Khởi nguồn của vũ trụ: Câu hỏi gây tranh cãi trong giới vũ trụ học – Phần 1

714

Ai cũng biết tới vụ nố lớn Big Bang, những trước Big Bang thì là gì? Và trước cả những sự kiện trước Big Bang thì là gì? Câu trả lời “chẳng là gì cả” của Stephen Hawking trước câu hỏi này, đã dấy lên tranh cãi trong giới vũ trụ học.

Vào năm 1981, rất nhiều nhà vũ trụ học hàng đầu thế giới đã tập trung tại Học viện Khoa học Pontifical, một viện khoa học và thần học lâu đời tọa lạc tại Vatican. Trước khi mất, Stephen Hawking đã chia sẻ một khái niệm mà sau đó đã được coi là luận điểm quan trọng nhất của ông: đề xuất về cách mà vũ trụ xuất hiện – chẳng từ gì cả.

Trước bài phát biểu của Hawking, đã có rất nhiều những câu truyện, giả thiết khoa học, và truyền thuyết kể về sự hình thành của vũ trụ. 50 năm trước Hawking, nhà vật lý người Bỉ, mục sư Công Giáo Georges Lemaître, sau đó trở thành trưởng Học viện Khoa học Vatican, đã đề ra học thuyết Big Bang, trong đó đề cập khởi nguồn của vũ trụ là một khối năng lượng nóng và dày đặc. Nhưng câu hỏi là, khối năng lượng này đến từ đâu?

Đây cũng không phải khuyết điểm duy nhất của học thuyết Big Bang. Cụ thể, các nhà vật lý cho rằng, một khối năng lượng luôn mở rộng sẽ hình thành một mớ hỗn độn, chứ không thể trở thành một vũ trụ phẳng, có quy luật như các quan sát thiên văn. Và vào năm 1980, nhà vũ trụ học Alan Guth đã đưa ra một học thuyết giải đáp cho khiếm khuyết này: sự phình to vũ trụ, trong đó vũ trụ phát triển nhanh đột xuất, hình thành một vũ trụ rộng, phẳng, trước khi bị ảnh hưởng bởi sự hỗn loạn của trọng lực. Như vậy, học thuyết về sự phình to vũ trụ đã nhanh chóng trở thành quan điểm được chấp nhận rộng rãi nhất về khởi nguồn vũ trụ. Nhưng kể cả học thuyết này cũng không giải quyết được vấn đề quan trọng nhất: Nguồn gốc của khối năng lượng mà sau đó phình to thành vũ trụ hiện tại, cũng như nguyên nhân của sự phình to này tới từ đâu?

Trả lời cho câu hỏi kéo dài hàng thế kỷ này, Hawking đưa ra một phản hồi đơn giản: chẳng có bắt đầu hay kết thúc nào. Theo một đoạn ghi âm của hội thảo tại Vatican, Hawking, lúc này 39 tuổi và vẫn có thể tự nói mà không cần thiết bị hỗ trợ, đã khẳng định trước đám đông: “Phải có một thứ gì đó đặc biệt về điều kiện giới hạn của vũ trũ phải không nào? Và tôi nghĩ rằng, điều kiện đặc biệt nhất là không tồn tại một giới hạn nào cả.

Đề nghị “không giới hạn” này sau đó đã được hoàn thành bởi Hawking và James Hartle trong một nghiên cứu xuất bản vào năm 1983, qua đó ta có thể hình dung vũ trụ dưới hình dạng một quả cầu lông – với đường kính là 0 ở điểm bắt đầu, sau đó rồi mở rộng dần. Như vậy, vũ trụ cứ thế mở rộng từ một điểm với kích cỡ là 0, tuân theo một công thức được phát triển bởi Hawking, gọi là “phương trình sóng của vụ trụ”, bao hàm cả quá khứ, hiện tại, cũng như tương lai.

