Tiếng vọng thuở hồng hoang

Giáp Văn Dương

Ngày 17/3/2014, Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian đã công bố kết quả nghiên cứu của trạm thiên văn BICEP2 tại Nam Cực về việc tìm ra của sóng hấp dẫn nguyên thủy, phát sinh trong giai đoạn lạm phát của vũ trụ. Ngay lập tức, tin này gây chấn động trong giới khoa học, đặc biệt là giới Vật lý và Thiên văn học.

Nếu đúng thì đây là lần đầu tiên, sóng hấp dẫn, tiên đoán chưa được kiểm chứng cuối cùng của thuyết tương rộng, được xác nhận. Cũng lần đầu tiên, con người biết được diễn tiến của vũ trụ từ thuở sơ khai, ngay sau vụ nổ lớn khoảng một phần tỷ tỷ tỷ tỷ giây. Vì thế, đây được coi là một trong những khám phá khoa học vĩ đại nhất của con người, tương tự như việc phát hiện ra năng lượng tối hoặc tìm ra hạt boson Higgs.

Nhưng đó là chuyện của giới khoa học. Còn chúng ta, liệu có chút liên hệ gì trong những sự kiện thế này?

Kỷ niệm ấu thơ

Cũng như các ngành khoa học chuyên sâu khác, nói về thiên văn học là một chuyện khó. Vì ngay cả với các đại học ở Việt Nam, thiên văn học vẫn còn là một ngành xa lạ, và đôi khi bị nhầm lẫn với chiêm tinh học, một môn huyền học phổ biến của cả hai bờ Đông Tây.

Nhưng không vì thế mà thiên văn học xa lạ với chúng ta. Nếu nhớ lại hẳn bạn sẽ thấy khi còn thơ bé, mỗi khi trăng sáng, bạn thường vừa đi vừa ngước mắt nhìn mặt trăng và sau đó thích thú nhận ra mặt trăng đang đi theo mình. Bạn đi đâu, trăng đi theo đấy. Với bạn, khám phá ấy thật là kỳ diệu. Bạn hớn hở thông báo cho anh em bè bạn về “sự kiện” lớn lao này.

Đó có lẽ là quan sát thiên văn đầu tiên của riêng bạn. Bạn đã biết ngước mắt lên để quan sát bầu trời và tìm thấy niềm vui thú từ đó. Biết bao thế hệ trẻ em đã say mê với quan sát thiên văn đầu tiên này. Và biết bao niềm vui thuần khiết đã đến từ sự khám phá nghiệp dư này.

Nói là quan sát thiên văn vì ở đây, đối tượng quan sát của bạn là mặt trăng, tức là một thiên thể. Bạn đã tìm cách quan sát xem mặt trăng đang ở đâu. Nên nhớ rằng, tìm xem các thiên thể ở đâu đã, và vẫn sẽ, là một trong những công việc quan trọng nhất của thiên văn học.

Dụng cụ quan sát của bạn là đôi mắt thường. Và kết quả quan sát được báo cáo ngắn gọn rằng mặt trăng đi theo bạn. Diễn dịch theo ngôn ngữ khoa học thì là mặt trăng chuyển động xung quanh bạn. Điều này có nghĩa, bạn, bạn là trung tâm!

Òa! Thật quá tuyệt vời! Lần đầu tiên bạn không chỉ có một khám phá thú vị, mà còn thấy mình có một vị trí thật là quan trọng.

Với mặt trời, bạn không thể nhìn lâu vì quá chói, để biết xem mặt trời có đi theo bạn hay không. Nhưng có một điều bạn biết chắc chắn, mặt trời mọc ở đằng Đông và lặn ở đằng Tây. Và để việc đó xảy ra thì mỗi ngày, mặt trời đều phải đi từ Đông sang Tây qua đỉnh bầu trời một cách đều đặn.

Nhưng còn đêm tối? Khi đêm tối buông xuống, bạn được giải thích rằng, mặt trời đi ngủ giống như bạn vậy. Sáng mai mặt trời sẽ thức dậy, bạn sẽ có ánh sáng. Sự xuất hiện, và biến mất, của mặt trăng, mặt trời và các vì sao, được giải thích đơn giản là thức dậy và đi ngủ, y như con người vậy.

