MỌI SỰ ĐÃ KHỞI ĐẦU NHƯ THẾ NÀO? - TRẢ LỜI NGẮN GỌN NHỮNG CÂU HỎI LỚN – STEPHEN HAWKING

Hamlet đã nói, “Tôi có thể bị giam trong một vỏ quả hạch, và tự xem mình là vua của không gian vô tận”. Tôi nghĩ, anh ấy ngụ ý rằng mặc dù con người chúng ta rất hạn chế về thể lực, nhất là trong trường hợp của riêng tôi, nhưng tâm trí của chúng ta tự do thăm dò toàn bộ vũ trụ, và tự tin đi đến những nơi mà ngay cả Star Trek còn ngại đặt chân đến. Vũ trụ có thật là vô tận, hay chỉ là rất rộng lớn? Nó có chăng một khởi đầu? Nó sẽ tồn tại mãi mãi hay chỉ một khoảng thời gian dài? Bằng cách nào mà tâm trí hữu hạn của chúng ta lại có thể thấu hiểu một vũ trụ vô hạn?Liệu rằng chuyện chúng ta chủ ý làm việc này có phải đã là tự tin thái quá?

Dù có thể chịu cùng số phận như Prometheus, người đã trộm lửa của các vị thần cổ đại để trao cho loài người, tôi tin chúng ta có thể, và nên, cố gắng hiểu được vũ trụ. Hình phạt dành cho Prometheus là bị xích vĩnh viễn vào một tảng đá, mặc dù thật may mắn là cuối cùng ông đã được Hercules giải thoát. Chúng ta đã có tiến bộ đáng kể trong việc hiểu biết vũ trụ. Dù vậy chúng ta còn chưa có được bức tranh hoàn thiện. Tôi thiên về suy nghĩ, rất có thể chúng ta còn cách đích cần đến không xa.

Theo người Boshongo ở Trung Phi, thì khởi nguyên chỉ có bóng tối, nước và thần vĩ đại Bumba. Một hôm Bumba, khó ở vì đau bụng, đã nôn ra Mặt Trời. Rồi, Mặt Trời làm cạn một phần nước, lộ ra đất. Vẫn còn đau, Bumba nôn ra Mặt Trăng, các vì sao và một số loài vật – báo, cá sấu, rùa và cuối cùng là con người.

Những huyền thoại sáng thế này, giống như nhiều huyền thoại khác, cố gắng trả lời những câu hỏi mà tất cả chúng ta quan tâm. Vì sao chúng ta ở đây? Chúng ta từ đâu đến? Câu trả lời thường thấy là con người xuất hiện tương đối muộn bởi một điều rõ ràng là loài người vẫn liên tục cải thiện hiểu biết và công nghệ của mình. Thế thì loài người chưa thể có một lịch sử lâu dài, nếu không thì hẳn đã tiến bộ hơn rất nhiều. Chẳng hạn, theo Giám mục Ussher, thì Sách Sáng Thế (Book of Genesis) đã lấy gốc thời gian là lúc 6 giờ chiều ngày 22 tháng Mười năm 4004 trước Công nguyên. Mặt khác, toàn bộ môi trường tự nhiên, như núi non và sông ngòi, thay đổi rất ít trong thời gian tồn tại của con người. Vì thế chúng được xem là bối cảnh không đổi, hoặc đã tồn tại vĩnh viễn như một vùng đất trống không, hoặc đã được tạo ra đồng thời với con người.

Tuy nhiên, không phải ai cũng bằng lòng với ý tưởng rằng vũ trụ đã có một khởi đầu. Ví như, Aristotle, người nổi tiếng nhất trong các triết gia Hy Lạp, tin rằng vũ trụ đã tồn tại vĩnh cửu. Một cái gì đó vĩnh cửu hẳn là hoàn thiện hơn nhiều so với một cái gì đó được tạo ra. Aristotle cho rằng nguyên do chúng ta nhìn thấy sự tiến bộ là bởi lụt lội, hoặc các thảm họa thiên nhiên khác, đã lặp đi lặp lại đẩy ngược nền văn mình trở lại thuở ban đầu. Động cơ cho việc tin vào một vũ trụ trường cửu là mong muốn không phải viện dẫn tới sự can thiệp thần thánh để tạo ra vũ trụ và làm cho nó vận động. Ngược lại, những người tin rằng vũ trụ có một khởi đầu đã dùng điều đó làm luận cứ cho sự tồn tại của Thượng đế như nguyên nhân ban đầu, hay người khởi xướng, của vũ trụ.

Nếu tin rằng vũ trụ có một khởi đầu, thì những câu hỏi hiển nhiên sẽ là, “Cái gì đã xảy ra trước khởi đầu ấy? Thượng đế đã làm gì trước khi Ngài tạo ra thế giới? Phải chăng Ngài đã chuẩn bị sẵn địa ngục cho những ai đặt ra các câu hỏi như vậy?” Vấn đề vũ trụ có hoặc không có khởi đầu đã từng là mối quan tâm lớn của triết gia người Đức, Immanuel Kant. Ông cảm thấy, dù thế nào thì vẫn có những mâu thuẫn logic, hay những đối kháng cơ bản không thể hóa giải. Nếu như vũ trụ có khởi đầu thì vì sao nó lại chờ đợi một khoảng thời gian vô tận trước khi khởi phát? Kant gọi mệnh đề đó là luận đề. Mặt khác, nếu vũ trụ đã tồn tại vĩnh cửu, thì vì sao phải mất khoảng thời gian vô tận để nó tới được giai đoạn hiện nay? Ông gọi mệnh đề thứ hai này là phản luận đề. Cả luận đề và phản luận đề đều phụ thuộc vào giả định của Kant, cũng như của hầu hết mọi người khác, rằng thời gian là tuyệt đối. Theo giả định này, thời gian trôi từ quá khứ vô tận đến tương lai vô tận, độc lập với việc vũ trụ bất kỳ nào đó tồn tại hoặc không.

