[Ebook] Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn - Stephen Hawking

Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn là quyển sách cuối cùng của nhà vật lí danh tiếng Stephen Hawking. Quyển sách là bộ sưu tập các bài viết của ông phúc đáp những câu hỏi lớn mà ông nhận được từ các độc giả. Quyển sách gồm 10 chương, được xuất bản sau khi ông qua đời.

Mời các bạn tải về tại địa chỉ:

http://thuvienvatly.com/download/49559

LỜI GIỚI THIỆU

  - GS Kip S. Thorne

Lần đầu tôi gặp Stephen Hawking vào tháng Bảy 1965 tại London, Anh Quốc, tại một Hội nghị về Thuyết Tương đối Rộng và Lực hấp dẫn. Lúc ấy Stephen đang làm nghiên cứu sinh tại Đại học Cambridge; tôi thì mới làm xong luận án tại Đại học Princeton. Tin đồn xôn xao quanh hội trường hội nghị rằng Stephen đã nghĩ ra một lập luận thuyết phục rằng vũ trụ của chúng ta phải ra đời vào một thời điểm hữu hạn nào đó trong quá khứ. Nó không thể xưa vô cùng tận được.

Vì thế, cùng với chừng 100 người, tôi nhét mình vào một căn phòng được thiết kế cho bốn chục người ngồi, nghe Stephen nói. Anh ta đi phải chống gậy và giọng nói của anh ta có chút líu nhíu, dẫu thế anh ta chỉ mới biểu hiện những dấu hiệu khiêm tốn nhất của chứng liệt thần kinh vận động mà anh ta được chẩn đoán hai năm trước đó. Đầu óc của anh rõ ràng không bị ảnh hưởng gì. Lập luận trong sáng của anh ta dựa trên các phương trình thuyết tương đối rộng Einstein, và dựa trên quan sát của các nhà thiên văn rằng vũ trụ đang giãn nở, và dựa trên một vài giả thuyết đơn giản trông rất có khả năng là đúng, và nó sử dụng một số kĩ thuật toán học mới mà Roger Penrose vừa mới nghĩ ra. Kết hợp toàn bộ những thông tin này theo những cách khéo léo, mạnh mẽ và đầy thuyết phục, Stephen luận ra kết quả của anh: vũ trụ phải ra đời ở một dạng đơn trạng thái nào đó, đâu đó chừng mười tỉ năm trước. (Trong thập niên tiếp theo, Stephen và Roger, hợp sức với nhau, sẽ tiếp tục chứng minh, còn thuyết phục hơn nữa, rằng đây là sự ra đời của thời gian, và còn chứng minh thuyết phục hơn nữa rằng lõi của mỗi lỗ đen là nơi cư trú của một kì dị tại đó thời gian kết thúc.)

Tôi bước ra từ bài thuyết trình năm 1965 của Stephen với tâm trạng vô cùng ấn tượng. Không chỉ bởi lập luận và kết luận của anh ta, mà quan trọng hơn là bởi sự sâu sắc và sáng tạo của anh ta. Vì thế, tôi tìm gặp anh ta ở bên ngoài và dành cả tiếng đồng hồ trao đổi riêng với anh ta. Đó là sự khởi đầu của một tình bạn lâu dài, một tình bạn không chỉ xây dựng trên những đam mê khoa học chung, mà còn dựa trên sự cảm thông lẫn nhau, một khả năng huyền bí là những con người có thể thấu hiểu lẫn nhau. Ngay sau đó, chúng tôi dành nhiều thời gian nói về cuộc sống của chúng tôi, về tình yêu của chúng tôi, và cả chết chóc, hơn là về khoa học, mặc dù nền khoa học của chúng tôi vẫn là thứ keo hồ chính gột dính chúng tôi với nhau.

Tháng Chín 1973, tôi đi chung với Stephen cùng vợ của ông, Jane, đến Moscow, Nga. Bất chấp Chiến tranh Lạnh khốc liệt, chúng tôi vẫn dành chừng một tháng lưu lại Moscow trong mỗi năm kể từ 1968, hợp tác nghiên cứu với các thành viên thuộc một đội dưới trướng Yakov Borisovich Zel’dovich. Zel’dovich là một nhà thiên văn vật lí xuất sắc, và cũng là cha đẻ của bom khinh khí Liên Xô. Do nắm giữ các bí mật hạt nhân, nên ông bị cấm đi Tây Âu hoặc Mĩ. Ông rất muốn trao đổi với Stephen; ông không thể đến chỗ Stephen; vì thế chúng tôi đến gặp ông.

