Thế nhưng nhiều nhà khoa học không hài lòng với việc vũ trụ có một khởi đầu, bởi dường như nó ẩn ý rằng vật lí học phải sụp đổ. Người ta sẽ phải viện dẫn một thế lực bên ngoài, để cho tiện người ta có thể gọi đó là Chúa, để định đoạt cách vũ trụ ra đời. Vì thế, họ xúc tiến những lí thuyết trong đó vũ trụ đang giãn nở ở thời hiện tại, nhưng không có một khởi đầu. Một trong số này là lí thuyết trạng thái ổn định, được đề xuất bởi Hermann Bondi, Thomas Gold và Fred Hoyle vào năm 1948.
Trong lí thuyết trạng thái ổn định, khi các thiên hà chuyển động ra xa nhau, ý tưởng là các thiên hà mới sẽ hình thành từ vật chất được cho là liên tục được tạo ra trong khắp không gian. Vũ trụ sẽ tồn tại vĩnh hằng, và sẽ trông như nhau vào mọi thời điểm. Tính chất vừa nói này có tác dụng lớn để biết một dự đoán rành mạch có được kiểm tra bằng quan sát hay không. Nhóm thiên văn học vô tuyến Cambridge, dưới trướng Martin Ryle, đã tiến hành một khảo sát về các nguồn sóng vô tuyến yếu hồi đầu thập niên 1960. Các nguồn này phân bố khá đồng đều trên bầu trời, cho thấy phần lớn các nguồn ấy nằm bên ngoài thiên hà của chúng ta. Tính trung bình, các nguồn càng yếu thì ở càng xa.
Lí thuyết trạng thái ổn định dự đoán một mối liên hệ giữa số lượng nguồn và cường độ của chúng. Song các quan sát cho thấy số nguồn mờ nhạt nhiều hơn dự đoán, cho thấy mật độ nguồn trong quá khứ là cao hơn. Điều này trái ngược với giả thuyết cơ bản của lí thuyết trạng thái ổn định, rằng vạn vật là không đổi theo thời gian. Vì lí do này và những lí do khác, lí thuyết trạng thái ổn định bị ruồng bỏ.
Một nỗ lực khác nhằm tránh vũ trụ có một khởi đầu là đề xuất rằng có một pha co lại trước đó, song do chuyển động quay và các dị thường địa phương nên vật chất sẽ không rơi hết lên cùng một điểm. Thay vậy, những phần khác nhau của vật chất sẽ lướt qua nhau, và vũ trụ sẽ giãn ra trở lại với mật độ luôn giữ hữu hạn. Hai nhà khoa học Nga, Evgeny Lifshitz và Isaak Khalatnikov, khẳng định đã chứng minh được rằng một sự co lại tổng quát không có đối xứng chính xác sẽ luôn dẫn tới một cú bật ngược, với mật độ giữ hữu hạn. Kết quả này rất phù hợp với chủ nghĩa duy vật biện chứng Marx-Lenin, vì nó tránh được những câu hỏi gây lúng túng về sự ra đời của vũ trụ. Vì thế, nó được xem là một bài kinh đối với các nhà khoa học Xô Viết.
Tôi bắt đầu nghiên cứu của mình về vũ trụ học đúng ngay lúc Lifshitz và Khalatnikov công bố kết luận của họ rằng vũ trụ không có một khởi đầu. Tôi nhận thấy đây là một câu hỏi rất quan trọng, song tôi chưa bị thuyết phục bởi các luận cứ mà Lifshitz và Khalatnikov đã dùng.