Ngày nay giả định của Kant vẫn là bức tranh hiện hữu trong tâm trí của nhiều nhà khoa học. Tuy nhiên, vào năm 1915 Einstein đã đề xuất thuyết tương đối tổng quát mang tính cách mạng. Theo lý thuyết này, không gian và thời gian không còn là tuyệt đối, không còn là cái nền cố định cho các sự kiện nữa. Thay vào đó, chúng là các đại lượng động lực học, được định hình bởi vật chất và năng lượng trong vũ trụ. Không gian và thời gian được định rõ chỉ bên trong vũ trụ, thành thử thật vô nghĩa nếu nói về thời gian trước khi vũ trụ khởi phát. Nó cũng giống như hỏi về một điểm phía nam của Nam Cực. Điểm đó không được định rõ.

Cho dù lý thuyết của Einstein đã thống nhất thời gian và không gian, nó lại không cho ta biết nhiều về bản thân không gian. Có điều dường như hiển nhiên là không gian trải rộng ra mãi và mãi và mãi. Chúng ta không nghĩ là vũ trụ bị chặn đứng bởi một bức tường gạch, dù chẳng có lý do logic nào phủ định khả năng đó. Tuy nhiên, những thiết bị hiện đại như kính viễn vọng Hubble cho phép ta thăm dò cả những nơi xa xăm của vũ trụ. Chúng ta quan sát thấy hàng tỷ và hàng tỷ thiên hà với hình dạng và kích thước khác nhau. Có những thiên hà dạng ellip khổng lồ, và những thiên hà dạng xoắn ốc giống như thiên hà của chính chúng ta. Mỗi thiên hà chứa hàng tỷ và hàng tỷ ngôi sao, nhiều ngôi sao lại có các hành tinh quay quanh. Thiên hà của chính chúng ta đang che lấp tầm nhìn của chúng ta theo những phương nào đó. Ngoại trừ các phương ấy, chúng ta thấy các thiên hà phân bố gần như đồng đều trong toàn vũ trụ, với những chỗ đậm đặc hay những khoảng trống cục bộ. Mật độ các thiên hà đúng là giảm mạnh ở những khoảng cách rất lớn, nhưng đó dường như là do chúng ở quá xa và quá mờ nhạt để có thể phát hiện ra. Ở mức độ chúng ta có thể phân biệt được, thì vũ trụ mở rộng ra mãi mãi trong không gian và mật độ của nó gần như không thay đổi cho dù có mở rộng ra đến đâu đi nữa.

Mặc dù vũ trụ có vẻ là như nhau ở mọi vị trí không gian, nó đang thay đổi một cách rõ ràng theo thời gian. Điều này không được nhận biết cho đến tận những năm đầu của thế kỷ vừa qua. Trước đó, người ta đã từng cho rằng vũ trụ về cơ bản là không thay đổi theo thời gian. Có thể là nó đã tồn tại trong một khoảng thời gian dài vô hạn, nhưng điều đó dường như dẫn đến những kết luận phi lý. Nếu các ngôi sao đã bức xạ trong khoảng thời gian dài vô tận, thì chắc là chúng đã làm nóng vũ trụ cho tới khi nhiệt độ của nó đạt tới nhiệt độ của chính các ngôi sao. Nếu vậy, ngay cả ban đêm, toàn bộ bầu trời sẽ sáng chói như Mặt Trời, bởi lẽ mỗi tuyến nhìn đều dừng lại ở hoặc một ngôi sao hoặc một đám mây bụi, mà các đám bụi thì cũng đã bị thiêu đốt lên đến mức nóng như các ngôi sao rồi. Thành thử, việc tất cả chúng ta đều thấy bầu trời tối về ban đêm là một thực tế rất quan trọng. Nó ngụ ý rằng vũ trụ không thể đã tồn tại rất lâu rất lâu ở chính trạng thái mà ta đang nhìn thấy hiện nay. Chắc hẳn phải có điều gì đó đã xảy ra trong quá khứ, làm cho các ngôi sao vụt sáng ở một khoảng thời gian hữu hạn trước đây. Và, ánh sáng từ các ngôi sao rất xa chưa đủ thời gian để chiếu tới chúng ta. Điều này lý giải vì sao bầu trời ban đêm không rực sáng theo mọi phương.

Nếu các ngôi sao đã có mặt ở chính nơi đó từ rất rất lâu, thì vì sao chúng lại đột ngột bừng sáng vài tỷ năm trước? Cái gì đóng vai trò chiếc đồng hồ bảo các ngôi sao rằng đã đến lúc chúng bừng sáng? Nghi vấn này đã làm bối rối các nhà triết học, giống như Immanuel Kant, những người tin rằng vũ trụ tồn tại vĩnh hằng. Tuy nhiên, đa số mọi người đồng tình với ý tưởng cho rằng vũ trụ đã được tạo ra, hầu như nó đang hiện hữu, chỉ vài ngàn năm về trước, đúng như kết luận của Giám mục Ussher. Song, các quan sát bằng kính viễn vọng 2,5 m ở đỉnh Mount Wilson, Mỹ, vào những năm 1920 đã làm nảy sinh các bất đồng trong dòng ý tưởng này. Trước hết, Edwin Hubble phát hiện ra nhiều mảng sáng yếu ớt, từng gọi là tinh vân, thực ra là các thiên hà khác, các quần thể vô vàn ngôi sao giống như Mặt Trời của chúng ta, nhưng ở rất xa. Sở dĩ các ngôi sao xuất hiện nhỏ bé và mờ ảo như vậy vì khoảng cách quá xa đến nỗi ánh sáng từ chúng phải mất hàng triệu, thậm chí hàng tỷ năm mới đến được với chúng ta. Điều này phủ nhận khả năng vũ trụ mới chỉ được khởi tạo vài ngàn năm trước.

