Cuốn sách Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ

Cuốn sách 'Giai điệu giây và bản giao hưởng vũ trụ' 
Brian Greene đã kể cho chúng ta một cách rất sinh động và tài tình về sự ra đời và phát triển 
của lý thuyết siêu dây. Với một văn phong sáng sủa và truyền cảm, ông đã chỉ cho chúng ta thấy 
lý thuyết này đã mở đường để dung hoà cơ lượng tử với thuyết tương đối như thế nào. 
Lời giới thiệu 
Hai lý thuyết vĩ đại tạo nên những trụ cột của vật lý hiện đại là cơ học lượng tử và thuyết tương 
đối đã ra đời gần như đồng thời vào đầu thế kỷ XX. 
Cơ học lượng tử, lý thuyết về những cái vô cùng bé, đã được xây dựng trong những năm 
1910-1930 bởi một nhúm những con người lãng mạn như Max Planck, Niels Bohr, Werner 
Heisenberg, Edwin Schrodinger, Wolfgang Pauli và Louis de Broglie, đã giải thích được 
một cách tuyệt vời hành trạng của các hạt sơ cấp và các nguyên tử cũng như các tương tác 
của chúng với ánh sáng. Chính nhờ cơ học lượng tử mà chúng ta có được những công cụ kỳ 
diệu như máy thu thanh, TV, các bộ dàn stereo, điện thoại, máy fax, máy tính và Internet, những 
công cụ làm cho cuộc sống của chúng ta trở nên thú vị hơn và liên kết chúng ta với nhau. 
Thuyết tương đối là lý thuyết của những cái vô cùng lớn: nó được sinh ra từ trực giác thiên 
tài của một “chuyên viên kỹ thuật hạng ba” chẳng mấy ai biết tới có tên là Albert Einstein 
thuộc phòng đăng ký sáng chế phát minh ở Bern (Thuỵ Sĩ) và lý thuyết này đã đưa ông lên 
tột đỉnh vinh quang. Với thuyết tương đối hẹp được công bố năm 1905, Einstein đã thống nhất 
được thời gian và không gian nhờ xem xét lại tính phổ quát của chúng: thời gian của một nhà du 
hành với vận tốc không đổi gần vận tốc ánh sáng sẽ bị giãn ra trong khi đó không gian lại bị co 
lại so với thời gian và không gian của một người nào đó đứng yên. Đồng thời, Einstein cũng thiết 
lập được sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng, do đó cho phép ta giải thích được lò 
lửa của các ngôi sao: chúng đã biến một phần khối lượng của chúng thành năng lượng và, than 
ôi, nó cũng dẫn tới những quả bom nguyên tử đã gây ra chết chóc và tàn phá hai thành phố Nhật 
Bản Hiroshima và Nagasaki. Với thuyết tương đối rộng được công bố năm 1915, Einstein đã 
chứng minh được rằng một trường hấp dẫn mạnh, như trường ở gần một lỗ đen (lỗ thành, chẳng 
hạn bởi sự co lại của một ngôi sao đã dùng hết năng lượng dự trữ của nó) không chỉ làm cho thời 
gian giãn ra mà còn làm cong cả không gian nữa. Đồng thời, các phương trình của thuyết tương 
đối rộng cũng nói rằng Vũ trụ hoặc là đang giãn nở hoặc là đang co lại, chứ không thể là tĩnh tại, 
cũng hệt như một quả bóng được tung lên không hoặc là bay lên cao hoặc là rơi xuống chứ 
không thể treo lơ lửng trong không khí được. Vì ở thời đó người ta nghĩ rằng Vũ trụ là tĩnh, nên 
Einstein đã buộc phải đưa vào một lực phản hấp dẫn để bù trừ cho lực hấp dẫn hút của Vũ trụ 
nhằm làm cho nó trở nên dừng. Sau này, vào năm 1929, khi nhà thiên văn Mỹ Edwin Hubble 
phát hiện ra Vũ trụ đang giãn nở, Einstein đã phải tuyên bố rằng “đó là sai lầm lớn nhất của cuộc 
đời ông”. 