Chúng ta đã quen với quan niệm rằng các sự kiện có nguyên nhân bởi những sự kiện trước đó, rồi đến lượt những sự kiện này có nguyên nhân bởi những sự kiện trước đó nữa. Có một dây nhợ nhân quả, kéo ngược về quá khứ. Thế nhưng giả sử sợi dây này có một khởi đầu, giả sử đã có một sự kiện đầu tiên. Cái gì đã gây ra nó? Đây không phải là một câu hỏi mà nhiều nhà khoa học muốn giải quyết. Họ cố tránh né nó, hoặc bằng cách khẳng định kiểu như người Nga và các nhà lí thuyết trạng thái ổn định rằng vũ trụ không có một khởi đầu, hoặc bằng cách giữ quan điểm rằng nguồn gốc của vũ trụ không nằm trong địa hạt khoa học mà thuộc về siêu hình học hoặc tôn giáo. Theo quan điểm của tôi, một nhà khoa học thực thụ không nên chọn chỗ đứng như vậy. Nếu các định luật khoa học mất tác dụng tại lúc khởi đầu của vũ trụ, thì lẽ nào chúng không thể sai ở bất kì thời điểm nào khác? Một định luật không còn là một định luật nếu nó chỉ thi thoảng đúng. Tôi cho rằng chúng ta nên cố gắng tìm hiểu sự ra đời của vũ trụ trên cơ sở khoa học. Đó có thể là một nhiệm vụ vượt ngoài quyền năng của chúng ta, song chí ít chúng ta cũng nên thử sức.
Roger Penrose và tôi đã xoay sở chứng minh các định lí hình học để chỉ ra rằng vũ trụ phải có một khởi đầu nếu thuyết tương đối rộng Einstein là đúng, và những điều kiện hợp lí nhất định được thỏa mãn. Thật khó tranh cãi với một định lí toán học, vì thế cuối cùng Lifshitz và Khalatnikov thừa nhận rằng vũ trụ nên có một khởi đầu. Dù rằng ý tưởng về một sự khởi đầu của vũ trụ không được các quan niệm cộng sản hoan nghênh cho lắm, song ý thức hệ không bao giờ được phép đứng trên con đường khoa học trong vật lí học. Vật lí là cần thiết để có bom, thành ra nó quan trọng vì nó có tác dụng. Tuy nhiên, ý thức hệ Xô Viết thật sự đã cản trở sự tiến bộ trong sinh học bởi việc phủ nhận sự thật về di truyền học.
Mặc dù các định lí mà Roger Penrose và tôi chứng minh cho thấy rằng vũ trụ phải có một khởi đầu, song chúng không đem lại nhiều thông tin về bản chất của khởi đầu ấy. Chúng chứng tỏ rằng vũ trụ đã ra đời trong Vụ Nổ Lớn (Big Bang), một điểm tại đó toàn bộ vũ trụ và mọi thứ bên trong nó dồn ép vào một điểm duy nhất có mật độ vô hạn, một kì dị không-thời gian. Tại điểm này thuyết tương đối rộng Einstein sẽ sụp đổ. Vì thế người ta không thể dùng nó để dự đoán vũ trụ đã ra đời theo kiểu nào. Người ta lại thấy nguồn gốc của vũ trụ rõ ràng nằm ngoài phạm vi khoa học.
Bằng chứng quan sát xác nhận cho ý tưởng rằng vũ trụ đã có một khởi đầu rất đậm đặc xuất hiện vào tháng Mười năm 1965, một vài tháng sau kết quả kì dị đầu tiên của tôi, với việc khám phá một phông nền vi sóng mờ nhạt xuyên khắp không gian. Các vi sóng này y hệt các vi sóng trong lò nướng vi sóng của bạn, nhưng năng lượng thấp hơn nhiều lần. Chúng sẽ chỉ làm nóng cái pizza của bạn đến âm 270,4 độ bách phân (âm 518,72 độ Fahrenheit), chẳng tốt lắm cho việc đông lạnh cái pizza, thôi thì bạn cứ nướng cho chắc ăn. Thật ra bạn có thể tự mình quan sát các vi sóng này. Những ai trong các bạn còn nhớ đến các ti vi analog thì hầu như chắc chắn đều từng nhìn thấy các vi sóng này. Nếu bạn từng bật ti vi nhà mình thu một kênh không có đài phát, thì bạn nhìn thấy trên màn hình ti vi vài phần trăm chấm sáng lốm đốm do phông nền vi sóng này gây ra. Lời giải thích hợp lí duy nhất cho phông nền ấy là rằng nó là bức xạ còn sót lại từ một trạng thái xa xưa rất nóng và rất đậm đặc. Khi vũ trụ giãn nở, bức xạ ấy sẽ nguội dần cho đến khi nó chỉ còn là một tàn dư mờ nhạt mà chúng ta quan sát thấy ngày nay.
