Tại sao đêm tối Trênđây là những chuyện cũ mà nhiềubạn đọc đã biết hết rồi. Ngườiviết muốn nhắc lại những sự kiện liên quan đến Tycho Brahe vàJohannesKepler là để nhấnmạnh một điều: tính đúng đắn củahệ nhật tâm,mà suy rộng hơnlà bản chất của tự nhiên nói chung,phải được kiểm chứng bằng thực tiễn quansát, chứ không bởi lòng tin mùquángvào một lời sấm truyền củamột bậc thánhnhân hay suy luận của một kẻ xuấtchúng nào đấy.Đây có lẽ là một trong nhữngbài học đầu tiên trong lịch sử về phương thứckhoa hoc. Và họ cũng chothấylà ngay cả với lý thuyết thànhcông nhất của những thiên tài cũng cónhững thiếu sót hay sai lầm nhất định.Từ những đo đạc chính xác củaBrahe, Keplercòn chỉ ra thêmlà quĩ đạo của cáchành tinhchungquanh mặt trời không phải là đường tròn như Copernicus đã nghĩ, mà là đường bầu dục vàmặt trời nằm ở một trong haiđiểm hội tụ. Đâylà định luật đầu trong ba địnhluậtcủa Keplermà chúng ta đã họcqua ở các lớp vật lý đại cương. Ba định luật này của Kepler trở nêncơ sở thực nghiệm để năm mươi năm sauNewtonxây dựng lý thuyết vạn vật hấpdẫn, đặt nền tảng vững chải cho loài người đi vàokỷ nguyên khoahọcmà ta đã biết. Trongkhoa họctính đúng đắn của mộtý tưởng là quan trọng, nhưng bài học ở trên chứng tỏ việc xác địnhtiêu chí này khôngnhất thiết phải là điềucấp bách hàng đầu. Kinh nghiệm để lại của loài người với gần năm trăm năm làm khoahọc đã cho thấy, đúnghaysai có khisẽ biết ngay, nhưng nhiều khi cũng là chuyện “hạ hồi phân giải”. Quá trìnhchứng minh ý tưởng khoahọc mớithực là nảy sinh và có lợi cho người khác; nghĩ lại xem, việc kiểmchứng hệ nhậttâm chưaxong mà đã dẫn đến việc hoàn thành lý thuyếtvạn vật hấp dẫn,khôngphải là bội thu sao?Ta thấylà mục tiêutối hậucủa phương thức khoa học thực ra không nhằm mục đích để chứng minh sự thật; sự thật hay là thực tại vậtlý nếu có, sẽ đến như một hệ quả tự nhiên của quá trình kiểm chứng bằng tính toán (hay tư duy) và thực nghiệm mà thôi. Tiêu chí hàng đầu màphương thức khoahochướng tới, theo thiển ý của người viết, là việc bảo đảmtính thống nhất trong mọi sự việc nếuđược. Lấy ví dụ, sự thật có đúnglà trái đất có xoayquanhchínhnó và quanh mặttrời haykhông? Hãy nhớ rằng tới thời điểm này, thời đại con người đã phónghàngtrăm phithuyền khônggian các loại, chiếcđi xa nhất, Voyaer,đã ra khỏi hệ măt trời, vẫn chưa có bức ảnhnào cho thấy Trái đất với 7hànhtinh còn lại xoay quanhmặt trời cả. Những tấm hìnhmà ta thấy nhan nhản trong sách giáo khoa, các hành tinhvới những đường cong quĩ đạo, chỉ là những tranh vẽ minh họa.Dẫu chưa cóai chính mắttrông thấy, nhưngchúng ta đã kết luận từ lâu là bức tranh hệ mặttrời của Copernicus,khôngphải củaAristotle, mớilà phùhơp với thực tại. Chúngta kết luận được điều này là nhờ bởi tínhthống nhất củavấn đề: so sánh sự tuần hoàn của mùa màngtrên trái đất, so sánhvớisự chuyển