Lược Sử Thời Gian – Stephen Hawking

CHƯƠNG 1: BỨC TRANH CỦA CHÚNG TA VỀ VŨ TRỤ

Mở đầu cuốn sách, tác giả đặt ra vấn đề việc xác định bức tranh của chúng ta về vũ trụ, một bức tranh về việc trái đất được đặt trên lưng những con rùa xếp chồng lên nhau hay niềm tin ở khoa học.

Tiếp đến tác giả trình bày qua sự tiến bộ của loài người trong việc khám phá của ngành thiên văn, từ thuyết Địa tâm (trái đất là trung tâm của vũ trụ) cho tới thuyết Nhật tâm, rồi dần gợi mở cho chúng ta biết về những lỗ hổng trong sự hiểu biết chung đối với vũ trụ. Đặc biệt, tác giả đi sâu vào giải thích sự vô lý của mô hình vũ trụ tĩnh, vốn là bầu không khí tư tưởng chung của khoa học trước thế kỷ 20, trong đó tác giả đã nêu bật một trong những hệ quả của Lý thuyết hấp dẫn của Newton vốn đã mang hàm ý rằng vũ trụ không thể là tĩnh. Thêm vào đó, tác giả cũng không quên bổ sung thêm một vài những lý lẽ của các nhà triết học đương thời như Heinrich Olbers khi cho rằng Khó khăn là ở chỗ trong một vũ trụ tĩnh vô hạn thì gần như mỗi một đường ngắm đều kết thúc trên bề mặt của một ngôi sao. Như thế thì toàn bộ bầu trời sẽ phải sáng chói như mặt trời, thậm chí cả ban đêm…

Từ đó, ta lại phát sinh ra những câu hỏi mới về việc vậy thì liệu vũ trụ có một điểm khởi đầu hay không ? hay đơn giản là nó cứ tồn tại mãi như vậy ?

Để trả lời cho câu hỏi này, ông đã dẫn tiếp lời của nhà triết học Immanuel Kant: nếu vũ trụ không có điểm bắt đầu thì trước bất kỳ một sự kiện nào cũng có một khoảng thời gian vô hạn, điều này là vô lý! Rốt cuộc, nếu vũ trụ có điểm bắt đầu, thì sẽ có một khoảng thời gian vô hạn trước nó, vậy thì tại sao vũ trụ lại bắt đầu ở một thời điểm nào đó?

Cuối chương 1, Tác giả tiếp tục tóm lược sơ qua về những khám phá của Edwin Hubble (1929) khi phát hiện ra rằng rốt cuộc thì vũ trụ đang không ngừng được mở rộng, chính điều đó đã ngụ ý rằng ở những thời gian trước kia các vật gần nhau hơn. Thực tế, dường như là có một thời, mười hoặc hai mươi ngàn triệu năm về trước, tất cả chúng đều chính xác ở cùng một chỗ và do đó mật độ của vũ trụ khi đó là vô hạn. Phát minh này cuối cùng đã đưa câu hỏi về sự bắt đầu vũ trụ vào địa hạt của khoa học.

Từ đó, tác giả đã xác định được rốt cuộc Mục đích tối hậu của khoa học là tạo ra được một lý thuyết duy nhất có khả năng mô tả được toàn bộ vũ trụ. Hay nói đúng hơn, là tìm được một lý thuyết thống nhất được 2 lý thuyết nền tảng của vật lý học hiện đại đó là Thuyết tương đối rộng (mô tả về những cái vô cùng lớn) và thuyết lượng tử (mô tả về những cái vô cùng nhỏ).

Lý thuyết tương đối rộng mô tả lực hấp dẫn và cấu trúc cực vĩ của vũ trụ, – cấu trúc từ quy mô ít dặm tới triệu triệu triệu triệu (1 và hai mươi bốn số 0 tiếp sau) dặm tức là kích thước của vũ trụ quan sát được. Trái lại, cơ học lượng tử lại mô tả những hiện tượng ở phạm vi cực nhỏ, cỡ một phần triệu triệu của 1 inch. Tuy nhiên, không may, hai lý thuyết này lại không tương thích với nhau – nghĩa là cả hai không thể đều đồng thời đúng. Một trong những nỗ lực chủ yếu trong vật lý học ngày nay và cũng là đề tài chủ yếu của cuốn sách này, đó là tìm kiếm một lý thuyết mới có thể dung nạp cả hai lý thuyết trên – lý thuyết lượng tử của hấp dẫn.

