Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & Leonard Mlodinow (Phần 13)

Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & Leonard Mlodinow (Phần 13)

     

CHƯƠNG SÁU

LỰA CHỌN VŨ TRỤ CỦA CHÚNG TA

Theo người Boshongo ở miền trung châu Phi, lúc khởi nguyên chỉ có bóng đêm, nước, và thần Bumba vĩ đại. Một ngày nọ, Bumba, trong cơn đau bụng dữ dội, đã nôn ra mặt trời. Khi ấy, mặt trời làm khô một phần nước, để lại đất liền. Nhưng Bumba vẫn tiếp tục đau và nôn ra thêm nữa. Đến lượt mặt trăng, các ngôi sao, và rồi một số động vật: báo gấm, cá sấu, rùa, và cuối cùng là con người. Người Maya ở Mexico và Trung Mĩ thuật lại một thời điểm tương tự trước sáng thế, khi đó tất cả những gì tồn tại là biển, nước và Đấng sáng thế. Trong thần thoại Maya, Đấng sáng thế, không hài lòng vì chẳng có ai ca tụng ngài, đã tạo ra trái đất, núi non, cây cối và đa số động vật. Nhưng động vật thì không biết nói, nên ngài đã quyết định tạo ra con người. Trước tiên, ngài tạo ra chúng từ bùn đất, nhưng chúng chỉ nói những điều vô nghĩa. Ngài để cho chúng tan ra trở lại và thử lần nữa, lần này là người gỗ. Những người gỗ đó cứ đần đần. Ngài quyết định phá hủy chúng, nhưng chúng đã trốn thoát vào trong rừng, vẫn bị hỏng hóc chút ít, tạo ra cái ngày nay chúng ta gọi là loài khỉ. Sau thất bại đó, cuối cùng Đấng sáng thế đã đi đến một công thức hoạt động, và đã xây dựng nên những con người đầu tiên từ hạt ngũ cốc trắng và vàng. Ngày nay, chúng ta sản xuất rượu từ ngũ cốc, nhưng có lẽ nguyện vọng của Đấng sáng thế không phải là tạo ra những con người để uống rượu!

Những câu chuyện thần thoại sáng thế như thế này đều cố gắng trả lời những câu hỏi mà chúng ta nêu ra trong tập sách này: Tại sao lại có vũ trụ, và tại sao vũ trụ lại hành xử như thế? Khả năng xử lí những câu hỏi như thế của chúng ta đã phát triển đều đặn trong hàng thế kỉ qua kể từ thời Hi Lạp cổ đại, đáng kể nhất là trong thế kỉ trước. Được trang bị nền tảng của những chương trước, giờ thì chúng ta đã sẵn sàng nêu ra câu trả lời cho những câu hỏi này.

Một câu hỏi đã hiển hiện ngay trong thời kì sơ khai là vũ trụ mới được sáng tạo ra gần đây, hay là con người chỉ mới tồn tại trong một khoảnh khắc nhỏ của lịch sử vũ trụ. Đó là vì cuộc đua nhân loại đã phát triển tri thức và công nghệ nhanh đến mức nếu loài người đã hiện diện trong hàng triệu năm qua, thì cuộc đua nhân loại đã tiến xa hơn nhiều trong sự ưu thế của nó.

Theo Kinh Cựu ước, Chúa đã sáng tạo ra Adam và Eva chỉ trong vòng sáu ngày. Bishop Ussher, đức tổng giám mục toàn Ireland từ năm 1625 đến 1656, đã đặt ra nguồn gốc của thế giới một cách chính xác hơn, vào lúc 9 giờ sáng ngày 27 tháng 10 năm 4004 trước Công nguyên. Chúng ta chọn một quan điểm khác: loài người mới ra đời gần đây, nhưng bản thân vũ trụ thì đã bắt đầu sớm hơn nhiều, khoảng hồi 13,7 tỉ năm về trước.

