Viết lại lịch sử vũ trụ

Gần hai thập niên sau khi ra đời, Endless Universe: Beyond the Big Bang, cuốn sách trực tiếp đề cập đến vũ trụ tuần hoàn (ekpyrotic universe) của hai nhà vật lý lý thuyết Paul Steinhardt và Neil Turok đã tới Việt Nam qua bản dịch của GS Nguyễn Văn Liễn Vũ trụ tuần hoàn: Vượt khỏi Big Bang - Viết lại lịch sử vũ trụ (Nhà xuất bản Trẻ).

Ở đây có một câu hỏi đặt ra: Tại sao chúng ta nên đọc cuốn sách này, sau gần hai thập niên ra đời? đây có phải là một cuốn sách quá lạc hậu?

Một phác thảo khác về vũ trụ

“Có thể, tự nhiên về cơ bản là xấu xí, hỗn độn và phức tạp. Nhưng nếu vũ trụ đúng là như vậy thì đến tôi cũng muốn bỏ cuộc”. Hai năm trước khi được trao giải Nobel Vật lý 1979, Steven Weinberg đã viết trong cuốn sách nổi tiếng của mình, The First Three Minutes: Modern View of the Origin of the Universe (Ba phút đầu tiên: Cái nhìn hiện đại về nguồn gốc của vũ trụ). Thời điểm sáng thế của vũ trụ rơi vào ba phút đầu tiên sau vụ nổ lớn Big Bang, khi nhiệt độ bắt đầu giảm đủ để các hạt hạ nguyên tử hình thành và liên kết với nhau.

Cái chớp mắt trong lịch sử tồn tại gần 14 tỷ năm của vũ trụ đã đặt nền tảng cho sự hình thành của các nguyên tố nguyên thủy, rồi các đám mây khí và bụi, dưới sự tác động của lực hấp dẫn, tích tụ thành các ngôi sao, thiên hà…

Nhận xét này của bậc tiền bối đã được “những hậu bối nổi loạn” Paul Steinhardt và Neil Turok trích dẫn trong cuốn sách có thể nói là dám mưu toan lật đổ lý thuyết cũ. Bởi như nhận xét của Stephen Hawking, “Vũ trụ tuần hoàn” là “một thay thế thách thức đối với bức tranh đã được thừa nhận về Big Bang và tương lai của vũ trụ”.

Đúng là từ vài thập niên trở lại đây, mô hình lạm phát đã được cộng đồng vật lý thiên văn và vũ trụ học công nhận rộng rãi, khi những bổ sung theo thời gian làm dày dặn thêm, với mô hình vụ nổ Big Bang, cơ chế lạm phát và giả thuyết năng lượng tối làm gia tốc sự giãn nở của vũ trụ. Sau những quan sát thu được của tàu thăm dò vệ tinh bất đẳng hướng vi sóng Wilkerson (WMAP) về bức xạ phông vi sóng vũ trụ (CBM), tàn dư của vũ trụ sơ khai ngay sau Big Bang được lan truyền một cách tự do trong không gian, với độ chi tiết chưa từng có, người ta lại càng tin tưởng vào mô hình này. Bản thân Paul Steinhardt và Neil Turok, những người ít nhiều đóng góp vào mô hình lạm phát, cũng không khỏi ngưỡng mộ “Có một lý thuyết có thể mô tả chính xác các sự kiện xảy ra hàng tỷ năm trước là một thành công đáng kinh ngạc; các mô hình dự báo tốt nhất cũng không thể dự báo thời tiết ngày mai với mức độ chắc chắn gần như vậy”. Thành công ấy, được họ ví von như thể kể lại diễn biến một vở kịch mà người xem đến muộn 14 tỉ năm, khi các màn mấu chốt đã trôi qua từ lâu.

Tuy nhiên, cùng một số nhà lý thuyết khác, họ cảm thấy không thoải mái về duy nhất một mô hình giải thích vũ trụ, “ngay cả khi một miêu tả phù hợp tốt với tất cả các bằng chứng khả dụng, luôn có khả năng tồn tại một miêu tả khác có thể phù hợp như vậy hoặc có thể tốt hơn”.

Sách Vũ trụ tuần hoàn. Ảnh: NXB Trẻ.

Vậy mô hình tốt hơn là gì? Trên đường đi tìm những lời giải thích, Paul Steinhardt, Neil Turok và cộng sự đã đề xuất lý thuyết vũ trụ tuần hoàn, trên cơ sở thừa hưởng lý thuyết dây. Trái ngược với lý thuyết lạm phát đã được công nhận, vũ trụ tuần hoàn không cần đến “điểm kỳ dị” và Big Bang không chỉ xảy ra một lần.

