Những câu trả lời mới và những câu đố mới
Mô hình Big Bang chuẩn, đã thắng lợi rực rỡ hồi thập niên 1960 so với một lí thuyết vũ trụ học đối chọi, hoan hỉ ngự trị suốt thời gian còn lại của thế kỉ 20. Mô hình chuẩn đó còn thu được một kết quả đáng kể: lí thuyết vũ trụ học lạm phát.
Năm 1979, một nhà vật lí hạt trẻ người Mĩ, Alan Guth, đề xuất rằng những đặc điểm vũ trụ học quan trọng có thể giải thích dưới dạng những hệ quả tự nhiên và không thể tránh được của những lí thuyết mới của vật lí hạt. Guth đã chỉ rõ làm sao một sự “lạm phát” to lớn có thể xảy ra trong phần rất nhỏ đầu tiên của một giây của sự tiến hóa của vũ trụ. Trong khoảng thời gian nhỏ xíu này, vũ trụ có thể dãn nở ở tốc độ kinh khủng, sau đó thì chậm dần. Sau đó, lí thuyết “vũ trụ lạm phát” hợp nhất với lí thuyết Big Bang chuẩn.
Giữ vai trò quan trọng ở đây là sở thích triết lí: những đặc trưng vũ trụ đó phải được giải thích dưới dạng những hệ quả tự nhiên và không thể tránh khỏi của lí thuyết, chứ không phải những thông số đơn thuần độc đoán do quan sát mang lại. Cũng sở thích triết lí đó đã dẫn đường cho Copernicus và những nhà vũ trụ học buổi đầu khác khi họ lựa chọn giữa những lí thuyết đối chọi nhau không thể nào tách riêng ra bằng các quan sát.
Hấp dẫn làm bẻ cong ánh sáng, như Einstein chỉ rõ. Trong bức ảnh do Kính thiên văn vũ trụ Hubble chụp này, một cụm ba thiên hà to lớn cách xa 7 tỉ năm ánh sáng (màu cam) đang bẻ cong
ánh sáng tạo ra nhiều ảnh của một thiên hà cách xa 11 tỉ năm ánh sáng (các đốm trắng). Những “kính thiên văn” như thế được sử dụng để nghiên cứu những thiên hà khó nhận thấy bằng cách khác được hình thành sớm trong lịch sử vũ trụ của chúng ta, mang lại bằng chứng về tuổi và thành
phần của vũ trụ.
Đặc điểm mà lí thuyết của Guth cố gắng giải thích là mật độ khối lượng của vũ trụ. Như ông và nhiều nhà khoa học khác nhận thấy, nếu mật độ vượt quá một giá trị tới hạn nhất định, thì lực hút hấp dẫn giữa từng khối lượng lên khối lượng khác sẽ làm chậm dần sự dãn nở của vũ trụ - và cuối cùng làm đảo ngược tiến trình, hợp nhất mọi thứ trong một vụ “co lại lớn”. Nếu mật độ nhỏ hơn con số tới hạn thì vũ trụ sẽ dãn nở mãi mãi, kết quả là một sự “lạnh lẽo lớn”. Ở mật độ tới hạn, vũ trụ “phẳng” thu được sẽ tiếp tục dãn nở, nhưng ở tốc độ ngày càng chậm.
Vấn đề là ở chỗ mật độ khối lượng của vũ trụ lúc ra đời của nó gần gũi không ngờ với mật độ tới hạn. Bằng không thì chúng ta đã chẳng có mặt ở đây lúc này. Không biết mật độ ban đầu của vũ trụ có khác với giá trị thực sự của nó một lượng nhỏ cỡ một phần 10 lũy thừa 60 để cho tất cả vật chất trước đây lâu lắm đã co lại thừa nhận vụ co lớn hay là xé toạc ra xa thừa nhận sự dãn nở của sự lạnh lẽo lớn. Khi đó sẽ không có thời gian cho các hành tinh hình thành và các sinh vật sống tiến hóa. Nên khi đó sẽ không có sự sống thông minh để thưởng ngoạn thực tế là mật độ có chính xác là cái cần thiết để thoát khỏi sự lãng quên hay không.
Một nguyên lí của loài người ?
