Phần 2

Lời giới thiệu Phần 1 Phần 2 Phần 3 Phần 4 Phần 5 Phần 6 Phần 7

Việc bảo vệ luận án tiến sĩ ở Mỹ có giống như ở Pháp không? Nó có rất hình thức không? Và trước mặt ông có một hội đồng giám khảo không?

Tôi đã từng làm giám khảo cho nhiều luận án ở Pháp và tôi thấy rằng thủ tục ở hai nước cũng na ná như nhau. Tất nhiên ở Mỹ thì ít hình thức hơn, nhưng cũng có một hội đồng giám khảo đặt ra cho người bảo vệ những câu hỏi trong vòng từ 1 đến 2 giờ. Cũng như ở Pháp, tất cả đã được quyết định từ trước, tức là một luận án chỉ được bảo vệ sau khi các ủy viên hội đồng đã đọc bản thảo luận án và họ quyết định nó đã đủ trình độ để đưa ra bảo vệ.

Sau khi nhận được học vị tiến sĩ (Ph.D.), ông đã chọn con đường nào?

Tôi vừa mới qua 4 năm ở Princeton và ở đây chủ yếu là làm về lý thuyết. Luận án của tôi dựa trên các tính toán và các mô hình. Tôi đã học được rất nhiều và điều chắc chắn đây là thời kỳ gây men trí tuệ rất mạnh mẽ. Nhưng đối với tôi, thiên văn học không thể quy về các phương trình, các con số và các khái niệm thuần túy trí tuệ. Tôi còn thiếu rất nhiều sự tiếp xúc với các kính thiên văn. Tôi cần một lần nữa được ngất ngây chiêm ngưỡng vòm trời đầy sao từ các đài thiên văn trên các đỉnh núi cao, cách xa ánh đèn nêon của các thành phố và thế giới văn minh. Tôi muốn cảm thấy một lần nữa cái cảm giác chưa hề phai nhạt, đó là cảm giác về sự hòa nhập với Vũ trụ trong khi ánh sáng từ trời tràn vào kính thiên văn của tôi, muốn một lần nữa cảm thấy sự run rẩy chạy dọc sống lưng khi nghĩ rằng các hạt ánh sáng đang bị thu vào kính thiên văn đã bắt đầu cuộc hành trình của mình từ hàng tỷ năm trước, trong khi các nguyên tử cấu tạo nên cơ thể của tôi ngày hôm nay vẫn đang còn ở trung tâm của một ngôi sao nào đó. Tiếng gọi của các kính thiên văn rất mạnh. Và khi Caltech đề nghị cấp cho tôi học bổng sau tiến sĩ (Postdoc.) để làm việc với một êkip nghiên cứu về Vũ trụ học do James Gunn đứng đầu, tôi đã nhận lời.

Tức là nghiên cứu về Vũ trụ trong tổng thể của nó?

Đúng thế và môn học này cũng rất hấp dẫn tôi. Nó đặt ra những câu hỏi cơ bản nhất trong vật lý thiên văn, chẳng hạn như: quá khứ, hiện tại và tương lai của Vũ trụ là gì? Sự giãn nở của Vũ trụ có tiếp tục mãi mãi hay nó sẽ đạt tới một bán kính cực đại nào đó rồi sẽ co lại? Đó là cái mà người ra gọi theo tiếng Anh là Big Cruch (Vụ Co lớn). Rồi liệu sau đó Vũ trụ có lại xuất phát trong một Vụ Nổ lớn (Big Bang) khác không? Khi đó ta sẽ có một Vũ trụ có tính chất dao động, nó lần lượt qua hết pha giãn nở lại đến pha co lại, cứ vậy kế tiếp nhau.

Đối với loại nghiên cứu này cần phải có kính thiên văn lớn như kính ở núi Palomar, bởi vì trong Vũ trụ học, người ta luôn phải nhìn xa về phía sau theo thời gian và so sánh với những cái diễn ra ngày hôm nay. Ví dụ, để đo độ giảm tốc độ của Vũ trụ, ta cần phải so sánh tốc độ giãn nở của nó chẳng hạn ở 10 tỷ năm trước và tốc độ giãn nở nhỏ hơn hiện nay của nó. Nhưng làm thế nào có thể lần ngược lại theo thời gian? Chính ánh sáng đã cứu giúp chúng ta: bởi lẽ ánh sáng cũng phải mất một thời gian mới tới được chỗ chúng ta, nên ta luôn nhìn thấy Vũ trụ với một sự chậm trễ nhất định. Do vậy có thể nói chính các kính thiên văn là các máy đi ngược theo dòng thời gian. Song, để nhìn xa hơn trong thời gian, cần phải nhìn được xa hơn trong không gian và như tôi đã nói với ông ở trên, càng nhìn xa thì càng nhìn được các vật sáng yếu hơn. Và chính là để thu được các tín hiệu sáng yếu tới từ thẳm sâu của Vũ trụ mà các nhà Vũ trụ học cần có những kính thiên văn lớn. Đường kính gương của các kính thiên văn quang học lớn nhất hiện nay đạt tới 10m. Chúng ta đã vượt rất xa chiếc kính thiên văn đầu tiên với đường kính chỉ khoảng mấy centimét mà Galilê đã chĩa lên bầu trời.

