Trước Bigbang có gì?

71.1

Những định luật vật lý từ đâu đến?

Nhiều nhà vật lý cho rằng các định luật vật lý không tồn tại trong không - thời gian. Giống như toán học, chúng có một đời sống riêng. Chúng mô tả vũ trụ, song chúng không "nằm trong" vũ trụ. Thực thế, nếu các định luật vật lý được sinh ra cùng với vũ trụ, thì làm sao chúng ta lại có thể sử dụng chúng đề giải thích vũ trụ đã sinh ra như thế nào? Như vậy để có một cơ may hiểu được vũ trụ đã xuất hiện như thế nào, chúng ta phải chấp nhận rằng các định luật vật lý là trừu trượng, trường cửu. Vậy các định luật vật lý từ đâu mà ra?

Tại sao là những định luật này mà không là những định luật khác? Đây là những câu hỏi nghiêm chỉnh thuộc phạm vi siêu hình. Một số tác giả cho rằng các định luật đã là như thế vì đòi hỏi của logic, một số khác cho rằng tồn tại nhiều vũ trụ với những định luật vật lý khác nhau, và chỉ có một số vũ trụ là có những định luật cần thiết cho quá trình phát sinh sự sống và những sinh vật có khả năng nhận định các định luật đó.

Các định luật vật lý làm thành cơ sở của một tập logic giống như các định đề Euclide là cơ sở của một tập logic mà chúng ta gọi là hình học Euclide. Chúng ta có quyền không chấp nhận các định đề Euclide, song các định đề này đơn giản nhất để xây dựng một hình học và có thể các định luật vật lý ta dùng thoả mãn tính đơn giản đó để giải thích vũ trụ.

Khi gặp những vấn đề khác không giải thích được ta phải tìm ra những định đề khác - những định luật khác! Bên cạnh những định luật, quá trình tiến triển của vũ trụ gắn liền với những đối xứng.

Một số đối xứng đã mất đi từ lúc Bigbang, một trong các đối xứng như thế có thể là siêu đối xứng (supersymmetry), đối xứng nối liền fermion và boson. Đối xứng này là một yếu tố cơ bản của lý thuyết siêu dây. Các máy gia tốc sẽ kiểm nghiệm vai trò của siêu đối xứng trong lý thuyết thống nhất, trong đó có vấn đề xác định xem hạt neutralino có thuộc vật chất tối hay không. Hạt neutralino là một siêu hạt = tổ hợp các siêu hạt Zino + Photino + Higgsino. Khối lượng các siêu hạt có thể liên quan đến trường Higgs.

Những cỗ máy đi ngược thời gian

Hãy nhìn lên mặt trăng, khoảng cách giữa mặt trăng và quả đất là vào khoảng 380.000 km, như vậy ánh sáng cần một thời gian hơn một giây để đi từ mặt trăng đến trái đất. Do đó khi nhìn mặt trăng ta đã thu nhận hình ảnh của mặt trăng trước đó một giây trong quá khứ, chứ không phải hình ảnh của nó hiện tại. Khi nhìn những sao trên bầu trời ta chỉ thu nhận được hình ảnh của chúng cách hiện tại hàng triệu triệu năm tuỳ theo khoảng cách của chúng đến mặt đất.

Như vậy khi quan sát bầu trời, các nhà thiên văn đã đi lùi vào quá khứ và đã trở thành những nhà khảo cổ nghiên cứu lịch sử của vũ trụ. Lịch sử này đã có quá khứ khoảng 13, 7 tỷ năm! Bức xạ tàn dư của vũ trụ (CMB - Cosmic Microwave Bacground) đã được phát đi vào thời điểm sau Bigbang khoảng 380.000 năm: Lúc này các hạt nhân hydrogen và helium đã bắt hết các electron đang lang thang tự do, ánh sáng thoát khỏi tương tác với các electron lan truyền trong vũ trụ để thành CMB. Vậy có thể nói các nhà thiên văn đã nắm bắt được 99,999 % lịch sử của vũ trụ!

