" Các Thế Giới Song Song PDF EPUB 🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Các Thế Giới Song Song PDF EPUB Ebooks Nhóm Zalo CÁC THẾ GIỚI SONG SONG ———★——— Tác giả MICHIO KAKU Người dịch VƯƠNG NGÂN HÀ Đơn vị phát hành NHà NAM Nhà xuất bản THẾ GIỚI ebook♥vctvegroup 11-05-2022 Cuốn sách được dành tặng cho Shizue, người vợ yêu thương của tôi. LỜI CẢM ƠN Tôi muốn gửi lời cảm ơn tới các nhà khoa học sau, những người đã rất lịch thiệp khi bớt chút thời gian của họ để trả lời phỏng vấn. Các nhận xét, quan sát và các ý tưởng của họ đã làm phong phú rất nhiều cho cuốn sách này và tăng thêm độ sâu cùng trọng tâm cho nó: • Steven Weinberg, người đoạt giải Nobel, Đại học Texas tại Austin • Murray Gell-Mann, người đoạt giải Nobel, Viện Santa Fe và Học viện Công nghệ California • Leon Lederman, người đoạt giải Nobel, Học viện Công nghệ Illinois • Joseph Rotblat, người đoạt giải Nobel, Bệnh viện St. Bartholomew (đã nghỉ hưu) • Walter Gilbert, người đoạt giải Nobel, Đại học Harvard Henry Kendall, người đoạt giải Nobel, Học viện Công nghệ Massachusetts (đã mất) • Alan Guth, nhà vật lý, Học viện Công nghệ Massachusetts • Tôn ông Martin Rees, nhà thiên văn Hoàng gia Vương quốc Anh, Đại học Cambridge • Freeman Dyson, nhà vật lý, Viện Nghiên cứu cao cấp, Đại học Princeton • John Schwarz, nhà vật lý, Học viện Công nghệ California • Lisa Randall, nhà vật lý, Đại học Harvard • J. Richard Gott III, nhà vật lý, Đại học Princeton • Neil de Grasse Tyson, nhà thiên văn, Đại học Princeton và Cung thiên văn Hayden • Paul Davies, nhà vật lý, Đại học Adelaide • Ken Croswell, nhà thiên văn, Đại học California, Berkeley • Don Goldsmith, nhà thiên văn, Đại học California, Berkeley • Brian Greene, nhà vật lý, Đại học Columbia • Cumrun Vafa, nhà vật lý, Đại học Harvard • Stuart Samuel, nhà vật lý, Đại học California, Berkeley • Carl Sagan, nhà thiên văn, Đại học Cornell (đã mất) • Daniel Greenberger, nhà vật lý, Trường Đại học thành phố New York (City College of New York) • V. P. Nair, nhà vật lý, Trường Đại học thành phố New York • Robert P. Kirshner, nhà thiên văn, Đại học Harvard • Peter D. Ward, nhà địa chất, Đại học Washington • John Barrow, nhà thiên văn, Đại học Sussex • Marcia Bartusiak, nhà báo khoa học, Học viện Công nghệ Massachusetts . John Casti, nhà vật lý, Viện Santa Fe Timothy Ferris, nhà báo khoa học • Michael Lemonick, nhà văn khoa học, tạp chí Time • Fulvio Melia, nhà thiên văn, Đại học Arizona • John Horgan, nhà báo khoa học • Richard Muller, nhà vật lý, Đại học California, Berkeley • Lawrence Krauss, nhà vật lý, Đại học Khu bảo tồn Miền Tây Case • Ted Taylor, nhà thiết kế bom nguyên tử Philip Morrison, nhà vật lý, Học viện Công nghệ Massachusetts • Hans Moraves, nhà khoa học máy tính, Đại học Carnegie Mellon • Rodney Brooks, nhà khoa học máy tính Phòng thí nghiệm trí tuệ nhân tạo, Học viện Công nghệ Massachusetts • Donna Shirley, nhà vật lý thiên văn, Phòng thí nghiệm sức đẩy phản lực • Dan Wertheimer, nhà thiên văn, SETI@home, Đại học California, Berkeley • Paul Hoffman, nhà báo khoa học, tạp chí Discover • Francis Everitt, nhà vật lý, Tàu thăm dò hấp dẫn B (Gravity Probe B), Đại học Ttanford • Sidney Perkowitz, nhà vật lý, Đại học Emory Tôi cũng muốn cảm ơn các nhà khoa học sau đây vì những thảo luận thú vị về vật lý trong những năm qua đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong việc làm sâu sắc thêm nội dung của cuốn sách này: • T. D. Lee, người đoạt giải Nobel, Đại học Columbia • Sheldon Glashow, người đoạt giải Nobel, Đại học Harvard • Richard Feynman, người đoạt giải Nobel, Học viện Công nghệ California (đã mất) • Edward Witten, nhà vật lý, Viện Nghiên cứu cao cấp, Đại học Princeton • Joseph Lykken, nhà vật lý, Phòng thí nghiệm Fermi • David Gross, nhà vật lý, Viện Kavli, Santa Barbara • Frank Wilczek, nhà vật lý, Đại học California, Santa Barbara • Paul Townsend, nhà vật lý, Đại học Cambridge • Peter Van Nieuwenhuizen, nhà vật lý, Đại học bang New York, Stony Brook • Miguel Virasoro, nhà vật lý, Đại học Rome Bunji Sakita, nhà vật lý, Trường Đại học thành phố New York (đã mất) • Ashok Das, nhà vật lý, Đại học Rochester • Robert Marshak, nhà vật lý, Trường Đại học thành phố New York (đã mất) • Frank Tipler, nhà vật lý, Đại học Tulane • Edward Tryon, nhà vật lý, Trường Đại học Hunter College • Mitchell Begelman, nhà thiên văn, Đại học Colorado Tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn tới Ken Croswell về vô số các bình luận đối với cuốn sách này. Tôi cũng muốn cảm ơn biên tập viên của tôi, Roger Scholl, người đã biên tập xuất sắc hai cuốn sách của tôi. Sự sắc sảo của ông đã nâng tầm hai cuốn sách này rất nhiều, và những góp ý của ông đã luôn luôn giúp cho nội dung và cách thức trình bày các cuốn sách của tôi thèm sáng tỏ và sâu sắc. Cuối cùng, tôi cùng muôn cảm ơn đại diện của tôi, Stuart Krichevsky, người đã luôn đồng hành với những cuốn sách của tôi trong suốt những tháng năm này. LỜI NÓI ĐẦU Vũ trụ học nghiên cứu vũ trụ như một khối tổng thể, bao gồm sự ra đời của nó và có lẽ cả số phận cuối cùng của nó. Không có gì đáng ngạc nhiên là nó đã trải qua nhiều biến đổi trong sự phát triển chậm chạp và gian truân của mình, một sự phát triển thường bị giáo điều và mê tín dị đoan che phủ. Cuộc cách mạng đầu tiên trong vũ trụ học gắn liền với sự phát minh ra kính viễn vọng vào thế kỷ 17. Với sự trợ giúp của kính viễn vọng, Galileo Galilei, tiếp bước các nhà thiên văn lớn như Nicolaus Copernicus và Johannes Kepler, lần đầu tiên đã mở cánh cửa trời cao cho những khám phá khoa học nghiêm túc. Đỉnh cao thành tựu trong giai đoạn đầu tiên này của vũ trụ học là công trình của Isaac Newton, với các định luật cơ bản chi phối sự chuyển động của các thiên thể. Giờ đây các quy của các thiên thể không còn được gán cho các thế lực tà thuật và thần bí, mà tuân theo các lực có thể tính toán được và có thể tái lập được. Cuộc cách mạng thứ hai trong vũ trụ học đã được khởi đầu bằng việc phát minh và xây dựng các kính viễn vọng đồ sộ trong thế kỷ 20, chẳng hạn như kính viễn vọng trên núi Wilson có một chiếc gương phản chiếu rất lớn với đường kính 2,5 m. Trong thập niên 1920, nhà thiên văn Edwin Hubble đã sử dụng kính viễn vọng khổng lồ này để lật đổ hàng thế kỷ giáo điều từng tuyên bố rằng vũ trụ là tĩnh tại và vĩnh cửu, bằng cách chứng minh rằng các thiên hà trên bầu trời đang rời xa Trái Đất với vận tốc khủng khiếp - điều đó có nghĩa là vũ trụ đang dãn nở. Điều này đã xác nhận các kết quả của thuyết tương đối rộng của Einstein, trong đó cấu trúc của không-thời gian, tưởng như là phẳng và tuyến tính, lại là động và cong. Điều này đã đưa ra giải thích hợp lý đầu tiên về nguồn gốc của vũ trụ, rằng vũ trụ đã khởi đầu bằng một vụ nổ cực kỳ mãnh liệt được gọi là “vụ nổ lớn” (big bang), đã làm bắn các ngôi sao và thiên hà ra phía ngoài trong không gian. Với công trình tiên phong của George Gamow và các cộng sự của ông về thuyết vụ nổ lớn và Fred Hoyle về nguồn gốc của các nguyên tố, những bộ khung nền tảng phác thảo nên sự tiến hóa của vũ trụ đã được xây dựng. Cuộc cách mạng thứ ba đang diễn ra hiện nay (2004 - năm xuất bản cuốn sách Các thế giới song song). Nó chỉ mới khoảng năm năm tuổi. Nó đã được mở ra bằng một bộ các công cụ mới với công nghệ cao, như vệ tinh không gian, thiết bị laser, thiết bị dò sóng hấp dẫn, kính viễn vọng tia X và siêu máy tính tốc độ cao. Bây giờ chúng ta còn có các dữ liệu có căn cứ nhất về bản chất của vũ trụ, bao gồm cả tuổi của nó, thành phần của nó, và có lẽ thậm chí cả tương lai và kết cục của nó. Các nhà thiên văn hiện nay cho rằng vũ trụ đang dãn nở theo phương thức tản ra xa, đang tăng tốc vô hạn định và đang trở nên ngày càng lạnh lẽo hơn theo thời gian. Nếu điều này tiếp tục, chúng ta phải đối mặt với một viễn cảnh của một “vụ đóng băng lớn”, khi ấy vũ trụ rơi vào tăm tối và giá lạnh, và toàn bộ sự sống có trí tuệ sẽ biến mất. Cuốn sách này viết về cuộc cách mạng lớn thứ ba này. Nó khác với hai cuốn sách trước đó của tôi về vật lý, Beyond Einstein (Vượt lên trên Einstein) và Hyperspace (Siêu không gian), đã giúp giới thiệu với công chúng những khái niệm mới về các chiều bậc cao và thuyết siêu dây. Trong Các thế giới song song, thay vì tập trung vào không thời gian, tôi tập trung vào các phát triển mang tính cách mạng trong vũ trụ học đang diễn ra trong vài năm gần đây, dựa trên bằng chứng mới từ các phòng thí nghiệm trên thế giới và các phạm vi không gian xa nhất vườn tới được, cùng với những đột phá mới trong vật lý lý thuyết. Ý định của tôi là độc giả có thể đọc và nắm bắt nó mà không cần bất kỳ sự làm quen trước đó nào với vật lý hay vũ trụ học. Trong phần một của cuốn sách, tôi tập trung vào việc nghiên cứu vũ trụ, tổng kết các tiến bộ đã thực hiện trong giai đoạn đầu của vũ trụ học, mà đỉnh cao là một thuyết được gọi là “vũ trụ lạm phát”, là thuyết tới nay cung cấp cho chúng ta hiểu biết rõ ràng và tiên tiến nhất của thuyết vụ nổ lớn. Trong phần hai, tôi đặc biệt tập trung vào thuyết đa vũ trụ đang nổi lên, theo đó một thế giới được tạo thành từ nhiều vũ trụ, trong đó vũ trụ của chúng ta chỉ là một trong số đó, và thảo luận về khả năng có những lỗ giun, các độ cong của không gian và thời gian, và các chiều bậc cao có thể kết nối chúng như thế nào, Thuyết siêu dây và thuyết M đã cho chúng ta những bước tiến quan trọng đầu tiên vượt xa thuyết ban đầu của Einstein; chúng đưa ra bằng chứng thêm nữa rằng vũ trụ của chúng ta có thể chỉ là một trong số rất nhiều vũ trụ. Cuối cùng, trong phần ba, tôi thảo luận về vụ đóng băng lớn và điều mà hiện nay các nhà khoa học coi như là sự kết thúc của vũ trụ của chúng ta. Tôi cũng đưa ra một thảo luận nghiêm túc, mặc dù chỉ có tính chất suy đoán, về việc một nền văn minh tiên tiến trong tương lai xa xăm có thể sử dụng các định luật vật lý để rời bỏ vũ trụ của chúng ta sau hàng nghìn tỉ năm nữa và tiến vào một vũ trụ khác, hiếu khách hơn để bắt đầu quá trình tái sinh, hoặc để đi ngược trở lại thời gian khi vũ trụ từng ấm áp hơn như thế nào. Với sự tràn ngập các dữ liệu mới mà chúng ta đang thu nhận ngày nay, với các công cụ mới như các vệ tinh không gian có thể quét qua bầu trời, các thiết bị dò sóng hấp dẫn mới và với các cỗ máy đập vỡ nguyên tử mới có kích thước cỡ một thành phố sắp sửa hoàn thành, các nhà vật lý cảm thấy rằng chúng ta đang tiến vào giai đoạn có thể coi là thời kỳ hoàng kim của vũ trụ học. Nói tóm lại, đó là thời gian tuyệt vời để vừa là một nhà vật lý vừa là một nhà du hành trong cuộc truy tìm này để hiểu rõ nguồn gốc của chúng ta và số phận của vũ trụ. PHẦN MỘT VŨ TRỤ CHƯƠNG MỘT NHỮNG BỨC ẢNH SƠ SINH CỦA VŨ TRỤ Nhà thơ chỉ cầu mong để đầu óc của mình bay bổng lên thiên đường. Nhà logic học lại tìm cách đem cả bầu trời vào trong đầu anh ta. Thế là đầu anh ta nhức như búa bổ. - G. K. Chesterson Khi còn là một đứa trẻ, tôi đã tự xung đột với những niềm tin của chính mình. Cha mẹ tôi được nuôi dưỡng theo truyền thống Phật giáo. Nhưng tôi lại tới trường đạo Chúa nhật vào mỗi tuần, nơi tôi thích được nghe những câu chuyện Kinh Thánh về những con cá voi*, cái nôi cói của Moses, hộp đựng pháp điển, chiếc thuyền Noah*, các cột muối*, những rẻ xương sườn và những quả táo*. Tôi đã từng bị cuốn hút bởi những dụ ngôn này của kinh Cựu Ước, chúng từng là phần ưa thích của tôi tại trường đạo Chúa nhật. Dường như đối với tôi thì các dụ ngôn về các trận đại hồng thủy*, về các bụi gai cháy* và chuyện nước rẽ ra* có nhiều điều thú vị hơn so với việc tụng kinh và thiền định của Phật giáo. Quả thật, những câu chuyện cổ xưa về chủ nghĩa anh hùng và bi kịch này minh họa sinh động cho những bài học đạo đức và luân lý đã luôn ở bên tôi trong suốt cuộc đời. Một ngày ở trường đạo Chúa nhật, chúng tôi đã nghiên cứu sách Sáng thế. Đọc về việc Chúa Trời phán truyền như sấm từ trên thiên đường “Phải có ánh sáng!” nghe ấn tượng hơn nhiều so với việc yên lặng thiền định về Niết bàn. Vì hiếu kỳ ngây thơ, tôi đã hỏi cô giáo của mình rằng “Thế Chúa có mẹ không ạ?” Thường thì cô có câu trả lời nhanh chóng cũng như đưa ra một bài học sâu sắc về đạo đức. Nhưng lần này cô đã sửng sốt. Không, cô đã trả lời một cách lưỡng lự, Chúa chắc là không có mẹ. “Nhưng như thế thì Chúa ở đâu ra?” tôi hỏi. Cô ậm ừ rằng cô sẽ phải tham khảo ý kiến của vị mục sư về câu hỏi đó. Tôi đã không nhận ra rằng mình đã vô tình bập phải một trong những câu hỏi lớn của thần học. Tôi đã bối rối không hiểu vì trong Phật giáo chẳng hề có Chúa Trời, mà có một vũ trụ vô tận về thời gian, không có khởi đầu mà cũng chẳng có kết thúc. Sau này, khi tôi bắt đầu nghiên cứu các thần thoại lớn trên thế giới, tôi đã biết rằng có hai loại vũ trụ luận trong tôn giáo, loại thứ nhất dựa trên một thời điểm duy nhất khi Chúa tạo ra vũ trụ, loại thứ hai dựa trên ý tưởng cho rằng vũ trụ đã luôn luôn tồn tại và sẽ luôn luôn như vậy. Không thể có chuyện cả hai ý tưởng đều đúng, tôi đã nghĩ như vậy. Sau đó, tôi bắt đầu thấy rằng những chủ đề phổ biến này giao nhau trong nhiều nền văn hóa khác. Chẳng hạn, trong thần thoại Trung Hoa, thuở khai thiên lập địa chỉ có một quả trứng vũ trụ. Vị thần hài nhi Bàn Cổ cư trú gần như vĩnh viễn bên trong quả trứng này, khi nó trôi nổi trên biển Hỗn mang vô hình. Rốt cuộc khi trứng nở ra, Bàn Cổ đã lớn rất nhanh, cao thêm mỗi ngày một trường, vì thế nửa trên của vỏ quả trứng trở thành trời và nửa dưới trở thành đất. Sau 18.000 năm, thần qua đời để sinh ra thế giới của chúng ta: máu của thần đã trở thành những con sông, đôi mắt của thần là mặt trời và mặt trăng, còn giọng nói của thần đã trở thành sấm sét. Theo nhiều cách, thần thoại Bàn Cổ phản ánh một chủ đề được tìm thấy trong nhiều tôn giáo và thần thoại cổ xưa khác, rằng vũ trụ đã bắt đầu tồn tại từ trạng thái creatio ex nihilo (Sáng thế từ hư không). Trong thần thoại Hy Lạp, vũ trụ đã bắt đầu từ trạng thái hỗn độn (trên thực tế, từ “chaos” có nguồn gốc từ một từ trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là “địa ngục”). Khoảng không trống rỗng vô hình này thường được miêu tả như là một đại dương, như trong thần thoại Babylon và Nhật Bản. Chủ đề này cũng được tìm thấy trong thần thoại Ai Cập cổ đại, nơi mà thần mặt trời Ra xuất hiện từ một quả trứng trôi nổi. Trong thần thoại Polynesia, quả trứng vũ trụ được thay thế bằng vỏ quả dừa. Người Maya tin vào một biến thể khác của câu chuyện này, trong đó vũ trụ được sinh ra rồi chết đi sau 5.000 năm, chỉ cốt để tái sinh nhiều lần, lặp lại chu kỳ sinh diệt bất tận này. Các thần thoại creatio ex nihilo này đại diện cho sự tương phản rõ nét với vũ trụ học theo Phật giáo và các dạng thức nhất định của Ấn giáo (đạo Hindu). Trong thần thoại của các tôn giáo này, vũ trụ là vô thủy vô chung, không có khởi đầu mà cũng chẳng có kết thúc. Có nhiều cấp độ tồn tại, nhưng cao nhất là Niết bàn, một trạng thái vĩnh cửu và chỉ có thể đạt được bằng thiền định thanh khiết nhất. Trong Mahapurana (Đại Vãng thế thư) của người theo Ấn giáo, người ta viết rằng “Nếu Đấng Tạo hóa đã sáng tạo ra thế giới thì Ngài đã ở đâu trước Sáng thế?