Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & Leonard Mlodinow (Phần 14)

Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & Leonard Mlodinow (Phần 14)  

Vì chúng ta không thể mô tả sự sáng thế bằng thuyết tương đối tổng quát Einstein, cho nên nếu chúng ta muốn mô tả nguồn gốc của vũ trụ, thì thuyết tương đối tổng quát phải được thay thế bởi một lí thuyết hoàn chỉnh hơn. Người ta muốn có một lí thuyết hoàn chỉnh hơn ngay cả khi thuyết tương đối tổng quát không bị sụp đổ, vì thuyết tương đối tổng quát không xét đến cấu trúc vi mô của vật chất, cái bị chi phối bởi thuyết lượng tử. Như chúng ta đã nhắc tới trong chương 4 rằng đối với đa số những mục đích thực tế, thuyết lượng tử không thích đáng cho lắm đối với sự nghiên cứu cấu trúc vĩ mô của vũ trụ vì thuyết lượng tử áp dụng cho sự mô tả tự nhiên ở cấp vi mô. Nhưng nếu bạn lùi ngược đủ xa trong thời gian, thì vũ trụ nhỏ bằng kích cỡ Planck, một phần tỉ nghìn tỉ nghìn tỉ của một cm, đó là kích cỡ mà thuyết lượng tử thật sự phải được tính đến. Vì thế, mặc dù chúng ta chưa có một lí thuyết lượng tử hoàn chỉnh của sự hấp dẫn, nhưng chúng ta thật sự biết rằng nguồn gốc của vũ trụ là một sự kiện lượng tử. Hệ quả là, giống hệt như trường hợp chúng ta kết hợp thuyết lượng tử và thuyết tương đối tổng quát – ít nhất là tạm thời – để suy luận ra lí thuyết lạm phát, nếu chúng ta đi ngược thời gian xa hơn nữa và tìm hiểu nguồn gốc của vũ trụ, thì chúng ta phải kết hợp cái chúng ta biết về thuyết tương đối tổng quát và thuyết lượng tử.

Để xem sự kết hợp này hoạt động ra sao, chúng ta cần hiểu nguyên lí trường hấp dẫn làm cong không gian và thời gian. Sự bẻ cong không gian thì dễ hình dung hơn sự bẻ cong thời gian. Hãy tưởng tượng vũ trụ là một mặt bàn billard bằng phẳng. Mặt bàn đó là một không gian phẳng, ít nhất là trong không gian hai chiều. Nếu bạn cho một quả bi lăn trên bàn, nó sẽ chuyển động theo đường thẳng. Nhưng nếu cái bàn bị cong hoặc lõm ở một chỗ nào đó, thì như minh họa bên dưới, khi đó quả bi sẽ lăn theo đường cong.

+ Phóng to hình

Không gian cong. Vật chất và năng lượng làm bẻ cong không gian, làm thay đổi đường đi của các vật.

Thật dễ hình dung cái bàn billard bị uốn cong như thế nào trong thí dụ này, vì nó cong vào một chiều thứ ba bên ngoài, cái chúng ta có thể nhìn thấy. Vì chúng ta không thể bước ra khỏi không - thời gian của mình để nhìn sự uốn cong của nó, nên không - thời gian cong trong vũ trụ của chúng ta khó tưởng tượng hơn. Nhưng sự cong có thể phát hiện ra được cho dù bạn không thể bước chân ra và nhìn nó từ viễn cảnh của một không gian rộng lớn hơn. Có thể phát hiện ra nó trong bản thân không gian. Hãy tưởng tượng một con kiến vi mô bị giam giữ trên mặt bàn. Cho dù không có khả năng đi khỏi cái bàn, nhưng con kiến có thể phát hiện ra sự cong bằng cách đo đạc khoảng cách một cách thận trọng. Thí dụ, khoảng cách vòng quanh một vòng tròn trong không gian phẳng luôn luôn gấp hơn ba lần khoảng đường kính của nó (thực tế là nhân với pi). Nhưng nếu con kiến băng ngang qua vòng tròn vây quanh cái giếng trên bàn trong hình trên, nó sẽ nhận thấy khoảng cách băng ngang lớn hơn so với trông đợi, lớn hơn một phần ba khoảng cách bao quanh vòng tròn. Thật vậy, nếu cái giếng đủ sâu, thì con kiến sẽ tìm thấy khoảng cách bao quanh vòng tròn ngắn hơn khoảng cách băng ngang qua nó. Điều tương tự đúng đối với sự cong trong vũ trụ của chúng ta – nó kéo dãn hoặc nén khả năng giữa các điểm trong không gian, làm thay đổi hình dạng, hay dạng hình học, của nó theo kiểu có thể đo được từ bên trong vũ trụ. Sự cong của thời gian làm kéo dãn hoặc nén những khoảng thời gian theo một kiểu tương tự.

