Lí thuyết trạng thái bền vững
Chiến thắng của Hoyle trong việc giải thích làm thế nào đa số các nguyên tố có thể được tạo ra ở bên trong các sao rơi ra khỏi khuôn khổ lí thuyết trong đó các nguyên tố được hình thành rất sớm. Nó được xem là một lí thuyết đối thủ đầy thiện ý. Và Hoyle thật sự ủng hộ một lí thuyết đối thủ, lí thuyết mà ông đã giữ một vai trò quan trọng trong việc đầu tư và phát triển. Trong lí thuyết này, vũ trụ luôn luôn trông giống hệt như nó hiện bây giờ. Không bao giờ có một “Big Bang” – cụm từ mà Hoyle đã phát minh ra hồi năm 1950, ý định đặt tên kiểu miệt thị.
“[Big Bang] là một quá trình phi lí không thể nào mô tả bằng các thuật ngữ khoa học… [cũng không thể] thách thức một yêu cầu phải quan sát”.
Hoyle
Tommy Gold (trái), cùng với Hermann Bondi (giữa) và Fred Hoyle (phải), khoảng năm 1960.
Có một câu chuyện thú vị, mà các nhà sử học không xem là nghiêm túc, về cách thức lí thuyết trạng thái bền vững bắt đầu. Ý tưởng xuất hiện năm 1947, Hoyle khẳng định, khi ông và nhà khoa học khách mời Hermann Bondi và Tommy Gold đi xem một bộ phim. Ba người biết nhau từ việc chia sẻ nghiên cứu về radar trong Thế chiến thứ hai. Hoyle thì tháo vát, ít theo khuôn phép và có trực giác; Bondi thì có một trí tuệ toán học sâu sắc và có tính kỉ luật cao; còn trí tưởng tượng vật lí táo bạo của Gold thì mở ra những viễn cảnh mới. Bộ phim đó là một câu chuyện ma kết thúc theo kiểu giống như lúc nó bắt đầu. Điều này khiến cho ba nhà khoa học nghĩ về một vũ trụ cho đến nay không hề thay đổi về mặt động lực học. Theo Hoyle “Người ta có xu hướng nghĩ về những tình huống bất biến dạng nhất thiết tĩnh tại. Cái mà bộ phim ma đó đã làm sâu sắc đối với ba chúng tôi là đã loại bỏ quan điểm sai lầm này. Người ta có thể có những tình huống không đổi mang tính động lực học, chẳng hạn như một dòng sông chảy êm đềm”. Nhưng làm sao vũ trụ lại có thể trông như hệt nhau nếu như nó luôn luôn dãn nở ? Họ không mất bao lâu để thấy một câu trả lời có khả năng – vật chất liên tục được tạo ra. Như vậy, những ngôi sao và thiên hà mới có thể hình thành để lấp đầy không gian bỏ lại phía sau khi những ngôi sao hay thiên hà già nua chuyển động ra xa.
Đối với nhiều trí tuệ triết học, vũ trụ trạng thái bền vững do Hoyle, Bondi và Gold đề xuất có một thuận lợi lớn so với vũ trụ Big Bang đang dãn nở. Trong vũ trụ của họ, toàn bộ mật độ được giữ luôn luôn không đổi bởi sự hình thành liên tục của vật chất. Trong vũ trụ Big Bang với mật độ biến thiên triệt để của nó, các định luật vật lí khác nhau có thể không áp dụng được theo cách như nhau ở mọi thời điểm. Người ta không thể nào ngoại suy với độ tin cậy từ hiện nay trở lại khởi nguyên siêu đậm đặc của vũ trụ.
Hình vẽ giai đoạn sơ khai và sau đó trong hai mô hình khác nhau về vũ trụ dãn nở. Mô hình bên trái tuân theo nguyên lí vũ trụ học, theo đó vũ trụ là đồng nhất và trông như nhau đối với nhà quan sát đứng ở bất kì chỗ nào trong vũ trụ. Mô hình bên phải tuân theo nguyên lí vũ trụ học hoàn hảo, ngoài nguyên lí vũ trụ học còn yêu cầu vũ trụ là bất biến theo thời gian – những thiên hà mới xuất hiện liên tục bên trong không gian đang dãn nở.
