Cuộc chiến lỗ đen

Tai Lieu Chat Luong




Chủ biên: PHẠM VĂN THIỀU


NGUYỄN VĂN LIỄN



VŨ CÔNG LẬP

THE BLACK HOLE WAR.
Copyright © 2006 by Spin Networks, Ltd.
All rights reserved.
Bản tiếng Việt © Nhà xuất bản Trẻ, 2010
BIỂU GHI BIÊN MỤC TRƯỚC XUẤT BẢN ĐƯỢC THỰC HIỆN BỞI THƯ VIỆN KHTH TP.HCM

Susskind, Leonard
Cuộc chiến lỗ đen / Leonard Susskind ; ng.d. Phạm Văn Thiều, Phạm Thu Hằng. - T.P. Hồ Chí Minh : Trẻ, 2010.
530 tr. ; 21 cm. - (Khoa học và khám phá).
Nguyên bản : The black hole war.
1. Hawking, S. W.(Stephen W.). 2. Thuyết lượng tử. 3. Lý thuyết tương đối tổng quát (Vật lý). 4. Lỗ đen (Thiên văn học).
Không gian và thời gian. I. Phạm Văn Thiều d. II. Phạm Thu Hằng d. III. Ts: The black hole war.
530.12 — dc 22
S964

5.

Điều gì đã thổi lửa vào các phương trình
và làm cho chúng có thể mơ tả được vũ trụ?
Stephen Hawking



MỤC LỤC
Mở đầu

9
Phần I
TÍCH BÃO

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

Phát súng đầu tiên
Sao tối
Khơng phải hình học thời ơng nội bạn
“Einstein, đừng có bảo Chúa phải làm gì”
Planck đã phát minh ra cái thước cịn tốt hơn
Trong một quán bar ở Broadway
Năng lượng và entropy
Bạn có thể nhét bao nhiêu thơng tin vào một lỗ đen
Ánh sáng đen

24
34
62
94
134
141
152
172
189

Phần II
CUỘC TẤN CÔNG BẤT NGỜ
10. Stephen đã để mất các bit của mình và khơng biết
phải tìm chúng ở đâu

214
11. Sự chống trả của người Hà Lan
231
12. Ai quan tâm chứ?
239
13. Sự bế tắc
253
14. Vụ đụng độ ở Aspen
270

7
MỞ ĐẦU


Phần III
PHẢN CÔNG
15.
16.
17.
18.






Cuộc chiến ở santa barbara
Khoan đã! Hãy đảo ngược lại sự thay đổi nhận thức
Ahab ở Cambridge
Thế giới là bức toàn ảnh

278
315
322
344

Phần IV
KẾT THÚC CUỘC ĐẤU
19. Vũ khí suy luận ra hàng loạt
364
20. Máy bay của Alice, hay cánh quạt nhìn thấy được cuối cùng

417
21. Đếm lỗ đen
430
22. Nam Mỹ đã thắng trong cuộc chiến
465
23. Vật lý hạt nhân ư? Anh không đùa đấy chứ!
492
24. Sự khiêm nhường
505


Vĩ thanh

516



Thuật ngữ

523

8
CUỘC CHIẾN LỖ ĐEN


MỞ ĐẦU

Có thật nhiều thứ để tìm hiểu, nhưng cũng thật ít thứ
đã được hiểu một cách thấu đáo.
Robert A. Heinlein
NGƯỜI LẠ TRONG VÙNG ĐẤT LẠ

Ở ĐÂU ĐÓ TRÊN ĐỒNG CỎ ĐƠNG PHI, một con sư tử già đang rình

bữa tối mong đợi của nó. Nó ưa những con mồi già và chậm chạp
hơn, nhưng con linh dương non tơ và khỏe mạnh là lựa chọn duy
nhất của nó lúc này. Đôi mắt cảnh giác ở hai bên đầu của con mồi
thật lý tưởng để quét khắp xung quanh nhằm phát hiện những
con thú ăn thịt nguy hiểm. Đôi mắt con thú săn mồi nhìn thẳng ra
phía trước, thật hồn hảo để khóa chặt nạn nhân trong tầm nhìn
và ước lượng khoảng cách.
Lúc này, cặp mắt quét một góc rộng của con linh dương không
phát hiện ra con sư tử và nó thong thả đi vào vùng nguy hiểm. Hai
chân sau mạnh mẽ của con sư tử bật mạnh đẩy nó về phía con mồi
đang hoảng loạn. Và thế là cuộc đua vô tận lại bắt đầu.
Mặc dù đã nặng nề bởi tuổi tác, con mèo lớn này vẫn là một
kẻ chạy nước rút vượt trội. Ban đầu, khoảng cách chỉ là rất nhỏ,
nhưng các cơ co giãn nhanh đầy dũng mãnh của con sư tử dần dẫn

