Phương trình tối hậu của vật lý

Tờ La Recherche, số 390, tháng 10.2005, đã đưa ra 35 bài toán bí ẩn, thách thức khoa học: Điểm gốc của thời gian, bản chất sự sống, phương trình tối hậu của vật lý, nơron thần kinh và ý thức, gen con người, từ trường quả đất, sét hòn, trí khôn nhân tạo, khối lượng các hạt cơ bản, giới hạn của máy tính, vị tha trong sinh vật, sự diệt vong của văn minh Mayas, bí mật của giấc mơ… Dưới đây xin giới thiệu về bài toán số 3 của Lisa Randall - Giáo sư vật lý lý thuyết, Đại học Harvard.

Liệu có tồn tại một lý thuyết của tất cả (TOE - theory of everything)? Đã một thế kỷ qua, các nhà vật lý đi tìm một lý thuyết có khả năng thống nhất cơ học lượng tử và lý thuyết tương đối, nhằm nắm bắt được bản chất thống nhất của 4 loại tương tác. Lý thuyết siêu dây dường như được xem là lý thuyết “tối hậu”, là ứng cử viên triển vọng cho TOE. Song những phát triển gần đây cho thấy rằng, lý thuyết này trong hiện trạng cũng có lẽ chưa là tối hậu!

Nếu tìm được lý thuyết thống nhất tối hậu thì chúng ta tiến được một bước dài trong việc thấu hiểu thế giới khách quan. Trong những năm gần đây, lý thuyết siêu dây đã có những phát triển đáng chú ý trong việc xây dựng một lý thuyết như vậy.

Liệu có tồn tại một TOE, một lý thuyết của tất cả, một lý thuyết chỉ dựa trên một số ít tham số nối liền nhau bởi một phương trình duy nhất có khả năng mô tả được mọi hiện tượng vật lý xung quanh ta? Đây là một tham vọng lớn, nhưng chính tham vọng đó đã thúc đẩy các nhà vật lý lao động gần một thế kỷ.

Nếu xét đến độ phức tạp của vấn đề thì dường như các nhà vật lý quá ư lạc quan. Cho rằng có thể tìm được một phương trình tối hậu như vậy, thì vẫn còn một vấn đề không kém phần khó khăn là xác định điều kiện ban đầu: Vũ trụ đã bắt đầu như thế nào?

Việc đi tìm một TOE sẽ cho chúng ta hiểu thêm những nguyên lý cơ bản của vật lý, sẽ cung cấp cho chúng ta một lý thuyết tổng quát hơn các lý thuyết hiện hữu, có khả năng mô tả một tập hiện tượng lớn hơn dưới cùng một quan điểm.

Những bước đầu tiên trên đường thống nhất

Mục tiêu quan trọng của việc xây dựng TOE là thống nhất bốn tương tác: Hấp dẫn, điện từ, và hai tương tác hạt nhân yếu và mạnh. Hai tương tác đầu đã được biết từ lâu, hai tương tác sau được biết trong thế kỷ XX. Tương tác hạt nhân yếu xảy ra trong các tương tác hạt nhân cho phép mặt trời chiếu sáng được, tương tác hạt nhân mạnh xảy ra khi các hạt cơ bản được kết dính với nhau trong hạt nhân nguyên tử.

Vào năm 1919 (5 năm sau khi Einstein hoàn thành lý thuyết tương đối rộng), nhà toán học Đức Theodor Kaluza đã đưa ra một ý tưởng đầy hấp dẫn: Xây dựng một không - thời gian 5 chiều (thêm một chiều không gian, ngoài 3 chiều không gian thông thường). Trong lý thuyết của Kaluza, hai lực (hấp dẫn và điện từ) xuất hiện từ sự dao động của một hạt gọi là “graviton” được xem là hạt truyền tương tác hấp dẫn. Trong ba chiều không gian thông thường, những dao động này tạo nên hấp dẫn, còn trong chiều không gian dư thêm vào (extra) chúng tạo nên lực điện từ. Einstein đã sử dụng ý tưởng của Kaluza để theo đuổi việc xây dựng một lý thuyết thống nhất trong 30 năm cuối cuộc đời mình nhưng đã thất bại!

Việc phát hiện ra những lực hạt nhân là một bước ngoặt trong quá trình thống nhất các tương tác. Các nhà vật lý hiểu rằng, hấp dẫn có bản chất khác ba tương tác còn lại một cách cơ bản. Vì thế, họ tập trung trước hết vào việc thống nhất ba tương tác sau. Sheldon Glashow, Steven Weinberg và Abdus Salam đã thành công trong việc thống nhất hai lực hạt nhân yếu và điện từ.

Ngoài ranh giới mẫu chuẩn (Standard Model)

Lực điện từ không là một lực nằm riêng biệt vào buổi sơ sinh của Vũ trụ. Chỉ khi Vũ trụ nguội dần thì lực điện từ, chuyển tải bởi hạt photon mới tách ra khỏi các lực khác.

