ba phút đầu tiên

BA PHUÁT ÀÊÌU TIÏN 1

http://ebooks.vdcmedia.com

MUÅC LUÅC

LÚÂI GIÚÁI THIÏÅU ........................................................................................................................... 2

LÚÂI TÛÅA CUÃA STEVEN WEINBERG ......................................................................................... 4

MÚÃ ÀÊÌU: NGÛÚÂI KHÖÍNG LÖÌ VAÂ CON BOÂ CAÁI....................................................................... 8

SÛÅ DAÄN NÚÃ CUÃA VUÄ TRUÅ......................................................................................................... 15

PHÖNG BÛÁC XAÅ CÛÅC NGÙÆN VUÄ TRUÅ .................................................................................... 43

MÖÅT TOA CHO VUÄ TRUÅ NOÁNG................................................................................................ 71

BA PHUÁT ÀÊÌU TIÏN.................................................................................................................. 90

VAÂI TRANG LÕCH SÛÃ KHOA HOÅC ......................................................................................... 107

PHÊÌN TRÙM GIÊY ÀÊÌU TIÏN................................................................................................ 116

PHÊÌN KÏËT: VIÏÎN CAÃNH TRÛÚÁC MÙÆT ................................................................................. 135

Steven Weinberg 2


LÚÂI GIÚÁI THIÏÅU

Cuöën saách “Ba phuát àêìu tiïn - Möåt caách nhòn hiïån àaåi vïì nguöìn göëc vuä truå”

Cuöën saách naây noái vïì nhûäng phuát àêìu tiïn cuãa sûå hònh thaânh vuä truå, theo thuyïët vuä truå hoåc hiïån àaåi nhêët goåi laâ thuyïët “mö hònh chuêín”. Noá xuêët phaát tûâ thuyïët “Vuå nöí lúán” cuãa caác nhaâ baác hoåc Lemaitre vaâ Gamow, nhûng àûúåc hiïån àaåi hoáa, chñnh xaác hoáa sau sûå khaám phaá ra phöng bûác xaå vuä truå cûåc ngùæn úã nhiïåt àöå 3 kenvin (khoaãng êm 27o àöå C) vaâo nùm 1964 - 1965.

Àêy laâ cöng lao trûåc tiïëp cuãa hai nhaâ baác hoåc Myä Penzias vaâ Wilson, vaâ hoå àaä àûúåc giaãi thûúãng Nobel nùm 1978 vïì sûå khaám phaá cûåc kyâ quan troång naây. Nhûng, nhû cuöën saách naây nïu roä, àoá cuäng laâ cöng lao cuãa möåt têåp thïí khaá lúán caác nhaâ khoa hoåc trong mêëy chuåc nùm trúâi, trong haâng trùm phoâng thñ nghiïåm, àaâi quan saát thiïn vùn, nhoám nghiïn cûáu lyá thuyïët, àaä àoáng goáp cho thuyïët “Vuå nöí lúán” coá àûúåc daång “chuêín” àûúåc nhiïìu ngûúâi cöng nhêån nhû hiïån nay.

Baãn thên taác giaã, Steven Weinberg, möåt thaânh viïn cuãa Viïån haân lêm khoa hoåc Myä, möåt nhaâ baác hoåc nöíi tiïëng coá nhiïìu cöëng hiïën cho vêåt lyá lyá thuyïët, vêåt lyá haåt cú baãn, lyá thuyïët trûúâng, duâ khöng phaãi trûåc tiïëp laâ möåt nhaâ vuä truå hoåc, nhûng giaán tiïëp àaä tham gia vaâo cuöåc àêëu tranh cho “mö hònh chuêín” naây. Nùm 1979 Weinberg àaä àûúåc giaãi Nobel vïì vêåt lyá cuâng vúái hai nhaâ baác hoåc khaác do sûå àoáng goáp cuãa öng vaâo viïåc tòm ra thuyïët thöëng nhêët hai tûúng taác: tûúng taác yïëu vaâ tûúng taác àiïån tûã.

Cuöën saách naây àûúåc xuêët baãn bùçng tiïëng Viïåt lêìn àêìu nùm 1981. Tûâ àoá àïën nay cuöën saách àaä àûúåc taái baãn nhiïìu lêìn úã nûúác ngoaâi, song vêîn khöng hïì coá sûãa àöíi gò do tñnh kinh àiïín cuãa noá. Theo yïu cêìu cuãa àöng àaão baån àoåc yïu thñch khoa hoåc, chuáng töi



xin trên troång giúái thiïåu baãn in “Ba phuát àêìu tiïn - Möåt caách nhòn hiïån àaåi vïì nguöìn göëc vuä truå” cuãa Nhaâ xuêët baãn Khoa hoåc vaâ Kyä thuêåt.

Steven Weinberg 4


LÚÂI TÛÅA CUÃA STEVEN WEINBERG

Saách naây àûúåc viïët ra tûâ möåt cuöåc noái chuyïån cuãa töi trong lïî khaánh thaânh Trung têm khoa hoåc cuãa caác sinh viïn nùm cuöëi úã Harvard thaáng 11 nùm 1973. Möåt ngûúâi baån chung, Daniel Bell, àaä kïí laåi cho öng Erwin Glikes, chuã tõch vaâ giaám àöëc cöng ty xuêët baãn “Saách cú baãn” nghe vïì cuöåc noái chuyïån àoá, vaâ Glikes àaä giuåc töi biïën noá thaânh möåt cuöën saách.

Àêìu tiïn töi khöng thêåt say mï vúái yá àoá lùæm. Tuy rùçng thónh thoaãng töi coá tiïën haânh nhûäng cuöåc nghiïn cûáu nhoã vïì vuä truå hoåc, cöng viïåc cuãa töi dñnh lñu nhiïìu hún àïën vêåt lyá cuãa nhûäng caái rêët beá nhoã, lyá thuyïët haåt cú baãn. Ngoaâi ra, vêåt lyá haåt cú baãn àaä toã ra sinh àöång möåt caách laå luâng trong nhûäng nùm cuöëi àêy, vaâ töi àaä töën quaá nhiïìu thúâi gian khöng phuåc vuå noá, khi viïët nhûäng baâi baáo khöng chuyïn mön cho nhûäng taåp chñ naây noå. Töi àaä rêët muöën trúã vïì laâm viïåc toaân böå thúâi giúâ úã chöî sinh söëng tûå nhiïn cuãa töi, laâ Taåp chñ vêåt lyá.

Tuy nhiïn, töi àaä thêëy laâ khöng thïí ngûâng suy nghô vïì nhûäng cuöën saách kïí vïì vuä truå sú khai. Coá gò hêëp dêîn hún laâ vêën àïì “Phaát minh trúâi àêët”? Ngoaâi ra, trong vuä truå sú khai, àùåc biïåt trong phêìn trùm giêy àêìu tiïn, caác vêën àïì vïì lyá thuyïët haåt cú baãn gùæn chùåt vúái caác vêën àïì vïì vuä truå hoåc. Vaâ trûúác hïët, bêy giúâ laâ möåt thúâi àiïím töët àïí viïët vïì vuä truå sú khai. Àuáng trong thêåp niïn vûâa qua, möåt lyá thuyïët chi tiïët vïì quaá trònh diïîn biïën cuãa caác sûå kiïån trong vuä truå sú khai àaä àûúåc cöng nhêån röång raäi dûúái tïn “mö hònh chuêín”.

Thêåt laâ möåt àiïìu tuyïåt vúâi khi ta kïí àûúåc vïì vuä truå sau giêy àêìu tiïn, hoùåc nùm àêìu tiïn. Àöëi vúái möåt nhaâ vêåt lyá, àiïìu àaáng phêën khúãi laâ coá thïí kïí vïì caác sûå viïåc vúái nhûäng con söë, laâ coá thïí noái rùçng úã thúâi àiïím naâo àoá nhiïåt àöå, mêåt àöå hay húåp phêìn hoáa hoåc cuãa vuä truå àaåt àûúåc nhûäng trõ söë naây noå. Thêåt ra ta khöng hoaân



toaân thêåt chùæc vïì moåi vêën àïì naây, nhûng cuäng àaáng phêën khúãi laâ bêy giúâ ta coá thïí noái vïì caác vêën àïì naây vúái möåt chuát tin tûúãng naâo àoá. Sûå phêën khúãi naây laâ caái maâ töi muöën àûa àïën cho baån àoåc.

Töët hún hïët laâ töi phaãi noái saách naây daânh cho nhûäng baån àoåc naâo. Töi àaä viïët cho baån àoåc sùén saâng theo doäi vaâi lêåp luêån chi tiïët nhûng khöng phaãi thêåt am hiïíu toaán hoåc hoùåc vêåt lyá. Mùåc dêìu töi phaãi àûa vaâo möåt söë yá tûúãng khoa hoåc khaá phûác taåp, song khöng coá mön toaán hoåc naâo àûúåc duâng trong saách naây ngoaâi söë hoåc maâ baån àoåc khöng cêìn biïët nhiïìu, thêåm chñ biïët trûúác gò vïì vêåt lyá hoùåc thiïn vùn. Töi àaä cöë gùæng thêån troång àõnh nghôa caác danh tûâ khoa hoåc khi duâng chuáng lêìn àêìu, thïm vaâo àêëy töi àaä cung cêëp möåt baãng tûâ vûång vïì caác danh tûâ vêåt lyá vaâ thiïn vùn. ÚÃ àêu coá thïí àûúåc, töi àaä viïët caác con söë bùçng chûä (nhû: möåt trùm nghòn triïåu) maâ khöng duâng caách ghi khoa hoåc tiïån lúåi hún: 10 muä 11.

Tuy nhiïn, nhû vêåy khöng phaãi coá nghôa laâ töi àaä cöë viïët möåt cuöën saách dïî hiïíu. Khi möåt nhaâ luêåt hoåc viïët cho nhûäng baån àoåc bònh thûúâng, öng ta giaã thiïët rùçng hoå khöng biïët tiïëng Phaáp vïì luêåt hoùåc àaåo luêåt “chöëng thûâa hûúãng suöët àúâi”, nhûng öng ta, khöng phaãi vò vêåy maâ suy nghô tïå hún vïì hoå, vaâ öng khöng “haå cöë” àïën hoå. Töi muöën noái ngûúåc laåi: töi hònh dung baån àoåc nhû möåt luêåt sû giaâ khaá tinh khön, öng ta khöng noái ngön ngûä cuãa töi, nhûng duâ sao cuäng mong àúåi nghe vaâi lêåp luêån coá tñnh thuyïët phuåc trûúác khi coá yá kiïën caá nhên.

Àöëi vúái baån àoåc muöën thêëy thûåc sûå vaâi pheáp toaán laâm cú súã cho caác lêåp luêån cuãa cuöën saách naây, töi àaä soaån “Phuå trûúng toaán hoåc” liïìn sau cuöën saách. Trònh àöå toaán hoåc duâng úã àêy laâm cho caác chuá thñch naây coá thïí hiïíu àûúåc àöëi vúái bêët cûá ai coá trònh àöå nùm cuöëi àaåi hoåc vïì möåt khoa hoåc vêåt lyá hoùåc toaán hoåc naâo àoá. May thay, caác tñnh toaán quan troång nhêët trong vuä truå hoåc laåi coá phêìn naâo àún giaãn: chó coá úã chöî naây chöî noå caác àiïím tinh tïë hún cuãa thuyïët tûúng àöëi röång hoùåc cuãa vêåt lyá haåt nhên múái àûúåc duâng chuát ñt. Nhûäng baån àoåc muöën tiïëp tuåc hiïíu vêën àïì naây úã möåt trònh àöå cao hún seä tòm àûúåc nhiïìu giaáo trònh trònh àöå cao (kïí caã cuãa töi) ghi úã muåc “Gúåi yá àoåc thïm”.

Steven Weinberg 6


Töi cuäng phaãi noái roä àöëi tûúång cuãa cuöën saách. Àoá chùæc khöng phaãi laâ möåt cuöën saách noái vïì moåi khña caåch cuãa vuä truå hoåc. Coá möåt phêìn “cöí àiïín” cuãa vêën àïì, noái nhiïìu nhêët vïì cêëu truác cuãa vuä truå hiïån nay úã quy mö lúán: cuöåc tranh luêån vïì baãn chêët ngoaâi thiïn haâ cuãa caác tinh vên xoùæn öëc; sûå khaám phaá ra caác dõch chuyïín àoã cuãa caác thiïn haâ xa vaâ sûå phuå thuöåc cuãa caác dõch chuyïín àoá vaâo khoaãng caách; caác mö hònh vuä truå hoåc theo thuyïët tûúng àöëi röång cuãa Einstein, de Sitter, Lemaitre vaâ Friedmann; vaâ v. v... Phêìn naây cuãa vuä truå hoåc àaä àûúåc mö taã rêët hay úã möåt söë saách xuêët sùæc, vaâ töi khöng coá yá thuêåt laåi àêìy àuã möåt lêìn nûäa vïì phêìn naây úã àêy. Cuöën saách naây noái vïì vuä truå sú khai, vaâ àùåc biïåt vïì sûå hiïíu biïët múái vïì vuä truå sú khai dêëy lïn tûâ khi khaám phaá ra phöng xa cûåc ngùæn vuä truå nùm 1965.

Cöë nhiïn, thuyïët vuä truå giaän núã laâ möåt thaânh phêìn quan troång trong caách nhòn cuãa ta hiïån nay vïì vuä truå sú khai, cho nïn úã chûúng II, töi àaä buöåc phaãi giúái thiïåu ngùæn goån vïì caác khña caånh “cöí àiïín” cuãa vuä truå hoåc. Töi tin rùçng chûúng àoá àaä cung cêëp möåt cú súã thñch húåp, duâ laâ cho baån àoåc khöng quen biïët vuä truå hoåc àïí hiïíu caác phaát triïín gêìn àêy trong thuyïët vïì vuä truå sú khai maâ phêìn coân laåi cuãa cuöën saách baân àïën. Tuy nhiïn, baån àoåc muöën möåt sûå giúái thiïåu àêìy àuã nhûäng phêìn cöí hún cuãa vuä truå hoåc thò xin xem caác saách ghi trong “Gúåi yá àoåc thïm”.

Mùåt khaác, töi àaä khöng tòm ra àûúåc möåt baãn tûúâng thuêåt lõch sûã naâo coá hïå thöëng vïì caác phaát triïín gêìn àêy cuãa vuä truå hoåc. Do àoá töi àaä buöåc phaãi ài sêu hún möåt chuát, àùåc biïåt vïì möåt vêën àïì hêëp dêîn laâ taåi sao khöng coá sûå tòm kiïëm naâo vïì phöng bûác xaå cûåc ngùæn cuãa vuä truå nhiïìu nùm trûúác 1965. (Àiïìu naây àûúåc thaão luêån úã chûúng VI). Nhû vêåy khöng phaãi àïí noái rùçng töi coi saách naây laâ möåt cuöën lõch sûã coá tñnh chêët dûát àiïím vïì caác phaát triïín àoá - töi rêët tön troång sûå cöë gùæng tòm hiïíu vaâ sûå chuá yá àïën caác chi tiïët cêìn thiïët trong lõch sûã khoa hoåc nïn khöng thïí coá möåt aão tûúãng naâo vïì viïåc naây. Traái laåi, töi seä haånh phuác nïëu möåt nhaâ sûã hoåc vaâ khoa hoåc thêåt sûå naâo àoá seä duâng saách naây nhû möåt àiïím xuêët phaát vaâ viïët möåt cuöën lõch sûã àêìy àuã vïì ba mûúi nùm cuöëi àêy cuãa caác nghiïn cûáu vuä truå hoåc.



Töi hïët sûác caãm ún Erwin Glikes vaâ Farrell Phillips cuãa cöng ty “Saách cú baãn” vïì caác gúåi yá coá giaá trõ cuãa hai öng trong khi chuêín bõ baãn thaão naây àïí xuêët baãn. Töi cuäng àaä àûúåc giuáp nhiïìu hún laâ töi coá thïí noái ra khi viïët cuöën saách naây, búãi vò nhûäng gúåi yá thên thiïån cuãa caác baån àöìng nghiïåp cuãa töi vïì vêåt lyá vaâ thiïn vùn. Töi muöën àùåc biïåt caãm ún Ralph Alpher, Bernard Burke, Robert Dicke, George Field, Gary Feinberg, William Fowler, Robert Herman, Fred Hoyle, Jim Peebles, Arno Penzias, Bill Press, Ed Purcell vaâ Robert Wagoner vïì viïåc caác öng bêån têm àoåc vaâ phaát biïíu vïì caác phêìn cuãa cuöën saách. Töi cuäng caãm ún Isaac Asimov, I. Bernard Cohen, Martha Liller vaâ Phillips Morrison vò àaä cho thöng tin vïì möåt loaåt vêën àïì àùåc biïåt. Töi àùåc biïåt biïët ún Nigel Calder vò àaä àoåc suöët baãn thaão àêìu tiïn, vaâ àaä cho nhûäng lúâi bònh luêån xaác àaáng. Töi khöng thïí hy voång rùçng cuöën saách naây bêy giúâ hoaân toaân khöng coá nhûäng chöî sai hoùåc töëi nghôa, nhûng töi chùæc laâ noá roä vaâ chñnh xaác hún nhiïìu so vúái trûúâng húåp nïëu noá khöng àûúåc sûå giuáp àúä röång lûúång maâ töi àaä may mùæn nhêån àûúåc.

Steven Weinberg Cambridge, Massachusetts

Thaáng 7/1976

Steven Weinberg 8


MÚÃ ÀÊÌU: NGÛÚÂI KHÖÍNG LÖÌ VAÂ CON BOÂ CAÁI

Trong suöët phêìn lúán lõch sûã vêåt lyá hoåc, thiïn vùn hoåc hiïån àaåi, roä raâng laâ àaä khöng coá möåt cú súã quan saát vaâ lyá thuyïët vûäng vaâng àïí dûåa vaâo àêëy ngûúâi ta coá thïí xêy dûång möåt lõch sûã vuä truå sú khai. Bêy giúâ, àiïìu àoá àaä thay àöíi. Möåt thuyïët vuä truå sú khai àaä àûúåc cöng nhêån röång raäi àïën mûác caác nhaâ thiïn vùn thûúâng goåi noá laâ “mö hònh chuêín”.

Nguöìn göëc vuä truå àûúåc giaãi thñch trong saách “Edda treã”, möåt sûu têåp truyïån thêìn thoaåi maâ nhaâ töåc trûúãng Aixúlen Snorri Sturleson àaä sûu têìm vaâo khoaãng nùm 1220. Thuãa sú khai - saách cuãa Edda viïët - khöng coá gò caã. “Khöng tòm thêëy àêët, phña trïn cuäng khöng coá trúâi, chó coá möåt khoaãng tröëng lúán kinh khuãng, vaâ khöng àêu coá coã”. Phña bùæc vaâ phña nam cuãa khoaãng khöng tröëng röîng laâ nhûäng vuâng cuãa giaá reát vaâ lûãa, Niflheim vaâ Muspelheim. Sûác noáng tûâ vuâng Muspelheim laâm tan caác khöëi bùng giaá cuãa Niflheim vaâ tûâ caác haåt nûúác möåt ngûúâi khöíng löì xuêët hiïån, Ymer. Thïë thò Ymer ùn gò? Hònh nhû trong truyïån cuäng coá möåt con boâ caái tïn laâ Audhumla. Thïë thò noá ùn gò? Khöng sao, cuäng coá möåt ñt muöëi, v. v...vaâ v. v...

Töi khöng muöën laâm mïëch loâng nhûäng ai coá thiïån caãm tön giaáo, kïí caã coá thiïån caãm vúái tñn ngûúäng Viking (Viking: tïn goåi nhûäng tïn cûúáp biïín Scanàinavia thuúã xûa (ND).), nhûng töi cho rùçng cuäng àuáng khi noái rùçng cêu chuyïån trïn khöng cho chuáng ta möåt hònh aãnh thoãa maän lùæm vïì nguöìn göëc vuä truå. Duâ boã qua moåi àiïìu hïët sûác traái vúái nhûäng chuyïån dô nhiïn, thöng thûúâng, cêu chuyïån naây vêîn laâm naãy sinh nhûäng cêu hoãi nhiïìu bùçng nhûäng vêën àïì noá giaãi àaáp, möîi sûå giaãi àaáp laåi dêîn àïën möåt àiïìu phûác taåp múái cho caác àiïìu kiïån ban àêìu.

Chuáng ta khöng thïí chó móm cûúâi khi nghe chuyïån Edda vaâ khûúác tûâ toaân böå sûå suy àoaán vïì nguöìn göëc vuä truå, loâng ham muöën



tòm hiïíu lõch sûã vuä truå kïí tûâ buöíi sú khai cuãa noá thûåc khöng gò ngùn caãn àûúåc. Tûâ luác khoa hoåc hiïån àaåi bùæt àêìu, úã nhûäng thïë kyã 16 vaâ 17, caác nhaâ vêåt lyá, thiïn vùn àaä nhiïìu lêìn trúã vïì nguöìn göëc vuä truå.

Tuy nhiïn, quanh möåt loaåi nghiïn cûáu nhû vêåy luön luön phaãng phêët nhûäng àiïìu tai tiïëng. Töi nhúá laåi luác töi coân laâ möåt sinh viïn vaâ khi àoá tûå bùæt àêìu nghiïn cûáu khoa hoåc (vïì nhûäng vêën àïì khaác) trong nhûäng nùm 1950, nghiïn cûáu vïì vuä truå sú khai bõ nhiïìu ngûúâi coi khöng phaãi laâ möåt cöng viïåc maâ möåt nhaâ khoa hoåc àûáng àùæn phaãi àïí nhiïìu thúâi giúâ vaâo àêëy. Sûå àaánh giaá nhû vêåy cuäng khöng phaãi vö cùn cûá. Trong suöët phêìn lúán lõch sûã vêåt lyá hoåc, thiïn vùn hoåc hiïån àaåi, roä raâng laâ àaä khöng coá möåt cú súã quan saát vaâ lyá thuyïët vûäng vaâng àïí dûåa vaâo àêëy ngûúâi ta coá thïí xêy dûång möåt lõch sûã vuä truå sú khai.

Bêy giúâ, àuáng trong 10 nùm qua, àiïìu àoá àaä thay àöíi. Möåt thuyïët vuä truå sú khai àaä àûúåc cöng nhêån röång raäi àïën mûác caác nhaâ thiïn vùn thûúâng goåi noá laâ “mö hònh chuêín”. Noá möåt phêìn naâo giöëng caái maâ àöi khi àûúåc goåi laâ thuyïët “vuå nöí lúán”, nhûng àûúåc böí sung möåt toa (úã àêy chuáng töi dõch “recipe” laâ “toa” àïí giûä àuáng caách noái hoám hónh cuãa taác giaã. Coân coá thïí dõch laâ “cöng thûác” hoùåc “àún” (ND).) roä raâng hún rêët nhiïìu vïì caác thaânh phêìn cuãa vuä truå. Thuyïët vïì vuä truå sú khai naây laâ àïì taâi cuöën saách cuãa chuáng ta.

Àïí thêëy àûúåc ta seä ài túái àêu, coá thïí cêìn bùæt àêìu vúái möåt àoaån toám tùæt lõch sûã vuä truå sú khai nhû àûúåc hiïíu trong “mö hònh chuêín” hiïån nay. Àêy chó laâ möåt sûå lûúát qua ngùæn goån - caác chûúng tiïëp theo seä giaãi thñch caác chi tiïët cuãa lõch sûã naây vaâ caác lyá do khiïën ta tin vaâo noá phêìn naâo.

Luác àêìu àaä xaãy ra möåt vuå nöí. Khöng phaãi möåt vuå nöí nhû thûúâng xaãy ra trïn traái àêët, bùæt àêìu tûâ möåt trung têm nhêët àõnh vaâ lan truyïìn ra caác vuâng xung quanh möîi luác möåt xa, maâ laâ möåt vuå nöí xaãy ra àöìng thúâi úã bêët cûá àiïím naâo, lêëp àêìy toaân böå khöng gian ngay tûâ àêìu, trong àoá möîi haåt vêåt chêët àïìu rúâi xa caác haåt khaác. “Toaân böå khöng gian” úã àêy coá thïí hiïíu hoùåc laâ toaân böå khöng gian cuãa möåt vuä truå vö haån hoùåc cuãa möåt vuä truå hûäu haån,

Steven Weinberg 10


noá tûå kheáp kñn nhû bïì mùåt möåt hònh cêìu. Caã hai khaã nùng àïìu khöng phaãi dïî hiïíu, nhûng viïåc àoá khöng caãn trúã gò ta; trong vuä truå sú khai, viïåc khöng gian laâ hûäu haån hay vö haån hêìu nhû khöng quan troång.

Sau khoaãng 1/100 giêy, thúâi gian súám nhêët maâ ta coá thïí tûúâng thuêåt vúái möåt trùm nghòn triïåu (10 muä 11) àöå baách phên (Trong saách, taác giaã duâng khi thò àöå baách phên cho dïî hiïíu, khi thò àöå Kelvin. Thûåc ra, phaãi duâng àún võ “kenvin” thay àöå baách phên hoùåc àöå Kelvin (ND).). Nhû vêåy laâ noáng hún nhiïìu so vúái úã trung têm cuãa möåt vò sao noáng nhêët, noáng àïën nöîi thûåc ra khöng coá thaânh phêìn naâo cuãa vêåt chêët bònh thûúâng, phên tûã, nguyïn tûã hoùåc duâ laâ haåt nhên cuãa nguyïn tûã coá thïí baám vaâo nhau àûúåc. Thay vaâo àoá, vêåt chêët rúâi xa nhau trong vuå nöí naây göìm coá nhûäng loaåi haåt cú baãn khaác nhau, caác haåt naây laâ àöëi tûúång nghiïn cûáu cuãa vêåt lyá haåt nhên nùng lûúång cao hiïån àaåi.

Chuáng ta seä gùåp nhûäng haåt àoá nhiïìu lêìn trong saách naây - hiïån giúâ chó cêìn goåi tïn caác haåt coá mùåt nhiïìu nhêët trong vuä truå sú khai, vaâ trong caác chûúng III vaâ IV seä coá nhûäng giaãi thñch chi tiïët hún. Möåt loaåi haåt rêët phöí biïën luác àoá laâ electron, haåt mang àiïån êm chaåy trong caác dêy dêîn àiïån vaâ taåo nïn caác lúáp voã cuãa moåi nguyïn tûã vaâ phên tûã trong vuä truå hiïån nay. Möåt loaåi haåt khaác cuäng coá rêët nhiïìu trong caác buöíi sú khai laâ pozitron, möåt loaåi haåt mang àiïån dûúng cuâng möåt khöëi lûúång nhû electron. Trong vuä truå hiïån nay pozitron chó àûúåc tòm thêëy trong caác phoâng thñ nghiïåm nùng lûúång cao, trong möåt vaâi kiïíu phoáng xaå vaâ trong nhûäng hiïån tûúång thiïn vùn cûåc maånh nhû caác tia vuä truå vaâ sao siïu múái, nhûng trong vuä truå sú khai, söë lûúång pozitron àuáng bùçng söë lûúång electron. Ngoaâi electron vaâ pozitron luác àoá coân coá nhûäng loaåi neutrino, söë lûúång cuäng gêìn bùçng nhû vêåy, nhûäng haåt “ma” mang khöëi lûúång vaâ àiïån tñch bùçng khöng. Cuöëi cuâng, vuä truå luác àoá chûáa àêìy aánh saáng. Khöng àûúåc xem xeát aánh saáng taách rúâi vúái caác haåt. Thuyïët lûúång tûã cho ta biïët rùçng aánh saáng göìm nhûäng haåt khöëi lûúång bùçng khöng, àiïån tñch bùçng khöng, goåi laâ photon. (Möîi lêìn möåt nguyïn tûã trong dêy toác boáng àeân àiïån chuyïín tûâ möåt traång thaái nùng lûúång cao àïën möåt traång thaái nùng lûúång thêëp hún thò



möåt photon àûúåc phaát ra). Söë photon àûúåc phaát ra tûâ möåt boáng àiïån nhiïìu àïën nöîi chuáng dûúâng nhû laâ nhêåp vúái nhau thaânh möåt luöìng aánh saáng liïn tuåc, nhûng möåt tïë baâo quang àiïån coá thïí àïëm tûâng photon möåt. Möîi photon mang möåt lûúång nùng lûúång vaâ xung lûúång xaác àõnh, phuå thuöåc vaâo bûúác soáng aánh saáng. Àïí mö taã aánh saáng àaä traân ngêåp vuä truå sú khai, chuáng ta coá thïí noái rùçng söë lûúång vaâ nùng lûúång trung bònh cuãa caác photon luác àoá xêëp xó bùçng söë lûúång vaâ nùng lûúång trung bònh cuãa caác electron, pozitron hoùåc neutrino.

Caác haåt àoá - electron, pozitron, neutrino, photon - àaä àûúåc taåo nïn möåt caách liïn tuåc tûâ nùng lûúång thuêìn tuáy vaâ röìi sau nhûäng khoaãnh khùæc töìn taåi laåi bõ huãy diïåt. Nhû vêåy, söë lûúång cuãa chuáng khöng phaãi laâ àaä àûúåc àõnh ngay tûâ àêìu, maâ thay vaâo àoá àûúåc cöë àõnh bùçng sûå cên bùçng- giûäa caác quaá trònh sinh vaâ huãy. Tûâ sûå cên bùçng naây ta coá thïí suy ra rùçng mêåt àöå thûá xuáp (Chuáng töi dõch “cosmic soup” laâ xuáp vuä truå (möåt moán “hêíu löën” vuä truå) àïí giûä caách noái hoám hónh cuãa taác giaã (ND).) vuä truå àoá úã nhiïåt àöå möåt trùm nghòn triïåu àöå, lúán gêëp khoaãng böën nghòn triïåu lêìn mêåt àöå cuãa nûúác. Luác àoá cuäng coá pha möåt söë ñt haåt nùång hún, caác proton vaâ neutron, maâ trong thïë giúái hiïån nay laâ nhûäng thaânh phêìn cuãa caác haåt nhên nguyïn tûã. (Proton mang àiïån tñch dûúng, neutron nùång hún möåt ñt vaâ trung hoâa vïì àiïån). Tyã lïå luác àoá vaâo khoaãng möåt proton vaâ möåt neutron trïn möîi nghòn triïåu electron hoùåc pozitron hoùåc neutrino hoùåc photon. Con söë àoá - möåt nghòn triïåu photon trïn möîi haåt nhên - laâ con söë quyïët àõnh cêìn phaãi ruát ra tûâ quan saát àïí taåo ra mö hònh chuêín cuãa vuä truå. Sûå phaát hiïån ra phöng bûác xaå vuä truå àûúåc thaão luêån úã chûúng III thûåc ra laâ möåt pheáp ào con söë àoá.

Khi vuå nöí tiïëp tuåc thò nhiïåt àöå haå xuöëng túái ba mûúi nghòn triïåu (3. 10 muä 10) àöå C sau khoaãng möåt phêìn mûúâi giêy; mûúâi nghòn triïåu àöå sau möåt giêy vaâ ba nghòn triïåu àöå sau 14 giêy. Nhû vêåy àuã laånh àïí electron vaâ pozitron bùæt àêìu bõ huãy vúái nhau nhanh hún laâ coá thïí àûúåc taái sinh tûâ photon vaâ neutrino. Nùng lûúång àûúåc giaãi phoáng trong sûå huãy vêåt chêët taåm thúâi laâm giaãm töëc àöå laånh dêìn cuãa vuä truå, nhûng nhiïåt àöå tiïëp tuåc giaãm, cuöëi cuâng ài àïën möåt

Steven Weinberg 12


nghòn triïåu àöå sau ba phuát àêìu tiïn. Luác àoá àuã laånh àïí photon vaâ neutron bùæt àêìu taåo thaânh caác haåt nhên phûác taåp, bùæt àêìu laâ haåt nhên cuãa hydro nùång (hay àúteri) noá göìm möåt proton vaâ möåt neutron. Mêåt àöå luác àoá haäy coân khaá cao (húi nhoã hún mêåt àöå cuãa nûúác), cho nïn caác haåt nhên nheå àoá coá thïí húåp laåi vúái nhau möåt caách nhanh choáng thaânh haåt nhên nheå bïìn nhêët, haåt nhên cuãa heli, göìm hai photon vaâ hai neutron.

Sau ba phuát àêìu tiïn, vuä truå göìm chuã yïëu aánh saáng, neutrino vaâ phaãn neutrino. Luác àoá vêîn coân chuát ñt chêët haåt nhên, göìm coá khoaãng 73 % hydro vaâ 27 % heli vaâ möåt söë, cuäng ñt nhû vêåy, electron coân laåi tûâ quaá trònh huãy electron vaâ pozitron. Vêåt chêët àoá tiïëp tuåc rúâi xa nhau, caâng ngaây caâng laånh hún, loaäng hún. Maäi lêu sau, sau möåt vaâi trùm nghòn nùm múái bùæt àêìu àuã laånh àïí cho electron kïët húåp vúái haåt nhên thaânh nguyïn tûã hydro vaâ heli. Chêët khñ àûúåc hònh thaânh seä bùæt àêìu, dûúái aãnh hûúãng cuãa lûåc hêëp dêîn, taåo nïn nhûäng khöëi kïët maâ sau naây seä ngûng tuå laåi, taåo ra caác thiïn haâ vaâ caác ngöi sao cuãa vuä truå hiïån nay. Tuy nhiïn, nhûäng thaânh phêìn maâ caác ngöi sao duâng àïí bùæt àêìu àúâi söëng cuãa chuáng cuäng chó laâ nhûäng thaânh phêìn àûúåc taåo ra trong ba phuát àêìu tiïn.

Mö hònh chuêín àûúåc phaác hoåa ra trïn àêy khöng phaãi laâ

thuyïët thoãa maän nhêët maâ ta coá thïí tûúãng tûúång àûúåc vïì nguöìn göëc vuä truå. Cuäng nhû trong saách “Edda treã” coá möåt sûå mú höì àaáng lo ngaåi vïì chñnh luác bùæt àêìu, vïì phêìn giêy àêìu tiïn - hoùåc hún keám möåt ñt.

Ngoaâi ra viïåc cêìn quy àõnh caác àiïìu kiïån ban àêìu, àùåc biïåt tyã lïå möåt nghòn triïåu photon trïn möåt haåt nhên cuäng khöng àûúåc tûå nhiïn lùæm. Chuáng ta thñch möåt sûå thuyïët trònh coá lögic chùåt cheä hún.

Vñ duå möåt thuyïët khaác coá veã hêëp dêîn vïì mùåt triïët hoåc hún nhiïìu, laâ mö hònh traång thaái dûâng. Trong thuyïët àûúåc Herman Bondi, Thomas Gold (dûúái möåt daång húi khaác) vaâ Fred Hoyle àûa ra trong nhûäng nùm cuöëi cuãa thêåp niïn 40 naây, vuä truå àaä luön luön töìn taåi nhû hiïån nay. Khi noá giaän ra, vêåt chêët “múái” àûúåc taåo



thaânh möåt caách liïn tuåc àïí lêëp caác khoaãng tröëng giûäa caác thiïn haâ. Coá thïí laâ moåi cêu hoãi vïì viïåc taåi sao vuä truå laâ nhû thïë naây coá thïí àûúåc giaãi àaáp trong thuyïët naây bùçng caách chó ra rùçng noá nhû thïë àoá vò àêëy laâ caách duy nhêët àïí noá luön luön laâ khöng àöíi. Vêën àïì vuä truå sú khai bõ loaåi trûâ: khöng coá vuä truå sú khai .

Vêåy thò taåi sao chuáng ta laåi ài àïën “mö hònh chuêín”? Vaâ taåi sao noá àaä thay thïë caác thuyïët khaác nhû “mö hònh traång thaái dûâng”? Àêy laâ möåt àiïím àaáng khêm phuåc vïì tñnh khaách quan cuãa vêåt lyá thiïn vùn hiïån àaåi, rùçng sûå nhêët trñ àaä àaåt àûúåc naây khöng phaãi do nhûäng sûå thay àöíi thiïn vïì triïët hoåc hoùåc do aãnh hûúãng cuãa nhûäng “öng quan” cuãa vêåt lyá thiïn vùn maâ laâ do aáp lûåc cuãa nhûäng söë liïåu thûåc nghiïåm.

Hai chûúng tiïëp theo àêy seä mö taã hai sûå kiïån lúán maâ caác quan saát thiïn vùn àaä cung cêëp, chuáng àaä dêîn ta àïën “mö hònh chuêín” - caác phaát hiïån vïì sûå luâi xa cuãa caác thiïn haâ úã xa xùm vaâ vïì möåt phöng bûác xaå yïëu chûáa àêìy trong vuä truå. Àêy laâ möåt cêu chuyïån phong phuá cho caác nhaâ nghiïn cûáu lõch sûã khoa hoåc, noá chûáa àêìy nhûäng bûúác ài ban àêìu sai lïåch, nhûäng dõp may àaä bõ boã lúä, nhûäng àõnh kiïën lyá thuyïët vaâ vai troâ cuãa nhûäng nhên vêåt quan troång.

Sau sûå trònh baây sú lûúåc àoá vïì vuä truå hoåc quan saát, töi seä cöë gùæng sùæp xïëp caác söë liïåu laåi vúái nhau àïí coá möåt bûác tranh nhêët quaán vïì caác àiïìu kiïån vêåt lyá trong vuä truå sú khai. Nhû vêåy ta coá thïí quay laåi ba phuát àêìu tiïn vúái nhiïìu chi tiïët hún. Caách trònh baây theo nghïå thuêåt àiïån aãnh coá veã thñch húåp: caãnh naây tiïëp theo caãnh khaác, chuáng ta seä quan saát vuä truå giaän núã vaâ laånh dêìn. Chuáng ta cuäng coá thïí thûã nhòn möåt chuát vaâo möåt thúâi àaåi maâ hiïån nay vêîn bao phuã búãi möåt bûác maân bñ mêåt - caái phêìn trùm giêy àêìu tiïn vaâ caái gò àaä xaãy ra trûúác àoá.

Chuáng ta coá thïí hoaân toaân tin chùæc vaâo mö hònh chuêín khöng? Nhûäng phaát hiïån múái naâo àoá coá thïí àaánh àöí noá vaâ thay bùçng möåt thuyïët “nguöìn göëc vuä truå” khaác naâo àoá, kïí caã laâm söëng laåi mö hònh traång thaái dûâng hay khöng? Cuäng coá thïí. Töi khöng

Steven Weinberg 14


thïí chöëi rùçng töi coá möåt caãm giaác khöng thêåt khi viïët vïì ba phuát àêìu tiïn, nhû thïí laâ töi àaä biïët chùæc vïì cêu chuyïån töi muöën noái.

Tuy nhiïn, duâ phaãi bõ thay thïë, mö hònh chuêín seä àûúåc coi laâ àaä àoáng möåt vai troâ coá giaá trõ lúán trong lõch sûã cuãa vuä truå hoåc. Hiïån nay ngûúâi ta àaä coi troång (tuy rùçng múái chó mûúâi nùm gêìn àêy thöi) viïåc thûã nghiïåm caác yá tûúãng lyá thuyïët trong vêåt lyá hoùåc vêåt lyá thiïn vùn bùçng caách ruát ra caác hïå quaã cuãa chuáng theo mö hònh chuêín. Hiïån nay ngûúâi ta thûúâng duâng mö hònh chuêín nhû möåt cú súã lyá thuyïët àïí biïån höå cho nhûäng chûúng trònh quan saát thiïn vùn. Nhû vêåy, mö hònh chuêín cho möåt ngön ngûä chung cêìn thiïët, cho pheáp caác nhaâ lyá thuyïët vaâ quan saát àaánh giaá àûúåc cöng viïåc cuãa nhau. Nïëu möåt ngaây naâo àoá mö hònh chuêín bõ thay thïë búãi möåt lyá thuyïët töët hún, àoá coá thïí laâ do nhûäng quan saát hay xuêët phaát tûâ mö hònh chuêín.

Trong chûúng cuöëi, töi seä noái möåt àoaån ngùæn vïì tûúng lai vuä truå. Noá coá thïí giaän núã maäi maäi, ngaây caâng laånh hún, tröëng röîng hún vaâ “chïët” hún. Ngûúåc laåi, noá coá thïí co heåp laåi, laâm cho caác thiïn haâ, caác ngöi sao vaâ haåt nhên nguyïn tûã nöí tung vaâ trúã vïì caác húåp phêìn cuãa noá. Têët caã caác vêën àïì chuáng ta gùåp khi chuáng ta muöën hiïíu ba phuát luác àoá seä xuêët hiïån trúã laåi khi ta muöën tiïn àoaán caác sûå kiïån seä xaãy ra trong ba phuát cuöëi.



SÛÅ DAÄN NÚÃ CUÃA VUÄ TRUÅ

Nhòn vaâo bêìu trúâi ban àïm, ta coá caãm giaác maånh meä vïì möåt

vuä truå khöng biïën àöång. Thûåc ra, nhûäng àaám mêy bay qua mùåt trùng, bêìu trúâi xoay quanh sao Bùæc àêíu vaâ sau nhûäng khoaãng thúâi gian daâi hún thò mùåt trùng cuäng khi troân khi khuyïët, vaâ mùåt trùng cuäng nhû caác haânh tinh àïìu chuyïín àöång trïn phöng caác vò sao. Nhûng chuáng ta biïët àêy chó laâ hiïån tûúång cuåc böå, do caác chuyïín àöång trong thaái dûúng hïå cuãa chuáng ta gêy ra. Ngoaâi caác haânh tinh ra, caác ngöi sao dûúâng nhû àûáng yïn.

Cöë nhiïn, sao cuäng chuyïín àöång vúái nhûäng töëc àöå àaåt vaâi trùm kilömet möîi giêy, nhû vêåy trong möåt nùm, möåt ngöi sao chuyïín àöång nhanh coá thïí ài mûúâi nghòn triïåu kilömet. Àêëy laâ möåt khoaãng möåt nghòn lêìn nhoã hún khoaãng caách àïën nhûäng ngöi sao duâ laâ gêìn nhêët, cho nïn võ trñ biïíu kiïën cuãa chuáng trïn bêìu trúâi thay àöíi rêët chêåm. (Vñ duå ngöi sao chuyïín àöång tûúng àöëi nhanh, goåi laâ Barnard úã caách ta möåt khoaãng chûâng 56 triïåu triïåu kilömet. Noá chuyïín àöång qua àûúâng nhòn vúái töëc àöå 89 km/s hoùåc 2,8 nghòn triïåu kilömet möîi nùm, kïët quaã laâ võ trñ biïíu kiïën cuãa noá thay àöíi möåt goác bùçng 0,0029 àöå trong möåt nùm). Caác nhaâ thiïn vùn goåi sûå thay àöíi võ trñ biïíu kiïën cuãa nhûäng ngöi sao gêìn trïn bêìu trúâi laâ “chuyïín àöång riïng”.

Võ trñ biïíu kiïën trïn bêìu trúâi cuãa nhûäng ngöi sao xa hún thay àöíi chêåm àïën mûác chuyïín àöång riïng cuãa chuáng khöng thïí phaát hiïån àûúåc thêåm chñ bùçng sûå quan saát kiïn nhêîn nhêët. ÚÃ àêy chuáng ta seä thêëy rùçng caái caãm giaác khöng biïën àöång naây laâ sai lêìm. Caác quan saát maâ chuáng ta thaão luêån trong chûúng naây cho thêëy laâ vuä truå úã trong möåt traång thaái nöí dûä döåi, trong àoá caác àaão sao lúán goåi laâ caác thiïn haâ àang rúâi xa nhau vúái nhûäng töëc àöå gêìn bùçng töëc àöå aánh saáng. Sau naây chuáng ta coá thïí ngoaåi suy sûå nöí àoá luâi vïì thúâi

Steven Weinberg 16


gian àïí kïët luêån rùçng têët caã caác thiïn haâ chùæc àaä phaãi gêìn nhau hún nhiïìu úã cuâng möåt luác trong quaá khûá - gêìn nhau àïën mûác maâ thûåc ra khöng coá thiïn haâ naâo hoùåc vò sao naâo hoùåc kïí caã nguyïn tûã hay haåt nhên nguyïn tûã naâo coá thïí töìn taåi riïng biïåt. Àoá laâ kyã nguyïn maâ chuáng ta goåi laâ “vuä truå sú khai”, àöëi tûúång nghiïn cûáu cuãa cuöën saách naây.

Sûå hiïíu biïët cuãa chuáng ta vïì sûå giaän núã cuãa vuä truå hoaân toaân dûåa trïn sûå kiïån laâ caác nhaâ thiïn vùn coá khaã nùng ào chuyïín àöång cuãa möåt vêåt thïí saáng theo hûúáng trûåc tiïëp doåc theo àûúâng nhòn chñnh xaác hún rêët nhiïìu so vúái khi ào chuyïín àöång àoá theo nhûäng hûúáng vuöng goác vúái àûúâng nhòn. Kyä thuêåt ào duâng möåt tñnh chêët quen thuöåc cuãa moåi chuyïín àöång soáng, goåi laâ hiïåu ûáng Doppler. Khi ta quan saát möåt soáng êm hoùåc soáng aánh saáng tûâ möåt nguöìn bêët àöång, thúâi gian giûäa caác àónh soáng khi chuáng àïën àûúåc thiïët bõ quan saát cuãa ta cuäng àuáng laâ thúâi gian giûäa caác àónh soáng khi chuáng rúâi khoãi nguöìn. Mùåt khaác, nïëu nguöìn chuyïín àöång taách khoãi chuáng ta thò thúâi gian giûäa caác lêìn túái cuãa nhûäng àónh soáng liïn tiïëp lúán hún thúâi gian giûäa nhûäng luác chuáng rúâi khoãi nguöìn, vò möîi àónh sau khi túái chöî ta phaãi ài möåt quaäng àûúâng daâi hún möåt chuát so vúái àónh trûúác. Thúâi gian giûäa caác àónh chñnh bùçng bûúác soáng chia cho töëc àöå cuãa soáng, nhû vêåy möåt soáng phaát ra búãi möåt nguöìn chuyïín àöång ra xa khoãi ta seä hònh nhû coá möåt bûúác soáng daâi hún so vúái khi nguöìn àûáng yïn. (Cuå thïí àöå tùng tyã àöëi cuãa bûúác soáng bùçng tó söë giûäa töëc àöå nguöìn soáng vaâ töëc àöå cuãa soáng, nhû àûúåc chó ra trong chuá thñch toaán hoåc 1). Cuäng nhû vêåy, nïëu nguöìn chuyïín àöång vïì phña ta, thúâi gian giûäa nhûäng lêìn xuêët hiïån cuãa hai àónh soáng giaãm ài búãi vò möîi àónh soáng kïë tiïëp ài möåt quaäng àûúâng ngùæn hún vaâ soáng hònh nhû coá möåt bûúác soáng ngùæn hún. Àiïìu naây giöëng nhû thïí möåt ngûúâi baán haâng lûu àöång muöën gûãi thû vïì nhaâ möåt caách àïìu àùån, möîi tuêìn möåt lêìn suöët trong chuyïën ài cuãa mònh: khi ngûúâi àoá ài xa nhaâ, möîi thû tiïëp sau seä phaãi ài möåt khoaãng caách xa hún thû trûúác, cho nïn caác bûác thû cuãa ngûúâi àoá seä àïën caách nhau hún möåt tuêìn; trïn àûúâng trúã vïì, möîi thû tiïëp sau seä ài möåt khoaãng caách ngùæn hún nïn caác bûác thû àïën caách nhau chûa àêìy möåt tuêìn.



Hiïån nay rêët dïî quan saát hiïåu ûáng Doppler trïn soáng êm. Chó cêìn àûáng bïn àûúâng caái vaâ nhêån xeát rùçng àöång cú cuãa möåt xe ö tö chaåy nhanh phaát ra êm thanh cao hún (nghôa laâ coá bûúác soáng ngùæn hún) khi chiïëc ö tö lao vïì phña ta so vúái khi chiïëc ö tö chaåy khoãi ta. Hiïåu ûáng naây àûúåc Johann Christian Doppler, giaáo sû toaán hoåc trûúâng Realschule úã Praha nïu ra lêìn àêìu tiïn cho caã soáng êm vaâ soáng aánh saáng nùm 1842. Hiïåu ûáng Doppler cho soáng êm àûúåc nhaâ khñ tûúång hoåc Haâ Lan Buys - Ballot thûã nghiïåm trong möåt thñ nghiïåm hêëp dêîn vaâo nùm 1845 - öng duâng möåt daân nhaåc keân àùåt trïn möåt toa xe lûãa mui trêìn phoáng nhanh qua vuâng nöng thön Haâ Lan gêìn Utrecht laâm nguöìn êm thanh di àöång. Doppler cho rùçng hiïåu ûáng cuãa öng coá thïí cùæt nghôa maâu sùæc khaác nhau cuãa caác vò sao. AÁnh saáng cuãa caác vò sao chuyïín àöång rúâi xa quaã àêët phaãi dõch chuyïín vïì phña nhûäng bûúác soáng daâi hún, vaâ do aánh saáng àoã coá bûúác soáng daâi hún bûúác soáng trung bònh cuãa aánh saáng thêëy àûúåc, nïn möåt ngöi sao nhû vêåy seä hiïån ra àoã hún bònh thûúâng. Cuäng nhû vêåy, aánh saáng tûâ caác vò sao chuyïín àöång vïì phña quaã àêët seä dõch chuyïín vïì phña bûúác soáng ngùæn hún, do àoá vò sao àûúåc nhòn xanh hún bònh thûúâng.

Khöng lêu sau àoá Buys - Ballot vaâ möåt söë ngûúâi khaác àaä chó ra rùçng hiïåu ûáng Doppler vïì cùn baãn khöng dñnh lñu gò àïën maâu sùæc möåt ngöi sao - àuáng laâ aánh saáng xanh tûâ möåt ngöi sao ài xa quaã àêët bõ dõch vïì phña àoã, nhûng àöìng thúâi möåt phêìn cuãa aánh saáng tûã ngoaåi, thûúâng khöng thêëy àûúåc cuãa vò sao, laåi dõch chuyïín vïì phña xanh cuãa phöí thêëy àûúåc, do àoá maâu sùæc toaân böå khöng thay àöíi. Caác sao coá maâu sùæc khaác nhau chuã yïëu vò chuáng coá bïì mùåt nhiïåt àöå khaác nhau.

Tuy nhiïn, hiïåu ûáng Doppler bùæt àêìu coá möåt têìm quan troång to lúán trong thiïn vùn hoåc vaâo nùm 1868, khi noá àûúåc aáp duång cho viïåc nghiïn cûáu nhûäng vaåch phöí caá biïåt. Nhiïìu nùm trûúác àoá nhaâ quang hoåc Joseph Frauenhofer úã Muynkhen àaä phaát hiïån ra, trong nhûäng nùm tûâ 1814 àïën 1815, rùçng khi aánh saáng mùåt trúâi ài qua möåt khe heåp vaâ sau àoá ài qua möåt lùng kñnh thuãy tinh thò phöí maâu sùæc hiïån ra coá haâng trùm vaåch töëi, möîi vaåch àïìu laâ hònh aãnh caái khe heåp. (Möåt vaâi vaåch naây àaä àûúåc William Hyde Wollaston nhêån

Steven Weinberg 18


thêëy trûúác àêëy nûäa kia, nùm 1802, nhûng luác àoá khöng àûúåc nghiïn cûáu kyä lûúäng). Caác vaåch töëi luön luön àûúåc thêëy taåi caác mêìu sùæc cöë àõnh. Nhûäng vaåch phöí töëi naây cuäng àûúåc Frauenhofer tòm thêëy úã nhûäng võ trñ nhû vêåy trïn quang phöí cuãa mùåt trùng vaâ caác sao saáng hún. Ngûúâi ta hiïíu khaá súám rùçng nhûäng vaåch töëi naây àûúåc taåo ra búãi sûå hêëp thuå choån loåc aánh saáng coá nhûäng bûúác soáng xaác àõnh naâo àoá, khi aánh saáng ài tûâ bïì mùåt noáng cuãa möåt vò sao qua khñ quyïín bïn ngoaâi laånh hún cuãa noá. Möîi möåt vaåch laâ do sûå hêëp thuå aánh saáng cuãa möåt nguyïn töë hoáa hoåc xaác àõnh, nhû vêåy ngûúâi ta coá thïí biïët rùçng caác nguyïn töë trïn mùåt trúâi nhû natri, sùæt, magie, canxi vaâ crom cuäng laâ nhûäng nguyïn töë tòm thêëy trïn quaã àêët. (Hiïån nay chuáng ta biïët rùçng bûúác soáng cuãa caác vaåch töëi àuáng laâ nhûäng bûúác soáng maâ möåt photon coá bûúác soáng àoá seä coá àuáng nùng lûúång àuã àïí nêng nguyïn tûã tûâ traång thaái nùng lûúång thêëp nhêët lïn möåt trong nhûäng traång thaái kñch thñch cuãa noá).

Nùm 1868 William Huggins àaä coá thïí chó ra rùçng caác vaåch töëi trïn phöí cuãa möåt vaâi vò sao saáng choái hún húi dõch chuyïín vïì phña àoã hoùåc phña xanh so vúái võ trñ bònh thûúâng cuãa chuáng trïn phöí cuãa mùåt trúâi. Öng àaä giaãi thñch àuáng àùæn sûå kiïån naây nhû sûå dõch chuyïín Doppler do sûå chuyïín àöång cuãa vò sao ra xa khoãi quaã àêët hoùåc vïì phña quaã àêët gêy ra. Vñ duå, bûúác soáng cuãa möîi vaåch töëi trïn phöí cuãa sao Capella daâi hún bûúác soáng cuãa vaåch töëi tûúng ûáng trïn phöí mùåt trúâi 0,01 %. Sûå dõch chuyïín vïì phña àoã naây chûáng toã Capella àang rúâi xa ta vúái möåt töëc àöå bùçng 0, 01 % töëc àöå aánh saáng hoùåc 30 kilömet möîi giêy. Hiïåu ûáng Doppler àûúåc aáp duång trong nhûäng thêåp niïn sau àoá àïí khaám phaá vêån töëc cuãa nhûäng tai lûãa cuãa mùåt trúâi, cuãa caác sao àöi vaâ cuãa caác vaåch sao Thöí.

Pheáp ào caác vêån töëc bùçng quan saát caác dõch chuyïín Doppler laâ möåt kyä thuêåt rêët chñnh xaác, búãi vò bûúác soáng cuãa caác vaåch phöí coá thïí ào àûúåc vúái möåt àöå chñnh xaác cao; tòm nhûäng bûúác soáng cho trong caác baãng söë vúái taám con söë coá yá nghôa khöng phaãi laâ chuyïån hiïëm. Ngoaâi ra, kyä thuêåt naây vêîn giûä àûúåc àöå chñnh xaác duâ khoaãng caách túái nguöìn saáng laâ bao nhiïu, miïîn laâ nguöìn àuã aánh saáng àïí coá thïí nhêån ra caác vaåch phöí trïn bûác xaå cuãa bêìu trúâi ban àïm.



Chñnh nhúâ sûã duång hiïåu ûáng Doppler maâ ta biïët nhûäng giaá trõ àùåc trûng cuãa vêån töëc caác sao àaä nhùæc àïën úã àêìu chûúng naây. Hiïåu ûáng Doppler cuäng cho ta caách tòm khoaãng caách àïën caác ngöi sao gêìn; nïëu chuáng ta phoãng àoaán àûúåc möåt chuát gò àoá vïì hûúáng chuyïín àöång cuãa möåt vò sao, thò dõch chuyïín Doppler cho ta vêån töëc cuãa noá theo phûúng ngang cuäng nhû theo phûúng doåc àûúâng nhòn cuãa chuáng ta, do àoá viïåc ào chuyïín àöång biïíu kiïën cuãa vò sao ngang qua thiïn cêìu seä cho ta hay noá caách xa ta khoaãng bao nhiïu. Nhûng hiïåu ûáng Doppler chó bùæt àêìu cho caác kïët quaã coá têìm quan troång vïì mùåt vuä truå hoåc khi caác nhaâ thiïn vùn bùæt àêìu nghiïn cûáu phöí cuãa nhûäng thiïn thïí úã xa hún caác vò sao thêëy àûúåc rêët nhiïìu. Töi seä kïí möåt ñt vïì viïåc khaám phaá ra caác thiïn thïí àoá, röìi quay laåi hiïåu ûáng Doppler.

Chuáng ta seä bùæt àêìu chûúng naây bùçng sûå nhòn ngûúåc lïn bêìu

trúâi àïm. Thïm vaâo mùåt trùng, haânh tinh vaâ caác vò sao, coân coá hai loaåi thiïn thïí nhòn àûúåc khaác coân quan troång hún vïì mùåt vuä truå hoåc maâ àaáng leä töi àaä phaãi nhùæc àïën.

Möåt trong hai thiïn thïí naây dïî thêëy vaâ saáng àïën mûác àöi khi coân nhòn thêëy àûúåc trïn bêìu trúâi múâ saáng cuãa möåt thaânh phöë ban àïm. Àoá laâ möåt daãi saáng vûún daâi thaânh möåt vaânh troân lúán bao quanh bêìu trúâi vaâ tûâ nghòn xûa àaä àûúåc goåi laâ Ngên haâ. Nùm 1750 nhaâ chïë duång cuå ngûúâi Anh Thomas Wright cho ra möåt cuöën saách xuêët sùæc, Thuyïët nguöìn göëc hay Giaã thuyïët múái vïì vuä truå, trong àoá öng gúåi yá rùçng caác vò sao nùçm trong möåt phiïën deåt, “phiïën àaá maâi”, coá bïì daây hûäu haån, nhûng vûún ra rêët xa theo moåi hûúáng cuãa bïì mùåt phiïën. Hïå mùåt trúâi nùçm trong phiïën deåt naây, cho nïn tûå nhiïn khi ta nhòn tûâ quaã àêët doåc theo mùåt phùèng phiïën ta thêëy saáng hún khi nhòn theo bêët kyâ hûúáng naâo khaác. Àêy laâ caái ta goåi laâ Ngên haâ.

Thuyïët cuãa Wright àaä àûúåc xaác nhêån tûâ lêu. Hiïån nay ngûúâi ta cho rùçng Ngên haâ laâ möåt caái àôa sao deåt coá àûúâng kñnh khoaãng taám mûúi nghòn nùm aánh saáng vaâ chiïìu daây vaâo khoaãng saáu nghòn nùm aánh saáng. Noá cuäng coá möåt quêìng sao hònh cêìu vúái baán kñnh gêìn möåt trùm nghòn nùm aánh saáng. Töíng khöëi lûúång thûúâng àûúåc

Steven Weinberg 20


ûúác tñnh khoaãng 100 nghòn triïåu lêìn khöëi lûúång mùåt trúâi, nhûng möåt söë nhaâ thiïn vùn cho rùçng quêìng sao múã röång coá thïí coá khöëi lûúång lúán hún nhiïìu. Hïå mùåt trúâi úã caách têm cuãa àôa vaâo khoaãng ba mûúi nghòn nùm aánh saáng vaâ húi “dõch vïì phña bùæc” mùåt phùèng têm cuãa àôa. Àôa quay, vúái nhûäng töëc àöå àaåt túái khoaãng 250 km/s vaâ chòa ra nhûäng nhaánh xoùæn öëc khöíng löì. Àaåi thïí, nïëu ra coá thïí nhòn tûâ ngoaâi vaâo thò àoá seä laâ möåt quang caãnh vô àaåi! Toaân böå hïå thöëng naây hiïån nay thûúâng àûúåc goåi laâ Thiïn haâ hoùåc, vúái möåt caách nhòn röång hún, “thiïn haâ cuãa chuáng ta”.

Möåt neát khaác cuãa bêìu trúâi ban àïm, àaáng quan têm vïì mùåt vuä truå hoåc, keám roä raâng hún nhiïìu so vúái ngên haâ. Trong choâm sao Andromeda (Tiïn nûä) coá möåt àöëm múâ khöng dïî thêëy lùæm nhûng cuäng nhòn thêëy roä trong àïm àeåp trúâi nïëu ta biïët cêìn tòm noá úã chöî naâo. Taâi liïåu nhùæc àïën noá àêìu tiïn coá thïí laâ sûå ghi cheáp vïì noá trong Saách vïì caác vò sao cöë àõnh, do nhaâ thiïn vùn Ba Tû Abdurrahman Al - Sufi viïët nùm 964 trûúác Cöng nguyïn. Öng àaä mö taã mö taã noá nhû möåt “àaám mêy nhoã”. Sau khi coá caác kñnh thiïn vùn, ngûúâi ta àaä khaám phaá ra caâng ngaây caâng nhiïìu nhûäng thiïn thïí röång lúán nhû vêåy vaâ caác nhaâ thiïn vùn caác thïë kyã 17 vaâ 18 àaä thêëy caác thiïn thïí àoá trong khi ài tòm nhûäng thiïn thïí maâ hoå cho laâ thûåc sûå hêëp dêîn, laâ caác sao chöíi. Àïí coá möåt danh muåc tiïån lúåi vïì caác thiïn thïí khöng phaãi quan saát àïën khi tòm sao chöíi, nùm 1781 Charles Messier àaä xuêët baãn möåt catalö nöíi tiïëng, caác linh vên vaâ caác chuâm sao. Cho àïën nay caác nhaâ thiïn vùn vêîn coân nhùæc àïën 103 thiïn thïí trong catalö àoá theo caác söë hiïåu Messier cuãa chuáng - thñ duå tinh vên Tiïn nûä laâ M31, tinh vên con Cua (Crab) laâ M1, v.v...

Ngay úã thúâi Messier, ngûúâi ta àaä roä rùçng caác thiïn thïí röång lúán àoá khöng phaãi laâ nhû nhau. Vaâi caái roä raâng laâ nhûäng chuâm sao nhû Nhoám thêët tinh (M45). Nhûäng caái khaác laâ nhûäng àaám mêy khñ phaát saáng hònh thuâ khöng àïìu àùån, thûúâng coá mêìu sùæc, vaâ thûúâng liïn kïët vúái möåt hoùåc vaâi vò sao, nhû Àaåi tinh vên trong choâm Thêìn nöng (M42). Ngaây nay chuáng ta biïët rùçng nhûäng vêåt thïí thuöåc caã hai loaåi àoá àïìu úã trong thiïn haâ cuãa chuáng ta, vaâ chuáng ta khöng cêìn àïí yá àïën chuáng nhiïìu hún nûäa úã àêy. Tuy



nhiïn khoaãng möåt phêìn ba caác vêåt thïí trong catalö cuãa Messier laâ nhûäng tinh vên trùæng coá daång elip khaá àïìu àùån, trong àoá caái nöíi nhêët laâ tinh vên Tiïn nûä (M31). Khi caác kñnh thiïn vùn àûúåc caãi tiïën, thïm haâng nghòn tinh vên àaä àûúåc phaát hiïån vaâ vaâo khoaãng cuöëi thïë kyã 19, nhiïìu nhaánh xoùæn öëc àaä àûúåc tòm thêëy, kïí caã M31 vaâ M33. Tuy nhiïn, nhûäng kñnh thiïn vùn töët nhêët cuãa thïë kyã 18 vaâ 19 àaä khöng thïí phên biïåt àûúåc nhûäng vò sao riïng leã trong caác tinh vên hònh elip hoùåc xoùæn öëc, vaâ baãn chêët cuãa chuáng vêîn coân chûa roä.

Hònh nhû Immanuel Kant laâ ngûúâi àêìu tiïn àaä cho rùçng möåt söë caác tinh vên naây laâ nhûäng thiïn haâ nhû thiïn haâ cuãa chuáng ta. Vúá àûúåc thuyïët cuãa Wright vïì ngên haâ, nùm 1755 Kant àaä giaã thiïët trong cuöën saách “Lõch sûã tûå nhiïn toaân nùng vaâ thuyïët vïì trúâi àêët” cuãa öng rùçng caác tinh vên “hoùåc, àuáng hún, möåt loaåi tinh vên naâo àoá” thûåc ra laâ nhûäng àôa sao troân coá daång vaâ kñch thûúác giöëng thiïn haâ cuãa chuáng ta. Chuáng àûúåc nhòn nhû laâ coá daång elip búãi vò àa söë chuáng àûúåc nhòn nghiïng vaâ cöë nhiïn laâ múâ nhaåt vò chuáng úã quaá xa.

YÁ tûúãng vïì möåt vuä truå chûáa àêìy nhûäng thiïn haâ giöëng nhû thiïn haâ cuãa chuáng ta àaä àûúåc nhiïìu ngûúâi duâ khöng phaãi laâ têët caã cöng nhêån vaâo àêìu thïë kyã 19. Tuy nhiïn, coân möåt khaã nùng nûäa laâ caác tinh vên elip vaâ xoùæn öëc naây coá thïí chó laâ nhûäng àaám mêy úã trong thiïn haâ cuãa chuáng ta nhû nhiïìu vêåt thïí khaác trong catalö cuãa Messier. Möåt nguyïn nhên lúán gêy lêìm lêîn laâ sûå quan saát nhûäng ngöi sao buâng nöí trong möåt vaâi tinh vên xoùæn öëc. Nïëu caác tinh vên naây quaã laâ caác thiïn haâ àöåc lêåp, vaâ vò chuáng úã quaá xa nïn ta khöng phên biïåt nöíi nhûäng sao riïng biïåt thò caác vuå nöí phaãi coá möåt sûác nöí maånh kinh khuãng àïí cho chuáng coân saáng úã möåt khoaãng caách xa nhû vêåy. Vïì àiïìu naây, töi khöng thïí khöng trñch dêîn möåt àoaån vùn úã thïë kyã 19. Viïët nùm 1893, nhaâ viïët vïì lõch sûã thiïn vùn ngûúâi Anh Agnes Mary Clerke àaä lûu yá rùçng:

Tinh vên nöíi tiïëng Andromada (Tiïn nûä) vaâ tinh vên xoùæn öëc lúán úã choâm Canes Venatici laâ nhûäng tinh vên àaáng chuá yá hún trong nhûäng tinh vên cho möåt phöí liïn tuåc; vaâ theo möåt tyã lïå chung, sûå phaát quang cuãa moåi tinh vên coá daáng dêëp nhûäng choâm sao hiïån

Steven Weinberg 22


lïn múâ múâ vò úã quaá xa, laâ thuöåc cuâng möåt loaåi. Tuy nhiïn nïëu tûâ àoá kïët luêån rùçng chuáng quaã thûåc laâ nhûäng têåp húåp cuãa nhûäng vêåt thïí nhû mùåt trúâi thò quaã laâ quaá vöåi. Kïët luêån naây caâng toã roä thiïëu cùn cûá do caác vuå buâng nöí úã hai vò sao xaãy ra caách nhau möåt phêìn tû thïë kyã. Búãi vò chùæc chùæn rùçng duâ tinh vên xa mêëy ài nûäa thò caác ngöi sao cuäng caách xa chuáng ta nhû vêåy; do àoá, nïëu nhûäng haåt thaânh phêìn cuãa tinh vên laâ nhûäng mùåt trúâi thò nhûäng thiïn thïí vö cuâng to lúán maâ úã àoá caái aánh saáng lúâ múâ cuãa chuáng gêìn nhû àaä tiïu taán (maâ chuáng ta thêëy), phaãi, nhû öng Protor àaä chó ra, úã möåt thang àöå lúán maâ trñ tûúãng tûúång con ngûúâi khöng daám nghô àïën.

