2005/10/10

Chế tạo và ứng dụng hạt nanô từ tính trong sinh học

(Báo cáo tại Hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ 6, 2005)

Tóm tắt
Bài này trình bày tổng quan về các phương pháp chế tạo của hạt nanô và ứng dụng trong y sinh học. Hạt nanô từ tính có thể được chế tạo theo hai nguyên tắc: vật liệu khối được nghiền nhỏ đến kích thước nanô và hình thành hạt nanô từ các nguyên tử. Phương pháp thứ nhất gồm các phương pháp nghiền và biến dạng như nghiền hành tinh, nghiền rung. Phương pháp thứ hai được phân thành hai loại là phương pháp vật lý (phún xạ, bốc bay,...) và phương pháp hóa học (phương pháp kết tủa từ dung dịch, hình thành từ pha khí). Các ứng dụng của hạt nanô từ được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể (phân tách tế bào) và trong cơ thể (dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ hạt nhân). Một số nghiên cứu đang được triển khai tại ĐHQGHN kết hợp với ĐHQGHCM cũng được trình bày.

Mở đầu
Công nghệ nanô đang thay làm thay đổi cuộc sống của chúng ta nhờ vào khả năng can thiệp của con người tại kích thước nanô mét, tại đó, vật liệu nanô thể hiện rất nhiều tính chất đặc biệt và lý thú [1]. Một nhánh quan trọng của công nghệ nanô, đó là lý sinh học nanô, trong đó, vật liệu nanô được sử dụng để chẩn đoán và điều trị bệnh. Lý sinh học nanô đã và đang được nghiên cứu rất mạnh mẽ nhờ vào khả năng ứng dụng rất linh hoạt và hiệu quả của vật liệu nanô [2]. Trong bài này, chúng tôi xin trình bày tổng quan một số phương pháp chế tạo vật liệu và nghiên cứu điển hình trong đó có sử dụng các hạt nanô từ tính. Các hạt nanô từ tính có kích thước tương ứng với kích thước của các phân tử nhỏ (1-10 nm) hoặc kích thước của các vi rút (10-100 nm). Chính vì thế mà hạt nanô có thể thâm nhập vào hầu hết các cơ quan trong cơ thể và giúp cho chúng ta có thể thao tác ở qui mô phân tử và tế bào [3]. Từ trường không có hại đối với con người nên các hạt nanô từ tính được quan tâm sử dụng rất nhiều vào mục đích chẩn đoán và chữa bệnh.

Vật liệu từ tính
Bất cứ vật liệu nào đều có sự hưởng ứng với từ trường ngoài (H), thể hiện bằng độ từ hóa (từ độ - M). Tỷ số c = M/H được gọi là độ cảm từ. Tùy thuộc vào giá trị, độ cảm từ có thể phân ra làm các loại vật liệu từ khác nhau. Vật liệu có c < 0 (~-10-6) được gọi là vật liệu nghịch từ. Vật liệu có c > 0 (~10-6) được gọi là vật liệu thuận từ. Vật liệu có c > 0 với giá trị rất lớn có thể là vật liệu sắt từ, ferri từ [4]. Ở đây, vật liệu từ tính ngụ ý là vật liệu sắt từ, ferri từ hoặc siêu thuận từ (sẽ nói đến sau đây). Ngoài độ cảm từ, một số thống số khác cũng rất quan trọng trong việc xác định tính chất của vật liệu, ví dụ như: từ độ bão hòa (từ độ đạt cực đại tại từ trường lớn), từ dư (từ độ còn dư sau khi ngừng tác động của từ trường ngoài), lực kháng từ (từ trường ngoài cần thiết để một hệ, sau khi đạt trạng thái bão hòa từ, bị khử từ). Nếu kích thước của hạt giảm đến một giá trị nào đó (thông thường từ vài cho đến vài chục nanô mét), phụ thuộc vào từng vật liệu cụ thể, tính sắt từ và ferri từ biến mất, chuyển động nhiệt sẽ thắng thế và làm cho vật liệu trở thành vật liệu siêu thuận từ. Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ bằng không. Điều đó có nghĩa là, khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học. Hạt nanô từ tính dùng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: tính đồng nhất của các hạt cao, từ độ bão hòa lớn và vật liệu có tính tương hợp sinh học (không có độc tính) [2]. Tính đống nhất về kích thước và tính chất liên quan nhiều đến phương pháp chế tạo còn từ độ bão hòa và tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu. Trong tự nhiên, sắt (Fe) là vật liệu có từ độ bão hòa lớn nhất tại nhiệt độ phòng, sắt không độc đối với cơ thể người và tính ổn định khi làm việc trong môi trường không khí nên các vật liệu như ô-xít sắt được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nanô từ tính.
Hạt nanô từ tính dùng trong y sinh học thường ở dạng chất lỏng từ (CLT), hay còn gọi là nước từ. Một CLT gồm ba thành phần: hạt nanô từ tính, chất hoạt hóa bề mặt (CHHBM), và dung môi. Hạt nanô từ tính là thành phần duy nhất quyết định đến tính chất từ của CLT. CHHBM có tác dụng làm cho hạt nanô phân tán trong dung môi, tránh các hạt kết tụ lại với nhau ngay cả khi có mặt của từ trường ngoài. CHHBM còn có tác dụng “che phủ” hạt nanô khỏi sự phát hiện của hệ thống bảo vệ cơ thể và tạo các mối liên kết hóa học với các phân tử khác. Dung môi là chất lỏng mang toàn bộ hệ [5].

Chế tạo hạt nanô từ tính
Hạt nanô từ tính có thể được chế tạo theo hai nguyên tắc: vật liệu khối được nghiền nhỏ đến kích thước nanô (top-down) và hình thành hạt nanô từ các nguyên tử (bottom-up). Phương pháp thứ nhất gồm các phương pháp nghiền và biến dạng như nghiền hành tinh, nghiền rung. Phương pháp thứ hai được phân thành hai loại là phương pháp vật lý (phún xạ, bốc bay,... [6]) và phương pháp hóa học (phương pháp kết tủa từ dung dịch và kết tủa từ khí hơi,...) [3]. Phần dưới đây chỉ trình bày sơ lược những phương pháp phổ biến nhất.
3.1. Phương pháp nghiền
Phương pháp nghiền được phát triển từ rất sớm để chế tạo CLT dùng cho các ứng dụng vật lý như truyền động từ môi trường không khí vào buồng chân không, làm chất dẫn nhiệt trong các loa công suất cao,... Trong những nghiên cứu đầu tiên về CLT, vật liệu từ tính ô-xít sắt Fe3O4, được nghiền cùng với CHHBM (a-xít Oleic) và dung môi (dầu, hexane). CHHBM giúp cho quá trình nghiền được dễ dàng và đồng thời tránh các hạt kết tụ với nhau. Sau khi nghiền, sản phẩm phải trải qua một quá trình phân tách hạt rất phức tạp để có được các hạt tương đối đồng nhất. Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản và chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn. Việc thay đổi CHHBM và dung môi không ảnh hưởng nhiều đến quá trình chế tạo. Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng nhất của các hạt nanô không cao vì khó có thể khống chế quá trình hình thành hạt nanô. CLT chế tạo bằng phương pháp này thường được dùng cho các ứng dụng vật lý [5].
3.2. Phương pháp hóa học
Phương pháp hóa học để chế tạo các hạt nanô từ cũng được phát triển từ lâu. Phương pháp hóa học có thể tạo ra các hạt nanô với độ đồng nhất khá cao, rất thích hợp cho phần lớn các ứng dụng sinh học. Nguyên tắc tạo hạt nanô bằng phương pháp hóa học là kết tủa từ một dung dịch đồng nhất dưới các điều kiện nhất định hoặc phát triển hạt từ thể hơi khi một hóa chất ban đầu bị phân rã [3].
Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khi nồng độ của chất đạt đến một trạng thái bão hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tụ. Các mầm kết tụ đó sẽ phát triển thông qua quá trình khuyếch tán của vật chất từ dung dịch lên bề mặt của các mầm cho đến khi mầm trở thành hạt nanô. Để thu được hạt có độ đồng nhất cao, người ta cần phân tách hai giai đoạn hình thành mầm và phát triển mầm. Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế sự hình thành của những mầm mới. Các phương pháp sau đây là những phương pháp kết tủa từ dung dịch: đồng kết tủa, nhũ tương, polyol, phân ly nhiệt... Phương pháp đồng kết tủa là một trong những phương pháp thường được dùng để tạo các hạt ô-xít sắt. Hydroxide sắt bị ô-xi hóa một phần bằng một chất ô-xi hóa khác hoặc tạo hạt từ Fe+2 và Fe+3 trong dung môi nước. Kích thước hạt (4-15 nm) và điện tích bề mặt được điều khiển bằng độ pH và ion trong dung dịch. Nhũ tương (microemulsion) cũng là một phương pháp được dùng khá phổ biến để tạo hạt nanô. Các hạt dung dịch nước bị bẫy bởi các phân tử CHHBM trong dầu (các mixen). Do sự giới hạn về không gian của các phân tử CHHBM, sự hình thành, phát triển các hạt nanô bị hạn chế và tạo nên các hạt nanô rất đồng nhất. Kích thước hạt có thể từ 4-12 nm với độ sai khác khoảng 0.2-0.3 nm [7]. Cũng bằng phương pháp này, người ta có thể chế tạo hạt ô-xít sắt bao phủ bởi một lớp vàng để tránh ô-xi hóa và tăng tính tương hợp sinh học. Polyol là phương pháp thường dùng để tạo các hạt nanô kim loại như Ru, Pd, Au, Co, Ni, Fe,... Các hạt nanô kim loại được hình thành trực tiếp từ dung dịch muối kim loại có chứa polyol. Polyol có tác dụng như một dung môi hoặc trong một số trường hợp như một chất khử ion kim loại. Dung dịch được điều khiển nhiệt độ để làm tăng giảm động học của quá trình kết tủa thu được các hạt có hình dạng và kích thước rất xác định. Một phương pháp khác nữa là phân ly nhiệt. Sự phân ly của các hợp chất chứa sắt với sự có mặt của một CHHBM ở nhiệt độ cao cải thiện đáng kể chất lượng của các hạt nanô.
Trong phương pháp tạo hạt từ thể hơi, sự nhiệt phân bụi hơi chất lỏng và laser là những kĩ thuật rất tốt để tạo ra trực tiếp và liên tục các hạt nanô từ tính. Sự khác biệt giữa nhiệt phân bụi hơi chất lỏng và laser ở trạng thái cuối cùng của vật liệu. Ở phương pháp nhiệt phân bụi hơi, hạt nanô thường kết tụ thành từng đám còn ở phương pháp nhiệt phân laser thì không. Nguyên tắc của phương pháp nhiệt phân bụi hơi là chất rắn được hình thành khi chất lỏng dung dịch được phun vào một chuỗi các bình phản ứng, ở đó, quá trình chất lỏng bốc bay, chất rắn ngưng tụ, quá trình làm khô và nhiệt phân xảy ra ở mỗi hạt chất lỏng. Kết quả thu được là chất rắn xốp. Phương pháp nhiệt phân laser sử dụng laser CO2 để khởi động và duy trì phản ứng hóa học. Khi áp suất và năng lượng laser vượt quá ngưỡng nhất định, quá trình hình thành hạt nanô sẽ xảy ra. Kết quả là các hạt nanô có kích thước rất nhỏ, độ đồng nhất cao và không bị kết tụ.

Ứng dụng của hạt nanô từ tính
Các ứng dụng của hạt nanô từ được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể và trong cơ thể. Chúng tôi chỉ trình bày một số ứng dụng tiêu biểu trong rất nhiều ứng dụng đã và đang được nghiên cứu. Phân tách và chọn lọc tế bào là ứng dụng ngoài cơ thể nhằm tách những tế bào cần nghiên cứu ra khỏi các tế bào khác. Các ứng dụng trong cơ thể gồm: dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ [2, 7].
4.1. Phân tách và chọn lọc tế bào
Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh học nào đó ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác. Phân tách tế bào sử dụng các hạt nanô từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng. Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu; và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường.
Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nanô từ tính. Hạt nanô thường dùng là hạt ô-xít sắt. Các hạt này được bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA),... Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nanô phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ. Giống như trong hệ miễn dịch, vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ được các kháng thể hoặc các phân tử khác như các hoóc-môn, a-xít folic tìm thấy. Các kháng thể sẽ liên kết với các kháng nguyên. Đây là cách rất hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào. Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi [7]. Đối với các tế bào lớn, kích thước của các hạt từ tính đôi lúc cũng cần phải lớn, có thể đạt kích thước vài trăm nanô mét.
Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài. Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu. Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài. Lực tác động lên hạt từ tính được cho bởi phương trình sau:
F = 6 pi n R Dn
Trong đó n là độ nhớt của môi trường xung quanh tế bào (nước), R là bán kính của hạt từ tính, Dn là sự khác biệt về vận tốc giữa tế bào và nước.
Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản nhất được trình bày ở hình 1. Hỗn hợp tế bào và chất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp CHHBM) được trộn với nhau để các lên kết hóa học giữa chất đánh dấu và tế bào xảy ra. Sử dụng một từ trường ngoài là một thanh nam châm vĩnh cửu để tạo ra một gradient từ trường giữ các hạt tế bào được đánh dấu lại.
4.2. Dẫn truyền thuốc
Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không đặc hiệu. Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các tế bào mạnh khỏe bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc. Chính vì thế việc dùng các hạt từ tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị các khối u ung thư) đã được nghiên cứu từ những năm 1970 [], những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính. Có hai lợi ích cơ bản là: (i) thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc; và (ii) giảm lượng thuốc điều trị.
Hạt nanô từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị. Lúc này hạt nanô có tác dụng như một hạt mang. Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể. Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt độ. Quá trình vật lý diễn ra trong việc dẫn truyền thuốc cũng tương tự như trong phân tách tế bào. Gradient từ trường có tác dụng tập trung hệ thuốc/hạt. Hiệu quả của việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cường độ từ trường, gradient từ trường, thể tích và tính chất từ của hạt nanô. Các chất mang (chất lỏng từ) thường đi vào các tĩnh mạnh hoặc động mạch nên các thông số thủy lực như thông lượng máu, nồng độ chất lỏng từ, thời gian tuần hoàn đóng vai trò quan trọng như các thống số sinh lý học như khoảng cách từ vị trí của thuốc đến nguồn từ trường, mức độ liên kết thuốc/hạt, và thể tích của khối u. Các hạt có kích thước micrô mét (tạo thành từ những hạt siêu thuận từ có kích thước nhỏ hơn) hoạt động hiệu quả hơn trong hệ thống tuần hoàn đặc biệt là ở các mạch máu lớn và các động mạch. Nguồn từ trường thường là nam châm NdFeB có thể tạo ra một từ trường khoảng 0,2 T và gradient từ trường khoảng 8 T/m với động mạch đùi và khoảng 100 T/m với động mạch cổ. Điều này cho thấy quá trình dẫn thuốc bằng hạt nanô từ tính có hiệu quả ở những vùng máu chảy chậm và gần nguồn từ trường. Tuy nhiên, khi các hạt nanô chuyển động ở gần thành mạch máu thì chuyển động của chúng không tuân theo định luật Stoke nên với một gradient từ trường nhỏ hơn quá trình dẫn thuốc vẫn có tác dụng.
Các hạt nanô từ tính thường dùng là ô-xít sắt (magnetite Fe3O4, maghemite a-Fe2O3) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như PVA, detran hoặc silica. Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt để có thể liên kết với các phân tử khác như nhóm chức carboxyl, biotin,... Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt nhất là dùng để điều trị u não. Việc dẫn truyền thuốc đến các u não rất khó khăn vì thuốc cần phải vượt qua hàng rào băng cách giữa não và máu, nhờ có trợ giúp của hạt nanô từ có kích thước 10-20 nm, việc dẫn truyền thuốc có hiệu quả hơn rất nhiều. Việc áp dụng phương pháp này đối với người tuy đã có một số thành công, nhưng còn rất khiêm tốn.
4.3. Tăng thân nhiệt cục bộ
Phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ các tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường là một trong những ứng dụng quan trọng khác của hạt nanô từ tính. Nguyên tắc hoạt động là các hạt nanô từ tính có kích thước từ 20-100 nm được phân tán trong các mô mong muốn sau đó tác dụng một từ trường xoay chiều bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để làm cho các hạt nanô hưởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh. Nhiệt độ khoảng 42 °C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư. Nghiên cứu về kĩ thuật tăng thân nhiệt cục bộ được phát triển từ rất lâu và có rất nhiều công trình đề cập đến kĩ thuật này nhưng chưa có công bố nào thành công trên người. Khó khăn chủ yếu đó là việc dẫn truyền lượng hạt nanô phù hợp để tạo ra đủ nhiệt lượng khi có sự có mặt của từ trường ngoài mạnh trong phạm vi điều trị cho phép. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung nóng cục bộ là lưu lượng máu và phân bố của các mô. Thực nghiệm và tính toán cho biết tỉ số phát nhiệt vào khoảng 100 mW/cm3 là đủ trong hầu hết các trường hợp thực nghiệm. Tần số và biên độ của từ trường thường dùng dao động trong khoảng f = 0,05-1,2 MHz, H < 0,02 T. Mật độ hạt nanô cần thiết vào khoảng 5-10 mg/cm3. Vật liệu dùng để làm hạt nanô thường là magnetite và maghemite và có thể có tính sắt từ hoặc siêu thuận từ. Phần lớn các thí nghiệm được tiến hành với hạt siêu thuận từ. Vì vậy, ở đây chúng tôi chỉ giải thích cơ chế vật lý cho hạt siêu thuận từ. Với hạt siêu thuận từ, khi áp dụng một từ trường xoay chiều thì hạt sẽ hưởng ứng dưới tác dụng của từ trường đó. Sự hưởng ứng được thể hiện bằng chuyển động quay vật lý và quay mô men từ của hạt. Hai quá trình quay này được đặc trưng bới hai thông số là thời gian hồi phục Brown ( ) và thời gian hồi phục Néel ( ). Lượng nhiệt thoát ra được cho bởi phương trình sau:
P = m0 pi f c H2
trong đó m0 là từ thẩm của môi trường, f là tần số từ trường xoay chiều, c là thành phần lệch pha của độ cảm từ phức (độ hấp thụ), H là cường độ từ trường. Nếu chuyển động của hạt nanô từ tính lệch pha so với từ trường thì một phần năng lượng từ chuyển thành nội năng của hệ. Một chất lỏng từ được đặc trưng bởi tốc độ hấp thụ. Với chất lỏng từ tốt giá trị này có thể đạt giá trị 45 W/g tại từ trường cỡ 0,01 T [7].
4.4. Tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ
Mặc dù mômen từ của một prôtôn rất nhỏ (1,5´10-3 ) nhưng trong cơ thể động vật có một lượng rất lớn prôtôn (hạt nhân nguyên tử hiđrô của phân tử nước, 6,6´10-19) nên có thể tạo ra một hiệu ứng có thể đo được. Nếu tác dụng một từ trường cố định có cường độ = 1 T cùng với một từ trường xoay chiều vuông góc với từ trường cố định và có tần số bằng tần số tuế sai Larmor của prôtôn thì sự hấp thụ cộng hưởng sẽ xảy ra. Với hạt nhân nguyên tử hiđrô 1H, tỉ số từ hồi chuyển
Rad.s-1.T-1. Tần số tuế sai Larmor sẽ tương ứng với tần số sóng vô tuyến và có giá trị là 42,57 MHz. Khi chỉ có mặt của từ trường cố định, prôtôn sẽ tuế sai xung quanh hướng của từ trường. Khi từ trường xoay chiều được phát ra, mặc dù cường độ của từ trường này yếu hơn nhiều so với từ trường cố định nhưng vì tần số của nó đúng bằng tần số tuế sai nên mô mentừ của prôtôn sẽ hướng theo phương của từ trường xoay chiều, tức là vuông góc với từ trường cố định. Khi từ trường xoay chiều ngừng tác động, mô men từ sẽ trở lại phương của từ trường cố định (xem hình 2). Quá trình hồi phục phụ thuộc vào hai thông số, đó là, thời gian hồi phục dọc T1 và thời gian hồi phục ngang với phương từ trường cố định T2 cho bởi công thức:
mz = m[1-exp(-t/T1)]
mxy = m sin(wt+phi) exp(-t/T2)
t là thời gian và phi là hằng số pha. T1 đặc trưng cho sự mất mát nhiệt lượng ra môi trường xung quanh, T2 đặc trưng cho sự lệch pha của prôtôn với từ trường xoay chiều. Tuy nhiên sự lệch pha có thể do sự bất đồng nhất của từ trường nên giá trị T2 được thay thế bằng giá trị T2*:
1/T2* = 1/T2 + g DB/2
DB là sự biến thiên của từ trường cố định có thể do sự biến dạng địa phương của từ trường hoặc do sự thay đổi của độ cảm từ.
Các giá trị T1 và T2* có thể giảm đi khi có mặt của hạt nanô từ tính. Các hạt nanô siêu thuận từ tạo thành từ ô-xít sắt hoặc hợp chất chứa Gd thường được sử dụng như tác nhân làm tăng độ tương phản trong cộng hưởng từ. Sự có mặt của chúng làm nhiễu loạn từ trường địa phương nên làm thay đổi giá trị rất nhiều. Giá trị của cũng thay đổi nhưng ở mức độ yếu hơn. Dựa trên đặc tính của từng mô trong cơ thể, tùy loại mô mà độ hấp thụ hạt nanô mạnh hay yếu. Ví dụ, hạt nanô có kích thước 30 nm được bao phủ dextran có thể nhanh chóng đi vào gan và tì trong khi những cơ quan khác thì chậm hơn. Như vậy, mật độ hạt nanô ở các cơ quan là khác nhau, dẫn đến sự nhiễu loạn từ trường địa phương cũng khác nhau làm tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ do thời gian hồi phục bị thay đổi khi đi từ mô này đến mô khác.

