Bigbang Với Lý Học Đông Phương

Vụ nổ Big Bang là gì? Cập nhật lúc 11/04/2011 Chuyên mục Giải đáp tuần này sẽ mang đến cho bạn đọc những thông tin về Vụ nổ lớn Big Bang theo cách dễ hiểu và phổ thông nhất.

Tôi đọc báo, thỉnh thoảng nghe thấy nói đến Big Bang, chẳng hạn “Các nhà vật lý đang tái tạo lại vụ nổ Big Bang trên máy gia tốc lớn”. Vậy Big Bang là gì, người”bình thường” như tôi có thể hiểu được không?

Trả lời:

Với câu hỏi này, xin cố gắng giải thích thật dễ hiểu.

Vũ trụ là gì? Một câu hỏi lớn đã từng đặt ra trước nhân loại suốt bao nhiêu thế kỷ. Thời xưa ở Trung Hoa cổ đại, nhà triết học Lão Tử đã cho vũ trụ là một tồn tại “vô thuỷ, vô chung, vô cùng, vô tận”. Nhưng đến thế kỷ 20, với sự tích luỹ các kiến thức của vật lý vi mô và vật lý thiên văn, cho phép một học thuyết mới ra đời, cho rằng vũ trụ có một điểm khởi đầu để hình thành. Đó là vụ nổ lớn Big Bang.

Như vậy Big Bang là vụ nổ đầu tiên để từ đó đồng thời sinh ra không gian, năng lượng và vật chất để tạo ra vụ trụ như hiện nay. Một thời gian dài, lý thuyết này bị coi là một lý thuyết siêu hình nhưng các thành tựu gần đây của vật lý hạt cơ bản và kết quả quan sát những cấu trúc thiên văn lớn nhất đã cung cấp một kịch bản phù hợp với cấu trúc và sự phức tạp hoá dần dần của vật chất trong lòng vũ trụ nên ngày càng được thừa nhận rộng rãi.

Theo kịch bản này, khởi thuỷ vũ trụ nguyên thuỷ chỉ là một đại dương cực kỳ đặc và nóng (đây vẫn là điều phải thừa nhận). Rồi vụ nổ lớn Big Bang xảy ra, từ đó bắt đầu toàn bộ các biến cố sau này.

Hình ảnh tưởng tượng về vụ nổ Big Bang. Ảnh: The Sun

Vũ trụ nguyên thuỷ chỉ là một thứ “cháo đặc” gồm những hạt quark và electron chuyển động theo một hướng gần với vận tốc của ánh sáng. Tuỳ theo những va chạm không ngừng diễn ra, mà một số hạt huỷ lẫn nhau, một số khác lại sinh ra. Trong pha đầu tiên, thứ “cháo” đó bao gồm các đối tượng lượng tử mang điện tích, quark và phản quark. Rồi thứ “cháo” đó giàu thêm những hạt và phản hạt nhẹ được gọi chung là lepton (electron, nơtron và những phản hạt của chúng).

Một phần triệu giây sau Big Bang, nhiệt độ hạ xuống tới 10.000 tỉ độ Kenvin (thường gọi tắt là độ K. Về giá trị, O độ K bằng -273,16 độ C), lúc này xuất hiện các hạt nặng đầu tiên (proton và nơtron) nhờ các hạt quark kết hợp với nhau. Rồi các lepton sinh sôi nảy nở rất nhanh, đến lượt chúng chiếm hàng đầu trong vũ trụ. Nhưng nở ra nên vũ trụ nguội dần đi. Khi nhiệt độ hạ xuống tới 10 tỷ độ K thì proton và nơtron bắt đầu kết hợp với nhau để tạo thành đơteri. Lúc đó đồng hồ vũ trụ chỉ 1 giây, nhưng năng lượng của các photon vẫn đủ lớn để nhanh chóng phá vỡ hạt nhân đầu tiên đó. Mãi 3 phút sau, khi nhiệt độ hạ xuống tới 1 triệu độ K thì photon mới không còn khả năng phá vỡ các liên kết hạt nhân.

