|
|
24-08-2008, 09:14 AM
|
|
Cái Thế Ma Nhân
|
|
Tham gia: May 2008
Äến từ: SG
Bà i gởi: 37
Thá»i gian online: 7 giá» 22 phút 5 giây
Thanks: 1
Thanked 0 Times in 0 Posts
|
|
ChÆ°Æ¡ng 6: Lá»— Ä‘en
Thuáºt ngữ lá»— Ä‘en còn rất má»›i. Nó được nhà khoa há»c ngÆ°á»i Mỹ John Wheeler Ä‘Æ°a ra và o năm 1969 nhằm mô tả má»™t cách hình tượng má»™t ý tưởng bắt nguồn Ãt nhất khoảng 200 năm trÆ°á»›c, và o thá»i mà còn có hai lý thuyết vỠánh sáng: má»™t lý thuyết được Newton ủng há»™ cho rằng ánh sáng được tạo thà nh từ các hạt, còn lý thuyết kia cho rằng nó được tạo thà nh từ các sóng.
Hiện nay ta biết rằng cả hai lý thuyết trên Ä‘á»u đúng. Theo quan Ä‘iểm nhị nguyên sóng/hạt của cÆ¡ há»c lượng tá», thì ánh sáng có thể xem nhÆ° vừa là sóng vừa là hạt. Theo lý thuyết sóng vỠánh sáng thì không rõ nó sẽ phản ứng thế nà o đối vá»›i hấp dẫn. NhÆ°ng nếu ánh sáng được tạo thà nh từ các hạt thì ngÆ°á»i ta có thể nghÄ© rằng nó sẽ bị tác Ä‘á»™ng bởi hấp dẫn hệt nhÆ° các viên đạn đại bác, tên lá»a và các hà nh tinh. Ban đầu ngÆ°á»i ta tưởng rằng ánh sáng truyá»n vá»›i váºn tốc lá»›n vô hạn và nhÆ° thế thì hấp dẫn không thể nà o là m cho nó cháºm lại được, nhÆ°ng phát minh của Roemer cho thấy ánh sáng truyá»n vá»›i váºn tốc hữu hạn, Ä‘iá»u đó có nghÄ©a là hấp dẫn có thể có tác Ä‘á»™ng quan trá»ng.
Dá»±a trên giải thuyết đó, má»™t giảng viên của Äại há»c Cambridge là John Michell đã viết má»™t bà i báo in trên tạp chà “những văn kiện triết há»c của Há»™i Hoà ng gia London†(Philosophical Transaction of the Royal Society of London) và o năm 1783, trong đó ông chỉ ra rằng má»™t ngôi sao đủ nặng và đặc có thể có trÆ°á»ng hấp dẫn mạnh tá»›i mức không cho ánh sáng thoát ra được: bất kỳ ánh sáng nà o phát ra từ bá» mặt ngôi sao đó cÅ©ng Ä‘á»u bị kéo ngược trở lại trÆ°á»›c khi nó kịp truyá»n Ä‘i rất xa. Michell cho rằng có thể có má»™t số rất lá»›n những sao nhÆ° váºy. Mặc dù chúng ta không thể nhìn thấy những ngôi sao đó bởi vì ánh sáng từ những ngôi sao đó không đến được chúng ta, nhÆ°ng chúng ta vẫn cảm thấy được lá»±c hút hấp dẫn của chúng. Những đối tượng đó là cái bây giá» chúng ta gá»i là lá»— Ä‘en, bởi vì thá»±c tế chúng là những khoảng Ä‘en trong vÅ© trụ.
Má»™t giả thuyết tÆ°Æ¡ng tá»± cÅ©ng được má»™t nhà khoa há»c ngÆ°á»i Pháp là hầu tÆ°á»›c de Laplace Ä‘Æ°a ra sau đó Ãt năm, tất nhiên là độc láºp vá»›i Michell. Má»™t Ä‘iá»u khá lý thú là Laplace chỉ Ä‘Æ°a ra giả thuyết nà y và o lần xuất bản thứ nhất và thứ hai của cuốn sách “Hệ thống thế giá»›iâ€, nhÆ°ng rồi lại bá» Ä‘i trong những lần xuất bản sau, chắc ông cho rằng đó là má»™t ý tưởng Ä‘iên rồ. (CÅ©ng nhÆ° lý thuyết hạt của ánh sáng không được ủng há»™ trong suốt thế ká»· 19, và dÆ°á»ng nhÆ° má»i chuyện Ä‘á»u có thể giải thÃch bằng lý thuyết sóng, nhÆ°ng theo lý thuyết sóng thì hoà n toà n không rõ ánh sáng bị hấp dẫn tác Ä‘á»™ng nhÆ° thế nà o).
Thá»±c tế, xem ánh sáng nhÆ° những viên đạn đại bác trong lý thuyết hấp dẫn của Newton là hoà n toà n không thÃch hợp bởi vì ánh sáng có váºn tốc cố định. (Má»™t viên đạn đại bác khi bắn lên từ mặt đất sẽ bị lá»±c hấp dẫn là m cho chuyển Ä‘á»™ng cháºm lại và cuối cùng sẽ dừng lại và rÆ¡i xuống, trong khi đó hạt photon vẫn phải tiếp tục bay lên vá»›i váºn tốc không đổi. Váºy thì lá»±c hấp dẫn của Newton là m thế nà o có thể tác Ä‘á»™ng tá»›i ánh sáng?). Phải mãi cho tá»›i khi Einstein Ä‘Æ°a ra thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng và o năm 1915, ta má»›i có má»™t lý thuyết nhất quán cho biết hấp dẫn tác Ä‘á»™ng nhÆ° thế nà o đến ánh sáng. Và tháºm chà ngay cả khi đó cÅ©ng phải mất má»™t thá»i gian sau ngÆ°á»i ta má»›i hiểu được những hệ quả của lý thuyết đối vá»›i các sao nặng.
Äể hiểu má»™t lá»— Ä‘en có thể được hình thà nh nhÆ° thế nà o, trÆ°á»›c hết chúng ta phải hiểu vòng Ä‘á»i của má»™t ngôi sao. Má»™t ngôi sao được hình thà nh khi má»™t lượng lá»›n khà (mà chủ yếu là hydro) bắt đầu co lại do lá»±c hút hấp dẫn của chÃnh mình. Và vì khi các khối khà co lại, nên các nguyên tá» khà va chạm nhau thÆ°á»ng xuyên hÆ¡n và ngà y cà ng có váºn tốc lá»›n hÆ¡n dẫn tá»›i khối khà nóng lên. Cuối cùng, khối khà sẽ nóng tá»›i mức khi các nguyên tá» hydro va chạm nhau chúng sẽ không rá»i nhau ra nữa mà liên kết vá»›i nhau thà nh nguyên tá» heli. Nhiệt giải phóng ra từ phản ứng nà y - giống nhÆ° vụ nổ của bom khinh khà - sẽ là m cho ngôi sao phát sáng. Lượng nhiệt đó cÅ©ng là m tăng áp suất của khối khà cho tá»›i khi đủ để cân bằng vá»›i lá»±c hút hấp dẫn và khối khà ngừng co lại. Äiá»u nà y cÅ©ng hÆ¡i giống vá»›i trÆ°á»ng hợp quả khà cầu, trong đó có sá»± cân bằng giữa áp suất của không khà bên trong có xu hÆ°á»›ng là m cho quả khà cầu phồng ra và sức căng của vá» cao su có xu hÆ°á»›ng là m cho nó co lại. Những ngôi sao sẽ còn ổn định nhÆ° thế má»™t thá»i gian dà i vá»›i nhiệt từ các phản ứng hạt nhân tá»a ra cân bằng vá»›i lá»±c hút hấp dẫn. Tuy nhiên, cuối cùng rồi các ngôi sao cÅ©ng sẽ dùng hết số khà hydro và các nhiên liệu hạt nhân của nó. Má»™t Ä‘iá»u tháºt nghịch lý là các ngôi sao cà ng có nhiá»u nhiên liệu lúc bắt đầu thì sẽ hết cà ng sá»›m. Äó là bởi vì ngôi sao cà ng nặng thì nó phải cà ng nóng để cân bằng vá»›i lá»±c hút hấp dẫn. Mà nó đã cà ng nóng thì sẽ dùng hết số nhiên liệu của nó cà ng nhanh. Mặt trá»i của chúng ta có lẽ còn đủ nhiên liệu cho khoảng gần năm ngà n triệu năm nữa, nhÆ°ng những ngôi sao nặng hÆ¡n có thể dùng hết nhiên liệu của chúng chỉ trong khoảng má»™t trăm triệu năm, Ãt hÆ¡n tuổi của vÅ© trụ rất nhiá»u. Khi má»™t ngôi sao hết nhiên liệu, nó sẽ lạnh Ä‘i và co lại. Chỉ cuối những năm 20, ngÆ°á»i ta má»›i hiểu được Ä‘iá»u gì xảy ra đối vá»›i nó khi đó.
Năm 1928 má»™t sinh viên Ấn Äá»™ má»›i tốt nghiệp đại há»c tên là Subrahmanyan Chandrasekhar đã dong thuyá»n tá»›i nÆ°á»›c Anh để theo há»c nhà thiên văn ngà i Arthur Eddington, má»™t chuyên gia vá» thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng ở Cambridge. (Theo má»™t số dÆ° luáºn, thì má»™t nhà báo và o đầu những năm 20 có nói vá»›i Eddington, rằng ông ta nghe nói cả thế giá»›i chỉ có ba ngÆ°á»i hiểu được thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng. Eddington im lặng má»™t lát rồi nói: “Tôi còn Ä‘ang cố nghÄ© xem ngÆ°á»i thứ ba là aiâ€). Trong suốt chuyến chu du của mình từ Ấn Äá»™, Chandrasekhar đã giải quyết được vấn Ä‘á»: má»™t ngôi sao có thể lá»›n tá»›i mức nà o để khi đã sá» dụng hết nhiên liệu vẫn chống chá»i được vá»›i lá»±c hấp dẫn riêng của nó. à tưởng của ông nhÆ° sau: khi má»™t ngôi sao trở nên nhá», các hạt váºt chất sẽ ở rất gần nhau, và vì váºy theo nguyên lý loại trừ Pauli, chúng cần phải có váºn tốc khác nhau. Äiá»u nà y là m cho chúng chuyển Ä‘á»™ng ra xa nhau và vì thế có xu hÆ°á»›ng là m cho sao giãn nở ra. Do đó má»™t ngôi sao có thể tá»± duy trì để có má»™t bán kÃnh không đổi bằng cách giữ cân bằng giữa lá»±c hút hấp dẫn và lá»±c đẩy xuất hiện do nguyên lý loại trừ, hệt nhÆ° ở giai Ä‘oạn đầu trong cuá»™c Ä‘á»i của nó lá»±c hấp dẫn được cân bằng bởi nhiệt.
Tuy nhiên, Chandrasekhar thấy rằng lá»±c đẩy do nguyên lý loại trừ tạo ra có má»™t giá»›i hạn. Lý thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng đặt má»™t giá»›i hạn cho sá»± khác biệt cá»±c đại vá» váºn tốc của các hạt váºt chất trong các ngôi sao - đó là váºn tốc của ánh sáng. Äiá»u nà y có nghÄ©a là khi má»™t ngôi sao đủ đặc, lá»±c đẩy gây bởi nguyên lý loại trừ sẽ nhá» hÆ¡n lá»±c hút hấp dẫn. Chandrasekhar tÃnh ra rằng má»™t ngôi sao lạnh có khối lượng lá»›n hÆ¡n khối lượng mặt trá»i chừng 1,5 lần sẽ không thể tá»± chống chá»i nổi vá»›i lá»±c hấp dẫn riêng của nó. (Khối lượng nà y hiện nay được gá»i là giá»›i hạn Chandrasekhar). Phát minh tÆ°Æ¡ng tá»± cÅ©ng được nhà khoa há»c ngÆ°á»i Nga Lev Davidovich Landau Ä‘Æ°a ra và o cùng thá»i gian đó.
Äiá»u nà y có những hệ quả quan trá»ng đối vá»›i số pháºn tối háºu của các ngôi sao nặng. Nếu khối lượng của má»™t ngôi sao nhá» hÆ¡n giá»›i hạn Chandrasekhar, thì cuối cùng nó cÅ©ng có thể ngừng co lại và yên pháºn ở trạng thái cuối cùng khả dÄ© nhÆ° “má»™t sao lùn trắng†vá»›i bán kÃnh chỉ khoảng và i ngà n dặm và máºt Ä‘á»™ khoảng và i trăm tấn trong má»™t inch khối. Sao lùn trắng chống đỡ được vá»›i lá»±c hút hấp dẫn là bởi lá»±c đẩy do nguyên lý loại trừ sinh ra giữa các electron trong váºt chất của nó. Chúng ta đã quan sát được má»™t số khá lá»›n những sao lùn trắng nà y. Má»™t trong những sao lùn đầu tiên quan sát được là ngôi sao quay xung quanh sao Thiên Lang (Sirius) - ngôi sao sáng nhất trên bầu trá»i đêm.
Landau chỉ ra rằng còn có má»™t trạng thái cuối cùng khả dÄ© nữa cho các ngôi sao có khối lượng giá»›i hạn cỡ 1 đến 2 lần lá»›n hÆ¡n khối lượng mặt trá»i nhÆ°ng có kÃch thÆ°á»›c còn nhá» hÆ¡n cả các sao lùn trắng nhiá»u. Các sao nà y chống chá»i được vá»›i lá»±c hút hấp dẫn, bởi lá»±c đẩy do nguyên lý loại trừ tạo ra giữa các neutron và proton lá»›n hÆ¡n là giữa các electron. Do đó chúng được gá»i là các sao neutron. Chúng có bán kÃnh chỉ cỡ mÆ°Æ¡i dặm và có máºt Ä‘á»™ cỡ và i trăm triệu tấn trên má»™t inch khối. Khi sao neutron lần đầu tiên được tiên Ä‘oán, ngÆ°á»i ta không có cách nà o quan sát được chúng và thá»±c tế mãi rất lâu vá» sau ngÆ°á»i ta cÅ©ng không phát hiện được.
Trái lại, những ngôi sao có khối lượng lá»›n hÆ¡n giá»›i hạn Chandrasekhar lại có vấn Ä‘á» rất lá»›n đặt ra khi chúng đã dùng hết nhiên liệu. Trong má»™t số trÆ°á»ng hợp chúng có thể nổ hoặc Ä‘iá»u chỉnh để rút bá»›t Ä‘i má»™t lượng váºt chất đủ để là m giảm khối lượng của nó xuống dÆ°á»›i giá»›i hạn và nhÆ° váºy sẽ tránh được tai há»a co lại do hấp dẫn. Tuy nhiên, tháºt khó lòng tin được rằng Ä‘iá»u nà y luôn luôn xảy ra bất kể ngôi sao lá»›n tá»›i mức nà o. Vả lại, là m sao biết được nó cần phải giảm trá»ng lượng? Và cho dù má»i ngôi sao Ä‘á»u biết Ä‘iá»u chỉnh giảm khối lượng đủ để tránh được quá trình co lại thì Ä‘iá»u gì sẽ xảy ra nếu ta thêm khối lượng cho má»™t sao lùn trắng hoặc sao neutron để khối lượng của nó lá»›n hÆ¡n khối lượng giá»›i hạn? Liệu nó có co lại tá»›i máºt Ä‘á»™ vô hạn không? Eddington đã bị “sốc†bởi hệ quả đó và ông đã chối bá» không tin kết quả của Chandrasekhar. Eddington nghÄ© rằng Ä‘Æ¡n giản là không thể có má»™t ngôi sao có thể co lại thà nh má»™t Ä‘iểm được. Äó cÅ©ng là quan Ä‘iểm của Ä‘a số các nhà khoa há»c. ChÃnh Einstein cÅ©ng viết má»™t bà i báo trong đó ông tuyên bố rằng má»™t ngôi sao không thể co lại tá»›i kÃch thÆ°á»›c bằng 0 được! TrÆ°á»›c sá»± chống đối của các nhà khoa há»c khác, mà đặc biệt là Eddington - vừa là thầy giáo cÅ© vừa là ngÆ°á»i có uy tÃn hà ng đầu vá» cấu trúc các sao, Chandrasekhar Ä‘Ã nh bá» phÆ°Æ¡ng hÆ°á»›ng nghiên cứu đó của mình và chuyển sang nghiên cứu những vấn Ä‘á» khác trong thiên văn há»c nhÆ° sá»± chuyển Ä‘á»™ng của các cụm sao. Tuy nhiên, khi ông được trao giải thưởng Nobel và o năm 1938, thì Ãt nhất cÅ©ng má»™t phần là do công trình đầu tay của ông vá» khối lượng giá»›i hạn của các sao lạnh.
Chandrasekhar đã chứng minh được rằng nguyên lý loại trừ không thể ngăn chặn được sá»± co lại của các ngôi sao có khối lượng lá»›n hÆ¡n giá»›i hạn Chandrasekhar, nhÆ°ng vấn Ä‘á» hiểu được Ä‘iá»u gì sẽ xảy ra đối vá»›i những sao nhÆ° váºy theo thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng thì phải tá»›i năm 1939 má»›i được nhà khoa há»c trẻ ngÆ°á»i Mỹ là Robert Oppenheimer giải quyết lần đầu tiên. Tuy nhiên, kết quả của ông cho thấy rằng không có má»™t hệ quả quan sát nà o có thể phát hiện được bằng các kÃnh thiên văn thá»i đó. Rồi chiến tranh thế giá»›i thứ 2 xảy ra, và chÃnh Oppenheimer lại cuốn hút và o dá»± án bom nguyên tá». Sau chiến tranh, vấn Ä‘á» sá»± co lại do hấp dẫn bị lãng quên vì Ä‘a số các nhà khoa há»c bắt đầu lao và o các hiện tượng xảy ra trong quy mô nguyên tá» và hạt nhân của nó. Tuy nhiên, và o những năm 60 sá»± quan tâm tá»›i các vấn đỠở thang vÄ© mô của thiên văn há»c và vÅ© trụ há»c lại sống dáºy vì số lượng cÅ©ng nhÆ° tầm quan sát thiên văn tăng lên rất lá»›n, do việc áp dụng những công nghệ hiện đại. Công trình của Oppenheimer khi đó lại được phát hiện lại và được mở rá»™ng thêm bởi nhiá»u ngÆ°á»i khác.
Bức tranh mà hiện nay chúng ta có từ công trình của Oppenheimer nhÆ° sau: trÆ°á»ng hấp dẫn của ngôi sao là m thay đổi Ä‘Æ°á»ng truyá»n của các tia sáng trong không-thá»i gian. Các nón ánh sáng - chỉ Ä‘Æ°á»ng truyá»n trong không-thá»i gian của các chá»›p sáng được phát ra từ đỉnh của nón - sẽ hÆ¡i bị uốn và o phÃa trong, phÃa gần vá»›i bá» mặt của sao. Äiá»u nà y có thể thấy được theo quỹ đạo cong của tia sáng phát từ những ngôi sao xa trong quá trình nháºt thá»±c. Vì ngôi sao nặng Ä‘ang co lại, nên trÆ°á»ng hấp dẫn ở bá» mặt của nó ngà y cà ng mạnh và nón ánh sáng cà ng bị uốn cong và o phÃa trong. Äiá»u nà y là m cho tia sáng ngà y cà ng khó thoát khá»i ngôi sao, và ánh sáng sẽ ngà y cà ng má» Ä‘i và đỠhÆ¡n đối vá»›i ngÆ°á»i quan sát từ xa. Cuối cùng, khi ngôi sao đã co tá»›i má»™t bán kÃnh tá»›i hạn nà o đó, trÆ°á»ng hấp dẫn ở bá» mặt của nó trở nên mạnh tá»›i mức nón ánh sáng bị uốn và o phÃa trong nhiá»u đến ná»—i ánh sáng không thể thoát ra được nữa
(hình 6.1). Theo thuyết tÆ°Æ¡ng đối thì không có gì có thể chuyển Ä‘á»™ng nhanh hÆ¡n ánh sáng. Vì váºy, nếu ánh sáng không thể thoát ra được, thì cÅ©ng không có gì có thể thoát được ra; tất cả Ä‘á»u bị trÆ°á»ng hấp dẫn kéo lại. Do đó, ta có má»™t táºp các sá»± cố, tức là má»™t vùng trong không-thá»i gian, mà không có gì có thể thoát ra từ đó để đến được vá»›i ngÆ°á»i quan sát từ xa. Vùng nà y chÃnh là cái mà ngÆ°á»i ta gá»i là lá»— Ä‘en. Biên của vùng nà y được gá»i là chân trá»i sá»± cố, và nó trùng vá»›i Ä‘Æ°á»ng truyá»n của các tia sáng vừa chá»›m không thoát ra được khá»i lá»— Ä‘en.
Äể hiểu được Ä‘iá»u mà bạn sẽ thấy nếu bạn Ä‘ang quan sát sá»± co lại của má»™t ngôi sao để tạo thà nh lá»— Ä‘en, thì cần nhá»› rằng trong thuyết tÆ°Æ¡ng đối không có khái niệm thá»i gian tuyệt đối. Má»—i má»™t ngÆ°á»i quan sát có Ä‘á»™ Ä‘o thá»i gian riêng của mình. Thá»i gian đối vá»›i ngÆ°á»i ở trên má»™t ngôi sao sẽ khác thá»i gian của ngÆ°á»i ở xa, do có trÆ°á»ng hấp dẫn của các ngôi sao. Giả sá» có má»™t nhà du hà nh vÅ© trụ quả cảm ở ngay trên bá» mặt má»™t ngôi sao Ä‘ang co lại và o phÃa trong của nó, cứ má»—i má»™t giây theo đồng hồ của anh ta lại gá»i vá» con tà u Ä‘ang quay quanh ngôi sao đó má»™t tÃn hiệu. Ở thá»i Ä‘iểm nà o đó theo đồng hồ của anh ta, và dụ lúc 11 giá», ngôi sao co lại dÆ°á»›i bán kÃnh tá»›i hạn - kÃch thÆ°á»›c mà ở đó trÆ°á»ng hấp dẫn bắt đầu mạnh tá»›i mức không gì có thể thoát được ra, - và nhÆ° váºy, các tÃn hiệu của nhà du hà nh không tá»›i được con tà u nữa. Khi tá»›i gần 11 giá», các đồng nghiệp của nhà du hà nh quan sát từ con tà u thấy khoảng thá»i gian giữa hai tÃn hiệu liên tiếp do nhà du hà nh gá»i vá» ngà y cà ng dà i hÆ¡n, nhÆ°ng trÆ°á»›c 10 giá» 59 phút 59 giây hiệu ứng đó rất nhá». Há» chỉ phải đợi hÆ¡n má»™t giây chút xÃu giữa tÃn hiệu mà nhà du hà nh gá»i vá» lúc 10 giá» 59 phút 58 giây và tÃn hiệu anh ta gá»i vá» lúc đồng hồ anh ta chỉ 10 giá» 59 phút 59 giây, nhÆ°ng há» sẽ phải đợi vÄ©nh viá»…n viá»…n tÃn hiệu gá»i lúc 11 giá». Các sóng ánh sáng được phát từ bá» mặt ngôi sao trong khoảng thá»i gian giữa 10 giá» 59 phút 59 giây và 11 giá» theo đồng hồ của nhà du hà nh sẽ được truyá»n qua má»™t khoảng thá»i gian vô hạn, nếu Ä‘o từ con tà u. Khoảng thá»i gian giữa hai sóng ánh sáng liên tiếp tá»›i con tà u má»—i lúc má»™t dà i hÆ¡n, do đó ánh sáng từ ngôi sao má»—i lúc má»™t Ä‘á» và nhợt nhạt hÆ¡n. Cuối cùng, ngôi sao sẽ má» tối tá»›i mức từ con tà u không thể nhìn thấy nó nữa; tất cả những cái còn lại chỉ là má»™t lá»— Ä‘en trong không gian. Tuy nhiên, ngôi sao vẫn tiếp tục tác dụng má»™t lá»±c hấp dẫn nhÆ° trÆ°á»›c lên con tà u là m cho nó vẫn tiếp tục quay xung quanh lá»— Ä‘en.
Thá»±c ra, kịch bản nà y không phải hoà n toà n là hiện thá»±c vì vấn Ä‘á» sau: Lá»±c hấp dẫn cà ng yếu khi bạn cà ng ở xa ngôi sao, vì váºy lá»±c hấp dẫn tác dụng lên chân nhà du hà nh vÅ© trụ quả cảm của chúng ta sẽ luôn luôn lá»›n hÆ¡n lá»±c tác dụng lên đầu của anh ta. Sá»± khác biệt vá» lá»±c đó sẽ kéo dà i nhà du hà nh vÅ© trụ của chúng ta giống nhÆ° má»™t sợi mì hoặc xé đứt anh ta ra trÆ°á»›c khi ngôi sao co tá»›i bán kÃnh tá»›i hạn, tại đó chân trá»i sá»± cố được hình thà nh! Tuy nhiên, chúng ta tin rằng trong vÅ© trụ có những váºt thể lá»›n hÆ¡n rất nhiá»u, chẳng hạn nhÆ° những vùng trung tâm của các thiên hà , cÅ©ng có thể co lại do hấp dẫn để tạo thà nh các lá»— Ä‘en; má»™t nhà du hà nh vÅ© trụ ở trên má»™t trong các váºt thể đó sẽ không bị xé đứt trÆ°á»›c khi lá»— Ä‘en được tạo thà nh. Thá»±c tế, anh ta sẽ chẳng cảm thấy gì đặc biệt khi đạt tá»›i bán kÃnh tá»›i hạn, và có thể vượt Ä‘iểm-không-Ä‘Æ°á»ng-quay-lại mà không nháºn thấy. Tuy nhiên, chỉ má»™t Ãt giá» sau, khi vùng đó tiếp tục co lại, sá»± khác biệt vá» lá»±c hấp dẫn tác dụng lên chân và đầu sẽ lại trở nên mạnh tá»›i mức nó sẽ xé đứt ngÆ°á»i anh ta.
Công trình mà Roger Penrose và tôi tiến hà nh giữa năm 1965 và 1970 chứng tá», rằng theo thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng, thì cần phải có má»™t kỳ dị vá»›i máºt Ä‘á»™ và độ cong không-thá»i gian vô hạn bên trong lá»— Ä‘en. Äiá»u nà y khá giống vá»›i vụ nổ lá»›n ở Ä‘iểm bắt đầu, chỉ có Ä‘iá»u ở đây lại là thá»i Ä‘iểm cuối của má»™t váºt thể cùng nhà du hà nh Ä‘ang co lại. Ở kỳ dị nà y, các định luáºt khoa há»c và khả năng tiên Ä‘oán tÆ°Æ¡ng lai Ä‘á»u không dùng được nữa. Tuy nhiên, má»™t ngÆ°á»i quan sát còn ở ngoà i lá»— Ä‘en sẽ không bị ảnh hưởng bởi sá»± mất khả năng tiên Ä‘oán đó vì không má»™t tÃn hiệu nà o hoặc tia sáng nà o từ Ä‘iểm kỳ dị đó tá»›i được anh ta. Sá»± kiện đáng chú ý đó đã dẫn Roger Penrose tá»›i giả thuyết vá» sá»± kiểm duyệt vÅ© trụ - má»™t giả thuyết có thể phát biểu dÆ°á»›i dạng “Chúa căm ghét sá»± kỳ dị trần trụiâ€. Nói má»™t cách khác, những kỳ dị được tạo ra bởi sá»± co lại do hấp dẫn chỉ xảy ra ở những nÆ¡i giống nhÆ° lá»— Ä‘en - nÆ¡i mà chúng được che giấu kÃn đáo bởi chân trá»i sá»± cố không cho ngÆ°á»i ngoà i nhìn thấy. Nói má»™t cách chặt chẽ thì đây là má»›i là giả thuyết vá» sá»± kiểm duyệt vÅ© trụ yếu: nó bảo vệ cho những ngÆ°á»i quan sát còn ở ngoà i lá»— Ä‘en tránh được những háºu quả do sá»± mất khả năng tiên Ä‘oán xảy ra ở Ä‘iểm kỳ dị, nhÆ°ng nó hoà n toà n không là m được gì cho nhà du hà nh bất hạnh đã bị rÆ¡i và o lá»— Ä‘en.
Có má»™t số nghiệm của các phÆ°Æ¡ng trình của thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng, trong đó nó cho phép nhà du hà nh của chúng ta có thể nhìn thấy Ä‘iểm kỳ dị trần trụi: nhÆ° váºy anh ta có thể tránh không đụng và o nó và thay vì anh ta có thể rÆ¡i qua má»™t cái “lá»— sâu đục†và đi ra má»™t vùng khác của vÅ© trụ. Äiá»u nà y tạo ra những khả năng to lá»›n cho việc du hà nh trong không gian và thá»i gian, nhÆ°ng tháºt không may, những nghiệm đó lại rất không ổn định; chỉ cần má»™t nhiá»…u Ä‘á»™ng nhá», và dụ nhÆ° sá»± có mặt của nhà du hà nh, là đã có thể là m cho chúng thay đổi tá»›i mức nhà du hà nh không còn nhìn thấy kỳ dị nữa cho tá»›i khi chạm và o nó và thá»i gian của anh ta sẽ chấm hết. Nói cách khác, kỳ dị luôn luôn nằm ở tÆ°Æ¡ng lai chứ không bao giá» nằm ở quá khứ của anh ta. Giả thuyết kiểm duyệt vÅ© trụ mạnh phát biểu rằng trong nghiệm hiện thá»±c thì các kỳ dị luôn luôn hoặc hoà n toà n nằm trong tÆ°Æ¡ng lai (nhÆ° các kỳ dị do quá trình co lại do hấp dẫn) hoặc hoà n toà n nằm trong quá khứ (nhÆ° vụ nổ lá»›n). NgÆ°á»i ta rất hy vá»ng má»™t trong hai giả thuyết kiểm duyệt là đúng, bởi vì ở gần các kỳ dị trần trụi sẽ có thể chu du vá» quá khứ. Trong khi Ä‘iá»u nà y tháºt tuyệt vá»i đối vá»›i các nhà viết truyện khoa há»c viá»…n tưởng thì nó cÅ©ng có nghÄ©a là cuá»™c sống của bất kỳ ai Ä‘á»u không an toà n: má»™t kẻ nà o đó có thể mò vá» quá khứ giết chết bố hoặc mẹ của bạn trÆ°á»›c khi bạn được đầu thai!
Chân trá»i sá»± cố, biên của vùng không - thá»i gian mà từ đó không gì thoát ra được, có tác dụng nhÆ° má»™t mà ng má»™t chiá»u bao quanh lá»— Ä‘en: các váºt, tá»· nhÆ° nhà du hà nh khinh suất của chúng ta, có thể rÆ¡i và o lá»— Ä‘en qua chân trá»i sá»± cố, nhÆ°ng không gì có thể thoát ra lá»— Ä‘en qua chân trá»i sá»± cố (cần nhá»› rằng chân trá»i sá»± cố là đưá»ng Ä‘i trong không-thá»i gian của ánh sáng Ä‘ang tìm cách thoát khá»i lá»— Ä‘en, và không gì có thể chuyển Ä‘á»™ng nhanh hÆ¡n ánh sáng). Có thể dùng lá»i của thi sÄ© Dante nói vá» lối và o địa ngục để nói vá» chân trá»i sá»± cố: “Hỡi những ngÆ°á»i bÆ°á»›c và o đây hãy vứt bá» má»i hy vá»ng!â€. Bất kỳ cái gì hoặc bất kỳ ai, má»™t khi đã rÆ¡i qua chân trá»i sá»± cố thì sẽ sá»›m tá»›i vùng có máºt Ä‘á»™ vô hạn và , chấm hết thá»i gian.
Thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng tiên Ä‘oán rằng các váºt nặng khi chuyển Ä‘á»™ng sẽ phát ra sóng hấp dẫn - những nếp gợn trong Ä‘á»™ cong của không gian truyá»n vá»›i váºn tốc của ánh sáng. Những sóng nà y tÆ°Æ¡ng tá»± nhÆ° các sóng ánh sáng, là những gợn sóng của trÆ°á»ng Ä‘iện từ, nhÆ°ng sóng hấp dẫn khó phát hiện hÆ¡n nhiá»u. Giống nhÆ° ánh sáng, sóng hấp dẫn cÅ©ng mang năng lượng lấy từ các váºt phát ra nó. Do đó, hệ thống các váºt nặng cuối cùng sẽ an bà i ở má»™t trạng thái dừng nà o đó bởi vì năng lượng ở bất cứ dạng váºn Ä‘á»™ng nà o Ä‘á»u được các sóng hấp dẫn mang Ä‘i. (Äiá»u nà y gần tÆ°Æ¡ng tá»± vá»›i việc ném má»™t cái nút xuống nÆ°á»›c. Ban đầu, nó dáºp dá»nh khá mạnh, nhÆ°ng rồi vì các gợn sóng mang dần Ä‘i hết năng lượng của nó, cuối cùng nó an bà i ở má»™t trạng thái dừng). Và dụ, chuyển Ä‘á»™ng của trái đất xung quanh mặt trá»i tạo ra các sóng hấp dẫn. Tác dụng của việc mất năng lượng sẽ là m thay đổi quỹ đạo trái đất, là m cho nó dần dần tiến tá»›i gần mặt trá»i hÆ¡n, rồi cuối cùng chạm mặt trá»i và an bà i ở má»™t trạng thái dừng. Tuy nhiên, tốc Ä‘á»™ mất năng lượng của trái đất và mặt trá»i rất thấp: chỉ cỡ đủ để chạy má»™t lò sưởi Ä‘iện nhá». Äiá»u nà y có nghÄ©a là phải mất gần má»™t ngà n triệu triệu triệu triệu năm trái đất má»›i đâm và o mặt trá»i và vì váºy chúng ta chẳng có lý do gì để lo lắng cả! Sá»± thay đổi quỹ đạo của trái đất cÅ©ng rất cháºm khiến cho khó có thể quan sát được, nhÆ°ng chÃnh hiện tượng nà y đã được quan sát thấy Ãt năm trÆ°á»›c trong hệ thống có tên là PSR 1913+16 PSR là tên viết tắt của má»™t pulsar (pulsar là chuẩn tinh: má»™t loại sao neutron đặc biệt có khả năng phát Ä‘á»u đặn các xung sóng radio). Hệ thống nà y gồm hai sao neutron quay xung quanh nhau và sá»± mất năng lượng do phát sóng hấp dẫn là m cho chúng chuyển Ä‘á»™ng theo Ä‘Æ°á»ng xoắn ốc hÆ°á»›ng và o nhau
Trong quá trình co lại do hấp dẫn của má»™t ngôi sao để tạo thà nh má»™t lá»— Ä‘en, các chuyển Ä‘á»™ng sẽ nhanh hÆ¡n nhiá»u và vì váºy tốc Ä‘á»™ năng lượng được chuyển Ä‘i cÅ©ng cao hÆ¡n nhiá»u. Do váºy mà thá»i gian để đạt tá»›i sá»± an bà i ở má»™t trạng thái dừng sẽ không quá lâu. Váºy cái giai Ä‘oạn cuối cùng nà y nhìn sẽ nhÆ° thế nà o? NgÆ°á»i ta cho rằng, nó sẽ phụ thuá»™c và o tất cả các đặc tÃnh của ngôi sao. Có nghÄ©a là , nó không chỉ phụ thuá»™c và o khối lượng và tốc Ä‘á»™ quay, mà còn phụ thuá»™c và o những máºt Ä‘á»™ khác nhau của các phần tá» khác nhau của ngôi sao và cả những chuyển Ä‘á»™ng phức tạp của các khà trong ngôi sao đó nữa. Và nếu các lá»— Ä‘en cÅ©ng Ä‘a dạng nhÆ° những đối tượng đã co lại và tạo nên chúng thì sẽ rất khó Ä‘Æ°a ra má»™t tiên Ä‘oán nà o vá» các lá»— Ä‘en nói chung.
Tuy nhiên, và o năm 1967, má»™t nhà khoa há»c Canada tên là Werner Israel (ông sinh ở Berlin, lá»›n lên ở Nam Phi, và là m luáºn án tiến sÄ© ở Ireland) đã tạo ra má»™t bÆ°á»›c ngoặt trong việc nghiên cứu các lá»— Ä‘en. Israel chỉ ra rằng, theo thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng thì các lá»— Ä‘en không quay là rất Ä‘Æ¡n giản; chúng có dạng cầu lý tưởng và có kÃch thÆ°á»›c chỉ phụ thuá»™c và o khối lượng của chúng; hai lá»— Ä‘en nhÆ° thế có khối lượng nhÆ° nhau là hoà n toà n đồng nhất vá»›i nhau.
Thá»±c tế, những lá»— Ä‘en nà y có thể được mô tả bằng má»™t nghiệm riêng của phÆ°Æ¡ng trình Einstein đã được biết từ năm 1917, do Karl Schwarzchild tìm ra gần nhÆ° ngay sau khi tuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng được phát minh. Thoạt đầu, nhiá»u ngÆ°á»i, tháºm chà ngay cả Israel, lý luáºn rằng, vì các lá»— Ä‘en cần phải có dạng cầu lý tưởng nên chúng chỉ có thể được tạo thà nh từ sá»± co lại của đối tượng có dạng cầu lý tưởng. Mà má»™t ngôi sao chẳng bao giá» có thể có dạng cầu lý tưởng được, nên nó chỉ có thể co lại để tạo thà nh má»™t kỳ dị trần trụi mà thôi.
Tuy nhiên, có má»™t cách giải thÃch khác cho kết quả của Israel mà Roger Penrose và đặc biệt là John Wheeler rất ủng há»™. Há» lý luáºn rằng, những chuyển Ä‘á»™ng nhanh trong quá trình co lại có nghÄ©a là các sóng hấp dẫn do nó phát ra sẽ là m cho nó có dạng cầu hÆ¡n và và o thá»i Ä‘iểm an bà i ở trạng thái dừng nó có dạng chÃnh xác là cầu. Theo quan Ä‘iểm nà y thì má»™t ngôi sao không quay, bất kể hình dạng và cấu trúc bên trong phức tạp của nó, sau khi kết thúc quá trình co lại do hấp dẫn Ä‘á»u là má»™t lá»— Ä‘en có dạng cầu lý tưởng vá»›i kÃch thÆ°á»›c chỉ phụ thuá»™c và o khối lượng của nó. Những tÃnh toán sau nà y Ä‘á»u củng cố cho quan Ä‘iểm nà y và chẳng bao lâu sau nó đã được má»i ngÆ°á»i chấp nháºn.
