Phần trước: kì 1
S.W.Hawking
Những nổ lực hướng đến sự khởi đầu của thời gian.ND
Mặc dù các định luật khoa học dường như tiên đoán vũ trụ có một khởi đầu, nhưng chúng cũng có biểu hiện không xác định được sự khởi đầu này trông như thế nào. Điều này rất khó thỏa mãn. Vì vậy, có một số nổ lực hòng tìm thấy câu trả lời, như có một điểm kì dị với mật độ vô hạn từng tồn tại trong quá khứ. Điều này dẫn đến đồ thị miêu tả khoảng cách giữa hai thiên hà là một đường cong tiến đến không, nhưng không đi qua điểm này, tại một thời điểm xác định nào đó trong quá khứ. Thay vào đó, ý tưởng cho rằng khi các thiên hà chạy ra xa nhau, các thiên hà mới được tạo thành giữa chúng, từ lượng vật chất liên tục được tạo thành. Đây là lý thuyết Vũ trụ bền vững được đề nghị bởi Bondi, Gold và Hoyle.
- S.W.Hawking: Sự khởi đầu của thời gian - Kỳ 1
- S.W.Hawking: Sự khởi đầu của thời gian - Kỳ 2
- S.W.Hawking: Sự khởi đầu của thời gian - Kỳ cuối
Thuyết vũ trụ bền vững, theo cách gọi của Karl Popper, một lý thuyết tốt về mặt khoa học: nó tạo nên những tiên đoán xác định, có thể được kiểm nghiệm thực tế và có khả năng sữa sai. Nhưng thật không may cho lý thuyết này, chúng không có căn cứ. Trở ngại đầu tiên đến từ các quan sát thiên văn ở Cambridge của một số nguồn sóng vô tuyến với cường độ khác nhau. Bình thường, ta mong đợi các nguồn sóng uể oải này sẽ ở khoảng cách xa hơn nhiều, do đó sẽ chiếm số lượng lớn so với các nguồn sáng ở gần chúng ta hơn. Tuy nhiên, biểu đồ về số nguồn sóng vô tuyến theo cường độ sáng lại đi ngược lại tiên đoán đỉnh nhọn ở cường độ thấp của lý thuyết vũ trụ ổn định.
Một nổ lực giải thích biểu diễn của đồ thị này, bằng cách giả thiết rằng có một số nguồn sóng vô tuyến yếu nằm trong thiên hà của chúng ta, và cũng vì vậy không cho thấy gì nhiều từ vũ trụ(vì dải Ngân hà của chúng ta chỉ là một trong số nhiều tỉ thiên hà trong vũ trụ.ND). Lập luận này không thực sự đứng vững cho những quan sát trong tương lai gần. Nhưng chiếc đinh cuối cùng để mở cổ quan tài cho lý thuyết vũ trụ ổn định đến từ khám phá bức xạ nền thang sóng vi ba vào năm 1965. Bức xạ này là như nhau theo mọi hướng. Phổ bức xạ ở trạng thái cân bằng nhiệt có nhiệt độ 2,7 độ trên Không độ tuyệt đối. Lý thuyết vũ trụ ổn định thất bại trong việc tìm lời giải cho sự tồn tại của bức xạ này.
{loadposition article}
Một nổ lực khác nhằm lẫn tránh sự khởi đầu của thời gian là đề xuất, có thể tất cả các thiên hà không gặp nhau tại một điểm trong quá khứ. Mặc dù về trung bình, các thiên hà chuyển động ra xa nhau với tốc độ ổn định, vận tốc cộng thêm của chúng là nhỏ so với vận tốc dãn nở của vũ trụ. Vận tốc cộng thêm hay vận tốc riêng của các thiên hà, có thể vuông góc với hướng dãn nở chính. Lập luận ở đây là, khi bạn lần ngược lại vị trí của các thiên hà trong quá khứ, các vận tốc riêng sẽ khiến cho các thiên hà không thể gặp nhau. Thay vào đó, có thể là một pha thu nhỏ của vũ trụ trước đó, ở đó các thiên hà đang chuyển động hướng vào nhau. Vận tốc riêng khiến cho các thiên hà không thể va chạm với nhau mà chuyển động rượt đuổi nhau, sau đó lại bắt đầu chuyển động ra xa nhau. Sẽ không có bất cứ kì dị với mật độ vô hạn hay một sự phá vở các định luật vật lý nào. Như vậy, sự khởi đầu của vũ trụ, và cũng của thời gian là không cần thiết. Hơn nữa, ta có thể xem vũ trụ đang dao động, mặc dù vẫn không thể khắc phục vấn đề về Nguyên lý hai nhiệt động lực: ta mong muốn vũ trụ sẽ trở nên hỗn loạn hơn trong mỗi dao động này. Thật khó để hiểu được vũ trụ dao động tại điểm vô cùng của thời gian là như thế nào.
