CHƯƠNG HAI VŨ TRỤ NGHỊCH LÝ

Giá ta có mặt vào lúc sáng thế, ta đã có thể đưa ra một số gợi ý hữu ích cho một trật tự vũ trụ tốt hơn.

- Vua Alphonse Thông thái*

Hệ Mặt Trời chết tiệt. Ánh sáng tồi tệ; các hành tinh quá xa; các sao chổi phiền nhiễu; sự sắp đặt kém cỏi; có thể tự mình tạo lấy một cái [vũ trụ] tốt hơn.

- Huân tước Jeffrey

Trong vở kịch As You Like It (Khi bạn thích nó), Shakespeare đã viết những lời bất hủ:

Cả thế giới là một sân khấu,

Và mọi người là những diễn viên

Họ liên tục vào ra sân khấu.

Trong thời Trung đại, thế giới này quả thật chỉ là một sân khấu, nhưng nó chỉ là một sân khấu nhỏ và tĩnh tại, bao gồm một Trái Đất phẳng và nhỏ xíu, xung quanh nó là các thiên thể di chuyển bí ẩn trên các quỹ đạo hoàn hảo của chúng trên trời. Các sao chổi được xem như là điềm xấu báo trước cái chết của vua chúa. Khi sao chổi lớn năm 1066 lướt ngang bầu trời nước Anh, nó đã làm những người lính Saxon của vua Harold khiếp sợ, và họ đã nhanh chóng thất bại trước đội quân bất khả chiến bại đang tiến công của William, Nhà Chinh Phục, thiết lập sân khấu cho sự hình thành nước Anh hiện đại.

Cũng chính sao chổi ấy đã xuất hiện trên bầu trời nước Anh một lần nữa vào năm 1882, lần này cũng gieo rắc sự kinh hãi và lo sợ khắp châu Âu. Tất cả mọi người, từ các bác nông dân cho tới các ông vua, dường như đã bị vị khách không mời xẹt ngang bầu trời này thôi miên. Sao chổi ấy từ đâu tới? Nó bay đi đâu và có ý nghĩa gì?

Một quý ông giàu có tên là Edmund Halley, một nhà thiên văn nghiệp dư, đã bị sao chổi này gợi tò mò tới mức ông đã tham khảo các ý kiến của một trong những nhà khoa học vĩ đại nhất thời ấy là Isaac Newton. Khi Halley hỏi Newton lực nào có thể có khả năng kiểm soát chuyển động của sao chổi này, Newton đã điềm tĩnh trả lời rằng sao chổi này di chuyển theo một đường elip theo định luật lực bình phương nghịch đảo (nghĩa là lực tác động vào sao chổi này giảm tỉ lệ thuận với bình phương của khoảng cách từ Mặt Trời đến nó). Trên thực tế, Newton nói, ông đã theo dõi sao chổi này bằng kính viễn vọng mà ông đã phát minh ra (kính thiên văn phản xạ được các nhà thiên văn trên toàn thế giới sử dụng ngày nay) và đường đi của nó tuân theo định luật vạn vật hấp dẫn mà ông đã phát triển hai mươi năm trước đó.

Halley đã sửng sốt tới mức không thể tin được. “Làm sao mà ngài biết?” Halley hỏi. “Tại sao à, tôi đã tính toán nó.” Newton đáp. [13] Chưa bao giờ trong những giấc mơ ngông cuồng nhất của mình Halley lại mong chờ được nghe thấy rằng bí mật của các thiên thể, từng là bí ẩn thách đố nhân loại kể từ khi những người đầu tiên ngước mắt lên ngắm nhìn bầu trời, lại được giải thích chỉ bằng một định luật hấp dẫn mới.

Choáng váng bởi tầm quan trọng của phát minh đột phá vĩ đại này, Halley đã hào phóng tỏ ý muốn được chi tiền để Newton công bố học thuyết mới này. Năm 1687, với sự cổ vũ và tài trợ của Halley, Newton đã công bố tác phẩm để đời của mình là Philosophiae naturalis Principia Mathematica (Những nguyên lý toán học trong triết học tự nhiên). Nó đã được ca ngợi như là một trong những công trình quan trọng nhất được xuất bản từ trước cho tới nay. Chỉ bằng một vài nét bút, các nhà khoa học, trước đó chưa biết gì về các quy luật bao quát hơn của hệ Mặt Trời đã đột nhiên có thể dự đoán sự chuyển động của các thiên thể với độ chính xác tuyệt hảo.

Ảnh hưởng của cuốn Principa (Những nguyên lý)* trong các phòng khách và các triều đình châu Âu lớn tới mức nhà thơ Anh Alexander Pope đã viết:

Tự nhiên với các quy luật chìm trong bóng tối,

Chúa phán: Hãy có Newton! và tất cả bừng lên sáng rỡ.

(Halley nhận ra rằng nếu quỹ đạo của sao chổi là một hình elip, thì người ta có thể tính toán khi nào nó lại bay qua bầu trời London lần nữa. Tìm kiếm các ghi chép cũ, ông nhận thấy rằng các sao chổi của các năm 1531, 1607 và 1682 quả thật chỉ là cùng một sao chổi. Sao chổi từng có vai trò then chốt đối với sự hình thành một nước Anh hiện đại vào năm 1066 đã được nhiều người nhìn thấy trong suốt lịch sử thành văn, trong đó có Julius Caesar*. Halley dự đoán rằng sao chổi này sẽ quay trở lại vào năm 1758, rất lâu sau khi Newton và Halley qua đời. Khi sao chổi này quả thật đã trở lại đúng hẹn vào lễ Giáng sinh năm đó, nó đã được đặt tên là sao chổi Halley.)

Newton đã phát hiện ra định luật vạn vật hấp dẫn hai mươi năm trước đó, khi nạn dịch hạch đen buộc Đại học Cambridge phải đóng cửa và ông phải lui về điền trang thôn dã của mình tại Woolsthorpe. Ông thích thú nhớ lại rằng trong khi đi dạo quanh điền trang, ông đã nhìn thấy một quả táo rơi. Khi đó, ông tự đặt ra một câu hỏi mà rốt cuộc đã làm thay đổi tiến trình lịch sử loài người: nếu một quả táo rơi, thì liệu Mặt Trăng có rơi hay không? Trong khoảnh khắc lóe sáng của một thiên tài, Newton nhận ra rằng quả táo, Mặt Trăng, và các hành tinh thảy đều tuân theo cùng một định luật hấp dẫn, rằng tất cả chúng đều rơi theo một định luật bình phương nghịch đảo. Khi Newton nhận thấy rằng toán học của thế kỷ 17 là quá thô sơ để giải định luật về lực này, ông đã phát minh ra một nhánh mới của toán học là vi tích phân để xác định chuyển động của những quả táo rơi và những vệ tinh.

Trong Những nguyên lý , Newton cũng đã thảo ra các định luật cơ học, các định luật về chuyển động để xác định các quỹ đạo của tất cả các vật thể trên mặt đất cũng như trên trời. Các định luật này đặt cơ sở cho việc thiết kế máy móc, khai thác năng lượng hơi nước và chế tạo đầu máy xe lửa, và chúng đã giúp mở đường cho cuộc cách mạng công nghiệp và nền văn minh hiện đại. Ngày nay, mọi tòa nhà chọc trời, mọi cây cầu và mọi tên lửa đều được xây dựng bằng việc sử dụng các định luật Newton về chuyển động.

Newton không chỉ tặng cho chúng ta các định luật vĩnh cửu của chuyển động, ông còn làm đảo lộn thế giới quan của chúng ta, cho chúng ta một bức tranh mới hoàn toàn về vũ trụ mà trong đó các quy luật huyền bí chi phối các thiên thể cũng chính là các quy luật chi phối Trái Đất. Sân khấu cuộc sống không còn bị bao quanh bởi các điềm gở đáng sợ trên trời; cùng một bộ các quy luật áp dụng cho các diễn viên cũng áp dụng cho phông màn sân khấu.

NGHỊCH LÝ BENTLEY

Vì Những nguyên lý là một công trình đầy tham vọng như vậy, nên nó đã đẻ ra những nghịch lý đáng lo ngại đầu tiên về cấu tạo của vũ trụ. Nếu thế giới là một sân khấu, thì sân khấu đó lớn tới mức nào? Nó vô hạn hay hữu hạn? Đây là một câu hỏi từ bao đời, ngay cả triết gia La Mã là Lucretius cũng bị nó quyến rũ. “Vũ trụ không bị giới hạn ở bất kỳ hướng nào,” ông viết. “Nếu nó bị giới hạn, nhất thiết nó sẽ có một giới hạn ở đâu đó. Nhưng rõ ràng là một vật chỉ có giới hạn khi có cái gì đó ở phía ngoài nó để giới hạn nó… Trong mọi chiều như nhau, ở bên này hay ở bên kia, ở phía trên hay ở phía dưới khắp vũ trụ, đều không có điểm kết thúc.” [14]

Nhưng lý thuyết của Newton cũng bộc lộ các nghịch lý cố hữu trong bất kỳ lý thuyết nào về một vũ trụ hữu hạn hoặc vô hạn. Những câu hỏi đơn giản nhất đều dẫn đến một bãi lầy của những điều mâu thuẫn. Ngay cả khi Newton đang tắm mình trong danh tiếng do cuốn sách Những nguyên lý mang lại, ông đã phát hiện ra rằng thuyết hấp dẫn của mình nhất định chứa đầy các nghịch lý. Năm 1692, một giáo sĩ là Đức cha Richard Bentley đã viết một lá thư đơn giản một cách chân thành nhưng đầy lo lắng cho Newton. Vì hấp dẫn luôn luôn là lực hút mà không bao giờ là lực đẩy, Bentley viết, nên một tập hợp bất kỳ các ngôi sao dĩ nhiên sẽ suy sụp vào trong chính chúng. Nếu vũ trụ là hữu hạn, thì bầu trời đêm, đáng lẽ là vĩnh cửu và tĩnh tại, lại sẽ là một cảnh tàn sát khó tin, khi các ngôi sao lao vào nhau và kết tụ lại thành một siêu sao rực lửa. Nhưng Bentley cũng đã chỉ ra rằng nếu vũ trụ là vô hạn, thì lực tác động vào một thiên thể bất kỳ, kéo nó sang trái hay sang phải, cũng sẽ là vô hạn, do đó các ngôi sao sẽ bị xé toạc ra thành các mảnh vụn trong các biến cố thảm họa dữ dội.

Thoạt nhìn, dường như Bentley đã dồn Newton vào thế bí. Hoặc vũ trụ là hữu hạn (và nó bị suy sụp thành một quả cầu lửa), hoặc nó là vô hạn (trong trường hợp này tất cả các ngôi sao sẽ bị bắn tung ra tứ phía). Khả năng nào cũng là thảm họa cho lý thuyết non trẻ được Newton đề xuất. Lần đầu tiên trong lịch sử, vấn đề này đã bộc lộ các nghịch lý tinh tế nhưng cố hữu, chúng tấn công bất kỳ thuyết hấp dẫn nào khi áp dụng cho toàn thể vũ trụ.

Sau khi suy nghĩ cẩn thận, Newton đã viết thư trả lời rằng ông tìm thấy một kẽ hở trong luận cứ này. Ông chọn một vũ trụ vô hạn, nhưng là một vũ trụ hoàn toàn đồng nhất. Vì thế, nếu một ngôi sao bị kéo sang bên phải bởi một số vô hạn các sao, thì điều này bị triệt tiêu chính xác bởi một lực kéo tương đương của một số vô hạn các ngôi sao khác ở hướng ngược lại. Như vậy tất cả các lực được cân bằng theo mọi hướng, tạo ra một vũ trụ tĩnh tại. Vì thế, nếu hấp dẫn luôn là lực hút, thì giải pháp duy nhất cho nghịch lý Bentley là một vũ trụ vô hạn và đồng nhất.

Newton quả thật đã tìm thấy một kẽ hở trong luận cứ của Bentley. Nhưng Newton cũng đủ thông minh để nhận ra điểm yếu trong câu trả lời của chính mình. Ông thừa nhận trong một lá thư rằng giải pháp của ông, mặc dù về mặt kỹ thuật là đúng, nhưng chứa đựng sự bất ổn định nội tại. Vũ trụ đồng nhất nhưng vô hạn của Newton giống như một ngôi nhà xếp bằng những quân bài: có vẻ ổn định, nhưng rất dễ sụp đổ chỉ với những nhiễu động nhẹ nhất. Có thể thấy rằng chỉ cần một ngôi sao bị đung đưa chút xíu, nó cũng sẽ gây ra một phản ứng dây chuyền và các quần sao sẽ bắt đầu sụp đổ ngay lập tức. Câu trả lời yếu ớt của Newton là viện dẫn tới một sức mạnh thần thánh” đã ngăn ngôi nhà bằng những quân bài của ông không bị sụp đổ. “Một phép màu liên tục là cần thiết để ngăn chặn Mặt Trời và các sao cố định không lao vào nhau vì lực hấp dẫn” [15] , ông viết.

Đối với Newton, vũ trụ giống như một chiếc đồng hồ khổng lồ được Chúa Trời lên dây vào lúc thời gian bắt đầu và cứ tích ta tích tắc chạy kể từ thời điểm đó, tuân theo ba định luật về chuyển động của ông, mà không cần đến sự can thiệp của Chúa nữa. Nhưng đôi khi chính Chúa Trời đã phải can thiệp và chỉnh lại vũ trụ một chút, để giữ cho nó khỏi bị sụp đổ. (Nói cách khác, đôi khi Chúa phải can thiệp để ngăn chặn các phông màn của sân khấu cuộc sống không sụp đổ xuống đầu các diễn viên.)

NGHỊCH LÝ OLBERS

Ngoài nghịch lý Bentley, có một nghịch lý khác thậm chí còn cố hữu sâu hơn trong bất kỳ vũ trụ vô hạn nào. Nghịch lý Olbers bắt đầu bằng việc hỏi tại sao bầu trời đêm có màu đen. Các nhà thiên văn ngay từ Johannes Kepler đã nhận ra rằng nếu vũ trụ là đồng nhất và vô hạn, thì cho dù bạn nhìn vào bất cứ hướng nào, bạn sẽ thấy ánh sáng từ một số vô hạn các sao. Nhìn vào bất kỳ điểm nào trên bầu trời đêm, tia nhìn của chúng ta cuối cùng sẽ đi qua một số lượng các ngôi sao vô cùng tận, do đó nhận được một lượng vô hạn ánh sáng sao. Vì thế, bầu trời đêm sẽ phải rực sáng! Thế nhưng thực tế là bầu trời đêm có màu đen, chứ không phải màu trắng, là một nghịch lý vũ trụ tinh tế nhưng khó hiểu trong nhiều thế kỷ.

Nghịch lý Olbers, giống như nghịch lý Bentley, tưởng là đơn giản nhưng đã làm điêu đứng nhiều thế hệ triết gia và nhà thiên văn học. Cả nghịch lý Bentley lẫn nghịch lý Olbers đều phụ thuộc vào quan sát rằng, trong một vũ trụ vô hạn, các lực hấp dẫn và các chùm tia sáng có thể tăng lên mãi rồi cho ra các kết quả vô hạn và vô nghĩa. Trong nhiều thế kỷ, rất nhiều giải đáp không đúng đã được đề xuất. Kepler đã bị nghịch lý này quấy nhiễu tới mức ông chỉ đơn giản là mặc nhiên công nhận rằng vũ trụ là hữu hạn, được bao trong một cái vỏ, vì thế chỉ có một lượng hữu hạn ánh sáng sao tới được mắt chúng ta.

Sự nhầm lẫn về nghịch lý này lớn tới mức một nghiên cứu năm 1987 cho thấy có tới 70% các sách giáo khoa thiên văn học đã đưa ra câu trả lời không chính xác.

