Phương trình của Chúa, Chương 12: KHÔNG GIAN GIÃN NỞ

Phương trình của Chúa, Chương 12: KHÔNG GIAN GIÃN NỞ

Vũ trụ là một bữa tiệc cực kỳ thoải mái (Alan Guth)

Trong một bài chuyên khảo có nhiều ảnh hưởng nhan đề “Vấn đề hằng số vũ trụ” (The Cosmological Constant Problem), nhà vật lý từng đoạt giải Nobel là Steven Weinberg, một trong số vài người được coi là hiểu rõ những chi tiết tinh tế nhất trong các phương trình của Einstein trong thuyết tương đối tổng quát, đã viết: “Không may, chẳng dễ gì vứt bỏ hằng số vũ trụ, bởi vì bất kỳ cái gì đóng góp vào mật độ năng lượng của chân không đều tác động đúng như một hằng số vũ trụ” [1]. Trong khi đưa hằng số vũ trụ vào phương trình, Einstein đã sáng tạo ra một công cụ toán học mới đối với khoa học – và thậm chí ông không thể lấy nó ra khỏi vũ trụ. Liệu công cụ này có ích đối với các nhà vật lý và vũ trụ học trong việc giải thích các lý thuyết về vũ trụ hay không, hiện nay đó là một câu hỏi quan trọng.

Một hằng số vũ trụ dương có thể tác động như một lực đẩy để chống lại lực hút do hấp dẫn. Đầu tiên khi Einstein đưa hằng số vũ trụ vào phương trình, ông muốn có một cái gì đó đẩy vũ trụ ra ngoài, để chống lại xu thế co rút về tâm của nó, theo phương trình trường mà ông đã thiết lập. Đây là một kiểu lực nhân tạo mà Einstein đặt ra để ngăn chặn vũ trụ khỏi bị co vào bên trong do lực hấp dẫn. Do đó khi khám phá ra rằng vũ trụ đang giãn nở, Einstein đã loại bỏ hằng số vũ trụ.

Khi Alexander Friedmann vứt bỏ giả thiết vũ trụ tĩnh và giải phương trình trường ban đầu của Einstein, ông nhận được kết quả tương ứng với một vũ trụ giãn nở, mở ra một chương mới đối với vũ trụ học hiện đại. Điều này dẫn tới việc Lemaitre và những người khác đặt ra một câu hỏi rõ ràng: “Nếu vũ trụ giãn nở, thì sự giãn nở đó bắt đầu từ lúc nào ?”. Câu trả lời trực giác là vào một lúc nào đó trong quá khứ, mọi thứ trong vũ trụ rất-rất gần nhau – và do đó cực kỳ nóng và đậm đặc. Từ một điểm vật chất và năng lượng vô cùng đậm đặc, vũ trụ khổng lồ không biết làm sao đã tiến hoá bằng sự giãn nở  một cách nhanh chóng. Trong một cuộc nói chuyện trên radio của đài BBC vào cuối những năm 1940, nhà vũ trụ học thuộc Đại học Cambridge Fred Hoyle đã gieo thuật ngữ “big bang” để mô tả vụ nổ khủng khiếp khai sinh ra vũ trụ và sự giãn nở của nó.

Độ cong của không-thời-gian tăng lên với khối lượng của vật thể, do đó khi toàn bộ vũ trụ đông đặc lại trong một phạm vi vô cùng nhỏ bé, độ cong của không gian cực kỳ lớn. Khi toàn bộ vũ trụ tụ về một điểm, thời gian đứng yên, bởi vì tại điểm này – điểm kỳ dị của không-thời-gian – mật độ vật chất là vô cùng lớn, và các phương trình của thời gian và không gian không còn áp dụng được nữa. Thời gian không xác định tại điểm kỳ dị. Tư tưởng này thúc đẩy Lemaitre mô tả sự khởi đầu của vũ trụ như là “một ngày không có ngày hôm qua”.

