CHƯƠNG BỐN LẠM PHÁT VÀ CÁC VŨ TRỤ SONG SONG

Không gì không thể đến từ không có gì.

- Lucretius

Tôi cho rằng Vũ trụ của chúng ta quả thật đã xuất hiện từ hư vô khoảng 10 tỉ năm trước đây… Tôi đưa ra đề xuất khiêm tốn rằng Vũ trụ của chúng ta chỉ đơn giản là một trong những cái lâu lâu lại xảy ra.

- Edward Tryon

Vũ trụ là bữa ăn trưa miễn phí cuối cùng.

- Alan Guth

Trong tiểu thuyết khoa học giả tưởng kinh điển Tau Zero (Tau Không)*, do Poul Anderson viết, một tàu vũ trụ mang tên Leonora Christine được phóng đi tới gần các ngôi sao lân cận. Mang theo 50 người, con tàu có thể đạt tốc độ gần với tốc độ ánh sáng khi di chuyển tới một hệ sao mới. Quan trọng hơn, con tàu sử dụng nguyên lý của thuyết tương đối hẹp, theo đó thì thời gian chậm lại bên trong con tàu khi nó di chuyển nhanh hơn. Do đó, một chuyến đi tới những ngôi sao lân cận phải mất hàng thập kỷ, khi lấy theo thời gian trên Trái Đất, lại dường như chỉ kéo dài vài năm đối với các nhà du hành. Đối với một người quan sát trên Trái Đất theo dõi các nhà du hành bằng kính viễn vọng, thì dường như họ đã bị đóng băng về thời gian, đến mức họ ở trong tình trạng chết giả. Nhưng đối với các nhà du hành trên tàu thì thời gian diễn ra bình thường. Khi con tàu vũ trụ giảm tốc độ và các nhà du hành đổ bộ xuống một thế giới mới, họ sẽ thấy rằng họ đã du hành 30 năm ánh sáng chỉ trong vài năm.

Con tàu này là một kỳ tích trong công nghệ, nó được cung cấp năng lượng bằng các động cơ nhiệt hạch phản lực động áp (ramjet) hút hyđrô từ không gian sâu thẳm và sau đó đốt nó để có một năng lượng vô hạn. Nó di chuyển nhanh tới mức phi hành đoàn thậm chí có thể thấy sự dịch chuyển kiểu hiệu ứng Doppler của ánh sáng sao, những ngôi sao ở phía trước họ dường như hơi xanh, trong khi các ngôi sao ở phía sau họ dường như hơi đỏ.

Sau đó, một tai họa thình lình xảy ra. Khi ở cách Trái Đất khoảng 10 năm ánh sáng, con tàu trải qua một dòng chảy rối khi nó vượt qua một đám mây bụi liên sao, và cơ chế giảm tốc của nó vĩnh viễn ngừng hoạt động. Phi hành đoàn hốt hoảng thấy mình bị mắc kẹt trên một con tàu vũ trụ đang lao ra xa, tăng tốc ngày càng nhanh hơn khi nó tiến gần tới tốc độ ánh sáng. Họ nhìn một cách bất lực khi con tàu mất kiểm soát vượt qua các hệ sao chỉ trong vài phút. Trong vòng một năm, con tàu bay vèo qua một nửa Ngân Hà. Vì nó tăng tốc ngoài tầm kiểm soát nên nó bay vượt qua các thiên hà chỉ trong vài tháng, trong khi đó hàng triệu năm đã trôi qua trên Trái Đất. Chẳng mấy chốc họ đã du hành quá gần với tốc độ ánh sáng, với tau gần bằng 0, tới mức họ chứng kiến các sự kiện vũ trụ, khi bản thân vũ trụ bắt đầu già đi ngay trước mắt họ.

Cuối cùng, họ thấy rằng sự dãn nở ban đầu của vũ trụ bị đảo ngược, và bản thân vũ trụ đang co lại. Nhiệt độ bắt đầu tăng vọt lên, khi họ nhận ra rằng họ đang lao vào một vụ co lớn. Các thành viên phi hành đoàn âm thầm cầu nguyện khi nhiệt độ tăng lên vùn vụt, các thiên hà bắt đầu kết vón lại, và một nguyên tử nguyên thủy vũ trụ hình thành trước mắt họ. Cái chết hỏa táng dường như không thể tránh khỏi.

Hy vọng duy nhất của họ là vật chất sẽ suy sụp vào một khu vực hữu hạn với mật độ hữu hạn, và, vì du hành với tốc độ lớn như thế, họ có thể nhanh chóng thoát khỏi nó. Một cách kỳ diệu là lớp che chắn đã bảo vệ họ khi họ bay qua nguyên tử nguyên thủy này, và họ thấy bản thân mình chứng kiến sự ra đời của một vũ trụ mới. Khi vũ trụ tái dãn nở, họ sợ hãi chứng kiến tận mắt các ngôi sao và các thiên hà mới hình thành. Họ sửa chữa con tàu vũ trụ của mình và cẩn thận lập biểu đồ hành trình tới một thiên hà đủ già để có các nguyên tố bậc cao hơn, làm cho sự sống có thể sinh ra. Cuối cùng, họ định vị được một hành tinh có thể sinh sống và định cư trên hành tinh đó.

Câu chuyện này được viết vào năm 1967, khi một cuộc tranh luận diễn ra ác liệt giữa các nhà thiên văn về số phận cuối cùng của vũ trụ: hoặc là nó sẽ chết trong một vụ co lớn hoặc một vụ đóng băng lớn, hoặc sẽ dao động vô hạn định, hoặc sẽ sống mãi mãi trong trạng thái tĩnh định. Kể từ đó, cuộc tranh luận dường như đã được giải quyết, và một thuyết mới gọi là lạm phát đã xuất hiện.

LẠM PHÁT RA ĐỜI

“NHẬN THỨC NGOẠN MỤC”, Alan Guth đã viết trong nhật ký của mình vào năm 1979. Ông cảm thấy hồ hởi khi nhận ra rằng mình có thể đã tình cờ tìm thấy một trong những ý tưởng lớn của vũ trụ học. Guth đã thực hiện sửa đổi lớn đầu tiên với thuyết vụ nổ lớn trong vòng 10 năm bằng cách thực hiện một quan sát có ảnh hưởng sâu xa: ông có thể giải quyết được một số điều khó hiểu bí ẩn nhất của vũ trụ học nếu giả định rằng vũ trụ đã trải qua một giai đoạn dãn nở siêu lạm phát cực nhanh tại thời khắc nó sinh ra, về mặt thiên văn là nhanh hơn so với điều mà hầu hết các nhà vật lý đã vẫn tưởng. Với sự siêu dãn nở này, ông thấy rằng mình có thể dễ dàng giải quyết một loạt các câu hỏi vũ trụ bí hiểm khó có thể giải thích. Nó là một ý tưởng có thể dẫn tới cuộc cách mạng vũ trụ học. (Các dữ liệu vũ trụ gần đây, bao gồm cả các kết quả của vệ tinh WMAP, phù hợp với các dự đoán của ông.) Nó không những chỉ là một học thuyết vũ trụ, mà còn là thuyết đơn giản nhất và đáng tin cậy nhất, vượt xa tất cả các thuyết còn lại.

Điểm đáng chú ý là chỉ một ý tưởng đơn giản có thể giải quyết rất nhiều câu hỏi vũ trụ hóc búa. Một trong vài vấn đề mà dãn nở lạm phát đã giải quyết một cách tao nhã là vấn đề độ phẳng. Các dữ liệu thiên văn đã chỉ ra rằng độ cong của vũ trụ là rất gần với 0, quả thật nó gần với 0 nhiều hơn so với hầu hết các nhà thiên văn vẫn tưởng trước đây. Điều này có thể được giải thích nếu vũ trụ, giống như một quả bóng được nhanh chóng bơm căng, đã phẳng ra trong thời kỳ lạm phát. Chúng ta, giống như những con kiến đi lại trên bề mặt của quả bóng, chẳng qua là quá nhỏ nên không thể quan sát thấy độ cong nhỏ xíu của quả bóng này. Lạm phát đã kéo dãn không-thời gian nhiều tới mức nó có vẻ như là phẳng.

