Thiết kế vĩ đại - Stephen Hawking & Leonard Mlodinow (Phần 15)

Quan điểm này dẫn tới một cái nhìn vũ trụ khác rõ nét với quan niệm truyền thống, đòi hòi chúng ta phải điều chỉnh cách chúng ta nghĩ về lịch sử của vũ trụ.

Để đưa ra những tiên đoán trong vũ trụ học, chúng ta cần phải tính xác suất của những trạng thái khác nhau của toàn bộ vũ trụ lúc hiện tại. Trong vật lí học, người ta thường giả định một trạng thái ban đầu nào đó cho một hệ và cho nó diễn tiến theo thời gian, sử dụng những phương trình toán học có liên quan.

Cho trước trạng thái của một hệ tại một thời điểm, người ta cố gắng đi tính xác suất để hệ ở trong một trạng thái nào đó tại một thời điểm sau đó. Giả định thường gặp trong vũ trụ học là vũ trụ có một lịch sử đơn nhất rõ ràng. Người ta có thể sử dụng các định luật vật lí để tính xem lịch sử này phát triển như thế nào theo thời gian. Chúng ta gọi đây là cách tiếp cận “từ dưới lên” đối với vũ trụ học. Nhưng vì chúng ta phải tính đến bản chất lượng tử của vũ trụ khi biểu diễn bằng phép lấy tổng Feynman theo lịch sử, nên biên độ xác suất hiện nay vũ trụ ở trong một trạng thái nhất định có được bằng cách cộng gộp những đóng góp từ mọi lịch sử thỏa mãn điều kiện không biên giới và kết thúc ở trạng thái trong câu hỏi. Nói cách khác, trong vũ trụ học, người ta không lần theo lịch sử của vũ trụ từ dưới lên vì điều đó giả định có một lịch sử đơn nhất, với một điểm khởi phát rõ ràng và diễn tiến. Thay vào đó, người ta nên lần theo lịch sử từ trên xuống, nhìn ngược từ thời hiện tại. Một số lịch sử sẽ có khả năng hơn những lịch sử khác, và thông thường tổng sẽ bị lấn át bởi một lịch sử đơn nhất khởi phát với sự ra đời của vũ trụ và đạt tới đỉnh điểm trong trạng thái đang xem xét. Nhưng sẽ có những lịch sử khác cho những trạng thái khả dĩ khác của vũ trụ lúc hiện tại. Điều này dẫn tới một quan điểm khác hoàn toàn của vũ trụ học, và mối quan hệ giữa nhân và quả. Các lịch sử đóng góp cho tổng Feynman không có sự tồn tại độc lập, mà phụ thuộc vào cái đang được đo. Chúng ta tạo ra lịch sử bằng sự quan sát của mình, chứ lịch sử không tạo ra chúng ta.

Quan niệm rằng vũ trụ không có một lịch sử duy nhất độc lập với nhà quan sát dường như mâu thuẫn với những thực tế nhất định mà chúng ta biết. Có thể có một lịch sử trong đó mặt trăng cấu tạo từ phó mát Roquefort. Nhưng chúng ta đã quan sát thấy mặt trăng không có cấu tạo từ phó mát, thật là tin buồn cho lũ chuột. Vì thế, những lịch sử trong đó mặt trăng cấu tạo từ phó mát không đóng góp vào trạng thái hiện nay của vũ trụ của chúng ta, mặc dù chúng có khả năng đóng góp cho những trạng thái khác. Điều đó nghe tựa như truyện khoa học viễn tưởng, như không phải vậy.

Một hàm ý quan trọng của cách tiếp cận từ trên xuống là các định luật biểu kiến của tự nhiên phụ thuộc vào lịch sử của vũ trụ. Nhiều nhà khoa học tin rằng có tồn tại một lí thuyết khoa học duy nhất giải thích những định luật đó, cũng như những hằng số vật lí của tự nhiên, thí dụ như khối lượng của electron hay chiều kích của không-thời gian. Nhưng vũ trụ học từ trên xuống đòi hỏi các định luật biểu kiến của tự nhiên là khác nhau với những lịch sử khác nhau.

Hãy xét chiều kích biểu kiến của vũ trụ. Theo lí thuyết M, không-thời gian có mười chiều không gian và một chiều thời gian. Quan điểm là bảy chiều không gian đã cuộn lại nhỏ đến mức chúng ta không để ý đến chúng, để lại cho chúng ta ảo giác rằng tất cả những gì tồn tại là ba chiều không gian lớn mà chúng ta đều quen thuộc. Một trong những câu hỏi mở trọng điểm trong lí thuyết M là: Tại sao trong vũ trụ của chúng ta không có những chiều lớn hơn, và tại sao không phải chiều nào cũng cuộn lại?

