ChúngTa.com

Sự va chạm giữa các màng và gia tốc vũ trụ có thể là động lực cho một chu kỳ bất tận mà trong đó vũ trụ của chúng ta chỉ là một giai đoạn.

Một số câu hỏi khiến ta bứt rứt không yên, bởi ta chỉ có thể trả lời chúng bằng một trong hai cách mà cách nào cũng khó hình dung như nhau. Chẳng hạn, có phải chúng ta là những sinh vật duy nhất có trítuệ cho trong vũ trụ không, hay chúng ta sẽ tìm thấy những sinh vật khác như thế? Một câu hỏi khác thuộc loại này là liệu vũ trụ đã khỏi đầu từ một thời điểm xa xăm nào đó trong quá khứ hay nó đã luôn luôn có đây.

Lý thuyết vụ nổ lớn (big bang) là một câu trả lời khả dĩ. Vụ nổ năng lượng khủng khiếp và sự giãn nở không gian tiếp theo đó là động lực cho mọi sự vật và hiện tượng mà ngày nay ta thấy bằng mắt và kính viễn vọng. Tuy nhiên, theo thuyết vụ nổ lớn,vũ trụ chúng ta là một vũ trụ cong mà ở đó vật chất và năng lượng không kết hợp với nhau. Trên thực tế ta biết không - thời gian là phẳng và các thiên hà cũng như bức xạ được phân phối đều khắp. Để chống đỡ cho lý thuyết big bang, các nhà vũ trụ học đề xuất rằng vũ trụ đã khởi đầu bằng sự giãn nở đột ngột theo cấp số mũ từ một mảng không gian đồng dạng duy nhất mà dấu vết vẫn còn trong vũ trụ cho đến ngày nay. Các thuyết vũ trụ bành trướng này tỏ ra hữuhiệu và đã đánh bật mọi lý thuyết khác.

Tuy nhiên, năm ngoái, một nhóm nhà nghiên cứu đã khởi sự thách thức thống trị của thuyết này, mặc dù vũ trụ học vẫn chưa lấy gì làm mặn mà với cách tiếp cận mới.Dựa trên một số ý niệm mới mẻ nhưng chưa được kiểm chứng trong vật lý hạt cơ bản, nhóm nghiên cứu này lý giải vụ nổ lớn như sự va chạm dữ dội giữa hai vật thể nhiều chiều hơn. Trong chương mới nhất của thiên “sáng thế ký” này, các tác giả đã tìm được cách biến vụ va chạm duy nhất này hành một cuộc đấu không bao dứt cứ khoảng một triệu tỷ năm lại diễn ra và như vậy có nghĩa là vũ trụ của chúng ta chỉ là một giai đoạn trong một vòng luân hồi sinh và tái sinh vô tận.

Những ý tưởng luân hồi này không có gì mới.Từ thập niên 30, nhà khoa học RichadTolman ở Viện Công nghệ Cali-fornia từng băn khoăn liệu điều gì sẽ xảy ra nếu một vũ trụ khép lớn - trong đó toàn bộ vật chất và năng lượng rốt cuộc sẽ nén chặt lại ở thời điểm. Vụ co lớn (Big Crunch) - không khép lại vĩnh viễn ở thời điểm cáo chung đó mà sẽ lại bùng nổ. Chẳng may, cuối cùng Tolman nhận ra rằng cứ mỗi chu kỳ mới vũ trụ sẽ thâu nạp lại entrôpi, bù lại cứ mỗi chu kỳ nó sẽ phồng to lên như một hòn tuyết lăn. Và, cũng như hòn tuyết lăn, một vũ trụ phải bắt đầu từ một điểm nào đó trong thời gian.

Thế rồi trong thập niên 1960, các nhà vật lý chứng minh được rằng Vụ co lớn(Big Crunch) cũng phải tận cùng ở một điểm kỳ dị (singulanty), nghĩa là một điểm "lèn chặt” vật chất và sức nóng vô tận, nơi mà thuyết tương đối tổng quát bị phá vỡ. Vậy cũng có nghĩa là, các quy luật vật lý hiện có là đủ để giải thích mọi sự “Ý tưởngvũ trụ luân hồi đã có từ lâu". Andreas Albrecht tại Đại học California, một đồng sáng lập lý thuyết bành trướng nói nhưng nó luôn luôn bị đặt trước một câu hỏi có tính căn đề: vậy đâu là thứ [quy luật] vật lý mà theo đó vũ trụ, sau khi co lại thành điểm kỳ dị, lại bung ra và giãn nở.

Dây kỳ dị (String-ularity)

Một trong những cách khác giải quyết được vấn đề là giả thiết các hạt cơ bản như electron, photon và quark kỳ thực chỉ là biểu hiện của những “dây” năng lượng nhỏ xíu lắc lư trong những chiều lớn hơn. Vấn đề là mộtlý thuyết dây như vậy đòi hỏivũ trụ phải có ít nhất 10 chiều chứ không chỉ ba chiều không gian và một chiều thời gian như ta thường quan niệm. “Trong lý thuyết dây, ta học được một điều ta đang ở trong một vũ trụ nhiều chiều hơn." Burt Ovrut, một trong các chủ soái của lý thuyết dây tại Đại học Peunsylvaniananói: “Thế thì vấn đề là thế giới thực của chúng ta từ đâu ra? Đó là một câu hỏi cực hay”.