độngcủa các mặt trăng chung quanh saoHỏa, các mặt trăng chung quanh saoMộc, haycác hiệntượng nhật thực, nguyệtthực Một trong những điềuthiết thựccho bạn và cho tôi mà phương thức khoa học đã manglại, ngoài những thuốc men, xecộ, máy bay, điện thoại di động nghĩa là những thứ mà người đờidè bỉulàtiện nghi vật chất, là chúng ta đã bớt sợ. Ông bà mìnhngày trước sợ thiên nhiên, sợ đủ thứ. Mà khôngphải chỉ có loài người chúng ta mới biếtsợ: muôn vật sống trong nỗi sợ hãi triền miên. Dường như sợ là một phần của bản năng sinh tồn - sợ để tránh,sợ để giữ mình. Nhưngsợ lung tung cũng khó sống. Khoa họckhiến ta tự tin hơn trong nhiều tìnhhuống.Tôi không có ý lạc quantheo kiểu anhcán bộ cách mạng vớingười nông dân:‘Từ naycon người sẽ làm chủ đời mình’.Nhưng kinhnghiệm của phương thức khoa học cho thấy tự nhiênkhông đến nỗi quá bí ẩn, và có thể ước đoán được.Dĩ nhiênđiều này không có nghĩalà khoahọc sẽ giải thích mọichuyện trên đời này; hình như chẳngcó gì giảithích đượcmọi chuyện trên đời này. 2. Chuyên hôm qua Lời giải thích nào cũng có nhữngngõ ngách riêng củanó. Tôi muốnquay trở lại với câu hỏi đầu bàithêm một lần nữa. Đêm hayngày là dotrái đất xoay.Thì đã đành. Nhưng hãyngẫm lại xem. Ngoài mặttrời ra, còn hằng hàsa số các vì saokhác vốn cũng sángnhư mặt trời vậy nhưngvì chúng ở rất xata nên xuất hiện lu mờ hơn. Và nếu vũ trụ làhằng hữuvà mật độ vì sao khắp mọi chỗ là như nhau,thì lượng ánh sáng lu mờ từ nhữngvì sao này cộnglại cũng đủ làm cho cái nềntrời lúc nào cũng phải sáng trưng mà khôngcần đến mặttrời, nghĩa làquanhnăm suốt thángkhôngthể có đêm tối!Thật quả là “nói xuôi cũng được, nói ngược cũng xong”. Cơ sự này không phải là dongười viếtvặn vẹo nên, mà dochínhông Heinrich Olbers,một nhàthiên văn người Đức chỉ ra(1826).Cái gọi là nghịch lý Olbers này thực ra phải mang một tên khác, bởi trước Olbersmột nguờicùngthời với Copernicuslà ThomasDiggesđã thắc mắc chuyện này (1573). Để không mất thêmthì giờ của bạnđọc đángkính, tôi xin nói ngaylý do đêmvẫn tối: vũ trụ mà ta quan sát được không phảilà hằng hữu. Bởi vì tốcđộ ánhsánglà hữu hạn, nhìnra xa cũngcó nghĩa là nhìnvề quá khứ - mặt trờita nhìn thấy là của 8 phúttrước đấy. Và vì sao xanhất chỉ xuất hiện saukhivũ trụ hình thành, tức là mật độ vì saomọi nơi khôngphải như nhaumàgiảmxuống zerokhi ta về gần vô cực. Các vạch đen,còn gọi là vạch hấp thụ, trong phổ thấy được chụp từ một nhóm ngân hà (phải), đồng loạt lệch về phía màu đỏ so với vạch phổ từ mặt trời (trái). Ai mà chẳng bị khớp víađứngtrước nhữngbíẩn của vũ trụ bao la? Cólẽ màn bí mật đến choángngợp nàykhiến nhiều người trongchúng ta bỏ cuộc rất sớm trongchuyến đi tìmhiểu về vũ trụ. Quả thực là bài toán vũ trụ học phứctạp, nhưng nó khôngphức tạphơn haykhóhơn bài toán về hệ nhật tâm haynhữngvấn đề khác mà tổ tiên ta đã đối đầu, nó chỉ ít