Hiïån nay chuáng ta biïët rùçng nhûäng vuå buâng nöí sao àoá quaã thûåc laâ “úã möåt thang àöå lúán maâ trñ tûúãng tûúång con ngûúâi khöng daám nghô àïën”. Chuáng laâ nhûäng sao siïu múái, nhûäng vuå nöí trong àoá möåt ngöi sao coá àöå trûng gêìn bùçng caã möåt thiïn haâ. Nhûng àiïìu naây cuäng chûa àûúåc biïët àïën vaâo nùm 1893.

Vêën àïì baãn chêët caác tinh vên xoùæn öëc vaâ elip khöng thïí giaãi quyïët àûúåc nïëu khöng coá möåt phûúng phaáp àaáng tin cêåy àïí xaác àõnh khoaãng caách túái chuáng. Möåt chuêín àïì so saánh nhû vêåy cuöëi cuâng àaä àûúåc khaám phaá ra sau khi hoaân thaânh viïåc xêy dûång kñnh thiïn vùn 100 insú (Insú: àún võ ào chiïìu daâi cuãa Anh bùçng 2,54 cm (ND).) trïn nuái Wilson gêìn Los Angeles. Nùm 1928 Edwin Hubble lêìn àêìu tiïn àaä coá thïí phên giaãi àûúåc tinh vên tiïn nûä thaânh nhûäng vò sao riïng leã. Öng thêëy rùçng nhûäng nhaánh xoùæn öëc cuãa noá göìm möåt söë ñt ngöi sao saáng àöíi aánh vúái cuâng kiïíu biïën thiïn tuêìn toaân àöå trûng nhû thûúâng thêëy àöëi vúái möåt loaåi sao trong thiïn haâ cuãa chuáng ta, goåi laâ xepheit. Lyá do vïì têìm quan troång cuãa viïåc naây laâ úã chöî vaâo khoaãng chuåc nùm vïì trûúác, cöng trònh cuãa Henrietta Swan Leavitt vaâ Harlow Shapley úã àaâi thiïn vùn trûúâng àaåi hoåc Harvard àaä cho möåt hïå thûác chùåt cheä giûäa caác chu kyâ biïën thiïn quan saát àûúåc cuãa caác xepheit vúái caác àöå trûng tuyïåt àöëi cuãa chuáng. (Àöå trûng tuyïåt àöëi laâ nùng lûúång phaát ra toaân phêìn maâ möåt thiïn thïí phaát ra theo moåi hûúáng. Àöå trûng biïíu kiïën laâ nùng lûúång bûác xaå maâ ta nhêån àûúåc trïn möîi centimet vuöng mùåt kñnh thiïn vùn cuãa chuáng ta. Chñnh àöå trûng biïíu kiïën, chûá khöng phaãi àöå trûng tuyïåt àöëi laâ caái quy àõnh àöå choái chuã quan cuãa caác thiïn



thïí. Cöë nhiïn àöå trûng biïíu kiïën phuå thuöåc khöng nhûäng vaâo àöå trûng tuyïåt àöëi maâ coân vaâo khoaãng caách; nhû vêåy, biïët caã àöå trûng tuyïåt àöëi vaâ àöå trûng biïíu kiïën cuãa möåt thiïn thïí, ta coá thïí suy ra khoaãng caách cuãa noá).

Hubble khi quan saát àöå trûng biïíu kiïën cuãa caác xepheit trong tinh vên Tiïn nûä, vaâ ûúác tñnh àöå trûng tuyïåt àöëi cuãa caác chu kyâ cuãa chuáng, àaä coá thïí tñnh ngay khoaãng caách túái tinh vên Tiïn nûä, bùçng caách duâng quy tùæc àún giaãn rùçng àöå trûng biïíu kiïën tyã lïå vúái àöå trûng tuyïåt àöëi vaâ tyã lïå nghõch vúái bònh phûúng khoaãng caách. Öng kïët luêån rùçng tinh vên Tiïn nûä caách ta 900.000 nùm aánh saáng, hoùåc laâ mûúâi lêìn xa hún khoaãng caách tûâ traái àêët àïën vêåt thïí xa nhêët trong thiïn haâ chuáng ta. Hiïån nay möåt söë tñnh toaán laåi vïì hïå thûác giûäa chu kyâ xïpheit vaâ àöå trûng do Walter Baade vaâ nhûäng ngûúâi khaác tiïën haânh àaä tùng khoaãng caách cuãa tinh vên Tiïn nûä àïën hún hai triïåu nùm aánh saáng, nhûng kïët luêån àaä roä raâng vaâo nùm 1923: tinh vên Tiïn nûä vaâ haâng nghòn tinh vên tûúng tûå laâ nhûäng thiïn haâ nhû thiïn haâ cuãa chuáng ta chûáa àêìy vuä truå túái nhûäng khoaãng caách rêët xa theo moåi phña.

Ngay trûúác khi baãn chêët “ngoaâi thiïn haâ” cuãa caác tinh vên

àûúåc kïët luêån, caác nhaâ thiïn vùn àaä coá khaã nùng àöìng nhêët caác vaåch trong phöí cuãa chuáng vúái nhûäng vaåch quen thuöåc trïn caác phöí nguyïn tûã thöng thûúâng. Tuy nhiïn, trong thêåp niïn 1910 - 1920, Vesto Melvin Slipher úã àaâi thiïn vùn Lowell àaä khaám phaá ra rùçng caác vaåch phöí cuãa nhiïìu tinh vên bõ dõch chuyïín nheå vïì phña àoã hoùåc vïì phña xanh. Caác dõch chuyïín naây àaä àûúåc giaãi thñch ngay laâ do hiïåu ûáng Doppler, chuáng cho thêëy laâ caác tinh vên àang chuyïín àöång rúâi xa hoùåc tiïën gêìn àïën quaã àêët. Vñ duå, tinh vên Tiïn nûä àûúåc khaám phaá ra laâ chuyïín àöång vïì phña quaã àêët vúái töëc àöå khoaãng 300 km/s, trong khi chuâm thiïn haâ xa hún nùçm trong choâm Thêët nûä àûúåc coi laâ chuyïín àöång rúâi xa traái àêët vúái töëc àöå khoaãng 1000 km/s.

Luác àêìu tiïn ngûúâi ta cho rùçng caác vêån töëc naây coá thïí chó laâ nhûäng vêån töëc tûúng àöëi, phaãn aánh chuyïín àöång cuãa hïå mùåt trúâi

Steven Weinberg 24


cuãa chuáng ta vïì möåt söë thiïn haâ naâo àoá vaâ rúâi xa möåt söë naâo àoá khaác. Tuy nhiïn, sûå giaãi thñch naây àaä khöng àûáng vûäng àûúåc khi ngaây caâng coá nhiïìu dõch chuyïín vaåch phöí lúán hún àûúåc khaám phaá ra, têët caã àïìu vïì phña àoã cuãa quang phöí. Hêìu nhû ngoaâi möåt söë ñt vêåt laáng giïìng gêìn nhû tinh vên Tiïn nûä, caác thiïn haâ khaác thûúãng taãn ra khoãi thiïn haâ cuãa chuáng ta. Cöë nhiïn àiïìu naây khöng coá nghôa laâ caác thiïn haâ cuãa chuáng ta coá möåt võ trñ trung têm àùåc biïåt naâo àoá. Ngûúåc laåi, hònh nhû vuä truå àang traãi qua möåt sûå buâng nöí trong àoá möîi möåt thiïn haâ àïìu chaåy ra xa khoãi thiïn haâ khaác.

Caách giaãi thñch naây àaä àûúåc cöng nhêån möåt caách phöí biïën sau nùm 1929, khi Hubble baáo tin laâ öng àaä khaám phaá rùçng caác dõch chuyïín àoã cuãa caác thiïn haâ tùng lïn gêìn nhû tyã lïå vúái khoaãng caách àïën chuáng ta. Têìm quan troång cuãa sûå quan saát naây laâ úã chöî noá àuáng laâ caái maâ ta coá thïí àoaán trûúác àûúåc theo bûác tranh àún giaãn nhêët coá thïí coá àûúåc vïì möåt sûå vêån chuyïín vêåt chêët trong möåt vuä truå àang buâng nöí.

Chuáng ta coá thïí chúâ àúåi möåt caách trûåc giaác rùçng bêët cûá luác naâo vuä truå cuäng phaãi àûúåc nhòn thêëy giöëng nhau búãi nhûäng nhaâ quan saát trong moåi thiïn haâ àiïín hònh, vaâ duâ hoå nhòn vïì hûúáng naâo. (ÚÃ àêy vaâ sau naây töi duâng tûâ “àiïín hònh” àïí chó caác thiïn haâ khöng coá möåt chuyïín àöång riïng lúán naâo maâ chó tham gia trong sûå tröi giaåt vuä truå chung cuãa moåi thiïn haâ). Giaã thuyïët naây tûå nhiïn àïën nöîi (ñt nhêët tûâ thúâi Copernicus) noá àaä àûúåc nhaâ vêåt lyá thiïn vùn Anh Edward Arthur Milne goåi laâ nguyïn lyá vuä truå hoåc.

Khi aáp duång cho chñnh caác thiïn haâ, nguyïn lyá vuä truå hoåc àoâi hoãi rùçng möåt ngûúâi quan saát trong möåt thiïn haâ àiïín hònh phaãi thêëy têët caã caác thiïn haâ khaác chuyïín àöång vúái möåt giaãn àöì vêån töëc nhû nhau, bêët kïí ngûúâi quan saát úã trong thiïn haâ àiïín hònh naâo. Coá möåt hïå quaã toaán hoåc trûåc tiïëp cuãa nguyïn lyá noái rùçng: vêån töëc tûúng àöëi cuãa bêët kyâ hai thiïn haâ cuäng àïìu phaãi tyã lïå vúái khoaãng caách giûäa chuáng àuáng nhû Hubble àaä tòm ra.

Muöën thêëy roä àiïìu naây ta haäy xeát ba thiïn haâ àiïín hònh A, B, C, nùçm trïn möåt àûúâng thùèng (xem hònh 1). Giaã thiïët rùçng khoaãng



caách giûäa A vaâ B bùçng khoaãng caách giûäa B vaâ C. Duâ vêån töëc cuãa B nhòn tûâ A laâ bao nhiïu ài nûäa, thò nguyïn lyá vuä truå hoåc àoâi hoãi rùçng C phaãi coá vêån töëc nhû vêåy so vúái B. Nhûng khi êëy lûu yá rùçng C xa A gêëp àöi so vúái xa B, cuâng chuyïín àöång so vúái A nhanh gêëp àöi so vúái B. Chuáng ta coá thïí thïm nhiïìu thiïn haâ vaâo chuöîi cuãa chuáng ta song bao giúâ kïët quaã cuäng vêîn laâ vêån töëc luâi xa cuãa möîi thiïn haâ so vúái bêët cûá thiïn haâ naâo khaác àïìu tyã lïå vúái khoaãng caách giûäa chuáng. Hònh 1. Tñnh àöìng tñnh vaâ àõnh luêåt Hubble. Ta veä ra möåt súåi dêy trïn àoá coá caác thiïn haâ caách xa nhû nhau: Z, A, B, C ..., vúái nhûäng vêån töëc ào tûâ A hoùåc B hoùåc C àûúåc chó ra bùçng àöå daâi vaâ hûúáng cuãa caác muäi tïn keâm theo. Nguyïn lyá àöìng tñnh àoâi hoãi rùçng vêån töëc cuãa C nhòn tûâ B laâ bùçng vêån töëc cuãa B nhòn tûâ A. Cöång hai vêån töëc àoá cho ta vêån töëc cuãa C nhòn tûâ A, àûúåc àaánh dêëu búãi möåt muäi tïn daâi gêëp àöi. Tiïëp tuåc theo caách naây, chuáng ta coá thïí àiïìn kñn toaân böå giaãn àöì vêån töëc nhû trïn. Nhû ta coá thïí thêëy, vêån töëc tuên theo àõnh luêåt Hubble; vêån töëc cuãa möåt thiïn haâ bêët kyâ nhòn tûâ möåt thiïn haâ khaác laâ tyã lïå vúái khoaãng caách giûäa chuáng. Àoá laâ giaãn àöì vêån töëc duy nhêët phuâ húåp vúái nguyïn lyá àöìng tñnh.

Nhû thûúâng xaãy ra trong khoa hoåc, lêåp luêån àoá coá thïí duâng caã theo chiïìu thuêån lêîn chiïìu nghõch. Hubble khi quan saát tñnh tyã lïå giûäa caác khoaãng caách giûäa caác thiïn haâ vaâ töëc àöå luâi cuãa chuáng, àaä xaác minh möåt caách giaán tiïëp tñnh àuáng àùæn cuãa nguyïn lyá vuä truå hoåc. Àiïìu naây thêåt laâ hïët sûác thoãa maän vïì mùåt triïët hoåc - taåi sao möåt phêìn naâo àoá cuãa vuä truå hoùåc möåt hûúáng naâo àoá laåi khaác möåt phêìn khaác hoùåc möåt hûúáng khaác? Àiïìu naây cuäng giuáp ta yïn trñ rùçng caác nhaâ thiïn vùn quaã laâ àang quan saát möåt phêìn àaáng kïí coá thïí thêëy roä àûúåc cuãa vuä truå, chûá khöng phaãi möåt chöî xoaáy nhoã trong möåt vuâng xoaáy bao la hún cuãa vuä truå. Mùåt khaác chuáng ta coá thïí cho nguyïn lyá vuä truå hoåc laâ àuáng, dûåa theo nhûäng lyá leä theo caách suy diïîn, vaâ suy ra hïå thûác tyã lïå giûäa khoaãng caách vaâ vêån töëc nhû àaä laâm úã àoaån trïn. Bùçng caách naây, nhúâ pheáp ào khaá dïî caác dõch chuyïín Doppler, chuáng ta coá thïí ào khoaãng caách nhiïìu vêåt thïí rêët xa tûâ vêån töëc cuãa chuáng.

Nguyïn lyá vuä truå hoåc coân coá möåt sûå uãng höå khaác vïì mùåt quan saát ngoaâi viïåc ào caác dõch chuyïín Doppler. Sau khi àïí yá àêìy àuã àïën

Hình 1. Tính đồng tính và định luật Hubble.

Steven Weinberg 26


nhûäng biïën daång do thiïn haâ cuãa chuáng ta vaâ chuâm thiïn haâ löång lêîy bïn caåch trong choâm sao Thêët nûä gêy ra, vuä truå coá veã xem ra àùèng hûúáng möåt caách àùåc biïåt; nghôa laâ noá coá veã giöëng nhû nhau theo moåi hûúáng. (Àiïìu naây laåi àûúåc chó roä möåt caách coá sûác thuyïët phuåc hún nûäa bùçng phöng bûác xaå cûåc ngùæn thaão luêån úã chûúng sau). Nhûng ngay tûâ thúâi Copernicus, chuáng ta àaä hoåc àûúåc caách phaãi caãnh giaác khi giaã thiïët rùçng võ trñ cuãa loaâi ngûúâi coá àiïím gò àùåc biïåt àêy trong vuä truå. Vêåy nïëu vuä truå laâ àùèng hûúáng quanh ta thò noá phaãi àùèng hûúáng theo moåi thiïn haâ àiïín hònh. Tuy nhiïn, möîi möåt àiïím cuãa vuä truå coá thïí àûúåc àûa àïën bêët cûá möåt àiïím naâo khaác, bùçng möåt chuöîi pheáp quay quanh nhûäng têm cöë àõnh (xem hònh 2), cho nïn nïëu vuä truå laâ àùèng hûúáng quanh bêët cûá àiïím naâo, thò noá buöåc phaãi laâ àöìng tñnh.

Hònh 2. Tñnh àùèng hûúáng vaâ tñnh àöìng tñnh. Nïëu vuä truå laâ àùèng hûúáng taåi caã hai thiïn haâ 1 vaâ 2, thò noá laâ àöìng tñnh. Àïí chó roä rùçng caác àiïìu kiïån taåi hai àiïím A vaâ B tuây yá laâ nhû nhau, ta veä möåt àûúâng troân ài qua A quanh thiïn haâ 1, möåt àûúâng troân khaác ài qua B quanh thiïn haâ 2. Tñnh àùèng hûúáng quanh thiïn haâ 1 àoâi hoãi rùçng caác àiïìu kiïån phaãi laâ nhû nhau úã A vaâ C, giao àiïím cuãa hai voâng troân. Cuäng vêåy, tñnh àùèng hûúáng quanh thiïn haâ 2 àoâi hoãi àiïìu kiïån phaãi nhû nhau úã B vaâ C. Do àoá, chuáng phaãi nhû nhau úã A vaâ B.

Trûúác khi ài xa hún, ta phaãi xem xeát möåt söë haån chïë cuãa nguyïn lyá vuä truå hoåc. Thûá nhêët, roä raâng noá khöng àuáng úã nhûäng quy mö nhoã - chuáng ta úã trong möåt thiïn haâ thuöåc vïì möåt nhoám àõa phûúng nhoã caác thiïn haâ khaác (trong àoá coá M31 vaâ M33), nhoám naây laåi úã gêìn möåt chuâm thiïn haâ rêët lúán trong choâm sao Thêët nûä. Thûåc ra, trong söë 33 thiïn haâ ghi trong catalö Messier thò gêìn möåt nûãa úã trong möåt phêìn nhoã cuãa bêìu trúâi, choâm thêët nûä. Nguyïn lyá vuä truå hoåc nïëu quaã thêåt laâ àuáng thò chó coá taác duång khi chuáng ta nhòn vuä truå úã quy mö ñt nhêët röång bùçng khoaãng caách giûäa caác chuâm thiïn haâ, nghôa laâ vaâo khoaãng möåt trùm triïåu nùm aánh saáng.

Coân coá möåt haån chïë khaác. Khi duâng nguyïn lyá vuä truå hoåc àïí suy ra hïå thûác tyã lïå giûäa vêån töëc vaâ khoaãng caách giûäa caác thiïn haâ,

Hình 2. Tính đẳng hướng và tính đồng tính.



chuáng ta àaä giaã thiïët rùçng nïëu vêån töëc C àöëi vúái B bùçng vêån töëc B àöëi vúái A thò khi àoá vêån töëc C àöëi vúái A lúán hún hai lêìn. Àoá chñnh laâ àõnh luêåt “cöång vêån töëc” thöng thûúâng maâ möîi chuáng ta àïìu biïët, vaâ chùæc chùæn àõnh luêåt naây àuáng vúái caác vêån töëc tûúng àöëi nhoã thûúâng gùåp thêëy trong àúâi söëng haâng ngaây. Tuy nhiïn, àõnh luêåt naây àaä bõ phaá saãn àöëi vúái nhûäng vêån töëc tiïën gêìn túái vêån töëc aánh saáng (300.000km/s) búãi vò nïëu khöng thò cöång möåt söë vêån töëc tûúng àöëi, chuáng ta coá thïí ài àïën möåt vêån töëc töíng húåp lúán hún vêån töëc aánh saáng maâ àiïìu naây theo thuyïët tûúng àöëi heåp cuãa Einstein laâ khöng thïí xaãy ra. Chùèng haån, pheáp cöång vêån töëc thöng thûúâng noái rùçng khi möåt haânh khaách trïn möåt maáy bay àang chuyïín àöång vúái töëc àöå ba phêìn tû vêån töëc aánh saáng bùæn vïì phña trûúác möåt viïn àaån vúái möåt vêån töëc bùçng ba phêìn tû vêån töëc aánh saáng thò khi àoá vêån töëc tûúng àöëi cuãa viïn àaån so vúái mùåt àêët laâ 1,5 vêån töëc aánh saáng; àiïìu naây khöng thïí xaãy ra. Thuyïët tûúng àöëi heåp traánh vêën àïì àoá bùçng caách thay àöíi quy luêåt cöång vêån töëc: vêån töëc cuãa C so vúái A thûåc ra nhoã hún möåt chuát so vúái töíng vêån töëc B àöëi vúái A vaâ C àöëi vúái B, nhû vêåy duâ coá cöång bao nhiïu lêìn vêån töëc nhoã hún vêån töëc aánh saáng, chuáng ta cuäng seä khöng bao giúâ thu àûúåc vêån töëc lúán hún vêån töëc aánh saáng.

Àiïìu naây àaä khöng phaãi laâ möåt vêën àïì àöëi vúái Hubble, vaâ nùm 1929, khöng möåt thiïn haâ naâo maâ öng nghiïn cûáu úã bêët kyâ chöî naâo laåi coá vêån töëc gêìn bùçng vêån töëc aánh saáng. Duâ sao, khi caác nhaâ vuä truå hoåc suy nghô vïì nhûäng khoaãng caách thûåc lúán àùåc trûng cho vuä truå xeát vïì toaân böå, hoå phaãi laâm viïåc trong möåt khung ly thuyïët coá thïí giaãi quyïët àûúåc nhûäng vêån töëc xêëp xó vêån töëc aánh saáng, nghôa laâ caác thuyïët tûúng àöëi röång vaâ heåp cuãa Einstein. Dô nhiïn khi ta baân vïì nhûäng khoaãng caách lúán nhû vêåy, thò ngay quan niïåm vïì khoaãng caách cuäng mú höì, vaâ ta phaãi noái roä laâ ta muöën khoaãng caách àûúåc ào bùçng quan saát àöå trûng, hoùåc àûúâng kñnh, hoùåc chuyïín àöång riïng hoùåc bùçng möåt caách khaác naâo àoá.

Bêy giúâ ta haäy trúã laåi nùm 1929: Hubble àaä ûúác tñnh khoaãng

caách àïën mûúâi taám thiïn haâ tûâ àöå trûng biïíu kiïën cuãa nhûäng ngöi sao saáng nhêët cuãa chuáng, vaâ so saánh caác khoaãng caách àoá vúái vêån

Steven Weinberg 28


töëc tûúng ûáng cuãa caác thiïn haâ àûúåc xaác àõnh bùçng phöí hoåc tûâ nhûäng dõch chuyïín Doppler cuãa chuáng. Öng àaä kïët luêån rùçng coá möåt hïå thûác gêìn nhû tuyïën tñnh (nghôa laâ sûå tyã lïå thuêån) giûäa vêån töëc vaâ khoaãng caách. Thûåc ra nhòn vaâo caác söë liïåu cuãa Hubble töi khaá lûúäng lûå vaâ tûå hoãi laâm sao öng coá thïí ài àïën möåt kïët luêån nhû vêåy - caác vêån töëc thiïn haâ gêìn nhû khöng coá liïn hïå vúái khoaãng caách cuãa chuáng, chó coá möåt xu hûúáng nheå cuãa vêån töëc laâ tùng theo khoaãng caách. Thûåc ra chuáng ta khöng thïí tröng àúåi möåt hïå thûác tyã lïå roä raâng naâo giûäa vêån töëc vaâ khoaãng caách àöëi vúái mûúâi taám thiïn haâ àoá - têët caã chuáng àïìu quaá gêìn, khöng coá caái naâo úã xa hún chuâm Thêët nûä. Thêåt laâ khoá traánh kïët luêån rùçng, dûåa trïn hoùåc laâ caác lyá do àún giaãn àûúåc phaác hoåa trïn àêy hoùåc laâ nhûäng phaát triïín lyá thuyïët coá liïn quan seä àûúåc thaão luêån dûúái àêy, Hubble àaä biïët trûúác lúâi giaãi maâ öng cêìn tòm.

Duâ sao ài nûäa, vaâo nùm 1931, chûáng cúá àaä trúã nïn roä hún nhiïìu, vaâ Hubble àaä coá thïí kiïím tra tñnh tyã lïå giûäa vêån töëc vaâ khoaãng caách cho nhûäng thiïn haâ coá vêån töëc lïn àïën 20 000 km/s. Vúái nhûäng ûúác tñnh khoaãng caách coá àûúåc luác àoá, kïët luêån laâ vêån töëc tùng vaâo khoaãng 170 km/s ûáng vúái möîi khoaãng caách möåt triïåu nùm aánh saáng; nhû vêåy, vêån töëc 20.000 km/ s coá nghôa laâ khoaãng caách laâ 120 triïåu nùm aánh saáng. Con söë àoá tûác àöå tùng vêån töëc trïn khoaãng caách, thûúâng àûúåc goåi laâ “hùçng söë Hubble”. (Noá laâ möåt hùçng söë vúái nghôa sûå tyã lïå giûäa vêån töëc vaâ khoaãng caách khöng thay àöíi cho têët caã caác thiïn haâ úã möåt thúâi àiïím àaä cho, nhûng nhû chuáng ta seä thêëy, hùçng söë Hubble thay àöíi theo thúâi gian khi vuä truå tiïën hoáa).

Vaâo nùm 1936, trong khi laâm viïåc vúái nhaâ quang phöí hoåc Milton Humason, Hubble àaä coá thïí ào khoaãng caách vaâ vêån töëc cuãa chuâm thiïn haâ Gêëu lúán II. Öng ta tòm ra rùçng noá luâi xa ta vúái vêån töëc 42.000 km/s (14 % vêån töëc aánh saáng). Khoaãng caách luác àoá ûúác khoaãng 260 triïåu nùm aánh saáng, laâ giúái haån cuãa àaâi thiïn vùn trïn nuái Wilson, vaâ cöng viïåc cuãa Hubble phaãi ngûâng laåi. Sau chiïën tranh, vúái sûå ra àúâi cuãa nhûäng kñnh thiïn vùn lúán hún úã Palomar vaâ nuái Hamilton, chûúng trònh cuãa Hubble laåi àûúåc nhûäng nhaâ



thiïn vùn khaác (nhêët laâ Allan Sandage úã Palomar vaâ nuái Wilson) tiïëp tuåc vaâ coân tiïëp tuåc cho àïën bêy giúâ.

Kïët luêån àûúåc ruát ra möåt caách töíng quaát sau nûãa thïë kyã quan saát naây laâ, caác thiïn haâ àang luâi xa khoãi chuáng ta vúái nhûäng vêån töëc tyã lïå vúái khoaãng caách ñt nhêët àöëi vúái nhûäng vêån töëc khöng quaá gêìn vêån töëc aánh saáng. Cöë nhiïn nhû àaä noái roä trong khi thaão luêån nguyïn lyá vuä truå hoåc, viïåc naây khöng coá nghôa rùçng chuáng ta àang úã möåt võ trñ àûúåc ûu àaäi àùåc biïåt, hoùåc khöng àûúåc ûu àaäi, naâo àoá trong vuä truå; moåi cùåp thiïn haâ àïìu taách xa nhau vúái möåt vêån töëc tûúng àöëi tyã lïå vúái khoaãng caách giûäa chuáng. Sûå sûãa àöíi quan troång nhêët cuãa caác kïët luêån àêìu tiïn cuãa Hubble laâ xeát laåi thang khoaãng caách ngoaâi thiïn haâ: möåt phêìn nhû laâ kïët quaã sûå tñnh laåi hïå thûác chu kyâ - àöå trûng cuãa caác xïphïit cuãa Leavitt - Shapley maâ Walter Baade vaâ nhûäng ngûúâi khaác àaä tiïën haânh, khoaãng caách àïën caác thiïn haâ xa xùm bêy giúâ àûúåc ûúác lûúång khoaãng mûúâi lêìn lúán hún so vúái úã thúâi Hubble. Nhû vêåy, hùçng söë Hubble bêy giúâ àûúåc xem chó laâ vaâo khoaãng 15 kilömet möîi giêy möîi triïåu nùm aánh saáng.

Têët caã nhûäng caái àoá noái gò vïì nguöìn göëc cuãa vuä truå? Nïëu caác thiïn haâ àang taách xa nhau thò àaä coá möåt luác naâo àoá chuáng úã gêìn nhau hún. Noái roä ra, nïëu vêån töëc cuãa chuáng laâ hùçng söë, thò thúâi gian cêìn cho möîi cùåp thiïn haâ àïí àaåt khoaãng caách hiïån nay giûäa chuáng àuáng bùçng khoaãng caách hiïån nay giûäa chuáng chia cho vêån töëc tûúng àöëi cuãa chuáng. Nhûng vúái vêån töëc tyã lïå vúái khoaãng caách hiïån nay giûäa chuáng thò thúâi gian àoá laâ nhû nhau vúái moåi cùåp thiïn haâ - möåt luác naâo àoá trong quaá khûá, têët caã chuáng àaä phaãi úã saát nhau hún! Nïëu hùçng söë Hubble bùçng 15 kilömet möîi giêy möîi triïåu nùm aánh saáng thò thúâi gian tûâ luác caác thiïn haâ bùæt àêìu taách rúâi nhau phaãi laâ möåt triïåu nùm aánh saáng chia cho 15 km/s hoùåc 20 nghòn triïåu nùm. Chuáng ta seä noái vïì “tuöíi” tñnh theo kiïíu naây nhû laâ “thúâi gian giaän núã àùåc trûng”; noá chó laâ söë nghõch àaão cuãa hùçng söë Hubble. Tuöíi thêåt cuãa vuä truå thûåc ra laâ ñt hún thúâi gian giaän núã àùåc trûng búãi vò, nhû chuáng ta seä thêëy, caác thiïn haâ chuyïín àöång vúái vêån töëc khöng phaãi hùçng söë, maâ ài chêåm laåi dûúái aãnh hûúãng cuãa lûåc hêëp dêîn tûúng höî giûäa chuáng. Vò vêåy, nïëu hùçng söë Hubble

Steven Weinberg 30


laâ mûúâi lùm kilömet möîi giêy möîi triïåu nùm aánh saáng thò tuöíi cuãa vuä truå phaãi ñt hún 20 nghòn triïåu nùm.

Àöi khi chuáng ta toám tùæt têët caã nhûäng àiïìu àoá bùçng caách noái vùæn tùæt rùçng kñch thûúác vuä truå àang tùng lïn. Viïåc naây khöng coá nghôa laâ vuä truå buöåc phaãi coá kñch thûúác hûäu haån duâ rùçng noá cuäng coá thïí coá. Ta duâng caách noái naây vò úã bêët cûá luác naâo àoá, khoaãng caách giûäa bêët kyâ cùåp thiïn haâ àiïín hònh naâo cuäng tùng lïn theo möåt tyã söë nhû nhau. Trong bêët kyâ möåt khoaãng thúâi gian àuã ngùæn naâo àïí cho vêån töëc caác thiïn haâ coá thïí coi laâ hùçng söë, àöå tùng khoaãng caách giûäa möåt cùåp thiïn haâ àiïín hònh seä àûúåc tñnh bùçng tñch cuãa vêån töëc tûúng àöëi cuãa chuáng vúái thúâi gian tröi qua, hoùåc duâng àõnh luêåt Hubble, bùçng tñch cuãa hùçng söë Hubble, khoaãng caách vaâ thúâi gian. Nhûng luác àoá tyã söë giûäa àöå tùng khoaãng caách vaâ baãn thên khoaãng caách seä àûúåc tñnh bùçng hùçng söë Hubble nhên vúái thúâi gian tröi qua, noá laâ nhû nhau vúái moåi cùåp thiïn haâ. Vñ duå, sau möåt khoaãng thúâi gian vaâo möåt phêìn trùm thúâi gian giaän núã àùåc trûng (söë nghõch àaão cuãa hùçng söë Hubble), khoaãng caách cuãa moåi cùåp thiïn haâ àiïín hònh seä tùng lïn möåt phêìn trùm. Luác àoá ta coá thïí noái möåt caách thö thiïín rùçng kñch thûúác vuä truå àaä tùng möåt phêìn trùm.

Töi khöng muöën gêy caãm tûúãng rùçng moåi ngûúâi àïìu nhêët trñ vúái caách giaãi thñch naây vïì sûå dõch chuyïín àoã. Thûåc ra chuáng ta khöng quan saát caác thiïn haâ rúâi nhanh khoãi chuáng ta; têët caã nhûäng gò maâ chuáng ta coá thïí thêëy chùæc chùæn laâ caác vaåch trïn phöí cuãa chuáng bõ dõch chuyïín vïì phña àoã, tûác laâ vïì phña bûúác soáng daâi hún. Coá nhûäng nhaâ thiïn vùn löîi laåc nghi ngúâ rùçng caác dõch chuyïín àoã khöng coá liïn hïå gò vúái dõch chuyïín Doppler hoùåc vúái sûå giaän núã cuãa vuä truå. Halton Arp úã caác phoâng thñ nghiïåm Hale, àaä nhêën maånh àïën sûå töìn taåi cuãa nhûäng nhoám thiïn haâ trïn bêìu trúâi, trong àoá vaâi thiïn haâ coá nhûäng dõch chuyïín àoã rêët khaác vúái nhûäng thiïn haâ khaác; nïëu nhûäng nhoám àoá thïí hiïån nhûäng kïët tuå vêåt lyá thûåc cuãa nhûäng thiïn haâ lên cêån thò chuáng khoá maâ coá thïí coá nhûäng vêån töëc quaá khaác nhau. Ngoaâi ra, Maarten Schmidt nùm 1963 àaä khaám phaá ra rùçng möåt loaåi vêåt thïí bïì ngoaâi coá daång caác sao laåi coá nhûäng dõch chuyïín lúán vïì phña àoã, trong möåt söë trûúâng húåp trïn 300 %! Nïëu caác “vêåt chuêín sao” (quasar) cuäng úã xa nhû caác dõch



chuyïín àoã cuãa chuáng cho thêëy thò chuáng phaãi phaát ra nhûäng lûúång nùng lûúång khöíng löì àïí coá thïí saáng nhû vêåy. Cuöëi cuâng khöng phaãi dïî xaác àõnh hïå thûác giûäa vêån töëc vaâ khoaãng caách thêåt laâ lúán.

Tuy nhiïn, coá möåt caách àöåc lêåp àïí khùèng àõnh rùçng caác thiïn haâ àang taách xa nhau nhû caác dõch chuyïín àoã cho thêëy. Nhû ta àaä thêëy, caách giaãi thñch vïì caác dõch chuyïín àoã àoá bao haâm yá nghôa vuä truå bùæt àêìu giaän núã khoaãng gêìn 20 nghòn triïåu nùm trûúác àêy. Do àoá sûå khùèng àõnh naây coá thïí àuáng nïëu ta tòm àûúåc möåt bùçng chûáng naâo khaác cho thêëy rùçng quaã thûåc vuä truå coá tuöíi vaâo cúä àoá. Thûåc ra coá nhiïìu lyá do àïí tin rùçng thiïn haâ cuãa chuáng ta vaâo khoaãng 10 àïën 15 nghòn triïåu tuöíi. Con söë ûúác lûúång àoá xuêët phaát caã tûâ àöå nhiïìu tyã àöëi cuãa nhiïìu àöìng võ phoáng xaå trong qua àêët (àùåc biïåt laâ caác àöìng võ cuãa urani, urani - 235 vaâ urani - 238) vaâ caã tûâ sûå tñnh toaán sûå tiïën hoáa cuãa caác vò sao. Chùæn chùæn khöng coá möåt quan hïå trûåc tiïëp naâo giûäa töëc àöå phoáng xaå hoùåc töëc àöå tiïën hoáa cuãa caác vò sao vaâ sûå dõch chuyïín àoã cuãa caác thiïn haâ xa xùm, nhû vêåy àaä coá thïí tin rùçng tuöíi vuä truå suy tûâ hùçng söë Hubble coá thïí thûåc sûå biïíu diïîn möåt sûå bùæt àêìu àuáng àùæn.

Liïn quan àïën viïåc naây, coá àiïìu àaáng chuá yá vïì mùåt lõch sûã nïëu nhúá laåi rùçng trong nhûäng nùm 1930 vaâ 1940 hùçng söë Hubble àûúåc tin laâ lúán hún nhiïìu, khoaãng 170 kilömet möîi giêy möîi triïåu nùm aánh saáng. Theo lêåp luêån trûúác cuãa ta, tuöíi vuä truå khi àoá phaãi laâ möåt triïåu nùm aánh saáng chia cho 170 kilömet möîi giêy, tûác laâ khoaãng 2.000 triïåu nùm, hoùåc coân ñt hún nûäa nïëu chuáng ta tñnh àïën sûå haäm do hêëp dêîn. Nhûng ngûúâi ta àaä biïët roä vïì caác nghiïn cûáu vïì phoáng xaå cuãa huên tûúác Rutherford rùçng quaã àêët giaâ hún thïë nhiïìu; bêy giúâ ngûúâi ta cho noá vaâo khoaãng 4.600 triïåu tuöíi! Quaã àêët khöng thïí giaâ hún vuä truå cho nïn caác nhaâ thiïn vùn buöåc phaãi nghi ngúâ rùçng liïåu dõch chuyïín àoã coá thûåc sûå noái àûúåc cho chuáng ta caái gò vïì tuöíi cuãa vuä truå hay khöng. Möåt vaâi yá tûúãng vuä truå hoåc khön kheáo nhêët trong nhûäng nùm 1930 vaâ 1940 naãy sinh ra tûâ nghõch lyá biïíu kiïën àoá, coá thïí bao göìm caã thuyïët traång thaái dûâng. Coá thïí rùçng viïåc loaåi boã nghõch lyá vïì tuöíi úã trïn, bùçng caách tùng thang khoaãng caách ngoaâi thiïn haâ lïn mûúâi lêìn trong nhûäng

Steven Weinberg 32


nùm 1950, àaä laâ àiïìu kiïån tiïn quyïët chuã yïëu àûa àïën sûå xuêët hiïån vuä truå hoåc vuå nöí lúán nhû möåt lyá thuyïët chuêín.

Bûác tranh vuä truå maâ ta àaä phaác ra úã àêy laâ hònh aãnh möåt

“àaân ong thiïn haâ” àang lòa töí. Cho àïën nay, àöëi vúái chuáng ta, aánh saáng múái chó àoáng vai troâ “sûá giaã giûäa caác vò sao” mang thöng tin vïì khoaãng caách vaâ vêån töëc cuãa caác thiïn haâ.

Tuy nhiïn, caác àiïìu kiïån trong vuä truå sú khai rêët khaác bêy giúâ, nhû chuáng ta seä thêëy, luác àoá chñnh aánh saáng àaä laâ thaânh phêìn chuã yïëu cuãa vuä truå, vaâ vêåt chêët thöng thûúâng chó àoáng vai troâ cuãa möåt sûå nhiïîm khöng àaáng kïí. Cho nïn seä coá ñch sau naây cho ta nïëu ta khùèng àõnh laåi xem ta àaä biïët àûúåc caái gò vïì dõch chuyïín àoã qua sûå diïîn biïën cuãa caác soáng aánh saáng trong vuä truå giaän núã.

Haäy xeát möåt soáng aánh saáng truyïìn giûäa hai thiïn haâ àiïín hònh. Khoaãng caách giûäa hai thiïn haâ bùçng thúâi gian ài cuãa aánh saáng nhên vúái vêån töëc cuãa noá, trong khi àoá àöå tùng cuãa khoaãng caách àoá trong thúâi gian aánh saáng ài bùçng thúâi gian ài cuãa aánh saáng nhên vúái vêån töëc tûúng àöëi cuãa caác thiïn haâ. Khi tñnh àöå tùng tyã àöëi cuãa khoaãng caách, ta chia àöå tùng khoaãng caách cho trõ söë trung bònh cuãa khoaãng caách trong quaá trònh tùng, vaâ chuáng ta thêëy rùçng thúâi gian ài cuãa aánh saáng bõ triïåt tiïu: àöå tùng tyã àöëi cuãa khoaãng caách giûäa hai thiïn haâ àoá (vaâ tûâ àoá giûäa bêët cûá nhûäng thiïn haâ àiïín hònh naâo) trong luác aánh saáng ài àuáng laâ tyã söë cuãa vêån töëc tûúng àöëi cuãa caác thiïn haâ vaâ vêån töëc aánh saáng. Nhûng nhû ta àaä thêëy trûúác àêy cuäng tyã söë àoá cho àöå tùng tuyïåt àöëi cuãa bûúác soáng aánh saáng khi noá lan truyïìn. Nhû vêåy, bûúác soáng cuãa moåi tia saáng àïìu tùng tyã lïå vúái khoaãng caách giûäa caác thiïn haâ àiïín hònh trong quaá trònh vuä truå giaän núã. Chuáng ta coá thïí nghô rùçng caác àónh soáng nhû bõ “keáo” caâng ngaây caâng xa nhau ra do sûå giaän núã cuãa vuä truå. Duâ rùçng lêåp luêån cuãa chuáng ta chó thûåc coá hiïåu lûåc àöëi vúái nhûäng khoaãng thúâi gian truyïìn ngùæn, song bùçng caách gheáp liïìn vúái nhau möåt loaåt caác khoaãng nhû vêåy ta coá thïí kïët luêån rùçng noá cuäng àuáng noái chung. Vñ duå, khi chuáng ta nhòn thiïn haâ 3C 295, vaâ thêëy rùçng caác bûúác soáng trong phöí cuãa noá lúán hún caác bûúác soáng trong caác



baãng chuêín cuãa ta vïì bûúác soáng cuãa phöí laâ 46 %, ta coá thïí kïët luêån rùçng vuä truå hiïån nay lúán hún so vúái khi aánh saáng rúâi khoãi 3 C 295 laâ 46 %.

Cho àïën àêy ta chó noái àïën nhûäng chuyïån maâ caác nhaâ vêåt lyá goåi laâ nhûäng vêën àïì “àöång hoåc”, coá liïn quan àïën sûå mö taã chuyïín àöång maâ khöng xeát caác lûåc chi phöëi noá. Tuy nhiïn, trong nhiïìu thïë kyã, caác nhaâ vêåt lyá vaâ thiïn vùn cuäng àaä thûã tòm hiïíu àöång lûåc hoåc cuãa vuä truå. Àiïìu naây khöng traánh khoãi dêîn àïën viïåc nghiïn cûáu vai troâ vuä truå hoåc cuãa lûåc duy nhêët taác àöång giûäa caác thiïn thïí laâ lûåc hêëp dêîn.

Nhû coá thïí chúâ àúåi, Isaac Newton laâ ngûúâi àêìu tiïn àaä suy nghô vïì vêën àïì naây. Trong möåt cuöåc trao àöíi thû tûâ nöíi tiïëng vúái möåt hoåc giaã cöí àiïín úã Cambridge laâ Richard Bentley, Newton cöng nhêån rùçng nïëu vêåt chêët cuãa vuä truå phên phöëi àïìu àùån trong möåt vuâng hûäu haån thò noá rêët coá xu hûúáng rúi vaâo têm, vaâ “húåp thaânh möåt khöëi cêìu lúán úã àoá”. Mùåt khaác, nïëu vêåt chêët àûúåc raãi àïìu trong möåt khoaãng khöng vö haån, thò seä khöng coá têm naâo àïí cho noá rúi vaâo àêëy. Trong trûúâng húåp àoá noá coá thïí kïët laåi thaânh möåt söë vö haån caác khöëi vêåt chêët, raãi raác khùæp vuä truå; Newton gúåi yá rùçng àêy rêët coá thïí laâ nguöìn göëc cuãa mùåt trúâi vaâ caác vò sao.

Viïåc khoá nghiïn cûáu àöång lûåc hoåc cuãa möåt möi trûúâng vö haån àaä laâm tï liïåt khaá maånh nhûäng tiïën böå sau àoá cho àïën khi thuyïët tûúng àöëi röång ra àúâi, vaâ duâ sao noá cuäng khöng quan troång lùæm àöëi vúái vuä truå hoåc nhû ngûúâi ta tûúãng luác àêìu. Chó cêìn noái rùçng Einstein duâng lyá thuyïët toaán hoåc àaä coá vïì hònh hoåc phi Euclide àïí giaãi thñch hêëp dêîn nhû möåt hiïåu ûáng vïì sûå cong cuãa khöng gian vaâ thúâi gian. Nùm 1917, möåt nùm sau khi hoaân thaânh thuyïët tûúng àöëi röång, Einstein àaä cöë gùæng tòm lúâi giaãi cho möåt phûúng trònh cuãa öng, coá thïí diïîn taã hònh hoåc khöng - thúâi gian toaân vuä truå. Suy nghô theo caác yá niïåm vuä truå hoåc àang phöí biïën luác àoá, Einstein àùåc biïåt tòm möåt lúâi giaãi naâo coá thïí àöìng tònh, àùèng hûúáng, vaâ tiïëc thay laåi tônh. Tuy nhiïn, khöng thïí tòm ra möåt lúâi giaãi naâo nhû vêåy. Àïí vaåch ra möåt mö hònh khúáp vúái caác tiïìn àïì vuä truå hoåc àoá, Einstein àaä buöåc phaãi laâm phûúng haåi àïën caác phûúng trònh cuãa öng, bùçng caách àûa vaâo möåt söë haång, goåi laâ hùçng söë vuä truå hoåc, àaä laâm cho

Steven Weinberg 34


thuyïët nguyïn thuãy àeåp àeä trúã nïn xêëu ài, nhûng phaãi duâng àïí cên bùçng lûåc hêëp dêîn úã nhûäng khoaãng caách lúán.

Mö hònh cuãa Einstein quaã thûåc laâ tônh vaâ khöng tiïn àoaán caác dõch chuyïín àoã. Cuäng trong nùm àoá, 1917, möåt lúâi giaãi khaác cuãa thuyïët àûúåc sûãa àöíi cuãa Einstein àaä àûúåc nhaâ thiïn vùn Haâ Lan E. de Sitter tòm ra. Duâ rùçng lúâi giaãi naây coá veã tônh, vaâ nhû vêåy coá thïí cöng nhêån àûúåc theo caác yá tûúãng vuä truå hoåc luác àoá, noá coá tñnh chêët àaáng chuá yá laâ tiïn àoaán möåt sûå dõch chuyïín àoã tyã lïå vúái khoaãng caách! Sûå töìn taåi cuãa nhûäng dõch chuyïín àoã lúán cuãa caác tinh vên luác àoá chûa àûúåc caác nhaâ thiïn vùn chêu Êu biïët àïën. Tuy nhiïn, vaâo khoaãng cuöëi chiïën tranh thïë giúái lêìn thûá nhêët, nhûäng tin tûác vïì sûå quan saát àûúåc nhûäng dõch chuyïín àoã lúán àaä truyïìn tûâ Myä sang chêu Êu, vaâ mö hònh cuãa de Sitter lêåp tûác trúã thaânh nöíi tiïëng. Thûåc ra nùm 1922 khi nhaâ thiïn vùn Anh Athur Eddington viïët giaáo trònh toaân diïån àêìu tiïn vïì thuyïët tûúng àöëi röång, öng àaä phên tñch caác söë liïåu dõch chuyïín àoã hiïån coá theo mö hònh de Sitter. Baãn thên Hubble noái rùçng chñnh mö hònh cuãa de Sitter àaä laâm cho caác nhaâ thiïn vùn thêëy têìm quan troång cuãa möåt sûå phuå thuöåc cuãa dõch chuyïín àoã vaâo khoaãng caách, vaâ mö hònh àoá coá thïí àaä úã trong trñ oác cuãa öng khi öng khaám phaá ra tñnh tyã lïå giûäa dõch chuyïín àoã vúái khoaãng caách vaâo nùm 1929.

Hiïån nay sûå nhêën maånh nhû vêåy vaâo mö hònh de Sitter hêìu nhû khöng thñch húåp. Möåt mùåt noá quaã khöng phaãi laâ möåt mö hònh tônh chuát naâo, noá coá leä chó tônh do àûa caác toåa àöå khöng gian vaâo möåt caách àùåc biïåt, nhûng khoaãng caách giûäa nhûäng ngûúâi quan saát “àiïín hònh” trong mö hònh thûåc sûå tùng theo thúâi gian vaâ chñnh sûå luâi xa nhau töíng quaát àoá àaä sinh ra sûå dõch chuyïín àoã. Ngoaâi ra lyá do laâm dõch chuyïín àoã trúã thaânh tyã lïå vúái khoaãng caách trong möåt hònh de Sitter chñnh laâ mö hònh naây thoãa maän nguyïn lyá vuä truå hoåc, nhûng nhû ta àaä thêëy, ta chúâ àúåi möåt tyã lïå giûäa vêån töëc tûúng àöëi vaâ khoaãng caách trong moåi thuyïët thoãa maän nguyïn lyá naây.

Duâ sao, viïåc phaát hiïån sûå luâi xa cuãa caác thiïn haâ xa xùm chùèng mêëy chöëc laâm ngûúâi ta chuá yá àïën caác mö hònh vuä truå hoåc àöìng tñnh vaâ àùèng hûúáng nhûng khöng phaãi tônh. Khi àoá khöng cêìn àïën “hùçng söë vuä truå hoåc” trong caác phûúng trònh trûúâng hêëp



dêîn, vaâ Einstein àaä toã ra tiïëc rùçng öng àaä tûâng àûa sûå thay àöíi àoá vaâo caác phûúng trònh ban àêìu cuãa öng. Nùm 1922 lúâi giaãi töíng quaát àöìng tñnh vaâ àùèng hûúáng cuãa caác phûúng trònh ban àêìu cuãa Einstein àaä àûúåc nhaâ baác hoåc Nga Alexandre Fridmann tòm ra. Chñnh caác mö hònh Fridmann naây, cùn cûá trïn caác phûúng trònh trûúâng ban àêìu cuãa Einstein, chûá khöng phaãi caác mö hònh de Sitter hoùåc Einstein àaä cung cêëp cú súã toaán hoåc cho àa söë nhûäng thuyïët vuä truå hoåc hiïån àaåi.

Caác mö hònh Fridmann thuöåc vaâo hai loaåi rêët khaác nhau. Nïëu mêåt àöå trung bònh cuãa vêåt chêët vuä truå nhoã hún hoùåc bùçng möåt giaá trõ túái haån naâo àoá, vuä truå phaãi vö haån vïì khöng gian. Trong trûúâng húåp naây, sûå núã hiïån nay cuãa vuä truå seä tiïëp diïîn maäi maäi. Mùåt khaác, nïëu mêåt àöå cuãa vuä truå lúán hún giaá trõ túái haån àoá, thò khi àoá trûúâng hêëp dêîn sinh ra búãi vêåt chêët laâm cho vuä truå cong lïn trong baãn thên noá, noá laâ hûäu haån duâ rùçng khöng coá biïn, nhû bïì mùåt cuãa möåt hònh cêìu. (Nghôa laâ, nïëu chuáng ta bùæt àêìu du haânh theo möåt àûúâng thùèng, ta seä khöng ài àïën möåt biïn naâo cuãa vuä truå maâ chó quay vïì chöî xuêët phaát). Trong trûúâng húåp naây caác trûúâng hêëp dêîn rêët àuã maånh àïí coá thïí laâm ngûâng sûå giaän núã cuãa vuä truå, nhû vêåy cuäng coá thïí coá luác noá seä “nöí vaâo” àïí trúã laåi möåt mêåt àöå lúán vö haån. Mêåt àöå túái haån tyã lïå vúái bònh phûúng cuãa hùçng söë Hubble; vúái trõ söë àûúåc chêëp nhêån hiïån nay möåt caách röång raäi cuãa hùçng söë àoá laâ 15 kilömet möîi giêy möîi triïåu nùm aánh saáng, mêåt àöå túái haån bùçng 5 x 10 muä êm 30 gam möîi centimet khöëi hoùåc khoaãng ba nguyïn tûã hyàrö trong möîi nghòn lñt khöng gian.

Chuyïín àöång cuãa möåt thiïn haâ àiïín hònh naâo àoá trong caác mö hònh Fridmann laâ àuáng nhû chuyïín àöång cuãa möåt hoân àaá neám lïn tûâ mùåt àêët. Nïëu hoân àaá àûúåc neám lïn àuã maånh hoùåc noái caách khaác, nïëu khöëi lûúång quaã àêët àuã nhoã, thò hoân àaá seä ài chêåm dêìn, nhûng duâ sao cuäng thoaát vaâo vuä truå. Àiïìu naây ûáng vúái trûúâng húåp mêåt àöå vuä truå thêëp hún mêåt àöå túái haån. Mùåt khaác nïëu hoân àaá àûúåc neám lïn vúái vêån töëc khöng àuã lúán thò noá seä lïn túái möåt àöå cao töëi àa röìi rúi xuöëng. Àiïìu naây cöë nhiïn ûáng vúái mêåt àöå vuä truå cao hún mêåt àöå túái haån.

Steven Weinberg 36


Sûå tûúng tûå naây cho thêëy roä taåi sao khöng thïí tòm àûúåc nhûäng lúâi giaãi vuä truå hoåc tônh cho caác phûúng trònh Einstein — ta khöng thïí quaá ngaåc nhiïn khi thêëy möåt hoân àaá bay khoãi hoùåc rúi xuöëng mùåt àêët, nhûng ta khoá maâ thêëy àûúåc möåt hoân àaá tûå treo lú lûãng trïn khöng. Sûå tûúng tûå naây cuäng giuáp chuáng ta traánh àûúåc möåt sûå hiïíu lêìm thöng thûúâng vïì vuä truå daän núã. Caác thiïn haâ taách rúâi khoãi nhau khöng phaãi vò möåt lûåc bñ mêåt naâo àoá àang àêíy chuáng ra xa nhau, cuäng àuáng nhû hoân àaá trong vñ duå cuãa ta khöng phaãi bõ quaã àêët àêíy luâi. Maâ àuáng hún, caác thiïn haâ taách rúâi nhau búãi chuáng àaä bõ bùæn rúâi khoãi nhau do möåt vuå nöí naâo àoá trong quaá khûá.

Vaâo nhûäng nùm 1920, àiïìu naây khöng àûúåc nhêån thûác roä,

nhûng nhiïìu tñnh chêët chi tiïët cuãa caác mö hònh Fridmann coá thïí tñnh àûúåc möåt caách àõnh lûúång bùçng caách duâng sûå tûúng tûå naây maâ khöng cêìn àïën thuyïët tûúng àöëi röång. Àïí tñnh chuyïín àöång cuãa möåt thiïn haâ àiïín hònh naâo àoá so vúái thiïn haâ cuãa ta, haäy veä möåt hònh cêìu vúái thiïn haâ cuãa ta úã têm vaâ vúái thiïn haâ àang nghiïn cûáu trïn bïì mùåt; chuyïín àöång cuãa thiïn haâ naây chñnh laâ chuyïín àöång xaãy ra nïëu khöëi lûúång cuãa vuä truå chó bao göìm vêåt chêët trong hònh cêìu vaâ khöng coá gò úã ngoaâi. Àiïìu naây cuäng giöëng nhû thïí ta àaâo möåt höë sêu, ta seä thêëy rùçng gia töëc troång lûåc túái têm chó phuå thuöåc vaâo lûúång vêåt chêët úã gêìn têm hún laâ gêìn höë cuãa chuáng ta, nhû thïí laâ mùåt àêët úã ngay chñnh àaáy höë. Kïët quaã àaáng chuá yá àoá biïíu hiïån úã möåt àõnh lyá coá giaá trõ trong thuyïët hêëp dêîn cuãa Einstein vaâ caã Newton, noá chó phuå thuöåc vaâo tñnh àöëi xûáng cêìu cuãa hïå nghiïn cûáu; biïën thïí tûúng àöëi röång cuãa àõnh lyá naây àûúåc nhaâ toaán hoåc Myä G. D. Birkhoff chûáng minh vaâo nùm 1923, nhûng yá nghôa vuä truå hoåc cuãa noá vaâi chuåc nùm sau àoá vêîn chûa àûúåc nhêån thûác roä.

Chuáng ta coá thïí duâng àõnh lyá naây àïí tñnh mêåt àöå túái haån cuãa caác mö hònh Fridmann (xem hònh 3). Khi veä möåt hònh cêìu cuãa ta úã giûäa vaâ möåt thiïn haâ xa xùm naâo àoá úã trïn mùåt, ta coá thïí duâng khöëi lûúång caác thiïn haâ trong hònh cêìu àïí tñnh möåt vêån töëc thoaát, vêån töëc maâ möåt thiïn haâ úã bïì mùåt phaãi coá àïí coá bùæt àêìu thoaát àïën coäi vö haån. Ngûúâi ta thêëy rùçng vêån töëc thoaát naây tyã lïå vúái baán kñnh



hònh cêìu - hònh cêìu caâng lúán thò vêån töëc cuãa thiïn haâ laåi phaãi caâng nhanh àïí thoaát khoãi noá. Nhûng àõnh luêåt Hubble noái rùçng vêån töëc thûåc cuãa möåt thiïn haâ trïn bïì mùåt hònh cêìu cuäng tyã lïå vúái baán kñnh hònh cêìu - khoaãng caách kïí tûâ chöî ta. Nhû vêåy duâ vêån töëc thoaát phuå thuöåc vaâo baán kñnh, song tyã söë giûäa vêån töëc thûåc cuãa thiïn haâ vaâ vêån töëc thoaát cuãa noá khöng phuå thuöåc kñch thûúác hònh cêìu; noá laâ nhû nhau cho moåi thiïn haâ vaâ nhû nhau duâ ta lêëy thiïn haâ naâo laâ têm hònh cêìu. Tuây thuöåc vaâo caác giaá trõ cuãa hùçng söë Hubble vaâ mêåt àöå vuä truå maâ möîi thiïn haâ chuyïín àöång theo àõnh luêåt Hubble seä hoùåc coá vêån töëc lúán hún vêån töëc thoaát vaâ thoaát àïën coäi vö haån, hoùåc seä coá vêån töëc thêëp hún vêån töëc thoaát vaâ rúi laåi vïì phña ta vaâo möåt luác naâo àoá trong tûúng lai. Mêåt àöå túái haån chó àún giaãn laâ giaá trõ cuãa mêåt àöå vuä truå maâ khi vêåt töëc thoaát cuãa möîi thiïn haâ àuáng bùçng vêån töëc tñnh theo àõnh luêåt Hubble. Mêåt àöå túái haån chó coá thïí phuå thuöåc vaâo hùçng söë Hubble vaâ thûåc ra noá chó àún giaãn laâ tyã lïå vúái bònh phûúng hùçng söë Hubble (xem chuá thñch toaán hoåc 2).

Hònh 3. Àõnh lyá Birkhoff vaâ sûå giaän núã cuãa vuä truå. Hònh veä lïn möåt söë thiïn haâ cuäng vúái caác vêån töëc cuãa chuáng so vúái möåt thiïn haâ G àaä cho, àûúåc chó ra úã àêy bùçng nhûäng muäi tïn keâm theo àöå daâi vaâ hûúáng thñch húåp (theo àõnh luêåt Hubble, caác vêån töëc naây àûúåc coi laâ tyã lïå vúái khoaãng caách àïën C). Àõnh lyá Birkhoff nïu lïn rùçng: muöën tñnh vêån töëc cuãa thiïn haâ A so vúái G chó cêìn tñnh àïën khöëi lûúång chûáa trong khöëi hònh cêìu quanh G ài qua A (àûúâng àûát neát). Nïëu A khöng quaá xa G, trûúâng hêëp dêîn cuãa vêåt chêët trong hònh cêìu seä vûâa phaãi, vaâ chuyïín àöång cuãa A coá thïí tñnh theo caác àõnh luêåt cú hoåc cuãa Newton.

Sûå liïn hïå chi tiïët giûäa thúâi gian vaâ kñch thûúác vuä truå (nghôa laâ khoaãng caách giûäa bêët cûá hai thiïn haâ àiïín hònh naâo) coá thïí tòm ra bùçng caách sûã duång nhûäng lêåp luêån nhû vêåy, nhûng kïët quaã phûác taåp hún nhiïìu(xem hònh 4). Tuy nhiïn coá möåt kïët quaã àún giaãn sau naây rêët cêìn cho chuáng ta. Trong thúâi kyâ sú khai cuãa vuä truå, kñch thûúác vuä truå biïën thiïn nhû möåt luäy thûâa àún giaãn cuãa thúâi gian: luäy thûâa 2/3 nïëu boã qua mêåt àöå bûác xaå hoùåc luäy thûâa 1/2 nïëu mêåt àöå bûác xaå vûúåt mêåt àöå vêåt chêët (xem chuá thñch toaán hoåc 3). Möåt khña caånh cuãa caác mö hònh vuä truå hoåc Fridmann maâ ta khöng thïí hiïíu àûúåc nïëu khöng duâng thuyïët tûúng àöëi röång laâ möëi

Hình 3. Định lý Birkhoff và sự giãn nở của vũ trụ.

Steven Weinberg 38


liïn hïå giûäa mêåt àöå vaâ hònh hoåc - vuä truå laâ múã vaâ vö haån hoùåc àoáng vaâ hûäu haån tuây theo vêån töëc thiïn haâ lúán hún hay beá hún vêån töëc thoaát.

Möåt caách àïí biïët vêån töëc thiïn haâ coá vûúåt vêån töëc thoaát hay khöng laâ ào töëc àöå ài chêåm laåi cuãa chuáng. Nïëu àöå giaãm töëc àoá beá hún (hoùåc lúán hún) möåt mûác naâo àoá, thò luác àoá vêån töëc thoaát bõ (hoùåc khöng bõ) vûúåt. Trong thûåc tïë àiïìu naây coá nghôa laâ ngûúâi ta phaãi ào àöå cong cuãa àöì thõ chó sûå phuå thuöåc cuãa dõch chuyïín àoã vaâo khoaãng caách àöëi vúái nhûäng thiïn haâ úã xa (xem hònh 5). Khi ài tûâ möåt vuä truå hûäu haån coá mêåt àöå cao hún àïën möåt vuä truå vö haån coá mêåt àöå thêëp hún, àöå cong cuãa àûúâng dõch chuyïín àoã phuå thuöåc khoaãng caách bõ laâm cho phùèng ra úã nhûäng khoaãng caách rêët lúán. Viïåc nghiïn cûáu hònh daång cuãa àûúâng dõch chuyïín àoã - khoaãng caách úã nhûäng khoaãng caách lúán thûúâng àûúåc goåi laâ “chûúng trònh Hubble”.

Hònh 4. Sûå giaän núã vaâ co heåp cuãa vuä truå. Khoaãng caách giûäa nhûäng thiïn haâ àiïín hònh àûúåc veä (àún võ tuây yá) nhû laâ möåt haâm cuãa thúâi gian cho hai mö hònh vuä truå hoåc coá thïí duâng. Trong trûúâng húåp möåt “vuä truå múã”, vuä truå laâ vö haån; mêåt àöå thêëp hún mêåt àöå túái haån; vaâ sûå giaän núã tuy rùçng bõ chêåm laåi, seä tiïëp tuåc maäi maäi. Trong trûúâng húåp möåt “vuä truå àoáng”, vuä truå laâ hûäu haån, sûå giaän núã seä möåt luác naâo àoá kïët thuác vaâ sau àoá seä coá möåt sûå co laåi. Caác àûúâng cong àûúåc biïíu diïîn trïn àêy àûúåc tñnh theo caác phûúng trònh trûúâng cuãa Einstein

maâ khöng cêìn möåt hùçng söë vuä truå hoåc cho möåt vuä truå chuã yïëu laâ vêåt chêët.

Vúái möåt sûå cöë gùæng lúán lao Hubble, Sandage vaâ gêìn àêy möåt söë nhaâ khoa hoåc khaác nûäa àaä tiïën haânh chûúng trònh naây. Nhûng cho àïën nay kïët quaã vêîn chûa coá tñnh chêët kïët luêån. Caái khoá laâ àïí ûúác tñnh khoaãng caách àïën nhûäng thiïn haâ xa, ngûúâi ta coá thïí duâng nhûäng sao àöíi aánh kiïíu xïpheit hoùåc nhûäng ngöi sao saáng nhêët nhû laâ nhûäng vêåt àaánh dêëu khoaãng caách, traái laåi, ta phaãi ûúác lûúång khoaãng caách tûâ àöå saáng biïíu kiïën cuãa ngay caác thiïn haâ. Nhûng laâm sao ta coá thïí biïët àûúåc rùçng caác thiïn haâ ta àang nghiïn cûáu àïìu coá möåt àöå trûng tuyïåt àöëi nhû nhau? (Nhúá rùçng àöå trûng biïíu kiïën laâ nùng lûúång bûác xaå maâ ta nhêån àûúåc úã möåt àún võ diïån tñch kñnh thiïn vùn, trong khi àöå trûng tuyïåt àöëi laâ nùng

Hình 4. Sự giãn nở và co hẹp của vũ trụ.



lûúåc toaân phêìn phaát ra theo moåi hûúáng búãi thiïn thïí; àöå trûng biïíu kiïën tyã lïå vúái àöå trûng tuyïåt àöëi vaâ tyã lïå nghõch vúái bònh phûúng khoaãng caách). Coá nhûäng nguy cú ghï gúám do hiïåu ûáng choån loåc - khi ta nhòn caâng xa thò ta coá xu hûúáng choån nhûäng thiïn haâ coá àöå trûng tuyïåt àöëi caâng lúán. Möåt vêën àïì coân tïå haåi hún nûäa laâ sûå tiïën hoáa cuãa caác thiïn haâ. Khi ta nhòn caác thiïn haâ rêët xa, chuáng ta thêëy chuáng úã traång thaái haâng nghòn triïåu nùm trûúác àêy khi caác tia saáng bùæt àêìu cuöåc du haânh cuãa chuáng àïën chöî ta. Nïn nhûäng thiïn haâ àiïín hònh luác àoá coân saáng hún bêy giúâ, ta seä ûúác lûúång khoaãng caách cuãa chuáng thêëp hún thûåc tïë. Möåt khaã nùng maâ rêët gêìn àêy J. P. Ostriker vaâ S. D. Tremaine úã Princeton gúåi yá laâ nhûäng thiïn haâ lúán hún tiïën hoáa khöng phaãi chó laâ do caác ngöi sao caá thïí cuãa chuáng tiïën hoáa, maâ coân laâ do chuáng nuöët thïm nhûäng thiïn haâ nhoã lên cêån! Seä coân lêu ta múái biïët chùæc rùçng ta coá möåt sûå hiïíu biïët àõnh lûúång àuáng àùæn vïì caác loaåi tiïën hoáa thiïn haâ khaác nhau àoá.

