Ai là cha đẻ của thuyết vụ nổ lớn?

Cách nay khoảng 15 tỉ năm đã xảy ra một vụ nổ khủng khiếp, vô tiền khoáng hậu, từ đó đã hình thành nên toàn bộ không gian, thời gian, các thiên hà, v.v... như chúng ta biết hiện nay. Nói cách khác, vũ trụ của chúng ta đã được sinh ra từ Vụ Nổ Lớn đó.

Chúng ta có thể hỏi: thuyết này ra đời từ lúc nào, và ai là cha đẻ của nó? Câu trả lời là: Thuyết Vụ Nổ Lớn được hình thành qua nhiều giai đoạn khác nhau, ở những địa danh khác nhau, mỗi giai đoạn có một cha đẻ tương ứng. Ta hãy lần lượt điểm qua các địa danh và cha đẻ của nó.

1. Berlin, 1917:

Albert Einstein (1879-1955).

Có thể gọi Einstein là người cha mù quáng, cố chấp vì ông đã không tin vào các kết quả tính toán do chính mình thực hiện vào năm 1917, và đã không thừa nhận một phát minh cực kỳ quan trọng. Ông đã thốt lên: “Không, không thể như thế được! Vũ trụ không thể nở rộng ra được! Vũ trụ phải bất biến! Chắc tôi đã tính nhầm một chỗ nào đó”.

Ta cũng dễ thông cảm vì Einstein lúc đó đã quá mệt sau mười năm làm việc cật lực để cho ra đời thuyết tương đối tổng quát vào năm 1916. Chính thuyết này là cơ sở cho vũ trụ học hiện đại, một khoa học về cấu trúc và diễn biến của vũ trụ.

Cho đến lúc bấy giờ tất cả mọi người, dù là vĩ nhân hay thứ dân, đều nghĩ rằng vũ trụ của chúng ta là không thay đổi, từ ngàn xưa vẫn như vậy và vĩnh viễn cũng sẽ như vậy. Vũ trụ là dừng, bất biến. Chính trên quan niệm đó mà Einstein đã rất bối rối khi tìm ra nghiệm các phương trình của chính mình, đúng ra là 2 nghiệm, mô tả vũ trụ hoặc đang dãn nở, hoặc đang co lại. Einstein đã phải thốt lên như trên, và “chữa cháy” bằng cách thêm vào phương trình của mình một số hạng chứa “hằng số vũ trụ” để được nghiệm mô tả vũ trụ dừng. Vài năm sau chính Einstein phải thừa nhận rằng đây là “sai lầm đẹp nhất trong đời (khoa học) của tôi”.

Như vậy người cha thiên tài Einstein đã không thừa nhận đứa con vũ trụ dãn nở mà lý thuyết tương đối tổng quát của mình đã sinh ra.

2. Petrograd, 1922:

Alexandre Friedmann (1888-1925), người cha không ai biết đến.

Friedmann có khiếu về toán từ nhỏ, đã tốt nghiệp ngành vật lý – toán trường Đại học Saint – Petersbourg ngay trước Thế chiến thứ nhất. Trong thời gian Đại chiến, ông tham gia một trung tâm đầu tiên của Nga nghiên cứu các vấn đề khí động học phục vụ pháo binh. Trở lại làm việc ở trường Đại học Saint – Petersbourg (đã đổi tên thành Petrograd) vào năm 1920, ông bắt đầu làm quen với các phương trình Einstein vừa đến được nước Nga xa xôi cách đấy không lâu.

Friedmann không ngần ngại lao ngay vào thuyết tương đối tổng quát, mặc dù Einstein đã từng tuyên bố là trên đời này chỉ có hai người hiểu được nó, đó là vị quý tộc người Anh Eddington và chính ông.