Khi ấy trong vũ trụ đã có hoạt động hạt nhân rất mạnh dẫn tói sự hình thành các hạt nhân nguyên tử nhẹ như đơteri, heli 3, liti 7 và heli 4… 15 phút sau Big Bang, quá trình tổng hợp hạt nhân ban đầu đó mới kết thúc, nhiệt độ hạ xuống quá thấp, không đủ đảm bảo cho phản ứng hạt nhân xảy ra.

300.000 năm sau, vũ trụ nguội đi xuống dưới 3000 độ K và trở nên trong suốt, electron không chuyển động nhanh như trước nữa. Các hạt nhân có thể giữ các electron lại, tạo thành các nguyên tử, tạo ra các “viên gạch xây” của vũ trụ. Do tương tác giữa photon và các nguyên tử rất nhỏ nên chúng có thể lan truyền tự do.

Vật chất, ánh sáng và các loại bức xạ khác tràn xa ngày càng mỏng dần khi vũ trụ giãn nở. Hàng tỉ năm sau, những đám mây khí khổng lồ bắt đầu phân tán. Mỗi đám mây trở thành một thiên hà rồi dưới tác dụng của lực hấp dẫn hình thành các chùm sao, các vì sao trong khi vũ trụ vẫn tiếp tục mở rộng.

Kịch bản “thú vị” về Big Bang sau này được hỗ trợ bởi 3 dẫn chứng của Vật lý thiên văn.

Thứ nhất, năm 1929, Hubble (Mỹ) chứng minh được sự dịch chuyển có hệ thống trong quang phổ của các thiên hà về phía màu đỏ, chỉ ra rằng chúng đang rời xa chúng ta với tốc độ tỷ lệ với khoảng cách tới chúng ta. Đó là dấu hiệu cho thấy rằng vũ trụ đang nở ra và không gian trong đó các thiên hà cùng chuyển động cũng đang nở ra theo thời gian.

Thứ hai, năm 1965, Penzias và Wilson (Mỹ) khám phá : luồng bức xạ vô tuyến thể hiện những tính chất giống nhau trong mọi hướng và tương ứng với bức xạ nhiệt của vật đen ở nhiệt độ khoảng 3 độ K. Điều này phù hợp với giả định về vụ nổ Big Bang: bức xạ đó là thông điệp của ánh sáng cổ nhất đến từ vũ trụ ban đầu. Đó là những photon đầu tiên bắt đầu lan truyền tự do sau khi vũ trụ đã trở nên trong suốt và ánh sáng dịch chuyển về phía những bước sóng lớn.

Thứ ba, từ những năm 1970, các nhà khoa học đã phát hiện nhiều nguyên tố nhẹ như đơteri, heli 3, heli 4 và liti 7 trong vũ trụ, đặc biệt heli 4 chiếm đến 25% bất kể vùng không gian nào, phù hợp với giả định heli là chất khí sinh ra ở những khoảnh khắc đầu tiên của vụ nổ Big Bang.

Từ những năm 1980, với sự phát triển của Vật lý hạt nhân và Vật lý lý thuyết gắn với nó, người ta giải thích được nốt 2 diều “khó hiểu” còn lại của Big Bang là sự vắng mặt của phản vật chất và không tồn tại sự cong của vũ trụ ở những quy mô lớn.

Tuy nhiên, cái điểm 0, từ đó mọi thứ bắt đầu thì rõ ràng đối với các nhà khoa học vẫn chỉ là một… giấc mơ vì nó cực kỳ khó dưa ra một giả thuyết, thậm chí nhiều người còn cho là “quá sức” của kiến thức nhân loại. Đó là thời khắc mà cái lò lửa ban đầu có nhiệt độ 1032 K (tức 100.000 tỷ tỷ tỷ độ) thì vật chất sẽ diễn biến như thế nào? Theo thang thời gian thì ranh giới cuối cùng của tri thức hiện nay ở vào quãng 10-43 giây sau Vụ nổ lớn. Đó là thời điểm Planck. Chỉ có thể nghiên cứu được điểm đó khi một nhà khoa học thiên tài nào đó đưa ra được lý thuyết về sự hấp dẫn lượng tử.

