Bức tranh của chúng ta về vũ trụ ppt

LƯỢC SỬ THỜI GIAN - Bức tranh của
chúng ta về vũ trụ
Trong tháng 4, CLB Vật lý và Tuổi trẻ sẽ bắt đầu đăng bản dịch LƯỢC
SỬ THỜI GIAN, một tác phẩm kinh điển của ngài Hawking, được dịch bởi
dịch giả Cao Chi và Phạm Văn Thiều. Sau đây là chương Một: Bức tranh của
chúng ta về vũ trụ.
Một nhà khoa họcnổitiếng (hình như là BertrandRussell)mộtlần đọc trước
công chúng một bài giảng về Thiên văn học. Ôngđã mô tả trái đất quay quanh mặt
trời như thế nào và đếnlượtmình, mặt trời lại quayquanh tâm của mộtquầnthể
khổnglồ các vì sao - mà người ta gọi là thiên hà- ra sao. Khibài giảngkết thúc, một
bà giànhỏ bé ngồi ở cuối phòng đứng dậy và nói: “Anhnói vớichúng tôi chuyện
nhảmnhí gì vậy? Thế giới thực tế chỉ là một cáiđĩa phẳngtựa trênlưng một con
rùa khổnglồ mà thôi”. Nhà khoa học mỉm một nụ cười hạ cố trước khi trả lời:“Thế
con rùaấy tựa lên cái gì?”. “Anhthông minh lắm, anh bạn trẻ ạ, anh rấtthông
minh”, bà giànói, “nhưngnhững con rùacứ xếp chồnglên nhau mãi xuốngdưới,
chứ còn sao nữa”.
Nhiều người chắc thấy rằng bức tranh về vũ trụ của chúng ta như một cái thang vô
tận gồmnhững con rùachồng lên nhaulà chuyện khá nựccười, nhưng tại sao
chúng ta lại nghĩ rằng chúngta hiểu biết hơn bàgià nhỏ bé kia? Chúngta đã biết gì
về vũ trụ và bằngcáchnàochúngta biếtvề nó? Vũ trụ tớitừ đâuvà nó sẽ đi về đâu?
Vũ trụ có điểm bắt đầukhông vànếu có thì điều gì xảy ra trước đó? Bảnchất của
thời gian là gì? Nó cóđiểm tậncùng không? Những độtphá mới đây trong vật lý
học - mộtphần nhờ những côngnghệ mới tuyệt xảo- đã đưa racâu trả lời chomột
số câu hỏi tồn tại daidẳng từ xa xưa vừa nêu ở trên. Mộtngày nào đó, rấtcó thể
những câu trả lời này sẽ trở nên hiển nhiên đối với chúng ta như chuyệntrái đất
quay xungquanhmặt trời hoặc cũng cóthể trở nên nựccười như chuyện tháp
những con rùa. Chỉ có thời gian (dù chocó thế nào đi nữa) mới có thể phán quyết.
Từ rất xa xưa, khoảngnăm 340trước công nguyên, nhà triết học Hy LạpAristotle,
trong cuốn sách của ôngnhanđề “Về Bầu trời”, đã đưa ra hailuận chứng sáng giá
chứng minhrằngtrái đất có hìnhcầu chứ không phải làcái đĩa phẳng. Thứ nhất,
ông thấyrằnghiện tượngnguyệt thực là dotráiđất xen vào giữamặt trời vàmặt

trăng. Mà bóng của trái đất lên mặt trăng luôn luôn là tròn,điều này chỉ đúngnếu
trái đấtcó dạng cầu. Nếu trái đấtlà mộtcái đĩa phẳng thì bóngcủa nó phải dẹt như
hình elip,nếu trong thời giancó nguyệt thực mặt trời không luôn luôn ở ngay dưới
tâmcủa cái đĩa đó. Thứ hai, từ những chuyến duhành của mình,người HyLạp biết
rằng saoBắc đẩu nhìn ở phươngnam dường như thấp hơn khinhìnở những vùng
phươngbắc! (Bởi vì sao Bắc đẩunằm ngaytrên cựcbắc,nên nódường như ở ngay
trên đầu người quansát ở Bắc cực, trong khi đó đối với người quansát ở xích đạo,
nó dường như nằm ngaytrênđường chân trời).
Từ sự sai khác về vị trí biểu kiến của saoBắc đẩu ở Ai Cập sovới ở Hy Lạp,
Aristotlethậm chí còn đưa ramột đánh giá về chiều dàicon đườngvòng quanhtrái
đất là 400.000stadia. Hiện nayta không biết chính xác 1stadia dài bao nhiêu,
nhưng rất có thể nó bằng khoảng 200thước Anh (1thước Anh bằng 0,914mét).
Như vậy, ước lượng củaAristotle lớn gầngấp 2lần con số được chấp nhận hiện
nay. NhữngngườiHy Lạp thậmchí cònđưa ra một luận chứng thứ 3 chứng tỏ rằng
trái đấttròn bởi vì nếu không thì tại saokhi nhìn ra biển,cái đầu tiên màngười ta
nhìn thấy là cột buồmvà chỉ sau đó mới nhìn thấy thâncon tàu?
