Chương 4 ÁNH SÁNG VÀ BÓNG TỐI: BIG BANG, VẬT CHẤT TỐI VÀ NĂNG LƯỢNG TỐI

Bốn lực cơ bản điều chỉnh thế giới

Ngày nay chúng ta nghĩ rằng cách đây khoảng 14 tỉ năm một vụ nổ kinh hoàng gọi là Big Bang đã sinh ra vũ trụ, thời gian và không gian. Một vụ nổ không xảy ra ở một điểm duy nhất của một không gian đã tồn tại từ trước, mà diễn ra ở mọi điểm của một không gian được tạo ra liên tục. Kể từ đó diễn ra sự thăng tiến không ngừng nghỉ trên con đường phức tạp hóa. Từ một chân không có kích thước nhỏ hơn nguyên tử, vũ trụ giãn nở đã không ngừng lớn lên và loãng đi, tạo ra lần lượt các quark và electron, các proton và nơtron, các nguyên tử, các sao và các thiên hà. Một tấm vải vũ trụ khổng lồ đã được dệt nên từ hàng trăm tỉ thiên hà, mỗi thiên hà lại chứa hàng trăm tỉ ngôi sao. Trong vùng ngoại ô của một trong các thiên hà có tên là Ngân hà, trên một hành tinh gần một ngôi sao gọi là Mặt trời, đã xuất hiện con người có khả năng kinh ngạc trước vẻ đẹp và hài hòa của vũ trụ, và được ban tặng một ý thức và trí khôn để biết tự vấn về vũ trụ đã sinh ra mình. Bức bích họa khổng lồ và tuyệt đẹp này cũng chính là lịch sử ra đời và tiến hóa của các nguồn ánh sáng khác nhau trong vũ trụ.

Nhưng, trước khi lần ngược thời gian để tìm gặp nguồn ánh sáng nguyên thủy, cũng tức là Big Bang, chúng ta cần làm quen với bốn lực cơ bản chi phối chỉnh vũ trụ. Trên thực tế, thế giới bao quanh ta - đỉnh Himalaya phủ đầy tuyết trắng, cánh hoa hồng, khuôn mặt xinh xắn của một em bé đang cười -hoàn toàn do bốn lực cơ bản quyết định: lực hấp dẫn, lực điện từ và hai lực hạt nhân mạnh và yếu. Các lực này có những tính chất rất khác nhau. Và quả là rất may mắn cho chúng ta, vì chính sự đa dạng này đã cứu thế giới thoát khỏi sự đơn điệu tẻ nhạt, tạo ra sự đa dạng và phức tạp tuyệt vời của thế giới. Chẳng hạn, các lực hấp dẫn và điện từ có một tầm tác dụng rất lớn vì cường độ của chúng chỉ giảm theo bình phương của khoảng cách, điều này cho phép chúng chi phối thế giới vĩ mô. Ngược lại, tầm tác dụng của các lực hạt nhân mạnh và yếu lại rất ngắn: chỉ một phần mười nghìn tỉ (10-13) centimet - cỡ kích thước của hạt nhân nguyên tử - đối với lực hạt nhân mạnh, và một trăm lần nhỏ hơn đối với lực hạt nhân yếu, điều này giới hạn tác dụng của chúng chỉ ở thế giới dưới nguyên tử. Mặt khác, các lực khác nhau này không tác dụng lên vật chất theo cách như nhau. Lực hấp dẫn không thể hiện sự phân biệt,nó tác động lên mọi vật chất. Còn lực điện từ thì chỉ tác dụng lên các hạt tích điện; nó không có bất kỳ ảnh hưởng nào lên các hạt trung hòa (tức không tích điện). Về phần mình, lực hạt nhân mạnh tác dụng lên các hạt là những viên gạch cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử, đó các proton và nơtron, nhưng không có bất kỳ tác dụng nào lên electron và nơtrino (các hạt trung hòa có khối lượng rất nhỏ, hoặc không trọng lượng và tương tác rất ít với vật chất thông thường). Còn về lực hạt nhân yếu, nó chỉ bộc lộ trong một số phản ứng hạt nhân và là nguyên nhân gây ra sự phân rã phóng xạ của một số hạt nhân.

Bốn lực này có cường độ khác nhau. Chúng được sắp xếp theo một thứ bậc nghiêm ngặt. Ở đầu bảng là lực hạt nhân mạnh. Nó là mạnh nhất, như tên của nó cho thấy. Sau đó đến lực điện từ, yếu hơn 137 lần, và lực nguyên tử yếu, yếu hơn lực hạt nhân mạnh 100.000 lần. Ở cuối danh sách là lực hấp dẫn, nó vô cùng yếu: yếu hơn lực hạt nhân mạnh 1.000 tỉ tỉ tỉ (1039) lần. Để hình dung lực hấp dẫn yếu như thế nào so với lực hạt nhân mạnh, bạn chỉ cần dùng một nam châm nhỏ (loại nam châm mà bạn gắn trên cánh cửa tủ lạnh để treo tờ nhắc việc) là có thể nhấc một cái đinh lên khỏi mặt đất. Điều này muốn nói rằng lực điện từ của một nam châm nhỏ tác dụng lên cái đinh cũng mạnh hơn rất nhiều lực hấp dẫn của Trái đất! Bởi vì lực hấp dẫn giữa hai vật tỉ lệ với tích các khối lượng của chúng, nên nó chỉ có tác dụng đáng kể khi đó là các khối lượng vô cùng lớn như các hành tinh, sao và thiên hà. Như vậy lực hấp dẫn chỉ thể hiện quyền lực của nó chủ yếu trong thế giới vô cùng lớn.

Bức tường nhận thức

Đầu thế kỷ XX, hai lý thuyết lớn ra đời và đã trở thành trụ cột của vật lý học hiện đại. Lý thuyết thứ nhất là cơ học lượng tử, mô tả thế giới các nguyên tử và ánh sáng, ở đó hai lực hạt nhân mạnh và yếu cùng với lực điện từ làm chủ cuộc chơi, nhưng lực hấp dẫn lại là vô cùng nhỏ. Lý thuyết thứ hai là thuyết tương đối, giải thích các tính chất của vũ trụ ở thang lớn, thang các thiên hà, các sao và hành tinh, ở đó lực hấp dẫn chiếm tiền cảnh của sân khấu, còn các lực hạt nhân và lực điện từ không còn đóng vai trò hàng đầu nữa. Hai lý thuyết lớn này đã được kiểm chứng nhiều lần qua rất nhiều kết quả đo đạc và quan sát, chúng vận hành hết sức hiệu quả khi chúng tách rời nhau và giới hạn ở lĩnh vực riêng của mình. Nhưng vật lý học sẽ hụt hơi và mất đi mọi phương tiện của mình khi lực hấp dẫn, bình thường là không đáng kể ở thang dưới nguyên tử, trở nên quan trọng ngang bằng với ba lực khác. Vậy mà đó lại chính là điều đã xảy ra ở những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ, khi cái vô cùng nhỏ đẻ ra cái vô cùng lớn. Để hiểu nguồn gốc của vũ trụ và cũng tức là nguồn gốc của chính chúng ta, cần phải có một lý thuyết vật lý thống nhất cơ học lượng tử và thuyết tương đối, được gọi là lý thuyết “hấp dẫn lượng tử”, có khả năng mô tả tình huống ở đó bốn lực cơ bản có vai trò ngang nhau.