Hai lý thuyết vĩ đại đó đã được nhiều lần kiểm chứng qua các phép đo và quan sát, đồng thời 
chúng hoạt động rất tốt chừng nào chúng ở tách rời và giới hạn trong địa hạt riêng của mình. Cơ 
học lượng tử mô tả chính xác hành trạng của các nguyên tử và ánh sáng khi mà hai lực hạt nhân 
mạnh và yếu cùng với lực điện từ dẫn dắt vũ điệu còn lực hấp dẫn thì nhỏ không đáng kể. Thuyết 
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
 For evaluation only.
tương đối giải thích rất tốt những chất của hấp dẫn ở thang cực lớn của Vũ trụ, của các thiên hà, 
các ngôi sao và các hành tinh, khi mà lực này chiếm ưu thế và các lực hạt nhân cũng như lực 
điện từ không còn đóng vai trò hàng đầu nữa. Nhưng vật lý học đã biết lại hụt hơi và mất hết 
phương tiện khi lực hấp dẫn, vốn nhỏ không đáng kể ở thang hội nguyên tử, lại trở nên đáng kể 
như ba lực kia. Mà điều này lại chính xác là cái đã xảy ra ở những khoảnh khắc đầu tiên của Vũ 
trụ. 
Ngày hôm nay, người ta nghĩ rằng khoảng 15 tỷ năm trước, một vụ nổ cực mạnh – tức Big 
Bang - đã sinh ra Vũ trụ, không gian và thời gian. Từ đó, đã diễn ra một quá trình thăng 
tiến, không một phút nào ngơi, trên con đường phức tạp hóa. Xuất phát từ một chân không 
nội nguyên tử, Vũ trụ đang giãn nở đã không ngừng phình to và nở ra. Các quark và 
electron, các proton và notron, các nguyên tử, các ngôi sao và các thiên hà kế tiếp nhau được tạo 
thành. Vậy là một tấm thảm vũ trụ bao la đã được dệt nên, bao gồm tới hàng trăm tỷ thiên hà, 
mỗi thiên hà lại bao gồm hàng trăm tỷ ngôi sao. Trong vùng biên của một trong số những thiên 
hà đó và có tên là Ngân Hà, trên một hành tinh ở gần ngôi sao có tên là Mặt Trời, xuất hiện con 
người có khả năng biết kinh ngạc trước vẻ đẹp và sự hài hòa của Vũ trụ, có ý thức và có trí tuệ 
cho phép nó có thể đặt ra những câu hỏi về Vũ trụ đã sinh ra nó. Như vậy là cái vô cùng bé đã 
sinh nở ra cái vô cùng lớn. Để hiểu được nguồn gốc của Vũ trụ và do đó cả ngu ... g chương 9. Hơn nữa, khi chúng ta có 
được sự hiểu biết sâu hơn, thì những quá trình hoặc những đặc trưng hiếm hoi khác của lý thuyết 
dây có thể sẽ gợi ý cho chúng ta các khả năng kiểm chứng gián tiếp khác bằng thực nghiệm. 
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
 For evaluation only.
Nhưng đáng lưu ý nhất, sự khẳng định siêu đối xứng thông qua việc phát hiện ra các siêu 
hạt như đã được thảo luận trong chương 9 sẽ là một cột mốc quan trọng trong lý thuyết 
dây. Hãy nhớ lại rằng, siêu đối xứng đã được phát hiện trong quá trình nghiên cứu lý thuyết dây 
và đây cũng là phần trung tâm của lý thuyết đó. Sự khẳng định bằng thực nghiệm đối xứng này 
sẽ là một phần bằng chứng có sức thuyết phục, mặc dù là gián tiếp, chứng tỏ sự đúng đắn của lý 
thuyết dây. Ngoài ra, sự phát hiện ra các siêu hạt cũng mở ra con đường đi tới một thách thức 
được chào đón nồng nhiệt hơn, bởi vì sự khẳng định siêu đối xứng sẽ dẫn đến những hệ quả xa 
hơn rất nhiều sự trả lời đơn thuần cho câu hỏi đối xứng này có quan hệ gì đó với thế giới chúng 
ta hay không. Khối lượng và tích lực của các siêu hạt sẽ làm hé lộ cách thức chi tiết mà siêu đối 
xứng được bao hàm trong các định luật của tự nhiên. Khi đó, các nhà lý thuyết sẽ phải đối mặt 
với thách thức phải xem sự thực hiện đó có thể làm hoặc giải thích một cách đầy đủ bởi lý thuyết 
dây hay không. Tất nhiên, chúng ta có thể còn lạc quan hơn và hy vọng rằng trong mười năm tới, 
trước khi Máy va chạm Hadron Lớn (LHC) ở Geneva được đưa vào hoạt động, thì sự hiểu biết 
của chúng ta về lý thuyết dây đã có những tiến bộ đủ để đưa ra những tiên đoán chi tiết về các 
siêu hạt trước khi phát hiện ra chúng bằng thực nghiệm. Sự khẳng định được những tiên đoán đó 
sẽ là một thời điểm trọng đại trong lịch sử khoa học. 