… Chỉ biết rằng thế giới này tự bản thân mà có, cũng như chính bản thân thời gian, không có khởi đầu mà cũng chẳng có kết thúc”. Các thần thoại này thể hiện sự mâu thuẫn rõ nét đối với nhau, mà rõ ràng không có giải pháp dung hòa giữa chúng. Chúng có tính loại trừ lẫn nhau: hoặc là vũ trụ đã có một khởi đầu hoặc là không có. Rõ ràng là không tồn tại quan điểm trung dung. Tuy nhiên, ngày nay một giải pháp dường như đang hiện lên từ một hướng hoàn toàn mới - thế giới khoa học - kết quả của một thế hệ mới các công cụ khoa học hùng mạnh vươn xa vào không gian. Nếu như thần thoại cổ đại dựa vào sự uyên thâm của những người kể chuyện để giải thích nguồn gốc thế giới của chúng ta, thì ngày nay, các nhà khoa học đang dựa vào hệ thống công cụ gồm các vệ tinh không gian, laser, các thiết bị dò sóng hấp dẫn, các thiết bị đo giao thoa, các siêu máy tính tốc độ cao và Internet, trong quá trình cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ, đem lại cho chúng ta miêu tả hấp dẫn nhất về sự sáng tạo ra nó. Điều đang dần dần hiện lên từ các dữ liệu này là sự tổng hợp lớn hai thần thoại đối lập. Có lẽ, như các nhà khoa học suy đoán, Sáng thế đã xảy ra nhiều lần trong đại dương vô thủy vô chung của Niết bàn. Trong bức tranh mới này, vũ trụ của chúng ta có thể được so sánh với một bong bóng nước đang trôi nổi trong một “đại dương” lớn hơn nhiều, với các bong bóng nước mới được hình thành liên tục. Theo học thuyết này, các vũ trụ, giống như các bọt nước hình thành trong nồi nước sôi, nằm trong chuỗi Sáng thế liên tục, đang trôi nổi trong một vũ đài lớn hơn nhiều, đó là Niết bàn của siêu không gian mười một chiều. Ngày càng có nhiều các nhà vật lý đề xuất rằng vũ trụ của chúng ta quả thật đã nảy sinh từ một đại biến cố dữ dội là vụ nổ lớn, nhưng nó cũng cùng tồn tại trong đại dương vĩnh hằng của các vũ trụ khác. Nếu chúng ta đúng, các vụ nổ lớn đang diễn ra ngay cả khi bạn đang đọc câu này. Các nhà vật lý và thiên văn học trên khắp thế giới hiện nay đang suy đoán về việc các thế giới song song này có thể giống như cái gì, những quy luật nào chúng có thể tuân theo, chúng được sinh ra như thế nào và cuối cùng chúng có thể chết đi như thế nào. Có lẽ các thế giới song song này cằn cỗi, không có các thành phần cơ bản của sự sống. Hoặc có lẽ chúng trông cũng giống như vũ trụ của chúng ta, bị chia tách bằng một sự kiện lượng tử duy nhất đã làm cho các vũ trụ này xa rời khỏi vũ trụ của chúng ta. Và một vài nhà vật lý đang suy đoán rằng có lẽ sẽ có một ngày, nếu sự sống không thể trụ được trong vũ trụ hiện nay của chúng ta khi nó già đi và trở nên lạnh lẽo, thì chúng ta có thể buộc phải rời khỏi nó và đào thoát vào một vũ trụ khác. Cơ chế dẫn dắt các học thuyết mới này là một lượng dữ liệu khổng lồ đang đổ về như thác từ các vệ tinh không gian của chúng ta khi chúng chụp ảnh các tàn tích của chính sự Sáng thế. Đáng chú ý là hiện nay các nhà khoa học đang tập trung chú ý vào những gì đã xảy ra chỉ 380.000 năm sau vụ nổ lớn, khi “ánh tàn dư” của Sáng thế bắt đầu lan tỏa khắp vũ trụ. Có lẽ bức tranh hấp dẫn nhất của bức xạ này từ Sáng thế đang đến từ một công cụ mới, được gọi là vệ tinh WMAP. VỆ TINH WMAP “Không thể tin được!” “Một mốc lịch sử!” nằm trong số những từ ngữ được các nhà vật lý thiên văn, thông thường vốn dè dặt, thốt lên trong tháng 2 năm 2003 khi họ miêu tả các dữ liệu quý giá thu được từ vệ tinh mới nhất của họ. WMAP (viết tắt trong tiếng Anh của Wilkinson microwave anisotropy probe, nghĩa là “tàu thăm dò dị hướng vi sóng Wilkinson”), đặt theo tên của nhà vũ trụ học tiên phong David Wilkinson và được phóng lên vào năm 2001, đã cung cấp cho các nhà khoa học, với độ chính xác chưa từng thấy, hình ảnh chi tiết của vũ trụ ban đầu khi nó chỉ mới 380.000 năm tuổi. Một nguồn năng lượng khổng lồ còn lại từ quả cầu lửa ban đầu, từng sinh ra các ngôi sao và các thiên hà, đã được luân chuyển trong khắp vũ trụ của chúng ta trong hàng tỉ năm. Ngày nay, nó đã bị vệ tinh WMAP chụp vào phim với chi tiết tinh tế, hình thành một bản đồ chưa bao giờ từng thấy trước đó, một bức ảnh của bầu trời với chi tiết ngoạn mục cho thấy bức xạ vi sóng được chính vụ nổ lớn tạo ra, điều từng được tạp chí Time gọi là “tiếng vọng của Sáng thế”. Sẽ không bao giờ các nhà thiên văn lại được ngắm nhìn bầu trời theo cùng một cách thế này một lần nữa. Các phát hiện của vệ tinh WMAP biểu tượng cho “một nghi lễ vượt qua* đối với vũ trụ học, từ suy đoán chuyển thành khoa học chính xác”[1], John Bahcall từ Viện Nghiên cứu cao cấp tại Princeton tuyên bố. Lần đầu tiên, các dữ liệu đồ sộ về giai đoạn đầu trong lịch sử của vũ trụ đã cho phép các nhà vũ trụ học trả lời chính xác những câu hỏi cổ xưa nhất trong số mọi câu hỏi, những câu hỏi đã từng làm nhân loại băn khoăn và thắc mắc kể từ lần đầu chúng ta ngắm nhìn vẻ đẹp thiên cảnh rõ ràng của bầu trời đêm. Vũ trụ bao nhiêu tuổi? Nó hợp thành từ cái gì? Số phận của vũ trụ như thế nào? (Năm 1992, một vệ tinh trước đó là COBE [viết tắt trong tiếng Anh của Cosmic Background Explorer satellite, nghĩa là “vệ tinh thăm dò nền vũ trụ”] đã cho chúng ta những hình ảnh mờ nhạt đầu tiên của bức xạ nền này đang lan tỏa khắp bầu trời*. Mặc dù kết quả này là mang tính đột phá, nhưng nó cũng đáng thất vọng bởi vì nó đã cho ra một hình ảnh không rõ nét của vũ trụ ban đầu. Thế nhưng điều này đã không ngăn cản được báo chí hào hứng phong cho bức ảnh này tên gọi “bộ mặt của Chúa”. Nhưng một miêu tả chính xác hơn về các hình ảnh mờ nhạt từ COBE sẽ là chúng thể hiện một “bức ảnh sơ sinh” của vũ trụ hồng hoang. Nếu vũ trụ ngày nay là một ông lão tám mươi tuổi, thì các bức ảnh của COBE, và sau đó là của WMAP, đã chỉ ra hình ảnh ông ta lúc sơ sinh, chỉ chưa đầy một ngày tuổi.) Lý do mà vệ tinh WMAP có thể cho chúng ta những hình ảnh chưa từng có của vũ trụ sơ sinh là ở chỗ bầu trời đêm cũng giống như một cỗ máy thời gian. Vì ánh sáng truyền đi với một tốc độ hữu hạn, nên các ngôi sao mà chúng ta nhìn thấy vào ban đêm là hình ảnh của chúng trước kia, chứ không phải bây giờ. Phải mất trên một giây để ánh sáng đi từ Mặt Trăng tới Trái Đất, do đó, khi chúng ta chiêm ngưỡng Mặt Trăng, chúng ta thực sự thấy nó trước đó một giây. Phải mất khoảng tám phút để ánh sáng đi từ Mặt Trời đến Trái Đất. Tương tự như vậy, nhiều ngôi sao quen thuộc, mà chúng ta nhìn thấy trên bầu trời xa xôi tới mức phải mất từ 10 tới 100 năm để ánh sáng của chúng truyền tới mắt chúng ta. (Nói cách khác, chúng nằm cách Trái Đất từ 10 tới 100 năm ánh sáng. Một năm ánh sáng là khoảng 6.000 tỉ dặm Anh*, hoặc khoảng cách mà ánh sáng di chuyển trong một năm). Ánh sáng từ các thiên hà xa xăm có thể cách xa ta hàng trăm triệu tới hàng tỉ năm ánh sáng. Kết quả là chúng thể hiện một thứ ánh sáng “hóa thạch”, mà một số được phát ra thậm chí còn trước cả thời những con khủng long tung hoành. Một số thiên thể xa nhất mà chúng ta thấy được qua kính viễn vọng của mình được gọi là các chuẩn tinh (quasar), những cỗ máy thiên hà khổng lồ phát sinh một lượng năng lượng không thể tin được gần rìa của vũ trụ nhìn thấy được, có thể nằm cách Trái Đất từ 12 tới 13 tỉ năm ánh sáng. Và bây giờ, vệ tinh WMAP đã phát hiện được bức xạ khởi phát ra thậm chí còn trước cả khi đó, từ quả cầu lửa ban đầu đã tạo ra vũ trụ. Để miêu tả vũ trụ, các nhà vũ trụ học đôi khi sử dụng ví dụ về việc nhìn xuống từ trên đỉnh của tòa nhà Empire State*, cao chót vót trên 100 tầng tại khu Manhattan. Khi nhìn từ trên đỉnh tòa nhà xuống, bạn khó nhìn thấy mặt đường phố. Nếu chân đế của tòa nhà Empire State tượng trưng cho vụ nổ lớn, và nếu nhìn từ trên đỉnh xuống, thì các thiên hà xa xăm sẽ nằm trên tầng mười. Các chuẩn tinh xa xăm được các nhìn thấy qua kính viễn vọng trên Trái Đất sẽ nằm trên tầng bảy. Nền vũ trụ được đo bằng vệ tinh WMAP đã cho chúng ta phép đo lường chính xác tuổi của vũ trụ với độ chính xác đáng kinh ngạc, sai lệch chỉ 1%: 13,7 tỉ năm. Sứ mệnh của WMAP là đỉnh cao của trên một thập kỷ làm việc cật lực của các nhà vật lý thiên văn. Khái niệm về vệ tinh WMAP được đề xuất lần đầu với NASA vào năm 1995 và đã được chấp thuận hai năm sau đó. Vào ngày 30 tháng 6 năm 2001, NASA đã phóng vệ tinh WMAP trên tên lửa Delta II vào một quỹ đạo quanh Mặt Trời nằm giữa Trái Đất và Mặt Trời. Điểm đến được chọn lựa cẩn thận là điểm Lagrange 2 (tức L2, một điểm đặc biệt có sự ổn định tương đối gần Trái Đất)*. Từ điểm thuận lợi này, vệ tinh luôn luôn được tránh hướng về phía Mặt Trời, Trái Đất và Mặt Trăng, do đó có một tầm quan sát vũ trụ không bị trở ngại. Cứ sáu tháng một lần nó lại quét được đầy đủ toàn bộ bầu trời. Nó có một hệ thống thiết bị đo đạc tối tân. Với các cảm biến mạnh, nó có thể phát hiện bức xạ vi sóng yếu ớt còn sót lại từ vụ nổ lớn tràn ngập vũ trụ, hầu như vẫn bị bầu khí quyển của chúng ta hấp thụ. Vệ tinh composit nhôm này có kích thước 3,8 mét nhân 5 mét và nặng 840 kg. Nó có hai kính viễn vọng giáp lưng, thu bức xạ vi sóng từ bầu trời xung quanh, và cuối cùng truyền dữ liệu về Trái Đất bằng sóng vô tuyến. Nó được nuôi bằng nguồn 419 Watts điện (công suất của năm bóng đèn thông thường). Cách Trái Đất khoảng 1,5 triệu kilômét, vệ tinh WMAP cũng nằm ngoài các nhiễu loạn của khí quyển Trái Đất là những thứ có thể át nền vi sóng yếu ớt, và nó có thể nhận được các số đo liên tục của toàn bộ bầu trời. Vệ tinh này hoàn thành việc quan sát toàn bộ bầu trời lần đầu tiên trong tháng 4 năm 2002. Sáu tháng sau, việc quan sát toàn bộ bầu trời lần thứ hai đã được thực hiện. Hiện nay, vệ tinh WMAP đã cho chúng ta bản đồ chi tiết và toàn diện nhất từ trước tới nay về bức xạ này. Sự tồn tại của bức xạ nền vi sóng do WMAP ghi lại đã được George Gamow và nhóm của ông tiên đoán lần đầu tiên vào năm 1948. Ông cũng là người đã lưu ý rằng bức xạ này có một nhiệt độ gắn liền với nó. WMAP đã đo nhiệt độ này và cho thấy nó chỉ cao hơn độ không tuyệt đối một chút, tức là từ 2,7249 tới 2,7251 độ Kelvin. Đây là “bức ảnh sơ sinh” của vũ trụ, khi nó mới chỉ 380.000 năm tuổi, do vệ tinh WMAP chụp. Mỗi chấm hầu như tương ứng với một thăng giáng lượng tử nhỏ nhoi trong ánh tàn dư muộn của Sáng thế đã dãn nở để tạo ra các thiên hà và các quần thiên hà mà chúng ta thấy ngày nay. Đối với người “ngoại đạo”, bản đồ bầu trời của WMAP trông chẳng mấy thú vị, nó chỉ là một bộ sưu tập các chấm ngẫu nhiên. Tuy nhiên, bộ sưu tập các chấm này đã khiến cho một số nhà thiên văn gần như phải rơi nước mắt, vì chúng thể hiện các thăng giáng hay các bất thường trong cuộc đại biến động dữ dội ban đầu của vụ nổ lớn ngay sau khi vũ trụ được tạo ra. Các thăng giáng nhỏ nhoi này giống như các “hạt giống” để từ đó đã dãn nở ra rất nhiều khi bản thân vũ trụ đã nổ tung ra tứ phía. Ngày nay, các hạt giống nhỏ này đã trổ hoa thành các quần thiên hà (đám thiên hà) và các thiên hà chiếu sáng bầu trời mà chúng ta thấy. Nói cách khác, Ngân Hà của chúng ta và tất cả các quần thiên hà chúng ta nhìn thấy xung quanh mình đã từng một thời là một trong các thăng giáng nhỏ này. Bằng cách đo đạc sự phân bố của các thăng giáng này, chúng ta nhìn thấy nguồn gốc của các quần thiên hà, giống như các chấm vẽ trên tấm thảm vũ trụ treo trên bầu trời đêm, Ngày nay, khối lượng các dữ liệu thiên văn đang vượt các thuyết của các nhà khoa học. Trên thực tế, tôi có thể lập luận rằng chúng ta đang bước vào một thời kỳ hoàng kim của vũ trụ học. (Cho dù vệ tinh WMAP có ấn tượng như thế nào thì rất có thể nó sẽ bị vệ tinh Planck, mà người châu Âu dự tính phóng lên vào năm 2007*, làm nhỏ bé lại; Planck sẽ cung cấp cho các nhà thiên văn các bức ảnh thậm chí còn chi tiết hơn về bức xạ nền vi sóng). Vũ trụ học ngày nay cuối cùng đã tới tuổi trưởng thành, đang nổi lên từ những cái bóng của khoa học sau khi đã tàn tạ nhiều năm trong một bãi lầy của suy đoán tự biện và phỏng đoán lung tung. Về mặt lịch sử, các nhà vũ trụ học đã phải chịu điều tiếng khá khó chịu. Niềm đam mê mà cùng với nó họ đã đề xuất các học thuyết lớn của vũ trụ lại chỉ kết hợp với sự nghèo nàn đến cùng cực của các dữ liệu của họ. Như Lev Landau, một người đoạt giải Nobel, từng hài hước: “các nhà vũ trụ học thường phạm sai lầm, nhưng không bao giờ bị nghi ngờ”. Các khoa học có một châm ngôn cũ: “Đầu tiên là suy đoán, rồi suy đoán nhiều hơn nữa, thế là chúng ta có vũ trụ học”. Cuối thập niên 1960, khi theo học chuyên ngành Vật lý tại Harvard, trong một thời gian ngắn tôi đã thử “nghịch ngợm” với khả năng nghiên cứu vũ trụ học. Từ nhỏ tôi đã luôn có niềm đam mê với nguồn gốc của vũ trụ. Tuy nhiên, chỉ thoáng nhìn vào lĩnh vực này đã cho thấy nó từng sơ khai một cách đáng xấu hổ. Nó đã không hề là một khoa học thực nghiệm, nơi người ta có thể thử nghiệm các giả thuyết với các công cụ chính xác, mà là một tập hợp các học thuyết lỏng lẻo mang tính suy đoán cao. Các nhà vũ trụ học không ngừng tranh luận nảy lửa về việc liệu vũ trụ có được sinh ra trong một vụ nổ vũ trụ hay nó đã luôn luôn tồn tại trong trạng thái tĩnh định. Nhưng với các dữ liệu quá ít ỏi, các lý thuyết nhanh chóng vượt xa các dữ liệu. Trên thực tế, càng ít dữ liệu thì các cuộc tranh luận lại càng dữ dội. Xuyên suốt lịch sử của vũ trụ học, sự khan hiếm dữ liệu đáng tin cậy cũng đã dẫn tới những mâu thuẫn gay gắt giữa các nhà thiên văn trong nhiều thập niên. (Chẳng hạn, ngay trước khi nhà thiên văn Allan Sandage của Đài quan sát núi Wilson được đề nghị diễn thuyết về tuổi vũ trụ, diễn giả trước đó đã thông báo một cách châm biếm rằng: “Những gì bạn sẽ nghe sau đây là sai bét”.