Vũ trụ ra đời như thế nào?

Vũ trụ học là một khoa học còn rất non trẻ. Ngay cả khi Einstein đã đưa ra thuyết hấp dẫn năm 1916, bằng chứng thực nghiệm duy nhất về nguồn gốc vũ trụ chỉ là bầu trời ban đêm tối đen. Nghịch lý Olbers (1823) cho rằng nếu vũ trụ vô tận trong không thời gian thì nó có nhiều sao đến mức khi nhìn lên bầu trời theo bất cứ hướng nào, 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.

Thuyết Big Bang tiêu chuẩn

Nhưng thực tế bầu trời ban đêm lại tối đen. Thật thú vị là trong bài thơ văn xuôi dài Eureka năm 1848, Edgar Poe (cha đẻ của truyện trinh thám) cho rằng, đó là do các ngôi sao chưa đủ thời gian để chiếu sáng toàn vũ trụ. Vậy bầu trời đêm tối đen chứng tỏ vũ trụ hữu hạn cả trong không gian và thời gian. 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 của Big Bang là thuyết tương đối tổng quát, cho rằng không thời gian không phải là cái nền cố định để mọi biến dịch vũ trụ diễn ra trên đó, mà là các đại lượng động lực, phụ thuộc vật chất đồng thời chi phối vật chất. Điều đó dẫn tới việc không thời gian và do đó vũ trụ có thể có khởi đầu và kết thúc, một ý tưởng mà ban đầu chính Einstein cũng tìm cách chống lại.

Bằng chứng quyết định là phát hiện vũ trụ giãn nở của Hubble (Mỹ) những năm 20 của thế kỷ trước. Cho đến lúc đó, dải Ngân hà của chúng ta được xem là toàn bộ vũ trụ. Với viễn kính 100 inch tại núi Wilson, Hubble thấy Tinh vân tiên nữ, một thiên hà sánh đôi cách 2 triệu năm ánh sáng, đang tiến lại gần chúng ta. Khảo sát các thiên hà khác, ông thấy chúng đang tản ra xa. Điều đó có nghĩa vũ trụ gồm hàng tỉ thiên hà đang tản xa nhau.

Vũ trụ hiện đang giãn 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 và độ cong không thời gian vô hạn. Và một vụ bùng nổ 13,7 tỉ năm trước đã khiến vũ trụ sinh thành. Đó là mô hình Big Bang tiêu chuẩn.

Năm 1946, nhà vật lý Mỹ gốc Nga Gamow thấy rằng, ngọn lửa sáng thế buổi hồng hoang vẫn để lại “vết lông ngỗng” qua bức xạ tàn dư trải trên toàn vũ trụ, nay lạnh chỉ còn cỡ 30 trên 00 tuyệt đối. Năm 1965, hai kỹ sư vô tuyến Penzias và Wilson tình cờ phát hiện được bức xạ này khi chế tạo một ăngten có thể bắt sóng từ vệ tinh. Như từng xảy ra trong lịch sử, giải Nobel danh giá được trao cho phát kiến tình cờ của hai người khá ngoại đạo! Năm 1992, vệ tinh COBE (Mỹ) đo được phông bức xạ này với độ chính xác rất cao. Và Big Bang được thừa nhận rộng rãi.

Khá hài hước là cái tên Big Bang lại do nhà thiên văn Hoyle đặt ra năm 1950 trong loạt bài Nguồn gốc vũ trụ trên Đài BBC để chế diễu lý thuyết. Ông là người đề xuất thuyết vũ trụ dừng năm 1948, theo đó vũ trụ không có khởi đầu và kết thúc. Sau khám phá bức xạ tàn dư, nó đã chết vẻ vang như nhiều lý thuyết khoa học khác.

Big Bang từ đâu xuất hiện? Có giả thuyết cho rằng Vụ nổ lớn là kết quả của Vụ co lớn (Big Crunch) trước đó, khi lực hấp dẫn thắng dần sự giãn nở và vũ trụ bắt đầu co về một điểm. Nói cách khác Big Bang là điểm chuyển pha giữa các pha co giãn xen kẽ nhau của vũ trụ.

Nhược điểm chí tử của mô hình trên là bài toán kì dị. Tại Big Bang, do kích thước nhỏ vô hạn, nên mật độ năng lượng hay độ cong không thời gian lớn vô hạn, điều không có trên thực tế. Đó là vì thuyết tương đối tổng quát là lý thuyết về các hiện tượng vĩ mô, nên không mô tả các thăng giáng lượng tử đặc trưng cho thế giới vi mô. Với Vụ nổ lớn hay lỗ đen, là các thực tại vật lý vừa nhỏ (nơi các hiệu ứng lượng tử chi phối), vừa nặng (nơi các hiệu ứng hấp dẫn chi phối), cần một lý thuyết thống nhất giữa thuyết lượng tử và thuyết tương đối. Đó là thuyết hấp dẫn lượng tử.--PageBreak--

Lý thuyết dây và Big Bang

Trong số các thuyết hấp dẫn lượng tử, lý thuyết Dây là một trong hai tiếp cận khả quan nhất, cùng thuyết hấp dẫn lượng tử vòng. Quan điểm truyền thống xem hạt cơ bản là chất điểm không kích thước. Và đó chính là lý do xuất hiện các giá trị lớn vô cùng. Lý thuyết Dây tránh điều đó bằng cách giả thuyết bản thể vũ trụ là dây một chiều, màng hai chiều hay các thực thể nhiều chiều hơn. Chúng có kích thước rất nhỏ, nhưng không bằng không (lớn gấp 10 lần độ dài Planck, 10^-33cm, là kích thước nhỏ nhất còn có ý nghĩa vật lý).

