Chương 2
Vũ trụ đã ra đời như thế nào?
Hamlet từng nói, “Tôi có thể bị mắc kẹt trong một vỏ hạt, và tôi tự xem mình là chúa tể của một không gian vô tận.” Tôi nghĩ cái ông muốn nói là rằng mặc dù con người chúng ta vốn rất bị hạn chế về mặt vật chất, đặc biệt là trong trường hợp của tôi, song tâm trí của chúng ta tự do khám phá toàn cõi vũ trụ, và liều lĩnh đi tới những nơi mà cả Star Trek cũng không dám đi. Phải chăng vũ trụ thật sự vô hạn, hay chỉ là rất lớn mà thôi? Nó có một khởi đầu không? Nó sẽ tồn tại mãi mãi hay chỉ trong một khoảng thời gian dài? Làm thế nào tâm trí hữu hạn của chúng ta lĩnh hội được một vũ trụ vô hạn? Khi cố gắng làm thế lẽ nào chúng ta không tự phụ hay sao?
Với nguy cơ phải hứng chịu số phận của Prometheus, người đã đánh cắp lửa từ các vị thần cổ đại cho loài người sử dụng, tôi tin rằng chúng ta có thể, và nên, cố gắng tìm hiểu vũ trụ. Trừng phạt dành cho Prometheus là bị trói vào đá vĩnh viễn, nhưng may thay cuối cùng thì ông được Hercules giải phóng. Chúng ta đã có sự tiến bộ đáng kể trong việc nhận thức vũ trụ. Chúng ta chưa có một bức tranh hoàn chỉnh. Tôi thích nghĩ rằng có lẽ chúng ta đã cách đích đến không xa lắm.
Theo người Boshongo ở miền trung châu Phi, thuở hồng hoang chỉ có bóng đêm, nước, và thần Bumba vĩ đại. Một ngày nọ, thần Bumba, trong cơn đau bụng dữ dội, đã nôn ra Mặt Trời. Mặt Trời làm khô cạn một phần nước, để lại đất liền. Vẫn còn đau bụng, thần Bumba nôn tiếp ra Mặt Trăng, các sao, và rồi đến một số muông thú – như báo đốm, cá sấu, rùa, và cuối cùng là con người.
Những câu chuyện sáng thế như vậy, giống như nhiều câu chuyện khác, cố trả lời cho những câu hỏi mà tất cả chúng ta đều nêu ra. Tại sao chúng ta ở đây? Chúng ta từ đâu đến? Lời đáp thường được nêu ra cho rằng loài người có nguồn gốc tương đối gần đây thôi bởi lẽ điều phải hiển nhiên là con người không ngừng cải tiến hiểu biết và công nghệ của mình. Con người không thể xuất hiện từ lâu lắm, nếu không thì nhân loại còn tiến bộ nhiều hơn nữa. Ví dụ, theo linh mục Ussher, sách Chúa Tạo Ra Thế Giới (Genesis) ấn định điểm khởi đầu của thời gian là ngày 22 tháng Mười năm 4004 trước Công nguyên, lúc 6 giờ chiều. Mặt khác, môi trường vật chất xung quanh chúng ta, như núi non và sông suối, thay đổi rất ít trong một đời người. Do đó, chúng được xem là một phông nền không đổi, và hoặc đã tồn tại từ trước dưới dạng một cảnh quan trống rỗng, hoặc đã được tạo ra đồng thời với con người.
Tuy nhiên, không phải ai cũng hài lòng với ý tưởng rằng vũ trụ có một khởi nguyên. Ví dụ, Aristotle, nhà triết học Hi Lạp nổi tiếng nhất, tin rằng vũ trụ đã tồn tại vĩnh hằng. Cái gì đó vĩnh hằng thì hoàn hảo hơn cái được tạo ra. Ông đề xuất nguyên do chúng ta nhìn thấy sự tiến bộ là vì lũ lụt, hay các thảm họa thiên nhiên khác, đến kì lại đưa nền văn minh trở về điểm khởi thủy. Động cơ để tin vào một vũ trụ vĩnh hằng là ước muốn né tránh viện dẫn sự can thiệp thần thánh nào đó để sáng tạo ra vũ trụ và đưa nó vào vận hành. Trái lại, những ai tin rằng vũ trụ có một khởi đầu thì dùng nó như một luận cứ cho sự tồn tại của Chúa là nguyên nhân hàng đầu, hay động lực chính, của vũ trụ.