Nhiều người thích tin rằng có một cơ chế nào đó làm cho tất cả cuộn lại nhưng ba chiều không gian trên cuộn lại tự phát. Một lí giải khác là có lẽ tất cả các chiều lúc bắt đầu là nhỏ, nhưng vì nguyên do gì đó chưa hiểu rõ, ba chiều không gian dãn ra và phần còn lại thì không. Tuy nhiên, dường như không có một cơ chế động lực học nào cho vũ trụ xuất hiện có bốn chiều. Thay vào đó, vũ trụ học từ trên xuống dự đoán rằng số lượng những chiều không gian lớn không bị cố định bởi bất kì nguyên lí vật lí nào. Sẽ có một biên độ xác suất lượng tử cho mỗi lượng chiều không gian lớn từ 0 đến 10. Tổng Feynman cho phép tất cả những số lượng này, đối với mỗi lịch sử có thể có cho vũ trụ, nhưng sự quan sát thấy vũ trụ của chúng ta có ba chiều không gian lớn đã lọc ra lớp con những lịch sử có tính chất đang được quan sát. Nói cách khác, xác suất lượng tử để vũ trụ có nhiều hơn hoặc ít hơn ba chiều không gian lớn là không thỏa đáng vì chúng ta đã xác định rằng chúng ta có mặt trong một vũ trụ có ba chiều không gian lớn. Miễn là biên độ xác suất cho ba chiều không gian lớn không chính xác bằng không, thì cho dù nó nhỏ bao nhiêu so với biên độ xác suất cho những số lượng chiều khác là không thành vấn đề. Điều đó tựa như việc yêu cầu biên độ xác suất để đức giáo hoàng hiện nay là người Trung Quốc vậy. Chúng ta biết ông là người Đức, mặc dù xác suất để ông là người Trung Quốc thì cao hơn vì có nhiều người Trung Quốc hơn người Đức. Tương tự, chúng ta biết vũ trụ của chúng ta biểu hiện ba chiều không gian lớn, và vì thế mặc dù những số lượng khác của những chiều không gian lớn có thể có biên độ xác suất lớn hơn, nhưng chúng ta chỉ quan tâm đến những lịch sử có ba chiều thôi.

Còn những chiều đã cuộn lại thì sao? Nhắc lại rằng trong lí thuyết M, hình dạng chính xác của những chiều đã cuộn lại còn lại, không gian nội, xác định giá trị của các đại lượng vật lí, như điện tích trên electron, và bản chất của những tương tác giữa các hạt sơ cấp, nghĩa là các lực của tự nhiên. Mọi thứ sẽ đi vào ngăn nắp nếu lí thuyết M chỉ cho phép một hình dạng cho những chiều cuộn lại, hoặc có lẽ là một vài hình dạng, nhưng một trong số đó có thể bị loại trừ bởi một số phương tiện, để lại cho chúng ta đúng một khả năng cho những định luật biểu kiến của tự nhiên. Thay vậy, có biên độ xác suất cho có lẽ đến 10⁵⁰⁰ không gian nội khác nhau, mỗi không gian dẫn tới những định luật và giá trị khác nhau cho các hằng số vật lí.

Nếu người ta xây dựng lịch sử của vũ trụ từ dưới lên, thì không có lí do gì cho vũ trụ kết thúc với không gian nội cho những tương tác hạt mà chúng ta thật sự quan sát thấy, mô hình chuẩn (của các tương tác hạt sơ cấp). Nhưng trong cách tiếp cận từ trên xuống, chúng ta chấp nhận rằng vũ trụ tồn tại với tất cả những không gian nội có thể có. Trong một số vũ trụ, các electron có trọng lượng bằng quả bóng golf và lực hấp dẫn mạnh hơn lực từ. Trong vũ trụ của chúng ta, mô hình chuẩn, cùng với tất cả những thông số của nó, áp dụng được. Người ta có thể tính biên độ xác suất cho không gian nội dẫn tới mô hình chuẩn trên cơ sở điều kiện không biên giới. Như với xác suất có một vũ trụ với ba chiều không gian lớn, chúng ta không quan tâm biên độ này nhỏ bao nhiêu so với những xác suất khác vì chúng ta đã quan sát thấy mô hình chuẩn mô tả vũ trụ của chúng ta.