Aristotlenghĩ rằngtrái đất đứngyên còn mặttrời, mặttrăng, các hànhtinh và
những ngôi saochuyển động xungquanhnó theo nhữngquỹ đạo tròn. Ông tinvào
điều đó bởi vì ông cảm thấy - do nhữngnguyênnhân bí ẩn nào đó - rằng trái đất là
trung tâmcủa vũ trụ, rằng chuyển độngtròn làchuyển động hoàn thiện nhất. Ý
tưởng này đã được Ptolemypháttriển thành một mô hình vũ trụ hoànchỉnh vào
thế kỷ thứ 2 sau Côngnguyên.Theo mô hìnhnày thì trái đất đứngở tâm và bao
quanh nó là 8mặt cầutương ứngmangmặt trăng, mặt trời, các ngôisao và 5 hành
tinh đã biết vàothời gianđó: saoThủy, sao
Kim, saoHỏa, saoMộc và saoThổ (Hình 1.1).Chính các hành tinh lại phải chuyển
độngtrên nhữngvòng tròn nhỏ hơn gắn với các mặt cầu tương ứng của chúngđể
phù hợp vớiđường điquan sát được tươngđốiphức tạp của chúng trên bầu trời.
Mặtcầu ngoài cùng mangcác thiên thể được gọi là các ngôi saocố định,chúng luôn
luôn ở nhữngvị trí cố định đối với nhau,nhưng lại cùng nhauquay ngang qua bầu
trời. Bên ngoài mặt cầucuối cùngđó là cái gì thì mô hìnhđó không bao giờ nói một

cách rõràng, nhưng chắcchắnnó cho rằngđó là phần củavũ trụ mà con người
khôngthể quan sát được.
Mô hình củaPtolemy đã tạo rađược mộthệ thốngtương đối chính xác để tiên
đoán vị trícủa các thiên thể trên bầu trời. Nhưng để tiên đoán những vị trí đó một
cách hoàn toànchính xác, Ptolemyđã phải đưa ragiả thuyết rằng mặt trăng
chuyển động theo một quỹ đạo đôi khi đưa nó tớigần trái đất tới 2 lần nhỏ hơn so
với ở nhữngthời điểm khác. Ptolemyđành phải chấp nhận điểmyếu đó, nhưng
dẫu sao về đại thể, là cóthể chấp nhận được. Môhình này đã được nhà thờ Thiên
chúa giáo chuẩny như một bứctranh về vũ trụ phù hợp với Kinh Thánh, bởi vì nó
có mộtưu điểm rất lớnlà để dànhkhá nhiềuchỗ ở ngoài mặt cầucuối cùng của các
ngôi saocố định cho thiên đường và địangục.
Tuy nhiên, mộtmô hình đơngiảnhơn đã được một mụcsư ngườiBa Lan, tên là
NicholasCopernicusđề xuất vào năm 1554.(Thoạt đầu,có lẽ vì sợ nhàthờ quylà
dị giáo,Copernicusđã cho lưu hànhmô hình của mìnhnhư một tácphẩm khuyết
danh).Ý tưởng của ông làmặt trời đứngyên, còn trái đấtvà những hành tinh
chuyển động theo những quỹ đạo trònxung quanhmặt trời. Phải mất gần một thế
kỷ, ý tưởng nàymới được chấp nhậnmột cáchthực sự.Hai nhà thiên văn- một
người Đức tên là Johannes Keplervà mộtngười Italy tên là GalileoGalilei- đã bắt
đầu công khai ủnghộ học thuyếtCopernicus,mặcdù những quỹ đạo mà nótiên
đoán chưaănkhớp hoàntoàn với nhữngquỹ đạoquan sát được. Và vào năm 1609
một đònchí mạng đã giáng xuống học thuyết Aristotle- Ptolemy.Vào nămđó,
Galileo bắt đầuquan sát bầutrời bằng chiếc kínhthiênvăn của ôngvừaphát minh
ra. Khi quansát saoMộc,Galileo thấy rằng kèm theo nócòn có một số vệ tinh hay
nói cách khác là nhữngmặt trăng quayxungquanh nó. Điều nàyngụ ý rằng không
phải mọi thiênhà đều nhất thiếtphải trựctiếp quay xungquanh trái đất, như
Aristotlevà Ptolemy đã nghĩ. (Tất nhiênvẫn cóthể tin rằng trái đấtđứng yên ở
trung tâmcủa vũ trụ và các mặt trăng củasao Mộc chuyển động theo những quỹ
đạo cực kỳ phức tạp khiến ta có cảm tưởngnhư nó quay quanhsao Mộc. Tuy nhiên
học thuyết củaCopernicus đơngiản hơn nhiều).Cùng thời gian đó,Keplerđã cải
tiến học thuyết của Copernicusbằng cách đưa ragiả thuyết rằngcác hànhtinh

khôngchuyển động theođườngtròn mà theo đường elip.Và nhữngtiên đoán bấy
giờ hoàn toàn ăn khớp với quansát.
Đối với Kepler,các quỹ đạo elipđơn giản chỉ là một giả thuyết tiện lợi vàchính thế
nó càngkhó chấp nhậnbởi vì các eliprõ ràng làkém hoàn thiện hơn các vòng tròn.