Khi nhìn lên vòm trời đầy sao vào ban đêm, người ta có cảm giác tất cả đều bất động và không thay đổi. Nhưng nhờ thiên văn học hiện đại, ta biết rằng cảm giác đó là hoàn toàn sai lầm.

Trên bầu trời tất cả đều chuyển động và không có cái gì là cố định cả. Thiên văn học đã khám phá ra bí mật chuyển động của các ngôi sao bằng cách dùng một hiện tượng gọi là hiệu ứng Doppler: Khi một vật sáng chuyển động, ánh sáng do nó phát ra sẽ thay đổi màu sắc; nếu nó chuyển động ra xa chúng ta thì màu ánh sáng của nó sẽ dịch chuyển về phía đỏ, còn nếu nó tiến lại gần chúng ta, thì màu ánh sáng của nó sẽ dịch về phía màu xanh. Chuyển động làm biến dạng âm thanh cũng diễn ra theo cách tương tự. Cũng có thể bạn đã từng nhận thấy điều đó khi quan sát một xe lửa đi qua sân ga. Khi con tài chạy vào sân ga, tiếng còi của nó nghe gắt hơn là khi nó lao ra khỏi sân ga. Do vậy, bằng cách đo sự thay đổi về màu sắc ánh sáng của một thiên thể mà nhà thiên văn có thể đo được vận tốc chuyển động tới gần hay ra xa của thiên thể đó.

Ông chắc cũng biết chính Trái Đất của chúng ta cũng tham gia vào vũ điệu cuồng loạn của Vũ trụ chứ? Vào chính thời điểm mà chúng ta ngồi nói chuyện với nhau đây, Trái đất đưa chúng ta chuyển động ngang qua không gian trên hành trình quay hàng năm xung quanh Mặt trời của nó với vận tốc 30km/s. Đến lượt mình, Mặt trời lại kéo Trái Đất cùng quay theo một vòng tròn xung quanh Ngân Hà với vận tốc 230km/s và chính Ngân Hà cũng lại quay xung quanh thiên hà Andromede - thiên hà sinh đôi với nó - với vận tốc 90km/s. Và vẫn chưa hết. Cụm thiên hà địa phương (tức là một tập hợp gồm một chục thiên hà trong đó có thiên hà Andromede và Ngân Hà của chúng ta) lại quay với vận tốc 600km/s quanh đám thiên hà Vierge (tức một tập hợp gồm hàng ngàn thiên hà) và siêu đám thiên hà Hydre và Centaure (tức một cụm các đám thiên hà). Và vũ điệu ấy cứ tiếp diễn mãi...

Rồi chính bản thân đám thiên hà Vierge và siêu đám thiên hà Hydre và Centaure lại quay quanh một tập hợp lớn hơn nữa các thiên hà mà do thiếu thông tin các nhà thiên văn gọi tập hợp đó là “Nhân Hút lớn”.

Nhưng nếu như vậy thì một ngày nào đó sao Bắc Đẩu không còn chỉ cho chúng ta phương Bắc nữa?

Chắc chắn sẽ là như thế bởi vì sao Bắc Đẩu cũng như Mặt Trời của chúng ta và tất cả các ngôi sao khác trong đĩa của dải Ngân Hà đều quay quanh tâm của nó với vận tốc 230km/s. Nhưng ông đừng có lo, bởi vì phải mất hàng triệu năm nữa sao Bắc Đẩu mới chệch ra khỏi trục quay của Trái Đất.

Khi nói về thời gian Vũ trụ, người ta tính bằng hàng triệu năm, thậm chí hàng tỷ năm. Mặc dù chuyển động của các thiên thể rất cuồng nhiệt, nhưng bầu trời đối với chúng ta dường như vẫn bất động không thay đổi, bởi vì sự dịch chuyển của các thiên thể là rất nhỏ nên có khi cả đời người thậm chí hàng trăm năm cũng chưa cảm nhận thấy. Sự phát hiện ra chuyển động ấy là một trong những điểm mới vĩ đại về thiên văn học của thế kỷ này.

Thế mà tính bất động và không thay đổi của bầu trời theo Aristote đã từng bị đả phá. Tuy nhiên, vào những năm 1950 - 1960 người ta đã nói nhiều về Trạng thái dừng là mô hình của Vũ trụ không thay đổi và vĩnh cửu.

Thậm chí mô hình này đã gặt hái được không ít thành công. Nhưng để hiểu tốt hơn mô hình này, trước hết ta hãy nói về Big Bang, lý thuyết mà trên thực tế đã được mọi người ngày hôm nay chấp nhận và đã làm phát sinh một cuộc cách mạng khác: Vũ trụ có một lịch sử, nó có quá khứ, hiện tại và tương lai.