Một số nghiên cứu ở Việt Nam
Ở Việt Nam, việc chế tạo các hạt nanô từ đã được thực hiện một vài năm trước đây bằng phương pháp hóa, phương pháp phún xạ,... Phương pháp cơ học (nghiền) cũng bắt đầu được chúng tôi thử nghiệm. Có điều đặc biệt là các nghiên cứu chế tạo hạt nanô từ đều tập trung định hướng vào các ứng dụng trong y-sinh học. Ngoài các ứng dụng để tách tế bào, dẫn thuốc, nung nóng cục bộ đã nêu ở trên, chúng tôi còn quan tâm đến việc chế tạo các hạt nanô từ mang các chất phát quang. Khi đi vào cơ thể, các hạt mang loại này sẽ khu trú tập trung tại các vùng bệnh. Kết hợp với kỹ thuật thu nhận tín hiệu phản xạ quang, dựa vào cường độ phản xạ ra bên ngoài chúng ta có thể đóan nhận được vị trí của các mầm bệnh và có các biện pháp điêù trị kịp thời. Đề tài đang được thực hiện trên cơ sở gợi ý của một số công ty khoa học. Để giải quyết bài toán này, ngoài việc nghiên cứu quá trình sinh hóa trong cơ thể, các phương pháp tăng hiệu quả dẫn truyền hạt nanô, còn phải tìm ra các vật liệu phát quang tốt có khả năng kết hợp với các hạt nanô từ.

Tài liệu tham khảo
1. Pitkethly, M.J., Nanotoday, 7 (2004) 20.
2. Leslie-Pelecky, D.L., V. Labhasetwar, and J. Kraus, R.H., Nanobiomagnetics, in Advanced Magnetic Nanostructures, D.J. Sellmyer and R.S. Skomski, Editors. 2005, Kluwer: New York.
3. Tartaj, P., M.d.P. Morales, S. Veintemillas-Verdaguer, T. Gonzalez-Carreno, and C.J. Serna, J. Phys. D: Appl. Phys., 36 (2003) R182.
4. Chikazumi, S., Physics of Ferromagnetism. Second ed, ed. J. Birman. 1997, Oxford: Clarendon Press.
5. Rosensweig, R.E., Ferrohydrodynamics. 1985, Cambridge: Cambridge University Press.
6. Hai, N.H., R. Lemoine, S. Remboldt, M. Strand, J.E. Shield, D. Schmitter, R.H. Kraus Jr., M. Espy, and D.L. Leslie-Pelecky, J. Magn. Magn. Mater., 293 (2005) 75.
7. Pankhurst, Q.A., J. Connolly, S.K. Jones, and J. Dobson, J. Phys. D: Appl. Phys., 36 (2003) R167.

2005/06/29

Vụ nổ lớn

xem bài của Zạ Trạch trên từ điển bách khoa Wikipedia

Vụ Nổ Lớn là một lý thuyết khoa học về nguồn gốc của vũ trụ. Lý thuyết đó phát biểu rằng vũ trụ được bắt đầu từ một điểm kỳ dị có mật độ vật chất và nhiệt độ lớn vô hạn tại một thời điểm hữu hạn trong quá khứ. Từ đó, không gian đã mở rộng cùng với thời gian và làm cho các thiên hà di chuyển xa nhau hơn tạo ra một vũ trụ giãn nở như chúng ta thấy ngày nay.

Ý tưởng trung tâm của lý thuyết này là quá trình vũ trụ đang giãn nở. Nó được minh chứng bằng các thí nghiệm về dịch chuyển đỏ của các thiên hà (định luật Hubble). Điều đó có nghĩa là các thiên hà đang rời xa nhau và cũng có nghĩa là chúng đã từng ở rất gần nhau trong quá khứ và quá khứ xa xưa nhất, cách đây khoảng 13,7 tỷ (13.7 × 109) năm, là một điểm kỳ dị. Từ "vụ nổ lớn" được sử dụng trong một nghĩa hẹp, đó là một thời điểm trong thời gian khi sự mở rộng của vũ trụ bắt đầu xuất hiện, và theo nghĩa rộng, đó là quá trình tiến hóa, giải thích nguồn gốc và sự phát triển của vũ trụ.

Lịch sử

Lý thuyết Vụ Nổ Lớn được đưa ra dựa trên cơ sở của các thành tựu của lý thuyết và thực nghiệm. Về mặt thực nghiệm, năm 1910, nhà khoa học Vesto Slipher và sau này là Carl Wilhelm Wirtz đã xác định rằng hầu hết các tinh vân hình xoáy ốc đang rời xa Trái Đất, nhưng họ không nhận ra ý nghĩa của việc này, họ cũng không nhận ra được là các tinh vân đó là các thiên hà ở ngoài Ngân Hà của chúng ra.

Cũng vào những năm 1910, lý thuyết tương đối rộng của Albert Einstein thừa nhận một vũ trụ không tĩnh tại. Vũ trụ được mô tả bằng một ten sơ metric là một vũ trụ đang giãn nở hoặc đang co lại. Nhưng bản thân Einstein lại cho rằng một vũ trụ như thế là sai và ông đã bổ sung một hằng số vũ trụ, có tác dụng như một lực hút để có thể mô tả một vũ trụ tĩnh tại. Người đầu tiên nghiên cứu thuyết tương đối rộng một cách nghiêm túc mà không cần đến hằng số vũ trụ là Alexander Friedmann, và ông đưa ra các phương trình mô tả cho vũ trụ Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker.

Năm 1927, một thầy tu dòng tên người Bỉ là Georges Lemaître cũng đưa ra các phương trình Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker một cách độc lập dựa trên các quan sát về sự lùi xa của các tinh vân hình xoáy ốc, và giả thiết rằng vũ trụ bắt đầu từ một "vụ nổ" của một "nguyên tử nguyên thủy" mà sau này gọi là "Vụ Nổ Lớn".

Năm 1929, Edwin Hubble đã đưa ra các cơ sở thực nghiệm cho lý thuyết của Lemaître. Hubble chứng minh rằng, các tinh vân hình xoáy ốc là các thiên hà và ông đo khoảng cách giữa chúng bằng các ngôi sao Cepheid. Ông phát hiện ra rằng các thiên hà đang rời ra xa chúng ta theo tất cả các hướng với vận tốc tỷ lệ với khoảng cách giữa chúng. Sự giãn nở này được gọi là định luật Hubble.

Do sự giới hạn của nguyên lý vũ trụ, định luật Hubble gợi ý rằng vũ trụ đang giãn nở. Điều này cho phép hai khả năng trái ngược nhau có thể xảy ra. Khả năng thứ nhất là lý thuyết về vụ nổ lớn của của Lemaître, và sau đó được George Gamow mở rộng là đúng. Khả năng thứ hai là vũ trụ tuân theo mô hình trạng thái dừng của Fred Hoyle, trong đó, vật chất được tạo ra khi các thiên hà chuyển động ra xa khỏi nhau. Theo mô hình của Hoyle, vũ trụ gần như không đổi theo thời gian. Thực ra chính Hoyle là người đã đặt tên cho lý thuyết của Lemaître một cách mỉa mai trên một chương trình của đài BBC vào năm 1949 là "vụ nổ lớn", đến năm 1950 cái tên trên mới được in ở trên các bài báo.

Trong rất nhiều năm, ý tưởng này vẫn gây nhiều tranh cãi. Tuy nhiên, có nhiều bằng chứng thực nghiệm ủng hộ ý tưởng cho rằng vũ trụ bắt đầu từ một trạng thái đặc nóng. Từ khám phá bức xạ phông vi sóng vũ trụ vào năm 1965 thì lý thuyết vụ nổ lớn được coi là lý thuyết tốt nhất để mô tả nguồn gốc và tiến hóa của vũ trụ.

Trước những năm cuối của thập kỷ 1960, rất nhiều nhà vũ trụ học nghĩ rằng điểm kỳ dị có mật độ vô hạn tại thời điểm bắt đầu của thời gian trong mô hình vũ trụ của Friedmann có thể không đúng nếu trước đó, vũ trụ ở pha co lại nhưng khi đến gần các thiên hà trượt qua nhau và chuyển sang pha giãn nở như hiện nay. Richard Tolman gọi vũ trụ như thê này là vũ trụ dao động. Tuy nhiên, vào những năm 1960, Stephen Hawking và những người khác chứng minh rằng vũ trụ như thế không thể tồn tại và điểm kỳ dị là một đặc điểm quan trọng nhất của vật lý được mô tả bằng lý thuyết hấp dẫn của Einstein. Điều này thuyết phục phần lớn các nhà vũ trụ học chấp nhận vũ trụ được mô tả bằng lý thuyết tương đối rộng được sinh ra tại một thời điểm hữu hạn trong quá khứ. Tuy nhiên, vì lý thuyết hấp dẫn lượng tử chưa hoàn thiện nên không có cách nào kiểm chứng điểm kỳ dị tại Vụ nổ lớn là một điểm khởi đầu cho vũ trụ và cũng không thể nào nói rằng vũ trụ có tuổi vô hạn.

Ngày nay, tất cả các công trình lý thuyết về vũ trụ học đều là phần mở rộng hoặc hiệu chỉnh lại lý thuyết Vụ nổ lớn ban đầu. Rất nhiều các công trình hiện nay về vũ trụ học bao gồm việc nghiên cứu sự hình thành của các thiên hà trong bối cảnh sau Vụ nổ lớn, tìm hiểu cái gì đã xảy ra tại Vụ nổ lớn và so sánh các kết quả thực nghiệm với lý thuyết.

Việc nghiên cứu về Vụ nổ lớn có những bước tiến bộ vượt bậc vào những năm 1990 và những đầu năm của thế kỷ 21 nhờ vào sự phát triển của kỹ thuật kính thiên văn kết hợp với một lượng lớn các dự liệu vệ tinh như Máy thăm dò phông vũ trụ (COBE), kính thiên văn không gian Hubble và Máy dò dị hướng vi sóng Wilkinson (WMAP). Các dữ liệu này cho phép các nhà vũ trụ học tính toán rất nhiều thông số về Vụ nổ lớn với độ chính xác cao và cho ra khám phá bất ngờ là sự giãn nở của vũ trụ không phải là đều mà đang được gia tốc. (Xem năng lượng tối).

Mô tả lý thuyết

Dựa trên các phép đo về sự giãn nở của vũ trụ bằng sao siêu mới loại I, các phép đo về sự trồi sụt của bức xạ phông vi sóng vũ trụ và các phép đo về hàm liên kết của các thiên hà, người ta xác định được tuổi của vũ trụ là 13.7 ± 0.2 tỷ năm. Kết quả giống nhau của ba phép đo độc lập này được coi là bằng chứng thuyết phục cho một mô hình gọi là mô hình Lambda-CDM mô tả chi tiết tính chất của vũ trụ.

Vũ trụ vào giai đoạn sớm là một vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng với mật độ năng lượng, nhiệt độ và áp suất cực cao. Sau đó đó vũ trụ nở ra, lạnh đi và trải qua một quá trình chuyển pha giống như sự ngưng tụ của hơi nước hoặc sự đóng băng của nước khi nhiệt độ giảm xuống, tất nhiên là không phải sự chuyển pha của phân tử nước mà là của các hạt cơ bản.

Khoảng 10-35 giây sau kỷ nguyên Planck, một loại chuyển pha làm cho vũ trụ trải qua giai đoạn phát triển theo hàm mũ được gọi là giai đoạn lạm phát vũ trụ. Sau khi quá trình lạm phát kết thúc, thành phần của vũ trụ gồm các plasma quark-gluon (gồm tất cả các hạt khác, một số thực nghiệm gần đây gợi ý có thể vũ trụ lúc đó là một loại chất lỏng quark-gluon)[1] (http://www.aip.org/pnu/2005/split/728-1.html). Các hạt này đều chuyển động tương đối. Khi vũ trụ tiếp tục gia tăng kích thước thì nhiệt độ tiếp tục giảm. Tại một nhiệt độ nhất định, một giai đoạn mà hiện nay người ta vẫn chưa biết hết về nó gọi là quá trình sinh hạt baryon, tại đó, các quark và gluon kết hợp với nhau để tạo nên các hạt baryon, như là proton và neutron, và bằng cách nào đó mà thể hiện tính phi đối xứng giữa vật chất và phản vật chất. Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ thì sẽ dẫn đến nhiều quá trình chuyển pha có tính đối xứng bị phá vỡ hơn và làm cho các lực vật lý và các hạt cơ bản tồn tại ở trạng thái như chúng ta thấy ngày nay. Sau đó, một số proton và neutron kết hợp với nhau để hình thành các hạt nhân nguyên tử deuterium và hêli, quá trình này gọi là sự tổng hợp hạt nhân vụ nổ lớn. Khi vũ trụ tiếp tục bị nguội đi, vật chất không còn chuyển động với vận tốc tương đối nữa và mật độ năng lượng do khối lượng nghỉ thể hiện dưới dạng hấp dẫn sẽ thống trị mật độ năng lượng thể hiện dưới dạng bức xạ. Khoảng 300.000 năm sau vụ nổ lớn, các điện tử và các hạt nhân kết hợp với nhau tạo nên các nguyên tử (phần lớn là hiđrô); do đó, bức xạ được tách khỏi vật chất và tiếp tục truyền trong không gian mà hầu như không bị cản trở. Dấu vết của bức xạ này tồn tại đến ngày nay chính là bức xạ phông vi sóng.