9
MỞ ĐẦU


đến sự mất ôxi. Sức chịu đựng tự nhiên của con linh dương nhanh
chóng thắng thế, và tại thời điểm nào đó thì vận tốc tương đối của
con sư tử và con mồi đảo chiều; khoảng cách sít sao lại được nới
rộng ra. Cái khoảnh khắc mà nó cảm nhận được sự đảo chiều này
của số phận, cũng là lúc Chúa rừng xanh hiểu rằng mình đã thất
bại. Nó bèn lẩn trở lại vào một bụi cây thấp.
Năm mươi ngàn năm trước, một người thợ săn mệt mỏi đã phát
hiện ra một cái hang mà lối vào bị lấp bởi một tảng đá: quả là một
nơi an toàn để nghỉ ngơi nếu anh ta dời được chướng ngại vật nặng
đó đi. Khơng giống như tổ tiên mình là lồi khỉ, người thợ săn đã
có dáng đi thẳng. Trong tư thế đó, anh ta đẩy mạnh tảng đá nhưng
chẳng ăn thua gì. Để có góc đẩy tốt hơn, anh ta đặt chân mình cách
xa tảng đá hơn. Và khi cơ thể anh ta gần như nằm ngang, lực tác
động bây giờ có thành phần theo hướng đúng lớn hơn nhiều so
với khi ở tư thế đứng thẳng. Và tảng đá đã nhúc nhích.
Khoảng cách? Vận tốc? Đổi chiều? Góc đẩy? Lực? Thành phần?
Những tính tốn phức tạp tới mức khó lịng tin nổi nào đã diễn ra
trong bộ não còn hồn nhiên của người thợ săn, chứ đừng nói gì
đến con sư tử? Đó là những khái niệm có tính kỹ thuật mà người
ta thường gặp lần đầu tiên trong các cuốn sách giáo khoa vật lý ở
trường đại học. Vậy thì làm thế nào mà con sư tử biết được cách
ước lượng không chỉ vận tốc của con mồi, mà quan trọng hơn, là
cả vận tốc tương đối nữa? Phải chăng người thợ săn đã theo học
một giáo trình vật lý để biết được khái niệm về lực? Và cả lượng
giác để biết tìm sin và cos phục vụ cho việc tính tốn các thành

phần của lực?
Sự thực, tất nhiên là tất cả những cơ thể sống phức tạp đều sẵn
có những khái niệm vật lý bản năng được “thiết đặt” như phần
10
CUỘC CHIẾN LỖ ĐEN


cứng cố định trong hệ thần kinh nhờ quá trình tiến hóa1. Nếu
thiếu những phần mềm vật lý được lập trình sẵn này, thì khơng
thể nào có thể sống sót được. Sự đột biến và chọn lọc tự nhiên đã
biến tất cả chúng ta, và ngay cả động vật, đều trở thành các nhà
vật lý. Ở con người, kích thước lớn của não đã cho phép những
bản năng này tiến hóa thành các khái niệm mà chúng ta mang ở
cấp độ ý thức.

Tự thay đổi hình mẫu nhận thức
Trong thực tế, tất cả chúng ta đều là những nhà vật lý cổ điển2.
Chúng ta cảm nhận được lực, vận tốc và gia tốc ở cấp độ bản năng.
Trong tiểu thuyết giả tưởng Người lạ trong một vùng đất lạ (1961),
Robert Heinlein đã phát minh ra một từ để biểu đạt sự hiểu biết
trực giác sâu xa và gần như là bản năng về một hiện tượng: đó là
từ grok. Tơi grok được lực, vận tốc và gia tốc. Tôi grok được không
gian ba chiều. Tôi grok được thời gian và ký hiệu của số 5 trên mặt
con xúc xắc . Các quỹ đạo của một viên đá hay một mũi lao đều
có thể grok được. Nhưng nhận thức sẵn có và bản năng của tôi
lại thất bại khi tôi thử áp dụng nó vào khơng thời gian 10 chiều,
hoặc con số 101000, hoặc thậm chí cịn tệ hơn với thế giới của các
electron và Nguyên lý bất định của Heisenberg.
1

