Lược Sử Thời Gian
(A Brief History of Time)
Stephen Hawking
Người dịch : Cao Chi và Phạm Văn Thiều

MỤC LỤC
Giới thiệu cuốn sách “Lược sử thời gian”
Lời giới thiệu của nhà xuất bản Bantam Books
Lời cảm ơn của Stephen Hawking
Chương 1: Bức tranh của chúng ta về vũ trụ
Chương 2: Không gian và thời gian
Chương 3: Vũ trụ giãn nở
Chương 4: Nguyên lý bất định
Chương 5: Các hạt cơ bản và các lực trong tự
nhiên
Chương 6: Lỗ đen
Chương 7: Lỗ đen không quá đen
Chương 8: Nguồn gốc và số phận của vũ trụ
Chương 9: Mũi tên của thời gian
Chương 10: Lý thuyết thống nhất của vật lý học
Chương 11: Kết luận
ALBERT EINSTEIN
GALILEO GALILEI
ISAAC NEWTON

Thuật ngữ
Lược sử về “một lược sử”
VŨ TRỤ TUẦN HOÀN
Nicolaus Copernicus và tác phẩm De Revolutionibus
Orbium Coelestium
Vũ trụ hệ Isaac Newton và tác phẩm nguyên tắc
toán học
ĐẤU TRANH SINH TỒN
Charles Darwin Và tác phẩm nguồn gốc các chủng
loại
CHA ĐỠ ĐẦU CỦA KỶ NGUYÊN NGUYÊN TỬ
Albert Einstein và thuyết tương đối

Giới thiệu cuốn sách “Lược sử thời gian”

Cuốn sách mà chúng tôi giới thiệu với các bạn sau đây có
tên là “Lược sử thời gian” (A Brief History of Time), một
cuốn sách tuyệt diệu, được viết bởi một trong những nhà khoa
học vĩ đại nhất của thời đại chúng ta: nhà toán học và vật lý lý
thuyết người Anh Stephen Hawking.
S.W. Hawking sinh năm 1942. Trong cuộc sống cá nhân,
ông gặp nhiều bất hạnh. Năm 1985, ông bị sưng phổi và sau
khi phẫu thuật mở khí quản, Hawking mất khả năng phát âm.
Trước đó, một căn bệnh tê liệt thần kinh (bệnh ALS) đã gắn
chặt ông vào chiếc xe đẩy. Hawking chỉ còn cách làm việc và
giao tiếp với mọi người bằng một máy vi tính và một máy tổng
hợp tiếng nói lắp liền với ghế. Tuy nhiên, tất cả những bất
hạnh này không quật ngã được ý chí của nhà vật lý thiên tài.
Hiện nay ông là giáo sư tại Đại học Cambridge (Anh), ở chức
vụ mà ngày xưa Newton, rồi sau đó là P.A.M. Dirac, đảm
nhiệm. Ông chuyên nghiên cứu về lý thuyết tương đối rộng.
Những kết quả thu được cùng với George Ellis, Roger
Penrose,… và nhất là sự phát hiện khả năng bức xạ của các
các lỗ đen đã đưa Hawking lên hàng những nhà vật lý nổi
tiếng nhất thế giới.
Cuốn “Lược sử thời gian” được viết xong năm 1987. Ngay
từ khi ra đời, nó đã trở thành một trong những cuốn sách bán
chạy nhất thế giới. “Lược sử thời gian” đứng trong danh mục
sách bán chạy nhất của New York Times trong 53 tuần, và tại
nước Anh, 205 tuần liền nó có tên trong mục sách bán chạy
nhất của Sunday Times. Chính Stephen Hawking cũng phải
kinh ngạc. Từ trước đến nay, chưa có một cuốn sách khoa học
nào được công chúng đón nhận nồng nhiệt như vậy (tuy rằng
nhiều người nói, họ mua nó chỉ để bày ở tủ sách chứ không
thực sự đọc. Về điểm này, cuốn sách của Hawking cũng có số
phận tương tự như Kinh Thánh hoặc các vở kịch của
Shakespeare).
Bằng một lối trình bày sáng sủa, giọng văn hài hước, hơi
nhuốm màu bi quan, Stephen Hawking đã dẫn dắt người đọc

phiêu lưu suốt lịch sử vũ trụ, từ khi nó còn là một điểm kỳ dị
với năng lượng vô cùng lớn, cho tới ngày nay. Cuộc tìm kiếm
của Hawking giúp người đọc khám phá hết bí mật này đến bí
mật khác. Đôi khi ông dụ độc giả vào những ngộ nhận tưởng
như rất có lý, rồi lại bất ngờ chỉ ra sự phi lý trong cách nghĩ,
để rồi phá vỡ mọi ngộ nhận. Cuốn sách đề cập đến những vấn
đề nghiêm trọng và hóc búa nhất của vật lý lý thuyết, như vụ
nổ lớn, lỗ đen, không - thời gian, thuyết tương đối, nguyên lý
bất định… mà không hề làm bạn đọc bị rối.
Bản tiếng Việt mà chúng tôi giới thiệu với các bạn sau đây
được dịch bởi Cao Chi và Phạm Văn Thiều, nhà xuất bản Văn
hóa Thông tin, Hà Nội, 2000.
Minh Hy

