Phỏng vấn S. Hawking.

STEPHEN HAWKING:

Tôi muốn có một ý tưởng mới có thể mở ra một lĩnh vực mới

PHI HÙNG và QUANG VINH dịch

STEPHEN HAWKING là một trong những nhà vật lý vĩ đại nhất của thế giới, nổi tiếng với các công trình về lỗ đen. Điều kiện sức khoẻ của ông chỉ cho phép ông giao tiếp nhờ những co giật ở má. Dưới đây là bài trả lời phỏng vấn của ông với New Scientist nhân dịp ông tròn 70 tuổi.

Sự phát triển gây nhiều ấn tượng nhất về vật lý trong suốt khoảng thời gian sự nghiệp của ông là gì?

Khám phá của COBE về những biến đổi nhiệt độ nhỏ của nền bức xạ viba vũ trụ và sự xác nhận sau đó được thực hiện bởi WMAP rất phù hợp với các dự đoán của giả thuyết vũ trụ lạm phát. Vệ tinh Planck có thể phát hiện ra dấu vết của các sóng hấp dẫn dự đoán bởi giả thuyết lạm phát. Đó là sự biểu hiện của hấp dẫn lượng tử được viết trên không gian.

Vệ tinh COBE và WMAP đã đo nền bức xạ viba vũ trụ (CMB), là ánh sáng còn sót lại sau vụ nổ lớn đã lan truyền khắp không gian. Nhiệt độ của nó hầu như đồng đều – chứng cứ này thúc đẩy mạnh lý thuyết lạm phát. Lý thuyết này dự đoán là vũ trụ đã trải qua một thời kỳ của sự giãn nở rất nhanh sau vụ nổ lớn làm san bằng tất cả những gì gồ ghề. Nếu lạm phát đã xảy ra, nó sẽ gửi các làn sóng qua không–thời gian, đó là sóng hấp dẫn , nguyên nhân của những biến đổi tinh vi trong nền bức xạ viba vũ trụ rất khó để phát hiện ở khoảng cách xa. Vệ tinh Planck thực hiện nhiệm vụ của Cơ quan không gian châu Âu là đo đạc độ nền bức xạ viba vũ trụ với độ chính xác lớn hơn , có thể sẽ nhìn thấy chúng dễ dàng.

Einstein đã xem hằng số vũ trụ là “sai lầm lớn nhất” của ông ấy. Còn của ông là gì?

Tôi từng nghĩ rằng thông tin bị triệt tiêu trong các hố đen. Nhưng mối tương quan giữa không gian anti-de-Sitter và Lý thuyết trường conform (AdS/CFT) làm thay đổi tư duy của tôi. Đây là sai lầm lớn nhất của tôi, hay ít nhất đó là sai lầm lớn nhất của tôi trong khoa học.

Các lỗ đen hút hết mọi thứ, bao gồm cả thông tin, nếu chúng ở phạm vi quá gần. Nhưng vào năm 1975, cùng với nhà vật lý người Israel Jakob Bekenstein, Hawking đã chỉ ra rằng các lỗ đen phát ra bức xạ một cách chậm rãi, nguyên nhân làm chúng bốc hơi và cuối cùng biến mất. Vậy, chuyện gì đã xảy ra với thông tin mà chúng nuốt chửng? Trong vài thập niên Hawking đã lý luận rằng nó đã bị phá hủy. Điều này là một thách thức đối với tư tưởng về tính liên tục và nhân quả. Tuy nhiên năm 1997, nhà lý thuyết Juan Maldacena đã phát triển ngắn gọn bằng toán học mối tương quan giữa không gian anti-de-Sitter và Lý thuyết trường conform" , viết tắt là AdS/CFT.

Để ghi dấu ngày sinh nhật của Hawking, Trung tâm lý thuyết vũ trụ học, Đại học Cambridge, đăng cai một hội nghị chuyên đề có tên là “Trạng thái của vũ trụ” vào ngày 8 tháng 1 (xem trực tuyến tại ctc.cam.ac.uk/hawking70/multimedia.html) Cuộc triễn lãm về cuộc sống và công việc của ông mở cửa tại bảo tàng khoa học, London, vào ngày 20 tháng 1.

Lý thuyết này liên kết các sự kiện trong hình học không-thời gian cong, ví như trong lỗ đen, với một vật lý đơn giản hơn tại biên của không gian. Vào năm 2004, Hawking đã sử dụng lý thuyết này để chỉ ra rằng thông tin trong hố đen rò rỉ trở lại vào vũ trụ của chúng ta thông qua các nhiễu loạn cơ học lượng tử tại biên của nó, hoặc còn gọi là đường chân trời. Việc công nhận sai sót làm Hawking chịu thua trong một lần đánh cuộc với nhà lý thuyết đồng nghiệp John Preskill một thập kỷ trước đó.

Khám phá gì có thể đóng góp nhiều nhất cho cuộc cách mạng về sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ?

Sự phát hiện các hạt siêu đối xứng tại máy gia tốc LHC (Large Hadron Collider) sẽ có thể là chứng cớ hùng hồn ủng hộ lý thuyết M?

Tìm kiếm các hạt siêu đối xứng là mục tiêu chính của LHC tại CERN. Mô hình chuẩn của vật lý hạt có thể hoàn thiện nếu tìm thấy hạt boson Higgs, và một số vấn đề có thể được giải quyết nếu tất cả các hạt cơ bản đã biết có một “siêu đối tác” nặng hơn. Dấu hiệu của siêu đối xứng có thể hỗ trợ cho lý thuyết M, phiên bản 11 chiều của lý thuyết dây. Lý thuyết dây là một nỗ lực lớn nhất và thành công nhất hiện nay trong việc tìm kiếm "lý thuyết cho mọi thứ" để thống nhất lực hấp dẫn với các lực khác trong tự nhiên.

Nếu là một nhà vật lý trẻ mới bắt đầu từ hôm nay, ông sẽ nghiên cứu về vấn đề gì?

Tôi muốn có một ý tưởng mới có thể mở ra một lĩnh vực mới. 

Ông nghĩ về cái gì nhiều nhất trong ngày? 

Về Phụ nữ. Với tôi họ luôn là bí ẩn tuyệt đối.
===================================

Vũ trụ đang giãn nở có gia tốc

Một số người cho rằng vũ trụ sẽ có chung cuộc trong lửa, một số người khác lại nói rằng trong băng. Vậy số phận của vũ trụ sẽ như thế nào? Có lẽ vũ trụ sẽ kết thúc trong băng nếu chúng ta tin vào những nhà khoa học đoạt giải Nobel Vật lý 2011.

Số phận của vũ trụ

Hàn lâm viện Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã thông báo trao giải Nobel Vật lý 2011 cho ba nhà khoa học (ảnh bên, từ trái sang phải): Saul Perlmutter, đề án SCP (Supernova CosmologyProject), Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và Đại học California , Mỹ, sinh 1959 Champaign-Urbana, IL, Mỹ; Brian P. Schmidt , nhóm nghiên cứu HZT (High-z Supernova Search Team) Đại học quốc gia Australia, Weston Creek, Australia, sinh 1967, Missoula, MT, Mỹ, (hai quốc tịch Úc và Mỹ); Adam G. Riess, nhóm nghiên cứu HZT, Đại học Johns Hopkins và Viện khoa học viễn vọng vũ trụ, Baltimore, Mỹ, sinh 1969, Washington, DC, Mỹ. Họ đã nghiên cứu thận trọng nhiều siêu tân tinh (supernovae)[1], trong nhũng thiên hà xa xôi và kết luận rằng vũ trụ đang giãn nở có gia tốc.

Sự phát hiện này thậm chí là một điều kinh ngạc ngay đối với cả các nhà vật lý Nobel năm nay. Những điều họ trông thấy giống như khi ném một quả bóng lên trời và thay vì rơi xuống đất quả bóng lại càng ngày càng biến nhanh trong không trung, dường như lực hấp dẫn không còn khả năng điều khiển để quay ngược quỹ đạo quả bóng xuống mặt đất. Một tình huống tương tự đã xảy ra cho toàn vũ trụ (Hình 1).

Hình 1. Vũ trụ đang lớn dần.Quá trình giãn nở của Vũ trụ bắt đầu từ vụ nổ Big Bang cách đây 14 tỷ năm song quá trình đó lại chậm dần trong nhiều tỷ năm đầu. Sau đó Vũ trụ lại bắt đầu giãn nở có gia tốc. Gia tốc được cho là có nguyên nhân bởi năng lượng tối mà lúc ban đầu chỉ chiếm một phần nhỏ trong vũ trụ. Vật chất loãng dần vì quá trình giãn nở và tỷ phần của năng lượng tối trở nên áp đảo.

