Thông tin ebook
Tên sách: Vũ Trụ Trong Một Vỏ Hạt
Nguyên tác: The Universe In A Nutshell
Tác giả: Stephen Hawking
Dịch giả: Dạ Trạch (Nguyễn Hoàng Hải, GVĐH Quốc Gia,
Hà Nội)
Hiệu đính: Võ Quang Nhân
Thể loại : Khoa học
Nhà xuất bản: Bantam, 2001
Số quyển/1 bộ: 1
–––––––––––Nguồn: datrach@gmail.com
Chuyển sang ebook (TVE): santseiya
Ngày hoàn thành: 04/06/2009
Nơi hoàn thành: Hà Nội
http://www.thuvien-ebook.com

MỤC LỤC
GIỚI THIỆU CỦA VIETSCIENCES
GIỚI THIỆU CỦA NHÀ XUẤT BẢN
LỜI NÓI ĐẦU
CHƯƠNG 1
LƯỢC SỬ VỀ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI
CHƯƠNG 2
HÌNH DÁNG CỦA THỜI GIAN
CHƯƠNG 3
VŨ TRỤ TRONG MỘT VỎ HẠT
CHƯƠNG 4
TIÊN ĐOÁN TƯƠNG LAI
CHƯƠNG 5
BẢO VỆ QUÁ KHỨ
CHƯƠNG 6
TƯƠNG LAI CỦA CHÚNG TA? CÓ THỂ LÀ STAR TREK
HAY KHÔNG?
CHƯƠNG 7
MÀNG VŨ TRỤ MỚI
THUẬT NGỮ
CHỈ MỤC

Thân tặng annsuri ebook này!
Santseiya
(^_^)

GIỚI THIỆU CỦA VIETSCIENCES
Thời gian gần đây các ngành khoa học đặc biệt ngành vật lý
đã làm được một bước tiến rất dài. Kiến thức của ngành vật lý
đã không còn rời rạc, xa vời mà nó đã dần trở thành một khoa
học thống nhất. Các lý thuyết đã và đang kết nối với nhau
thành một bản trường ca. Bản trường ca này không chỉ nhằm
giải thích các quan điểm triết học cao siêu của con người với
vũ trụ mà nó lại còn thâm nhập vào mọi lĩnh vực mọi ngõ
ngách ứng dụng trong đời sống.
Một trong những nhà vật lý nổi bật nhất sau Newton và
Einstein sống ở cuối thiên niên kỷ thứ hai của nhân loại không
ai khác hơn là Stephen Hawking (sinh năm 1942). Ngoài
những đóng góp vĩ đại của ông trong nỗ lực thống nhất các qui
luật của vật lý thì ông còn có một khả năng truyền đạt tư tưởng
tuyệt vời. Các sách của ông viết nhằm giới thiệu về triết học,
vật lý cũng như về vũ trụ quan sinh động và dễ hiểu đến nỗi có
nhiều lần những sách này đã dược dịch ra nhiều thứ tiếng và
chúng còn bán chạy hơn cả những tiểu thuyết hay ho hấp dẫn
nhất.
Vietsciences xin giới thiệu với các bạn tác phẩm “Vũ Trụ
Trong Một Vỏ Hạt” của dịch giả Dạ Trạch từ nguyên bản Anh
ngữ “The Universe in a Nutshell” (2001). Vì là người làm
việc nghiên cứu trong chuyên ngành vật lý nên anh Dạ Trạch
hiểu rất sâu, chính xác, và rõ ràng các tư tưởng mà Hawking
nêu ra trong cuốn sách mới này của ông.
Chúng tôi tin rằng bản dịch Việt ngữ mà anh Dạ Trạch đã
dày công dịch thuật sẽ mang đến cho các bạn đúng những cảm
giác và các kiến thức lý thú, hấp dẫn, bất ngờ mà Hawking đã
đem lại cho hàng triệu độc giả bằng tiếng mẹ đẻ là Anh ngữ.
Trân Trọng
Võ Quang Nhân
Vietsciences: http://vietsciences.free.fr

