Phương trình của Chúa

Chương 15: BATAVIA, ILLINOIS, NGÀY 4 THÁNG 5 NĂM 1998

Vũ trụ của chúng ta nhẹ bỗng (Neta Bahcall)

Paul Steinhard, một trong những người trẻ nhất trong thế hệ các nhà vật lý sáng tạo ra khoa học mới về vũ trụ, sinh năm 1952 và nhận bằng tiến sĩ vật lý tại Đại học Harvard năm 1978. Ông theo học vật lý hạt cơ bản, nhưng nhanh chóng chuyển mối quan tâm vào vũ trụ học. Steinhard trở thành giáo sư Đại học Pennsylvania và nghiên cứu mô hình vũ trụ lạm phát của Guth. Không giống những người khác, Steinhard không coi vấn đề lạm phát như một sự thật – ông muốn có một tư duy mở và luôn để cho các dữ liệu – các quan sát thiên văn, các số liệu đo đạc vũ trụ, và các thông tin vật lý khác – kể câu chuyện của nó. Steinhard nhanh chóng nhận thấy rằng mặc dù mô hình vũ trụ lạm phát rất hay ho và có nhiều hứa hẹn, nhưng nó vẫn còn một số vấn đề tồn tại về mặt lý thuyết. Trước hết và trên hết trong số những vấn đề đó là một cơ chế bí ẩn nào đó đã làm ngừng sự giãn nở lạm phát và hạn chế sự giãn nở này trong một mức độ từ tốn hơn mà chúng ta tin rằng đang diễn ra trong thời đại ngày nay.

Paul làm việc với một nghiên cứu sinh đang làm luận án tiến sĩ, Andy Albrecht, và cuối cùng đã giải được bài toán thách đố đó bằng cách xét lại mô hình vũ trụ lạm phát của Guth sao cho sự giãn nở – và trường gây ra nó – phát triển với một tốc độ hạn chế hơn, vẫn đáp ứng được các mục tiêu của lạm phát trong việc giải thích các hiện tượng, nhưng đồng thời có thể sẽ bị thế giới tự nhiên chặn lại tại một điểm nào đó. Sau đó ông nghiên cứu một mô hình được gọi là lạm phát mở rộng, trong đó một trường khác tương tác với trường hấp dẫn. Trong lý thuyết này, vào những ngày đầu trong cuộc sống của vũ trụ, hằng số hấp dẫn không giống như hiện nay. Do đó số hạng G trong phương trình trường của Einstein không phải là một hằng số khi vũ trụ còn ở tuổi thiếu thời.  Trong thủa ban đầu này – được gọi là giai đoạn Planck và kéo dài trong giây đầu tiên kể từ big bang – các hiệu ứng lượng tử xẩy ra. Vào những giây phút sớm sủa nhất của vũ trụ như thế, cơ học lượng tử – lý thuyết của thế giới vi mô – thực sự đóng vai trò chủ yếu trong việc giải thích cái gì sẽ xẩy ra đối với vũ trụ toàn thể, và khi đó lý thuyết cổ điển của Einstein về tương đối chưa có ý nghĩa. Paul Steinhard đã đóng góp đáng kể cho sự hiểu biết của chúng ta về giai đoạn Planck bằng một lý thuyết mới rất quan trọng, trong đó đưa ra một trường mới rất cần thiết, gọi là vũ trụ lượng tử (hoặc trường lượng tử, N.D.).

Năm 1995, dựa trên những kết quả vật lý và thiên văn từ nhiều nguồn khác nhau, Steinhard nhận thấy những kết quả đó chỉ ra một phương hướng mới : vũ trụ dường như đang bị tăng tốc giãn nở. Điều này rất trái ngược với trực giác. Tại sao vũ trụ lại có thể ứng xử như vậy, trong khi lý thuyết về trường hấp dẫn – tương tác duy nhất tác động qua khoảng cách lớn trong vũ trụ – lại nói với chúng ta rằng sự giãn nở bắt đầu từ big bang ắt phải chậm dần khi vật chất kéo mọi thứ lại với nhau ?