Không ai thực sự biết bao nhiêu khái niệm đã sẵn có và bao nhiêu được học từ
khi mới ra đời, song sự khác biệt đó ở đây khơng quan trọng. Vấn đề là theo thời
gian, hệ thần kinh của chúng ta trưởng thành lên, có kinh nghiệm, loại cá nhân
hay tiến hóa, đều mang lại cho chúng ta nhiều hiểu biết bản năng về sự vận hành
của thế giới vật chất. Dù là cài đặt sẵn hay học hỏi được ở độ tuổi cịn rất trẻ, thì
những kiến thức đó cũng rất khó có thể phai mờ.

2

Từ cổ điển chỉ vật lý học không bao hàm Cơ học lượng tử.
11
MỞ ĐẦU


Vào đầu thế kỷ 20, cảm nhận trực giác đã hoàn toàn thất bại;
vật lý học bất ngờ bị lúng túng trước các hiện tượng hồn tồn
khác thường. Ơng nội của tôi mới 10 tuổi khi Albert Michelson
và Edward Morley khám phá ra rằng chuyển động theo quỹ đạo
của Trái Đất trong môi trường ête giả định là không thể phát hiện
được1. Electron vẫn chưa được biết đến cho tới khi ông tôi 20 tuổi;
ông 30 tuổi vào năm Albert Einstein công bố Thuyết tương đối hẹp,
và ông ở tuổi trung niên khi Heisenberg phát minh ra Nguyên lý
bất định. Khơng có cách nào để áp lực tiến hóa có thể tạo ra được
sự nhận thức một cách bản năng về những thế giới hồn tồn
khác biệt đó. Nhưng có điều gì đó trong hệ thần kinh của chúng
ta, ít nhất là ở một số trong chúng ta, đã được chuẩn bị sẵn cho
một sự thay đổi nhận thức tuyệt vời, cho phép chúng ta không chỉ
biết đặt câu hỏi về những hiện tượng còn mù mờ này mà còn đưa
ra được những khái niệm toán học trừu tượng – những khái niệm
mới, hoàn toàn phi trực giác – để xử lý và giải thích chúng.

Tốc độ đã đặt ra yêu cầu đầu tiên phải thay đổi nhận thức –
tốc độ nhanh đến mức nó gần như sánh bằng vận tốc của một tia
sáng. Trước thế kỷ 20, không động vật nào di chuyển nhanh hơn
100 dặm một giờ, và ngay cả ngày nay, ánh sáng truyền đi nhanh
tới mức mà đối với tất cả, trừ các mục đích khoa học, nó dường
như chẳng có truyền đi gì hết: nó xuất hiện ngay tức thời khi ánh
sáng được bật lên. Lồi người ban đầu khơng có nhu cầu phải
được “lắp sẵn” những nhận thức tương thích với tốc độ siêu cao
như tốc độ ánh sáng.
1

Thí nghiệm nổi tiếng của Michelson và Morley lần đầu tiên cho thấy vận tốc ánh
sáng không phụ thuộc vào chuyển động của Trái Đất. Nó dẫn đến những nghịch
lý mà cuối cùng Einstein đã giải quyết được trong Thuyết tương đối hẹp của ông.
12
CUỘC CHIẾN LỖ ĐEN