CHƯƠNG 2: KHÔNG GIAN VÀ THỜI GIAN

Trong chương này, Stephen Hawking trình bày về 2 lý thuyết nền tảng của Vật lý hiện đại, đó là Thuyết Vạn vật hấp dẫn của Newton và Thuyết tương đối của EinStein. Đây là 2 lý thuyết mô tả về những cái vô cùng lớn.

Thuyết Vạn vật hấp dẫn và các định luật về chuyển động: Một trong những hệ quả cần xem xét đến của nó chính là việc Newton đã khám phá ra rằng chuyển động chỉ là tương đối và ngầm chứa trong đó chính là việc không tồn tại một không gian tuyệt đối. Tuy nhiên, bản thân Newton là một người có niềm tin mãnh liệt vào chúa bởi vậy ông đã cố gắng tìm mọi cách để chối bỏ những điều này và trong mọi lý thuyết của ông, không gian cũng như thời gian chỉ là một sân khấu thụ động trong đó mọi việc diễn ra.

Thuyết tương đối:

Bối cảnh: Trong khoảng thế kỷ 18 – 19, đã có những khám phá ra rằng vận tốc của ánh sáng là cố định, dù là rất lớn. Tuy nhiên khi kết hợp với những lý thuyết của Newton về chuyển động tương đối, vì thế vấn đề lúc này là cần phải hiểu được ánh sáng chuyển động nhưng là so với cái gì. Do đó người ta đã đặt ra giả thiết rằng không gian ngoài kia không hề trống rỗng mà nó được lấp đầy bởi 1 chất gọi là ether, vậy khi đó ta có thể nhận định rằng vận tốc của ánh sáng chính là vận tốc so với ether. Đối với mỗi người quan sát khác nhau khi chuyển động so với ether sẽ ghi nhận được những tốc độ ánh sáng khác nhau nhưng vận tốc ánh sáng so với ether sẽ luôn có một giá trị cố định.

Mặc dù vậy thì toàn bộ những nỗ lực về sau của các nhà khoa học nhằm chứng minh sự tồn tại của ether đều thất bại. Rốt cuộc tới năm 1905, trong một bài báo của mình, Albert Einstein đã chỉ ra rằng toàn bộ ý tưởng về ether là không cần thiết nếu như người ta sẵn sàng vứt bỏ ý tưởng về thời gian tuyệt đối.

Có 2 thuyết tương đối:

Thuyết tương đối hẹp ra đời năm 1905: Vận tốc của ánh sáng là vận tốc nhanh nhất trong vũ trụ. Hệ quả là công thức: E = MC2.

Thuyết tương đối rộng ra đời năm 1915: Không thời gian có thể bị bẻ cong do khối lượng và năng lượng. Điều này đã được kiểm chứng vào năm 1919.

Tổng kết chương 2: Những định luật về chuyển động của Newton đã đặt dấu chấm hết cho ý niệm về vị trí tuyệt đối trong không gian. Thuyết tương đối đã vứt bỏ khái niệm thời gian tuyệt đối và qua đó, không thời gian đã trở thành những nhân tố chủ động tham gia vào các sự kiện.

CHƯƠNG 3: VŨ TRỤ GIÃN NỞ

Chương này được bắt đầu với khám phá của Edwin Hubble năm 1929 về sự giãn nở của vũ trụ. Đây là một khám phá đã trở nên quá quen thuộc nên không cần phải trình bày nhiều. Điểm đáng chú ý của chương này chính là việc Stephen Hawking đã tóm tắt về một công trình của Roger Penrose khi ông này đã chứng minh được sự hình thành của một lỗ đen. Từ đây cũng là sự khởi đầu cho mối duyên của Stephen Hawking đối với “Lỗ đen vũ trụ” bằng một công trình nổi tiếng đã làm nên tên tuổi của ông đó là “Lỗ đen không hoàn toàn đen”.

