Lược sử vũ trụ và sự hình thành trái đất #2

Tiếp theo phần 1

3. 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.

4. 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.

5. 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.

Stephen Hawking

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.

Nguồn: Tạp chí Xưa & Nay