Khi phát hiện thấy gần như một cách ngẫu nhiên rằngcác quỹ đạo elip rất ăn khớp
với quan sát, Keplerkhông saodung hòa được nó với ý tưởng củaông cho rằng các
hành tinhquayquanh mặt trời là docác lực từ. Điều này phải mãi tới sau này,vào
năm 1867,mớigiải thích được,khi IsaacNewton công bố tác phẩm Philosophiae
NaturalisPrincipia Mathematica(Nhữngnguyên lý toánhọccủa triếthọc tự nhiên)
của ông. Có lẽ đây là côngtrình vật lýhọc quan trọng bậc nhất đã được xuất bản từ
trướcđến nay. Trong công trìnhnày, Newton không chỉ đưa ra mộtlý thuyết môtả
sự chuyển động của các vật trong không gianvà thời gian,mà ôngcòn phát triển
mộtcôngcụ toánhọcphứctạp dùngđể phântích cácchuyển động đó.Hơnthế nữa,
Newton cònđưa ra một định luật về hấp dẫn vũ trụ mà theo đó mỗi mộtvật trong
vũ trụ đều được hút bởi mộtvật khácbằng một lực càngmạnh nếu hai vật càng
nặng và càng ở gần nhau.Chínhlực này đã buộc các vật phải rơixuống đất.(Câu
chuyện kể rằng, do cóquả táo rơi trúngđầu mà Newtonđã cảm hứng phát minh ra
định luật hấp dẫn vũ trụ chắc chắn chỉ làchuyện thêu dệt.Tất cả những điều mà
Newton nói ra chỉ là: ý tưởng về hấp dẫn đến với ông khi đang ngồi ở “trạngthái
chiêm nghiệm” và “được nảysinh bởi sự rơi của quả táo”). Newtonđã chỉ ra rằng
theo định luật củaông,lực hấpdẫn sẽ làm chomặt trăngchuyển độngtheo quỹ
đạo elipxung quanh trái đất vàcác hànhtinh chuyển độngtheo quỹ đạo elip xung
quanh mặt trời.
Mô hình Copernicusđã vứt bỏ những thiên cầu của Ptolemyvà cùng với chúngvứt
bỏ luôn ý tưởngcho rằngvũ trụ có một biên giới tự nhiên. Vì“những ngôi saocố
định” dường như không thayđổi vị trí của chúng trừ sự quayxungquanhbầu trời
do tráiđất quayxung quanhtrục của nó,nên sẽ là hoàn toàn tự nhiên nếu giả thiết
rằng các ngôi saocố địnhlà những thiên thể giống như mặt trời của chúng ta,
nhưng ở xa hơn rất nhiều. Căn cứ vào lý thuyếthấp dẫncủa mình, Newtonthấy
rằng docác ngôisao hútnhau nên về căn bản chúngkhôngthể là đứng yên được.

Vậy liệuchúngcó cùngrơi vào một điểmnào đó không? Trongbức thư viết năm
1691 gửi Richard Bentley,cũnglà mộtnhà tư tưởng lỗi lạc thời đó, Newton đã
chứng tỏ rằng điều đó thực tế có thể xảy ra nếu chỉ có mộtsố hữu hạn các ngôi sao
được phân bố trongmộtvùng hữu hạn của không gian. Nhưngmặt khác, ông cũng
chỉ ra rằng nếu có một số vô hạn các ngôi saođược phân bố tương đốiđồng đều
trong không gianvô tậnthì điều đó không thể xảy rađược, bởi vì khi đó sẽ không
có điểm nào là trung tâmđể cho chúng rơi vào. Luận chứngnày làmột ví dụ về
những cái bẫy mà ta có thể gặp khi nóivề sự vô hạn. Trongvũ trụ vô hạn, mỗi một
điểm đềucó thể được xem là mộttâm, bởimỗi mộtđiểm đều có một số vô hạncác
ngôi saoở mỗi phía củanó. Cáchtiếp cận đúng đắn - mà điều nàyphải mãi saunày
mớicó - phải làxem xétmột tìnhtrạng hữu hạntrong đó tất cả các ngôi sao sẽ rơi
vào nhauvà sau đó đặtcâu hỏi tìnhhìnhsẽ thay đổi như thế nàonếu ta thêm vào
một số ngôi saonữa được phânbố gần như đồngđều ở ngoài vùng đangxét. Theo
định luật của Newton thì về trung bình,những ngôi saomới thêmvào này cũng
hoàn toàn không làm được điều gìkhác với những ngôi saoban đầu,tức là chúng
cũng rơi nhanhnhư vậy. Chúngta có thể thêm vàobao nhiêu ngôisao tùy ý, nhưng
chúng cũngsẽ rơisập vào nhau. Bây giờ thì chúng ta hiểu rằng không thể có một
mô hình tĩnh vôhạn của vũ trụ trong đó hấp dẫn luôn là lực hút.
Đây làsự phản ánh lýthú về bầu không khítư tưởng chung của một giaiđoạn
trướcthế kỷ hai mươi, trongđó không mộtai nghĩ rằng vũ trụ đanggiãn nở hoặc
đang co lại. Mọingười đều thừanhận rằng hoặc vũ trụ tồntại vĩnh cửu trongtrạng
thái khôngthayđổi, hoặc nó được tạo raở một thời điểm hữuhạn trongquá khứ
đã gần giốngchúng ta quan sát thấy hiện nay. Điều này có thể một phần làdo thiên
hướngcủa con người muốn tin vào những sự thật vĩnhcửu cũngnhư sự tiện lợi
mà họ tìm thấy trong ý nghĩ rằngvũ trụ là vĩnh cửuvà không thayđổi, mặc dù ngay
bản thân họ cũng có thể già đi và chết.