Kết quả của Israel chỉ Ä‘á» cáºp trÆ°á»ng hợp các lá»— Ä‘en được tạo thà nh từ các váºt thể không quay. Năm 1963 Roy Kerr ngÆ°á»i New Zealand đã tìm ra má»™t táºp hợp nghiệm của các phÆ°Æ¡ng trình của thuyết tÆ°Æ¡ng đối mô tả các lá»— Ä‘en quay. Các lá»— Ä‘en “Kerr†đó quay vá»›i váºn tốc không đổi, có kÃch thÆ°á»›c và hình dáng chỉ phụ thuá»™c và o khối lượng và tốc Ä‘á»™ quay của chúng. Nếu tốc Ä‘á»™ quay bằng không, lá»— Ä‘en sẽ là cầu lý tưởng và nghiệm nà y sẽ trùng vá»›i nghiệm Schwarzchild. Nếu tốc Ä‘á»™ quay khác 0, lá»— Ä‘en sẽ phình ra phÃa ngoà i ở gần xÃch đạo của nó (cÅ©ng nhÆ° trái đất và mặt trá»i Ä‘á»u phình ra do sá»± quay của chúng), và nếu nó quay cà ng nhanh thì sá»± phình ra sẽ cà ng mạnh. NhÆ° váºy, để mở rá»™ng kết quả của Israel cho bao hà m được cả các váºt thể quay, ngÆ°á»i ta suy Ä‘oán rằng má»™t váºt thể quay co lại để tạo thà nh má»™t lá»— Ä‘en cuối cùng sẽ an bà i ở trạng thái dừng được mô tả bởi nghiệm Kerr.
Năm 1970, má»™t đồng nghiệp và cÅ©ng là nghiên cứu sinh của tôi, Brandon Carter đã Ä‘i được bÆ°á»›c đầu tiên hÆ°á»›ng tá»›i chứng minh suy Ä‘oán trên. Anh đã chứng tỠđược rằng vá»›i Ä‘iá»u kiện lá»— Ä‘en quay dừng có má»™t trục đối xứng, giống nhÆ° má»™t con quay, thì nó sẽ có kÃch thÆ°á»›c và hình dạng chỉ phụ thuá»™c và o khối lượng và tốc Ä‘á»™ quay của nó. Sau đó và o năm 1971, tôi đã chứng minh được rằng bất kỳ má»™t lá»— Ä‘en quay dừng nà o Ä‘á»u cần phải có má»™t trục đối xứng nhÆ° váºy. Cuối cùng, và o năm 1973, David Robinson ở trÆ°á»ng Kings College, London đã dùng kết quả của Carter và tôi chứng minh được rằng Æ°á»›c Ä‘oán nói trên là đúng. Những lá»— Ä‘en nhÆ° váºy thá»±c sá»± là nghiệm Kerr. NhÆ° váºy, sau khi co lại do hấp dẫn, lá»— Ä‘en sẽ an bà i trong trạng thái có thể quay nhÆ°ng không xung Ä‘á»™ng. HÆ¡n nữa, kÃch thÆ°á»›c hình dạng của nó chỉ phụ thuá»™c và o khối lượng và tốc Ä‘á»™ quay chứ không phụ thuá»™c và o bản chất của váºt thể bị co lại tạo nên nó. Kết quả nà y được biết dÆ°á»›i châm ngôn: “lá»— Ä‘en không có tócâ€. Äịnh lý “không có tóc†nà y có má»™t tầm quan trá»ng thá»±c tiá»…n to lá»›n bởi nó hạn chế rất mạnh các loại lá»— Ä‘en lý thuyết. Do váºy, ngÆ°á»i ta có thể tạo ra những mô hình chi tiết của các váºt có khả năng chứa lá»— Ä‘en và so sánh những tiên Ä‘oán của mô hình vá»›i quan sát. Äiá»u nà y cÅ©ng có nghÄ©a là má»™t lượng rất lá»›n thông tin vá» váºt thể co lại sẽ phải mất Ä‘i khi lá»— Ä‘en được tạo thà nh, bởi vì sau đấy tất cả những thứ mà ta có thể Ä‘o được vá» váºt thể đó chỉ là khối lượng và tốc Ä‘á»™ quay của nó. à nghÄ©a của Ä‘iá»u nà y sẽ được thấy rõ ở chÆ°Æ¡ng sau.
Các lá»— Ä‘en chỉ là má»™t trong số rất Ãt các trÆ°á»ng hợp trong lịch sá» khoa há»c, trong đó lý thuyết đã được phát triển rất chi tiết nhÆ° má»™t mô hình toán há»c trÆ°á»›c khi có những bằng chứng từ quan sát xác nháºn nó là đúng đắn.
Thá»±c tế, Ä‘iá»u nà y đã được dùng nhÆ° má»™t luáºn cứ chủ yếu của những ngÆ°á»i phản đối lá»— Ä‘en: là m sao ngÆ°á»i ta có thể tin rằng có những váºt thể mà bằng chứng vá» sá»± tồn tại của nó chỉ là những tÃnh toán dá»±a trên lý thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng, má»™t lý thuyết vốn đã đáng ngá»? Tuy nhiên, và o năm 1963, Maarten Schmidt, má»™t nhà thiên văn là m việc ở Äà i thiên văn Palomar, Caliornia, Mỹ, đã Ä‘o được sá»± chuyển dịch vá» phÃa Ä‘á» của má»™t đối tượng má» tá»±a nhÆ° sao theo hÆ°á»›ng má»™t nguồn phát sóng radio có tên là 3C273 (tức là số của nguồn là 273 trong catalogue thứ 3 ở Cambridge). Ông thấy sá»± chuyển dịch nà y là quá lá»›n, nếu xem nó do trÆ°á»ng hấp dẫn gây ra: nếu đó là sá»± chuyển dịch vá» phÃa Ä‘á» do trÆ°á»ng hấp dẫn gây ra thì đối tượng đó phải rất nặng và ở gần chúng ta tá»›i mức nó sẽ là m nhiá»…u Ä‘á»™ng quỹ đạo của các hà nh tinh trong Hệ mặt trá»i. Äiá»u nà y gợi ý rằng sá»± chuyển dịch vá» phÃa Ä‘á» nà y là do sá»± giãn nở của vÅ© trụ và vì váºy đối tượng đó phải ở rất xa chúng ta. Äể thấy được ở má»™t khoảng cách xa nhÆ° thế váºt thể đó phải rất sáng hay nói cách khác là phải phát ra má»™t năng lượng cá»±c lá»›n. CÆ¡ chế duy nhất mà con ngÆ°á»i có thể nghÄ© ra để miêu tả má»™t năng lượng lá»›n nhÆ° thế, là sá»± co lại do hấp dẫn không phải chỉ của má»™t ngôi sao mà của cả vùng trung tâm của thiên hà . Nhiá»u đối tượng “tÆ°Æ¡ng tá»± sao†(chuẩn tinh), hay nói cách khác là các quasar, cÅ©ng đã được phát hiện. Tất cả Ä‘á»u có chuyển dịch lá»›n vá» phÃa Ä‘á». NhÆ°ng tất cả chúng Ä‘á»u ở quá xa, khó quan sát để cho má»™t bằng chứng quyết định vá» các lá»— Ä‘en.
Sá»± cổ vÅ© tiếp theo cho sá»± tồn tại của các lá»— Ä‘en là phát minh của Jocelyn Bell, má»™t nghiên cứu sinh ở Cambridge, vá» những thiên thể phát các xung radio Ä‘á»u đặn. Thoạt đầu, Bell và ngÆ°á»i hÆ°á»›ng dẫn của chị là Antony Hewish, nghÄ© rằng có lẽ hỠđã liên lạc được vá»›i má»™t ná»n văn minh lạ trong thiên hà ! Thá»±c tế, trong buổi seminar khi há» thông báo phát minh của há», tôi nhá»› là hỠđã gá»i bốn nguồn phát sóng radio đầu tiên đó là LGM 1-4 vá»›i LGM là viết tắt của “Little Green Men†(những ngÆ°á»i xanh nhá»). Tuy nhiên, cuối cùng há» và má»i ngÆ°á»i Ä‘á»u Ä‘i đến má»™t kết luáºn Ãt lãng mạn hÆ¡n cho rằng những đối tượng đó - có tên là pulsar - thá»±c tế là những sao neutron quay, có khả năng phát các xung sóng radio, do sá»± tÆ°Æ¡ng tác phức tạp giữa các từ trÆ°á»ng của nó vá»›i váºt chất xung quanh. Äây là má»™t tin không mấy vui vẻ đối vá»›i các nhà văn chuyên viết vá» các chuyện phiêu lÆ°u trong vÅ© trụ, nhÆ°ng lại đầy hy vá»ng đối vá»›i má»™t số Ãt ngÆ°á»i tin và o sá»± tồn tại của lá»— Ä‘en thá»i đó: đây là bằng chứng xác thá»±c đầu tiên vá» sá»± tồn tại của các sao neutron. Sao neutron có bán kÃnh chừng mÆ°á»i dặm, chỉ lá»›n hÆ¡n bán kÃnh tá»›i hạn để ngôi sao trở thà nh má»™t lá»— Ä‘en Ãt lần. Nếu má»™t sao có thể co lại tá»›i má»™t kÃch thÆ°á»›c nhá» nhÆ° váºy thì cÅ©ng không có lý do gì mà những ngôi sao khác không thể co lại tá»›i má»™t kÃch thÆ°á»›c còn nhá» hÆ¡n nữa để trở thà nh lá»— Ä‘en.
Là m sao chúng ta có thể hy vá»ng phát hiện được lá»— Ä‘en, khi mà theo chÃnh định nghÄ©a của nó, nó không phát ra má»™t tia sáng nà o? Äiá»u nà y cÅ©ng na ná nhÆ° Ä‘i tìm con mèo Ä‘en trong má»™t kho than. May thay vẫn có má»™t cách. NhÆ° John Michell đã chỉ ra trong bà i báo tiên phong của ông viết năm 1983, lá»— Ä‘en vẫn tiếp tục tác dụng lá»±c hấp dẫn lên các váºt xung quanh. Các nhà thiên văn đã quan sát được nhiá»u hệ thống, trong đó có hai sao quay xung quanh nhau và hút nhau bằng lá»±c hấp dẫn. Há» cÅ©ng quan sát được những hệ thống, trong đó chỉ có má»™t sao thấy được quay xung quanh sao đồng hà nh (không thấy được). Tất nhiên, ngÆ°á»i ta không thể kết luáºn ngay rằng sao đồng hà nh đó là má»™t lá»— Ä‘en, vì nó có thể Ä‘Æ¡n giản chỉ là má»™t ngôi sao phát sáng quá yếu nên ta không thấy được. Tuy nhiên, có má»™t số trong các hệ thống đó, chẳng hạn nhÆ° hệ thống có tên là Cygnus X-1
(hình 6.2) cÅ©ng là những nguồn phát tia X rất mạnh. Cách giải thÃch tốt nhất cho hiện tượng nà y là váºt chất bị bắn ra khá»i bá» mặt của ngôi sao nhìn thấy. Vì lượng váºt chất nà y rÆ¡i vá» phÃa đồng hà nh không nhìn thấy, nên nó phát triển thà nh chuyển Ä‘á»™ng theo Ä‘Æ°á»ng xoắn ốc (khá giống nhÆ° nÆ°á»›c chảy ra khá»i bồn tắm) và trở nên rất nóng, phát ra tia X (hình 6.3). Muốn cho cÆ¡ chế nà y hoạt Ä‘á»™ng, sao đồng hà nh không nhìn thấy phải rất nhá», giống nhÆ° sao lùn trắng, sao neutron hoặc lá»— Ä‘en. Từ quỹ đạo quan sát được của ngôi sao nhìn thấy, ngÆ°á»i ta có thể xác định được khối lượng khả dÄ© thấp nhất của ngôi sao đồng hà nh không nhìn thấy. Trong trÆ°á»ng hợp hệ thống Cygnus X-1 sao đó có khối lượng lá»›n gấp 6 lần mặt trá»i. Theo kết quả của Chandrasekhar thì nhÆ° thế là quá lá»›n để cho sao không nhìn thấy là má»™t sao lùn trắng. Nó cÅ©ng có khối lượng quá lá»›n để là sao neutron. Vì váºy, nó dÆ°á»ng nhÆ° phải là má»™t lá»— Ä‘en...
CÅ©ng có những mô hình khác giải thÃch rằng Cygnus X-1 không bao gồm lá»— Ä‘en, nhÆ°ng tất cả những mô hình đó Ä‘á»u rất gượng gạo. Lá»— Ä‘en là cách giải thÃch thá»±c sá»± tá»± nhiên duy nhất những quan trắc đó. Mặc dù váºy, tôi đã đánh cuá»™c vá»›i Kip Thorne ở Viện kỹ thuáºt California, rằng thá»±c tế Cygnus X-1 không chứa lá»— Ä‘en! Äây chẳng qua chỉ là sách lược bảo hiểm cho tôi. Tôi đã tốn biết bao công sức cho những lá»— Ä‘en và tất cả sẽ trở nên vô Ãch, nếu hóa ra là các lá»— Ä‘en không tồn tại. NhÆ°ng khi đó tôi sẽ được an ủi là mình thắng cuá»™c và điá»u đó sẽ mang lại cho tôi bốn năm liá»n tạp chà Private Eye. Nếu lá»— Ä‘en tồn tại thì Kip được 1 năm tạp chà Penthouse. Khi chúng tôi đánh cuá»™c và o năm 1975 thì chúng tôi đã chắc tá»›i 80% rằng Cygnus là lá»— Ä‘en. Và bây giá» tôi có thể nói rằng chúng tôi đã biết chắc tá»›i 95%, nhÆ°ng cuá»™c đánh cuá»™c vẫn chÆ°a thể xem là đã ngã ngÅ©.
GiỠđây chúng ta cÅ©ng có bằng chứng vá» má»™t số lá»— Ä‘en khác trong các hệ thống giống nhÆ° Cygnus X-1 trong thiên hà của chúng ta và trong hai thiên hà lân cáºn có tên là Magellanic Clouds. Tuy nhiên, số các lá»— Ä‘en chắc còn cao hÆ¡n nhiá»u; trong lịch sá» dà i dằng dặc của vÅ© trụ nhiá»u ngôi sao chắc đã đốt hết toà n bá»™ nhiên liệu hạt nhân của mình và đã phải co lại. Số các lá»— Ä‘en có thể lá»›n hÆ¡n nhiá»u so vá»›i số những ngôi sao nhìn thấy, mà chỉ riêng trong thiên hà của chúng ta thôi số những ngôi sao đó đã tá»›i khoảng má»™t trăm ngà n triệu. Lá»±c hút hấp dẫn phụ thêm của má»™t số lá»›n nhÆ° thế các lá»— Ä‘en có thể giải thÃch được tại sao thiên hà của chúng ta lại quay vá»›i tốc Ä‘á»™ nhÆ° nó hiện có: khối lượng của các sao thấy được không đủ để là m Ä‘iá»u đó. Chúng ta cÅ©ng có má»™t số bằng chứng cho thấy rằng có má»™t lá»— Ä‘en lá»›n hÆ¡n nhiá»u ở trung tâm thiên hà của chúng ta vá»›i khối lượng lá»›n hÆ¡n khối lượng của mặt trá»i tá»›i trăm ngà n lần. Các ngôi sao trong thiên hà tá»›i gần lá»— Ä‘en đó sẽ bị xé tan do sá»± khác biệt vá» hấp dẫn ở phÃa gần và phÃa xa của nó. Tà n tÃch của những ngôi sao đó và khà do các sao khác tung ra Ä‘á»u sẽ rÆ¡i vá» phÃa lá»— Ä‘en. CÅ©ng nhÆ° trong trÆ°á»ng hợp Cygnus X-1, khà sẽ chuyển Ä‘á»™ng theo Ä‘Æ°á»ng xoắn ốc Ä‘i và o và nóng lên mặc dù không nhiá»u nhÆ° trong trÆ°á»ng hợp đó. Nó sẽ không đủ nóng để phát ra các tia X, nhÆ°ng cÅ©ng có thể là các nguồn sóng radio và tia hồng ngoại rất Ä‘áºm đặc mà ngÆ°á»i ta đã quan sát được ở tâm thiên hà .
NgÆ°á»i ta cho rằng những lá»— Ä‘en tÆ°Æ¡ng tá»± hoặc tháºm chà còn lá»›n hÆ¡n, vá»›i khối lượng khoảng trăm triệu lần lá»›n hÆ¡n khối lượng mặt trá»i có thể gặp ở tâm các quasar. Váºt chất rÆ¡i và o những lá»— Ä‘en siêu nặng nhÆ° váºy sẽ tạo ra má»™t nguồn năng lượng duy nhất đủ lá»›n để giải thÃch lượng năng lượng cá»±c lá»›n mà các váºt thể đó phát ra. Vì váºt chất chuyển Ä‘á»™ng xoáy ốc và o lá»— Ä‘en, nó sẽ là m cho lá»— Ä‘en quay cùng chiá»u tạo cho nó má»™t từ trÆ°á»ng khá giống vá»›i từ trÆ°á»ng của trái đất. Các hạt có năng lượng rất cao cÅ©ng sẽ được sinh ra gần lá»— Ä‘en bởi váºt chất rÆ¡i và o. Từ trÆ°á»ng nà y có thể mạnh tá»›i mức há»™i tụ được các hạt đó thà nh những tia phóng ra ngoà i dá»c theo trục quay của lá»— Ä‘en, tức là theo hÆ°á»›ng các cá»±c bắc và nam của nó. Các tia nhÆ° váºy thá»±c tế đã được quan sát thấy trong nhiá»u thiên hà và các quasar.
NgÆ°á»i ta cÅ©ng có thể xét tá»›i khả năng có những lá»— Ä‘en vá»›i khối lượng nhá» hÆ¡n nhiá»u so vá»›i khối lượng mặt trá»i. Những lá»— Ä‘en nhÆ° thế không thể được tạo thà nh bởi sá»± co lại do hấp dẫn, vì khối lượng của chúng thấp hÆ¡n giá»›i hạn Chandrasekhar: Các sao có khối lượng thấp đó tá»± nó có thể chống chá»i được vá»›i lá»±c hấp dẫn tháºm chà cả khi chúng đã hết sạch nhiên liệu hạt nhân. Do váºy, những lá»— Ä‘en khối lượng thấp đó chỉ có thể được tạo thà nh nếu váºt chất của nó được nén đến máºt Ä‘á»™ cá»±c lá»›n bởi má»™t áp lá»±c rất cao từ bên ngoà i. Äiá»u kiện nhÆ° thế có thể xảy ra trong má»™t quả bom khinh khà rất lá»›n: nhà váºt lý John Wheeler má»™t lần đã tÃnh ra rằng nếu ta lấy toà n bá»™ nÆ°á»›c nặng trong tất cả các đại dÆ°Æ¡ng thì ta có thể chế tạo được quả bom khinh khà có thể nén được váºt chất ở tâm mạnh tá»›i mức có thể tạo nên má»™t lá»— Ä‘en. (Tất nhiên sẽ chẳng còn ai sống sót mà quan sát Ä‘iá»u đó!). Má»™t khả năng khác thá»±c tiá»…n hÆ¡n là các lá»— Ä‘en có khối lượng thấp có thể được tạo thà nh dÆ°á»›i nhiệt Ä‘á»™ và áp suất cao ở giai Ä‘oạn rất sá»›m của vÅ© trụ. Mặt khác những lá»— Ä‘en chỉ có thể tạo thà nh nếu vÅ© trụ ở giai Ä‘oạn rất sá»›m không trÆ¡n tru và đá»u đặn má»™t cách lý tưởng, bởi vì chỉ cần má»™t vùng nhá» có máºt Ä‘á»™ lá»›n hÆ¡n máºt Ä‘á»™ trung bình là có thể bị nén theo cách đó để tạo thà nh lá»— Ä‘en. NhÆ°ng chúng ta biết rằng nhất thiết phải có má»™t số bất thÆ°á»ng nhÆ° váºy, bởi vì nếu không váºt chất trong vÅ© trụ cho tá»›i nay vẫn sẽ còn phân bố Ä‘á»u má»™t cách lý tưởng thay vì kết lại thà nh khối trong các ngôi sao và thiên hà .
Những bất thÆ°á»ng đòi há»i phải có để tạo ra các ngôi sao và thiên hà có dẫn tá»›i sá»± tạo thà nh má»™t số đáng kể “lá»— Ä‘en nguyên thủy†hay không còn phụ thuá»™c và o chi tiết của những Ä‘iá»u kiện ở giai Ä‘oạn đầu của vÅ© trụ. Vì váºy, nếu hiện nay chúng ta có thể xác định được có bao nhiêu lá»— Ä‘en nguyên thủy thì chúng ta sẽ biết được nhiá»u Ä‘iá»u vá» những giai Ä‘oạn rất sá»›m của vÅ© trụ. Các lá»— Ä‘en nguyên thủy vá»›i khối lượng lá»›n hÆ¡n ngà n triệu tấn (bằng khối lượng của má»™t quả núi lá»›n) có thể được phát hiện chỉ thông qua ảnh hưởng hấp dẫn của chúng lên các váºt thể khác là váºt chất thấy được hoặc ảnh hưởng tá»›i sá»± giãn nở của vÅ© trụ. Tuy nhiên, nhÆ° chúng ta sẽ biết ở chÆ°Æ¡ng sau, các lá»— Ä‘en xét cho cùng cÅ©ng không phải quá Ä‘en: chúng phát sáng nhÆ° những váºt nóng, và các lá»— Ä‘en cà ng nhá» thì chúng phát sáng cà ng mạnh. Và nhÆ° váºy má»™t Ä‘iá»u tháºt nghịch lý là các lá»— Ä‘en cà ng nhá» thì cà ng dá»… phát hiện hÆ¡n các lá»— Ä‘en lá»›n.
Chương 7: Lỗ đen không quá đen
TrÆ°á»›c năm 1970, nghiên cứu của tôi vá» thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng chủ yếu táºp trung và o vấn Ä‘á» có tồn tại hay không kỳ dị vụ nổ lá»›n. Tuy nhiên, và o má»™t buổi tối tháng 11 năm đó, ngay sau khi con gái tôi, cháu Lucy, ra Ä‘á»i, tôi bắt đầu suy nghÄ© vá» những lá»— Ä‘en khi tôi trên Ä‘Æ°á»ng vá» phòng ngủ. Vì sá»± tà n táºt của mình, tôi di chuyển rất cháºm, nên có đủ thá»i gian để suy nghÄ©. Và o thá»i đó còn chÆ°a có má»™t định nghÄ©a chÃnh xác cho biết những Ä‘iểm nà o của không-thá»i gian là nằm trong, và những Ä‘iểm nà o là nằm ngoà i lá»— Ä‘en. Tôi đã thảo luáºn vá»›i Roger Penrose ý tưởng định nghÄ©a lá»— Ä‘en nhÆ° má»™t táºp hợp mà các sá»± cố không thể thoát ra khá»i nó để đến những khoảng cách lá»›n, và bây giá» nó đã trở thà nh má»™t định nghÄ©a được má»i ngÆ°á»i chấp nháºn. Äiá»u nà y có nghÄ©a là biên giá»›i của lá»— Ä‘en, cÅ©ng gá»i là chân trá»i sá»± cố, được tạo bởi Ä‘Æ°á»ng Ä‘i trong không-thá»i gian của các tia sáng vừa chá»›m không thoát ra được khá»i lá»— Ä‘en, và vÄ©nh viá»…n chÆ¡i vÆ¡i ở mép của nó (hình 7.1). Nó cÅ©ng gần giống nhÆ° trò chÆ¡i chạy trốn cảnh sát, chỉ hÆ¡i vượt trÆ°á»›c được má»™t bÆ°á»›c nhÆ°ng còn chÆ°a thể bứt ra được.
Bất chợt tôi nháºn ra rằng Ä‘Æ°á»ng Ä‘i của các tia sáng ấy không bao giá» có thể tiến tá»›i gần nhau. Vì nếu không thế, cuối cùng chúng cÅ©ng sẽ phải cháºp và o nhau. Äiá»u nà y cÅ©ng giống nhÆ° đón gặp má»™t ngÆ°á»i bạn Ä‘ang phải chạy trốn cảnh sát ở phÃa ngược lại - rốt cuá»™c cả hai sẽ Ä‘á»u bị bắt! (Hay trong trÆ°á»ng hợp của chúng ta cả hai tia sáng sẽ Ä‘á»u bị rÆ¡i và o lá»— Ä‘en). NhÆ°ng nếu cả hai tia sáng đó Ä‘á»u bị nuốt bởi lá»— Ä‘en, thì chúng không thể ở biên giá»›i của lá»— Ä‘en được. NhÆ° váºy Ä‘Æ°á»ng Ä‘i của các tia sáng trong chân trá»i sá»± cố phải luôn luôn song song hoặc Ä‘i ra xa nhau. Má»™t cách khác để thấy Ä‘iá»u nà y là chân trá»i sá»± cố - biên giá»›i của lá»— Ä‘en - giống nhÆ° mép của má»™t cái bóng - bóng của số pháºn treo lÆ¡ lá»ng. Nếu bạn nhìn cái bóng tạo bởi má»™t nguồn sáng ở rất xa, chẳng hạn nhÆ° mặt trá»i, bạn sẽ thấy rằng các tia sáng ở mép của nó không há» tiến tá»›i gần nhau.
Nếu các tia sáng tạo nên chân trá»i sá»± cố - biên giá»›i của lá»— Ä‘en - không bao giá» có thể tiến tá»›i gần nhau, thì diện tÃch của chân trá»i sá»± cố có thể giữ nguyên không đổi hoặc tăng theo thá»i gian chứ không bao giá» giảm, vì nếu không, Ãt nhất sẽ có má»™t số tia sáng trên biên phải tiến gần tá»›i nhau. Thá»±c tế thì diện tÃch sẽ tăng bất cứ khi nà o có váºt chất hoặc bức xạ rÆ¡i và o lá»— Ä‘en (hình7.2). Hoặc nếu có hai lá»— Ä‘en va chạm rồi xâm nháºp và o nhau tạo thà nh má»™t lá»— Ä‘en duy nhất, thì diện tÃch chân trá»i sá»± cố của lá»— Ä‘en tạo thà nh sẽ lá»›n hÆ¡n hoặc bằng tổng diện tÃch chân rá»i sá»± cố của hai lá»— Ä‘en riêng lẻ ban đầu (hình 7.3). TÃnh không giảm đó của diện tÃch chân trá»i sá»± cố đã đặt má»™t hạn chế quan trá»ng đối vá»›i hà nh vi khả dÄ© của các lá»— Ä‘en. Tôi đã xúc Ä‘á»™ng vá» phát minh của mình tá»›i mức đêm đó tôi không sao chợp mắt được. Ngay hôm sau tôi gá»i Ä‘iện cho Roger Penrose. Ông đã đồng ý vá»›i tôi. Thá»±c tế, tôi nghÄ© rằng chÃnh ông cÅ©ng đã ý thức được tÃnh chất đó của diện tÃch chân trá»i sá»± cố. Tuy nhiên, ông đã dùng má»™t định nghÄ©a hÆ¡i khác của lá»— Ä‘en. Ông không thấy được rằng biên giá»›i của các lá»— Ä‘en theo hai định nghÄ©a đó thá»±c chất là nhÆ° nhau, và do đó, diện tÃch của chúng cÅ©ng nhÆ° nhau vá»›i Ä‘iá»u kiện lá»— Ä‘en đã an bà i ở trạng thái không thay đổi theo thá»i gian.
TÃnh chất không giảm của diện tÃch lá»— Ä‘en rất giống vá»›i tÃnh chất của má»™t đại lượng váºt lý có tên là entropy - đại lượng là thÆ°á»›c Ä‘o mức Ä‘á»™ mất tráºt tá»± của má»™t hệ thống. Kinh nghiệm hà ng ngà y cÅ©ng cho chúng ta biết rằng nếu để các váºt tá»± do thì mức Ä‘á»™ mất tráºt tá»± sẽ có xu hÆ°á»›ng tăng. (Chỉ cần ngừng sá»a chữa xung quanh là bạn sẽ thấy Ä‘iá»u đó ngay!). NgÆ°á»i ta có thể tạo ra tráºt tá»± từ sá»± mất tráºt tá»± (và dụ nhÆ° bạn có thể quét sÆ¡n lại nhà ), nhÆ°ng Ä‘iá»u đó yêu cầu phải tốn sức lá»±c hoặc năng lượng, và nhÆ° váºy có nghÄ©a là sẽ là m giảm lượng năng lượng của tráºt tá»± sẵn có.
Phát biểu chÃnh xác ý tưởng nà y chÃnh là Äịnh luáºt II của nhiệt Ä‘á»™ng há»c. Äịnh luáºt đó phát biểu rằng: entropy của má»™t hệ cô láºp luôn luôn tăng, và rằng khi hai hệ hợp lại vá»›i nhau là m má»™t thì entropy của hệ hợp thà nh sẽ lá»›n hÆ¡n tổng entropy của hai hệ riêng rẽ. Và dụ, xét má»™t hệ phân tá» khà đựng trong má»™t cái há»™p. Có thể xem những phân tá» nhÆ° những quả cầu billard nhá», liên tục va chạm vá»›i nhau và vá»›i thà nh há»™p. Nhiệt Ä‘á»™ của khà cà ng cao thì các phân tá» chuyển Ä‘á»™ng cà ng nhanh, và chúng va chạm cà ng thÆ°á»ng xuyên và cà ng mạnh vá»›i thà nh há»™p, và áp suất chúng đè lên thà nh há»™p cà ng lá»›n. Giả sá» rằng ban đầu tất cả các phân tá» bị giam ở ná»a trái của há»™p bằng má»™t vách ngăn. Nếu bá» vách ngăn Ä‘i, các phân tá» sẽ có xu hÆ°á»›ng trà n ra chiếm cả hai ná»a của há»™p. Ở má»™t thá»i Ä‘iểm nà o đó sau đấy, do may rủi, có thể tất cả các phân tá» sẽ dồn cả sang ná»a phải hoặc trở lại ná»a trái của há»™p, nhÆ°ng khả năng chắc chắn hÆ¡n rất nhiá»u là chúng có số lượng gần bằng nhau ở cả hai ná»a há»™p. Má»™t trạng thái kém tráºt tá»± hÆ¡n, hay nói cách khác là mất tráºt tá»± hÆ¡n, trạng thái ban đầu mà trong đó má»i phân tá» chỉ ở trong má»™t ná»a há»™p. Do đó, ngÆ°á»i ta nói rằng entropy của khà đã tăng lên. TÆ°Æ¡ng tá»±, giả sá» rằng ta bắt đầu vá»›i hai há»™p, má»™t há»™p chứa các phân tỠôxy và má»™t há»™p chứa các phân tá» nitÆ¡. Nếu ngÆ°á»i ta ghép hai há»™p vá»›i nhau và bá» vách ngăn Ä‘i thì các phân tỠôxy và nitÆ¡ sẽ bắt đầu trá»™n lẫn và o nhau. Ở má»™t thá»i Ä‘iểm nà o đó sau đấy, trạng thái có xác suất lá»›n nhất sẽ là sá»± trá»™n khá Ä‘á»u các phân tỠôxy và nitÆ¡ trong cả hai há»™p. Trạng thái đó là kém tráºt tá»± hÆ¡n trạng thái ban đầu của hai há»™p riêng rẽ.
Äịnh luáºt thứ hai của nhiệt dá»™ng há»c có vị trà hÆ¡i khác so vá»›i các định luáºt khoa há»c khác, chẳng hạn nhÆ° định luáºt hấp dẫn của Newton, bởi vì nó không phải luôn luôn đúng, mà chỉ đúng trong đại Ä‘a số các trÆ°á»ng hợp mà thôi. Xác suất để tất cả các phân tá» trong há»™p đầu tiên của chúng ta dồn cả vá» má»™t ná»a của há»™p ở thá»i Ä‘iểm sau khi bá» vách ngăn chỉ bằng má»™t phần nhiá»u triệu triệu, nhÆ°ng nó vẫn có thể xảy ra. Tuy nhiên, nếu có má»™t lá»— Ä‘en ở cạnh thì định luáºt đó dÆ°á»ng nhÆ° sẽ bị vi phạm khá dá»… dà ng: chỉ cần ném má»™t số váºt chất có lượng entropy lá»›n, nhÆ° má»™t há»™p khà chẳng hạn, và o lá»— Ä‘en. Khi đó tổng số entropy của váºt chất ở ngoà i lá»— Ä‘en sẽ giảm. Tất nhiên, ngÆ°á»i ta vẫn còn có thể viện lý rằng entropy tổng cá»™ng, kể cả entropy trong lá»— Ä‘en sẽ không giảm, nhÆ°ng vì không có cách gì để nhìn và o lá»— Ä‘en, nên chúng ta không thể thấy được váºt chất trong đó chứa bao nhiêu entropy. Khi nà y sẽ tháºt là tuyệt vá»i nếu có má»™t đặc tÃnh nà o đó của lá»— Ä‘en, mà qua nó, ngÆ°á»i quan sát ở bên ngoà i có thể biết vá» entropy của lá»— Ä‘en, và đặc tÃnh nà y lại tăng bất cứ khi nà o có má»™t lượng váºt chất mang entropy rÆ¡i và o lá»— Ä‘en. Sá»± phát hiện vừa mô tả ở trên cho thấy rằng diện tÃch của chân trá»i sá»± cố sẽ tăng bất cứ khi nà o có má»™t lượng váºt chất rÆ¡i và o lá»— Ä‘en. Má»™t nghiên cứu sinh ở Princeton tên là Jacod Bekenstein đã Ä‘Æ°a ra giả thuyết rằng diện tÃch của chân trá»i sá»± cố chÃnh là thÆ°á»›c Ä‘o entropy của lá»— Ä‘en. Khi váºt chất mang entropy rÆ¡i và o lá»— Ä‘en, diện tÃch của chân trá»i sá»± cố tăng, nên tổng entropy của váºt chất ngoà i lá»— Ä‘en và diện tÃch chân trá»i sá»± cố sẽ không khi nà o giảm.
Giả thuyết nà y dÆ°á»ng nhÆ° đã tránh cho định luáºt thứ hai nhiệt Ä‘á»™ng há»c không bị vi phạm trong hầu hết má»i tình huống. Tuy nhiên, vẫn còn má»™t khe hở tai hại. Nếu lá»— Ä‘en có entropy thì nó cÅ©ng sẽ phải có nhiệt Ä‘á»™. NhÆ°ng má»™t váºt có nhiệt Ä‘á»™ thì sẽ phải phát xạ vá»›i tốc Ä‘á»™ nà o đó. Kinh nghiệm hà ng ngà y cÅ©ng cho thấy rằng nếu ngÆ°á»i ta nung nóng má»™t que cá»i trong lá»a thì nó sẽ nóng Ä‘á» và bức xạ, nhÆ°ng những váºt ở nhiệt Ä‘á»™ thấp cÅ©ng bức xạ, chỉ có Ä‘iá»u lượng bức xạ khá nhá» nên ngÆ°á»i ta thÆ°á»ng không nhìn thấy mà thôi. Bức xạ nà y đòi há»i phải có để tránh cho định luáºt thứ hai khá»i bị vi phạm. NhÆ° váºy, các lá»— Ä‘en cÅ©ng cần phải bức xạ. NhÆ°ng theo chÃnh định nghÄ©a của nó thì lá»— Ä‘en là váºt được xem là không phát ra gì hết. Và do đó, dÆ°á»ng nhÆ° diện tÃch của chân trá»i sá»± cố không thể xem nhÆ° entropy của lá»— Ä‘en. Năm 1972 cùng vá»›i Bradon Carte và má»™t đồng nghiệp Mỹ Jim Bardeen, tôi đã viết má»™t bà i báo trong đó chỉ ra rằng mặc dù có nhiá»u Ä‘iểm tÆ°Æ¡ng tá»± giữa diện tÃch của chân trá»i sá»± cố và entropy nhÆ°ng vẫn còn khó khăn đầy tai hại đó. Tôi cÅ©ng phải thú nháºn rằng khi viết bà i báo đó tôi đã bị thúc đẩy má»™t phần bởi sá»± bá»±c tức đối vá»›i Bekenstein, ngÆ°á»i mà tôi cảm thấy đã lạm dụng phát hiện của tôi vá» diện tÃch của chân trá»i sá»± cố. Tuy nhiên, cuối cùng hóa ra anh ta vá» căn bản lại là đúng, mặc dù ở má»™t mức Ä‘á»™ mà chÃnh anh ta cÅ©ng không ngá».
Tháng 9 năm 1973, trong thá»i gian đến thăm MatxcÆ¡va, tôi đã thảo luáºn vá» các lá»— Ä‘en vá»›i hai chuyên gia hà ng đầu của Liên Xô là Yakov Zedovich và Alexander Starobinsky. Há» khẳng định vá»›i tôi rằng theo nguyên lý bất Ä‘á»™ng của cÆ¡ há»c lượng tá» thì các lá»— Ä‘en quay cần phải sinh và phát ra các hạt. Tôi tin cÆ¡ sở váºt lý trong lý lẽ của há», nhÆ°ng tôi không thÃch phÆ°Æ¡ng pháp toán há»c mà há» sá» dụng để tÃnh toán sá»± phát xạ hạt. Do đó, tôi đã bắt tay và o tìm tòi má»™t cách xá» lý toán há»c tốt hÆ¡n mà tôi đã trình bà y tại seminar thông báo ở Oxford và o cuối tháng 11 năm 1973. Và o thá»i gian đó, tôi còn chÆ°a tiến hà nh tÃnh toán để tìm ra sá»± phát xạ là bao nhiêu. Tôi chỠđợi ngÆ°á»i ta sẽ phát hiện được chÃnh bức xạ từ các lá»— Ä‘en quay mà Zedovich và Starobinsky đã tiên Ä‘oán. Tuy nhiên, khi tÃnh song tôi vô cùng ngạc nhiên và băn khoăn thấy rằng tháºm chà cả các lá»— Ä‘en không quay dÆ°á»ng nhÆ° cÅ©ng sinh và phát ra các hạt vá»›i tốc Ä‘á»™ Ä‘á»u. Thoạt tiên, tôi nghÄ© rằng đó là dấu hiệu cho biết má»™t trong những phép gần đúng mà tôi sá» dụng là không thá»a đáng. Tôi ngại rằng nếu Bekenstein phát hiện ra Ä‘iá»u đó, anh ta sẽ dùng nó nhÆ° má»™t lý lẽ nữa để củng cố ý tưởng của anh ta vá» entropy của các lá»— Ä‘en, Ä‘iá»u mà tôi vẫn còn không thÃch. Tuy nhiên, cà ng suy nghÄ© tôi cà ng thấy những phép gần đúng đó thá»±c sá»± là đúng đắn. NhÆ°ng Ä‘iá»u đã thuyết phục hẳn được tôi rằng sá»± phát xạ là có thá»±c là : phổ của các hạt bức xạ giống hệt nhÆ° phổ phát xạ của váºt nóng, và các lá»— Ä‘en phát ra các hạt vá»›i tốc Ä‘á»™ chÃnh xác để không vi phạm định luáºt thứ hai. Sau đó, những tÃnh toán đã được lặp Ä‘i lặp lại dÆ°á»›i nhiá»u dạng khác nhau và bởi những ngÆ°á»i khác. Tất cả há» Ä‘á»u khẳng định rằng lá»— Ä‘en cần phải phát ra các hạt và bức xạ hệt nhÆ° nó là má»™t váºt nóng vá»›i nhiệt Ä‘á»™ chỉ phụ thuá»™c và o khối lượng của nó: khối lượng cà ng lá»›n thì nhiệt Ä‘á»™ cà ng thấp.