Vào năm 1974, Glashow cùng với Howard Georgi đã xây dựng một lý thuyết thống nhất ba tương tác (ngoài hấp dẫn) trong một khuôn khổ gọi là mẫu chuẩn. Theo lý thuyết này thì cường độ của ba tương tác phải như nhau ở năng lượng và nhiệt độ cao ứng với các giai đoạn sớm của Vũ trụ; các cường độ chỉ tách biệt nhau ở năng lượng và nhiệt độ nhỏ hơn của Vũ trụ như hiện nay.

Glashow, Georgi cùng với Weinberg và Helen Quinn sử dụng lý thuyết trường lượng tử để tính cường độ các tương tác như hàm của năng lượng. Họ hy vọng rằng, các cường độ phải bằng nhau ở năng lượng 10 ngàn tỷ lần lớn hơn năng lượng ứng với giai đoạn hiện tại. Song nhiều dữ kiện khác cho thấy rằng, các cường độ này không hợp nhất tại một điểm ở năng lượng lớn trong khuôn khổ mẫu chuẩn. Người ta cần xây dựng một lý thuyết vượt qua ranh giới mẫu chuẩn. Một trong những lý thuyết như thế là lý thuyết có “siêu đối xứng “, siêu đối xứng làm tương ứng với mỗi hạt của mẫu chuẩn một siêu hạt. Trong lý thuyết siêu đối xứng, được xây dựng trong những năm 70 của thế kỷ XX, quả thực cường độ của ba loại tương tác (yếu, mạnh, điện từ ) quy về một điểm ở năng lượng cao.

Hiện nay chúng ta chưa phát hiện ra các siêu hạt, nhưng sự tồn tại của chúng không gây một nghi ngờ nào cho các nhà vật lý. Một điều thú vị là hấp dẫn ở năng lượng đó cũng có một cường độ có thể so sánh được với cường độ của ba tương tác nói trên. Song để đạt được sự thống nhất bao gồm cả hấp dẫn thì cần phải có một lý thuyết tổng quát hơn có khả năng mô tả thế giới dưới các khoảng cách Planck (10- 33 cm).

Dao động và màng

Lý thuyết siêu dây được xem là ứng viên quan trọng cho lý thuyết thống nhất.

Trong lý thuyết siêu dây, yếu tố cơ bản là dây, chứ không phải là điểm. Dây là một thực thể một chiều, những hạt cơ bản sẽ là những trạng thái kích thích của dây. Kích thước của dây vào cỡ độ dài Planck, tức khoảng 10-33 cm, và những dây này trông như những điểm nếu nhìn từ những kích thước lớn hơn độ dài Planck.

Lúc đầu các nhà vật lý nghĩ rằng, sự dao động của các dây sẽ tạo ra tất cả các hạt cơ bản, song cuối những năm 90, họ mới hiểu rằng phải đưa vào lý thuyết một đối tượng tôpô khác, đó là những màng (brane, suy từ chữ membrane). Có thể nói, màng là hình ảnh quỹ tích của các điểm mút của các dây hở. Màng như là cái bẫy đối với các hạt, khi đã rơi vào trong màng thì các hạt không còn “cảm thấy” tương tác từ các chiều không gian ngoài màng.

Lý thuyết siêu dây không phải là lý thuyết duy nhất. Giữa những năm 80, nhiều tác giả đã phát triển lý thuyết lượng tử vòng (loop quantum theory). Tuy nhiên, lý thuyết siêu dây tỏ ra có nhiều triển vọng hơn cả vì tích hợp được lý thuyết tương đối tổng quát, cơ học lượng tử và vật lý các hạt cơ bản. Ngoài ra, lý thuyết siêu dây cho phép mở rộng vật lý học đến những khoảng cách và năng lượng mà các lý thuyết khác không áp dụng được.

Một trong những kết quả đáng kể của lý thuyết siêu dây là ứng dụng hấp dẫn lượng tử vào lỗ đen. Andrew Strominger và Cumrun Vafa đã chế tạo từ các màng một thực thể có thể đồng nhất với một lỗ đen, họ đã thu được kết quả mà Stephen Hawking và Jacob Bekenstein đã thu được vào năm 1970 khi thực hiện những phép tính toán nhiệt động đối với lỗ đen. Như vậy thật là bất ngờ, từ lý thuyết lượng tử (siêu dây) lại thu được hấp dẫn (lỗ đen), đồng thời thiết lập được mối quan hệ giữa entrôpi của lỗ đen với mật độ các trạng thái vi mô lượng tử! Điều này chứng tỏ rằng, lý thuyết siêu dây có khả năng mô tả nhiều tính chất của Vũ trụ.

Bản chất của hấp dẫn

Năm 1997, Juan Maldacena đã chứng minh rằng: Một lý thuyết “không chứa hấp dẫn” áp dụng trên một mặt đặc biệt là tương đương với lý thuyết hấp dẫn trong một không gian nhiều chiều hơn giới hạn bởi mặt đặc biệt đó. Tình huống tương tự như lúc ta chụp một vật thể 3 chiều bằng một ảnh 2 chiều trong phép toàn ảnh (holography). Lý thuyết dây mô tả hấp dẫn và lượng tử trong một vùng không - thời gian là tương đương với lý thuyết lượng tử không có hấp dẫn tại vùng biên. Sự phát hiện này cho ta thấy một bản chất sâu xa của hấp dẫn.