Nếu ai đó tin rằng vũ trụ có một khởi đầu, thì những câu hỏi hiển nhiên là “Cái gì xảy ra trước lúc khởi đầu ấy? Chúa đang làm gì trước khi ngài tạo ra thế giới? Phải chăng ngài đang chuẩn bị Địa ngục dành cho những ai hỏi những câu như vậy? Vấn đề vũ trụ có hay không có một khởi đầu là một mối bận tâm lớn đối với triết gia Đức Immanuel Kant. Ông cảm thấy kiểu nào cũng có những mâu thuẫn lô gic, hay xung khắc. Nếu vũ trụ có một khởi đầu, thì tại sao phải chờ một thời gian vô hạn rồi nó mới bắt đầu? Ông gọi đó là chính đề. Mặt khác, nếu vũ trụ đã tồn tại vĩnh hằng, thì tại sao phải tốn một thời gian vô hạn để tới giai đoạn hiện nay? Ông gọi đó là phản đề. Cả chính đề và phản đều đều phụ thuộc vào giả định của Kant, cùng hầu như mọi người khác, rằng thời gian là tuyệt đối. Thế tức là nói, việc đi từ quá khứ vô hạn đến tương lai vô hạn là không phụ thuộc vũ trụ có tồn tại hay không.
Đây vẫn là bức tranh trong đầu nhiều nhà khoa học ngày nay. Tuy nhiên, vào năm 1915, Eisntein đã trình làng thuyết tương đối rộng mang tính cách mạng của ông. Theo lí thuyết này, không gian và thời gian không còn là tuyệt đối, không còn là một phông nền cố định cho các sự kiện nữa. Thay vậy, chúng là những đại lượng linh động được định hình bởi vật chất và năng lượng trong vũ trụ. Chúng chỉ được định nghĩa bên trong vũ trụ, vì thế sẽ là vô nghĩa nếu đề cập đến thời gian trước khi vũ trụ ra đời. Nó sẽ tựa như việc hỏi tìm điểm cực nam của Nam Cực. Nó không được định nghĩa.
Mặc dù lí thuyết của Einstein đã hợp nhất thời gian và không gian, song nó không cho chúng ta biết nhiều về bản thân không gian. Cái có vẻ hiển nhiên về không gian là nó trải dài, trải dài, và trải dài mãi. Chúng ta không trông chờ vũ trụ kết thúc ở một bức tường gạch, dù rằng chẳng có lí do lô gic nào nói tại sao không như thế. Song các các thiết bị hiện đại như kính thiên văn vũ trụ Hubble cho phép chúng ta thám hiểm sâu vào trong không gian. Cái chúng ta nhìn thấy là hàng tỉ và hàng tỉ thiên hà, thuộc mọi hình dạng và kích thước. Có những thiên hà elip khổng lồ, và những thiên hà xoắn ốc như thiên hà của chúng ta. Mỗi thiên hà chứa hàng tỉ và hàng tỉ sao, nhiều sao có các hành tinh quay xung quanh chúng. Thiên hà của chúng ta chặn mất tầm nhìn của chúng ta theo những hướng nhất định, song ngoài thế ra thì các thiên hà phân bố gần như đồng đều trong khắp không gian, với một số vùng cục bộ tập trung đông đúc và những khoảng trống. Mật độ thiên hà có vẻ giảm ở những khoảng cách rất lớn, nhưng điều đó có vẻ là vì chúng ở quá xa và quá mờ nhạt nên chúng ta không nhìn thấy chúng. Trong chừng mực mà chúng ta có thể nói, vũ trụ trải rộng mãi mãi trong không gian và vẫn trông y hệt cho dù là tiến ra bao xa.
