Chương V. Vũ trụ sinh ra từ chân không Một vụ nổ kinh hoàng trong sự tĩnh lặng tuyệt đối

Chúng ta đều nghĩ rằng vũ trụ kỳ lạ và tuyệt vời này đã được sinh ra, cách đây 13,8 tỷ năm, trong một vụ nổ chớp nhoáng, được gọi là “Big Bang”. Ý tưởng này xuất phát từ một khám phá cơ bản vào năm 1929 về sự giãn nở của vũ trụ bởi nhà thiên văn học người Mỹ Edwin Hubble (1889-1953) (hình bên). Thực tế, tất cả các thiên hà xa xôi đang chạy ra xa chúng ta – sở dĩ biết được điều đó là do ánh sáng của chúng dịch về phía đỏ một cách có hệ thống, và điều này chứng tỏ các nguồn sáng đó (tức các thiên hà) đang chuyển động ra xa chúng ta ( 59 ) . Hubble phát hiện ra rằng tốc độ của sự chạy trốn này không phải là ngẫu nhiên, mà tỷ lệ thuận với khoảng cách từ thiên hà đó đến Ngân Hà của chúng ta. Như vậy, một thiên hà ở xa hơn mười lần sẽ chạy ra xa nhanh gấp mười lần. Sự tỷ lệ giữa khoảng cách của thiên hà và tốc độ di chuyển của nó có một hệ quả cơ bản: cụ thể là thời gian mà mỗi thiên hà di chuyển từ điểm xuất phát ban đầu tới vị trí hiện tại của nó là như nhau với tất cả các thiên hà, vì thời gian này đúng bằng tỷ số giữa khoảng cách của thiên hà và tốc độ của nó. Nếu bằng tưởng tượng, chúng ta đảo ngược dòng các sự kiện, thì tất cả các thiên hà sẽ ở cùng một vị trí tại cùng một thời điểm. Đây chính là suy luận đã khai sinh ra lý thuyết Big Bang và quan niệm tuyệt vời về một vũ trụ sinh ra từ trạng thái cực nhỏ, nóng và đặc, trong một vụ nổ phi thường của không gian và hậu quả của nó vẫn còn tồn tại dai dẳng tới ngày hôm nay thể hiện bởi sự chạy trốn ra xa của các thiên hà, đây chính là cái được gọi là “sự giãn nở của vũ trụ”.

Thuật ngữ “vụ nổ” có thể gợi lên hình ảnh các thiên hà chạy trốn ra xa từ trung tâm của vụ nổ trong một không gian đã tồn tại từ trước. Điều này không khỏi khiến chúng ta tự hỏi: vậy nơi nào là trung tâm của vũ trụ. Thực tế, ý tưởng về trung tâm này là sai bởi vì không gian không phải luôn tồn tại, mà nó được tạo ra cùng lúc với Big Bang. Cụm từ “vũ trụ đang giãn nở” không phải chỉ hàng trăm tỷ thiên hà đang phóng hết tốc lực trong không gian Newton, thụ động và tĩnh, vốn đã tồn tại mãi suốt thời gian, và đã hiện diện từ trước khi có Big Bang. Mà trái lại, nó (sự giãn nở) có liên quan tới một không gian Einstein động, miên viễn được tạo ra, và chuyển động giãn nở của nó kéo theo các thiên hà vốn đứng yên trong đó. Để dễ tưởng tượng hơn, ta hãy xem xét việc nướng bánh nho khô trong lò. Khi bột phồng lên, thể tích của bánh tăng lên và những quả nho khô trộn lẫn trong bột nhào sẽ dịch chuyển ra xa nhau. Cũng giống như thể tích bánh tăng lên trong quá trình nướng, theo thời gian, không gian mới liên tục được tạo ra trong vũ trụ giãn nở, làm tăng khoảng cách giữa các thiên hà. Các thiên hà này đứng yên trong không gian đang di chuyển giống như các quả nho khô được cố định trong cái bánh đang phồng lên. Mọi chuyển động là do thể tích của bánh, cũng như chuyển động ra xa nhau của các thiên hà là do không gian giãn nở. Như vậy, không phải các thiên hà chuyển động ra xa dải Ngân Hà, mà là dịch chuyển ra xa nhau, cũng như những quả nho khô dịch ra xa nhau khi bột nướng nở ra. Những cư dân của các thiên hà khác – nếu như họ tồn tại – cũng sẽ thấy các thiên hà xa xôi dịch chuyển ra xa họ và họ chắc cũng sẽ nghĩ rằng mình nằm ở trung tâm của thế giới. Bởi vì tất cả đều là trung tâm, nên không có gì là trung tâm cả, và hồn ma của Copernicus có thể tiếp tục thanh thản nghỉ ngơi.

Từ “vụ nổ” cũng gợi lên hình ảnh một vụ nổ lớn với tiếng động kinh hoàng. Điều này cũng rất không đúng. Trong cái chân không lượng tử ban đầu, vì vật chất chưa xuất hiện, nên không có môi trường nào để truyền sóng âm. Vũ trụ được sinh ra trong sự im lặng tuyệt đối, trong một vụ nổ được bao bọc bởi sự im lặng chết chóc. Bộ phim về vũ trụ nguyên thủy hoàn toàn không có âm thanh.

Bộ tứ lực cơ bản và vẻ đẹp của thế giới

Vẻ đẹp và sự phức tạp của thế giới – những đường nét tinh xảo của cánh hoa hồng, cánh tay xoắn ốc của một thiên hà, những đỉnh núi tuyết trắng của dãy Himalaya, cái đăng ten bằng thép của tháp Eiffel – được hình thành và tạo ra bởi bộ tứ các lực cơ bản trong tự nhiên. Chúng là những nhân tố làm cho thế giới tiến triển, mọi thứ trong vũ trụ là vô thường, luôn biến động và thay đổi. Cường độ của bốn lực này rất khác nhau, và các phạm vi tác động của chúng cũng rất khác nhau. Mỗi một lực đều gắn với một hạt cơ bản có chức năng truyền tải lực đó qua không gian vũ trụ.

Theo thứ tự cường độ giảm dần, trước tiên là lực hạt nhân mạnh. Mặc dù nó là lực mạnh nhất trong bốn lực, nhưng nó rất khó được nhận biết bởi phạm vi tác dụng của nó chỉ giới hạn trong hạt nhân của nguyên tử, ở khoảng cách cỡ một phần mười ngàn tỷ (10 -13 ) cm. Tuy nhiên, nhiệm vụ của nó rất cơ bản: nó chính là nhân tố gắn kết các proton và neutron – các “viên gạch” của hạt nhân nguyên tử – với nhau. Nó hoạt động như một loại keo, mạnh và tốt tới mức các hạt giả định gắn với nó được gọi là “gluon” (từ tiếng Anh glue , có nghĩa là “keo”). Chính sự trao đổi các gluon giữa proton và neutron đã làm các hạt này “kết dính” lại với nhau trong hạt nhân nguyên tử và làm cho các hạt nhân này không bị phân hủy. Không có lực mạnh, thì vật chất cũng như cả thế giới như chúng ta biết không thể tồn tại.