Đầu tiên người ta có thể thử giải quyết nghịch lý Olbers bằng cách nói rằng ánh sáng sao bị các đám mây bụi hấp thụ. Đây là câu trả lời được chính Heinrich Wilhelm Olbers đưa ra vào năm 1823 khi ông lần đầu tiên phát biểu nghịch lý này. Olbers đã viết: “May mắn làm sao là Trái Đất không nhận được ánh sáng sao từ mọi điểm của vòm trời! Tuy nhiên, với độ sáng và nhiệt năng không thể tưởng tượng được như vậy, gấp đến 90.000 lần những gì hiện nay chúng ta trải nghiệm, Đấng Toàn năng lại có thể dễ dàng tạo ra các sinh vật có khả năng thích nghi với những điều kiện khắc nghiệt như vậy.” [16] Nhằm làm cho Trái Đất không bị tắm mình “trong một nền trời sáng chói như đĩa Mặt Trời”, Olbers đề xuất rằng các đám mây bụi phải hấp thụ lượng nhiệt mãnh liệt này để làm cho sự sống trên Trái Đất có thể nảy nở. Chẳng hạn, phần trung tâm rực lửa của Ngân Hà của chính chúng ta mà đúng ra sẽ chi phối bầu trời đêm, thực sự bị ẩn nấp phía sau các đám mây bụi. Nếu chúng ta nhìn về hướng chòm sao Cung Thủ (Sagittarius), nơi có trung tâm Ngân Hà, chúng ta sẽ thấy không phải là một quả cầu lửa rực sáng mà là một mảng tối.

Nhưng các đám mây bụi quả thật không thể giải thích được nghịch lý Olbers. Trong một khoảng thời gian vô hạn, những đám mây bụi đó sẽ hấp thụ ánh sáng từ số lượng vô hạn các ngôi sao nên cuối cùng sẽ rực sáng giống như bề mặt của một ngôi sao. Vì thế, ngay cả những đám mây bụi cũng sẽ rực sáng trong bầu trời đêm.

Tương tự như vậy, người ta có thể cho rằng một ngôi sao càng xa thì nó lại càng mờ nhạt. Điều này đúng, nhưng nó cũng không thể là câu trả lời. Nếu chúng ta nhìn vào một khoảng của bầu trời đêm, những ngôi sao rất xa quả thật là mờ nhạt, nhưng càng nhìn xa hơn thì càng có nhiều sao hơn. Hai hiệu ứng này sẽ triệt tiêu lẫn nhau một cách chính xác trong một vũ trụ đồng nhất, để lại một bầu trời đêm màu trắng. (Đó là do cường độ của ánh sáng sao giảm đi theo bình phương khoảng cách, nhưng nó bị triệt tiêu bởi một thực tế là số lượng các ngôi sao lại tăng lên theo bình phương khoảng cách.)

Điều kỳ lạ là người đầu tiên trong lịch sử giải quyết được nghịch lý này là nhà văn Mỹ chuyên viết truyện kinh dị Edgar Allan Poe, người có sự quan tâm lâu dài tới thiên văn học. Ngay trước khi qua đời, ông công bố nhiều quan sát của mình trong một bài thơ mang tính triết học nhưng khá lan man có nhan đề là Eureka: A Prose Poem (Ơ-rê-ka: Một bài thơ văn xuôi). Trong một đoạn đáng chú ý, ông viết:

Nếu các ngôi sao kế tiếp nhau vô tận, thì nền trời sẽ đem lại cho chúng ta một độ sáng đồng nhất, giống như cái mà Ngân Hà đã biểu hiện - vì hoàn toàn không thể có một điểm nào, trong toàn bộ nền trời ấy, mà ở đó không tồn tại một ngôi sao . Vì thế, cách thức duy nhất mà theo đó, trong tình trạng sự việc như vậy, chúng ta có thể hiểu được các khoảng không trống rỗng mà các kính viễn vọng của chúng ta tìm thấy ở vô số các hướng, sẽ là giả định rằng khoảng cách của nền trời tối không thấy gì này [là] lớn tới mức chưa một tia sáng nào từ nó đã có thể đi tới được chỗ chúng ta. [17]

Ông đã kết luận bằng việc lưu ý rằng ý tưởng này “là quá đẹp, đẹp đến nỗi nó không chứa chân lý làm bản chất của nó”.

Đây là chìa khóa dẫn tới câu trả lời đúng đắn. Vũ trụ không phải là già vô cùng tận. Từng có một Sáng thế. Có một ngưỡng giới hạn với lượng ánh sáng đi tới mắt chúng ta. Ánh sáng từ những ngôi sao xa xăm nhất vẫn chưa đủ thời gian để tới được chỗ chúng ta. Nhà vũ trụ học Edward Harrison, người đầu tiên phát hiện ra rằng Poe đã giải quyết được nghịch lý Olbers, đã viết: “Khi mới đọc những lời của Poe, tôi đã vô cùng kinh ngạc: Làm thế nào mà một nhà thơ, mà giỏi lắm cũng chỉ là một nhà khoa học nghiệp dư, lại có thể nghĩ ra được lời giải thích đúng từ 140 năm trước, khi mà trong các trường đại học của chúng ta thì lời giải thích sai… vẫn đang được giảng dạy?” [18]

Năm 1901 Huân tước Kelvin*, nhà vật lý người Scotland, cũng tìm ra câu trả lời đúng. Ông nhận ra rằng khi bạn nhìn vào bầu trời đêm, bạn đang nhìn vào nó ở trạng thái quá khứ, chứ không phải là nó trong hiện tại, vì tốc độ ánh sáng, mặc dù cực lớn theo các tiêu chuẩn Trái Đất (299.792 km/s), vẫn chỉ là hữu hạn, và cần phải có thời gian để ánh sáng đi từ những ngôi sao xa xăm tới Trái Đất. Kelvin đã tính toán rằng để bầu trời đêm có màu trắng, vũ trụ sẽ phải kéo dài hàng trăm nghìn tỉ năm ánh sáng. Nhưng vì vũ trụ không phải là hàng nghìn tỉ năm tuổi, nên bầu trời tất yếu có màu đen. (Còn có một nguyên nhân thứ hai góp phần giải thích tại sao bầu trời đêm có màu đen là tuổi thọ hữu hạn của các ngôi sao chỉ cỡ vài tỉ năm.)

Gần đây, đã có thể xác minh bằng thực nghiệm sự đúng đắn trong giải pháp của Poe bằng cách sử dụng các vệ tinh như kính thiên văn không gian Hubble. Các kính thiên văn mạnh mẽ này, đến lượt chúng, lại cho phép chúng ta trả lời một câu hỏi mà ngay cả trẻ em cũng có thể hỏi: Ngôi sao xa nhất nằm ở đâu? Và cái gì nằm xa hơn ngôi sao xa nhất? Để trả lời những câu hỏi này, các nhà thiên văn đã lập trình cho kính thiên văn không gian Hubble thực hiện một nhiệm vụ lịch sử: chụp ảnh điểm xa nhất trong vũ trụ. Để bắt được các phát xạ cực kỳ yếu ớt từ những ngóc ngách sâu nhất của không gian, kính thiên văn này đã phải thực hiện một nhiệm vụ vô tiền khoáng hậu: nhắm chính xác vào cùng một điểm trên bầu trời nằm gần chòm sao Lạp Hộ tức Thợ Săn (Orion) trong tổng cộng vài trăm giờ, đòi hỏi kính thiên văn này phải được đóng thẳng hoàn hảo vào một hướng trong 400 vòng quỹ đạo xung quanh Trái Đất. Dự án này khó khăn tới mức nó đã phải kéo dài trên bốn tháng.

Năm 2004, một bức ảnh gây ấn tượng sâu sắc đã được lên tít trang nhất của báo chí trên khắp thế giới. Nó cho thấy một tập hợp một vạn thiên hà mới sinh khi chúng ngưng tụ từ mớ hỗn nguyên của chính vụ nổ lớn. “Chúng ta có lẽ đã nhìn thấy cái kết của sự khởi đầu,” [19] Anton Koekemoer từ Viện Nghiên cứu Khoa học kính viễn vọng không gian tuyên bố. Bức ảnh này cho thấy một mớ lộn xộn các thiên hà mờ nhạt cách Trái Đất hơn 13 tỉ năm ánh sáng - nghĩa là, phải mất hơn 13 tỉ năm để ánh sáng của chúng đến được Trái Đất. Vì bản thân vũ trụ chỉ mới 13,7 tỉ năm tuổi, nên các thiên hà này được hình thành khoảng nửa tỉ năm sau Sáng thế, khi các ngôi sao và các thiên hà đầu tiên đã ngưng tụ từ “món xúp” của các khí còn sót lại từ vụ nổ lớn. “Kính Hubble đưa chúng ta tới rất gần bản thân vụ nổ lớn,” [20] nhà thiên văn Massimo Stivavelli của viện này cho biết.