Lời giới thiệu của nhà xuất bản Bantam Books

Chúng ta đang sống cuộc sống hàng ngày của chúng ta mà
hầu như không hiểu được thế giới xung quanh. Chúng ta cũng
ít khi suy ngẫm về cơ chế đã tạo ra ánh sáng mặt trời - một yếu
tố quan trọng góp phần tạo nên sự sống, về hấp dẫn - cái chất
keo đã kết dính chúng ta vào trái đất, mà nếu khác đi chúng ta
sẽ xoay tít và trôi dạt vào không gian vũ trụ, về những nguyên
tử đã cấu tạo nên tất cả chúng ta - mà chúng ta hoàn toàn lệ
thuộc vào sự bền vững của chúng. Chỉ trừ có trẻ em (vì chúng
còn biết quá ít để không ngần ngại đặt ra những câu hỏi quan
trọng) còn ít ai trong chúng ta tốn thời gian để băn khoăn tại
sao tự nhiên lại như thế này mà không như thế khác, vũ trụ ra
đời từ đâu, hoặc nó có mãi mãi như thế này không, liệu có một
ngày nào đó thời gian sẽ trôi giật lùi, hậu quả có trước nguyên
nhân hay không; hoặc có giới hạn cuối cùng cho sự hiểu biết
của con người hay không? Thậm chí có những đứa trẻ con, mà
tôi có gặp một số, muốn biết lỗ đen là cái gì; cái gì là hạt vật
chất nhỏ bé nhất, tại sao chúng ta chỉ nhớ quá khứ mà không
nhớ tương lai; và nếu lúc bắt đầu là hỗn loạn thì làm thế nào
có sự trật tự như ta thấy hôm nay, và tại sao lại có vũ trụ.
Trong xã hội của chúng ta, các bậc phụ huynh cũng như
các thầy giáo vẫn còn thói quen trả lời những câu hỏi đó bằng
cách nhún vai hoặc viện đến các giáo lý mơ hồ. Một số giáo lý
ấy lại hoàn toàn không thích hợp với những vấn đề vừa nêu ở
trên, bởi vì chúng phơi bày quá rõ những hạn chế của sự hiểu
biết của con người.
Nhưng rất nhiều môn triết học và khoa học lại ra đời từ
những câu lục vấn như vậy. Ngày càng có nhiều người lớn
cũng muốn đặt những câu hỏi thuộc loại đó và thi thoảng họ
đã nhận được những câu trả lời khá lạ lùng. Nằm trung gian
giữa các nguyên tử và các vì sao, chúng ta đang mở rộng chân
trời khám phá của chúng ta, nhằm bao quát cả những cái rất
nhỏ lẫn những cái rất lớn.
Mùa xuân năm 1974, khoảng 2 năm trước khi con tàu vũ
trụ Viking hạ cánh xuống sao Hỏa, tôi có tham dự một cuộc

họp tổ chức ở Anh, do Hội Hoàng gia London tài trợ, bàn về
vấn đề làm thế nào tìm kiếm sự sống ngoài Trái đất. Vào giờ
giải lao, tôi thấy một cuộc họp lớn hơn nhiều được tổ chức ở
phòng bên cạnh và vì tò mò tôi bước vào xem. Thì ra tôi đang
chứng kiến một nghi lễ cổ kính, lễ kết nạp hội viên mới của
Hội Hoàng gia London, một trong những tổ chức học thuật lâu
đời nhất của hành tinh chúng ta. Ở hàng trên cùng, một thanh
niên ngồi trong xe đẩy đang rất chậm rãi ký tên mình vào cuốn
sổ mà ở những trang đầu tiên của nó còn giữ được chữ ký của
Isaac Newton. Khi Stephen Hawking, cuối cùng đã ký xong
tên mình, những tràng hoan hô như sấm nổi lên, ngay từ lúc đó
ông đã là cả một huyền thoại.
Hiện nay, Hawking là giáo sư toán học của trường Đại học
Cambridge, với cương vị mà trước đây Newton, rồi sau này
P.A.M Dirac - hai nhà nghiên cứu nổi tiếng về những cái cực
lớn và những cái cực nhỏ - đảm nhiệm. Hawking là người kế
tục hết sức xứng đáng của họ. Cuốn sách đầu tiên của
Hawking dành cho những người không phải là chuyên gia này
có thể xem là một phần thưởng về nhiều mặt cho công chúng
không chuyên. Cuốn sách hấp dẫn vừa bởi nội dung phong
phú của nó, vừa bởi nó cho chúng ta một cái nhìn khái quát
qua những công trình của chính tác giả. Cuốn sách chứa đụng
những khám phá trên những ranh giới của vật lý học, thiên văn
học, vũ trụ học và của cả lòng dũng cảm nữa.
Đây cũng là cuốn sách về Thượng đế… hay đúng hơn là
về sự không-có-mặt-của-Thượng-đế. Chữ Thượng đế xuất hiện
trên nhiều trang của cuốn sách này. Hawking đã dấn thân đi
tìm câu trả lời cho câu hỏi nổi tiếng của Einstein: Liệu Thượng
đế có sự lựa chọn nào trong việc tạo ra vũ trụ này hay không?
Hawking đã nhiều lần tuyên bố một cách công khai rằng ông
có ý định tìm hiểu ý nghĩa của Thượng đế. Và từ nỗ lực đó,
ông đã rút ra kết luận bất ngờ nhất, ít nhất là cho đến hiện nay,
đó là vũ trụ không có biên trong không gian, không có bắt
đầu và kết thúc trong thời gian và chẳng có việc gì cho
Đấng sáng thế phải làm ở đây cả .
Peter Guzzardi