Tiếp theo là lực điện từ, lực này rất quen thuộc với chúng ta. Một trăm ba mươi bảy lần yếu hơn so với lực hạt nhân mạnh, nó có một đặc tính rất riêng: chỉ tác dụng lên các hạt có điện tích, dù đó là điện tích âm của một electron, hay điện tích dương của một proton. Bất kỳ hạt trung hòa nào, như neutron, nó đều không đếm xỉa đến. Lực điện từ áp đặt các quy tắc rất nghiêm ngặt về sự tương tác giữa các hạt tích điện: các điện tích trái dấu hút nhau trong khi các điện tích cùng dấu lại đẩy nhau. Do đó, các proton trong một hạt nhân nguyên tử, đều có điện tích dương, nên đẩy lẫn nhau. Nhưng hạt nhân không bị vỡ vì lực hạt nhân mạnh mạnh hơn lực điện từ rất nhiều lần và nó là kẻ áp đặt luật chơi. Mặc dù cường độ của lực điện từ giảm tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai điện tích, nhưng tầm tác dụng của nó, thông qua hạt truyền tương tác gắn với lực điện từ là hạt photon, là vô hạn. Điều này có nghĩa là tác dụng của nó không giới hạn trong thế giới của các nguyên tử, mà có thể mở rộng đến các cấu trúc lớn và phức tạp hơn đáng kể. Các phân tử, chuỗi xoắn kép của DNA và các vật khác, tất cả đều chịu tác động của nó. Chính lực điện từ đã gây ra các phản ứng hóa học và sinh học cơ sở của sự sống. Nó tạo hình dạng cho các vật thể, từ những đường nét hoàn hảo của cơ thể con người đến những đường viền vững chãi trên bức tượng của Rodin. Nếu không có nó, mọi thứ sẽ mất đi sự rắn chắc, và bạn có thể đi xuyên qua các bức tường một cách tự do hoặc đưa bàn tay xuyên qua các trang của cuốn sách này.

Lực hạt nhân gọi là “yếu” là lực thứ ba. Như tên của nó cho thấy, cường độ của nó yếu hơn nhiều, khoảng một trăm ngàn lần yếu hơn lực điện từ. Giống như lực hạt nhân mạnh, nó khá xa lạ với chúng ta vì chỉ thể hiện ở những thang vô cùng nhỏ. Phạm vi tác động của nó cũng hạn chế hơn so với lực hạt nhân mạnh, cụ thể là nhỏ hơn khoảng một ngàn lần so với kích thước của một hạt nhân nguyên tử, hay một phần mười triệu tỷ (10 -10 ) của một centimet. Lực hạt nhân yếu khác với ba lực còn lại ở chỗ nó không tác dụng như một chất keo, mà là một chất chống keo. Thực tế, nó thường gây ra sự phân rã của vật chất. Các hạt trong hạt nhân nguyên tử của một số nguyên tố hóa học, chẳng hạn uranium hoặc plutonium, bị phân rã bởi tác động của nó sau một khoảng thời gian ( 60 ) , giải phóng các hạt và bức xạ năng lượng cao và do đó có hại cho sức khỏe. Ta gọi sự phân rã này là “phóng xạ”. Lực hạt nhân yếu rất quan trọng đối với sự tồn tại của chúng ta bởi vì nó phần nào chịu trách nhiệm cho các phản ứng hạt nhân xảy ra trong lõi của các ngôi sao, đặc biệt là ngôi sao của chúng ta. Nếu không có nó, Mặt Trời, thay vì sản sinh năng lượng trong mười tỷ năm, chỉ có thể sống được vài triệu năm, giống một chớp mắt trong lịch sử vũ trụ. Thời gian ngắn như vậy sẽ không cho phép sự sống trên Trái Đất thức tỉnh, cũng như duy trì nó. Nói cách khác, không có lực hạt nhân yếu, chúng ta sẽ không tồn tại. Các hạt truyền tương tác gắn với lực hạt nhân yếu được đặt tên là W và Z. Sự tồn tại của chúng đã được khẳng định trong các thí nghiệm tại CERN ở Geneva vào đầu những năm 1980.

Đứng cuối của đội hình là lực hấp dẫn. Nó yếu hơn lực điện từ khoảng một ngàn tỷ tỷ tỷ tỷ (10 39 ) lần. Chính sự chênh lệch rất lớn này làm cho lực từ của một nam châm có thể rất dễ dàng hút một cái đinh ốc nằm trên mặt đất bất chấp lực hấp dẫn hút cái đinh ốc đó bằng toàn bộ khối lượng Trái Đất. Chúng ta cũng có thể nhận ra độ cực yếu của lực hấp dẫn bằng cách xem xét một nguyên tử hydrogen. Nguyên tử này có kích thước cỡ một phần trăm triệu (10 -8 ) cm bao gồm một proton và một electron ràng buộc với nhau bởi lực điện từ. Nhưng giả sử bạn loại bỏ hoàn toàn lực này, thì chỉ với lực hấp dẫn ràng buộc proton với electron thôi, nguyên tử hydrogen sẽ phồng to lên cho đến khi đạt tới kích thước còn lớn hơn kích thước cả vũ trụ! Nên biết rằng cường độ của lực hấp dẫn giữa hai vật tỷ lệ với tích khối lượng của chúng (và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng). Do khối lượng của proton và electron rất nhỏ (1,7×10 - 27 kg với proton, và electron nhẹ hơn khoảng hai ngàn lần), nên lực hấp dẫn giữa chúng rất nhỏ, điều này giải thích cho kích thước khổng lồ của nguyên tử hydrogen nếu lực điện từ bị loại bỏ.

Chỉ ở thang vũ trụ, lực hấp dẫn mới được thể hiện đầy đủ bởi vì khối lượng của các thiên thể rất lớn, đủ bù đắp cho cường độ vốn dĩ yếu của lực này. Có tác dụng hút các vật thể trong vũ trụ lại với nhau, lực hấp dẫn chính là chất keo của vũ trụ. Các hành tinh (10 25 kg), sao (10 3 0 kg), thiên hà (10 4 1 kg), đám thiên hà (10 42 kg) (Hình 4, ảnh màu) và vũ trụ quan sát được (10 54 kg) tạo thành một thang bậc các vật thể có khối lượng tăng dần, cho phép lực hấp dẫn thể hiện toàn bộ khả năng tuyệt vời của nó. Chính lực này giữ chúng ta trên mặt đất, giữ Mặt Trăng quay xung quanh hành tinh của chúng ta, giữ các hành tinh quay quanh Mặt Trời, giữ các ngôi sao trong thiên hà và các thiên hà trong các đám của chúng. Loại bỏ lực hấp dẫn, chúng ta sẽ trôi nổi trong không gian, Mặt Trăng, các hành tinh và các ngôi sao sẽ tản mát trong khoảng mênh mông của vũ trụ và các thiên hà cũng như các đám thiên hà sẽ tan rã. Chính lực hấp dẫn đã gánh trách nhiệm tạo nên kiến trúc tuyệt vời của vũ trụ (Hình 5, ảnh màu). Nhờ lực này chúng ta có được những cấu trúc kỳ vĩ, tráng lệ tô điểm bầu trời. Giống như lực điện từ, lực hấp dẫn có tâm tác dụng vô hạn. Nhưng khác với lực điện từ không đếm xỉa đến các hạt trung hòa, lực hấp dẫn không hề phân biệt, mà tác dụng lên tất cả mọi thứ có khối lượng. Hạt truyền tương tác của lực này là một hạt giả thuyết được gọi là “graviton”, mà sự tồn tại của nó vẫn đang chờ được thực nghiệm kiểm chứng. Vì vậy, khi bạn vấp ngã, hãy nghĩ rằng trong khi ngã xuống, các hạt graviton vẫn liên tục được trao đổi giữa cơ thể bạn và Trái Đất để xác định quỹ đạo ngã của cơ thể!

Hình 4. Hình ảnh đám thiên hà IDCS J1426+3506 tổng hợp từ các bức ảnh chụp bởi ba trạm quan sát vũ trụ: Chandra bằng tia X (màu xanh lơ), Hubble bằng ánh sáng nhìn thấy (màu xanh lá cây) và Spitzer bằng ánh sáng hồng ngoại (màu đỏ). Chúng ta quan sát đám thiên hà này, cách Trái Đất 10 tỷ năm ánh sáng, vào thời điểm vũ trụ có tuổi bằng một phần ba số tuổi hiện tại (13,8 tỷ năm). Có khối lượng tương đương với khoảng 500.000 tỷ Mặt Trời, đây là một trong những đám thiên hà nặng nhất được biết tới của vũ trụ non trẻ lúc đó. Khoảng 90% khối lượng của đám thiên hà này là dưới dạng vật chất tối ngoại lai.

