Thuyết vũ trụ song song không chỉ là toán học, nó là khoa học có thể kiểm chứng

Các vũ trụ song song nghe có vẻ giống như một khái niệm trong phim khoa học viễn tưởng, và về cơ bản không có liên quan gì với vật lý hiện đại. Tuy nhiên giả thuyết cho rằng chúng ta đang sống trong một “đa vũ trụ” được tạo thành từ vô số vũ trụ song song từ lâu đã được nhìn nhận là một khả năng khoa học—mặc dù nó vẫn đang được tranh luận sôi nổi. Vấn đề trước mắt là cần tìm ra một cách thức kiểm nghiệm giả thuyết này, bao gồm việc dò xét bầu trời để tìm kiếm các dấu hiệu va chạm với các vũ trụ khác.

Các nhà khoa học đang tìm kiếm sự va chạm giữa các ‘bong bóng vũ trụ’ khác nhau trong bức xạ phông vi sóng vũ trụ (cosmic microwave background). (Ảnh: Geralt/CC 0).

Điều quan trọng cần nhớ là, khái niệm đa vũ trụ không thực sự là một lý thuyết, đúng hơn nó là hệ quả của hiểu biết hiện nay về vật lý lý thuyết. Sự khác biệt này khá là quan trọng. Chúng ta không phải chỉ vẫy tay một cái và nói rằng: “Hãy có một đa vũ trụ”. Thay vào đó, ý tưởng cho rằng vũ trụ này có lẽ chỉ là một trong vô vàn các vũ trụ khác đã bắt nguồn từ các lý thuyết hiện nay như cơ học lượng tử và lý thuyết dây.

Cách diễn giải về đa thế giới

Có thể bạn đã nghe nói đến thí nghiệm tưởng tượng về con mèo của nhà vật lý Schrödinger, một con vật ghê rợn bị nhốt trong một hộp kín. Hành động mở chiếc hộp cho phép chúng ta theo dõi một trong các hệ quả có thể xảy ra trong tương lai của con mèo, bao gồm trường hợp nó vừa sống vừa chết. Điều này nghe có vẻ vô lý, đơn giản là vì trực giác con người không quen với một ý tưởng như vậy.

Tuy nhiên điều đó là hoàn toàn khả thi, căn cứ theo các nguyên lý kỳ quặc của cơ học lượng tử. Lý do điều này có thể xảy ra là vì các không gian khả năng trong cơ học lượng tử là khá lớn. Về mặt toán học, một trạng thái cơ học lượng tử là tổng số (hoặc sự cộng tác dụng) của tất cả các trạng thái có thể xảy ra. Trong trường hợp con mèo của nhà vật lý Schrödinger, con mèo là sự cộng tác dụng của hai trạng thái “còn sống” và “đã chết”.

Hãy diễn giải điều này một cách thực tế dễ hiểu hơn. Hãy nghĩ về tất cả các khả năng này như các thiết bị ghi chép sổ sách, trong đó chúng ta chỉ có thể quan sát trạng thái “đúng khách quan” của con mèo. Tuy nhiên, chúng ta cũng có thể chọn chấp nhận tất cả những khả năng này, và rằng chúng tồn tại trong các vũ trụ khác nhau của một đa vũ trụ. (Con mèo có thể còn sống trong vũ trụ này, nhưng đã chết trong vụ trụ khác, nhưng chúng ta chỉ có thể nhìn thấy 1 trạng thái ở đây)

(Ảnh: Robert Couse-Baker/CC BY 2.0)

Mô hình lý thuyết dây

Lý thuyết dây là một trong những con đường hứa hẹn nhất có khả năng hợp nhất lý thuyết cơ học lượng tử và lực hấp dẫn. Đây là vấn đề hết sức nan giải vì rất khó miêu tả lực hấp dẫn trên các quy mô nhỏ như quy mô của các hạt nguyên tử và hạt hạ nguyên tử—vốn thuộc phạm trù của cơ học lượng tử. Nhưng lý thuyết dây, vốn cho rằng tất cả các hạt cơ bản được tạo thành từ các dây một chiều, có thể đồng thời mô tả tất cả các loại lực đã được biết đến trong tự nhiên, bao gồm: lực hấp dẫn, lực điện từ, và lực hạt nhân.

Tuy nhiên, để lý thuyết dây có thể hoạt động trên phương diện toán học, sẽ cần ít nhất 10 chiều vật lý. Vì chỉ có 4 chiều mà chúng ta có thể quan sát được, bao gồm: chiều cao, chiều rộng, chiều sâu (3 chiều không gian) và chiều thời gian, do vậy các chiều bổ sung khác trong lý thuyết dây phải được ẩn giấu bằng cách nào đó nếu chúng thật sự tồn tại. Để có thể sử dụng lý thuyết dây nhằm giải thích cho các hiện tượng vật lý mà chúng ta nhìn thấy, những chiều bổ sung này cần phải được “compact hóa” bằng cách cuộn tròn chúng thành kích cỡ rất nhỏ đến nỗi không thể quan sát được. Đối với mỗi điểm trong 4 chiều chính, nên chăng có tồn tại 6 phương hướng đồng nhất khác?

