ba phut dau tien

BA PHUT U TIN 1

http://ebooks.vdcmedia.com

MUC LUC

LI GII THIU ........................................................................................................................... 2

LI TA CUA STEVEN WEINBERG ......................................................................................... 4

M U: NGI KHNG L VA CON BO CAI....................................................................... 8

S DAN N CUA VU TRU......................................................................................................... 15

PHNG BC XA CC NGN VU TRU .................................................................................... 43

MT TOA CHO VU TRU NONG................................................................................................ 71

BA PHUT U TIN.................................................................................................................. 90

VAI TRANG LCH S KHOA HOC ......................................................................................... 107

PHN TRM GIY U TIN................................................................................................ 116

PHN KT: VIN CANH TRC MT ................................................................................. 135

Steven Weinberg 2


LI GII THIU

Cun sach Ba phut u tin - Mt cach nhn hin ai v ngun gc vu tru

Cun sach nay noi v nhng phut u tin cua s hnh thanh vu tru, theo thuyt vu tru hoc hin ai nht goi la thuyt m hnh chun. No xut phat t thuyt Vu n ln cua cac nha bac hoc Lemaitre va Gamow, nhng c hin ai hoa, chnh xac hoa sau s kham pha ra phng bc xa vu tru cc ngn nhit 3 kenvin (khoang m 27o C) vao nm 1964 - 1965.

y la cng lao trc tip cua hai nha bac hoc My Penzias va Wilson, va ho a c giai thng Nobel nm 1978 v s kham pha cc ky quan trong nay. Nhng, nh cun sach nay nu ro, o cung la cng lao cua mt tp th kha ln cac nha khoa hoc trong my chuc nm tri, trong hang trm phong th nghim, ai quan sat thin vn, nhom nghin cu ly thuyt, a ong gop cho thuyt Vu n ln co c dang chun c nhiu ngi cng nhn nh hin nay.

Ban thn tac gia, Steven Weinberg, mt thanh vin cua Vin han lm khoa hoc My, mt nha bac hoc ni ting co nhiu cng hin cho vt ly ly thuyt, vt ly hat c ban, ly thuyt trng, du khng phai trc tip la mt nha vu tru hoc, nhng gian tip a tham gia vao cuc u tranh cho m hnh chun nay. Nm 1979 Weinberg a c giai Nobel v vt ly cung vi hai nha bac hoc khac do s ong gop cua ng vao vic tm ra thuyt thng nht hai tng tac: tng tac yu va tng tac in t.

Cun sach nay c xut ban bng ting Vit ln u nm 1981. T o n nay cun sach a c tai ban nhiu ln nc ngoai, song vn khng h co sa i g do tnh kinh in cua no. Theo yu cu cua ng ao ban oc yu thch khoa hoc, chung ti

BA PHUT U TIN 3


xin trn trong gii thiu ban in Ba phut u tin - Mt cach nhn hin ai v ngun gc vu tru cua Nha xut ban Khoa hoc va Ky thut.

Steven Weinberg 4


LI TA CUA STEVEN WEINBERG

Sach nay c vit ra t mt cuc noi chuyn cua ti trong l khanh thanh Trung tm khoa hoc cua cac sinh vin nm cui Harvard thang 11 nm 1973. Mt ngi ban chung, Daniel Bell, a k lai cho ng Erwin Glikes, chu tch va giam c cng ty xut ban Sach c ban nghe v cuc noi chuyn o, va Glikes a giuc ti bin no thanh mt cun sach.

u tin ti khng tht say m vi y o lm. Tuy rng thnh thoang ti co tin hanh nhng cuc nghin cu nho v vu tru hoc, cng vic cua ti dnh lu nhiu hn n vt ly cua nhng cai rt be nho, ly thuyt hat c ban. Ngoai ra, vt ly hat c ban a to ra sinh ng mt cach la lung trong nhng nm cui y, va ti a tn qua nhiu thi gian khng phuc vu no, khi vit nhng bai bao khng chuyn mn cho nhng tap ch nay no. Ti a rt mun tr v lam vic toan b thi gi ch sinh sng t nhin cua ti, la Tap ch vt ly.

Tuy nhin, ti a thy la khng th ngng suy ngh v nhng cun sach k v vu tru s khai. Co g hp dn hn la vn Phat minh tri t? Ngoai ra, trong vu tru s khai, c bit trong phn trm giy u tin, cac vn v ly thuyt hat c ban gn cht vi cac vn v vu tru hoc. Va trc ht, by gi la mt thi im tt vit v vu tru s khai. ung trong thp nin va qua, mt ly thuyt chi tit v qua trnh din bin cua cac s kin trong vu tru s khai a c cng nhn rng rai di tn m hnh chun.

Tht la mt iu tuyt vi khi ta k c v vu tru sau giy u tin, hoc nm u tin. i vi mt nha vt ly, iu ang phn khi la co th k v cac s vic vi nhng con s, la co th noi rng thi im nao o nhit , mt hay hp phn hoa hoc cua vu tru at c nhng tr s nay no. Tht ra ta khng hoan

BA PHUT U TIN 5


toan tht chc v moi vn nay, nhng cung ang phn khi la by gi ta co th noi v cac vn nay vi mt chut tin tng nao o. S phn khi nay la cai ma ti mun a n cho ban oc.

Tt hn ht la ti phai noi sach nay danh cho nhng ban oc nao. Ti a vit cho ban oc sn sang theo doi vai lp lun chi tit nhng khng phai tht am hiu toan hoc hoc vt ly. Mc du ti phai a vao mt s y tng khoa hoc kha phc tap, song khng co mn toan hoc nao c dung trong sach nay ngoai s hoc ma ban oc khng cn bit nhiu, thm ch bit trc g v vt ly hoc thin vn. Ti a c gng thn trong nh ngha cac danh t khoa hoc khi dung chung ln u, thm vao y ti a cung cp mt bang t vng v cac danh t vt ly va thin vn. u co th c, ti a vit cac con s bng ch (nh: mt trm nghn triu) ma khng dung cach ghi khoa hoc tin li hn: 10 mu 11.

Tuy nhin, nh vy khng phai co ngha la ti a c vit mt cun sach d hiu. Khi mt nha lut hoc vit cho nhng ban oc bnh thng, ng ta gia thit rng ho khng bit ting Phap v lut hoc ao lut chng tha hng sut i, nhng ng ta, khng phai v vy ma suy ngh t hn v ho, va ng khng ha c n ho. Ti mun noi ngc lai: ti hnh dung ban oc nh mt lut s gia kha tinh khn, ng ta khng noi ngn ng cua ti, nhng du sao cung mong i nghe vai lp lun co tnh thuyt phuc trc khi co y kin ca nhn.

i vi ban oc mun thy thc s vai phep toan lam c s cho cac lp lun cua cun sach nay, ti a soan Phu trng toan hoc lin sau cun sach. Trnh toan hoc dung y lam cho cac chu thch nay co th hiu c i vi bt c ai co trnh nm cui ai hoc v mt khoa hoc vt ly hoc toan hoc nao o. May thay, cac tnh toan quan trong nht trong vu tru hoc lai co phn nao n gian: ch co ch nay ch no cac im tinh t hn cua thuyt tng i rng hoc cua vt ly hat nhn mi c dung chut t. Nhng ban oc mun tip tuc hiu vn nay mt trnh cao hn se tm c nhiu giao trnh trnh cao (k ca cua ti) ghi muc Gi y oc thm.

Steven Weinberg 6


Ti cung phai noi ro i tng cua cun sach. o chc khng phai la mt cun sach noi v moi kha cach cua vu tru hoc. Co mt phn c in cua vn , noi nhiu nht v cu truc cua vu tru hin nay quy m ln: cuc tranh lun v ban cht ngoai thin ha cua cac tinh vn xon c; s kham pha ra cac dch chuyn o cua cac thin ha xa va s phu thuc cua cac dch chuyn o vao khoang cach; cac m hnh vu tru hoc theo thuyt tng i rng cua Einstein, de Sitter, Lemaitre va Friedmann; va v. v... Phn nay cua vu tru hoc a c m ta rt hay mt s sach xut sc, va ti khng co y thut lai y u mt ln na v phn nay y. Cun sach nay noi v vu tru s khai, va c bit v s hiu bit mi v vu tru s khai dy ln t khi kham pha ra phng xa cc ngn vu tru nm 1965.

C nhin, thuyt vu tru gian n la mt thanh phn quan trong trong cach nhn cua ta hin nay v vu tru s khai, cho nn chng II, ti a buc phai gii thiu ngn gon v cac kha canh c in cua vu tru hoc. Ti tin rng chng o a cung cp mt c s thch hp, du la cho ban oc khng quen bit vu tru hoc hiu cac phat trin gn y trong thuyt v vu tru s khai ma phn con lai cua cun sach ban n. Tuy nhin, ban oc mun mt s gii thiu y u nhng phn c hn cua vu tru hoc th xin xem cac sach ghi trong Gi y oc thm.

Mt khac, ti a khng tm ra c mt ban tng thut lch s nao co h thng v cac phat trin gn y cua vu tru hoc. Do o ti a buc phai i su hn mt chut, c bit v mt vn hp dn la tai sao khng co s tm kim nao v phng bc xa cc ngn cua vu tru nhiu nm trc 1965. (iu nay c thao lun chng VI). Nh vy khng phai noi rng ti coi sach nay la mt cun lch s co tnh cht dt im v cac phat trin o - ti rt tn trong s c gng tm hiu va s chu y n cac chi tit cn thit trong lch s khoa hoc nn khng th co mt ao tng nao v vic nay. Trai lai, ti se hanh phuc nu mt nha s hoc va khoa hoc tht s nao o se dung sach nay nh mt im xut phat va vit mt cun lch s y u v ba mi nm cui y cua cac nghin cu vu tru hoc.

BA PHUT U TIN 7


Ti ht sc cam n Erwin Glikes va Farrell Phillips cua cng ty Sach c ban v cac gi y co gia tr cua hai ng trong khi chun b ban thao nay xut ban. Ti cung a c giup nhiu hn la ti co th noi ra khi vit cun sach nay, bi v nhng gi y thn thin cua cac ban ng nghip cua ti v vt ly va thin vn. Ti mun c bit cam n Ralph Alpher, Bernard Burke, Robert Dicke, George Field, Gary Feinberg, William Fowler, Robert Herman, Fred Hoyle, Jim Peebles, Arno Penzias, Bill Press, Ed Purcell va Robert Wagoner v vic cac ng bn tm oc va phat biu v cac phn cua cun sach. Ti cung cam n Isaac Asimov, I. Bernard Cohen, Martha Liller va Phillips Morrison v a cho thng tin v mt loat vn c bit. Ti c bit bit n Nigel Calder v a oc sut ban thao u tin, va a cho nhng li bnh lun xac ang. Ti khng th hy vong rng cun sach nay by gi hoan toan khng co nhng ch sai hoc ti ngha, nhng ti chc la no ro va chnh xac hn nhiu so vi trng hp nu no khng c s giup rng lng ma ti a may mn nhn c.

Steven Weinberg Cambridge, Massachusetts

Thang 7/1976

Steven Weinberg 8


M U: NGI KHNG L VA CON BO CAI

Trong sut phn ln lch s vt ly hoc, thin vn hoc hin ai, ro rang la a khng co mt c s quan sat va ly thuyt vng vang da vao y ngi ta co th xy dng mt lch s vu tru s khai. By gi, iu o a thay i. Mt thuyt vu tru s khai a c cng nhn rng rai n mc cac nha thin vn thng goi no la m hnh chun.

Ngun gc vu tru c giai thch trong sach Edda tre, mt su tp truyn thn thoai ma nha tc trng Aixlen Snorri Sturleson a su tm vao khoang nm 1220. Thua s khai - sach cua Edda vit - khng co g ca. Khng tm thy t, pha trn cung khng co tri, ch co mt khoang trng ln kinh khung, va khng u co co. Pha bc va pha nam cua khoang khng trng rng la nhng vung cua gia ret va la, Niflheim va Muspelheim. Sc nong t vung Muspelheim lam tan cac khi bng gia cua Niflheim va t cac hat nc mt ngi khng l xut hin, Ymer. Th th Ymer n g? Hnh nh trong truyn cung co mt con bo cai tn la Audhumla. Th th no n g? Khng sao, cung co mt t mui, v. v...va v. v...

Ti khng mun lam mch long nhng ai co thin cam tn giao, k ca co thin cam vi tn ngng Viking (Viking: tn goi nhng tn cp bin Scaninavia thu xa (ND).), nhng ti cho rng cung ung khi noi rng cu chuyn trn khng cho chung ta mt hnh anh thoa man lm v ngun gc vu tru. Du bo qua moi iu ht sc trai vi nhng chuyn d nhin, thng thng, cu chuyn nay vn lam nay sinh nhng cu hoi nhiu bng nhng vn no giai ap, mi s giai ap lai dn n mt iu phc tap mi cho cac iu kin ban u.

Chung ta khng th ch mm ci khi nghe chuyn Edda va khc t toan b s suy oan v ngun gc vu tru, long ham mun

BA PHUT U TIN 9


tm hiu lch s vu tru k t bui s khai cua no thc khng g ngn can c. T luc khoa hoc hin ai bt u, nhng th ky 16 va 17, cac nha vt ly, thin vn a nhiu ln tr v ngun gc vu tru.

Tuy nhin, quanh mt loai nghin cu nh vy lun lun phang pht nhng iu tai ting. Ti nh lai luc ti con la mt sinh vin va khi o t bt u nghin cu khoa hoc (v nhng vn khac) trong nhng nm 1950, nghin cu v vu tru s khai b nhiu ngi coi khng phai la mt cng vic ma mt nha khoa hoc ng n phai nhiu thi gi vao y. S anh gia nh vy cung khng phai v cn c. Trong sut phn ln lch s vt ly hoc, thin vn hoc hin ai, ro rang la a khng co mt c s quan sat va ly thuyt vng vang da vao y ngi ta co th xy dng mt lch s vu tru s khai.

