18-11-2018
Trang chủ / Công nghệ / Bản tin CNTT / Vũ trụ ngẫu nhiên

Vũ trụ ngẫu nhiên

§

Chủ đề

Dòng chảyKinh điển


Tác giả: Alan Lightman | Nguồn: Harper’s Magazine

Biên dịch: Minh Nhật | Hiệu đính: Nguyên

02/11/2017

Vào thế kỷ 15 trước Công nguyên, nhà triết học Democritus1 đã cho rằng tất cả mọi vật chất đều được tạo nên bởi những nguyên tử tí hon và không thể chia nhỏ hơn được nữa. Các nguyên tử này đa dạng về kích thước và kết cấu – một số cứng, một số mềm, một số nhẵn mịn trong khi một số khác gai góc. Sự tồn tại của các nguyên tử sớm được chấp nhận. Vào thế kỷ 19, các nhà khoa học đã khám phá ra rằng những đặc tính hóa học của các nguyên tử còn lặp lại theo chu kỳ (và dựa vào đó đã tạo nên bảng tuần hoàn hóa học), nhưng nguồn gốc của những đặc điểm tuần hoàn này vẫn còn là một bí ẩn. Mãi đến thế kỷ 20 thì các nhà khoa học mới khám phá ra rằng những đặc tính này là kết quả của số lượng và vị trí của các electron (những hạt hạ nguyên tử di chuyển theo quỹ đạo xung quanh hạt nhân). Và hiện nay chúng ta biết rằng tất cả những nguyên tử nặng hơn heli đều được tạo nên trong lò phản ứng hạt nhân của các vì sao.

Có thể xem lịch sử khoa học cũng giống như việc viết lại một hiện tượng từng được cho là ngẫu nhiên thành một hiện tượng được hiểu theo những nguyên nhân và định luật cơ bản. Người ta có thể bổ sung vào danh sách những hiện tượng đã được giải thích cặn kẽ như: màu sắc của bầu trời, quỹ đạo của các hành tinh, góc nước rẽ ra từ phía sau một con tàu đang chạy trên mặt hồ, mô hình sáu cạnh của các bông tuyết, trọng lượng một chú chim họ Ô-tác (bustard)2 khi bay, nhiệt độ sôi của nước, kích thước những hạt mưa, hình dạng tròn của mặt trời. Tất cả những hiện tượng này và nhiều hiện tượng khác nữa, dù ban đầu từng được xem là cố định hoặc sau đó là kết quả của những sự kiện ngẫu nhiên, đều được giải thích như những hệ quả tất yếu của những định luật tự nhiên – những định luật được khám phá bởi con người.

Chiều hướng dai dẳng và đầy lôi cuốn này có thể đang đi đến hồi kết. Những bước tiến ấn tượng trong việc nghiên cứu vũ trụ đã dẫn dắt một số nhà vật lý hàng đầu thế giới đưa ra giả thuyết rằng vũ trụ của chúng ta chỉ là một trong hàng sa số những vũ trụ khác mang những đặc tính rất khác, và một số nét đặc trưng cơ bản nhất của vụ trụ chúng ta thực chất chỉ đơn thuần là sự ngẫu nhiên – như việc tung ngẫu nhiên một hạt xúc xắc. Và như vậy, trong trường hợp này ta không thể hy vọng rằng sẽ có thể giải thích được những đặc tính của vũ trụ chúng ta dựa trên những nguyên nhân và nguyên lý cơ bản nữa.

Có lẽ ta không thể biết được các vũ trụ khác nhau đến thế nào, hay chúng có tồn tại trong cùng một chiều thời gian hay không. Một số có thể chứa các ngôi sao và thiên hà như vũ trụ của chúng ta, một số có thể không. Một số có thể hữu hạn về kích thước, trong khi một số lại có thể vô hạn. Các nhà vật lý gọi tổng thể những vụ trụ ấy là “đa vũ trụ” (multiverse). Alan Guth3, nhà tiên phong trong các ý tưởng về vũ trụ, cho rằng “ý tưởng về đa vũ trụ gần như chặn đứng những hy vọng của chúng ta về việc hiểu thế giới thông qua những nguyên lý căn bản.” Và khiến cho những đặc tính triết học của khoa học bị lung lay từ gốc rễ. Gần đây, nhà vật lý đạt giải Nobel, Steven Weinberg, người luôn thận trọng trong lời nói như khi ông thận trọng thực hiện các phép tính toán học, phát biểu rằng, “Chúng ta đang ở tại một ngã ba lịch sử trên con đường đi đến sự thấu hiểu những định luật tự nhiên. Nếu ý tưởng đa vũ trụ là đúng, thì toàn bộ hệ thống vật lý căn bản sẽ bị thay đổi tận gốc.”

“Phía sau sự táo bạo này luôn là niềm hy vọng và niềm tin rằng vì những nguyên lý cơ bản rất hạn chế nên chỉ có một vũ trụ duy nhất và nhất quán, giống trò giải đố ô chữ chỉ có một đáp án duy nhất.” Nguồn ảnh: Unsplash.

