Một
số câu hỏi khiến ta bứt rứt không yên, bởi ta chỉ có thể trả lời chúng
bằng một trong hai cách mà cách nào cũng khó hình dung như nhau. Chẳng
hạn, có phải chúng ta là những sinh vật duy nhất có trí tuệ cho trong
vũ trụ không, hay chúng ta sẽ tìm thấy những sinh vật khác như thế? Một
câu hỏi khác thuộc loại này là liệu vũ trụ đã khỏi đầu từ một thời điểm
xa xăm nào đó trong quá khứ hay nó đã luôn luôn có đây.
Lý thuyết vụ nổ lớn (big bang) là
một câu trả lời khả dĩ. Vụ nổ năng lượng khủng khiếp và sự giãn nở
không gian tiếp theo đó là động lực cho mọi sự vật và hiện tượng mà
ngày nay ta thấy bằng mắt và kính viễn vọng. Tuy nhiên, theo thuyết vụ
nổ lớn, vũ trụ chúng ta là một vũ trụ cong mà ở đó vật chất và năng
lượng không kết hợp với nhau. Trên thực tế ta biết không - thời gian là
phẳng và các thiên hà cũng như bức xạ được phân phối đều khắp. Để chống
đỡ cho lý thuyết big bang, các nhà vũ trụ học đề xuất rằng vũ trụ đã
khởi đầu bằng sự giãn nở đột ngột theo cấp số mũ từ một mảng không gian
đồng dạng duy nhất mà dấu vết vẫn còn trong vũ trụ cho đến ngày nay.
Các thuyết vũ trụ bành trướng này tỏ ra hữu hiệu và đã đánh bật mọi lý
thuyết khác.
Tuy nhiên, năm ngoái, một nhóm nhà
nghiên cứu đã khởi sự thách thức thống trị của thuyết này, mặc dù vũ
trụ học vẫn chưa lấy gì làm mặn mà với cách tiếp cận mới. Dựa trên một
số ý niệm mới mẻ nhưng chưa được kiểm chứng trong vật lý hạt cơ bản,
nhóm nghiên cứu này lý giải vụ nổ lớn như sự va chạm dữ dội giữa hai
vật thể nhiều chiều hơn. Trong chương mới nhất của thiên “sáng thế ký”
này, các tác giả đã tìm được cách biến vụ va chạm duy nhất này hành một
cuộc đấu không bao dứt cứ khoảng một triệu tỷ năm lại diễn ra và như
vậy có nghĩa là vũ trụ của chúng ta chỉ là một giai đoạn trong một vòng
luân hồi sinh và tái sinh vô tận.
Những ý tưởng luân hồi này không
có gì mới. Từ thập niên 30, nhà khoa học Richad Tolman ở Viện Công nghệ
Cali-fornia từng băn khoăn liệu điều gì sẽ xảy ra nếu một vũ trụ khép
lớn - trong đó toàn bộ vật chất và năng lượng rốt cuộc sẽ nén chặt lại
ở thời điểm. Vụ co lớn (Big Crunch) - không khép lại vĩnh viễn ở thời
điểm cáo chung đó mà sẽ lại bùng nổ. Chẳng may, cuối cùng Tolman nhận
ra rằng cứ mỗi chu kỳ mới vũ trụ sẽ thâu nạp lại entrôpi, bù lại cứ mỗi
chu kỳ nó sẽ phồng to lên như một hòn tuyết lăn. Và, cũng như hòn tuyết
lăn, một vũ trụ phải bắt đầu từ một điểm nào đó trong thời gian.
Thế rồi trong thập niên 1960, các
nhà vật lý chứng minh được rằng Vụ co lớn (Big Crunch) cũng phải tận
cùng ở một điểm kỳ dị (singulanty), nghĩa là một điểm "lèn chặt” vật
chất và sức nóng vô tận, nơi mà thuyết tương đối tổng quát bị phá vỡ.
Vậy cũng có nghĩa là, các quy luật vật lý hiện có là đủ để giải thích
mọi sự “Ý tưởng vũ trụ luân hồi đã có từ lâu". Andreas Albrecht tại Đại
học California, một đồng sáng lập lý thuyết bành trướng nói nhưng nó
luôn luôn bị đặt trước một câu hỏi có tính căn đề: vậy đâu là thứ [quy
luật] vật lý mà theo đó vũ trụ, sau khi co lại thành điểm kỳ dị, lại
bung ra và giãn nở.
Dây kỳ dị (String-ularity)
Một trong những cách khác giải
quyết được vấn đề là giả thiết các hạt cơ bản như electron, photon và
quark kỳ thực chỉ là biểu hiện của những “dây” năng lượng nhỏ xíu lắc
lư trong những chiều lớn hơn. Vấn đề là một lý thuyết dây như vậy đòi
hỏi vũ trụ phải có ít nhất 10 chiều chứ không chỉ ba chiều không gian
và một chiều thời gian như ta thường quan niệm. “Trong lý thuyết dây,
ta học được một điều ta đang ở trong một vũ trụ nhiều chiều hơn." Burt
Ovrut, một trong các chủ soái của lý thuyết dây tại Đại học
Peunsylvaniana nói: “Thế thì vấn đề là thế giới thực của chúng ta từ
đâu ra? Đó là một câu hỏi cực hay”.
