|
đăng ngày 06 tháng
9, 2007
|
Toàn tập: 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Phần
I
Mục 2:
NGUỒN GỐC VŨ TRỤ:
THUYẾT “BIG BANG”
Nếu
trong dân gian có rất nhiều huyền thoại dân gian và tôn giáo về sự sáng
tạo ra vũ trụ (creation myth), kể cả huyền thoại sáng tạo của Do Thái –
Ki Tô, mà ngày nay đã trở thành lỗi thời, thì trong khoa học chỉ có một
thuyết giải thích nguồn gốc của vũ trụ (the origin of the universe) hay
sự sinh ra của vũ trụ (the birth of the universe). Đó là thuyết "Big
Bang". Thực ra, đằng sau thuyết Big Bang là cả một rừng toán học phức
tạp, những thành quả khoa học qua nhiều thời đại, kỹ thuật đo lường với
những dụng cụ tối tân nhất của khoa học kỹ thuật ngày nay v.. v.., sản
phẩm của những đầu óc có thể nói là sáng nhất trong giới khoa học. Tuy
nhiên, muốn hiểu Big Bang không phải là khó, chúng ta chỉ cần dùng cặp
mắt trần nhìn lên những khoảng tối giữa các vị sao trên trời là có thể
"thấy rõ" vũ trụ đã sinh ra từ một Big Bang. Mặt khác, chúng ta cũng có
thể "thấy" Big Bang ngay trong chiếc TV mà chúng ta thường coi hàng
ngày. Tôi sẽ trở lại về những cái "thấy" này trong một đoạn sau. Trong
phần trình bày sau đây, tôi sẽ cố gắng viết về thuyết này một cách giản
dị để cống hiến quý độc giả "câu chuyện Big Bang". Tuy nhiên, vì đây là
một đề tài khoa học và khả năng của tôi chỉ có hạn, cho nên, nếu có độc
giả nào đọc bài này mà phát dị ứng với khoa học thì đó là tại vì tôi
chưa đủ khả năng để diễn giải rõ ràng một vấn đề, chứ không phải vì độc
giả đó chưa đủ trí tuệ để hiểu. Một mặt khác, khoa học cần nhiều đến
suy nghĩ và tưởng tượng. Cho nên, trong bài viết này tôi đòi hỏi độc
giả đôi chút óc tưởng tượng và suy tư của con người.
Thật
là kỳ lạ, cách đây hơn 2500 năm, Đức Phật đã đưa ra thuyết Vô Thường:
Vạn Pháp, nghĩa là vũ trụ và mọi sự vật trong đó, thay đổi từng sát na,
không có gì có thể gọi là Hằng Hữu, Hằng Sống, Hằng Tồn trong vũ trụ.
Mọi sự vật, nếu đã do duyên sinh thì cũng do duyên mà diệt, đủ duyên thì
sinh thành, hết duyên thì diệt, và thường đều phải trải qua bốn thời kỳ:
thành, trụ, hoại, diệt. Ngày nay, trước những khám phá mới nhất của
khoa học, từ thuyết tiến hóa của Darwin cho tới thuyết Big Bang về sự
thành hình của vũ trụ, tất cả đều chứng tỏ thuyết duyên khởi là đúng.
Trong
Kinh Hoa Nghiêm, Đức Phật cũng nói rõ: "Ngoài thế giới nhỏ nhoi của
chúng ta còn có hằng hà sa số thế giới khác", và đã mô tả hình dạng
của các thế giới này rất chính xác, thí dụ như có hình xoáy nước, hình
bánh xe, hình nở như hoa v..v.. Ngày nay, khoa Vũ Trụ Học đã chụp được
hình nhiều Thiên Hà trong vũ trụ có hình dạng giống như đã được mô tả
trong Kinh Hoa Nghiêm, như sẽ được trình bày với ít nhiều chi tiết trong
Phần II của cuốn sách này.
22 thế
kỷ sau, vào thế kỷ 17, khoa học gia Giordano Bruno cũng đưa ra quan niệm
là ngoài thế giới của chúng ta còn có nhiều thế giới khác. Ông bị giam
6 năm tù rồi đưa ra tòa án xử dị giáo. Tội của ông? Nhận định của ông
trái với những lời "mặc khải" không thể nào sai lầm của Thần Ki-Tô trong
Thánh Kinh của Ki-Tô Giáo: thế giới của chúng ta gồm có trái đất, mặt
trời, mặt trăng và các vị sao mà mắt trần của chúng ta nhìn thấy hàng
ngày là thế giới duy nhất mà Thần Ki-Tô tạo ra và trái đất là trung tâm
của thế giới này. Vì là một Linh Mục dòng Đa Minh, tòa sẽ trả tự do cho
ông nếu ông rút lại nhận định trái ngược với Thánh Kinh của Ki-Tô Giáo
và tuyên bố là mình sai lầm. Nhưng có vẻ như ông là đệ tử của cụ Khổng
nên có tư cách của người quân tử: "uy vũ bất năng khuất" nên ông không
chịu "sửa sai". Kết quả là ông bị tòa án xử dị giáo xử có tội, tuyệt
thông ông (nghĩa là khai trừ ông ra khỏi giáo hội, không cho ông hưởng
các "bí tích" và lên Thiên đường hiệp thông cùng Chúa) và mang ông đi
thiêu sống. (Xin đọc các bài “Phật Giáo và Vũ Trụ Học” và
“Phật Giáo và Cuộc Cách Mạng Khoa Học” trong Phần II.) Từ những sự
kiện trên, chúng ta thấy rằng, trí tuệ của Đức Phật đã vượt xa trí tuệ
của Thiên Chúa của Ki-Tô Giáo, ít ra là về nguồn gốc và cấu trúc của vũ
trụ. Bởi vậy, một trong 10 danh hiệu người đời gọi Đức Phật là "Thiên,
Nhân Sư", nghĩa là bậc Thầy của những bậc sống trên Trời như Thần Ki-Tô
và của con người sống trên trái đất.