Phát hiện của Guth còn mang ý nghĩa lịch sử vì nó đại diện cho việc áp dụng vật lý hạt cơ bản, bao gồm việc phân tích các hạt nhỏ nhất tìm thấy trong tự nhiên, vào vũ trụ học, vào việc nghiên cứu vũ trụ mang tính tổng thể, trong đó có nguồn gốc của nó. Hiện nay chúng ta nhận ra rằng những bí ẩn sâu xa nhất của vũ trụ không thể được giải quyết mà không có vật lý của những thứ vô cùng nhỏ: thế giới của thuyết lượng tử và vật lý hạt cơ bản.

TÌM KIẾM SỰ THỐNG NHẤT

Guth sinh năm 1947 tại New Brunswick, bang New Jersey (Hoa Kỳ). Khác với Einstein, Gamow hay Hoyle, không có dụng cụ hoặc thời khắc ấn tượng nào đã thúc đẩy ông đi vào thế giới vật lý. Cha mẹ ông cũng không tốt nghiệp đại học hoặc tỏ ra quan tâm nhiều tới khoa học. Nhưng theo sự thừa nhận của chính ông, Guth luôn luôn bị quyến rũ bởi quan hệ giữa toán học và các quy luật của tự nhiên.

Tại MIT trong thập niên 1960, ông đã nghiêm túc xem xét theo đuổi sự nghiệp trong ngành vật lý hạt cơ bản. Cụ thể, sự phấn khích sinh ra từ một cuộc cách mạng mới quét qua vật lý đã quyến rũ ông, đó là cuộc tìm kiếm sự thống nhất của tất cả các lực cơ bản. Trong một thời gian rất dài, Chén Thánh của vật lý là tìm kiếm các chủ đề thống nhất có thể giải thích những phức tạp của vũ trụ theo kiểu cách chặt chẽ nhất và đơn giản nhất. Từ thời Hy Lạp cổ đại, các nhà khoa học đã nghĩ rằng vũ trụ mà chúng ta thấy ngày nay chính là các tàn tích bị phá hủy, nằm rải rác của một tính chất đơn giản lớn hơn nhiều, và mục tiêu của chúng ta là khám phá sự thống nhất này.

Sau 2.000 năm nghiên cứu bản chất của vật chất và năng lượng, các nhà vật lý đã xác định rằng chỉ có bốn lực cơ bản dẫn dắt vũ trụ. (Các nhà khoa học đã cố gắng tìm kiếm lực thứ năm có thể có, nhưng cho đến nay tất cả các kết quả theo hướng này là không thấy có hay không thể kết luận.)

Lực đầu tiên là lực hấp dẫn , nó giữ Mặt Trời lại không tan rã và chi phối các hành tinh trong quỹ đạo của chúng trong hệ Mặt Trời. Nếu lực hấp dẫn đột nhiên bị “tắt”, thì các ngôi sao trên bầu trời sẽ nổ tung, Trái Đất sẽ tan rã, và tất cả chúng ta sẽ lao vào vũ trụ với tốc độ khoảng 1.000 dặm (1.600 km) mỗi giờ.

Lực lớn thứ hai là lực điện từ , nó thắp sáng các thành phố của chúng ta, lấp đầy thế giới của chúng ta bằng các loại ti vi, điện thoại di động, đài thu thanh, các chùm laser và Internet. Nếu lực điện từ bị tắt đột ngột, nền văn minh sẽ ngay lập tức bị ném mạnh vào quá khứ cách đây một hoặc hai thế kỷ, trở về với bóng tối và im lặng. Điều này đã được minh họa sinh động bằng vụ mất điện diện rộng năm 2003, trong đó toàn bộ vùng Đông Bắc nước Mỹ bị tê liệt. Nếu chúng ta xem xét lực điện từ ở cấp độ hiển vi, chúng ta thấy rằng nó thực sự hợp thành từ các hạt nhỏ, hoặc các lượng tử, gọi là các photon (lượng tử ánh sáng).

Lực thứ ba là lực hạt nhân yếu , lực đảm trách hiện tượng phân rã phóng xạ. Bởi vì lực hạt nhân yếu không đủ để giữ hạt nhân của nguyên tử lại với nhau, nên nó cho phép hạt nhân này vỡ ra hoặc phân rã. Y học hạt nhân trong các bệnh viện dựa chủ yếu vào lực hạt nhân này. Lực hạt nhân yếu cũng giúp đốt nóng tâm Trái Đất thông qua các vật liệu phóng xạ, truyền một nguồn năng lượng khổng lồ cho các núi lửa. Lực hạt nhân yếu, đến lượt nó, lại dựa trên tương tác của các electron và nơtrino (loại hạt ma quỷ gần như không có khối lượng và có thể vượt qua hàng nghìn tỉ dặm chất chì rắn mà không tương tác với bất cứ thứ gì). Các electron và nơtrino tương tác bằng cách trao đổi các hạt khác, gọi là các boson W và boson Z.

Lực hạt nhân mạnh giữ các hạt nhân của các nguyên tử lại với nhau. Nếu không có lực hạt nhân này, tất cả các hạt nhân sẽ tan rã, các nguyên tử sẽ bị tan vỡ, và thực tại như chúng ta biết sẽ tan biến. Lực hạt nhân mạnh chịu trách nhiệm về khoảng 100 nguyên tố chúng ta thấy đang lấp đầy vũ trụ. Cả lực hạt nhân yếu và lực hạt nhân mạnh cùng chịu trách nhiệm về ánh sáng phát ra từ các ngôi sao qua phương trình E = mc² của Einstein. Nếu không có lực hạt nhân, toàn bộ vũ trụ sẽ tăm tối, nhiệt độ trên Trái Đất bị hạ sâu và các đại dương đóng băng ở thể rắn.

Đặc điểm đáng kinh ngạc của bốn lực này là ở chỗ chúng hoàn toàn khác nhau, với cường độ và tính chất khác nhau. Ví dụ, lực hấp dẫn là lực yếu nhất trong số bốn lực, nó yếu hơn lực điện từ 10³⁶ lần. Trái Đất nặng 6 triệu tỉ tỉ (6 x 10²⁴) kilôgam, vậy mà khối lượng khổng lồ của nó và lực hấp dẫn của nó lại có thể dễ dàng bị triệt tiêu bởi lực điện từ. Chẳng hạn, chiếc lược của bạn có thể nhấc lên một mẩu giấy nhỏ thông qua tĩnh điện, bằng cách ấy triệt tiêu lực hấp dẫn của toàn bộ Trái Đất. Ngoài ra, lực hấp dẫn hoàn toàn chỉ có hút, còn lực điện từ có thể là cả hút lẫn đẩy, tùy thuộc vào điện tích của hạt.

THỐNG NHẤT TẠI VỤ NỔ LỚN

Một trong những câu hỏi nền tảng trong vật lý là: tại sao vũ trụ lại bị chi phối bởi bốn lực riêng biệt? Và tại sao bốn lực này lại quá khác biệt như vậy, với các cường độ khác nhau, các tương tác khác nhau, và tính chất vật lý khác nhau?

Einstein là người đầu tiên bắt tay vào chiến dịch thống nhất các lực này thành một thuyết bao hàm toàn diện duy nhất, bắt đầu bằng việc thống nhất lực hấp dẫn với lực điện từ. Ông đã thất bại vì đi trước thời đại của mình quá xa: lúc đó người ta biết quá ít về lực hạt nhân mạnh nên không thể tạo ra một thuyết trường thống nhất hiện thực. Nhưng công trình tiên phong của Einstein đã làm thế giới vật lý tỉnh ngộ về khả năng của một “thuyết về mọi thứ”.

Mục tiêu của một thuyết trường thống nhất dường như là hoàn toàn vô vọng trong thập niên 1950, đặc biệt là khi vật lý hạt cơ bản khi đó đang ở trong tình trạng hoàn toàn hỗn độn, với các cỗ máy đập vỡ nguyên tử làm nổ tung các hạt nhân để tìm kiếm các “thành phần cơ bản” của vật chất, nhưng chỉ tìm thấy thêm hàng trăm hạt tuôn ra từ các thực nghiệm. “Vật lý hạt cơ bản” đã trở thành một sự mâu thuẫn về thuật ngữ, một trò cười vũ trụ. Những người Hy Lạp đã nghĩ rằng khi chúng ta phá vỡ một loại vật chất tới các "viên gạch” xây dựng cơ bản của nó, thì mọi thứ sẽ trở nên đơn giản họ Điều trái ngược đã xảy ra: các nhà vật lý đã phải vật lộn để tìm kiếm cho đủ các chữ cái trong bảng chữ cái Hy Lạp để gán nhãn cho các hạt này. J. Robert Oppenheimer từng nói đùa rằng giải Nobel vật lý nên dành cho nhà vật lý nào không phát hiện ra một hạt mới trong năm đó. Một người đoạt giải Nobel là Steven Weinberg đã bắt đầu tự hỏi liệu trí tuệ của con người có đủ khả năng để giải quyết được bí mật của lực hạt nhân chưa.

