên đáng kể như ba lực kia. Mà điều này lại chính xác là cái đã xảy ra ở những khoảnh khắc đầu tiên của Vũ trụ. Ngày hôm nay, người ta nghĩ rằng khoảng 15 tỷ năm trước, một vụ nổ cực mạnh – tức Big Bang - đã sinh ra Vũ trụ, không gian và thời gian. Từ đó, đã diễn ra một quá trình thăng tiến, không một phút nào ngơi, trên con đường phức tạp hóa. Xuất phát từ một chân không nội nguyên tử, Vũ trụ đang giãn nở đã không ngừng phình to và nở ra. Các quark và electron, các proton và notron, các nguyên tử, các ngôi sao và các thiên hà kế tiếp nhau được tạo thành. Vậy là một tấm thảm vũ trụ bao la đã được dệt nên, bao gồm tới hàng trăm tỷ thiên hà, mỗi thiên hà lại bao gồm hàng trăm tỷ ngôi sao. Trong vùng biên của một trong số những thiên hà đó và có tên là Ngân Hà, trên một hành tinh ở gần ngôi sao có tên là Mặt Trời, xuất hiện con người có khả năng biết kinh ngạc trước vẻ đẹp và sự hài hòa của Vũ trụ, có ý thức và có trí tuệ cho phép nó có thể đặt ra những câu hỏi về Vũ trụ đã sinh ra nó. Như vậy là cái vô cùng bé đã sinh nở ra cái vô cùng lớn. Để hiểu được nguồn gốc của Vũ trụ và do đó cả nguồn gốc của riêng chúng ta nữa, chúng ta cần có một lý thuyết vật lý có khả năng thống nhất cơ học lượng tử với thuyết tương đối và mô tả được tình huống trong đó cả bốn lực cơ bản đều bình đẳng với nhau. Nhưng nhiệm vụ thống nhất đó không phải dễ dàng gì, bởi lẽ có sự không tương thích cơ bản giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng trong vấn đề liên quan tới hình học của không gian, điều mà Brian Greene đã mô tả rất hay. Theo thuyết tương đối, không gian ở thang rất lớn, nơi triển khai các thiên hà và các ngôi sao, là trơn và hoàn toàn không có những chỗ sần sùi và gai góc. Trái lại, không gian ở thang nội nguyên tử của cơ học lượng tử lại không trơn tru mà trở thành một loại mút xốp không có hình hạng xác định, đầy rẫy những lượn sóng và những điểm kỳ dị, xuất hiện rồi lại biến mất trong những khoảng thời gian vô cùng nhỏ, luôn luôn chuyển động và luôn luôn thay đổi. Độ cong và tôpô của thứ mút lượng tử này là hỗn độn và chỉ có thể mô tả được thông qua xác suất. Một bức tranh thuộc trường phái họa điểm của Seurat, khi mà ta xem gần, sẽ thấy nó được phân tách thành hàng ngàn những điểm màu sặc sỡ, tương tự như vậy, ở thang nội nguyên tử, không gian được phân hóa thành các thăng giáng và trở nên có tính chất ngẫu nhiên. Sự không tương thích giữa hai lý thuyết này khiến cho chúng ta không thể ngoại suy những định luật của thuyết tương đối tới tận điểm “thời gian zero” của Vũ trụ, tức là thời điểm sáng tạo ra không gian và thời gian. Những định luật của thuyết tương đối sẽ hoàn toàn mất chỗ đứng ở thời điểm vô cùng bé 10-41 giây sau Big Bang, còn được gọi là “thời gian Planck”. Ở thời điểm đó, Vũ trụ chỉ có đường kính bằng 10-33cm (được gọi là “chiều dài Planck”), tức là nhỏ hơn một nguyên tử cả 10 triệu tỷ tỷ lần. Như vậy là bức tường Planck đã được dựng lên để chắn ngang con đường tiến tới sự nhận thức nguồn gốc của Vũ trụ. Được đặt trước sự thách thức, các nhà vật lý đã lao tâm khổ tứ nhằm vượt qua bức tường chắn đó. Họ đã nỗ lực phi thường để tìm kiếm cái mà người ta gọi một cách hơi đại ngôn là “lý thuyết về tất cả”, một lý thuyết thống nhất bốn lực của tự nhiên thành một “siêu lực” duy nhất. Năm 1967, nhà vật lý người Mỹ Steven Weinberg và nhà vật lý người Pakistan Abdus Salam đã thống nhất được lực điện từ và lực hạt nhân yếu thành một lực điện-yếu. Các lý thuyết “thống nhất lớn” dường như đã có thể thống nhất được lực hạt nhân mạnh và lực điện-yếu. Trong một thời gian rất dài, lực hấp dẫn vẫn ương bướng từ chối mọi sự hợp nhất với các lực khác. Cho tới khi xuất hiện lý thuyết dây, “nữ nhân vật” của cuốn sách này. Theo lý thuyết dây, các hạt không còn là những phần tử cơ bản nữa mà chỉ là những dao động của một dây vô cùng nhỏ có chiều dài cỡ 10-33cm, tức chiều dài Planck. Các hạt của vật chất và ánh sáng chuyển tải các lực (chẳng hạn như photon là hạt truyền lực điện từ) liên kết các phần tử của thế giới với nhau và làm cho nó biến đổi. Tất cả những điều đó chỉ là các biểu hiện khác nhau của các dây. Nhưng một điều kỳ diệu là, hạt graviton – hạt truyền lực hấp dẫn – cũng ở trong số những biểu hiện đó. Như vậy, sự thống nhất giữa lực hấp dẫn và ba lực còn lại đã tỏ ra là có thể thực hiện được. Hoàn toàn giống như sự dao động của các dây đàn violon tạo ra những âm thanh khác nhau cùng với các họa âm của chúng, âm thanh và các họa âm của các siêu dây cũng được thể hiện trong tự nhiên và đối với các dụng cụ đo của chúng ta, dưới dạng các hạt photon, proton, nơton, electron, graviton v.v... Những siêu dây rung động ở khắp nơi xung quanh chúng ta và thế giới chỉ là một bản giao hưởng bát ngát. Theo một phương án của lý thuyết, các siêu dây dao động trong một vũ trụ có chín chiều không gian. Trong một phương án khác, chúng dao động trong một vũ trụ hai mươi lăm chiều. Vì chúng ta chỉ cảm nhận được ba chiều không gian, nên cần phải giả thiết rằng những chiều bổ sung đó được cuộn lại cho đến khi nhỏ tới mức chúng ta không còn cảm nhận được nữa. Brian Greene đã kể cho chúng ta một cách rất sinh động và tài năng về sự ra đời và phát triển của lý thuyết siêu dây. Với một văn phong sáng sủa và truyền cảm, ông đã chỉ cho chúng ta thấy lý thuyết này đã mở đường để dung hoà cơ lượng tử với thuyết tương đối như thế nào. Ông cũng đã mô tả cho chúng ta thấy không chỉ những cuộc cách mạng về khái niệm đã làm nảy sinh ra lý thuyết này mà còn cả những con đường sai lầm và những ngõ cụt, nghĩa là cho chúng ta thấy con đường phát triển quanh co của khoa học. Vốn là người trực tiếp tham gia phát triển lý thuyết dây, Brian Greene xứng đáng là người hướng dẫn lý tưởng để dẫn dắt chúng ta lần theo những con đường khúc khuỷu của đề tài này. Mặc dù, hết sức nhiệt thành với lý thuyết dây, nhưng Greene cũng không hề che dấu những đám mây đen làm u ám phong cảnh. Lý thuyết dây còn lâu mới có thể hoàn chỉnh và con đường cần phải đi để tới được đích cuối cùng sẽ còn rất dài và cực kỳ gian khó. Mặt khác, nó còn được bao bọc trong một bức màn toán học dầy đặc và trừu tượng tới mức thách thức những nhà vật lý tài năng nhất hiện thời. Cuối cùng, lý thuyết này còn chưa bao giờ được kiểm chứng bằng thực nghiệm, bởi vì những hiện tượng mà nó tiên đoán diễn ra ở những năng lượng vượt quá xa năng lượng mà những máy gia tốc hạt hiện nay có thể đạt được. Vậy là bản giao hưởng của các dây vẫn còn dang dở. Liệu nó mãi mãi dang dở như thế hay không ? Brian Greene trả lời là không. Nhưng chỉ có tương lai mới nói được điều đó với chúng ta. Trịnh Xuân Thuận Paris, tháng 6 năm 2000. Bản dịch sau đây của Phạm Văn Thiều, Nhà xuất bản Trẻ, năm 2000 Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ Phần I : Chương I - Được kết nối bởi các dây(1) Có đúng là Vũ trụ, ở mức cơ bản nhất của nó, đã được phân chia một cách rạch ròi: có một tập hợp những định luật dùng để mô tả những hiện tượng ở thang nhỏ và một tập hợp các định luật khác, không tương thích với tập thứ nhất, dùng để mô tả các hiện tượng ở thang rất lớn? Nói rằng người ta cố tình ỉm đi thì kể cũng hơi quá đáng. Nhưng từ hơn một nửa thế kỷ nay, thậm chí ngay cả khi dấn thân vào một trong số những cuộc phiêu lưu khoa học vĩ đại nhất của thời đại chúng ta, các nhà vật lý cũng cố lờ đi các đám mây đen mà họ đã nhìn thấy lấp ló ở phía chân trời. Nguyên do là thế này: vật lý hiện đại dựa trên hai trụ cột. Một là lý thuyết tương đối rộng của Albert Einstein mô tả tự nhiên ở thang lớn nhất, thang của các sao, các thiên hà và thậm chí của toàn Vũ trụ. Và hai là lý thuyết lượng tử mô tả tự nhiên ở thang nhỏ nhất, thang của các phân tử, nguyên tử và các thành phần sơ cấp của vật chất, chẳng hạn như các quark và các electron. Những tiên đoán của cả hai lý thuyết đều được khẳng định hùng hồn bởi rất nhiều thực nghiệm với một độ chính xác không thể tưởng tượng nổi. Tuy nhiên, chính hai công cụ lý thuyết này lại không tránh khỏi dẫn tới một kết luận đáng lo ngại: theo như cách chúng được trình bày hiện nay thì thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử không thể cả hai đều đúng được. Hai lý thuyết đặt cơ sở cho sự tiến bộ vĩ đại của vật lý trong suốt một trăm năm trở lại đây lại không tương thích với nhau. Nếu trước đây bạn chưa bao giờ được nghe nói tới sự đối kháng gay gắt đó thì chắc chắn bạn sẽ thấy rất ngạc nhiên. Nhưng điều này cũng chẳng có gì là khó hiểu cả: thường thì trừ những tình huống cực đoan nhất, còn thì các nhà vật lý hoặc là chỉ nghiên cứu những hệ rất nhỏ và rất nhẹ (các nguyên tử hoặc các thành phần cấu tạo nên nó) hoặc là các hệ cực lớn và cực nặng (như các sao và các thiên hà), nhưng chưa bao giờ nghiên cứu đồng thời cả hai loại hệ đó. Điều này có nghĩa là, các nhà vật lý hoặc chỉ cần dùng cơ học lượng tử hoặc chỉ dùng thuyết tương đối rộng. Và như vậy, trong suốt năm mươi năm nay, họ cứ hài lòng như vậy trong cảnh bình an chẳng khác gì kẻ điếc không sợ súng. Khốn nỗi, tự nhiên cũng rất có thể là “cực đoan”. Trong sâu thẳm ở trung tâm của một lỗ đen, có một khối lượng rất lớn được giam trong một thể tích cực nhỏ. Hoặc ở thời điểm Big Bang, toàn bộ Vũ trụ được phun ra từ một điểm nhỏ tới mức mà ở bên cạnh nó một hạt cát cũng trở nên khổng lồ. Những hiện tượng này vừa có khối lượng cực lớn vừa có kích thước cực nhỏ, nên cần phải có cả thuyết tương đối rộng lẫn cơ học lượng tử mới mô tả được. Vì những lý do mà rồi dần dần chúng ta sẽ biết: khi kết hợp các phương trình của thuyết tương đối rộng với các phương trình của cơ học lượng tử, lý thuyết sẽ bắt đầu lọc xọc và phun khói mù mịt như một cỗ xe đã hết hơi. Nói một cách khác, trong cuộc hôn phối bất hạnh của hai lý thuyết đó, những bài toán vật lý được đặt một cách nghiêm chỉnh lại cho những câu trả lời vô nghĩa. Thậm chí, ngay cả khi chúng ta sẵn sàng chấp nhận để mặc cho những chuyện bên trong lỗ đen và sự sáng tạo ra Vũ trụ vẫn nằm trong vòng bí mật đi nữa thì chúng ta không thể không cảm thấy rằng sự đối địch giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử đang đòi hỏi khẩn thiết phải có một trình độ hiểu biết sâu sắc hơn. Liệu có đúng là Vũ trụ, ở mức cơ bản nhất của nó, đã được phân chia một cách rạch ròi: có một tập hợp những định luật dùng để mô tả những hiện tượng ở thang nhỏ và một tập hợp các định luật khác, không tương thích với tập thứ nhất, dùng để mô tả các hiện tượng ở thang rất lớn? Lý thuyết siêu dây, một kẻ ngổ ngáo trẻ tuổi so với các bậc lão làng là thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử, đã kiêu hãnh trả lời phủ định câu hỏi ở trên. Những nghiên cứu ráo riết hơn một chục năm qua của các nhà vật lý và toán học trên khắp thế giới đã cho thấy rằng lý thuyết mới này, lý thuyết mô tả vật chất ở mức cơ bản nhất của nó, đã giải tỏa được sự căng thẳng giữa lý thuyết lượng tử và lý thuyết tương đối rộng. Thực tế, lý thuyết siêu dây còn cho thấy hơn thế: trong khuôn khổ của lý thuyết mới, hai lý thuyết này còn trở nên cần thiết cho nhau để làm cho lý thuyết mới có nghĩa. Theo lý thuyết siêu dây thì cuộc hôn phối giữa hai lý thuyết đó không những chỉ là hạnh phúc mà còn không thể tránh được. Đó mới chỉ là một phần của tin tức tốt lành. Lý thuyết siêu dây – mà sau này để ngắn gọn ta gọi là lý thuyết dây – còn xem sự kết hợp này là một bước tiến khổng lồ. Trong suốt ba chục năm ròng, Einstein đã tìm kiếm một lý thuyết thống nhất của vật lý, một lý thuyết có khả năng đan bện tất cả các lực của tự nhiên và tất cả các thành phần tạo nên vật chất trong một tấm thảm lý thuyết duy nhất. Nhưng ông đã thất bại. Giờ đây, vào buổi bình minh của thiên niên kỷ mới, những chuyên gia của lý thuyết siêu dây tuyên bố rằng những đầu mối của tấm thảm thống nhất khó nắm bắt này cuối cùng đã được hé lộ. Lý thuyết dây có khả năng chứng tỏ rằng tất cả những điều kỳ diệu của Vũ trụ đều xuất phát từ một nguyên lý vật lý duy nhất, từ một phương trình cơ bản duy nhất, từ vũ điệu cuồng loạn của hạt quark trong nguyên tử tới điệu van nhịp nhàng của các hệ sao đôi, từ vụ nổ nguyên tử (Big Bang) tới vòng xoáy tuyệt đẹp của các thiên hà... Nhưng tất cả những điều đó đòi hỏi chúng ta phải thay đổi một cách căn bản quan niệm của chúng ta về không gian, thời gian và vật chất, vì vậy phải có thời gian để quen dần, thấm dần tới mức ta cảm thấy thật thoải mái. Như chúng ta sẽ thấy, khi được nhìn nhận trong bối cảnh riêng của nó, lý thuyết dây xuất hiện như một hệ quả tự nhiên và đầy kịch tính của những phát minh có tính cách mạng của vật lý học trong suốt một trăm năm qua. Thực tế, sự xung đột giữa thuyết tương đối rộng và lý thuyết lượng tử không phải là cuộc xung đột đầu tiên mà là thứ ba trong dãy những xung đột có tính chất bước ngoặt trong một thế kỷ qua. Cứ mỗi lần một cuộc xung đột được giải quyết là một lần sự hiểu biết của chúng ta về tự nhiên lại có những biến đổi đáng ngạc nhiên. Ba cuộc xung đột Cuộc xung đột đầu tiên khởi nguồn từ cuối những năm 1800, liên quan tới một số tính chất lạ lùng của ánh sáng. Nói một cách vắn tắt, theo các định luật về chuyển động của Newton, nếu chạy thật nhanh thì ta nhất định sẽ đuổi kịp tia sáng. Tuy nhiên, theo những định luật điện từ của Maxwell, thì điều đó là không thể. Như chúng ta sẽ thấy ở Chương 2, Einstein đã giải quyết được xung đột đó thông qua thuyết tương đối hẹp của ông, một lý thuyết đã làm đảo lộn những quan niệm của chúng ta về không gian và thời gian. Theo thuyết tương đối hẹp, không gian và thời gian không phải là những khái niệm tuyệt đối như trước: chúng không được mọi người tiếp nhận theo cách như nhau mà tuỳ thuộc vào trạng thái chuyển động của mỗi người. Sự phát triển của thuyết tương đối hẹp ngay lập tức đã gây ra cuộc xung đột thứ hai. Thực vậy, một trong số những kết luận trong công trình của Einstein nói rằng không có một vật nào, cũng như không có một thông tin hay một ảnh hưởng nào có thể truyền đi nhanh hơn ánh sáng. Nhưng ở Chương 3, lý thuyết hấp dẫn của Newton, một lý thuyết rất hợp với trực giác và đã được thực nghiệm kiểm chứng nhiều lần, lại xem rằng những ảnh hưởng của lực hấp dẫn đã được truyền đi một cách tức thời, ngay cả khi truyền trên những khoảng cách khổng lồ. Và lại một lần nữa, Einstein đã giải quyết được xung đột này bằng cách đưa ra một cách mô tả mới về hấp dẫn, đó là thuyết tương đối rộng được công bố năm 1915. Cũng như thuyết tương đối hẹp, lý thuyết mới này cũng làm đảo lộn những quan niệm của chúng ta về không gian và thời gian: chúng giờ đây bị cong và bị xoắn đi để đáp ứng lại sự hiện diện của vật chất hoặc năng lượng. Và chính những biến dạng này của cấu trúc không-thời gian đã truyền lực hấp dẫn từ nơi này đến nơi khác. Không gian và thời gian, do đó, không còn được xem như một màn ảnh đơn giản và trơ mà các hiện tượng tự nhiên được chiếu lên: giờ đây chúng còn là một phần không tách rời của chính các hiện tượng mà vật lý học tìm cách mô tả. Lại một lần nữa, sự phát minh ra thuyết tương đối rộng, trong khi giải quyết được một xung đột, lại dẫn tới một xung đột khác. Từ đầu thế kỷ XX cho tới tận những năm 30, các nhà vật lý đã xây dựng lý thuyết lượng tử (xem Chương 4) để trả lời một loạt những vấn đề nóng bỏng được đặt ra ngay khi người ta định dùng vật lý của thế kỷ XIX để mô tả thế giới vi mô. Và chính ở đây, như đã nói ở trên, đã ra đời cuộc xung đột thứ ba, cũng là cuộc xung đột sâu sắc nhất, xuất hiện từ sự không tương thích giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng. Như chúng ta sẽ thấy trong Chương 5, độ cong trơn tru của không-thời gian mà thuyết tương đối rộng ban cho lại hoàn toàn không phù hợp với sự sôi động điên cuồng mà lý thuyết lượng tử gán cho thế giới vi mô. Do mãi tới giữa những năm 1980, lượng tử dây mới đưa được ra một giải pháp, nên cuộc xung đột này được gọi rất đúng là bài toán trung tâm của vật lý hiện đại. Hơn thế nữa, là hậu duệ của thuyết tương đối hẹp và rộng, lý thuyết dây cũng đòi hỏi phải xem xét lại những quan niệm về không gian và thời gian theo cách riêng của nó. Chẳng hạn, phần lớn chúng ta đều tin rằng thế giới của chúng ta đang sống có ba chiều không gian. Tuy nhiên, điều này không đúng đối với lý thuyết dây bởi lẽ lý thuyết này tiên đoán rằng ngoài những chiều mà chúng ta có thể nhìn thấy được còn có những chiều khác không nhìn thấy bị cuộn chặt lại trong những chi tiết nhỏ nhất của cấu trúc không gian. Những điều mới mẻ đầy ấn tượng đó sẽ là sợi dây dẫn đường cho chúng ta trong các bước tiếp sau. Và thực tế, lý thuyết dây là phần tiếp nối của lịch sử về không-thời gian bắt đầu từ Einstein. Để có một ý niệm chính xác về lý thuyết dây, chúng ta hãy tạm lùi lại một bước để mô tả vắn tắt những điều mà chúng ta đã biết được trong suốt thế kỷ trước về cấu trúc vi mô của Vũ trụ Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ Chương I - Được kết nối bởi các day(2) ... Tất cả những tương tác giữa các vật và chất khác nhau, cũng như hàng triệu tương tác khác mà chúng ta gặp hằng ngày, đều có thể quy về những tổ hợp của bốn lực cơ bản. Một trong số bốn lực đó là lực hấp dẫn. Ba lực khác là lực điện từ và hai lực hạt nhân mạnh và yếu... Vũ trụ dưới kính lúp: chúng ta biết gì về vật chất Các nhà triết học cổ Hy Lạp cho rằng Vũ trụ được cấu thành từ những phần tử nhỏ bé không thể “cắt nhỏ” được nữa mà họ gọi là các nguyên tử. Họ đoán rằng các đối tượng vật chất đều được tạo thành từ tổ hợp của một số ít các viên gạch sơ cấp đó, cũng gần giống như các từ là tổ hợp chỉ của dăm ba chữ cái. Và họ đã đoán đúng. Hơn 2000 năm sau, chúng ta vẫn còn tin rằng điều đó là đúng, mặc dù bản chất của những viên gạch cơ bản nhất đó cũng đã tiến hóa rất nhiều. Ở thế kỷ XIX, nhiều nhà khoa học đã chứng tỏ được rằng nhiều chất quen thuộc như ôxy và cácbon đều có một thành phần nhỏ nhất có thể nhận dạng được và theo truyền thống Hy Lạp họ cũng gọi chúng là các nguyên tử. Cái tên thì vẫn thế, nhưng lịch sử đã chứng tỏ rằng nó là một cái tên không đạt, bởi lẽ các nguyên tử thực sự vẫn có thể cắt nhỏ được. Vào đầu những năm 1930, những công trình tập thể của Joseph John Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr và James Chadwick đã cho ra đời một mô hình nguyên tử giống như hệ mặt trời (vì thế mô hình này còn được gọi là “mẫu hành tinh”) mà phần lớn chúng ta đều đã rất quen thuộc. Trong mô hình này, nguyên tử không phải là thành phần sơ cấp nhất của vật chất mà là được tạo thành từ một hạt nhân chứa proton và nơtron với đám mây các electron bao quanh. Có một thời, nhiều nhà vật lý đã tưởng rằng proton, nơtron và các electron chính là các “nguyên tử” theo định nghĩa của người cổ Hy Lạp. Nhưng vào năm 1968, những thí nghiệm được tiến hành trên máy gia tốc tuyến tính ở Stanford, Hoa Kỳ, đã cho thấy rằng các proton và nơtron cũng không phải là các hạt cơ bản nhất, chúng lại được cấu tạo bởi ba hạt nhỏ hơn, đó là các hạt quark. Cái tên kỳ cục này đã được Murrey Gell-Mann – người đầu tiên tiên đoán sự tồn tại của chúng – lấy từ cuốn tiểu thuyết Finnegan’ Wake của nhà văn nổi tiếng người Scotlen – James Joyce. Thực nghiệm cũng khẳng định sự tồn tại của hai loại quark: quark u (up) và quark d (down). Proton được tạo bởi hai quark u và một quark d, còn nơtron bởi hai quark d và một quark u. Tất cả mọi vật mà bạn thấy trong thế giới ở mặt đất cũng như trên trời đều được tạo từ tổ hợp các electron, các quark u và các quark d. Không có một bằng chứng thực nghiệm nào chỉ ra rằng các hạt này không phải là sơ cấp nhất, tức là được cấu tạo nên từ các hạt khác nhỏ hơn. Nhưng cũng có rất nhiều bằng chứng cho thấy Vũ trụ còn có những hạt sơ cấp khác nữa. Vào giữa những năm 1950, Frederick Reines và Clyde Cowan đã tìm được một bằng chứng thực nghiệm xác thực cho loại hạt cơ bản thứ tư gọi là hạt nơtrinô và Wolfgang Pauli đã tiên đoán sự tồn tại của nó vào đầu những năm 1930. Nơtrinô là những hạt rất khó phát hiện vì chúng rất hiếm khi tương tác với các hạt vật chất khác: Một nơtrinô có năng lượng trung bình có thể đi qua một tấm chì dày hàng ngàn kilômét mà chuyển động của nó không mảy may chịu một ảnh hưởng nào. Điều này sẽ khiến bạn cảm thấy yên tâm hơn rất nhiều, bởi lẽ ngay khi bạn đang đọc những dòng này, thì hàng tỷ nơtrinô do Mặt Trời phóng vào không gian đang xuyên qua cơ thể bạn và qua cả Trái Đất nữa, như một phần trong hành trình đơn độc của chúng trong Vũ trụ. Một hạt cơ bản khác có tên là muon đã được phát hiện vào cuối những năm 30 bởi các nhà vật lý nghiên cứu tia Vũ trụ (đó là những trận mưa hạt tới từ không gian Vũ trụ thường xuyên tới bắn phá Trái Đất). Muon rất giống electron chỉ có điều khối lượng của nó lớn hơn cỡ 200 lần. Do không có gì trong trật tự của Vũ trụ, không có một vấn đề nào chưa được giải quyết cũng như chẳng có một vị trí thích hợp nào đòi hỏi phải có sự tồn tại của hạt muon, nên nhà vật lý hạt nào được giải thưởng Nobel Isaac Isidor Rabi đã đón tiếp sự phát minh ra nó với lời chúc mừng không mấy hào hứng: “Ai đã ra lệnh để có mày trên đời này ?”. Tuy nhiên, muon vẫn hiện diện đó và chúng ta vẫn sẽ còn chưa hết ngạc nhiên. Nhờ những công nghệ ngày càng tân tiến hơn, các nhà vật lý tiếp tục bắn phá các khối vật chất với năng lượng ngày càng cao hơn, và bằng cách đó, có lúc, họ đã tạo lại được những điều kiện chưa từng thấy kể từ Big Bang. Họ đào bới trong các mảnh vỡ nhằm tìm kiếm những hạt cơ bản mới để thêm vào danh sách ngày càng dài của các hạt. Và họ đã phát hiện thêm 4 hạt quark mới, đó là quark c (charm), quark s (strange), quark b (bottom), quark t (top) và hạt họ hàng thứ hai của electron có tên là hạt tau còn nặng hơn cả muon cùng với hai hạt khác nữa tương tự như hạt nơtrinô (mà người ta gọi là nơtrino-mu và nơtrino-tau để phân biệt với nơtrino đầu tiên có tên là nơtrino-e hay nơtrino-electron). Tất cả những hạt được tạo ra trong những va chạm ở năng lượng cao này đều rất phù du và không thuộc số những thành phần tạo nên vật chất của thế giới xung quanh chúng ta. Tuy nhiên, chúng ta vẫn còn chưa hoàn toàn ở tận cùng của bản danh sách, bởi vì ứng với mỗi một hạt còn có một phản – hạt, có cùng khối lượng với hạt, nhưng một số đặc tính khác của nó thì ngược lại, chẳng hạn như điện tích hay một số tích khác tương ứng với các lực khác mà chúng ta sẽ giới thiệu ngay dưới đây. Ví dụ, phản-hạt của electron gọi là positron, nó có khối lượng đúng như electron, nhưng diện tích của nó là +1 thay vì là -1 như electron. Khi vật chất gặp phản vật chất, chúng sẽ huỷ nhau để chỉ tạo ra năng lượng thuần tuý, chính vì lẽ đó mà chỉ có rất ít phản vật chất có trong tự nhiên của thế giới bao quanh chúng ta. Các nhà vật lý cũng đã phát hiện được một loại sơ đồ sắp xếp các hạt: các thành phần cấu tạo nên vật chất được tổ chức thành ba nhóm hay thường được gọi là ba họ như được trình bày trong Bảng 1.1. Mỗi họ đều chứa hai quark, một electron hay một trong số hai hạt họ hàng của nó cùng với nơtrino gắn với chúng. Các loại hạt tương ứng trong cả ba họ đều có tính chất như nhau, chỉ có điều khối lượng của chúng lớn dần từ họ thứ nhất tới họ thứ ba. Kết quả là, hiện nay các nhà vật lý đã thăm dò được cấu trúc của vật chất tới các thang khoảng một phần tỷ mét và chứng tỏ được rằng mọi thứ mà ta gặp – dù là có trong tự nhiên hay được con người tạo ra từ những máy va chạm nguyên tử khổng lồ - đều được tạo thành chỉ từ một tổ hợp nào đó của các hạt trong ba họ đó và các phản-hạt của chúng. Bảng 1.1. Ba họ các hạt sơ cấp. Khối lượng của chúng được tính theo khối lượng của proton lấy làm đơn vị. Giá trị khối lượng của nơtrino luôn lảng tránh sự xác định bằng thực nghiệm Nhìn vào Bảng 1.1., ta hiểu rõ hơn sự lúng túng của Rabi khi đối mặt với sự phát hiện ra hạt muon: sự sắp xếp các họ hạt dường như khá có tổ chức nhưng cũng lại đặt ra nhiều câu hỏi. Tại sao lại có nhiều hạt cơ bản đến thế, nhất là khi hầu hết các vật trong thế giới xung quanh chúng ta lại chỉ được tạo bởi electron, quark u và quark d? Tại sao lại cần tới những ba họ chứ không phải là một? Và tại sao lại không phải là bốn họ hay bất cứ một số họ nào khác? Tại sao khối lượng của các hạt lại có vẻ như được gán cho một cách ngẫu nhiên như vậy? Chẳng hạn, tại sao hạt tau lại nặng hơn electron tới ba ngàn năm trăm hai mươi lần? Và tại sao quark t lại nặng hơn hạt đồng loại với nó là quark u tới bốn mươi ngàn hai trăm lần ? Đó là những con số thật lạ lùng và dường như khá ngẫu nhiên. Liệu chúng có phải kết quả của sự ngẫu nhiên hay do một đấng thần thánh nào đó tạo ra, hoặc có một cách giải thích khoa học có thể hiểu được đối với tất cả những đặc điểm cơ bản đó của Vũ trụ chúng ta. Các lực hay bản chất của photon Mọi chuyện trở nên phức tạp hơn khi chúng ta xét tới các lực của tự nhiên. Thế giới xung quanh chúng ta đầy rẫy những phương tiện gây tác động: những chiếc vợt dập vào quả bóng, những vận động viên nhảy cầu có thể tung mình lao xuống từ những cầu nhảy cao, các nam châm lớn nâng những đoàn tàu cao tốc trên được ray riêng của chúng, các máy đếm Geiger phát tín hiệu khi có chất phóng xạ, những quả bom hạt nhân phát nổ... Và bản thân chúng ta cũng có thể tác động lên các vật bằng cách kéo, đẩy hoặc lắc chúng, bằng cách ném hoặc bắn các vật khác vào chúng, bằng cách kéo giãn, vặn xoắn hoặc nghiền nát chúng, hoặc bằng cách làm lạnh, đốt nóng, hoặc đốt cháy chúng... Trong suốt thế kỷ XX, các nhà vật lý đã tích luỹ được rất nhiều bằng chứng cho thấy tất cả những tương tác đó giữa các vật và các chất khác nhau, cũng như hàng triệu tương tác khác mà chúng ta gặp hằng ngày, đều có thể quy về những tổ hợp của bốn lực cơ bản. Một trong số bốn lực đó là lực hấp dẫn. Ba lực khác là lực điện từ và hai lực hạt nhân mạnh và yếu. Trong số bốn lực trên, lực hấp dẫn là lực quen thuộc nhất. Chính lực này đã giữ cho Trái Đất của chúng ta quay quanh Mặt Trời và cũng nhờ nó mà bàn chân chúng ta bám chặt được vào mặt đất. Khối lượng của một vật là thước đo lực hấp dẫn mà nó có thể tác dụng cũng như lực hấp dẫn mà nó có thể bị tác dụng. Nó là nền tảng của những tiện nghi trong đời sống hiện đại (điện, TV, điện thoại, máy tính...), cũng như của sức mạnh đầy ấn tượng của sấm sét và ngay cả của cái vuốt ve dịu dàng của bàn tay. Ở thang vi mô, điện tích của hạt đóng vai trò đối với lực điện từ như là khối lượng đối với lực hấp dẫn: nó xác định cường độ của lực điện từ mà hạt đó có thể tác dụng cũng như cường độ phản ứng của nó đối với lực ấy. Các lực hạt nhân mạnh và yếu ít quen thuộc hơn, đơn giản là vì cường độ của chúng giảm rất nhanh ở ngoài thang kích thước dưới nguyên tử. Chính vì thế mà rất gần đây, các nhà vật lý mới phát hiện ra chúng. Nhờ lực hạt nhân mạnh mà các quark vẫn còn “dính” với nhau ở bên trong các proton và nơtron cũng như giữ chặt chính các hạt này bên trong hạt nhân nguyên tử. Còn lực yếu là lực gây ra sự phân rã phóng xạ của một số nguyên tố như urani, coban... Trong suốt thế kỷ trước, các nhà vật lý cũng đã phát hiện ra hai điểm chung của tất cả các lực cơ bản. Thứ nhất, như chúng ta sẽ thấy trong Chương 5, ở mức vi mô, mỗi một lực đều tương ứng với một loại hạt mà ta có thể hiểu như là một “bó” nhỏ nhất của lực đó. Nếu bạn bắn một chùm laser – tức cũng là một chùm tia của bức xạ điện từ – thì có nghĩa là bạn đã bắn một chùm hạt photon – những bó nhỏ nhất của tương tác điện từ. Cũng tương tự, các lực yếu và mạnh có các bó sơ cấp tương ứng là các hạt boson yếu và các hạt gluon. (Cái tên gluon ở đây là rất gợi: chúng có thể được xem như là các thành phần vi mô của một “chất keo” (tiếng Anh là glue) đảm bảo sự gắn kết của các hạt nhân nguyên tử). Ngay từ năm 1984, các nhà thực nghiệm đã xác lập được sự tồn tại cũng như tính chất của ba loại “hạt tương tác” (xem Bảng 1.2). Còn graviton – hạt tương tác gắn với lực hấp dẫn, mặc dù còn chưa có những khẳng định bằng thực nghiệm, nhưng các nhà vật lý hầu như đã tin vào sự tồn tại của chúng Bảng 1.2. Đối với mỗi lực cơ bản đều cho hạt tương tác tương ứng và khối lượng của nó (tính theo đơn vị là khối lượng của proton). Đối với lực hạt nhân yếu, có nhiều hạt tương tác với khối lượng nhận một trong hai giá trị cho trong bảng. Sự không có khối lượng của graviton vẫn chỉ là giả thuyết. Điểm chung thứ hai của tất cả các lực cơ bản liên quan tới các “tích”: cũng hệt như khối lượng của các hạt do tác dụng của lực hấp dẫn lên nó, điện tích xác định cường độ của lực điện từ tác dụng lên hạt, các hạt mang “tích yếu” hoặc “tích mạnh” là những tính xác định cường độ của các lực yếu và lực mạnh tương ứng tác dụng lên hạt đó. (Chi tiết về tính chất của các hạt cơ bản được cho trong bảng ở phần Chú thích của bài này [1]). Điện tích và khối lượng đã được các nhà vật lý thực nghiệm đo đạc rất chính xác, nhưng thật không may, cho tới nay chưa có ai có thể giải thích được tại sao Vũ trụ của chúng ta lại tạo bởi những hạt mang đúng những giá trị khối lượng và điện tích đó? Mặc dù có những điểm chung, nhưng việc xem xét bốn lực cơ bản lại đặt ra nhiều câu hỏi mới. Trước hết, tại sao lại là bốn lực? Tại sao không phải là năm, là ba hay thậm chí chỉ là một lực duy nhất? Tại sao các lực lại thể hiện những tính chất rất khác nhau như vậy? Tại sao các lực hạt nhân mạnh và yếu lại bị buộc chỉ đứng hoạt động ở mức vi mô, trong khi các lực hấp dẫn và điện từ lại có tầm tác dụng vô hạn? Và cũng tại sao, cường độ của bốn lực đó lại khác biệt nhiều như vậy? Để bạn có được một ý niệm về sự khác biệt đó, hãy tưởng tượng mỗi tay bạn đều giữ một electron và cố đưa chúng lại gần nhau. Hai hạt tích điện và giống hệt nhau này sẽ hút nhau bởi lực hấp dẫn và đẩy nhau bởi lực điện từ. Vậy lực nào sẽ thắng thế? Các electron sẽ hút lại gần nhau hay đẩy nhau ra xa? Tất nhiên là lực đẩy sẽ thắng thế vì lực điện từ mạnh hơn lực hấp dẫn tới một triệu tỷ tỷ tỷ tỷ (1042) lần. Và nếu như cơ bắp ở tay phải bạn tượng trưng cho lực hấp dẫn, thì khi đó để tượng trưng cho lực điện từ, cơ bắp tay trái bạn phải kéo dài tới tận bên ngoài biên giới tận cùng của Vũ trụ mà ta quan sát được! Lý do duy nhất để giải thích tại sao lực điện từ không lấn át lực hấp dẫn trong thế giới bao quanh chúng ta là bởi vì phần lớn các vật được tạo bởi lượng điện tích dương và âm ngang nhau, do đó lực điện từ triệt tiêu lẫn nhau. Trong khi đó, lực hấp dẫn chỉ là hút, nên không có sự triệt tiêu như thế: càng có nhiều vật chất thì lực hấp dẫn chỉ càng mạnh thêm. Hơn thế nữa, về bản chất lực hấp dẫn là một lực cực yếu. (Điều này giải thích tại sao khẳng định bằng thực nghiệm sự tồn tại của graviton là một việc rất khó. Do vậy, việc tìm kiếm cái bó nhỏ nhất đó của lực yếu nhất này quả là một thách thức). Thực nghiệm cũng đã chứng tỏ được rằng lực mạnh lớn gấp một trăm lần lực điện từ và lớn gấp một ngàn lần lực yếu. Và ở đây, một lần nữa, một câu hỏi được đặt ra là: do đâu mà Vũ trụ chúng ta lại có những đặc điểm đó ? Đây không phải là câu hỏi được sinh ra từ sự triết lý bàn trà kiểu như tại sao một số chi tiết lại xảy ra theo cách này mà không theo cách khác. Vấn đề là ở chỗ Vũ trụ sẽ khác đi rất nhiều nếu ta làm thay đổi, dù chỉ là tí chút, những tính chất của vật chất và các hạt tương tác. Ví dụ, sự tồn tại của các hạt nhân bền vững tạo nên hơn một trăm nguyên tố trong Bảng tuần hoàn phụ thuộc một cách sít sao vào tỷ số giữa cường độ của lực hạt nhân mạnh và cường độ của lực điện từ. Thực vậy, lực điện từ giữa các proton bị giam bên trong hạt nhân làm cho chúng đẩy nhau, trong khi đó, thật may mắn, lực hạt nhân mạnh tác dụng giữa các hạt quark tạo nên chúng lại thắng lực đẩy này và giữ chặt các proton lại với nhau. Nhưng chỉ cần một thay đổi nhỏ trong cường độ tương đối của hai lực đó là sự cân bằng giữa chúng sẽ bị phá vỡ và có thể sẽ làm cho phần lớn các hạt nhân nguyên tử bị phân rã. Một ví dụ khác: nếu khối lượng của electron lớn hơn một chút, các electron và proton sẽ có xu hướng kết hợp với nhau để tạo thành nơtron, khi đó thì nguyên tử hiđrô (nguyên tố đơn giản nhất trong Vũ trụ với hạt nhân chỉ gồm một proton duy nhất) sẽ biến mất và do đó làm cho quá trình sản xuất ra các nguyên tố phức tạp hơn bị ngừng trệ. Các ngôi sao chỉ tồn tại được là nhờ vào sự tổng hợp các hạt nhân trong lòng của chúng, với sự thay đổi này, cũng sẽ không còn các ngôi sao nữa. Ở đây cường đồ của lực hấp dẫn cũng đóng vai trò quan trọng. Mật độ lớn của vật chất trong lõi của các ngôi sao có tác dụng duy trì lò lửa hạt nhân trong đó và dẫn tới sự phát sáng của các ngôi sao. Nếu như lực hấp dẫn mạnh hơn một chút, lõi của các ngôi sao sẽ hút mạnh hơn và do đó sẽ làm tăng nhịp độ diễn ra các phản ứng tổng hợp hạt nhân. Cũng giống như các bó đuốc sáng sẽ tiêu thụ nhiên liệu nhanh hơn một ngọn nến cháy chậm rãi, nếu nhịp độ xảy ra các phản ứng tổng hợp hạt nhân gia tăng, thì các ngôi sao như Mặt Trời của chúng ta sẽ tắt nhanh hơn và do đó việc tạo thành sự sống như chúng ta đã biết sẽ hoàn toàn là chuyện đáng ngờ. Trái lại, nếu lực hấp dẫn yếu hơn một chút, vật chất sẽ phân tán và do đó sẽ không có các ngôi sao cũng như chẳng có các thiên hà. Những ví dụ trên còn có rất nhiều, nhưng ý tưởng này đã là rõ ràng: Vũ trụ của chúng ta như nó hiện nay là bởi vì vật chất và các tương tác của chúng có những tính chất như chúng đang có. Nhưng liệu có một giải thích khoa học cho câu hỏi: Tại sao chúng lại có những tính chất đó? Bảng dưới đây khá chi tiết hơn so với Bảng 1.1., trong đó liệt kê khối lượng, tích lực của các hạt thuộc cả ba họ. Mỗi loại quark mang ba tích lực mạnh khả dĩ được gọi văn vẻ là ba tích màu, tượng trưng cho giá trị bằng số của ba tích lực mạnh. Các tích yếu thực chất là “thành phần thứ ba” của isospin yếu. Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ Chương I - Được kết nối bởi các day(3) Lý thuyết dây cho chúng ta một khuôn khổ giải thích duy nhất cho vật chất và tất cả các tương tác của nó mà chỉ dựa trên một nguyên lý duy nhất: ở cấp độ nhỏ nhất, tất cả chỉ là những tổ hợp của các dây dao động. Lý thuyết dây: ý tưởng cơ bản Lý thuyết dây lần đầu tiên đã cho một khuôn mẫu khái niệm mạnh mẽ cho phép trả lời được những câu hỏi mà chúng ta đã nêu ở trên. Trước hết chúng ta hãy làm quen với ý tưởng cơ bản của nó. Các hạt được liệt kê trong Bảng 1.1 là “những chữ cái” của vật chất. Cũng giống như bảng các chữ cái, chúng không có cấu trúc nội tại. Nhưng lý thuyết dây lại tuyên bố khác. Theo lý thuyết này, nếu chúng ta có thể xem xét các hạt đó với độ chính xác cao hơn – cao hơn nhiều bậc so với độ chính xác của khả năng công nghệ hiện nay – thì chúng ta sẽ thấy rằng mỗi một hạt đó không có dạng điểm, mà thay vì thế chúng gồm một vòng dây nhỏ xíu một chiều. Giống như một dải cao su cực mảnh, mỗi một hạt này chứa một sợi dây nhảy múa và dao động, mà các nhà vật lý do không có cái duyên văn học của Gell-Mann đã đặt tên cho nó là dây. Hình 1.1. minh hoạ ý tưởng căn bản này của lý thuyết dây: xuất phát từ một mẩu vật chất thông thường – một quả táo – và liên tiếp được phóng đại để nhìn rõ những thành phần ngày càng ở thang nhỏ hơn của nó. Lý thuyết dây đã thêm một cấp độ vi mô mới, nhỏ bé nhất – cấp độ của các vòng dây dao động – vào tiến trình mà ta đã biết trước, từ quả táo tới các nguyên tử qua proton, nơtron, rồi electron đến quark [1] Hình 1.1. Vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử, rồi các nguyên tử lại được tạo thành từ các quark và electron. Theo lý thuyết dây, tất cả các hạt đó lại được tạo thành từ các dây dao động. Mặc dù điều này đã hoàn toàn rõ ràng, nhưng chúng ta sẽ thấy trong Chương 6 rằng việc thay thế các thành phần cơ bản nhất của vật chất có dạng điểm bằng các dây đã giải quyết được sự không tương thích giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng. Và như vậy lý thuyết dây đã cho phép ta gỡ được cái nút nan giải nhất của vật lý hiện đại. Đây là một thành tựu to lớn, nhưng mới chỉ là một phần của cái lý do khiến cho lý thuyết dây đã tạo ra được một sự phấn khích đến như vậy. Lý thuyết dây – lý thuyết của tất cả? Vào thời Einstein, các lực hạt nhân yếu và mạnh còn chưa được phát hiện, nhưng ông đã thấy rằng sự tồn tại của hai lực khác biệt là lực hấp dẫn và lực điện từ đã gây ra những khó khăn rất sâu sắc. Einstein đã không chấp nhận chuyện tự nhiên lại được xây dựng trên một bản thiết kế phung phí như vậy. Ông đã lao vào một cuộc hành trình kéo dài 30 năm để tìm kiếm cái gọi là lý thuyết trường thống nhất mà ông hy vọng sẽ chứng tỏ được hai lực này thực sự chỉ là những biểu hiện khác nhau của một nguyên lý lớn. Cuộc tìm kiếm đầy ảo tưởng đó đã tách Einstein ra khỏi dòng chính của vật lý học thời đó. Những nhà vật lý cùng thời với ông đang mải mê lao vào những nghiên cứu sôi động hơn nhiều trong khuôn khổ của vật lý lượng tử vừa mới xuất hiện. Vào đầu những năm 1940, ông đã viết cho một người bạn: “Tôi đã trở thành một lão già đơn độc được biết tới chỉ vì không mang vớ và được trưng bày trong những dịp lễ lạt lớn như là một thứ của lạ” [2]. Chẳng qua đơn giản là vì Einstein đã đi trước thời đại mình. Hơn một nửa thế kỷ sau, giấc mơ về một lý thuyết thống nhất của ông đã trở thành mục tiêu của vật lý hiện đại. Hiện nay, một bộ phận đáng kể của cộng đồng các nhà vật lý và toán học đang ngày càng tin rằng lý thuyết dây đang đi theo con đường đúng. Lý thuyết này cho chúng ta một khuôn khổ giải thích duy nhất cho vật chất và tất cả các tương tác của nó mà chỉ dựa trên một nguyên lý duy nhất: ở cấp độ nhỏ nhất, tất cả chỉ là những tổ hợp của các dây dao động. Chẳng hạn, lý thuyết dây khẳng định rằng các tính chất của những hạt đã biết (được liệt kê trong các Bảng 1.1. và 1.2.) chỉ là sự phản ánh những cách dao động khác nhau của các dây. Cũng giống như các dây đàn Piano hay Violon có thể dao động theo nhiều tần số cộng hưởng mà tai ta cảm nhận như những nốt nhạc khác nhau và các họa ba bậc cao của chúng, điều này cũng đúng đối với các vòng của lý thuyết dây. Nhưng như chúng ta sẽ thấy, những mode dao động của dây trong lý thuyết dây không tạo ra những nốt nhạc mà chúng là các hạt có khối lượng và điện tích được xác định bởi mode dao động đó. Electron là một kiểu dao động của dây, quark u là một kiểu dao động khác v.v. Những tính chất mà lý thuyết dây trao cho các hạt hoàn toàn không phải là một tập hợp hổ lốn các sự kiện thực nghiệm mà chúng là sự thể hiện của cùng một đặc điểm vật lý, đó là các mode dao động cộng hưởng, hay có thể nói là giai điệu của những vòng dây sơ cấp đó. Chính ý tưởng này cũng được áp dụng cho các lực của tự nhiên. Chúng ta cũng sẽ thấy rằng các hạt lực cũng được gắn với những mode dao động cụ thể của dây, và từ đó mà toàn bộ vật chất và tất cả các lực sẽ được thống nhất trong cùng một khuôn khổ những dao động vi mô của các dây, như những nốt nhạc khác nhau mà các dây có thể tạo ra. Do đó đây là lần đầu tiên trong lịch sử vật lý chúng ta có được một khuôn khổ có thể giải thích được từng đặc trưng cơ bản của tự nhiên. Vì lý do đó mà lý thuyết dây đôi khi được xem là “lý thuyết cuối cùng”. Với những lời lẽ to tát đó, thực ra người ta chỉ muốn nói rằng lý thuyết này sẽ là một lý thuyết sâu sắc nhất của tất cả những lý thuyết khác và không phải dựa trên một lý thuyết nào. Tuy nhiên, nhiều nhà lý thuyết dây có một cách tiếp cận thực tế hơn, họ xem lý thuyết về “tất cả” đơn giản chỉ là một lý thuyết có khả năng giải thích được những tính chất của các hạt cơ bản và các tương tác giữa chúng. Một nhà quy giản luận thuần tuý và cứng rắn chắc sẽ nói với bạn rằng đó hoàn toàn không phải là sự hạn chế, rằng sự hiểu biết các quá trình vi mô sơ cấp, về nguyên tắc, là đủ để chúng ta giải thích được tất cả những thứ còn lại, từ Big Bang cho tới tận những giấc mơ của chúng ta. Triết lý quy giản luận đã gây ra những cuộc tranh luận gay gắt. Nhiều người thấy rằng sẽ thật là ngớ ngẩn và dễ gây phẫn nộ nếu cho rằng những điều kỳ diệu của sự sống và của Vũ trụ chỉ đơn giản là kết quả của cái vũ điệu tẻ nhạt của các hạt cơ bản dưới sự chỉ huy của các định luật vật lý. Lẽ nào niềm vui hay nỗi buồn thực sự chỉ là kết quả của những phản ứng hóa học ở bên trong bộ não của chúng ta – những phản ứng giữa các phân tử và nguyên tử, những hạt mà ở thang nhỏ hơn lại là kết quả của những phản ứng giữa các hạt được liệt kê trong Bảng 1.1. và chính những hạt này lại chỉ đơn giản là các sợi dây nhỏ bé dao động ? Đối mặt với kiểu phê phán đó, lời lẽ của nhà vật lý được giải Nobel Steven Weinberg trong cuốn Giấc mơ về một lý thuyết cuối cùng vẫn còn rất thận trọng: “Ở đầu phổ bên kia là những người phản đối quy giản luận những người hoảng sợ trước cái mà họ cảm thấy sẽ là cảnh tiêu điều khô cằn của khoa học hiện đại. Trong bất kỳ phạm vi nào, họ và thế giới của họ đều có thể quy về khuôn khổ của các hạt hoặc trường cùng với những tương tác của chúng và điều đó khiến cho họ cảm thấy giá trị của mình bị hạ thấp... Tôi không có ý định trả lời những ý kiến phê bình đó bằng một bản trình bày hùng hồn về những vẻ đẹp của khoa học hiện đại. Hẳn nhiên, quan điểm quy giản luận khiến chúng ta đều cảm thấy ớn lạnh sống lưng. Nhưng chúng ta đã chấp nhận nó như vốn có, không phải bởi vì nó khiến chúng ta thích thú mà bởi vì thế giới của chúng ta vận hành đúng như vậy” [3]. Một số người đồng ý với quan điểm khắc nghiệt nhưng thực tế đó, song không phải là tất cả. Một số người đã viện đến, chẳng hạn như lý thuyết hỗn độn, để biện luận rằng mỗi khi độ phức tạp của một hệ thống tăng lên thì sẽ lại xuất hiện những dạng định luật mới. Việc hiểu được hành trạng của các electron hay các quark là một chuyện, còn áp dụng những tri thức này để mô tả một cơn lốc, chẳng hạn, lại là một chuyện khác. Gần như không có phản đối điều đó. Nhưng các ý kiến bắt đầu phân kỳ ngay khi nói về tính đa dạng và đặc tính đôi khi bất ngờ của các hiện tượng có thể xuất hiện từ những hệ thống phức tạp hơn những hạt đơn lẻ. Phải chăng chúng là hệ quả của những nguyên lý mới? Hay những hiện tượng đó có thể được suy ra một cách cực kỳ phức tạp từ những quy luật vật lý chi phối một số rất lớn các thành phần sơ cấp? Cảm giác riêng của tôi là chúng không phải là thể hiện của những định luật vật lý mới và độc lập. Tất nhiên, sẽ là rất khó khăn khi phải mô tả một cơn lốc bằng những định luật của vật lý hạt cơ bản, nhưng tôi thấy vấn đề ở đây chỉ là do thiếu các phương tiện tính toán chứ không phải là dấu hiệu của sự cần phải có những định luật mới. Nhưng lại một lần nữa không phải mọi người đều đồng ý với quan điểm đó. Một điểm có tầm quan trọng hàng đầu đối với cuộc phiêu lưu được mô tả trong cuốn sách này và không ai có thể nghi ngờ, đó là: thậm chí ngay cả khi ta chấp nhận quan điểm quy giản luận thuần tuý và cứng rắn nhất đi nữa thì lý thuyết và thực tiễn vẫn là hai chuyện khác nhau. Hầu hết mọi người đều thừa nhận rằng việc tìm ra “lý thuyết về tất cả” hoàn toàn không có nghĩa là tất cả những vấn đề của tâm lý học, sinh học, hóa học và thậm chí của vật lý học nữa sẽ được giải quyết hết. Vũ trụ cực kỳ đa dạng và phức tạp tới mức sự phát minh ra lý thuyết cuối cùng theo nghĩa chúng ta mô tả ở đây không hề là lời tuyên bố cáo chung của khoa học. Mà hoàn toàn ngược lại. Lý thuyết này, lý thuyết cho sự giải thích tối hậu về Vũ trụ ở cấp độ vi mô nhất của nó và không dựa trên một cách giải thích nào khác ở cấp độ sâu hơn, sẽ cung cấp cho ta một nền tảng vững chắc nhất để xây dựng nên sự hiểu biết của chúng ta về thế giới. Sự phát minh ra lý thuyết đó đánh dấu một sự khởi đầu chứ không phải kết thúc. Lý thuyết tối hậu mang lại cho chúng ta một cơ sở vững chắc cho sự nhất quán và vĩnh viễn đảm bảo cho chúng ta rằng Vũ trụ là có thể hiểu được. [1] Ngoài các vòng dây kín như minh hoạ trên Hình 1.1, các dây cũng có thể có hai đầu tự do (gọi là các dây hở). Để dễ trình bày, chúng tôi chủ yếu tập trung xét các dây kín, nhưng phần lớn những điều chúng tôi nói áp dụng được cả cho hai loại dây. [2] Albert Einstein, trong bức thư gửi cho một người bạn năm 1942, được trích trong cuốn Einstein‘s Mirror của Tony Hey và Patrick (Cambridge University Press, 1997). [3] Steven Weinberg, Dreams of a Final Theory (Pantheon, 1992), trang 52. Hiện trạng của lý thuyết dây Mục đích chủ yếu của cuốn sách này là giải thích sự hoạt động của Vũ trụ theo lý thuyết dây và đặc điểm nhấn mạnh tới những hệ quả của nó đối với sự nhận thức của chúng ta về không gian và thời gian. Không giống như nhiều tác phẩm khác viết về sự tiến bộ của khoa học, cuốn sách mà bạn đang cầm trong tay đây không mô tả một lý thuyết đã hoàn toàn sáng tỏ, đã được khẳng định bởi nhiều quan sát thực nghiệm và đã được toàn thể cộng đồng khoa học thế giới chấp nhận. Sở dĩ như vậy là do, lý thuyết dây là một cấu trúc lý thuyết rất sâu sắc và tinh xảo tới mức, mặc dù đã có những tiến bộ rất lớn trong hai chục năm trở lại đây, nhưng chúng ta còn xa mới có thể tuyên bố là đã làm chủ được hoàn toàn. Do vậy, lý thuyết dây nên được xem như một công trình đang thi công, nhưng những bộ phận đã được hoàn tất của nó đã hé lộ những đặc trưng lạ lùng của vật chất, không gian và thời gian. Sự kết hợp hài hòa được thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử là một thành công chủ yếu. Hơn nữa, không giống như những lý thuyết trước đó, lý thuyết dây có khả năng trả lời được những câu hỏi căn bản nhất về những thành phần và các lực cơ bản của tự nhiên, đó là sự thanh nhã của cả những câu trả lời lẫn khuôn khổ để trả lời mà lý thuyết dây đã đưa ra. Chẳng hạn, rất nhiều đặc điểm của tự nhiên tưởng như chỉ đơn giản là những chi tiết có tính kỹ thuật (như số lượng các hạt cơ bản và những tính chất tương ứng của chúng) thì hóa ra lại là hệ quả của một số đặc trưng căn bản và cụ thể là đặc trưng hình học của Vũ trụ. Nếu như lý thuyết dây là đúng, thì cấu trúc vi mô của Vũ trụ chúng ta sẽ là một mê lộ đa chiều đan xen nhau, trong đó các dây của Vũ trụ không ngừng dao động và vặn xoắn nhịp theo những định luật của Vũ trụ. Các tính chất của những viên gạch sơ cấp cấu tạo nên Vũ trụ hoàn toàn không phải là dãy những chi tiết ngẫu nhiên mà gắn bó một cách mật thiết với cấu trúc của không gian và thời gian. Tuy nhiên, theo những phân tích mới nhất, lý thuyết này vẫn chưa có những tiên đoán có tính chất quyết định có thể kiểm chứng bằng thực nghiệm để xác định dứt khoát nó đã thực sự vén được bức màn bí mật che giấu những chân lý sâu xa nhất của Vũ trụ chúng ta hay chưa. Có lẽ phải cần một thời gian nữa, khi mà sự hiểu biết của chúng ta đạt tới đủ độ sâu cần thiết, chúng ta mới có thể đến được mục tiêu đó. Tuy nhiên, như chúng ta sẽ thấy trong Chương 9, những kiểm chứng thực nghiệm trong vòng chục năm tới vẫn có thể tạo ra được những bằng chứng gián tiếp nhưng vững chắc về sự đúng đắn của một số kết quả do lý thuyết dây tiên đoán. Hơn thế nữa, như chúng ta sẽ thấy trong Chương 13, lý thuyết dây vừa mới giải quyết được một bài toán trung tâm của vật lý các lỗ đen, liên quan tới cái gọi là entropy Bekenstein – Hawking, mà các phương pháp thông thường đã bất lực trong suốt 25 năm. Nhờ có thành công đó, nhiều người đã tin rằng lý thuyết dây sẽ cho chúng ta một sự hiểu biét sâu sắc nhất về sự hoạt động vủa Vũ trụ. Edward Witten, một chuyên gia hàng đầu và là nhà vật lý tiên phong trong lĩnh vực này, đã tổng kết tình hình trên trong nhận xét rằng: “lý thuyết dây là một bộ phận của vật lý thế kỷ XXI đã tình cờ rơi xuống thế kỷ XX” [1] - (một đánh giá được nêu ra đầu tiên bởi nhà vật lý nổi tiếng người Italia – Daniele Amati). Về một phương diện nào đó, điều này cũng tương tự như chúng ta đặt các nhà bác học của thế kỷ XIX trước một siêu máy tính mà không có tài liệu hướng dẫn sử dụng. Dần dà, bằng những bước đi dò dẫm, rồi họ cũng sẽ hiểu được sức mạnh của chiếc máy đó, nhưng họ sẽ còn phải bỏ ra nhiều sức lực và thời gian mới có thể làm chủ được nó. Những mách bảo về tiềm năng của chiếc máy đó (cũng như chúng ta cảm nhận được sức mạnh giải thích của lý thuyết dây) sẽ mang lại cho họ một động cơ cực kỳ mạnh mẽ để chinh phục hết những tính năng của nó. Ngày hôm nay, một động cơ tương tự cũng đang thôi thúc cả một thế hệ các nhà vật lý hăm hở tìm kiếm một sự hiểu biết đầy đủ và chính xác về lý thuyết dây. Ý kiến của Witten và của nhiều chuyên gia khác trong lĩnh vực này chỉ ra rằng phải mất hàng chục thậm chí hàng trăm năm nữa chúng ta mới triển khai được đầy đủ và mới thực sự hiểu hết lý thuyết dây. Có lẽ đúng là như vậy. Thực tế, cơ sở toán học của lý thuyết dây phức tạp tới mức, cho tới nay chưa có ai biết được những phương trình chính xác chi phối lý thuyết này là như thế nào. Các nhà nghiên cứu chỉ mới biết một số dạng gần đúng của các phương trình đó, nhưng dù thế chúng cũng đã quá phức tạp và do đó mới chỉ giải được một phần. Tuy nhiên, vào cuối những năm 1900 người ta đã chứng kiến nhiều đột phá lý thuyết quan trọng cho phép trả lời được nhiều câu hỏi cực kỳ khó về mặt lý thuyết. Và điều này khiến người ta nghĩ rằng sự hiểu biết lý thuyết dây một cách đầy đủ về mặt định tính không phải quá xa vời như người ta tưởng. Các nhà vật lý trên khắp thế giới đang phát triển những kỹ thuật mới hòng vượt qua nhiều phương pháp gần đúng đã được dùng cho tới nay. Họ cùng nhau lắp ghép những mảnh rời rạc của câu đố ghép hình là lý thuyết dây của chúng ta với một tốc độ rất đáng khích lệ. Một điều lạ lùng là, những tiến bộ mới đây đã làm xuất hiện nhiều quan niệm mới cho phép giải thích lại một số khía cạnh kiến trúc của lý thuyết mà người ta tưởng là đã được xác lập. Chẳng hạn, nhìn hình 1.1. bạn có thể nảy ra một câu hỏi rất tự nhiên là: tại sao lại là dây? Tại sao không phải là các đĩa? Hay không phải là những giọt cực nhỏ? Hay thậm chí không là tổ hợp của ba khả năng đó? Như chúng ta sẽ thấy trong Chương 12, những thành tựu mới nhất cho thấy rằng các phần tử khác nhau này thực tế đều đóng một vai trò quan trọng trong lý thuyết dây và đã phát hiện ra rằng lý thuyết dây thực sự chỉ là bộ phận của một sự tổng hợp rộng lớn hơn thường được gọi (một cách bí ẩn) là lý thuyết M. Những phát minh mới nhất đó sẽ là đề tài được đề cập tới trong những chương cuối cùng của cuốn sách này. Sự tiến bộ của khoa học thường diễn ra theo từng đợt. Một số thời kỳ dồn dập những đột phá ngoạn mục, trong khi những thời kỳ khác đối với các nhà nghiên cứu chỉ là những chặng đường dằng dặc qua sa mạc. Các nhà khoa học đưa ra những kết quả cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm rồi sau đó được cả cộng đồng khoa học thảo luận. Những kết quả đó đôi khi có thể bị từ chối vứt bỏ hoặc được sửa đổi, nhưng đôi khi chúng cũng mang lại một chớp lửa cảm hứng cần thiết để tìm ra một con đường mới và chính xác hơn để hiểu cái vũ trụ vật lý của chúng ta. Nói một cách khác, khoa học luôn đi theo một con đường zig zac tới cái mà chúng ta hy vọng sẽ là chân lý cuối cùng. Con đường đó bắt đầu từ những toan tính thăm dò Vũ trụ đầu tiên của con người nhưng chưa ai đoán được điểm tận cùng của nó. Và cũng không ai có thể nói được, trên con đường dằng dặc đó, lý thuyết dây đơn giản chỉ là một điểm dừng, một điểm mốc quan trọng hay chính là đích cuối cùng. Dẫu sao, những nghiên cứu miệt mài của nhiều nhà vật lý và toán học thuộc nhiều quốc tích khác nhau trong suốt hai chục năm qua đã cho chúng ta một cơ sở để hy vọng rằng chúng ta đang đi theo con đường đúng và có thể cũng là con đường cuối cùng. Riêng chuyện ở trình độ chưa cao như chúng ta hiện nay mà đã có thể rút ra được những kết luận mới về sự hoạt động của Vũ trụ cũng đã chứng tỏ sự giàu có và tầm vóc của lý thuyết dây. Sợi chỉ trung tâm xuyên suốt trong những phần tiếp sau sẽ là những phát triển nhằm đẩy xa hơn nữa cuộc cách mạng trong quan niệm của chúng ta về không gian và thời gian, một cuộc cách mạng đã được khởi phát bởi các thuyết tương đối hẹp và rộng của Einstein. Chúng ta sẽ thấy rằng, nếu lý thuyết dây là đúng, thì cấu trúc của Vũ trụ chúng ta có những tính chất mà ngay cả Einstein cũng phải kinh ngạc. [1] Phỏng vấn Edword Witten, 11 tháng 5 năm 1998. Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ Phần II - Không gian, thời gian và các lượng tử : Chương 2 - Không gian, thời gian và người quan sát(1) ... Thuyết tương đối hẹp đã giải quyết được sự xung đột giữa trực giác của chúng ta về chuyển động và những tính chất của ánh sáng, nhưng cái giá phải trả cho sự giải quyết đó là: những người quan sát chuyển động đối với nhau sẽ không nhất trí với nhau về những quan sát của họ về cả không gian lẫn thời gian... Tháng 6 năm 1905: Albert Einstein, mới 26 tuổi, đã gửi đăng một bài báo trên tạp chí khoa học của Đức Annalen der Physik. Trong bài nghiên cứu mang tính rất chuyên môn đó, Einstein đã tấn công vào một nghịch lý có liên quan tới ánh sáng đã làm cho ông trăn trở khoảng chừng mười năm trước. Khi lật tới trang bản thảo cuối cùng của Einstein, vị chủ biên của tạp chí là Max Planck đã thấy rằng bài báo có chất lượng vượt quá mọi yêu cầu để được công bố. Thế là, không hề có trống dong cờ mở, gã nhân viên cạo giấy ở Bernơ, Thuỵ Sĩ, đã làm đảo lộn hoàn toàn những khái niệm truyền thống về không gian – thời gian và thay chúng bằng một khái niệm mới với những tính chất hoàn toàn trái ngược những điều mà chúng ta đã quen thuộc theo kinh nghiệm hằng ngày. Nghịch lý khiến Einstein phải trăn trở từ hơn mười năm trước là thế này. Vào giữa thế kỷ XIX, sau khi xem xét một cách tỉ mỉ những công trình thực nghiệm của nhà vật lý người Anh Michael Faraday, nhà vật lý người Scotlen Clerk Maxwell đã thành công trong việc thống nhất được điện và từ trong một khuôn khổ duy nhất là trường điện từ. Nếu như bạn có dịp đứng trên một đỉnh núi ngay trước khi có mưa dông lớn hay đứng cạnh một máy phát tĩnh điện Van de Graaf, bạn sẽ có được một cảm giác sâu xa về trường điện từ là gì, vì bạn đã cảm nhận được nó. Trong trường hợp bạn chưa có cơ may đó, thì hãy tưởng tượng nó giống như những làn sóng các đường sức điện và từ lan rộng trong vùng không gian mà nó đi qua. Chẳng hạn, khi bạn rắc mạt sắt gần một thanh nam châm, bạn sẽ thấy một bức tranh rất có trật tự, tạo bởi những mạt sắt này xếp theo một số những đường sức từ không nhìn thấy được. Vào một ngày đông đặc biệt khô ráo, khi cởi những chiếc áo len ra, chắc chắn là khi đó bạn đã chứng kiến sự tồn tại của các đường sức điện. Tiếng lép bép mà bạn nghe thấy hoặc thậm chí có cả sự phóng điện nhỏ mà bạn có thể cảm thấy đều là những biểu hiện của những đường sức mà các điện tích bị bứt khỏi những sợi dệt nên chiếc áo của bạn tạo ra. Ngoài chuyện thống nhất các hiện tượng điện và từ trong một khuôn khổ toán học duy nhất, lý thuyết Maxwell còn bất ngờ chứng tỏ được rằng những nhiễu động điện từ luôn luôn được truyền với cùng một vận tốc không đổi và vận tốc đó lại chính là vận tốc ánh sáng. Điều này cho phép Maxwell hiểu ra rằng ánh sáng thấy được chẳng qua chỉ là một loại sóng điện từ có khả năng tương tác hóa học với võng mạc để tạo ra thị giác. Hơn nữa, điều quan trọng, theo lý thuyết Maxwell, các sóng điện từ, trong đó có ánh sáng thấy được đều là những kẻ du mục: chúng không bao giờ dừng lại cả. Chúng cũng không bao giờ chậm lại, mà luôn luôn chuyển động với vận tốc của ánh sáng. Mọi chuyện đều tốt đẹp cho tới khi ta đặt ra câu hỏi, như chàng thanh niên Einstein 26 tuổi đã làm: Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta đuổi theo một chùm tia sáng với vận tốc ánh sáng? Lý lẽ trực giác, bắt rễ từ những định luật chuyển động của Newton, mách bảo ta rằng chúng ta sẽ đuổi kịp các sóng ánh sáng và do đó sẽ thấy chúng là dừng, tức là ánh sáng khi đó sẽ đứng yên. Nhưng theo lý thuyết của Maxwell và những quan sát đáng tin cậy khác, thì không thể có chuyện ánh sáng là dừng được: không ai có thể giữ một nhúm ánh sáng trong bàn tay của mình. Và vấn đề được nảy sinh từ đó. May thay, Einstein lại không hề biết rằng đã có nhiều nhà vật lý hàng đầu thế giới đã từng vật lộn với vấn đề đó, nhưng đã thất bại và họ chỉ còn nghiền ngẫm về cái nghịch lý của Maxwell – Newton trong những suy tư thầm kín của họ. Trong chương này chúng ta sẽ xem, thông qua thuyết tương đối hẹp của mình, Einstein đã giải quyết cuộc xung đột đó như thế nào và khi làm như vậy, ông đã làm thay đổi vĩnh viễn quan niệm của chúng ta về không gian và thời gian ra sao. Có lẽ người ta sẽ ngạc nhiên rằng mối quan tâm cơ bản của thuyết tương đối hẹp là hiểu một cách chính xác thế giới sẽ như thế nào dưới con mắt của những cá nhân, thường gọi là những “người quan sát”, chuyển động đối với nhau. Thoạt tiên, điều đó tưởng như chỉ là một bài tập luyện trí óc không mấy quan trọng. Nhưng thực tế hoàn toàn ngược lại: với hình ảnh thường trực về người quan sát đuổi theo chùm sáng, trong tay Einstein đã có những hệ quả sâu sắc, thâu tóm một cách đầy đủ cả những tình huống tẻ nhạt nhất được nhìn như thế nào dưới con mắt của những người quan sát chuyển động đối với nhau. Trực giác và những sai lầm của nó Kinh nghiệm hằng ngày đã cho phép chúng ta cảm nhận được một số khác biệt gắn liền với hai người quan sát chuyển động đối với nhau. Chẳng hạn, theo quan điểm của người lái xe chúng lại là đứng yên đối với người vẫy xe đi nhờ đang đứng ở bên đường. Cũng tương tự, bảng đồng hồ trên xe là đứng yên đối với người lái xe (thật may mắn thay!), nhưng giống như các bộ phận khác của chiếc xe, nó lại là chuyển động đối với người vẫy xe đi nhờ. Đó là những tính chất quá sơ đẳng và trực quan về thế giới xung quanh chúng ta tới mức chúng ta chẳng buồn chú ý tới nữa. Tuy nhiên, thuyết tương đối hẹp lại cho thấy rằng những khác biệt đó trong sự quan sát của hai cá nhân nói ở trên là tinh tế và sâu sắc hơn nhiều. Điều lạ lùng là nó tiên đoán rằng hai người quan sát chuyển động đối với nhau lại cảm nhận về khoảng cách và thời gian một cách khác nhau. Điều này có nghĩa là, hai chiếc đồng hồ y hệt nhau mà hai người quan sát đó mang theo sẽ phát ra những tiếng tích tắc với nhịp độ khác nhau, do đó khoảng thời gian giữa hai sự kiện đã chọn sẽ được chỉ bởi hai đồng hồ đó một cách khác nhau. Thuyết tương đối hẹp hoàn toàn không đặt vấn đề nghi ngờ về độ chính xác của các đồng hồ, mà thực tế nó đã thiết lập được rằng đó chính là một tính chất của thời gian. Tương tự, hai người quan sát của chúng ta còn mang theo hai chiếc thước dây y hệt nhau, và họ đã đo được hai chiều dài khác nhau của cùng một vật. Vấn đề không phải là do sự không chính xác của các dụng cụ đo hay những sai số do cách sử dụng các dụng cụ đó. Những dụng cụ đo chính xác nhất thế giới đều khẳng định rằng không gian và thời gian - được đo như khoảng cách và độ kéo dài – không được cảm nhận như nhau bởi mọi người quan sát. Theo cách chính xác do Einstein vạch ra, thuyết tương đối hẹp đã giải quyết được sự xung đột giữa trực giác của chúng ta về chuyển động và những tính chất của ánh sáng, nhưng cái giá phải trả cho sự giải quyết đó là: những người quan sát chuyển động đối với nhau sẽ không nhất trí với nhau về những quan sát của họ về cả không gian lẫn thời gian. Đã gần một thế kỷ kể từ khi Einstein công bố với thế giới phát minh gây chấn động của mình, thế nhưng đa số chúng ta vẫn quen dùng khái niệm không gian và thời gian tuyệt đối. Thuyết tương đối hẹp không có trong máu thịt chúng ta, do đó ta không cảm nhận được nó. Những hệ quả của nó không nằm trong phần trung tâm của trực giác chúng ta. Nguyên do của điều đó cũng khá đơn giản: những hiệu ứng của thuyết tương đối hẹp phụ thuộc vào vận tốc mà ta chuyển động và đối với các vận tốc như của xe ôtô, máy bay, hoặc ngay cả của tàu con thoi đi nữa thì những hiệu ứng đó cũng rất bé nhỏ. Sự khác biệt trong cảm nhận về không gian và thời gian của một người ngồi trong xe hơi hoặc trên máy bay và người đứng trên mặt đất vẫn có, nhưng chúng quá nhỏ nên không nhận thấy được. Tuy nhiên, nếu như có một người du hành trên con tày vũ trụ tương lai với vận tốc gần với vận tốc ánh sáng thì những hiệu ứng của tính tương đối sẽ trở nên rất rõ rệt. Tất nhiên, hiện nay điều đó vẫn nằm trong thế giới của khoa học viễn tưởng, nhưng như chúng ta sẽ thấy trong các mục sau, nhiều thí nghiệm thông minh đã cho phép chúng ta quan sát được, thậm chí đo đạc được cả những tính chất tương đối của không gian và thời gian mà lý thuyết của Einstein đã tiên đoán. Để có một ý niệm về các thang có liên quan, ta hãy quay trở lại những năm 1970, khi các loại xe hơi lớn và chạy nhanh ra đời. Slim mua một chiếc Trans Am. Anh ta đưa người em tên là Jim đến đường đua xe để tiến hành thử vận tốc. Slim cho xe lao với tốc độ 200 km một giờ trên một đường đua dài 1500m, trong khi Jim đứng bên lề đường đo thời gian. Trong khi chờ đợi khẳng định của Jim, Slim cũng dùng một đồng hồ bấm giây để đo thời gian chiếc xe của anh ta chạy hết đoạn đường đua. Trước công trình của Einstein, chẳng có ai lại đi đặt câu hỏi rằng nếu cả hai đồng hồ của Slim và Jim đều hoạt động tốt thì chúng có đo được cùng một khoảng thời gian hay không ? Nhưng theo thuyết ưtơng đối hẹp, trong khi Jim đo được khoảng thời gian đó là 30 giây, thì đồng hồ của Slim đo được là 29,999999999952 giây – tức là nhỏ hơn một lượng cực bé. Tất nhiên, sự khác biệt này là nhỏ tới mức ta không thể đo được bằng đồng hồ bấm giây hoặc thậm chí bằng cả các đồng hồ nguyên tử chính xác nhất. Vì vậy không có gì lạ là tại sao những kinh nghiệm hằng ngày không hé lộ cho chúng ta biết sự trôi qua của thời gian phụ thuộc vào trạng thái chuyển động của chúng ta. Cũng có một sự bất đồng tương tự về các phép đo chiều dài. Chẳng hạn, trong một lần chạy thử khác, Jim dùng một mẹo khá thông minh để đo chiều dài chiếc xe mới của Slim. Cậu ta bấm cho đồng hồ chạy ngay khi đầu trước của chiếc xe đi ngang qua chỗ mình đứng rồi bấm cho nó dừng lại ngay khi đuôi chiếc xe đi ngang qua. Vì Jim biết Slim cho xe chạy với tốc độ 200km một giờ, nên cậu ta tính ngay ra chiều dài chiếc xe bằng cách nhân vận tốc đó với khoảng thời gian chỉ bởi chiếc đồng hồ bấm giây. Lại một lần nữa, trước Einstein, chẳng có ai lại đặt câu hỏi liệu chiều dài mà Jim đo được một cách gián tiếp như trên có trùng với chiều dài mà Slim đo được khi chiếc xe còn nằm ở phòng trưng bày của cửa hàng hay không. Trái lại, thuyết tương đối hẹp cho ta biết rằng nếu Jim và Slim đã tiến hành đo như trên một cách chính xác và giả thử Slim đo được chiều dài chiếc xe chính xác bằng 4m, thì kết quả phép đo của Jim sẽ là 3,999999999999314 mét, nghĩa là hơi nhỏ hơn chút xíu. Cũng như với phép đo thời gian, đây là sự sai khác rất bé, bé tới mức những dụng cụ đo thông thường không đủ độ chính xác để phát hiện được. Mặc dù sự khác biệt là cực kỳ nhỏ, nhưng chúng đã cho ta thấy một sự sai lầm rất cơ bản của quan niệm thông thường cho rằng không gian và thời gian là tuyệt đối và không thể thay đổi. Khi vận tốc tương đối của hai người quan sát, như Jim và Slim chẳng hạn, lớn hơn, thì sai lầm đó sẽ được thể hiện càng rõ ràng hơn. Và khi vận tốc tương đối của họ gần với vận tốc ánh sáng, thì những khác biệt đó sẽ trở nên nhận biết được. Lý thuyết Maxwell và nhiều thực nghiệm đã xác lập được rằng vận tốc ánh sáng trong chân không – vận tốc lớn nhất khả dĩ mà không gì có thể vượt qua – có giá trị là ba trăm ngàn kilômét trong một giây, tức hơn một tỷ kilômét trong một giờ! Với vận tốc đó người ta có thể chạy vòng quanh Trái Đất hơn 7 vòng trong 1 giây. Nếu giả thử Slim cho xe chạy không phải với vận tốc 200km/h mà là 900 triệu km/h (tức khoảng 83% vận tốc của ánh sáng), thì những tính toán theo thuyết tương đối sẽ cho kết quả là chiều dài chiếc xe mà Jim đo được chỉ dài hơn 2m chút ít, nghĩa là khác rất xa với kết quả đo của Slim (cũng là khác xa với chiều dài ghi trong lý lịch của xe). Tương tự, thời gian chạy xe trên đường đua theo phép đo của Lim dài hơn gần hai lần so với phép đo của Slim. Vì những vận tốc lớn như thế nằm ngoài khả năng đạt được của các phương tiện thông thường, nên các hiệu ứng “giãn nở thời gian” và “co Lorenzt” không gian (thuật ngữ chuyên môn của các nhà vật lý dùng để gọi các hiện tượng mô tả ở trên) là cực kỳ nhỏ bé trong đời sống thường nhật của chúng ta. Nếu chúng ta có dịp được sống trong một thế giới mà các vật thường chuyển động gần với vận tốc ánh sáng, thì những tính chất nói trên của không gian và thời gian sẽ trở nên trực quan, (vì chúng ta cảm nhận được chúng hàng ngày) và đối với chúng ta, chúng cũng sẽ hiển nhiên như chuyển động biểu kiến của những hàng cây bên đường mà ta đã nói tới ở đầu chương. Nhưng vì chúng ta không sống trong một thế giới như thế, nên những đặc tính đó mới trở nên xa lạ như vậy. Và như chúng ta sẽ thấy, để hiểu và chấp nhận chúng, chúng ta phải vứt bỏ hoàn toàn quan niệm của chúng ta về thế giới. Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ Chương 2 - Không gian, thời gian và người quan sát(2) Nguyên lý tương đối dựa trên một sự kiện đơn giản là: bất kỳ khi nào nói tới vận tốc (kể cả độ lớn và hướng của nó) thì nhất thiết ta phải chỉ rõ ai hoặc cái gì đã làm phép đo đó. Nền tảng của thuyết tương đối hẹp gồm hai cấu trúc rất đơn giản nhưng lại rất căn bản. Chúng ta đã biết rằng, một trong hai cấu trúc có liên quan tới những tính chất của ánh sáng và điều này sẽ được xem xét một cách đầy đủ hơn ở mục tiếp sau. Cấu trúc thứ hai có bản chất trừu tượng hơn. Nó không liên quan tới một định luật vật lý cụ thể, mà được áp dụng cho mọi định luật vật lý. Đó là nguyên lý tương đối. Nguyên lý này dựa trên một sự kiện đơn giản là: bất kỳ khi nào nói tới vận tốc (kể cả độ lớn và hướng của nó) thì nhất thiết ta phải chỉ rõ ai hoặc cái gì đã làm phép đo đó. Ta sẽ dễ dàng hiểu được ý nghĩa và tầm quan trọng của điều nói trên bằng cách xem xét tình huống sau: Ta hãy hình dung một anh chàng George nào đó, mặc bộ quần áo du hành vũ trụ có gắn một chiếc đèn chớp phát ánh sáng đỏ, đang trôi nổi trong màn đêm dày đặc của khoảng không vũ trụ, cách xa hết thảy các hành tinh, các ngôi sao và các thiên hà. Theo quan điểm của George thì anh ta là hoàn toàn đứng yên trong bóng đêm mịn màng và tĩnh lặng của Vũ trụ. Rồi Goerge chợt nhận thấy từ xa có một đốm sáng xanh đang tiến lại gần. Cuối cùng, khi nó tới gần hơn, Goerge mới nhận ra rằng chiếc đèn được gắn vào bộ quần áo du hành vũ trụ của một nhà du hành khác – Gracie - đang chậm chạp trôi tới. Khi đi qua bên cạnh, cô gái và George vẫy tay chào nhau, rồi cô gái lại trôi tiếp ra xa. Câu chuyện này hoàn toàn có thể được kể lại hệt như thế theo quan điểm của Gracie. Nghĩa là ban đầu Gracie cũng hoàn toàn đơn độc trong bóng đêm bao la và tĩnh lặng của khoảng không Vũ trụ. Rồi bất chợt Gracie cũng thấy từ xa có đốm sáng đỏ nhấp nháy đang tiến lại gần. Cuối cùng, khi đốm đỏ đến khá gần, cô mới nhận ra đó là một nhà du hành khác, tức là George, đang chầm chậm trôi qua cạnh mình. Anh ta và Gracie vẫy chào nhau rồi anh ta tiếp tục trôi tiếp ra xa. Hai câu chuyện đó mô tả chỉ một tình huống duy nhất theo hai quan điểm khác nhau nhưng đều có lý như nhau. Mỗi người quan sát đều cảm thấy mình đứng yên và người kia chuyển động. Quan điểm của mỗi người đều hợp lý và có thể thông cảm được. Do có sự đối xứng giữa hai nhà du hành đó, nên không có cách nào để nói được rằng ai là đúng, ai là sai. Cả hai quan điểm đều có một phần sự thật ngang nhau. Ví dụ trên đã nắm bắt được ý nghĩa của nguyên lý tương đối: khái niệm chuyển động là có tính tương đối. Chúng ta có thể nói về chuyển động của một vật, nhưng chỉ là đối với hay so với một vật khác. Vì vậy nói rằng: “George chuyển động với vận tốc 15km/h” là hoàn toàn vô nghĩa, vì chúng ta không chỉ rõ anh ta chuyển động so với cái gì. Nhưng nói rằng: “George chuyển động ngang qua Gracie với vận tốc 15km/h” lại là có nghĩa vì chúng ta đã chỉ ra Gracie như một vật mốc. Như ví dụ trên của chúng ta cho thấy, câu nói thứ hai ở trên hoàn toàn tương đương với câu nói rằng: “Gracie chuyển động ngang qua Goerge với vận tốc 15km/h (theo phương ngược lại)”. Nói một cách khác, không có chuyển động tuyệt đối. Chuyển động là tương đối. Yếu tố then chốt của câu chuyện trên là ở chỗ: cả George lẫn Gracie đều không bị đẩy, hay bị kéo hay chịu một tác dụng nào đó làm nhiễu động trạng thái chuyển động thẳng đều êm đềm của họ. Vì vậy chính xác hơn, ta phải nói rằng chuyển động không chịu tác dụng của một lực nào chỉ có nghĩa khi so sánh với các vật khác. Sự chính xác này rất quan trọng, bởi lẽ nếu có các lực tham gia vào, thì chúng sẽ làm thay đổi vận tốc (cả về độ lớn lẫn về hướng) của hai nhà quan sát và những thay đổi đó có thể nhận thấy được. Chẳng hạn, nếu như George có đeo một động cơ phản lực nhỏ ở sau lưng, thì anh ta chắc sẽ cảm thấy mình đang chuyển động. Nhưng cảm giác đó chỉ là bản năng. Nếu động cơ bắt đầu thực sự đẩy về phía sau, thì Goerge sẽ biết là mình đang chuyển động cho dù anh ta có nhắm mắt lại và do đó không thể so sánh với các vật khác. Ngay cả khi không có những vật mốc để so sánh, anh ta cũng không tểê tuyên bố rằng mình là đứng yên “trong khi đó toàn bộ thế giới còn lại chuyển động qua bên cạnh anh ta”. Như vậy, chuyển động có vận tốc không đổi là tương đối; nhưng điều này không còn đúng nữa đối với các chuyển động có vận tốc thay đổi, tức là những chuyển động có gia tốc. (Chúng ta sẽ còn trở lại phát biểu này trong chương sau, khi nói về chuyển động có gia tốc và thuyết tương đối rộng). Để dễ hiểu, chúng ta đã bố trí cho câu chuyện trên xảy ra trong bóng đêm của khoảng không vũ trụ, nhằm gạt bỏ những vật thể quen thuộc như đường phố, nhà cửa mà chúng ta thường mặc nhiên xem là “đứng yên” (mặc dù là không đúng). Tuy nhiên, chính nguyên lý này cũng áp dụng được cho cả mặt đất trần thế của chúng ta và thực tế ta cũng thường cảm nhận được. Ví dụ, hãy tưởng tượng, sau khi ngủ một giấc say trên xe lửa, bạn thức dậy ngay khi con tàu của bạn đi qua bên cạnh một đường ray