Chuyện vũ trụ đã bắt đầu với một kì dị không phải là một ý tưởng mà tôi hay một số người khác sẽ hài lòng. Nguyên do thuyết tương đối rộng Einstein sụp đổ ở gần Big Bang là bởi vì nó là cái được gọi là một lí thuyết cổ điển. Nghĩa là, nó giả định một cách đơn giản về cái có vẻ hiển nhiên từ cảm giác hằng ngày, rằng mỗi hạt có một vị trí xác định và một tốc độ xác định. Trong cái gọi là một lí thuyết cổ điển như thế, nếu người ta biết vị trí và tốc độ của tất cả các hạt trong vũ trụ tại một thời điểm, thì người ta có thể tính chúng sẽ như thế nào tại bất kì thời điểm khác, dù trong quá khứ hay tương lai. Tuy nhiên, vào đầu thế kỉ hai mươi, các nhà khoa học phát hiện rằng họ không thể tính chính xác cái gì sẽ xảy ra trên những khoảng cách rất ngắn. Không phải là họ cần những lí thuyết tốt hơn. Dường như có một mức ngẫu nhiên hay bất định nhất định trong tự nhiên không thể nào loại trừ được, cho dù các lí thuyết của chúng ta có tốt bao nhiêu. Nó có thể được tóm gọn trong Nguyên lí Bất định được đề xuất vào năm 1927 bởi nhà khoa học Đức Werner Heisenberg. Người ta không thể dự đoán chính xác đồng thời vị trí và tốc độ của một hạt. Vị trí được dự đoán càng chính xác, thì bạn sẽ dự đoán tốc độ càng kém chính xác, và ngược lại.
Einstein cực lực phản đối ý tưởng cho rằng vũ trụ bị chi phối bởi sự may rủi. Cảm giác của ông được tóm gọn trong lời quả quyết của ông, “Chúa không chơi xúc xắc”. Song toàn bộ bằng chứng cho thấy Chúa khá giống một con bạc. Vũ trụ tựa như một sòng bạc khổng lồ với những con xúc xắc lăn quay, hay các đĩa quay tròn, vào mọi lúc. Mỗi chủ sòng bạc liều lĩnh mất tiền mỗi khi xúc xắc được gieo hoặc bánh xe roulette quay tròn. Nhưng tính trên số lượng lớn lượt đặt cược thì lời lỗ khấu trừ nhau, và chủ sòng bạc cầm chắc rằng tính trung bình thì khoản lời nghiêng về phía ông ta hoặc bà ta. Bởi vậy mà các chủ sòng bạc giàu đến thế. Cơ hội duy nhất để bạn ăn được tiền của họ là hãy cược toàn bộ số tiền của bạn vào vài ba lượt gieo xúc xắc hoặc vài ba vòng quay bánh xe roulette mà thôi.
Điều tương tự đúng đối với vũ trụ. Khi vũ trụ to lớn, có số lượng rất lớn lượt gieo xúc xắc, và các kết quả khấu trừ thành cái người ta có thể dự đoán. Nhưng khi vũ trụ rất nhỏ, gần Big Bang, chỉ có một số lượng nhỏ lượt gieo xúc xắc, và Nguyên lí Bất định rất quan trọng. Để hiểu được nguồn gốc của vũ trụ, do đó người ta phải sáp nhập Nguyên lí Bất định vào thuyết tương đối rộng Einstein. Đây là một thách thức to lớn trong vật lí lí thuyết, chí ít là trong ba mươi năm qua. Chúng ta vẫn chưa giải quyết được vấn đề đó, song chúng ta đã có rất nhiều tiến bộ.
Bây giờ giả sử chúng ta cố dự đoán tương lai. Do chúng ta chỉ biết một kết hợp nào đó của vị trí và tốc độ của một hạt, nên ta không thể đưa ra dự đoán chính xác cho vị trí và tốc độ tương lai của các hạt. Ta chỉ có thể gán một xác suất cho những kết hợp nào đó của vị trí và tốc độ. Như vậy, có một xác suất nhất định cho một tương lai nhất định của vũ trụ. Song bây giờ giả sử chúng ta cố tìm hiểu quá khứ theo kiểu giống như vậy.