Năm 1965, Roger Penrose tại Đại học Oxford đã viết một công trình trong đó ông sử dụng khái niệm topo để mô tả một vật có khối lượng lớn có thể co rút lại thành một điểm như thế nào – nó thực sự bị nghiền ép dưới sức nặng của nó. Khi điều này xẩy ra, kết quả sẽ là một hốc đen. Công trình tiên phong đưa ra một quan điểm mang tính tương đối mô tả quá trình co rút này thuộc về Karl Schwarzschild, người đầu tiên giải phương trình trường của Einstein. Ông tìm thấy cái mà ngày nay chúng ta gọi là bán kính Schwarzschild của một ngôi sao. Đây là bán kính cữ sao cho nếu bán kính thật sự của ngôi sao thu nhỏ xuống dưới cữ đó thì ngôi sao sẽ co lại thành một điểm (cữ này được xác định bởi khối lượng của ngôi sao đó). Bán kính Schwarzschild là “điểm không trở về” – bất kỳ vật thể hoặc tia sáng nào rơi vào bên trong bán kính Schwarzschild không nhìn thấy của một hốc đen thì nó sẽ vĩnh viễn biến mất. Penrose chứng minh rằng có một điểm tương tự với tâm của hốc đen. Điểm này là kỳ dị của không-thời-gian. Tại đây, độ cong là vô cùng, và thời gian không tồn tại.

Theo lý luận tài tình của Penrose, sự tan vỡ vật chất có khối lượng của một ngôi sao dẫn tới một mức độ đông đặc vật chất mà kể từ đó không có gì có thể thoát ra khỏi. Mô tả một cách toán học, một mặt bẫy (a trapped surface) hình thành bên trong ngôi sao, và khi quá trình tan vỡ tiếp tục tăng tốc, sẽ không có gì có thể ngăn chặn quá trình đó và kết quả là một điểm kỳ dị: một điểm mà tại đó toán học và vật lý như chúng ta biết không còn áp dụng được nữa. Thậm chí nếu ngôi sao không giữ được hình dạng đối xứng cầu hoàn mỹ thì quá trình co rút về điểm kỳ dị vẫn cứ xẩy ra [2]. Thật bất ngờ là khá lâu trước khi biến thành điểm kỳ dị, tại bán kính Schwarzschild, thời gian ngừng lại – khi được quan sát bởi một người đứng bên ngoài. Do đó đối với một người quan sát bên ngoài, một người rơi vào hốc đen sẽ bị đóng băng trên bề mặt của bán kính Schwarzschild. Người bị rơi sẽ không bao giờ ý thức được trạng thái này của mình [3].

Nan đề đối với một điểm kỳ dị là ở chỗ chúng ta không thể hiểu nó thực sự thông qua những lý thuyết toán học hoặc vật lý đã biết. Trong toán học, điểm kỳ dị là một điểm tại đó xẩy ra một điều vô lý. Hãy xét một thí dụ minh hoạ. Khi xét hàm số một biến, y=f(x), hàm số có thể có những tính chất dễ khảo sát như tính trơn, liên tục, và có đạo hàm (tốc độ tức thời) tại mọi điểm. Bây giờ xét một hàm số cụ thể: y=1/x. Khi x = 1, y = 1; khi x = 2, y = 1/2; khi x = 1/2, y=2; khi x =  2, y =  1/2. Nhưng điều gì xẩy ra khi x=0 ? Tại đây hàm số không xác định. Nếu xét x trong vùng xác định dương rồi tiến tới 0, khi đó giá trị của hàm số sẽ là dương vô cùng . Nếu x lấy giá trị âm rồi tiến tới 0, hàm số sẽ tiến tới âm vô cùng. Nhưng khi hàm số lấy giá trị vô cùng thì đạo hàm của nó sẽ bằng bao nhiêu ? Câu trả lời là: Đạo hàm tại đó không xác định – mặc dù nó tồn tại tại bất kỳ lân cận nào đủ nhỏ của điểm x=0.

(Hình 12-1: Điểm kỳ dị là điểm tại đó các định luật toán học và vật lý trở nên vô nghĩa)

Tại tâm của hốc đen, và tại điểm khởi đầu của vũ trụ, tất cả các định luật đều đổ vỡ tương tự như hàm số y=1/x đổ vỡ tại x = 0. Tại đó lực hấp dẫn sẽ bằng vô cùng, độ cong của không-thời-gian cũng bằng vô cùng, nhưng thời gian thì ngừng lại.