Có thể, chúng ta sẽ phải chấp nhận rằng sau khi đạt tới một trình độ hiểu biết sâu nhất có thể 
đạt được, vẫn còn có những khía cạnh của vũ trụ không thể giải thích được... 
 Liệu có những giới hạn cho sự giải thích hay không? 
Giải thích được tất cả, thậm chí theo nghĩa hạn chế là hiểu được tất cả mọi phương diện của các 
lực và các thành phần sơ cấp của vũ trụ, là một trong số những thách thức vĩ đại nhất mà khoa 
học đã từng phải đối mặt. Và lý thuyết dây là lý thuyết đầu tiên cho chúng ta một khuôn khổ 
dường như đủ cơ bản để đáp ứng thách thức đó. Nhưng liệu chúng ta có thực hiện được trọn vẹn 
lời hứa hẹn của lý thuyết và chẳng hạn như tính được khối lượng của các quark hoặc cường độ 
của lực điện từ - những con số có ảnh hưởng quyết định đến vũ trụ chúng ta hay không? Như đã 
nói trong các mục trước, trên con đường tiến tới mục tiêu đó, chúng ta còn phải vượt qua nhiều 
trở ngại về mặt lý thuyết mà nổi bật nhất hiện nay là việc xây dựng hoàn chỉnh một lý thuyết 
dây/lý thuyết - M phi nhiễu loạn. 
Nhưng ngay cả khi chúng ta đã có được sự hiểu biết chính xác về lý thuyết dây /lý thuyết - M 
dựa trên một khuôn khổ mới và trong sáng hơn rất nhiều của cơ học lượng tử đi nữa, thì phải 
chăng chúng ta vẫn không thể tính được khối lượng các hạt và cường độ của các lực? Nghĩa là 
chúng ta vẫn phải lấy giá trị của chúng từ các phép đo thực nghiệm, chứ không tính được bằng lý 
thuyết? Và sự thất bại này có nghĩa là chúng ta không phải tìm kiếm một lý thuyết cơ bản hơn, 
mà đơn giản nó chỉ phản ánh một thực tế là không có sự giải thích nào hết cho những tính chất 
quan sát được đó của thực tại? 
Câu trả lời ngay lập tức cho các câu hỏi đó là có thể. Như Einstein đã có lần nói: "Điều khó hiểu 
nhất về vũ trụ là khả năng hiểu được nó của chúng ta". Sự kinh ngạc trước khả năng hiểu được 
vũ trụ của chúng ta dễ bị mai một trong thời đại những tiến bộ nhanh chóng và đầy ấn tượng như 
ngày nay. Tuy nhiên, có lẽ, có một giới hạn đối với khả năng hiểu biết của chúng ta. Có thể, 
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
 For evaluation only.
chúng ta sẽ phải chấp nhận rằng sau khi đạt tới một trình độ hiểu biết sâu nhất có thể đạt được, 
vẫn còn có những khía cạnh của vũ trụ không thể giải thích được. Cũng có thể, chúng ta sẽ còn 
phải chấp nhận rằng, một số đặc điểm của vũ trụ như nó vốn có là một sự ngẫu nhiên, một sự 
tình cờ hay một sự lựa chọn thần thánh gì đó. Thành công của phương pháp khoa học trong quá 
khứ đã khích lệ chúng ta nghĩ rằng với đủ thời gian và nỗ lực, chúng ta có thể làm sáng tỏ mọi bí 
ẩn của tự nhiên. Nhưng việc vấp phải giới hạn tuyệt đối của sự giải thích khoa học - chứ không 
phải những trở ngại về mặt công nghệ hay biên giới hiện nay (đang tiến về phía trước) của trí 
thức loài người - là một sự kiện đặc biệt vì kinh nghiệm quá khứ của chúng ta chưa có sự chuẩn 
bị cho điều đó. 