Giai đoạn mới này của Vũ trụ học đã được bắt đầu bằng một phát minh có tính chất rất cơ bản của Hubble vào năm 1929: Vũ trụ đang giãn nở! Khi quan sát bầu trời nhờ kính thiên văn đường kính 2,5m đặt trên núi Wilson, Hubble nhận thấy rằng đa số các thiên hà đều chạy ra xa dải Ngân Hà của chúng ta cứ như ở đó đang có nạn dịch hạch vậy và sự chạy trốn đó không phải diễn ra một cách tùy tiện: các thiên hà ở càng xa thì chạy trốn càng nhanh. Vấn đề còn là đánh giá tốc độ của chúng bằng cách đo sự dịch về phía đỏ của ánh sáng do chúng phát ra theo hiệu ứng Doppler mà tôi vừa mới nói ở trên.

Nhưng cũng còn cần phải đo cả khoảng cách tới các thiên hà nữa và để làm điều đó Hubble đã dùng các ngôi sao đặc biệt có tên là sao xêpheit. Trong các thiên hà, những ngôi sao này đóng vai trò là các ngọn hải đăng Vũ trụ: nhà thiên văn xác định khoảng cách tới các thiên hà dựa vào độ ánh sáng của các sao xêpheit có trong đó. Sau khi đã đo được vận tốc chạy trốn và khoảng cách của các thiên hà, Hubble đã phát minh ra định luật nổi tiếng sau này mang tên ông: khoảng cách tới các thiên hà tỷ lệ thuận với tốc độ của chúng. Vì thời gian cần thiết để một thiên hà từ điểm xuất phát tới vị trí hiện nay của nó nhận được bằng cách chia khoảng cách cho vận tốc của nó, nên tính tỷ lệ thuận này nói lên rằng hệ số tỷ lệ là như nhau đối với mọi thiên hà, nghĩa là các thiên hà đều mất một khoảng thời gian như nhau để tới được vị trí hiện thời của chúng.

Bây giờ hãy giả thử ta đang xem cuốn phim về lịch sử Vũ trụ nhưng quay theo chiều ngược lại cho tới tận hình ảnh đầu tiên, khi đó ta sẽ thấy rằng các thiên hà chạy lại gặp nhau ở cùng một thời điểm và tại cùng một điểm. Từ đó nảy ra ý tưởng về vụ nổ nguyên thủy, tức là vụ nổ lớn nổi tiếng (Big Bang), vụ nổ đã dẫn tới sự giãn nở của Vũ trụ. Và một khi Vũ trụ đã có điểm bắt đầu thì nó không còn là vĩnh cửu nữa.

Nhưng hãy lưu ý rằng việc phát hiện ra các thiên hà chạy ra xa dải Ngân Hà của chúng ta không hề có nghĩa chúng ta ở trung tâm của Vũ trụ. Thực tế, các thiên hà chạy ra xa nhau và Vũ trụ thực sự không có một tâm nào cả.

Nhưng nếu vậy thì tại sao lý thuyết Big Bang lại không được mọi người chấp nhận ngay từ năm 1929?

Vì nhiều nguyên nhân. Trước hết, nhà khoa học cũng như đa số mọi người, đều không thích thay đổi những thói quen của mình. Hơn nữa, chấp nhận một lý thuyết nói về sự sáng thế, về điểm khởi đầu sẽ đặt ra vấn đề về Đấng sáng tạo tối thượng và đó là điều hết sức phiền phức.

Mặt khác, khi Hubble xác định được tuổi của Vũ trụ bằng cách chia khoảng cách tới các thiên hà cho vận tốc của chúng, ông nhận được con số chỉ là 2 tỷ năm. Một Vũ trụ quá trẻ như vậy đặt ra một vấn đề cần phải xem xét, bởi vì ngay từ năm 1930, bằng cách đo các nguyên tố phóng xạ trong vỏ Trái Đất các nhà địa chất đã biết rằng Trái Đất có tuổi cỡ 4,6 tỷ năm. Vậy thì làm sao có thể xảy ra chuyện Vũ trụ vốn có trước vạn vật lại trẻ hơn Trái Đất được? Thực tế những tính toán của Hubble thiếu chính xác do ông còn ít hiểu biết về tính chất của các sao xêpheit. Do vậy những khoảng cách mà ông xác định được nhỏ hơn so với thực tế và từ đó mà xác định tuổi của Vũ trụ khoảng 15 tỷ năm và không còn chuyện Trái Đất lại già hơn Vũ trụ nữa.