Lời cảm ơn của Stephen Hawking

Lời cảm ơn sau đây được in trong lần xuất bản đầu tiên
của cuốn “Lược sử thời gian”, nhà xuất bản Batam Books,
1987.
Tôi đã quyết định thử viết một cuốn sách phổ thông về
không gian và thời gian sau khi đã đọc một loạt bài giảng ở
Đại học Harvard năm 1982. Trước đó, cũng đã có khá nhiều
cuốn sách viết về giai đoạn đầu của vũ trụ và các lỗ đen, từ
những cuốn sách rất hay như cuốn “Ba phút đầu tiên” của
Steven Weinberg (Bản dịch tiếng Việt của Nhà xuất bản Khoa
học và Kỹ thuật ra mắt năm 1982 - VnExpress), cho tới những
cuốn rất tồi mà tôi không muốn nhắc tên ở đây. Tuy nhiên, tôi
cảm thấy chưa có cuốn nào đề cập đến những vấn đề đã dẫn
tôi đi nghiên cứu vũ trụ học và lý thuyết lượng tử như: Vũ trụ
ra đời từ đâu? Nó bắt đầu như thế nào và tại sao lại như vậy?
Nó có kết thúc không, và nếu có thì sẽ kết thúc như thế nào?
Đó là những vấn đề mà tất cả chúng ta đều quan tâm. Nhưng
khoa học hiện đại đã trở nên chuyên sâu tới mức chỉ có một số
ít chuyên gia nắm vững những công cụ toán học được dùng để
mô tả chúng mới có thể hiểu được chúng. Tuy nhiên, những ý
tưởng cơ bản về nguồn gốc và số phận của vũ trụ vẫn có thể
trình bày dưới dạng phổ thông cho những người không thuộc
giới khoa học cũng có thể hiểu được mà không cần tới toán
học. Đó là mục tiêu mà tôi muốn thực hiện trong cuốn sách
này. Mục tiêu đó có đạt được hay không, xin để bạn đọc phán
xét.
Có ai đó nói với tôi rằng, mỗi một phương trình mà tôi đưa
vào cuốn sách sẽ làm giảm số lượng bán đi một nửa. Do đó,
tôi quyết định sẽ hoàn toàn không dùng đến một phương trình
nào. Tuy nhiên, cuối cùng tôi cũng đành phải đưa vào một
phương trình, đó là phương trình nổi tiếng của Einstein E
=mc2. Tôi hy vọng nó sẽ không làm cho một số bạn đọc tiềm
tàng của tôi phải hoảng sợ.
Ngoại trừ căn bệnh ALS (bệnh liệt toàn thân), hay bệnh về
thần kinh chuyển động, ở hầu hết các phương diện khác, tôi là

một người may mắn. Nhờ sự giúp đỡ và hỗ trợ của Jane, vợ tôi
và các con Robert, Lucy và Timmy mà tôi có thể sống gần như
bình thường và có một sự nghiệp thành công. Tôi còn may
mắn ở một điểm nữa là tôi đã chọn vật lý lý thuyết, vì tất cả
chỉ được làm trong trí óc. Do đó bệnh tật của tôi không phải là
một sự tàn phế quá nghiêm trọng. Tất nhiên, những đồng
nghiệp cũng đã giúp đỡ tôi rất nhiều.
Trong giai đoạn đầu tiên, giai đoạn “cổ điển” của con
đường sự nghiệp, những người bạn và cộng sự chính của tôi là
Roger Penrose, Robert Geroch, Brandon Carter và George
Elis. Tôi rất biết ơn sự giúp đỡ mà họ đã dành cho tôi, và về
công việc mà chúng tôi cùng tiến hành với nhau. Giai đoạn
này đã được đúc kết thành cuốn sách “Cấu trúc ở thang vĩ mô
của không - thời gian” do Elis và tôi viết năm 1973. Tôi không
có ý định khuyên độc giả tìm đọc cuốn sách đó để lấy thêm
thông tin, bởi vì nó quá chuyên sâu và tương đối khó đọc. Tôi
hy vọng rằng từ khi viết cuốn sách đó đến nay, tôi đã học được
cách viết sao cho dễ hiểu hơn.
Trong giai đoạn thứ hai, giai đoạn “lượng tử” của con
đường sự nghiệp của tôi, từ năm 1974, các cộng sự chính của
tôi là Gary, Gibsons, Don Page và Jim Hartle. Tôi phải mang
ơn họ và các nghiên cứu sinh của tôi rất nhiều vì sự giúp đỡ to
lớn của họ đối với tôi. Sự tiếp xúc với sinh viên luôn kích
thích tôi mạnh mẽ, và tôi hy vọng nó đã giúp tôi tránh được
những con đường mòn.
Khi viết cuốn sách này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ lớn
của Brian Whitt, một sinh viên của tôi. Tôi bị sưng phổi năm
1985, sau khi đã viết song bản thảo đầu tiên. Tôi đã phải phẫu
thuật mở khí quản. Sau phẫu thuật, tôi mất khả năng phát âm,
và do đó, hầu như không còn khả năng giao tiếp nữa. Tôi nghĩ
sẽ không thể hoàn thành được cuốn sách. Nhưng Brian không
chỉ giúp tôi sửa lại bản thảo mà còn giúp tôi sử dụng chương
trình giao tiếp có tên là Living Center do Walt Woltosz thuộc
World Plus Inc. ở Sunnyvale, California tặng cho tôi. Với
chương trình đó, tôi vừa có thể viết sách báo, vừa có thể giao
tiếp với mọi người bằng một máy tổng hợp tiếng nói do
Speech Plus, cũng ở Sunnyvale, California, tặng cho tôi. Máy
tổng hợp tiếng nói đó và một máy vi tính được David Manson
lắp ngay trên chiếc xe đẩy của tôi. Hệ thống này đã làm được