Tốc độ tăng dần của quá trình giãn nở có nghĩa rằng vũ trụ bị đẩy ra xa nhau bởi một dạng năng lượng tối chưa biết tiềm ẩn trong không gian. Năng lượng tối chiếm một phần lớn trong vũ trụ, hơn 70% và năng lượng tối là một điều bí ẩn lớn nhất trong vật lý học hiện đại. Vũ trụ học bị rung chuyển đến tận gốc khi hai nhóm nghiên cứu độc lập với nhau đưa ra những kết quả nghiên cứu giống nhau về hiện tượng giãn nở có gia tốc của vũ trụ vào năm 1998.

Saul Perlmutter lãnh đạo một trong hai nhóm đó trong Đề án vũ trụ học siêu tân tinh (Supernova Cosmology Project-SCP) bắt đầu một thập kỷ trước đây vào năm 1988. 

Brian Schmidt lãnh đạo nhóm thứ hai cuối năm 1994 thực hiện đề án Truy tìm siêu tân tinh có z lớn (High-z Supernova Search Team-HZT), trong nhóm này nhà vật lý Adam Riess đóng vai trò quan trọng. Tham số z là tham số đo độ lệch về phía đỏ (redshift parameter).

Hai nhóm này nghiên cứu vũ trụ bằng cách truy tìm những siêu tân tinh (Hình 2a) ở xa, đó là những sao bùng nổ trong vũ trụ. Bằng cách thiết lập khoảng cách đến các siêu tân tinh và tốc độ chúng đi xa chúng ta các nhà khoa học hy vọng phát hiện số phận của vũ trụ. Họ hy vọng rằng vũ trụ đang giãn nở chậm dần, và điều này có thể dẫn đến sự cân bằng giữa một chung cuộc trong lửa và một chung cuộc trong băng. Song điều họ phát hiện ra lại là một điều trái ngược - quá trình giãn nở đang xảy ra với gia tốc.

Hình 2a . Hình ảnh nghệ thuật của một siêu tân tinh trên bầu trời

Hình 2b . Ánh sáng chuẩn với độ sáng ổn định là cần thiết cho việc đo khoảng cách đến các sao

Vũ trụ đang lớn dần 

Đây không phải là lần đầu tiên mà những phát hiện thiên văn làm đảo lộn nhận thức của chúng ta về vũ trụ. Chỉ một trăm năm trước đây vũ trụ được xem như một thực thể bình yên không lớn hơn giải Ngân hà của chúng ta. Đồng hồ vũ trụ gõ nhịp đều đều còn vũ trụ thì vĩnh cửu. Song một chuyển biến cơ bản đã làm thay đổi bức tranh đó.

Đầu thế kỷ 20 nhà thiên văn Mỹ Henrietta Suwan Leavitt đã tìm ra cách đo khoảng cách đến những sao ở xa. Henrietta Leawitt đã nghiên cứu nhiều sao pun-xa (pulsating stars)[2] gọi là Cepheids [3] và tìm thấy rằng chu kỳ càng dài thì độ sáng càng lớn. Sử dụng thông tin này Leawitt có thể tính được độ sáng nội tại của các Cepheids.

Nếu khoảng cách của một trong các sao Cepheids được biết thì khoảng cách đến các Cepheids khác có thể thiết lập được- độ sáng càng nhỏ thì sao càng ở xa (Hình 2b). Một ngọn nến chuẩn đã hình thành và đó sẽ là thước chuẩn để đo vũ trụ. Sử dụng các Cepheids, các nhà thiên văn đã sớm đi đến kết luận rằng giải Ngân hà chính là một trong những thiên hà trong vũ trụ. Và trong năm 1920 các nhà thiên văn đã sử dụng kính thiên văn lớn nhất lúc bấy giờ Mount Wilson ở California để tìm thấy rằng hầu hết các thiên hà đều chuyển động xa dần. Họ nghiên cứu đại lượng gọi là độ lệch về phía đỏ ( redshift), độ lệch này xuất hiện khi một nguồn ánh sáng chuyển động xa chúng ta. Độ dài sóng ánh sáng giãn ra, sóng dài thêm và màu sắc của ánh sáng trở thành đỏ hơn. Ngoài ra khi một thiên hà càng ở xa thì thiên hà đó chuyển động ra xa càng nhanh hơn - đó là định luật Hubble. Như vậy vũ trụ càng ngày càng lớn dần.

Hằng số vũ trụ λ

Năm 1915, Albert Einstein công bố Lý thuyết Tương đối Tổng quát và đây là lý thuyết cơ bản để hiểu vũ trụ. Lý thuyết này mô tả một vũ trụ không giãn nở cũng không co lại. Song sự phát hiện hiện tượng giãn nở của vũ trụ đã gây nhiều khó khăn cho lý thuyết. Để làm dừng hiện tượng giãn nở, Einstein đã thêm một hằng số vào các phương trình của mình, đó là hằng số vũ trụ l (lambda): 

Rab – ½ Rgab + λ gab = 8πGT ab

trong phương trình trên G là hằng số Newton, Tab là tenxơ năng-xung lượng. Trị số và dấu của hằng số λ dẫn đến những kịch bản khác nhau và được khảo sát bởi George Lemaitre, thầy tu người Bỉ, giáo sư đại học Louvain.

Sau này Einstein cho rằng việc đưa thêm hằng số vũ trụ vào lý thuyết là một sai lầm. Tuy nhiên một điều kỳ diệu là những quan trắc thực hiện trong những năm 1997-1998 (dẫn đến giải Nobel năm nay) cho phép chúng ta nói rằng việc đưa hằng số vũ trụ vào lý thuyết (ban đầu nhằm một mục đích khác) bây giờ trở nên một điều kỳ diệu, một thắng lợi lớn của vũ trụ học.

Sự phát hiện vũ trụ giãn nở là một bước dẫn nhận thức của chúng ta đến hiện tượng Bigbang, một vụ nổ xảy ra cách đây khỏang 14 tỷ năm. Thời gian và không gian đột hiện và từ đó vũ trụ luôn giãn nở, các thiên hà chuyển động xa nhau ra.

Siêu tân tinh- một chuẩn đo mới của vũ trụ 

Khi Einstein loại bỏ hằng số vũ trụ khỏi lý thuyết và công nhận vũ trụ không là một vũ trụ tĩnh (static), ông đã gắn liền số phận của vũ trụ với hình học. Vũ trụ có thể mở hoặc đóng hoặc là một vũ trụ trung gian giữa hai hình học đó tức vũ trụ phẳng.

Một vũ trụ mở là một vũ trụ trong đó lực hấp dẫn của vật chất không đủ lớn để ngăn lại quá trình giãn nở. Vật chất pha loãng trong không gian. Một vũ trụ đóng là một vũ trụ trong đó lực hấp dẫn có khả năng làm đảo ngược quá trình giãn nở. Vũ trụ đến một lúc nào đó ngừng giãn nở co lại trong một chung cuộc nóng bỏng và khốc liệt gọi là Big Crunch. Nhiều nhà vũ trụ học mơ ước một vũ trụ với hình học phẳng đơn giản hơn và đẹp hơn về mặt toán học, trong vũ trụ phẳng không có chung cuộc trong lửa và trong băng. Song nếu tồn tại hằng số vũ trụ thì quá trình giãn nở vẫn tiếp diễn ngay cả đối với vũ trụ phẳng.

Các nhà vật lý đoạt giải Nobel Vật lý năm nay hy vọng tìm thấy vũ trụ giãn nở chậm lại. Phương pháp họ sử dụng ở đây cũng là phương pháp mà các nhà thiên văn học đã sử dụng hơn sáu thập kỷ trước: định vị các sao và đo sự chuyển động của chúng. Song nói thì dễ mà làm thì khó. Từ ngày Henrietta Leawitt, nhiều sao Cepheids đã chuyển động xa và ở những khoảng cách hàng tỷ năm ánh sáng nên các sao Cepheids không còn trông thấy được nữa.

Phải tìm những chuẩn đo mới. 

Siêu tân tinh – những sao bùng nổ- trở thành những ngọn nến quy chiếu mới. Nhiều kính viễn vọng tinh vi trên mặt đất và trong vũ trụ cộng với những siêu máy tính, những sensor siêu nhạy CCD (Charge-coupled Devices) đã mở ra nhiều khả năng giải quyết bài toán.