Mặc dù điều này có liên quan rất nhiều với cuộc tìm kiếm lý thuyết tối hậu thư của chúng ta, 
nhưng đó là một vấn đề mà chúng ta chưa giải quyết được và thực tế, khả năng có một giới hạn 
cho sự giải thích khoa học, theo nghĩa rộng lớn mà ta nói ở trên, là một vấn đề có thể vĩnh viễn 
không giải đáp nổi. Ví dụ, chúng ta thấy rằng, ngay cả khái niệm tư biện về đa vũ trụ, mà thoạt 
nhìn tưởng là một giới hạn cuối cùng đối với sự giải thích khoa học, hóa ra vẫn có thể thích nghi 
với nó bằng cách tưởng tượng ra những lý thuyết cũng tư biện không kém, nhưng những lý 
thuyết này có thể, ít nhất là về nguyên tắc, phục hồi lại được khả năng tiên đoán. 
Một điểm nổi bật từ những điều nói trên, đó là vai trò của vũ trụ học trong việc xác định những 
hệ quả của một lý thuyết tối hậu. Như chúng ta đã biết, vũ trụ học siêu dây là một lĩnh vực còn 
non trẻ, ngay cả so với lý thuyết dây. Không còn nghi ngờ gì nữa, đây sẽ là một lĩnh vực hàng 
đầu được tập trung nghiên cứu trong những năm tới và rất có thể sẽ là một lĩnh vực phát triển 
chủ yếu trong vũ trụ học. Khi chúng ta tiếp tục nhận được những phát hiện mới về các tính chất 
của lý thuyết dây /lý thuyết - M, thì khả năng phỏng đoán những hệ quả vũ trụ học của ứng viên 
sáng giá nhất cho lý thuyết tối hậu này sẽ ngày càng trở nên sắc bén hơn. Dĩ nhiên, cũng có thể 
những nghiên cứu ấy một ngày nào đó, sẽ khẳng định với chúng ta rằng, thực tế, đúng là có một 
giới hạn cho những giải thích khoa học. Nhưng trái lại, cũng có thể, những nghiên cứu đó sẽ mở 
đầu cho một kỷ nguyên mới, một kỷ nguyên trong đó chúng ta có thể tuyên bố: cuối cùng chúng 
ta cũng đã tìm ra sự giải thích cơ bản của vũ trụ. 
Ai có thể đoán được rằng sự hòa nhập của cơ học lượng tử và lực hấp dẫn thành một lý thuyết 
thống nhất của toàn bộ vật chất và các lực lại có thể tạo ra một cuộc cách mạng như thế trong 
sự hiểu biết của chúng ta về sự vận hành của vũ trụ?... 
 Vươn tới những vì sao 
Mặc dù khả năng công nghệ buộc chúng ta phải gắn với trái đất và những hành tinh láng giềng 
gần gũi nhất trong hệ mặt trời, nhưng bằng trí tuệ và thực nghiệm chúng ta đã đi được khá xa 
trên con đường khám phá không gian cả về bề rộng lẫn bề sâu. Đặc biệt trong hơn một thế kỷ 
qua, nỗ lực tập thể của đông đảo các nhà vật lý đã phát hiện ra nhiều bí mật sâu kín nhất của tự 
nhiên. Và một khi được phát hiện, những viên ngọc quý đó đã mở ra cả một chân trời rộng lớn về 
thế giới mà chúng ta tưởng như đã biết, nhưng thực tế còn xa chúng ta mới hình dung hết sự lộng 
lẫy của nó. Một thước đó tầm vóc của một lý thuyết đó là phạm vi của những thách thức mà nó 
đặt ra đối với những quan niệm của chúng ta về thế giới mà trước đó chúng ta tưởng như là bất 
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
 For evaluation only.
biến. Theo thước đó đó, thì cơ học lượng tử và hai lý thuyết tương đối đã vượt xa kỳ vọng của 
những đầu óc táo bạo nhất: các hàm sóng, xác suất, hiệu ứng xuyên hầm, những thăng giáng 
năng lượng sôi động không ngừng của chân không, sự hòa nhập của không gian và thời gian, bản 
chất tương đối của tính đồng thời, sự cong của cấu trúc không - thời gian, các lỗ đen, Big Bang... 