By gi, ung trong 10 nm qua, iu o a thay i. Mt thuyt vu tru s khai a c cng nhn rng rai n mc cac nha thin vn thng goi no la m hnh chun. No mt phn nao ging cai ma i khi c goi la thuyt vu n ln, nhng c b sung mt toa ( y chung ti dch recipe la toa gi ung cach noi hom hnh cua tac gia. Con co th dch la cng thc hoc n (ND).) ro rang hn rt nhiu v cac thanh phn cua vu tru. Thuyt v vu tru s khai nay la tai cun sach cua chung ta.

thy c ta se i ti u, co th cn bt u vi mt oan tom tt lch s vu tru s khai nh c hiu trong m hnh chun hin nay. y ch la mt s lt qua ngn gon - cac chng tip theo se giai thch cac chi tit cua lch s nay va cac ly do khin ta tin vao no phn nao.

Luc u a xay ra mt vu n. Khng phai mt vu n nh thng xay ra trn trai t, bt u t mt trung tm nht nh va lan truyn ra cac vung xung quanh mi luc mt xa, ma la mt vu n xay ra ng thi bt c im nao, lp y toan b khng gian ngay t u, trong o mi hat vt cht u ri xa cac hat khac. Toan b khng gian y co th hiu hoc la toan b khng gian cua mt vu tru v han hoc cua mt vu tru hu han,

Steven Weinberg 10


no t khep kn nh b mt mt hnh cu. Ca hai kha nng u khng phai d hiu, nhng vic o khng can tr g ta; trong vu tru s khai, vic khng gian la hu han hay v han hu nh khng quan trong.

Sau khoang 1/100 giy, thi gian sm nht ma ta co th tng thut vi mt trm nghn triu (10 mu 11) bach phn (Trong sach, tac gia dung khi th bach phn cho d hiu, khi th Kelvin. Thc ra, phai dung n v kenvin thay bach phn hoc Kelvin (ND).). Nh vy la nong hn nhiu so vi trung tm cua mt v sao nong nht, nong n ni thc ra khng co thanh phn nao cua vt cht bnh thng, phn t, nguyn t hoc du la hat nhn cua nguyn t co th bam vao nhau c. Thay vao o, vt cht ri xa nhau trong vu n nay gm co nhng loai hat c ban khac nhau, cac hat nay la i tng nghin cu cua vt ly hat nhn nng lng cao hin ai.

Chung ta se gp nhng hat o nhiu ln trong sach nay - hin gi ch cn goi tn cac hat co mt nhiu nht trong vu tru s khai, va trong cac chng III va IV se co nhng giai thch chi tit hn. Mt loai hat rt ph bin luc o la electron, hat mang in m chay trong cac dy dn in va tao nn cac lp vo cua moi nguyn t va phn t trong vu tru hin nay. Mt loai hat khac cung co rt nhiu trong cac bui s khai la pozitron, mt loai hat mang in dng cung mt khi lng nh electron. Trong vu tru hin nay pozitron ch c tm thy trong cac phong th nghim nng lng cao, trong mt vai kiu phong xa va trong nhng hin tng thin vn cc manh nh cac tia vu tru va sao siu mi, nhng trong vu tru s khai, s lng pozitron ung bng s lng electron. Ngoai electron va pozitron luc o con co nhng loai neutrino, s lng cung gn bng nh vy, nhng hat ma mang khi lng va in tch bng khng. Cui cung, vu tru luc o cha y anh sang. Khng c xem xet anh sang tach ri vi cac hat. Thuyt lng t cho ta bit rng anh sang gm nhng hat khi lng bng khng, in tch bng khng, goi la photon. (Mi ln mt nguyn t trong dy toc bong en in chuyn t mt trang thai nng lng cao n mt trang thai nng lng thp hn th

BA PHUT U TIN 11


mt photon c phat ra). S photon c phat ra t mt bong in nhiu n ni chung dng nh la nhp vi nhau thanh mt lung anh sang lin tuc, nhng mt t bao quang in co th m tng photon mt. Mi photon mang mt lng nng lng va xung lng xac nh, phu thuc vao bc song anh sang. m ta anh sang a tran ngp vu tru s khai, chung ta co th noi rng s lng va nng lng trung bnh cua cac photon luc o xp x bng s lng va nng lng trung bnh cua cac electron, pozitron hoc neutrino.

Cac hat o - electron, pozitron, neutrino, photon - a c tao nn mt cach lin tuc t nng lng thun tuy va ri sau nhng khoanh khc tn tai lai b huy dit. Nh vy, s lng cua chung khng phai la a c nh ngay t u, ma thay vao o c c nh bng s cn bng- gia cac qua trnh sinh va huy. T s cn bng nay ta co th suy ra rng mt th xup (Chung ti dch cosmic soup la xup vu tru (mt mon hu ln vu tru) gi cach noi hom hnh cua tac gia (ND).) vu tru o nhit mt trm nghn triu , ln gp khoang bn nghn triu ln mt cua nc. Luc o cung co pha mt s t hat nng hn, cac proton va neutron, ma trong th gii hin nay la nhng thanh phn cua cac hat nhn nguyn t. (Proton mang in tch dng, neutron nng hn mt t va trung hoa v in). Ty l luc o vao khoang mt proton va mt neutron trn mi nghn triu electron hoc pozitron hoc neutrino hoc photon. Con s o - mt nghn triu photon trn mi hat nhn - la con s quyt nh cn phai rut ra t quan sat tao ra m hnh chun cua vu tru. S phat hin ra phng bc xa vu tru c thao lun chng III thc ra la mt phep o con s o.

Khi vu n tip tuc th nhit ha xung ti ba mi nghn triu (3. 10 mu 10) C sau khoang mt phn mi giy; mi nghn triu sau mt giy va ba nghn triu sau 14 giy. Nh vy u lanh electron va pozitron bt u b huy vi nhau nhanh hn la co th c tai sinh t photon va neutrino. Nng lng c giai phong trong s huy vt cht tam thi lam giam tc lanh dn cua vu tru, nhng nhit tip tuc giam, cui cung i n mt

Steven Weinberg 12


nghn triu sau ba phut u tin. Luc o u lanh photon va neutron bt u tao thanh cac hat nhn phc tap, bt u la hat nhn cua hydro nng (hay teri) no gm mt proton va mt neutron. Mt luc o hay con kha cao (hi nho hn mt cua nc), cho nn cac hat nhn nhe o co th hp lai vi nhau mt cach nhanh chong thanh hat nhn nhe bn nht, hat nhn cua heli, gm hai photon va hai neutron.

Sau ba phut u tin, vu tru gm chu yu anh sang, neutrino va phan neutrino. Luc o vn con chut t cht hat nhn, gm co khoang 73 % hydro va 27 % heli va mt s, cung t nh vy, electron con lai t qua trnh huy electron va pozitron. Vt cht o tip tuc ri xa nhau, cang ngay cang lanh hn, loang hn. Mai lu sau, sau mt vai trm nghn nm mi bt u u lanh cho electron kt hp vi hat nhn thanh nguyn t hydro va heli. Cht kh c hnh thanh se bt u, di anh hng cua lc hp dn, tao nn nhng khi kt ma sau nay se ngng tu lai, tao ra cac thin ha va cac ngi sao cua vu tru hin nay. Tuy nhin, nhng thanh phn ma cac ngi sao dung bt u i sng cua chung cung ch la nhng thanh phn c tao ra trong ba phut u tin.

M hnh chun c phac hoa ra trn y khng phai la

thuyt thoa man nht ma ta co th tng tng c v ngun gc vu tru. Cung nh trong sach Edda tre co mt s m h ang lo ngai v chnh luc bt u, v phn giy u tin - hoc hn kem mt t.

Ngoai ra vic cn quy nh cac iu kin ban u, c bit ty l mt nghn triu photon trn mt hat nhn cung khng c t nhin lm. Chung ta thch mt s thuyt trnh co lgic cht che hn.

V du mt thuyt khac co ve hp dn v mt trit hoc hn nhiu, la m hnh trang thai dng. Trong thuyt c Herman Bondi, Thomas Gold (di mt dang hi khac) va Fred Hoyle a ra trong nhng nm cui cua thp nin 40 nay, vu tru a lun lun tn tai nh hin nay. Khi no gian ra, vt cht mi c tao

BA PHUT U TIN 13


thanh mt cach lin tuc lp cac khoang trng gia cac thin ha. Co th la moi cu hoi v vic tai sao vu tru la nh th nay co th c giai ap trong thuyt nay bng cach ch ra rng no nh th o v y la cach duy nht no lun lun la khng i. Vn vu tru s khai b loai tr: khng co vu tru s khai .

Vy th tai sao chung ta lai i n m hnh chun? Va tai sao no a thay th cac thuyt khac nh m hnh trang thai dng? y la mt im ang khm phuc v tnh khach quan cua vt ly thin vn hin ai, rng s nht tr a at c nay khng phai do nhng s thay i thin v trit hoc hoc do anh hng cua nhng ng quan cua vt ly thin vn ma la do ap lc cua nhng s liu thc nghim.

Hai chng tip theo y se m ta hai s kin ln ma cac quan sat thin vn a cung cp, chung a dn ta n m hnh chun - cac phat hin v s lui xa cua cac thin ha xa xm va v mt phng bc xa yu cha y trong vu tru. y la mt cu chuyn phong phu cho cac nha nghin cu lch s khoa hoc, no cha y nhng bc i ban u sai lch, nhng dp may a b bo l, nhng nh kin ly thuyt va vai tro cua nhng nhn vt quan trong.

Sau s trnh bay s lc o v vu tru hoc quan sat, ti se c gng sp xp cac s liu lai vi nhau co mt bc tranh nht quan v cac iu kin vt ly trong vu tru s khai. Nh vy ta co th quay lai ba phut u tin vi nhiu chi tit hn. Cach trnh bay theo ngh thut in anh co ve thch hp: canh nay tip theo canh khac, chung ta se quan sat vu tru gian n va lanh dn. Chung ta cung co th th nhn mt chut vao mt thi ai ma hin nay vn bao phu bi mt bc man b mt - cai phn trm giy u tin va cai g a xay ra trc o.

Chung ta co th hoan toan tin chc vao m hnh chun khng? Nhng phat hin mi nao o co th anh no va thay bng mt thuyt ngun gc vu tru khac nao o, k ca lam sng lai m hnh trang thai dng hay khng? Cung co th. Ti khng

Steven Weinberg 14


th chi rng ti co mt cam giac khng tht khi vit v ba phut u tin, nh th la ti a bit chc v cu chuyn ti mun noi.

Tuy nhin, du phai b thay th, m hnh chun se c coi la a ong mt vai tro co gia tr ln trong lch s cua vu tru hoc. Hin nay ngi ta a coi trong (tuy rng mi ch mi nm gn y thi) vic th nghim cac y tng ly thuyt trong vt ly hoc vt ly thin vn bng cach rut ra cac h qua cua chung theo m hnh chun. Hin nay ngi ta thng dung m hnh chun nh mt c s ly thuyt bin h cho nhng chng trnh quan sat thin vn. Nh vy, m hnh chun cho mt ngn ng chung cn thit, cho phep cac nha ly thuyt va quan sat anh gia c cng vic cua nhau. Nu mt ngay nao o m hnh chun b thay th bi mt ly thuyt tt hn, o co th la do nhng quan sat hay xut phat t m hnh chun.

Trong chng cui, ti se noi mt oan ngn v tng lai vu tru. No co th gian n mai mai, ngay cang lanh hn, trng rng hn va cht hn. Ngc lai, no co th co hep lai, lam cho cac thin ha, cac ngi sao va hat nhn nguyn t n tung va tr v cac hp phn cua no. Tt ca cac vn chung ta gp khi chung ta mun hiu ba phut luc o se xut hin tr lai khi ta mun tin oan cac s kin se xay ra trong ba phut cui.

BA PHUT U TIN 15


S DAN N CUA VU TRU

Nhn vao bu tri ban m, ta co cam giac manh me v mt

vu tru khng bin ng. Thc ra, nhng am my bay qua mt trng, bu tri xoay quanh sao Bc u va sau nhng khoang thi gian dai hn th mt trng cung khi tron khi khuyt, va mt trng cung nh cac hanh tinh u chuyn ng trn phng cac v sao. Nhng chung ta bit y ch la hin tng cuc b, do cac chuyn ng trong thai dng h cua chung ta gy ra. Ngoai cac hanh tinh ra, cac ngi sao dng nh ng yn.

C nhin, sao cung chuyn ng vi nhng tc at vai trm kilmet mi giy, nh vy trong mt nm, mt ngi sao chuyn ng nhanh co th i mi nghn triu kilmet. y la mt khoang mt nghn ln nho hn khoang cach n nhng ngi sao du la gn nht, cho nn v tr biu kin cua chung trn bu tri thay i rt chm. (V du ngi sao chuyn ng tng i nhanh, goi la Barnard cach ta mt khoang chng 56 triu triu kilmet. No chuyn ng qua ng nhn vi tc 89 km/s hoc 2,8 nghn triu kilmet mi nm, kt qua la v tr biu kin cua no thay i mt goc bng 0,0029 trong mt nm). Cac nha thin vn goi s thay i v tr biu kin cua nhng ngi sao gn trn bu tri la chuyn ng ring.

V tr biu kin trn bu tri cua nhng ngi sao xa hn thay i chm n mc chuyn ng ring cua chung khng th phat hin c thm ch bng s quan sat kin nhn nht. y chung ta se thy rng cai cam giac khng bin ng nay la sai lm. Cac quan sat ma chung ta thao lun trong chng nay cho thy la vu tru trong mt trang thai n d di, trong o cac ao sao ln goi la cac thin ha ang ri xa nhau vi nhng tc gn bng tc anh sang. Sau nay chung ta co th ngoai suy s n o lui v thi

Steven Weinberg 16


gian kt lun rng tt ca cac thin ha chc a phai gn nhau hn nhiu cung mt luc trong qua kh - gn nhau n mc ma thc ra khng co thin ha nao hoc v sao nao hoc k ca nguyn t hay hat nhn nguyn t nao co th tn tai ring bit. o la ky nguyn ma chung ta goi la vu tru s khai, i tng nghin cu cua cun sach nay.

