Trận chiến lớn nhất
Lịch sử thiên văn học là lịch sử của những trận chiến lớn nhỏ, bắt đầu với tranh cãi giữa Copernicus và Giáo hội Thiên chúa về bản chất của hệ mặt trời. Nếu như tranh cãi mặt đối mặt giữa Harlow Shapley và Heber Curtis về Dải Ngân hà có cấu thành nên toàn bộ vũ trụ hay không được gọi là Trận chiến Lớn, thì tranh cãi về nguồn gốc của vũ trụ vào giữa thế kỉ 20 chắc chắn xứng đáng với danh xưng Trận chiến Lớn nhất.
Thật sự có hai khả năng cho nguồn gốc của vũ trụ. Hoặc là nó đã ra đời vào lúc nào đó (quan điểm vụ nổ lớn), hoặc nó luôn luôn ngự trị ở đó (sinh tạo liên tục). Tuy nhiên, một trong những đặc trưng chính của khoa học là các lí thuyết phải được xây dựng khớp với thực tế, và Edwin Hubble đã chứng minh thuyết phục rằng phần lớn các thiên hà đang lùi ra xa Trái đất, và chúng lùi ra xa theo định luật Hubble V = H0D. Lúc đầu Hubble viết là V = KD; sau này K mới được đổi thành H0 nhằm tôn vinh vai trò của ông trong việc khám phá ra định luật này. Thật vậy, trong khoa học và toán học việc lấy tên của bạn đặt cho cái gì đó thường bị xem là chuyện không hay; cộng đồng khoa học sẽ làm thế nếu khám phá của bạn có đủ tầm quan trọng của nó. Chúng ta gọi thuyết tương đối rộng Einstein, nhưng Einstein đâu có gọi như thế. Trường hợp duy nhất mà tôi biết trong đó một nhà toán học hay nhà khoa học cố gắng đưa tên của mình vào là với Leonhard Euler, ông đã bỏ ra rất nhiều thời gian phát triển những khái niệm liên quan đến số e, cơ số của logarithm tự nhiên. Một số nhà sử học cảm thấy rằng chữ e được chọn bởi vì nó là kí tự đầu tiên trong tên của Euler.
Chúng ta hãy nói kĩ hơn về hai đối thủ cạnh tranh cho danh hiệu Lí thuyết Giải thích Nguồn gốc của Vũ trụ.
Big Bang
Vào đầu thập niên 1920, có ba nghiệm cho EFE đã được giải. Thứ nhất là nghiệm gốc của Einstein không chứa hằng số vũ trụ học, hoặc giãn ra hoặc co lại. Thứ hai là nghiệm của Einstein khi bổ sung thêm một hằng số vũ trụ học được lựa chọn thích hợp, một vũ trụ tĩnh khớp với thực tế mà người ta đã giả định. Thứ ba là nghiệm de Sitter, nó không chứa vật chất và có sự lệch đỏ do sự trôi chậm của thời gian ở những khoảng cách xa đối với Trái đất.
Rồi thêm một kết quả được tìm thấy bởi Georges Lemaître, một cá nhân xuất sắc với kiến thức hết sức uyên bác. Không những là một nhà vật lí hết sức tài năng, Lemaître còn là một sĩ quan pháo binh trong Thế chiến thứ nhất được công nhận là can đảm – và sau này trở thành một linh mục Thiên chúa La Mã được tấn phong. Như tôi đã nói, các hệ phương trình vi phân riêng rất khó giải, cho nên chẳng có gì bất ngờ khi Einstein và de Sitter đã không lường hết các nghiệm khả dĩ của EFE. Lemaître tìm thấy một nghiệm của EFE (có chứa hằng số vũ trụ học) chẳng gì hơn là mô tả một vũ trụ đang giãn nở - nó cung cấp một bằng chứng toán học của định luật Hubble. Ông công bố bài báo này, với tiêu đề dài ngoằn (dịch ra từ tiếng Pháp) “Một vũ trụ đồng nhất có khối lượng không đổi và bán kính tăng dần giải thích được vận tốc xuyên tâm của các tinh vân ngoài thiên hà”. Bài báo này cũng cung cấp giá trị được tính toán đầu tiên của hằng số Hubble, suy ra từ các số đo quan trắc. Tuy nhiên, trong vật lí học cũng như những ngành khác, thật khó thu hút sự chú ý của cộng đồng khi bạn ở cách quá xa với trung tâm hoạt động, và bài báo này đăng trên một tờ tạp chí không tên tuổi của Bỉ, phần lớn là vì lúc ấy Lemaître là một giáo sư thiên văn học không tên tuổi ở Bỉ.