NhÆ°ng là m sao các lá»— Ä‘en lại có thể phát ra các hạt trong khi chúng ta biết được rằng không có váºt gì từ phÃa trong có thể thoát ra khá»i chân trá»i sá»± cố? Câu trả lá»i mà cÆ¡ há»c lượng tá» nói vá»›i chúng ta là : các hạt không phát ra từ bên trong lá»— Ä‘en mà là từ không gian “trống rá»—ng†ở ngay bên ngoà i chân trá»i sá»± cố của lá»— Ä‘en! Chúng ta có thể hiểu Ä‘iá»u nà y nhÆ° sau: cái mà chúng ta quen nghÄ© là không gian “trống rá»—ng†lại không thể hoà n toà n là trống rá»—ng, bởi vì Ä‘iá»u đó có nghÄ©a là tất cả các trÆ°á»ng nhÆ° trÆ°á»ng hấp dẫn và trÆ°á»ng Ä‘iện từ sẽ cần phải chÃnh xác bằng 0. Tuy nhiên, giá trị của trÆ°á»ng và tốc Ä‘á»™ thay đổi của nó theo thá»i gian cÅ©ng giống nhÆ° vị trà và váºn tốc của hạt: nguyên lý bất định buá»™c rằng nếu ngÆ°á»i ta biết má»™t trong hai đại lượng đó cà ng chÃnh xác thì có thể biết vỠđại lượng kia cà ng kém chÃnh xác! Vì váºy trong không gian trống rá»—ng, trÆ°á»ng không cố định ở giá trị chÃnh xác bằng 0, bởi vì nếu trái lại thì trÆ°á»ng sẽ có cả giá trị chÃnh xác (bằng 0) và tốc Ä‘á»™ thay đổi cÅ©ng trị chÃnh xác (bằng 0). Cần phải có má»™t lượng bất định tối thiểu nà o đó, hay ngÆ°á»i ta nói rằng, có những thăng giáng lượng tá» trong giá trị của trÆ°á»ng. NgÆ°á»i ta có thể xem những thăng giáng đó nhÆ° má»™t cặp hạt ánh sáng hoặc hấp dẫn cùng xuất hiện ở má»™t thá»i Ä‘iểm nà o đó, Ä‘i ra xa nhau rồi lại gặp lại và hủy nhau. Những hạt nà y là những hạt ảo giống nhÆ° các hạt mang lá»±c hấp dẫn của mặt trá»i: không giống các hạt thá»±c, chúng không thể quan sát được má»™t cách trá»±c tiếp bằng máy dò hạt. Tuy nhiên, những hiệu ứng gián tiếp của chúng, chẳng hạn những thay đổi nhá» vá» năng lượng của các quỹ đạo electron trong nguyên tá», Ä‘á»u có thể Ä‘o được và phù hợp vá»›i những tÃnh toán lý thuyết vá»›i má»™t mức Ä‘á»™ chÃnh xác rất cao. Nguyên lý bất định cÅ©ng tiên Ä‘oán rằng, có cả những cặp hạt váºt chất nhÆ° electron hoặc quark là ảo. Tuy nhiên, trong trÆ°á»ng hợp nà y má»™t thà nh viên của cặp là hạt, còn thà nh viên kia là phản hạt (các phản hạt của ánh sáng và hấp dẫn giống hệt nhÆ° hạt).
Vì năng lượng không thể sinh ra từ hÆ° vô, nên má»™t trong các thà nh viên của cặp hạt/phản hạt sẽ có năng lượng dÆ°Æ¡ng và thà nh viên kia sẽ có năng lượng âm. Thà nh viên có năng lượng âm buá»™c phải là hạt ảo có thá»i gian sống ngắn, vì các hạt thá»±c luôn luôn có năng lượng dÆ°Æ¡ng trong các tình huống thông thÆ°á»ng. Do đó hạt ảo nà y phải Ä‘i tìm thà nh viên cùng cặp để hủy cùng vá»›i nó. Tuy nhiên, má»™t hạt thá»±c ở gần má»™t váºt nặng sẽ có năng lượng nhá» hÆ¡n so vá»›i khi nó ở xa, bởi vì khi Ä‘Æ°a nó ra xa cần phải tốn năng lượng để chống lại lá»±c hút hấp dẫn của váºt đó. ThÆ°á»ng thÆ°á»ng, năng lượng của hạt vẫn còn là dÆ°Æ¡ng, nhÆ°ng trÆ°á»ng hợp hấp dẫn trong lá»— Ä‘en mạnh tá»›i mức tháºm chà má»™t hạt thá»±c ở đó cÅ©ng có năng lượng âm. Do đó, khi có mặt lá»— Ä‘en, hạt ảo vá»›i năng lượng âm khi rÆ¡i và o lá»— Ä‘en cÅ©ng có thể trở thà nh hạt thá»±c hoặc phản hạt thá»±c. Trong trÆ°á»ng hợp đó, nó không còn cần phải hủy vá»›i bạn cùng cặp của nó nữa. NgÆ°á»i bạn bị bá» rÆ¡i nà y cÅ©ng có thể rÆ¡i và o lá»— Ä‘en, hoặc khi có năng lượng dÆ°Æ¡ng, nó cÅ©ng có thể thoát ra ngoà i vùng lân cáºn của lá»— Ä‘en nhÆ° má»™t hạt thá»±c hoặc phản hạt thá»±c (hình 7.4). Äối vá»›i ngÆ°á»i quan sát ở xa thì dÆ°á»ng nhÆ° nó được phát ra từ lá»— Ä‘en. Lá»— Ä‘en cà ng nhá» thì khoảng cách mà hạt có năng lượng âm cần phải Ä‘i trÆ°á»›c khi trở thà nh hạt thá»±c sẽ cà ng ngắn và vì váºy tốc Ä‘á»™ phát xạ và nhiệt Ä‘á»™ biểu kiến của lá»— Ä‘en cà ng lá»›n.
Năng lượng dÆ°Æ¡ng của bức xạ Ä‘i ra sẽ được cân bằng bởi dòng hạt năng lượng âm Ä‘i và o lá»— Ä‘en. Theo phÆ°Æ¡ng trình Einstein E = mc2 (ở đây E là năng lượng, m là khối lượng và c là váºn tốc Ä‘á»™ sáng), năng lượng tá»· lệ vá»›i khối lượng. Do đó, dòng năng lượng âm Ä‘i và o lá»— Ä‘en sẽ giảm giảm khối lượng của nó. Vì lá»— Ä‘en mất khối lượng nên diện tÃch chân trá»i sá»± cố sẽ nhá» Ä‘i, nhÆ°ng sá»± giảm đó của entropy được bù lại còn nhiá»u hÆ¡n bởi entropy của bức xạ phát ra, vì váºy định luáºt thứ hai sẽ không khi nà o bị vi phạm.
HÆ¡n nữa, khối lượng của lá»— Ä‘en cà ng nhá» thì nhiệt Ä‘á»™ của nó cà ng cao. NhÆ° váºy, vì lá»— Ä‘en mất khối lượng nên nhiệt Ä‘á»™ và tốc Ä‘á»™ bức xạ của nó tăng, dẫn tá»›i nó mất khối lượng còn nhanh hÆ¡n nữa. Äiá»u gì sẽ xảy ra khi khối lượng của lá»— Ä‘en cuối cùng cÅ©ng trở nên cá»±c kỳ nhá» hiện vẫn còn chÆ°a rõ, nhÆ°ng sẽ rất có lý khi chúng ta phá»ng Ä‘oán rằng nó sẽ hoà n toà n biến mất trong sá»± bùng nổ bức xạ khổng lồ cuối cùng, tÆ°Æ¡ng Ä‘Æ°Æ¡ng vá»›i sá»± bùng nổ của hà ng triệu quả bom H.
Lá»— Ä‘en có khối lượng lá»›n hÆ¡n khối lượng của mặt trá»i má»™t Ãt lần sẽ có nhiệt Ä‘á»™ chỉ khoảng má»™t phần mÆ°á»i triệu Ä‘á»™ trên không Ä‘á»™ tuyệt đối. Nó nhá» hÆ¡n nhiá»u so vá»›i nhiệt Ä‘á»™ của các bức xạ sóng cá»±c ngắn choán đầy vÅ© trụ (khoảng 2,7 K), vì thế những lá»— Ä‘en nà y phát xạ tháºm chà còn Ãt hÆ¡n hấp thụ. Nếu vÅ© trụ được an bà i là sẽ giãn nở mãi mãi, thì nhiệt Ä‘á»™ của các bức xạ sóng cá»±c ngắn cuối cùng sẽ giảm tá»›i mức nhá» hÆ¡n nhiệt Ä‘á»™ của lá»— Ä‘en và lá»— Ä‘en khi đó sẽ bắt đầu mất khối lượng. NhÆ°ng ngay cả khi đó thì nhiệt Ä‘á»™ của nó vẫn thấp đến mức cần khoảng 1 triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu (1 vá»›i sáu mÆ°Æ¡i sáu số không đứng sau) năm để lá»— Ä‘en bay hÆ¡i hoà n toà n. Con số đó lá»›n hÆ¡n nhiá»u tuổi của vÅ© trụ bằng 1 hoặc 2 và 10 con số không đứng sau (tức khoảng 10 hoặc 20 ngà n triệu năm).
Mặt khác nhÆ° đã nói ở ChÆ°Æ¡ng 6 có thể những lá»— Ä‘en nguyên thủy được tạo thà nh bởi sá»± co lại của những bất thÆ°á»ng trong giai Ä‘oạn rất sá»›m của vÅ© trụ. Những lá»— Ä‘en nguyên thủy vá»›i khối lượng ban đầu cỡ ngà n triệu tấn sẽ có thá»i gian sống xấp xỉ tuổi của vÅ© trụ. Những lá»— Ä‘en nguyên thủy vá»›i khối lượng nhá» hÆ¡n con số đó chắc là đã bốc hÆ¡i hoà n toà n, nhÆ°ng những lá»— Ä‘en vá»›i khối lượng hÆ¡i lá»›n hÆ¡n sẽ vẫn còn Ä‘ang tiếp tục phát xạ dÆ°á»›i dạng tia X hoặc tia gamma. Các tia X và tia gamma nà y giống nhÆ° ánh sáng chỉ có Ä‘iá»u bÆ°á»›c sóng của chúng ngắn hÆ¡n nhiá»u. Những lá»— nhÆ° thế khó mà gán cho cái nhãn là đen: chúng thá»±c sá»± nóng trắng và phát năng lượng vá»›i tốc Ä‘á»™ khoảng mÆ°á»i ngà n mega oat.
Má»™t lá»— Ä‘en nhÆ° váºy có thể cung cấp đủ năng lượng cho mÆ°á»i nhà máy Ä‘iện lá»›n, nếu chúng ta biết cách khai thác nó. Tuy nhiên việc nà y chẳng phải dá»… dà ng gì: lá»— Ä‘en đó có khối lượng bằng cả má»™t quả núi bị nén lại tá»›i kÃch thÆ°á»›c nhá» hÆ¡n má»™t phần triệu triệu của inch, nghÄ©a là cỡ kÃch thÆ°á»›c của hạt nhân nguyên tá»! Nếu bạn có má»™t lá»— Ä‘en nhÆ° thế trên mặt đất, bạn sẽ không có cách nà o giữ cho nó khá»i rÆ¡i xuyên qua sà n nhà xuống tá»›i tâm trái đất. Nó sẽ dao Ä‘á»™ng xuyên qua trái đất cho tá»›i khi cuối cùng Ä‘áºu lại ở tâm. NhÆ° váºy chá»— duy nhất đặt được má»™t lá»— Ä‘en nhÆ° váºy để có thể khai thác năng lượng do nó bức xạ ra là ở trên má»™t quỹ đạo quay xung quanh trái đất và cách duy nhất có thể Ä‘Æ°a nó lên quỹ đạo ấy là hút nó tá»›i đó bằng cách kéo má»™t khối lượng lá»›n phÃa trÆ°á»›c nó hệt nhÆ° dùng củ cà rốt nhá» con lừa. Äiá»u nà y xem ra không phải là má»™t Ä‘á» nghị thá»±c tế lắm, Ãt nhất cÅ©ng là trong tÆ°Æ¡ng lai gần.
NhÆ°ng tháºm chà nếu chúng ta không thể khai thác được sá»± phát xạ từ các lá»— Ä‘en nguyên thủy thì liệu chúng ta có cÆ¡ may quan sát được chúng không? Chúng ta có thể tìm kiếm các tia gamma mà các lá»— Ä‘en nguyên thủy phát ra trong hầu hết thá»i gian sống của chúng. Mặc dù phát xạ từ phần lá»›n các lá»— Ä‘en Ä‘á»u má» nhạt vì chúng ở quá xa, nhÆ°ng tổng số của chúng thì có thể phát hiện được. Chúng ta hãy quan sát kỹ má»™t ná»n tia gamma nhÆ° váºy:
Hình 7.5 cho thấy cÆ°á»ng Ä‘á»™ quan sát được khác nhau ở những tần số khác nhau. Tuy nhiên, ná»n tia gamma nà y có thể và chắc là được sinh ra bởi những quá trình khác hÆ¡n là bởi các lá»— Ä‘en nguyên thủy. ÄÆ°á»ng chấm chấm trên Hình 7.5 cho thấy cÆ°á»ng Ä‘á»™ phải biến thiên thế nà o theo tần số đối vá»›i các tia gamma do lá»— Ä‘en nguyên thủy gây ra nếu trung bình có 300 lá»— Ä‘en nhÆ° thế trong má»™t năm - ánh sáng khối. Do đó ngÆ°á»i ta có thể nói rằng những quan sát ná»n tia gamma không cho má»™t bằng chứng khẳng định nà o vá» các lá»— Ä‘en nguyên thủy, nhÆ°ng chúng cho chúng ta biết trong vÅ© trụ vá» trung bình không thể có hÆ¡n 300 lá»— Ä‘en nhÆ° thế trong má»™t năm - ánh sáng khối. Giá»›i hạn đó có nghÄ©a là các lá»— Ä‘en nguyên thủy có thể tạo nên nhiá»u nhất là má»™t phần triệu số váºt chất của vÅ© trụ.
Vá»›i các lá»— Ä‘en nguyên thủy phân bố thÆ°a thá»›t nhÆ° váºy khó mà có khả năng má»™t lá»— Ä‘en nhÆ° thế ở đủ gần chúng ta để có thể quan sát nó nhÆ° má»™t nguồn tia gamma riêng rẽ. NhÆ°ng vì lá»±c hấp dẫn sẽ kéo lá»— Ä‘en nguyên thủy tá»›i gần váºt chất nên chúng sẽ thÆ°á»ng gặp nhiá»u hÆ¡n ở trong hay gần các thiên hà . NhÆ° váºy, mặc dù ná»n tia gamma cho chúng ta biết rằng trung bình không thể có hÆ¡n 300 lá»— Ä‘en nhÆ° thế trong má»™t năm - ánh sáng khối nhÆ°ng nó lại chẳng cho chúng ta biết gì vá» tần suất gặp chúng trong thiên hà của chúng ta. Chẳng hạn nếu nhÆ° chúng má»™t triệu lần thÆ°á»ng gặp hÆ¡n con số trung bình thì lá»— Ä‘en gần chúng ta nhất chắc cÅ©ng phải cách chúng ta chừng má»™t ngà n triệu km, tức là xa nhÆ° sao Diêm vÆ°Æ¡ng, hà nh tinh xa nhất mà chúng ta biết. Ở khoảng cách đó vẫn còn rất khó phát hiện bức xạ Ä‘á»u của má»™t lá»— Ä‘en ngay cả khi nó là mÆ°á»i ngà n mega oát. Äể quan sát được má»™t lá»— Ä‘en nguyên thủy ngÆ°á»i ta phải phát hiện được má»™t và i lượng tá» gamma tá»›i từ chÃnh hÆ°á»›ng đó trong má»™t khoảng thá»i gian hợp lý, chẳng hạn nhÆ° má»™t tuần lá»…. Nếu không, chúng chỉ là má»™t phần của phông. NhÆ°ng nguyên lý lượng tá» của Planck cho chúng ta biết rằng má»—i má»™t lượng tá» gamma có năng lượng rất cao, vì tia gamma có tần số rất cao, nếu tháºm chà nó có phát xạ vá»›i công suất 10 ngà n mega oát thì cÅ©ng không phải có nhiá»u lượng tá». Và để quan sát được má»™t số lượng tá», lại tá»›i từ khoảng cách rất xa nhÆ° sao Diêm vÆ°Æ¡ng, đòi há»i phải có má»™t máy dò lá»›n hÆ¡n bất cứ máy dò nà o đã được chế tạo cho tá»›i nay. HÆ¡n nữa máy dò nà y lại phải đặt trong không gian vÅ© trụ vì các tia gamma không thể thâm nháºp qua bầu khà quyển.
Tất nhiên nếu má»™t lá»— Ä‘en ở cách xa nhÆ° sao Diêm vÆ°Æ¡ng đã đến ngà y táºn số và bùng nổ thì sẽ dá»… dà ng phát hiện được sá»± bùng nổ bức xạ của nó. NhÆ°ng nếu lá»— Ä‘en đó liên tục bức xạ trong khoảng 10 hoặc 20 ngà n triệu năm trở lại đây thì xác suất để nó táºn số trong vòng Ãt năm tá»›i thá»±c sá»± là rất nhá»! Vì váºy, để có má»™t cÆ¡ may hợp lý nhìn thấy vụ nổ của lá»— Ä‘en trÆ°á»›c khi tiá»n trợ cấp nghiên cứu của bạn tiêu hết thì bạn phải tìm cách phát hiện những vụ nổ ở trong khoảng cách má»™t năm ánh sáng. Bạn vẫn phải giải quyết vấn Ä‘á» có má»™t máy dò tia gamma lá»›n có thể phát hiện được má»™t và i lượng tá» gamma tá»›i từ vụ nổ đó. Tuy nhiên, trong trÆ°á»ng hợp nà y sẽ không cần phải xác định rằng tất cả các lượng tá» tá»›i cùng má»™t hÆ°á»›ng: chỉ cần quan sát thấy tất cả chúng Ä‘á»u tá»›i trong má»™t khoảng thá»i gian ngắn là có thể tin được rằng chúng tá»›i từ cùng má»™t vụ bùng nổ.
Má»™t máy dò tia gamma có khả năng phát hiện ra các lá»— Ä‘en nguyên thủy chÃnh là toà n bá»™ bầu khà quyển của trái đất. (Trong má»i trÆ°á»ng hợp chúng ta không thể chế tạo được má»™t máy dò lá»›n hÆ¡n). Khi má»™t lượng tá» gamma năng lượng cao Ä‘áºp và o các nguyên tá» trong khà quyển, nó sẽ tạo ra cặp electron và positron (tức là phản - electron). Khi các hạt nà y Ä‘áºp và o các nguyên tá» khác, đến lượt mình, chúng sẽ tạo ra các cặp electron và positron nữa, và nhÆ° váºy ngÆ°á»i ta sẽ thu được cái gá»i là mÆ°a electron. Kết quả là má»™t dạng ánh sáng có tên là bức xạ Cherenkov. Do đó, ngÆ°á»i ta có thể phát hiện ra sá»± bùng nổ tia gamma bằng cách tìm các chá»›p sáng trong bầu trá»i đêm. Tất nhiên có nhiá»u hiện tÆ°Æ¡ng khác nhÆ° chá»›p hoặc sá»± phản xạ ánh sáng từ các vệ tinh rÆ¡i xuống hoặc các mảnh vỡ trên quỹ đạo cÅ©ng có thể tạo ra các chá»›p sáng trên bầu trá»i. NgÆ°á»i ta có thể phân biệt sá»± bùng nổ tia gamma vá»›i các hiện tượng đó bằng cách quan sát các chá»›p sáng đồng thá»i ở hai hoặc nhiá»u vị trà ở cách rất xa nhau. Má»™t thà nghiệm nhÆ° thế đã được hai nhà khoa há»c ở Dublin là Neil Porter và Trevor Wecks thá»±c hiện khi dùng các kÃnh thiên văn ở Arizona. HỠđã tìm thấy nhiá»u chá»›p sáng nhÆ°ng không có cái nà o có thể gán má»™t cách chắc chắn cho sá»± bùng nổ tia gamma từ các lá»— Ä‘en nguyên thủy.
Ngay cả khi nếu việc tìm kiếm các lá»— Ä‘en nguyên thủy không có kết quả, vì Ä‘iá»u nà y vẫn có thể xảy ra, thì nó vẫn cho chúng ta những thông tin quan trá»ng vá» những giai Ä‘oạn rất sá»›m của vÅ© trụ. Nếu vÅ© trụ ở giai Ä‘oạn rất sá»›m là há»—n loạn và bất thÆ°á»ng hoặc nếu áp suất váºt chất là thấp thì ngÆ°á»i ta có thể nghÄ© rằng nó đã tạo ra nhiá»u lá»— Ä‘en nguyên thủy hÆ¡n là giá»›i hạn đã được xác láºp dá»±a trên những quan sát vá» phông tia gamma. Chỉ nếu ở giai Ä‘oạn rất sá»›m, vÅ© trụ là rất trÆ¡n tru và đá»u đặn vá»›i áp suất cao thì ngÆ°á»i ta má»›i có thể giải thÃch được tại sao lại không có nhiá»u lá»— Ä‘en nguyên thủy.
à tưởng vá» bức xạ phát từ các lá»— Ä‘en là má»™t và dụ đầu tiên vá» sá»± tiên Ä‘oán phụ thuá»™c má»™t cách căn bản và o cả hai lý thuyết lá»›n của thế ká»· chúng ta: thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng và cÆ¡ há»c lượng tá». Nó đã gặp nhiá»u ý kiến phản đối lúc đầu vì nó đảo lá»™n quan Ä‘iểm hiện thá»i “là m sao lá»— Ä‘en lại phát ra cái gì đó?â€. Khi lần đầu tiên tôi công bố các kết quả tÃnh toán của tôi tại má»™t há»™i nghị ở Phòng thì nghiệm Rurtherford - Appleton gần Oxford, tôi đã được chà o đón bằng sá»± hoà i nghi của hầu hết má»i ngÆ°á»i. Và o lúc kết thúc bản báo cáo của tôi, vị chủ tá»a phiên há»p, ông John Taylor của trÆ°á»ng Kings College, London đã đứng dáºy tuyên bố rằng tất cả những thứ đó là vô nghÄ©a. Tháºm chà ông còn viết má»™t bà i báo vá» vấn Ä‘á» nà y. Tuy nhiên, rồi cuối cùng, hầu hết má»i ngÆ°á»i, kể cả ông John Taylo cÅ©ng đã Ä‘i đến kết luáºn rằng các lá»— Ä‘en cần phải phát bức xạ nhÆ° các váºt nóng, nếu những quan niệm khác của chúng ta vá» thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng và cÆ¡ há»c lượng tá» là đúng đắn. NhÆ° váºy, mặc dù ngay cả khi chúng ta còn chÆ°a tìm thấy má»™t lá»— Ä‘en nguyên thủy nà o vẫn có má»™t sá»± khá nhất trà cho rằng nếu chúng ta phát hiện ra lá»— Ä‘en đó thì nó sẽ phải phát ra má»™t lượng lá»›n tia X và tia gamma.
Sá»± tồn tại của bức xạ phát ra từ lá»— Ä‘en cÅ©ng còn ngụ ý rằng sá»± co lại do hấp dẫn không phải là chấm hết và không thể đảo ngược được nhÆ° má»™t thá»i chúng ta đã nghÄ©. Nếu má»™t nhà du hà nh rÆ¡i và o má»™t lá»— Ä‘en thì khối lượng của nó sẽ tăng, nhÆ°ng cuối cùng năng lượng tÆ°Æ¡ng Ä‘Æ°Æ¡ng vá»›i khối lượng gia tăng đó sẽ được trả lại cho vÅ© trụ dÆ°á»›i dạng bức xạ. NhÆ° váºy theo má»™t ý nghÄ©a nà o đó nhà du hà nh vÅ© trụ của chúng ta đã được luân hồi. Tuy nhiên, đó là má»™t số pháºn bất tỠđáng thÆ°Æ¡ng, và quan niệm cá nhân vá» thá»i gian của nhà du hà nh chắc cÅ©ng sẽ chấm hết khi anh ta bị xé ra từng mảnh trong lá»— Ä‘en! Ngay cả các loại hạt cuối cùng được phát ra từ lá»— Ä‘en nói chung cÅ©ng sẽ khác vá»›i những hạt đã tạo nên nhà du hà nh: đặc Ä‘iểm duy nhất còn lại của anh ta chỉ là khối lượng và năng lượng.
Những phép gần đúng mà tôi sá» dụng để tÃnh ra sá»± phát xạ từ lá»— Ä‘en vẫn còn hiệu lá»±c tốt khi lá»— Ä‘en có khối lượng chỉ lá»›n hÆ¡n má»™t phần của gam. Tuy nhiên chúng sẽ không còn dùng được nữa ở Ä‘iểm cuối Ä‘á»i của lá»— Ä‘en, khi mà khối lượng của nó trở nên cá»±c nhá». Kết cục có nhiá»u khả năng nhất là lá»— Ä‘en sẽ biến mất, Ãt nhất là khá»i vùng vÅ© trụ của chúng ta mang theo cả nhà du hà nh và kỳ dị có thể có ở bên trong nó. Äây là chỉ dẫn đầu tiên cho thấy cÆ¡ há»c lượng tá» có thể khá» các kỳ dị đã được tiên Ä‘oán bởi thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng. Tuy nhiên các phÆ°Æ¡ng pháp mà tôi và những ngÆ°á»i khác sá» dụng và o năm 1974 chÆ°a thể trả lá»i được cho những câu há»i, và dụ nhÆ° liệu những kỳ dị đó có xuất hiện trong lý thuyết lượng tá» hấp dẫn hay không? Do đó từ năm 1975 trở Ä‘i tôi đã bắt đầu phát triển má»™t cách tiếp cáºn mạnh hÆ¡n đối vá»›i hấp dẫn lượng tá» dá»±a trên ý tưởng của Richard Feynman vá» phép lấy tổng theo những lịch sá». Câu trả lá»i mà cách tiếp cáºn nà y Ä‘Æ°a ra cho nguồn gốc và số pháºn của vÅ© trụ và những thứ chứa bên trong nó, chẳng hạn nhÆ° nhà du hà nh, sẽ được mô tả ở hai chÆ°Æ¡ng sau. Chúng ta sẽ thấy rằng mặc dù nguyên lý bất định đặt những hạn chế vá» Ä‘á»™ chÃnh xác cho tất cả các tiên Ä‘oán của chúng ta, nhÆ°ng đồng thá»i nó lại loại bỠđược tÃnh không thể tiên Ä‘oán - má»™t tÃnh chất rất cÆ¡ bản xảy ra ở Ä‘iểm kỳ dị của không - thá»i gian.
|
24-08-2008, 09:16 AM
|
|
Cái Thế Ma Nhân
|
|
Tham gia: May 2008
Äến từ: SG
Bà i gởi: 37
Thá»i gian online: 7 giá» 22 phút 5 giây
Thanks: 1
Thanked 0 Times in 0 Posts
|
|
ChÆ°Æ¡ng 6: Lá»— Ä‘en
Thuáºt ngữ lá»— Ä‘en còn rất má»›i. Nó được nhà khoa há»c ngÆ°á»i Mỹ John Wheeler Ä‘Æ°a ra và o năm 1969 nhằm mô tả má»™t cách hình tượng má»™t ý tưởng bắt nguồn Ãt nhất khoảng 200 năm trÆ°á»›c, và o thá»i mà còn có hai lý thuyết vỠánh sáng: má»™t lý thuyết được Newton ủng há»™ cho rằng ánh sáng được tạo thà nh từ các hạt, còn lý thuyết kia cho rằng nó được tạo thà nh từ các sóng.
Hiện nay ta biết rằng cả hai lý thuyết trên Ä‘á»u đúng. Theo quan Ä‘iểm nhị nguyên sóng/hạt của cÆ¡ há»c lượng tá», thì ánh sáng có thể xem nhÆ° vừa là sóng vừa là hạt. Theo lý thuyết sóng vỠánh sáng thì không rõ nó sẽ phản ứng thế nà o đối vá»›i hấp dẫn. NhÆ°ng nếu ánh sáng được tạo thà nh từ các hạt thì ngÆ°á»i ta có thể nghÄ© rằng nó sẽ bị tác Ä‘á»™ng bởi hấp dẫn hệt nhÆ° các viên đạn đại bác, tên lá»a và các hà nh tinh. Ban đầu ngÆ°á»i ta tưởng rằng ánh sáng truyá»n vá»›i váºn tốc lá»›n vô hạn và nhÆ° thế thì hấp dẫn không thể nà o là m cho nó cháºm lại được, nhÆ°ng phát minh của Roemer cho thấy ánh sáng truyá»n vá»›i váºn tốc hữu hạn, Ä‘iá»u đó có nghÄ©a là hấp dẫn có thể có tác Ä‘á»™ng quan trá»ng.
Dá»±a trên giải thuyết đó, má»™t giảng viên của Äại há»c Cambridge là John Michell đã viết má»™t bà i báo in trên tạp chà “những văn kiện triết há»c của Há»™i Hoà ng gia London†(Philosophical Transaction of the Royal Society of London) và o năm 1783, trong đó ông chỉ ra rằng má»™t ngôi sao đủ nặng và đặc có thể có trÆ°á»ng hấp dẫn mạnh tá»›i mức không cho ánh sáng thoát ra được: bất kỳ ánh sáng nà o phát ra từ bá» mặt ngôi sao đó cÅ©ng Ä‘á»u bị kéo ngược trở lại trÆ°á»›c khi nó kịp truyá»n Ä‘i rất xa. Michell cho rằng có thể có má»™t số rất lá»›n những sao nhÆ° váºy. Mặc dù chúng ta không thể nhìn thấy những ngôi sao đó bởi vì ánh sáng từ những ngôi sao đó không đến được chúng ta, nhÆ°ng chúng ta vẫn cảm thấy được lá»±c hút hấp dẫn của chúng. Những đối tượng đó là cái bây giá» chúng ta gá»i là lá»— Ä‘en, bởi vì thá»±c tế chúng là những khoảng Ä‘en trong vÅ© trụ.
Má»™t giả thuyết tÆ°Æ¡ng tá»± cÅ©ng được má»™t nhà khoa há»c ngÆ°á»i Pháp là hầu tÆ°á»›c de Laplace Ä‘Æ°a ra sau đó Ãt năm, tất nhiên là độc láºp vá»›i Michell. Má»™t Ä‘iá»u khá lý thú là Laplace chỉ Ä‘Æ°a ra giả thuyết nà y và o lần xuất bản thứ nhất và thứ hai của cuốn sách “Hệ thống thế giá»›iâ€, nhÆ°ng rồi lại bá» Ä‘i trong những lần xuất bản sau, chắc ông cho rằng đó là má»™t ý tưởng Ä‘iên rồ. (CÅ©ng nhÆ° lý thuyết hạt của ánh sáng không được ủng há»™ trong suốt thế ká»· 19, và dÆ°á»ng nhÆ° má»i chuyện Ä‘á»u có thể giải thÃch bằng lý thuyết sóng, nhÆ°ng theo lý thuyết sóng thì hoà n toà n không rõ ánh sáng bị hấp dẫn tác Ä‘á»™ng nhÆ° thế nà o).
Thá»±c tế, xem ánh sáng nhÆ° những viên đạn đại bác trong lý thuyết hấp dẫn của Newton là hoà n toà n không thÃch hợp bởi vì ánh sáng có váºn tốc cố định. (Má»™t viên đạn đại bác khi bắn lên từ mặt đất sẽ bị lá»±c hấp dẫn là m cho chuyển Ä‘á»™ng cháºm lại và cuối cùng sẽ dừng lại và rÆ¡i xuống, trong khi đó hạt photon vẫn phải tiếp tục bay lên vá»›i váºn tốc không đổi. Váºy thì lá»±c hấp dẫn của Newton là m thế nà o có thể tác Ä‘á»™ng tá»›i ánh sáng?). Phải mãi cho tá»›i khi Einstein Ä‘Æ°a ra thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng và o năm 1915, ta má»›i có má»™t lý thuyết nhất quán cho biết hấp dẫn tác Ä‘á»™ng nhÆ° thế nà o đến ánh sáng. Và tháºm chà ngay cả khi đó cÅ©ng phải mất má»™t thá»i gian sau ngÆ°á»i ta má»›i hiểu được những hệ quả của lý thuyết đối vá»›i các sao nặng.
Äể hiểu má»™t lá»— Ä‘en có thể được hình thà nh nhÆ° thế nà o, trÆ°á»›c hết chúng ta phải hiểu vòng Ä‘á»i của má»™t ngôi sao. Má»™t ngôi sao được hình thà nh khi má»™t lượng lá»›n khà (mà chủ yếu là hydro) bắt đầu co lại do lá»±c hút hấp dẫn của chÃnh mình. Và vì khi các khối khà co lại, nên các nguyên tá» khà va chạm nhau thÆ°á»ng xuyên hÆ¡n và ngà y cà ng có váºn tốc lá»›n hÆ¡n dẫn tá»›i khối khà nóng lên. Cuối cùng, khối khà sẽ nóng tá»›i mức khi các nguyên tá» hydro va chạm nhau chúng sẽ không rá»i nhau ra nữa mà liên kết vá»›i nhau thà nh nguyên tá» heli. Nhiệt giải phóng ra từ phản ứng nà y - giống nhÆ° vụ nổ của bom khinh khà - sẽ là m cho ngôi sao phát sáng. Lượng nhiệt đó cÅ©ng là m tăng áp suất của khối khà cho tá»›i khi đủ để cân bằng vá»›i lá»±c hút hấp dẫn và khối khà ngừng co lại. Äiá»u nà y cÅ©ng hÆ¡i giống vá»›i trÆ°á»ng hợp quả khà cầu, trong đó có sá»± cân bằng giữa áp suất của không khà bên trong có xu hÆ°á»›ng là m cho quả khà cầu phồng ra và sức căng của vá» cao su có xu hÆ°á»›ng là m cho nó co lại. Những ngôi sao sẽ còn ổn định nhÆ° thế má»™t thá»i gian dà i vá»›i nhiệt từ các phản ứng hạt nhân tá»a ra cân bằng vá»›i lá»±c hút hấp dẫn. Tuy nhiên, cuối cùng rồi các ngôi sao cÅ©ng sẽ dùng hết số khà hydro và các nhiên liệu hạt nhân của nó. Má»™t Ä‘iá»u tháºt nghịch lý là các ngôi sao cà ng có nhiá»u nhiên liệu lúc bắt đầu thì sẽ hết cà ng sá»›m. Äó là bởi vì ngôi sao cà ng nặng thì nó phải cà ng nóng để cân bằng vá»›i lá»±c hút hấp dẫn. Mà nó đã cà ng nóng thì sẽ dùng hết số nhiên liệu của nó cà ng nhanh. Mặt trá»i của chúng ta có lẽ còn đủ nhiên liệu cho khoảng gần năm ngà n triệu năm nữa, nhÆ°ng những ngôi sao nặng hÆ¡n có thể dùng hết nhiên liệu của chúng chỉ trong khoảng má»™t trăm triệu năm, Ãt hÆ¡n tuổi của vÅ© trụ rất nhiá»u. Khi má»™t ngôi sao hết nhiên liệu, nó sẽ lạnh Ä‘i và co lại. Chỉ cuối những năm 20, ngÆ°á»i ta má»›i hiểu được Ä‘iá»u gì xảy ra đối vá»›i nó khi đó.
Năm 1928 má»™t sinh viên Ấn Äá»™ má»›i tốt nghiệp đại há»c tên là Subrahmanyan Chandrasekhar đã dong thuyá»n tá»›i nÆ°á»›c Anh để theo há»c nhà thiên văn ngà i Arthur Eddington, má»™t chuyên gia vá» thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng ở Cambridge. (Theo má»™t số dÆ° luáºn, thì má»™t nhà báo và o đầu những năm 20 có nói vá»›i Eddington, rằng ông ta nghe nói cả thế giá»›i chỉ có ba ngÆ°á»i hiểu được thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng. Eddington im lặng má»™t lát rồi nói: “Tôi còn Ä‘ang cố nghÄ© xem ngÆ°á»i thứ ba là aiâ€). Trong suốt chuyến chu du của mình từ Ấn Äá»™, Chandrasekhar đã giải quyết được vấn Ä‘á»: má»™t ngôi sao có thể lá»›n tá»›i mức nà o để khi đã sá» dụng hết nhiên liệu vẫn chống chá»i được vá»›i lá»±c hấp dẫn riêng của nó. à tưởng của ông nhÆ° sau: khi má»™t ngôi sao trở nên nhá», các hạt váºt chất sẽ ở rất gần nhau, và vì váºy theo nguyên lý loại trừ Pauli, chúng cần phải có váºn tốc khác nhau. Äiá»u nà y là m cho chúng chuyển Ä‘á»™ng ra xa nhau và vì thế có xu hÆ°á»›ng là m cho sao giãn nở ra. Do đó má»™t ngôi sao có thể tá»± duy trì để có má»™t bán kÃnh không đổi bằng cách giữ cân bằng giữa lá»±c hút hấp dẫn và lá»±c đẩy xuất hiện do nguyên lý loại trừ, hệt nhÆ° ở giai Ä‘oạn đầu trong cuá»™c Ä‘á»i của nó lá»±c hấp dẫn được cân bằng bởi nhiệt.