Hoyle và Big Bang (trích từ sách của Hawking)
Lí thuyết trạng thái bền vững cũng có lợi thế quan sát so với lí thuyết Big Bang vào năm 1948. Tốc độ dãn nở khi đó quan sát được, khi tính lùi trở lại cho một Big Bang ban đầu, người ta thu được tuổi cho vũ trụ chỉ vào khoảng vài tỉ năm – nhỏ hơn cả tuổi được biết của hệ Mặt Trời! Đó nhất định là một sự lúng túng cho lí thuyết Big Bang.
Thỉnh thoảng, các nhà vũ trụ học lại đo lường những ý tưởng chống lại “nguyên lí vũ trụ học”, nguyên lí khẳng định rằng những tính chất quy mô lớn của vũ trụ là độc lập với vị trí của nhà quan sát. Nói cách khác, bất kì lí thuyết nào đặt loài người chúng ta ở một số nơi đặc biệt (ví dụ như ở trung tâm của vũ trụ) có thể bị loại bỏ ngay không thương tiếc. Bondi và Gold khăng khăng rằng vũ trụ không chỉ đồng nhất trong không gian mà còn trong thời gian – nó phải trông như nhau ở mọi nơi và mọi lúc. Họ đường hoàng gọi đây là “nguyên lí vũ trụ học hoàn hảo”, và khăng khăng rằng lí thuyết phải được suy diễn từ chân lí là vũ trụ không nằm ở nơi nào đặc biệt cả trong không gian lẫn thời gian.
Hoyle kém quyết liệt hơn cho rằng nguyên lí vũ trụ học hoàn hảo là một chân lí cơ sở. Ông thích có lí thuyết tuân theo một biến thể mà ông đã đề xuất cho vũ trụ tương đối tính của Einstein, thêm vào sự hình thành vật chất. Tuy nhiên, hai lí thuyết trạng thái bền vững khác nhau đủ điểm chung để xem là một cho đa số mục đích.
Phần nhiều sự phát triển sau này của lí thuyết trạng thái bền vững xuất hiện nhằm đối phó với sự phê bình, chỉ trích. Nhất là ở Anh, các nhà khoa học đã dành sự chú ý lớn để trau chuốt lí thuyết đó. Lập luận của họ phần lớn có bản chất triết học, với ít sự hấp dẫn với quan sát.
Fred Hoyle (1915-2001)
“Để thu được thứ gì thật sự đáng giá trong khi nghiên cứu”, Hoyle viết, “cần phải phản đối quan điểm của những người khác cùng nghiên cứu. Để thực hiện việc này một cách thành công, không đơn thuần trở thành một kẻ lập dị, cần có óc phán xét tốt, nhất là những vấn đề đã tồn tại lâu thì không thể giải quyết nhanh chóng được”. Ban đầu cảm thấy bình thường và thực tế thì các sinh viên tốn ít chi phí thuyết phục Hoyle chấp nhận trình độ tiến sĩ vào năm 1939. Trong chiến tranh, ông nghiên cứu về radar và gặp Hermann Bondi và Tommy Gold, cùng với họ ông sẽ đề xuất lí thuyết trạng thái bền vững vào năm 1948. Cùng với William Fowler và Geoffrey và Margaret Burbridge vào thập niên 1950, Hoyle giải thích cách thức các nguyên tố nặng hơn helium có thể được sản xuất bên trong các sao. Fowler nhận giải Nobel cho nghiên cứu đó, không chia sẻ giải với Hoyle ưa tranh cãi hơn. Hoyle thành lập Viện Thiên văn học Lí thuyết ở Cambridge vào năm 1967, nhưng phải từ bỏ vào năm 1973, vì vấp phải một trong nhiều tranh cãi với chính quyền. Gần đây hơn, Hoyle cho rằng sự sống trên Trái Đất là do vật chất hữu cơ từ không gian rơi xuống, và nền vi sóng là do bức xạ điện từ phát ra từ các hạt hình thành khi hơi kim loại phóng ra của các sao siêu mới lạnh đi từ từ. Hoyle thu được nhiều thành tựu trong nghiên cứu, và cũng bị xem là một kẻ lập dị.