Tuy nhiên, sự hỗn độn này phần nào đã được chế ngự vào đầu thập niên 1960 khi Murray Gell-Mann và George Zweig của Cal Tech đề xuất ý tưởng về các hạt quark, là thành phần tạo nên các proton và nơtron. Theo thuyết quark, ba quark tạo thành một proton hay một nơtron, và một quark và một phản quark tạo thành một meson (loại hạt giữ hạt nhân lại cùng nhau). Điều này chỉ là giải pháp phần nào (vì ngày nay chúng ta đang bị tràn ngập các kiểu quark khác nhau), nhưng nó có nhiệm vụ tiếp thêm năng lượng mới vào một lĩnh vực từng có thời im lìm.

Năm 1967, hai nhà vật lý Steven Weinberg và Abdus Salam thực hiện một đột phá gây ấn tượng mạnh họ đã chỉ ra rằng có thể hợp nhất lực hạt nhân yếu và lực điện từ. Họ tạo ra một thuyết mới, mà theo đó các electron và các nơtrino (được gọi chung là các lepton) tương tác với nhau bằng cách trao đổi các hạt mới gọi là boson W và boson Z cũng như các photon. Bằng cách xem xét boson W, boson Z và photon trên cùng một nền tảng thật sự, họ đã tạo ra một lý thuyết để hợp nhất hai lực này. Năm 1979, Steven Weinberg, Sheldon Glashow và Abdus Salam đồng nhận giải Nobel cho công trình thống nhất lực điện từ với lực hạt nhân yếu, và cung cấp sự hiểu biết sâu về lực hạt nhân mạnh.

Trong thập niên 1970, các nhà vật lý phân tích các dữ liệu lấy từ máy gia tốc hạt tại Trung tâm gia tốc tuyến tính Stanford (Stanford Linear Accelerator Center, viết tắt SLAC), máy này bắn các chùm electron cực mạnh vào một mục tiêu nhằm thăm dò sâu bên trong proton. Họ thấy rằng việc lực hạt nhân mạnh giữ các quark lại cùng nhau bên trong proton có thể được giải thích bằng cách đưa vào các hạt mới gọi là gluon, là các lượng tử của lực hạt nhân mạnh. Lực liên kết giữ proton lại cùng nhau có thể được giải thích bằng sự trao đổi các gluon giữa các quark hợp thành. Điều này dẫn đến một thuyết mới của lực hạt nhân mạnh được gọi là sắc động lực học lượng tử.

Như thế, vào giữa thập niên 1970, người ta đã có thể kết nối ba trong số bốn lực lại với nhau (trừ lực hấp dẫn) để tạo ra cái gọi là Mô hình Chuẩn, một thuyết của các quark, electron và nơtrino, mà chúng tương tác với nhau bằng cách trao đổi các gluon, boson W và boson Z và photon. Nó là đỉnh cao của hàng thập kỷ nghiên cứu chậm chạp khó khăn trong vật lý hạt. Hiện nay, Mô hình Chuẩn phù hợp với tất cả các dữ liệu thực nghiệm liên quan tới vật lý hạt mà không có ngoại lệ nào.

Đây là các hạt hạ nguyên tử chứa trong Mô hình Chuẩn, thuyết thành Công nhất về các hạt cơ bản. Nó được xây dựng từ các quark, tạo nên các proton và nơtron, các lepton như các electron và nơtrino, và nhiều hạt khác. Để ý rằng mô hình đưa đến ba bản sao đồng nhất của các hạt hạ nguyên tử. Vì Mô hình Chuẩn không tính đến lực hấp dẫn (và dường như quá vụng về), nên các nhà vật lý lý thuyết cảm thấy nó chưa thể là thuyết cuối cùng.

Mặc dù Mô hình Chuẩn là một trong những học thuyết vật lý thành công nhất từ trước tới nay, nó rõ là xấu xí. Thật khó mà tin rằng tự nhiên ở cấp độ cơ bản lại có thể vận hành theo một thuyết có vẻ như cọc cạch với nhau đến vậy. Ví dụ, có mười chín tham số tùy ý trong thuyết chỉ đưa vào một cách đơn giản bằng tay, mà chẳng có nhịp điệu hay nghĩa lý gì (có nghĩa là các khối lượng khác nhau và các cường độ tương tác không được xác định bằng lý thuyết mà được xác định bằng thực nghiệm; mà một cách lý tưởng, trong một thuyết thống nhất thật sự, các hằng số này lẽ ra phải được xác định bằng chính thuyết đó, chứ không phải dựa vào thực nghiệm bên ngoài).

Hơn nữa, có ba bản sao chính xác của các hạt cơ bản, được gọi là các thế hệ. Thật khó mà tin rằng tự nhiên, ở cấp độ cơ bản nhất của nó, lại bao gồm ba bản sao chính xác của các hạt hạ nguyên tử. Ngoại trừ khối lượng của các hạt này, các thế hệ này là các bản sao của nhau. (Ví dụ, các bản sao của electron bao gồm hạt muon, nặng hơn electron 200 lần, và hạt tau, nặng hơn 3.500 lần). Cuối cùng, Mô hình Chuẩn không đề cập tới lực hấp dẫn, mặc dù lực hấp dẫn có lẽ là lực lan tỏa nhất trong vũ trụ.

Vì Mô hình Chuẩn, bất kể các thành công thực nghiệm gây sững sờ của nó, dường như là quá giả tạo, nên các nhà vật lý đã cố gắng để phát triển một thuyết khác, gọi là thuyết thống nhất lớn (grand unified theory, GUT), thuyết này đặt các hạt quark và hạt lepton trên cùng một nền tảng. Nó cũng xem xét các gluon, boson W và boson Z cùng các photon trên cùng một mức. (Tuy nhiên, nó không thể là “thuyết cuối cùng” vì lực hấp dẫn vẫn bị bỏ ra ngoài, lực này được coi là quá khó để sáp nhập với các lực khác, như chúng ta sẽ thấy.)

Chương trình thống nhất này, tới lượt nó, đã đưa ra một mô hình mới đối với vũ trụ học. Ý tưởng là đơn giản và tao nhã: tại thời khắc của vụ nổ lớn, tất cả bốn lực cơ bản đã được thống nhất thành một lực cố kết duy nhất, một “siêu lực” bí ẩn. Tất cả bốn lực có cùng cường độ và là một phần của một tổng thể cố kết lớn hơn. Vũ trụ đã bắt đầu trong trạng thái hoàn hảo. Tuy nhiên, khi vũ trụ bắt đầu dãn nở và nguội đi nhanh chóng, siêu lực ban đầu bắt đầu bị “rạn vỡ, với các lực khác nhau lần lượt rời nhau ra.

Theo thuyết này, sự nguội đi của vũ trụ sau vụ nổ lớn tương tự như sự đóng băng của nước. Khi nước ở dạng lỏng, nó khá đồng nhất và nhuyễn. Tuy nhiên, khi nó đóng băng, hàng triệu tinh thể nước đá nhỏ hình thành bên trong. Khi nước lỏng đóng băng hoàn toàn, sự đồng nhất ban đầu của nó đã hoàn toàn bị phá vỡ, với nước đá chứa các vết nứt, các bọt khí và các tinh thể.

Nói cách khác, ngày nay chúng ta thấy rằng vũ trụ bị phá vỡ khủng khiếp. Nó không đồng nhất hay đối xứng một chút nào mà bao gồm các dãy núi lởm chởm, các núi lửa, các trận bão, các tiểu hành tinh đá và các ngôi sao nổ tung, không có bất kỳ sự đồng nhất cố kết nào; ngoài ra, chúng ta cũng thấy bốn lực cơ bản không có bất kỳ quan hệ nào với nhau. Nhưng lý do vũ trụ lại bị phá vỡ như vậy là ở chỗ nó là hoàn toàn già nua và lạnh lẽo.