[2] Và Sandage, khi nghe thấy nhóm đối thủ đã gây ra sự ầm ĩ như thế, chỉ có thể gầm lên: “Đó là một mớ những lời tầm bậy. Đó là chiến tranh - đúng là chiến tranh!”).[3] TUỔI CỦA VŨ TRỤ Các nhà thiên văn luôn tha thiết muốn biết tuổi của vũ trụ. Trong nhiều thế kỷ, các học giả, tu sĩ và các nhà thần học đã cố gắng ước tính tuổi của vũ trụ, bằng cách sử dụng phương pháp duy nhất mà họ có trong tay: phả hệ của nhân loại kể từ thời ông Adam và bà Eva. Trong thế kỷ vừa qua, các nhà địa chất đã đo các bức xạ tàn dư trong các loại đá để đưa ra ước tính tốt nhất về tuổi Trái Đất. Trong khi đó, vệ tinh WMAP ngày nay đã đo được tiếng vọng của chính vụ nổ lớn để cung cấp cho chúng ta tuổi có căn cứ đích xác nhất của vũ trụ. Các dữ liệu WMAP tiết lộ rằng vũ trụ đã sinh ra trong một vụ nổ dữ dội diễn ra 13,7 tỉ năm trước. (Trong nhiều năm, một trong những điều làm các nhà vũ trụ học vô cùng bối rối là tuổi của vũ trụ được tính toán lại trẻ hơn so với tuổi của các hành tinh và các ngôi sao, vì dữ liệu sai. Các ước tính trước đây về tuổi của vũ trụ tùng thấp tới mức là chỉ từ 1 đến 2 tỉ năm, mâu thuẫn với tuổi Trái Đất [4,5 tỉ năm] và tuổi của những ngôi sao già nhất [12 tỉ năm]. Những mâu thuẫn này hiện nay đã được loại bỏ.) WMAP đã đem lại một bước ngoặt bất ngờ và kỳ lạ cho cuộc tranh luận về việc vũ trụ được hình thành từ cái gì, một câu hỏi mà những người Hy Lạp đã đặt ra hơn 2.000 năm trước đây. Trong thế kỷ vừa qua, các nhà khoa học tin rằng họ đã biết câu trả lời cho câu hỏi này. Sau hàng nghìn thí nghiệm chi li, các nhà khoa học đã kết luận rằng vũ trụ về cơ bản được hình thành từ khoảng 100 loại nguyên tử khác nhau, sắp xếp trong một bảng tuần hoàn có trật tự, bắt đầu với nguyên tố hyđrô. Điều này thiết lập cơ sở của hóa học hiện đại và trên thực tế đã được giảng dạy trong mọi tiết khoa học tại trường trung học. Hiện nay, WMAP lại đánh đổ niềm tin đó. Khi xác nhận các thí nghiệm trước, vệ tinh WMAP đã chỉ ra rằng vật chất có thể thấy được mà chúng ta nhìn thấy xung quanh chúng ta (bao gồm núi non, các hành tinh, các vì sao và các thiên hà) chỉ chiếm 4% nhỏ nhoi trong toàn bộ lượng vật chất và năng lượng của vũ trụ. (Trong số 4% đó, phần lớn tồn tại dưới dạng nguyên tố hyđrô và hêli, và chắc chỉ có 0,03% ở dạng các nguyên tố nặng.) Phần lớn vũ trụ trên thực tế được hợp thành từ thứ vật chất bí ẩn, vô hình, hoàn toàn không rõ nguồn gốc. Các nguyên tố thân thuộc đã tạo nên thế giới của chúng ta chỉ chiếm 0,03% của vũ trụ. Theo nghĩa nào đó, khoa học đang thụt lùi vài thế kỷ, trở lại thời kỳ trước khi xuất hiện giả thuyết nguyên tử, khi mà các nhà vật lý vật lộn với một thực tế rằng vũ trụ bị chi phối bởi các dạng vật chất và năng lượng hoàn toàn mới, chưa được biết đến. Theo WMAP, 23% vũ trụ được hợp thành từ một loại vật chất kỳ lạ, chưa xác định được, gọi là vật chất tối, có khối lượng, bao quanh các thiên hà thành một quầng khổng lồ, nhưng hoàn toàn vô hình. Vật chất tối phổ biến và phong phú tới mức trong Ngân Hà của chính chúng ta, nó nặng hơn tất cả các ngôi sao tới 10 lần. Mặc dù vô hình, vật chất tối kỳ lạ này có thể được các nhà khoa học quan sát gián tiếp vì nó uốn cong ánh sáng từ các ngôi sao, giống như thủy tinh, do đó có thể được định vị bằng mức độ biến dạng quang học mà nó tạo ra. Đề cập đến các kết quả kỳ lạ thu được từ vệ tinh WMAP, John Bahcall, một nhà thiên văn từ Princeton, đã nói: “Chúng ta sống trong một vũ trụ đáng ngờ, điên rồ, nhưng là một vũ trụ có các đặc trưng xác định mà chúng ta biết hiện nay”.[4] Nhưng có lẽ điều ngạc nhiên lớn nhất từ các dữ liệu WMAP, những dữ liệu đã làm cho cộng đồng khoa học điên đầu, là dữ liệu cho rằng 73% vũ trụ, nghĩa là lượng lớn nhất, được hợp thành từ một dạng năng lượng hoàn toàn không biết rõ và được gọi là năng lượng tối, tức năng lượng vô hình ẩn trong chân không của không gian. Được chính Einstein đưa ra vào năm 1917 và sau đó đã bị loại bỏ (ông gọi nó là “sai lầm lớn nhất” của mình), năng lượng tối, hay năng lượng của hư không hoặc không gian trống rỗng, hiện nay đang xuất hiện trở lại như là một lực đẩy trong toàn thể vũ trụ. Năng lượng tối này hiện được cho là tạo ra một trường phản hấp dẫn mới, đang đẩy các thiên hà ra xa nhau. Số phận cuối cùng của bản thân vũ trụ sẽ được xác định bằng năng lượng tối. Hiện nay, không một ai có bất kỳ sự hiểu biết nào về việc “năng lượng của hư không” từ đâu tới. “Thành thật mà nói, chúng ta đúng là không hiểu nó. Chúng ta biết các hiệu ứng của nó là gì [nhưng] chúng ta hoàn toàn không có manh mối gì… tất cả mọi người đều không có manh mối gì về nó,”[5] Craig Hogan, một nhà thiên văn tại Đại học Washington ở Seattle, thừa nhận. Nếu chúng ta dựa vào học thuyết mới nhất về các hạt hạ nguyên tử để thử tính toán giá trị của năng lượng tối này, thì chúng ta sẽ tìm thấy một con số chênh lệch tới 10¹²⁰ (đó là số 1 theo sau là 120 số 0) lần. Chênh lệch này giữa lý thuyết và thực nghiệm là khoảng chênh lớn nhất từng thấy trong lịch sử khoa học. Đây là một trong những điều gây lúng túng lớn nhất cho chúng ta lý thuyết tốt nhất của chúng ta cũng không thể tính toán được giá trị của nguồn năng lượng khổng lồ này trong toàn thể vũ trụ. Chắc chắn có cả một giá treo đủ các giải Nobel đang chờ đón những cá nhân có thể làm sáng tỏ điều bí ẩn về vật chất tối và năng lượng tối. LẠM PHÁT VŨ TRỤ Các nhà thiên văn vẫn đang cố gắng lội qua thác dữ liệu này từ WMAP. Khi nó quét sạch các khái niệm cũ trước đây về vũ trụ, một bức tranh vũ trụ mới đang hiện lên. “Chúng ta đã đặt nền tảng cho một lý thuyết mạch lạc thống nhất về vũ trụ,”[6] Charles L. Bennett, người lãnh đạo một nhóm quốc tế đã giúp xây dựng và phân tích vệ tinh WMAP, tuyên bố. Cho tới nay, lý thuyết hàng đầu là “thuyết vũ trụ lạm phát”, một cải tiến chắt lọc chính của thuyết vụ nổ lớn, được nhà vật lý Alan Guth của MIT (Học viện Công nghệ Massachusetts) đề xuất lần đầu tiên. Trong kịch bản lạm phát này, trong một phần triệu tỉ tỉ (10²⁴) đầu tiên của giây*, một lực phản hấp dẫn bí ẩn đã làm cho vũ trụ dãn nở nhanh hơn nhiều so với người ta nghĩ lúc ban đầu. Thời kỳ lạm phát này là một sự bùng nổ không thể tưởng tượng nổi, với vũ trụ dãn nở nhanh hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng. (Điều này không vi phạm tuyên bố của Einstein rằng không có gì có thể truyền nhanh hơn ánh sáng, vì nó là một không gian trống rỗng đang dãn nở. Đối với các vật thể vật chất, rào cản ánh sáng không thể nào bị phá vỡ.) Trong vòng một phần rất nhỏ của một giây, vũ trụ đã dãn nở với một hệ số nhân không thể tưởng tượng nổi là 10⁵⁰. Để hình dung sức mạnh của thời kỳ lạm phát này, hãy tưởng tượng một quả bóng đang được nhanh chóng thổi phồng, mà các thiên hà được vẽ trên bề mặt quả bóng. Vũ trụ mà chúng ta nhìn thấy, với tất cả các ngôi sao và các thiên hà đều nằm trên bề mặt quả bóng này, chứ không phải là ở bên trong quả bóng. Bây giờ hãy vẽ một vòng tròn cực nhỏ vào quả bóng này. Vòng tròn nhỏ xíu này tượng trưng cho vũ trụ nhìn thấy được, tức là tất cả mọi thứ chúng ta có thể nhìn thấy qua kính viễn vọng của mình. (Để so sánh, nếu toàn thể vũ trụ thấy được nhỏ bằng một hạt hạ nguyên tử, thì vũ trụ thực sẽ lớn hơn nhiều cái vũ trụ nhìn thấy được xung quanh ta.) Nói cách khác, dãn nở lạm phát mãnh liệt tới mức có hẳn cả những khu vực của vũ trụ vượt ra ngoài vũ trụ nhìn thấy được của chúng ta và chúng sẽ vĩnh viễn nằm ngoài tầm nhìn của chúng ta. Quá trình dãn nở lạm phát này trên thực tế khủng khiếp tới mức quả bóng này dường như là phẳng ở khu vực lân cận với chúng ta, một thực tế đã được vệ tinh WMAP xác minh về mặt thực nghiệm. Cũng giống như Trái Đất dường như là phẳng đối với chúng ta bởi vì chúng ta là quá nhỏ bé so với bán kính của Trái Đất, vũ trụ dường như là phẳng chỉ vì độ cong của nó có quy mô lớn hơn nhiều. Bằng cách giả sử rằng vũ trụ ban đầu đã trải qua quá trình lạm phát này, người ta có thể gần như dễ dàng giải thích nhiều câu đố liên quan đến vũ trụ, chẳng hạn như tại sao nó lại có vẻ phẳng và đồng nhất. Bình luận về thuyết lạm phát, nhà vật lý Joel Primark đã nói: “Chưa bao giờ có thuyết nào đẹp như thuyết này mà sai lầm cả”[7]. ĐA VŨ TRỤ Vũ trụ lạm phát, mặc dù phù hợp với các dữ liệu từ vệ tinh WMAP, vẫn chưa trả lời cho câu hỏi: cái gì đã gây ra lạm phát? Cái gì đã gây ra lực phản hấp dẫn làm phình to vũ trụ? Có trên năm mươi đề xuất giải thích cái gì là nguồn gốc của lạm phát và cái gì cuối cùng đã chấm dứt lạm phát, tạo ra vũ trụ chúng ta thấy xung quanh mình. Nhưng không có sự đồng thuận tuyệt đối. Phần lớn các nhà vật lý tập hợp xung quanh ý tưởng cốt lõi về một thời kỳ lạm phát nhanh, nhưng không có đề xuất dứt khoát để trả lời cái gì là động cơ đằng sau lạm phát. Do không ai biết chính xác lạm phát đã bắt đầu như thế nào, nên luôn luôn có khả năng rằng cơ chế tương tự có thể xảy ra một lần nữa - rằng các vụ nổ lạm phát có thể lặp đi lặp lại. Đây là ý tưởng được nhà vật lý học người Nga Andrei Linde của Đại học Stanford đề xuất - rằng bất kỳ cơ chế nào đã làm cho một phần vũ trụ nở phình đột ngột vẫn còn hoạt động thì có lẽ cũng đang ngẫu nhiên làm cho các vùng xa xăm khác của vũ trụ cũng phình ra. Theo thuyết này, một mảng nhỏ của vũ trụ có thể nở phình đột ngột và “nảy chồi”, sinh ra một vũ trụ “con” hoặc vũ trụ “sơ sinh”, tới lượt nó lại nảy chồi ra một vũ trụ sơ sinh khác, và quá trình nảy chồi này tiếp tục mãi mãi. Hãy tưởng tượng việc thổi các bong bóng xà phòng vào trong không khí. Nếu chúng ta thổi đủ mạnh, chúng ta thấy rằng một số bong bóng xà phòng chia đôi và sinh ra các bong bóng xà phòng mới. Theo cùng một cách như vậy, các vũ trụ có thể liên tục sinh ra các vũ trụ mới. Trong kịch bản này, các vụ nổ lớn đã xảy ra liên tục. Nếu điều này là đúng, chúng ta có thể đang sống trong một đại dương của các vũ trụ như vậy, giống như một bọt nước đang trôi nổi trong một đại dương của các bọt nước khác. Trên thực tế, một từ hay hơn từ “vũ trụ” (universe) có thể là “đa vũ trụ” (multiverse) hoặc “siêu vũ trụ” (megaverse). Linde gọi thuyết này là lạm phát vĩnh cửu, tự tái tạo hay “lạm phát hỗn loạn”, do ông đã mường tượng ra một quá trình dãn nở lạm phát liên tục và bất tận của các vũ trụ song song. “Lạm phát áp đặt khá mạnh ý tưởng về đa vũ trụ lên chúng ta”[8] Alan Guth, người đầu tiên đề xuất thuyết lạm phát, tuyên bố. Thuyết này cũng có nghĩa là tại một thời điểm nào đó, vũ trụ của chúng ta có thể nảy chồi ra một vũ trụ con của chính nó. Có lẽ vũ trụ của chính chúng ta có thể đã khởi đầu bằng cách nảy chồi ra từ một vũ trụ cổ hơn có trước đó. Bằng chứng lý thuyết đang tăng lên để củng cố cho sự tồn tại của đa vũ trụ, trong đó toàn bộ những vũ trụ liên tục làm các vũ trụ khác mọc ra hoặc “nảy chồi”. Nếu điều đó là đúng, nó sẽ thống nhất hai thần thoại tôn giáo lớn, Sáng thế và Niết bàn. Sáng thế sẽ diễn ra liên tục trong phạm vi cơ cấu của Niết bàn vô tận. Như nhà thiên văn hoàng gia Vương quốc Anh là Tôn ông Martin Rees đã nói: “Cái mà theo thông lệ được gọi là “vũ trụ này có thể chỉ là một thành viên của một dàn đồng ca. Vô số các cách thức khác có thể tồn tại, trong đó các quy luật là hoàn toàn khác hẳn. Vũ trụ mà trong đó chúng ta đã sinh ra thuộc về một tập hợp con khác thường cho phép những tổ chức phức tạp và ý thức có thể phát triển.”