Ở Moscow, Stephen đã gây bất ngờ cho Zel’dovich và hàng trăm nhà khoa học khác với những cái nhìn sâu sắc của ông, và đáp lại Stephen đã học được một đôi điều từ Zel’dovich. Đáng nhớ nhất là một buổi chiều Stephen và tôi cùng Zel’dovich với cậu nghiên cứu sinh của ông, Alexei Starobinsky, ngồi trong phòng Stephen tại khách sạn Rossiya. Zel’dovich giải thích theo cách trực giác một khám phá nổi bật mà họ vừa thực hiện, còn Starobinsky giải thích nó bằng toán học.

Để làm cho lỗ đen quay tròn cần có năng lượng. Chúng tôi đã biết điều đó. Một lỗ đen, họ giải thích, có thể dùng năng lượng spin của nó để tạo ra các hạt, và các hạt đó sẽ bay ra xa mang theo năng lượng spin cùng với chúng. Đây là cái mới và bất ngờ – song không bất ngờ kinh lắm. Khi một vật có năng lượng chuyển động, thiên nhiên thường tìm ra cách trích xuất nó. Chúng tôi đã biết những cách khác trích xuất năng lượng spin của lỗ đen; đây chỉ là một cách mới, mặc dù hơi bất ngờ.

Bấy giờ, giá trị to lớn của những cuộc nói chuyện như vậy là chúng có thể kích hoạt những hướng suy nghĩ mới. Và điều đó đúng với Stephen. Ông đã nghiền ngẫm khám phá của Zel’dovich/Starobinsky trong vài tháng, ban đầu nhìn nó theo một chiều hướng rồi lại nhìn theo hướng khác, cho đến một ngày thì nó kích hoạt một nhận thức thật sự mới triệt để trong đầu óc Stephen: sau khi một lỗ đen ngừng quay, lỗ đen ấy vẫn có thể phát ra các hạt. Nó có thể bức xạ – và nó phát bức xạ như thể lỗ đen ấy là nóng, tựa như Mặt Trời, mặc dù không nóng lắm, chỉ hơi âm ấm thôi. Lỗ đen càng đồ sộ, thì năng lượng của nó càng thấp. Một lỗ đen cân nặng bằng Mặt Trời có nhiệt độ 0,00000006 Kelvin, bằng 0,06 phần triệu của một độ trên không độ tuyệt đối. Công thức tính nhiệt độ này bây giờ được khắc trên bia mộ Stephen ở Tu viện Westminster, nơi tro cốt của ông được đặt nằm giữa Isaac Newton và Charles Darwin.

“Nhiệt độ Hawking” này của một lỗ đen và “bức xạ Hawking” của nó (như chúng được gọi) là mới triệt để – có lẽ đó là khám phá vật lí lí thuyết mới triệt để nhất trong nửa sau thế kỉ hai mươi. Chúng đã khai nhãn cho chúng ta trước những kết nối nổi bật giữa thuyết tương đối rộng (các lỗ đen), nhiệt động lực học (vật lí nhiệt) và vật lí lượng tử (sự ra đời các hạt tại nơi trước đó chẳng có gì). Ví dụ, chúng đưa Stephen đến chỗ chứng minh rằng lỗ đen có entropy, nghĩa là đâu đó bên trong hay xung quanh lỗ đen có sự ngẫu nhiên vô cùng. Ông suy luận rằng lượng entropy (logarithm của lượng ngẫu nhiên của lỗ đen) tỉ lệ với diện tích bề mặt của lỗ đen. Công thức của ông cho entropy lỗ đen được khắc trên bia tưởng niệm Stephen tại Gonville and Cauis College ở Cambridge, nơi ông từng làm việc.

Trong bốn mươi lăm năm qua, Stephen và hàng trăm nhà vật lí khác đã vật vã tìm hiểu bản chất đích thực của sự ngẫu nhiên của một lỗ đen. Đó là một câu hỏi vẫn tiếp tục tạo ra những nhận thức mới về sự se duyên giữa thuyết lượng tử với thuyết tương đối rộng – nghĩa là, về các định luật được hiểu biết nghèo nàn về lực hấp dẫn lượng tử.