Cái thời điểm 0 bí hiểm ấy hiện được các nhà khoa học gọi là “điểm kỳ dị ban đầu” để che giấu sự lúng túng của mình. Có lẽ tạm thời người ta đành phải dựa vào niềm tin tôn giáo chăng?

Đây là chuyện học thuật với nội dung chuyên môn hơi sâu. Chỉ có thể giải thích một cách “đơn giản” như thế.

Hy vọng với kiến thức phổ thông, chúng ta vẫn có thể hiểu được Big Bang là gì và những diễn biến sau đó như thế nào để tạo ra vũ trụ của chúng ta.

-----------------------------------------------------------------------

Theo Lý học Đông Phương thì Bigbang có hay không theo cách giải thích khởi nguyên vũ trụ này.

* Phúc Lộc Thọ mãn đường *

Lược Sử Vũ Trụ - Big Bang và Lý Thuyết Dây (trích lại)

Cho đến đầu thế kỷ 20, bằng chứng thực tiễn duy nhất về nguồn gốc vũ trụ là bầu trời ban đêm tối đen. Nghịch lý Olbers (1823) cho rằng nếu vũ trụ vô tận trong không-thời gian thì nó phải có nhiều sao đến mức khi nhìn lên bầu trời, tia mắt ta bao giờ cũng gặp một ngôi sao. Và ta sẽ thấy bầu trời luôn sáng rực như mặt trời, ngay cả vào ban đêm. Nhưng thực tế bầu trời ban đêm lại tối đen. Thật thú vị là trong bài thơ văn xuôi dài Eureka năm 1848, Edgar Poe cho rằng, đó là do các ngôi sao không đủ thời gian để chiếu sáng toàn vũ trụ. Vậy bầu trời đêm tối đen chứng tỏ vũ trụ không tồn tại mãi mãi. Không chỉ đứng vững trước thử thách của thời gian mà giả thuyết còn đóng vài trò quyết định trong việc hình thành lý thuyết Vụ nổ lớn (Big Bang).

Lược sử thuyết vụ nổ lớn

Cơ sở lý luận của Big Bang là thuyết tương đối tổng quát, cho rằng không thời gian là các đại lượng động lực, phụ thuộc vật chất đồng thời chi phối vật chất (lưu ý quan niệm của Engels, cho rằng không-thời gian là hình thức tồn tại của vật chất). Điều đó dẫn tới việc không-thời gian và do đó vũ trụ có thể có khởi đầu và kết thúc, một ý tưởng mà ban đầu chính Einstein cũng tìm cách chống lại. Để vũ trụ là tĩnh (không tự suy sụp do hấp dẫn), ông đưa ra một hằng số vũ trụ có tác dụng phản hấp dẫn. Năm 1922, Friednam tìm được nghiệm của phương trình Einstein cho một vũ trụ động, gần như đồng thời với giả thuyết nguyên tử nguyên thuỷ của linh mục Lemaitre.

Bằng chứng quyết định là phát hiện vũ trụ giãn nở của Hubble những năm 1920. Cho đến lúc đó, dải Ngân hà của chúng ta được xem là toàn bộ vũ trụ. Với viễn kính 100 inch tại núi Wilson, Hubble thấy Tinh vân Tiên nữ, một thiên hà sóng đôi cách 2 triệu năm ánh sáng, đang tiến lại gần chúng ta (theo ngôn ngữ vật lý dựa trên hiệu ứng Dopler, phổ của nó dịch về phía xanh). Khảo sát các thiên hà khác, ông thấy chúng đang tản ra xa (phổ dịch về phía đỏ). Điều đó có nghĩa vũ trụ gồm hàng tỷ thiên hà đang tản xa nhau. Vũ trụ hiện đang giãn nở và các thiên hà ngày càng xa nhau chứng tỏ trong quá khứ chúng gần nhau, khi vũ trụ có kích thước nhỏ hơn. Suy diễn ngược thời gian sẽ đi đến thời điểm khai sinh, khi toàn vũ trụ tập trung tại một điểm, mới có mật độ, nhiệt độ và độ cong không-thời gian vô hạn. Và một vũ trụ bùng nổ 15 tỷ năm trước đã khiến vũ trụ sinh thành. Đó là mô hình Big Bang tiêu chuẩn.

