LƯỢC SỬ THỜI GIAN - Nguồn gốc và số phận của vũ trụ pps

LƯỢC SỬ THỜI GIAN - Nguồn gốc và
số phận của vũ trụ
Lý thuyết tương đối rộng của Einstein, tiên đoán rằng không gian, thời
gian bắt đầu từ kỳ dị của vụ nổ lớn, sẽ kết thúc hoặc tại một kỳ dị cuối cùng
(trường hợp toàn vũ trụ co lại) hoặc tại một kỳ dị nằm bên trong một lỗ đen
(trường hợp một vùng định xứ, ví dụ một sao co lại). Mọi vật chất rơi vào lỗ
đen, sẽ bị phá hủy tại điểm kỳ dị, chỉ còn lại hiệu ứng hấp dẫn của khối lượng
là còn được cảm nhận từ phía bên ngoài. Mặt khác, khi các hiệu ứng lượng tử
được tính đến thì dường như khối lượng và năng lượng của vật chất cuối
cùng sẽ trở về với phần còn lại của vũ trụ, và lỗ đen cùng với mọi kỳ dị bên
trong sẽ bay hơi và biến mất. Liệu cơ học lượng tử có gây một hiệu ứng bi
kịch như thế đối với vụ nổ lớn và kỳ dị chung cuộc hay không? Điều gì thực tế
đã và sẽ xảy ra vào các giai đoạn rất sớm và muộn hơn của vũ trụ, khi các
trường hợp hấp dẫn mạnh đến mức mà các hiệu ứng lượng tử không thể nào
bỏ qua được? Thực tế vũ trụ có một điểm bắt đầu và một điểm kết thúc hay
không? Và nếu có, thì phải hình dung chúng ra sao?
Trongsuốt những năm 70tôi đã tập trung nghiên cứucác lỗ đen, nhưngvào
năm 1981,tôi lại lưutâm đếncác vấnđề xungquanh nguồn gốc và số phận của vũ
trụ khi tôi tham gia mộthội thảo về vũ trụ học tổ chức bởi các tusĩ dòngJesuittại
Vatican.Nhà thờ Thiênchúa giáo đã phạm mộtsailầm đốivới Galileokhi họ phủ
định một định luật khoahọc vì tuyên bố rằngmặt trờiphải quayquanhquả đất.
Bây giờ sau nhiều thế kỷ, họ đã quyết định mờinhiều nhà khoahọc làm cố vấn về
vũ trụ học. Cuối hội nghị các nhà khoahọcđã được tiếp kiến Giáohoàng.Ông nói
rằng nghiêncứu sự tiến triểncủa vũ trụ sauvụ nổ lớnlà đúngsongNhà thờ không
tìm hiểu về bản thânvụ nổ lớnvì đó là thời điểmcủa Sáng tạo, nênthuộccôngviệc
của Chúa. Tôi rất vui mừng vì đức Giáo hoàng không biết đến bài phát biểu của tôi
tại hội thảo: khả năng không -thời gian làhữu hạn songkhôngcó biên, điều đó có
nghĩa là không có cái banđầu,khôngcó thời điểm củaSáng tạo. Tôi không cóý
muốn chịu cùng số phậncủa Galileo, người mà tôi có một cảm giác mạnhmẽ về sự
đồngnhất với tôi, một phần vìsự trùng hợp giữa ngày sinh của tôi đúngtròn 300
năm saungày chết của ông.

Để giải thíchcác ý tưởng của tôi và những ngườikhác về điều cơ học lượngtử có
thể tác độnglên nguồn gốc và số phậncủa vũ trụ, trướchết cần phảihiểu về lịch sử
của vũ trụ theo quanđiểm đượcnhiều người chấp nhận, dựa trênmô hình được
biết dưới “mô hìnhnóngcủa vụ nổ lớn”. Mô hình này giả định rằngvũ trụ được
miêu tả bởi mộtmôhìnhFriedmann,ngượctheothời gian mãitận lúc có vụ nổ lớn.
Trongnhững mô hìnhnhư vậy người ta thấy rằng lúc vũ trụ nở, mọi vật chất và
bức xạ sẽ lạnh dần. (Khi vũ trụ đạtkích thước gấp đôi thì nhiệt độ của vũ trụ giảm
xuống một nửa). Vì nhiệt độ là số đo năng lượng trungbình -hay vậntốc - củacác
hạt, quátrình lạnh dần này sẽ gây mộthiệuứng lớn đối với vật chấttrong vũ trụ. Ở
nhiệt độ rất cao, các hạt chuyểnđộng nhanhđến mứccó thể thoát ra khỏi mọi
trường hút giữa chúng với nhau dolực hạt nhân,hoặc điện tử tạo nên,song khi
chúng trở nên lạnh thì chúnghút nhauvà kết dính với nhau.