Những người đặt nền móng cho câu trả lời vào năm 1995 làPetr Horave, lúc đó đang ở Viện Princeton, vàEd Written thuộc Viện nghiên cứu nghiên cứu củaPrinceton. Hai người này chứng minh rằng các dây cũng có thể tồn tại trong một lý thuyết mang tính nền tảng hơn gồm 11 chiều. Họ dùng thuật toán để “gập" một trong các chiều đó thành một đường nhỏ xíu, vậy còn lại một không - thời gian 11 chiều, kèm mỗi bên là hai “màng” (brane) gồm 10 chiều mà họ gọi một cách văn vẻ là những màng “tận cùng thế giới" (end of the world branes). Một trong các màng này có những quy luật vật lý giống như vũ trụ của chứng ta Từ đó, Ovrut và các đồng nghiệp lập luận, ta có thể tính toán sao cho sáu trong 10 chiều đó là cực nhỏ và ta không thấy được trong đời sống hàng ngày, vậy còn lại bốn chiều truyền thống gồm ba chiều không gian và một chiều thời gian như ta biết.

Đầu năm 2001, các nhà vũ học Justin Khoury and Paul Dteinhardt của ViệnPriceton, một nhà tiên phong khác của lý thuyết bành trướng, Neil Turok của Đại họcCambridge andButt Ovrutđã kết hợp lý thuyết màng của mình với lý thuyếtBig bang. Bằng cách vặn ngược đồng hồ trong lý thuyết dây, họ phát hiện rằng trong khi màng vũ trụ của chúng ta vượt qua điểm kỳ dị khởi thủy theo chiều ngược lại, nó đột ngột chuyển từ trạng thái nóng và đậm đặc mãnh hệt nhưng hữu hạn sang trạng thái lạnh, phẳng và hầu như rỗng. Trong quá trình này, nó khai phóng một loại màng khác vào khoảng trống 11 chiều. Tiến về phía trước trong thời gian vụ nổ lớn (Big bang) hóa ra không gì khác hơn là hai cái màng vỗ vào nhau giống như cặp chũm chọe. Họ đặt tên cho quá trình này là mô hình “bùng cháy” (tạm dịch từ “ekpyrotic model"), dựa theo huyền thoại sáng thế cổ Hy Lạp trong đó vũ trụ ra đời và tiến hóa từ một vụ bùng cháy dữ dội.

Tuy nhiên, vì chưa hiểu biết sâu hơn về điểm kỳ dị trong lý thuyết dây vào lúc đó nhóm đã không thể nghiên cứu xem điều gì sẽ xảy ra khi màng vũ trụ của chúng ta giãn nở sau vụ va chạm, mô hình này chỉ cho ta thấy một vũ trụ đang co rút. Nhưng vào cuối năm ngoái, phối hợp với Nathan Seiberg ở Viện nghiên cứu nâng cao, nhóm phát hiện rằng có thể giải thích điểm kỳ dị như là sự va chạm giữa hai màng “tận cùng thế giới” trong đó chỉ chiều vũ trụ ngăn cách giữa hai màng là co lại thành 0 trong một khoảnh khắc. Vậy cái trông có vẻ như kỳ dị tai ương, khi mô tả bằng sự va chạm giữa hai màng hóa ra lại chẳng kỳ dị chút nào, Turok giãi thích. Seiberg lưu ý rằng lý thuyết này vẫn chỉ là phởng đoán, tuy nhiên về toán học, nó đồng nhấtvới diễn giải về điểm kỳ di Big bang trong thuyết tương đối tổng quát.

Cho đến thời điểm này, mô hình “bùng cháy” dường như có phần khiên cưỡng, Alan Guth ở Viện Công nghệ Massachu-setts, một tác giả khác của lý thuyết bànhtrướng nhận xét: Dường như ai cũng nhất trí rằng vũ trụ trước Big bang phải tối, phẳng và vô hại. Nhưng tại sao nó bắt buộc phải khởi đầu trong một trạng thái như thế? Câu trả lời, theo công trình mới nhất của Stenhadt và Turok, liên quan tới năng lượng tối, vốn là lực làm các thiên hà ngày càng tách xa nhau vớivận tốc tăng không ngừng.

Các màng vũ trụ

Do vũ trụ tăng tốc, ánh sáng sẽ ngày càng khó du hành giữa những vùng không gian ngày một xa nhau hơn. Theo thờigian, các thiên hà sẽ trở nên cách ly khỏi nhau, các ngôi sao sẽ mờ dần, các lỗ đen sẽ làm bốc hơi theo nghĩa cơ học các lượng tử thành bức xạ, rồi chính bức xạ này sẽ yếu dần trong đại dương không gian. Cuối cùng, vũ trụ có thể sẽ giống như trạng thái trước vụ nổ lớn mà mô hình “bùng cháy” mô tả.