Tháng 9 năm 1997, hưởng ứng các kết quả của vũ trụ học, Paul Steinhard nẩy ra sáng kiến tổ chức một cuộc họp của những nhà thực hành trong nhiều lĩnh vực khác nhau liên quan đến vũ trụ học: các nhà thiên văn,vật lý thiên văn, vật lý thực nghiệm, vật lý hạt cơ bản, toán học ứng dụng, và những người khác nữa, để thảo luận xem vũ trụ sẽ diễn tiến tiếp tục như thế nào. Các nhà khoa học trong các lĩnh vực khác nhau sẽ giải thích các khám phá mới ra sao, ý nghĩa có thể có của chúng là gì ? Steinhard quyết định địa điểm tốt nhất cho một cuộc gặp gỡ như thế là Viện nghiên cứu quốc gia mang tên Fermi (gọi tắt là Fermilab) tại Batavia ở Illinois. Tại đây, nhiều thí nghiệm quan trọng đã được tiến hành nhằm tìm hiểu bản chất vật chất dưới những điều kiện mô phỏng điều kiện có thật trong vũ trụ thủa sơ khai. Cùng với Joshua Frieman tại Fermilab, Steinhard trù tính cuộc họp sẽ diễn ra vào tháng 5 năm 1998.

Tháng 1 năm 1998, dữ liệu về 8 siêu tân tinh đầu tiên do Perlmutter và nhóm Dự án Supernova Cosmology Project nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature^[1].Dữ kiện dường như cho thấy các thiên hà xa xôi trong không gian và thời gian, chẳng hạn như 8 thiên hà đã được nghiên cứu bởi nhóm khoa học nói trên, có thể rời xa chúng ta với tốc độ chậm hơn những thiên hà ở gần[2]. Nhóm khoa học này đã quan sát 60 thiên hà khác với các siêu tân tinh Loại Ia vẫn đang được phân tích. Liệu khuynh hướng này có được xác nhận bởi dữ liệu của các thiên hà khác hay không ? Nếu vậy, những quan sát này sẽ cung cấp thêm bằng chứng cho thấy vũ trụ đang giãn nở nhanh hơn trong thời đại của chúng ta so với tốc độ giãn nở trong quá khứ.

Trong cuộc họp vào tháng 1 năm 1998 của Hội thiên văn Mỹ tại Washington D.C., nhóm của Perlmutter trình bầy kết quả của họ gợi ý rằng vũ trụ có thể giãn nở nhanh hơn dự kiến. Ít lâu sau, một nhóm cạnh tranh nghiên cứu siêu tân tinh tại Havard-Smithsonian đã báo cáo những kết quả phù hợp với giả thuyết của Perlmutter. Nhóm Đại học Princeton do Neta Bahcall dẫn đầu, và một nhóm khác của Đại học Princeton do Ruth Daly dẫn đầu, cũng báo cáo những kết quả ủng hộ giả thuyết này. Những nghiên cứu này chỉ ra rằng khối lượng tổng cộng của vũ trụ không đủ để làm ngừng sự giãn nở của vũ trụ từ trước đến nay.

Neta Bahcall sinh ra và lớn lên tại Israel. Bà theo học ngành toán và vật lý tại Đại học Hebrew, và đỗ bằng Masters về vật lý hạt nhân tại Viện Weizmann năm 1965.

(Hình 15-1: Neta Bahcall tại Đại học Princeton nói: “Vũ trụ của chúng ta nhẹ bỗng”)

Năm đó, bà gặp người chồng tương lai của mình, John Bahcall, một giáo sư vật lý của Viện công nghệ California (Caltech) đang đến thăm Viện Weizmann. Năm sau hai người cưới nhau và chuyển đến sống tại Caltech, ở đó Neta làm luận án tiến sĩ về vật lý thiên văn hạt nhân dưới sự hướng dẫn của William Fowler – người đoạt giải Nobel vật lý vài năm sau đó. Nghiên cứu của Fowler tập trung vào các phản ứng hạt nhân xẩy ra bên trong các ngôi sao và làm cho chúng phát sáng. Năm 1970, Bahcall nhận học vị tiến sĩ tại Đại học Tel Aviv. Bà trở nên đặc biệt quan tâm đến thiên văn học, thực hiện những dự án nghiên cứu kết hợp với các nhà vật lý thiên văn ở Caltech, nghiên cứu các quasars và các hiện tượng thiên văn khác.