Mặc dù vũ trụ đã bắt đầu trong trạng thái đồng nhất hoàn hảo, ngày nay nó đã đi qua nhiều lần chuyển pha, hay các thay đổi trạng thái, với các lực của vũ trụ bứt phá khỏi nhau từng lực một khi nó nguội đi. Công việc của các nhà vật lý là đi ngược trở lại, để tái tạo lại các bước mà theo đó vũ trụ đã bắt đầu (trong trạng thái hoàn hảo) rồi đã dẫn tới một vũ trụ bị phá vỡ như chúng ta thấy xung quanh mình.

Do đó, chìa khóa của vấn đề là hiểu chính xác các vụ chuyển pha này đã xảy ra vào lúc bắt đầu của vũ trụ như thế nào, mà các nhà vật lý gọi là sự “phá vỡ tự phát”. Cho dù đó là sự nóng chảy của băng, sự sôi của nước, sự tạo thành các đám mây mang mưa, hay sự nguội đi của vụ nổ lớn, thì các vụ chuyển pha có thể kết nối hai pha vật chất hoàn toàn khác nhau.

(Để minh họa các vụ chuyển pha này mạnh như thế nào, họa sĩ Bob Miller đã đưa ra một câu đố: “Làm thế nào bạn có thể treo 500.000 pounds (226.800 kg) nước trong không trung mà không có các phương tiện chống đỡ nhìn thấy được?” Câu trả lời là: “Gom thành một đám mây.”) [51]

CHÂN KHÔNG GIẢ

Khi một lực tách khỏi các lực khác, quá trình này có thể được ví với việc phá vỡ một con đập. Các con sông chảy dốc xuống vì nước chảy về hướng năng lượng thấp nhất, tức là mực nước biển. Trạng thái năng lượng thấp nhất được gọi là chân không. Tuy nhiên, có một trạng thái bất thường được gọi là chân không giả. Chẳng hạn, nếu chúng ta ngăn đập một con sông, thì con đập này dường như là ổn định, nhưng thực tế nó phải chịu một áp lực khủng khiếp. Nếu một vết nứt nhỏ xuất hiện trong con đập, áp lực này có thể đột ngột làm vỡ tung con đập và giải phóng một luồng năng lượng từ chân không giả (dòng sông bị ngăn bằng đập) và gây ra lũ lụt thảm họa về phía chân không thật sự (mực nước biển). Toàn thể các ngôi làng có thể bị ngập lụt nếu có sự phá vỡ tự phát của con đập và sự chuyển tiếp đột ngột tới chân không thật.

Tương tự, trong thuyết thống nhất lớn, vũ trụ ban đầu đã bắt đầu trong trạng thái chân không giả, với ba lực thống nhất thành một lực duy nhất. Tuy nhiên, trạng thái này không ổn định, nó đã bị phá vỡ một cách tự phát và tạo ra sự chuyển tiếp từ chân không giả, nơi các lực này đã hợp nhất, thành chân không thật, nơi mà các lực này bị tách ra.

Điều này đã được biết đến trước khi Guth bắt đầu phân tích thuyết thống nhất lớn. Nhưng Guth nhận ra điều gì đó đã bị những người khác bỏ qua. Trong trạng thái chân không giả, vũ trụ dãn nở theo cấp số mũ, như cách mà de Sitter đã dự báo từ năm 1917. Đó là hằng số vũ trụ, năng lượng của chân không giả, cái dẫn dắt vũ trụ dãn nở với tốc độ cực lớn như vậy. Guth tự đặt ra cho mình một câu hỏi định mệnh: dãn nở de Sitter theo cấp số mũ này có thể giải quyết được một số vấn đề của vũ trụ học hay không?

VẤN ĐỀ ĐƠN CỰC

Một dự đoán của nhiều thuyết thống nhất lớn là sự tạo ra một lượng dồi dào các đơn cực tại lúc thời gian bắt đầu. Đơn cực là một cực từ bắc hay nam đơn độc. Trong tự nhiên, các cực này luôn luôn được xuất hiện thành cặp. Nếu bạn lấy một thanh nam châm, bạn lúc nào cũng thấy cả cực bắc và cực nam bị ràng buộc với nhau. Nếu bạn lấy một cái búa và tách thanh nam châm ra làm đôi, thì bạn không thấy hai đơn cực; thay vì thế bạn thấy hai thanh nam châm nhỏ, mỗi thanh đều có một cặp cực bắc và nam của chính nó.

Tuy nhiên, vấn đề là ở chỗ các nhà khoa học, sau nhiều thế kỷ thực nghiệm, đã không tìm thấy bằng chứng thuyết phục cho các đơn cực. Vì chưa có ai đã từng thấy một đơn cực, nên Guth đã bối rối tại sao các thuyết thống nhất lớn lại dự đoán quá nhiều về chúng. “Giống như con kỳ lân*, đơn cực vẫn tiếp tục mê hoặc trí tuệ con người mặc cho sự thiếu vắng các quan sát xác nhận” [52] , Guth nhận xét.

Sau đó, nó đột ngột trở nên rõ ràng với ông. Trong khoảnh khắc lóe sáng, tất cả các mảnh rời khép lại với nhau. Ông đã nhận ra rằng nếu như vũ trụ đã bắt đầu trong trạng thái chân không giả, nó có thể dãn nở kiểu lạm phát theo cấp số mũ, như de Sitter đã đề xuất hàng thập niên trước đó. Trong trạng thái chân không giả này, vũ trụ có thể đột ngột phình ra theo một lượng khó tin, bằng cách ấy làm loãng mật độ các đơn cực. Nếu các nhà khoa học chưa bao giờ thấy một đơn cực trước đó, thì đó chỉ là do các đơn cực đã được trải ra trên một vũ trụ rộng lớn hơn nhiều so với người ta nghĩ trước đây.

Đối với Guth, khám phá này là khiến ông kinh ngạc và vui sướng. Một quan sát đơn giản như vậy có thể giải thích vấn đề đơn cực trong một khoảnh khắc. Nhưng Guth đã nhận ra rằng dự đoán này sẽ có các hệ quả vũ trụ vượt xa ý tưởng ban đầu của ông.

VẤN ĐỀ ĐỘ PHẲNG

Guth đã nhận ra rằng thuyết của ông đã giải quyết được một vấn đề khác, vấn đề độ phẳng, đã được thảo luận trước đây. Bức tranh chuẩn của vụ nổ lớn không thể giải thích tại sao vũ trụ lại phẳng như thế. Trong thập niên 1970, người ta tin rằng mật độ vật chất trong vũ trụ, được gọi là omega, là khoảng 0,1. Thực tế rằng mật độ này trong rất nhiều tỉ năm sau vụ nổ lớn đã tương đối gần với mật độ tới hạn 1,0 đã gây bối rối sâu sắc. Khi vũ trụ dãn nở, omega phải thay đổi theo thời gian. Con số này đã gần một cách khó chịu với giá trị 1,0, là giá trị mô tả một không gian hoàn toàn phẳng.

Đối với bất kỳ giá trị hợp lý nào của omega tại lúc thời gian bắt đầu, các phương trình Einstein chỉ ra rằng ngày nay nó phải gần như bằng 0. Để omega rất gần với 1 như thế trong rất nhiều tỉ năm sau vụ nổ lớn sẽ cần phải có một phép lạ. Cái này trong vũ trụ học được gọi là vấn đề tinh chỉnh. Chúa Trời, hay một Đấng Tạo hóa nào đó, đã phải “chọn” giá trị của omega trong phạm vi chuẩn xác không tưởng để ngày nay omega là khoảng 0,1. Để omega ngày nay nằm trong khoảng giữa 0,1 và 10, thì omega đã phải là 10¹⁴ ở thời khắc một giây sau vụ nổ lớn. Nói cách khác, tại lúc thời gian bắt đầu thì giá trị của omega đã được “chọn” để bằng 1 với độ chính xác trong phạm vi một phần một trăm nghìn tỉ, đây là điều rất khó hiểu.

