Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 44)

Một lời giải có thể có

Tôi vẫn chưa giải thích các ngôi sao và thiên hà có thể hình thành như thế nào lúc ban đầu. Điều này chỉ có thể xảy ra nếu như có những điểm kì dị, hay nếp gấp, trong cấu trúc của không gian làm cho vật chất tại đó đậm đặc hơn mức trung bình. Miễn là không gian không giãn ra quá nhanh, cái lúc này không thể tránh được là vật chất trong những vùng đó sẽ cụm lại thêm nữa. Ở đây tương tự như ví dụ các phân tử không khí ở trong hộp mà tôi đã trình bày ở phần trước. Trong trường hợp đó, thể tích bên trong cái hộp không giãn ra, và những vùng có mật độ hơi cao hơn phát sinh do sự ngẫu nhiên thuần túy. Trong Vũ trụ sơ khai, những vùng có vật chất cụm lại với nhau đó cuối cùng sẽ nóng lên đến mức sự nhiệt hạch hạt nhân khởi phát và các ngôi sao ra đời. Tuy nhiên, lượng gấp nếp phải là vừa đủ. Nếu quá ít thì vật chất sẽ không bao giờ co cụm lại và các thiên hà và các ngôi sao (do đó cả chúng ta nữa) sẽ không bao giờ hình thành. Mặt khác, nếu không gian bị gấp nếp quá nhiều thì mật độ cao của vật chất trong những vùng đó nhanh chóng mang lại sự ra đời của những lỗ đen khổng lồ.

Cho dù chúng ta không hiểu nguồn gốc của những kì dị này, nhưng ít nhất chúng ta nên đi tìm bằng chứng thực nghiệm rằng chúng tồn tại trong Vũ trụ sơ khai. Người ta đã dự đoán trên lí thuyết rằng chúng sẽ trình hiện dưới dạng những biến thiên nhiệt độ nhỏ xíu trong bức xạ nền vi sóng, cái tôi đã đề cập ở Chương 3, là ánh le lói của Big Bang. Tuy nhiên, hiệu ứng này phải thật nhỏ để nó không thể bị phát hiện ra từ Trái đất. Hồi năm 1992, NASA đã công bố rằng vệ tinh COBE (viết tắt của Tàu thám hiểm Bức xạ nền Vũ trụ) đã phát hiện ra một sự chênh lệch trong nhiệt độ của bức xạ nền với độ lớn vừa đúng. Khám phá trên được xem là bằng chứng cuối cùng rằng mô hình Big Bang là đúng. Tuy nhiên, một số nhà thiên văn học cho rằng phát biểu như vậy là quá cường điệu và rằng COBE chẳng làm gì hơn là ủng hộ các quan niệm của chúng ta về sự hình thành thiên hà.

Vậy thì mọi thứ có khớp với nhau không? Entropy của Vũ trụ có bắt đầu từ một giá trị thấp lúc Big Bang không? Nó có tiếp tục tăng lên hay không dẫu rằng Vũ trụ một ngày nào đó sẽ lại đến một Vụ Co Lớn, và do đó mang lại cho chúng ta một mũi tên thời gian không đảo chiều? Tôi tin như thế, tất nhiên giả sử rằng Vũ trụ một ngày nào đó sẽ co lại (không có khả năng đâu, tôi biết vậy).

Ngay sau Big Bang, Vũ trụ nóng bỏng và giàu năng lượng, và do đó ở trong một trạng thái có entropy thấp. Khi nó giãn ra, nó nguội đi. Entropy của nó tăng nhanh, nhưng không phải do sự truyền nhiệt mà vì năng lượng của nó có thể xem là đã sử dụng hết để thực hiện công cho sự giãn nở.

Khi Vũ trụ nguội đi, một phần nhỏ năng lượng của nó trở nên bị khóa bên trong các nguyên tử hydrogen. Sau đó, nhờ sự gấp nếp trong không gian mang lại những hạt mầm cho sự hình thành sao, lực hấp dẫn sớm có thể làm cho những nguyên tử này co cụm lại với nhau để hình thành các thiên hà và các ngôi sao bên trong chúng. Rồi nó cung cấp phương tiện để khai thác năng lượng này bên trong các nguyên tử qua sự nhiệt hạch hạt nhân.