Sự thống nhất này không hề dễ dàng, bởi vì giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng tồn tại một sự không tương thích cơ bản có liên quan với bản chất của không gian. Theo thuyết tương đối, không gian, ở thang lớn, nơi triển khai các thiên hà và sao là tĩnh và trơn, hoàn toàn không có những thăng giáng và sần sùi. Trái lại, không gian ở thang dưới nguyên tử của cơ học lượng tử là tất cả chỉ trừ sự trơn nhẵn. Do sự nhòe của năng lượng, không gian trở thành một dạng bọt lượng tử có các hình dạng liên tục thay đổi, chứa đầy các lượn sóng và những bất thường xuất hiện rồi biến mất ở đây đó theo các chu kỳ vô cùng ngắn ngủi. Độ cong và topo của bọt lượng tử này là hỗn độn và chỉ có thể mô tả bằng xác suất. Như một bức tranh điểm họa của Seurat được tách thành hàng nghìn chấm đa sắc khi nhìn gần, không gian cũng tan rã thành vô số các thăng giáng và không còn tuân theo các định luật tất định nữa khi người ta nghiên cứu nó ở thang dưới nguyên tử. Sự không tương thích cơ bản này giữa hai lý thuyết về bản chất của không gian khiến cho chúng ta không thể ngoại suy các định luật của thuyết tương đối tới tận “thời gian zero” của vũ trụ, khi không gian và thời gian được tạo ra. Một bức tường nhận thức được dựng lên chắn đường chúng ta. Người ta gọi đó là “bức tường Planck”, theo tên của nhà vật lý học người Đức, Max Planck, người đầu tiên quan tâm đến vấn đề này.

Các định luật của thuyết tương đối không còn đứng vững ở thời gian vô cùng nhỏ, ở 10-43 giây sau Big Bang, tức thời gian Planck.

Bị đặt trước thách thức, các nhà vật lý đã miệt mài tìm cách đột phá bức tường Planck. Họ đã có những nỗ lực phi thường nhằm xây dựng cái mà họ gọi có lẽ hơi khoa trương là “lý thuyết của Tất cả” (hay lý thuyết của Vạn vật). Lý thuyết này thống nhất cơ học lượng tử và thuyết tương đối, đồng thời cũng thống nhất bốn lực của tự nhiên thành một “siêu lực”. Các nhà vật lý đã vượt qua được các giai đoạn quan trọng. Năm 1967, các nhà vật lý Mỹ, Steven Weinberg (sinh năm 1933) và Sheldon Glashow (sinh năm 1932) và nhà vật lý Pakistan, Abdus Salam (1926-1996) đã thống nhất được các lực điện từ và hạt nhân yếu thành lực điện-yếu. Người ta đã quan sát được các hạt W và Z mà lý thuyết tiên đoán là các hạt truyền tương tác điện yếu trong máy gia tốc hạt của CERN, và ba nhà vật lý này đã được tặng giải Nobel Vật lý vào năm 1979. Các thuyết “thống nhất lớn” cũng đã được xây dựng để thống nhất lực hạt nhân mạnh với lực điện yếu. Những lý thuyết này còn chưa được kiểm chứng bằng thực nghiệm, bởi vì các máy gia tốc hiện nay vẫn chưa thể đạt đến năng lượng cho phép thực hiện sự thống nhất lớn này. Trong một thời gian rất dài, lực hấp dẫn vẫn ương ngạnh cưỡng lại mọi đề xuất thống nhất nó với các lực khác. Chỉ với sự lên ngôi của lý thuyết siêu dây, vào năm 1984, thì lực hấp dẫn mới có vẻ chịu để cho tán tỉnh.

Bản giao hưởng dây

Trong lý thuyết siêu dây, các hạt không còn là các thành phần cơ bản nữa, mà đơn giản chỉ là kết quả của các dao động của các sợi dây vô cùng nhỏ, cỡ 10-33 cm, tức chiều dài Planck. Các hạt vật chất và ánh sáng truyền các lực (chẳng hạn, photon truyền lực điện từ), gắn kết các thành phần của thế giới lại với nhau và làm cho thế giới thay đổi và tiến hóa, tất cả đều chỉ là những biểu hiện khác nhau của các dao động của các dây này. Vậy mà, một sự kiện đặc biệt đã xảy ra, đó là graviton, hạt truyền lực hấp dẫn vốn vắng bóng một cách đáng thất vọng trong các lý thuyết trước, thì giờ đây, như có phép thần, đã xuất hiện trong số các biểu hiện này. Như vậy, sự thống nhất lực hấp dẫn với ba lực khác là có thể. Trong thuyết siêu dây, cũng hoàn toàn giống như sự dao động của các dây đàn violon sinh ra các âm thanh khác nhau cùng với các họa ba của chúng, các âm và các họa ba của các dây xuất hiện trong tự nhiên và đối với các dụng cụ đo của chúng ta dưới dạng các photon, proton, electron, graviton... Như vậy, các dây hát và dao động khắp nơi xung quanh chúng ta, và thế giới chỉ là một bản giao hưởng khổng lồ. Theo một phiên bản của thuyết siêu dây, các siêu dây này tồn tại trong một vũ trụ chín chiều không gian, trong một phiên bản khác chúng lại tồn tại trong một vũ trụ hai mươi lăm chiều. Bởi vì chúng ta chỉ cảm nhận được ba chiều không gian, nên cần phải giả định rằng sáu hay hai mươi hai chiều bổ sung này của không gian bị cuộn lại cho tới khi trở nên nhỏ tới mức không còn cảm nhận được nữa.

Nhưng thuyết siêu dây còn lâu mới đầy đủ và đường đến đích còn rất dài và hết sức cam go. Lý thuyết này vẫn bị bao phủ bởi một tấm màn toán học dày đặc và trừu tượng tới mức nó thách thức tài năng của các nhà vật lý và toán học giỏi nhất hiện nay. Trên thực tế, lý thuyết này chưa bao giờ được kiểm chứng bằng thực nghiệm, vì các hiện tượng mà nó tiên đoán xảy ra ở những năng lượng vượt xa các năng lượng mà các máy gia tốc hạt hiện nay có thể đạt được. Thế nhưng, chừng nào một lý thuyết khoa học còn chưa được kiểm chứng bằng quan sát, thì chừng ấy chúng ta vẫn chưa thể biết liệu lý thuyết ấy đúng và phù hợp với tự nhiên hay nó chỉ là một sản phẩm của trí tưởng tượng phong phú của các nhà vật lý, không có bất kỳ mối quan hệ nào với hiện thực. Bản giao hưởng dây hiện vẫn đang còn dang dở.

Các trường bao quanh chúng ta

Như vậy, vì hiện vẫn chưa có một lý thuyết về hấp dẫn lượng tử đáng tin cậy và được kiểm chứng bằng thực nghiệm, nên có nguy cơ sẽ làm bạn thất vọng, chúng ta sẽ không thể lần ngược lịch sử vũ trụ của ánh sáng (và của cả vật chất nữa) cho tới ngọn nguồn của thời gian. Thời điểm zero cho tới lúc này vẫn chưa tiếp cận được. Nhưng xin bạn đừng buồn, dù sao chúng ta cũng vẫn tiếp cận được tới một thời gian vô cùng ngắn ngay sau bức tường Planck: cụ thể là 10-43 giây (số 1 sau 43 số 0) sau thời gian zero. So với toàn bộ lịch sử của vũ trụ, tức 14 tỉ năm, thì một cái tíc trong đồng hồ của bạn cũng dài hơn hàng trăm triệu tỉ tỉ lần thời gian 10-43 giây so với một giây. Hiện thực ở bên kia bức tường nhận thức vẫn chưa thể tiếp cận được. Ở đó có thể vũ trụ có một thời gian vô tận. Có thể thậm chí không có “thời điểm zero” tương ứng với thời điểm ra đời của vũ trụ. Ở 10-43 giây, vũ trụ là vô cùng nhỏ (nó có kích thước cỡ 10-33 cm, tức nhỏ hơn nguyên từ hiđrô mười triệu tỉ tỉ lần), nóng (1032 độ Kelvin, nóng hơn mọi hỏa ngục mà đại thi hào Dante của nước Ý có thể tưởng tượng ra) và đặc (1096 g/cm3, tức vài triệu tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ lần đặc hơn nước). Vật chất và ánh sáng còn chưa xuất hiện. Các hành tinh, sao và thiên hà vẫn còn rất xa trong tương lai. Vũ trụ lúc này là chân không. Nhưng đó không phải là một chân không tĩnh lặng, không có bất kỳ vật chất và hoạt động nào, như tất cả chúng ta đều nghĩ, mà một chân không lượng tử sống động và sôi sục năng lượng. Năng lượng này được vận chuyển bởi cái mà các nhà vật lý học gọi là một “trường Higgs”, theo tên của nhà vật lý người Scotland, Peter Higgs, tác giả của khái niệm này.