Lý thuyết siêu dây gồm 5 nhánh, nhờ công trình nghiên cứu của Edward Witten, người ta thấy rằng 5 nhánh này đổ về một lý thuyết chung gọi là lý thuyết M. Sở dĩ lý thuyết này được gọi là lý thuyết M, vì người ta cho rằng, nó sẽ là nơi bắt nguồn của nhiều lý thuyết con khác (M là chữ đầu của từ Mother - mẹ). Người ta cũng cho rằng, đây là một lý thuyết đầy ma lực (M ở đây lại là chữ đầu của từ Magic - ma lực) và còn gán cho chữ M nhiều ý nghĩa khác. Trong lý thuyết M, để cho các phương trình được tương hợp về mặt toán học, các dây phải được dao động trong một không gian 10 chiều (hoặc 11 chiều - nhánh siêu hấp dẫn).

Các chiều dư này đóng một vai trò quyết định trong việc thống nhất lý thuyết hấp dẫn và cơ học lượng tử của lý thuyết siêu dây.

Các chiều không - thời gian dư đã cuộn lại

Liệu lý thuyết siêu dây có phải là TOE chưa?

Lý thuyết siêu dây chưa giải thích được vì sao Vũ trụ lại có hình dạng như chúng ta quan sát được. Các nhà lý thuyết siêu dây cho rằng, 6 hoặc 7 chiều dư (extra dimensions) đã bị compắc hoá và cuộn lại trong những kích thước quá nhỏ để có thể quan sát được. Những chiều dư compắc hoá này làm thành một cấu trúc gọi là “không gian Calabi-Yao”. Tồn tại một số rất lớn các không gian Calabi-Yao, với một số không gian Calabi-Yao người ta có được 3 họ các hạt cơ bản như trong mẫu chuẩn, song với những không gian Calabi-Yao khác người ta có thể có đến hàng trăm họ các hạt cơ bản. Không tồn tại một lý thuyết nào để chọn một không gian Calabi-Yao để xác định được hình học của Vũ trụ.

Năm1999, Raman Sundrumvà Lisa Randall đã chứng minh rằng, các chiều dư có thể nằm ẩn trong Vũ trụ và các chiều dư này thậm chí có thể có kích thước lớn vô cùng. Hấp dẫn có thể cư trú trong những chiều dư đó.

Như vậy có thể nói rằng, lý thuyết siêu dây trong hiện trạng chưa phải là lý thuyết tối hậu, có khả năng giải thích được Vũ trụ.

Người ta hy vọng vào máy LHC (Máy va chạm hadron lớn) sẽ hoạt động vào năm 2007 có thể đem lại những kết quả thực nghiệm làm sáng tỏ một số vấn đề, như sự tồn tại của các siêu hạt cần thiết cho việc tiệm cận đến một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh với một phương trình tối hậu. Song hiện nay điều này vẫn còn là một bài toán bí ẩn thách thức vật lý học.

Theo Tạp chí Hoạt động khoa học

Thuyết Tương Đối & Thuyết Lượng Tử

Việc cho ra đời thuyết "tương đối" và thuyết "lượng tử" đã ghi tên Albert Einstein vào danh sách những nhà bác học, khoa học hàng đầu thế kỉ và tạo nên 1 cuộc cách mạng trong khoa học và nó vẫn được áp dụng rộng rãi cho tới tận ngày nay sau gần 100 năm ra đời.

Sự ra đời của thuyết "tương đối" và thuyết "lượng tử"

Đầu tiên là thuyết tương đối, do chuyên viên kĩ thuật hạng ba Einstein sinh ra. Thuyết tương đối ra đời đã 100 năm (tính từ thuyết tương đối hẹp), ngày nay mỗi sinh viên đều có thể hiểu được nó. Vì vậy nhiều người đã xếp thuyết tương đối vào các lý thuyết cổ điển (theo một cách hiểu khác, cổ điển nghĩa là không chứa các yếu tố lượng tử). Thuyết tương đối mô tả vũ trụ vĩ mô (trên thang nguyên tử).

Thuyết lượng tử được Einstein tham gia xây dựng, cùng với một nhóm những con người lãng mạn khác: Bohr, Heisenberg, Pauli, Schrodinger, Born, Planck... Thường được thể hiện trong cơ học lượng tử, thuyết lượng tử mô tả vũ trụ với các yếu tố bất định, chủ yếu là mô tả thế giới vi mô (từ nguyên tử trở xuống).

Và trong suốt quãng đời còn lại của mình, nhà bác học Albert Einstein đã ra sức kết hợp giữa hai lý thuyết đó lại với nhau nhằm tạo ra lý thuyết lớn hơn là "trường thống nhất".

Vậy thống nhất 2 lý thuyết để làm gì?

Bài toán thống nhất được đặt ra để giải quyết vấn đề điểm kì dị của không-thời gian, vốn được Hawking nghiên cứu rất kĩ. Bài toán liên quan đến các điểm kì dị của không-thời gian, là những điểm có kích thước bằng 0, mật độ không gian bằng vô hạn và thời gian bị kéo giãn tới mức vô hạn (thực ra tại đó không gian và thời gian được coi như không còn tồn tại). Tại đó, do không-thời gian bị uốn cong đến vô hạn nên trường hấp dẫn tạo ra là... vô hạn.