Nếu các thiên hà và các sao đã không ra đời, thì Vũ trụ đã tận diệt trong một cái chết nhiệt cách nay lâu rồi. Lúc này nó đã là một nơi tối đen lạnh lẽo. Năng lượng khóa bên trong các ngôi sao đúng là đang trì hoãn cái không thể tránh được đó. Hiểu theo một nghĩa nào đó thì cái chết nhiệt của Vũ trụ đã xảy ra rồi. Các thiên hà thật ra chỉ là những cái túi nhỏ cô lập cản trở sự tăng nhanh entropy xung quanh chúng. Bức xạ nền vi sóng với nhiệt độ của nó chỉ ba độ trên không độ tuyệt đối là bằng chứng rằng Vũ trụ gần như hoàn toàn đã xả hết dây cót.

Một số tác giả từng khẳng định rằng cái chết nhiệt của Vũ trụ sẽ không bao giờ xảy ra cho dù nó có tiếp tục giãn nở mãi mãi. Họ cho rằng vì không gian sẵn có cho vật chất trong Vũ trụ luôn luôn tăng lên, nên sẽ luôn luôn có thêm chỗ cho nó phân tán vào. Lập luận này là sai. Một khi vật chất và bức xạ phân tán đều khắp không gian thì bất cứ sự giãn nở thêm nào sẽ chỉ làm giảm mật độ (lượng vật chất có trong một thể tích cho trước). Nó sẽ không làm thay đổi trạng thái cân bằng.

Nếu như Vũ trụ đã được trù định sẽ co lại dưới sức hút hấp dẫn của riêng nó, thì đây sẽ tiêu biểu cho một sự tăng nữa của entropy. Cho dù toàn bộ những gì nó chứa khi đó là bức xạ lạnh lẽo đi nữa cũng chẳng sao vì không cần thiết có sự co cụm hấp dẫn theo nghĩa thông thường. Vụ Co Lớn không giống như sự hình thành các thiên hà trong Vũ trụ sơ khai. Trong pha co lại, toàn bộ Vũ trụ đang khép kín trên chính nó. Cách tốt nhất để mô tả là hãy nghĩ Vũ trụ giống như một cái lò xo. Sự giãn nở giống như sự kéo căng lò xo. Nếu nó bị kéo căng quá mạnh thì nó sẽ không bao giờ trở lại trạng thái cuộn ban đầu của nó nữa. Nếu nó bị kéo nhẹ nhàng hơn một chút, thì nó sẽ tự hút lại và nén bật vào bên trong. Tương tự như vậy, Vũ trụ lúc giãn nở cực đại vẫn có thế năng hấp dẫn. Khi nó co lại, entropy của nó vẫn tăng lên. Entropy đạt tới cực đại lúc Vụ Co Lớn đánh dấu sự kết thúc của thời gian; đầu nhọn của mũi tên nhiệt động lực học của thời gian.

Lí giải trên đây có phần quá đơn giản hóa. Tôi từng đề cập rằng cho đến nay chưa hề có sự nhất trí thật sự nào về những mũi tên thời gian trong vũ trụ học và phần lí giải tôi vừa nêu ra còn lâu mới là lời giải thích cuối cùng cho vấn đề trên.

Giờ thì bạn đã thấy thời gian khó hiểu như thế nào khi xem nó là một khái niệm riêng, cuối cùng bạn đã sẵn sàng làm quen với thuyết tương đối đặc biệt của Einstein trong đó ông đã trói buộc thời gian với không gian thành không thời gian bốn chiều. Đừng quá lo lắng bạn nhé. So với những huyên thuyên siêu hình học thường không thực tế của chương này, thuyết tương đối đặc biệt sẽ là một làn gió mới trong lành.

Tôi cảm thấy mình là kẻ đa nghi.