Những quan sát ban đầu này làm cho bạn cảm thấy mình thật quan trọng. Mình, và trái đất nơi mình sống, dường như ở trung tâm của vũ trụ. Mặt trăng, mặt trời và các vì sao, đều xoay chuyển xung quanh trung tâm này.

Niềm tin tôn giáo, và sự tự hào về cái tôi của con người, càng củng cố thêm cho nhận định này.

Sau này, khi lớn lên, bạn được học rằng, không phải mặt trời mặt trăng đi theo mình, cũng không phải vì mặt trời đi ngủ nên sinh ra đêm tối. Sở dĩ có màn đêm là vì trái đất tự quay xung quanh trục của mình mỗi 24 giờ một vòng. Sáng khi chúng ta quay về phía mặt trời, còn tối khi chúng ta ở phía khác, không được ánh sáng của mặt trời soi rọi. Ngoài ra, chính trái đất quay xung quanh mặt trời chứ không phải là ngược lại.

Đây là một điều hiển nhiên với học sinh phổ thông. Nhưng phải mất hàng chục, hay hàng trăm, nghìn năm con người mới phát hiện ra. Nếu so với lịch sử hình thành của con người hiện đại từ khoảng 200 nghìn năm về trước, thì thời điểm để chúng ta biết được điều này quả thật chỉ là phần thừa ra của con số lẻ.

Việc mặt trời chuyển động quanh trái đất được coi như một điều hiển nhiên không cần bàn cãi. Vì ai ai cũng thấy vậy bằng mắt thường, hằng ngày. Chỉ đến khoảng 500 năm trước, con người mới lần đầu nhận ra sự thực không phải như vậy. Chính trái đất mới là cái chuyển động xung quanh mặt trời. Đây là bước tiến dài đầu tiên của ngành thiên văn học.

Tuy nhiên, những người tiên phong trong nhận thức mới mẻ này đã phải trả giá. Bruno đã phải lên dàn hỏa thiêu vì cổ vũ cho nhận thức mới này. Galileo, người ủng hộ thuyết nhật tâm sau khi đã hướng ống kính thiên văn lên bầu trời, đã phải kiểm điểm và công khai rút lui ý kiến trước Tòa án giáo hội. Nhưng niềm tin khoa học của ông không hề lung lay. Dù sao trái đất vẫn quay - Eppur si muove – câu nói nổi tiếng của ông đã trở thành điển hình về sức sống không gì có thể dập tắt được của chân lý khoa học.

Sau Galileo là Kepler với ba định luật thiên văn khẳng định chính trái đất và các hành tinh khác quay xung quanh mặt trời, với quỹ đạo elip thay vì hình tròn. Đặc biệt sau đó là Newton với thuyết vạn vật hấp dẫn, với những tính toán và tiên đoán chính xác về chuyển động của các thiên thể, thời điểm nhật thực, nguyệt thực, hay sự lên xuống của thủy triều.

Trí tuệ con người bước sang một giai đoạn mới trong việc khám phá bầu trời: mạnh mẽ, chắc chắn và tham vọng.

Tò mò vô vụ lợi

Con người là một sinh vật tò mò. Văn chương sẽ cho rằng tò mò là nguồn cơn của nhiều niềm hỉ nộ. Biết bao nàng công chúa vì tò mò mở căn phòng bí mật nên phải mất đầu. Cũng biết bao người vì tò mò mà chịu nhiều đau khổ. Nên lời cảnh báo đừng có tò mò đã trở thành cửa miệng.

Nhưng khoa học thì ngược lại. Khoa học cho rằng chính tò mò là nguồn gốc của hiểu biết, là cội rễ của tri thức. Chính vì tò mò, con người ngước mắt lên để nhìn bầu trời và có được những khám phá thú vị, những niềm vui thuần khiết của thuở ấu thơ. Cũng chính vì tò mò mà con người đặt ra những câu hỏi chẳng liên quan gì đến cuộc sống của mình, như ngoài mặt trời này ra thì liệu có còn mặt trời nào khác nữa, liệu có ai sống ở trên đó nữa không, vũ trụ này rộng lớn bao nhiêu, vũ trụ được tạo bởi cái gì, và như thế nào?