Một vấn đề, hoặc như một số người nói, một đặc điểm của lý thuyết dây là có rất nhiều cách để compact hóa — 10.500 cách là một con số thường được đưa ra. Mỗi cách compact hóa này sẽ tạo ra một vũ trụ với các nguyên tắc vật lý khác nhau — ví dụ như khối lượng khác nhau của các electron và các hằng số khác nhau của lực hấp dẫn. Tuy nhiên cũng có những phản đối mạnh mẽ đối với phương pháp luận của compact hóa, vì vậy vấn đề này vẫn chưa được thống nhất ý kiến.

Tuy nhiên dựa trên điều này, câu hỏi hiển nhiên cần đặt ra là: chúng ta đang sống ở viễn cảnh nào trong số các khả năng trên? Lý thuyết dây tự nó không đưa ra một cơ chế để dự đoán điều này, khiến nó trở nên vô dụng vì chúng ta không thể kiểm chứng. Nhưng may mắn thay, một ý tưởng trong lĩnh vực nghiên cứu vũ trụ thời kỳ sơ khai đã biến lỗi kỹ thuật này thành một đặc điểm đặc biệt.

Vũ trụ sơ khai

Trong giai đoạn sơ khai của vũ trụ, trước khi xảy ra Vụ Nổ lớn (Big Bang), vũ trụ đã trải qua một thời kỳ mở rộng nhanh chóng gọi là giai đoạn giãn nở. Giai đoạn giãn nở ban đầu được đưa ra nhằm giải thích lý do tại sao vũ trụ quan sát được hiện nay lại gần như đồng nhất về nhiệt độ. Tuy nhiên, lý thuyết này cũng dự đoán một phạm vi các dao động nhiệt độ xung quanh sự cân bằng nhiệt. Điều này đã được xác nhận bởi một số tàu không gian như vệ tinh COBE (Cosmic Background Explorer), tàu WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), và kính thiên văn không gian PLANCK.

Tuy người ta vẫn tranh luận khá sôi nổi các chi tiết cụ thể của giả thuyết này, các nhà vật lý học đã công nhận rộng rãi khái niệm giai đoạn giãn nở. Tuy nhiên, một hệ quả tất yếu của giả thuyết này là phải tồn tại các khu vực khác của vũ trụ vẫn đang tăng tốc độ giãn nở. Tuy nhiên, do sự biến động lượng tử của thời gian – không gian, một số bộ phận của vũ trụ chưa từng thực sự đạt đến trạng thái cuối cùng của quá trình giãn nở. Điều này có nghĩa là vũ trụ, ít nhất theo sự hiểu biết hiện tại của chúng ta, sẽ mãi mãi giãn nở. Một số bộ phận của vũ trụ do đó có thể sẽ trở thành các vũ trụ khác, mà tự chúng lại có thể trở thành các vũ trụ khác nữa… Cơ chế này sẽ tạo ra vô lượng vô số các vũ trụ.

Bằng cách kết hợp viễn cảnh này với lý thuyết dây, có khả năng mỗi một vũ trụ sẽ tồn tại một phương pháp compact hóa của các chiều bổ sung khác nhau và do đó cũng sẽ có các nguyên tắc vật lý khác nhau.

Bức xạ phông vi sóng vũ trụ. Tìm kiếm các gợn sóng hấp dẫn và các dấu hiệu va chạm với các vũ trụ khác. (Ảnh: NASA / nhóm nghiên cứu khoa học WMAP/wikimedia).

Kiểm chứng giả thuyết đa vũ trụ

Các vũ trụ trong dự đoán của lý thuyết dây và của giả thuyết giãn nở sẽ tồn tại trong cùng một không gian vật lý (không giống như nhiều vũ trụ cơ học lượng tử vốn tồn tại trong một không gian toán học), chúng có thể xếp chồng lên nhau hoặc va chạm với nhau. Quả thực, chúng chắc chắn phải va chạm vào nhau, từ đó lưu lại những vết tích trên bầu trời vũ trụ mà có lẽ chúng ta có thể tìm kiếm.

Các chi tiết cụ thể của các vết tích này phụ thuộc mật thiết vào các mô hình của vũ trụ—từ các điểm nóng hoặc điểm lạnh trong bức xạ phông vi sóng vũ trụ cho đến các khoảng trống dị thường trong trình tự sắp xếp các thiên hà. Tuy nhiên, do các va chạm với các vũ trụ khác phải xảy ra theo một phương hướng nhất định, nên bất kỳ vết tích nào cũng sẽ có khả năng phá vỡ tính đồng nhất của vũ trụ khả kiến này của chúng ta, đây một khả năng chung được kỳ vọng.

Những vết tích này đang được các nhà khoa học tích cực tìm kiếm. Một số người đang tìm kiếm nó trực tiếp thông qua các dấu tích trong bức xạ phông vi sóng vũ trụ, vốn là các phát quang tàn dư sau Vụ Nổ lớn. Tuy nhiên, vẫn chưa có vết tích nào như vậy được phát hiện. Còn những người khác thì đang tìm kiếm sự hỗ trợ gián tiếp như sóng hấp dẫn, vốn là những gợn sóng tạo ra trong thời gian – không gian khi các thiên thể cự đại dịch chuyển. Những gợn sóng như vậy có thể trực tiếp chứng minh cho sự tồn tại của giai đoạn giãn nở, từ đó ủng hộ cho giả thuyết đa vũ trụ.

Liệu trong tương lai chúng ta có thể chứng minh sự tồn tại của chúng, đây là một điều khó nói trước. Tuy nhiên với các ý nghĩa to lớn như vậy, công cuộc tìm kiếm chúng là hoàn toàn đáng để bỏ công sức.