Theo thời gian, một số vùng có mật độ vật chất cao hơn sẽ hút nhau do lực hấp dẫn và càng làm cho các vùng đó đặc hơn nữa để hình thành nên các đám mây vật chất, các ngôi sao, các thiên hà và các cấu trúc vũ trụ mà chúng ta quan sát được ngày nay. Chi tiết của quá trình này phụ thuộc vào lượng và loại vật chất trong vũ trụ. Có ba loại vật chất được biết là vật chất tối lạnh, vật chất tối nóng và vật chất thường. Các phép đo thực nghiệm cho thấy rằng dạng vật chất tối lạnh thống trị vũ trụ, nó chiếm đến hơn 80% khối lượng, trong khi hai loại vật chất kia chỉ chiếm chưa đến 20% khối lượng.

Về mặt năng lượng thì vũ trụ hiện nay có vẻ như bị thống trị bởi một dạng năng lượng bí ẩn được gọi là năng lượng tối. Khoảng 70% mật độ năng lượng toàn phần của vũ trụ tồn tại ở dạng này. Sự có mặt của dạng năng lượng này được suy ra từ sự sai khác giữa sự giãn nở của vũ trụ và công thức liên hệ giữa tốc độ - khoảng cách làm cho không thời gian giãn nở nhanh hơn trông đợi tại các khoảng cách lớn. Năng lượng tối xuất hiện như là một hằng số vũ trụ trong các phương trình Einstein của lý thuyết tương đối rộng. Nhưng bản chất, các chi tiết về phương trình trạng thái, và mối liên hệ với mô hình chuẩn của vật lý hạt vẫn còn chưa sáng tỏ và cần được nghiên cứu cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm.

Tất cả các quan sát đều được giải thích bằng mô hình Lambda-CDM, trong đó, mô hình toán học về vụ nổ lớn có sáu thông số tự do. Bí ẩn xuất hiện khi người ta quan sát gần điểm khởi đầu, khi mà năng lượng của các hạt lớn hơn năng lượng mà các thực nghiệm chưa đạt được. Hiện không có mô hình vật lý nào mô tả vũ trụ ở thời điểm trước 10-33 giây, trước thời điểm chuyển pha được gọi là lý thuyết thống nhất lớn. Tại thời khắc ngắn ngủi đầu tiên này, lý thuyết Einstein về hấp dẫn tiên đoán một điểm kỳ dị hấp dẫn, tại đó mật độ vật chất trở nên vô hạn. Để giải quyết nghịch lý vật lý này, người ta cần đến lý thuyết lượng tử hấp dẫn. Đó là một trong những vấn đề chưa giải quyết được trong vật lý.

Cơ sở lý thuyết

Lý thuyết Vụ Nổ Lớn ngày nay dựa trên ba giả thuyết sau:

1. Tính phổ quát của các định luật vật lý
2. Nguyên lý vũ trụ học
3. Nguyên lý Copernic

Ban đầu, các giải thuyết trên chỉ được thừa nhận nhưng ngày nay có rất nhiều thực nghiệm kiểm tra tính đúng đắn của chúng. Tính phổ quát của các định luật vật lý được chứng minh là đúng đắn vì các sai số lớn nhất về hằng số cấu trúc tinh tế trong một khoảng thời gian bằng tuổi của vũ trụ chỉ cỡ khoảng 10-5. Tính dị hướng của vũ trụ xác định nguyên lý vũ trụ và được kiểm nghiệm với độ chính xác 10-5 và vũ trụ được xác định là đồng nhất trên quy mô lớn với độ sai số khoảng 10%. Hiện nay người ta vẫn đang trong quá trình kiểm tra nguyên lý Copernic bằng cách nghiên cứu tương tác giữa các đám thiên hà bằng CMB thông qua hiệu ứng Sunyaev-Zeldovich với độ chính xác 1%.

Lý thuyết Vụ Nổ Lớn sử dụng giả thuyết Weyl để đo thời gian tại bất kỳ thời điểm nào sau kỷ nguyên Planck. Các phép đo này dựa trên các tọa độ quy chiếu trong đó khoảng cách quy chiếu và thời gian quy chiếu đã loại bỏ sự giãn nở của vũ trụ trên quan điểm của các phép đo không-thời gian. Khoảng cách quy chiếu và thời gian quy chiếu được định nghĩa sao cho các vật thể chuyển động trong các vũ trụ giãn nở khác nhau có cùng một khoảng cách và các chân trời hạt hay các giới hạn quan sát (của một vũ trụ nào đó) được xác định bởi thời gian quy chiếu.

Vì vũ trụ có thể được mô tả bởi các tọa độ như vậy, vụ nổ lớn không phải là một vụ nổ trong đó vật chất được phóng ra và lấp đầy một vũ trụ trống rỗng; cái đang giãn nở chính là không-thời gian. Đó chính là sự giãn nở làm cho khoảng cách vật lý giữa hai điểm cố định trong vũ trụ của chúng ta tăng lên. Các vật thể liên kết với nhau (ví dụ bị liên kết bởi lực hấp dẫn) thì không giãn nở cùng không-thời gian vì các định luật vật lý điều khiển chúng được giả thiết là đồng nhất và độc lập với các giãn nở metric. Hơn nữa, sự giãn nở của vũ trụ tại nấc thang cục bộ ngày nay quá nhỏ nên nếu có sự phụ thuộc nào của các định luật vật lý vào sự giãn nở thì sự phụ thuộc đó cũng rất nhỏ làm cho các máy đo không thể xác định được.

Bằng chứng thực nghiệm

Nói chung, có ba bằng chứng chủ yếu ủng hộ lý thuyết vụ nổ lớn về nguồn gốc vũ trụ. Đó là định luật Hubble cho thấy sự giãn nở của vũ trụ dựa trên sự dịch chuyển đỏ của các thiên hà; việc tìm ra bức xạ phông vi sóng vũ trụ; và sự thống trị của các nguyên tố nhẹ. (Xem thêm tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn). Hơn nữa, các hàm liên kết của các cấu trúc tại các nấc thang vĩ mô của vũ trụ hoàn toàn trùng khớp với lý thuyết Vụ Nổ Lớn.

Định luật Hubble về sự giãn nở của vũ trụ
Các quan sát về các thiên hà và các quasar xa xôi cho thấy rằng ánh sáng từ chúng phát ra bị dịch chuyển về phía các ánh sáng có bước sóng dài hơn (dịch chuyển đỏ) và sự dịch chuyển đó tỷ lệ với khoảng cách giữa chúng. Sự dịch chuyển ánh sáng được rút ra từ phổ tần số của vật thể khi so sánh với các vạch phổ phát xạ hoặc hấp thụ của nguyên tử của các nguyên tố tương tác với bức xạ. Sự dịch chuyển đỏ này được giải thích bằng hiệu ứng Doppler đối với ánh sáng khi nguồn phát chuyển động ra xa nguồn thu. Sự dịch chuyển về phía bước sóng dài tỷ lệ với khoảng cách và hiện tượng này được biểu diễn bằng định luật Hubble như sau:

v = H0 D

trong đó v vận tốc rời xa, D khoảng cách và H0 hằng số Hubble có giá trị bằng 71 ± 4 km/giây/Mpc.

Bức xạ phông vũ trụ
Lý thuyết vụ nổ lớn tiên đoán về sự tồn tại của bức xạ phông vi sóng vũ trụ được tạo thành từ các quang tử phát ra từ giai đoạn sinh hạt baryon. Vì vũ trụ thời kỳ sơ khai ở trạng thái cân bằng nhiệt động nên nhiệt độ của bức xạ và plasma bằng nhau cho đến khi plasma tái hợp. Trước khi nguyên tử được hình thành thì bức xạ bị hấp tụ và tái phát xạ đều trong một quá trình gọi là tán xạ Compton: vũ trụ vào giai đoạn sơ khai không trong suốt với ánh sáng. Tuy nhiên, quá trình nhiệt độ của vũ trụ bị giảm đi khi giãn nở làm cho nhiệt độ xuống thấp hơn 3000 K, tại nhiệt độ này thì điện tử và hạt nhân kếp hợp với nhau để tạo ra nguyên tử và các plasma nguyên thủy bị biến thành khí trung hòa. Quá trình này được gọi là quá trình giải phóng quang tử. Một vũ trụ chỉ gồm các nguyên tử trung hòa cho phép bức xạ truyền qua mà không bị cản trở nhiều.

Vì tại các giai đoạn sớm, vũ trụ ở trong trạng thái cân bằng nhiệt động nên bức xạ từ thời điểm này có phổ phân bố giống như phổ phát xạ của một vật đen được truyền một cách tự do cho đến ngày nay sẽ bị dịch chuyển đỏ theo định luật Hubble. Bức xạ đó phải được giống nhau theo mọi hướng trong không gian.

Năm 1964, Arno Penzias và Robert Wilson đã phát hiện ra bức xạ phông vũ trụ khi họ tiến hành nghiên cứu một máy thu tín hiệu vi sóng ở phòng thí nghiệm Bell. Khám phá của họ đã khẳng định tiên đoán về bức xạ phông vũ trụ, một bức xạ đẳng hướng và đồng nhất phân bố giống như phổ phát xạ của vật đen có nhiệt độ khoảng 3 K. Penzias và Wilson được trao giải Nobel về vật lý nhờ khám phá này.

Năm 1989, cơ quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ NASA đã phóng vệ tinh thăm dò phông vũ trụ (COBE), các kết quả ban đầu quan sát được rất phù hợp với các tiên đoán của lý thuyết vụ nổ lớn liên quan đến bức xạ phông vũ trụ. COBE đã tìm thấy nhiệt độ dư là 2,726 K và xác định được rằng bức xạ đó là đẳng hướng với độ chính xác 10-5. Vào những năm 1990, tính dị hướng của bức xạ phông vũ trụ được nghiên cứu rất chi tiết bằng rất nhiều các thí nghiệm và kết quả là về mặt hình học, vũ trụ là phẳng (xem hình dáng của vũ trụ).

Vào đầu năm 2003 các kết quả từ vệ tinh dị hướng vi sóng Wilkinson (WMAP) được phóng và đã thu được các giá trị chính xác nhất về các thông số vũ trụ. Vệ tinh này cũng loại bỏ một số mô hình lạm phát vũ trụ đặc biệt nhưng nhìn chung thì các kết quả phù hợp với lý thuyết lạm phát.

Sự hình thành các nguyên tố cơ bản
Sử dụng mô hình vụ nổ lớn, người ta có thể tính được mật độ helium-4, helium-3, deuterium và lithium-7 trong vũ trụ so với mật độ của hydrogen dựa trên tỷ lệ quang tử/baryon. Tỷ lệ tính toán là khoảng 0,25 đối với 4He/H, khoảng 10-3 đối với 2H/H, khoảng 10-4 đối với 3He/H và khoảng 10-9 đối với 7Li/H.

Tất cả cá giá trị đều rất phù hợp với tính toán từ tỷ lệ baryon/quang tử. Đây cũng được coi là một trong những bằng chứng rõ ràng nhất về vụ nổ lớn, đây là lý thuyết duy nhất có thể giải thích được sự thống trị của các nguyên tố nhẹ trong vũ trụ. Trên thực tế, không có kết quả thực nghiệm nào nằm ngoài khuôn khổ lý thuyết vụ nổ lớn, ví dụ, vũ trụ có nhiều helium hơn deuterium hoặc có nhiều deuterium hơn 3He.

Sự phân bố và tiến hóa của các thiên hà
Các nghiên cứu thực nghiệm về hình dáng và phân bố của các thiên hà và các quasar đã cho những bằng chứng rất thuyết phục về vụ nổ lớn. Kết hợp các quan sát và tính toán lý thuyết gợi ý rằng các quasar và các thiên hà được hình thành khoảng một tỷ năm sau vụ nổ lớn, và từ đó các cấu trúc lớn hơn được hình thành như các nhóm thiên hà, đám thiên hà và siêu đám thiên hà. Các ngôi sao cũng già đi và tiến hóa, do đó, các thiên hà xa xôi (chúng ta thấy ở chúng ở giai đoạn sớm của vũ trụ) sẽ rất khác các thiên hà gần hơn (chúng ta sẽ thấy chúng ở giai đoạn muộn hơn). Hơn nữa, các thiên hà hình thành gần đây sẽ rất khác với các thiên hà cũng ở gần như thế nhưng hình thành tại các giai đoạn rất sớm sau vụ nổ lớn. Các quan sát này là các chứng cớ phủ nhận mô hình trạng thái dừng. Các quan sát về sự hình thành các ngôi sao, sự phân bố của các thiên hà và quasar, và các cấu trúc lớn hơn phù hợp rất tốt với mô hình lý thuyết về cấu trúc của vũ trụ và cho phép hoàn thiện các tính toán chi tiết.

Các đặc điểm và các bài toán

Về mặt lịch sử, có rất nhiều các bài toán xuất hiện trong lý thuyết Vụ Nổ Lớn. Một số bài toán chủ yếu có tính lịch sử và được khắc phục bằng cách thay đổi lý thuyết hoặc thông qua các kết quả thực nghiệm chính xác hơn. Một số vấn đề khác như là bài toán phân bố và bài toán thiên hà lùn về vật chất tối lạnh không được coi là quan trọng vì chúng chỉ liên quan đến các hiệu chỉnh của lý thuyết.

Có một số lý thuyết không tin vào sự tồn tại của Vụ Nổ Lớn, cho rằng nghiệm của các bài toán chuẩn là do các sửa đổi và bổ sung tùy ý vào lý thuyết. Phần lớn các lý thuyết đó tấn công vào các hiện tượng như vật chất tối, năng lượng tối và thăng giáng vũ trụ. Các vấn đề này là các bài toán chưa có lời giải trong vật lý, chúng tuy chưa có lời giải nhưng có nhiều quan sát ủng hộ chúng, đó là bức xạ phông vi sóng, cấu trúc vũ trụ tại các nấc thang vĩ mô và các sao siêu mới loại IA. Hiệu ứng hấp dẫn của các thực thể này đã được hiểu về mặt thực nghiệm và lý thuyết thậm chí các mô hình để giải thích cho chúng chưa hoàn toàn phù hợp với mô hình chuẩn của vật lý hạt. Tuy vậy, phần lớn các nhà thiên văn học và các nhà vật lý đều đồng ý rằng sự phù hợp giữa giải thuyết về vụ nổ lớn và các quan sát đã thiết lập các nền tảng cho lý thuyết này.

Sau đây liệt kê tóm tắt các bài toán của lý thuyết Vụ Nổ Lớn.

Bài toán về chân trời
Bài toán về chân trời phát sinh từ việc thông tin không thể truyền nhanh hơn vận tốc ánh sáng, do đó sẽ có hai vùng không gian cách nhau một khoảng cách lớn hơn quãng đường mà ánh sáng đi được trong một thời gian bằng tuổi của vũ trụ. Như vậy, nếu hai vật thể ở đầu hai khoảng cách xa đến thế, sẽ không thể biết được thông tin về nhau, điều này tương tự như tồn tại một chân trời, mà đằng sau nó, chúng không có mối quan hệ nhân quả với chúng ta. Như thế thì tính đẳng hướng của bức xạ phông vũ trụ sẽ không chắc chắn bởi vì kích thước của chân trời hạt tại thời điểm này chỉ tương ứng với kích thước của hai độ khối trên bầu trời. Nếu vũ trụ có lịch sử giãn nở giống nhau từ kỷ nguyên Planck thì sẽ không có lý do nào làm cho các vùng đó có cùng nhiệt độ.

Sự bất hợp lý này được giải quyết bằng lý thuyết lạm phát, lý thuyết này cho rằng trường năng lượng vô hướng đồng nhất và đẳng hướng thống trị vũ trụ tại thời điểm 10-35 giây sau kỷ nguyên Planck. Trong quá trình lạm phát, vũ trụ trải qua giai đoạn giãn nở theo hàm mũ và những vùng nằm trong mối liên hệ nhân quả sẽ giãn nở sao cho chúng nằm ngoài mối quan hệ nhân quả với chân trời của vùng khác. Nguyên lý bất định tiên đoán rằng, trong thời kỳ lạm phát có các thăng giáng nhiệt lượng tử được khuyếch đại lên đến quy mô vũ trụ. Các thăng giáng này, có vai trò như là các hạt nhân của các cấu trúc vũ trụ hiện thấy ngày nay. Sau thời kỳ lạm phát, vũ trụ giãn nở theo định luật Hubble và các vùng nằm bên ngoài mối quan hệ nhân quả sẽ trở lại chân trời. Điều này giải thích tính đẳng hường của bức xạ phông vũ trụ. Thuyết lạm phát còn tiên đoán thăng giáng nguyên thủy hầu như không đổi được coi là bất biến khoảng cách và tuân theo phân bố Gauss được khẳng định bằng các quan sát về bức xạ phông vũ trụ.