Vì tò mò mà đặt ra những câu hỏi. Có thể chẳng ích gì cho cuộc sống thường ngày, và cũng chẳng thể nào trả lời ngay được. Nhưng may mắn thay, một khi chúng được đặt ra, thì chúng sẽ cứ ám ảnh mãi. Nếu thế hệ này không trả lời được, thì thế hệ sau sẽ tìm cách trả lời. Đó chính là sự kết nối của một hành trình khám phá tự nhiên dài dằng dặc của con người.

Chính việc tìm cách trả lời những câu hỏi dạng này đã làm nảy sinh ra ngành triết học và khoa học. Rất nhiều nghìn năm đã trôi qua, hành trình tìm ra câu hỏi này đến nay vẫn chưa còn chấm dứt. Như mới năm ngoái đây thôi, việc trả lời một phần của câu hỏi “mọi thứ tạo bởi cái gì?” đã đưa đến việc tìm ra hạt boson Higgs, mà nhờ nó vạn vật có được khối lượng và hình hài như ta vẫn thấy.

Tương tự thế, thế giới này được sinh ra như thế nào cũng là một câu hỏi lớn, bí ẩn và hấp dẫn không kém. Đông Tây kim cổ đã tốn nhiều công sức, đưa ra hàng trăm lý thuyết khác nhau. Nếu ở Việt Nam thì chỉ cần ra dạo qua các quán xá vỉa hè một vòng thôi, nhiều khả năng bạn sẽ nghe thấy những từ Thái cực, Lưỡng nghi, Âm dương, Tứ tượng, Ngũ hành, Đạo… Tức những trụ cột của một lý thuyết về sự ra đời và vận hành của vũ trụ học phương Đông, nay đã thẩm thấu vào muôn mặt của đời sống. Còn nếu dự các seminar khoa học ở trong trường đại học, bạn sẽ nghe thấy những từ như Big Bang (Vụ nổ lớn), lạm phát, vũ trụ giãn nở, vận tốc ánh sáng, không thời gian, hấp dẫn, lượng tử… Chúng chính là những khái niệm trụ cột của lý thuyết về sự hình thành vũ trụ của khoa học hiện đại.

Về mặt nguyên tắc, tất cả các lý thuyết này đều bình đẳng với nhau. Nhưng chỉ lý thuyết nào được kiểm chứng, tức có thể đo đạc quan sát được bằng thực nghiệm, mới được thừa nhận. Chính vì thế, thực nghiệm là tiêu chuẩn của mọi lý thuyết khoa học. Chỉ cần có một ví dụ phản chứng thôi, lý thuyết khoa học đã bị loại bỏ.

Vũ trụ giãn nở

Ngay từ đầu bài chúng ta đã biết vì trái đất quay nên có đêm tối. Nhưng chúng ta cũng đã biết, ngoài mặt trời ra thì còn có vô vàn các mặt trời khác nữa. Chúng có ở khắp mọi nơi. Chúng cung cấp ánh sáng. Vậy nếu vũ trụ là vô hạn thì tại sao bầu trời đêm không sáng rực lên? Tại sao vẫn có đêm tối để chúng ta trú ngụ? Sự kiện đêm tối hiện hữu đã đẩy chúng ta vào thế bí trong suốt mấy trăm năm. Chúng là ta phải phưu lưu đến những chân trời xa nhất để tìm câu trả lời khả dĩ.

