Nguồn gốc và tiến hoá vũ trụ

Mô hình Big bang tiêu chuẩn
Mô hình Big Bang (vụ nổ lớn) cho rằng vũ trụ khởi thuỷ bằng một vụ nổ khoảng 15 tỷ năm trước. Tại vụ nổ, kích thước vũ trụ được xem là bằng không nên mật độ năng lượng và nhiệt độ vô cùng lớn. Sau vụ nổ, vũ trụ giãn nở và nguội dần, cho phép thành các cấu trúc như ta đã thấy ngày nay.

Ít nhất có ba cơ sở lý luận và thực tiễn dẫn tới mô hình. Thật thú vị khi biết chính một nhà văn là người đầu tiên cho rằng vũ trụ phải có điểm khỏi đầu. Nghịch lý Olbers (1823) cho rằng nếu vũ trụ vô tận trong không – thời gian thì nó phải có nhiều sao đến mức khi nhìn nên bầu trời, tia mắt ta bao giờ cũng gặp một ngôi sao. Và ta sẽ thấy bầu trời luôn sáng rực như mặt trời, ngay cả vào ban đêm. Những thực tế bầu trời ban đêm lại tối đen. Trong bài thơ văn xuôi dài Eureku năm 1848, Edgar Poe cho rằng, đó là do các ngôi sao không đủ thời gian để chiếu sáng toàn vũ trụ. Và bầu trời đêm tối đen chứng tỏ vũ trụ không tồn tại mãi mãi. Không chỉ đứng vững trước thử thách của thời gian mà giả thuyết còn đóng vai trò quyết định trong việc hình thành lý thuyết Big Bang.

Cơ sở lý luận thứ hai là thuyết tương đối tổng quát, cho rằng không – thời gian là các đại lượng động lực, phụ thuộc vật chất đồng thời chi phối vật chất (lưu ý quan niệm của Engels, cho rằng không – thời gian là hình thức tồn tại của vật chất). Điều đó dẫn tời việc không – thời gian la hình thức tồn tại của vật chất). Điều đó dẫn tời việc không – thời gian và do đó vũ trụ có thể có khởi đầu và kết thúc, một ý tưởng ban đầu chính Einstein cũng tìm cách chống lại.

Cơ sở thực tiễn của mô hình là phát hiện vũ trụ giãn nở của Hubble những năm 1920. Vũ trụ hiện đang giản nở và các thiên hà ngày càng xa nhau chứng tỏ trong quá khứ chúng gần nhau, khi vũ trụ có kích thước nhỏ hơn. Suy diễn ngược thời gian mãi sẽ đi đến thời điểm khai sinh, khi toàn vũ trụ tập trung tại một điểm, nơi có mật độ năng lượng, nhiệt độ và độ cong không thời gian vô hạn. Và một vụ bùng nổ sẽ khiễn vũ trụ sinh thành.

Tuy nhiên mật độ vật chất hay lực hấp dẫn quá lớn có thể khiến vũ trụ co lại ngay khi vừa giãn nở. Cùng với những nguyên nhân khác mà Alan Guth giả định sự giãn nở lạm phát, cho phép vũ trụ tăng kích thước 1030 lần chỉ trong khoảnh khắc (từ thời điển 10-35 đến thời điểm 10-32 giây sau vụ nổ). Vượt qua cái ranh giới thành bại tế vi đó, vũ trụ đắc thắng giãn nở và tạo ra mọi thứ, kể cả bản thân chúng ta.

Đó là mô hình vũ trụ nóng giãn nở lạm phát tiêu chuẩn. Năm 1991 khi viễn kính Hubble trên vệ tinh Cobe đo được phông bức xạ tàn dư từ nổ quá khứ đúng như tiên đoán, mô hình Big Bang được thừa nhận rộng rãi.

Những vấn đề bỏ ngỏ

Big Bang là mô hình tốt nhất hiện nay, nhưng tất nhiên nó vẫn còn nhiều vấn đề, bao gồm điểm kì dị và sự khởi đầu tối hậu. Vật lý luân tránh các điểm kì dị, nơi một đại lượng nào đó đạt giá trị vô cùng – điều chỉ có trong thế giới toán học trừu tượng. Big Bang chính là điểm kì dị như vậy và đó là điều cần tránh. Rồi Big Bang sinh ra vũ trụ, vậy cái gì sinh Big Bang? Không la khi nhà thờ rất hoan nghênh mô hình, vì xem Big Bang là hiện thân của đấng sáng tạo.