Lý luận của Penrose đi ngược từ điểm đổ vỡ của vật lý đến sự giãn nở, như những nguyên lý của thuyết tương đối tổng quát cho phép. Do đó nếu chúng ta quay ngược cuốn phim bắt đầu từ chỗ các quy luật vật lý đổ vỡ, chúng ta sẽ thấy vũ trụ xuất phát từ một điểm được gọi là một hốc trắng. Đó là một kỳ dị của không-thời-gian. Vì toán học và vật lý không còn có ý nghĩa gì tại điểm kỳ dị , và chúng ta không thể trả lời câu hỏi cái gì xẩy ra trước vụ nổ, nếu đó là lúc không gian và thời gian bắt đầu, do đó các lý thuyết về sự ra đời của vũ trụ chỉ có thể khởi động một cách đúng đắn từ câu hỏi cái gì đã xẩy ra sau một khoảnh khắc vô cùng bé kể từ big bang. Tại đây có hai tiếp cận chủ yếu:

Lý thuyết big bang tiêu chuẩn lý luận rằng sau vụ nổ khổng lồ, không gian bắt đầu giãn nở. Sau đó vào lúc nào đó vật chất có khối lượng được tạo ra: vật chất như chúng ta biết, protons, electrons, và neutrons, tất cả nằm trong trạng thái của một thùng cháo cực kỳ nóng nhưng bắt đầu nguội dần khi nó giãn nở. Vũ trụ lúc đầu là một khối mờ đục bởi vì nó quá đậm đặc: bức xạ dưới dạng photons thường xuyên bị thẩm thấu và tái phát. Chỉ khi vũ trụ đã đạt được 300000 tuổi thì nó mới trở nên đủ trong sáng để photons có thể du hành theo đường thẳng. Sự mờ tối của vũ trụ lúc ban đầu đóng vai trò như một đường biên.

Khi chúng ta nhìn ngày càng xa hơn vào không gian với những kính viễn vọng mạnh hơn, thì có nghĩa là chúng ta cũng nhìn ngược thời gian ngày càng xa hơn trở về quá khứ. Hiển nhiên là chúng ta sẽ đạt tới một giới hạn. Nếu các kĩnh viễn vọng của chúng ta có thể thực sự nhìn xa tới 14 tỷ năm ánh sáng thì chúng ta sẽ không còn nhìn thấy gì ở khoảng cách đó nữa. Theo phần lớn các tính toán đã biết, vũ trụ có khoảng từ 12 đến 14 tỷ năm tuổi, do đó 14 tỷ năm rất gần tới big bang – gần big bang hơn so với lúc vũ trụ mới được 300000 tuổi. Nhưng trước lúc 300000 tuổi, vũ trụ là một khối mờ đục-do đó chúng ta không thể nhìn thấy bất kỳ cái gì tại khoảng cách đó hoặc lùi xa hơn nữa.

Khoảng một tỷ năm sau big bang, những ngôi sao đầu tiên và thiên hà bắt đầu hình thành. Các cụm và siêu cụm thiên hà xuất hiện theo thời gian. Vũ trụ tiếp tục giãn nở, cuối cùng sẽ đạt đến kích thước như ngày nay.

Lý thuyết vũ trụ giãn nở lạm phát (The inflationary universe theory) là một biến thể của lý thuyết big bang tiêu chuẩn về sự phát triển của vũ trụ. Alan Guth, giáo sư vật lý tại Đại học công nghệ Massachusetts (MIT), năm 1979 đã phát minh ra mô hình vũ trụ lạm phát mạnh. Alan Guth sinh tại New Brunswick, New Jersey, năm 1947. Ông đỗ bằng cử nhân khoa học, rồi thạc sĩ khoa học tại MIT năm 1969, và tiếp tục nghiên cứu ở đó để làm luận án tiến sĩ vật lý. Ông đậu bằng tiến sĩ tại MIT năm 1972. Ông tiếp tục làm giảng viên vật lý tại Đại học Princeton, và kết hợp nghiên cứu tại Đại học Columbia. Sau đó Guth nghiên cứu vật lý hạt cơ bản để làm luận án hậu tiến sĩ tại Đại học Cornell. Mùa thu năm 1979, ông xin nghỉ một năm tại Đại học Cornell để làm việc tại Trung Tâm Máy Gia Tốc Tuyến Tính Stanford. Tại đây, vào tháng 12, ông nẩy ra một tư tưởng chói lọi. Trả lời hai thách đố lớn của vũ trụ học: vấn đề vũ trụ phẳng và vấn đề đường chân trời, lý thuyết của Alan Guth cố gắng giải thích cái gì đã xẩy ra vào khoảnh khắc đầu tiên ngay sau big bang.