[9] Tất cả các hoạt động nghiên cứu này về chủ đề đa vũ trụ là căn nguyên của suy đoán tư biện về việc các vũ trụ khác này có thể giống cái gì, chúng có chứa sự sống hay không, và thậm chí là có khả năng rốt cuộc sẽ tiếp xúc được với chúng hay không. Các tính toán đã được các nhà khoa học ở Cal Tech (Học viện Công nghệ California), MIT, Princeton và các trung tâm nghiên cứu khác thực hiện để xác định xem việc tiến vào một vũ trụ song song có phù hợp với các định luật vật lý hay không. THUYẾT M VÀ CHIỀU THỨ MƯỜI MỘT Ý tưởng thực sự về các vũ trụ song song đã từng một thời được các nhà khoa học xem xét với sự ngờ vực như thể đó là một lĩnh vực của những điều thần bí, lang băm và kỳ quặc. Bất cứ nhà khoa học nào dám táo bạo nói hay viết về các vũ trụ song song đã phải hứng chịu sự chế giễu và nguy cơ tiêu tan sự nghiệp của mình, bởi vì ngay đến bây giờ vẫn không có bằng chứng thực nghiệm chứng minh sự tồn tại của chúng. Nhưng gần đây, xu thế này đã đột ngột xoay chiều, nhờ những bộ óc giỏi nhất trên trái đất đang làm việc với sự tập trung cao độ về đề tài này. Lý do cho sự thay đổi đột ngột này là sự xuất hiện của một thuyết mới là thuyết dây, và phiên bản mới nhất của nó là thuyết M, không chỉ hứa hẹn sẽ làm sáng tỏ bản chất của đa vũ trụ mà còn cho phép chúng ta “đọc được Ý nghĩ của Chúa”, như Einstein đã từng hùng hồn diễn tả. Nếu được chứng minh là đúng, nó sẽ tiêu biểu cho các thành tựu hoàn thiện của 2.000 năm nghiên cứu vật lý gần đây, kể từ khi những người Hy Lạp bắt đầu tìm kiếm một học thuyết duy nhất chặt chẽ và toàn diện về vũ trụ. Các bài báo công bố về thuyết dây và thuyết M thật đáng kinh ngạc, lên tới hàng vạn bài. Hàng trăm cuộc hội thảo quốc tế đã được tổ chức về chủ đề này. Mọi trường đại học lớn trên thế giới hoặc là có nhóm đang làm việc về thuyết dây hoặc là cố gắng trong vô vọng để tìm hiểu nó. Mặc dù không phải là một học thuyết có thể thử nghiệm được bằng các công cụ hiện tại yếu kém của chúng ta, nó đã thổi bùng mối quan tâm to lớn của các nhà vật lý, các nhà toán học, và thậm chí cả các nhà thực nghiệm, những người hy vọng sẽ thử nghiệm phần ngoại vi của thuyết này trong tương lai bằng các thiết bị dò sóng hấp dẫn tối tân đặt ngoài không gian và các cỗ máy đập vỡ nguyên tử khổng lồ. Cuối cùng, thuyết này có thể trả lời được câu hỏi từng đeo đuổi các nhà vũ trụ học kể từ khi thuyết vụ nổ lớn lần đầu tiên được đề xuất: điều gì đã xảy ra trước vụ nổ lớn? Điều này đòi hỏi chúng ta phải vận dụng toàn lực các kiến thức vật lý của chúng ta, các phát minh vật lý đã tích lũy qua nhiều thế kỷ. Nói cách khác, chúng ta cần một “thuyết về vạn vật”, một lý thuyết về mọi lực vật lý đang chi phối vũ trụ. Einstein đã dành ba mươi năm cuối cùng của cuộc đời mình để theo đuổi thuyết này, nhưng cuối cùng ông đã thất bại. Ở thời điểm hiện tại, lý thuyết hàng đầu (và duy nhất có thể giải thích cho sự đa dạng của các lực mà chúng ta thấy đang dẫn dắt vũ trụ là thuyết dây hoặc trong hiện thân mới nhất của nó là thuyết M (M là viết tắt của “membrane” [“màng”] nhưng cũng có thể có nghĩa là “mystery” [“bí hiểm”], “magic” [ma thuật”], hoặc thậm chí là “mother” [“mẹ”]. Mặc dù thuyết dây và thuyết M về cơ bản là giống nhau, nhưng thuyết M là một cơ cấu nền tảng khó hiểu hơn và phức tạp hơn nhằm hợp nhất các thuyết dây khác nhau). Kể từ thời Hy Lạp cổ đại, các nhà triết học đã suy đoán rằng các viên gạch” tột cùng nhỏ xây dựng nên vật chất có thể được hợp thành từ các hạt tí hon gọi là các nguyên tử. Ngày nay, với các cỗ máy đập vỡ nguyên tử và các máy gia tốc hạt mạnh mẽ của mình, chúng ta có thể phá vỡ chính các nguyên tử thành các electron (điện tử) và các hạt nhân, tới lượt chúng lại có thể bị phá vỡ thành các hạt hạ nguyên tử thậm chí còn nhỏ hơn. Nhưng thay vì tìm thấy một cơ cấu nền tảng tao nhã và đơn giản, thật đau khổ khi thấy rằng ở đó có hàng trăm hạt hạ nguyên tử tuôn ra từ các máy gia tốc của chúng ta, với những tên gọi kỳ lạ như nơtrino, quark, meson, lepton, hadron, gluon, boson W và v.v. Thật khó để tin rằng Tự nhiên, ở cấp độ nền tảng nhất của nó, lại có thể tạo ra một rừng rậm rất lộn xộn gồm các hạt hạ nguyên tử kỳ quái. Thuyết dây và thuyết M dựa trên một ý tưởng đơn giản và tao nhã cho rằng sự đa dạng đến bối rối của các hạt hạ nguyên tử hợp thành vũ trụ cũng tương tự như các nốt nhạc mà người ta có thể chơi trên dây đàn vĩ cầm, hoặc trên một màng như một trống. (Chúng không phải là những sợi dây và các màng thông thường, chúng tồn tại trong siêu không gian mười và mười một chiều.) Theo truyền thống, các nhà vật lý từng xem electron là hạt điểm, vì chúng tột cùng nhỏ. Điều này có nghĩa là các nhà vật lý đã phải đưa ra một hạt điểm khác biệt cho mỗi một trong số hàng trăm các hạt hạ nguyên tử mà họ đã tìm thấy và đó là một điều cực kỳ gây bối rối. Nhưng theo thuyết dây, nếu chúng ta có một siêu kính hiển vi có thể nhòm kỹ vào tâm của một electron, chúng ta sẽ thấy rằng nó hoàn toàn không phải là một hạt điểm mà là một sợi dây nhỏ xíu đang rung động. Nó chỉ có vẻ là một hạt điểm và các công cụ quan sát của chúng ta quá thô sơ. Sợi dây nhỏ xíu này, tới lượt nó, lại rung động ở các tần số và các cộng hưởng khác nhau. Nếu chúng ta gảy sợi dây đang rung động này, nó sẽ thay đổi âm điệu và trở thành một hạt hạ nguyên tử khác, chẳng hạn như một quark. Gảy lần nữa thì nó biến thành một nơtrino. Theo cách này, chúng ta có thể giải thích cơn bão tuôn trào các hạt hạ nguyên tử chẳng khác gì những nốt nhạc khác nhau của sợi dây này. Bây giờ chúng ta có thể thay thế hàng trăm hạt hạ nguyên tử được nhìn thấy trong phòng thí nghiệm bằng một đối tượng duy nhất là sợi dây. Trong bảng từ vựng mới này, các định luật vật lý, được xây dựng cẩn thận sau hàng nghìn năm thực nghiệm, chẳng khác gì các luật hòa âm mà người ta có thể viết ra cho những dây đàn và các màng trống. Các định luật hóa học là các giai điệu mà người ta có thể chơi trên các dây. Vũ trụ là bản giao hưởng của các dây đàn. Và “Ý nghĩ của Chúa”, như Einstein đã hùng hồn viết, là bản nhạc vũ trụ đang âm vang trong khắp siêu không gian. (Điều này làm nảy sinh một câu hỏi khác: Nếu vũ trụ là một bản giao hưởng của các dây thì có cần một nhà soạn nhạc hay không? Tôi đề cập tới câu hỏi này trong chương mười hai.) KẾT THÚC CỦA VŨ TRỤ WMAP không chỉ đưa ra cái nhìn thoáng qua chính xác nhất của vũ trụ ban đầu, nó còn đưa ra hình ảnh chi tiết nhất về việc vũ trụ của chúng ta sẽ chết đi như thế nào. Cũng như chính lực phản hấp dẫn bí ẩn đã đẩy các thiên hà ra xa tại lúc khởi đầu của thời gian, chính lực phản hấp dẫn này bây giờ lại đang đẩy vũ trụ đến số phận cuối cùng của nó. Trước đây các nhà thiên văn nghĩ rằng sự dãn nở của vũ trụ đã dần dần giảm đi. Nhưng bây giờ chúng ta nhận ra rằng vũ trụ đang thực sự tăng tốc, với các thiên hà đang bị đẩy mạnh ra xa chúng ta với tốc độ đang gia tăng. Chính cái nguồn năng lượng tối chiếm 73% vật chất và năng lượng trong vũ trụ ấy đang làm tăng tốc sự dãn nở của vũ trụ, đẩy các thiên hà ra xa với tốc độ gia tăng hơn bao giờ hết. “Vũ trụ đang hành xử như một người lái xe giảm tốc độ khi gặp đèn đỏ và sau đó nhấn chân ga khi ánh đèn chuyển thành màu xanh,”[10] Adam Riess từ Viện Nghiên cứu Kính viễn vọng không gian nói. Trừ phi có điều gì đó xảy ra để đảo ngược sự dãn nở này, trong vòng 150 tỉ năm tới Ngân Hà của chúng ta sẽ trở nên hoàn toàn cô đơn, với 99,99999 % tất cả các thiên hà gần đó đang tăng tốc vượt qua rìa của vũ trụ có thể nhìn thấy được. Các thiên hà quen thuộc trên bầu trời đêm sẽ lao nhanh ra khỏi chúng ta tới mức ánh sáng của chúng sẽ không bao giờ đến được với chúng ta. Bản thân các thiên hà này sẽ không biến mất, nhưng chúng sẽ ở xa tới mức các kính viễn vọng của chúng ta không thể quan sát được chúng. Mặc dù vũ trụ nhìn thấy được chứa khoảng 100 tỉ thiên hà, trong 150 tỉ năm tới chỉ còn một vài nghìn thiên hà nằm trong siêu quần thiên hà địa phương là có thể nhìn thấy được. Nếu xa hơn nữa trong tương lai thì chỉ có cụm thiên hà địa phương của chúng ta, bao gồm khoảng 36 thiên hà, sẽ choán toàn bộ vũ trụ có thể nhìn thấy được, với hàng tỉ thiên hà đang trôi dạt qua rìa chân trời. (Đó là vì lực hấp dẫn trong cụm thiên hà địa phương đủ thắng được sự dãn nở này. Trớ trêu thay, khi các thiên hà xa xăm vượt ra khỏi tầm nhìn, thì bất kỳ nhà thiên văn nào sống trong kỷ nguyên tăm tối này đều có thể hoàn toàn không phát hiện ra sự dãn nở trong vũ trụ, vì bản thân cụm thiên hà địa phương không dãn nở bên trong. Trong tương lai xa xôi, các nhà thiên văn lần đầu tiên phân tích bầu trời đêm có thể không nhận ra bất kỳ sự dãn nở nào và kết luận rằng vũ trụ là tĩnh tại và chỉ bao gồm 36 thiên hà.) Nếu lực phản hấp dẫn này còn tiếp tục, vũ trụ cuối cùng sẽ tàn lụi trong một vụ đóng băng lớn. Mọi sự sống có trí tuệ trong vũ trụ cuối cùng sẽ đóng băng trong một cái chết đau đớn, khi nhiệt độ của không gian sâu thẳm hạ xuống sát độ 0 (không) tuyệt đối, nơi mà tự bản thân các phân tử khó có thể di chuyển. Tại một thời điểm nào đó sau hàng tỉ tỉ năm kể từ bây giờ, những ngôi sao sẽ ngừng tỏa sáng, các đám cháy hạt nhân của chúng đã tắt khi chúng cạn kiệt nguồn nhiên liệu của mình, làm đen tối vĩnh viễn bầu trời đêm. Sự dãn nở vũ trụ sẽ chỉ để lại một vũ trụ lạnh lẽo chết chóc của các sao lùn đen, sao nơtron và các lỗ đen. Thậm chí còn xa hơn nữa trong tương lai, bản thân các lỗ đen cũng sẽ mất hết năng lượng của chúng, để lại một làn sương mù vô hồn và lạnh lẽo của các hạt cơ bản đang trôi dạt. Trong một vũ trụ hoang vắng và lạnh lẽo như vậy, sự sống có trí tuệ theo bất kỳ định nghĩa nào có thể hiểu được là không thể về mặt vật lý. Các quy luật sắt đá của nhiệt động lực học ngăn cấm việc chuyển giao bất kỳ thông tin nào trong một môi trường đóng băng như vậy, và tất cả mọi dạng sự sống tất yếu sẽ chấm dứt. Nhận thức đầu tiên rằng vũ trụ cuối cùng có thể biến mất trong băng giá đã được nêu lên trong thế kỷ 18. Bình luận về quan niệm đáng thất vọng cho rằng các định luật vật lý dường như làm sụp đổ mọi dạng sự sống có trí tuệ, Charles Darwin đã viết: “Hãy tin, như tôi tin, rằng con người trong tương lai xa sẽ là một sinh vật hoàn hảo hơn rất nhiều so với nó hiện nay, thì sẽ thấy quan niệm cho rằng nó và tất cả các giống có tri giác khác tất yếu phải chịu sự tuyệt diệt hoàn toàn sau một quá trình tiến bộ chậm chạp kéo dài như vậy là một suy nghĩ quá quắt.”[11] Thật không may, các dữ liệu mới nhất từ vệ tinh WMAP dường như xác nhận những lo sợ tồi tệ nhất của Darwin. ĐÀO THOÁT VÀO SIÊU KHÔNG GIAN Một quy luật vật lý cho rằng sự sống có trí tuệ trong vũ trụ nhất định sẽ phải đối mặt với cái chết cuối cùng. Nhưng một quy luật tiến hóa lại nói rằng khi môi trường thay đổi, thì sự sống hoặc là phải rời bỏ nó, hoặc phải thích nghi hoặc tàn lụi. Do không thể thích nghi với một vũ trụ đang lạnh giá đến chết, nên các lựa chọn duy nhất là tàn lụi hoặc rời bỏ chính vũ trụ này. Khi đối mặt với cái chết cuối cùng của vũ trụ, liệu có thể rằng các nền văn minh cách chúng ta hàng nghìn tỉ năm về sau sẽ phát minh ra công nghệ cần thiết để rời bỏ vũ trụ của chúng ta trong một chiếc “xuồng cứu sinh” đa chiều và trôi dạt tới một vũ trụ khác, trẻ hơn và ấm áp hơn nhiều? Hoặc họ sẽ sử dụng công nghệ vượt trội của mình để có thể “uốn cong thời gian” và du hành ngược trở lại quá khứ của chính họ, nơi nhiệt độ cao hơn nhiều? Một số nhà vật lý đã đề xuất một số kế hoạch đáng tin cậy, mặc dù cực kỳ mang tính suy đoán, bằng cách sử dụng kiến thức vật lý tiên tiến nhất có thể, để cung cấp cái nhìn thực tế nhất vào các cổng hoặc các cửa ngõ đa chiều tới vũ trụ khác. Các bảng đen của các phòng thí nghiệm vật lý trên khắp thế giới đang có đủ các loại phương trình trừu tượng, khi các nhà vật lý tính toán xem người ta có thể sử dụng “năng lượng ngoại lai” và các lỗ đen để tìm một con đường thông sang một vũ trụ khác hay không. Liệu một nền văn minh tiên tiến, có lẽ vượt hơn chúng ta hàng triệu đến hàng tỉ năm về công nghệ, có thể khai thác được các định luật vật lý đã biết để tiến vào các vũ trụ khác hay không? Nhà vũ trụ học Stephen Hawking tại Đại học Cambridge đã từng nhận xét dí dỏm: “Các lỗ giun, nếu tồn tại, sẽ là phương cách lý tưởng cho việc du hành nhanh chóng trong không gian. Bạn có thể đi qua một lỗ giun sang phía bên kia của thiên hà và trở lại vào bữa tối.”[12] Và nếu các lỗ giun và các cổng đa chiều đơn giản là quá nhỏ không thể cho phép cuộc xuất hành cuối cùng ra khỏi vũ trụ này, thì khi đó vẫn còn một lựa chọn cuối cùng: thu nhỏ tổng lượng thông tin của một nền văn minh tiên tiến, có trí tuệ tới cấp độ phân tử và bơm nó qua cửa ngõ này, để sau đó nó sẽ tự lắp ráp ở phía bên kia cổng. Theo cách này, toàn bộ một nền văn minh có thể bơm hạt giống của mình qua một cửa ngõ đa chiều và tự động tái lập, ở giai đoạn hưng thịnh nhất của nó. Siêu không gian, thay vì là một thú tiêu khiển cho các nhà vật lý lý thuyết, có thể có tiềm năng trở thành sự cứu rỗi cuối cùng cho sự sống có trí tuệ trong một vũ trụ đang hấp hối. Nhưng để hiểu đầy đủ các hàm ý của sự kiện này, trước hết chúng ta phải hiểu các nhà vũ trụ học và các nhà vật lý đã đi đến các kết luận đáng kinh ngạc này khó nhọc như thế nào. Trong tiến trình diễn giải của cuốn Các thế giới song song, chúng ta sẽ xem xét lịch sử vũ trụ học, nhấn mạnh những nghịch lý đã tồn tại nhan nhản trong lĩnh vực này qua nhiều thế kỷ, lên tới đỉnh cao trong thuyết lạm phát, mà, trong khi nhất quán với mọi dữ liệu thực nghiệm, lại buộc chúng ta phải nuôi dưỡng khái niệm về đa vũ trụ. CHƯƠNG HAI VŨ TRỤ NGHỊCH LÝ Giá ta có mặt vào lúc sáng thế, ta đã có thể đưa ra một số gợi ý hữu ích cho một trật tự vũ trụ tốt hơn. - Vua Alphonse Thông thái* Hệ Mặt Trời chết tiệt. Ánh sáng tồi tệ; các hành tinh quá xa; các sao chổi phiền nhiễu; sự sắp đặt kém cỏi; có thể tự mình tạo lấy một cái [vũ trụ] tốt hơn. - Huân tước Jeffrey Trong vở kịch As You Like It (Khi bạn thích nó), Shakespeare đã viết những lời bất hủ: Cả thế giới là một sân khấu, Và mọi người là những diễn viên Họ liên tục vào ra sân khấu. Trong thời Trung đại, thế giới này quả thật chỉ là một sân khấu, nhưng nó chỉ là một sân khấu nhỏ và tĩnh tại, bao gồm một Trái Đất phẳng và nhỏ xíu, xung quanh nó là các thiên thể di chuyển bí ẩn trên các quỹ đạo hoàn hảo của chúng trên trời. Các sao chổi được xem như là điềm xấu báo trước cái chết của vua chúa. Khi sao chổi lớn năm 1066 lướt ngang bầu trời nước Anh, nó đã làm những người lính Saxon của vua Harold khiếp sợ, và họ đã nhanh chóng thất bại trước đội quân bất khả chiến bại đang tiến công của William, Nhà Chinh Phục, thiết lập sân khấu cho sự hình thành nước Anh hiện đại. Cũng chính sao chổi ấy đã xuất hiện trên bầu trời nước Anh một lần nữa vào năm 1882, lần này cũng gieo rắc sự kinh hãi và lo sợ khắp châu Âu. Tất cả mọi người, từ các bác nông dân cho tới các ông vua, dường như đã bị vị khách không mời xẹt ngang bầu trời này thôi miên. Sao chổi ấy từ đâu tới? Nó bay đi đâu và có ý nghĩa gì? Một quý ông giàu có tên là Edmund Halley, một nhà thiên văn nghiệp dư, đã bị sao chổi này gợi tò mò tới mức ông đã tham khảo các ý kiến của một trong những nhà khoa học vĩ đại nhất thời ấy là Isaac Newton. Khi Halley hỏi Newton lực nào có thể có khả năng kiểm soát chuyển động của sao chổi này, Newton đã điềm tĩnh trả lời rằng sao chổi này di chuyển theo một đường elip theo định luật lực bình phương nghịch đảo (nghĩa là lực tác động vào sao chổi này giảm tỉ lệ thuận với bình phương của khoảng cách từ Mặt Trời đến nó). Trên thực tế, Newton nói, ông đã theo dõi sao chổi này bằng kính viễn vọng mà ông đã phát minh ra (kính thiên văn phản xạ được các nhà thiên văn trên toàn thế giới sử dụng ngày nay) và đường đi của nó tuân theo định luật vạn vật hấp dẫn mà ông đã phát triển hai mươi năm trước đó. Halley đã sửng sốt tới mức không thể tin được. “Làm sao mà ngài biết?” Halley hỏi. “Tại sao à, tôi đã tính toán nó.” Newton đáp.