Hình 5. Bản đồ này của vũ trụ được lập bởi nhóm các nhà thiên văn thuộc dự án Sloan Digital Sky Survey . Trái Đất nằm ở tâm của vòng tròn và mỗi điểm trên bản đồ biểu diễn một thiên hà. Bản đồ này cho thấy cấu trúc tuyệt vời của vũ trụ: lực hấp dẫn đã tổ chức các thiên hà thành một mạng lưới vũ trụ rộng lớn trong đó các sợi được tạo bởi những cấu trúc khổng lồ gần như là thẳng (“tường” và sợi các thiên hà) trải dài hàng trăm triệu năm ánh sáng, và các ô lưới là những khoảng không gian trống rỗng có đường kính hàng chục triệu năm ánh sáng.

Chúng ta đã thấy rằng mỗi lực cơ bản đều gắn với một hạt truyền tương tác của lực đó. Và ngay bây giờ chúng ta sẽ thấy rằng mỗi lực này lại gắn với một trường.

Các trường lực, vật chất và năng lượng choán đầy chân không

Không gian không phải là chân không. Chúng ta sống triền miên tắm mình trong một đại dương sóng điện từ. Đây là những sóng mang các chương trình radio và truyền hình yêu thích của chúng ta từ đài phát đến từng gia đình, cho phép ta gửi tin nhắn SMS gần như ngay lập tức cho bất kỳ ai trên toàn cầu. Chúng cũng đóng vai trò duy trì cuộc sống trên hành tinh chúng ta bằng cách mang nhiệt và năng lượng của Mặt Trời tới Trái Đất. Chúng ta gọi đại dương sóng này là “trường điện từ”.

Như chúng ta đã biết, khái niệm trường đã được nhà vật lý người Anh Michael Faraday đưa ra vào thế kỷ 19. Cần nhớ lại rằng, để giải thích tác dụng từ xa của các lực điện và từ, Faraday đã tưởng tượng ra đường sức xuất phát từ một điện tích hay một cực của nam châm lấp đầy không gian và tạo thành một điện trường hoặc từ trường rộng lớn. Ý tưởng này sau đó đã được James Clerk Maxwell chuyển thành các phương trình toán học vào năm 1873. Ông đã thực hiện một sự thống nhất lớn giữa điện và từ, ông chứng minh rằng hai hiện tượng trên chỉ là hai mặt của cùng một thực tại: đó là trường điện từ. Trường này lan truyền trong không gian dưới dạng sóng, giống như sóng lan truyền trên mặt ao hồ khi có hòn đá được ném xuống. Hơn nữa, ông còn hợp nhất quang học với điện từ học bằng cách chứng minh rằng sóng điện từ lan truyền với tốc độ đúng bằng tốc độ ánh sáng: chúng chính là các sóng ánh sáng.

Khi đưa vào khái niệm trường, Faraday và Maxwell đã gắn kết chặt chẽ không thể tách rời sự trống rỗng của không gian với vật chất trong đó. Khi làm như vậy, họ đã khởi phát một cuộc cách mạng thực sự trong cách nghĩ của chúng ta về thế giới. Sau khi đã thống trị tư tưởng phương Tây khoảng ba trăm năm, quan điểm cổ điển của Newton về một vũ trụ cơ giới, với một không gian trống rỗng, và thi thoảng có những hạt vật chất rắn chắc và không thể chia cắt được đi qua, chịu tác dụng của các lực mù quáng, đã phải nhường chỗ cho quan niệm về một vũ trụ với không gian không còn trống rỗng nữa mà luôn hiện diện nhiều trường đa dạng khác nhau chi phối chuyển động của các vật.

Sau khi đưa trường điện từ vào vật lý, khái niệm trường đã tiếp tục được hoàn thiện và phát triển rực rỡ trong những thế kỷ tiếp theo để ngày hôm nay trở thành một trong những khái niệm cơ bản của vật lý đương đại. Cũng như lực điện từ gắn với trường điện từ, từng lực trong ba lực cơ bản còn lại cũng gắn với một trường. Giống như chúng ta đang tắm mình trong đại dương của các trường điện từ, trường hấp dẫn cũng bao quanh chúng ta ở khắp nơi: Trái Đất, Mặt Trăng, Mặt Trời, các hành tinh khác của hệ Mặt Trời.... Chính trường hấp dẫn của Trái Đất đã giữ chúng ta trên bề mặt của nó và làm cho Mặt Trăng quay xung quanh hành tinh này. Trường của lực hạt nhân mạnh liên kết các proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử. Cuối cùng, trường lực hạt nhân yếu làm cho một số nguyên tử phân rã sau một thời gian nhất định.

Nhưng không chỉ các lực cơ bản mới gắn với các trường tương ứng. Mỗi hạt vật chất cũng có trường riêng của nó. Ở đây cần nhớ lại những gì mà cơ học lượng tử đã dạy chúng ta về bản chất kép của ánh sáng: tùy theo tình huống thí nghiệm, nó có thể thể hiện phương diện hạt hay sóng. Quan trọng hơn nữa, cơ học lượng tử cũng cho chúng ta biết rằng vật chất, giống như ánh sáng, cũng có lưỡng tính sóng hạt: khi thiết bị đo hoạt động, khía cạnh hạt sẽ được thể hiện; còn ngược lại, khi máy đo không hoạt động, hạt sẽ khoác bộ quần áo sóng của nó. Sóng này cho biết xác suất tìm thấy hạt ở một vị trí nào đó. Sóng xác suất này được gắn với trường của hạt. Kết quả là, chúng ta cũng triền miên tắm mình trong các trường gắn với electron, proton, và tất cả các hạt khác của vật chất.

Một trường năng lượng nguyên thủy

Nếu tính đến tất cả các trường của các lực và vật chất khả hữu, thì cuộc tổng điều tra của chúng ta về các trường trong không gian liệu có đầy đủ không? Chắc chắn là không. Các nhà vật lý hiện nay tin rằng ngay cả nếu chúng ta “loại bỏ” hết khỏi không gian tất cả các bức xạ và vật chất, thì sẽ vẫn luôn có một trường năng lượng còn sót lại không liên quan gì tới ánh sáng hay vật chất. Sinh ra trong những khoảnh khắc của giây đầu tiên sau vụ nổ nguyên thủy, trường năng lượng này được gọi là “trường Higgs” – được đặt theo tên một trong số những nhà vật lý đưa ra khái niệm này, Peter Higgs (sinh năm 1929) ( 61 ) (hình) – trường này có mặt khắp nơi trong vũ trụ, và nó gây ra những hệ quả rất cơ bản đối với sự tiến hóa của vũ trụ. Trường Higgs sẽ trải qua nhiều thay đổi trạng thái (hoặc sự chuyển pha) trong quá trình giãn nở và nguội đi của vũ trụ. Sau đó, khi vũ trụ được một phần mười tỷ (10 -1 0 ) giây, thì trường năng lượng nguyên thủy này sẽ chuyển sang một pha mới. Và vũ trụ bước vào kỷ nguyên “điện yếu”. Chính nhờ sự tương tác với trường Higgs của các hạt cơ bản tham gia tương tác yếu mà các hạt này, và do đó, cả bản thân chúng ta và tất cả mọi thứ trong cuộc sống, có được khối lượng và thế giới được như hiện nay.