Bài toán về độ phẳng
Bài toán về độ phẳng là một bài toán thực nghiệm phát sinh từ việc nghiên cứu hình dáng vũ trụ liên quan đến nghiệm Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker. Nói chung, vũ trụ có thể có ba loại hình dáng: hình hyperbol, hình Euclide và hình ellip. Hình dáng của vũ trụ phụ thuộc vào mật độ năng lượng toàn phần của vũ trụ (được đo bằng ten sơ ứng suất-năng lượng): nếu mật độ nhỏ hơn mật độ tới hạn thì vũ trụ sẽ có dạng hình hyperbol, nếu lớn hơn thì có dạng ellip, còn nếu đúng bằng giá trị đó thì sẽ có dạng Euclide. Giá trị mật độ năng lượng hiện nay của vũ trụ đo được chỉ khác độ một phần 1015 giá trị mật độ tới hạn trong trạng thái ban đầu của nó. Các thay đổi khác (với giá trị một phần 1015) sẽ dẫn đến hoặc Cái Chết Nhiệt hoặc Vụ Co Lớn và vũ trụ sẽ không tồn tại như hiện nay.

Lời giải cho bài toán này lại một lần nữa là lý thuyết lạm phát. Trong thời kỳ lạm phát, không-thời gian giãn nở nhanh đến mức các độ cong có liên quan đều bị là phẳng đi và do đó vũ trụ có dạng phẳng.

Các đơn cực từ
Đơn cực từ là một trong những phản đề xuất hiện vào cuối những năm 1970. Lý thuyết thống nhất lớn tiên đoán các sai hỏng điểm trong không gian có vai trò như các đơn cực từ có mật độ cao hơn mật độ mà các quan sát thu được, và cho đến nay, chưa tìm thấy một đơn cực từ nào. Bài toán này cũng được giải bằng lý thuyết lạm phát, loại bỏ tất cả các sai hỏng điểm tương tự như giải quyết bài toán về độ phẳng của vũ trụ ở phần trước.

Bất đối xứng baryon
Người ta vẫn không hiểu tại áo có nhiều vật chất hơn phản vật chất. Giả thiết đưa ra là, khi vũ trụ còn trẻ và nóng, vũ trụ ở trong một trạng thái cân bằng thống kê và có số baryon bằng số phản baryon. Tuy nhiên, các quan sát cho thấy rằng tất cả vũ trụ đều được tạo thành từ vật chất, ngay cả tại những khoảng cách xa. Một quá trình chưa được biết đến được gọi là quá trình sinh hạt baryon tạo ra sự bất đối xứng này. Để quá trình sinh hạt baryon xuất hiện, các điều kiện Sakharov, do Andrei Sakharov đưa ra, cần phải được thỏa mãn. Các điều kiện đó yêu cầu số các baryon không được bảo toàn, tức là đối xứng-C và đối xứng-CP bị vi phạm, và vũ trụ xuất phát từ trạng thái cân bằng nhiệt động. Tất cả các điều kiện này xuất hiện trong Vụ Nổ Lớn, nhưng hiệu ứng của nó không đủ mạnh để giải thích sự tồn tại của bất đối xứng baryon. Các nghiên cứu mới về vật lý hạt năng lượng cao cần được tiến hành để giải thích vấn đề trên.

Các đám cầu
Vào giữa những năm 1990, các quan sát thực nghiệm về các đám cầu mâu thuẫn với lý thuyết Vụ Nổ Lớn. Các mô phỏng máy tính để làm khớp các quan sát thực nghiệm về số các thiên thể của các đám cầu cho thấy rằng chúng có tuổi khoảng 15 tỷ năm, mâu thuẫn với con số 13,7 tỷ tiên đoán từ lý thuyết Vụ Nổ Lớn. Bài toán này được giải quyết vào cuối những năm 1990, khi các mô phỏng máy tính tính đến sự mất mát khối lượng do gió thiên thể đã chỉ ra tuổi của các đám cầu trẻ hơn nhiều so với mô phỏng trước đây. Việc làm thế nào để đo chính xác tuổi của các đám cầu vẫn là vấn đề cần giải quyết, nhưng rõ ràng là các vật thể này là các vật thể già nhất trong vũ trụ.

Vật chất tối
Trong những năm 1970 và 1980 các quan sát thực nghiệm cho thấy rằng không có đủ vật chất khả kiến để làm cho vật chất trong các thiên hà và giữa các thiên hà để giữ chúng quay bằng lực hấp dẫn. Điều này dẫn đến ý tưởng cho rằng 90% vật chất trong vũ trụ là vật chất không bình thường, không được tạo thành từ các hạt baryon và được gọi là vật chất tối. Nếu không có giả thuyết về vật chất tối thì không giải thích được tại sao vũ trụ lại quá phẳng và có quá ít deuterium đến thế. Lúc đầu, vật chất tối còn gây tranh cãi nhưng bây giờ nó được chấp nhận rộng rãi và được coi như một phần của vũ trụ chuẩn nhờ vào các quan sát về dị hướng của bức xạ phông vũ trụ, phân bố vận tốc của các đám thiên hà, phân bố cấu trúc tại các nấc thang lớn của vũ trụ, nghiên cứu về thấu kính hấp dẫn, các phép đo tia X về đám thiên hà. Vật chất tối chỉ được quan sát thông qua ảnh hưởng hấp dẫn của nó ngoài ra hiện chưa có bằng chứng gì khác. Tuy nhiên, có rất nhiều các ứng cử viên vật lý hạt cho vật chất tối, một vài dự án đang được tiến hành.

Năng lượng tối
Vào những năm 1990, các phép đo chi tiết về mật độ vật chất của vũ trụ cho thấy rằng giá trị đo được chỉ bằng 30% giá trị tới hạn. Từ quan sát bức xạ phông vũ trụ người ta thấy vũ trụ là phẳng và 70% mật độ năng lượng của vũ trụ chưa được tính đến. Điều này liên quan đến một hiệu ứng khác, đó là vũ trụ giãn nở với một gia tốc chứ không phải tuân theo chính xác định luật Hubble. Để giải thích tính gia tốc của quá trình giãn nở, lý thuyết tương đối rộng yêu cầu phần lớn vũ trụ tạo thành từ một dạng năng lượng có áp suất âm gọi là năng lượng tối. Năng lượng tối này được cho rằng chính là phần 70% thiếu hụt từ quan sát bức xạ phông vũ trụ. Bản chất của năng lượng tối vẫn là một trong những bí mật vĩ đại nhất về Vụ nổ lớn. Các lời giải khả dĩ là sự tồn tại của một hằng số vũ trụ.

Tương lai của lý thuyết Vụ Nổ Lớn

Trước khi có những bằng chứng về năng lượng tối, các nhà vũ trụ học đưa ra hai kịch bản về tương lai của vũ trụ. Nếu mật độ khối lượng của vũ trụ cao hơn mật độ tới hạn thì vũ trụ sẽ giãn nở đến một kích thước cực đại rồi bắt đầu co lại. Sau đó, vũ trụ sẽ trở lên đặc hơn và kết thúc ở một trạng thái tương tự như trạng thái mà nó sinh ra - một Vụ co lớn. Nhưng nếu mật độ vũ trụ bằng hoặc thấp hơn mật độ tới hạn thì sự giãn nở sẽ chậm đi nhưng không bao giờ dừng lại. Sự hình thành các vì sao sẽ không còn nữa và vũ trụ trở lên loãng và lạnh hơn. Nhiệt độ của vũ trụ sẽ tiệm cận đến nhiệt độ không tuyệt đối. Các hố đen sẽ bay hơi hết. Entropy của vũ trụ sẽ tăng đến một điểm mà ở đó không còn một dạng năng lượng nào có thể được phát ra từ đó, kịch bản này gọi là cái chết nhiệt. Hơn nữa, nếu quá trình phân rã proton mà có thực thì hiđrô, nguyên tố phổ biến nhất của vật chất baryon sẽ biến mất chỉ để lại sau nó là các bức xạ.

Các quan sát hiện đại về quá trình giãn nở gia tốc gợi ý rằng ngày càng có nhiều vật chất khả kiến hiện nay sẽ đi ra khỏi chân trời sự kiện và thoát khỏi tầm tương tác với chúng ta. Kết quả cuối cùng thế nào chúng ta vẫn chưa biết. Mô hình Lambda-CDM về vũ trụ có chứa năng lượng tối ở dạng một hằng số vũ trụ. Lý thuyết này gợi ý rằng chỉ có các hệ liên kết với nhau bằng lực hấp dẫn như là các thiên hà là có thể liên kết với nhau và chúng có thể chịu cái chết nhiệt khi vũ trụ giãn nở và lạnh đi. Một số giải thuyết cho rằng năng lượng tối là năng lượng ma và gợi ý rằng các đám thiên hà và ngay cả các thiên hà sẽ bị kéo ra xa khỏi nhau và sự giãn nở sẽ tăng lên mãi mãi trong một quá trình gọi là Sự xé lớn.

Các vấn đề vật lý thú vị

Trong vũ trụ học, lý thuyết Vụ nổ lớn đang được hoàn thiện và được tinh chỉnh trong tương lai. Nhưng người ta vẫn chưa biết nhiều về giai đoạn sớm nhất của vũ trụ, khi quá trình lạm phát xảy ra. Về nguyên tắc, chúng ta có thể quan sát được một phần vũ trụ ở thời đó. Nếu là trường hợp lạm phát thì điều này đòi hỏi: sự giãn nở theo hàm mũ sẽ đẩy nhiều vùng không gian ra khỏi chân trời quan sát của chúng ta. Có thể là vùng không gian đó sẽ giảm đi khi chúng ta hiểu rõ hơn vật lý năng lượng cao. Người ta trông đợi nhiều vào lý thuyết lượng tử hấp dẫn.

Một số giả thuyết đưa ra là:

* Lạm phát vũ trụ
* Mô hình Vũ trụ màng: coi Vụ nổ lớn là sự va chạm giữa các màng [2] (http://vietsciences1.free.fr/vietscience/timhieu/khoahoc/astronomie/ch7.pdf)
* Vũ trụ dao động: vũ trụ ở trạng thái ban đầu rất nóng, đặc là kết quả của Vụ co lớn. Vũ trụ có thể đã trải qua vô số những vụ nổ, co như vậy.
* Mô hình có điều kiện biên Hartle-Hawking: toàn bộ không thời gian là hữu hạn.
Một số kịch bản là tương đương với nhau, tất cả các kịch bản đều có chứa các yếu tố chưa được kiểm chứng.

Ý nghĩa triết học và tôn giáo

Có rất nhiều các giải thích ý nghĩa của Vụ nổ lớn nằm ngoài phạm vi khoa học. Một số giả thuyết cho rằng Vụ nổ lớn là tự thân (nguyên nhân đầu tiên) nhưng bị các nhà triết học theo phái tự nhiên chủ nghĩa phê phán là coi lý thuyết Vụ nổ lớn là thần thoại về sự sáng thế. Một số người cho rằng Vụ nổ lớn ủng hộ quan điểm Sáng thế trong Kinh thánh, trong khi một số người khác thì cho rằng nó hoàn toàn không phù hợp với các tín điều trong Kinh thánh. Lý thuyết Vụ nổ lớn là một lý thuyết khoa học, nó không liên quan đến bất kỳ một tôn giáo nào.

Sau đây là một số cách giải thích về Vụ nổ lớn của một số tôn giáo:

* Rất nhiều người biện giải cho Cơ đốc giáo, đặc biệt là Giáo hội Công giáo La Mã đã chấp nhận Vụ nổ lớn là bằng chứng về nguồn gốc của vũ trụ, coi đó là nguyên nhân đầu tiên. Giáo hoàng Pius XII ủng hộ lý thuyết này từ khi nó chưa được chấp nhận rộng rãi.
* Ngoài ra còn một số người theo đạo Do thái và những người tin theo thuyết phi hình người chấp nhận Vụ nổ lớn, điển hình là học giả người Do thái Moses Maimonides.
* Tín đồ Hồi giáo cũng tin rằng vụ nổ lớn chính là sự sang thế trong Kinh Qur`an.
* Một số người theo thuyết hữu thần trong Ấn độ giáo cũng tin như vậy.
* Phật giáo thừa nhận một vũ trụ vĩnh hằng, không có quá trình sáng thế. Tuy nhiên, Vụ nổ lớn không được coi là mâu thuẫn với Phật giáo vì có nhiều cách để có được một vũ trụ vĩnh cửu. Nhiều nhà Thiền học nghiêng về vũ trụ dao động.

Liên kết ngoài và tham khảo
* S. Hawking, Vũ trụ trong một vỏ hạt, Bantam 2001 (http://vietsciences1.free.fr/vietscience/timhieu/khoahoc/astronomie/ch3.pdf).
* Dạ Trạch, Số phận của vũ trụ (http://datrach.blogspot.com/2004/12/s-phn-ca-v-tr.html)
* Hố đen

2005/06/23

Nho giáo

xem bài của Zạ Trạch trên từ điển bách khoa Wikipedia

Nho giáo, còn được gọi là Khổng giáo, là một hệ thống đạo đức, triết lý và tôn giáo do Khổng Tử phát triển để xây dựng một xã hội thịnh trị. Nho giáo rất phát triển ở các nước châu Á như Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, và Việt Nam. Những người thực hành theo các tín điều của Nho giáo được gọi là các nhà Nho.

Quá trình hình thành và phát triển

Cơ sở của Nho giáo được hình thành từ thời Tây Chu, đặc biệt với sự đóng góp của Chu Công Đán, còn gọi là Chu Công. Đến thời Xuân Thu, xã hội loạn lạc, Khổng Tử (sinh ngày 8/9/479 trước công nguyên) phát triển tư tưởng của Chu Công, hệ thống hóa và tích cực truyền bá các tư tưởng đó. Chính vì thế mà người đời sau coi ông là người sáng lập ra Nho giáo.

Cũng giống như nhiều nhà tư tưởng khác trên thế giới như Thích Ca Mầu Ni, Giê-xu,... người đời sau không thể nắm bắt các tư tưởng của Khổng tử một cách trực tiếp mà chỉ được biết các tư tưởng của ông bằng các ghi chép do các học trò của ông để lại. Khó khăn nữa là thời kỳ "đốt sách, chôn Nho" của nhà Tần, hai trăm năm sau khi Khổng Tử qua đời đã làm cho việc tìm hiểu tư tưởng Khổng Tử càng khó khăn. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đời sau vẫn cố gắng tìm hiểu và hệ thống các tư tưởng và cuộc đời của ông.

Nho giáo nguyên thủy
Thời Xuân Thu, Khổng Tử đã san định, hiệu đính và giải thích bộ Lục kinh gồm có Kinh Thi, Kinh Thư, Kinh Lễ, Kinh Dịch, Kinh Xuân Thu và Kinh Nhạc. Về sau Kinh Nhạc bị thất lạc nên chỉ còn năm bộ kinh thường được gọi là Ngũ kinh. Sau khi Khổng Tử mất, học trò của ông tập hợp các lời dạy để soạn ra cuốn Luận ngữ. Học trò xuất sắc nhất của Khổng Tử là Tăng Sâm, còn gọi là Tăng Tử, dựa vào lời thầy mà soạn ra sách Đại học. Sau đó, cháu nội của Khổng Tử là Khổng Cấp, còn gọi là Tử Tư viết ra cuốn Trung Dung. Đến thời Chiến Quốc, Mạnh Tử đưa ra các tư tưởng mà sau này học trò của ông chép thành sách Mạnh Tử. Từ Khổng Tử đến Mạnh Tử hình thành nên Nho giáo nguyên thủy, còn gọi là Nho giáo tiền Tần (trước đời Tần), Khổng giáo hay "tư tưởng Khổng-Mạnh". Từ đây mới hình thành hai khái niệm, Nho giáo và Nho gia. Nho gia mang tính học thuật, nội dung của nó còn được gọi là Nho học; còn Nho giáo mang tính tôn giáo. Ở Nho giáo, Văn Miếu trở thành thánh đường và Khổng Tử trở thành giáo chủ, giáo lý chính là các tín điều mà các nhà Nho cần phải thực hành.

Hán NhoĐến đời Hán, Đại Học và Trung Dung được gộp vào Lễ Ký. Hán Vũ Đế đưa Nho giáo lên hàng quốc giáo và dùng nó làm công cụ thống nhất đất nước về tư tưởng. Và từ đây, Nho giáo trở thành hệ tư tưởng chính thống bảo vệ chế độ phong kiến Trung Hoa trong suốt hai ngàn năm. Nho giáo thời kỳ này được gọi là Hán Nho. Điểm khác biệt so với Nho giáo nguyên thủy là Hán Nho đề cao quyền lực của giai cấp thống trị. Thiên Tử là con trời, dùng "lễ trị" để che đậy "pháp trị".