Tommy Gold (1920-2004)
Sinh ra tại Áo, ông chủ yếu bị giam ở Anh trong năm 1940. Ở đó, ông đã gặp Hermann Bondi. Sau đó, họ làm việc cùng với Fred Hoyle về radar, và đề xuất lí thuyết trạng thái bền vững vào năm 1948. Gold chuyển sang Mĩ. Ông là người đầu tiên đề nghị, vào năm 1968, rằng pulsar là các sao neutron đang quay nhanh. Kém thông suốt hơn là đề xuất của ông rằng bề mặt mặt trăng có thể là một cấu trúc bụi dày sẽ co lại dưới sức nặng của cỗ xe hạ cánh xuống mặt trăng. Đề xuất của ông rằng hydrocarbon, chứ không phải các hóa thạch không thể hồi phục được còn lại, chủ yếu có nguồn gốc từ sâu thẳm bên trong Trái Đất cho đến nay vẫn chưa được chứng minh.
Nguồn gốc mới
Đâu là nguồn gốc của các nguyên tố nặng hơn helium (khối lượng nguyên tử 4)? George Gamow đã giải thích làm sao hydrogen và helium có thể được tạo ra trong vụ nổ vũ trụ nguyên thủy, nhưng không thể nào đi xa hơn. Sau đó, nhà vật lí Edwin Salpeter nhận ra rằng ở phần bên trong nóng bỏng của một ngôi sao, hai nguyên tử helium có thể kết hợp trong giây lát tạo ra beryllium-8. Để chắc chắn, trạng thái đó không bền, nhưng thỉnh thoảng nó tồn tại đủ lâu để gặp nguyên tử helium khác và tạo ra carbon-12. Các nguyên tố khác bấy giờ có thể được tạo ra bằng cách cộng thêm neutron, cùng với sự tan vỡ của các nguyên tố không bền lớn hơn. Sao siêu mới bùng nổ rốt cuộc sẽ làm phân tán các nguyên tố nặng về phía thiên hà (đó là lí do tại sao, chẳng hạn, chúng ta có sắt trên Trái Đất này).
Tuy nhiên, phản ứng chủ yếu chỉ xảy ra ở tốc độ vừa đủ nếu như carbon-12 có tính chất rất đặc biệt (về mặt kĩ thuật: mức năng lượng nằm ngay trên năng lượng của kết hợp hạt nhân beryllium và helium). Fred Hoyle đã tiên đoán tính chất đó; Willy Fowler đo được nó và nhận thấy nó đúng như tiên đoán.
Sau đây là bình luận của Gamow về khám phá của Hoyle:
“Vào lúc khởi đầu, Chúa tạo ra bức xạ và ylem. Và ylem không có hình dạng hay con số, và các nucleon lao đi điên cuồng trên mặt của sâu thẳm.
Và Chúa nói: “Hãy có khối lượng 2”. Và có khối lượng 2. Và Chúa nhìn thấy deuterium, và thật là tuyệt.
Và Chúa nói: “Hãy có khối lượng 3”. Và có khối lượng 3. Và Chúa nhìn thấy tritium và tralphium (tên do Gamow đặt cho đồng vị helium He-3), và chúng thật tuyệt. Và Chúa tiếp tục gọi hết số này tới số khác cho đến khi Ngài gọi đến các nguyên tố siêu uranium. Nhưng khi Ngài nhìn trở lại công trình của mình, Ngài thấy nó không hay. Trong lúc sôi nổi đếm, Ngài đã quên gọi khối lượng 5 và cho nên, thật tự nhiên, không có nguyên tố nào nặng hơn có thể được hình thành.