Một cách tránh vấn đề kì dị là lý thuyết dây của vật lý hạt (cơ bản). Lý thuyết dây xem cấu tử cơ bản nhất củ vũ trụ không phải là hạt (như điện tử, quark...) mà là dây hay siêu dây với 10 chiều. Có đến 5 lý thuyết dây và đến 1995 người ta thấy rằng chúng chỉ là phiên bản của một lý thuyết nền tảng hơn là lý thuyết màng 11 chiều. Các kiểu dao động khác nhau của màng được thể hiện thành các hạt cơ bản mà ta thấy. Quan điểm cũ xem hạt cơ bản là chất điểm không kích thước nên dẫn tới điểm kì dị, còn màng thì không vì chúng có kích thước xác định, dù rất nhỏ.

Bài toán khởi đầu tồi hậu thì phức tạp hơn. Một cách giải quyết vấn đề là khảo sát sự kết thúc. Vũ trụ giãn nở mãi mãi hay dần co lại trong một vụ co lớn (Big Crunch)? Nếu vũ trụ đủ vật chất, lực hấp dẫn sẽ thắng dần sự giãn nở và vũ trụ đủ vật chất, lực hấp dẫn sẽ thắng dần sự giãn nở và vũ trụ sẽ co về điểm kì dị chung cục. Và vụ nổ tạo nên chúng ta có thể có thể là kết quả của vụ co trước. Đó là mô hình vũ trụ luân hồi của Wheeler, với các chu trình co giãn nối thành vòng tròn như triết lý nhà Phật, một phương thức để tránh sự khởi đầu tối hậu.

Đáng tiếc Big Cruch không phải là đối xứng gương hoàn hảo của Big Bang. Khi vũ trụ co, các Photon sẽ nhận thêm năng lượng do trường hấp dẫn mạnh. Và vũ trụ khi kết thúc sẽ nóng hơn lúc khởi đầu. Kết quả là vụ nổ càng về sau càng mạnh hơn. Điều đó chứng tỏ vũ trụ vẫn cần một điểm khởi đầu tối hậu, giống như mô hình chỉ có một Big Bang vậy. Nhà thơ vẫn chưa mất đi nỗi hào hứng.

Cuộc cách mạng cuối thiên niên kỷ

Quan niệm luân hồi hàm ý vũ trụ đủ vật chất để có thể co lại. Nhưng quan niệm đó bị bác bỏ năm 1998. Việc quan sát các sao siêu mới đã dẫn tới một kết luận mang tính cách mạng: vũ trụ đang giãn nở ngày càng nhanh. Đó là tin không vui vì mô hình luân hồi được ưu thích hơn, nơi vũ trụ và sự sống có thể sinh diệt không ngừng nghỉ.

Tại sao vũ trụ giãn nở ngày càng nhanh? Câu trả lời khá đơn giản: vì thiếu lượng vật chất cần thiết. Quan trọng hơn, dường như vũ trụ chứa một dạng năng lượng đặc biệt có tác dụng phản hấp dẫn.

Vài chục năm trước các nhà thiên văn xem vũ trụ chỉ chứa vật chất sáng thông thường. Khi thấy tốc độ quay của các thiên hà quá nhanh, người ta giả định loại chất tối nhiều gấp 10 lần chất sáng (để lực hấp dẫn đủ bù với lực lý tâm do thiên hà quay, nều không thiên hà sẽ tan rã). Chất tối được chia thành hai loại; Loại thường (như sao lùn nâu, lỗ đen...) và loại lạ (như neutrino có khối lượng, các hạt giả thuyết axion hay Wimp...). Nay cần thêm vào loại vật chất hay năng lượng mới, gọi là năng lượng tối, chiếm tới hai phần ba khối lượng vũ trụ:

Thành phần	Tỷ lệ (%)	Minh Hoạ
Bức xạ	0,005	Ánh sáng, các bức xạ điện từ khác...
Chất sáng	0,5	Mặt trời, các sao, các hệ hành tinh...
Chất tối thông thường	3,5	Lỗ đen, sao lùn nâu, sao lùn đen...
Chất tối kỳ lạ	26	Neutrino có khối lượng, các hạt giả thuyết axion, wimp...
Năng lượng tối	70	Năng lượng chân không hay thành phần thứ năm...