S hiu bit cua chung ta v s gian n cua vu tru hoan toan da trn s kin la cac nha thin vn co kha nng o chuyn ng cua mt vt th sang theo hng trc tip doc theo ng nhn chnh xac hn rt nhiu so vi khi o chuyn ng o theo nhng hng vung goc vi ng nhn. Ky thut o dung mt tnh cht quen thuc cua moi chuyn ng song, goi la hiu ng Doppler. Khi ta quan sat mt song m hoc song anh sang t mt ngun bt ng, thi gian gia cac nh song khi chung n c thit b quan sat cua ta cung ung la thi gian gia cac nh song khi chung ri khoi ngun. Mt khac, nu ngun chuyn ng tach khoi chung ta th thi gian gia cac ln ti cua nhng nh song lin tip ln hn thi gian gia nhng luc chung ri khoi ngun, v mi nh sau khi ti ch ta phai i mt quang ng dai hn mt chut so vi nh trc. Thi gian gia cac nh chnh bng bc song chia cho tc cua song, nh vy mt song phat ra bi mt ngun chuyn ng ra xa khoi ta se hnh nh co mt bc song dai hn so vi khi ngun ng yn. (Cu th tng ty i cua bc song bng t s gia tc ngun song va tc cua song, nh c ch ra trong chu thch toan hoc 1). Cung nh vy, nu ngun chuyn ng v pha ta, thi gian gia nhng ln xut hin cua hai nh song giam i bi v mi nh song k tip i mt quang ng ngn hn va song hnh nh co mt bc song ngn hn. iu nay ging nh th mt ngi ban hang lu ng mun gi th v nha mt cach u n, mi tun mt ln sut trong chuyn i cua mnh: khi ngi o i xa nha, mi th tip sau se phai i mt khoang cach xa hn th trc, cho nn cac bc th cua ngi o se n cach nhau hn mt tun; trn ng tr v, mi th tip sau se i mt khoang cach ngn hn nn cac bc th n cach nhau cha y mt tun.

BA PHUT U TIN 17


Hin nay rt d quan sat hiu ng Doppler trn song m. Ch cn ng bn ng cai va nhn xet rng ng c cua mt xe t chay nhanh phat ra m thanh cao hn (ngha la co bc song ngn hn) khi chic t lao v pha ta so vi khi chic t chay khoi ta. Hiu ng nay c Johann Christian Doppler, giao s toan hoc trng Realschule Praha nu ra ln u tin cho ca song m va song anh sang nm 1842. Hiu ng Doppler cho song m c nha kh tng hoc Ha Lan Buys - Ballot th nghim trong mt th nghim hp dn vao nm 1845 - ng dung mt dan nhac ken t trn mt toa xe la mui trn phong nhanh qua vung nng thn Ha Lan gn Utrecht lam ngun m thanh di ng. Doppler cho rng hiu ng cua ng co th ct ngha mau sc khac nhau cua cac v sao. Anh sang cua cac v sao chuyn ng ri xa qua t phai dch chuyn v pha nhng bc song dai hn, va do anh sang o co bc song dai hn bc song trung bnh cua anh sang thy c, nn mt ngi sao nh vy se hin ra o hn bnh thng. Cung nh vy, anh sang t cac v sao chuyn ng v pha qua t se dch chuyn v pha bc song ngn hn, do o v sao c nhn xanh hn bnh thng.

Khng lu sau o Buys - Ballot va mt s ngi khac a ch ra rng hiu ng Doppler v cn ban khng dnh lu g n mau sc mt ngi sao - ung la anh sang xanh t mt ngi sao i xa qua t b dch v pha o, nhng ng thi mt phn cua anh sang t ngoai, thng khng thy c cua v sao, lai dch chuyn v pha xanh cua ph thy c, do o mau sc toan b khng thay i. Cac sao co mau sc khac nhau chu yu v chung co b mt nhit khac nhau.

Tuy nhin, hiu ng Doppler bt u co mt tm quan trong to ln trong thin vn hoc vao nm 1868, khi no c ap dung cho vic nghin cu nhng vach ph ca bit. Nhiu nm trc o nha quang hoc Joseph Frauenhofer Muynkhen a phat hin ra, trong nhng nm t 1814 n 1815, rng khi anh sang mt tri i qua mt khe hep va sau o i qua mt lng knh thuy tinh th ph mau sc hin ra co hang trm vach ti, mi vach u la hnh anh cai khe hep. (Mt vai vach nay a c William Hyde Wollaston nhn

Steven Weinberg 18


thy trc y na kia, nm 1802, nhng luc o khng c nghin cu ky lng). Cac vach ti lun lun c thy tai cac mu sc c nh. Nhng vach ph ti nay cung c Frauenhofer tm thy nhng v tr nh vy trn quang ph cua mt trng va cac sao sang hn. Ngi ta hiu kha sm rng nhng vach ti nay c tao ra bi s hp thu chon loc anh sang co nhng bc song xac nh nao o, khi anh sang i t b mt nong cua mt v sao qua kh quyn bn ngoai lanh hn cua no. Mi mt vach la do s hp thu anh sang cua mt nguyn t hoa hoc xac nh, nh vy ngi ta co th bit rng cac nguyn t trn mt tri nh natri, st, magie, canxi va crom cung la nhng nguyn t tm thy trn qua t. (Hin nay chung ta bit rng bc song cua cac vach ti ung la nhng bc song ma mt photon co bc song o se co ung nng lng u nng nguyn t t trang thai nng lng thp nht ln mt trong nhng trang thai kch thch cua no).

Nm 1868 William Huggins a co th ch ra rng cac vach ti trn ph cua mt vai v sao sang choi hn hi dch chuyn v pha o hoc pha xanh so vi v tr bnh thng cua chung trn ph cua mt tri. ng a giai thch ung n s kin nay nh s dch chuyn Doppler do s chuyn ng cua v sao ra xa khoi qua t hoc v pha qua t gy ra. V du, bc song cua mi vach ti trn ph cua sao Capella dai hn bc song cua vach ti tng ng trn ph mt tri 0,01 %. S dch chuyn v pha o nay chng to Capella ang ri xa ta vi mt tc bng 0, 01 % tc anh sang hoc 30 kilmet mi giy. Hiu ng Doppler c ap dung trong nhng thp nin sau o kham pha vn tc cua nhng tai la cua mt tri, cua cac sao i va cua cac vach sao Th.

Phep o cac vn tc bng quan sat cac dch chuyn Doppler la mt ky thut rt chnh xac, bi v bc song cua cac vach ph co th o c vi mt chnh xac cao; tm nhng bc song cho trong cac bang s vi tam con s co y ngha khng phai la chuyn him. Ngoai ra, ky thut nay vn gi c chnh xac du khoang cach ti ngun sang la bao nhiu, min la ngun u anh sang co th nhn ra cac vach ph trn bc xa cua bu tri ban m.

BA PHUT U TIN 19


Chnh nh s dung hiu ng Doppler ma ta bit nhng gia tr c trng cua vn tc cac sao a nhc n u chng nay. Hiu ng Doppler cung cho ta cach tm khoang cach n cac ngi sao gn; nu chung ta phong oan c mt chut g o v hng chuyn ng cua mt v sao, th dch chuyn Doppler cho ta vn tc cua no theo phng ngang cung nh theo phng doc ng nhn cua chung ta, do o vic o chuyn ng biu kin cua v sao ngang qua thin cu se cho ta hay no cach xa ta khoang bao nhiu. Nhng hiu ng Doppler ch bt u cho cac kt qua co tm quan trong v mt vu tru hoc khi cac nha thin vn bt u nghin cu ph cua nhng thin th xa hn cac v sao thy c rt nhiu. Ti se k mt t v vic kham pha ra cac thin th o, ri quay lai hiu ng Doppler.

Chung ta se bt u chng nay bng s nhn ngc ln bu

tri m. Thm vao mt trng, hanh tinh va cac v sao, con co hai loai thin th nhn c khac con quan trong hn v mt vu tru hoc ma ang le ti a phai nhc n.

Mt trong hai thin th nay d thy va sang n mc i khi con nhn thy c trn bu tri m sang cua mt thanh ph ban m. o la mt dai sang vn dai thanh mt vanh tron ln bao quanh bu tri va t nghn xa a c goi la Ngn ha. Nm 1750 nha ch dung cu ngi Anh Thomas Wright cho ra mt cun sach xut sc, Thuyt ngun gc hay Gia thuyt mi v vu tru, trong o ng gi y rng cac v sao nm trong mt phin det, phin a mai, co b day hu han, nhng vn ra rt xa theo moi hng cua b mt phin. H mt tri nm trong phin det nay, cho nn t nhin khi ta nhn t qua t doc theo mt phng phin ta thy sang hn khi nhn theo bt ky hng nao khac. y la cai ta goi la Ngn ha.

Thuyt cua Wright a c xac nhn t lu. Hin nay ngi ta cho rng Ngn ha la mt cai a sao det co ng knh khoang tam mi nghn nm anh sang va chiu day vao khoang sau nghn nm anh sang. No cung co mt qung sao hnh cu vi ban knh gn mt trm nghn nm anh sang. Tng khi lng thng c

Steven Weinberg 20


c tnh khoang 100 nghn triu ln khi lng mt tri, nhng mt s nha thin vn cho rng qung sao m rng co th co khi lng ln hn nhiu. H mt tri cach tm cua a vao khoang ba mi nghn nm anh sang va hi dch v pha bc mt phng tm cua a. a quay, vi nhng tc at ti khoang 250 km/s va cha ra nhng nhanh xon c khng l. ai th, nu ra co th nhn t ngoai vao th o se la mt quang canh v ai! Toan b h thng nay hin nay thng c goi la Thin ha hoc, vi mt cach nhn rng hn, thin ha cua chung ta.

Mt net khac cua bu tri ban m, ang quan tm v mt vu tru hoc, kem ro rang hn nhiu so vi ngn ha. Trong chom sao Andromeda (Tin n) co mt m m khng d thy lm nhng cung nhn thy ro trong m ep tri nu ta bit cn tm no ch nao. Tai liu nhc n no u tin co th la s ghi chep v no trong Sach v cac v sao c nh, do nha thin vn Ba T Abdurrahman Al - Sufi vit nm 964 trc Cng nguyn. ng a m ta m ta no nh mt am my nho. Sau khi co cac knh thin vn, ngi ta a kham pha ra cang ngay cang nhiu nhng thin th rng ln nh vy va cac nha thin vn cac th ky 17 va 18 a thy cac thin th o trong khi i tm nhng thin th ma ho cho la thc s hp dn, la cac sao chi. co mt danh muc tin li v cac thin th khng phai quan sat n khi tm sao chi, nm 1781 Charles Messier a xut ban mt catal ni ting, cac linh vn va cac chum sao. Cho n nay cac nha thin vn vn con nhc n 103 thin th trong catal o theo cac s hiu Messier cua chung - th du tinh vn Tin n la M31, tinh vn con Cua (Crab) la M1, v.v...

Ngay thi Messier, ngi ta a ro rng cac thin th rng ln o khng phai la nh nhau. Vai cai ro rang la nhng chum sao nh Nhom tht tinh (M45). Nhng cai khac la nhng am my kh phat sang hnh thu khng u n, thng co mu sc, va thng lin kt vi mt hoc vai v sao, nh ai tinh vn trong chom Thn nng (M42). Ngay nay chung ta bit rng nhng vt th thuc ca hai loai o u trong thin ha cua chung ta, va chung ta khng cn y n chung nhiu hn na y. Tuy

BA PHUT U TIN 21


nhin khoang mt phn ba cac vt th trong catal cua Messier la nhng tinh vn trng co dang elip kha u n, trong o cai ni nht la tinh vn Tin n (M31). Khi cac knh thin vn c cai tin, thm hang nghn tinh vn a c phat hin va vao khoang cui th ky 19, nhiu nhanh xon c a c tm thy, k ca M31 va M33. Tuy nhin, nhng knh thin vn tt nht cua th ky 18 va 19 a khng th phn bit c nhng v sao ring le trong cac tinh vn hnh elip hoc xon c, va ban cht cua chung vn con cha ro.

Hnh nh Immanuel Kant la ngi u tin a cho rng mt s cac tinh vn nay la nhng thin ha nh thin ha cua chung ta. V c thuyt cua Wright v ngn ha, nm 1755 Kant a gia thit trong cun sach Lch s t nhin toan nng va thuyt v tri t cua ng rng cac tinh vn hoc, ung hn, mt loai tinh vn nao o thc ra la nhng a sao tron co dang va kch thc ging thin ha cua chung ta. Chung c nhn nh la co dang elip bi v a s chung c nhn nghing va c nhin la m nhat v chung qua xa.

Y tng v mt vu tru cha y nhng thin ha ging nh thin ha cua chung ta a c nhiu ngi du khng phai la tt ca cng nhn vao u th ky 19. Tuy nhin, con mt kha nng na la cac tinh vn elip va xon c nay co th ch la nhng am my trong thin ha cua chung ta nh nhiu vt th khac trong catal cua Messier. Mt nguyn nhn ln gy lm ln la s quan sat nhng ngi sao bung n trong mt vai tinh vn xon c. Nu cac tinh vn nay qua la cac thin ha c lp, va v chung qua xa nn ta khng phn bit ni nhng sao ring bit th cac vu n phai co mt sc n manh kinh khung cho chung con sang mt khoang cach xa nh vy. V iu nay, ti khng th khng trch dn mt oan vn th ky 19. Vit nm 1893, nha vit v lch s thin vn ngi Anh Agnes Mary Clerke a lu y rng:

Tinh vn ni ting Andromada (Tin n) va tinh vn xon c ln chom Canes Venatici la nhng tinh vn ang chu y hn trong nhng tinh vn cho mt ph lin tuc; va theo mt ty l chung, s phat quang cua moi tinh vn co dang dp nhng chom sao hin

Steven Weinberg 22


ln m m v qua xa, la thuc cung mt loai. Tuy nhin nu t o kt lun rng chung qua thc la nhng tp hp cua nhng vt th nh mt tri th qua la qua vi. Kt lun nay cang to ro thiu cn c do cac vu bung n hai v sao xay ra cach nhau mt phn t th ky. Bi v chc chn rng du tinh vn xa my i na th cac ngi sao cung cach xa chung ta nh vy; do o, nu nhng hat thanh phn cua tinh vn la nhng mt tri th nhng thin th v cung to ln ma o cai anh sang l m cua chung gn nh a tiu tan (ma chung ta thy), phai, nh ng Protor a ch ra, mt thang ln ma tr tng tng con ngi khng dam ngh n.