Hãy nghĩ đến việc thử cân bằng một chiếc bút chì thẳng đứng trên đầu nhọn của nó. Không phụ thuộc vào việc chúng ta cố gắng để cân bằng chiếc bút chì này như thế nào, nó thường sẽ đổ xuống. Trên thực tế, nó đòi hỏi một sự tinh chỉnh có độ chính xác rất lớn để làm cho chiếc bút chì thăng bằng thẳng đứng thật chính xác sao cho nó không bị đổ. Bây giờ thử cân bằng chiếc bút chì này trên đầu nhọn của nó sao cho nó đứng thẳng, không chỉ trong một giây, mà là trong nhiều năm! Bạn sẽ thấy sự tinh chỉnh rất lớn kèm theo để có được omega là 0,1 ngày nay. Một sai số nhỏ nhất trong sự tinh chỉnh omega đã có thể tạo ra một omega khác 1 rất xa. Vậy tại sao ngày nay omega lại gần với 1 đến thế, trong khi lý ra thì nó phải khác xét về mặt thiên văn học?

Đối với Guth, câu trả lời đã rõ ràng. Vũ trụ chẳng qua đã phình to tới một mức độ khác thường như thế để nó phẳng ra, Giống như một người kết luận rằng Trái Đất phẳng vì ông ta không thể nhìn thấy đường chân trời, các nhà thiên văn kết luận rằng omega khoảng bằng 1 vì sự dãn nở lạm phát đã làm phẳng vũ trụ.

VẤN ĐỀ CHÂN TRỜI

Lạm phát không chỉ giải thích các dữ liệu ủng hộ độ phẳng của vũ trụ, nó cũng đã giải quyết được vấn đề chân trời. Vấn đề này dựa trên nhận thức đơn giản rằng bầu trời đêm dường như là tương đối đồng nhất, không phụ thuộc vào việc bạn nhìn vào nơi nào. Nếu bạn quay đầu lại 180 độ, bạn vẫn quan sát thấy vũ trụ đồng nhất, dù bạn vừa mới nhìn thấy các phần của vũ trụ cách xa nhau hàng chục tỉ năm ánh sáng. Các kính viễn vọng mạnh quét ngang bầu trời cũng không thể tìm thấy sự chênh lệch đáng kể khỏi tính đồng nhất này. Các vệ tinh không gian của chúng ta đã cho thấy là bức xạ vi sóng vũ trụ cũng cực kỳ đồng nhất. Không phụ thuộc vào việc bạn nhìn vào đâu trong không gian, nhiệt độ của bức xạ nền chênh lệch không quá một phần nghìn của một độ.

Nhưng đây lại là một vấn đề khó hiểu, vì tốc độ ánh sáng là giới hạn tốc tột cùng trong vũ trụ. Không có cách nào, trong cả cuộc đời của vũ trụ, để ánh sáng hoặc thông tin có thể di chuyển từ một phần của bầu trời đêm tới phía bên kia. Chẳng hạn, nếu chúng ta nhìn vào bức xạ vi sóng trong một hướng, nó đã chu du trên 13 tỉ năm kể từ vụ nổ lớn. Nếu chúng ta quay đầu mình lại và nhìn vào hướng đối diện, chúng ta thấy rằng bức xạ vi sóng là y hệt và nó cũng đã chu du trên 13 tỉ năm. Vì chúng có cùng một nhiệt độ, nên chúng phải có sự tiếp xúc nhiệt vào lúc thời gian bắt đầu. Nhưng không có cách nào mà thông tin lại có thể di chuyển từ các điểm đối diện trên bầu trời đêm (cách xa nhau trên 26 tỉ năm ánh sáng) kể từ vụ nổ lớn.

Tình huống thậm chí còn tồi tệ hơn nếu chúng ta nhìn vào bầu trời 380.000 năm sau vụ nổ lớn, khi bức xạ nên bắt đầu được hình thành. Nếu chúng ta nhìn vào các điểm đối diện trên bầu trời, chúng ta thấy rằng bức xạ nền là gần như đồng nhất. Nhưng theo các tính toán từ thuyết vụ nổ lớn thì các điểm đối diện này cách nhau 90 triệu năm ánh sáng (vì sự dãn nở của không gian kể từ vụ nổ). Nhưng không có cách nào mà ánh sáng có thể di chuyển được 90 triệu năm ánh sáng chỉ trong đúng 380.000 năm. Thông tin sẽ phải di chuyển nhanh hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng, mà điều đó là không thể.

Đúng ra thì vũ trụ phải có vẻ như khá gợn sóng, vì một phần quá xa không thể tiếp xúc với một phần xa xôi khác. Làm sao vũ trụ có vẻ như đồng nhất đến vậy, khi mà ánh sáng không thể đủ thời gian để hòa trộn và lan truyền thông tin từ một phần xa xăm của vũ trụ tới một phần khác? (nhà vật lý Robert Dicke từ Princeton gọi vấn đề này là vấn đề chân trời, vì đường chân trời là điểm xa nhất bạn có thể nhìn thấy, và là điểm xa nhất mà ánh sáng có thể di chuyển).

Nhưng Guth đã nhận ra rằng lạm phát cũng là chìa khóa để giải thích vấn đề này. Ông lập luận rằng vũ trụ có thể nhìn thấy của chúng ta chắc chỉ là một mảng nhỏ trong quả cầu lửa ban đầu. Bản thân mảng này là đồng nhất về mật độ và nhiệt độ. Nhưng lạm phát đã đột nhiên kéo dãn mảng nhỏ vật chất đồng nhất này theo hệ số nhân là 10⁵⁰, nhanh hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng, sao cho vũ trụ có thể nhìn thấy ngày nay là đồng nhất rõ nét. Vì vậy lý do giải thích tại sao bầu trời đêm và bức xạ vi sóng đồng nhất đến thế là ở chỗ vũ trụ có thể nhìn thấy từng có thời là một mảng nhỏ nhưng đồng nhất của quả cầu lửa ban đầu đã đột ngột phình to để trở thành vũ trụ.

PHẢN ỨNG VỚI LẠM PHÁT

Mặc dù Guth tự tin rằng ý tưởng lạm phát là đúng, nhưng ông đã hơi lo lắng khi lần đầu tiên nói chuyện trước công chúng. Khi trình bày thuyết của mình vào năm 1980, ông thú nhận: “Tôi vẫn thấy lo lắng rằng một số hệ quả của thuyết có thể sai rõ rệt. Cũng có nỗi sợ rằng tôi sẽ ‘lộ chân tướng’ là một nhà vũ trụ học non nớt.” [53] Nhưng thuyết của ông tao nhã và hùng mạnh tới mức các nhà vật lý trên khắp thế giới ngay lập tức đã nhận thấy tầm quan trọng của nó. Murray Gell-Mann, người đoạt giải Nobel, đã thốt lên: “Anh đã giải quyết được vấn đề quan trọng nhất trong vũ trụ học!” Sheldon Glashow, cũng đoạt giải Nobel, kể với Guth rằng Steven Weinberg đã “giận dữ” khi ông nghe nói về dãn nở lạm phát. Đầy lo âu, Guth hỏi: “Steven có phản đối nó không?” Glashow trả lời,“Không, Steven giận dữ vì bản thân anh ấy vào lúc đó đã không nghĩ ra nó.” [54] Làm sao mà họ có thể đã bỏ qua một giải pháp đơn giản như vậy, các nhà khoa học tự hỏi. Các nhà vật lý lý thuyết hăng hái tiếp nhận thuyết của Guth, họ đã ngạc nhiên trước tầm cỡ của nó.

Thuyết ấy cũng có tác động đến triển vọng nghề nghiệp của Guth. Trước đó, vì thị trường việc làm khó khăn, ông đã thấy rành rành trước mắt khả năng thất nghiệp. Ông thú nhận: “Tôi đã ở tình trạng bên rìa trên thị trường việc làm.” [55] Đột nhiên, lời mời chào công việc bắt đầu ào ạt tới từ các trường đại học hàng đầu, nhưng không có MIT là lựa chọn đầu tiên của ông. Nhưng khi đó ông đã đọc một chiếc bánh đoán hạnh vận* viết rằng: “Một cơ hội thú vị nằm ngay trước bạn nếu bạn không quá nhút nhát.” Điều này đã tạo cho ông can đảm để đánh liều gọi điện thoại tới MIT hỏi về việc làm. Ông đã sững sờ khi MIT gọi lại vài ngày sau đó và mời ông làm giáo sư. Chiếc bánh đoán hạnh vận kế tiếp mà ông đọc cho biết: “Bạn không nên bốc đồng vào thời điểm này.” Bỏ qua lời khuyên của nó, ông đã quyết định chấp nhận vị trí tại MIT. Ông tự hỏi bản thân: “Dù thế nào đi chăng nữa thì một chiếc bánh Tàu đoán hạnh vận có thể biết cái quái gì?”