Khả năng các thiên hà lẫn tránh nhau (không va chạm nhau) được củng cố bởi một bài báo của hai người Nga. Họ tìm thấy rằng sẽ không có kì dị nào cả trong một lời giải phương trình trường của thuyết tương đối rộng, hoàn toàn tổng quát và không có bất cứ một đối xứng tổng quát nào. Tuy nhiên, tuyên bố của họ bị bác bỏ bởi một số định lý do Penrose và tôi tìm ra. Chúng cho thấy, thuyết tương đối rộng tiên đoán sự tồn tại của các kì dị, khi một lượng vật chất đủ lớn tập trung trong một khu vực. Định lý đầu tiên được thiết kế để chỉ ra sự kết thúc của thời gian, bên trong một lỗ đen, tạo thành bởi sự co sụp của một ngôi sao (đủ nặng.ND). Tuy nhiên, sự dãn nở của vũ trụ lại giống với phép nghịch đảo thời gian của sự co sụp của một ngôi sao. Hơn nữa, tôi muốn chỉ cho bạn thấy rằng, các bằng chứng quan sát cho thấy vũ trụ chứa một lượng vật chất đủ lớn, khiến cho quá trình của vũ trụ giống với phép nghịch đảo thời gian của một lỗ đen, và do đó mang đến một kì dị.
Để thảo luận về các quan sát trong vũ trụ, thật hữu ích nếu vẽ ra một giãn đồ sự kiện trong không gian và thời gian, với thời gian là trục đứng và không gian là mặt ngang(phần không gian vuông góc với trục thời gian.ND). Để miêu tả chính xác giãn đồ này, tôi thật sự cần một khung mẫu bốn chiều. Tuy nhiên, do giới hạn của trang giấy này, chúng ta có thể tạm biểu diễn chúng trong một mặt hai chiều. Do đó, tôi chỉ có thể vẽ ra đây một hướng không gian.
Khi chúng ta nhìn vào vũ trụ, chúng ta đang nhìn ngược trở lại quá khứ, vì ánh sáng phải mất một khoảng thời gian để đi từ các thiên thể đến chúng ta tại thời điểm hiện tại. Điều này có nghĩa, các sự kiện mà chúng ta quan sát thấy nằm trên nón ánh sáng quá khứ của chúng ta. Đỉnh nón là vị trí của chúng ta ở thời điểm hiện tại. Khi đi ngược thời gian trên giản đồ, nón ánh sáng càng mở rộng và do đó, diện tích của nó sẽ tăng lên. Tuy nhiên, nếu có đủ vật chất trong nón ánh sáng quá khứ của chúng ta, nó sẽ bẻ cong các tia sáng hướng vào nhau. Điều này dẫn đến, khi bạn lần ngược trở lại quá khứ, diện tích của nón ánh sáng sẽ tiến đến cực đại, và sau đó bắt đầu giảm dần. Điểm gặp nhau của nón ánh sáng trong quá khứ là dấu hiệu cho thấy vũ trụ đã từng ở bên trong chân trời của nó, giống như phép nghịch đảo thời gian của lỗ đen. Nếu chúng ta có thể xác định có đủ vật chất trong vũ trụ, để làm hội tụ nón ánh sáng, chúng ta có thể áp dụng định lý kì dị để chỉ ra rằng thời gian phải có bắt đầu.