Hin nay chung ta bit rng nhng vu bung n sao o qua thc la mt thang ln ma tr tng tng con ngi khng dam ngh n. Chung la nhng sao siu mi, nhng vu n trong o mt ngi sao co trng gn bng ca mt thin ha. Nhng iu nay cung cha c bit n vao nm 1893.

Vn ban cht cac tinh vn xon c va elip khng th giai quyt c nu khng co mt phng phap ang tin cy xac nh khoang cach ti chung. Mt chun so sanh nh vy cui cung a c kham pha ra sau khi hoan thanh vic xy dng knh thin vn 100 ins (Ins: n v o chiu dai cua Anh bng 2,54 cm (ND).) trn nui Wilson gn Los Angeles. Nm 1928 Edwin Hubble ln u tin a co th phn giai c tinh vn tin n thanh nhng v sao ring le. ng thy rng nhng nhanh xon c cua no gm mt s t ngi sao sang i anh vi cung kiu bin thin tun toan trng nh thng thy i vi mt loai sao trong thin ha cua chung ta, goi la xepheit. Ly do v tm quan trong cua vic nay la ch vao khoang chuc nm v trc, cng trnh cua Henrietta Swan Leavitt va Harlow Shapley ai thin vn trng ai hoc Harvard a cho mt h thc cht che gia cac chu ky bin thin quan sat c cua cac xepheit vi cac trng tuyt i cua chung. ( trng tuyt i la nng lng phat ra toan phn ma mt thin th phat ra theo moi hng. trng biu kin la nng lng bc xa ma ta nhn c trn mi centimet vung mt knh thin vn cua chung ta. Chnh trng biu kin, ch khng phai trng tuyt i la cai quy nh choi chu quan cua cac thin

BA PHUT U TIN 23


th. C nhin trng biu kin phu thuc khng nhng vao trng tuyt i ma con vao khoang cach; nh vy, bit ca trng tuyt i va trng biu kin cua mt thin th, ta co th suy ra khoang cach cua no).

Hubble khi quan sat trng biu kin cua cac xepheit trong tinh vn Tin n, va c tnh trng tuyt i cua cac chu ky cua chung, a co th tnh ngay khoang cach ti tinh vn Tin n, bng cach dung quy tc n gian rng trng biu kin ty l vi trng tuyt i va ty l nghch vi bnh phng khoang cach. ng kt lun rng tinh vn Tin n cach ta 900.000 nm anh sang, hoc la mi ln xa hn khoang cach t trai t n vt th xa nht trong thin ha chung ta. Hin nay mt s tnh toan lai v h thc gia chu ky xpheit va trng do Walter Baade va nhng ngi khac tin hanh a tng khoang cach cua tinh vn Tin n n hn hai triu nm anh sang, nhng kt lun a ro rang vao nm 1923: tinh vn Tin n va hang nghn tinh vn tng t la nhng thin ha nh thin ha cua chung ta cha y vu tru ti nhng khoang cach rt xa theo moi pha.

Ngay trc khi ban cht ngoai thin ha cua cac tinh vn

c kt lun, cac nha thin vn a co kha nng ng nht cac vach trong ph cua chung vi nhng vach quen thuc trn cac ph nguyn t thng thng. Tuy nhin, trong thp nin 1910 - 1920, Vesto Melvin Slipher ai thin vn Lowell a kham pha ra rng cac vach ph cua nhiu tinh vn b dch chuyn nhe v pha o hoc v pha xanh. Cac dch chuyn nay a c giai thch ngay la do hiu ng Doppler, chung cho thy la cac tinh vn ang chuyn ng ri xa hoc tin gn n qua t. V du, tinh vn Tin n c kham pha ra la chuyn ng v pha qua t vi tc khoang 300 km/s, trong khi chum thin ha xa hn nm trong chom Tht n c coi la chuyn ng ri xa trai t vi tc khoang 1000 km/s.

Luc u tin ngi ta cho rng cac vn tc nay co th ch la nhng vn tc tng i, phan anh chuyn ng cua h mt tri

Steven Weinberg 24


cua chung ta v mt s thin ha nao o va ri xa mt s nao o khac. Tuy nhin, s giai thch nay a khng ng vng c khi ngay cang co nhiu dch chuyn vach ph ln hn c kham pha ra, tt ca u v pha o cua quang ph. Hu nh ngoai mt s t vt lang ging gn nh tinh vn Tin n, cac thin ha khac thng tan ra khoi thin ha cua chung ta. C nhin iu nay khng co ngha la cac thin ha cua chung ta co mt v tr trung tm c bit nao o. Ngc lai, hnh nh vu tru ang trai qua mt s bung n trong o mi mt thin ha u chay ra xa khoi thin ha khac.

Cach giai thch nay a c cng nhn mt cach ph bin sau nm 1929, khi Hubble bao tin la ng a kham pha rng cac dch chuyn o cua cac thin ha tng ln gn nh ty l vi khoang cach n chung ta. Tm quan trong cua s quan sat nay la ch no ung la cai ma ta co th oan trc c theo bc tranh n gian nht co th co c v mt s vn chuyn vt cht trong mt vu tru ang bung n.

Chung ta co th ch i mt cach trc giac rng bt c luc nao vu tru cung phai c nhn thy ging nhau bi nhng nha quan sat trong moi thin ha in hnh, va du ho nhn v hng nao. ( y va sau nay ti dung t in hnh ch cac thin ha khng co mt chuyn ng ring ln nao ma ch tham gia trong s tri giat vu tru chung cua moi thin ha). Gia thuyt nay t nhin n ni (t nht t thi Copernicus) no a c nha vt ly thin vn Anh Edward Arthur Milne goi la nguyn ly vu tru hoc.

Khi ap dung cho chnh cac thin ha, nguyn ly vu tru hoc oi hoi rng mt ngi quan sat trong mt thin ha in hnh phai thy tt ca cac thin ha khac chuyn ng vi mt gian vn tc nh nhau, bt k ngi quan sat trong thin ha in hnh nao. Co mt h qua toan hoc trc tip cua nguyn ly noi rng: vn tc tng i cua bt ky hai thin ha cung u phai ty l vi khoang cach gia chung ung nh Hubble a tm ra.

Mun thy ro iu nay ta hay xet ba thin ha in hnh A, B, C, nm trn mt ng thng (xem hnh 1). Gia thit rng khoang

BA PHUT U TIN 25


cach gia A va B bng khoang cach gia B va C. Du vn tc cua B nhn t A la bao nhiu i na, th nguyn ly vu tru hoc oi hoi rng C phai co vn tc nh vy so vi B. Nhng khi y lu y rng C xa A gp i so vi xa B, cung chuyn ng so vi A nhanh gp i so vi B. Chung ta co th thm nhiu thin ha vao chui cua chung ta song bao gi kt qua cung vn la vn tc lui xa cua mi thin ha so vi bt c thin ha nao khac u ty l vi khoang cach gia chung. Hnh 1. Tnh ng tnh va nh lut Hubble. Ta ve ra mt si dy trn o co cac thin ha cach xa nh nhau: Z, A, B, C ..., vi nhng vn tc o t A hoc B hoc C c ch ra bng dai va hng cua cac mui tn kem theo. Nguyn ly ng tnh oi hoi rng vn tc cua C nhn t B la bng vn tc cua B nhn t A. Cng hai vn tc o cho ta vn tc cua C nhn t A, c anh du bi mt mui tn dai gp i. Tip tuc theo cach nay, chung ta co th in kn toan b gian vn tc nh trn. Nh ta co th thy, vn tc tun theo nh lut Hubble; vn tc cua mt thin ha bt ky nhn t mt thin ha khac la ty l vi khoang cach gia chung. o la gian vn tc duy nht phu hp vi nguyn ly ng tnh.

Nh thng xay ra trong khoa hoc, lp lun o co th dung ca theo chiu thun ln chiu nghch. Hubble khi quan sat tnh ty l gia cac khoang cach gia cac thin ha va tc lui cua chung, a xac minh mt cach gian tip tnh ung n cua nguyn ly vu tru hoc. iu nay tht la ht sc thoa man v mt trit hoc - tai sao mt phn nao o cua vu tru hoc mt hng nao o lai khac mt phn khac hoc mt hng khac? iu nay cung giup ta yn tr rng cac nha thin vn qua la ang quan sat mt phn ang k co th thy ro c cua vu tru, ch khng phai mt ch xoay nho trong mt vung xoay bao la hn cua vu tru. Mt khac chung ta co th cho nguyn ly vu tru hoc la ung, da theo nhng ly le theo cach suy din, va suy ra h thc ty l gia khoang cach va vn tc nh a lam oan trn. Bng cach nay, nh phep o kha d cac dch chuyn Doppler, chung ta co th o khoang cach nhiu vt th rt xa t vn tc cua chung.

Nguyn ly vu tru hoc con co mt s ung h khac v mt quan sat ngoai vic o cac dch chuyn Doppler. Sau khi y y u n

Hnh 1. Tnh ng tnh v nh lut Hubble.

Steven Weinberg 26


nhng bin dang do thin ha cua chung ta va chum thin ha lng ly bn cach trong chom sao Tht n gy ra, vu tru co ve xem ra ng hng mt cach c bit; ngha la no co ve ging nh nhau theo moi hng. (iu nay lai c ch ro mt cach co sc thuyt phuc hn na bng phng bc xa cc ngn thao lun chng sau). Nhng ngay t thi Copernicus, chung ta a hoc c cach phai canh giac khi gia thit rng v tr cua loai ngi co im g c bit y trong vu tru. Vy nu vu tru la ng hng quanh ta th no phai ng hng theo moi thin ha in hnh. Tuy nhin, mi mt im cua vu tru co th c a n bt c mt im nao khac, bng mt chui phep quay quanh nhng tm c nh (xem hnh 2), cho nn nu vu tru la ng hng quanh bt c im nao, th no buc phai la ng tnh.

Hnh 2. Tnh ng hng va tnh ng tnh. Nu vu tru la ng hng tai ca hai thin ha 1 va 2, th no la ng tnh. ch ro rng cac iu kin tai hai im A va B tuy y la nh nhau, ta ve mt ng tron i qua A quanh thin ha 1, mt ng tron khac i qua B quanh thin ha 2. Tnh ng hng quanh thin ha 1 oi hoi rng cac iu kin phai la nh nhau A va C, giao im cua hai vong tron. Cung vy, tnh ng hng quanh thin ha 2 oi hoi iu kin phai nh nhau B va C. Do o, chung phai nh nhau A va B.

Trc khi i xa hn, ta phai xem xet mt s han ch cua nguyn ly vu tru hoc. Th nht, ro rang no khng ung nhng quy m nho - chung ta trong mt thin ha thuc v mt nhom a phng nho cac thin ha khac (trong o co M31 va M33), nhom nay lai gn mt chum thin ha rt ln trong chom sao Tht n. Thc ra, trong s 33 thin ha ghi trong catal Messier th gn mt na trong mt phn nho cua bu tri, chom tht n. Nguyn ly vu tru hoc nu qua tht la ung th ch co tac dung khi chung ta nhn vu tru quy m t nht rng bng khoang cach gia cac chum thin ha, ngha la vao khoang mt trm triu nm anh sang.

Con co mt han ch khac. Khi dung nguyn ly vu tru hoc suy ra h thc ty l gia vn tc va khoang cach gia cac thin ha,

Hnh 2. Tnh ng hng v tnh ng tnh.

BA PHUT U TIN 27


chung ta a gia thit rng nu vn tc C i vi B bng vn tc B i vi A th khi o vn tc C i vi A ln hn hai ln. o chnh la nh lut cng vn tc thng thng ma mi chung ta u bit, va chc chn nh lut nay ung vi cac vn tc tng i nho thng gp thy trong i sng hang ngay. Tuy nhin, nh lut nay a b pha san i vi nhng vn tc tin gn ti vn tc anh sang (300.000km/s) bi v nu khng th cng mt s vn tc tng i, chung ta co th i n mt vn tc tng hp ln hn vn tc anh sang ma iu nay theo thuyt tng i hep cua Einstein la khng th xay ra. Chng han, phep cng vn tc thng thng noi rng khi mt hanh khach trn mt may bay ang chuyn ng vi tc ba phn t vn tc anh sang bn v pha trc mt vin an vi mt vn tc bng ba phn t vn tc anh sang th khi o vn tc tng i cua vin an so vi mt t la 1,5 vn tc anh sang; iu nay khng th xay ra. Thuyt tng i hep tranh vn o bng cach thay i quy lut cng vn tc: vn tc cua C so vi A thc ra nho hn mt chut so vi tng vn tc B i vi A va C i vi B, nh vy du co cng bao nhiu ln vn tc nho hn vn tc anh sang, chung ta cung se khng bao gi thu c vn tc ln hn vn tc anh sang.

iu nay a khng phai la mt vn i vi Hubble, va nm 1929, khng mt thin ha nao ma ng nghin cu bt ky ch nao lai co vn tc gn bng vn tc anh sang. Du sao, khi cac nha vu tru hoc suy ngh v nhng khoang cach thc ln c trng cho vu tru xet v toan b, ho phai lam vic trong mt khung ly thuyt co th giai quyt c nhng vn tc xp x vn tc anh sang, ngha la cac thuyt tng i rng va hep cua Einstein. D nhin khi ta ban v nhng khoang cach ln nh vy, th ngay quan nim v khoang cach cung m h, va ta phai noi ro la ta mun khoang cach c o bng quan sat trng, hoc ng knh, hoc chuyn ng ring hoc bng mt cach khac nao o.