Friedmann bắt đầu bằng việc loại bỏ ngay “số hạng vũ trụ” mà ông cho là thừa và chỉ với giấy và bút chì ông đã tìm cách giải các phương trình Einstein bằng mọi cách có thể. Ông nhận thấy rằng tất cả các nghiệm được chia thành 2 loại, dẫn đến 2 mô hình vũ trụ: hoặc vũ trụ giãn nở mãi mãi, hoặc vũ trụ dãn nở đến một thời điểm nào đó rồi co lại do lực hấp dẫn lấn át xu hướng dãn nở. Trong trường hợp thứ hai, toàn bộ vật chất của vũ trụ sẽ tập trung lại thành một điểm thể tích bằng không và siêu đặc, rồi sau đó vũ trụ lại tham gia vào một pha dãn nở mới, rồi co lại, và cứ thế tiếp tục. Nói cách khác, đây là một vũ trụ co bóp và như lời Friedmann, “Làm ta nghĩ đến thuyết luân hồi của Ấn Độ, và ta cũng có thể nói đến sự tạo thành thế giới từ hư vô”. Hơn thế nữa, ông còn tính được tuổi của vũ trụ là 10 tỉ năm, một kết quả không thể tưởng tượng được vào thời bấy giờ.

Friedmann công bố các kết quả của mình trên tạp chí “Zeirtschift fiir Physik” vào năm 1922. Ngay sau đó Einstein đã nhận xét một cách khó khăn cũng trên tạp chí nói trên: “Ở đây có sai sót trong tính toán, một vũ trụ có kích thước thay đổi là không tương thích với thuyết tương đối tổng quát”. Friedmann bèn gửi thẳng cho Einstein một bức thư giải thích cặn kẽ mọi thứ. Đến tháng 6 năm 1923, Einstein mới “chiếu cố” thừa nhận: “Chính tôi đã tính nhầm. Các nghiệm của ông Friedmann đều đúng”.

Có phải Einstein vĩ đại đã từ bỏ lập trường của mình? Không hề. Đồng ý là Friedmann đã tìm được các nghiệm khác với của ta, nhưng thế thì sao? - chắc Einstein tự nghĩ. Đó chẳng qua là toán học thuần tuý, không có ý nghĩa vật lý gì cả! Einstein vẫn giữ quan điểm của mình, và người ta không hiểu có một cái gì đó đã khiến ông cho đến lúc chết vẫn không chịu chấp nhận ý tưởng về một vũ trụ có kích thước thay đổi theo thời gian.

Các kết quả của Friedmann bị rơi vào quên lãng, và bản thân nhà khoa học Nga đã quay trở lại với công việc ban đầu của mình là khí tượng học và đã phá kỷ lục bay cao bằng quả bóng nghiên cứu khí tượng.

3. Bỉ, 1927:

Georges Lemaitre (1894-1966), người cha chính thức.

Vị linh mục người Bỉ này đồng thời là một nhà khoa học rất lớn. Ông đã từng theo học các cha cố dòng Sacré – Coeur, sau đó được đào tạo kỹ sư, tiếp nối là bốn năm làm lính pháo binh trong thế chiến thứ nhất. Sau khi giải ngũ ông lao vào nghiền ngẫm các vấn đề toán – lý, và vào học trường dòng. Ban ngày ông ngốn ngấu các trước tác của Thánh Augustin, ban đêm – các công trình của Einstein.

Năm 1923 ông được phong linh mục, và lập tức ngay sau đó ông tiến hành một cuộc viễn du khoa học. Chặng đầu tiên là Cambridge (Anh), với tư cách học trò của Sir Arthur Eddington, nhà thiên văn học lớn nhất thời bấy giờ. Tại đây Lemaitre hiểu rằng chỉ với tờ giấy và bút chì ta không thể nào thành nhà vũ trụ học được, mà còn cần phải biết quan sát các vì sao, phải học cách đo đạc vũ trụ với kính thiên văn.