một chuyện hoàn toàn bất ngờ: thực tế bây giờ tôi có thể giao
tiếp còn tốt hơn so với khi tôi chưa bị mất tiếng nói.
Tôi cũng đã nhận được nhiều đề nghị hoàn thiện cuốn sách
từ nhiều người đã xem bản thảo sơ bộ của nó. Đặc biệt, ông
Peter Guzzardi, biên tập viên của tôi ở nhà xuất bản Bantam
Books đã gửi cho tôi rất nhiều trang nhận xét và yêu cầu về
những điểm ông cảm thấy tôi giải thích chưa thật thỏa đáng
lắm. Tôi cũng phải thú nhận rằng tôi đã cảm thấy rất bực mình
khi nhận được những bản liệt kê dài gồm những điều cần phải
sửa đổi, nhưng ông đã hoàn toàn có lý. Tôi tin chắc rằng cuốn
sách sở dĩ hay hơn chính là do ông đã bắt tôi phải làm việc cận
lực.
Tôi cũng rất cảm ơn những trợ tá của tôi: Colin Williams,
David Thomas và Raymond Laflamme; các thư ký Judy Fella,
Ann Ralph, Cheryl Billington và Sue Masey; cũng như đội
ngũ các hộ lý của tôi. Cuốn sách này cũng không thể ra đời
nếu không có sợ hỗ trợ cho cho nghiên cứu và chi phí y tế của
tôi từ Trường Gonville và Caius, từ Hội đồng nghiên cứu khoa
học và kỹ thuật, cũng như các Quỹ Leverhulme, McArthur,
Nuffield và Ralph Smith. Tôi xin tỏ lòng biết ơn đối với các cơ
quan đó.
Stephen Hawking
Ngày 20 tháng 10 năm 1987

Chương 1: Bức tranh của chúng ta về vũ trụ

Một nhà khoa học nổi tiếng (hình như là Bertrand Russell)
một lần đọc trước công chúng một bài giảng về Thiên văn học.
Ông đã mô tả trái đất quay quanh mặt trời như thế nào và đến
lượt mình, mặt trời lại quay quanh tâm của một quần thể
khổng lồ các vì sao - mà người ta gọi là thiên hà - ra sao. Khi
bài giảng kết thúc, một bà già nhỏ bé ngồi ở cuối phòng đứng
dậy và nói: “Anh nói với chúng tôi chuyện nhảm nhí gì vậy?
Thế giới thực tế chỉ là một cái đĩa phẳng tựa trên lưng một con
rùa khổng lồ mà thôi”. Nhà khoa học mỉm một nụ cười hạ cố
trước khi trả lời: “Thế con rùa ấy tựa lên cái gì?”. “Anh thông
minh lắm, anh bạn trẻ ạ, anh rất thông minh”, bà già nói,
“nhưng những con rùa cứ xếp chồng lên nhau mãi xuống dưới,
chứ còn sao nữa”.
Nhiều người chắc thấy rằng bức tranh về vũ trụ của chúng
ta như một cái thang vô tận gồm những con rùa chồng lên
nhau là chuyện khá nực cười, nhưng tại sao chúng ta lại nghĩ
rằng chúng ta hiểu biết hơn bà già nhỏ bé kia? Chúng ta đã
biết gì về vũ trụ và bằng cách nào chúng ta biết về nó? Vũ trụ
tới từ đâu và nó sẽ đi về đâu? Vũ trụ có điểm bắt đầu không và
nếu có thì điều gì xảy ra trước đó? Bản chất của thời gian là
gì? Nó có điểm tận cùng không? Những đột phá mới đây trong
vật lý học - một phần nhờ những công nghệ mới tuyệt xảo - đã
đưa ra câu trả lời cho một số câu hỏi tồn tại dai dẳng từ xa xưa
vừa nêu ở trên. Một ngày nào đó, rất có thể những câu trả lời
này sẽ trở nên hiển nhiên đối với chúng ta như chuyện trái đất
quay xung quanh mặt trời hoặc cũng có thể trở nên nực cười
như chuyện tháp những con rùa. Chỉ có thời gian (dù cho có
thế nào đi nữa) mới có thể phán quyết.
Từ rất xa xưa, khoảng năm 340 trước công nguyên,
nhà triết học Hy Lạp Aristotle, trong cuốn sách của ông
nhan đề “Về Bầu trời”, đã đưa ra hai luận chứng sáng giá
chứng minh rằng trái đất có hình cầu chứ không phải là
cái đĩa phẳng. Thứ nhất, ông thấy rằng hiện tượng nguyệt
thực là do trái đất xen vào giữa mặt trời và mặt trăng. Mà bóng