Tuy nhiên, vẫn còn có những vấn đề nghiêm trọng. Các nhà thiên văn ít ấn tượng với thuyết của Guth, vì nó rõ ràng kém cỏi trong một khía cạnh: nó đưa ra dự đoán sai về omega. Việc omega đã xấp xỉ gần bằng 1 có thể được giải thích bằng lạm phát. Tuy nhiên, lạm phát đã đi xa hơn thế và dự đoán rằng omega (hoặc omega cộng lambda) sẽ chính xác bằng 1, tương ứng với một vũ trụ phẳng. Trong những năm sau, khi ngày càng có nhiều dữ liệu thực nghiệm hơn được thu thập xác định những lượng khổng lồ của vật chất tối trong vũ trụ, omega đã hơi dịch chuyển, tăng lên tới 0,3. Nhưng điều này vẫn là nguy cơ chí tử tiềm tàng cho giả thuyết lạm phát. Mặc dù lạm phát có thể làm cho các nhà vật lý viết ra trên 3.000 bài báo trong thập niên tiếp theo, nhưng nó vẫn tiếp tục là vật kỳ lạ đối với các nhà thiên văn. Với họ, các dữ liệu dường như bác bỏ lạm phát.

Một số nhà thiên văn kín đáo phàn nàn rằng các nhà vật lý hạt đã quá ám ảnh với vẻ đẹp của lạm phát tới mức họ sẵn sàng bỏ qua thực tế thực nghiệm. (Nhà thiên văn Robert Kirshner của Đại học Harvard đã viết: “Ý tưởng dãn nở lạm phát này nghe có vẻ điên khùng. Việc nó được những người ngồi vững chắc trong những chiếc ghế danh giá nghiêm túc công nhận không tự động làm cho nó thành đúng.” [56] Roger Penrose từ Oxford gọi lạm phát là “một thứ mốt mà các nhà vật lý năng lượng cao đã trút lên đầu các nhà vũ trụ học… Ngay cả những con lợn răng ống* cũng nghĩ rằng con cái của chúng xinh đẹp.” [57] )

Guth tin rằng sớm hay muộn thì các dữ liệu kiểm chứng sẽ chỉ ra rằng vũ trụ là phẳng. Nhưng điều đã làm ông bận tâm là bức tranh ban đầu của ông có một nhược điểm nhỏ nhưng có tính quyết định, một nhược điểm mà cho tới nay vẫn chưa hoàn toàn hiểu được. Dãn nở lạm phát phù hợp một cách lý tưởng để giải quyết một loạt các vấn đề vũ trụ bí ẩn. Nhưng vấn đề là ông không biết lạm phát tắt đi như thế nào.

Hãy hình dung việc đun nóng một nồi nước lên tới điểm sôi của nó. Ngay trước khi sôi, nó tức khắc ở trong trạng thái năng lượng cao. Nó muốn sôi, nhưng không thể sôi vì nó cần một vài tạp chất để tạo ra một bọt nước. Nhưng một khi một bọt nước được tạo ra, nó nhanh chóng chuyển sang trạng thái năng lượng thấp của chân không thật, và nồi nước sẽ trở nên đầy các bọt nước. Cuối cùng, các bọt nước trở nên lớn tới mức chúng kết hợp lại, cho đến khi nồi nước đầy hơi nước đồng nhất. Khi tất cả các bọt nước hợp nhất, bước chuyển tiếp từ nước thành hơi nước hoàn thành.

Trong bức tranh gốc của Guth, mỗi bọt nước tương ứng với một mảnh của vũ trụ của chúng ta đã phình ra từ chân không. Nhưng khi Guth thực hiện tính toán này, ông thấy rằng các bọt nước không kết hợp lại đúng cách, để lại một vũ trụ vô cùng gợn sóng. Nói cách khác, thuyết của ông đã để lại một nồi đầy các bong bóng hơi nước mà không bao giờ hợp nhất hoàn toàn để trở thành một nồi hơi nước đồng nhất. Bể chứa nước sôi của Guth dường như không bao giờ dịu xuống thành vũ trụ ngày nay.

Năm 1981, Andrei Linde từ Viện P. N. Lebedev ở Nga và Paul J. Steinhardt cùng Andreas Albrecht, khi đó ở Đại học Pennsylvania, đã tìm thấy một lối đi vòng qua câu hỏi khó này, khi nhận ra rằng nếu một bong bóng duy nhất của chân không giả nở phình ra đủ lâu, cuối cùng nó sẽ lấp đầy toàn bộ nồi và tạo ra một vũ trụ đồng nhất. Nói cách khác, toàn bộ thế giới của chúng ta có thể là sản phẩm phụ của một bong bóng duy nhất đã phình ra để lấp đầy vũ trụ. Ta không cần một lượng lớn các bọt nước để kết hợp lại nhằm tạo ra một nồi hơi nước đồng nhất. Chỉ cần một bọt nước duy nhất làm điều đó, nếu nó đã phình ra đủ lâu.

Hãy hình dung trở lại sự tương tự của con đập và chân không giả. Con đập càng dày thì nước chui qua con đập càng lâu. Nếu bức tường của con đập này đủ dày thì việc chui qua sẽ bị trì hoãn lâu tùy ý. Nếu vũ trụ được phép phình ra với hệ số nhân 10⁵⁰, thì một bong bóng duy nhất sẽ có đủ thời gian để giải quyết các vấn đề chân trời, độ phẳng và đơn cực. Nói cách khác, nếu việc chui hầm bị trì hoãn một cách đủ mức thì vũ trụ phình ra đủ lâu để làm phẳng vũ trụ và làm loãng các đơn cực. Nhưng điều này vẫn để lại một câu hỏi: cơ chế nào có thể kéo dài sự dãn nở lạm phát tới mức độ khổng lồ đó?

Cuối cùng, vấn đề rất khó chịu này được biết đến như là “vấn đề lối thoát thanh nhã”, nghĩa là làm thế nào để cho vũ trụ phình to đủ lâu đến mức một bong bóng duy nhất có thể tạo ra toàn thể vũ trụ. Trong những năm qua, ít nhất năm mươi cơ chế khác nhau đã được đề xuất để giải quyết vấn đề lối thoát thanh nhã. (Đây là một vấn đề khó khăn hơn người ta tưởng: Tôi cũng đã tự mình thử vài giải pháp. Tương đối dễ dàng tạo ra một lượng dãn nở lạm phát khiêm tốn nhất trong vũ trụ ban đầu. Nhưng để có được một vũ trụ phình to với hệ số nhân 10⁵⁰ là việc đặc biệt khó khăn. Tất nhiên, đơn giản là người ta có thể đưa vào hệ số nhân 10⁵⁰ này một cách thủ công, nhưng điều này là khiên cưỡng và giả tạo). Nói cách khác, quá trình lạm phát được tin tưởng rộng khắp là đã giải quyết được các vấn đề đơn cực, chân trời và độ phẳng, nhưng không một ai biết chính xác cái gì đã thúc đẩy lạm phát và cái gì đã tắt nó đi.