Tuy nhiên, Chandrasekhar thấy rằng lá»±c đẩy do nguyên lý loại trừ tạo ra có má»™t giá»›i hạn. Lý thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng đặt má»™t giá»›i hạn cho sá»± khác biệt cá»±c đại vá» váºn tốc của các hạt váºt chất trong các ngôi sao - đó là váºn tốc của ánh sáng. Äiá»u nà y có nghÄ©a là khi má»™t ngôi sao đủ đặc, lá»±c đẩy gây bởi nguyên lý loại trừ sẽ nhá» hÆ¡n lá»±c hút hấp dẫn. Chandrasekhar tÃnh ra rằng má»™t ngôi sao lạnh có khối lượng lá»›n hÆ¡n khối lượng mặt trá»i chừng 1,5 lần sẽ không thể tá»± chống chá»i nổi vá»›i lá»±c hấp dẫn riêng của nó. (Khối lượng nà y hiện nay được gá»i là giá»›i hạn Chandrasekhar). Phát minh tÆ°Æ¡ng tá»± cÅ©ng được nhà khoa há»c ngÆ°á»i Nga Lev Davidovich Landau Ä‘Æ°a ra và o cùng thá»i gian đó.
Äiá»u nà y có những hệ quả quan trá»ng đối vá»›i số pháºn tối háºu của các ngôi sao nặng. Nếu khối lượng của má»™t ngôi sao nhá» hÆ¡n giá»›i hạn Chandrasekhar, thì cuối cùng nó cÅ©ng có thể ngừng co lại và yên pháºn ở trạng thái cuối cùng khả dÄ© nhÆ° “má»™t sao lùn trắng†vá»›i bán kÃnh chỉ khoảng và i ngà n dặm và máºt Ä‘á»™ khoảng và i trăm tấn trong má»™t inch khối. Sao lùn trắng chống đỡ được vá»›i lá»±c hút hấp dẫn là bởi lá»±c đẩy do nguyên lý loại trừ sinh ra giữa các electron trong váºt chất của nó. Chúng ta đã quan sát được má»™t số khá lá»›n những sao lùn trắng nà y. Má»™t trong những sao lùn đầu tiên quan sát được là ngôi sao quay xung quanh sao Thiên Lang (Sirius) - ngôi sao sáng nhất trên bầu trá»i đêm.
Landau chỉ ra rằng còn có má»™t trạng thái cuối cùng khả dÄ© nữa cho các ngôi sao có khối lượng giá»›i hạn cỡ 1 đến 2 lần lá»›n hÆ¡n khối lượng mặt trá»i nhÆ°ng có kÃch thÆ°á»›c còn nhá» hÆ¡n cả các sao lùn trắng nhiá»u. Các sao nà y chống chá»i được vá»›i lá»±c hút hấp dẫn, bởi lá»±c đẩy do nguyên lý loại trừ tạo ra giữa các neutron và proton lá»›n hÆ¡n là giữa các electron. Do đó chúng được gá»i là các sao neutron. Chúng có bán kÃnh chỉ cỡ mÆ°Æ¡i dặm và có máºt Ä‘á»™ cỡ và i trăm triệu tấn trên má»™t inch khối. Khi sao neutron lần đầu tiên được tiên Ä‘oán, ngÆ°á»i ta không có cách nà o quan sát được chúng và thá»±c tế mãi rất lâu vá» sau ngÆ°á»i ta cÅ©ng không phát hiện được.
Trái lại, những ngôi sao có khối lượng lá»›n hÆ¡n giá»›i hạn Chandrasekhar lại có vấn Ä‘á» rất lá»›n đặt ra khi chúng đã dùng hết nhiên liệu. Trong má»™t số trÆ°á»ng hợp chúng có thể nổ hoặc Ä‘iá»u chỉnh để rút bá»›t Ä‘i má»™t lượng váºt chất đủ để là m giảm khối lượng của nó xuống dÆ°á»›i giá»›i hạn và nhÆ° váºy sẽ tránh được tai há»a co lại do hấp dẫn. Tuy nhiên, tháºt khó lòng tin được rằng Ä‘iá»u nà y luôn luôn xảy ra bất kể ngôi sao lá»›n tá»›i mức nà o. Vả lại, là m sao biết được nó cần phải giảm trá»ng lượng? Và cho dù má»i ngôi sao Ä‘á»u biết Ä‘iá»u chỉnh giảm khối lượng đủ để tránh được quá trình co lại thì Ä‘iá»u gì sẽ xảy ra nếu ta thêm khối lượng cho má»™t sao lùn trắng hoặc sao neutron để khối lượng của nó lá»›n hÆ¡n khối lượng giá»›i hạn? Liệu nó có co lại tá»›i máºt Ä‘á»™ vô hạn không? Eddington đã bị “sốc†bởi hệ quả đó và ông đã chối bá» không tin kết quả của Chandrasekhar. Eddington nghÄ© rằng Ä‘Æ¡n giản là không thể có má»™t ngôi sao có thể co lại thà nh má»™t Ä‘iểm được. Äó cÅ©ng là quan Ä‘iểm của Ä‘a số các nhà khoa há»c. ChÃnh Einstein cÅ©ng viết má»™t bà i báo trong đó ông tuyên bố rằng má»™t ngôi sao không thể co lại tá»›i kÃch thÆ°á»›c bằng 0 được! TrÆ°á»›c sá»± chống đối của các nhà khoa há»c khác, mà đặc biệt là Eddington - vừa là thầy giáo cÅ© vừa là ngÆ°á»i có uy tÃn hà ng đầu vá» cấu trúc các sao, Chandrasekhar Ä‘Ã nh bá» phÆ°Æ¡ng hÆ°á»›ng nghiên cứu đó của mình và chuyển sang nghiên cứu những vấn Ä‘á» khác trong thiên văn há»c nhÆ° sá»± chuyển Ä‘á»™ng của các cụm sao. Tuy nhiên, khi ông được trao giải thưởng Nobel và o năm 1938, thì Ãt nhất cÅ©ng má»™t phần là do công trình đầu tay của ông vá» khối lượng giá»›i hạn của các sao lạnh.
Chandrasekhar đã chứng minh được rằng nguyên lý loại trừ không thể ngăn chặn được sá»± co lại của các ngôi sao có khối lượng lá»›n hÆ¡n giá»›i hạn Chandrasekhar, nhÆ°ng vấn Ä‘á» hiểu được Ä‘iá»u gì sẽ xảy ra đối vá»›i những sao nhÆ° váºy theo thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng thì phải tá»›i năm 1939 má»›i được nhà khoa há»c trẻ ngÆ°á»i Mỹ là Robert Oppenheimer giải quyết lần đầu tiên. Tuy nhiên, kết quả của ông cho thấy rằng không có má»™t hệ quả quan sát nà o có thể phát hiện được bằng các kÃnh thiên văn thá»i đó. Rồi chiến tranh thế giá»›i thứ 2 xảy ra, và chÃnh Oppenheimer lại cuốn hút và o dá»± án bom nguyên tá». Sau chiến tranh, vấn Ä‘á» sá»± co lại do hấp dẫn bị lãng quên vì Ä‘a số các nhà khoa há»c bắt đầu lao và o các hiện tượng xảy ra trong quy mô nguyên tá» và hạt nhân của nó. Tuy nhiên, và o những năm 60 sá»± quan tâm tá»›i các vấn đỠở thang vÄ© mô của thiên văn há»c và vÅ© trụ há»c lại sống dáºy vì số lượng cÅ©ng nhÆ° tầm quan sát thiên văn tăng lên rất lá»›n, do việc áp dụng những công nghệ hiện đại. Công trình của Oppenheimer khi đó lại được phát hiện lại và được mở rá»™ng thêm bởi nhiá»u ngÆ°á»i khác.
Bức tranh mà hiện nay chúng ta có từ công trình của Oppenheimer nhÆ° sau: trÆ°á»ng hấp dẫn của ngôi sao là m thay đổi Ä‘Æ°á»ng truyá»n của các tia sáng trong không-thá»i gian. Các nón ánh sáng - chỉ Ä‘Æ°á»ng truyá»n trong không-thá»i gian của các chá»›p sáng được phát ra từ đỉnh của nón - sẽ hÆ¡i bị uốn và o phÃa trong, phÃa gần vá»›i bá» mặt của sao. Äiá»u nà y có thể thấy được theo quỹ đạo cong của tia sáng phát từ những ngôi sao xa trong quá trình nháºt thá»±c. Vì ngôi sao nặng Ä‘ang co lại, nên trÆ°á»ng hấp dẫn ở bá» mặt của nó ngà y cà ng mạnh và nón ánh sáng cà ng bị uốn cong và o phÃa trong. Äiá»u nà y là m cho tia sáng ngà y cà ng khó thoát khá»i ngôi sao, và ánh sáng sẽ ngà y cà ng má» Ä‘i và đỠhÆ¡n đối vá»›i ngÆ°á»i quan sát từ xa. Cuối cùng, khi ngôi sao đã co tá»›i má»™t bán kÃnh tá»›i hạn nà o đó, trÆ°á»ng hấp dẫn ở bá» mặt của nó trở nên mạnh tá»›i mức nón ánh sáng bị uốn và o phÃa trong nhiá»u đến ná»—i ánh sáng không thể thoát ra được nữa
(hình 6.1). Theo thuyết tÆ°Æ¡ng đối thì không có gì có thể chuyển Ä‘á»™ng nhanh hÆ¡n ánh sáng. Vì váºy, nếu ánh sáng không thể thoát ra được, thì cÅ©ng không có gì có thể thoát được ra; tất cả Ä‘á»u bị trÆ°á»ng hấp dẫn kéo lại. Do đó, ta có má»™t táºp các sá»± cố, tức là má»™t vùng trong không-thá»i gian, mà không có gì có thể thoát ra từ đó để đến được vá»›i ngÆ°á»i quan sát từ xa. Vùng nà y chÃnh là cái mà ngÆ°á»i ta gá»i là lá»— Ä‘en. Biên của vùng nà y được gá»i là chân trá»i sá»± cố, và nó trùng vá»›i Ä‘Æ°á»ng truyá»n của các tia sáng vừa chá»›m không thoát ra được khá»i lá»— Ä‘en.
Äể hiểu được Ä‘iá»u mà bạn sẽ thấy nếu bạn Ä‘ang quan sát sá»± co lại của má»™t ngôi sao để tạo thà nh lá»— Ä‘en, thì cần nhá»› rằng trong thuyết tÆ°Æ¡ng đối không có khái niệm thá»i gian tuyệt đối. Má»—i má»™t ngÆ°á»i quan sát có Ä‘á»™ Ä‘o thá»i gian riêng của mình. Thá»i gian đối vá»›i ngÆ°á»i ở trên má»™t ngôi sao sẽ khác thá»i gian của ngÆ°á»i ở xa, do có trÆ°á»ng hấp dẫn của các ngôi sao. Giả sá» có má»™t nhà du hà nh vÅ© trụ quả cảm ở ngay trên bá» mặt má»™t ngôi sao Ä‘ang co lại và o phÃa trong của nó, cứ má»—i má»™t giây theo đồng hồ của anh ta lại gá»i vá» con tà u Ä‘ang quay quanh ngôi sao đó má»™t tÃn hiệu. Ở thá»i Ä‘iểm nà o đó theo đồng hồ của anh ta, và dụ lúc 11 giá», ngôi sao co lại dÆ°á»›i bán kÃnh tá»›i hạn - kÃch thÆ°á»›c mà ở đó trÆ°á»ng hấp dẫn bắt đầu mạnh tá»›i mức không gì có thể thoát được ra, - và nhÆ° váºy, các tÃn hiệu của nhà du hà nh không tá»›i được con tà u nữa. Khi tá»›i gần 11 giá», các đồng nghiệp của nhà du hà nh quan sát từ con tà u thấy khoảng thá»i gian giữa hai tÃn hiệu liên tiếp do nhà du hà nh gá»i vá» ngà y cà ng dà i hÆ¡n, nhÆ°ng trÆ°á»›c 10 giá» 59 phút 59 giây hiệu ứng đó rất nhá». Há» chỉ phải đợi hÆ¡n má»™t giây chút xÃu giữa tÃn hiệu mà nhà du hà nh gá»i vá» lúc 10 giá» 59 phút 58 giây và tÃn hiệu anh ta gá»i vá» lúc đồng hồ anh ta chỉ 10 giá» 59 phút 59 giây, nhÆ°ng há» sẽ phải đợi vÄ©nh viá»…n viá»…n tÃn hiệu gá»i lúc 11 giá». Các sóng ánh sáng được phát từ bá» mặt ngôi sao trong khoảng thá»i gian giữa 10 giá» 59 phút 59 giây và 11 giá» theo đồng hồ của nhà du hà nh sẽ được truyá»n qua má»™t khoảng thá»i gian vô hạn, nếu Ä‘o từ con tà u. Khoảng thá»i gian giữa hai sóng ánh sáng liên tiếp tá»›i con tà u má»—i lúc má»™t dà i hÆ¡n, do đó ánh sáng từ ngôi sao má»—i lúc má»™t Ä‘á» và nhợt nhạt hÆ¡n. Cuối cùng, ngôi sao sẽ má» tối tá»›i mức từ con tà u không thể nhìn thấy nó nữa; tất cả những cái còn lại chỉ là má»™t lá»— Ä‘en trong không gian. Tuy nhiên, ngôi sao vẫn tiếp tục tác dụng má»™t lá»±c hấp dẫn nhÆ° trÆ°á»›c lên con tà u là m cho nó vẫn tiếp tục quay xung quanh lá»— Ä‘en.
Thá»±c ra, kịch bản nà y không phải hoà n toà n là hiện thá»±c vì vấn Ä‘á» sau: Lá»±c hấp dẫn cà ng yếu khi bạn cà ng ở xa ngôi sao, vì váºy lá»±c hấp dẫn tác dụng lên chân nhà du hà nh vÅ© trụ quả cảm của chúng ta sẽ luôn luôn lá»›n hÆ¡n lá»±c tác dụng lên đầu của anh ta. Sá»± khác biệt vá» lá»±c đó sẽ kéo dà i nhà du hà nh vÅ© trụ của chúng ta giống nhÆ° má»™t sợi mì hoặc xé đứt anh ta ra trÆ°á»›c khi ngôi sao co tá»›i bán kÃnh tá»›i hạn, tại đó chân trá»i sá»± cố được hình thà nh! Tuy nhiên, chúng ta tin rằng trong vÅ© trụ có những váºt thể lá»›n hÆ¡n rất nhiá»u, chẳng hạn nhÆ° những vùng trung tâm của các thiên hà , cÅ©ng có thể co lại do hấp dẫn để tạo thà nh các lá»— Ä‘en; má»™t nhà du hà nh vÅ© trụ ở trên má»™t trong các váºt thể đó sẽ không bị xé đứt trÆ°á»›c khi lá»— Ä‘en được tạo thà nh. Thá»±c tế, anh ta sẽ chẳng cảm thấy gì đặc biệt khi đạt tá»›i bán kÃnh tá»›i hạn, và có thể vượt Ä‘iểm-không-Ä‘Æ°á»ng-quay-lại mà không nháºn thấy. Tuy nhiên, chỉ má»™t Ãt giá» sau, khi vùng đó tiếp tục co lại, sá»± khác biệt vá» lá»±c hấp dẫn tác dụng lên chân và đầu sẽ lại trở nên mạnh tá»›i mức nó sẽ xé đứt ngÆ°á»i anh ta.
Công trình mà Roger Penrose và tôi tiến hà nh giữa năm 1965 và 1970 chứng tá», rằng theo thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng, thì cần phải có má»™t kỳ dị vá»›i máºt Ä‘á»™ và độ cong không-thá»i gian vô hạn bên trong lá»— Ä‘en. Äiá»u nà y khá giống vá»›i vụ nổ lá»›n ở Ä‘iểm bắt đầu, chỉ có Ä‘iá»u ở đây lại là thá»i Ä‘iểm cuối của má»™t váºt thể cùng nhà du hà nh Ä‘ang co lại. Ở kỳ dị nà y, các định luáºt khoa há»c và khả năng tiên Ä‘oán tÆ°Æ¡ng lai Ä‘á»u không dùng được nữa. Tuy nhiên, má»™t ngÆ°á»i quan sát còn ở ngoà i lá»— Ä‘en sẽ không bị ảnh hưởng bởi sá»± mất khả năng tiên Ä‘oán đó vì không má»™t tÃn hiệu nà o hoặc tia sáng nà o từ Ä‘iểm kỳ dị đó tá»›i được anh ta. Sá»± kiện đáng chú ý đó đã dẫn Roger Penrose tá»›i giả thuyết vá» sá»± kiểm duyệt vÅ© trụ - má»™t giả thuyết có thể phát biểu dÆ°á»›i dạng “Chúa căm ghét sá»± kỳ dị trần trụiâ€. Nói má»™t cách khác, những kỳ dị được tạo ra bởi sá»± co lại do hấp dẫn chỉ xảy ra ở những nÆ¡i giống nhÆ° lá»— Ä‘en - nÆ¡i mà chúng được che giấu kÃn đáo bởi chân trá»i sá»± cố không cho ngÆ°á»i ngoà i nhìn thấy. Nói má»™t cách chặt chẽ thì đây là má»›i là giả thuyết vá» sá»± kiểm duyệt vÅ© trụ yếu: nó bảo vệ cho những ngÆ°á»i quan sát còn ở ngoà i lá»— Ä‘en tránh được những háºu quả do sá»± mất khả năng tiên Ä‘oán xảy ra ở Ä‘iểm kỳ dị, nhÆ°ng nó hoà n toà n không là m được gì cho nhà du hà nh bất hạnh đã bị rÆ¡i và o lá»— Ä‘en.
Có má»™t số nghiệm của các phÆ°Æ¡ng trình của thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng, trong đó nó cho phép nhà du hà nh của chúng ta có thể nhìn thấy Ä‘iểm kỳ dị trần trụi: nhÆ° váºy anh ta có thể tránh không đụng và o nó và thay vì anh ta có thể rÆ¡i qua má»™t cái “lá»— sâu đục†và đi ra má»™t vùng khác của vÅ© trụ. Äiá»u nà y tạo ra những khả năng to lá»›n cho việc du hà nh trong không gian và thá»i gian, nhÆ°ng tháºt không may, những nghiệm đó lại rất không ổn định; chỉ cần má»™t nhiá»…u Ä‘á»™ng nhá», và dụ nhÆ° sá»± có mặt của nhà du hà nh, là đã có thể là m cho chúng thay đổi tá»›i mức nhà du hà nh không còn nhìn thấy kỳ dị nữa cho tá»›i khi chạm và o nó và thá»i gian của anh ta sẽ chấm hết. Nói cách khác, kỳ dị luôn luôn nằm ở tÆ°Æ¡ng lai chứ không bao giá» nằm ở quá khứ của anh ta. Giả thuyết kiểm duyệt vÅ© trụ mạnh phát biểu rằng trong nghiệm hiện thá»±c thì các kỳ dị luôn luôn hoặc hoà n toà n nằm trong tÆ°Æ¡ng lai (nhÆ° các kỳ dị do quá trình co lại do hấp dẫn) hoặc hoà n toà n nằm trong quá khứ (nhÆ° vụ nổ lá»›n). NgÆ°á»i ta rất hy vá»ng má»™t trong hai giả thuyết kiểm duyệt là đúng, bởi vì ở gần các kỳ dị trần trụi sẽ có thể chu du vá» quá khứ. Trong khi Ä‘iá»u nà y tháºt tuyệt vá»i đối vá»›i các nhà viết truyện khoa há»c viá»…n tưởng thì nó cÅ©ng có nghÄ©a là cuá»™c sống của bất kỳ ai Ä‘á»u không an toà n: má»™t kẻ nà o đó có thể mò vá» quá khứ giết chết bố hoặc mẹ của bạn trÆ°á»›c khi bạn được đầu thai!
Chân trá»i sá»± cố, biên của vùng không - thá»i gian mà từ đó không gì thoát ra được, có tác dụng nhÆ° má»™t mà ng má»™t chiá»u bao quanh lá»— Ä‘en: các váºt, tá»· nhÆ° nhà du hà nh khinh suất của chúng ta, có thể rÆ¡i và o lá»— Ä‘en qua chân trá»i sá»± cố, nhÆ°ng không gì có thể thoát ra lá»— Ä‘en qua chân trá»i sá»± cố (cần nhá»› rằng chân trá»i sá»± cố là đưá»ng Ä‘i trong không-thá»i gian của ánh sáng Ä‘ang tìm cách thoát khá»i lá»— Ä‘en, và không gì có thể chuyển Ä‘á»™ng nhanh hÆ¡n ánh sáng). Có thể dùng lá»i của thi sÄ© Dante nói vá» lối và o địa ngục để nói vá» chân trá»i sá»± cố: “Hỡi những ngÆ°á»i bÆ°á»›c và o đây hãy vứt bá» má»i hy vá»ng!â€. Bất kỳ cái gì hoặc bất kỳ ai, má»™t khi đã rÆ¡i qua chân trá»i sá»± cố thì sẽ sá»›m tá»›i vùng có máºt Ä‘á»™ vô hạn và , chấm hết thá»i gian.
Thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng tiên Ä‘oán rằng các váºt nặng khi chuyển Ä‘á»™ng sẽ phát ra sóng hấp dẫn - những nếp gợn trong Ä‘á»™ cong của không gian truyá»n vá»›i váºn tốc của ánh sáng. Những sóng nà y tÆ°Æ¡ng tá»± nhÆ° các sóng ánh sáng, là những gợn sóng của trÆ°á»ng Ä‘iện từ, nhÆ°ng sóng hấp dẫn khó phát hiện hÆ¡n nhiá»u. Giống nhÆ° ánh sáng, sóng hấp dẫn cÅ©ng mang năng lượng lấy từ các váºt phát ra nó. Do đó, hệ thống các váºt nặng cuối cùng sẽ an bà i ở má»™t trạng thái dừng nà o đó bởi vì năng lượng ở bất cứ dạng váºn Ä‘á»™ng nà o Ä‘á»u được các sóng hấp dẫn mang Ä‘i. (Äiá»u nà y gần tÆ°Æ¡ng tá»± vá»›i việc ném má»™t cái nút xuống nÆ°á»›c. Ban đầu, nó dáºp dá»nh khá mạnh, nhÆ°ng rồi vì các gợn sóng mang dần Ä‘i hết năng lượng của nó, cuối cùng nó an bà i ở má»™t trạng thái dừng). Và dụ, chuyển Ä‘á»™ng của trái đất xung quanh mặt trá»i tạo ra các sóng hấp dẫn. Tác dụng của việc mất năng lượng sẽ là m thay đổi quỹ đạo trái đất, là m cho nó dần dần tiến tá»›i gần mặt trá»i hÆ¡n, rồi cuối cùng chạm mặt trá»i và an bà i ở má»™t trạng thái dừng. Tuy nhiên, tốc Ä‘á»™ mất năng lượng của trái đất và mặt trá»i rất thấp: chỉ cỡ đủ để chạy má»™t lò sưởi Ä‘iện nhá». Äiá»u nà y có nghÄ©a là phải mất gần má»™t ngà n triệu triệu triệu triệu năm trái đất má»›i đâm và o mặt trá»i và vì váºy chúng ta chẳng có lý do gì để lo lắng cả! Sá»± thay đổi quỹ đạo của trái đất cÅ©ng rất cháºm khiến cho khó có thể quan sát được, nhÆ°ng chÃnh hiện tượng nà y đã được quan sát thấy Ãt năm trÆ°á»›c trong hệ thống có tên là PSR 1913+16 PSR là tên viết tắt của má»™t pulsar (pulsar là chuẩn tinh: má»™t loại sao neutron đặc biệt có khả năng phát Ä‘á»u đặn các xung sóng radio). Hệ thống nà y gồm hai sao neutron quay xung quanh nhau và sá»± mất năng lượng do phát sóng hấp dẫn là m cho chúng chuyển Ä‘á»™ng theo Ä‘Æ°á»ng xoắn ốc hÆ°á»›ng và o nhau
Trong quá trình co lại do hấp dẫn của má»™t ngôi sao để tạo thà nh má»™t lá»— Ä‘en, các chuyển Ä‘á»™ng sẽ nhanh hÆ¡n nhiá»u và vì váºy tốc Ä‘á»™ năng lượng được chuyển Ä‘i cÅ©ng cao hÆ¡n nhiá»u. Do váºy mà thá»i gian để đạt tá»›i sá»± an bà i ở má»™t trạng thái dừng sẽ không quá lâu. Váºy cái giai Ä‘oạn cuối cùng nà y nhìn sẽ nhÆ° thế nà o? NgÆ°á»i ta cho rằng, nó sẽ phụ thuá»™c và o tất cả các đặc tÃnh của ngôi sao. Có nghÄ©a là , nó không chỉ phụ thuá»™c và o khối lượng và tốc Ä‘á»™ quay, mà còn phụ thuá»™c và o những máºt Ä‘á»™ khác nhau của các phần tá» khác nhau của ngôi sao và cả những chuyển Ä‘á»™ng phức tạp của các khà trong ngôi sao đó nữa. Và nếu các lá»— Ä‘en cÅ©ng Ä‘a dạng nhÆ° những đối tượng đã co lại và tạo nên chúng thì sẽ rất khó Ä‘Æ°a ra má»™t tiên Ä‘oán nà o vá» các lá»— Ä‘en nói chung.
Tuy nhiên, và o năm 1967, má»™t nhà khoa há»c Canada tên là Werner Israel (ông sinh ở Berlin, lá»›n lên ở Nam Phi, và là m luáºn án tiến sÄ© ở Ireland) đã tạo ra má»™t bÆ°á»›c ngoặt trong việc nghiên cứu các lá»— Ä‘en. Israel chỉ ra rằng, theo thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng thì các lá»— Ä‘en không quay là rất Ä‘Æ¡n giản; chúng có dạng cầu lý tưởng và có kÃch thÆ°á»›c chỉ phụ thuá»™c và o khối lượng của chúng; hai lá»— Ä‘en nhÆ° thế có khối lượng nhÆ° nhau là hoà n toà n đồng nhất vá»›i nhau.
Thá»±c tế, những lá»— Ä‘en nà y có thể được mô tả bằng má»™t nghiệm riêng của phÆ°Æ¡ng trình Einstein đã được biết từ năm 1917, do Karl Schwarzchild tìm ra gần nhÆ° ngay sau khi tuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng được phát minh. Thoạt đầu, nhiá»u ngÆ°á»i, tháºm chà ngay cả Israel, lý luáºn rằng, vì các lá»— Ä‘en cần phải có dạng cầu lý tưởng nên chúng chỉ có thể được tạo thà nh từ sá»± co lại của đối tượng có dạng cầu lý tưởng. Mà má»™t ngôi sao chẳng bao giá» có thể có dạng cầu lý tưởng được, nên nó chỉ có thể co lại để tạo thà nh má»™t kỳ dị trần trụi mà thôi.
Tuy nhiên, có má»™t cách giải thÃch khác cho kết quả của Israel mà Roger Penrose và đặc biệt là John Wheeler rất ủng há»™. Há» lý luáºn rằng, những chuyển Ä‘á»™ng nhanh trong quá trình co lại có nghÄ©a là các sóng hấp dẫn do nó phát ra sẽ là m cho nó có dạng cầu hÆ¡n và và o thá»i Ä‘iểm an bà i ở trạng thái dừng nó có dạng chÃnh xác là cầu. Theo quan Ä‘iểm nà y thì má»™t ngôi sao không quay, bất kể hình dạng và cấu trúc bên trong phức tạp của nó, sau khi kết thúc quá trình co lại do hấp dẫn Ä‘á»u là má»™t lá»— Ä‘en có dạng cầu lý tưởng vá»›i kÃch thÆ°á»›c chỉ phụ thuá»™c và o khối lượng của nó. Những tÃnh toán sau nà y Ä‘á»u củng cố cho quan Ä‘iểm nà y và chẳng bao lâu sau nó đã được má»i ngÆ°á»i chấp nháºn.
Kết quả của Israel chỉ Ä‘á» cáºp trÆ°á»ng hợp các lá»— Ä‘en được tạo thà nh từ các váºt thể không quay. Năm 1963 Roy Kerr ngÆ°á»i New Zealand đã tìm ra má»™t táºp hợp nghiệm của các phÆ°Æ¡ng trình của thuyết tÆ°Æ¡ng đối mô tả các lá»— Ä‘en quay. Các lá»— Ä‘en “Kerr†đó quay vá»›i váºn tốc không đổi, có kÃch thÆ°á»›c và hình dáng chỉ phụ thuá»™c và o khối lượng và tốc Ä‘á»™ quay của chúng. Nếu tốc Ä‘á»™ quay bằng không, lá»— Ä‘en sẽ là cầu lý tưởng và nghiệm nà y sẽ trùng vá»›i nghiệm Schwarzchild. Nếu tốc Ä‘á»™ quay khác 0, lá»— Ä‘en sẽ phình ra phÃa ngoà i ở gần xÃch đạo của nó (cÅ©ng nhÆ° trái đất và mặt trá»i Ä‘á»u phình ra do sá»± quay của chúng), và nếu nó quay cà ng nhanh thì sá»± phình ra sẽ cà ng mạnh. NhÆ° váºy, để mở rá»™ng kết quả của Israel cho bao hà m được cả các váºt thể quay, ngÆ°á»i ta suy Ä‘oán rằng má»™t váºt thể quay co lại để tạo thà nh má»™t lá»— Ä‘en cuối cùng sẽ an bà i ở trạng thái dừng được mô tả bởi nghiệm Kerr.
Năm 1970, má»™t đồng nghiệp và cÅ©ng là nghiên cứu sinh của tôi, Brandon Carter đã Ä‘i được bÆ°á»›c đầu tiên hÆ°á»›ng tá»›i chứng minh suy Ä‘oán trên. Anh đã chứng tỠđược rằng vá»›i Ä‘iá»u kiện lá»— Ä‘en quay dừng có má»™t trục đối xứng, giống nhÆ° má»™t con quay, thì nó sẽ có kÃch thÆ°á»›c và hình dạng chỉ phụ thuá»™c và o khối lượng và tốc Ä‘á»™ quay của nó. Sau đó và o năm 1971, tôi đã chứng minh được rằng bất kỳ má»™t lá»— Ä‘en quay dừng nà o Ä‘á»u cần phải có má»™t trục đối xứng nhÆ° váºy. Cuối cùng, và o năm 1973, David Robinson ở trÆ°á»ng Kings College, London đã dùng kết quả của Carter và tôi chứng minh được rằng Æ°á»›c Ä‘oán nói trên là đúng. Những lá»— Ä‘en nhÆ° váºy thá»±c sá»± là nghiệm Kerr. NhÆ° váºy, sau khi co lại do hấp dẫn, lá»— Ä‘en sẽ an bà i trong trạng thái có thể quay nhÆ°ng không xung Ä‘á»™ng. HÆ¡n nữa, kÃch thÆ°á»›c hình dạng của nó chỉ phụ thuá»™c và o khối lượng và tốc Ä‘á»™ quay chứ không phụ thuá»™c và o bản chất của váºt thể bị co lại tạo nên nó. Kết quả nà y được biết dÆ°á»›i châm ngôn: “lá»— Ä‘en không có tócâ€. Äịnh lý “không có tóc†nà y có má»™t tầm quan trá»ng thá»±c tiá»…n to lá»›n bởi nó hạn chế rất mạnh các loại lá»— Ä‘en lý thuyết. Do váºy, ngÆ°á»i ta có thể tạo ra những mô hình chi tiết của các váºt có khả năng chứa lá»— Ä‘en và so sánh những tiên Ä‘oán của mô hình vá»›i quan sát. Äiá»u nà y cÅ©ng có nghÄ©a là má»™t lượng rất lá»›n thông tin vá» váºt thể co lại sẽ phải mất Ä‘i khi lá»— Ä‘en được tạo thà nh, bởi vì sau đấy tất cả những thứ mà ta có thể Ä‘o được vá» váºt thể đó chỉ là khối lượng và tốc Ä‘á»™ quay của nó. à nghÄ©a của Ä‘iá»u nà y sẽ được thấy rõ ở chÆ°Æ¡ng sau.
Các lá»— Ä‘en chỉ là má»™t trong số rất Ãt các trÆ°á»ng hợp trong lịch sá» khoa há»c, trong đó lý thuyết đã được phát triển rất chi tiết nhÆ° má»™t mô hình toán há»c trÆ°á»›c khi có những bằng chứng từ quan sát xác nháºn nó là đúng đắn.
Thá»±c tế, Ä‘iá»u nà y đã được dùng nhÆ° má»™t luáºn cứ chủ yếu của những ngÆ°á»i phản đối lá»— Ä‘en: là m sao ngÆ°á»i ta có thể tin rằng có những váºt thể mà bằng chứng vá» sá»± tồn tại của nó chỉ là những tÃnh toán dá»±a trên lý thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng, má»™t lý thuyết vốn đã đáng ngá»? Tuy nhiên, và o năm 1963, Maarten Schmidt, má»™t nhà thiên văn là m việc ở Äà i thiên văn Palomar, Caliornia, Mỹ, đã Ä‘o được sá»± chuyển dịch vá» phÃa Ä‘á» của má»™t đối tượng má» tá»±a nhÆ° sao theo hÆ°á»›ng má»™t nguồn phát sóng radio có tên là 3C273 (tức là số của nguồn là 273 trong catalogue thứ 3 ở Cambridge). Ông thấy sá»± chuyển dịch nà y là quá lá»›n, nếu xem nó do trÆ°á»ng hấp dẫn gây ra: nếu đó là sá»± chuyển dịch vá» phÃa Ä‘á» do trÆ°á»ng hấp dẫn gây ra thì đối tượng đó phải rất nặng và ở gần chúng ta tá»›i mức nó sẽ là m nhiá»…u Ä‘á»™ng quỹ đạo của các hà nh tinh trong Hệ mặt trá»i. Äiá»u nà y gợi ý rằng sá»± chuyển dịch vá» phÃa Ä‘á» nà y là do sá»± giãn nở của vÅ© trụ và vì váºy đối tượng đó phải ở rất xa chúng ta. Äể thấy được ở má»™t khoảng cách xa nhÆ° thế váºt thể đó phải rất sáng hay nói cách khác là phải phát ra má»™t năng lượng cá»±c lá»›n. CÆ¡ chế duy nhất mà con ngÆ°á»i có thể nghÄ© ra để miêu tả má»™t năng lượng lá»›n nhÆ° thế, là sá»± co lại do hấp dẫn không phải chỉ của má»™t ngôi sao mà của cả vùng trung tâm của thiên hà . Nhiá»u đối tượng “tÆ°Æ¡ng tá»± sao†(chuẩn tinh), hay nói cách khác là các quasar, cÅ©ng đã được phát hiện. Tất cả Ä‘á»u có chuyển dịch lá»›n vá» phÃa Ä‘á». NhÆ°ng tất cả chúng Ä‘á»u ở quá xa, khó quan sát để cho má»™t bằng chứng quyết định vá» các lá»— Ä‘en.
Sá»± cổ vÅ© tiếp theo cho sá»± tồn tại của các lá»— Ä‘en là phát minh của Jocelyn Bell, má»™t nghiên cứu sinh ở Cambridge, vá» những thiên thể phát các xung radio Ä‘á»u đặn. Thoạt đầu, Bell và ngÆ°á»i hÆ°á»›ng dẫn của chị là Antony Hewish, nghÄ© rằng có lẽ hỠđã liên lạc được vá»›i má»™t ná»n văn minh lạ trong thiên hà ! Thá»±c tế, trong buổi seminar khi há» thông báo phát minh của há», tôi nhá»› là hỠđã gá»i bốn nguồn phát sóng radio đầu tiên đó là LGM 1-4 vá»›i LGM là viết tắt của “Little Green Men†(những ngÆ°á»i xanh nhá»). Tuy nhiên, cuối cùng há» và má»i ngÆ°á»i Ä‘á»u Ä‘i đến má»™t kết luáºn Ãt lãng mạn hÆ¡n cho rằng những đối tượng đó - có tên là pulsar - thá»±c tế là những sao neutron quay, có khả năng phát các xung sóng radio, do sá»± tÆ°Æ¡ng tác phức tạp giữa các từ trÆ°á»ng của nó vá»›i váºt chất xung quanh. Äây là má»™t tin không mấy vui vẻ đối vá»›i các nhà văn chuyên viết vá» các chuyện phiêu lÆ°u trong vÅ© trụ, nhÆ°ng lại đầy hy vá»ng đối vá»›i má»™t số Ãt ngÆ°á»i tin và o sá»± tồn tại của lá»— Ä‘en thá»i đó: đây là bằng chứng xác thá»±c đầu tiên vá» sá»± tồn tại của các sao neutron. Sao neutron có bán kÃnh chừng mÆ°á»i dặm, chỉ lá»›n hÆ¡n bán kÃnh tá»›i hạn để ngôi sao trở thà nh má»™t lá»— Ä‘en Ãt lần. Nếu má»™t sao có thể co lại tá»›i má»™t kÃch thÆ°á»›c nhá» nhÆ° váºy thì cÅ©ng không có lý do gì mà những ngôi sao khác không thể co lại tá»›i má»™t kÃch thÆ°á»›c còn nhá» hÆ¡n nữa để trở thà nh lá»— Ä‘en.