Tống Nho
Đến đời Tống, Đại Học, Trung Dung được tách ra khỏi Lễ Ký và cùng với Luận ngữ và Mạnh Tử tạo nên bộ Tứ Thư. Lúc đó, Tứ Thư và Ngũ Kinh là sách gối đầu giường của các nhà Nho. Nho giáo thời kỳ nay được gọi là Tống nho, với các tên tuổi như Chu Hy (thường gọi là Chu Tử), Trình Hạo, Trình Di. (Ở Việt Nam, thế kỷ thứ 16, Nguyễn Bỉnh Khiêm rất giỏi Nho học nên được gọi là "Trạng Trình"). Phương Tây gọi Tống nho là "Tân Khổng giáo". Điểm khác biệt của Tống nho với Nho giáo trước đó là việc bổ sung các yếu tố "tâm linh" (lấy từ Phật giáo) và các yếu tố "siêu hình" (lấy từ Đạo giáo) phục vụ cho việc đào tạo quan lại và cai trị.

Các sách kinh điển
Các sách kinh điển của Nho giáo đều hình thành từ thời kỳ Nho giáo nguyên thủy. Sách kinh điển gồm hai bộ: Ngũ Kinh và Tứ Thư.

Ngũ Kinh
1. Kinh Thi: sưu tập các bài thơ dân gian có từ trước Khổng Tử, nói nhiều về tình yêu nam nữ. Khổng Tử san định thành 300 thiên nhằm giáo dục mọi người tình cảm trong sáng lành mạnh và cách thức diễn đạt rõ ràng và trong sáng. Một lần, Khổng Tử hỏi con trai "học Kinh Thi chưa?", người con trả lời "chưa". Khổng Tử nói "Không học Kinh Thi thì không biết nói năng ra sao" (sách Luận ngữ).
2. Kinh Thư: ghi lại các truyền thuyết, biến cố về các đời vua cổ có trước Khổng Tử. Khổng Tử san định lại để các ông vua đời sau nên theo gương các minh quân như Nghiêu, Thuấn chứ đừng tàn bạo như Kiệt, Trụ.
3. Kinh Lễ: ghi chép các lễ nghi thời trước. Khổng Tử hiệu đính lại mong dùng làm phương tiện để duy trì và ổn định trật tự. Khổng Tử nói: "Không học Kinh Lễ thì không biết đi đứng ở đời" (sách Luận ngữ).
4. Kinh Dịch: nói về các tư tưởng triết học của người Trung Hoa cổ đại dựa trên các khái niệm âm dương, bát quái,... Đời Chu, Chu Văn Vương đặt tên và giải thích các quẻ của bát quái gọi là Thoán từ. Chu Công Đán giải thích chi tiết nghĩa của từng hào trong mỗi quẻ gọi là Hào từ. Kinh Dịch thời Chu gọi là Chu Dịch. Khổng Tử giảng giải rộng thêm Hoán từ và Hào từ cho dễ hiểu hơn và gọi là Thoán truyện và Hào truyện.
5. Kinh Xuân Thu: ghi lại các biến cố xảy ra ở nước Lỗ, quê của Khổng Tử. Khổng Tử không chỉ ghi chép như một sử gia mà theo đuổi mục đích trị nước nên ông chọn lọc các sự kiện, ghi kèm các lời bình, sáng tác thêm lời thoại để giáo dục các bậc vua chúa. Ông nói, "Thiên hạ biết đến ta bởi kinh Xuân Thu, thiên hạ trách ta cũng sẽ ở kinh Xuân Thu này". Đây là cuốn kinh Khổng Tử tâm đắc nhất. (Xuân thu có nghĩa là mùa xuân và mùa thu, ý nói những sự việc xảy ra.)
6. Kinh Nhạc: do Khổng tử hiệu đính nhưng về sau bị thất lạc, chỉ còn lại một ít làm thành một thiên trong Kinh Lễ gọi là Nhạc ký. Như vậy lục kinh chỉ còn lại ngũ kinh.

Tứ Thư
1. Luận ngữ: ghi lại lời dạy của Khổng Tử do học trò của ông ghi chép lại sau khi ông mất (Luận ngữ = các lời bình luận).
2. Đại học: dạy phép làm người để trở thành bậc quân tử. Sách này do Tăng Sâm, còn gọi là Tăng Tử, học trò xuất sắc nhất của Khổng Tử, dựa trên lời dạy của ông soạn ra (Đại học = sự học lớn).
3. Trung Dung: dạy người ta cách sống dung hòa, không thiên lệch. Sách này do người cháu nội của Khổng Tử là Khổng Cấp, học trò của Tăng Tử, còn gọi là Tử Tư soạn ra (Trung dung = ở giữa, dung hòa).
4. Mạnh Tử: ghi lại lời dạy của Mạnh Tử. Mạnh Tử tên thật là Mạnh Kha, là người tiêu biểu nhất sau Khổng Tử, thuộc dòng Tử Tư, phát triển tư tưởng của Khổng Tử ở thời Chiến Quốc (390-305 trước công nguyên).

Nội dung cơ bản của Nho giáo
Cốt lõi của Nho giáo là Nho gia. Đó là một học thuyết chính trị nhằm tổ chức xã hội. Để tổ chức xã hội có hiệu quả, điều quan trọng nhất là phải đào tạo cho được người cai trị kiểu mẫu - người lý tưởng này gọi là quân tử (quân = cai trị, quân tử = người cai trị). Để trở thành người quân tử, con người ta trước hết phải "tự đào tạo", phải "tu thân". Sau khi tu thân xong, người quân tử phải có bổn phận phải "hành đạo" (hành động theo đạo lý).

Tu thân
Người quân tử phải đạt ba điều trong quá trình tu thân:

* Đạt Đạo. Đạo có nghĩa là "con đường", hay "phương cách" ứng xử mà người quân tử phải thực hiện trong cuộc sống. "Đạt đạo trong thiên hạ có năm điều: đạo vua tôi, đạo cha con, đạo vợ chồng, đạo anh em, đạo bạn bè" (sách Trung Dung), tương đương với "quân thần, phụ tử, phu phụ, huynh đệ, bằng hữu". Đó chính là "ngũ luân" (luân = thứ bậc, đạo cư xử). Trong xã hội cách cư xử tốt nhất là "trung dung". Tuy nhiên, đến Hán nho ngũ luân được tập chung lại chỉ còn ba mối quan hệ quan trọng nhất được gọi là "tam thường": "quân thần, phụ tử, phu phụ". Và cách ứng xử không còn trung dung nữa mà là mối quan hệ một chiều, đó là: "trung, hiếu, tiết nghĩa". Tôi phải tuyệt đối phục tùng vua, con phải tuyệt đối phục tùng cha, vợ phải tuyệt đối phục tùng chồng. Mối quan hệ đó được thể hiện: "Vua bảo tôi chết, tôi không chết là tôi bất trung; cha bảo con chết, con không chết là con bất hiếu" (quân sử thần tử, thần bất tử bất trung; phụ sử tử vong, tử bất vong bất hiếu). Còn trách nhiệm của vợ đối với chồng thì được diễn đạt bằng ba công thức được gọi là "tam tòng": "ở nhà theo cha, lấy chống theo chồng, chồng chết theo con trai" (tại gia tòng phụ, xuất giá tòng phu, phu tử tòng tử).
* Đạt Đức. Quân tử phải đạt được ba đức: "nhân - trí - dũng". Khổng Tử nói: "Đức của người quân tử có ba mà ta chưa làm được. Người nhân không lo buồn, người trí không nghi ngại, người dũng không sợ hãi" (sách Luận ngữ). Về sau, Mạnh Tử thay "dũng" bằng "lễ, nghĩa" nên ba đức trở thành bốn đức: "nhân, nghĩa, lễ, trí". Hán nho thêm một đức là "tín" nên có tất cả năm đức là: "nhân, nghĩa, lễ, trí, tín". Năm đức này còn gọi là "ngũ thường".
* Biết Thi, Thư, Lễ, Nhạc. Ngoài các tiêu chuẩn về "đạo" và "đức", người quân tử còn phải biết "Thi, Thư, Lễ, Nhạc". Tức là người quân tử còn phải có một vốn văn hóa toàn diện.

Hành đạo
Sau khi tu thân, người quân tử phải hành đạo, tức là phải làm quan, làm chính trị. Nội dung của công việc này được công thức hóa thành "tề gia, trị quốc, bình thiên hạ". Tức là phải hoàn thành những việc nhỏ - gia đình, cho đến lớn - trị quốc, và đạt đến mức cuối cùng là bình thiên hạ (thống nhất thiên hạ). Kim chỉ nam cho mọi hành động của người quân tử trong việc cai trị là hai phương châm:

* Nhân trị. Nhân là tình người, nhân trị là cai trị bằng tình người, là yêu người và coi người như bản thân mình. Khi Trọng Cung hỏi thế nào là nhân thì Khổng Tử nói: "Điều gì mình không muốn thì đừng làm cho người khác" (sách Luận ngữ). Nhân được coi là điều cao nhất của luân lý, đạo đức, Khổng Tử nói: "Người không có nhân thì lễ mà làm gì? Người không có nhân thì nhạc mà làm gì?" (sách Luận ngữ).
* Chính danh. Chính danh là mỗi sự vật phải được gọi đúng tên của nó, mỗi người phải làm đúng chức phận của mình. "Danh không chính thì lời không thuận, lời không thuận tất việc không thành" (sách Luận ngữ). Khổng tử nói với vua Tề Cảnh Công: "Vua ra vua, tôi ra tôi, cha ra cha, con ra con" (sách Luận ngữ).

Đó chính là những điều quan trọng nhất trong các kinh sách của Nho giáo, chúng được tóm gọi lại trong chín chữ: tu thân, tề gia, trị quốc, bình thiên hạ. Và đến lượt mình, chín chữ đó chỉ nhằm phục vụ mục đích cai trị mà thôi.

Quân tử ban đầu có nghĩa là người cai trị, người có đạo đức và biết thi, thư, lễ, nhạc. Tuy nhiên, sau này từ đó còn có thể chỉ những người có đạo đức mà không cần phải có quyền. Ngược lại, những người có quyền mà không có đạo đức thì được gọi là tiểu nhân (như dân thường).

Đặc điểm của Nho giáo
Nho giáo có rất nhiều điểm mâu thuẫn, nếu chưa tính đến Nho giáo các đời sau, Nho giáo nguyên thủy chứa đựng rất nhiều mâu thuẫn về nguyên tắc; ví dụ, Khổng Tử nói "dân làm gốc" nhưng lại gọi dân là "tiểu nhân",... Việc tìm ra các đặc điểm của Nho giáo để giải thích các mâu thuẫn đó yêu cầu nghiên cứu về quá trình hình thành Nho giáo, tức là tìm về nguồn gốc của Nho giáo. Nho giáo là sản phẩm của hai nền văn hóa: văn hóa du mục phương Bắc và văn hóa nông nghiệp phương Nam. Chính vì thế nó mang đặc điểm của hai loại hình văn hóa này.

Tính du mục phương Bắc
* Tính "quốc tế" là một trong những đặc tính khác biệt của văn hóa du mục so với văn hóa nông nghiệp. Tính quốc tế trong Nho giáo thể hiện ở mục tiêu cao nhất của người quân tử là "bình thiên hạ". Bản thân Khổng Tử đã nhiều lần rời bỏ nước Lỗ, quê hương ông để đi tìm minh chủ. Đối với người quân tử, việc tìm được một minh quân quan trọng hơn việc làm gì cho đất nước của mình. Trong các truyền thuyết và văn học Trung Hoa, việc các nhân tài thay đổi minh chủ là điều rất thường thấy. Đó cũng là một trong những ảnh hưởng của Nho giáo.
* Tính "phi dân chủ" và hệ quả của nó là tư tưởng "bá quyền", coi khinh các dân tộc khác, coi mình là trung tâm còn "tứ di" xung quanh đều là "bỉ lậu" cả. Khổng Tử nói: "Các nước Di, Địch, dù có vua nhưng cũng không bằng Hoa Hạ (Trung Hoa) không có vua" (sách Luận ngữ). Tính phi dân chủ còn được thể hiện ở chỗ coi thường người dân, đặc biệt là phụ nữ. Khổng Tử gọi dân thường là "tiểu nhân", đối lập với người "quân tử". Còn đối với phụ nữ, ông nói: "Chỉ hạng đàn bà và tiểu nhân là khó dạy. Gần thì họ nhờn, xa thì họ oán" (sách Luận ngữ).
* Tính "trọng sức mạnh" được thể hiện ở chữ "Dũng", một trong ba đức mà người quân tử phải có (Nhân - Trí - Dũng). Tuy nhiên ông cũng nhận ra điều nguy hiểm: "Kẻ nào có dũng mà ghét cảnh bần hàn tất làm loạn".
* Tính "nguyên tắc" được thể hiện ở học thuyết "chính danh". Tất cả phải có tôn ti, tất cả phải làm việc theo đúng bổn phận của mình.

Tính nông nghiệp phương Nam
* Tính "hài hòa" là một đặc tính của văn hóa nông nghiệp, trái ngược với tính trọng sức mạnh của văn hóa du mục. Biểu hiện cho tính hài hòa là việc đề cao chữ "Nhân" và nguyên lý "Nhân trị". Khổng Tử từng nói: "Về cái mạnh của phương Nam ư? Hay cái mạnh của phương Bắc ư? ... Khoan hòa mềm mại để dạy người, không báo thù kẻ vô đạo - ấy là cái mạnh của phương Nam, người quân tử ở vào phía ấy. Xông pha gươm giáo, dầu chết không nản, ấy là cái mạnh của phương Bắc - kẻ mạnh ở vào phía ấy" (sách Trung Dung).
* Tính "dân chủ" là đặc tính khác biệt với văn hóa du mục. Khổng Tử nói: "Dân là chủ của thần, vì thế thánh nhân xưa lo cho việc dân rồi mới lo việc thần" (Kinh Xuân Thu). Ông còn nói: "Phải làm trước những công việc của dân, phải khó nhọc vì dân" (sách Luận ngữ). Tính dân chủ còn được thể hiện ở cách cư xử "trung dung" trong "ngũ luân". Trong các quan hệ đó, đều thể hiện tính hai chiều, bình đẳng: Vua sáng, tôi trung; cha hiền, con hiếu; anh tốt, em nhường; bạn bè tin cậy.
* Tính coi trọng văn hóa tinh thần (thi, thư, lễ, nhạc) thể hiện nhiều trong Kinh Thi. Tính "trọng văn" cũng ngược lại với tính "trọng võ" của văn hóa du mục.

Thay đổi của các đặc điểm theo thời gian
Việc đồng thời dựa vào hai nền văn hóa đối lập nhau, đó là văn hóa du mục và văn hóa nông nghiệp trong một hoàn cảnh xã hội đầy biến động như thời Xuân Thu khiến cho tư tưởng của Khổng Tử không tránh khỏi các giằng co dẫn đến sự đụng đầu của hai nền văn hóa trong nho giáo, khiến cho Nho giáo nguyên thủy chứa đầy mâu thuẫn.

* Mâu thuẫn đầu tiên là mâu thuẫn về thái độ đối với người dân. Văn hóa du mục trọng sức mạnh, trọng người quân tử, lấy người quân tử để đối lập với kẻ tiểu nhân - người dân thường, "Người quân tử giúp người làm điều thiện, chứ không làm điều ác; kẻ tiểu nhân thì ngược lại" (sách Luận ngữ). Trong khi văn hóa nông nghiệp lại coi trọng dân, lấy dân làm chủ, "dân là chủ của thần".
* Mâu thuẫn tiếp theo là mâu thuẫn giữa "lễ trị" (pháp trị) của văn hóa du mục với "nhân trị" của văn hóa nông nghiệp. Khổng Tử nói nhiều đến "lễ trị", ông vận động các nước chư hầu duy trì cái "lễ" của nhà Tây Chu: "Ta học lễ nhà Chu, hiện đang ứng dụng; ta theo nhà Chu" (sách Trung Dung). Học trò thường được ông kể rằng: "Nằm mộng thấy Chu Công". Nhưng dần dần, Khổng Tử chuyển từ "lễ" sang "nhân", nhập "nhân" vào với "lễ" và còn đi xa hơn, coi "nhân" làm gốc của "lễ nhạc": "Không có nhân thì lễ để làm gì? Không có nhân thì nhạc để làm gì?" (sách Luận Ngữ).

Chính sự mâu thuẫn nội tại trong Nho giáo nguyên thủy là nguyên nhân gây ra "tấn bi kịch" lớn nhất của Nho giáo: cái Nho giáo mà Khổng Tử tốn bao công xây dựng vừa có thể nói là thất bại, lại vừa có thể nói là thành công.

Thất bại bởi lẽ, trong khi các bậc đế vương phương Bắc với truyền thống "trọng võ", quen "pháp trị" và chuyên chế bằng vũ lực thì Khổng Tử lại nên cao "trọng văn", dùng "nhân trị", thu phục bằng nhân tâm. Nên khi sinh thời, Khổng Tử muốn làm quan nhưng hầu như không được ai dùng. Về già, một lần ông tiên đoán về sự suy tàn của đạo mình: "Chim phượng chẳng đến, bức đồ chẳng hiện trên sông Hoàng Hà, ta hết hi vọng rồi" (sách Luận ngữ). Sau khi Khổng Tử chết, năm 246 trước công nguyên, vua Tần là Doanh Chính dùng vũ lực thống trị thiên hạ xưng là Tần Thủy Hoàng đế, áp dụng chính sách cai trị bằng pháp luật, độc đoán hoàn toàn trái ngược với các chủ trương của Nho giáo và dẫn đến hành động "đốt sách, chôn Nho" nổi tiếng.