By gi ta hay tr lai nm 1929: Hubble a c tnh khoang

cach n mi tam thin ha t trng biu kin cua nhng ngi sao sang nht cua chung, va so sanh cac khoang cach o vi vn

Steven Weinberg 28


tc tng ng cua cac thin ha c xac nh bng ph hoc t nhng dch chuyn Doppler cua chung. ng a kt lun rng co mt h thc gn nh tuyn tnh (ngha la s ty l thun) gia vn tc va khoang cach. Thc ra nhn vao cac s liu cua Hubble ti kha lng l va t hoi lam sao ng co th i n mt kt lun nh vy - cac vn tc thin ha gn nh khng co lin h vi khoang cach cua chung, ch co mt xu hng nhe cua vn tc la tng theo khoang cach. Thc ra chung ta khng th trng i mt h thc ty l ro rang nao gia vn tc va khoang cach i vi mi tam thin ha o - tt ca chung u qua gn, khng co cai nao xa hn chum Tht n. Tht la kho tranh kt lun rng, da trn hoc la cac ly do n gian c phac hoa trn y hoc la nhng phat trin ly thuyt co lin quan se c thao lun di y, Hubble a bit trc li giai ma ng cn tm.

Du sao i na, vao nm 1931, chng c a tr nn ro hn nhiu, va Hubble a co th kim tra tnh ty l gia vn tc va khoang cach cho nhng thin ha co vn tc ln n 20 000 km/s. Vi nhng c tnh khoang cach co c luc o, kt lun la vn tc tng vao khoang 170 km/s ng vi mi khoang cach mt triu nm anh sang; nh vy, vn tc 20.000 km/ s co ngha la khoang cach la 120 triu nm anh sang. Con s o tc tng vn tc trn khoang cach, thng c goi la hng s Hubble. (No la mt hng s vi ngha s ty l gia vn tc va khoang cach khng thay i cho tt ca cac thin ha mt thi im a cho, nhng nh chung ta se thy, hng s Hubble thay i theo thi gian khi vu tru tin hoa).

Vao nm 1936, trong khi lam vic vi nha quang ph hoc Milton Humason, Hubble a co th o khoang cach va vn tc cua chum thin ha Gu ln II. ng ta tm ra rng no lui xa ta vi vn tc 42.000 km/s (14 % vn tc anh sang). Khoang cach luc o c khoang 260 triu nm anh sang, la gii han cua ai thin vn trn nui Wilson, va cng vic cua Hubble phai ngng lai. Sau chin tranh, vi s ra i cua nhng knh thin vn ln hn Palomar va nui Hamilton, chng trnh cua Hubble lai c nhng nha

BA PHUT U TIN 29


thin vn khac (nht la Allan Sandage Palomar va nui Wilson) tip tuc va con tip tuc cho n by gi.

Kt lun c rut ra mt cach tng quat sau na th ky quan sat nay la, cac thin ha ang lui xa khoi chung ta vi nhng vn tc ty l vi khoang cach t nht i vi nhng vn tc khng qua gn vn tc anh sang. C nhin nh a noi ro trong khi thao lun nguyn ly vu tru hoc, vic nay khng co ngha rng chung ta ang mt v tr c u ai c bit, hoc khng c u ai, nao o trong vu tru; moi cp thin ha u tach xa nhau vi mt vn tc tng i ty l vi khoang cach gia chung. S sa i quan trong nht cua cac kt lun u tin cua Hubble la xet lai thang khoang cach ngoai thin ha: mt phn nh la kt qua s tnh lai h thc chu ky - trng cua cac xphit cua Leavitt - Shapley ma Walter Baade va nhng ngi khac a tin hanh, khoang cach n cac thin ha xa xm by gi c c lng khoang mi ln ln hn so vi thi Hubble. Nh vy, hng s Hubble by gi c xem ch la vao khoang 15 kilmet mi giy mi triu nm anh sang.

Tt ca nhng cai o noi g v ngun gc cua vu tru? Nu cac thin ha ang tach xa nhau th a co mt luc nao o chung gn nhau hn. Noi ro ra, nu vn tc cua chung la hng s, th thi gian cn cho mi cp thin ha at khoang cach hin nay gia chung ung bng khoang cach hin nay gia chung chia cho vn tc tng i cua chung. Nhng vi vn tc ty l vi khoang cach hin nay gia chung th thi gian o la nh nhau vi moi cp thin ha - mt luc nao o trong qua kh, tt ca chung a phai sat nhau hn! Nu hng s Hubble bng 15 kilmet mi giy mi triu nm anh sang th thi gian t luc cac thin ha bt u tach ri nhau phai la mt triu nm anh sang chia cho 15 km/s hoc 20 nghn triu nm. Chung ta se noi v tui tnh theo kiu nay nh la thi gian gian n c trng; no ch la s nghch ao cua hng s Hubble. Tui tht cua vu tru thc ra la t hn thi gian gian n c trng bi v, nh chung ta se thy, cac thin ha chuyn ng vi vn tc khng phai hng s, ma i chm lai di anh hng cua lc hp dn tng h gia chung. V vy, nu hng s Hubble

Steven Weinberg 30


la mi lm kilmet mi giy mi triu nm anh sang th tui cua vu tru phai t hn 20 nghn triu nm.

i khi chung ta tom tt tt ca nhng iu o bng cach noi vn tt rng kch thc vu tru ang tng ln. Vic nay khng co ngha la vu tru buc phai co kch thc hu han du rng no cung co th co. Ta dung cach noi nay v bt c luc nao o, khoang cach gia bt ky cp thin ha in hnh nao cung tng ln theo mt ty s nh nhau. Trong bt ky mt khoang thi gian u ngn nao cho vn tc cac thin ha co th coi la hng s, tng khoang cach gia mt cp thin ha in hnh se c tnh bng tch cua vn tc tng i cua chung vi thi gian tri qua, hoc dung nh lut Hubble, bng tch cua hng s Hubble, khoang cach va thi gian. Nhng luc o ty s gia tng khoang cach va ban thn khoang cach se c tnh bng hng s Hubble nhn vi thi gian tri qua, no la nh nhau vi moi cp thin ha. V du, sau mt khoang thi gian vao mt phn trm thi gian gian n c trng (s nghch ao cua hng s Hubble), khoang cach cua moi cp thin ha in hnh se tng ln mt phn trm. Luc o ta co th noi mt cach th thin rng kch thc vu tru a tng mt phn trm.

Ti khng mun gy cam tng rng moi ngi u nht tr vi cach giai thch nay v s dch chuyn o. Thc ra chung ta khng quan sat cac thin ha ri nhanh khoi chung ta; tt ca nhng g ma chung ta co th thy chc chn la cac vach trn ph cua chung b dch chuyn v pha o, tc la v pha bc song dai hn. Co nhng nha thin vn li lac nghi ng rng cac dch chuyn o khng co lin h g vi dch chuyn Doppler hoc vi s gian n cua vu tru. Halton Arp cac phong th nghim Hale, a nhn manh n s tn tai cua nhng nhom thin ha trn bu tri, trong o vai thin ha co nhng dch chuyn o rt khac vi nhng thin ha khac; nu nhng nhom o th hin nhng kt tu vt ly thc cua nhng thin ha ln cn th chung kho ma co th co nhng vn tc qua khac nhau. Ngoai ra, Maarten Schmidt nm 1963 a kham pha ra rng mt loai vt th b ngoai co dang cac sao lai co nhng dch chuyn ln v pha o, trong mt s trng hp trn 300 %! Nu cac vt chun sao (quasar) cung xa nh cac dch

BA PHUT U TIN 31


chuyn o cua chung cho thy th chung phai phat ra nhng lng nng lng khng l co th sang nh vy. Cui cung khng phai d xac nh h thc gia vn tc va khoang cach tht la ln.

Tuy nhin, co mt cach c lp khng nh rng cac thin ha ang tach xa nhau nh cac dch chuyn o cho thy. Nh ta a thy, cach giai thch v cac dch chuyn o o bao ham y ngha vu tru bt u gian n khoang gn 20 nghn triu nm trc y. Do o s khng nh nay co th ung nu ta tm c mt bng chng nao khac cho thy rng qua thc vu tru co tui vao c o. Thc ra co nhiu ly do tin rng thin ha cua chung ta vao khoang 10 n 15 nghn triu tui. Con s c lng o xut phat ca t nhiu ty i cua nhiu ng v phong xa trong qua t (c bit la cac ng v cua urani, urani - 235 va urani - 238) va ca t s tnh toan s tin hoa cua cac v sao. Chn chn khng co mt quan h trc tip nao gia tc phong xa hoc tc tin hoa cua cac v sao va s dch chuyn o cua cac thin ha xa xm, nh vy a co th tin rng tui vu tru suy t hng s Hubble co th thc s biu din mt s bt u ung n.

Lin quan n vic nay, co iu ang chu y v mt lch s nu nh lai rng trong nhng nm 1930 va 1940 hng s Hubble c tin la ln hn nhiu, khoang 170 kilmet mi giy mi triu nm anh sang. Theo lp lun trc cua ta, tui vu tru khi o phai la mt triu nm anh sang chia cho 170 kilmet mi giy, tc la khoang 2.000 triu nm, hoc con t hn na nu chung ta tnh n s ham do hp dn. Nhng ngi ta a bit ro v cac nghin cu v phong xa cua hun tc Rutherford rng qua t gia hn th nhiu; by gi ngi ta cho no vao khoang 4.600 triu tui! Qua t khng th gia hn vu tru cho nn cac nha thin vn buc phai nghi ng rng liu dch chuyn o co thc s noi c cho chung ta cai g v tui cua vu tru hay khng. Mt vai y tng vu tru hoc khn kheo nht trong nhng nm 1930 va 1940 nay sinh ra t nghch ly biu kin o, co th bao gm ca thuyt trang thai dng. Co th rng vic loai bo nghch ly v tui trn, bng cach tng thang khoang cach ngoai thin ha ln mi ln trong nhng

Steven Weinberg 32


nm 1950, a la iu kin tin quyt chu yu a n s xut hin vu tru hoc vu n ln nh mt ly thuyt chun.

Bc tranh vu tru ma ta a phac ra y la hnh anh mt

an ong thin ha ang la t. Cho n nay, i vi chung ta, anh sang mi ch ong vai tro s gia gia cac v sao mang thng tin v khoang cach va vn tc cua cac thin ha.

Tuy nhin, cac iu kin trong vu tru s khai rt khac by gi, nh chung ta se thy, luc o chnh anh sang a la thanh phn chu yu cua vu tru, va vt cht thng thng ch ong vai tro cua mt s nhim khng ang k. Cho nn se co ch sau nay cho ta nu ta khng nh lai xem ta a bit c cai g v dch chuyn o qua s din bin cua cac song anh sang trong vu tru gian n.

Hay xet mt song anh sang truyn gia hai thin ha in hnh. Khoang cach gia hai thin ha bng thi gian i cua anh sang nhn vi vn tc cua no, trong khi o tng cua khoang cach o trong thi gian anh sang i bng thi gian i cua anh sang nhn vi vn tc tng i cua cac thin ha. Khi tnh tng ty i cua khoang cach, ta chia tng khoang cach cho tr s trung bnh cua khoang cach trong qua trnh tng, va chung ta thy rng thi gian i cua anh sang b trit tiu: tng ty i cua khoang cach gia hai thin ha o (va t o gia bt c nhng thin ha in hnh nao) trong luc anh sang i ung la ty s cua vn tc tng i cua cac thin ha va vn tc anh sang. Nhng nh ta a thy trc y cung ty s o cho tng tuyt i cua bc song anh sang khi no lan truyn. Nh vy, bc song cua moi tia sang u tng ty l vi khoang cach gia cac thin ha in hnh trong qua trnh vu tru gian n. Chung ta co th ngh rng cac nh song nh b keo cang ngay cang xa nhau ra do s gian n cua vu tru. Du rng lp lun cua chung ta ch thc co hiu lc i vi nhng khoang thi gian truyn ngn, song bng cach ghep lin vi nhau mt loat cac khoang nh vy ta co th kt lun rng no cung ung noi chung. V du, khi chung ta nhn thin ha 3C 295, va thy rng cac bc song trong ph cua no ln hn cac bc song trong cac

BA PHUT U TIN 33


bang chun cua ta v bc song cua ph la 46 %, ta co th kt lun rng vu tru hin nay ln hn so vi khi anh sang ri khoi 3 C 295 la 46 %.

Cho n y ta ch noi n nhng chuyn ma cac nha vt ly goi la nhng vn ng hoc, co lin quan n s m ta chuyn ng ma khng xet cac lc chi phi no. Tuy nhin, trong nhiu th ky, cac nha vt ly va thin vn cung a th tm hiu ng lc hoc cua vu tru. iu nay khng tranh khoi dn n vic nghin cu vai tro vu tru hoc cua lc duy nht tac ng gia cac thin th la lc hp dn.

Nh co th ch i, Isaac Newton la ngi u tin a suy ngh v vn nay. Trong mt cuc trao i th t ni ting vi mt hoc gia c in Cambridge la Richard Bentley, Newton cng nhn rng nu vt cht cua vu tru phn phi u n trong mt vung hu han th no rt co xu hng ri vao tm, va hp thanh mt khi cu ln o. Mt khac, nu vt cht c rai u trong mt khoang khng v han, th se khng co tm nao cho no ri vao y. Trong trng hp o no co th kt lai thanh mt s v han cac khi vt cht, rai rac khp vu tru; Newton gi y rng y rt co th la ngun gc cua mt tri va cac v sao.