Hònh 5. Àöì thõ dõch chuyïín àoã phuå thuöåc vaâo khoaãng caách. Dõch chuyïín àoã àûúåc veä nhû laâ möåt haâm cuãa khoaãng caách cho böën thuyïët vuä truå hoåc khaã dô (noái chñnh xaác hún, khoaãng caách úã àêy laâ “khoaãng caách saáng” - khoaãng caách suy ra cho möåt vêåt maâ ta biïët àöå trûng riïng hoùåc tuyïåt àöëi tûâ nhûäng quan saát vïì àöå trûng biïíu kiïën cuãa noá). Caác àûúâng coá ghi “mêåt àöå gêëp àöi mêåt àöå túái haån”, “mêåt àöå túái haån” vaâ “mêåt àöå bùçng khöng” àûúåc tñnh trong mö hònh Friedmann, sûã duång caác phûúng trònh cuãa Einstein cho möåt vuä truå chuã yïëu laâ vêåt chêët, khöng cêìn möåt hùçng söë vuä truå hoåc;

chuáng tûúng ûáng lêìn lûúåt vúái möåt vuä truå àoáng, vûâa àuã múã, hoùåc múã (xem hònh 4). Àûúâng cong ghi “traång thaái dûâng” àûúåc aáp duång trong bêët kyâ lyá thuyïët naâo maâ trong àoá hònh daång cuãa vuä truå khöng thay àöíi theo thúâi gian. Caác quan saát hiïån nay khöng phuâ húåp töët vúái àûúâng “traång thaái dûâng”, song chuáng khöng cho ta lûåa choån möåt caách roä raâng trong söë nhûäng khaã nùng khaác nhau, búãi vò trong nhûäng lyá thuyïët khöng coá traång thaái dûâng sûå tiïën hoáa cuãa caác thiïn haâ laâm cho viïåc xaác àõnh khoaãng caách trúã nïn khöng chùæc chùæn. Moåi àûúâng cong àïìu àûúåc veä vúái hùçng söë Hubble lêëy bùçng 15 km möîi giêy möîi triïåu nùm aánh saáng (ûáng vúái thúâi gian giaän núã àùåc trûng laâ 20 000 triïåu nùm), song caác àûúâng cong coá thïí àûúåc duâng cho bêët kyâ giaá trõ naâo khaác cuãa hùçng söë Hubble bùçng caách chó veä laåi theo cuâng tó lïå moåi khoaãng caách.

Hình 5. Đồ thị dịch chuyển đỏ phụ thuộc vào khoảng cách.

Steven Weinberg 40


Hiïån nay kïët luêån töët nhêët ruát ra tûâ chûúg trònh Hubble laâ àöå giaãm töëc cuãa caác thiïn haâ xa coá veã rêët beá. Nhû vêåy coá nghôa laâ chuáng àang chuyïín àöång vúái vêån töëc cao hún vêån töëc thoaát, nhû vêåy vuä truå laâ múã vaâ seä giaän núã maäi maäi. Àiïìu naây khúáp àuáng vúái nhûäng ûúác tñnh vïì mêåt àöå vuä truå ; vêåt chêët thêëy àûúåc trong caác thiïn haâ hònh nhû cöång laåi chó cho mêåt àöå khöng quaá möåt vaâi phêìn trùm mêåt àöå túái haån. Tuy nhiïn àiïìu naây cuäng chûa chùæc lùæm. Nhûäng ûúác tñnh vïì khöëi lûúång thiïn haâ tùng lïn trong nhûäng nùm gêìn àêy. Ngoaâi ra, nhû George Field úã Harvard vaâ möåt söë ngûúâi khaác àaä gúåi yá, coá thïí töìn taåi möåt loaåi khñ hyàro àaä ion hoaá giûäa caác thiïn haâ coá thïí cung cêëp möåt mêåt àöå vêåt chêët túái haån cuãa vuä truå, nhûng cho àïën nay vêîn chûa àûúåc phaát hiïån ra.

May thay, khöng cêìn ài àïën möåt quyïët àõnh dûát khoaát vïì hònh hoåc úã quy mö lúán cuãa vuä truå àïí ruát ra nhûäng kïët luêån vïì sûå bùæt àêìu cuãa noá. Lyá do laâ vò vuä truå coá möåt thûá àûúâng chên trúâi vaâ àûúâng chên trúâi àoá co heåp laåi nhanh choáng khi ta nhòn quay vïì luác bùæt àêìu.

May thay, khöng cêìn ài àïën möåt quyïët àõnh dûát khoaát vïì

hònh hoåc úã quy mö lúán cuãa vuä truå àïí ruát ra nhûäng kïët luêån vïì sûå bùæt àêìu cuãa noá. Lyá do laâ vò vuä truå coá möåt thûá àûúâng chên trúâi vaâ àûúâng chên trúâi àoá co heåp laåi nhanh choáng khi ta nhòn quay vïì luác bùæt àêìu.

Khöng tñn hiïåu naâo coá thïí ài nhanh hún aánh saáng, nhû vêåy úã bêët kyâ luác naâo chuáng ta cuäng chó coá thïí bõ aãnh hûúãng búãi nhûäng sûå kiïån àuã gêìn àïí cho möåt tia saáng coá thúâi gian àïën vúái ta tûâ luác bùæt àêìu cuãa vuä truå. Bêët cûá sûå kiïån naâo xaãy ra ngoaâi khoaãng caách àoá cuäng khöng thïí aãnh hûúãng àïën ta - noá úã bïn ngoaâi chên trúâi. Nïëu tuöíi cuãa vuä truå hiïån nay laâ mûúâi nghòn triïåu nùm, chên trúâi hiïån nay laâ khoaãng caách 30 nghòn triïåu nùm aánh saáng. Nhûng khi tuöíi cuãa vuä truå múái chó laâ vaâi phuát, chên trúâi chó úã xa vaâi phuát aánh saáng - gêìn hún khoaãng caách tûâ quaã àêët àïën mùåt trúâi. Àuáng ra laâ luác àoá toaân böå vuä truå beá hún hiïån nay, theo caách hiïíu àaä quy ûúác cuãa ta laâ khoaãng caách giûäa möåt cùåp vêåt thïí naâo àoá luác àoá ngùæn hún bêy



giúâ. Tuy nhiïn, khi ta nhòn vïì luác bùæt àêìu, khoaãng caách àïën chên trúâi co laåi nhanh hún kñch thûúác vuä truå. Kñch thûúác vuä truå tyã lïå vúái luäy thûâa möåt phêìn hai hoùåc hai phêìn ba cuãa thúâi gian (xem chuá thñch toaán hoåc 3), trong khi khoaãng caách àïën chên trúâi chó àún giaãn laâ tyã lïå vúái thúâi gian. Cho nïn úã nhûäng thúâi gian caâng luâi vïì quaá khûá, chên trúâi bao quanh möåt phêìn caâng ngaây caâng nhoã cuãa vuä truå (xem hònh 6).

Hònh 6. Nhûäng chên trúâi trong möåt vuä truå giaän núã. Vuä truå úã àêy àûúåc veä dûúái daång möåt hònh cêìu úã böën thúâi àiïím caách àïìu nhau. “Chên trúâi” cuãa möåt àiïím P laâ khoaãng caách maâ ngoaâi àoá caác tñn hiïån aánh saáng khöng coá thúâi giúâ àïën P. Phêìn vuä truå úã phña trong “chên trúâi” àûúåc veä úã àêy bùçng phêìn khöng coá vaåch vaåch cuãa hònh cêìu. Khoaãng caách tûâ P àïën chên trúâi tùng tyã lïå vúái thúâi gian. Mùåt khaác “baán kñnh” cuãa vuä truå tùng nhû cùn hai cuãa thúâi gian, ûáng vúái trûúâng húåp cuãa möåt vuä truå chuã yïëu laâ bûác xaå. Hïå quaã laâ, úã thúâi kyâ caâng xûa thò chên trúâi bao quanh möåt phêìn vuä truå ngaây caâng beá.

Möåt hïå quaã cuãa sûå co dêìn cuãa chên trúâi trong vuä truå sú khai laâ àöå cong cuãa vuä truå xeát vïì toaân böå caâng ngaây caâng ñt bõ aãnh hûúãng khi ta nhòn luâi vïì nhûäng thúâi kyâ ngaây caâng xa vïì trûúác. Nhû vêåy duâ rùçng thuyïët vuä truå hoåc vaâ sûå quan saát thiïn vùn hiïån nay vêîn chûa phaát hiïån ra kñch thûúác hoùåc tûúng lai cuãa vuä truå, song chuáng àaä cho möåt bûác tranh khaá roä raâng vïì quaá khûá cuãa noá.

Caác quan saát thaão luêån trong chûúng naây àaä cho ta möåt caái nhòn vïì vuä truå vûâa àún giaãn, vûâa vô àaåi. Vuä truå àang giaän núã möåt caách àöìng àïìu vaâ àùèng hûúáng - nhûäng ngûúâi quan saát úã moåi thiïn haâ àiïín hònh úã moåi hûúáng àïìu thêëy nhûäng quaá trònh chuyïín àöång nhû nhau. Trong khi vuä truå giaän núã, bûúác soáng cuãa caác tia saáng giaän ra tyã lïå thuêån vúái khoaãng caách giûäa caác thiïn haâ. Sûå giaän núã khöng àûúåc xem laâ do bêët cûá loaåi lûåc àêíy vuä truå naâo maâ laâ do kïët quaã nhûäng vêån töëc coân giûä laåi tûâ möåt vuå nöí trong quaá khûá. Nhûäng vêån töëc àoá ngaây caâng chêåm dêìn do aãnh hûúãng cuãa lûåc hêëp dêîn; sûå giaãm töëc àoá xem ra rêët chêåm laâm naãy sinh giaã thuyïët rùçng mêåt àöå

Hình 6. Những chân trời trong một vũ trụ giãn nở.

Steven Weinberg 42


vêåt chêët cuãa vuä truå laâ thêëp vaâ trûúâng hêëp dêîn cuãa noá laâ quaá yïëu àïí coá thïí laâm cho vuä truå laâ hûäu haån vïì mùåt khöng gian hoùåc laåi coá luác laâm àaão ngûúåc sûå giaän núã. Caác tñnh toaán cho pheáp ta ngoaåi suy sûå giaän núã cuãa vuä truå luâi vïì quaá khûá, vaâ phaát hiïån rùçng sûå giaän núã cuãa vuä truå luâi vïì quaá khûá, vaâ phaát hiïån rùçng sûå giaän núã chùæc àaä bùæt àêìu tûâ mûúâi nghòn àïën hai mûúi nghòn triïåu nùm trûúác àêy.



PHÖNG BÛÁC XAÅ CÛÅC NGÙÆN VUÄ TRUÅ

Cêu chuyïín kïí úã chûúng trûúác laâ möåt cêu chuyïån khaá quen thuöåc vúái caác nhaâ thiïn vùn cuãa quaá khûá. Caã khung caãnh cuäng quen thuöåc: nhûäng öëng kñnh thiïn vùn lúán thaám hiïím bêìu trúâi ban àïm tûâ nhûäng àónh nuái úã California hoùåc Pïru, hoùåc möåt ngûúâi quan saát bùçng mùæt thûúâng trong thaáp quan saát cuãa mònh àïí “thûúãng thûác choâm sao con Gêëu”. Nhû töi àaä nhùæc àïën trong lúâi tûåa, àêy laâ cêu chuyïån àaä àûúåc kïí ài kïí laåi nhiïìu lêìn trûúác àêy, àöi khi vúái nhiïìu chi tiïët hún.

Bêy giúâ chuáng ta ài àïën möåt loaåi thiïn vùn hoåc khaác, àïën möåt cêu chuyïån maâ caách àêy möåt thêåp kyã thöi àaä khöng ai coá thïí kïí ra àûúåc. Chuáng ta seä khöng baân àïën nhûäng quan saát vïì aánh saáng àaä àûúåc bûác xaå caách àêy vaâi trùm triïåu nùm tûâ nhûäng thiïn haâ ñt nhiïìu giöëng thiïn haâ ta, maâ baân àïën nhûäng quan saát vïì möåt phöng khuyïëch taán cuãa soáng vö tuyïën coân soát laåi tûâ thúâi àiïím gêìn luác vuä truå bùæt àêìu ra àúâi. Khung caãnh cuäng thay àöíi, dúâi àïën caác maái nhaâ caác viïån vêåt lyá cuãa caác trûúâng àaåi hoåc, àïën nhûäng khñ cêìu hoùåc tïn lûãa bay cao hún bêìu khñ quyïín cuãa quaã àêët, vaâ àïën caác caánh àöìng úã miïìn bùæc cuãa bang New Jersey.

Nùm 1964, phoâng thñ nghiïåm cuãa cöng ty àiïån thoaåi Bell coá möåt ùngten vö tuyïën khaác thûúâng àùåt trïn àöìi Crawford úã Holmel bang New Jersey. Ùngten naây àaä àûúåc xêy dûång àïí thûåc hiïån liïn laåc thöng qua vïå tinh “Echo” (Tiïëng voång), nhûng nhûäng àùåc àiïím cuãa noá - möåt böå phêån phaãn xaå hònh loa keân 20 foot (foot laâ àún võ ào chiïìu daâi Anh bùçng 0,3048 meát (ND)) vúái tiïëng öìn cûåc thêëp - laâm cho noá thaânh ra möåt duång cuå coá khaá nhiïìu triïín voång cho ngaânh thiïn vùn vö tuyïën. Hai nhaâ thiïn vùn vö tuyïën Arno A. Penzias vaâ Robert W. Wilson bùæt àêìu duâng ùngten àïí ào cûúâng àöå soáng vö tuyïën do thiïn haâ cuãa chuáng ta phaát ra úã nhûäng vô àöå thiïn haâ cao, nghôa laâ ngoaâi mùåt phùèng söng Ngên haâ.

Steven Weinberg 44


Loaåi ào àaåc êëy rêët laâ khoá. Caác soáng vö tuyïën phaát ra tûâ thiïn haâ cuãa chuáng ta, cuäng nhû tûâ àa söë caác nguöìn thiïn vùn khaác, coá thïí mö taã töët nhêët nhû laâ möåt loaåi “tiïëng öìn” rêët giöëng tiïëng öìn “tônh” maâ ngûúâi ta nghe àûúåc qua möåt maáy thu thanh trong möåt buöíi trúâi sêëm seát. Tiïëng öìn vö tuyïën êëy khöng dïî daâng phên biïåt àûúåc vúái tiïëng öìn àiïån khöng traánh àûúåc, sinh ra búãi sûå chuyïín àöång höîn àöån cuãa caác electron trong cú cêëu cuãa ùngten vö tuyïën vaâ caác maåch khuyïëch àaåi, hoùåc laâ vúái tiïëng öìn vö tuyïën maâ ùngten bùæt àûúåc tûâ bêìu khñ quyïín cuãa quaã àêët. Vêën àïì naây khöng phaãi thêåt laâ nghiïm troång khi ngûúâi ta nghiïn cûáu möåt nguöìn tiïëng öìn vö tuyïën tûúng àöëi “nhoã” nhû laâ möåt vò sao hay laâ möåt thiïn haâ xa. Trong trûúâng húåp naây, ngûúâi ta coá thïí queát chuâm ùngten qua laåi giûäa nguöìn vaâ khoaãng bêìu trúâi tröëng röîng quanh noá; moåi tiïëng öìn giaã xuêët phaát tûâ cú cêëu ùngten, caác maåch khuyïëch àaåi hoùåc laâ khñ quyïín cuãa quaã àêët seä laâ gêìn nhû nhau duâ ùngten àûúåc chôa vaâo nguöìn hay vaâo bêìu trúâi quanh noá, nhû vêåy noá seä tûå triïåt tiïu khi caã hai àûúåc so saánh vúái nhau. Tuy nhiïn, Penzias vaâ Wilson àaä coá yá àõnh ào tiïëng öìn vö tuyïën xuêët phaát tûâ baãn thên thiïn haâ cuãa chuáng ta - thûåc ra, tûâ baãn thên bêìu trúâi. Cho nïn àiïìu vö cuâng quan troång laâ nhêån biïët àûúåc bêët kyâ tiïëng öìn àiïån naâo coá thïí phaát sinh ra trong hïå thu cuãa hoå.

Nhiïìu cuöåc thûã hïå àoá thûåc ra àaä phaát hiïån möåt tiïëng öìn lúán hún laâ àaä dûå tñnh möåt chuát, nhûng luác àoá ngûúâi ta cho rùçng sûå khaác nhau naây coá thïí do tiïëng öìn àiïån trong caác maåch khuyïëch àaåi thûâa ra möåt chuát ñt. Àïí loaåi trûâ caác vêën àïì nhû vêåy, Penzias vaâ Wilson duâng möåt duång cuå goåi laâ “taãi laånh” - cûúâng àöå tûâ ùngten àûúåc so saánh vúái cûúâng àöå sinh ra búãi möåt nguöìn nhên taåo àûúåc laâm laånh àïën nhiïåt àöå hïli loãng, khoaãng böën àöå trïn àöå khöng tuyïåt àöëi. Tiïëng öìn àiïån trong caác maåch khuyïëch àaåi seä laâ nhû nhau trong caã hai trûúâng húåp, vaâ do àoá seä tûå triïåt tiïu khi so saánh, cho pheáp ào trûåc tiïëp cûúâng àöå tûâ ùngten àïën. Cûúâng àöå ùngten ào àûúåc bùçng caách àoá chó göìm caác àoáng goáp cuãa cú cêëu ùngten, cuãa khñ quyïín cuãa quaã àêët, vaâ cuãa moåi nguöìn thiïn vùn phaát ra soáng vö tuyïën.



Penzias vaâ Wilson chúâ àúåi rùçng rêët ñt tiïëng öìn àiïån àûúåc phaát sinh ra tûâ trong cú cêëu ùngten. Tuy nhiïn, àïí thûã nghiïåm giaã thiïët àoá, hoå bùæt àêìu caác quan saát cuãa hoå úã möåt bûúác soáng tûúng àöëi ngùæn laâ 7,35 centimet, úã àoá tiïëng öìn vö tuyïën tûâ thiïn haâ cuãa chuáng ta coá thïí coi laâ khöng àaáng kïí. Cöë nhiïn úã bûúác soáng àoá möåt chuát ñt tiïëng öìn coá thïí coá àûúåc tûâ khñ quyïín cuãa quaã àêët chuáng ta, nhûng noá phaãi coá möåt sûå liïn hïå àùåc trûng vúái hûúáng ào; noá seä tyã lïå vúái àöå daây cuãa khñ quyïín theo hûúáng chó cuãa ùngten - ñt hún vïì phña thiïn àónh, nhiïìu hún vïì phña chên trúâi. Ngûúâi ta chúâ àúåi rùçng, sau khi khûã ài möåt söë haång do khñ quyïín sinh ra, vúái sûå phuå thuöåc vaâo hûúáng nhû àaä noái trïn, thò seä khöng coân coá cûúâng àöå ùngten naâo coân laåi nûäa, vaâ viïåc àoá seä khùèng àõnh rùçng tiïëng öìn àiïån sinh ra trong cú cêëu ùngten quaã nhiïn laâ khöng àaáng kïí. Luác àoá hoå coá thïí tiïëp tuåc nghiïn cûáu baãn thên thiïn haâ úã möåt bûúác soáng daâi hún khoaãng 21 centimet, úã àoá tiïëng öìn vö tuyïën cuãa thiïn haâ àûúåc chúâ àúåi laâ àaáng kïí.

(Cêìn noái rùçng caác soáng vö tuyïën vúái caác bûúác soáng nhû 7,35 centimet vaâ àïën möåt meát, àûúåc goåi laâ “bûác xaå cûåc ngùæn”, cuäng goåi laâ bûác xaå vi ba). Viïåc naây laâ do caác bûúác soáng àoá ngùæn hún caác bûúác soáng cuãa bùng VHF (VHF - very high frequeney: têìn söë rêët cao) maâ radar duâng trong thúâi gian àêìu cuãa chiïën tranh thïë giúái lêìn thûá II).

Möåt sûå ngaåc nhiïn àaä àïën vúái Penzias vaâ Wilson vaâo muâa xuên nùm 1964 laâ hoå àaä nhêån àûúåc möåt tiïëng öìn soáng cûåc ngùæn úã 7,35 centimet khaá àaáng kïí, khöng phuå thuöåc vaâo hûúáng. Hoå cuäng àaä tòm ra rùçng phöng “tônh” àoá khöng phuå thuöåc vaâo thúâi gian trong möåt ngaây, hoùåc vaâo muâa trong nùm. Khoá maâ cho rùçng noá coá thïí àïën tûâ thiïn haâ cuãa chuáng ta; nïëu nhû vêåy thò luác àoá thiïn haâ lúán M31 trong tinh vên Tiïn nûä, maâ vïì rêët nhiïìu mùåt giöëng thiïn haâ cuãa chuáng ta, cuäng àaä coá thïí bûác xaå maånh úã 7,35 centimet vaâ tiïëng öìn soáng cûåc ngùæn àoá àaä coá thïí quan saát àûúåc. Trûúác hïët, sûå thiïëu möåt sûå liïn quan cho thêëy rêët roä rùçng caác soáng vö tuyïën àoá, nïëu coá thêåt, khöng phaãi xuêët phaát tûâ Ngên haâ, maâ tûâ möåt thïí tñch lúán hún rêët nhiïìu cuãa vuä truå.

Steven Weinberg 46


Roä raâng laâ àaä cêìn xem laåi baãn thên ùngten coá sinh ra tiïëng öìn àiïån lúán hún laâ caái chúâ àúåi khöng. Àùåc biïåt, ngûúâi ta àaä biïët rùçng möåt cùåp chim böì cêu àaä laâm töí taåi cöí hoång cuãa ùngten. Cùåp böì cêu àaä bõ bùæt; gûãi vïì àõa àiïím Whippany cuãa phoâng thñ nghiïåm Bell, àûúåc thaã ra; laåi àûúåc thêëy trong ùngten úã Holmdel vaâi ngaây sau; chuáng bõ bùæt laåi; röìi cuöëi cuâng chuáng phaãi boã cuöåc do caác biïån phaáp kiïn quyïët hún. Tuy nhiïn, trong luác truá nhúâ, àöi böì cêu àaä phuã cöí hoång ùngten möåt lúáp maâ Penzias goåi möåt caách tïë nhõ laâ “chêët àiïån möi trùæng”, vaâ úã nhiïåt àöå phoâng chêët naây coá thïí laâ nguöìn tiïëng öìn àiïån. Àêìu nùm 1965, ngûúâi ta àaä coá thïí gúä cöí hoång ùngten ra vaâ lau saåch chêët baám àoá, nhûng viïåc naây cuäng nhû nhiïìu cöë gùæng khaác chó laâm giaãm rêët ñt mûác öìn quan saát àûúåc. Bñ mêåt vêîn coân nguyïn: tiïëng öìn soáng cûåc ngùæn naây tûâ àêu àïën?

Söë liïåu duy nhêët coá trong tay Penzias vaâ Wilson luác àoá laâ cûúâng àöå tiïëng öìn vö tuyïën maâ hoå àaä quan saát. Khi mö taã cûúâng àöå naây, hoå àaä duâng möåt ngön ngûä thöng thûúâng trong giúái caác kyä sû vö tuyïën, nhûng trong trûúâng húåp naây noá coá möåt yá nghôa khöng ngúâ àïën. Bêët cûá vêåt thïí naâo úã bêët cûá nhiïåt àöå naâo trïn àöå khöng tuyïåt àöëi cuäng luön luön phaát ra tiïëng öìn vö tuyïën do chuyïín àöång nhiïåt cuãa caác electron trong vêåt thïí gêy ra? Trong möåt höåp coá tûúâng khöng trong suöët, cûúâng àöå tiïëng öìn vö tuyïën úã bêët cûá bûúác soáng naâo cho trûúác cuäng chó phuå thuöåc vaâo nhiïåt àöå cuãa caác bûác tûúâng - nhiïåt àöå caâng cao thò tiïëng öìn caâng maånh. Nhû vêåy, coá thïí mö taã cûúâng àöå tiïëng öìn vö tuyïën quan saát àûúåc úã möåt bûúác soáng cho trûúác theo “nhiïåt àöå tûúng àûúng” - nhiïåt àöå cuãa caác bûác tûúâng cuãa möåt höåp maâ trong àoá tiïëng öìn vö tuyïën seä coá cûúâng àöå àûúåc quan saát. Cöë nhiïn möåt kñnh thiïn vùn vö tuyïën khöng phaãi laâ möåt nhiïåt kïë; noá ào cûúâng àöå cuãa caác soáng vö tuyïën bùçng caách ghi laåi caác doâng àiïån beá nhoã maâ caác soáng àoá caãm ûáng trong cú cêëu cuãa ùngten. Khi möåt nhaâ thiïn vùn vö tuyïën noái rùçng öng quan saát tiïëng öìn vö tuyïën vúái möåt nhiïåt àöå tûúng àûúng naâo àoá thò öng chó muöën noái rùçng àoá laâ nhiïåt àöå cuãa höåp kñn maâ nïëu àùåt ùngten vaâo àoá thò noá seä sinh ra cûúâng àöå tiïëng öìn vö tuyïën àaä quan saát àûúåc. Coân ùngten coá nùçm trong caái höåp àoá khöng thò cöë nhiïn laåi laâ vêën àïì khaác.



(Àïí chùån trûúác nhûäng yá kiïën phaãn àöëi cuãa caác nhaâ chuyïn mön, töi phaãi noái thïm rùçng caác kyä sû vö tuyïën thûúâng mö taã cûúâng àöå tiïëng öìn vö tuyïën theo nhiïåt àöå ùngten, caái naây coá húi khaác “nhiïåt àöå tûúng àûúng” - mö taã úã trïn. Vúái bûúác soáng vaâ cûúâng àöå maâ Penzias vaâ Wilson àaä quan saát thò hai àõnh nghôa thûåc ra laâ tûúng àûúng).

Penzias vaâ Wilson phaát hiïån ra rùçng nhiïåt àöå tûúng àûúng cuãa tiïëng öìn vö tuyïën maâ hoå nhêån àûúåc laâ vaâo khoaãng 3,5 àöå trïn khöng tuyïåt àöëi (hay noái chñnh xaác hún, giûäa 2,5 vaâ 4,5 àöå trïn khöng tuyïåt àöëi). Nhiïåt àöå ào trïn thang baách phên, nhûng àûúåc quy vïì àöå khöng tuyïåt àöëi chûá khöng phaãi vïì àiïím tan cuãa nûúác àaá àûúåc ghi bùçng “àöå Kelvin”. Nhû vêåy, tiïëng öìn vö tuyïën maâ Penzias vaâ Wilson àaä quan saát coá thïí àûúåc mö taã nhû coá möåt “nhiïåt àöå tûúng àûúng 3,5 àöå Kelvin", hoùåc viïët tùæt laâ 3, 5 K. Con söë naây lúán hún mong àúåi, nhûng vêîn coân rêët thêëp theo trõ söë tuyïåt àöëi, cho nïn khöng lêëy laâm laå laâ Penzias vaâ Wilson àaä nghiïìn ngêîm kïët quaã naây möåt thúâi gian trûúác khi cöng böë noá. Luác àoá chùæc chùæn khöng phaãi ai cuäng thêëy roä ngay rùçng àoá laâ tiïën böå quan troång nhêët vïì vuä truå hoåc tûâ khi caác dõch chuyïín àoã àûúåc phaát hiïån.

YÁ nghôa cuãa tiïëng öìn soáng cûåc ngùæn huyïìn bñ àaä súám àûúåc giaãi thñch nhúâ taác àöång cuãa “têåp thïí vö hònh” caác nhaâ vêåt lyá thiïn vùn. Penzias àaä tònh cúâ noái chuyïån vúái möåt nhaâ thiïn vùn vö tuyïën quen biïët, Bernard Burke úã M. I. T. (Massachusetts Institute of Technology: tïn möåt trûúâng àaåi hoåc nöíi tiïëng úã Myä, viïån cöng nghïå bang Massachusetts(ND).) vïì möåt söë vêën àïì khaác. Nhûng Burke laåi vûâa múái nghe möåt baån àöìng nghiïåp khaác, Ken Turner úã töí chûác Carnegie, kïí vïì möåt cêu chuyïån maâ Turner, vïì phêìn anh ta, laåi àaä nghe úã Johns Hopkins tûâ möåt nhaâ lyá thuyïët treã tuöíi úã Princeton laâ P. J. E. Peebles. Trong cêu chuyïån àoá Peebles àaä chó roä laâ phaãi coá möåt phöng tiïëng öìn vö tuyïën coân lûu laåi tûâ thúâi vuä truå sú khai, vúái möåt nhiïåt àö tûúng àûúng hiïån naây vaâo khoaãng 10 K. Burke àaä àûúåc biïët laâ Penzias àang ào nhiïåt àöå tiïëng öìn vö tuyïën bùçng ùngten hònh loa keân cuãa caác phöng thñ nghiïåm Bell, do àoá anh ta thûâa dõp cêu chuyïån qua àiïån thoaåi àïí hoãi xem caác pheáp ào àaä àïën àêu röìi. Penzias traã lúâi rùçng caác pheáp ào àang àûúåc tiïën haânh rêët

Steven Weinberg 48


töët, nhûng coá möåt caái gò àoá trong kïët quaã maâ öng ta khöng thïí hiïíu àûúåc. Burke gúåi yá cho Penzias rùçng coá nhaâ vêåt lyá úã Princeton coá thïí coá möåt söë yá tûúãng àaáng lûu yá vïì caái maâ ùngten cuãa öng ta àang thu àûúåc.

Trong cêu chuyïån cuãa anh ta, vaâ trong möåt baâi chuêín bõ cöng böë viïët thaáng ba nùm 1965, Peebles àaä xem xeát bûác xaå coá thïí töìn taåi úã thúâi vuä truå sú khai. “Bûác xaå” cöë nhiïn laâ möåt danh tûâ töíng quaát, bao göìm caác soáng àiïån tûã úã moåi bûúác soáng - khöng chó laâ soáng vö tuyïën maâ coân caã aánh saáng höìng ngoaåi, aánh saáng thêëy àûúåc, aánh saáng tûã ngoaåi, tia X vaâ bûác xaå coá bûúác soáng rêët ngùæn goåi laâ caác tia gama (xem baãng 2). Khöng coá sûå phên biïåt roä rïåt; thay àöíi bûúác soáng thò möåt loaåi bûác xaå naây chuyïín möåt caách tûâ tûâ thaânh ra möåt loaåi khaác. Peebles lûu yá rùçng nïëu trong mêëy phuát ngùæn nguãi àêìu tiïn cuãa vuä truå àaä khöng coá möåt phöng bûác xaå maånh meä thò caác phaãn ûáng nhiïåt haåch àaä xaãy ra nhanh choáng àïën mûác laâm möåt tyã lïå lúán khñ hyàrö coá mùåt luác àoá àaä bõ “nêëu nûúáng” thaânh nhûäng nguyïn töë nùång hún, traái vúái sûå kiïån laâ khoaãng ba phêìn tû vuä truå hiïån nay laåi laâ hyàrö. Sûå “nêëu nûúáng” haåt nhên nhanh naây chó coá thïí àûúåc caãn laåi nïëu vuä truå àaä chûáa àêìy möåt bûác xaå coá möåt nhiïåt àöå tûúng àûúng rêët lúán úã nhûäng bûúác soáng rêët ngùæn, coá thïí laâm nöí àûúåc caác haåt nhên cuäng nhanh nhû chuáng àûúåc taåo nïn.

Chuáng ta seä thêëy rùçng bûác xaå àoá àaä coân laåi sau quaá trònh giaän núã cuãa vuä truå sau àoá, nhûng nhiïåt àöå tûúng àûúng cuãa noá tiïëp tuåc giaãm trong khi vuä truå giaän núã vaâ giaãm tyã lïå nghõch vúái kñch thûúác vuä truå (nhû chuáng ta seä thêëy, viïåc naây cùn baãn laâ möåt hïå quaã cuãa sûå dõch chuyïín àoã àaä thaão luêån úã chûúng II). Do àoá vuä truå hiïån nay cuäng phaãi chûáa àêìy bûác xaå, nhûng vúái möåt nhiïåt àöå tûúng àûúng nhoã hún nhiïìu so vúái nhiïåt àöå úã mêëy phuát àêìy tiïn. Peebles àaä ûúác tñnh rùçng, àïí cho phöng bûác xaå duy trò àûúåc àûúåc viïåc saãn xuêët ra hïli vaâ nhûäng nguyïn töë nùång hún trong vaâi phuát àêìu tiïn nùçm trong nhûäng giúái haån àaä àûúåc biïët, thò noá phaãi coá cûúâng àöå maånh àïën mûác nhiïåt àöå hiïån nay cuãa noá coân laåi ñt nhêët laâ 10 kenvin.

Con söë 10 K naây àaä laâ húi cao möåt tñ, vaâ sûå tñnh toaán naây liïìn sau àoá àaä àûúåc thay thïë bùçng nhûäng tñnh toaán phûác taåp vaâ chñnh



xaác hún do Peebles vaâ möåt söë ngûúâi khaác tiïën haânh, chuáng seä àûúåc thaão luêån úã chûúng V. Baâi chuêín bõ cöng böë cuãa Peebles thûåc ra àaä khöng khi naâo àûúåc cöng böë dûúái hònh thûác ban àêìu cuãa noá. Tuy nhiïn, kïët luêån vïì cùn baãn laâ àuáng àùæn: tûâ “àöå nhiïìu” quan saát àûúåc hiïån nay cuãa hyàrö, chuáng ta coá thïí suy ra rùçng vuä truå trong vaâi phuát àêìu tiïn àaä chûáa möåt lûúång bûác xaå lúán lao coá thïí ngùn caãn sûå taåo ra quaá nhiïìu nguyïn töë nùång, sûå giaän núã cuãa vuä truå tûâ luác naâo àoá àaä laâm giaãm nhiïåt àöå tûúng àûúng cuãa bûác xaå xuöëng vaâi kenvin, cho nïn bêy giúâ noá thïí hiïån nhû möåt phöng tiïëng öìn vö tuyïën, tûâ moåi phña àïën vúái ta vúái cûúâng àöå nhû nhau. Àiïìu naây lêåp tûác àûúåc coi nhû sûå giaãi thñch tûå nhiïn vïì phaát hiïån cuãa Penzias vaâ Wilson. Nhû vêåy, ùngten úã Holmdel coá thïí coi nhû úã trong möåt caái höåp - caái höåp laâ caã vuä truå. Tuy nhiïn, nhiïåt àöå tûúng àûúng maâ ùngten àaä ghi nhêån khöng phaãi laâ nhiïåt àöå cuãa vuä truå hiïån nay maâ, àuáng hún, laâ nhiïåt àöå maâ vuä truå àaä coá tûâ lêu, àûúåc haå thêëp tyã lïå vúái sûå giaän núã maånh meä maâ vuä truå àaä phaãi traãi qua tûâ luác àoá.

Cöng trònh cuãa Peebles chó laâ khêu cuöëi cuâng trong möåt daäy daâi nhûäng nghiïn cûáu vuä truå hoåc tûúng tûå. Thûåc ra, trong nhûäng nùm cuöëi cuâng cuãa thêåp niïn böën mûúi, lyá thuyïët “vuå nöí lúán” vïì sûå töíng húåp haåt nhên àaä àûúåc George Gamow vaâ caác cöång taác viïn cuãa öng Ralpher Alpher vaâ Robert Herman phaát triïín, vaâ àaä àûúåc Alpher vaâ Herman duâng nùm 1948 àïí tiïn àoaán möåt phöng bûác xaå vúái möåt nhiïåt àöå hiïån nay vaâo khoaãng 5 K. Nùm 1964 nhûäng tñnh toaán nhû vêåy cuäng àaä àûúåc tiïën haânh búãi Ya. B. Zeldovich úã Liïn Xö (cuä) vaâ àöåc lêåp vúái öng Fred Hoyle vaâ R. J. Tayler úã Anh. Cöng trònh àêìu tiïn naây luác àêìu chûa àûúåc caác nhoám úã caác phoâng thñ nghiïåm Bell vaâ Princeton biïët àïën, vaâ noá khöng coá möåt aãnh hûúãng naâo àïën sûå khaám phaá ra phöng bûác xaå, cho nïn chuáng ta coá thïí chúâ àïën chûúng nùm múái ài sêu nghiïn cûáu noá möåt caách chi tiïët. Chuáng ta cuäng seä xem xeát úã chûúng VI cêu hoãi khaá hiïím hoác vïì mùåt lõch sûã laâ taåi sao trong caác cöng trònh lyá thuyïët súám àoá, khöng coá caái naâo àaä dêîn àïën möåt sûå tòm kiïëm phöng soáng cûåc ngùæn vuä truå.

Tñnh toaán nùm 1965 cuãa Peebles àaä àûúåc gúåi yá lïn búãi caác yá tûúãng cuãa möåt nhaâ vêåt lyá thûåc nghiïåm laäo thaânh Robert H. Dicke úã

Steven Weinberg 50


Princeton. (Ngoaâi nhûäng caái khaác, Dicke àaä phaát minh ra möåt söë kyä thuêåt soáng cûåc ngùæn chuã chöët maâ caác nhaâ thiïn vùn vö tuyïën hiïån duâng). Möåt luác naâo àoá vaâo nùm 1964 Dicke àaä bùæt àêìu tûå hoãi liïåu coá thïí coân coá möåt bûác xaå quan saát àûúåc naâo àoá rúi rúát laåi tûâ möåt giai àoaån noáng vaâ coá mêåt àöå cao trûúác àêy cuãa lõch sûã vuä truå hay khöng. Caác suy luêån cuãa Dicke àaä cùn cûá trïn lyá thuyïët vuä truå “dao àöång” maâ chuáng ta seä quay trúã laåi úã chûúng cuöëi cuãa saách naây. Roä raâng öng ta khöng coá hy voång roä rïåt vïì nhiïåt àöå cuãa bûác xaå àoá, song öng nhêån thûác roä möåt àiïím chuã yïëu maâ àoá laâ caái àaáng tòm. Dicke gúåi yá cho P. G. Roll vaâ D. T. Wilkinson laâ hoå nïn böë trñ möåt sûå tòm kiïëm möåt phöng bûác xaå cûåc ngùæn, vaâ hoå bùæt àêìu dûång möåt “ùngten tiïëng öìn thêëp” nhoã úã phoâng thñ nghiïåm Palmer úã Princeton. (Khöng cêìn duâng möåt kñnh thiïn vùn vö tuyïën lúán cho muåc àñch naây, vò bûác xaå tûâ moåi phña àïën, nhû vêåy khöng coá lúåi gò nïëu coá möåt chuâm bûác xaå phaát tûâ ùngten àûúåc àiïìu tiïu chùåt cheä hún).

Trûúác khi Dicke, Roll vaâ Wilkinson coá thïí kïët thuác caác pheáp ào cuãa hoå, Dicke nhêån àûúåc möåt lêìn goåi àiïån thoaåi cuãa Penzias, öng naây àaä vûâa nghe àïën cöng trònh cuãa Peebles do Burke maách. Hoå quyïët àõnh seä cöng böë hai thû baån àöìng nghiïåp trong Taåp chñ vêåt lyá thiïn vùn trong àoá Penzias vaâ Wilson seä cöng böë caác quan saát cuãa hoå, coân Dicke, Peeble, Roll vaâ Wilkingson seä cùæt nghôa sûå giaãi thñch theo vuä truå hoåc. Penzias vaâ Wilson, luác àoá coân rêët thêån troång, àùåt cho baâi baáo cuãa mònh àêìu àïì khiïm töën “Möåt pheáp ào vïì nhiïåt àöå thûâa cuãa ùngten úã 4080 magahec. (Têìn söë maâ ùngten àaä àûúåc hiïåu chónh laâ 4080 triïåu chu kyâ möîi giêy, ûáng vúái bûúác soáng 7,35 centimet). Hoå thöng baáo möåt caách bònh dõ laâ “Caác pheáp ào nhiïåt àöå thûåc sûå cuãa tiïëng öìn tûâ thiïn àónh... àaä cho möåt trõ söë khoaãng 3,5 K, cao hún laâ trõ söë chúâ àúåi”, vaâ hoå àaä traánh moåi sûå àïì cêåp àïën vuä truå hoåc, trûâ khi àïí lûu yá rùçng: “Möåt sûå giaãi thñch coá thïí chêëp nhêån cho nhiïåt àöå tiïëng öìn thûâa àaä quan saát laâ sûå giaãi thñch maâ Dicke, Peeble, Roll vaâ Wilkingson àaä àûa ra trong möåt thû baån àoåc àùng trong söë naây”.

Bûác xaå cûåc ngùæn maâ Penzias vaâ Wilson àaä khaám phaá ra coá thûåc laâ coân soát laåi tûâ luác bùæt àêìu cuãa vuä truå khöng? Trûúác khi



chuáng ta tiïëp tuc xeát àïën thñ nghiïåm àaä àûúåc tiïën haânh tûâ 1965 àïí giaãi àaáp cêu hoãi naây, chuáng ta cêìn phaãi tûå hoãi trûúác hïët chuáng ta chúâ àúåi gò vïì mùåt lyá thuyïët àêy: caác tñnh chêët chung cuãa bûác xaå phaãi chûáa àûång trong vuä truå laâ gò nïëu caác yá tûúång vuä truå hoåc hiïån haânh laâ àuáng àùæn? Cêu hoãi naây dêîn chuáng ta àïën viïåc xeát xem caái gò àaä xaãy ra àöëi vúái möåt bûác xaå khi vuä truå giaän núã - khöng nhûäng chó úã giai àoaån töíng húåp haåt nhên, sau ba phuát àêìu tiïn, maâ coân caã trong nhûäng khoaãng thúâi gian daâi dùçng dùåc àaä tröi qua tûâ luác àoá.

ÚÃ àêy viïåc boã caách mö taã cöí àiïín vïì bûác xaå nhû soáng àiïån tûâ maâ cho àïën nay chuáng ta vêîn duâng vaâ, thay vaâo àoá, duâng quan àiïím “lûúång tûã” hiïån àaåi hún, cho rùçng bûác xaå göìm nhûäng haåt goåi laâ photon, seä rêët laâ coá ñch. Möåt soáng aánh saáng bònh thûúâng chûáa möåt söë cûåc kyâ lúán photon chuyïín àöång cuâng vúái nhau, nhûng nïëu chuáng ta àõnh ào nùng lûúång maâ àoaân soáng mang theo möåt caách chñnh xaác, chuáng ta seä thêëy rùçng noá luön luön laâ möåt böåi söë naâo àoá cuãa möåt lûúång nhêët àõnh, maâ chuáng ta coi laâ nùng lûúång cuãa möåt photon àún leã. Nhû chuáng ta seä thêëy, nùng lûúång photon thûúâng rêët beá. Cho nïn trong nhiïìu aáp duång thûåc tiïîn möåt soáng àiïån tûâ hêìu nhû khöng coá möåt nùng lûúång naâo. Tuy nhiïn, trong tûúng taác cuãa bûác xaå vúái nguyïn tûã hoùåc haåt nhên nguyïn tûã, möîi lêìn thûúâng cêìn möåt photon, vaâ khi nghiïn cûáu nhûäng quaá trònh àoá ta cêìn duâng caách mö taã theo photon hún laâ theo soáng. Photon coá khöëi lûúång bùçng khöng vaâ àiïån tñch bùçng khöng, nhûng mùåc duâ vêåy, chuáng laâ nhûäng haåt thûåc - möîi möåt photon mang möåt nùng lûúång vaâ möåt xung lûúång xaác àõnh, hún nûäa coân coá möåt spin xaác àõnh quanh hûúáng chuyïín àöång cuãa noá.

Viïåc gò xaãy ra cho möåt photon nïëu noá ài xuyïn qua vuä truå? Khöng gò xaãy ra, àöëi vúái vuä truå hiïån nay. AÁnh saáng tûâ nhûäng vêåt thïí xa khoaãng 10.000 triïåu nùm aánh saáng hònh nhû àïën vúái ta rêët tröi chaãy. Nhû vêåy, duâ coá nhiïìu vêåt chêët trong khoaãng khöng giûäa caác thiïn haâ thò noá cuäng àuã trong suöët àïí cho caác photon coá thïí ài suöët trong möåt phêìn khaá lúán cuãa tuöíi vuä truå maâ khöng bõ taán xaå hoùåc hêëp thuå.

Tuy nhiïn, caác dõch chuyïín àoã cuãa caác thiïn haâ xa xùm noái vúái ta rùçng vuä truå àang giaän núã, nhû vêåy caác thaânh phêìn cuãa noá àaä

Steven Weinberg 52


coá luác phaãi àûúåc neán chùåt hún bêy giúâ. Nhiïåt àöå cuãa möåt chêët lûu thûúâng tùng lïn khi chêët lûu bõ neán, nhû vêåy ta cuäng coá thïí suy luêån rùçng vêåt chêët cuãa vuä truå trong quaá khûá àaä noáng hún nhiïìu. Thûåc ra chuáng ta tin rùçng àaä coá möåt luác maâ chuáng ta seä thêëy rùçng àaä keáo daâi trong 700 000 nùm àêìu cuãa vuä truå, caác thaânh phêìn cuãa vuä truå àaä noáng vaâ coá mêåt àöå cao àïën mûác chuáng àaä khöng thïí kïët tuå laåi thaânh nhûäng ngöi sao vaâ nhûäng thiïn haâ vaâ kïí caã caác nguyïn tûã cuäng bõ phaá vúä ra thaânh caác haåt nhên vaâ electron húåp phêìn cuãa chuáng.

Trong nhûäng àiïìu kiïån khöng thuêån lúåi nhû vêåy, möåt photon khöng thïí ài suöët nhûäng khoaãng caách mïnh möng maâ khöng bõ caãn trúã, nhû trong vuä truå hiïån nay. Möåt photon luác àoá seä gùåp trïn àûúâng ài cuãa noá möåt söë rêët lúán electron tûå do, chuáng coá thïí dïî daâng taãn xa hoùåc hêëp thuå photon àoá. Nïëu photon bõ möåt electron taán xaå, noá thûúâng seä hoùåc mêët ài möåt phêìn nùng lûúång cho electron àoá hoùåc nhêån àûúåc möåt ñt nùng lûúång cuãa electron, viïåc naây tuây thuöåc vaâo luác àêìu photon coá nhiïìu hay ñt nùng lûúång hún electron. “Thúâi gian tûå do trung bònh” maâ photon coá thïí ài xuyïn trûúác khi noá bõ hêëp thuå hay bõ thay àöíi vïì nùng lûúång möåt caách àaáng kïí àaä phaãi laâ rêët ngùæn, ngùæn hún nhiïìu so vúái thúâi gian giaän núã àùåc trûng cuãa vuä truå. Thúâi gian trung bònh tûúng ûáng cuãa caác haåt khaác, caác electron vaâ caác haåt nhên nguyïn tûã, laåi coân phaãi ngùæn hún nûäa. Nhû vêåy, mùåc dêìu theo möåt yá nghôa naâo àoá, vuä truå àaä giaän núã rêët nhanh luác àêìu, àöëi vúái möåt photon hoùåc electron hoùåc haåt nhên àún leã thò sûå giaän núã àaä coá nhiïìu thúâi gian, àuã cho möîi haåt bõ taán xaå hoùåc hêëp thuå àûúåc bûác xaå laåi nhiïìu lêìn trong khi vuä truå giaän núã.

Moåi hïå kiïíu naây, trong àoá nhûäng haåt àún leã coá thúâi giúâ àïí traãi qua nhiïìu tûúng taác seä ài àïën möåt traång thaái cên bùçng. Söë caác haåt vúái nhûäng tñnh chêët (võ trñ, nùng lûúång, vêån töëc, spin, v. v ...) úã trong möåt khoaãng trõ söë naâo àoá seä àûáng laåi úã möåt giaá trõ sao cho möîi giêy söë haåt bõ bêåt ra khoãi khoaãng trõ söë àoá bùçng söë haåt àûúåc àûa vaâo khoaãng àoá. Nhû vêåy, caác tñnh chêët cuãa möåt hïå nhû vêåy seä khöng àûúåc xaác àõnh bùçng bêët kyâ àiïìu kiïån ban àêìu naâo, maâ àuáng hún xaác àõnh búãi yïu cêìu laâ sûå cên bùçng àûúåc duy trò. Cöë nhiïn, “sûå cên bùçng” úã àêy khöng coá nghôa laâ caác haåt bõ àoáng cûáng laåi -



möîi haåt thûúâng xuyïn bõ caác haåt laáng giïìng cuãa noá thuác vaâo. Noái khaác ài, sûå cên bùçng coá tñnh thöëng kï - viïåc caác haåt àûúåc phên böë vïì võ trñ, nùng lûúång, v. v... laâ caái khöng thay àöíi, hoùåc thay àöíi chêåm.

Cên bùçng kiïíu thöëng kï àoá thûúâng àûúåc goåi laâ “cên bùçng nhiïåt”, vò möåt traång thaái cên bùçng nhû vêåy luön luön àûúåc àùåc trûng búãi möåt nhiïåt àöå xaác àõnh, noá phaãi àöìng àïìu trong suöët hïå. Thûåc ra, noái cho chùåt cheä, chó coá úã trong traång thaái cên bùçng nhiïåt thò nhiïåt àöå múái àûúåc àõnh nghôa möåt caách chñnh xaác. Ngaânh vêåt lyá lyá thuyïët maånh meä vaâ sêu sùæc àûúåc goåi laâ “cú hoåc thöëng kï” cho ta möåt cöng cuå toaán hoåc àïí tñnh caác tñnh chêët cuãa moåi hïå úã cên bùçng nhiïåt.

Con àûúâng dêîn àïën cên bùçng nhiïåt gêìn giöëng nhû phûúng thûác cú cêëu giaá caã tûå àiïìu chónh trong kinh tïë hoåc cöí àiïín. Nïëu cêìu vûúåt cung, giaá caã haâng hoáa seä tùng lïn laâm giaãm cêìu thûåc tïë vaâ khuyïën khñch saãn xuêët. Nïëu cung vûúåt cêìu, giaá caã seä haå xuöëng, laâm tùng “cêìu” thûåc tïë vaâ laâm naãn loâng saãn xuêët. Trong caã hai trûúâng húåp cung vaâ cêìu seä ài àïën cên bùçng. Cuäng nhû vêåy nïëu coá quaá nhiïìu hay quaá ñt haåt vúái nùng lûúång, vêån töëc, v. v... úã trong möåt khoaãng trõ söë àùåc biïåt naâo àoá, thò xaác suêët maâ chuáng rúâi boã khoaãng àoá seä laâ lúán hún hay beá hún xaác suêët maâ chuáng ài vaâo cho àïën khi cên bùçng àûúåc thiïët lêåp.

Cöë nhiïn, cú cêëu giaá caã khöng phaãi luác naâo cuäng diïîn ra nhû laâ trong kinh tïë hoåc cöí àiïín, nhûng ngay caã vïì viïåc naây, sûå tûúng tûå vêîn coân coá giaá trõ - nhiïìu hïå vêåt lyá trong thïë giúái thûåc úã rêët xa traång thaái cên bùçng nhiïåt. ÚÃ trung têm caác ngöi sao coá sûå cên bùçng nhiïåt hêìu nhû hoaân haão, cho nïn chuáng ta coá thïí phoãng àoaán àûúåc caác àiïìu kiïån úã àêëy vúái möåt àöå tin cêåy kha khaá, nhûng khöng úã àêu trïn quaã àêët coá cên bùçng nhiïåt, cho nïn ta khöng thïí chùæc laâ ngaây mai coá mûa hay khöng. Vuä truå àaä khöng luác naâo úã traång thaái cên bùçng nhiïåt hoaân haão, búãi vò duâ sao noá cuäng àang giaän núã. Tuy nhiïn, trong thúâi kyâ àêìu khi töëc àö taán xaå hoùåc hêëp thuå cuãa caác haåt àún leã àaä laâ nhanh hún nhiïìu lêìn töëc àöå giaän núã cuãa vuä truå, thò vuä truå coá thïí coi nhû laâ tiïën hoáa “chêåm” tûâ möåt traång thaái cên

Steven Weinberg 54


bùçng nhiïåt naây àïën möåt traång thaái cên bùçng nhiïåt khaác gêìn nhû hoaân haão.

Àiïìu rêët cêìn cho lêåp luêån cuãa cuöën saách naây laâ vuä truå àaä möåt lêìn naâo àoá traãi qua möåt traång thaái cên bùçng nhiïåt. Theo caác kïët luêån cuãa cú hoåc thöëng kï, caác tñnh chêët cuãa moåi hïå úã traång thaái cên bùçng nhiïåt àïìu hoaân toaân àûúåc xaác àõnh möîi khi ta àaä cho nhiïåt àöå cuãa hïå vaâ mêåt àöå cuãa möåt söë ñt àaåi lûúång àûúåc baão toaân (maâ ta seä noái nhiïìu hún trong chûúng sau). Nhû vêåy, vuä truå chó coân giûä laåi möåt kyá ûác rêët haån chïë vïì caác àiïìu kiïån ban àêìu cuãa noá. Viïåc naây laâ àaáng tiïëc, nïëu caái chuáng ta muöën laâ dûång laåi caác àiïìu kiïån ngay luác ban àêìu, nhûng noá cuäng àûúåc buâ bùçng viïåc chuáng ta coá thïí suy ra sûå diïîn biïën cuãa caác sûå kiïån tûâ luác ban àêìu maâ khöng cêìn quaá nhiïìu giaã thuyïët tuây tiïån.

Chuáng ta àaä thêëy rùçng bûác xaå cûåc ngùæn maâ Penzias vaâ Wilson khaám phaá ra àûúåc coi nhû coân soát laåi tûâ luác maâ vuä truå úã trong möåt traång thaái cên bùçng nhiïåt. Vò vêåy, àïí thêëy àûúåc nhûäng tñnh chêët gò ta coá thïí mong àúåi vïì phöng bûác xaå cûåc ngùæn àûúåc quan saát, ta phaãi tûå hoãi: Caác tñnh chêët chung cuãa bûác xaå trong cên bùçng nhiïåt vúái vêåt chêët laâ gò?

Tònh cúâ maâ àêëy chñnh laâ cêu hoãi maâ vïì lõch sûã àaä laâm xuêët hiïån lyá thuyïët lûúång tûã vaâ caách giaãi thñch bûác xaå theo photon. Trong nhûäng nùm 1890 ngûúâi ta àaä biïët rùçng nhûäng tñnh chêët cuãa bûác xaå trong traång thaái cên bùçng nhiïåt vúái vêån töëc chó phuå thuöåc vaâo nhiïåt àöå. Noái roä hún, lûúång nùng lûúång trong àún võ thïí tñch trong möåt bûác xaå nhû vêåy trong bêët cûá khoaãng bûúác soáng naâo cho trûúác àûúåc cho bùçng möåt cöng thûác vaån nùng, chó bao göìm coá bûúác soáng vaâ nhiïåt àöå. Cöng thûác àoá cuäng cho lûúång bûác xaå úã trong möåt caái höåp coá vaách múâ àuåc, nhû vêåy möåt nhaâ thiïn vùn vö tuyïën coá thïí duâng cöng thûác naây mö taã cûúâng àöå tiïëng öìn vö tuyïën maâ öng quan saát theo möåt “nhiïåt àöå tûúng àûúng”. Vïì cùn baãn, cöng thûác àoá cuäng cho lûúång bûác xaå phaát ra möîi giêy vaâ trïn möîi centimet vuöng úã möåt bûúác soáng naâo àoá tûâ möåt bïì mùåt hêëp thuå hoaân toaân, cho nïn bûác xaå loaåi àoá thûúâng àûúåc goåi laâ “bûác xaå vêåt àen”. Nghôa laâ, bûác xaå vêåt àen àûúåc àùåc trûng búãi möåt phên böë nùng lûúång xaác àõnh theo bûúác soáng, àûúåc cho búãi möåt cöng thûác vaån nùng chó phuå



thuöåc vaâo nhiïåt àöå. Vêën àïì noáng boãng nhêët àöëi vúái caác nhaâ vêåt lyá lyá thuyïët nhûäng nùm 1890 laâ tòm ra àûúåc cöng thûác àoá.

Cöng thûác àuáng àùæn cho bûác xaå vêåt àen àûúåc Ludwig Planck tòm ra trong nhûäng tuêìn cuöëi cuãa thïë kyã 19.

Hònh 7. Phên böë Planck : Mêåt àöå nùng lûúång trïn möîi khoaãng bûúác soáng àún võ àûúåc veä laâ möåt haâm cuãa bûúác soáng, àöëi vúái bûác xaå vêåt àen, coá nhiïåt àöå laâ 3 K. (Àöëi vúái möåt nhiïåt àöå lúán hún 3 K laâ f lêìn, thò chó cêìn ruát ngùæn bûúác soáng 1/f lêìn vaâ tùng mêåt àöå nùng lûúång lïn f muä 5 lêìn). Àoaån thùèng cuãa àûúâng biïíu diïîn úã bïn phaãi àûúåc mö taã gêìn àuáng bùçng “phên böë Rayleigh — Jeans” àún giaãn hún; möåt àûúâng vúái àöå döëc nhû vêåy àûúåc chúâ àúåi vúái möåt nhoám trûúâng húåp röång raäi ngoaâi trûúâng húåp bûäc xaå vêåt àen. Àoaån ài xuöëng rêët döëc vïì phña traái laâ so baãn chêët lûúång tûã cuãa bûác xaå, vaâ laâ möåt neát àùåc thuâ cuãa bûác xaå vêåt àen. Àoaån àûúâng coá ghi “bûác xaå thiïn haâ” chó roä cûúâng àöå tiïëng öìn vö tuyïën tûâ thiïn haâ chuáng ta sinh ra. (Caác muäi tïn chó roä bûúác soáng cuãa pheáp ào ban àêìu cuãa Penzias vaâ Wilson, vaâ nûúác soáng taåi àoá möåt nhiïåt àöå bûác xaå coá thïí ruát ra tûâ nhûäng kïët quaã do sûå hêëp thuå búãi traång thaái

kñch thñch quay àêìu tiïn cuãa xian trong khöng gian giûäa caác sao).

Daång chñnh xaác cuãa kïët quaã cuãa Planck àûúåc chó ra úã hònh 7, veä cho nhiïåt àöå àùåc biïåt 3 K cuãa tiïëng öìn soáng cûåc ngùæn vuä truå àûúåc quan saát. Cöng thûác Planck coá thïí toám tùæt möåt caách àõnh tñnh nhû sau: Trong möåt höåp chûáa àêìy bûác xaå vêåt àen, nùng lûúång úã möåt khoaãng bûúác soáng naâo àoá tùng voåt lïn maånh meä theo bûúác soáng àaåt möåt cûåc àaåi vaâ sau àoá laåi giaãm xuöëng àöåt ngöåt. “Phên böë Planck” naây laâ phên böë vaån nùng, khöng phuå thuöåc vaâo baãn chêët cuãa vêåt chêët maâ bûác xaå tûúng taác, maâ chó phuå thuöåc vaâo nhiïåt àöå cuãa noá. Nhû hiïån nay thûúâng duâng danh tûâ “bûác xaå vêåt àen” chó moåi bûác xaå trong àoá sûå phên böë nùng lûúång theo bûúác soáng khúáp vúái cöng thûác Planck duâ bûác xaå coá thûåc àûúåc phaát ra búãi möåt vêåt àen hay khöng. Nhû vêåy, ñt nhêët suöët trong khoaãng möåt triïåu nùm àêìu tiïn, khi bûác xaå vaâ vêåt chêët úã traång thaái cên bùçng nhiïåt, vuä truå chùæc àaä chûáa àêìy bûác xaå vêåt àen vúái möåt nhiïåt àöå bùçng nhiïåt àöå cuãa caác thaânh phêìn vêåt chêët trong vuä truå.

Hình 7. Phân bố Planck

Steven Weinberg 56


Têìm quan troång cuãa sûå tñnh toaán cuãa Planck àaä ài xa hún vêën àïì bûác xaå vêåt àen. Vò rùçng trong àoá öng àaä àûa ra yá tûúãng múái rùçng, nùng lûúång göìm nhûäng phêìn riïng biïåt, hay nhûäng “lûúång tûã”. Luác àêìu Planck chó xeát àïën sûå lûúång tûã hoáa nùng lûúång cuãa vêåt chêët úã cên bùçng vúái bûác xaå, nhûng möåt ñt nùm sau àoá Einstein giaã thiïët rùçng baãn thên bûác xaå cuäng göìm nhûäng lûúång tûã, sau naây goåi laâ photon. Caác phaát triïín àoá dêîn àïën, trong nhûäng nùm 1920, möåt trong nhûäng cuöåc caách maång vïì nhêån thûác lúán trong lõch sûã khoa hoåc, sûå thay thïë cú hoåc cöí àiïín búãi möåt ngön ngûä hoaân toaân múái, ngön ngûä cuãa cú hoåc lûúång tûã.

Chuáng ta khöng coá khaã nùng ài quaá xa vaâo cú hoåc lûúång tûã trong cuöën saách naây. Tuy nhiïn, seä coá ñch cho ta, khi tòm hiïíu biïíu diïîn cuãa bûác xaå trong möåt vuä truå giaän núã nïëu ta xeát xem sûå mö taã bûác xaå theo photon dêîn àïën caác neát lúán cuãa phên böë Planck nhû thïë naâo.

Lyá do àïí cho mêåt àöå nùng lûúång cuãa bûác xaå vêåt àen giaãm xuöëng khi bûúác soáng thêåt lúán laâ rêët àún giaãn: khoá maâ àùåt goån gheä bûác xaå trong möåt thïí tñch naâo maâ kñch thûúác beá hún bûúác soáng. Viïåc naây coá thïí (vaâ àaä àûúåc) hiïíu maâ khöng cêìn thuyïët lûúång tûã, chó trïn cú súã thuyïët soáng cuãa bûác xaå, cöí hún.

Mùåt khaác, sûå giaãm mêåt àöå nùng lûúång cuãa bûác xaå vêåt àen úã nhûäng bûúác soáng rêët ngùæn khöng thïí giaãi thñch àûúåc trong möåt sûå mö taã khöng lûúång tûã vïì bûác xaå. Möåt hïå quaã quen thuöåc cuãa cú hoåc thöëng kï laâ úã möåt nhiïåt àöå naâo àoá àaä cho, rêët khoá maâ saãn sinh ra àûúåc möåt loaåi haåt hoùåc soáng hoùåc kñch thñch khaác maâ nùng lûúång lúán hún möåt lûúång xaác àõnh naâo àoá, tyã lïå vúái nhiïåt àöå. Tuy nhiïn, nïëu nhûäng soáng con cuãa bûác xaå coá thïí coá nhûäng nùng lûúång beá tuây yá thò luác àoá seä khöng coá gò haån chïë àûúåc töíng lûúång bûác xaå vêåt àen úã nhûäng bûúác soáng thêåt ngùæn. Khöng nhûäng àiïìu naây mêu thuêîn vúái thûåc nghiïåm - maâ noá coân dêîn àïën kïët quaã taåi hoåa laâ nùng lûúång toaân phêìn cuãa bûác xaå vêåt àen laâ vö haån! Con àûúâng thoaát duy nhêët laâ cho rùçng nùng lûúång göìm nhûäng phêìn hay nhûäng “lûúång tûã” vúái lûúång nùng lûúång trong möîi phêìn tùng lïn khi bûúác soáng giaãm, vò vêåy úã möåt nhiïåt àöå naâo àoá àaä cho, seä coá rêët ñt bûác xaå úã caác bûúác soáng ngùæn maâ vúái chuáng caác phêìn coá nùng lûúång lúán. Trong caách



phaát biïíu cuöëi cuâng cuãa giaã thiïët do Einstein àaä àïì ra àoá, nùng lûúång cuãa bêët kyâ photon naâo cuäng tyã lïå nghõch vúái bûúác soáng, úã möåt nhiïåt àöå àaä cho naâo àoá, bûác xaå vêåt àen seä chûáa rêët ñt photon coá möåt nùng lûúång quaá lúán, vaâ do àoá rêët ñt photon coá möåt bûúác soáng quaá ngùæn, nhû vêåy cùæt nghôa àûúåc sûå giaãm maånh cuãa phên böë Planck úã nhûäng bûúác soáng ngùæn.

Noái cho roä hún, nùng lûúång cuãa möåt photon vúái möåt bûúác soáng möåt centimet laâ 0,000124 electron - vön, vaâ lúán hún, möåt caách tyã lïå, úã nhûäng bûúác soáng ngùæn hún. Electron - vön laâ möåt àún võ nùng lûúång tiïån lúåi, bùçng nùng lûúång thu nhêån àûúåc búãi möåt electron khi chuyïín àöång qua möåt àöå suåt thïë laâ möåt vön. Vñ duå, möåt àeân pin 1, 5 vön bònh thûúâng tiïu hao 1, 5 electron - vön cho möîi electron maâ noá phoáng ra qua dêy toác cuãa boáng àeân. Theo àõnh luêåt Einstein, nùng lûúång cuãa möåt photon úã bûúác soáng cûåc ngùæn 7, 35 centimet maâ Penzias vaâ Wilson àaä àiïìu hûúãng ùngten cuãa hoå laâ 0, 000124 electron - vön chia cho 7,35 cuãa 0, 000 017 electron - vön. Mùåt khaác möåt photon àiïín hònh úã möåt vuâng aánh saáng thêëy àûúåc seä coá möåt bûúác soáng khoaãng möåt phêìn hai mûúi nghòn centimet (5 x 10 muä êm 5 cm), nhû vêåy nùng lûúång cuãa noá seä laâ 0, 000 124 electron - vön nhên vúái 20.000, hoùåc khoaãng 2,5 eV. Trong caã hai trûúâng húåp, nùng lûúång cuãa möåt photon laâ rêët beá tñnh theo thang vô mö, àêëy laâ lyá do taåi sao caác photon hònh nhû nhêåp vaâo nhau thaânh nhûäng luöìng bûác xaå liïn tuåc.