+ Phóng to hình

Không-thời gian cong. Vật chất và năng lượng làm cong thời gian và làm cho chiều không “hòa quyện” với các chiều không gian.

Với những quan niệm này, chúng ta hãy trở lại với vấn đề sự khởi đầu của vũ trụ. Chúng ta có thể nói tách biệt không gian và thời gian, như chúng ta đã làm trong phần thảo luận này, trong những tình huống liên quan đến tốc độ thấp và sự hấp dẫn yếu. Tuy nhiên, nói chung, thời gian và không gian có thể trở nên hòa quyện, và vì thế sự dãn hay nén của chúng cũng liên quan đến một lượng hòa quyện nhất định. Sự hòa quyện này là quan trọng trong vũ trụ sơ khai và là chìa khóa để tìm hiểu sự khởi đầu của thời gian.

Vấn đề sự khởi đầu của thời gian hơi giống với vấn đề biên giới của thế giới. Khi người ta nghĩ thế giới là phẳng, có lẽ người ta đã từng hỏi không biết biển có tràn qua ranh giới của nó hay không. Điều này đã được kiểm tra thực nghiệm: Người ta có thể đi vòng quanh thế giới mà không bị rơi ra ngoài. Vấn đề cái xảy ra tại ranh giới của thế giới đã được giải quyết khi người ta nhận ra rằng thế giới không phải là một cái đĩa phẳng, mà là một mặt cong. Tuy nhiên, thời gian dường như giống như một đường ray xe lửa mô hình. Nếu nó có sự khởi đầu thì phải có một ai đó (tức là Chúa) đưa đoàn tàu vào chuyển động. Mặc dù thuyết tương đối tổng quát Einstein đã thống nhất thời gian và không gian thành không-thời gian và bao hàm một sự hòa quyện nhất định của không gian và thời gian, nhưng thời gian vẫn khác với không gian, và hoặc nó có một sự khởi đầu và kết thúc hoặc nó sẽ trôi đi mãi mãi. Tuy nhiên, một khi chúng ta bổ sung các hiệu ứng của lí thuyết lượng tử cho lí thuyết tương đối, trong những trường hợp cực độ, sự cong có thể xảy ra đến mức thời gian hành xử giống như những chiều không gian khác.

Trong vũ trụ sơ khai – khi vũ trụ đủ nhỏ để bị chi phối bởi thuyết tương đối tổng quát lẫn thuyết lượng tử - đã có bốn chiều không gian hiệu dụng và không có chiều thời gian. Điều đó có nghĩa là khi chúng ta nói “sự khởi đầu” của vũ trụ, chúng ta đang động tới vấn đề tinh vi trên khi chúng ta nhìn ngược về vũ trụ thời kì rất sơ khai, thì thời gian như chúng ta biết là không tồn tại! Chúng ta phải chấp nhận rằng những quan niệm thông thường của chúng ta về không gian và thời gian không áp dụng được cho vũ trụ rất sơ khai. Điều đó nằm ngoài kinh nghiệm của chúng ta, nhưng không nằm ngoài sức tưởng tượng của chúng ta, hay cơ sở toán học của chúng ta. Nếu như trong vũ trụ sơ khai, cả bốn chiều hành xử giống như không gian, thì điều gì xảy ra với sự khởi đầu của thời gian?