Để hiểu được nó là gì, chúng ta phải mạnh dạn ngoại suy các định luật vật lý đã biết tới những thời gian lùi xa nhất có thể. Giống như nhà thám hiểm lần theo con sông để tìm về nguồn, nhà thiên văn học dùng các phương trình (của thuyết tương đối rộng) để lần theo lịch sử vũ trụ đến nguồn gốc của nó là Big Bang. Nhưng như chúng ta đã biết, không thể quay ngược trở lại đến tận nguồn gốc của vũ trụ bởi vì, do thiếu một lý thuyết về hấp dẫn lượng tử, vật lý mà ta đã biết mất hiệu lực ở những thời điểm nhỏ hơn thời gian Planck, 10 - 43 giây. Vì vậy chúng ta sẽ bắt đầu câu chuyện của vũ trụ từ thời điểm Planck. Do vũ trụ ngày nay đang giãn nở và không gian của nó không ngừng loãng ra và nguội đi, nên nếu đảo ngược dòng các sự kiện, ta sẽ suy ra rằng nó phải bắt đầu sự tồn tại của mình từ một trạng thái vô cùng nhỏ, đặc và nóng. Các tính toán cho thấy vào thời gian Planck, vũ trụ có kích thước cỡ 10 - 33 cm (hàng trăm tỷ tỷ lần nhỏ hơn một hạt nhân nguyên tử), với mật độ không thể tưởng tượng nổi là 10 93 g/cm 3 và nhiệt độ cao khủng khiếp, 10 32 Kelvin (nóng hơn tất cả các địa ngục mà Dante có thể tưởng tượng!). Ở những nhiệt độ như vậy, mọi trường năng lượng trong vũ trụ phải chịu các thăng giáng cực mạnh, giống như các chuyển động hỗn loạn khuấy động bề mặt của nước sôi trong nồi, nhưng phải nhân lên đến cực hạn. Những thăng giáng này làm cho cường độ của trường thay đổi ở xung quanh giá trị 0. Khi vũ trụ được làm loãng và nguội đi, mật độ bức xạ và vật chất rất lớn ban đầu sẽ giảm dần, kéo theo nhiệt độ và cường độ thăng giáng cũng giảm đi.

Ở đây, một câu hỏi được đặt ra: liệu giá trị của trường có tiến tới giá trị trung bình bằng zero, giá trị mà chúng ta gán một cách trực giác cho mọi không gian trống rỗng, hay là tiến tới một giá trị khác, khác với zero? Thật kỳ lạ, và trái với trực giác của chúng ta, câu trả lời thứ hai mới là đúng. Sự thăng giáng của trường năng lượng nguyên thủy giảm dần cường độ khi vũ trụ nguội đi, không ổn định ở giá trị zero, mà ở một giá trị lớn hơn 0 một chút. Điều này có nghĩa là không gian không bao giờ có thể là hoàn toàn trống rỗng.

Sự nguội lạnh và phá vỡ đối xứng

Để giải thích hành vi kỳ lạ này, chúng ta phải lạc đề một chút để xem xét hành vi của một chất mà chúng ta ai cũng rất quen thuộc: nước. Nước thay đổi trạng thái và vẻ ngoài theo nhiệt độ môi trường: nó có thể là rắn, lỏng hoặc khí. Hãy xét một mẩu băng. Miễn là nhiệt độ vẫn thấp hơn 0 độ Celsius, băng sẽ vẫn ở trạng thái rắn. Nhưng ngay khi nhiệt độ tăng lên trên 0 độ Celsius, mẩu băng sẽ tan chảy, và biến thành một vũng nước. Sự biến đổi mạnh mẽ đến mức nếu bạn chưa bao giờ quan sát băng tan, bạn sẽ không bao giờ kết nối được hai hiện tượng này. Tuy nhiên, mẩu băng và vũng nước có cùng thành phần phân tử, mỗi phân tử là kết quả của sự kết hợp hai nguyên tử hydrogen với một nguyên tử oxygen. Nếu bạn tiếp tục làm nóng vũng nước, sẽ không có gì xảy ra cho đến khi nhiệt độ đạt đến 100 độ Celsius: nước sẽ sôi và biến thành hơi nước. Những biến đổi trạng thái này, mà các nhà vật lý gọi là “sự chuyển pha”, là do nhiệt độ càng cao, chuyển động của các thành phần tạo nên vật chất càng mạnh. Ở nhiệt độ dưới 0 độ Celsius, các phân tử nước được giữ chặt trong mạng rắn của các tinh thể băng có đối xứng lục giác – xoay một góc sáu mươi độ (360/6) hoặc các bội số của nó xung quanh trục trung tâm sẽ giữ nguyên hình dạng của chúng – đúng như những gì chúng ta thấy trên cửa sổ vào mùa đông và làm thỏa mãn cảm quan thẩm mỹ của chúng ta (hình 6, ảnh màu). Các chuyển động phân tử này quá uể oải đến mức chúng không thể làm nhiễu động sự vững chắc của cấu trúc tinh thể. Nhưng ngay khi nhiệt độ tăng lên trên 0 độ Celsius, chuyển động phân tử sẽ trở nên mạnh mẽ đến mức các phân tử nước không còn được giữ chắc trong mạng tinh thể nữa, và nước trở nên lỏng. Nếu bạn đặt một mẩu băng vào ly nước ấm, bạn sẽ thấy nó biến thành dạng lỏng vì những va chạm lặp đi lặp lại của các phân tử nước thuộc cục băng với các phân tử nước ấm.

Hình 6. Các bông tuyết có cấu trúc tinh thể với đối xứng xuyên tâm lục giác. Hình trên đây là hai ví dụ.

Các chuyển pha luôn đi kèm với sự mất hoặc đạt được đối xứng. Sự đối xứng được định nghĩa ở đây là số các biến đổi có thể áp đặt lên một hình hoặc một vật mà không làm thay đổi hình dạng của nó. Chẳng hạn, vòng tròn có bậc đối xứng quay cao nhất: bạn có thể quay nó một góc bất kỳ, hình dạng của nó vẫn sẽ không thay đổi. Hình vuông ít đối xứng hơn vòng tròn bởi vì chỉ có các phép quay chín mươi, một trăm tám mươi, hai trăm bảy mươi và ba trăm sáu mươi độ mới cho phép nó duy trì hình dạng của mình. Hình chữ nhật thậm chí còn ít đối xứng hơn bởi vì chỉ có phép quay một trăm tám mươi và ba trăm sáu mươi độ mới bảo tồn hình dạng của nó. Còn nước thì sao? Bậc đối xứng của nó giảm dần khi nhiệt độ giảm. Thực tế, khi nhiệt độ trên 100 độ Celsius và nước ở dạng hơi, các phân tử của nó không còn bị ràng buộc nữa và được tự do di chuyển đến bất cứ nơi nào chúng muốn, theo mọi hướng khả dĩ, không có hướng nào là được ưu tiên cả. Trạng thái hơi này có bậc đối xứng rất cao vì bất cứ phép quay nào với bất kỳ nhóm phân tử nào, hình dạng của tổng thể các phân tử hơi nước vẫn giữ nguyên như thế. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 100 độ Celsius nhưng lớn hơn 0, nước trở thành chất lỏng. Nó ít đối xứng hơn hơi nước bởi vì trong một vũng nước, các phân tử được sắp xếp theo một trật tự nhất định, các nguyên tử hydrogen của một phân tử ở gần với nguyên tử oxygen của hàng xóm của nó. Mà có trật tự hơn nghĩa là ít đối xứng hơn. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 0 độ Celsius, nước lỏng trở thành nước đá hay băng. Các phân tử nước trong mạng tinh thể được gióng hàng giống như những người lính vậy. Trật tự lúc này tăng lên đáng kể, và do đó đối xứng càng ít đi. Người ta nói rằng đã có sự “phá vỡ đối xứng”.

Các khái niệm chuyển pha và phá vỡ đối xứng được áp dụng không chỉ đối với nước, mà còn cho cả vũ trụ trong quá trình tiến hóa của nó. Chúng ta đã thấy rằng việc nguội lạnh đi cho phép cấu trúc (ví dụ của một mẩu băng) đột hiện. Khi một đám mây hơi nước biến đổi thành băng, cái đơn giản trở thành cái phức tạp và đối xứng được thay thế bằng bất đối xứng. Giống như nước mất dần sự đối xứng khi lạnh dần, nó chuyển từ hơi nước sang nước lỏng, sau đó từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn, các nhà thiên văn học tin rằng vũ trụ cũng trải qua quá trình chuyển pha và phá vỡ đối xứng trong quá trình loãng và lạnh dần theo thời gian. Các chuyển pha trong trường hợp này không thể hiện bằng sự biến đổi của hơi nước thành chất lỏng hoặc chất lỏng thành chất rắn, mà bằng những thay đổi sâu sắc trong các tính chất của trường Higgs.