Chặng thứ hai là Canađa. Tại đây Lemaitre đã phát hiện ra các phương trình của Willem de Sitter, mô tả một mô hình vũ trụ ngược với Einstein, tức không có vật chất nhưng lại đang vận động, trong khi mô hình Einstein có vật chất nhưng lại đứng yên.

Chặng dừng thứ ba là Hợp chủng quốc Hoa Kỳ, tại đây Lemaitre trở thành con người “đến đúng chỗ vào đúng lúc”.

Trong hai năm linh vục Lemaitre phát hiện ra các công trình của nhiều nhà thiên văn Mỹ, trong đó có Edwin Hubble và rút ra kết luận là trong vũ trụ tồn tại nhiều thiên hà và các thiên hà có vẻ chạy ra xa nhau với vận tốc lớn.

Lemaitre trở lại Bỉ vào năm 1925 và giảng dạy ở trường Đại học Công giáo ở Louvain. Năm 1927 ông công bố một công trình quan trọng trong “Les Annales de la société scientifique de Bruxelles”, tái phát hiện các kết quả của Friedmann mà ông chưa được biết: Các phương trình Einstein cho các nghiệm mô tả một vũ trụ đang vận động. Điều đáng nói ở đây là Lemaitre đã kết hợp được các kết quả quan sát thiên văn với hình thức luận toán học tuyệt vời của mình. Vũ trụ đầu tiên của Lemaitre là không có điểm khởi đầu.

Cũng như Friedmann, Lemaitre đã cố gắng thuyết phục người khổng lồ Einstein nhưng cũng chỉ nhận được cái nhún vai và câu trả lời: “Các tính toán của ông đều đúng, thưa linh mục, nhưng trực giác vật lý của ông thì không thể chịu được”.

Năm 1930 Lemaitre liên hệ với thầy cũ của mình, Sir A. Eddington: Thưa giáo sư, ông đã đọc bài báo năm 1927 của tôi chưa? – Chưa, Eddington thừa nhận. Sau đó ông mới lướt qua bài báo và thật sự rung động: đó chính là điều mà ông tìm kiếm, là sự kết hợp của thuyết tương đối tổng quát với các quan sát thiên văn về hiện tượng dịch chuyển đỏ của quang phổ các thiên hà, về phát hiện của Hubble vừa công bố vào năm 1929. Mọi thứ thật rõ ràng. Các thiên hà chạy ra xa nhau bởi vì vũ trụ đang dãn nở! Eddington được de Sitter hưởng ứng đã nhiệt liệt cổ vũ cho bài báo đó và đẩy Lemaitre lên hàng đầu của những người nổi tiếng.

Năm 1931 trong một bài báo đăng trên tạp chí “Nature”, Lemaitre nêu thêm một ý tưởng thiên tài: Vũ trụ có một thời điểm bắt đầu. Khi ta đi ngược thời gian thì sẽ thấy toàn bộ vật chất tập trung vào một “nguyên tử nguyên thuỷ” (kích thước 100 triệu km!). Chính “nguyên tử” này đã phân rã ra thành các sao, thiên hà, v.v...

Việc vũ trụ có một khởi đầu mới chỉ là trực giác, nhưng hết sức cách mạng, đến độ làm cho cả Eddington lẫn Einstein đều phải sửng sốt.

4. Hoa Kỳ, 1929:

Edwin Powell Hubble (1989-1953) - người cha hờ.

Cao 1,85m, vai rộng, vận động viên quyền Anh và bóng rổ có hạng, Hubble hoàn toàn đủ điều kiện tham gia các cuộc thi đấu Olympic. Ngoan đạo, ít nói, nghiêm khắc, chiến sĩ tình nguyện trong hai Thế chiến, ông là mẫu người hùng của nước Mỹ. Khuyết điểm duy nhất: hút tẩu thuốc, niềm say mê duy nhất: thiên văn.