Vì tất cả những lý do đó mà vào năm 1948, ba nhà vật lý thiên văn người Anh là Ferd Hoyle, Thomas Gold và Hermann Bondi đã đưa ra lý thuyết Trạng thái dừng, tức là lý thuyết về một Vũ trụ không thay đổi, một Vũ trụ như nhau tại mọi thời điểm. Vũ trụ này là vĩnh viễn. Nó không có điểm bắt đầu cũng không có điểm kết thúc. Vào năm 1915, trong thuyết tương đối rộng của mình, Einstein đã thừa nhận rằng Vũ trụ là như nhau tại mọi điểm trong không gian (tức Vũ trụ là đồng nhất) và như nhau theo mọi hướng (tức Vũ trụ là đẳng hướng). Thế thì tại sao lại không thể thừa nhận Vũ trụ là như nhau tại mọi thời điểm.

Nhưng Hoyle, Gold và Bondi đã phải đối mặt với một vấn đề hắc búa: làm thế nào có thể dung hòa ý tưởng về một Vũ trụ bất biến theo thời gian với sự giãn nở của Vũ trụ đã được Hubble phát hiện? Nếu các thiên hà ngày càng chuyển động ra xa nhau, tức ngày càng có nhiều khoảng không gian trống rỗng được tạo ra giữa các thiên hà, thì Vũ trụ không thể mãi mãi là như nhau được. Để lấp những khoảng trống do sự giãn nở tạo ra, ba nhà thiên văn Anh đã đề xuất ý tưởng về sự liên tục tạo ra vật chất. Ông có thể bảo tôi rằng ý tưởng đó là sai bét, vì ông chưa bao giờ từng thấy vật chất đột nhiên được tạo ra ở bất cứ một góc phố nào. Nhưng tỷ lệ đòi hỏi sự tạo ra vật chất như vậy là cực kỳ nhỏ: chỉ cần mỗi năm thêm một nguyên tử hiđrô vào một thể tích bằng thể tích của một khu phố ở Paris là đã đủ bù lấp những khoảng trống tạo ra do sự giãn nở của Vũ trụ. Với một tỷ lệ như vậy thì những dụng cụ tinh xảo nhất hiện nay cũng không thể phát hiện ra được. Như vậy để tránh việc tạo ra những lượng vật chất lớn, ba nhà thiên văn đã phải viện đến một dãy vô hạn những sáng tạo nhỏ...

Cái gì đã khiến người ta nghi vấn và xem xét lại tất cả những lập luận đó?

Đây lại là một câu chuyện khác. Nó bắt đầu vào năm 1946 cùng với nhà vật lý thiên tài gốc Nga, di cư sang Mỹ có tên là George Gamow. Ông đánh giá rất cao lý thuyết Big Bang và ông tự nhủ mình nếu quả thật có sự giãn nở xuất phát từ cùng một điểm duy nhất, thì khi đảo ngược lại dòng chảy của các sự kiện, toàn bộ vật chất của Vũ trụ bị nén lại ở điểm xuất phát phải rất đặc và rất nóng. Theo lôgic thì cái bóng đèn này, hay theo cách gọi của mục sư Lemaitre “cái nguyên tử nguyên thủy” này sẽ phải bức xạ và toàn bộ Vũ trụ đẳng hướng và đồng nhất theo các tiên đề của Einstein hiện vẫn còn tắm mình trong bức xạ đó.

Nhưng để tới được Ngân Hà của chúng ta - thiên hà bị sự giãn nở của Vũ trụ cuốn đi - bức xạ này cần phải tốn một công và do đó sẽ bị lạnh đi. Gamow thậm chí còn tính được nhiệt độ mà bức xạ hóa thạch (còn gọi là bức xạ nền - ND) đó hiện phải có cỡ 5K (OK = -273⁰C).Kết quả tính của Gamow thật đáng nể vì nhiệt độ chính xác đo được rất lâu sau đó là 2,7K. Bài báo của Gamow được công bố năm 1948 nhưng rất tiếc nó nhanh chóng bị rơi vào quên lãng. Về mặt tâm lý, các nhà khoa học khi đó còn chưa sẵn sàng để chấp nhận lý thuyết Big Bang.

Vấn đề này lại đột ngột xuất hiện trở lại vào năm 1965 một cách hoàn toàn tình cờ. Hai nhà thiên văn vô tuyến Mỹ làm việc tại các phòng thí nghiệm của hãng điên thoại Bell là Arno Penzias và Robert Wilson, vào thời điểm mà không ai ngờ tới, đã phát hiện ra bức xạ nền của Vũ trụ. Bức xạ này tràn ngập khắp nơi trong Vũ trụ, nó đồng nhất và đẳng hướng đồng thời có nhiệt độ là 3K (tức -270⁰C) gần bằng con số tiên đoán của Gamow! Lý thuyết Big Bang lại được củng cố thêm còn Penzas và Wilson đã được trao giải thưởng Nobel về phát minh của mình.

Thật là kỳ khi nghĩ rằng người ta lại có thể nhận được giải Nobel một cách tình cờ. Nói một cách chính xác thì lúc đó họ đang nghiên cứu về vấn đề gì?