Nhưng điều này cũng nêu lên một câu hỏi: cái gì nằm phía ngoài các thiên hà xa nhất? Khi nhìn kỹ bức ảnh đáng chú ý này, điều hoàn toàn rõ ràng là chỉ có một màu đen giữa các thiên hà. Màu đen này là cái làm cho bầu trời đêm có màu đen. Đây là cái ngưỡng cuối cùng cho ánh sáng từ những ngôi sao xa xôi. Tuy nhiên, màu đen này thực ra là bức xạ nền vi sóng. Vì thế, câu trả lời cuối cùng cho câu hỏi tại sao bầu trời đêm có màu đen là bầu trời đêm không phải là thực sự đen một chút nào. (Nếu đôi mắt của chúng ta bằng cách nào đó có thể nhìn thấy bức xạ vi sóng, chứ không chỉ ánh sáng nhìn thấy được, chúng ta sẽ thấy bức xạ từ bản thân vụ nổ lớn tràn ngập bầu trời đêm. Theo một nghĩa nào đó, bức xạ từ vụ nổ lớn hiện ra mỗi đêm. Nếu chúng ta có đôi mắt có thể nhìn thấy vi sóng, thì chúng ta có thể thấy rằng nằm phía ngoài ngôi sao xa nhất chính là bản thân hiện tượng Sáng thế.)

EINSTEIN, KẺ NỔI LOẠN

Các định luật của Newton đã thành công đến mức phải mất hơn 200 năm để khoa học có được bước tiến định mệnh kế tiếp, với công trình của Albert Einstein. Einstein đã khởi đầu sự nghiệp của mình là một ứng viên ít được mong đợi nhất cho một vai trò cách mạng như vậy. Sau khi lấy bằng cử nhân của Đại học Bách khoa Zurich, Thụy Sĩ vào năm 1900, ông bị thất nghiệp một cách vô vọng. Sự nghiệp của ông đã bị phá hoại bởi chính các giáo sư của ông, những người không thích kẻ học trò hỗn xược và vênh váo, thường xuyên bỏ học này. Những bức thư cầu xin đầy phiền muộn của ông cho thấy vực sâu mà ông đã rơi xuống. Ông coi mình là một kẻ thất bại và một gánh nặng tài chính đối với cha mẹ mình. Trong một bức thư cay đắng, ông đã thú nhận rằng thậm chí ông đã nghĩ tới việc chấm dứt đời mình. “Điều bất hạnh cho cha mẹ khốn khổ của tôi, những người trong quá nhiều năm qua đã không có một khoảnh khắc hạnh phúc, đè nặng lên tôi. Tôi chẳng là gì mà chỉ là một gánh nặng cho những người thân của tôi… Chắc chắn sẽ tốt hơn nếu như tôi không còn sống nữa,” [21] ông đã chán nản viết ra như vậy.

Trong tuyệt vọng, ông đã nghĩ đến việc chuyển nghề và đi làm cho một công ty bảo hiểm. Thậm chí ông đã nhận làm gia sư gõ đầu trẻ nhưng lại cãi cọ với người thuê mình và bị sa thải. Khi bạn gái của ông là Mileva Maric mang thai ngoài ý muốn, ông buồn bã nhận ra rằng đứa con của họ sẽ được sinh ra không hợp pháp, vì ông không có tiền để kết hôn với cô. (Không ai biết điều gì cuối cùng đã xảy ra với Lieseral, người con gái ngoài giá thú của ông.) Và cú sốc cá nhân sâu sắc ông cảm nhận được khi cha ông đột ngột qua đời đã để lại một vết sẹo tình cảm mà kể từ đó ông không bao giờ còn phục hồi hoàn toàn được nữa. Cha ông qua đời khi đang nghĩ rằng con trai mình là một kẻ thất bại.

Mặc dù giai đoạn 1901-1902 có lẽ là khoảng thời gian tồi tệ nhất trong cuộc đời của Einstein, nhưng Marcel Grossman đã cứu vãn sự nghiệp của ông khỏi rơi vào lãng quên bằng cách sử dụng tầm ảnh hưởng của mình để tìm cho ông công việc làm một thư ký quèn ở Cục Sáng chế Thụy Sĩ tại Bern.

CÁC NGHỊCH LÝ CỦA THUYẾT TƯƠNG ĐỐI

Bề ngoài, không ai nghĩ Cục Sáng chế là nơi thích hợp để khởi đầu cuộc cách mạng vĩ đại nhất trong vật lý kể từ thời Newton. Nhưng nó có những ưu thế của nó. Sau khi nhanh chóng xử lý các đơn xin cấp bằng sáng chế đang chất đống trên bàn làm việc của mình, Einstein thường ngồi thư giãn và quay về với ước mơ thời thơ ấu. Thuở còn trẻ, Einstein đã đọc một cuốn sách của Aaron Bernstein nhan đề People’s Book on Natural Science (Sách đại chúng về khoa học tự nhiên), “một tác phẩm mà tôi đọc với sự chăm chú đến nín thở”, ông nhớ lại. Bernstein đề nghị độc giả tưởng tượng đang lướt cùng dòng điện chạy trên đường dây điện báo. Khi mười sáu tuổi, Einstein đã tự hỏi một câu tương tự: một chùm tia sáng trông sẽ thế nào nếu ta có thể bắt kịp nó? Einstein nhớ lại: “Một băn khoăn như vậy là hệ quả từ một nghịch lý mà tôi đã vấp phải khi mười sáu tuổi: Nếu tôi đuổi theo một chùm sáng với vận tốc c (vận tốc ánh sáng trong chân không), tôi sẽ quan sát thấy chùm sáng như vậy dưới dạng một điện từ trường vốn dao động trong không gian lúc này ở trạng thái đứng yên. Tuy nhiên, có vẻ như điều ấy không xảy ra, dù là trên cơ sở thực nghiệm hoặc tuân theo các phương trình Maxwell” [22] . Như một đứa trẻ, Einstein nghĩ rằng nếu bạn có thể chạy đua cùng với một tia sáng, nó sẽ dường như bị tê cứng lại, giống như một con sóng bất động. Tuy nhiên, chưa từng có một ai nhìn thấy ánh sáng bị tê cứng lại bao giờ, vì thế ở đây có điều gì đó hết sức không ổn.

Vào đầu thế kỷ 20, tất cả mọi thứ dựa vào hai cột trụ lớn của vật lý: thuyết của Newton về cơ học và lực hấp dẫn và thuyết của Maxwell về ánh sáng. Trong thập niên 1860, nhà vật lý Scotland là James Clerk Maxwell đã chỉ ra rằng ánh sáng bao gồm các điện trường và từ trường dao động hoán đổi liên tục. Điều mà Einstein đã phát hiện ra và gây sốc đối với ông là hai cột trụ này mâu thuẫn với nhau, do vậy một trong chúng phải bị hạ bệ.

Trong phạm vi các phương trình Maxwell, ông đã tìm thấy giải pháp cho vấn đề nan giải đã ám ảnh mình suốt mười năm qua. Einstein đã tìm thấy điều gì đó mà bản thân Maxwell từng bỏ qua: các phương trình Maxwell cho thấy ánh sáng di chuyển với một vận tốc không đổi, không phụ thuộc vào việc bạn đã cố đuổi kịp nó nhanh như thế nào. Tốc độ ánh sáng c là như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính (nghĩa là các hệ quy chiếu di chuyển với vận tốc không đổi). Cho dù bạn đứng yên, ngồi trên tàu hỏa đang chạy, hoặc ngồi trên một sao chổi lao nhanh, bạn sẽ thấy một chùm sáng đang phóng nhanh ở phía trước bạn với cùng một tốc độ. Bất kể bạn di chuyển nhanh như thế nào, bạn sẽ không bao giờ có thể vượt qua ánh sáng.