Sự nhận thức rằng thời gian có thể hành xử giống như một chiều khác của không gian có nghĩa là người ta có thể tránh né được vấn đề thời gian có một sự khởi đầu, theo kiểu giống như kiểu trong đó chúng ta né tránh vấn đề ranh giới của thế giới. Giả sử sự khởi đầu của vũ trụ là giống như Nam Cực của Trái đất, với vĩ độ giữ vai trò thời gian. Khi người ta đi về phía bắc, thì những vòng vĩ tuyến không đổi, biểu diễn kích cỡ của vũ trụ, sẽ dãn ra. Vũ trụ sẽ bắt đầu là một điểm tại Nam Cực, nhưng Nam Cực thì giống hệt như bất kì điểm nào khác. Hỏi rằng cái gì xảy ra trước sự khởi đầu của vũ trụ sẽ trở thành một câu hỏi vô nghĩa, vì không có cái gì ở phía nam của Nam Cực. Trong bức tranh này, không - thời gian không có ranh giới – những định luật tự nhiên đúng ở Nam Cực cũng đúng ở những nơi khác. Theo kiểu tương tự như vậy, khi người ta kết hợp thuyết tương đối tổng quát với thuyết lượng tử, câu hỏi cái gì xảy ra trước sự khởi đầu của vũ trụ bị xem là vô nghĩa. Quan niệm rằng lịch sử là những mặt khép kín không có ranh giới như thế này được gọi là điều kiện không ranh giới.

Trong nhiều thế kỉ, nhiều người, trong đó có Aristotle, tin rằng vũ trụ đã luôn luôn tồn tại để né tránh vấn đề nó đã được thiết lập như thế nào. Những người khác thì tin rằng vũ trụ có một sự khởi đầu, và dùng nó làm một luận cứ cho sự tồn tại của Chúa. Sự nhận thức rằng thời gian hành xử giống như không gian thể hiện một sự lựa chọn mới. Nó bác bỏ sự phản đối lâu đời trước vũ trụ có một sự khởi đầu, nhưng nó cũng có nghĩa là khởi đầu của vũ trụ bị chi phối bởi những định luật khoa học và không cần một thế lực thần thánh nào đưa nó vào chuyển động.

Nếu nguồn gốc của vũ trụ là một sự kiện lượng tử, thì nó sẽ được mô tả chính xác bằng phép lấy tổng Feynman theo lịch sử. Tuy nhiên, việc áp dụng thuyết lượng tử cho toàn bộ vũ trụ - trong đó người quan sát là một bộ phận của hệ đang được quan sát – là không đơn giản. Trong chương 4, chúng ta đã thấy làm thế nào những hạt vật chất bắn vào một màn hứng có hai khe có thể biểu hiện hệ vân giao thoa giống như sóng nước. Feynman trình bày rằng hệ vân này phát sinh vì mỗi hạt không có một lịch sử đơn nhất. Nghĩa là, khi nó đi từ một điểm xuất phát A đến một điểm đích B nào đó, nó không đi theo một đường đi rạch ròi, mà đồng thời nhận mọi đường đi có thể có nối giữa hai điểm. Từ quan điểm này, sự giao thoa không có gì bất ngờ vì, chẳng hạn, hạt có thể đi qua cả hai khe đồng thời và giao thoa với chính nó. Áp dụng cho chuyển động của một hạt, phương pháp Feynman cho chúng ta biết rằng để tính xác suất của bất kì điểm đích nào, chúng ta cần phải xét mọi lịch sử có thể có mà hạt có thể đi theo từ điểm xuất phát của nó đến điểm đích đó. Người ta còn có thể sử dụng phương pháp Feynman để tính xác suất lượng tử cho những quan sát của vũ trụ. Nếu áp dụng chúng cho vũ trụ như một tổng thể, thì không có điểm A nào hết, vì thế chúng ta cộng gộp tất cả những lịch sử thỏa mãn điều kiện không ranh giới và kết thúc tại vũ trụ mà chúng ta thấy ngày nay.

Theo quan điểm này, vũ trụ xuất hiện tự phát, khởi đầu theo mọi cách có thể có. Đa phần trong số này tương ứng với những vũ trụ khác. Trong khi một vài trong số những vũ trụ đó giống với vũ trụ của chúng ta, còn đa phần thì rất khác. Chúng không chỉ khác về chi tiết, như Elvis có thật sự chết trẻ hay cây củ cải có mọc trong sa mạc hay không, mà chúng còn khác ở những định luật tự nhiên biểu kiến của chúng. Thật vậy, nhiều vũ trụ tồn tại với những tập hợp khác nhau của những quy luật vật lí. Một số người xem quan niệm này là một bí ẩn lớn, thỉnh thoảng gọi là khái niệm đa vũ trụ, nhưng đây chỉ là những biểu diễn khác nhau của phép lấy tổng Feynman theo lịch sử.

