Nguồn gốc của vũ trụ - Phần 2

Stephen Hawking

Xác suất cho mỗi trạng thái của vũ trụ tại thời điểm hiện tại được cho bởi việc lấy tổng các biên độ đối với tất cả các lịch sử đến khi kết thúc các trạng thái. Nhưng làm cách nào để các lịch sử bắt đầu? Đó là câu hỏi gốc đã được bao bọc. Nó có đòi hỏi một Đấng sáng tạo ra lệnh cho vũ trụ phải bắt đầu như thế nào? Hay là các trạng thái ban đầu của vũ trụ được xác định bởi các định luật của khoa học.

Sự dãn nở của vũ trụ là một trong những khám phá quan trọng nhất trong thế kỉ 20. Nó biến thành cuộc tranh cãi liệu vũ trụ có khởi đầu hay không.

Nếu hiện nay các thiên hà chuyển động ra xa nhau, chúng phải ở gần hơn trong quá khứ.
Nếu tốc độ của chúng là hằng số, tất cả chúng sẽ gặp nhau vào khoảng 15 tỉ năm trước.
Đây có phải là khởi đầu của vũ trụ? Nhiều nhà khoa học sẽ vẫn không vui với vũ trụ có một khởi đầu vì nó dường như ngụ ý rằng vật lý sẽ bị phá vỡ. Bạn sẽ phải cầu khấn một thế lực bên ngoài nào đó, để cho đơn giản, bạn có thể gọi là Chúa (God), để xác định cách mà vũ trụ bắt đầu. Nếu vậy bạn phải phát triển những lý thuyết mà vũ trụ đang dãn nở tại thời điểm hiện tại nhưng không có khởi đầu. Một lý thuyết như vậy là lý thuyết vũ trụ bền vững (Steady State theory), được đề xuất bởi Bondi, Gold, và Hoyle vào năm 1948.

Trong thuyết vũ trụ bền vững, khi các thiên hà chuyển động ra xa nhau, ý tưởng nằm ở chỗ các thiên hà mới tạot hành từ vật chất được cho là liên tục được tạo ra trong không gian. Vũ trụ sẽ tồn tại mãi mãi và sẽ trông giống nhau tại mọi thời điểm. Đặc tính cuối cùng là một ưu điểm lớn, từ quan điểm thực chứng, dựa vào việc tiên đoán xác định có thể được kiểm tra nhờ quan sát. Nhóm thiên văn học vô tuyến ở Cambridge dưới sự lãnh đạo của Martin Ryle, đã thực hiện một cuộc khảo sát những nguồn sóng vô tuyến yếu vào đầu những năm 1960. Chúng phân bố khá đồng nhất trên bầu trời, cho thấy rằng hầu hết chúng nằm ngoài thiên hà của chúng ta. Các nguồn sóng càng yếu thì ở càng xa chúng ta, một cách trung bình. Thuyết vũ trụ bền vững tiên đoán hình dạng của đồ thị của số nguồn sóng so với cường độ của chúng. Nhưng các quan sát cho thấy có nhiều nguồn sóng yếu ớt hơn so với tiên đoán, chỉ rõ mật độ nguồn phát sóng là cao hơn trong quá khứ. Điều này mẫu thuẩn với thừa nhận của lý thuyết này, rằng mọi thứ là không đổi theo thời gian. Vì lý do này, và nhiều lý do khác nữa, thuyết vũ trụ bền vững bị loại bỏ.

Một nỗ lực khác để tránh sự khởi đầu của vũ trụ là đề xuất cho rằng có pha tương phản trước đó của vũ trụ, nhưng vì sự quay và tính không quy luật cục bộ(cục bộ:trong phạm vi hẹp.ND) nên tất cả vật chất không rơi về cùng một điểm. Thay vì vậy, những phần vật chất khác nhau sẽ tránh va vào nhau, và vũ trụ sẽ dãn nở trở lại với mật độ giữ nguyên xác định. Hai người Nga, Lifshitz và Khalatnikov, tuyên bố đã chứng minh được rằng một sự co lại nói chung không đi kèm với đối xứng hoàn chỉnh sẽ luôn dẫn đến việc đảo pha vũ trụ với mật độ không đổi xác định. Kết quả này là rất quan trọng đối với quan điểm duy vật biện chứng Marxist, vì nó tránh những câu hỏi gây lúng túng về sự tạo thành vũ trụ. Do đó, nó trở thành một tiêu đề đáng tin cậy đối với các nhà khoa học Xô-viết.