Thật bất ngờ, Aleksandr Friedmann, một nhà toán học người Nga cũng từng phục vụ trong Thế chiến thứ nhất, một cách độc lập đã phát triển phương pháp tương tự, và đã đi tới kết quả trước Lemaître bốn năm. Tuy nhiên, vào thập niên 1920 có rất nhiều lí thuyết vật lí mới ra đời, và mặc dù Friedmann công bố bài báo của ông trên tạp chí danh giá của Đức, Zeitschrift fur Physik, nhưng ông cũng chẳng được mấy ai chú ý tới; ông đặt tiêu đề cho bài báo của ông thật đơn giản, “Về khả năng của một thế giới có độ cong không gian âm và không đổi”. Nghiệm của Friedmann thật sự cho phép cả ba loại vũ trụ với độ cong dương, âm, và bằng không (tương ứng với bề mặt của một quả cầu, một cái yên ngựa, và một tờ giấy). Có lẽ Einstein đã không thấy bài báo của Friedmann, hoặc có lẽ tiêu đề bài báo khiến ông xem nó là một bài báo không có giá trị khi ấy. Dẫu sao, Einstein đã không đọc nó. Có lẽ Friedmann nên đặt tiêu đề của bài báo là “Một nghiệm cho các phương trình trường Einstein”. Như thế có lẽ đã thu hút được sự chú ý của Einstein!
Friedmann không bao giờ nhận được chú ý của Einstein nữa – ông đã qua đời vì chứng thương hàn sau một chuyến đi đến Crimea vào năm 1925, nhưng Lemaître cuối cùng cũng làm được, vào năm 1927. Việc này xảy ra trước khi toàn bộ công trình của Hubble được chấp nhận, và Einstein, vẫn giữ quan điểm của ông về một vũ trụ tĩnh, không bị gây ấn tượng ngay từ đầu. Ông nói trong khi toán học của Lemaître là đúng, nhưng vật lí của ông ta thì có vấn đề. Tuy nhiên, trước phản ứng không khích lệ của Einstein, Lemaître vẫn tiếp tục phát triển lí thuyết của ông. Số liệu của Hubble rõ ràng cung cấp sự hậu thuẫn rất lớn cho các quan điểm của ông, và Lemaître nhận được sự đồng tình mạnh mẽ của Eddington, người đã mang lí thuyết của Lemaître vào tiêu điểm chú ý khi công bố một bài bình luận dài về nó trong năm 1930 trên Nguyệt san của Hội thiên văn học Hoàng gia. Cuối cùng đây là sự chấp thuận – Eddington mô tả lí thuyết của Lemaître là “nghiệm sáng giá” cho bài toán mô tả vật lí của vũ trụ - và nó đưa tới một lời mời Lemaître trình bày lí thuyết của ông ở London: một vinh dự dẫu muộn màng! Chính vào dịp này Lemaître đã trình bày quan điểm vũ trụ giãn nở từ một điểm ban đầu, cái ông gọi là “nguyên tử nguyên thủy”. Einstein cuối cùng cũng bị thuyết phục bởi lí thuyết của Lemaître và, vào một chuyến đi sau đó đến California, Lemaître trình bày kết quả nghiên cứu của ông, Einstein đã đứng dậy, vỗ tay, và người ta đồn rằng ông nói “Đây là giải thích đẹp nhất và thỏa mãn nhất của sự ra đời của vũ trụ mà tôi từng được nghe.”