Và trước đó? Các neutrino đã xuất hiện 1 giây sau Bigbang và đã du hành trong vũ trụ trong một thời gian bằng 13,7 tỷ năm trừ bớt 1 giây.

Còn trước đó? Trước bức xạ neutrino là bức xạ hấp dẫn, phát sinh vào thời điểm 10-43 giây sau Bigbang vào cuối kỷ nguyên gọi là kỷ nguyên Planck. Bức xạ hấp dẫn này có hy vọng ghi đo được nhờ những kính viễn vọng hấp dẫn Virgo (Ýá), Ligo (Mỹ) và trong tương lai nhờ Lisa, một hệ thống vệ tinh của Nasa. Và chúng ta đã tiến sát thời điểm Bigbang chỉ còn cách Bigbang khoảng một phần tỷ của một phần tỷ của một phần tỷ của một phần tỷ giây.

Và trước đó? Trước đó trong kỷ nguyên Planck chúng ta chưa biết có bức xạ nào vì chúng ta chưa có một lý thuyết nào để mô tả kỷ nguyên này. Một thời khoảng vô cùng nhỏ cách biệt chúng ta với Bigbang, thế mà chúng ta chưa vượt qua được!

Lược sử vũ trụ

Lúc vũ trụ được 10-35 giây xảy ra quá trình nở lạm phát (inflation) vàkết thúc vào thời điểm 10-32 giây. Đây là một quá trình giãn nở bột phát của vũ trụ: Trong một thời đoạn ngắn ngủi, kích thước của vũ trụ đã tăng lên 1050 lần. Quá trình nở lạm phát có thể bắt nguồn với một dạng năng lượng tối. Dạng năng lượng này đóng vai trò gì trong lý thuyết thống nhất? Có mốiliên quan gì đến sự tồn tại của hạt Higgs và với các chiều dư?

Sau Bigbang 10-33 giây, vũ trụ ở vào trạng thái plasma của quark và gluon (PQG). Trong trạng thái này quark chuyển động tự do và tương tác với nhau bằng trao đổi gluon. Ngày 10.2.2000, Trung tâm CERN tuyên bố đã thu được PQG trong phòng thí nghiệm sau 15 năm nghiên cứu.

Lúc vũ trụ được 10-6 giây thì hình thành các hadron.

Lúc vũ trụ được 100 giây thì các hạt nhân nguyên tử được hình thành.

Lúc vũ trụ được 300.000 năm tuổi thì bức xạ tách khỏi vật chất và dẫn đến CMB (Cosmic Microwave Background - bức xạ tàn tư của vũ trụ).

Sau đó vũ trụ nguội dần và nhiều quá trình chuyển pha đã xảy ra. Những quá trình chuyển pha này có thể dựng lại trong phòng thí nghiệm nhờ những máy gia tốc năng lượng cao.

Quá trình chuyển pha điện yếu đã gây nên sự bất đối xứng vật chất Q - phản vật chất. Trong quá trình chuyển pha ứng với sắc động lực học lượng tử QCD, vật chấtbaryonic ngưng tụ thành dạng plasma của quark - gluon.

Người ta muốn kiểm nghiệm tất cả các quá trình này trong phòng thí nghiệm.

Có gì trước Bigbang?

Có hai quan điểm: 1) Trước Bigbang có một thời kỳ tiền Bigbang; 2) Không có điều gì có trước Bigbang.

Những kịch bản "lãng mạn" của thời kỳ tiền Bigbang

Nhiều nhà lý thuyết không đồng ý với quan điểm không có gì trước Bigbang. Họ đã đưa ra những kịch bản (không kém các kịch bản Hollywood):

Một vũ trụ gương (nhìn trong gương) đối xứng đối với điểm không của thời gian.

Những Bigbang nhiều vô số xảy ra ở mọi thời điểm từ các lỗ đen nguyên thuỷ.

Va chạm của các màng 3 chiều...