Điều này ngay lập tức đã dẫn tới một mớ các nghịch lý. Hãy tưởng tượng, vào lúc này một nhà du hành vũ trụ đang cố gắng đuổi kịp một chùm sáng lao nhanh. Anh ta tăng tốc con tàu vũ trụ của mình cho đến khi sánh ngang với chùm sáng. Một người đứng xem trên Trái Đất chứng kiến cuộc rượt đuổi giả định này sẽ khẳng định rằng nhà du hành vũ trụ và tia sáng đã di chuyển sóng đôi sát cạnh nhau. Tuy nhiên, nhà du hành vũ trụ này sẽ nói hoàn toàn khác, anh ta thấy rằng chùm sáng đã bứt khỏi anh ta, hệt như khi tàu vũ trụ của anh ta đứng yên vậy.

Câu hỏi mà Einstein phải đương đầu là: Tại sao hai người lại có thể có các diễn giải khác nhau đến như vậy về cùng một sự kiện? Theo thuyết của Newton, người ta luôn luôn có thể đuổi kịp một chùm sáng; còn trong thế giới của Einstein, điều này là không thể. Ông đột nhiên nhận ra rằng đã có một thiếu sót cơ bản trong nền tảng thật sự của vật lý. Vào mùa xuân năm 1905, Einstein nhớ lại, “một cơn giông tố đã bùng nổ trong tâm trí tôi”. Trong một khoảnh khắc lóe sáng, cuối cùng ông đã tìm ra giải pháp: thời gian trôi với các tốc độ khác nhau, tùy thuộc vào việc bạn di chuyển nhanh hay chậm . Trên thực tế, bạn càng di chuyển nhanh bao nhiêu thì thời gian lại trôi chậm bấy nhiêu. Thời gian không phải là một đại lượng tuyệt đối, như Newton từng nghĩ. Theo Newton, thời gian trôi như nhau trong khắp vũ trụ, do đó một giây trôi qua trên Trái Đất cũng y hệt như một giây trên sao Mộc hay sao Hỏa. Các đồng hồ điểm nhịp với sự đồng bộ tuyệt đối trong khắp vũ trụ. Tuy nhiên, đối với Einstein, các đồng hồ khác nhau điểm nhịp với các tốc độ khác nhau trong khắp vũ trụ.

Einstein nhận ra rằng nếu thời gian có thể thay đổi phụ thuộc vào vận tốc của bạn thì các đại lượng khác như chiều dài, vật chất và năng lượng cũng có thể thay đổi [23] . Ông nhận ra rằng bạn càng di chuyển nhanh bao nhiêu thì các khoảng cách cũng co ngắn lại bấy nhiêu (điều này đôi khi được gọi là co ngắn Lorentz-FitzGerald). Tương tự, bạn càng di chuyển nhanh bao nhiêu thì bạn càng trở nên nặng bấy nhiêu. (Trên thực tế, khi bạn đạt tới tốc độ ánh sáng, thời gian sẽ bị chậm tới mức dừng lại, các khoảng cách sẽ co ngắn tới không còn gì, và khối lượng của bạn sẽ trở thành vô hạn, tất cả những điều này sẽ trở nên phi lý. Điều này cũng là lý do tại sao bạn không thể phá vỡ rào cản ánh sáng, đó là giới hạn tốc độ tột cùng trong vũ trụ.)

Sự biến dạng kỳ lạ này của không-thời gian đã khiến một nhà thơ viết rằng:*

Chàng trẻ tuổi tên gọi là Fisk

Kiếm chàng múa quay tròn xoay tít.

Kiếm thuật chàng ngày càng tăng tiến,

Nên co ngắn Fitzgerald đã biến

Kiếm của chàng thành một trái quýt.*

Einstein đã thống nhất không gian với thời gian theo cùng một cách mà ý tưởng đột phá của Newton đã thống nhất vật lý của các vật trên Trái Đất với vật lý thiên thể. Nhưng Einstein cũng chỉ ra rằng vật chất và năng lượng là thống nhất và vì thế có thể biến đổi thành nhau. Nếu một vật thể trở nên nặng hơn khi nó di chuyển nhanh hơn, thì có nghĩa là năng lượng của chuyển động này đang được chuyển thành vật chất. Chiều ngược lại cũng đúng - vật chất có thể được chuyển đổi thành năng lượng. Einstein đã tính toán bao nhiêu năng lượng có thể được chuyển đổi thành vật chất, và ông đã nêu lên công thức E = mc² , nghĩa là, ngay cả một lượng nhỏ vật chất m cũng được nhân lên với một con số khổng lồ (bình phương tốc độ ánh sáng) khi nó chuyển hóa thành năng lượng E . Vì thế, nguồn năng lượng bí mật chiếu sáng vũ trụ của bản thân các ngôi sao đã được phát hiện là do vật chất chuyển đổi thành năng lượng thông qua phương trình này. Bí mật của các ngôi sao đã có thể hé lộ từ phát biểu đơn giản rằng tốc độ của ánh sáng là như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính.

Cũng giống như Newton trước kia, Einstein đã làm thay đổi quan điểm của chúng ta về sân khấu cuộc sống. Trong thế giới của Newton, tất cả các diễn viên đều biết chính xác thời gian và các khoảng cách đo được. Nhịp thời gian và các chiều của sân khấu này không bao giờ thay đổi. Nhưng thuyết tương đối đã cho chúng ta một cách thức kỳ quái để hiểu biết không gian và thời gian. Trong vũ trụ của Einstein, tất cả các diễn viên đều có đồng hồ đeo tay chỉ các thời gian khác nhau. Điều này có nghĩa là không thể đồng bộ tất cả các đồng hồ trên sân khấu này. Việc thiết lập một thời gian diễn tập vào buổi trưa có nghĩa khác nhau đối với các diễn viên khác nhau. Trên thực tế, những điều kỳ lạ xảy ra khi các diễn viên chạy ngang qua sân khấu. Họ càng di chuyển nhanh bao nhiêu thì đồng hồ của họ điểm nhịp càng chậm và cơ thể của họ càng trở nên nặng và phẳng bấy nhiêu.

Phải mất nhiều năm trước khi sự hiểu biết sâu sắc của Einstein mới có thể được một cộng đồng khoa học rộng lớn công nhận. Nhưng Einstein đã không chịu giậm chân tại chỗ ông muốn áp dụng thuyết tương đối mới của mình cho chính lực hấp dẫn. Ông sớm nhận ra mình sẽ phải đối mặt với những khó khăn như thế nào, ông có thể sẽ làm xáo trộn lý thuyết thành công nhất trong thời đại mình. Max Planck, người sáng lập ra thuyết lượng tử, đã cảnh báo ông: “Với tư cách là một người bạn cũ, tôi phải khuyên anh đừng làm điều đó vì trước hết anh sẽ không thành công, và thậm chí nếu thành công, sẽ không có ai tin anh” [24] .

Einstein nhận ra rằng thuyết tương đối mới mẻ của ông đã vi phạm thuyết hấp dẫn của Newton. Theo Newton, lực hấp dẫn truyền đi tức thời trong khắp vũ trụ. Nhưng điều này đặt ra một câu hỏi giống như thắc mắc con trẻ: “Điều gì sẽ xảy ra nếu Mặt Trời biến mất?” Đối với Newton, toàn thể vũ trụ sẽ chứng kiến sự biến mất của Mặt Trời ngay lập tức vào cùng một lúc. Nhưng theo thuyết tương đối hẹp, điều này là không thể, vì thời điểm biến mất của một ngôi sao bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng. Theo thuyết tương đối, sự biến mất đột ngột của Mặt Trời sẽ tạo ra một sóng xung kích dạng cầu của hấp dẫn lan truyền ra ngoài với tốc độ ánh sáng. Phía ngoài sóng xung kích, những người quan sát sẽ nói rằng Mặt Trời vẫn chiếu sáng, vì hấp dẫn chưa đủ thời gian để tới chỗ của họ. Nhưng bên trong sóng này, một người quan sát sẽ nói rằng Mặt Trời đã biến mất. Để giải quyết vấn đề này, Einstein đã đưa ra một hình ảnh hoàn toàn khác biệt về không gian và thời gian.