khác đặt song song. Khi đó tầm nhìn của bạn hoàn toàn bị chắn bởi một đoàn tàu khác, nên không nhìn thấy các vật khác, vì vậy trong khoảnh khắc bạn không biết chắc chắn con tàu của bạn hay con tàu kia hay cả hai đang chuyển động. Tất nhiên, con tàu của bạn có thể lắc hoặc giật, hoặc nếu nó đổi hướng theo một đường vòng, thì bạn sẽ cảm thấy là mình đang chuyển động. Nhưng nếu con tàu chạy thật êm, và nếu vận tốc của nó giữ nguyên không đổi thì bạn sẽ chỉ thấy chuyển động tương đối của hai con tàu chứ không thể nói chắc chắn là con tàu nào đang chuyển động. Bây giờ chúng ta tiến thêm một bước nữa. Hãy tưởng tượng bạn đang ngồi trên xe lửa với các cửa sổ đều đóng kín mít. Do không có khả năng nhìn ra bên ngoài toa xe của mình và giả sử rằng con tàu chạy thật êm với vận tốc tuyệt đối là đều, khi đó bạn sẽ không có cách nào xác định được trạng thái chuyển động của bạn. Toa tàu của bạn nhìn hoàn toàn như nhau, bất kể là nó đứng yên trên đường ray hay đang chuyển động. Einstein đã hình thức hóa ý tưởng đó, một ý tưởng thực sự đã được biết tới từ thời Galileo, bằng cách tuyên bố rằng bạn hay bất kỳ một hành khách nào khác trong một toa xe kín mít dù có thực hiện bất cứ thí nghiệm nào cũng không thể phát hiện ra được con tàu đứng yên hay chuyển động. Điều này cũng thâu tóm cả nguyên lý tương đối: vì chuyển động không có lực nào tác dụng là tương đối, nó chỉ có nghĩa khi so sánh với các vật khác hay người quan sát khác cũng đang chuyển động mà không có lực nào tác dụng. Đối với bạn không có cách nào có thể xác định được trạng thái chuyển động của mình mà không có sự so sánh trực tiếp hoặc gián tiếp với các vật “bên ngoài”. Đơn giản là không có khái niệm chuyển động thẳng đều tuyệt đối, chỉ có những chuyển động tương đối là có ý nghĩa vật lý. Thực tế, Einstein còn thấy rằng nguyên lý tương đối có một tuyên bố to lớn hơn: các định luật vật lý – bất kể là định luật nào – là hoàn toàn như nhau đối với tất cả những người quan sát chuyển động với vận tốc không đổi. Nếu George và Gracie ngoài chuyện trôi nổi đơn độc trong Vũ trụ còn tiến hành một số thí nghiệm giống hệt nhau trên trạm không gian cũng trôi nổi như họ, thì những kết quả mà họ tìm được là hoàn toàn như nhau. Lại một lần nữa hai người hoàn toàn có lý khi tin rằng trạm không gian của họ là đứng yên ngay cả khi chúng chuyển động đối với nhau. Nếu như tất cả những thiết bị thí nghiệm của họ là như nhau và không có gì khác biệt trong bố trí thí nghiệm, thì chúng là hoàn toàn đối xứng. Những định luật vật lý mà mỗi người rút ra từ những thí nghiệm của họ cũng sẽ hoàn toàn như nhau. Cả bản thân họ lẫn những thí nghiệm của họ đều không “cảm” thấy – tức là không phụ thuộc theo bất cứ cách nào – vào chuyển động có vận tốc không đổi. Chính quan niệm đơn giản này đã thiết lập sự đối xứng hoàn toàn giữa các người quan sát và cũng chính quan niệm này được hiện thân thành nguyên lý tương đối. Ngay dưới đây, chúng ta sẽ dùng nguyên lý này cho một hiệu ứng sâu xa hơn. Vận tốc ánh sáng Yếu tố then chốt thứ hai của thuyết tương đối hẹp gắn liền với ánh sáng và những tính chất chuyển động của nó. Trái với phát biểu của chúng ta nói rằng: “George chuyển động với vận tốc 15km/h” sẽ là vô nghĩa nếu không chỉ ra một vật mốc cụ thể nào để so sánh, những nỗ lực của nhiều thế hệ các nhà vật lý thực nghiệm trong gần một thế kỷ chứng tỏ rằng ánh sáng luôn chuyển động với vận tốc ba trăm ngàn kilômét một giây (tức 1080 triệu kilômét một giờ) đối với bất kể vật mốc so sánh nào. Đều này đòi hỏi một cuộc cách mạng trong quan niệm của chúng ta về Vũ trụ. Trước hết chúng ta hãy tìm hiểu ý nghĩa của khẳng định trên bằng cách đối lập nó với những khẳng định tương tự áp dụng cho các đối tượng thông thường hơn. Hãy tưởng tượng vào một ngày đẹp trời, bạn đi chơi trong vườn với một người bạn. Trong khi cả hai đang lười nhác ném qua ném lại quả bóng với vận tốc, chẳng hạn 20km/h, thì một cơn giông thình lình ập tới khiến cho hai người phải chạy vào chỗ trú mưa. Sau khi mưa tạnh, hai người lại tiếp tục chơi nhưng bạn nhận thấy người bạn gái của mình không còn như trước nữa. Mái tóc cô ta bù xù, đôi mắt trợn trừng điên dại. Và khi nhìn bàn tay cô ta, bạn sững sờ thấy rằng cô ta đang định ném cho bạn... một quả lựa đạn, chứ không phải là quả bóng. Hiển nhiên là bạn chẳng còn tâm trí đâu mà chơi bóng và bạn sẽ vẫn còn đang bay nhưng do bạn chạy, nên tốc độ của nó không còn là 20km/h, mà là nhỏ hơn. Thực tế, kinh nghiệm hàng ngày cho ta biết rằng nếu bạn chạy, ví dụ vận tốc là 12km/h, thì quả lựa đạn sẽ tiến về phía bạn với vận tốc 8km/h (20-12=8). Một ví dụ khác: khi bạn đang ở trong núi và xảy ra hiện tượng lở tuyết ập về phía bạn, thì phản ứng tự nhiên của bạn sẽ là quay lui và bỏ chạy, vì điều đó sẽ làm cho vận tốc của tuyết đuổi theo bạn sẽ giảm đi và nói chung đó là một điều tốt. Như vậy, lại một lần nữa ta thấy rằng một người quan sát đứng yên sẽ nhận thấy vận tốc lao đến gần của tuyết lở sẽ lớn hơn so với cảm nhận của người bỏ chạy. Bây giờ chúng ta sẽ so sánh những quan sát cơ bản này về quả bóng, quả lựu đạn và tuyết lở với những quan sát về ánh sáng. Để cho sự so sánh được sát hơn, chúng ta sẽ xem ánh sáng như một chùm các hạt photon (đặc điểm này của ánh sáng sẽ được thảo luận đầy đủ hơn ở Chương 4). Khi chúng ta bật một đèn flash hoặc một chùm laser, thực tế là chúng ta đã bắn một dòng các hạt photon về hướng mà ta định trước. Như chúng ta đã làm trong trường hợp quả lựu đạn và trường hợp tuyết lở, ta hãy xem chuyển động của các photon sẽ như thế nào đối với một người quan sát chuyển động. Hãy tưởng tượng rằng cô bạn gái điên rồ của bạn đã thay quả lựu đạn bằng một laser cực mạnh. Nếu cô ta bắn chùm laser về phía bạn, và nếu bạn có một thiết bị đo thích hợp, bạn sẽ thấy rằng vận tốc của các photon tiến gần tới bạn với vận tốc 1080 triệu kilômét một giờ (tức 300.000km/s). Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu bạn bỏ chạy, như bạn đã làm trong trường hợp phải đối mặt với quả lựu đạn được ném tới? Bây giờ bạn sẽ đo được vận tốc của các photon đang tiến tới gần bằng bao nhiêu? Để cho hấp dẫn hơn hãy tưởng tượng rằng bạn nhảy lên một con tàu vũ trụ xuyên thiên hà chạy trốn với một vận tốc khiêm tốn là 180 triệu kilômét giờ (tức 50.000 km/s). Theo lý luận dựa trên thế giới quan truyền thống của Newton, thì vì giờ đây bạn đang chạy ra xa, nên bạn hy vọng rằng sẽ thấy các photon đuổi theo bạn với vận tốc chậm hơn. Cụ thể, bạn chờ đợi sẽ thấy chúng tiến về phía bạn với vận tốc (1080 triệu kilômét/giờ) = 900 triệu km/h. Những bằng chứng thực nghiệm ngày càng nhiều bắt đầu từ những năm 1880 cùng với những phân tích sâu sắc của lý thuyết điện từ Maxwell về ánh sáng dần dần đã thuyết phục được cộng đồng khoa học rằng kết quả tính toán ở trên không phải là điều mà bạn sẽ thấy. Ngay cả khi bạn bỏ chạy ra xa đi nữa, thì bạn cũng vẫn cứ đo được vận tốc của các photon đang tiến tới gần bằng 300.000km/s, không bớt một li. Mặc dù thoạt đầu điều đó xem ra có vẻ hoàn toàn vô lý, không hề giống với những gì đã xảy ra trong trường hợp quả lựu đạn hay trường hợp tuyết lở, nhưng sự thực vận tốc của các photon tiến tới gần luôn luôn bằng 300.000km/s. Và điều này cũng đúng nếu bạn tiến tới gần các photon đang đi tới hay đuổi theo chúng, nghĩa là vận tốc của chúng vẫn hoàn toàn không thay đổi: chúng vẫn chuyển động với vận tốc 300.000km/s. Bất kể chuyển động tương đối giữa nguồn photon và người quan sát là như thế nào, vận tốc của ánh sáng luôn luôn có giá trị như nhau [1]. Những hạn chế về mặt công nghệ khiến cho những thí nghiệm với ánh sáng được mô tả ở trên là không thể thực hiện được. Nhưng tồn tại những phương tiện khác. Chẳng hạn, vào năm 1913, nhà vật lý người Hà Lan Willem de Siter đã gợi ý rằng những hệ sao đôi chuyển động nhanh (tức là hệ gồm hai ngôi sao quay quanh nhau) có thể được dùng để đo tác dụng của nguồn chuyển động đến vận tốc của ánh sáng. Nhiều thí nghiệm khác nhau thuộc loại này được thực hiện trong suốt hơn tám chục năm qua đều xác nhận rằng vận tốc của ánh sáng nhận được từ những ngôi sao cố định hay chuyển động với vận tốc không đổi (tức chuyển động thẳng đều) là như nhau và đều bằng 300.000km/s. Giá trị này được đo với độ chính xác cao và không ngừng tăng lên nhờ những dụng cụ đo ngày càng tinh xảo hơn. Hơn nữa, cả một kho tàng những thí nghiệm chi tiết khác được thực hiện trong gần một thế kỷ qua – những thực nghiệm đo trực tiếp vận tốc ánh sáng trong những điều kiện khác nhau cũng như sự kiểm chứng nhiều hệ quả suy ra từ đặc tính đó của ánh sáng – tất cả đều khẳng định tính không đổi của vận tốc ánh sáng. Nếu như bạn thấy tính chất đó của ánh sáng là khó nuốt, thì bạn hoàn toàn không đơn độc. Vào đầu thế kỷ XX, các nhà vật lý đã tìm đủ mọi phương cách để chối bỏ nó. Nhưng họ đã không thể làm được. Trái lại, Einstein đã chọn cách chấp nhận sự không đổi của vận tốc ánh sáng, vì đây chính là câu trả lời cho sự xung đột đã từng khiến cho ông trăn trở từ tuổi thiếu niên: bất chất bạn cố sức đuổi theo chùm ánh sáng như thế nào đi nữa thì nó vẫn cứ chạy ra xa bạn với vận tốc ánh sáng. Bạn không bao giờ có thể làm cho vận tốc biểu kiến của ánh sáng nhỏ hơn 300.000km/s một li nào chứ đừng nói tới chuyện làm cho nó dừng lại. Vậy là vấn đề đã được khép lại. Nhưng thắng lợi đó không phải là nhỏ. Einstein đã nhận thấy rằng sự không đổi của vận tốc ánh sáng đã dẫn đến sự sụp đổ của vật lý Newton. [1] Nói một cách chính xác hơn, vận tốc của ánh sáng trong chân không mới là 300.000km/s. Khi ánh sáng truyền qua một môi trường chất, như không khí hoặc thuỷ tinh, chẳng hạn, vận tốc của nó giảm na ná như một hòn đá rơi từ vách núi xuống biển, khi đi vào nước sẽ chuyển động chậm lại. Sự chậm lại của ánh sáng so với trong chân không không có ảnh hưởng gì đối với sự thảo luận của chúng ta về tính tương đối cả, vì vậy chúng tôi đã không đề cập tới. Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ Chương 3 -Uốn cong và lượn sóng(1) Điều này đã dẫn Einstein đưa ra ý tưởng cho rằng sự cong của không gian chính là nguyên nhân dẫn đến sự vi phạm hình học Euclide “thông thường”. Hình học phẳng của người Hy Lạp đã từng dạy cho trẻ em từ hàng ngàn năm nay hóa ra lại không dùng được cho người ở trên sàn quay... Gia tốc và sự cong của không gian và thời gian Einstein đã dồn hết sức lực, tâm trí, và nhiều lúc tựa như là bị ma ám, để nghiên cứu vấn đề đó. Khoảng 5 năm sau phát hiện sáng giá của mình tại Văn phòng đăng ký sáng chế ở Bern, ông đã viết cho nhà vật lý Arnold Sommerfeld: “Hiện giờ tôi chỉ làm việc về vấn đề hấp dẫn... [Một] điều chắc chắn - đó là chưa bao giờ trong đời tôi lại phải trăn trở khổ sở như vậy... So với bài toán này thì lý thuyết tương đối ban đầu [tức thuyết tương đối hẹp] chỉ là một trò chơi trẻ con”. Vào năm 1912, ông tưởng như đã làm được một cú đột phá then chốt tiếp theo, đó là một hệ quả đơn giản nhưng tinh tế được rút ra khi áp dụng thuyết tương đối hẹp cho mối liên hệ giữa hấp dẫn và chuyển động có gia tốc. Để hiểu được bước này trong suy luận của Einstein, một cách dễ nhất là tập trung xem xét một ví dụ cụ thể về chuyển động có gia tốc, như chính ông cũng đã từng làm như vậy. Cần nhớ lại rằng, một vật chuyển động có gia tốc nếu độ lớn của vận tốc hoặc phương chuyển động của nó thay đổi. Để đơn giản, ta sẽ xét chuyển động có gia tốc trong đó chỉ có hướng của chuyển động thay đổi còn độ lớn của vận tốc thì cố định. Đặc biệt, ta sẽ xét chuyển động tròn mà ai cũng cảm thấy khi đứng yên trên một sàn quay có tên là Tornado thường thấy trong các công viên giải trí. Trong trường hợp bạn chưa quen đứng vững trên một sàn quay như vậy, bạn có thể đứng tựa lưng vào vách kính hình tròn làm bằng thủy tinh hữu cơ quay với tốc độ cao cùng với sàn. Giống như mọi chuyển động có gia tốc khác bạn có thể cảm nhận được chuyển động này: cụ thể, bạn cảm thấy một lực kéo bạn theo phương bán kính ra xa tâm quay đồng thời bạn cũng cảm thấy vách kính ép lên lưng bạn, giữ cho bạn chuyển động tròn. (Mặc dù không có liên quan gì đến những điều thảo luận ở đây, nhưng cũng nói thêm rằng, thực tế chuyển động quay đã “găm” cơ thể bạn vào vách kính với một lực mạnh tới mức, dù cho sàn dưới chân bạn có biến mất bạn cũng không bị trượt xuống phía dưới). Nếu như sàn quay cực kỳ đều và bạn nhắm mắt lại, thì áp lực của sự quay lên lưng bạn có thể khiến cho bạn cảm thấy gần như là bạn đang nằm trên giường. Nói “gần như” là bởi vì bạn vẫn còn cảm thấy lực hấp dẫn bình thường theo phương “thẳng đứng”, khiến cho không thể lừa bộ não của bạn hoàn toàn được. Nhưng nếu bạn đứng trong Tornado đặt ở bên ngoài khoảng không vũ trụ chẳng hạn, và nếu như sàn quay với tốc độ thích hợp, thì bạn sẽ cảm thấy đúng là đang nằm trên chiếc giường đứng yên trên mặt đất. Hơn nữa, nếu như bạn “đứng dậy” và đi lại trên thành trong của vách kính quay, thì chân bạn ép lên nó hệt như khi đi bình thường trên mặt đất. Thực tế, các trạm không gian đều được thiết kế quay theo cách đó để tạo ra cảm giác giả tạo về trọng lực trong không gian vũ trụ. Bây giờ, khi đã quen với chuyển động có gia tốc của chiếc Tornado quay mô phỏng hấp dẫn (trọng lực), bạn có thể theo dõi sự suy luận của Einstein và xem không gian và thời gian nhìn như thế nào dưới con mắt của người quan sát cùng đứng trên sàn quay. Những suy luận của Einstein áp dụng cho trường hợp mô tả ở trên như sau: Chúng ta, những người quan sát đứng yên, có thể dễ dàng đo được chu vi và bán kính của sàn quay. Ví dụ đo chu vi ta thận trọng đặt thước kế tiếp nhau dọc theo vành đai của sàn; còn đối với bán kính, ta cũng làm theo phương pháp đó bằng cách đặt thước kế tiếp nhau từ tâm quay sàn đến mép ngoài của nó. Cuối cùng, ta thấy rằng tỷ số của hai kết quả đo được bằng hai lần của số pi, tức là xấp xỉ 6,28 đúng như đối với một hình tròn mà ta vẽ trên giấy trong hình học sơ cấp. Nhưng liệu điều đó có đúng đối với người quan sát đứng trên sàn quay không? Để làm sáng tỏ vấn đề này, ta đề nghị Slim và Jim hiện đang chơi trên sàn quay, thực hiện một số phép đo. Ta ném cho Slim một chiếc thước và nhờ anh ta đo chu vi của sàn quay và một chiếc thước cho Jim để anh ta đo bán kính của nó. Để cho dễ quan sát, ta chọn một chỗ đứng trên cao nhìn xuống như được minh họa trên Hình 3.1. Hình 3.1. Chiếc thước của Slim bị co lại, vì nó nằm dọc theo hướng chuyển động của sàn quay. Trong khi đó chiếc thước của Jim nằm dọc theo bán kính, tức là vuông góc với hướng chuyển động vì vậy chiều dài của nó không bị co lại. Chúng ta cũng đã tô điểm cho bức hình chụp nhanh này một mũi tên chỉ hướng chuyển động tức thời của mỗi điểm trên sàn. Khi Slim bắt đầu đo chu vi, từ vị trí trên cao ta thấy ngay rằng anh ta sẽ nhận được một kết quả khác với kết quả của chúng ta. Đó là bởi vì, khi anh ta đặt thước đo chu vi, ta đã thấy rằng chiều dài chiếc thước của anh ta đã bị co ngắn lại. Đây chính là sự co Lorentz mà chúng ta đã thảo luận ở Chương 2, theo đó, chiều dài của một vật bị co ngắn lại dọc theo hướng chuyển động. Mà chiếc thước đã ngắn hơn có nghĩa là số lần đặt thước dọc theo chu vi của anh ta sẽ nhiều hơn. Vì Slim vẫn nghĩ rằng chiếc thước của anh ta dài 1m (do không có chuyển động tương đối giữa Slim và cái thước, nên anh ta cảm nhận thấy chiếc thước dài 1m như bình thường), điều này có nghĩa là Slim sẽ đo được chu vi của sàn dài hơn kết quả đo của chúng ta. (Nếu bạn thấy vô lý hãy xem chú thích 1, trang 9). Còn bán kính thì sao? Jim cũng dùng phương pháp tương tự để đo bán kính và từ vị trí quan sát trên cao, chúng ta thấy rằng anh ta sẽ tìm thấy kết quả giống như chúng ta. Sở dĩ như vậy là vì, chiếc thước khi này không đặt dọc theo hướng tức thời của chuyển động (như Slim đo chu vi). Thay vì thế, nó lại đặt vuông góc với hướng chuyển động và do đó chiều dài của nó không bị co lại. Vì vậy, Jim sẽ đo được bán kính của sàn đúng như chúng ta đã đo được. Nhưng bây giờ, khi mà Slim và Jim tính tỷ số của chu vi và bán kính của sàn quay, họ sẽ nhận được một con số lớn hai hai lần số pi mà chúng ta đã tính được, vì chu vi bây giờ là dài hơn còn bán kính thì vẫn như trước. Thật là một điều lạ lùng. Làm thế quái nào mà một vật hình tròn lại có thể vi phạm một phát minh của người cổ Hy Lạp nói rằng đối với bất cứ một hình tròn nào, tỷ số của chu vi và bán kính của nó đều phải đúng bằng 2pi? Đây là câu trả lời của Einstein: Phát minh của người cổ Hy Lạp là đúng đối với những vòng tròn được vẽ trên mặt phẳng. Nhưng cũng giống như những chiếc gương cong trong nhà cười ở các công viên giải trí làm méo mó những quan hệ không gian trong ảnh của chúng ta qua những chiếc gương đó, nếu vòng tròn được vẽ trên một mặt cong, thì những quan hệ hình học bình thường của nó cũng sẽ bị méo mó: khi đó, tỷ số giữa chu vi và bán kính của nó, nói chung, sẽ không còn bằng hai lần số pi nữa. Ví dụ, Hình 3.2 so sánh ba vòng tròn có bán kính như nhau. Tuy nhiên, cần thấy rằng chu vi của chúng lại không như nhau. Hình tròn (b) được vẽ trên mặt lồi của hình cầu, nó có chu vi nhỏ hơn chu vi của vòng tròn (a) vẽ trên mặt phẳng, ngay cả khi chúng có bán kính như nhau. Bản chất cong của mặt cầu khiến cho các đường bán kính hơi chụm vào nhau, do đó làm giảm chu vi của hình tròn. Mặt khác, chu vi của hình tròn (c), cũng được vẽ trên một mặt cong - có dạng hình yên ngựa - lại lớn hơn chu vi vòng tròn vẽ trên mặt phẳng. Bản chất cong của mặt hình yên ngựa khiến cho các