Người đầu tiên nhận ra nghịch lý này là Digges khoảng năm trăm năm về trước (1573), và sau đó được Olbers nêu lại và được biết đến như là nghịch lý Olbers (1826). Và phải đến gần bốn trăm năm sau, khoa học mới làm sáng tỏ được một phần của câu trả lời. Người có công đầu trong việc này không ai khác chính là Einstein với công trình về thuyết tương đối rộng. Nhờ thuyết tương đối mà lý thuyết về một vũ trụ giãn nở được hình thành. Thay vì tĩnh tại vĩnh cửu, vũ trụ thực sự đang giãn nở. Điều này đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm nhờ các quan sát của Hubble 90 năm về trước. Việc tìm ra sự dịch chuyển màu sắc về phía đỏ cuả ánh sáng phát ra từ các ngôi sao xa tít đã giúp Hubble đi đến kết luận rằng: Vũ trụ đang giãn nở. Vũ trụ đang mở rộng. Nếu vũ trụ như một quả bóng, thì rõ ràng quả bóng đang được thổi phình ra.

Dùng sự dịch chuyển về phía đỏ, tức bước sóng của ánh sáng dài hơn, cũng không là điều xa lạ với chúng ta. Điều này cũng tương tự như ta lắng tai nghe tiếng còi xe lửa, khi xe chạy xa ta thì tiếng của nó càng trầm, vì sóng âm thanh khi này có bước sóng dài hơn, còn khi xe chạy về phía ta thì tiếng còi chói hơn, vì sóng âm trong trường hợp này có bước sóng ngắn hơn. Đo đạc sự thay đổi của bước sóng, cũng chính là sự thay đổi của màu sắc đối với ánh sáng, sẽ cho ta biết vật đang chạy lại gần hay chạy ra xa ta.

Cũng nhờ thuyết tương đối của Enstein mà nhận thức của ta về vũ trụ thay đổi hoàn toàn. Giờ đây, không gian và thời gian không tách rời nhau và không còn là cứng nhắc, tuyệt đối. Chúng có thể co giãn tùy theo tốc độ chuyển động của vật thể. Chũng cũng không còn phẳng phiu trơn lì nữa. Sự cong của không gian là do vật chất gây ra. Sự cong này chính là bản chất của lực hấp dẫn. Các vật không hút nhau như trong thuyết vạn vật hấp dẫn của Newton, mà chỉ đơn giải chuyển động trong không gian cong theo đường ngắn nhất. Và hẳn nhiên, trong một không thời gian có khả năng co giãn uốn dẻo như thế, sự cong đi này sẽ được lan truyền dưới dạng sóng, như sóng nước trên mặt hồ. Đó chính là sóng hấp dẫn, tiên đoán cuối cùng của thuyết tương đối rộng cho đến ngay tuần trước, vẫn chưa được kiểm chứng là tồn tại.

Nhưng có gì quan trọng từ việc vũ trụ giãn nở? Hẳn nhiên, ta có thể ngoại suy ngay lập tức rằng, trước khi giãn nở, ắt hẳn nó phải bắt đầu từ một điểm rất nhỏ. Tức là vũ trụ ban đầu phải có một kích thước vô cùng nhỏ. Và ta nhớ lại một trong những kết luận của thuyết tương đối rằng, năng lượng và khối lượng hoàn toàn hoán chuyển được cho nhau, thì ở cái trạng thái ban đầu đó, chỉ có năng lượng thuần khiết ở một nhiệt độ cực cao là tồn tại được. Lý do: vì kích thước của vũ trụ quá nhỏ, mật độ năng lượng sẽ cực lớn, nên không vật chất nào giữ được hình hài ở điều kiện như vậy. Tất cả đều tan chảy thành năng lượng, dưới dạng bức xạ thuần khiết. Chỉ sau đó, khi giãn nở, vũ trụ mới nguội dần và vật chất như ta thấy mới dần hình thành.

Đây chính là ý tưởng của Gamow (1948), người tiên phong trong việc xây dựng một lý thuyết về sự hình thành của vũ trụ giãn nở, mà sau này được gọi là thuyết Big Bang, tức vụ nổ lớn.

Theo giả thiết này thì mọi thứ mà ta thấy, các vì sao, mặt trăng mặt trời, trái đất, bản thân chúng ta… đều được sinh ra từ vụ nổ lớn. Theo tính toán lý thuyết, vụ nổ này cũng để lại một bức xạ nền, đồng nhất và đẳng hướng ở khắp mọi nơi trong vũ trụ.