Trường Higgs và nguồn gốc của khối lượng

Như nước lỏng chuyển thành các tinh thể băng khi nhiệt độ giảm xuống dưới 0 độ Celsius, mô hình chuẩn (lý thuyết mô tả tốt nhất tính chất của các hạt cơ bản đã biết) cho chúng ta biết rằng khi đồng hồ vũ trụ điểm một phần mười tỷ (10 10 ) giây trường năng lượng nguyên thủy chuyển sang một pha mới và vũ trụ bước vào kỷ nguyên điện yếu (dưới đây chúng ta sẽ thấy định nghĩa lực điện yếu). Vào thời điểm đó, vũ trụ, do sự giãn nở của nó, đã nguội đến nhiệt độ một triệu tỷ (10 15 ) độ. Nhiệt độ này vẫn là rất cao, nhưng đã giảm đi hàng trăm triệu tỷ lần so với nhiệt độ của vũ trụ tại thời gian Planck 10 - 4 3 giây. Chính sự chuyển pha này của trường Higgs đã tạo ra khối lượng cho mỗi hạt cơ bản, và do đó cho tất cả các vật trong vũ trụ, bao gồm cả bạn và tôi, bởi vì tất cả chúng ta đều được tạo nên bởi các hạt cơ bản này.

Vậy khối lượng của một vật là gì? Nó có thể được định nghĩa là tính chất làm cho vật cản trở hay chống lại chuyển động ( 62 ) , hay nói cách khác, khối lượng gây ra quán tính của vật. Để tạo ra khối lượng của các hạt cơ bản, trường Higgs phải tạo ra thứ chống lại chuyển động của chúng, và cái mà nó tạo ra hành xử như một loại mật mía vũ trụ mà các hạt cơ bản phải vạch đường đi qua. Thứ mật mía này ngăn cản mọi sự thay đổi tốc độ của các hạt, nghĩa là ngăn cản bất kỳ chuyển động có gia tốc nào ( 63 ) . Sự ngăn cản này không giống nhau đối với tất cả các hạt cơ bản, do đó khối lượng của chúng rất đa dạng. Chẳng hạn photon không có khối lượng vì nó vượt qua trường Higgs như không có chuyện gì xảy ra. Chỉ có nó là di chuyển với tốc độ cao nhất, tốc độ ánh sáng. Electron tương tác rất ít với trường này, nghĩa là nó có khối lượng rất nhỏ, nhỏ hơn 1836 lần so với proton và 1852 lần so với neutron. Neutrino tương tác thậm chí còn ít hơn nữa bởi vì khối lượng của nó nhỏ hơn hàng triệu lần so với electron. Các hạt quark (chúng ta biết có sáu quark khác nhau), tức các cấu phần tạo nên neutron và proton, cũng như vậy. Chúng cũng có nhiều khối lượng khác nhau. Hạt quark nặng nhất, được gọi là “quark top”, có khối lượng nặng gấp 350.000 lần electron, bởi vì tương tác mạnh mẽ nhất với trường Higgs, nên nó khó khăn hơn 350.000 lần so với electron để tăng tốc qua trường này. Ngược lại, các quark nhẹ nhất, quack up và quark down, là những hạt tạo nên proton và neutron, chỉ có khối lượng gấp khoảng 9 lần khối lượng electron, bởi chúng tương tác với trường Higgs yếu hơn so với quark top.

Tại sao lại có nhiều khối lượng tới như vậy và tại sao mỗi hạt cơ bản lại có chính xác khối lượng đặc trưng cho nó? Câu trả lời phụ thuộc vào cơ chế tương tác của mỗi hạt với trường Higgs mà cho tới thời điểm này chúng ta vẫn còn chưa biết. Chúng ta chưa có lý thuyết nào giải thích được tại sao photon lại không có khối lượng hoặc tại sao electron lại nhẹ hơn gần 2000 lần so với proton. Một lý thuyết như vậy sẽ là chiếc Chén thánh của vật lý hiện đại. Chỉ có một điều chắc chắn là nếu không có sự hiện diện của trường Higgs, các hạt và do đó tất cả mọi thứ trong cuộc sống sẽ không có khối lượng, giống như photon – và thế giới sẽ không như nó đang là hiện nay.

Vì vậy, những nỗ lực của chúng ta mỗi ngày để di chuyển mọi thứ xung quanh – đặt một quyển sách lên kệ sách, kéo một chiếc vali lên gác, hoặc đẩy một chiếc xe hỏng – là hậu quả trực tiếp từ sự tương tác của các vật thể này, hay đúng hơn là của các hạt cơ bản tạo nên chúng, với trường Higgs lấp đầy không gian. Lần tới, nếu bạn không thể di chuyển được một đồ đạc quá nặng, thì bạn đã biết ai là thủ phạm rồi đó...

Hạt của Chúa

Như vậy, để giải thích khối lượng của các hạt cơ bản, lý thuyết chuẩn đã phải thừa nhận sự tồn tại của một loại chất mới có mặt khắp nơi trong vũ trụ, đó là trường Higgs. Người ta có thể băn khoăn tự hỏi liệu cái trường Higgs này có phải là biểu hiện mới của ether của Aristotle, được cập nhật theo xu thế thời đại hay không. Đúng là có một sự giống nhau giữa chúng theo nghĩa cả hai đều buộc chúng ta phải suy nghĩ lại định nghĩa của chúng ta về cái chân không của không gian. Nhưng chúng không thể bị lẫn lộn vì nhiều lý do. Thứ nhất, không giống như ether, trường Higgs không truyền sóng điện từ (hay cũng chính là sóng ánh sáng) như suy nghĩ của Maxwell. Như vậy sự hiện diện của nó không ảnh hưởng đến tốc độ ánh sáng. Vì vậy mà việc các thí nghiệm như của Michelson-Morley thực hiện, như ta đã thấy, vào cuối thế kỷ 19, cùng với thuyết tương đối của Einstein đã tống khứ khái niệm ether vào quên lãng, không hề hấn gì đến trường Higgs cả. Mặt khác, vì trường Higgs không có bất cứ ảnh hưởng nào tới tốc độ của các vật chuyển động với tốc độ không đổi, nên nó không thể, như trường hợp của ether, tạo ra tình trạng đặc quyền của một người quan sát nào đó, và điều này hoàn toàn phù hợp với thuyết tương đối hẹp của Einstein.

Nhưng liệu có bất kỳ bằng chứng thực nghiệm nào về trường Higgs nổi tiếng này hay nó chỉ là sản phẩm của trí tưởng tượng phong phú của các nhà vật lý? Chúng ta đã thấy rằng mọi trường đều gắn với một hạt cơ bản. Như trường điện từ gắn với photon, và trường liên quan đến lực hạt nhân yếu gắn với các hạt W và Z, lý thuyết chuẩn giả định rằng trường Higgs cũng phải được gắn với một hạt, mà nhà vật lý người Mỹ Leon Lederman (sinh năm 1922) đã gọi một cách có lẽ hơi quá khoa trương là “hạt của Chúa”, hay như hầu hết các nhà vật lý đơn giản gọi là “boson Higgs ( 64 ) ”.