Từ khi được nhà vật lý người Anh, Michael Faraday đưa ra từ thế kỷ XIX, khái niệm “trường” đã đóng một vai trò căn bản trong vật lý học hiện đại. Tất cả chúng ta đều biết các trường điện từ, vì chúng luôn ở quanh ta trong cuộc sống hàng ngày. Trên thực tế, chúng ta sống trong một đại dương các trường này: chúng được tạo ra từ các đài truyền thanh và truyền hình, và ta biến chúng thành âm thanh hoặc hình ảnh khi bật radio hay máy thu hình; chúng cũng được sinh ra từ điện thoại di động khi chúng ta nói chuyện với bạn bè; đó cũng là trường mà Mặt trời gây ra và làm cho chúng ta nhìn thấy ánh sáng thái dương và cảm thấy sức nóng của nó trên da chúng ta. Các hạt ánh sáng hay photon là các thành phần cơ bản của trường điện từ. Sở dĩ chúng ta thấy Mặt trời, đó là bởi vì một trường sóng điện từ đã kích thích võng mạc của chúng ta, hay nói cách khác, bởi vì photon đã đi vào mắt chúng ta. Photon cũng đóng vai trò là hạt truyền tương tác. Chính chúng truyền lực điện từ giữa hai vật và chi phối hành trạng của chúng. Ví dụ, hai electron đẩy nhau khi một photon được phát bởi electron thứ nhất bị electron thứ hai hấp thụ, truyền cho nó mệnh lệnh phải tránh xa electron thứ nhất.

Tương tự, chúng ta cũng đã biết các trường hấp dẫn. Các trường này cũng tồn tại quanh chúng ta. Đó là trường hấp dẫn của Trái đất giúp chúng ta không bị lơ lửng trong không trung và làm chúng ta ngã xuống đất khi bị vấp. Hiệu ứng của trường hấp dẫn của Trái đất đóng vai trò quyết định, nhưng chúng ta cũng cảm thấy trường hấp dẫn của Mặt trăng (chính Mặt trăng đã gây ra thủy triều), của Mặt trời, của các hành tinh, các sao, của Ngân hà, v.v.. Cường độ trường hấp dẫn của các thiên thể xa xôi này càng yếu khi khoảng cách của chúng càng xa, vì nó giảm theo bình phương khoảng cách. Tương tự như photon là thành phần cơ bản và là hạt truyền tương tác điện từ, các graviton cũng đóng vai trò này đối với trường hấp dẫn. Mặc dù chưa ai quan sát thấy graviton trong phòng thí nghiệm cũng như trong vũ trụ, có lẽ do lực hấp dẫn quá yếu, nhưng các nhà vật lý vẫn tin là nó tồn tại. Chẳng hạn, khi bạn vấp phải một hòn đá và ngã xuống đất, bạn có thể giải thích sự vấp ngã này theo ba cách tương đương nhau: bạn có thể nói, theo cách của Newton, rằng bạn rơi là do trường hấp dẫn của Trái đất hút cơ thể bạn; hoặc, nếu bạn quyết định sử dụng ngôn ngữ của Einstein, bạn sẽ nói rằng cơ thể của bạn rơi theo không gian bị lực hút của Trái đất uốn cong; hay, theo ngôn ngữ của nhà vật lý hiện đại, bạn nói rằng đã có sự trao đổi các graviton giữa Trái đất và cơ thể bạn, và các gravition này ra lệnh cho cơ thể bạn ngã xuống.

Tương tự như trường của các lực điện từ và hấp dẫn, cũng tồn tại các trường của lực hạt nhân mạnh và yếu. Các hạt cấu thành nên chúng là các “gluon” đối với lực hạt nhân mạnh (theo tiếng Anh glue nghĩa là “keo”, vì lực hạt nhân gắn kết các viên gạch tạo nên hạt nhân nguyên tử - là proton và nơtron - lại vói nhau), và các hạt gọi là W và Z đối với lực hạt nhân tử yếu.

Khái niệm “trường” không chỉ áp dụng cho các lực, mà còn cho cả vật chất. Chẳng hạn, người ta có thể nói đến một trường electron trong đó electron là thành phần cơ bản, cũng giống như photon là thành phần cơ bản của trường điện từ. Nhưng điều làm chúng ta quan tâm nhất, đó là quan điểm cho rằng ở những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ, còn tồn tại một loại trường thứ ba, một trường không gắn với một lực cũng chẳng gắn với các hạt nào của vật chất. Đó là trường Higgs, mà các nhà vật lý nghĩ rằng nó đã đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong chính sự khởi phát của vụ nổ nguyên thủy. Nhưng, để hiểu điều này, chúng ta phải làm quen với một phát hiện thiên tài của Einstein.

Một vũ trụ tĩnh

Trong các điều kiện mật độ vật chất và năng lượng vô cùng cao thắng thế trong những phần giây đầu tiên của vũ trụ, chính lực hấp dẫn đã điều khiển cuộc chơi. Nó lấn át các lực khác. Thế nhưng bình thường lực hấp dẫn phải là hút chứ đâu phải là đẩy. Nó có thể làm cho vũ trụ co mạnh lại, chứ không thể làm nổ tung vũ trụ được. Vậy, giải thích như thế nào về vụ nổ khởi thủy đây? Để giải thích Big Bang, các nhà vật lý bắt tay tìm kiếm một lực không phải là hút, mà là đẩy, có khả năng làm nổ tung vũ trụ. Trong cuộc tìm kiếm này, họ không cần phải nhờ đến một lực thứ năm. Họ đã phát hiện lại một người bạn rất cũ, đó chính là lực hấp dẫn, vì trong một số hoàn cảnh, lực hấp dẫn có thể là đẩy chứ lại không phải là hút. Lần theo con đường này, các nhà nghiên cứu đã nhận thấy, cũng như trong nhiều lĩnh vực khác, rằng Einstein đã đi trước họ.

Các phương trình của thuyết tương đối rộng của Einstein nói với chúng ta rằng vũ trụ không tĩnh, mà là động. Nó phải hoặc giãn nở, hoặc co lại, chứ không thể đứng yên. Một vũ trụ tĩnh chẳng khác nào một quả bóng tennis sau khi bị người chơi vụt, cứ lơ lửng trên không trung, không bay lên mà cũng chằng rơi xuống. Nhưng năm 1915, năm công bố thuyết tương đối rộng, tất cả mọi người, kể cả Einstein, đã tin rằng vũ trụ là tĩnh và vĩnh hằng, rằng nó là cố định và bất biến. Einstein đã không có đủ niềm tin vào lý thuyết yêu quý của ông. Lẽ ra ông đã có thể tiên đoán một trong những phát hiện lớn nhất của nhân loại - sự giãn nở của vũ trụ (mãi mười bốn năm sau nhà thiên văn học người Mỹ Edwin Hubble mới phát hiện ra hiện tượng này). Vì thế ông đã sửa các phương trình của thuyết tương đối rộng để chúng phù hợp với một vũ trụ tĩnh. Chiến lược của ông rất đơn giản: bởi vì lực hấp dẫn có tính hút, nên cần phải tìm ra một lực đẩy để trung hòa nó; ông đã đưa vào phương trình của ông lực đẩy này dưới dạng một số hạng mới mà ông gọi là “hằng số vũ trụ” - “hằng số” bởi vì đại lượng này không thay đổi theo thời gian, và “vũ trụ” bởi vì hiệu ứng của nó tác động lên toàn vũ trụ. Hằng số này có ý nghĩa gì? Einstein không nói rõ. Nhưng cách hiểu hiện đại đối với hằng số vũ trụ gợi đến một dạng năng lượng mới không được cấu thành từ bất kỳ hạt cơ bản đã biết nào, như photon, proton, nơtron hay electron; năng lượng này choán toàn bộ không gian như một thứ ête mới. Vì thiếu các thông tin rõ ràng hơn, nên người ta thường gọi nó là “năng lượng tối”, bởi vì một chất như thế sẽ trong suốt, cho phép nhìn thấy các nguồn ánh sáng của các sao và thiên hà, và cả màn đêm tối nữa. Không xác định được bản chất của hằng số vũ trụ, nhưng không vì thế mà Einstein không tính toán được các hiệu ứng hấp dẫn của nó, và điều mà ông phát hiện được thật phi thường.

