Vũ trụ trong một vỏ hạt - S. Hawking

Einstein tiếp tục nghiên cứu lý thuyết lượng tử cho đến những năm 1920, nhưng ông rất băn khoăn về công trình của Heisenberg ở Copenhagen, Paul Dirac ở Cambridge và Erwin Schrodinger ở Zurich, đó là những người đã phát triển một bức tranh mới về thực tại được gọi là cơ học lượng tử. Những hạt tí hon không còn có vị trí và tốc độ chính xác nữa. Thay vào đó, nếu người ta xác định vị trí của hạt càng chính xác bao nhiêu thì người ta càng khó xác định vận tốc của nó bấy nhiêu và ngược lại. Einstein rất khó chịu về những yếu tố ngẫu nhiên, bất định trong các định luật cơ bản và ông chưa bao giờ chấp nhận hoàn toàn cơ học lượng tử. Suy nghĩ của ông được thể hiện trong câu châm ngôn ?ochúa không chơi trò xúc sắc?. Tuy vậy, phần lớn các nhà khoa học chấp nhận tính đúng đắn của lý thuyết lượng tử mới này bởi vì chúng đã giải thích được một loạt các hiện tượng khó hiểu trước đó và rất phù hợp với các quan sát. Các quy luật lượng tử là cơ sở cho sự phát triển của hóa học, sinh học phân tử, và điện tử hiện đại và là cơ sở cho nền công nghệ đã thay đổi thế giới trong 50 năm qua.
Tháng 12 năm 1932, nhận thấy Đức quốc xã và Hitler sắp lên nắm quyền, Eistein rời nước Đức và 4 tháng sau đó ông từ bỏ quyền công dân để giành trọn 20 năm cuộc đời còn lại của mình cho Viện nghiên cứu cấp cao ở Princeton, bang New Jersey.
Ở Đức, đảng quốc xã đã tiến hành một chiến dịch chống lại ?okhoa học Do thái? và vì rất nhiều các nhà khoa học Đức là người Do thái, nên đây cũng là một nguyên nhân làm cho người Đức không chế tạo được bom nguyên tử. Einstein và thuyết tương đối của ông là đối tượng chính của chiến dịch này. Khi được hỏi về một cuốn sách được xuất bản với tiêu đề 100 tác giả chống lại Einstein thì ông trả lời: ?oTại sao lại một trăm? Nếu tôi sai thì một cũng đủ?. Sau thế chiến hai, ông thúc giục các nước đồng minh thiết lập một tổ chức quốc tế kiểm soát bom nguyên tử. Năm 1948, ông được mời làm tổng thống của nhà nước Israel non trẻ nhưng ông đã từ chối. Một lần ông nói: ?ochính trị là nhất thời, chỉ có các phương trình mới là vĩnh cửu?. Các phương trình thuyết tương đối của Einstein là tấm bia ghi nhận công lao của ông. Chúng sẽ tồn tại mãi mãi cùng vũ trụ.
Trong vài trăm năm qua, thế giới đã thay đổi nhiều hơn bất kỳ thế kỷ nào trước đó. Nguyên nhân không phải là các thành tựu về kinh tế hay chính trị mà là sự phát triển vượt bậc về công nghệ được xây dựng trên nền khoa học cơ bản. Vậy thì ai xứng đáng là biểu tượng cho sự tiến bộ đó hơn Eistein?
Chương 2: Hình dáng của thời gian
Thuyết tương đối rộng của Einstein cho thời gian một hình dáng
Nó có thể tích hợp với thuyết lượng tử như thế nào?
Thời gian là gì? Một bài thánh ca nói: thời gian là một luồng chảy vô tận cuốn theo bao mơ ước của chúng ta. Nó có phải là một tuyến đường ray xe lửa hay không? Có thể thời gian có những vòng lặp và phân nhánh và nhờ đó chúng ta có thể đi tới và lại còn có thể quay lại một ga nào trước đó trên đường ray.
Một tác giả thế kỷ 19 tên là Charles Lamb viết: ?okhông có gì làm tôi bối rối hơn thời gian và không gian, bởi vì tôi chưa bao giờ nghĩ về nó?. Hầu hết mọi người trong chúng ta chẳng mất thì giờ bận tâm về thời gian và không gian, chúng là gì cũng được, nhưng đôi lúc tất cả chúng ta tự hỏi thời gian là gì, nó bắt đầu thế nào và nó đang dẫn chúng ta về đâu.
Theo tôi, bất kỳ một lý thuyết mang tính khoa học nào về thời gian hoặc về bất kỳ một khái niệm nào khác đều dựa trên một triết lý khoa học hiệu quả nhất: phương pháp thực chứng (positivism) do nhà triết học Karl Popper và cộng sự đưa ra. Theo phương pháp tư duy này thì một lý thuyết khoa học là một mô hình toán học mô tả và giải mã các quan sát mà chúng ta thu được. Một lý thuyết tốt sẽ mô tả được nhiều hiện tượng dựa trên một số ít các giả thiết và sẽ tiên đoán được các hiện tượng có thể kiểm chứng được. Nếu các tiên đoán phù hợp với thực nghiệm thì lý thuyết đó sẽ vượt qua được đợt kiểm chứng mặc dù có thể người ta không bao giờ chứng minh rằng lý thuyết đó là chính xác. Mặt khác, nếu các lý thuyết đó không phù hợp với các tiên đoán thì chúng ta cần loại bỏ hoặc sửa đổi lý thuyết (ít nhất đó là những điều cần xảy ra. Trên thực tế, người ta thường đặt câu hỏi về độ chính xác của các quan sát và khía cạnh đạo đức của những người thực hiện các quan sát đó). Nếu người ta đứng trên quan điểm thực chứng giống như tôi thì người ta không thế nói thực sự thời gian là gì. Tất cả những việc mà người ta có thể là mô tả các sự kiện đã được tìm ra phù hợp tốt với các mô hình toán học về thời gian và tiên đoán các sự kiện mới.
Isaac Newton đã cho chúng ta mô hình toán học đầu tiên về thời gian và không gian trong cuốn Các nguyên lý toán học (Principia Mathematica), xuất bản năm 1687. Newton từng giữ ghế giáo sư Lucasian tại trường đại học Cambridge, vị trí mà tôi đang giữ hiện nay, mặc dù, lúc đó chiếc ghế của Newton không được điều khiển bằng điện như của tôi! Trong mô hình của Newton, thời gian và không gian là khung nền cho các sự kiện xảy ra và không gian và thời gian không làm ảnh hưởng đến các sự kiện xảy ra trong đó. Thời gian tách biệt khỏi không gian và được coi là đơn tuyến, hoặc được coi là đường ray tàu hỏa dài vô tận theo hai hướng. Bản thân thời gian được xem là vĩnh cửu theo nghĩa nó đã tồn tại, và nó sẽ tồn tại mãi mãi. Nhưng ngược lại, phần lớn mọi người đều nghĩ rằng vũ trụ với trạng thái gần giống hiện tại được sáng tạo cách đây vài ngàn năm. Điều này làm các nhà triết học ví như Immanuel Kant, một nhà tư tưởng người Đức, trăn trở. Nếu thực sự vũ trụ được sáng tạo tại một thời điểm thì tại sao lại phải đợi một khoảng thời gian vô tận trước đó? Mặt khác, nếu vũ trụ tồn tại mãi mãi thì tại sao những sự kiện sẽ xảy ra trong tương lai lại không xảy ra trong quá khứ, ngụ ý lịch sử đã kết thúc? Đặc biệt là, tại sao vũ trụ lại không đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt trong đó mọi vật đều có cùng nhiệt độ?
Kant gọi vấn đề này là một ?osự tự mâu thuẫn của lý tính thuần túy? (antinomy of pure reason), bởi vì dường như đó là một mâu thuẫn lô-gíc; nó không có lời giải. Nhưng nó chỉ là một mâu thuẫn trong bối cảnh của mô hình toán học của Newton, trong đó thời gian là một đường thẳng, độc lập với các sự kiện xảy ra trong vũ trụ. Tuy nhiên, như chúng ta đã thấy trong chương 1, Einstein đã đề xuất một mô hình toán học hoàn toàn mới: thuyết tương đối rộng. Kể từ khi bài báo của Einstein ra đời, chúng ta đã bổ sung một vài sửa đổi nhưng mô hình về không gian và thời gian vẫn dựa trên mô hình mà Einstein đã đề xuất. Chương này và các chương sau sẽ mô tả các tư tưởng của chúng ta đã phát triển như thế nào kể từ khi bài báo cách mạng của Einstein. Đó là câu chuyện về thành công của rất nhiều người, và tôi tự hào đã đóng góp một phần nhỏ công sức vào câu chuyện đó.

Quả thật vô cùng khâm phục bạn đấy, bạn bỏ thời gian ra dịch mấy trăm trang tiếng Anh mà không thể gọi là ''dịch'' đơn giản như vậy được, phải gọi là nghiền ngẫm, chắt lọc thì sát nhĩa hơn. Tôi cũng từng dịch nhiều tài liệu tiếng Anh chuyên nghành nhưng nhiều lắm chỉ 20 trang và gần như phải đánh vật với chúng hàng tháng trời, không phải do trình độ tiếng Anh kém đâu mà bởi để viết được ra một tài liệu để người đọc dễ hiểu và sát ý ban đầu là rất khó, nhiều khi thời gian bỏ ra để tìm hiểu lại kiến thức mà mình đang dịch còn nhiều gấp mấy lần. Và đối với tôi thì chỉ cần cái mình viết ra có nghĩa là đã tốt vô cùng mặc dù có thể đó chỉ là do mình sáng tạo chứ không hẳn là ý của tác giả nữa .
Có vài lời như vậy để chia sẻ cùng bạn và mọi người. Còn cuốn sách này tôi cũng đã đọc qua bản tiếng Việt, nếu có gì thắc mắc ở bản dịch của bạn chúng ta sẽ cùng nhau trao đổi nhé !
