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

Lịch sử vũ trụ và thuyết vụ nổ lớn

69.1
Đỗ Kiên Cường

Trên xưa & nay số 96 (144) tháng 7-2001 có bài viết “thuyết Big Bang” về sự phát sinh vũ trụ. Thiển nghĩ một bức tranh khái quát và chính xác về lịch sử nhận thức vũ trụ cũng cần thiết đối với các nhà sử học. Đó là lý do bài viết này.

Lược sử thuyết vụ nổ lớn

Cho đến đầu thế kỷ 20, bằng chứng thực tiễn duy nhất về nguồn gốc vũ trụ là bầu trời ban đêm tối đen. Nghịch lý Olbers (1823) cho rằng nếu vũ trụ vô tận trong không thời gian thì nó phải có nhiều sao đến mức khi nhìn lên bầu trời, tia mắt ta bao giờ cũng gặp một ngôi sao. Và ta sẽ thấy bầu trời luôn sáng rực như mặt trời, ngay cả vào ban đêm. Nhưng thực tế bầu trời ban đêm lại tối đen. Thật thú vị là trong bài thơ văn xuôi dài Eureka năm 1848, Edgar Poe cho rằng, đó là do các ngôi sao không đủ thời gian để chiếu sáng toàn vũ trụ. Vậy bầu trời đêm tối đen chứng tỏ vũ trụ không tồn tại mãi mãi. Không chỉ đứng vững trước thử thách của thời gian mà giả thuyết còn đóng vài trò quyết định trong việc hình thành lý thuyết Big Bang.

Cơ sở lý luận của Big Bang là thuyết tương đối tổng quát, cho rằng không thời gian là các đại lượng động lực, phụ thuộc vật chất đồng thời chi phối vật chất (lưu ý quan niệm của Engels, cho rằng không thời gian là hình thức tồn tại của vật chất). Điều đó dẫn tới việc không thời gian và do đó vũ trụ có thể có khởi đầu và kết thúc, một ý tưởng mà ban đầu chính Einstein cũng tìm cách chống lại. Để vũ trụ là tĩnh (không tự suy sụp do hấp dẫn), ông đưa ra một hằng số vũ trụ có tác dụng phản hấp dẫn. Năm 1922, Friednam tìm được nghiệm của phương trình Einstein cho một vũ trụ động, gần như đồng thời với giả thuyết nguyên tử nguyên thuỷ của mục sư Lemaitre.

Bằng chứng quyết định là phát hiện vũ trụ giãn nở của Hubble những năm 1920. Cho đến lúc đó, dải Ngân hà của chúng ta được xem là toàn bộ vũ trụ. Với viễn kính 100 inch tại núi Wilson, Hubble thấy Tinh vân Tiên nữ, một thiên hà sáng đôi cách 2 triệu năm ánh sáng, đang tiến lại gần chúng ta (theo ngôn ngữ vật lý dựa trên hiệu ứng Dopler, phổ của nó dịch về phía xanh). Khảo sát các thiên hà khác, ông thấy chúng đang tản ra xa (phổ dịch về phía đỏ). Điều đó có nghĩa vũ trụ gồm hàng tỷ thiên hà đang tản xa nhau. Vũ trụ hiện đang giãn nở và các thiên hà ngày càng xa nhau chứng tở trong quá khứ chúng gần nhau, khi vũ trụ có kích thước nhỏ hơn. Suy diễn ngược thời gian sẽ đi đến thời điểm khai sinh, không toàn vũ trụ tập trung tại một điểm, nới có mật độ, nhiệt độ và độ cong không thời gian vô hạn. Và một vũ trụ bùng nổ 15 tỷ năm trước đã khiến vũ trụ sinh thành. Đó là mô hình Big Bang tiêu chuẩn.

Năm 1946, nhà vật lý Gamow thấy rằng, ngọn lửa sáng thế buổi hồng hoang vẫn để lại “vết lông ngỗng” qua bức xạ tàn dư trải trên toàn vũ trụ, nay lạnh chỉ còn cỡ 3 độ trên độ không tuyệt đối. Năm 1965, hai kỹ sư vô tuyến điện Penzias và Wilson tình cờ phát hiện được bức xạ này khi chế tạo một ăng ten có thể bắt sóng từ vệ tinh. Như từng xẩy ra trong lịch sử, giải Nobel danh giá được trao cho phát kiến tình cờ của hai người ngoại đạo! Năm 1991, vệ tinh Cobe đo được phông bức xạ hoá thạch 2,7 0K này với độ chính xác rất cao. Và Big Bang được thừa nhận rộng rãi.