Là m sao chúng ta có thể hy vá»ng phát hiện được lá»— Ä‘en, khi mà theo chÃnh định nghÄ©a của nó, nó không phát ra má»™t tia sáng nà o? Äiá»u nà y cÅ©ng na ná nhÆ° Ä‘i tìm con mèo Ä‘en trong má»™t kho than. May thay vẫn có má»™t cách. NhÆ° John Michell đã chỉ ra trong bà i báo tiên phong của ông viết năm 1983, lá»— Ä‘en vẫn tiếp tục tác dụng lá»±c hấp dẫn lên các váºt xung quanh. Các nhà thiên văn đã quan sát được nhiá»u hệ thống, trong đó có hai sao quay xung quanh nhau và hút nhau bằng lá»±c hấp dẫn. Há» cÅ©ng quan sát được những hệ thống, trong đó chỉ có má»™t sao thấy được quay xung quanh sao đồng hà nh (không thấy được). Tất nhiên, ngÆ°á»i ta không thể kết luáºn ngay rằng sao đồng hà nh đó là má»™t lá»— Ä‘en, vì nó có thể Ä‘Æ¡n giản chỉ là má»™t ngôi sao phát sáng quá yếu nên ta không thấy được. Tuy nhiên, có má»™t số trong các hệ thống đó, chẳng hạn nhÆ° hệ thống có tên là Cygnus X-1
(hình 6.2) cÅ©ng là những nguồn phát tia X rất mạnh. Cách giải thÃch tốt nhất cho hiện tượng nà y là váºt chất bị bắn ra khá»i bá» mặt của ngôi sao nhìn thấy. Vì lượng váºt chất nà y rÆ¡i vá» phÃa đồng hà nh không nhìn thấy, nên nó phát triển thà nh chuyển Ä‘á»™ng theo Ä‘Æ°á»ng xoắn ốc (khá giống nhÆ° nÆ°á»›c chảy ra khá»i bồn tắm) và trở nên rất nóng, phát ra tia X (hình 6.3). Muốn cho cÆ¡ chế nà y hoạt Ä‘á»™ng, sao đồng hà nh không nhìn thấy phải rất nhá», giống nhÆ° sao lùn trắng, sao neutron hoặc lá»— Ä‘en. Từ quỹ đạo quan sát được của ngôi sao nhìn thấy, ngÆ°á»i ta có thể xác định được khối lượng khả dÄ© thấp nhất của ngôi sao đồng hà nh không nhìn thấy. Trong trÆ°á»ng hợp hệ thống Cygnus X-1 sao đó có khối lượng lá»›n gấp 6 lần mặt trá»i. Theo kết quả của Chandrasekhar thì nhÆ° thế là quá lá»›n để cho sao không nhìn thấy là má»™t sao lùn trắng. Nó cÅ©ng có khối lượng quá lá»›n để là sao neutron. Vì váºy, nó dÆ°á»ng nhÆ° phải là má»™t lá»— Ä‘en...
CÅ©ng có những mô hình khác giải thÃch rằng Cygnus X-1 không bao gồm lá»— Ä‘en, nhÆ°ng tất cả những mô hình đó Ä‘á»u rất gượng gạo. Lá»— Ä‘en là cách giải thÃch thá»±c sá»± tá»± nhiên duy nhất những quan trắc đó. Mặc dù váºy, tôi đã đánh cuá»™c vá»›i Kip Thorne ở Viện kỹ thuáºt California, rằng thá»±c tế Cygnus X-1 không chứa lá»— Ä‘en! Äây chẳng qua chỉ là sách lược bảo hiểm cho tôi. Tôi đã tốn biết bao công sức cho những lá»— Ä‘en và tất cả sẽ trở nên vô Ãch, nếu hóa ra là các lá»— Ä‘en không tồn tại. NhÆ°ng khi đó tôi sẽ được an ủi là mình thắng cuá»™c và điá»u đó sẽ mang lại cho tôi bốn năm liá»n tạp chà Private Eye. Nếu lá»— Ä‘en tồn tại thì Kip được 1 năm tạp chà Penthouse. Khi chúng tôi đánh cuá»™c và o năm 1975 thì chúng tôi đã chắc tá»›i 80% rằng Cygnus là lá»— Ä‘en. Và bây giá» tôi có thể nói rằng chúng tôi đã biết chắc tá»›i 95%, nhÆ°ng cuá»™c đánh cuá»™c vẫn chÆ°a thể xem là đã ngã ngÅ©.
GiỠđây chúng ta cÅ©ng có bằng chứng vá» má»™t số lá»— Ä‘en khác trong các hệ thống giống nhÆ° Cygnus X-1 trong thiên hà của chúng ta và trong hai thiên hà lân cáºn có tên là Magellanic Clouds. Tuy nhiên, số các lá»— Ä‘en chắc còn cao hÆ¡n nhiá»u; trong lịch sá» dà i dằng dặc của vÅ© trụ nhiá»u ngôi sao chắc đã đốt hết toà n bá»™ nhiên liệu hạt nhân của mình và đã phải co lại. Số các lá»— Ä‘en có thể lá»›n hÆ¡n nhiá»u so vá»›i số những ngôi sao nhìn thấy, mà chỉ riêng trong thiên hà của chúng ta thôi số những ngôi sao đó đã tá»›i khoảng má»™t trăm ngà n triệu. Lá»±c hút hấp dẫn phụ thêm của má»™t số lá»›n nhÆ° thế các lá»— Ä‘en có thể giải thÃch được tại sao thiên hà của chúng ta lại quay vá»›i tốc Ä‘á»™ nhÆ° nó hiện có: khối lượng của các sao thấy được không đủ để là m Ä‘iá»u đó. Chúng ta cÅ©ng có má»™t số bằng chứng cho thấy rằng có má»™t lá»— Ä‘en lá»›n hÆ¡n nhiá»u ở trung tâm thiên hà của chúng ta vá»›i khối lượng lá»›n hÆ¡n khối lượng của mặt trá»i tá»›i trăm ngà n lần. Các ngôi sao trong thiên hà tá»›i gần lá»— Ä‘en đó sẽ bị xé tan do sá»± khác biệt vá» hấp dẫn ở phÃa gần và phÃa xa của nó. Tà n tÃch của những ngôi sao đó và khà do các sao khác tung ra Ä‘á»u sẽ rÆ¡i vá» phÃa lá»— Ä‘en. CÅ©ng nhÆ° trong trÆ°á»ng hợp Cygnus X-1, khà sẽ chuyển Ä‘á»™ng theo Ä‘Æ°á»ng xoắn ốc Ä‘i và o và nóng lên mặc dù không nhiá»u nhÆ° trong trÆ°á»ng hợp đó. Nó sẽ không đủ nóng để phát ra các tia X, nhÆ°ng cÅ©ng có thể là các nguồn sóng radio và tia hồng ngoại rất Ä‘áºm đặc mà ngÆ°á»i ta đã quan sát được ở tâm thiên hà .
NgÆ°á»i ta cho rằng những lá»— Ä‘en tÆ°Æ¡ng tá»± hoặc tháºm chà còn lá»›n hÆ¡n, vá»›i khối lượng khoảng trăm triệu lần lá»›n hÆ¡n khối lượng mặt trá»i có thể gặp ở tâm các quasar. Váºt chất rÆ¡i và o những lá»— Ä‘en siêu nặng nhÆ° váºy sẽ tạo ra má»™t nguồn năng lượng duy nhất đủ lá»›n để giải thÃch lượng năng lượng cá»±c lá»›n mà các váºt thể đó phát ra. Vì váºt chất chuyển Ä‘á»™ng xoáy ốc và o lá»— Ä‘en, nó sẽ là m cho lá»— Ä‘en quay cùng chiá»u tạo cho nó má»™t từ trÆ°á»ng khá giống vá»›i từ trÆ°á»ng của trái đất. Các hạt có năng lượng rất cao cÅ©ng sẽ được sinh ra gần lá»— Ä‘en bởi váºt chất rÆ¡i và o. Từ trÆ°á»ng nà y có thể mạnh tá»›i mức há»™i tụ được các hạt đó thà nh những tia phóng ra ngoà i dá»c theo trục quay của lá»— Ä‘en, tức là theo hÆ°á»›ng các cá»±c bắc và nam của nó. Các tia nhÆ° váºy thá»±c tế đã được quan sát thấy trong nhiá»u thiên hà và các quasar.
NgÆ°á»i ta cÅ©ng có thể xét tá»›i khả năng có những lá»— Ä‘en vá»›i khối lượng nhá» hÆ¡n nhiá»u so vá»›i khối lượng mặt trá»i. Những lá»— Ä‘en nhÆ° thế không thể được tạo thà nh bởi sá»± co lại do hấp dẫn, vì khối lượng của chúng thấp hÆ¡n giá»›i hạn Chandrasekhar: Các sao có khối lượng thấp đó tá»± nó có thể chống chá»i được vá»›i lá»±c hấp dẫn tháºm chà cả khi chúng đã hết sạch nhiên liệu hạt nhân. Do váºy, những lá»— Ä‘en khối lượng thấp đó chỉ có thể được tạo thà nh nếu váºt chất của nó được nén đến máºt Ä‘á»™ cá»±c lá»›n bởi má»™t áp lá»±c rất cao từ bên ngoà i. Äiá»u kiện nhÆ° thế có thể xảy ra trong má»™t quả bom khinh khà rất lá»›n: nhà váºt lý John Wheeler má»™t lần đã tÃnh ra rằng nếu ta lấy toà n bá»™ nÆ°á»›c nặng trong tất cả các đại dÆ°Æ¡ng thì ta có thể chế tạo được quả bom khinh khà có thể nén được váºt chất ở tâm mạnh tá»›i mức có thể tạo nên má»™t lá»— Ä‘en. (Tất nhiên sẽ chẳng còn ai sống sót mà quan sát Ä‘iá»u đó!). Má»™t khả năng khác thá»±c tiá»…n hÆ¡n là các lá»— Ä‘en có khối lượng thấp có thể được tạo thà nh dÆ°á»›i nhiệt Ä‘á»™ và áp suất cao ở giai Ä‘oạn rất sá»›m của vÅ© trụ. Mặt khác những lá»— Ä‘en chỉ có thể tạo thà nh nếu vÅ© trụ ở giai Ä‘oạn rất sá»›m không trÆ¡n tru và đá»u đặn má»™t cách lý tưởng, bởi vì chỉ cần má»™t vùng nhá» có máºt Ä‘á»™ lá»›n hÆ¡n máºt Ä‘á»™ trung bình là có thể bị nén theo cách đó để tạo thà nh lá»— Ä‘en. NhÆ°ng chúng ta biết rằng nhất thiết phải có má»™t số bất thÆ°á»ng nhÆ° váºy, bởi vì nếu không váºt chất trong vÅ© trụ cho tá»›i nay vẫn sẽ còn phân bố Ä‘á»u má»™t cách lý tưởng thay vì kết lại thà nh khối trong các ngôi sao và thiên hà .
Những bất thÆ°á»ng đòi há»i phải có để tạo ra các ngôi sao và thiên hà có dẫn tá»›i sá»± tạo thà nh má»™t số đáng kể “lá»— Ä‘en nguyên thủy†hay không còn phụ thuá»™c và o chi tiết của những Ä‘iá»u kiện ở giai Ä‘oạn đầu của vÅ© trụ. Vì váºy, nếu hiện nay chúng ta có thể xác định được có bao nhiêu lá»— Ä‘en nguyên thủy thì chúng ta sẽ biết được nhiá»u Ä‘iá»u vá» những giai Ä‘oạn rất sá»›m của vÅ© trụ. Các lá»— Ä‘en nguyên thủy vá»›i khối lượng lá»›n hÆ¡n ngà n triệu tấn (bằng khối lượng của má»™t quả núi lá»›n) có thể được phát hiện chỉ thông qua ảnh hưởng hấp dẫn của chúng lên các váºt thể khác là váºt chất thấy được hoặc ảnh hưởng tá»›i sá»± giãn nở của vÅ© trụ. Tuy nhiên, nhÆ° chúng ta sẽ biết ở chÆ°Æ¡ng sau, các lá»— Ä‘en xét cho cùng cÅ©ng không phải quá Ä‘en: chúng phát sáng nhÆ° những váºt nóng, và các lá»— Ä‘en cà ng nhá» thì chúng phát sáng cà ng mạnh. Và nhÆ° váºy má»™t Ä‘iá»u tháºt nghịch lý là các lá»— Ä‘en cà ng nhá» thì cà ng dá»… phát hiện hÆ¡n các lá»— Ä‘en lá»›n.
|
24-08-2008, 09:17 AM
|
|
Cái Thế Ma Nhân
|
|
Tham gia: May 2008
Äến từ: SG
Bà i gởi: 37
Thá»i gian online: 7 giá» 22 phút 5 giây
Thanks: 1
Thanked 0 Times in 0 Posts
|
|
Chương 7: Lỗ đen không quá đen
TrÆ°á»›c năm 1970, nghiên cứu của tôi vá» thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng chủ yếu táºp trung và o vấn Ä‘á» có tồn tại hay không kỳ dị vụ nổ lá»›n. Tuy nhiên, và o má»™t buổi tối tháng 11 năm đó, ngay sau khi con gái tôi, cháu Lucy, ra Ä‘á»i, tôi bắt đầu suy nghÄ© vá» những lá»— Ä‘en khi tôi trên Ä‘Æ°á»ng vá» phòng ngủ. Vì sá»± tà n táºt của mình, tôi di chuyển rất cháºm, nên có đủ thá»i gian để suy nghÄ©. Và o thá»i đó còn chÆ°a có má»™t định nghÄ©a chÃnh xác cho biết những Ä‘iểm nà o của không-thá»i gian là nằm trong, và những Ä‘iểm nà o là nằm ngoà i lá»— Ä‘en. Tôi đã thảo luáºn vá»›i Roger Penrose ý tưởng định nghÄ©a lá»— Ä‘en nhÆ° má»™t táºp hợp mà các sá»± cố không thể thoát ra khá»i nó để đến những khoảng cách lá»›n, và bây giá» nó đã trở thà nh má»™t định nghÄ©a được má»i ngÆ°á»i chấp nháºn. Äiá»u nà y có nghÄ©a là biên giá»›i của lá»— Ä‘en, cÅ©ng gá»i là chân trá»i sá»± cố, được tạo bởi Ä‘Æ°á»ng Ä‘i trong không-thá»i gian của các tia sáng vừa chá»›m không thoát ra được khá»i lá»— Ä‘en, và vÄ©nh viá»…n chÆ¡i vÆ¡i ở mép của nó (hình 7.1). Nó cÅ©ng gần giống nhÆ° trò chÆ¡i chạy trốn cảnh sát, chỉ hÆ¡i vượt trÆ°á»›c được má»™t bÆ°á»›c nhÆ°ng còn chÆ°a thể bứt ra được.
Bất chợt tôi nháºn ra rằng Ä‘Æ°á»ng Ä‘i của các tia sáng ấy không bao giá» có thể tiến tá»›i gần nhau. Vì nếu không thế, cuối cùng chúng cÅ©ng sẽ phải cháºp và o nhau. Äiá»u nà y cÅ©ng giống nhÆ° đón gặp má»™t ngÆ°á»i bạn Ä‘ang phải chạy trốn cảnh sát ở phÃa ngược lại - rốt cuá»™c cả hai sẽ Ä‘á»u bị bắt! (Hay trong trÆ°á»ng hợp của chúng ta cả hai tia sáng sẽ Ä‘á»u bị rÆ¡i và o lá»— Ä‘en). NhÆ°ng nếu cả hai tia sáng đó Ä‘á»u bị nuốt bởi lá»— Ä‘en, thì chúng không thể ở biên giá»›i của lá»— Ä‘en được. NhÆ° váºy Ä‘Æ°á»ng Ä‘i của các tia sáng trong chân trá»i sá»± cố phải luôn luôn song song hoặc Ä‘i ra xa nhau. Má»™t cách khác để thấy Ä‘iá»u nà y là chân trá»i sá»± cố - biên giá»›i của lá»— Ä‘en - giống nhÆ° mép của má»™t cái bóng - bóng của số pháºn treo lÆ¡ lá»ng. Nếu bạn nhìn cái bóng tạo bởi má»™t nguồn sáng ở rất xa, chẳng hạn nhÆ° mặt trá»i, bạn sẽ thấy rằng các tia sáng ở mép của nó không há» tiến tá»›i gần nhau.
Nếu các tia sáng tạo nên chân trá»i sá»± cố - biên giá»›i của lá»— Ä‘en - không bao giá» có thể tiến tá»›i gần nhau, thì diện tÃch của chân trá»i sá»± cố có thể giữ nguyên không đổi hoặc tăng theo thá»i gian chứ không bao giá» giảm, vì nếu không, Ãt nhất sẽ có má»™t số tia sáng trên biên phải tiến gần tá»›i nhau. Thá»±c tế thì diện tÃch sẽ tăng bất cứ khi nà o có váºt chất hoặc bức xạ rÆ¡i và o lá»— Ä‘en (hình7.2). Hoặc nếu có hai lá»— Ä‘en va chạm rồi xâm nháºp và o nhau tạo thà nh má»™t lá»— Ä‘en duy nhất, thì diện tÃch chân trá»i sá»± cố của lá»— Ä‘en tạo thà nh sẽ lá»›n hÆ¡n hoặc bằng tổng diện tÃch chân rá»i sá»± cố của hai lá»— Ä‘en riêng lẻ ban đầu (hình 7.3). TÃnh không giảm đó của diện tÃch chân trá»i sá»± cố đã đặt má»™t hạn chế quan trá»ng đối vá»›i hà nh vi khả dÄ© của các lá»— Ä‘en. Tôi đã xúc Ä‘á»™ng vá» phát minh của mình tá»›i mức đêm đó tôi không sao chợp mắt được. Ngay hôm sau tôi gá»i Ä‘iện cho Roger Penrose. Ông đã đồng ý vá»›i tôi. Thá»±c tế, tôi nghÄ© rằng chÃnh ông cÅ©ng đã ý thức được tÃnh chất đó của diện tÃch chân trá»i sá»± cố. Tuy nhiên, ông đã dùng má»™t định nghÄ©a hÆ¡i khác của lá»— Ä‘en. Ông không thấy được rằng biên giá»›i của các lá»— Ä‘en theo hai định nghÄ©a đó thá»±c chất là nhÆ° nhau, và do đó, diện tÃch của chúng cÅ©ng nhÆ° nhau vá»›i Ä‘iá»u kiện lá»— Ä‘en đã an bà i ở trạng thái không thay đổi theo thá»i gian.
TÃnh chất không giảm của diện tÃch lá»— Ä‘en rất giống vá»›i tÃnh chất của má»™t đại lượng váºt lý có tên là entropy - đại lượng là thÆ°á»›c Ä‘o mức Ä‘á»™ mất tráºt tá»± của má»™t hệ thống. Kinh nghiệm hà ng ngà y cÅ©ng cho chúng ta biết rằng nếu để các váºt tá»± do thì mức Ä‘á»™ mất tráºt tá»± sẽ có xu hÆ°á»›ng tăng. (Chỉ cần ngừng sá»a chữa xung quanh là bạn sẽ thấy Ä‘iá»u đó ngay!). NgÆ°á»i ta có thể tạo ra tráºt tá»± từ sá»± mất tráºt tá»± (và dụ nhÆ° bạn có thể quét sÆ¡n lại nhà ), nhÆ°ng Ä‘iá»u đó yêu cầu phải tốn sức lá»±c hoặc năng lượng, và nhÆ° váºy có nghÄ©a là sẽ là m giảm lượng năng lượng của tráºt tá»± sẵn có.
Phát biểu chÃnh xác ý tưởng nà y chÃnh là Äịnh luáºt II của nhiệt Ä‘á»™ng há»c. Äịnh luáºt đó phát biểu rằng: entropy của má»™t hệ cô láºp luôn luôn tăng, và rằng khi hai hệ hợp lại vá»›i nhau là m má»™t thì entropy của hệ hợp thà nh sẽ lá»›n hÆ¡n tổng entropy của hai hệ riêng rẽ. Và dụ, xét má»™t hệ phân tá» khà đựng trong má»™t cái há»™p. Có thể xem những phân tá» nhÆ° những quả cầu billard nhá», liên tục va chạm vá»›i nhau và vá»›i thà nh há»™p. Nhiệt Ä‘á»™ của khà cà ng cao thì các phân tá» chuyển Ä‘á»™ng cà ng nhanh, và chúng va chạm cà ng thÆ°á»ng xuyên và cà ng mạnh vá»›i thà nh há»™p, và áp suất chúng đè lên thà nh há»™p cà ng lá»›n. Giả sá» rằng ban đầu tất cả các phân tá» bị giam ở ná»a trái của há»™p bằng má»™t vách ngăn. Nếu bá» vách ngăn Ä‘i, các phân tá» sẽ có xu hÆ°á»›ng trà n ra chiếm cả hai ná»a của há»™p. Ở má»™t thá»i Ä‘iểm nà o đó sau đấy, do may rủi, có thể tất cả các phân tá» sẽ dồn cả sang ná»a phải hoặc trở lại ná»a trái của há»™p, nhÆ°ng khả năng chắc chắn hÆ¡n rất nhiá»u là chúng có số lượng gần bằng nhau ở cả hai ná»a há»™p. Má»™t trạng thái kém tráºt tá»± hÆ¡n, hay nói cách khác là mất tráºt tá»± hÆ¡n, trạng thái ban đầu mà trong đó má»i phân tá» chỉ ở trong má»™t ná»a há»™p. Do đó, ngÆ°á»i ta nói rằng entropy của khà đã tăng lên. TÆ°Æ¡ng tá»±, giả sá» rằng ta bắt đầu vá»›i hai há»™p, má»™t há»™p chứa các phân tỠôxy và má»™t há»™p chứa các phân tá» nitÆ¡. Nếu ngÆ°á»i ta ghép hai há»™p vá»›i nhau và bá» vách ngăn Ä‘i thì các phân tỠôxy và nitÆ¡ sẽ bắt đầu trá»™n lẫn và o nhau. Ở má»™t thá»i Ä‘iểm nà o đó sau đấy, trạng thái có xác suất lá»›n nhất sẽ là sá»± trá»™n khá Ä‘á»u các phân tỠôxy và nitÆ¡ trong cả hai há»™p. Trạng thái đó là kém tráºt tá»± hÆ¡n trạng thái ban đầu của hai há»™p riêng rẽ.
Äịnh luáºt thứ hai của nhiệt dá»™ng há»c có vị trà hÆ¡i khác so vá»›i các định luáºt khoa há»c khác, chẳng hạn nhÆ° định luáºt hấp dẫn của Newton, bởi vì nó không phải luôn luôn đúng, mà chỉ đúng trong đại Ä‘a số các trÆ°á»ng hợp mà thôi. Xác suất để tất cả các phân tá» trong há»™p đầu tiên của chúng ta dồn cả vá» má»™t ná»a của há»™p ở thá»i Ä‘iểm sau khi bá» vách ngăn chỉ bằng má»™t phần nhiá»u triệu triệu, nhÆ°ng nó vẫn có thể xảy ra. Tuy nhiên, nếu có má»™t lá»— Ä‘en ở cạnh thì định luáºt đó dÆ°á»ng nhÆ° sẽ bị vi phạm khá dá»… dà ng: chỉ cần ném má»™t số váºt chất có lượng entropy lá»›n, nhÆ° má»™t há»™p khà chẳng hạn, và o lá»— Ä‘en. Khi đó tổng số entropy của váºt chất ở ngoà i lá»— Ä‘en sẽ giảm. Tất nhiên, ngÆ°á»i ta vẫn còn có thể viện lý rằng entropy tổng cá»™ng, kể cả entropy trong lá»— Ä‘en sẽ không giảm, nhÆ°ng vì không có cách gì để nhìn và o lá»— Ä‘en, nên chúng ta không thể thấy được váºt chất trong đó chứa bao nhiêu entropy. Khi nà y sẽ tháºt là tuyệt vá»i nếu có má»™t đặc tÃnh nà o đó của lá»— Ä‘en, mà qua nó, ngÆ°á»i quan sát ở bên ngoà i có thể biết vá» entropy của lá»— Ä‘en, và đặc tÃnh nà y lại tăng bất cứ khi nà o có má»™t lượng váºt chất mang entropy rÆ¡i và o lá»— Ä‘en. Sá»± phát hiện vừa mô tả ở trên cho thấy rằng diện tÃch của chân trá»i sá»± cố sẽ tăng bất cứ khi nà o có má»™t lượng váºt chất rÆ¡i và o lá»— Ä‘en. Má»™t nghiên cứu sinh ở Princeton tên là Jacod Bekenstein đã Ä‘Æ°a ra giả thuyết rằng diện tÃch của chân trá»i sá»± cố chÃnh là thÆ°á»›c Ä‘o entropy của lá»— Ä‘en. Khi váºt chất mang entropy rÆ¡i và o lá»— Ä‘en, diện tÃch của chân trá»i sá»± cố tăng, nên tổng entropy của váºt chất ngoà i lá»— Ä‘en và diện tÃch chân trá»i sá»± cố sẽ không khi nà o giảm.
Giả thuyết nà y dÆ°á»ng nhÆ° đã tránh cho định luáºt thứ hai nhiệt Ä‘á»™ng há»c không bị vi phạm trong hầu hết má»i tình huống. Tuy nhiên, vẫn còn má»™t khe hở tai hại. Nếu lá»— Ä‘en có entropy thì nó cÅ©ng sẽ phải có nhiệt Ä‘á»™. NhÆ°ng má»™t váºt có nhiệt Ä‘á»™ thì sẽ phải phát xạ vá»›i tốc Ä‘á»™ nà o đó. Kinh nghiệm hà ng ngà y cÅ©ng cho thấy rằng nếu ngÆ°á»i ta nung nóng má»™t que cá»i trong lá»a thì nó sẽ nóng Ä‘á» và bức xạ, nhÆ°ng những váºt ở nhiệt Ä‘á»™ thấp cÅ©ng bức xạ, chỉ có Ä‘iá»u lượng bức xạ khá nhá» nên ngÆ°á»i ta thÆ°á»ng không nhìn thấy mà thôi. Bức xạ nà y đòi há»i phải có để tránh cho định luáºt thứ hai khá»i bị vi phạm. NhÆ° váºy, các lá»— Ä‘en cÅ©ng cần phải bức xạ. NhÆ°ng theo chÃnh định nghÄ©a của nó thì lá»— Ä‘en là váºt được xem là không phát ra gì hết. Và do đó, dÆ°á»ng nhÆ° diện tÃch của chân trá»i sá»± cố không thể xem nhÆ° entropy của lá»— Ä‘en. Năm 1972 cùng vá»›i Bradon Carte và má»™t đồng nghiệp Mỹ Jim Bardeen, tôi đã viết má»™t bà i báo trong đó chỉ ra rằng mặc dù có nhiá»u Ä‘iểm tÆ°Æ¡ng tá»± giữa diện tÃch của chân trá»i sá»± cố và entropy nhÆ°ng vẫn còn khó khăn đầy tai hại đó. Tôi cÅ©ng phải thú nháºn rằng khi viết bà i báo đó tôi đã bị thúc đẩy má»™t phần bởi sá»± bá»±c tức đối vá»›i Bekenstein, ngÆ°á»i mà tôi cảm thấy đã lạm dụng phát hiện của tôi vá» diện tÃch của chân trá»i sá»± cố. Tuy nhiên, cuối cùng hóa ra anh ta vá» căn bản lại là đúng, mặc dù ở má»™t mức Ä‘á»™ mà chÃnh anh ta cÅ©ng không ngá».
Tháng 9 năm 1973, trong thá»i gian đến thăm MatxcÆ¡va, tôi đã thảo luáºn vá» các lá»— Ä‘en vá»›i hai chuyên gia hà ng đầu của Liên Xô là Yakov Zedovich và Alexander Starobinsky. Há» khẳng định vá»›i tôi rằng theo nguyên lý bất Ä‘á»™ng của cÆ¡ há»c lượng tá» thì các lá»— Ä‘en quay cần phải sinh và phát ra các hạt. Tôi tin cÆ¡ sở váºt lý trong lý lẽ của há», nhÆ°ng tôi không thÃch phÆ°Æ¡ng pháp toán há»c mà há» sá» dụng để tÃnh toán sá»± phát xạ hạt. Do đó, tôi đã bắt tay và o tìm tòi má»™t cách xá» lý toán há»c tốt hÆ¡n mà tôi đã trình bà y tại seminar thông báo ở Oxford và o cuối tháng 11 năm 1973. Và o thá»i gian đó, tôi còn chÆ°a tiến hà nh tÃnh toán để tìm ra sá»± phát xạ là bao nhiêu. Tôi chỠđợi ngÆ°á»i ta sẽ phát hiện được chÃnh bức xạ từ các lá»— Ä‘en quay mà Zedovich và Starobinsky đã tiên Ä‘oán. Tuy nhiên, khi tÃnh song tôi vô cùng ngạc nhiên và băn khoăn thấy rằng tháºm chà cả các lá»— Ä‘en không quay dÆ°á»ng nhÆ° cÅ©ng sinh và phát ra các hạt vá»›i tốc Ä‘á»™ Ä‘á»u. Thoạt tiên, tôi nghÄ© rằng đó là dấu hiệu cho biết má»™t trong những phép gần đúng mà tôi sá» dụng là không thá»a đáng. Tôi ngại rằng nếu Bekenstein phát hiện ra Ä‘iá»u đó, anh ta sẽ dùng nó nhÆ° má»™t lý lẽ nữa để củng cố ý tưởng của anh ta vá» entropy của các lá»— Ä‘en, Ä‘iá»u mà tôi vẫn còn không thÃch. Tuy nhiên, cà ng suy nghÄ© tôi cà ng thấy những phép gần đúng đó thá»±c sá»± là đúng đắn. NhÆ°ng Ä‘iá»u đã thuyết phục hẳn được tôi rằng sá»± phát xạ là có thá»±c là : phổ của các hạt bức xạ giống hệt nhÆ° phổ phát xạ của váºt nóng, và các lá»— Ä‘en phát ra các hạt vá»›i tốc Ä‘á»™ chÃnh xác để không vi phạm định luáºt thứ hai. Sau đó, những tÃnh toán đã được lặp Ä‘i lặp lại dÆ°á»›i nhiá»u dạng khác nhau và bởi những ngÆ°á»i khác. Tất cả há» Ä‘á»u khẳng định rằng lá»— Ä‘en cần phải phát ra các hạt và bức xạ hệt nhÆ° nó là má»™t váºt nóng vá»›i nhiệt Ä‘á»™ chỉ phụ thuá»™c và o khối lượng của nó: khối lượng cà ng lá»›n thì nhiệt Ä‘á»™ cà ng thấp.
NhÆ°ng là m sao các lá»— Ä‘en lại có thể phát ra các hạt trong khi chúng ta biết được rằng không có váºt gì từ phÃa trong có thể thoát ra khá»i chân trá»i sá»± cố? Câu trả lá»i mà cÆ¡ há»c lượng tá» nói vá»›i chúng ta là : các hạt không phát ra từ bên trong lá»— Ä‘en mà là từ không gian “trống rá»—ng†ở ngay bên ngoà i chân trá»i sá»± cố của lá»— Ä‘en! Chúng ta có thể hiểu Ä‘iá»u nà y nhÆ° sau: cái mà chúng ta quen nghÄ© là không gian “trống rá»—ng†lại không thể hoà n toà n là trống rá»—ng, bởi vì Ä‘iá»u đó có nghÄ©a là tất cả các trÆ°á»ng nhÆ° trÆ°á»ng hấp dẫn và trÆ°á»ng Ä‘iện từ sẽ cần phải chÃnh xác bằng 0. Tuy nhiên, giá trị của trÆ°á»ng và tốc Ä‘á»™ thay đổi của nó theo thá»i gian cÅ©ng giống nhÆ° vị trà và váºn tốc của hạt: nguyên lý bất định buá»™c rằng nếu ngÆ°á»i ta biết má»™t trong hai đại lượng đó cà ng chÃnh xác thì có thể biết vỠđại lượng kia cà ng kém chÃnh xác! Vì váºy trong không gian trống rá»—ng, trÆ°á»ng không cố định ở giá trị chÃnh xác bằng 0, bởi vì nếu trái lại thì trÆ°á»ng sẽ có cả giá trị chÃnh xác (bằng 0) và tốc Ä‘á»™ thay đổi cÅ©ng trị chÃnh xác (bằng 0). Cần phải có má»™t lượng bất định tối thiểu nà o đó, hay ngÆ°á»i ta nói rằng, có những thăng giáng lượng tá» trong giá trị của trÆ°á»ng. NgÆ°á»i ta có thể xem những thăng giáng đó nhÆ° má»™t cặp hạt ánh sáng hoặc hấp dẫn cùng xuất hiện ở má»™t thá»i Ä‘iểm nà o đó, Ä‘i ra xa nhau rồi lại gặp lại và hủy nhau. Những hạt nà y là những hạt ảo giống nhÆ° các hạt mang lá»±c hấp dẫn của mặt trá»i: không giống các hạt thá»±c, chúng không thể quan sát được má»™t cách trá»±c tiếp bằng máy dò hạt. Tuy nhiên, những hiệu ứng gián tiếp của chúng, chẳng hạn những thay đổi nhá» vá» năng lượng của các quỹ đạo electron trong nguyên tá», Ä‘á»u có thể Ä‘o được và phù hợp vá»›i những tÃnh toán lý thuyết vá»›i má»™t mức Ä‘á»™ chÃnh xác rất cao. Nguyên lý bất định cÅ©ng tiên Ä‘oán rằng, có cả những cặp hạt váºt chất nhÆ° electron hoặc quark là ảo. Tuy nhiên, trong trÆ°á»ng hợp nà y má»™t thà nh viên của cặp là hạt, còn thà nh viên kia là phản hạt (các phản hạt của ánh sáng và hấp dẫn giống hệt nhÆ° hạt).
Vì năng lượng không thể sinh ra từ hÆ° vô, nên má»™t trong các thà nh viên của cặp hạt/phản hạt sẽ có năng lượng dÆ°Æ¡ng và thà nh viên kia sẽ có năng lượng âm. Thà nh viên có năng lượng âm buá»™c phải là hạt ảo có thá»i gian sống ngắn, vì các hạt thá»±c luôn luôn có năng lượng dÆ°Æ¡ng trong các tình huống thông thÆ°á»ng. Do đó hạt ảo nà y phải Ä‘i tìm thà nh viên cùng cặp để hủy cùng vá»›i nó. Tuy nhiên, má»™t hạt thá»±c ở gần má»™t váºt nặng sẽ có năng lượng nhá» hÆ¡n so vá»›i khi nó ở xa, bởi vì khi Ä‘Æ°a nó ra xa cần phải tốn năng lượng để chống lại lá»±c hút hấp dẫn của váºt đó. ThÆ°á»ng thÆ°á»ng, năng lượng của hạt vẫn còn là dÆ°Æ¡ng, nhÆ°ng trÆ°á»ng hợp hấp dẫn trong lá»— Ä‘en mạnh tá»›i mức tháºm chà má»™t hạt thá»±c ở đó cÅ©ng có năng lượng âm. Do đó, khi có mặt lá»— Ä‘en, hạt ảo vá»›i năng lượng âm khi rÆ¡i và o lá»— Ä‘en cÅ©ng có thể trở thà nh hạt thá»±c hoặc phản hạt thá»±c. Trong trÆ°á»ng hợp đó, nó không còn cần phải hủy vá»›i bạn cùng cặp của nó nữa. NgÆ°á»i bạn bị bá» rÆ¡i nà y cÅ©ng có thể rÆ¡i và o lá»— Ä‘en, hoặc khi có năng lượng dÆ°Æ¡ng, nó cÅ©ng có thể thoát ra ngoà i vùng lân cáºn của lá»— Ä‘en nhÆ° má»™t hạt thá»±c hoặc phản hạt thá»±c (hình 7.4). Äối vá»›i ngÆ°á»i quan sát ở xa thì dÆ°á»ng nhÆ° nó được phát ra từ lá»— Ä‘en. Lá»— Ä‘en cà ng nhá» thì khoảng cách mà hạt có năng lượng âm cần phải Ä‘i trÆ°á»›c khi trở thà nh hạt thá»±c sẽ cà ng ngắn và vì váºy tốc Ä‘á»™ phát xạ và nhiệt Ä‘á»™ biểu kiến của lá»— Ä‘en cà ng lá»›n.
Năng lượng dÆ°Æ¡ng của bức xạ Ä‘i ra sẽ được cân bằng bởi dòng hạt năng lượng âm Ä‘i và o lá»— Ä‘en. Theo phÆ°Æ¡ng trình Einstein E = mc2 (ở đây E là năng lượng, m là khối lượng và c là váºn tốc Ä‘á»™ sáng), năng lượng tá»· lệ vá»›i khối lượng. Do đó, dòng năng lượng âm Ä‘i và o lá»— Ä‘en sẽ giảm giảm khối lượng của nó. Vì lá»— Ä‘en mất khối lượng nên diện tÃch chân trá»i sá»± cố sẽ nhá» Ä‘i, nhÆ°ng sá»± giảm đó của entropy được bù lại còn nhiá»u hÆ¡n bởi entropy của bức xạ phát ra, vì váºy định luáºt thứ hai sẽ không khi nà o bị vi phạm.
HÆ¡n nữa, khối lượng của lá»— Ä‘en cà ng nhá» thì nhiệt Ä‘á»™ của nó cà ng cao. NhÆ° váºy, vì lá»— Ä‘en mất khối lượng nên nhiệt Ä‘á»™ và tốc Ä‘á»™ bức xạ của nó tăng, dẫn tá»›i nó mất khối lượng còn nhanh hÆ¡n nữa. Äiá»u gì sẽ xảy ra khi khối lượng của lá»— Ä‘en cuối cùng cÅ©ng trở nên cá»±c kỳ nhá» hiện vẫn còn chÆ°a rõ, nhÆ°ng sẽ rất có lý khi chúng ta phá»ng Ä‘oán rằng nó sẽ hoà n toà n biến mất trong sá»± bùng nổ bức xạ khổng lồ cuối cùng, tÆ°Æ¡ng Ä‘Æ°Æ¡ng vá»›i sá»± bùng nổ của hà ng triệu quả bom H.
Lá»— Ä‘en có khối lượng lá»›n hÆ¡n khối lượng của mặt trá»i má»™t Ãt lần sẽ có nhiệt Ä‘á»™ chỉ khoảng má»™t phần mÆ°á»i triệu Ä‘á»™ trên không Ä‘á»™ tuyệt đối. Nó nhá» hÆ¡n nhiá»u so vá»›i nhiệt Ä‘á»™ của các bức xạ sóng cá»±c ngắn choán đầy vÅ© trụ (khoảng 2,7 K), vì thế những lá»— Ä‘en nà y phát xạ tháºm chà còn Ãt hÆ¡n hấp thụ. Nếu vÅ© trụ được an bà i là sẽ giãn nở mãi mãi, thì nhiệt Ä‘á»™ của các bức xạ sóng cá»±c ngắn cuối cùng sẽ giảm tá»›i mức nhá» hÆ¡n nhiệt Ä‘á»™ của lá»— Ä‘en và lá»— Ä‘en khi đó sẽ bắt đầu mất khối lượng. NhÆ°ng ngay cả khi đó thì nhiệt Ä‘á»™ của nó vẫn thấp đến mức cần khoảng 1 triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu (1 vá»›i sáu mÆ°Æ¡i sáu số không đứng sau) năm để lá»— Ä‘en bay hÆ¡i hoà n toà n. Con số đó lá»›n hÆ¡n nhiá»u tuổi của vÅ© trụ bằng 1 hoặc 2 và 10 con số không đứng sau (tức khoảng 10 hoặc 20 ngà n triệu năm).