Sao lùn trắng bùng nổ

Một công cụ mới nhất của các nhà thiên văn là sự bùng nổ của một loại siêu tân tinh có tên là siêu tân tinh Ia. Trong một vài tuần lễ một siêu tân tinh loại Ia có thể bức xạ ánh sáng ngang bằng ánh sáng của cả một thiên hà. Loại siêu tân tinh này là sự bùng nổ của một sao đã già rất compắc, nặng bằng Mặt trời nhưng nhỏ bằng Quả đất, một sao lùn trắng (white dwarf)[4]. Sự bùng nổ là bước kết thúc cuộc đời của sao lùn trắng.

Sao lùn trằng hình thành khi sao không còn năng lượng ở tâm, vì tất cả hydro và helium đã cháy hết trong các phản ứng hạt nhân. Chỉ còn lại carbon và oxygen. Tương tự như thế Mặt trời của chúng ta trong tương lai xa cũng chia sẻ số phận đó, Mặt trời trở nên lạnh dần và trở thành một sao lùn trắng.

Nhiều sao lùn trắng là thành phần của một hệ sao đôi. Trong trường hợp này trường hấp dẫn mạnh của sao lùn trắng hút dần vật chất của sao đồng hành để lớn dần lên. Và khi sao lùn trắng phình lớn lên cỡ 1,4 khối lượng Mặt trời (giới hạn Chandrasekhar[5]) thì hệ bùng nổ thành một siêu tân tinh loại Ia (Hình 3).

Hình 3. Bùng nổ siêu tân tinh. Một sao lùn trắng cuốn hút lấy vật chất của sao đồng hành trong hệ sao đôi nhờ lực hấp dẫn. Khi sao lùn trằng phình lớn đến cỡ 1,4 khối lượng mặt trời thì nó bùng nổ thành siêu tân tinh loại Ia.

Những sản phẩm nhiệt hạch có bức xạ mạnh và bức xạ này tăng dần nhanh chóng trong những tuần đầu sau vụ nổ và chỉ giảm đi sau vài tháng tiếp theo. Do đó mà cần một cuộc rượt đuổi truy tầm các siêu tân tinh vì sự bùng nổ của chúng tương đối là ngắn ngủi. Trong toàn phần vũ trụ mà ta trông thấy được mỗi phút xuất hiện khoảng mười siêu tân tinh loại Ia. Song vũ trụ quá bao la trong mỗi thiên hà chỉ có chừng một hoặc hai siêu tân tinh trên một nghìn năm. Vào tháng 9/2011 chúng ta may mắn quan sát một siêu tân tinh như vậy trong thiên hà gần Big Dipper . Song phần lớn siêu tân tinh ở xa và mờ. Như vậy ở đâu và khi nào chúng ta nhìn được siêu tân tinh trên bầu trời? 

Một kết luận gây kinh ngạc

Hai nhóm các nhà vật lý hiểu rằng họ phải rà soát cả bầu trời để tìm siêu tân tinh ở xa. Thủ thuật là ở chỗ phải so sánh hình ảnh của hai mảnh trời nhỏ, hình thứ nhất thu được lúc sau trăng non và một hình thu được sau 3 tuần. Tiếp đó so sánh hai hình để hy vọng tìm thấy một điểm sáng – một pixel giữa nhiều pixel khác trên hình CCD- điểm sáng đó có hy vọng là dấu hiệu của siêu tân tinh ở một thiên hà xa xôi (Hình 4).

Hình 4. Siêu tân tinh 1995. Hai hình của cùng một mảnh trời nhỏ thu được cách nhau ba tuần lễ được đem ra so sánh với nhau. Trong hình thứ hai một điểm sáng đã được phát hiện. Đó là dấu hiệu của một siêu tân tinh. Một siêu tân tinh có thể phát ra ánh sáng bằng cả một thiên hà. Phần lớn ánh sáng được phát ra trong các tuần đầu (xem đồ thị ).

Các nhà vật lý có rất nhiều việc phải làm. Cần phải lọc được ánh sáng siêu tân tinh từ ánh sáng phông của thiên hà chủ. Một công việc quan trọng khác là xác định được độ sáng. Những bụi vũ trụ giữa các thiên hà và các sao làm thay đổi độ sáng. Những điều đó ảnh hưởng đến việc xác định độ sáng tối đa của siêu tân tinh. Họ phải thao tác thật nhanh mọi phép đo vì siêu tân tinh mau tàn dần.

Các nhà vật lý đã tìm ra khoảng 50 siêu tân tinh nằm ở xa với ánh sáng mờ hơn mong đợi. Đây là điều trái ngược với những điều họ hình dung. Nếu quá trình giãn nở mất dần tốc độ thì ánh sáng các siêu tân tinh phải mạnh hơn. Song các siêu tân tinh đang mờ nhạt dần dường như chúng đang chuyển động xa dần càng xa càng nhanh rồi chìm trong thiên hà của chúng. Kết luận đầy ngạc nhiên là quá trình giãn nở không chậm dần mà ngược lại tăng tốc lên.

Từ đây đến vĩnh hằng

Điều gì làm tăng tốc giãn nở của vũ trụ? Đó là năng lương tối, một vấn đề thách thức các nhà khoa học và chắc còn lâu mới có lời giải. Nhiều ý tưởng được nêu ra. Phương án đẹp nhất là tái nhập hằng số vũ trụ Einstein vào lý thuyết, hằng số mà đã có một thời bản thân Einstein muốn từ bỏ (Hình 5). Hiện nay hằng số Einstein có nhiệm vụ khác đó là làm tăng tốc quá trình giãn nở của vũ trụ.

Hình 5. Sự phát hiện quá trình giãn nở có gia tốc của vũ trụ là một sự kiện quan trong của năm 1998 (tạp chí Science). Trên tờ bìa Albert Einstein đang đắm nhìn vào hằng số vũ trụ mà bây giờ đang trở thành hắng số quan trọng trong vũ trụ học.

Hằng số vũ trụ có thể có nguồn gốc từ chân không. Như chúng ta biết trong chân không luôn hình thành các hạt và phản hạt và tạo nên năng lượng. Song một tính toán sơ bộ có thể cho thấy rằng năng lượng tối không tương ứng với năng lượng chân không vốn 10120 lần lớn hơn.

Cũng có thể rằng năng lượng tối không là một hằng số, có thể năng lượng tối biến thiên theo thời gian. Dẫu năng lượng tối là thế nào đi nữa thì năng lượng tối đã cho lời giải thích đối với bài toán mà các nhà khoa học nghiên cứu đã lâu. Theo đồng thuận hiện nay giữa các nhà khoa học thì năng lương tối chiếm khoảng ba phần tư vũ trụ. Vật chất thông thường (thiên hà, các sao, con người, hoa cỏ,...) chỉ chiếm khoảng 5 % vũ trụ. Phần còn lại là vật chất tối. Năng lượng tối gây lực đẩy, vật chất tối gây lực hút (Hình 6). 

Hình 6. Năng lượng tối chiếm ¾ vũ trụ hiện nay vẫn là một năng lượng bí ẩn.Vật chất thông thường chiếm 5 % phần còn lại là vật chất tối , một loại vật chất cũng còn bí ẩn như năng lượng tối.

Kết luận 

Sự phát hiện quá trình giãn nở có gia tốc của vũ trụ dựa trên những quan sát các siêu tân tinh ở xa bởi ba nhà vật lý: Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt và Adam G. Riess là một thành tựu khoa học to lớn gây kinh ngạc giới khoa học. Đây là một đóng góp quan trọng vào vũ trụ học. Ba nhà vật lý trên đã vén một góc màn bí ẩn của vũ trụ hiện đang còn chứa rất nhiều điều mà chúng ta chưa biết. Nhiều vấn đề lớn (năng lượng tối, vật chất tối,...) vẫn còn chờ lời giải trong tương lai. 

CC. biên dịch và chú thích

-------------

Tài liệu gốc

The Nobel Prize in Physics (Press Release, Popular Information, Advanced Information-Scientific Background)

Các chú thích

[1] siêu tân tinh (超 新 星) =supernovae là những sao đột nhiên bùng nổ trở nên rực sáng mãnh liệt; có hai loại siêu tân tinh loại I và loại II, loại I có độ sáng nhất và thuộc hệ sao đôi; chữ nova có nghĩa là mới. 

[2] pun-xa (pulsar)=sao neutron (với thành phần chính là neutron) có chuyển động quay, phát bức xạ radio vũ trụ với chu kỳ;pun-xa là một loại sao biến đổi (variable star).

[3] Cepheids =những pun-xa khổng lồ có độ sáng thay đổi theo chu kỳ; giữa chu kỳ và độ sáng có một hệ thức đặc trưng: chu kỳ càng dài thì độ sáng càng lớn (the brighter ones had longer pulses); như vậy chu kỳ quan sát được là chỉ số đo khoảng cách của sao vì vậy các Cepheids đóng vai trò quan trong trong việc xác định các khoảng cách. Cepheids được phát hiện năm 1912 bởi Henrietta Leavitt.

