Thời gian không có bắt đầu và kết thúc - PHẦN 3

Người ta có thể hỏi cái gì đã diễn ra trước Big Bang, nếu như nó thật sự xảy ra? Câu hỏi nằm ngoài phạm vi nghiên cứu khoa học và đơn giản hơn là hãy giả sử thời gian bắt đầu từ khi đó. Những lí thuyết rất tham vọng và mang tính suy đoán nói về những thời gian trước đó sử dụng những quan điểm như lưỡng tính T trong lí thuyết dây hoặc sự lạm phát vĩnh viễn với hệ quả đa vũ trụ của nó. Nếu những lí thuyết như vậy trở nên có thể kiểm tra và làm sáng tỏ cơ sở vật lí của vũ trụ của chúng ta, thì chúng phải được xem xét rất nghiêm túc trong một ngưỡng khả năng ứng dụng rộng rãi hơn. Hiện nay, những ý tưởng như thế vẫn mang tính suy đoán.

Một câu hỏi nữa chúng ta sẽ giải quyết trong suốt tập sách này là cái gì sẽ xảy ra với vũ trụ trong tương lai? Câu hỏi này khó trả lời hơn câu hỏi về quá khứ, và phụ thuộc nhiều vào những tính chất của Năng lượng Tối mới được khám phá chiếm khoảng ba phần tư tổng mật độ năng lượng của vũ trụ.

Về không gian, người ta cũng sẽ hỏi một câu tương tự, giống như thời gian đã qua, nó có giới hạn về quy mô hay không. Liệu có khả năng bằng cách tiếp tục đi theo đường thẳng người ta sẽ trở lại, sau một thời gian và quãng đường hữu hạn, đến điểm xuất phát do dạng hình học khác thường của không gian? Không có bằng chứng thuyết phục nào cho khả năng này mặc dù những dữ liệu nhất định về bức xạ nền vi sóng vũ trụ có thể xem là ủng hộ một giả thuyết như thế. Những lời giải thích khác cho dữ liệu trên xuất phát từ những lập luận về biến trạng vũ trụ hay những biến dạng nhỏ trong thế lạm phát giả thuyết, nên trường hợp dạng hình học không gian khác lạ là không đủ mạnh. Nếu có dạng hình học khác lạ, thì nó có thể thuộc một trong ba loại. Độ cong dương tương ứng với một vũ trụ kín, độ cong âm tương ứng với một vũ trụ mở và một dạng hình học phẳng, không có độ cong, được tiên đoán bởi sự lạm phát. Những tính chất cục bộ trong một vũ trụ như thế thỏa mãn các phương trình thuyết tương đối tổng quát giống như trường hợp không gian vô hạn có hình dạng bình thường. Quan niệm dạng hình học khác lạ của không gian cần thiết đưa vào ít nhất một độ dài cơ bản, phù hợp với dữ liệu quan sát, phải có thể sánh với bán kính của chân trời nhìn thấy của một vài gigaparsec.

Một câu hỏi thường gặp ở những người không chuyên vật lí là: vũ trụ giãn nở vào cái gì hay, tương đương, cái gì “nằm bên ngoài” vũ trụ? Chúng ta hãy thử đưa ra một câu trả lời rõ ràng. Câu trả lời không rõ ràng chỉ vì những hạn chế đối với trí tưởng tượng của con người. Tất cả chúng ta có thể dễ dàng tưởng tượng ra ba chiều không gian nhưng tưởng tượng bốn chiều thì hết sức khó khăn. Thật không may, đa diện không thời gian của vũ trụ là có bốn chiều và điều này lí giải tại sao câu hỏi trên tự nhiên phát sinh và tại sao câu trả lời lại khó nắm bắt. Nếu chúng ta giảm đi một chiều thì có một tình huống tương tự, trái lại, rất dễ nắm bắt. Lấy một quả khí cầu có những vết đốm trên bề mặt biểu diễn các thiên hà. Khi thời gian trôi qua, chúng ta bơm căng quả khí cầu và các vết đốm tách ra xa nhau giống như sự giãn nở của vũ trụ. Giờ thì một sinh vật hai chiều sống trên bề mặt quả khí cầu có thể hỏi: không gian hai chiều này đang giãn vào cái gì? Câu trả lời là không có cái gì “bên ngoài” bề mặt hai chiều đó vì rõ ràng nó là một mặt khép kín không có biên giới. Tương tự như vậy, không gian ba chiều của vũ trụ của chúng ta không có biên giới và không có “bên ngoài”.