Năm 1946, nhà vật lý George Gamow thấy rằng, ngọn lửa sáng thế buổi hồng hoang vẫn để lại “vết lông ngỗng” qua bức xạ tàn dư trải trên toàn vũ trụ, nay lạnh chỉ còn cỡ 3 độ K (trên độ không tuyệt đối). Năm 1965, hai kỹ sư vô tuyến điện Penzias và Wilson tình cờ phát hiện được bức xạ này khi chế tạo một ăng ten có thể bắt sóng từ vệ tinh. Như từng xẩy ra trong lịch sử, giải Nobel danh giá được trao cho phát kiến tình cờ của hai người ngoại đạo! Năm 1991, vệ tinh Cobe đo được phông bức xạ hoá thạch 2,7 độ K này với độ chính xác rất cao. Và Big Bang được thừa nhận rộng rãi.

Khá hài hước là cái tên thuyết Big Bang lại do nhà thiên văn Hoyle đặt ra năm 1950 nhằm chế diễu lý thuyết này. Ông là người đề xuất thuyết vũ trụ dừng (steady state) năm 1948, theo đó vũ trụ không có khởi đầu và kết thúc; sau khám phá bức xạ tàn dư, nó đã chết vẻ vang như hầu hết các lý thuyết khoa học khác.

Thuyết Big Bang lạm phát

Cuối những năm 1970, mô hình Big Bang tiêu chuẩn bị đối mặt với một số thách thức, trong đó có vấn đề tính đồng nhất của vũ trụ. Tại sao vũ trụ lại tương đối đồng nhất, như bức xạ hoá thạch chứng tỏ? Đó là lý do Guth và Linde giả định một sự giãn nở lạm phát từ 10 mũ -35 tới 10 mũ -32 giây sau Big Bang. Trong giai đoạn cực ngắn đó, vũ trụ giãn nở nhanh hơn ánh sáng, với bán kính tăng một ngàn tỷ tỷ tỷ lần. Như quả bong bóng phồng lên rất nhanh thì các nếp nhăn ban đầu giãn ra với độ nóng gần như nhau, sự giãn nở đó khiến vũ trụ trở nên đồng nhất. Đó là thuyết Big Bang lạm phát, một lýthuyết giải quyết được nhiều bài toán vũ trụ học.

Big Bang từ đâu xuất hiện? Big Bang sinh ra vũ trụ, vậy cái gì sinh Big Bang? Năm 1951, nhà thờ tuyên bố Big Bang chính là hiện tượng của đấng sáng tạo, nên giới khoa học đưa ra nhiều giả định nhằm tránh quan điểm đó.

Một giả thuyết là vũ trụ luân hồi của Wheeler, cho rằng lực hấp dẫn sẽ thắng dần sự giãn nở và vũ trụ co về Vụ co lớn(Big Bang Crunch).

Và vụ bùng nổ tiếp theo sẽ khiến vũ trụ hồi sinh từ đống tro tàn. Quá trình cứ lặp lại mãi với các pha co giãn xen kẽ nhau. Đáng tiếc Big Crunch không phải là đối xứng gương hoàn hảo của Big Bang, và các vụ nổ sẽ ngày càng lớn hơn. Vì thế vũ trụ vẫn có thể có điểm khởi đầu tối hậu, một chủ đề thần học ưu thích.