Các nhà triết học đã nâng những tư tưởng như thế thành “nguyên lí vũ trụ của con người”. Theo sự hình thành thiếu sức mạnh của nó, nguyên lí đó phát biểu rằng vũ trụ phải tồn tại làm sao cho nó thu nhận và duy trì được sự sống. Từ câu nói của Descartes “Tôi tư duy, vì thế tôi tồn tại”, chúng ta có thể đi đến nói “Tôi tồn tại, vì thế bản chất của vũ trụ cho phép tôi tồn tại”. Sự hình thành nên các sao, các hành tinh và sự sống cũng sẽ không thể nào có được bởi những thay đổi nhỏ ở giá trị của những hằng số vật lí khác, trong đó có cường độ của các lực cơ bản, ví dụ như lực hấp dẫn và lực điện từ và khối lượng và điện tích của các hạt hạ nguyên tử.
Tập hợp những sự trùng hợp ngẫu nhiên khác thường đó hình như là cần thiết cho sự sống tiến triển ở quy mô lớn. Không biết có nhiều vô số vũ trụ, mỗi vũ trụ có những con số hơi khác nhau một chút cho những hằng số cơ bản, hay cả những định luật của tự nhiên hơi khác nhau một chút… và chúng ta là một trong vài số giống loài giữ được sự sống thông minh ? Việc hỏi tại sao chúng ta lại ở trong một vũ trụ vừa đủ thích hợp cho sự sống, chứ không ở trong một trong số những vũ trụ khác, giống như việc một con cá hỏi tại sao nó lại không sống ở trên cạn. Các nhà vật lí cơ bản đang nghiên cứu phương pháp mô tả một “đa vũ trụ” như thế. Hay là có một vũ trụ độc lập, được tạo ra và điều chỉnh tốt sao cho sự sống thông minh có thể tiến hóa trong nó (phiên bản “mạnh” của nguyên lí của loài người) ? Nếu như thế thì một số người sẽ cho rằng sự điều chỉnh chính xác đó ngụ ý cách sắp xếp thông minh.
Newton nghĩ rằng có sự can thiệp của thần thánh giữ các hành tinh trên quỹ đạo của chúng. Laplace chứng minh các định luật cơ học của Newton sẽ tự động mang lại điều đó. Nhưng tại sao các định luật đó lại hoạt động tốt như thế ?
Điều này nghe giống hệt như quan niệm hồi thế kỉ 18 về Chúa sáng tạo, người đã tạo ra vũ trụ và để cho nó tự tiến hóa. Ý tưởng đấng sáng tạo này hoàn toàn khác với những khẳng định hiện nay, trái với lí thuyết tiến hóa, về “sự sắp xếp thông minh” đang tiến triển của các cơ quan sống. Với những câu hỏi như thế, vũ trụ đã đi từ địa hạt khoa học sang đức tin và tôn giáo.
Kiểm tra các lí thuyết
Vấn đề tại sao mật độ của vũ trụ sau Big Bang tiến rất gần với mật độ tới hạn được gọi là “bài toán phẳng”. Mô hình Big Bang chuẩn không đưa ra câu trả lời, mà “đó chỉ là cách thức nó như thế”. Tuy nhiên, theo lí thuyết lạm phát, một sự bùng nổ ngắn của sự dãn nở theo hàm mũ tự động sẽ làm phẳng mọi thứ, khiến cho mật độ vật chất, cho dù giá trị ban đầu của nó là gì, tiến tới hầu như chính xác bằng với mật độ tới hạn. Điều này không chỉ trả lời tại sao những con số cơ bản khác chỉ vừa thích hợp cho sự tồn tại của sự sống, mà nó còn thật sự đưa ra một lời giải cho bài toán phẳng.
Lí thuyết lạm phát có thể giải quyết được một vấn đề khác, đó là “khoảng cách đường chân trời”. Đây là khoảng cách cực đại mà ánh sáng có thể truyền đi kể từ lúc bắt đầu của vũ trụ Big Bang (những ước tính hiện nay đặt giá trị này giữa 13 và 15 tỉ năm ánh sáng). Bức xạ nền vũ trụ quan sát thấy đều đặn trong toàn bộ thể tích không gian lớn hơn khoảng cách đường chân trời nhiều. Làm thế nào những vùng không gian cách xa nhau trước đây có thể tự điều chỉnh để phát ra mức bức xạ giống hệt nhau như thế ? Một vũ trụ lạm phát sẽ nhỏ hơn nhiều trong pha ban đầu của nó so với mô hình Big Bang chuẩn mang lại. Thật vậy, nó đủ nhỏ cho ánh sáng băng qua trong một phần nhỏ xíu đầu tiên của một giây. Như vậy, mọi bộ phận của vũ trụ có thể tiến đến một nhiệt độ đồng đều trước khi quá trình lạm phát khởi đầu.