GIỚI THIỆU CỦA NHÀ XUẤT BẢN
Cuốn Lược sử thời gian (A Brief History of Time), cuốn sách
đã bán ra hàng triệu bản của Stephen Hawking đã đưa những
tư tưởng của nhà vật lý lý thuyết thiên tài này tới bạn đọc trên
toàn thế giới. Còn đây, trong lần xuất bản này, Hawking trở lại
với phần tiếp theo với một cuốn sách có rất nhiều hình minh
họa hé mở bí mật về những khám phá quan trọng đã đạt được
trong những năm kể từ khi cuốn sách đầu tiên của ông ra đời.
VŨ TRỤ TRONG MỘT VỎ HẠT
Một trong những nhà tư tưởng vĩ đại nhất của thời đại chúng
ta là Stephen Hawking, một biểu tượng của trí tuệ, ông được
biết đến không chỉ qua những ý tưởng bất ngờ mà còn vì sự
trong sáng và thông minh trong cách ông diễn giải các ý tưởng
đó. Cuốn sách mới này sẽ đưa chúng ta đến những vấn đề mới
nhất của vật lý lý thuyết, ở đó, theo những nguyên tắc điều
khiển thế giới của người bình thường, sự thật còn kỳ lạ hơn cả
trí tưởng tượng.
Giống như nhiều nhà vật lý lý thuyết khác, giáo sư Hawking
đang tìm kiếm điều cốt lõi của khoa học - “Lý thuyết về vạn
vật” (Theory of Everything) nằm ở trái tim của vũ trụ. Với
phong cách dễ tiếp cận và hài hước, ông đưa chúng ta vào lĩnh
vực nghiên cứu để hé mở những bí mật của vũ trụ - từ hấp dẫn
đến siêu hấp dẫn, từ lượng tử đến thuyết-M, từ ảnh đa chiều
đến lưỡng tính. Ông đưa chúng ta đến biên giới của khoa học,
ở đó thuyết siêu dây và các màng-p có thể là đầu mối cuối
cùng cho bài toán. Ông cho phép chúng ta đi cùng một trong
những chuyến thám hiểm trí tuệ thú vị nhất của ông khi ông
tìm cách “kết hợp thuyết tương đối rộng của Einstein và ý
tưởng lấy tổng theo các lịch sử của Feynman vào một lý thuyết
thống nhất mô tả tất cả mọi sự kiện xảy ra trong vũ trụ”.
Với lời văn đầy nhiệt huyết, giáo sư Hawking mời chúng ta
đi theo bước chân của những nhà du hành trong không thời
gian. Cuốn sách với các hình minh họa màu giúp làm sáng tỏ
chuyến du hành vào thế giới siêu thực của các hạt, các dây, các
màng chuyển động trong không thời gian mười một chiều này,

ở đó các hố đen bốc hơi và biến mất và mang những bí mật đi
theo chúng; và ở đó hạt giống vũ trụ nguyên thủy mà từ đó vũ
trụ của chúng ta xuất hiện chính là một cái hạt nhỏ bé.
Vũ trụ trong một vỏ hạt là một cuốn sách cần thiết với tất cả
chúng ta để hiểu vũ trụ chúng ta đang sống. Giống như tập
trước của cuốn sách - Lược sử về thời gian, cuốn sách này
truyền tải điều thú vị trong khoa học khi các bí mật tự tiết lộ
bản thân chúng.

Stephen Hawking năm 2001

LỜI NÓI ĐẦU
Tôi không ngờ cuốn sách khoa học phổ thống Lược sử về
thời gian lại thành công đến thế. Nó nằm trong danh sách
những cuốn sách bán chạy nhất của tờ báo Sunday Times trong
hơn bốn năm, lâu hơn bất kỳ cuốn sách bán chạy khác, và đặc
biệt là sách về khoa học lại không phải dễ dàng gì. Sau đó,
mọi người hỏi tôi có tiếp tục kéo dài cuốn sách đó hay không.
Tôi từ chối vì tôi không muốn viết Đứa con của lược sử về
thời gian hay Lịch sử dài hơn về thời gian và bởi vì tôi bận rộn
với công việc nghiên cứu. Nhưng tôi đã nhận ra rằng có những
vấn đề cho một loại sách khác có thể hiểu một cách dễ dàng.
Lược sử về thời gian được viết theo kiểu trình tự, phải đọc các
chương đầu mới tiếp tục các chương tiếp. Một số người thích
kiểu đọc này nhưng một số khác nếu bị tắc ở các chương đầu
sẽ không bao giờ đọc những phần thú vị hơn của chương tiếp
theo. Ngược lại, cuốn sách này giống như một cái cây: chương
một và hai là cái thân và các chương sau là các cành lá.
Các cành lá khá độc lập với nhau và có thể tóm được sau khi
đọc xong phần thân chính. Chúng liên quan đến những vấn đề
tôi đã nghiên cứu trong khoảng thời gian từ sau khi xuất bản
cuốn Lược sử về thời gian đến nay. Do đó chúng mô tả những
vấn đề nóng bỏng nhất của khoa học hiện nay. Trong chương
một tôi cố tránh cấu trúc trình tự. Các minh họa và các chú
thích cho các hình được thể hiện khá độc lập với lời viết giống
như Lược sử về thời gian: ấn bản minh họa xuất bản năm
1996, các thông tin bổ sung cung cấp thêm cơ hội đào sâu
thêm chủ đề được chương sách đề cập.
Năm 1988, khi cuốn Lược sử thời gian ra đời thì Lí thuyết về
tất cả (Theory of Everything) vừa mới được phát triển. Từ đó
đến nay thì hiện trạng thay đổi thế nào? Chúng ta đã tiến đến
gần mục đích của chúng ta chưa? Cuốn sách này mô tả, từ đó
đến nay chúng ta đã đi được rất xa. Nhưng quãng đường phía
trước vẫn còn dài chưa biết bao giờ có thể kết thúc được.
Nhưng như người ta thường nói, đi trong hy vọng tốt hơn là
đến đích. Mong muốn khám phá chính là nhiên liệu cho sự
sáng tạo của chúng ta, không chỉ trong khoa học. Nếu chúng ta