Giáo hội Thiên chúa cũng thích lí thuyết ấy. Tại làm sao ư? Không những vì tác giả là một linh mục, mà khi các nhà vật lí khảo sát các hệ quả của lí thuyết Lemaître, họ nhận ra rằng nếu người ta chỉnh lùi đồng hồ đến đủ xa, thì những thiên hà đang lùi ra xa ngày nay phải đã từng có lúc bắt nguồn từ một thể tích nhỏ vô hạn, và vũ trụ đã ra đời khi vật chất và năng lượng này được giải phóng. Trong một khoảng thời gian ngắn, nhiệt độ của vũ trụ cao đến mức các nguyên tử không thể hình thành; bản thân vũ trụ là năng lượng thuần túy. Vatican hăm hở gán hiện tượng này cho Chúa, như trong Kinh Genesis 1:3: “Và Chúa nói, hãy có ánh sáng, và thế là có ánh sáng.” Đó là toàn bộ công việc cách mạng lâu dài của Vatican từ việc thiêu chết Giordano Bruno trên giàn thiêu vào năm 1600 cho đến việc tài trợ cho các hội nghị về sinh vật học vũ trụ trong thế kỉ 21.
Bạn có thấy quan điểm nén toàn bộ vũ trụ đã biết vào một thể tích nhỏ hơn cái đầu kim là khó tin hay không? Tôi cũng vậy. Bán kính Schwarzschild của Mặt trời là khoảng 3 km, và một thiên hà điển hình có chứa hàng tỉ, đôi khi hàng nghìn tỉ, khối lượng mặt trời. Vũ trụ chứa hàng tỉ, có khả năng hàng nghìn tỉ, thiên hà. Lí thuyết Big Bang yêu cầu toàn bộ vật chất này bị nén vào một thể tích nhỏ hơn một nguyên tử hydrogen, mà bản thân một nguyên tử hydrogen là đã hết sức nhỏ. Là một nhà toán học, tôi có thể tự tin xét không gian vô số chiều, vì tôi biết rằng chúng đơn thuần là những cấu trúc toán học. Nhưng còn việc nén toàn bộ vũ trụ vào thể tích hết sức nhỏ này thì sao? Tôi có thể chấp nhận nó, vì hiện nay nó là lí thuyết tốt nhất, theo các chuyên gia, giải thích được vũ trụ đã ra đời như thế nào. Nếu tôi có đọc một phát triển toán học của lí thuyết này – cái tôi thừa nhận rằng mình chưa từng làm – thì tôi đảm bảo tôi sẽ sẵn sàng chấp nhận nó hơn. Nhưng giống như một người ngồi trên cái va li của anh ta để có thể đóng nó trước khi đi xa, tôi thấy khó mà tin nổi từ một quan điểm một con người bằng xương bằng thịt. Làm thế nào bạn có thể dồn toàn bộ vật chất vào một không gian nhỏ như thế? Không phải Big Bang và cái xảy ra sau đó khiến tôi khó hiểu, mà tôi chỉ không thể nào nhận thức được chuyện một khối lượng như thế ở trong một thể tích nhỏ vô cùng vô tận. Có lẽ rồi sẽ có ai đó đi tới một lí thuyết trong đó cái chứa trong vũ trụ hiện nay bị dồn vào bên trong một thể tích cỡ bằng hệ mặt trời – tuy vẫn khó tin nỗi, nhưng vẫn dễ tin hơn nhiều (ít nhất là đối với tôi), và Big Bang đã đá quả bóng lăn từ đó.
Tôi đoán rằng nhà thiên văn học danh tiếng Fred Hoyle, người đã đặt ra cụm từ “Big Bang” (Vụ nổ Lớn), cũng gặp khó khăn với khái niệm này – bởi vì ông thậm chí còn sẵn sàng hi sinh một trong những lí thuyết thành công nhất của vật lí học để đề xuất một lí thuyết mà ông cảm thấy là đáng tin cậy hơn.
Những con số làm nên vũ trụ
James D. Stein
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>