LẠM PHÁT HỖN LOẠN VÀ CÁC VŨ TRỤ SONG SONG

Nhà vật lý Andrei Linde trước hết là người không lúng túng bởi thực tế là không một ai tán thành một giải pháp cho vấn đề lối thoát thanh nhã. Linde thú nhận: “Tôi vừa mới có cảm giác rằng Chúa không thể không sử dụng một khả năng tốt như thế để đơn giản hóa công việc của mình.” [58]

Cuối cùng, Linde đã đề xuất một phiên bản mới của lạm phát mà dường như loại bỏ một số khiếm khuyết của các phiên bản ban đầu. Ông đã hình dung ra một vũ trụ mà trong đó, tại các điểm ngẫu nhiên trong không gian và thời gian, sự phá vỡ tự phát xảy ra. Tại mỗi điểm nơi phá vỡ xảy ra, một vũ trụ được tạo thành và phình ra một chút. Hầu hết thời gian, lượng dãn nở lạm phát là nhỏ. Nhưng vì quá trình này là ngẫu nhiên, nên cuối cùng sẽ có một bong bóng, nơi dãn nở kéo dài đủ lâu để tạo ra vũ trụ của chúng ta. Nếu chấp nhận kết luận logic của nó, thì điều này có nghĩa là lạm phát là liên tục và vĩnh cửu, với các vụ nổ lớn luôn luôn xảy ra, với các vũ trụ mọc ra từ các vũ trụ khác. Trong bức tranh này, vũ trụ có thể “nảy chồi” thành các vũ trụ khác, tạo ra một “đa vũ trụ”.

Trong thuyết này, phá vỡ tự phát có thể xảy ra ở bất cứ nơi nào trong vũ trụ của chúng ta, cho phép cả một vũ trụ nảy chồi từ vũ trụ của chúng ta. Nó cũng có nghĩa rằng vũ trụ của chính chúng ta có thể đã nảy chồi từ một vũ trụ trước đó. Trong mô hình lạm phát hỗn loạn, đa vũ trụ là vĩnh cửu, ngay cả khi những vũ trụ riêng lẻ không phải là vĩnh cửu. Một số vũ trụ có thể có omega rất lớn, trong trường hợp đó chúng ngay lập tức tiêu biến thành một vụ co lớn sau vụ nổ lớn của chúng. Một số vũ trụ chỉ có omega nhỏ và dãn nở mãi mãi. Cuối cùng, đa vũ trụ này bị chi phối bởi những vũ trụ nào phình ra theo một lượng khổng lồ.

Nhìn lại quá khứ, ý tưởng về các vũ trụ song song được áp đặt lên chúng ta. Dãn nở lạm phát thể hiện cho sự hợp nhất của vũ trụ học truyền thống với những tiến bộ trong vật lý hạt. Là một thuyết lượng tử, vật lý hạt phát biểu rằng có một xác suất hữu hạn cho các sự kiện khó có khả năng xảy ra, chẳng hạn như việc tạo ra các vũ trụ song song. Vì vậy, ngay khi chúng ta thừa nhận khả năng tạo ra một vũ trụ, chúng ta mở cửa cho xác suất của một số lượng vô tận các vũ trụ song song được tạo ra. Chẳng hạn, hãy suy nghĩ về việc electron được miêu tả ra sao trong thuyết lượng tử. Vì tính bất định, electron không tồn tại tại một điểm duy nhất nào, mà tồn tại trong tất cả các điểm có thể xung quanh hạt nhân. “Đám mây” electron này bao quanh hạt nhân thể hiện electron đang ở nhiều nơi trong cùng một lúc. Đây là cơ sở nền tảng của mọi loại hóa học cho phép các electron liên kết các phân tử lại với nhau. Lý do tại sao các phân tử của chúng ta không tan rã là các electron song song nhảy múa xung quanh chúng và giữ chúng lại với nhau. Tương tự như vậy, vũ trụ đã từng có thời nhỏ hơn cả một electron. Khi áp dụng thuyết lượng tử cho vũ trụ, thì chúng ta buộc phải thừa nhận khả năng rằng vũ trụ đồng thời tồn tại trong nhiều trạng thái. Nói cách khác, một khi chúng ta mở cửa để áp dụng các thăng giáng lượng tử cho vũ trụ, chúng ta gần như buộc phải thừa nhận khả năng tồn tại các vũ trụ song song. Dường như chúng ta có rất ít sự lựa chọn.

VŨ TRỤ TỪ HƯ KHÔNG

Trước hết, người ta có thể chống lại ý niệm về một đa vũ trụ, bởi vì nó có vẻ vi phạm các quy luật đã biết, chẳng hạn như sự bảo toàn vật chất và năng lượng. Tuy nhiên, tổng lượng vật chất/năng lượng của vũ trụ trên thực tế có thể là rất nhỏ. Lượng vật chất của vũ trụ, bao gồm tất cả các ngôi sao, các hành tinh và các thiên hà, là khổng lồ và dương. Tuy nhiên, năng lượng tích trong hấp dẫn có thể là âm. Nếu bạn thêm năng lượng dương nhờ có vật chất vào năng lượng âm nhờ có hấp dẫn, tổng này có thể gần với con số 0! Theo một nghĩa nào đó thì các vũ trụ như vậy là miễn phí . Chúng có thể gần như dễ dàng nảy ra từ chân không. (Nếu vũ trụ là đóng, thì lượng năng lượng tổng cộng của vũ trụ phải chính xác bằng 0.)

(Để hiểu được điều này, hãy tưởng tượng một con lừa rơi vào một cái hố lớn trong lòng đất. Chúng ta phải thêm năng lượng cho con lừa này nhằm kéo nó ra khỏi cái hố. Một khi nó đã ra ngoài và đứng trên mặt đất, nó được coi là có năng lượng bằng 0. Như thế, do chúng ta đã phải thêm năng lượng cho con lừa để đưa nó về trạng thái năng lượng bằng 0, nên nó phải có năng lượng âm khi ở trong hố. Tương tự như vậy, phải mất năng lượng để kéo một hành tinh ra khỏi hệ Mặt Trời. Một khi thoát vào không gian tự do, hành tinh này có năng lượng bằng 0. Vì chúng ta phải thêm năng lượng để nhổ một hành tinh ra khỏi hệ Mặt Trời và đạt được trạng thái năng lượng bằng 0, nên hành tinh này có năng lượng hấp dẫn âm khi nằm bên trong hệ Mặt Trời.)

Trên thực tế, để tạo ra một vũ trụ giống như của chúng ta có thể cần đến một lượng vật chất ròng nhỏ bé đến nực cười, có lẽ chỉ ít tới mức một aoxơ*. Như Guth thích nói: “Vũ trụ có thể là miễn phí.” Ý tưởng về việc tạo ra một vũ trụ từ hư không này lần đầu tiên được nhà vật lý Edward Tryon của trường Hunter College thuộc Đại học thành phố New York giới thiệu, trong một bài báo công bố trên tạp chí Nature năm 1973. Ông suy đoán rằng vũ trụ là cái gì đó “đôi khi xảy ra” do một thăng giáng lượng tử trong chân không. (Mặc dù lượng vật chất ròng cần thiết để tạo ra một vũ trụ có thể gần bằng 0, nhưng lượng vật chất này phải được nén tới các mật độ không thể tin được, như chúng ta thấy trong chương mười hai.)

Giống như các thần thoại Bàn Cổ, đây là một ví dụ về vũ trụ học creatio ex nihilo . Mặc dù thuyết vũ trụ từ hư không không thể chứng minh bằng các phương tiện thông thường, nó giúp trả lời các câu hỏi rất thực tế về vũ trụ. Ví dụ, tại sao vũ trụ lại không quay? Tất cả mọi thứ chúng ta thấy xung quanh mình đều quay, từ các con quay, các trận bão, các hành tinh và các thiên hà cho tới các chuẩn tinh. Đó dường như là một đặc điểm chung của vật chất trong vũ trụ. Nhưng bản thân vũ trụ lại không quay. Khi chúng ta nhìn vào các thiên hà trên bầu trời, spin* tổng cộng của chúng bị triệt tiêu bằng 0. (Điều này khá may mắn, bởi vì như chúng ta sẽ thấy trong chương năm, nếu vũ trụ đã quay thì du hành ngược thời gian sẽ trở thành chuyện bình thường và lịch sử sẽ không thể viết ra.) Lý do tại sao vũ trụ không quay có thể là do vũ trụ của chúng ta đã đến từ hư không. Vì chân không không quay, nên chúng ta không mong đợi để thấy spin ròng nào phát sinh trong vũ trụ của chúng ta. Trên thực tế, tất cả các vũ trụ bong bóng trong phạm vi đa vũ trụ có thể có spin ròng bằng 0.