Rất cám ơn bạn !

Thuyết tương đối rộng đã kết hợp chiều thời gian với ba chiều của không gian để tạo thành cái gọi là không thời gian (spacetime). Lý thuyết giải thích hiệu ứng hấp dẫn là sự phân bố của vật chất và năng lượng trong vũ trụ làm cong và biến dạng không thời gian, do đó không thời gian không phẳng. Các vật thể trong không thời gian cố gắng chuyển động theo các đường thẳng, nhưng vì không thời gian bị cong nên các quĩ đạo của chúng bị cong theo. Các vật thể chuyển động như thể chúng bị ảnh hưởng bởi trường hấp dẫn.
Một cách hình dung thô thiển, không thời gian giống như một tấm cao su. Khi ta đặt một viên bi lớn tượng trưng cho mặt trời lên tấm cao su đó. Trọng lượng của viên bi sẽ kéo tấm cao su và làm cho nó bị cong gần mặt trời. Nếu bây giờ ta lăn các viên bi nhỏ lên tấm cao su đó thì chúng sẽ không lăn thẳng qua chỗ viên bi lớn mà thay vào đó chúng sẽ di chuyển xung quanh nó, giống như các hành tinh chuyển động xung quanh mặt trời.
Sự hình dung đó không hoàn toàn đúng bởi vì chỉ một phần hai chiều của không gian bị bẻ cong, và thời gian không bị biến đổi giống như trong lý thuyết của Newton. Trong thuyết tương đối rộng, lý thuyết phù phợp với rất nhiều thực nghiệm, thời gian và không gian gắn liền với nhau. Người ta không thể làm cong không gian mà không làm biến đổi thời gian. Do đó thời gian có một hình dáng. Bằng cách làm cong không gian và thời gian, thuyết tương đối đã biến chúng từ khung nền thụ động mà trong đó các sự kiện xảy ra thành tác nhân năng động tham gia vào các sự kiện đó. Trong lý thuyết của Newton thời gian tồn tại độc lập với tất cả mọi sự vật khác, ta có thể hỏi: Chúa đã làm gì trước khi sáng tạo ra vũ trụ? Như thánh Augustin trả lời rằng, ta không nên nói đùa về điều đó, nếu có ai trót hỏi vậy thì ông trả lời ?oNgài đã chuẩn bị địa ngục cho những kẻ quá tò mò?. Đó là một câu hỏi nghiêm túc mà con người suy nghĩ trong nhiều thế kỷ. Theo thánh Augustin, trước khi Chúa tạo thiên đường và trái đất, Ngài không làm gì cả. Thực ra ý tưởng này rất gần với các tư tưởng hiện đại.
Trong thuyết ương đối rộng, không thời gian và vũ trụ không tồn tại độc lập với nhau. Chúng được các định bằng các phép đo trong vũ trụ như là số các dao động của tinh thể thạnh anh trong đồng hồ hoặc chiều dài của một cái thước. Trong vũ trụ thời gian được định nghĩa như thế này cũng là điều dễ hiểu, nó cần có một giá trị bé nhất và lớn nhất ?" hay nói cách khác, có một sự khởi đầu và kết thúc. Việc hỏi cái gì đã xảy ra trước khi thời gian bắt đầu và cái gì sẽ xảy ra sau khi thời gian kết thúc là vô nghĩa vì lúc đó nó không được xác định.
Việc xác định mô hình toán học của thuyết tương đối rộng tiên đoán vũ trụ và bản thân thời gian có bắt đầu hay kết thúc hay không hiển nhiên là một vấn đề quan trọng. Định kiến cho rằng thời gian là vô tận theo hai hướng là phổ biến đối với các nhà vật lý lý thuyết trong đó có Einstein. Mặt khác, có nhiều câu hỏi rắc rối về sự sáng thế, các câu hỏi này có vẻ nằm ngoài phạm vi nghiên cứu của khoa học. Trong các nghiệm của các phương trình của Einstein, thời gian có bắt đầu và có kết thúc, nhưng tất cả các nghiệm đó đều rất đặc biệt, có nhiều phép đối xứng. Người ta đã cho rằng, trong một vật thể đang suy sụp dưới lực hấp dẫn của chính bản thân nó, thì các áp lực hoặc các vận tốc biên (sideway) tránh cho vật chất không cùng nhau rơi vào một điểm mà ở đó mật độ vật chất sẽ trở nên vô hạn. Tương tự như thế, nếu người ta theo dõi sự dãn nở của vũ trụ trong quá khứ, người ta sẽ thấy rằng vật chất của vũ trụ không xuất phát từ một điểm có mật độ vô hạn. Một điểm có mật độ vô hạn như vậy được gọi là một điểm kỳ dị và nó là điểm khởi đầu và kết thúc của thời gian.
Năm 1963, hai nhà khoa học người Nga là Evgenii Lif****z and Isaac Khalatnikov khẳng định đã chứng minh tất cả các nghiệm của phương trình của Einstein cho thấy vật chất và vận tốc được sắp xếp một cách đặc biệt. Xác xuất để vũ trụ xắp xếp đặc biệt như thế gần như bằng không. Hầu hết tất cả các nghiệm biểu diễn trạng thái của vũ trụ đều tránh được điểm kỳ dị với mật độ vô hạn: trước pha giãn nở, vũ trụ cần phải có một pha co lại trong đó vật chất bị kéo vào nhau nhưng không va chạm với nhau sau đó rời nhau trong pha giãn nở hiện nay. Nếu đúng như thế thì thời gian liên tục mãi mãi từ vô tận trong quá khứ tới vô tận trong tương lai.
Luận cứ của Lif****z và Khalatnikov không thuyết phục được tất cả mọi người. Thay vào đó, Roger Penrose và tôi đã chấp nhận một cách tiếp cận khác không dựa trên nghiên cứu chi tiết các nghiệm của phương trình Einstein mà dựa trên một cấu trúc bao trùm của không thời gian. Trong thuyết tương đối, không thời gian không chỉ bị cong bởi khối lượng của các vật thể mà còn bị cong bởi năng lượng trong đó nữa. Năng lượng luôn luôn dương, do đó không thời gian bị uốn cong và bẻ cong hướng của các tia sáng lại gần nhau hơn.
Bây giờ chúng ta xem xét nón ánh sáng quá khứ, đó là các đường trong không thời gian mà các tia sáng từ các thiên hà xa xôi đi đến chúng ta hôm nay. Trong giản đồ thể hiện nón áng sáng, thời gian được biểu diễn bằng phương thẳng đứng và không gian được biểu diễn bằng phương nằm ngang, vị trí của chúng ta trong đó là ở đỉnh của nón áng sáng đó. Khi chúng ta đi về quá khứ, tức là đi từ đỉnh xuống phía dưới của nón, chúng ta sẽ thấy các thiên hà tại các thời điểm rất sớm của vũ trụ. Vì vũ trụ đang giãn nở và tất cả mọi thứ đã từng ở rất gần nhau, nên khi chúng ta nhìn xa hơn về quá khứ thì chúng ta đang nhìn lại vùng không gian có mật độ vật chất lớn hơn. Chúng ta quan sát thấy một phông bức xạ vi sóng (microwave background) lan tới chúng ta dọc theo nón ánh sáng quá khứ từ các thời điểm rất xa xưa khi mà vũ trụ rất đặc, rất nóng hơn bây giờ. Bằng cách điều khiển các máy đo về các tần số vi sóng khác nhau, chúng ta có thể đo được phổ của bức xạ này (sự phân bố của năng lượng theo tần số). Chúng ta đã tìm thấy một phổ đặc trưng cho bức xạ từ một vật thể với nhiệt độ 2,7 độ K. Bức xạ vi sóng này không đủ mạnh để làm nóng chiếc bánh piza, nhưng phổ này phù hợp một cách chính xác với phổ của bức xạ từ một vật có nhiệt độ 2,7 độ K, điều đó nói với chúng ta rằng bức xạ cần phải đến từ các vùng có vật chất làm tán xạ vi sóng.
Do đó chúng ta có thể kết luận rằng nón ánh sáng quá khứ của chúng ta cần phải vượt qua một lượng vật chất khi người ta đi ngược lại thời gian. Lượng vật chất này đủ để làm cong không thời gian, do đó các tia sáng trong nón ánh sáng quá khứ của chúng ta bị bẻ cong vào với nhau.
Khi chúng ta đi ngược lại thời gian, các mặt cắt của nón ánh sáng quá khứ đạt đến một kích thước cực đại và sau đó lại trở lên nhỏ hơn. Quá khứ của chúng ta có hình quả lê.

Khi ta tiếp tục đi theo nón ánh sáng về quá khứ thì mật độ vật chất năng lượng dương sẽ làm cho các tia sáng bị bẻ cong vào với nhau mạnh hơn nữa. Mặt cắt của nón ánh sáng sẽ co lại về 0 tại một thời điểm hữu hạn. Điều này có nghĩa là tất cả vật chất trong nón ánh sáng quá khứ của chúng ta bị bẫy trong một vùng không thời gian mà biên của nó co lại về 0. Do đó, không ngạc nhiên khi Penrose và tôi có thể chứng minh bằng các mô hình toán học của thuyết tương đối rộng rằng thời gian cần phải có một thời điểm bắt đầu được gọi là vụ nổ lớn. Lý luận tương tự cho thấy thời gian cũng có điểm kết thúc khi các ngôi sao hoặc các thiên hà suy sập dưới lực hấp dẫn của bản thân chúng để tạo thành các hố đen. Bây giờ chúng ta phải quay lại một giả thuyết ngầm của Kant về sự tự mâu thuẫn của lý tính thuần túy mà theo đó thời gian là một thuộc tính của vũ trụ. Bài tiểu luận của chúng tôi chứng minh thời gian có một điểm khởi đầu đã đạt giải nhì trong một cuộc thi do Quỹ nghiên cứu về hấp dẫn tài trợ vào năm 1968. Roger và tôi cùng chia nhau số tiền thưởng 300 USD. Tôi không nghĩ rằng vào năm đó các bài luận đạt giải khác có giá trị lâu dài hơn bài của chúng tôi.