quenthuộc hơn với ta mà thôi. Những người khôn ngoannhư Digges hayOlbers nhận ra rất sớmđiều này, và cách đặt vấn đề hợp lý củahọ - dựa trêncơ sở của những tư duy khoa học đã có sẵn -mang tính dẫndắt rất cao. Nghịch lý Olbers đặtmột nghivấn về bức tranhcố hữu của vũ trụ, vốnhiện diện như một cõi vô lượngvô biên bất di bất dịch. Nó cho thấy có điều gìkhông ổn trong cái giả định thụ động của chúng ta về tínhhằng hữu đời đời của vũ trụ. Câu hỏi đơngiảnvề bức màn tối của vũ trụ mà Olbers và những người đi trước ông đã nêu lênđặt vũ trụ học của thế kỷ 19 vào thế bí, và câu trả lời thỏa đáng đã phải để ngõ trong một thời giandài. Cho đến một trămnăm sau,khimà những tiếntriển kỹ thuật bắtđầucho phép các nhà thiên văn nhìnra bên ngoài hệ ngânhà củachúng ta, và đặc biệt là khi mànhận thức về vũ trụ bắt đầu có nhữngchuyển biến cơ bản nhờ nhữngbước nhảy vọt trong vật lý lý thuyết đầu hồi thế kỷ 20. Người đặt nền tảng cho nhận thức mớinày,chẳng aikháchơn, là Einstein và lý thuyếttương đốirộng của ông (1916).Các phươngtrình trườngEinsteincho phép cácnhà nghiên cứu xác định cụ thể đặc tínhkhông thời gian của vũ trụ, dẫn đến khái niệmvề một vũ trụ giản nở theo thờigian (Friedman1922, Lemaitre 1927). Điều nàyđã mau chóngđược kiểmchứng bằng việc Hubble côngbố kết quả quan sát các vạchphổ từ các hệ ngân hà(1924). Vạch phổ chỉ là từ chuyên mônđể miêu tả cường độ ánh sáng biến thiên theo bướcsóng. Giai đoạnnày cácnhà thiên văn đã được trangbị thêm vậtlý lượng tử, và người ta biết là mỗi vạch phổ đều phải đứng ở một bước sónghay tần số nhất định, tức là có màu nhất định (trường hợp này câuhỏi: “Vật thể màu gì?” đóngvai trò quyết định).Hubble chỉ cho thấy sovới cácvạch phổ đã chụp được trong hệ ngânhà chúngta, đa số các vạch phổ từ những hệ ngân hàkhác đồngloạt lệch về phía bước sóng dài hơn[3]! Tức là các dãy ngânhà nàyxuất hiện đỏ hơn so với bình thường. Điều này đượccắt nghĩa làdo vũ trụ giản nở, vạch phổ đượcphát ra trong lúc vũ trụ còn trẻ và kích thước còn nhỏ hơn,lúcđến kính thiên văn của chúng ta thì cũngđã mất thêmmấy tỉ năm, kích thước của vũ trụ dài thêmra, và kết qủa là độ dài bước sóng phải nới thêmra để tỉ lệ với mực tăngtrưởngkích thướccủa vũ trụ. Không biết là câu cắtnghĩa ở trên có làm cho người đọc thấy rối trí hay không.Về phần người viết thì thấy khá là lủngcủng,dầu tác giả đã muốn tránh những vết xe đã đổ: suốt cả bài viết cứ bàn những chuyệnmà người đọc đã quá hiểu rõ,đến khiđụngvấn đề gaigóc cần phảigiải mã thìlạilướt qua rất nhanhvì đã vượt quá thờigian haysố trang qui định (mà quả thực là bài viết này cũng sắp vượt quásố trang qui định). Bạn đọc rộng lượngcó thể bỏ quacho sự lủng củngở trên.Vậy thì,có thêm hệ quả nào khác –hy vọng ít rối trí hơn - từ sự giãn nở của vũ trụ không? Hãy nhớ làPlanckđã chứng tỏ nănglượng của ánh sáng (haysóngđiện