Thế mà, phát hiện thứ hai của Hubble thậm chí còn nổi bật hơn. Bằng cách phân tích ánh sáng xuất phát từ các thiên hà khác nhau, Hubble có thể đánh giá được liệu chúng đang tiến gần lại hay rời xa khỏi chúng ta. Ông đã hết sức ngạc nhiên khi thấy rằng hầu hết các thiên hà đều đang chạy xa khỏi chúng ta. Hơn nữa, càng ở xa ta chúng càng rời đi nhanh hơn. Nói cách khác, vũ trụ đang giãn nở. Các thiên hà đang chạy khỏi nhau.

Phát hiện sự giãn nở của vũ trụ là một trong những cuộc cách mạng tri thức vĩ đại nhất của thế kỷ 20. Phát hiện này hết sức bất ngờ, và nó đã làm thay đổi hoàn toàn cuộc tranh luận về nguồn gốc vũ trụ. Nếu như các thiên hà đang tản ra, thì hẳn là trong quá khứ chúng đã từng cụm lại với nhau. Từ tốc độ giãn nở hiện nay, chúng ta có thể ước tính rằng khoảng 10 đến 15 tỷ năm trước các thiên hà thực sự đã từng co cụm rất rất sát với nhau. Vậy là dường như vũ trụ đã được khởi tạo vào thời điểm đó, khi mà tất cả mọi thứ đều hiện hữu tại cùng một điểm không gian.

Nhưng nhiều nhà khoa học không bằng lòng với việc vũ trụ có một khởi đầu, bởi vì điều này dường như ngụ ý rằng vật lý học bị phá vỡ. Có lẽ ta phải nhờ cậy một thế lực bên ngoài, mà để tiện có thể gọi là Thượng đế, để xác định cách thức khởi đầu của vũ trụ. Vì thế, nhiều người đã đưa ra các lý thuyết trong đó vũ trụ giãn nở ở thời điểm hiện tại, nhưng lại không có khởi đầu. Một trong số đó là lý thuyết trạng thái ổn định do Hermann Bondi, Thomas Gold và Fred Hoyle đề xuất năm 1948.

Ý tưởng của lý thuyết trạng thái ổn định là khi các thiên hà chạy xa khỏi nhau, các thiên hà mới có thể hình thành từ vật chất được giả định là liên tục sinh ra trong khắp không gian. Vũ trụ như thế hẳn là tồn tại vĩnh viễn, và hẳn là lúc nào trông cũng vẫn như vậy. Thật may, tính chất “vẫn như vậy” này là một tiên đoán có thể kiểm tra bằng quan sát thiên văn. Vào những năm đầu thập niên 1960, dưới sự lãnh đạo của Martin Ryle, nhóm thiên văn vô tuyến ở Cambridge đã tiến hành nghiên cứu sâu rộng các nguồn sóng vô tuyến yếu. Các nguồn này phân bố khá đều trong bầu trời, điều đó cho thấy hầu hết các nguồn hiện nằm ngoài thiên hà chúng ta. Về trung bình mà nói, các nguồn càng xa thì càng yếu.

Lý thuyết trạng thái ổn định tiên đoán mối liên hệ giữa số nguồn và cường độ của chúng. Nhưng các quan sát lại cho thấy số nguồn yếu nhiều hơn so với tiên đoán, điều này nghĩa là trong quá khứ mật độ nguồn đã từng cao hơn. Kết quả quan sát này trái ngược với giả thiết cơ bản của thuyết trạng thái ổn định, theo đó mọi thứ là không đổi theo thời gian. Vì sự đối lập này cũng như các nguyên nhân khác, lý thuyết trạng thái ổn định đã bị loại bỏ.

Một nỗ lực khác nhằm tránh việc vũ trụ có khởi đầu đó là ý kiến cho rằng, đúng là trước đây đã từng có thời kỳ vũ trụ co cụm lại, nhưng do hiệu ứng quay và sự không đồng đều cục bộ mà vật chất không rơi toàn bộ vào cùng một điểm. Thay vào đó, các phần vật chất khác nhau lướt qua nhau, và vũ trụ nở ra trở lại với mật độ vẫn luôn là hữu hạn. Hai người Nga, Evgeny Lifshitz và Isaak Khalatnikov, từng tuyên bố là họ đã chứng minh được rằng sự co lại thông thường mà không có một đối xứng chính xác nào thì luôn dẫn đến bật nẩy trở lại với mật độ vẫn là hữu hạn. Kết quả này rất phù hợp với chủ nghĩa duy vật biện chứng Marxist-Leninist, bởi nó tránh được những câu hỏi hóc búa về sự tạo thành vũ trụ. Vì thế, với các nhà khoa học Xô Viết, công trình của Lifshitz và Khalatnikov đã trở thành bài báo của đức tin.

Tôi bắt đầu nghiên cứu vũ trụ học ngay vào khoảng thời gian Lifshitz và Khalatnikov công bố kết luận của họ rằng vũ trụ không có khởi đầu. Tôi nhận thấy đây là vấn đề vô cùng quan trọng, nhưng tôi không tin vào những luận cứ của Lifshitz và Khalatnikov.