Ngày
nay, các khoa học gia đều công nhận chúng ta đang sống trong một vũ trụ
sống động, thay đổi liên tục. Vũ trụ, cũng như mọi vật trong đó, từ nhỏ
như một vi khuẩn cho tới lớn như một ngôi sao v..v.. đều có một đời
sống, nghĩa là, được sinh ra và sẽ chết đi. Vấn đề sinh tử không còn xa
lạ gì với con người, nhưng vấn đề các ngôi sao, và rất có thể cả vũ trụ,
cũng sinh tử thì thực ra các khoa học gia mới chỉ biết tới cách đây
khoảng chưa đầy 80 năm. Khoa học ngày nay đã thấy lại, sau cái thấy của
Đức Phật gần 25 thế kỷ, về sự cấu tạo và tính cách vô thường của vũ trụ.
Cho
tới đầu thập niên 1920, các nhà vũ trụ học (vũ trụ học là môn học khảo
sát về nguồn gốc, sự tiến hóa và sự cấu tạo của vũ trụ) đều cho rằng vũ
trụ chỉ là giải Ngân Hà mà Thái Dương Hệ (hệ thống mặt trời và các hành
tinh trong đó có trái đất) của chúng ta nằm trong đó, và vũ trụ này có
vẻ như vô cùng tận, thường hằng, nghĩa là không thay đổi và có tính cách
vĩnh cửu (eternal). Vào đầu thập niên 1920, các chuyên gia khảo cứu vũ
trụ, qua những kính thiên văn tân kỳ, khám phá ra rằng giải Ngân Hà
(Milky Way), trong đó có thể có tới cả trăm tỷ ngôi sao, mỗi ngôi tương
tự như mặt trời trong Thái Dương Hệ, thật ra chỉ là một ốc đảo, một
Thiên Hà (galaxy), trong vũ trụ.
Ngoài
giải Ngân Hà ra còn cả triệu, cả tỷ Thiên Hà khác rải rác trong vũ trụ.
Mỗi Thiên Hà đều chứa ít ra là cả tỷ ngôi sao, tương tự như giải Ngân
Hà. Trong vũ trụ, giải Ngân Hà có dạng của một cái đĩa, rộng khoảng
100000 (một trăm ngàn) năm ánh sáng, và Thái Dương Hệ của chúng ta ở
cách tâm của giải Ngân Hà khoảng 30000 (ba mươi ngàn) năm ánh sáng.
Trong vũ trụ học, vì phải kể đến những khoảng cách vô cùng lớn nên người
ta thường dùng đơn vị đo chiều dài là 1 năm ánh sáng, hoặc đơn vị parsec
bằng hơn ba năm ánh sáng một chút (3.2616). Chúng ta đều biết, ánh sáng
truyền trong không gian với vận tốc khoảng 300000 cây số trong một giây
đồng hồ. Chúng ta cũng biết một phút có 60 giây, một giờ có 60 phút,
một ngày có 24 giờ, và một năm có khoảng 365 ngày. Do đó, chúng ta có
thể tính ra khoảng cách của một năm ánh sáng. Khoảng cách này vào
khoảng 9460800000000 (9 ngàn 4 trăm 60 tỷ 8 trăm triệu) cây số, hoặc gần
6000000000000 (6 ngàn tỷ) Miles.
Làm sao
mà các khoa học gia có thể đo được những khoảng cách vô cùng lớn như
vậy? Lẽ dĩ nhiên không phải đo bằng thước mà bằng một phương pháp gián
tiếp qua những dụng cụ khoa học, và đây chính là sự kỳ diệu của những
phát minh khoa học song hành với sự phát triển trí tuệ của con người.
Năm
1923, khi quan sát khối tinh vân (nebula) Andromeda, một khối trông như
một đám bụi sáng mờ mà chúng ta có thể nhìn thấy bằng mắt trần, qua một
kính thiên văn vĩ đại tân kỳ có đường kính khoảng hai thước rưỡi, Edwin
Hubble nhận ra rằng đó không phải là một khối tinh vân mà chính là một
thiên hà tương tự như giải ngân hà.
Quan sát kỹ, Hubble nhận thấy
trong thiên hà này có những ngôi sao mà độ sáng của nó thay đổi một cách
đều đặn, nghĩa là hiện tượng ngôi sao mới đầu sáng, rồi mờ đi, rồi lại
sáng trở lại, và cứ tiếp tục thay đổi đều đặn như vậy.
Các ngôi sao
thay đổi độ sáng này có tên khoa học là Cepheid (Cepheid variables) .