Nhên tiïån noái thïm, nùng lûúång trong caác phaãn ûáng hoáa hoåc thûúâng laâ vaâo cúä möåt electron - vön möîi nguyïn tûã hoùåc möîi electron. Vñ duå, àïí bûát möåt electron khoãi möåt nguyïn tûã hyàrö cêìn khoaãng 13, 6 electron - vön, nhûng àoá laâ möåt sûå kiïån hoáa hoåc maänh liïåt. Sûå kiïån photon trong aánh saáng mùåt trúâi cuäng coá nhûäng nùng lûúång khoaãng möåt electron - vön laâ vö cuâng quan troång àöëi vúái chuáng ta; àoá laâ caái cho pheáp caác photon àoá taåo ra caác phaãn ûáng hoáa hoåc töëi cêìn cho cuöåc söëng, nhû laâ sûå quang húåp. Caác nùng lûúång phaãn ûáng haåt nhên thûúâng vaâo cúä möåt triïåu electron - vön möîi haåt nhên nguyïn tûã, àoá laâ lyá do taåi sao möåt pound (Pound: àún võ khöëi lûúång Anh bùçng 0, 454 kg (ND).) plutoni coá nùng lûúång nöí cuãa khoaãng möåt triïåu pound thuöëc nöí TNT.

Steven Weinberg 58


Caách mö taã bùçng photon cho pheáp ta hiïíu dïî daâng caác tñnh chêët àõnh tñnh chuã yïëu cuãa bûác xaå vêåt àen. Trûúác hïët, nhûäng nguyïn lyá cuãa cú hoåc thöëng kï cho ta biïët rùçng nùng lûúång cuãa photon àiïín hònh tyã lïå vúái nhiïåt àöå, trong khi àõnh luêåt Einstein cho ta biïët rùçng bêët cûá bûúác soáng naâo cuãa photon àïìu tyã lïå nghõch vúái nùng lûúång photon. Tûâ àoá, kïët húåp caã hai àõnh luêåt laåi vúái nhau, bûúác soáng àiïín hònh cuãa photon trong bûác xaå vêåt àen laâ tyã lïå nghõch vúái nhiïåt àöå. Noái möåt caách àõnh lûúång, bûúác soáng àiïín hònh maâ gêìn àoá àa söë nùng lûúång cuãa bûác xaå vêåt àen àûúåc têåp trung laâ 0, 29 cm úã nhiïåt àöå 1 K, vaâ úã nhiïåt àöå cao hún thò nhoã hún, möåt caách tyã lïå.

Chùèng haån möåt vêåt khöng trong suöët úã möåt nhiïåt àöå “phoâng” bònh thûúâng 300 K (bùçng 27 àöå C) seä phaát ra bûác xaå vêåt àen vúái möåt bûúác soáng àiïín hònh bùçng 0,29 cm chia cho 300, nghôa laâ khoaãng möåt phêìn nghòn centimet. Àoá laâ vaâo khoaãng cuãa bûác xaå höìng ngoaåi vaâ laâ möåt bûúác soáng quaá daâi maâ mùæt ta khöng tröng thêëy. Mùåt khaác, bïì mùåt cuãa mùåt trúâi úã möåt nhiïåt àöå khoaãng 5800 K, vaâ kïët quaã laâ aánh saáng maâ noá phaát ra seä maånh nhêët úã bûúác soáng khoaãng 0,29 cm chia cho 5800, nghôa laâ khoaãng nùm phêìn möåt trùm nghòn centimet (5 x 10 muä êm 5 cm) hoùåc tûúng àûúng, khoaãng nùm nghòn angstrom. (Möåt angstrom laâ möåt phêìn trùm triïåu hoùåc 10 muä êm 8 xentimet). Nhû àaä noái, àoá laâ vaâo giûäa khoaãng bûúác soáng maâ mùæt ta coá thïí nhòn àûúåc, maâ chuáng ta goåi laâ bûúác soáng “thêëy àûúåc”. Sûå kiïån caác bûúác soáng quaá ngùæn cùæt nghôa vò sao maäi cho àïën àêìu thïë kyã thûá 19 aánh saáng múái àûúåc khaám phaá ra laâ coá baãn chêët soáng; chó khi naâo chuáng ta quan saát aánh saáng ài qua nhûäng löî thêåt laâ beá thò ta múái coá thïí àïí yá àïën nhûäng hiïån tûúång àùåc trûng cho sûå truyïìn soáng nhû hiïån tûúång nhiïîu xaå.

Chuáng ta cuäng àaä thêëy rùçng sûå giaãm mêåt àöå nùng lûúång cuãa bûác xaå vêåt àen úã nhûäng bûúác soáng daâi laâ do khoá àùåt bûác xaå vaâo trong möåt thïí tñch maâ kñch thûúác nhoã hún bûúác soáng. Thûåc ra, khoaãng caách trung bònh giûäa caác photon trong bûác xaå vêåt àen gêìn bùçng bûúác soáng àiïín hònh cuãa photon. Nhûng chuáng ta cuäng àaä thêëy rùçng bûúác soáng àiïín hònh àoá tyã lïå nghõch vúái nhiïåt àöå, nhû vêåy khoaãng caách trung bònh giûäa caác photon cuäng tyã lïå nghõch vúái



nhiïåt àöå. Söë vêåt thïí moåi loaåi trong möåt thïí tñch nhêët àõnh tyã lïå nghõch vúái lêåp phûúng cuãa khoaãng caách trung bònh cuãa chuáng, do àoá trong bûác xaå vêåt àen, àõnh luêåt laâ söë photon trong möåt thïí tñch cho trûúác tyã lïå nghõch vúái lêåp phûúng nhiïåt àöå.

Chuáng ta coá thïí kïët húåp nhûäng thöng tin àoá àïí ruát ra möåt vaâi kïët luêån vïì lûúång nùng lûúång trong bûác xaå vêåt àen. Nùng lûúång möîi lñt, hoùåc “mêåt àöå nùng lûúång”, chó àún giaãn laâ söë photon möîi lñt nhên vúái nùng lûúång trung bònh cuãa möîi photon. Nhûng chuáng ta àaä thêëy rùçng söë photon möîi lñt tyã lïå vúái lêåp phûúng nhiïåt àöå trong khi nùng lûúång trung bònh cuãa photon chó àún giaãn laâ tyã lïå vúái nhiïåt àöå. Tûâ àoá nùng lûúång möîi lñt trong bûác xaå vêåt àen laâ tyã lïå vúái lêåp phûúng nhiïåt àöå nhên vúái nhiïåt àöå, hoùåc noái caách khaác tyã lïå vúái luäy thûâa böën nhiïåt àöå. Noái möåt caách àõnh lûúång, mêåt àöå nùng lûúång cuãa bûác xaå vêåt àen laâ 4,72 electron - vön möîi lñt úã nhiïåt àöå 1 K, 47.200 electron - vön möîi lñt úã nhiïåt àöå 10 K, v. v... (Àêy laâ àõnh luêåt Stefan - Boltzmann). Nïëu tiïëng öìn soáng cûåc ngùæn maâ Penzias vaâ Wilson àaä khaám phaá àûúåc quaã thûåc laâ bûác xaå vêåt àen vúái nhiïåt àöå 3 K, thò mêåt àöå nùng lûúång cuãa noá phaãi laâ 4, 72 electron - vön möîi lñt nhên vúái ba muä böën, hoùåc khoaãng 380 electron - vön möîi lñt. Khi nhiïåt àöå laâ möåt nghòn lêìn lúán hún, thò mêåt àöå nùng lûúång àaä laâ möåt triïåu (10 muä 12) lêìn lúán hún.

Bêy giúâ chuáng ta coá thïí trúã vïì nguöìn göëc cuãa bûác xaå cûåc ngùæn “taân dû”. Chuáng ta thêëy rùçng àaä phaãi coá möåt luác vuä truå noáng vaâ coá mêåt àöå cao àïën mûác caác nguyïn tûã àaä bõ phên taách ra thaânh caác haåt nhên vaâ caác electron cuãa chuáng vaâ sûå taán xaå caác photon búãi caác electron tûå do àaä duy trò möåt cên bùçng nhiïåt giûäa vêåt chêët vaâ bûác xaå.

Thúâi gian tröi ài, vuä truå giaän núã vaâ laånh ài àïën luác àaåt möåt nhiïåt àöå (khoaãng 3000 K) àuã laånh àïí cho pheáp caác haåt nhên vaâ electron kïët húåp thaânh nguyïn tûã. (Trong caác saách vïì vêåt lyá thiïn vùn, viïåc naây thûúâng àûúåc goåi laâ “sûå taái húåp”, möåt danh tûâ àùåc biïåt khöng thñch húåp, vò úã luác ta àang xeát thò caác haåt nhên vaâ electron trong lõch sûã trûúác àoá cuãa vuä truå chûa bao giúâ àûúåc gheáp thaânh nguyïn tûã!). Sûå mêët ài àöåt ngöåt caác electron tûå do laâm giaán àoaån

Steven Weinberg 60


sûå tiïëp xuác nhiïåt giûäa bûác xaå vaâ vêåt chêët vaâ bûác xaå sau àoá tiïëp tuåc giaän núã möåt caách tûå do.

Khi viïåc àoá xaãy ra, nùng lûúång trong trûúâng húåp bûác xaå úã nhûäng bûúác soáng khaác nhau àûúåc quy àõnh búãi caác àiïìu kiïån cên bùçng nhiïåt, vaâ do àoá àûúåc cho búãi cöng thûác vêåt àen cuãa Planck ûáng vúái möåt nhiïåt àöå bùçng nhiïåt àöå cuãa vêåt chêët, khoaãng 3000 K. Àùåc biïåt, bûúác soáng photon àiïín hònh àaä phaãi vaâo khoaãng möåt micromet (möåt phêìn mûúâi nghòn centimet, hoùåc 10 000 angstrom) vaâ khoaãng caách trung bònh giûäa caác photon àaä vaâo cúä bûúác soáng àiïín hònh àoá.

Viïåc gò àaä xaãy ra vúái caác photon tûâ àoá? Caác photon riïng leã àaä khöng àûúåc sinh ra hoùåc huãy ài, do àoá khoaãng caách trung bònh giûäa caác photon chó àún giaãn tùng lïn tyã lïå vúái kñch thûúác cuãa vuä truå, nghôa laâ tyã lïå vúái khoaãng caách trung bònh giûäa caác thiïn haâ àiïín hònh. Nhûng chuáng ta àaä thêëy trong chûúng trûúác rùçng taác duång cuãa dõch chuyïín àoã vuä truå hoåc laâ “keáo daâi” bûúác soáng cuãa moåi tia saáng trong khi vuä truå giaän núã; nhû vêåy, caác bûúác soáng cuãa möîi möåt photon riïng leã cuäng àún giaãn tùng tyã lïå vúái kñch thûúác cuãa vuä truå. Do àoá, caác photon seä úã caách xa nhau möåt bûúác soáng àiïín hònh àuáng nhû àöëi vúái bûác xaå vêåt àen. Quaã thêåt, cûá tiïëp tuåc lêåp luêån àoá möåt caách àõnh lûúång, ngûúâi ta coá thïí chó roä rùçng bûác xaå chûáa àêìy trong vuä truå coá thïí tiïëp tuåc àûúåc mö taã möåt caách chñnh xaác bùçng cöng thûác vêåt àen cuãa Planck, trong quaá trònh vuä truå giaän núã, duâ rùçng bûác xaå àoá khöng coân úã traång thaái cên bùçng nhiïåt vúái vêåt chêët nûäa (xem chuá thñch toaán hoåc 4). Kïët quaã duy nhêët cuãa sûå giaän núã laâ laâm tùng bûúác soáng photon àiïín hònh tyã lïå vúái kñch thûúác cuãa vuä truå. Nhiïåt àöå cuãa bûác xaå vêåt àen tyã lïå nghõch vúái bûúác soáng àiïín hònh, nhû vêåy noá seä giaãm trong khi vuä truå giaän núã möåt caách tyã lïå nghõch vúái kñch thûúác cuãa vuä truå.

Chùèng haån, Penzias vaâ Wilson àaä tòm thêëy rùçng cûúâng àöå cuãa phöng bûác xaå cûåc ngùæn maâ hoå àaä phaát hiïån ûáng vúái möåt nhiïåt àöå vaâo khoaãng 3 K. Àoá laâ con söë coá thïí chúâ àúåi nïëu vuä truå àaä núã ra gêëp 1000 lêìn so vúái luác nhiïåt àöå àaä coân àuã cao (3000 K) àïí giûä vêåt chêët vaâ bûác xaå úã cên bùçng nhiïåt. Nïëu caách giaãi thñch àoá laâ àuáng, thò phöng vö tuyïën 3 K laâ tñn hiïåu cöí xûa nhêët maâ caác nhaâ thiïn



vùn nhêån àûúåc, vò noá àaä àûúåc phaát ra trûúác caã aánh saáng tûâ caác thiïn haâ xa xùm nhêët maâ ta coá thïí nhòn thêëy rêët lêu.

Nhûng Penzias vaâ Wilson àaä ào cûúâng àöå cuãa phöng vö tuyïën vuä truå chó úã bûúác soáng 7,35 centimet maâ thöi. Roä raâng rêët cêìn xeát gêëp àïí xem phaãi chùng sûå phên böë nùng lûúång bûác xaå theo bûúác soáng coá àûúåc mö taã bùçng cöng thûác Planck vïì vêåt àen nhû ngûúâi ta coá thïí mong àúåi nïëu quaã thêåt noá laâ bûác xaå taân dû àaä dõch chuyïín vïì phña àoã coân soát laåi tûâ möåt thúâi kyâ naâo àoá maâ vêåt chêët vaâ bûác xaå cuãa vuä truå úã cên bùçng nhiïåt. Nïëu nhû vêåy thò “nhiïåt àöå tûúng àûúng” tñnh bùçng caách laâm khúáp cûúâng àöå tiïëng öìn vö tuyïën quan saát àûúåc vúái cöng thûác planck phaãi coá möåt giaá trõ nhû nhau úã moåi bûúác soáng 7,35 centimet maâ Penzias vaâ Wilson àaä nghiïn cûáu.

Nhû ta àaä thêëy, ngay luác Penzias vaâ Wilson tiïën haânh sûå khaám phaá cuãa hoå, àaä coá möåt cöë gùæng khaác àang tiïën haânh úã New Jersey àïí phaát hiïån ra möåt phöng bûác xaå cûåc ngùæn vuä truå. Liïìn sau hai baãn cöng böë àêìu tiïn cuãa caác nhoám úã caác phoâng thñ nghiïåm Bell vaâ Princeton, Roll vaâ Wilkinson àaä loan baáo kïët quaã riïng cuãa hoå: nhiïåt àöå tûúng àûúng cuãa phöng bûác xaå úã bûúác soáng 3,2 centimet laâ úã giûäa 2, 5 vaâ 3, 5 K. Nghôa laâ, vúái sai söë cuãa thñ nghiïåm, cûúâng àöå cuãa phöng vuä truå úã bûúác soáng 3,2 centimet lúán hún so vúái úã 7,35 centimet theo àuáng tyã lïå maâ ngûúâi ta coá thïí chúâ àúåi nïëu nhû bûác xaå àûúåc mö taã bùçng cöng thûác Planck!

Tûâ 1965, cûúâng àöå cuãa bûác xaå taân dû cûåc ngùæn àaä àûúåc caác nhaâ thiïn vùn vö tuyïën ào úã hún möåt taá bûúác soáng tûâ 7,35 centimet àïën 0,33 centimet. Möîi pheáp ào naây àïìu khúáp vúái möåt phên böë nùng lûúång theo bûúác soáng cuãa Planck, vúái möåt nhiïåt àöå giûäa 2,7 K vaâ 3 K.

Tuy nhiïn, trûúác khi kïët luêån ngay rùçng àoá chñnh laâ bûác xaå vêåt àen, ta phaãi nhúá rùçng bûúác soáng “àiïín hònh” maâ úã àoá phên böë Planck àaåt cûåc àaåi, laâ 0,29 centimet. Nhû vêåy têët caã caác pheáp ào soáng cûåc ngùæn àoá àaä àûúåc tiïën haânh úã vïì phña bûúác soáng daâi cuãa cûåc àaåi trïn phên böë Planck. Nhûng ta àaä thêëy rùçng àöå tùng mêåt àöå nùng lûúång khi bûúác soáng giaãm úã phêìn naây cuãa phöí àuáng laâ do khoá àùåt nhûäng bûúác soáng daâi vaâo trong nhûäng thïí tñch nhoã, vaâ viïåc

Steven Weinberg 62


àoá cuäng seä xaãy ra vúái möåt loaåt lúán nhûäng trûúâng bûác xaå, kïí caã bûác xaå àaä khöng àûúåc saãn sinh ra trong àiïìu kiïån cên bùçng nhiïåt (caác nhaâ thiïn vùn vö tuyïën goåi phêìn naây cuãa phöí laâ vuâng Rayleigh - Jeans, vò noá àûúåc Rayleigh vaâ James Jeans phên tñch àêìu tiïn). Àïí xaác minh viïåc ta quaã thêåt gùåp bûác xaå vêåt àen, cêìn phaãi vûúåt qua àiïím cûåc àaåi trïn phên böë Planck àïën vuâng bûúác soáng ngùæn, vaâ kiïím tra mêåt àöå nùng lûúång coá thûåc giaãm khi bûúác soáng giaãm, nhû thuyïët lûúång tûã tiïn àoaán hay khöng. Vúái caác bûúác soáng ngùæn hún 0,1 centimet, thûåc ra chuáng ta àaä úã ngoaâi phaåm vi hoaåt àöång cuãa caác nhaâ thiïn vùn ào soáng vö tuyïën hay soáng cûåc ngùæn, vaâ rúi vaâo möåt ngaânh múái hún laâ thiïn vùn höìng ngoaåi.

Tiïëc thay bêìu khñ quyïín cuãa haânh tinh chuáng ta, hêìu nhû trong suöët àöëi vúái caác bûúác soáng trïn 0,3 centimet, trúã nïn caâng múâ àuåc àöëi vúái nhûäng bûúác soáng caâng ngùæn. Hònh nhû khoá coá möåt àaâi thiïn vùn vö tuyïën naâo àùåt trïn mùåt àêët, duâ xêy cêët trïn nuái cao, maâ coá thïí ào phöng bûác xaå vuä truå úã nhûäng bûúác soáng ngùæn hún 0,3 centimet.

Cuäng khaá laå luâng laâ phöng bûác xaå àaä àûúåc ào úã nhûäng bûúác soáng ngùæn hún khaá lêu trûúác bêët cûá cöng trònh thiïn vùn naâo noái úã chûúng naây, vaâ laâ do möåt nhaâ thiïn vùn quang hoåc chûá khöng phaãi laâ möåt nhaâ thiïn vùn vö tuyïën hay höìng ngoaåi! Trong choâm sao Ophiuchus ( “Ngûúâi mang rùæn” hoùåc “Xaâ phu”) coá möåt àaám mêy khñ giûäa caác ngöi sao, tònh cúâ nùçm giûäa quaã àêët vaâ möåt ngöi sao noáng, song khöng coá gò khaác àaáng àïí yá, Oph. Phöí cuãa Oph coá nhiïìu vaåch àen khöng bònh thûúâng, chuáng noái lïn rùçng àaám khñ àoá hêëp thuå aánh saáng úã nhiïìu bûúác soáng ngùæn. Chuáng laâ caác bûúác soáng maâ úã àoá photon coá àuáng caác nùng lûúång cêìn àïí caãm ûáng nhûäng sûå chuyïín trong caác phên tûã cuãa àaám mêy khñ, tûâ nhûäng traång thaái nùng lûúång thêëp àïën nhûäng traång thaái coá nùng lûúång cao hún. (Caác phên tûã, cuäng nhû nguyïn tûã, chó töìn taåi úã nhûäng traång thaái giaán àoaån hay coá nùng lûúång àûúåc “lûúång tûã hoáa”). Nhû vêåy, bùçng caách quan saát caác bûúác soáng maâ úã àoá xuêët hiïån caác vaåch àen, coá thïí suy ra möåt caái gò àoá vïì baãn chêët caác phên tûã naây, vaâ vïì caác traång thaái cuãa chuáng.



Möåt trong nhûäng vaåch hêëp thuå trong phöí cuãa Oph laâ úã bûúác soáng 3875 angstrom (38,75 phêìn triïåu centimet), noá cho thêëy trong àaám mêy giûäa caác ngöi sao töìn taåi möåt phên tûã, goåi laâ xian (CN), göìm möåt nguyïn tûã cacbon vaâ möåt nguyïn tûã nitú. Noái möåt caách chùåt cheä, xian (CN) phaãi àûúåc goåi laâ möåt “göëc”, nghôa laâ trong nhûäng àiïìu kiïån bònh thûúâng noá kïët húåp nhanh choáng vúái nhûäng nguyïn tûã khaác àïí taåo thaânh nhûäng phên tûã bïìn hún nhû chêët àöåc axit xianhyàric (HCN). Trong khoaãng khöng giûäa caác vò sao, CN rêët laâ bïìn).

Nùm 1941, W. S. Adams vaâ A. McKellar khaám phaá ra rùçng vaåch hêëp thuå naây thûåc ra laâ bõ taách ra, göìm coá ba thaânh phêìn vúái bûúác soáng 3874,608 angstrom, 3875,763 angstrom vaâ 3873,998 angstrom. Bûúác soáng hêëp thuå àêìu ûáng vúái sûå chuyïín àöång trong àoá phên tûã xian àûúåc nêng tûâ traång thaái nùng lûúång thêëp nhêët cuãa noá ( “traång thaái cú baãn”) lïn möåt traång thaái dao àöång vaâ àûúåc mong àúåi cuäng seä àûúåc taåo ra ngay khi xian úã nhiïåt àöå khöng. Tuy nhiïn, hai vaåch kia chó coá thïí àûúåc taåo nïn búãi nhûäng sûå chuyïín àöång trong àoá phên tûã àûúåc nêng lïn tûâ möåt traång thaái quay úã saát ngay trïn traång thaái cú baãn àïën nhiïìu traång thaái dao àöång khaác. Nhû vêåy, möåt tyã lïå khaá lúán cuãa caác phên tûã xian trong àaám mêy nùçm giûäa caác ngöi sao phaãi úã traång thaái quay àoá. Bùçng caách sûã duång hiïåu nùng lûúång biïët àûúåc giûäa trang thaái cú baãn vaâ traång thaái quay vaâ caác cûúâng àöå tyã àöëi quan saát àûúåc cuãa caác vaåch hêëp thuå khaác nhau, McKellar àaä coá thïí nêng phên tûã xian lïn trang thaái quay.

Luác àoá khöng coá lyá do naâo àïí liïn hïå nhiïîu loaån bñ mêåt àoá vúái nguöìn göëc vuä truå, vaâ viïåc naây khöng àûúåc chuá yá àïën nhiïìu. Tuy nhiïn, sau sûå khaám phaá ra phöng bûác xaå vuä truå úã 3 K nùm 1965, ngûúâi ta àaä nhêån thûác àûúåc (George Field, E. S. Shklovsky vaâ N. J. Woolf) rùçng chñnh noá laâ nhiïîu loaån quan saát àûúåc nùm 1941, noá àaä laâm quay caác phên tûã xian trong caác àaám mêy Ophiuchus. Bûúác soáng cuãa caác photon bûác xaå vêåt àen cêìn àïí taåo ra sûå quay àoá laâ 0,263 centimet, ngùæn hún bêët cûá bûúác soáng naâo maâ ngaânh thiïn vùn vö tuyïën coá cú súã àùåt trïn mùåt àêët coá thïí quan saát àûúåc, nhûng

Steven Weinberg 64


vêîn chûa àuã ngùæn àïí thûã nghiïåm sûå giaãm nhanh bûúác soáng dûúái 0,1 cm àûúåc chúâ àúåi cho möåt sûå phên böë Plack úã 3 K.

Kïí tûâ luác àoá àaä coá möåt sûå tòm kiïëm nhûäng vaåch hêëp thuå khaác do sûå kñch thñch caác phên tûã xian úã nhûäng traång thaái quay khaác nhau. Quan saát nùm 1974 vïì sûå hêëp thuå do traång thaái quay thûá hai cuãa xian giûäa caác vò sao àaä cho pheáp ûúác tñnh cûúâng àöå bûác xaå úã bûúác soáng 0,132 centimet cuäng ûáng vúái nhiïåt àöå khoaãng 3 K. Tuy nhiïn, nhûäng quan saát nhû vêåy cho àïën àêy múái chó cho nhûäng giúái haån trïn vïì mêåt àöå nùng lûúång bûác xaå úã nhûäng bûúác soáng ngùæn hún 0,1 centimet. Caác kïët quaã àoá thêåt laâ àaáng phêën khúãi, búãi vò chuáng chó roä rùçng mêåt àöå nùng lûúång bûác xaå àuáng laâ bùæt àêìu giaãm nhanh choáng úã möåt bûúác soáng naâo àoá chung quanh 0,1 centimet, nhû ngûúâi ta mong àúåi nïëu àoá laâ bûác xaå vêåt àen. Tuy nhiïn, nhûäng giúái haån trïn naây khöng cho pheáp ta kiïím tra rùçng àoá chñnh thêåt laâ bûác xaå vêåt àen, hoùåc xaác àõnh möåt nhiïåt àöå bûác xaå chñnh xaác.

Chó coá thïí giaãi quyïët àûúåc vêën àïì naây bùçng caách àûa möåt thiïët bõ thu höìng ngoaåi vûúåt ra khoãi khñ quyïín quaã àêët, hoùåc bùçng möåt khñ cêìu, hoùåc bùçng möåt tïn lûãa. Caác thñ nghiïåm àoá laâ vö cuâng khoá khùn vaâ luác àêìu cho nhûäng kïët quaã mêu thuêîn nhau, khi thò khuyïën khñch nhûäng ngûúâi uãng höå mö hònh vuä truå hoåc chuêín, khi thò khuyïën khñch nhûäng ngûúâi chöëng laåi mö hònh àoá. Möåt nhoám sûã duång tïn lûãa úã Cornell àaä tòm thêëy nhiïìu bûác xaå úã nhûäng bûúác soáng ngùæn hún laâ theo phên böë vêåt àen cuãa Planck, trong khi àoá möåt nhoám sûã duång khñ cêìu úã M. I. T. nhêån àûúåc nhûäng kïët quaã phuâ húåp àaåi khaái vúái nhûäng kïët quaã àûúåc chúâ àúåi àöëi vúái bûác xaå vêåt àen. Caã hai nhoám tiïëp tuåc cöng viïåc cuãa hoå vaâ vaâo nùm 1972 caã hai àïìu thöng baáo kïët quaã, chûáng toã coá möåt phên böë àen vúái möåt nhiïåt àöå gêìn 3 K. Nùm 1976 möåt nhoám sûã duång khñ cêìu úã Berkeley cuäng cöng nhêån rùçng mêåt àöå nùng lûúång bûác xaå tiïëp tuåc haå thêëp àöëi vúái nhûäng bûúác soáng ngùæn trong khoaãng tûâ 0,25 centimet àïën 0,06 centimet theo tñnh toaán mong àúåi àöëi vúái nhiïåt àöå 3 K, xï xñch 0,1 K. Hiïån nay hêìu nhû coá thïí kïët luêån rùçng phöng bûác xaå vuä truå quaã thûåc laâ bûác xaå vêåt àen, vúái nhiïåt àöå gêìn 3 K.

úã bêët cûá luác naâo lêu trûúác khi caác phêìn cuãa vuä truå trúã thaânh trong suöët, vuä truå àaä coá thïí xem nhû chuã yïëu bao göìm bûác xaå, chó



“nhiïîm” möåt chuát ñt vêåt chêët. Mêåt àöå nùng lûúång to lúán cuãa bûác xaå trong vuä truå sú khai bõ mêët ài do sûå dõch chuyïín cuãa bûúác soáng cuãa caác photon vïì phña àoã trong khi vuä truå giaän núã, laâm cho sûå nhiïîm haåt haåt nhên vaâ electron lúán lïn, taåo nïn caác vò sao vaâ caác taãng àaá vaâ caác sinh vêåt lúán cuãa vuä truå hiïån nay.

ÚÃ àêy baån àoåc coá thïí tûå hoãi taåi sao vêën àïì naây khöng thïí àûúåc kïët luêån bùçng möåt caách àún giaãn laâ àùåt möåt thiïët bõ höìng ngoaåi trong möåt vïå tinh nhên taåo cuãa quaã àêët luác naâo cuäng sùæn saâng tiïën haânh nhûäng pheáp ào chñnh xaác úã thêåt cao bïn ngoaâi khñ quyïín cuãa quaã àêët. Töi khöng thêåt chùæc taåi sao viïåc naây laåi khöng thïí laâm àûúåc. Lyá do thûúâng àûa ra laâ àïí ào àûúåc nhiïåt àöå bûác xaå thêëp nhû 3 K, cêìn laâm laånh thiïët bõ bùçng hïli loãng (möåt “taãi laånh”) vaâ vêën àïì mang möåt thiïët bõ laâm laånh nhû vêåy trïn möåt vïå tinh nhên taåo cuãa quaã àêët chûa àûúåc giaãi quyïët töët vïì mùåt kyä thuêåt. Tuy nhiïn, ngûúâi ta àaä khöng thïí suy nghô àûúåc rùçng nhûäng nghiïn cûáu “thûåc vuä truå” nhû vêåy xûáng àaáng àûúåc chia möåt phêìn lúán hún ngên quyä nghiïn cûáu vuä truå.

Têìm quan troång cuãa viïåc tiïën haânh nhûäng quan saát úã bïn ngoaâi khñ quyïín cuãa quaã àêët laåi caâng àûúåc thêëy roä hún khi ta xeát phên böë phöng bûác xaå vuä truå theo hûúáng cuäng nhû theo bûúác soáng. Moåi quan saát cho àïën àêy phuâ húåp vúái möåt phöng bûác xaå hoaân toaân àùèng hûúáng, nghôa laâ khöng phuå thuöåc vaâo hûúáng. Nhû àaä noái úã chûúng trïn, àoá laâ möåt trong nhûäng bùçng chûáng maånh nhêët bïnh vûåc cho nguyïn lyá vuä truå hoåc. Tuy nhiïn, rêët khoá maâ phên biïåt àûúåc möåt sûå phuå thuöåc vaâo hûúáng coá thïí coá àûúåc cuãa baãn thên phöng bûác xaå vuä truå vúái möåt sûå phuå thuöåc vaâo hûúáng chó do taác àöång cuãa khñ quyïín quaã àêët; quaã thûåc trong caác pheáp ào nhiïåt àöå phöng bûác xaå, phöng bûác xaå àûúåc phên biïåt vúái bûác xaå khñ quyïín quaã àêët bùçng caách cho rùçng noá laâ àùèng hûúáng.

Àiïìu laâm cho sûå phuå thuöåc hûúáng cuãa phöng bûác xaå cûåc ngùæn thaânh ra möåt vêën àïì nghiïn cûáu hêëp dêîn nhû vêåy laâ cûúâng àöå bûác xaå naây khöng àûúåc coi laâ hoaân toaân àùèng hûúáng. Coá thïí coá nhûäng thùng giaáng cuãa cûúâng àöå vúái nhûäng thay àöíi nhoã vïì hûúáng, phaát sinh ra búãi sûå “khöng thêåt troân trônh” cuãa vuä truå hoùåc vaâo luác bûác xaå àûúåc phaát ra hoùåc tûâ luác àoá. Chùèng haån, caác thiïn haâ trong

Steven Weinberg 66


nhûäng thúâi kyâ taåo thaânh àêìu tiïn coá thïí hiïån ra nhû nhûäng vïët noáng trïn bêìu trúâi, vúái möåt nhiïåt àöå vêåt àen cao hún trung bònh möåt chuát, lan röång khoaãng trïn nûãa phuát cung. Thïm vaâo àoá hêìu nhû chùæc chùæn coá möåt biïën thiïn nhoã nheå cuãa cûúâng àöå bûác xaå quanh khùæp bêìu trúâi, gêy ra búãi sûå chuyïín àöång cuãa quaã àêët xuyïn qua vuä truå. Quaã àêët ài quanh mùåt trúâi vúái töëc àöå 30 kilömet möîi giêy, vaâ hïå mùåt trúâi àûúåc keáo theo sûå quay cuãa thiïn haâ cuãa chuáng ta vúái möåt töëc àöå khoaãng 250 kilömet möîi giêy. Khöng ai biïët roä vêån töëc cuãa thiïn haâ chuáng ta so vúái sûå phên böë caác thiïn haâ àiïín hònh trong vuä truå, nhûng coá thïí cho rùçng noá chuyïín àöång vaâi trùm kilömet möîi giêy theo möåt hûúáng naâo àoá. Nïëu, chùèng haån, ta giaã thiïët rùçng quaã àêët chuyïín àöång vúái möåt vêån töëc 300 kilomet möîi giêy so vúái vêåt chêët cuãa vuä truå, vaâ tûâ àoá so vúái phöng bûác xaå, thò bûúác soáng cuãa bûác xaå ài àïën ta ngûúåc chiïìu hoùåc cuâng chiïìu chuyïín àöång cuãa quaã àêët phaãi tûúng ûáng giaãm hoùåc tùng theo tyã lïå giûäa 300 kilömet möîi giêy vaâ vêån töëc aánh saáng, hoùåc 0,1 phêìn trùm. Nhû vêåy, nhiïåt àöå bûác xaå tùng tûúng àûúng phaãi biïën thiïn nheå theo hûúáng, noá vaâo khoaãng 0,1 phêìn trùm cao hún trung bònh theo hûúáng ngûúåc chiïìu chuyïín àöång cuãa quaã àêët vaâ vaâo khoaãng 0,1 phêìn trùm thêëp hún trung bònh theo hûúáng cuâng chiïìu chuyïín àöång cuãa quaã àêët.

Trong nhûäng nùm cuöëi gêìn àêy giúái haån trïn töët nhêët vïì möåt sûå phuå thuöåc vaâo hûúáng naâo àoá cuãa nhiïåt àöå bûác xaå tûúng àûúng laâ àuáng vaâo khoaãng 0,1 phêìn trùm, nhû vêåy, chuáng ta àang úã trong tònh traång khöí súã laâ coá thïí phêìn naâo nhûng khöng hoaân toaân ào àûúåc vêån töëc chuyïín àöång cuãa quaã àêët xuyïn qua vuä truå. Khöng thïí giaãi quyïët àûúåc vêën àïì naây cho àïën khi caác pheáp ào àûúåc tiïën haânh tûâ nhûäng vïå tinh bay quanh quaã àêët. (Khi chûäa lêìn cuöëi cuâng saách naây, töi àaä nhêån àûúåc baãn tin tûác söë 1 vïì vïå tinh thaám hiïím phöng vuä truå cuãa John Mather úã N. A. S. A (“Cú quan quöëc gia nghiïn cûáu vïì vuä truå vaâ haâng khöng” cuãa Myä (ND).). Noá thöng baáo sûå böí nhiïåm möåt àöåi göìm saáu nhaâ khoa hoåc dûúái sûå laänh àaåo cuãa Rainier Weiss úã M. I. T., àïí nghiïn cûáu möåt pheáp ào khaã dô vïì phöng bûác xaå cûåc ngùæn vaâ höìng ngoaåi tûâ khoaãng khöng vuä truå. Chuác hoå thaânh cöng!).



Chuáng ta àaä noái rùçng phöng bûác xaå cûåc ngùæn vuä truå cho möåt bùçng chûáng maånh meä rùçng àaä coá luác bûác xaå vaâ vêåt chêët cuãa vuä truå úã trong möåt traång thaái cên bùçng nhiïåt. Tuy nhiïn, chuáng ta vêîn chûa kïët luêån gò sêu sùæc vïì mùåt vuä truå hoåc tûâ trõ söë quan saát àûúåc cuãa nhiïåt àöå bûác xaå tûúng àûúng, 3 K. Thûåc ra, nhiïåt àöå bûác xaå naây cho pheáp ta xaác àõnh con söë troång yïëu nhêët maâ chuáng ta cêìn àïí theo doäi lõch sûã cuãa ba phuát àêìu tiïn.

Nhû ta àaä thêëy, úã bêët kyâ nhiïåt àöå naâo àaä cho trûúác söë photon trong möåt àún võ thïí tñch laâ tyã lïå nghõch vúái lêåp phûúng bûúác soáng àiïín hònh, vaâ do àoá tyã lïå thuêån vúái lêåp phûúng nhiïåt àöå. Vúái möåt nhiïåt àöå chñnh xaác laâ 1 K seä coá 20282,9 photon möîi lñt do àoá phöng bûác xaå 3 K chûáa khoaãng 550000 photon möîi lñt. Tuy nhiïn, mêåt àöå cuãa caác haåt nhên (nútron vaâ proton) trong vuä truå hiïån nay laâ úã àêu àêëy giûäa 6 vaâ 0,03 haåt möîi nghòn lñt. (Giúái haån trïn laâ gêëp àöi mêåt àöå túái haån thaão luêån úã chûúng II; giúái haån dûúái laâ möåt söë phoãng àoaán thêëp vïì mêåt àöå hiïån quan saát àûúåc úã caác thiïn haâ nhòn thêëy). Nhû vêy, tuây theo giaá trõ thûåc cuãa mêåt àöå haåt, coá vaâo khoaãng giûäa 100 triïåu vaâ 20 nghòn triïåu photon àöëi vúái möîi haåt nhên trong vuä truå hiïån nay.

Hún nûäa, tyã lïå to lúán naây cuãa photon trïn haåt nhên àaä gêìn nhû laâ hùçng söë trong möåt thúâi gian rêët daâi. Suöët trong thúâi kyâ maâ bûác xaå àaä giaän núã tûå do (tûâ khi nhiïåt àöå tuåt xuöëng dûúái khoaãng 3000 K), caác photon cuãa phöng vaâ caác haåt nhên àaä khöng àûúåc sinh ra maâ cuäng khöng bõ huãy ài, cho nïn tyã lïå giûäa chuáng àûúng nhiïn vêîn khöng àöíi. Ta seä thêëy trong chûúng sau rùçng tyã lïå àoá gêìn nhû khöng àöíi, ngay caã trûúác àoá, khi maâ nhûäng photon riïng leã àûúåc hònh thaânh vaâ bõ huãy ài.

Àoá laâ kïët luêån àõnh lûúång quan troång nhêët coá thïí ruát ra tûâ nhûäng pheáp ào vïì phöng bûác xaå cûåc ngùæn - nhòn ngûúåc laåi vïì quaá khûá xa xùm nhêët cuãa quaã àêët, àaä coá tyã lïå tûâ 100 triïåu àïën 20.000 triïåu photon trïn möîi nútron hoùåc proton. Àïí cho khoãi lêåp lúâ möåt caách khöng cêìn thiïët, töi seä lêëy troân con söë naây trong caác lêåp luêån sau, vaâ giaã thiïët (àïí minh hoåa) rùçng bêy giúâ coá vaâ trûúác kia àaä coá àuáng 1000 triïåu photon cho möîi haåt nhên, trong caác phêìn trung bònh cuãa vuä truå.

Steven Weinberg 68


Möåt hïå quaã rêët quan troång cuãa kïët luêån naây laâ sûå taách vêåt chêët thaânh caác thiïn haâ vaâ caác vò sao àaä chûa thïí bùæt àêìu àûúåc cho àïën khi nhiïåt àöå vuä truå haå xuöëng àïën mûác caác electron coá thïí bõ bùæt àïí taåo thaânh caác nguyïn tûã. Àïí cho lûåc hêëp dêîn coá thïí taåo ra sûå kïët khöëi vêåt chêët thaânh nhûäng maãng riïng leã maâ Newton àaä hònh dung, thò lûåc hêëp dêîn phaãi thùæng aáp suêët cuãa vêåt chêët vaâ bûác xaå liïn kïët. Lûåc hêëp dêîn úã trong möîi khöëi múái hònh thaânh tùng theo kñch thûúác cuãa khöëi, trong khi aáp suêët khöng phuå thuöåc vaâo kñch thûúác; do àoá úã möîi aáp suêët vaâ mêåt àöå cho trûúác, coá möåt khöëi lûúång töëi thiïíu coá thïí gêy ra sûå “kïët khöëi” do hêëp dêîn. Khöëi lûúång naây àûúåc goåi laâ “khöëi lûúång Jeans”, búãi vò noá àûúåc James Jeans àûa vaâo àêìu tiïn trong caác thuyïët vïì sûå hònh thaânh caác ngöi sao nùm 1902. Khöëi lûúång Jeans laåi tyã lïå vúái luäy thûâa 3/2 cuãa aáp suêët (xem chuá thñch toaán hoåc 5). Àuáng trûúác khi caác electron bùæt àêìu bõ bùæt àïí taåo caác nguyïn tûã, úã möåt nhiïåt àöå khoaãng 3000 K, aáp suêët cuãa bûác xaå rêët laâ to lúán, vaâ khöëi lûúång Jeans do àoá lúán möåt caách tûúng ûáng, khoaãng möåt triïåu lêìn lúán hún khöëi lûúång cuãa möåt thiïn haâ lúán. Khöng coá thiïn haâ naâo vaâ cuäng chùèng coá chuâm thiïn haâ naâo àuã lúán àïí àûúåc hònh thaânh luác àoá. Tuy nhiïn, möåt thúâi gian ngùæn sau àoá caác electron kïët húåp vúái caác haåt nhên àïí taåo thaânh nguyïn tûã; khi nhûäng electron tûå do mêët ài, vuä truå trúã thaânh trong suöët àöëi vúái bûác xaå; vaâ nhû vêåy aáp suêët bûác xaå trúã thaânh vö hiïåu. ÚÃ möåt nhiïåt àöå vaâ mêåt àöå cho trûúác, aáp suêët cuãa vêåt chêët hoùåc bûác xaå chó àún giaãn laâ tyã lïå vúái söë haåt hoùåc photon, nhû vêåy khi aáp suêët bûác xaå trúã thaânh vö hiïåu thò aáp suêët hiïåu duång toaân phêìn tuåt xuöëng khoaãng möåt nghòn triïåu lêìn. Khöëi lûúång Jeans giaãm xuöëng möåt nghòn triïåu muä “ba phêìn hai” lêìn, thaânh khoaãng möåt phêìn triïåu khöëi lûúång cuãa möåt thiïn haâ. Tûâ luác àoá vïì sau, aáp suêët vêåt chêët tûå noá quaá yïëu nïn khöng thïí chöëng laåi sûå kïët khöëi cuãa vêåt chêët thaânh caác thiïn haâ maâ ta thêëy trïn bêìu trúâi.

Àiïìu naây vêîn chûa noái lïn rùçng chuáng ta thûåc sûå hiïíu caác thiïn haâ àûúåc hònh thaânh nhû thïë naâo. Lyá thuyïët vïì sûå hònh thaânh caác thiïn haâ laâ möåt trong nhûäng baâi toaán hoác buáa nhêët cuãa vêåt lyá thiïn vùn, möåt baâi toaán maâ hiïån nay hònh nhû coân lêu múái giaãi àûúåc. Nhûng àoá laåi laâ chuyïån khaác. Àöëi vúái ta, àiïìu quan troång laâ



trong vuä truå sú khai, úã nhûäng nhiïåt àöå trïn khoaãng 3000 K, vuä truå khöng phaãi bao göìm caác thiïn haâ vaâ caác vò sao maâ ta thêëy trïn bêìu trúâi hiïån nay, maâ chó laâ möåt thûá xuáp vêåt chêët vaâ bûác xaå àaä àûúåc ion hoáa vaâ khöng phên biïåt àûúåc.

Möåt hïå quaã quan troång khaác cuãa tyã lïå lúán photon trïn haåt haåt nhên laâ chùæc àaä coá luác, tûúng àöëi khöng xa trong quaá khûá, maâ nùng lûúång bûác xaå àaä laâ lúán hún nùng lûúång chûáa trong vêåt chêët vuä truå. Nùng lûúång chûáa trong khöëi lûúång cuãa möåt haåt nhên, àûúåc cho búãi cöng thûác Einstein E = mc2, vaâo khoaãng 939 triïåu electron - vön. Nùng lûúång trung bònh cuãa möåt photon trong bûác xaå vêåt àen úã 3 K laâ nhoã hún nhiïìu, khoaãng 0,0007 electron - vön, do àoá duâ rùçng vúái 1000 triïåu photon möîi nútron hoùåc proton, àa söë nùng lûúång cuãa vuä truå hiïån nay laâ dûúái daång vêåt chêët chûá khöng phaãi bûác xaå. Tuy nhiïn, xûa kia nhiïåt àöå cao hún, cho nïn nùng lûúång cuãa möîi photon cao hún, trong khi nùng lûúång trong möåt nútron hoùåc photon luön luön khöng àöíi. Vúái 1000 triïåu photon cho möîi haåt nhên, àïí cho nùng lûúång bûác xaå vûúåt qua nùng lûúång vêåt chêët, chó cêìn nùng lûúång trung bònh cuãa möåt photon vêåt àen lúán hún khoaãng möåt phêìn nghòn triïåu nùng lûúång cuãa khöëi lûúång möåt haåt nhên, hoùåc khoaãng möåt electron - vön. Àêy laâ trûúâng húåp nhiïåt àöå luác vaâo khoaãng 1300 lêìn lúán hún bêy giúâ, nghôa laâ vaâo khoaãng 4000 K. Nhiïåt àöå àoá àaánh dêëu sûå chuyïín tiïëp giûäa möåt “thúâi àaåi bûác xaå ngûå trõ”, trong àoá phêìn lúán nùng lûúång cuãa vuä truå úã dûúái daång bûác xaå, vaâ “thúâi àaåi vêåt chêët ngûå trõ” hiïån nay, trong àoá phêìn lúán nùng lûúång nùçm trong khöëi lûúång cuãa caác haåt haåt nhên.

Thêåt laâ àaáng ngaåc nhiïn rùçng sûå chuyïín tiïëp giûäa möåt vuä truå bûác xaå ngûå trõ àïën möåt vuä truå vêåt chêët ngûå trõ àaä xaãy ra àuáng khoaãng luác maâ caác phêìn cuãa vuä truå trúã nïn trong suöët cho bûác xaå úã vaâo khoaãng 3000 K. Khöng ai biïët thêåt roä taåi sao noá phaãi laâ nhû vêåy, duâ rùçng àaä coá nhûäng gúåi yá hêëp dêîn. Ta cuäng khöng biïët roä sûå chuyïín tiïëp naâo xaãy ra àêìu tiïn: nïëu luác àoá coá 10.000 triïåu photon cho möîi haåt haåt nhên thò bûác xaå àaä tiïëp tuåc thùæng vêåt chêët cho àïën khi nhiïåt àöå haå xuöëng 400 K, maäi lêu sau khi caác phêìn cuãa vuä truå trúã nïn trong suöët.

Steven Weinberg 70


Caác sûå khöng chùæc chùæn naây seä khöng coá aãnh hûúãng àïën cêu chuyïån cuãa chuáng ta vïì vuä truå sú khai. Àiïìu quan troång àöëi vúái chuáng ta laâ úã bêët cûá luác naâo lêu trûúác khi caác phêìn cuãa vuä truå trúã thaânh trong suöët, vuä truå àaä coá thïí xem nhû chuã yïëu bao göìm bûác xaå, chó “nhiïîm” möåt chuát ñt vêåt chêët. Mêåt àöå nùng lûúång to lúán cuãa bûác xaå trong vuä truå sú khai bõ mêët ài do sûå dõch chuyïín cuãa bûúác soáng cuãa caác photon vïì phña àoã trong khi vuä truå giaän núã, laâm cho sûå nhiïîm haåt haåt nhên vaâ electron lúán lïn, taåo nïn caác vò sao vaâ caác taãng àaá vaâ caác sinh vêåt lúán cuãa vuä truå hiïån nay.



MÖÅT TOA CHO VUÄ TRUÅ NOÁNG

Caác quan saát thaão luêån trong hai chûúng vûâa qua àaä phaát hiïån ra rùçng vuä truå àang giaän núã, vaâ noá chûáa àêìy möåt phöng bûác xaå úã khùæp moåi núi, hiïån nay úã nhiïåt àöå khoaãng 3 K. Bûác xaå àoá coá veã laâ coân rúi rúát laåi tûâ möåt thúâi kyâ laâ vuä truå quaã thûåc laâ “àuåc”, khi noá vaâo khoaãng 1000 lêìn beá hún vaâ noáng hún hiïån nay. (Luön luön nhúá laâ khi ta noái rùçng vuä truå 1000 lêìn beá hún hiïån nay, ta àún giaãn chó muöën noái rùçng khoaãng caách giûäa bêët cûá cùåp haåt àiïín hònh naâo cho trûúác luác àoá cuäng laâ 1000 lêìn beá hún hiïån nay). Àïí xem nhû möåt sûå chuêín bõ cuöëi cuâng cho cêu chuyïån “Ba phuát àêìu tiïn” cuãa ta, ta phaãi nhòn laåi nhûäng thúâi kyâ coân xûa hún, khi vuä truå coân beá hún vaâ noáng hún nûäa kia, bùçng caách sûã duång nhaän quan lyá thuyïët, chûá khöng phaãi nhûäng kñnh thiïn vùn quang hoåc hay vö tuyïën àïí xem xeát caác àiïìu kiïån vêåt lyá ngûå trõ luác àoá.

Vaâo cuöëi chûúng III, ta lûu yá rùçng khi vuä truå beá hún hiïån nay 1000 lêìn, vaâ caác phêìn vêåt chêët cuãa noá sùæp thaânh trong suöët cho bûác xaå thò vuä truå cuäng chuyïín tûâ thúâi kyâ bûác xaå ngûå trõ sang thúâi kyâ vêåt chêët ngûå trõ hiïån nay. Trong thúâi kyâ bûác xaå ngûå trõ, khöng nhûäng chó coá söë lûúång to lúán photon cho möîi haåt nhên nhû söë hiïån coá ngaây nay, maâ nùng lûúng cuãa caác photon riïng leã àaä àuã cao àïí cho phêìn lúán nùng lûúång cuãa vuä truå úã dûúái daång bûác xaå, chûá khöng phaãi daång khöëi lûúång. (Nhúá rùçng photon laâ nhûäng haåt hoùåc “lûúång tûã” maâ tûâ àoá, theo thuyïët lûúång tûã, aánh saáng àûúåc húåp thaânh). Do àoá, coá thïí laâ möåt sûå gêìn àuáng khaá töët nïëu xem vuä truå trong thúâi kyâ àoá nhû thïí chó chûáa bûác xaå maâ thöi, cùn baãn khöng coá vêåt chêët.

Möåt sûå nhêån xeát quan troång phaãi àûúåc àûa trong khi phaát biïíu kïët luêån naây. Ta seä thêëy trong chûúng naây rùçng thúâi kyâ bûác xaå àún thuêìn chó bùæt àêìu sau vaâi phuát àêìu tiïn, khi nhiïåt àöå haå xuöëng dûúái vaâi nghòn triïåu àöå Kelvin. ÚÃ nhûäng thúâi kyâ trûúác àoá, vêåt chêët àaä laâ quan troång, nhûng vêåt chêët úã dûúái möåt daång rêët

Steven Weinberg 72


khaác daång hiïån nay cuãa vuä truå. Tuy nhiïn, trûúác khi chuáng ta nhòn laåi möåt quaá khûá xa nhû vêåy, trûúác tiïn ta haäy xeát vùæn tùæt thúâi kyâ bûác xaå thûåc sûå, tûâ vaâi phuát àêìu tiïn cho àïën vaâi trùm nghòn nùm sau khi vêåt chêët laåi trúã thaânh quan troång hún bûác xaå.

Àïí theo doäi lõch sûã vuä truå trong thúâi kyâ àoá, têët caã nhûäng caái gò chuáng ta cêìn biïët laâ moåi vêåt nhû thïë naâo úã möåt thúâi àiïím bêët kyâ cho trûúác. Hoùåc noái caách khaác, trong khi vuä truå giaän núã, nhiïåt àöå liïn hïå vúái kñch thûúác cuãa vuä truå nhû thïë naâo?

Seä dïî traã lúâi cêu hoãi naây nïëu coá thïí coi bûác xaå laâ àûúåc giaän núã tûå do. Bûúác soáng cuãa möîi photon àún giaãn bõ keáo daâi (do sûå dõch chuyïín àoã) tyã lïå vúái kñch thûúác cuãa vuä truå, trong khi vuä truå giaän núã. Hún nûäa, ta àaä thêëy úã chûúng trïn rùçng bûúác soáng trung bònh cuãa bûác xaå vêåt àen tyã lïå nghõch vúái nhiïåt àöå cuãa noá. Nhû vêåy nhiïåt àöå phaãi giaãm tyã lïå nghõch vúái kñch thûúác cuãa vuä truå nhû hiïån nay àang xaãy ra.

May thay cho nhaâ vuä truå hoåc lyá thuyïët, möëi liïn hïå àún giaãn àoá cuäng àuáng ngay khi bûác xaå àaä khöng giaän núã tûå do - nhûäng va chaåm nhanh giûäa photon vaâ möåt söë àöëi tûúång nhoã electron vaâ haåt nhên laâm àuåc caác thaânh phêìn cuãa vuä truå suöët trong thúâi kyâ bûác xaå ngûå trõ. Trong khi möåt photon chuyïín àöång tûå do giûäa caác lêìn va chaåm, bûúác soáng cuãa noá phaãi tùng tyã lïå vúái kñch thûúác cuãa vuä truå, vaâ àaä coá nhiïìu photon cho möîi haåt àïën mûác caác va chaåm quaã àaä buöåc nhiïåt àöå cuãa vêåt chêët phaãi ài theo nhiïåt àöå cuãa bûác xaå, chûá khöng phaãi ngûúåc laåi. Nhû vêåy, chùèng haån, vuä truå beá hún hiïån nay mûúâi nghòn lêìn, thò nhiïåt àöå seä phaãi cao hún hiïån nay möåt caách tyã lïå, hoùåc khoaãng 3000 K. Àiïìu naây caâng àuáng trong thúâi kyâ “bûác xaå ngûå trõ” thûåc sûå.

Cuöëi cuâng, khi ta nhòn caâng xa vïì quaá khûá cuãa lõch sûã vuä truå thò ta seä gùåp thúâi àiïím maâ nhiïåt àöå cao àïën mûác caác va chaåm giûäa caác photon vúái nhau coá thïí taåo ra caác haåt vêåt chêët tûâ nùng lûúång àún thuêìn. Chuáng ta seä thêëy rùçng caác haåt àûúåc taåo thaânh nhû vêåy tûâ nùng lûúång bûác xaå àún thuêìn trong mêëy phuát àêìu tiïn cuäng quan troång nhû bûác xaå, caã trong viïåc quy àõnh töëc àöå cuãa caác phaãn ûáng haåt nhên cuäng nhû trong viïåc quy àõnh töëc àöå giaän núã cuãa baãn



thên vuä truå. Do àoá, àïí theo doäi caác biïën cöë trong nhûäng thúâi kyâ thûåc sûå sú khai nhêët, ta cêìn phaãi biïët vuä truå phaãi noáng àïën mûác naâo àïí taåo nïn nhûäng söë lûúång lúán haåt vêåt chêët tûâ nùng lûúång bûác xaå, vaâ bao nhiïu haåt àaä àûúåc taåo nïn nhû vêåy.

Quaá trònh laâm cho vêåt chêët àûúåc taåo nïn tûâ bûác xaå coá thïí dïî hiïíu nhêët theo bûác tranh lûúång tûã vïì aánh saáng. Hai lûúång tûã bûác xaå, hoùåc photon, coá thïí va chaåm vaâ biïën mêët, toaân böå nùng lûúång vaâ xung lûúång cuãa chuáng taåo nïn hai haåt vêåt chêët hoùåc nhiïìu hún. (Quaá trònh naây thûåc sûå àûúåc quan saát möåt caách giaán tiïëp trong nhûäng phoâng thñ nghiïåm vêåt lyá haåt nhên nùng lûúång cao hiïån nay). Tuy nhiïn, thuyïët tûúng àöëi heåp cuãa Einstein noái rùçng möåt haåt vêåt chêët duâ laâ úã traång thaái tônh cuäng seä cuäng seä coá möåt “nùng lûúång nghó” naâo àoá, cho búãi cöng thûác nöíi tiïëng E = mc2. (úã àêy c laâ vêån töëc aánh saáng. Àêy laâ nguöìn göëc cuãa nùng lûúång àûúåc giaãi phoáng trong caác phaãn ûáng haåt nhên, trong àoá möåt phêìn khöëi lûúång cuãa caác haåt nhên nguyïn tûã bõ huãy). Tûâ àoá, àïí cho hai photon taåo nïn hai haåt vêåt chêët coá khöëi lûúång m trong möåt va chaåm trûåc diïån, nùng lûúång cuãa möîi photon ñt nhêët phaãi bùçng nùng lûúång nghó mc2 cuãa möîi haåt. Phaãn ûáng vêîn xaãy ra nïëu nùng lûúång cuãa caác photon riïng leã lúán hún mc2; nùng lûúång döi seä chó cho caác haåt nùng lûúång vêåt chêët möåt vêån töëc cao. Tuy nhiïn, nhûäng haåt coá khöëi lûúång m khöng thïí àûúåc taåo nïn trong caác va chaåm cuãa hai photon nïëu nùng lûúång cuãa chuáng thêëp hún mc2, vò khi àoá khöng àuã nùng lûúång àïí taåo nïn duâ laâ khöëi lûúång cuãa caác haåt àoá.

Cöë nhiïn, àïí xeát hiïåu lûåc cuãa bûác xaå trong viïåc taåo nïn caác haåt vêåt chêët, ta phaãi biïët nùng lûúång àùåc trûng cuãa caác photon riïng leã trong trûúâng bûác xaå. Nùng lûúng naây coá thïí àûúåc ûúác tñnh khaá àuáng, àuã cho muåc àñch cuãa ta, bùçng caách àún giaãn: àïí tòm ra nùng lûúång àùåc trûng cuãa photon, chó cêìn nhên nhiïåt àöå cuãa bûác xaå vúái möåt hùçng söë cú baãn cuãa cú hoåc thöëng kï, goåi laâ hùçng söë Boltzmann. (Ludwig Boltzmann cuâng vúái Willarrd Gibbs ngûúâi Myä laâ nhûäng ngûúâi saáng taåo nïn cú hoåc thöëng kï hiïån àaåi. Viïåc öng tûå tûã nùm 1906 àûúåc coi ñt nhêët möåt phêìn laâ do sûå chöëng àöëi coá tñnh chêët triïët hoåc àöëi vúái cöng trònh cuãa öng, nhûng têët caã caác tranh luêån naây àaä kïët thuác tûâ lêu). Giaá trõ cuãa hùçng söë Boltzmann laâ

Steven Weinberg 74


0,00008617 electron - vön möîi àöå Kelvin. Chùèng haån úã nhiïåt àöå 3000 K, khi caác phêìn cuãa vuä truå bùæt àêìu trúã nïn trong suöët, nùng lûúång àùåc trûng cuãa möîi photon laâ vaâo khoaãng 300 K nhên vúái hùçng söë Boltzmann hoùåc 0,26 electron - vön. Nhúá rùçng möåt electron - vön laâ nùng lûúång maâ möåt electron thu àûúåc khi chuyïín àöång qua möåt hiïåu àiïån thïë möåt vön. Nùng lûúång cuãa caác phaãn ûáng thöng thûúâng vaâo cúä möåt electron - vön möîi nguyïn tûã; àêëy laâ lyá do taåi sao bûác xaå úã trïn 3000 K laâ àuã noáng àïí giûä cho möåt tyã lïå khaá lúán electron khoãi bõ bùæn vaâo caác nguyïn tûã.

Chuáng ta àaä thêëy laâ àïí taåo nïn haåt vêåt chêët coá khöëi lûúång m trong caác va chaåm giûäa caác photon, nùng lûúång àùåc trûng cuãa photon phaãi ñt nhêët bùçng nùng lûúång mc2 cuãa caác haåt úã traång thaái nghó. Do nùng lûúång àùåc trûng cuãa photon laâ nhiïåt àöå nhên vúái hùçng söë Boltzmann, nïn nhiïåt àöå cuãa bûác xaå phaãi ñt nhêët laâ vaâo cúä nùng lûúång nghó mc2 chia cho hùçng söë Boltzmann. Nhû vêåy laâ vúái möîi loaåi haåt vêåt chêët coá möåt “nhiïåt àöå ngûúäng” tñnh ra bùçng nùng lûúång nghó mc2 chia cho hùçng söë Boltzmann, noá phaãi àaåt àûúåc trûúác khi haåt loaåi àoá coá thïí taåo nïn tûâ nùng lûúång bûác xaå.

Chùèng haån, haåt vêåt chêët nheå nhêët àûúåc biïët àïën laâ electron e- vaâ prözitron e+. Pözitron laâ phaãn haåt cuãa ïlectron - nghôa laâ noá coá àiïån tñch ngûúåc dêëu (dûúng chûá khöng phaãi êm) nhûng cuâng khöëi lûúång vaâ spin. Khi möåt pözitron va chaåm vúái möåt electron, caác àiïån tñch coá thïí bõ huãy, coân nùng lûúång trong khöëi lûúång cuãa hai haåt hiïån ra dûúái daång bûác xaå àún thuêìn. Viïåc naây cöë nhiïn laâ lyá do taåi sao pözitron hiïëm nhû vêåy trong àúâi söëng thöng thûúâng - chuáng khöng thïí söëng lêu lùæm trûúác khi tòm àûúåc vaâ bõ huãy diïåt. (Pözitron àûúåc khaám phaá ra nùm 1932 trong tia vuä truå). Quaá trònh huãy cuäng coá thïí diïîn ra ngûúåc laåi - hai photon vúái nùng lûúång vûâa àuã coá thïí va chaåm vaâ taåo nïn möåt cùåp electron - pözitron, nùng lûúång cuãa caác photon àaä àûúåc chuyïín thaânh khöëi lûúång cuãa electron vaâ pözitron.

Àïí cho hai photon coá thïí taåo nïn möåt electron vaâ möåt pözitron trong möåt va chaåm trûåc diïån, nùng lûúång cuãa möîi photon phaãi vûúåt “nùng lûúång nghó” mc2 trong khöëi lûúång cuãa möåt electron hoùåc möåt pözitron. Nùng lûúång àoá laâ 0,511003 triïåu



electron - vön. Àïí tòm ra nhiïåt àöå ngûúäng maâ úã àoá photon coá nhiïìu xaác suêët coá nùng lûúång àoá, ta chia nùng lûúång cho cho hùçng söë Boltzmann (0,00008 617 electron - vön möîi àöå Kelvin) vaâ tòm ra möåt nhiïåt àöå ngûúäng laâ 6 nghòn triïåu àöå Kelvin (6 x 10 muä 9 K). ÚÃ bêët kyâ nhiïåt àöå naâo cao hún, electron vaâ pözitron cuäng phaãi àûúåc taåo nïn möåt caách dïî daâng trong nhûäng va chaåm giûäa caác photon vúái nhau, vaâ do àoá chùæc àaä phaãi töìn taåi vúái söë lûúång rêët lúán.

(Nhên tiïån noái thïm, nhiïåt àöå ngûúäng 6 x10 muä 9 K maâ ta àaä suy ra àïí cho electron vaâ pözitron àûúåc taåo nïn tûâ bûác xaå lúán hún rêët nhiïìu so vúái bêët cûá nhiïåt àöå naâo maâ ta thûúâng gùåp trong vuä truå hiïån nay. Ngay caã trung têm mùåt trúâi cuäng chó úã möåt nhiïåt àöå khoaãng 15 triïåu àöå. Àoá laâ lyá do taåi sao ta khöng thêëy electron vaâ pözitron xuêët hiïån tûâ khöng gian tröëng röîng möîi khi aánh saáng troái lïn).

Nhûäng nhêån xeát tûúng tûå cuäng àuáng cho möîi loaåi haåt. Àêy laâ möåt quy luêåt cú baãn cuãa vêåt lyá hoåc hiïån àaåi: ûáng vúái möîi loaåi haåt trong tûå nhiïn àïìu coá möåt “phaãn haåt” tûúng ûáng, vúái àuáng khöëi lûúång vaâ spin àoá, nhûng vúái àiïån tñch ngûúåc dêëu. Ngoaåi lïå duy nhêët laâ àöëi vúái nhûäng haåt hoaân toaân trung hoâa naâo àoá, nhû laâ baãn thên photon, maâ ta coá thïí coi laâ phaãn haåt cuãa chñnh chuáng. Liïn hïå giûäa haåt vaâ phaãn haåt laâ hai chiïìu: pözitron laâ phaãn haåt cuãa electron vaâ electron laâ phaãn haåt cuãa pözitron. Cho àuã nùng lûúång luön luön coá thïí taåo nïn moåi loaåi cùåp haåt - phaãn haåt trong va chaåm cuãa nhûäng cùåp photon.

(Sûå töìn taåi cuãa phaãn haåt laâ möåt hïå quaã toaán hoåc trûåc tiïëp cuãa caác nguyïn lyá cuãa cú hoåc lûúång tûã vaâ cuãa lyá thuyïët tûúng àöëi heåp cuãa Einstein. Sûå töìn taåi phaãn electron àaä àûúåc suy ra àêìu tiïn tûâ lyá thuyïët búãi Paul Adrian Maurice Dirac vaâo nùm 1930. Vò khöng muöën àûa vaâo lyá thuyïët cuãa mònh möåt haåt chûa biïët àïën, öng àaä àöìng nhêët hoáa phaãn electron vúái haåt mang àiïån dûúng duy nhêët àûúåc biïët luác àoá laâ proton. Sûå khaám phaá ra pözitron nùm 1932 àaä xaác nhêån thuyïët vïì caác phaãn haåt cuãa electron, noá coá phaãn haåt riïng cuãa noá, phaãn proton, àûúåc khaám phaá ra taåi Berkeley trong nhûäng nùm 1950).

