Vũ trụ những câu hỏi còn bỏ ngỏ

Bằng tất cả những lý thuyết hiện đại, chúng ta cũng chỉ có thể lội ngược dòng thời gian đến thời điểm 10 ^-43giây sau vụ nổ để mô tả vũ trụ. Đằng sau bức tường Plank là gì? Đó vẫn là câu hỏi thách thức trí tuệ của loài người. Để hiểu được cái gì diễn ra trước đó chúng ta cần phải có những tiến bộ trong nhận thức. Đặc biệt là xây dựng một lý thuyêt thống nhất duy nhất của vạn vật.

Việc xây dựng thành công lý thuyết hấp dẫn lượng tử chẳng hạn? Nếu thành công, chúng ta có thể chọc thủng bức tường Plank. Vật lý lượng tử mô tả khá tốt mọi hành xử của vật chất ở thế giới hạ nguyên tử nhưng lại thất bại ở những thang độ dài vũ trụ, nơi đó cơ học hấp dẫn lại thống trị. Như chúng ta biết, hành xử của vũ trụ sơ khai được điều khiển bởi các cơ chế lượng tử. Nhưng hầu như các định luật vật lý đều bị phá vỡ tại kỳ dị ban đầu. Đối xứng chỉ ra rằng, một hạt bao giờ cũng tồn tại một phản hạt. Liệu có tồn tại một siêu đối xứng, ở đó tiên đoán rằng một hạt vật chất tồn tại một hạt tương ứng gọi là hạt đồng hành siêu đối xứng có cùng khối lượng. Hiện tại, chúng ta chưa ghi nhận được bất kỳ hạt nào như thế trong các máy gia tốc. Nếu lý thuyết siêu đối xứng tồn tại, nó có thể mở ra một cánh cửa mới để bước vào một thách thức mới trong việc xây dựng một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh của vạn vật.

Các hạt cơ bản và các lực trong tự nhiên có thể liên hệ với nhau theo một nguyên lý nào đó. Có thể thông qua những đối xứng chưa biết như lý thuyết thống nhất lớn hoặc thông qua một lý thuyết như siêu dây. Vũ trụ ở trạng thái kỳ dị ban đầu có thể rất khác. Tại đó, các tương tác có thể thống nhất với nhau, kể cả tương tác hấp dẫn, thành một tương tác duy nhất. Rồi trước thời điểm Plank, vũ trụ có thể nhiều hơn số chiều như bây giờ. Ở những thời điểm như thế không-thời gian không liên tục mà thăng giáng. Lý thuyết dây coi tất cả các lực và hạt như những dao động khác biệt của một thực thể đơn lẻ gọi là siêu dây với chiều dài chỉ có 10 ^-33cm. Lý thuyết dây tiên đoán rằng vũ trụ còn tồn tại bảy chiều không gian khác nữa. Những chiều không gian này quá nhỏ để chúng ta có thể quan sát, chúng chỉ có thể gói gém, xoắn lại trong không gian hạ nguyên tử. Hiện tại chúng ta không biết kích thước, hình dạng của những chiều không gian này như thế nào? Thực tế chúng có bao nhiêu? Và liệu nó có mối quan hệ gì với các hạt mới chưa được khám phá không? Tại sao các chiều này lại ẩn? Các ảnh hưởng của không gian nhiều chiều phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, loại vật chất và lực truyền trong chúng. Chẳng hạn như ảnh hưởng lên khối lượng và tương tác của các hạt, rồi tác động đến mật độ năng lượng tối, vật chất tối thậm chí đến sự lạm phát của vũ trụ.

Hình 1: a)Biểu đồ mô tả sự phá vỡ đối xứng làm các lực bắt đầu tách ra khi vũ trụ lạnh dần theo thời gian

Khám phá ra một lý thuyết thống nhất hoàn chỉnh của vạn vật và hiểu biết về tất cả các đối xứng của tự nhiên, có thể cho phép chúng ta trả lời được những câu hỏi cốt lõi và nguyên thuỷ của vũtrụ học về những gì diễn ra tại thời khắc bắt đầu của vũ trụ.