đường bán kính hơi loe ra xa nhau, do đó làm cho chu vi của vòng tròn trở nên lớn hơn. Từ những nhận xét trên suy ra rằng tỷ số của chu vi và bán kính của vòng tròn (b) nhỏ hơn 2pi, trong khi đó tỷ số ấy của vòng trọn (c) lại lớn hơn 2pi. Nhưng độ sai lệch đó đối với 2pi, mà đặc biệt là giá trị lớn hơn trong trường hợp (c) lại chính là điều chúng ta đã tìm thấy đối với trường hợp cái sàn quay Tornado. Điều này đã dẫn Einstein đưa ra ý tưởng cho rằng sự cong của không gian chính là nguyên nhân dẫn đến sự vi phạm hình học Euclide “thông thường”. Hình học phẳng của người Hy Lạp đã từng dạy cho trẻ em từ hàng ngàn năm nay hóa ra lại không dùng được cho người ở trên sàn quay. Như phần (c) của Hình 3.2 cho thấy, trong trường hợp này hình học Euclide phải được thay bằng hình học không gian cong - một sự tổng quát hóa của nó [1]. s Hình 3.2 Vòng tròn được vẽ trên mặt cầu (b) có chu vi nhỏ hơn vòng tròn vẽ trên mặt phẳng (a), trong khi đó vòng tròn vẽ trên mặt hình yên ngựa (c) lại có chu vi lớn hơn ngay cả khi chúng có bán kính như nhau. Và như vậy, Einstein đã nhận thấy rằng những quan hệ hình học quen thuộc được xây dựng bởi những người Hy Lạp, tức là những quan hệ thuộc về những hình không gian “phẳng” như vòng tròn trên một mặt bàn phẳng chẳng hạn, sẽ không còn đúng nữa đối với người quan sát chuyển động có gia tốc. Tất nhiên, chúng ta mới chỉ xem xét một loại chuyển động có gia tốc đặc biệt, nhưng Einstein đã chứng minh được rằng một kết quả tương tự, tức sự cong của không gian, cũng đúng đối với mọi trường hợp chuyển động có gia tốc. Thực tế, chuyển động có gia tốc không chỉ tạo ra sự cong của không gian mà còn gây ra sự cong (hay biến dạng) của cả thời gian nữa. (Về mặt lịch sử thì Einstein ban đầu tập trung vào sự cong không gian). Trong một mức độ nào đó, không có gì phải quá ngạc nhiên về chuyện thời gian cũng bị ảnh hưởng, vì ở Chương 2 chúng ta đã thấy rằng thuyết tương đối hẹp đã tạo ra sự khớp nối giữa không gian và thời gian. Trong một bài giảng của mình về thuyết tương đối hẹp vào năm 1908, Minkowski đã nói về sự hòa nhập đó bằng những lời lẽ rất thơ như sau: “Từ nay, riêng không gian không thôi và riêng thời gian không thôi sẽ tàn tạ như những chiếc bóng, chỉ có sự thống nhất của cả hai mới giữ được tính độc lập của chúng”. Nói bằng một ngôn ngữ đời thường hơn, nhưng với độ chính xác cũng không kém, thì bằng cách đan kết không gian và thời gian thành một cấu trúc thống nhất là không-thời gian, thuyết tương đối hẹp đã trịnh trọng tuyên bố: “Cái gì đúng với không gian cũng sẽ đúng với thời gian”. Nhưng một câu hỏi lại được đặt ra: “Trong khi chúng ta có thể hình dung không gian cong bởi dạng cong của nó, thì thời gian cong có nghĩa là thế nào?”. Để có một cảm giác về câu trả lời, ta lại đề nghị Slim và Jim hiện vẫn còn ở trên Tornado quay thực hiện thí nghiệm sau. Slim đứng ở đầu mút của một bán kính và áp lưng vào vách kính còn Jim thì bò dọc theo một bán kính nào đó xuất phát từ tâm quay. Cứ vài mét Jim lại ngừng bò và hai anh em lại so đồng hồ với nhau. Họ sẽ thấy gì? Từ vị trí đứng yên trên cao, ta lại có thể tiên đoán được câu trả lời: đồng hồ của họ không chỉ giống nhau. Sở dĩ chúng ta đi tới kết luận đó là bởi vì chúng ta thấy rằng Slim và Jim chuyển động với vận tốc khác nhau. Ta biết rằng, trên sàn quay, nếu bạn ở càng xa tâm quay thì sau một vòng bạn sẽ đi được quãng đường dài hơn, do vậy mà bạn chuyển động nhanh hơn. Nhưng theo thuyết tương đối hẹp, bạn càng chuyển động nhanh thì đồng hồ của bạn càng chạy chậm và do đó chúng ta thấy rằng đồng hồ của Slim chạy chậm hơn đồng hồ của Jim. Hơn nữa, Slim và Jim còn thấy rằng khi Jim tới gần Slim, tốc độ phát tiếng tíc tắc của đồng hồ của Jim sẽ chậm lại và tiến gần tới tốc độ phát của đồng hồ Slim. Điều này phản ánh một thực tế là, khi Jim đi ra xa tâm quay, tốc độ chuyển động tròn của anh ta cũng tăng lên và tiền gần tới tốc độ của Slim. Từ đó, ta có thể kết luận rằng, đối với những người quan sát trên sàn quay, như Slim và Jim chẳng hạn, thì tốc độ trôi của thời gian phụ thuộc vào vị trí chính xác của họ (trong trường hợp đang xét, đó là khoảng cách tới tâm quay). Đây chính là sự minh họa cho cái mà ta gọi là thời gian cong. Thời gian bị cong hay biến dạng, nếu như tốc độ trôi của nó từ nơi này đến nơi khác là khác nhau. Khi bò dọc theo một bán kính, Jim còn cảm thấy một điều khác nữa, đặc biệt quan trọng đối với sự thảo luận của chúng ta ở đây. Anh ta cảm thấy một lực (ly tâm) kéo mạnh ra phía ngoài và tăng dần, bởi vì khi bò ra càng xa tâm quay, không chỉ vận tốc mà gia tốc của anh ta cũng tăng. Cuối cùng chiếc sàn quay cho phép chúng ta thấy rằng gia tốc càng lớn thì kèm theo sự chậm của đồng hồ càng lớn, tức là gia tốc càng lớn thì thời gian càng cong mạnh. Những nhận xét này đã đưa Einstein đến bước nhảy cuối cùng. Vì ông đã chứng tỏ được rằng hấp dẫn và chuyển động có gia tốc là thực sự không thể phân biệt được và vì giờ đây ông còn chứng tỏ được rằng chuyển động có gia tốc còn gắn liền với sự cong của không gian và thời gian nên ông đã đưa ra cách giải thích sau cho cái “hộp đen” hấp dẫn: hấp dẫn chính là sự cong của không gian và thời gian. Dưới đây chúng ta sẽ xét xem điều này có ý nghĩa gì. [1] Sự phân tích vòng quay của Tornado hay “đĩa quay cứng” theo cách gọi chuyên môn hơn, sẽ dẫn đến hiểu lầm. Thực tế, cho tới nay vẫn chưa có sự nhất trí hoàn toàn về nhiều khía cạnh tinh tế của ví dụ này. Trong phần trình bày ở Chương 3, chúng tôi theo đúng tinh thần phân tích của Einstein và trong chú thích này chúng tôi vẫn theo quan điểm đó và tìm cách làm sáng tỏ thêm một số đặc điểm mà bạn có thể còn mơ hồ. Thứ nhất, bạn có thể cảm thấy khó hiểu là tại sao chu vi của sàn quay lại không bị co Lorentz hệt như cái thước và từ đó chiều dài của chu vi mà Slim đo được cũng đúng như chúng ta đã đo được ban đầu. Tuy nhiên, bạn cần nhớ kỹ rằng trong toàn bộ sự thảo luận của chúng ta, Tornado luôn luôn quay, và chúng ta không khi nào đo được chu vi của nó khi nó đứng yên cả. Và như vậy, theo quan điểm của chúng ta - những người quan sát đứng yên - thì sự khác nhau duy nhất giữa phép đo chu vi sàn quay của chúng ta và của Slim là chiếc thước của Slim bị co lại; sàn Tornado quay vẫn đã quay từ trước khi chúng ta đo và cũng vẫn đang quay khi chúng ta quan sát Slim tiến hành đo. Vì chúng ta thấy chiếc thước của Slim bị co lại, nên chúng ta phát hiện ra rằng anh ta phải đặt chiếc thước dọc theo chu vi sàn quay với số lần lớn hơn chúng ta. Sự co lại của chu vi sàn quay có thể sẽ có liên quan chỉ khi chúng ta so sánh các tính chất của sàn quay khi nó quay và khi nó đứng yên, nhưng chúng ta không cần tới sự so sánh đó. Thứ hai, mặc dù chúng ta không cần phải đo sàn quay khi nó đứng yên, nhưng có thể bạn vẫn còn băn khoăn về chuyện điều gì sẽ xảy ra khi sàn quay chậm dần rồi dừng lại. Bây giờ thì chúng ta lại cần phải tính tới sự thay đổi của chu vi khi sàn quay chậm dần bởi vì mức độ co Lorentz cũng thay đổi. Nhưng điều này làm thế nào có thể phù hợp với thực tế là bán kính của sàn không thay đổi? Đây là một vấn đề rất tế nhị và việc giải quyết nó dựa vào một thực tế là, trong thế giới thực không có những vật rắn tuyệt đối. Các vật có thể kéo giãn hoặc uốn cong và do đó thích nghi với sự kéo giãn hoặc co lại mà chúng ta đã gặp phải; nếu không thế, như Einstein đã chỉ ra, thì chiếc đĩa quay - ban đầu được chế tạo bằng cách để cho kim loại nóng chảy nguội đi ở trong khuôn đúc chuyển động quay - sẽ bay tung toé ra ngoài khi vận tốc quay sau đó bị thay đổi. Chi tiết hơn về lịch sử chiếc đĩa quay có thể xem “Einstein và chiếc đĩa quay rắn” Stachel trong cuốn General Relativity and Graviation (New York: Viking, 1997). Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ Chương 3 -Uốn cong và lượn sóng(2) Nói tóm lại, Einstein hoàn toàn đồng ý với phát biểu của Newton nói rằng: “Hấp dẫn cần phải được gây bởi một tác nhân nào đó”, nhưng ông đã vượt qua sự thách thức của Newton nói rằng bản chất của tác nhân nói trên xin nhường để “cho độc giả xem xét”. Tác nhân của hấp dẫn, theo Einstein, đó là cấu trúc không-thời gian của Vũ trụ. ABC về thuyết tương đối rộng Để có một cảm giác đối với quan niệm mới về hấp dẫn, ta hãy xét trường hợp một hành tinh (chẳng hạn như Trái Đất) quay quanh một ngôi sao (chẳng hạn như Mặt Trời). Theo lý thuyết hấp dẫn của Newton, Mặt Trời giữ được Trái Đất trên quỹ đạo của nó là nhờ một “sợi dây” hấp dẫn chưa biết rõ “nhân dạng” tức thời vươn xa trên một khoảng cách cực lớn để chộp giữ lấy Trái Đất (tương tự, sợi dây hấp dẫn của Trái Đất cũng vươn ra để chộp giữ lấy Mặt Trời). Einstein đã xây dựng hẳn một quan niệm mới để giải thích điều gì đã thực sự xảy ra. Sẽ rất hữu ích cho việc bàn về cách tiếp cận của Einstein, nếu chúng ta có được một mô hình trực quan cụ thể của không-thời gian mà chúng ta có thể dễ dàng vận dụng. Để làm điều đó, ta sẽ đơn giản hóa sự vật theo hai cách. Thứ nhất, ta tạm thời không đếm xỉa đến thời gian và chỉ tập trung vào mô hình trực quan của không gian. Sau đó, ta sẽ lại gộp thời gian vào trong thảo luận của chúng ta. Thứ hai, để chúng ta có thể vẽ và vận dụng những hình ảnh trực quan trên những trang sách này, chúng ta thường viện đến sự tương tự hai chiều của không gian ba chiều. Phần lớn những hiểu biết mà ta thu nhận được nhờ mô hình có số chiều thấp hơn đều có thể áp dụng trực tiếp cho những tình huống vật lý ba chiều, do đó mô hình này là một công cụ sư phạm khá hiệu quả. Trong Hình 3.3, chúng ta đã dùng những cách đơn giản hóa đó và vẽ một mô hình hai chiều của một vùng không gian trong Vũ trụ chúng ta. Cấu trúc giống như mạng lưới này cho ta một phương tiện để chỉ định vị trí hệt như mạng lưới các đường phố cho ta một phương tiện để xác định một địa điểm trong thành phố. Tất nhiên, trong thành phố, để cho địa chỉ, ngoài việc chỉ địa điểm trên mạng lưới đường phố hai chiều, còn phải cho vị trí theo hướng thẳng đứng, như số tầng chẳng hạn. Và cái thông tin cuối cùng này, tức là vị trí theo chiều thứ ba không gian, đã được bỏ đi trong mô hình hai chiều để dễ hình dung hơn. Hình 3.3 Biểu diễn một không gian phẳng. Khi không có vật chất và năng lượng, Einstein xem rằng không gian là “phẳng”. Trong mô hình hai chiều của chúng ta, điều này có nghĩa là “hình dạng” của không gian giống như bề mặt của một chiếc bàn nhẵn, như được minh họa trên Hình 3.3. Đây là hình ảnh không gian Vũ trụ của chúng ta đã được hình dung từ hàng ngàn năm nay. Nhưng điều gì sẽ xảy ra với không gian, nếu như có một vật nặng như Mặt Trời hiện diện? Trước Einstein, câu trả lời là không có gì; không gian (và thời gian) được xem đơn giản như một sân khấu lạnh lùng nơi diễn ra những sự kiện của Vũ trụ. Tuy nhiên, chuỗi những suy luận của Einstein mà chúng ta đang theo đuổi lại dẫn tới một kết luận khác. Một vật nặng như Mặt Trời và thực tế là một vật bất kỳ, đều tác dụng một lực hấp dẫn lên các vật khác. Trong ví dụ về quả bom của bọn khủng bố, chúng ta đã biết rằng lực hấp dẫn và chuyển động có gia tốc là không thể phân biệt được. Trong ví dụ về sàn quay Tornado, ta lại biết rằng mô tả toán học của chuyển động có gia tốc đòi hỏi những hệ thức của không gian cong. Những mối liên kết này giữa hấp dẫn, chuyển động có gia tốc và không gian cong đã dẫn Einstein tới một đề xướng quan trọng nói rằng sự hiện diện của một khối lượng, chẳng hạn như Mặt Trời, sẽ làm cho cấu trúc của không gian ở xung quanh nó bị cong đi, như được minh họa trên Hình 3.4. Một tương tự hữu ích và vẫn thường được trích dẫn, đó là một màng cao su trên đó có đặt một quả bowling. Hình ảnh này minh họa cho sự biến dạng của cấu trúc không gian do sự hiện diện của một vật nặng. Theo đề xuất có tính cách mạng đó, không gian không còn là một sân khấu thụ động nơi diễn ra những sự kiện của Vũ trụ nữa, mà bây giờ hình dạng của không gian phản ứng lại các vật ở trong môi trường. Hình 3.4 Một vật nặng như Mặt Trời làm biến dạng cấu trúc của không gian tựa như tác dụng của quả bowling đặt trên một tấm vải đàn hồi. Sự cong này, đến lượt mình, lại ảnh hưởng tới các vật khác chuyển động ở lân cận Mặt Trời, vì bây giờ chúng phải chuyển động qua một cấu trúc không gian đã bị biến dạng. Lại dùng hình ảnh tương tự của màng cao su với quả bowling, nếu ta đặt một viên bi nhỏ trên màng đó và cho nó một vận tốc ban đầu, thì quãng đường mà nó sẽ đi phụ thuộc vào điều là quả bowling có được đặt ở tâm không. Nếu không có quả bowling ở đó, màng cao su sẽ phẳng và viên bi sẽ chuyển động theo một đường thẳng. Nếu có mặt quả bowling và do đó làm cong màng cao su, thì viên bi sẽ chuyển động với quỹ đạo cong. Thực tế, khi bỏ qua ma sát, nếu ta thả cho viên bi chuyển động với vận tốc và hướng thích hợp, nó sẽ tiếp tục chuyển động theo cùng một quỹ đạo cong, tuần hoàn xung quanh quả bowling, nghĩa là nó sẽ “quay quanh” quả bowling. Cách diễn đạt như thế là đã dự liệu trước để áp dụng sự tương tự đó cho hấp dẫn. Giống như quả bowling, Mặt Trời làm cong cấu trúc của không gian bao quanh nó và chuyển động của Trái Đất, giống như chuyển động của viên bi, được xác định bởi hình dạng của sự cong đó. Trái Đất, giống như viên bi, sẽ chuyển động xung quanh Mặt Trời nếu như vận tốc và sự định hướng của nó có các giá trị thích hợp. Tác dụng này trên Trái Đất chính là cái mà chúng ta thường viện đến như là tác dụng hấp dẫn của Mặt Trời và được minh họa trên Hình 3.5. Nhưng bây giờ sự khác biệt là ở chỗ, không giống như Newton, Einstein đã chỉ ra được cơ chế truyền của hấp dẫn: đó là sự cong của không gian. Theo quan điểm của Einstein, sợi dây hấp dẫn giữ Trái Đất trên quỹ đạo của nó không phải là một tác dụng tức thời bí ẩn nào đó của Mặt Trời nữa, mà đó là sự cong của cấu trúc không gian gây bởi sự hiện diện của Mặt Trời. Hình 3.5. Trái Đất được giữ trên quỹ đạo của nó xung quanh Mặt Trời là bởi vì nó lăn dọc theo một thung lũng trong cấu trúc không gian bị uốn cong. Nói một cách chính xác hơn, nó đi theo “con đường ít trở ngại nhất” trong vùng bị biến dạng xung quanh Mặt Trời. Bức tranh này cho phép chúng ta hiểu được hai đặc điểm căn bản của hấp dẫn theo cách mới. Thứ nhất, quả bowling càng nặng thì sự biến dạng do nó gây ra cho màng cao su càng lớn. Tương tự như thế, trong sự mô tả của Einstein về hấp dẫn, một vật có khối lượng càng lớn, thì sự biến dạng mà nó gây ra cho không gian xung quanh cũng càng lớn. Điều này dẫn tới hệ quả là một vật càng nặng, thì tác dụng hấp dẫn của nó lên các vật khác càng lớn, điều này hoàn toàn phù hợp với kinh nghiệm của chúng ta. Thứ hai, cũng như sự biến dạng của màng cao su do quả bowling gây ra sẽ càng nhỏ khi ta càng ở xa nó, mức độ cong của không gian do một vật nặng như Mặt Trời gây ra sẽ giảm khi khoảng cách tới vật đó tăng. Điều này lại một lần nữa hoàn toàn phù hợp với sự hiểu biết của chúng ta về hấp dẫn: lực hấp dẫn càng yếu khi khoảng cách giữa các vật càng lớn. Một điểm quan trọng cần phải lưu ý là, bản thân viên bi cũng làm biến dạng màng cao su, mặc dù chỉ ít thôi. Tương tự, Trái Đất cũng làm cong cấu trúc của không gian, mặc dù là nhỏ hơn rất nhiều so với Mặt Trời. Nói theo ngôn ngữ của thuyết tương đối rộng, thì điều này giải thích tại sao, Trái Đất lại giữ được Mặt Trăng trên quỹ đạo và Trái Đất giữ được chúng ta gắn chặt với bề mặt của nó. Hãy tưởng tượng một người nhảy dù: quá trình rơi xuống đất của anh ta thực chất là sự trượt xuống theo chỗ trũng của cấu trúc không gian mà khối lượng của Trái Đất đã tạo ra. Hơn thế nữa, mỗi chúng ta, cũng giống như bất cứ một vật có khối lượng nào khác, đều làm cong cấu trúc không gian ở lân cận cơ thể chúng ta, mặc dù khối lượng tương đối nhỏ bé của cơ thể con người chỉ gây ra được những biến dạng chút xíu thôi. Nói tóm lại, Einstein hoàn toàn đồng ý với phát biểu của Newton nói rằng: “Hấp dẫn cần phải được gây bởi một tác nhân nào đó”, nhưng ông đã vượt qua sự thách thức của Newton nói rằng bản chất của tác nhân nói trên xin nhường để “cho độc giả xem xét”. Tác nhân của hấp dẫn, theo Einstein, đó là cấu trúc không-thời gian của Vũ trụ. Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ Chương 3 -Uốn cong và lượn sóng(3) Mặc dù rất hữu ích, tuy nhiên, mô hình màng cao su và quả bóng bowling không phải là hoàn hảo và để cho chính xác, chúng tôi xin lưu ý các bạn về một số nhược điểm của nó... Một vài cảnh báo Mô hình màng cao su và quả bowling rất có giá trị, bởi vì nó cho chúng ta một hình ảnh trực quan có thể nắm bắt được một cách cụ thể thế nào là sự cong trong cấu trúc không gian của Vũ trụ. Các nhà vật lý thường dùng nó và những sự tương tự khác để dẫn dắt trực giác của mình về hấp dẫn và sự cong của không gian. Mặc dù rất hữu ích, tuy nhiên, mô hình màng cao su và quả bóng bowling không phải là hoàn hảo và để cho chính xác, chúng tôi xin lưu ý các bạn về một số nhược điểm của nó. Trước hết, khi Mặt Trời làm cho cấu trúc không gian xung quanh nó bị cong đi, thì đó không phải là vì nó bị “kéo xuống phía dưới” bởi trọng lực như trong trường hợp quả bowling (quả này làm cong màng cao su do nó bị hút về phía Trái Đất bởi trọng lực). Trong trường hợp Mặt Trời, không có vật nào để “làm việc kéo” đó cả. Thay vì thế, Einstein đã dạy chúng ta rằng cong của không gian chính là hấp dẫn. Sự hiện diện của một vật có khối lượng làm cho không gian phản ứng lại bằng cách cong đi. Tương tự như vậy, Trái Đất không phải được giữ trên quỹ đạo của nó do lực hút hấp dẫn của một vật nào khác bên ngoài dẫn dắt nó dọc theo thung lũng của một môi trường không gian bị uốn cong như trong trường hợp viên bi trên màng cao su bị biến dạng. Thay vì thế, Einstein dã chỉ ra rằng các vật chuyển động qua không gian (chính xác hơn là không-thời gian) dọc theo những con đường khả dĩ ngắn nhất hay “những con đường ít bị cản trở nhất”. Nếu không gian bị cong, thì những con đường như thế cũng sẽ là cong. Và như vậy, mặc dù mô hình màng cao su và quả bowling cho ta một sự tương tự trực quan tốt về sự cong của không gian xung quanh gây bở một vật nặng như Mặt Trời và do đó về cả sự ảnh hưởng của nó đến chuyển động của các vật khác, nhưng cơ chế vật lý gây ra những biến dạng đó là hoàn toàn khác. Cơ chế trong các mô hình tương tự vẫn còn phải viện đến trực giác của chúng ta về hấp dẫn trong khuôn khổ truyền thống của Newton, trong khi đó cơ chế do Einstein đề xuất thể hiện sự giải thích lại trường hấp dẫn qua không gian cong. Nhược điểm thứ hai của mô hình tương tự bắt nguồn từ tính hai chiều của màng cao su. Thực tế, mặc dù là khó hình dung, nhưng Mặt Trời (và tất cả các vật có khối lượng khác) đều thực sự làm cong không gian ba chiều ở xung quanh nó. Hình 3.6 là một cố gắng minh họa điều đó một cách thô thiển. Toàn bộ không gian bao quanh Mặt Trời - “bên trên, “bên dưới” và “các bên” - đều chịu cùng một loại biến dạng mà Hình 3.6 chỉ cho thấy được phần nào. Một vật, tựa như Trái Đất chuyển động qua vùng không gian ba chiều bị uốn cong do sự hiện diện của Mặt Trời. Bạn có thể thấy hình này có gì đó hơi khó hiểu, chẳng hạn như tại sao Trái Đất lại không đâm sầm vào “bức tường thẳng đứng” của không gian cong được vẽ trên hình? Tuy nhiên, bạn cần luôn ghi nhớ trong đầu rằng, không gian không giống như màng cao su và cũng không phải là một bức tường chắn cứng rắn. Thay vì thế, những lưới kẻ ô bị uốn cong trên hình chỉ là những lát cắt mỏng qua toàn bộ không gian ba chiều bị uốn cong, mà bạn, Trái Đất và mọi thứ đều chìm ngập và cuộc sống hoàn toàn tự do trong đó. Cũng có thể bạn thấy rằng điều đó chỉ làm cho vấn đề trở nên tồi tệ hơn: nếu như chúng ta chìm ngập bên trong cấu trúc của không gian, thì tại sao chúng ta lại không cảm nhận được nó? Thực ra chúng ta đã cảm nhận được. Chúng ta đã cảm thấy lực hấp dẫn, mà không gian lại là môi trường qua đó lực hấp dẫn được truyền đi. Khi mô tả lực hấp dẫn, nhà vật lý xuất sắc John Wheeler thường nói: “Khối lượng áp đặt sự chi phối của nó lên không gian bằng cách nói cho không gian biết phải cong đi như thế nào, còn không gian áp đặt sự chi phối của nó lên khối lượng bằng cách nói cho khối lượng biết phải chuyển động như thế nào” [1]. Hình 3.6. Một mẫu về sự cong của không gian ba chiều xung quanh Mặt Trời. Nhược điểm thứ ba của các mô hình tương tự này là trong đó chúng ta đã bỏ đi chiều thời gian. Chúng ta làm điều đó để cho dễ hình dung vấn đề, bởi vì mặc dù theo thuyết tương đối hẹp chúng ta cần phải xem chiều thời gian bình đẳng như ba chiều không gian quen thuộc, nhưng để “nhìn thấy” thời gian không phải là việc dễ dàng. Song, như đã minh họa trong ví dụ về cái sàn quay Tornado, gia tốc - và do đó hấp dẫn - đều làm cong cả không gian và thời gian. (Thực tế, những tính toán từ thuyết tương đối rộng cho thấy rằng, trong trường hợp vật chuyển động tương đối chậm như Trái Đất quay quanh Mặt Trời chẳng hạn, thì sự uốn cong của thời gian thực sự có ảnh hưởng đến chuyển động của Trái Đất đáng kể hơn nhiều so với sự uốn cong của không gian). Chúng ta sẽ còn trở lại thảo luận về sự uốn cong của thời gian trong mục sau. Do những điều cảnh báo nói trên khá quan trọng, nên chừng nào chúng còn lẩn quất đâu đó trong đầu óc bạn, thì việc viện đến hình ảnh không gian cong được cho bởi quả bowling đặt trên màng cao su như một sự tổng kết trực giác về quan điểm mới của Einstein về hấp dẫn, là hoàn toàn chấp nhận được. [1] Phỏng vấn John Wheeler, ngày 27 tháng giêng năm 1998 Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ Chương 3 -Uốn cong và lượn sóng(4) Khi không có khối lượng hiện diện, không gian là phẳng và một vật nhỏ sẽ an bài ở trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng đều. Nếu một vật có khối lượng lớn xuất hiện, không gian sẽ biến dạng, nhưng không diễn ra một cách tức thời, mà lan truyền từ vị trí của vật nặng ra phía ngoài... Giải quyết xung đột Bằng cách làm cho không gian và thời gian trở thành những diễn viên hoạt động thực sự, Einstein đã cho chúng ta một hình ảnh có tính khái niệm về sự vận hành của hấp dẫn. Tuy nhiên, vấn đề trung tâm đặt ra là, liệu sự giải thích lại hấp dẫn đó có giải quyết được xung đột giữa thuyết tương đối hẹp và lý thuyết hấp dẫn của Newton hay không. Câu trả lời là có. Lại một lần nưa, mô hình màng cao su lại giúp chúng ta lĩnh hội được ý tưởng chính của câu trả lời này. Hãy hình dung ta có viên bi đang chuyển động thẳng dọc theo màng cao su phẳng, khi không có quả bowling. Khi đặt quả bowling lên màng cao su, chuyển động của viên bi sẽ bị ảnh hưởng, nhưng không phải ngay tức thì. Nếu chúng ta quay phim dãy những sự kiện đó, rồi cho quay chậm lại, ta sẽ thấy rằng, nhiễu động do đưa quả bowling vào sẽ được truyền đi như những gợn sóng trên mặt hồ và cuối cùng mới tới vị trí của viên bi. Sau một thời gian ngắn, những dao động quá độ dọc theo màng cao su đó sẽ lắng xuống để lại cho chúng ta một màng cong tĩnh. Điều nói trên cũng đúng với cấu trúc của không gian. Khi không có khối lượng hiện diện, không gian là phẳng và một vật nhỏ sẽ an bài ở trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng đều. Nếu một vật có khối lượng lớn xuất hiện, không gian sẽ biến dạng - nhưng cũng tương tự như màng cao su - sự biến dạng này không diễn ra một cách tức thời, mà lan truyền từ vị trí của vật nặng ra phía ngoài và cuối cùng an bài dưới một dạng cong nhất định và bằng cách đó truyền lực hấp dẫn tới vật khác. Trong mô hình tương tự, những nhiễu động trên màng cao su lan truyền ra xung quanh với vận tốc được xác định bởi thành phần cụ thể của vật liệu chế tạo màng. Trong khuôn khổ của thuyết tương đối rộng, Einstein đã tính được tốc độ truyền của các nhiễu động đối với cấu trúc không - thời gian của Vũ trụ và tìm thấy rằng nó đúng bằng vận tốc ánh sáng. Điều này, có nghĩa là trong tình huống giả tưởng được nói ở trên về cái chết của Mặt Trời ảnh hưởng tới Trái Đất do những thay đổi trong lực hút hấp dẫn giữa chúng, thì ảnh hưởng đó không được truyền đi một cách tức thời. Thực tế, khi một vật không thay đổi vị trí của nó hoặc thậm chí bị nổ tung, nó sẽ gây ra một sự thay đổi trong độ cong của cấu trúc không - thời gian. Sự thay đổi này được lan truyền ra xung quanh với vận tốc ánh sáng, hoàn toàn phù hợp với giới hạn về vận tốc của thuyết tương đối hẹp. Như vậy, ở mặt đất, chúng ta sẽ nhận biết được bằng mắt sự bùng nổ của Mặt Trời ở đúng thời điểm mà chúng ta cảm thấy được những hệ quả về mặt hấp dẫn, tức là khoảng 8 phút sau khi bùng nổ. Như vậy, lý thuyết mới của Einstein đã giải quyết được sự xung đột; những nhiễu động hấp dẫn tuy không vượt được qua nhưng cũng theo kịp các photon. iai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ Chương 3 -Uốn cong và lượn sóng(5) Chúng ta sẽ tiếp tục theo dõi phần tiếp sau những cuộc phiêu lưu của Slim và Jim trên sàn quay Tornado và cố gắng thu được ý nghĩa của những hệ quả được suy ra từ sự cong của thời gian bị cong do hấp dẫn gây ra... Lại nói về sự cong của thời gian Những minh họa như các hình 3.2; 3.4 và 3.6 đã nắm bắt được ý nghĩa căn bản của cái được gọi là không gian cong. Sự cong làm méo đi hình dạng của không gian. Các nhà vật lý đã phát minh ra nhiều hình ảnh tương tự nhằm chuyển tải được ý nghĩa của “thời gian cong”, nhưng hiểu được chúng cũng không dễ dàng gì, vì vậy, chúng tôi sẽ không đưa chúng vào đây. Thay vì, chúng ta sẽ tiếp tục theo dõi phần tiếp sau những cuộc phiêu lưu của Slim và Jim trên sàn quay Tornado và cố gắng thu được ý nghĩa của những hệ quả được suy ra từ sự cong của thời gian bị cong do hấp dẫn gây ra. Để làm điều đó, chúng ta hãy gặp lại Goerge và Gracie không phải trong bóng đêm sâu thẳm của khoảng không Vũ trụ mà trôi nổi đâu đó ở vùng ngoại vi của hệ Mặt Trời. Họ vẫn còn đeo một chiếc đồng hồ số to tướng trên người và ban đầu đã được chỉnh giờ như nhau. Để cho đơn giản, ta sẽ không xét đến ảnh hưởng của các hành tinh mà chỉ xét trường hấp dẫn của Mặt Trời. Hơn nữa, ta cũng tưởng tượng rằng có một con tàu vũ trụ cũng trôi nổi ở gần hai người và thả một sợi cáp dài xuống gần bề mặt của Mặt Trời. Và Goerge đã dùng sợi cáp này để tụt xuống phía Mặt Trời. Khi làm như vậy, định kỳ anh ta lại dừng lại để cùng với Gracie so sánh nhịp độ trôi của thời gian xét theo đồng hồ của họ. Sự cong của thời gian được tiên đoán bởi thuyết tương đối rộng dẫn tới hệ quả là đòng hồ của Goerge chạy ngày càng chậm so với đồng hồ của Gracie vì trường hấp dẫn tác dụng lên anh ta ngày càng mạnh hơn. Điều này có nghĩa là, càng tiến gần tới Mặt Trời thì đồng hồ của anh ta chạy càng chậm. Và nói rằng hấp dẫn làm cong thời gian cũng như không gian là hiểu theo nghĩa đó. Bạn cũng nên lưu ý rằng, không giống như trường hợp nêu ở Chương 2, trong đó Goerge và Gracie ở trong khoảng không vũ trụ và chuyển động thẳng đều đối với nhau, trong trường hợp ta đang xét, không có sự đối xứng giữa họ. Khác với Gracie, Goerge cảm thấy lực hấp dẫn ngày càng mạnh, nên anh ta ngày càng phải giữ chặt dây cáp hơn để không bị kéo tụt xuống dưới. Cả hai người đều nhất trí rằng đồng hồ của Goerge chạy chậm hơn. Hoàn toàn không có “sự tương đương của hai quan điểm” để có thể trao đổi vai trò của họ và đảo ngược lại kết luận đó. Thực tế, đây chính là điều mà chúng ta đã tìm thấy trong Chương 2, khi Goerge cảm nhận thấy gia tốc bằng cách bật động cơ phản lực đeo ở sau lưng để đuổi theo Gracie. Gia tốc mà Goerge cảm nhận được làm cho đồng hồ của anh ta chắc chắn chậm so với đồng hồ của Gracie. Do bây giờ chúng ta đã biết cảm nhận chuyển động có gia tốc cũng hệt như cảm nhận lực hấp dẫn, vì vậy mà tình huống Goerge đang bám vào sợi cáp mà ta đang xét có liên quan cùng một nguyên lý và lại một lần nữa, ta thấy đồng hồ của Goerge và mọi thứ trong anh ta đều diễn ra theo nhịp độ chậm hơn so với Gracie. Trong trường hợp hấp dẫn, như ở bề mặt của Mặt Trời, sự chạy chậm của đồng hồ của Goerge là khá nhỏ. Nếu như Gracie ở cách Mặt Trời khoảng vài kilômét, nhịp độ phát ra tiếng tíc tắc của đồng hồ anh ta chỉ bằng 99,9998% đồng hồ của Gracie. Đúng là có chậm hơn, nhưng không nhiều [1]. Tuy nhiên, nếu Goerge theo dây cáp tụt xuống tới mức lơ lửng ngay ở sát bề mặt của một sao nơtron, một loại sao có khối lượng gần bằng Mặt Trời nhưng bị nén tới mức có khối lượng riêng lớn gấp cỡ một triệu tỷ lần của Mặt Trời, nên lực hấp dẫn mạnh hơn của nó làm cho đồng hồ của Goerge có nhịp độ phát tiếng tíc tắc chỉ còn bằng 78% đồng hồ của Gracie. Những trường hấp dẫn mạnh hơn, như trường ở bên ngoài các lỗ đen (như sẽ thảo luận dưới đây) sẽ làm cho sự trôi của thời gian còn chậm lại hơn nữa, tức là trường hấp dẫn càng mạnh càng làm cho thời gian bị cong nhiều hơn. [1] Ngay cả như thế đi nữa, các đồng hồ nguyên tử hiện có cũng đủ chính xác để phát hiện được sự cong nhỏ như thế hoặc còn nhỏ hơn nữa của thời gian. Ví dụ, năm 1976 Robetr Vessot và martin Levine thuộc Đài Vật lý Thiên văn Smithson của Đại học Harvard cùng với một số cộng tác viên thuộc Cơ quan Nghiên cứu Vũ trụ quốc gia (NASA)đã phóng một tên lửa Scout D từ đảo Wallops, mang theo một đồng hồ nguyên tử với độ chính xác khoảng một phần ngàn tỷ giây trong một giờ. Họ hy vọng sẽ chứng tỏ được rằng khi tên lửa đạt được độ cao (do đó giảm tác dụng lực hút hấp dẫn của Trái Đất), thì đồng hồ nguyên tử giống hệt như thế gắn với mặt đất (tức vẫn còn chịu lực hút hấp dẫn của Trái Đất) sẽ chạy chậm hơn. Nhờ một dòng tín hiệu vi ba hai chiều, các nhà nghiên cứu đã so sánh được tốc độ của hai đồng hồ nguyên tử đó, và thực tế, ở độ cao cực đại của tên lửa (khoảng 10 ngàn kilômét) đồng hồ nguyên tử của nó chạy nhanh hơn khoảng 4 phần tỷ giây so với đồng hồ nguyên tử trên mặt đất, phù hợp với những tiên đoán của lý thuyết với độ chính xác nhỏ hơn một phần vạn. Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ Chương 3 -Uốn cong và lượn sóng(6) Động cơ để đặt vấn đề xem xét lại một lý thuyết đã rất thành công về mặt thực nghiệm như thế (thuyết tương đối rộng), như chúng tôi đã từng nhấn mạnh, đó là tính chất truyền tức thời của lực hấp dẫn mâu thuẫn với thuyết tương đối hẹp... Kiểm chứng thực nghiệm thuyết tương đối rộng Phần lớn những ai nghiên cứu thuyết tương đối rộng đều bị hấp dẫn bởi vẻ đẹp thanh nhã của nó. Bằng cách thay thế quan niệm lạnh lùng và mang tính cơ học của Newton về không gian, thời gian và hấp dẫn bằng sự mô tả động và mang tính hình học, Einstein đã đan bện hấp dẫn vào cấu trúc cơ bản của Vũ trụ. Thay vì bị áp đặt như một cấu trúc được thêm vào, hấp dẫn đã trở thành một bộ phận hữu cơ của Vũ trụ ở mức cơ bản nhất của nó. Việc thổi sự sống vào không gian và thời gian bằng cách cho phép chúng uốn cong và lượn sóng đã tạo ra cái mà chúng ta thường gọi là hấp dẫn. Tạm gác khía cạnh mỹ học sang một bên, sự kiểm chứng tối hậu của một lý thuyết vật lý là khả năng giải thích và tiên đoán chính xác những hiện tượng vật lý của lý thuyết đó. Từ khi khởi đầu vào cuối những năm 1600 cho tới tận đầu thế kỷ XX, lý thuyết của Newton về hấp dẫn đã vượt qua sự kiểm nghiệm này một cách vẻ vang. Dù là áp dụng cho quả bóng được ném lên, cho các vật rơi xuống từ tháp nghiêng, cho các sao chổi quay quanh Mặt Trời hay cho các hành tinh quay trên quỹ đạo xung quanh Mặt Trời, lý thuyết của Newton về hấp dẫn đều cho những giải thích cực kỳ chính xác đối với mọi quan sát cũng như những tiên đoán đã được kiểm chứng rất nhiều lần trong vô vàn tình huống khác nhau. Động cơ để đặt vấn đề xem xét lại một lý thuyết đã rất thành công về mặt thực nghiệm như thế, như chúng tôi đã từng nhấn mạnh, đó là tính chất truyền tức thời của lực hấp dẫn mâu thuẫn với thuyết tương đối hẹp. Những hiệu ứng của thuyết tương đối hẹp, mặc dù rất quan trọng đối với sự hiểu biết cơ bản về không gian, thời gian và chuyển động, nhưng lại cực kỳ nhỏ trong thế giới của những vận tốc chậm như thế giới mà chúng ta đang sống. Cũng tương tự như vậy, những sai lệch giữa thuyết tương đối rộng của Einstein – lý thuyết tương thích được với thuyết tương đối hẹp – và lý thuyết của Newton về hấp dẫn cũng là cực kỳ nhỏ trong hầu hết các tình huống thông thường. Điều này vừa hay cũng vừa không hay. Hay là bởi vì bất kỳ một lý thuyết nào muốn thay thế cho lý thuyết của Newton về hấp dẫn đều phải phù hợp tốt nhất với nó trong những lĩnh vực mà lý thuyết Newton đã được kiểm chứng bằng thực nhiệm. Còn không hay là bởi vì nó sẽ làm cho ta khó phán xử hai lý thuyết bằng thực nghiệm. Vì vậy, để phân biệt giữa hai lý thuyết của Newton và Einstein đòi hỏi phải có những phép đo cực kỳ chính xác áp dụng cho những thí nghiệm rất nhạy cảm đối với những khác biệt của hai lý thuyết. Nếu bạn ném một quả bóng, thì lý thuyết về hấp dẫn của Newton và của Einstein đều có thể được sử dụng để tiên đoán nơi mà nó sẽ rơi xuống, và đáp số sẽ là khác nhau, nhưng sự khác nhau đó sẽ là nhỏ tới mức vượt ra ngoài khả năng phát hiện được bằng thực nghiệm. Nghĩa là cần phải có một thực nghiệm thông minh hơn và chính Einstein đã đề xuất một thực nghiệm như vậy [1]. Chúng ta chỉ nhìn thấy những ngôi sao vào ban đêm, nhưng tất nhiên là chúng vẫn hiện diện ở đó cả ban ngày. Sở dĩ chúng ta thường không nhìn thấy chúng là bởi vì ánh sáng nhỏ xíu và xa xôi của chúng đã bị lấn át bởi ánh sáng của Mặt Trời. Tuy nhiên, trong nhật thực, Mặt Trăng tạm thời che khuất ánh sáng của Mặt Trời và những ngôi sao xa trở nên nhìn thấy được. Tuy nhiên, sự hiện diện của Mặt Trời vẫn còn có hiệu ứng: ánh sáng từ một số ngôi sao xa muốn tới Trái Đất phải đi qua gần Mặt Trời. Thuyết tương đối rộng của Einstein tiên đoán rằng Mặt Trời sẽ làm cho không gian xung quanh nó bị uốn cong và sự biến dạng đó của không gian sẽ có ảnh hưởng đến đường đi của ánh sáng sao. Sau hết, những photon có xuất xứ từ xa đi dọc theo cấu trúc của Vũ trụ và nếu cấu trúc này bị cong đi thì chuyển động của các photon cũng sẽ bị ảnh hưởng như đối với một vật thể vật chất bất kỳ nào. Sự uốn cong đường đi của tia sáng sẽ là lớn nhất đối với các tín hiệu sáng đi sát mép Mặt Trời trên đường đi của nó tới Trái Đất. Và nhật thực sẽ làm cho ta có thể nhìn thấy ánh sáng sao đi sát mép Mặt Trời mà không bị lấn át hoàn toàn bởi ánh sáng của chính Mặt Trời. Góc lệch do đường đi của tia sáng bị uốn cong có thể đo được một cách khá đơn giản. Do tia sáng bị uốn cong nên vị trí biểu kiến của ngôi sao sẽ bị dịch đi. Độ dịch này có thể đo được chính xác bằng cách so sánh vị trí biểu kiến đó với vị trí thực của ngôi sao mà chúng ta đã biết từ những quan sát nó vào ban đêm (khi không có ảnh hưởng của độ cong do Mặt Trời gây ra) được thực hiện khi Trái Đất ở một vị trí thích hợp khoảng 6 tháng trước hoặc sau đó. Vào tháng 11 năm 1915, Einstein đã dùng những hiểu biết mới về hấp dẫn để tính góc mà tia sáng đi qua sát mép Mặt Trời bị uốn cong và kết qủa tìm được là 0,00049 độ. Góc nhỏ xíu này đúng bằng góc nhìn một đồng xu đặt thẳng đứng ở cách xa 3km. Tuy nhiên, việc phát hiện được một góc nhỏ như