Ngoài ra, các loạihạt tồntại trong vũ trụ cũng phụ thuộc vàonhiệtđộ. Ở nhiệt độ
đủ cao, các hạt có năng lượng lớnvàkhi chạm nhau, nhiều cặp hạt/phảnhạt có thể
sinh ra và mặcdù nhiềuhạt sau khisinhracó thể bị hủy lúc chạm các phản hạt,
chúng vẫn đượcsinhra nhanhhơnbị hủy đi. Ở nhiệt độ thấp hơn, khicáchạt va
chạmnhau cónăng lượng nhỏ hơn, cáccặphạt/phản hạt sinhra vớitốc độ chậm
hơnvà như vậy quátrình hủy của chúngnhanhhơn quá trìnhsinh.
Tại vụ nổ lớn, kích thước củavũ trụ được xem như là bằng không, vì vậy nhiệt độ
là vô cùnglớn.Songtrong quá trình giãn nở, nhiệt độ của bức xạ sẽ giảm xuống.
Một giây sauvụ nổ lớn, nhiệt độ đã giảm xuống còn khoảng 10ngàn triệu độ. Nhiệt
độ này cỡ ngàn lần nhiệt độ ở tâm mặt trời vàcỡ nhiệt độ đạt đượclúc bom H (tức
bom khinhkhí) nổ. Vàothờiđiểm đó vũ trụ chứa phần lớnlà cácphoton, electron
và neutron(lànhữnghạt nhẹ chỉ tham gia tương tác yếu và hấp dẫn) và các phản
hạt củachúng,cùng vớimộtsố protonvàneutron.
Lúc vũ trụ tiếp tụcgiãnnở vànhiệtđộ hạ xuốngthì cáccặp electron/phản -
electronsinhra chậmhơn làbị hủy. Vì thế phần lớn các electronvà phản - electron
hủy vớinhau để tạo thành nhiềuphoton và để sót lại một số electron.Song các hạt
neutrinovà phản - neutrino ít hủy nhau vì cáchạt này tương tác với nhauvà với
các hạtkhác rấtyếu.Cho nên hiện naychúngcòn tồn tại trong vũ trụ. Nếu ta có thể

quan sát được chúng thì ta có một bằngchứng chắc chắn về bức tranhcủa giai
đoạn nóng đầutiên của vũ trụ. Tiếc thay,nănglượng của chúng ngày nay quánhỏ
để ta có thể quan sátđược chúng một cách trực tiếp.Nhưng nếu neutrinocó một
khối lượng nhỏ, theo kết quả một thí nghiệm chưa được kiểm nghiệm lại donhững
người Nga thực hiệnnăm 1981, thì ta có thể ghi đo được chúngmộtcách gián tiếp:
chúng phải tạo thànhmột “vậtchất tối”, như đã nói trước đây,vật chất sẽ sinhra
một lựchấp dẫn đủ để hãm đứng sự giãn nở của vũ trụ và buộc vũ trụ cotrở lại.
Khoảngmộttrăm giây sau vụ nổ lớn,nhiệt độ xuống cònmột ngàntriệu độ, bằng
nhiệt độ trong các sao nóng nhất. Ở nhiệt độ đó protonvàneutronkhôngcòn đủ
năng lượngđể thoát khỏi sức hútcủa lực hạt nhân và kết hợp vớinhau để tạo
thành hạt nhâncủa nguyên tử đơteri(hydronặng), gồm một protonvàmột
neutron. Các hạt nhân của đơteri lại kết hợp thêm với các proton vàneutron để tạo
thành hạt nhânheli, gồm haiproton vàhai neutron vàmột số hạt nhân nặnghơn là
liti vàberili. Người ta có thể tính ra rằngtrong mô hìnhnóngcủa vụ nổ lớn, khoảng
một phần tư các protonvà neutronbiến thànhhạt nhân heli, cùngmộtsố nhỏ
hydro nặng và các hạt nhân khác. Số neutroncòn lại phân hủy thành proton vốn là
hạt nhân của nguyên tử hydro.