Cuộc truy tìm boson Higgs đã được tổ chức từ hơn bốn mươi lăm năm trước, nhưng trong nhiều thập kỷ không mang lại kết quả gì. Lý do là khối lượng của hạt Higgs rất lớn, và theo sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng được phát hiện bởi Einstein, thì khối lượng lớn sẽ có năng lượng lớn. Do đó, cần phải kiên nhẫn chờ đợi cho đến khi xuất hiện máy va chạm (gia tốc) LHC tại CERN (hình 7 a) và b), ảnh màu). Bằng cách cho hai chùm hạt va chạm trực diện với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, LHC có thể tái tạo năng lượng cực lớn đã từng tồn tại trong vũ trụ sơ khai tại thời điểm một phân ngàn tỷ (10 -12 ) giây sau Big Bang. Nhờ thế nó có khả năng làm xuất hiện những hạt có khối lượng cực kỳ lớn. Việc phát hiện ra boson Higgs của LHC đã được tuyên bố rộng rãi vào tháng 3 năm 2013 (hình 8, ảnh màu). Có vẻ như phát hiện này đã khẳng định các tính chất mà mô hình chuẩn đã tiên đoán cho hạt Higgs: khối lượng của nó lớn gấp khoảng 130 lần khối lượng proton, tức có năng lượng cỡ 125 tỷ electron-volt, không spin và không có điện tích. Boson Higgs có thời gian sống khoảng 1,5 phần mười ngàn tỷ tỷ (10 -22 ) giây, điều này đã gây thêm khó khăn lớn cho việc phát hiện ra nó. Các nhà vật lý đã thở phào nhẹ nhõm với việc khám phá ra hạt Higgs: vậy là trường gắn với nó và trường tạo ra khối lượng cho vạn vật thực sự tồn tại! Lý thuyết chuẩn, một hình mẫu của vật lý hạt cơ bản từ nhiều thập kỷ, một lần nữa đã vượt qua được bài kiểm tra căn bản. Dù sao thì Ủy ban Nobel cũng đã không hà tiện: vào tháng 11 năm 2013, họ đã trao giải thưởng vật lý cho Peter Higgs và François Englert vì “đã khám phá ra về mặt lý thuyết một cơ chế đóng góp vào sự hiểu biết của chúng ta về nguồn gốc khối lượng của các hạt hạ nguyên tử”. Điều đáng tiếc duy nhất liên quan đến vinh dự hoàn toàn xứng đáng này là: sự hợp tác quốc tế của hàng ngàn nhà nghiên cứu đằng sau LHC và nhiều thí nghiệm chứng minh hạt Higgs đã không hề được nhắc đến trong giải thưởng uy tín này. Bởi nếu không được xác minh bằng thực nghiệm, bất kỳ lý thuyết vật lý nào, dù là tài tình đến đâu chăng nữa, cũng chỉ có tính siêu hình mà thôi.

Hình 7. a) Máy LHC ( Large Hadron Collider ), bắt đầu hoạt động năm 2008 ở CERN, là máy gia tốc hạt lớn và mạnh nhất thế giới. Nó được đặt trong một đường hầm hình tròn, có chu vi dài 27 km, ở độ sâu trung bình 100m dưới biên giới Pháp-Thụy Sỹ, gần Geneva. Vị trí của bốn máy dò hạt lớn nhất của LHC (ATLAS, CMS, LHCb và ALICE) được ghi rõ trên hình.

Hình 7. b) Trong máy gia tốc hạt, hai chùm hạt, định hướng bởi các nam châm cực mạnh, chuyển động theo hai hướng ngược nhau trong các ống riêng rẽ với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Khi chúng va chạm với nhau (tại bốn vị trí đặt máy dò), năng lượng giải phóng ra lớn gần bằng năng lượng của vũ trụ nguyên thủy tại thời điểm một phần ngàn tỷ giây sau Big Bang.

Hình 8. Hạt boson Higgs, hạt tạo ra khối lượng cho tất cả các hạt vật chất, đã được phát hiện vào tháng 7 năm 2012 bởi máy dò CMS, bằng cách phân tích các quỹ đạo cong (màu vàng) của các hạt được sinh ra bởi va chạm khủng khiếp giữa hai chùm proton chuyển động ngược hướng nhau, đi tới va chạm với nhau trong máy LHC.

Các lực chỉ là một vào thuở ban đầu

Khái niệm về một trường năng lượng nguyên thủy có mặt khắp nơi trong vũ trụ cũng đóng vai trò là động lực mạnh mẽ thúc đẩy các nhà vật lý theo đuổi chương trình thống nhất bốn lực cơ bản chi phối vũ trụ. Ý tưởng đó như sau: được tách ra riêng rẽ trong thế giới đã nguội lạnh ngày nay, nhưng bốn lực ấy đã từng được thống nhất thành một siêu lực duy nhất trong vũ trụ nóng nguyên thủy; khi nguội đi, vũ trụ đã mất đi tính đối xứng và sự đơn giản ngày xa xưa, và siêu lực duy nhất đã bị chia tách thành bốn lực riêng biệt (hình).

Sự thống nhất các lực. Bốn lực cơ bản là khác biệt, với cường độ rất khác nhau, ở nhiệt độ thấp của vũ trụ hiện nay. Nhưng các nhà vật lý nghĩ rằng chúng đã từng thống nhất thành một “siêu lực” khi vũ trụ ở giai đoạn cực nóng, đó là những khoảnh khắc của giây đầu tiên sau Big Bang.

Ta đã thấy rằng khi đồng hồ vũ trụ điểm 10 -10 giây và nhiệt độ của vũ trụ giảm xuống còn 10 1 5 Kelvin, trường Higgs chuyển pha, giống như các tinh thể băng xuất hiện khi nhiệt độ nước xuống dưới 0 độ: các hạt cơ bản mà trước đây không có khối lượng, thì tại thời điểm định mệnh này, đã có do tương tác với trường Higgs. Giống như nước trở thành băng bị mất đi tính đối xứng, vũ trụ cũng như vậy: trong khi chúng ta có thể vô tư trao đổi khối lượng của các hạt trước khi trường Higgs chuyển pha vì chúng vốn không có khối lượng, thì sau đó sẽ không còn được như thế nữa. Vũ trụ đã mất đi đối xứng về khối lượng trong quá trình nguội đi. Các nhà vật lý nói rằng khi này đã có sự “phá vỡ đối xứng”. Vào cuối những năm 1960, hai nhà vật lý người Mỹ là Sheldon Glashow (1932) và Steven Weinberg (1933) và nhà vật lý người Pakistan Abdus Salam (1926-1996) đã phát hiện ra rằng trước khi trường Higgs chuyển pha, không chỉ tất cả các hạt truyền các lực cơ bản có cùng khối lượng bằng 0, mà photon, hạt truyền tương tác điện từ, và W và Z, các hạt truyền lực hạt nhân yếu, tất thảy đều có những tính chất giống hệt nhau. Nếu không có sự hiện diện của trường Higgs, những hạt này có thể hoán đổi cho nhau ở mọi điểm, và chúng có thể thay thế cho nhau mà không làm thay đổi bất kỳ quá trình vật lý nào. Do đó mà có sự đối xứng hoàn hảo giữa lực điện từ và lực hạt nhân yếu. Nói cách khác, trước khi trường Higgs chuyển pha, chúng được thống nhất thành một lực duy nhất: lực điện yếu. Sự đối xứng giữa hai lực này không còn rõ ràng trong vũ trụ ngày nay vì sự tương tác giữa các hạt truyền tương tác với trường Higgs đã làm cho chúng có khối lượng hoàn toàn khác nhau: photon vẫn giữ khối lượng bằng 0, nhưng các hạt W và Z thu được khối lượng lần lượt gấp 86 và 97 lần so với proton. Nghĩa là sự đối xứng đã bị phá vỡ. Việc khám phá ra sự thống nhất của lực điện từ với lực hạt nhân yếu của ba nhà vật lý đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1979 (hình) ngay cả trước khi phát hiện ra các hạt W và Z bằng thực nghiệm tại CERN năm 1983. Đóng góp to lớn của Glashow, Weinberg và Salam là đã khám phá ra bí mật của cái chân không chứa đầy năng lượng nguyên thủy để làm sáng tỏ một nguyên lý đối xứng cơ bản của tự nhiên.