(Hình 12-2: Alan Guth, tác giả của lý thuyết vũ trụ lạm phát, một lý thuyết nòng cốt của vũ trụ học hiện đại)

Vấn đề vũ trụ phẳng nổi bật lên khi người ta có một niềm tin đặc biệt về vũ trụ. Đó là niềm tin cho rằng dạng hình học tổng thể của vũ trụ là “phẳng”, hoặc mang tính Euclid. Guth và những bậc tiền bối về vũ trụ học của ông đã đi tới kết luận này dựa trên việc đánh giá mật độ vật chất trong vũ trụ. Họ tính toán một mật độ tới hạn đối với vũ trụ: một mật độ mà, nếu đạt tới, sẽ làm cho vũ trụ không co lại và cũng không tiếp tục giãn nở với cùng tốc độ hoặc nhanh hơn, mà thay vào đó là sự giãn nở chậm dần, và cuối cùng là giảm tới 0. Những nhà khoa học này đánh giá mật độ hiện nay gần tới mật độ tới hạn (chữ “gần” ở đây có nghĩa là mật độ ở mọi nơi biến thiên trong khoảng từ một phần nhỏ hơn đến hai lần mật độ tới hạn). Các nhà khoa học đi đến kết luận này bằng cách đánh giá ngoại suy ngược về một thời điểm khi vũ trụ còn rất trẻ. Họ thấy rằng vào lúc vũ trụ mới được 1 giây tuổi sau big bang, trị số mật độ của nó xấp xỉ bằng trị số mật độ tới hạn tới 15 chữ số thập phân. Điều này dẫn họ tới chỗ tin rằng vũ trụ phẳng một cách thật bất ngờ. Nhưng tại sao ? Lý thuyết big bang tiêu chuẩn không thể giải thích được kết luận này.

Phiền toái thứ hai đối với lý thuyết big bang tiêu chuẩn là vấn đề chân trời. Chân trời, như trên Trái Đất chẳng hạn, là điểm mà sau đó chúng ta không nhìn thấy gì nữa. Trong bối cảnh của thuyết tương đối, nếu một tín hiệu ánh sáng được gửi tới chúng ta từ một vị trí cách xa chúng ta đến nỗi ánh sáng chưa đủ thời gian để đến với chúng ta, thì vị trí đó nằm ở phía bên kia đường chân trời của vũ trụ.

Tháng 4 năm 1998, Esther Hu tại Đại học Hawaii và các cộng sự của bà đã báo cáo rằng họ đã nhìn thấy thiên hà xa nhất bằng cách sử dụng  kính viễn vọng lớn nhất thế giới, một trong hai kính viễn vọng đường kính 10m mang tên Keck. Thiên hà mờ cách ta khoảng 13 tỷ năm ánh sáng. Vũ trụ khoảng 14 tỷ năm tuổi. Bây giờ giả định rằng Hu, hoặc một nhà thiên văn nào khác, nhìn theo hướng ngược lại trên bầu trời và thấy một thiên hà khác cách chúng ta cũng khoảng 13 tỷ năm ánh sáng. Vậy rõ ràng là hai thiên hà này nằm ngoài đường chân trời của nhau. Tại sao ? Bởi vì vũ trụ chỉ có 14 tỷ năm tuổi, và đối với ánh sáng để có một cơ hội đi từ thiên hà này đến thiên hà kia sẽ phải mất 13+13=26 tỷ năm, gần bằng 2 lần tuổi vũ trụ [4]. Không có cách nào để ánh sáng đi tới đó. Hơn nữa, vì vũ trụ giãn nở, hai thiên hà này chạy xa  nhau ra với tốc độ gần bằng ánh sáng, do đó ánh sáng từ thiên hà này sẽ mãi mãi không bao giờ tới được thiên hà kia. (Hình 12-3: Esther Hu tại Đại học Hawaii, người nhìn thấy thiên hà xa nhất cách chúng ta 13 tỷ năm ánh sáng).