Lí thuyết chúng ta mô tả trong chương này là có thể kiểm tra. Trong những thí dụ trước, chúng ta đã nhấn mạnh rằng những biên độ xác suất tương đối cho những vũ trụ khác hoàn toàn, thí dụ những vũ trụ có một số chiều không gian lớn khác, là không thành vấn đề. Tuy nhiên, những biên độ xác suất tương đối cho những vũ trụ lân cận nhau (tức là tương đồng) là quan trọng. Điều kiện không biên giới hàm ý rằng biên độ xác suất là cao nhất đối với những lịch sử trong đó vũ trụ bắt đầu hoàn toàn phẳng. Biên độ đó giảm đi đối với những vũ trụ lộn xộn hơn. Điều này có nghĩa là vũ trụ sơ khai hầu như là phẳng, nhưng có những kì dị nhỏ. Như đã lưu ý, chúng ta có thể quan sát những kì dị này dưới dạng những biến thiên nhỏ trong nền vi sóng đến từ những hướng khác nhau của bầu trời. Chúng đã được tìm thấy là khớp với yêu cầu chung của lí thuyết lạm phát; tuy nhiên, những phép đo chính xác hơn là cần thiết để phân biệt trọn vẹn lí thuyết từ trên xuống với những lí thuyết khác, và để hoặc là củng cố nó, hoặc là bác bỏ nó. Những phép đo này có thể thực hiện bằng vệ tinh trong tương lai.

Hàng trăm năm trước đây, người ta từng nghĩ rằng trái đất là độc nhất vô nhị, và nằm tại trung tâm của vũ trụ. Ngày nay, chúng ta biết rằng có hàng trăm tỉ ngôi sao trong thiên hà của chúng ta, một phần trăm lớn trong số chúng có những hệ hành tinh, và hàng trăm tỉ thiên hà. Những kết quả mô tả trong chương này cho biết rằng vũ trụ của chúng ta tự nó cũng là một trong nhiều vũ trụ, và những định luật biểu kiến của nó không hoàn toàn xác định theo kiểu duy nhất. Điều này thật đáng thất vọng đối với những ai hi vọng rằng một lí thuyết tối hậu, một lí thuyết của tất cả, sẽ dự đoán bản chất của cơ sở vật lí hàng ngày. Chúng ta không thể dự đoán những đặc điểm riêng biệt như số chiều không gian lớn hay không gian nội xác định các đại lượng vật lí mà chúng ta quan sát thấy (thí dụ, khối lượng và điện tích của electron và những hạt sơ cấp khác). Thay vậy, chúng ta sử dụng những con số đó để chọn lựa những lịch sử đóng góp cho tổng Feynman.

Chúng ta dường như đang ở một điểm tới hạn trong lịch sử khoa học, trong đó chúng ta phải thay đổi quan niệm của mình về mục tiêu và về cái làm cho một lí thuyết vật lí có thể chấp nhận được. Dường như những con số cơ bản, và cả dạng thức, của các định luật biểu kiến của tự nhiên không yêu cầu bởi một nguyên lí lôgic hay nguyên lí vật chất nào. Các thông số đó tự do nhận nhiều giá trị và các định luật nhận bất kì dạng nào dẫn tới một lí thuyết toán học tự tương thích, và chúng thật sự nhận những giá trị khác nhau và những dạng thức khác nhau trong những vũ trụ khác nhau. Điều đó có lẽ không thỏa mãn mong muốn của con người là đặc biệt, hoặc khám phá ra một kiện hàng ngăn nắp chứa tất cả các định luật vật lí, nhưng nó dường như thật sự là con đường của tự nhiên.

Dường như có một diện mạo hết sức phong phú của những vũ trụ có thể có. Tuy nhiên, như chúng ta sẽ thấy trong chương tiếp theo, vũ trụ trong đó sự sống như chúng ta tồn tại là hiếm gặp. Chúng ta đang sống trong một vũ trụ trong đó sự sống là có thể, nhưng nếu vũ trụ chỉ hơi khác đi một chút, thì những sinh vật như chúng ta không thể nào tồn tại. Chúng ta là gì trước sự điều chỉnh tinh tế này? Có bằng chứng nào cho thấy vũ trụ, sau hết thảy, được thiết kế bởi một đấng sáng thế nhân từ hay không? Hoặc là khoa học có mang đến một lời giải thích khác hay không?

Thiết kế vĩ đại