Thời gian của một chu trình thay đổi này tùy thuộc ở độ sáng trung bình
của ngôi sao. Chu trình thay đổi này có thể kéo dài trong khoảng từ 1
tới 50 ngày, tùy theo ngôi sao, nhưng rất đều đặn, thí dụ 15 ngày chẳng
hạn, đối với một ngôi sao nào đó. Thời gian của chu trình này cho chúng
ta biết chính xác độ sáng của ngôi sao đó. Và độ sáng biểu kiến
(apparent brightness), nghĩa là thấy vậy mà không phải thực là vậy, của
các ngôi sao ghi giữ lại trên các kính thiên văn sẽ cho chúng ta biết
khoảng cách từ ngôi sao đến trái đất, vì theo một định luật đã được kiểm
chứng trong khoa học, độ sáng biểu kiến chẳng qua chỉ là độ sáng thật
chia cho bình phương của khoảng cách. Thí dụ, nếu chúng ta đo thấy độ
sáng biểu kiến của ngôi sao A chỉ sáng bằng một phần tư độ sáng biểu
kiến của ngôi sao B thì chúng ta có thể kết luận là ngôi sao A ở xa
chúng ta gấp đôi ngôi sao B, vì bình phương của một nửa là một phần tư.
Qua kỹ
thuật đo khoảng cách này, các khoa học gia biết rằng thiên hà Andromeda
cách xa chúng ta khoảng hai triệu năm ánh sáng (700 ngàn parsec) và là
thiên hà hàng xóm gần chúng ta nhất. Với những kính thiên văn ngày càng
tân kỳ có khả năng ghi lại những ánh sáng rất yếu, từ rất xa, các khoa
học gia đã biết được có những thiên hà cách xa chúng ta cả chục triệu
năm ánh sáng, cả trăm triệu năm ánh sáng, rồi đến cả chục tỷ năm ánh
sáng.
Các
khoa học gia thường có thói xấu là "làm ngày không đủ, tranh thủ làm
đêm, làm thêm ngày chủ nhật" và cứ lập đi lập lại một thí nghiệm để chắc
rằng những dữ kiện khoa học phù hợp nhau, từ đó mới đưa ra những xác
định khoa học. Tới năm 1929, Edwin Hubble nhận ra một hiện tượng kỳ lạ:
có vẻ như các thiên hà càng ngày càng di chuyển ra xa chúng ta. Hiện
tượng trên chính là căn bản thuyết lý của Big Bang. Để hiểu rõ vấn đề,
có lẽ chúng ta cần đi thêm vào chút ít chi tiết.
Sở dĩ
Edwin Hubble khám phá ra hiện tượng trên là vì, khi quan sát những quang
phổ (spectrum) ánh sáng từ các thiên hà, ông thấy vị trí của toàn bộ
quang phổ này thay đổi với thời gian. Chúng ta biết rằng, dùng một lăng
kính (prism) chúng ta có thể phân ánh sáng trắng của mặt trời ra làm bảy
màu khác nhau, tương tự như những màu ta nhìn thấy trên một cầu vồng sau
một cơn mưa, đó là quang phổ của ánh sáng mặt trời. Tương tự, ánh sáng
từ các thiên hà, khi đi qua một quang phổ kế (spectroscope), nghĩa là
một tổ hợp của kính hiển vi (microscope) và lăng kính (prism), cũng cho
chúng ta những quang phổ tương ứng. Quan sát kỹ những quang phổ này,
chúng ta thấy ngoài những màu chính còn có những vạch sáng và tối xen
kẽ. Không đi vào chi tiết, chúng ta có thể nói rằng, vị trí của những
vạch này cho chúng ta biết những nguyên tố đã phát ra ánh sáng tạo
thành quang phổ đó, vì với mỗi nguyên tố, vị trí của những vạch này cố
định. Nhưng khi quan sát những quang phổ này, Hubble thấy chúng chuyển
sang phía đỏ (redshift), điều này chứng tỏ các thiên hà tương ứng với
những quang phổ chuyển sang phía đỏ trên đang di chuyển càng ngày càng
xa chúng ta. Đây là kết quả của một hiện tượng trong khoa học gọi là
Hiệu Ứng Doppler (Doppler Effect). Trước khi đi vào chi tiết của hiệu
ứng này, chúng ta cần biết qua về cấu trúc của ánh sáng.
Về
phương diện sinh lý, cặp mắt của con người quả thật vô cùng hạn hẹp.
Chúng ta nhận biết được vật chất là vì có ánh sáng. Nhưng ánh sáng mà
chúng ta nhìn thấy được chỉ là một phần rất nhỏ của các loại "ánh sáng"
gọi chung là sóng điện từ (electromagnetic waves). Những sóng này vừa
dao động (rung) vừa truyền trong không gian với một tốc độ rất nhanh,
như chúng ta đã biết, khoảng 300000 cây số trong một giây đồng hồ. Số
rung trong một giây đồng hồ được gọi là tần số rung của sóng. Các sóng
này có thể rung tương đối chậm, có tần số khoảng một triệu lần (chu kỳ)
trong một giây, đó là các sóng phát thanh ngắn (radio short waves), hoặc
rung rất nhanh, khoảng một triệu tỷ tỷ chu kỳ trong một giây, đó là
những tia quang tuyến X , tia Gamma. Khoảng cách sóng truyền đi trong
không gian sau mỗi chu kỳ (một lần rung) gọi là độ dài sóng
(wavelength). Độ dài sóng của các tia X, tia Gamma chỉ vào khoảng
một-phần-triệu-tỷ mét, nghĩa là vô cùng nhỏ, ta có thể tạm coi là 0.