Một áp suất âm và một lực hấp dẫn đẩy

Để hiểu các kết quả của Einstein, cần phải nhắc lại rằng, theo Newton, lực hấp dẫn giữa hai vật tỉ lệ với tích khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Nói cách khác, chính khối lượng của một vật là nguồn gốc của lực hấp dẫn của nó. Trong thuyết tương đối rộng của Einstein, khối lượng cũng là nguồn gốc của lực hấp dẫn, nhưng nó không còn là duy nhất nữa. Tồn tại hai nguồn khác cũng đóng góp vào trường hấp dẫn: năng lượng và áp suất. Chúng ta hãy tìm hiểu tại sao.

Năng lượng của một vật bắt nguồn từ khối lượng của nó, nhưng cũng bao hàm cả năng lượng chuyển động của các nguyên tử cấu thành nó. Thật vậy, hãy lấy hai khối sắt hoàn toàn giống nhau, khối lượng và nhiệt độ như nhau. Hãy nung nóng một khối sắt sao cho nó nóng hơn khối kia 10 độ. Đặt hai khối sắt lên cân, và bạn sẽ thấy đòn cân nghiêng về phía khối sắt nóng hơn. Trọng lượng và hệ quả là khối lượng của khối sắt bị nung nóng và lực hấp dẫn mà nó tác động lên Trái đất đã tăng lên so với khối sắt không được nung nóng. Tất nhiên, khối sắt được nung nóng sẽ chỉ nặng hơn khối sắt không được nung nóng chỉ một phần triệu tỉ kilogam. Chỉ một cái cân cực kỳ chính xác mới có khả năng phát hiện được sự một chênh lệch nhỏ như thế. Sự chênh lệch này do đâu mà có? Bằng cách tăng nhiệt độ cho khối sắt, chúng ta đã làm tăng chuyển động của các nguyên tử cấu thành nó, và như vậy làm tăng năng lượng của nó, làm cho khối lượng và trọng lượng của khối sắt tăng lên. Nhiệt độ của một vật trên thực tế là thước đo chuyển động của các nguyên tử và phân tử của nó. Chẳng hạn, lúc Mặt trời mọc, khi những tia nắng đầu tiên hâm nóng không khí, các phân tử không khí chuyển động mạnh thêm và va chạm mạnh hơn vào da bạn, làm cho bạn có cảm giác nóng1.(Trong vật lý, không độ tuyệt đối - 0 độ Kelvin (viết tắt là 0K) - ứng với trạng thái lý tưởng hoàn toàn không có chuyển động của nguyên tử.)

Một nguồn hấp dẫn khác là áp suất, như áp suất mà bạn tác động lên lò xo để nén nó lại. Một lần nữa, nếu bạn có một cái cân cực kỳ chính xác và nếu bạn cân hai lò xo hoàn toàn đồng nhất với nhau, chỉ khác nhau một điểm là một lò xo được nén còn lò xo kia thì không, bạn sẽ thấy cân nghiêng về phía lò xo bị nén. Áp suất tạo bởi lò xo bị nén được biểu hiện bằng sự tăng nhẹ trọng lượng so với lò xo không bị nén. Nhưng, để hiểu bản chất của hằng số vũ trụ của Einstein, còn cần phải chỉ rõ rằng tồn tại hai dạng áp suất, áp suất dương và áp suất âm. Tất cả chúng ta đều biết áp suất dương: nó có tác dụng đẩy ra ngoài. Nó chính là áp suất mà chúng ta cảm thấy trong đám đông khi đám người chật chội chen chúc nhau. Đó cũng là áp suất của lò xo. Nếu bạn đặt một lò xo bị nén trong một cái hộp, bạn sẽ thấy nắp hộp bị hé mở, bởi vì nó bị lò xo đẩy lên. Khái niệm áp suất âm khó thấy hơn nhiều. Thay vì đẩy ra ngoài, một áp suất âm lại hút vào trong. Đặc biệt hơn, trong khi một áp suất dương, giống như khối lượng và năng lượng, là một nguồn lực hấp dẫn hút, thì một áp suất âm lại là một nguồn “hấp dẫn âm”, nó có tác dụng đẩy. Chúng ta không thấy lực hấp dẫn đẩy biểu hiện trong cuộc sống hàng ngày vì hai lý do. Thứ nhất, áp suất tác dụng bởi vật chất thông thường tạo thành từ proton, nơtron và electron luôn dương, và hấp dẫn mà nó sinh ra luôn luôn là hút. Chính vì thế khi chúng ta vấp, lực hút làm cho chúng ta ngã xuống đất thay vì đẩy chúng ta lên không trung. Thứ hai, ở thang cuộc sống hàng ngày, áp suất và ảnh hưởng hấp dẫn của vật chất thông thường là không đáng kể.

Hằng số vũ trụ của Einstein

Nhưng, trong các hoàn cảnh đặc biệt, như ở thang toàn vũ trụ, áp suất có thể âm và tác dụng một lực hấp dẫn đẩy. Einstein đã đưa vào các phương trình của thuyết tương đối rộng của mình một lực hấp dẫn đẩy dưới dạng một hằng số vũ trụ để làm trung hòa các hiệu ứng của lực hấp dẫn hút của vật chất thông thường - lực hấp dẫn của các sao và thiên hà. Như vậy ông đã trao cho vũ trụ một năng lượng huyền bí (“năng lượng tối”) bao trùm toàn bộ vũ trụ. Bởi vì năng lượng tối này tác dụng một áp suất đồng đều trong không gian, nên không tồn tại các áp lực. Các lực này chỉ biểu hiện khi có các chênh lệch áp suất. Chẳng hạn, chính các áp lực đẩy màng nhĩ bạn và làm cho bạn đau tai khi máy bay cất cánh, vì áp suất ở trên mặt đất lớn hơn ở trên cao. Lực tác dụng bởi năng lượng tối có bản chất thuần túy hấp dẫn. Vì thế mà nổ ra một cuộc chiến quyết liệt giữa lực hấp dẫn hút thông thường, lực hấp dẫn mà toàn bộ vật chất và năng lượng của vũ trụ tác dụng, có xu hướng làm cho nó tự co lại, và lực hấp dẫn đẩy không bình thường, lực hấp dẫn mà hằng số vũ trụ tác dụng và có xu hướng làm nổ tung vũ trụ.

Bằng cách điều chỉnh khéo léo giá trị của hằng số vũ trụ, Einstein đã làm cân bằng lực hấp dẫn hút và lực hấp dẫn đẩy, sao cho vũ trụ là tĩnh. Nó không giãn nở, cũng không co lại. Trong khi lực hấp dẫn hút giảm theo bình phương của khoảng cách, thì lực hấp dẫn đẩy lại tăng theo khoảng cách. Nó càng lớn hơn khi không gian giữa các vật trong vũ trụ càng lớn. Chẳng hạn, lực hấp dẫn đẩy là không đáng kể ở thang của Hệ Mặt trời (khoảng cách của Mặt trời tới Diêm Vương tinh, hành tinh xa nhất trong hệ, là 5,5 giờ ánh sáng) hay kể cả ở thang các thiên hà (100.000 năm ánh sáng) hay các đám thiên hà (vài chục triệu năm ánh sáng). Ở các thang này, chính lực hấp dẫn hút thông thường yêu quý của Newton chiếm ưu thế và chi phối các chuyển động. Tới mức Trái đất giữ Mặt trăng trong quỹ đạo của nó thay vì phóng nó vào không gian giữa các vì sao, và các đám thiên hà bao gồm hàng nghìn thiên hà vẫn gắn kết với nhau chứ không tan rã.