Sự đồng đều là tốt, nhưng có thể có quá nhiều thứ tốt. Thiên hà của chúng ta, hành tinh của chúng ta, và cả vũ trụ nữa, hơi không đồng đều trong một vũ trụ đồng đều nói chung. Sự không đồng đều căn bản nhỏ của vật chất cần thiết cho hấp dẫn có thể phát sinh để hút vật chất lại với nhau thành thiên hà và những cấu trúc vũ trụ khác. Nhưng tại sao một phần của vũ trụ sơ khai lại khác những phần kia ? Thật ra, không-thời gian luôn luôn dao động ở một kích thước hạ vi mô, theo lí thuyết “bất định” cơ sở của cơ học lượng tử. Những dao động này cực kì nhỏ, nhưng trong quá trình lạm phát chúng sẽ kéo căng ra hết sức. Sự gấp nếp thu được trong không-thời gian có thể mang lại một sự khởi đầu cho sự kết khối lại với nhau của những cấu trúc kích thước lớn như thiên hà hay các cụm thiên hà.
Mật độ các thiên hà trong một góc nêm bầu trời đến chừng 10 tỉ năm ánh sáng (màu đỏ là dày đặc nhất). Những dao động lượng tử nhỏ trong Big Bang ban đầu đã được khuếch đại khi không gian dãn nở đồng thời lực hấp dẫn hút vật chất lại với nhau. Việc đó tạo ra sự tập trung các thiên hà với
rất nhiều khoảng trống giữa chúng. Những phép đo kích thước của cấu trúc “sủi bọt” này cho biết nhiều về bản chất hiện tại của vật chất trong vũ trụ cũng như lịch sử của nó.
Các lí thuyết vũ trụ học sống hay chết là do các tiên đoán của chúng. Các nhà thiên văn vật lí George Smoot và John Mather đề xuất tìm kiếm những chênh lệch nhỏ
xíu khỏi sự đồng đều trong bức xạ nền vũ trụ mà lí thuyết lạm phát tiên đoán, và NASA đã chế tạo một vệ tinh đắt tiền có khả năng thực hiện công việc đó. Năm 1992, họ báo cáo đã tìm thấy những nếp gấp trong bức xạ nền, có kích thước như tiên đoán cho mầm mống của vũ trụ của chúng ta phát sinh.
“Bản đồ vũ trụ sơ khai” do vệ tinh khám phá bức xạ vũ trụ của NASA (COBE) mang lại. Bức ảnh màu không thật này biểu diễn những dao động nhỏ xíu ở cường độ của nền vi sóng vũ trụ, “hóa thạch” của những dao động ngẫu nhiên bên trong quả cầu lửa Big Bang trong thời khắc đầu tiên
của sự tồn tại của nó. Nền vật lí và vũ trụ học mới
Trong vài thập kỉ vừa qua của thế kỉ 20, nền vật lí hạt không ngừng mang lại những tiến bộ trong vũ trụ học. Trong khi đó, các nhà vật lí hạt đã đẩy xa giới hạn của các máy gia tốc hạt hiện có và sự tài trợ của cộng đồng cho những thiết bị lớn hơn từ trước đến nay. Họ không ngừng chuyển sang vũ trụ học tìm kiếm thông tin liên quan tới hành vi của vật chất ở những điều kiện thái cực chiếm ưu thế ở vũ trụ sơ khai.
Kể từ thập niên 1970, các nhà lí thuyết bắt đầu nghiên cứu “lí thuyết dây” mà họ hi vọng có thể giải thích được mọi định luật vật lí và mọi quy luật của tự nhiên trong một phương trình đơn giản. Theo lí thuyết này, thành phần cơ bản của vũ trụ là các dây nhỏ xíu đang uốn éo chứ không phải các hạt. Tuy nhiên, các nhà vũ trụ học đã chẳng tìm thấy bằng chứng thực nghiệm nào cho lí thuyết dây, đồng thời họ cũng không nghĩ ra được tiên đoán có tính quan sát nào để bác bỏ nó. Nếu một số dây hạ vi mô ban đầu kéo căng ra lớn như các thiên hà trong sự bộc phát lạm phát ngắn của vũ trụ sơ khai, thì hiện nay chúng có thể đang bị níu kéo dưới hàng loạt sức căng, và những gợn sóng thu được trong không-thời gian có thể phát hiện ra bằng Giao thoa kế laser quan sát sóng hấp dẫn mới.