Mô hình chuẩn vũ trụ học nói rằng, vũ trụ được bắt đầu từ một vụ nổ và từ một kỳ dị

Hình 1: b) Mô hình mô phỏng một không-thời gian nhiều chiều trên máy tính được tiên đoán bởi lý thuyết siêu dây.(Jean Francois Coloma)

ban đầu. Đây là một vụ nổ xảy ra ở tất cả mọi điểm trong không gian và là bắt đầu của thời gian. Ở đó, tất cả các định luật vật lý đã biết đều bị phá vỡ, vũ trụ ở trạng thái cân bằng và đốixứng vô cùng hoàn hảo. Sau khởi điểm này, vũ trụ đã phải trải qua một loạt các biến cố. Khoảng 10 ^-35đến 10 ^-32giây, vũ trụ chuyển sang kỷ nguyên lạm phát. Sự chuyển pha lạmphát đã tăng tốc sự giãn nở của vũ trụ và đóng vai trò quan trọng để giữ vũ trụ cân bằng đồng thời cũng tạo ra sự thăng giáng cần thiết và tinh tế trong mật độ của một vũ trụ đồng tính và đẳng hướngđể gieo lên những hạt giống cho sự hình thành các ngôi sao, các thiên hà, đám thiên hà và các cấu trúc khác của vũ trụ mà chúng ta quan sát thấy ngày nay. Vũ trụ tiếp tục giãn nở và lạnh dần theothời gian thông qua một loạt các chuyển pha.

Hình2: Hình ảnh mô tả lịch sử tiến hoá của vũ trụ từ vụ nổ lớn cho đến ngày nay.

Trong suốt thời kỳ ban đầu, vũ trụ choán đầy bởi chân không năng lượng cao sôi sục, ở đó, các cặp hạt và phản hạt đựơc sinh ra và huỷ nhau trong một con số cân bằng. Nhưng thật là kỳ lạ. Vũtrụ mà ngày nay chúng ta quan sát đựơc lại chủ yếu cấu thành bởi vật chất, chứ không phải là phản vật chất. Như vậy có một sự bất đối xứng nào đó khiến sự cân bằng trong quá trình sinh và huỷ giữacác hạt vật chất và phản vật chất không phải là hoàn toàn cân bằng. Nếu vũ trụ của chúng ta là như ngày nay thì trong thời kỳ ban đầu cứ một tỷ cặp hạt vật chất và phản vật chất huỷ với nhau phải dưra một hạt vật chất. Sự bất cân bằng tinh tế này đã tồn tại và phát triển trong suốt giai đoạn tiến hoá ban đầu của vũ trụ khiến vật chất và phản vật chất cư xử khác biệt một cách vô cùng tinh tế. Vànhư vậy, đối xứng CP bị vi phạm. Ngày nay chúng ta đã quan sát được vi phạm đối xứng CP ở hạt meson K trung hoà và meson B. Vật lý lượng tử chỉ ra rằng có ít nhất ba nhóm hạt phân loại theo khốilượng của chúng cần thiết để hài hoà với vi phạm cặp CP trong mô hình chuẩn. Chính sự vi phạm đối xứng CP là cần thiết để vật chất chiếm ưu thế so với phản vật chất để có một vũ trụ ngày nay.

Sau phần vạn tỷ tỷ tỷ giây đầu tiên, bất đối xứng khiến cứ một tỷ cặp hạt và phản hạt huỷ nhau để dư lại một hạt. Tuy ít ỏi nhưng cũng đủ để kiến tạo lên các cấu trúc của vũ trụ sau 13,7 tỷ năm. Như vậy, đối xứng hoàn hảo bị phá vỡ khi vũ trụ lạnh đi. Nhưng chưa hết, các số liệu quan sát chỉ ra rằng dường như vũ trụ “nặng” hơn những gì mà chúng ta quan sát thấy. Quả thật, nếu khối lượng của vũ trụ chỉ là các hành tinh, sao, thiên hà thì không thể giải thích được việc cho phép hình thành chúng trong suốt các giai đoạn lịch sử của vũ trụ, cũng như không thể liên kết vũ trụ thành một cấu trúc chặt chẽ và đẹp như ngày nay. Các số liệu quan sát về đường cong quay thiên hà, quỹ đạo của các đám sao hình cầu, rồi hướng chuyển động của các đám và siêu đám thiên hà đã gợi ý rằng, vũ trụ được choán đầy bởi vật chất tối và năng lượng tối.