Mặc dù vũ trụ có vẻ trông y hệt nhau tại mỗi điểm trong không gian, nhưng nó chắc chắn thay đổi theo thời gian. Điều này đã không được nhận ra mãi cho đến những năm đầu của thế kỉ vừa qua. Cho đến khi ấy, người ta cho rằng vũ trụ về cơ bản là không đổi theo thời gian. Nó có thể đã tồn tại trong một thời gian vô hạn, song như thế có vẻ đưa đến những kết luận ngớ ngẩn. Nếu các sao đã tỏa sáng trong một khoảng thời gian vô hạn, thì lẽ ra chúng đã làm nóng vũ trụ cho đến khi đạt tới nhiệt độ riêng của chúng. Dù là ban đêm, bầu trời sẽ sáng rực như Mặt Trời vậy, bởi vì mọi hướng nhìn đều kết thúc ở một sao hoặc một đám mây bụi đã bị làm nóng ngang ngửa với các sao. Vì thế, quan sát mà tất thảy chúng ta đều có, rằng bầu trời đêm tối đen, là rất quan trọng. Nó ngụ ý rằng vũ trụ không thể nào đã tồn tại vĩnh hằng, ở trạng thái mà chúng ta thấy ngày nay. Phải có cái gì đó xảy ra trong quá khứ làm các sao tỏa sáng cách nay một khoảng thời gian hữu hạn. Thế thì ánh sáng từ các sao ở rất xa sẽ không có đủ thời gian đi tới chúng ta. Điều này sẽ giải thích vì sao bầu trời không sáng rực theo mỗi hướng nhìn.
Nếu các sao đã ngự ở đấy vĩnh hằng rồi, thì tại sao chúng lại bất ngờ tỏa sáng cách nay vài tỉ năm trước? Cái đồng hồ nào bảo chúng rằng đã đến lúc tỏa sáng? Điều này gây nhức đầu cho các triết gia, như Immanuel Kant, những người tin rằng vũ trụ đã tồn tại vĩnh hằng. Nhưng đối với đa số mọi người thì nó phù hợp với ý tưởng rằng vũ trụ đã được tạo ra, y hệt như nó ngày nay, chỉ mới cách đây vài nghìn năm trước, giống như linh mục Ussher đã kết luận. Tuy nhiên, các bất đồng về ý tưởng này bắt đầu xuất hiện, với các quan sát được tiến hành bởi kính thiên văn một trăm inch trên Đỉnh Wilson vào thập niên 1920. Trước tiên, Edwin Hubble phát hiện thấy nhiều đốm ánh sáng mờ nhạt, gọi là các tinh vân, thật ra là những thiên hà khác, những tập hợp bao la gồm các sao giống hệt Mặt Trời của chúng ta, nhưng ở khoảng cách rất xa. Để chúng xuất hiện nhỏ và mờ nhạt như thế, các khoảng cách phải lớn đến mức ánh sáng phát ra từ chúng phải mất hàng triệu hoặc thậm chí hàng tỉ năm để đi tới chúng ta. Điều này gợi ý rằng sự ra đời của vũ trụ không thể nào chỉ mới cách nay có vài nghìn năm.
Song điều thứ hai Hubble tìm thấy còn nổi bật hơn nữa. Bằng một phân tích ánh sáng đến từ những thiên hà khác, Hubble có thể đo được chúng đang chuyển động lại gần hay ra xa chúng ta. Trước sự bất ngờ tột bật của ông, ông tìm thấy gần như toàn bộ chúng đều chuyển động ra xa. Hơn nữa, chúng càng ở xa chúng ta thì chúng chuyển động ra xa càng nhanh. Nói cách khác, vũ trụ đang giãn nở. Các thiên hà đang chuyển động ra xa nhau.
Việc khám phá vũ trụ giãn nở là một trong những cuộc cách mạng có sức ảnh hưởng to lớn của thế kỉ hai mươi. Nó xảy ra hoàn toàn bất ngờ, và nó làm thay đổi hoàn toàn cuộc tranh cãi về nguồn gốc của vũ trụ. Nếu các thiên hà đang chuyển động ra xa nhau, thì trước đây chúng phải ở gần nhau hơn. Từ tốc độ giãn nở hiện nay, chúng ta có thể ước tính chúng đã ở rất gần nhau, cách nay khoảng 10 đến 15 tỉ năm trước. Vì thế trông như thể vũ trụ đã khởi đầu từ khi ấy, với mọi thứ ở cùng một điểm trong không gian.
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn | Stephen Hawking