Vì vậy,Steinhardt and Turok đề xuất rằng năng lượng tối, kết hợp với một điểm kỳ dị “lành” hơn trong lý thuyết “bùng cháy”, cho ta một con đường thuận lợi để thiết lập [lý thuyết về] vũ trụ luân hồi. Màng vũ trụ của chúng ta và màng “đối tác’ của nó vẫn sẽ vào nhau, nhưng thay vì bật ra khỏi nhau và vào nhau, nhưng thay vì bật ra khỏi nhau và đường ai nấy đi, chúng sẽ lại tiếp tục va vào nhau như thế nối với nhau bằng một lò xo. Lực hấp dẫn giữa hai màng trên thực tế là một ca đặc biệt của loại lực mà thuyết vũ trụ bành trướng đã đặt ra nhằm giải thích bùng nổ khởi nguyên của vũ trụ.

Sự dao động của các màng có tác dụng “bơm” không gian vào vũ trụ của chúng như cái bễ lò rèn, điều này giải thích sự tăng tốc giãn nở mà ta đang thấy. Vậy khi bạn hỏi tại sao vũ trụ lại như ngày nay Turok giải thích, đó là vì nó phải như thế để có thể lặp lại lần sau. Và do mỗi màng vốn dĩ đã phẳng và rộng vô tận, sẽ không có chu kỳ nào gọi là đầu tiên để ta phải băn khoăn.

Theo Abrecht, mô hình này thật hấp dẫn trong việc phác họa mối liên hệ tối hậu giữa sự bành trướng ban đầu và sự tăng tốc hiện nay của vũ trụ, nhưng ông lưu ý rằng “sẽ còn hay hơn nhiều nếu nó thật sự cho thấy được vũ trụ luân hồi là khả dĩ có thật". Guth cũng tỏ ra không lay chuyển. Theo ông giải thích, mặc dù ông mong đến cái ngày khoa vũ trụ học sẽ dung hợp lý thuyết dây, ông vẫn muốn ngành vũ trụ học đó sẽ là thuyết bành trướng [chứ không phải lý thuyết màng]. Nói chung, không phải nhà vật lý nào cũng bị thuyết phục rằng các màng vũ trụ va chạm nhau có thể tạo ra những biến thiên nhỏ trong mật độ vật chất và năng lượng, điều mà thuyết bành trướng lý giải rất gọn. Những biến thiên cực nhỏ này là cần thiết để giải thích cách thức các vì sao và thiên hà quần tụ lại với nhau, cũng như giải thích các thuộc tính chi tiết của bức xạ vi ba nền của vũ trụ.

Trong mô hình ”bùng cháy”, người ta giả thiết rằng các biến thiên này phát sinh khi các màng làm “gợn sóng” lượng tử theo nghĩa cơ học, khiến các vùng khác nhau va đập vào nhau và giãn nở. Phe “bùng cháy” tin rằng những gợn sóng này có thể tạo ra chính những biến thiên mà ta thấy ngày nay. Tôi nghĩ, thật đáng ngạc nhiên khi mô hình này rất thành công tỏng việc tái tạo mọi thứ ta thấy đồng thời vẫn khác biệt đến nhường ấy so với những thuyết quen thuộc. Steinhardt nhận xét: “Điều đó quả thực gây sốc và theo tôi là rất hệ trọng, bởi vì tôi nghĩ tất cả chúng ta đang quy về một mối, đó là câu chuyện duy nhất về vũ trụ”.

Những điểmkỳ dị vẫn là một rào cản khác. Mặc cho bước hến gần đây nhất, không ai dám chắc rằng những giả thuyết như “gợn sóng’ của các màng có thể thật sự vượt êm xuôi từ vụ co lớn đến vụ nổ lớn. “Cái gì xảy ra tại điểm kỳ dị?”Seigerg tự hỏi. “Đây là một câu hỏi lớn còn bỏ ngỏ nên mặc dù điểm kỳ dị trong lý thuyết dây có thể là điểm kỳ dị “lành” nhất như Turok nói, nó vẫn cứ là một câu đố hiểm.

Tuy nhiên, chuyện còn chưa ngã ngũ và hãy còn quá sớm để nói liệu lý thuyết mới về các màng va chạm nhau sẽ đứng vững trong bao lâu. Có lẽ nó sẽ lôi vào cuộc những người khác còn giàu tưởng tượng hơn. Steinhadt nói: “Có khi tôi nghĩ mô hình vũ trụ luân hồi qủa đầy sức mê hoặc. Nó có nhiều yếu tố mới mẻ người ta chưa hề biết. Khi vào cuộc, họ có thể sẽ còn phát hiện những điều thú vị khác mà chúng tôi đã bỏ qua". Mà cũng có thể họ sẽ chẳng phát hiện gì mới cả.