đến đích thì tinh thần của chúng ta sẽ teo lại và chết. Nhưng
tôi không nghĩ rằng chúng ta chịu dẫm chân tại chỗ: chúng ta
sẽ làm tăng độ phức tạp, không theo chiều sâu thì chúng ta
cũng là theo chiều rộng đang gia tăng.
Tôi muốn chia sẻ niềm vui sướng khi các tạo ra phát minh và
bức tranh hiện thực đang hợp lại với nhau. Chi tiết về các công
trình mang tính kỹ thuật nhưng tôi tin các ý tưởng chính được
chuyển tải mà không cần đến các công cụ toán học. Tôi hy
vọng tôi sẽ thành công.
Tôi nhận được nhiều sự giúp đỡ khi viết cuốn sách này. Tôi
đặc biệt muốn nhắc đến Thomas Hertog và Neel Shearer vì đã
giúp đỡ soạn thảo các hình vẽ, chú thích, thông tin tham khảo,
Ann Harris và Kitty Ferguson vì chuẩn bị bản thảo (đúng hơn
là các file máy tính vì tất cả những điều tôi viết đều ở dưới
dạng điện tử) Philip Dunn ở Book Lab và Moonrunner Design
vì chuẩn bị các hình minh họa. Ngoài ra tôi muốn cám ơn tất
cả những người đã giúp đỡ tôi có một cuộc sống bình thường
và tiếp tục nghiên cứu khoa học. Không có họ tôi không bao
giờ có thể viết được cuốn sách này.
Stephen Hawking
Cambridge, 2/5/2001

CHƯƠNG 1
LƯỢC SỬ VỀ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI
Eistein thiết lập hai lý thuyết căn bản của thế kỷ hai mươi:
Lý thuyết tương đối rộng và lý thuyết lượng tử như thế nào?

Albert Einstein, cha đẻ của thuyết tương đối hẹp và thuyết tương
đối rộng sinh ra ở Ulm, Đức vào năm 1879. Một năm sau đó gia
đình ông chuyển đến Munich, tại đó, cha ông - Herman và cậu
ông - Jacob khởi sự kinh doanh về đồ điện nhưng không mấy
thành công. Einstein không phải là thần đồng nhưng có người cho
rằng ông là một học sinh cá biệt ở phổ thông thì lại là một sự
cường điệu. Năm 1894 công việc làm ăn của cha ông bị đổ bể nên
gia đình chuyển đến Milan. Gia đình quyết định ông nên ở lại để
hoàn thành bậc học phổ thông, nhưng ông không thích chủ nghĩa
độc đoán của trường học nên chỉ sau đó mấy tháng ông đoàn tụ
với gia đình ở Ý. Sau đó ông tốt nghiệp phổ thông ở Zurich và tốt

nghiệp đại học trường Bách khoa liên bang vào năm 1900. Bản
tính hay tranh luận và và ác cảm với quyền lực đã không mang
cho ông một chân giáo sư ở trường Bách khoa liên bang và không
một giáo sư nào của trường mời ông làm trợ giảng, mà thời bấy
giờ đó là con đường bình thường để theo đuổi sự nghiệp khoa
học. Cuối cùng thì hai năm sau ông cũng xoay sở được một việc ở
Văn phòng sáng chế ở Bern. Ông làm việc tại đó trong thời gian
ông viết ba bài báo, trong đó hai bài đã đưa ông trở thành nhà
khoa học hàng đầu thế giới và bắt đầu hai cuộc cách mạng về tư
tưởng làm thay đổi hiểu biết của chúng ta về không gian, thời
gian và bản thân thực tại vào năm 1905.
Gần cuối thế kỷ thứ 19, các nhà khoa học tin rằng họ gần như đã
mô tả vũ trụ một cách toàn vẹn. Họ cho rằng không gian được lấp
đầy bởi một loại vật chất liên tục gọi là Ê-te. Ánh sáng và các tín
hiệu vô tuyến là các sóng lan truyền trong ê-te giống như sóng âm
lan truyền trong không khí. Và tất cả các điều cần làm cho một lý
thuyết hoàn thiện là phép đo chính xác để xác định tính đàn hồi
của ê-te. Thực ra các phép đo như thế đã được xây dựng hoàn
chỉnh tại phòng thí nghiệm Jefferson ở trường đại học Harvard
mà không dùng đến một cái đinh sắt nào để tránh làm nhiễu các
phép đo từ trường yếu. Tuy vậy những người xây dựng hệ đo đã
quên rằng các viên gạch nâu đỏ xây nên phòng thí nghiệm và
phần lớn các tòa nhà ở Harvard đều chứa một lượng lớn sắt. Ngày
nay các tòa nhà đó vẫn được sử dụng, nhưng họ vẫn không chắc
là nếu không có các đinh sắt thì sàn thư viện của trường có thể
nâng đỡ được sức nặng là bao nhiêu.

Albert Einstein năm 1920
Vào cuối thế kỷ 19, các ý tưởng trái ngược nhau về sự có mặt
của ê-te bắt đầu xuất hiện. Người ta tin rằng ánh sáng chuyển
động với một tốc độ xác định so với ê-te và nếu bạn chuyển động
cùng hướng với ánh sáng trong ê-te thì bạn sẽ thấy ánh sáng
chuyển động chậm hơn, và nếu bạn chuyển động ngược hướng
với ánh sáng thì bạn sẽ thấy ánh sáng di chuyển nhanh hơn. (hình
1.1)

(Hình 1.1)
LÝ THUYẾT Ê-TE CỐ ĐỊNH
Nếu ánh sáng là sóng trong một loại vật chất đàn hồi được gọi
là ê-te thì vận tốc của ánh sáng đối với người ở trên tàu vũ trụ
chuyển động ngược hướng ánh sáng (a) sẽ nhanh hơn vận tốc của
ánh sáng đối với người trong con tàu chuyển động cùng hướng
với ánh sáng (b).