[13] Chưa bao giờ trong những giấc mơ ngông cuồng nhất của mình Halley lại mong chờ được nghe thấy rằng bí mật của các thiên thể, từng là bí ẩn thách đố nhân loại kể từ khi những người đầu tiên ngước mắt lên ngắm nhìn bầu trời, lại được giải thích chỉ bằng một định luật hấp dẫn mới. Choáng váng bởi tầm quan trọng của phát minh đột phá vĩ đại này, Halley đã hào phóng tỏ ý muốn được chi tiền để Newton công bố học thuyết mới này. Năm 1687, với sự cổ vũ và tài trợ của Halley, Newton đã công bố tác phẩm để đời của mình là Philosophiae naturalis Principia Mathematica (Những nguyên lý toán học trong triết học tự nhiên). Nó đã được ca ngợi như là một trong những công trình quan trọng nhất được xuất bản từ trước cho tới nay. Chỉ bằng một vài nét bút, các nhà khoa học, trước đó chưa biết gì về các quy luật bao quát hơn của hệ Mặt Trời đã đột nhiên có thể dự đoán sự chuyển động của các thiên thể với độ chính xác tuyệt hảo. Ảnh hưởng của cuốn Principa (Những nguyên lý)* trong các phòng khách và các triều đình châu Âu lớn tới mức nhà thơ Anh Alexander Pope đã viết: Tự nhiên với các quy luật chìm trong bóng tối, Chúa phán: Hãy có Newton! và tất cả bừng lên sáng rỡ. (Halley nhận ra rằng nếu quỹ đạo của sao chổi là một hình elip, thì người ta có thể tính toán khi nào nó lại bay qua bầu trời London lần nữa. Tìm kiếm các ghi chép cũ, ông nhận thấy rằng các sao chổi của các năm 1531, 1607 và 1682 quả thật chỉ là cùng một sao chổi. Sao chổi từng có vai trò then chốt đối với sự hình thành một nước Anh hiện đại vào năm 1066 đã được nhiều người nhìn thấy trong suốt lịch sử thành văn, trong đó có Julius Caesar*. Halley dự đoán rằng sao chổi này sẽ quay trở lại vào năm 1758, rất lâu sau khi Newton và Halley qua đời. Khi sao chổi này quả thật đã trở lại đúng hẹn vào lễ Giáng sinh năm đó, nó đã được đặt tên là sao chổi Halley.) Newton đã phát hiện ra định luật vạn vật hấp dẫn hai mươi năm trước đó, khi nạn dịch hạch đen buộc Đại học Cambridge phải đóng cửa và ông phải lui về điền trang thôn dã của mình tại Woolsthorpe. Ông thích thú nhớ lại rằng trong khi đi dạo quanh điền trang, ông đã nhìn thấy một quả táo rơi. Khi đó, ông tự đặt ra một câu hỏi mà rốt cuộc đã làm thay đổi tiến trình lịch sử loài người: nếu một quả táo rơi, thì liệu Mặt Trăng có rơi hay không? Trong khoảnh khắc lóe sáng của một thiên tài, Newton nhận ra rằng quả táo, Mặt Trăng, và các hành tinh thảy đều tuân theo cùng một định luật hấp dẫn, rằng tất cả chúng đều rơi theo một định luật bình phương nghịch đảo. Khi Newton nhận thấy rằng toán học của thế kỷ 17 là quá thô sơ để giải định luật về lực này, ông đã phát minh ra một nhánh mới của toán học là vi tích phân để xác định chuyển động của những quả táo rơi và những vệ tinh. Trong Những nguyên lý, Newton cũng đã thảo ra các định luật cơ học, các định luật về chuyển động để xác định các quỹ đạo của tất cả các vật thể trên mặt đất cũng như trên trời. Các định luật này đặt cơ sở cho việc thiết kế máy móc, khai thác năng lượng hơi nước và chế tạo đầu máy xe lửa, và chúng đã giúp mở đường cho cuộc cách mạng công nghiệp và nền văn minh hiện đại. Ngày nay, mọi tòa nhà chọc trời, mọi cây cầu và mọi tên lửa đều được xây dựng bằng việc sử dụng các định luật Newton về chuyển động. Newton không chỉ tặng cho chúng ta các định luật vĩnh cửu của chuyển động, ông còn làm đảo lộn thế giới quan của chúng ta, cho chúng ta một bức tranh mới hoàn toàn về vũ trụ mà trong đó các quy luật huyền bí chi phối các thiên thể cũng chính là các quy luật chi phối Trái Đất. Sân khấu cuộc sống không còn bị bao quanh bởi các điềm gở đáng sợ trên trời; cùng một bộ các quy luật áp dụng cho các diễn viên cũng áp dụng cho phông màn sân khấu. NGHỊCH LÝ BENTLEY Vì Những nguyên lý là một công trình đầy tham vọng như vậy, nên nó đã đẻ ra những nghịch lý đáng lo ngại đầu tiên về cấu tạo của vũ trụ. Nếu thế giới là một sân khấu, thì sân khấu đó lớn tới mức nào? Nó vô hạn hay hữu hạn? Đây là một câu hỏi từ bao đời, ngay cả triết gia La Mã là Lucretius cũng bị nó quyến rũ. “Vũ trụ không bị giới hạn ở bất kỳ hướng nào,” ông viết. “Nếu nó bị giới hạn, nhất thiết nó sẽ có một giới hạn ở đâu đó. Nhưng rõ ràng là một vật chỉ có giới hạn khi có cái gì đó ở phía ngoài nó để giới hạn nó… Trong mọi chiều như nhau, ở bên này hay ở bên kia, ở phía trên hay ở phía dưới khắp vũ trụ, đều không có điểm kết thúc.”[14] Nhưng lý thuyết của Newton cũng bộc lộ các nghịch lý cố hữu trong bất kỳ lý thuyết nào về một vũ trụ hữu hạn hoặc vô hạn. Những câu hỏi đơn giản nhất đều dẫn đến một bãi lầy của những điều mâu thuẫn. Ngay cả khi Newton đang tắm mình trong danh tiếng do cuốn sách Những nguyên lý mang lại, ông đã phát hiện ra rằng thuyết hấp dẫn của mình nhất định chứa đầy các nghịch lý. Năm 1692, một giáo sĩ là Đức cha Richard Bentley đã viết một lá thư đơn giản một cách chân thành nhưng đầy lo lắng cho Newton. Vì hấp dẫn luôn luôn là lực hút mà không bao giờ là lực đẩy, Bentley viết, nên một tập hợp bất kỳ các ngôi sao dĩ nhiên sẽ suy sụp vào trong chính chúng. Nếu vũ trụ là hữu hạn, thì bầu trời đêm, đáng lẽ là vĩnh cửu và tĩnh tại, lại sẽ là một cảnh tàn sát khó tin, khi các ngôi sao lao vào nhau và kết tụ lại thành một siêu sao rực lửa. Nhưng Bentley cũng đã chỉ ra rằng nếu vũ trụ là vô hạn, thì lực tác động vào một thiên thể bất kỳ, kéo nó sang trái hay sang phải, cũng sẽ là vô hạn, do đó các ngôi sao sẽ bị xé toạc ra thành các mảnh vụn trong các biến cố thảm họa dữ dội. Thoạt nhìn, dường như Bentley đã dồn Newton vào thế bí. Hoặc vũ trụ là hữu hạn (và nó bị suy sụp thành một quả cầu lửa), hoặc nó là vô hạn (trong trường hợp này tất cả các ngôi sao sẽ bị bắn tung ra tứ phía). Khả năng nào cũng là thảm họa cho lý thuyết non trẻ được Newton đề xuất. Lần đầu tiên trong lịch sử, vấn đề này đã bộc lộ các nghịch lý tinh tế nhưng cố hữu, chúng tấn công bất kỳ thuyết hấp dẫn nào khi áp dụng cho toàn thể vũ trụ. Sau khi suy nghĩ cẩn thận, Newton đã viết thư trả lời rằng ông tìm thấy một kẽ hở trong luận cứ này. Ông chọn một vũ trụ vô hạn, nhưng là một vũ trụ hoàn toàn đồng nhất. Vì thế, nếu một ngôi sao bị kéo sang bên phải bởi một số vô hạn các sao, thì điều này bị triệt tiêu chính xác bởi một lực kéo tương đương của một số vô hạn các ngôi sao khác ở hướng ngược lại. Như vậy tất cả các lực được cân bằng theo mọi hướng, tạo ra một vũ trụ tĩnh tại. Vì thế, nếu hấp dẫn luôn là lực hút, thì giải pháp duy nhất cho nghịch lý Bentley là một vũ trụ vô hạn và đồng nhất. Newton quả thật đã tìm thấy một kẽ hở trong luận cứ của Bentley. Nhưng Newton cũng đủ thông minh để nhận ra điểm yếu trong câu trả lời của chính mình. Ông thừa nhận trong một lá thư rằng giải pháp của ông, mặc dù về mặt kỹ thuật là đúng, nhưng chứa đựng sự bất ổn định nội tại. Vũ trụ đồng nhất nhưng vô hạn của Newton giống như một ngôi nhà xếp bằng những quân bài: có vẻ ổn định, nhưng rất dễ sụp đổ chỉ với những nhiễu động nhẹ nhất. Có thể thấy rằng chỉ cần một ngôi sao bị đung đưa chút xíu, nó cũng sẽ gây ra một phản ứng dây chuyền và các quần sao sẽ bắt đầu sụp đổ ngay lập tức. Câu trả lời yếu ớt của Newton là viện dẫn tới một sức mạnh thần thánh” đã ngăn ngôi nhà bằng những quân bài của ông không bị sụp đổ. “Một phép màu liên tục là cần thiết để ngăn chặn Mặt Trời và các sao cố định không lao vào nhau vì lực hấp dẫn”[15], ông viết. Đối với Newton, vũ trụ giống như một chiếc đồng hồ khổng lồ được Chúa Trời lên dây vào lúc thời gian bắt đầu và cứ tích ta tích tắc chạy kể từ thời điểm đó, tuân theo ba định luật về chuyển động của ông, mà không cần đến sự can thiệp của Chúa nữa. Nhưng đôi khi chính Chúa Trời đã phải can thiệp và chỉnh lại vũ trụ một chút, để giữ cho nó khỏi bị sụp đổ. (Nói cách khác, đôi khi Chúa phải can thiệp để ngăn chặn các phông màn của sân khấu cuộc sống không sụp đổ xuống đầu các diễn viên.) NGHỊCH LÝ OLBERS Ngoài nghịch lý Bentley, có một nghịch lý khác thậm chí còn cố hữu sâu hơn trong bất kỳ vũ trụ vô hạn nào. Nghịch lý Olbers bắt đầu bằng việc hỏi tại sao bầu trời đêm có màu đen. Các nhà thiên văn ngay từ Johannes Kepler đã nhận ra rằng nếu vũ trụ là đồng nhất và vô hạn, thì cho dù bạn nhìn vào bất cứ hướng nào, bạn sẽ thấy ánh sáng từ một số vô hạn các sao. Nhìn vào bất kỳ điểm nào trên bầu trời đêm, tia nhìn của chúng ta cuối cùng sẽ đi qua một số lượng các ngôi sao vô cùng tận, do đó nhận được một lượng vô hạn ánh sáng sao. Vì thế, bầu trời đêm sẽ phải rực sáng! Thế nhưng thực tế là bầu trời đêm có màu đen, chứ không phải màu trắng, là một nghịch lý vũ trụ tinh tế nhưng khó hiểu trong nhiều thế kỷ. Nghịch lý Olbers, giống như nghịch lý Bentley, tưởng là đơn giản nhưng đã làm điêu đứng nhiều thế hệ triết gia và nhà thiên văn học. Cả nghịch lý Bentley lẫn nghịch lý Olbers đều phụ thuộc vào quan sát rằng, trong một vũ trụ vô hạn, các lực hấp dẫn và các chùm tia sáng có thể tăng lên mãi rồi cho ra các kết quả vô hạn và vô nghĩa. Trong nhiều thế kỷ, rất nhiều giải đáp không đúng đã được đề xuất. Kepler đã bị nghịch lý này quấy nhiễu tới mức ông chỉ đơn giản là mặc nhiên công nhận rằng vũ trụ là hữu hạn, được bao trong một cái vỏ, vì thế chỉ có một lượng hữu hạn ánh sáng sao tới được mắt chúng ta. Sự nhầm lẫn về nghịch lý này lớn tới mức một nghiên cứu năm 1987 cho thấy có tới 70% các sách giáo khoa thiên văn học đã đưa ra câu trả lời không chính xác. Đầu tiên người ta có thể thử giải quyết nghịch lý Olbers bằng cách nói rằng ánh sáng sao bị các đám mây bụi hấp thụ. Đây là câu trả lời được chính Heinrich Wilhelm Olbers đưa ra vào năm 1823 khi ông lần đầu tiên phát biểu nghịch lý này. Olbers đã viết: “May mắn làm sao là Trái Đất không nhận được ánh sáng sao từ mọi điểm của vòm trời! Tuy nhiên, với độ sáng và nhiệt năng không thể tưởng tượng được như vậy, gấp đến 90.000 lần những gì hiện nay chúng ta trải nghiệm, Đấng Toàn năng lại có thể dễ dàng tạo ra các sinh vật có khả năng thích nghi với những điều kiện khắc nghiệt như vậy.”[16] Nhằm làm cho Trái Đất không bị tắm mình “trong một nền trời sáng chói như đĩa Mặt Trời”, Olbers đề xuất rằng các đám mây bụi phải hấp thụ lượng nhiệt mãnh liệt này để làm cho sự sống trên Trái Đất có thể nảy nở. Chẳng hạn, phần trung tâm rực lửa của Ngân Hà của chính chúng ta mà đúng ra sẽ chi phối bầu trời đêm, thực sự bị ẩn nấp phía sau các đám mây bụi. Nếu chúng ta nhìn về hướng chòm sao Cung Thủ (Sagittarius), nơi có trung tâm Ngân Hà, chúng ta sẽ thấy không phải là một quả cầu lửa rực sáng mà là một mảng tối. Nhưng các đám mây bụi quả thật không thể giải thích được nghịch lý Olbers. Trong một khoảng thời gian vô hạn, những đám mây bụi đó sẽ hấp thụ ánh sáng từ số lượng vô hạn các ngôi sao nên cuối cùng sẽ rực sáng giống như bề mặt của một ngôi sao. Vì thế, ngay cả những đám mây bụi cũng sẽ rực sáng trong bầu trời đêm. Tương tự như vậy, người ta có thể cho rằng một ngôi sao càng xa thì nó lại càng mờ nhạt. Điều này đúng, nhưng nó cũng không thể là câu trả lời. Nếu chúng ta nhìn vào một khoảng của bầu trời đêm, những ngôi sao rất xa quả thật là mờ nhạt, nhưng càng nhìn xa hơn thì càng có nhiều sao hơn. Hai hiệu ứng này sẽ triệt tiêu lẫn nhau một cách chính xác trong một vũ trụ đồng nhất, để lại một bầu trời đêm màu trắng. (Đó là do cường độ của ánh sáng sao giảm đi theo bình phương khoảng cách, nhưng nó bị triệt tiêu bởi một thực tế là số lượng các ngôi sao lại tăng lên theo bình phương khoảng cách.) Điều kỳ lạ là người đầu tiên trong lịch sử giải quyết được nghịch lý này là nhà văn Mỹ chuyên viết truyện kinh dị Edgar Allan Poe, người có sự quan tâm lâu dài tới thiên văn học. Ngay trước khi qua đời, ông công bố nhiều quan sát của mình trong một bài thơ mang tính triết học nhưng khá lan man có nhan đề là Eureka: A Prose Poem (Ơ-rê-ka: Một bài thơ văn xuôi). Trong một đoạn đáng chú ý, ông viết: Nếu các ngôi sao kế tiếp nhau vô tận, thì nền trời sẽ đem lại cho chúng ta một độ sáng đồng nhất, giống như cái mà Ngân Hà đã biểu hiện - vì hoàn toàn không thể có một điểm nào, trong toàn bộ nền trời ấy, mà ở đó không tồn tại một ngôi sao. Vì thế, cách thức duy nhất mà theo đó, trong tình trạng sự việc như vậy, chúng ta có thể hiểu được các khoảng không trống rỗng mà các kính viễn vọng của chúng ta tìm thấy ở vô số các hướng, sẽ là giả định rằng khoảng cách của nền trời tối không thấy gì này [là] lớn tới mức chưa một tia sáng nào từ nó đã có thể đi tới được chỗ chúng ta.