Bản chất năng lượng tối với áp lực âm (để tạo phản hấp dẫn) có lẽ là thách thức lâu dài đối với vật lý và vũ trụ học.

Đầu tiên là năng lượng chân không. Chân không vật lý không phải là cõi hư vô, mà chứa đầy các hạt – phản hạt ảo, sinh diệt không ngừng do nguyên lý bất định Heisenberg. Theo đó, không thể xác định chính xác đồng thời giá trị các gặp đại lượng vật lý liên hợp (như vị trí và tốc độ, giá trị các cặp đại lượng vật lý liên hợp (như vị trí và tốc độ, giá trị và độ biến thiên của một trường vật lý...). Nên năng lượng chân không phải khác không, vì nếu bằng không thì độ biến thiên cũng bằng không; có nghĩa hai đại lượng được xác định chính xác đồng thời, điều mà nguyên lý bất định cấm. Đó là do sinh hạt và phản hạt ảo. Chẳng hạn trong 1cm3 trước mắt ta, luôn có 1030 điện tử ảo! Chúng gây hiệu ứng đó đếm được, như hiệu ứng Casimir. Tính toán thấy chúng tạo mật độ năng lượng lớn gấp 10120 lần các dạng vật chất khác, một con số khiến giới vật lý choáng váng!

Ứng cử viên thứ hai là thành phần thứ năm (chơi chữ theo Aristotle, người xem bốn yếu tố nước, lửa, không khí và đất tao nên vũ trụ). Đơn giản nhất là một trường lượng tử thay đổi rất chậm theo thời gian, cơ chế giải thích giai đoạn giãn nở lạm phát. Khả năng khác đến từ vật lý các chiều dư kỳ ảo, tức dây 10 chiều hay màng 11 chiều nói ở trên. Trong lý thuyết này, vật chất thông thường nằm trên các màng ba chiều. Các màng này nằm sát nhau trong chiều thứ 11. Ánh sáng đi theo các màng ba chiều đến mắt ta phải mất hàng tỷ năm, trong khi tác động hấp dẫn (hay phản hấp dẫn) thì đến ngay theo chiều dư, tạo giá trị ước lượng vô cùng lớn như vừa nói. Tuy nhiên, những khó khăn toán học khiến việc đưa ra một mô hình hoàn chỉnh là bất khả chỉ trước mắt mà còn có thể trong tương lai.

Mô hình màng và chạm

Nhằm giải quyết hai vấn đề kì dị và khởi đầu tối hậu, cuối 2001 các nhà khoa học Steinhardt, Turok, Khoury, Ovrut và Seiberg đề xuất mô hình màng và chạm, xem Big Bang không phải là khởi đầu của không –thời gian, mà là điểm chuyển tiếp giữa pha đang giãn nở và pha co lại trước đó. Đây chính là mô hình luân hồi, nhưng có ưu điểm hơn các mô hình luân hồi khác.

Mô hình giả định vũ trụ của chúng ta là một màng ba chiều trôi trong không gian bốn chiều. Một màng khác – một vũ trụ song song – nằm ngay bên cạnh ở khoảng cách vi mô trong chiều thứ tự. Vũ trụ này gần hơn cả làn da, những ta không thể thấy hay chạm được vào nó. Các màng này hành động giống như nối với nhau bằng lò xo: kéo lại khi các màng xa nhau và đẩy ra khi chúng lại gần, khiến các màng dao động ra xa rồi đến gần. Chúng tuần tự va chạm chính là Big Bang. Năng lượng Big Bang nguyên thuỷ là năng lượng va chạm; còn các thăng giá mật độ (thấy rõ trên phông bức xạ hoá thạch do vệ tinh Cobe đo được năm 1991 và là hạt giống phát triển thành các thiên hà sau này) là các vết nhăn của màng. Trong quá trình dao động và va chạm, các màng vẫn có thể tự co giãn.