Các sóng phát thanh ngắn có độ dài sóng vào khoảng 100 mét. Vậy nếu ta
biểu diễn độ dài sóng của các loại ánh sáng trên một trục ngang, từ 0
tới 100 mét, nghĩa là trên một đoạn dài 100 mét, thì phạm vi ánh sáng mà
chúng ta có thể nhìn thấy được bằng đôi mắt trần chỉ chưa tới một phần
ngàn của một ly mét, hay là một phần triệu của một mét, trong khoảng từ
0,4 phần triệu của một mét (tương ứng với ánh sáng tím) tới 0,6 phần
triệu của một mét (tương ứng với ánh sáng màu đỏ), một chấm nhỏ mà mắt
con người không thể nào nhìn thấy được. Vâng, chỉ như vậy thôi, và các
con số trên không lạ gì với các học sinh trung học.
Trở
lại hiệu ứng Doppler, chúng ta chắc ai cũng có kinh nghiệm nghe tiếng
còi của xe cứu thương hay xe cảnh sát thay đổi khi xe tiến lại gần, qua
ta và rồi di chuyển ra xa. Tiếng còi nghe cao dần khi xe tiến lại gần
ta và rồi trở thành trầm dần khi rời xa ta. Hiện tượng này chính là
hiệu ứng Doppler, sóng âm thanh co lại hoặc dãn ra tùy theo âm thanh đó
tiến lại gần ta hay rời xa ta. Vì sóng âm thanh di chuyển trong không
gian với một vận tốc cố định nên âm thanh cao rung nhanh hơn và tương
ứng với độ dài sóng ngắn hơn, và âm thanh trầm rung chậm hơn và tương
ứng với độ dài sóng dài hơn. Sóng ánh sáng cũng vậy, truyền trong không
gian với một vận tốc cố định. Cho nên khi quang phổ của ánh sáng, phát
ra từ các thiên hà, chuyển sang phía đỏ, nghĩa là phía những sóng ánh
sáng có độ dài sóng dài hơn, thì chúng ta có thể kết luận là các thiên
hà đang di chuyển càng ngày càng xa chúng ta. Điều này có nghĩa là vũ
trụ không phải là thường hằng, luôn luôn như vậy, không thay đổi, mà là
đang nở rộng ra. Ngoài ra, Hubble cũng còn khám phá ra một định luật
mang tên ông (Hubble's law): rằng vận tốc di chuyển ra xa của các thiên
hà thì tỷ lệ với khoảng cách giữa thiên hà và trái đất. Thí dụ, một
thiên hà A ở xa trái đất gấp đôi thiên hà B thì vận tốc di chuyển của
thiên hà A sẽ nhanh gấp đôi vận tốc di chuyển của thiên hà B.
Vậy,
nếu ngày nay chúng ta có bằng chứng khoa học rằng vũ trụ đang nở rộng
thì đi ngược thời gian chúng ta có thể tưởng tượng rằng vũ trụ trước đây
nhỏ hơn bây giờ, trong đó các thiên hà gần nhau hơn. Tiếp tục đi ngược
thời gian, chúng ta có thể thấy rằng, một thời nào đó, các thiên hà phải
rất gần nhau, chồng chất lên nhau, không còn khoảng không gian nào giữa
các thiên hà hay vật chất trong vũ trụ. Luận cứ này đưa tới quan niệm
về Big Bang: vũ trụ thành hình do một sự nổ bùng lớn của một dị điểm vô
cùng đặc, vô cùng nóng (vì tất cả vật chất trong vũ trụ được ép lại
thành một điểm). Nóng bao nhiêu độ và đặc như thế nào, các khoa học gia
đã tính ra được nhiệt độ và tỉ trọng của dị điểm này, tôi sẽ đưa ra vài
con số trong một đoạn sau.
Quan
niệm về một Big Bang không hẳn là khó hiểu, vì chúng ta có những hình
ảnh tương tự, thí dụ như một chiếc pháo bông nổ trên trời, một quả bom
nổ văng ra những mảnh bom có thể rất xa và khắp mọi hướng v..v.. Chỉ có
một điều khác biệt, pháo bông hay bom nổ xảy ra trong một khoảng không
gian đã có sẵn, còn Big Bang là sự nổ bùng của một dị điểm cùng lúc tạo
ra không gian và thời gian. Những khái niệm thông thường về thời gian
và không gian mà chúng ta thường hiểu không áp dụng được trước khi Big
Bang bùng nổ. Cho nên, câu hỏi: "vào thời điểm nào và dị điểm nằm ở đâu
để mà bùng nổ?" hoàn toàn không có nghĩa, ít ra là đối với những khoa
học gia..
Thật
ra, sự nở rộng của vũ trụ đã được tiên đoán trong thuyết Tương Đối của
nhà Vật Lý Học Albert Einstein. Những phương trình toán học trong
thuyết Tương Đối suy rộng (General Theory of Relativity) của Einstein đã
tiên đoán hiện tượng này. Nhưng vào thời điểm cuối thập niên 1910, quan
niệm của các khoa học gia Tây Phương về một vũ trụ thường hằng, luôn
luôn như vậy không thay đổi từ vô thỉ đến vô chung, một quan niệm mà
thực chất là bác bỏ thuyết sáng tạo của Ki Tô Giáo, đã ăn sâu vào đầu óc
của mọi người, kể cả Einstein. Cho nên, trong những phương trình toán
học của thuyết Tương Đối, thay vì trình bày sự tiên đoán trên, Einstein
đã cho vào các phương trình toán học của ông một hằng số vũ trụ (cosmic
constant) để triệt tiêu sự nở rộng của vũ trụ. Về sau, Einstein công
nhận đó là một sai lầm lớn nhất (biggest blunder) trong suốt cuộc đời
phục vụ cho khoa học của ông. Tuy vậy, Einstein vẫn được cả thế giới
tôn vinh là một khoa học gia vĩ đại nhất của thế kỷ 20.