Hai loại điểm kì dị nổi tiếng nhất là lỗ đen (bạn đời của Hawking) và 'cục' Big Bang, tức là vũ trụ sơ khai. Tại tâm lỗ đen, hay tại những thời khắc đầu tiên của vũ trụ, hiệu ứng hấp dẫn thể hiện qua sự cong của không-thời gian cũng như các hiệu ứng lượng tử đều được thể hiện. Tuy nhiên chính do đó mà không thể áp dụng được cả 2 lý thuyết, vì thuyết tương đối rộng chỉ áp dụng được cho không gian trơn nhẵn, không phải là không gian chứa đầy bọt lượng tử (có độ cong và tôpô hỗn độn).

Bức tường Planck của các hiện tượng có kích thước dưới 1E-33 cm và xảy ra trong khoảng dưới 1E-43 giây đã chắn ngang con mắt của khoa học. Ở đó, thuyết tương đối và mọi thứ đều sụp đổ.

Nhưng rốt cuộc đành phải bỏ dở giữa chừng, để lại cho các thế hệ sau tiếp nối các bài toán thật hóc búa đó. Nhưng mặc cho sự nỗ lực của nhân loại, hai thuyết (tương đối và thuyết lượng tử) đó, cho đến ngày hôm nay vẫn ngoan cố và tách rời một cách độc lập, làm như chúng không có dây mơ rễ má gì với nhau. Đồng thời cho đến ngày hôm nay vẫn là bài toán hóc búa, làm đau đầu cho các nhà khoa học hàng đầu trên Thế Giới. Và trong các nhà khoa học hàng đầu trên Thế Giới đang tìm cách kết hợp hai thuyết đó lại, phải kể đến nhà khoa học Stephen Hawking người Anh, đã dùng mọi cách, kể cả dùng kiến thức toán học tiến bộ nhất ngày nay, chỉ với mục đích duy nhất, nhằm kết hợp hai thuyết (tương đối và thuyết lượng tử) lại với nhau, nhưng đến hôm nay vẫn không tài nào làm được.

Tại sao không thể thống nhất hai thuyết?

Chủ yếu là do các vấn đề toán học quá khó khăn.

Để thống nhất 2 lý thuyết trên, cần phải thống nhất được 4 lực cơ bản của tự nhiên là lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân yếu, lực hạt nhân mạnh. Các nhà vật lý đã thống nhất được ba lực phi hấp dẫn trong mô hình chuẩn của vật lý hạt. Lý thuyết này là một lý thuyết lượng tử, nhưng vẫn không thể thâu tóm được lực hấp dẫn. Vì thế lực hấp dẫn vẫn là ông anh kiêu căng khó thuyết phục.

Các xu hướng chủ yếu hiện nay tập trung vào thuyết dây. Thuyết dây ra đời với tham vọng kết hợp các kết quả của 2 lý thuyết trên. Sau này khi nhập thuyết siêu đối xứng vào thì gọi là thuyết siêu dây hay thuyết dây siêu đối xứng. Các vấn đề toán học của nó khó đến nỗi các nhà vật lý khi nghiên cứu thuyết siêu dây lần đầu tiên đã vượt trên các nhà toán học bằng việc tự tạo ra công cụ toán học cho mình để phục vụ nghiên cứu (trước đây toán học luôn phải dẫn trước một bước). Còn rắc rối hơn khi không chỉ có một lý thuyết dây mà là có tới 5 lý thuyết dây khác nhau, tuy có ít nhiều biểu hiện đối xứng đang dần lộ diện.

Hawking vốn ban đầu không quan tâm đến thuyết dây nên ông đã lỡ nhịp trong nghiên cứu. Hiện nay ông không còn là người tiên phong nữa, nhưng vẫn rất lạc quan khi tuyên bố rằng thuyết M sắp lộ diện. Thuyết M là tên được dùng để đồng nhất với TOE (Theory of Everything). Thuyết này phải bao gồm được các thuyết trước đây, giải thích được mọi hiện tượng vật lý. Nghe thật to tát và người ta vẫn chỉ đang mơ ước đến nó. Một đống các thứ từ siêu dây, siêu hấp dẫn, p-brane... đang được nhét vào đó, đưa không gian phình từ 3 chiều lên thành 10 chiều, rồi hơn 20 chiều... (!?) nhưng tất cả chỉ là lý thuyết chưa hoàn chỉnh.

Hiện nay ngoài các khó khăn lý thuyết còn có khó khăn thực nghiệm khi các máy gia tốc lớn còn đang được xây dựng. Các nhà lý thuyết còn khá lâu mới có thể kiểm chứng được lý thuyết của mình.

Tóm lại, việc thống nhất 2 trụ cột của vật lý hiện đại không chỉ làm Einstein bó tay trong suốt 30 năm cuối cuộc đời mà con đang làm bó tay nhiều thế hệ các nhà khoa học khác. Newton trong suốt những năm cuối của cuộc đời không thể giải nổi bài toán 3 vật tương tác, cho mãi đến tận sau này khi Poincaré đưa ra lý thuyết hỗn độn thì người ta mới có được lời giải. Có lẽ vấn đề TOE còn lâu mới được giải quyết.