LỰC LÀ SỰ UỐN CONG KHÔNG GIAN

Newton coi không gian và thời gian như một hí trường mênh mông trống rỗng, trong đó các sự kiện có thể xảy ra, tuân theo các định luật về chuyển động của ông. Sân khấu này chứa đầy những điều kỳ diệu và bí ẩn, nhưng về bản chất nó là trơ và bất động, như một người thụ động đứng làm chứng cho vũ điệu của Tự nhiên. Tuy nhiên, Einstein đã lật lại ý tưởng này. Đối với Einstein, bản thân sân khấu này sẽ trở thành một phần quan trọng của cuộc sống. Trong vũ trụ của Einstein, không gian và thời gian không phải là một hí trường tĩnh như Newton đã nghĩ, mà là động, nó bị uốn và bẻ cong theo các cách thức kỳ lạ. Giả sử sân khấu cuộc sống này được thay thế bằng một giàn nhún, sao cho các diễn viên lún xuống nhẹ nhàng dưới trọng lượng của bản thân họ. Trên hí trường như vậy, chúng ta thấy rằng sân khấu này cũng trở nên quan trọng ngang với các diễn viên.

Hãy nghĩ về một quả bóng bowling được đặt trên một cái giường và đang lún xuống nhẹ nhàng vào trong đêm. Bây giờ hãy bắn một viên bi dọc theo bề mặt cong của chiếc đệm. Nó sẽ di chuyển theo một đường cong, quay xung quanh quả bóng bowling. Một người theo thuyết Newton, khi chứng kiến viên bi xoay quanh quả bóng bowling từ xa, có thể kết luận rằng có một lực bí ẩn mà quả bóng bowling đã tác động lên viên bi này. Người theo thuyết Newton này có thể nói rằng quả bóng bowling đã gây ra một sức kéo tức thời kéo viên bi hướng về phía tâm của nó.

Đối với một người theo thuyết tương đối, người có thể theo dõi chuyển động của viên bi trên chiếc giường cận cảnh hơn, thì hiển nhiên là không có lực nào cả. Ở đó chỉ có sự uốn cong của cái đệm giường, đã buộc viên bi phải di chuyển theo một đường cong. Đối với người theo thuyết tương đối này, không có sức kéo, chỉ có sức đẩy, được chiếc giường bị uốn cong tác động lên viên bi này. Thay thế viên bi bằng Trái Đất, quả bóng bowling bằng Mặt Trời, và chiếc giường bằng không-thời gian trống rỗng, thì chúng ta thấy rằng Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời không phải là do lực kéo của hấp dẫn mà là vì Mặt Trời uốn cong không gian xung quanh Trái Đất, tạo ra một sức đẩy buộc Trái Đất phải di chuyển thành một vòng tròn.

Vì vậy Einstein đã đưa đến cách hiểu rằng hấp dẫn giống như một tấm vải hơn là một lực vô hình đã tác động tức thời trong khắp vũ trụ. Nếu một ai đó lắc nhanh tấm vải này, các sóng hình thành và di chuyển dọc theo bề mặt với một tốc độ xác định. Điều này giải quyết nghịch lý về mặt trời đang biến mất. Nếu lực hấp dẫn là một sản phẩm phụ của sự uốn cong của bản thân cơ cấu không-thời gian, thì sự biến mất của Mặt Trời có thể được ví như sự nhấc quả bóng bowling đột ngột lên khỏi cái giường. Khi cái giường phồng lên trở lại hình dạng ban đầu của nó, các sóng truyền xuống tấm khăn trải giường lan truyền với một tốc độ xác định. Vì thế, bằng cách biến đổi hấp dẫn thành sự uốn cong của không gian và thời gian, Einstein đã có thể làm cho hấp dẫn và thuyết tương đối tương thích với nhau.

Hãy tưởng tượng một con kiến đang cố gắng để đi ngang qua một tờ giấy bị vò nhàu. Nó sẽ đi như một gã thủy thủ say rượu, lảo đảo hết ngả sang trái lại nghiêng sang phải, khi nó cố gắng đi qua một địa hình gấp nếp. Con kiến này sẽ bảo rằng nó không say rượu, mà là một lực bí ẩn đang kéo mạnh nó, lôi kéo nó lúc thì sang trái, lúc thì sang phải. Đối với con kiến này, không gian trống rỗng chứa đầy các lực bí ẩn ngăn không cho nó đi trên một đường thẳng. Tuy nhiên, nhìn vào con kiến này ở một khoảng cách gần, chúng ta thấy rằng không có một lực nào đang kéo nó. Nó chỉ bị đẩy bởi các nếp gấp của tờ giấy bị vò nhàu. Các lực tác động lên con kiến là một ảo giác do sự uốn cong của bản thân không gian gây ra. “Sức kéo” của lực này trên thực tế là “sức đẩy” được tạo ra khi nó đi trên một nếp gấp của tờ giấy. Nói cách khác, không phải hấp dẫn kéo, mà là không gian đẩy.

Vào năm 1915, cuối cùng thì Einstein đã có thể hoàn thành cái mà ông gọi là thuyết tương đối rộng, kể từ đó trở đi nó đã trở thành trụ cột của vũ trụ học. Trong bức tranh mới đáng ngạc nhiên này, hấp dẫn không phải là một lực độc lập lấp đầy vũ trụ, mà là tác động biểu kiến của sự uốn cong “thớ vải” không thời gian. Thuyết này mạnh tới mức ông có thể tóm tắt nó trong một phương trình dài khoảng 2,5 cm. Trong lý thuyết mới xuất sắc này, mức độ uốn cong của không gian và thời gian được xác định bằng lượng vật chất và năng lượng mà nó chứa. Hãy hình dung bạn ném một hòn đá vào cái ao, va chạm này tạo ra một loạt các gợn sóng lăn tăn lan tỏa. Hòn đá càng lớn thì sự uốn cong của bề mặt ao càng nhiều. Tương tự, ngôi sao càng lớn thì sự uốn cong của không-thời gian xung quanh ngôi sao đó càng nhiều.

SỰ RA ĐỜI CỦA VŨ TRỤ HỌC

Einstein đã cố gắng sử dụng hình ảnh này để miêu tả vũ trụ như một tổng thể. Ông không lường trước được rằng mình sẽ phải đối mặt với nghịch lý Bentley, được phát biểu từ nhiều thế kỷ trước đó. Trong thập niên 1920, hầu hết các nhà thiên văn tin rằng vũ trụ là đồng nhất và tĩnh tại. Vì vậy, Einstein đã bắt đầu bằng giả định rằng vũ trụ đã được bụi và các ngôi sao choán chỗ một cách đồng nhất. Về mô hình, vũ trụ có thể so sánh với một quả bóng bay hoặc một bong bóng lớn. Chúng ta sống trên bề mặt của bong bóng này. Các ngôi sao và các thiên hà mà chúng ta thấy xung quanh chúng ta có thể được ví với các chấm được vẽ trên bề mặt quả bóng này.

Bất ngờ đối với ông là bất cứ khi nào ông tìm cách giải các phương trình của mình, ông đều nhận thấy rằng vũ trụ đã trở nên động. Einstein đã đối mặt với chính vấn đề đã được Bentley nhận ra hơn 200 năm trước. Vì hấp dẫn luôn luôn là lực hút mà không bao giờ là lực đẩy, nên một tập hợp hữu hạn các ngôi sao sẽ suy sụp (co mạnh) thành một biến động khủng khiếp. Tuy nhiên, điều này mâu thuẫn với quan niệm thịnh hành đầu thế kỷ 20 rằng vũ trụ là tĩnh và đồng nhất.

Cho dù là người có ý tưởng cách tân mạnh mẽ, Einstein cũng không thể tin rằng vũ trụ lại có thể luôn luôn động. Giống như Newton và vô số những người khác, Einstein tin vào một vũ trụ tĩnh. Vì vậy, vào năm 1917, Einstein đã buộc phải đưa một số hạng mới vào các phương trình của ông, một “hệ số gọt chân cho vừa giày” nhằm tạo ra một lực mới trong thuyết của ông, loại lực “phản hấp dẫn” đẩy các ngôi sao ra xa. Einstein gọi số hạng này là “hằng số vũ trụ”, một “chú vịt con xấu xí”* có vẻ giống như một ý nghĩ muộn màng ghép nối vào lý thuyết của ông. Einstein đã tùy tiện chọn lực phản hấp dẫn này để triệt tiêu sức hút của lực hấp dẫn nhằm tạo ra một vũ trụ tĩnh. Nói cách khác, vũ trụ đã bị cưỡng chế để trở thành tĩnh: sự co lại của vũ trụ vào bên trong do lực hấp dẫn đã bị triệt tiêu bởi lực hướng ra ngoài của năng lượng tối. (Trong bảy mươi năm, lực phản hấp dẫn này đã bị lãng quên, cho tới khi có các phát hiện trong ít năm gần đây.)