Mô phỏn 2D của một nón ánh sáng. Trục thẳng đứng là thời gian, hướng đi lên là tương lai, hướng đi xuống là quá khứ. Siêu mặt nằm ngang là không gian. Người quan sát ở đỉnh nón (gốc tọa độ). (Ảnh: Wikipedia.com)
Chúng ta có thể nói gì từ các kết quả quan sát, liệu có đủ lượng vật chất trong nón ánh sáng trong quá khứ để hội tụ nó lại hay không? Chúng ta quan sát một số thiên hà, nhưng chúng ta không thể đo đạc trực tiếp lượng vật chất chứa trong nó. Chúng ta không thể chắc chắn mọi đường ngắm từ chúng ta sẽ đến một thiên hà nào đó. Vì vậy, tôi sẽ đưa ra một lý lẽ khác, để chỉ ra rằng vũ trụ có chứa đủ vật chật để hội tụ nón ánh sáng quá khứ. Lập luận dựa trên phổ của bức xạ nền ở thang sóng vi ba. Đó là sự bằng nhau giữa nhiệt độ của bức xạ và vật chất khi có cân bằng nhiệt. Để đạt đến trạng thái cân bằng như vậy, cần thiết xảy ra các tán xạ của bức xạ lên vật chất, rất rất nhiều lần. Ví dụ, ánh sáng mà chúng ta nhận được từ Mặt trời có một quang phổ nhiệt riêng. Đây không phải là vì phản ứng hạt nhân diễn ra ở tâm của Mặt trời, tạo ra bức xạ với một quang phổ nhiệt xác định. Mà bởi vì các bức xạ bị tán xạ, bởi vật chất bên trong Mặt trời, rất nhiều lần trên đường đi ra của chúng từ tâm Mặt trời.
Trong trường hợp của vũ trụ, nền sóng vi ba có một quang phổ nhiệt chính xác như vậy cho thấy nó phải bị tán xạ rất nhiều lần. Hơn nữa, vũ trụ phải chứa lượng vật chất đủ lớn, để đón tất cả các hướng nhìn của chúng ta, vì nền sóng vi ba là như nhau, bất cứ khi trông theo hướng nào. Sự chắn sáng phải xảy ra trên quãng đường dài, bởi vì chúng ta có thể nhìn thấy các thiên hà và các quasar, ở khoảng cách rất lớn. Như vậy, có một lượng lớn vật chất tập trung ở khoảng cách xa chúng ta. Khả năng chắn sáng lớn nhất trên dải sóng, với một mật độ cho trước đến từ các ion của hi-đro. Điều này cũng kéo theo, nếu có đủ vật chất để tạo ra một vũ trụ mờ đục, cũng phải có đủ lượng vật chất để làm hội tụ nón ánh sáng của chúng ta trong quá khứ. Bạn có thể áp dụng định lý của tôi và Penrose để chỉ ra rằng thời gian phải có khởi đầu.
Sự hội tụ của nón ánh sáng quá khứ ngụ ý rằng thời gian phải có khởi đầu, nếu thuyết tương đối rộng là chính xác. Điều này phù hợp với tất cả các thử thách quan sát mà bạn có thể chỉ ra. Tuy nhiên, những kiểm tra loại này chỉ tiến hành được ở khoảng cách lớn. Chúng ta biết rằng không chính xác hoàn toàn ở khỏang cách nhỏ, vương quốc của các lý thuyết cổ điển. Nghĩa là không thể mang vào nó Nguyên lý bất định của cơ học lượng tử, cho biết một vật không thể xác định chính xác đồng thời vị trí và vận tốc của chúng: phép đo vận tốc càng chính xác thì càng khó để định vị nó và ngược lại. Bởi vậy, để hiểu được trạng thái có mật độ rất cao, khi vũ trụ rất nhỏ, bạn cần phải có một lý thuyết lượng tử của hấp dẫn, với sự kết hợp của Tương đối rộng và nguyên lý bất định.
Xem tiếp: Kỳ cuối
Thới Ngọc Tuấn Quốc