Steven Weinberg 76


Nhûäng haåt loaåi nheå nhêët tiïëp theo sau electron vaâ pözitron laâ muon hoùåc µ-, möåt loaåi electron nùång khöng bïìn, vaâ phaãn haåt cuãa noá, µ+. Cuäng giöëng nhû àöëi vúái electron vaâ pözitron, µ- vaâ µ+ coá àiïån tñch ngûúåc dêëu nhûng khöëi lûúång bùçng nhau, vaâ coá thïí àûúåc taåo nïn trong nhûäng va chaåm giûäa caác phöton vúái nhau. µ- vaâ µ+ àïìu coá möåt nùng lûúång nghó mc2 bùçng 105,6596 triïåu electron vaâ chia cho hùçng söë Boltzmann, nhiïåt àöå ngûúäng tûúng ûáng laâ 1,2 triïåu triïåu àöå (1,2 x 12 muä 12 K). Nhûäng nhiïåt àöå ngûúäng tûúng ûáng vúái nhûäng haåt khaác àûúåc ghi úã baãng 1. Xem kyä baãng naây ta coá thïí noái loaåi haåt naâo coá nhiïìu úã nhûäng thúâi kyâ khaác nhau trong lõch sûã vuä truå; chuáng chñnh laâ caác haåt maâ nhiïåt àöå ngûúäng thêëp hún nhiïåt àöå cuãa vuä truå luác àoá.

Coá bao nhiïu haåt vêåt chêët àoá thûåc sûå àaä töìn taåi úã nhûäng nhiïåt àöå trïn nhiïåt àöå ngûúäng? ÚÃ àiïìu kiïån nhiïåt àöå vaâ mêåt àöå cao ngûå trõ trong vuä truå sú khai, söë haåt àûúåc suy tûâ àiïìu kiïån cú baãn cuãa cên bùçng nhiïåt: söë haåt phaãi àuã lúán àïí cho söë bõ huãy möîi giêy àuáng bùçng söë àûúåc taåo nïn. (Nghôa laâ cêìu bùçng cung). Xaác suêët huãy möåt cùåp haåt - phaãn haåt naâo àoá àaä cho thaânh ra hai photon laâ xêëp xó bùçng xaác suêët maâ möåt cùåp photon naâo àaä cho coá cuâng nùng lûúång taåo thaânh chñnh haåt vaâ phaãn haåt naây. Do àoá àiïìu kiïån cên bùçng nhiïåt àoâi hoãi söë haåt möîi loaåi, maâ nhiïåt àöå ngûúäng úã dûúái nhiïåt àöå thûåc sûå luác àoá, phaãi xêëp xó bùçng söë photon. Nïëu coá ñt haåt hún photon, chuáng seä àûúåc taåo nïn nhanh hún laâ bõ huãy diïåt vaâ söë lûúång chuáng seä tùng lïn, nïëu coá nhiïìu haåt hún photon, chuáng seä bõ huãy diïåt nhanh hún laâ àûúåc taåo nïn, vaâ söë lûúång chuáng seä giaãm. Chùèng haån úã nhûäng nhiïåt àöå trïn nhiïåt àöå ngûúäng 6.000 triïåu àöå, söë electron vaâ pözitron phaãi xêëp xó bùçng söë photon vaâ nhûäng luác àoá coá thïí xem vuä truå nhû bao göìm chuã yïëu photon, electron vaâ pözitron, chûá khöng chó coá photon.

Tuy nhiïn, úã nhûäng nhiïåt àöå úã trïn àöå ngûúäng, möåt haåt vêåt chêët diïîn biïën rêët giöëng möåt photon. Nùng lûúång trung bònh cuãa noá laâ xêëp xó bùçng nhiïåt àöå nhên vúái hùçng söë Boltzmann, cho nïn trïn nhiïåt àöå ngûúäng nùng lûúång trung bònh cuãa noá lúán hún nhiïìu so vúái nùng lûúång trong khöëi lûúång cuãa haåt, vaâ khöëi lûúång coá thïí àûúåc boã qua. Trong nhûäng àiïìu kiïån nhû vêåy, aáp suêët vaâ mêåt àöå



nùng lûúång do nhûäng haåt vêåt chêët thuöåc möåt loaåi naâo àoá àoáng goáp chó laâ tyã lïå vúái luäy thûâa böën cuãa nhiïåt àöå, àuáng nhû àöëi vúái photon. Nhû vêåy, ta coá thïí suy nghô vïì vuä truå úã möåt thúâi gian naâo àoá nhû laâ bao göìm möåt söë kiïíu “bûác xaå”, möåt kiïíu cho möîi loaåi haåt maâ nhiïåt àöå ngûúäng úã dûúái nhiïåt àöå vuä truå luác àoá. Àùåc biïåt, mêåt àöå nùng lûúång cuãa vuä truå bêët cûá luác naâo àuáng tyã lïå vúái luäy thûâa böën cuãa nhiïåt àöå vaâ söë loaåi haåt maâ nhiïåt àöå ngûúäng úã dûúái nhiïåt àöå vuä truå hoåc luác àoá. Nhûäng àiïìu kiïån loaåi àoá, vúái nhûäng nhiïåt àöå cao àïën nöîi nhûäng cùåp haåt - phaãn haåt laâ nhiïìu nhû proton trong cên bùçng nhiïåt, khöng töìn taåi bêët cûá úã àêu trong vuä truå hiïån nay, trûâ coá thïí úã nhên caác vò sao àang buâng nöí. Tuy nhiïn ta àaä àuã tin tûúãng úã kiïën thûác cuãa ta vïì cú hoåc thöëng kï àïí yïn trñ maâ xêy dûång nhûäng thuyïët vïì nhûäng caái àaä phaãi xaãy ra trong nhûäng àiïìu kiïån laå luâng nhû vêåy trong vuä truå sú khai.

Noái cho chñnh xaác, ta phaãi nhúá rùçng möåt phaãn haåt nhû pözitron (e+) àûúåc kïí nhû laâ möåt loaåi riïng biïåt. Caác haåt nhû photon vaâ electron cuäng töìn taåi úã hai traång thaái khaác nhau vïì spin, chuáng coá thïí coi nhû nhûäng loaåi riïng biïåt. Cuöëi cuâng, nhûäng haåt nhû electron (nhûng khöng phaãi photon) tuên theo möåt àõnh luêåt àùåc biïåt, “nguyïn lyá loaåi trûâ Pauli”, cêëm hai haåt úã möåt traång thaái nhû nhau; luêåt naây laâm giaãm möåt caách coá hiïåu quaã sûå àoáng goáp cuãa chuáng vaâo mêåt àöå nùng lûúång toaân phêìn túái 7/8 lêìn. (Chñnh nguyïn lyá loaåi trûâ àaä ngùn têët caã caác electron trong möåt nguyïn tûã rúi vaâo cuâng möåt voã nùng lûúång thêëp nhêët; nhû vêåy noá chõu traách nhiïåm vïì cêëu truác voã phûác taåp cuãa caác nguyïn tûã thïí hiïån trong baãng tuêìn hoaân cuãa caác nguyïn töë). Söë hiïåu duång cuãa caác kiïíu ûáng vúái möîi loaåi haåt àûúåc ghi song song vúái nhiïåt àöå ngûúäng úã baãng 1. Mêåt àöå nùng lûúång cuãa vuä truå úã nhiïåt àöå àaä cho laâ tyã lïå vúái luäy thûâa böën cuãa nhiïåt àöå vaâ vúái söë hiïåu duång cuãa caác kiïíu haåt maâ nhiïåt àöå ngûúäng úã dûúái nhiïåt àöå cuãa vuä truå.

Bêy giúâ ta thûã tûå hoãi khi naâo vuä truå àaä úã nhûäng nhiïåt àöå cao nhû thïë? Caái chi phöëi töëc àöå giaän núã cuãa vuä truå laâ sûå cên bùçng giûäa trûúâng hêëp dêîn vaâ xung lûúång bïn ngoaâi cuãa caác chêët chûáa trong vuä truå. Vaâ chñnh mêåt àöå nùng lûúång toaân phêìn cuãa photon, electron, pözitron, v. v... laâ caái cung cêëp nguöìn trûúâng hêëp dêîn cuãa

Steven Weinberg 78


vuä truå úã caác thúâi kyâ sú khai. Ta àaä thêëy rùçng mêåt àöå nùng lûúång cuãa vuä truå chó phuå thuöåc chuã yïëu vaâo nhiïåt àöå, nïn nhiïåt àöå vuä truå coá thïí àûúåc duâng nhû möåt loaåi àöìng höì ngaây caâng laånh ài chûá khöng phaãi kïu tñch tùæc trong khi vuä truå giaän núã. Noái roä hún, coá thïí chûáng minh rùçng thúâi gian cêìn àïí mêåt àöå nùng lûúång cuãa vuä truå giaãm tûâ möåt trõ söë naây àïën möåt trõ söë khaác laâ tyã lïå vúái hiïåu caác söë nghõch àaão cuãa cùn hai cuãa caác mêåt àöå nùng lûúång (xem chuá thñch toaán hoåc 3). Nhûng ta àaä thêëy rùçng mêåt àöå nùng lûúång tyã lïå vúái luäy thûâa böën cuãa nhiïåt àöå vaâ vúái söë loaåi haåt coá nhiïåt àöå ngûúäng thêëp hún nhiïåt àöå hiïån haânh. Do àoá, cho àïën khi nhiïåt àöå khöng ài qua nhûäng giaá trõ “ngûúäng” naâo àoá, thúâi gian cêìn cho vuä truå àïí laånh ài tûâ möåt nhiïåt àöå naây àïën möåt nhiïåt àöå khaác laâ tyã lïå vúái hiïåu cuãa caác nghõch àaão cuãa bònh phûúng cuãa nhûäng nhiïåt àöå àoá. Chùèng haån, nïëu ta bùæt àêìu tûâ möåt nhiïåt àöå 100 triïåu àöå (rêët thêëp dûúái nhiïåt àöå ngûúäng cuãa electron) vaâ tòm ra rùçng cêìn 0,06 nùm (hoùåc 22 ngaây) àïí nhiïåt àöå haå xuöëng túái 10 triïåu àöå, thò luác àoá cêìn 6 nùm khaác nûäa àïí cho nhiïåt àöå haå xuöëng 1 triïåu àöå, 600 nùm khaác nûäa àïí haå xuöëng 100 000 àöå, v. v... Toaân böå thúâi gian cêìn àïí vuä truå laånh ài tûâ 100 triïåu àöå xuöëng 3000 K (nghôa laâ àïën khi maâ caác chêët trong vuä truå trúã thaânh trong suöët àöëi vúái bûác xaå) laâ 700 000 nùm (xem hònh 8). Cöë nhiïn, khi viïët “nùm” úã àêy, töi nguå yá möåt söë àún võ thúâi gian tuyïåt àöëi naâo àoá, chùèng haån nhû möåt söë chu kyâ naâo àoá trong àoá möåt electron quay möåt voâng quanh haåt nhên trong möåt nguyïn tûã hyàrö. Ta àang xeát möåt thúâi kyâ xûa hún nhiïìu so vúái luác quaã àêët bùæt àêìu quay quanh mùåt trúâi.

Hònh 8. Kyã nguyïn bûác xaå chiïëm ûu thïë. Nhiïåt àöå cuãa vuä truå àûúåc veä phuå thuöåc vaâo thúâi gian, àöëi vúái thúâi kyâ tûâ ngaây cuöëi sûå töíng húåp haåt nhên àïën khi taái húåp caác haåt nhên vaâ electron thaânh nguyïn tûã.

Nïëu vuä truå trong vaâi phuát àêìu tiïn thûåc sûå bao göìm nhûäng haåt vaâ phaãn haåt àuáng bùçng nhau, têët caã chuáng àaä bõ huãy diïåt khi nhiïåt àöå haå xuöëng dûúái 1000 triïåu àöå, vaâ chùèng

coân gò soát laåi trûâ bûác xaå. Coá bùçng chûáng rêët töët chöëng laåi khaã nùng àoá - chuáng ta àang úã àêy! Phaãi coá möåt àöå döi naâo àoá cuãa söë electron

Hình 8. Kỷ nguyên bức xạ chiếm ưu thế.



so vúái söë pözitron, cuãa söë proton so vúái söë phaãn proton, vaâ cuãa söë nútron so vúái söë phaãn nútron àïí cho coân caái gò àoá soát laåi sau khi haåt vaâ phaãn haåt huãy nhau àïí cung cêëp vêåt chêët cho vuä truå hiïån nay. Cho àïën àêy trong chûúng naây töi àaä nguå yá khöng noái àïën söë vêåt chêët tûúng àöëi ñt coân soát laåi naây. Àoá laâ möåt sûå gêìn àuáng khaá töët nïëu têët caã nhûäng gò ta muöën laâ tñnh mêåt àöå nùng lûúång hoùåc töëc àöå giaän núã cuãa vuä truå sú khai; ta àaä thêëy trong chûúng trûúác rùçng mêåt àöå nùng lûúång cuãa caác haåt haåt nhên chó so àûúåc vúái mêåt àöå nùng lûúång bûác xaå khi vuä truå àaä laånh àïën khoaãng 4000 K. Tuy nhiïn, sûå ñt oãi cuãa söë electron vaâ haåt haåt nhên coân soát laåi àaáng àûúåc ta chuá yá àùåc biïåt, búãi vò chuáng laâ nhûäng thaânh phêìn chñnh cuãa vuä truå hiïån nay vaâ noái riïng, cuãa taác giaã vaâ baån àoåc.

Möåt khi ta àaä cöng nhêån khaã nùng coá möåt àöå döi vêåt chêët so vúái phaãn vêåt chêët trong vaâi phuát àêìu tiïn, ta àaä àùåt vêën àïì möåt danh saách chi tiïët vïì nhûäng thaânh phêìn trong vuä truå sú khai. Coá àuáng haâng trùm caái goåi laâ haåt cú baãn trïn danh saách maâ phoâng thñ nghiïåm Lawrence úã Berkeley xuêët baãn 6 thaáng möåt. Coá phaãi laâ ta phaãi tñnh söë lûúång cuãa möîi möåt loaåi haåt naây khöng? Vaâ taåi sao dûâng laåi úã haåt cú baãn? Coá phaãi laâ ta phaãi tñnh söë lûúång cuãa tûâng loaåi nguyïn tûã, phên tûã, muöëi vaâ tiïu? Trong trûúâng húåp àoá, chuáng ta coá thïí kïët luêån möåt caách chñnh àaáng rùçng vuä truå laâ quaá phûác taåp vaâ quaá thêët thûúâng khöng àaáng àïí cho ta tòm hiïíu.

May thay, vuä truå khöng àïën nöîi phûác taåp quaá nhû vêåy. Àïí thêëy caách coá thïí viïët möåt toa (* Toa laâ baãng kï caác võ thuöëc maâ ngûúâi bïånh cêìn duâng, hoùåc caác chaát hoaá dûúåc cêìn àïí baâo chïë nïn möåt chêët hoaá dûúåc naâo àoá, vaâ caác cöng thûác pha chïë noá) cho caác thaânh phêìn cuãa noá, cêìn suy nghô thïm möåt chuát vïì àiïìu kiïån cên bùçng nhiïåt laâ gò. Töi àaä nhêën maånh têìm quan troång cuãa viïåc vuä truå àaä traãi qua möåt traång thaái cên bùçng nhiïåt - chñnh noá cho pheáp ta noái möåt caách tin tûúãng nhû vêåy vïì caác thaânh phêìn cuãa vuä truå úã möîi luác. Sûå thaão luêån cuãa ta cho àïën chûúng naây laâ möåt loaåt aáp duång caác tñnh chêët quen biïët cuãa vêåt chêët vaâ bûác xaå trong cên bùçng nhiïåt.

Khi caác va chaåm hoùåc quaá trònh khaác dêîn möåt hïå vêåt lyá àïën möåt traång thaái cên bùçng nhiïåt, luön luön coá möåt söë àaåi lûúång maâ

Steven Weinberg 80


trõ söë khöng thay àöíi. Möåt trong caác “àaåi lûúång àûúåc baão toaân” àoá laâ nùng lûúång toaân phêìn; mùåc dêìu va chaåm coá thïí chuyïín nùng lûúång tûâ haåt naây sang haåt khaác, chuáng khöng bao giúâ thay àöíi nùng lûúång toaân phêìn cuãa caác haåt tham gia va chaåm. Vúái möîi luêåt baão toaân àoá, coá möåt àaåi lûúång maâ ta phaãi noái roä trûúác khi ta coá thïí vaåch ra caác tñnh chêët cuãa möåt hïå úã cên bùçng nhiïåt - roä raâng laâ nïëu möåt àaåi lûúång naâo àoá khöng thay àöíi khi möåt hïå tiïën àïën bùçng nhiïåt, thò trõ söë cuãa noá khöng thïí suy ra àûúåc tûâ caác àiïìu kiïån cuãa cên bùçng, maâ àaä phaãi àûúåc chó roä trûúác àoá. Viïåc thêåt laâ àaáng chuá yá trong möåt hïå úã cên bùçng nhiïåt laâ têët caã caác tñnh chêët cuãa noá àûúåc xaác àõnh möåt caách duy nhêët möîi khi ta noái roä trõ söë cuãa caác àaåi lûúång àûúåc baão toaân. Vuä truå àaä ài qua möåt traång thaái cên bùçng nhiïåt, cho nïn àïí cho möåt toa àêìy àuã vïì caác thaânh phêìn cuãa vuä truå úã caác thúâi kyâ sú khai, têët caã nhûäng gò ta cêìn laâ biïët àûúåc nhûäng àaåi lûúång vêåt lyá naâo àûúåc baão toaân trong khi vuä truå giaän núã, vaâ giaá trõ cuãa caác àaåi lûúång àoá.

Thöng thûúâng, thay cho viïåc cho nùng lûúång toaân phêìn cuãa möåt hïå úã cên bùçng nhiïåt, ta cho nhiïåt àöå. Vúái loaåi hïå ta xeát nhiïìu nhêët cho àïën nay, chó bao göìm bûác xaå vaâ nhûäng söë haåt vaâ phaãn haåt bùçng nhau, nhiïåt àöå laâ têët caã nhûäng gò cêìn àûúåc cho trûúác àïí tòm ra caác tñnh chêët cên bùçng cuãa hïå. Nhûng thûúâng thûúâng ngoaâi nùng lûúång coân coá nhûäng àaåi lûúång àûúåc baão toaân khaác vaâ cêìn cho mêåt àöå cuãa möîi àaåi lûúång.

Chùèng haån trong möåt cöëc nûúác úã nhiïåt àöå phoâng, coá nhûäng phaãn ûáng liïn tuåc trong àoá möåt phêìn tûã nûúác bõ vúä ra thaânh möåt ion hyàrö (möåt proton trêìn, haåt nhên cuãa hyàrö vúái electron àaä bõ tûúác ài) vaâ möåt ion hyàröxin (möåt nguyïn tûã öxy liïn kïët vúái möåt nguyïn tûã hyàrö, vaâ möåt electron àöi) hoùåc trong àoá caác ion hyàrö vaâ hyàröxin húåp laåi àïí taåo nïn phên tûã nûúác. Chuá yá rùçng trong möîi phaãn ûáng nhû vêåy, sûå mêët ài möåt phên tûã nûúác laâm xuêët hiïån möåt ion hyàrö vaâ ngûúåc laåi, trong khi nhûäng ion hyàrö vaâ hyàröxin luön luön xuêët hiïån hoùåc biïën ài cuâng nhau. Nhû vêåy, caác àaåi lûúång àûúåc baão toaân laâ töíng söë phên tûã nûúác cöång vúái söë ion hyàrö, vaâ söë ion hyàrö trûâ ài söë ion hyàröxin. (Cöë nhiïn, coân coá nhûäng àaåi lûúång àûúåc baão toaân khaác, nhû töíng söë phên tûã nûúác cöång vúái caác



ion hyàröxin, nhûng àêëy chó laâ nhûäng töí húåp àún giaãn cuãa hai àaåi lûúång cú baãn àûúåc baão toaân. (Nhûäng tñnh chêët cuãa cöëc nûúác cuãa ta coá thïí àûúåc xaác àõnh hoaân toaân nïëu ta noái rùçng nhiïåt àöå laâ 300 K (nhiïåt àöå phoâng trïn thang Kelvin), rùçng mêåt àöå phên tûã nûúác cöång vúái caác ion hyàrö laâ 3,3 x 10 muä 22 phên tûã hoùåc ion möîi cm khöëi (àaåi thïí ûáng vúái nûúác úã aáp suêët mùåt biïín), vaâ rùçng mêåt àöå cuãa ion hyàrö trûâ ion hyàröxin bùçng khöng (ûáng vúái àiïån tñch thûåc bùçng khöng). Chùèng haån, trong nhûäng àiïìu kiïån àoá, coá möåt ion hyàrö cho möîi mûúâi triïåu phên tûã nûúác (10 muä 7) - ngûúâi ta noái rùçng àöå pH cuãa nûúác laâ 7. Chuá yá rùçng ta khöng cêìn phaãi noái viïåc naây trong toa cuãa chuáng ta viïët cho cöëc nûúác: ta suy ra tyã lïå ion hyàrö tûâ nhûäng quy luêåt cên bùçng nhiïåt. Mùåt khaác, ta khöng thïí suy ra mêåt àöå cuãa caác àaåi lûúång àûúåc baão toaân tûâ nhûäng àiïìu kiïån cên bùçng nhiïåt - chùèng haån ta coá thïí laâm cho mêåt àöå phên tûã nûúác cöång vúái ion hyàrö lúán hún hoùåc beá hún 3.3.10 muä 22 phên tûã möîi cm khöëi möåt ñt, bùçng caách nêng hoùåc haå aáp suêët - nhû vêåy ta phaãi noái roä vïì chuáng àïí biïët trong cöëc ta coá gò.

Vñ duå naây cuäng giuáp ta hiïíu yá nghôa xï dõch cuãa caái maâ ta goåi laâ àaåi lûúång “baão toaân”. Chùèng haån nïëu nûúác cuãa ta úã möåt nhiïåt àöå haâng triïåu àöå, nhû úã trong loâng möåt ngöi sao, khi àoá rêët dïî cho caác phên tûã cuãa ion bõ phên ly vaâ cho caác nguyïn tûã húåp thaânh mêët electron cuãa chuáng. Nhûäng àaåi lûúång àûúåc baão toaân luác àoá laâ söë electron vaâ caác haåt nhên oxy vaâ hyàrö. Mêåt àöå cuãa phên tûã nûúác cöång vúái nguyïn tûã hyàröxin trong nhûäng àiïìu kiïån àoá phaãi àûúåc tñnh toaán tûâ caác àõnh luêåt cuãa cú hoåc thöëng kï chûá khöng phaãi laâ cho trûúác; cöë nhiïn kïët quaã laâ mêåt àöå àoá rêët beá nhoã. (Trong àõa nguåc hiïëm coá tuyïët). Thûåc ra nhûäng phaãn ûáng haåt nhên coá xaãy ra trong nhûäng àiïìu kiïån àoá, cho nïn ngay söë haåt nhên möîi loaåi cuäng khöng tuyïåt àöëi cöë àõnh, nhûng caác söë lûúång àoá thay àöíi chêåm àïën mûác möåt ngöi sao coá thïí coi laâ tiïën hoáa möåt caách dêìn dêìn tûâ traång thaái cên bùçng naây àïën traång thaái cên bùçng khaác.

Cuöëi cuâng, úã nhûäng nhiïåt àöå nhiïìu nghòn triïåu àöå trong vuä truå sú khai, ngay caã caác haåt nhên nguyïn tûã cuäng phên ly nhanh choáng ra caác thaânh phêìn cuãa chuáng, proton vaâ nútron. Nhûäng

Steven Weinberg 82


phaãn ûáng xaãy ra nhanh choáng àïën nöîi vêåt chêët vaâ phaãn vêåt chêët coá thïí taåo nïn tûâ nùng lûúång àún thuêìn hoùåc bõ huãy diïåt laåi.

Trong nhûäng àiïìu kiïån àoá, caác àaåi lûúång àûúåc baão toaân khöng phaãi laâ nhûäng söë haåt thuöåc möåt loaåi riïng naâo àoá. Traái laåi, caác àõnh luêåt baão toaân thñch húåp ruát xuöëng möåt con söë beá maâ (theo sûå hiïíu biïët hiïån nay cuãa chuáng ta) trong moåi àiïìu kiïån khaã dô vêîn coân àûúåc tön troång. Ngûúâi ta tin coá àuáng ba àaåi lûúång àûúåc baão toaân maâ mêåt àöå phaãi àûúåc noái roä trong toa cuãa ta vïì vuä truå sú khai:

1. Àiïån tñch. Ta coá thïí taåo ra hoùåc huãy diïåt nhûäng cùåp haåt vúái àiïån tñch bùçng nhau nhûng traái dêëu, nhûng àiïån tñch toaân phêìn khöng bao giúâ thay àöíi. (Ta coá thïí chùæc chùæn vïì luêåt baão toaân naây hún bêët kyâ luêåt baão toaân naâo khaác, búãi vò nïëu àiïån tñch khöng àûúåc baão toaân thò thuyïët Maxwell vïì àiïån vaâ tûâ hiïån nay àûúåc cöng nhêån seä khöng coân coá yá nghôa gò nûäa).

2. Söë baryon. “Baryon” laâ möåt danh tûâ chung bao haâm caác haåt nhên, proton vaâ nútron, cuâng vúái nhûäng haåt khöng bïìn nùång hún möåt tyá, goåi laâ hyperon. Baryon vaâ phaãn baryon coá thïí àûúåc taåo ra vaâ huãy ài tûâng cùåp, vaâ baryon coá thïí phên raä thaânh ra nhûäng baryon khaác, nhû trong “phên raä bïta” cuãa möåt haåt nhên phoáng xaå trong àoá möåt nútron biïën thaânh möåt proton hoùåc ngûúåc laåi. Tuy nhiïn, töíng söë baryon trûâ söë caác phaãn baryon (phaãn proton, phaãn nútron, phaãn hyperon) khöng bao giúâ thay àöíi. Do àoá chuáng ta gùæn möåt “söë baryon” bùçng +1 cho proton, nútron vaâ caác baryon, vaâ möåt “söë baryon” bùçng -1 cho nhûäng phaãn haåt tûúng ûáng; khi àoá luêåt laâ söë baryon toaân phêìn khöng bao giúâ thay àöíi. Söë baryon coá veã nhû khöng coá möåt yá nghôa àöång lûåc hoåc naâo nhû àiïån tñch; theo ta biïët hiïån nay, söë baryon chùèng taåo ra àûúåc gò giöëng àiïån trûúâng hoùåc tûâ trûúâng. Söë baryon laâ möåt phûúng phaáp kïë toaán - yá nghôa cuãa noá hoaân toaân laâ úã chöî noá àûúåc baão toaân.

3. Söë lepton. “Lepton” laâ nhûäng haåt nheå mang àiïån êm, electron vaâ muon cöång vúái möåt haåt trung hoâa àiïån coá khöëi lûúång bùçng khöng goåi laâ neutrino vaâ nhûäng phaãn haåt cuãa chuáng, pözitron, phaãn muon vaâ phaãn neutrino. Mùåc dêìu coá khöëi lûúång vaâ àiïån tñch bùçng khöng, neutrino khöng phaãi laâ nhûäng haåt coá tñnh



chêët hû cêëu hún photon. Chuáng mang nùng lûúång vaâ xung lûúång nhû moåi haåt khaác. Luêåt baão toaân söë lepton laâ möåt luêåt “kïë toaán” khaác - töíng söë caác lepton trûâ ài töíng söë caác phaãn lepton khöng khi naâo thay àöíi. (Nùm 1962 nhiïìu thñ nghiïåm vúái nhûäng chuâm neutrino àaä phaát hiïån rùçng ñt nhêët coá hai loaåi neutrino, möåt loaåi “thuöåc electron”, vaâ möåt loaåi “thuöåc muon”, vaâ hai loaåi söë lepton: söë lepton thuöåc electron laâ töíng söë caác electron cöång vúái caác neutrino thuöåc electron trûâ ài söë caác phaãn haåt cuãa chuáng, trong khi söë lepton thuöåc muon laâ töíng söë caác muon cöång vúái caác neutrino thuöåc muon trûâ söë caác phaãn haåt cuãa chuáng. Caã hai xem ra àûúåc baão toaân möåt caách tuyïåt àöëi, nhûng ta cuäng khöng biïët thêåt chùæc chùæn vïì àiïìu naây).

Möåt vñ duå töët vïì sûå àuáng àùæn cuãa luêåt naây laâ sûå phên raä phoáng xaå cuãa möåt nútron n thaânh möåt proton p, möåt electron e-, vaâ möåt phaãn neutrino (thuöåc electron). Caác giaá trõ cuãa àiïån tñch, söë baryon, vaâ söë lepton cuãa möîi haåt laâ nhû sau:

Baån àoåc coá thïí dïî daâng kiïím tra rùçng töíng caác giaá trõ cuãa bêët cûá àaåi lûúång àûúåc baão toaân naâo cuãa nhûäng haåt úã traång thaái cuöëi cuâng bùçng giaá trõ cuãa àaåi lûúång àoá úã nútron ban àêìu. Àêy laâ caái maâ ta goåi laâ sûå viïåc “caác àaåi lûúång àoá àûúåc baão toaân”. Caác luêåt baão toaân rêët quan troång vò chuáng cho chuáng ta biïët rùçng möåt söë lúán phaãn ûáng khöng thïí xaãy ra, chùèng haån nhû quaá trònh phên raä bõ cêëm trong àoá möåt nútron phên raä thaânh möåt proton vaâ nhiïìu hún möåt phaãn neutrino.

Nhû vêåy, àïí hoaân thiïån toa cho caác thaânh phêìn cuãa vêån töëc úã bêët cûá thúâi gian naâo, ta phaãi noái roä àiïån tñch, söë baryon vaâ söë lepton cho möîi àún võ thïí tñch cuäng nhû nhiïåt àöå luác àoá. Caác luêåt baão toaân cho ta biïët rùçng trong möåt thïí tñch naâo àoá cuäng giaän núã vúái vuä truå, trõ söë cuãa caác àaåi lûúång naây àûúåc giûä nguyïn. Nhû vêåy, àiïån tñch, söë baryon vaâ söë lepton trong möîi àún võ thïí tñch chó biïën thiïn theo söë àaão cuãa lêåp phûúng kñch thûúác vuä truå. Nhûng söë photon trong möîi àún võ thïí tñch cuäng biïën thiïn theo söë àaão cuãa lêåp phûúng kñch thûúác vuä truå. (Ta àaä thêëy trong chûúng ba rùçng söë photon trong möîi àún võ thïí tñch tyã lïå vúái lêåp phûúng nhiïåt àöå, trong khi àoá, nhû ta àaä lûu yá úã àêìu chûúng naây, nhiïåt àöå biïën

Steven Weinberg 84


thiïn theo söë àaão cuãa kñch thûúác cuãa vuä truå). Do àoá, àiïån tñch, söë baryon vaâ söë lepton trïn möîi photon àûúåc giûä nguyïn, vaâ toa cuãa chuáng ta coá thïí àûúåc àûa ra möåt lêìn cho maäi maäi bùçng caách ghi roä giaá trõ cuãa caác àaåi lûúång àûúåc baão toaân nhû möåt söë tyã lïå vúái söë photon.

(Noái chùåt cheä ra, àaåi lûúång biïën thiïn nhû söë àaão cuãa lêåp phûúng kñch thûúác cuãa vuä truå khöng phaãi laâ söë photon trïn möîi àún võ thïí tñch maâ laâ entropi trïn möîi àún võ thïí tñch. Entropi laâ möåt àaåi lûúång cú baãn cuãa cú hoåc thöëng kï, coá liïn hïå vúái àöå höîn àöån cuãa möåt hïå vêåt lyá. Ngoaâi möåt thûâa söë quy ûúác bùçng söë, entropi àûúåc cho vúái möåt gêìn àuáng khaá töët nhû laâ töíng têët caã caác haåt úã cên bùçng nhiïåt, haåt vêåt chêët cuäng nhû photon, vúái nhûäng loaåi haåt khaác nhau mang caác àùåc trûng ghi úã baãng möåt. Caác hùçng söë maâ chuáng ta thûåc sûå phaãi duâng àïí àùåc trûng vuä truå cuãa chuáng ta laâ caác tyã söë giûäa àiïån tñch vaâ entropi, söë baryon vaâ entropi, söë lepton vaâ entropi. Tuy nhiïn, duâ laâ úã nhiïåt àöå rêët cao, söë haåt vêåt chêët nhiïìu nhêët cuäng cuâng bêåc àöå lúán nhû söë photon, do do àoá ta seä khöng sai lêìm lùæm nïëu duâng söë photon thay cho entropi àïí laâm möåt chuêín so saánh).

Dïî ûúác lûúång àiïån tñch vuä truå trïn möîi photon. Vúái sûå hiïíu biïët hiïån nay cuãa ta, mêåt àöå trung bònh cuãa àiïån tñch laâ bùçng khöng trong khùæp vuä truå. Nïëu mùåt trúâi vaâ quaã àêët coá möåt àiïån tñch dûúng lúán hún àiïån tñch êm (hoùåc ngûúåc laåi) chó khoaãng möåt phêìn triïåu triïåu triïåu triïåu triïåu triïåu (10 muä 36), lûåc àêíy àiïån giûäa chuáng seä phaãi lúán hún lûåc hêëp dêîn. Nïëu vuä truå laâ hûäu haån vaâ àoáng, ta coân coá thïí àûa nhêån xeát àoá lïn thaânh möåt àõnh lyá: Àiïån tñch toaân phêìn cuãa vuä truå phaãi bùçng khöng, vò nïëu khöng nhû vêåy thò caác àûúâng lûåc àiïån seä cuöën quanh quanh vuä truå, taåo nïn möåt trûúâng àiïån vö haån. Nhûng duâ vuä truå laâ múã hay àoáng, coá thïí noái möåt caách chùæc chùæn rùçng àiïån tñch vuä truå trïn möîi photon laâ khöng àaáng kïí.

Söë baryon trïn möîi photon cuäng dïî ûúác lûúång. Nhûäng baryon bïìn duy nhêët laâ nhûäng haåt haåt nhên, proton vaâ nútron, vaâ phaãn haåt cuãa chuáng, phaãn proton vaâ phaãn nútron. (Nútron tûå do thûåc ra laâ khöng bïìn, coá thúâi gian söëng trung bònh laâ 15,3 phuát, nhûng caác



lûåc haåt nhên laâm cho nútron trúã nïn tuyïåt àöëi bïìn trong caác haåt nhên nguyïn tûã cuãa vêåt chêët thöng thûúâng). Ngoaâi ra, nhû ta biïët, hiïån nay khöng coá möåt lûúång phaãn vêåt chêët àaáng kïí naâo trong vuä truå. (Ta seä noái nhiïìu hún vïì àiïìu naây úã nhûäng phêìn sau). Do àoá, söë baryon cuãa bêët kyâ phêìn naâo cuãa vuä truå hiïån nay vïì cùn baãn bùçng söë haåt haåt nhên. Trong chûúng trûúác ta thêëy rùçng hiïån nay coá möåt haåt nhên cho möîi 1000 triïåu photon trong phöng bûác xaå cûåc ngùæn (con söë chñnh xaác chûa àûúåc roä), nhû vêåy söë baryon trïn möîi photon laâ vaâo khoaãng möåt phêìn nghòn triïåu (10 muä -9).

Àoá thûåc laâ möåt kïët luêån àaáng chuá yá. Àïí thêëy àûúåc caác hïå quaã cuãa noá, ta haäy xeát möåt luác trong quaá khûá khi nhiïåt àöå úã trïn mûúâi triïåu triïåu àöå (10 muä 13 K), nhiïåt àöå ngûúäng àöëi vúái nútron vaâ proton. Luác àoá vuä truå chùæc àûúåc chûáa nhiïìu haåt vaâ phaãn haåt, nhiïìu vaâo khoaãng nhû photon. Nhûng söë baryon laâ hiïåu giûäa caác söë haåt vaâ phaãn haåt haåt nhên. Nïëu hiïåu àoá laâ 1000 triïåu lêìn nhoã hún söë photon, vaâ do àoá cuäng vaâo khoaãng 1000 triïåu lêìn beá hún töíng söë haåt haåt nhên, thò khi àoá söë haåt haåt nhên seä chó phaãi lúán hún söë phaãn haåt laâ möåt phêìn nghòn triïåu. Theo caách nhòn àoá, khi vuä truå nguöåi xuöëng dûúái nhiïåt àöå ngûúäng cuãa caác haåt haåt nhên, caác phaãn haåt àïìu bõ huãy vúái caác haåt tûúng ûáng, àïí laåi möåt söë ñt coân thûâa nhû laâ möåt phêìn dû maâ luác naâo àêëy àaä trúã thaânh thïë giúái cuãa chuáng ta.

Nhû vêåy, àêy laâ möåt toa cuãa chuáng ta cho caác thaânh phêìn cuãa vuä truå sú khai. Lêëy möåt àiïån tñch cho möîi photon bùçng 0, möåt söë baryon cho möîi photon bùçng möåt phêìn nghòn triïåu vaâ möåt söë lepton cho möîi photon khöng chùæc lùæm nhûng beá... Khuêëy àïìu... Sau möåt thúâi gian chúâ àúåi àuã lêu, “baát thuöëc” naây seä trúã thaânh vuä truå hiïån nay cuãa ta.

Sûå xuêët hiïån trong vuä truå hoåc möåt con söë thuêìn tuáy nhoã bùçng möåt phêìn nghòn triïåu àaä laâm cho möåt vaâi nhaâ lyá thuyïët cho rùçng con söë àoá thûåc sûå bùçng khöng - nghôa laâ vuä truå thûåc ra chûáa àûång möåt lûúång vêåt chêët vaâ phaãn vêåt chêët ngang nhau. Khi àoá viïåc söë baryon trïn möîi photon coá veã bùçng möåt phêìn mûúâi nghòn triïåu phaãi àûúåc giaãi thñch bùçng caách giaã thiïët rùçng möåt luác naâo àoá trûúác khi nhiïåt àöå vuä truå haå xuöëng dûúái nhiïåt àöå ngûúäng àöëi vúái caác haåt haåt nhên, àaä xaãy ra sûå taách vuä truå ra thaânh nhûäng vuâng khaác

Steven Weinberg 86


nhau, möåt söë vuâng coá möåt àöå döi nhoã (möåt vaâi phêìn nghòn triïåu) cuãa vêåt chêët so vúái phaãn vêåt chêët, vaâ möåt söë vuâng khaác coá möåt àöå döi nhoã cuãa phaãn vêåt chêët so vúái vêåt chêët. Sau khi nhiïåt àöå haå xuöëng vaâ têët caã caác cùåp vêåt chêët - phaãn vêåt chêët coá thïí huãy àûúåc àïìu àaä bõ huãy, vuä truå coân laåi bao göìm nhûäng vuâng chó coá vêåt chêët vaâ nhûäng vuâng chó coá phaãn vêåt chêët. Caái phiïìn cuãa yá tûúãng naây laâ chûa ai thêëy àûúåc nhûäng dêëu hiïåu vïì nhûäng lûúång phaãn vêåt chêët àaáng kïí úã bêët cûá àêu trong vuä truå. Caác tia chuáng ta ài túái nhûäng lúáp khñ quyïín cao cuãa quaã àêët chuáng ta àûúåc coi laâ xuêët phaát möåt phêìn tûâ nhûäng vuâng úã xa trong thiïn haâ cuãa chuáng ta vaâ coá thïí möåt phêìn tûâ ngoaâi thiïn haâ cuãa chuáng ta. Caác tia vuä truå àaåi böå phêån laâ vêåt chêët chûá khöng phaãi phaãn vêåt chêët - thêåt ra cho àïën nay chûa ai àaä quan saát àûúåc möåt phaãn photon hoùåc möåt phaãn haåt nhên trong caác tia vuä truå. Ngoaâi ra, ta khöng thïí quan saát àûúåc caác photon coá thïí taåo nïn tûâ sûå huãy cuãa vêåt chêët vaâ phaãn vêåt chêët úã quy mö vuä truå.

Möåt khaã nùng khaác laâ mêåt àöå photon (hoùåc noái àuáng hún, mêåt àöå entropi) àaä khöng àûúåc giûä tyã lïå vúái söë àaão cuãa lêåp phûúng kñch thûúác cuãa vuä truå. Àiïìu naây coá thïí xaãy ra nïëu àaä coá möåt loaåi sai khaác naâo àoá so vúái traång thaái cên bùçng nhiïåt, möåt loaåi ma saát hoùåc àöå nhúát coá thïí àöët noáng vuä truå vaâ taåo nïn nhûäng photon döi ra.

Trong trûúâng húåp naây, söë baryon trïn möîi photon coá thïí bùæt àêìu tûâ möåt giaá trõ kha khaá, coá thïí vaâo khoaãng möåt, vaâ tûâ àoá tuåt xuöëng giaá trõ thêëp nhêët hiïån nay do coá nhiïìu photon hún àûúåc taåo nïn. Caái khoá laâ chûa ai coá thïí àûa ra möåt cú chïë chi tiïët naâo àoá vïì quaá trònh taåo ra caác photon thûâa àoá. Caách àêy vaâi nùm töi àaä thûã tòm, nhûng àaä thêët baåi hoaân toaân.

Sau naây, töi seä khöng noái àïën têët caã nhûäng khaã nùng “khöng chuêín” naây, vaâ seä àún giaãn cho rùçng söë baryon trïn möîi photon laâ: khoaãng möåt phêìn nghòn triïåu.

Vïì mêåt àöå söë lepton vuä truå thò sao? Viïåc vuä truå khöng coá àiïån tñch noái cho ta hay trûåc tiïëp rùçng hiïån nay coá àuáng möåt electron mang àiïån tñch êm cho möîi proton mang àiïån dûúng. Khoaãng 87 %



haåt haåt nhên trong vuä truå hiïån nay laâ proton, nhû vêåy söë electron gêìn bùçng töíng söë haåt haåt nhên. Nïëu electron laâ nhûäng lepton duy nhêët trong vuä truå hiïån nay, thò ta coá thïí kïët luêån ngay laâ söë lepton cho möîi photon laâ àöí àöìng bùçng söë baryon cho möîi photon.

Tuy nhiïn, coá möåt loaåi haåt bïìn khaác ngoaâi electron vaâ pözitron, mang möåt söë lepton khöng bùçng khöng: neutrino vaâ phaãn haåt cuãa noá, phaãn neutrino, laâ nhûäng haåt khöng khöëi lûúång trung hoâa vïì àiïån, nhû photon, nhûng coá söë lepton lêìn lûúåt laâ +1 vaâ - 1. Nhû vêåy, àïí xaác àõnh mêåt àöå söë lepton cuãa vuä truå hiïån nay, ta cêìn biïët möåt ñt gò àoá vïì caác mêåt àöå neutrino vaâ phaãn neutrino.

Tiïëc thay, rêët khoá thu àûúåc thöng tin àoá. Neutrino giöëng electron úã chöî noá khöng chõu aãnh hûúãng cuãa lûåc haåt nhên maånh giûä caác photon vaâ nútron bïn trong haåt nhên nguyïn tûã (thónh thoaãng töi duâng chûä neutrino àïí chó neutrino hoùåc phaãn neutrino). Tuy nhiïn, khaác electron, noá trung hoâa vïì àiïån, do vêåy cuäng khöng chõu aãnh hûúãng cuãa caác lûåc àiïån vaâ tûâ, nhûäng lûåc giûä electron úã laåi trong nguyïn tûã. Thûåc ra, neutrino khöng chõu aãnh hûúãng gò nhiïìu lùæm cuãa bêët kyâ loaåi lûåc naâo. Chuáng hûúãng ûáng cuäng nhû bêët kyâ vêåt naâo khaác trong vuä truå vúái lûåc hêëp dêîn, vaâ chuáng cuäng nhaåy vúái lûåc yïëu chõu traách nhiïåm vïì caác quaá trònh phoáng xaå nhû laâ sûå phên raä nútron àaä nhùæc àïën trûúác àêy, nhûng caác lûåc àoá chó gêy nïn möåt tûúng taác yïëu vúái vêåt chêët bònh thûúâng. Vñ duå thûúâng àûúåc àûa ra àïí chó roä neutrino tûúng taác yïëu nhû thïë naâo laâ, àïí coá möåt cú höåi àaáng kïí àïí chùån àûáng hoùåc taán xaå möåt neutrino cho trûúác naâo àoá àûúåc taåo nïn trong quaá trònh phoáng xaå naâo àoá ta phaãi àùåt möåt têëm chò daây túái nhiïìu nùm aánh saáng trïn àûúâng ài cuãa noá. Mùåt trúâi bûác xaå neutrino möåt caách liïn tuåc, chuáng àûúåc taåo nïn khi proton biïën thaânh nútron trong caác phaãn ûáng haåt nhên trong loâng mùåt trúâi; caác neutrino àoá xuyïn qua ngûúâi ta tûâ trïn xuöëng ban ngaây vaâ tûâ dûúái lïn vaâo ban àïm, khi mùåt trúâi úã bïn phña kia cuãa quaã àêët, vò quaã àêët hoaân toaân trong suöët àöëi vúái chuáng. Neutrino àûúåc Wolfgang Pauli giaã thiïët tûâ lêu trûúác khi chuáng àûúåc quan saát, nhû möåt caách àïí laâm cên bùçng nùng lûúång trong möåt quaá trònh nhû laâ sûå phên raä nútron. Maäi àïën cuöëi nhûäng nùm 1950 ngûúâi ta múái coá thïí phaát hiïån àûúåc neutrino vaâ phaãn neutrino möåt caách trûåc tiïëp, bùçng caách

Steven Weinberg 88


taåo nïn trong caác loâ phaãn ûáng haåt nhên hoùåc nhûäng maáy gia töëc haåt nhûäng lûúång lúán àïën mûác vaâi trùm haåt thûåc sûå àaä dûâng laåi úã trong caác thiïët bõ phaát hiïån.

Do khaã nùng tûúng taác cûåc yïëu àoá nïn dïî hiïíu rùçng coá nhûäng lûúång lúán neutrino vaâ phaãn neutrino coá thïí chûáa àêìy vuä truå quanh ta, song chuáng ta khöng hïì coá möåt gúåi yá naâo vïì sûå coá mùåt cuãa chuáng. Coá thïí àùåt möåt vaâi giúái haån trïn thö thiïín vïì söë neutrino vaâ phaãn neutrino: Nïëu coá nhûäng haåt àoá quaá nhiïìu thò khi àoá nhûäng quaá trònh phên raä haåt nhên yïëu naâo àoá coá thïí bõ aãnh hûúãng chuát ñt, vaâ thïm vaâo àêëy sûå giaän núã vuä truå coá thïí giaãm töëc nhanh hún laâ àûúåc quan saát. Tuy nhiïn, caác giúái haån trïn àoá khöng laâm mêët ài khaã nùng coá nhiïìu neutrino vaâ (hoùåc) phaãn neutrino nhû photon, vaâ vúái nhûäng nùng lûúång tûúng tûå .

Duâ coá nhûäng yá kiïën nhû vêåy, caác nhaâ vuä truå hoåc vêîn thûúâng cho rùçng söë lepton (söë caác electron, muon vaâ neutrino, trûâ ài söë caác phaãn haåt tûúng ûáng) trïn möîi photon laâ beá, beá hún möåt nhiïìu. Àoá laâ hoaân toaân trïn cú súã tñnh tûúng tûå - söë baryon trïn möîi phöton laâ beá, vêåy taåi sao söë lepton trïn möîi phöton laåi khöng beá? Àoá laâ möåt trong nhûäng giaã thiïët ñt chùæc chùæn nhêët trong “mö hònh chuêín”, nhûng may thay duâ noá laâ sai thò bûác tranh töíng quaát maâ chuáng ta suy ra cuäng chó thay àöíi úã vaâi chi tiïët maâ thöi.

Têët nhiïn trïn nhiïåt àöå ngûúäng àöëi vúái electron coá rêët nhiïìu lepton vaâ phaãn lepton - söë electron vaâ pözitron gêìn bùçng söë photon. Duâ vêåy, trong nhûäng àiïìu kiïån àoá, vuä truå noáng vaâ coá mêåt àöå lúán àïën mûác caã caác neutrino “ma” cuäng àaåt àûúåc cên bùçng nhiïåt, cho nïn cuäng coá möåt söë neutrino vaâ phaãn neutrino gêìn bùçng söë photon. Trong mö hònh chuêín, ta giaã thiïët laâ söë lepton, hiïåu giûäa söë lûúång lepton vaâ phaãn lepton, laâ vaâ àaä laâ beá hún söë lûúång photon. Trûúác àêy coá thïí coá möåt àöå döi nhoã cuãa lepton so vúái phaãn lepton, nhû àöå döi nhoã cuãa baryon so vúái phaãn baryon àaä noái àïën úã trïn, àöå döi àoá àaä coân laåi cho àïën ngaây nay. Ngoaâi ra, neutrino vaâ phaãn neutrino tûúng taác yïëu àïën nöîi möåt söë lúán chuáng coá thïí thoaát khoãi sûå huãy, trong trûúâng húåp àoá bêy giúâ coá thïí coá nhûäng khöëi lûúång neutrino vaâ phaãn neutrino gêìn bùçng nhau, so saánh àûúåc vúái söë lûúång photon. Ta seä thêëy trong chûúng sau rùçng chuáng laâ àiïìu maâ ngûúâi



ta tin tûúãng, nhûng trong möåt tûúng lai gêìn hêìu nhû khöng coá möåt cú höåi nhoã beá nhêët naâo àïí quan saát àûúåc con söë to lúán neutrino vaâ phaãn neutrino xung quanh ta.

Nhû vêåy, àêy laâ möåt toa cuãa chuáng ta cho caác thaânh phêìn cuãa vuä truå sú khai. Lêëy möåt àiïån tñch cho möîi photon bùçng 0, möåt söë baryon cho möîi photon bùçng möåt phêìn nghòn triïåu vaâ möåt söë lepton cho möîi photon khöng chùæc lùæm nhûng beá. Lêëy nhiïåt àöå úã bêët kyâ thúâi gian naâo lúán hún nhiïåt àöå 3 K cuãa phöng bûác xaå hiïån nay theo tyã lïå giûäa kñch thûúác hiïån nay cuãa vuä truå vaâ kñch thûúác luác àoá. Khuêëy àïìu, sao cho caác phên böë chi tiïët cuãa nhûäng haåt thuöåc caác loaåi khaác nhau àûúåc xaác àõnh búãi nhûäng yïu cêìu cuãa cên bùçng nhiïåt. Àùåt vaâo trong möåt vuä truå giaän núã, vúái möåt töëc àöå giaän núã àûúåc quy àõnh búãi trûúâng hêëp dêîn do möi trûúâng àoá sinh ra. Sau möåt thúâi gian chúâ àúåi àuã lêu, “baát thuöëc” naây seä trúã thaânh vuä truå hiïån nay cuãa ta.

Steven Weinberg 90


BA PHUÁT ÀÊÌU TIÏN

Bêy giúâ chuáng ta àaä sùén saâng àïí theo doäi quaá trònh tiïën hoáa cuãa vuä truå qua ba phuát àêìu tiïn cuãa noá. Luác àêìu caác biïën cöë vêån àöång nhanh hún sau àoá nhiïìu, cho nïn ta khöng coá lúåi nïëu chó ra nhûäng hònh aãnh caách àïìu nhau vïì thúâi gian nhû möåt phim aãnh bònh thûúâng. Thay vaâo àoá, töi seä àiïìu chónh töëc àöå cuãa cuöån phim cuãa ta theo nhiïåt àöå haå dêìn cuãa vuä truå, ngûng maáy quay àïí chuåp möåt caãnh möîi khi nhiïåt àöå haå xuöëng khoaãng ba lêìn.

Tiïëc thay töi khöng thïí bùæt àêìu cuöën phim luác thúâi gian bùçng khöng vaâ nhiïåt àöå vö cuâng lúán. Trïn möåt nhiïåt àöå ngûúäng 15 nghòn triïåu àöå Kelvin (15.10 muä 12 K), vuä truå àaä chûáa àêìy nhûäng söë lûúång lúán haåt goåi laâ mïzon pi, chuáng nùång khoaãng möåt phêìn baãy möåt haåt haåt nhên (xem baãng 1). Khaác vúái electron, pözitron, muon vaâ neutrino, caác mïzon pi tûúng taác rêët maånh vúái nhau vaâ vúái caác haåt haåt nhên - thûåc ra, sûå trao àöíi liïn tuåc caác mïzon pi giûäa caác haåt haåt nhên chõu traách nhiïåm vïì phêìn lúán lûåc huát giûäa caác haåt nhên nguyïn tûã laåi vúái nhau. Sûå coá mùåt cuãa nhûäng söë lúán haåt tûúng taác maånh nhû vêåy laâm cho viïåc tñnh toaán biïën diïîn cuãa vêåt chêët úã nhiïåt àöå siïu cao laâ cûåc kyâ khoá khùn, cho nïn àïí traánh nhûäng baâi toaán khoá nhû vêåy, töi seä bùæt àêìu cêu chuyïån trong chûúng naây úã möåt phêìn trùm giêy sau luác bùæt àêìu, khi nhiïåt àöå àaä laånh ài chó coân möåt trùm nghòn triïåu àöå Kelvin maâ thöi, chùæc chùæn dûúái nhiïåt àöå ngûúäng àöëi vúái mïzon pi, muon vaâ têët caã caác haåt nùång hún. ÚÃ chûúng baãy töi seä noái möåt ñt vïì sûå suy nghô cuãa caác nhaâ vêåt lyá lyá thuyïët vïì chuyïån gò coá thïí xaãy ra gêìn thúâi àiïím bùæt àêìu hún thïë nûäa.

Vúái nhûäng quy ûúác nhû vêåy, ta haäy bùæt àêìu cuöën phim cuãa ta.

Caãnh möåt. Nhiïåt àöå cuãa vuä truå laâ 100 000 triïåu àöå Kelvin (10 muä 11 K). Viïåc mö taã vuä truå àún giaãn vaâ dïî daâng hún laâ bêët cûá luác



naâo sau naây. Noá chûáa àêìy möåt thûá suáp höîn àöån cuãa vêåt chêët vaâ bûác xaå, möîi haåt cuãa noá va chaåm rêët nhanh vúái nhûäng haåt khaác. Nhû vêåy, mùåc duâ giaän núã nhanh, vuä truå úã trong möåt traång thaái cên bùçng nhiïåt gêìn nhû hoaân haão. Caác thaânh phêìn cuãa vuä truå vò vêåy àûúåc quy àõnh búãi caác luêåt cuãa cú hoåc thöëng kï, vaâ khöng phuå thuöåc vaâo caái àaä xaãy ra trûúác caãnh möåt. Têët caã nhûäng caái chuáng ta cêìn biïët laâ nhiïåt àöå úã 10 muä 11 K vaâ caác àaåi lûúång àûúåc baão toaân - àiïån tñch, söë baryon, söë lepton - têët caã àïìu rêët beá hoùåc bùçng 0.

Nhûäng haåt coá nhiïìu luác àoá laâ nhûäng haåt maâ nhiïåt àöå ngûúäng úã dûúái 11 muä 11 K; àoá laâ electron vaâ phaãn haåt cuãa noá, pözitron, vaâ cöë nhiïn laâ nhûäng haåt khöng khöëi lûúång photon, neutrino vaâ phaãn neutrino (möåt lêìn nûäa xem baãng 1). Vuä truå coá mêåt àöå cao àïën mûác caác neutrino coá thïí du haânh haâng nùm xuyïn qua nhûäng tûúâng bùçng chò maâ khöng bõ taán xaå, àûúåc giûä trong cên bùçng nhiïåt vúái electron, pözitron vaâ photon bùçng nhûäng va chaåm nhanh vúái chuáng vaâ giûäa chuáng vúái nhau. (Töi laåi seä thónh thoaãng chó duâng tûâ “neutrino”) àïí chó neutrino vaâ phaãn neutrino).

Möåt sûå àún giaãn hoáa khaác - nhiïåt àöå 10 muä 11 K laâ cao hún nhiïìu so vúái nhiïåt àöå ngûúäng cho electron vaâ pözitro. Kïët quaã laâ nhûäng haåt àoá, cuäng nhû photon vaâ neutrino, biïën diïîn àuáng nhû nhiïìu loaåi bûác xaå khaác nhau khaác. Mêåt àöå nùng lûúång cuãa nhûäng loaåi bûác xaå khaác nhau àoá laâ bao nhiïu? Theo baãng 1, electron, pözitron cuâng nhau àoáng goáp 7/4 nùng lûúång nhû photon vaâ caác neutrino vaâ phaãn neutrino àoáng goáp bùçng caác electron vaâ pözitron, vò vêåy nùng lûúång toaân phêìn lúán hún mêåt àöå nùng lûúång tñnh cho bûác xaå àiïån tûâ úã nhiïåt àöå àoá, laâ

7/4 +7/4+1= 9/2 lêìn Àõnh luêåt Stefan - Boltzmann (xem chûúng III) cho mêåt àöå

nùng lûúång cuãa bûác xaå àiïån tûâ úã nhiïåt àöå 10 muä 11 K bùçng 4,72 x 1044 electron-vön möîi lñt, cho nïn mêåt àöå nùng lûúång toaân phêìn cuãa vuä truå úã nhiïåt àöå àoá laâ 9/2 lêìn lúán hún, hoùåc 21 x 10 muä 44 electron-vön möîi lñt. Giaá trõ naây tûúng àûúng vúái möåt mêåt àöå khöëi lûúång laâ 3,8 nghòn triïåu kilogam möîi lñt, hoùåc 3,8 nghòn triïåu lêìn mêåt àöå cuãa nûúác trong àiïìu kiïån bònh thûúâng trïn quaã àêët. (Khi

Steven Weinberg 92


töi noái möåt nùng lûúång naâo àoá tûúng àûúng vúái möåt khöëi lûúång naâo àoá, têët nhiïn töi muöën noái rùçng àoá laâ nùng lûúång coá thïí àûúåc giaãi phoáng theo cöng thûác Einstein, E = mc2 nïëu khöëi lûúång àûúåc chuyïín hoaân toaân thaânh nùng lûúång). Nïëu nuái Everest àûúåc laâm bùçng vêåt chêët coá mêåt àöå nhû vêåy, thò lûåc hêëp dêîn cuãa noá seä phaá huãy traái àêët.

Vuä truå trong caãnh möåt giaän núã vaâ nguöåi ài nhanh choáng. Töëc àöå giaän núã àûúåc quy àõnh bùçng àiïìu kiïån laâ möîi phêìn nhoã cuãa vuä truå àïìu chuyïín àöång àuáng vúái vêån töëc thoaát khoãi bêët kyâ têm tuây yá naâo. Vúái mêåt àöå to lúán trong caãnh möåt, vêåt töëc thoaát cuäng lúán tûúng ûáng - thúâi gian àùåc trûng cho sûå giaän núã vuä truå laâ vaâo khoaãng 0,02 giêy (xem chuá thñch toaán hoåc 3). “Thúâi gian giaän núã àùåc trûng” coá thïí àûúåc àõnh nghôa thö thiïín laâ möåt trùm lêìn khoaãng thúâi gian cho kñch thûúác vuä truå tùng 1 %. Noái chñnh xaác hún, thúâi gian giaän núã àùåc trûng úã bêët kyâ luác naâo cuäng laâ nghõch àaão cuãa “hùçng söë” Hubble luác àoá. Nhû àaä lûu yá úã chûúng II, tuöíi vuä truå luön beá hún thúâi gian giaän núã àùåc trûng, búãi vò lûåc hêëp dêîn haäm búát sûå giaän núã möåt caách liïn tuåc).

Coá möåt söë ñt haåt haåt nhên vaâo luác caãnh möåt, khoaãng möåt proton hoùåc nútron cho möîi nghòn triïåu photon hoùåc electron hoùåc neutrino. Àïí coá thïí khi cêìn tiïn àoaán àöå nhiïìu cuãa caác nguyïn töë hoáa hoåc taåo nïn trong vuä truå sú khai, ta cuäng cêìn biïët caác tyã lïå tûúng àöëi cuãa proton vaâ nútron. Nútron nùång hún proton vaâ hiïåu khöëi lûúång giûäa chuáng tûúng àûúng vúái nùng lûúång 1,293 triïåu electron - vön. Tuy nhiïn nùng lûúång àùåc trûng cuãa electron, pözitron, v. v... úã möåt nhiïåt àöå 10 muä 11 K laâ lúán hún nhiïìu, khoaãng mûúâi triïåu electron - vön (hùçng söë Boltzmann nhên vúái nhiïåt àöå). Nhû vêåy, nhûäng va chaåm giûäa nútron hoùåc proton vúái nhûäng electron, pözitron v.v... nhiïìu hún nhiïìu, seä taåo nïn nhûäng sûå chuyïín nhanh tûâ proton qua nútron vaâ ngûúåc laåi. Caác phaãn ûáng quan troång nhêët laâ

Phaãn neutrino cöång proton cho pözitron cöång nútron (vaâ ngûúåc laåi) Neutrino cöång nútron cho electron cöång proton



(vaâ ngûúåc laåi) Vúái giaã thiïët rùçng söë lepton vaâ àiïån tñch toaân phêìn cho möîi

photon laâ rêët beá, söë neutrino vaâ phaãn neutrino seä bùçng nhau, cuäng nhû söë pözitron vaâ electron, cho nïn caác sûå chuyïín tûâ proton àïën nútron cuäng nhanh nhû caác sûå chuyïín tûâ nútron àïën proton. (Sûå phên raä phoáng xaå cuãa nútron coá thïí àûúåc boã qua úã àêy vò noá diïîn ra khoaãng mûúâi lùm phuát, maâ ta hiïån àang xeát khoaãng thúâi gian haâng phêìn trùm giêy). Nhû vêåy, sûå cên bùçng àoâi hoãi söë proton vaâ nútron gêìn bùçng nhau úã caãnh möåt. Nhûäng haåt haåt nhên àoá chûa liïn kïët laåi àïí thaânh caác haåt nhên; nùng lûúång cêìn àïí phaá vúä möåt haåt nhên àiïín hònh möåt caách hoaân toaân chó laâ 6 àïën 8 triïåu electron - vön cho möîi haåt haåt nhên; noá beá hún caác nùng lûúång nhiïåt àùåc trûng úã 10 muä 11 K, do àoá nhûäng haåt nhên phûác taåp bõ phaá huãy cuäng nhanh choáng nhû chuáng hònh thaânh.

Tûå nhiïn naãy ra cêu hoãi: vuä truå trong nhûäng thúâi kyâ sú khai nhêët lúán nhû thïë naâo. Tiïëc thay chuáng ta khöng biïët àûúåc, vaâ chuáng ta cuäng khöng chùæc lùæm rùçng cêu hoãi àoá coá möåt yá nghôa naâo àoá. Nhû àaä noái úã chûúng II vuä truå hiïån nay cuäng coá thïí laâ vö haån, trong trûúâng húåp àoá noá cuäng àaä laâ vö haån trong thúâi gian cuãa caãnh möåt vaâ seä luön luön laâ vö haån. Mùåt khaác, coá thïí laâ hiïån nay vuä truå coá möåt chu vi hûäu haån, àöi khi àûúåc ûúác lûúång khoaãng 125 nghòn triïåu nùm aánh saáng. (Chu vi laâ khoaãng caách maâ ta phaãi ài theo möåt àûúâng thùèng cho àïën khi trúã vïì chöî cuä. Söë ûúác lûúång àoá dûåa trïn giaá trõ hiïån nay cuãa hùçng söë Hubble, vúái giaã thiïët rùçng mêåt àöå vuä truå gêëp àöi giaá trõ “túái haån” cuãa noá). Do nhiïåt àöå cuãa vuä truå haå xuöëng tyã lïå nghõch vúái kñch thûúác cuãa noá, chu vi cuãa vuä truå úã thúâi kyâ caãnh möåt beá hún bêy giúâ theo tyã lïå cuãa nhiïåt àöå luác àoá (10 muä 11 K) vaâ nhiïåt àöå bêy giúâ (3 K); àiïìu naây cho ta möåt chu vi úã caãnh möåt khoaãng böën nùm aánh saáng. Khöng coá chi tiïët naâo cuãa sûå tiïën hoáa vuä truå trong vaâi phuát àêìu tiïn phaãi phuå thuöåc vaâo viïåc chu vi cuãa vuä truå luác àoá laâ vö haån hoùåc chó bùçng vaâi nùm aánh saáng.

Caãnh hai. Nhiïåt àöå cuãa vuä truå laâ ba mûúi nghòn triïåu àöå Kelvin (3 x 10 muä 10 K). Tûâ caãnh möåt, 0,11 giêy àaä tröi qua. Khöng coá gò thay àöíi möåt caách àõnh tñnh -thaânh phêìn cuãa vuä truå vêîn chuã yïëu laâ electron, neutrino, phaãn neutrino vaâ photon, têët caã

Steven Weinberg 94


àïìu úã cên bùçng nhiïåt vaâ têët caã úã xa trïn nhiïåt àöå ngûúäng cuãa chuáng. Tûâ àoá mêåt àöå nùng lûúång quaã laâ giaãm nhû luäy thûâa böën cuãa nhiïåt àöå, àïën vaâo khoaãng ba mûúi triïåu lêìn mêåt àöå nùng lûúång chûáa àûång trong khöëi lûúång nghó cuãa nûúác bònh thûúâng. Töëc àöå giaän núã giaãm nhû bònh phûúng nhiïåt àöå, do àoá thúâi gian giaän núã àùåc trûng cuãa vuä truå bêy giúâ àaä keáo daâi trong khoaãng 0,2 giêy. Söë nhoã haåt nhên vêîn chûa liïn kïët thaânh caác haåt nhên, nhûng vò nhiïåt àöå haå thêëp, bêy giúâ caác nútron nùång hún biïën thaânh proton nheå hún möåt caách dïî daâng hún nhiïìu so vúái ngûúåc laåi. Sûå cên bùçng haåt nhên do àoá àaä bõ lïåch thaânh 38 % nútron vaâ 62 % proton.