Chúng ta đã quen với suy nghĩ rằng các sự kiện hiện hữu được gây ra bởi các sự kiện sớm hơn, rồi đến lượt mình các sự kiện sớm hơn này lại do các sự kiện sớm hơn nữa gây ra. Đây là chuỗi nhân quả, mở ngược về quá khứ. Nhưng giả sử chuỗi này có một khởi đầu, giả sử có một sự kiện đầu tiên. Cái gì đã gây ra sự kiện đầu tiên ấy? Đây không phải là câu hỏi mà nhiều nhà khoa học muốn luận bàn. Họ cố lảng tránh nó hoặc bằng cách tuyên bố, giống như những người Nga và các nhà lý thuyết trạng thái ổn định, rằng vũ trụ không có khởi đầu, hoặc bằng cách khăng khăng rằng vấn đề nguồn gốc của vũ trụ không nằm trong lĩnh vực khoa học mà thuộc về siêu hình học hay tôn giáo. Theo tôi, bất kỳ nhà khoa học thực thụ nào đều không nên lảng tránh như vậy. Nếu các định luật khoa học bị vô hiệu hóa ở khởi đầu của vũ trụ, có phải chúng cũng sẽ thất bại ở các thời điểm khác? Một định luật sẽ không còn là định luật nữa nếu nó chỉ đúng ở một số thời điểm. Tôi tin rằng chúng ta cần cố gắng để hiểu sự khởi đầu của vũ trụ trên cơ sở khoa học. Đó có thể là nhiệm vụ vượt quá năng lực của chúng ta, dù sao ít nhất ta phải gắng làm thử.

Roger Penrose và tôi đã chứng minh thành công các định lý hình học chỉ ra rằng vũ trụ phải có một khởi đầu nếu thuyết tương đối tổng quát của Einstein là đúng và những điều kiện hợp lý nhất định được thỏa mãn. Rất khó tranh cãi với một định lý toán học, nên cuối cùng Lifshitz và Khalatnikov đã thừa nhận rằng vũ trụ có khởi đầu. Cho dù ý tưởng về sự khởi đầu của vũ trụ có thể không phù hợp lắm với tư tưởng của họ, thì hệ tư tưởng cũng không thể cản trở khoa học vật lý. Vật lý đã từng cần cho việc chế tạo bom, và quan trọng là nó đã vận hành. Tuy nhiên, hệ tư tưởng Xô Viết đã cản trở sự tiến bộ của sinh học bằng việc phủ định sự thật về di truyền.

Mặc dù các định lý do Roger Penrose và tôi chứng minh đã chỉ ra rằng vũ trụ phải có khởi đầu, chúng không cho biết nhiều thông tin về bản chất của khởi đầu đó. Các định lý này cho biết, vũ trụ đã khởi đầu ở một Vụ Nổ Lớn, điểm mà tại đó toàn bộ vũ trụ cùng mọi thứ trong đó đã được nén vào chỉ một điểm riêng rẽ với mật độ vô hạn, một kỳ dị không-thời gian. Tại điểm này thuyết tương đối tổng quát của Einstein không còn hiệu lực nữa. Thành thử ta không thể dùng nó để tiên đoán về cách thức khởi đầu của vũ trụ. Người ta bó tay với cái nguồn gốc vũ trụ dường như vượt khỏi phạm vi của khoa học này.

Vào tháng Mười 1965, vài tháng sau kết quả đầu tiên của tôi về kỳ dị không-thời gian, với việc phát hiện ra nền vi sóng yếu ớt xuyên suốt không gian, đã có bằng chứng quan sát khẳng định ý tưởng vũ trụ từng có một khởi đầu mật độ rất cao. Những vi sóng này y như vi sóng trong chiếc lò vi sóng của bạn, nhưng với năng lượng nhỏ hơn rất rất nhiều. Chúng có thể làm nóng bánh pizza của bạn chỉ đến âm 270,4 độ Celsius, chẳng ích gì cho việc làm bánh rã đá, nói chi đến nướng nó. Thực ra bạn có thể tự mình quan sát các vi sóng ấy. Ai đã từng dùng TV thế hệ analog thì hầu như đều đã quan sát thấy chúng. Nếu bạn chuyển TV của mình sang một kênh trống không, thì vài phần trăm của ảnh nhiễu mà bạn nhìn thấy trên màn hình là do chính nền vi sóng này gây ra. Chỉ có một cách giải thích hợp lý về cái nền ấy, nó là bức xạ còn sót lại từ trạng thái rất nóng và đậm đặc của vũ trụ thời tiền sử. Khi vũ trụ giãn nở, bức xạ đã bị lạnh đi đến khi nó chỉ còn là tàn dư yếu ớt mà ngày nay chúng ta quan sát được.

Ý tưởng rằng vũ trụ khởi đầu với một điểm kỳ dị không phải là điều mà tôi và một số người khác tâm đắc. Sở dĩ thuyết tương đối tổng quát Einstein không còn đúng ở gần Big Bang vì đó là một lý thuyết cổ điển. Trong các lý thuyết cổ điển, người ta ngầm thừa nhận một điều dường như hiển nhiên theo hiểu biết thông thường, đó là mỗi hạt có một vị trí hoàn toàn xác định và một tốc độ hoàn toàn xác định. Với một lý thuyết được gọi là cổ điển như vậy, nếu ta biết vị trí và tốc độ của tất cả các hạt trong vũ trụ tại một thời điểm, thì ta có thể tính được vị trí cũng như tốc độ của chúng tại thời điểm bất kỳ, trong quá khứ hoặc tương lai. Tuy nhiên, vào đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học đã phát hiện rằng họ không thể tính một cách chính xác điều gì sẽ xảy ra ở những khoảng cách cực ngắn. Vấn đề ở đây không phải là ta cần các lý thuyết chính xác hơn. Dường như có một mức độ ngẫu nhiên hay bất định trong tự nhiên mà ta không thể loại trừ cho dù lý thuyết của ta có tốt đến đâu đi nữa. Điều đó có thể được tóm gọn trong Nguyên lý Bất định do nhà khoa học người Đức Werner Heisenberg đề xuất năm 1927. Ta không thể tiên đoán một cách chính xác cả vị trí và tốc độ của một hạt. Vị trí được dự đoán với độ chính xác càng cao, thì khả năng dự đoán chính xác tốc độ càng thấp, và ngược lại.