Thậmchí ngaycả những người thấy rằng lý thuyết hấp dẫn của Newtonchứng tỏ
vũ trụ không thể là tĩnh, cũng không nghĩ tới chuyện chorằng nócó thể đang giãn
nở. Thayvì thế, họ lại có ý định cải biến lý thuyết này bằngcáchlàm cho lực hấp
dẫn trở thành lực đẩyở những khoảng cách rất lớn.Điều này không ảnh hưởng

đáng kể đến những tiên đoáncủa họ về chuyểnđộng củacác hànhtinh, nhưng lại
cho phép một sự dàn trải vô hạn của các ngôi saocòn ở trạng thái cân bằng: những
lực hútcủa cácngôi sao ở gần nhau sẽ được cânbằng bởilực đẩy từ cácngôi sao ở
rất xa.Tuy nhiên, ngàynay chúngta biết chắc chắn rằng,sự cân bằng đó là không
bền: nếu nhữngngôi sao ở một vùng nàođó chỉ cầnxích lại gần nhaumột chútlà
lực hútgiữachúng sẽ mạnh hơn và lấnát lựcđẩy, và thế là các ngôi sao sẽ tiếp tục
co lại vào nhau. Mặt khác, nếu nhữngngôi sao dịch ra xanhau một chútlà lựcđẩy
sẽ lại lấn át, và các ngôi saosẽ chuyển động ra xa nhau.
Một phản bácnữa đối vớimô hìnhvũ trụ tĩnhvô hạn thườngđượcxem là của nhà
triết họcngười Đức HeinrichOlbers, người viết về lý thuyếtnày vào năm 1823.
Thựctế thì rất nhiều người đương thờicủa Newtonđã nêu ra vấn đề này, và bài
báo của Olbersthậmchí cũng khôngphải là bàiđầu tiên chứa đựng những lý lẽ
hợp lý chốnglại nó. Tuy nhiên, đây là bài báo đầu tiênđược nhiều ngườichú ý.
Khó khăn làở chỗ trong một vũ trụ tĩnh vô hạn thìgần như mỗi một đườngngắm
đều kết thúc trên bề mặt của một ngôi sao.Như thế thì toàn bộ bầu trờisẽ phải
sáng chói như mặt trời, thậm chí cả ban đêm. Lý lẽ phản bác của Olberscho rằng
ánh sáng từ các ngôi sao xasẽ bị mờ nhạt đi do sự hấp thụ của vật chất xen giữa
các ngôisao. Tuynhiên, dù cho điều đó có xảy rađi nữa thì vật chất xengiữa cuối
cùng sẽ nóng lên, chođến khi nócũng phát sáng như những ngôi sao.Con đường
duy nhất tránhđược kết luận chorằngtoàn bộ bầu trời đêm cũng sángchói như bề
mặtcủa mặt trờilà phải giả thiết rằng, các ngôi saokhông phát sáng vĩnh viễn,mà
chỉ bật sáng ở một thời điểm hữu hạnnào đó trong quá khứ. Trong trường hợp
hợp đó, vật chấthấp thụ còn chưa thể đủ nóng, hayánh sángtừ các ngôi sao xa
chưa kịptới chúng ta.Và điều này lại đặt ra chochúng ta một câu hỏi: cái gì đã làm
cho các ngôi sao bật sáng đầu tiên?
Sự bắt đầu của vũ trụ, tất nhiên, đã được người ta thảo luận từ trước đó rất lâu.
Theo một số lý thuyếtvề vũ trụ có từ xa xưa,và theo truyềnthống của ngườiDo
Thái giáo/ Thiên Chúa giáo/Hồi giáo, thì vũ trụ bắtđầu cótừ một thời điểm hữu
hạn nhưng chưa thật quá xa trong quá khứ. Một lý lẽ chứng tỏ có sự bắt đầu đó là
cảm giác cần phải có cái “nguyên nhânđầu tiên” để giải thích sự tồntại của vũ trụ.

(Trong vũ trụ, bạn luônluôn giải thích một sự kiện như là đượcgây ra bởi một sự
kiệnkhác xảy ratrướcđó, nhưngsự tồn tại của chính bản thân vũ trụ chỉ có thể
được giải thích bằng cách đó, nếu nó có sự bắtđầu). Mộtlý lẽ nữa do St. Augustine
đưa ra trong cuốnsách của ôngnhan đề Thànhphố của Chúa. Ông chỉ rarằng, nền
văn minhcònđang tiếnbộ, và chúng ta nhớ được ai làngườiđã thựchiện kỳ công
này hoặc ai đã phát triển kỹ thuật kia. Như vậy,con người và cólẽ cả vũ trụ nữa
đều chưa thể được trải nghiệm được quálâu dài. Và đã thừa nhận ngày rađời của
vũ trụ vào khoảng5.000 năm trướcCôngnguyên, phù hợp với sách Chúa sángtạo
ra thế giới (phần Sáng thế ký củaKinh Cựuước). (Điều lý thú là thời điểmđó
khôngquá xa thời điểm kết thúc của thời kỳ băng hà cuối cùng,khoảng 10.000
năm trước Côngnguyên,thời điểm mà các nhà khảo cổ nói vớichúng ta rằngnền
văn minhmới thực bắtđầu).