của trái đất lên mặt trăng luôn luôn là tròn, điều này chỉ đúng
nếu trái đất có dạng cầu. Nếu trái đất là một cái đĩa phẳng thì
bóng của nó phải dẹt như hình elip, nếu trong thời gian có
nguyệt thực mặt trời không luôn luôn ở ngay dưới tâm của cái
đĩa đó. Thứ hai, từ những chuyến du hành của mình, người Hy
Lạp biết rằng sao Bắc đẩu nhìn ở phương nam dường như thấp
hơn khi nhìn ở những vùng phương bắc! (Bởi vì sao Bắc đẩu
nằm ngay trên cực bắc, nên nó dường như ở ngay trên đầu
người quan sát ở Bắc cực, trong khi đó đối với người quan sát
ở xích đạo, nó dường như nằm ngay trên đường chân trời).
Từ sự sai khác về vị trí biểu kiến của sao Bắc đẩu ở Ai Cập
so với ở Hy Lạp, Aristotle thậm chí còn đưa ra một đánh giá
về chiều dài con đường vòng quanh trái đất là 400.000 stadia.
Hiện nay ta không biết chính xác 1 stadia dài bao nhiêu, nhưng
rất có thể nó bằng khoảng 200 thước Anh (1 thước Anh bằng
0,914 mét). Như vậy, ước lượng của Aristotle lớn gần gấp 2
lần con số được chấp nhận hiện nay. Những người Hy Lạp
thậm chí còn đưa ra một luận chứng thứ 3 chứng tỏ rằng trái
đất tròn bởi vì nếu không thì tại sao khi nhìn ra biển, cái đầu
tiên mà người ta nhìn thấy là cột buồm và chỉ sau đó mới nhìn
thấy thân con tàu?
Aristotle nghĩ rằng trái đất đứng yên còn mặt trời, mặt
trăng, các hành tinh và những ngôi sao chuyển động xung
quanh nó theo những quỹ đạo tròn. Ông tin vào điều đó bởi vì
ông cảm thấy - do những nguyên nhân bí ẩn nào đó - rằng trái
đất là trung tâm của vũ trụ, rằng chuyển động tròn là chuyển
động hoàn thiện nhất. Ý tưởng này đã được Ptolemy phát triển
thành một mô hình vũ trụ hoàn chỉnh vào thế kỷ thứ 2 sau
Công nguyên. Theo mô hình này thì trái đất đứng ở tâm và bao
quanh nó là 8 mặt cầu tương ứng mang mặt trăng, mặt trời, các
ngôi sao và 5 hành tinh đã biết vào thời gian đó: sao Thủy, sao
Kim, sao Hỏa, sao Mộc và sao Thổ (Hình 1.1).

Hình 1.1: Mô hình vũ trụ của Aristotle - Ptolemy coi trái đất là trung tâm
của vũ trụ.

Chính các hành tinh lại phải chuyển động trên những vòng
tròn nhỏ hơn gắn với các mặt cầu tương ứng của chúng để phù
hợp với đường đi quan sát được tương đối phức tạp của chúng
trên bầu trời. Mặt cầu ngoài cùng mang các thiên thể được gọi
là các ngôi sao cố định, chúng luôn luôn ở những vị trí cố định
đối với nhau, nhưng lại cùng nhau quay ngang qua bầu trời.
Bên ngoài mặt cầu cuối cùng đó là cái gì thì mô hình đó không
bao giờ nói một cách rõ ràng, nhưng chắc chắn nó cho rằng đó
là phần của vũ trụ mà con người không thể quan sát được.
Mô hình của Ptolemy đã tạo ra được một hệ thống
tương đối chính xác để tiên đoán vị trí của các thiên thể
trên bầu trời. Nhưng để tiên đoán những vị trí đó một cách
hoàn toàn chính xác, Ptolemy đã phải đưa ra giả thuyết rằng
mặt trăng chuyển động theo một quỹ đạo đôi khi đưa nó tới
gần trái đất tới 2 lần nhỏ hơn so với ở những thời điểm khác.
Ptolemy đành phải chấp nhận điểm yếu đó, nhưng dẫu sao về
đại thể, là có thể chấp nhận được. Mô hình này đã được nhà
thờ Thiên chúa giáo chuẩn y như một bức tranh về vũ trụ phù
hợp với Kinh Thánh, bởi vì nó có một ưu điểm rất lớn là để
dành khá nhiều chỗ ở ngoài mặt cầu cuối cùng của các ngôi
sao cố định cho thiên đường và địa ngục.
Tuy nhiên, một mô hình đơn giản hơn đã được một mục sư
người Ba Lan, tên là Nicholas Copernicus đề xuất vào năm
1554. (Thoạt đầu, có lẽ vì sợ nhà thờ quy là dị giáo,
Copernicus đã cho lưu hành mô hình của mình như một tác
phẩm khuyết danh). Ý tưởng của ông là mặt trời đứng yên, còn
trái đất và những hành tinh chuyển động theo những quỹ đạo