Caãnh ba. Nhiïåt àöå cuãa vuä truå laâ mûúâi nghòn triïåu àöå Kelvin (10 muä 10 K). Tûâ caãnh möåt, 1,09 giêy àaä tröi qua. Trong thúâi gian àoá mêåt àöå vaâ nhiïåt àöå ngaây caâng haå thêëp àaä laâm tùng thúâi gian söëng tûå do trung bònh cuãa neutrino vaâ phaãn neutrino lïn àïën mûác maâ chuáng bùæt àêìu diïîn biïën nhû nhûäng haåt tûå do khöng coân úã cên bùçng nhiïåt vúái electron, pözitron vaâ photon. Tûâ àêy, chuáng seä khöng coân àoáng vai troâ gò quan troång trong cêu chuyïån cuãa ta, trûâ viïåc nùng lûúång cuãa chuáng vêîn tiïëp tuåc cung cêëp möåt phêìn cho nguöìn trûúâng hêëp dêîn cuãa vuä truå. Khöng coá gò thay àöíi lúán khi neutrino thoaát ra khoãi cên bùçng nhiïåt. (Trûúác sûå “àûát liïn kïët” àoá, nhûäng bûúác soáng neutrino àiïín hònh laâ tyã lïå nghõch vúái nhiïåt àöå, vaâ do nhiïåt àöå giaãm tyã lïå nghõch vúái kñch thûúác vuä truå, nhûäng bûúác soáng neutrino tùng tyã lïå thuêån vúái kñch thûúác vuä truå. Sau sûå àûát liïn kïët neutrino, caác neutrino seä giaän núã tûå do, nhûng dõch chuyïín àoã chung seä keáo daâi nhûäng bûúác soáng cuãa chuáng möåt caách tyã lïå thuêån vúái kñch thûúác vuä truå. Nhên tiïån noái thïm, àiïìu naây chó roä rùçng viïåc xaác àõnh thúâi àiïím chñnh xaác cuãa sûå àûát liïn kïët neutrino laâ khöng quan troång lùæm, nhû vêåy cuäng rêët töët, búãi vò noá phuå thuöåc vaâo nhûäng chi tiïët cuãa thuyïët vïì tûúng taác cuãa neutrino hiïån nay vêîn chûa àûúåc roä raâng lùæm.).

Mêåt àöå nùng lûúång toaân phêìn nhoã hún so vúái trong caãnh trûúác möåt söë lêìn bùçng luäy thûâa bêåc böën cuãa tyã söë giûäa caác nhiïåt àöå, nhû vêåy bêy giúâ noá tûúng àûúng vúái möåt mêåt àöå khöëi lûúång 380 nghòn têën mêåt àöå cuãa nûúác. Thúâi gian giaän núã àùåc trûng cuãa vuä truå àaä tùng lïn möåt caách tûúng ûáng àïën khoaãng 2 giêy. Nhiïåt àöå bêy



giúâ chó gêëp àöi nhiïåt àöå ngûúäng cuãa electron vaâ pözitron, cho nïn chuáng bùæt àêìu bõ huãy diïåt nhanh hún laâ àûúåc taái taåo nïn tûâ bûác xaå.

Bêy giúâ haäy coân quaá noáng àïí cho proton vaâ nútron coá thïí liïn kïët thaânh caác haåt nhên nguyïn tûã trong möåt thúâi gian àaáng kïí naâo àoá. Nhiïåt àöå haå xuöëng bêy giúâ cho pheáp sûå cên bùçng proton - nútron bõ lïåch thaânh 24 % nútron vaâ 76 % proton.

Caãnh böën. Nhiïåt àöå vuä truå bêy giúâ laâ ba nghòn triïåu àöå Kelvin (3 x 10 muä 9 K). Tûâ caãnh möåt, 13,82 giêy àaä tröi qua. Bêy giúâ chuáng ta àang úã dûúái nhiïåt àöå ngûúäng cho electron vaâ pözitron, cho nïn chuáng bùæt àêìu biïën mêët nhanh choáng khoãi caác thaânh phêìn chñnh cuãa vuä truå. Nùng lûúång thoaát ra trong sûå huãy chuáng àaä laâm giaãm töëc àöå laånh xuöëng cuãa vuä truå, cho nïn caác neutrino khöng nhêån àûúåc gò tûâ nhiïåt thûâa naây, bêy giúâ laâ laånh hún electron, pözitron vaâ photon khoaãng 8 %. Tûâ àêy, khi chuáng ta noái vïì nhiïåt àöå cuãa vuä truå, ta chó coá yá noái vïì nhiïåt àöå cuãa photon. Khi electron vaâ pözitron mêët ài nhanh choáng, mêåt àöå nùng lûúång cuãa vuä truå bêy giúâ beá hún möåt chuát so vúái khi noá haå xuöëng möåt caách àún giaãn nhû luäy thûâa bêåc böën cuãa nhiïåt àöå.

Bêy giúâ àaä àuã laånh àïí cho möåt söë haåt nhên bïìn nhû hïli (He muä 4) hònh thaânh, nhûng viïåc àoá khöng xaãy ra tûác khùæc. Lyá do laâ vò vuä truå àang giaän núã nhanh àïën mûác caác haåt nhên chó coá thïí hònh thaânh sau möåt loaåt phaãn ûáng nhanh giûäa hai haåt. Chùèng haån, möåt proton vaâ möåt nútron coá thïí taåo nïn möåt haåt nhên hyàrö nùång, hoùåc àútïri, vúái xung lûúång vaâ nùng lûúång döi àûúåc möåt photon mang ài. Haåt nhên àútïri luác àoá coá thïí va chaåm vúái möåt nútron hoùåc möåt proton taåo nïn hoùåc möåt haåt nhên cuãa àöìng võ nheå, heli ba (He muä 3), göìm hai proton vaâ möåt nútron, hoùåc àöìng võ nùång nhêët cuãa hyàro, goåi laâ triti (H muä 3), göìm möåt photon vaâ hai nútron. Cuöëi cuâng, hïli ba coá thïí va chaåm vúái möåt nútron, vaâ triti coá thïí va chaåm vúái möåt proton, trong hai trûúâng húåp taåo nïn möåt haåt nhên hïli thöng thûúâng (He muä 4), göìm hai proton vaâ hai nútron. Nhûng àïí cho daäy phaãn ûáng naây xaãy ra, cêìn bùæt àêìu vúái bûúác àêìu tiïn, sûå taåo ra àútúri.

Steven Weinberg 96


Nhûng hïli thöng thûúâng laâ möåt haåt nhên àûúåc liïn kïët maånh, cho nïn nhû töi àaä noái, noá coá thïí töìn taåi úã nhiïåt àöå cuãa caãnh thûá ba. Tuy nhiïn, triti vaâ hïli ba liïn kïët keám maånh hún nhiïìu vaâ àútïri laåi liïn kïët cûåc kyâ yïëu. (Àïí phaá vúä möåt haåt nhên àútïri, chó cêìn möåt phêìn chñn nùng lûúång so vúái nùng lûúång àïí bûát möåt haåt haåt nhên duy nhêët khoãi haåt hïli). ÚÃ nhiïåt àöå 10 muä 10 K cuãa caãnh böën, caác haåt nhên àútïri bõ nöí tung liïìn ngay sau khi chuáng àûúåc taåo nïn, nhû vêåy caác haåt nhên nùång hún khoá maâ àûúåc taåo thaânh. Nútron vêîn àûúåc biïën thaânh proton, tuy rùçng chêåm hún nhiïìu so vúái trûúác; traång thaái cên bùçng bêy giúâ laâ 17 % nútron vaâ 83 % proton.

Caãnh nùm. Nhiïåt àöå cuãa vuä truå bêy giúâ laâ möåt nghòn triïåu àöå Kelvin (10 muä 9 K), chó vaâo khoaãng 70 lêìn noáng hún têm mùåt trúâi. Tûâ caãnh möåt, ba phuát hai giêy àaä tröi qua. Electron vaâ pözitron phêìn lúán àaä mêët ài, vaâ thaânh phêìn chuã yïëu cuãa vuä truå bêy giúâ laâ photon, neutrino vaâ phaãn neutrino. Nùng lûúång àûúåc giaãi phoáng trong sûå huãy cuãa electron - pözitron àaä cho caác photon möåt nhiïåt àöå 35 % cao hún nhiïåt àöå cuãa neutrino.

Vuä truå bêy giúâ cuäng àuã laånh àïí cho caác haåt nhên triti vaâ hïli ba cuäng nhû hïli thöng thûúâng töìn taåi, nhûng “chûúáng ngaåi àútïri” vêîn coân taác àöång: Nhûäng haåt nhên àútïri khöng àûúåc giûä àuã lêu àïí cho pheáp möåt söë khaã quan haåt nhên nùång hún àûúåc hònh thaânh. Caác va chaåm giûäa nútron vaâ proton vúái electron, neutrino vaâ caác phaãn haåt cuãa chuáng bêy giúâ àaä chêëm dûát hùèn, nhûng sûå phên raä cuãa nútron tûå do bùæt àêìu laâ quan troång; möîi 100 giêy, 10 % cuãa caác nútron coân laåi seä phên raä thaânh proton. Caán cên nútron - proton bêy giúâ laâ 14 % nútron, 86 % proton.

Muöån hún möåt chuát. Möåt luác ngùæn sau caãnh nùm, möåt sûå kiïån àöåt ngöåt xaãy ra: nhiïåt àöå haå xuöëng àïën àiïím maâ caác haåt nhên àútïri coá thïí töìn taåi. Möåt khi chûúáng ngaåi àútïri khöng coân nûäa, nhûäng haåt nhên nùång hún coá thïí àûúåc taåo nïn rêët nhanh choáng búãi daäy caác phaãn ûáng hai haåt àûúåc mö taã trong caãnh böën. Tuy nhiïn, nhûäng haåt nhên nùång hún hïli khöng àûúåc taåo nïn vò nhûäng chûúáng ngaåi khaác: khöng coá haåt nhên bïìn vúái nùm hoùåc taám haåt haåt nhên. Do àoá, khi nhiïåt àöå vûâa àaåt àiïím maâ àútïri coá thïí àûúåc



taåo thaânh, hêìu hïët nhûäng nútron coân laåi àïìu tûác khùæc àûúåc “nêëu nûúáng” thaânh nhûäng haåt nhên hïli. Nhiïåt àöå chñnh xaác taåi àoá quaá trònh naây xaãy ra phuå thuöåc chuát ñt vaâo söë lûúång haåt haåt nhên cho möîi photon, búãi vò möåt mêåt àöå haåt lúán seä laâm cho sûå hònh thaânh caác haåt nhên dïî daâng hún möåt ñt. (Àoá laâ lyá do taåi sao töi àaä goåi thúâi àiïím àoá möåt caách khöng chñnh xaác laâ “muöån hún möåt chuát” sau caãnh nùm.) Vúái möåt nghòn triïåu photon cho möåt haåt haåt nhên, sûå töíng húåp haåt nhên seä bùæt àêìu úã nhiïåt àöå chñn trùm triïåu àöå Kelvin (0,9 x 10 muä 9). Luác àoá 3 phuát 46 giêy àaä tröi qua tûâ caãnh möåt. (Baån àoåc seä phaãi tha löîi cho sûå khöng chñnh xaác cuãa töi khi àùåt tïn cuöën saách naây laâ ba phuát àêìu tiïn. Noá nghe hay hún laâ ba phuát ba phêìn tû àêìu tiïn.) Sûå phên raä nútron àaä laâ sûå cên bùçng nútron - proton, ngay trûúác khi sûå töíng húåp haåt nhên bùæt àêìu lïåch thaânh 13 phêìn trùm nútron, 87 phêìn trùm proton. Sau sûå töíng húåp haåt nhên tyã lûúång theo troång lûúång cuãa hïli laâ àuáng bùçng tyã lûúång cuãa têët caã caác haåt haåt nhên liïn kïët thaânh hïli, möåt nûãa cuãa caác haåt naây laâ nútron, vaâ vïì cùn baãn têët caã nútron àïìu liïn kïët thaânh hïli, cho nïn tyã lûúång theo troång lûúång cuãa hïli àún giaãn laâ gêëp àöi tyã lûúång cuãa nútron so vúái caác haåt haåt nhên, hoùåc khoaãng 26 phêìn trùm. Nïëu mêåt àöå cuãa caác haåt nhên cao hún möåt ñt, sûå töíng húåp haåt nhên bùæt àêìu súám hún möåt ñt, khi àoá khöng coá nhiïìu nútron bõ phên raä nhû vêåy, do àoá söë hïli àûúåc taåo ra nhiïìu hún möåt ñt, nhûng chùæc khöng quaá 28 phêìn trùm theo troång lûúång (xem hònh 9).

Hònh 9 - Àöì thõ chó sûå dõch chuyïín cuãa cên bùçng nútron - proton: Tyã lûúång caác nútron trïn têët caã caác haåt haåt nhên àûúåc veä nhû laâ möåt haâm cuãa caã nhiïåt àöå vaâ thúâi gian. Phêìn àûúâng cong coá ghi “cên bùçng nhiïåt” mö taã thúâi kyâ trong àoá caác mêåt àöå vaâ nhiïåt àöå cao àïën mûác cên bùçng nhiïåt àûúåc giûä vûäng giûäa têët caã caác haåt; tyã lûúång nútron úã àêy coá thïí àûúåc tñnh tûâ hiïåu khöëi lûúång nútron - proton bùçng caách sûã duång caác quy luêåt cuãa cú hoåc thöëng kï. Phêìn àûúâng cong coá ghi “phên raä nútron” mö taã thúâi kyâ trong àoá moåi quaá trònh biïën àöíi nútron - proton àaä kïët Hình 9 - Đồ thị chỉ sự dịch chuyển của cân bằng nơtron -

proton:

Steven Weinberg 98


thuác, trûâ sûå phên raä phoáng xaå cuãa nútron tûå do. Phêìn giûäa cuãa àûúâng cong phuå thuöåc vaâo nhûäng tñnh toaán chi tiïët vïì caác xaác suêët chuyïín cuãa caác tûúng taác yïëu. Phêìn àûát neát cuãa àûúâng cong chó roä caái gò seä xaãy ra nïëu caác haåt nhên bùçng caách naâo àêëy bõ ngùn chùån khöng hònh thaânh. Thûåc ra, úã möåt thúâi àiïím àêu àêëy trong thúâi kyâ chó dêîn bùçng muäi tïn ghi “thúâi àaåi töíng húåp haåt nhên”, nútron àûúåc gheáp nhanh thaânh nhûäng haåt nhên hïli vaâ tyã lïå nútron - proton àûúåc cöë àõnh úã trõ söë maâ noá coá luác àoá. Àûúâng biïíu diïîn naây cuäng coá thïí duâng àïí ûúác tñnh tyã lûúång (theo troång lûúång) cuãa hïli àûúåc sinh ra theo vuä truå hoåc: vúái bêët kyâ trõ söë nhiïåt àöå naâo hoùåc thúâi àiïím naâo cho trûúác cuãa sûå töíng húåp haåt nhên, noá àuáng gêëp àöi tyã lûúång nútron luác àoá.

Bêy giúâ ta àaä àaåt vaâ vûúåt thúâi gian biïíu àûúåc àùåt ra trûúác, nhûng àïí thêëy roä hún caái gò àaä àûúåc hoaân thaânh, ta haäy nhòn laåi lêìn cuöëi cuâng vuä truå sau khi nhiïåt àöå bõ haå xuöëng möåt lêìn nûäa.

Caãnh saáu. Nhiïåt àöå vuä truå bêy giúâ laâ 300 triïåu àöå Kelvin (3 x 10 muä 8 K). Tûâ caãnh möåt, 34 phuát vaâ 40 giêy àaä tröi qua. Electron vaâ pözitron bêy giúâ àaä bõ huãy hoaân toaân trûâ möåt söë ñt (möåt phêìn 1000 triïåu) electron thûâa ra àïí cên bùçng àiïån tñch cuãa caác proton. Nùng lûúång giaãi phoáng trong sûå huãy àoá bêy giúâ àaä cho caác photon möåt nhiïåt àöå thûúâng xuyïn 40,1 phêìn trùm cao hún nhiïåt àöå caác nútron (xem chuá thñch toaán hoåc 6). Mêåt àöå nùng lûúång cuãa vuä truå bêëy giúâ tûúng àûúng vúái möåt mêåt àöå khöëi lûúång 9,9 phêìn trùm mêåt àöå cuãa nûúác; trong àoá 31 % laâ dûúái daång neutrino vaâ phaãn neutrino, vaâ 69 phêìn trùm dûúái daång photon. Mêåt àöå nùng lûúång naây cho vuä truå möåt thúâi gian giaän núã àùåc trûng khoaãng möåt giúâ mûúâi lùm phuát. Caác quaá trònh haåt nhên àaä ngûâng - caác haåt nhên bêëy giúâ phêìn lúán hoùåc tûå liïn kïët thaânh caác haåt nhên hïli hoùåc laâ proton tûå do (haåt nhên hyàro) vúái khoaãng tûâ 22 àïën 28 % hïli theo troång lûúång. Coá möåt electron cho möîi proton tûå do hoùåc liïn kïët, nhûng vuä truå vêîn coân quaá noáng nïn caác nguyïn tûã bïìn khöng thïí töìn taåi àûúåc.

Vuä truå seä tiïëp tuåc giaän núã vaâ nguöåi dêìn, nhûng seä khöng coá gò àaáng chuá yá lùæm xaãy ra trong 700.000 nùm. Luác àoá nhiïåt àöå seä haå xuöëng mûác electron vaâ haåt nhên coá thïí taåo thaânh nhûäng nguyïn tûã bïìn: sûå thiïëu electron tûå do seä laâm cho caác thaânh phêìn cuãa vuä truå trong suöët àöëi vúái bûác xaå; vaâ sûå taách vêåt chêët vaâ bûác xaå seä cho pheáp vêåt chêët bùæt àêìu taåo thaânh caác thiïn haâ vaâ caác vò sao. Sau möåt thúâi gian khoaãng 10.000 triïåu nùm nûäa, nhûäng sinh vêåt seä bùæt àêìu dûång laåi cêu chuyïån naây.



Baãn kïí laåi vïì vuä truå sú khai naây coá möåt quan hïå coá thïí kiïím tra ngay àûúåc bùçng quan saát: vêåt liïåu coân laåi tûâ 3 phuát àêìu tiïn, luác àêìu àaä taåo nïn caác vò sao, göìm tûâ 22 àïën 28 phêìn trùm hïli vúái têët caã caác phêìn coân laåi hêìu nhû laâ hyàro. Nhû ta àaä thêëy, kïët quaã naây phuå thuöåc vaâo viïåc cho rùçng coá möåt tyã söë rêët lúán cuãa photon trïn haåt haåt nhên maâ tyã söë naây laåi cùn cûá trïn nhiïåt àöå 3 K ào àûúåc cuãa phöng bûác xaå cûåc ngùæn vuä truå hiïån nay. Tñnh toaán àêìu tiïn vïì sûå taåo nïn hïli theo vuä truå hoåc duâng àïën nhiïåt àöå bûác xaå ào àûúåc àaä àûúåc P. J. E. Peebles úã Princeton tiïën haânh nùm 1965, möåt thúâi gian ngùæn sau sûå khaám phaá ra phöng bûác xaå cûåc ngùæn búãi Penzias vaâ Wilson. Möåt kïët quaã tûúng tûå àûúåc ruát ra möåt caách àöåc lêåp vaâ gêìn nhû möåt luác trong möåt tñnh toaán phûác taåp hún búãi Robert Wagoner, William Fowler vaâ Fred Hoyle. Kïët quaã àoá laâ möåt thùæng lúåi vang döåi cuãa mö hònh chuêín, vò luác àoá coá nhûäng ûúác tñnh àöåc lêåp cho rùçng mùåt trúâi vaâ caác vò sao khaác bùæt àêìu àúâi söëng cuãa chuáng chuã yïëu nhû laâ nhûäng khöëi hyàro, vúái khoaãng 20 àïën 30 phêìn trùm hïli.

Cöë nhiïn, trïn quaã àêët coá hïët sûác ñt hïli, nhûng àoá chñnh laâ do nguyïn töë hïli nheå vaâ trú vïì hoáa hoåc àïën mûác àa söë chuáng àaä thoaát khoãi quaã àêët nhiïìu nùm trûúác àêy. Nhûäng ûúác tñnh vïì àöå nhiïìu ban àêìu cuãa hïli trong vuä truå laâ dûåa trïn nhûäng so saánh caác tñnh toaán chi tiïët vïì sûå tiïën hoáa cuãa caác vò sao, vúái nhûäng phên tñch thöëng kï caác tñnh chêët quan saát àûúåc cuãa caác vò sao, cöång vúái sûå quan saát trûåc tiïëp caác vaåch hïli trong quang phöí cuãa caác vò sao noáng vaâ cuãa vêåt chêët giûäa caác vò sao. Thûåc ra, nhû tïn cuãa noá chó roä, hïli lêìn àêìu tiïn àûúåc ghi nhêån laâ möåt nguyïn töë trong nhûäng nguyïn töë quang phöí cuãa khñ quyïín mùåt trúâi, do J. Norman Lockyer tiïën haânh nùm 1868.

Trong nhûäng nùm 1960 àêìu tiïn, möåt söë ñt nhaâ thiïn vùn àaä lûu yá rùçng àöå nhiïìu cuãa hïli khöng nhûäng lúán trong thiïn haâ, maâ coân khöng biïën thiïn tûâ chöî naây àïën chöî khaác maånh nhû àöå nhiïìu cuãa nhûäng nguyïn töë nùång hún. Viïåc naây cöë nhiïn àuáng laâ caái ta coá thïí chúâ àúåi nïëu caác nguyïn töë nùång àûúåc taåo ra trong caác vò sao, nhûng hïli àûúåc taåo ra trong vuä truå sú khai, trûúác khi bêët cûá ngöi sao naâo àûúåc taåo ra. Haäy coân möåt sûå khöng chùæc chùæn vaâ khaác

Steven Weinberg 100


nhau lúán trong nhûäng ûúác lûúång vïì àöå nhiïìu haåt nhên nhûng bùçng chûáng chùæc chùæn vïì àöå nhiïìu ban àêìu tûâ 20 àïën 30 phêìn trùm cuãa hïli laâ àuã maånh àïí khuyïën khñch nhûäng ngûúâi bïnh vûåc mö hònh chuêín.

Thïm vaâo söë lûúång lúán hïli àûúåc taåo ra sau ba phuát àêìu tiïn, cuäng coân coá möåt chuát ñt haåt nhên nheå hún, chuã yïëu laâ àútïri (hyàro vúái möåt nútron döi) vaâ àöìng võ nheå cuãa hïli He muä 3, noá àaä thoaát khoãi sûå húåp nhêët thaânh haåt nhên hïli thöng thûúâng. (Caác àöå nhiïìu cuãa chuáng àûúåc tñnh lêìn àêìu tiïn nùm 1967 trong baâi baáo cuãa Wagoner, Fowler vaâ Hoyle.) Khöng nhû àöå nhiïìu cuãa hïli, àöå nhiïìu cuãa àútïri phuå thuöåc nhiïìu vaâo mêåt àöå haåt haåt nhên trong quaá trònh töíng húåp haåt nhên: vúái mêåt àöå cao hún, caác phaãn ûáng haåt nhên xaãy ra nhanh hún, do àoá hêìu nhû têët caã àútïri phaãi bõ biïën àöíi thaânh hïli. Noái roä hún, àêy laâ caác trõ söë àöå nhiïìu (theo troång lûúång) cuãa àútïri àûúåc taåo ra trong vuä truå sú khai, maâ Wagoner àaä cho, àöëi vúái ba trõ söë coá thïí coá cuãa tyã söë giûäa proton vaâ haåt haåt nhên:

Photon/haåt nhên Àöå nhiïìu cuãa àúteri (phêìn triïåu

100 triïåu 1000 triïåu 10 000 triïåu

0,000 08 16 600

Roä raâng laâ nïëu coá thïí xaác àõnh àûúåc àöå nhiïìu luác àêìu tiïn cuãa àútïri trûúác khi bùæt àêìu hònh thaânh caác ngöi sao, ta coá thïí tñnh chñnh xaác tyã söë photon trïn haåt haåt nhên; biïët àûúåc nhiïåt àöå bûác xaå hiïån nay laâ 3 K, thò ta tûâ àoá coá thïí tñnh àûúåc giaá trõ chñnh xaác cho mêåt àöå khöëi lûúång haåt nhên hiïån nay cuãa vuä truå, vaâ phaán àoaán thûã xem noá laâ múã hay àoáng.

Tiïëc thay rêët khoá xaác àõnh àûúåc àöå nhiïìu àútïri luác ban àêìu thûåc sûå. Trõ söë cöí àiïín cuãa àöå nhiïìu theo troång lûúång cuãa àútïri trong nûúác trïn quaã àêët laâ 150 phêìn triïåu. (Àútïri laâ chêët seä àûúåc duâng laâ nhiïu liïåu cho caác loâ phaãn ûáng nhiïåt haåch, nïëu caác phaãn ûáng nhiïåt haåch möåt ngaây naâo àoá àûúåc àiïín khiïín möåt caách thñch



húåp). Tuy nhiïn, àoá laâ möåt con söë àaä bõ sai lïåch ài; sûå viïåc caác nguyïn tûã àútïri nùång gêëp àöi nguyïn tûã hyàro laâm cho möåt phêìn lúán chuáng coá thïí liïn kïët thaânh phên tûã nûúác nùång (HDO), thaânh ra möåt tyã lïå àútïri beá hún so vúái hyàro àaä coá thïí thoaát khoãi trûúâng hêëp dêîn cuãa quaã àêët. Mùåt khaác, quang phöí hoåc chó ra rùçng trïn bïì mùåt mùåt trúâi àöå nhiïìu cuãa àútïri rêët nhoã, nhoã hún böën phêìn triïåu. Àoá cuäng laâ möåt con söë àaä bõ sai lïåch - àútïri trong nhûäng vuâng ngoaâi cuãa mùåt trúâi coá thïí bõ huãy bùçng caách kïët húåp vúái hyàro àïí taåo thaânh àöìng võ nheå cuãa hïli, He muä 3.

Sûå hiïíu biïët cuãa chuáng ta vïì àöå nhiïìu cuãa àútïri trong vuä truå àaä coá cú súã vûäng chùæc hún úã caác quan saát tûã ngoaåi vaâo nùm 1973 nhúâ vïå tinh nhên taåo cuãa quaã àêët Copernicus. Caác nguyïn tûã àútïri, nhû nhûäng nguyïn tûã hyàro, coá thïí hêëp thuå aánh saáng tûã ngoaåi úã möåt söë bûúác soáng xaác àõnh ûáng vúái nhûäng sûå chuyïín trong àoá nguyïn tûã àûúåc kñch thñch tûâ traång thaái nùng lûúång thêëp nhêët àïën möåt traång thaái cao hún naâo àoá. Caác bûúác soáng àoá phuå thuöåc nheå vaâo khöëi lûúång cuãa haåt nhên nguyïn tûã, cho nïn phöí tûã ngoaåi cuãa möåt ngöi sao maâ aánh saáng àïën vúái chuáng ta qua möåt höîn húåp hyàro vaâ àútïri nùçm giûäa caác vò sao seä coá möåt söë vaåch hêëp thuå töëi, möîi vaåch taách thaânh hai thaânh phêìn, möåt do hyàro, möåt do àútïri. Àöå töëi tyã àöëi cuãa caác cùåp thaânh phêìn cuãa vaåch hêëp thuå bêët kyâ khi àoá cho trûåc tiïëp àöå nhiïìu tyã àöëi cuãa hyàro vaâ àútïri trong àaám mêy giûäa caác vò sao. Tiïëc thay, khñ quyïín cuãa quaã àêët laâm cho viïåc tiïën haânh nghiïn cûáu thiïn vùn tûã ngoaåi tûâ möåt traåm trïn mùåt àêët rêët khoá khùn. Vïå tinh Copernicus mang möåt phöí kïë tûã ngoaåi duâng àïí nghiïn cûáu caác vaåch hêëp thuå trïn phöí cuãa sao noáng bïta cuãa choâm sao Centaurus; tûâ caác cûúâng àöå tyã àöëi cuãa chuáng, ngûúâi ta thêëy rùçng möi trûúâng giûäa ta vaâ bïta Centaurus chûáa khoaãng 20 phêìn triïåu (theo troång lûúång) àútïri. Nhûäng quan saát gêìn àêy hún vïì nhûäng vaåch hêëp thuå tûã ngoaåi trïn phöí cuãa nhûäng ngöi sao noáng khaác cho nhûäng kïët quaã tûúng tûå.

Nïëu tyã söë 20 phêìn triïåu naây thûåc sûå àûúåc taåo nïn trong vuä truå sú khai, thò khi àoá àaä phaãi coá (vaâ hiïån nay coá) àuáng khoaãng 1100 triïåu photon cho möîi haåt haåt nhên (xem úã baãng trïn). ÚÃ nhiïåt àöå bûác xaå vuä truå hiïån nay 3 K, coá 550.000 photon möîi lñt, vêåy hiïån

Steven Weinberg 102


nay phaãi coá khoaãng 500 haåt haåt nhên möîi triïåu lñt. Söë naây laâ hïët sûác beá nhoã so vúái mêåt àöå töëi thiïíu cho möåt vuä truå àoáng maâ, nhû ta thêëy úã chûúng II, laâ vaâo khoaãng 3000 haåt haåt nhên cho möîi triïåu lñt. Kïët luêån nhû vêåy seä phaãi laâ: vuä truå laâ múã; nghôa laâ caác thiïn haâ àang chuyïín àöång vúái vêån töëc trïn vêån töëc thoaát, vaâ vuä truå seä daän núã maäi maäi. Nïëu möåt phêìn naâo chêët giûäa caác vò sao àaä àûúåc saãn ra trong caác ngöi sao coá xu hûúáng phaá huyã àútïri (nhû trïn mùåt trúâi), thò luác àoá àöå nhiïìu àútïri àaä àûúåc taåo ra theo vuä truå hoåc coân phaãi lúán hún con söë 20 phêìn triïåu maâ vïå tinh Copernicus àaä tòm ra, nhû vêåy mêåt àöå cuãa caác haåt haåt nhên coân phaãi ñt hún 500 haåt möîi triïåu lñt, laâm cho kïët luêån rùçng ta söëng trong möåt vuä truå múã daän núã maäi maäi, àûúåc àaáng tin tûúãng hún nûäa.

Töi phaãi noái rùçng baãn thên töi thêëy caách lêåp luêån àoá coá caái gò àoá khöng thuyïët phuåc lùæm. Àútïri khöng giöëng nhû hïli, duâ àöå nhiïìu cuãa noá coá veã laâ cao hún laâ coá thïí mong àúåi úã möåt vuä truå àoáng coá mêåt àöå tûúng àöëi cao, àútïri coân laâ hïët sûác hiïëm vïì trõ söë tuyïåt àöëi. Ta coá thïí tûúãng tûúång rùçng chêët àútïri thûâa naây àûúåc saãn ra trong caác hiïån tûúång thiïn vùn “gêìn àêy” — caác ngöi sao siïu múái, tia vuä truå, coá thïí kïí caã nhûäng àöëi tûúång chuêín sao (quaza). Àoá khöng phaãi laâ trûúâng húåp cuãa hïli; àöå nhiïìu 20 — 30 phêìn trùm cuãa hïli khöng thïí àûúåc taåo nïn múái gêìn àêy maâ khöng coá nhûäng lûúång khöíng löì bûác xaå àûúåc giaãi phoáng maâ ta khöng quan saát àûúåc. Coá ngûúâi cho rùçng tyã söë 20 phêìn triïåu àútïri maâ vïå tinh Copernicus tòm ra àaä khöng thïí àûúåc saãn sinh ra theo bêët cûá cú chïë vêåt lyá thiïn vùn naâo maâ khöng àöìng thúâi saãn ra nhûäng lûúång lúán möåt caách quaá àaáng nhûäng nguyïn töë nheå hiïëm khaác : liti, berili vaâ bo. Tuy nhiïn, töi khöng biïët taåi sao ta seä luön luön chùæc rùçng söë ñt àútïri àoá àaä khöng àûúåc saãn ra búãi möåt cú chïë phi vuä truå hoåc maâ hiïån nay chûa ai nghô àïën.

Coân coá möåt caái soát laåi cuãa vuä truå sú khai, noá töìn taåi úã khùæp quanh ta, nhûng dûúâng nhû khöng thïí quan saát àûúåc. Ta àaä thêëy trong caãnh ba rùçng neutrino àaä biïën diïîn nhû nhûäng haåt tûå do tûâ luác nhiïåt àöå vuä truå haå xuöëng dûúái khoaãng 10.000 triïåu àöå Kelvin. Trong thúâi gian àoá nhûäng bûúác soáng cuãa neutrino quaã laâ àaä daän daâi tyã lïå vúái kñch thûúác cuãa vuä truå ; söë lûúång vaâ sûå phên böë nùng



lûúång cuãa neutrino do àoá àaä duy trò nhû laâ úã cên bùçng nhiïåt, song vúái möåt nhiïåt àöå àaä giaãm tyã lïå nghõch vúái kñch thûúác cuãa vuä truå. Àoá cuäng gêìn àuáng laâ caái àaä xaãy ra àöëi vúái photon trong thúâi gian àoá mùåc dêìu photon úã cên bùçng nhiïåt lêu hún nhiïìu so vúái neutrino. Tûâ àoá, nhiïåt àöå neutrino hiïån nay phaãi àöí àöìng bùçng nhiïåt àöå photon hiïån nay. Nhû vêåy coá khoaãng 1000 triïåu neutrino vaâ phaãn neutrino cho möîi haåt haåt nhên trong vuä truå.

Coá thïí noái chñnh xaác hún nhiïìu vïì àiïím naây. Möåt luác khöng lêu sau khi vuä truå trúã thaânh trong suöët àöëi vúái neutrino, caác electron vaâ pözitron bùæt àêìu huyã nhau, nung noáng caác photon chûá khöng phaãi caác neutrino. Kïët quaã laâ nhiïåt àöå neutrino hiïån nay phaãi beá hún nhiïåt àöå cuãa photon hiïån nay möåt ñt. Khaá dïî daâng maâ tñnh rùçng nhiïåt àöå neutrino thêëp hún nhiïåt àöå cuãa photon theo tyã lïå cùn ba cuãa 4/11, hoùåc 71,48 phêìn trùm lêìn. Neutrino vaâ phaãn haåt neutrino luác àoá àoáng goáp 45,42 phêìn trùm nùng lûúång cho vuä truå so vúái photon. (Xem chuá thñch toaán hoåc 6.) Mùåc duâ töi àaä khöng noái roä ra nhû vêåy, möîi khi töi nhùæc àïën thúâi gian daän núã vuä truå trûúác àêy, töi àaä tñnh àïën mêåt àöå nùng lûúång neutrino döi ra naây.

Möåt sûå thûâa nhêån khaã dô àöåt ngöåt mö hònh chuêín cuãa vuä truå sú khai khai seä laâ sûå khaám phaá ra phöng neutrino naây. Ta coá möåt tiïn àoaán chùæc chùæn vïì nhiïåt àöå cuãa noá; noá laâ 71,38 phêìn trùm cuãa nhiïåt àöå photon, hoùåc laâ khoaãng 2 K. Sûå khöng chùæc chùæn duy nhêët vïì mùåt lyá thuyïët vïì söë lûúång vaâ sûå phên böë nùng lûúång cuãa neutrino laâ úã vêën àïì mêåt àöå söë lepton coá beá nhû ta giaã thiïët trûúác àêy khöng. (Nhúá rùçng söë lepton laâ söë caác neutrino vaâ caác lepton khaác trûâ ài söë caác phaãn haåt neutrino vaâ caác phaãn lepton khaác.) Nïëu mêåt àöå söë lepton beá nhû mêåt àöå söë baryon, thò söë lûúång neutrino vaâ phaãn neutrino seä bùçng nhau, bùçng möåt phêìn nghòn triïåu. Mùåt khaác, nïëu mêåt àöå söë lepton so saánh àûúåc vúái mêåt àöå söë photon thò seä coá möåt sûå “suy biïën”, möåt sûå döi neutrino (hoùåc phaãn neutrino) khaá lúán vaâ möåt sûå thiïëu huåt phaãn neutrino (hoùåc neutrino). Möåt sûå suy biïën nhû vêåy seä laâm xï dõch cên bùçng neutrino - photon trong ba phuát àêìu, vaâ do àoá seä laâm thay àöíi söë lûúång hïli vaâ àútïri saãn ra theo vuä truå hoåc. Sûå quan saát phöng vuä truå 2 K cuãa neutrino vaâ phaãn neutrino seä quyïët àõnh ngay vêën àïì

Steven Weinberg 104


vuä truå coá möåt söë lepton lúán hay khöng, nhûng àiïìu quan troång hún nhiïìu laâ noá seä chûáng toã rùçng mö hònh chuêín cuãa vuä truå sú khai quaã thûåc laâ àuáng àùæn.

Than öi, neutrino tûúng taác vúái vêåt chêët thöng thûúâng yïëu àïën mûác chûa ai nghô ra phûúng phaáp naâo àïí quan saát möåt phöng neutrino vuä truå 2 K. Àoá thûåc laâ möåt vêën àïì hoác buáa : coá khoaãng möåt nghòn triïåu neutrino vaâ phaãn neutrino cho möîi haåt haåt nhên, nhûng cho àïën nay chûa ai biïët caách phaát hiïån ra chuáng ! Coá thïí möåt ngaây naâo àoá seä coá ngûúâi tòm ra caách àoá.

Khi theo doäi tûúâng thuêåt vïì ba phuát àêìu naây, baån àoåc coá thïí caãm nhêån möåt tinh thêìn khoa hoåc quaá àaáng. Coá thïí laâ àuáng nhû vêåy. Tuy nhiïn, töi khöng tin rùçng tiïën böå khoa hoåc luön luön àûúåc àêíy maånh töët nhêët bùçng caách coá möåt thaái àöå quaá röång raäi trong viïåc tiïëp thu caái múái. Nhiïìu khi cêìn quïn nhûäng sûå nghi ngúâ cuãa mònh vaâ theo doäi xem caái hïå quaã cuãa giaã thuyïët cuãa ta coá thïí dêîn àïën àêu : viïåc lúán khöng phaãi laâ traánh nhûäng àõnh kiïën lyá thuyïët, maâ phaãi coá nhûäng àõnh kiïën àuáng àùæn. Vaâ bao giúâ cuäng vêåy, sûå kiïím tra möåt àõnh kiïën lyá thuyïët naâo àoá laâ úã chöî noá dêîn àïën àêu. Mö hònh chuêín cuãa vuä truå sú khai àaä àaåt àûúåc vaâi thùæng lúåi, vaâ noá cung cêëp möåt khung lyá thuyïët phuâ húåp cho nhûäng chûúng trònh thûåc nghiïåm sùæp àïën. Viïåc naây khöng coá nghôa laâ noá àuáng nhûng coá nghôa laâ noá xûáng àaáng àûúåc xem xeát nghiïm tuác.

Tuy nhiïn coá möåt sûå khöng chùæc chùæn lúán lú lûãng nhû möåt àaám mêy àen trïn mö hònh chuêín. Cú súã maâ moåi tñnh toaán noái àïën trong chûúng naây laâ nguyïn lyá vuä truå hoåc, sûå cho rùçng vuä truå laâ àöìng tñnh vaâ àùèng hûúáng. (Ta hiïíu “àöìng tñnh” laâ : vuä truå toã ra khöng àöíi àöëi vúái moåi ngûúâi quan saát àûúåc mang theo sûå daän núã töíng quaát cuãa vuä truå, duâ ngûúâi quan saát àoá úã võ trñ naâo; ta hiïíu “àùèng hûúáng” laâ vuä truå toã ra khöng àöíi theo moåi hûúáng àöëi vúái möåt ngûúâi quan saát nhû vêåy). Ta biïët tûâ nhûäng quan saát trûåc tiïëp rùçng phöng bûác xaå cûåc ngùæn vuä truå truå laâ àùèng hûúáng úã mûác àöå cao chung quanh ta, vaâ tûâ àoá ta suy ra rùçng vuä truå laâ àùèng hûúáng vaâ àöìng tñnh úã mûác àöå cao ngay tûâ luác bûác xaå hïët cên bùçng vúái vêåt chêët, úã möåt nhiïåt àöå khoaãng 3000 K. Tuy nhiïn, ta khöng coá möåt



bùçng chûáng naâo rùçng nguyïn lyá vuä truå hoåc àaä àuáng àùæn trong nhûäng thúâi kyâ trûúác kia.

Coá thïí vuä truå luác àêìu laâ rêët khöng àöìng tñnh vaâ khöng àùèng hûúáng, nhûng sau àoá àaä “búát göì ghïì” ài búãi caác lûåc ma saát maâ nhûäng phêìn cuãa vuä truå daän núã taác àöång lïn nhau. Möåt mö hònh “ngûúâi san bùçng” nhû vêåy àaä àùåc biïåt àûúåc Charles Misner úã trûúâng àaåi hoåc Maryland bïnh vûåc. Cuäng coá thïí rùçng nhiïåt àûúåc taåo ra búãi sûå àöìng tñnh hoaá vaâ sûå àùèng hûúáng hoaá nhúâ ma saát cuãa vuä truå laâ nguyïn nhên àûa àïën tyã lïå to lúán nhû hiïån nay cuãa photon trïn haåt haåt nhên laâ 1000 triïåu trïn möåt. Tuy nhiïn theo sûå hiïíu biïët cöë gùæng nhêët cuãa töi, khöng ai coá thïí noái àûúåc taåi sao vuä truå coá möåt àöå khöng àöìng tñnh vaâ dõ hûúáng riïng luác àêìu naâo àoá, vaâ khöng ai biïët caách tñnh toaán nhiïåt lûúång àûúåc taåo ra búãi sûå “san bùçng” vuä truå.

Theo töi, lúâi giaãi àaáp thñch húåp cho nhûäng àiïím khöng chùæc chùæn nhû vêåy khöng phaãi laâ (nhû möåt söë nhaâ vuä truå hoåc coá thïí muöën) loaåi boã mö hònh chuêín, maâ laâ xem xeát noá thêåt nghiïm tuác vaâ tñnh toaán caác hïå quaã cuãa noá àïën cuâng, duâ chó laâ vúái hy voång tòm àûúåc möåt mêu thuêîn naâo àoá vúái quan saát. Vêîn chûa roä rùçng tñnh khöng àùèng hûúáng vaâ tñnh khöng àöìng tñnh lúán ban àêìu coá aãnh hûúáng lúán àïën cêu chuyïån kïí trong chûúng naây hay khöng. Coá thïí laâ vuä truå àaä àûúåc san bùçng ài trong vaâi giêy àêìu tiïn; trong trûúâng húåp àoá sûå taåo ra hïli vaâ àútïri theo vuä truå hoåc coá thïí àûúåc tñnh toaán nhû thïí nguyïn lyá vuä truå hoåc luön luön àuáng àùæn. Mùåc dêìu tñnh khöng àùèng hûúáng vaâ tñnh khöng àöìng tñnh cuãa vuä truå vêîn coân laåi sau thúâi kyâ töíng húåp hïli, sûå taåo ra hïli vaâ àútïri trong moåi khöëi daän núã möåt caách àöìng àïìu chó phaãi phuå thuöåc vaâo töëc àöå daän núã úã trong khöëi àoá, vaâ coá thïí khöng khaác lùæm so vúái sûå taåo ra àûúåc tñnh toaán trong mö hònh chuêín. Cuáng coá thïí laâ toaân böå vuä truå maâ ta coá thïí thêëy khi nhòn laåi vïì trûúác, àïën thúâi kyâ töíng húåp haåt nhên, chó laâ möåt khöëi àöìng tñnh vaâ àùèng hûúáng nùçm trong möåt vuä truå lúán hún khöng àöìng tñnh vaâ khöng àùèng hûúáng.

Tñnh khöng chùæc chùæn cuãa nguyïn lyá vuä truå hoåc trúã thaânh thûåc sûå quan troång khi ta nhòn laåi thuãa bùæt àêìu chñnh cöëng hoùåc nhòn vïì sau cho àïën khi vuä truå kïët thuác. Töi seä tiïëp tuåc dûåa vaâo

Steven Weinberg 106


nguyïn lyá naây trong phêìn lúán hai chûúng sau cuâng. Tuy nhiïn, phaãi luön cöng nhêån rùçng nhûäng mö hònh vuä truå àún giaãn cuãa ta chó coá thïí mö taã möåt phêìn nhoã cuãa vuä truå, hoùåc möåt phêìn haån chïë lõch sûã cuãa noá.



VAÂI TRANG LÕCH SÛÃ KHOA HOÅC

Ta haäy taåm ngûâng xeát lõch sûã cuãa vuä truå sú khai, vaâ noái vïì lõch sûã ba thêåp niïn cuöëi cuãa nghiïn cûáu vuä truå hoåc. ÚÃ àêy töi muöën àùåc biïåt xem xeát möåt vêën àïì lõch sûã maâ töi cho laâ vûâa khoá hiïíu vûâa hêëp dêîn. Sûå phaát hiïån ra phöng bûác xaå cûåc ngùæn vuä truå trong nùm 1965 laâ möåt trong nhûäng khaám phaá khoa hoåc quan troång nhêët cuãa thïë kyã 20. Vò sao noá àaä phaãi ra àúâi möåt caách ngêîu nhiïn? Hoùåc noái caách khaác taåi sao khöng coá sûå tòm hiïíu hïå thöëng naâo vïì bûác xaå naây trong nhiïìu nùm trûúác 1965?

Nhû ta thêëy trong chûúng trûúác, giaá trõ ào àûúåc hiïån nay cuãa nhiïåt àöå phöng bûác xaå vaâ mêåt àöå khöëi lûúång cuãa vuä truå cho pheáp ta tiïn àoaán caác àöå nhiïìu vuä truå cuãa caác nguyïn töë nheå, noá hònh nhû khúáp töët vúái quan saát. Nhiïìu nùm trûúác 1965 ngûúâi ta àaáng leä ra coá thïí tiïën haânh tñnh toaán ngûúåc laåi, tiïn àoaán möåt phöng bûác xaå cûåc ngùæn vuä truå, vaâ àûúåc bùæt àêìu tòm kiïëm noá tûâ caác àöå nhiïìu vuä truå quan saát àûúåc hiïån nay, vaâo khoaãng 20 - 30 phêìn trùm hïli vaâ 70 - 80 phêìn trùm hyàro, coá thïí suy ra rùçng sûå töíng húåp haåt nhên àaä phaãi bùæt àêìu luác tyã lûúång nútron cuãa caác haåt haåt nhên haå xuöëng 10 - 15 phêìn trùm. (Nhúá rùçng àöå nhiïìu theo troång lûúång cuãa hïli hiïån nay laâ àuáng gêëp àöi tyã lûúång nútron úã thúâi kyâ töíng húåp haåt nhên). Giaá trõ naây cuãa tó lûúång nútron àaåt àûúåc khi vuä truå úã nhiïåt àöå 1000 triïåu àöå Kelvin (10 muä 9 K). Àiïìu kiïån töíng húåp haåt nhên bùæt àêìu luác àoá coá thïí cho pheáp ngûúâi ta ûúác tñnh sú böå mêåt àöå haåt nhên úã nhiïåt àöå 10 muä 9 K, trong khi mêåt àöå photon úã nhiïåt àöå àoá coá thïí tñnh àûúåc tûâ nhûäng tñnh chêët biïët àûúåc cuãa bûác xaå vêåt àen. Tûâ àoá, tyã söë giûäa söë lûúång photon vaâ haåt haåt nhên luác àoá cuäng coá thïí biïët àûúåc. Nhûng tyã söë àoá khöng thay àöíi, vò vêåy noá cuäng coá thïí àûúåc biïët àuáng nhû vêåy úã thúâi kyâ hiïån nay. Nhû vêåy tûâ nhûäng quan saát mêåt àöå haåt haåt nhên hiïån nay, ngûúâi ta coá thïí tiïn àoaán mêåt àöå photon hiïån nay, vaâ suy ra sûå töìn taåi cuãa möåt phöng bûác xaå

Steven Weinberg 108


cûåc ngùæn vuä truå vúái nhiïåt àöå hiïån nay vaâo khoaãng tûâ 1 K àïën 10 K. Nïëu lõch sûã khoa hoåc àaä laâ àún giaãn vaâ roä raâng nhû lõch sûã vuä truå, möåt ngûúâi naâo àoá àaä coá thïí àûa ra möåt tiïn àoaán theo caác hûúáng àoá trong nhûäng nùm 1940 hoùåc 1950; vaâ sûå tiïn àoaán àoá àaä coá thïí khúãi xûúáng möåt sûå tòm kiïëm phöng bûác xaå trong haâng nguä caác nhaâ thiïn vùn vö tuyïën. Nhûng àoá hoaân toaân khöng phaãi laâ viïåc àaä xaãy ra.

Thûåc ra, möåt tiïn àoaán theo khaá gêìn nhûäng hûúáng trïn àaä àûúåc àûa ra vaâo nùm 1948, nhûng luác àoá hoùåc sau àoá, noá àaä khöng dêîn àïën möåt sûå tòm kiïëm bûác xaå. Trong nhûäng nùm cuöëi cuãa thêåp niïn 40, thuyïët vuä truå hoåc “vuå nöí lúán” àaä àûúåc George Gamov vaâ nhûäng ngûúâi cöång taác cuãa öng laâ Ralphan Alpher vaâ Robert Herman khaão saát kyä. Hoå cho rùçng vuä truå bùæt àêìu nhû laâ nhûäng nútron àún thuêìn, vaâ caác nútron naây sau àoá bùæt àêìu chuyïín thaânh photon qua quaá trònh phên raä phoáng xaå quen biïët trong àoá möåt nútron ngêîu nhiïn biïën thaânh möåt proton, möåt electron, vaâ möåt phaãn neutrino. Möåt luác naâo àoá trong quaá trònh giaän núã, vuä truå trúã thaânh àuã laånh àïí cho caác nguyïn töë nùång coá thïí taåo nïn tûâ nútron vaâ proton bùçng möåt loaåt nhanh caác sûå bùæt nútron. Alpher vaâ Herman tòm ra rùçng àïí khúáp vúái caác àöå nhiïìu quan saát àûúåc hiïån nay cuãa nhûäng nguyïn töë nheå cêìn giaã thiïët möåt tyã söë photon trïn haåt haåt nhên vaâo khoaãng 1000 triïåu. Duâng nhûäng ûúác lûúång vïì mêåt àöå haåt haåt nhên vuä truå hiïån nay hoå àaä coá thïí tiïn àoaán sûå töìn taåi cuãa möåt phöng bûác xaå coân soát laåi tûâ vuä truå sú khai, vúái möåt nhiïåt àöå hiïån nay laâ 5 K!

Caác tñnh toaán ban àêìu cuãa Alpher, Herman vaâ Gamov khöng àûúåc àuáng àùæn trong moåi chi tiïët. Nhû ta thêëy trong chûúng trïn, vuä truå coá leä bùæt àêìu vúái nhûäng söë lûúång bùçng nhau vïì nútron vaâ proton chûá khöng phaãi vúái nútron àún thuêìn. Ngoaâi ra, sûå chuyïín tûâ nútron thaânh proton (vaâ ngûúåc laåi) xaãy ra chuã yïëu qua sûå va chaåm vúái electron, pözitron, neutrino vaâ phaãn neutrino, chûá khöng phaãi laâ do sûå phên raä phoáng xaå cuãa nútron. Caác àiïím àoá àaä àûúåc nïn lïn vaâo nùm 1950 búãi C. Hayashi vaâ vaâo nùm 1953 Alpher vaâ Herman (cuâng vúái J. W. Follin treã) àaä sûãa laåi mö hònh cuãa hoå vaâ tiïën haânh möåt sûå tñnh toaán cú baãn àuáng àùæn vïì sûå cên bùçng xï



dõch nútron - proton. Àoá thûåc ra laâ sûå phên tñch hoaân toaân hiïån àaåi àêìu tiïn vïì lõch sûã cuãa vuä truå sú khai.

Tuy nhiïn, nùm 1948 hoùåc nùm 1953 khöng ai böë trñ àïí tòm bûác xaå cûåc ngùæn àaä tiïn àoaán. Thûåc ra, nhiïìu nùm trûúác 1965 caác nhaâ vêåt lyá thiïn vùn thûúâng khöng biïët rùçng trong caác mö hònh “vuå nöí lúán”, caác àöå nhiïìu cuãa hyàro vaâ hïli àoâi hoãi trong vuä truå hiïån nay töìn taåi möåt phöng bûác xaå vuä truå quaã thûåc coá thïí quan saát àûúåc. ÚÃ àêy caác nhaâ vêåt lyá thiïn vùn noái chung khöng biïët àïën sûå tiïn àoaán cuãa Alpher vaâ Herman, laâ khöng àaáng ngaåc nhiïn lùæm: möåt hai thöng baáo coá thïí chòm ài trong biïín caã thöng tin khoa hoåc. Caái khoá hiïíu hún laâ vêën àïì suöët trïn quaá trònh 10 nùm sau khöng möåt ai khaác theo àuöíi möåt hûúáng lêåp luêån nhû vêåy. Têët caã caác vêën àïì lyá thuyïët àïìu coá sùén. Chó cho àïën 1964 thò caác tñnh toaán vïì sûå töíng húåp haåt nhên trong möåt mö hònh “vuå nöí lúán” múái àûúåc bùæt àêìu laåi, do Ya. B. Zeldovich úã Nga, Hoyle vaâ R. J. Tayler úã Anh vaâ Peebles úã Myä tiïën haânh, caã ba nhoám laâm viïåc àöåc lêåp vúái nhau. Tuy nhiïn, luác àoá Penzias vaâ Wilson àaä bùæt àêìu caác quan saát cuãa hoå úã Holmdel, vaâ àaä phaát hiïån ra phöng soáng cûåc ngùæn maâ khöng coá sûå kñch thñch vaâ gúåi yá naâo cuãa caác nhaâ vuä truå hoåc lyá thuyïët.

Cuäng rêët laå rùçng nhûäng ngûúâi thûåc coá biïët vïì sûå tiïn àoaán cuãa Alpher vaâ Herman hònh nhû khöng nhêën maånh àïën noá lùæm. Chñnh Alpher, Follin vaâ Herman trong baáo caáo nùm 1953 cuãa hoå àaä àïí laåi vêën àïì töíng húåp haåt nhên cho nhûäng “nghiïn cûáu tûúng lai”, nhû vêåy hoå khöng coá khaã nùng tñnh toaán laåi nhiïåt àöå mong àúåi cuãa phöng bûác xaå cûåc ngùæn trïn cú súã mö hònh àûúåc caãi tiïën cuãa hoå. (Maâ hoå cuäng khöng nhùæc àïën sûå tiïn àoaán trûúác àêy cuãa hoå rùçng hoå chúâ àúåi möåt phöng bûác xaå 5 K. Hoå thöng baáo vïì nhûäng tñnh toaán naâo àoá vïì sûå töíng húåp haåt nhên úã möåt cuöåc hoåp cuãa höåi vêåt lyá Myä nùm 1953 nhûng caã ba chuyïín qua caác phoâng thñ nghiïåm khaác nhau vaâ cöng trònh khöng àûúåc viïët laåi dûúái möåt daång cuöëi cuâng.) Nhiïìu nùm sau, trong möåt bûác thû viïët cho Penzias sau sûå phaát hiïån ra phöng bûác xaå cûåc ngùæn, Gamov àaä chó ra rùçng trong möåt baâi baáo cuãa öng nùm 1953, àùng trong “caác biïn baãn cuãa viïån haân lêm hoaâng gia Àan Maåch”, öng àaä tiïn àoaán möåt phöng bûác xaå vúái nhiïåt àöå 7 K, àaåi thïí laâ möåt bêåc àöå lúán àuáng àùæn. Tuy nhiïn möåt

Steven Weinberg 110


sûå nhòn qua baâi baáo nùm 1953 àoá cho thêëy rùçng tiïn àoaán cuãa Gamov dûåa trïn möåt lêåp luêån toaán hoåc sai lêìm liïn quan àïën tuöíi cuãa vuä truå, chûá khöng dûåa trïn thuyïët cuãa chñnh öng vïì töíng húåp haåt nhên.

Coá thïí lêåp luêån rùçng caác àöå nhiïìu trong vuä truå cuãa caác nguyïn töë nheå khöng àûúåc biïët roä trong nhûäng nùm 1950 vaâ àêìu nhûäng nùm 1960 àïí ruát ra nhûäng kïët luêån gò dûát khoaát vïì nhiïåt àöå cuãa phöng bûác xaå. Àuáng laâ ngay hiïån nay ta cuäng khöng thêåt chùæc laâ coá möåt àöå nhiïìu cuãa hïli trong vuä truå khoaãng 20 - 3 phêìn trùm. Tuy nhiïn àiïìu quan troång laâ ngûúâi ta tin tûâ nhiïìu nùm trûúác 1960 rùçng àa söë khöëi lûúång cuãa vuä truå laâ úã dûúái daång hyàro. (Chùèng haån, möåt sûå thùm doâ nùm 1956 do Hans Sues vaâ Harold Urey tiïën haânh cho möåt àöå nhiïìu hyàro laâ 75 phêìn trùm theo troång lûúång). Maâ hyàro khöng phaãi àûúåc taåo ra trong caác ngöi sao - noá laâ nhiïn liïåu nguyïn thuãy maâ tûâ àoá caác ngöi sao coá àûúåc nùng lûúång bùçng caách taåo nïn nhûäng nguyïn töë nùång hún. Viïåc naây tûå noá cuäng àuã noái lïn rùçng àaä phaãi coá möåt tyã lïå lúán photon trïn haåt haåt nhên àïí coá thïí caãn trúã sûå nung nêëu têët caã hyàro thaânh ra hïli vaâ nhûäng nguyïn töë nùång hún trong vuä truå sú khai.

Ngûúâi ta coá thïí hoãi thûåc ra khi naâo àaä coá thïí, vïì mùåt kyä thuêåt, quan saát möåt phöng bûác xaå àùèng hûúáng úã 3K. Khoá maâ noái chñnh xaác vïì viïåc naây, nhûng caác baån àöìng nghiïåp thûåc nghiïåm cuãa töi noái vúái töi rùçng sûå quan saát àaä coá thïí tiïën haânh lêu trûúác 1965, coá thïí vaâo giûäa nhûäng nùm 1950 vaâ ngay coá thïí giûäa nhûäng nùm 1940. Nùm 1946, möåt nhoám úã phoâng thñ nghiïåm bûác xaå cuãa M.I T., dûúái sûå laänh àaåo cuãa chñnh Robert Dicke àaä coá thïí àùåt möåt giúái haån trïn cho nhûäng phöng bûác xaå àùèng hûúáng bêët kyâ ngoaâi traái àêët: nhiïåt àöå tûúng àûúng ñt hún 20 K úã nhûäng bûúác soáng 1,00, 1,25 vaâ 1,50 centimet. Pheáp ào naây laâ möåt saãn phêím phuå cuãa nhûäng nghiïn cûáu vïì sûå hêëp thuå do khñ quyïín, vaâ chùæc khöng phaãi laâ möåt phêìn cuãa möåt chûúng trònh cuãa vuä truå hoåc quan saát. (Thûåc ra, Dicke thöng baáo cho töi rùçng khi anh ta bùæt àêìu tòm hiïíu vïì möåt phöng bûác xaå cûåc ngùæn vuä truå coá thïí coá àûúåc, anh ta àaä quïn giúái haån trïn 20 K vïì nhiïåt àöå phöng maâ chñnh anh ta àaä tòm àûúåc hai thêåp niïn vïì trûúác !).



Àöëi vúái töi, hònh nhû khöng phaãi thêåt laâ quan troång vïì mùåt lõch sûã nïëu nïu roä luác maâ sûå khaám phaá phöng soáng cûåc ngùæn àùèng hûúáng 3 K àaä trúã thaânh coá thïí àûúåc. Àiïìu quan troång laâ caác nhaâ thiïn vùn vö tuyïën khöng biïët laâ hoå phaãi laâm thûã! Ngûúåc laåi haäy xeát àïën lõch sûã vïì neutrino. Khi noá àûúåc Pauli giaã thiïët lêìn àêìu nùm 1932, roä raâng laâ khöng coá boáng daáng möåt dõp may naâo àïí quan saát noá trong bêët cûá möåt thñ nghiïåm naâo luác àoá coá thïí laâm àûúåc. Tuy nhiïn, sûå phaát hiïån neutrino coân úã trong trñ oác cuãa nhaâ vêåt lyá nhû muåc tiïu thaách thûác vaâ khi caác loâ phaãn ûáng haåt nhên coá thïí duâng cho nhûäng muåc àñch nhû vêåy trong nhûäng nùm 1950, neutrino àaä àûúåc tòm kiïëm vaâ àûúåc tòm thêëy. Sûå khaác nhau laåi coân roä rïåt hún trong trûúâng húåp phaãn proton. Sau khi pözitron àaä àûúåc khaám phaá trong caác tia vuä truå nùm 1932, caác nhaâ lyá thuyïët thûúâng mong àúåi rùçng proton cuäng nhû electron phaãi coá möåt phaãn haåt. Trong nhûäng nùm 1930, àaä khöng coá cú höåi naâo taåo ra phaãn proton vúái caác xiclötron coá àûúåc luác àoá, nhûng caác nhaâ vêåt lyá vêîn biïët àïën vêën àïì naây, vaâ trong nhûäng nùm 1950, möåt nhaâ maáy gia töëc (Bevatron úã Berkeley) àaä àûúåc xêy dûång àùåc biïåt àïí coá àuã nùng lûúång coá thïí taåo ra phaãn proton. Khöng coá gò giöëng nhû vêåt àaä xaãy ra trong trûúâng húåp phöng bûác xaå cûåc ngùæn vuä truå, cho àïën luác Dicke vaâ caác cöång taác viïn cuãa anh ta bùæt tay vaâo viïåc phaát hiïån ra noá nùm 1964. Ngay cho àïën luác àoá, nhoám Princeton cuäng khöng àûúåc biïët àïën cöng trònh cuãa Gamov, Alpher vaâ Herman trûúác àoá hún möåt thêåp niïn!

Thïë thò caái gò àaä truåc trùåc? ÚÃ àêy coá thïí nïu ra ba lyá do àaáng chuá yá. Taåi sao têìm quan troång cuãa sûå tòm kiïëm möåt phöng bûác xaå cûåc ngùæn trong vuä truå úã 3 K noái chung àaä khöng àûúåc àaánh giaá àuáng trong nhûäng nùm 1950 vaâ àêìu nhûäng nùm 1960.

Trûúác hïët, phaãi hiïíu rùçng Gamov, Alpher vaâ Herman vaâ Follin, vaâ nhûäng ngûúâi khaác àaä laâm viïåc trong böëi caãnh cuãa möåt thuyïët vuä truå hoåc röång lúán. Trong thuyïët “vuå nöí lúán” cuãa hoå, vïì cùn baãn têët caã caác haåt nhên phûác taåp chûá khöng phaãi chó coá hïli, àaä àûúåc giaã thiïët àûúåc taåo nïn trong vuä truå sú khai, bùçng möåt quaá trònh bùæt nhanh nútron. Tuy nhiïn, tuy thuyïët naây àoaán trûúác möåt caách àuáng àùæn tyã söë caác àöå nhiïìu cuãa vaâi nguyïn töë nùång, noá bõ böëi

Steven Weinberg 112


röëi khi muöën cùæt nghôa taåi sao laåi coá thïí coá nguyïn töë nùång àûúåc! Nhû àaä nïu, khöng coá haåt nhên bïìn vúái 5 hoùåc 8 haåt haåt nhên, do àoá khöng thïí taåo ra haåt nhên nùång hún hïli bùçng caách bùæt nútron hoùåc proton vaâo caác haåt nhên hïli (He muä 4) hoùåc bùçng caách “àuác” laåi tûâng cùåp haåt nhên hïli. (Sûå caãn trúã naây lêìn àêìu tiïn àaä àûúåc Enrico Fermi vaâ Anthony Turkevich lûu yá). Do khoá khùn àoá dïî thêëy taåi sao caác nhaâ lyá thuyïët cuäng khöng ham muöën ngay caã viïåc nghô àïën möåt tñnh toaán möåt caách nghiïm tuác viïåc taåo ra hïli trong thuyïët naây.

Thuyïët vuä truå hoåc vïì sûå töíng húåp caác nguyïn töë caâng mêët nhiïìu cú súã hún khi nhûäng caãi tiïën àaä àûúåc àûa vaâo möåt thuyïët khaác, trong àoá caác nguyïn töë àûúåc töíng húåp trong caác vò sao. Nùm 1952, E. E. Salpeter chó ra rùçng nhûäng “chöî höíng” cuãa caác haåt nhên vúái 5 hoùåc 8 haåt haåt nhên coá thïí àûúåc lêëp trong têm caác ngöi sao giaâu hïli mêåt àöå cao: caác va chaåm giûäa hai haåt nhên hïli taåo ra möåt haåt nhên berili khöng bïìn (Be muä 8), vaâ trong nhûäng àiïìu kiïån mêåt àöå cao nhû vêåy haåt nhên berili coá thïí va àêåp vaâo möåt haåt nhên hïli khaác trûúác khi noá phên raä taåo ra möåt haåt nhên cacbon bïìn (C muä 12). (Mêåt àöå vuä truå úã thúâi kyâ töíng húåp haåt nhên theo vuä truå hoåc laâ quaá thêëp àïí cho quaá trònh naây xaãy ra luác àoá.) Nùm 1957 xuêët hiïån möåt baâi baáo nöíi tiïëng cuãa Geoffrey vaâ Margaret Burbidge, Fowler vaâ Hoyle, trong àoá chó roä rùçng caác nguyïn töë nùång coá thïí àûúåc taåo nïn trong caác vò sao, àùåc biïåt trong caác vuå nöí nhû nhûäng sao siïu múái, trong nhûäng thúâi kyâ coá luöìng nútron cûúâng àöå cao. Nhûng ngay trûúác nùm 1950 trong caác nhaâ vêåt lyá thiïn vùn coá möåt khuynh hûúáng maånh meä tin rùçng moåi nguyïn töë trûâ hyàro àïìu àûúåc saãn ra trong caác vò sao. Hoyle àaä lûu yá töi rùçng àoá coá thïí laâ kïët quaã cuãa cöë gùæng maâ caác nhaâ thiïn vùn àaä phaãi traãi qua trong nhûäng thêåp niïn àêìu tiïn cuãa thïë kyã naây àïí hiïíu nguöìn göëc cuãa nùng lûúång saãn sinh ra trong caác vò sao. Vaâo nùm 1940 cöng trònh cuãa Hans Bethe vaâ nhûäng ngûúâi khaác àaä chó roä rùçng quaá trònh then chöët laâ sûå töíng húåp böën haåt nhên hyàro thaânh möåt haåt nhên hïli, vaâ trong nhûäng nùm 1940 vaâ 1950 bûác tranh àoá àaä dêîn àïën nhûäng tiïën böå trong sûå hiïíu biïët vïì sûå tiïën hoáa caác vò sao. Nhû Hoyle noái, sau thaânh tûåu àoá nhiïìu nhaâ vêåt lyá thiïn vùn cho



rùçng seä khöng laânh maånh lùæm nïëu nghi ngúâ rùçng sao laâ núi hònh thaânh caác nguyïn töë.