Bằng chứng khoa học thật sự đầu tiên rằng vũ trụ có một sự khởi đầu đã có từ thập niên 1920. Như chúng ta đã nói trong chương 3, đó là lúc khi đa số các nhà khoa học tin vào một vũ trụ tĩnh đã luôn luôn hiện hữu. Bằng chứng cho điều ngược lại là gián tiếp, dựa trên những quan sát do Edwin Hubble thực hiện với chiếc kính thiên văn 100inch Mount Wilson, trên vùng đồi núi thượng vùng Pasadena, California. Bằng cách phân tích quang phổ ánh sáng do chúng phát ra, Hubble xác định được rằng hầu như toàn bộ các thiên hà đều đang chuyển động ra xa chúng ta, và càng ở xa thì chúng chuyển động càng nhanh. Vào năm 1929, ông đã công bố một định luật liên hệ tốc độ lùi xa của chúng với khoảng cách của chúng đến chúng ta, và kết luận rằng vũ trụ đang giãn nở. Nếu điều đó là đúng, thì vũ trụ trong quá khứ phải nhỏ hơn hiện nay. Thật vậy, nếu chúng ta ngoại suy đến quá khứ xa xôi, thì toàn bộ vật chất và năng lượng trong vũ trụ sẽ tập trung trong một vùng rất nhỏ có mật độ và nhiệt độ không thể tưởng tượng nổi, và nếu chúng ta lùi ngược đủ xa, thì sẽ có một thời điểm khai sinh ra mọi thứ - sự kiện ngày nay chúng ta gọi là Big Bang (Vụ nổ lớn).

Quan niệm rằng vũ trụ đang dãn nở có một chút tinh vi. Thí dụ, chúng ta không có ý nói là vũ trụ đang dãn nở theo kiểu, nói thí dụ, người ta có thể mở rộng nhà cửa của mình, bằng cách phá tường và đặt một bể tắm mới tại nơi trước đây từng có một cây sồi hùng vĩ nào đó. Chính xác thì bản thân không gian đang mở rộng, nghĩa là khoảng cách giữa hai điểm bất kì bên trong vũ trụ đang tăng dần. Quan điểm đó xuất hiện vào thập niên 1930 giữa làn sóng tranh luận, nhưng một trong những cách tốt nhất hình dung ra nó là một phép ẩn dụ do nhà thiên văn học ở trường Đại học Cambridge, Authur Eddington, nêu ra vào năm 1931. Eddington hình dung vũ trụ là bề mặt của một quả khí cầu đang dãn nở, và tất cả các thiên hà là những điểm trên bề mặt đó. Hình ảnh minh họa rõ ràng vì sao những thiên hà càng ở xa thì lùi ra xa càng nhanh so với những thiên hà ở gần. Thí dụ, nếu bán kính của quả khí cầu tăng lên gấp đôi trong mỗi giờ, thì khoảng cách giữa hai thiên hà bất kì trên khí cầu sẽ tăng lên gấp đôi sau mỗi giờ. Nếu tại một thời điểm nào đó, hai thiên hà cách nhau 1 inch, và một giờ sau chúng cách nhau 2 inch, và chúng dường như đang chuyển động tương đối với nhau ở tốc độ 1 inch/giờ. Nhưng nếu ban đầu chúng cách nhau 2 inch, thì một giờ sau chúng sẽ cách nhau 4inch và sẽ dường như đang chuyển động ra xa nhau ở tốc độ 2 inch/giờ. Đó chính là cái Hubble rìm thấy: một thiên hà càng ở xa, thì nó đang lùi ra xa chúng ta càng nhanh.

Điều quan trọng nên nhận ra là sự dãn nở của vũ trụ không ảnh hưởng đến kích cỡ của những đối tượng vật chất như thiên hà, sao, quả táo, nguyên tử, hay những vật thể khác được giữ lại bởi một loại lực nào đó. Thí dụ, nếu chúng ta quay tròn một đám thiên hà trên quả khí cầu đã nói, thì vòng tròn đó sẽ không nở ra giống như quả khí cầu nở ra. Mà bởi vì các thiên hà được liên kết bằng lực hấp dẫn, cho nên vòng tròn đó và các thiên hà đó vẫn giữ nguyên kích cỡ và sự sắp xếp của chúng khi quả khí cầu nở ra. Điều này là quan trọng vì chúng ta chỉ có thể phát hiện ra sự dãn nở nếu những thiết bị đo của chúng ta có kích cỡ cố định. Nếu vạn vật tự do dãn nở, thì chúng ta, cái thước trong tay chúng ta, phòng thí nghiệm của chúng ta, và vân vân sẽ đều dãn nở tỉ lệ nhau và chúng ta sẽ không để ý thấy bất kì sự khác biệt nào cả.