Mặtkhác, Aristotle và các triết giaHy Lạp kháclại không thích ý tưởngvề sự Sáng
thế vì nó dính líu quá nhiều tớisự can thiệp của thần thánh.Do đó họ tin rằng loài
người và thế giới xung quanh đã tồn tại và sẽ còn tồn tại mãi mãi. Những người cổ
đại đã xem xétlý lẽ nêu ở trên về sự tiến bộ và họ giải đápnhư sau:đã có nhiều
nạn hồng thuỷ hoặc các tai họa khác xảyra một cách định kỳ đưa loài người tụtlại
điểm bắt đầu củanền văn minh.
Những vấn đề: vũ trụ có điểm bắt đầu trong thời gian vàcó bị giới hạn trongkhông
gian haykhông sau nàyđã đượcnhà triếthọc Immannuel Kant xemxét một cách
bao quát trong cuốn Phê phánsự suylýthuần tuý, một công trình vĩ đại(và rất tối
nghĩa) của ông,được xuất bản năm 1781.Ông gọi những câuhỏi đó là sự mâu
thuẫn của suylý thuần tuý, bởi vì ôngcảm thấy có nhữnglý lẽ với sức thuyết phục
như nhau để tin vào luậnđề cho rằng vũ trụ cóđiểm bắt đầu, cũng như vào phản
đề cho rằng vũ trụ đã tồn tại mãi mãi. Lý lẽ của ôngbênh vực luận đề là: nếu vũ trụ
khôngcó điểmbắt đầuthì trước bất kỳ một sự kiện nào cũng cómột khoảng thời
gian vôhạn, điều này ông cho là vô lý!Lý lẽ của ông bảovệ phản đề là: nếu vũ trụ
có điểm bắt đầu, thì sẽ có mộtkhoảng thời gian vôhạn trướcnó, vậy thì tại sao vũ
trụ lại bắt đầu ở một thời điểm nào đó? Sự thật thì những trường hợp ôngđưara
cho cả luận đề và phảnđề đều chỉ là một lý lẽ mà thôi.Cả haiđều dựa trênmột giả

thiết không nói rõ ra chorằngthời gianlùi vô tận về phía sau bất kể vũ trụ có tồn
tại mãi mãi hay không. Như chúng ta sẽ thấy sau này, khái niệm thờigian mất ý
nghĩa trước thời điểm bắt đầu của vũ trụ. St. Augustine làngười đầu tiên đã chỉ ra
điều đó. Khi được hỏi: Chúa đã làm gì trước khi Người sáng tạo ra thế giới? Ông
khôngđáp: Ngườiđang tạo ra Địa ngục chonhững kẻ đặt nhữngcâu hỏi như vậy.
Thay vì thế, ông nói rằng thời gian làmột tính chất củavũ trụ màChúa đã tạo ra và
thời gian không tồn tại trước khivũ trụ bắt đầu.
Khi mà số đông tin rằng vũ trụ về căn bản là tĩnhvà không thay đổi thì câu hỏi nó
có điểm bắt đầu hay không thực tế chỉ là mộtcâu hỏi của siêu hình họchoặc thần
học. Ngườita có thể viện lẽ rằng nhữngđiều quansát được đều phù hợptốt như
nhau với lý thuyết cho rằng nó bắt đầu vận động ở một thời điểm hữuhạn nàođó,
theo cách saocho dườngnhư là nó đã tồn tại mãi mãi. Nhưng vào năm 1929,
EdwinHubble đã thựchiện mộtquan sátcó tính chất là một cột mốc cho thấy dù
bạn nhìn ở đâu thì những thiên hà xa xôi cũngđang chuyển động rất nhanhra xa
chúng ta.Nói một cách khác, vũ trụ đang giãn nở ra. Điều nàycó nghĩa là,ở những
thời gian trướckia các vật gầnnhau hơn.Thực tế, dườngnhư là có mộtthời, mười
hoặc haimươingàn triệu năm về trước, tất cả chúng đều chính xác ở cùng một chỗ
và do đó mậtđộ của vũ trụ khi đó là vô hạn. Phát minhnày cuối cùng đã đưa câu
hỏi về sự bắt đầuvũ trụ vào địa hạt của khoahọc.
Những quansát của Hubble đã gợi ý rằng có một thời điểm, đượcgọi làvụ nổ lớn,
tại đó vũ trụ vô cùng nhỏ và vô cùng đặc (mật độ vô hạn).Dưới những điều kiện
như vậy, tất cả các địnhluật khoahọc và dođó mọi khả năngtiên đoántươnglai
đều không dùngđược.