từ) tỉ lệ thuận vớitần số hay tỉ lệ nghịch với bướcsóng. Bước sóngcàng ngắn thì năng lượng càng cao. Có nghĩa làcàng trở về trước, vũ trụ càng nónghơn. Thực ra điều này liên hệ với chuyện lệch về đỏ của các vạch phổ, cho nên có thể nói đây không phải là một hệ quả khác từ sự giãn nở của vũ trụ. Nhưngthực ra,đây là một nhận thức cực kỳ quantrọng. Gamow,nhàvật lý lưu vongngười Nga, làngười trướctiênáp dụng mỹ mãn nhậnthức trên (1948).Câu hỏi ôngđặt ra là, vật chất trongthế giới nàytừ đâu mà ra? Cácnhà vật lý có thói quen dùng từ làm ta phải giật mình. Khi họ nói vật chất, họ không có ý nói nhữngthực thể như là con ngườihaychiếc điện thoạidi động. Các nhà vật lý nhắm đến nhữngnguyên tử hay phân tử làm nên những thựcthể ấy. Phương trình Einstein,E = mc2,cho thấy sự chuyển đồi giữanănglượng Evà khối lượng m,haycòn gọi làvật chất. Bomnguyêntử làmột bằng chứng dữ dội cho thấyviệc chuyển đổi từ vật chất sang năng lượng.Đi theo quá trìnhngược lại, Gamowđoán rằngvật chất banđầu có lẽ đã được tạo thành từ nguồn năng lượng có nhiệt độ rất cao – nónghơn hàng triệu lần so với nhiệtđộ ở trung tâm mặt trời. Đây chínhlà hệ quả quan trọngbậc nhất của vũ trụ giãn nở và mô hìnhBig Bang. Theomôhình này thì vàothưở ban sơ, vũ trụ chỉ có thuần một thứ là bức xạ điện từ ở nhiệt độ rất cao. Theothời gian, vũ trụ giãn nở và nguội đi, rồi các electrons,protons lần lượt được tạo thành,và dần dà kết cấuđể tạo nên các vì sao, lỗ đen,cácdãy ngânhà và thế giớingàynay. Mặcdầu ngàynay cácnhà vũ trụ học đã công nhận bức tranhvũ trụ ở trên, nhưng banđầumô hình Big Bangđã gây ra những phảnứng trái ngược trong dư luận. Có sự phản đối gay gắt từ các nhà vũ trụ học hàng đầu màHoyle là đại diện tiêu biểu, lại cósự ủnghộ nhiệt thành từ Đức Giáo Hoàng của Tòa ThánhVatican. ChínhHoyle, một trong những ngườisáng lập và cổ vũ cho thuyếtSteady State, hay Trạng thái vĩnh hằng, đã gọi mỉa maimô hìnhcủa Lemaitre và Gamowkhởixướng bằnghai từ BigBang,để ví sự giãn nở dữ dội vào thời kỳ đầu của vũ trụ như một vụ nổ tung.Có lẽ Hoyle cũng không ngờ làdanh từ này nhanh chóng trở nên thuật ngữ khoahọc phổ biến. Cũng hơi oái ăm bởi mô hình lại mang cái tên dochính kẻ phản đối chứ không phảingườisáng lập nó đặt ra. 3. Chuyện ngày nay Gamowtiên đoán mộtnền bức xạ đồng nhất banđầu đã nguội đi và sẽ còn lại đếnngày nay. Nhưng ôngkhôngchỉ rõ là cường độ bức xạ còn lại ngày nay là bao nhiêu (trườnghợpnày dữ liệu để trả lời câu hỏi: “vậtthể sáng cỡ nào?” đóng vai tròquyết định). Có lẽ do những chỉ trích về mô hìnhBig Bang và những khó khănnhất thời của mô hìnhnày[4], lời tiên đoán của Gamow,rủi thay,đã không được các nhà vật lý tiếp nhận nghiêmtúc: không có một thí nghiệmnào để kiểm chứng dichỉ của bức xạ nền suốt hơn 15năm. Sự phát hiện của bức xạ nền đã phải đến từ tình huống ngẫu nhiên, vốncũnglà điều