Người ta hy vọng có lẽ chỉ có lý thuyết siêu dây mới giải quyết nổi vấn đề của thời diểm Bigbang và tiền Bigbang. Lý thuyết siêu dây là lý thuyết lấy yếu tố cơ bản là những dây vi mô (kích thước 10-34 m) chứ không phải những hạt. Lý thuyết này có khả năng thống nhất lượng tử và hấp dẫn nhờ những "dây" graviton (lượng tử của hấp dẫn). Trong lý thuyết siêu dây, số chiều của không thời gian lên đến 10 hoặc 11, như vậy có 6 hoặc 7 chiều dư (extra dimensions) so với không thời gian 4 chiều thông thường. Một đối xứng quan trọng trong lý thuyết siêu dây là siêu đối xứng như trên đã nói.

Theo nhiều kịch bản vũ trụ luôn tồn tại. Trước Bigbang vũ trụ có kích thước lớn vô cùng, sau đó co lại và vào thời điểm Bigbang trở thành nhỏ như để chui qua một lỗ kim xong giãn nở trở lại.

Theo kịch bản của Gabriele Veneziano, vũ trụ nguyên thuỷ đã co lại từ những thăng giáng và tạo nên những lỗ đen, trong những lỗ đen này đã xảy ra những Bigbang, trong số đó có Bigbang của chúng ta. Như vậy mỗi lỗ đen có thể tạo ra những vũ trụ riêng (xem hình 1) của đa vũ trụ. Một điều có thể khẳng định: Quá trình chuyển tiếp giữa "tiền" và "hậu" Bigbang vẫn là một vấn đề còn bỏ ngỏ. Người ta cho rằng có thể có thông tin về thời kỳ tiền Bigbang nhờ thu các sóng hấp dẫn phát sinh từ thời kỳ này, dấu tích của chúng sẽ là những thăng giáng trên phông của bức xạ tàn dư.

Theo lý thuyết siêu dây, vũ trụ của chúng ta là một màng (brane - từ chữ membrane) 3 chiều đã va chạm với một phản màng khác và tạo ra Bigbang, hai màng lại đi xa nhau nhưng trong một tương lai có thể đến gần nhau để va chạm nhau trong một Bigbang tiếp theo như trong một vũ điệu có chu kỳ (hình 2).

Sự va chạm của màng và phản màng sẽ tạo ra năng lượng Bigbang và quá trình giãn nở lạm phát.Đây là kịch bản thường được gọi là kịch bảnekpyrotic (tiếng Hy Lạp có nghĩa là out of fire - ra từ lửa).Sự va chạm này sẽ tạo ra những bó dây khổng lồ gây nên những sóng hấp dẫn mà những trạm quan sát như Virgo hoặc Ligo có thể thu nhận được.

Không có điều gì trước Bigbang

Theo một quan điểm khác thì không có gì trước Bigbang. Chúng ta thường hình dung vũ trụ đã nổ ra từ một điểm vật chất. Song một hình ảnh đúng đắn hơn của vũ trụ giãn nở là một quả bóng có độ đàn hồi tuyệt đối đang bị thổi phồng lên, hai vùng nằm trong và ngoài quả bóng không tồn tại và không ứng với những thực tại nào của vũ trụ. Khi quả bóng co lại thành một điểm, đấy là điểm xuất phát ban đầu Bigbang. Nên chú ý rằng vũ trụ không giãn nở trong một "không gian" nào cả: Bản thân không gian sẽ được tạo nên trong quá trình giãn nở của vũ trụ. Stephen Hawking đã so sánh câu hỏi: Điều gì có trước Bigbang? với câu hỏi: Điều gì có ở phía Bắc của cực Bắc? Vì phía Bắc của cực Bắc không tồn tại cho nên không có gì ở đấy cả.

Một câu hỏi khác: Không gian và thời gian đã được hình thành như thế nào?

Hiện nay nhiều nhà vật lý quan niệm rằng không - thời gian được hình thành từ những thăng giáng lượng tử của chân không (hình 3).