Nhûng thuyïët töíng húåp haåt nhên úã caác vò sao cuäng coá nhûäng vêën àïì cuãa noá. Khoá maâ thêëy àûúåc bùçng caách naâo maâ caác ngöi sao coá thïí taåo ra möåt caái gò giöëng nhû möåt àöå nhiïìu 25 - 30 phêìn trùm cuãa hïli - thûåc ra nùng lûúång àûúåc giaãi thoaát ra trong sûå töíng húåp àoá phaãi lúán hún nhiïìu so vúái nùng lûúång maâ sao coá thïí bûác xaå ra suöët trong àúâi cuãa noá. Thuyïët vuä truå hoåc vêët boã nùng lûúång àoá rêët hay: noá àún giaãn bõ mêët ài trong sûå dõch chuyïín àoã chung. Nùm 1964, Hoyle vaâ R. J. Tayler àaä chó ra rùçng àöå nhiïìu lúán cuãa hïli trong vuä truå hiïån nay khöng thïí àûúåc taåo ra trong caác vò sao thöng thûúâng àûúåc, vaâ hoå tiïën haânh möåt sûå tñnh toaán vïì lûúång hïli coá thïí àûúåc taåo ra trong nhûäng thúâi kyâ àêìu cuãa möåt “vuå nöí lúán”, vaâ nhêån àûúåc möåt àöå nhiïìu 36 % theo troång lûúång. Cuäng khaá laå laâ hoå cöë àõnh luác töíng húåp haåt nhên coá thïí xaãy ra úã möåt nhiïåt àöå coá phêìn naâo tuây tiïån laâ 5000 triïåu àöå Kelvin, mùåc duâ sûå kiïån laâ giaã thiïët naây phuå thuöåc vaâo giaá trõ choån cho möåt thöng söë luác àoá chûa àûúåc biïët, tyã söë giûäa photon vaâ caác haåt haåt nhên. Nïëu hoå àaä duâng tñnh toaán cuãa hoå àïí ûúác lûúång tyã söë naây tûâ àöå nhiïìu quan saát àûúåc cuãa hïli, hoå àaä coá thïí tiïn àoaán möåt phöng bûác xaå cûåc ngùæn hiïån nay vúái möåt nhiïåt àöå àaåi thïí coá bêåc àöå lúán àuáng àùæn. Duâ sao, rêët àaáng ngaåc nhiïn laâ Hoyle, möåt trong nhûäng ngûúâi àïì xûúáng ra thuyïët traång thaái dûâng, àaä ûng chõu ài theo hûúáng suy nghô naây, vaâ cöng nhêån rùçng noá cung cêëp bùçng chûáng cho möåt caái gò giöëng nhû mö hònh “vuå nöí lúán”.

Hiïån nay noái chung ngûúâi ta tin rùçng sûå töíng húåp haåt nhên xaãy ra caã theo caách vuä truå hoåc tiïn àoaán lêîn trong caác vò sao; hïli vaâ coá thïí möåt vaâi haåt nhên nheå khaác àûúåc töíng húåp trong vuä truå sú khai, trong khi caác vò sao chõu traách nhiïåm vïì moåi caái khaác. Thuyïët vuå nöí lúán vïì töíng húåp haåt nhên, vò àaä cöë “öm àöìm” quaá nhiïìu, àaä mêët caái veã àaáng tin cêåy maâ noá thûåc ra xûáng àaáng àûúåc coi nhû laâ möåt thuyïët vïì töíng húåp hïli.

Hai laâ, àêy laâ möåt vñ duå kinh àiïín vïì sûå giaán àoaån thöng tin giûäa caác nhaâ lyá thuyïët vaâ thûåc nghiïåm. Àa söë caác nhaâ lyá thuyïët àaä khöng bao giúâ nhêån thûác roä rùçng möåt phöng bûác xaå 3 K àùèng

Steven Weinberg 114


hûúáng coá thïí àûúåc khaám phaá ra möåt luác naâo àoá. Trong möåt bûác thû gûãi cho Peebles àïì ngaây 23 - 6 - 1967, Gamov giaãi thñch rùçng öng ta hoùåc Alpher hay Herman àaä khöng ai cho rùçng coá thïí khaám phaá ra bûác xaå soát laåi tûâ “vuå nöí lúán”, vò trong thúâi kyâ nghiïn cûáu vïì vuä truå hoåc, thiïn vùn vö tuyïën coân àang úã thúâi kyâ sú sinh. (Alpher vaâ Herman, tuy nhiïn, thöng baáo cho töi rùçng thûåc ra hoå àaä tòm hiïíu khaã nùng quan saát phöng bûác xaå vuä truå vúái nhûäng chuyïn gia vïì radar úã trûúâng àaåi hoåc Jonhs Hopkins, phoâng thñ nghiïåm nghiïn cûáu thuãy quên, vaâ úã viïån tiïu chuêín quöëc gia, nhûng àûúåc traã lúâi rùçng möåt nhiïåt àöå phöng bûác xaå 5 K hoùåc 10 K laâ quaá thêëp àïí coá thïí àûúåc phaát hiïån vúái caác kyä thuêåt hiïån haânh). Mùåt khaác, vaâi nhaâ vêåt lyá thiïn vùn Liïn Xö (cuä) hònh nhû coá nhêån thûác rùçng möåt phöng bûác xaå cûåc ngùæn coá thïí àûúåc phaát hiïån, nhûng àaä laåc àûúâng búãi ngön ngûä duâng trong caác taåp chñ kyä thuêåt Myä. Nùm 1964, Ya. B. Zeldovich viïët möåt baâi baáo trong àoá öng àaä tiïën haânh möåt sûå tñnh toaán àuáng àùæn vïì àöå nhiïìu cuãa hïli trong vuä truå cho hai giaá trõ coá thïí cuãa nhiïåt àöå bûác xaå hiïån nay, vaâ nhêën maånh möåt caách àuáng àùæn rùçng caác àaåi lûúång àoá coá liïn hïå vúái nhau búãi vò söë photon cho möîi haåt haåt nhên (hoùåc entropi cho möîi haåt haåt nhên) khöng thay àöíi theo thúâi gian. Tuy nhiïn öng coá veã nhû bõ laåc àûúâng búãi viïåc sûã duång danh tûâ “nhiïåt àöå bêìu trúâi” trong möåt baâi baáo cuãa E. A. Ohm viïët nùm 1961 trong Taåp chñ kyä thuêåt cuãa hïå thöëng Bell àïí kïët luêån rùçng nhiïåt àöå bûác xaå ào àûúåc phaãi nhoã hún 1 K. (Ùngten maâ Ohm àaä duâng laâ böå phaãn xaå hònh loa keân 20 fut maâ sau àoá Penzias vaâ Wilson àaä duâng àïí khaám phaá ra phöng soáng cûåc ngùæn). Viïåc naây cuâng vúái möåt söë ûúác lûúång coá húi thêëp vïì àöå nhiïìu cuãa hïli vuä truå àaä dêîn Zeldovich àïën viïåc àõnh boã yá tûúãng vïì möåt vuä truå sú khai noáng.

Cöë nhiïn, trong luác luöìng thöng tin chaåy möåt caách rêët dúã tûâ caác nhaâ thûåc nghiïåm àïën caác nhaâ lyá thuyïët, noá cuäng chaåy rêët dúã tûâ caác nhaâ lyá thuyïët àïën caác nhaâ thûåc nghiïåm, Penzias vaâ Wilson chûa bao giúâ nghe àïën sûå tiïn àoaán cuãa Alpher vaâ Herman khi hoå bùæt tay vaâ viïåc thûã ùngten cuãa hoå nùm 1964.

Thûá ba, vaâ töi cho rùçng laâ quan troång nhêët, thuyïët vuå nöí lúán khöng dêîn àïën möåt sûå tòm kiïëm phöng soáng cûåc ngùæn 3 K búãi vò



caác nhaâ vêåt lyá caãm thêëy vö cuâng khoá khùn khi nghô túái bêët cûá möåt thuyïët naâo vïì vuä truå sú khai möåt caách nghiïm chónh. (Töi noái àêy laâ möåt phêìn vò nhúá laåi thaái àöå cuãa ngay baãn thên töi trûúác 1965). Möîi möåt khoá khùn nïu trïn àêy àïìu àaä coá thïí vûúåt qua bùçng möåt sûå cöë gùæng nhoã. Tuy nhiïn ba phuát àêìu tiïn quaá xa chuáng ta vïì thúâi gian, caác àiïìu kiïån vïì nhiïåt àöå vaâ mêåt àöå laå luâng, àïën nöîi ta caãm thêëy khöng thoaãi maái lùæm khi ûáng duång caác lyá thuyïët cuãa cú hoåc thöëng kï vaâ vêåt lyá haåt nhên bònh thûúâng cuãa chuáng ta.

Àêy laâ möåt tònh traång trong vêåt lyá - sai lêìm cuãa chuáng ta khöng phaãi laâ ta àaä coi caác thuyïët cuãa chuáng ta quaá nghiïm chónh, maâ laâ vò chuáng ta khöng coi chuáng àuã nghiïm chónh. Thûúâng khoá nhêån thûác rùçng caác con söë vaâ phûúng trònh maâ ta àang sûã duång coá caái gò àoá liïn quan vúái thïë giúái thûåc. Tïå hún nûäa, nhiïìu khi dûúâng nhû coá möåt sûå nhêët trñ chung rùçng möåt söë hiïån tûúång naâo àoá khöng phaãi laâ nhûäng vêën àïì xûáng àaáng àûúåc coi troång. Gamov, Alpher vaâ Herman xûáng àaáng coá möåt uy tñn lúán lao, trûúác hïët, vò àaä muöën nghiïn cûáu möåt caách nghiïm chónh vuä truå sú khai, vò àaä tñnh toaán àûúåc caái maâ caác quy luêåt vêåt lyá àaä àûúåc biïët coá thïí noái àûúåc vïì ba phuát àêìu tiïn. Tuy vêåy, hoå cuäng àaä khöng ài bûúác cuöëi, thuyïët phuåc caác nhaâ thiïn vùn vö tuyïën rùçng hoå phaãi ài tòm möåt phöng bûác xaå cûåc ngùæn. Viïåc quan troång nhêët maâ sûå phaát hiïån cuöëi cuâng vïì phöng bûác xaå úã 3 K nùm 1965 hoaân thaânh laâ àaä buöåc têët caã chuáng ta xem xeát yá tûúãng rùçng àaä coá möåt vuä truå sú khai möåt caách nghiïm chónh.

Töi àaä noái khaá daâi vïì dõp may bõ vúä huåt naây búãi vò theo töi noá laâ loaåi lõch sûã khoa hoåc soi saáng cho chuáng ta nhiïìu nhêët. Dïî hiïíu rùçng nhiïìu nhaâ viïët lõch sûã khoa hoåc noái vïì nhûäng thùæng lúåi cuãa noá, vïì nhûäng phaát hiïån lûâng danh, nhûäng suy luêån hoùåc vïì nhûäng bûúác nhaãy thêìn kyâ cuãa möåt Newton hoùåc möåt Einstein. Nhûng töi khöng nghô rùçng thûåc ra coá thïí hiïíu caác thùæng lúåi cuãa khoa hoåc nïëu khöng hiïíu àûúåc noá khoá ra sao - ta dïî bõ ài laåc àûúâng nhû thïë naâo, viïåc biïët àûúåc úã möåt luác naâo àoá àiïìu tiïëp theo phaãi laâm laâ gò khoá khùn nhû thïë naâo.

Steven Weinberg 116


PHÊÌN TRÙM GIÊY ÀÊÌU TIÏN

Cêu chuyïån cuãa ta vïì ba phuát àêìu tiïn úã chûúng V khöng thïí bùæt àêìu vaâo thúâi àiïím bùæt àêìu cuãa vuä truå. Thay vaâo àoá ta bùæt àêìu úã “caãnh möåt” khi nhiïåt àöå vuä truå àaä nguöåi xuöëng möåt trùm nghòn triïåu àöå Kelvin, vaâ nhûäng haåt coá mùåt luác àoá vúái söë lûúång lúán chó laâ photon, electron, neutrino vaâ nhûäng phaãn haåt tûúng ûáng cuãa chuáng. Nïëu chuáng quaã thûåc laâ nhûäng loaåi haåt duy nhêët trong tûå nhiïn, thò coá leä coá thïí ngoaåi suy sûå daän núã vuä truå luâi vïì quaá khûá vaâ cho rùçng àaä phaãi coá möåt luác bùæt àêìu thûåc sûå, möåt traång thaái nhiïåt àöå vaâ mêåt àöå vö cuâng lúán, xaãy ra 0,0108 giêy trûúác caãnh möåt cuãa chuáng ta.

Tuy nhiïn coá nhiïìu loaåi haåt khaác maâ vêåt lyá thiïn vùn hiïån àaåi biïët: muon, meson pi, proton, nútron, v. v... Khi ta nhòn luâi vïì nhûäng thúâi gian ngaây caâng xa, ta gùåp nhûäng nhiïåt àöå vaâ mêåt àöå cao àïën mûác têët caã caác haåt àoá coá thïí coá mùåt vúái söë lûúång lúán úã cên bùçng nhiïåt vaâ têët caã úã möåt traång thaái tûúng taác liïn tuåc. Vò nhûäng lyá do maâ töi mong seä laâm saáng toã, ta quaã laâ vêîn khöng biïët àuã vïì vêåt lyá haåt cú baãn àïí coá thïí tñnh toaán caác tñnh chêët cuãa möåt höîn húåp nhû vêåy vúái möåt sûå tin tûúãng naâo àaáng kïí. Nhû vêåy sûå keám coãi cuãa chuáng ta vïì vêåt lyá vi mö nhû laâ möåt bûác maân che mêët hûúáng nhòn cuãa ta vïì luác àêìu tiïn thûåc sûå.

Cöë nhiïn ta rêët muöën nhòn àûúåc sau bûác maân àoá. Sûå caám döî àoá àùåc biïåt maånh àöëi vúái nhûäng nhaâ lyá thuyïët nhû töi, laâm viïåc úã lônh vûåc vêåt lyá haåt cú baãn nhiïìu hún vêåt lyá thiïn vùn. Nhiïìu yá tûúãng hêëp dêîn trong vêåt lyá caác haåt hiïån nay coá nhûäng hïå quaã tinh tïë àïën mûác chuáng rêët khoá maâ àûúåc thûã nghiïåm trong caác phoâng thñ nghiïåm ngaây nay, nhûng nhûäng hïå quaã cuãa chuáng seä rêët sêu sùæc khi caác yá tûúãng naây àûúåc aáp duång cho vuä truå rêët sú khai.

Vêën àïì àêìu tiïn maâ ta gùåp phaãi khi nhòn luâi vïì nhûäng nhiïåt àöå trïn trùm nghòn triïåu àöå laâ do nhûäng “tûúng taác maånh” cuãa



nhûäng haåt cú baãn. Nhûäng tûúng taác maånh laâ nhûäng lûåc giûä nútron vaâ proton vúái nhau trong haåt nhên nguyïn tûã. Chuáng khöng quen thuöåc trong àúâi söëng bònh thûúâng theo kiïíu caác lûåc àiïån, tûâ vaâ hêëp dêîn búãi vò têìm taác duång cuãa chuáng laâ hïët sûác ngùæn, khoaãng möåt phêìn mûúâi triïåu centimet (10 muä êm 13 cm). Kïí caã trong caác phên tûã maâ haåt nhên caách nhau thûúâng vaâo khoaãng vaâi phêìn trùm triïåu centimet (10 muä êm 8 cm) nhûäng tûúng taác maånh giûäa caác haåt nhên khaác nhau hêìu nhû khöng coá taác duång. Tuy nhiïn, nhû tïn cuãa chuáng chó roä, caác tûúng taác maånh laâ rêët maånh. Khi hai proton àûúåc àêíy àïën àuã gêìn nhau, tûúng taác maånh cuãa chuáng khoaãng möåt trùm lêìn lúán hún lûåc àêíy àiïån, àêy laâ lyá do taåi sao caác tûúng taác maånh coá thïí giûä vûäng caác haåt nhêån nguyïn tûã chöëng laåi lûåc àêíy àiïån cuãa gêìn möåt trùm proton. Sûå nöí cuãa möåt bom khinh khñ àûúåc gêy nïn búãi sûå phên böë laåi nútron vaâ proton, noá cho pheáp chuáng liïn kïët vúái nhau maånh meä hún búãi caác tûúng taác maånh; nùng lûúång cuãa quaã bom àuáng laâ nùng lûúång thûâa do sûå phên böë laåi àoá taåo nïn.

Chñnh sûác maånh cuãa caác tûúng taác maånh laâm cho ta khoá giaãi quyïët chuáng bùçng toaán hoåc hún laâ nhûäng tûúng taác àiïån tûâ. Chùèng haån khi ta tñnh xaác suêët taán xaå cuãa hai electron do lûåc àêíy àiïån tûâ giûäa chuáng gêy nïn, ta phaãi cöång möåt söë vö haån caác àoáng goáp, möîi àoáng goáp ûáng vúái möåt chuöîi bûác xaå vaâ hêëp thuå àùåc biïåt caác photon vaâ nhûäng cùåp electron - pözitron àûúåc mö taã tûúång trûng bùçng “giaãn àöì Feynman” giöëng nhû caác giaãn àöì úã hònh 10.

Hònh 10. Vaâi giaãn àöì Feynman. ÚÃ àêy veä vaâi giaãn àöì Feynman àún giaãn cho quaá trònh taán xaå electron - electron. Nhûäng àûúâng thùèng chó electron hoùåc pözitron; àûúâng lûúån soáng chó photon. Möîi giaãn àöì chó möåt “àaåi lûúång hùçng söë” naâo àoá phuå thuöåc vaâo xung lûúång vaâ spin cuãa caác electron vaâo vaâ ra; xaác suêët cuãa quaá trònh taán xaå laâ bònh phûúng cuãa töíng caác àaåi lûúång àoá, kïët húåp vúái moåi giaãn àöì Feynman. Phêìn àoáng goáp cuãa möîi giaãn àöì cho töíng naây laâ tyã lïå vúái söë nhên söë 1/137 (hùçng söë cêëu truác tinh tïë) àûúåc cho búãi söë

àûúâng photon. Giaãn àöì a biïíu diïîn sûå trao àöíi möåt electron riïng leã vaâ cho àoáng goáp chñnh, tyã lïå vúái 1/137. Caác giaãn àöì (b), (c), (d) vaâ (e) biïíu diïîn moåi kiïíu giaãn àöì húåp thaânh caác hiïåu

Hình 10. Vài giản đồ Feynman

Steven Weinberg 118


chñnh “bûác xaå” chuã yïëu cho (a); têët caã chuáng cho àoáng goáp khoaãng (1/137) muä 2. Giaãn àöì (f) cho möåt àoáng goáp coân beá hún nûäa, tyã lïå vúái (1/137) muä 3.

(Phûúng phaáp tñnh toaán duâng caác giaãn àöì àûúåc Richard Feynman, luác àoá úã Cornell vaåch ra trong cuöëi nhûäng nùm 1940. Noái chùåt cheä ra, xaác suêët cuãa quaá trònh taán xaå àûúåc cho bùçng bònh phûúng cuãa möåt töíng caác àoáng goáp, möîi caái ûáng vúái möåt giaãn àöì.) Thïm möåt àûúâng nöåi taåi nûäa vaâo cho möåt giaãn àöì bêët kyâ seä laâm giaãm phêìn àoáng goáp cuãa giaãn àöì möåt söë lêìn bùçng möåt thûâa söë xêëp xó bùçng möåt hùçng söë cú baãn cuãa tûå nhiïn, goåi laâ “hùçng söë cêëu truác tinh tïë”. Hùçng söë naây rêët laâ beá khoaãng 1/137,036. Nhûäng giaãn àöì phûác taåp do àoá cho nhûäng àoáng goáp beá, vaâ ta coá thïí tñnh toaán xaác suêët cuãa quaá trònh taán xaå vúái mêåt àöå gêìn àuáng thñch húåp bùçng caách cöång nhûäng àoáng goáp chó tûâ möåt söë ñt giaãn àöì àún giaãn. (Àoá laâ lyá do taåi sao ta tin tûúãng rùçng ta coá thïí tiïn àoaán caác phöí nguyïn tûã vúái àöå chñnh xaác hêìu nhû khöng giúái haån.) Tuy nhiïn, vúái caác tûúng taác maånh hùçng söë àoáng vai troâ cuãa hùçng söë cêëu truác tinh tïë xêëp xó bùçng möåt, chûá khöng phaãi laâ 1/137,036, vaâ nhûäng giaãn àöì phûác taåp khi àoá cho möåt àoáng goáp cuäng lúán nhû nhûäng giaãn àöì àún giaãn. Vêën àïì naây, sûå khoá tñnh toaán caác xaác suêët cho caác quaá trònh bao haâm tûúng taác maånh àaä laâ trúã ngaåi lúán nhêët duy nhêët cho sûå tiïën böå trong vêåt lyá haåt cú baãn trong möåt phêìn tû thïë kyã qua.

Khöng phaãi moåi quaá trònh àïìu bao haâm tûúng taác maånh. Nhûäng tûúng taác maånh chó aãnh hûúãng àïën möåt loaåi haåt goåi laâ “haàron” chuáng bao göìm nhûäng haåt haåt nhên vaâ caác meson pi, vaâ nhûäng haåt khöng bïìn khaác goåi laâ meson eta, caác hyperon lamàa, hyperon xñch ma, v. v... Nhûäng haàron thûúâng laâ nùång hún lepton (tïn lepton laâ tûâ chûä Hy Laåp coá nghôa laâ nheå), nhûng sûå khaác nhau thûåc sûå quan troång giûäa chuáng laâ caác haàron chõu aãnh hûúãng cuãa nhûäng tûúng taác maånh trong khi caác lepton - neutrino, electron, vaâ muon thò khöng. Sûå viïåc electron khöng caãm thêëy lûåc haåt nhên laâ vö cuâng quan troång - cuâng vúái viïåc khöëi lûúång cuãa electron rêët beá, noá laâ nguyïn nhên gêy nïn sûå kiïån laâ àaám mêy electron trong möåt nguyïn tûã hoùåc phên tûã laâ khoaãng möåt trùm nghòn lêìn lúán hún haåt nhên nguyïn tûã vaâ caã sûå kiïån laâ caác lûåc hoáa hoåc giûä caác nguyïn tûã vúái nhau trong caác phên tûã laâ haâng triïåu lêìn yïëu hún caác lûåc giûäa



nútron vaâ proton vúái nhau trong caác haåt nhên. Nïëu nhûäng electron trong caác nguyïn tûã vaâ phên tûã caãm thêëy caác lûåc haåt nhên, thò seä khöng coá hoáa hoåc hoùåc tinh thïí hoåc hoùåc sinh hoåc- maâ chó coá vêåt lyá haåt nhên.

Nhiïåt àöå möåt trùm nghòn triïåu àöå Kelvin àûúåc duâng àïí bùæt àêìu chûúng V, àûúåc choån cêín thêån àïí úã dûúái nhiïåt àöå ngûúäng cho moåi haàron. (Theo baãng 1, haàron nheå nhêët, meson pi coá möåt nhiïåt àöå ngûúäng khoaãng 1,6 triïåu triïåu àöå Kelvin.) Nhû vêåy, suöët trong cêu chuyïån kïí úã chûúng V nhûäng haåt duy nhêët coá mùåt vúái söë lûúång lúán laâ lepton vaâ photon, vaâ tûúng taác giûäa chuáng coá thïí àûúåc boã qua möåt caách an toaân.

Ta phaãi xûã lyá nhû thïë naâo vúái nhiïåt àöå cao hún khi caác haàron vaâ phaãn haàron töìn taåi vúái söë lûúång lúán? Coá hai giaãi àaáp rêët khaác nhau phaãn aánh hai trûúâng phaái suy nghô rêët khaác nhau vïì baãn chêët caác haàron.

Theo möåt trûúâng phaái, thûåc ra khöng coá gò coá thïí coi nhû laâ möåt haàron “cú baãn”. Möîi möåt haàron naây cuäng cú baãn nhû möîi möåt haàron khaác, khöng chó nhûäng haàron bïìn vaâ gêìn bïìn nhû proton vaâ nútron, vaâ khöng chó nhûäng haåt khöng bïìn vûâa phaãi nhû meson pi, meson K, meson eta, vaâ caác hyperon, chuáng söëng àuã lêu àïí àïí laåi nhûäng vïët ào àûúåc trïn nhûäng phim aãnh hoùåc trong caác buöìng boåt, maâ coân caã nhûäng “haåt” hoaân toaân khöng bïìn nhû caác meson ro, chuáng söëng chó àuã lêu vúái möåt vêån töëc gêìn bùçng vêån töëc cuãa aánh saáng chuáng chó coá thïí vûúåt qua khoaãng möåt haåt nhên nguyïn tûã. Thuyïët naây, noái riïng àaä àûúåc Geoffrey Chew úã Berkeley phaát triïín vaâo cuöëi nhûäng nùm 1950 vaâ àêìu nhûäng nùm 1960, vaâ àöi khi àûúåc goåi laâ “nïìn dên chuã haåt nhên”.

Vúái möåt àõnh nghôa phoáng khoaáng nhû vêåy vïì haàron, àuáng laâ coá haâng trùm haàron àaä àûúåc biïët maâ ngûúäng thêëp hún 100 triïåu triïåu àöå Kelvin, vaâ coá thïí coân coá haâng trùm nûäa phaãi àûúåc khaám phaá ra. Trong vaâi thuyïët coân coá möåt söë loaåi khöng haån chïë: söë loaåi haåt seä tùng lïn ngaây caâng nhanh khi ta khaão saát tyã myã nhûäng khöëi lûúång ngaây caâng lúán. Coá veã khöng coá hy voång gò khi muöën thûã hiïíu tyá gò vïì möåt thïë giúái nhû vêåy, nhûng chñnh sûå quaá

Steven Weinberg 120


phûác taåp cuãa phöí haåt coá thïí dêîn àïën möåt loaåi tñnh àún giaãn. Chùèng haån meson ro laâ möåt haàron coá thïí coi nhû möåt phûác húåp khöng bïìn cuãa hai meson pi; khi ta kïí àïën caác meson ro möåt caách roä rïåt trong caác tñnh toaán cuãa ta, ta àaä phêìn naâo tñnh àïën tûúng taác maånh giûäa caác meson pi; coá thïí rùçng nïëu ta àûa moåi haàron vaâ caác tñnh toaán nhiïåt àöång hoåc möåt caách roä rïåt thò ta coá thïí boã qua moåi hiïåu ûáng khaác cuãa caác tûúng taác maånh.

Ngoaâi ra nïëu thûåc coá möåt söë khöng haån àõnh loaåi haàron thò khi ta àïí ngaây caâng nhiïìu nùng lûúång trong möåt thïí tñch àaä cho, thò nùng lûúång khöng laâm cho caác vêån töëc ngêîu nhiïn cuãa caác haåt tùng lïn, maâ thay vaâ àoá laâ cho möåt söë loaåi haåt coá mùåt trong thïí tñch tùng lïn. Khi àoá nhiïåt àöå khöng tùng lïn nhanh, khi mêåt àöå nùng lûúång tùng nhû àiïìu phaãi xaãy ra nïëu söë loaåi haàron àaä àûúåc cöë àõnh. Thûåc ra, trong nhûäng thuyïët nhû vêåy, coá thïí coá möåt nhiïåt àöå cûåc àaåi, trõ söë cuãa nhiïåt àöå úã àoá mêåt àöå nùng lûúång trúã thaânh vö cuâng lúán. Àoá seä laâ möåt giúái haån trïn khöng vûúåt àûúåc vïì nhiïåt àöå nhû àöå khöng tuyïåt àöëi laâ möåt giúái haån dûúái. YÁ tûúãng vïì möåt nhiïåt àöå cûåc àaåi trong vêåt lyá haàron luác àêìu tiïn àoá R. Haedorn úã phoâng thñ nghiïåm CERN úã Giúnevú àûa ra vaâ sau naây àûúåc phaát triïín thïm búãi nhiïìu nhaâ vêåt lyá lyá thuyïët khaác bao göìm Kerson Huang úã M.I.T vaâ baãn thên töi. Coá caã möåt ûúác tñnh khaá chñnh xaác vïì nhiïåt àöå cûåc àaåi - noá thêëp möåt caách àaáng ngaåc nhiïn, vaâo khoaãng hai triïåu triïåu àöå Kelvin (2 x 10 muä 12 K). Nïëu ta nhòn möîi luác möåt gêìn thúâi àiïím bùæt àêìu, nhiïåt àöå seä lúán lïn möîi luác möåt gêìn trõ söë cûåc àaåi àoá vaâ söë loaåi haàron cuãa mùåt seä möîi luác caâng phong phuá. Tuy nhiïn duâ trong nhûäng àiïìu kiïån kyâ laå àoá, cuäng seä coân möåt luác bùæt àêìu, möåt thúâi àiïím coá mêåt àöå nùng lûúång vö cuâng lúán xêëp xó vaâo khoaãng möåt phêìn trùm giêy trûúác caãnh möåt úã chûúng V.

Coân coá möåt trûúâng phaái tû tûúãng khaác theo löëi cöí truyïìn hún nhiïìu, gêìn trûåc giaác thöng thûúâng hún nhiïìu so vúái phaái “nïìn dên chuã haåt nhên”, vaâ theo töi cuäng gêìn sûå thêåt hún. Theo trûúâng phaái naây khöng phaãi têët caã caác haåt àïìu nhû nhau; möåt söë àuáng thêåt laâ cú baãn, vaâ têët caã caác haåt khaác chó laâ nhûäng phûác húåp cuãa nhûäng haåt cú baãn.



Nhûäng haåt cú baãn àûúåc cho laâ bao göìm proton vaâ têët caã nhûäng lepton àaä biïët, nhûng khöng coá haåt haàron àaä biïët naâo. Ngûúåc laåi, nhûäng haàron àûúåc giaã thiïët laâ phûác húåp cuãa nhûäng haåt cú baãn hún goåi laâ “quark” (quac).

Biïën thïí ban àêìu cuãa thuyïët quark do Murray Gell - Mann vaâ George Zweig, caã hai úã Cal Tech, àûa ra (möåt caách àöåc lêåp). Trñ tûúãng tûúång thú möång cuãa caác nhaâ vêåt lyá lyá thuyïët quaã laâ àaä quaá phoáng tuáng trong viïåc àùåt tïn cho caác loaåi quark khaác nhau. Coá nhiïìu kiïíu hoùåc “muâi” quark khaác nhau, chuáng àûúåc gaán tïn nhû laâ “lïn”, “xuöëng”, “laå”, vaâ “duyïn”. Hún nûäa möîi “muâi” cuãa quark coá ba “maâu” phên biïåt, maâ nhûäng nhaâ vêåt lyá lyá thuyïët Myä thûúâng goåi laâ àoã, trùæng, xanh. Nhoám nhoã nhûäng nhaâ vêåt lyá lyá thuyïët úã Bùæc Kinh tûâ lêu àaä ûu duâng möåt biïën thïí húi giöëng cuãa thuyïët quark, nhûng goåi chuáng laâ “straton”, thay cho quark búãi vò nhûäng haåt naây thïí hiïån möåt mûác àöå (stratum) thûåc tïë sêu hún nhûäng haàron bònh thûúâng.

Nïëu yá tûúãng vïì quark laâ àuáng, thò khi àoá vêåt lyá cuãa vuä truå luác thêåt sú khai coá thïí àún giaãn hún laâ ta tûúãng trûúác àêy. Coá thïí suy ra möåt caái gò àoá vïì lûåc giûäa caác quark tûâ phên böë theo khöng gian cuãa chuáng bïn trong möåt haåt haåt nhên vaâ sûå phên böë àoá laåi coá thïí àûúåc xaác àõnh (nïëu mö hònh quark laâ àuáng) tûâ nhûäng quan saát vïì nhûäng va chaåm nùng lûúång cao cuãa electron vúái haåt haåt nhên. Theo hûúáng àoá, caách àêy vaâi nùm nhúâ möåt sûå cöång taác giûäa M.I.T. vaâ trung têm gia töëc tuyïën tñnh Stanford ngûúâi ta àaä tòm thêëy rùçng lûåc giûäa caác quark hònh nhû biïën mêët khi caác quark rêët gêìn nhau. Viïåc naây gúåi yá rùçng úã möåt nhiïåt àöå naâo àoá vaâo khoaãng nhiïìu triïåu triïåu àöå Kelvin, haàron seä àún giaãn vúä thaânh nhûäng quark thaânh phêìn cuãa chuáng, àuáng nhû laâ nguyïn tûã vúä ra thaânh electron vaâ haåt nhên úã vaâi nghòn àöå, vaâ haåt nhên vúä ra thaânh proton vaâ nútron úã vaâi nghòn triïåu àöå. Theo bûác tranh àoá, trong nhûäng thúâi kyâ thêåt laâ sú khai, vuä truå coá thïí noái laâ bao göìm photon, lepton vaâ phaãn lepton, quark, phaãn quark, têët caã chuyïín àöång vïì cùn baãn nhû nhûäng haåt tûå do, vaâ möîi loaåi haåt, do àoá, cung cêëp àuáng möåt loaåi bûác xaå vêåt àen nûäa. Luác àoá dïî tñnh toaán rùçng phaãi

Steven Weinberg 122


coá möåt thúâi àiïím bùæt àêìu, möåt traång thaái coá mêåt àöå vö haån vaâ nhiïåt àöå vö haån, khoaãng möåt phêìn trùm giêy trûúác caãnh möåt.

Nhûäng yá tûúãng phêìn naâo trûåc giaác hún naây gêìn àêy àaä àûúåc àùåt trïn möåt nïìn taãng toaán hoåc vûäng hún nhiïìu. Nùm 1973 ba nhaâ lyá thuyïët treã, Hugh David Politzer úã Harvard, David Gross vaâ Frank Wilezek úã Princeton àaä chó ra rùçng, trong möåt lúáp caác lyá thuyïët trûúâng lûúång tûã àùåc biïåt, nhûäng lûåc giûäa caác haåt quark thûåc sûå trúã nïn yïëu hún khi chuáng àûúåc àêíy gêìn nhau hún (lúáp caác lyá thuyïët naây àûúåc goåi laâ nhûäng “lyá thuyïët hiïåu chuêín khöng giao hoaán” maâ búãi nhûäng lyá do quaá chuyïn mön nïn khöng thïí cùæt nghôa úã àêy àûúåc). Nhûäng lyá thuyïët naây coá tñnh chêët “tûå do tiïåm cêån” àaáng chuá yá: úã nhûäng khoaãng caách ngùæn hoùåc nùng lûúång cao möåt caách tiïåm cêån, nhûäng haåt quark biïíu diïîn nhû nhûäng haåt tûå do, S. Collins vaâ M. J. Perry úã trûúâng àaåi hoåc Cambridge cuäng àaä chó roä rùçng trong bêët kyâ möåt thuyïët tûå do tiïåm cêån naâo, nhûäng tñnh chêët cuãa möåt möi trûúâng úã nhiïåt àöå vaâ mêåt àöå àuã cao vïì cùn baãn laâ giöëng nhû thïí möi trûúâng chó göìm nhûäng haåt tûå do. Nhû vêåy, tñnh tûå do tiïåm cêån cuãa nhûäng lyá thuyïët hiïåu chuêín khöng giao hoaán naây àaä cung cêëp möåt bùçng chûáng toaán hoåc vûäng chùæc cho bûác tranh khoa hoåc thêåt àún giaãn vïì phêìn trùm giêy àêìu tiïn - rùçng vuä truå chó bao göìm nhûäng haåt cú baãn tûå do.

Mö hònh quark laâ rêët töët trong möåt loaåi ûáng duång röång raäi. Proton vaâ nútron quaã thûåc biïíu diïîn nhû thïí chuáng bao göìm ba quark, caác meson ro biïíu diïîn nhû thïí chuáng bao göìm möåt quark vaâ möåt phaãn quark, v.v...Nhûng mùåc duâ coá thùæng lúåi àoá, mö hònh quark àùåt ra cho ta möåt baâi toaán rêët hoác buáa: dêìu vúái nhûäng nùng lûúång cao nhêët coá thïí àaåt àûúåc trong nhûäng maáy gia töëc hiïån nay, ngûúâi ta khöng thïí phaá vúä möåt haàron naâo thaânh ra caác quark thaânh phêìn cuãa noá.

Möåt sûå bêët lûåc àaä cö lêåp quark tûå do giöëng nhû vêåy cuäng xuêët hiïån trong vuä truå hoåc. Nïëu haàron thûåc sûå vúä ra thaânh quark tûå do trong nhûäng àiïìu kiïån nhiïåt àöå cao trong vuä truå sú khai, thò ngûúâi ta coá thïí chúâ àúåi möåt söë quark tûå do coân soát laåi àïën nay. Nhaâ vêåt lyá thiïn vùn Liïn Xö cuä Ya. B. Zeldovich àaä ûúác tñnh rùçng nhûäng haåt quark tûå do coân soát laåi coá thïí xêëp xó nhiïìu nhû nguyïn tûã vaâng



trong vuä truå hiïån nay. Khöng cêìn phaãi noái, vaâng khöng phaãi laâ nhiïìu lùæm nhûng möåt laång vaâng coân dïî kiïëm hún möåt laång quark nhiïìu.

Baâi toaán hoác buáa vïì sûå khöng töìn taåi quark tûå do cö lêåp laâ möåt trong nhûäng baâi toaán quan troång nhêët cuãa vêåt lyá lyá thuyïët hiïån nay. Gross vaâ Wilezek vaâ caã baãn thên töi àaä giaã thiïët rùçng “tñnh tûå do tiïåm cêån” cung cêëp möåt caách giaãi thñch coá thïí coá. Nïëu sûác maånh cuãa tûúng taác giûäa hai quark búát ài khi chuáng àûúåc àêíy àïën gêìn nhau thò noá cuäng tùng lïn khi chuáng bõ keáo ra xa nhau. Nùng lûúång cêìn àïí keáo möåt quark khoãi nhûäng quark khaác trong möåt haàron bònh thûúâng do àoá seä tùng khi khoaãng caách tùng vaâ hònh nhû möåt luác naâo àoá noá trúã thaânh àuã lúán àïí taåo nïn nhûäng cùåp quark - phaãn quaác múái tûâ chên khöng. Cuöëi cuâng, ngûúâi ta coá khöng phaãi nhiïìu quark tûå do maâ nhiïìu haàron thöng thûúâng. Viïåc naây hoaân toaân giöëng nhû khi ta àõnh dûát möåt àêìu cuãa möåt súåi dêy: nïëu baån keáo rêët maånh súåi dêy seä àûát, nhûng kïët quaã cuöëi cuâng laâ hai súåi dêy, möîi súåi coá hai àêìu. Caác quark trong vuä truå sú khai úã gêìn nhau àuã àïí chuáng khöng caãm thêëy caác lûåc àoá vaâ coá thïí biïíu diïîn nhû nhûäng haåt tûå do. Tuy nhiïn möîi quark tûå do coá mùåt trong vuä truå sú khai, thò khi vuä truå giaän núã vaâ nguöåi ài, phaãi hoùåc bõ huãy vúái möåt phaãn quark hoùåc tòm möåt núi an nghó úã trong möåt proton hoùåc möåt nútron.

Nhû vêåy laâ ta àaä noái nhiïìu vïì tûúng taác maånh, coá nhiïìu vêën àïì cêìn phaãi àûúåc giaãi quyïët nûäa nïëu ta quay àöìng höì luâi laåi luác bùæt àêìu thûåc sûå.

Möåt hïå quaã thûåc sûå hïët sûác hêëp dêîn cuãa nhûäng lyá thuyïët hiïån àaåi vïì haåt cú baãn laâ vuä truå coá thïí àaä coá thïí traãi qua möåt sûå chuyïín pha, nhû sûå àöng àùåc cuãa nûúác khi noá laånh xuöëng dûúái 273 K (= 0 àöå C). Sûå chuyïín pha àoá khöng liïn quan túái caác tûúng taác maånh, maâ túái möåt loaåi tûúng taác têìm ngùæn khaác trong vêåt lyá haåt cú baãn, nhûäng tûúng taác yïëu.

Tûúng taác yïëu chõu traách nhiïåm vïì möåt söë quaá trònh phên raä phoáng xaå nhû sûå phên raä cuãa möåt nútron tûå do hoùåc noái röång hún, vïì moåi phaãn ûáng bao göìm möåt neutrino. Nhû tïn goåi chuáng cho

Steven Weinberg 124


thêëy, nhûäng tûúng taác yïëu yïëu hún nhiïìu so vúái caác tûúng taác àiïån tûâ hoùåc tûúng taác maånh. Chùèng haån trong möåt va chaåm giûäa möåt neutrino vaâ möåt electron úã möåt nùng lûúång möåt triïåu electron - vön, lûåc yïëu laâ khoaãng möåt phêìn mûúâi triïåu (10 muä êm 7) cuãa lûåc àiïån tûâ giûäa hai electron va chaåm nhau úã cuâng nùng lûúång àoá.

Mùåc duâ tñnh yïëu cuãa caác tûúng taác yïëu, tûâ lêu ngûúâi ta àaä nghô rùçng coá möåt liïn hïå sêu sùæc giûäa caác lûåc yïëu vaâ àiïån tûâ. Möåt lyá thuyïët trûúâng thöëng nhêët hai lûåc àoá àaä àûúåc töi àûa ra nùm 1967 vaâ Abdus Salam àûa ra möåt caách àöåc lêåp nùm 1968. Lyá thuyïët àoá tiïn àoaán möåt loaåi tûúng taác yïëu múái, goåi laâ nhûäng doâng trung hoâa, maâ sûå töìn taåi àaä àûúåc khùèng àõnh bùçng thûåc nghiïåm nùm 1973. Noá laåi àûúåc sûå uãng höå tiïëp theo do sûå khaám phaá bùæt àêìu tûâ 1974, cuãa möåt hoå haàron múái. YÁ tûúãng then chöët trong loaåi lyá thuyïët àoá laâ tûå nhiïn coá möåt àöå àöëi xûáng rêët cao liïn hïå caác haåt vaâ caác lûåc khaác nhau, nhûng bõ lu múâ ài trong caác hiïån tûúång vêåt lyá thöng thûúâng. Caác lyá thuyïët trûúâng duâng tûâ 1973 àïí mö taã caác tûúng taác maånh àïìu thuöåc kiïíu toaán hoåc àoá (caác lyá thuyïët hiïíu chuêín khöng giao hoaán) vaâ nhiïìu nhaâ vêåt lyá hiïån nay tin rùçng caác lyá thuyïët hiïåu chuêín àoá coá thïí cung cêëp möåt cú súã thöëng nhêët àïí hiïíu moåi lûåc cuãa tûå nhiïn: yïëu, àiïån tûâ, maånh vaâ coá thïí caã lûåc hêëp dêîn. Quan àiïím àoá àûúåc uãng höå búãi möåt tñnh chêët cuãa caác lyá thuyïët hiïåu chuêín àaä àûúåc Salam vaâ baãn thên töi phoãng àoaán nhûng àûúåc Gerard't Hoolt chûáng minh lêìn àêìu tiïn nùm 1971: caác àoáng goáp cuãa nhûäng giaãn àöì Feynman phûác taåp mùåc duâ bïì ngoaâi laâ vö haån, cho nhûäng kïët quaã hûäu haån àöëi vúái xaác suêët cuãa moåi quaá trònh vêåt lyá.

Àöëi vúái caác nghiïn cûáu vuä truå sú khai, àiïìu quan troång trong caác lyá thuyïët hiïåu chuêín laâ, nhû nùm 1972 D. A. Kizhnitz vaâ A. D. Linde úã viïån vêåt lyá Lebedvev úã Matxcúva àaä chó roä, caác lyá thuyïët àoá àûa ra möåt sûå chuyïín pha, möåt kiïíu àöng àùåc, úã möåt “nhiïåt àöå túái haån” khoaãng 3000 triïåu triïåu àöå Kelvin (3 x 10 muä 10 K). ÚÃ nhûäng nhiïåt àöå dûúái nhiïåt àöå túái haån vuä truå laâ nhû bêy giúâ: tûúng taác yïëu àaä laâ yïëu vaâ coá têìm ngùæn. ÚÃ nhûäng nhiïåt àöå trïn nhiïåt àöå túái haån tñnh thöëng nhêët cú baãn giûäa caác tûúng taác yïëu vaâ àiïån tûâ laâ roä rïåt:



caác tûúng taác tuên theo cuâng loaåi àõnh luêåt bònh phûúng nghõch àaão nhû caác tûúng taác àiïån tûâ vaâ coá cuâng cûúâng àöå.

Sûå tûúng taác vúái möåt cöëc nûúác àöng àùåc úã àêy coá nhiïìu yá nghôa. Trïn àiïím àöng àùåc nûúác loãng toã ra coá möåt àöå àöìng tñnh cao: xaác suêët tòm àûúåc möåt phên tûã nûúác úã möåt àiïím úã trong cöëc laâ àuáng nhû úã bêët cûá àiïím naâo khaác. Tuy nhiïn, khi nûúác àöng àùåc, sûå àöëi xûáng giûäa caác àiïím khaác nhau trong khöng gian bõ mêët ài möåt phêìn: nûúác àaá taåo ra möåt maång tinh thïí vúái nhûäng phên tûã nûúác chiïëm nhûäng võ trñ caách nhau àïìu àùån nhêët àõnh vaâ vúái gêìn nhû möåt xaác suêët bùçng khöng àïí tòm ra nhûäng phên tûã nûúác úã bêët cûá chöî naâo khaác. Cuäng nhû vêåy khi vuä truå “àöng àùåc” vúái nhiïåt àöå xuöëng thêëp hún 3000 triïåu triïåu àöå, möåt sûå àöëi xûáng àaä bõ mêët ài - khöng phaãi tñnh àöìng tñnh khöng gian cuãa noá, nhû trong cöëc nûúác àaá cuãa ta, maâ laâ sûå àöëi xûáng giûäa caác tûúng taác yïëu vaâ àiïån tûâ.

Coân coá thïí àûa sûå tûúng taác ài xa hún nûäa. Nhû moåi ngûúâi

biïët, khi nûúác àöng laåi noá thûúâng khöng taåo ra möåt tinh thïí nûúác àaá hoaân haão, maâ laâ möåt caái gò coân phûác taåp hún nhiïìu: möåt traång thaái höîn àöån cuãa caác miïìn (àömen) tinh thïí àûúåc ngùn caách nhau búãi nhûäng sai hoãng tinh thïí àuã moåi kiïíu. Vuä truå àaä àöng laåi thaânh nhûäng miïìn chùng? chuáng ta àaä söëng trong möåt miïìn maâ úã àoá tñnh àöëi xûáng giûäa caác tûúng taác yïëu vaâ àiïån tûâ àaä bõ phaá vúä theo möåt caách àùåc biïåt, vaâ coá thïí luác naâo àoá ta khaám phaá ra nhûäng miïìn khaác hay chùng?

Cho àïën nay trñ tûúãng tûúång cuãa ta àaä àûa ta luâi laåi möåt nhiïåt àöå 3000 triïåu triïåu àöå vaâ ta àaä noái àïën caác tûúng taác maånh, yïëu vaâ àiïån tûâ. Coân vïì möåt loaåi tûúng taác troång yïëu trong vêåt lyá, caác tûúng taác hêëp dêîn thò sao? Lûåc hêëp dêîn cöë nhiïn àaä àoáng möåt vai troâ quan troång trong cêu chuyïån cuãa chuáng ta, vò noá chi phöëi quan hïå giûäa mêåt àöå vuä truå vaâ töëc àöå giaän núã cuãa noá. Tuy nhiïn, lûåc hêëp dêîn àaä khöng àûúåc thêëy laâ coá möåt taác àöång naâo trïn caác tñnh chêët nöåi taåi cuãa bêët kyâ phêìn naâo cuãa vuä truå sú khai. Àoá laâ vò sûác yïëu hïët mûác cuãa lûåc hêëp dêîn: chùèng haån, lûåc hêëp dêîn giûäa

Steven Weinberg 126


electron vaâ proton trong möåt nguyïn tûã hyàro beá hún lûåc àiïån 10 muä 39 lêìn.

(Möåt bùçng chûáng cuãa sûå yïëu úát cuãa lûåc hêëp dêîn trong caác quaá trònh vuä truå laâ quaá trònh saãn ra haåt trong caác trûúâng hêëp dêîn. Leonard Parker úã trûúâng àaåi hoåc Wisconsin àaä nïu ra rùçng caác hiïåu ûáng “thuãy triïìu” cuãa trûúâng hêëp dêîn cuãa vuä truå àaä àuã lúán úã möåt thúâi àiïím khoaãng möåt phêìn triïåu triïåu triïåu triïåu giêy(10 muä êm 24 giêy) sau luác bùæt àêìu, àïí taåo ra nhûäng cùåp haåt - phaãn haåt tûâ khöng gian tröëng röîng. Tuy nhiïn, lûåc hêëp dêîn úã nhûäng nhiïåt àöå àoá cuäng àaä yïëu àïën nöîi söë caác haåt saãn ra nhû vêåy àoáng goáp möåt caách khöng àaáng kïí vaâo söë caác haåt àaä coá mùåt trong cên bùçng nhiïåt).

Duâ sao, ñt nhêët ta coá thïí tûúãng tûúång möåt thúâi àiïím khi caác lûåc hêëp dêîn àaä maånh nhû caác tûúng taác haåt nhên maånh thaão luêån úã trïn. Caác trûúâng hêëp dêîn khöng nhûäng àûúåc sinh ra búãi khöëi lûúång caác haåt, maâ coân búãi moåi daång nùng lûúång. Quaã àêët quay xung quanh mùåt trúâi nhanh hún möåt ñt so vúái trûúâng húåp nïëu mùåt trúâi khöng noáng quaá nhû vêåy, búãi vò nùng lûúång trong sûác noáng cuãa mùåt trúâi cho thïm möåt ñt vaâo nguöìn lûåc hêëp dêîn cuãa noá. ÚÃ nhûäng nhiïåt àöå siïu cao, nùng lûúång caác haåt úã cên bùçng nhiïåt coá thïí trúã thaânh lúán àïën mûác caác lûåc hêëp dêîn giûäa chuáng trúã thaânh maånh bùçng bêët cûá lûåc naâo khaác. Ta coá thïí ûúác tñnh rùçng traång thaái àoá àaä àaåt àûúåc úã möåt nhiïåt àöå khoaãng 100 triïåu triïåu triïåu triïåu triïåu àöå /(10 muä 32 K).

ÚÃ nhiïåt àöå àoá, moåi àiïìu kyâ laå àaä coá thïí xaãy ra. Khöng nhûäng caác lûåc hêëp dêîn àaä maånh vaâ sûå taåo ra haåt do caác trûúâng hêëp dêîn àaä khêëm khaá - maâ ngay yá tûúãng vïì “haåt” coá thïí àaä khöng coá bêët cûá yá nghôa gò. “Chên trúâi”, khoaãng caách maâ bïn ngoaâi noá ta khöng thïí nhêån àûúåc möåt tñn hiïåu gò luác àoá coá thïí gêìn hún möåt bûúác soáng cuãa möåt haåt àiïín hònh úã cên bùçng nhiïåt. Noái möåt caách khöng chùåt cheä lùæm, luác àoá möîi haåt coá thïí laâ lúán bùçng caã vuä truå quan saát àûúåc !

Ta khöng biïët àuã roä vïì baãn chêët lûúång tûã cuãa lûåc hêëp dêîn duâ àïí suy luêån möåt caách thöng minh vïì lõch sûã vuä truå trûúác thúâi àiïím àoá. Ta coá thïí ûúác lûúång thö thiïín rùçng nhiïåt àöå 10 muä 32 K àaåt



àûúåc vaâo khoaãng 10 muä êm 43 giêy sau luác bùæt àêìu, nhûng khöng thêëy roä lùæm laâ sûå ûúác lûúång àoá coá yá nghôa gò khöng. Nhûng mùåc dêìu caác maân che khaác àaä àûúåc keáo ài, vêîn coân laåi möåt maân che úã möåt nhiïåt àöå 10 muä 32 K, chùæn khöng cho ta nhòn vïì caác thúâi àiïím sú khai nhêët.

Tuy nhiïn, khöng coá möåt sûå khöng chùæc chùæn naâo trong söë àoá laâ quan troång àöëi vúái thiïn vùn hoåc vaâo nùm 1976. Lyá do laâ trong suöët caã giêy àêìu tiïn vuä truå chùæc àaä úã möåt traång thaái cên bùçng nhiïåt, trong àoá söë lûúång vaâ sûå phên böë caác haåt, kïí caã neutrino, àûúåc xaác àõnh búãi caác àõnh luêåt cuãa cú hoåc thöëng kï, chûá khöng phaãi búãi caác chi tiïët cuãa lõch sûã trûúác àoá cuãa chuáng.

Hiïån nay khi ào àöå nhiïìu cuãa hïli, hoùåc cuãa bûác xaå cûåc ngùæn, hoùåc caã cuãa neutrino, ta àang quan saát taân sû cuãa möåt traång thaái cên bùçng nhiïåt àaä kïët thuác ngay sau giêy àêìu tiïn. Theo sûå hiïíu biïët cuãa ta hiïån nay, khöng coá gò maâ ta quan saát hiïån nay phuå thuöåc vaâo lõch sûã cuãa vuä truå trûúác thúâi àiïím àoá. (Àùåc biïåt, khöng coá gò ta quan saát hiïån nay phuå thuöåc vaâo viïåc vuä truå trûúác giêy àêìu tiïn coá àùèng hûúáng vaâ àöìng tñnh hay khöng, coá leä, trûâ baãn thên tyã söë photon trïn haåt haåt nhên). Viïåc naây giöëng nhû thïí möåt bûäa tiïåc àûúåc chuêín bõ rêët cêín thêån - caác chêët tûúi nhêët, gia võ choån cêín thêån nhêët, rûúåu ngon nhêët - röìi laåi àûúåc àùåt têët vaâo möåt nöìi lúán àïí àûúåc àun söi vaâi giúâ. Khoá maâ biïët àûúåc - duâ baån laâ ngûúâi saânh ùn nhêët - baån àaä àûúåc doån moán ùn gò.

Coá thïí coá möåt ngoaåi lïå. Hiïån tûúång hêëp dêîn, nhû hiïån tûúång àiïån tûâ, coá thïí àûúåc thïí hiïån dûúái daång soáng cuäng nhû dûúái daång taác duång tônh qua khoaãng caách quen thuöåc hún. Hai electron úã traång thaái nghó seä àêíy nhau vúái möåt lûåc tônh àiïån phuå thuöåc vaâo khoaãng caách giûäa chuáng, nhûng nïëu ta lùæc túái lùæc lui möåt electron, thò electron kia seä khöng caãm thêëy bêët cûá sûå thay àöíi naâo trong lûåc taác àöång lïn noá cho àïën khi coá àuã thúâi gian cho caác tin tûác vïì sûå thay àöíi khoaãng caách àûúåc mang búãi möåt soáng àiïån tûâ tûâ haåt naây qua haåt khaác. Khöng cêìn phaãi noái laâ caác soáng naây lan truyïìn vúái vêån töëc aánh saáng - chuáng laâ aánh saáng, tuy rùçng khöng nhêët thiïët laâ aánh saáng thêëy àûúåc. Cuäng nhû vêåy, nïëu möåt ngûúâi khöíng löì coá aác yá lùn mùåt trúâi qua laåi, ta úã trïn mùåt àêët seä khöng caãm thêëy aãnh

Steven Weinberg 128


hûúãng trûúác taám phuát, thúâi gian cêìn cho möåt soáng ài vúái vêån töëc aánh saáng tûâ mùåt trúâi àïën quaã àêët. Àêy khöng phaãi laâ möåt soáng aánh saáng, möåt soáng cuãa nhûäng trûúâng àiïån vaâ tûâ dao àöång, maâ laâ möåt soáng hêëp dêîn, trong àoá sûå dao àöång laâ úã trûúâng hêëp dêîn. Cuäng nhû àöëi vúái caác soáng àiïån tûâ ta göåp chung caác soáng hêëp dêîn úã moåi bûúác soáng dûúái danh tûâ “bûác xaå hêëp dêîn”.

Bûác xaå hêëp dêîn tûúng taác vúái vêåt chêët yïëu hún nhiïìu so vúái bûác xaå àiïån tûâ hoùåc caã so vúái neutrino (vò lyá do àoá, duâ ta tin tûúãng coá lyá vaâo cú súã cuãa viïåc töìn taåi bûác xaå hêëp dêîn, nhûäng cöë gùæng lúán nhêët cho àïën nay àaä khöng àaåt àûúåc kïët quaã laâ phaát hiïån soáng hêëp dêîn tûâ bêët kyâ nguöìn naâo). Bûác xaå hêëp dêîn do àoá àaä phaãi tûâ boã cên bùçng nhiïåt vúái caác thaânh phêìn khaác cuãa vuä truå sú khai - thûåc ra khi nhiïåt àöå khoaãng 10 muä êm 32 K. Tûâ àoá nhiïåt àöå hiïåu duång cuãa bûác xaå hêëp dêîn quaã laâ àaä giaãm tyã lïå nghõch vúái kñch thûúác cuãa vuä truå. Àoá chñnh laâ àõnh luêåt giaãm maâ nhiïåt àöå cuãa caác thaânh phêìn coân laåi cuãa vuä truå tuên theo trûâ sûå huãy caác cùåp quark - phaãn quark vaâ lepton - phaãn lepton chûá khöng phaãi bûác xaå hêëp dêîn, àaä nung noáng phêìn coân laåi cuãa vuä truå. Cho nïn, vuä truå hiïån nay phaãi chûáa möåt bûác xaå hêëp dêîn úã möåt nhiïåt àöå gêìn bùçng nhûng beá hún möåt tyá so vúái nhiïåt àöå cuãa caác neutrino vaâ photon - coá thïí khoaãng 1 K. Sûå phaát hiïån bûác xaå àoá seä laâ möåt quan saát trûåc tiïëp thúâi àiïím xûa nhêët cuãa lõch sûã vuä truå maâ vêåt lyá lyá thuyïët hiïån nay coá thïí nghô àïën. Tiïëc thay khöng coá möåt cú may beá nhêët naâo àïí phaát hiïån möåt phöng bûác xaå hêëp dêîn 1K trong möåt tûúng lai nhòn trûúác àûúåc.

Nhúâ möåt lyá thuyïët coá tñnh suy àoaán cao àöå ta coá thïí ngoaåi suy lõch sûã vuä truå trúã luâi àïën möåt thúâi àiïím mêåt àöå vö haån. Nhûng viïåc naây chûa laâm cho chuáng ta thoãa maän. Chuáng ta tûå nhiïn muöën biïët caái gò àaä töìn taåi trûúác luác àoá, trûúác khi bùæt àêìu giaän núã vaâ nguöåi ài.

Möåt khaã nùng laâ àaä khöng luác naâo thûåc sûå coá möåt traång thaái vö haån. Sûå giaän núã hiïån nay cuãa vuä truå coá thïí àaä bùæt àêìu úã cuöëi möåt giai àoaån co laåi trûúác kia, khi mêåt àöå vuä truå àaä àaåt àûúåc möåt trõ söë rêët cao nhûng hûäu haån. Töi seä noái möåt ñt vïì khaã nùng naây trong chûúng sau.



Tuy nhiïn, duâ chuáng ta khöng biïët rùçng noá coá thêåt, thò ñt nhêët vïì mùåt lögic coá thïí àaä coá möåt luác bùæt àêìu, vaâ baãn thên thúâi gian khöng coá yá nghôa gò trûúác luác àoá. Chuáng ta têët caã àïìu quen vúái yá nghô vïì möåt nhiïåt àöå khöng tuyïåt àöëi. Khöng thïí laâm laånh bêët cûá vêåt gò dûúái êm 273,16 àöå C, khöng phaãi vò viïåc naây quaá khoá, hoùåc búãi vò chûa ai nghô àïën möåt tuã laånh àuã taâi tònh maâ laâ búãi vò nhûäng nhiïåt àöå thêëp hún àöå khöng tuyïåt àöëi khöng coá yá nghôa - ta khöng thïí coá ñt nhiïåt hún laâ khöng coá chuát nhiïåt naâo. Cuäng nhû vêåy, coá leä ta phaãi quen vúái yá nghô möåt thúâi gian bùçng khöng tuyïåt àöëi - möåt thúâi àiïím trong quaá khûá maâ trûúác àoá vïì nguyïn tùæc khöng thïí vaåch ra bêët cûá chuöîi nhên quaã naâo. Vêën àïì chûa àûúåc giaãi àaáp vaâ coá thïí maäi maäi vêîn khöng àûúåc giaãi àaáp.

Àöëi vúái töi, àiïìu thoãa maän nhêët coá àûúåc tûâ caác lêåp luêån trïn vïì vuä truå luác thêåt sú khai laâ sûå tûúng àûúng coá thïí coá giûäa lõch sûã vuä truå vaâ cú cêëu lögic cuãa noá. Tûå nhiïn ngaây nay “phö baây” nhiïìu haåt vaâ loaåi tûúng taác khaác nhau. Nhûng maâ ta àaä hoåc caách nhòn dûúái tñnh àa daång àoá, cöë coi caác haåt vaâ tûúng taác khaác nhau nhû laâ caác mùåt cuãa möåt lyá thuyïët trûúâng hiïåu chuêín thöëng nhêët àún giaãn. Vuä truå hiïån nay laånh àïën mûác caác tñnh àöëi xûáng giûäa nhûäng haåt vaâ tûúng taác khaác nhau àaä bõ lu múâ vò möåt kiïíu àöng àùåc, chuáng khöng xuêët hiïån trong nhûäng hiïån tûúång bònh thûúâng, maâ phaãi àûúåc biïíu diïîn bùçng toaán hoåc, trong caác lyá thuyïët trûúâng hiïåu chuêín cuãa chuáng ta. Caái maâ ta laâm bêy giúâ nhúâ toaán hoåc àaä àûúåc laâm trong vuä truå thêåt sú khai nhúâ nhiïåt - caác hiïån tûúång vêåt lyá thïí hiïån möåt caách trûåc tiïëp tñnh àún giaãn cú baãn cuãa tûå nhiïn. Nhûng khöng möåt ai coá mùåt luác àoá àïí thêëy àiïìu naây.

Coân coá thïí àûa sûå tûúng tûå ài xa hún nûäa. Nhû moåi ngûúâi biïët, khi nûúác àöng laåi noá thûúâng khöng taåo ra möåt tinh thïí nûúác àaá hoaân haão, maâ laâ möåt caái gò coân phûác taåp hún nhiïìu: möåt traång thaái höîn àöån cuãa caác miïìn (àömen) tinh thïí àûúåc ngùn caách nhau búãi nhûäng sai hoãng tinh thïí àuã moåi kiïíu. Vuä truå àaä àöng laåi thaânh nhûäng miïìn chùng?...

Coân coá thïí àûa sûå tûúng tûå ài xa hún nûäa. Nhû moåi ngûúâi biïët, khi nûúác àöng laåi noá thûúâng khöng taåo ra möåt tinh thïí nûúác àaá hoaân haão, maâ laâ möåt caái gò coân phûác taåp hún nhiïìu: möåt traång

Steven Weinberg 130


thaái höîn àöån cuãa caác miïìn (àömen) tinh thïí àûúåc ngùn caách nhau búãi nhûäng sai hoãng tinh thïí àuã moåi kiïíu. Vuä truå àaä àöng laåi thaânh nhûäng miïìn chùng? Chuáng ta àaä söëng trong möåt miïìn maâ úã àoá tñnh àöëi xûáng giûäa caác tûúng taác yïëu vaâ àiïån tûâ àaä bõ phaá vúä theo möåt caách àùåc biïåt, vaâ coá thïí luác naâo àoá ta khaám phaá ra nhûäng miïìn khaác hay chùng?

Cho àïën nay trñ tûúãng tûúång cuãa ta àaä àûa ta luâi laåi möåt nhiïåt àöå 3000 triïåu triïåu àöå vaâ ta àaä noái àïën caác tûúng taác maånh, yïëu vaâ àiïån tûâ. Coân vïì möåt loaåi tûúng taác troång yïëu trong vêåt lyá, caác tûúng taác hêëp dêîn thò sao? Lûåc hêëp dêîn cöë nhiïn àaä àoáng möåt vai troâ quan troång trong cêu chuyïån cuãa chuáng ta, vò noá chi phöëi quan hïå giûäa mêåt àöå vuä truå vaâ töëc àöå giaän núã cuãa noá. Tuy nhiïn, lûåc hêëp dêîn àaä khöng àûúåc thêëy laâ coá möåt taác àöång naâo trïn caác tñnh chêët nöåi taåi cuãa bêët kyâ phêìn naâo cuãa vuä truå sú khai. Àoá laâ vò sûác yïëu hïët mûác cuãa lûåc hêëp dêîn: chùèng haån, lûåc hêëp dêîn giûäa electron vaâ proton trong möåt nguyïn tûã hyàro beá hún lûåc àiïån 10 muä 39 lêìn.

(Möåt bùçng chûáng cuãa sûå yïëu úát cuãa lûåc hêëp dêîn trong caác quaá trònh vuä truå laâ quaá trònh saãn ra haåt trong caác trûúâng hêëp dêîn. Leonard Parker úã trûúâng àaåi hoåc Wisconsin àaä nïu ra rùçng caác hiïåu ûáng “thuãy triïìu” cuãa trûúâng hêëp dêîn cuãa vuä truå àaä àuã lúán úã möåt thúâi àiïím khoaãng möåt phêìn triïåu triïåu triïåu triïåu giêy(10 muä êm 24 giêy) sau luác bùæt àêìu, àïí taåo ra nhûäng cùåp haåt - phaãn haåt tûâ khöng gian tröëng röîng. Tuy nhiïn, lûåc hêëp dêîn úã nhûäng nhiïåt àöå àoá cuäng àaä yïëu àïën nöîi söë caác haåt saãn ra nhû vêåy àoáng goáp möåt caách khöng àaáng kïí vaâo söë caác haåt àaä coá mùåt trong cên bùçng nhiïåt).