Vic kho nghin cu ng lc hoc cua mt mi trng v han a lam t lit kha manh nhng tin b sau o cho n khi thuyt tng i rng ra i, va du sao no cung khng quan trong lm i vi vu tru hoc nh ngi ta tng luc u. Ch cn noi rng Einstein dung ly thuyt toan hoc a co v hnh hoc phi Euclide giai thch hp dn nh mt hiu ng v s cong cua khng gian va thi gian. Nm 1917, mt nm sau khi hoan thanh thuyt tng i rng, Einstein a c gng tm li giai cho mt phng trnh cua ng, co th din ta hnh hoc khng - thi gian toan vu tru. Suy ngh theo cac y nim vu tru hoc ang ph bin luc o, Einstein c bit tm mt li giai nao co th ng tnh, ng hng, va tic thay lai tnh. Tuy nhin, khng th tm ra mt li giai nao nh vy. vach ra mt m hnh khp vi cac tin vu tru hoc o, Einstein a buc phai lam phng hai n cac phng trnh cua ng, bng cach a vao mt s hang, goi la hng s vu tru hoc, a lam cho

Steven Weinberg 34


thuyt nguyn thuy ep e tr nn xu i, nhng phai dung cn bng lc hp dn nhng khoang cach ln.

M hnh cua Einstein qua thc la tnh va khng tin oan cac dch chuyn o. Cung trong nm o, 1917, mt li giai khac cua thuyt c sa i cua Einstein a c nha thin vn Ha Lan E. de Sitter tm ra. Du rng li giai nay co ve tnh, va nh vy co th cng nhn c theo cac y tng vu tru hoc luc o, no co tnh cht ang chu y la tin oan mt s dch chuyn o ty l vi khoang cach! S tn tai cua nhng dch chuyn o ln cua cac tinh vn luc o cha c cac nha thin vn chu u bit n. Tuy nhin, vao khoang cui chin tranh th gii ln th nht, nhng tin tc v s quan sat c nhng dch chuyn o ln a truyn t My sang chu u, va m hnh cua de Sitter lp tc tr thanh ni ting. Thc ra nm 1922 khi nha thin vn Anh Athur Eddington vit giao trnh toan din u tin v thuyt tng i rng, ng a phn tch cac s liu dch chuyn o hin co theo m hnh de Sitter. Ban thn Hubble noi rng chnh m hnh cua de Sitter a lam cho cac nha thin vn thy tm quan trong cua mt s phu thuc cua dch chuyn o vao khoang cach, va m hnh o co th a trong tr oc cua ng khi ng kham pha ra tnh ty l gia dch chuyn o vi khoang cach vao nm 1929.

Hin nay s nhn manh nh vy vao m hnh de Sitter hu nh khng thch hp. Mt mt no qua khng phai la mt m hnh tnh chut nao, no co le ch tnh do a cac toa khng gian vao mt cach c bit, nhng khoang cach gia nhng ngi quan sat in hnh trong m hnh thc s tng theo thi gian va chnh s lui xa nhau tng quat o a sinh ra s dch chuyn o. Ngoai ra ly do lam dch chuyn o tr thanh ty l vi khoang cach trong mt hnh de Sitter chnh la m hnh nay thoa man nguyn ly vu tru hoc, nhng nh ta a thy, ta ch i mt ty l gia vn tc tng i va khoang cach trong moi thuyt thoa man nguyn ly nay.

Du sao, vic phat hin s lui xa cua cac thin ha xa xm chng my chc lam ngi ta chu y n cac m hnh vu tru hoc ng tnh va ng hng nhng khng phai tnh. Khi o khng cn n hng s vu tru hoc trong cac phng trnh trng hp

BA PHUT U TIN 35


dn, va Einstein a to ra tic rng ng a tng a s thay i o vao cac phng trnh ban u cua ng. Nm 1922 li giai tng quat ng tnh va ng hng cua cac phng trnh ban u cua Einstein a c nha bac hoc Nga Alexandre Fridmann tm ra. Chnh cac m hnh Fridmann nay, cn c trn cac phng trnh trng ban u cua Einstein, ch khng phai cac m hnh de Sitter hoc Einstein a cung cp c s toan hoc cho a s nhng thuyt vu tru hoc hin ai.

Cac m hnh Fridmann thuc vao hai loai rt khac nhau. Nu mt trung bnh cua vt cht vu tru nho hn hoc bng mt gia tr ti han nao o, vu tru phai v han v khng gian. Trong trng hp nay, s n hin nay cua vu tru se tip din mai mai. Mt khac, nu mt cua vu tru ln hn gia tr ti han o, th khi o trng hp dn sinh ra bi vt cht lam cho vu tru cong ln trong ban thn no, no la hu han du rng khng co bin, nh b mt cua mt hnh cu. (Ngha la, nu chung ta bt u du hanh theo mt ng thng, ta se khng i n mt bin nao cua vu tru ma ch quay v ch xut phat). Trong trng hp nay cac trng hp dn rt u manh co th lam ngng s gian n cua vu tru, nh vy cung co th co luc no se n vao tr lai mt mt ln v han. Mt ti han ty l vi bnh phng cua hng s Hubble; vi tr s c chp nhn hin nay mt cach rng rai cua hng s o la 15 kilmet mi giy mi triu nm anh sang, mt ti han bng 5 x 10 mu m 30 gam mi centimet khi hoc khoang ba nguyn t hyr trong mi nghn lt khng gian.

Chuyn ng cua mt thin ha in hnh nao o trong cac m hnh Fridmann la ung nh chuyn ng cua mt hon a nem ln t mt t. Nu hon a c nem ln u manh hoc noi cach khac, nu khi lng qua t u nho, th hon a se i chm dn, nhng du sao cung thoat vao vu tru. iu nay ng vi trng hp mt vu tru thp hn mt ti han. Mt khac nu hon a c nem ln vi vn tc khng u ln th no se ln ti mt cao ti a ri ri xung. iu nay c nhin ng vi mt vu tru cao hn mt ti han.

Steven Weinberg 36


S tng t nay cho thy ro tai sao khng th tm c nhng li giai vu tru hoc tnh cho cac phng trnh Einstein ta khng th qua ngac nhin khi thy mt hon a bay khoi hoc ri xung mt t, nhng ta kho ma thy c mt hon a t treo l lng trn khng. S tng t nay cung giup chung ta tranh c mt s hiu lm thng thng v vu tru dan n. Cac thin ha tach ri khoi nhau khng phai v mt lc b mt nao o ang y chung ra xa nhau, cung ung nh hon a trong v du cua ta khng phai b qua t y lui. Ma ung hn, cac thin ha tach ri nhau bi chung a b bn ri khoi nhau do mt vu n nao o trong qua kh.

Vao nhng nm 1920, iu nay khng c nhn thc ro,

nhng nhiu tnh cht chi tit cua cac m hnh Fridmann co th tnh c mt cach nh lng bng cach dung s tng t nay ma khng cn n thuyt tng i rng. tnh chuyn ng cua mt thin ha in hnh nao o so vi thin ha cua ta, hay ve mt hnh cu vi thin ha cua ta tm va vi thin ha ang nghin cu trn b mt; chuyn ng cua thin ha nay chnh la chuyn ng xay ra nu khi lng cua vu tru ch bao gm vt cht trong hnh cu va khng co g ngoai. iu nay cung ging nh th ta ao mt h su, ta se thy rng gia tc trong lc ti tm ch phu thuc vao lng vt cht gn tm hn la gn h cua chung ta, nh th la mt t ngay chnh ay h. Kt qua ang chu y o biu hin mt nh ly co gia tr trong thuyt hp dn cua Einstein va ca Newton, no ch phu thuc vao tnh i xng cu cua h nghin cu; bin th tng i rng cua nh ly nay c nha toan hoc My G. D. Birkhoff chng minh vao nm 1923, nhng y ngha vu tru hoc cua no vai chuc nm sau o vn cha c nhn thc ro.

Chung ta co th dung nh ly nay tnh mt ti han cua cac m hnh Fridmann (xem hnh 3). Khi ve mt hnh cu cua ta gia va mt thin ha xa xm nao o trn mt, ta co th dung khi lng cac thin ha trong hnh cu tnh mt vn tc thoat, vn tc ma mt thin ha b mt phai co co bt u thoat n coi v han. Ngi ta thy rng vn tc thoat nay ty l vi ban knh

BA PHUT U TIN 37


hnh cu - hnh cu cang ln th vn tc cua thin ha lai phai cang nhanh thoat khoi no. Nhng nh lut Hubble noi rng vn tc thc cua mt thin ha trn b mt hnh cu cung ty l vi ban knh hnh cu - khoang cach k t ch ta. Nh vy du vn tc thoat phu thuc vao ban knh, song ty s gia vn tc thc cua thin ha va vn tc thoat cua no khng phu thuc kch thc hnh cu; no la nh nhau cho moi thin ha va nh nhau du ta ly thin ha nao la tm hnh cu. Tuy thuc vao cac gia tr cua hng s Hubble va mt vu tru ma mi thin ha chuyn ng theo nh lut Hubble se hoc co vn tc ln hn vn tc thoat va thoat n coi v han, hoc se co vn tc thp hn vn tc thoat va ri lai v pha ta vao mt luc nao o trong tng lai. Mt ti han ch n gian la gia tr cua mt vu tru ma khi vt tc thoat cua mi thin ha ung bng vn tc tnh theo nh lut Hubble. Mt ti han ch co th phu thuc vao hng s Hubble va thc ra no ch n gian la ty l vi bnh phng hng s Hubble (xem chu thch toan hoc 2).

Hnh 3. nh ly Birkhoff va s gian n cua vu tru. Hnh ve ln mt s thin ha cung vi cac vn tc cua chung so vi mt thin ha G a cho, c ch ra y bng nhng mui tn kem theo dai va hng thch hp (theo nh lut Hubble, cac vn tc nay c coi la ty l vi khoang cach n C). nh ly Birkhoff nu ln rng: mun tnh vn tc cua thin ha A so vi G ch cn tnh n khi lng cha trong khi hnh cu quanh G i qua A (ng t net). Nu A khng qua xa G, trng hp dn cua vt cht trong hnh cu se va phai, va chuyn ng cua A co th tnh theo cac nh lut c hoc cua Newton.

S lin h chi tit gia thi gian va kch thc vu tru (ngha la khoang cach gia bt c hai thin ha in hnh nao) co th tm ra bng cach s dung nhng lp lun nh vy, nhng kt qua phc tap hn nhiu(xem hnh 4). Tuy nhin co mt kt qua n gian sau nay rt cn cho chung ta. Trong thi ky s khai cua vu tru, kch thc vu tru bin thin nh mt luy tha n gian cua thi gian: luy tha 2/3 nu bo qua mt bc xa hoc luy tha 1/2 nu mt bc xa vt mt vt cht (xem chu thch toan hoc 3). Mt kha canh cua cac m hnh vu tru hoc Fridmann ma ta khng th hiu c nu khng dung thuyt tng i rng la mi

Hnh 3. nh l Birkhoff v s gin n ca v tr.

Steven Weinberg 38


lin h gia mt va hnh hoc - vu tru la m va v han hoc ong va hu han tuy theo vn tc thin ha ln hn hay be hn vn tc thoat.

Mt cach bit vn tc thin ha co vt vn tc thoat hay khng la o tc i chm lai cua chung. Nu giam tc o be hn (hoc ln hn) mt mc nao o, th luc o vn tc thoat b (hoc khng b) vt. Trong thc t iu nay co ngha la ngi ta phai o cong cua th ch s phu thuc cua dch chuyn o vao khoang cach i vi nhng thin ha xa (xem hnh 5). Khi i t mt vu tru hu han co mt cao hn n mt vu tru v han co mt thp hn, cong cua ng dch chuyn o phu thuc khoang cach b lam cho phng ra nhng khoang cach rt ln. Vic nghin cu hnh dang cua ng dch chuyn o - khoang cach nhng khoang cach ln thng c goi la chng trnh Hubble.

Hnh 4. S gian n va co hep cua vu tru. Khoang cach gia nhng thin ha in hnh c ve (n v tuy y) nh la mt ham cua thi gian cho hai m hnh vu tru hoc co th dung. Trong trng hp mt vu tru m, vu tru la v han; mt thp hn mt ti han; va s gian n tuy rng b chm lai, se tip tuc mai mai. Trong trng hp mt vu tru ong, vu tru la hu han, s gian n se mt luc nao o kt thuc va sau o se co mt s co lai. Cac ng cong c biu din trn y c tnh theo cac phng trnh trng cua Einstein

ma khng cn mt hng s vu tru hoc cho mt vu tru chu yu la vt cht.

Vi mt s c gng ln lao Hubble, Sandage va gn y mt s nha khoa hoc khac na a tin hanh chng trnh nay. Nhng cho n nay kt qua vn cha co tnh cht kt lun. Cai kho la c tnh khoang cach n nhng thin ha xa, ngi ta co th dung nhng sao i anh kiu xpheit hoc nhng ngi sao sang nht nh la nhng vt anh du khoang cach, trai lai, ta phai c lng khoang cach t sang biu kin cua ngay cac thin ha. Nhng lam sao ta co th bit c rng cac thin ha ta ang nghin cu u co mt trng tuyt i nh nhau? (Nh rng trng biu kin la nng lng bc xa ma ta nhn c mt n v din tch knh thin vn, trong khi trng tuyt i la nng

Hnh 4. S gin n v co hp ca v tr.

BA PHUT U TIN 39


lc toan phn phat ra theo moi hng bi thin th; trng biu kin ty l vi trng tuyt i va ty l nghch vi bnh phng khoang cach). Co nhng nguy c gh gm do hiu ng chon loc - khi ta nhn cang xa th ta co xu hng chon nhng thin ha co trng tuyt i cang ln. Mt vn con t hai hn na la s tin hoa cua cac thin ha. Khi ta nhn cac thin ha rt xa, chung ta thy chung trang thai hang nghn triu nm trc y khi cac tia sang bt u cuc du hanh cua chung n ch ta. Nn nhng thin ha in hnh luc o con sang hn by gi, ta se c lng khoang cach cua chung thp hn thc t. Mt kha nng ma rt gn y J. P. Ostriker va S. D. Tremaine Princeton gi y la nhng thin ha ln hn tin hoa khng phai ch la do cac ngi sao ca th cua chung tin hoa, ma con la do chung nut thm nhng thin ha nho ln cn! Se con lu ta mi bit chc rng ta co mt s hiu bit nh lng ung n v cac loai tin hoa thin ha khac nhau o.