Mặt khác nhÆ° đã nói ở ChÆ°Æ¡ng 6 có thể những lá»— Ä‘en nguyên thủy được tạo thà nh bởi sá»± co lại của những bất thÆ°á»ng trong giai Ä‘oạn rất sá»›m của vÅ© trụ. Những lá»— Ä‘en nguyên thủy vá»›i khối lượng ban đầu cỡ ngà n triệu tấn sẽ có thá»i gian sống xấp xỉ tuổi của vÅ© trụ. Những lá»— Ä‘en nguyên thủy vá»›i khối lượng nhá» hÆ¡n con số đó chắc là đã bốc hÆ¡i hoà n toà n, nhÆ°ng những lá»— Ä‘en vá»›i khối lượng hÆ¡i lá»›n hÆ¡n sẽ vẫn còn Ä‘ang tiếp tục phát xạ dÆ°á»›i dạng tia X hoặc tia gamma. Các tia X và tia gamma nà y giống nhÆ° ánh sáng chỉ có Ä‘iá»u bÆ°á»›c sóng của chúng ngắn hÆ¡n nhiá»u. Những lá»— nhÆ° thế khó mà gán cho cái nhãn là đen: chúng thá»±c sá»± nóng trắng và phát năng lượng vá»›i tốc Ä‘á»™ khoảng mÆ°á»i ngà n mega oat.
Má»™t lá»— Ä‘en nhÆ° váºy có thể cung cấp đủ năng lượng cho mÆ°á»i nhà máy Ä‘iện lá»›n, nếu chúng ta biết cách khai thác nó. Tuy nhiên việc nà y chẳng phải dá»… dà ng gì: lá»— Ä‘en đó có khối lượng bằng cả má»™t quả núi bị nén lại tá»›i kÃch thÆ°á»›c nhá» hÆ¡n má»™t phần triệu triệu của inch, nghÄ©a là cỡ kÃch thÆ°á»›c của hạt nhân nguyên tá»! Nếu bạn có má»™t lá»— Ä‘en nhÆ° thế trên mặt đất, bạn sẽ không có cách nà o giữ cho nó khá»i rÆ¡i xuyên qua sà n nhà xuống tá»›i tâm trái đất. Nó sẽ dao Ä‘á»™ng xuyên qua trái đất cho tá»›i khi cuối cùng Ä‘áºu lại ở tâm. NhÆ° váºy chá»— duy nhất đặt được má»™t lá»— Ä‘en nhÆ° váºy để có thể khai thác năng lượng do nó bức xạ ra là ở trên má»™t quỹ đạo quay xung quanh trái đất và cách duy nhất có thể Ä‘Æ°a nó lên quỹ đạo ấy là hút nó tá»›i đó bằng cách kéo má»™t khối lượng lá»›n phÃa trÆ°á»›c nó hệt nhÆ° dùng củ cà rốt nhá» con lừa. Äiá»u nà y xem ra không phải là má»™t Ä‘á» nghị thá»±c tế lắm, Ãt nhất cÅ©ng là trong tÆ°Æ¡ng lai gần.
NhÆ°ng tháºm chà nếu chúng ta không thể khai thác được sá»± phát xạ từ các lá»— Ä‘en nguyên thủy thì liệu chúng ta có cÆ¡ may quan sát được chúng không? Chúng ta có thể tìm kiếm các tia gamma mà các lá»— Ä‘en nguyên thủy phát ra trong hầu hết thá»i gian sống của chúng. Mặc dù phát xạ từ phần lá»›n các lá»— Ä‘en Ä‘á»u má» nhạt vì chúng ở quá xa, nhÆ°ng tổng số của chúng thì có thể phát hiện được. Chúng ta hãy quan sát kỹ má»™t ná»n tia gamma nhÆ° váºy:
Hình 7.5 cho thấy cÆ°á»ng Ä‘á»™ quan sát được khác nhau ở những tần số khác nhau. Tuy nhiên, ná»n tia gamma nà y có thể và chắc là được sinh ra bởi những quá trình khác hÆ¡n là bởi các lá»— Ä‘en nguyên thủy. ÄÆ°á»ng chấm chấm trên Hình 7.5 cho thấy cÆ°á»ng Ä‘á»™ phải biến thiên thế nà o theo tần số đối vá»›i các tia gamma do lá»— Ä‘en nguyên thủy gây ra nếu trung bình có 300 lá»— Ä‘en nhÆ° thế trong má»™t năm - ánh sáng khối. Do đó ngÆ°á»i ta có thể nói rằng những quan sát ná»n tia gamma không cho má»™t bằng chứng khẳng định nà o vá» các lá»— Ä‘en nguyên thủy, nhÆ°ng chúng cho chúng ta biết trong vÅ© trụ vá» trung bình không thể có hÆ¡n 300 lá»— Ä‘en nhÆ° thế trong má»™t năm - ánh sáng khối. Giá»›i hạn đó có nghÄ©a là các lá»— Ä‘en nguyên thủy có thể tạo nên nhiá»u nhất là má»™t phần triệu số váºt chất của vÅ© trụ.
Vá»›i các lá»— Ä‘en nguyên thủy phân bố thÆ°a thá»›t nhÆ° váºy khó mà có khả năng má»™t lá»— Ä‘en nhÆ° thế ở đủ gần chúng ta để có thể quan sát nó nhÆ° má»™t nguồn tia gamma riêng rẽ. NhÆ°ng vì lá»±c hấp dẫn sẽ kéo lá»— Ä‘en nguyên thủy tá»›i gần váºt chất nên chúng sẽ thÆ°á»ng gặp nhiá»u hÆ¡n ở trong hay gần các thiên hà . NhÆ° váºy, mặc dù ná»n tia gamma cho chúng ta biết rằng trung bình không thể có hÆ¡n 300 lá»— Ä‘en nhÆ° thế trong má»™t năm - ánh sáng khối nhÆ°ng nó lại chẳng cho chúng ta biết gì vá» tần suất gặp chúng trong thiên hà của chúng ta. Chẳng hạn nếu nhÆ° chúng má»™t triệu lần thÆ°á»ng gặp hÆ¡n con số trung bình thì lá»— Ä‘en gần chúng ta nhất chắc cÅ©ng phải cách chúng ta chừng má»™t ngà n triệu km, tức là xa nhÆ° sao Diêm vÆ°Æ¡ng, hà nh tinh xa nhất mà chúng ta biết. Ở khoảng cách đó vẫn còn rất khó phát hiện bức xạ Ä‘á»u của má»™t lá»— Ä‘en ngay cả khi nó là mÆ°á»i ngà n mega oát. Äể quan sát được má»™t lá»— Ä‘en nguyên thủy ngÆ°á»i ta phải phát hiện được má»™t và i lượng tá» gamma tá»›i từ chÃnh hÆ°á»›ng đó trong má»™t khoảng thá»i gian hợp lý, chẳng hạn nhÆ° má»™t tuần lá»…. Nếu không, chúng chỉ là má»™t phần của phông. NhÆ°ng nguyên lý lượng tá» của Planck cho chúng ta biết rằng má»—i má»™t lượng tá» gamma có năng lượng rất cao, vì tia gamma có tần số rất cao, nếu tháºm chà nó có phát xạ vá»›i công suất 10 ngà n mega oát thì cÅ©ng không phải có nhiá»u lượng tá». Và để quan sát được má»™t số lượng tá», lại tá»›i từ khoảng cách rất xa nhÆ° sao Diêm vÆ°Æ¡ng, đòi há»i phải có má»™t máy dò lá»›n hÆ¡n bất cứ máy dò nà o đã được chế tạo cho tá»›i nay. HÆ¡n nữa máy dò nà y lại phải đặt trong không gian vÅ© trụ vì các tia gamma không thể thâm nháºp qua bầu khà quyển.
Tất nhiên nếu má»™t lá»— Ä‘en ở cách xa nhÆ° sao Diêm vÆ°Æ¡ng đã đến ngà y táºn số và bùng nổ thì sẽ dá»… dà ng phát hiện được sá»± bùng nổ bức xạ của nó. NhÆ°ng nếu lá»— Ä‘en đó liên tục bức xạ trong khoảng 10 hoặc 20 ngà n triệu năm trở lại đây thì xác suất để nó táºn số trong vòng Ãt năm tá»›i thá»±c sá»± là rất nhá»! Vì váºy, để có má»™t cÆ¡ may hợp lý nhìn thấy vụ nổ của lá»— Ä‘en trÆ°á»›c khi tiá»n trợ cấp nghiên cứu của bạn tiêu hết thì bạn phải tìm cách phát hiện những vụ nổ ở trong khoảng cách má»™t năm ánh sáng. Bạn vẫn phải giải quyết vấn Ä‘á» có má»™t máy dò tia gamma lá»›n có thể phát hiện được má»™t và i lượng tá» gamma tá»›i từ vụ nổ đó. Tuy nhiên, trong trÆ°á»ng hợp nà y sẽ không cần phải xác định rằng tất cả các lượng tá» tá»›i cùng má»™t hÆ°á»›ng: chỉ cần quan sát thấy tất cả chúng Ä‘á»u tá»›i trong má»™t khoảng thá»i gian ngắn là có thể tin được rằng chúng tá»›i từ cùng má»™t vụ bùng nổ.
Má»™t máy dò tia gamma có khả năng phát hiện ra các lá»— Ä‘en nguyên thủy chÃnh là toà n bá»™ bầu khà quyển của trái đất. (Trong má»i trÆ°á»ng hợp chúng ta không thể chế tạo được má»™t máy dò lá»›n hÆ¡n). Khi má»™t lượng tá» gamma năng lượng cao Ä‘áºp và o các nguyên tá» trong khà quyển, nó sẽ tạo ra cặp electron và positron (tức là phản - electron). Khi các hạt nà y Ä‘áºp và o các nguyên tá» khác, đến lượt mình, chúng sẽ tạo ra các cặp electron và positron nữa, và nhÆ° váºy ngÆ°á»i ta sẽ thu được cái gá»i là mÆ°a electron. Kết quả là má»™t dạng ánh sáng có tên là bức xạ Cherenkov. Do đó, ngÆ°á»i ta có thể phát hiện ra sá»± bùng nổ tia gamma bằng cách tìm các chá»›p sáng trong bầu trá»i đêm. Tất nhiên có nhiá»u hiện tÆ°Æ¡ng khác nhÆ° chá»›p hoặc sá»± phản xạ ánh sáng từ các vệ tinh rÆ¡i xuống hoặc các mảnh vỡ trên quỹ đạo cÅ©ng có thể tạo ra các chá»›p sáng trên bầu trá»i. NgÆ°á»i ta có thể phân biệt sá»± bùng nổ tia gamma vá»›i các hiện tượng đó bằng cách quan sát các chá»›p sáng đồng thá»i ở hai hoặc nhiá»u vị trà ở cách rất xa nhau. Má»™t thà nghiệm nhÆ° thế đã được hai nhà khoa há»c ở Dublin là Neil Porter và Trevor Wecks thá»±c hiện khi dùng các kÃnh thiên văn ở Arizona. HỠđã tìm thấy nhiá»u chá»›p sáng nhÆ°ng không có cái nà o có thể gán má»™t cách chắc chắn cho sá»± bùng nổ tia gamma từ các lá»— Ä‘en nguyên thủy.
Ngay cả khi nếu việc tìm kiếm các lá»— Ä‘en nguyên thủy không có kết quả, vì Ä‘iá»u nà y vẫn có thể xảy ra, thì nó vẫn cho chúng ta những thông tin quan trá»ng vá» những giai Ä‘oạn rất sá»›m của vÅ© trụ. Nếu vÅ© trụ ở giai Ä‘oạn rất sá»›m là há»—n loạn và bất thÆ°á»ng hoặc nếu áp suất váºt chất là thấp thì ngÆ°á»i ta có thể nghÄ© rằng nó đã tạo ra nhiá»u lá»— Ä‘en nguyên thủy hÆ¡n là giá»›i hạn đã được xác láºp dá»±a trên những quan sát vá» phông tia gamma. Chỉ nếu ở giai Ä‘oạn rất sá»›m, vÅ© trụ là rất trÆ¡n tru và đá»u đặn vá»›i áp suất cao thì ngÆ°á»i ta má»›i có thể giải thÃch được tại sao lại không có nhiá»u lá»— Ä‘en nguyên thủy.
à tưởng vá» bức xạ phát từ các lá»— Ä‘en là má»™t và dụ đầu tiên vá» sá»± tiên Ä‘oán phụ thuá»™c má»™t cách căn bản và o cả hai lý thuyết lá»›n của thế ká»· chúng ta: thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng và cÆ¡ há»c lượng tá». Nó đã gặp nhiá»u ý kiến phản đối lúc đầu vì nó đảo lá»™n quan Ä‘iểm hiện thá»i “là m sao lá»— Ä‘en lại phát ra cái gì đó?â€. Khi lần đầu tiên tôi công bố các kết quả tÃnh toán của tôi tại má»™t há»™i nghị ở Phòng thì nghiệm Rurtherford - Appleton gần Oxford, tôi đã được chà o đón bằng sá»± hoà i nghi của hầu hết má»i ngÆ°á»i. Và o lúc kết thúc bản báo cáo của tôi, vị chủ tá»a phiên há»p, ông John Taylor của trÆ°á»ng Kings College, London đã đứng dáºy tuyên bố rằng tất cả những thứ đó là vô nghÄ©a. Tháºm chà ông còn viết má»™t bà i báo vá» vấn Ä‘á» nà y. Tuy nhiên, rồi cuối cùng, hầu hết má»i ngÆ°á»i, kể cả ông John Taylo cÅ©ng đã Ä‘i đến kết luáºn rằng các lá»— Ä‘en cần phải phát bức xạ nhÆ° các váºt nóng, nếu những quan niệm khác của chúng ta vá» thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng và cÆ¡ há»c lượng tá» là đúng đắn. NhÆ° váºy, mặc dù ngay cả khi chúng ta còn chÆ°a tìm thấy má»™t lá»— Ä‘en nguyên thủy nà o vẫn có má»™t sá»± khá nhất trà cho rằng nếu chúng ta phát hiện ra lá»— Ä‘en đó thì nó sẽ phải phát ra má»™t lượng lá»›n tia X và tia gamma.
Sá»± tồn tại của bức xạ phát ra từ lá»— Ä‘en cÅ©ng còn ngụ ý rằng sá»± co lại do hấp dẫn không phải là chấm hết và không thể đảo ngược được nhÆ° má»™t thá»i chúng ta đã nghÄ©. Nếu má»™t nhà du hà nh rÆ¡i và o má»™t lá»— Ä‘en thì khối lượng của nó sẽ tăng, nhÆ°ng cuối cùng năng lượng tÆ°Æ¡ng Ä‘Æ°Æ¡ng vá»›i khối lượng gia tăng đó sẽ được trả lại cho vÅ© trụ dÆ°á»›i dạng bức xạ. NhÆ° váºy theo má»™t ý nghÄ©a nà o đó nhà du hà nh vÅ© trụ của chúng ta đã được luân hồi. Tuy nhiên, đó là má»™t số pháºn bất tỠđáng thÆ°Æ¡ng, và quan niệm cá nhân vá» thá»i gian của nhà du hà nh chắc cÅ©ng sẽ chấm hết khi anh ta bị xé ra từng mảnh trong lá»— Ä‘en! Ngay cả các loại hạt cuối cùng được phát ra từ lá»— Ä‘en nói chung cÅ©ng sẽ khác vá»›i những hạt đã tạo nên nhà du hà nh: đặc Ä‘iểm duy nhất còn lại của anh ta chỉ là khối lượng và năng lượng.
Những phép gần đúng mà tôi sá» dụng để tÃnh ra sá»± phát xạ từ lá»— Ä‘en vẫn còn hiệu lá»±c tốt khi lá»— Ä‘en có khối lượng chỉ lá»›n hÆ¡n má»™t phần của gam. Tuy nhiên chúng sẽ không còn dùng được nữa ở Ä‘iểm cuối Ä‘á»i của lá»— Ä‘en, khi mà khối lượng của nó trở nên cá»±c nhá». Kết cục có nhiá»u khả năng nhất là lá»— Ä‘en sẽ biến mất, Ãt nhất là khá»i vùng vÅ© trụ của chúng ta mang theo cả nhà du hà nh và kỳ dị có thể có ở bên trong nó. Äây là chỉ dẫn đầu tiên cho thấy cÆ¡ há»c lượng tá» có thể khá» các kỳ dị đã được tiên Ä‘oán bởi thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng. Tuy nhiên các phÆ°Æ¡ng pháp mà tôi và những ngÆ°á»i khác sá» dụng và o năm 1974 chÆ°a thể trả lá»i được cho những câu há»i, và dụ nhÆ° liệu những kỳ dị đó có xuất hiện trong lý thuyết lượng tá» hấp dẫn hay không? Do đó từ năm 1975 trở Ä‘i tôi đã bắt đầu phát triển má»™t cách tiếp cáºn mạnh hÆ¡n đối vá»›i hấp dẫn lượng tá» dá»±a trên ý tưởng của Richard Feynman vá» phép lấy tổng theo những lịch sá». Câu trả lá»i mà cách tiếp cáºn nà y Ä‘Æ°a ra cho nguồn gốc và số pháºn của vÅ© trụ và những thứ chứa bên trong nó, chẳng hạn nhÆ° nhà du hà nh, sẽ được mô tả ở hai chÆ°Æ¡ng sau. Chúng ta sẽ thấy rằng mặc dù nguyên lý bất định đặt những hạn chế vá» Ä‘á»™ chÃnh xác cho tất cả các tiên Ä‘oán của chúng ta, nhÆ°ng đồng thá»i nó lại loại bỠđược tÃnh không thể tiên Ä‘oán - má»™t tÃnh chất rất cÆ¡ bản xảy ra ở Ä‘iểm kỳ dị của không - thá»i gian.
|
24-08-2008, 09:19 AM
|
|
Cái Thế Ma Nhân
|
|
Tham gia: May 2008
Äến từ: SG
Bà i gởi: 37
Thá»i gian online: 7 giá» 22 phút 5 giây
Thanks: 1
Thanked 0 Times in 0 Posts
|
|
ChÆ°Æ¡ng 8: Nguồn gốc và số pháºn của vÅ© trụ
Lý thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng của Einstein, tiên Ä‘oán rằng không gian, thá»i gian bắt đầu từ kỳ dị của vụ nổ lá»›n, sẽ kết thúc hoặc tại má»™t kỳ dị cuối cùng (trÆ°á»ng hợp toà n vÅ© trụ co lại) hoặc tại má»™t kỳ dị nằm bên trong má»™t lá»— Ä‘en (trÆ°á»ng hợp má»™t vùng định xứ, và dụ má»™t sao co lại). Má»i váºt chất rÆ¡i và o lá»— Ä‘en, sẽ bị phá hủy tại Ä‘iểm kỳ dị, chỉ còn lại hiệu ứng hấp dẫn của khối lượng là còn được cảm nháºn từ phÃa bên ngoà i. Mặt khác, khi các hiệu ứng lượng tỠđược tÃnh đến thì dÆ°á»ng nhÆ° khối lượng và năng lượng của váºt chất cuối cùng sẽ trở vá» vá»›i phần còn lại của vÅ© trụ, và lá»— Ä‘en cùng vá»›i má»i kỳ dị bên trong sẽ bay hÆ¡i và biến mất. Liệu cÆ¡ há»c lượng tá» có gây má»™t hiệu ứng bi kịch nhÆ° thế đối vá»›i vụ nổ lá»›n và kỳ dị chung cuá»™c hay không? Äiá»u gì thá»±c tế đã và sẽ xảy ra và o các giai Ä‘oạn rất sá»›m và muá»™n hÆ¡n của vÅ© trụ, khi các trÆ°á»ng hợp hấp dẫn mạnh đến mức mà các hiệu ứng lượng tá» không thể nà o bá» qua được? Thá»±c tế vÅ© trụ có má»™t Ä‘iểm bắt đầu và má»™t Ä‘iểm kết thúc hay không? Và nếu có, thì phải hình dung chúng ra sao?
Trong suốt những năm 70 tôi đã táºp trung nghiên cứu các lá»— Ä‘en, nhÆ°ng và o năm 1981, tôi lại lÆ°u tâm đến các vấn Ä‘á» xung quanh nguồn gốc và số pháºn của vÅ© trụ khi tôi tham gia má»™t há»™i thảo vá» vÅ© trụ há»c tổ chức bởi các tu sÄ© dòng Jesuit tại Vatican. Nhà thá» Thiên chúa giáo đã phạm má»™t sai lầm đối vá»›i Galileo khi há» phủ định má»™t định luáºt khoa há»c vì tuyên bố rằng mặt trá»i phải quay quanh quả đất. Bây giá» sau nhiá»u thế ká»·, hỠđã quyết định má»i nhiá»u nhà khoa há»c là m cố vấn vá» vÅ© trụ há»c. Cuối há»™i nghị các nhà khoa há»c đã được tiếp kiến Giáo hoà ng. Ông nói rằng nghiên cứu sá»± tiến triển của vÅ© trụ sau vụ nổ lá»›n là đúng song Nhà thá» không tìm hiểu vá» bản thân vụ nổ lá»›n vì đó là thá»i Ä‘iểm của Sáng tạo, nên thuá»™c công việc của Chúa. Tôi rất vui mừng vì đức Giáo hoà ng không biết đến bà i phát biểu của tôi tại há»™i thảo: khả năng không - thá»i gian là hữu hạn song không có biên, Ä‘iá»u đó có nghÄ©a là không có cái ban đầu, không có thá»i Ä‘iểm của Sáng tạo. Tôi không có ý muốn chịu cùng số pháºn của Galileo, ngÆ°á»i mà tôi có má»™t cảm giác mạnh mẽ vá» sá»± đồng nhất vá»›i tôi, má»™t phần vì sá»± trùng hợp giữa ngà y sinh của tôi đúng tròn 300 năm sau ngà y chết của ông.
Äể giải thÃch các ý tưởng của tôi và những ngÆ°á»i khác vá» Ä‘iá»u cÆ¡ há»c lượng tá» có thể tác Ä‘á»™ng lên nguồn gốc và số pháºn của vÅ© trụ, trÆ°á»›c hết cần phải hiểu vá» lịch sá» của vÅ© trụ theo quan Ä‘iểm được nhiá»u ngÆ°á»i chấp nháºn, dá»±a trên mô hình được biết dÆ°á»›i “mô hình nóng của vụ nổ lá»›nâ€. Mô hình nà y giả định rằng vÅ© trụ được miêu tả bởi má»™t mô hình Friedmann, ngược theo thá»i gian mãi táºn lúc có vụ nổ lá»›n. Trong những mô hình nhÆ° váºy ngÆ°á»i ta thấy rằng lúc vÅ© trụ nở, má»i váºt chất và bức xạ sẽ lạnh dần. (Khi vÅ© trụ đạt kÃch thÆ°á»›c gấp đôi thì nhiệt Ä‘á»™ của vÅ© trụ giảm xuống má»™t ná»a). Vì nhiệt Ä‘á»™ là số Ä‘o năng lượng trung bình - hay váºn tốc - của các hạt, quá trình lạnh dần nà y sẽ gây má»™t hiệu ứng lá»›n đối vá»›i váºt chất trong vÅ© trụ. Ở nhiệt Ä‘á»™ rất cao, các hạt chuyển Ä‘á»™ng nhanh đến mức có thể thoát ra khá»i má»i trÆ°á»ng hút giữa chúng vá»›i nhau do lá»±c hạt nhân, hoặc Ä‘iện tá» tạo nên, song khi chúng trở nên lạnh thì chúng hút nhau và kết dÃnh vá»›i nhau.
Ngoà i ra, các loại hạt tồn tại trong vÅ© trụ cÅ©ng phụ thuá»™c và o nhiệt Ä‘á»™. Ở nhiệt Ä‘á»™ đủ cao, các hạt có năng lượng lá»›n và khi chạm nhau, nhiá»u cặp hạt/phản hạt có thể sinh ra và mặc dù nhiá»u hạt sau khi sinh ra có thể bị hủy lúc chạm các phản hạt, chúng vẫn được sinh ra nhanh hÆ¡n bị hủy Ä‘i. Ở nhiệt Ä‘á»™ thấp hÆ¡n, khi các hạt va chạm nhau có năng lượng nhá» hÆ¡n, các cặp hạt/phản hạt sinh ra vá»›i tốc Ä‘á»™ cháºm hÆ¡n và nhÆ° váºy quá trình hủy của chúng nhanh hÆ¡n quá trình sinh.
Tại vụ nổ lá»›n, kÃch thÆ°á»›c của vÅ© trụ được xem nhÆ° là bằng không, vì váºy nhiệt Ä‘á»™ là vô cùng lá»›n. Song trong quá trình giãn nở, nhiệt Ä‘á»™ của bức xạ sẽ giảm xuống. Má»™t giây sau vụ nổ lá»›n, nhiệt Ä‘á»™ đã giảm xuống còn khoảng 10 ngà n triệu Ä‘á»™. Nhiệt Ä‘á»™ nà y cỡ ngà n lần nhiệt Ä‘á»™ ở tâm mặt trá»i và cỡ nhiệt Ä‘á»™ đạt được lúc bom H (tức bom khinh khÃ) nổ. Và o thá»i Ä‘iểm đó vÅ© trụ chứa phần lá»›n là các photon, electron và neutron (là những hạt nhẹ chỉ tham gia tÆ°Æ¡ng tác yếu và hấp dẫn) và các phản hạt của chúng, cùng vá»›i má»™t số proton và neutron.
Lúc vÅ© trụ tiếp tục giãn nở và nhiệt Ä‘á»™ hạ xuống thì các cặp electron/phản - electron sinh ra cháºm hÆ¡n là bị hủy. Vì thế phần lá»›n các electron và phản - electron hủy vá»›i nhau để tạo thà nh nhiá»u photon và để sót lại má»™t số electron. Song các hạt neutrino và phản - neutrino Ãt hủy nhau vì các hạt nà y tÆ°Æ¡ng tác vá»›i nhau và vá»›i các hạt khác rất yếu. Cho nên hiện nay chúng còn tồn tại trong vÅ© trụ. Nếu ta có thể quan sát được chúng thì ta có má»™t bằng chứng chắc chắn vá» bức tranh của giai Ä‘oạn nóng đầu tiên của vÅ© trụ. Tiếc thay, năng lượng của chúng ngà y nay quá nhỠđể ta có thể quan sát được chúng má»™t cách trá»±c tiếp. NhÆ°ng nếu neutrino có má»™t khối lượng nhá», theo kết quả má»™t thà nghiệm chÆ°a được kiểm nghiệm lại do những ngÆ°á»i Nga thá»±c hiện năm 1981, thì ta có thể ghi Ä‘o được chúng má»™t cách gián tiếp: chúng phải tạo thà nh má»™t “váºt chất tốiâ€, nhÆ° đã nói trÆ°á»›c đây, váºt chất sẽ sinh ra má»™t lá»±c hấp dẫn đủ để hãm đứng sá»± giãn nở của vÅ© trụ và buá»™c vÅ© trụ co trở lại.
Khoảng má»™t trăm giây sau vụ nổ lá»›n, nhiệt Ä‘á»™ xuống còn má»™t ngà n triệu Ä‘á»™, bằng nhiệt Ä‘á»™ trong các sao nóng nhất. Ở nhiệt Ä‘á»™ đó proton và neutron không còn đủ năng lượng để thoát khá»i sức hút của lá»±c hạt nhân và kết hợp vá»›i nhau để tạo thà nh hạt nhân của nguyên tá» Ä‘Æ¡teri (hydro nặng), gồm má»™t proton và má»™t neutron. Các hạt nhân của Ä‘Æ¡teri lại kết hợp thêm vá»›i các proton và neutron để tạo thà nh hạt nhân heli, gồm hai proton và hai neutron và má»™t số hạt nhân nặng hÆ¡n là liti và berili. NgÆ°á»i ta có thể tÃnh ra rằng trong mô hình nóng của vụ nổ lá»›n, khoảng má»™t phần tÆ° các proton và neutron biến thà nh hạt nhân heli, cùng má»™t số nhá» hydro nặng và các hạt nhân khác. Số neutron còn lại phân hủy thà nh proton vốn là hạt nhân của nguyên tá» hydro.
Bức tranh vá» giai Ä‘oạn nóng trÆ°á»›c đây của vÅ© trụ lần đầu tiên được phác há»a bởi George Gamow trong công trình nổi tiếng năm 1948, thá»±c hiện chung vá»›i má»™t sinh viên của ông là Ralph Alpher. Gamow là má»™t ngÆ°á»i già u tÃnh hóm hỉnh, ông thuyết phục nhà váºt lý hạt nhân Hans Bethe Ä‘iá»n thêm tên và o công trình vá»›i ý muốn là m cho danh sách tác giả Alpher, Bethe, Gamow Ä‘á»c lên nghe gần nhÆ° âm của ba chữ cái đầu tiên của bảng vần Hy Lạp là alpha, beta, gamma: tháºt là thÃch hợp cho má»™t công trình nói vá» giai Ä‘oạn đầu của vÅ© trụ! Trong công trình nà y, các tác giả tiên Ä‘oán má»™t cách đặc sắc rằng bức xạ (dÆ°á»›i dạng các photon) từ những giai Ä‘oạn nóng tiá»n sá» của vÅ© trụ sẽ tà n dÆ° lại trong giai Ä‘oạn hiện nay, song vá»›i nhiệt Ä‘á»™ hạ xuống chỉ còn và i Ä‘á»™ trên không Ä‘á»™ tuyệt đối (- 273 Ä‘á»™ C). Bức xạ nà y đã được Penzias và Wilson phát hiện năm 1965.
Và o thá»i gian khi Alpher, Bethe, Gamow viết công trình trên, ngÆ°á»i ta chÆ°a biết nhiá»u vá» các phản ứng hạt nhân giữa proton và neutron. Các tÃnh toán dá»± báo vá» tỉ số các nguyên tố trong tiá»n sá» của vÅ© trụ vì lẽ trên không được chÃnh xác lắm, song những tÃnh toán đó đã được thá»±c hiện lại trên cÆ¡ sở những kiến thức hiện đại và cho những kết quả trùng hợp tốt vá»›i các quan trắc thá»±c nghiệm. Khó mà cắt nghÄ©a theo má»™t cách nà o khác vì sao trong vÅ© trụ nhiá»u heli nhÆ° váºy. Do đó chúng ta có thể tin tưởng rằng chúng ta có má»™t bức tranh đúng đắn, Ãt nhất ngược lại theo thá»i gian đến thá»i Ä‘iểm khoảng 1 giây sau vụ nổ lá»›n.
Trong vòng má»™t và i giá» sau vụ nổ lá»›n, sá»± sinh ra heli và các nguyên tố khác dừng lại. Sau đó trong vòng triệu năm tiếp theo, vÅ© trụ tiếp tục giãn nở và không có Ä‘iá»u gì đặc biệt xảy ra. Cuối cùng lúc nhiệt Ä‘á»™ hạ xuống còn khoảng và i ngà n Ä‘á»™, và electron cùng các hạt nhân không còn đủ năng lượng thoát khá»i lá»±c hút Ä‘iện từ giữa chúng, thì chúng kết hợp vá»›i nhau tạo thà nh các nguyên tá». VÅ© trụ trong Hoà n cục tiếp tục giãn nở và lạnh dần, song trong các vùng mà máºt Ä‘á»™ cao hÆ¡n trung bình, quá trình giãn nở có cháºm hÆ¡n do lá»±c hấp dẫn ở đấy lá»›n hÆ¡n. Äiá»u nà y có thể dẫn đến sá»± dừng hẳn quá trình giãn nở của má»™t số vùng nà o đó và bắt đầu quá trình co lại. Khi các vùng nà y co lại, lá»±c hút hấp dẫn của váºt chất chung quanh bên ngoà i sẽ là m cho các vùng đó bắt đầu quay. Vì các vùng nà y tiếp tục co nhá» lại nên chúng quay nhanh hÆ¡n, hoà n toà n tÆ°Æ¡ng tá»± nhÆ° váºn Ä‘á»™ng viên trượt băng Ä‘ang quay trên băng sẽ quay nhanh hÆ¡n khi há» co tay sát sÆ¡ thể. Cuối cùng khi vùng Ä‘ang xét trở nên đủ nhá», thì nó quay nhanh hÆ¡n đủ cân bằng vá»›i lá»±c hấp dẫn và những thiên hà quay dạng hình Ä‘Ä©a được hình thà nh theo cách đó. Các vùng khác, nếu không thu được má»™t chuyển Ä‘á»™ng quay thì sẽ có dạng hình bầu dục và sẽ được gá»i là những thiên hà elliptic. Các thiên hà nà y sẽ dừng co lại vì nhiá»u bá»™ pháºn riêng lẻ của chúng sẽ chuyển Ä‘á»™ng trên những quỹ đạo ổn định quanh tâm thiên hà , song vá» toà n cục thì thiên hà không có chuyển Ä‘á»™ng quay.
Cùng vá»›i thá»i gian, các khối khà hydro và heli trong các thiên hà sẽ phân rã thà nh các đám khà nhá» hÆ¡n và những đám khà nà y sẽ co lại dÆ°á»›i sức hấp dẫn của chúng. Khi chúng co lại thì các nguyên tỠở trong sẽ va chạm nhau và nhiệt Ä‘á»™ của khà sẽ tăng lên, có thể đến mức đủ cao để xảy ra phản ứng nhiệt hạch. Lúc nà y hydro kết thà nh heli, nhiệt lượng thoát ra là m tăng áp suất và các đám mây không co lại thêm nữa. Chúng ổn định trong trạng thái đó rất lâu nhÆ° các sao giống mặt trá»i, đốt cháy hydro thà nh heli và bức xạ phát sinh dÆ°á»›i dạng nhiệt và ánh sáng. Những sao có khối lượng lá»›n hÆ¡n cần có nhiệt Ä‘á»™ cao hÆ¡n để cân bằng lá»±c hút hấp dẫn lá»›n hÆ¡n của chúng, và các phản ứng nhiệt hạch xảy ra nhanh hÆ¡n, cho nên chúng sẽ tiêu hủy hydro trong vòng chừng má»™t trăm triệu năm. Chúng sẽ co lại, nóng lên và bắt đầu biến heli thà nh những nguyên tố nặng hÆ¡n nhÆ° cacbon hoặc oxy. Song chúng không để thoát nhiá»u năng lượng hÆ¡n, vì váºy má»™t trạng thái tá»›i hạn sẽ xảy ra nhÆ° đã miêu tả ở chÆ°Æ¡ng nói vá» các lá»— Ä‘en.
Äiá»u gì sẽ xảy ra sau đó không hoà n toà n rõ lắm song hình nhÆ° các vùng ở tâm sao sẽ co lại đến má»™t trạng thái máºt Ä‘á»™ cao nhÆ° má»™t sao neutron hoặc lá»— Ä‘en. Các vùng bên ngoà i đôi khi có thể bị bắn ra trong má»™t vụ nổ gá»i là vụ nổ siêu sao, phát ra ánh sáng mạnh hÆ¡n má»i sao khác trong thiên hà . Má»™t số nguyên tố nặng hình thà nh ở cuối Ä‘á»i má»™t sao sẽ bị bắn trở lại và o đám khà của thiên hà và sẽ là nguyên liệu cho thế hệ tiếp theo của các sao. Mặt trá»i của chúng ta chứa khoảng 2% các nguyên tố nặng đó vì thuá»™c thế hệ sao thứ hai hoặc thứ ba, hình thà nh chừng năm ngà n triệu năm vá» trÆ°á»›c từ má»™t đám mây quay chứa các mảnh vụn của các siêu sao thế hệ trÆ°á»›c. Phần lá»›n khà trong các đám mây đó sẽ cấu thà nh mặt trá»i hoặc bị bắn xa, còn má»™t khối lượng nhá» các nguyên tố nặng sẽ kết vá»›i nhau thà nh các thiên thể hiện Ä‘ang chuyển Ä‘á»™ng trên các quỹ đạo quanh mặt trá»i nhÆ° trái đất.
Lúc ban đầu quả đất rất nóng và không có khà quyển. Theo thá»i gian quả đất lạnh dần và có được bầu khà quyển hình thà nh nhá» sá»± khuếch tán các chất khà từ khoáng chất. Bầu khà quyển trong quá khứ không phải là bầu khà quyển thÃch hợp vá»›i cuá»™c sống. Bầu khà quyển nà y không chứa ôxy mà chỉ chứa má»™t số chất khà khác là độc tố cho cuá»™c sống nhÆ° sunfua hydro (là các chất khà gây ra mùi trứng thối). Song có những dạng sống sÆ¡ khai có thể phát triển trong những Ä‘iá»u kiện nhÆ° váºy. NgÆ°á»i ta cho rằng sá»± sống đó bắt đầu trong những đại dÆ°Æ¡ng, rất có thể là kết quả ngẫu nhiên của sá»± phức hợp các nguyên tá» thà nh những cấu trúc lá»›n, gá»i là đại phân tá», những đại phân tá» nà y có khả năng táºp hợp nhiá»u nguyên tá» khác trong đại dÆ°Æ¡ng thà nh những cấu trúc tÆ°Æ¡ng tá»±. NhÆ° thế chúng có thể tá»± tạo và sinh sản.