Big Bang xảy ra do sự va chạm giữa các màng (brane) hai chiều (hay các thế giới) thành một không gian nhiều chiều hơn. Và vũ trụ của chúng ta được hình thành từ va chạm giữa các màng trong không gian đa chiều này. “Theo bức tranh tuần hoàn, vũ trụ được truyền một lượng đủ lớn vật chất và bức xạ mới trong mỗi lần va chạm để có thể tạo ra các thiên hà, ngôi sao và sự sống mới tư va chạm của các brane dọc theo các chiều dư”.

Trong quá trình tồn tại của mình, vũ trụ có thể đã trải qua nhiều chu kỳ va chạm giữa các màng, trong đó mỗi va chạm lại tái thiết sự giãn nở của không gian vũ trụ. Sự tiến hóa vĩnh cửu của vũ trụ chính là chuỗi hành động co lại, giãn ra được lặp đi lặp lại đến vô tận, “các thiên hà, ngôi sao và sự sống sẽ được hình thành lặp đi lặp lại từ lâu trước Big Bang gần đây nhất, và sẽ được tái tạo hết chu kỳ này tới chu kỳ khác mãi tới tương lai xa xôi”.

Một lý thuyết mới giải thích sự tiến hóa vũ trụ, rút cục có ích gì với độc giả đại chúng như chúng ta?

Thông điệp đằng sau lý thuyết

Được viết để giải thích về mô hình vũ trụ tuần hoàn, cuốn sách này không thiếu những trang dày đặc các khái niệm mà việc hiểu về nó cũng đòi hỏi một nỗ lực lớn, “màng”, “chiều dư”, “lạm phát vũ trụ”, “chân không giả”, “chân không thực”, "dịch chuyển đỏ”…, nghĩa là đầy bão não với phần lớn chúng ta.

Dĩ nhiên, ngoại trừ các nhà vật lý lý thuyết, những người mà nghề nghiệp đem lại một nền tảng tri thức, một cách tiếp cận khác hẳn phần còn lại của thế giới. Liệu họ có biết sự khó nắm bắt của đại chúng? Trong cuốn Yersin (bản dịch của Đoàn Thế Linh, NXB Trẻ), nhà văn Patrick Deville đã đề cập đến vấn đề này một cách hài hước “Ta đã biết sự kinh ngạc của các nhà toán học khi thấy mọi người xung quanh họ không phải ai cũng biết giải dù chỉ là một phương trình bậc ba, niềm kinh ngạc thành thực mà người ta cứ tưởng là kiêu ngạo trong khi nó chỉ là ngây thơ”.

Hai tác giả của sách Vũ trụ tuần hoàn, từ trái sang: Neil Turok và Paul Steinhardt. Ảnh: perimeterinstitute, princeton.

Mặc dù khá thách thức với bạn đọc đại chúng nhưng Vũ trụ tuần hoàn vẫn có những khoảng trống nằm ngoài lý thuyết như các lối mở mời mọi người dạo bước. Có lẽ, đây là cơ hội để người ta thấy được những khoảnh khắc đột sinh của một lý thuyết mới trong bối cảnh dường như bức tranh vũ trụ đã được giải thích gần như đầy đủ với Big Bang, lạm phát, bức xạ nền vi sóng, lực hấp dẫn… và kết quả thực nghiệm.

Các nhà khoa học, như thường lệ, luôn lật lại vấn đề và truy tìm cái mới. “Thật rất cám dỗ để tuyên bố rằng các câu hỏi lớn trong vũ trụ học đã được trả lời. Nhưng có thực là đã đến lúc tuyên bố chiến thắng chưa?”

Để đi tới một điểm mốc hình thành một lý thuyết mới, một cách giải thích mới, các nhà khoa học đã phải trải qua rất nhiều thử thách, trong đó có nỗi hoài nghi của đồng nghiệp. Paul Steinhardt và Neil Turok không chỉ nói về những thách thức buổi đầu của lý thuyết tuần hoàn mà còn điểm điều tương tự với những lý thuyết khác trong lịch sử nghiên cứu vũ trụ học. “Những năm 1970 là thời kỳ hoàng kim của lý thuyết trường lượng tử, và lý thuyết dây được xem như một vũng nước tù tách khỏi các dòng chính… Đây là một quá trình nản lòng và chậm chạp, vì ít người sẵn sàng mạo hiểm làm về chủ đề ấy”.