(Hình 1.2)
Người ta không thấy sự khác biệt về vận tốc ánh sáng theo các
hướng trong mặt phẳng quỹ đạo của trái đất và hướng vuông góc
với mặt phẳng quỹ đạo đó.
Và một loạt các thí nghiệm để chứng minh điều đó đã thất bại.
Albert Michelson và Edward Morley của trường khoa học ứng
dụng ở Cleveland, bang Ohio đã thực hiện các thí nghiệm cẩn
thận và chính xác nhất vào năm 1887. Họ so sánh tốc độ ánh sáng
của hai chùm sáng vuông góc với nhau. Vì trái đất tự quay quanh
mình và quay quanh mặt trời nên dụng cụ thí nghiệm sẽ di chuyển
trong ê-te với tốc độ và hướng thay đổi. Nhưng Michelson và
Morley cho thấy rằng không có sự khác biệt giữa hai chùm sáng

đó. Hình như là ánh sáng truyền với tốc độ như nhau đối với
người quan sát, không phụ thuộc vào tốc độ và hướng của người
chuyển động. (hình 1.3)

(Hình 1.3)
ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG
Trong giao thoa kế Michenson-Morley, ánh sáng từ nguồn sáng
được tách thành hai chùm bằng một gương bán mạ. Hai chùm
sáng đi theo hai hướng vuông góc với nhau sau đó lại kết hợp
thành một chùm sáng sau khi đập vào gương bán mạ một lần nữa.
Sự sai khác về tốc độ ánh sáng của hai chùm sáng đi theo hai
hướng có thể làm cho các đỉnh sóng của chùm sáng này trùng với
đáy sóng của chùm sáng kia và chúng triệt tiêu nhau.

Hình phải: sơ đồ thí nghiệm được vẽ lại từ sơ đồ được in trên
tạp chí Scientific American năm 1887.
Dựa trên thí nghiệm Michelson-Morley, một nhà vật lý người
Ai-len tên là George Fitzgerald và nhà vật lý người Hà Lan tên là
Hendrik Lorentz giả thiết rằng các vật thể chuyển động trong ê-te
sẽ co lại và thời gian sẽ bị chậm đi. Sự co và sự chậm lại của
đồng hồ làm cho tất cả mọi người sẽ đo được một tốc độ ánh sáng
như nhau không phụ thuộc vào việc họ chuyển động như thế nào
đối với ê-te (George Fitzgerald và Hendrik Lorentz vẫn coi ê-te là
một loại vật chất có thực). Tuy vậy, năm 1905, Eistein đã viết một
bài báo chỉ ra rằng nếu người ta không thể biết được người ta
chuyển động trong không gian hay không thì khái niệm ê-te
không còn cần thiết nữa. Thay vào đó, ông bắt đầu bằng một giả
thuyết rằng các định luật khoa học xuất hiện như nhau đối với tất
cả những người quan sát chuyển động tự do. Đặc biệt là họ sẽ đo
được tốc độ ánh sánh như nhau không phụ thuộc vào tốc độ
chuyển động của họ. Tốc độ của ánh sáng độc lập với chuyển
động của người quan sát và như nhau theo tất cả các hướng.

Ý tưởng này đòi hỏi phải từ bỏ ý nghĩ cho rằng tồn tại một đại
lượng phổ quát được gọi là thời gian có thể đo được bằng tất cả
các đồng hồ. Thay vào đó, mỗi người có một thời gian riêng của
họ. Thời gian của hai người sẽ giống nhau nếu hai người đó đứng
yên tương đối với nhau, nhưng thời gian sẽ khác nhau nếu hai
người đó chuyển động tương đối với nhau.
Giả thuyết này được khẳng định bằng rất nhiều thí nghiệm,
trong đó có một thí nghiệm gồm hai đồng hồ chính xác bay theo
hướng ngược nhau vòng quanh trái đất và quay lại cho thấy thời
gian có sai lệch chút ít. Giả thuyết gợi ý rằng nếu ai đó muốn
sống lâu hơn thì người đó nên bay về hướng đông vì như thế thì
tốc độ của trái đất sẽ bổ sung vào tốc độ của máy bay. Tuy vậy
các bữa ăn trên máy bay sẽ rút ngắn cuộc sống của bạn nhiều hơn
nhiều lần một phần nhỏ của giây mà bạn có được.

(Hình 1.4)
Một phiên bản về nghịch lý anh em sinh đôi (hình 1.5) đã được
kiểm tra bằng thực nghiệm từ hai chiếc đồng hồ chính xác bay
ngược chiều nhau vòng quanh Trái Đất.
Khi chúng gặp nhau thì đồng hồ bay về hướng đông đã ghi lại
thời gian ngắn hơn chút ít.