Những nhà khoa học cảm thấy bất an nhất bởi “ngã ba đường” của Weinberg là những nhà vật lý lý thuyết. Vật lý lý thuyết là nhánh khoa học sâu sắc và thuần túy nhất, đồng thời cũng là nhánh khoa học gần nhất với triết học và tôn giáo. Các nhà khoa học thực nghiệm bận rộn với việc quan sát và đo đạc vụ trụ để tìm ra các loại vật chất tồn tại, dù loại vật chất đó có lạ lùng đến mức nào. Trái lại, các nhà vật lý lý thuyết lại không hài lòng với việc quan sát vũ trụ. Họ muốn biết tại sao. Họ muốn giải thích tất cả những đặc tính vũ trụ bằng một vài nguyên lý và thông số cơ bản. Những nguyên lý cơ bản này từ đó lại dẫn đến “những quy luật tự nhiên” điều khiển hành vi của tất cả vật chất và năng lượng. Một ví dụ về nguyên lý cơ bản trong vật lý, lần đầu tiên được đề xuất bởi Galileo vào năm 1632 và mở rộng bởi Einstein vào năm 1905, là: Tất cả những người di chuyển với vận tốc không đổi so với nhau đều sẽ chứng kiến những quy luật tự nhiên giống nhau. Từ nguyên lý này, Einstein phát triển thành thuyết tương đối hẹp (theory of special relativity)4. Một ví dụ về thông số cơ bản là khối lượng của một electron, được xem là một trong hàng tá hạt “cơ bản” trong tự nhiên. Theo những nhà vật lý lý thuyết, càng ít nguyên lý và thông số cơ bản thì càng tốt. Phía sau sự táo bạo này luôn là niềm hy vọng và niềm tin rằng vì những nguyên lý cơ bản rất hạn chế nên chỉ có một vũ trụ duy nhất và nhất quán, giống trò giải đố ô chữ chỉ có một đáp án duy nhất. Vũ trụ đó, tất nhiên chính là vụ trụ chúng ta đang sống. Các nhà vật lý lý thuyết là những người theo học thuyết Plato. Cho đến vài năm trước, họ mới chấp nhận rằng toàn bộ vũ trụ đó được tạo nên bởi một vài chân lý và nguyên lý toán học mang tính đối xứng, cùng một lượng các thông số như khối lượng của electron được sử dụng. Dường như chúng ta đang hạn chế lại tầm nhìn của chính chúng ta về vũ trụ, nơi mọi thứ đều có thể tính toán, dự đoán, và thấu hiểu.

“Nếu ý tưởng đa vũ trụ là đúng, thì toàn bộ hệ thống vật lý căn bản sẽ bị thay đổi tận gốc.”

Tuy vậy, có hai lý thuyết trong vật lý, là lý thuyết dây và lạm phát vĩnh cửu, đề xuất những nguyên lý cơ bản giống nhau, vốn là nguồn gốc của những định luật tự nhiên, có thể tạo nên rất nhiều vũ trụ nhất quán khác nhau, với những đặc tính khácnhau. Giống như khi bạn bước vào tiệm giày, biết rõ cỡ chân mình, rồi phát hiện ra rằng giày cỡ 5 vừa chân bạn, giày cỡ 8 cũng vậy, và cả giày cỡ 12 cũng vừa nốt. Những kết quả mơ hồ như thế khiến các nhà vật lý lý thuyết cảm thấy rất khó chịu. Rõ ràng là, những định luật cơ bản của tự nhiên không dẫn đến một vũ trụ duy nhất. Trong suy nghĩ hiện nay của rất nhiều nhà vật lý, chúng ta đang sống trong một vũ trụ giữa hàng sa số những vũ trụ khác. Chúng ta đang sống trong một vũ trụ ngẫu nhiên. Và chúng ta đang sống trong một vũ trụ mà khoa học không thể tính toán được.

*****

Theo Alan Guth, “Trở về thập niên 70 và 80, chúng ta có cảm giác rằng mình thật thông minh và đã khám phá ra gần như mọi thứ.” Điều mà các nhà vật lý đã tìm ra được là những lý thuyết rất chính xác về ba trong bốn lực cơ bản của tự nhiên: lực hạt nhân mạnh kết nối các hạt nhân nguyên tử với nhau, lực yếu liên quan đến một số dạng phân rã phóng xạ, và lực điện từ giữa những những hạt tích điện. Và cũng đã có những triển vọng trong việc hợp nhất lý thuyết được gọi là vật lý lượng tử với lý thuyết của Einstein về lực thứ tư, trọng lực, và từ đó kết nối tất cả lại với nhau thành một thuyết mà các nhà vật lý gọi là Thuyết Vạn vật (Theory of Everything), hay Lý thuyết cuối cùng (Final Theory). Những lý thuyết của những thập niên 70 và 80 này đòi hỏi phải định rõ hàng chục thông số tương ứng với khối lượng của các hạt cơ bản, và một lượng lớn những thông số khác tương ứng với cường độ của những lực cơ bản. Bước tiếp theo sẽ là tìm ra được khối lượng của các hạt cơ bản theo một hoặc hai khối lượng cơ bản và xác định được cường độ của tất cả các lực cơ bản bằng một lực cơ bản độc nhất.

Có nhiều lý do để nghĩ rằng những nhà vật lý đã ở trước ngưỡng cửa của bước tiếp theo này. Quả thực từ thời Galileo, các nhà vật lý đã rất thành công trong việc khám phá ra những nguyên lý và định luật với số lượng thông số tự do ít hơn rất nhiều, đồng thời cũng phù hợp với những thực tế quan sát được lúc bấy giờ. Như quỹ đạo hình elip của sao Thủy xoay 0,012 độ mỗi thế kỷ, được tính toán chính xác bằng cách sử dụng lý thuyết tương đối rộng. Hay lực từ của một hạt electron là 2,002319 magneton, được rút ra bằng cách sử dụng lý thuyết điện động lực lượng tử. Hơn bất cứ ngành khoa học nào khác, vật lý tràn ngập sự thống nhất mang tính chính xác cao giữa lý thuyết và thực nghiệm.

Guth bắt đầu sự nghiệp vật lý của mình trong thế giới khoa học ngập tràn ánh nắng ấy. Hiện ông đang ở tuổi sáu tư và là giáo sư tại Viện Công nghệ Massachusetts. Thời điểm mới ngoài ba mươi, ông đã đề xuất một sửa đổi quan trọng về thuyết Big Bang, gọi là lạm phát. Giờ đây chúng ta đã có rất nhiều bằng chứng cho thấy vũ trụ khởi đầu từ một điểm có nhiệt độ và mật độ vật chất cực cao vào khoảng 14 tỷ năm trước, từ đó giãn nở khiến mật độ vật chất thưa dần và lạnh đi. Thuyết lạm phát cho rằng tại thời điểm một phần nghìn tỷ của một phần nghìn tỷ của một phần nghìn tỷ giây sau khi xuất hiện, một loại năng lượng kỳ lạ đã khiến vũ trụ giãn nở rất nhanh. Một phần rất rất nhỏ một giây tiếp theo, vũ trụ giãn nở với tốc độ chậm hơn như mô hình Big Bang chuẩn đề xuất. Sự lạm phát giải quyết một số lượng đáng kể các vấn đề trong ngành vũ trụ học, như tại sao vũ trụ lại có những đặc điểm đồng nhất trên diện rộng như vậy.

Alan Guth (thứ tư từ trái sang) trong buổi chúc mừng những nhà khoa học đạt giải thưởng Kavli Prize của Tổng thống Barack Obama tại Nhà trắng vào tháng Bảy năm 2014. Nguồn ảnh: Obamawhitehouse.

Tôi ghé thăm Guth tại văn phòng làm việc của ông trên lầu ba Viện Công nghệ Massachusetts một ngày mát trời tháng Năm. Ông ngồi lọt thỏm giữa những chồng giấy và những lon Diet Cocacola trên bàn làm việc. Trên sàn nhà còn nhiều chồng giấy tờ và tạp chí bày bừa hơn nữa. Thực ra, vài năm trước Guth đã thắng một cuộc thi do Boston Globe tài trợ cho văn phòng bừa bộn nhất thành phố. Giải thưởng là quyền sử dụng các dịch vụ của một nhà sắp xếp chuyên nghiệp trong một ngày. “Cô ấy thực ra gây phiền toái nhiều hơn là giúp đỡ. Cô ấy lấy những chồng thư dưới sàn và sắp xếp lại theo kích cỡ.” Guth mang cặp kính kiểu phi công, tóc dài, và là một con nghiện Diet Cocacola. “Nguyên nhân khiến tôi trở thành một nhà vật lý lý thuyết là bởi tôi thích ý nghĩ cho rằng mình có thể hiểu được tất cả mọi thứ – như vũ trụ – bằng toán học và logic,” Guth nói và cười cay đắng trong lúc chúng tôi đang thảo luận về đa vũ trụ.

*****

Trong khi thách thức giấc mơ Plato của những nhà vật lý lý thuyết, ý tưởng về đa vũ trụ giúp giải thích một khía cạnh của vũ trụ chúng ta đang sinh sống theo cách khiến các nhà khoa học đứng ngồi không yên cả năm qua: theo nhiều tính toán khác nhau, nếu giá trị của một vài thông số cơ bản của vũ trụ chúng ta lớn hơn hoặc nhỏ hơn đôi chút thì sự sống đã không thể xuất hiện. Lấy ví dụ, nếu lực hạt nhân mạnh hơn vài phần trăm so với thực tế thì tất cả các nguyên tử hydro trong giai đoạn đầu của vũ trụ đã kết hợp với những nguyên tử hydro khác để tạo thành heli, và sẽ không có nguyên tử hydro nào còn sót lại nữa. Không có hydro đồng nghĩa với không có nước. Mặc dù chúng ta không hề biết chắc rằng những điều kiện nào là cần thiết cho sự sống, nhưng hầu hết các nhà sinh học đều tin rằng nước là yếu tố không thể thiếu. Mặt khác, nếu lực nguyên tử yếu hơn thực tế thì những nguyên tử phức tạp cần thiết cho sinh học sẽ không thể liên kết được với nhau. Ví dụ như, nếu cường độ của lực hấp dẫn và lực điện từ không liên hệ mật thiết với nhau như trong thực tế thì vũ trụ sẽ không có bất kỳ ngôi sao nào bùng nổ và phun ra những nguyên tố hóa học cần thiết cho sự sống vào không gian hay những ngôi sao hình thành nên các hành tinh nữa. Cả hai kiểu sao này đều cần thiết cho sự xuất hiện của sự sống. Cường độ các lực cơ bản và các thông số cơ bản khác trong vũ trụ ta đang sinh sống dường như được “điều chỉnh” để cho phép sự sống tồn tại. Việc công nhận sự điều chỉnh này đã khiến nhà vật lý người Anh, Brandon Carter, công bố nguyên lý vị nhân (anthropic principle), phát biểu rằng vũ trụ phải chứa những thông số như vậy bởi vì chúng ta có ở đây để quan sát vũ trụ ấy. Thực ra, từ anthropic trong tiếng Hy Lạp không mang nghĩa là “con người”: nếu những thông số cơ bản này không giống với thực tế ta quan sát được thì không chỉ con người mà bất cứ dạng sống nào khác cũng sẽ không thể tồn tại.