Mùa thu năm 1974, Stephen mang theo các nghiên cứu sinh tiến sĩ và gia đình của ông (cô vợ Jane cùng hai con của họ, Robert và Lucy) đến Pasadena, California, trong một năm, để ông cùng các học trò có thể tham gia vào đời sống trí thức tại trường đại học của tôi, Caltech, và tạm thời hợp nhất với nhóm nghiên cứu của tôi. Đó là một năm huy hoàng, vào lúc đỉnh điểm của cái gọi là “thời kì vàng son của nghiên cứu lỗ đen”.

Trong năm ấy, Stephen cùng học trò của ông và một số học trò của tôi cật lực tìm hiểu các lỗ đen một cách sâu sắc hơn, tôi cũng tham gia đến một mức độ nào đó. Thế nhưng sự có mặt của Stephen, cùng với tài lãnh đạo của ông trong nhóm chung nghiên cứu lỗ đen của chúng tôi, đã cho tôi có tự do theo đuổi một chiều hướng mới mà tôi đã dự tính trong nhiều năm: sóng hấp dẫn.

Chỉ có hai loại sóng có thể truyền xuyên qua vũ trụ mang đến cho chúng ta thông tin về những thứ ở xa ngoài kia: sóng điện từ (bao gồm ánh sáng, tia X, tia gamma, vi sóng, sóng vô tuyến,…); và sóng hấp dẫn.

Sóng điện từ bao gồm các lực điện và lực từ đang dao động và lan truyền ở tốc độ ánh sáng. Khi chúng va đập lên các hạt tích điện, ví dụ các electron trong anten radio hay ti vi, chúng làm các hạt ấy dao động tới lui, gửi lên các hạt thông tin mà sóng đó mang theo. Thông tin đó sau đó có thể được khuếch đại rồi cho ra loa hoặc chiếu lên màn hình ti vi để con người lĩnh hội.

Theo Einstein, sóng hấp dẫn gồm một sự cong oằn không gian dao động: sự co giãn đều đặn của không gian. Vào năm 1972, Rainer (Rai) Weiss tại Viện Công nghệ Massachusetts đã phát minh ra detector sóng hấp dẫn, trong đó các gương treo trong góc và hai đầu của một ống hình chữ L bị đẩy ra theo một cạnh của chữ L do sự giãn ra của không gian, và bị đẩy về phía chân kia do sự nén của không gian. Rai đề xuất sử dụng các chùm tia laser để đo kiểu dao động của sự co giãn này. Ánh sáng laser có thể trích lấy thông tin của một sóng hấp dẫn, và tín hiệu sau đó có thể được khuếch đại và cho vào một máy tính để con người lĩnh hội.

Nghiên cứu vũ trụ với kính thiên văn điện từ (thiên văn học điện từ) đã được khởi động bởi Galileo, khi ông chế tạo một chiếc kính thiên văn quang học nhỏ, hướng nó về phía Mộc tinh và tìm thấy bốn vệ tinh lớn nhất của Mộc tinh. Trong 400 năm kể từ đó, thiên văn học điện từ đã cách mạng hóa hoàn toàn nhận thức của chúng ta về vũ trụ.

Vào năm 1972, học trò của tôi và tôi bắt đầu suy nghĩ về những điều chúng ta có thể học được về vũ trụ bằng cách sử dụng sóng hấp dẫn: chúng tôi bắt đầu phát triển một tầm nhìn cho thiên văn học sóng hấp dẫn. Vì sóng hấp dẫn là một dạng cong oằn không gian, nên chúng được tạo ra mạnh nhất bởi những vật thể mà tự thân chúng được làm bằng hoàn toàn hoặc phần nào đó bởi không-thời gian cong oằn – đặc biệt là các lỗ đen. Sóng hấp dẫn, chúng tôi kết luận, là công cụ lí tưởng để thám hiểm và kiểm tra các nhận thức của Stephen về lỗ đen.