[17] Ông đã kết luận bằng việc lưu ý rằng ý tưởng này “là quá đẹp, đẹp đến nỗi nó không chứa chân lý làm bản chất của nó”. Đây là chìa khóa dẫn tới câu trả lời đúng đắn. Vũ trụ không phải là già vô cùng tận. Từng có một Sáng thế. Có một ngưỡng giới hạn với lượng ánh sáng đi tới mắt chúng ta. Ánh sáng từ những ngôi sao xa xăm nhất vẫn chưa đủ thời gian để tới được chỗ chúng ta. Nhà vũ trụ học Edward Harrison, người đầu tiên phát hiện ra rằng Poe đã giải quyết được nghịch lý Olbers, đã viết: “Khi mới đọc những lời của Poe, tôi đã vô cùng kinh ngạc: Làm thế nào mà một nhà thơ, mà giỏi lắm cũng chỉ là một nhà khoa học nghiệp dư, lại có thể nghĩ ra được lời giải thích đúng từ 140 năm trước, khi mà trong các trường đại học của chúng ta thì lời giải thích sai… vẫn đang được giảng dạy?”[18] Năm 1901 Huân tước Kelvin*, nhà vật lý người Scotland, cũng tìm ra câu trả lời đúng. Ông nhận ra rằng khi bạn nhìn vào bầu trời đêm, bạn đang nhìn vào nó ở trạng thái quá khứ, chứ không phải là nó trong hiện tại, vì tốc độ ánh sáng, mặc dù cực lớn theo các tiêu chuẩn Trái Đất (299.792 km/s), vẫn chỉ là hữu hạn, và cần phải có thời gian để ánh sáng đi từ những ngôi sao xa xăm tới Trái Đất. Kelvin đã tính toán rằng để bầu trời đêm có màu trắng, vũ trụ sẽ phải kéo dài hàng trăm nghìn tỉ năm ánh sáng. Nhưng vì vũ trụ không phải là hàng nghìn tỉ năm tuổi, nên bầu trời tất yếu có màu đen. (Còn có một nguyên nhân thứ hai góp phần giải thích tại sao bầu trời đêm có màu đen là tuổi thọ hữu hạn của các ngôi sao chỉ cỡ vài tỉ năm.) Gần đây, đã có thể xác minh bằng thực nghiệm sự đúng đắn trong giải pháp của Poe bằng cách sử dụng các vệ tinh như kính thiên văn không gian Hubble. Các kính thiên văn mạnh mẽ này, đến lượt chúng, lại cho phép chúng ta trả lời một câu hỏi mà ngay cả trẻ em cũng có thể hỏi: Ngôi sao xa nhất nằm ở đâu? Và cái gì nằm xa hơn ngôi sao xa nhất? Để trả lời những câu hỏi này, các nhà thiên văn đã lập trình cho kính thiên văn không gian Hubble thực hiện một nhiệm vụ lịch sử: chụp ảnh điểm xa nhất trong vũ trụ. Để bắt được các phát xạ cực kỳ yếu ớt từ những ngóc ngách sâu nhất của không gian, kính thiên văn này đã phải thực hiện một nhiệm vụ vô tiền khoáng hậu: nhắm chính xác vào cùng một điểm trên bầu trời nằm gần chòm sao Lạp Hộ tức Thợ Săn (Orion) trong tổng cộng vài trăm giờ, đòi hỏi kính thiên văn này phải được đóng thẳng hoàn hảo vào một hướng trong 400 vòng quỹ đạo xung quanh Trái Đất. Dự án này khó khăn tới mức nó đã phải kéo dài trên bốn tháng. Năm 2004, một bức ảnh gây ấn tượng sâu sắc đã được lên tít trang nhất của báo chí trên khắp thế giới. Nó cho thấy một tập hợp một vạn thiên hà mới sinh khi chúng ngưng tụ từ mớ hỗn nguyên của chính vụ nổ lớn. “Chúng ta có lẽ đã nhìn thấy cái kết của sự khởi đầu,”[19] Anton Koekemoer từ Viện Nghiên cứu Khoa học kính viễn vọng không gian tuyên bố. Bức ảnh này cho thấy một mớ lộn xộn các thiên hà mờ nhạt cách Trái Đất hơn 13 tỉ năm ánh sáng - nghĩa là, phải mất hơn 13 tỉ năm để ánh sáng của chúng đến được Trái Đất. Vì bản thân vũ trụ chỉ mới 13,7 tỉ năm tuổi, nên các thiên hà này được hình thành khoảng nửa tỉ năm sau Sáng thế, khi các ngôi sao và các thiên hà đầu tiên đã ngưng tụ từ “món xúp” của các khí còn sót lại từ vụ nổ lớn. “Kính Hubble đưa chúng ta tới rất gần bản thân vụ nổ lớn,”[20] nhà thiên văn Massimo Stivavelli của viện này cho biết. Nhưng điều này cũng nêu lên một câu hỏi: cái gì nằm phía ngoài các thiên hà xa nhất? Khi nhìn kỹ bức ảnh đáng chú ý này, điều hoàn toàn rõ ràng là chỉ có một màu đen giữa các thiên hà. Màu đen này là cái làm cho bầu trời đêm có màu đen. Đây là cái ngưỡng cuối cùng cho ánh sáng từ những ngôi sao xa xôi. Tuy nhiên, màu đen này thực ra là bức xạ nền vi sóng. Vì thế, câu trả lời cuối cùng cho câu hỏi tại sao bầu trời đêm có màu đen là bầu trời đêm không phải là thực sự đen một chút nào. (Nếu đôi mắt của chúng ta bằng cách nào đó có thể nhìn thấy bức xạ vi sóng, chứ không chỉ ánh sáng nhìn thấy được, chúng ta sẽ thấy bức xạ từ bản thân vụ nổ lớn tràn ngập bầu trời đêm. Theo một nghĩa nào đó, bức xạ từ vụ nổ lớn hiện ra mỗi đêm. Nếu chúng ta có đôi mắt có thể nhìn thấy vi sóng, thì chúng ta có thể thấy rằng nằm phía ngoài ngôi sao xa nhất chính là bản thân hiện tượng Sáng thế.) EINSTEIN, KẺ NỔI LOẠN Các định luật của Newton đã thành công đến mức phải mất hơn 200 năm để khoa học có được bước tiến định mệnh kế tiếp, với công trình của Albert Einstein. Einstein đã khởi đầu sự nghiệp của mình là một ứng viên ít được mong đợi nhất cho một vai trò cách mạng như vậy. Sau khi lấy bằng cử nhân của Đại học Bách khoa Zurich, Thụy Sĩ vào năm 1900, ông bị thất nghiệp một cách vô vọng. Sự nghiệp của ông đã bị phá hoại bởi chính các giáo sư của ông, những người không thích kẻ học trò hỗn xược và vênh váo, thường xuyên bỏ học này. Những bức thư cầu xin đầy phiền muộn của ông cho thấy vực sâu mà ông đã rơi xuống. Ông coi mình là một kẻ thất bại và một gánh nặng tài chính đối với cha mẹ mình. Trong một bức thư cay đắng, ông đã thú nhận rằng thậm chí ông đã nghĩ tới việc chấm dứt đời mình. “Điều bất hạnh cho cha mẹ khốn khổ của tôi, những người trong quá nhiều năm qua đã không có một khoảnh khắc hạnh phúc, đè nặng lên tôi. Tôi chẳng là gì mà chỉ là một gánh nặng cho những người thân của tôi… Chắc chắn sẽ tốt hơn nếu như tôi không còn sống nữa,”[21] ông đã chán nản viết ra như vậy. Trong tuyệt vọng, ông đã nghĩ đến việc chuyển nghề và đi làm cho một công ty bảo hiểm. Thậm chí ông đã nhận làm gia sư gõ đầu trẻ nhưng lại cãi cọ với người thuê mình và bị sa thải. Khi bạn gái của ông là Mileva Maric mang thai ngoài ý muốn, ông buồn bã nhận ra rằng đứa con của họ sẽ được sinh ra không hợp pháp, vì ông không có tiền để kết hôn với cô. (Không ai biết điều gì cuối cùng đã xảy ra với Lieseral, người con gái ngoài giá thú của ông.) Và cú sốc cá nhân sâu sắc ông cảm nhận được khi cha ông đột ngột qua đời đã để lại một vết sẹo tình cảm mà kể từ đó ông không bao giờ còn phục hồi hoàn toàn được nữa. Cha ông qua đời khi đang nghĩ rằng con trai mình là một kẻ thất bại. Mặc dù giai đoạn 1901-1902 có lẽ là khoảng thời gian tồi tệ nhất trong cuộc đời của Einstein, nhưng Marcel Grossman đã cứu vãn sự nghiệp của ông khỏi rơi vào lãng quên bằng cách sử dụng tầm ảnh hưởng của mình để tìm cho ông công việc làm một thư ký quèn ở Cục Sáng chế Thụy Sĩ tại Bern. CÁC NGHỊCH LÝ CỦA THUYẾT TƯƠNG ĐỐI Bề ngoài, không ai nghĩ Cục Sáng chế là nơi thích hợp để khởi đầu cuộc cách mạng vĩ đại nhất trong vật lý kể từ thời Newton. Nhưng nó có những ưu thế của nó. Sau khi nhanh chóng xử lý các đơn xin cấp bằng sáng chế đang chất đống trên bàn làm việc của mình, Einstein thường ngồi thư giãn và quay về với ước mơ thời thơ ấu. Thuở còn trẻ, Einstein đã đọc một cuốn sách của Aaron Bernstein nhan đề People’s Book on Natural Science (Sách đại chúng về khoa học tự nhiên), “một tác phẩm mà tôi đọc với sự chăm chú đến nín thở”, ông nhớ lại. Bernstein đề nghị độc giả tưởng tượng đang lướt cùng dòng điện chạy trên đường dây điện báo. Khi mười sáu tuổi, Einstein đã tự hỏi một câu tương tự: một chùm tia sáng trông sẽ thế nào nếu ta có thể bắt kịp nó? Einstein nhớ lại: “Một băn khoăn như vậy là hệ quả từ một nghịch lý mà tôi đã vấp phải khi mười sáu tuổi: Nếu tôi đuổi theo một chùm sáng với vận tốc c (vận tốc ánh sáng trong chân không), tôi sẽ quan sát thấy chùm sáng như vậy dưới dạng một điện từ trường vốn dao động trong không gian lúc này ở trạng thái đứng yên. Tuy nhiên, có vẻ như điều ấy không xảy ra, dù là trên cơ sở thực nghiệm hoặc tuân theo các phương trình Maxwell”[22]. Như một đứa trẻ, Einstein nghĩ rằng nếu bạn có thể chạy đua cùng với một tia sáng, nó sẽ dường như bị tê cứng lại, giống như một con sóng bất động. Tuy nhiên, chưa từng có một ai nhìn thấy ánh sáng bị tê cứng lại bao giờ, vì thế ở đây có điều gì đó hết sức không ổn. Vào đầu thế kỷ 20, tất cả mọi thứ dựa vào hai cột trụ lớn của vật lý: thuyết của Newton về cơ học và lực hấp dẫn và thuyết của Maxwell về ánh sáng. Trong thập niên 1860, nhà vật lý Scotland là James Clerk Maxwell đã chỉ ra rằng ánh sáng bao gồm các điện trường và từ trường dao động hoán đổi liên tục. Điều mà Einstein đã phát hiện ra và gây sốc đối với ông là hai cột trụ này mâu thuẫn với nhau, do vậy một trong chúng phải bị hạ bệ. Trong phạm vi các phương trình Maxwell, ông đã tìm thấy giải pháp cho vấn đề nan giải đã ám ảnh mình suốt mười năm qua. Einstein đã tìm thấy điều gì đó mà bản thân Maxwell từng bỏ qua: các phương trình Maxwell cho thấy ánh sáng di chuyển với một vận tốc không đổi, không phụ thuộc vào việc bạn đã cố đuổi kịp nó nhanh như thế nào. Tốc độ ánh sáng c là như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính (nghĩa là các hệ quy chiếu di chuyển với vận tốc không đổi). Cho dù bạn đứng yên, ngồi trên tàu hỏa đang chạy, hoặc ngồi trên một sao chổi lao nhanh, bạn sẽ thấy một chùm sáng đang phóng nhanh ở phía trước bạn với cùng một tốc độ. Bất kể bạn di chuyển nhanh như thế nào, bạn sẽ không bao giờ có thể vượt qua ánh sáng. Điều này ngay lập tức đã dẫn tới một mớ các nghịch lý. Hãy tưởng tượng, vào lúc này một nhà du hành vũ trụ đang cố gắng đuổi kịp một chùm sáng lao nhanh. Anh ta tăng tốc con tàu vũ trụ của mình cho đến khi sánh ngang với chùm sáng. Một người đứng xem trên Trái Đất chứng kiến cuộc rượt đuổi giả định này sẽ khẳng định rằng nhà du hành vũ trụ và tia sáng đã di chuyển sóng đôi sát cạnh nhau. Tuy nhiên, nhà du hành vũ trụ này sẽ nói hoàn toàn khác, anh ta thấy rằng chùm sáng đã bứt khỏi anh ta, hệt như khi tàu vũ trụ của anh ta đứng yên vậy. Câu hỏi mà Einstein phải đương đầu là: Tại sao hai người lại có thể có các diễn giải khác nhau đến như vậy về cùng một sự kiện? Theo thuyết của Newton, người ta luôn luôn có thể đuổi kịp một chùm sáng; còn trong thế giới của Einstein, điều này là không thể. Ông đột nhiên nhận ra rằng đã có một thiếu sót cơ bản trong nền tảng thật sự của vật lý. Vào mùa xuân năm 1905, Einstein nhớ lại, “một cơn giông tố đã bùng nổ trong tâm trí tôi”. Trong một khoảnh khắc lóe sáng, cuối cùng ông đã tìm ra giải pháp: thời gian trôi với các tốc độ khác nhau, tùy thuộc vào việc bạn di chuyển nhanh hay chậm. Trên thực tế, bạn càng di chuyển nhanh bao nhiêu thì thời gian lại trôi chậm bấy nhiêu. Thời gian không phải là một đại lượng tuyệt đối, như Newton từng nghĩ. Theo Newton, thời gian trôi như nhau trong khắp vũ trụ, do đó một giây trôi qua trên Trái Đất cũng y hệt như một giây trên sao Mộc hay sao Hỏa. Các đồng hồ điểm nhịp với sự đồng bộ tuyệt đối trong khắp vũ trụ. Tuy nhiên, đối với Einstein, các đồng hồ khác nhau điểm nhịp với các tốc độ khác nhau trong khắp vũ trụ. Einstein nhận ra rằng nếu thời gian có thể thay đổi phụ thuộc vào vận tốc của bạn thì các đại lượng khác như chiều dài, vật chất và năng lượng cũng có thể thay đổi[23]. Ông nhận ra rằng bạn càng di chuyển nhanh bao nhiêu thì các khoảng cách cũng co ngắn lại bấy nhiêu (điều này đôi khi được gọi là co ngắn Lorentz-FitzGerald). Tương tự, bạn càng di chuyển nhanh bao nhiêu thì bạn càng trở nên nặng bấy nhiêu. (Trên thực tế, khi bạn đạt tới tốc độ ánh sáng, thời gian sẽ bị chậm tới mức dừng lại, các khoảng cách sẽ co ngắn tới không còn gì, và khối lượng của bạn sẽ trở thành vô hạn, tất cả những điều này sẽ trở nên phi lý. Điều này cũng là lý do tại sao bạn không thể phá vỡ rào cản ánh sáng, đó là giới hạn tốc độ tột cùng trong vũ trụ.) Sự biến dạng kỳ lạ này của không-thời gian đã khiến một nhà thơ viết rằng:* Chàng trẻ tuổi tên gọi là Fisk Kiếm chàng múa quay tròn xoay tít. Kiếm thuật chàng ngày càng tăng tiến, Nên co ngắn Fitzgerald đã biến Kiếm của chàng thành một trái quýt.