Năm 1972, Neta và John Bahcall quan sát những ngôi sao qua kính viễn vọng vừa được hoàn tất bởi Đài quan sát Wise tại sa mạc Negev ở Israel. Hai vợ chồng nghỉ lại tại nhà nghỉ của đài quan sát nhưng không có buồng dành cho trẻ em. Vì thế hai vợ chồng kéo luôn hai đứa con của mình là Safi 3 tuổi và Dan kém 1 tuổi đến đài quan sát và lấy các ngăn kéo ra rồi trải chăn lên đó làm giường ngủ cho chúng. Trong khi con cái say sưa ngủ, Neta và John Bahcall khám phá ra hệ quang học xâm thực kép đầu tiên (the first binary eclipsing optical system) cũng đồng thời là hệ tia X kép đầu tiên (the first X-ray binary system) do vệ tinh phát hiện ra. Vật thể kép tạo nên đám gas phát ra tia X này là một pulsar[3] kép đầu tiên được khám phá. Đây là một sự kiện hoàn toàn mới trong thiên văn học. Sự khám phá này là khám phá đầu tiên của các quan sát mới, và nhà nước Israel đã bầu chọn Neta Bahcall là người phụ nữ khoa học trong năm đó.

Gia đình Bahcall di chuyển đến Princeton, tại đó Neta là một giáo sư về thiên văn vật lý của Đại học Princeton, và John là giáo sư khoa học tự nhiên tại Viện nghiên cứu cao cấp của Đại học Princeton. Năm 1998, John Bahcall được tổng thống Clinton trao tặng Huy chương quốc gia về khoa học. Trong 6 năm Neta Bahcall làm giám đốc Cơ quan tuyển chọn đề tài khoa học (Science Selection Office) thuộc Viện khoa học kính viễn vọng không gian, tại đó bà đã có những đóng góp lớn lao cho khoa học bằng cách giúp tuyển chọn những dự án thiên văn quan trọng cho kính viễn vọng Hubble. Qua nhiều năm, mối quan tâm của bà chuyển sang vũ trụ học, và bà trở nên quan tâm đặc biệt đến việc làm thế nào để các khám phá vật lý thiên văn có thể toả ánh sáng vào cấu trúc của vũ trụ, thủa ban đầu của nó, tuổi vũ trụ, và số phận của nó. Neta Bahcall đã dành nhiều năm để nghiên cứu cấu trúc trong phạm vi lớn của vũ trụ nhằm cố gắng trả lời những câu hỏi của vũ trụ học. Nghiên cứu của bà đạt được nhiều kết quả, và dựa trên thành tựu đó, bà được bầu vào Viện hàn lâm khoa học quốc gia Hoa Kỳ năm 1997.

Tại một cuộc họp vào tháng 1 năm 1998 của Hội thiên văn Mỹ, Neta Bahcall trình bầy những kết quả dựa trên một số nghiên cứu mà bà và các cộng sự đã hoàn tất, sử dụng một số phương pháp độc lập để “cân đo” vũ trụ. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các cụm thiên hà để nghiên cứu sự tiến hoá của vật chất trong vũ trụ và sự phân bố của nó. Một trong các phương pháp đó khai thác hiệu ứng thấu kính hấp dẫn của Einstein. Tại đây, ánh sáng từ những thiên hà xa xôi được quan sát khi chúng bị cong xung quanh các thiên hà nằm ở gần chúng ta hơn, và độ cong của ánh sáng sẽ cung cấp thông tin về khối lượng của các thiên hà ở gần hơn. Các phương pháp khác nghiên cứu các đám gas nóng bỏng bên trong các thiên hà cũng như tốc độ, các dịch chuyển đỏ và tỷ lệ khối lượng đối với ánh sáng trong vũ trụ. Bahcall nghiên cứu các quầng sáng của các thiên hà, nơi có nhiều vật chất tối nằm ở đó, như những nghiên cứu của bà đã khẳng định. Dựa trên tất cả những nghiên cứu của mình, Neta Bahcall kết luận rằng mật độ vật chất trong vũ trụ chỉ bằng 20% mật độ cần thiết để làm cho vũ trụ giãn nở chậm lại và cuối cùng co lại. Con số này thu được một cách độc lập từ một số phương pháp nghiên cứu khác nhau. Theo tính toán, xác suất sai của kết luận này nhỏ hơn 1 phần triệu ^[4].