Lúc đó họ đang lắp đặt một kính thiên văn cực kỳ hiệu năng có nhiệm vụ nhận các tín hiệu từ vệ tinh Telstar - vệ tinh viễn thông đầu tiên. Nhưng họ bị một cái gì đó bất ngờ gây nhiễu động: dù quay dụng cụ về hướng nào họ cũng thu được một bức xạ bí ẩn dường như có mặt ở khắp nơi! Bức xạ này có thể là gì đây? Hoàn toàn mù tịt, họ bèn bỏ công sức để tìm hiểu. Vì phòng thí nghiệm của họ ở New Jersey, nên ban đầu họ nghĩ rằng nguyên nhân có thể là các đài phát thanh ở New York cách họ chừng vài trăm kilômét. Giả thuyết này đã nhanh chóng bị bác bỏ vì bức xạ đó không chỉ tới từ hướng New York.

Giả thuyết thứ hai còn khôi hài hơn: liệu thủ phạm ở đây có phải là hai con chim bồ câu đã chọn kính thiên văn làm tổ? Người ta đã đuổi hai con chim đi và quét tước sạch sẽ phân chim nhưng rồi lại...cực kỳ thất vọng, vì bức xạ đâu vẫn còn đấy.

Penzas và Wilson đã khảo sát cả ngàn lẻ một các khả năng khác nữa, nhưng vẫn vô ích. Họ đã bắt đầu cạn hết ý tưởng thì một chớp sáng chợt lóe lên khi Penzas nói chuyện điện thoại với một đồng nghiệp ở MIT. Ông bạn có kể về hội nghị do James Peebles - một giáo sư ở Princeton - tổ chức mà ông ta vừa tham dự. Cùng với một giáo sư ở Princeton là Robert Dicke, Peebles vừa mới phát hiện lại ý tưởng của Gamow: nếu Vũ trụ xuất phát từ một vụ nổ lớn (Big Bang), từ một trạng thái cực đặc và nóng thì ngày hôm nay phải có một bức xạ hóa thạch đồng nhất và đẳng hướng.

Vậy là Penzas và Wilson đã phát hiện ra đống tro tàn của ngọn lửa sáng thế mà không có chủ ý trước. Nhưng điều ngạc nhiên nhất trong câu chuyện này, đó là êkip ở Princeton chỉ ở cách phòng thí nghiệm của hãng Bell khoảng một trăm cây số cũng đã nghĩ tới bức xạ hóa thạch, mặc dù không hề biết tới bài báo của Gamow, và vào thời gian đó gần như đã lắp đặt xong một kính thiên văn vô tuyến để tìm kiếm bức xạ đó.

Đây là hiện tượng thường xảy ra trong khoa học và luôn luôn khiến cho tôi phải ngạc nhiên: các nhà nghiên cứu ở những nơi cách xa nhau trên hành tinh, làm việc độc lập với nhau mà lại phát minh ra cùng một thứ và gần như ở cùng một thời gian. Điều này rất giống với hiện tượng về tính “đồng bộ” mà Carl Gustav Jung (nhà phân tâm học nổi tiếng người Đức) đã nói tới. Nhưng thay vì phải viện tới các phương tiện giao tiếp bằng ngoại cảm, tôi thiên về ý nghĩ cho rằng tính đồng bộ này có được là do những ý tưởng được gieo từ rất lâu trước đó và đã đồng thời chín mùi.

Nhưng trước khi phát hiện ra bức xạ hóa thạch đã có ai đặt vấn đề xem xét lại mô hình Trạng thái dừng một cách nghiêm túc đâu? Những con tàu thăm dò Vũ trụ đầu tiên cũng không thể khẳng định được có hay không có sự sinh ra từ chân không các proton nổi tiếng - chỗ dựa của lý thuyết này - kia mà?

Lý thuyết Trạng thái dừng bắt đầu bị đưa ra xem xét lại vào đầu những năm 1960, nhưng không phải do các con tàu thăm dò Vũ trụ, bởi vì tỷ lệ sinh các proton cần thiết nhỏ tới mức không có một dụng cụ nào có thể phát hiện nổi. Trái lại, một số các quan sát thiên văn đã bắt đầu làm nghiêng ngả tòa nhà của lý thuyết này, đặc biệt là sự phát hiện được các quasar vào năm 1963. Sự dịch cực mạnh về phía đỏ của ánh sáng do các thiên thể này phát ra có nghĩa là chúng chạy trốn rất nhanh ra xa dải Ngân Hà của chúng ta. Vì chạy ra xa nhanh, tức là ở rất xa (theo hệ thức khoảng cách/vận tốc được phát minh bởi Hubble), nên các quasar ở tít tắp biên giới của Vũ trụ. Hơn nữa, nhìn càng xa tức là nhìn được càng sớm hơn, nên thực chất chúng ta quan sát chúng vào thời kỳ mà Vũ trụ còn rất trẻ. Để giả thuyết về Trạng thái dừng còn có ý nghĩa, người ta cần phải tìm thấy số quasar hiện nay phải bằng số quasar trong quá khứ. Nhưng hoàn toàn không thấy như vậy; vào thời điểm hiện nay có rất ít các quasar và điều này có nghĩa là đã có sự tiến hóa và thay đổi.