* Einstein đã thống nhất không gian với thời gian theo cùng một cách mà ý tưởng đột phá của Newton đã thống nhất vật lý của các vật trên Trái Đất với vật lý thiên thể. Nhưng Einstein cũng chỉ ra rằng vật chất và năng lượng là thống nhất và vì thế có thể biến đổi thành nhau. Nếu một vật thể trở nên nặng hơn khi nó di chuyển nhanh hơn, thì có nghĩa là năng lượng của chuyển động này đang được chuyển thành vật chất. Chiều ngược lại cũng đúng - vật chất có thể được chuyển đổi thành năng lượng. Einstein đã tính toán bao nhiêu năng lượng có thể được chuyển đổi thành vật chất, và ông đã nêu lên công thức E = mc², nghĩa là, ngay cả một lượng nhỏ vật chất m cũng được nhân lên với một con số khổng lồ (bình phương tốc độ ánh sáng) khi nó chuyển hóa thành năng lượng E. Vì thế, nguồn năng lượng bí mật chiếu sáng vũ trụ của bản thân các ngôi sao đã được phát hiện là do vật chất chuyển đổi thành năng lượng thông qua phương trình này. Bí mật của các ngôi sao đã có thể hé lộ từ phát biểu đơn giản rằng tốc độ của ánh sáng là như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán tính. Cũng giống như Newton trước kia, Einstein đã làm thay đổi quan điểm của chúng ta về sân khấu cuộc sống. Trong thế giới của Newton, tất cả các diễn viên đều biết chính xác thời gian và các khoảng cách đo được. Nhịp thời gian và các chiều của sân khấu này không bao giờ thay đổi. Nhưng thuyết tương đối đã cho chúng ta một cách thức kỳ quái để hiểu biết không gian và thời gian. Trong vũ trụ của Einstein, tất cả các diễn viên đều có đồng hồ đeo tay chỉ các thời gian khác nhau. Điều này có nghĩa là không thể đồng bộ tất cả các đồng hồ trên sân khấu này. Việc thiết lập một thời gian diễn tập vào buổi trưa có nghĩa khác nhau đối với các diễn viên khác nhau. Trên thực tế, những điều kỳ lạ xảy ra khi các diễn viên chạy ngang qua sân khấu. Họ càng di chuyển nhanh bao nhiêu thì đồng hồ của họ điểm nhịp càng chậm và cơ thể của họ càng trở nên nặng và phẳng bấy nhiêu. Phải mất nhiều năm trước khi sự hiểu biết sâu sắc của Einstein mới có thể được một cộng đồng khoa học rộng lớn công nhận. Nhưng Einstein đã không chịu giậm chân tại chỗ ông muốn áp dụng thuyết tương đối mới của mình cho chính lực hấp dẫn. Ông sớm nhận ra mình sẽ phải đối mặt với những khó khăn như thế nào, ông có thể sẽ làm xáo trộn lý thuyết thành công nhất trong thời đại mình. Max Planck, người sáng lập ra thuyết lượng tử, đã cảnh báo ông: “Với tư cách là một người bạn cũ, tôi phải khuyên anh đừng làm điều đó vì trước hết anh sẽ không thành công, và thậm chí nếu thành công, sẽ không có ai tin anh”[24]. Einstein nhận ra rằng thuyết tương đối mới mẻ của ông đã vi phạm thuyết hấp dẫn của Newton. Theo Newton, lực hấp dẫn truyền đi tức thời trong khắp vũ trụ. Nhưng điều này đặt ra một câu hỏi giống như thắc mắc con trẻ: “Điều gì sẽ xảy ra nếu Mặt Trời biến mất?” Đối với Newton, toàn thể vũ trụ sẽ chứng kiến sự biến mất của Mặt Trời ngay lập tức vào cùng một lúc. Nhưng theo thuyết tương đối hẹp, điều này là không thể, vì thời điểm biến mất của một ngôi sao bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng. Theo thuyết tương đối, sự biến mất đột ngột của Mặt Trời sẽ tạo ra một sóng xung kích dạng cầu của hấp dẫn lan truyền ra ngoài với tốc độ ánh sáng. Phía ngoài sóng xung kích, những người quan sát sẽ nói rằng Mặt Trời vẫn chiếu sáng, vì hấp dẫn chưa đủ thời gian để tới chỗ của họ. Nhưng bên trong sóng này, một người quan sát sẽ nói rằng Mặt Trời đã biến mất. Để giải quyết vấn đề này, Einstein đã đưa ra một hình ảnh hoàn toàn khác biệt về không gian và thời gian. LỰC LÀ SỰ UỐN CONG KHÔNG GIAN Newton coi không gian và thời gian như một hí trường mênh mông trống rỗng, trong đó các sự kiện có thể xảy ra, tuân theo các định luật về chuyển động của ông. Sân khấu này chứa đầy những điều kỳ diệu và bí ẩn, nhưng về bản chất nó là trơ và bất động, như một người thụ động đứng làm chứng cho vũ điệu của Tự nhiên. Tuy nhiên, Einstein đã lật lại ý tưởng này. Đối với Einstein, bản thân sân khấu này sẽ trở thành một phần quan trọng của cuộc sống. Trong vũ trụ của Einstein, không gian và thời gian không phải là một hí trường tĩnh như Newton đã nghĩ, mà là động, nó bị uốn và bẻ cong theo các cách thức kỳ lạ. Giả sử sân khấu cuộc sống này được thay thế bằng một giàn nhún, sao cho các diễn viên lún xuống nhẹ nhàng dưới trọng lượng của bản thân họ. Trên hí trường như vậy, chúng ta thấy rằng sân khấu này cũng trở nên quan trọng ngang với các diễn viên. Hãy nghĩ về một quả bóng bowling được đặt trên một cái giường và đang lún xuống nhẹ nhàng vào trong đêm. Bây giờ hãy bắn một viên bi dọc theo bề mặt cong của chiếc đệm. Nó sẽ di chuyển theo một đường cong, quay xung quanh quả bóng bowling. Một người theo thuyết Newton, khi chứng kiến viên bi xoay quanh quả bóng bowling từ xa, có thể kết luận rằng có một lực bí ẩn mà quả bóng bowling đã tác động lên viên bi này. Người theo thuyết Newton này có thể nói rằng quả bóng bowling đã gây ra một sức kéo tức thời kéo viên bi hướng về phía tâm của nó. Đối với một người theo thuyết tương đối, người có thể theo dõi chuyển động của viên bi trên chiếc giường cận cảnh hơn, thì hiển nhiên là không có lực nào cả. Ở đó chỉ có sự uốn cong của cái đệm giường, đã buộc viên bi phải di chuyển theo một đường cong. Đối với người theo thuyết tương đối này, không có sức kéo, chỉ có sức đẩy, được chiếc giường bị uốn cong tác động lên viên bi này. Thay thế viên bi bằng Trái Đất, quả bóng bowling bằng Mặt Trời, và chiếc giường bằng không-thời gian trống rỗng, thì chúng ta thấy rằng Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời không phải là do lực kéo của hấp dẫn mà là vì Mặt Trời uốn cong không gian xung quanh Trái Đất, tạo ra một sức đẩy buộc Trái Đất phải di chuyển thành một vòng tròn. Vì vậy Einstein đã đưa đến cách hiểu rằng hấp dẫn giống như một tấm vải hơn là một lực vô hình đã tác động tức thời trong khắp vũ trụ. Nếu một ai đó lắc nhanh tấm vải này, các sóng hình thành và di chuyển dọc theo bề mặt với một tốc độ xác định. Điều này giải quyết nghịch lý về mặt trời đang biến mất. Nếu lực hấp dẫn là một sản phẩm phụ của sự uốn cong của bản thân cơ cấu không-thời gian, thì sự biến mất của Mặt Trời có thể được ví như sự nhấc quả bóng bowling đột ngột lên khỏi cái giường. Khi cái giường phồng lên trở lại hình dạng ban đầu của nó, các sóng truyền xuống tấm khăn trải giường lan truyền với một tốc độ xác định. Vì thế, bằng cách biến đổi hấp dẫn thành sự uốn cong của không gian và thời gian, Einstein đã có thể làm cho hấp dẫn và thuyết tương đối tương thích với nhau. Hãy tưởng tượng một con kiến đang cố gắng để đi ngang qua một tờ giấy bị vò nhàu. Nó sẽ đi như một gã thủy thủ say rượu, lảo đảo hết ngả sang trái lại nghiêng sang phải, khi nó cố gắng đi qua một địa hình gấp nếp. Con kiến này sẽ bảo rằng nó không say rượu, mà là một lực bí ẩn đang kéo mạnh nó, lôi kéo nó lúc thì sang trái, lúc thì sang phải. Đối với con kiến này, không gian trống rỗng chứa đầy các lực bí ẩn ngăn không cho nó đi trên một đường thẳng. Tuy nhiên, nhìn vào con kiến này ở một khoảng cách gần, chúng ta thấy rằng không có một lực nào đang kéo nó. Nó chỉ bị đẩy bởi các nếp gấp của tờ giấy bị vò nhàu. Các lực tác động lên con kiến là một ảo giác do sự uốn cong của bản thân không gian gây ra. “Sức kéo” của lực này trên thực tế là “sức đẩy” được tạo ra khi nó đi trên một nếp gấp của tờ giấy. Nói cách khác, không phải hấp dẫn kéo, mà là không gian đẩy. Vào năm 1915, cuối cùng thì Einstein đã có thể hoàn thành cái mà ông gọi là thuyết tương đối rộng, kể từ đó trở đi nó đã trở thành trụ cột của vũ trụ học. Trong bức tranh mới đáng ngạc nhiên này, hấp dẫn không phải là một lực độc lập lấp đầy vũ trụ, mà là tác động biểu kiến của sự uốn cong “thớ vải” không thời gian. Thuyết này mạnh tới mức ông có thể tóm tắt nó trong một phương trình dài khoảng 2,5 cm. Trong lý thuyết mới xuất sắc này, mức độ uốn cong của không gian và thời gian được xác định bằng lượng vật chất và năng lượng mà nó chứa. Hãy hình dung bạn ném một hòn đá vào cái ao, va chạm này tạo ra một loạt các gợn sóng lăn tăn lan tỏa. Hòn đá càng lớn thì sự uốn cong của bề mặt ao càng nhiều. Tương tự, ngôi sao càng lớn thì sự uốn cong của không-thời gian xung quanh ngôi sao đó càng nhiều. SỰ RA ĐỜI CỦA VŨ TRỤ HỌC Einstein đã cố gắng sử dụng hình ảnh này để miêu tả vũ trụ như một tổng thể. Ông không lường trước được rằng mình sẽ phải đối mặt với nghịch lý Bentley, được phát biểu từ nhiều thế kỷ trước đó. Trong thập niên 1920, hầu hết các nhà thiên văn tin rằng vũ trụ là đồng nhất và tĩnh tại. Vì vậy, Einstein đã bắt đầu bằng giả định rằng vũ trụ đã được bụi và các ngôi sao choán chỗ một cách đồng nhất. Về mô hình, vũ trụ có thể so sánh với một quả bóng bay hoặc một bong bóng lớn. Chúng ta sống trên bề mặt của bong bóng này. Các ngôi sao và các thiên hà mà chúng ta thấy xung quanh chúng ta có thể được ví với các chấm được vẽ trên bề mặt quả bóng này. Bất ngờ đối với ông là bất cứ khi nào ông tìm cách giải các phương trình của mình, ông đều nhận thấy rằng vũ trụ đã trở nên động. Einstein đã đối mặt với chính vấn đề đã được Bentley nhận ra hơn 200 năm trước. Vì hấp dẫn luôn luôn là lực hút mà không bao giờ là lực đẩy, nên một tập hợp hữu hạn các ngôi sao sẽ suy sụp (co mạnh) thành một biến động khủng khiếp. Tuy nhiên, điều này mâu thuẫn với quan niệm thịnh hành đầu thế kỷ 20 rằng vũ trụ là tĩnh và đồng nhất. Cho dù là người có ý tưởng cách tân mạnh mẽ, Einstein cũng không thể tin rằng vũ trụ lại có thể luôn luôn động. Giống như Newton và vô số những người khác, Einstein tin vào một vũ trụ tĩnh. Vì vậy, vào năm 1917, Einstein đã buộc phải đưa một số hạng mới vào các phương trình của ông, một “hệ số gọt chân cho vừa giày” nhằm tạo ra một lực mới trong thuyết của ông, loại lực “phản hấp dẫn” đẩy các ngôi sao ra xa. Einstein gọi số hạng này là “hằng số vũ trụ”, một “chú vịt con xấu xí”* có vẻ giống như một ý nghĩ muộn màng ghép nối vào lý thuyết của ông. Einstein đã tùy tiện chọn lực phản hấp dẫn này để triệt tiêu sức hút của lực hấp dẫn nhằm tạo ra một vũ trụ tĩnh. Nói cách khác, vũ trụ đã bị cưỡng chế để trở thành tĩnh: sự co lại của vũ trụ vào bên trong do lực hấp dẫn đã bị triệt tiêu bởi lực hướng ra ngoài của năng lượng tối. (Trong bảy mươi năm, lực phản hấp dẫn này đã bị lãng quên, cho tới khi có các phát hiện trong ít năm gần đây.) Năm 1917, nhà vật lý Hà Lan Willem de Sitter đưa ra một giải pháp khác cho thuyết của Einstein, trong đó vũ trụ là vô hạn nhưng hoàn toàn không có bất kỳ vật chất nào, tức là nó chỉ bao gồm năng lượng chứa đựng trong chân không, gọi là hằng số vũ trụ. Lực phản hấp dẫn thuần túy này đủ để sinh ra một sự dãn nở nhanh, theo cấp số mũ của vũ trụ. Thậm chí không cần có vật chất, năng lượng tối này vẫn có thể tạo ra một vũ trụ đang dãn nở. Các nhà vật lý bây giờ đã phải đối mặt với tình thế tiến thoái lưỡng nan. Vũ trụ của Einstein có vật chất, nhưng không chuyển động. Còn vũ trụ của de Sitter có chuyển động, nhưng không có vật chất. Trong vũ trụ của Einstein, hằng số vũ trụ là cần thiết để trung hòa sức hút của hấp dẫn và tạo ra một vũ trụ tĩnh. Trong vũ trụ của de Sitter, chỉ riêng hằng số vũ trụ cũng đủ để tạo ra một vũ trụ dãn nở. Năm 1919, hai nhóm đã xác nhận dự đoán của Einstein rằng ánh sáng từ một ngôi sao xa xăm sẽ bị cong khi đi ngang qua Mặt Trời. Do đó, vị trí của ngôi sao có vẻ như sẽ dịch chuyển khỏi vị trí bình thường của nó khi có sự hiện diện của Mặt Trời. Điều này xảy ra là do Mặt Trời đã bẻ cong không-thời gian xung quanh mình. Vậy nên, lực hấp dẫn không “kéo” vào. Thay vào đó, không gian “đẩy” ra. Cuối cùng, vào năm 1919, khi châu Âu đang cố gắng thoát ra khỏi đống đổ nát và sự chém giết của Thế chiến lần thứ nhất, các nhóm nhà thiên văn đã được cử đi khắp thế giới để kiểm tra thuyết mới của Einstein. Einstein trước đó đã đề xuất rằng độ cong của không-thời gian do Mặt Trời gây ra sẽ đủ để bẻ cong ánh sáng sao đi qua vùng lân cận của nó. Ánh sáng sao sẽ uốn cong quanh Mặt Trời theo một cách thức chính xác, có thể tính được, tương tự như cách thức mà tấm kính bẻ cong ánh sáng*. Nhưng vì độ chói của ánh sáng Mặt Trời che át bất kỳ ngôi sao nào vào ban ngày, nên các nhà khoa học sẽ phải chờ một dịp nhật thực để tiến hành thực nghiệm quyết định này. Một nhóm do nhà vật lý thiên văn người Anh Arthur Eddington dẫn đầu lên tàu thủy tới đảo Principe ở vịnh Guinea ngoài khơi bờ biển Tây Phi để ghi nhận sự uốn cong của ánh sáng sao quanh Mặt Trời trong thời gian nhật thực. Một nhóm khác, do Andrew Commelin chỉ huy, rong ruổi đường biển tới Sobral ở miền Bắc Brazil. Các dữ liệu mà họ thu thập được ghi nhận một độ lệch trung bình của ánh sáng sao là 1,79 giây cung, xác nhận dự đoán của Einstein là 1,74 giây cung (trong phạm vi cho phép của sai số thí nghiệm). Nói cách khác, ánh sáng đã uốn cong khi tới gần Mặt Trời. Eddington sau đó nói rằng việc kiểm tra thuyết của Einstein là thời điểm khó quên nhất trong cuộc đời ông. Ngày 6 tháng 11 năm 1919, tại kỳ họp chung của Hội [Khoa học] Hoàng gia và Hội Thiên văn Hoàng gia ở London, người đoạt giải Nobel kiêm chủ tịch Hội Hoàng gia J. J. Thompson đã long trọng phát biểu rằng đây là “một trong những thành tựu lớn nhất trong lịch sử tư duy của loài người. Đây không phải là sự phát hiện ra một hòn đảo xa xôi hẻo lánh mà là sự phát hiện ra cả một châu lục của những ý tưởng khoa học mới. Nó là phát hiện vĩ đại nhất về trường hấp dẫn kể từ khi Newton đề ra các nguyên lý của ông.”[25] (Nghe nói sau đó một phóng viên đã phỏng vấn Eddington: “Người ta đồn rằng chỉ có ba người trên toàn thế giới hiểu được thuyết của Einstein. Ông chắc là một trong số họ.” Eddington im lặng, thấy thế phóng viên này nói tiếp: “Đừng khiêm tốn thế, Eddington.” Eddington nhún vai và nói: “Không đâu. Tôi đang tự hỏi xem ai có thể là người thứ ba.”)