thường tìnhtrong lịch sử. Mãi đến giữathập niên 60, Penziasvà WilsoncủaBell Lab,tronglúc đođạt bức xạ nhiệt của tầngkhíquyển ở bước sóng viba(sóng dài ~ 1mm),họ phát hiệnlà bầu khí quyển có vẻ như nónghơn chừng 3độ. Lúc ấy cách Bell Labs chưađầy 70 cây số, một nhóm các nhà vật lýdo Dickedẫn đầu tại Princeton đanggấp rút tiến hành việc đođạt cườngđộ của bứcxạ nền (BXN). Họ lập tức nhận ra3 độ trội dư đo đuợc của nhóm Bell Labschính làxuất phát từ BXN mà họ đã tìm kiếm.Sự tồntại của BXNchínhlà bằng chứng thực nghiệm xác nhận tínhđúng đắncủa mô hình Big Bang (Penzias &Wilson 1965, Dickeetal. 1965). Xác nhận mô hình Big Bang, cũng làđồng nghĩa với việc phủ nhận tínhhằng hữuđời đời củavũ trụ. Hay nói như ôngbàta, vũ trụ là một cõi vô thường.Có nghĩa là, cũng như bao hữu thể khác, vũ trụ cũnghình thànhvà phát triển. Vũ trụ cũng có tuổi, ngày nay các nhà thiên văn xác địnhlà tuổi vũ trụ không già hơn 13,7 tỉ năm! Vì sao đầutiên rađời cũng chỉ từ 13,2tỉ năm trở lại đây. Từ 13,2 tỉ năm trở về trước làgiai đoạn mà các nhà vũ trụ học gọi là “thời kỳ đentối”,bởi vật chất (dưới dạng cácphân tử hydrogenvà helium) tuylà đã tồn tại, nhưng chưacó đủ thời gian kếtcấu vàtạo ra nhữngvì saođể thắp sáng vũ trụ. Thời kỳ đen tối kéo dài gầnnăm trăm triệu năm, về đến khoảng 380.000năm sauBig Bang.Rồi từ đấy về đến 3 phútsau BigBang là khimàvật chất được tạo thành, cònđượcgọi là thời kỳ tổnghợp hạt nhân. Từ 3 phút về Big Bangthì như đã trình bày ở trên, trong toàncõi vũ trụ chỉ có BXN. Và như người đàng trong chúngtôi hay nói, “đã trót thì cho trét.” Dẫu biếttrí tuệ loài người làcó hạn nhưng đã về tới đây rồi thì khôngthể không hỏi luôn. Vậy thì trước Big Bangvũ trụ là cái gì? Ta phải xác định cho rõ, vũ trụ ở đây là vũ trụ quan sát được, tức là có thể kiểmchứng bằng cácphươngthức thực nghiệm.Nếu chỉ dựa đơnthuầnvào suy luận hayniềm tin,màbỏ đi phần kiểm chứng củathực tiễn thì công việc của chúng ta có lẽ gầnvới triết họchay thần học hơn.Cho tới thời điểm này,chúng ta không có bằngchứngthực nghiệm nàocả để nói một cách đángtincậy về những gì xảy ra trướcBig Bang. Điều này không ngăn cản cácnhà vật lý lý thuyết phỏng đoán. Họ đoán rằng, trướckhi BigBang xảy ra, vũ trụ có lẽ là không có gì! Cả vũ trụ baola, phức tạp, bí ẩnmênh mông, hàngtỉ năm biến động khốc liệt, hàng tỉ năm thinh lặng, tất cả có lẽ đã bắt nguồntừ hư không! “Hết thảy đềulà hư không”. Như lời một thiền sư nào đã vang vọng từ ngàn năm trước. Các nhà lý thuyết cho rằngnăng lượngban đầu được tạora từ sự nhiễu loạn của chân khôngvà tuân thủ nguyên lý bất địnhcủa vật lý lượng tử, rồi chỉ sau một khoảng thời gian cực ngắn, ~ 10-32giây,nguồnnăng lượngban đầu trải quamột quá trìnhgiãn nở vượt tốc độ ánhsáng, còn gọi là giaiđoạn lạm phát. Ta không biết chuyện này có thực xảy ra hay không, nhưng điều kỳ diệu