Thông thường, người ngoài cuộc chỉ biết đến một sự tồn tại của một lý thuyết thành công mà ít biết đến những trắc trở của nó, khi các nhà nghiên cứu hoài thai nó phải đối mặt với cả những khó khăn ngoài khoa học. Hội thảo quốc tế về lý thuyết dây ở Viện Isaac Newton, Đại học Cambridge vào năm 1999, do Paul Steinhardt và Neil Turok cùng nhà lý thuyết Valery Rubakov tổ chức, là sự kiện đưa họ bước vào mô hình tuần hoàn. Trớ trêu, hội thảo có nguy cơ đổ vỡ do một phần tài trợ từ NATO, tổ chức tham gia vào cuộc chiến ở Kosovo, khiến một số nhà khoa học rút lui. Vậy có nên tiếp tục? “Có một trường phái vũ trụ học mạnh mẽ ở Đông Âu nhưng có rất ít cơ hội cho tương tác cá nhân với các nhà vũ trụ học từ phần còn lại của thế giới. Nếu hội thảo này bị hủy, các thành viên tham gia sẽ lỡ mất một cơ hội hiếm hoi để trao đổi ý tưởng và tạo dựng các liên kết tốt đẹp hơn”. Suy nghĩ ấy đã thúc đẩy dòng chảy khoa học, bất chấp khó khăn thời cuộc.

Những câu chuyện như vậy, thấp thoáng ẩn hiện trong những trang sách, khiến chúng ta thấy thế giới khoa học thật ra không xa đời thực, và nỗ lực của các nhà khoa học hóa ra rất gần với những nỗ lực mà chúng ta cần bỏ ra để đi đến điểm đích. Điều khác biệt có thể là nỗ lực của họ được diễn tả bằng một thứ ngôn ngữ khác, và được tô điểm bằng vô số thất bại trong bóng tối.

Nhưng ngay cả như vậy thì họ vẫn cẩn trọng. Nếu Louis Paster, khi phát hiện ra vi khuẩn, đã tìm đến Émile Littré, nhà ngôn ngữ học và triết gia Pháp, để định danh microbe thì Paul Steinhardt, Neil Turok đã đến gặp các học giả ngôn ngữ, văn học cổ Hy Lạp, La Mã để xin tư vấn về tên gọi cho mô hình mới của mình. Đó là lý do mà vũ trụ tuần hoàn có tên gọi vũ trụ ekpyrotic (vũ trụ sinh ra từ lửa).

Khi chuẩn bị gập lại cuốn sách này, chìm đắm với những giải thích về một mô hình vẫn đang chịu nhiều thách thức trên đường chứng minh, chúng ta chợt gặp những lời bộc bạch viết riêng cho độc giả Việt Nam của Paul Steinhardt, người vẫn còn theo đuổi mô hình tuần hoàn trong khi Neil Turok đã chuyển hướng mối quan tâm mới.

Gần 20 năm trôi qua, cũng như nhiều mô hình tham vọng giải thích vũ trụ khác, mô hình vũ trụ tuần hoàn vẫn còn đang vật lộn với những khó khăn của mình. Paul Steinhardt, dù hy vọng vào tiến bộ của công nghệ mới có thể giúp kiểm chứng lý thuyết, song vẫn chấp nhận khả năng thất bại một cách hài hước “chỉ còn vài năm nữa, chúng ta sẽ biết liệu ‘Vũ trụ tuần hoàn’ vẫn còn ý nghĩa hay nên quẳng nó vào thùng rác”.

Thất bại hay thành công? Cho đến nay đây vẫn là một câu hỏi mở nhưng nỗ lực của các nhà lý thuyết, trong đó có Paul Steinhardt, Neil Turok và nhiều người mà chúng ta không biết tên, vẫn là nỗ lực đáng trân trọng.

Bởi, nói như Steven Weinberg “Mặc dù chúng ta không phải là những diễn viên trong một bộ phim vũ trụ, nhưng nếu bộ phim duy nhất mà chúng ta đóng cũng là bộ phim mà chúng ta kiến tạo khi đang sống, thì có lẽ cũng không hẳn là điều tồi tệ khi đối mặt với một thế giới thờ ơ, vô cảm, chúng ta tạo ra một hòn đảo nhỏ với sự ấm áp, với tình yêu, với khoa học và với nghệ thuật cho chính mình”.