Đã có rất nhiều những phản ứng khác nhau về công trình của chúng tôi. Công trình của chúng tôi làm buồn lòng nhiều nhà vật lý, nhưng nó lại làm hài lòng các nhà lãnh đạo tôn giáo, những người tin vào hành vi sáng thế và cho đây là một minh chứng khoa học. Trong khi đó, Lif****z và Khalatnikov đang ở trong một tình trạng rất khó xử. Họ không thể tranh luận với các định lý toán học mà chúng tôi đã chứng minh, nhưng dưới hệ thống Xô Viết họ không thể chấp nhận là họ đã sai và khoa học phương Tây đã đúng. Tuy vậy, họ đã thoát được tình trạng đó bằng cách tìm ra một họ nghiệm với một điểm kỳ dị tổng quát hơn, những nghiệm này cũng không đặc biệt hơn các nghiệm trước đó mà họ đã tìm ra. Điều này cho phép họ khẳng định các kỳ dị và sự khởi đầu hoặc kết thúc của thời gian là phát minh của những người Xô Viết.
Phần lớn các nhà vật lý đều cảm thấy không thích ý tưởng về sự khởi đầu và kết thúc của thời gian. Do đó, họ chỉ ra rằng các mô hình toán học sẽ không mô tả tốt không thời gian gần điểm điểm kỳ dị. Lý do là thuyết tương đối rộng mô tả lực hấp dẫn là một lý thuyết cổ điển và không tích hợp với nguyên lý bất định của lý thuyết lượng tử điểu khiển các lực khác mà chúng ta biết. Sự mâu thuẫn này không quan trọng đối với phần lớn vũ trụ và thời gian vì không thời gian bị bẻ cong trên một phạm vi rất lớn còn các hiệu ứng lượng tử chỉ quan trọng trên phạm vi rất nhỏ. Nhưng ở gần một điểm kỳ dị, hai phạm vi này gần bằng nhau và các hiệu ứng hấp dẫn lượng tử (quantum gravity) sẽ trở lên quan trọng. Do đó các định lý về kỳ dị do Penrose và tôi thiết lập nói rằng vùng không thời gian cổ điển của chúng ta liên hệ với quá khứ và có thể là cả tương lai bởi các vùng không thời gian mà ở đó hấp dẫn lượng tử là quan trọng. Để hiểu nguồn gốc và số phận của vũ trụ, chúng ta cần một lý thuyết lượng tử về hấp dẫn (quantum theory of gravity), và đây sẽ là chủ đề của phần lớn cuốn sách này.
Lý thuyết lượng tử của các hệ như nguyên tử với một số lượng hữu hạn các hạt đã được xây dựng vào những năm 1920 do công của Heisenberg, Schrodinger, và Dirac (Dirac cũng là một người từng giữ chế mà hiện nay tôi đang giữ, nhưng đó không phải là chiếc ghế tự động!). Mặc dù vậy, con người vẫn gặp khó khăn khi cố gắng mở rộng ý tưởng lượng tử vào trường điện, từ, và ánh sáng của Maxwell.
Ta có thể coi trường của Maxwell tạo thành từ các sóng với các bước sóng (khoảng cách giữa hai đỉnh sóng) khác nhau. Trong một sóng, trường đó sẽ dao động từ giá trị này đến giá trị khác giống như một con quay
Theo lý thuyết lượng tử, trạng thái cơ bản hay trạng thái năng lượng thấp nhất của con quay không chỉ là điểm năng lượng thấp nhất hướng thẳng từ trên xuống. Vị trí đó có vị trí và vận tốc xác định là bằng không. Điều này vi phạm nguyên lý loại trừ, nguyên lý không cho phép đo một cách chính xác vị trí và vận tốc tại một thời điểm. Độ bất định về vị trí nhân với độ bất định về mô men cần phải lớn hơn một đại lượng xác định được biết với cái tên là hằng số Plank ?" một con số nếu viết ra sẽ rất dài, do đó chúng ra dùng một biểu tượng cho nó: ħ.
Do đó, năng lượng của con quay ở trạng thái cơ bản hay trạng thái có năng lượng cực tiểu không phải bằng không như người ta trông đợi. Thay vào đó, ngay cả ở trạng thái cơ bản của nó, một con quay hay bất kỳ một hệ dao động nào cũng có một lượng năng lượng cực tiểu nhất định của cái mà ta gọi là thăng giáng điểm không (zero point fluctuation). Điều này có nghĩa là con quay không nhất thiết phải nằm theo hướng thẳng từ trên xuống mà nó sẽ làm với phương thẳng đứng một góc nhỏ với một xác xuất nhất định. Tương tự như vậy, ngay cả trong chân không hoặc trạng thái năng lượng thấp nhất, các sóng trong trường Maxwell sẽ không bằng không mà có thể có một giá trị nhỏ nào đó. Tần số (số dao động trong một phút) của con quay hay sóng càng lớn thì năng lượng trạng thái cơ bản càng lớn.
Các tính toán thăng giáng trạng thái cơ bản trong trường Maxwell cho thấy khối lượng và điện tích biểu kiến của điện tử lớn vô cùng, điều này không phù hợp với các quan sát. Tuy vậy, vào những năm 1940, các nhà vật lý Richard Feynman, Julian Schwinger và Shinichiro Tomonaga đã phát triển một phương pháp chặt chẽ để loại bỏ giá trị vô hạn và thu được giá trị hữu hạn của khối lượng và điện tích giống như quan sát. Tuy nhiên, các thăng giáng trạng thái cơ bản vẫn gây các hiệu ứng nhỏ có thể đo được và phù hợp với thực nghiệm. Các sơ đồ loại trừ các giá trị lớn vô hạn tương tự cũng đúng đối với các trường Yang-Mills trong lý thuyết do Chen Ning Yang (Yang Chen Ning ?" Dương Chấn Ninh) và Robert Mills xây dựng. Lý thuyết Yang-mills là mở rộng của lý thuyết Maxwell để mô tả tương tác của hai lực khác gọi là lực hạt nhân yếu và lực hạt nhân mạnh. Tuy vậy các thăng giáng trạng thái cơ bản có hiệu ứng đáng kể hơn trong lý thuyết lượng tử về hấp dẫn. Lại nữa, một bước sóng có một năng lượng trạng thái cơ bản. Vì bước sóng của trường Maxwell có thể nhỏ bao nhiêu cũng được nên có một số vô hạn các bước sóng khác nhau và một số vô hạn các năng lượng trạng thái cơ bản trong bất kỳ vùng nào của không thời gian. Vì mật độ năng lượng cũng giống như vật chất là nguồn gốc của hấp dẫn nên mật độ năng lượng vô hạn này có nghĩa là có đủ lực hút hấp dẫn trong vũ trụ để làm cong không thời gian thành một điểm mà điều đó rõ ràng là đã không xảy ra.
Được datrach sửa chữa / chuyển vào 04:06 ngày 21/07/2004

Người ta cũng có thể hy vọng giải quyết bài toán có vẻ mâu thuẫn giữa lý thuyết và thực nghiệm này bằng cách cho rằng các thăng giáng trạng thái cơ bản không có hiệu ứng hấp dẫn, nhưng giả thiết này không đúng. Người ta có thể ghi nhận năng lượng của thăng giáng trạng thái cơ bản bằng hiệu ứng Casimir. Nếu bạn đặt hai tấm kim loại song song với nhau và rất gần nhau thì sự có mặt của hai tấm kim loại sẽ làm giảm số các bước sóng có thể khớp giữa hai tấm kim loại so với số các bước sóng ở bên ngoài hai tấm một chút ít. Điều này có nghĩa là mật độ năng lượng của thăng giáng trạng thái cơ bản giữa hai tấm, mặc dù vẫn là vô hạn, vẫn nhỏ hơn mật độ năng lượng ở bên ngoài hai tấm một lượng hữu hạn. Sự khác biệt về mật độ năng lượng này làm xuất hiện một lực kéo hai tấm kim loại vào với nhau và lực này đã được quan sát bằng thực nghiệm. Trong thuyết tương đối, giống như vật chất các lực gây cũng nên hấp dẫn, do đó, chúng ta không thể bỏ qua hiệu ứng hấp dẫn của sự khác biệt về năng lượng này.
Một nghiệm khác của bài toán mà có thể đòi hỏi có một hằng số vũ trụ giống như Einstein đã đưa ra để có được mô hình vũ trụ tĩnh. Nếu hằng số này có giá trị âm vô cùng thì nó có thể loại trừ chính xác giá trị dương vô cùng của năng lượng trạng thái cơ bản trong không gian tự do, nhưng hằng số này có vẻ như không được dự tính trước (ad hoc) và nó có thể được điều chỉnh một cách cực kỳ chính xác.
Thật may mắn, người ta đã phát hiện một loại đối xứng hoàn toàn mới vào những năm 1970, nó cung cấp một cơ chế vật lý tự nhiên để loại trừ các giá trị vô hạn xuất hiện từ thăng giáng trạng thái cơ bản. Siêu đối xứng là một đặc điểm của các mô hình toán học hiện đại của chúng ta mà có thể được mô tả theo nhiều cách. Một trong những cách đó nói rằng không thời gian có thêm các chiều khác bên cạnh các chiều mà chúng ta đang trải nhiệm. Những chiều này được gọi là những chiều Grassmann bởi vì chúng được đo bằng các con số được gọi là các biến số Grassmann chứ không phái là những con số thực bình thường. Các số bình thường giao hoán với nhau; tức là; bạn có thể nhân chúng theo một trật tự nào cũng được: 6 nhân với 4 cũng bằng 4 nhân với 6. Nhưng những biến Grassmann thì lại phản giao hoán (anticommute) với nhau: x nhân với y bằng ?"y nhân với x.