Một vấn đề cũng được giới thần học ưu thích là giá trị của các hằng số vật lý (như khối lượng điện tử hay tốc độ ánh sáng). Người ta rất ngạc nhiên là chỉ cần một trong hàng chục hằng số vũ trụ đó thay đổi giá trị một phần trăm, vũ trụ đã diễn biến khác hẳn và con người không thể xuất hiện để nghiên cứu vũ trụ. Nên một số nhà khoa học cho rằng, vũ trụ đã được hiệu chỉnh cực kì chính xác nhằm tạo ra con người. Vì thế nhà thiên văn học Trịnh Xuân Thuận, là một phật tử, đặt niềm tin vào ý chí tối cao. Không đồng ý với niềm tin đó, nhiều nhà khoa học nêu giả thuyết các vũ trụ song song hay đa vũ trụ. Có thể hình dung một cách trực quan qua trò thổi bong bóng xà phòng, mỗi bong bóng là một vũ trụ với hệ qui luật và các giá trị hằng số riêng. Phần lớn các vũ trụ không thích hợp với sự sống. Vũ trụ chúng ta chỉ là một bong bóng may mắn có các hằng số thích hợp để con người xuất hiện. Đây chính là sự tiếp bước Copernicus đến giới hạn tột cùng. Không chỉ tước bỏ vị trí trung tâm của Trái đất hay mặt trời, nó còn cho rằng Ngân hà chỉ là một trong vô vàn các thiên hà vũ trụ; thậm chí vũ trụ chúng ta cũng chỉ là một bong bóng mất hút giữa ngút ngàn các bong bóng đa vũ trụ. Và đa vũ trụ này có thể mất hút giữa vô vàn các đa vũ trụ khác.

Tuy nhiên dường như đó chỉ là những suy đoán thuần tuý, vì ta chưa có thuyết hấp dẫn lượng tử để nhìn qua bức tường Planck, hiện được xem là giới hạn của nhận thức (thời gian Planck là 10 mũ -43 giây, độ dài Planck là 10 mũ -33 cm, nhỏ hơn kích thước nguyên tử 10 triệu tỷ tỷ lần. Nếu khuếch đại nguyên tử lớn bằng vũ trụ nhìn thấy, độ dài Planck sẽ bằng một cái gậy!). Toàn bộ lập luận trên dựa trên thuyết tương đối tổng quát (mô tả cấu trúc vĩ mô) và cơ học lượng tử (mô tả cấu trúc vi mô). Đáng tiếc là hai thuyết không tương thích nhau. Ở qui mô vũ trụ, có thể bỏ qua các thăng giáng lượng tử xuất hiện do nguyên lý bất định Heisenberg. Còn ở các cấu trúc nhỏ cỡ kích thước Planck, các thăng giáng đó rất mạnh nên giả thuyết không-thời gian biến đổi liên tục và nhẵn của thuyết tương đối bị phá vỡ. Người ta nói các quy luật khoa học bị phá vỡ tại các kì dị (là vùng nhỏ hơn độ dài Planck nên mật độ vật chất lớn vô hạn).

Big Bang trong lý thuyết dây

Lý thuyết trường lượng tử xem các hạt cơ bản (như điện tử, quark....) là chất điểm không kích thước. Năm 1984, lý thuyếtdây xuất hiện để thống nhất thuyết tương đối và thuyết lượng tử, hai nền tảng của vật lý hiện đại. Theo đó cấu tử cơ bản của vũ trụ là dây một chiều (giống đoạn dây nhìn từ xa nên dường như chỉ có chiều dài), màng hai chiều (giống tờ giấy mỏng vô hạn) hay các thực thể nhiều chiều hơn (đến 10 chiều). Chúng luôn dao động và các kiểu dao động cộng hưởng được xem là các hạt cơ bản mà ta thấy. Khác với không-thời gian bốn chiều trong thuyết tương đối, không-thời gian trong lý thuyết dây có 11 chiều, với bảy chiều cong lại và nhỏ bằng độ dài Planck. Đó là lý do ta sống trong 11 chiều mà chỉ “thấy” bốn chiều đã trải rộng ra nhờ vụ nổ lớn.