Năm 1917, nhà vật lý Hà Lan Willem de Sitter đưa ra một giải pháp khác cho thuyết của Einstein, trong đó vũ trụ là vô hạn nhưng hoàn toàn không có bất kỳ vật chất nào, tức là nó chỉ bao gồm năng lượng chứa đựng trong chân không, gọi là hằng số vũ trụ. Lực phản hấp dẫn thuần túy này đủ để sinh ra một sự dãn nở nhanh, theo cấp số mũ của vũ trụ. Thậm chí không cần có vật chất, năng lượng tối này vẫn có thể tạo ra một vũ trụ đang dãn nở.

Các nhà vật lý bây giờ đã phải đối mặt với tình thế tiến thoái lưỡng nan. Vũ trụ của Einstein có vật chất, nhưng không chuyển động. Còn vũ trụ của de Sitter có chuyển động, nhưng không có vật chất. Trong vũ trụ của Einstein, hằng số vũ trụ là cần thiết để trung hòa sức hút của hấp dẫn và tạo ra một vũ trụ tĩnh. Trong vũ trụ của de Sitter, chỉ riêng hằng số vũ trụ cũng đủ để tạo ra một vũ trụ dãn nở.

Năm 1919, hai nhóm đã xác nhận dự đoán của Einstein rằng ánh sáng từ một ngôi sao xa xăm sẽ bị cong khi đi ngang qua Mặt Trời. Do đó, vị trí của ngôi sao có vẻ như sẽ dịch chuyển khỏi vị trí bình thường của nó khi có sự hiện diện của Mặt Trời. Điều này xảy ra là do Mặt Trời đã bẻ cong không-thời gian xung quanh mình. Vậy nên, lực hấp dẫn không “kéo” vào. Thay vào đó, không gian “đẩy” ra.

Cuối cùng, vào năm 1919, khi châu Âu đang cố gắng thoát ra khỏi đống đổ nát và sự chém giết của Thế chiến lần thứ nhất, các nhóm nhà thiên văn đã được cử đi khắp thế giới để kiểm tra thuyết mới của Einstein. Einstein trước đó đã đề xuất rằng độ cong của không-thời gian do Mặt Trời gây ra sẽ đủ để bẻ cong ánh sáng sao đi qua vùng lân cận của nó. Ánh sáng sao sẽ uốn cong quanh Mặt Trời theo một cách thức chính xác, có thể tính được, tương tự như cách thức mà tấm kính bẻ cong ánh sáng*. Nhưng vì độ chói của ánh sáng Mặt Trời che át bất kỳ ngôi sao nào vào ban ngày, nên các nhà khoa học sẽ phải chờ một dịp nhật thực để tiến hành thực nghiệm quyết định này.

Một nhóm do nhà vật lý thiên văn người Anh Arthur Eddington dẫn đầu lên tàu thủy tới đảo Principe ở vịnh Guinea ngoài khơi bờ biển Tây Phi để ghi nhận sự uốn cong của ánh sáng sao quanh Mặt Trời trong thời gian nhật thực. Một nhóm khác, do Andrew Commelin chỉ huy, rong ruổi đường biển tới Sobral ở miền Bắc Brazil. Các dữ liệu mà họ thu thập được ghi nhận một độ lệch trung bình của ánh sáng sao là 1,79 giây cung, xác nhận dự đoán của Einstein là 1,74 giây cung (trong phạm vi cho phép của sai số thí nghiệm). Nói cách khác, ánh sáng đã uốn cong khi tới gần Mặt Trời. Eddington sau đó nói rằng việc kiểm tra thuyết của Einstein là thời điểm khó quên nhất trong cuộc đời ông.

Ngày 6 tháng 11 năm 1919, tại kỳ họp chung của Hội [Khoa học] Hoàng gia và Hội Thiên văn Hoàng gia ở London, người đoạt giải Nobel kiêm chủ tịch Hội Hoàng gia J. J. Thompson đã long trọng phát biểu rằng đây là “một trong những thành tựu lớn nhất trong lịch sử tư duy của loài người. Đây không phải là sự phát hiện ra một hòn đảo xa xôi hẻo lánh mà là sự phát hiện ra cả một châu lục của những ý tưởng khoa học mới. Nó là phát hiện vĩ đại nhất về trường hấp dẫn kể từ khi Newton đề ra các nguyên lý của ông.” [25]

(Nghe nói sau đó một phóng viên đã phỏng vấn Eddington: “Người ta đồn rằng chỉ có ba người trên toàn thế giới hiểu được thuyết của Einstein. Ông chắc là một trong số họ.” Eddington im lặng, thấy thế phóng viên này nói tiếp: “Đừng khiêm tốn thế, Eddington.” Eddington nhún vai và nói: “Không đâu. Tôi đang tự hỏi xem ai có thể là người thứ ba.”) [26]

Ngày hôm sau, nhật báo Times tại London chạy tiêu đề: “Cách mạng trong khoa học - Học thuyết mới về vũ trụ - Các ý tưởng của Newton đã bị lật đổ”. Tiêu đề này đã đánh dấu khoảnh khắc Einstein trở thành nhân vật nổi tiếng thế giới, một sứ giả từ các vì sao.

Thông báo này là quá tuyệt vời, và sự chuyển hướng của Einstein ra khỏi Newton triệt để tới mức nó cũng đã gây ra một phản ứng dữ dội, cũng như sự chia rẽ vì có các nhà vật lý và thiên văn nổi tiếng đã phản đối thuyết này. Tại Đại học Columbia, Charles Lane Poor, một giáo sư về cơ học thiên thể, người dẫn đầu phe chỉ trích thuyết tương đối, phát biểu: “Tôi cảm giác như thể mình đang thả bộ cùng Alice trong xứ sở thần tiên và uống trà với Mad Hatter”* [27] .

Lý do mà thuyết tương đối trái với lẽ phải thông thường của chúng ta không phải là vì thuyết này sai lầm, mà vì lẽ phải thông thường của chúng ta không hình dung đúng thực tại. Chúng ta là những kẻ kỳ quặc trong vũ trụ. Chúng ta sống trong một chốn cư ngụ bất thường, nơi mà nhiệt độ, mật độ và vận tốc đều rất vừa phải. Tuy nhiên, trong “vũ trụ thực sự”, các nhiệt độ có thể vô cùng nóng ở tâm của các ngôi sao, hay cực kỳ lạnh giá trong khoảng không bên ngoài, và các hạt hạ nguyên tử, đang bay vèo vèo trong không gian, thường xuyên di chuyển với tốc độ gần với tốc độ ánh sáng. Nói cách khác, lẽ phải thông thường của chúng ta đã phát triển trong một nơi cực kỳ bất thường và mờ mịt của vũ trụ là Trái Đất, nên không có gì đáng ngạc nhiên là lẽ phải thông thường của chúng ta không hiểu được vũ trụ thật sự. Vấn đề không nằm ở thuyết tương đối mà nằm ở giả định rằng lẽ phải thông thường của chúng ta hình dung đúng với thực tại.

TƯƠNG LAI CỦA VŨ TRỤ

Mặc dù thuyết của Einstein đã thành công trong việc giải thích các hiện tượng thiên văn như sự uốn cong của ánh sáng sao quanh Mặt Trời và sự lắc lư nhẹ của quỹ đạo sao Thủy (hành tinh của Mặt Trời), nhưng các dự đoán vũ trụ học của nó vẫn gây lúng túng. Các vấn đề này chủ yếu đã được nhà vật lý Nga là Aleksandr Friedmann làm sáng tỏ, ông đã tìm thấy những lời giải hiện thực và tổng quát nhất cho các phương trình của Einstein. Ngay cả ngày nay, những lời giải này vẫn còn được giảng dạy trong mọi khóa học về thuyết tương đối rộng ở bậc học đại học (Friedmann đã phát hiện ra chúng vào năm 1922, nhưng ông qua đời năm 1925, và công trình của ông phần lớn đã bị lãng quên trong nhiều năm).