(Hình 1.5)
NGHỊCH LÝ ANH EM SINH ĐÔI
Trong thuyết tương đối, mỗi người quan sát sẽ đo thời gian khác
nhau. Điều này có thể dẫn đến nghịch lý anh em sinh đôi (twin
paradox).
Một người trong cặp anh em sinh đôi (a) trong một phi thuyền
thám hiểm không gian chuyển động với vận tốc gần bằng vận tốc
ánh sáng (c) trong khi người anh em của anh ta (b) vẫn trên mặt
đất.
Vì thời gian của (a) trong phi thuyền chậm hơn thời gian của (b)
trên trái đất. Nên khi người (a) trở về (a2) anh ta sẽ thấy người

anh em của anh ta trên trái đất (b2) già hơn anh ta.
Mặc dù nó có vẻ chống lại cảm nhận chung của chúng ta, rất
nhiều thí nghiệm chứng minh trong kịch bản này, người du hành
vũ trụ sẽ trẻ hơn người còn lại.

(Hình 1.6)
Một phi thuyền đi ngang qua trái đất từ trái sang phải với vận
tốc bằng bốn phần năm vận tốc ánh sáng. Một xung ánh sáng
phát ra từ cabin và phản xạ lại ở đầu kia (a).
Người trên trái đất nhìn ánh sáng trên phi thuyền. Vì phi thuyền
chuyển động nên hai người sẽ quan sát khoảng cách mà ánh sáng
đã đi được khi phản xạ lại không bằng nhau (b).
Và với họ thời gian mà ánh sáng dùng để truyền cũng không
bằng nhau, vì theo giả thuyết của Einstein, tốc độ ánh sáng là
như nhau đối với tất cả các người quan sát chuyển động tự do.
Giả thuyết của Einstein cho rằng các định luật khoa học xuất
hiện như nhau đối với tất cả các người quan sát chuyển động tự
do là cơ sở của thuyết tương đối. Gọi như vậy vì nó ngụ ý rằng

chỉ có chuyển động tương đối là quan trọng. Vẻ đẹp và sự đơn
giản của giả thuyết này đã thuyết phục rất nhiều các nhà tư tưởng,
tuy nhiên, vẫn có rất nhiều các ý kiến trái ngược. Einstein đã vứt
bỏ hai khái niệm tuyệt đối của khoa học thế kỷ 19: đứng yên tuyệt
đối - đại diện là ê-te và thời gian tuyệt đối và phổ quát mà tất cả
các đồng hồ đo được. Rất nhiều người thấy rằng đây là một khái
niệm không bình thường. Họ hỏi, giả thuyết ngụ ý rằng tất cả mọi
thứ đều tương đối, rằng không có một tiêu chuẩn đạo đức tuyệt
đối? Sự bứt rứt này tiếp diễn trong suốt những năm 20 và 30 của
thế kỷ 20. Khi Einstein được trao giải Nobel vào năm 1921 về
một công trình kém quan trọng hơn cũng được ông cho ra đời vào
năm 1905. Lúc đó, thuyết tương đối không được nhắc đến vì nó
vẫn còn gây nhiều tranh cãi (đến bây giờ tôi vẫn nhận được vài ba
bức thư hàng tuần nói rằng Einstein đã sai). Tuy vậy, hiện nay,
các nhà vật lý hoàn toàn chấp nhận thuyết tương đối, và các tiên
đoán của nó đã được kiểm chứng trong vô vàn ứng dụng.

(Hình 1.7)
Một hệ quả quan trọng của thuyết tương đối là hệ thức giữa khối
lượng và năng lượng. Giả thiết của Einstein về tốc độ của ánh
sáng là như nhau đối với tất cả các người quan sát ngụ ý rằng
không có gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng. Nếu ta dùng
năng lượng để gia tốc một vật nào đó, dù là một hạt hay một tàu
vũ trụ, thì khối lượng của vật đó sẽ gia tăng cùng với tốc độ và do
đó sẽ khó có thể gia tốc thêm được nữa. Ta không thể gia tốc một
hạt đến tốc độ ánh sáng vì ta cần một năng lượng lớn vô cùng để
làm điều đó. Khối lượng và năng lượng là tương đương và điều
đó được tổng kết trong một phương trình nổi tiếng E = mc2 (hình

1.7). Có lẽ đây là phương trình vật lý duy nhất mà chúng ta có thể
nhìn thấy nó được viết trên đường phố. Một trong số các hệ quả
của phương trình trên là hạt nhân của nguyên tử Uranium phân rã
thành 2 hạt nhân nhỏ hơn có tổng khối lượng nhỏ hơn khối lượng
của hạt nhân ban đầu, việc này sẽ giải tỏa một năng lượng vô
cùng lớn. (hình 1.8)

(Hình 1.8)
NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN
Hạt nhân được tạo thành từ proton và neutron liên kết với nhau
nhờ lực hạt nhân mạnh. Nhưng khối lượng của hạt nhân luôn nhỏ
hơn tổng khối lượng của các proton và neutron riêng lẻ tạo nên
chúng. Sự khác nhau chính là một phép đo năng lượng liên kết
hạt nhân mà giữ hạt nhân lại với nhau.
Năng lượng liên kết này có thể được tính từ hệ thức Einstein:
năng lượng liên kết hạt nhân = ∆mc2 trong đó ∆m là sự khác
nhau giữa khối lượng hạt nhân và tổng các thành phần.