So với mô hình lạm phát tiêu chuẩn, mô hình này co ưu điểm là không cần năng lượng tối để giải thích sự giãn nở ngày càng tăng của vũ trụ. Đơn giản đó là năng lượng “lò xo”. Theo Turok, ưu điểm khác là kì dị chỉ xuất hiện trong chiều thứ tư (khi hai màng va chạm thì khoảng cách bằng không), khả năng nhẹ nhất trong số các kì dị. Và do vẫn tiếp tục giãn nở trước và sau va chạm, các Photon sẽ không thu thêm năng lượng, nên Big Crunch không nóng hơn Big Bang, cho phép loại bỏ sự khởi đầu tối hậu, một chủ đề thần học ưa thích.

Tất nhiên mô hình cũng để lại nhiều vấn đề. Đầu tiên, kì dị nhẹ nhất thì vẫn là kì dị. Tiếp nữa, không rõ các thăng giáng nhỏ hay các vết nhăn của màng tái xuất hiện thế nào sau và chạm. Theo Linde, một người xây dựng mô hình lạm phát, điều đó giống như ném một cái ghế vào lỗ đen và hy vọng nó sẽ tái sinh. Rồi bản chất lực lò xo cũng là bài toán nan giải. Tuy nhiên nhiều nhà thiên văn hoan nghênh mô hình, vì như lời nhà lý thuyết dây nổi tiếng Veneziano ở Cern, chúng ta dễ chấp nhận ý tưởng Big Bang là kết quả của một cái gì đó hơn là nguyên nhân của mọi thứ.

“Tà Thuyết” Monday

Các mô hình trên đều vưởng phải bài toán năng lượng tối. Vì thế từ 1983, Mordehai Milgrom (israel) đề xuất Mond, tức động lực Newton biến đổi (Modified Newtonian Dynamics). Ông cho rằng định luật hai Newton F=ma sẽ biến thành F=ma2 ở các gia tốc thấp, cỡ 10-10 m/s2. Có nghĩa là chỉ cần một lực nhở hơn hay ít vật chất hơn để gia tốc các thiên hà. Và bài toán chất tối hay năng lượng tối sẽ mặc nhiên được loại trừ.

Ban đầu giới thiên văn bác bỏ Mond. Nhưng những thành công trong việc giải thích sự hình thành và tiến hoá của thiên hà (các phép đo mới đây phù hợp với tiên đoán của Milgrom nhiều năm trước) thuyết phục được một số nhà khoa học. Tuy nhiên họ không nghĩ động lực Newton sai, mà xem đó là một bổ chính có ý nghĩa thực hành, khi gọi nó là MIFF, tức công thức làm khớp Milgrom (Milgrom Fitting Formula).

Vũ trụ hữu hạn hay vô hạn?

Hãy xét nguyên lý Mach, cho rằng quán tính của vật là do nó tương tác với toàn vũ trụ. Có thể hiểu rõ hơn qua việc xét lực ly tâm trên một thùng nước. Khi quay nước trong thùng, mặt nước sẽ lõm xuống: ta nói nó chịu tác dụng của lực ly tâm. Đó là do nước quay so với thùng đứng yên? Hoàn toàn không, vì khi quay cả thùng và nước với cùng tốc độ, mặt nước vẫn lõm xuống. Mach cho rằng, mặt nước lõm vì “biết” nó đang quay đối với toàn vũ trụ. Nói cách khác, quán tính là do tương tác của toàn vũ trụ lên vật. Vì thế vũ trụ phải hữu hạn. Nếu vũ trụ vô hạn thì quán tính sẽ lớn vô hạn: Mọi vật không thể thay đổi trạng thái chuyển động, một điều trái với thực tế.

Nhưng đó chỉ là đơn vũ trụ (universe) của chúng ta. Nhiều người giả định các vũ trụ song sóng hay đa vũ trụ (munltiverse), mỗi vũ trụ có hệ qui luật riêng. Hãy nhớ lại các màng va chạm, không chỉ hai mà có thể nhiều hơn. Hoặc hình dung trò thổi bong bóng xà phòng, mỗi bong bóng là một đơn vũ trụ. Các bong bóng có thể nỗi với nhau bằng các lỗ sâu đục (wormhole). Theo thuyết tương đối tổng quát, chúng là đường tắt nối các vùng không thời gian trong một bong bóng, thậm chí nối các bong bóng vũ trụ với nhau. Chúng cho phép năng lượng phun trào giữa các bong bóng. Có thể hình dung một sự phun trào như thế chính là Big Bang đã sinh ra vũ trụ mà ta đang sống.