Khá hài hước là cái tên Big Bang lại do nhà thiên văn Hoyle đặt ra năm 1950 nhằm chế diễu lý thuyết. Ông là người đề xuất thuyết vũ trụ dừng (steady state) năm 1948, theo đó vũ trụ không có khởi đầu và kết thúc. Sau khám phá bức xạ tàn dư, nó đã chêt vẻ vang như hầu hết các lý thuyết khoa học khác.

Thuyết Big Bang lạm phát

Cuối những năm 1970, mô hình Big Bang tiêu chuẩn đối mặt với một số thách thức, trong đó có vấn đề tính đồng nhất của vũ trụ. Tại sao vũ trụ lại tương đối đồng nhất, như bức xạ hoá thạch chứng tỏ? Đó là lý do Guth và Linde giả định một sự giãn nở lạm phát từ 10-35 tới 10-32 giây sau Big Bang. Trong giai đoạn cực ngắn đó, vũ trụ giãn nở nhanh hơn ánh sáng, với bán kính tăng một ngàn tỷ tỷ tỷ lần. Như quả bong bóng phồng lên rất nhanh thì các nếp nhăn ban đầu giãn ra với độ nóng gần như nhau, sự giãn nở đó khiến vũ trụ trở nên đồng nhất. Đó là thuyết Big Bang lạm phát, một lý thuyết giải quyết được nhiều bài toán vũ trụ học.

Big Bang từ đâu xuất hiện? Big Bang sinh ra vũ trụ, vậy cái gì sinh Big Bang? Năm 1951, nhà thờ tuyên bố Big Bang chính là hiện tượng của đấng sáng tạo. Nên giới khoa học đưa ra nhiều giả định nhằm tránh quan điểm đó.

Một giả thuyết là vũ trụ luân hồi của Wheeler, cho rằng lực hấp dẫn sẽ thắng dần sự giãn nở và vũ trụ có về Vụ co lớn (Big Bang Crunch).

Và vụ bùng nổ tiếp theo sẽ khiến vũ trụ hồi sinh từ đống tro tàn. Quá trình cứ lặp lại mãi với các pha co giãn xen kẽ nhau. Đáng tiếc Big Crunch không phải là đối xứng gương hoàn hảo của Big Bang, và các vụ nổ sẽ ngày càng lớn hơn. Vì thế vũ trụ vẫn có thể có điểm khởi đầu tối hậu, một chủ đề thần học ưu thích.

Một vấn đề cũng được giới thần học ưu thích là giá trị của các hằng số vật lý (như khối lượng điện tử hay tốc độ ánh sáng). Người ta rất ngạc nhiên là chỉ cần một trong hàng chục hằng số vũ trụ đó thay đổi giá trị một phần trăm, vũ trụ đã diễn biến khác hẳn và con người không thể xuất hiện để nghiên cứu vũ trụ. Nên một số nhà khoa học cho rằng, vũ trụ đã được hiệu chỉnh cực kì chính xác nhằm tạo ra con người. Vì thế nhà thiên văn học Trịnh Xuân Thuận, là một phật tử, đặt niềm tin vào ý chí tối cao. Không đồng ý với niềm tin đó, nhiều nhà khoa học nêu giả thuyết các vũ trụ song song hay đa vũ trụ. Có thể hình dung một cách trực quan qua trò thổi bong bóng xà phòng, mỗi bong bóng là một vũ trụ với hệ qui luật và các giá trị hằng số riêng. Phần lớn các vũ trụ không thích hợp với sự sống. Vũ trụ chúng ta chỉ là một bong bóng may mắn co các hằng số thích hợp để con người xuất hiện. Đây chính là sự tiếp bước Copernicus đến giới hạn tột cùng. Không chỉ tước bỏ vị trí trung tâm của trái đất hay mặt trời, nó còn cho rằng Ngân hà chỉ là một trong vô vàn các thiên hà vũ trụ; thậm chí vũ trụ chúng ta cũng chỉ là một bong bóng mất hút giữa ngút ngàn các bong bóng đa vũ trụ. Và đa vũ trụ này có thể mất hút giữa vô vàn các đa vũ trụ khác.