Việc thay đổi nhận thức do tốc độ đã xảy đến một cách đột ngột.
Einstein không phải là một đột biến; ông đã phải vật lộn với sự mù mờ
này cả chục năm để thay thế hệ thống Newton cũ. Nhưng đối với các
nhà vật lý thời đó thì dường như, trong số họ, phải tự phát xuất hiện
một loại người mới – những người có khả năng nhìn thế giới không
phải qua không gian ba chiều, mà là qua không-thời gian bốn chiều.
Einstein đã phải vật lộn thêm một thập kỷ nữa – lần này theo
quan điểm đơn thuần của các nhà vật lý – là để thống nhất cái mà
ông gọi là Thuyết tương đối hẹp với Thuyết hấp dẫn của Newton.
Kết quả của nó – Thuyết tương đối rộng – đã làm thay đổi một cách
sâu sắc tất cả các quan niệm truyền thống về hình học. Khơng-thời
gian trở nên mềm dẻo, có thể uốn cong hoặc cuộn lại. Nó trơng

giống như một tấm cao su căng bị một vật nặng đè lên. Trước đó,
khơng-thời gian là bị động và các tính chất hình học của nó đều là
cố định. Theo Thuyết tương đối rộng thì khơng-thời gian lại như
một người chơi chủ động: nó có thể bị biến dạng bởi các vật thể
nặng như các hành tinh, các ngơi sao, nhưng lại khơng thể nào
hình dung được – mặc dù khơng phải vì thiếu tốn học hỗ trợ.
Vào năm 1900, năm năm trước khi Einstein bước lên sân khấu,
một sự thay đổi hình mẫu tư duy còn kỳ quặc hơn nhiều đã diễn ra
cùng với việc khám phá ra ánh sáng được tạo bởi các hạt được gọi
là photon, hay đơi khi cịn gọi là lượng tử ánh sáng. Thuyết photon1
ánh sáng chỉ là một dấu hiệu báo trước một cuộc cách mạng sắp
diễn ra; sự rèn luyện trí tuệ bây giờ cịn trừu tượng hơn bất kỳ thứ
gì được chứng kiến từ trước đến nay. Cơ học lượng tử còn hơn cả
một định luật mới của tự nhiên. Nó liên quan đến việc thay đổi các
1

Thuật ngữ photon bắt đầu được sử dụng vào năm 1926, do nhà hóa học Gilbert
Lewis đặt ra.
13
MỞ ĐẦU


quy tắc của logic cổ điển, những quy tắc thông thường của tư duy
mà mọi người có đầu óc tỉnh táo bình thường đều sử dụng để đưa
ra các suy luận. Nó dường như cịn thật điên rồ. Nhưng dù có điên
rồ hay khơng thì các nhà vật lý vẫn có thể thay đổi được nhận thức
của mình theo logic mới gọi là logic lượng tử. Trong Chương 4, tôi
sẽ giải thích mọi điều bạn cần biết về Cơ học lượng tử. Hãy chuẩn
bị để cho nó làm cho bạn phải hoang mang. Ai cũng đều thế cả.
Thuyết tương đối và Cơ học lượng tử ngay từ đầu đã là hai kẻ

đồng hành bất đắc dĩ. Ngay khi chúng bị buộc phải làm đám cưới,
thì bạo lực đã nổ ra – toán học ở đây đã đẻ ra những đại lượng vơ
hạn khơng kiểm sốt nổi cho mọi câu hỏi mà một nhà vật lý có thể
đặt ra. Phải mất nửa thế kỷ thì Cơ học lượng tử và Thuyết tương
đối hẹp mới cơm lành canh ngọt với nhau. Vào đầu những năm
1950, Richard Feynman, Julian Schwinger, Sin-Itiro Tomanaga, và
Freeman Dyson1 đã đặt nền móng cho sự kết hợp của Thuyết tương
đối hẹp và Cơ học lượng tử, cái được gọi là Lý thuyết trường lượng
tử. Song Thuyết tương đối rộng (sự kết hợp giữa Thuyết tương đối
hẹp của Einstein và Thuyết hấp dẫn của Newton) và Cơ học lượng tử
thì vẫn khơng thể dung hịa được với nhau, mặc dù đã có rất nhiều
cơng sức được bỏ ra. Feynman, Steven Weinberg, Bryce DeWitt, và
John Wheeler đều đã cố gắng “lượng tử hóa” các phương trình hấp
dẫn của Einstein, song tất cả đều dẫn đến những kết quả vô giá
trị. Có lẽ điều đó cũng khơng có gì phải ngạc nhiên. Cơ học lượng
tử chi phối thế giới của những vật thể rất nhẹ. Ngược lại, hấp dẫn
dường như chỉ ảnh hưởng đối với những khối vật chất rất nặng. Sẽ
là an tồn khi giả định rằng khơng có gì là đủ nhẹ để Cơ học lượng
1