+ Phóng to hình

Quả khí cầu vũ trụ. Những thiên hà ở xa lùi ra xa chúng ta như thể vũ trụ đang ở trên bề mặt của một quả khí cầu khổng lồ.

Chính vũ trụ đang dãn nở đó là cái mới mẻ đối với Einstein. Nhưng khả năng các thiên hà đang lùi ra xa nhau đã được đề xuất vài năm trước những bài báo của Hubble trình bày nền tảng lí thuyết phát sinh từ phương trình của riêng Einstein. Năm 1922, nhà vật lí và toán học người Nga Alexander Friedmann đã nghiên cứu cái xảy ra trong một mô hình vũ trụ dựa trên hai giả thuyết đơn giản hóa cao độ về mặt toán học: đó là vũ trụ trông giống hệt nhau theo mọi hướng, và nó trông như thế từ mọi điểm quan sát. Chúng ta biết rằng giả thuyết thứ nhất của Friedmann là không đúng cho lắm – vũ trụ tình cờ không đồng đều ở mọi nơi! Nếu chúng ta ngước nhìn về một hướng, chúng ta có thể trông thấy mặt trời; theo hướng khác, thì thấy mặt trăng hoặc một bầy đoàn tiểu hành tinh. Nhưng vũ trụ thật sự trông hơi na ná nhau theo mọi hướng khi nhìn ở quy mô lớn hơn – lớn hơn cả khoảng cách giữa các thiên hà. Điều đó có phần tựa như việc nhìn xuống một cánh rừng. Nếu bạn đến đủ gần, bạn có thể phân biệt từng chiếc lá, hay ít nhất là từng cây, và không gian giữa chúng. Nhưng nếu bạn ở đủ cao, bạn có cái nhìn bao quát cả một dặm vuông rừng cây, thì cánh rừng sẽ hiện ra là một tán xanh đồng đều. Chúng ta nói rằng, ở quy mô đó, cánh rừng là đồng đều.

Dựa trên những giả thuyết của mình, Friedmann đã có thể tìm ra một nghiệm cho các phương trình Einstein trong đó vũ trụ dãn nở ra theo kiểu mà Hubble đã sớm phát hiện là đúng. Đặc biệt, vũ trụ mô hình của Friedmann bắt đầu với kích cỡ zero và dãn ra cho đến khi lực hút hấp dẫn làm cho nó chậm lại, và cuối cùng làm cho nó co lại lên chính nó (Hóa ra có hai loại nghiệm cho những phương trình Einstein đồng thời thỏa mãn những giả thuyết của mô hình Friedmann, một nghiệm tương ứng với một vũ trụ trong đó sự dãn nở tiếp tục mãi mãi, mặc dù nó thật sự có nở chậm đi một chút, và nghiệm kia là một vũ trụ trong đó tốc độ dãn nở chậm dần xuống zero, nhưng không bao giờ đạt tới zero). Friedmann đã mất vài năm sau khi đưa ra công trình nghiên cứu của mình, và những quan điểm của ông phần lớn vẫn không được biết tới cho đến khi có khám phá của Hubble. Nhưng vào năm 1927, một giáo sư vật lí và là một thầy tu Thiên chúa La Mã tên là Georges Lemaitre đã đề xuất một quan điểm tương tự: Nếu bạn lần ngược dòng lịch sử vũ trụ về hướng quá khứ, nó trở nên càng lúc càng nhỏ bé cho đến khi bạn đi tới một sự kiện sáng thế - cái ngày nay chúng ta gọi là vụ nổ lớn.

Không phải ai cũng thích bức tranh Big Bang. Thật vậy, tên gọi “Big Bang” được nêu ra vào năm 1949 bởi nhà thiên văn vật lí Cambridge, Fred Hoyle, người tin vào một vũ trụ dãn nở mãi mãi, và đã đặt ra tên gọi trên là một mô tả mang tính chế giễu. Những quan sát trực tiếp đầu tiên ủng hộ cho quan điểm trên không xuất hiện mãi cho đến năm 1965, với một khám phá rằng có một phông nền vi sóng mờ nhạt trong toàn không gian. Bức xạ nền vi sóng vũ trụ này, hay CMBR, giống với bức xạ trong lò vi sóng của nhà bạn, nhưng năng lượng thì yếu hơn nhiều. Bạn có thể tự quan sát CMBR bằng cách chuyển ti vi sang một kênh không có đài phát – một vài phần trăm hình tuyết lốm đốm bạn thấy trên màn hình là do nó gây ra. Bức xạ trên được khám phá ra một cách tình cờ bởi hai nhà khoa học Bell Labs cố gắng loại trừ tín hiệu nhiễu đó ra khỏi anten thu vi sóng của họ. Ban đầu họ nghĩ sự nhiễu đó có thể là do phân chim bồ câu bám trên thiết bị của họ, nhưng hóa ra trở ngại của họ có một nguồn gốc thú vị hơn – CMBR là bức xạ còn sót lại từ vũ trụ sơ khai rất nóng và rất đặc tồn tại không bao lâu sau Big Bang. Khi vũ trụ dãn nở, nó nguội dần cho đến khi bức xạ trên chỉ còn là tàn dư yếu ớt mà ngày nay chúng ta quan sát thấy. Hiện nay, bức xạ vi sóng này chỉ có thể làm nóng thức ăn của bạn đến âm 270 độ C – bằng 3 độ trên không độ tuyệt đối, và không có ích cho lắm trong việc rang nổ hạt bắp.

Các nhà thiên văn còn tìm thấy những dấu hiệu khác ủng hộ cho bức tranh Big Bang của một vũ trụ sơ khai nóng bỏng, nhỏ xíu. Thí dụ, trong một hai phút đầu tiên, vũ trụ sẽ nóng hơn cả tâm của một ngôi sao điển hình. Trong khoảng thời gian đó, toàn bộ vũ trụ tác dụng như một lò phản ứng nhiệt hạch hạt nhân. Các phản ứng sẽ dừng lại khi vũ trụ đã dãn nở và nguội đi đủ mức, nhưng lí thuyết dự đoán rằng như thế sẽ để lại một vũ trụ gồm chủ yếu là hydrogen, nhưng còn có khoảng 23% helium, cùng với vết tích của helium (tất cả những nguyên tố nặng hơn đều được tạo ra muộn hơn, bên trong các ngôi sao). Tính toán đó phù hợp tốt với lượng hydrogen, helium và lithium mà chúng ta quan sát thấy.

Những phép đo hàm lượng helium và CMBR cung cấp bằng chứng thuyết phục nghiêng về bức tranh Big Bang của vũ trụ rất sơ khai, nhưng mặc dù người ta có thể nghĩ bức tranh Big Bang là một mô tả hợp lí của những thời khắc sơ khai ấy, nhưng thật sai lầm nếu lấy Big Bang để nghĩ tới lí thuyết Einstein đang mang lại một bức tranh thật sự của nguồn gốc của vũ trụ. Đó là vì thuyết tương đối tổng quát dự đoán phải có một điểm trong thời gian tại đó nhiệt độ, mật độ, và độ cong của vũ trụ đều là vô hạn, một tình huống mà các nhà toán học gọi là một kì dị. Đối với nhà vật lí, điều này có nghĩa là lí thuyết của Einstein đổ vỡ tại điểm đó và vì thế không thể sử dụng nó để dự đoán vũ trụ đã bắt đầu như thế nào, mà chỉ dự đoán được nó đã diễn tiến như thế nào sau đó. Cho nên, mặc dù chúng ta có thể sử dụng các phương trình của thuyết tương đối tổng quát và những quan sát bầu trời của chúng ta để tìm hiểu về vũ trụ ở một thời kì rất non trẻ, nhưng sẽ là không đúng nếu mang toàn bộ bức tranh Big Bang lùi ngược đến lúc khởi đầu.