Theo Hội học sinh Hànội - Amsterdam

Nguồn gốc và tiến hoá vũ trụ

Vũ trụ có nguồn gốc từ đâu, vì sao vũ trụ xuất hiện? Vũ trụ tiến hoá như thế nào và có kết thúc hay không? Thú vị là chỉ trong vòng một thế kỷ, con người đã có thể thảo luận những câu hỏi ngàn đời đó một cách khoa học. Bài viết này cố gắng đưa ra một bức tranh sơ bộ về những câu hỏi nói trên.

Mô hình Big bang tiêu chuẩn
Mô hình Big Bang (vụ nổ lớn) cho rằng vũ trụ khởi thuỷ bằng một vụ nổ khoảng 15 tỷ năm trước. Tại vụ nổ, kích thước vũ trụ được xem là bằng không nên mật độ năng lượng và nhiệt độ vô cùng lớn. Sau vụ nổ, vũ trụ giãn nở và nguội dần, cho phép thành các cấu trúc như ta đã thấy ngày nay.

Ít nhất có ba cơ sở lý luận và thực tiễn dẫn tới mô hình. Thật thú vị khi biết chính một nhà văn là người đầu tiên cho rằng vũ trụ phải có điểm khỏi đầu. 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 nên 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. Những thực tế bầu trời ban đêm lại tối đen. Trong bài thơ văn xuôi dài Eureku năm 1848, Edgar Poe cho rằng, đó là do các ngôi sao không đủ thời gian để chiếu sáng toàn vũ trụ. Và 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 vai trò quyết định trong việc hình thành lý thuyết Big Bang.

Cơ sở lý luận thứ hai 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 tời việc không – thời gian la hình thức tồn tại của vật chất). Điều đó dẫn tời việc không – thời gian và do đó vũ trụ có thể có khởi đầu và kết thúc, một ý tưởng ban đầu chính Einstein cũng tìm cách chống lại.

Cơ sở thực tiễn của mô hình là phát hiện vũ trụ giãn nở của Hubble những năm 1920. Vũ trụ hiện đang giản nở và các thiên hà ngày càng xa nhau chứng tỏ trong quá khứ chúng gần nhau, khi vũ trụ có kích thước nhỏ hơn. Suy diễn ngược thời gian mãi sẽ đi đến thời điểm khai sinh, khi toàn vũ trụ tập trung tại một điểm, nơi có mật độ năng lượng, nhiệt độ và độ cong không thời gian vô hạn. Và một vụ bùng nổ sẽ khiễn vũ trụ sinh thành.

Tuy nhiên mật độ vật chất hay lực hấp dẫn quá lớn có thể khiến vũ trụ co lại ngay khi vừa giãn nở. Cùng với những nguyên nhân khác mà Alan Guth giả định sự giãn nở lạm phát, cho phép vũ trụ tăng kích thước 1030 lần chỉ trong khoảnh khắc (từ thời điển 10-35 đến thời điểm 10-32 giây sau vụ nổ). Vượt qua cái ranh giới thành bại tế vi đó, vũ trụ đắc thắng giãn nở và tạo ra mọi thứ, kể cả bản thân chúng ta.

Đó là mô hình vũ trụ nóng giãn nở lạm phát tiêu chuẩn. Năm 1991 khi viễn kính Hubble trên vệ tinh Cobe đo được phông bức xạ tàn dư từ nổ quá khứ đúng như tiên đoán, mô hình Big Bang được thừa nhận rộng rãi.

Những vấn đề bỏ ngỏ

Big Bang là mô hình tốt nhất hiện nay, nhưng tất nhiên nó vẫn còn nhiều vấn đề, bao gồm điểm kì dị và sự khởi đầu tối hậu. Vật lý luân tránh các điểm kì dị, nơi một đại lượng nào đó đạt giá trị vô cùng – điều chỉ có trong thế giới toán học trừu tượng. Big Bang chính là điểm kì dị như vậy và đó là điều cần tránh. Rồi Big Bang sinh ra vũ trụ, vậy cái gì sinh Big Bang? Không la khi nhà thờ rất hoan nghênh mô hình, vì xem Big Bang là hiện thân của đấng sáng tạo.

Một cách tránh vấn đề kì dị là lý thuyết dây của vật lý hạt (cơ bản). Lý thuyết dây xem cấu tử cơ bản nhất củ vũ trụ không phải là hạt (như điện tử, quark...) mà là dây hay siêu dây với 10 chiều. Có đến 5 lý thuyết dây và đến 1995 người ta thấy rằng chúng chỉ là phiên bản của một lý thuyết nền tảng hơn là lý thuyết màng 11 chiều. Các kiểu dao động khác nhau của màng được thể hiện thành các hạt cơ bản mà ta thấy. Quan điểm cũ xem hạt cơ bản là chất điểm không kích thước nên dẫn tới điểm kì dị, còn màng thì không vì chúng có kích thước xác định, dù rất nhỏ.