“Những ý tưởng triệt để của Zwicky và tính cách ưa gây gỗ của ông đã mang ông đến chỗ thường xuyên mâu thuẫn với các đồng sự của mình tại Caltech. Họ xem ông là điên rồ và ông xem họ là ngu ngốc”.
Freeman Dyson
Những loại hạt mới có lẽ cần thiết để trả lời một câu hỏi xưa cũ về “vật chất còn thiếu”. Trở lại thập niên 1930, nhà thiên văn học Fritz Zwicky đã đo được tốc độ của các thiên hà trong những cụm thiên hà và loan báo rằng các cụm phải bay ra xa nhau. Lực hút hấp dẫn của vật chất khả kiến không đủ để giữ các thiên hà đang chuyển động nhanh lại với nhau. Các nhà thiên văn khác cho rằng một số lời giải thích đơn giản cuối cùng có thể có được, có lẽ là do sai sót trong các quan sát. Nhưng vào thập niên 1970, khi Vera Rubin cùng với W.K. Ford đo được chuyển động quay của từng thiên hà, trước sự ngạc nhiên của họ, họ đã phát hiện cùng vấn đề trên. Các sao vùng bên ngoài đang quay nhanh đến mức chúng phải văng ra nếu như không có gì giữ chúng lại ngoài lực hút hấp dẫn của các sao khả kiến.
Vào thập niên 1930, nhà thiên văn học không theo nguyên tắc Fritz Zwicky khăng khăng rằng
các thiên hà đang ẩn giấu một lượng vật chất khổng lồ không nhìn thấy. Nửa thế kỉ đã trôi qua trước khi Vera Rubin chỉ ra rằng ông đã
đúng.
Vera Rubin
Nghiên cứu bằng những phương pháp khác xác nhận rằng chúng ta chỉ nhìn thấy khoảng 10% khối lượng trong vũ trụ. Các quan sát và tính toán từ thuyết Big Bang chỉ gợi ý ở 90% còn lại. Một số trong vũ trụ không nhìn thấy có thể gồm các sao phát ra ánh sáng rất nhẹ, ví dụ như “sao lùn nâu” hay các lỗ đen nguyên thủy. “Các hạt khối lượng lớn tương tác rất yếu” (WIMP), do các nhà vật lí lí thuyết tiên đoán, có thể cấu thành một số trong lượng vật chất còn thiếu, nhưng WIMP không được phát hiện ra trong phòng thí nghiệm. Những lí thuyết khác thì hướng tới những khiếm khuyết thuộc hình học topo ở không-thời gian, các nếp gấp vũ trụ còn lại từ vũ trụ sơ khai ban đầu.
Đầu thế kỉ 21, những quan sát sao siêu mới ở xa và các tuyến bằng chứng khác đã dựng nên một bức tranh còn gây hoang mang hơn nữa. Ngoài “vật chất tối” ra, hình như còn có cả “năng lượng tối”. Năng lượng này có thể làm cho sự dãn nở của vũ trụ thật sự gia tốc, có lẽ làm xé toạc các thiên hà và cả vật chất ra xa trong tương lai xa. “Năng lượng tối” đó có thể liên quan tới sự mở rộng tự nhiên của các phương trình thuyết tương đối rộng của Einstein. Nó cũng có thể liên quan tới những dao động lượng tử của không-thời gian và những đặc trưng kì lạ khác của
nền vật lí cơ bản. Điều duy nhất chắc chắn là còn có nhiều thứ phải tìm hiểu thêm nữa – đảm bảo cũng sẽ đáng ngạc nhiên như những gì chúng ta đã biết – khi các nhà vũ trụ học tiếp tục cuộc hành trình của họ.
Các thiên hà trông giống như những hạt cát. Là một phần nhỏ bé của bầu trời, bức ảnh này được chụp bởi cuộc khảo sát trường sâu của Kính thiên văn vũ trụ Hubble. Hầu như mỗi vết trong bức
ảnh này là một thiên hà ở xa.
An Minh, tháng 8/2007 © hiepkhachquay
PHẦN II
CÁC PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU VŨ TRỤ HỌC Chương 8