Trong một bài giảng khác tại Học viên Pontifical vào năm 2016, Hawking lại khẳng định: “Theo học thuyết không giới hạn, mọi thắc mắc về những điều xảy ra trước Big Bang là vô nghĩa, bởi lẽ không có điểm bắt đầu nào để tập trung. Nó cũng vô nghĩa như việc thắc mắc về cái gì nằm ở phía Nam của Cực Nam vậy.”

Stephen Hawking và James Hartle tại một workshop năm 2014 ở gần Hereford, Anh. Ảnh: Cathy Page.

Như vậy, Hartle và Hawking đã thay đổi hoàn toàn khái niệm về thời gian. Cụ thể, mọi thời điểm của vũ trụ đều trở thành một giao điểm trong quả cầu lông, tức thời gian chỉ bao hàm các tương quan giữa các kích thước vũ trụ tại các giao điểm, tức coi thời gian là chỉ số entropy, hay còn gọi là sự hỗn loạn – trái với quan điểm coi vũ trụ là đang mở rộng và phát triển theo thời gian. Trong đó, entropy sẽ tăng dần từ phần cầu tới phần lông trong quả cầu, hình thành một “mũi tên thời gian”. Tương quan cũng sẽ dần hỗn loạn ở điểm đầu của quả cầu lông, và thời gian sẽ không còn tồn tại tại điểm này, chỉ để lại không gian. Giải thích về giả thiết này, Hartle, nay đã 79 tuổi và là giáo sư tại Đại học California, Santa Barbara, cho biết: “Khi vũ trụ bắt đầu, loài chim chưa xuất hiện cho tới mãi sau này… Và ở khởi đầu của vũ trụ, thời gian cũng không xuất hiện cho tới mãi sau này.”

Và giả thiết không giới hạn này đã gây chấn động trong giới vật lý học trong suốt 4 thập kỷ. Nói về giả thiết, Neil Turok, nhà vũ trụ học tại Viện Lý thuyết Vật lý tại Waterloo, Canada, từng cộng tác với Hawking đã bày tỏ: “Đó là một ý tưởng đẹp và khơi gợi tuyệt vời.” Và đó cũng là đại diện cho một dự đoán đầu tiên về mô tả lượng tử của vũ trụ – hàm số sóng, mà từ đó một lĩnh vực hoàn toàn mới mang tên “Vũ trụ lượng tử” bắt đầu. Các nhà nghiên cứu vũ trụ lượng tử sẽ đưa ra các thuyết thay thế về cách vũ trụ bắt đầu từ hư không, phân tích các dự đoán từ lý thuyết, cách thử nghiệm chúng, cũng như phân tích các ý nghĩa triết học của những lý thuyết này. Và hàm số sóng không giới hạn, theo Hartle, “là lý thuyết đơn giản nhất trên nhiều khía cạnh.”

Song, 2 năm trước, một nghiên cứu bởi Turok và Job Feldbrugge từ viện nghiên cứu Perimeter, và Jean-Luc Lehners từ Viện Max Planck về Vật lý Trọng lực tại Đức lại đặt vấn đề trong giả thuyết của Hartle và Hawking. Cụ thể, giả thuyết Hartle-Hawking chỉ có hiệu lực nếu vũ trụ bắt nguồn từ 0 có thể hình thành thành một vũ trụ tương đương vũ trụ hiện tại – và cả 2 đều khẳng định, kết quả này là tất yếu. Nhưng Turok lại chỉ ra vấn đề trong khẳng định này. “Vấn đề trong phương thức của Stephen và Jim là nó quá mơ hồ”, ông nói.

Trong nghiên cứu được xuất bản trên tờ Physical Review Letters vào năm 2017, Turok và các nhà đồng nghiên cứu đã đánh giá giả thuyết của Hawking với các kỹ thuật toán học, nhằm đưa ra các dự đoán chắc chắn hơn. Về kết quả, Turok chia sẻ: “Chúng tôi phát hiện ra là lý thuyết đó thất bại hoàn toàn. Theo cơ chế lượng tử, một vũ trụ đơn thuần không thể bắt đầu như được nêu trong học thuyết không giới hạn.” Bộ ba cũng đã tiến hành kiểm tra lại các công thức toán và giả định trước khi công bố nghiên cứu, và kết quả là không hề thay đổi. “Học thuyết Hartle-Hawking đã được xác định là một thảm họa”, Turok bày tỏ.