Chúng ta đang sống trong một vũ trụ cho phép sự sống, bởi nếu không chúng ta đã không ở đây để đặt câu hỏi về điều đó.

Nếu những kết luận đó đều đúng, thì câu hỏi lớn hơn dĩ nhiên sẽ là tại sao những thông số cơ bản này lại nằm trong phạm vi cần thiết cho sự sống. Vì vũ trụ quan tâm đến sự sống chăng? Thiết kế thông minh (Intelligent design)5 là một câu trả lời. Quả thực, một số các nhà thần học, triết học, và thậm chí một số nhà khoa học đã sử dụng lý thuyết điều chỉnh và nguyên lý vị nhân để chứng minh cho sự tồn tại của Chúa. Như trong Hội thảo của những học giả theo đạo Cơ Đốc năm 2011 tại Đại học Pepperdine, Francis Collins, một nhà di truyền học tiên phong đồng thời là giám đốc Các Viện Y tế Quốc gia phát biểu: “Để vũ trụ chúng ta tồn tại với tất cả những tiềm năng phục vụ cho những điều phức tạp hoặc bất cứ dạng tiềm năng nào khác có thể làm cơ sở cho bất kỳ dạng sống nào, thì tất cả mọi thứ phải được xác định một cách chính xác trên làn ranh mong manh gần như bất khả thi này… [T]a phải thấy đôi tay của đấng sáng tạo thiết lập nên những thông số bởi ngài cảm thấy hứng thú với một thứ gì đó phức tạp hơn những phần tử ngẫu nhiên.”

Tuy nhiên, thiết kế thông minh không phải là một câu trả lời hấp dẫn đối với hầu hết những nhà khoa học cho câu hỏi về sự điều chỉnh. Ý tưởng đa vũ trụ đưa ra một cách giải thích khác. Nếu có vô hạn những vũ trụ khác nhau chứa những đặc tính khác nhau – ví dụ như một số chứa lực hạt nhân mạnh hơn vũ trụ chúng ta và một số có lực yếu hơn – thì một số trong số những vũ trụ ấy sẽ cho phép sự sống xuất hiện và một số khác thì không. Một số trong những vũ trụ ấy sẽ chết đi, như những hốc chứa vật chất và năng lượng mà không có sự sống, và một số khác sẽ cho phép các tế bào, cây cối, động vật, và tâm trí xuất hiện. Các lý thuyết dự đoán có rất nhiều những vũ trụ đáp ứng các điều kiện ấy, nhưng số lượng có tồn tại sự sống chắc chắn sẽ nhỏ. Tuy vậy, đó không phải vấn đề. Chúng ta sống trong một vũ trụ cho phép sự sống bởi nếu không chúng ta đã không ở đây để đặt câu hỏi.

Tương tự, đó cũng là lời giải thích cho câu hỏi tại sao chúng ta lại xuất hiện và sinh sống trên một hành tinh chứa nhiều điều kiện tốt cho chúng ta đến thế: Oxy, nước, nhiệt độ nằm giữa điểm sôi và đóng băng của nước, vân vân. Phải chăng đó là một sự trùng hợp vô cùng may mắn, hay là tạo tác của Thượng đế, hay là điều gì đó khác nữa? Không, đơn giản là vì chúng ta không thể sống trên một hành tinh không có những đặc tính như vậy. Rất nhiều hành tinh khác không hỗ trợ sự sống như thế, như Thiên Vương tinh có nhiệt độ –371 độ F (khoảng -224 độ C), hay như Kim tinh nơi những cơn mưa chứa acid sunfur.

Đa vũ trụ mang đến lời giải thích cho câu hỏi hóc búa về sự điều chỉnh và không cần đến sự hiện diện của một Đấng Tạo tác. Như Steven Weinberg nói: “Nhiều thế kỷ qua, khoa học đã làm suy yếu đi ảnh hưởng của tôn giáo, không phải bằng cách bác bỏ sự tồn tại của Chúa mà bằng cách chứng minh những luận cứ về Chúa là sai dựa trên những gì ta quan sát được trong thế giới tự nhiên. Ý tưởng về đa vũ trụ mang đến lời giải thích cho việc vì sao chúng ta thấy mình trong một vũ trụ phù hợp cho sự sống mà không cần phải tin vào một Đấng sáng tạo nào cả. Và nếu ý tưởng đó đúng thì sẽ càng dẫn đến ít sự ủng hộ tôn giáo hơn nữa.