Nếu cónhững sự kiện ở trước điểm đó thì chúng không thể ảnh hưởng tới những
cái đang xảy ratrong hiện tại. Dođó, sự tồn tại củachúngcó thể bỏ quabởi vì nó
khôngcó những hậu quả quansát được. Người ta cóthể nói rằng thời giancó điểm
bắt đầu ở vụ nổ lớn, theo nghĩa là những thời điểmtrướcđó không thể xác định
được. Cũng cần nhấnmạnh rằngsự bắt đầunày củathờigian rất khác với những
sự bắt đầu đã được xemxét trước đó. Trongvũ trụ tĩnhkhông thayđổi, sự bắt đầu
của thờigian là cái gì đó đượcáp đặt bởi một Đấng ở ngoài vũ trụ, chứ khôngcó

một yếu tố nào chosự bắt đầu đó cả. Người ta có thể tưởng tượngChúa tạo rathế
giới ở bất kỳ một thời điểm nàotrong quá khứ. Trái lại,nếu vũ trụ giãn nở thì có
những nguyên nhân vật lý để cần phải có sự bắt đầu. Người ta vẫncòn có thể
tưởng tượngChúa đã tạo ra thế giới ở thời điểmvụ nổ lớnhoặc thậmchí sau đó
theo cách saocho dườngnhư có vụ nổ lớn, nhưngsẽ là vô nghĩanếucho rằng vũ
trụ được tạo ratrước vụ nổ lớn. Một vũ trụ giãnnở không loại trừ Đấngsáng tạo,
nhưng nó đặt ra những hạn chế khiNgười cần thực hiện côngviệc của mình!
Để nói về bản chất của vũ trụ vàthảo luậnnhững vấn đề như: nó có điểm bắt đầu
hay kết thúc haykhông,các bạncần hiểu rõ một lý thuyết khoa học là như thế nào.
Ở đây, tôi sẽ lấy một quan niệm mộcmạc cho rằnglý thuyết chỉ là mộtmô hình về
vũ trụ, hoặc về một phầnhạn chế nào đó, của nó cùng với tập hợp nhữngquy tắc
liên hệ các đại lượng củamô hìnhvới quansát mà chúngta sẽ thực hiện. Tất nhiên
lý thuyết chỉ tồn tại trong đầu của chúngta chứ khôngcó một thực tại nào khác(dù
nó có thể có ý nghĩa gì đi nữa). Mộtlý thuyết đượcxem làtốt nếu nó thỏa mãn hai
yêu cầu: nó phải mô tả chính xác một lớprộng lớn những quan sát, trên cơ sở của
mô hình chỉ chứa một số ít những phần tử tùyý; và nó phải đưa rađược những
tiên đoán về các quan sát trong tương lai. Ví dụ,lý thuyết của Aristotle cho rằng
mọivật đều đượccấu tạo nên từ bốn yếu tố: đất, không khí, lửa và nước. Nó cóưu
điểm là khá đơn giản, nhưnglại khôngđưa ra được mộttiên đoánxác định nào.
Trongkhi đó, lý thuyếtcủa Newton về hấp dẫn dựa trênmột mô hình còn đơn giản
hơn, trongđó các vật hútnhau bởi một lực tỷ lệ với mộtđại lượngđược gọi là khối
lượng của vật,và tỷ lệ nghịch với bìnhphương khoảng cách giữachúng. Thế nhưng
nó lại tiên đoánđược những chuyển độngcủa mặt trời,mặt trăngvà các hành tinh
với một độ chính xáccao.
Bất kỳ một lýthuyết vật lý nàocũng chỉ là tạm thời, theonghĩanó chỉ là một giả
thuyết: bạn sẽ không khinào có thể chứngminh được nó. Dù cho nhữngkết quả
thực nghiệm phù hợpvới một lý thuyết vật lý baonhiêulần đi nữa, bạn cũng
khôngbao giờ đảm bảo được chắc chắn rằng kếtquả thí nghiệmlần tới sẽ không
mâu thuẫn với lýthuyết. Trongkhi đó, để bácbỏ một lý thuyết bạnchỉ cần tìm ra
một quansát không phù hợp với nhữngtiên đoán của lý thuyếtđó. Như nhà triết

học của khoa họcKarlPopper đã nhấn mạnh,một lý thuyết tốt được đặctrưng bởi
điều là:nó đưa ra đượcnhiều tiên đoán mà về nguyêntắc có thể bác bỏ bởi quan
sát. Mỗi một lần những thựcnghiệm mới còn phùhợp với nhữngtiên đoán thìlý
thuyết còn sống sót và niềm tin củachúng ta vào nó lại được tăng thêm,nhưng nếu
thậmchí chỉ có một quan sát mới tỏ ra là không phù hợp thì chúng ta cần phải vứt
bỏ hoặc phải sửađổi lý thuyết đó.Ít nhất đó là điều được xemlà sẽ xảy ra,nhưng
bạn cũng luôn luôn có thể đặt vấn đề về thẩm quyền của người thựchiện quansát
đó.
Trênthực tế, điều thường hay xảy ra là một lýthuyết mới thực rachỉ là sự mở
rộng củalý thuyết trước. Ví dụ, những quan sátrất chínhxác về hànhtinhThủy
(mà ta quen gọi sai làsao Thủy)đã cho thấysự sai khác nhỏ giữa chuyển động của
nó và những tiên đoán của lýthuyết hấp dẫn Newton.Sự thật là những tiên đoán
của Einsteinhoàn toàn ăn khớp với quansát, trongkhi nhữngtiên đoáncủa
Newton chưa đạt đượcđiều đó - là một trong nhữngkhẳng định có tính chất quyết
định đối với lý thuyết mới. Tuy nhiên, chúng ta vẫn cònthường xuyênsử dụng lý
thuyết của Newton chonhững mục đíchthực tiễn, bởi vì sự khácbiệt giữa những
tiên đoán của nó và củathuyết tương đối rộng là rấtnhỏ trong những tìnhhuống
mà chúng ta gặp thườngngày. (Lý thuyết của Newton cũngcònmột ưu điểm lớn
nữa là nó dễ sử dụng hơn lý thuyếtcủa Einsteinrất nhiều).