Trong má»™t số trÆ°á»ng hợp có thể xảy ra các sai lầm trong quá trình sinh sản. Phần lá»›n các sai lầm đó dẫn đến những đại phân tá» má»›i không có khả năng tá»± tạo và do đó tà n lụi dần. Song cÅ©ng có những sai lầm dẫn đến những đại phân tá» lại có khả năng tá»± tạo. Các đại phân tá» nà y hoà n hảo hÆ¡n và sẽ thay thế dần các đại phân tá» trÆ°á»›c. Bằng cách đó hình thà nh má»™t quá trình tiến hóa dẫn đến sá»± phát triển những cÆ¡ thể phức tạp hÆ¡n, có khả năng tá»± tạo. Những dạng sống sÆ¡ đẳng lúc đầu tiêu thụ nhiá»u nguyên liệu khác nhau nhÆ° sunfua hydro và ôxy thoát sinh. Quá trình nà y dần dần biến đổi thà nh phần của khà quyển đến hiện trạng và do đó tạo Ä‘iá»u kiện thuáºn lợi cho các dạng sống cao cấp hÆ¡n nhÆ° cá, bò sát, loà i có vú, và cuối cùng là con ngÆ°á»i.
Bức tranh phác há»a trên đây của vÅ© trụ từ trạng thái rất nóng và lạnh dần trong quá trình giãn nở của vÅ© trụ phù hợp vá»›i những quan trắc có được. Tuy nhiên, bức tranh đó cÅ©ng đặt ra nhiá»u câu há»i quan trá»ng chÆ°a có câu trả lá»i:
(1) Tại vì sao vÅ© trụ nóng đến nhÆ° váºy ở các giai Ä‘oạn đầu tiên?
(2) Vì sao vÅ© trụ đồng nhất nhÆ° váºy ở kÃch thÆ°á»›c lá»›n? Tại sao vÅ© trụ giống nhau ở má»i Ä‘iểm và theo má»i hÆ°á»›ng? Nói riêng vì sao nhiệt Ä‘á»™ của bức xạ phông có trị số bằng nhau theo má»i hÆ°á»›ng? Tình huống tÆ°Æ¡ng tá»± nhÆ° khi ta há»i nhiá»u sinh viên má»™t câu há»i thi, nếu chúng trả lá»i giống nhau thì ta có thể tin rằng chúng đã trao đổi vá»›i nhau. Còn trong mô hình mô tả trên đây, từ vụ nổ lá»›n ánh sáng không đủ thá»i gian để Ä‘i từ má»™t vùng quá xa xôi đến má»™t vùng khác, mặc dù các vùng nà y vốn đã ká» nhau trong giai Ä‘oạn sá»›m của vÅ© trụ. Theo thuyết tÆ°Æ¡ng đối, nếu ánh sáng không thể Ä‘i từ má»™t vùng nà y đến má»™t vùng khác, thì không có thông tin nà o đã được trao đổi. NhÆ° váºy các vùng khác nhau không thể có cùng má»™t nhiệt Ä‘á»™, trừ khi chúng có cùng má»™t nhiệt Ä‘á»™ lúc ban đầu vì má»™t lý do nà o đó chÆ°a giải thÃch được.
(3) Vì sao vÅ© trụ bắt đầu giãn nở vá»›i váºn tốc tá»›i hạn là váºn tốc ranh giá»›i giữa mô hình co lại và mô hình giãn nở, và ngay trong thá»i gian hiện tại, mÆ°á»i ngà n triệu năm sau vẫn còn giãn nở vá»›i váºn tốc tá»›i hạn đó? Nếu nhÆ° váºn tốc giãn nở tại thá»i Ä‘iểm má»™t giây sau vụ nổ lá»›n chỉ nhá» hÆ¡n má»™t phần trăm ngà n triệu triệu thì vÅ© trụ đã co lại trÆ°á»›c khi bắt đầu đạt kÃch thÆ°á»›c hiện nay.
(4) Mặc dầu vÅ© trụ đồng nhất xét ở kÃch thÆ°á»›c lá»›n, vÅ© trụ vẫn chứa những vùng định xứ có nồng Ä‘á»™ váºt chất cao hÆ¡n nhÆ° các sao và thiên hà . NgÆ°á»i ta cho rằng các sao và thiên hà được hình thà nh do sá»± khác nhau vá» máºt Ä‘á»™ của các vùng ngay trong các giai Ä‘oạn sá»›m của vÅ© trụ. Váºy nguồn gốc của các thăng giáng máºt Ä‘á»™ là ở đâu?
Lý thuyết tÆ°Æ¡ng đối, xét Ä‘á»™c láºp, không thể giải thÃch được các Ä‘iểm trên và đưa ra các câu trả lá»i cho những câu há»i vừa đặt ra vì lý thuyết tÆ°Æ¡ng đối Ä‘oán nháºn rằng vÅ© trụ sinh ra từ má»™t kỳ dị vá»›i máºt Ä‘á»™ vô cùng của vụ nổ lá»›n. Tại Ä‘iểm kỳ dị đó, lý thuyết tÆ°Æ¡ng đối và các định luáºt váºt lý khác không còn đúng nữa: ngÆ°á»i ta không thể biết Ä‘iá»u gì sẽ xảy ra vá»›i má»™t Ä‘iểm kỳ dị đó. NhÆ° đã giải thÃch trÆ°á»›c đây, Ä‘iá»u đó có nghÄ©a rằng ta có thể tách rá»i vụ nổ lá»›n và các sá»± kiện trÆ°á»›c nó ra khá»i lý thuyết vì chúng không thể tác Ä‘á»™ng lên những gì chúng ta quan sát được. Không - thá»i gian cần phải có biên - đó là điểm bắt đầu từ vụ nổ lá»›n.
Khoa há»c hy vá»ng tìm ra các định luáºt cho phép trong các giá»›i hạn xác định bởi hệ thức bất định, tiên Ä‘oán được sá»± phát triển của vÅ© trụ nếu ta biết được trạng thái của nó tại má»™t thá»i Ä‘iểm. Những định luáºt đó có thể là do Chúa ban hà nh, nhÆ°ng hình nhÆ° sau đó Chúa đã để cho vÅ© trụ tá»± phát triển và không buồn can thiệp và o nữa. NhÆ°ng Chúa đã chá»n Ä‘iá»u kiện ban đầu hoặc cấu hình vÅ© trụ nhÆ° thế nà o? “Äiá»u kiện biên†tại Ä‘iểm bắt đầu của thá»i gian là điá»u kiện gì?
Má»™t câu trả lá»i khả dÄ© là cho rằng Chúa đã chá»n má»™t cấu hình đầu tiên theo những lý lẽ mà chúng ta không có hy vá»ng hiểu được. Äiá»u đó hoà n toà n trong quyá»n lá»±c của má»™t đấng siêu nhân, song nếu ông ta đã bắt đầu theo má»™t kiểu khó hiểu nhÆ° váºy, thì tại sao ông ta lại để cho vÅ© trụ phát triển theo những quy luáºt mà chúng ta có thể hiểu được? Toà n bá»™ lịch sá» khoa há»c là má»™t quá trình tiệm cáºn đến nháºn thức được rằng các sá»± kiện không phát triển má»™t cách ngẫu nhiên, mà chúng phản ánh má»™t tráºt tá»± tiá»m ẩn nà o đó có hoặc không có nguồn gốc thần thánh. Ta có thể giả định má»™t cách tá»± nhiên rằng tráºt tá»± đó không những được áp dụng và o các định luáºt mà cả và o các Ä‘iá»u kiện ban đầu của không - thá»i gian. Có thể có rất nhiá»u mô hình vÅ© trụ vá»›i các Ä‘iá»u kiện biên ban đầu khác nhau. Chúng ta phải Ä‘Æ°a ra được má»™t nguyên tắc nà o đó để chá»n được má»™t trạng thái ban đầu, do đó chá»n được má»™t mô hình để mô tả vÅ© trụ.
Má»™t khả năng là chá»n cái gá»i là điá»u kiện há»—n Ä‘á»™n (chaotic) ban đầu. Äiá»u kiện nà y giả định hoặc vÅ© trụ vô cùng trong không gian hoặc tồn tại vô số trong vÅ© trụ. Theo Ä‘iá»u kiện gá»i là há»—n Ä‘á»™n ban đầu, xác suất tìm thấy má»™t vùng không gian bất kỳ trong má»™t cấu hình cho trÆ°á»›c bất kỳ sau vụ nổ lá»›n là bằng nhau: trạng thái ban đầu của vÅ© trụ là hoà n toà n mang tÃnh ngẫu nhiên. Äiá»u đó có nghÄ©a là vÅ© trụ trÆ°á»›c đây có nhiá»u xác suất là vô tráºt tá»± vì rằng đối vá»›i vÅ© trụ tồn tại nhiá»u cấu hình há»—n Ä‘á»™n và vô tráºt tá»± hÆ¡n là các cấu hình Ä‘á»u đặn và tráºt tá»±. (Nếu má»—i cấu hình có xác suất bằng nhau thì vÅ© trụ phải xuất phát từ má»™t trạng thái há»—n Ä‘á»™n, vô tráºt tá»± vì má»™t lý do Ä‘Æ¡n giản là tồn tại quá nhiá»u trạng thái nhÆ° váºy). Rất khó hình dung được vì sao những trạng thái há»—n Ä‘á»™n ban đầu lại có thể dẫn đến má»™t vÅ© trụ Ä‘á»u đặn, tráºt tá»± ở kÃch thÆ°á»›c lá»›n nhÆ° vÅ© trụ hiện nay. NgÆ°á»i ta cÅ©ng bắt buá»™c phải nghÄ© rằng những thăng giáng máºt Ä‘á»™ trong má»™t mô hình nhÆ° thế nhất định phải dẫn đến sá»± hình thà nh má»™t số lượng lá»— Ä‘en nguyên thủy lá»›n hÆ¡n cáºn trên thu được từ các quan trắc phông tia gamma.
Nếu vÅ© trụ vô cùng trong không gian, hoặc nếu tồn tại vô số vÅ© trụ, thì phải tồn tại ở đâu đó nhiá»u vùng lá»›n đã trở nên đồng nhất. Tình huống nà y giống nhÆ° lúc có má»™t Ä‘Ã n khỉ rất đông gõ máy chữ - phần lá»›n những Ä‘iá»u chúng gõ ra vô nghÄ©a nhÆ°ng cÅ©ng không loại trừ có xác suất là chúng thu được má»™t bà i thÆ¡ ngắn của Shakespear. TÆ°Æ¡ng tá»± nhÆ° váºy trong trÆ°á»ng hợp vÅ© trụ, cÅ©ng có thể chúng ta ngẫu nhiên sống trong má»™t vùng đồng nhất nhÆ° thế? Thoạt nghÄ© có thể Ä‘iá»u đó có quá Ãt xác suất vì những vùng há»—n Ä‘á»™n và vô tráºt tá»± là quá nhiá»u so vá»›i những vùng đồng nhất. Song hãy giả định rằng chỉ trong những vùng đồng nhất má»›i tồn tại những thiên hà và các sao, ở đấy có những Ä‘iá»u kiện thuáºn lợi cho sá»± phát triển của những sinh váºt phức tạp có khả năng sinh sản nhÆ° con ngÆ°á»i có khả năng đặt câu nghi vấn: Tại sao vÅ© trụ lại đồng nhất nhÆ° thế? Äây là má»™t và dụ để ứng dụng cái gá»i là nguyên lý vị nhân (anthropic) được phát biểu nhÆ° sau: “Chúng ta nhìn thấy vÅ© trụ nhÆ° váºy bởi vì chúng ta tồn tạiâ€.
Có hai cách diá»…n dịch nguyên lý vị nhân: Nguyên lý yếu và nguyên lý mạnh. Nguyên lý vị nhân yếu khẳng định rằng trong vÅ© trụ vô cùng trong không gian và hoặc trong thá»i gian, Ä‘iá»u kiện thuáºn lợi cho sá»± nảy sinh má»™t dạng sống có trà tuệ chỉ xuất hiện ở má»™t số vùng nhất định hữu hạn trong không gian và thá»i gian. Những sinh váºt có trà tuệ trong những vùng đó sẽ không ngạc nhiên nếu chúng nháºn thấy rằng địa phÆ°Æ¡ng của chúng trong vÅ© trụ thá»a mãn các Ä‘iá»u kiện cần thiết cho sá»± sống của chúng. Tình huống tÆ°Æ¡ng tá»± nhÆ° lúc má»™t ngÆ°á»i già u có sống trong môi trÆ°á»ng nhung lụa không thấy được cảnh bần cùng chung quanh.
Má»™t và dụ ứng dụng nguyên lý vị nhân yếu là “giải thÃch†vì sao vụ nổ lá»›n đã xảy ra gần mÆ°á»i ngà n triệu năm vá» trÆ°á»›c thì cÅ©ng cần gần ấy thá»i gian cho sá»± tiến hóa của sinh váºt có trà tuệ. NhÆ° trÆ°á»›c đây đã nói, đầu tiên má»™t thế hệ sá»›m các sao được hình thà nh. Các sao nà y biến má»™t số hydro và heli nguyên thủy thà nh cacbon và oxy vốn là các thà nh phần cÆ¡ thể của chúng ta. Các sao nà y lại nổ thà nh các siêu sao, và các mảnh vỡ tà n dÆ° lại hợp thà nh các sao và hà nh tinh khác, trong số nà y có thái dÆ°Æ¡ng hệ của chúng ta đã tồn tại khoảng năm ngà n triệu năm. Trong má»™t hoặc hai ngà n triệu năm đầu tiên của trái đất, nhiệt Ä‘á»™ quá cao vì thế các cấu trúc phức tạp không hình thà nh được. Trong ba ngà n triệu năm còn lại thì má»™t quá trình tiến hóa cháºm sinh há»c đã nảy sinh dẫn đến sá»± hình thà nh từ những cÆ¡ thể Ä‘Æ¡n giản đến các sinh váºt có khả năng tÆ° duy Ä‘i ngược theo thá»i gian vá» vụ nổ lá»›n.
Nhiá»u ngÆ°á»i đặt nghi vấn vá» sá»± đúng đắn và Ãch lợi của nguyên lý vị nhân yếu. Ngoà i ra má»™t số ngÆ°á»i Ä‘i xa hÆ¡n và đỠnghị nguyên lý vị nhân mạnh. Theo nguyên lý nà y, tồn tại hoặc nhiá»u vÅ© trụ khác nhau hoặc nhiá»u vùng khác nhau của má»™t vÅ© trụ duy nhất, má»—i đối tượng có cấu hình ban đầu riêng và có thể có tổ hợp riêng các định luáºt khoa há»c. Trong Ä‘a số các vÅ© trụ đó, Ä‘iá»u kiện không thuáºn lợi cho sá»± phát triển của những cÆ¡ thể phức tạp; chỉ có má»™t và i vÅ© trụ nhÆ° vÅ© trụ của chúng ta là có Ä‘iá»u kiện cho sá»± phát triển của những sinh váºt có trà tuệ đủ khả năng để đặt ra câu há»i: vì sao vÅ© trụ phải giống nhÆ° ta quan sát được? Câu trả lá»i bây giá» sẽ trở nên Ä‘Æ¡n giản. Nếu vÅ© trụ khác Ä‘i thì chúng ta sẽ không thể tồn tại ở đây được!
Các định luáºt khoa há»c, trong dạng mà chúng ta nháºn thức nhÆ° hiện nay chứa nhiá»u hằng số cÆ¡ bản và dụ Ä‘iện tÃch của electron và tá»· số khối lượng của proton và của electron. Chúng ta không thể, Ãt nhất là trong Ä‘iá»u kiện hiện nay, tÃnh được giá trị của những hằng số đó từ lý thuyết - chúng ta chỉ thu được các trị số đó bằng thá»±c nghiệm. Có lẽ má»™t ngà y nà o đó chúng ta sẽ tìm được má»™t lý thuyết thống nhất hoà n chỉnh có khả năng tÃnh được má»i hằng số, song cÅ©ng rất có thể rằng má»™t số hoặc tất cả hằng số đó lại biến thiên từ vÅ© trụ nà y sang vÅ© trụ khác hoặc ngay trong má»™t vÅ© trụ. Äiá»u đáng chú ý là trị số của những hằng số đó dÆ°á»ng nhÆ° đã được Ä‘iá»u chỉnh má»™t cách tinh tế sao cho cuá»™c sống có thể nảy sinh và phát triển được. Và dụ nếu Ä‘iện tÃch electron chỉ khác Ä‘i má»™t tý thì các sao hoặc không thể đốt cháy hydro và heli hoặc khác Ä‘i chúng không thể nổ thà nh siêu sao. Lẽ dÄ© nhiên có thể tồn tại những dạng sống khác, mà tháºm chà các nhà văn viá»…n tưởng cÅ©ng không sáng tạo nổi, những dạng sống không cần đến cả ánh sáng của các sao nhÆ° mặt trá»i hoặc các nguyên tố hóa há»c nặng hÆ¡n được tạo thà nh trong các sao và bị bắn và o không gian khi sao nổ.
Có lẽ cÅ©ng dá»… hiểu là miá»n xác định của các hằng số không thể rá»™ng được nếu các hằng số đó phải phù hợp vá»›i sá»± phát triển của cuá»™c sống trà tuệ. Äa số các táºp giá trị của các hằng số dẫn đến sá»± hình thà nh những vÅ© trụ mặc dầu rất đẹp, song không phù hợp cho sá»± phát triển sinh váºt có khả năng chiêm ngưỡng vẻ đẹp đó. Chúng ta có thể Ä‘oán nháºn hoặc Ä‘iá»u đó là sá»± chứng minh cho mục Ä‘Ãch thiêng liêng của Chúa trong sá»± sáng tạo và sá»± lá»±a chá»n các định luáºt khoa há»c hoặc Ä‘iá»u đó là sá»± chứng minh cho nguyên lý vị nhân mạnh. Có má»™t số ý kiến ngÆ°á»i ta có thể Ä‘Æ°a ra để phản đối ý kiến cho rằng nguyên lý vị nhân mạnh có thể giải thÃch trạng thái quan sát được của vÅ© trụ.
Thứ nhất, ta phải hiểu sá»± tồn tại của nhiá»u vÅ© trụ khác nhÆ° thế nà o đây? Nếu quả thá»±c chúng tách riêng xa nhau, thì những Ä‘iá»u xảy ra trong má»™t vÅ© trụ khác sẽ không gây má»™t hệ quả nà o quan sát được trong vÅ© trụ chúng ta. Vì váºy chúng ta phải sá» dụng nguyên lý tiết kiệm để cắt bá» chúng khá»i lý thuyết của chúng ta. Nếu, mặt khác, tồn tại nhiá»u vùng khác nhau của cùng má»™t vÅ© trụ, thì các định luáºt khoa há»c phải là chung cho tất cả các vùng, vì trái lại thì chúng ta không thể chuyển Ä‘á»™ng liên tục từ má»™t vùng nà y sang vùng khác. Trong trÆ°á»ng hợp đó thì sá»± khác biệt giữa các vùng quy vá» sá»± khác biệt của các cấu hình ban đầu và nhÆ° thế nguyên lý vị nhân mạnh lại quy vá» nguyên lý vị nhân yếu.
à kiến phản đối thứ hai cho là nguyên lý nà y Ä‘i ngược lại dòng chảy của lịch sá» khoa há»c. Chúng ta đã Ä‘i từ mô hình vÅ© trụ xem quả đất là trung tâm của Ptolemy và các tiá»n bối, qua mô hình mặt trá»i là trung tâm của Copernicus và Galileo, đến mô hình hiện đại trong đó quả đất chỉ là hà nh tinh kÃch thÆ°á»›c vừa phải quay quanh má»™t sao trung bình trong vùng biên của má»™t thiên hà xoắn ốc bình thÆ°á»ng vốn chỉ là má»™t trong triệu triệu thiên hà của vÅ© trụ quan sát được. Nguyên lý vị nhân mạnh lại có tham vá»ng cho rằng toà n bá»™ kiến trúc khổng lồ đó tồn tại chỉ vì con ngÆ°á»i. Äiá»u đó quả tháºt là khó tin. Chắc chắn rằng thái dÆ°Æ¡ng hệ là má»™t tiá»n Ä‘á» cho cuá»™c sống của chúng ta, và chúng ta cÅ©ng có thể ngoại suy nghÄ© đó cho toà n thiên hà của chúng ta để cho phép sá»± tồn tại các thế hệ sao trÆ°á»›c đã tạo nên những nguyên tố nặng hÆ¡n. Song dÆ°á»ng nhÆ° không có má»™t sá»± cần thiết nà o buá»™c các thiên hà khác và cho vÅ© trụ phải đồng nhất và giống nhau theo má»i phÆ°Æ¡ng hÆ°á»›ng ở kÃch thÆ°á»›c lá»›n.
Chúng ta sẽ cảm thấy yên tâm hÆ¡n vá»›i nguyên lý vị nhân, Ãt nhất ở phÆ°Æ¡ng án yếu, nếu chúng ta có thể chứng minh rằng nhiá»u cấu hình ban đầu khác nhau của vÅ© trụ sẽ tiến triển để tạo má»™t vÅ© trụ giống nhÆ° vÅ© trụ Ä‘ang quan sát được. Nếu quả nhÆ° váºy, thì má»™t vÅ© trụ thoát thai từ những Ä‘iá»u kiện há»—n Ä‘á»™n ban đầu sẽ chứa má»™t vùng đồng nhất, Ä‘á»u đặn thÃch hợp cho sá»± nảy sinh cuá»™c sống trà tuệ. Mặt khác, nếu trạng thái ban đầu đã được chá»n tuyệt đối cẩn tháºn để được má»™t vÅ© trụ mà chúng ta thấy chung quanh, thì vÅ© trụ đó chắc có Ãt xác suất chứa má»™t vùng nà o đó trong đó sá»± sống có thể xuất hiện. Trong mô hình nóng của vụ nổ lá»›n mô tả trÆ°á»›c đây, chúng ta đã thấy ở giai Ä‘oạn sá»›m của vÅ© trụ, nhiệt lượng không đủ thá»i gian để chảy từ vùng nà y sang vùng khác. Äiá»u đó có nghÄ©a rằng trạng thái ban đầu của vÅ© trụ phải có cùng má»™t nhiệt Ä‘á»™ ở má»i nÆ¡i, có nhÆ° thế thì ta má»›i quan sát được hiện tượng bức xạ phông có cùng má»™t nhiệt Ä‘á»™ ở má»i nÆ¡i theo má»i hÆ°á»›ng. Tốc Ä‘á»™ giãn nở ban đầu cÅ©ng phải được chá»n rất chÃnh xác thì tốc Ä‘á»™ giãn nở hiện nay má»›i tiếp tục xấp xỉ tốc Ä‘á»™ tá»›i hạn cần thiết để tránh quá trình co lại. Äiá»u đó có nghÄ©a rằng trạng thái ban đầu của vÅ© trụ phải được chá»n rất cẩn tháºn nếu mô hình nóng của vụ nổ lá»›n là đúng ngược mãi táºn tá»›i Ä‘iểm ban đầu của thá»i gian. Rất khó giải thÃch vì sao vÅ© trụ được bắt đầu nhÆ° váºy, trừ khi cho rằng đây là hà nh Ä‘á»™ng của Chúa muốn tạo nên những sinh váºt nhÆ° chúng ta.
Vá»›i ý đồ tìm má»™t mô hình của vÅ© trụ, trong đó nhiá»u cấu hình khác nhau ban đầu có thể tiến triển đến má»™t vÅ© trụ nhÆ° hiện tại, má»™t nhà khoa há»c công tác tại Viện công nghệ Massachusetts là Alan Guth đã Ä‘Æ°a ra gợi ý trong các giai Ä‘oạn sá»›m vÅ© trụ đã trải qua má»™t thá»i kỳ giãn nở cá»±c nhanh. Thá»i kỳ giãn nở cá»±c nhanh nà y được gá»i là thá»i kỳ lạm phát, vá»›i ý nghÄ©a rằng trong thá»i kỳ đó vÅ© trụ đã giãn nở vá»›i tốc Ä‘á»™ tăng dần chứ không phải giảm dần nhÆ° hiện tại. Theo Guth, bán kÃnh của vÅ© trụ đã tăng vá»t lên triệu triệu triệu triệu triệu (1 vá»›i ba mÆ°Æ¡i con số không) lần trong chỉ má»™t phần rất nhá» của giây.
Guth gợi ý rằng vÅ© trụ đã bắt đầu từ má»™t vụ nổ lá»›n, từ má»™t trạng thái rất nóng, nhÆ°ng rất há»—n Ä‘á»™n. Các nhiệt Ä‘á»™ cao nà y là m cho các hạt trong vÅ© trụ chuyển Ä‘á»™ng rất nhanh và có năng lượng rất lá»›n. NhÆ° đã nói ở trên những nhiệt Ä‘á»™ cao nhÆ° váºy các lá»±c tÆ°Æ¡ng tác mạnh, yếu và điện tá» hợp nhất thà nh má»™t lá»±c duy nhất. Trong quá trình giãn nở, vÅ© trụ lạnh dần, năng lượng các hạt giảm Ä‘i. Có thể xảy ra quá trình gá»i là chuyển pha và đối xứng giữa các lá»±c bị phá vỡ: lá»±c tÆ°Æ¡ng tác mạnh trở nên khác biệt vá»›i các lá»±c tÆ°Æ¡ng tác yếu và điện từ. Má»™t và dụ thông thÆ°á»ng của quá trình chuyển pha là quá trình nÆ°á»›c đóng băng khi nhiệt Ä‘á»™ hạ thấp. NÆ°á»›c lá»ng có đối xứng giống nhau ở má»i Ä‘iểm và theo má»i hÆ°á»›ng. Song các tinh thể băng hình thà nh, chúng sẽ chiếm những vị trà nhất định và xếp thà nh hà ng theo má»™t hÆ°á»›ng nà o đó. Äiá»u nà y phá vỡ đối xứng của nÆ°á»›c ở trạng thái lá»ng.
Trong trÆ°á»ng hợp nÆ°á»›c, nếu cẩn tháºn chúng ta có thể là m “siêu lạnh†nÆ°á»›c, Ä‘iá»u đó có nghÄ©a là chúng ta có thể Ä‘Æ°a nhiệt Ä‘á»™ xuống dÆ°á»›i nhiệt Ä‘á»™ đóng băng 0 Ä‘á»™ C mà băng vẫn chÆ°a xuất hiện. Guth gợi ý rằng Ä‘iá»u đó có thể xảy ra cho vÅ© trụ: nhiệt Ä‘á»™ giảm xuống dÆ°á»›i trị số giá»›i hạn mà đối xứng giữa các lá»±c vẫn chÆ°a bị phá vỡ. Nếu Ä‘iá»u đó xảy ra, vÅ© trụ sẽ rÆ¡i và o má»™t trạng thái ổn định, vá»›i năng lượng lá»›n hÆ¡n năng lượng ứng vá»›i lúc đối xứng bị phá vỡ. Có thể chứng minh rằng năng lượng dôi nà y sẽ gây ra hiệu ứng phản hấp dẫn: nó sẽ có tác Ä‘á»™ng nhÆ° hằng số vÅ© trụ mà Einstein đã Ä‘Æ°a và o lý thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng khi ông muốn xây dá»±ng má»™t mô hình tÄ©nh của vÅ© trụ.
Vì vÅ© trụ đã giãn nở giống nhÆ° trong mô hình nóng của vụ nổ lá»›n, cho nên hiệu ứng đẩy của hằng số vÅ© trụ nà y là m cho vÅ© trụ giãn nở vá»›i váºn tốc luôn tăng. Ngay cả trong những vùng vá»›i máºt Ä‘á»™ hạt lá»›n hÆ¡n trung bình, hiệu ứng phản hấp dẫn gây ra bởi hằng số vÅ© trụ đó cÅ©ng vượt quá hấp dẫn. Do đó các vùng nà y phải giãn nở theo quy luáºt gia tăng lạm phát. Trong quá trình giãn nở, các vùng đó và các hạt váºt chất sẽ Ä‘i xa nhau và ta có được má»™t vÅ© trụ giãn nở vá»›i máºt Ä‘á»™ hạt nhá» và hiện nằm trong trạng thái siêu lạnh. Má»i Ä‘iểm bất thÆ°á»ng trong vÅ© trụ sẽ bị là đá»u vì quá trình giãn nở, tÆ°Æ¡ng tá»± nhÆ° những nếp nhăn của má»™t quả bóng biến dần khi ta thổi không khà và o. NhÆ° váºy trạng thái đồng nhất và đá»u đặn hiện nay của vÅ© trụ có thể đạt được trong quá trình tiến triển từ nhiá»u trạng thái không đồng nhất khác nhau.
Trong má»™t vÅ© trụ nhÆ° thế, quá trình giãn nở được gia tốc bởi hằng số vÅ© trụ và không bị hãm dần bởi lá»±c hấp dẫn của váºt chất, ánh sáng có đủ thá»i gian để thá»±c hiện hà nh trình từ vùng nà y sang vùng khác trong các giai Ä‘oạn sá»›m của vÅ© trụ. Tình huống nà y có thể Ä‘Æ°a ra lá»i giải cho bà i toán nêu ra trÆ°á»›c đây: vì sao các vùng khác nhau của vÅ© trụ có cùng những tÃnh chất giống nhau. Ngoà i ra, váºn tốc nở của vÅ© trụ sẽ tá»± Ä‘á»™ng trở nên xấp xỉ váºn tốc giá»›i hạn xác định bởi máºt Ä‘á»™ trong vÅ© trụ. Äiá»u nà y có thể giải thÃch câu há»i vì sao váºn tốc giãn nở của vÅ© trụ vẫn gần váºn tốc giá»›i hạn, mà không cần giả định rằng váºn tốc giãn nở ban đầu của vÅ© trụ đã được lá»±a chá»n má»™t cách cẩn tháºn.
à niệm vá» lạm phát cÅ©ng giúp ta giải thÃch được vì sao có nhiá»u váºt chất nhÆ° váºy trong vÅ© trụ. Có chừng mÆ°á»i triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu triệu (1 vá»›i tám mÆ°Æ¡i số không) hạt trong vùng không gian mà chúng ta có thể quan sát được. Chúng từ đâu đến? Theo thuyết lượng tá» các hạt đó được sinh ra từ năng lượng trong cặp hạt/phản hạt. Song bây giá» lại đến câu há»i, năng lượng từ đâu ra? Câu trả lá»i là năng lượng toà n phần của vÅ© trụ chÃnh xác bằng không. Váºt chất trong vÅ© trụ được cấu tạo từ năng lượng dÆ°Æ¡ng. Song váºt chất lại hút nhau vì hấp dẫn. Hai lượng váºt chất gần nhau có Ãt năng lượng hÆ¡n là khi chúng xa nhau, bởi vì chúng phải sản ra năng lượng để kéo chúng ra xa chống lại hấp dẫn Ä‘ang kéo chúng lại gần nhau. NhÆ° thế trong má»™t ý nghÄ©a nhất định, trÆ°á»ng hấp dẫn có năng lượng âm. Trong trÆ°á»ng hợp của má»™t vÅ© trụ gần đồng nhất trong không gian, ngÆ°á»i ta có thể chứng minh được rằng năng lượng hấp dẫn âm nà y sẽ triệt tiêu năng lượng dÆ°Æ¡ng của váºt chất. NhÆ° thế năng lượng toà n phần của vÅ© trụ bằng không.
Hai lần không vẫn là không. Cho nên vÅ© trụ có thể tăng gấp đôi năng lượng dÆ°Æ¡ng của váºt chất và đồng thá»i tăng gấp đôi năng lượng âm của hấp dẫn mà vẫn không vi phạm định luáºt bảo toà n năng lượng. Äiá»u nà y không thể xảy ra trong má»™t quá trình giãn nở bình thÆ°á»ng của vÅ© trụ, trong đó máºt Ä‘á»™ năng lượng váºt chất giảm Ä‘i khi vÅ© trụ trở nên lá»›n hÆ¡n. Song Ä‘iá»u đó có thể xảy ra trong má»™t quá trình giãn nở lạm phát bởi vì máºt Ä‘á»™ năng lượng của trạng thái siêu lạnh vẫn không thay đổi khi vÅ© trụ giãn nở: Khi kÃch thÆ°á»›c vÅ© trụ tăng gấp đôi, năng lượng dÆ°Æ¡ng của váºt chất và năng lượng âm của hấp dẫn cÅ©ng tăng gấp đôi do đó năng lượng toà n phần vẫn bằng không. Trong pha lạm phát, kÃch thÆ°á»›c của vÅ© trụ tăng lên rất nhiá»u. NhÆ° thế toà n phần năng lượng hiện hữu để tạo nên các hạt Ä‘á»u trở nên rất lá»›n. NhÆ° Guth đã nháºn xét: “Có thể nói đây là má»™t bữa tiệc không mất tiá»n. Và vÅ© trụ là bữa tiệc không mất tiá»n tối háºuâ€.
VÅ© trụ hiện nay không giãn nở theo quy luáºt lạm phát. NhÆ° thế phải tồn tại má»™t cÆ¡ chế có khả năng loại bá» hằng số vÅ© trụ hiệu dụng quá lá»›n và nhÆ° váºy biến váºn tốc giãn nở từ quá trình gia tốc vá» quá trình cháºm dần vì hấp dẫn nhÆ° chúng ta hiện nay. Trong giai Ä‘oạn lạm phát có thể đối xứng giữa các lá»±c bị phá vỡ, tÆ°Æ¡ng tá»± nÆ°á»›c siêu lạnh rồi cuối cùng cÅ©ng phải đông lại. Năng lượng dôi ra của đối xứng bị phá vỡ thoát ra và hâm nóng vÅ© trụ đến má»™t nhiệt Ä‘á»™ vừa đúng dÆ°á»›i nhiệt Ä‘á»™ tá»›i hạn ứng vá»›i đối xứng giữa các lá»±c. VÅ© trụ tiếp tục giãn nở và lạnh dần đúng nhÆ° mô hình nóng của vụ nổ lá»›n, song bây giá» ta lại cần giải thÃch tại sao vÅ© trụ giãn nở vá»›i váºn tốc tá»›i hạn và vì sao các vùng khác nhau có cùng má»™t nhiệt Ä‘á»™.
Trong lý thuyết ban đầu của Guth, quá trình chuyển pha được giả định là xảy ra Ä‘á»™t ngá»™t, tÆ°Æ¡ng tá»± nhÆ° các tinh thể băng trong nÆ°á»›c tháºt lạnh. Có thể nghÄ© rằng các “bong bóng†của pha má»›i của đối xứng bị phá vỡ được hình thà nh trong pha cÅ©, tÆ°Æ¡ng tá»± nhÆ° các bong bóng hÆ¡i được bao bá»c bởi nÆ°á»›c Ä‘ang sôi. Các bong bóng được giả định là giãn nở và gặp nhau cho đến khi toà n bá»™ vÅ© trụ rÆ¡i và o pha má»›i. Má»™t khó khăn, mà tôi và nhiá»u ngÆ°á»i khác đã chỉ ra là vÅ© trụ giãn nở quá nhanh cho dẫu rằng các bong bóng lá»›n lên bằng tốc Ä‘á»™ ánh sáng, chúng cÅ©ng sẽ chuyển Ä‘á»™ng xa nhau ra và không kịp gặp nối nhau. NhÆ° váºy vÅ© trụ rÆ¡i và o trạng thái không đồng nhất, vá»›i má»™t số vùng vẫn còn có đối xứng giữa các lá»±c. Má»™t bức tranh nhÆ° thế không tÆ°Æ¡ng ứng vá»›i những Ä‘iá»u ta quan sát được.
Tháng 10 năm 1981, tôi đến MatxcÆ¡va tham dá»± há»™i thảo vá» hấp dẫn lượng tá». Sau há»™i thảo, tôi có là m má»™t seminar vá» mẫu lạm phát và các vấn Ä‘á» của mẫu đó tại Viện thiên văn Sternberg. TrÆ°á»›c đây tôi thÆ°á»ng nhá» má»™t ngÆ°á»i khác Ä‘á»c báo cáo thay tôi vì Ä‘a số không hiểu được giá»ng nói của tôi. NhÆ°ng lúc nà y tôi không còn thì giá» chuẩn bị nên tôi tá»± Ä‘á»c, và chỉ nhá» nghiên cứu sinh của tôi phát lại những lá»i tôi nói. PhÆ°Æ¡ng thức nà y khá có kết quả và tạo được mối tiếp xúc vá»›i thÃnh giả. Trong buổi seminar có má»™t ngÆ°á»i Nga còn trẻ là Andrei Linde là m việc ở Viện Lebedev tại MatxcÆ¡va. Linde cho rằng có thể tránh được khó khăn gắn liá»n vá»›i Ä‘iá»u các bong bóng không nối vá»›i nhau, nếu ta cho rằng các bong bóng lá»›n tá»›i mức mà vùng vÅ© trụ của ta nằm trá»n trong má»™t bong bóng. Äể giả thuyết được hợp lý thì sá»± phá vỡ đối xứng phải xảy ra rất cháºm trong bong bóng và điá»u nà y là hoà n toà n khả dÄ© trên lý thuyết thống nhất lá»›n.
à tưởng của Linde vá» má»™t quá trình phá vỡ đối xứng cháºm là rất hấp dẫn, song sau nà y tôi hiểu rằng những bong bóng của Linde phải lá»›n hÆ¡n kÃch thÆ°á»›c vÅ© trụ và o lúc đó. Tôi đã chứng minh rằng đối xứng bị phá vỡ khắp má»i nÆ¡i chứ không phải trong lòng các bong bóng. Äiá»u nà y sẽ dẫn đến má»™t vÅ© trụ đồng nhất, đúng nhÆ° ta quan sát. Tôi rất tâm đắc vá»›i ý tưởng nà y và cùng bà n luáºn vá»›i má»™t sinh viên của tôi là Ian Moss. Vá»›i tÆ° cách là má»™t ngÆ°á»i bạn của Linde, tôi hÆ¡i bối rối khi sau nà y nháºn được bà i báo của Linde do má»™t tạp chà khoa há»c gá»i đến há»i liệu bà i báo có thể công bố hay không. Tôi đã trả lá»i rằng còn Ä‘iểm yếu vá» các bong bóng lá»›n hÆ¡n vÅ© trụ, song ý tưởng cÆ¡ bản vá» quá trình phá vỡ đối xứng cháºm là rất hay. Tôi có khuyến nghị cho đăng bà i báo vì tôi nghÄ© rằng nếu không Linde sẽ mất rất nhiá»u tháng để sá»a chữa lại, bởi vì má»i tà i liệu mà ông đã gá»i sang phÆ°Æ¡ng Tây phải được thông báo qua kiểm duyệt của Liên Xô (cÅ©), vốn không am hiểu lắm và cÅ©ng không mau mắn gì đối vá»›i những bà i báo khoa há»c. Tôi có viết cùng vá»›i Ian Moss má»™t bà i báo ngắn gá»i đăng cùng số báo, trong đó chúng tôi đặt lại vấn Ä‘á» các bong bóng và chỉ ra cách giải quyết vấn Ä‘á».