Lần đầu tiên, siêu đối xứng được nghiên cứu khi loại trừ các giá trị vô hạn trong các trường vật chất và trường Yan-Mills trong không thời gian ở đó cả các chiều số thực và các chiều Grassmann đều phẳng, không bị cong. Việc mở rộng siêu đối xứng vào các chiều số thực và chiều Grassmann khi các chiểu này bị uốn cong là một điều rất tự nhiên. Sự mở rộng này dẫn đến một số các lý thuyết được gọi là siêu hấp dẫn (supergravity) với số lượng các đối xứng khác nhau. Một hệ quả của siêu đối xứng là mỗi trường hoặc mỗi hạt đều có một siêu đối tác (superpartner) có spin lớn hơn hoặc nhỏ hơn spin của nó ½.
Năng lượng trạng thái cơ bản của các hạt boson, trường có spin là một số nguyên (0, 1, 2, v.v.), là dương. Ngược lại năng lượng trạng thái cơ bản của các hạt fermion, trường có spin bán nguyên (1/2, 3/2, v.v.), là âm. Vì có một lượng lớn các hạt boson và fermion bằng nhau, các giá trị vô hạn lớn nhất triệt tiêu nhau trong các lý thuyết siêu hấp dẫn.
Vẫn còn lại xác xuất để có giá trị vô hạn mặc dù rất nhỏ nhưng vẫn tồn tại. Không ai có đủ sự kiên nhẫn cần thiết để tính toán xem các lý thuyết này có thực sự là hoàn toàn hữu hạn hay không. Người ta tính rằng đề làm điều đó một sinh viên giỏi phải mất 200 năm, và làm sao bạn có biết sinh viên đó không phạm phải sai lầm ngay ở trang thứ hai? Đến năm 1985, phần lớn mọi người vẫn tin rằng hầu hết các lý thuyết siêu hấp dẫn siêu đối xứng (supersymetric) không có chứa các giá trị vô hạn.
Sau đó thì đột nhiên mốt đó thay đổi. Người ta tuyên bố rằng không có lý do gì để không trông đợi các giá trị vô hạn trong các lý thuyết siêu hấp dẫn, điều này có ngụ ý rằng các lý thuyết siêu hấp dẫn đó cũng có các sai lầm chết người như các lý thuyết khác. Thay vào đó, người ta quả quyết rằng một lý thuyết được gọi là lý thuyết dây siêu đối xứng là cách duy nhất để kết hợp lý thuyết hấp dẫn và lý thuyết lượng tử. Các dây, giống như các dây trong kinh nghiệm hàng ngày, là các vật thể một chiều. Chúng chỉ có chiều dài. Các dây trong lý thuyết dây chuyển động trong không thời gian. Các sự dao động của dây thể hiện cho các hạt.
Nếu các dây này có các chiều Grassmann và các chiều số thường thì các dao động sẽ tương ứng với các hạt boson và fermion. Trong trường hợp này, năng lượng trạng thái cơ bản âm và dương triệt tiêu một cách chính xác đến nỗi sẽ hoàn toàn không có các giá trị vô hạn. Các siêu dây (superstring) được gọi là lý thuyết về mọi thứ (theory of everything).
Các nhà viết lịch sử khoa học trong tương lai sẽ thấy rất thú vị khi lập biểu đồ biểu diễn xu hướng thay đổi tư tưởng của các nhà vật lý lý thuyết. Chỉ trong vài năm, lý thuyết dây đã ngự trị tuyệt đối và thuyết siêu hấp dẫn bị giáng xuống thành một lý thuyết gần đúng, chỉ phù hợp ở năng lượng thấp. Đại lượng ?onăng lượng thấp? bị coi như một sự chê bai, dù là trong ngữ cảnh này các năng lượng thấp ngụ ý các hạt với năng lượng nhỏ hơn hàng tý tý lần so với các hạt trong một vụ nổ TNT. Nếu siêu hẫp dẫn chỉ là một phép gần đúng năng lượng thấp thì nó không thể là lý thuyết cơ bản cho vũ trụ được. Mà thay vào đó, lý cơ bản được đề xuất có thể là một trong năm lý thuyết siêu dây. Nhưng lý thuyết nào trong năm lý thuyết siêu dây mô tả vũ trụ của chúng ta? Và thuyết dây sẽ được phát biểu như thế nào để vượt qua được phép gần đúng trong đó các dây được mô tả như là các mặt với một chiều không gian và một chiều thời gian dao động trong một phông không thời gian phẳng. Liệu các dây có làm cong phông không thời gian hay không?
Vào những năm sau 1985, người ta dần nhận thấy rằng, thuyết dây không phải là một bức tranh hoàn hảo. Khởi đầu là việc người ta nhận ra rằng các dây chỉ là một thành phần của một lớp các thực thể bao quát hơn, các thực thể này có thể được mở rộng vào nhiều hơn một chiều. Paul Townsend, một người cũng là thành viên của khoa Toán ứng dụng và Vật lý lý thuyết giống như tôi ở Đại học Cambridge, một người đã thực hiện nhiều công trình cơ bản về các thực thể này, đặt cho chúng một cái tên là các ?omàng-p? (p-brane). Một màng-p có chiều dài theo p hướng. Do đó, màng có p=1 là một dây, màng có p=2 là một mặt hay một màng bình thường, và v.v. Các màng với p=1 trong trường hợp của các dây có vẻ như không được ưu tiên hơn so với các giá trị có thể khác của p. Thay vào đó, chúng ta thông qua một nguyên tắc dân chủ cho các màng-p: tất cả các màng-p sinh ra đều có quyền bình đẳng.
Tất cả các màng-p đều được tìm thấy là nghiệm của các phương trình trong thuyết siêu hấp dẫn với 10 hoặc 11 chiều. 10 hoặc 11 chiều có vẻ như không giống không thời gian mà chúng ta đang trải nghiệm nhưng ý ?Ztưởng là 6 hoặc 7 chiều trong số các chiều đó bị cuộn lại nhỏ đến nỗi ta không thể thấy chúng, chúng ta chỉ có thể nhận ra 4 chiều lớn và gần như phẳng còn lại mà thôi.

Với tư cách cá nhân mà nói, tôi rất miễn cưỡng khi tin vào các chiều bổ sung. Nhưng vì tôi là một người theo chủ nghĩa thực chứng nên câu hỏi ?oCác chiều bố sung có thực sự tồn tại hay không?? không có ý nghĩa gì cả. Tất cả những điều mà người ta có thể hỏi đó là mô hình toán học với các chiều bổ sung đó có mô tả tốt vũ trụ của chúng ta hay không. Chúng ta vẫn chưa có quan sát nào mà để giải thích nó người ta cần đến các chiều bổ sung. Tuy vậy, chúng ta có thể có cơ hội quan sát chúng trong máy va chạm Hadron (Large Hadron Collider) ở Geneva. Nhưng điều đã thuyết phục nhiều người trong đó có tôi nghiêm túc chọn các mô hình với các chiều bố sung là có một mớ các mối liên hệ không ngờ được gọi là tính đối ngẫu (duality) giữa các mô hình. Tính đối ngẫu này cho thấy rằng tất cả các mô hình đều tương đương; tức là, chúng chỉ là những khía cạnh khác nhau của cùng một lý thuyết cơ bản được gọi với cái tên là thuyết-M (M-theory). Nếu không lấy tính đối ngẫu làm dấu hiệu cho thấy chúng ta đi đúng hướng thì điều đó cũng gần giống như cho rằng Chúa đã đặt các hóa thạch vào trong đá để làm Darwin nhầm lẫn về sự tiến hóa của cuộc sống.
Tính đối ngẫu cho thấy rằng cả 5 lý thuyết siêu dây đều mô tả các bản chất vật lý giống nhau và chúng cho thấy rằng về mặt vật lý chúng cũng tương đương với lý thuyết siêu hấp dẫn. Ta không thể nói rằng các siêu dây cơ bản hơn siêu hấp dẫn hoặc ngược lại. Đúng hơn, chúng chỉ là những biểu diễn khác nhau của cùng một lý?Z thuyết cơ bản, mỗi lý thuyết đều tính toán một cách hiệu quả trong các tình huống khác nhau. Vì các lý thuyết dây không có chứa các giá trị vô hạn, chúng được dùng để tính các kết quả có thể xảy ra khi một số ít các hạt năng lượng cao va chạm và tán xạ với nhau. Tuy vậy chúng không hay được sử dụng để mô tả năng lượng của một số lớn các hạt làm cong vũ trụ như thể nào hoặc hình thành các trạng thái bị trói buộc (bound state), giống như một hố đen, ra sao. Với các trường hợp này, người ta cần đến thuyết siêu hấp dẫn, về cơ bản lý thuyết này dựa trên lý thuyết Einstein về không thời gian cong với một số loại vật chất bổ sung. Đây chính là bức tranh tôi sẽ dùng chủ yếu trong các phần sau.
Để mô tả lý thuyết lượng tử tạo hình dáng cho không thời gian như thế nào, việc đưa ý tưởng thời gian ảo sẽ rất hiệu quả. Thời gian ảo nghe có vẻ như một cái gì đó đến từ những câu chuyện viễn tưởng khoa học, nhưng nó là một khái niệm toán học được định nghĩa rất rõ ràng: thời gian được đo bằng các số mà ta gọi là các số ảo. Ta có thể nghĩ về các số thực bình thường như các số 1, 2, -3,5, v. v. tương ứng với các vị trí trên một đường thẳng kéo dài từ trái sang phải: điểm 0 ở giữa, các số thực dương nằm ở bên phải và các số thực âm nằm ở bên trái.
Các số ảo có thể được biểu diễn là các vị trí nằm trên một đường thẳng vuông góc: điểm 0 vẫn nằm ở giữa, các số ảo dương nằm ở phía trên và các số ảo âm được vẽ ở phía dưới. Do đó, các số ảo có thể được coi như một loại số mới nằm vuông góc với các số thực bình thường. Vì chúng là các thành phần toán học nên chúng không cần phải tương ứng với thực tại vật lý nào; chúng ta không thể có một số ảo các quả cam hoặc một hóa đơn điện thoại ảo được.