Thành công là bởi lẽ, sau khi Tần Thủy Hoàng chết, nhà Tần sụp đổ, Hán Cao Tổ là Lưu Bang đã rút ra được một số kinh nghiệm của nhà Tần mà bớt đi phần hà khắc mà trưng dụng trí thức. Nhưng phải đến Hán Vũ Đế, theo lời khuyên của Đổng Trọng Thư thì Nho giáo mới được đưa lên địa vị quốc giáo. Nho giáo trở thành hệ tư tưởng chính thống bảo vệ chế độ phong kiến Trung Hoa trong suốt hai ngàn năm. Không những thế, nó còn được truyền bá khắp miền Đông Á. Khổng Tử được tôn lên bậc thánh, trên thế giới tên tuổi của ông không ai không biết.

Tuy nhiên sự thành công đó không phải là điều mà Khổng Tử trông đợi bởi vì cái Nho giáo mà Khổng Tử tạo ra hoàn toàn thất bại mà thay vào đó, cũng cái tên Nho giáo đó nhưng với nội dung khác hẳn đã được đề cao. Nói chính xác hơn, hầu hết các đặc điểm nông nghiệp trong Nho giáo nguyên thủy bị loại bỏ và bị thay thể bằng các đặc điểm du mục. Đến Hán nho, nhà Hán chủ trương "dương đức", "âm pháp", hay còn gọi là "ngoại Nho, nội pháp", tức là chủ trương nhân trị chỉ còn là hình thức mà thực chất là pháp trị. Hán Vũ đế giao cho nhóm người do Lưu Hâm cầm đầu, cải tạo và biến đổi Nho giáo để phục vụ vương triều. Nhóm của Lưu Hâm làm ba việc:

* Hạ thấp nhân trị, đề cao lễ trị. Vì nhân trị là cốt lõi của Khổng Tử nên họ không thể loại bỏ hoàn toàn mà dùng nhân trị như một cái vỏ bao bọc lễ trị.
* Loại bỏ tính dân chủ của Nho giáo nguyên thủy. Dân là chủ bị lờ đi mà thay vào đó họ đề cao "trời", tạo ra thuyết "thiên mệnh". Vua là "thiên tử" (con trời), không nghe theo vua là phản lại trời. "Ngũ luân" trong Nho giáo nguyên thủy được rút gọn thành "tam cương": vua-tôi, cha-con, vợ-chồng. Quan hệ "trung dung" trong ngũ luân được chuyển thành quan hệ một chiều duy nhất được tóm gọn trong bốn chữ "trung-hiếu-tiết nghĩa". Bề tôi phải tuyệt đối phục tùng vua, con phải tuyệt đối nghe lời cha, vợ phải tuyệt đối phục tùng chồng, đó là những mối quan hệ hết sức phi nhân bản: "Vua bảo tôi chết, tôi không chết là tôi bất trung; cha bảo con chết, con không chết là con bất hiếu". Còn trách nhiệm của vợ đối với chồng thì được diễn đạt bằng ba công thức được gọi là tam tòng: "Ở nhà theo cha, lấy chống theo chồng, chồng chết theo con trai".
* Hạn chế vai trò của văn hóa sao cho có lợi cho chế độ phong kiến. Quan hệ nam nữ bị giới hạn một cách quá đáng: "nam nữ thụ thụ bất thân". Đề cao nam, hạ thấp nữ: "nam tôn, nữ ti", "dương thiện, âm ác".

Đến Tống Nho, Nho giáo lại tự hoàn thiện thêm một lần nữa bằng cách bổ sung thêm các yếu tố tâm linh từ Phật giáo và các yếu tố siêu hình từ Đạo giáo với các tên tuổi như Chu Hy, Trình Hạo, Trình Di.

Như vậy, Khổng giáo hoàn toàn thất bại. Trước khi chết, Khổng Tử rất u buồn bởi lẽ ông hiểu rằng, hút nhụy một phần từ văn minh nông nghiệp, Nho giáo mang tính nhân bản của ông chỉ thích hợp trong phạm vi làng xã. Còn để phục vụ trong phạm vi quốc gia thì cần phải có một triết lý có tính pháp luật cao hơn, và Hán nho đã hoàn thành xuất sắc điều này.

2005/06/17

Hố đen

xem bài của Zạ Trạch trên từ điển bách khoa Wikipedia.


Hình minh họa một hố đen cùng với bạn đồng hành của nó chuyển động gần nhau đến mức khoảng cách giữa chúng nhỏ hơn giới hạn Roche. Vật chất của ngôi sao gần đó bị hố đen nuốt tạo nên một vòng cung vật chất, một lượng vật chất năng lượng cao được phóng ra ở hai cực.

Hố đen, còn gọi là lỗ đen, là một vật thể có mật độ khối lượng lớn đến nỗi lực hấp dẫn làm cho mọi vật thể không thể nào thoát ra được, trừ việc xuyên qua đường hầm lượng tử. Truờng hấp dẫn mà hố đen tạo ra rất lớn, vì vậy, vận tốc thoát ở vùng gần hố đen lớn hơn vận tốc ánh sáng. Điều này dẫn đến việc không có vật thể nào, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra ngoài hố đen. Từ "hố đen" xuất phát từ một nghĩa rộng, nó không chỉ dừng lại ở khái niệm "hố" mà còn là một vùng không gian ảnh hưởng bởi hố đen. Lý thuyết về hố đen là một trong số các lý thuyết hiếm hoi trong vật lý bao trùm mọi thang đo khoảng cách, từ kích thước cực nhỏ (thang Planck) đến kích thước quan sát vũ trụ, do vậy có thể kiểm chứng cùng lúc thuyết lượng tử (cho thang nhỏ) và thuyết tương đối (cho thang lớn).

Hố đen được dự đoán bởi lý thuyết tương đối rộng. Theo mô hình thuyết tương đối rộng cổ điển, không một vật chất hay thông tin nào có thể thoát ra khỏi hố đen để tới tầm quan sát bên ngoài được. Tuy nhiên, các hiệu ứng của cơ học lượng tử, không có trong thuyết tương đối rộng cổ điển, có thể cho phép vật chất và năng lượng bức xạ từ các hố đen. Một số lý thuyết cho rằng bản chất tự nhiên của bức xạ không phụ thuộc vào những thứ đã rơi vào trong hố đen trong quá khứ, nói cách khác hố đen xóa sạch mọi thông tin quá khứ, đây là nghịch lý thông tin hố đen. Nghịch lý này dường như đã được loại bỏ bởi lý thuyết gần đây và dường như thông tin vẫn được bảo toàn trong hố đen.

Sự tồn tại của các hố đen trong vũ trụ được củng cố bởi các quan sát thiên văn, cụ thể là việc nghiên cứu về các sao siêu mới và các bức xạ tia X từ các lò hoạt động hạt nhân vũ trụ.

Lịch sử
Khái niệm một vật thể nặng đến độ ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát khỏi vật đó đã được một nhà khoa học người Anh John Michell đưa ra vào năm 1783 trên một bài báo khoa học đăng trên tạp chí của Viện hàn lâm Hoàng gia Anh Quốc. Lúc bấy giờ, lý thuyết cơ học cổ điển của Isaac Newton về hấp dẫn và khái niệm vận tốc thoát đã được biết. Michell đã tính rằng, một vật thể có bán kính gấp 500 lần Mặt Trời và có mật độ bằng mật độ Mặt Trời thì vận tốc thoát ở bề mặt của nó bằng vận tốc ánh sáng, và do đó không ai có thể nhìn thấy nó.

Mặc dù ông nghĩ rằng điều đó rất khó xảy ra nhưng vẫn nghiên cứu khả năng rất nhiều các vật thể như thế không thể được quan sát trong vũ trụ.

Năm 1796, một nhà toán học người Pháp Pierre-Simon Laplace cũng đưa ra ý tưởng tương tự trong lần xuất bản thứ nhất và thứ hai của cuốn sách của ông, nhưng trong các lần xuất bản sau thì không đưa vào nữa. Trong suốt thế kỷ thứ 19, ý tưởng đó không gây chú ý vì người ta cho rằng ánh sáng là sóng nên không có khối lượng, và do đó không bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn.

Năm 1915, Einstein đưa ra một lý thuyết hấp dẫn gọi là lý thuyết tương đối rộng. Trước đó ông đã cho thấy ánh sáng bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn. Mấy tháng sau, Karl Schwarzschild đã đưa ra nghiệm cho trường hấp dẫn của một khối lượng điểm và tiên đoán về lý thuyết sự tồn tại của một vật thể mà ngày nay được gọi là hố đen. Ngày nay, bán kính Schwarzschild được coi là bán kính của một hố đen không quay, nhưng vào lúc bấy giờ người ta không hiểu rõ về nó. Bản thân Schwarzschild cũng từng nghĩ rằng nó không có ý nghĩa vật lý.

Vào những năm 1920, Subrahmanyan Chandrasekhar đã cho tính toán rằng một vật thể không quay có khối lượng lớn hơn một giá trị nhất định mà ngày nay được biết là giới hạn Chandrasekhar, sẽ suy sập dưới lực hấp dẫn của chính nó và không có gì có thể cản trở quá trình đó diễn ra. Tuy nhiên, một nhà vật lý khác là Arthur Eddington chống lại giả thuyết đó và cho rằng chắc chắn sẽ có cái gì đó xảy ra để không cho vật chất suy sụp đến mật độ vô hạn.

Năm 1939, Robert Oppenheimer và H. Snyder tiên đoán rằng các ngôi sao nặng sẽ phải chịu quá trình suy sập do hấp dẫn. Các hố đen có thể hình thành trong tự nhiên. Trong một thời gian, người ta gọi các vật thể như vậy là các "ngôi sao bị đóng băng" vì sự suy sập sẽ bị chậm đi một cách nhanh chóng và ngôi sao sẽ trở nên rất đỏ khi đạt đến gần giới hạn Schwarzschild. Tuy vậy, các vật thể nặng như thế không được quan tâm lắm cho đến cuối những năm 1960. Phần lớn các nhà vật lý, vào lúc đó, tin rằng hố đen là một nghiệm đối xứng cao đặc biệt do Schwarzschild tìm ra, và các vật thể bị suy sập trong tự nhiên sẽ không tạo nên các hố đen.

Việc nghiên cứu về hố đen trở nên sôi nổi vào năm 1967 do sự tiến bộ của lý thuyết và thực nghiệm. Stephen Hawking và Roger Penrose đã chứng minh rằng các hố đen là các nghiệm tổng quát của lý thuyết hấp dẫn của Einstein, và sự suy sập để tạo nên hố đen, trong một số trường hợp, là không thể tránh được. Sự quan tâm đến lĩnh vực này còn được khởi phát từ việc tìm ra sao pulsar. Ngay sau đó, nhà vật lý John Wheeler đã sử dụng từ "hố đen" để chỉ các vật thể sau khi bị suy sập đến mật độ vô hạn mặc dù trước đó một thời gian, từ "ngôi sao đen" thỉnh thoảng được sử dụng.

Các khái niệm
Nghiên cứu hố đen yêu cầu các kiến thức về lý thuyết tương đối rộng của không-thời gian cong: tính chất đặc biệt nhất là sự biến dạng của không-thời gian xung quanh các hố đen.

Chân trời sự kiện
"Bề mặt" của hố đen được gọi là chân trời sự kiện, đó là một bề mặt ảo xung quanh hố đen. Stephen Hawking đã sử dụng định lý Gauss-Bonnet để chứng minh rằng hình học tô-pô của chân trời sự kiện của một hố đen (bốn chiều) là một hình cầu. Tại chân trời sự kiện, vận tốc thoát chính bằng vận tốc ánh sáng. Do đó, bất kỳ vật gì, kể cả quang tử bên trong chân trời sự kiện đều không thể thoát khỏi chân trời sự kiện đó vì trường hấp dẫn quá mạnh của hố đen. Các hạt bị rơi vào hố đen sẽ không thể thoát ra được.

Theo lý thuyết tương đối rộng cổ điển, các hố đen có thể hoàn toàn được đặc trưng bởi ba thông số: khối lượng, mô men động lượng và điện tích. Nguyên lý này đã được John Wheeler tóm tắt trong câu nói "hố đen không có tóc".

Các vật thể chuyển động trong trường hấp dẫn thì thời gian sẽ bị chậm đi được gọi là sự giãn nở của thời gian. Điều này đã được chứng minh bằng thực nghiệm trong một thí nghiệm phóng tên lửa do thám vào năm 1976, và được tính đến trong Hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Gần chân trời sự kiện, sự giãn nở thời gian xảy ra rất nhanh. Đối với một người quan sát từ bên ngoài thì họ sẽ đợi một khoảng thời gian vô tận để quan sát vật thể khi vật thể đến gần chân trời sự kiện vì ánh sáng từ vật thể bị dịch chuyển vô hạn về phía đỏ.

Điểm kỳ dị
Tại tâm của hố đen, bên trong chân trời sự kiện, lý thuyết tương đối rộng tiên đoán có một điểm kỳ dị (singularity), tại đó độ cong của không thời gian trở nên vô hạn và lực hấp dẫn cũng mạnh vô hạn. Không-thời gian bên trong chân trời sự kiện rất đặc biệt, trong đó tất cả các đều chuyển động vào tâm mà không thể cưỡng lại được (Penrose và Hawking). Điều này có nghĩa là tồn tại một sai lầm về khái niệm về hố đen mà John Michell đề xuất trước đây. Theo lý thuyết của Michell, vận tốc thoát bằng vận tốc ánh sáng, tuy vậy, vẫn còn một xác suất lý thuyết để vật thể có thể thoát ra giống như kéo vật thể ra ngoài bằng một sợi dây. Lý thuyết tương đối rộng loại bỏ những kẽ hở (loophole) như thế này vì vật thể nằm trong chân trời sự kiện thì thời gian tuyến sẽ có một điểm kết cho bản thân thời gian, và không thể có được vũ trụ tuyến khả dĩ mà có thể thoát ra khỏi hố đen được.

Người ta tin rằng những tiến triển hoặc khái quát hóa lý thuyết tương đối rộng trong tương lai (đặc biệt là hấp dẫn lượng tử) sẽ làm thay đổi suy nghĩ của chúng ta về phần bên trong của hố đen. Phần lớn các nhà lý thuyết đều giải thích điểm kỳ dị về toán học của các phương trình là dấu hiệu cho thấy lý thuyết hiện hành là không hoàn thiện, và rằng các hiện tượng mới sẽ được phát hiện khi ta tiến gần đến điểm kỳ dị. Câu hỏi này có thể rất hàn lâm vì giả thuyết giám sát vũ trụ đòi hỏi không thể có mặt các điểm kỳ dị trần trụi trong lý thuyết tương đối rộng: mỗi điểm kỳ dị phải nấp sau chân trời sự kiện và không thể bị khám phá.

Một trường phái tư tưởng khác cho rằng chẳng có điểm kỳ dị nào cả, bởi vì, các lực giống như lực gây ra thủy triều sẽ làm giảm mật độ vật chất khi nó đi xuyên qua chân trời sự kiện. Nếu một nhà du hành vũ trụ lỡ để chân của anh ta rơi vào hố đen thì các lực thủy triều dọc theo bán kính sẽ kéo đầu và chân của anh ta theo hai hướng ngược nhau và do đó, sẽ làm giảm mật độ (tức là tăng thể tích) trong khi đó thì lực thủy triều tại một bán kính không đổi có xu hướng kéo hai tay anh ta lại với nhau khi bán kính hội tụ, làm gia tăng mật độ (giảm thể tích). Tuy nhiên, tại chân trời sự kiện, bán kính đó lại song song với nhau trong giản đồ nhúng (giản đồ để hình dung nghiệm Schwarzschild trong không gian Euclide), không hội tụ, do đó, mật độ vật chất sẽ giảm và làm dừng quá trình suy sập hấp dẫn.

Đi vào một hố đen
Ảnh hưởng của trường hấp dẫn của hố đen có thể xác định từ lý thuyết tương đối. Khi một vật thể tiến lại gần tâm của hố đen không quay (hố đen Schwarzschild) thì người quan sát từ xa sẽ thấy vật thể đó tiến đến chân trời sự kiện một cách chậm dần vì một quang tử từ vật thể đó phải mất một thời gian lâu hơn để thoát ra khỏi ảnh hưởng của hố đen để cho người quan sát biết số phận của vật thể đó.

Đối với bản thân vật thể, nó sẽ đi qua chân trời sự kiện và đến điểm kỳ dị, hoặc vào tâm của hố đen trong một khoảng thời gian hữu hạn. Khi nó đi qua chân trời sự kiện thì ánh sáng không thể thoát khỏi hố đen được nữa nên người quan sát ở ngoài hố đen sẽ không còn có thể biết thông tin của vật thể. Khi vật thể tiến gần hơn nữa đến điểm kỳ dị, nó sẽ bị kéo dài ra và phần vật thể gần hố đen nhất nhất sẽ bị dịch chuyển đỏ cho đến khi tất cả các phần biến mất. Gần điểm kỳ dị, sự sai khác của trường hấp dẫn giữa điểm gần và điểm xa trên vật thể rất lớn, điều này sẽ tạo nên một lực thủy triều làm cho vật thể bị kéo và bị xé ra, điều này được gọi là quá trình "tạo mì ống" (spaghettification).