Sau xuất bản, nghiên cứu này đã tạo nên rất nhiều tranh cãi trong giới khoa học. Nhiều chuyên gia vẫn bảo vệ học thuyết không giới hạn trước những khẳng định của nhóm tác giả. “Chúng tôi phản đối những luận điểm kỹ thuật của nghiên cứu,” Thomas Hertog, một nhà vật lý học tại Đại học Công giáo Leuven, Bỉ, cũng là người đã hợp tác với Hawking trong 20 năm cuối cuộc đời khẳng định. “Và chúng tôi cũng không thể đồng ý với định nghĩa, khung nghiên cứu, lựa chọn về quy tắc nghiên cứu của nghiên cứu đó.”

Tranh cãi đã tiếp tục diễn ra trong suốt 2 năm, trước khi được xác định là bắt nguồn từ những quan điểm khác nhau về bản chất. Điểm thú vị là ở chỗ, những tranh cãi này đã giúp lĩnh vực vũ trụ lượng tử có thể đi xa hơn, trong đó những nhà khoa học phản đối công thức của Hawking và Hartle liên tục xây dựng những mô hình vũ trụ lượng tử, loại bỏ những điểm có vấn đề, trong khi vẫn duy trì bản chất không giới hạn của học thuyết.

Những điểm sáng trong lĩnh vực vũ trụ học

Những năm 1970 đã đánh dấu sự hợp tác của Hartle và Hawking tại Cambridge. Lúc này, những thắc mắc về lỗ đen và các bí ẩn về tính chất và trạng thái đặc biệt của chúng đã dẫn dắt họ tới việc nghiên cứu về sự hình thành của vũ trụ.

Vào năm 1915, Albert Einstein đã phát hiện ra rằng sự cô đọng của năng lượng và nguyên tố là nguyên nhân của trọng lực. Vào những năm 1960, Hawking cùng nhà vật lý Roger Penrose từ Đại học Oxford, lại phát hiện rằng, khi độ cong của không gian-thời gian hướng đủ về một tính chất, phương trình của Einstein sẽ không còn khả dụng, và ta cần phát triển một thuyết trọng lực khác. Như vậy, thuyết singularity của Penrose-Hawking lại khẳng định rằng, không gian-thời gian không có cách nào để bắt nguồn một cách trôi chảy và ít hỗn loạn tại một thời điểm.

5W Inforgraphics. Ảnh: Quanta.

Như vậy, Hawking và Hartle đã phải cân nhắc khả năng vũ trụ chỉ bắt nguồn từ không gian, thay vì một kết hợp không-thời gian liên tục biến đổi, và giả thiết theo hình dạng quả cầu lông cũng từ đó được khơi nguồn. Cụ thể, từ đó họ đưa ra một định nghĩa hàm số sóng không giới hạn theo phương thức được sáng tạo bởi nhà vật lý Richard Feynman.

Phương thức này được đưa ra bởi Feynman vào những năm 1940, sử dụng trong tính toán va chạm của nguyên tử, cũng như những cơ chế lượng tử xuất hiện sau đó. Qua đó, Feynman cũng đã nhận ra rằng, việc cộng tổng các hướng di chuyển của nguyên tử là hoàn toàn khả thi, cho kết quả thiên về đường thẳng chứ không phải các hướng phức tạp. Việc tính toán hướng di chuyển cũng dẫn tới phương trình sóng: độ khả thi của các trạng thái có thể xảy ra với các nguyên tử sau va chạm.