Chúng ta sẽ sớm nói tới vấn đề nguồn gốc của vũ trụ, nhưng trước hết hãy dành vài lời nói về pha đầu tiên của sự dãn nở. Các nhà vật lí gọi là nó là pha lạm phát. Trừ khi bạn sống ở Zimbabwe, nơi tốc độ lạm phát tiền tệ gần đây đã vượt quá 200.000.000%, thì thuật ngữ trên nghe chẳng có gì ghê gớm lắm. Nhưng theo những ước tính dù là bảo thủ nhất, trong pha lạm phát vũ trụ này, vũ trụ dãn nở đến 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 lần trong 0,00000000000000000000000000000000001 giây. Nói ví von là giống như một đồng tiền đường kính 1 centi mét đột ngột nở ra đến bằng mười triệu lần bề rộng của Dải Ngân hà. Điều đó nghe như vi phạm thuyết tương đối, lí thuyết đòi hỏi không có gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng, nhưng giới hạn tốc độ đó không áp dụng cho sự dãn nở của bản thân vũ trụ.

Quan điểm cho rằng một sự bùng nổ lạm phát như thế đã từng xảy ra lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1980, dựa trên những quan sát vượt ngoài thuyết tương đối tổng quát của Einstein và xét đến các mặt của thuyết lượng tử. Vì chúng ta không có một lí thuyết lượng tử hoàn chỉnh của sự hấp dẫn, nên các chi tiết đã và đang được tìm hiểu, và các nhà vật lí không đảm bảo chắc chắn sự lạm phát đã xảy ra như thế nào. Nhưng theo lí thuyết trên, sự dãn nở do lạm phát gây ra sẽ không hoàn toàn đồng đều, như bức tranh Big Bang truyền thống dự đoán. Những bất thường này sẽ tạo ra những biến thiên nhỏ trong nhiệt độ của CMBR trong những hướng khác nhau. Những biến thiên đó là quá nhỏ để quan sát thấy trong thập niên 1960, nhưng chúng đã được phát hiện ra lần đầu tiên vào năm 1992 bởi vệ tinh COBE của NASA, và sau này được đo bởi thiết bị kế nhiệm của nó, vệ tinh WMAP, phóng lên vào năm 2001. Hệ quả là ngày nay chúng ta chắc chắn rằng sự lạm phát thật sự đã từng xảy ra.

Thật trớ trêu, mặc dù những biến thiên nhỏ trong CMBR là bằng chứng cho sự lạm phát, nhưng một nguyên do khiến lạm phát là một khái niệm quan trọng là sự đồng đều gần như hoàn hảo của nhiệt độ của CMBR. Nếu bạn làm cho một phần của một vật nóng hơn xung quanh nó và chờ đợi, thì sau đó đốm nóng sẽ nguội dần và xung quanh của nó thì nóng lên cho đến khi nhiệt độ của vật là đồng đều. Tương tự như vậy, người ta trông đợi vũ trụ cuối cùng sẽ có một nhiệt độ đồng đều. Nhưng quá trình này đòi hỏi thời gian, và nếu sự lạm phát chưa từng xảy ra, thì sẽ không có đủ thời gian trong lịch sử của vũ trụ cho nhiệt ở những vùng cách xa nhau san bằng, giả sử tốc độ truyền nhiệt đó bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng. Một khoảng thời gian dãn nở rất nhanh (nhanh hơn tốc độ ánh sáng nhiều) là giải pháp cứu chữa vì sẽ có đủ thời gian cho sự cân bằng xảy ra trong một vũ trụ sơ khai tiền lạm phát cực kì nhỏ bé.

Sự lạm phát giải thích tiếng nổ trong Big Bang, ít nhất theo nghĩa rằng sự dãn nở do nó mang lại cực đoan hơn nhiều so với sự dãn nở tiên đoán bởi lí thuyết Big Bang truyền thống của thuyết tương đối tổng quát trong khoảng thời gian trong đó sự lạm phát xảy ra. Vấn đề là, để cho những mô hình lí thuyết lạm phát của chúng ta hoạt động, trạng thái ban đầu của vũ trụ phải được xác lập theo một kiểu rất đặc biệt và hết sức không chắc chắn. Vì thế, lí thuyết lạm phát truyền thống giải quyết được một tập hợp vấn đề nhưng lại tạo ra những vấn đề khác – đòi hỏi một trạng thái ban đầu rất đặc biệt. Vấn đề thời gian zero đó bị loại trừ trong lí thuyết hình thành vũ trụ mà chúng ta sắp mô tả sau đây.