tròn xung quanh mặt trời. Phải mất gần một thế kỷ, ý tưởng
này mới được chấp nhận một cách thực sự. Hai nhà thiên văn một người Đức tên là Johannes Kepler và một người Italy tên
là Galileo Galilei - đã bắt đầu công khai ủng hộ học thuyết
Copernicus, mặc dù những quỹ đạo mà nó tiên đoán chưa ăn
khớp hoàn toàn với những quỹ đạo quan sát được. Và vào năm
1609 một đòn chí mạng đã giáng xuống học thuyết Aristotle Ptolemy. Vào năm đó, Galileo bắt đầu quan sát bầu trời bằng
chiếc kính thiên văn của ông vừa phát minh ra. Khi quan sát
sao Mộc, Galileo thấy rằng kèm theo nó còn có một số vệ tinh
hay nói cách khác là những mặt trăng quay xung quanh nó.
Điều này ngụ ý rằng không phải mọi thiên hà đều nhất thiết
phải trực tiếp quay xung quanh trái đất, như Aristotle và
Ptolemy đã nghĩ. (Tất nhiên vẫn có thể tin rằng trái đất đứng
yên ở trung tâm của vũ trụ và các mặt trăng của sao Mộc
chuyển động theo những quỹ đạo cực kỳ phức tạp khiến ta có
cảm tưởng như nó quay quanh sao Mộc. Tuy nhiên học thuyết
của Copernicus đơn giản hơn nhiều). Cùng thời gian đó,
Kepler đã cải tiến học thuyết của Copernicus bằng cách đưa ra
giả thuyết rằng các hành tinh không chuyển động theo đường
tròn mà theo đường elip. Và những tiên đoán bấy giờ hoàn
toàn ăn khớp với quan sát.
Đối với Kepler, các quỹ đạo elip đơn giản chỉ là một giả
thuyết tiện lợi và chính thế nó càng khó chấp nhận bởi vì các
elip rõ ràng là kém hoàn thiện hơn các vòng tròn. Khi phát
hiện thấy gần như một cách ngẫu nhiên rằng các quỹ đạo elip
rất ăn khớp với quan sát, Kepler không sao dung hòa được nó
với ý tưởng của ông cho rằng các hành tinh quay quanh mặt
trời là do các lực từ. Điều này phải mãi tới sau này, vào năm
1867, mới giải thích được, khi Isaac Newton công bố tác phẩm
Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Những nguyên
lý toán học của triết học tự nhiên) của ông. Có lẽ đây là công
trình vật lý học quan trọng bậc nhất đã được xuất bản từ trước
đến nay. Trong công trình này, Newton không chỉ đưa ra
một lý thuyết mô tả sự chuyển động của các vật trong
không gian và thời gian, mà ông còn phát triển một công
cụ toán học phức tạp dùng để phân tích các chuyển động
đó . Hơn thế nữa, Newton còn đưa ra một định luật về hấp dẫn
vũ trụ mà theo đó mỗi một vật trong vũ trụ đều được hút bởi
một vật khác bằng một lực càng mạnh nếu hai vật càng nặng

và càng ở gần nhau. Chính lực này đã buộc các vật phải rơi
xuống đất.(Câu chuyện kể rằng, do có quả táo rơi trúng đầu
mà Newton đã cảm hứng phát minh ra định luật hấp dẫn vũ trụ
chắc chắn chỉ là chuyện thêu dệt. Tất cả những điều mà
Newton nói ra chỉ là: ý tưởng về hấp dẫn đến với ông khi đang
ngồi ở “trạng thái chiêm nghiệm” và “được nảy sinh bởi sự rơi
của quả táo”). Newton đã chỉ ra rằng theo định luật của ông,
lực hấp dẫn sẽ làm cho mặt trăng chuyển động theo quỹ đạo
elip xung quanh trái đất và các hành tinh chuyển động theo
quỹ đạo elip xung quanh mặt trời.
Mô hình Copernicus đã vứt bỏ những thiên cầu của
Ptolemy và cùng với chúng vứt bỏ luôn ý tưởng cho rằng vũ
trụ có một biên giới tự nhiên. Vì “những ngôi sao cố định”
dường như không thay đổi vị trí của chúng trừ sự quay xung
quanh bầu trời do trái đất quay xung quanh trục của nó, nên sẽ
là hoàn toàn tự nhiên nếu giả thiết rằng các ngôi sao cố định là
những thiên thể giống như mặt trời của chúng ta, nhưng ở xa
hơn rất nhiều. Căn cứ vào lý thuyết hấp dẫn của mình, Newton
thấy rằng do các ngôi sao hút nhau nên về căn bản chúng
không thể là đứng yên được. Vậy liệu chúng có cùng rơi vào
một điểm nào đó không? Trong bức thư viết năm 1691 gửi
Richard Bentley, cũng là một nhà tư tưởng lỗi lạc thời đó,
Newton đã chứng tỏ rằng điều đó thực tế có thể xảy ra nếu chỉ
có một số hữu hạn các ngôi sao được phân bố trong một vùng
hữu hạn của không gian. Nhưng mặt khác, ông cũng chỉ ra
rằng nếu có một số vô hạn các ngôi sao được phân bố tương
đối đồng đều trong không gian vô tận thì điều đó không thể
xảy ra được, bởi vì khi đó sẽ không có điểm nào là trung tâm
để cho chúng rơi vào. Luận chứng này là một ví dụ về những
cái bẫy mà ta có thể gặp khi nói về sự vô hạn. Trong vũ trụ vô
hạn, mỗi một điểm đều có thể được xem là một tâm, bởi mỗi
một điểm đều có một số vô hạn các ngôi sao ở mỗi phía của
nó. Cách tiếp cận đúng đắn - mà điều này phải mãi sau này
mới có - phải là xem xét một tình trạng hữu hạn trong đó tất cả
các ngôi sao sẽ rơi vào nhau và sau đó đặt câu hỏi tình hình sẽ
thay đổi như thế nào nếu ta thêm vào một số ngôi sao nữa
được phân bố gần như đồng đều ở ngoài vùng đang xét. Theo
định luật của Newton thì về trung bình, những ngôi sao mới
thêm vào này cũng hoàn toàn không làm được điều gì khác với
những ngôi sao ban đầu, tức là chúng cũng rơi nhanh như vậy.