Phần tiếp theo của câu chuyện đã rõ. Năm 1929, Hubble phát hiện ra rằng vũ trụ không tĩnh, mà giãn nở. Phần lớn các thiên hà chạy trốn ra xa Ngân hà như thể Ngân hà đang có nạn dịch hạch. Hằng số vũ trụ không còn lý do tồn tại nữa và Einstein đã xóa bỏ nó khỏi các phương trình của ông và lớn tiếng tuyên bố rằng việc đưa vào hằng số này là “sai lầm lớn nhất đời tôi”. Nhưng hằng số này vẫn có cuộc sống dai dẳng. Sau hơn năm thập kỷ bị trục xuất và quên lãng, đến đầu những năm 1980 nó lại nổi lên, chói lọi hơn bao giờ hết,

nhưng dưới một dạng khác. “Sai lầm” của Einstein lại cho phép chúng ta hiểu được cơ chế đã phát động Big Bang. Ngay cả khi nhầm, cái nhầm của Einstein cũng thật thiên tài!

Một trường năng lượng “siêu lạnh”

Chúng ta hãy trở lại những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ. Như chúng ta đã thấy, các nhà vật lý nghĩ rằng vũ trụ ở những thời điểm đầu tiên của nó được tắm trong một trường năng lượng gọi là “trường Higgs”. Ở các nhiệt độ cao không thể tưởng tượng nổi (1032 độ Kelvin), trường này chịu những thăng giáng dữ dội, giống như bề mặt nước sôi nổi sóng mạnh với các chuyển động hỗn độn và chảy rối. Nhưng, khi vũ trụ lớn thêm và lạnh đi, các sóng của trường Higgs cũng giảm cường độ, giống như bề mặt nước sôi trở nên yên tĩnh và phẳng lặng hơn khi nhiệt độ giảm xuống. Cùng với sự lạnh đi của vũ trụ, năng lượng trung bình của trường năng lượng cũng tiến đến zero - giá trị mà chúng ta gắn một cách trực giác cho khái niệm “chân không” -, với các thăng giáng nhỏ quanh giá trị zero đó.

Nếu, trong khi vũ trụ lạnh đi, trường Higgs thuở ban đầu đã tiến hóa liên tục tới năng lượng zero, thì đã chẳng có gì đặc biệt xảy ra. Vũ trụ cứ tiếp tục con đường ngoan ngoãn của mình, tiếp tục lặng lẽ giãn nở. Trái lại, như nhà vật lý người Mỹ, Alan Guth đã chứng tỏ vào năm 1981, nếu trong quá trình vũ trụ lạnh đi, trường Higgs bị phong tỏa trong một thời gian rất ngắn ở một năng lượng dương nhẹ, thì điều này sẽ có những hậu quả to lớn đối với sự tiến hóa vụ trụ sau đó. Giống như một tảng đá rơi từ đỉnh núi, thay vì lăn một mạch xuống chân núi, ở đó năng lượng của nó sẽ bằng zero, nó lại bị chặn lại tạm thời trên một cao nguyên nơi mà năng lượng của nó là dương. Các nhà vật lý gọi trạng thái của trường Higgs này là “siêu lạnh”, vì mặc dù nhiệt độ của vũ trụ đã đủ thấp để trường có giá trị zero, nhưng nó vẫn giữ một năng lượng dương. Giống như hiện tượng nước “siêu lạnh”: nước tinh khiết có thể bị lạnh dưới 0 độ mà không bị đóng băng; các tạp chất trên thực tế là cần thiết để cho sự hình thành các tinh thể nước đá. Cũng giống như nước có thể bị siêu lạnh đi mà không trở thành đá, trường Higgs có thể bị siêu lạnh mà không có năng lượng zero. Guth chứng tỏ rằng một trường Higgs “siêu lạnh” bị chặn lại trên một cao nguyên với một năng lượng dương không chỉ choán không gian năng lượng, mà còn tác dụng, giống như hằng số vũ trụ của Einstein, một áp suất âm và một lực hấp dẫn đẩy, gây ra một sự giãn nở vũ trụ dữ dội.

Một sự lạm phát đến đứt hơi

Mặc dù hằng số vũ trụ và trường Higgs siêu lạnh có rất nhiều điểm giống nhau, nhưng vẫn có hai khác biệt căn bản, đóng một vai trò quyết định trong sự tiến hóa sau đó của vũ trụ. Thứ nhất, áp suất âm, và do đó là lực đẩy tác dụng lên không gian, của trường Higgs lớn hơn lực đẩy của hằng số vũ trụ rất nhiều, khoảng 10100 (sau số 1 là 100 số 0!). Lực hấp dẫn đẩy của hằng số vũ trụ thuộc loại thông thường, vì Einstein chỉ cần nó để cân bằng lực hấp dẫn hút của tổng khối lượng và năng lượng của vật chất thông thường. Trường Higgs thì không phải chịu một sự gò bó như thế, và nó sẽ tung vũ trụ vào một sự giãn nở kinh hoàng làm thay đổi sâu sắc khung cảnh của nó. Nhờ có lực đẩy khổng lồ của trường Higgs, khoảng cách giữa hai điểm của không gian sẽ tăng vô độ theo thời gian. Thứ hai, như tên của nó đã cho thấy, hằng số vũ trụ không biến thiên theo thời gian, nhưng trường Higgs thì không như vậy. Sự nhòe lượng tử làm cho năng lượng của trường này liên tục thăng giáng. Một thăng giáng hơi lớn hơn các thăng giáng khác một chút sẽ đánh bật trường Higgs siêu lạnh ra khỏi cao nguyên năng lượng nơi nó bị tạm thời chặn lại và làm cho nó lăn xuống tới năng lượng zero. Và điều này sẽ làm chấm dứt tác động của nó. Sự giãn nở kinh hoàng của vũ trụ vì vậy sẽ dừng lại để nhường chỗ cho sự giãn nở điều độ hơn. Guth tính toán rằng trường Higgs có thể bị đánh bật khỏi cao nguyên năng lượng dương của nó trong một khoảng thời gian vô cùng ngắn, cỡ 10-32 giây. Một chớp sáng của đèn flash chụp ảnh còn dài hơn nó hàng trăm nghìn tỉ tỉ tỉ lần.

Vậy là chúng ta được dẫn tới một kịch bản khác thường: trong vòng một phần rất nhỏ của giây, thời điểm khởi đầu của vũ trụ, khi vũ trụ còn vô cùng nóng và đặc, áp suất âm của một trường Higgs siêu lạnh bị chặn lại ở một nhiệt độ dương đã tung vũ trụ vào một vụ nổ kinh hoàng, đẩy các vùng không gian tách khỏi nhau bằng tác dụng của một lực đẩy mạnh không thể tưởng tượng nổi. Trong khoảng thời gian từ 10-35 đến 10-32 giây, cứ sau mỗi 10-34 giây, kích thước của vũ trụ lại tăng lên gấp ba lần. Vì có một trăm khoảng 10-34 giây trong 10-32 giây - nên thời gian kéo dài của pha lạm phát bằng thời gian của trường Higgs ở trên cao nguyên năng lượng dương trước khi một thăng giáng năng lượng hất nó rơi xuống -, mỗi vùng của vũ trụ sẽ tăng gấp ba kích thước một trăm lần liền. Hãy nhân 3x3x3... một trăm lần, và bạn sẽ thu được kết quả là vũ trụ đã tăng kích thước của nó lên 1050 (và thể tích của nó, tỉ lệ với lập phương của bán kính, sẽ tăng lên 10150 lần). Nói cách khác, kích thước của vũ trụ tăng theo hàm mũ theo thời thời gian. Giống như một giãn nở chỉ kéo dài một khoảng rất ngắn - 10-32 giây vũ trụ đã lớn lên vô cùng nhanh, 1050 lần, tức là từ kích thước của một hạt nhân nguyên tử (10-13 cm) đến kích thước của một siêu đám thiên hà (1027 cm)! Tùy thuộc vào hình dạng chính xác của trường Higgs, sự tăng theo hàm mũ này có thể còn lớn hơn, đạt đến 10100 lần hoặc hơn nữa! Pha giãn nở chóng mặt này được Guth gọi là “lạm phát”. Cũng giống như lạm phát kinh tế của một đất nước làm cho đồng tiền mất giá và giá cả leo thang kinh hoàng trong một thời gian ngắn, lạm phát của vũ trụ làm cho thể tích của nó giãn nở chóng mặt trong một khoảng thời gian vô cùng ngắn ngủi.