Một số nhà khoa học vẫn hoài nghi nguyên lý vị nhân và khả năng giải thích các giá trị thông số cơ bản của vật lý bằng ý tưởng đa vũ trụ. Một số khác, như Weinberg và Guth, chấp nhận chúng một cách miễn cưỡng vì chúng giúp đưa ra những lời giải khả thi nhất cho những thực tế quan sát được.

“Nếu ý tưởng về đa vũ trụ là đúng, thì nhiệm vụ lịch sử của vật lý, giải thích tất cả những đặc tính của vũ trụ chúng ta đang sinh sống bằng những nguyên lý cơ bản – rằng tại sao những đặc tính đó nhất thiết phải như vậy – là vô ích, một giấc mơ triết học đẹp đẽ đơn giản là không có thật.” Nguồn ảnh: Pixabay.

Nếu ý tưởng về đa vũ trụ là đúng, thì nhiệm vụ lịch sử của vật lý, giải thích tất cả những đặc tính của vũ trụ chúng ta đang sinh sống bằng những nguyên lý cơ bản – rằng tại sao những đặc tính đó nhất thiết phải như vậy – là vô ích, một giấc mơ triết học đẹp đẽ đơn giản là không có thật. Vũ trụ của chúng ta là như vậy bởi vì chúng ta ở đây. Tình huống này có thể ví như một trường học của loài cá thông minh một ngày bắt đầu tự hỏi tại sao thế giới của chúng lại ngập tràn nước. Rất nhiều chú cá, như những nhà lý luận, hy vọng có thể chứng minh toàn bộ vũ trụ này nhất thiết phải chứa toàn nước. Trong nhiều năm, chúng tập trung vào nhiệm vụ ấy nhưng chẳng có gì khởi sắc. Và rồi, một nhóm những chú cá già nua mặc nhiên cho rằng có thể chúng đã tự lừa dối mình bấy lâu. Chúng đề xuất rằng, có lẽ có rất nhiều thế giới, một số trong đó hoàn toàn khô ráo, và số còn lại thì nằm ở khoảng giữa.

*****

Ví dụ điển hình nhất về sự điều chỉnh, thứ đòi hỏi đa vũ trụ phải đưa ra lời giải thích, là một phát hiện bất ngờ mà các nhà khoa học gọi là năng lượng tối. Hơn một thập kỷ trước, sử dụng các kính thiên văn tự động ở Arizona, Chile, Hawaii, và ngoài vũ trụ với khả năng quét gần một triệu thiên hà trong vòng một đêm, các nhà thiên văn đã phát hiện ra rằng sự giãn nở của vũ trụ đang gia tăng. Như đã đề cập, người ta đã biết rằng vũ trụ đang giãn nở từ cuối những năm 1920; đó là tiêu điểm của mô hình Big Bang. Ngành vũ trụ học chính thống giữ lập trường cho rằng sự giãn nở đang chậm dần đi. Sau tất cả thì trọng lực là lực lấp dẫn kéo những vật có khối lượng đến gần nhau hơn. Vì vậy, khá ngạc nhiên khi đến năm 1998, hai nhóm thiên văn tuyên bố rằng một lực chưa biết đến có vẻ như đang thúc đẩy sự giãn nở tăng tốc. Các thiên hà đang bay xa nhau ra như bị đẩy lùi bởi một lực phản hấp dẫn. Robert Kirsh, một trong những thành viên nhóm thiên văn khám phá ra điều đó đã nói rằng: “Đây không phải vũ trụ của thời cha bạn. (Vào tháng Mười, các thành viên của cả hai nhóm đã được trao giải Nobel Vật lý.)

Chỉ cần lượng năng lượng tối trong vũ trụ khác chút ít so với thực tế thì sự sống sẽ không bao giờ có thể xuất hiện.

Các nhà vật lý đặt tên cho loại năng lượng đi cùng lực vũ trụ này là năng lượng tối. Không ai biết nó là gì. Không những vô hình, năng lượng tối dường như còn ẩn mình trong khoảng trống vũ trụ. Cho đến nay, dựa trên những quan sát của chúng ta về tốc độ giãn nở, năng lượng tối chiếm đến ba phần tư tổng năng lượng của vũ trụ. Có thể mô tả năng lượng tối giống như một chú voi vô hình trong căn phòng khoa học vậy.

Lượng năng lượng tối, hay chính xác hơn là lượng năng lượng tối trong mỗi centimet khối không gian, được tính toán là khoảng một phần trăm triệu erg (10-8 erg; 1 erg = 0,1 pascal) trên mỗi centimet khối. (Để so sánh, một đồng xu rơi từ tầm thắt lưng chạm sàn sẽ có năng lượng khoảng ba trăm ngàn (3 x 105) erg.) Lượng năng lượng này trông có vẻ không lớn, nhưng sẽ khác nếu ta tính toán cho thể tích không gian bao la của vũ trụ. Các nhà thiên văn học đã xác định được con số này bằng cách tính toán tốc độ giãn nở của vũ trụ tại những thời đại khác nhau – nếu vũ trụ đang gia tốc, thì tốc độ giãn nở trong quá khứ sẽ phải chậm hơn. Từ mức gia tốc thu được, các nhà thiên văn có thể tính toán ra lượng năng lượng tối trong vũ trụ.