Einstein cực lực phản đối ý tưởng rằng vũ trụ được vận hành một cách ngẫu nhiên. Cảm nghĩ của ông được gói gọn trong tuyên bố “Thượng để không chơi súc sắc”. Nhưng, tất cả bằng chứng cho thấy Thượng để thực sự là một con bạc. Vũ trụ giống như một sòng bạc khổng lồ với các con súc sắc lăn lăn hay các bánh xe quay quay trong mọi tình huống. Chủ sòng bạc có nguy cơ mất tiền mỗi khi con súc sắc được tung ra hay bánh xe roulet được quay. Tuy nhiên, khi tính trên số lớn cá cược, thì cơ may sẽ được lấy trung bình, và chủ sòng bạc nắm chắc chúng sẽ là trung bình có lợi cho mình. Đó là lý do vì sao các chủ sòng bạc đều rất giàu. Chỉ một cơ hội để bạn thắng họ là đặt cược toàn bộ tiền vào vài vòng lăn của súc sắc hay vài vòng quay của bánh xe.

Đây cũng chính là điều xảy ra với vũ trụ. Khi vũ trụ rộng lớn, thì có rất rất nhiều vòng lăn súc sắc và các kết quả được trung bình hóa về cái mà chúng ta có thể dự đoán. Còn khi vũ trụ vô cùng nhỏ, ngay sát Big Bang, thì chỉ có một số nhỏ các vòng lăn súc sắc, và lúc này Nguyên lý Bất định trở nên rất quan trọng. Do vậy để hiểu được nguồn gốc của vũ trụ, phải hợp nhất Nguyên lý Bất định vào thuyết tương đối tổng quát Einstein. Đây là thách thức cực lớn với vật lý lý thuyết ít nhất là trong ba thập niên gần đây. Chúng ta vẫn chưa hóa giải được thách thức đó, nhưng đã gặt hái được nhiều tiến bộ.

Bây giờ, giả sử ta thử dự đoán tương lai. Bởi lẽ ta chỉ biết tổ hợp nào đó của vị trí và tốc độ của một hạt, nên không thể dự đoán chính xác vị trí và tốc độ tương lai của chúng. Chúng ta chỉ có thể nói về xác suất xảy ra của các tổ hợp nhất định của vị trí và tốc độ. Thành ra, có một xác suất nào đó cho một tương lai nhất định của vũ trụ. Đó là về tương lai. Theo cùng cách này ta cũng có thể thử tìm hiểu về quá khứ.

Với bản chất của các quan sát mà ngày nay có thể thực hiện được, tất cả những gì ta có thể làm là xác định xác suất cho một quá trình lịch sử nhất định của vũ trụ. Có rất nhiều quá trình lịch sử khả dĩ, mỗi quá trình có xác suất của riêng mình. Một lịch sử vũ trụ trong đó nước Anh vô địch World Cup lần nữa là quá trình khả dĩ, cho dù xác suất của nó có thể là thấp. Ý tưởng về vũ trụ đa lịch sử nghe như thể khoa học giả tưởng, nhưng ngày nay nó đã được thừa nhận là một thực tiễn khoa học. Ý tưởng này thuộc về Richard Feynman, ông đã làm việc ở Viện Công nghệ California danh tiếng rất đáng nể trọng và đã quấn khăn làm áo chơi trống bongo trên đường phố. Để hiểu cách thức hoạt động của sự vật, phương pháp của Feynman là gán cho mỗi quá trình lịch sử khả dĩ một xác suất riêng, rồi sử dụng ý tưởng này để đưa ra các dự đoán. Phương pháp này cực kỳ hiệu quả trong tiên đoán tương lai. Vậy, chúng ta đồ chừng là nó cũng hữu hiệu cả trong việc truy ngược về quá khứ.

Các nhà khoa học hiện đang tìm cách kết hợp thuyết tương đối tổng quát của Einstein với ý tưởng đa lịch sử của Feynman thành một lý thuyết thống nhất hoàn thiện mà nó có thể mô tả mọi thứ xảy ra trong vũ trụ. Lý thuyết thống nhất này sẽ cho phép ta tính được cách thức tiến hóa của vũ trụ khi biết trạng thái của nó tại một thời điểm. Tuy nhiên, lý thuyết thống nhất tự nó không cho ta biết vũ trụ khởi thủy như thế nào cũng như trạng thái ban đầu của nó. Để biết được những điều này, ta cần có thêm thứ gì đó. Ta cần cái gọi là các điều kiện biên, những điều kiện cho ta biết điều gì đang xảy ra ở các biên của vũ trụ, các mép của không gian và thời gian. Nhưng, nếu biên của vũ trụ chỉ là tại một điểm không-thời gian bình thường thì ta có thể đi qua nó và xem vùng xa hơn như một phần của vũ trụ. Mặt khác, nếu biên vũ trụ là ở một cái mép lởm chởm, tại đó không gian hay thời gian bị ép chặt lại và mật độ là vô hạn, thì sẽ rất khó xác định được những điều kiện biên có ý nghĩa. Thành thử, không rõ những điều kiện biên nào là cần thiết. Dường như không có cơ sở logic nào cho việc chọn tập điều kiện biên này thay cho tập điều kiện biên khác.

Tuy nhiên, Jim Hartle của Đại học California, Santa Barbara, và tôi đã nhận ra rằng, có khả năng thứ ba. Rất có thể, vũ trụ không có biên trong không gian và thời gian. Thoạt nhìn, dường như điều này mâu thuẫn trực tiếp với các định lý hình học mà tôi đã giới thiệu ở trên. Những định lý này chỉ ra rằng vũ trụ phải từng có khởi đầu, tức là có một biên về thời gian. Tuy nhiên, để các kỹ thuật của Feynman được xác định chuẩn về mặt toán học, các nhà toán học đã phát triển một khái niệm gọi là thời gian ảo. Nó chẳng liên quan gì với thời gian thực mà chúng ta đang cảm nhận. Nó là một mẹo toán học nhằm làm cho các tính toán trở thành khả thi và nó thay thế thời gian thực. Ý tưởng của chúng tôi là giả dụ không có biên trong thời gian ảo. Điều đó giải thoát ta khỏi việc cố bịa ra các điều kiện biên. Chúng tôi gọi giả dụ của mình là đề xuất không biên.