Năm 1965, Schwinger và Tomanaga đã nhận được giải Nobel cho các nghiên cứu
của họ. Song trong cách tư duy hiện đại về Lý thuyết trường lượng tử cũng có
nhiều cơng của Dyson cũng như những người khác.
14
CUỘC CHIẾN LỖ ĐEN


tử là quan trọng đồng thời lại đủ nặng để hấp dẫn cũng có ảnh
hưởng. Do đó, nhiều nhà vật lý trong suốt nửa sau thế kỷ 20 đã coi
việc theo đuổi một lý thuyết thống nhất vô nghĩa như thế là khơng

đáng, nó chỉ thích hợp với những kẻ lập dị và các triết gia mà thôi.
Nhưng những người khác thì lại coi đây là một quan điểm thiển
cận. Đối với họ, ý tưởng cho rằng hai lý thuyết về tự nhiên khơng
tương thích với nhau – thậm chí trái ngược nhau – là điều không thể
dung thứ nổi về mặt trí tuệ. Họ tin rằng hấp dẫn hầu như chắc chắn
cũng đóng một vai trị nào đó trong việc quyết định các tính chất của
những viên gạch nhỏ bé nhất cấu tạo nên vật chất. Vấn đề là các nhà
vật lý chưa thăm dò tới mức đủ sâu. Thực sự thì họ đã đúng: khi đi
xuống tới tận đáy của thế giới, nơi mà những khoảng cách là cực nhỏ
không thể quan sát được một cách trực tiếp, thì những vật thể nhỏ
nhất của tự nhiên lại tác động những lực hấp dẫn mạnh lên nhau.
Ngày nay nhiều người tin rằng hấp dẫn và Cơ học lượng tử
sẽ đóng vai trị quan trọng ngang nhau trong việc quyết định
đến các định luật của các hạt cơ bản. Nhưng kích thước của các
viên gạch cơ bản của tự nhiên nhỏ đến mức khó có thể tưởng
tượng nổi, nên sẽ chẳng có ai ngạc nhiên nếu như cần phải có
một sự thay đổi nhận thức triệt để mới hiểu được chúng. Nhận
thức mới này, dù là gì đi nữa, sẽ được gọi là hấp dẫn lượng tử,
song ngay cả khi cịn chưa biết dạng chi tiết của nó ra sao, chúng
ta vẫn có thể nói một cách an tồn rằng hình mẫu tư duy mới
này sẽ gắn với những quan niệm rất lạ lẫm về khơng gian và thời
gian. Tính hiện thực khách quan của vị trí khơng gian và của các
thời điểm sẽ trở nên lỗi thời giống như tính đồng thời1, như quyết
1

Một trong những điều đầu tiên đi cùng với cuộc cách mạng tương đối vào năm
1905 là ý tưởng cho rằng hai sự kiện có thể xảy ra đồng thời một cách khách quan.
15
MỞ ĐẦU

định luận1 và như loài chim cưu đã tuyệt chủng vậy. Hấp dẫn
lượng tử mô tả một thực tại mang tính chủ quan hơn nhiều so
với chúng ta tưởng. Như chúng ta sẽ thấy ở Chương 18, đó là một
thực tại mà, trên nhiều phương diện, giống như những ảo ảnh
ba chiều ma quái được tạo bởi một bức ảnh toàn ký (hologram).
Các nhà vật lý lý thuyết đang nỗ lực để giành được chỗ đứng
vững chắc trong một vùng đất lạ. Giống như trong quá khứ, những
thí nghiệm tưởng tượng đã soi rọi nhiều nghịch lý và mâu thuẫn
giữa các nguyên lý cơ bản. Cuốn sách này viết về một cuộc đấu trí
chỉ về một thí nghiệm tưởng tượng. Năm 1976, Stephen Hawking
đã tưởng tượng ném một mẩu thông tin – một quyển sách, một
chiếc máy tính, hay thậm chí một hạt cơ bản – vào một lỗ đen.
Hawking tin rằng lỗ đen là những cái bẫy tối hậu và mẩu thơng tin
đó sẽ bị biến mất vĩnh viễn, khơng bao giờ có thể truy xuất lại được
đối với thế giới bên ngồi. Nhận xét có vẻ ngây thơ này lại hầu như
không phải ngây thơ như ta tưởng; nó đe dọa sẽ làm nổ tung và lật
nhào tồn bộ tịa nhà vật lý học hiện đại. Có điều gì đó khủng khiếp
như một cơn sốc; định luật cơ bản nhất của tự nhiên – sự bảo tồn
thơng tin – đã bị đe dọa nghiêm trọng. Đối với những ai lưu tâm thì
hoặc là Hawking sai hoặc là trung tâm ba trăm năm tuổi của vật lý
học đã không cịn đứng vững nữa.
Lúc đầu rất ít người quan tâm đến vấn đề này. Trong gần hai
thập kỷ, sự tranh cãi diễn ra âm ỉ. Nhà vật lý vĩ đại người Hà Lan
Gerard’t Hooft và tôi là một đội quân gồm hai người ở một bên
chiến tuyến. Còn Stephen Hawking và một nhóm nhỏ các nhà
1