Vấn đề chân trời nổi lên từ những nghiên cứu bức xạ hoá thạch trong vũ trụ. Làm thế nào mà bức xạ này có thể đồng nhất đến như thế (đồng nhất đến tỷ lệ 1/100000) khi xuất phát từ mọi hướng khả dĩ trong không gian ? Vì những điểm dọc theo những hướng khác nhau trong không gian không thể “nhìn” thấy nhau khi chúng nằm về phía bên kia đường chân trời của nhau, không có khả năng trao đổi thông tin giữa chúng để ảnh hưởng đến tính đồng nhất.

Để giải thích những bài toán này, Guth đề xuất lý thuyết vũ trụ lạm phát, cho rằng trong khoảng thời gian vô cùng nhỏ sau big bang, vũ trụ giãn nở với tốc độ lạm phát hàm mũ. Tư tưởng vũ trụ học của Guth dựa vào một cơ chế quen thuộc với các nhà vật lý hạt cơ bản, mà nhờ đó một dạng vật chất không bình thường vào buổi đầu của vũ trụ có thể đã tạo ra một lực hấp dẫn âm (lực đẩy, thay vì hút) làm giãn nở vũ trụ. Sự giãn nở do lực đẩy đã duy trì tính đồng nhất của không gian và cung cấp lời giải thoả đáng cho bài toán đường chân trời. Cũng vào lúc đó, lực đẩy gây ra sự giãn nở được xem như nguyên nhân dẫn vũ trụ tới mật độ tới hạn.

Lý thuyết vũ trụ lạm phát có nhiều phân nhánh khác. Một hằng số vũ trụ trong phương trình Einstein làm cho lý thuyết lạm phát đáng tin cậy hơn. Có thể khi các nhà vũ trụ học gặp nhau để thảo luận về hiện tượng vũ trụ giãn nở gia tốc mới được khám phá, họ sẽ quan tâm đến hằng số vũ trụ, bởi lẽ họ muốn duy trì giả thuyết vũ trụ phẳng và do đó cả lý thuyết vũ trụ lạm phát.

Đầu tiên, Alan Guth đi tới khái niệm vũ trụ lạm phát từ chỗ nghiên cứu các đơn cực từ – các hạt cơ bản chỉ có một cực từ duy nhất thay vì hai cực từ thông thường – theo một số lý thuyết điều này phải tồn tại trong vũ trụ, nhưng dường như không thấy trên thực tế. Công trình của ông được dẫn dắt bởi lý thuyết về trường Higgs, một công cụ lý thuyết được sử dụng trong vật lý hạt cơ bản. Những trường Higgs chưa bao giờ được khám phá trong thực hành, nhưng một số nhà khoa học nghĩ rằng chúng tuân thủ tính phi đối xứng của tự nhiên. Lý thuyết vũ trụ lạm phát của Guth giả định rằng vũ trụ của chúng ta là một phần của một siêu-vũ-trụ lớn hơn, và rằng nó tiến hoá như kết quả của một dao động của chân không trong siêu vũ trụ đó. Guth cũng nêu ý kiến cho rằng những “vũ trụ con” (baby universes) khác có thể cũng tồn tại, ra đời tại những vùng khác nhau bên trong vũ trụ mẹ. Thậm chí ông gợi ý rằng một nền văn minh siêu tiên tiến có thể sáng tạo ra một vũ trụ con như thế trong phòng thí nghiệm.