Nếu điều kiện biên của vũ trụ là nó không có biên trong thời gian ảo, thì vũ trụ sẽ không chỉ có một quá trình lịch sử duy nhất. Có nhiều quá trình lịch sử trong thời gian ảo và mỗi một trong chúng sẽ xác định một quá trình lịch sử trong thời gian thực. Vì vậy chúng ta có dư thừa các quá trình lịch sử dành cho vũ trụ. Từ tập tất cả các quá trình lịch sử khả dĩ của vũ trụ, điều gì là chủ thể chọn ra một lịch sử riêng biệt, hay một tập các quá trình mà trong đó chúng ta đang sống?

Có một điểm mà chúng ta có thể nhận ra ngay là, có rất nhiều trong số các quá trình lịch sử vũ trụ khả dĩ này không có chuỗi liên tiếp hình thành các thiên hà và các vì sao, mà điều này lại là tối cần thiết cho sự phát triển của chính chúng ta. Cứ cho là các sinh vật thông minh có thể phát triển không có các thiên hà và các vì sao, nhưng khả năng này dường như không thể. Vậy là, chính thực tế rằng chúng ta đang tồn tại như các thực thể sống có thể nêu ra câu hỏi “Vì sao vũ trụ diễn tiến như nó đang xảy ra?” lại là một giới hạn về quá trình lịch sử trong đó chúng ta đang sống. Điều đó ngụ ý, nó là một trong số ít các quá trình lịch sử có các thiên hà và các vì sao. Đây là một ví dụ của cái gọi là Nguyên lý Vị nhân (Anthropic Principle). Nguyên lý Vị nhân bảo rằng vũ trụ đại thể phải giống như chúng ta đang nhìn thấy, bởi vì nếu vũ trụ khác đi thì đã chẳng có ai ở đây để mà quan sát nó.

Nhiều nhà khoa học không thích Nguyên lý Vị nhân, bởi vì nó dường như không hơn gì một cảm hứng, và nó chẳng có mấy khả năng dự đoán. Tuy nhiên, Nguyên lý Vị nhân có thể đưa ra một diễn đạt chính xác, và nó dường như rất quan trọng với việc tìm hiểu nguồn gốc vũ trụ. Lý thuyết M, ứng viên hàng đầu của chúng ta về một lý thuyết thống nhất đầy đủ, cho phép có một lượng rất lớn các quá trình lịch sử khả dĩ của vũ trụ. Đa phần trong các quá trình này không phù hợp để phát triển dạng sống thông minh. Chúng hoặc là trống rỗng, hoặc chỉ kéo dài trong khoảng thời gian quá ngắn, hoặc bị cong đi quá mức, hoặc sai lệch theo cách nào đó. Thậm chí, theo ý tưởng đa lịch sử của Feynman, các quá trình lịch sử không thuận với sự sống này có thể có xác suất khá cao.

Chúng ta thực sự không quan tâm đến việc có bao nhiêu quá trình lịch sử không chứa dạng sống thông minh, mà chỉ quan tâm đến tập nhỏ các quá trình trong đó sự sống thông minh đang phát triển. Dạng sống thông minh này không nhất thiết phải là thứ giống như con người. Những gã tí hon xanh lá cũng tốt. Thực ra, những người tí hon này có thể còn tốt hơn. Loài người không có thành tích thật xuất sắc về ứng xử thông minh.

Như một ví dụ về sức mạnh của Nguyên lý Vị nhân, hãy xem xét số phương trong không gian. Theo kinh nghiệm thông thường, chúng ta đang sống trong không gian ba chiều. Điều đó ngụ ý, chúng ta có thể biểu diễn vị trí của một điểm bằng ba con số. Chẳng hạn, vĩ độ, kinh độ và cao độ so với mặt biển. Nhưng, vì sao không gian lại ba chiều? Vì sao số chiều của nó không phải là hai, bốn, hoặc một số nào đó khác, giống như trong tiểu thuyết khoa học giả tưởng? Thực ra, trong lý thuyết M, không gian có mười chiều (ngoài ra lý thuyết còn có một chiều thời gian), nhưng bảy trong mười chiều không gian được cho là cuộn lại cực nhỏ, ba chiều còn lại khá lớn và gần như phẳng. Nó giống như cái ống hút. Bề mặt của ống là hai chiều. Nhưng một chiều bị cuộn lại thành một vòng tròn nhỏ, thành ra nhìn từ xa ống hút giống như một đường một chiều.