Hố đen quay
Về lý thuyết, chân trời sự kiện của một hố đen không quay là một hình cầu, và điểm kỳ dị của nó là một điểm. Nếu hố đen có mô men góc (thừa hưởng từ ngôi sao quay trước khi bị suy sập thành hố đen) thì nó sẽ kéo theo cả không-thời gian xung quanh chân trời sự kiện. Vùng không gian xung quanh chân trời sự kiện được gọi là hình cầu cơ công và có dạng một hình e-líp. Vì hình cầu cơ công định vị bên ngoài chân trời sự kiện nên các vật thể có thể tồn tại bên trong hình cầu cơ công mà không bị rơi vào hố đen. Tuy nhiên, vì bản thân không-thời gian chuyển động bên trong hình cầu cơ công nên các vật thể không thể có một vị trí cố định. Các vật thể trượt trên hình cầu cơ công vài lần có thể bị văng ra ngoài với vận tốc rất lớn và giải thoát năng lượng (và mô men góc) khỏi hố đen -- do đó mới có tên "hình cầu cơ công" vì nó có khả năng tạo ra công cơ học.

Entropy và bức xạ Hawking
Năm 1971, Stephen Hawking chứng minh rằng diện tích của chân trời sự kiện của bất kỳ hố đen cố điển đều không bao giờ giảm. Điều này tương tự như định luật thứ hai của nhiệt động lực học, trong đó vai trò của diện tích của chân trời sự kiện tương ứng với entropy. Người ta có thể vi phạm nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học bằng việc vật chất trong vũ trụ của chúng ta đi vào hố đen và do đó làm giảm entropy của toàn vũ trụ. Chính vì vậy mà Jacob Bekenstein giả thiết rằng hố đen cũng có entropy và entropy của nó tỷ lệ với diện tích của chân trời sự kiện. Tuy nhiên, 1974, Hawking áp dụng lý thuyết trường lượng tử cho không-thời gian cong xung quanh chân trời sự kiện của hố đen và phát hiện ra rằng các hố đen có thể phát xạ nhiệt -- bức xạ mà hố đen phát ra được gọi là bức xạ Hawking. Sử dụng định luật thứ nhất của cơ học hố đen người ta thấy rằng entropy của hố đen bằng một phần tư diện tích của chân trời sự kiện. Đây là một kết quả phổ quát, có thể áp dụng cho chân trời vũ trụ trong không-thời gian de Sitter. Sau đó, người ta còn cho rằng, hố đen là các vật thể có entropy cực đại, tức là, trong vùng không-thời gian nào đó, entropy cực đại chính là entropy của hố đen chiếm vùng không thời gian đó. Điều này dẫn đến nguyên lý ảnh ba chiều (còn gọi là nguyên lý ảnh đa chiều).

Bức xạ Hawking xuất phát từ ngay bên ngoài chân trời sự kiện, và cho tới nay người ta vẫn hiểu là nó không mang thông tin từ bên trong hố đen vì đó là bức xạ nhiệt. Tuy nhiên, điều này có nghĩa là các hố đen không phải là hoàn toàn đen: hiệu ứng này ngụ ý rằng khối lượng của một hố đen sẽ dần dần giảm theo thời gian. Mặc dù hiệu ứng này rất nhỏ đối với người nghiên cứu hố đen, nó chỉ đáng kể đối với các hố đen siêu nhỏ được tiên đoán lý thuyết, mà ở đó, cơ học lượng tử có tác động chính. Thực ra, các tính toán cho thấy rằng các hố đen nhỏ có thể bị bay hơi và cuối cùng sẽ biến mất trong một đợt vùng phát bức xạ. Do đó, các hố đen mà không có nguồn bổ sung cho khối lượng của chúng đều có một thời gian sống hữu hạn, và thời gian đó liên hệ với khối lượng của chúng.

Vào ngày 21 tháng 7 năm 2004 Stephen Hawking tuyên bố rằng cuối cùng thì các hố đen sẽ giải phóng các thông tin mà chúng nuốt, đảo ngược lại quan điểm mà ông đưa ra trước đó là thông tin sẽ bị biến mất. Ông cho rằng, nhiễu loạn lượng tử của chân trời sự kiện có thể cho phép thông tin thoát ra từ một hố đen và ảnh hưởng đến bức xạ Hawking. Lý thuyết vẫn chưa được các nhà khoa học phản biện, nhưng nếu nó được chấp nhận thì dường như chúng ta đã giải quyết được nghịch lý về thông tin hố đen.

Nghiên cứu về hố đen

Hình mô tả đĩa gia tốc của lớp plasma quay xung quanh một hố đen (ảnh của NASA).

Sự hình thành
Lý thuyết tương đối rộng (cũng như các lý thuyết hấp dẫn khác) không chỉ nói rằng các hố đen có thể tồn tại mà còn tiên đoán rằng chúng sẽ được hình thành trong tự nhiên khi có đủ khối lượng trong một vùng không gian nào đó và trải qua một quá trình gọi là suy sập hấp dẫn. Vì khối lượng bên trong vùng đó tăng lên, nên hấp dẫn của nó cũng mạnh lên, hay nói theo ngôn ngữ của thuyết tương đối, không gian xung quanh bị biến dạng. Khi vận tốc thoát tại một khoảng cách nhất định từ tâm đạt đến vận tốc ánh sáng, thì một chân trời sự kiện được hình thành mà trong đó vật chất chắc chắn bị suy sập vào một điểm duy nhất, tạo nên một điểm kỳ dị.

Các phân tích định lượng về điều này dẫn đến việc tiên đoán một ngôi sao có khối lượng khoảng ba lần khối lượng Mặt Trời, tại thời điểm cuối cùng trong quá trình tiến hóa hầu như chắc chắn sẽ co lại tới một kích thước tới hạn cần thiết để xảy ra suy sập hấp dẫn (thông thường các ngôi sao co lại chỉ dừng ở trạng thái sao neutron). Khi điều này xảy ra, không có bất kỳ lực vật lý nào có thể ngăn cản sự suy sập đó, và một hố đen được tạo thành.

Sự suy sập của các ngôi sao sẽ tạo nên các hố đen có khối lượng ít nhất gấp ba lần khối lượng Mặt Trời. Các hố đen nhỏ hơn giới hạn này chỉ có thể được hình thành nếu vật chất chịu tác động của các áp lực khác ngoài lực hấp dẫn của chính ngôi sao. Áp lực vô cùng lớn cần thiết để có thể gây ra điều này có thể tồn tại vào những giai đoạn rất sớm của vũ trụ, có thể đã tạo nên các hố đen nguyên thủy có khối lượng nhỏ hơn nhiều lần khối lượng Mặt Trời.

Các hố đen siêu lớn có thể có khối lượng gấp hàng triệu, hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời có thể được hình thành khi có một số lớn các ngôi sao bị nén chặt trong một vùng không gian tương đối nhỏ, hoặc khi có một số lượng lớn các ngôi sao rơi vào một hố đen ban đầu, hoặc khi có sự hợp nhất của các hố đen nhỏ hơn. Người ta tin rằng điều kiện để các hiện tượng trên có thể xảy ra ở một số (nếu không muốn nói là hầu hết) tâm của các thiên hà, bao gồm cả Ngân Hà của chúng ta.

Quan sát hố đen

Hình mô tả đĩa gia tốc của lớp plasma quay xung quanh một hố đen (ảnh của NASA).

Lý thuyết cho thấy rằng chúng ta không thể quan sát hố đen một cách trực tiếp bằng ánh sáng phát xạ hoặc phản xạ vật chất bên trong hố đen. Tuy nhiên, các vật thể này có thể được quan sát một cách gián tiếp các hiện tượng xung quanh chúng như là thấu kính hấp dẫn và các ngôi sao chuyển động xung quanh một vật dường như vô hình.

Hiệu ứng đáng nghi ngờ nhất là vật chất rơi vào hố đen (giống như nước đổ vào đường thoát nước) sẽ tập hợp lại với nhau tạo nên một đĩa gia tốc quay rất nhanh và rất nóng xung quanh hố đen trước khi bị nó nuốt. Ma sát xuất hiện tại những vùng lân cận đĩa làm cho đĩa trở nên vô vùng nóng và được thoát ra dưới dạng tia X. Quá trình nung nóng này cũng vô cùng hiệu quả và có thể biến 50% khối lượng của vật thể thành năng lượng bức xạ, trái ngược với phản ứng nhiệt hạch, trong đó, chỉ khoảng vài phần trăm khối lượng được biến thành năng lượng. Các tính toán khác tiên đoán các hiệu ứng trong đó các luồng hạt chuyển động rất nhanh với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng được phóng ra ở hai trục của đĩa.

Tuy nhiên, các đĩa gia tốc, các luồng hạt chuyển động nhanh, các vật thể chuyển động xung quanh một vật vô hình không chỉ có thể do hố đen gây ra mà còn có thể do các vật thể khác như các sao neutron chẳng hạn, và động lực học của các vật thể gần các "hố không đen" này rất giống như động lực học của các vật thể xung quanh hố đen và việc nghiên cứu về chúng là lĩnh vực nghiên cứu rất phức tạp và năng động hiện nay. Nó bao gồm ngành vật lý plasma và từ trường. Do đó, trong phần lớn các quan sát về đĩa gia tốc và chuyển động quỹ đạo chỉ cho biết về khối lượng của vật thể cô đặc mà thôi, chứ không cho biết về bản chất của vật thể đó. Việc xác định vật thể đó là hố đen yêu cầu các giả thuyết bổ sung là không có vật thể nào khác (hoặc các hệ liên kết với vật thể) có thể nặng và cô đặc đến thế. Phần lớn các nhà vật lý thiên văn chấp nhận rằng, trong trường hợp này, theo lý thuyết tương đối rộng, bất kỳ vật nào có mật độ vật chất đủ cao đều phải co lại thành một hố đen.

Một khác biệt quan sát quan trọng giữa các hố đen và các ngôi sao đặc, nặng khác là bất kỳ vật chất rơi vào các vật thể nặng thì cuối cùng cũng phải va chạm với vật thể đó với một vận tốc rất lớn, dẫn đến việc lóe sáng dị thường của các tia X với cường độ rất mạnh cùng với các bức xạ khác. Cho nên, nếu không có các lóe sáng bức xạ như thế xung quanh vật thể cô đặc thì có thể được coi là bằng chứng để cho rằng nó là một hố đen, nơi mà không có bề mặt để vật chất có thể va đập vào đột ngột.

Chúng ta đã tìm thấy hố đen chưa?
Ngày nay, có khá nhiều những bằng chứng thiên văn gián tiếp về hai loại hố đen:

* Các hố đen khối lượng ngôi sao có khối lượng cỡ bằng các ngôi sao bình thường (4 - 15 lần khối lượng Mặt Trời, và
* Các hố đen siêu nặng có khối lượng bằng một thiên hà.

Thêm vào đó, có một vài bằng chứng về các hố đen khối lượng trung bình có khối lượng vài ngàn lần khối lượng Mặt Trời. Đây có thể là các hố đen đang hình thành nên các hố đen siêu nặng.

Bằng chứng về các hố đen khối lượng ngôi sao chủ yếu được xác định bằng các đĩa gia tốc với kích thước và vận tốc vừa phải mà không có quá trình lóe sáng dị thường xuất hiện xung quanh các vật thể cô đặc. Các hố đen khối lượng ngôi sao có thể tạo ra các đợt bùng nổ tia gamma mặc dù các đợt bùng nổ này thường liên quan đến vụ nổ của các sao siêu mới hoặc các vật thể khác không phải hố đen.

Bằng chứng về các hố đen có khối lượng lớn hơn lần đầu tiên được cho bởi các thiên hà bức xạ và các quasar do các nhà thiên văn vô tuyến phát hiện ra những năm 1960. Sự chuyển đổi rất hiệu quả từ khối lượng thành năng lượng nhờ ma sát trong đĩa gia tốc của một hố đen dường như là cách giải thích duy nhất cho nguồn năng lượng gần như vô tận của các vật thể này. Thực ra, việc đưa ra lý thuyết trên vào những năm 1970 đã hầu như loại bỏ các chống đối cho rằng các quasar là các thiên hà xa xôi, tức là, không có cơ chế nào có thể tạo một lượng năng lượng nhiều đến thế.

Từ các quan sát vào những năm 1980 về chuyển động của các ngôi sao xung quanh tâm của thiên hà, người ta tin răng có những hố đen siêu nặng có mặt ở tâm của phần lớn các thiên hà, ngay cả Ngân Hà của chúng ta. Tinh vân Sagittarius A được coi là bằng chứng quan tin cậy nhất về sự tồn tại của một hố đen siêu nặng tại tâm của dải Ngân Hà.
Luồng hạt chuyển động nhanh phát ra từ thiên hà M87 đựoc cho là gây bởi một hố đen siêu nặng tại tâm của thiên hà đó.
Mở lên
Luồng hạt chuyển động nhanh phát ra từ thiên hà M87 đựoc cho là gây bởi một hố đen siêu nặng tại tâm của thiên hà đó.

Bức tranh hiện nay là tất cả các thiên hà đều có thể có một hố đen siêu nặng ở tại tâm, và hố đen này nuốt khí và bụi ở vùng giữa thiên hà tạo nên lượng bức xạ khổng lồ. Quá trình này tiếp tục cho đến khi không còn vật chất nào ở xung quanh nữa. Bức tranh này giải thích hợp lý về sự vắng mặt của nhiều các quasar gần đó. Mặc dù chưa hiểu về chi tiết, nhưng dường như là sự phát triển của hố đen liên quan mật thiết với các thiên hà có hình dáng tương tự hình cầu chứa nó như thiên hà hình e-líp, đám sao của thiên hà hình xoáy ốc. Điều thú vị là không có bằng chứng nào về sự có mặt của các hố đen nặng ở tâm các đám sao hình cầu, cho thấy sự khác biệt cơ bản giữa các đám sao hình cầu với các thiên hà.

Hố đen siêu nhỏ
Việc hình thành các hố đen siêu nhỏ trên Trái Đất trong các máy gia tốc đã được công bố nhưng chưa được kiểm tra. Cho đến nay, người ta vẫn chưa tìm thấy bằng chứng về hố đen nguyên thủy.

Mô tả toán học
Các hố đen được tiên đoán từ lý thuyết tương đối rộng của Albert Einstein. Đặc biệt là chúng xuất hiện trong nghiệm Schwarzschild, một trong những nghiệm đơn giản và sớm nhất của các phương trình Einstein do Karl Schwarzschild tìm ra vào năm 1915. Nghiệm này mô tả độ cong của không-thời gian trong vùng lân cận một vật thể đối xứng hình cầu trong không gian, nghiệm này là:

ds^2 = - c^2 \left( 1 - {2Gm \over c^2 r} \right) dt^2 + \left( 1 - {2Gm \over c^2 r} \right)^{-1} dr^2 + r^2 d\Omega^2,

trong đó d\Omega^2 = d\theta^2 + \sin^2\theta\; d\phi^2 là góc khối chuẩn.

Theo nghiệm Schwarzschild, một vật đang bị lực hấp dẫn tác dụng sẽ suy sập vào một hố đen nếu bán kính của nó nhỏ hơn một khoảng cách đặc trưng được gọi là bán kính Schwarzschild. Dưới bán kính này, không-thời gian bị cong đến nỗi bất kỳ ánh sáng được phát ra trong vùng này, bất kể hướng được phát ra, sẽ đi vào tâm của hệ này. Vì lý thuyết tương đối không cho phép bất kỳ vật thể nào chuyển động nhanh hơn ánh sáng, bất kỳ vật gì nằm dưới bán kính Schwarzschild đều bị hút vào tâm tạo nên một kỳ dị hấp dẫn, một vùng có mật độ vô hạn về mặt lý thuyết. Vì ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát được nên hố đen cổ điển là hoàn toàn đen.

Bán kính Schwarzschild được cho bởi công thức sau:

r_s = {2\,Gm \over c^2}

Trong đó G là hằng số hấp dẫn, m là khối lượng của vật thể, và c là vận tốc ánh sáng. Đối với một vật thể có khối lượng bằng Trái Đất, bán kính Schwarzschild của nó bằng 9 mili mét.

Mật độ trung bình bên trong bán kính Schwarzschild giảm khi khối lượng của hố đen tăng, do đó, nếu hố đen có khối lượng Trái Đất có mật độ là 2 × 1030 kg/m3, mật độ của một hố đen siêu nặng có khối lượng bằng 109 khối lượng Mặt Trời có mật độ khoảng 20 kg/m3, nhẹ hơn nước! Mật độ trung bình cho bởi

\rho=\frac{3\,c^6}{32\pi m^2G^3}

Vì Trái Đất có bán kính trung bình là 6371 km, thể tích của nó sẽ giảm 4 × 1026 lần để suy sập thành một hố đen. Một vật thể có khối lượng Mặt Trời, bán kính Schwarzschild xấp xỉ 3 km, nhỏ hơn bán kính hiện nay của Mặt Trời khoảng 700.000 km. Nó cũng nhỏ hơn đáng kể bán kính của Mặt Trời sau khi đốt hết nguyên liệu hạt nhân, hay vào khoảng vài ngàn km. Các ngôi sao nặng hơn có thể suy sập thành các hố đen khi kết thúc cuộc đời.