Làm sao chúng ta có thể biết big bang đã thực sự xẩy ra như thế nào ?  Nếu các thiên hà đang rời xa nhau, thì trong quá khứ chúng gần nhau hơn. Mở rộng nguyên lý này theo mọi con đường ngược thời gian, chúng ta sẽ đến một điểm mà tại đó mọi thứ gắn lại với nhau.  Nhưng làm thế nào để chúng ta biết được điều này có thực sự xẩy ra hay không ? Nếu vũ trụ bắt đầu từ big bang và giãn nở ngay sau đó, tiếp tục như thế cho đến thời đại của chúng ta ngày nay, thì nó đã phải khởi đầu rất nóng bỏng, và nó sẽ tiếp tục nguội dần đi khi nó giãn nở. Trong những năm 1950, các nhà lý thuyết Goerge Gamow, Ralph Alpher, và Robert Herman gợi ý rằng bức xạ để lại dấu vết của big bang  có thể sẽ vẫn còn ở trong vũ trụ. Đó là, từ khi vũ trụ nguội dần đi sau nhiệt độ vô cùng lớn của big bang, bây giờ nó phải đạt tới một nhiệt độ xác định – nhiệt độ mà các nhà khoa học có thể đo được.

Trong những năm 1960, Robert H.Dicke và James E. Peebles tại Đại học Princeton đã đưa ra một dự đoán đơn giản, và đã thực sự tìm ra năng lượng bức xạ này, bức xạ của vật thể đen gây ra bởi big bang. Bức xạ của vật thể đen là bức xạ phát ra từ tất cả các vật thể có nhiệt độ trên độ 0 tuyệt đối. Mọi thứ phát ra bức xạ nào đó mà nó có thể được phát hiện. Thí dụ rõ ràng nhất của bức xạ này là bức xạ hồng ngoại phát ra từ các vật thể nóng. Nhưng thậm chí các vật thể lạnh cũng bức xạ, với năng lượng thấp hơn.

Khi vũ trụ đã trở nên trong sáng hơn vào khoảng 300.000 năm sau big bang, các hạt photons được giải phóng khỏi thùng cháo ban đầu, chúng bắt đầu chuyển động trên một đường thẳng và từ đó làm một cuộc hành trình liên tục mãi cho đến nay. Vì hiệu ứng Doppler, những photons này bị mất năng lượng, và về mặt lý thuyết, mức năng lượng hiện tại của chúng có thể tính được, và do đó cả bước sóng của chúng cũng tính được.

Năm 1965, hai nhà thiên văn nghiên cứu sóng radio làm việc tại phòng thí nghiệm Bell là Arno Penzias và Robert Wilson đã phát hiện được đúng cái mà các nhà lý thuyết đã dự đoán, mặc dù hai người này không hay biết gì về dự đoán đó: bức xạ hoá thạch vi sóng. Nhờ công lao đó , sau này Penzias và Wilson đã được trao giải Nobel vật lý. Năm 1989, vệ tinh thám hiểm hoá thạch vũ trụ mang tên COBE được NASA phóng lên để đo bức xạ chính xác hơn. Kết quả kiểm tra bức xạ từ mọi hướng trong không gian cho thấy một sự đồng nhất đáng kinh ngạc, tương ứng với nhiệt độ 2,7 độ trên độ 0 tuyệt đối (2,7 độ K). Khám phá này, bên cạnh định luật Hubble, được xem như một trong những khám phá thiên văn quan trọng nhất hỗ trợ cho lý thuyết big bang. Tính đồng nhất của bức xạ cũng được coi là ủng hộ cho lý thuyết vũ trụ lạm phát. Các ngôi sao, thiên hà và cụm thiên hà, tất cả đều được cho rằng đã hình thành từ những gợn năng lượng của vũ trụ lúc ban đầu và big bang.

Một bằng chứng khác của big bang  là sự tương đối phong phú của các nguyên tố hoá học trong vũ trụ. Các nhà khoa học đã tính toán mức độ phổ biến của các nguyên tố như lý thuyết big bang đã dự đoán. Mức năng lượng không giới hạn của big bang ngụ ý rằng vũ trụ phải chứa khoảng 75% hydrrogen, 25% helium. Tất cả các nguyên tố khác với hai nguyên tố này (và các đồng vị là deuterium, helium-3, và lithium-7) chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong toàn bộ hỗn hợp các thành phần trong vũ trụ. Những nguyên tố nặng hơn này – tạo nên mọi thứ xung quanh ta kể cả mọi thứ tạo nên chính chúng ta (mặc dù hydrogen cũng đồng thời là thành phần chủ yếu trong cơ thể chúng ta ) – được tạo nên muộn hơn, bởi các phản ứng hạt nhân bên trong các sao. Tất cả những nghiên cứu tiếp tục về sự hình thành các nguyên tố trong vũ trụ đều đã xác nhận giả thuyết này. Những nghiên cứu này cung cấp bằng chứng chắc chắn đối với lý thuyết big bang.

Big bang khởi động sự giãn nở của vũ trụ. Dù sự giãn nở đó có bắt đầu tăng vọt theo hàm mũ hay không, như lý thuyết vũ trụ lạm phát đã nói, thì vấn đề là: bản chất của sự giãn nở đó là gì ? Sự mô tả hay nhất về vũ trụ giãn nở được trình bầy trong cuốn sách Nguồn gốc: Cuộc sống và thế giới của các nhà vũ trụ học hiện đại (Origins: The Lives and Worlds of Modern Cosmologists) [5]. Lấy một cục tẩy và đánh dấu bằng mực các điểm trên đó, mọi điểm cách nhau khoảng 1/4 inch. Mỗi một chấm mực trên cục tẩy thể hiện một thiên hà trong không gian. Bây giờ lấy tay kéo cục tẩy. Chú ý rằng khi bạn kéo, các chấm chạy xa nhau ra. Khoảng cách giữa hai điểm bất kỳ cạnh nhau trên cục tẩy (các thiên hà trong không gian) tăng lên. Hai điểm kề nhau bây giờ cách nhau hơn 1/4 inch. Nhưng điều gì xẩy ra với các điểm không ở cạnh nhau ? Chúng bị nong ra thậm chí xa hơn – khoảng cách giữa chúng tăng lên theo tỷ lệ lớn hơn. Nếu bạn kéo căng cục tẩy đủ mức sao cho hai điểm lúc đầu cách nhau 1/4 inch bây giờ cách nhau 1/2 inch, thì hai điểm cách nhau 1/3 inch bây giờ sẽ cách nhau tròn 1 inch. Đó là những gì xẩy ra trong sự giãn nở của vũ trụ.

Khi không gian giãn nở, các thiên hà gần nhau hơn sẽ chuyển động tách xa nhau với tốc độ nhỏ hơn so với tốc độ tách xa của những thiên hà lúc đầu vốn đã xa nhau hơn. Tốc độ giãn cách của hai thiên hà bất kỳ tỷ lệ với khoảng cách giữa chúng. Đó chính là định luật Hubble.

Hãy nhận xét một tính chất rất quan trọng khác. Khi bạn kéo căng cục tẩy, mọi điểm sẽ giãn cách điểm bên cạnh nó theo cùng một cách như nhau. Không có một vùng ưu tiên nào trên cục tẩy: mọi điểm đều có thể được coi là tâm mà từ đó các điểm khác giãn cách ra xa. Vũ trụ không có một tâm rõ ràng, cũng chẳng có đầu mút nào. Khi chúng ta nhìn thấy mọi thiên hà rời xa chúng ta, thì mọi thiên hà khác cũng thấy hiện tượng tương tự – mọi thiên hà đều có ảo giác rằng mình là trung tâm của sự giãn nở.

Cái gì gây ra sự giãn nở ? Không gian được tạo nên, hoặc bị nong ra. Không gian, như chúng ta biết từ thuyết tương đối tổng quát, là dẻo. Nó là một môi trường trung gian có thể uốn cong được, hình học của nó có thể thay đổi với hiệu ứng hấp dẫn. Không gian không phải là trống rỗng không có gì trong đó, như bề ngoài có vẻ như thế. Không gian luôn luôn giãn nở như một chiếc bánh nở phồng ra. Thiên hà do Esther Hu và các cộng sự khám phá ra rời xa khỏi chúng ta với tốc độ bằng 95% tốc độ ánh sáng. Đây là hiện tượng đang xẩy ra đối với những thiên hà xa nhất mà ta có thể thấy, trong mối tương quan so với Trái Đất. Các thiên hà cách chúng ta khoảng 7 tỷ năm ánh sáng dường như rời xa chúng ta với tốc độ bằng khoảng một nửa tốc độ ánh sáng. Và những thiên hà gần chúng ta hơn sẽ có tốc độ rời xa chúng ta chậm hơn.