Quyết định luận là một ngun lý mà theo nó tương lai hồn tồn được quyết định
bởi quá khứ. Theo Cơ học lượng tử, các định luật vật lý có tính chất thống kê và

khơng gì có thể tiên đốn được một cách chắc chắn.
16
CUỘC CHIẾN LỖ ĐEN


nghiên cứu thuyết tương đối thì ở chiến tuyến đối nghịch. Phải
đến đầu những năm 1990, hầu hết các nhà vật lý lý thuyết – đặc
biệt là những nhà lý thuyết dây – mới bừng tỉnh trước sự đe dọa
mà Hawking đặt ra, và sau đó họ hầu hết đều cho rằng nhận xét
đó là sai. Dù sao thì cũng sai trong một khoảng thời gian.
Cuộc chiến lỗ đen thực sự là một cuộc tranh luận khoa học –
nó khơng có gì giống với những cuộc tranh luận giả hiệu về thiết
kế trí tuệ, hay sự tồn tại của sự nóng lên tồn cầu. Những tranh
luận giả hiệu kiểu đó, được những nhà vận động chính trị bày
đặt ra để làm mụ mị công chúng ngây thơ, chứ chẳng hề phản
ánh bất kỳ một sự khác biệt thực sự nào về mặt khoa học. Ngược
lại, sự phân định trong vấn đề lỗ đen là rất hiện thực. Những nhà
vật lý lý thuyết kiệt xuất vốn khơng bao giờ nhất trí với chuyện
tin những nguyên lý nào và vứt bỏ những nguyên lý nào của vật
lý. Liệu họ theo Hawking, với quan điểm bảo thủ về không-thời
gian, hay là theo ‘t Hooft và tôi, với quan điểm bảo thủ của chúng
tôi về Cơ học lượng tử? Mọi quan điểm dường như đều chỉ dẫn
tới nghịch lý và mâu thuẫn. Hoặc không-thời gian – cái sân khấu
nơi các định luật của tự nhiên trình diễn – khơng thể là những gì
mà chúng ta vẫn nghĩ, hoặc các nguyên lý thiêng liêng về entropy
và thơng tin là sai. Hàng triệu năm tiến hóa về nhận thức và mấy
trăm năm kinh nghiệm của vật lý học một lần nữa lại đùa cợt
chúng ta và chúng ta tự cảm thấy mình cần phải có những thay
đổi về nhận thức.
Cuộc chiến lỗ đen là sự ca tụng trí tuệ lồi người và khả năng

tuyệt vời của nó trong việc khám phá các định luật của tự nhiên.
Đó là sự lý giải về một thế giới ở quá xa các giác quan của chúng
ta, còn xa hơn cả Cơ học lượng tử và Thuyết tương đối. Hấp dẫn
17
MỞ ĐẦU