Các hố đen khác cũng có thể rút ra từ nghiệm các phương trình Einstein như là nghiệm Kerr cho các hố đen quay, trong đó có một kỳ dị vòng. Tiếp đến là nghiệm Reissner-Nordstrøm cho các hố đen tích điện. Nghiệm Kerr-Newman cuối cùng thể hiện trường hợp hố đen quay tích điện.

Các khám phá mới
Năm 2004, người ta phát thu được một đám các hố đen, mở rộng tầm hiểu biết của chúng ta về phân bố các hố đen trong vũ trụ. Phát hiện này làm cho các nhà khoa học phải xem xét lại số lượng các hố đen trong vũ trụ. Theo các tính toán, người ta tin rằng số lượng các hố đen nhiều hơn tính toán trước đây đến năm bậc.

Tháng 7 năm 2004, các nhà thiên văn tìm thấy một hố đen khổng lồ Q0906+6930, tại tâm của một thiên hà xa xôi trong chòm sao Đại Hùng (Gấu Lớn, Ursa Major). Kích thước và tuổi của hố đen có thể cho phép xác định tuổi vũ trụ.

Tháng 11 năm 2004, một nhóm các nhà thiên văn công bố khám phá đầu tiên về hố đen khối lượng trung bình trong thiên hà của chúng ta, quay xung quanh Sagittarius A ở khoảng cách 3 năm ánh sáng. Hố đen trung bình này có khối lượng 1.300 lần khối lượng Mặt Trời nằm trong một đám gồm bảy ngôi sao, có thể là tàn dư của một đám sao lớn bị phần tâm của thiên hà tước đi phần lớn vật chất. Quan sát này có thể củng cố ý tưởng về các hố đen siêu nặng phát triển bằng hấp thụ các hố đen và các ngôi sao nhỏ hơn.

Tháng 5 năm 2005, một ngôi sao kềnh xanh SDSS J090745.0+24507 được tìm thấy đang rời khỏi Ngân Hà với vận tốc gấp đôi vận tốc thoát (0,0022 vận tốc ánh sáng). Người ta có thể lần theo lộ trình của ngôi sao đó ngược trở lại tâm của thiên hà.

Mô hình thay thế
Một vài mô hình thay thế tương tự như hố đen nhưng có thể tránh được điểm kỳ dị cũng được đưa ra. Nhưng phần lớn các nhà nghiên cứu nhận xét các khái niệm này chỉ mang tính nhân tạo, vì chúng phức tạp hơn nhưng lại không đưa ra các điểm khác biệt cơ bản với các hố đen. Lý thuyết có triển vọng nhất là lý thuyết Gravastar.

Tháng 3 năm 2005, nhà vật lý George Chapline làm việc tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence ở California cho rằng các hố đen không tồn tại, và rằng các vật thể mà mọi người cho là các hố đen thực ra là các ngôi sao năng lượng đen. Ông đưa ra kết luận này từ các nghiên cứu cơ học lượng tử. Mặc dù đề xuất của ông không được đông đảo các nhà vật lý ủng hộ, nhưng vẫn thu hút được nhiều quan tâm của công luận.

2005/06/12

Triết lý âm dương

xem bài của Zạ Trạch trên từ điển bách khoa Wikipedia.

Âm dương (tiếng Anh: yin yang, tiếng Trung: 陰陽) là hai khái niệm để chỉ hai thực thể đối lập ban đầu tạo nên toàn bộ vũ trụ. Âm thể hiện cho bóng tối, thụ động, nữ tính,... đối lập với dương thể hiện cho ánh sáng, chủ động, nam tính,... Triết lý giải thích vũ trụ dựa trên âm và dương được gọi là triết lý âm dương.

Quá trình hình thành
Nguồn gốc của âm dương
Âm dương là hai khái niệm được hình thành cách đây rất lâu. Về nguồn gốc của âm dương và triết lý âm dương, rất nhiều người theo Khổng An Quốc và Lưu Hâm (nhà Hán) mà cho rằng Phục Hy là người có công sáng tạo. Một số người khác thì cho rằng đó là công lao của âm dương gia, một giáo phái của Trung Quốc. Cả hai giả thuyết trên đều không có cơ sở khoa học vì Phục Hy là một nhân vật thần thoại, không có thực còn âm dương gia chỉ có công áp dụng âm dương để giải thích địa lý-lịch sử mà thôi. Phái này hình thành vào thế kỷ thứ 3 nên không thể sáng tạo âm dương được.

Các nghiên cứu khoa học liên ngành của Việt Nam và Trung Quốc đã kết luận rằng: khái niệm âm dương có nguồn gốc Phương Nam (Phương Nam gồm vùng nam Trung Hoa, từ sông Dương Tử trở xuống và vùng Việt Nam, xem thêm dân tộc Việt Nam để biết thêm khu vực của người Cổ Mã Lai sinh sống). Trong quá trình phát triển, nước Trung Hoa trải qua hai thời kỳ: đông tiến là thời kỳ Trung Hoa mở rộng từ thượng lưu (phía tây) xuống hạ lưu (phía đông) của sông Hoàng Hà; nam tiến là thời kỳ mở rộng từ lưu vực sông Hoàng Hà (phía bắc) xuống phía nam sông Dương Tử. Trong quá trình nam tiến, người Hán đã tiếp thu triết lý âm dương của các cư dân phương nam, rồi phát triển, hệ thống hóa triết lý đó bằng khả năng phân tích của người du mục làm cho triết lý âm dương đạt đến hoàn thiện và mang ảnh hưởng của nó tác động trở lại cư dân phương nam.

Cư dân phương nam sống bằng nông nghiệp nên quan tâm số một của họ là sự sinh sôi nảy nở của hoa màu và con người. Sinh sản của con người thì do hai yếu tố: cha và mẹ, nữ và nam; còn sự sinh sôi nảy nở của hoa màu thì do đất và trời - "đất sinh, trời dưỡng". Chính vì thế mà hai cặp "mẹ-cha", "đất-trời" là sự khái quát đầu tiên trên con đường dẫn đến triết lý âm dương. Về mặt ngôn ngữ học, "âm dương" là phát âm từ tiếng Hán là "yin yan", nhưng chính tiếng Hán để chỉ khái niệm âm dương lại vay mượn từ các ngôn ngữ Phương Nam trước đây. Ví dụ, so sánh "yang" với "giàng" (trong tiếng Mường), yang sri (thần lúa), yang Dak (thần nước), yang Lon (thần đất) (trong tiếng của nhiều dân tộc Tây Nguyên); so sánh "yin" với "yana" (tiếng Chàm cổ, ví dụ Thiên Yana=mẹ trời), "ina" (tiếng Chàm hiện đại), "inang" (tiếng Indonesia), "nạ" (tiếng Việt cổ, ví dụ: nạ ròng=người đàn bà có con, tục ngữ Việt Nam: "Con thì na, cá thì nước"),... thì thấy rõ điều đó. Chính từ quan niệm âm dương với hai cặp "mẹ-cha" và "đất-trời" này, người ta đã mở rộng ra nhiều cặpk đối lập phổ biến khác. Đến lượt mình, các cặp này lại là cơ cở để suy ra vô số các cặp mới.

Trừu tượng hóa âm dương
Từ việc khái niệm âm dương được dùng để chỉ những cặp đối lập cụ thể ở trên, người xưa tiến thêm một bước là dùng nó để chỉ những cặp đối lập trừu tượng hơn ví dụ như "lạnh-nóng", rồi cặp "lạnh-nóng" lại là cơ sử để suy tiếp như: về phương hướng, "phương bắc" lạnh nên thuộc âm, "phương nam" nóng nên thuộc âm; về thời tiết, "mùa đông" lạnh nên thuộc âm, "mùa hè" nóng nên thuộc âm; về thời gian, "ban đêm" lạnh nên thuộc âm, "ban ngày" nóng nên thuộc âm. Nếu tiếp tục suy diễn nữa thì: đêm thì tối nên "tối" thuộc âm, ngày thì sáng nên "sáng" thuộc dương; tối có màu đen nên "màu đen" thuộc âm, ngày sang thì nắng đỏ nên "màu đỏ" thuộc dương.

Từ cặp "mẹ-cha" (nam-nữ, cái-đực) có thể suy ra rằng:

* Giống cái có khả năng mang thai (tuy một mà hai), nên về loại số, thì số chẵn thuộc âm; giống đực không có khả năng ấy, một là một, nên số lẻ thuộc dương. Điều này giải thích tại sao quẻ âm là một vạch dài (|), còn quẻ dương là hai vạch ngắn (:).
* Về hình khối thì khối vuông ổn định, tĩnh, tỷ lệ giữa cạnh và chu vi là 1:4, số 4 là số chẵn, chính vì thế mà khối vuông thuộc âm; hình cầu không ổn định, động, tỷ lệ giữa đường kính và chu vi là 1:3 (số π), số 3 là số lẻ, chính vì vậy mà khối cầu thuộc dương (xem hình 2).

Tuy vậy, các cặp đối lập chưa phải là nội dung chính của triết lý âm dương. Triết lý âm dương không phải là triết lý về các cặp đối lập. Tất cả các dân tộc trên thế giới đều có các phạm trù đối lập nhau, ngôn ngữ của tất cả các dân tộc đều có từ trái nghĩa. Điều quan trọng của triết lý âm dương chính ở bản chất và quan hệ của hai khái niệm âm dương. Đó chính là điều khác biệt triết lý âm dương với các triết lý khác.

Các quy luật của triết lý âm và dương
Tất cả các đặc điểm của triết lý âm dương đều tuân theo hai quy luật cơ bản. Đó là quy luật về bản chất của các thành tố và quy luật về quan hệ giữa các thành tố.

Quy luật về bản chất của các thành tố
Quy luật về bản chất của các thành tố của triết lý âm dương là: không có gì hoàn toàn âm hoặc hoàn toàn dương, trong âm có dương, trong dương có âm.

Quy luật này cho thấy việc xác định một vật là âm hay dương chỉ là tương đối, trong sự so sánh với một vật khác. Ví dụ về trong âm có dương: đất lạnh nên thuộc âm nhưng càng đi sấu xuống lòng đất thì càng nóng; về trong dương có âm: nắng nóng thuộc dương, nhưng nắng nhiều sẽ có mưa nhiều (hơi nước bay lên) làm nên mưa lạnh thuộc âm. Chính vì thế mà việc xác định tính âm dương của các cặp đối lập thường dễ dàng. Nhưng đối với các vật đơn lẻ thì khó khăn hơn nên có hai hệ quả để giúp cho việc xác định tính âm dương của một đối tượng:

* Muốn xác định được tính chất âm dương của một đối tượng thì trước hết phải xác định được đối tượng so sánh. Màu trắng so với màu đỏ thì là âm, nhưng so với màu đen thì là dương. Ta có thể xác lập được mức độ âm dương cho nhiều hệ; ví dụ, về màu sắc thì đi từ âm đến dương ta có đen-trắng-xanh-vàng-đỏ (đất đen sinh ra mầm lá trắng, lớn lên thì chuyển thành xanh, lâu dần chuyển thành lá vàng và cuối cùng thành đỏ)
* Muốn xác định được tính chất âm dương của một đối tượng thì phải xác định được cơ sở so sánh. Ví dụ, nước so với đất thì, về độ cứng thì nước là âm, đất là dương; nhưng về độ linh động thì nước là dương, đất là âm.

Quy luật về quan hệ giữa các thành tố
Quy luật về quan hệ giữa các thành tố của triết lý âm dương là: âm dương gắn bó mật thiết với nhau, vận động và chuyển hóa cho nhau, âm phát triển đến cùng cực thì chuyển thành dương, dương phát triển đến cùng cực thì chuyển thành âm.

Ngày và đêm, tối và sáng, mưa và nắng, nóng và lạnh,... luôn chuyển hóa cho nhau. Cây màu xanh từ đất đen, sau khi lớn chín vàng rồi hóa đỏ và cuối cùng lại rụng xuống và thối rữa để trở lại màu đen của đất. Từ nước lạnh (âm) nếu được đun nóng đến cùng cực thì bốc hơi lên trời (thành dương), và ngược lại, nếu được làm lạnh đến cùng cực thì nó sẽ thành nước đá (thành dương).

Tất cả các quy luật trên được thể hiện đầy đủ trong biểu tượng âm dương (xem hình 1) nói lên bản chất và sự chuyển hóa của âm và dương.

So sánh với các quy luật của lô-gíc học
Trong lô-gíc học cũng có hai quy luật tương đương với hai quy luật ở trên. Đó là quy luật về bản chất của thành tố - luật đồng nhất, và quy luật về quan hệ giữa các thành tố - luật lý do đầy đủ mà hệ quả của nó là luật nhân quả.

Luật đồng nhất (bản chất A=A) chỉ đúng khi sự vật và hiện tượng đứng yên, mà điều này thì không biện chứng vì sự vật và hiện tượng luôn vận động (đổi mới), mà nếu vận động thì nó không thể đồng nhất với chính nó được nữa. Trong khi đó, quy luật về bản chất của triết lý âm dương là trong âm có dương, trong dương có âm, tức là trong A đã có B rồi.

Luật lý do đầy đủ xác lập nên luật nhân quả cũng chỉ xem xét sự vật và hiện tượng trong sự cô lập, không liên hệ với môi trường xung quanh, trong khi trên thực tế, sự vật và hiện tượng tồn tại trong không gian và quan hệ với các sự vật và hiện tượng khác. Cái này là nhân của cái kia, nhưng nó lại là quả của cái khác. Không có nhân tuyệt đố và quả tuyệt đối rất phù hợp với luật chuyển hóa âm dương bất tận, vô thủy (=bắt đầu) và vô chung (=kết thúc).

Hai quy luật của lô-gíc học là sản phẩm của lối tư duy phân tích, chú trọng đến các yếu tố biệt lập của văn hóa du mục; trong khi quy luật của triết lý âm dương là điển hình của tư duy tổng hợp, chú trọng đến các quan hệ của văn hóa nông nghiệp.

Hai hướng phát triển của triết lý âm dương
Triết lý âm dương là cơ sở để xây dựng lên hai hệ thống triết lý khác đó là hệ thống tam tài, ngũ hành và tứ tượng, bát quái.

Nếu so sánh phương Đông và phương Tây thì phương Tây chú trọng đến tư duy phân tích, siêu hình còn phương Đông chú trọng đến tư duy tổng hợp, biện chứng. Nhưng nếu xét riêng ở phương Đông thì nếu đi từ bắc xuống nam ta sẽ thấy phía bắc Trung Quốc nặng về phân tích hơn tổng hợp, còn phía nam thì ngược lại, nặng về tổng hợp hơn phân tích. Triết lý âm dương bắt nguồn từ phương Nam, nhưng đối với các dân tộc Đông Nam Á, do tính phân tích yếu nên họ chỉ lại ở tư duy âm dương sơ khai mang tính tổng hợp. Trong khi đó khối Bách Việt đã phát triển và hoàn thiện nó. Tổ tiên người Hán cũng vậy, sau khi tiếp thu triết lý âm dương sơ khai, họ cũng phát triển nó nhưng do năng lực phân tích của họ mạnh hơn năng lực phân tích của người Bách Việt mà từ triết lý âm dương ban đầu, người Bách Việt và người Hán đã xây dựng nên hai hệ thống triết lý khác nhau.

Ở phương Nam, với lối tư duy mạnh về tổng hợp, người Bách Việt đã tạo ra mô hình vũ trụ với số lượng thành tố lẻ (dương): hai sinh ba (tam tài), ba sinh năm (ngũ hành). Chính vì thế mà Lão tử, một nhà triết học của nước Sở (thuộc phương Nam) lại cho rằng: nhất sinh nhị, nhị sinh tam, tam sinh vạn vật. Tư duy số lẻ là một trong những nét đặc thù của phương Nam. Trong rất nhiều thành ngữ, tục ngữ Việt Nam, các số lử như 1, 3, 5, 7, 9 xuất hiện rất nhiều. Ví dụ, ba mặt một lời, ba vợ, bảy nàng hầu, tam sao, thất bản,...

Ở phương Bắc, với lối tư duy mạnh về phân tích, người Hán đã gọi âm dương là lưỡng nghi, và bằng cách phân đôi thuần túy mà sinh ra mô hình vũ trụ chặt chẽ với số lượng thành tố chẵn (âm). Chính vì vậy Kinh Dịch trình bày sự hình thành vũ trụ như sau: lưỡng nghi sinh tứ tượng, tứ tượng sinh bát quái, bát quái biến hóa vô cùng (hai sinh bốn, bốn sinh tám). Người phương Bắc thích dùng số chẵn, ví dụ, tứ đại, tứ mã, tứ trụ,... Lối tư duy như vậy, hoàn toàn không có chỗ cho ngũ hành - điều này cho thấy, quan niệm cho rằng "âm dương - ngũ hành - bát quái" là sản phẩm của người Hán là hoàn toàn sai lầm.