Vừa từ MatxcÆ¡va trở vá», hôm sau tôi đã bay tá»›i Philadenphia để nháºn huy chÆ°Æ¡ng của Viện Franklin. Cô thÆ° ký của tôi là Judy Fella đã sá» dụng sắc đẹp duyên dáng của mình để thuyết phục hãng British Airways cấp cho cô ta và tôi hai vé máy bay không mất tiá»n xem nhÆ° má»™t hợp đồng quảng cáo cho hãng. Tiếc rằng tôi đến sân bay cháºm vì mÆ°a to và lỡ chuyến máy bay. NhÆ°ng rồi tôi cÅ©ng đến được Philadenphia để nháºn huy chÆ°Æ¡ng dà nh cho tôi. NgÆ°á»i ta yêu cầu tôi là m má»™t seminar vá» mẫu lạm phát của vÅ© trụ tại TrÆ°á»ng Äại há»c Drexel ở Philadenphia. Và tôi đã báo cáo vá» các vấn Ä‘á» nở lạm phát của vÅ© trụ, tÆ°Æ¡ng tá»± nhÆ° ở MatxcÆ¡va.
Má»™t ý tưởng gần giống của Linde cÅ©ng được phát triển Ä‘á»™c láºp sau đó và i tháng bởi Paul Steinhardt và Andreas Albrecht tại trÆ°á»ng Äại há»c Pensylvania. Bây giá» há» cùng vá»›i Linde có vinh dá»± chung vì đã Ä‘Æ°a ra “mô hình lạm phát má»›iâ€, dá»±a trên ý tưởng vá» má»™t quá trình đối xứng cháºm. (Mô hình lạm phát cÅ© dá»±a trên ý tưởng ban đầu của Guth vá» má»™t quá trình phá vỡ đối xứng nhanh kèm theo sá»± hình thà nh các bong bóng).
Mô hình lạm phát má»›i là má»™t mô hình tốt có khả năng giải thÃch vì sao vÅ© trụ lại có dạng nhÆ° hiện nay. Song, nhiá»u ngÆ°á»i khác và tôi đã chứng minh rằng mô hình đó, Ãt nhất là trong phÆ°Æ¡ng án ban đầu, đã dẫn đến những thay đổi vá» nhiệt Ä‘á»™ của bức xạ phông lá»›n hÆ¡n nhiá»u so vá»›i các quan trắc thu được. Các phÆ°Æ¡ng án sau cÅ©ng gây ra mối nghi ngá» liệu có tồn tại má»™t quá trình chuyển pha kiểu nhÆ° váºy ở giai Ä‘oạn rất sá»›m của vÅ© trụ hay không. Theo ý kiến của riêng tôi, thì mô hình lạm phát má»›i nà y bây giá» cÅ©ng đã chết nhÆ° má»™t lý thuyết khoa há»c, mặc dầu cÅ©ng còn má»™t số ngÆ°á»i dÆ°á»ng nhÆ° chÆ°a nghe biết và vẫn tiếp tục viết vá» mô hình đó.
|
24-08-2008, 09:19 AM
|
|
Cái Thế Ma Nhân
|
|
Tham gia: May 2008
Äến từ: SG
Bà i gởi: 37
Thá»i gian online: 7 giá» 22 phút 5 giây
Thanks: 1
Thanked 0 Times in 0 Posts
|
|
ChÆ°Æ¡ng 9: MÅ©i tên của thá»i gian
Nháºn thức của chúng ta vá» bản chất của thá»i gian thay đổi theo năm tháng. Mãi đến đầu thế kỳ nà y ngÆ°á»i ta vẫn tin và o má»™t thá»i gian tuyệt đối. Äiá»u đó có nghÄ©a là má»—i sá»± cố có thể đánh dấu Ä‘Æ¡n trị bằng má»™t con số gá»i là thá»i gian và tất cả các đồng hồ chÃnh xác phải cho cùng má»™t quãng thá»i gian giữa hai sá»± cố. Song vì sá»± phát hiện tốc Ä‘á»™ ánh sáng là nhÆ° nhau đối vá»›i má»i quan sát viên, không phụ thuá»™c và o chuyển Ä‘á»™ng của há», đã dẫn đến lý thuyết tÆ°Æ¡ng đối buá»™c ngÆ°á»i ta phải hủy bỠý tưởng vá» má»™t thá»i gian tuyệt đối duy nhất. Thay vì, má»—i quan sát viên có số Ä‘o thá»i gian riêng theo đồng hồ há» mang theo: những đồng hồ của các quan sát viên khác nhau không nhất thiết phù hợp nhau. NhÆ° thế thá»i gian đã trở thà nh má»™t nháºn thức cá nhân gắn liá»n vá»›i quan sát viên thá»±c hiện phép Ä‘o.
Khi ngÆ°á»i ta tìm cách thống nhất hấp dẫn vá»›i cÆ¡ há»c lượng tá», ngÆ°á»i ta đã phải Ä‘Æ°a và o khái niệm thá»i gian “ảoâ€. Thá»i gian ảo nhÆ° nhau đối vá»›i má»i hÆ°á»›ng không gian. Nếu ta có thể Ä‘i vá» hÆ°á»›ng Bắc thì ta cÅ©ng có thể quay ngÆ°á»i và đi vá» phÃa Nam; tÆ°Æ¡ng tá»± nếu ta có thể Ä‘i trong thá»i gian ảo thì ta cÅ©ng có khả năng quay ngÆ°á»i và đi lui. Äiá»u đó có nghÄ©a là không có sá»± khác biệt quan trá»ng nà o giữa hÆ°á»›ng trÆ°á»›c và hÆ°á»›ng sau của thá»i gian “ảoâ€, mặt khác khi ta xét thá»i gian “thá»±c†thì có má»™t sá»± khác biệt rất lá»›n giữa các hÆ°á»›ng trÆ°á»›c và sau, nhÆ° chúng ta Ä‘á»u biết. Từ đâu ra sá»± khác biệt đó giữa quá khứ và tÆ°Æ¡ng lai? Tại sao chúng ta chỉ nhá»› quá khứ mà không nhá»› tÆ°Æ¡ng lai?
Các định luáºt khoa há»c không phân biệt quá khứ vá»›i tÆ°Æ¡ng lai. Nói chÃnh xác hÆ¡n, các định luáºt khoa há»c không thay đổi dÆ°á»›i tổ hợp các toán tá»± (hay là các phép đối xứng) được biết dÆ°á»›i các ký hiệu C, P và T (C biến đổi hạt thà nh phản hạt, P là phép đối xứng qua gÆ°Æ¡ng, do đó trái và phải thay chá»— nhau, còn T là phép đảo hÆ°á»›ng chuyển Ä‘á»™ng của hạt: kết quả là hạt chuyển Ä‘á»™ng lùi). Các định luáºt khoa há»c Ä‘iá»u khiển tiến trình của váºt chất trong má»i tình huống bình thÆ°á»ng là không thay đổi dÆ°á»›i tác Ä‘á»™ng của tổ hợp hai toán tá» C và P. Nói cách khác, sá»± sống vẫn sẽ là nhÆ° thế đối vá»›i ngÆ°á»i ở hà nh tinh khác nếu há» là phản chiếu gÆ°Æ¡ng của chúng ta và được cấu tạo bằng phản váºt chất chứ không phải bằng váºt chất.
Nếu các định luáºt khoa há»c không thay đổi dÆ°á»›i tổ hợp các toán tá» C và P và cả dÆ°á»›i tổ hợp C, P và T thì chúng ta cÅ©ng phải không thay đổi dÆ°á»›i tác Ä‘á»™ng của má»™t mình toán tá» T. Song có má»™t sá»± khác biệt lá»›n giữa hÆ°á»›ng trÆ°á»›c và hÆ°á»›ng sau của thá»i gian trong Ä‘á»i sống thÆ°á»ng ngà y. Hãy tưởng tượng má»™t cốc thủy tinh rÆ¡i từ bà n và vỡ tan dÆ°á»›i sà n. Nếu ta nhìn phim ghi lại hiện tượng đó, ta có thể dá»… dà ng nói rằng phim Ä‘ang bị quay tá»›i hay quay lui. Nếu phim bị quay lui thì ta sẽ thấy các mảnh vỡ bá»—ng nhiên táºp kết lại vá»›i nhau, rá»i khá»i sà n và rồi nhảy lên bà n thà nh cái cốc nguyên vẹn. Sở dÄ© ta nói được là phim Ä‘ang quay lui là vì trong má»™t tiến trình nhÆ° váºy không bao giá» có thể quan sát được trong cuá»™c sống thÆ°á»ng ngà y. Vì ngược lại các nhà máy thủy tinh đã bị phá sản.
NgÆ°á»i ta thÆ°á»ng giải thÃch hiện tượng vì sao cốc vỡ dÆ°á»›i sà n không thể trở thà nh cốc là nh trên bà n bằng định luáºt thứ hai của nhiệt Ä‘á»™ng há»c. Äịnh luáºt đó nói rằng trong má»™t hệ thống kÃn thì vô tráºt tá»± hay entropi, luôn tăng vá»›i thá»i gian. Nói cách khác, đấy là má»™t dạng của định luáºt Murphy: má»i váºt luôn tiến triển theo chiá»u xấu Ä‘i! Má»™t cốc là nh ở trên bà n là má»™t trạng thái vá»›i tráºt tá»± cao còn má»™t cốc vỡ dÆ°á»›i sà n nhà là má»™t trạng thái vô tráºt tá»±. NgÆ°á»i ta có thể Ä‘i dá»… dà ng từ cái cốc trên bà n đến cái cốc vỡ dÆ°á»›i sà n trong tÆ°Æ¡ng lai. Song không thể Ä‘i ngược lại.
Sá»± tăng vô tráºt tá»± hay entropi vá»›i thá»i gian là má»™t thà dụ vá» cái gá»i là mÅ©i tên của thá»i gian, má»™t khái niệm phân biệt quá khứ vá»›i hiện tại, má»™t khái niệm xác định hÆ°á»›ng của thá»i gian. Ãt nhất có tá»›i ba mÅ©i tên khác nhau của thá»i gian. Thứ nhất là mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c của thá»i gian, chỉ hÆ°á»›ng của thá»i gian theo đó vô tráºt tá»± hay entropi tăng lên. Tiếp đến là mÅ©i tên tâm lý há»c của thá»i gian. Äó là hÆ°á»›ng theo đó chúng ta cảm nháºn được thá»i gian Ä‘ang chảy, theo đó chúng ta chỉ nhá»› quá khứ mà không có thể có bất cứ má»™t lÆ°u niệm nà o của tÆ°Æ¡ng lai. Cuối cùng là mÅ©i tên vÅ© trụ há»c của thá»i gian. Äó là hÆ°á»›ng của thá»i gian, theo đó vÅ© trụ nở ra chứ không co lại.
Trong chÆ°Æ¡ng nà y tôi sẽ chứng minh rằng Ä‘iá»u kiện không có biên của vÅ© trụ kết hợp vá»›i nguyên lý vị nhân yếu có thể giải thÃch được vì sao phải tồn tại má»™t mÅ©i tên thá»i gian có hÆ°á»›ng xác định. Tôi sẽ chứng minh rằng mÅ©i tên tâm lý há»c được xác định bởi mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c và hai mÅ©i tên đó nhất thiết phải luôn luôn chỉ cùng hÆ°á»›ng. Nếu ta giả định Ä‘iá»u kiện không có biên cho vÅ© trụ, ta sẽ thấy tồn tại các mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c và vÅ© trụ há»c của thá»i gian, song chúng không chỉ vá» cùng má»™t hÆ°á»›ng trong suốt lịch sá» của vÅ© trụ. NhÆ°ng tôi sẽ chứng minh rằng chỉ trong trÆ°á»ng hợp khi chúng chỉ vá» cùng má»™t hÆ°á»›ng thì má»›i có những Ä‘iá»u kiện thuáºn lợi cho sá»± phát triển những sinh váºt trà tuệ có khả năng đặt ra câu há»i: vì sao vô tráºt tá»± tăng theo hÆ°á»›ng thá»i gian, theo đó vÅ© trụ nở ra?
Tôi sẽ bà n trÆ°á»›c tiên đến mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c của thá»i gian. Äịnh luáºt thứ hai của nhiệt Ä‘á»™ng há»c được suy ra từ dữ kiện: luôn luôn có nhiá»u trạng thái vô tráºt tá»± hÆ¡n trạng thái có tráºt tá»±. Và dụ, hãy xét những miếng lắp hình trong má»™t trò chÆ¡i. Có má»™t và chỉ có má»™t cách xếp những miếng lắp hình nà y thà nh má»™t hình cho trÆ°á»›c. Mặt khác có vô số cách xếp trong đó có những miếng lắp hình vô tráºt tá»± và không tạo thà nh má»™t hình nà o cả.
Giả sá» má»™t hệ xuất phát từ má»™t trong số Ãt á»i các trạng thái tráºt tá»±. Cùng vá»›i thá»i gian, hệ sẽ tiến triển theo các định luáºt khoa há»c và trạng thái của hệ thay đổi. Ở má»™t thá»i Ä‘iểm sau, có nhiá»u xác suất để hệ rÆ¡i và o má»™t trạng thái vô tráºt tá»± hÆ¡n là má»™t trạng thái tráºt tá»± bởi vì có nhiá»u trạng thái vô tráºt tá»± hÆ¡n. NhÆ° thế vô tráºt tá»± sẽ có chiá»u hÆ°á»›ng tăng lên vá»›i thá»i gian nếu hệ lúc ban đầu có má»™t tráºt tá»± cao.
Giả sá» các miếng lắp hình lúc ban đầu nằm trong há»™p trò chÆ¡i theo má»™t cách xếp tráºt tá»± và tạo thà nh má»™t hình. Nếu ta lắc há»™p, các miếng lắp hình sẽ được xếp lại theo cách khác. Äó sẽ là má»™t cách xếp vô tráºt tá»±, trong đó các mảnh không tạo thà nh má»™t hình nà o, vì má»™t lý do Ä‘Æ¡n giản là có nhiá»u cách xếp vô tráºt tá»± hÆ¡n. Má»™t số nhóm các mảnh có thể vẫn còn tạo thà nh má»™t số bá»™ pháºn của hình ban đầu, song cà ng lắc há»™p thì cà ng có nhiá»u xác suất là các nhóm đó cÅ©ng tan vỡ và các mảnh sẽ rÆ¡i và o trạng thái hoà n toà n vô tráºt tá»±, trong đó các mảnh không còn tạo nên má»™t hình dạng nà o cả. NhÆ° thế vô tráºt tá»± của các mảnh sẽ có nhiá»u xác suất tăng lên vá»›i thá»i gian nếu ban đầu chúng ở trạng thái có tráºt tá»± cao.
Song bây giá» giả sá» rằng Chúa đã quyết định là vÅ© trụ phải kết thúc bằng má»™t trạng thái có tráºt tá»± cao bất kể trạng thái ban đầu là nhÆ° thế nà o. NhÆ° váºy ở những giai Ä‘oạn sá»›m vÅ© trụ có nhiá»u xác suất ở và o trạng thái vô tráºt tá»±. Äiá»u đó có nghÄ©a là vô tráºt tá»± sẽ giảm theo thá»i gian và ta sẽ thấy cốc vỡ táºp kết lại thà nh cốc là nh và nhảy lên bà n. Những con ngÆ°á»i quan sát được cái cốc đó sẽ phải sống trong má»™t vÅ© trụ ở đấy vô tráºt tá»± giảm vá»›i thá»i gian. Tôi sẽ chứng minh rằng những con ngÆ°á»i nhÆ° thế sẽ có mÅ©i tên tâm lý há»c của thá»i gian hÆ°á»›ng vá» phÃa sau. NghÄ©a là há» sẽ nhá»› các sá»± kiện trong tÆ°Æ¡ng lai mà không nhá»› các sá»± kiện trong quá khứ. Khi cốc vỡ, há» sẽ nhá»› nó lúc ở trên bà n, há» sẽ không nhá»› lúc nó ở dÆ°á»›i sà n.
Rất khó nói vá» trà nhá»› của con ngÆ°á»i bởi vì chúng ta không biết bá»™ não hoạt Ä‘á»™ng chi tiết nhÆ° thế nà o. Song có lẽ chúng ta biết rõ cách hoạt Ä‘á»™ng của bá»™ nhá»› các máy tÃnh Ä‘iện tá». Vì váºy tôi sẽ bà n vá» mÅ©i tên tâm lý há»c của thá»i gian đó vá»›i máy tÃnh Ä‘iện tá». Tôi cho rằng ta có lý khi giả định rằng mÅ©i tên đối vá»›i máy tÃnh Ä‘iện tá» trùng vá»›i mÅ©i tên đối vá»›i con ngÆ°á»i. Nếu không chúng ta có thể trúng to tại thị trÆ°á»ng chứng khoán bằng cách sá» dụng má»™t máy tÃnh Ä‘iện tá» có khả năng nhá»› giá cả của ngà y mai.
Bá»™ nhá»› của máy tÃnh Ä‘iện tá» cÆ¡ bản là má»™t thiết bị chứa những yếu tố có thể nằm ở má»™t trong hai trạng thái. Má»™t và dụ Ä‘Æ¡n giản là cái bà n tÃnh. Trong dạng Ä‘Æ¡n giản nhất, bà n tÃnh gồm má»™t số dây kim loại, trên má»—i dây sâu má»™t hạt, hạt có thể ở má»™t trong hai vị trÃ. TrÆ°á»›c khi má»™t thông tin được ghi và o bá»™ nhá»› của máy tÃnh, bá»™ nhá»› ở trong má»™t trạng thái vô tráºt tá»±, vá»›i xác suất bằng nhau cho các cặp trạng thái khả dÄ© (các hạt của bà n tÃnh phân bố ngẫu nhiên trên các dây). Sau khi bá»™ nhá»› tÆ°Æ¡ng tác vá»›i hệ cần nhá»›, bá»™ nhá»› sẽ ở và o má»™t trạng thái nhất định ứng vá»›i trạng thái của hệ. (Má»—i hạt trên bà n tÃnh sẽ ở hoặc bên trái hoặc bên phải của dây). NhÆ° thế bá»™ nhá»› chuyển từ má»™t trạng thái vô tráºt tá»± sang má»™t trạng thái tráºt tá»±.
Song, để thá»±c hiện sá» chuyển trạng thái đó, cần phải tiêu tốn má»™t năng lượng (để chuyển Ä‘á»™ng các hạt của bà n tÃnh hoặc cung cấp Ä‘iện năng cho máy tÃnh Ä‘iện tá»). Năng lượng nà y sẽ khuếch tán thà nh nhiệt năng và là m tăng vô tráºt tá»± của vÅ© trụ. NgÆ°á»i ta có thể chứng minh rằng Ä‘á»™ gia tăng vô tráºt tá»± nà y luôn luôn lá»›n hÆ¡n Ä‘á»™ gia tăng tráºt tá»± của bản thân bá»™ nhá»›. NhÆ° thế lượng nhiệt xua Ä‘i bởi cái quạt là m mát máy tÃnh là bằng chứng nói rằng khi máy tÃnh ghi má»™t thông tin và o bá»™ nhá»› thì tổng vô tráºt tá»± trong vÅ© trụ tăng lên. HÆ°á»›ng Ä‘i của thá»i gian theo đó má»™t máy tÃnh ghi lại quá khứ trong bá»™ nhá»› là cùng hÆ°á»›ng vá»›i sá»± gia tăng vô tráºt tá»±.
NhÆ° thế sá»± cảm nháºn chủ quan của chúng ta vá» hÆ°á»›ng Ä‘i của thá»i gian, tức mÅ©i tên tâm lý há»c của thá»i gian, được xác định trong bá»™ não bởi mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c của thá»i gian. TÆ°Æ¡ng tá»± nhÆ° máy tÃnh Ä‘iện tá», chúng ta phải nhá»› sá»± việc theo thứ tá»± mà entropi tăng. Äiá»u nà y là m cho định luáºt thứ hai của nhiệt Ä‘á»™ng há»c trở thà nh hầu nhÆ° hiển nhiên. Vô tráºt tá»± tăng vá»›i thá»i gian vì chúng ta Ä‘o thá»i gian theo hÆ°á»›ng tăng của vô tráºt tá»±. Bạn không thể có má»™t cách đánh cuá»™c nà o khác chắc ăn hÆ¡n!.
NhÆ°ng vì sao nói chung lại tồn tại má»™t mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c của thá»i gian? Hay nói cách khác, vì sao vÅ© trụ phải ở trong má»™t trạng thái tráºt tá»± cao ở đầu kia của thá»i gian, đầu mà ngÆ°á»i ta gá»i là quá khứ? Tại sao vÅ© trụ không nằm trong má»™t trạng thái vô tráºt tá»± ở má»i thá»i gian? Nói cho cùng, Ä‘iá»u nà y có vẻ nhÆ° nhiá»u xác suất hÆ¡n. Và tại sao hÆ°á»›ng Ä‘i của thá»i gian theo đó vô tráºt tá»± tăng lại trùng khá»›p vá»›i hÆ°á»›ng theo đó vÅ© trụ nở ra?
Trong lý thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng cổ Ä‘iển ngÆ°á»i ta không thể tiên Ä‘oán được vÅ© trụ đã bắt đầu nhÆ° thế nà o bởi vì má»i định luáºt khoa há»c đã biết Ä‘á»u không đúng tại Ä‘iểm kỳ dị của vụ nổ lá»›n. VÅ© trụ có thể bắt đầu từ má»™t trạng thái rất đồng nhất và tráºt tá»±, Ä‘iá»u nà y sẽ dẫn đến mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c và vÅ© trụ há»c xác định của thá»i gian nhÆ° chúng ta quan sát. Song vÅ© trụ có thể hoà n toà n bắt đầu tá»± má»™t trạng thái rất không đồng nhất và vô tráºt tá»±. Trong trÆ°á»ng hợp nà y vì vÅ© trụ đã ở trong trạng thái rất vô tráºt tá»± rồi, cho nên vô tráºt tá»± không thể tăng theo thá»i gian nữa. Vô tráºt tá»± hoặc không thay đổi, lúc nà y không tồn tại mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c xác định của thá»i gian, hoặc giảm Ä‘i, lúc nà y mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c của thá»i gian chỉ hÆ°á»›ng ngược lại của mÅ©i tên vÅ© trụ há»c. Các khả năng nà y không phù hợp vá»›i Ä‘iá»u ta quan sát được. Song ở đây lý thuyết tÆ°Æ¡ng đối rá»™ng cổ Ä‘iển tá»± tiên Ä‘oán sá»± sụp đổ của mình. Khi Ä‘á»™ cong của không - thá»i gian trở nên lá»›n, các hiệu ứng hấp dẫn lượng tá» trở nên quan trá»ng và lý thuyết cổ Ä‘iển không còn mô tả tốt vÅ© trụ được nữa. Äể hiểu được vÅ© trụ đã bắt đầu nhÆ° thế nà o, ta phải sá» dụng má»™t lý thuyết hấp dẫn lượng tá».
Trong má»™t lý thuyết hấp dẫn lượng tá» muốn xác định trạng thái của vÅ© trụ chúng ta cần phải biết cách diá»…n biến của má»i lịch sá» khả dÄ© của vÅ© trụ ở biên không - thá»i gian trong quá khứ. Ta có thể tránh việc mô tả những gì mà ta không biết và không thể biết được nếu cho rằng các lịch sá» thá»a mãn Ä‘iá»u kiện không có biên: chúng hữu hạn song không có biên, không có kỳ dị. Trong trÆ°á»ng hợp đó, khởi Ä‘iểm thá»i gian là má»™t Ä‘iểm không kỳ dị của không - thá»i gian và vÅ© trụ bắt đầu quá trình giãn nở từ má»™t trạng thái đồng nhất và tráºt tá»±. Song vÅ© trụ không thể tuyệt đối đồng nhất vì nhÆ° thế nó sẽ vi phạm nguyên lý bất định của lý thuyết lượng tá». Phải tồn tại những thăng giáng nhá» và máºt Ä‘á»™ và váºn tốc các hạt. Mặt khác Ä‘iá»u kiện không có biên buá»™c rằng các thăng giáng đó phải đủ nhá», nhÆ°ng trong mức Ä‘á»™ cho phép của nguyên lý bất định.
VÅ© trụ có thể bắt đầu bằng má»™t giai Ä‘oạn giãn nở hà m mÅ© hay giãn nở “lạm phátâ€, trong giai Ä‘oạn nà y vÅ© trụ đã gia tăng kÃch thÆ°á»›c nhiá»u lần. Trong quá trình giãn nở nà y, các thăng giáng máºt Ä‘á»™ lúc đầu có thể nhá», song sau đó thì bắt đầu lá»›n lên. Những vùng vá»›i máºt Ä‘á»™ lá»›n hÆ¡n trung bình má»™t tý giãn nở cháºm hÆ¡n vì lá»±c hút hấp dẫn của khối lượng thừa. Những vùng nhÆ° thế có thể ngừng giãn nở và co lại để hình thà nh những thiên hà , các sao và cả những sinh váºt nhÆ° chúng ta. VÅ© trụ có thể bắt đầu từ má»™t trạng thái đồng nhất và tráºt tá»±, và dần dần trở thà nh không đồng nhất và vô tráºt tá»±. Äiá»u nà y có thể giải thÃch mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c của thá»i gian.
Song Ä‘iá»u gì sẽ xảy ra nếu vÅ© trụ ngừng giãn nở và bắt đầu co lại? MÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c có đổi hÆ°á»›ng không và vô tráºt tá»± có giảm Ä‘i vá»›i thá»i gian không? Sá»± đảo ngược nà y sẽ dẫn đến những tình huống khoa há»c viá»…n tưởng cho những ngÆ°á»i sống sót sau thá»i Ä‘iểm chuyển pha từ quá trình co lại sang quá trình co lại của vÅ© trụ. Những ngÆ°á»i nà y sẽ thấy những mảnh vỡ táºp kết lại từ dÆ°á»›i sà n thà nh cốc là nh và nhảy lên bà n chăng? Há» sẽ nhá»› được giá cả của ngà y mai và trúng to trên thị trÆ°á»ng chứng khoán chăng?
Ná»—i lo lắng Ä‘iá»u gì sẽ xảy ra khi vÅ© trụ co trở lại Ãt nhiá»u mang tÃnh chất kinh viện vì lẽ rằng vÅ© trụ có co lại cÅ©ng Ãt nhất cÅ©ng và i chục tá»· năm nữa. Song có má»™t cách nhanh chóng hÆ¡n để biết Ä‘iá»u gì sẽ xảy ra lúc đó là nhảy và o má»™t lá»— Ä‘en. Quá trình co lại của má»™t sao để hình thà nh má»™t lá»— Ä‘en rất giống những giai Ä‘oạn cuối của quá trình co lại của toà n bá»™ vÅ© trụ. NhÆ° thế nếu vô tráºt tá»± giảm trong pha co lại của vÅ© trụ thì vô tráºt tá»± cÅ©ng phải giảm trong lòng má»™t lá»— Ä‘en. NhÆ° thế có thể ngÆ°á»i du hà nh vÅ© trụ khi rÆ¡i và o má»™t lá»— Ä‘en sẽ trúng to trên bà n bi quay bằng cách nhá»› lại bi đã rÆ¡i và o đâu trÆ°á»›c khi anh ta đặt cược (song tiếc thay anh ta không đủ thá»i gian chÆ¡i lâu trÆ°á»›c khi biến thà nh sợi mỳ ống. Anh ta cÅ©ng không thể thông báo cho chúng ta biết vá» sá»± đảo hÆ°á»›ng của mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c, tháºm chà cÅ©ng không Ä‘Æ°a kịp tiá»n thắng cược của mình và o ngân hà ng vì anh ta bị cuốn mất sau chân trá»i sá»± cố của lá»— Ä‘en). Lúc đầu tôi những tưởng rằng vô tráºt tá»± sẽ giảm khi vÅ© trụ co lại. Tôi tưởng thế vì tôi cho là vÅ© trụ sẽ quay vá» trạng thái đồng nhất và tráºt tá»± khi nó trở thà nh nhá». Äiá»u nà y có nghÄ©a là pha co lại là nghịch đảo theo thá»i gian của pha giãn nở. Má»i ngÆ°á»i sống trong pha co lại sẽ sống cuá»™c Ä‘á»i chảy lùi: há» sẽ chết trÆ°á»›c lúc sinh ra và cà ng ngà y cà ng trẻ ra lúc vÅ© trụ co nhá» lại.
à tưởng trên rất hấp dẫn vì thiết láºp được má»™t đối xứng đẹp giữa hai pha giãn nở và co lại. Song chúng ta không thể chấp nháºn ý tưởng nà y má»™t cách tá»± thân, Ä‘á»™c láºp vá»›i những ý tưởng khác vá» vÅ© trụ. Câu há»i nảy sinh là : ý tưởng nà y tÆ°Æ¡ng thÃch hay mẫu thuẫn vá»›i Ä‘iá»u kiện không có biên? NhÆ° đã nói ở trên tôi đã nghÄ© lúc đầu rằng Ä‘iá»u kiện không có biên ắt đòi há»i rằng vô tráºt tá»± sẽ giảm Ä‘i trong pha co lại. Ở đây tôi nhầm má»™t phần vì liên tưởng đến mặt quả đất. Nếu ta lấy cá»±c Bắc là m Ä‘iểm bắt đầu tÆ°Æ¡ng ứng của vÅ© trụ, thì Ä‘iểm kết thúc của vÅ© trụ sẽ tÆ°Æ¡ng tá»± nhÆ° Ä‘iểm ban đầu, hoà n toà n giống nhÆ° cá»±c Nam tÆ°Æ¡ng tá»± vá»›i cá»±c Bắc. Song cá»±c Bắc và cá»±c Nam chỉ tÆ°Æ¡ng ứng vá»›i Ä‘iểm bắt đầu và kết thúc của vÅ© trụ trong thá»i gian ảo mà thôi. Äiểm bắt đầu và điểm kết thúc của vÅ© trụ có thể rất khác nhau trong thá»i gian thá»±c.
Tôi nhầm phần khác vì má»™t công trình tôi là m trÆ°á»›c dá»±a trên má»™t mô hình Ä‘Æ¡n giản của vÅ© trụ trong đó pha co lại là nghịch đảo theo thá»i gian của pha giãn nở. NhÆ°ng má»™t bạn đồng nghiệp của tôi, Don Page ở đại há»c quốc gia Pennsylvania đã chỉ ra rằng Ä‘iá»u kiện không có biên không đòi há»i pha co lại nhất thiết phải là nghịch đạo theo thá»i gian của pha giãn nở. Sau đó má»™t sinh viên của tôi, Raymond Laflamme đã phát hiện rằng trong má»™t mô hình phức tạp hÆ¡n má»™t chút thì sá»± co lại của vÅ© trụ khác xa sá»± giãn nở. Tôi hiểu rằng tôi đã nhầm: Ä‘iá»u kiện không có biên ngụ ý rằng vô tráºt tá»± thá»±c tế vẫn tiếp tục tăng trong quá trình co lại. Các mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c và tâm lý há»c của thá»i gian sẽ không đảo hÆ°á»›ng cả trong lá»— Ä‘en, lẫn khi vÅ© trụ bắt đầu co lại.
Bạn phải là m gì khi nháºn ra mình đã nhầm nhÆ° thế? Má»™t số ngÆ°á»i chẳng bao giá» chấp nháºn mình sai và tiếp tục tìm ra những lý lẽ má»›i, thÆ°á»ng mâu thuẫn vá»›i nhau để bảo vệ quan Ä‘iểm của mình nhÆ° trÆ°á»ng hợp Eddington đã là m để chống lại thuyết các lá»— Ä‘en. Má»™t số ngÆ°á»i khác phủ nháºn rằng đã thá»±c tế bảo vệ quan Ä‘iểm sai lầm, hoặc nếu có bảo vệ thì cÅ©ng chỉ vì muốn vạch ra sai lầm của quan Ä‘iểm đó. Theo ý tôi tốt hÆ¡n cả là công bố trên báo quan Ä‘iểm sai lầm của mình. Má»™t và dụ đẹp là trÆ°á»ng hợp Einstein khi cho rằng hằng số vÅ© trụ mà ông Ä‘Æ°a và o lý thuyết để thiết láºp mô hình tÄ©nh của vÅ© trụ là sai lầm lá»›n nhất của Ä‘á»i mình.
Quay trở lại mÅ©i tên của thá»i gian, còn lại câu há»i: vì sao ta quan sát thấy các mÅ©i tên của nhiệt Ä‘á»™ng há»c và vÅ© trụ há»c là đồng hÆ°á»›ng? Hay nói cách khác, vì sao vô tráºt tá»± tăng lên theo hÆ°á»›ng của thá»i gian theo đó vÅ© trụ giãn nở? Nếu ta tin tưởng rằng vÅ© trụ giãn nở rồi sau đó sẽ co lại, Ä‘iá»u nà y dÆ°á»ng nhÆ° đã tiá»m ẩn trong Ä‘iá»u kiện không có biên, thì câu há»i trên trở thà nh câu há»i vì sao chúng ta phải ở và o pha giãn nở chứ không phải pha co lại?
Chúng ta có thể trả lá»i câu há»i nà y trên cÆ¡ sở của nguyên lý vị nhân yếu. Các Ä‘iá»u kiện trong pha co lại không cho phép sá»± tồn tại các sinh váºt có trà tuệ để mà có khả năng đặt ra câu há»i: Vì sao vô tráºt tá»± tăng theo hÆ°á»›ng của thá»i gian theo đó vÅ© trụ giãn nở? Sá»± giãn nở lạm phát trong những giai Ä‘oạn sá»›m của vÅ© trụ, tiên Ä‘oán bởi giả thiết không có biên, có nghÄ©a là vÅ© trụ phải giãn nở gần tốc Ä‘á»™ tá»›i hạn, vá»›i tốc Ä‘á»™ vÅ© trụ vừa vặn tránh được quá trình co lại, và nhÆ° thế sẽ không co lại trong má»™t thá»i gian rất dà i. Äến lúc đó các sao sẽ cháy và các proton và neutron trong các sao sẽ phân rã thà nh bức xạ và các hạt nhẹ. VÅ© trụ sẽ ở và o trạng thái gần nhÆ° vô tráºt tá»± hoà n toà n. MÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c của thá»i gian sẽ không xác định. Vô tráºt tá»± không thể tăng hÆ¡n vì vÅ© trụ đã rÆ¡i và o trạng thái gần vô tráºt tá»± hoà n toà n.
Song, má»™t mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c xác định là cần thiết cho sá»± sống có trà tuệ. Äể sống, con ngÆ°á»i cần thức ăn vốn ở dạng tráºt tá»± của năng lượng, biến đổi thức ăn thà nh nhiệt năng là dạng vô tráºt tá»± của năng lượng. NhÆ° váºy sức sống có trà tuệ không thể tồn tại trong pha co lại của vÅ© trụ Ä‘iá»u nà y giải thÃch vì sao ta quan sát thấy các mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c và vÅ© trụ há»c của thá»i gian Ä‘á»u chỉ vá» má»™t hÆ°á»›ng. Không phải sá»± giãn nở của vÅ© trụ là m cho vô tráºt tá»± tăng lên. Äúng hÆ¡n là điá»u kiện không có biên là m cho vô tráºt tá»± tăng lên và các Ä‘iá»u kiện trở nên thÃch hợp cho sá»± sống trà tuệ chỉ trong pha giãn nở của vÅ© trụ.
Tóm lại, các định luáºt khoa há»c không phân biệt hÆ°á»›ng tá»›i và hÆ°á»›ng lui của thá»i gian. Song Ãt nhất có ba mÅ©i tên thá»i gian là m phân biệt quá khứ vá»›i tÆ°Æ¡ng lai. Äó là mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c chỉ hÆ°á»›ng theo thá»i gian theo đó vô tráºt tá»± tăng lên; mÅ©i tên tâm lý há»c chỉ hÆ°á»›ng theo thá»i gian theo đó chúng ta chỉ nhá»› quá khứ mà không nhá»› tÆ°Æ¡ng lai và mÅ©i tên vÅ© trụ há»c chỉ hÆ°á»›ng theo thá»i gian theo đó vÅ© trụ giãn nở chứ không co lại. Tôi đã chứng minh rằng mÅ©i tên tâm lý há»c và mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c thá»±c chất là má»™t, vì chúng chỉ cùng hÆ°á»›ng. Giả thiết không có biên cho vÅ© trụ dẫn đến sá»± tồn tại của má»™t mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c xác định của thá»i gian vì vÅ© trụ phải xuất phát từ má»™t trạng thái thống nhất và tráºt tá»±. Và lý do là m sao ta quan sát mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c cùng hÆ°á»›ng vá»›i mÅ©i tên vÅ© trụ há»c là các sinh váºt có trà tuệ chỉ có thể tồn tại trong pha giãn nở. Pha co lại của vÅ© trụ không thÃch hợp cho sá»± sống có trà tuệ vì trong pha nà y không tồn tại mÅ©i tên nhiệt Ä‘á»™ng há»c định hÆ°á»›ng rõ rà ng.
Tiến bá»™ của loà i ngÆ°á»i trong quá trình nháºn thức đã thiết láºp nên má»™t góc nhá» tráºt tá»± trong cái vô tráºt tá»± ngà y cà ng tăng của vÅ© trụ. Nếu bạn nhá»› má»—i chữ trong quyển sách nà y, trà nhá»› của bạn đã ghi nháºn khoảng hai triệu Ä‘Æ¡n vị thông tin: tráºt tá»± trong bá»™ não của bạn đã tăng lên chừng hai triệu Ä‘Æ¡n vị. Song khi bạn đóng quyển sách nà y bạn đã biến Ãt nhất hai ngà n calo năng lượng tráºt tá»± ở dạng thức ăn thà nh năng lượng vô tráºt tá»± ở dạng nhiệt mà bạn mất Ä‘i và o môi trÆ°á»ng xung quanh do đối lÆ°u và bay hÆ¡i mồ hôi. Äiá»u nà y sẽ là m tăng vô tráºt tá»± của vÅ© trụ khoảng 20 triệu triệu triệu triệu Ä‘Æ¡n vị hay khoảng mÆ°á»i triệu triệu triệu lần số gia tăng tráºt tá»± trong bá»™ não của bạn, nếu bạn nhá»› má»i thứ trong quyển sách nà y.
|
|
|
| |