Hnh 5. th dch chuyn o phu thuc vao khoang cach. Dch chuyn o c ve nh la mt ham cua khoang cach cho bn thuyt vu tru hoc kha d (noi chnh xac hn, khoang cach y la khoang cach sang - khoang cach suy ra cho mt vt ma ta bit trng ring hoc tuyt i t nhng quan sat v trng biu kin cua no). Cac ng co ghi mt gp i mt ti han, mt ti han va mt bng khng c tnh trong m hnh Friedmann, s dung cac phng trnh cua Einstein cho mt vu tru chu yu la vt cht, khng cn mt hng s vu tru hoc;

chung tng ng ln lt vi mt vu tru ong, va u m, hoc m (xem hnh 4). ng cong ghi trang thai dng c ap dung trong bt ky ly thuyt nao ma trong o hnh dang cua vu tru khng thay i theo thi gian. Cac quan sat hin nay khng phu hp tt vi ng trang thai dng, song chung khng cho ta la chon mt cach ro rang trong s nhng kha nng khac nhau, bi v trong nhng ly thuyt khng co trang thai dng s tin hoa cua cac thin ha lam cho vic xac nh khoang cach tr nn khng chc chn. Moi ng cong u c ve vi hng s Hubble ly bng 15 km mi giy mi triu nm anh sang (ng vi thi gian gian n c trng la 20 000 triu nm), song cac ng cong co th c dung cho bt ky gia tr nao khac cua hng s Hubble bng cach ch ve lai theo cung t l moi khoang cach.

Hnh 5. th dch chuyn ph thuc vo khong cch.

Steven Weinberg 40


Hin nay kt lun tt nht rut ra t chg trnh Hubble la giam tc cua cac thin ha xa co ve rt be. Nh vy co ngha la chung ang chuyn ng vi vn tc cao hn vn tc thoat, nh vy vu tru la m va se gian n mai mai. iu nay khp ung vi nhng c tnh v mt vu tru ; vt cht thy c trong cac thin ha hnh nh cng lai ch cho mt khng qua mt vai phn trm mt ti han. Tuy nhin iu nay cung cha chc lm. Nhng c tnh v khi lng thin ha tng ln trong nhng nm gn y. Ngoai ra, nh George Field Harvard va mt s ngi khac a gi y, co th tn tai mt loai kh hyro a ion hoa gia cac thin ha co th cung cp mt mt vt cht ti han cua vu tru, nhng cho n nay vn cha c phat hin ra.

May thay, khng cn i n mt quyt nh dt khoat v hnh hoc quy m ln cua vu tru rut ra nhng kt lun v s bt u cua no. Ly do la v vu tru co mt th ng chn tri va ng chn tri o co hep lai nhanh chong khi ta nhn quay v luc bt u.

May thay, khng cn i n mt quyt nh dt khoat v

hnh hoc quy m ln cua vu tru rut ra nhng kt lun v s bt u cua no. Ly do la v vu tru co mt th ng chn tri va ng chn tri o co hep lai nhanh chong khi ta nhn quay v luc bt u.

Khng tn hiu nao co th i nhanh hn anh sang, nh vy bt ky luc nao chung ta cung ch co th b anh hng bi nhng s kin u gn cho mt tia sang co thi gian n vi ta t luc bt u cua vu tru. Bt c s kin nao xay ra ngoai khoang cach o cung khng th anh hng n ta - no bn ngoai chn tri. Nu tui cua vu tru hin nay la mi nghn triu nm, chn tri hin nay la khoang cach 30 nghn triu nm anh sang. Nhng khi tui cua vu tru mi ch la vai phut, chn tri ch xa vai phut anh sang - gn hn khoang cach t qua t n mt tri. ung ra la luc o toan b vu tru be hn hin nay, theo cach hiu a quy c cua ta la khoang cach gia mt cp vt th nao o luc o ngn hn by

BA PHUT U TIN 41


gi. Tuy nhin, khi ta nhn v luc bt u, khoang cach n chn tri co lai nhanh hn kch thc vu tru. Kch thc vu tru ty l vi luy tha mt phn hai hoc hai phn ba cua thi gian (xem chu thch toan hoc 3), trong khi khoang cach n chn tri ch n gian la ty l vi thi gian. Cho nn nhng thi gian cang lui v qua kh, chn tri bao quanh mt phn cang ngay cang nho cua vu tru (xem hnh 6).

Hnh 6. Nhng chn tri trong mt vu tru gian n. Vu tru y c ve di dang mt hnh cu bn thi im cach u nhau. Chn tri cua mt im P la khoang cach ma ngoai o cac tn hin anh sang khng co thi gi n P. Phn vu tru pha trong chn tri c ve y bng phn khng co vach vach cua hnh cu. Khoang cach t P n chn tri tng ty l vi thi gian. Mt khac ban knh cua vu tru tng nh cn hai cua thi gian, ng vi trng hp cua mt vu tru chu yu la bc xa. H qua la, thi ky cang xa th chn tri bao quanh mt phn vu tru ngay cang be.

Mt h qua cua s co dn cua chn tri trong vu tru s khai la cong cua vu tru xet v toan b cang ngay cang t b anh hng khi ta nhn lui v nhng thi ky ngay cang xa v trc. Nh vy du rng thuyt vu tru hoc va s quan sat thin vn hin nay vn cha phat hin ra kch thc hoc tng lai cua vu tru, song chung a cho mt bc tranh kha ro rang v qua kh cua no.

Cac quan sat thao lun trong chng nay a cho ta mt cai nhn v vu tru va n gian, va v ai. Vu tru ang gian n mt cach ng u va ng hng - nhng ngi quan sat moi thin ha in hnh moi hng u thy nhng qua trnh chuyn ng nh nhau. Trong khi vu tru gian n, bc song cua cac tia sang gian ra ty l thun vi khoang cach gia cac thin ha. S gian n khng c xem la do bt c loai lc y vu tru nao ma la do kt qua nhng vn tc con gi lai t mt vu n trong qua kh. Nhng vn tc o ngay cang chm dn do anh hng cua lc hp dn; s giam tc o xem ra rt chm lam nay sinh gia thuyt rng mt

Hnh 6. Nhng chn tri trong mt v tr gin n.

Steven Weinberg 42


vt cht cua vu tru la thp va trng hp dn cua no la qua yu co th lam cho vu tru la hu han v mt khng gian hoc lai co luc lam ao ngc s gian n. Cac tnh toan cho phep ta ngoai suy s gian n cua vu tru lui v qua kh, va phat hin rng s gian n cua vu tru lui v qua kh, va phat hin rng s gian n chc a bt u t mi nghn n hai mi nghn triu nm trc y.

BA PHUT U TIN 43


PHNG BC XA CC NGN VU TRU

Cu chuyn k chng trc la mt cu chuyn kha quen thuc vi cac nha thin vn cua qua kh. Ca khung canh cung quen thuc: nhng ng knh thin vn ln tham him bu tri ban m t nhng nh nui California hoc Pru, hoc mt ngi quan sat bng mt thng trong thap quan sat cua mnh thng thc chom sao con Gu. Nh ti a nhc n trong li ta, y la cu chuyn a c k i k lai nhiu ln trc y, i khi vi nhiu chi tit hn.

By gi chung ta i n mt loai thin vn hoc khac, n mt cu chuyn ma cach y mt thp ky thi a khng ai co th k ra c. Chung ta se khng ban n nhng quan sat v anh sang a c bc xa cach y vai trm triu nm t nhng thin ha t nhiu ging thin ha ta, ma ban n nhng quan sat v mt phng khuych tan cua song v tuyn con sot lai t thi im gn luc vu tru bt u ra i. Khung canh cung thay i, di n cac mai nha cac vin vt ly cua cac trng ai hoc, n nhng kh cu hoc tn la bay cao hn bu kh quyn cua qua t, va n cac canh ng min bc cua bang New Jersey.

Nm 1964, phong th nghim cua cng ty in thoai Bell co mt ngten v tuyn khac thng t trn i Crawford Holmel bang New Jersey. ngten nay a c xy dng thc hin lin lac thng qua v tinh Echo (Ting vong), nhng nhng c im cua no - mt b phn phan xa hnh loa ken 20 foot (foot la n v o chiu dai Anh bng 0,3048 met (ND)) vi ting n cc thp - lam cho no thanh ra mt dung cu co kha nhiu trin vong cho nganh thin vn v tuyn. Hai nha thin vn v tuyn Arno A. Penzias va Robert W. Wilson bt u dung ngten o cng song v tuyn do thin ha cua chung ta phat ra nhng v thin ha cao, ngha la ngoai mt phng sng Ngn ha.

Steven Weinberg 44


Loai o ac y rt la kho. Cac song v tuyn phat ra t thin ha cua chung ta, cung nh t a s cac ngun thin vn khac, co th m ta tt nht nh la mt loai ting n rt ging ting n tnh ma ngi ta nghe c qua mt may thu thanh trong mt bui tri sm set. Ting n v tuyn y khng d dang phn bit c vi ting n in khng tranh c, sinh ra bi s chuyn ng hn n cua cac electron trong c cu cua ngten v tuyn va cac mach khuych ai, hoc la vi ting n v tuyn ma ngten bt c t bu kh quyn cua qua t. Vn nay khng phai tht la nghim trong khi ngi ta nghin cu mt ngun ting n v tuyn tng i nho nh la mt v sao hay la mt thin ha xa. Trong trng hp nay, ngi ta co th quet chum ngten qua lai gia ngun va khoang bu tri trng rng quanh no; moi ting n gia xut phat t c cu ngten, cac mach khuych ai hoc la kh quyn cua qua t se la gn nh nhau du ngten c cha vao ngun hay vao bu tri quanh no, nh vy no se t trit tiu khi ca hai c so sanh vi nhau. Tuy nhin, Penzias va Wilson a co y nh o ting n v tuyn xut phat t ban thn thin ha cua chung ta - thc ra, t ban thn bu tri. Cho nn iu v cung quan trong la nhn bit c bt ky ting n in nao co th phat sinh ra trong h thu cua ho.

Nhiu cuc th h o thc ra a phat hin mt ting n ln hn la a d tnh mt chut, nhng luc o ngi ta cho rng s khac nhau nay co th do ting n in trong cac mach khuych ai tha ra mt chut t. loai tr cac vn nh vy, Penzias va Wilson dung mt dung cu goi la tai lanh - cng t ngten c so sanh vi cng sinh ra bi mt ngun nhn tao c lam lanh n nhit hli long, khoang bn trn khng tuyt i. Ting n in trong cac mach khuych ai se la nh nhau trong ca hai trng hp, va do o se t trit tiu khi so sanh, cho phep o trc tip cng t ngten n. Cng ngten o c bng cach o ch gm cac ong gop cua c cu ngten, cua kh quyn cua qua t, va cua moi ngun thin vn phat ra song v tuyn.

BA PHUT U TIN 45


Penzias va Wilson ch i rng rt t ting n in c phat sinh ra t trong c cu ngten. Tuy nhin, th nghim gia thit o, ho bt u cac quan sat cua ho mt bc song tng i ngn la 7,35 centimet, o ting n v tuyn t thin ha cua chung ta co th coi la khng ang k. C nhin bc song o mt chut t ting n co th co c t kh quyn cua qua t chung ta, nhng no phai co mt s lin h c trng vi hng o; no se ty l vi day cua kh quyn theo hng ch cua ngten - t hn v pha thin nh, nhiu hn v pha chn tri. Ngi ta ch i rng, sau khi kh i mt s hang do kh quyn sinh ra, vi s phu thuc vao hng nh a noi trn, th se khng con co cng ngten nao con lai na, va vic o se khng nh rng ting n in sinh ra trong c cu ngten qua nhin la khng ang k. Luc o ho co th tip tuc nghin cu ban thn thin ha mt bc song dai hn khoang 21 centimet, o ting n v tuyn cua thin ha c ch i la ang k.

(Cn noi rng cac song v tuyn vi cac bc song nh 7,35 centimet va n mt met, c goi la bc xa cc ngn, cung goi la bc xa vi ba). Vic nay la do cac bc song o ngn hn cac bc song cua bng VHF (VHF - very high frequeney: tn s rt cao) ma radar dung trong thi gian u cua chin tranh th gii ln th II).

Mt s ngac nhin a n vi Penzias va Wilson vao mua xun nm 1964 la ho a nhn c mt ting n song cc ngn 7,35 centimet kha ang k, khng phu thuc vao hng. Ho cung a tm ra rng phng tnh o khng phu thuc vao thi gian trong mt ngay, hoc vao mua trong nm. Kho ma cho rng no co th n t thin ha cua chung ta; nu nh vy th luc o thin ha ln M31 trong tinh vn Tin n, ma v rt nhiu mt ging thin ha cua chung ta, cung a co th bc xa manh 7,35 centimet va ting n song cc ngn o a co th quan sat c. Trc ht, s thiu mt s lin quan cho thy rt ro rng cac song v tuyn o, nu co tht, khng phai xut phat t Ngn ha, ma t mt th tch ln hn rt nhiu cua vu tru.

Steven Weinberg 46


Ro rang la a cn xem lai ban thn ngten co sinh ra ting n in ln hn la cai ch i khng. c bit, ngi ta a bit rng mt cp chim b cu a lam t tai c hong cua ngten. Cp b cu a b bt; gi v a im Whippany cua phong th nghim Bell, c tha ra; lai c thy trong ngten Holmdel vai ngay sau; chung b bt lai; ri cui cung chung phai bo cuc do cac bin phap kin quyt hn. Tuy nhin, trong luc tru nh, i b cu a phu c hong ngten mt lp ma Penzias goi mt cach t nh la cht in mi trng, va nhit phong cht nay co th la ngun ting n in. u nm 1965, ngi ta a co th g c hong ngten ra va lau sach cht bam o, nhng vic nay cung nh nhiu c gng khac ch lam giam rt t mc n quan sat c. B mt vn con nguyn: ting n song cc ngn nay t u n?