[4] sao lùn trắng = sao ở giai đoạn tiến triển cuối cùng, nếu khối lượng của sao nhỏ hơn 1,4 khối lượng Mặt trời (giới hạn Chandrasekhar) thì sao có khả năng chống lại sự co hấp dẫn vì những electron tự do tạo nên một áp suất hướng ra ngoài cân bằng được lực hấp dẫn, một sao nóng như vậy gọi là sao lùn trắng.

[5] Giới hạn Chandrasekhar=giới hạn khối lượng của một sao bằng khoảng 1,4 khối lượng Mặt trời, trên giới hạn đó không tồn tại sao lùn trắng.

VŨ TRỤ TOÀN ẢNH.

VŨ TRỤ TOÀN ẢNH: MỘT KỶ NGUYÊN KHOA HỌC MỚI ?

                                                                                                                                         Cao Chi 

Nhóm các nhà vật lý Đức và Anh GEO600 khi đang truy tìm sóng hấp dẫn đã ghi đo được một tiếng ồn lạ lùng mà họ không giải thích được. Nhà vật lý Mỹ CRAIG HOGAN đã tiên đoán sự tồn tại của tiếng ồn đó và đồng nhất tiếng ồn đó với tiếng ồn toàn ảnh (holographic noise) của vũ trụ. Trong vũ trụ toàn ảnh mọi thực thể trong không gian và thời gian đều liên thông với nhau (interconnectedness) và cách tiếp cận toàn ảnh giúp thống nhất hấp dẫn và lượng tử ( bài toán số một của vật lý ) và rộng hơn cung cấp một tầm nhìn nhất quán đối với mọi hiện tượng thuộc vật lý, sinh học, bệnh học, tâm lý học, ngoại tâm lý học (parapsychology)...Vũ trụ toàn ảnh nếu đúng sẽ mở ra một kỷ nguyên khoa học mới có chiều sâu hơn hiện nay (ScienceDaily Feb.4, 2009).

To see a World in a Grain of Sand 

And a Heaven in a Wild Flower, 

Hold Infinity in the palm of your hand 

And Eternity in an hour. 

Dịch nghĩa:

Để thấy Vũ trụ trong một Hạt cát 

Và Bầu trời trong một Đóa hoa Rừng, 

Hãy giữ Vô cùng trong lòng tay bạn

Và Thiên thu trong một khắc đồng hồ.William Blake (thi sĩ Anh 1757-1827)

Toàn ảnh ( holography) là gì?

Như chúng ta biết trong quang học có phương pháp ghi một vật thể 3 chiều bằng một ảnh 2 chiều (hologram). Kỹ thuật này gọi là holography (phương pháp toàn ảnh). Chữ holography có gốc từ tiếng Hy Lạp (whole, toàn thể) + graphe (writing, ghi ảnh). Đây là một phương pháp chụp ảnh hiện đại. Holography được phát minh năm 1948 bởi nhà vật lý người Hung Dennis Gabor (1900-1079), nhờ thành tích này ông được nhận giải Nobel năm 1971. 

Hologram là một ảnh 2D (2 chiều), song khi được nhìn dưới những điều kiện chiếu sáng nhất định thì tạo nên một hình ảnh 3D (3 chiều) trọn vẹn. Mọi thông tin mô tả vật thể 3D đều được mã hoá trên mặt biên 2D. Như vậy chúng ta có hai thực tại 2D và 3D tương đương với nhau về mặt thông tin (xem hình 1).

Một tính chất quan trọng khác của hologram là nếu chỉ lấy một phần của nó người ta cũng có thể khôi phục được hình ảnh 3D của vật. Tính chất này được diễn tả trong mấy vần thơ đề tựa của William Brake ở đầu bài viết ( trùng hợp vì triết lý toàn ảnh), mặc dầu chúng được viết từ nhiều thế kỷ trước. 

Hai kiến trúc sư lớn của toàn ảnh 

Hai nhà khoa học, kiến trúc sư của lý thuyết toàn ảnh là: nhà vật lý David Bohm (Đại học London) và nhà thần kinh học xuất sắc Karl Pribram (Đại học Stanford , tác giả cuốn sách nổi tiếng Các ngôn ngữ của não bộ – Languages of the Brain). Một điều kỳ lạ là hai nhà khoa học này vốn làm việc trong hai lĩnh vực hoàn toàn khác nhau lại cùng đi đến những kết luận giống nhau. Bohm đi đến kết luận về tính toàn ảnh của vũ trụ sau nhiều năm không hài lòng với những giải thích các hiện tượng vi mô theo thuyết lượng tử, còn Pribram - vì sự thất bại của các lý thuyết cổ điển sinh học đối với những bí ẩn trong sinh lý học thần kinh ( neurophysiology).

Cuối cùng họ gặp nhau và cùng hiểu rằng mô hình toàn ảnh cho phép hiểu được một loạt những điều bí ẩn trong vật lý, trong thần giao cách cảm (telepathy), tiên tri (precognition-biết trước sự vật), sự thống nhất con người và vũ trụ (oneness), động học tâm lý (psychokinesis),...

Vũ trụ là một toàn ảnh (hologram)

Khi làm việc tại Phòng thí nghiệm Bức xạ Berkeley về plasma, Bohm đã nhận xét rằng trong trạng thái plasma các electron không hành xử như những thực thể riêng lẻ mà như thành phần của một hệ thống nhất liên thông (interconnected). Điều đáng ngạc nhiên là plasma có thể hút các tạp chất ở biên giống như một trực trùng amip (amoeboid) nuốt chất lạ vào bào nang. Bohm có ấn tượng là biến các electron là một sinh thể. Những ý tưởng đó giúp Bohm tìm ra plasmon, tạo nên tiếng tăm cho nhà vật lý. 

Bohm đưa ra một ví dụ: hãy lấy một con cá vàng đang bơi trong bể cá cảnh (hình 2) và tưởng tượng rằng bạn chưa bao giờ thấy một cảnh tượng như vậy, mọi nhận thức của bạn chỉ có được nhờ hai camera tivi A & B quét từ hai góc khác nhau. Khi nhìn vào hai màn hình tivi bạn lầm tưởng đang quan sát hai con cá vàng. Song theo dõi một lúc bạn thấy rằng có mối liên hệ đồng bộ giữa hai con cá này. Như vậy hai ảnh trên hai màn hình chỉ là hai biểu hiện của một thực thể ở mức sâu hơn, trong trường hợp này thực thể đó là bể cá cảnh với cá vàng bên trong. Tình huống này giống như hai photon phát ra từ sự phân rã của một positronium.Theo Bohm tồn tại một thế lượng tử chiếm đầy không gian và các hạt liên thông với nhau một cách không định xứ (nonlocal).

Nguyên lý toàn ảnh có thể dẫn đến một triết học sâu sắc. David Bohm (hình 3) quan niệm rằng thực tại mà chúng ta tiếp xúc hằng ngày chỉ là một loại ảo tưởng giống như một bức tranh toàn ảnh (hologram). Dường như thực tại có hai mức: một mức ở sâu hơn gọi là mức tiềm ẩn (cuộn lại) /implicate (enfolded) và một mức gọi là mức tường minh (mở ra) /explicate (unfolded). Một film toàn ảnh (hologram) và hình ảnh nó tạo ra là ví dụ của hai mức tiềm ẩn và tường minh. Cuộn film thuộc mức tiềm ẩn vì hình ảnh được mã hóa trong các dạng giao thoa chứa trong film còn hình ảnh chiếu ra thuộc mức tường minh vì các giao thoa mã hóa được mở ra (unfolded).

Theo David Bohm sóng và hạt đều bị cuộn lại trong một thực thể lượng tử, chỉ có quá trình tương tác mới bộc lộ tường minh một khía cạnh nào đó còn khía cạnh kia vẫn nằm tiềm ẩn. Vì từ toàn ảnh (holographic) có tính tĩnh tại (static) nên để mô tả những quá trình động (dynamic) cuộn lại và mở ra liên tục của thực tại nên David Bohm đưa ra danh từ toàn ảnh động (holomovement)

Bohm quan niệm rằng mọi vật trong vũ trụ đều là những phần tử của một continium [1]. Bohm cho rằng phân biệt thế giới sống (living) và không sống (nonliving) là điều vô nghĩa.