Nhưng có gì để kiêm chứng điều này? Nhớ lại rằng, thuyết Big Bang khi ra đời đã gặp nhiều phản đối. Ngay cả cái tên Big Bang cũng được đặt ra như một lời chế giễu. Nên chẳng có ai quan tâm đến tiên đoán về sự tồn tại của bức xạ nền để mà tìm kiếm. Phải mất gần hai chục năm sau, hai nhà khoa học của Bell Labs là Penzias và Wilson (1964) đã tình cờ phát hiện ra bức xạ nền, khi tìm cách đo bức xạ nhiệt của tầng khí quyển. Phát hiện này thực sự gây chấn động trong giới khoa học đương thời, và đã mang lại cho hai ông giải Nobel Vật năm 1978.

Nhờ việc đo nhiệt độ của bức xạ nền vào khoảng 2,727K (tức -270,424^oC), mà người ta tính được tuổi của vũ trụ. Giống như đo nhiệt độ của một cốc nước nóng, ta sẽ ước lượng được cốc nước đã để nguội được bao lâu. Tuổi của vũ trụ, vì thế tính ra được vào khoảng 13,8 tỷ năm.

Nhưng vì sao bức xạ nền này lại đồng nhất và đẳng hướng ở khắp mọi nơi? Điều này giống như vì sao mọi cốc nước nóng lại có cùng một nhiệt độ? Câu trả lời hợp lý nhất là vì trước đó, chúng được rót ra tức thời từ cùng một ấm nước sôi trong một thời gian cực ngắn. Đó chính là ý tưởng chủ đạo của giả thiết về vũ trụ lạm phát, do Alan Guth đưa ra vào năm 1980. Theo đó, ngay sau vụ nổ lớn khoảng một phần tỷ tỷ tỷ tỷ giây (10^-36 giây) đến đâu đó khoảng một phần triệu tỷ tỷ tỷ giây (~10^-33-10^-32 giây), từ trạng thái cân bằng nhiệt, vũ trụ đã giãn nở với vận tốc cực lớn, lớn hơn cả vận tốc ánh sáng. Chính sự giãn nở cực nhanh này, gọi là giãn nở lạm phát, đã làm cho nhiệt độ của các cốc nước ở mọi nơi đều như nhau, tức bức xạ nền là đồng nhất và đẳng hướng.

Như vậy, về cơ bản, bức tranh về sự hình thành của vũ trụ theo thuyết Big Bang đã tương đối rõ ràng, ít nhất là từ khoảng thời gian ~10^-36 giây sau vụ nổ lớn. Tuy nhiên, trước đó thì vẫn còn là bí ẩn. Mọi khám phá sâu xa hơn sẽ không thể thực hiện bằng thực nghiệm vì thời kỳ lạm phát đã xóa hết mọi dấu vết có thể đo đạc được.

Tuy nhiên, câu hỏi về khoảng thời gian trước vũ trụ lạm phát, thậm trí cả trước Big Bang, vẫn lảng vảng trong đầu chúng ta. Nhiều nhà khoa học thì cho rằng, trước Big Bang sẽ không là gì cả. Tức là, mọi thứ được sinh ra từ hư vô. Big Bang được sinh ra từ hư vô. Tất cả đều sinh ra từ hư vô. Nghe thật kỳ lạ và huyền hoặc!

Chúng ta còn chưa rõ hư vô ở đây là hư vô thực sự, tức chân không tuyệt đối, hay là hư vô trong tưởng tượng và nhận thức của chúng ta.

Ngày nay, thuyết Big Bang đã chiếm địa vị chủ đạo trong khoa học, vì các tiên đoán của nó rất phù hợp với thực nghiệm.

Lược sử tiến hóa của vũ trụ từ Big Bang đến ngày nay - Ảnh: cam.ac.uk

Tiếng vọng nguyên thủy

Giai đoạn lạm phát của vũ trụ, nếu đúng là thực sự xảy ra, ngoài việc làm cho bức xạ nền là đồng nhất và đẳng hướng, thì còn khuếch đại sóng hấp dẫn. Sóng hấp dẫn này sẽ tương tác đến bức xạ nền, dẫn đến một sự sắp xếp theo định hướng của phân cực bức xạ nền. Nếu tìm được cấu trúc này, tức di chỉ của tương tác giữa sóng hấp dẫn và bức xạ nền, thì giả thiết về vũ trụ lạm phát được kiểm chứng.

