Kiến trúc của vũ trụ

Vào nửa đầu thế kỉ hai mươi, Einstein mô tả sự vận hành của không gian và thời gian, trong khi Niels Bohr và các đồng nghiệp trẻ của ông thâu tóm vào các phương trình bản chất lượng tử kì lạ của vật chất. Vào nửa sau thế kỉ hai mươi, các nhà vật lí xây dựng trên những nền tảng này, áp dụng hai lí thuyết cho nhiều lĩnh vực tự nhiên rộng rãi: từ cấu trúc vĩ mô của vũ trụ cho đến thế giới vi mô của các hạt sơ cấp. Trong bài học này, tôi đề cập đến nội dung thứ nhất, còn nội dung thứ hai sẽ được nói đến ở bài học tiếp theo.

Bài học này chủ yếu gồm những hình vẽ đơn giản. Nguyên do bởi vì trước khi có thí nghiệm, đo lường, toán học và suy luận chặt chẽ, khoa học trên hết là về cái nhìn. Khoa học bắt đầu với cái nhìn. Tư duy khoa học được nuôi dưỡng bởi khả năng ‘nhìn thấy’ những cái khác với chúng đã được thấy trước đó. Tôi muốn trình bày ở đây một phác họa ngắn gọn, khiêm tốn của hành trình giữa các cái nhìn.

Hình vẽ này thể hiện vũ trụ được hình dung như thế nào trong cả thiên niên kỉ: Trái đất bên dưới, bầu trời bên trên. Cuộc cách mạng khoa học vĩ đại đầu tiên, được hoàn thành bởi Anaximander cách nay hai mươi sáu thế kỉ khi ông cố gắng lí giải làm thế nào mặt trời, mặt trăng và các sao quay xung quanh chúng ta, thay thế cho hình ảnh vũ trụ bên trên bằng hình ảnh sau:

Bây giờ bầu trời vây toàn bộ xung quanh Trái đất, chứ không chỉ ở phía trên nó, và Trái đất là một khối đá lớn trôi nổi lơ lửng trong không gian mà không rơi. Không lâu sau, một ai đó (có lẽ Parmenides hoặc Pythagoras) nhận thấy hình cầu là hình dạng hợp lí nhất cho Trái đất bay nổi này để cho mọi hướng mới là như nhau – và Aristotle đã nghĩ ra những lập luận khoa học có sức thuyết phục để xác nhận bản chất hình cầu của Trái đất lẫn bầu trời xung quanh nó nơi các thiên thể thực hiện hành trình của chúng. Đây là hình ảnh thu được của vũ trụ:

Và vũ trụ này, như Aristotle mô tả trong tác phẩm Bàn về Bầu trời của ông, vẫn là hình ảnh thế giới đặc trưng của các nền văn minh Địa Trung Hải mãi cho đến cuối Thời Trung cổ. Nó là hình ảnh thế giới mà Dante và Shakespear đã học ở trường.

Bước nhảy vọt tiếp theo được hoàn thiện bởi Copernicus, mở đầu cái gọi là cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật vĩ đại. Thế giới, theo Copernicus, không khác lắm so với thế giới của Aristotle:

Nhưng thật sự có một khác biệt chủ chốt. Lấy một quan niệm bị xem là dị giáo, Copernicus đã hiểu và chứng minh rằng Trái đất không nằm tại tâm của điệu vũ của các hành tinh, mà thay vậy mặt trời mới là tâm. Hành tinh của chúng ta trở thành một trong số các hành tinh, quay tròn ở tốc độ cao xung quanh trục của nó và xung quanh mặt trời.

Hiểu biết của chúng ta tiếp tục được phát triển, và với những thiết bị cải tiến người ta sớm biết được rằng bản thân hệ mặt trời chỉ là một trong vô số hệ mặt trời, và mặt trời chẳng gì hơn là một ngôi sao như các ngôi sao khác. Một chấm vô cùng nhỏ trong đám mây mênh mông gồm một trăm tỉ sao – tức Thiên hà của chúng ta:

Tuy nhiên, vào thập niên 1930, các phép đo chính xác do các nhà thiên văn học tiến hành về sao siêu mới – những đám mây nhỏ trăng trắng nằm giữa các sao – cho thấy bản thân Thiên hà là một đốm bụi trong một đám thiên hà khổng lồ, nó trải rộng xa đến phạm vi mắt có thể nhìn thấy qua những chiếc kính thiên văn mạnh nhất của chúng ta. Thế giới bây giờ trở nên đồng đều và dãn ra vô hạn.

Hình minh họa bên dưới không phải là một hình vẽ; nó là ảnh chụp được thực hiện bởi kính thiên văn Hubble trên quỹ đạo, cho thấy một góc ảnh của bầu trời sâu hơn bất kì ảnh nào được thấy trước đây với những kính thiên văn mạnh nhất của chúng ta: nhìn với mắt trần thì nó chỉ là một đốm nhỏ của bầu trời cực kì tối đen. Nhìn qua kính thiên văn Hubble, rải rác hiện ra các đốm xa mênh mông. Mỗi chấm đen trong hình là một thiên hà chứa một trăm tỉ mặt trời tương tự như mặt trời của chúng ta. Vì thế, trong vũ trụ có hàng nghìn tỉ tỉ tỉ hành tinh như Trái đất. Và trong mỗi hướng mà ta nhìn, đây là cái xuất hiện:

Nhưng sự đồng đều vô tận này hóa ra không phải như vẻ ngoài của nó. Như tôi đã giải thích ở bài học thứ nhất, không gian không phải phẳng mà là cong. Ta phải tưởng tượng kết cấu của vũ trụ, cùng với các vệt thiên hà của nó, đang chuyển động theo những con sóng tương tự như sóng biển, thỉnh thoảng xao động đến mức tạo ra những khoảng trống là các lỗ đen. Vậy nên ta hãy trở lại với một hình vẽ, để biểu diễn vũ trụ bị cày xới bởi những con sóng vĩ đại ấy:

Và cuối cùng, ngày nay chúng ta biết rằng vũ trụ mênh mông, co dãn này, với rải rác các thiên hà và mười lăm tỉ năm kiến tạo, đã hiện ra từ một đám mây nhỏ cực kì nóng và cực kì đặc. Để biểu diễn cái nhìn này, ta không cần vẽ vũ trụ nữa mà vẽ lịch sử toàn bộ của nó. Hình vẽ như thế này:

Vũ trụ đã ra đời là một quả cầu nhỏ rồi sau đó nổ thành các chiều kích khổng lồ hiện nay của nó. Đây là hình ảnh hiện nay của chúng ta về vũ trụ, ở cấp độ lớn nhất mà chúng ta biết.

Còn cái gì khác nữa hay không? Có cái gì trước đó nữa không? Có lẽ là có. Tôi sẽ nói về nó sau hai bài học nữa. Có tồn tại những vũ trụ khác tương tự vũ trụ của chúng ta, hoặc khác biệt với vũ trụ của chúng ta hay không? Chúng ta không biết.

Trích Bài học thứ ba, Sách Bảy Bài học Vật lí Ngắn của Carlo Rovelli
Bản dịch của Trần Nghiêm

Bài trước | Bài kế tiếp