Tuy nhiên dường như đó chỉ là những suy đoán thuần tuý, vì ta chưa có thuyết hấp dẫn lượng tử để nhìn qua bức tường Planck, hiện được xem là giới hạn của nhận thức (thời gian Planck là 10-43 giây, độ dài Planck là 10-33 cm, nhỏ hơn kích thước nguyên tử 10 triệu tỷ tỷ lần. Nếu khuếch đại nguyên tử lớn bằng vũ trụ nhìn thấy, độ dài Planck sẽ bằng một cái gậy!). Toàn bộ lập luận trên dựa trên thuyết tương đối tổng quát (mô tả cấu trúc vĩ mô) và cơ học lượng tử (mô tả cấu trúc vi mô). Đáng tiếc là hai thuyết không tương thích nhau. Ở qui mô vũ trụ, có thể bỏ qua các thăng giáng lượng tử xuất hiện do nguyên lý bất định Heisenberg. Còn ở các cấu trúc nhỏ cỡ kích thước Blanck, các thăng giáng đó rất mạnh nên giả thuyết không thời gian biến đổi liên tục và nhẵn của thuyết tương đối bị phá vỡ. Người ta nói các quy luật khoa học bị phá vỡ tại các kì dị (là vùng nhỏ hơn độ dài Planck nên mật độ vật chất lớn vô hạn).

Big Bang trong lý thuyết dây

Lý thuyết trường lượng tử xem các hạt cơ bản (như điện tử, quark....) là chất điểm không kích thước. Năm 1984, lý thuyết dây xuất hiện để thống nhất thuyết tương đối và thuyết lượng tử, hai nền tảng của vật lý hiện đại. Theo đó cấu tử cơ bản của vũ trụ là dây một chiều (giống đoạn dây nhìn từ xa nên dường như chỉ có chiều dài), màng hai chiều (giống tờ giấy mỏng vô hạn) hay các thực thể nhiều chiều hơn (đến 10 chiều). Chúng luôn dao động và các kiểu dao động cộng hưởng được xem là các hạt cơ bản mà ta thấy. Khác với không thời gian bốn chiều trong thuyết tương đối, không thời gian trong lý thuyết dây có 11 chiều, với bảy chiều cong lại và nhỏ bằng độ dài Planck. Đó là lý do ta sống trong 11 chiều mà chỉ “thấy” bốn chiều đã trải rộng ra nhờ vụ nổ lớn.

Quá đẹp nên chỉ có thể hoặc đúng hoàn toàn hoặc sai hoàn toàn (phê phán năm 1986 của nhà vật lý hạt cơ bản đoạt giải Nobel Glashow), lý thuyết dây chứng tỏ các qui luật vật lý của thế giới “nhỏ” sau bức tường Planck hoàn toàn đồng nhất thế giới “lớn” trước bức tường. Điều đó cho phép đưa ra kịch bản mới cho Big Bang, theo đó khởi thuỷ không phải là một kì dị, mà là một trạng thái “hấp dẫn lượng tử” kích thước Planck với 11 chiều. Rồi một vụ nổ khiến bốn chiều không thời gian giãn ra tạo nên vũ trụ (lý thuyết dây giải thích được tại sao bảy chiều khác vẫn cong nhỏ như trước). Và nếu co lại, vũ trụ cũng không co về điểm kì dị chung cục Big Crunch (như mô hình Big Bang tiêu chuẩn), mà chỉ co đến kích thước Blanck rồi lại nở ra. Quá trình có thể lặp lại mãi như thế.

Theo lý thuyết dây thì vũ trụ chúng ta cũng có thể là một màng bốn chiều, vốn là biên của một hình cầu năm chiều. Nằm cách ta một khoảng cách vi mô trong chiều thứ năm là một màng khác, được gọi là “màng bóng” (như hình với bóng, nhưng bóng cũng thực như hình). Hai màng hình và bóng chỉ tương tác nhau qua lực hấp dẫn. Khi đó vật chất hay năng lượng tối của màng này chính là vật chất thông thường của màng bên cạnh. Hai màng có thể tự co giãn và va chạm nhau. Đối với chúng ta (đang sống trên một màng), cú và chạm chính là Big Bang. Và có thể có nhiều vụ nổ và co lớn nhỏ nối tiếp hay xen kẽ nhau. Điều đó giúp loại bỏ niềm tin về một ý chí tối cao.