Báo chí nói rất nhiều về những khám phá mới đáng kinh ngạc của Perlmutter, Bahcall và các cộng sự của họ. Những điều mới được sáng tỏ đã kích thích trí tưởng tượng của mọi người trên thế giới. Chẳng nói thì ai cũng biết rằng dường như mọi người – từ các nhà khoa học đến mọi công dân trung bình – đều hy vọng về một vũ trụ “chất đầy vật chất”, có lẽ đó là một vết tích của mô hình vũ trụ tĩnh của Einstein. Nếu vũ trụ thực sự giãn nở và không tĩnh – mà lần đầu tiên những nghiên cứu của Hubble trong những năm 1920 đã nói về một vũ trụ có nhiều điều ngạc nhiên như thế – thì ít ra người ta cũng muốn nó phải dao động giữa sự giãn nở và sự co lại. Một vũ trụ thay đổi giữa giãn nở và co thắt dù sao cũng vẫn giữ một khả năng đổi mới về căn bản, mặc dù sự thay đổi có thể diễn ra trong một tương lai xa tít mù tắp. Trong khi một vũ trụ giãn nở mãi mãi sẽ không có hy vọng co lại để trở về một big bang khác khởi đầu cho một kịch bản mới. Vì thế khi hội nghị tháng 5 diễn ra tại Fermilab, báo chí đã lập tức có mặt ở đó.

Nhưng các nhà khoa học tụ họp tại Fermilab còn băn khoăn về một vấn đề khác thậm chí còn quan trọng hơn cả vấn đề vũ trụ giãn nở mãi mãi. Đó là vấn đề số phận của vật lý. Các nhà khoa học này đang đối mặt với một kết luận hầu như không thể né tránh: có một cái gì đó rất quái dị diễn ra trong vũ trụ – một cái gì đó mà các nhà khoa học không thể hiểu nổi. Tự nhiên có một loại lực thứ 5 trong kho vũ khí của nó, một loại lực chưa từng bao giờ được quan sát trực tiếp. Ý nghĩ này,  một phỏng đoán khoa học được chia xẻ bởi tất cả những người có mặt, đọng lại trong tư tưởng của các nhà vật lý, các nhà lý thuyết hạt cơ bản, các nhà thiên văn, khi các giải thích kỹ thuật của các khám phá được trình bầy. Các nhà khoa học đã có kinh nghiệm để đặt nghi vấn: Họ muốn nhìn thấy bằng chứng thuyết phục trước khi họ đồng ý để thay thế một lý thuyết cũ bằng một lý thuyết mới. Khi mọi người đã tập hợp đông đủ, 60 người tất cả, cuộc trình diễn một màn kịch bắt đầu.