Vì sao chúng ta không sống trong một quá trình lịch sử trong đó tám chiều cuộn lại rất nhỏ, còn lại chỉ hai chiều để ta nhận biết? Một động vật hai chiều sẽ gặp khó khăn trong việc tiêu hóa thức ăn. Nếu con vật hai chiều có hệ tiêu hóa xuyên suốt, giống như ở chúng ta, thì hệ này sẽ chia cơ thể thành hai phần, và con vật tội nghiệp ấy sẽ bị vỡ ra. Do đó, hai phương phẳng là không đủ cho sự tồn tại của bất cứ thứ gì phức tạp như sự sống thông minh. Có điều gì đó thật đặc biệt về ba chiều không gian. Trong ba chiều, các hành tinh có thể có quỹ đạo ổn định quanh những ngôi sao. Đây là một hệ quả của lực hấp dẫn, nó tuân theo quy luật nghịch đảo của bình phương khoảng cách, như đã được Robert Hooke phát hiện vào năm 1665 và rồi được Isaac Newton hoàn thiện định lượng. Hãy thử xem xét lực hút hấp dẫn của hai vật cách nhau một khoảng xác định. Nếu khoảng cách đó tăng lên gấp đôi, thì lực hút giữa hai vật oảng cách đó tăng lên gấp đôi thì này sẽ giảm đi bốn lần. Nếu khoảng cách tăng lên gấp ba thì lực giảm đi chín lần, nếu gấp bốn thì 16 lần và vân vân. Điều này dẫn đến các quỹ đạo hành tinh ổn định. Bây giờ, hãy nghĩ về bốn chiều không gian. Ở đó lực hấp dẫn sẽ tuân theo quy luật nghịch đảo của lập phương khoảng cách. Nếu khoảng cách giữa hai vật tăng gấp đôi thì lực hấp dẫn giữa chúng sẽ giảm đi tám lần, gấp ba thì 27 lần, và nếu gấp bốn thì 64 lần. Sự thay đổi theo quy luật nghịch đảo của lập phương này sẽ làm cho các hành tinh không thể có được quỹ đạo ổn định quanh mặt trời của mình. Chúng hoặc là sẽ rơi vào mặt trời của mình, hoặc là thoát ra vùng tối tăm và lạnh giá bên ngoài. Tương tự, quỹ đạo của các electron trong nguyên tử cũng sẽ không ổn định, và vì thế vật chất như chúng ta đang thấy đây cũng sẽ không tồn tại. Thành thử, cho dù ý tưởng đa lịch sử cho phép có một số bất kỳ các phương gần như phẳng, chỉ những lịch sử với ba phương phẳng mới chứa các sinh vật thông minh. Chỉ trong những quá trình lịch sử như vậy mới xuất hiện câu hỏi, “Vì sao không gian có ba chiều ?”

Điều gì đã xảy ra trước Big Bang?

Theo đề xuất không biên, thì việc hỏi điều gì đã xảy ra trước Big Bang là vô nghĩa – giống như hỏi đâu là phía nam của Nam cực – vì chẳng có ý niệm về thời gian để có thể ám chỉ đến. Khái niệm thời gian chỉ tồn tại trong vũ trụ của chúng ta.

Một đặc điểm nổi bật của vũ trụ mà ta đang quan sát có liên quan đến nền vi sóng mà Arno Penzias và Robert Wilson đã phát hiện. Về bản chất đó là hồ sơ hóa thạch cho biết vũ trụ đã từng như thế nào khi còn rất non trẻ. Nền này gần như đồng đều, độc lập với phương nhìn của người quan sát. Chênh lệch giữa các phương khác nhau chỉ khoảng một phần 100.000. Độ chênh này quá nhỏ đến mức khó tin và cần một lời giải thích. Cách giải thích được chấp nhận rộng rãi cho sự đồng đều này là, rất rất sớm trong lịch sử của mình, vũ trụ đã trải qua một thời kỳ giãn nở cực nhanh, với hệ số gia tăng ít nhất là một tỷ tỷ tỷ. Quá trình này thường được gọi là lạm phát (inflation), một quá trình hữu ích cho vũ trụ, trái ngược với lạm phát giá cả thường xuyên khủng bố chúng ta. Nếu đó là tất cả những gì đã xảy ra với vũ trụ, thì bức xạ vi sóng phải là hoàn toàn như nhau theo mọi phương. Thế thì, đâu là nguồn gốc của những chênh lệch nhỏ ấy?

Vào đầu năm 1982, tôi đã viết một bài báo đề xuất rằng các chênh lệch này đã phát sinh từ các thăng giáng lượng tử trong thời kỳ lạm phát. Các thăng giáng lượng tử xảy ra như một hệ quả của Nguyên lý Bất định. Thêm nữa, các thăng giáng này chính là hạt giống cho các cấu trúc trong vũ trụ của chúng ta: các thiên hà, các vì sao và cả chúng ta nữa. Về cơ bản, ý tưởng này cùng cơ chế như cái gọi là bức xạ Hawking từ chân trời lỗ đen, mà tôi đã tiên đoán một thập niên trước, ngoại trừ một điều là bây giờ bức xạ đến từ chân trời vũ trụ, tức là bề mặt phân chia vũ trụ thành các phần chúng ta có thể nhìn thấy và các phần chúng ta không thể quan sát được. Mùa hè năm đó chúng tôi đã tổ chức một hội thảo tại Cambridge, có sự tham gia của tất cả các chuyên gia trong lĩnh vực. Trong hội thảo này, chúng tôi đã thiết lập hầu như toàn bộ bức tranh lạm phát hiện tại, bao gồm thăng giáng mật độ tối quan trọng, mà chính nó dẫn đến sự hình thành các thiên hà và do đó là sự tồn tại của chính chúng ta. Vài người đã đóng góp vào đáp án cuối cùng. Sự kiện này xảy ra mười năm trước khi vệ tinh COBE phát hiện các thăng giáng trong bầu trời vi sóng vào năm 1993, vậy là lý thuyết đã đi trước thực nghiệm.

Thêm một thập niên nữa, vào năm 2003, với những kết quả đầu tiên từ vệ tinh WMAP, vũ trụ học đã trở thành một khoa học chính xác. WMAP đã đưa ra bản đồ kỳ diệu về nhiệt độ của bầu trời vi sóng vũ trụ, một bức ảnh của vũ trụ khi khoảng 400.000 năm tuổi. Những bất đồng đều mà bạn nhìn thấy trên bản đồ này đã được lý thuyết lạm phát dự đoán từ trước, và chúng hàm ý rằng một số vùng của vũ trụ có mật độ cao hơn một chút so với các vùng khác. Lực hút hấp dẫn của phần mật độ dư ra trong một vùng làm chậm lại quá trình giãn nở của vùng đó, và cuối cùng có thể làm nó co lại tạo thành các thiên hà và ngôi sao. Vì thế hãy xem xét thật cẩn thận bản đồ bầu trời vi sóng. Nó là bản thiết kế cho tất cả cấu trúc trong vũ trụ. Chúng ta là sản phẩm của thăng giáng lượng tử trong vũ trụ thời rất rất non trẻ. Thượng đế thực sự chơi trò súc sắc.