Chúa rất không hài lòng, và muốn trước hết là thu gọn vũ trụ một lần nữa, và bắt đầu mọi thứ từ khởi đầu. Nhưng thật là quá đơn giản. Như vậy, với quyền lực trong tay, Chúa quyết định sửa chữa sai sót của mình theo cách khó xảy ra nhất.
Và Chúa nói: “Hãy có Hoyle”. Và thế là có Hoyle. Và Chúa giám sát Hoyle… và bảo ông ta tạo ra các nguyên tố nặng theo kiểu mà ông ta thích.
Và Hoyle quyết định tạo ra các nguyên tố nặng bên trong các sao, và phân tán chúng ra xung quanh bằng các vụ nổ sao siêu mới. Nhưng trong khi làm như vậy, ông phải thu được đường cong độ phong phú giống như đường cong thu được từ sự tổng hợp hạt nhân trong ylem, nếu như Chúa không quên gọi ra khối lượng 5.
Và cứ thế, với sự hỗ trợ của Chúa, Hoyle đã tạo ra các nguyên tố nặng theo cách này, nhưng thật là phức tạp quá nên ngày nay không phải Hoyle, không phải Chúa, cũng không ai khác có thể hiểu được nó chính xác được thực hiện như thế nào.
Amen.”
Cuộc tranh luận vũ trụ học yêu cầu cả các khía cạnh tôn giáo và chính trị học. Giáo hoàng Pious XII công bố vào năm 1952 rằng vũ trụ học big bang khẳng định quan điểm đấng sáng tạo siêu việt và hài hòa với giáo điều Thiên chúa giáo. Lí thuyết trạng thái bền vững, phủ định bất kì sự bắt đầu hay kết thúc nào đối với thời gian, ở góc độ nào đó có mối quan hệ xa với học thuyết vô thần. Gamow còn cho rằng lí thuyết trạng thái bền vững gắn bó với con đường tiến triển của Đảng Cộng sản, mặc dù thực tế thì các nhà thiên văn Xô Viết vứt bỏ cả vũ trụ học trạng thái bền vững và vũ trụ học Big Bang, xem đó là “duy tâm” và không có căn cứ. Chính Hoyle đã liên hệ lí thuyết trạng thái bền vững với sự tự do cá nhân và chống cộng sản.
Các nhà thiên văn ở Mĩ tìm thấy sức hấp dẫn ở thuyết trạng thái bền vững, nhưng họ có một cách tiếp cận mang tính thực dụng. Các tiên đoán đối chọi nhau của lí thuyết Big Bang và lí thuyết trạng thái bền vững phải được đưa vào kiểm tra bằng quan sát. Một phép kiểm tra như thế là định tuổi của các thiên hà. Trong mô hình trạng thái bền vững, với sự hình thành liên tục của vật chất, trong vũ trụ sẽ có một hỗn hợp các thiên hà trẻ và già. Trong mô hình Big Bang, chỉ có sự hình thành lúc ban đầu, các thiên hà phải có tuổi như nhau theo thời gian. Và các nhà thiên văn có thể nhìn ngược trở lại thời gian bằng cách quan sát các thiên hà ở xa hơn, ví dụ quan sát một thiên hà cách xa 1 tỉ năm ánh sáng có nghĩa là chúng ta đang nhìn thấy ánh sáng mà nó phát ra cách đây 1 tỉ năm. Các quan sát báo cáo vào năm 1948 ngụ ý tìm thấy các thiên hà ở xa hơn thật sự già hơn. Đó là một bàn thắng cho lí thuyết Big Bang. Bondi và Gold xem xét lại dữ liệu một cách cẩn thận, và năm 1954 họ chỉ ra rằng kết quả đã báo cáo là không xác thực. Đây là một bàn thắng cho lí thuyết trạng thái bền vững. Phép kiểm tra tuổi có thể cho phép phân biệt giữa các lí thuyết đối chọi trên nguyên tắc, nhưng trong thực tế không thể nào làm được.