Bài toán khởi đầu tồi hậu thì phức tạp hơn. Một cách giải quyết vấn đề là khảo sát sự kết thúc. Vũ trụ giãn nở mãi mãi hay dần co lại trong một vụ co lớn (Big Crunch)? Nếu vũ trụ đủ vật chất, lực hấp dẫn sẽ thắng dần sự giãn nở và vũ trụ đủ vật chất, lực hấp dẫn sẽ thắng dần sự giãn nở và vũ trụ sẽ co về điểm kì dị chung cục. Và vụ nổ tạo nên chúng ta có thể có thể là kết quả của vụ co trước. Đó là mô hình vũ trụ luân hồi của Wheeler, với các chu trình co giãn nối thành vòng tròn như triết lý nhà Phật, một phương thức để tránh sự khởi đầu tối hậu.

Đáng tiếc Big Cruch không phải là đối xứng gương hoàn hảo của Big Bang. Khi vũ trụ co, các Photon sẽ nhận thêm năng lượng do trường hấp dẫn mạnh. Và vũ trụ khi kết thúc sẽ nóng hơn lúc khởi đầu. Kết quả là vụ nổ càng về sau càng mạnh hơn. Điều đó chứng tỏ vũ trụ vẫn cần một điểm khởi đầu tối hậu, giống như mô hình chỉ có một Big Bang vậy. Nhà thơ vẫn chưa mất đi nỗi hào hứng.

Cuộc cách mạng cuối thiên niên kỷ

Quan niệm luân hồi hàm ý vũ trụ đủ vật chất để có thể co lại. Nhưng quan niệm đó bị bác bỏ năm 1998. Việc quan sát các sao siêu mới đã dẫn tới một kết luận mang tính cách mạng: vũ trụ đang giãn nở ngày càng nhanh. Đó là tin không vui vì mô hình luân hồi được ưu thích hơn, nơi vũ trụ và sự sống có thể sinh diệt không ngừng nghỉ.

Tại sao vũ trụ giãn nở ngày càng nhanh? Câu trả lời khá đơn giản: vì thiếu lượng vật chất cần thiết. Quan trọng hơn, dường như vũ trụ chứa một dạng năng lượng đặc biệt có tác dụng phản hấp dẫn.

Vài chục năm trước các nhà thiên văn xem vũ trụ chỉ chứa vật chất sáng thông thường. Khi thấy tốc độ quay của các thiên hà quá nhanh, người ta giả định loại chất tối nhiều gấp 10 lần chất sáng (để lực hấp dẫn đủ bù với lực lý tâm do thiên hà quay, nều không thiên hà sẽ tan rã). Chất tối được chia thành hai loại; Loại thường (như sao lùn nâu, lỗ đen...) và loại lạ (như neutrino có khối lượng, các hạt giả thuyết axion hay Wimp...). Nay cần thêm vào loại vật chất hay năng lượng mới, gọi là năng lượng tối, chiếm tới hai phần ba khối lượng vũ trụ:

Bản chất năng lượng tối với áp lực âm (để tạo phản hấp dẫn) có lẽ là thách thức lâu dài đối với vật lý và vũ trụ học.

Đầu tiên là năng lượng chân không. Chân không vật lý không phải là cõi hư vô, mà chứa đầy các hạt – phản hạt ảo, sinh diệt không ngừng do nguyên lý bất định Heisenberg. Theo đó, không thể xác định chính xác đồng thời giá trị các gặp đại lượng vật lý liên hợp (như vị trí và tốc độ, giá trị các cặp đại lượng vật lý liên hợp (như vị trí và tốc độ, giá trị và độ biến thiên của một trường vật lý...). Nên năng lượng chân không phải khác không, vì nếu bằng không thì độ biến thiên cũng bằng không; có nghĩa hai đại lượng được xác định chính xác đồng thời, điều mà nguyên lý bất định cấm. Đó là do sinh hạt và phản hạt ảo. Chẳng hạn trong 1cm3 trước mắt ta, luôn có 1030 điện tử ảo! Chúng gây hiệu ứng đó đếm được, như hiệu ứng Casimir. Tính toán thấy chúng tạo mật độ năng lượng lớn gấp 10120 lần các dạng vật chất khác, một con số khiến giới vật lý choáng váng!

Ứng cử viên thứ hai là thành phần thứ năm (chơi chữ theo Aristotle, người xem bốn yếu tố nước, lửa, không khí và đất tao nên vũ trụ). Đơn giản nhất là một trường lượng tử thay đổi rất chậm theo thời gian, cơ chế giải thích giai đoạn giãn nở lạm phát. Khả năng khác đến từ vật lý các chiều dư kỳ ảo, tức dây 10 chiều hay màng 11 chiều nói ở trên. Trong lý thuyết này, vật chất thông thường nằm trên các màng ba chiều. Các màng này nằm sát nhau trong chiều thứ 11. Ánh sáng đi theo các màng ba chiều đến mắt ta phải mất hàng tỷ năm, trong khi tác động hấp dẫn (hay phản hấp dẫn) thì đến ngay theo chiều dư, tạo giá trị ước lượng vô cùng lớn như vừa nói. Tuy nhiên, những khó khăn toán học khiến việc đưa ra một mô hình hoàn chỉnh là bất khả chỉ trước mắt mà còn có thể trong tương lai.