CHƯƠNG 4: NGUYÊN LÝ BẤT ĐỊNH

Trong thế kỷ 19, người ta đã cho rằng bản thân vũ trụ là “tất định”, nghĩa là nếu như ta biết trạng thái của vũ trụ tại một thời điểm cụ thể, bằng một tập hợp những định luật khoa học có thể cho phép chúng ta tiên đoán được mọi chuyện. Dù thế, những khám phá sau này về cơ học lượng tử đã cho chúng ta thấy điều đó hoàn toàn là sai lầm, ít nhất là ở cấp độ lượng tử. Nhận thức này được chứng minh chủ yếu qua công trình về “Nguyên lý bất định” của Heisenberg. Trong nguyên lý này, Heisenberg đã cho chúng ta thấy rằng hoàn toàn không có cách nào để chúng ta có thể xác định được “vị trí” và “vận tốc” của một hạt cùng một lúc. Nghĩa là đo “vị trí” của một hạt càng chính xác bao nhiêu thì đối với phép đo “vận tốc” lại càng kém chính xác bấy nhiêu và ngược lại. Từ đó, các hạt có trạng thái lượng tử là tổ hợp của “vị trí” và “vận tốc”. Chính vì điều này mà cơ học lượng tử đã đưa vào khoa học một yếu tố ngẫu nhiên không thể đoán trước, Einstein chính là người phản đối gay gắt nhất vấn đề này với câu nói nổi tiếng: Chúa không chơi trò xúc xắc.

Không chỉ vậy, cơ học lượng tử còn chỉ ra rằng, trong thế giới lượng tử nhỏ bé, mỗi một hạt vật chất không chỉ là một “hạt” mà nó còn mang tính chất giống như “sóng”. Điều này được chứng minh qua thí nghiệm 2 khe nổi tiếng. Trên một số phương diện, các hạt khi đó lại xử sự như các sóng, chúng không có một vị trí xác định mà dường như bị nhòe đi với một phân bố xác xuất. Như vậy, đối với một số mục đích sẽ rất lợi ích nếu xem hạt như các sóng và đối với những mục đích khác thì sẽ tốt hơn nếu xem sóng như các hạt.

Rốt cuộc, bài toán lúc này là chúng ta hiện còn chưa có một lý thuyết hòa hợp hoàn chỉnh thống nhất thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử, nhưng ít nhất chúng ta đã biết nhiều đặc điểm mà lý thuyết đó phải có.

CHƯƠNG 5: CÁC HẠT CƠ BẢN VÀ CÁC LỰC TRONG TỰ NHIÊN

Nội dung xuyên suốt của chương 5 được thể hiện đúng theo đầu đề, tác giả đề cập đến các loại hạt cơ bản trong tự nhiên và một số đặc tính của chúng, có thể tổng kết lại một số vấn đề sau:

– Mỗi một hạt cơ bản (electron, photon, neutron, quark…) đều có một phản hạt, theo đó hạt và phản hạt khi gặp nhau có thể tự hủy lẫn nhau, điều đó có nghĩa là đâu đó ngoài kia có thể có một phản thế giới với những con người được cấu tạo hoàn toàn từ phản hạt.

Ví dụ: Bộ phim Thiên thần và Ác quỷ dựa trên cuốn tiểu thuyết cùng tên của Dan Brown cũng có đề cập tới việc người ta tạo ra một chút phản vật chất có sức công phá cực lớn không khác gì bom hạt nhân.

– Khái niệm Spin: là số vòng quay mỗi hạt cần có để nhìn nó giống như lúc ban đầu.

Ví dụ: hạt có spin 0, 1, ½, 2…

Ở đó, những hạt có Spin ½ tạo nên vật chất trong vũ trụ của chúng ta, còn những hạt có spin 0, 1, 2 là những hạt gây ra lực giữa vật chất (đây là những hạt không thể phát hiện được trên thực tế nhưng ta có thể đo được những hiệu ứng do chúng gây ra trên thực tế).

– 4 loại lực cơ bản trong tự nhiên: Lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân yếu và lực hạt nhân mạnh. Trong lý thuyết thống nhất lớn, người ta đã thành công trong việc kết hợp 3 loại lực sau và rút ra kết luận rằng đó có thể chỉ là 3 khía cạnh khác nhau của cùng 1 loại lực, còn đối với lực hấp dẫn vẫn mang những nét khác biệt mà chưa thể giải thích được mặc dù nó chính là nhân tố quyết định đến sự tiến hóa của vũ trụ.