Để hiểu hiện tượng kỳ quái không thể cảm nhận được bằng trực giác này, cách tốt nhất là giả định rằng vũ trụ là vô hạn. Nếu vũ trụ là vô hạn, mọi điểm đều là tâm của nó, và một người quan sát tại bất kỳ điểm nào sẽ thấy các thiên hà rời xa với cùng một tính chất: các thiên hà gần hơn rời xa với những tốc độ nhỏ hơn trong khi những thiên hà xa hơn rời xa với tốc độ nhanh hơn, sự tăng tốc này tỷ lệ với khoảng cách đến người quan sát. Trong miếng bánh nho vũ trụ, mọi viên nho “nhìn” những viên nho khác chạy ra xa với tốc độ tỷ lệ với khoảng cách của chúng. Đây là quan niệm về sự giãn nở đồng nhất của một môi trường trung gian mà chúng ta tưởng như là một không gian trống rỗng.

Những quan sát mới đối với các siêu tân tinh xa xôi cho thấy không gian không những đang tiếp tục giãn nở, mà còn đang gia tốc sự dản nở của nó. Vậy chắc chắn phải có một cái gì đó đang đẩy không gian ra bên ngoài. Đó là cái gì vậy ? Theo vật lý lượng tử, không gian bề ngoài là “chân không” thực ra chẳng chân không tí nào – nó lấp đầy năng lượng. Những hạt ảo xuất hiện và biến mất một cách liên tục trong cái mà chúng ta nghĩ là không gian trống rỗng. Có một số lượng năng lượng lớn trong cái trông như một sự trống rỗng tuyệt đối, và chúng ta không hiểu gì về năng lượng này và từ đâu nó sinh ra. Chân không giống như một chiếc lò xo bị co nén lại muốn bật tung lên. Áp lực sinh ra từ chiếc lò xo không nhìn thấy cùng với năng lượng ẩn trốn trong không gian làm cho không gian này giãn nở. Nhưng chiếc lò xo giãn ra với tốc độ chậm hơn nhiều so với sự giãn nở mà nó gây ra, và do đó sự giãn nở tăng tốc. Năng lượng chân không – lực đẩy làm cho không gian giãn nở – được mô hình hoá bởi hằng số vũ trụ của Einstein [6].

[1] Steven Weinberg, The Cosmological Constant Problem, Những bài giảng của Morris Loeb, Đại học Harvard xuất bản năm 1988.

[2] Roger Penrose, “Gravitational Collapse and Space-Time Singularity” (Sự co rút do hấp dẫn và Kỳ dị của không-thời-gian), tạp chí Physical Review Letters, 18 tháng 1 năm 1965, trang 57-59.

[3] Để hiểu thêm hiện tượng thú vị này, xin đọc bài báo có nhiều giải thích sáng tỏ và thích hợp để giải trí của Leonard Susskind: “Hốc đen và nghịch lý thông tin” (Blackholes and the Information Paradox), tạp chí Scientific American, tháng 4 năm 1997, trang 52-57.

[4] Ở đây và ở nới nào khác nữa, sai số có thể lên tới hàng tỷ năm vì không gian cứ tiếp tục giãn nở.

[5] Alan Lightman và Roberta Brower, Origins: The Lives and World of Modern Cosmologists, do Đại học Harvard xuất bản tại Cambrìge, MA, năm 1990, trang 8.

[6] Nếu ký hiệu năng lượng chân không bằng , thì hằng số vũ trụ của Einstein sẽ là :

Advertisements

One thought on “Phương trình của Chúa, Chương 12: KHÔNG GIAN GIÃN NỞ

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Đăng xuất / Thay đổi )

Connecting to %s