Mục đích tối hậu của khoahọc là tạo rađược một lý thuyết duynhất có khả năng
mô tả được toàn bộ vũ trụ. Tuy nhiên, cáchtiếp cận mà phần đông các nhà khoa
học thực sự theo đuổi là tách vấn đề này ra làm haiphần. Thứ nhất là những quy
luật chobiết vũ trụ sẽ thay đổi như thế nào theo thời gian. (Nếu chúngta biết ở
một thời điểm nào đó vũ trụ là như thế nào thì cácđịnh luật vật lýsẽ cho chúngta
biết nó sẽ ra saoở bất kỳ thời điểm nào tiếp sau).Thứ hai là vấn đề về trạngthái
ban đầu của vũ trụ. Một số người cảmthấy rằng có lẽ khoa họcchỉ nên quan tâm
tới phần thứ nhất;họ xemvấn đề về trạng thái banđầu của vũ trụ là vấn đề của
siêu hìnhhọc hoặc của tôn giáo. Họ cho rằng Chúa,Đấngtoàn năngcó thể cho vũ
trụ bắt đầu theo bất cứ cách nàomà Người muốn.Cũng có thể là như vậy, nhưng
trong trường hợp đó Người cũngcó thể làm cho vũ trụ phát triển một cách hoàn

toàntùy ý. Nhưnghóa ra Người lại chọn cách làm cho vũ trụ tiến triển một cách rất
quy củ phù hợp với mộtsố quy luật. Vì vậy cũngsẽ là hợp lý nếu giả thiết rằng
cũng có nhữngquy luật chi phốitrạngthái ban đầu.
Thựcra, rất khócó thể xây dựngđược mộtlý thuyết môtả được toàn bộ vũ trụ
trong tổng thể của nó.Thay vìthế, chúng ta phânbài toánthànhtừng phầnvà từ
đó phát minh ranhiều lý thuyết có tínhchất riêng phần. Mỗi mộtlý thuyết như thế
mô tả và tiên đoán chỉ được một lớp hạn chế những quansát, trongkhi phải bỏ
qua ảnhhưởng của nhữngđạilượng khác hoặc biểu diễn chúng bằng tậphợp đơn
giản các con số. Cũng có thể cách tiếp cận này là hoàn toàn sai lầm. Nếu mọi vật
trong vũ trụ phụ thuộc vào nhaumột cách căn bản, thì sẽ không thể tiếp cận lời
giảiđầy đủ bằngcách nghiên cứucác phần của bài toán một cách riêngrẽ, cô lập.
Tuy nhiên, đó chắc chắnlà cáchmà chúngta đã làm ra sự tiến bộ trong quá khứ.
Một ví dụ kinh điển lại là lý thuyết hấp dẫn của Newton.Lý thuyết này nói với
chúng ta rằng lựchấp dẫn giữa hai vật chỉ phụ thuộc vào một con số gắn liềnvới
mỗivật - đó là khối lượngcủa chúng, nhưnglại hoàn toàn độclập với chuyện vật
đó được làm bằng chất gì.Như vậy ngườita không cần phải có một lý thuyếtvề cấu
trúcvà thành phần của mặt trời và các hành tinhmà vẫn tính được quỹ đạo của
chúng. Ngàynay, cácnhà khoahọc mô tả vũ trụ dựa trên hailý thuyết cơ sở có tính
chất riêng phần, đó làthuyết tươngđối rộng và cơ học lượngtử. Hai lý thuyếtđó là
những thành tựu trí tuệ vĩ đại của nửa đầu thế kỷ này.Lý thuyếttương đối rộng
mô tả lực hấp dẫn và cấu trúc cực vĩ của vũ trụ, - cấu trúctừ quy mô ít dặm tới
triệutriệu triệu triệu (1và hai mươi bốn số 0 tiếp sau) dặm tức là kíchthước của
vũ trụ quan sátđược. Trái lại, cơ học lượng tử lại mô tả những hiện tượng ở phạm
vi cực nhỏ, cỡ một phầntriệu triệu của 1 inch.Tuynhiên,không may,hailý thuyết
này lại khôngtương thích với nhau- nghĩa là cả haikhôngthể đều đồng thờiđúng.
Một trong nhữngnỗ lực chủ yếu trongvậtlý học ngày nay và cũnglà đề tài chủ yếu
của cuốnsách này, đó là tìm kiếm một lýthuyết mới có thể dung nạp cả hai lý
thuyết trên - lýthuyết lượng tử của hấpdẫn. Hiện chúng ta còn chưa cómột lý
thuyết như vậyvà có thể còn lâumới cóđược, nhưng chúng ta đã biết đượcnhiều
tính chất mà lýthuyết đó cần phải có. Và như chúng ta sẽ thấy trongcác chương

sau, chúng ta cũng đã biết khá nhiều về nhữngtiên đoánmà lý thuyết lượngtử của
hấp dẫn cần phải đưa ra.