Chúng ta có thể thêm vào bao nhiêu ngôi sao tùy ý, nhưng
chúng cũng sẽ rơi sập vào nhau. Bây giờ thì chúng ta hiểu rằng
không thể có một mô hình tĩnh vô hạn của vũ trụ trong đó hấp
dẫn luôn là lực hút.
Đây là sự phản ánh lý thú về bầu không khí tư tưởng
chung của một giai đoạn trước thế kỷ hai mươi, trong đó
không một ai nghĩ rằng vũ trụ đang giãn nở hoặc đang co lại.
Mọi người đều thừa nhận rằng hoặc vũ trụ tồn tại vĩnh cửu
trong trạng thái không thay đổi, hoặc nó được tạo ra ở một thời
điểm hữu hạn trong quá khứ đã gần giống chúng ta quan sát
thấy hiện nay. Điều này có thể một phần là do thiên hướng của
con người muốn tin vào những sự thật vĩnh cửu cũng như sự
tiện lợi mà họ tìm thấy trong ý nghĩ rằng vũ trụ là vĩnh cửu và
không thay đổi, mặc dù ngay bản thân họ cũng có thể già đi và
chết.
Thậm chí ngay cả những người thấy rằng lý thuyết hấp dẫn
của Newton chứng tỏ vũ trụ không thể là tĩnh, cũng không
nghĩ tới chuyện cho rằng nó có thể đang giãn nở. Thay vì thế,
họ lại có ý định cải biến lý thuyết này bằng cách làm cho lực
hấp dẫn trở thành lực đẩy ở những khoảng cách rất lớn. Điều
này không ảnh hưởng đáng kể đến những tiên đoán của họ về
chuyển động của các hành tinh, nhưng lại cho phép một sự dàn
trải vô hạn của các ngôi sao còn ở trạng thái cân bằng: những
lực hút của các ngôi sao ở gần nhau sẽ được cân bằng bởi lực
đẩy từ các ngôi sao ở rất xa. Tuy nhiên, ngày nay chúng ta biết
chắc chắn rằng, sự cân bằng đó là không bền: nếu những ngôi
sao ở một vùng nào đó chỉ cần xích lại gần nhau một chút là
lực hút giữa chúng sẽ mạnh hơn và lấn át lực đẩy, và thế là các
ngôi sao sẽ tiếp tục co lại vào nhau. Mặt khác, nếu những ngôi
sao dịch ra xa nhau một chút là lực đẩy sẽ lại lấn át, và các
ngôi sao sẽ chuyển động ra xa nhau.
Một phản bác nữa đối với mô hình vũ trụ tĩnh vô hạn
thường được xem là của nhà triết học người Đức Heinrich
Olbers, người viết về lý thuyết này vào năm 1823. Thực tế thì
rất nhiều người đương thời của Newton đã nêu ra vấn đề này,
và bài báo của Olbers thậm chí cũng không phải là bài đầu tiên
chứa đựng những lý lẽ hợp lý chống lại nó. Tuy nhiên, đây là
bài báo đầu tiên được nhiều người chú ý. Khó khăn là ở chỗ
trong một vũ trụ tĩnh vô hạn thì gần như mỗi một đường ngắm