Giải Nobel Vật lý đã được trao cho Sheldon Glashow, Abdus Salam và Steven Weinberg (từ trái sang phải) vào năm 1979 vì đã thống nhất được lực điện từ và lực hạt nhân yếu thành lực điện yếu.

Thành công của việc thống nhất lực điện từ và lực hạt nhân yếu thành một lực gọi là “lực điện yếu” đã thúc đẩy các nhà vật lý tự hỏi liệu hai lực cơ bản còn lại, lực hạt nhân mạnh và lực hấp dẫn có thể cũng làm được như thế không. Các nhà vật lý đã phát triển một lý thuyết thống nhất lực hạt nhân mạnh và lực điện yếu. Ý tưởng cũng vẫn như thế: vũ trụ phải đối xứng hơn khi vũ trụ nóng và non trẻ hơn. Các phép tính cho thấy rằng khi đồng hồ vũ trụ điểm 10 - 38 giây và nhiệt độ lớn hơn 10 28 độ, cao hơn mười ngàn tỷ lần so với nhiệt độ khi lực điện từ tách ra khỏi lực hạt nhân yếu, trường năng lượng nguyên thủy lúc đó đang ở một pha khác, và lực điện yếu được kết hợp với lực hạt nhân mạnh thành một lực duy nhất gọi là “điện hạt nhân”. Chỉ khi sự giãn nở của vũ trụ làm cho nhiệt độ giảm xuống dưới 10 28 độ, trường năng lượng mới thay đổi trạng thái – giống như nước chuyển từ trạng thái hơi sang trạng thái lỏng khi nhiệt độ giảm xuống dưới 100 độ Celsius – và lực điện hạt nhân bị tách thành hai: lực điện yếu và lực hạt nhân mạnh. Cho đến thời điểm hiện nay, cái gọi là lý thuyết “thống nhất lớn” vẫn chưa được xác nhận bằng thực nghiệm. Một trong những tiên đoán ngoạn mục nhất của nó liên quan đến cái chết của proton: proton không phải là bất tử, mà sau một thời gian sẽ tự phân rã thành các hạt khác. Tuy nhiên, mặc dù có những nỗ lực phi thường để săn lùng sự phân rã đó, nhưng cho đến nay chưa ai từng nhìn thấy một proton nào chết cả ( 65 ) .

Thế còn lực hấp dẫn thì sao? Cho đến nay, nó đã kiến quyết chống lại mọi đề nghị thống nhất với các lực khác, ít nhất là trong khuôn khổ của lý thuyết chuẩn. Kết hợp thuyết tương đối rộng, lý thuyết về lực hấp dẫn, với cơ học lượng tử, lý thuyết tính tới hành vi của các lực khác, như chúng ta đã thấy, luôn dẫn tới các đại lượng vô hạn trong những tình huống cực đoan khi bốn lực đều có tác dụng ngang nhau (như trong một lỗ đen hoặc trong vũ trụ nguyên thủy). Sự xuất hiện của những đại lượng vô hạn như thế cho chúng ta biết rằng, vật lý như chúng ta đã biết không còn chỗ đứng trong những điều kiện cực đoan nay. Trong trường hợp của vũ trụ sơ khai, một bức tường đã chắn, ngăn cản chúng ta tiếp cận những thời điểm nhỏ hơn thời gian Planck, 10 - 43 giây, khi vũ trụ còn nóng hơn nhiệt độ không thể tưởng tượng nổi là 10 3 2 độ. Liệu có hy vọng vượt qua được bức tường Planck và thống nhất bốn lực thành một siêu lực không? Chúng ta đã viện đến lý thuyết dây, và cả thất bại tương đối của nó: bất chấp hàng thập kỷ làm việc miệt mài của rất nhiều nhà vật lý, lý thuyết này vẫn không tiếp xúc trực tiếp được với thực tế và vẫn chỉ là một lý thuyết toán học hơn là vật lý.

Chân không chứa đầy thật màu mỡ

Vậy là cho tới thời điểm này, lý thuyết chuẩn đã đề xuất cho chúng ta diễn tiến của các sự kiện sau đây. Vũ trụ bắt đầu từ một chân không chứa đầy trường năng lượng nguyên thủy (hay trường Higgs). Từ thời điểm 0 đến thời điểm Planck, trong 10 -43 giây, vũ trụ ở kỷ nguyên Planck. Vật lý đã biết không thể mô tả giai đoạn này. Người ta đã hình dung đủ thứ kịch bản, kể cả những kịch bản kỳ quặc nhất. Ví dụ, khi đó có thể cặp không-thời gian bốn chiều, gắn kết với nhau không thể tách rời trong thế giới ngày nay, không tồn tại hoặc hoàn toàn khác. Không gian có thể có thêm ít nhất là bảy chiều nữa. Phía sau bức tường Planck có thể ẩn chứa một khoảng thời gian vô tận, bởi vì thời gian 10 -43 giây chỉ là sự ngoại suy của các định luật vật lý đã biết về phía thời điểm zero. Nhưng chính vì những định luật này đã không còn đúng nữa ở những thời điểm nhỏ hơn thời gian Planck, nên cũng chẳng có gì là chắc chắn cả. Thời điểm zero thậm chí có thể không tồn tại! Trong kỷ nguyên Planck, vũ trụ sẽ được chi phối bởi một siêu lực duy nhất và nhiệt độ cùng mật độ của nó sẽ là vô hạn ở thời điểm zero. Đó là những gì thuyết tương đối rộng nói với chúng ta, nhưng vì nó không còn đúng nữa sau bức tường Planck, nên cũng chẳng có gì là chắc chắn.

Khi đồng hồ vũ trụ điểm 10 -4 3 giây, vũ trụ bước vào kỷ nguyên thống nhất lớn. Trường năng lượng nguyên thủy trải qua một sự chuyển pha và sự phá vỡ đối xứng đầu tiên xảy ra: siêu lực bị tách thành hai. Từ lúc đó, vũ trụ sẽ được chi phối bởi một cặp lực, lực hấp dẫn và lực điện hạt nhân. Kỷ nguyên thống nhất lớn sẽ kéo dài đến 10 -38 giây. Vào thời điểm này, trường năng lượng trải qua một sự chuyển pha mới và vũ trụ bước vào kỷ nguyên điện yếu. Và một sự phá vỡ đối xứng nữa lại xảy ra. Bây giờ tới lượt lực điện hạt nhân bị chia tách thành hai: lực hạt nhân mạnh và lực điện yếu. Hai lực này cùng với lực hấp dẫn tạo thành bộ tam hùng thống trị vũ trụ. Sự chuyển pha thứ ba xảy ra khi đồng hồ vũ trụ điểm 10 -10 giây. Trường năng lượng nguyên thủy bây giờ chuyển sang một pha mới. Vũ trụ bước vào kỷ nguyên điện yếu. Và chính ở giai đoạn này, nhờ sự tương tác của các hạt cơ bản tham gia tương tác yếu với trường Higgs mà các hạt này có khối lượng. Một sự phá vỡ đối xứng nữa xảy ra: bây giờ tới lượt lực điện yếu bị chia tách thành lực hạt nhân yếu và lực điện từ. Vũ trụ từ nay sẽ bị chi phối bởi bộ tứ lực cơ bản như chúng ta đã biết ngày nay. Vậy là vũ trụ bước vào kỷ nguyên của các hạt cơ bản mà, ngoại trừ photon, tất cả đều đã có khối lượng.

Như vậy, ý tưởng mang tính trực quan về một chân không không chứa gì hết không chỉ sai, mà còn rất cằn cỗi nữa. Trái lại, quan niệm về một chân không chứa đầy một trường năng lượng thay đổi trạng thái theo tiến trình nguội dần của vũ trụ, chân không ấy thật phì nhiêu và màu mỡ, phù hợp với chân lý. Quan niệm này nói với chúng ta rằng ban đầu tất cả các lực cơ bản chỉ là một, và hé lộ cho chúng ta thấy sự thống nhất, đối xứng và hài hòa của vũ trụ ở lúc khởi đầu với tất cả vẻ đẹp huy hoàng của chúng ( 66 ) .