Vật chất tối là gì? Vật chất tối có thể là những hạt ngoại lai, hoặc những hạt nặng tương tác yếu WIMPs được tiên đoán bởi lý thuyết siêu đối xứng hoặc không gian nhiều chiều. Ngoài mô hình vật chất phi baryon cho ứng cử viên vật chất tối còn một loại đối tượng khác nữa gọi là những thiên thể nặng, đặc gọi là MACHOs như sao lùn đen, các lỗ đen mi ni, thậm chí cả những hành tinh ngoài hệ Mặt Trời… Nhưng thực tế, thông qua các số liệu từ việc đo hiện tượng khuyếch đại ánh sáng qua hiệu ứng thấu kính hẫp dẫn cho thấy những đóng góp của những vật thể MACHOs là không đáng kể. Các số liệu gần đây về phông bức xạ nền do vệ tinh WMAP cũng chỉ ra rằng vật chất baryon bình thường chỉ đóng một vai trò khiêm tốn, khoảng 5%, trong mật độ vật chất tổng cộng của vũ trụ.

Hình3: Ảnh chụp các pha Mặt Trăng đi qua sao Thổ xảy ra vào ngày 20/03/2002. Chụp bởi nhà khoa học Nguyễn Anh Vinh và TS Takumi Kurata tại Đài thiên văn Gunma (Nhật Bản)

Một đối tượng khác nữa tham gia vào khối lượng của vũ trụ là năng lượng tối. Năng lượng tối là nguyên nhân gia tốc sự giãn nở của vũ trụ. Năng lượng tối có ở mọi nơi và choán đầy vũ trụ củachúng ta. Để hiểu được bản chất của năng lượng tối chúng ta cần phải đi sâu vào vật lý lượng tử của thế giới vi mô. Như chúng ta đã biết, ở thang vi mô, không gian được coi là trống rỗng hay chânkhông hoàn hảo, không hoàn toàn trống rỗng mà được choán đầy bởi một trường gọi là Higgs. Chính trường này đã đưa cho các quark và lepton khối lượng của chúng. Trường Higgs làm chậm chuyển động củahạt, cho chúng khối lượng và giữ cho cấu trúc của nguyên tử ổn định. Nếu không có trường Higgs, electron có thể chuyển động với tốc độ ánh sáng, nguyên tử sẽ bị phá vỡ cấu trúc và tan giã ngay lậptức. Năng lượng chân không với các hạt lượng tử trong chân không hoàn hảo của thế giới vi mô có thể là nguồn gốc của năng lượng tối. Việc khám phá ra lý thuyết siêu đối xứng, một phát biểu quan trọngcủa lý thuyết dây, cho phép hiểu rõ mối liên hệ giữa năng lượng tối và trường Higgs. Nếu tồn tại, các boson Higgs sẽ đóng một vai trò quan trọng về thành phần năng lượng tối. Đến đây chúng ta nhớ lạirằng Einstein đã từng đưa ra một mô hình vũ trụ học tĩnh với một hằng số vũ trụ học. Chúng ta đang thử xem liệu rằng hằng số vũ trụ học có đóng vai trò gì về lực đẩy bí mật của năng lượng tối làm giatăng tốc độ giãn nở của vũ trụ không? Các phép đo về cường độ và sự thăng giáng của phông bức xạ nền cùng với các phép đo khác về sự phân bố các đám thiên hà, siêu sao mới đã cho thấy rằng, nănglượng tối có mối liên hệ nhất định với hằng số vũ trụ học. Chẳng hạn, có những siêu sao mới ở rất xa, chúng có thể phát ra cùng một lượng năng lượng tại các cực đại sáng. Nếu đo được độ sáng củanhững siêu sao mới này chúng ta có thể biết được khoảng cách tới chúng. Từ khoảng cách và tốc độ của siêu sao mới này chúng ta sẽ biết được vũ trụ đang giãn nở theo thời gian như thế nào và tốc độgiãn nở này có tương thích với lực đẩy gây ra bởi năng lượng tối không? Rồi bằng việc đo tốc độ và tương tác giữa các đám thiên hà trong vũ trụ cho phép chúng ta xác định được tổng khối lượng củachúng. Các phép đo cho thấy khối lượng tổng cộng lớn hơn rất nhiều khối lượng nhìn thấy do các sao và các khí nóng phát ra tia X…trong các đám thiên hà. Việc coi độ nhiều của các đám thiên hà như mộthệ thức của thời gian cho phép chúng ta hiểu thêm về lượng năng lượng tối có trong vũ trụ. Vì chân không chứa rất nhiều năng lượng tối, các tính toán lý thuyết ước lượng một lượng lớn hơn 10120 lầnmức độ quan sát.