Khi Lifshitz và Khalatnikov xuất bản công trình của họ, tôi là một học viên ở độ tuổi 21 đang tìm kiếm vài thứ để hoàn tất luận án Tiến sĩ. Tôi không tin cái họ gọi là chứng minh đó và cùng với Penrose phát triển những kỉ thuật toán học mới để nghiên cứu câu hỏi này. Chúng tôi chỉ ra rằng vũ trụ không thể đảo pha. Nếu thuyết tương đối mở rộng của Einstein là đúng, sẽ có một kì dị, một điểm với mật độ và độ cong không thời gian vô hạn, ở đó thời gian bắt đầu. Các bằng chứng thực nghiệm thừa nhận ý tưởng vũ trụ có một khởi đầu rất đặc vào tháng Mười năm 1965, một vài tháng sau khi kết quả về kì dị mà tôi tính ra, với khám phá một phông bức xạ yếu ớt ở thang sóng vi ba làm nền phủ đầy không gian. Các bức xạ này giống với các bức xạ mà bếp lò phát ra nhưng yếu hơn nhiều. Chúng sẽ hâm nóng chiếc bánh pizza của bạn ở nhiệt độ -271.3⁰C, không tốt chút nào cho việc làm chín bánh pizza. Bạn có thể thực sự quan sát thấy bức xạ của chính cơ thể bạn. Hãy bật tivi đến một kênh không có chương trình nào cả. Một vài phần trăm của những nhiễu mà bạn nhìn thấy trên màn hình sẽ được tạo bởi bức xạ nền vi ba này. Cách giải thích khả dĩ nhất của phông này chính là các bức xạ còn tàn dư từ một trạng thái rất đặc và nóng trước đây. Khi vũ trụ dãn nở, các bức xạ sẽ trở nên lạnh đi cho đến khi nó trở nên yếu ớt như ta quan sát thấy ngày nay.

Mặc dù định lý về kì dị do tôi và Penrose tìm ra, tiên đoán rằng vũ trụ có một khởi đầu, chúng không nói cho biết sự khởi đầu là như thế nào. Các phương trình của lý thuyết tương đối mở rộng sẽ bị phá vở tại kì dị này. Như vậy thuyết của Einstein không thể tiên đoán vũ trụ sẽ bắt đầu như thế nào, mà chỉ là nó sẽ tiến hóa ra sao kể từ khi bắt đầu. Có hai thái độ khi ai đó tiếp nhận kết quả của tôi và Penrose. Một số cho rằng Chúa đã lựa chọn cách mà vũ trụ bắt đầu với lý do mà chúng ta không thể hiểu được. Đó là quan điểm của Pope John Paul. Tại một hội thảo về thiên văn tại Vatican, Pope nói rằng những điều đã được tìm thấy là Tốt (OK) để nghiên cứu vũ trụ sau khi nó đã bắt đầu nhưng chúng không nên thắc mắc về chính bản thân sự khởi đầu, bởi vì đó là thời khắc của sự sáng thế, và là công việc của Chúa. Tôi mừng vì ông ấy không nhận ra những gì mà tôi đưa ra trong một bài báo tại một hội thảo về cách mà vũ trụ khởi đầu. Tôi không dám nghĩ tới việc bị còng tay bởi một Tòa án, như Galileo.

nguon goc vu tru

Vũ trụ giãn nở, vậy liệu nó có một khởi đầu chăng?

Một cách giải thích khác cho những kết quả của chúng tôi, được sự đồng thuận của hầu hết các nhà khoa học, là nó chỉ ra rằng Thuyết tương đối mở rộng bị phá vở trong trường hấp dẫn rất mạnh trong vũ trụ sớm. Nó phải được thay bằng một lý thuýet phức tạp hơn. Bạn có thể chờ đợi điều này vì Tương đối mở rộng không thể miêu tả được những cấu trúc vật chất ở thang vi mô, được chi phối bởi lý thuyết lượng tử. Đây là một điều không bình thường, vì thang vũ trụ là quá lớn so với thang đo nhỏ bé của thuyết lượng tử. Nhưng khi vĩ trụ ở kích cỡ Planck, một tỉ tỉ tỉ tỉ tỉ lần của một centimét, hai thang là giống nhau, do đó thuyết lượng tử phải được kể đến.