Muốn
hiểu tại sao thế giới lại tôn vinh Einstein như trên, có lẽ chúng ta
cũng nên biết qua thuyết Tương Đối của Einstein và chỗ đứng của thuyết
này trong thuyết Big Bang. Năm 1905, Einstein đưa ra thuyết tương đối
hẹp (Special theory of Relativity) để giải thích bản chất của không gian
và thời gian. Thuyết này, ngoài sự chứng minh tính chất tương đối của
không gian và thới gian, còn cho chúng ta biết vận tốc của ánh sáng,
thường được viết bằng ký hiệu c, là một vận tốc giới hạn, nghĩa là không
có gì có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng, do đó vận tốc của ánh sáng là
một hằng số tuyệt đối (absolute constant). Einstein cũng cho chúng ta
biết sự tương quan giữa năng lượng (energy) và vật chất (matter) qua
phương trình E = mc2, E là năng lượng tương ứng với
khối lượng m của vật chất, và c là vận tốc của ánh sáng. Một điểm đặc
biệt khác của thuyết tương đối hẹp của Einstein là thuyết này đã tổ hợp
không gian và thời gian thành một miền chung có tên khoa học là miền
liên tục khônggian - thờigian (spacetime continuum), được mô tả bởi một
tập hợp các phương trình. Miền liên tục khônggian - thờigian này thành
ra có 4 chiều, 3 chiều cho không gian và một chiều cho thời gian. Đầu
óc của chúng ta đã quen với một không gian 3 chiều trong đó 3 trục
ngang, dọc, và thẳng đứng thẳng góc với nhau, nên chúng ta khó có thể
quan niệm một trục thứ tư, trục thời gian, thẳng góc với cả 3 trục
trên. Nhưng những phương trình toán học trong thuyết tương đối hẹp của
Einstein lại cho chúng ta "thấy" rõ rằng miền liên tục khônggian -
thờigian đúng là như vậy, vì trong những phương trình này, chiều thứ tư,
chiều thời gian, bằng cách nào đó lại dính đến những khoảng cách âm
(negative distances), biểu thị bằng một dấu trừ trước thông số thời
gian, ký hiệu là t, trong các phương trình. Không đi vào chi thiết
phức tạp của các phương trình toán học, chúng ta có thể dùng một hình
ảnh giản dị hơn để có một khái niệm về miền liên tục 4 chiều.
Chúng
ta hãy tưởng tượng miền liên tục khônggian - thờigian này giống như một
tờ cao su rộng, được căng thẳng như mặt trống chẳng hạn. Trên mặt tấm
cao su này chúng ta hãy vẽ một trục biểu thị sự chuyển động trong không
gian, và một trục thẳng góc với trục trên biểu thị sự chuyển động trong
thời gian. Nói một cách toán học thì 3 chiều trong không gian đều tương
đương như nhau, nên chúng ta có thể tưởng tượng một trục có thể tượng
trưng cho cả 3. Bây giờ chúng ta hãy lăn một viên bi trên tấm cao su
đó, chúng ta có hình ảnh của một vật chuyển động trong miền liên tục
khônggian - thờigian.
Nhưng
đây là sự chuyển động của một vật trong một mẫu khônggian - thờigian
phẳng lì (flat spacetime), nghĩa là trong không gian và thời gian thuần
túy. Thực tế là, trong vũ trụ không phải chỉ có không gian không, mà
còn có hằng hà sa số các thiên hà như chúng ta đã biết. Do đó, Einstein
đã để ra 10 năm để nghiên cứu, tìm cách đưa tác dụng của trọng trường,
nghĩa là ảnh hưởng của vật chất, vào trong thuyết tương đối của ông.
Ông đã thành công năm 1915 với kết quả là thuyết tương đối rộng (General
theory of relativity), một thuyết có thể giải thích, mô tả sự tương quan
giữa không gian, thời gian, và vật chất, nghĩa là vũ trụ.
Muốn
hiểu ảnh hưởng của vật chất trong việc giải thích vũ trụ, chúng ta hãy
lấy lại mẫu khônggian - thờigian phẳng lì trên, và trên tấm cao su căng
thẳng chúng ta hãy đặt một khối nặng trên đó. Hiển nhiên là tấm cao su
sẽ bị trũng xuống nơi chúng ta đặt khối nặng trên. Lăn một viên bi trên
tấm cao su theo một đường thẳng qua gần khối nặng trên, viên bi không di
chuyển theo đường thẳng mà lại quẹo vào gần chỗ trũng trên tấm cao su
rồi tiếp tục di chuyển trên quỹ đạo đã bị uốn cong này. Điều này chứng
tỏ khônggian - thờigian bị uốn cong và biến dạng bởi những vật nặng, thí
dụ như mặt trời, trong đó, và quỹ đạo của bất cứ cái gì, kể cả ánh sáng,
di chuyển qua và gần vật nặng đó cũng bị uốn cong trong cái vùng biến
dạng của khônggian - thờigian. Hiện tượng này đã được kiểm chứng và đo
được một cách khá chính xác. Ngay từ năm 1919, các nhà vũ trụ học đã có
thể đo được mức độ uốn cong của ánh sáng khi đi qua gần mặt trời.
Thuyết tương đối của Einstein đã tiên đoán rất đúng mức độ uốn cong này.