Tổng quát hơn, dường như với chúng tôi, sóng hấp dẫn khác triệt để với sóng điện từ đến mức chúng hầu như được đảm bảo đem lại một cuộc cách mạng mới của riêng chúng trong nhận thức của chúng ta về vũ trụ, có lẽ sánh ngang với cuộc cách mạng điện từ to lớn diễn ra sau chân Galileo – nếu những con sóng khó tóm bắt kia được phát hiện và ghi nhận lại. Thế nhưng đó là một chữ nếu to đùng: chúng tôi ước tính rằng các sóng hấp dẫn nhận chìm Trái Đất yếu đến mức các gương tại hai đầu dụng cụ hình chữ L của Rai Weiss sẽ dao động tới lui chưa tới hơn 1/1000 đường kính của một proton (nghĩa là bằng 1/10.000.000 kích cỡ của một nguyên tử), cho dù khoảng cách gương là vài kilo mét. Thách thức của việc đo lấy những chuyển động tí hon như thế là rất lớn.

Vì vậy trong cái năm vàng son ấy, với nhóm nghiên cứu của Stephen và của tôi hợp nhất tại Caltech, tôi đã dành phần lớn thời gian của mình để khảo sát các triển vọng thành công của sóng hấp dẫn. Stephen cũng góp sức ở mặt này, vài năm trước đó, ông và cậu sinh viên Gary Gibbons đã thiết kế một detector sóng hấp dẫn của riêng họ (cái họ không bao giờ xây dựng).

Không bao lâu sau khi Stephen trở về Cambridge, việc thám hiểm của tôi đã đạt thành tựu với một buổi nói chuyện thâu đêm, sôi nổi, giữa Rai Weiss và tôi trong phòng khách sạn của Rai ở thủ đô Washington. Tôi bị thuyết phục rằng các triển vọng thành công là đủ lớn, rằng tôi nên dành phần lớn thời gian trong sự nghiệp của mình, và của các học trò tương lai tôi nữa, hỗ trợ Rai và các nhà thực nghiệm khác đạt tới tầm nhìn sóng hấp dẫn của chúng tôi. Và phần còn lại, như lời họ nói, là lịch sử.

Vào ngày 14 tháng Chín 2015, các detector sóng hấp dẫn (được xây dựng bởi một dự án 1.000 người do Rai và Ronald Drever đồng sáng lập, cùng Barry Barish tổ chức, thi công và chỉ đạo) đã ghi nhận được những con sóng hấp dẫn đầu tiên của chúng. Bằng cách so sánh kiểu sóng với các dự đoán do mô phỏng máy tính cung cấp, đội chúng tôi kết luận rằng các sóng ấy được sinh ra khi hai lỗ đen đồ sộ, cách Trái Đất 1,3 tỉ năm ánh sáng, va chạm nhau. Đây là sự khởi đầu của thiên văn học sóng hấp dẫn. Đội chúng tôi đã thu được, đối với sóng hấp dẫn, cái Galileo đã thu được đối với sóng điện từ.

Tôi tin chắc rằng, trong vòng thập kỉ sắp tới, thế hệ tiếp theo của các nhà thiên văn sóng hấp dẫn sẽ sử dụng các sóng này không chỉ để kiểm tra các định luật của Stephen về vật lí học lỗ đen, mà còn phát hiện và theo dõi sóng hấp dẫn đến từ sự ra đời của vũ trụ của chúng ta, và từ đó kiểm tra các ý tưởng của Stephen và của những người khác về cách vũ trụ của chúng ta đã ra đời.

Trong cái năm vàng son 1974-5 của chúng tôi, trong khi tôi đang rung động cùng sóng hấp dẫn, và Stephen chỉ đạo nhóm hợp nhất của chúng tôi trong nghiên cứu lỗ đen, chính Stephen đã có một nhận thức sâu sắc còn triệt để hơn cả khám phá của ông về bức xạ Hawking. Ông đưa ra một chứng minh thuyết phục, gần như kín kẽ rằng, khi một lỗ đen hình thành rồi sau đó bay hơi hoàn toàn do sự phát bức xạ, thông tin từng rơi vào trong lỗ đen không thể nào lấy lại được. Thông tin không thể tránh khỏi bị mất đi.

Điều này triệt để bởi vì các định luật của vật lí lượng tử khăng khăng rằng thông tin không bao giờ bị mất đi hoàn toàn. Bởi vậy, nếu Stephen đúng, thì các lỗ đen sẽ vi phạm một định luật cơ lượng tử căn bản nhất.

Làm thế nào như vậy được? Sự bay hơi của lỗ đen bị chi phối bởi các định luật kết hợp của cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng – các định luật được hiểu biết nghèo nàn về lực hấp dẫn lượng tử; và vì thế, Stephen luận giải, sự se duyên nảy lửa của thuyết tương đối với vật lí lượng tử phải dẫn tới sự phá hủy thông tin.