Điểm nổ của Big Bang

Như vậy, trường năng lượng Higgs siêu lạnh là nguyên nhân của sự giãn nở kinh hoàng, của lạm phát (inflation) điên rồ của vũ trụ trong những phần giây đầu tiên. Bằng cách so sánh với photon là thành phần cơ bản của trường điện từ, hay với các gluon và graviton vốn là thành phần của các lực cơ bản khác, các nhà vật lý nghĩ rằng chính một hạt gọi là “inflaton” là nguyên nhân gây ra trường Higgs. Trường này vì vậy cũng có tên là “trường inflaton”.

Chúng ta có thể nhận dạng pha lạm phát, ở đó toàn bộ không gian nổ tung ở tất cả các điểm. Trong kịch bản này, vụ nổ xảy ra không phải ở thời gian zero, thời điểm “sáng thế” của vũ trụ, mà ở một thời gian vô cùng ngắn (10-35 giây) sau đó, trong một vũ trụ đã tồn tại từ trước, đã được sinh ra, ở đó thời gian và không gian đã xuất hiện. Trong vũ trụ có mật độ cực lớn (1078 g/cm3) và nóng kinh hoàng (1027 độ Kelvin) ở 10-35 giây này, có hai lực ngự trị: lực hấp dẫn và lực điện-hạt nhân kết quả của sự thống nhất của các lực điện từ và lực hạt nhân mạnh và yếu.

Nhưng, mặc dù chúng ta đã có một giải thích khả dĩ như thế cho sự bùng nổ của Big Bang, nhưng không phải mọi chuyện trong vũ trụ học đã suôn sẻ và hoàn hảo. Như chúng ta đã thấy, chúng ta vẫn chưa thể tiếp cận tới thời gian zero bằng vật lý học hiện có của chúng ta. Vũ trụ đã được sinh ra đồng thời với thời gian và không gian như thế nào? Đâu là các nhân tố đã quyết định bản chất và năng lượng của trường Higgs? Các vấn đề cơ bản này hiện vẫn chưa có câu trả lời. Và chúng ta vẫn chưa có khả năng đề cập đến các câu hỏi có tính chất hiện sinh như: tại sao lại có một vũ trụ? tại sao có các định luật? Chúng ta vẫn (và có lẽ là mãi mãi?) chưa trả lời được câu hỏi của triết gia người Đức, Gottfried Leibniz (1646-1716): “Tại sao có một cái gì đó lại hơn là không có gì cả? Vì không gì đơn giản và dễ hơn là có một cái gì đó. Hơn nữa, giả định rằng một cái gì đó phải tồn tại, thì người ta phải giải thích được tại sao nó phải tồn tại như thế, chứ không phải khác đi.”

Chưa ai quan sát được inflaton, cả trong phòng thí nghiệm lẫn trong vũ trụ. Tuy vậy, phần lớn các nhà vật lý vẫn tin, ngay cả khi một số chi tiết cụ thể của kịch bản đó có thể sẽ thay đổi trong tương lai, rằng trong những phần giây đầu tiên, vũ trụ đã trải qua một pha lạm phát, bị một áp suất và một lực hấp dẫn âm thúc đẩy làm cho nó nổ ở mọi điểm của không gian với một vận tốc kinh hoàng. Và sở dĩ như vậy là bởi vì pha lạm phát sẽ xua tan được các đám mây đen che phủ lý thuyết “chuẩn” Big Bang (lý thuyết theo đó không có pha lạm phát). Chúng ta hãy cùng nhau xem xét kỹ các đám mây này.

Tại sao vũ trụ lại đồng nhất đến thế?

Đám mây đen đầu tiên liên quan đến một tính chất đáng chú ý của vũ trụ: tính đồng nhất. Dù bạn nhìn theo bất kỳ hướng nào, trên hay dưới, phải hay trái, trước hay sau, thì các tính chất của vũ trụ, đặc biệt là nhiệt độ của nó, vẫn không thay đổi. Sở dĩ người ta biết điều đó là vì tồn tại một bức xạ hóa thạch (còn gọi là bức xạ nền vũ trụ) sinh ra, như chúng ta sẽ thấy, khi vũ trụ còn rất trẻ - 380.000 tuổi - và choán toàn vũ trụ (H. 3 trong tập ảnh màu). Về một phương diện nào đó, nó là nhiệt còn lại từ ngọn lửa khởi thủy. Bức xạ hóa thạch này cho chúng ta biết về các tính chất của vũ trụ ở thời kỳ đầu của nó. Bức xạ này hiện ở một nhiệt độ rất lạnh, khoảng 3 độ Kelvin (chính xác là 2,725), hay -2700C. Các quan sát chứng tỏ rằng nhiệt độ này có độ đồng nhất cực kỳ cao. Nó không thăng giáng quá 0,001% từ một điểm này sang điểm khác. Giải thích thế nào về sự đồng nhất tuyệt vời này của vũ trụ ở những khoảnh khắc đầu tiên của nó?

Chắc các bạn còn nhớ tính phi định xứ của không gian trong vật lý lượng tử, và bạn sẽ tự nhủ rằng tất cả các photon của bức xạ hóa thạch tương tác với nhau “vướng víu” với nhau, rằng chúng là bộ phận của cùng một thực tại tổng thể không thể tách rời, và như vậy các vùng khác nhau của không gian phải có chính xác các tính chất như nhau. Rất tiếc, cách giải thích này là không ổn. Tính không thể tách rời của hai photon được bảo toàn chỉ khi không có tương tác với các hạt khác. Nó sẽ yếu đi hoặc bị phá hủy ngay khi có tương tác, điều này xảy ra đối với các photon của bức xạ hóa thạch. Trong quá khứ, chúng đã có vô số va chạm với các electron của vũ trụ khởi thủy. Như vậy cần phải tìm một lời giải thích khác.

Để đồng nhất hóa nhiệt độ của chúng, các vùng khác nhau của không gian đã phải trao đổi các thông tin bằng ánh sáng, phương tiện truyền thông nhanh nhất trong vũ trụ. Nhưng - và đây chính là điểm mấu chốt - có tồn tại một mặt cầu-chân trời mà nếu vượt ra ngoài nó thì một vùng không còn có thể trao đổi với một vùng khác, giống như một thủy thủ đứng trên cầu tàu không thể nhìn vượt ra ngoài đường chân trời của đại dương. Bán kính của mặt cầu-chân trời này bằng khoảng cách mà ánh sáng đã có đủ thời gian để chạy qua từ khi nó được phát ra. Bên ngoài khoảng cách này, tồn tại các vùng của vũ trụ mà chúng ta chưa thể trao đổi thông tin với chúng, và ánh sáng của chúng vẫn chưa có đủ thời gian để đến được chúng ta. Cùng với sự trôi của thời gian, mặt cầu-chân trời sẽ mở rộng thêm và chúng ta sẽ tiếp xúc được với các vùng khác nữa của vũ trụ.

Ngược lại, điều đó muốn nói rằng, khi vũ trụ trẻ hơn, mặt cầu-chân trời cũng nhỏ hơn. Hãy xét, chẳng hạn, một vùng của vũ trụ ngày nay nằm cách Ngân hà 2 tỉ năm ánh sáng. Bởi vì tuổi của vũ trụ là 14 tỉ năm, nên thời gian này đủ để bảy lần tín hiệu ánh sáng từ vùng xa xôi này đến được Ngân hà. Hãy quay ngược bộ phim các sự kiện và xem vũ trụ khi nó nhỏ hơn 1.000 lần. Như vậy vùng đó gần Ngân hà hơn 1.000 lần, tức ở cách khoảng 2 triệu năm ánh sáng. Nếu tốc độ giãn nở của vũ trụ là đồng đều trong quá khứ, thì vũ trụ cũng sẽ trẻ hơn 1.000 lần. Một lần nữa, thời gian cũng đủ để bảy lần tín hiệu ánh sáng có thể lan truyền từ vùng đó tới Ngân hà. Nhưng - và đây chính là vấn đề! - tốc độ giãn nở của vũ trụ lại không đồng đều. Lực hấp dẫn của tổng lượng vật chất và năng lượng của vũ trụ tác dụng một lực hấp dẫn ngăn cản và làm chậm lại sự giãn nở theo thời gian. Trong quá khứ vũ trụ giãn nở nhanh hơn. Nói cách khác, khi vũ trụ có mật độ lớn hơn 1.000 lần, tuổi của nó không phải 1.000, mà 10.000 lần ít hơn - không phải là 14 triệu năm, mà chỉ là 1,4 triệu năm -, và bán kính của mặt cầu-chân trời tính từ tâm Ngân hà chỉ là 1,4 triệu năm ánh sáng. Như vậy Ngân hà không có đủ thời gian để trao đổi thông tin bằng ánh sáng với những vùng xa xôi nằm cách nó 2 triệu năm ánh sáng.