S liu duy nht co trong tay Penzias va Wilson luc o la cng ting n v tuyn ma ho a quan sat. Khi m ta cng nay, ho a dung mt ngn ng thng thng trong gii cac ky s v tuyn, nhng trong trng hp nay no co mt y ngha khng ng n. Bt c vt th nao bt c nhit nao trn khng tuyt i cung lun lun phat ra ting n v tuyn do chuyn ng nhit cua cac electron trong vt th gy ra? Trong mt hp co tng khng trong sut, cng ting n v tuyn bt c bc song nao cho trc cung ch phu thuc vao nhit cua cac bc tng - nhit cang cao th ting n cang manh. Nh vy, co th m ta cng ting n v tuyn quan sat c mt bc song cho trc theo nhit tng ng - nhit cua cac bc tng cua mt hp ma trong o ting n v tuyn se co cng c quan sat. C nhin mt knh thin vn v tuyn khng phai la mt nhit k; no o cng cua cac song v tuyn bng cach ghi lai cac dong in be nho ma cac song o cam ng trong c cu cua ngten. Khi mt nha thin vn v tuyn noi rng ng quan sat ting n v tuyn vi mt nhit tng ng nao o th ng ch mun noi rng o la nhit cua hp kn ma nu t ngten vao o th no se sinh ra cng ting n v tuyn a quan sat c. Con ngten co nm trong cai hp o khng th c nhin lai la vn khac.

BA PHUT U TIN 47


( chn trc nhng y kin phan i cua cac nha chuyn mn, ti phai noi thm rng cac ky s v tuyn thng m ta cng ting n v tuyn theo nhit ngten, cai nay co hi khac nhit tng ng - m ta trn. Vi bc song va cng ma Penzias va Wilson a quan sat th hai nh ngha thc ra la tng ng).

Penzias va Wilson phat hin ra rng nhit tng ng cua ting n v tuyn ma ho nhn c la vao khoang 3,5 trn khng tuyt i (hay noi chnh xac hn, gia 2,5 va 4,5 trn khng tuyt i). Nhit o trn thang bach phn, nhng c quy v khng tuyt i ch khng phai v im tan cua nc a c ghi bng Kelvin. Nh vy, ting n v tuyn ma Penzias va Wilson a quan sat co th c m ta nh co mt nhit tng ng 3,5 Kelvin", hoc vit tt la 3, 5 K. Con s nay ln hn mong i, nhng vn con rt thp theo tr s tuyt i, cho nn khng ly lam la la Penzias va Wilson a nghin ngm kt qua nay mt thi gian trc khi cng b no. Luc o chc chn khng phai ai cung thy ro ngay rng o la tin b quan trong nht v vu tru hoc t khi cac dch chuyn o c phat hin.

Y ngha cua ting n song cc ngn huyn b a sm c giai thch nh tac ng cua tp th v hnh cac nha vt ly thin vn. Penzias a tnh c noi chuyn vi mt nha thin vn v tuyn quen bit, Bernard Burke M. I. T. (Massachusetts Institute of Technology: tn mt trng ai hoc ni ting My, vin cng ngh bang Massachusetts(ND).) v mt s vn khac. Nhng Burke lai va mi nghe mt ban ng nghip khac, Ken Turner t chc Carnegie, k v mt cu chuyn ma Turner, v phn anh ta, lai a nghe Johns Hopkins t mt nha ly thuyt tre tui Princeton la P. J. E. Peebles. Trong cu chuyn o Peebles a ch ro la phai co mt phng ting n v tuyn con lu lai t thi vu tru s khai, vi mt nhit tng ng hin nay vao khoang 10 K. Burke a c bit la Penzias ang o nhit ting n v tuyn bng ngten hnh loa ken cua cac phng th nghim Bell, do o anh ta tha dp cu chuyn qua in thoai hoi xem cac phep o a n u ri. Penzias tra li rng cac phep o ang c tin hanh rt

Steven Weinberg 48


tt, nhng co mt cai g o trong kt qua ma ng ta khng th hiu c. Burke gi y cho Penzias rng co nha vt ly Princeton co th co mt s y tng ang lu y v cai ma ngten cua ng ta ang thu c.

Trong cu chuyn cua anh ta, va trong mt bai chun b cng b vit thang ba nm 1965, Peebles a xem xet bc xa co th tn tai thi vu tru s khai. Bc xa c nhin la mt danh t tng quat, bao gm cac song in t moi bc song - khng ch la song v tuyn ma con ca anh sang hng ngoai, anh sang thy c, anh sang t ngoai, tia X va bc xa co bc song rt ngn goi la cac tia gama (xem bang 2). Khng co s phn bit ro rt; thay i bc song th mt loai bc xa nay chuyn mt cach t t thanh ra mt loai khac. Peebles lu y rng nu trong my phut ngn ngui u tin cua vu tru a khng co mt phng bc xa manh me th cac phan ng nhit hach a xay ra nhanh chong n mc lam mt ty l ln kh hyr co mt luc o a b nu nng thanh nhng nguyn t nng hn, trai vi s kin la khoang ba phn t vu tru hin nay lai la hyr. S nu nng hat nhn nhanh nay ch co th c can lai nu vu tru a cha y mt bc xa co mt nhit tng ng rt ln nhng bc song rt ngn, co th lam n c cac hat nhn cung nhanh nh chung c tao nn.

Chung ta se thy rng bc xa o a con lai sau qua trnh gian n cua vu tru sau o, nhng nhit tng ng cua no tip tuc giam trong khi vu tru gian n va giam ty l nghch vi kch thc vu tru (nh chung ta se thy, vic nay cn ban la mt h qua cua s dch chuyn o a thao lun chng II). Do o vu tru hin nay cung phai cha y bc xa, nhng vi mt nhit tng ng nho hn nhiu so vi nhit my phut y tin. Peebles a c tnh rng, cho phng bc xa duy tr c c vic san xut ra hli va nhng nguyn t nng hn trong vai phut u tin nm trong nhng gii han a c bit, th no phai co cng manh n mc nhit hin nay cua no con lai t nht la 10 kenvin.

Con s 10 K nay a la hi cao mt t, va s tnh toan nay lin sau o a c thay th bng nhng tnh toan phc tap va chnh

BA PHUT U TIN 49


xac hn do Peebles va mt s ngi khac tin hanh, chung se c thao lun chng V. Bai chun b cng b cua Peebles thc ra a khng khi nao c cng b di hnh thc ban u cua no. Tuy nhin, kt lun v cn ban la ung n: t nhiu quan sat c hin nay cua hyr, chung ta co th suy ra rng vu tru trong vai phut u tin a cha mt lng bc xa ln lao co th ngn can s tao ra qua nhiu nguyn t nng, s gian n cua vu tru t luc nao o a lam giam nhit tng ng cua bc xa xung vai kenvin, cho nn by gi no th hin nh mt phng ting n v tuyn, t moi pha n vi ta vi cng nh nhau. iu nay lp tc c coi nh s giai thch t nhin v phat hin cua Penzias va Wilson. Nh vy, ngten Holmdel co th coi nh trong mt cai hp - cai hp la ca vu tru. Tuy nhin, nhit tng ng ma ngten a ghi nhn khng phai la nhit cua vu tru hin nay ma, ung hn, la nhit ma vu tru a co t lu, c ha thp ty l vi s gian n manh me ma vu tru a phai trai qua t luc o.

Cng trnh cua Peebles ch la khu cui cung trong mt day dai nhng nghin cu vu tru hoc tng t. Thc ra, trong nhng nm cui cung cua thp nin bn mi, ly thuyt vu n ln v s tng hp hat nhn a c George Gamow va cac cng tac vin cua ng Ralpher Alpher va Robert Herman phat trin, va a c Alpher va Herman dung nm 1948 tin oan mt phng bc xa vi mt nhit hin nay vao khoang 5 K. Nm 1964 nhng tnh toan nh vy cung a c tin hanh bi Ya. B. Zeldovich Lin X (cu) va c lp vi ng Fred Hoyle va R. J. Tayler Anh. Cng trnh u tin nay luc u cha c cac nhom cac phong th nghim Bell va Princeton bit n, va no khng co mt anh hng nao n s kham pha ra phng bc xa, cho nn chung ta co th ch n chng nm mi i su nghin cu no mt cach chi tit. Chung ta cung se xem xet chng VI cu hoi kha him hoc v mt lch s la tai sao trong cac cng trnh ly thuyt sm o, khng co cai nao a dn n mt s tm kim phng song cc ngn vu tru.

Tnh toan nm 1965 cua Peebles a c gi y ln bi cac y tng cua mt nha vt ly thc nghim lao thanh Robert H. Dicke

Steven Weinberg 50


Princeton. (Ngoai nhng cai khac, Dicke a phat minh ra mt s ky thut song cc ngn chu cht ma cac nha thin vn v tuyn hin dung). Mt luc nao o vao nm 1964 Dicke a bt u t hoi liu co th con co mt bc xa quan sat c nao o ri rt lai t mt giai oan nong va co mt cao trc y cua lch s vu tru hay khng. Cac suy lun cua Dicke a cn c trn ly thuyt vu tru dao ng ma chung ta se quay tr lai chng cui cua sach nay. Ro rang ng ta khng co hy vong ro rt v nhit cua bc xa o, song ng nhn thc ro mt im chu yu ma o la cai ang tm. Dicke gi y cho P. G. Roll va D. T. Wilkinson la ho nn b tr mt s tm kim mt phng bc xa cc ngn, va ho bt u dng mt ngten ting n thp nho phong th nghim Palmer Princeton. (Khng cn dung mt knh thin vn v tuyn ln cho muc ch nay, v bc xa t moi pha n, nh vy khng co li g nu co mt chum bc xa phat t ngten c iu tiu cht che hn).

Trc khi Dicke, Roll va Wilkinson co th kt thuc cac phep o cua ho, Dicke nhn c mt ln goi in thoai cua Penzias, ng nay a va nghe n cng trnh cua Peebles do Burke mach. Ho quyt nh se cng b hai th ban ng nghip trong Tap ch vt ly thin vn trong o Penzias va Wilson se cng b cac quan sat cua ho, con Dicke, Peeble, Roll va Wilkingson se ct ngha s giai thch theo vu tru hoc. Penzias va Wilson, luc o con rt thn trong, t cho bai bao cua mnh u khim tn Mt phep o v nhit tha cua ngten 4080 magahec. (Tn s ma ngten a c hiu chnh la 4080 triu chu ky mi giy, ng vi bc song 7,35 centimet). Ho thng bao mt cach bnh d la Cac phep o nhit thc s cua ting n t thin nh... a cho mt tr s khoang 3,5 K, cao hn la tr s ch i, va ho a tranh moi s cp n vu tru hoc, tr khi lu y rng: Mt s giai thch co th chp nhn cho nhit ting n tha a quan sat la s giai thch ma Dicke, Peeble, Roll va Wilkingson a a ra trong mt th ban oc ng trong s nay.

Bc xa cc ngn ma Penzias va Wilson a kham pha ra co thc la con sot lai t luc bt u cua vu tru khng? Trc khi

BA PHUT U TIN 51


chung ta tip tuc xet n th nghim a c tin hanh t 1965 giai ap cu hoi nay, chung ta cn phai t hoi trc ht chung ta ch i g v mt ly thuyt y: cac tnh cht chung cua bc xa phai cha ng trong vu tru la g nu cac y tng vu tru hoc hin hanh la ung n? Cu hoi nay dn chung ta n vic xet xem cai g a xay ra i vi mt bc xa khi vu tru gian n - khng nhng ch giai oan tng hp hat nhn, sau ba phut u tin, ma con ca trong nhng khoang thi gian dai dng dc a tri qua t luc o.

y vic bo cach m ta c in v bc xa nh song in t ma cho n nay chung ta vn dung va, thay vao o, dung quan im lng t hin ai hn, cho rng bc xa gm nhng hat goi la photon, se rt la co ch. Mt song anh sang bnh thng cha mt s cc ky ln photon chuyn ng cung vi nhau, nhng nu chung ta nh o nng lng ma oan song mang theo mt cach chnh xac, chung ta se thy rng no lun lun la mt bi s nao o cua mt lng nht nh, ma chung ta coi la nng lng cua mt photon n le. Nh chung ta se thy, nng lng photon thng rt be. Cho nn trong nhiu ap dung thc tin mt song in t hu nh khng co mt nng lng nao. Tuy nhin, trong tng tac cua bc xa vi nguyn t hoc hat nhn nguyn t, mi ln thng cn mt photon, va khi nghin cu nhng qua trnh o ta cn dung cach m ta theo photon hn la theo song. Photon co khi lng bng khng va in tch bng khng, nhng mc du vy, chung la nhng hat thc - mi mt photon mang mt nng lng va mt xung lng xac nh, hn na con co mt spin xac nh quanh hng chuyn ng cua no.

Vic g xay ra cho mt photon nu no i xuyn qua vu tru? Khng g xay ra, i vi vu tru hin nay. Anh sang t nhng vt th xa khoang 10.000 triu nm anh sang hnh nh n vi ta rt tri chay. Nh vy, du co nhiu vt cht trong khoang khng gia cac thin ha th no cung u trong sut cho cac photon co th i sut trong mt phn kha ln cua tui vu tru ma khng b tan xa hoc hp thu.

Tuy nhin, cac dch chuyn o cua cac thin ha xa xm noi vi ta rng vu tru ang gian n, nh vy cac thanh phn cua no a

Steven Weinberg 52


co luc phai c nen cht hn by gi. Nhit cua mt cht lu thng tng ln khi cht lu b nen, nh vy ta cung co th suy lun rng vt cht cua vu tru trong qua kh a nong hn nhiu. Thc ra chung ta tin rng a co mt luc ma chung t

ba phut dau tien

Documents