Sau sự
khám phá của Hubble là vũ trụ đang nở rộng, các khoa học gia đã dùng lại
những phương trình toán học của Einstein, bỏ đi cái hằng số vũ trụ mà
Einstein cho vào để triệt tiêu sự nở rộng của vũ trụ. Kết quả là các
phương trình này mô tả rất chính xác vũ trụ của chúng ta.
Thật
ra thì người đầu tiên dùng những phương trình toán học trong thuyết
tương đối của Einstein để đưa ra một thuyết về nguồn gốc của vũ trụ mà
ngày nay chúng ta gọi là Big Bang là một linh mục người Bỉ tên là George
Lemaitre. Nhưng Lemaitre chỉ dùng những phương trình này để tính ngược
tới một thời điểm mà vũ trụ được thu gọn trong một trái cầu lớn hơn mặt
trời khoảng 30 lần mà ông ta gọi là "nguyên tử đầu tiên" (primeval
atom), còn được biết dưới danh từ "trứng vũ trụ" (cosmic egg). Theo
Lemaitre thì, vì những lý do không rõ, trái trứng vũ trụ này nổ bùng tạo
thành vũ trụ của chúng ta ngày nay. Nhưng các phương trình của Einstein
lại cho phép chúng ta đi ngược thời gian xa hơn nữa, tới một thời điểm
mà tất cả vũ trụ được thu gọn trong một điểm mà danh từ khoa học gọi là
"dị điểm" (singularity), một thời điểm vào khoảng 0.0001 (một phần mười
ngàn) của một giây đồng hồ (10-4 sec.) sau khi dị điểm bùng
nổ, khi đó nhiệt độ của dị điểm là khoảng 1000000000000 (một ngàn tỷ) độ
tuyệt đối (1012 oK), nhiệt độ tuyệt đối K cao hơn
nhiệt độ bách phân C là 273.16 độ, do đó 0 độ K tương đương với
-273.16 độ bách phân C, và tỷ trọng của dị điểm là 100000000000000 (một
trăm ngàn tỷ) gram (1014 g) cho một phân khối. Để có môt ý
niệm về các con số trên, nhiệt độ ngoài biên của mặt trời chỉ vào
khoảng 6000 độ, và tỷ trọng của nước chỉ là 1 gram cho một phân khối.
Một điểm quan trọng trong thuyết Big Bang mà chúng ta cần hiểu là: không
phải dị điểm nổ bùng và nở rộng trong một không gian hay vũ trụ có sẵn,
thí dụ như pháo bông nổ trên trời, mà là thời gian và không gian được
gói ghém trong dị điểm, nghĩa là thời gian và không gian của vũ trụ ngày
nay được sinh ra cùng với sự nổ bùng của dị điểm.
Sự
kiện vũ trụ đang nở rộng đã là một sự kiện khoa học, không ai có thể phủ
nhận. Nhưng sự kiện này có phải là "tiếng nói cuối cùng" của các khoa
học gia về thuyết Big Bang hay không? Không hẳn, vì thuyết Big Bang lại
đưa đến nhiều vấn đề khác cần phải kiểm chứng để cho thuyết này được
công nhận.
Cũng
vì vậy mà trong thập niên 1940, George Gamow đã từ thuyết Big Bang tiến
thêm một bước và tiên đoán sự hiện hữu của một bức xạ nền (background
radiation) trong vũ trụ. Gamow áp dụng môn vật lý nguyên lượng (quantum
physics) vào việc khảo sát những sự tương tác hạt nhân (nuclear
interactions) phải xảy ra trong quả cầu lửa khi Big Bang vừa mới nổ chưa
được một giây đồng hồ. Khi đó, quả cầu lửa, do dị điểm nổ tung ra, gồm
các hạt nhân của nguyên tử hydrogen, còn gọi là dương tử (proton), trung
hòa tử (neutron), điện tử (electron), và các hạt khác. Gamow tính ra
rằng vào khoảng 25% các hạt proton được biến cải thành hạt alpha, nhân
của nguyên tử Helium, gồm 2 proton và 2 neutron, phù hợp với sự cấu tạo
của các ngôi sao được thành lập khi vũ trụ mới thành hình, được ghi nhận
trên các quang phổ ánh sáng của các ngôi sao này. Kết quả là quả cầu
lửa vô cùng nóng này chứa đầy ánh sáng (bức xạ) có độ dài sóng ngắn dưới
dạng tia X và tia Gamma. Gamow và nhóm nghiên cứu của ông kết luận là
những bức xạ ban khai này của Big Bang, dù đã nguội đi rất nhiều qua
mười mấy tỷ năm, nhưng vì không thể thất thoát đi đâu được, nên vẫn còn
tồn tại đầy trong vũ trụ hiện nay, tạo thành một bức xạ nền, nghĩa là
bức xạ có khắp mọi nơi trong vũ trụ. Đây chính là dấu tích của Big Bang
để lại, nếu thực sự vũ trụ này sinh ra từ một Big Bang.
Muốn
dễ hiểu chúng ta hãy tưởng tượng một quả bong bóng chứa đầy không khí.