Bức tranhvề giai đoạnnóngtrước đâycủavũ trụ lầnđầutiên đượcphác họa bởi
George Gamowtrong công trìnhnổi tiếng năm 1948, thựchiện chungvới một sinh
viên củaông là Ralph Alpher. Gamowlà một người giàu tínhhómhỉnh,ông thuyết
phục nhà vật lý hạt nhân Hans Bethe điền thêm tênvàocông trình vớiý muốn làm
cho danh sách tác giả Alpher, Bethe, Gamowđọclên nghegần như âm của ba chữ
cái đầu tiên của bảng vần Hy Lạp là alpha, beta, gamma: thật làthích hợp cho một
công trình nói về giai đoạn đầucủa vũ trụ! Trongcôngtrình này, các tác giả tiên
đoán một cách đặc sắcrằng bức xạ (dưới dạng các photon)từ những giai đoạn
nóngtiền sử của vũ trụ sẽ tàn dư lại trong giaiđoạn hiện nay,songvới nhiệt độ hạ
xuống chỉ cònvài độ trên khôngđộ tuyệt đối (-273độ C). Bức xạ này đã được
Penzias và Wilsonpháthiện năm 1965.
Vào thời gian khiAlpher, Bethe,Gamow viết công trình trên, người ta chưa biết
nhiều về cácphản ứng hạt nhân giữaproton và neutron. Các tính toán dự báo về tỉ

số các nguyên tố trongtiền sử của vũ trụ vì lẽ trên không được chínhxác lắm, song
những tính toán đó đã được thực hiện lại trêncơ sở những kiến thức hiện đại và
cho những kếtquả trùng hợp tốt với các quan trắc thựcnghiệm.Khó mà cắt nghĩa
theo một cách nào khácvì saotrong vũ trụ nhiều heli như vậy. Do đó chúng ta có
thể tin tưởngrằng chúng ta có một bức tranhđúng đắn, ít nhấtngược lại theothời
gian đến thời điểm khoảng 1 giâysau vụ nổ lớn.
Trongvòng một vài giờ sauvụ nổ lớn, sự sinhra helivàcác nguyên tố khác dừng
lại. Sauđó trong vòngtriệu năm tiếp theo,vũ trụ tiếp tục giãn nở và không có điều
gì đặc biệt xảy ra.Cuối cùng lúcnhiệtđộ hạ xuống còn khoảng vài ngànđộ, và
electroncùngcác hạtnhân không cònđủ năng lượngthoátkhỏi lựchút điện từ
giữachúng, thì chúng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử. Vũ trụ trong Hoàn
cụctiếp tục giãn nở và lạnhdần, songtrong các vùngmà mật độ cao hơn trung
bình,quá trìnhgiãnnở có chậm hơndo lựchấp dẫn ở đấy lớn hơn. Điều này có thể
dẫn đến sự dừnghẳn quá trìnhgiãnnở của một số vùng nào đó và bắt đầu quá
trìnhco lại.Khi các vùng này colại, lựchút hấp dẫn của vật chất chungquanh bên
ngoài sẽ làm cho các vùngđó bắt đầu quay.Vì các vùngnày tiếp tục conhỏ lại nên
chúng quaynhanhhơn, hoàntoàn tươngtự như vận động viên trượt băng đang
quay trên băng sẽ quay nhanh hơnkhihọ co tay sátsơ thể. Cuối cùng khivùng
đang xét trở nên đủ nhỏ, thì nó quay nhanhhơn đủ cân bằng với lựchấp dẫnvà
những thiên hàquaydạng hìnhđĩađược hìnhthànhtheo cách đó. Cácvùngkhác,
nếu không thu được một chuyểnđộng quaythì sẽ có dạng hình bầu dụcvà sẽ được
gọi là những thiên hà elliptic. Cácthiênhà nàysẽ dừng co lại vì nhiều bộ phận
riênglẻ của chúngsẽ chuyểnđộngtrênnhữngquỹ đạo ổnđịnhquanh tâmthiên hà,
song về toàn cục thì thiên hà khôngcó chuyển động quay.
Cùng với thờigian, các khối khí hydro và helitrong cácthiên hà sẽ phân rã thành
các đám khí nhỏ hơn vànhữngđám khí này sẽ co lạidưới sức hấp dẫn củachúng.
Khi chúng co lại thì cácnguyêntử ở trong sẽ vachạm nhauvà nhiệt độ của khísẽ
tăng lên, có thể đến mức đủ cao để xảy ra phản ứng nhiệt hạch. Lúcnày hydrokết
thành heli,nhiệt lượngthoát ra làm tăng áp suất và các đám mây không colại thêm
nữa. Chúngổn định trongtrạng thái đó rất lâunhư các sao giống mặttrời, đốtcháy

hydro thành heli và bứcxạ phát sinhdướidạng nhiệt vàánh sáng. Những sao có
khối lượng lớn hơn cần có nhiệtđộ cao hơn để cân bằnglực hút hấp dẫn lớnhơn
của chúng,và các phảnứng nhiệt hạch xảy ra nhanh hơn, cho nên chúngsẽ tiêu
hủy hydro trongvòng chừng mộttrăm triệu năm. Chúngsẽ co lại, nónglên và bắt
đầu biếnheli thành những nguyên tố nặng hơnnhư cacbon hoặc oxy.Song chúng
khôngđể thoát nhiều năng lượnghơn, vì vậymột trạng thái tới hạnsẽ xảy ra như
đã miêu tả ở chương nói về các lỗ đen.