Cho biết bản chất của các quan sát mà chúng ta có thể thực hiện ngày nay, toàn bộ những gì chúng ta có thể làm là gán một xác suất cho một lịch sử nhất định của vũ trụ. Như vậy, vũ trụ phải có nhiều lịch sử khả dĩ, mỗi lịch sử có xác suất riêng của nó. Có một lịch sử vũ trụ trong đó nước Anh giành World Cup lần nữa, mặc dù có lẽ xác suất là thấp. Ý tưởng rằng vũ trụ có nhiều lịch sử nghe sặc mùi khoa học viễn tưởng, song ngày nay nó được chấp nhận là một sự thật khoa học. Đó là do Richard Feymann, người làm việc tại Viện Công nghệ California đầy danh vọng và chơi trống bongo trên đường phố. Phương pháp tìm hiểu cách vạn vật hoạt động của Feymann là gán cho mỗi lịch sử khả dĩ một xác suất nhất định, và rồi sử dụng ý tưởng này để đưa ra dự đoán. Nó hoạt động vô cùng trôi chảy để dự đoán tương lai. Vì thế chúng ta coi như là nó cũng hoạt động để truy nguyên về quá khứ.
Các nhà khoa học hiện đang tìm cách kết hợp thuyết tương đối rộng Einstein với ý tưởng đa lịch sử của Feymann thành một lí thuyết thống nhất hoàn chỉnh sẽ mô tả được mọi thứ xảy ra trong vũ trụ. Lí thuyết thống nhất này sẽ cho phép chúng ta tính được vũ trụ sẽ tiến hóa như thế nào, nếu chúng ta biết trạng thái của nó tại một thời điểm nào đó. Thế nhưng lí thuyết thống nhất ấy tự nó sẽ không cho chúng ta biết vũ trụ đã ra đời như thế nào, hay trạng thái ban đầu của nó là gì. Để biết điều đó, chúng ta cần thêm cái gì đó khác. Chúng ta cần cái gọi là các điều kiện biên, những thứ cho chúng ta biết cái xảy ra tại rìa ngoài của vũ trụ, rìa của không gian và thời gian. Song nếu rìa của vũ trụ chỉ nằm ở một điểm bình thường của không gian và thời gian thì chúng ta có thể đi qua khỏi nó và tuyên bố vùng miền ấy nằm ngoài bộ phận của vũ trụ. Mặt khác, nếu ranh giới của vũ trụ nằm tại một cái rìa lởm chởm tại đó không gian hoặc thời gian bị nghiền nát, và mật độ là vô hạn, thì sẽ rất khó xác định các điều kiện biên có nghĩa. Vì thế chúng ta chẳng rõ các điều kiện biên cần thiết là gì. Dường như chẳng có cơ sở lô gic nào cho việc chọn một tập hợp điều kiện biên này so với những tập hợp khác.
Tuy nhiên, Jim Hartle tại Đại học California, Santa Barbara, và tôi nhận thấy có một khả năng thứ ba nữa. Có lẽ vũ trụ không có ranh giới trong không gian và thời gian. Thoạt nhìn, điều này có vẻ mâu thuẫn trực tiếp với các định lí hình học mà tôi đã đề cập ở phần trước. Những định lí này cho thấy vũ trụ phải có một khởi đầu, một ranh giới trong thời gian. Tuy nhiên, để các kĩ thuật của Feymann rành mạch về mặt toán học, các nhà toán học đã phát triển một khái niệm gọi là thời gian ảo. Nó chẳng liên quan gì với thời gian thực mà chúng ta trải nghiệm. Nó là một thủ thuật toán học để các phép tính vận hành và nó thay thế thời gian thực mà chúng ta trải nghiệm. Ý tưởng của chúng tôi là nói rằng chẳng có ranh giới nào trong thời gian ảo. Làm như thế loại trừ được việc cố gắng phát minh các điều kiện biên. Chúng tôi gọi đây là đề xuất không-biên giới.