Hawking và Hartle cũng diễn tả phương trình sóng của vũ trụ theo một cách thức tương tự: tổng hợp mọi trường hợp mở rộng từ một điểm của vũ trụ. Qua đó, họ hy vọng rằng, tổng của mọi “lịch sử mở rộng” của các vũ trụ phẳng, dưới mọi hình dạng và kích thước này, sẽ hình thành một phương trình sóng dẫn tới một vũ trụ tương đương vũ trụ của chúng ta hiện tại. Và nếu một hình thái vũ trụ khác là kết quả phổ biến hơn, thì toàn bộ học thuyết này sẽ không còn giá trị.

Nhưng một phương trình có thể biểu tượng toàn bộ lịch sử mở rộng khả thi lại quá phức tạp để có thể được tính toán một cách chính xác. Có quá nhiều hình dạng và kích thước vũ trụ khác nhau, và mọi vũ trụ này đều có thể trở thành một mớ hỗ độn. Theo Hartle, nhà vật lý đạt giải Nobel Murrey Gell-Mann từng được hỏi: “Nếu ông biết được phương trình sóng của vũ trụ, thì tại sao ông chưa giàu?” Và hiển nhiên, để có thể giải quyết phương trình sóng theo cách thức của Feynman, Hartle và Hawking đã phải đơn giản hóa tối đa mô hình của họ, bỏ qua cả những yếu tố phổ biến của thế giới. Họ định hình tổng hướng của các vũ trụ trong một “siêu vũ trụ thu nhỏ” – tức một tập hợp các vũ trụ với một mảng năng lượng duy nhất giữa chúng: năng lượng gây ra sự phình to của vũ trụ. (Trong hình dung về quả cầu lông của Hartle và Hawking, quá trình trước khi phình to này tương đương với việc mở rộng đường kính liên tục ở phần đuôi quả cầu.)

Tuy nhiên, kể cả tính toán trên một “siêu vũ trụ thu nhỏ” cũng quá khó để có thể chính xác. Song, các nhà vật lý học đã có thể tổng kết được 2 lịch sử mở rộng chính từ việc tính toán này, và chính chúng đã hình thành 2 khía cạnh của các tranh cãi phổ biến hiện nay.

Cụ thể, 2 khía cạnh này là 2 lịch sử mở rộng “truyền thống” khả thi của vũ trụ. Theo đó, sau khi phình to từ kích cỡ 0, các vũ trụ sẽ mở rộng dần theo thuyết không-thời gian của Einstein. Một số lịch sử mở rộng đặc biệt hơn, theo hình dạng bóng bầu dục hoặc sâu, sẽ bị bão hòa trong phương trình lượng tử.

Vũ trụ của chúng ta tương tự như 1 trong 2 lịch sử “truyền thống” này: Ở quy mô lớn, nó suôn sẻ và thỉnh thoảng có những đợt bộc phát năng lượng do biến đổi lượng tử; còn ở quy mô của vũ trụ này, sự chênh lệch độ dày đặc giữa các vùng khác nhau sẽ thành hình một hình như chiếc chuông bao quanh điểm 0. Và nếu hình thái này là đặc trưng chính của phương trình sóng trong siêu vũ trụ thu nhỏ, thì ta có thể phần nào khẳng định rằng phương trình này là một mô hình khả thi cho sự hình thành của vũ trụ.

Hình thái thứ 2 lại hoàn toàn không liên quan tới vũ trụ hiện tại. Khi mở rộng, năng lượng trong vũ trụ dạng này sẽ biến động ngày một cực đoan và liên tục, dẫn tới chênh lệch lớn, hình thành hình thái một chiếc chuông bao quanh điểm vô cực. Và nếu đây là hình thái đặc trưng, thì độ khả dụng của mô hình Hartle-Hawking sẽ hoàn toàn sụp đổ.

Như vậy, hai đặc trưng này cũng đại diện cho cách thức tập hợp hướng. Nếu 2 lịch sử mở rộng đặc trưng này là 2 điểm trên một bản đồ trong một vũ trụ lượng tử, câu hỏi sẽ là, chúng ta nên đi tới địa điểm nào? Và ta chỉ có thể chọn 1 mà thôi.

Khởi nguồn của vũ trụ: Những vũ trụ tưởng tượng – Phần 2

Theo Wired

Tin liên quan: