Làm thế nào có thể nhìn vào những thời khắc đầu tiên của vũ trụ? Các nhà vật lí có các cách riêng của họ - và cái họ tìm thấy sẽ cho chúng ta biết rất nhiều về vũ trụ hiện nay vận hành ra sao và nó sẽ trình hiện như thế nào trong tương lai.
- Kathryn Jepsen (Symmetry Magazine, tháng 11/2013)
Có lẽ bạn từng nghe nói rằng, khi bạn quan sát một ngôi sao vào ban đêm, thật ra bạn đang nhìn thấy ánh sáng phát ra hồi hàng chục triệu năm về trước. Ánh sáng mất một khoảng thời gian lâu như thế để đi từ nơi sinh của nó đến Trái đất.
Bằng chứng của quá khứ xa xăm của chúng ta có ở mọi nơi. Bạn chỉ cần biết nơi và cách tìm kiếm nó mà thôi. Một trong những sứ mệnh to lớn của lĩnh vực vật lí hạt sơ cấp là theo vết bằng chứng này ngược đến lúc khởi nguồn của chúng ta.
“Chúng ta càng hiểu nhiều về nguồn gốc của mình, thì chúng ta càng hiểu rõ bản thân mình và vị thế của chúng ta trong vũ trụ,” phát biểu của nhà lí thuyết Michael Ramsey-Musolf, giám đốc Trung tâm Amherst Các tương tác Cơ bản tại trường Đại học Massachusetts.
Các nhà khoa học đã sử dụng các thí nghiệm và quan trắc để nghiên cứu quá khứ của chúng ta xa tận đến một giây sau vụ nổ lớn. Lúc ấy, vật chất sao cấu tạo nên vạn vật xung quanh chúng ta bắt đầu hình thành. Nhưng cái đã xảy ra trước đó quyết định đặc tính của vũ trụ ngày nay – và có lẽ còn dự báo một ngày nào đó nó sẽ kết thúc như thế nào.
Các nhà vật lí hạt đang nỗ lực tìm kiếm chính xác cái đã xảy ra trong giây đầu tiên đó.
Tìm kiếm ngược dòng thời gian
Nhiều câu hỏi lớn trong ngành vật lí hạt ngày nay có liên quan với cái xảy ra trong thời khắc đầu tiên đó. Theo các lí thuyết đang chiếm ưu thế hiện nay thì cái xảy ra là như thế này:
Ngay sau vụ nổ lớn, vũ trụ là một nồi súp hạt nóng, đặc, bao gồm boson Higgs, các quark và cái ngày nay chúng ta gọi là vật chất tối. Nó bắt đầu dãn ra và nguội dần. Khi điều này xảy ra, trường Higgs như chúng ta biết phát huy tác dụng và cung cấp khối lượng cho các hạt sơ cấp. Các quark và gluon bắt đầu co cụm lại với nhau tạo thành các proton và neutron, sau đó chúng bắt đầu tạo thành các hạt nhân.
Mặc dù chúng ta không thể đi ngược thời gian và nghiên cứu vũ trụ sơ khai tại “hiện trường”, nhưng các nhà khoa học đã có thể truy ngược rất xa, gần như đến giây đầu tiên đó.
Các nhà thiên văn vật lí có thể cung cấp cho chúng ta một con đường để đến đó: ngược đến hơn 13 tỉ năm đến thời khắc 380.000 năm sau vụ nổ lớn. Họ sử dụng các kính thiên văn mạnh để nghiên cứu phông nền vi sóng vũ trụ, một phân bố của ánh sáng nhiệt thời xa xưa in trên bầu trời khi các nguyên tử trung hòa bắt đầu hình thành từ món súp hạt đậm đặc của vũ trụ sơ khai.
“Vụ nổ lớn là một thời điểm khi mọi thứ đang diễn ra rất nhanh và va đụng khốc liệt,” phát biểu của nhà lí thuyết Jonathan Feng thuộc trường Đại học California, Irvine. “Hiểu theo một nghĩa nào đó, vũ trụ sơ khai đã làm các thí nghiệm cho chúng ta. Dữ liệu có sẵn ngoài kia. Tất cả những gì chúng ta phải làm là sử dụng một chiếc kính thiên văn và nhìn vào nó.”
Các nhà vật lí hạt còn nhìn xa hơn về quá khứ bằng các phương pháp khác. Các thí nghiệm tại các máy va chạm hạt, chẳng hạn, đã mang đến cho chúng ta cái nhìn hạn chế về những thời khắc trước khi phông nền vi sóng ra đời, lần ngược đến giây đầu tiên sau vụ nổ lớn.
Các thí nghiệm máy va chạm hạt có thể cho chúng ta biết về những thời khắc đầu tiên bởi vì, mặc dù các điều kiện ngay sau vụ nổ lớn là khác, nhưng các định luật vật lí là như nhau. Các định luật mà chúng ta thấy đang vận hành ngày nay chỉ có những tác động khác ở những thang năng lượng khác.
Máy va chạm Ion Nặng Tương đối tính tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở New York và Máy va chạm Hadron Lớn tại CERN ở châu Âu đều cho các hạt va chạm nhau ở những năng lượng hết sức cao. Mặc dù những năng lượng này chưa đủ cao – và không bao giờ đủ cao – để tái tạo bản thân vụ nổ lớn, nhưng chúng thật sự bắt chước được một số phương diện của vũ trụ sơ khai, chúng có thể cho chúng ta biết đôi điều về vũ trụ sơ khai trông như thế nào.
Các thí nghiệm tại hai máy va chạm hạt này, chẳng hạn, đã cung cấp cho các nhà khoa học bằng chứng rằng các quark – chúng thường liên kết chặt với nhau – trở nên lỏng lẻo trong những điều kiện thích hợp. Nếu các quark mất liên kết ở những năng lượng cao, thì chúng cũng mất liên kết trong môi trường năng lượng cao của vũ trụ của chúng ta ngay sau sự kiện ra đời của nó.
Các nhà vật lí cũng đã có các manh mối về vũ trụ sơ khai từ các thí nghiệm khảo sát các hạt khối lượng lớn được tạo ra trong các máy gia tốc hạt. Họ đã tìm thấy rằng những loại phân hủy hạt nhất định thành vật chất – hoặc biến đổi năng lượng của chúng thành những hạt nhẹ hơn – xảy ra với tần suất cao hơn tần suất các phản hạt của chúng phân hủy thành phản vật chất. Sự vi phạm này của đối xứng vật chất và phản vật chất là một manh mối cho cái đã xảy ra trong vũ trụ sơ khai, tại thời điểm hai bên đối trọng này cân bằng nhau.
Cho đến nay, các nhà vật lí đã học được rất nhiều về những thời khắc đầu tiên sau vụ nổ lớn, nhưng họ cần làm việc cùng nhau nếu họ muốn tìm ra cái đã xảy ra trong giây rất sớm đó, theo lời nhà lí thuyết Mu-Chun Chen thuộc trường Đại học California, Irvine.
“Người ta có lẽ đang làm việc ở những cấp năng lượng khác nhau hoặc cấp thời gian khác nhau, nhưng có mục tiêu chung là tìm hiểu cái gì đã thật sự xảy ra,” bà nói. “Bằng cách kết hợp toàn bộ dữ liệu này lại, hi vọng rằng chúng ta sẽ có thể tìm ra chân lí.”
Một lực thống nhất
Việc biết được cái đã xảy ra trong giây đầu tiên có thể trả lời hai câu hỏi lớn: Có phải tất cả các lực đã biết chi phối tương tác giữa các hạt vật chất thật ra chỉ là các biểu hiện của một lực duy nhất? Và cái gì đã xảy ra với toàn bộ phản vật chất ngay sau vụ nổ lớn?
Câu hỏi thứ nhất đó có thể cho chúng ta một hiểu biết mới về cách vận hành của thế giới. Các thí nghiệm trước đây đưa các nhà khoa học đến chỗ giả thuyết rằng các định luật vật lí, như chúng ta quan sát thấy ngày nay, thật ra có thể đơn giản hơn chúng trông như thế.
“Về một phương diện nào đó, nó là một câu hỏi thẩm mĩ,” phát biểu của nhà lí thuyết Kaladi Babu thuộc trường Đại học Oklahoma. “Chúng ta muốn lí thuyết đơn giản và đẹp.”
Quan điểm này đã được hình thành khá lâu. Isaac Newton đã đơn giản hóa sự nhận thức tự nhiên của chúng ta bởi việc trình bày rằng lực làm cho quả táo rơi cũng chính là lực giữ cho hành tinh của chúng ta quay xung quanh mặt trời. Hans Christian Ørsted đã làm chuyện tương tự khi ông để ý thấy một dòng điện có thể đẩy kim nam châm trong cái la bàn của ông bị lệch, dẫn tới khám phá rằng lực điện và lực từ là hai biểu hiện của một lực.
Ngày nay chúng ta xem lực điện từ là một trong bốn lực cơ bản – ba lực kia là lực hạt nhân mạnh, liên kết những mảnh nhỏ nhất của nguyên tử; lực hạt nhân yếu, cho phép mặt trời tỏa sáng; và lực hấp dẫn. Nhưng có khả năng một vài hoặc tất cả những lực đó lúc ban đầu là một lực duy nhất – lực sau đó đã phân chia trong phần nhỏ đầu tiên của một micro giây sau vụ nổ lớn. Khi các nhà khoa học ngoại suy cái họ biết về độ lớn của các lực khác nhau ở những năng lượng khác nhau, họ tìm thấy một thời điểm - ở một năng lượng đặc trưng của vũ trụ lúc chưa tới một phần nghìn tỉ nghìn tỉ nghìn tỉ của một giây sau vụ nổ lớn – lúc đó tất cả các lực trừ lực hấp dẫn là bằng nhau.
“Thật khó mà nghĩ đó chỉ là một sự trùng hợp,” Chen nói.
Lí thuyết dây, một lí thuyết xét tất cả các hạt dạng chất điểm là những sợi dây một chiều, có thể cung cấp một phương thức sáp nhập lực hấp dẫn với lực thống nhất này.
Việc hiểu được các lực liên hệ với nhau như thế nào có thể cho chúng ta một bức tranh hoàn chỉnh hơn của cách thức vạn vật vận hành ngày nay và chúng sẽ tiến về đâu trong tương lai.