Hình 4: a). Đồ thị biểu diễn nhiệt độ của phông bức xạ nền (CMB)như một bức xạ vật đen ở 2,726 K

Hiện tại, rất khó để chúng ta biết trước được vũ trụ sẽ như thế nào trong một viễn cảnh xa xăm: giãn nở mãi mãi hay co lại? Số phận tương lai của vũ trụ phụ thuộc vào mật độ vật chất mà nó cóở hiện tại. Nếu mật độ của nó lớn hơn mật độ tới hạn, vũ trụ sẽ là đóng. Ngược lại, nếu mật độ của vũ trụ nhỏ hơn mật độ tới hạn, vũ trụ sẽ giãn nở mãi mãi theo thời gian, và sẽ là một vũ trụ mở.

Hình 4: b) Hình ảnh phông bức xạ nền được chụp bởi vệ tinh WMAP. Độ phân giải cao hơn vệ tinh COBE chụp trước đó của CMB cho thấy những thăng giáng trong mật độ ban đầu của vũ trụ ở mức độ chi tiết hơn. (Những vùng màu đỏ có nhiệt độ cao hơn một chút là những hạt giống cho phép hình thành nên những thiên hà và các cấu trúc khác của vũ trụ sau này) (NASA)

Thách thức lớn nhất đối với loài người là hiểu được vũ trụ bắt đầu và kết thúc như thế nào? Để có câu trả lời, chúng ta cần phải xây dựng một lý thuyết thống nhất là duy nhất và là tất cả.Nhưng chắc chắn rằng, chúng ta đang xây dựng được những lý thuyết tiệm cận đến một lý thuyết tối hậu như thế. Lý thuyết dây chẳng hạn, lý thuyết này chỉ ra một đối xứng mới là siêu đối xứng với rấtnhiều tiên đoán về những hạt mới như những hạt đồng hành siêu đối xứng. Những hạt này cũng giống như mỗi hạt vật chất tương ứng với một phản hạt xuất hiện từ những thăng giáng lượng tử trong chânkhông năng lượng theo nguyên lý bất định. Và cả những tiên đoán về những không- thời gian lượng tử đa chiều. Những tính chất của những hạt vật chất mới và không gian lượng tử đa chiều có thể bước đầucung cấp cho chúng ta những thông tin về những biến thái của vũ trụ sau bức tường Plank. Đồng thời giúp hiểu rõ hơn về năng lượng tối và vật chất tối. Từ đó, chúng ta có thể vén lên bức màn bí mật đểtìm kiếm câu trả lời cho những câu hỏi tại sao, như thế nào về những gì sẽ diễn ra trong một định mệnh tối hậu của vũ trụ.