 ____

Trong số nhiều câu hỏi thú vị cho đến nay chưa được trả lời thì câu hỏi về sự bắt đầu của sự giãn nở hiện nay hồi 13,7 tỉ năm về trước có vẻ đã được giải quyết. Bản thân sự giãn nở đó chỉ được chấp nhận rộng rãi vào năm 1965 là kết quả của việc khám phá ra tàn dư bức xạ nền vũ trụ. Tính không chắc chắn của kịch bản tương lai cho vũ trụ phần nhiều nằm ở những nghiên cứu là hệ quả của sự khám phá ra năng lượng tối hồi năm 1998. Như vậy, chúng ta đang sống trong thời kì nghiên cứu rất sôi nổi về vấn đề trên.

Việc xác định một thời gian hữu hạn của sự giãn nở hiện nay là khoảng mười bốn tỉ năm rõ ràng có tầm quan trọng cơ bản tương đương với việc một quy mô không gian hữu hạn cho vũ trụ. Không có bằng chứng thuyết phục tuyệt đối cho một quan niệm như thế mặc dù một số dữ liệu từ phân tích WMAP của bức xạ nền vũ trụ, nhất là giá trị nhỏ của những đa cực thấp, đã được hiểu là gợi ý của kích cỡ hữu hạn và dạng hình học khác thường.

Chắc chắn những khám phá vũ trụ học này sẽ làm thay đổi bức tranh của chúng ta về lịch sử của chúng ta.

Cuối cùng, trong phần trình bày của chúng ta về tuổi thọ của vũ trụ, điều quan trọng là chúng ta sử dụng một thời gian tuyến tính, chứ không phải thời gian logarithm, trong phần thảo luận ở trên. Thời gian logarithm thì khác hoàn toàn. Trước hết, trong thời gian logarithm, tuổi vũ trụ trở nên vô hạn. Nhưng sự khác biệt có thể nhìn thấy rõ hơn một ví dụ cụ thể.

Giả sử chúng ta gom toàn bộ lịch sử vũ trụ gồm mười bốn tỉ năm vào một ngày gồm hai mươi bốn giờ bắt đầu và kết thúc lúc nửa đêm. Trước tiên, chúng ta sử dụng thời gian tuyến tính. Sự tổng hợp hạt nhân xảy ra vào lúc chỉ một phần nghìn tỉ của một giây sau nửa đêm; sự tái kết hợp và mặt tán xạ cuối cùng là ba giây sau đó; sự hình thành thiên hà bắt đầu lúc khoảng 1:40 sáng; Mặt trời được tạo ra vào khoảng 4 giờ chiều và Julius Caesar xâm lược xứ Gaul lúc khoảng một phần trăm của một giây trước nửa đêm.

Nhưng nếu chúng ta lập bản đồ lịch sử này dùng thời gian logarithm bắt đầu tại thời điểm Planck (vì lúc này chúng ta phải bắt đầu tại một thời điểm hữu hạn trong quá khứ) thì sự xuất hiện của những sự kiện chính trông hoàn toàn khác biệt. Sự tổng hợp hạt nhân phải chờ đến 5 giờ chiều; sự tái kết hợp và mặt tán xạ cuối cùng là khoảng 10 giờ tối; sự hình thành thiên hà bắt đầu lúc 11:25 tối; Mặt trời ra đời lúc khoảng 11:48 tối và Julius Ceasar giờ xuất hiện lúc chỉ một phần nghìn tỉ của một giây trước nửa đêm.