Vì mỗi phần của một bức toàn ảnh (hologram) đều chứa thông tin của toàn ảnh cho nên mỗi bộ phận của vũ trụ đều chứa thông tin của toàn vũ trụ. Điều đó có nghĩa là nếu biết cách tiếp cận thì chúng ta có thể tìm thấy thiên hà Tiên nữ (Andromeda) trong móng ngón tay bàn tay trái [2]. Bài thơ của William Blake (thi sĩ Anh 1757-1827) đề dẫn trên đây diễn tả cùng một ý.

Não bộ là một toàn ảnh (hologram)

Pribram (hình 4) xuất phát từ việc tìm hiểu não bộ lưu trữ trí nhớ bằng cách nào và ở đâu . Trong những năm 1940 người ta tin rằng trí nhớ nằm trong não bộ. Mỗi dấu vết trí nhớ gọi là một engram, tuy chẳng ai biết engram được cấu tạo bằng gì .

Từ năm 1920 Wilder Penfield dường như chứng minh được rằng các engram nằm trong những vùng nhất định của não bộ [3]. Pribram, lúc còn là một nhà phẫu thuật thần kinh nội trú không có một nghi ngờ nào đối với lý thuyết engram của Penfield. Song nhiều điều xảy ra đã làm Pribram thay đổi quan điểm. Tại Phòng thí nghiệm sinh học Yerkes, Florida, nhà tâm lý thần kinh (neuropsychologist) Karl Lashley đã huấn luyện chuột một số kỹ năng rồi cắt bỏ những phần trong não bộ có thể liên quan đến kỹ năng đó (không một nhà phẫu thuật nào tìm được một vị trí xác định của các engram ). Song một điều ngạc nhiên là dù cắt bỏ bao nhiêu đi nữa kỹ năng được huấn luyện vẫn lưu tồn. Và Pribram đi đến kết luận quan trọng: trí nhớ không được lưu trữ tại một nơi nào cả trong não bộ mà bằng một cách nào đó lan truyền và phân bố trong toàn não bộ. Vào giữa năm 1960 khi Pribram đọc một bài báo trên Scientific American về cấu tạo của một hologram thì ông hiểu rằng: não bộ là một toàn ảnh (hologram).

Trí nhớ được xem như là những xung lượng thần kinh đan chéo chằng chịt trong não bộ tương tự như những hình ảnh giao thoa tia laser trên một diện tích của hologram.

Không riêng gì đối với trí nhớ mà đối với các khả năng khác của con người như thị giác và thính giác người ta cũng quan sát được các tính chất toàn ảnh (nhà nghiên cứu Hugo Zucarelli phát triển kỹ thuật gọi là âm học toàn ảnh - holophonic sound, sử dụng tính toàn ảnh của thính giác).

Nếu như một phần của hologram có khả năng tái tạo toàn ảnh của một vật thì mỗi phần của não bộ cũng chứa tất cả thông tin để phục hồi toàn bộ trí nhớ.

Một nhà sinh học là Paul Pietsch (Đại học Indiana) muốn chứng minh rằng Pribram sai đã thực hiện hơn 700 thí nghiệm (cắt lớp, đảo chiều, thay đổi thứ tự, cắt bỏ, thái mỏng) trên bộ não của nhiều con kỳ giông (salamandridae) song lúc đặt lại trong bộ não những gì còn lại thì thấy các con vật vẫn hành xử như không có điều gì xảy ra đối với trí nhớ.

Bohm và Pribram gặp nhau 

Các lý thuyết của Bohm và Pribram đã tạo nên một quan điểm sâu sắc về nhận thức luận đối với thế giới khách quan: toàn bộ vũ trụ là một toàn ảnh (the entire universe is a hologram), bộ não là một hologram cuộn vào trong vũ trụ toàn ảnh (the brain is a hologram enfolded in a holographic universe).

Năm 1982 Alain Aspect (Đại học Paris) đã thực hiện một thí nghiệm có thể nói là quan trọng nhất trong thế kỷ 20, liên quan đến nghịch lý EPR [4], chứng minh rằng trong những điều kiện nhất định các hạt như electron có thể tức thời liên lạc với nhau (vậy vận tốc truyền thông tin lớn hơn vận tốc ánh sáng) bất kể khoảng cách giữa chúng là 10 m hay 10 triệu dặm.

Theo David Bohm thì thí nghiệm của Aspect càng chứng minh vũ trụ quả là một hologram. Trong nghịch lý EPR , theo Bohm thì Einstein sai lầm vì cho rằng hệ đó là hai hạt riêng lẻ trong khi phải xét chúng như một hệ không phân chia được.

Và không phải các electron đã truyền thông tin cho nhau theo một cách bí ẩn nào đó mà là sự phân cách giữa chúng chỉ là một ảo tưởng. Tại một mức sâu các hạt đó không là những thực thể riêng lẻ mà chỉ là những biểu kiến của một thực thể cơ bản.

Rộng hơn mọi thành phần của vũ trụ ở một mức sâu đều liên thông với nhau (interconnectedness) và ngược lại vũ trụ hiện hữu trong mỗi bộ phận(“whole in every part”). Một ví dụ của mức sâu đó của thực tại chính là cái bể cá cảnh cùng con cá vàng trong ví dụ nói ở trên đây. Theo Bohm ta thấy được những thực thể riêng biệt chỉ vì ta chỉ nhìn được một khía cạnh của thực tại. Các thực thể riêng biệt đó chỉ là những bóng ma (eidolon) còn vũ trụ tự thân là một hình chiếu, nói cách khác là một hologram.

Các electron của nguyên tử carbon trong não bộ của con người liên thông với các nguyên tử của mỗi con cá hồi đang bơi, của mỗi quả tim đang đập và của những vì sao đang chiếu sáng trên bầu trời. Vì sự liên thông phổ quát này mà trong vũ trụ toàn ảnh , thậm chí không gian và thời gian không còn là cơ bản nữa!Những khái niệm như tọa độ và thời điểm sẽ không còn ý nghĩa trong một vũ trụ mà không vật gì được tách rời với vật khác trong không gian và thời gian. Tại mức sâu hơn này, thực tại là một siêu hologram trong đó quá khứ, hiện tại và tương lai quyện vào nhau và tồn tại đồng thời. Tại mức sâu siêu hologram nếu tìm được phương pháp thích hợp chúng ta có thể làm tái hiện được những cảnh tượng từ quá khứ xa xôi.

Sự tổng hợp hệ thống ý tưởng của Bohm và Bribram dẫn đến là hệ mẫu toàn ảnhHP (Holographic Paradigm). Nhiều nhà khoa học công nhận rằng nhiều hiện tượng ngoại tâm lý học (para-psychological [5]) như thần giao cách cảm, luân hồi, tiên tri... có thể hiểu được nhờ HP.Thời gian sẽ trả lời HP đúng hay sai song hiện tại HP ,vì hàm lượng triết lý lớn, đang làm say đắm nhiều nhà khoa học và là nguồn cảm hứng dồi dào cho điện ảnh (các phim ‘The Matrix’, ‘The 13th Floor’, Star Trek...) cho nghệ thuật, văn chương.

Cuộc chiến quanh lỗ đen & nguyên lý toàn ảnh Vì sao mà nguyên lý toàn ảnh trở nên quan trọng cho vật lý lượng tử?[6]Năm1993 Gerard ‘t Hooft (và có thể cùng thời Leonard Susskind, một trong những người phát triển lý thuyết dây) đề ra nguyên lý holographic: theo nguyên lý này tồn tại một vật lý nD trên mặt biên (không gian n chiều) mô tả được hoàn toàn vật lý (n+1)D của hệ nằm trong mặt biên (không gian n+1 chiều).Thông tin trong một thể tích không gian sẽ được lưu trữ bề mặt của thể tích đó, ở đấy một bit thông tin chiếm 1/4 yếu tố diện tích Planck (Bekenstein). Đối với lỗ đen thông tin này sẽ được mã hóa trên mặt chân trời của lỗ đen.

Theo nguyên lý holographic các quy luật vật lý trên mặt biên (xem là hologram) mô tả tương tác giữa các hạt như quark, gluon trong khi các quy luật vật lý của không gian nằm trong mặt biên được mô tả bởi lý thuyết siêu dây như thế có chứa cả hấp dẫn! Năm 1997, tác giả Maldacena (Đại học Harvard) đã thực hiện nguyên lý holography nhờ thiết lập mối quan hệ sau:

Một vũ trụ mô tả bởi lý thuyết siêu dây (như vậy có hấp dẫn) trong một không-thời gian anti-de Sitter 5 chiều tương đương với một lý thuyết trường lượng tử (không chứa hấp dẫn) trên mặt biên 4 chiều của không-thời gian đó (xem hình 5).