Các nhà vật lý lý thuyết có một vài giả thuyết về nguồn gốc của năng lượng tối. Nó có thể là năng lượng của các hạt hạ nguyên tử bí ẩn, xuất hiện từ hư vô trong một khoảng thời gian ngắn ngủi trước khi tự hủy và trở về chân không. Theo vật lý lượng tử, không gian trống là một trạng thái hỗn loạn của những hạt hạ nguyên tử va chạm nhau và triệt tiêu trước khi chúng ta quan sát được. Năng lượng tối cũng được cho là liên quan đến một trường lực chưa quan sát được gọi là trường Higgs, thứ đôi lúc được viện chứng để giải thích tại sao một số loại vật chất lại có khối lượng. (Các nhà vật lý lý thuyết có vẻ luôn suy nghĩ về những điều mà người khác không nghĩ đến.) Và trong những mô hình được đưa ra bởi thuyết dây, năng lượng tối có thể liên quan đến cách mà những chiều khác của không gian – ngoài những chiều thông thường như dài, rộng, và cao – được nén xuống đến kích thước nhỏ hơn cả những nguyên tử, vì vậy chúng ta không thể thấy chúng được.

Những giả thuyết khác nhau này dẫn đến một khoảng giá trị khổng lồ về mặt lý thuyết cho lượng năng lượng tối trong vũ trụ, từ 10115 erg đến -10115 erg mỗi centimet khối. (Giá trị âm có nghĩa là năng lượng tối hãm tốc vũ trụ lại, trái ngược với những gì quan sát được.) Vì vậy, trong cấp sao tuyệt đối (absolute magnitude)6, lượng năng lượng tối thực sự hiện diện trong vũ trụ chúng ta hoặc là rất rất nhỏ, hoặc là rất rất lớn so với những gì chúng có thể. Sự thật này rất đáng ngạc nhiên. Nếu giá trị dương khả thi về mặt lý thuyết của năng lượng tối được vạch ra trên một thước đo có chiều dài từ hành tinh chúng ta đến mặt trời, với giá trị không ở một đầu và giá trị 10115 erg mỗi cubic centimet khối ở đầu còn lại, giá trị năng lượng tối thực tế tính được trong vũ trụ của chúng ta (10-8 erg mỗi centimet khối) sẽ nằm gần đầu mang giá trị không (0) hơn cả đường kính của một nguyên tử.

Có một điều hầu hết các nhà vật lý đều đồng ý: Chỉ cần lượng năng lượng tối trong vũ trụ khác chút ít so với thực tế thì sự sống sẽ không bao giờ có thể xuất hiện. Lớn hơn chút thì vũ trụ sẽ gia tốc quá nhanh khiến vật chất trong vũ trụ ở thời kỳ đầu không thể tụ lại để hình thành các ngôi sao và từ đó hình thành những nguyên tử phức tạp được. Còn đối với giá trị âm của năng lượng tối, ít hơn một chút sẽ khiến vũ trụ giảm tốc quá nhanh khiến nó sụp đổ lần nữa trước khi có thời gian hình thành nên những nguyên tử đơn giản nhất.

Giờ ta đã có một ví dụ rõ ràng cho sự điều chỉnh: trong tất cả những giá trị lượng năng lượng tối khả thi mà vũ trụ chúng ta có thể có, lượng thực tế cho phép sự sống chỉ nằm trong một khoảng tí hon. Có rất ít tranh luận về luận điểm này vì nó không dựa trên những giả định về điều kiện cần thiết cho sự sống, dù là nước hay oxy hay những điều kiện hóa sinh cụ thể. Cũng như trước đây, người ta buộc phải đặt câu hỏi rằng: Tại sao lại có một sự điều chỉnh như vậy? Và câu trả lời nhiều nhà khoa học hiện tại tin tưởng là: Đa vũ trụ. Có vô số vũ trụ có thể tồn tại, với rất nhiều giá trị lượng năng lượng tối khác nhau. Vũ trụ của chúng ta là một trong số những vũ trụ mang giá trị nhỏ, cho phép sự sống có thể xuất hiện. Việc chúng ta đang tồn tại ngay lúc này có nghĩa là vũ trụ của chúng ta chính là một vũ trụ như vậy. Chúng ta chỉ là một sự tình cờ, may mắn rút được một vũ trụ cho phép sự sống từ trò lô tô chứa hàng sa số vũ trụ khác. Ngược lại, nếu chúng ta không rút được tấm vé may mắn đó, ta đã không ở đây để suy ngẫm về xác suất này.

Để giải thích những gì chúng ta quan sát được và những suy luận trong tâm trí ta, ta buộc phải tin vào những gì ta không thể chứng minh.