Ai có thể đoán được rằng quan điểm Newton, một quan điểm quá ư trực giác, cơ học và chính 
xác như một bộ máy đồng hồ hóa ra lại chỉ có ý nghĩa rất "địa phương"? Rằng còn có cả một thế 
giới mới mẻ và đầy kinh ngạc nằm ngay bên dưới bề mặt của những thứ mà chúng ta trải nghiệm 
hằng ngày? 
Nhưng ngay cả những phát minh làm rung chuyển những hình mẫu đó cũng chỉ là một phần của 
câu chuyện rộng lớn và bao quát hơn. Với niềm tin vững chắc rằng những định luật của những 
cái vô cùng lớn và những cái vô cùng bé phải được thống nhất thành một chỉnh thể hài hòa, các 
nhà vật lý không một phút giây nào ngưng nghỉ trong cuộc tìm kiếm cái lý thuyết tối hậu luôn 
luôn lẩn tránh họ. Cuộc tìm kiếm đó chưa đến hồi kết thúc, nhưng nhờ lý thuyết dây và sự tiến 
hóa của nó thành lý thuyết - M, một khuôn khổ tối thượng để hòa nhập cơ học lượng tử, thuyết 
tương đối rộng và ba lực phi hấp dẫn cuối cùng cũng đã xuất hiện. Và các thách thức mà những 
phát triển đó đặt ra cho quan niệm trước kia của chúng ta về thế giới thật là đồ sộ: các dây và các 
giọt dao động, sự thống nhất của toàn bộ quá trình sáng thế trong một số mode dao động được 
thực hiện rất tinh vi trong một vũ trụ có nhiều chiều ẩn giấu, có khả năng bị biến dạng ghê gớm, 
trong đó cấu trúc của không gian bị xé rách rồi tự hàn gắn lại. Ai có thể đoán được rằng sự hòa 
nhập của cơ học lượng tử và lực hấp dẫn thành một lý thuyết thống nhất của toàn bộ vật chất và 
các lực lại có thể tạo ra một cuộc cách mạng như thế trong sự hiểu biết của chúng ta về sự vận 
hành của vũ trụ? 
Tất nhiên, chắc chắn sẽ còn nhiều bất ngờ lớn hơn nữa mà tự nhiên sẽ dành cho chúng ta, khi 
chúng ta tiếp tục cuộc tìm kiếm một sự hiểu biết đầy đủ hơn và có thể tính toán được của lý 
thuyết siêu dây. Nhờ những nghiên cứu về lý thuyết - M chúng ta đã có một ý niệm đại thể về 
một vùng đất mới lạ ẩn dưới chiều dài Planck, một vùng đất có lẽ trong đó không có các khái 
niệm không gian và thời gian. Ở một cực khác, chúng ta cũng thấy vũ trụ chúng ta chỉ là một 
trong vô số những bọt sóng trên bề mặt của đại dương vũ trụ bao la và sôi động có tên là đa vũ 
trụ. Những ý tưởng này hiện nay chỉ thuần túy là tư biện, nhưng biết đâu chúng lại chẳng báo 
trước về bước tiến tiếp sau trong sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ. 