Đa vũ trụ từ đâu xuất hiện?

Vũ trụ chúng ta là một trong những bong bóng mang tên đa vũ trụ. Vậy đa vũ trụ từ đâu xuất hiện và xuất hiện như thế nào? Câu trả lời là đa vũ trụ xuất hiện từ hư vô do nguyên lý bất định Heisenberg.

Nguyên lý bất định của cơ học lượng tử nói rằng, không thể xác định chính xác đồng thời vị trí và tốc độ của một hạt vi mô. Đó là hệ quả của lưỡng tính sóng hạt. Vì thế giá trị của các trường vật lý phải khác không ngay cả trong chân không, tức giá trị (hay vị trí) và sự biến thiên (hay tốc độ) được xác định chính xác đồng thời (đều bằng không). Đó là điều nguyên lý bất định cấm, nên các trường phải khác không và luôn thăng giáng. Trường là tập hợp các hạt, trường biến thiên có nghĩa các hạt luôn xuất hiện rồi biến mất. Năng lượng của hạt càng lớn thì nó biến mất càng nhanh. Tương tự như thế, một bong bóng năng lượng cũng có thể xuất hiện rồi lại biến mất. Đó là cách để đa vũ trụ xuất hiện từ hư vô.

Cần lưu ý rằng, năng lượng của vật chất là dương, còn năng lượng hấp dẫn là âm, nên nếu đa vũ trụ là “phẳng” trong không thời gian 11 chiều, hai dạng năng lượng có giá trị bằng nhau. Kết quả là năng lượng toàn vũ trụ bằng không, và nguyên lý bất định cho phép nó tồn tại mãi mãi. Đó là ý tưởng độc đáo đến mức, khi được Gamow kể cho nghe tại Viện nghiên cứu tiền phong Princeton (Mỹ) cuối những năm 1940, Einstein đứng sững giữa đường khiến hai người suýt bị xe đâm chết.

Đôi điều suy ngẫm

Chỉ trong vòng một thế kỷ, nhận thức nhân loại về vũ trụ đã trải qua nhiều bước đột phá. Sự thống nhất giữa vi mô và vĩ mô, như thể hiện trong lý thuyết dây, cho phép đưa ra bức tranh tổng thể về nguồn gốc, tiến hoá và kết cục của vũ trụ. Theo đó vũ trụ chúng ta chỉ là một trong vô vàn các bong bóng của một đa vũ trụ mênh mang, huyền bí (theo nghĩa ta không thể giao du). Và đa vũ trụ này có thể xuất hiện một cách tự nhiên từ hư vô với tổng năng lượng bằng không, cho dù năng lượng của từng vũ trụ có thể có giá trị tuỳ ý. Từ không hiện hữu biến thành hiện hữu, đó chính là một bữa tiệc không mất tiền tối hậu.

Vậy tại sao có nguyên lý bất định để vũ trụ có thể sinh thành từ hư vô? Tại sao bộ máy không thời gian lại cho phép tổng năng lượng chính xác bằng không để vũ trụ tồn tại mãi mãi? Vẫn có người xem đó là dấu ấn của một đấng tối thượng. Một số người như Stephen Hawking lừng danh của tác phẩm Lược sử thời gian, 1988, với hơn 10 triệu bản bán trên thế giới – thì dung nguyên lý vị nhân (một giả thuyết mang tính hậu nghiệm, xem vũ trụ phải diễn biến thích hợp để con người xuất hiện) để cho rằng, nếu vũ trụ không như vậy thì làm sao có con người để băn khoăn về vũ trụ. Số khác thì đồng ý với Brian Greene trong cuốn Vũ trụ duyên dáng (đấu giá được hai triệu đô la từ NXB, tái bản ba lần sau một tháng ấn hành năm 1999) rằng, lý thuyết dây có thể là con đường dẫn về La Mã, khi đang được xem phát điểm của một lý thuyết có tính tối hậu cao hơn trong tương lai. Và nhân loại từng bước vươn tới các vì sao.

Tác giả

Đỗ Kiên Cường

      http://tusach.thuvienkhoahoc.com/wiki/L%E1%BB%8Bch_s%E1%BB%AD_v%C5%A9_tr%E1%BB%A5_v%C3%A0_thuy%E1%BA%BFt_v%E1%BB%A5_n%E1%BB%95_l%E1%BB%9Bn