Bài toán lớn nhất hiện nay của vật lý lượng tử là thống nhất được hai lý thuyết lớn nhất của thời đại: lý thuyết lượng tử và lý thuyết tương đối rộng. Nguyên lý toàn ảnh nói trong bài này có hy vọng là một phương án để làm được điều đó!Công trình của Maldacena gây một tiếng vang lớn trong giới vật lý lý thuyết, trong vòng 5 năm công trình của Maldacena được trích dẫn trên 5000 lần và được xem như một bước đột phá về quan niệm, tạo nên một cách nhìn mới đối với hấp dẫn và lý thuyết trường lượng tử.

Cuốn sách vừa xuất bản “ Cuộc chiến quanh lỗ đen- La guerre du trou noir ” của Leonard Susskind [6] mô tả lại cuộc tranh luận giữa Stephen Hawking và nhiều người khác thuộc phái phản đối. Stephen Hawking cho rằng lỗ đen là một thực thể vi phạm nguyên lý bảo toàn thông tin trong lý thuyết lượng tử (và trong vật lý nói chung), một thực thể xé nuốt thông tin (dévoreurs d’informations). Song đến năm 2004 thì Stephen Hawking tuyên bố thua cuộc John Preskin trong một cuộc đánh đố rằng thông tin bảo toàn hay biến mất sau khi lỗ đen bay hơi.

Như vậy bài toán nghịch lý về thông tin trong lỗ đen có thể xem như được sáng tỏ phần nào (thông tin là bảo toàn song thu hồi nó như thế nào?). Nguyên lý toàn ảnh khẳng định rằng mọi thông tin trong lỗ đen giờ đây được mã hoá trên diện tích chân trời và thông tin được bảo toàn trong quá trình bay hơi của lỗ đen. Thất bại này của Stephen Hawking càng làm cho giới khoa học chú ý nhiều đến HP.

Một kiểm chứng thực nghiệm: phát hiện tiếng ồn toàn ảnh (holographic noise) của dự án GEO600?

GEO600 là một dự án hợp tác giữa Viện Vật lý hấp dẫn Max Planck, Đại học Leibniz Hannover, Đại học Cardiff, Đại học Glashow và Đại học Birmingham. GEO600 là một detector dài 600 m, xây dựng tại Hannover (Đức) có mục tiêu tìm sóng hấp dẫn phát ra từ những thiên thể như sao neutron, lỗ đen. Hiện nay GEO600 [7] chưa tìm ra sóng hấp dẫn song rất có thể đã phát hiện một hiện tượng quan trọng nhất trong thế kỷ này. Trong nhiều tháng qua đội ngũ GEO600 đau đầu vì một nhiễu loạn, một tiếng ồn không giải thích được trong detector của họ.

Một điều đáng ngạc nhiên, Craig Hogan (hình 6), Giám đốc Trung tâm Vật lý thiên văn các hạt cơ bản, Phòng thí nghiệm Gia tốc quốc gia Fermi , GS Đại học Chicago, Illinois lại tiên đoán được rằng nhóm GEO600 sẽ gặp vấn đề về tiếng ồn lạ lùng này và đưa ra cách giải thích: nhóm GEO600 đã tiến đến giới hạn cơ bản của không thời gian, đã tiến đến điểm mà continium phẳng phiu của Einstein chấm dứt nhường chỗ cho cấu trúc dạng “hạt” gián đoạn, nhóm GEO600 đã chạm ngõ đến sự thăng giáng “run rẩy” lượng tử của không thời gian, một mức sâu của thực tại trong vũ trụ hologram [8]. Tại những khoảng cách vi mô với kích thước cỡ 10– 35 m ( độ dài Planck) không thời gian có cấu trúc gián đoạn như cấu tạo được bằng những pixel .

GS Bernard Schutz (Viện Thiên văn Hoàng gia Anh) nói: nếu tiếng ồn toàn ảnh được phát hiện thì đây là tín hiệu của một kỷ nguyên mới trong vật lý cơ bản (ScienceDaily,Feb.4,2009). GS Karsten Danzmann, Giám đốc Viện Albert Einstein Hannover dè dặt hơn phát biểu: vấn đề tiếng ồn toàn ảnh đã đặt nhóm nghiên cứu GEO600 vào tâm cơn lốc của một nghiên cứu cơ bản quan trọng của thế kỷ. Nhóm các nhà vật lý GEO600 đang tích cực thu thập dữ liệu để chứng minh liệu tiếng ồn họ thu được có phải là tiếng ồn toàn ảnh hay không?

Nếu nhóm GEO600 đã tìm thấy những gì mà Craig Hogan phỏng đoán thì chúng ta đang ở trong một hologram vũ trụ khổng lồ.

Kết luận Vũ trụ của chúng ta có thể là một hologram khổng lồ (Our World May Be a Giant Hologram [9]). Nếu điều này đúng thì trước mắt chúng ta là một kỷ nguyên khoa học mới (ScienceDaily,Feb.4,2009) có tầm bao quát một cách thống nhất nhiều hiên tượng (từ vật lý đến các khả năng kỳ diệu của não bộ) mà khoa học hiện nay chưa có lời giải thích. Vũ trụ toàn ảnh sẽ có tác động lớn đến triết học và là nguồn cảm hứng của nhiều ngành nghệ thuật. Nhiều nhà khoa học xếp lý thuyết Vũ trụ toàn ảnh ở tuyến đầu tri thức (latest frontier of knowledge), lý thuyết Vũ trụ toàn ảnh có nội dung lớn hàm ẩn cả toán, lý, sinh, triết học...

-----------

 Theo tiasang.

=========================

Vũ trụ là số?

Cao Chi (tổng hợp và phân tích)

Các bit thông tin là cơ bản, năng lượng và vật chất

là sản phẩm (John Archibald Wheeler)

Tạp chí Scientific American số tháng 2/2012 có đăng bài viết « Is Space Digital » của Michael Moyer về một thí nghiệm đang được tiến hành ở Chicago bởi Craig Hogan( Giám đốc Trung tâm Vật lý thiên văn và các hạt cơ bản, Phòng thí nghiệm gia tốc Quốc gia Fermi, GS Đại học Chicago, Illinois ) nhằm đo tiếng ồn toàn ảnh (holographic noise) biểu hiện mối liên quan sâu xa giữa thông tin, vật chất và không thời gian . Nếu tồn tại tiếng ồn toàn ảnh thì theo Craig Hogan vũ trụ của chúng ta là số (digital) và chúng ta có một hình mẫu (paradigm ) mới cho vũ trụ quan của thế kỷ 21. Vũ trụ không liên tục mà là gián đoạn gồm bằng những bit thông tin. Vũ trụ 3D đột sinh (emerge) từ những bit thông tin chứa trên một mặt 2D.

                                                                        Craig HOGAN

Thế nào là phương pháp toàn ảnh (holography) ?

Như chúng ta biết trong quang học có phương pháp ghi một vật thể 3 chiều bằng một ảnh 2 chiều (hologram).Kỹ thuật này gọi là holography (phương pháp toàn ảnh). Chữ holography có gốc từ tiếng Hy lạp holos whole ( toàn thể ) + graphe writing (ghi ảnh). Đây là một phương pháp chụp ảnh hiện đại. Holography được sáng chế năm 1948 bởi nhà vật lý người Hung Dennis Gabor (1900-1079), nhờ thành tích này ông được nhận giải Nobel năm 1971.

Entropy và diện tích chân trời sự cố của lỗ đen

Jacob Bekenstein chứng minh rằng khi một lượng vật chất rơi vào lỗ đen thì entropy của lỗ đen tăng lên để bù trừ vào entropy do lượng vật chất mất đi. Nói cách khác entropy của lỗ đen và vật chất chung quanh không giảm, đó là định luật 2 trong nhiệt động học lỗ đen. Năm 1970 Hawking & Demetrious Christodoulou (đại học Princeton) độc lập với nhau chứng minh rằng A - diện tích lỗ đen, ở chân trời sự cố (event horizon) không giảm theo thời gian: t2 > t1 ® A(t2) ³ A(t1), từ đó Jacob Bekenstein có cơ sở để đồng nhất entropy với A (thêm một hệ số là 1/4), xem hình 1.

Hình 1. Entropy của một lỗ đen tỷ lệ với diện tích bề mặt của chân trời sự cố (tức ranh giới có vào mà không có ra đối với mọi vật, kể cả ánh sáng khi rơi vào lỗ đen). Một lỗ đen với diện tích chân trời sự cố là A (trong đơn vị diện tích Planck = 10 – 66 cm 2) sẽ có A / 4 đơn vị entropy. Xét từ quan điểm thông tin diện tích chân trời được phủ bởi các bit 1 và 0, mỗi bit chiếm 4 đơn vị diện tích Planck.