Những quan sát khác cũng khẳng định thực tế đó. Ví dụ, sự thống kê số các thiên hà vô tuyến - tức các thiên hà phát phần lớn năng lượng của chúng dưới dạng các sóng vô tuyến - chỉ ra rằng các thiên hà này trong quá khứ đông hơn rất nhiều. Như vậy, chính các thiên hà này cũng đã tiến hóa. Nhưng phát súng ân huệ làm chết hẳn lý thuyết Trạng thái dừng, đó là sự phát hiện ra bức xạ hóa thạch: Trạng tháu dừng không thể nào dung hòa được vơi sự tồn tại của bức xạ đó, bởi vì trong lý thuyết này Vũ trụ không hề trải qua pha cực nóng và đặc. Mà không có ngọn lửa sáng thế đó thì làm sao có thể có đống tro tàn còn lại? Không có vụ nổ nguyên thủy (Big Bang) thì làm sao có tiếng dội cho tới ngày nay? Sự phát hiện ra bức xạ hóa thạch cuối cùng đã tập hợp được đa số của cộng đồng các nhà khoa học xung quanh lý thuyết Big Bang.

Bức xạ hóa thạch và sự giãn nở của Vũ trụ đã tạo nên hai hòn đó tảng của lý thuyết Big Bang. Vậy thì ngoài lý thuyết Trạng thái dừng ra còn có những lý thuyết Vũ trụ nào khác đối địch với lý thuyết Big Bang không?

Có, chẳng hạn như lý thuyết ánh sáng “mệt mỏi” trong đó Vũ trụ là tĩnh, tức là không có chuyển động giãn nở. Sự dịch về phía đỏ của ánh sáng do các thiên hà phát ra được giải thích không phải do chuyển động chạy trốn ra xa mà là do sự “mệt mỏi” được tích tụ bởi các photon trong suốt cuộc hành trình dài dằng dặc của chúng giữa các thiên hà và giữa các ngôi sao. Tuy nhiên, lý thuyết này có không ít điểm yếu. Trước hết, không tồn tại một cơ chế vật lý đã biết nào có thể gây ra sự mệt mỏi đó, nhưng trước hết là lý thuyết này không có được một cách giải thích tự nhiên sự tồn tại của bức xạ hóa thạch.

Tôi cũng cần nhắc lại rằng một Vũ trụ học vật chất - phản vật chất cũng đã được Hannes Alfven, một nhà vật lý thiên văn được giải thưởng Nobel người Thụy Điển, đề xuất. Theo ông ta, thì cần phải tồn tại một sự đối xứng tuyệt đối giữa vật chất và phản - vật chất.

Xin ông giải thích giúp phản - vật chất là gì?

Phản - vật chất có các tính chất giống như vật chất trừ điều là điện tích của nó có dấu ngược lại (tất nhiên đây chỉ là nói về đại thể - ND). Trong Vũ trụ vật chất và phản - vật chất, có bao nhiêu tôi và ông thì cũng có bất nhiêu phản - tôi và phản - ông. Theo kịch bản của Alfven thì Vũ trụ bắt đầu sự tồn tại của mình dưới dạng một siêu thiên hà khổng lồ trong đó vật chất và phản - vật chất có số lượng hoàn toàn như nhau. Dưới tác dụng của lực hấp dẫn của chính mình, siêu thiên hà này co lại và khi mật độ ở vùng trung tâm của nó trở nên khá lớn, vật chất và phản - vật chất sẽ hủy nhau giải phóng năng lượng lớn dưới dạng ánh sáng. Bức xạ đó đã làm đảo ngược chiều hướng co lại của vật chất và phản - vật chất còn lại và biến nó thành chuyển động giãn nở.

Tại sao Vũ trụ học vật chất và phản - vật chất đã không giành được thắng lợi khi đối mặt với lý thuyết Big - Bang?

Lý thuyết này đã nhanh chóng bị chôn vùi trong nghĩa địa các lý thuyết chết vì nó không tương thích được với một số quan sát. Trước hết, chúng ta sống trong một Vũ trụ gần như chỉ được tạo thành từ vật chất trong đó có rất ít phản - vật chất. Chúng ta biết chắc chắn điều này nhờ những thông tin do các tia Vũ trụ mang tới, đó là những luồng gió tạo bởi các hạt tích điện được giải phóng ra trong cơn hấp hối bùng nổ của các ngôi sao nặng. Chúng tới Trái Đất chúng ta từ biên giới của dải Ngân Hà và thực tế chỉ chứa vật chất (mà cụ thể là các proton và electron). Nếu có các phản - sao và phản - thiên hà với số lượng như các sao và các thiên hà thì các tia Vũ trụ cần phải chứa các phản - proton và phản - electron (còn gọi là positron) với số lượng ngang ngửa với proton và electron. Nhưng các phản hạt này vẫn biệt vô âm tín.