Tại sao các điện tích dương và âm lại cân bằng chính xác? Thông thường, khi chúng ta suy nghĩ về các lực vũ trụ đang chi phối vũ trụ, chúng ta nghĩ nhiều đến lực hấp dẫn hơn so với lực điện từ, mặc dù lực hấp dẫn là nhỏ tí xíu so với lực điện từ. Lý do của điều này là sự cân bằng hoàn hảo giữa các điện tích dương và âm. Kết quả là điện tích ròng của vũ trụ dường như là bằng không, và lực hấp dẫn chi phối vũ trụ chứ không phải lực điện từ.

Mặc dù chúng ta mặc nhiên coi điều này là đúng, sự triệt tiêu của điện tích dương và âm là hoàn toàn rõ rệt, và đã được kiểm tra về mặt thực nghiệm tới 1/10²¹ [59] . (Tất nhiên, có các mất cân bằng cục bộ giữa các điện tích, và điều đó giải thích tại sao chúng ta thấy có sét đánh. Nhưng tổng của các điện tích, ngay cả đối với các trận dông tố, đều bằng không). Nếu có chỉ 0,00001% sự chênh lệch trong các điện tích dương và âm ròng bên trong cơ thể của bạn, bạn sẽ bị xé toạc ra thành các mảnh nhỏ ngay lập tức, với các bộ phận cơ thể bạn bị lực tĩnh điện ném vào không gian.

Câu trả lời cho các câu đố lâu dài này có thể là việc vũ trụ đã đến từ hư không. Vì chân không có spin và diện tích ròng bằng không, nên bất kỳ vũ trụ con nào bật ra từ hư không cũng phải có spin và điện tích ròng bằng không.

Có một ngoại lệ rõ ràng đối với quy tắc này. Ngoại lệ đó là vũ trụ được hợp thành từ vật chất chứ không phải là phản vật chất [60] . Vì vật chất và phản vật chất là những thứ đối lập (với phản vật chất có điện tích trái dấu đúng bằng với vật chất), chúng ta có thể giả định rằng vụ nổ lớn phải tạo ra một lượng tương đương của vật chất và phản vật chất. Tuy nhiên, vấn đề là ở chỗ vật chất và phản vật chất sẽ tiêu diệt lẫn nhau khi tiếp xúc thành một vụ nổ tung của các tia gamma. Khi đó, chúng ta sẽ không tồn tại. Vũ trụ sẽ là một tập hợp ngẫu nhiên của các tia gamma thay vì thừa thãi vật chất thông thường. Nếu vụ nổ lớn là đối xứng hoàn hảo (hoặc nếu nó đã đến từ hư không), thì chúng ta phải mong chờ các lượng tương đương của vật chất và phản vật chất được hình thành. Vậy tại sao chúng ta lại tồn tại? Giải pháp được nhà vật lý người Nga là Andrei Sakharov đề xuất cho rằng vụ nổ lớn ban đầu đã không đối xứng hoàn hảo một chút nào. Đã có sự phá vỡ chút ít tính đối xứng giữa vật chất và phản vật chất tại thời khắc Sáng thế, sao cho vật chất đã trội hơn phản vật chất, làm cho vũ trụ mà chúng ta thấy xung quanh mình trở nên hiện hữu. (Tính đối xứng đã bị phá vỡ tại vụ nổ lớn được gọi là tính đối xứng CP*, là sự đối xứng đảo ngược các điện tích và tính chẵn lẻ của các hạt vật chất và phản vật chất. Nếu vũ trụ đã đến từ “hư không” thì có lẽ hư không đã không hoàn toàn trống rỗng, mà có một chút ít sự phá vỡ tính đối xứng, cho phép có sự trội hơn một chút của vật chất so với phản vật chất ngày nay. Nguồn gốc của sự vi phạm tính đối xứng này vẫn còn chưa được hiểu rõ.

CÁC VŨ TRỤ KHÁC CÓ THỂ TRÔNG GIỐNG CÁI GÌ?

Ý tưởng đa vũ trụ rất quyến rũ, vì tất cả những gì chúng ta phải làm là giả định rằng sự phá vỡ tự phát xảy ra ngẫu nhiên. Không cần bất kỳ giả định nào khác nữa. Mỗi lần khi một vũ trụ sinh ra từ một vũ trụ khác, các hằng số vật lý khác với bản gốc, tạo ra các quy luật mới của vật lý. Nếu điều này là đúng, thì một thực tại hoàn toàn mới có thể xuất hiện bên trong mỗi vũ trụ. Nhưng điều này gây ra một câu hỏi hấp dẫn: các vũ trụ khác này giống như cái gì? Chìa khóa để hiểu vật lý học của các vũ trụ song song là hiểu các vũ trụ đã được tạo ra như thế nào, nghĩa là hiểu chính xác sự phá vỡ tự phát xảy ra như thế nào.

Khi một vũ trụ được sinh ra và sự phá vỡ tự phát diễn ra, điều này cũng phá vỡ tính đối xứng của thuyết ban đầu. Đối với một nhà vật lý, vẻ đẹp nghĩa là tính đối xứng và tính đơn giản. Nếu một thuyết là đẹp, thì nghĩa là nó có một tính đối xứng mạnh có thể giải thích một lượng lớn các dữ liệu theo kiểu cô đọng và tiết kiệm nhất. Chính xác hơn, một phương trình được coi là đẹp nếu nó vẫn giữ nguyên khi chúng ta hoán đổi các thành phần với nhau. Một lợi thế lớn cho việc tìm kiếm các đối xứng tiềm ẩn của tự nhiên là ở chỗ chúng ta có thể chỉ ra rằng các hiện tượng dường như là khác biệt trên thực tế là các biểu hiện của cùng một thứ, đã liên kết với nhau bằng tính đối xứng. Chẳng hạn, chúng ta có thể thấy rằng điện trường và từ trường trên thực tế là hai mặt của cùng một thực thể, vì có một tính đối xứng có thể hoán đổi chúng lẫn nhau trong phạm vi các phương trình Maxwell. Tương tự, Einstein đã chỉ ra rằng thuyết tương đối có thể chuyển thời gian thành không gian và ngược lại, vì chúng là một phần của cùng một thực thể là kết cấu của không-thời gian.

Hãy suy nghĩ về một bông tuyết, có một sự đối xứng bậc sáu đẹp đẽ, một nguồn quyến rũ vô tận. Bản chất vẻ đẹp của nó là ở chỗ nó vẫn là như vậy nếu chúng ta xoay bông tuyết đi 60 độ. Điều này cũng có nghĩa là bất cứ phương trình nào chúng ta viết ra để miêu tả bông tuyết này phải phản ánh thực tế đó, tức là nó vẫn bất biến sau các phép quay theo các bội số của 60 độ. Về mặt toán học, chúng ta nói rằng, bông tuyết có tính đối xứng C₆

Các đối xứng khi ấy mã hóa vẻ đẹp tiềm ẩn của tự nhiên. Nhưng trên thực tế, ngày nay các đối xứng này đã bị phá vỡ khủng khiếp. Bốn lực lớn của vũ trụ không giống nhau một chút nào. Trên thực tế, vũ trụ đầy các bất thường và các khuyết tật; xung quanh chúng ta là các mẫu và các mảnh vỡ của tính đối xứng nguyên thủy ban đầu đã bị vụ nổ lớn làm bắn tung tóe. Do đó, chìa khóa để hiểu các vũ trụ song song có thể là hiểu được “sự phá vỡ tính đối xứng” - có nghĩa là, các đối xứng này có thể đã bị phá vỡ sau vụ nổ lớn như thế nào. Như nhà vật lý David Gross đã nói: “Bí mật của tự nhiên là tính đối xứng, nhưng phần lớn kết cấu của thế giới là do cơ chế của sự phá vỡ tính đối xứng.” [61]

Hãy nghĩ về cách mà một tấm gương đẹp đẽ bị phá hủy thành một nghìn mảnh. Tấm gương ban đầu có tính đối xứng lớn. Bạn có thể xoay tấm gương đi một góc bất kỳ và nó vẫn phản xạ ánh sáng theo cùng một cách. Nhưng sau khi bị đập vỡ, tính đối xứng ban đầu bị phá vỡ. Việc xác định chính xác tính đối xứng này đã bị phá vỡ như thế nào sẽ xác định tấm gương này bị phá hủy như thế nào.

PHÁ VỠ TÍNH ĐỐI XỨNG