Mô hình màng và chạm

Nhằm giải quyết hai vấn đề kì dị và khởi đầu tối hậu, cuối 2001 các nhà khoa học Steinhardt, Turok, Khoury, Ovrut và Seiberg đề xuất mô hình màng và chạm, xem Big Bang không phải là khởi đầu của không –thời gian, mà là điểm chuyển tiếp giữa pha đang giãn nở và pha co lại trước đó. Đây chính là mô hình luân hồi, nhưng có ưu điểm hơn các mô hình luân hồi khác.

Mô hình giả định vũ trụ của chúng ta là một màng ba chiều trôi trong không gian bốn chiều. Một màng khác – một vũ trụ song song – nằm ngay bên cạnh ở khoảng cách vi mô trong chiều thứ tự. Vũ trụ này gần hơn cả làn da, những ta không thể thấy hay chạm được vào nó. Các màng này hành động giống như nối với nhau bằng lò xo: kéo lại khi các màng xa nhau và đẩy ra khi chúng lại gần, khiến các màng dao động ra xa rồi đến gần. Chúng tuần tự va chạm chính là Big Bang. Năng lượng Big Bang nguyên thuỷ là năng lượng va chạm; còn các thăng giá mật độ (thấy rõ trên phông bức xạ hoá thạch do vệ tinh Cobe đo được năm 1991 và là hạt giống phát triển thành các thiên hà sau này) là các vết nhăn của màng. Trong quá trình dao động và va chạm, các màng vẫn có thể tự co giãn.

So với mô hình lạm phát tiêu chuẩn, mô hình này co ưu điểm là không cần năng lượng tối để giải thích sự giãn nở ngày càng tăng của vũ trụ. Đơn giản đó là năng lượng “lò xo”. Theo Turok, ưu điểm khác là kì dị chỉ xuất hiện trong chiều thứ tư (khi hai màng va chạm thì khoảng cách bằng không), khả năng nhẹ nhất trong số các kì dị. Và do vẫn tiếp tục giãn nở trước và sau va chạm, các Photon sẽ không thu thêm năng lượng, nên Big Crunch không nóng hơn Big Bang, cho phép loại bỏ sự khởi đầu tối hậu, một chủ đề thần học ưa thích.

Tất nhiên mô hình cũng để lại nhiều vấn đề. Đầu tiên, kì dị nhẹ nhất thì vẫn là kì dị. Tiếp nữa, không rõ các thăng giáng nhỏ hay các vết nhăn của màng tái xuất hiện thế nào sau và chạm. Theo Linde, một người xây dựng mô hình lạm phát, điều đó giống như ném một cái ghế vào lỗ đen và hy vọng nó sẽ tái sinh. Rồi bản chất lực lò xo cũng là bài toán nan giải. Tuy nhiên nhiều nhà thiên văn hoan nghênh mô hình, vì như lời nhà lý thuyết dây nổi tiếng Veneziano ở Cern, chúng ta dễ chấp nhận ý tưởng Big Bang là kết quả của một cái gì đó hơn là nguyên nhân của mọi thứ.

“Tà Thuyết” Monday

Các mô hình trên đều vưởng phải bài toán năng lượng tối. Vì thế từ 1983, Mordehai Milgrom (israel) đề xuất Mond, tức động lực Newton biến đổi (Modified Newtonian Dynamics). Ông cho rằng định luật hai Newton F=ma sẽ biến thành F=ma2 ở các gia tốc thấp, cỡ 10-10 m/s2. Có nghĩa là chỉ cần một lực nhở hơn hay ít vật chất hơn để gia tốc các thiên hà. Và bài toán chất tối hay năng lượng tối sẽ mặc nhiên được loại trừ.

Ban đầu giới thiên văn bác bỏ Mond. Nhưng những thành công trong việc giải thích sự hình thành và tiến hoá của thiên hà (các phép đo mới đây phù hợp với tiên đoán của Milgrom nhiều năm trước) thuyết phục được một số nhà khoa học. Tuy nhiên họ không nghĩ động lực Newton sai, mà xem đó là một bổ chính có ý nghĩa thực hành, khi gọi nó là MIFF, tức công thức làm khớp Milgrom (Milgrom Fitting Formula).

Vũ trụ hữu hạn hay vô hạn?

Hãy xét nguyên lý Mach, cho rằng quán tính của vật là do nó tương tác với toàn vũ trụ. Có thể hiểu rõ hơn qua việc xét lực ly tâm trên một thùng nước. Khi quay nước trong thùng, mặt nước sẽ lõm xuống: ta nói nó chịu tác dụng của lực ly tâm. Đó là do nước quay so với thùng đứng yên? Hoàn toàn không, vì khi quay cả thùng và nước với cùng tốc độ, mặt nước vẫn lõm xuống. Mach cho rằng, mặt nước lõm vì “biết” nó đang quay đối với toàn vũ trụ. Nói cách khác, quán tính là do tương tác của toàn vũ trụ lên vật. Vì thế vũ trụ phải hữu hạn. Nếu vũ trụ vô hạn thì quán tính sẽ lớn vô hạn: Mọi vật không thể thay đổi trạng thái chuyển động, một điều trái với thực tế.