là những gì xảy ra sau đó có thể tính toánvà kiểm chứngđược. Cũng như các ý tưởngđã nảy sinh trướcđó, cơ chế lạm phát cũng chứa đầynhững trái khoáy, cũng có “vấn đề”. Nhưng trước mắt lạmphát giảiquyết được bài toán đauđầu mà cácquan sát BXN đã mang lại:cường độ nền bức xạ mọi hướng đều giốngnhau. Sự đồng nhất này là do việccân bằng nhiệt đã xảyra trướclạm phát. Thêm nữa, cơ chế này sẽ làmnảy sinh bức xạ sónghấp dẫn (khác với bứcxạ sóng điện từ mà ta gọi là BXN). Biển sóng hấp dẫn nàysẽ tương tác với bức xạ điện từ, và các tính toáncho thấy sự tương tác này sẽ để lại trong BXNngày naymộtmức độ phân cực nhất định. Đây chínhlà di chỉ đặc thù, là dấuchỉ tay của lạm phát. Tín hiệuphâncực được xác địnhlà vô cùngnhỏ,xuống đếnhàngtỉ lần nhỏ hơncường độ BXN. Mứctương phản này là một khó khăn cơ bản trong việc đo đạt. Tốc độ phát triểnnhanhcủa kỹ thuật cảm biếnvi ba trongmấy năm qua chophép các nhóm nghiên cứu lạc quanvề khả năngphát hiện mức phân cực của BXNtrong một tương lairất gần. Hàng loạt nhữngnỗ lực thực nghiệm đang được tiến hành, với sự góp mặt của nhiều việnnghiên cứu từ nhiều nướckhác nhau. Người ta thử mọicách có thể được nhằm giảm bớt mựctương phản giữa tín hiệu lạm phátvà bức xạ nhiệt từ môi trường, cơ bản làhơi nước trong bầu khí quyển.Họ lặnlội lên đến đỉnh khô ráo nhất ở Nam Mỹ, nếu chưa đủ thì dùng bóngthám không, hayra hẳn ngoài không gian bằng tàu vũ trụ. Cónhóm mang thiết bị xuống Nam Cực, nơi khôlạnh nhất địa cầu. BICEPlà một thínghiệm như vậy. BICEP đivào hoạt độngtừ đầu năm 2006, và đáng kể làđến nay đã vượt lên WMAP trên chặng đường về đích (WMAPvốn làmột đài quan sátthiên văn không gian của NASA đặtbiệt chế tạo cho mụcđích khảo sátBXN). 4. Và ngày mai Trongvài năm nữa, mộtthế hệ thiết bị mới (còn gọi là BICEP2hay SPUD)sẽ xuống NamCựcđể tiếp tục cuộc chạy đuavàogiai đoạn nước rút. Takhông biết những gì sẽ chờ đợi họ ở lằn về đích. Rất có thể chặngđườngsắp đếnsẽ dài hơn, rất cóthể sẽ chẳng có gì chờ đợi họ ở cuối đường. Dẫu thế nào,chúng tacũng khó mà thờ ơ trước những phát triển vượt bậc đạt đượcgầnđây trong kỹ thuật, đưa lại khối lương dữ liệu lớn lao về bầu trời. Những kết nối của thôngtin qua mạng ảo sẽ cho phépnhiều ngườiđược thamgia vàocuộcphát triểnvũ trụ họcđầy sôi nổi này. Và biết đâu nhiều người nước Việt mình cũngsẽ được gópphần . Tại sao đêm tối Trênđây là những chuyện cũ mà nhiềubạn đọc đã biết hết rồi. Ngườiviết muốn nhắc lại những. vật hấp dẫn,khôngphải là bội thu sao? Ta thấylà mục tiêutối hậucủa phương thức khoa học thực ra không nhằm mục đích để chứng minh sự thật; sự thật hay là thực tại vậtlý nếu có, sẽ đến như một. do đêmvẫn tối: vũ trụ mà ta quan sát được không phảilà hằng hữu. Bởi vì tốcđộ ánhsánglà hữu hạn, nhìnra xa cũngcó nghĩa là nhìnvề quá khứ - mặt trờita nhìn thấy là của 8 phúttrước đấy. Và vì sao