William Press, một nhà thiên văn thuộc nhóm Harvard-Smithsonian, đóng vai trò luật sư phản biện đại diện cho nhóm của ông và nhóm Đại học Berkeley, trong khi các nhóm nghiên cứu siêu tân tinh trình bầy các khám phá của họ. “Điều gì sẽ xẩy ra nếu các kết quả không đúng ?” là một câu hỏi lớn. Saul Perlmutter và một thành viên của một nhóm nghiên cứu siêu tân tinh khác là Robert Kirshner bảo vệ các khám phá của nhóm của họ. Có nhiều vấn đề có khả năng xẩy ra với các dữ liệu này. Đầu tiên, phải chăng các siêu tân tinh thực sự là “các ngọn nến tiêu chuẩn” ? ^[5] Làm thế nào để chúng ta biết được rằng một siêu tân tinh Loại Ia xẩy ra từ 7 tỷ năm trước đây có cùng một độ cong của ánh sáng như một siêu tân tinh xẩy ra chỉ mới một nửa tỷ năm trước đây ? Sau đó là một câu hỏi về sự điều chỉnh mà các nhóm đã áp dụng đối với dữ liệu về độ sáng sao cho dữ liệu có thể so sánh được. Sự điều chỉnh đó đã tiến hành ra sao ? Cuối cùng là một vấn đề không lường trước được: trong các thiên hà được nghiên cứu không thấy có bụi. Tại sao không phát hiện được bụi ?

Hai nhóm đã đưa ra những giải thích kỹ thuật dài dòng làm thoả mãn mọi người. Hội nghị đi đến một cuộc biểu quyết thăm dò, và các nhà khoa học đã biểu quyết hầu như lấn át thiên về phía chấp nhận thông tin mới như một bằng chứng thuyết phục khoa học. Bây giờ là lúc không thể trốn tránh câu hỏi tất yếu đang săn đuổi: Cái gì đã gây ra sự giãn nở gia tốc của vũ trụ ? Khối lượng tổng cộng của vũ trụ sẽ kéo vật chất co cụm lại, như đã nói. Một sự giãn nở từ big bang dù sao chăng nữa sẽ phải chậm lại vì sự hiện diện của vật chất có khối lượng phân bố trong các thiên hà trong khắp vũ trụ. Nhưng rõ ràng là bằng chứng trình bầy tại Fermilab vào ngày hôm đó trong tháng 5 năm 1998 dường như đã chỉ ra rằng chẳng có gì diễn ra như dự kiến. Vũ trụ không chứa đủ vật chất để làm chậm sự giãn nở. Và một loại lực bí mật nào đó đang thực sự làm cho vũ trụ giãn nở gia tốc. Tồn tại một áp lực âm trong chân không – một cái gì đó hoàn toàn lạ hoắc đối với toàn bộ khoa học. Đó là cái gì vậy ?

“Có một năng lượng kỳ dị trong vũ trụ”, Michael Turner thuộc Fermilab viết trong tập giấy ghi chép của ông như vậy. Ông thêm vào đó một hình vẽ các ngôi sao và những người đang gãi đầu, với một chữ Hy lạp to: (Lamda). Bức tranh của ông được đăng trên trang khoa học của tờ New York Times ngày 5 tháng 5 năm 1998. Turner nói: “Cái gì đủ tốt với Einstein, phải đủ tốt với chúng ta”, để ám chỉ vai trò của hằng số vũ trụ.

Nhưng các nhà vũ trụ học liên quan đến các lý thuyết mới, chẳng hạn như lý thuyết vũ trụ lạm phát, muốn đi một bước xa hơn. Về nguyên tắc, hằng số vũ trụ có thể được sử dụng, để tính tới lực bí mật của tự nhiên đẩy không gian giãn ra, chống lại lực hấp dẫn và làm cho vũ trụ giãn nở gia tốc tới vô cùng. Nhưng theo lý thuyết lạm phát, trước đây đã có một lực tương tự như thế trong vũ trụ, và nó làm cho vũ trụ giãn nở với một tốc độ hàm mũ trong những đoản khắc ban đầu ngay sau big bang. Do đó hằng số vũ trụ cũng rất thích hợp với giai đoạn đó. Nhưng có một vấn đề nổi lên ở đây. Độ lớn của lực không nhìn thấy thủa ban đầu của vũ trụ ngay sau big bang sẽ phải khác với độ lớn của nó trong giai đoạn hiện nay. Khoa học làm thế nào thể kết hợp các giá trị này trong một đại lượng L thay đổi ?