đều kết thúc trên bề mặt của một ngôi sao. Như thế thì toàn bộ
bầu trời sẽ phải sáng chói như mặt trời, thậm chí cả ban đêm.
Lý lẽ phản bác của Olbers cho rằng ánh sáng từ các ngôi sao
xa sẽ bị mờ nhạt đi do sự hấp thụ của vật chất xen giữa các
ngôi sao. Tuy nhiên, dù cho điều đó có xảy ra đi nữa thì vật
chất xen giữa cuối cùng sẽ nóng lên, cho đến khi nó cũng phát
sáng như những ngôi sao. Con đường duy nhất tránh được kết
luận cho rằng toàn bộ bầu trời đêm cũng sáng chói như bề mặt
của mặt trời là phải giả thiết rằng, các ngôi sao không phát
sáng vĩnh viễn, mà chỉ bật sáng ở một thời điểm hữu hạn nào
đó trong quá khứ. Trong trường hợp hợp đó, vật chất hấp thụ
còn chưa thể đủ nóng, hay ánh sáng từ các ngôi sao xa chưa
kịp tới chúng ta. Và điều này lại đặt ra cho chúng ta một câu
hỏi: cái gì đã làm cho các ngôi sao bật sáng đầu tiên?
Sự bắt đầu của vũ trụ, tất nhiên, đã được người ta thảo luận
từ trước đó rất lâu. Theo một số lý thuyết về vũ trụ có từ xa
xưa, và theo truyền thống của người Do Thái giáo/ Thiên Chúa
giáo/ Hồi giáo, thì vũ trụ bắt đầu có từ một thời điểm hữu hạn
nhưng chưa thật quá xa trong quá khứ. Một lý lẽ chứng tỏ có
sự bắt đầu đó là cảm giác cần phải có cái “nguyên nhân đầu
tiên” để giải thích sự tồn tại của vũ trụ. (Trong vũ trụ, bạn luôn
luôn giải thích một sự kiện như là được gây ra bởi một sự kiện
khác xảy ra trước đó, nhưng sự tồn tại của chính bản thân vũ
trụ chỉ có thể được giải thích bằng cách đó, nếu nó có sự bắt
đầu). Một lý lẽ nữa do St. Augustine đưa ra trong cuốn sách
của ông nhan đề Thành phố của Chúa. Ông chỉ ra rằng, nền
văn minh còn đang tiến bộ, và chúng ta nhớ được ai là người
đã thực hiện kỳ công này hoặc ai đã phát triển kỹ thuật kia.
Như vậy, con người và có lẽ cả vũ trụ nữa đều chưa thể được
trải nghiệm được quá lâu dài. Và đã thừa nhận ngày ra đời của
vũ trụ vào khoảng 5.000 năm trước Công nguyên, phù hợp với
sách Chúa sáng tạo ra thế giới (phần Sáng thế ký của Kinh
Cựu ước). (Điều lý thú là thời điểm đó không quá xa thời điểm
kết thúc của thời kỳ băng hà cuối cùng, khoảng 10.000 năm
trước Công nguyên, thời điểm mà các nhà khảo cổ nói với
chúng ta rằng nền văn minh mới thực bắt đầu).
Mặt khác, Aristotle và các triết gia Hy Lạp khác lại không
thích ý tưởng về sự Sáng thế vì nó dính líu quá nhiều tới sự
can thiệp của thần thánh. Do đó họ tin rằng loài người và thế

giới xung quanh đã tồn tại và sẽ còn tồn tại mãi mãi. Những
người cổ đại đã xem xét lý lẽ nêu ở trên về sự tiến bộ và họ
giải đáp như sau: đã có nhiều nạn hồng thuỷ hoặc các tai họa
khác xảy ra một cách định kỳ đưa loài người tụt lại điểm bắt
đầu của nền văn minh.
Những vấn đề: vũ trụ có điểm bắt đầu trong thời gian
và có bị giới hạn trong không gian hay không sau này đã
được nhà triết học Immannuel Kant xem xét một cách bao
quát trong cuốn Phê phán sự suy lý thuần tuý, một công
trình vĩ đại (và rất tối nghĩa) của ông, được xuất bản năm
1781. Ông gọi những câu hỏi đó là sự mâu thuẫn của suy lý
thuần tuý, bởi vì ông cảm thấy có những lý lẽ với sức thuyết
phục như nhau để tin vào luận đề cho rằng vũ trụ có điểm bắt
đầu, cũng như vào phản đề cho rằng vũ trụ đã tồn tại mãi mãi.
Lý lẽ của ông bênh vực luận đề là: nếu vũ trụ không có điểm
bắt đầu thì trước bất kỳ một sự kiện nào cũng có một khoảng
thời gian vô hạn, điều này ông cho là vô lý! Lý lẽ của ông bảo
vệ phản đề là: nếu vũ trụ có điểm bắt đầu, thì sẽ có một
khoảng thời gian vô hạn trước nó, vậy thì tại sao vũ trụ lại bắt
đầu ở một thời điểm nào đó? Sự thật thì những trường hợp ông
đưa ra cho cả luận đề và phản đề đều chỉ là một lý lẽ mà thôi.
Cả hai đều dựa trên một giả thiết không nói rõ ra cho rằng thời
gian lùi vô tận về phía sau bất kể vũ trụ có tồn tại mãi mãi hay
không. Như chúng ta sẽ thấy sau này, khái niệm thời gian mất
ý nghĩa trước thời điểm bắt đầu của vũ trụ. St. Augustine là
người đầu tiên đã chỉ ra điều đó. Khi được hỏi: Chúa đã làm gì
trước khi Người sáng tạo ra thế giới? Ông không đáp: Người
đang tạo ra Địa ngục cho những kẻ đặt những câu hỏi như vậy.
Thay vì thế, ông nói rằng thời gian là một tính chất của vũ trụ
mà Chúa đã tạo ra và thời gian không tồn tại trước khi vũ trụ
bắt đầu.
Khi mà số đông tin rằng vũ trụ về căn bản là tĩnh và không
thay đổi thì câu hỏi nó có điểm bắt đầu hay không thực tế chỉ
là một câu hỏi của siêu hình học hoặc thần học. Người ta có
thể viện lẽ rằng những điều quan sát được đều phù hợp tốt như
nhau với lý thuyết cho rằng nó bắt đầu vận động ở một thời
điểm hữu hạn nào đó, theo cách sao cho dường như là nó đã
tồn tại mãi mãi. Nhưng vào năm 1929, Edwin Hubble đã thực
hiện một quan sát có tính chất là một cột mốc cho thấy dù bạn

nhìn ở đâu thì những thiên hà xa xôi c...