CHƯƠNG 6: LỖ ĐEN

Ngày nay chúng ta đều biết rằng một lỗ đen được sinh ra khi một ngôi sao chết đi, nhưng điều này chỉ được nhận thức một cách rõ ràng kể từ những năm 20 của thế kỷ 20. Tuy nhiên, không phải ngôi sao nào cũng có thể trở thành lỗ đen mà nó có một giới hạn tối thiểu, đó là những ngôi sao có khối lượng lớn gấp 1,5 lần mặt trời.

Lỗ đen là một kỳ dị mà ở đó mọi định luật vật lý đều trở nên vô nghĩa và nó có một đường bao quanh gọi là chân trời sự kiện mà mọi thứ khi nằm trong chân trời sự kiện đều không thể thoát ra.

Ví dụ: bộ phim Lỗ đen năm 1970 và phim Interstella đều mô tả những nhà du hành bị rơi vào lỗ đen và họ được chuyển sang một chiều không gian khác mà ở đó họ đã được trải qua những giây phút đáng nhớ.

CHƯƠNG 7: LỖ ĐEN KHÔNG QUÁ ĐEN

Ở chương này, Stephen Hawking trình bày về những khám phá của mình đối với các lỗ đen. Mặc dù trên thực tế, mọi thứ ở bên trong một lỗ đen đều không thể thoát ra nhưng các lỗ đen vẫn phát ra những bức xạ có thể chứng minh được thông qua suy luận logic, và các bức xạ như vậy được đặt tên là bức xạ Hawking.

CHƯƠNG 8: NGUỒN GỐC VÀ SỐ PHẬN VŨ TRỤ

Có thể nói, đây là chương khá thú vị nhưng cũng khá khó hiểu khi tác giả đặt ra những khái niệm như năng lượng âm, thời gian thực và thời gian ảo. Tuy nhiên, chúng ta cũng không cần phải cố gắng hiểu hết những vấn đề này, chỉ cần nắm được bức tranh tổng thể về việc vũ trụ giãn nở như thế nào. Ở chương này, ta cũng phần nào thấy được sự thiếu vắng của một lý thuyết thống nhất (lý thuyết hấp dẫn lượng tử) đã gây khó khăn như thế nào cho việc mô tả sự hình thành của vũ trụ.

CHƯƠNG 9: MŨI TÊN THỜI GIAN

Phần này, Stephen Hawking đi sâu vào phân tích và qua đó chứng minh rằng vì sao thời gian chỉ có một chiều, điều này có liên hệ mật thiết với định lý thứ 2 của Nhiệt động lực học, biểu hiện qua chỉ số Entropy (chỉ số về sự vô trật tự) luôn là tăng, và chỉ ra rằng chỉ trong một vũ trụ đang giãn nở ra với chỉ số về sự vô trật tự luôn tăng như thế mới có những điều kiện để cho sự sống thông minh như chúng ta phát triển.

CHƯƠNG 10: LÝ THUYẾT THỐNG NHẤT CỦA VẬT LÝ HỌC

Đây chính là chương quan trọng nhất của cuốn sách, trong chương này, Stephen Hawking đã nên lên một số những lý thuyết được phát triển với hy vọng có thể hợp nhất được Thuyết tương đối của EinStein với thuyết lượng tử – thuyết thống nhất lớn, lý thuyết siêu hấp dẫn, lý thuyết dây…. Và các lý thuyết này dẫn chúng ta tới kết luận rằng không gian chúng ta đang sống dường như có nhiều chiều hơn (11 chiều). Tuy nhiên, chúng cũng chỉ có thể giải thích về vũ trụ trong một chừng mực nào đó và chưa phải là một lý thuyết tối hậu.

CHƯƠNG 11: KẾT LUẬN

Đây là phần tổng kết cho toàn bộ cuốn sách nhưng tác giả cũng không quên nhắc lại câu hỏi về sự tồn tại của đấng sáng tạo như: vũ trụ cần một Đấng sáng tạo, và nếu quả như vậy, Đấng sáng tạo có tác dụng gì khác đối với vũ trụ? Và ai sáng tạo ra Đấng sáng tạo? cũng như cho thấy sự day dứt của mình với việc tìm ra thuyết của vạn vật.

– Lê Anh Tuấn 1986