*****

Khái niệm đa vũ trụ không chỉ hấp dẫn bởi nó có thể giải thích được vấn đề về sự điều chỉnh. Như tôi đã đề cập ở trên, khả năng tồn tại đa vũ trụ thực chất được dự đoán bởi lý thuyết vật lý hiện đại. Một lý thuyết như vậy là thuyết lạm phát vĩnh cửu, một phiên bản cải tiến từ thuyết lạm phát của Guth do Andrei Linde, Paul Steinhardt, và Alex Vilenkin phát triển vào nửa đầu những thập niên 80. Theo thuyết lạm phát vĩnh cửu, sự giãn nở cực nhanh của một vũ trụ non trẻ là do một trường năng lượng, như năng lượng tối. Trường năng lượng này mắc kẹt tạm thời trong một trạng thái không đại diện cho năng lượng khả thi nhỏ nhất đối với vũ trụ nói chung – giống như một viên bi nằm trong một vết lõm nhỏ trên bàn. Viên bi có thể ở đó, nhưng nếu có va chạm, nó sẽ lăn khỏi vết lõm, chạy dọc theo bàn và sau đó rơi xuống sàn nhà (thứ đại diện cho mức năng lượng khả thi thấp nhất). Theo thuyết lạm phát vĩnh cửu, trường năng lượng tối có rất nhiều giá trị khác nhau tại những điểm khác nhau trong không gian, tương tự rất nhiều viên bi nằm trong rất nhiều vết lõm của chiếc bàn vũ trụ. Ngoài ra, cũng giống như không gian mở rộng nhanh chóng, số lượng những viên bi cũng gia tăng. Mỗi viên bị đẩy đi bởi những quá trình ngẫu nhiên vốn có trong những cơ chế lượng tử, và một vài viên sẽ lăn dọc theo bàn rồi rơi xuống sàn. Mỗi viên khởi nguồn cho một Big Bang mới, về cơ bản là một vũ trụ mới. Do đó, về nguồn gốc, một vũ trụ đang giãn nở nhanh chóng sinh ra vô số những vũ trụ mới, trong một quá trình không có hồi kết.

Multiverse.jpg
Minh họa cho chu trình lặp lại của sự phát triển vũ trụ. Nguồn ảnh: Wikimedia.

Cũng như vậy, thuyết dây cũng dự đoán khả năng tồn tại của đa vũ trụ. Được thai nghén lần đầu tiên cuối thập niên 60 như một lý thuyết về lực hạt nhân mạnh nhưng sớm mở rộng và vượt ra khỏi tham vọng đó, lý thuyết dây cho rằng những phần tử nhỏ nhất của vật chất không phải là các hạt hạ nguyên tử như electron mà là “những sợi dây” năng lượng một chiều siêu nhỏ. Những dây cơ bản này có thể rung ở nhiều tần số khác nhau, như những sợi dây của một chiếc violin, và những kiểu rung khác nhau sẽ tương ứng với những hạt và lực cơ bản khác nhau. Các thuyết dây thường cần đến bảy chiều không gian ngoài ba chiều thông thường, được nén lại đến những kích thước nhỏ mà chúng ta không bao giờ có thể nhận biết được. Giống như khi quan sát một ống nước ngoài vườn ở một khoảng cách rất xa, ta sẽ thấy nó giống như một đường thẳng một chiều. Trên thực tế, theo thuyết dây có rất nhiều cách để gộp các chiều không gian vào nhau, và mỗi cách khác nhau lại tương ứng với một vũ trụ cùng những đặc trưng vật lý khác nhau.

Ban đầu người ta hy vọng rằng từ một lý thuyết về những dây này, cùng rất ít những thông số bổ sung, các nhà vật lý sẽ có thể giải thích tất cả các lực và hạt trong tự nhiên – tất cả những gì trong thực tại sẽ đều là sự biểu thị từ những rung động của các dây cơ bản. Thuyết dây sẽ là sự hiện thực hóa cuối cùng của lý tưởng Plato về một vũ trụ có thể giải thích đến từng chân tơ kẽ tóc. Tuy vậy, trong một vài năm vừa qua, các nhà vật lý đã khám phá ra rằng thuyết dây dự đoán không chỉ một vũ trụ độc nhất mà một con số khổng lồ những vũ trụ có thể có với những đặc tính khác nhau. Người ta ước lượng rằng “vùng đất dây” chứa 10500 vũ trụ khả thi khác nhau. Con số này xét trên thực tế mà nói là vô hạn.

Điều quan trọng là cả thuyết lạm phát vĩnh cửu và thuyết dây đều không có những bằng chứng hỗ trợ từ các nghiên cứu thực nghiệm như những lý thuyết vật lý trước đó, chẳng hạn như thuyết tương đối hay điện động lực lượng tử. Có thể thuyết lạm phát vĩnh cửu, hoặc thuyết dây, hoặc cả hai đều sai. Tuy vậy, một số nhà vật lý học hàng đầu thế giới đã quyết định cống hiến sự nghiệp của mình cho việc nghiên cứu hai lý thuyết này.

*****

Trở lại với loài cá thông minh. Chú cá già kia đoán rằng có rất nhiều thế giới khác nữa, một số khô ráo và một số có nước. Một số chú cá miễn cưỡng chấp nhận cách giải thích đó. Một số cảm thấy yên lòng hơn. Một số lại cảm thấy sự suy ngẫm cả đời của mình là công cốc. Và một số vẫn quan ngại sâu sắc. Bởi chẳng có cách nào chúng có thể chứng minh được sự phỏng đoán ấy. Sự không chắc chắn đó cũng làm phiền lòng rất nhiều nhà vật lý đang cố gắng hấp thu ý tưởng về đa vũ trụ. Ta không chỉ phải chấp nhận rằng những đặc tính cơ bản của vũ trụ chúng ta chỉ là ngẫu nhiên và vô phương tính toán, mà ta còn phải tin vào sự tồn tại của rất nhiều vũ trụ khác nữa. Nhưng chúng ta không có cách nào để quan sát những vũ trụ khác kia, và cũng không có cách nào để chứng minh sự tồn tại của chúng. Vì vậy, để giải thích những gì chúng ta thấy trên thế giới và những suy luận trong tâm trí ta, ta buộc phải tin vào những gì ta không thể chứng minh.