thế hoàn toàn nằm trong khả năng của công nghệ vào thời đó. Dưới sự thúc ép của Sir Frank Dyson, giám đốc của Đài thiên văn Geenwwich, Sir Arthur Eddington một nhà thiên văn học nổi tiếng đồng thời là thư ký của Hội Thiên văn Hoàng gia nước Anh, đã tổ chức một đoàn thám hiểm tới đảo Principe ở Tây Phi để kiểm chứng tiên đoán của Einstein trong kỳ nhật thực vào ngày 29 tháng 5 năm 1919. Ngày 6 tháng 11 năm 1919, sau 5 tháng phân tích các bức ảnh chụp được trong thời gian nhật thực ở Principe (và những bức ảnh khác về kỳ nhật thực đó được một nhóm các nhà khoa học người Anh khác do Charles Davidson và Andrew Crommelin đứng đầu chụp tại Sobral, Braxin), tại cuộc họp liên tịch của Hội Hoàng gia và Hội Thiên văn Hoàng gia, người ta thông báo rằng tiên đoán của Einstein dựa trên thuyết tương đối rộng đã được khẳng định. Ít lâu sau, tin đồn về thành công này – tức cũng là thành công của sự lật đổ những quan niệm cũ về không gian và thời gian - đã vượt ra ngoài phạm vi của cộng đồng các nhà vật lý và làm cho Einstein trở thành nhân vật nổ tiếng toàn thế giới. Ngày 7 tháng 11 năm 1919, trên trang nhất tờ Thời báo Luân Đôn xuất hiện hàng tít lớn: “một cuộc cách mạng trong khoa học – lý thuyết mới về Vũ trụ – những tư tưởng của Newton bị hạ bệ”. Đây đúng là thời điểm vinh quang nhất của Einstein. Trong những năm tiếp sau thí nghiệm này, sự khẳng định của Eddington về tính đúng đắn của thuyết tương đối rộng đã bị đem ra mổ xẻ phê phán và được xem xét lại một cách kỹ lưỡng. Rất nhiều những khía cạnh khó khăn và tinh tế của phép đo đã làm cho nó khó lặp lại được và do đó làm dấy lên những nghi vấn về tính trung thực của thí nghiệm gốc. Tuy nhiên, vào cuối những năm 1940, rất nhiều thí nghiệm dùng những công nghệ tiên tiến đã kiểm chứng lại nhiều phương diện của thuyết tương đối rộng với độ chính xác cao. Những tiên đoán của lý thuyết này đều đã được nhất trí khẳng định. Không còn nghi ngờ gì nữa, mô tả của Einstein về hấp dẫn không chỉ tương thích được với thuyết tương đối hẹp mà còn cho những tiên đoán phù hợp với những kết quả thực nghiệm hơn những tiên đoán của lý thuyết hấp dẫn của Newton. [1] Vào giữa những năm 1880, nhà khoa học người Pháp tên là Urbain Hean Joseph Le Verrier đã phát hiện ra rằng hành tinh Thuỷ hơi lệch ra khỏi quỹ đạo quay quanh Mặt Trời – quỹ đạo đã được tiên đoán dựa trên các định luật của Newton về lực hấp dẫn. Trong suốt hơn một nửa thế kỷ, những cố gắng giải thích hiện tượng tuế sai của điểm cận nhật (gần Mặt Trời nhất) (nói theo ngôn ngữ bình dân thì đây là hiện tượng: ở cuối mỗi một vòng quay quanh Mặt Trời, sao Thuỷ lại không trở về đúng điểm mà lý thuyết dự đoán) đã đưa ra đủ thứ nguyên nhân, như ảnh hưởng hấp dẫn của một hành tinh, hoặc một mặt trăng còn chưa phát hiện được, tác dụng của bụi giữa các hành tinh, hình dạng không hoàn toàn là cầu của Mặt Trời, nhưng không có giải thích nào được chấp nhận hoàn toàn. Năm 1915, Einstein đã tính toán lại hiện tượng này bằng cách dùng các phương trình mới trong thuyết tương đối rộng của mình và đã tìm được đáp số mà theo như chính ông thú nhận, đã khiến tim ông phải đập loạn xạ vì vui sướng. Kết quả tính được từ thuyết tương đối rộng phù hợp một cách chính xác với những quan sát thiên văn. Thành công này chắc chắn là một nguyên nhân quan trọng để Einstein có đủ niềm tin vào lý thuyết của mình, nhưng phần lớn mọi người lại chờ sự khẳng định một tiên đoán chứ không phải sự giải thích một hiện tượng bất thường đã được biết tới từ trước. Chi tiết hơn có thể xem trong cuốn sách của Abraham Pais nhan đề Subtle Is the Lord (New York: Oxford University, 1982). Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ Chương 3 -Uốn cong và lượn sóng(7) Trong khi những hiệu ứng của thuyết tương đối hẹp thể hiện rõ rệt nhất khi các vật chuyển động nhanh, thì thuyết tương đối rộng lại tỏ rõ uy quyền của nó khi các vật là rất nặng và sự cong của không gian và thời gian là đáng kể một cách tương ứng. Xin nêu ra hai ví dụ. Các lỗ đen, Big Bang và sự giãn nở của không gian Trong khi những hiệu ứng của thuyết tương đối hẹp thể hiện rõ rệt nhất khi các vật chuyển động nhanh, thì thuyết tương đối rộng lại tỏ rõ uy quyền của nó khi các vật là rất nặng và sự cong của không gian và thời gian là đáng kể một cách tương ứng. Xin nêu ra hai ví dụ. Ví dụ thứ nhất là phát minh được thực hiện bởi nhà thiên văn học người Đức tên là Karl Schwarzschild trong khi ông nghiên cứu những công trình của Einstein vào những lúc rảnh rỗi giữa hai đợt tính toán những phần tử pháo binh trên mặt trận Nga hồi Thế chiến thứ nhất, năm 1916. Điều đáng nói là, chỉ mấy tháng sau khi Einstein hoàn tất thuyết tương đối rộng của mình, Schwarzchild đã có thể dùng nó để nhận được sự hiểu biết đầy đủ và chính xác hơn về sự cong của không gian và thời gian ở lân cận một ngôi sao hình cầu lý tưởng. Từ mặt trận Nga, Schwarzchild đã gửi những kết quả của mình về cho Einstein và ông đã thay mặt Schwarzchild trình bày những kết quả đó trước Viện Hàn lâm Phổ. Ngoài việc khẳng định và chính xác hóa thêm về mặt toán học sự cong của không - thời gian đã được minh họa một cách khái lược trên Hình 3.5, công trình của Schwarzchild - ngày nay thường được gọi là “nghiệm Schwarzchild” - còn phát lộ được một hệ quả lạ lùng của thuyết tương đối rộng. Ông đã chứng minh được rằng nếu khối lượng của một ngôi sao được tập trung trong một vùng hình cầu đủ nhỏ, sao cho tỷ số của khối lượng và bán kính của nó vượt quá một giá trị tới hạn cụ thể nào đó, thì sự cong của không - thời gian do nó gây ra sẽ mạnh tới mức bất cứ vật nào, kể cả ánh sáng, khi tới gần ngôi sao đó, sẽ không thể thoát ra khỏi vòng xiết hấp dẫn của nó. Vì ngay cả ánh sáng cũng không thoát ra khỏi những “ngôi sao bị nén chặt” như vậy, nên ban đầu chúng được gọi là sao tối hay sao băng giá. Nhiều năm sau, John Wheeler đã đặt cho chúng cái tên quyến rũ hơn là lỗ đen: đen vì chúng không phát ra ánh sáng, còn lỗ là bởi vì bất cứ vật gì tới quá gần nó đều bị rơi vào trong đó và không bao giờ đi ra được nữa. Quả là một cái tên rất đạt. Nghiệm Schwarzchild được minh họa trên Hình 3.7. Mặc dù các lỗ đen nổi tiếng là háu ăn, nhưng các vật đi qua cạnh nó ở một khoảng cách “an toàn” cũng sẽ chỉ bị lệch theo cách hệt như khi chúng đi cạnh một ngôi sao bình thường rồi lại tiếp tục hành trình vui vẻ của mình. Nhưng những vật, bất kể có thành phần như thế nào mà tới quá gần - gần hơn cái mà người ta gọi là “chân trời sự kiện” của lỗ đen - thì sẽ bị toi ngay: chúng chắc chắn sẽ bị kéo vào tâm lỗ đen và chịu một sức hấp dẫn tăng dần, rồi cuối cùng sẽ bị phá hủy hoàn toàn. Ví dụ, bạn bị rơi qua chân trời sự kiện, với hai chân vào trước. Khi càng tới gần tâm của lỗ đen sẽ tăng lên ghê gớm tới mức lực kéo chân bạn sẽ mạnh hơn nhiều so với lực kéo ở đầu bạn (vì chân rơi vào trước nên chân bạn luôn ở gần tâm lỗ đen hơn đầu bạn), và thực tế mạnh tới mức bạn sẽ bị kéo dài ra và nhanh chóng bị xé tan thành nhiều mảnh. Hình 3.7. Lỗ đen làm cong cấu trúc không - thời xung quanh mạnh tới mức bất kỳ vật nào rơi vào bên trong “chân trời sự kiện” của nó - được minh họa bằng vòng tròn đen trên hình - đều không thoát khỏi móng vuốt hấp dẫn của nó. Chưa ai biết chính xác điều gì sẽ xảy ra ở điểm bên trong sâu nhất của lỗ đen. Nếu, ngược lại, bạn thận trọng hơn khi lang thang gần lỗ đen và luôn luôn canh chừng để không vượt qua giới hạn của chân trời sự kiện, thì bạn có thể dùng lỗ đen cho những mục đích hết sức thú vị và đầy bất ngờ. Chẳng hạn, hãy tưởng tượng bạn cần phải khám phá một lỗ đen có khối lượng lớn gấp 1.000 lần Mặt Trời và bạn phải bám theo một dây cáp để tụt xuống gần bề mặt của nó như Goerge đã làm ở trên đối với Mặt Trời, sao cho bạn ở bên trên chân trời sự kiện của lỗ đen chừng vài xentimét. Như chúng ta đã thảo luận ở trên, các trường hấp dẫn đều làm cong thời gian và điều này có nghĩa là sự trôi của bạn qua thời gian sẽ bị chậm lại. Thực tế, vì các lỗ đen có trường hấp dẫn mạnh tới mức sự trôi của bạn theo thời gian thực sự là rất rất chậm. Đồng hồ của bạn khi đó sẽ phát ra tiếng tíc tắc khoảng 10.000 lần chậm hơn đồng hồ của bạn bè ở trên Trái Đất. Nếu bạn cứ lơ lửng như vậy ở bên trên chân trời sự kiện của lỗ đen chừng một năm, rồi leo ngược trở lại theo dây cáp quay về con tàu không gian đang chờ bạn để trở về nghỉ ở quê nhà ít ngày, thì khi tới Trái Đất, bạn sẽ thấy hơn 10.000 năm đã trôi qua kể từ khi bạn cất bước ra đi. Vậy là bạn có thể sử dụng các lỗ đen như một loại máy thời gian, cho phép bạn chu du tới tương lai xa xôi của Trái Đất. Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ Chương 3 -Uốn cong và lượn sóng(8) ...Khi chúng ta lần ngược lại sự tiến hóa đến thời điểm bắt đầu, sự nén lại cùng nhau của toàn bộ vật chất xảy ra là do toàn bộ không gian cũng bị nén lại. Kích thước quả táo, kích thước hạt đậu và kích thước hạt cát khi lùi dần trở về thời điểm ban đầu là toàn bộ Vũ trụ, chứ không phải là một vật gì đó trong Vũ trụ... Điểm trung tâm của lỗ đen Để có một ý niệm về những thang tột bậc có liên quan, lưu ý rằng một ngôi sao có khối lượng như Mặt Trời sẽ trở thành lỗ đen nếu bán kính của nó không có giá trị như bán kính Mặt Trời bằng 700.000 km mà rút lại chỉ còn khoảng 3km. Hãy tưởng tượng: toàn bộ Mặt Trời được ép lại như thế có thể đặt vừa khéo trong vùng Thượng Manhattan. Một thìa “đất” Mặt Trời khi đó nặng ngang cả ngọn núi Everest. Còn để biến Trái Đất thành một lỗ đen thì phải nén nó lại thành một quả cầu bán kính chưa đầy 1 centimét. Một thời gian khá dài, các nhà vật lý hoài nghi, không biết những cấu hình có tính cực đoan như vậy của vật chất liệu có thực sự tồn tại hay không và nhiều người đã nghỉ rằng lỗ đen chẳng qua chỉ phản ánh trí tưởng tượng đã quá mệt mỏi của các nhà lý thuyết. Tuy nhiên, trong suốt chục năm trở lại đây, những bằng chứng thực nghiệm ngày càng có sức thuyết phục hơn về sự tồn tại của lỗ đen đã được tích tụ dần. Tất nhiên, vì chúng là đen nên không thể quan sát chúng bằng cách quét các kính thiên văn ngang qua bầu trời được. Thay vì thế, các nhà thiên văn tìm kiếm các lỗ đen bằng cách phát hiện những hành vi dị thường của các ngôi sao phát sáng bình thường hơn có thể ở ngay bên ngoài chân trời sự kiện của một lỗ đen nào đó. Ví dụ, khi bụi và khí ở những lớp ngoài của ngôi sao bình thường sức bị hút về phía chân trời sự kiện của lỗ đen, chúng sẽ được gia tốc tới gần vận tốc ánh sáng. Với vận tốc lớn như thế, lực ma sát trong dòng vật chất cuộn xoáy đó sẽ phát sinh một lượng nhiệt rất lớn, làm cho hỗn hợp khí và bụi đó “nóng sáng” phát ra ánh sáng thấy được thông thường và các tia X. Vì bức xạ này được tạo ra ở ngay bên ngoài chân trời sự kiện của lỗ đen, nên có thể thoát ra ngoài và truyền qua không gian đến các đài quan sát trên Trái Đất và được nghiên cứu trực tiếp tại đó. Thuyết tương đối rộng cũng đã đưa những tiên đoán chi tiết về tính chất của bức xạ tia X đó và sự quan sát những tính chất này sẽ cho ta những bằng chứng mạnh mẽ, mặc dù là gián tiếp, về sự tồn tại của các lỗ đen. Ví dụ, ngày càng có nhiều bằng chứng chỉ ra rằng có một lỗ đen rất nặng, có khối lượng lớn gấp 2,5 triệu lần khối lượng Mặt Trời, nằm ngay ở tâm dải Ngân Hà của chúng ta. Tuy nhiên, lỗ đen khổng lồ này còn chưa là gì so với các lỗ đen mà các nhà thiên văn tin rằng chúng nằm ở lõi các quasar sáng khác thường ở rải rác trong khắp Vũ trụ: đó là những lỗ đen nặng gấp hàng tỷ lần Mặt Trời. Chỉ ít tháng sau khi tìm ra lời giải của mình Schwarzchild đã qua đời do một căn bệnh về da mà ông mắc phải tại mặt trận Nga. Năm đó ông mới 42 tuổi. Cuộc gặp gỡ ngắn ngủi nhưng đầy bi kịch của ông với lý thuyết hấp dẫn của Einstein đã làm phát lộ một trong số những khía cạnh bí ẩn và lạ lùng nhất của thế giới tự nhiên. Ví dụ thứ hai cho thấy sức mạnh của thuyết tương đối rộng lại với nhau, nhiệt độ tăng lên khủng khiếp, những ngôi sao sẽ tan rã và tạo thành một thứ plasma nóng gồm các hạt sơ cấp của vật chất. Khi cấu trúc tiếp tục co lại, mật độ cũng tăng lên một cách khủng khiếp, hoàn toàn giống như mật độ của plasma nguyên thủy. Khi chúng ta hình dung lần ngược trở lại theo thời gian từ tuổi hiện nay của Vũ trụ quan sát được (khoảng 15 tỷ năm), Vũ trụ như chúng ta biết sẽ co lại tới một kích thước cực nhỏ. Vật chất tạo ra vạn vật - tất cả xe hơi, nhà cửa, cao ốc, núi non trên mặt đất và cả bản thân Trái Đất, Mặt Trăng, sao Thổ, sao Mộc và tất cả các hành tinh khác; rồi Mặt Trời cùng với tất cả các ngôi sao khác trong Ngân Hà; tới thiên hà Andromeda với một trăm tỷ ngôi sao cùng với tất cả các ngôi sao của hơn 100 tỷ thiên hà khác - tất thảy đều bị nén lại tới một mật độ lớn kinh khủng. Và khi lần ngược tới những thời điểm còn sớm hơn nữa, Vũ trụ sẽ được nén lại tới kích thước cỡ như hạt cát và còn nhỏ hơn nữa. Và khi ngoại suy tới “điểm bắt đầu”, thì Vũ trụ dường như chỉ còn là một điểm - hình ảnh mà chúng ta sẽ xem xét lại một cách có phê phán ở chương sau - trong đó toàn bộ vật chất và năng lượng bị nén tới một mật độ và nhiệt độ lớn không thể tưởng tượng nổi. Người ta tin rằng, quả cầu lửa vũ trụ, tức Big Bang, sẽ bùng nổ từ cái hỗn hợp ấy và tung ra những hạt giống mà sau đó tiến hóa thành Vũ trụ như chúng ta biết ngày nay. Hình ảnh Big Bang như một vụ nổ bắn ra toàn bộ vật chất của Vũ trụ giống như những mảnh của một quả bom nổ văng ra là một hình ảnh hữu ích cần ghi nhận, nhưng cũng dễ dẫn đến hiểu lầm. Khi một quả bom nổ, thì điều đó diễn ra tại một địa điểm cụ thể trong không gian và ở một thời điểm cụ thể trong thời gian. Đồng thời các mảnh của nó văng ra trong không gian xung quanh. Trong khi Big Bang, không có không gian xung quanh nào hết. Khi chúng ta lần ngược lại sự tiến hóa đến thời điểm bắt đầu, sự nén lại cùng nhau của toàn bộ vật chất xảy ra là do toàn bộ không gian cũng bị nén lại. Kích thước quả táo, kích thước hạt đậu và kích thước hạt cát khi lùi dần trở về thời điểm ban đầu là toàn bộ Vũ trụ, chứ không phải là một vật gì đó trong Vũ trụ. Ở thời điểm ban đầu, đơn giản là không có không gian bên ngoài quả bom nguyên thủy nhỏ xíu đó. Thay vì, Big Bang là sự phun ra không gian đã bị nén ép và sự bung ra của nó, giống như sóng thủy triều, đã mang đi theo vật chất và năng lượng cho tới tận hôm nay. Trang tiếp theo Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ Chương 3 -Uốn cong và lượn sóng(9) ...Người ta thấy rằng ở mức cơ bản, thuyết tương đối rộng hóa ra lại không tương thích với một lý thuyết cũng được kiểm chứng hết sức mỹ mãn bởi thực nghiệm, đó là cơ học lượng tử... Thuyết tương đối rộng có đúng không ? Cho tới nay, trong các thí nghiệm được thực hiện với trình độ công nghệ hiện đại, người ta chưa phát hiện thấy sự sai lệch nào đối với những tiên đoán của thuyết tương đối rộng. Tuy nhiên, chỉ có thời gian mới có thể nói được, với độ chính xác cao hơn của thực nghiệm, cuối cùng, người ta có phát hiện thấy sai lệch nào hay không. Điều đó cho thấy rằng lý thuyết tương đối rộng cũng chỉ là một sự mô tả gần đúng sự hoạt động của tự nhiên mà thôi. Sự kiểm nghiệm thường xuyên các lý thuyết với độ chính xác ngày càng cao hơn hiển nhiên là một trong số những con đường phát triển của khoa học, nhưng nó không phải là con đường duy nhất. Thực tế, điều này chúng ta cũng đã từng thấy: sự tìm kiếm một lý thuyết mới về hấp dẫn không phải khởi đầu từ sự bác bỏ của thực nghiệm, mà là do xung đột giữa lý thuyết hấp dẫn của Newton và một lý thuyết khác, cụ thể là thuyết tương đối hẹp. Chỉ sau khi đã phát minh ra thuyết tương đối rộng như một lý thuyết cạnh tranh với lý thuyết hấp dẫn của Newton, những sai lệch thực nghiệm trong lý thuyết của Newton mới được nhận dạng nhằm tìm kiếm những hiệu ứng nhỏ nhưng có thể đo được, qua đó phân biệt được sức mạnh của hai lý thuyết. Chính vì vậy, sự không nhất quán trong nội bộ lý thuyết cũng đóng một vai trò quan trọng không kém những dữ liệu thực nghiệm trong việc thúc đẩy sự tiến bộ khoa học. Trong nửa thế kỷ trở lại đây, vật lý học đã phải đối mặt với một cuộc xung đột lý thuyết mới, cũng nghiêm trọng không kém cuộc xung đột giữa thuyết tương đối hẹp với lý thuyết hấp dẫn của Newton. Người ta thấy rằng ở mức cơ bản, thuyết tương đối rộng hóa ra lại không tương thích với một lý thuyết cũng được kiểm chứng hết sức mỹ mãn bởi thực nghiệm, đó là cơ học lượng tử. Đối với những điều được trình bày trong chương này, thì cuộc xung đột mới đã cản trở các nhà vật lý tìm hiểu những gì xảy ra đối với không gian, thời gian và vật chất khi tất cả đều được nén lại ở thời điểm Big Bang hoặc ở điểm trung tâm của các lỗ đen. Trên quan điểm tổng quát hơn, thì cuộc xung đột này đã cảnh báo về một thiếu sót cơ bản nào đó trong quan niệm của chúng ta về tự nhiên. Việc giải quyết được cuộc xung đột mới này sẽ giải thoát cho một số nhà vật lý lý thuyết vĩ đại nhất khỏi ý định xem nó - mà cũng hoàn toàn xứng đáng - là bài toán trung tâm của vật lý lý thuyết hiện đại. Để hiểu cuộc xung đột mới này đòi hỏi phải làm quen với một số đặc điểm cơ bản của lý thuyết lượng tử mà chúng ta sẽ đề cập tới trong chương sau Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ Chương 4 - Những điều kỳ lạ trong thế giới vi mô(1) Trang này đang cập nhật. Nếu bạn có nhu cầu đọc ngay, xin vào phần LIÊN HỆ ở menu bên trái để gửi yêu cầu đến chúng tôi. Chúng tôi sẽ cập nhật các chương tiếp theo trong vòng 24h sau khi nhận được yêu cầu của bạn. Cảm ơn !