Duâ sao, ñt nhêët ta coá thïí tûúãng tûúång möåt thúâi àiïím khi caác lûåc hêëp dêîn àaä maånh nhû caác tûúng taác haåt nhên maånh thaão luêån úã trïn. Caác trûúâng hêëp dêîn khöng nhûäng àûúåc sinh ra búãi khöëi lûúång caác haåt, maâ coân búãi moåi daång nùng lûúång. Quaã àêët quay xung quanh mùåt trúâi nhanh hún möåt ñt so vúái trûúâng húåp nïëu mùåt trúâi khöng noáng quaá nhû vêåy, búãi vò nùng lûúång trong sûác noáng cuãa mùåt trúâi cho thïm möåt ñt vaâo nguöìn lûåc hêëp dêîn cuãa noá. ÚÃ nhûäng nhiïåt àöå siïu cao, nùng lûúång caác haåt úã cên bùçng nhiïåt coá thïí trúã



thaânh lúán àïën mûác caác lûåc hêëp dêîn giûäa chuáng trúã thaânh maånh bùçng bêët cûá lûåc naâo khaác. Ta coá thïí ûúác tñnh rùçng traång thaái àoá àaä àaåt àûúåc úã möåt nhiïåt àöå khoaãng 100 triïåu triïåu triïåu triïåu triïåu àöå /(10 muä 32 K).

ÚÃ nhiïåt àöå àoá, moåi àiïìu kyâ laå àaä coá thïí xaãy ra. Khöng nhûäng caác lûåc hêëp dêîn àaä maånh vaâ sûå taåo ra haåt do caác trûúâng hêëp dêîn àaä khêëm khaá - maâ ngay yá tûúãng vïì “haåt” coá thïí àaä khöng coá bêët cûá yá nghôa gò. “Chên trúâi”, khoaãng caách maâ bïn ngoaâi noá ta khöng thïí nhêån àûúåc möåt tñn hiïåu gò luác àoá coá thïí gêìn hún möåt bûúác soáng cuãa möåt haåt àiïín hònh úã cên bùçng nhiïåt. Noái möåt caách khöng chùåt cheä lùæm, luác àoá möîi haåt coá thïí laâ lúán bùçng caã vuä truå quan saát àûúåc !

Ta khöng biïët àuã roä vïì baãn chêët lûúång tûã cuãa lûåc hêëp dêîn duâ àïí suy luêån möåt caách thöng minh vïì lõch sûã vuä truå trûúác thúâi àiïím àoá. Ta coá thïí ûúác lûúång thö thiïín rùçng nhiïåt àöå 10 muä 32 K àaåt àûúåc vaâo khoaãng 10 muä êm 43 giêy sau luác bùæt àêìu, nhûng khöng thêëy roä lùæm laâ sûå ûúác lûúång àoá coá yá nghôa gò khöng. Nhûng mùåc dêìu caác maân che khaác àaä àûúåc keáo ài, vêîn coân laåi möåt maân che úã möåt nhiïåt àöå 10 muä 32 K, chùæn khöng cho ta nhòn vïì caác thúâi àiïím sú khai nhêët.

Tuy nhiïn, khöng coá möåt sûå khöng chùæc chùæn naâo trong söë àoá laâ quan troång àöëi vúái thiïn vùn hoåc vaâo nùm 1976. Lyá do laâ trong suöët caã giêy àêìu tiïn vuä truå chùæc àaä úã möåt traång thaái cên bùçng nhiïåt, trong àoá söë lûúång vaâ sûå phên böë caác haåt, kïí caã neutrino, àûúåc xaác àõnh búãi caác àõnh luêåt cuãa cú hoåc thöëng kï, chûá khöng phaãi búãi caác chi tiïët cuãa lõch sûã trûúác àoá cuãa chuáng.

Hiïån nay khi ào àöå nhiïìu cuãa hïli, hoùåc cuãa bûác xaå cûåc ngùæn, hoùåc caã cuãa neutrino, ta àang quan saát taân sû cuãa möåt traång thaái cên bùçng nhiïåt àaä kïët thuác ngay sau giêy àêìu tiïn. Theo sûå hiïíu biïët cuãa ta hiïån nay, khöng coá gò maâ ta quan saát hiïån nay phuå thuöåc vaâo lõch sûã cuãa vuä truå trûúác thúâi àiïím àoá. (Àùåc biïåt, khöng coá gò ta quan saát hiïån nay phuå thuöåc vaâo viïåc vuä truå trûúác giêy àêìu tiïn coá àùèng hûúáng vaâ àöìng tñnh hay khöng, coá leä, trûâ baãn thên tyã söë photon trïn haåt haåt nhên). Viïåc naây giöëng nhû thïí möåt bûäa tiïåc àûúåc chuêín bõ rêët cêín thêån - caác chêët tûúi nhêët, gia võ choån cêín

Steven Weinberg 132


thêån nhêët, rûúåu ngon nhêët - röìi laåi àûúåc àùåt têët vaâo möåt nöìi lúán àïí àûúåc àun söi vaâi giúâ. Khoá maâ biïët àûúåc - duâ baån laâ ngûúâi saânh ùn nhêët - baån àaä àûúåc doån moán ùn gò.

Coá thïí coá möåt ngoaåi lïå. Hiïån tûúång hêëp dêîn, nhû hiïån tûúång àiïån tûâ, coá thïí àûúåc thïí hiïån dûúái daång soáng cuäng nhû dûúái daång taác duång tônh qua khoaãng caách quen thuöåc hún. Hai electron úã traång thaái nghó seä àêíy nhau vúái möåt lûåc tônh àiïån phuå thuöåc vaâo khoaãng caách giûäa chuáng, nhûng nïëu ta lùæc túái lùæc lui möåt electron, thò electron kia seä khöng caãm thêëy bêët cûá sûå thay àöíi naâo trong lûåc taác àöång lïn noá cho àïën khi coá àuã thúâi gian cho caác tin tûác vïì sûå thay àöíi khoaãng caách àûúåc mang búãi möåt soáng àiïån tûâ tûâ haåt naây qua haåt khaác. Khöng cêìn phaãi noái laâ caác soáng naây lan truyïìn vúái vêån töëc aánh saáng - chuáng laâ aánh saáng, tuy rùçng khöng nhêët thiïët laâ aánh saáng thêëy àûúåc. Cuäng nhû vêåy, nïëu möåt ngûúâi khöíng löì coá aác yá lùn mùåt trúâi qua laåi, ta úã trïn mùåt àêët seä khöng caãm thêëy aãnh hûúãng trûúác taám phuát, thúâi gian cêìn cho möåt soáng ài vúái vêån töëc aánh saáng tûâ mùåt trúâi àïën quaã àêët. Àêy khöng phaãi laâ möåt soáng aánh saáng, möåt soáng cuãa nhûäng trûúâng àiïån vaâ tûâ dao àöång, maâ laâ möåt soáng hêëp dêîn, trong àoá sûå dao àöång laâ úã trûúâng hêëp dêîn. Cuäng nhû àöëi vúái caác soáng àiïån tûâ ta göåp chung caác soáng hêëp dêîn úã moåi bûúác soáng dûúái danh tûâ “bûác xaå hêëp dêîn”.

Bûác xaå hêëp dêîn tûúng taác vúái vêåt chêët yïëu hún nhiïìu so vúái bûác xaå àiïån tûâ hoùåc caã so vúái neutrino (vò lyá do àoá, duâ ta tin tûúãng coá lyá vaâo cú súã cuãa viïåc töìn taåi bûác xaå hêëp dêîn, nhûäng cöë gùæng lúán nhêët cho àïën nay àaä khöng àaåt àûúåc kïët quaã laâ phaát hiïån soáng hêëp dêîn tûâ bêët kyâ nguöìn naâo). Bûác xaå hêëp dêîn do àoá àaä phaãi tûâ boã cên bùçng nhiïåt vúái caác thaânh phêìn khaác cuãa vuä truå sú khai - thûåc ra khi nhiïåt àöå khoaãng 10 muä êm 32 K. Tûâ àoá nhiïåt àöå hiïåu duång cuãa bûác xaå hêëp dêîn quaã laâ àaä giaãm tyã lïå nghõch vúái kñch thûúác cuãa vuä truå. Àoá chñnh laâ àõnh luêåt giaãm maâ nhiïåt àöå cuãa caác thaânh phêìn coân laåi cuãa vuä truå tuên theo trûâ sûå huãy caác cùåp quark - phaãn quark vaâ lepton - phaãn lepton chûá khöng phaãi bûác xaå hêëp dêîn, àaä nung noáng phêìn coân laåi cuãa vuä truå. Cho nïn, vuä truå hiïån nay phaãi chûáa möåt bûác xaå hêëp dêîn úã möåt nhiïåt àöå gêìn bùçng nhûng beá hún möåt tyá so vúái nhiïåt àöå cuãa caác neutrino vaâ photon - coá thïí khoaãng 1 K. Sûå



phaát hiïån bûác xaå àoá seä laâ möåt quan saát trûåc tiïëp thúâi àiïím xûa nhêët cuãa lõch sûã vuä truå maâ vêåt lyá lyá thuyïët hiïån nay coá thïí nghô àïën. Tiïëc thay khöng coá möåt cú may beá nhêët naâo àïí phaát hiïån möåt phöng bûác xaå hêëp dêîn 1K trong möåt tûúng lai nhòn trûúác àûúåc.

Nhúâ möåt lyá thuyïët coá tñnh suy àoaán cao àöå ta coá thïí ngoaåi suy lõch sûã vuä truå trúã luâi àïën möåt thúâi àiïím mêåt àöå vö haån. Nhûng viïåc naây chûa laâm cho chuáng ta thoãa maän. Chuáng ta tûå nhiïn muöën biïët caái gò àaä töìn taåi trûúác luác àoá, trûúác khi bùæt àêìu giaän núã vaâ nguöåi ài.

Möåt khaã nùng laâ àaä khöng luác naâo thûåc sûå coá möåt traång thaái vö haån. Sûå giaän núã hiïån nay cuãa vuä truå coá thïí àaä bùæt àêìu úã cuöëi möåt giai àoaån co laåi trûúác kia, khi mêåt àöå vuä truå àaä àaåt àûúåc möåt trõ söë rêët cao nhûng hûäu haån. Töi seä noái möåt ñt vïì khaã nùng naây trong chûúng sau.

Tuy nhiïn, duâ chuáng ta khöng biïët rùçng noá coá thêåt, thò ñt nhêët vïì mùåt lögic coá thïí àaä coá möåt luác bùæt àêìu, vaâ baãn thên thúâi gian khöng coá yá nghôa gò trûúác luác àoá. Chuáng ta têët caã àïìu quen vúái yá nghô vïì möåt nhiïåt àöå khöng tuyïåt àöëi. Khöng thïí laâm laånh bêët cûá vêåt gò dûúái êm 273,16 àöå C, khöng phaãi vò viïåc naây quaá khoá, hoùåc búãi vò chûa ai nghô àïën möåt tuã laånh àuã taâi tònh maâ laâ búãi vò nhûäng nhiïåt àöå thêëp hún àöå khöng tuyïåt àöëi khöng coá yá nghôa - ta khöng thïí coá ñt nhiïåt hún laâ khöng coá chuát nhiïåt naâo. Cuäng nhû vêåy, coá leä ta phaãi quen vúái yá nghô möåt thúâi gian bùçng khöng tuyïåt àöëi - möåt thúâi àiïím trong quaá khûá maâ trûúác àoá vïì nguyïn tùæc khöng thïí vaåch ra bêët cûá chuöîi nhên quaã naâo. Vêën àïì chûa àûúåc giaãi àaáp vaâ coá thïí maäi maäi vêîn khöng àûúåc giaãi àaáp.

Àöëi vúái töi, àiïìu thoãa maän nhêët coá àûúåc tûâ caác lêåp luêån trïn vïì vuä truå luác thêåt sú khai laâ sûå tûúng àûúng coá thïí coá giûäa lõch sûã vuä truå vaâ cú cêëu lögic cuãa noá. Tûå nhiïn ngaây nay “phö baây” nhiïìu haåt vaâ loaåi tûúng taác khaác nhau. Nhûng maâ ta àaä hoåc caách nhòn dûúái tñnh àa daång àoá, cöë coi caác haåt vaâ tûúng taác khaác nhau nhû laâ caác mùåt cuãa möåt lyá thuyïët trûúâng hiïåu chuêín thöëng nhêët àún giaãn. Vuä truå hiïån nay laånh àïën mûác caác tñnh àöëi xûáng giûäa nhûäng haåt vaâ tûúng taác khaác nhau àaä bõ lu múâ vò möåt kiïíu àöng àùåc, chuáng

Steven Weinberg 134


khöng xuêët hiïån trong nhûäng hiïån tûúång bònh thûúâng, maâ phaãi àûúåc biïíu diïîn bùçng toaán hoåc, trong caác lyá thuyïët trûúâng hiïåu chuêín cuãa chuáng ta. Caái maâ ta laâm bêy giúâ nhúâ toaán hoåc àaä àûúåc laâm trong vuä truå thêåt sú khai nhúâ nhiïåt - caác hiïån tûúång vêåt lyá thïí hiïån möåt caách trûåc tiïëp tñnh àún giaãn cú baãn cuãa tûå nhiïn. Nhûng khöng möåt ai coá mùåt luác àoá àïí thêëy àiïìu naây.



PHÊÌN KÏËT: VIÏÎN CAÃNH TRÛÚÁC MÙÆT

Vuä truå chùæc seä coân tiïëp tuåc giaän núã möåt thúâi gian nûäa. Vïì söë phêån cuãa noá sau àoá, mö hònh chuêín cho möåt lúâi tiïn àoaán mú höì: noá phuå thuöåc hoaân toaân vaâo viïåc mêåt àöå vuä truå beá hún hay lúán hún möåt giaá trõ túái haån naâo àoá.

Nhû ta àaä thêëy úã chûúng II, nïëu mêåt àöå vuä truå beá hún mêåt àöå túái haån thò luác àoá vuä truå laâ vö haån vaâ seä maäi maäi giaän núã. Con chaáu chuáng ta, nïëu luác àoá coá, seä thêëy nhûäng phaãn ûáng nhiïåt haåch ài àïën kïët thuác chêìm chêåm trong têët caã caác vò sao, àïí laåi úã sau nhûäng loaåi tro buåi khaác nhau; nhûäng sao luân àen, nhûäng sao nútron, coá thïí caã nhûäng löî àen. Caác haânh tinh coá thïí tiïëp tuåc quay trïn quyä àaåo chêåm dêìn ài möåt ñt khi chuáng bûác xaå soáng hêëp dêîn, nhûng khöng khi naâo nghó sau möåt thúâi gian hûäu haån. Nhiïåt àöå nhûäng phöng bûác xaå vaâ neutrino vuä truå seä tiïëp tuåc haå tyã lïå nghõch vúái kñch thûúác cuãa vuä truå, nhûng chuáng khöng thïí mêët ài; ngay bêy giúâ ta coá thïí phaát hiïån phöng bûác xaå cûåc ngùæn 3 K.

Mùåt khaác nïëu mêåt àöå vuä truå lúán hún giaá trõ túái haån thò khi àoá vuä truå laâ hûäu haån vaâ sûå giaän núã cuãa noá seä möåt luác naâo àoá kïët thuác, vaâ àûúåc thay bùçng möåt sûå co ngaây caâng maånh. Nïëu chùèng haån, mêåt àöå vuä truå gêëp àöi giaá trõ túái haån cuãa noá vaâ nïëu giaá trõ àang àûúåc cöng nhêån hiïån nay cuãa hùçng söë Hubble (15 km möîi giêy cho möîi triïåu nùm aánh saáng) laâ àuáng thò khi àoá vuä truå cho àïën bêy giúâ coá tuöíi laâ 10000 triïåu nùm; noá seä tiïëp tuåc giaän núã trong 50000 triïåu nùm nûäa vaâ sau àoá bùæt àêìu co laåi (xem hònh böën). Sûå co àuáng laâ sûå giaän núã theo chiïìu ngûúåc laåi: sau 50000 triïåu nùm, vuä truå seä lêëy laåi kñch thûúác hiïån nay vaâ sau 10000 triïåu nùm nûäa sau àoá noá seä àïën gêìn möåt traång thaái kyâ dõ coá mêåt àöå vö haån.

Suöët ñt nhêët laâ phêìn àêìu cuãa giai àoaån co, caác nhaâ thiïn vùn (nïëu coá khi àoá) seä coá thïí tiïu khiïín bùçng sûå quan saát caã dõch chuyïín àoã lêîn dõch chuyïín xanh. AÁnh saáng tûâ nhûäng thiïn haâ gêìn

Steven Weinberg 136


chùæc àaä àûúåc bûác xaå úã möåt thúâi àiïím vuä truå lúán hún so vúái khi aánh saáng àoá àûúåc quan saát, do àoá khi noá àûúåc quan saát, aánh saáng naây seä coá veã nhû dõch chuyïín vïì phña àêìu bûúác soáng ngùæn cuãa phöí, nghôa laâ vïì phña xanh. Mùåt khaác, aánh saáng tûâ nhûäng vêåt rêët laâ xa seä phaãi àûúåc bûác xaå úã möåt thúâi kyâ khi vuä truå àang coân trong nhûäng giai àoaån àêìu cuãa sûå giaän núã cuãa noá, khi vuä truå coân beá hún so vúái khi aánh saáng àûúåc quan saát, do àoá khi noá àûúåc quan saát, aánh saáng àoá coá veã nhû dõch chuyïín vïì phña caác bûúác soáng daâi cuãa phöí, nghôa laâ vïì phña àoã.

Nhiïåt àöå cuãa caác phöng photon vaâ neutrino vuä truå seä haå xuöëng, röìi sau àoá tùng lïn khi vuä truå giaän núã röìi co laåi, luön luön tyã lïå nghõch vúái kñch thûúác cuãa vuä truå. Nïëu mêåt àöå vuä truå hiïån nay gêëp àöi trõ söë túái haån cuãa noá, thò khi àoá caác tñnh toaán cuãa ta chó roä rùçng vuä truå luác lúán nhêët seä àuáng gêëp àöi bêy giúâ, nhû vêåy nhiïåt àöå phöng soáng cûåc ngùæn luác àoá seä àuáng bùçng möåt nûãa giaá trõ 3 K hiïån nay, hoùåc khoaãng 1,5 K. Sau àoá vuä truå bùæt àêìu co laåi vaâ nhiïåt àöå bùæt àêìu tùng lïn.

Luác àêìu khöng coá baáo àöång gò - trong haâng nghòn triïåu nùm phöng bûác xaå seä laånh àïën mûác cêìn coá möåt cöë gùæng lúán múái phaát hiïån àûúåc noá. Tuy nhiïn, khi vuä truå àaä co heåp laåi àïën möåt phêìn trùm kñch thûúác hiïån nay, phöng bûác xaå seä bùæt àêìu ngûå trõ bêìu trúâi: bêìu trúâi ban àïm seä noáng nhû bêìu trúâi ban ngaây hiïån nay cuãa chuáng ta (300 K). Baãy mûúi triïåu nùm sau àoá vuä truå seä co laåi mûúâi lêìn nûäa, vaâ con chaáu chuáng ta (nïëu coá) seä thêëy bêìu trúâi saáng möåt caách khöng chõu àûúåc. Caác phên tûã trong khñ quyïín giûäa caác haânh tinh vaâ giûäa caác sao vaâ trong khoaãng khöng giûäa caác sao seä bùæt àêìu taách thaânh nhûäng nguyïn tûã thaânh phêìn cuãa chuáng, vaâ nhûäng nguyïn tûã seä vúä ra thaânh nhûäng electron tûå do vaâ nhûäng haåt nhên nguyïn tûã. Sau baãy trùm nghòn nùm nûäa nhiïåt àöå vuä truå seä laâ 10 triïåu àöå; khi àoá baãn thên caác vò sao vaâ haânh tinh cuäng seä hoâa tan thaânh möåt thûá xuáp vuä truå göìm bûác xaå, electron, haåt nhên. Sau hai mûúi hai ngaây nûäa nhiïåt àöå seä tùng lïn 10 000 triïåu àöå. Caác haåt nhên luác àoá bùæt àêìu vúä tung ra thaânh caác proton vaâ nútron thaânh phêìn cuãa chuáng, phaá huãy toaân böå cöng trònh töíng húåp haåt nhên trong caác vò sao vaâ theo vuä truå hoåc. Möåt thúâi gian ngùæn sau



àoá electron vaâ pözitron seä àûúåc taåo nïn vúái söë lûúång lúán nhûäng va chaåm photon - photon, vaâ phöng neutrino vaâ phaãn neutrino vuä truå seä trúã laåi cên bùçng nhiïåt vúái vuä truå coân laåi.

Ta coá thïí naâo àûa cêu chuyïån buöìn teã naây suöët cho àïën kïët thuác, àïën möåt traång thaái mêåt àöå vaâ nhiïåt àöå vö haån khöng? Thúâi gian coá thïí naâo dûâng laåi trong khoaãng 3 phuát sau khi nhiïåt àöå àaåt möåt nghòn triïåu àöå khöng? Roä rùçng ta khöng thïí chùæc. Moåi sûå khöng chùæc maâ ta gùåp phaãi úã chûúng trûúác, khi thò khaão saát tyã mó phêìn trùm giêy àêìu tiïn, seä quay laåi àïí laâm cho ta bùn khoùn khi ta nhòn vaâo phêìn trùm giêy cuöëi cuâng. Trûúác hïët, toaân böå vuä truå àoá phaãi àûúåc mö taã theo ngön ngûä cú hoåc lûúång tûã úã nhûäng nhiïåt àöå trïn 100 triïåu triïåu triïåu triïåu àöå (10 muä 32 K), vaâ khöng ai coá möåt yá niïåm naâo vïì viïåc gò xaãy ra luác àoá. Ngoaâi ra, nïëu vuä truå khöng thêåt àöìng tñnh vaâ àùèng hûúáng (xem cuöëi chûúng V), thò toaân böå cêu chuyïån cuãa ta mêët hïët caã yá nghôa tûâ lêu trûúác khi ta gùåp phaãi nhûäng vêën àïì cuãa vuä truå hoåc lûúång tûã.

Tûâ caác sûå khöng chùæc naây möåt söë nhaâ vuä truå hoåc ruát ra möåt hy voång naâo àoá. Coá thïí laâ vuä truå seä traãi qua möåt kiïíu “naãy bêåt” vuä truå vaâ seä bùæt àêìu giaän núã laåi. Trong Edda, sau trêån cuöëi cuâng giûäa caác thêìn vaâ nhûäng ngûúâi khöíng löì úã Rangorak, quaã àêët bõ lûãa vaâ nûúác phaá huãy nhûng nûúác ruát lui, caác ngûúâi con cuãa Thor tûâ àõa nguåc laåi tiïën lïn mang theo buáa cuãa cha vaâ caã thïë giúái laåi bùæt àêìu möåt lêìn nûäa. Nhûng nïëu vuä truå quaã thûåc seä giaän núã laåi, sûå giaän núã cuãa noá seä chêåm dêìn möåt lêìn nûäa vaâ sau àoá seä coá möåt sûå co heåp, kïët thuác bùçng möåt Rangorak vuä truå khaác, röìi laåi coá möåt lêìn naãy bêåt khaác nûäa, vaâ nhû vêåy tiïëp tuåc maäi maäi.

Nïëu àoá laâ tûúng lai, noá cuäng rêët coá thïí laâ quaá khûá cuãa chuáng ta. Vuä truå àang giaän núã hiïån nay coá thïí chó laâ giai àoaån tiïëp theo sûå co heåp trûúác vaâ sûå naãy bêåt vûâa qua. (Thêåt ra, nùm 1965, trong thöng baáo vïì phöng bûác xaå cûåc ngùæn vuä truå, Dicke, Peebles, Roll vaâ Wilkinson cho rùçng àaä coá möåt thúâi kyâ giaän núã vaâ co heåp vuä truå hoaân toaân trûúác àêy, vaâ hoå lêåp luêån rùçng vuä truå àaä phaãi co heåp àuã àïí nêng nhiïåt àöå lïn ñt nhêët laâ 10000 triïåu àöå àïí coá thïí phaá vúä caác nguyïn töë nùång taåo nïn trong giai àoaån trûúác). Nhòn luâi vïì trûúác,

Steven Weinberg 138


ta coá thïí tûúãng tûúãng möåt chûúng trònh khöng chêëm dûát giaän núã maâ khöng coá luác bùæt àêìu naâo.

Möåt söë nhaâ vuä truå hoåc bõ hêëp dêîn vïì mùåt triïët hoåc búãi mö hònh dao àöång, àùåc biïåt vò, nhû mö hònh traång thaái dûâng, noá traánh möåt caách khön kheáo vêën àïì “phaát sinh trúâi àêët”. Nhûng noá gùåp möåt khoá khùn lyá thuyïët lúán. Trong möîi chu kyâ tyã söë photon trïn haåt haåt nhên (hoùåc, chñnh xaác hún, entropi cho möîi haåt haåt nhên) àûúåc tùng lïn chuát ñt do möåt loaåi ma saát (goåi laâ “àöå nhúát khöëi”) trong khi vuä truå giaän núã vaâ co heåp. Vúái sûå hiïíu biïët hiïån nay cuãa ta, vuä truå luác àoá seä bùæt àêìu möîi chu kyâ múái vúái möåt tyã söë photon trïn haåt haåt nhên múái, húi lúán hún trûúác. Cho àïën nay tó söë àoá lúán nhûng khöng phaãi vö haån, cho nïn khoá maâ thêëy vuä truå àaä traãi qua trûúác àoá möåt söë chu kyâ vö haån nhû thïë naâo.

Tuy nhiïn, moåi vêën àïì àoá coá thïí giaãi quyïët, vaâ duâ mö hònh vuä truå hoåc naâo àoá toã ta àuáng àùæn, thò cuäng khöng laâm cho ta an têm lùæm. Àöëi vúái con ngûúâi, gêìn nhû khoá caãn loâng tin rùçng chuáng ta coá möåt möëi liïn hïå àùåc biïåt gò àoá vúái vuä truå, rùçng àúâi söëng loaâi ngûúâi khöng phaãi chó laâ möåt kïët quaã têët nhiïn haâi hûúác cuãa möåt chuöîi tai naån keáo lui daâi àïën ba phuát àêìu tiïn, maâ rùçng chuáng ta àaä àûúåc taåo nïn möåt caách naâo àoá ngay tûâ luác àêìu tiïn. Trong khi viïët àiïìu naây töi àang úã trïn möåt chiïëc maáy bay cao 30 000 fut, bay trïn bêìu trúâi Wyoming tûâ San Francisco vïì nhaâ úã Boston. Phña dûúái mùåt àêët xem ra rêët mïìm vaâ dïî chõu, coá nhûäng àaám mêy mûúåt maâ úã chöî naây chöî noå, tuyïët nhuöåm höìng khi mùåt trúâi moåc, nhûäng con àûúâng thùèng tùæp trïn àêët nûúác tûâ thaânh phöë naây àïën thaânh phöë kia. Rêët khoá nhêån ra rùçng têët caã nhûäng caái àoá chó laâ möåt phêìn nhoã beá cuãa möåt vuä truå cûåc kyâ khöng thên thiïån. Laåi coân khoá nhêån thûác hún nûäa rùçng vuä truå hiïån nay àaä tiïën hoáa tûâ möåt àiïìu kiïån sú khai khöng bònh thûúâng möåt caách khöng taã nöíi vaâ àûáng trûúác möåt sûå huãy diïåt tûúng lai do laånh vônh viïîn hoùåc noáng khöng chõu àûúåc. Vuä truå caâng thêëy laâ dïî hiïíu bao nhiïu thò laåi hònh nhû caâng vö nghôa bêëy nhiïu.

Nhûng nïëu trong kïët quaã cuãa nghiïn cûáu cuãa ta khöng coá àiïìu gò an uãi ta, thò ñt nhêët cuäng coá möåt sûå khuêy khoãa naâo àoá ngay trong baãn thên viïåc nghiïn cûáu. Con ngûúâi ta, nam hay nûä,



khöng bùçng loâng vúái viïåc tûå an uãi mònh vúái nhûäng cêu chuyïån vïì caác thêìn vaâ nhûäng ngûúâi khöíng löì, hoùåc têåp trung suy nghô cuãa mònh vaâo nhûäng cêu chuyïån àúâi söëng haâng ngaây; hoå cuäng chïë taåo nhûäng kñnh thiïn vùn, nhûäng vïå tinh nhên taåo vaâ nhûäng maáy gia töëc, vaâ ngöìi úã baân giêëy suöët haâng giúâ àïí xûã lyá yá nghôa cuãa caác söë liïåu maâ hoå thu thêåp àûúåc. Sûå cöë gùæng hiïíu vïì vuä truå laâ möåt trong rêët ñt caái laâm cho àúâi söëng con ngûúâi àûúåc nêng lïn cao hún trònh àöå cuãa möåt hyá kõch, vaâ cho noá möåt phêìn naâo daáng àeåp cuãa möåt bi kõch.

Caác baãng

Bảng 1. Tính chất của một số hạt cơ bản

Tính chất của một số hạt cơ bản. “Năng lượng nghỉ” là năng lượng được giải phóng nếu toàn bộ khối lượng của hạt được chuyển thành năng lượng.

Steven Weinberg 140


Tñnh chêët cuãa möåt söë haåt cú baãn. “Nùng lûúång nghó” laâ nùng lûúång àûúåc giaãi phoáng nïëu toaân böå khöëi lûúång cuãa haåt àûúåc chuyïín thaânh nùng lûúång.

“Nhiïåt àöå ngûúäng” laâ nùng lûúång nghó chia cho hùçng söë Boltzmann; noá laâ nhiïåt àöå maâ trïn àoá möåt haåt coá thïí taåo nïn tûå do tûâ bûác xaå nhiïåt.

“Söë hiïåu duång cuãa loaåi” cho sûå àoáng goáp tó àöëi cuãa möîi loaåi haåt vaâo nùng lûúång toaân phêìn, aáp suêët vaâ entröpi, úã nhûäng nhiïåt àöå rêët cao hún nhiïåt àöå ngûúäng. Söë àoá àûúåc viïët ra nhû laâ tñch cuãa ba thûâa söë: thûâa söë àêìu laâ 2 hay 1 tuyâ theo haåt coá hoùåc khöng coá möåt phaãn haåt khaác vúái noá; thûâa söë thûá hai laâ söë hûúáng coá thïí coá cuãa spin cuãa haåt, thûâa söë cuöëi laâ 7/8 hay laâ 1 tuy theo haåt coá tuên theo nguyïn lyá loaåi trûâ Pauli hay khöng. “Thúâi gian söëng trung bònh” laâ thúâi gian trung bònh maâ haåt söëng soát trûúác khi noá chõu möåt sûå phên raä phoáng xaå thaânh nhûäng haåt khaác.

Bảng 2. Tính chất của vài loại bức xạ

Tñnh chêët cuãa vaâi loaåi bûác xaå. Möîi loaåi bûác xaå àûúåc àùåc trûng

bùçng möåt khoaãng bûúác soáng naâo àoá àûúåc cho úã àêy theo centimet. ÛÁng vúái khoaãng bûúác soáng àoá laâ möåt khoaãng nùng lûúång phöton àûúåc cho úã àêy theo electron — vön. Nhiïåt àöå “vêåt àen” laâ nhiïåt àöå maâ úã àoá bûác xaå vêåt àen seä coá àa söë nùng lûúång cuãa noá têåp trung gêìn nhûäng bûúác soáng àaä cho; nhiïåt àöå naây àûúåc cho úã àêy theo àöå Kelvin. (Chùèng haån, bûúác soáng maâ úã àoá Penzias vaâ Wilson àaä àiïìu hûúãng trong sûå khaám phaá phöng bûác xaå vuä truå laâ 7,35 cm, nhû vêåy



àoá laâ möåt bûác xaå cûåc ngùæn; nùng lûúng phöton àûúåc giaãi phoáng khi möåt haåt nhên traãi qua möåt sûå biïën àöíi phoáng xaå thûúâng laâ vaâo khoaãng möåt triïåu ïlectron — vön, nhû vêåy àoá laâ möåt tia ³�; vaâ bïì mùåt mùåt trúâi úã nhiïåt àöå 5800 K, nhû vêåy mùåt trúâi phaát ra aánh saáng thêëy àûúåc). Cöë nhiïn, caác sûå phên chia giûäa caác loaåi bûác xaå khöng phaãi laâ hoaân toaân taách baåch, vaâ khöng coá möåt sûå thoaã thuêån chung naâo vïì caác khoaãng bûúác soáng khaác nhau.

Tûâ vûång

Angstrom möåt phêìn trùm triïåu xentimet (10 muä êm 8). Kyá

hiïåu 0A. Kñch thûúác nguyïn tûã àiïín hònh laâ vaâi angstrom. Bûúác soáng aánh saáng thêëy àûúåc àiïín hònh laâ vaâi nghòn angstrom.

Andromeda (Tinh vên tiïn nûä) Thiïn haâ lúán gêìn ta nhêët. Noá coá hònh xoùæn öëc, chûáa khoaãng 3 x 10 muä 11 khöëi lûúång mùåt trúâi. Ghi laâ M31 trong catalö cuãa Messier, vaâ NGC 224 trong “Catalö töíng quaát múái”.

Baryon Möåt loaåi haåt tûúng taác maånh göìm nútron, photon vaâ caác haàron khöng bïìn goåi laâ hyperon. Söë baryon laâ töíng söë baryon coá mùåt trong möåt hïå trûâ ài töíng söë phaãn baryon.

Bûác xaå höìng ngoaåi Soáng àiïån tûâ coá bûúác soáng giûäa khoaãng 0,0001 cm vaâ 0,01 cm (mûúâi nghòn àïën möåt triïåu angstrom), trung gian giûäa aánh saáng thêëy àûúåc vaâ bûác xaå cûåc ngùæn. Caác vêåt úã nhiïåt àöå phoâng bûác xaå chuã yïëu soáng höìng ngoaåi.

Bûác xaå tûã ngoaåi Soáng àiïån tûâ vúái bûúác soáng tûâ 10 muä êm 7 cm àïën 2 x 10 muä 5 cm (10 àïën 2000 angstrom), trung gian giûäa aánh saáng thêëy àûúåc vaâ tia X.

Bûác xaå cûåc ngùæn Soáng àiïån tûâ vúái bûúác soáng giûäa khoaãng 0,01 cm vaâ 10 cm, trung gian giûäa bûác xaå vö tuyïën têìn söë rêët cao vaâ höìng ngoaåi. Vêåt úã nhiïåt àöå vaâi àöå Kelvin bûác xaå chuã yïëu trong daãi soáng cûåc ngùæn.

Steven Weinberg 142


Bûác xaå vêåt àen Bûác xaå vúái möåt mêåt àöå nùng lûúång khöng àöíi trong möîi khoaãng bûúác soáng, nhû bûác xaå phaát ra tûâ möåt vêåt nung noáng hêëp thuå hoaân toaân. Bûác xaå trong moåi traång thaái cên bùçng nhiïåt laâ bûác xaå vêåt àen.

Bûúác soáng Khoaãng caách giûäa hai àónh soáng. Àöëi vúái soáng àiïån tûâ coá thïí àõnh nghôa bûúác soáng laâ khoaãng caách giûäa hai àiïím maâ úã àoá moåi thaânh phêìn cuãa vectú trûúâng àiïån hoùåc tûâ coá giaá trõ cûåc àaåi.

Cên bùçng nhiïåt Möåt traång thaái trong àoá haåt ài vaâo möåt khoaãng vêån töëc, spin, v.v... naâo àoá àuáng cên bùçng vúái tyã söë chuáng rúâi khoaãng àoá. Nïëu àïí khöng bõ nhiïîu loaån àïën möåt thúâi gian àuã lêu, thò bêët cûá möåt hïå vêåt lyá naâo möåt luác naâo àoá cuäng seä àïën gêìn möåt traång thaái cên bùçng nhiïåt.

Chên trúâi Trong vuä truå hoåc, khoaãng caách maâ ngoaâi àoá khöng möåt tñn hiïåu aánh saáng naâo coá thïí coá cú höåi àïën àûúåc chöî ta. Nïëu vuä truå coá möåt tuöíi xaác àõnh, thò khoaãng caách àïën chên trúâi laâ vaâo cúä tuöíi àoá nhên vúái vêån töëc aánh saáng.

Chuyïín àöång riïng Sûå dõch chuyïín võ trñ caác thiïn thïí trïn bêìu trúâi do chuyïín àöång cuãa chuáng vuöng goác vúái àûúâng nhòn. Thûúâng ào theo giêy cung möîi nùm.

Chuyïín pha Sûå chuyïín àöåt ngöåt cuãa möåt hïå tûâ möåt cêëu hònh naây àïën möåt cêëu hònh khaác, thûúâng vúái möåt sûå thay àöíi vïì àöëi xûáng. Vñ duå: sûå noáng chaãy, sûå söi, vaâ sûå chuyïín tûâ tñnh dêîn bònh thûúâng qua tñnh siïu dêîn.

Cú hoåc lûúång tûã Lyá thuyïët vêåt lyá cú baãn, phaát triïín trong nhûäng nùm 1920 nhû laâ sûå thay thïë cú hoåc cöí àiïín. ÚÃ àêy soáng vaâ haåt laâ hai mùåt cuãa cuâng möåt thûåc thïí cú baãn. Haåt liïn kïët vúái möåt soáng cho trûúác laâ lûúång tûã cuãa noá. Caác traång thaái cuãa nhûäng hïå liïn kïët nhû nguyïn tûã hay phên tûã chó chiïëm nhûäng mûác nùng lûúång roä rïåt naâo àoá, nùng lûúång àûúåc xem laâ bõ lûúång tûã hoaá.

Chuâm (thiïn haâ) Thêët nûä Möåt chuâm khöíng löì bao göìm trïn 1000 thiïn haâ trong choâm sao Thêët nûä. Chuâm naây chuyïín àöång xa ta vúái möåt vêån töëc khoaãng 1000 km/s; ngûúâi ta cho rùçng noá úã caách ta 60 triïåu nùm aánh saáng.



Dõch chuyïín àoã Sûå dõch chuyïín cuãa caác vaåch phöí vïì phña caác bûúác soáng daâi hún do hiïåu ûáng Doppler àöëi vúái möåt nguöìn ài xa khoãi ta. Trong vuä truå hoåc laâ sûå dõch chuyïín quan saát àûúåc cuãa caác vaåch phöí cuãa nhûäng thiïn haâ xa bïì phña bûúác soáng daâi. Khi biïíu diïîn nhû möåt àöå tùng tó àöëi cuãa bûúác soáng, noá àûúåc kyá hiïåu laâ z.

Dõch chuyïín xanh Sûå dõch chuyïín cuãa caác vaåch phöí vïì phña bûác soáng ngùæn hún do hiïåu ûáng Doppler àöëi vúái möåt nguöìn ài túái ta.

Àùèng hûúáng Möåt tñnh chêët àûúåc thûâa nhêån cuãa vuä truå, maâ àöëi vúái möåt ngûúâi quan saát bêët kyâ noá àûúåc xem laâ giöëng nhau theo moåi hûúáng.

Àöìng tñnh Möåt tñnh chêët àûúåc thûâa nhêån cuãa vuä truå, maâ àöëi vúái möåt ngûúâi quan saát bêët kyâ, úã möåt thúâi àiïím bêët kyâ noá àûúåc xem laâ khöng àöíi.

Àöå trûng tuyïåt àöëi Nùng lûúång toaân phêìn maâ möåt thiïn thïí bûác xaå trong möîi àún võ thúâi gian

Àöå trûng biïíu kiïën Nùng lûúång toaân phêìn nhêån àûúåc trong möåt àún võ thúâi gian vaâ trïn möåt àún võ diïån tñch tûâ möåt thiïn thïí.

Àútïri Möåt àöìng võ nùång cuãa hyàrö, H muä 2. Haåt nhên cuãa noá (àútïron) göìm möåt pröton vaâ möåt nútron.

Àûúâng ài (quaäng àûúâng) tûå do trung bònh Khoaãng caách trung bònh maâ möåt haåt cho trûúác ài àûúåc giûäa nhûäng va chaåm vúái möi trûúâng trong àoá noá chuyïín àöång. Thúâi gian tûå do trung bònh laâ thúâi gian giûäa caác va chaåm.

Ec Àún võ nùng lûúång trong hïå CGS. Àöång nùng cuãa khöëi lûúång cuãa möåt gam chuyïín àöång vúái vêån töëc 1 cm/s laâ 1/2 ec.

Entröpi Möåt àaåi lûúång cú baãn trong cú hoåc thöëng kï liïn quan àïën àöå höîn àöån cuãa möåt hïå vêåt lyá. Entröpi àûúåc baão toaân trong moåi quaá trònh trong àoá cên bùçng nhiïåt àûúåc giûä vûäng liïn tuåc. Àõnh luêåt thûá hai cuãa nhiïåt àöång lûåc hoåc noái rùçng entröpi toaân phêìn khöng bao giúâ giaãm ài trong bêët cûá phaãn ûáng naâo.

Steven Weinberg 144


Electron Haåt cú baãn coá khöëi lûúång nheå nhêët. Moåi tñnh chêët hoaá hoåc cuãa nguyïn tûã vaâ phên tûã àûúåc xaác àõnh búãi caác tûúng taác àiïån giûäa caác electron vúái nhau vaâ vúái haåt nhên nguyïn tûã.

Electron — vön Möåt àún võ nùng lûúång tiïån duång trong vêåt lyá nguyïn tûã, bùçng nùng lûúång maâ möåt ïlectron thu àûúåc khi ài qua möåt hiïåu àiïån thïë möåt vön. Bùçng 1,60219 x 10 muä êm 12 ec.

Feynman (giaãn àöì) Caác giaãn àöì tûúång trûng nhûäng àoáng goáp khaác nhau vaâo xaác suêët cuãa möåt phaãn ûáng haåt cú baãn.

Friedmann (mö hònh) Mö hònh toaán hoåc cuãa cêëu truác khöng — thúâi gian cuãa vuä truå, cùn cûá trïn thuyïët tûúng àöëi röång (khöng coá möåt hùçng söë vuä truå hoåc) vaâ trïn nguyïn lyá vuä truå hoåc.

Haàron Moåi haåt tham gia vaâo tûúng taác maånh. Haàron àûúåc chia ra baryon (nhû nútron vaâ proton) tuên theo nguyïn lyá loaåi trûâ Pauli, vaâ meson, khöng theo nguyïn lyá naây.

Haåt haåt nhên Caác haåt, proton vaâ nútron, tòm thêëy trong haåt nhên caác nguyïn tûã thöng thûúâng. Thûúâng goåi ngùæn laâ nuclon.

Hùçng söë Boltzmann hùçng söë cú baãn cuãa cú hoåc thöëng kï liïn hïå thang nhiïåt àöå vúái nhûäng àún võ nùng lûúång. Thûúâng kyá hiïåu laâ k hoùåc kB. Bùçng 1,3806 x 10 muä 16 ec möîi àöå Kelvin, hoùåc 0,00008617 electron — vön cho möîi àöå Kelvin.

Hùçng söë cêëu truác tinh tïë Hùçng söë cú baãn khöng thûá nguyïn cuãa vêåt lyá nguyïn tûã vaâ àiïån àöång lûåc hoåc lûúång tûã, àûúåc àõnh nghôa nhû bònh phûúng cuãa àiïån tñch electron chia cho tñch hùçng söë Planck vaâ vêån töëc aánh saáng. Kyá hiïåu anfa. Bùçng 1/137,036.

Hùçng söë Newton Hùçng söë cú baãn cuãa caác thuyïët hêëp dêîn cuãa Newton vaâ Einstein, Kyá hiïåu G. Trong thuyïët cuãa Newton, lûåc hêëp dêîn giûäa hai vêåt laâ G nhên vúái tñch cuãa hai khöëi lûúång chia cho bònh phûúng khoaãng caách giûäa chuáng. Trong àún võ cuãa hïå meát bùçng 6,67 x 10 muä êm 8 cm3/gs.

Hùçng söë Planck Hùçng söë cú baãn cuãa cú hoåc lûúång tûã, kyá hiïåu h. Bùçng 6,625 x 10 muä êm 27 ecs. Hùçng söë naây lêìn àêìu tiïn àûúåc àûa vaâo lyá thuyïët bûác xaå vêåt àen cuãa Planck nùm 1900. Sau àoá noá xuêët hiïån trong lyá thuyïët photon cuãa Einstein nùm 1905 : nùng



lûúång cuãa möåt photon bùçng h nhên vúái vêån töëc aánh saáng chia cho bûúác soáng.

Hiïån nay ngûúâi ta thûúâng duâng hùçng söë h hún (h gaåch), bùçng hùçng söë Planck chia cho 2 pi.

Hùçng söë vuä truå hoåc Möåt söë haång maâ nùm 1917 Einstein thïm vaâo caác phûúng trònh hêëp dêîn cuãa öng. Möåt söë haång nhû vêåy seä gêy ra möåt lûåc àêíy úã nhûäng khoaãng caách rêët xa, vaâ seä cêìn cho möåt vuä truå tônh àïí cên bùçng lûåc huát hêëp dêîn. Hiïån nay khöng coá lyá do gò àïí cho rùçng möåt hùçng söë vuä truå hoåc nhû vêåy töìn taåi.

Hïli Nguyïn töë hoaá hoåc nheå thûá hai vaâ nhiïìu thûá hai trong vuä truå. Coá hai àöìng võ bïìn cuãa hïli laâ He muä 4 maâ haåt nhên coá hai proton vaâ hai nútron vaâ He muä 3 maâ haåt nhên coá hai proton vaâ möåt nútron. Caác nguyïn tûã hïli chûáa hai ïlectron ngoaâi haåt nhên.

Hiïåu ûáng Doppler Sûå thay àöíi têìn söë cuãa möåt tñn hiïåu, do sûå chuyïín àöång tûúng àöëi giûäa nguöìn vaâ núi nhêån tñn hiïåu.

Hyàrö Nguyïn töë hoaá hoåc nheå nhêët vaâ nhiïìu nhêët. Haåt nhên cuãa hyàrö bònh thûúâng coá möåt photon duy nhêët. Coân hai àöìng võ nùång hún, àútïri vaâ triti. Nguyïn tûã cuãa moåi loaåi hyàrö àïìu göìm möåt haåt nhên hyàro vaâ möåt electron: trong caác ion hyàrö dûúng khöng coá electron.

Ion hyàröxyn Ion OH- göìm coá möåt nguyïn tûã öxy, möåt nguyïn tûã hyàrö, vaâ möåt electron döi.

Kelvin Thang nhiïåt àöå Kelvin, giöëng nhû thang baách phên, nhûng vúái àöå khöng tuyïåt àöëi chûá khöng phaãi àöå khöng ûáng vúái àiïím tan cuãa nûúác àaá. Àiïím naây laâ 273,15 K úã aáp suêët möåt atmöëtphe.

Khöëi lûúång Jeans Khöëi lûúång beá nhêët maâ khi àoá lûåc huát hêëp dêîn coá thïí thùæng aáp suêët trong vaâ sinh ra möåt hïå liïn kïët búãi lûåc hêëp dêîn. Kyá hiïåu Mj.

Lepton Moåi loaåi haåt khöng tham gia vaâo caác tûúng taác maånh, bao göìm electron, muon, vaâ neutrino. Söë lepton laâ töíng caác lepton coá mùåt trong möåt hïå, trûâ töíng caác phaãn lepton.

Steven Weinberg 146


Luêåt baão toaân Möåt àõnh luêåt quy àõnh rùçng töíng giaá trõ cuãa möåt àaåi lûúång naâo àoá khöng thay àöíi trong moåi phaãn ûáng.

Luêåt Hubble Hïå thûác giûäa vêån töëc luâi xa cuãa nhûäng thiïn haâ xa vûâa phaãi vaâ khoaãng caách túái chuáng. Hùçng söë Hubble laâ tyã söë vêån töëc trïn khoaãng caách trong hïå thûác àoá, vaâ kyá hiïåu H hay Ho.

Luêåt Rayleigh — Jeans Hïå thûác àún giaãn giûäa mêåt àöå nùng lûúång (trïn möt khoaãng bûúác soáng àún võ) vaâ bûúác soáng àuáng cho giúái haån bûúác soáng daâi cuãa phên böë Planck. Mêåt àöå nùng lûúång trong giúái haån àoá laâ tó lïå vúái nghõch àaão cuãa luyä thûâa böën cuãa bûúác soáng.

Luêåt Stefan — Boltzmann Hïå thûác tó lïå thuêån giûäa mêåt àöå nùng lûúång trong bûác xaå vêåt àen vaâ luyä thûâa böën cuãa nhiïåt àöå.

Mêåt àöå Söë lûúång möåt àaåi lûúång naâo àoá trong àún võ thïí tñch. Mêåt àöå khöëi lûúång laâ khöëi lûúång trong àún võ thïí tñch; noá thûúâng àûúåc àún giaãn goåi laâ “mêåt àöå”. Mêåt àöå nùng lûúång laâ nùng lûúång trong àún võ thïí tñch: mêåt àöå söë hoùåc mêåt àöå haåt laâ söë haåt trong àún võ thïí tñch.

Mêåt àöå túái haån Mêåt àöå khöëi lûúång cuãa vuä truå thêëp nhêët hiïån nay cêìn cho sûå chêëm dûát sûå daän núã cuãa vuä truå vaâo möåt luác naâo àoá vaâ sau àoá seä coá möåt sûå co tiïëp theo. Vuä truå laâ hûäu haån vïì khöng gian nïëu mêåt àöå vuä truå vûúåt mêåt àöå túái haån.

Meson Möåt loaåi tûúng taác maånh, bao göìm meson pi, meson K, meson ro, v. v ... vúái söë baryon bùçng khöng;.

Meson pi Haàron coá khöëi lûúång beá nhêët. Coá ba loaåi, möåt haåt àiïån tñch dûúng (AÂ�+), phaãn haåt cuãa noá coá àiïån tñch êm (AÂ� -), vaâ möåt phaãn haåt trung hoaâ húi nheå hún (AÂ�0). Àöi khi goåi laâ pion.

Meson ro Möåt trong caác haàron hïët sûác khöng bïìn phên raä thaânh 2 meson pi, vúái thúâi gian söëng trung bònh 4,4 x 10 muä êm 24 giêy.

Messier (söë) Söë trong catalö cuãa möåt söë tinh vên vaâ chuâm sao theo caách sùæp cuãa Charles Messier. Thûúâng kyá hiïåu M ... Vñ duå : tinh vên Tiïn nûä laâ M31.



Muon Möåt haåt cú baãn khöng bïìn coá àiïån tñch êm, giöëng nhû electron nhûng nùång hún 207 lêìn. Kyá hiïåu µ. Àöi khi goåi laâ meson muy, nhûng khöng tûúng taác maånh nhû nhûäng meson thûåc.

Nùm aánh saáng Àûúâng ài cuãa möåt tia saáng trong möåt nùm. Nùng lûúång nghó Nùng lûúång cuãa möåt haåt khöng chuyïín

àöång, noá seä àûúåc giaãi phoáng nïëu toaân böå khöëi lûúång cuãa haåt coá thïí bõ huyã. Cho búãi cöng thûác Einstein E = mc2.

Nguyïn lyá loaåi trûâ Pauli Nguyïn lyá noái rùçng khöng coá hai haåt naâo cuâng möåt loaåi coá thïí úã àuáng möåt traång thaái lûúång tûã nhû nhau. Baryon vaâ lepton tuên theo nguyïn lyá naây, nhûng photon hoùåc meson thò khöng.

Nguyïn lyá vuä truå hoåc Giaã thiïët cho rùçng vuä truå laâ àùèng hûúáng vaâ àöìng tñnh.

Ngên haâ Tïn cuãa daãi sao àaánh dêëu mùåt phùèng thiïn haâ cuãa chuáng ta. Àöi khi àûúåc duâng àïí goåi thiïn haâ cuãa cuãa chuáng ta.

“Nïìn dên chuã haåt nhên” Thuyïët cho rùçng moåi haàron àïìu cú baãn nhû nhau.

Nhiïåt àöå ngûúäng Nhiïåt àöå maâ trïn noá thò moåi loaåi haåt naâo àoá seä àûúåc taåo ra rêët nhiïìu búãi bûác xaå vêåt àen. Noá bùçng khöëi lûúång haåt nhên vúái bònh phûúng vêån töëc aánh saáng, chia cho hùçng söë Boltzmann.

Nhiïåt àöå cûåc àaåi Giúái haån trïn cuãa nhiïåt àöå trong vaâi lyá thuyïët vïì tûúng taác maånh. Trong caác thuyïët àoá noá àûúåc ûúác tñnh bùçng hai triïåu triïåu àöå Kelvin.

Nhiïåt àöå túái haån Nhiïåt àöå maâ úã àoá xaãy ra möåt sûå chuyïín pha. Neutrino Möåt haåt trung hoaâ àiïån khöng coá khöëi lûúång chó

tham gia caác tûúng taác yïëu vaâ hêëp dêîn. Kyá hiïåu v. Ñt nhêët coá hai loaåi neutrino goåi laâ neutrino thuöåc electron (ve) vaâ nútrinö thuöåc úã muyon (vµ).

Pacsec Àún võ khoaãng caách thiïn vùn. Àûúåc àõnh nghôa laâ khoaãng caách cuãa möåt vêåt maâ thõ sai (àöå dõch chuyïín möîi nùm trïn bêìu trúâi) laâ möåt giêy cung. Kyá hiïåu pc. Bùçng 3,0856 x 10 muä êm 13

Steven Weinberg 148


km hoùåc 3,2615 nùm aánh saáng. Àún võ quy ûúác trong vuä truå hoåc laâ möåt triïåu pacsec hoùåc mïgapacsec, kyá hiïåu Mpc. Hùçng söë Hubble thûúâng àûúåc cho bùçng kilömet möîi giêy möîi mïgapacsec.

Phên böë Planck Sûå phên böë nùng lûúång úã nhûäng bûúác soáng khaác nhau cuãa bûác xaå úã cên bùçng nhiïåt, nghôa laâ, cho bûác xaå vêåt àen.

Phaãn haåt Haåt coá cuâng khöëi lûúång vaâ spin nhû úã möåt haåt khaác, nhûng coá àiïån tñch, söë baryon, söë lepton, v. v ... bùçng vïì àöå lúán vaâ ngûúåc dêëu. Möîi haåt coá möåt phaãn haåt tûúng ûáng, trûâ vaâi haåt thûåc sûå trung hoaâ nhû photon vaâ meson AÂ�0, chuáng laâ phaãn haåt cuãa baãn thên chuáng. Phaãn neutrino laâ phaãn haåt cuãa neutrino; phaãn proton laâ phaãn haåt cuãa proton, v. v ...Phaãn vêåt chêët göìm phaãn proton, phaãn nútron vaâ phaãn electron hoùåc pözitron.

Phöton Trong thuyïët lûúång tûã vïì bûác xaå, haåt gheáp vúái möåt soáng aánh saáng. Kyá hiïåu ³�

Pözitron Phaãn haåt cuãa electron, maång àiïån dûúng kyá hiïåu e+. Proton Haåt mang àiïån dûúng tòm thêëy cuâng vúái nútron trong

caác haåt nhên nguyïn tûã thöng thûúâng. Kyá hiïåu p, haåt nhên hyàrö laâ möåt proton.

Quark Haåt cú baãn giaã àõnh coi nhû laâ thaânh phêìn cuãa moåi haàron. Chûa quan saát àûúåc quark cö lêåp, vaâ coá nhûäng lyá leä lyá thuyïët àïí cho rùçng, mùåc duâ laâ coá thïí coá thûåc theo möåt yá nghôa naâo àoá, quark seä khöng bao giúâ àûúåc quan saát nhû nhûäng haåt cö lêåp.

Quaza (nhûäng vêåt chuêín sao) Möåt loaåi thiïn thïí coá möåt daång nhû sao vaâ kñch thûúác goác rêët beá, nhûng coá dõch chuyïín àoã lúán. Khi chuáng laâ nguöìn vö tuyïën maånh goåi laâ “nguöìn vö tuyïën chuêín sao”. Baãn chêët thêåt cuãa chuáng chûa àûúåc roä.

Soáng hêëp dêîn Soáng cuãa trûúâng hêëp dêîn tûúng tûå nhû soáng aánh saáng cuãa trûúâng àiïån tûâ. Chuáng lan truyïìn vúái vêån töëc bùçng vêån töëc aánh saáng, 299 792 km/s. Chûa coá bùçng chûáng thûåc nghiïåm àûúåc thûâa nhêån röång raäi vïì soáng hêëp dêîn nhûng sûå töìn taåi cuãa chuáng laâ do thuyïët tûúng àöëi röång àoâi hoãi, vaâ ñt ai nghi ngúâ sûå töìn



taåi naây. Lûúång tûã bûác xaå hêëp dêîn tûúng tûå nhû photon àûúåc goåi laâ graviton.

Sao siïu múái Nhûäng vuå sao nöí khöíng löì trong àoá têët caã ngöi sao, trûâ nhên trong, bõ nöí tung ra khoaãng khöng gian giûäa caác vò sao. Möåt sao siïu múái taåo ra trong möåt vaâi ngaây nhiïìu nùng lûúång nhû mùåt trúâi bûác xaå trong möåt ngaân triïuå nùm. Sao siïu múái cuöëi cuâng quan saát àûúåc trong thiïn haâ chuáng ta àûúåc Kepler (vaâ caác nhaâ thiïn vùn cuãa caác triïìu àònh Trung Quöëc vaâ Triïìu Tiïn) nhòn thêëy nùm 1604 trong choâm sao Ophiuchus, nhûng nguöìn vö tuyïën Cas A àûúåc cho laâ do möåt sao siïu múái gêìn àêy hún.

Spin Möåt tñnh chêët cú baãn cuãa haåt cú baãn mö taã traång thaái quay cuãa haåt. Theo caác àõnh luêåt cuãa cú hoåc lûúång tûã, spin chó coá thïí coá nhûäng giaá trõ nhêët àõnh bùçng möåt söë nguyïn hay baán nguyïn nhên vúái hùçng söë Planck.

Sûå taái húåp Sûå kïët húp cuãa haåt nhên nguyïn tûã vaâ electron thaânh nhûäng nguyïn tûã thöng thûúâng trong vuä truå hoåc, sûå taái húåp thûúâng àûúåc duâng möåt caách àùåc biïåt àïí chó sûå taåo thaânh nguyïn tûã hïli vaâ hyàrö úã nhiïåt àöå cúä 3000 K.

Têìn söë Diïîn taã sûå ài qua möåt àiïím cho trûúác cuãa àónh cuãa bêët kyâ loaåi soáng naâo. Bùçng töëc àöå soáng chia cho bûúác soáng. Tñnh theo Hz.

Thiïn haâ Möåt chuâm sao liïn kïët vúái nhau búãi lûåc hêëp dêîn, chûáa àïën 10 muä 12 khöëi lûúång mùåt trúâi. Caác thiïn haâ thûúâng àûúåc xïëp loaåi theo hònh daáng : elip, xoùæn öëc, xoùæn öëc coá gaåch ngang, hoùåc daång khöng àïìu.

Thiïn haâ àiïín hònh ÚÃ àêy duâng àïí noái vïì caác thiïn haâ khöng coá vêån töëc àùåc biïåt, vaâ do àoá chó chuyïìn àöång cuâng vúái sûå chuyïín àöång chung cuãa vêåt chêët do sûå daän núã vuä truå gêy ra. Möåt yá nghôa tûúng tûå àûúåc gaán cho caác tûâ haåt àiïín hònh vaâ ngûúâi quan saát àiïín hònh.

Thúâi gian daän núã àùåc trûng Nghõch àaão cuãa hùçng söë Hubble. Vaâo khoaãng 100 lêìn thúâi gian vuä truå duâng àïí daän núã thïm möåt phêìn trùm.

Steven Weinberg 150


Thöng söë giaãm töëc Con söë àùåc trûng cho tyã lïå giaãm töëc àöå cuãa sûå luâi cuãa caác thiïn haâ xa.

Thuyïët hiïåu chuêín Möåt loaåi lyá thuyïët trûúâng thûúâng àûúåc nghiïn cûáu raáo riïët coi nhû laâ nhûäng lyá thuyïët khaã dô vïì caác tûúng taác yïëu, àiïån tûâ vaâ maånh. Nhûäng thuyïët nhû vêåy laâ bêët biïën vúái möåt pheáp biïën àöíi àöëi xûáng, maâ kïët quaã biïën thiïn tûâ àiïím naây àïën àiïím kia trong khöng — thúâi gian. Danh tûâ hiïåu chuêín (gauge) àûúåc duâng phêìn nhiïìu laâ do lyá do lõch sûã.

Tia vuä truå Haåt mang àiïån coá nùng lûúång cao tûâ khoaãng khöng vuä truå ài vaâo khñ quyïín cuãa ta.

Tinh vên Thiïn thïí röång lúán, coá daång nhûäng àaám mêy. Möåt söë thiïn haâ; nhûäng caái khaác thûåc sûå laâ nhûäng àaám mêy buåi vaâ khñ trong thiïn haâ chuáng ta.

Triti Àöìng võ nùång khöng bïìn H3 cuãa hyàrö. Haåt nhên cuãa noá göìm möåt photon vaâ hai nútron.

Tûå do tiïåm cêån Tñnh chêët cuãa vaâi lyá thuyïët trûúâng vïì caác tûúng taác maånh, noái rùçng caác lûåc trúã thaânh möîi luác caâng yïëu úã nhûäng khoaãng caách gêìn.

Thuyïët traång thaái dûâng Thuyïët vuä truå hoåc maâ Bondi, Gold vaâ Hoyle àaä phaát triïín, trong àoá caác tñnh chêët trung bònh cuãa vuä truå khöng khi naâo thay àöíi vúái thúâi gian; vêåt chêët múái nhêët àûúåc phaát sinh ra liïn tuåc àïí giûä cho mêåt àöå vuä truå khöng àöíi trong khi vuä truå giaän núã.

Thuyïët tûúng àöëi heåp (thuyïët tûúng àöëi àùåc biïåt) Möåt caách nhòn múái vïì khöng gian vaâ thúâi gian maâ Einstein àïì ra nùm 1905. Nhû trong cú hoåc Newton, coá möåt nhoám caác pheáp àöíi toaán hoåc liïn hïå caác toaå àöå khöng — thúâi gian, maâ nhûäng ngûúâi quan saát khaác nhau duâng, möåt caách naâo àoá àïí cho caác àõnh luêåt cuãa tûå nhiïn àûúåc coi laâ nhû nhau àöëi vúái nhûäng ngûúâi quan saát àoá. Tuy nhiïn, trong thuyïët tûúng àöëi heåp caác biïën àöíi khöng — thúâi gian co tñnh chêët quan troång laâ laâm cho vêån töëc aánh saáng khöng thay àöíi, khöng phuå thuöåc vaâo vêån töëc cuãa ngûúâi quan saát. Moåi hïå chûáa haåt vêån töëc gêìn bùçng vêån töëc aánh saáng àûúåc xem laâ hïå tûúng àöëi tñnh



vaâ phaãi àûúåc nghiïn cûáu theo caác àõnh luêåt cuãa thuyïët tûúng àöëi heåp chûá khöng theo cú hoåc Newton.

Thuyïët tûúng àöëi röång (thuyïët tûúng àöëi töíng quaát) Lyá thuyïët vïì hiïån tûúång hêëp dêîn do Einstein phaát triïín trong thêåp niïn 1906 — 1916. Theo caách phaát biïíu cuãa Einstein thò yá tûúãng cú baãn cuãa thuyïët tûúng àöëi röång laâ hiïån tûúång hêëp dêîn laâ möåt kïët quaã cuãa sûå cong cuãa continum khöng — thúâi gian.

Tûúng taác maånh Loaåi maånh nhêët trong böën loaåi tûúng taác töíng quaát giûäa caác haåt cú baãn. Noá chõu traách nhiïåm vïì caác lûåc haåt nhên giûä caác proton vaâ nútron úã laåi trong caác haåt hên nguyïn tûã. Tûúng taác maånh aãnh hûúãng àïën haàrön chûá lepton vaâ photon thò khöng.

Tûúng taác yïëu Möåt trong böën loaåi tûúng taác töíng quaát giûäa caác haåt cú baãn. Vúái nhûäng nùng lûúång bònh thûúâng noá yïëu hún tûúng taác àiïån tûâ hoùåc tûúng taác maånh nhiïìu, duâ rùçng maånh hún tûúng taác hêëp dêîn. Noá chõu traách nhiïåm vïì sûå phên raä tûúng àöëi chêåm cuãa nhûäng haåt nhû nútron vaâ muon vaâ vïì moåi phaãn ûáng trong àoá coá neutrino. Ngaây nay nhiïìu ngûúâi hiïíu rùçng caác tûúng taác yïëu vaâ àiïån tûâ vaâ coá thïí caã caác tûúng taác maånh laâ nhûäng biïíu hiïån cuãa möåt lyá thuyïët trûúâng hiïåu chuêín thöëng nhêët cú baãn vaâ àún giaãn.

Vêån töëc aánh saáng Hùçng söë cú baãn cuãa thuyïët tûúng àöëi heåp, bùçng 299729 km/s. Kyá hiïåu c. Moåi haåt coá khöëi lûúång bùçng khöng nhû photon, nútrino, hoùåc graviton chuyïín àöång vúái vêån töëc aánh saáng. Caác haåt vêåt chêët coá vêån töëc aánh saáng khi nùng lûúång cuãa chuáng laâ rêët lúán so vúái nùng lûúång nghó mc2 trong khöëi lûúång cuãa chuáng.

Vuä truå hoåc “vuå nöí lúán” Thuyïët cho rùçng vuä truå bùæt àêìu tûâ möåt thúâi àiïím hûäu haån trong quaá khûá, úã möåt traång thaái coá mêåt àöå vaâ aáp suêët rêët lúán.

Xïpheit Nhûäng ngöi sao saáng àöíi aánh, coá möåt sûå liïn hïå xaác àõnh roä giûäa àöå trûng tuyïåt àöëi, chu kyâ biïën thiïn, vaâ maâu. Tïn laâ theo tïn cuãa ngöi sao úã Xïphei trong choâm sao Xïpheut (“Öng

Steven Weinberg 152


vua”). Àûúåc duâng àïí chó khoaãng caách cuãa nhûäng thiïn haâ tûúng àöëi gêìn.

Xian Húåp chêët hoaá hoåc CN, àûúåc taåo nïn tûâ cacbon vaâ nitú. Tòm thêëy trong khoaãng khöng giûäa caác sao do sûå hêëp thuå aánh saáng nhòn thêëy.

ba phút đầu tiên

Documents