Hai loại entropy (thống kê & thông tin)

Như chúng ta biết, entropy được biểu diễn qua số trạng thái lượng tử theo công thức:

s- số chiều không gian.

Năm 1948 nhà toán học người Mỹ Claude E. Shannon đã đưa vào thông tin khái niệm entropy. Entropy thông tin trong một thông điệp là số bit cần thiết để mã hoá thông điệp đó. Khái niệm entropy của Shannon làm xích gần vật lý thống kê với thông tin.

John Archibald Wheeler quan niệm rằng “thế giới vật lý là được cấu tạo bằng thông tin với năng lượng và vật chất chỉ là những yếu tố dẫn, những sản phẩm phụ (incidentals)”.

Theo Bekenstein: “Entropy nhiệt động và entropy Shannon là tương đương , số cấu hình tính theo entropy Boltzmann phản ảnh số lượng thông tin Shannon mà chúng ta cần có để thu xếp một cấu hình" của vật chất và năng lượng.

Sự khác nhau giũa entropy nhiệt động học của vật lý và entropy thông tin của Shannon chỉ là vấn đề đơn vị đo. Entropy nhiệt động học tính bằng đơn vị năng lượng chia cho nhiệt độ trong khi entropy Shannon lại không có thứ nguyên là “bit” của thông tin do đó sự khác nhau chỉ là vấn đề quy ước.

Bekenstein đã giải quyết vấn đề nghịch lý thông tin trong lỗ đen nhờ phát hiện rằng entropy của lỗ đen –có nghĩa là nội dung thông tin của lỗ đen- tỷ lệ với diện tích chân trời.

Nguyên lý toàn ảnh (Holographic principle) 

Nguyên lý toàn ảnh được gợi ý ( inspired) từ nhiệt động học lỗ đen và tổng quát hóa cho mọi vật.Trong lỗ đen mọi thông tin của lỗ đen đều được mã hóa trên mặt biên chân trời sự cố (event horizon).Đây là xuất phát điểm của nguyên lý toàn ảnh.

Các nhà vật lý Leonard Susskind và Gerard’t Hooft muốn tổng quát hóa nguyên lý toàn ảnh từ lỗ đen (Jacob Bekenstein & Stephen Hawking) sang toàn vũ trụ. 

Năm1993 Gerard ‘t Hooft đề ra nguyên lý holographic: theo nguyên lý này tồn tại một vật lý nD trên mặt biên (không gian n chiều) mô tả được hoàn toàn vật lý (n+1)D của hệ nằm trong mặt biên (không gian n+1 chiều).

Theo nguyên lý holographic các quy luật vật lý trên mặt biên (xem là hologram) mô tả tương tác giữa các hạt như quark, gluon trong khi các quy luật vật lý của không gian nằm trong mặt biên được mô tả bởi lý thuyết siêu dây như thế có chứa cả hấp dẫn.

Năm 1997, tác giả Maldacena (đại học Harvard) đã thực hiện nguyên lý holography nhờ thiết lập mối quan hệ sau[1] :

Một vũ trụ mô tả bởi lý thuyết siêu dây (như vậy có hấp dẫn) trong một không-thời gian anti-de Sitter 5 chiều tương đương với một lý thuyết trường lượng tử conform (không chứa hấp dẫn) trên mặt biên 4 chiều của không-thời gian đó (xem hình 2).

Hình 2 . Lý thuyết trường conform (CFT) trên mặt biên (hologram ) tương đương với lý thuyết dây có hấp dẫn trong không gian anti-de Sitter ( ánh xạ holographic : AdS / CFT )

Vì sao mà nguyên lý toàn ảnh trở nên quan trọng cho vật lý lượng tử?

Vì bài toán số một hiện nay của vật lý là thống nhất được hai lý thuyết lớn nhất của thời đại: lý thuyết lượng tử và lý thuyết tương đối rộng thu được nhiều tia sáng từ nguyên lý toàn ảnh. 

Có thể tóm tắt ý tưởng chính của nguyên lý toàn ảnh như sau: thông tin của một vùng không gian có hấp dẫn có thể mã hoá không có hấp dẫn trên mặt biên của vùng không gian đó, nói cách khác có thể thiết lập một mối tương quan giữa các đại lương trên mặt biên với các đại lượng trong vùng. 

Yếu tố quan trọng ở đây là thông tin.

Từ kỹ thuật đến sinh học, vật lý, thông tin đóng vai trò quan trọng. Các protein không thể nào tổng hợp được nếu không có thông tin từ DNA. Nguyên lý toàn ảnh khẳng định rằng entropy của một khối lượng bình thường (không phải lỗ đen) cũng tỷ lệ với diện tích chứ không phải thể tích. Thể tích chỉ là ảo ảnh và vũ trụ thật sự là một hologram đẳng cấu (isomorphic) với thông tin được “ghi khắc” trên mặt biên. 

Làm thế nào để biết là chúng ta đang ở trong một hologram?

Tiếng ồn toàn ảnh là gì?

Craig Hogan đã viết nhiều bài báo tiên đoán sự tồn tại của một tiếng ồn gọi là tiếng ồn toàn ảnh (holographic noise) có thể ghi đo được. Tiếng ồn này là biểu hiện của một loại bất định kích cỡ Planck nếu tồn tại một hologram của vũ trụ (xem thêm [2]). Dường như các nhà thực nghiệm đã ghi đo được tiếng ồn này với tần số 300 và 1500 Hertz .

Craig Hogan cho rằng nếu nhìn sâu vào những phân chia vô cùng nhỏ của không thời gian chúng ta sẽ thấy vũ trụ được chiếm đầy bởi một tiếng ồn nội tại gọi là tiếng ồn toàn ảnh (holographic noise). 

Tiếng ồn đó xuất phát từ những bit. Chúng ta có khả năng phát hiện tiếng ồn số đó của vũ trụ và tiếng ồn đó chúng tỏ rằng vũ trụ là một vũ trụ số ( universe is digital) [3].

Khi đi vào cấu trúc sâu của không thời gian chúng ta sẽ thấy vũ trụ được cấu tạo không phải bằng vật chất và năng lượng mà lại bằng những bit. Thông tin hoạt động trên những bit và từ những bit đó tạo nên vũ trụ.

Craig Hogan kiến thiết một thí nghiệm để phát hiện tiếng ồn toàn ảnh.Và nếu vũ trụ được cấu tạo như thế nghĩa là từ các bit thông tin thì diều này sẽ làm thay đổi kiến trúc của vũ trụ.Craig Hogan nghiên cứu những kích cỡ mà ở đấy thông tin tồn tại như những bit (information lives as bits).

Hấp dẫn lượng tử dẫn đến độ dài Planck l P = 1,616.10 -33 cm, ánh sáng đi qua độ dài đó trong thời gian t P= l P /c = 5.10 -44 sec.

Kích cỡ Planck là kích cỡ nhỏ nhất. Và những bit cơ bản của thông tin nằm trong kích cỡ Planck. 

Leonard Susskind phát biểu rằng chính thông tin làm nên sụ khác nhau giữa các đối tượng.

Theo nguyên lý holographic (nguyên lý toàn ảnh ) nếu ném một vật vào lỗ đen thì vật ấy có thể biến mất song thông tin về vật đó được ghi lại trên một mặt nằm quanh lỗ đen. Thông tin không bao giờ mất. Theo nguyên lý toàn ảnh vũ trụ 3D của chúng ta đột sinh từ thông tin đã được in trên một mặt 2D gọi là tờ ánh sáng (light sheet). Tờ ánh sáng đây là chân trời sự cố của vũ trụ. Chúng ta thực tế là một hình chiếu (projection) Tờ ánh sáng (light sheet) 2D theo nguyên lý toàn ảnh chứa các thông tin về tọa độ của mỗi hạt nằm trong tờ, mỗi electron, quark và neutrino và mọi lực tương tác giữa chúng. Tờ ánh sáng chiếu mọi thông tin nằm trong tờ ra ngoài vũ trụ và tạo nên mọi điều chúng ta thấy. Vũ trụ đột sinh từ các bit 0 và 1. Các nhà khoa học cho rằng vũ trụ hoạt động như một máy tính, thông tin đã tạo nên thế giới vật lý song máy tính đó vẫn còn là một hộp đen đối với họ.

Nguyên lý toàn ảnh có thể là sụ thống nhất của lượng tử và hấp dẫn. Nguyên lý toàn ảnh là một kim chỉ đường đến hấp dẫn lượng tử.

