Thời gian có bắt đầu và kết thúc không? (Phần 9)

Điều này có nghĩa là các photon được phát hiện từ vũ trụ tổng thể, về phương diện chuyên môn gọi là bức xạ nền vi sóng vũ trụ, có khả năng đã truyền đi theo đường thẳng với tốc độ ánh sáng trong 14 tỉ năm ròng kể từ khi sự tái kết hợp xảy ra. Bức xạ này cung cấp cho chúng ta một phương tiện độc nhất vô nhị và cực kì có giá trị để nghiên cứu trạng thái của vũ trụ lúc 300 nghìn năm sau lúc khởi đầu của pha giãn nở hiện nay, hay cái gọi là Big Bang. Phần lớn những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực vũ trụ học là nhờ những thông tin thực nghiệm hết sức cải tiến kể từ năm 1992 về các chi tiết của bức xạ nền này.

Ở một nhiệt độ chừng ba độ trên không độ tuyệt đối, bước sóng của những photon tàn dư này vào khoảng 10 cm hay 4 inch. Bước sóng này thuộc vùng phổ điện từ gọi là vi sóng và bằng với bước sóng của bức xạ dùng trong lò vi sóng sử dụng trong nhà bếp. Khi chúng khởi phát lúc tái kết hợp, từ cái trong chuyên môn gọi là mặt tán xạ sau cùng, bước sóng của chúng nhỏ hơn một nghìn lần, hay bằng một phần mười của một milli mét. Đây là do bước sóng của photon tỉ lệ nghịch với năng lượng của nó. Năng lượng tỉ lệ thuận với nhiệt độ và nhiệt độ khi ấy cao hơn ngày nay một nghìn lần. Một cái nhìn khác tương đương là bước sóng của photon đã giãn ra một nghìn lần, giống như mọi thứ khác, trong quá trình truyền của nó từ mặt tán xạ sau cùng đến Trái đất.

Mắt người không nhìn thấy bức xạ nền vũ trụ mà chỉ có thể nhìn thấy một phần hẹp của phổ điện từ trong vùng khả kiến với bước sóng nhỏ hơn khoảng một trăm nghìn lần. Nhưng các máy dò vi sóng nhạy đã được phóng lên trên vệ tinh hoặc lơ lửng trên tầng cao khí quyển, bên dưới những khí cầu helium to lớn. Những máy dò này đang nhìn xa ra ngoài các thiên hà đến mặt tán xạ sau cùng thể hiện mặt xa nhất nhìn thấy được bằng bức xạ điện từ. Để nhìn xa hơn nữa đòi hỏi phải nghiên cứu neutrino hoặc bức xạ hấp dẫn.

Để giải thích tại sao có cái cực kì nổi cộm về tính trơn đã quan sát thấy của vũ trụ tại mặt tán xạ sau cùng đòi hỏi chúng ta xét kĩ hơn về thuyết tương đối. Một tiên đoán của thuyết tương đối là không có cái gì có thể chuyển động với tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng. Lí thuyết này không chỉ áp dụng cho các hạt vật chất mà còn áp dụng cho bất kì loại thông tin nào. Đặc biệt, một hiện tượng gây nguyên nhân không thể tạo ra bất kì cái quả nào nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Vì thế, chúng ta chỉ bị ảnh hưởng bởi những sự kiện xảy ra trong vũ trụ trước đây, những sự kiện có thể truyền thông tin đến chúng ta. Về mặt chuyên môn, theo thuyết tương đối hẹp, chúng ta nói rằng một sự kiện có thể bị ảnh hưởng chỉ bới những sự kiện trước đó thuộc hình nón ánh sáng ngược của nó. Yêu cầu này được gọi là tính nhân quả, và nó gây ràng buộc chặt đối với các lí thuyết vật lí. Thuyết tương đối đã trải qua nhiều lượt kiểm nghiệm và người ta có mọi lí do để tin vào nó và yêu cầu hệ quả này của tính nhân quả.

Khi bức xạ vi sóng truyền đi từ mặt tán xạ sau cùng được phân tích, người ta thấy phân bố nhiệt độ của nó trơn tru đến bất ngờ. Nhiệt độ cực kì đồng đều ở mọi hướng đến độ chính xác một phần một trăm nghìn. Ở mức chính xác đó, có những thăng giáng hết sức nhỏ mà bản thân chúng cực kì quan trọng cho sự hình thành các cấu trúc trong vũ trụ. Nhưng kết quả quan sát quan trọng trong nội dung đang nói là sự phân bố nhiệt độ trên mặt xa xôi nhất này là rất, rất trơn tru. Tại sao lại bất ngờ như thế?

Bức xạ nền vi sóng vũ trụ: phát ra lúc tái kết hợp, khoảng 400.000 năm sau lúc bắt đầu pha giãn nở hiện nay tại mặt tán xạ sau cùng.

Bất ngờ bởi vì trong bức tranh Big Bang đơn giản nhất, nó sẽ vi phạm nguyên lí nhân quả thiêng liêng ấy. Tại sao vậy? Bởi vì đường kính của vũ trụ khả kiến ngày nay là chừng ba mươi tỉ năm ánh sáng và vì thế đường kính ấy tại thời điểm những photon này được phát ra là nhỏ hơn một nghìn lần, hay khoảng ba mươi triệu năm ánh sáng. Một năm ánh sáng là quãng đường ánh sáng truyền đi trong một năm. Tuổi của vũ trụ lúc tái kết hợp chỉ mới ba trăm nghìn năm. Bán kính của mặt tán xạ sau cùng là to gấp một trăm lần. Vì thế, trên mặt hai chiều ấy có một trăm bình phương, hay mười nghìn, vùng của bề mặt ấy chưa từng tiếp xúc nguyên nhân trong kịch bản Big Bang đơn giản nhất. Do đó, cái hết sức bất ngờ là phân bố nhiệt độ lại đồng đều trong khắp mười nghìn vùng tách rời với nguyên nhân đến độ chính xác một phần một trăm nghìn! Đây là ví dụ đầu tiên của tính phẳng (của vũ trụ).

Cái rất quan trọng cần hiểu rõ từ đoạn văn trên là nó đề xuất rằng lí thuyết Big Bang phải được sửa đổi. Trước khi mô tả phiên bản sửa đổi phổ biến nhất của lí thuyết Big Bang có tính đến đặc điểm này, chúng ta sẽ mô tả một ví dụ thứ hai của tính trơn gọi là tính phẳng cũng sẽ được xét đến trong phiên bản sửa đổi sẽ được mô tả ở cuối chương này.

Thời gian có bắt đầu và kết thúc không