Nó giải thoát một lượng năng lượng đủ để tạo nên một sức công
phá khổng lồ.
Vào năm 1939, khi mà khả năng một cuộc chiến tranh thế giới
nữa đang lờ mờ xuất hiện, một nhóm các nhà khoa học đã nhận ra
tầm quan trọng và đã thuyết phục Einstein vượt qua sự lưỡng lự
của bản thân để điền tên của ông vào một bức thư gửi Tổng thống
Roosevelt nhằm thúc giục Hoa Kỳ khởi động chương trình nghiên
cứu hạt nhân.

Bức thư tiên đoán của Einstein gửi tổng thống Roosevelt năm
1939:
“Trong thời gian bốn tháng qua, thông qua các công trình của
Joliot ở Pháp cũng như Fermi và Szilard ở Hoa Kỳ, chúng ta có
thể xây dựng một phản ứng hạt nhân với một khối lượng lớn
Uranium, nhờ đó mà sinh ra một nguồn năng lượng lớn. Bây giờ,
chúng ta có thể làm điều này trong một tương lai gần.
Mặc dù chưa chắc chắn, nhưng hiện tượng mới này có khả năng
dẫn đến việc tạo ra các quả bom có sức công phá cực lớn.”

Việc này dẫn đến dự án Manhattan và kết quả của nó là 2 quả
bom nguyên tử được ném xuống Hiroshima và Nagasaki vào năm
1945. Một số người đã đổ tội cho Einstein về bom nguyên tử bởi
vì ông đã khám phá ra mối liên hệ giữa khối lượng và năng
lượng; nhưng điều này giống như là đổ tội cho Newton đã gây ra
các vụ tai nạn máy bay vì đã phát hiện ra định luật hấp dẫn.
Sau các bài báo gây chấn động vào năm 1905, Einstein trở lên
nổi tiến trên thế giới. Nhưng đến tận năm 1909 ông mới được mời
vào làm việc tại trường đại học Zurich và do đó, ông có thể từ bỏ
công việc ở văn phòng sáng chế Thụy Sỹ. Hai năm sau ông
chuyển sang đại học Đức ở Prague, nhưng ông quay trở lại Zurich
vào năm 1912, nhưng lần này ông về trường Bách khoa liên bang.
Mặc dù chủ nghĩa chống bài Do thái (anti-semitism) đang phổ
biến ở châu Âu, ngay cả ở trong các trường đại học, nhưng ông
vẫn là một tài sản quý của trường đại học. Có nhiều đề nghị làm
việc đến từ Vienna và Utrecht, nhưng ông đã chấp nhận một vị trí
ở Viện hàn lâm khoa học Prussian ở Berlin vì ở đó ông không

phải đảm nhiệm công việc giảng dạy. Ông chuyển đến Berlin vào
tháng 4 năm 1914 và sau đó ít lâu vợ và hai con của ông cũng
chuyển đến đó với ông. Cuộc hôn nhân của ông gặp nhiều sóng
gió, do vậy, vợ và các con ông nhanh chóng trở lại Zurich. Mặc
dầu thỉnh thoảng ông vẫn trở lại thăm họ nhưng cuối cùng cuộc
hôn nhân của họ cũng tan vỡ. Sau đó Einstein lấy một người em
họ tên là Elsa sống ở Berlin. Trong những năm chiến tranh ông đã
sống độc thân và không có ràng buộc về gia đình, có lẽ chính vì
thế đây là thời kỳ thăng hoa nhất của ông về mặt khoa học.
Mặc dầu thuyết tương đối rất phù hợp với các định luật điện và
từ nhưng nó lại không tích hợp với định luật hấp dẫn của Newton.
Định luật của Newton nói rằng nếu một lượng vật chất trong một
vùng của không gian bị thay đổi thì trường hấp dẫn mà nó tạo ra
trong toàn vũ trụ cũng thay đổi ngay lập tức. Điều này có nghĩa là
người ta có thể gửi các tín hiệu nhanh hơn ánh sáng (mâu thuẫn
với thuyết tương đối); để hiểu tức thời có nghĩa là gì, người ta lại
cần đến khái niệm thời gian tuyệt đối và phổ quát, chính điều này
lại loại bỏ thời gian cá nhân.
Năm 1907, Einstein nhận ra khó khăn này khi ông còn làm việc
ở văn phòng sáng chế ở Bern, nhưng phải đến khi ông ở Prague
vào năm 1911 ông mới suy nghĩ về vấn đề này một cách nghiêm
túc. Ông nhận ra rằng có một mối liên hệ mật thiết giữa gia tốc và
trường hấp dẫn. Một người nào đó ở trong một cái hộp đóng kín
như là trong một cái thang máy chẳng hạn không thể nhận biết
được cái hộp đó đang đứng yên trong trường hấp dẫn của trái đất
hay đang bị gia tốc bởi một tên lửa trong không gian (tất nhiên
lúc này là trước kỷ nguyên của Star Trek, và Einstein nghĩ về
những người đứng trong thang máy hơn là về những con tàu vũ
trụ). Nhưng người ta không thể gia tốc hoặc rơi tự do lâu được
trong cái thang máy trước khi tai nạn xảy ra! (hình 1.9)