Như vậy có thể chúng ta đang sống trong một đơn vũ trụ hữu hạn. Đơn vũ trụ này là một trong vô vàn các màng hay bong bóng của một đa vũ trụ vô hạn. Ai cũng có thể hài lòng, du thích vũ trụ vô hạn hay hữu hạn.

Giả thuyết này giúp loại bỏ đấng sáng tạo tối cao. Trong tác phẩm nổi danh Giai điệu bí ẩn (đã dịch ra tiếng Việt), Trịnh Xuân Thuận đặt niềm tin vào đấng sáng và cho rằng ông muốn đặt niềm tin vào hy vọng chứ không phải tuyệt vọng. Theo ông, tìm được một bong bóng thích hợp cho sự sống giữa vô tận các bong bóng là việc bất khả, cũng như xem sự sống chỉ là sự biến ngẫu nhiên không thoả mãn được lòng tự tôn của con người. Thiển nghĩ vấn đề có khi ngược lại. Nếu con người do một đấng tối thượng tạo ra thì chúng ta chỉ là những con rối. Khi đó sẽ không có ý chí tự do chủ đề ưu thích của Bergson; cũng không có sự lựa chọn một trong những khả năng khác nhau, như một cách tự quyết định số phận – đặc trưng cơ bản của tính người. Còn nếu chúng ta xuất hiện như sự kết hợp vi diệu giữa cái ngẫu nhiên và cái tất nhiên chúng ta cần sống xứng đáng với tất cả những khó khăn của sự sinh thành. Và điều đó có thể có ý nghĩa nhân văn.

Đa vũ trụ sinh ra như thế nào?

Như trên đã nói, từng đơn vũ trụ là hữu hạn nhưng đã vũ trụ có thể vô hạn. Điều đó chúng tỏ nó chứa một năng lượng vô hạn, điều vô nghĩa về mặt vật lý? Rất may không phải như vậy.

Tính bật định lượng tử cho phép các cặp hạt – phản hạt ảo, hay các “bọt” năng lượng xuất hiện từ chân không, miễn là chúng ta sẽ biến mất sau thời gian tồn tại ngắn ngủi. Bọt càng ít năng lượng thì tồn tại càng lâu. Vì năng lượng trường hấp dẫn là âm, còn năng lượng chứa trong vật chất là dương, nên nếu đa vũ trụ là phẳng (dù đơn vũ trụ có thể cong), hai dạng năng lượng đó triệt tiêu nhau và năng lượng đa vũ trụ chính xác bằng không. Khi đó các qui tắc lượng tử cho phép nó tồn tại mãi mãi. Nói cách khác, chính tình hình bất định là nguyên nhân khiến vũ trụ có thể xuất hiện từ hư vô, một ý tưởng độc đáo đến mức khi nghe Gamow kể tại Princeton những năm 1940, Einstein đã đứng sững giữa đường khiến hai người suýt bị xe đâm chết.

Ta có thể đặt câu hỏi, vậy hư vô từ đâu xuất hiện? có lẽ đó là câu hỏi không hợp lý. Thoả đáng hơn là đặt câu hỏi, tại sao có tình bất định để vũ trụ có thể sinh thành? Và liệu có những câu hỏi nền tảng hơn nữa hay không?

Cuối cùng xin nhấn mạnh sự thống nhất giữa vi mô và vĩ mô. Chính nhờ đi đến tận cùng bản chất vi mô mà khoa học có thể hiểu hành tung vũ trụ. Những ý kiến cho rằng qui giản luận (re-ductionism), một cách tiếp cận dựa trên phép phân tích để ngày càng đi sâu vào cấu trúc vi mô của thế giới, đã mất hết khả năng nhận thức là không có cơ sở. Trong cuốn Các giấc mơ về lý thuyết cuối cùng, 1992, Steven Weinberg, nhà vật lý đoạt giải Nobel vì công lao thống nhất các tương tác yếu và điện tử, đã dành hẳn hai chương để phê phán các nhà triết học và bênh vực cho qui giản luận cùng phép phân tích.