Phải nói ngay rằng Hubble không phải là cha đẻ của thuyết Vụ Nổ Lớn, ông chỉ là nhà thiên văn vĩ đại nhất của thế kỷ, và những gì ông quan sát thấy qua viễn vọng kính của mình là trụ cột đầu tiên của lâu đài thuyết Vụ Nổ Lớn.

Năm 1919, Hubble được bổ nhiệm làm việc tại Đài thiên văn trên núi Wilson, phía nam bang California, đài này được trang bị kính viễn vọng mới toanh, đường kính 2,5m, mạnh nhất thế giới lúc bấy giờ. Ông đã cùng trợ lý của mình giam mình trong cabin quan sát nhiều ngàn giờ, lắm khi trong cái lạnh cắt da mà không dám hắt hơi, sợ làm rung hệ thống quang học.

Từ năm 1922, Hubble đã khẳng định một việc tranh cãi lúc bấy giờ là các đám tinh vân quan sát thấy lâu nay chính là các thiên hà tương tự như sông Ngân của chúng ta. Ông còn đo được khoảng cách từ Hệ Mặt trời đến tinh vân (thiên hà) Andromède là 1 triệu năm ánh sáng (số liệu hiện nay lớn hơn gấp 2 lần), kết quả này làm thể tích vũ trụ (theo hiểu biết lúc bấy giờ) tăng lên gấp 1.000 lần.

Vào năm 1929 Hubble công bố một bài báo ngắn trên “Proceedings of the National Academy of Science” với nội dung (mà ngày nay người ta gọi là định luật Hubble) như sau: tất cả các thiên hà đều chạy ra xa chúng ta với vận tốc tỷ lệ theo khoảng cách. Kết quả này Hubble thu được từ việc phân tích sự chuyển đỏ của ánh sáng do cả trăm thiên hà phát ra mà ông quan sát thấy.

Hubble đã không biết rút ra các kết luận về vũ trụ, ông cứ phân vân mãi về ý nghĩa phát minh của mình. May mắn thay có những người khác đã làm được điều đó, chẳng hạn như Eddington mà ta vừa nói đến trên kia.

Cho đến cuối đời, Hubble vẫn tiếp tục kiên trì ngồi sau kính viễn vọng, quan sát đo đạc để làm chính xác thêm định luật mang tên ông.

5. Hoa Kỳ, 1948:

George Gamow (1904-1968), người cha lơ đãng.

Chúng ta có bằng chứng gì về việc toàn bộ vật chất của vũ trụ được sinh ra tại thời điểm đầu hay không? Câu trả lời khẳng định đã được nêu ra bởi một người Mỹ gốc Nga G. Gamow.

Nguyên là học trò của Friedmann, Gamow quan tâm đến tất cả mọi thứ từ cái vô cùng lớn (vũ trụ) đến cái vô cùng nhỏ (hạt nhân nguyên tử), là một người viết sách phổ biến khoa học có tầm cỡ. Bạn bè thường nói đùa là bộ óc của ông sản xuất mỗi giây mười triệu ý tưởng mới, nhưng điểm yếu của ông là ít khi chịu tập trung suy nghĩa đến cùng, mà thường để cho người khác hoàn chỉnh các ý tưởng của mình. Ông có một kết cục thảm hại, chết trong nghiện ngập, bị quên lãng.

Trở lại chuyện Vụ Nổ Lớn. Vào những năm 40 vật lý hạt nhân mới ở giai đoạn thiếu thời, không ai có thể tin được ý tưởng siêu nguyên tử nguyên thuỷ của Lemaitre. Người ta cho rằng có thể lúc đầu toàn bộ vật chất vũ trụ tồn tại dưới dạng một khối nơtron lạnh giá, một loại Vụ Nổ Lớn lạnh. Gamow về phần mình lại tin vào một Vụ Nổ Lớn nóng, nóng khủng khiếp. Ông cho rằng nồi xúp nguyên thuỷ gồm phần lớn là prôtôn ở 30 tỉ độ phải có những đặc trưng sao cho tạo được các nguyên tố hoá học theo tỷ lệ như ngày nay, tức 72% hyđrô, 7% hêli, còn tất cả những nguyên tố nặng hợp lại không đến 1%.