Bình thường, thuyết của Einstein bao gồm một loạt các phương trình cực kỳ khó, thường đòi hỏi phải có máy tính để giải. Tuy nhiên, Friedmann đã giả định rằng vũ trụ là động và sau đó chấp nhận hai giả định đơn giản hóa (được gọi là nguyên lý vũ trụ học): vũ trụ là đẳng hướng (nó giống hệt nhau bất kể chúng ta nhìn vào đâu từ một điểm cho trước), và vũ trụ là đồng nhất (nó giống hệt nhau bất kể bạn đi tới đâu trong vũ trụ).

Với hai giả định đơn giản hóa này, chúng ta thấy rằng các phương trình nói trên được thu gọn hẳn lại. (Trên thực tế, cả hai giải pháp của Einstein và de Sitter chỉ là các trường hợp đặc biệt của giải pháp tổng quát hơn của Friedmann.) Đáng chú ý, các giải pháp của ông chỉ phụ thuộc vào ba tham số:

1. H , tham số xác định tốc độ dãn nở của vũ trụ. (Ngày nay, tham số này được gọi là hằng số Hubble, đặt theo tên nhà thiên văn học đã đo được sự dãn nở của vũ trụ.)

2. Omega (ꭥ), tham số đo mật độ trung bình của vật chất trong vũ trụ.

3. Lambda (?), năng lượng gắn với không gian trống rỗng, hay năng lượng tối.

Nhiều nhà vũ trụ học đã dành toàn bộ sự nghiệp chuyên môn của mình để có thiết lập một cách chắc chắn giá trị chính xác của ba con số này. Tương tác tinh tế giữa ba hằng số này xác định sự phát triển trong tương lai của toàn thể vũ trụ. Chẳng hạn, vì hấp dẫn là hút, nên mật độ vũ trụ omega tác động như một loại phanh làm chậm sự dãn nở của vũ trụ, đảo ngược một số tác động của tốc độ dãn nở của vụ nổ lớn. Hãy hình dung bạn ném một viên đá vào trong không trung. Bình thường, hấp dẫn là đủ mạnh để đảo ngược hướng chuyển động của viên đá, khiến sau đó nó rơi trở lại Trái Đất. Tuy nhiên, nếu người ta ném viên đá đủ nhanh, thì nó có thể thoát khỏi sức hút của Trái Đất và vĩnh viễn bay vào khoảng không vũ trụ. Giống như một viên đá, vũ trụ ban đầu đã dãn nở vì vụ nổ lớn, nhưng vật chất, hay omega, hoạt động như một cái phanh hãm sự dãn nở của vũ trụ lại, giống như cách mà lực hấp dẫn của Trái Đất đã tác động như một cái phanh đối với viên đá.

Hiện giờ, chúng ta hãy giả định rằng lambda, năng lượng gắn liền với không gian trống rỗng, là bằng 0. Giả sử omega là mật độ vũ trụ chia cho mật độ tới hạn. (Mật độ tới hạn của vũ trụ là khoảng 10 nguyên tử hyđrô mỗi mét khối. Để đánh giá vũ trụ trống rỗng đến mức nào, mật độ tới hạn của vũ trụ tương ứng với việc tìm được trung bình một nguyên tử hyđrô độc nhất trong thể tích của ba quả bóng rổ.)

Sự phát triển của vũ trụ có ba phương án có thể có. Nếu omega nhỏ hơn 1 (và lambda bằng 0), vũ trụ sẽ dãn nở mãi mãi thành vụ đóng băng lớn. Nếu omega lớn hơn 1, vũ trụ sẽ suy sụp (co mạnh) trở lại thành vụ co lớn. Nếu omega bằng 1, thì vũ trụ là phẳng và sẽ dãn nở mãi mãi. (Các dữ liệu của vệ tinh WMAP chỉ ra rằng omega cộng lambda bằng 1, nghĩa là vũ trụ là phẳng. Điều này phù hợp với thuyết lạm phát.)

Nếu omega nhỏ hơn 1, các nhà khoa học kết luận rằng vũ trụ không đủ vật chất để đảo ngược sự dãn nở ban đầu từ vụ nổ lớn. (Giống như việc ném viên đá vào không trung, nếu khối lượng Trái Đất không đủ lớn, viên đá cuối cùng sẽ rời khỏi Trái Đất.) Kết quả là vũ trụ sẽ dãn nở mãi mãi, cuối cùng nhấn chìm vũ trụ vào một vụ đóng băng lớn cho đến khi nhiệt độ đạt tới gần độ không tuyệt đối. (Đây là nguyên lý đằng sau một tủ lạnh hoặc một máy điều hòa không khí [28] . Khi khí dãn nở, nó lạnh đi. Chẳng hạn, trong chiếc máy điều hòa không khí của bạn, khí luân chuyển trong đường ống dãn nở, do đó nó làm lạnh đường ống và căn phòng của bạn.)

Nếu omega lớn hơn 1, thì có đủ vật chất và lực hấp dẫn trong vũ trụ để cuối cùng đảo ngược sự dãn nở vũ trụ. Kết quả là sự dãn nở của vũ trụ sẽ ngừng lại, và vũ trụ sẽ bắt đầu co lại. (Giống như việc ném một viên đá vào không trung, nếu khối lượng Trái Đất đủ lớn, viên đá cuối cùng sẽ đạt tới độ cao cực đại rồi rơi ngược trở về Trái Đất. Nhiệt độ sẽ bắt đầu tăng cao, khi những ngôi sao và các thiên hà vội vã lao vào nhau. (Bất cứ ai đã từng bơm một chiếc lốp xe đạp đều biết rằng sự nén khí sinh ra nhiệt. Công cơ học của không khí đang bơm vào được chuyển thành nhiệt năng. Cũng theo cách ấy, sự co nén của vũ trụ chuyển đổi năng lượng hấp dẫn thành nhiệt năng.) Cuối cùng, nhiệt độ sẽ trở nên quá nóng tới mức mọi dạng sự sống sẽ bị tiêu diệt, khi vũ trụ quay đầu hướng về một “vụ co lớn” rực lửa. (Nhà thiên văn Ken Croswell đặt tên cho quá trình này là “từ Sáng thế tới Hỏa táng”.)

Nếu omega nhỏ hơn 1 (và lambda bằng 0), thì vũ trụ là mở và độ cong của nó là âm, giống như trong một cái yên ngựa. Các đường song song không bao giờ gặp nhau, và các góc trong của một tam giác có tổng nhỏ hơn 180 độ.

Khả năng thứ ba là omega quanh quẩn ở 1; nói cách khác, mật độ vũ trụ bằng mật độ tới hạn. Trong trường hợp đó vũ trụ lơ lửng giữa hai thái cực nhưng vẫn sẽ dãn nở mãi mãi. (Bức tranh lạm phát nghiêng về kịch bản này, như chúng ta sẽ thấy.)

Và cuối cùng, có khả năng là vũ trụ, do hậu quả của vụ co lớn, có thể tái xuất hiện trong một vụ nổ lớn mới. Thuyết này được gọi là vũ trụ dao động.

Friedmann đã chỉ ra rằng mỗi kịch bản này, đến lượt nó, lại xác định độ cong của không-thời gian. Nếu omega nhỏ hơn 1 và vũ trụ dãn nở mãi mãi, như Friedmann đã chỉ ra, không chỉ thời gian là vô hạn, mà không gian cũng vô hạn. Vũ trụ này được gọi là “mở”, nghĩa là vô hạn cả về không gian lẫn thời gian. Khi Friedmann tính toán độ cong của vũ trụ này, ông đã tìm ra nó là âm. (Điều này cũng giống như bề mặt của một cái yên ngựa hay một cái kèn trompet. Nếu một con rệp sống trên bề mặt của bề mặt này, nó sẽ thấy rằng các đường song song không bao giờ gặp nhau, và các góc trong của một tam giác có tổng nhỏ hơn 180 độ.)

Nếu omega lớn hơn 1, thì vũ trụ cuối cùng sẽ co lại thành một vụ co lớn. Thời gian và không gian là hữu hạn. Friedmann thấy