Người ta có thể nghĩ điều này ngụ ý rằng các số ảo chỉ là một trò chơi toán học mà chẳng có gì liên quan đến thực tại. Tuy vậy, trên quan điểm triết học thực chứng, người ta không thể định nghĩa thực tại là gì. Tất cả những điều mà người ta có thể làm là tìm ra mô hình toán học nào là mô hình mô tả vũ trụ mà chúng ta đang sống. Hóa ra là một mô hình toán học có chứa thời gian ảo không chỉ tiên đoán các hiệu ứng mà chúng ta đã quan sát được mà còn tiên đoán cả những hiệu ứng mà chúng ta vẫn chưa thể đo được. Tuy chưa đo được nhưng vì các lý do khác mà chúng ta vẫn tin vào các hiệu ứng đó. Vậy thì thực tại là gì và ảo ảnh là gì? Liệu sự khác biệt giữa chúng chỉ có ở trong đầu óc của chúng ta hay không?
Lý thuyết tương đối rộng cổ điển (tức là không có tính lượng tử) của Einstein đã kết hợp thời gian thực và ba chiều khác của không gian thành một không thời gian bốn chiều. Nhưng chiều thời gian thực vẫn khác biệt với ba chiều của không gian. Vũ trụ tuyến (world line) hay lịch sử của người quan sát luôn tăng theo thời gian thực (tức là thời gian luôn chuyển động từ quá khứ đến tương lai), nhưng vũ trụ tuyến lại có thể tăng hoặc giảm theo bất kỳ chiều nào của không gian. Nói cách khác, người ta chỉ có thể quay ngược lại trong không gian chứ không thể quay ngược lại trong thời gian.
Mặt khác, vì thời gian ảo vuông góc với thời gian thực, nên thời gian hành xử như một trục không gian thứ tư. Do vậy, thời gian này có rất nhiều sự kiện có thể xảy ra hơn đường ray xe lửa của thời gian thực (thời gian thực chỉ có một điểm khởi đầu hoặc kết thúc hoặc đi thành các đường vòng). Với ý nghĩa ảo này, thời gian có một hình dáng.
Để thấy các sự kiện có thể xảy ra, hãy coi không thời gian ảo như một quả cầu, giống như bề mặt trái đất. Giả thiết rằng thời gian ảo là độ của các đường vĩ tuyến. Khi ấy lịch sử của vũ trụ trong thời gian ảo sẽ bắt đầu tại Nam Cực. Câu hỏi ?oCái gì đã xảy ra trước khi vũ trụ hình thành?? sẽ trở nên vô nghĩa. Đơn giản là thời gian trước khi vũ trụ hình thành không được định nghĩa, giống như không có điểm nào nằm ở phía nam của Nam Cực. Nam Cực là một điểm hoàn toàn bình thường trên bề mặt trái đất, và các định luật khoa học cũng đúng ở Nam Cực giống như đúng ở các điểm khác trên trái đất. Điều này gợi ý rằng sự khởi đầu của vũ trụ trong thời gian ảo có thể là một điểm bình thường của không thời gian, và nó cũng gợi ý rằng các định luật khoa học cũng đúng tại điểm khởi đầu của thời gian giống như tại các thời điểm khác của vũ trụ (nguồn gốc lượng tử và sự tiến hóa của vũ trụ sẽ được thảo luận trong chương sau).
Ta có thể thấy một sự kiện khác có thể xảy ra khi coi thời gian ảo là độ của các đường kinh tuyến trên trái đất. Tất cả các đường kinh tuyến đều gặp nhau ở Bắc Cực và Nam Cực. Do đó, tại các cực, thời gian sẽ dừng nếu ta coi thời gian ảo trôi tương tự như độ của các kinh tuyến tăng lên. Hình dung một người đứng ở một trong hai cực và đi về hướng đông hoặc hướng tây (hướng kinh tuyến tăng) thì anh ta sẽ tự quay quanh mình và đứng yên một chỗ. Điều này tương tự như cách mà thời gian thực dừng lại ở chân trời của hố đen. Chúng ta cần nhận thấy rằng sự dừng lại của thời gian thực và ảo (hoặc cả thời gian thực và ảo cùng dừng, hoặc không có thời gian nào dừng) có nghĩa là không thời gian có một nhiệt độ, giống như tôi đã phát hiện ra điều đó cho hố đen. Hố đen không chỉ có nhiệt độ mà nó còn hành xử như là nó có một đại lượng gọi là entropy. Entropy đo số các trạng thái nội (số các cách mà bên trong hố đen được định hình) mà hố đen có thể có. Một người quan sát bên ngoài không nhận thấy có sự khác biệt nào về số các trạng thái nội này của hố đen. Người quan sát này chỉ có thể quan sát được khối lượng, sự quay và điện tích của hố đen mà thôi. Entropy của hố đen này được cho bởi một công thức rất đơn giản mà tôi dã tìm ra vào năm 1974. Nó tỷ lệ với diện tích của chân trời của hố đen: có một chút thông tin về trạng thái nội của hố đen đối với mỗi đơn vị diện tích cơ bản của chân trời. Điều này cho thấy rằng có một mối quan hệ sâu sắc giữa hấp dẫn lượng tử và nhiệt động học ?" một môn khoa học về nhiệt (môn này có nghiên cứu về entropy). Nó cũng gợi ý rằng hấp dẫn lượng tử có thể cho biết một cái mà người ta gọi là phương pháp chụp ảnh ba chiều (holography).

Vì một lý do nào đó mà thông tin về các trạng thái lượng tử trong một vùng không thời gian có thể được mã hóa ở biên của vùng không thời gian đó. Số chiều ở biên của không thời gian ít hơn hai chiều so với vùng bên trong. Điều này giống như việc chụp ảnh ba chiều trên một mặt phẳng hai chiều. Nếu hấp dẫn lượng tử kết hợp chẽ với nguyên lý chụp ảnh ba chiều thì điều này có thể cho phép ta theo dõi các sự kiện bên trong hố đen. Việc chúng ta có thể tiên đoán bức xạ thoát ra khỏi hố đen hay không là điều rất quan trọng. Nếu ta không làm được điều đó thì chúng ta không thể tiên đoán được tương lai một cách đầy đủ như chúng ta đã nghĩ. Vấn đề này sẽ được thảo luận trong chương 4. Kỹ thuật chụp ảnh ba chiều sẽ được bàn luận lại trong chương 7. Dường như là chúng ta đang sống trong một một màng-3 chiều (3-brane) ?" đó là một mặt bốn chiều (ba chiều không gian và một chiều thời gian). Mặt bốn chiều này lại là biên của một vùng năm chiều với chiều còn lại bị cuộn lại rất nhỏ. Trạng thái của vũ trụ trên một màng sẽ giải mã những sự kiện xảy ra trong một vùng năm chiều.
CHƯƠNG 3
VŨ TRỤ TRONG MỘT VỎ HẠT
Vũ trụ có nhiều lịch sử, mỗi một lịch sử được xác định bằng một hạt tí hon.
Có thể tôi bị giam trong một vỏ hạt
Và tự coi mình là chúa tể của khoảng không vô tận...
- Shakespeare,
Hamlet, hồi 2, cảnh 2
(nguyên văn:
I could be bounded in a nutshell
And count myself a king of infinitive space...)
Hamlet muốn nói rằng, về mặt vật lý, loài người chúng ta bị giới hạn, nhưng trí óc của chúng ta tự do khám phá toàn bộ vũ trụ và táo bạo đi đến những nơi mà ngay cả Star Trek cũng sợ không dám đặt chân ?" nơi mà chỉ được phép đến trong những giấc mơ hãi hùng.
Vũ trụ là vô tận hay chỉ là rất lớn? Và vũ trụ là vĩnh cửu hay chỉ là trường thọ? Làm thế nào mà trí óc hữu hạn của chúng ta có thể hiểu một vũ trụ vô hạn? Có phải chúng ta quá liều lĩnh khi thử trả lời các câu hỏi đó? Chúng ta sẽ không may giống Prometheus, người đã lấy cắp lửa của thần Zeus cho con người sử dụng và bị trừng phạt vì sự liều lĩnh đó bằng một sợi dây xích trói vào núi đá để một con đại bàng ăn lá gan của mình, hay không?
Mặc dù có câu chuyện cảnh báo trên, tôi vẫn tin chúng ta có thể và nên cố gắng hiểu vũ trụ này. Loài người đã có những bước tiến bộ đáng kể trong việc nhận thức vũ trụ, đặc biệt là chỉ trong một vài năm qua. Chúng ta vẫn chưa có một bức tranh hoàn chỉnh, nhưng chúng ta tiến rất gần đến nó.
Điều rõ ràng nhất về không gian là chúng liên tục và liên tục. Điều này được khẳng định bằng các dụng cụ rất hiện đại như là kính thiên văn Hubble, cho phép chúng ta thăm dò những nơi sâu thẳm của không gian. Những điều mà chúng ta nhìn thấy là hàng tỷ tỷ các thiên hà với những hình dạng và kích thước khác nhau, mỗi thiên hà gồm nhiều tỷ ngôi sao, trong đó, rất nhiều ngôi sao có các hành tinh quay xung quanh. Chúng ta đang sống trên một hành tinh đang quay xung quanh một ngôi sao nằm trên một cánh tay bên ngoài của dải Ngân hà hình xoắn ốc. Bụi trong các cánh tay xoắn ốc giới hạn tầm nhìn của chúng ta vào vùng vũ trụ nằm trong mặt phẳng của thiên hà. Nhưng chúng ta có thể nhìn rất rõ vùng không gian nằm trong mặt nón có trục vuông góc với mặt phẳng đó. Và ta có thể vẽ sơ đồ vị trí của các thiên hà xa xôi. Ta thấy rằng các thiên hà phân bố tương đối đồng nhất trong không gian với một số nơi có mật độ dày đặc hơn và cả các khoảng không trống rỗng. Mật độ các thiên hà giảm đi ở những khoảng cách lớn, ta thấy chúng có vẻ như thế vì các thiên hà ở quá xa và quá yếu đến nỗi chúng ta không thể nhận ra chúng. Với tầm quan sát của con người bây giờ, ta có thể nói vũ trụ là vô tận trong không gian.