(Hình 1.9)
Một người quan sát đứng trong một cái hộp không thể nhận ra
sự khác nhau khi đứng trong một chiếc thang máy tĩnh trên trái
đất (a) hoặc bị gia tốc bởi một tên lửa trong không gian tự do (b).
Nếu người ta tắt động cơ của tên lửa (c) cảm giác sẽ giống như
trong một chiếc thang máy rơi tự do xuống đất.
Nếu trái đất phẳng thì ta có thể nói rằng quả táo rơi xuống đầu
Newton là do hấp dẫn hoặc Newton và bề mặt trái đất bị gia tốc
lên trên, hai cách nói trên là tương đương (hình 1.10). Sự tương
ứng giữa gia tốc và hấp dẫn không sẽ còn đúng khi trái đất là hình
cầu, tuy vậy - người ở mặt kia trái đất có thể bị gia tốc theo các
chiều ngược lại nhưng vẫn đứng ở những khoảng cách không đổi
với nhau. (hình 1.11)

Nhưng khi ông quay lại Zurich vào năm 1912, ông đã có một
bước đột phá khi nhận ra rằng sự tương ứng đó là đúng nếu hình
dáng của không thời gian bị bẻ cong chứ không thẳng như người
ta vẫn nghĩ cho tới thời điểm đấy. Ý tưởng của ông là khối lượng
và năng lượng đã làm cong không thời gian theo một cách có thể
xác định được. Các vật thể như là quả táo hoặc là hành tinh sẽ cố
gắng chuyển động thẳng trong không thời gian, nhưng quỹ đạo
của chúng sẽ bị bẻ cong bởi một trường hấp dẫn do không thời
gian bị cong. (hình 1.12)

(Hình 1.12)
ĐỘ CONG CỦA KHÔNG THỜI GIAN
Gia tốc và hấp dẫn chỉ có thể tương đương với nhau nếu một vật
thể có khối lượng lớn bẻ cong không thời gian, do đó bẻ cong cả
lộ trình của các vật thể xung quanh nó.
Nếu trái đất phẳng (hình 1.10) thì người ta có thể giải thích
bằng một trong hai cách tương đương sau: quả táo rơi xuống đầu
Newton do lực hấp dẫn hoặc do Newton gia tốc lên phía trên. Sự
tương đương này không còn đúng khi trái đất hình cầu (hình
1.11) vì những người ở mặt kia của trái đất sẽ rời xa nhau.
Einstein đã giải quyết bài toán này bằng việc giả thiết không gian
và thời gian bị cong.
Với sự giúp đỡ của Marcel Grossmann, Einstein nghiên cứu lý
thuyết không gian và mặt phẳng cong do George Friedrich
Riemann phát triển trước đó. Tuy vậy, Riemann nghĩ rằng chỉ có
không gian bị bẻ cong. Điều đó làm cho Einstein nghĩ rằng không
thời gian cũng bị bẻ cong. Einstein và Grossmann đã viết chung
một bài báo vào năm 1913, trong đó họ đã đẩy ý tưởng mà chúng
ta nghĩ về lực hấp dẫn chỉ là những biểu hiện của sự cong của
không thời gian. Tuy vậy, vì một sai lầm do Einstein gây ra
(Einstein cũng rất con người và có thể nhầm lẫn), họ không thể

tìm ra các phương trình liên hệ độ cong của không gian với khối
lượng và năng lượng trong đó. Einstein vẫn tiếp tục nghiên cứu
vấn đề này ở Berlin, không bị ảnh hưởng bởi các vấn đề gia đình
và chủ yếu là không bị ảnh hưởng bởi chiến tranh, cho đến khi
ông tìm thấy các phương trình đó vào tháng 11 năm 1915. Ông đã
trao đổi các ý tưởng của ông với nhà toán học David Hilbert trong
chuyến thăm trường đại học Gottingen vào mùa hè năm 1915, và
Hilbert cũng tìm ra các phương trình tương tự một cách độc lập
trước Einstein vài ngày. Tuy nhiên, ngay cả bản thân Hilbert cũng
thừa nhận, tác quyền của lý thuyết mới là thuộc về Einstein. Ý
tưởng liên hệ hấp dẫn với độ cong của không thời gian chính là
của ông. Đây cũng là một lời khen cho nước Đức vào thời điểm
đó khi các cuộc trao đổi và thảo luận khoa học có thể diễn ra mà
không bị ảnh hưởng bởi chiến tranh. Điều này hoàn toàn trái
ngược với kỷ nguyên Đức quốc xã (Nazi) 20 năm sau đó.
Lý thuyết mới về sự cong của không thời gian được gọi là
thuyết tương đối rộng để phân biệt với lý thuyết ban đầu không có
lực hấp dẫn được mọi người biết đến với cái tên là thuyết tương
đối hẹp. Lý thuyết này được khẳng định trong một thí nghiệm rất
ấn tượng vào năm 1919, trong một cuộc thám hiểm của các nhà
khoa học người Anh về phía Tây châu Phi đã quan sát được độ
lệch rất nhỏ của ánh sáng đến từ một ngôi sao đi gần mặt trời
trong quá trình nhật thực (hình 1.13). Đây là một bằng chứng trực
tiếp cho thấy rằng không thời gian bị bẻ cong, và nó đã khích lệ
sự thay đổi lớn nhất của con người trong nhận thức của chúng ta
về vũ trụ mà chúng ta đang sống từ khi Euclid viết cuốn sách
Hình học cơ sở vào khoảng 300 năm trước Công nguyên.