Điều gì sẽ xảyra sauđó không hoàn toànrõ lắm songhình như các vùng ở tâm sao
sẽ co lại đếnmột trạng tháimật độ cao như một saoneutronhoặc lỗ đen.Các vùng
bên ngoài đôi khicó thể bị bắn ra trong một vụ nổ gọi là vụ nổ siêu sao, phát ra ánh
sáng mạnh hơnmọi saokháctrong thiên hà. Một số nguyên tố nặng hình thành ở
cuối đời một saosẽ bị bắn trở lại vàođám khí của thiênhà và sẽ là nguyên liệu cho
thế hệ tiếp theo của các sao. Mặt trời củachúng ta chứakhoảng2% các nguyêntố
nặng đó vì thuộc thế hệ sao thứ hai hoặc thứ ba, hìnhthành chừng năm ngàn triệu
năm về trước từ mộtđám mây quay chứa các mảnh vụn của các siêu sao thế hệ
trước.Phần lớn khí trong cácđám mây đó sẽ cấu thành mặt trời hoặc bị bắn xa,
còn một khối lượng nhỏ các nguyêntố nặng sẽ kết với nhau thành cácthiên thể
hiện đang chuyển động trên cácquỹ đạo quanhmặt trời như trái đất.
Lúc banđầu quả đất rất nóngvà không cókhí quyển. Theo thời gianquả đất lạnh
dần và có đượcbầu khí quyển hình thành nhờ sự khuếch tán các chất khí từ
khoáng chất. Bầu khí quyển trong quá khứ không phải là bầu khí quyển thích hợp
với cuộcsống. Bầu khí quyểnnày khôngchứa ôxymà chỉ chứa một số chất khí
khác là độc tố cho cuộcsống như sunfua hydro(là cácchất khí gây ramùitrứng
thối). Song có những dạngsốngsơ khaicó thể phát triểntrong những điều kiện
như vậy. Người ta chorằng sự sống đó bắt đầutrong những đạidương,rất cóthể
là kếtquả ngẫu nhiên của sự phứchợp các nguyên tử thành những cấutrúc lớn,
gọi là đại phân tử, những đạiphân tử này có khả năng tập hợp nhiều nguyên tử
khác trong đại dươngthành những cấu trúc tương tự. Như thế chúngcó thể tự tạo
và sinhsản.
Trongmột số trường hợpcó thể xảy ra cácsai lầm trong quá trình sinhsản.Phần

lớn cácsai lầm đó dẫnđến những đại phân tử mới không cókhả năng tự tạo và do
đó tàn lụi dần. Song cũngcó những sailầm dẫnđến những đại phân tử lại cókhả
năng tự tạo. Cácđại phân tử này hoànhảo hơnvà sẽ thay thế dần các đại phân tử
trước.Bằng cách đó hình thành một quátrình tiến hóadẫn đến sự phát triển
những cơ thể phức tạp hơn, có khả năng tự tạo. Những dạng sống sơ đẳng lúcđầu
tiêu thụ nhiềunguyênliệu khácnhau như sunfuahydro và ôxy thoát sinh. Quá
trìnhnày dần dần biến đổi thànhphần của khí quyển đến hiện trạng và dođó tạo
điều kiện thuậnlợi cho các dạngsống caocấp hơn như cá, bò sát, loàicó vú, và cuối
cùng là con người.
Bức tranhphác họa trên đây củavũ trụ từ trạngthái rất nóngvà lạnhdần trong
quá trìnhgiãn nở của vũ trụ phù hợp với những quantrắc có được. Tuy nhiên, bức
tranh đó cũng đặt ra nhiều câuhỏi quantrọng chưa có câu trả lời:
(1) Tại vì saovũ trụ nóng đến như vậy ở các giai đoạn đầu tiên?