Phần đông các nhà vật lí lí thuyết cảm thấy kết luận này thật đáng ghét. Họ hoài nghi cao độ. Và vì thế, trong bốn mươi tư năm qua họ đã vật vã với cái gọi là nghịch lí tổn thất thông tin này. Đó là một sự vật vã đáng giá, vì nghịch lí này là một chìa khóa quyền năng để tìm hiểu các định luật hấp dẫn lượng tử. Chính Stephen, vào năm 2003, đã tìm ra một cách để thông tin có thể thoát ra trong sự bay hơi của lỗ đen, song nó không dẹp yên được cuộc đấu vật của các nhà lí thuyết. Stephen đã không chứng minh được thông tin thoát ra ngoài, vì thế mà cuộc đấu vật vẫn tiếp diễn.

Trong bài ca tụng tôi dành cho Stephen, tại lễ mai táng tro cốt của ông ở Tu viện Westminster, tôi đã nhắc lại cuộc đấu vật ấy với những lời như sau: “Newton đã cho chúng ta các câu trả lời. Hawking đặt ra cho chúng ta các câu hỏi. Và bản thân các câu hỏi của Hawking tiếp tục đem lại, tạo ra những đột phá cho hàng thập kỉ về sau. Khi nào rốt cuộc chúng ta làm chủ được các định luật hấp dẫn lượng tử, và lĩnh hội đầy đủ về sự ra đời của vũ trụ của chúng ta, thì điều đó có thể chủ yếu nhờ đứng trên vai của Hawking.”

.

Y hệt như cái năm vàng son 1974-5 của chúng tôi chỉ mới là khởi đầu cho cuộc săn lùng sóng hấp dẫn của tôi, nó cũng chỉ mới là khởi đầu cho sự truy tìm của Stephen nhằm hiểu được tường tận các định luật hấp dẫn lượng tử và những định luật đó nói gì về bản chất đích thực của thông tin và sự ngẫu nhiên của một lỗ đen, và đồng thời nói về bản chất đích thực của sự ra đời của vũ trụ, và bản chất đích thực của các kì dị bên trong các lỗ đen – bản chất đích thực của sự ra đời và cái chết của thời gian.

Đây là những câu hỏi lớn. Rất lớn.

Tôi đã né tránh những câu hỏi lớn. Tôi không có đủ các kĩ năng, sự thông thái hay lòng tự tin để công kích chúng. Stephen, trái lại, luôn luôn bị thu hút với những câu hỏi lớn, cho dù chúng có bén rễ sâu trong khoa học của ông hay là không. Ông thật sự có những kĩ năng cần thiết, sự thông thái và lòng tự tin.

Quyển sách này là tài liệu biên soạn về những giải đáp của ông cho những câu hỏi lớn, những giải đáp mà theo đó ông vẫn tiếp tục nghiên cứu cho đến lúc qua đời.

Những giải đáp của Stephe cho sáu câu hỏi đã bén rễ sâu trong khoa học của ông. (Chúa có tồn tại không? Vũ trụ đã ra đời như thế nào? Chúng ta có thể dự báo tương lai không? Cái gì ở bên trong lỗ đen? Có thể du hành thời gian không? Làm thế nào chúng ta định hình tương lai?). Ở đây bạn sẽ tìm thấy ông đang trình bày sâu sắc những vấn đề mà tôi mô tả ngắn gọn trong bài Giới thiệu này, và nhiều, nhiều vấn đề khác nữa.

Những giải đáp của ông cho bốn câu hỏi còn lại không thể bén rễ chắc chắn trong khoa học của ông. (Chúng ta sẽ sống sót trên Trái Đất không? Có sự sống thông minh khác trong vũ trụ không? Chúng ta có nên định cư không gian không? Trí tuệ nhân tạo sẽ vượt mặt chúng ta không?) Tuy nhiên, các giải đáp của ông thể hiện sự thông thái và sáng tạo sâu sắc, đúng như chúng ta kì vọng.

Tôi hi vọng bạn tìm thấy các giải đáp của ông là sáng suốt và đầy kích thích, giống như tôi cảm thấy vậy. Hãy thưởng thức nhé!

Kip S. Thorne

Tháng Bảy 2018