Những người đặt nền móng cho câu
trả lời vào năm 1995 là Petr Horave, lúc đó đang ở Viện Princeton, và
Ed Written thuộc Viện nghiên cứu nghiên cứu của Princeton. Hai người
này chứng minh rằng các dây cũng có thể tồn tại trong một lý thuyết
mang tính nền tảng hơn gồm 11 chiều. Họ dùng thuật toán để “gập" một
trong các chiều đó thành một đường nhỏ xíu, vậy còn lại một không -
thời gian 11 chiều, kèm mỗi bên là hai “màng” (brane) gồm 10 chiều mà
họ gọi một cách văn vẻ là những màng “tận cùng thế giới" (end of the
world branes). Một trong các màng này có những quy luật vật lý giống
như vũ trụ của chứng ta Từ đó, Ovrut và các đồng nghiệp lập luận, ta có
thể tính toán sao cho sáu trong 10 chiều đó là cực nhỏ và ta không thấy
được trong đời sống hàng ngày, vậy còn lại bốn chiều truyền thống gồm
ba chiều không gian và một chiều thời gian như ta biết.
Đầu năm 2001, các nhà vũ học
Justin Khoury and Paul Dteinhardt của Viện Priceton, một nhà tiên phong
khác của lý thuyết bành trướng, Neil Turok của Đại học Cambridge and
Butt Ovrut đã kết hợp lý thuyết màng của mình với lý thuyết Big bang.
Bằng cách vặn ngược đồng hồ trong lý thuyết dây, họ phát hiện rằng
trong khi màng vũ trụ của chúng ta vượt qua điểm kỳ dị khởi thủy theo
chiều ngược lại, nó đột ngột chuyển từ trạng thái nóng và đậm đặc mãnh
hệt nhưng hữu hạn sang trạng thái lạnh, phẳng và hầu như rỗng. Trong
quá trình này, nó khai phóng một loại màng khác vào khoảng trống 11
chiều. Tiến về phía trước trong thời gian vụ nổ lớn (Big bang) hóa ra
không gì khác hơn là hai cái màng vỗ vào nhau giống như cặp chũm chọe.
Họ đặt tên cho quá trình này là mô hình “bùng cháy” (tạm dịch từ
“ekpyrotic model"), dựa theo huyền thoại sáng thế cổ Hy Lạp trong đó vũ
trụ ra đời và tiến hóa từ một vụ bùng cháy dữ dội.
Tuy nhiên, vì chưa hiểu biết sâu
hơn về điểm kỳ dị trong lý thuyết dây vào lúc đó nhóm đã không thể
nghiên cứu xem điều gì sẽ xảy ra khi màng vũ trụ của chúng ta giãn nở
sau vụ va chạm, mô hình này chỉ cho ta thấy một vũ trụ đang co rút.
Nhưng vào cuối năm ngoái, phối hợp với Nathan Seiberg ở Viện nghiên cứu
nâng cao, nhóm phát hiện rằng có thể giải thích điểm kỳ dị như là sự va
chạm giữa hai màng “tận cùng thế giới” trong đó chỉ chiều vũ trụ ngăn
cách giữa hai màng là co lại thành 0 trong một khoảnh khắc. Vậy cái
trông có vẻ như kỳ dị tai ương, khi mô tả bằng sự va chạm giữa hai màng
hóa ra lại chẳng kỳ dị chút nào, Turok giãi thích. Seiberg lưu ý rằng
lý thuyết này vẫn chỉ là phởng đoán, tuy nhiên về toán học, nó đồng
nhấtvới diễn giải về điểm kỳ di Big bang trong thuyết tương đối tổng
quát.
Cho đến thời điểm này, mô hình
“bùng cháy” dường như có phần khiên cưỡng, Alan Guth ở Viện Công nghệ
Massachu-setts, một tác giả khác của lý thuyết bành trướng nhận xét:
Dường như ai cũng nhất trí rằng vũ trụ trước Big bang phải tối, phẳng
và vô hại. Nhưng tại sao nó bắt buộc phải khởi đầu trong một trạng thái
như thế? Câu trả lời, theo công trình mới nhất của Stenhadt và Turok,
liên quan tới năng lượng tối, vốn là lực làm các thiên hà ngày càng
tách xa nhau với vận tốc tăng không ngừng.
Các màng vũ trụ
Do vũ trụ tăng tốc, ánh sáng sẽ
ngày càng khó du hành giữa những vùng không gian ngày một xa nhau hơn.
Theo thời gian, các thiên hà sẽ trở nên cách ly khỏi nhau, các ngôi sao
sẽ mờ dần, các lỗ đen sẽ làm bốc hơi theo nghĩa cơ học các lượng tử
thành bức xạ, rồi chính bức xạ này sẽ yếu dần trong đại dương không
gian. Cuối cùng, vũ trụ có thể sẽ giống như trạng thái trước vụ nổ lớn
mà mô hình “bùng cháy” mô tả.