Mặc dù tại mỗi vị trí trong không gian, vũ trụ có vẻ như không thay đổi, nhưng chắc chắn nó thay đổi theo thời gian. Điều này chỉ được biết vào những năm đầu của thế kỷ 20. Trước đó, người ta cho rằng vũ trụ không thay đổi theo thời gian. Vũ trụ có thể đã tồn tại trong một thời gian vô hạn, nhưng điều đó sẽ dẫn đến các kết luận vô lý. Nếu các ngôi sao bức xạ trong một thời gian vô tận thì chúng sẽ nung nóng vũ trụ cho đến nhiệt độ của chúng. Thậm chí ngay cả ban đêm, toàn bộ bầu trời của chúng ta cũng sẽ sáng như mặt trời bởi vì mỗi một đường ngắm sẽ đi đến một ngôi sao hay một đám mây bụi bị các ngôi sao nung nóng cho đến bằng nhiệt độ của các ngôi sao.
Việc chúng ta thấy ban đêm bầu trời tối là rất quan trọng. Điều đó cho thấy rằng vũ trụ không thể tồn tại mãi mãi ở trạng thái mà chúng ta thấy ngày hôm nay. Phải có cái gì đó đã xảy ra trong quá khứ để các ngôi sao tỏa sáng chỉ trong một thời gian hữu hạn trước đây. Điều này nói rằng ánh sáng từ các ngôi sao rất xa xôi vẫn chưa kịp đến chỗ chúng ta. Nó sẽ giải thích tại sao bầu trời ban đêm không sáng theo tất cả các hướng.
Nếu từ trước đến nay các ngôi sao vẫn ở vị trí đó thì tại sao cách đây vài tỷ năm chúng lại đột nhiên tỏa sáng? Đồng hồ nào nói với chúng rằng đã đến lúc cần chiếu sáng? Như chúng ta đã thấy, điều này làm các nhà triết học như Immanuel Kant, người tin rằng vũ trụ tồn tại mãi mãi, bối rối. Nhưng với phần đông mọi người, ý tưởng cho rằng vũ trụ được sáng tạo giống như ngày nay chỉ cách đây vài ngàn năm là hợp lý.
Tuy vậy, vào thập niên 20 của thế kỷ 20, các ý tưởng khác đến từ các quan sát của Vesto Slipher và Edwin Hubble bắt đầu xuất hiện. Năm 1923, Hubble đã phát hiện ra rằng thực ra rất nhiều vùng sáng được gọi là tinh vân (nebulae) chính là các thiên hà, một tập hợp khổng lồ các ngôi sao như mặt trời nhưng ở khoảng cách rất xa. Để chúng xuất hiện rất nhỏ và yếu thì khoảng cách cần phải lớn đến nỗi ánh sáng từ đó phải mất hàng triệu thậm chí hàng tỷ năm mới đến được chúng ta. Điều đó chỉ ra rằng điểm bắt đầu của vũ trụ không thể chỉ vài ngàn năm trước đây.
Nhưng điều thứ hai mà Hubble quan sát được còn quan trọng hơn. Bằng việc phân tích ánh sáng từ các thiên hà khác, các nhà thiên văn có thể biết các thiên hà đang tiến lại gần chúng ta hay đi ra xa chúng ta. Họ cực kỳ ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng gần như hầu hết các thiên hà đang đi ra xa chúng ta. Chính Hubble đã nhận thấy hàm ý đầy kịch tính của phát hiện này: tại các khoảng cách lớn, mỗi thiên hà điều chuyển động ra xa khỏi các thiên hà khác. Vũ trụ đang giãn nở.
Phát hiện về sự giãn nở của vũ trụ là một trong những cách mạng trí tuệ vĩ đại nhất của thế kỷ 20. Tất cả mọi người hoàn rất nhiên về phát hiện này và nó thay đổi hoàn toàn tranh cãi về nguồn gốc của vũ trụ. Nếu các thiên hà chuyển động ra xa nhau thì trong quá khứ chúng cần phải ở gần nhau hơn. Từ tốc độ giãn nở hiện thời, chúng ta có thể ước đoán rằng các thiên hà cần phải ở rất gần nhau các đây mười đến mười lăm tỷ năm. Như đã nói trong chương trước, Roger Penrose và tôi có thể chứng minh rằng thuyết tương đối rộng của Einstein ngụ ý vũ trụ và bản thân thời gian được sinh ra trong một vụ nổ dữ dội. Đó chính là lời giải thích cho câu hỏi tại sao ban đêm bầu trời lại tối: không một ngôi sao nào có thể phát sáng lâu hơn mười đến mười lăm tỷ năm, khoảng thời gian tính từ vụ nổ lớn.

Chúng ta đã quen thuộc với quan niệm cho rằng các sự kiện là hệ quả của các sự kiện trước đó, và đến lượt các sự kiện trước đó lại là hệ quả của các sự kiện trước nữa. Có một chuỗi nhân quả kéo dài mãi về quá khứ. Nhưng bây giờ hãy giả sử rằng chuỗi nhân quả đó có một điểm khởi đầu. Hãy giả sử rằng có một sự kiện đầu tiên. Cái gì đã gây ra nó? Đây không phải là một câu hỏi mà nhiều nhà khoa học muốn đề cập. Họ cố gắng tránh câu hỏi đó bằng cách cho rằng vũ trụ không có điểm khởi đầu như người Xô Viết hoặc níu kéo rằng nguồn gốc của vũ trụ không nằm trong địa hạt của khoa học mà thuộc về siêu hình học (metaphysics) hoặc tôn giáo. Theo tôi, một nhà khoa học chân chính sẽ không làm như thế. Nếu các định luật khoa học không đúng tại thời điểm bắt đầu của vũ trụ thì chúng có thể không đúng tại các thời điểm khác hay không? Một định luật sẽ không là một định luật nếu thỉnh thoảng nó mới đúng. Chúng ta cần phải cố gắng hiểu điểm khởi đầu của vũ trụ dựa trên cơ sở khoa học. Có thể nó vượt qua khả năng của chúng ta, nhưng ít nhất chúng ta nên cố gắng thử làm điều đó.
Mặc dù các định lý do Penrose và tôi chứng minh cho thấy rằng vũ trụ phải có điểm bắt đầu, nhưng chúng không cho biết nhiều thông tin về bản chất của sự khởi đầu đó. Chúng chỉ ra rằng vũ trụ bắt đầu bằng một vụ nổ lớn, một điểm mà ở đó toàn bộ vũ trụ và tất cả mọi thứ trong đó bị nén vào một điểm có mật độ vô hạn. Tại điểm này, thuyết tương đối rộng của Einstein không còn đúng, do đó, không thể dùng nó để tiên đoán vũ trụ bắt đầu như thế nào. Con người vẫn chưa hiểu nguồn gốc của vũ trụ và hiển nhiên là nó nằm ngoài phạm vi của khoa học.
Các nhà khoa học không hài lòng với kết luận này. Như chương 1 và chương 2 đã chỉ rõ, lý do thu?Zyết tương đối không đúng tại gần vụ nổ lớn là nó không tích hợp với nguyên lý bất định, yếu tố ngẫu nhiên của thuyết lượng tử mà Einstein đã phản đối dựa trên Chúa không chơi trò xúc xắc. Tuy vậy tất cả các bằng chứng đều cho thấy Chúa là một tay chơi bạc. Người ta có thể nghĩ về vũ trụ như một sòng bạc khổng lồ với các con xúc xắc được gieo và các vòng số được quay mỗi khi có dịp. Bạn có thể nghĩ rằng điều khiển một sòng bạc như vậy là một vụ làm ăn rất may rủi bởi bạn rất có khả năng mất hết tiền khi xúc xắc gieo hay vòng số quay. Nhưng với một số lớn các vụ đánh cược, số lần thắng và thua trung bình có thể đoán được, mặc dù kết quả của một lần cụ thể không đoán trước được. Những chủ sòng bạc biết chắc tỷ lệ trung bình có lợi cho họ. Điều đó giải thích tại sao chủ sòng bạc rất giàu. Cơ hội duy nhất để bạn có thể thắng họ là đặc cược tất cả số tiền của bạn vào một số ít lần gieo xúc xắc hoặc quay số.
Vũ trụ cũng giống như vậy. Khi vũ trụ lớn như ngày nay, có một số lớn lần gieo xúc xắc, và kết quả trung bình có thể đoán trước được. Vì thế các định luật cổ điển đúng đối với các hệ lớn. Nhưng khi vũ trụ rất nhỏ, giống như ở gần thời điểm vụ nổ lớn, chỉ có một số ít lần gieo xúc xắc, và nguyên lý bất định trở lên quan trọng.
Vì vũ trụ cứ gieo xúc xắc hoài để xem cái gì sẽ xảy ra nên vũ trụ không có một lịch sử duy nhất như người ta có thể nghĩ. Thay vào đó, vũ trụ có tất cả các lịch sử khả dĩ, mỗi một lịch sử có một xác xuất của riêng nó. Phải có một lịch sử vũ trụ trong đó Belize đạt huy chương vàng tại các kỳ Olympic mặc dù xác xuất của vũ trụ đó thấp.
Ý tưởng về vĩ trụ có nhiều lịch sử nghe có vẻ như chuyện khoa học viễn tưởng, nhưng ngày nay khoa học đã chấp nhận nó. Ý tưởng đó được một nhà vật lý vĩ đại, một người đầy cá tính là Richard Feynman đề xuất.