Năm 1948 Gamow cho đăng một loạt bài, lúc đầu đứng tên một mình và về sau cùng với các đồng nghiệp Alpher và Hermann, mô tả từ những kịch bản 20 phút đầu tiên sau Vụ Nổ Lớn, tạo được tỷ lệ nguyên tố nhẹ nêu trên. Đây chính là trụ cột thứ hai của thuyết Vụ Nổ Lớn.

Tuy nhiên Gamow vẫn còn bị hóc một “cái xương”: lý thuyết của ông không giải thích được sự hình thành các nguyên tố nặng. Thôi kệ, ông nghĩ chẳng quan trọng gì lắm, vì ta đã giải thích được sự xuất hiện của trên 99% vật chất rồi còn gì!

Gamow và các đồng nghiệp cũng đã sờ đến trụ cột thứ ba của thuyết Vụ Nổ Lớn bằng cách cho rằng ngày nay vẫn phải còn tồn tại một dấu vết gì đó của nồi xúp nguyên thuỷ, đó là bức xạ “hoá thạch” soi sáng tận cùng sâu thẳm của vũ trụ. Ông cũng tính được bức xạ này có nhiệt độ là 5 độ K. Đáng tiếc là điều tiên đoán này đã không được ai chú ý đến.

Điều trớ trêu là “cái xương bị hóc” của Gamow lại được giải quyết bởi chính đối thủ (khoa học) của ông là một người Anh tên là Fred Hoyle, nhà toán học, nhà vật lý thực nghiệm, nhà thiên văn học. Vào năm 1957 Hoyle cùng ba đồng nghiệp công bố một bài báo nổi tiếng, được nhắc đến dưới tên BBFH, là các chữ đầu tiên của Burbridge (bà), Burbridge (ông), Fowler và Hoyle. Bộ bốn này chứng minh một cách không bắt bẻ được là các nguyên tố nặng đã và đang tiếp tục được hình thành trong lòng các ngôi sao, tức hàng tỉ năm sau Vụ Nổ Lớn, và như vậy vô hình chung bổ khuyết cho lập luận của Gamow.

Hoyle chủ trương mô hình vũ trụ dừng, ngược hẳn với Gamow. Chính Hoyle chứ không ai khác, trong một buổi phỏng vấn ở đài BBC vào năm 1950, đã lần đầu tiên dùng từ Big Bang (Vụ Nổ Lớn) để chế diễu mô hình của Gamow. Không ngờ từ này đã gắn chặt luôn với mô hình của Gamow, nhưng hoàn toàn không còn sắc thái chế giễu của Hoyle.

Trong suốt 15 năm, Gamow và Hoyle không ngừng chỉ trích nhau, bất phân thắng bại vì không đủ chứng cứ thực nghiệm. Mãi đến năm 1965 mới có hai thanh niên nhảy lên vũ đài và đem lại thắng lợi quyết định cho thuyết Vụ Nổ Lớn của G. Gamow.

6. Hoa Kỳ, 1965:

Penzias và Wilson, hai người cha may mắn.

- “Có phân chim bồ câu dính ở trên đó, Bob à”.

- “Vậy thì, Arno, ta phải cọ nó đi”.

Hai chàng kỹ sư trẻ tuổi dùng bàn chải kỳ cọ nhẹ nhàng ăngten rađiô có dạng cái phễu kích thước 1,2m. Thiết bị siêu nhạy này của công ty Bell Telephone được lắp đặt vào năm 1960 ở Crawford Hill, tiểu bang New Jersey, với mục đích thu nhận các tín hiệu rađiô từ vệ tinh ECHO, nhưng nay không dùng nữa. Robert W. Wilson và Arno Penzias 31 và 34 tuổi lúc bấy giờ, quyết định dùng ăngten này để đo bức xạ rađiô của môi trường giữa các sao trong Thiên Hà của chúng ta ở bước sóng 7,35cm.