Vì vậy, Steinhardt and Turok đề
xuất rằng năng lượng tối, kết hợp với một điểm kỳ dị “lành” hơn trong
lý thuyết “bùng cháy”, cho ta một con đường thuận lợi để thiết lập [lý
thuyết về] vũ trụ luân hồi. Màng vũ trụ của chúng ta và màng “đối tác’
của nó vẫn sẽ vào nhau, nhưng thay vì bật ra khỏi nhau và vào nhau,
nhưng thay vì bật ra khỏi nhau và đường ai nấy đi, chúng sẽ lại tiếp
tục va vào nhau như thế nối với nhau bằng một lò xo. Lực hấp dẫn giữa
hai màng trên thực tế là một ca đặc biệt của loại lực mà thuyết vũ trụ
bành trướng đã đặt ra nhằm giải thích bùng nổ khởi nguyên của vũ trụ.
Sự dao động của các màng có tác
dụng “bơm” không gian vào vũ trụ của chúng như cái bễ lò rèn, điều này
giải thích sự tăng tốc giãn nở mà ta đang thấy. Vậy khi bạn hỏi tại sao
vũ trụ lại như ngày nay Turok giải thích, đó là vì nó phải như thế để
có thể lặp lại lần sau. Và do mỗi màng vốn dĩ đã phẳng và rộng vô tận,
sẽ không có chu kỳ nào gọi là đầu tiên để ta phải băn khoăn.
Theo Abrecht, mô hình này thật hấp
dẫn trong việc phác họa mối liên hệ tối hậu giữa sự bành trướng ban đầu
và sự tăng tốc hiện nay của vũ trụ, nhưng ông lưu ý rằng “sẽ còn hay
hơn nhiều nếu nó thật sự cho thấy được vũ trụ luân hồi là khả dĩ có
thật". Guth cũng tỏ ra không lay chuyển. Theo ông giải thích, mặc dù
ông mong đến cái ngày khoa vũ trụ học sẽ dung hợp lý thuyết dây, ông
vẫn muốn ngành vũ trụ học đó sẽ là thuyết bành trướng [chứ không phải
lý thuyết màng]. Nói chung, không phải nhà vật lý nào cũng bị thuyết
phục rằng các màng vũ trụ va chạm nhau có thể tạo ra những biến thiên
nhỏ trong mật độ vật chất và năng lượng, điều mà thuyết bành trướng lý
giải rất gọn. Những biến thiên cực nhỏ này là cần thiết để giải thích
cách thức các vì sao và thiên hà quần tụ lại với nhau, cũng như giải
thích các thuộc tính chi tiết của bức xạ vi ba nền của vũ trụ.
Trong mô hình ”bùng cháy”, người
ta giả thiết rằng các biến thiên này phát sinh khi các màng làm “gợn
sóng” lượng tử theo nghĩa cơ học, khiến các vùng khác nhau va đập vào
nhau và giãn nở. Phe “bùng cháy” tin rằng những gợn sóng này có thể tạo
ra chính những biến thiên mà ta thấy ngày nay. Tôi nghĩ, thật đáng ngạc
nhiên khi mô hình này rất thành công tỏng việc tái tạo mọi thứ ta thấy
đồng thời vẫn khác biệt đến nhường ấy so với những thuyết quen thuộc.
Steinhardt nhận xét: “Điều đó quả thực gây sốc và theo tôi là rất hệ
trọng, bởi vì tôi nghĩ tất cả chúng ta đang quy về một mối, đó là câu
chuyện duy nhất về vũ trụ”.
Những điểmkỳ dị vẫn là một rào cản
khác. Mặc cho bước hến gần đây nhất, không ai dám chắc rằng những giả
thuyết như “gợn sóng’ của các màng có thể thật sự vượt êm xuôi từ vụ co
lớn đến vụ nổ lớn. “Cái gì xảy ra tại điểm kỳ dị?” Seigerg tự hỏi. “Đây
là một câu hỏi lớn còn bỏ ngỏ nên mặc dù điểm kỳ dị trong lý thuyết dây
có thể là điểm kỳ dị “lành” nhất như Turok nói, nó vẫn cứ là một câu đố
hiểm.
Tuy nhiên, chuyện còn chưa ngã ngũ và
hãy còn quá sớm để nói liệu lý thuyết mới về các màng va chạm nhau sẽ
đứng vững trong bao lâu. Có lẽ nó sẽ lôi vào cuộc những người khác còn
giàu tưởng tượng hơn. Steinhadt nói: “Có khi tôi nghĩ mô hình vũ trụ
luân hồi qủa đầy sức mê hoặc. Nó có nhiều yếu tố mới mẻ người ta chưa
hề biết. Khi vào cuộc, họ có thể sẽ còn phát hiện những điều thú vị
khác mà chúng tôi đã bỏ qua". Mà cũng có thể họ sẽ chẳng phát hiện gì
mới cả.
Theo: Tạp chí Tia Sáng