(2) Vì saovũ trụ đồng nhất như vậy ở kích thước lớn? Tại saovũ trụ giống nhau ở
mọiđiểm vàtheo mọi hướng?Nói riêngvì sao nhiệt độ của bức xạ phông có trị số
bằngnhau theomọi hướng? Tình huống tương tự như khita hỏi nhiềusinh viên
một câu hỏi thi, nếu chúng trả lời giống nhauthì ta có thể tin rằng chúngđã trao
đổi với nhau. Còn trong mô hìnhmô tả trên đây,từ vụ nổ lớnánh sáng khôngđủ
thời gian để đi từ một vùng quá xa xôiđến một vùng khác, mặc dù cácvùng này
vốn đã kề nhautrong giai đoạn sớmcủa vũ trụ. Theo thuyết tương đối, nếuánh
sáng không thể đi từ một vùng nàyđến mộtvùngkhác, thì không cóthôngtin nào
đã được trao đổi.Như vậy các vùng khác nhau không thể có cùng một nhiệt độ, trừ
khi chúng có cùng một nhiệt độ lúc banđầu vìmột lý donào đó chưa giải thích
được.
(3) Vì saovũ trụ bắt đầu giãn nở với vận tốctới hạnlà vận tốc ranh giới giữa mô
hình co lại vàmô hình giãn nở, và ngay trong thời gian hiện tại, mười ngàn triệu
năm sauvẫn còn giãn nở với vận tốctới hạn đó? Nếu như vận tốc giãnnở tại thời
điểm một giây sau vụ nổ lớnchỉ nhỏ hơn mộtphần trăm ngàn triệutriệuthì vũ trụ
đã co lại trước khi bắt đầu đạt kích thướchiện nay.
(4) Mặc dầu vũ trụ đồng nhất xét ở kíchthước lớn,vũ trụ vẫn chứa những vùng

định xứ có nồng độ vật chất cao hơn như các sao và thiên hà. Người ta cho rằngcác
sao và thiên hàđược hìnhthànhdo sự khác nhau về mật độ của cácvùng ngay
trong các giai đoạn sớm của vũ trụ. Vậy nguồn gốccủa các thăng giáng mật độ là ở
đâu?
Lý thuyết tương đối, xétđộc lập, không thể giải thích được các điểm trên vàđưa ra
các câutrả lời cho những câu hỏi vừađặt ravì lý thuyết tương đối đoán nhận rằng
vũ trụ sinhratừ một kỳ dị vớimậtđộ vô cùng củavụ nổ lớn.Tại điểm kỳ dị đó, lý
thuyết tương đốivà các định luật vật lý khác không còn đúng nữa: người ta không
thể biết điều gì sẽ xảyra vớimột điểm kỳ dị đó.Như đã giải thích trước đây, điều
đó có nghĩa rằngta có thể tách rời vụ nổ lớn và các sự kiện trước nó rakhỏi lý
thuyết vì chúng không thể tác động lênnhữnggì chúngta quansát được. Không-
thời gian cần phải có biên - đó là điểm bắt đầu từ vụ nổ lớn.
Khoa họchy vọng tìm racác địnhluậtcho phép trongcác giới hạn xácđịnh bởi hệ
thức bất định, tiên đoánđược sự phát triển của vũ trụ nếuta biết được trạngthái
của nótại mộtthời điểm. Nhữngđịnhluật đó có thể là do Chúaban hành, nhưng
hình như sau đó Chúa đã để chovũ trụ tự phát triển và không buồn can thiệp vào
nữa. Nhưng Chúa đã chọn điều kiện banđầuhoặc cấu hìnhvũ trụ như thế nào?
“Điều kiện biên” tại điểm bắt đầu của thời gianlà điều kiện gì?
Một câu trả lời khả dĩ là cho rằng Chúa đã chọn một cấu hình đầutiên theo những
lý lẽ mà chúng ta không có hy vọng hiểu được. Điều đó hoàn toàn trong quyền lực
của một đấng siêu nhân,song nếu ông ta đã bắtđầu theo một kiểu khó hiểu như
vậy, thìtại saoông ta lại để cho vũ trụ phát triểntheo những quyluật màchúngta
có thể hiểu được? Toànbộ lịch sử khoa họclà một quá trìnhtiệm cận đến nhận
thức được rằngcác sự kiệnkhông phát triển một cách ngẫu nhiên, màchúng phản
ánh một trật tự tiềmẩn nào đó có hoặc khôngcó nguồn gốc thần thánh.Tacó thể
giả địnhmột cách tự nhiên rằng trậttự đó không những được áp dụngvàocác
định luật mà cả vào các điều kiện ban đầucủa không - thờigian. Có thể có rất nhiều
mô hình vũ trụ với các điềukiệnbiên ban đầu khác nhau. Chúng ta phải đưa ra
được một nguyên tắc nào đó để chọn được một trạng thái ban đầu, do đó chọn
được một môhình để mô tả vũ trụ.