Trong lý thuyết Big Bang chuẩn, vấn đề là khi lần ngược thời gian về quá khứ của vũ trụ, khoảng cách giữa các vùng khác nhau của không gian thu hẹp lại, nhưng thời gian dành cho ánh sáng để lan truyền giữa các vùng này và cho phép chúng trao đổi thông tin với nhau và phối hợp các tính chất của chúng còn giảm hơn nữa. Vào lúc sinh ra bức xạ hóa thạch, tức ở 380.000 năm sau Big Bang, chỉ có những vùng cách nhau ít hơn 380.000 năm ánh sáng mới có thể trao đổi thông tin với nhau. Nhưng - và đây lại là điểm mấu chốt - ở thời khắc đó đã có các vùng của không gian cách nhau hơn 380.000 năm ánh sáng.

Vậy thì bằng cách nào các vùng xa nhau như thế lại có thể phối hợp nhiệt độ của chúng mà không ảnh hưởng lẫn nhau, không có một trao đổi tín hiệu ánh sáng nào? Lý thuyết chuẩn không thể đưa ra một cách giải thích khả dĩ nào. Người ta gọi đó là vấn đề chân trời vũ trụ.

Tại sao vũ trụ lại phẳng như thế?

Đám “mây đen” thứ hai liên quan đến hình học của vũ trụ. Vũ trụ có thể có một độ cong dương, âm hoặc bằng không. Nếu chúng ta minh họa không gian ba chiều bằng các bề mặt hai chiều, một vũ trụ có độ cong dương sẽ có hình học giống bề mặt của một quả bóng; một vũ trụ có độ cong âm sẽ có hình học giống cái yên ngựa; và một vũ trụ có độ cong bằng không thì sẽ có hình học của một mặt phẳng. Thuyết tương đối rộng nói với chúng ta rằng vật chất và năng lượng uốn cong không gian, và rằng hình dạng của không gian phụ thuộc vào tổng lượng vật chất và năng lượng của vũ trụ. Nếu mật độ của vật chất và năng lượng lớn, thì vũ trụ sẽ cuộn lại như một mặt cầu. Nếu mật độ của vật chất và năng lượng nhỏ, vũ trụ sẽ loe ra giống như cái yên ngựa. Và nếu vũ trụ có chính xác mật độ gọi là “tới hạn”, bằng khoảng khối lượng của năm nguyên tử hiđrô hay khoảng 10-23 gam trong một mét khối thì vũ trụ không bị uốn cong cả dương lẫn âm, mà là phẳng. Mật độ tới hạn này là rất nhỏ. Nó nhỏ hơn mật độ của nước hàng trăm tỉ tỉ tỉ lần. Nhưng, do thể tích của vũ trụ là vô cùng lớn, nên một nhúm vô cùng nhỏ vật chất và năng lượng trên mỗi centimet khối cũng đủ để nhào nặn nên phong cảnh của nó và xác định đồng thời hình học và số phận của nó.

Hình học của vũ trụ có thể còn được hiển thị bằng một thí nghiệm tưởng tượng sau. Giả định rằng chúng ta có một bóng đèn điện có công suất vô hạn và chúng ta chiếu sáng đêm đen bằng chùm sáng của chiếc đèn đó. Trong một vũ trụ có độ cong dương, chúng ta sẽ thấy chùm sáng này sẽ quay trở lại chỗ chúng ta từ hướng ngược lại, sau khi đã đi một vòng quanh vũ trụ, như Phileas Fogg trở lại điểm xuất phát sau 80 ngày vòng quanh Trái đất. Vũ trụ này hữu hạn, hay còn gọi là “đóng”. Điều này không nhất thiết có nghĩa là nó có các giới hạn. Dù bề mặt của Trái đất hữu hạn nhưng bạn có thể đi bao nhiêu vòng quanh nó cũng không bao giờ gặp các giới hạn. Trong một vũ trụ có độ cong âm, chùm sáng sẽ mất hút trong vô tận. Vũ trụ này được gọi là vô hạn, hay “mở”. Trong một vũ trụ phẳng - trung gian giữa vũ trụ đóng và vũ trụ mở -, chùm sáng cũng sẽ mất hút vào vô tận.

Thuyết tương đối rộng nói với chúng ta rằng nếu mật độ của vật chất và năng lượng của vũ trụ khởi thủy chính xác bằng mật độ tới hạn, thì sự cân bằng hoàn hảo này sẽ được giữ trong suốt quá trình giãn nở của vũ trụ, hai mật độ này giảm chính xác theo cùng một nhịp. Ngược lại, nếu tồn tại một chênh lệch dù rất nhỏ giữa hai mật độ, thì sự chênh lệch này sẽ bị sự giãn nở của vũ trụ khuếch đại lên theo các tỉ lệ khổng lồ chỉ trong một khoảng thời gian vô cùng ngắn. Thật vậy, nếu mật độ của vũ trụ khởi thủy thấp hơn mật độ tới hạn một chút, chẳng hạn, nếu nó bằng 99,99% mật độ tới hạn, thì sự chênh lệch giữa hai mật độ này sẽ tăng nhanh tới mức mật độ của vũ trụ sẽ chỉ còn bằng 0,000000001% mật độ tới hạn sau một giây giãn nở. Ngược lại, nếu nó cao hơn mật độ tới hạn một chút, thì sự giãn nở sẽ khuếch đại nó lên và chỉ trong nháy mắt đã đưa nó tới giá trị cao hơn mật độ tới hạn hàng tỉ lần. Sự cân bằng này là vô cùng mong manh, giống như người làm xiếc giữ thăng bằng trên sợi dây căng. Nếu cơ thể của anh ta nghiêng sang trái hoặc phải một chút thôi là anh ta sẽ bị ngã.

Các quan sát nói với chúng ta điều gì? Để xác định mật độ của vũ trụ (đại lượng này bằng tỷ số của giữa khối lượng với thể tích của nó) ta chỉ cần kiểm kê tổng lượng vật chất và năng lượng của nó trong một thể tích không gian đủ lớn. Việc này không hề dễ dàng vì, như chúng ta sẽ thấy, phần lớn tổng khối lượng của vũ trụ (99,5%) không phát ra ánh sáng và, không có ánh sáng, các nhà thiên văn học sẽ hoàn toàn...đui. Nhưng, bằng cách huy động các kho tàng khéo léo của mình, họ đã xác định được rằng mật độ vật chất và năng lượng của vũ trụ sau 14 tỉ năm giãn nở rất có thể bằng mật độ tới hạn, chứ không phải nhỏ hơn hay lớn hơn mật độ tới hạn hàng tỉ lần.

Vũ trụ đã đạt được kì tích thăng bằng này bằng cách nào? Nó đã điều chỉnh như thế nào mật độ khởi thủy của nó để cho mật độ ấy chính xác bằng mật độ tới hạn? Lý thuyết Big Bang chuẩn không đưa ra được bất kỳ cách giải thích nào. Nhà vật lý thiên văn phải giơ tay lên trời thú nhận sự dốt nát của mình. Người ta gọi đó là “vấn đề phẳng”, vì một vũ trụ chính xác có mật độ bằng mật độ tới hạn sẽ có một hình học phẳng.

Tại sao vũ trụ lại giàu cấu trúc đến thế?