Ngày nay, thay thế WMAP, vệ tinh Planck đưa ra bản đồ vũ trụ có độ phân giải cao hơn rất nhiều. Planck đang kiểm tra một cách nghiêm túc các lý thuyết của chúng tôi, và thậm chí có thể ghi nhận dấu ấn của các sóng hấp dẫn được lý thuyết lạm phát tiên đoán. Đây sẽ là hấp dẫn lượng tử thể hiện trong cả bầu trời.

Có thể có các vũ trụ khác. Lý thuyết M tiên đoán rằng một số rất lớn các vũ trụ đã được tạo ra từ hư không, tương ứng với nhiều quá trình lịch sử khả dĩ khác nhau. Mỗi vũ trụ có nhiều lịch sử khả dĩ và nhiều trạng thái khả dĩ khi chúng già đi đến ngày nay và già tiếp trong tương lai. Đa phần các trạng thái này hoàn toàn không giống cái vũ trụ mà ta nhìn thấy.

Vẫn còn hy vọng là ta sẽ thấy bằng chứng đầu tiên ủng hộ lý thuyết M tại máy gia tốc hạt LHC (Large Hadron Collider) của CERN ở Geneva. Từ kỳ vọng lý thuyết M, mới chỉ các năng lượng thấp được thăm dò, nhưng chúng ta rất có thể sẽ gặp may và nhìn thấy dấu hiệu yếu hơn của lý thuyết nền tảng, như là siêu đối xứng. Tôi nghĩ việc phát hiện các đối tác siêu đối xứng của các hạt đã biết sẽ cách mạng hóa hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.

Vào năm 2012, LHC của CERN ở Geneva công bố đã phát hiện ra hạt Higgs. Đây là lần đầu tiên trong thế kỷ 21 một hạt cơ bản mới được phát hiện. Vẫn còn hy vọng là LHC sẽ phát hiện ra siêu đối xứng. Tuy nhiên, ngay cả nếu LHC không phát hiện thêm hạt cơ bản mới nào, siêu đối xứng vẫn có thể được tìm thấy ở các máy gia tốc thế hệ tiếp theo, mà chúng hiện đang được hoạch định.

Chính cái gốc ban đầu của vũ trụ ở “Big Bang nóng” là một phòng thí nghiệm năng lượng cao nhất có thể cho việc kiểm nghiệm lý thuyết M, cũng như những ý tưởng của chúng tôi về các viên gạch cơ bản của không-thời gian và vật chất. Các lý thuyết khác nhau để lại những dấu ấn khác nhau trong cấu trúc hiện thời của vũ trụ, nên dữ liệu thiên văn có thể cho ta các manh mối về việc thống nhất tất cả các lực trong tự nhiên. Vâng, hoàn toàn có thể có các vũ trụ khác, nhưng thật không may là chúng ta sẽ chẳng bao giờ có khả năng thám hiểm chúng.

Chúng ta đã nắm được đôi điều về nguồn gốc vũ trụ. Tuy nhiên từ đó lại xuất hiện hai câu hỏi lớn. Liệu vũ trụ sẽ kết thúc? Có phải vũ trụ là duy nhất?

Rồi, dáng điệu tương lai của những quá trình lịch sử khả dĩ nhất của vũ trụ là gì? Dường như có những khả năng khác nhau, tương hợp với sự xuất hiện của sinh vật thông minh. Các khả năng phụ thuộc vào lượng vật chất trong vũ trụ. Nếu vật chất này nhiều hơn một lượng tới hạn nào đó, thì lực hút hấp dẫn giữa các thiên hà sẽ làm chậm lại quá trình giãn nở. Để rồi, cuối cùng các thiên hà bắt đầu lao ngược vào nhau và sẽ cụm lại trong một Big Crunch (Vụ co lớn). Đó sẽ là kết cục của quá trình lịch sử của vũ trụ, trong thời gian thực. Khi tôi ở thăm Viễn Đông, người ta đề nghị tôi đừng nói về Big Crunch vì nó có thể ảnh hưởng tới thị trường. Nhưng rồi thị trường đã sụp đổ, nên rất có thể bằng cách nào đó câu chuyện đã bị lộ. Ở Anh, người ta chẳng mấy lo lắng về kết cục có thể ở hai mươi tỷ năm sau. Bạn có thể tha hồ ăn, uống, và vui vẻ trước khi cái kết ấy xảy ra.

Nếu mật độ vật chất của vũ trụ thấp hơn giá trị tới hạn, thì hấp dẫn sẽ quá yếu để ngăn các thiên hà tản ra mãi mãi. Tất cả các ngôi sao sẽ cạn kiệt năng lượng, và vũ trụ sẽ trở nên trống rỗng hơn, trống rỗng hơn nữa, đồng thời lạnh hơn và lạnh hơn nữa. Thế là, mọi thứ cũng sẽ đi đến kết thúc, nhưng theo cách kém kịch tính hơn. Và, chúng ta có vài tỷ năm để định liệu.

Trong phần trả lời này, tôi đã cố gắng giải thích đôi điều về nguồn gốc, tương lai và bản chất của vũ trụ chúng ta. Trong quá khứ, vũ trụ nhỏ và đậm đặc, và như thế nó rất giống vỏ quả hạch mà tôi đã dùng để mở đầu câu chuyện. Vâng, quả hạch này mã hóa mọi thứ xảy ra trong thời gian thực. Và như vậy, Hamlet đã hoàn toàn đúng. Chúng ta có thể bị giam trong một vỏ quả hạch và tự xem mình là vua của không gian vô tận.

-----o0o-----

Ảnh: Nguồn Internet