lượng tử xem xét các đối tượng nhỏ hơn hàng trăm tỉ tỉ lần so với
một prôton. Chúng ta chưa bao giờ từng trực tiếp tiếp xúc với
những vật nhỏ đến như vậy và có thể sẽ khơng bao giờ, nhưng sự
khéo léo của loài người sẽ cho phép chúng ta suy luận ra sự tồn tại
của chúng, và thật đáng kinh ngạc, cổng vào thế giới đó lại chính
là những vật thể với kích thước và khối lượng cực lớn: các lỗ đen.
Cuộc chiến lỗ đen cũng là một cuốn biên niên sử về một khám
phá. Nguyên lý toàn ảnh là một trong những khái niệm trừu tượng
và phi trực giác nhất trong tồn bộ vật lý học. Đó là sự tích tụ của
hơn hai thập kỷ đấu trí về số phận của thông tin khi bị rơi vào một
lỗ đen. Đó khơng phải là một cuộc chiến tranh giữa các đối thủ
hung hãn, mà thực sự ở đây tất cả những người tham chiến chủ
yếu đều là bạn bè. Song đó là một cuộc chiến ác liệt về những ý
tưởng giữa những người tôn trọng nhau một cách rất sâu sắc nhưng
cũng bất đồng với nhau không kém phần sâu sắc.
Có một quan niệm phổ biến cần phải được xóa bỏ. Hình ảnh
chung mà cơng chúng thường hình dung về các nhà vật lý, đặc
biệt là các nhà vật lý lý thuyết, đó là những người trơng vụng về,
hẹp hịi, những người chỉ quan tâm đến người ngồi hành tinh,
không phải con người và hết sức tẻ nhạt. Khơng gì sai sự thực hơn
những điều như thế. Những nhà vật lý vĩ đại mà tôi biết, và rất
nhiều người trong số họ, là những người cực kỳ hấp dẫn với những
đam mê mãnh liệt và trí tuệ tuyệt vời. Sự phong phú về tính cách

và cách thức tư duy của họ thật vô cùng thú vị đối với tôi. Viết về
vật lý cho công chúng mà không bao hàm yếu tố con người thì đối
với tơi dường như thiếu đi điều gì đó hết sức thú vị. Trong khi viết
cuốn sách này, tôi đã cố gắng thể hiện cả khía cạnh cảm xúc của
câu chuyện cũng như khía cạnh khoa học của nó.
18
CUỘC CHIẾN LỖ ĐEN


Ghi chú về những con số rất lớn và rất bé
Xuyên suốt cuốn sách này, bạn sẽ gặp rất nhiều con số rất lớn
và rất bé. Não của con người khơng được cấu tạo để hình dung
các con số lớn hơn nhiều so với 100 hoặc nhỏ hơn nhiều so với
1/100, song chúng ta có thể tự rèn luyện để hình dung được tốt
hơn. Chẳng hạn, khi đã rất quen xử lý các con số, tơi có thể hình
dung ra con số lớn hơn hoặc nhỏ hơn 1 triệu, nhưng sự khác biệt
giữa một ngàn tỉ và một nghìn triệu triệu thì vượt xa khả năng
hình dung của tơi. Rất nhiều con số trong cuốn sách này vượt xa
hàng ngàn tỉ và nghìn triệu triệu. Làm thế nào để chúng ta có thể
nắm bắt được chúng? Câu trả lời liên quan đến một trong những
kỳ công thay đổi nhận thức vĩ đại nhất mọi thời đại: sự phát minh
ra số mũ và ký hiệu khoa học.
Hãy bắt đầu với một con số tương đối lớn. Dân số trên Trái đất
vào khoảng 6 tỉ người. Một tỉ là 10 nhân với chính nó 9 lần. Nó
cũng có thể được biểu thị bằng số 1 với 9 số 0 đằng sau.
Một tỉ = 10 × 10 × 10 × 10 × 10 × 10 × 10 × 10 × 10 = 1.000.000.000

Một ký hiệu tắt cho 10 nhân với chính nó 9 lần là 109, hay đọc
là mười lũy thừa 9. Vì vậy, dân số Trái đất có thể được biểu thị một
cách ngắn gọn bằng đẳng thức dưới đây:

6 tỉ = 6 × 109.
Trong trường hợp này, 9 được gọi là số mũ.
Còn đây là một con số lớn hơn nhiều: tổng số prôton và nơtron
trên Trái đất. Số prôton và nơtron trên Trái đất (xấp xỉ) bằng
5 × 1051
19
MỞ ĐẦU


Con số này rõ ràng lớn hơn rất nhiều so với dân số trên Trái
đất. Nhưng lớn hơn nhiều chừng nào? 10 lũy thừa 51 là một tích
có 51 thừa số 10, mà 1 tỉ thì chỉ có 9 thừa số như vậy. Do đó, so
với 109, 1051 có nhiều hơn 42 thừa số 10. Điều này làm cho số các
hạt tạo nên hạt nhân trên Trái đất gấp khoảng 1042 lần so với dân
số. (Hãy lưu ý là tôi đã bỏ qua các nhân tử 5 và 6 ở các phương
trình trên. Nhưng 5 và 6 khơng hơn kém nhau nhiều, vì vậy nếu
bạn chỉ muốn có một “đánh giá về bậc độ lớn” thơi, thì bạn có
thể bỏ qua chúng).
Hãy lấy hai con số thực sự lớn khác. Tổng số các electron trong
phần vũ trụ nhìn thấy được bằng kính viễn vọng mạnh nhất là
khoảng 1080. Tổng số photon1 là khoảng 1090. Giờ thì 1090 có vẻ như
khơng lớn hơn nhiều lắm so với 1080, nhưng thực tế không phải
như vậy: 1090 lớn hơn gấp 1010 lần và 10.000.000.000 là một con số
rất lớn. Trong thực tế 1080 và 1081 trông gần như nhau, song con số
thứ hai lớn hơn con số thứ nhất 10 lần. Vì vậy một sự thay đổi nhỏ
ở số mũ có nghĩa là một sự thay đổi lớn ở con số mà nó biểu thị.
Bây giờ chúng ta hãy xét đến các số rất nhỏ. Kích thước của
một nguyên tử là vào khoảng 1 phần 10 tỉ mét. Nếu ký hiệu ở dạng
thập phân thì:
Kích thước của ngun tử = 0,0000000001 mét.

Lưu ý là số 1 ở vị trí thập phân thứ 10. Ký hiệu khoa học cho 1
phần 10 tỉ liên quan đến số mũ âm, tức là -10.
0,0000000001 = 10-10
1

Đừng nên nhầm lẫn phôton với prôton. Phôton là các hạt ánh sáng, cịn prơton cùng
với nơtron tạo nên hạt nhân nguyên tử.
20
CUỘC CHIẾN LỖ ĐEN


Con số với số mũ âm là rất nhỏ và con số với số mũ dương là
rất lớn.
Hãy xét một số nhỏ hơn nữa. Các hạt cơ bản, như electron chẳng
hạn, rất nhẹ so với các vật thông thường. Một kilơgam bằng khối
lượng của 1 lít nước. Khối lượng của một electron nhỏ hơn rất
nhiều. Trong thực tế, khối lượng một electron khoảng 9 × 10-31kg.
Cuối cùng, phép nhân và phép chia sẽ là rất đơn giản khi sử
dụng ký hiệu lũy thừa. Tất cả những gì bạn phải làm là cộng hoặc
trừ các số mũ. Dưới đây là một số ví dụ.
1051 = 1042 × 109
1081 : 1080 = 10
10-31 × 109 = 10-22
Số mũ không chỉ là cách ngắn gọn duy nhất được sử dụng để
biểu thị các số vơ cùng lớn. Một vài con số như vậy cịn có tên riêng.
Ví dụ, một googol là 10100 (1 với 100 số 0 đằng sau) và một googolplex
là 10googol (1 tiếp sau là một googol số 0), một số cực kỳ lớn.
Với những kiến thức cơ bản này, giờ ta hãy chuyển sang thế
giới phần nào đó ít trừu tượng hơn – ở đây là San Fracisco ba năm
thuộc nhiệm kỳ đầu tiên của Tổng thống Ronald Reagan – cuộc

chiến tranh lạnh đang ở đỉnh điểm của nó và một cuộc chiến tranh
mới sắp sửa bắt đầu.

21
MỞ ĐẦU



PHẦN I

Tích bão
Lịch sử sẽ đối xử tốt với tơi, vì tơi có ý định viết nên nó
Winston Churchill1

Tiêu đề của Phần I và Phần IV trong cuốn sách này được vay mượn từ tên Tập 1
và Tập 4 của cuốn hồi ký Lịch sử Chiến tranh Thế giới thứ II của Thủ tướng Anh
Churchill.

1