Lực phản hấp dẫn: hằng số vũ trụ của Einstein

Chúng ta đã vinh danh cái chân không chứa đầy thông qua việc xem xét hai chức năng thiết yếu của nó. Trước tiên, chúng ta đã thấy năng lượng nguyên thủy choán đầy chân không, khi thay đổi trạng thái trong quá trình nguội đi của vũ trụ, đã gánh trách nhiệm phá vỡ đối xứng của vũ trụ và tạo đột sinh của tính phức tạp như thế nào. Chúng ta đã đánh giá cao sự chuyển pha liên tiếp của trường năng lượng nguyên thủy đã tạo ra, từ siêu lực duy nhất ban đầu, bốn lực cơ bản định hình nên vũ trụ hiện tại. Sau đó chúng ta đã bày tỏ sự khâm phục vai trò then chốt của chân không chứa đầy trong việc tạo ra khối lượng cho các vật. Chính nó, cái chân không ấy, là kiến trúc sư tạo nên sự đa dạng và phức tạp của thế giới. Nhưng cái chân không chứa đầy không chỉ hài lòng với hai chức năng tuyệt vời này. Bây giờ chúng ta sẽ thấy rằng nó còn đóng vai trò cơ bản ở những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ bằng cách tác dụng một lực đẩy khổng lồ, và khi làm điều đó, chính nó đã gánh chịu trách nhiệm cho cái vụ “bang” của Big Bang.

Lý thuyết chuẩn của Big Bang thực ra không nói gì về vụ “bang”, vụ nổ đã khởi phát mọi thứ. Cơ chế của vụ nổ lớn nguyên thủy, Big Bang nổi tiếng, vẫn còn là một bí ẩn sâu kín. Ở nhiệt độ và mật độ cực hạn ban đầu, lực chi phối chắc chắn là lực hấp dẫn. Nhưng nó lại là lực hút. Nếu chỉ có nó kiểm soát, thì vũ trụ sẽ co lại chứ không phải bùng nổ tung ra! Không gian, thay vì loãng đi, cũng sẽ co lại! Để có một vụ “bang” thay vì một vụ co sập, cần phải có một lực chống lại lực hấp dẫn, nói một cách khác là một lực phản hấp dẫn.

Thực ra, ý tưởng về một lực phản hấp dẫn trong vũ trụ không quá kỳ lạ như ta nghĩ. Chính cha đẻ của thuyết tương đối, Albert Einstein, là người đã đưa nó vào vật lý. Cần biết rằng, ngoài việc cách mạng hóa các khái niệm của chúng ta về không gian và thời gian và thống nhất vật chất và năng lượng, thuyết tương đối cũng cho phép các nhà vật lý lần đầu tiên trong lịch sử tư tưởng, xây dựng được các mô hình vũ trụ học. Với sự ra đời của thuyết tương đối, các nhà vật lý thiên văn đã có thể, lần đầu tiên, mô tả sự tiến hóa của vũ trụ trong tổng thể của nó bằng các phương trình toán học để hiểu được quá khứ, hiện tại và tương lai của nó.

Năm 1917, hai năm sau khi công bố thuyết tương đối rộng, Einstein đã bắt tay xây dựng một mô hình vũ trụ. Ông nhận thức rõ rằng có một sự khác biệt to lớn giữa thuyết tương đối, đứa con cưng của ông, và vũ trụ quan sát được vào thời đó. Thực tế, thuyết tương đối đã mang lại đặc tính động cho không gian. Trong phiên bản hẹp, nó cho ta biết rằng chỉ cần một người di chuyển với tốc độ gần với ánh sáng là có thể thấy được thời gian của mình giãn ra và không gian co lại so với không thời gian của một người quan sát bất động. Trong phiên bản rộng, một trường hấp dẫn cường độ cao, giống như của một lỗ đen, sẽ làm biến đổi hình học của không gian: nó sẽ làm cho không gian uốn cong, vặn xoắn, và gấp lại. Do khía cạnh động nội tại này của không gian, nên các phương trình của thuyết tương đối ương ngạnh nói với Einstein rằng vũ trụ không thể tĩnh được, trong khi tất cả các quan sát ở thời điểm này đều khẳng định ngược lại. Đối với thuyết tương đối, nói về một vũ trụ tĩnh chẳng khác gì tuyên bố rằng một quả bóng ném lên không trung có thể treo lơ lửng trong không gian, không bay lên cũng không rơi xuống. Einstein, nhà cách mạng, lại không đủ niềm tin vào lý thuyết con cưng của mình để lên tiếng chống lại ý kiến chung và mạnh mẽ tuyên bố thuyết tương đối của mình là đúng. Nhà vật lý đã quyết định sửa đổi phương trình của mình bằng cách đưa thêm vào một số hạng mà ông gọi là “hằng số vũ trụ”. Trong thâm tâm của Einstein, hằng số vũ trụ này giữ vai trò của một lực phản hấp dẫn có giá trị chính xác bằng cường độ của lực hấp dẫn gây ra bởi toàn bộ vật chất chứa trong vũ trụ. Nó sẽ tác dụng theo hướng ngược lại, và như thế sẽ triệt tiêu hiệu ứng hấp dẫn của vật chất. Và vì vậy mà chúng ta có một vũ trụ tĩnh, không giãn nở cũng không co lại.

Nhưng làm thế nào mà lực phản hấp dẫn này có thể tồn tại? Newton đã dạy chúng ta rằng lực hấp dẫn giữa hai vật luôn luôn là lực hút và cường độ của lực hút này tỷ lệ với tích khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Nói cách khác, hai vật hút nhau càng mạnh nếu chúng càng nặng và càng gần nhau. Nhưng thuyết tương đối rộng nói với chúng ta rằng quan điểm của Newton quá chật hẹp, nó không thể giải thích được toàn bộ thực tại của thế giới. Nó cho chúng ta biết rằng trường hấp dẫn, và cả cường độ của lực hấp dẫn, được xác định không chỉ bởi khối lượng của các vật thể vật chất (và khoảng cách) như Newton nghĩ, mà còn bởi bất kỳ năng lượng nào (như nhiệt chẳng hạn) hoặc bất kỳ lực nào tác dụng như một áp lực.

Với thuyết tương đối hẹp công bố năm 1905, Einstein đã chứng minh được sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng: năng lượng nội tại của vật bằng tích khối lượng của nó với bình phương tốc độ ánh sáng. Vì vậy, nếu bạn so sánh khối lượng của một vật có nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường xung quanh với cùng vật đó nhưng bị nung nóng đến 100 độ Celsius, thì vật nóng sẽ có khối lượng lớn hơn một chút (chỉ một phần trăm ngàn tỷ gram). Khối lượng tăng lên do nhiệt độ cao hơn, tức chuyển động của các nguyên tử mạnh hơn: nghĩa là các nguyên tử tạo nên vật nóng có động năng lớn hơn một chút, vì vậy mà chúng nặng hơn một chút. Thế còn áp lực thì sao? Để gây một áp lực lên vật, bạn cần phải tiêu tốn năng lượng. Ví dụ, để đóng một vali quá đầy quần áo, bạn phải đè thật mạnh. Một lần nữa, năng lượng cũng nghĩa là khối lượng, và năng lượng ép này làm tăng nhẹ khối lượng của vali: nó sẽ nặng hơn so với một vali có cùng trọng lượng quần áo nhưng chiếm thể tích nhỏ hơn để bạn không phải tạo áp lực để đóng nó.

Khối lượng, năng lượng và áp lực đều đóng góp vào lực hấp dẫn tác dụng lên một vật. Hai yếu tố đầu tiên luôn đóng góp một cách tích cực, nghĩa là khối lượng và năng lượng càng lớn thì trường hấp dẫn càng mạnh. Tuy nhiên, áp lực có một đặc tính r?