[26] Ngày hôm sau, nhật báo Times tại London chạy tiêu đề: “Cách mạng trong khoa học - Học thuyết mới về vũ trụ - Các ý tưởng của Newton đã bị lật đổ”. Tiêu đề này đã đánh dấu khoảnh khắc Einstein trở thành nhân vật nổi tiếng thế giới, một sứ giả từ các vì sao. Thông báo này là quá tuyệt vời, và sự chuyển hướng của Einstein ra khỏi Newton triệt để tới mức nó cũng đã gây ra một phản ứng dữ dội, cũng như sự chia rẽ vì có các nhà vật lý và thiên văn nổi tiếng đã phản đối thuyết này. Tại Đại học Columbia, Charles Lane Poor, một giáo sư về cơ học thiên thể, người dẫn đầu phe chỉ trích thuyết tương đối, phát biểu: “Tôi cảm giác như thể mình đang thả bộ cùng Alice trong xứ sở thần tiên và uống trà với Mad Hatter”*[27]. Lý do mà thuyết tương đối trái với lẽ phải thông thường của chúng ta không phải là vì thuyết này sai lầm, mà vì lẽ phải thông thường của chúng ta không hình dung đúng thực tại. Chúng ta là những kẻ kỳ quặc trong vũ trụ. Chúng ta sống trong một chốn cư ngụ bất thường, nơi mà nhiệt độ, mật độ và vận tốc đều rất vừa phải. Tuy nhiên, trong “vũ trụ thực sự”, các nhiệt độ có thể vô cùng nóng ở tâm của các ngôi sao, hay cực kỳ lạnh giá trong khoảng không bên ngoài, và các hạt hạ nguyên tử, đang bay vèo vèo trong không gian, thường xuyên di chuyển với tốc độ gần với tốc độ ánh sáng. Nói cách khác, lẽ phải thông thường của chúng ta đã phát triển trong một nơi cực kỳ bất thường và mờ mịt của vũ trụ là Trái Đất, nên không có gì đáng ngạc nhiên là lẽ phải thông thường của chúng ta không hiểu được vũ trụ thật sự. Vấn đề không nằm ở thuyết tương đối mà nằm ở giả định rằng lẽ phải thông thường của chúng ta hình dung đúng với thực tại. TƯƠNG LAI CỦA VŨ TRỤ Mặc dù thuyết của Einstein đã thành công trong việc giải thích các hiện tượng thiên văn như sự uốn cong của ánh sáng sao quanh Mặt Trời và sự lắc lư nhẹ của quỹ đạo sao Thủy (hành tinh của Mặt Trời), nhưng các dự đoán vũ trụ học của nó vẫn gây lúng túng. Các vấn đề này chủ yếu đã được nhà vật lý Nga là Aleksandr Friedmann làm sáng tỏ, ông đã tìm thấy những lời giải hiện thực và tổng quát nhất cho các phương trình của Einstein. Ngay cả ngày nay, những lời giải này vẫn còn được giảng dạy trong mọi khóa học về thuyết tương đối rộng ở bậc học đại học (Friedmann đã phát hiện ra chúng vào năm 1922, nhưng ông qua đời năm 1925, và công trình của ông phần lớn đã bị lãng quên trong nhiều năm). Bình thường, thuyết của Einstein bao gồm một loạt các phương trình cực kỳ khó, thường đòi hỏi phải có máy tính để giải. Tuy nhiên, Friedmann đã giả định rằng vũ trụ là động và sau đó chấp nhận hai giả định đơn giản hóa (được gọi là nguyên lý vũ trụ học): vũ trụ là đẳng hướng (nó giống hệt nhau bất kể chúng ta nhìn vào đâu từ một điểm cho trước), và vũ trụ là đồng nhất (nó giống hệt nhau bất kể bạn đi tới đâu trong vũ trụ). Với hai giả định đơn giản hóa này, chúng ta thấy rằng các phương trình nói trên được thu gọn hẳn lại. (Trên thực tế, cả hai giải pháp của Einstein và de Sitter chỉ là các trường hợp đặc biệt của giải pháp tổng quát hơn của Friedmann.) Đáng chú ý, các giải pháp của ông chỉ phụ thuộc vào ba tham số: 1. H, tham số xác định tốc độ dãn nở của vũ trụ. (Ngày nay, tham số này được gọi là hằng số Hubble, đặt theo tên nhà thiên văn học đã đo được sự dãn nở của vũ trụ.) 2. Omega ( ), tham số đo mật độ trung bình của vật chất trong vũ trụ. 3. Lambda (��), năng lượng gắn với không gian trống rỗng, hay năng lượng tối. Nhiều nhà vũ trụ học đã dành toàn bộ sự nghiệp chuyên môn của mình để có thiết lập một cách chắc chắn giá trị chính xác của ba con số này. Tương tác tinh tế giữa ba hằng số này xác định sự phát triển trong tương lai của toàn thể vũ trụ. Chẳng hạn, vì hấp dẫn là hút, nên mật độ vũ trụ omega tác động như một loại phanh làm chậm sự dãn nở của vũ trụ, đảo ngược một số tác động của tốc độ dãn nở của vụ nổ lớn. Hãy hình dung bạn ném một viên đá vào trong không trung. Bình thường, hấp dẫn là đủ mạnh để đảo ngược hướng chuyển động của viên đá, khiến sau đó nó rơi trở lại Trái Đất. Tuy nhiên, nếu người ta ném viên đá đủ nhanh, thì nó có thể thoát khỏi sức hút của Trái Đất và vĩnh viễn bay vào khoảng không vũ trụ. Giống như một viên đá, vũ trụ ban đầu đã dãn nở vì vụ nổ lớn, nhưng vật chất, hay omega, hoạt động như một cái phanh hãm sự dãn nở của vũ trụ lại, giống như cách mà lực hấp dẫn của Trái Đất đã tác động như một cái phanh đối với viên đá. Hiện giờ, chúng ta hãy giả định rằng lambda, năng lượng gắn liền với không gian trống rỗng, là bằng 0. Giả sử omega là mật độ vũ trụ chia cho mật độ tới hạn. (Mật độ tới hạn của vũ trụ là khoảng 10 nguyên tử hyđrô mỗi mét khối. Để đánh giá vũ trụ trống rỗng đến mức nào, mật độ tới hạn của vũ trụ tương ứng với việc tìm được trung bình một nguyên tử hyđrô độc nhất trong thể tích của ba quả bóng rổ.) Sự phát triển của vũ trụ có ba phương án có thể có. Nếu omega nhỏ hơn 1 (và lambda bằng 0), vũ trụ sẽ dãn nở mãi mãi thành vụ đóng băng lớn. Nếu omega lớn hơn 1, vũ trụ sẽ suy sụp (co mạnh) trở lại thành vụ co lớn. Nếu omega bằng 1, thì vũ trụ là phẳng và sẽ dãn nở mãi mãi. (Các dữ liệu của vệ tinh WMAP chỉ ra rằng omega cộng lambda bằng 1, nghĩa là vũ trụ là phẳng. Điều này phù hợp với thuyết lạm phát.) Nếu omega nhỏ hơn 1, các nhà khoa học kết luận rằng vũ trụ không đủ vật chất để đảo ngược sự dãn nở ban đầu từ vụ nổ lớn. (Giống như việc ném viên đá vào không trung, nếu khối lượng Trái Đất không đủ lớn, viên đá cuối cùng sẽ rời khỏi Trái Đất.) Kết quả là vũ trụ sẽ dãn nở mãi mãi, cuối cùng nhấn chìm vũ trụ vào một vụ đóng băng lớn cho đến khi nhiệt độ đạt tới gần độ không tuyệt đối. (Đây là nguyên lý đằng sau một tủ lạnh hoặc một máy điều hòa không khí[28]. Khi khí dãn nở, nó lạnh đi. Chẳng hạn, trong chiếc máy điều hòa không khí của bạn, khí luân chuyển trong đường ống dãn nở, do đó nó làm lạnh đường ống và căn phòng của bạn.) Nếu omega lớn hơn 1, thì có đủ vật chất và lực hấp dẫn trong vũ trụ để cuối cùng đảo ngược sự dãn nở vũ trụ. Kết quả là sự dãn nở của vũ trụ sẽ ngừng lại, và vũ trụ sẽ bắt đầu co lại. (Giống như việc ném một viên đá vào không trung, nếu khối lượng Trái Đất đủ lớn, viên đá cuối cùng sẽ đạt tới độ cao cực đại rồi rơi ngược trở về Trái Đất. Nhiệt độ sẽ bắt đầu tăng cao, khi những ngôi sao và các thiên hà vội vã lao vào nhau. (Bất cứ ai đã từng bơm một chiếc lốp xe đạp đều biết rằng sự nén khí sinh ra nhiệt. Công cơ học của không khí đang bơm vào được chuyển thành nhiệt năng. Cũng theo cách ấy, sự co nén của vũ trụ chuyển đổi năng lượng hấp dẫn thành nhiệt năng.) Cuối cùng, nhiệt độ sẽ trở nên quá nóng tới mức mọi dạng sự sống sẽ bị tiêu diệt, khi vũ trụ quay đầu hướng về một “vụ co lớn” rực lửa. (Nhà thiên văn Ken Croswell đặt tên cho quá trình này là “từ Sáng thế tới Hỏa táng”.) Nếu omega nhỏ hơn 1 (và lambda bằng 0), thì vũ trụ là mở và độ cong của nó là âm, giống như trong một cái yên ngựa. Các đường song song không bao giờ gặp nhau, và các góc trong của một tam giác có tổng nhỏ hơn 180 độ. Khả năng thứ ba là omega quanh quẩn ở 1; nói cách khác, mật độ vũ trụ bằng mật độ tới hạn. Trong trường hợp đó vũ trụ lơ lửng giữa hai thái cực nhưng vẫn sẽ dãn nở mãi mãi. (Bức tranh lạm phát nghiêng về kịch bản này, như chúng ta sẽ thấy.) Và cuối cùng, có khả năng là vũ trụ, do hậu quả của vụ co lớn, có thể tái xuất hiện trong một vụ nổ lớn mới. Thuyết này được gọi là vũ trụ dao động. Friedmann đã chỉ ra rằng mỗi kịch bản này, đến lượt nó, lại xác định độ cong của không-thời gian. Nếu omega nhỏ hơn 1 và vũ trụ dãn nở mãi mãi, như Friedmann đã chỉ ra, không chỉ thời gian là vô hạn, mà không gian cũng vô hạn. Vũ trụ này được gọi là “mở”, nghĩa là vô hạn cả về không gian lẫn thời gian. Khi Friedmann tính toán độ cong của vũ trụ này, ông đã tìm ra nó là âm. (Điều này cũng giống như bề mặt của một cái yên ngựa hay một cái kèn trompet. Nếu một con rệp sống trên bề mặt của bề mặt này, nó sẽ thấy rằng các đường song song không bao giờ gặp nhau, và các góc trong của một tam giác có tổng nhỏ hơn 180 độ.) Nếu omega lớn hơn 1, thì vũ trụ cuối cùng sẽ co lại thành một vụ co lớn. Thời gian và không gian là hữu hạn. Friedmann thấy rằng độ cong của vũ trụ này là dương (giống như một khối cầu). Cuối cùng, nếu omega bằng 1, thì không gian là phẳng và cả thời gian lẫn không gian là vô tận. Nếu omega lớn hơn 1, thì vũ trụ là đóng và độ cong của nó là dương, như trong một khối cầu. Các đường song song luôn luôn gặp nhau, và các góc của một tam giác có tổng lớn hơn 180 độ. Friedmann không chỉ cung cấp cách tiếp cận toàn diện đầu tiên đối với các phương trình vũ trụ học của Einstein, mà ông cũng đã đưa ra phỏng đoán hiện thực nhất về ngày Tận thế, hay số phận cuối cùng của vũ trụ - hoặc nó sẽ tàn lụi trong một vụ đóng băng lớn, hoặc bị chiên giòn trong một vụ co lớn, hoặc dao động mãi mãi. Câu trả lời tùy thuộc vào các tham số quan trọng: mật độ vũ trụ và năng lượng của chân không. Những bức tranh của Friedmann để lại một chỗ trống. Nếu vũ trụ đang dãn nở, thì có nghĩa là có thể nó đã có một khởi đầu. Thuyết của Einstein không nói gì về thời khắc khởi đầu này. Những gì bị bỏ qua là thời điểm Sáng thế, hay vụ nổ lớn. Và sẽ có ba nhà khoa học cho chúng ta một hình ảnh hấp dẫn nhất của vụ nổ lớn. CHƯƠNG BA VỤ NỔ LỚN Vũ trụ không chỉ lạ lùng hơn so với điều chúng ta tưởng, nó còn lạ lùng hơn so với điều chúng ta có thể tưởng. - J. B. S. Haldane Những gì loài người chúng ta đang tìm kiếm trong câu chuyện Sáng thế là cách thức trải nghiệm thế giới, cái thế giới sẽ mở ra cho chúng ta tính siêu nghiệm, thông báo cho chúng ta và đồng thời hình thành bản thân chúng ta trong nó. Đó là những gì con người muốn, những gì tâm hồn con người đòi hỏi. - Joseph Campbell Trang bìa tạp chí Mỹ Time số ra ngày 6 tháng 3 năm 1995 có đăng ảnh của thiên hà xoắn ốc lớn M100, với khẳng định “Vũ trụ học rơi vào hỗn loạn.” Vũ trụ học đã bị ném vào chỗ lộn xộn vì các dữ liệu mới nhất từ kính viễn vọng không gian Hubble dường như chỉ ra rằng vũ trụ trẻ hơn so với ngôi sao già nhất của nó, một điều không thể xảy ra xét về mặt khoa học. Các dữ liệu này cho thấy rằng vũ trụ nằm trong khoảng từ 8 tới 12 tỉ năm tuổi, trong khi một số người tin rằng ngôi sao già nhất có thể tới 14 tỉ năm tuổi. “Bạn không thể già hơn mẹ của mình”, Christopher Impey từ Đại học Arizona nói giọng hài hước. Nhưng một khi bạn đang đọc bản in đẹp đẽ này, bạn nhận ra rằng thuyết vụ nổ lớn là khá vững chắc. Bằng chứng bác bỏ thuyết vụ nổ lớn đã dựa trên một thiên hà duy nhất là M100, đó là một cách thực hiện khoa học rất đáng ngờ. Các lỗ hổng, như bài báo thừa nhận, là “đủ lớn để lái chiếc Starship Enterprise* bay qua”. Dựa trên dữ liệu thô của kính viễn vọng không gian Hubble, tuổi của vũ trụ không thể được tính với độ chính xác cao hơn từ 10 tới 20%. Quan điểm của tôi là thuyết vụ nổ lớn không dựa trên sự suy đoán suông, mà là trên hàng trăm điểm dữ liệu được lấy từ các nguồn khác nhau, mỗi điểm dữ liệu này đều hội tụ để củng cố một lý thuyết tự nhất quán duy nhất. Trong khoa học, không phải mọi thuyết đều được tạo ra như nhau. Trong khi bất cứ ai đều có thể tự do đề xuất phương án của chính họ về sự sáng tạo ra vũ trụ, thì yêu cầu là nó phải giải thích được hàng trăm điểm dữ liệu mà chúng ta đã thu thập được phù hợp với thuyết vụ nổ lớn.) Ba “bằng chứng” lớn của thuyết vụ nổ lớn dựa trên công trình của ba nhà khoa học xuất chúng, những người đã chi phối các lĩnh vực tương ứng của họ: Edwin Hubble, George Gamow, và Fred Hoyle. EDWIN HUBBLE: NHÀ THIÊN VĂN QUÝ TỘC Trong khi nền tảng lý thuyết của vũ trụ học đã được Einstein đề ra thì vũ trụ học quan sát hiện đại hầu như được một tay Edwin Hubble tạo ra, người có lẽ là nhà thiên văn quan trọng nhất của thế kỷ 20. Sinh năm 1889 tại một vùng xa xôi hẻo lánh ở Marshfield, bang Missouri (Hoa Kỳ), Hubble là một cậu bé nhà quê nhún nhường nhưng ấp ủ đầy hoài bão. Cha ông, một luật sư và đại lý bảo hiểm, đã thúc giục ông theo đuổi công danh trong lĩnh vực luật pháp. Tuy nhiên, Hubble lại bị những cuốn sách của Jules Verne* mê hoặc và những ngôi sao bỏ bùa mê. Ông ngấu nghiến đọc các tác phẩm kinh điển của khoa học giả tưởng như Twenty Thousand Leagues under the Sea (Hai vạn dặm dưới đáy biển) và From the Earth to the Moon (Từ Trái Đất đến Mặt Trăng). Ông cũng là một võ sĩ quyền Anh đầy tài năng, những người bảo trợ muốn ông chuyển sang chuyên nghiệp và thi đấu với nhà vô địch hạng nặng thế giới là Jack Johnson. Ông đã giành được một suất học bổng Rhodes uy tín để học luật tại Oxford, nơi ông bắt đầu chấp nhận các lề thói cầu kỳ của tầng lớp thượng lưu Anh. (Ông bắt đầu mặc các bộ com lê vải tuýt, hút tẩu, học nói giọng kiểu Anh đặc trưng và nói về những vết sẹo đấu kiếm tay đôi của mình, mà người ta đồn là tự ông gây ra.) Tuy nhiên, Hubble đã không thấy vui sướng. Điều thực sự thúc đẩy ông không phải là các vụ kiện hay bộ đồ luật sư, mà là tình yêu lãng mạn của ông dành cho các vì sao, một tình yêu đã nảy sinh khi ông còn là một đứa trẻ. Ông đã dũng cảm thay đổi nghề nghiệp, chuyển sang Đại học Chicago và Đài quan sát tại núi Wilson ở bang California, là nơi khi đó có kính viễn vọng lớn nhất Trái Đất với gương phản chiếu 2,5 m. Bắt đầu sự nghiệp muộn như vậy, nên Hubble là người vội vã. Để giành lại thời gian đã mất, ông đã nhanh chóng đặt ra nhiệm vụ giải đáp một số điều bí ẩn khó hiểu nhất và lâu dài nhất trong thiên văn học. Vào thập niên 1920, vũ trụ là một nơi thoải mái, nhiều người tin rằng toàn thể vũ trụ chỉ bao gồm một thiên hà là Ngân Hà của chúng ta, một dải sáng mờ mờ cắt ngang bầu trời đêm giống như sữa đổ ra (quả thật, từ “galaxy” [“thiên hà” trong tiếng Anh] xuất phát từ tiếng Hy Lạp để chỉ sữa). Năm 1920, một cuộc “tranh luận lớn” đã diễn ra giữa hai nhà thiên văn Harlow Shanley của Đại học Harvard và Heber Curtis của đài thiên văn Lick. Với tiêu đề “Quy mô của vũ trụ”, nó liên quan tới kích thước của Ngân Hà và của chính vũ trụ. Shanley giữ quan điểm cho rằng Ngân Hà hợp thành toàn thể vũ trụ nhìn thấy. Curtis thì tin rằng phía ngoài Ngân Hà là các “tinh vân xoắn ốc”, thứ dải mờ xoáy kỳ lạ nhưng tuyệt đẹp. (Từ thế kỷ 18, nhà triết học Immanuel Kant đã suy đoán rằng các tinh vân này là “những vũ trụ dạng đảo”.) Cuộc tranh luận này đã kích thích trí tò mò của Hubble. Vấn đề then chốt là việc xác định khoảng cách đến các ngôi sao là (và vẫn là) một trong những nhiệm vụ khó khăn tột bậc trong thiên văn học. Một ngôi sao sáng ở rất xa trông có thể chẳng khác gì một ngôi sao mờ ở gần. Sự lẫn lộn này là nguồn gốc của nhiều tranh cãi lớn gay gắt trong thiên văn học. Để giải quyết vấn đề này, Hubble cần một ngọn “nến chuẩn”, nghĩa là một vật thể phát ra một lượng ánh sáng như nhau tại bất kỳ đâu trong vũ trụ. (Trên thực tế, một phần lớn nỗ lực trong vũ trụ học cho tới nay nhằm cố gắng tìm và định thang độ cho những cây nên chuẩn như vậy. Nhiều cuộc tranh luận lớn trong thiên văn học tập trung quanh mức độ tin cậy đến đâu của những cây """