Penzias và Wilson vừa tốt nghiệp đại học không lâu, cả hai chưa bao giờ nghe nói gì về Lemaitre, về sự tồn tại bức xạ tàn tiên đoán bởi Gamow. Sau vài tuần lễ đo đạc, hai thanh niên này bắt đầu sốt ruột vì luôn luôn thu được một “tiếng ồn” rađiô cường độ không đổi, dù ăngten được quay theo hướng nào đi nữa. Rõ ràng bức xạ đó không thể được phát ra từ thiên hà của chúng ta, vì khi đó nó sẽ phụ thuộc định hướng tương đối của ăngten so với mặt phẳng thiên hà. Hay tiếng ồn là do chính ăngten gây ra?

Phân bồ câu lau chùi rồi, các bộ phận thiết bị kiểm tra đi kiểm tra lại, kết quả: bức xạ thu được vẫn như cũ, không thay đổi. Vậy chỉ còn cách thừa nhận rằng tiếng ồn rađiô đó đến từ nơi tận cùng của vũ trụ, rất xa bên ngoài thiên hà của chúng ta.

Sau đó ít lâu trong khi trao đổi với một đồng nghiệp là Bernard Burke về những vấn đề hoàn toàn khác, Penzias ngẫu nhiên có đề cập đến tiếng ồn bí ẩn này. Burke sực nhớ đến một xêmina ở đó nhà vật lý lý thuyết James Peebles, cộng tác viên của Robert Dicke, đã trình bày là trong vũ trụ phải tồn tại một bức xạ rađiô xuất hiện vào thời điểm 300.000 năm sau Vụ Nổ Lớn. Bức xạ tàn dư này, với tuổi thọ 15 tỉ năm, phải có nhiệt độ là 10 độ K.

Penzias bèn gọi điện ngay cho Dicke, và ông này bị kích thích cao độ, phóng ngay đến Crawford Hill. Không còn nghi ngờ gì nữa: trong ống nghe của ăngten, Dicke đang nghe được một giai điệu tồn tại từ nhiều tỉ năm, chứng tích mong đợi của những thời điểm đầu tiên của vũ trụ. Hãy hình dung vẻ mặt của Dicke: chính ông đang lắp đặt một ăngten rađiô trên nóc Đại học Princeton nhằm mục đích thu lấy bức xạ đó.

Tờ báo “Times” ra ngày 21 tháng 5 năm 1965 đã đăng hàng chữ lớn: Các nhà thiên văn đã phát hiện ra vụ nổ cho ra đời vũ trụ! Kèm theo là tấm hình hai gã trẻ tuổi với vẻ mặt “ngẩn tò te”, có vẻ không hiểu điều gì đã xảy ra với mình.

Phát hiện của Penzias và Wilson đã tạo công ăn việc làm cho cả ngàn nhà vật lý trong suốt 20 năm. Người ta tính toán, đo đạc lại kỹ lượng và đi đến kết luận chính xác là bức xạ nền vũ trụ (tên gọi chính thức) có nhiệt độ 2,7 độ K. Đây là trụ cột thứ ba của thuyết Vụ Nổ Lớn, đem lại chiến thắng cho lý thuyết này.

Hội đồng giải thưởng Nobel dĩ nhiên phải tặng thưởng thuyết Vụ Nổ Lớn, một lý thuyết đã được kiểm nghiệm vững chắc bởi các quan sát. Nhưng Hubble, Einstein, Friedmann, LemaÎtre, Gamow đều đã ra người thiên cổ, mà giải Nobel chỉ phát cho những nhà khoa học còn sống. Vậy thì Penzias và Wilson nhận giải Nobel vật lý năm 1978.

Quả thật ở đời có nhiều người may mắn.