Nếu điều kiện biên của vũ trụ là chẳng có biên giới nào trong thời gian ảo, thì sẽ không có đúng một lịch sử. Có nhiều lịch sử trong thời gian ảo và mỗi một trong số chúng sẽ định đoạt một lịch sử trong thời gian thực. Như vậy, chúng ta có vô vàn lịch sử cho vũ trụ. Thế cái gì chọn ra một lịch sử nhất định, hay một tập hợp lịch sử mà chúng ta sinh sống, từ tập hợp mọi lịch sử khả dĩ của vũ trụ?
Một điểm chúng ta có thể dễ dàng để thấy là nhiều lịch sử khả dĩ này của vũ trụ sẽ không trải qua chuỗi hình thành thiên hà và sao, cái thiết yếu cho sự phát triển của riêng chúng ta. Có lẽ những giống loài thông minh có thể tiến hóa mà không cần thiên hà và sao, song khả năng ấy là rất thấp. Vì thế, thực tế chúng ta tồn tại với tư cách một giống loài có thể nêu câu hỏi “Vì sao vũ trụ lại như thế?” là một ràng buộc đối với lịch sử mà chúng ta đang sống. Nó ẩn ý rằng đó là một trong số ít những lịch sử có các thiên hà và sao. Đây là một ví dụ của cái gọi là Nguyên lí Vị nhân sinh. Nguyên lí Vị nhân sinh nói rằng vũ trụ phải ít nhiều giống như chúng ta nhìn thấy, bởi vì nếu nó khác đi thì chẳng có ai để quan sát nó cả.
Nhiều nhà khoa học không thích Nguyên lí Vị nhân sinh, bởi vì nó trông chẳng hấp dẫn mấy, và không có bao nhiêu sức mạnh dự đoán. Thế nhưng Nguyên lí Vị nhân sinh có thể được cấp một hình thức chính xác, và nó có vẻ thiết yếu khi giải quyết nguồn gốc của vũ trụ. Lí thuyết M, ứng cử viên tốt nhất của chúng ta cho một lí thuyết thống nhất hoàn chỉnh, cho phép vô số lịch sử khả dĩ cho vũ trụ. Đa số những lịch sử này không thích hợp mấy cho sự phát triển của sự sống thông minh. Hoặc là chúng rỗng không, hoặc là tồn tại quá ngắn ngủi, hoặc bị cong quá nhiều, hoặc là sai sai ở mặt nào đó. Thế nhưng, theo ý tưởng đa lịch sử của Richard Feymann, những lịch sử không ở được này có một xác suất khá cao.
Thật ra chúng ta chẳng quan tâm có thể có bao nhiêu lịch sử không dung chứa các giống loài thông minh. Chúng ta chỉ quan tâm đến một tập con của lịch sử trong đó sự sống thông minh phát triển được. Sự sống thông minh này không nhất thiết có chút gì giống với con người. Những con người bé nhỏ màu xanh cũng có thể phát triển tốt. Thật vậy, có khả năng họ còn phát triển hơn. Giống loài người không có kỉ lục tốt lắm về hành vi thông minh.
Là một ví dụ cho sức mạnh của Nguyên lí Vị nhân sinh, hãy xét số lượng chiều trong không gian. Đó là vấn đề kinh nghiệm thường lệ chúng ta sống trong không gian ba chiều. Thế tức là nói, chúng ta có thể biểu diễn vị trí của một điểm trong không gian bằng ba con số. Ví dụ, vĩ độ, kinh độ và độ cao trên mực nước biển. Thế tại sao lại là ba chiều không gian? Sao không phải là hai, hoặc bốn, hoặc một số lượng chiều nào khác, như trong khoa học giả tưởng ấy? Thật vậy, trong lí thuyết M không gian có mười chiều (đồng thời, lí thuyết ấy có một chiều thời gian), nhưng người ta cho rằng bảy trong mười chiều không gian đã cuộn lại rất nhỏ, để lại ba chiều lớn và gần như phẳng. Nó tựa như một cái ống hút. Bề mặt cái ống hút là hai chiều. Tuy nhiên, một chiều bị cuộn lại thành một vòng tròn nhỏ, vì thế nhìn từ xa cái ống hút trông như một đoạn một chiều.