Bây giờ chúng ta kết hợp thuyết tương đối rộng của Einstein và ý tưởng vũ trụ có nhiều lịch sử của Feynman thành một lý thuyết thống nhất hoàn toàn mô tả mọi thứ xảy ra trong vũ trụ. Lý thuyết thống nhất này sẽ cho phép ta tính được vũ trụ sẽ phát triển thế nào nếu ta biết các lịch sử bắt đầu như thế nào. Nhưng bản thân lý thuyết đó không nói cho chúng ta biết vũ trụ bắt đầu thế nào hay trạng thái ban đầu của vũ trụ là gì. Để biết được điều đó chúng ta cần một cái gọi là điều kiện, quy tắc biên. Các điều kiện biên nói cho chúng ta biết cái gì xảy ra ở rìa của vũ trụ, ở biên của không thời gian.
Nếu rìa của vũ trụ chỉ là những điểm bình thường của không thời gian, chúng ta có thể đi qua nó và tuyên bố lãnh thổ bên ngoài rìa vũ trụ là một phần của vũ trụ. Mặt khác, nếu biên của vũ trụ nằm trên một đường lởm chởm trong không thời gian mà ở đó không thời gian bị cuộn lại và mật độ lớn vô cùng thì sẽ rất khó xác định các điều kiện biên có ý nghĩa.
Tuy vậy, một đồng nghiệp của tôi là Jim Hartle và tôi đã nhận ra rằng có một khả năng thứ ba. Vũ trụ có thể không có biên trong không thời gian. Thoạt nhìn, điều này có vẻ mâu thuẫn trực tiếp với các định lý mà Perose và tôi đã chứng minh, chúng cho thấy vũ trụ cần phải có một điểm khởi đầu, một cái biên thời gian. Tuy vậy, như được giải thích trong chương 2, có một loại thời gian được gọi là thời gian ảo vuông góc với thời gian thực bình thường mà chúng ta đang trải nghiệm. Lịch sử vũ trụ theo thời gian thực sẽ xác định lịch sử của nó theo thời gian ảo và ngược lại, nhưng hai loại lịch sử này có thể rất khác nhau. Đặc biệt là vũ trụ cần có khởi đầu và kết thúc trong thời gian ảo. Thời gian ảo hành xử như giống hệt một trục khác của không gian. Cho nên các lịch sử của vũ trụ trong thời gian ảo có thể được coi như các mặt cong giống như một quả bóng, một mặt phẳng, hoặc một hình yên ngựa nhưng có bốn chiều thay vì hai chiều.
Nếu lịch sử của vũ trụ tiến đến vô hạn giống như hình yên ngựa hay mặt phẳng thì người ta gặp vấn đề trong việc chỉ rõ các điều kiện biên vô hạn là gì. Nhưng người ta có thể tránh phải không cần chỉ ra điều kiện biên nếu các lịch sử của vũ trụ nằm trong thời gian ảo là các mặt đóng, giống như bề mặt trái đất. Bề mặt trái đất không có biên hoặc rìa. Không có báo cáo đáng tin nào về việc con người bị rơi ra khỏi trái đất!
Nếu các lịch sử của vũ trụ trong thời gian ảo thực sự là các mặt đóng như Hartle và tôi đã đề xuất thì điều đó có ý nghĩa quan trọng về triết học và hình dung của chúng ta về nơi chúng ta sinh ra. Vũ trụ là hoàn toàn tự thân (self-contained); nó không cần bất kỳ cái gì bên ngoài lên giây cót cho đồng hồ vũ trụ và làm cho nó hoạt động. Thay vào đó, tất cả mọi thứ trong vũ trụ đều được xác định bằng các định luật khoa học và bằng các lần gieo xúc xắc trong vũ trụ. Điều này nghe có vẻ xa xỉ nhưng đó là điều mà tôi và nhiều nhà khoa học khác tin.
Hơn nữa, nếu vũ trụ không có các điều kiện biên như thế thì vũ trụ sẽ không có một lịch sử duy nhất. Vũ trụ sẽ có nhiều lịch sử như Feynman đề xuất. Sẽ có một lịch sử trong thời gian ảo tương ứng với mỗi mặt đóng khả dĩ, và mỗi lịch sử trong thời gian ảo sẽ xác định một lịch sử trong thời gian thực. Vậy nên chúng ta có rất nhiều trạng thái khả dĩ cho vũ trụ. Cái gì đã chọn một vũ trụ đặc biệt mà chúng ta đang sống ra khỏi ra khỏi một tập hợp tất cả các vũ trụ khả dĩ? Một điểm mà chúng ta cần chú ý là rất nhiều lịch sử khả dĩ của vũ trụ sẽ không trải qua một chuỗi sự kiện hình thành các thiên hà và các vì sao, trong khi chuỗi sự kiện đó lại rất quan trọng đối với sự phát triển của riêng chúng ta. Trong khi các sinh vật có trí tuệ có vẻ như khó có thể tiến hóa nếu không có các thiên hà và các ngôi thì việc chúng ta tồn tại như là một sinh vật có khả năng đặt câu hỏi ?oTại sao vũ trụ lại như ngày nay?? là một giới hạn của lịch sử của chúng ta. Điều đó ngụ ý vũ trụ này là một trong một thiểu số các lịch sử bao gồm các thiên hà và vì sao. Đây là ví dụ của một nguyên lý gọi là nguyên lý vị nhân (anthropic principle). Nguyên lý vị nhân nói rằng vũ trụ cần phải gần giống như chúng ta thấy vì nếu vũ trụ này khác đi thì sẽ không có ai ở đây để quan sát nó. Rất nhiều nhà khoa học không thích nguyên lý vị nhân đó vì nó có vẻ mơ hồ và hình như không có nhiều khả năng tiên đoán. Nhưng nguyên lý vị nhân có thể được rút ra từ một công thức chính xác và dường như nó rất quan trọng khi giải quyết vấn đề nguồn gốc vũ trụ. Như đã nói ở chương 2, thuyết-M cho phép một số lớn các lịch sử khả dĩ của vũ trụ. Phần lớn trong số đó không phù hợp cho sự phát triển của đời sống trí tuệ; chúng hoặc là trống rỗng, tồn tại trong một thời gian ngắn và bị uốn cong quá nhiều hoặc không ổn về một số khía cạnh nào đó. Đúng như theo ý tưởng của Feynman về vũ trụ có nhiều lịch sử, xác suất của các lịch sử không có sự hiện diện của sinh vật trí tuệ đó có thể rất cao.

Thực ra việc có bao nhiêu lịch sử mà không có sự có mặt của sinh vật có trí tuệ không quan trọng. Chúng ta chỉ quan tâm đến một nhóm các lịch sử có cuộc sống có trí tuệ phát triển. Cuộc sống trí tuệ này không nhất thiết phải có cái gì đó giống như con người. Chúng có thể là các sinh vật lạ màu xanh nhỏ bé. Thực ra chúng còn thông minh hơn con người. Loài người không phải là sinh vật trí tuệ nhất trong vũ trụ.
Một ví dụ về sức mạnh của nguyên lý vị nhân khi xét số chiều trong không gian. Kinh nghiệm chung cho thấy chúng ta đang ở trong một không gian ba chiều. Điều đó muốn nói rằng chúng ta biểu diễn vị trí của một điểm trong không gian bằng ba con số, ví dụ, vĩ độ, kinh độ và độ cao trên mực nước biển. Nhưng tại sao lại là một không gian ba chiều? Tại sao không phải là hai chiều, bốn chiều hay một số chiều khác như khoa học viễn tưởng? Trong thuyết-M, không gian có chín hoặc mười chiều, nhưng người ta cho rằng có sáu hoặc bảy chiều bị cuộn lại rất nhỏ, chỉ còn lại ba chiều lớn và gần như phẳng mà thôi.
Tại sao chúng ta không sống trong một lịch sử trong đó tám chiều bị cuộn nhỏ lại chỉ để lại hai chiều lớn cho chúng ta nhận biết? Một sinh vật hai chiều sẽ rất khó có thể tiêu hóa thức ăn. Nếu nó có một cái ruột chạy suốt cơ thể chúng thì cái ruột sẽ chia sinh vật đó làm đôi và hai mảnh đó sẽ rời khỏi nhau. Do đó, hai chiều phẳng không đủ cho bất kỳ sinh vật phức tạp như cuộc sống có trí tuệ. Mặt khác nếu số chiều gần phẳng nhiều hơn ba thì lực hấp dẫn giữa hai vật thể tăng rất nhanh khi chúng tiến đến gần nhau. Điều này có nghĩa là các hành tinh sẽ không có quĩ đạo bền vững quanh mặt trời. Các hành tinh hoặc là sẽ rơi vào mặt trời, hoặc là sẽ thoát vào khoảng không tối tăm và lạnh lẽo.
Tương tự như vậy, các quĩ đạo của điện tử cũng sẽ không bền, và vật chất như chúng ta biết sẽ không tồn tại. Vậy nên, ý tưởng vũ trụ có nhiều lịch sử cho phép bất kỳ số chiều gần phẳng, nhưng chỉ có các lịch sử với ba chiều phẳng mới có sinh vật có trí tuệ. Chỉ có trong các lịch sử như vậy thì câu hỏi ?oTại sao không gian có ba chiều?? mới được đặt ra.
Lịch sử đơn giản nhất của vũ trụ trong thời gian ảo đó là một hình cầu, giống như bề mặt của trái đất, nhưng có nhiều hơn hai chiều. Nó xác định lịch sử của vũ trụ trong thời gian thực mà chúng ta đang trải nghiệm, trong đó vũ trụ là như nhau theo các điểm trong không gian và giãn nở theo thời gian. Theo các khía cạnh này, nó giống như vũ trụ chúng ta đang sống. Nhưng tốc độ giãn nở rất nhanh, và nó vẫn còn giãn nở nhanh hơn nữa. Việc gia tốc sự giãn nở như vậy được gọi là lạm phát (inflation), vù nó giống như việc giá cả leo thang với một tốc độ chưa từng thấy.