Nghe quen nhỉ? Những nhà thần học đã quen với việc giữ đức tin của họ, nhưng các nhà khoa học lại không. Tất cả những gì chúng ta có thể làm là hy vọng những lý thuyết dự đoán về đa vũ trụ cũng sẽ sản sinh ra những dự đoán khác mà ta có thể kiểm chứng ngay tại vũ trụ của chúng ta. Nhưng bản thân những vũ trụ khác gần như chắc chắn rằng sẽ vẫn chỉ là một sự phỏng đoán mà thôi.

Guth nói rằng, “Chúng ta tin tưởng vào trực giác của mình nhiều hơn trước khi khám phá ra năng lượng tối và ý tưởng về đa vũ trụ. Sẽ còn nhiều thứ để chúng ta tìm hiểu hơn, nhưng ta sẽ mất đi niềm vui từ việc khám phá ra rất cả mọi thứ từ những nguyên lý đầu tiên.”

Người ta tự hỏi rằng liệu chàng trai trẻ Alan Guth, nếu cân nhắc sự nghiệp khoa học trong bối cảnh hiện tại, liệu có còn chọn ngành vật lý lý thuyết nữa hay không.


  1. Democritus (460 – 370 trước Công nguyên) là một triết gia người Hy Lạp. Ông là học trò của Leucippus và cùng Leucippus tạo ra thuyết nguyên tử thô sơ. Theo đó, tất cả vật chất đều được tạo từ những phần tử rất nhỏ và không thể chia nhỏ thêm mà ông gọi là atoma. Về sau, với sự phát triển của khoa học, lý thuyết của ông đã được chứng minh là đúng. Bạn đọc có thể tìm hiểu thêm thông tin về Democritus tại đây.↩

  2. Chim họ Ô-tác là một số loài chim lớn, ăn tạp, sống và làm tổ trên mặt đất tại các vùng thảo nguyên khô và rộng thuộc các khu vực châu Âu, châu Á, và châu Phi.

    Họ Ô-tác có những đặc trưng nổi bật như ngón chân lớn, khỏe giúp đi lại vững vàng trên mặt đất, sải cánh dài rộng với đầu cánh giống các ngón tay cùng kiểu bay nổi bật. Họ Ô-tác sống thành đàn và rất khó tiếp cận. Số lượng các chú chim thuộc họ Ô-tác hiện nay đang sụt giảm mạnh do mất môi trường sống và săn bắn trái phép.

    Bạn đọc có thể tìm hiểu thêm thông tin về họ Ô-tác tại đây.↩

  3. Tên đầy đủ là Alan Harvey Guth (1947), một nhà vật lý lý thuyết và vũ trụ học. Hiện Alan Guth đang là giáo sư vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts. Năm 2014, cùng với Alexei Starobinsky và Andrei Linde, ông chiến thắng giải Kavli Prize trong việc tiên phong về lý thuyết lạm phát vũ trụ. Thông tin chi tiết về Alan Guth độc giả có thể xem tại đây.↩

  4. Thuyết tương đối hẹp là một lý thuyết vật lý nổi tiếng được Albert Einstein công bố năm 1905 về mối quan hệ giữa không gian và thời gian dựa trên hai tiên đề:

    1. Các định luật vật lý là không đổi trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính.

    2. Tốc độ ánh sáng trong chân không là như nhau với tất cả những người quan sát, không phụ thuộc vào chuyển động của nguồn sáng.

    Một trong những hệ quả của thuyết tương đối hẹp là công thức nổi tiếng E=mc2, thể hiện mối liên hệ chuyển đổi giữa năng lượng và khối lượng.

    Bạn đọc có thể tìm hiểu thêm thông tin về thuyết tương đối hẹp tại đây.↩

  5. Thiết kế thông minh là luận cứ cho rằng “những đặc điểm xác định của vũ trụ và những dạng sống được giải thích xác đáng nhất bởi những nguyên nhân “thông minh”, không phải bởi những quá trình không được chỉ dẫn như chọn lọc tự nhiên.” Bạn đọc có thể tìm hiểu thêm về Thiết kế thông minh tại đây.↩

  6. Cấp sao tuyệt đối là độ sáng đo được của một thiên thể, từ khoảng cách 3,08×10^14 km. Cấp sao tuyệt đối thể hiện độ sáng thật các thiên thể. Khác với cấp sao biểu kiến là độ sáng của thiên thế do mắt chúng ta quan sát được từ Trái đất. Thông tin chi tiết về cấp sao tuyệt đối bạn đọc có thể tìm hiểu tại đây.↩

Xem thêm »

Anh chàng sốc khi bạn gái là đàn ông nặng tới 130 kg

Xem bài gốc