Khi quả bong bóng nở phồng ra thì không khí trong đó cũng loãng ra vì
phải chiếm một thể tích lớn hơn. Tương tự, khi vũ trụ càng ngày càng nở
rộng ra thì mật độ (density) của các bức xạ trên cũng phải càng ngày
càng giảm đi. Nói cách khác, các bức xạ có độ dài sóng ngắn như tia X,
tia Gamma cùng dãn ra với vũ trụ, do đó chuyển dần thành những bức xạ có
độ dài sóng dài hơn. Sự khác biệt quan trọng nhất giữa những bức xạ có
độ dài sóng ngắn và độ dài sóng dài là năng lượng kết hợp với bức xạ có
độ dài sóng ngắn thì cao hơn là năng lượng kết hợp với bức xạ có độ dài
sóng dài. Chúng ta đã biết, tia X có sức xuyên thấu cao, có thể làm
nguy hại đến các tế bào trong cơ thể, trong khi ánh sáng thường trong
bóng mát không có ảnh hưởng gì tới cơ thể. Khi vũ trụ nở rộng thì vì sự
chuyển sang phía độ dài sóng dài của các bức xạ nền trong vũ trụ, và nếu
chúng ta biết nhiệt độ ban khai của Big Bang và tuổi của vũ trụ thì
chúng ta có thể tính ra nhiệt độ của bức xạ nền trong vũ trụ.
Năm
1948, hai sinh viên trong nhóm nghiên cứu của Gamow là Ralph Alpher và
Robert Herman đã tính ra được nhiệt độ tương ứng với bức xạ nền này vào
khoảng 500K, nghĩa là -268 độ Celsius hay nhiệt độ bách phân
(dưới nhiệt độ 00 của nước đá 268 độ). Lẽ dĩ nhiên, kết quả
này tùy thuộc nhiệt độ ban đầu của Big Bang và tuổi của vũ trụ, vì chúng
ta có thể tính ra nhiệt độ của bức xạ nền hiện nay bằng cách lấy nhiệt
độ ban khai của Big Bang chia cho căn số bậc hai của tuổi vũ trụ, tính
bằng giây đồng hồ.
Sự
tiên đoán lý thuyết của Gamow và nhóm nghiên cứu của ông về một bức xạ
nền, dấu tích của Big Bang để lại, không được giới khoa học để ý đến
nhiều, tuy cũng có vài nhóm nghiên cứu khác tính ra nhiệt độ của bức xạ
nền là vào khoảng vài độ tuyệt đối. Một phần vì chưa có kỹ thuật đo
nhiệt độ thấp (khoảng -2700 C) nên không thể kiểm chứng tiên
đoán của Gamow, một phần vì thuyết Big Bang chưa có tính cách hoàn toàn
thuyết phục. Mãi tới năm 1965, Arno Penzias và Robert Wilson ở trung
tâm khảo cứu của hãng Bell (Bell Research Laboratories), thiết kế một
cái ăng-ten lớn hình loa để dùng trong sự liên lạc viễn thông với các
vệ tinh, ngẫu nhiên dò ra được một loại âm thanh vi sóng vô tuyến thuần
nhất trong chín phương trời, mười phương Phật (microwave radio noise
coming uniformly from all over the sky). Âm thanh này chính là bức xạ
nền đã tiên đoán bởi Gamow trước đó hơn 20 năm. Thực nghiệm đã kiểm
chứng lý thuyết, và điều này đã thuyết phục hầu hết các nhà vũ trụ học
về quan niệm vũ trụ sinh ra từ một Big Bang. Penzias và Wilson được
trao tặng giải Nobel vào năm 1978 về những khám phá tình cờ này. 20 năm
tiếp theo sự khám phá của Penzias và Wilson, nhiều nhóm nghiên cứu trên
thế giới đã đổ xô vào việc kiểm chứng sự hiện hữu của bức xạ nền, dấu
tích của Big Bang để lại, và ngày nay, nhiệt độ của bức xạ nền được mọi
người công nhận là 2.70K.
Tới
đây, có lẽ chúng ta cho rằng câu chuyện Big Bang đã dứt khoát, không
còn ai có thể nghi ngờ gì nữa về nguồn gốc của vũ trụ, trừ những người
mê mẩn với thuyết sáng tạo (creationist). Không hẳn vậy, vì tới thập
niên 1980, các nhà vũ trụ học không cảm thấy hoàn toàn hài lòng về những
kết quả liên hệ tới một bức xạ nền trong vũ trụ. Sự hiện hữu của một
bức xạ nền đã được kiểm chứng dứt khoát, nhưng vấn đề là nó nhuyễn quá
(too smooth), nó đồng đều khắp mọi phương trong vũ trụ. Bất kể đo từ
hướng nào nó cũng như nhau, thuần nhất (uniform). Điều này làm cho các
nhà vũ trụ học bối rối. Vì, nếu trong vũ trụ nở rộng này chỉ có toàn là
bức xạ thì sự thuần nhất của bức xạ nền không thành vấn đề. Nhưng chúng
ta đã biết, trong vũ trụ có cả tỷ thiên hà, và mỗi thiên hà có đến cả tỷ
ngôi sao, nghĩa là trong vũ trụ có những lượng vật chất rất lớn. Theo
các nhà vũ trụ học thì sự hiện hữu của những khối lượng vật chất lớn, vô
cùng lớn, trong vũ trụ sẽ tạo ra những vân (ripples) trong bức xạ nền,
nghĩa là bức xạ nền không thể nào quá nhuyễn mà phải không đồng đều, dù
sự sai biệt này vô cùng nhỏ. Điều này sẽ gây nên những vân trong bức xạ
nền, nghĩa là bức xạ nền không thể quá nhuyễn như những kết quả đo lường
đã chứng tỏ. Đây chính là mắt xích cuối cùng trong việc xác định thuyết
Big Bang, không kiếm được cái mắt xích này, thuyết Big Bang không có căn
bản vững chắc. Các khoa học gia đã hầu như thất vọng vì kỹ thuật trong
đầu thập niên 1990 không thể kiểm chứng được sự hiện hữu của các vân
trong bức xạ nền. Nhưng vào tháng 4 năm 1992, vệ tinh COBE (COsmic
Background Explorer) của cơ quan thám hiểm không gian Hoa Kỳ (NASA) đã
dò ra được những vân trong bức xạ nền với những sai biệt đúng như sự
tiên đoán của các khoa học gia. Thuyết Big Bang không còn là một thuyết
nữa mà trở thành một sự kiện khoa học (scientific fact) và cả thế giới
đều công nhận sự kiện này về nguồn gốc của vũ trụ.