Thế tại sao chúng ta không sống trong một lịch sử trong đó tám chiều bị cuộn nhỏ lại, chỉ để lại hai chiều mà chúng ta để ý thôi? Một động vật hai chiều sẽ có việc tiêu hóa thức ăn vô cùng cực khổ. Giả sử nó có ruột để thức ăn chạy qua, như chúng ta có, thì ruột sẽ chia con vật làm đôi, và con vật tội nghiệp sẽ bị tách đôi ra. Vì thế hai chiều phẳng phiu là không đủ cho cái phức tạp như sự sống thông minh. Có cái gì đó đặc biệt ở ba chiều không gian. Trong ba chiều, các hành tinh có thể có quỹ đạo ổn định xung quanh các sao. Đây là hệ quả của lực hấp dẫn tuân theo định luật nghịch đảo bình phương, như Robert Hooke đã khám phá vào năm 1665 và được trau chuốt bởi Isaac Newton. Hãy nghĩ về lực hút hấp dẫn của hai vật thể ở một khoảng cách nhất định. Nếu khoảng cách tăng gấp đôi, thì lực giữa chúng giảm đi bốn lần. Nếu khoảng cách tăng ba lần thì lực giảm đi chín lần, nếu khoảng cách tăng gấp bốn thì lực giảm đi mười sáu lần và cứ thế. Điều này đưa đến các quỹ đạo hành tinh ổn định. Bây giờ hãy nghĩ về bốn chiều không gian. Trong đó lực hấp dẫn sẽ tuân theo định luật nghịch đảo lập phương. Nếu khoảng cách giữa hai vật thể tăng gấp đôi, thì lực hấp dẫn sẽ giảm đi tám lần, tăng gấp ba thì giảm hai mươi bảy, tăng gấp bốn thì giảm sáu mươi tư. Việc đổi sang định luật nghịch đảo lập phương như vậy ngăn cản các hành tinh có quỹ đạo ổn định xung quanh mặt trời của chúng. Chúng hoặc là sẽ rơi vào mặt trời của chúng hoặc thoát ra vào vùng bóng đêm và lạnh lẽo bên ngoài. Tương tự, quỹ đạo của các eletron trong nguyên tử cũng sẽ không ổn định, cho nên vật chất như chúng ta biết sẽ không tồn tại. Như vậy, mặc dù ý tưởng đa lịch sử cho phép số lượng lớn chiều không gian gần như phẳng, song chỉ những lịch sử có ba chiều không gian phẳng mới dung chứa các giống loài thông minh. Chỉ trong những lịch sử như thế thì mới có câu hỏi đặt ra, “Tại sao không gian có ba chiều?”
Một đặc điểm nổi bật của vũ trụ mà chúng ta quan sát thấy là bức xạ nền vi sóng được khám phá bởi Arno Penzias và Robert Wilson. Về cơ bản nó là một bản ghi hóa thạch cho biết vũ trụ đã như thế nào lúc còn rất trẻ. Phông nền này hầu như y hệt nhau, độc lập với hướng người ta nhìn. Khác biệt giữa các hướng khác nhau chỉ vào khoảng 1 phần 100.000. Những khác biệt này vô cùng bé nhỏ và cần một lời giải thích. Lời giải thích được chấp nhận rộng rãi cho sự phẳng mượt này là vào thời rất xa xưa trong lịch sử của vũ trụ, nó đã trải qua một thời kì giãn nở rất nhanh, bởi một hệ số ít nhất là một tỉ tỉ tỉ. Quá trình này được gọi là lạm phát, điều đó tốt cho vũ trụ chứ không giống như sự lạm phát giá cả thường khiến chúng ta mang họa. Nếu chuyện xảy ra chỉ có thế, thì bức xạ vi sóng sẽ hoàn toàn giống nhau theo mọi hướng. Vậy những khác biệt nhỏ ấy là do đâu mà ra?
Giải đáp nhanh những câu hỏi lớn | Stephen Hawking