Ví dụ này minh họa việc sử dụng thời gian tuyến tính trong vũ trụ học ảnh hưởng như thế nào đến khoảng cách tương đối của những sự kiện liên tiếp. Từ quan điểm vật lí học cơ bản, cái xảy ra trong giây đầu tiên của Big Bang nhiều hơn cái xảy ra trong mười bốn tỉ năm sau đó. Nhưng đó là thời gian tuyến tính, với nó chúng ta đã quen thuộc trong việc đo những sự kiện hàng ngày, thời gian đó kể từ Big Bang thật sự có một giá trị hữu hạn 13,7 tỉ năm.

Câu trả lời cho câu hỏi nêu ở tiêu đề chương này đã được ám chỉ tới, nhiều nhà khoa học khác (không riêng gì tác giả này) giải thích rõ ràng kì dị ban đầu của phương trình Friedmann bằng một viện dẫn cơ học lượng tử và hấp dẫn lượng tử. Việc không có một lí thuyết thỏa mãn hoàn toàn hấp dẫn lượng tử có thể tác dụng như một cái chìa khóa bảo an nữa cho những nhà khoa học ấy vì chẳng có ai có thể bác bẻ lập luận như thế.

Tuy nhiên, những nỗ lực mang tính thăm dò đối với sự hấp dẫn lượng tử cũng gặp khó khăn. Khái niệm hàm sóng của vũ trụ, như đã sử dụng trong vũ trụ học lượng tử, còn mơ hồ vì một số nguyên do, không phải chỉ vì người quan sát là ở bên trong hệ. Thời gian Planck là ngắn hơn nhiều so với thời gian được trông đợi trôi qua giữa lúc Big Bang và lúc khởi đầu lạm phát. Việc giải thích cặn kẽ kì dị ban đầu bằng các lập luận cơ lượng tử chỉ hữu ích khi không còn cách nào khác tốt hơn nữa.

Tôi thấy dễ chịu hơn là nên sáng tạo ra một mô hình vũ trụ trong đó mật độ và nhiệt độ không bao giờ vô hạn. Mô hình này ngăn ngừa Big Bang và thay nó bằng một bức tranh thời gian khác trong đó thời gian không bao giờ bắt đầu và không bao giờ kết thúc. Mô hình này trái ngược với mô hình vũ trụ học chính thống trong đó thời gian bắt đầu lúc Big Bang và không bao giờ kết thúc trong một sự giãn nở vô cùng vô tận.

Trong khi tôi không thể chứng minh chắc chắn rằng nhận thức lâu nay là không đúng, nhưng nó thật sự đưa đến các kì dị và sự đổ vỡ của thuyết tương đối rộng mà chúng ta đã nói tới. Tuy nhiên, sự tồn tại của những mô hình đáng tin cậy khác hiện nay khiến quan niệm Big Bang đang dần kém tin cậy.

Như chúng ta sẽ thấy ở phần sau quyển sách này, có một phiên bản thay thế trong đó thời gian bắt đầu lúc Big Bang (Vụ Nổ Lớn) và kết thúc trong một “Big Rip” (Cú Xé Lớn) tại một thời điểm hữu hạn trong tương lai. Tôi xem đây là mô hình ăn khớp thẩm mĩ với mô hình chính thống. Nhưng cái tốt nhất trong ba khả năng về thời gian là “vô hạn ở cả hai chiều, quá khứ và tương lai” như minh họa bởi một mô hình tuần hoàn mà tôi và sinh viên của tôi đã xây dựng trong thế kỉ 21 dựa trên thành phần năng lượng tối. Các quan sát năng lượng tối và những tính chất của nó, nhất là phương trình trạng thái của nó, sẽ xác nhận hoặc bác bỏ những quan điểm dễ chịu như thế về thời gian khẳng định rằng không hề có cái gọi là Big Bang.

Chương 2

Tính phẳng của Vũ trụ

Khi chúng ta nhìn xa ra ngoài vũ trụ rộng lớn, với các thiên hà được xem như những chất điểm, thì còn có nhiều bất ngờ hơn nữa đang chờ được nói tới. Cái đã được nói tới bao gồm kích cỡ khổng lồ, vũ trụ giãn nở và thực tế pha giãn nở hiện nay đã có một khởi đầu.