Trong lý thuyết Big Bang, cũng có một số lượng lớn phản - vật chất trong những phần giây đầu tiên của Vũ trụ, nhưng nhà vật lý Xô viết Andrei Sakharov đã phát hiện vào năm 1967 rằng tự nhiên không phải là vô tư, công bằng đối với vật chất và phản - vật chất, mà thực tế nó hơi thiên vị đối với vật chất. Cụ thể là ở lúc bắt đầu của Vũ trụ, cứ 1 tỷ phản - quark xuất hiện từ chân không lại có 1 tỷ lẻ một hạt quark cùng xuất hiện. Sau đó, vào thời điểm một phần triệu giây đầu tiên sau Big Bang, khi Vũ trụ đã lạnh đi đủ để cho phép cứ ba hạt quark kết hợp lại tạo thành proton và nơtron và các phản - quark kết hợp lại tạo thành các phản hạt tương ứng, đa số các hạt và phản hạt sẽ hủy nhau để trở thành ánh sáng. Nhưng sự dôi nhỏ của các quark so với các phản - quark dẫn đến hậu quả là sẽ tạo ra các proton, chỉ còn lại 1 hạt vật chất, một tỷ lệ đúng như người ta đã quan sát thấy ngày hôm nay. Nếu số hạt và số phản - hạt hoàn toàn như nhau, thì các ngôi sao, các thiên hà, con người, cây trái và hoa lá sẽ không tồn tại và cả ông và tôi cũng sẽ không có mặt ở đây để nói về chuyện này.

Để cố cứu vớt ý tưởng về sự đối xứng tuyệt đối giữa vật chất và phản - vật chất và để không dựng nên một Vũ trụ khô cằn, Alfven đã thừa nhận có sự ngăn cách không gian giữa hai dạng đó của vật chất, nhờ đó mà không xảy ra sự hủy nhau giữa chúng. Tất nhiên, nếu các thiên hà và phản - thiên hà mỗi thứ cứ ở nguyên chỗ của mình và không bao giờ gặp nhau thì chúng sẽ không thể hủy nhau được. Nhưng, như tôi đã từng nói với ông, những tia Vũ trụ đã khẳng định rằng các phản - thiên hà là không tồn tại. Hơn nữa, vật lý các hạt sơ cấp nói với chúng ta rằng tự nhiên có sự thiên vị đối với vật chất với tỷ lệ một phần tỷ so với phản - vật chất và toàn bộ ý tưởng về sự đối xứng tuyệt đối giữa vật chất và phản – vật chất là sai lầm. Và cuối cùng, vẫn lại là bằng chứng tai ác: Vũ trụ học này không giải thích được một cách tự nhiên sự tồn tại của bức xạ hóa thạch.

Còn có những cuộc tấn công nào khác chống lại lý thuyết Big Bang không?

Không trực tiếp chống lại chính Big Bang, mà chống lại cột trụ lý thuyết của nó, đó là thuyết tương đối rộng của Einstein. Một trong những tiền đề cơ bản của thuyết này là không có gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng. Nhưng có một phát hiện bất ngờ đã làm cho nhiều nhà khoa học phải thốt lên ngạc nhiên: trong một số thiên hà vô tuyến, những chuyển động được mệnh danh là siêu ánh sáng dường như đã vượt quá 300.000km/s. May thay, đó chỉ là báo động giả, hiện tượng này chẳng qua chỉ là hiệu ứng của ảo ảnh quang học mà người ta có thể dễ dàng giải thích bằng những vận tốc nhỏ hơn vận tốc ánh sáng.

Thuyết tương đối rộng cũng dựa trên giả thuyết về tính không đổi của hằng số hấp dẫn, nó không biến thiên trong không gian cũng như trong thời gian. Nhà vật lý người Anh Paul Dirac đã đưa ra một lý thuyết theo đó lực hấp dẫn trở nên yếu dần theo thời gian. Chỉ cần quan sát chuyển động của các hành tinh là đủ thấy rằng không có chuyện như vậy, bởi vì nếu lực hấp dẫn giữ cho các hành tinh ở trên quỹ đạo của chúng xung quanh Mặt Trời bị yếu đi thì chúng sẽ ngày càng đi ra xa dần Mặt Trời, nhưng thực tế đã không phải như vậy.

Vậy thì phải chăng ngày hôm nay lý thuyết Big Bang đã được xác nhận là lý thuyết cuối cùng?