Để hình dung điều này, hãy biến cải một chút vật tương tự khí cầu của Eddington và nghĩ tới vũ trụ đang dãn nở dưới dạng một cái bọt bóng. Bức tranh của chúng ta về sự sáng thế lượng tử tự phát của vũ trụ khi đó có phần giống với sự hình thành những cái bọt hơi trong nước đang sôi. Nhiều cái bọt nhỏ xíu xuất hiện, rồi sau đó biến mất trở lại. Những vũ trụ mini tượng trưng này dãn ra co lại liên tục trong khi vẫn thuộc kích cỡ vi mô. Chúng diễn tả những vũ trụ khác có thể có, nhưng chúng được quan tâm nhiều vì chúng không tồn tại đủ lâu để phát triển các thiên hà và sau, và rồi sự sống thông minh đơn độc nữa. Tuy nhiên, sau chút ít thời gian, những cái bọt sẽ phát triển đủ lớn để chúng không bị co lại nữa. Chúng sẽ tiếp tục dãn ra ở tốc độ mỗi lúc một tăng dần và sẽ tạo thành những cái bọt hơi chúng ta có thể nhìn thấy. Những cái bọt này tương ứng với những vũ trụ bắt đầu dãn nở ở tốc độ ngày một nhanh – nói cách khác, vũ trụ trong trạng thái lạm phát.

+ Phóng to hình

Đa vũ trụ. Những thăng giáng lượng tử dẫn tới sự hình thành những vũ trụ nhỏ xíu từ hư vô. Một vài trong số này đạt tới một kích cỡ tới hạn, sau đó dãn ra theo kiểu lạm phát, tạo thành các thiên hà, sao và, ít nhất là một trường hợp, tạo ra sự sống như chúng ta.

Như chúng ta đã nói, sự dãn nở do lạm phát gây ra sẽ không hoàn toàn đồng đều. Trong phép lấy tổng theo lịch sử, chỉ có duy nhất một lịch sử hoàn toàn đồng đều và đều đặn, và nó sẽ có xác suất lớn nhất, nhưng nhiều lịch sử khác không đều cho lắm cũng có xác suất hầu như là cao. Đó là nguyên do vì sao sự lạm phát dự đoán vũ trụ sơ khai có khả năng hơi không đều, tương ứng với những biến thiên nhỏ trong nhiệt độ quan sát thấy trong CMBR. Sự không đều trong vũ trụ sơ khai là cái may mắn cho chúng ta. Tại sao ư? Sự không đồng đều là cái hay nếu bạn muốn kem tách ra khỏi sữa, nhưng một vũ trụ đồng đều thì thật nhàm chán. Sự không đồng đều trong vũ trụ sơ khai là quan trọng vì nếu một số vùng có mật độ hơi cao hơn những vùng khác, thì lực hút hấp dẫn của mật độ bổ sung sẽ làm chậm sự dãn nở của vùng đó so với vùng xung quanh của nó. Vì lực hấp dẫn từ từ hút vật chất lại với nhau, nên cuối cùng nó có thể làm cho vùng đó co lại để hình thành các thiên hà và sao, rồi có thể dẫn tới các hành tinh và, ít nhất là trong một trường hợp, cả con người nữa. Vì thế hãy tỉ mỉ nhìn vào bản đồ bầu trời vi sóng. Nó là dấu hiệu cho mọi cấu trúc trong vũ trụ. Chúng ta là sản phẩm của những thăng giáng lượng tử trong vũ trụ rất sơ khai. Nếu một người có đức tin, thì người đó có thể nói rằng Chúa thật sự có chơi xúc xắc.

+ Phóng to hình

Bức xạ nền vi sóng. Hình ảnh này của bầu trời được tạo ra từ bảy năm dữ liệu WMAP công bố hồi năm 2010. Nó cho thấy những thăng giáng nhiệt độ - thể hiện với màu sắc khác nhau – có tuổi lùi ngược đến 13,7 tỉ năm. Những thăng giáng trong hình tương ứng với sự chênh lệch nhiệt độ chưa tới một phần nghìn của một độ trong thang nhiệt độ Celsius. Nhưng chúng là những hạt giống lớn lên thành những thiên hà. Ảnh: NASA, Đội Khoa học WMAP