"Quá đẹp nên chỉ có thể hoặc đúng hoàn toàn hoặc sai hoàn toàn" (phê phán năm 1986 của Sheldon Lee Glashow, nhà vật lý hạt cơ bản đoạt giải Nobel), lý thuyết dây chứng tỏ các qui luật vật lý của thế giới “nhỏ” sau bức tường Planck hoàn toàn đồng nhất thế giới “lớn” trước bức tường. Điều đó cho phép đưa ra kịch bản mới cho Big Bang, theo đó khởi thuỷ không phải là một kì dị, mà là một trạng thái “hấp dẫn lượng tử” kích thước Planck với 11 chiều. Rồi một vụ nổ khiến bốn chiều không-thời gian giãn ra tạo nên vũ trụ (lý thuyết dây giải thích được tại sao bảy chiều khác vẫn cong nhỏ như trước). Và nếu co lại, vũ trụ cũng không co về điểm kì dị chung cục Big Crunch (như mô hình Big Bang tiêu chuẩn), mà chỉ co đến kích thước Planck rồi lại nở ra. Quá trình có thể lặp lại mãi như thế.

Theo lý thuyết dây thì vũ trụ chúng ta cũng có thể là một màng bốn chiều, vốn là biên của một hình cầu năm chiều. Nằm cách ta một khoảng cách vi mô trong chiều thứ năm là một màng khác, được gọi là màng bóng (như hình với bóng, nhưng bóng cũng thực như hình). Hai màng hình và bóng chỉ tương tác nhau qua lực hấp dẫn. Khi đó vật chất hay năng lượng tối của màng này chính là vật chất thông thường của màng bên cạnh. Hai màng có thể tự co giãn và va chạm nhau. Đối với chúng ta (đang sống trên một màng), cú và chạm chính là Big Bang. Và có thể có nhiều vụ nổ và co lớn nhỏ nối tiếp hay xen kẽ nhau. Điều đó giúp loại bỏ niềm tin về một ý chí tối cao.

Đa vũ trụ từ đâu xuất hiện?

Vũ trụ chúng ta là một trong những bong bóng mang tên đa vũ trụ. Vậy đa vũ trụ từ đâu xuất hiện và xuất hiện như thế nào? Câu trả lời là đa vũ trụ xuất hiện từ hư vô do nguyên lý bất định Heisenberg.

Nguyên lý bất định của cơ học lượng tử nói rằng, không thể xác định chính xác đồng thời vị trí và tốc độ của một hạt vi mô. Đó là hệ quả của lưỡng tính sóng hạt. Vì thế giá trị của các trường vật lý phải khác không ngay cả trong chân không, tức giá trị (hay vị trí) và sự biến thiên (hay tốc độ) được xác định chính xác đồng thời (đều bằng không). Đó là điều nguyên lý bất định cấm, nên các trường phải khác không và luôn thăng giáng. Trường là tập hợp các hạt, trường biến thiên có nghĩa các hạt luôn xuất hiện rồi biến mất. Năng lượng của hạt càng lớn thì nó biến mất càng nhanh. Tương tự như thế, một bong bóng năng lượng cũng có thể xuất hiện rồi lại biến mất. Đó là cách để đa vũ trụ xuất hiện từ hư vô.

Cần lưu ý rằng, năng lượng của vật chất là dương, còn năng lượng hấp dẫn là âm, nên nếu đa vũ trụ là “phẳng” trong không thời gian 11 chiều, hai dạng năng lượng có giá trị bằng nhau. Kết quả là năng lượng toàn vũ trụ bằng không, và nguyên lý bất định cho phép nó tồn tại mãi mãi. Đó là ý tưởng độc đáo đến mức, khi được George Gamow kể cho nghe tại Viện nghiên cứu tiền phong Princeton (Mỹ) cuối những năm 1940, Einstein đứng sững giữa đường khiến hai người suýt bị xe đâm chết.