Để hiểu được nguồn gốc của Vũ trụ, chúng ta cần kết hợp Thuyết tương đối mở rộng với thuyết lượng tử. Cách tốt nhất để làm điều này dường như là phải dùng đến ý tưởng của Feynman về tổng hòa các lịch sử. Richard Feynman là người nhiều cá tính, chơi trống bongo(trống nhỏ được gõ bằng tay) và là một nhà vật lý đầy tài năng tại Viện công nghệ California. Ông đề xuất rằng một hệ chuyển từ trạng thái A sang trạng thái B bởi mọi cách có thể hay lịch sử. Mỗi cách hay mỗi lịch sử có một biên độ và cường độ xác định, và xác suất cho việc chuyển dời trạng thái từ A sang B, được cho bởi việc lấy tổng biên độ của các lịch sử. Sẽ có một lịch sử mà mặt trăng màu xanh, nhưng với biên độ nhỏ, nó cũng có thể là tin xấu đối với lũ chuột.

Xác suất cho mỗi trạng thái của vũ trụ tại thời điểm hiện tại được cho bởi việc lấy tổng các biên độ đối với tất cả các lịch sử đến khi kết thúc các trạng thái. Nhưng làm cách nào để các lịch sử bắt đầu? Đó là câu hỏi gốc đã được bao bọc. Nó có đòi hỏi một Đấng sáng tạo ra lệnh cho vũ trụ phải bắt đầu như thế nào? Hay là các trạng thái ban đầu của vũ trụ được xác định bởi các định luật của khoa học. Thực tế, câu hỏi này sẽ xuất hiện thậm chí nếu các lịch sử của vũ trụ trở lại với quá khứ vô định. Nhưng nó trực tiếp hơn nếu vũ trụ bắt đầu từ 15 tỉ năm trước. Vấn đề về những gì sẽ xảy ra tại thời điểm bắt đầu cũng giống như câu hỏi điều gì sẽ xảy ra tại biên của thế giới khi con người nghĩ thế giới là phẳng. Thế giới là một mặt phẳng với biển bao quanh biên? Tôi kiểm tra điều này một cách thực tế. Tôi đi vòng quanh thế giới và tôi rơi khỏi nó. Như tất cả chúng ta đều biết, vấn đề về những gì xảy ra tại biên của thế giới được giải quyết khi con người nhận ra thế giới không phải là phẳng mà là mặt cong. Tuy nhiên, thời gian dường như không giống như vậy. Nó xuất hiện tách biệt với không gian, và trông giống như các đường ray tàu hỏa. Nếu nó có một khởi đầu, sẽ phải có ai đó lắp đặt nó. Thuyết tương đối mở rộng của Einstein thống nhất thời gian và không gian, nhưng thời gian vẫn khác với không gian và giống như hành lang nhà ga, có thể có điểm khởi đầu và kết thúc hoặc chạy xa mãi. Tuy nhiên, khi kết hợp Tương đối tổng quát với thuyết lượng tử, Jim Hartle và tôi nhận ra rằng thời gian hành xử giống như một chiều khác của không gian với điều kiện đặc biệt. Điều này có nghĩa giải thoát vấn đề thời gian có một khởi đầu, giống như cách mà bạn thoát khỏi vấn đề về biên của thế giới. Giả sử sự khởi đầu của vũ trụ giống như Cực nam của Trái đất, với kinh độ đóng vai trờ thời gian. Vũ trụ sẽ bắt đầu tại một điểm giống như là điểm Cực nam. Khi bạn di chuyển về phía bắc, vòng tròn cùng kinh độ, biểu diễn cho kích thước của vũ trụ, sẽ dãn nở. Việc đề cập tới những gì đã xảy ra trước điểm khởi đầu của vũ trụ sẽ trở thành vô nghĩa, vì không có gì phía nam của Cực nam.

Thới Ngọc Tuấn Quốc

thuvienvatly.com

>>Nguồn gốc của vũ trụ - Phần 1

>>Nguồn gốc của vũ trụ - Phần cuối