Nhưng đó chỉ là đơn vũ trụ (universe) của chúng ta. Nhiều người giả định các vũ trụ song sóng hay đa vũ trụ (munltiverse), mỗi vũ trụ có hệ qui luật riêng. Hãy nhớ lại các màng va chạm, không chỉ hai mà có thể nhiều hơn. Hoặc hình dung trò thổi bong bóng xà phòng, mỗi bong bóng là một đơn vũ trụ. Các bong bóng có thể nỗi với nhau bằng các lỗ sâu đục (wormhole). Theo thuyết tương đối tổng quát, chúng là đường tắt nối các vùng không thời gian trong một bong bóng, thậm chí nối các bong bóng vũ trụ với nhau. Chúng cho phép năng lượng phun trào giữa các bong bóng. Có thể hình dung một sự phun trào như thế chính là Big Bang đã sinh ra vũ trụ mà ta đang sống.

Như vậy có thể chúng ta đang sống trong một đơn vũ trụ hữu hạn. Đơn vũ trụ này là một trong vô vàn các màng hay bong bóng của một đa vũ trụ vô hạn. Ai cũng có thể hài lòng, du thích vũ trụ vô hạn hay hữu hạn.

Giả thuyết này giúp loại bỏ đấng sáng tạo tối cao. Trong tác phẩm nổi danh Giai điệu bí ẩn (đã dịch ra tiếng Việt), Trịnh Xuân Thuận đặt niềm tin vào đấng sáng và cho rằng ông muốn đặt niềm tin vào hy vọng chứ không phải tuyệt vọng. Theo ông, tìm được một bong bóng thích hợp cho sự sống giữa vô tận các bong bóng là việc bất khả, cũng như xem sự sống chỉ là sự biến ngẫu nhiên không thoả mãn được lòng tự tôn của con người. Thiển nghĩ vấn đề có khi ngược lại. Nếu con người do một đấng tối thượng tạo ra thì chúng ta chỉ là những con rối. Khi đó sẽ không có ý chí tự do chủ đề ưu thích của Bergson; cũng không có sự lựa chọn một trong những khả năng khác nhau, như một cách tự quyết định số phận – đặc trưng cơ bản của tính người. Còn nếu chúng ta xuất hiện như sự kết hợp vi diệu giữa cái ngẫu nhiên và cái tất nhiên chúng ta cần sống xứng đáng với tất cả những khó khăn của sự sinh thành. Và điều đó có thể có ý nghĩa nhân văn.

Đa vũ trụ sinh ra như thế nào?

Như trên đã nói, từng đơn vũ trụ là hữu hạn nhưng đã vũ trụ có thể vô hạn. Điều đó chúng tỏ nó chứa một năng lượng vô hạn, điều vô nghĩa về mặt vật lý? Rất may không phải như vậy.

Tính bật định lượng tử cho phép các cặp hạt – phản hạt ảo, hay các “bọt” năng lượng xuất hiện từ chân không, miễn là chúng ta sẽ biến mất sau thời gian tồn tại ngắn ngủi. Bọt càng ít năng lượng thì tồn tại càng lâu. Vì năng lượng trường hấp dẫn là âm, còn năng lượng chứa trong vật chất là dương, nên nếu đa vũ trụ là phẳng (dù đơn vũ trụ có thể cong), hai dạng năng lượng đó triệt tiêu nhau và năng lượng đa vũ trụ chính xác bằng không. Khi đó các qui tắc lượng tử cho phép nó tồn tại mãi mãi. Nói cách khác, chính tình hình bất định là nguyên nhân khiến vũ trụ có thể xuất hiện từ hư vô, một ý tưởng độc đáo đến mức khi nghe Gamow kể tại Princeton những năm 1940, Einstein đã đứng sững giữa đường khiến hai người suýt bị xe đâm chết.

Ta có thể đặt câu hỏi, vậy hư vô từ đâu xuất hiện? có lẽ đó là câu hỏi không hợp lý. Thoả đáng hơn là đặt câu hỏi, tại sao có tình bất định để vũ trụ có thể sinh thành? Và liệu có những câu hỏi nền tảng hơn nữa hay không?

Cuối cùng xin nhấn mạnh sự thống nhất giữa vi mô và vĩ mô. Chính nhờ đi đến tận cùng bản chất vi mô mà khoa học có thể hiểu hành tung vũ trụ. Những ý kiến cho rằng qui giản luận (re-ductionism), một cách tiếp cận dựa trên phép phân tích để ngày càng đi sâu vào cấu trúc vi mô của thế giới, đã mất hết khả năng nhận thức là không có cơ sở. Trong cuốn Các giấc mơ về lý thuyết cuối cùng, 1992, Steven Weinberg, nhà vật lý đoạt giải Nobel vì công lao thống nhất các tương tác yếu và điện tử, đã dành hẳn hai chương để phê phán các nhà triết học và bênh vực cho qui giản luận cùng phép phân tích.

Theo Tạp chí Tia Sáng