Trong khoa học không bao giờ có cái gì là cuối cùng cả. Một quan sát mới có thể lúc này hoặc lúc khác sẽ đòi hỏi phải xét lại lý thuyết đó. Toàn bộ lý thuyết cần phải dựa trên các quan sát và sự phù hợp của lý thuyết với các phép đo và quan sát sẽ quyết định lý thuyết đó có dùng được hay không.Nếu không thế, thì sẽ quá dễ dàng nói những chuyện nhảm nhí! Vũ trụ học hiện đại khác với Vũ trụ học cổ đại bởi vì nó không chỉ dựa trên các giải thích siêu hình mà còn dựa trên các quan sát thiên văn. Lý thuyết Big Bang sở dĩ cho tới nay đã tập hợp được đại đa số các nhà khoa học bởi vì nó giải thích được những quan sát rất khác nhau như chuyển động ra xa nhau của các thiên hà, sự tồn tại bức xạ hóa thạch của Vũ trụ và thành phần hóa học của các ngôi sao và thiên hà. Đó là một lý thuyết được phú cho sức khỏe tráng kiện có khả năng chống chọi được rất nhiều cuộc công kích và cho tới tận khi chuyển sang một cấp độ mới thì nó vẫn còn là sự mô tả vũ trụ tốt nhất.

Năm 1989, một vệ tinh có tên là COBE (Cosmic Background Explore – vệ tinh khám phá bức xạ nền của Vũ trụ) đã được đưa lên quỹ đạo để nghiên cứu bức xạ hóa thạch. Những quan sát của COBE chỉ có thể hiểu được nếu như trong quá khứ của mình Vũ trụ đã cực nóng và đặc. Và chỉ có lý thuyết Big Bang mới giải thích được trạng thái đó một cách tự nhiên. Khi tiến hành lập bản đồ bức xạ hóa thạch theo tất cả các hướng trên bầu trời. Thực vậy, bức xạ hóa thạch – tức lượng nhiệt còn lại từ ngọn lửa Sáng thế, có niên đại vào thời kỳ mà Vũ trụ mới được 300.000 năm tuổi. Thậm chí với những kính thiên văn mạnh nhất, chúng ta cũng không bao giờ mon men tới được thời kỳ trước 300.000 năm sau Big Bang, bởi lẽ Vũ trụ trẻ khi đó còn hoàn toàn không trong suốt. Vũ trụ lúc đó nhung nhúc những electron tự do, chúng ngăn cản việc truyền ánh sáng. Chỉ tới năm thứ 300.000 thì các electron mới mất tự do vì chúng liên kết với các proton để trở thành nguyên tử hiđrô. Một khi đã bị cầm tù như vậy, các lectron không còn cản trở ánh sáng lưu thông trong Vũ trụ nữa. Vũ trụ trở nên trong suốt và các kính thiên văn của chúng ta mới có thể truy nhập vào được. Hình ảnh của Vũ trụ vào năm 300.000 sau Big Bang hé mở ra một sự kiện cực kỳ đáng lưu ý: bức xạ hóa thạch không hoàn toàn đồng nhất (tức là không như nhau tại mọi điểm trong không gian) và không đẳng hướng (tức là không như nhau theo mọi hướng), mà lại có những thăng giáng nhỏ về nhiệt độ, cỡ một phần trăm triệu độ. Các nhà vật lý thiên văn nghĩ rằng những điểm bất thường đó chính là những hạt giống thiên hà mà sau này sẽ nảy mầm và cho ra đời các thiên hà, các ngôi sao, các hành tinh và chính con người.

Phát hiện này của COBE về các hạt giống thiên hà đã tạo ra một chiến thắng ròn rã nữa của lý thuyết Big Bang. Không có những điểm bất thường này, sẽ không thể có các cấu trúc trong Vũ trụ và chúng ta cũng sẽ không có mặt ở đây để nói về nó. Nếu một ngày nào đó lý thuyết Big Bang được thay thế bởi một lý thuyết tinh xảo hơn, thì lý thuyết mới này cũng sẽ phải gộp vào trong nó những thành công của lý thuyết Big Bang theo cách hệt như lý thuyết Einstein đã gộp vào trong nó những thành công của lý thuyết Newton.

Mới đây trên báo chí xuất hiện các tít rất giật gân thông báo về cái chết của lý thuyết Big Bang. Nhưng hoàn toàn không phải như vậy. Tất nhiên vẫn còn có những điểm mà lý thuyết này chưa giải thích được, chẳng hạn như sự hình thành các thiên hà và tấm thảm Vũ trụ vĩ đại do chúng dệt nên, nhưng những khiếm khuyết đó còn xa mới lật đổ được lý thuyết này. Bởi vì làm như thế cũng chẳng khác gì đòi hỏi phải xét lại lý thuyết về sự hình thành Trái Đất vì người ta không tiên đoán được chính xác thời tiết.

Vậy có thường xảy ra chuyện một lý thuyết phải xem xét lại vì một phát minh mới không?

Khá thường xuyên và hơn nữa còn là điều may mắn vì có như thể khoa học mới phát triển được. Sự tác động qua lại giữa lý thuyết và quan sát trực tiếp là một động lực, nhất là đối với thiên văn học, một khoa học dựa nhiều nhất vào sự quan sát. Quan sát gợi ý ra một lý thuyết và lý thuyết này được củng cố nhờ những quan sát mới khẳng định tính đúng đắn của nó. Trái lại, nếu một phát minh bác bỏ lý thuyết, thì cần phải sửa đổi lại lý thuyết hoặc thay nó bằng một lý thuyết khác.