Đám “mây đen” thứ ba, về một phương diện nào đó, là đối trọng của vấn đề tính đồng nhất của vũ trụ. Thay vì tự hỏi tại sao vũ trụ lại đồng đều đến thế, nhà vật lý thiên văn lại tự hỏi tại sao nó lại có cấu trúc đến thế. Cũng giống như một bức tranh điểm họa lớn của Seurat, vũ trụ trình hiện trước mắt ta một cách khác nhau tùy theo khoảng cách từ ta đến bức tranh. Từ xa, chúng ta thấy tổng thể bức tranh của Seurat với các mầu sắc, các chủ đề và những motif của nó - những người tắm ở Asnières, rồi những người đi dạo ngày chủ nhật trên đảo Grande Jatte, trên sông Seine. Chỉ cần xích lại gần hơn chúng ta sẽ thấy các nhân vật và phong cảnh biến thành vô số các điểm mầu. Tương tự, ở thang rất lớn, trên các vùng không gian trải rộng trên hàng tỉ năm ánh sáng, vũ trụ xuất hiện trước mắt ta vô cùng đồng nhất, như những quan sát bức xạ hóa thạch đã cho thấy. Mọi chi tiết đều bị xóa nhòa. Chỉ khi xem xét vũ trụ ở các thang nhỏ hơn chúng ta mới thấy xuất hiện rất nhiều các cấu trúc hết sức đa dạng. Thật là một điều may mắn cho chúng ta, vì một vũ trụ đều và đồng nhất một cách hoàn hảo thì sẽ vô sinh, cằn cỗi, không có khả năng đón tiếp sự sống và ý thức, và chúng ta sẽ không có mặt ở đây để nói về nó.

Xích lại gần hơn nữa, chúng ta sẽ thấy khung cảnh vũ trụ biến liên tếp tiách thành các chi tiết ngày càng tinh vi hơn. Đầu tiên là một tấm thảm vũ trụ khổng lồ tạo thành từ các bức tường thiên hà trải rộng trên hàng trăm triệu năm ánh sáng30 phân định ranh giới các khoảng không gian trống rỗng cũng vô cùng rộng lớn. Rồi các bức tường thiên hà này được tách thành các đám thiên hà trải rộng trên hàng chục triệu năm ánh sáng, bản thân các đám thiên hà này lại tách thành hàng nghìn thiên hà có đường kính hàng trăm nghìn năm ánh sáng. Đến lượt mình các thiên hà này lại tách thành hàng trăm tỉ ngôi sao có đường kính vài triệu kilômet. Một số ngôi sao này lại nằm ở giữa một hệ hành tinh có đường kính hàng chục tỉ kilômet.

Làm thế nào mà vũ trụ lại có thể phát triển một cấu trúc phong phú và đa dạng đến như vậy ở một thang nhỏ xuất phát từ một trạng thái quá ư đồng đều ở một thang lớn hơn? Cái phức tạp đã xuất hiện từ cái đơn giản như thế nào? Một lần nữa, thuyết Big Bang chuẩn lại không thể đưa ra câu trả lời. Người ta gọi đó là “vấn đề cấu trúc” trong vũ trụ.

Lạm phát xua tan các đám mây đen

Bị đẩy vào đường cùng, lý thuyết Big Bang chuẩn đã bắt đầu bộc lộ những điểm yếu đe dọa làm sụp đổ cả công trình. Nhưng thuyết lạm phát đã ra tay cứu vớt. Như có phép thần, nó đã xua tan tất cả những đám mây đen làm u ám khung cảnh Big Bang và trả lại cho sự sáng tươi rực rỡ.

Tại sao vũ trụ lại đồng nhất đến thế? Trong lý thuyết Big Bang chuẩn, khi chúng ta lần ngược lại thời gian, khoảng cách giữa các vùng khác nhau của không gian giảm xuống, nhưng thời gian mà các vùng này có để trao đổi các tín hiệu ánh sáng với nhau còn giảm nhiều hơn, tới mức chúng không còn có thể tiếp xúc với nhau được nữa. Sở dĩ như vậy là vì trong lý thuyết chuẩn, khi lực hấp dẫn là hút, vũ trụ giảm tốc; nhưng trong pha lạm phát, chính điều ngược lại đã xảy ra: lực hấp dẫn là đẩy, làm tăng vận tốc giãn nở của không gian. Tốc độ giãn nở vì thế ngày càng nhanh hơn, tới mức mà, khi chúng ta cho quay ngược bộ phim các sự kiện cho tới thời kỳ đầu của pha lạm phát, khoảng cách giữa các vùng của không gian giảm, nhưng thời gian mà các vùng này có để truyền cho nhau các tín hiệu ánh sáng không giảm nhanh như thế, nên chúng có đủ thời gian cần thiết để trao đổi các thông tin với nhau và đồng đều hóa nhiệt độ của chúng. Nói cách khác, ở đầu pha lạm phát, ở 10-35 giây đầu tiên, vũ trụ vô cùng nhỏ, và tất cả các vùng có thể dễ dàng trao đổi với nhau và điều phối các tính chất của chúng để trở nên cực kỳ giống nhau. Điều này là khả dĩ vì mặt cầu-chân trời ở thời điểm này có bán kính 3.10-25 cm, bằng kích thước của vũ trụ. Ở cuối pha lạm phát, khi đồng hồ vũ trụ điểm 10-32 giây, vũ trụ phồng lên 1050 lần để đạt đến kích thước 1026 cm, lớn hơn kích thước của một siêu đám thiên hà. Từ 10-35 giây đến 10-32 giây, vũ trụ đã già đi 1.000 lần, điều này có nghĩa là bán kính của mặt cầu-chân trời cũng tăng lên 1.000 lần, tới 3.10-22 cm, tức nhỏ hơn vũ trụ 1.000 tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ (1048) lần. Khi đó, các vùng khác nhau của vũ trụ không còn liên lạc được với nhau, nên không thể điều phối các tính chất của chúng nữa, nhưng chúng đã làm điều đó trước đấy và vẫn còn nhớ những gì đã xảy ra (H. 37),

Còn vấn đề vũ trụ phẳng thì sao? Vũ trụ có thể thực hiện sự cân bằng hết sức mong manh này như thế nào: không có độ cong dương cũng không có độ cong âm, mà có một độ cong chính xác bằng 0? Một lần nữa sự lạm phát lại giúp thực hiện trò ảo thuật này.

Hình 37. Lạm phát và vấn đề chân trời vũ trụ. Sự lạm phát của vũ trụ đã mang lại câu trả lời cho vấn đề chân trời, khi nó làm tăng kích thước của vũ trụ khởi thủy còn rất nhỏ theo hàm mũ cùng với thời gian, nhỏ tới mức tất cả các bộ phận của nó có đủ thời gian để tương tác với nhau bằng ánh sáng và đồng nhất hóa các tính chất của chúng. Trong (a), các điểm A và B nằm hẳn bên trong vùng đồng nhất (mầu sẫm) của vũ trụ có tâm ở vị trí trong tương lai của Ngân hà. Trong (b), sau thời kỳ lạm phát, các điểm A và B nằm ngoài chân trời của chúng ta (được biểu diễn bằng vòng tròn đứt nét) và biến khỏi tầm nhìn của chúng ta. Trong các thời kỳ tiếp theo, chân trời (phân định giới hạn của vũ trụ quan sát được) mở rộng nhanh hơn toàn vũ trụ, tới mức các điểm A và B ngày nay lại nằm trong tầm nhìn của chúng ta. Ngày nay các vùng A và B có các tính chất giống nhau bởi vì chúng đã đồng nhất hóa các tính chất của chúng trước thời kỳ lạm phát.

Hãy lấy lại sự tương tự của vũ trụ ba chiều với bề mặt hai chiều của một quả bóng. Hình học của không gian sẽ dẹt đi trong quá trình lạm phát giống như một vùng nhỏ của bề mặt quả bóng sẽ dẹt đi khi quả bóng được thổi phồng lên. Độ cong của một mặt cầu càng nhỏ hơn khi bán kính của nó càng lớn (H. 38). Chúng ta nhận thấy độ cong của quả bóng bởi vì bán kính của nó nhỏ (chỉ khoảng chục cm). Nhưng sẽ khó nhận thấy hơn rất nhiều đối với hành tinh của chúng ta (có đường kính 6.378 kilômet ở xích đạo). Bởi vì, xét một cách cục bộ, ở các khoảng cách nhỏ, mặt