Đôi điều suy ngẫm

Chỉ trong vòng một thế kỷ, nhận thức nhân loại về vũ trụ đã trải qua nhiều bước đột phá. Sự thống nhất giữa vi mô và vĩ mô, như thể hiện trong lý thuyết dây, cho phép đưa ra bức tranh tổng thể về nguồn gốc, tiến hoá và kết cục của vũ trụ. Theo đó vũ trụ chúng ta chỉ là một trong vô vàn các bong bóng của một đa vũ trụ mênh mang, huyền bí (theo nghĩa ta không thể giao du). Và đa vũ trụ này có thể xuất hiện một cách tự nhiên từ hư vô với tổng năng lượng bằng không, cho dù năng lượng của từng vũ trụ có thể có giá trị tuỳ ý. Từ không hiện hữu biến thành hiện hữu, đó chính là một bữa tiệc không mất tiền tối hậu (?).

Vậy tại sao có nguyên lý bất định để vũ trụ có thể sinh thành từ hư vô? Tại sao bộ máy không-thời gian lại cho phép tổng năng lượng chính xác bằng không để vũ trụ tồn tại mãi mãi? Vẫn có người xem đó là dấu ấn của một đấng tối thượng. Một số người như Stephen Hawking lừng danh qua tác phẩm Lược sử thời gian, 1988, với hơn 10 triệu bản bán trên thế giới – thì dùng nguyên lý vị nhân (một giả thuyết mang tính hậu nghiệm, xem vũ trụ phải diễn biến thích hợp để con người xuất hiện) để cho rằng, nếu vũ trụ không như vậy thì làm sao có con người để băn khoăn về vũ trụ. Số khác thì đồng ý với Brian Greene trong cuốn Vũ trụ duyên dáng (đấu giá được hai triệu đô la từ NXB, tái bản ba lần sau một tháng ấn hành năm 1999) rằng, lý thuyết dây có thể là con đường dẫn về xuất phát điểm của một lý thuyết có tính tối hậu cao hơn trong tương lai. Và nhân loại đang từng bước vươn tới các vì sao.

Đỗ Kiên Cường

* Phúc Lộc Thọ mãn đường *

Soi rọi khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ (trích lại)

Hàm Châu

Sài Gòn tiếp thị

Trong một lĩnh vực khoa học hoàn toàn mới và cực kỳ phức tạp như vật lý thiên văn hạt cơ bản, có một người Việt Nam được các Tạp chí thông tin khoa học có ảnh hưởng rộng trên thế giới như New Scientist rồi Physics Today, to Physics World thích thú giới thiệu. Anh đang giữ chức giáo sư Đại học Washington (Mỹ). Tên anh là Đàm Thanh Sơn.

Nói "khoảnh khắc đầu tiên" là nói một cách "văn hoa", chứ muốn cho thật chính xác, thì phải nói 10 micro giây đầu tiên của Vũ trụ. Từ Vũ trụ ở đây viết hoa, bởi lẽ nó là tên riêng chỉ cái Vũ trụ nơi ta đang sống.

Trong năm năm gần đây, các nhà vật lý tại Trung tâm Máy gia tốc ion nặng thuộc Phòng thí nghiệm Brookhaven, NewYork, đã tạo ra được vật chất ở nhiệt độ cao chưa từng thấy trên Trái đất. Mục đích của thí nghiệm này là tái tạo trạng thái từng tồn tại trong 10 micro giây đầu tiên sau. Vụ nổ lớn (Big Bang) từ đó dần dần hình thành Vũ trụ này. Trong 10 micro giây ngắn ngủi khó tưởng tượng nổi ấy, các quark và gluon còn ở trạng thái plasma, chứ chưa kết hợp lý thành proton, neutron, rồi nguyên tử, phân tử và cuối cùng thành các vật thể thiên hình vạn trạng quanh ta khi Vũ trụ nguội dần.

Theo lý thuyết trường lượng tử truyền thống, thì vật chất tạo ra trong 10 micro giây đầu tiên của Vũ trụ này phải là chất khí. Nhưng thực tại vật lý lại không phải thể, mà là... chất lỏng!