Muốn
hiểu tường tận thuyết Big Bang qua những bằng chứng toán học và vật lý
thì có vẻ khó, nhưng muốn "thấy" Big Bang thì không phải là chuyện khó
khăn. Chúng ta chỉ cần mở TV, vặn vào một đài số không có trong chương
trình TV, chúng ta sẽ nghe thấy tiếng xào xạo và thấy ánh sáng nhấp nháy
trên màn huỳnh quang. 1% của loại tiếng ồn và ánh sáng nhấp nháy này là
từ bức xạ nền, dấu tích của Big Bang để lại trong khắp vũ trụ từ hơn 15
tỷ năm nay.
Một
mặt khác, những đêm trời quang, mưa tạnh, chúng ta chỉ cần nhìn lên
những khoảng tối giữa các vị sao trên trời là có thể thấy ngay Big Bang
trên đó. Không đi vào chi tiết, chúng ta đã biết, cho tới thập niên
1920, quan niệm về vũ trụ là một vũ trụ thường hằng, vô cùng tận, luôn
luôn như vậy với hàng tỷ tỷ ngôi sao khắp mọi nơi. Theo quan niệm này
thì ban đêm trời phải sáng vì nhìn theo bất cứ hướng nào trong vũ trụ ta
cũng thấy một vị sao. Cho nên câu hỏi "tại sao ban đêm trời lại tối" mà
Olbers đưa ra như một nghịch lý (Olbers' paradox) trong thế kỷ 19, đã là
mối thắc mắc của các khoa học gia và triết gia trong nhiều thế kỷ. Lẽ
dĩ nhiên, đối với những người thường như chúng ta thì khi được hỏi: "Anh
nhỉ, tại sao ban đêm trời lại tối?", câu trả lời rất có thể là: "À, trời
tối để anh có thể nhìn thấy ánh mắt em lấp lánh như sao trên trời."
Nhưng các khoa học gia có vẻ như không thỏa mãn với câu trả lời đầy vẻ
thơ mộng trên, cho nên vẫn tìm cách giải thích câu hỏi “Tại sao ban đêm
trời lại tối?”
Mãi
khi thuyết Big Bang ra đời, các khoa học gia mới giải thích được nghịch
lý này: Vì vũ trụ luôn luôn nở rộng làm cho ánh sáng từ các ngôi sao
chuyển sang phía đỏ, vì vũ trụ mới sinh ra từ một Big Bang cách đây
khoảng 15 tỷ năm nên chưa đủ thời gian để cho ánh sáng từ các thiên hà
xa hơn nữa, nếu có, truyền tới mặt đất, và vì các ngôi sao không phải là
cứ sống mãi mãi, trước sau gì cũng phải chết đi như vạn pháp trong vũ
trụ.
Trên
đây là tóm tắt câu chuyện “Big Bang”, nguồn gốc của vũ trụ mà ngày nay
không còn ai có thể phủ nhận trừ những người có đầu óc tương đương với
đầu óc của những người thuộc thời Trung Cổ ở Âu Châu, cần được chăn
dắt, bảo sao nghe vậy.
Thật
vậy, ngày 30 tháng 4, 2001, báo Chicago tribune loan tin “Những nhà
thiên văn của đại học Chicago đã phổ biến những kết quả đo lường chi
tiết về những vân trong bức xạ nền (background radiation) còn lại từ khi
vũ trụ sinh ra từ một Big Bang.” (University of Chicago astronomers on
Sunday released finely detailed measurements of radiation from the birth
of the universe, capturing an unprecedented snapshot of acoustic waves
rippling from the cataclysm of Big Bang). Những kết quả này đã kiểm
chứng bằng chứng là vũ trụ đã sinh ra từ một Big Bang (Evidence of
cosmic explosive growth)
Và
ngày 12 tháng 2, 2003, báo chí cũng như các đài TV Mỹ đã loan tin là cơ
quan thám hiểm không gian Hoa Kỳ (NASA) đã đưa ra những hình ảnh chụp
bởi vệ tinh Microwave Anisotropy Probe (MAP), được phóng lên không gian
vào tháng 6, 2001, lên xa trái đất 1 triệu 6 trăm ngàn cây số (1.6 MKm),
về một vũ trụ ở thời điểm vài ngàn năm sau Big Bang, 200 triệu năm sau,
và 13,7 tỷ năm sau. Những hình ảnh này đưa đến sự định tuổi chính xác
nhất của vũ trụ là 13,7 tỷ năm và thời gian này chiếm nửa đời
sống của vũ trụ, nghĩa là vũ trụ này chỉ còn tồn tại khoảng 14 tỷ năm
nũa thôi. (Universe: Data reveal birth, life, eventual end [The
remarkable portraits capturing the afterglow of the Big Bang – called
the cosmic microwave background – were released by NASA on Tuesday.
They provide the most accurate dating of the universe’s birth – 13.7
billion years ago – and suggest that it is now going through a midlife
crisis])
Trang khoa học