Bây giờ,nếu bạn đã tin rằng vũ trụ không phải làtùy tiệnmà đượcđiều khiển bởi
những quyluậtxác định thì điều tối hậu là cần phải kết hợp những lý thuyết riêng
phần thànhnhững lý thuyết thốngnhất hoàn chỉnhcókhả năngmô tả mọi điều
trong vũ trụ. Nhưng trong quá trìnhtìm kiếm một lý thuyết thốngnhấthoànchỉnh
như vậy, lại vấpphải mộtnghịch lý rấtcơ bản. Những ý niệm về các lý thuyết khoa
học đượcphácra ở trên xem rằng chúngta là những sinh vật có lý trí tự do quan
sát vũ trụ theo ýchúng ta và rút ra những suy diễnlogic từ những cái màchúng ta
nhìn thấy. Trongmột sơ đồ như thế, sẽ là hợp lý nếu cho rằngchúng ta có thể ngày
càng tiến gần tới các quyluật điều khiểnvũ trụ. Nhưngnếu quả thực có một lý
thuyết thốngnhất hoàn chỉnh, thì nócũngsẽ có thể quyết địnhnhững hànhđộng
của chúngta. Và như vậy tự bản thân lý thuyếtđó sẽ quyết định kết quả việc tìm
kiếmlý thuyết ấy của chúngta! Hơn nữa, tại saonó sẽ quyết địnhrằng chúng ta sẽ
đi tới nhữngkết luận đúng từ những điều quan sát được? Hay là tại saonó không
thể quyết định để chúngta rút ra nhữngkết luận sai?Hay là không có mộtkết luận
nào hết?
Câu trả lời duy nhất mà tôi có thể đưa racho vấnvấn đề này là dựa trên nguyên lý
chọn lọctự nhiên củaDarwin.Y tưởng đó như sau: trong bất cứ quần thể nào của
các cơ thể tự sinhsản, cũng đều cónhững biến đổi trongvật liệu di truyền và sự
giáo dưỡng, khiến chocó các cá thể khác nhau. Sự khác nhau đó có nghĩa là, mộtsố
cá thể có khả năng hơnnhững cá thể khác trongviệc rútra những kết luận đúng về
thế giới quanh mình và biết hànhđộngmột cách phù hợp.Những cá thể này có sức
sống và sinh sảnmạnh hơn,vàvì thế, kiểu mẫuhành vi và suy nghĩ của họ sẽ dần
chiếm ưuthế.Trong quá khứ, đúnglà những cái mà chúngta gọi làtrí tuệ vàphát
minh khoahọc đã truyền được cái lợi thế sống sót của con người. Nhưng còn chưa
rõ rànglà liệu điều đó có còn đúng trong trường hợp khimà những phátminh
khoa họccủa chúng tacó thể sẽ tiêu diệt tấtcả chúng ta vàthậm chínếu không xảy
ra điềuđó, thì một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh cũng có thể không làmkhác đi
bao nhiêu cơ hội sốngsót củachúng ta. Tuynhiên,với điều kiện vũ trụ đã tiến

triển mộtcách quy củ, chúng tacó thể hy vọng rằng những khả năng suy luận mà
sự chọn lọc tự nhiên đã cho chúng ta vẫncòn đắc dụng trong cuộc tìmkiếm một lý
thuyết thốngnhất hoàn chỉnh và sẽ không dẫnchúng ta tới những kết luậnsai lầm.
Vì những lý thuyết riêng phầnmà chúngta đã có đủ để đưa ranhữngtiên đoán về
tất cả, trừ những tìnhhuống cực đoan nhất, nên việc tìm kiếmmột lý thuyếttối
hậu về vũ trụ khó có thể biện minh trên cơ sở những ứng dụng thựctiễn. (Tuy
nhiên,cần phải thấy rằng chínhlý lẽ tương tự đã được đưa ra để chống lại thuyết
tương đối và cơ học lượng tử,thế mà chính những lý thuyết này đã manglại cho
chúng ta cả nănglượng hạt nhân lẫncuộc cáchmạng viđiện tử!). Do đó sự phát
minh ralý thuyết thốngnhất hoàn chỉnhcó thể không giúp gì cho sự sống sót của
chúng ta.Nó thậm chícũng không ảnhhưởng gì đếnlối sống của chúng ta. Nhưng
ngay từ buổi bìnhminh của nền văn minh,loài ngườiđã không bằng lòng nhìn
những sự kiện như những thứ rời rạc vàkhônggiải thíchđược. Họ đã khaokhát
hiểu biếtcái trật tự nằm sâu kín trongthế giới. Ngày hôm naychúng ta cũngvẫn
trăn trở muốnbiết tại sao chúng ta lại ở đây vàchúng ta từ đâutới. Khát vọng tri
thức,khát vọng sâu xa nhất củaloài người,đủ để biện minhcho sự tìm kiếmliên
tục củachúng ta. Và mụcđích của chúngta không gì kháchơn là sự mô tả đầy đủ
vũ trụ, nơi chúng ta đang sống.