Nói chung sự lạm phát giá cả bị coi là không tốt, nhưng trong trường hợp của vũ trụ thì lạm phát lại có lợi. Lạm phát làm trơn bất kỳ chỗ trồi sụt nào có thể xuất hiện trong thời gian đầu của vũ trụ. Vì vũ trụ giãn nở, nên vũ trụ sẽ vay mượn năng lượng từ trường hấp dẫn để tạo thêm vật chất. Năng lượng vật chất dương sẽ được cân bằng một cách chính xác với năng lượng hấp dẫn âm, do đó, năng lượng toàn phần bằng không. Khi kích thước của vũ trụ tăng gấp đôi, năng lượng vật chất và năng lượng hấp dẫn cùng tăng gấp đôi ?" nhưng hai lần không vẫn là không. Giá mà giới ngân hàng cũng đơn giả như thế nhỉ!
Nếu lịch sử vũ trụ trong thời gian ảo là một hình cầu hoàn hảo thì lịch sử tương ứng trong thời gian thực sẽ là một vũ trụ tiếp tục giãn nở mãi mãi theo kiểu lạm phát. Khi vũ trụ đang lạm phát thì vật chất không thể rơi vào nhau để hình thành các thiên hà và các vì sao, và cuộc sống, chứ chưa nói đến cuộc sống trí tuệ như chúng ta, không thể phát triển. Do đó, mặc dù giả thiết về vũ trụ có nhiều lịch sử dẫn đến các lịch sử của vũ trụ trong thời gian ảo là các hình cầu hoàn hảo, nhưng không có gì thú vị cả. Tuy nhiên, các lịch sử trong thời gian ảo là các hình cầu có cực nam hơi bẹt thì thích đáng hơn.
Trong trường hợp này, lịch sử tương ứng trong thời gian thực sẽ giãn nở trước tiên theo kiểu được gia tốc và lạm phát. Nhưng sau đó quá trình giãn nở sẽ chậm dần và các thiên hà có thể được hình thành. Để cuộc sống trí tuệ có thể phát triển thì độ bẹt ở cực nam phải rất nhỏ. Điều đó nói rằng ban đầu vũ trụ giãn nở rất nhanh. Mức kỷ lục về lạm phát tiền tệ xuất hiện ở Đức giữa hai cuộc đại chiến thế giới, khi đó mà giá cả tăng đến hàng tỷ lần ?" nhưng mức độ lạm phát đã xuất hiện trong vũ trụ ít nhất là một tỷ tỷ tỷ lần hơn thế.
Do nguyên lý bất định nên sẽ không chỉ có một lịch sử vũ trụ có cuộc sống có trí tuệ. Thay vào đó, các lịch sử trong thời gian ảo sẽ là một họ gồm những hình cầu hơi biến dạng, mỗi hình cầu sẽ tương ứng với một lịch sử trong thời gian thực mà ở đó, vũ trụ lạm phát trong một thời gian dài nhưng không phải là vô hạn. Chúng ta có thể hỏi vậy thì lịch sử nào là lịch sử có khả năng nhất trong các lịch sử được phép. Hóa ra là các lịch sử có khả năng nhất hoàn toàn không trơn tru mà có những nơi trồi sụt. Sự gợn sóng ở các lịch sử có khả năng nhất rất nhỏ, so với lịch sử trơn tru, sự gợn sóng này chỉ bằng vài phần trăm ngàn. Tuy chúng rất nhỏ nhưng chúng ta có thể đo được chúng. Chúng là những thăng giáng nhỏ trong miền vi sóng tới chúng ta từ các hướng trong không gian. Vệ tinh thăm dò phông vũ trụ (Cosmic Background Explorer) ?" COBE đã được phóng vào năm 1989 và đã lập được bản đồ bức xạ vi sóng của vũ trụ.
Trên bản đồ vi sóng vũ trụ, các màu khác nhau cho biết nhiệt độ khác nhau, nhưng toàn bộ dải nhiệt độ từ màu đỏ đến màu xanh chỉ có giá trị bằng một phần vạn độ K. Sự thay đổi giữa các vùng khác nhau của vũ trụ sơ khai cũng đủ để lực hút do hấp dẫn bổ sung trong các vùng vũ trụ đặc hơn, cuối cùng cũng làm cho vùng đó ngừng giãn nở và suy sập dưới lực hấp dẫn của bản thân chúng để hình thành các thiên hà và các vì sao. Do đó, về nguyên lý, ít nhất bản đồ bức xạ vi sóng vũ trụ bộ khung cho toàn bộ cấu trúc của vũ trụ.
Được datrach sửa chữa / chuyển vào 05:02 ngày 29/07/2004

Tính chất của các lịch sử khả dĩ nhất của vũ trụ mà thích hợp cho sự xuất hiện của các sinh vật có trí tuệ sẽ như thế nào? Xem ra có rất nhiều khả năng phụ thuộc vào lượng vật chất của vũ trụ. Nếu vật chất trong vũ trụ lớn hơn một lượng tới hạn thì lực hút hấp dẫn giữa các thiên hà sẽ làm chậm các thiên hà và thậm chí còn dừng không cho chúng bay ra xa nhau. Sau đó các thiên hà sẽ bắt đầu rơi vào nhau và tất cả sẽ cùng đi tới một vụ co lớn (big crunch). Vụ co lớn sẽ kết thúc lịch sử của vũ trụ trong thời gian thực.
Nếu mật độ vũ trụ thấp hơn giá trị tới hạn, lực hấp dẫn quá yếu để ngăn cản các thiên hà rời xa nhau mãi mãi. Tất cả các ngôi sao sẽ đốt cháy hết nhiên liệu, và dần dần vũ trụ sẽ trở lên loãng và lạnh hơn. Cho nên, một lần nữa, mọi sự sẽ đến hồi kết nhưng theo một cách kém kịch tính hơn. Nhưng dù kết cục thế nào thì vũ trụ cũng sẽ tồn tại thêm vài tỷ năm nữa.
Vũ trụ có thể có một thứ giống như vật chất được gọi là ?onăng lượng chân không? (vacuum energy), năng lượng chân không hiện diện ngay cả trong không gian trống rỗng. Từ phương trình nổi tiếng của Einstein, E=mc2, năng lượng chân không này có một khối lượng. Điều đó nói rằng năng lượng chân không gây ra một hiệu ứng hấp dẫn lên sự giãn nở của vũ trụ. Nhưng điều đáng nói là hiệu ứng hấp dẫn do năng lượng chân không gây ra lại ngược lại với hiệu ứng hấp dẫn do vật chất gây ra. Vật chất làm quá trình giãn nở chậm lại và có thể làm dừng và đảo ngược quá trình đó. Ngược lại, năng lượng chân không lại gia tốc quá trình giãn nở giống như trong giai đoạn lạm phát. Thực ra, năng lượng chân không có tác động như hằng số vũ trụ được nhắc đến ở chương 1 mà Einstein đã bổ sung vào các phương trình của ông vào năm 1917 khi ông nhận thấy các phương trình này không đưa đến một nghiệm biểu diễn cho một vũ trụ tĩnh. Sau khi Hubble phát hiện vũ trụ giãn nở, người ta không thấy cần phải đưa hằng số vũ trụ vào các phương trình nữa, và Einstein cũng cho rằng hằng số vũ trụ là một sai lầm.
Tuy vậy, hằng số vũ trụ lại hoàn toàn không phải là một sai lầm. Như đã nói trong chương 2, ngày nay chúng ta nhận thấy rằng lý thuyết lượng tử nói rằng không thời gian được lấp đầy bởi các thăng giáng lượng tử. Trong lý thuyết siêu đối xứng, các năng lượng dương và âm vô hạn của các thăng giáng trạng thái cơ bản này triệt tiêu giữa các hạt có spin khác nhau. Nhưng chúng ta không trông đợi các năng lượng âm và dương này triệt tiêu hoàn toàn đến nỗi không còn sót lại một năng lượng chân không nhỏ bé, hữu hạn nào, bởi vì vũ trụ không nằm trong một trạng thái siêu đối xứng. Điều ngạc nhiên duy nhất đó là năng lượng chân không nhỏ đến nỗi cách đây ít lâu người ta mới nhận ra nó. Có thể đây là một ví dụ nữa của nguyên lý vị nhân. Một lịch sử có năng lượng chân không lớn sẽ không hình thành các thiên hà, do đó, sẽ không có các sinh vật có thể hỏi câu hỏi ?oTại sao năng lượng chân không lại có giá trị bằng giá trị mà chúng ta đang thấy??
Chúng ta cố gắng thử xác định lượng vật chất và năng lượng chân không trong vũ trụ từ các quan sát khác nhau. Ta có thể biểu diễn các kết quả trong một giản đồ có trục hoành là mật độ năng lượng và trục tung là năng lượng chân không. Đường chấm là biên giới của vùng mà trong đó sinh vật trí tuệ có thể phát triển.
Mỗi quan sát về sao siêu mới, các đám thiên hà và phông bức xạ vi sóng đều vạch ra giới hạn trên giản đồ này. May mắn thay, cả ba vùng này có một khu vực giao nhau. Nếu mật độ vật chất và năng lượng chân không nằm ở trong khu vực giao nhau này thì quá trình giãn nở của vũ trụ sẽ ban đầu sẽ rất nhanh và sau đó chậm dần. Hình như là lạm phát là một qui luật của tự nhiên.
Trong chương này, chúng ta đã thấy quá trình tìm hiểu tính chất của vũ trụ rộng lớn bằng khái niệm lịch sử của vũ trụ trong thời gian ảo diễn ra như thế nào. Cái vũ trụ trong thời gian ảo đó là một hình cầu nhỏ bé và hơi bẹt, nó giống như cái vỏ hạt của Hamlet, tuy nhiên, cái hạt này lại giải mã được tất cả mọi thứ xảy ra trong thời gian thực. Do vậy, Hamlet hoàn toàn đúng. Chúng ta bị giới hạn trong một vỏ hạt nhưng vẫn coi mình là chúa tể của khoảng không vô tận.