Vì thế, truy tìm và hiển thị cấu trúc của phân cực bức xạ nền là một ưu tiên của thiên văn học trong những năm gần đây. Nó sẽ giúp chúng ta hiểu được xem vũ trụ đã được hình thành như thế nào, đặc biệt ở khoảnh khắc đầu tiên ngay sau vụ nổ lớn. Nhưng việc này không dễ chút nào, khi cường độ của nó lại nhỏ hơn bức xạ nền đến hàng tỉ lần.

Nhưng không vì thế mà các nhà khoa học khoanh tay đứng nhìn. Tất nhiên là không. Họ đã mang máy móc thiết bị lên núi, vào không gian, hay xuống Nam Cực, nơi có khí hậu khô,lạnh và bầu khí quyển ổn định, để đo đạc và tìm kiếm cấu trúc của sự phân cực này. Và một trong những cố gắng đó đã cho kết quả. Đó là trạm thiên văn BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) ở Nam Cực, sau 3 năm thu thập và phân tích số liệu, đã cho ra kết quả rằng, cấu trúc B-mode của phân cực bức xạ nền đã được tìm ra. Điều này nếu được xác nhận là đúng bởi các nghiên cứu tương tự, thì vũ trụ lạm phát là có thực, và sóng hấp dẫn sinh ra trong thời kỳ lạm phát của vũ trụ đã tương tác với bức xạ nền và để lại dấu ấn là cấu B-mode, hiển thị hình ảnh dưới dạng vặn xoắn trong sự định hướng phân cực của bức xạ nền.

Kết quả của BICEP2 có độ tin tưởng lên đến 5 sigma, tức là nếu không có sóng hấp dẫn, thì xác suất thu được một kết quả tương tự từ nhiễu nền chỉ là 1 trong 10 triệu.

Sóng hấp dẫn nguyên thủy từ lâu đã được coi là bằng chứng không thể chối cãi của vũ trụ lạm phát. Và cũng chỉ trong thời kỳ lạm phát này thì sóng hấp dẫn mới được khuếch đại đủ lớn để có thể đo đạc được. Vì thế, nếu được xác nhận là đúng, thì đây là kết quả đột phá của ngành thiên văn học. Nó cũng là bằng chứng thực nghiệm đầu tiên về hấp dẫn lượng tử. Nó còn gợi ý rằng, vũ trụ mà chúng ta quan sát được chỉ là một miếng bọt nhỏ xuất hiện trong vô vàn vũ trụ khác mà chúng ta chưa nhận thức được.

Kết quả này đã làm bao người xúc động, vì đây là tiếng vọng từ thuở hồng hoang, mà ít ai trong chúng ta dám nghĩ là còn có thể nghe được sau 13,8 tỷ năm. Tuy nhiên, với những kết quả lớn như vậy, cẩn trọng không bao giờ thừa. Kết quả này chỉ có thể được khẳng định chắc chắn sau khi được kiểm chứng chéo bởi các đo đạc của vệ tinh Planck thuộc Cơ quan hàng không vũ trụ châu Âu (European Space Agency’s Planck), dự kiến sẽ công bố vào cuối năm nay.

Nếu có gì phiền phức chút đỉnh sau sự kiện này, thì có lẽ đó là ủy ban xét giải Nobel lại thêm một lần nữa phải đau đầu trong việc quyết định nên trao giải Nobel cho ai, khi có hơn ba người đóng góp quyết định cho sự ra đời và kiểm chứng về lý thuyết về vũ trụ lạm phát.

Dù gì đi nữa thì cả một chân trời hiểu biết mới đã được mở ra. Trí tuệ con người đã tiến thêm một bước lớn.

Sóng hấp dẫn tương tác với bức xạ nền vũ trụ, để lại cấu trúc
vặn xoắn trong định hướng phân cực của bức xạ nền
theo cấu trúc B-mode. Ảnh: caltech.edu

Giáp văn Dương