(Hình 1.13)
ÁNH SÁNG BỊ BẺ CONG
Ánh sáng từ các ngôi sao đi đến gần mặt trời lệch hướng do khối
lượng của mặt trời làm cong không thời gian (a). Điều này làm
dịch chuyển vị trí biểu kiến của ngôi sao khi nhìn từ trái đất (b).
Hiện tượng này có thể quan sát khi nhật thực.
Thuyết tương đối rộng của Einstein đã biến không thời gian từ
vai trò là một khung nền thụ động trong đó các hiện tượng xảy ra
trở thành một tác nhân chủ động trong chuyển động của vũ trụ.
Điều đó dẫn tới một bài toán rất lớn và là mối quan tâm hàng đầu
của vật lý ở thế kỷ 20. Vũ trụ tràn đầy vật chất và vật chất bẻ
cong không thời gian theo một cách làm cho các vật thể rơi vào
nhau. Einstein thấy rằng các phương trình của ông không có
nghiệm mô tả một vũ trụ tĩnh tại và không thay đổi theo thời gian.

Thay vì việc từ bỏ một vũ trụ vĩnh cửu mà ông và phần lớn những
người khác tin, ông đã thêm vào một số hạng gọi là hằng số vũ trụ
một cách khiên cưỡng. Hằng số này làm cong không thời gian
theo hướng ngược lại, do đó các vật thể sẽ chuyển động ra xa
nhau. Hiệu ứng đẩy của hằng số vũ trụ có thể cân bằng với hiệu
ứng hút của vật chất, cho phép ông thu được một vũ trụ tĩnh tại.
Đây là một trong những cơ may bị mất đáng tiếc nhất trong vật lý
thuyết. Nếu Einstein dừng lại ở các phương trình ban đầu của
ông, ông có thể tiên đoán rằng vũ trụ sẽ giãn nở hoặc co lại. Khả
năng vũ trụ thay đổi theo thời gian chỉ được xem xét một cách
nghiêm túc cho đến khi có được những quan sát thu được từ kính
thiên văn 2,5 m đặt trên đỉnh Wilson vào những năm 1920.
Những quan sát này cho thấy rằng các thiên hà ở càng xa nhau
thì chuyển động ra xa nhau càng nhanh. Vũ trụ đang giãn nở với
khoảng cách giữa 2 thiên hà tăng dần theo thời gian (hình 1.14).
Phát hiện này đã loại bỏ sự có mặt của hằng số vũ trụ để có được
một vũ trụ tĩnh. Sau này Einstein nói rằng hằng số vũ trụ là sai
lầm lớn nhất của đời ông. Tuy vậy, ngày nay, người ta thấy rằng
hằng số vũ trụ hoàn toàn không phải là một sai lầm: những quan
sát gần đây sẽ được mô tả trong chương 3 gợi ý rằng thực ra là có
một hằng số vũ trụ rất nhỏ.

(Hình 1.14)
Quan sát về các thiên hà chỉ ra rằng vũ trụ đang giãn nở:
khoảng cách giữa hầu hết các cặp thiên hà đang gia tăng.

Thuyết tương đối rộng đã thay đổi hoàn toàn việc bàn luận
nguồn gốc và số phận của vũ trụ. Một vũ trụ tĩnh tại có thể tồn tại
mãi mãi hoặc có thể được tạo ra với hình dạng hiện nay của nó tại
một thời điểm trong quá khứ. Tuy vậy, nếu bây giờ các thiên hà
đang rời xa nhau, điều đó có nghĩa là trong quá khứ chúng đã
từng rất gần nhau. Khoảng 15 tỷ năm trước đây, chúng đã từng
chập lại với nhau và mật độ rất lớn. Trạng thái này được một linh
mục Công giáo tên là Georges Lemaitre, người đầu tiên nghiên
cứu về nguồn gốc của vũ trụ gọi là “nguyên tử nguyên thủy” mà
ngày nay chúng ta gọi là vụ nổ lớn.

Kính viễn vọng 100-inch tại đài quan sát Mount Wilson.
Dường như Einstein chưa bao giờ nghiên cứu vụ nổ lớn một
cách nghiêm túc. Rõ ràng là ông nghĩ rằng mô hình đơn giản về
vũ trụ giãn nở đồng nhất sẽ không đúng nếu người ta theo dõi
chuyển động của các thiên hà trong quá khứ và rằng các vận tốc
biên của các thiên hà có thể làm cho chúng không chạm vào nhau.
Ông nghĩ rằng trước đó vũ trụ ở pha co lại và trượt qua nhau để
chuyển sang pha dãn nở hiện nay với một mật độ trung bình. Tuy
vậy, bây giờ chúng ta biết rằng để cho các phản ứng hạt nhân ở
trong vũ trụ ban đầu tạo ra một lượng lớn các nguyên tố nhẹ mà
chúng ta quan sát được xung quanh, thì mật độ cần phải lớn hơn
0.64 tấn/cm3 và nhiệt độ...