Giống sợi dây đàn dao động sẽ tạo ra các nốt nhạc, dây hay màng dao động trong không thời gian 11 chiều sẽ tạo ra mọi hạt cơ bản đã biết và chưa biết. Trong khi thuyết tương đối cho rằng vũ trụ có thể có kích thước zero; lý thuyết Dây cho rằng độ dài Planck là kích thước giới hạn của vũ trụ, vì đã chứng minh được rằng, các quy luật của thế giới dưới thang Planck hoàn toàn giống các quy luật của thế giới trên thang Planck. Nói cách khác vũ trụ vi mô hoàn toàn đồng nhất với vũ trụ vĩ mô, mà kích thước Planck chính là ranh giới.

Lý thuyết Dây đưa ra hai kịch bản khác kịch bản của thuyết tương đối. Đó là thuyết tiền Big Bang và thuyết màng va chạm.

Thuyết tiền Big Bang do nhà vật lý Ý Veneziano, cha đẻ của lý thuyết Dây, đưa ra năm 1991. Theo đó trong một vũ trụ vẫn đang tồn tại, có một vùng lực hấp dẫn đủ mạnh để hút vật chất co về Vụ co lớn. Khi Vụ co lớn đạt kích thước Planck thì nó bùng nổ thành Vụ nổ lớn. Và vũ trụ của chúng ta chính là một vụ nổ như thế khoảng 13,7 tỉ năm trước. Đó là một đơn vũ trụ (universe) tự thân co giãn trong một đa vũ trụ (multiverse), thuật ngữ của nhà thiên văn Anh mang tước hiệp sĩ Martin Rees.

Năm 2001, năm nhà khoa học Anh - Mỹ, đứng đầu là Steinhardt và Turok, đưa ra mô hình khác cũng dựa trên lý thuyết Dây. Theo đó vũ trụ chúng ta là một màng đa chiều trôi trong không gian nhiều chiều hơn. Vụ nổ lớn 13,7 tỉ năm trước chính là cú va chạm giữa màng của chúng ta với một màng khác nằm song song theo chiều dư. Va chạm có thể xảy ra nhiều lần, trước va chạm hai màng co lại, sau va chạm hai màng giãn nở, như Hubble đã thấy.

Một ưu điểm của mô hình tiền Big Bang là vũ trụ chúng ta có thể tự co giãn, trong khi mô hình va chạm cần thêm vũ trụ song song. Ngược lại, một ưu điểm của thuyết màng va chạm là giải quyết được bài toán vật chất và năng lượng tối nan giải. Đó chính là vật chất thông thường ở màng bên cạnh mà ta không “thấy” gì ngoài lực hấp dẫn.

Phải chăng đó chỉ là những giả thuyết không thể kiểm chứng? Không phải như vậy, ba kịch bản trên đều đưa ra tiên đoán về mật độ năng lượng và tần số sóng hấp dẫn. Trong vòng 10 năm tới, các vệ tinh Planck, LIGO và VIRGO sẽ được phóng lên quỹ đạo nhằm thu thập số liệu. Khi đó hoặc một kịch bản vượt vũ môn, hoặc cả ba đều thất bại. Và khoa học sẽ phải tìm một mô hình vũ trụ mới.

Đa vũ trụ ra đời như thế nào?

Trên đây là ba kịch bản ra đời của vũ trụ của chúng ta. Vậy đa vũ trụ xuất hiện từ đâu và xuất hiện như thế nào? Câu trả lời là đa vũ trụ xuất hiện từ hư vô do nguyên lý bất định. Theo quan điểm vật lý, hư vô không phải là không có gì, mà chứa đầy các thăng giáng lượng tử xuất hiện do nguyên lý bất định Heisenberg.

Nguyên lý này nói rằng, giá trị tuyệt đối và thăng giáng của các trường vật lý không thể xác định chính xác đồng thời. Nên các trường phải luôn thăng giáng quanh giá trị zero, vì nếu trường bằng zero thì thăng giáng của nó cũng bằng zero. Có nghĩa giá trị và thăng giáng của trường lại chính xác đồng thời (đều bằng zero). Đó là điều nguyên lý bất định cấm, nên trường phải khác không và luôn thăng giáng. Điều đó có nghĩa các “bọt năng lượng” luôn sinh ra và mất đi. Và một số bọt có thể thăng giáng đủ mạnh để giãn nở và trở thành các đơn vũ trụ như vũ trụ của chúng ta.

Như vậy, các đơn vũ trụ có thể sinh thành và tan vỡ không ngừng như trong trò thổi bong bóng xà phòng. Còn đa vũ trụ thì sao? Câu trả lời liên quan với tổng năng lượng. Năng lượng chứa trong vật chất là dương, còn năng lượng hấp dẫn giữa chúng là âm. Nếu đa vũ trụ là “phẳng” trong không thời gian đa chiều, giá trị hai năng lượng  bằng nhau và tổng năng lượng toàn vũ trụ bằng không. Và nguyên lý bất định cho phép nó tồn tại mãi mãi. Vẫn hiện hữu mà vẫn lại là số không, vũ trụ chính là biểu hiện của triết lý sắc sắc không không của đạo Phật, ít ra là về ngôn ngữ.

Vậy tại sao lại có hư vô và nguyên lý bất định để vũ trụ tự sinh tự diệt? Người viết bài này cho rằng khoa học không thể đưa ra lời giải đáp. Và đó là một trong những lý do tồn tại vĩnh hằng của nghệ thuật hay tôn giáo