Khi nhìn về tương lai và dự đoán những điều kỳ diệu mà tự nhiên sẽ dành cho chúng ta, chúng ta 
cũng nên suy ngẫm trở lại và chiêm ngưỡng chặng đường khá xa mà chúng ta đã đi được. Cuộc 
tìm kiếm những định luật cơ bản của vũ trụ là một trong những cuộc đấu tranh điển hình của con 
người, nó làm cho trí óc phải vật vã nhưng làm phong phú tinh thần. Sự mô tả rất sống động 
cuộc tìm hiểu lực hấp dẫn của Einstein - "những năm tháng tìm kiếm trăn trở trong bóng tối, tràn 
trề hy vọng, đan xen giữa tin tưởng và tuyệt vọng, rồi cuối cùng bước ra ánh sáng chói lòa" - có 
lẽ đã thâu tóm được toàn bộ cuộc đấu tranh đó của loài người. Tất cả chúng ta, mỗi người theo 
cách của riêng mình, đều là những người đi tìm kiếm sự thật và mỗi chúng ta đều có khát vọng 
trả lời được câu hỏi tại sao chúng ta lại hiện hữu ở đây. Khi chúng ta cùng nhau leo lên đỉnh núi 
của sự giải thích, mỗi chúng ta đều đứng vững trên vai của thế hệ trước và kiên cường bước tới. 
Tuy nhiên, chúng ta không thể biết trước được liệu hậu thế của chúng ta, một ngày nào đó, có lên 
được tới đỉnh rồi từ đó nhìn xuống vũ trụ bao la và thanh nhã tuyệt vời của chúng ta với một sự 
rõ ràng tuyệt đối hay không. Nhưng vì mỗi thế hệ đều leo cao thêm một chút, nên chúng ta đã 
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
 For evaluation only.
thực hiện được tuyên bố của Jacob Bronowski: "Mỗi một thời đại đều có một giai đoạn có ý 
nghĩa quyết định, một cách nhìn nhận và đánh giá mới về sự hài hòa của vũ trụ" [1]. Và khi thế 
hệ chúng ta kinh ngạc trước quan điểm mới mẻ của chúng ta về vũ trụ, trước cách đánh giá mới 
mẻ của chúng ta về sự hài hòa của nó là chúng ta đã hoàn thành phận sự của mình, đóng góp 
được một bậc thang mới vào chiếc thang của loài người để vươn tới các vì sao. 
[1]Jacob Bronowski, The Ascent of Man (Boston: Litte, Brown, 1973) trang 20. 
Cuốn Giai điệu dây và bản giao hưởng vũ trụ của tác giả Brian Greene, do Phạm Văn 
Thiều dịch. Nhà xuất bản Trẻ ấn hành năm 2003. 
Hết 
Lời giới thiệu ..............................................................................................................................1 
Phần I - Ở biên giới của tri thức ..................................................................................................4 
Chương I - Được kết nối bởi các dây ................................................................................ 4 
Phần II - Không gian, thời gian và các lượng tử.........................................................................18 
Chương 2 - Không gian, thời gian và người quan sát.................................................... 18 
Chương 3 - Uốn cong và lượn song ................................................................................. 40 
Chương 4 - Những điều kỳ lạ trong thế giới vi mô........................................................... 64 
Chương 5 - Mâu thuẫn giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử: tiến tới một lý 
thuyết mới ........................................................................................................................... 87 
Phần III - Bản giao hưởng vũ trụ ...............................................................................................98 
Chương 6 - Không có gì khác ngoài âm nhạc: những cơ sở của lý thuyết siêu dây .. 98 
Chương 7 - Cái "siêu" trong siêu dây...............................................................................120 
Chương 8 - Các chiều ẩn giấu........................................................................................134 
Chương 9 - Bằng chứng đích thực: Những đặc trưng khẳng định bằng thực nghiệm
............................................................................................................................................151 
Phần IV - Lý thuyết dây và cấu trúc của không thời gian........................................................166 
Chương 10 - Hình học lượng tử.......................................................................................166 
Chương 11 - Sự xé rách cấu trúc của không gian........................................................190 
Chương 12 - Cuộc tìm kiếm lý thuyết – m ......................................................................204 
Chương 13 - Các lỗ đen theo quan điểm của lý thuyết dây /lý thuyết – M ................232 
Chương 14 - Những suy tư về vũ trụ học........................................................................251 
Phần V - Sự thống nhất ở thế kỷ XXI ......................................................................................270 
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
 For evaluation only.
Chương 15 - Triển vọng....................................................................................................270 
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
 For evaluation only.