Tuy nhiên, những cái chúng ta đã nói trông có vẻ thích hợp nhưng không hiển nhiên đối với mắt trần. Từ việc nhìn lên bầu trời, đa số chúng ta tự nhiên giả định, giống như mọi người đã làm trong hàng trăm năm trước thế kỉ 20, rằng các ngôi sao hiện hữu ở đó mãi mãi và sẽ tiếp tục như thế. Với đôi mắt trần, không có tiến bộ nào được xúc tiến cả. Những chiếc kính thiên văn lớn nhìn thấy những vật thể, hay các thiên hà, ở xa hơn và nằm hoàn toàn bên ngoài Dải Ngân hà. Chúng đang chuyển động ra xa với tốc độ cao, khoảng cách đến chúng càng lớn thì tốc độ đó càng cao. Trớ trêu thay, thiên hà khác duy nhất mà mắt trần có thể nhìn thấy bên ngoài Dải Ngân hà, thiên hà Andromeda, lại dường như đang tiến về phía chúng ta! Nhưng hầu như toàn bộ những thiên hà khác đang lùi ra xa chúng ta.

Để nói về tính phẳng cao đến bất ngờ của vũ trụ, mà chuyên môn gọi là bài toán chân trời, chúng ta cần giới thiệu khái niệm nhiệt độ. Vũ trụ tràn ngập bức xạ, bức xạ điện từ, hiện nay cực kì lạnh lẽo. Nó có nhiệt độ khoảng ba độ trên không độ tuyệt đối. Giá trị của nhiệt độ này tỉ lệ nghịch với hệ số đặc trưng cho kích cỡ của vũ trụ. Do đó, khi vũ trụ giãn nở, nhiệt độ không ngừng giảm xuống. Như vậy, nếu chúng ta hỏi về quá khứ, thì khi ấy nhiệt độ của vũ trụ cao hơn.

Trong lịch sử của vũ trụ, ít nhất là trong chừng mực bức xạ điện từ được xét tới, một cái quan trọng nhất đã xảy ra lúc khoảng ba trăm nghìn năm sau Big Bang, lúc ấy vũ trụ nhìn thấy nhỏ hơn ngày nay khoảng một nghìn lần. Vì thế, nhiệt độ lúc ấy là cao hơn hiện nay một nghìn lần. Điều này có nghĩa là nó rất nóng, chừng ba nghìn độ. Hóa ra đây chính là nhiệt độ tối đa mà dưới mức đó các nguyên tử hydrogen có thể tồn tại ở trạng thái liên kết. Một nguyên tử hydrogen gồm một proton tạo nên hạt nhân hydrogen và một electron quay bên ngoài. Ở nhiệt độ trên ba nghìn độ, nguyên tử hydrogen có xu hướng cao ion hóa thành một proton và một electron tách rời nhau. Thật vậy, tại mọi thời điểm trước thời điểm “tái kết hợp” đặc biệt này, các proton và electron tồn tại tự do trong một cái gọi là plasma ion hóa. Về mặt kĩ thuật, sự kiện đặc biệt này là phi lí nhưng mãi mãi được gọi là tái kết hợp. Tên gọi thật phi lí, vì nó vừa mới kết hợp, chứ trước đó các proton và electron đã có kết hợp với nhau đâu!

Bức xạ điện từ gồm những hạt sơ cấp không có khối lượng gọi là photon truyền đi ở tốc độ ánh sáng. Các photon bị tán xạ bởi những hạt tích điện, còn những hạt trung hòa thì không. Đây là nguyên do sự kiện tái kết hợp có ý nghĩa quan trọng đối với bức xạ điện từ trong vũ trụ. Trước khi tái kết hợp, đã có một plasma ion hóa gồm các proton và electron. Những hạt tích điện đó có thể làm tán xạ các photon. Điều này có nghĩa là vũ trụ là mờ đục cho đến khi tái kết hợp. Các photon không thể truyền đi theo đường thẳng ở tốc độ ánh sáng do tán xạ bởi những hạt tích điện có trong plasma. Trái lại, sau khi tái kết hợp, các electron và proton tích điện bị liên kết thành các nguyên tử hydrogen trung hòa. Vũ trụ trở nên trong suốt khi nó cho phép các photon truyền đi tự do theo đường thẳng vì các nguyên tử trung hòa không tương tác với các photon.