Một phép kiểm tra có khả năng khác là đo tốc độ dãn nở của vũ trụ. Theo mô hình Big Bang, tốc độ dãn nở sẽ chậm; còn theo vũ trụ trạng thái bền vững, nó sẽ giữ không đổi. Dữ liệu từ Đài quan sát núi Wilson có vẻ nghiêng về mô hình Big Bang, nhưng không đủ xác định để cấu thành một phép kiểm tra quan trọng.
Trong khi đó, có một lời giải cho phép tính gây lúng túng là đặt tuổi của vũ trụ nhỏ hơn tuổi của hệ Mặt Trời. Walter Baade đã chỉ ra các ước tính khoảng cách tới các thiên hà đã lẫn lộn với hai loại sao khác nhau. Kết quả là kích thước của vũ trụ nằm dưới con số ước tính đến hai lần. Nếu các thiên hà nằm ở khoảng cách xa gấp đôi so với con số được tin tưởng trước đó, thì tính toán với tốc độ dãn nở quan sát thấy cho tuổi của vũ trụ lớn gấp đôi kết quả tính toán trước đó – lớn hơn một cách an toàn so với tuổi của hệ Mặt Trời. Lập luận chống lại vũ trụ Big Bang vì thế đã bị tan rã.
Thách thức nghiêm trọng nhất cho lí thuyết trạng thái bền vững đến từ nền khoa học mới của thiên văn học vô tuyến. Kiến thức cơ sở trong kĩ thuật phát hiện các tín hiệu thiên văn học vô tuyến yếu ớt đã thu được tiến bộ lớn trong thời gian Thế chiến thứ hai, nhất là với nghiên cứu về radar và nhất là ở Anh. Sau chiến tranh, các chương trình nghiên cứu tại Cambridge, tại Manchester và tại Sydney, Australia, đã xây dựng những chiếc kính thiên văn vô tuyến để phát hiện các tín hiệu đến từ không gian bên ngoài. Chúng đã thống trị thiên văn học vô tuyến trong thập niên sau đó.
Chương trình tại Cambridge, đứng đầu là Martin Ryle, người vào năm 1974 nhận giải thưởng Nobel vật lí cho những đóng góp toàn diện của ông cho thiên văn học vô tuyến. Năm 1951, Ryle tin rằng các nguồn phát vô tuyến đó nằm bên trong thiên hà của chúng ta, và vì thế chúng không có sức thu hút về mặt vũ trụ học. Những quan sát của ông, khi đó, có thể dùng để kiểm tra các mô hình vũ trụ học. Ryle biện luận rằng nghiên cứu gần 2000 nguồn phát vô tuyến của ông, hoàn thành vào năm 1955, mâu thuẫn với lí thuyết trạng thái bền vững, vì các nguồn ở xa hơn hay già hơn dường như được phân bố khác với các nguồn ở gần. Nhưng ông đã phóng đại quá mức tầm quan trọng của dữ liệu ban đầu của mình. Chỉ sau nhiều năm nghiên cứu hơn nữa thì những quan sát vô tuyến mới phản đối mạnh mẽ lí thuyết trạng thái bền vững.
Ryle, bên phải, đang hàn một đoạn ănten cùng với đồng nghiệp Hewish
Hoyle chua chát phàn nàn rằng Ryle đã bị thúc đẩy không chỉ bởi cuộc truy tìm sự thật, mà còn bởi khát vọng muốn phá hoại lí thuyết trạng thái bền vững. Ryle, cũng như nhiều nhà thiên văn quan sát khác, thật sự không đánh giá cao các nhà vũ trụ học lí thuyết.
“Cho dù là chúng ta chưa bao giờ thật sự thành công trong những phép đo [vô tuyến] với độ chính xác đủ để bác bỏ bất kì lí thuyết vũ trụ học nào, nhưng mối đe dọa đó có thể làm mất dũng khí rất nhiều ý thức thiếu trách nhiệm [trong số các nhà vũ trụ học, những ai]… luôn sống trong trạng thái hạnh phúc có thể yêu cầu các lí thuyết không có cơ hội nào bị bác bỏ”.
Ryle
Theo AIP
Còn tiếp...
Xem lại Phần 19