Một câu trả lời tự nhiên đối với câu hỏi quan trọng này, một câu hỏi có thể giải quyết hàng loạt bí mật của vũ trụ học hiện đại, là coi hằng số vũ trụ như một đại lượng biến thiên của vũ trụ – một hàm số của thời gian và các đại lượng biến đổi khác trong phương trình của Einstein. Nhưng chua ai biết làm thế nào để thực hiện điều đó. Einstein đã mất từ hơn bốn thập kỷ nay rồi, và dường như không ai có đủ can đảm, sự hiểu thấu bên trong, và tri thức để biến đổi phương trình của ông theo cách mà bản thân Einstein đã làm khi ông đưa hằng số vũ trụ vào vị trí đầu tiên của nó.

Những người đi theo Einstein, các nhà vật lý chuyên về thuyết tương đối tổng quát, đã dành thời gian của họ để giải phương trình trường của Einstein. Vì mục đích này, họ sử dụng một nguồn dự trữ các phương pháp mới và cũ: một số trong các phương pháp đó là các kỹ thuật số thực hiện trên computer, và các phương pháp khác để giải các phương trình vi phân phức tạp. Nhưng những nhà vật lý này không có ý đồ thay đổi phương trình của Einstein để phù hợp với những khám phá mới và lý thuyết mới.

Phương trình trường của Einstein là một biểu tượng. Phương trình này đã được sáng tạo ra bởi một bậc thầy vĩ đại. Mọi tensor, mọi hằng số, mọi thành phần nhỏ bé có mặt ở đó đều có một lý do của nó. Phương trình tensor được thiết kế để giữ gìn những định luật của tự nhiên. Những định luật này là bất biến – chúng không thay đổi khi nhìn vào một quá trình vật lý từ những góc độ khác nhau, hoặc trong những hệ toạ khác nhau. Khi giới hạn bài toán trong những điều kiện phi tương đối, phương trình tensor mô tả những định luật Newton.

Einstein có thể đưa cái mà sau này ông coi như một số hạng bất hợp lý vào trong phương trình bằng cách tính toán tensor khoảng cách một cách khéo léo, đùa dỡn với nó, bẻ cong không gian một chút để làm cho hằng số trở nên thích hợp nhưng vẫn không làm mất đi các tính chất mà ông đã phải tốn công sức trong bao nhiêu năm trời mới gán được cho phương trình của mình.

Nhưng làm thế nào để biến một hằng số thuần khiết như thế thành một hàm biến đổi hoàn toàn mới ? Có lẽ ngay cả nhà khoa học bậc thầy vĩ đại như Einstein cũng không thể hoàn tất một kỳ công như thế. Vì thế, trong khi ý thức được rằng việc giải thích “năng lượng dị thường” sẽ là một khám phá vĩ đại và đó sẽ là cơ hội để chống đỡ cho lý thuyết vũ trụ lạm phát, các nhà vũ trụ học cố gắng làm công việc cần yếu nhất tiếp theo: phát minh ra một khái niệm mới.

Paul Steinhard theo đuổi một mô hình thay đổi như thế. Ông gọi nó là quintessence (cái tinh hoa), theo tên gọi do Aristotle đặt cho nguyên tố thứ năm trong tự nhiên. Tên gọi dành cho lực vô hình là một sự tham khảo đối với lực thứ năm trong tự nhiên. Bốn lực đầu tiên đã biết đối với vật lý là lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân yếu và lực hạt nhân mạnh. Quintessence, mà chưa ai quan sát được, sẽ là lực thứ năm. Steinhard hiện nay đang tìm cách đưa quintessence vào trong phương trình trường của Einstein. Bất kể lý thuyết cuối cùng có đúng hay không, Steinhard đi đến kết luận về bí mật đang tồn tại. “Có một áp lực âm trong vũ trụ”, ông nói với tôi. “Một điều hiện nay đã rõ ràng là Ω_M < 1. Điều này có ý nghĩa gì ? Độ cong, quintessence, hay L ? – Chúng ta không biết, nhưng bất kể đó là cái gì thì cái đang tồn tại ở đó, trong vũ trụ, có những hệ quả nền tảng đối với vật lý”.

//