Không - thời gian lượng tử hoá

Hai nhà vật lý lý thuyết Carlo Rovelli, người ý và Lee Smolin, người Mỹ đã phát triển lý thuyết không - thời gian lượng tử hoá gọi là lý thuyết vòng lượng tử (Loop Quantum Gravity); từ vòng xuất hiện do quá trình tính toán dẫn đến những vòng con trong không - thời gian. Không gian sẽ được kết thành bởi các yếu tố vi mô lượng tử hoá có kích thước khoảng 10-33 cm, thời gian sẽ không chảy liên tục mà nhảy từng thời đoạn giống như trong một chiếc đồng hồ cát. "Với các vòng thì tại thời điểm Bigbang vũ trụ không trở nên vô cùng nhỏ mà lấy kích thước cực tiểu ứng với lượng tử của không thời gian", theo Carlo Rovelli.

Trong lý thuyết vòng lượng tử, các tác giả đã xây dựng không thời gian tiền Bigbang: Đó là không thời gian nghịch đảo của không thời gian hậu Bigbang với trái đổi thành phải và phải đổi thành trái.

Và nếu không tồn tại ngay cả thời gian?

Các nhà vật lý đã xét lại khái niệm thời gian. Đây là một khái niệm vô cùng bí ẩn. Đối với một nhà sinh học thì đấy là quá trình lão hoá, đối với nhà tâm lý học thì đó là quá trình phát triển trong ý thức của mỗi đối tượng. Jean Giono nói về thời gian: Đó là điều đã đi qua khi không có điều gì đã đi qua cả.

Người ta thường kể lại truyền thuyết Galilée đã tìm ra quy luật dao động của con lắc nhờ so sánh chuyển động của con lắc với nhịp tim của ông. Và vài năm sau các bác sĩ lại kiểm tra nhịp tim của bệnh nhân nhờ đồng hồ quả lắc. Vậy thời gian có can thiệp vào đây chăng? Hoàn toàn không! Đây chỉ là sự chuyển động của một vật này tương đối với một vật khác. Dẫu rằng biến số t (biến số thời gian) luôn có mặt ở mọi nơi nhưng thực tế các nhà vật lý cuối cùng chỉ đối tác với các đại lượng vật lý như thể tích, khối lượng, góc, nhiệt độ,... t đã biến mất (xem hình 4).

Khái niệm thời gian chảy chỉ hữu ích ở mức vĩ mô, và vô ích ở kích thước vi mô khi người ta lượng tử hoá không - thời gian và vào lúc Bigbang hoàn toàn không tồn tại thời gian đang chảy, ở đây chỉ tồn tại một đám bọt, với đám bọt này thì cách suy nghĩ của chúng ta về thế giới, về thời gian sẽ phải khác một cách căn bản. Và như thế câu trả lời cho câu hỏi: Có gì trước bigbang là... không có gì cả.

Hai quan điểm trái ngược trên đã đặt ra nhiều vấn đề lớn về lý thuyết cũng như thực nghiệm (thậm chí triết học) về vũ trụ học. Và câu hỏi trước Bigbang có gì đang chờ câu trả lời mà các nhà vật lý và thiên văn hy vọng rằng sẽ có được trong tương lai nhờ những kính viễn vọng hấp dẫn Virgo (ý), Ligo (Mỹ) và nhờ Lisa, một hệ thống vệ tinh của NASA.

Tài liệu tham khảo

Paul Davies, La Recherche, No 349, Janvier 2002.

Cécile Bonneau,... Science et Vie, Juillet 2005.

Lee Smolin, Scientific American, January 2004.

Cao Chi, Einstein với khoa học & công nghệ hiện đại, 2005.

Tác giả

Cao Chi, Theo Tạp chí Hoạt động Khoa học
http://tusach.thuvienkhoahoc.com/wiki/Tr%C6%B0%E1%BB%9Bc_Bigbang_c%C3%B3_g%C3%AC%3F