Nếu vũ trụ là vũ trụ số thì đây là một kim chỉ đường tiếp theo dẫn đến hấp dẫn lượng tử. Trong một vũ trụ số không gian bản thân đã được lượng tử hóa, không gian đột sinh từ những bit lượng tử gián đoạn ở kích cỡ Planck. 

Nếu không gian là lượng tử thì phải chịu sự bất định (incertainties) của CHLT(Cơ học lượng tử). Ta sẽ có những thăng giáng dạng bọt (foamlike fluctations).

Vì rằng thể tích của vũ trụ rộng lớn hơn diện tích chân trời Hogan hiểu rằng để có cùng một số bit như trên diện tích chân trời thì vũ trụ phải được cấu tạo bởi những hạt (grain) lớn hơn độ dài Planck nói cách khác vũ trụ của chúng ta phải bị nhòe đi (blurry), mờ đi (hình 3). Tương tự như khi ta xem TV ta thấy mọi vật dường như đều mịn nhưng nếu nhìn sâu vào đó ta sẽ có những pixels.

Thực hiện những thí nghiệm với năng lượng tương ứng với kích cỡ Planck là điều vô vọng vì chúng ta cần những máy gia tốc lớn bằng cả Thiên hà. Song nghiên cứu những thăng giáng do tiếng ồn toàn ảnh là điều khả thi vì kích cỡ của chúng chỉ bằng khoảng 10 -16 m.

Nếu chúng ta nằm trong một hologram, ta có thể biết được điều đó bằng cách đo độ mờ này.

Báo NewScientist viết rằng có thể vũ trụ là một hologram khổng lồ.

Hình3. Nếu chúng ta nằm trong một hologram thì chúng ta có thể kiểm nghiệm được điều đó bằng cách đo độ mờ toàn ảnh (tương tự như độ mờ của một ảnh chiếu).

Nếu xét những vùng không gian rất nhỏ ở kích cỡ Planck dưới quan điểm lượng tử, tất nhiên ta phải có theo CHLT (cơ học lượng tử) một hệ thức chứa độ dài Planck l P . Trong giả thuyết của mình Hogan đưa ra hệ thức

[z1,z2] = l P L 

Như vậy có một sự thay đổi trong CHLT theo đó toán tử tọa độ (position operators) tại những thời điểm khác nhau có thể không giao hoán và giao hoán tử tỷ lệ với l P và quãng đường đi L.

Trong đó z1, z2 là tọa độ theo chiều thẳng góc với đường đi của ánh sáng nối liền hai điểm 1 & 2 và L=khoảng cách không gian giữa 2 điểm 1 & 2.

Trong CHLT thì giao hoán tử trên bằng không. Từ giao hoán tử trên người ta thu được hệ thức bất định

Δz1 Δ z2 > l P L/2 

Các hệ thức này dẫn đến một độ mờ bằng ∆z 2 > lPL. Đây là nguồn gốc tiếng ồn toàn ảnh.

Tiếng ồn đó theo Hogan chính là độ mờ (fuzziness) của cấu trúc của không thời gian ở độ phân giải Planck. Vậy tiếng ồn toàn ảnh chính là độ mờ liên quan đến bất định theo chiều thẳng góc với đường đi của ánh sáng.

Holometer (holographic interferometer)- giao thoa kế toàn ảnh 

Nếu thông tin về nội vùng của các lỗ đen được mã hóa trên chân trời sự cố thì rất có thể là mọi thông tin về vũ trụ của chúng ta được mã hóa trên tờ ánh sáng gọi là chân trời của vũ trụ (Universe's horizon).

Đây có thể nói là một giả thuyết cần kiểm nghiệm, giả thuyết này được xây dựng từ mối tương tự với lỗ đen.

Nếu vũ trụ là một hình chiếu toàn ảnh từ chân trời vũ trụ thì hình chiếu đó sẽ bị mờ (fuzzy). Mặc dầu mọi thông tin để tạo nên vũ trụ được mã hóa trong những bit kích cỡ Planck trên chân trời vũ trụ, các bit đó trong phép chiếu sẽ được phóng đại theo thời gian giống như một tia ánh sáng xuất phát từ một máy chiếu lên bức tường. Chính độ mờ này (fuzziness) là điều mà Hogan cho là tiếng ồn trong GEO600 . 

GEO600 là một dự án hợp tác giữa Viện Vật lý hấp dẫn Max Planck, Đại học Leibniz Hannover, Đại học Cardiff, Đại học Glashow và Đại học Birmingham. GEO600 là một detector dài 600 m, xây dựng tại Hannover (Đức) có mục tiêu tìm sóng hấp dẫn phát ra từ những thiên thể như sao neutron, lỗ đen. Hiện nay GEO600 chưa tìm ra sóng hấp dẫn song phát hiện một tiếng ồn không giải thích được trong detector của họ.

Tại Fermilab Hogan xây dựng một thiết bị gọi là toàn ảnh ký (holometer) cũng để ghi tiếng ồn ấy.

Hình 4. Giao thoa ký toàn ảnh (holographic interferometer= holometer)

Máy toàn ảnh ký gồm hai giao thoa ký riêng biệt (xem hình 4 ) kết dính với nhau. Trong mỗi giao thoa ký một tia ánh sáng được tách làm đôi và đi theo hai hướng khác nhau. Sau khi đập vào một cái gương các tia sáng lại kết tụ với nhau và độ lệch pha sẽ được đo.

Nhờ có hai giao thoa ký các nhà nghiên cứu có thể so sánh các kết quả đo. Mọi tiếng ồn với tần suất cao sẽ được ghi nhận như là sự run rẩy của không thời gian hay nói cách khác đó là tiếng ồn toàn ảnh.

Tiếng ồn này có tần số khoảng 1 triệu chu kỳ trong một sec. Nếu quả tiếng ồn này tồn tại thì thế giới 3D là hình chiếu từ bản chất thực tại 2D của vũ trụ. 

Tính chất phỏng đoán đó lộ rõ hơn ở những khoảng cách lớn. Một thiết bị như holometer có thể đo những khoảng cách theo chiều thẳng góc và đó là đối tượng của một loại bất định mới. Tiếng ồn đó sẽ được thu vào trong một detector.

Trên hình 5 ta có đồ thị tiếng ồn toàn ảnh biểu diễn căn số trung bình bình phương ( rms-root mean square) của các biên độ thăng giáng toàn ảnh thẳng góc.

Hình 5. Đường “tiếng ồn toàn ảnh “ biểu diễn căn số trung bình bình phương ( rms-root mean square) của các biên độ thăng giáng toàn ảnh thẳng góc.Trục hoành là log của kích thước L của thiết bị( là khoảng đường đi của ánh sáng). Các giao thoa kế laser tham chiếu là :LISA Laser Interferometer Space Antenna, LIGO Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, GEO600 Laser interferometer với cánh tay dài 600 m.

Kết luận

Thí nghiệm trên holometer đang tiếp tục tiến hành và nếu tiếng ồn toàn ảnh được khẳng định thì đây là một bước ngoặt quan trong trong vật lý: vũ trụ của chúng ta là số (digital), nghĩa là thực thể cơ bản là nhũng bit thông tin còn vật chất và năng lượng chỉ là những vật dẫn, những sản phẩm tiếp theo. Điều đó cũng có nghĩa là không thời gian không còn liên tục mà gián đoạn nghĩa là tự động được lượng tử hóa. Đây là một ý tưởng dẫn đường đến hấp dẫn lượng tử, một sự thống nhất thuyết lượng tử và hấp dẫn. Mọi vật 3D của thế giới chúng ta đột sinh (emerge) từ các bit thông tin ở độ phân giải Planck nằm trên biên 2D của vũ trụ.

Tài liệu tham khảo & chú thích

[1] Không gian anti de Sitter (AdS) n chiều là không gian hyperbolic n chiều tương tự như không gian Lorentz có độ cong âm. Nhóm conform=nhóm đối xứng gồm các biến đổi kích thước không thời gian+biến đổi Lorentz.Không gian AdS và biến đổi conform xuất hiện trong ánh xạ AdS / CFT ( Anti de Sitter / conform Field Theory ). 

[2] Cao Chi , Vật lý hiện đại , những vấn đề thời sự từ Bigbounce đến vũ trụ toàn ảnh, chương VIII/4, NXB Tri thức, 2011.

[3] Nhiều nhà vật lý chủ trương một khả năng khác là tồn tại những chiều dư (extra dimensions) ngoài không thời gian thông thường (như nhiều lý thuyết đã khẳng định). Những chiều dư này có thể gây nên dộ mờ của không gian 3 chiều trong những vùng rất nhỏ kích cỡ Planck.