Brookhaven và các trung tâm vật lý họp tác cùng làm thí nghiệm đó rất nhiều lần, thế mà lần nào kết quả cũng vẫn vậy thôi! Vẫn chỉ thu được chất lỏng, chứ chẳng phải chất khí như tiên đoán lý thuyết! Các nhà thực nghiệm Mỹ đâm ra lúng túng, nấn ná, không dám công bố ngay kết quả, bởi lẽ nó "trái khoáy" với khẳng định như "đinh đóng cột" của lý thuyết trường lượng tử chuẩn mực, kinh điển!

Nhà khoa học trẻ Đàm Thanh Sơn

Cho đến đầu xuân năm 2005, khi Đàm Thanh Sơn và cộng sự cho in bài báo khoa học mô hình lỗ đen lỏng trong không - thời gian 10 chiều trên tờ Tạp chí vật lý hàng đầu Physieal Review Letters, thì Brookhaven một lý giải được tường minh kết quả thực nghiệm mà họ vẫn thu được suốt 5 năm qua, nghĩa là vật chất được tạo ra đúng là một chất lỏng!

Nhóm Đàm Thanh Son sử dụng lý thuyết dây trong không - thời gian 10 chiều để tính toán. Điều đáng ngạc nhiên là: tiên đoán lý thuyết của nhóm Sơn trùng khớp với kết quả thực nghiệm của Brookhaven. Do vậy, các kết quả mà Brookhaven công bố tại Hội nghị tháng 4/2005 của Hội Vật lý Mỹ ở Tampo, Florida, đã nhắc tới những tính toán của nhóm Son. Đây là lần đầu tiên lý thuyết dây được ghi nhận trong thông báo của một cuộc thí nghiệm lớn, tinh vi.

Vậy lý thuyết dây (string theory) là gì? Nói một cách "nôm na" là, theo lý thuyết này, thì các hạt cơ bản của vật chất (như proton, neutron, electron...) không phải là những điểm, những "hạt" như người ta vẫn tưởng, mà là những dao động khác nhau của một vật thể một chiều gọi là dây (string). Nét đặc sắc của lý thuyết dây là nó bao hàm được cả lý thuyết tương đối rộng, thống nhất cả bốn tương tác, kể cả tương tác hấp dãn, làm sáng tỏ câu danh ngôn của Albert Einstein "Chúa không chơi trò xúc xắc”, tiến tới xây dựng thành công lý thuyết thống nhất vĩ đại (Grand unified theory).

Tuy nhiên, trở ngại lớn nhất là chưa từng có một bằng chứng thực nghiệm nào xác nhận lý thuyết dãy có liên quan với thực tại vật lý! Theo "lương tri" và "trải nghiệm" của những người bình thường, thì không gian chỉ có 3 chiều, nếu gắn thêm 1 chiều thời gian, thì không - thời gian cũng chỉ có 4 chiều. Thế nhưng, lý thuyết dây lại cho ràng không-thời gian có những... 10 chiều cơ đấy! Chỉ có điều các chiều phụ nén lại, cuộn lại trong một mặt cầu có bán kính tột cùng nhỏ bé, chỉ bằng một phần triệu tỉ tỉ tỉ (10^-33) centimét! cho nên "người trần mắt thịt" thì làm sao mà tưởng tượng nổi!

Lần đầu tiên trên thế giới, Đàm Thanh Sơn và cộng sự đã chứng tỏ được rằng lý thuyết dây có ứng dụng thiết thực. Và ứng dựng ấy được một phòng thí nghiệm lớn với máy gia tốc tối tân như Brookhaven xác nhận.

Mặc dù hết sức tốn kém, các cuộc thí nghiệm vẫn đang được tiếp tục nhằm xác minh tiên đoán lý thuyết của nhóm Đâm Thanh Sơn. Nếu nay mai, được thực nghiệm hoàn toàn xác nhận, thì Đàm Thanh Sơn sẽ là người khám phá ra một hằng số mới, một quy luật mới của vật lý học. Một phát minh tầm cỡ đấy chứ?

Đàm Thanh Sơn sinh năm 1969 giữa Hà Nội đạn bom và sơ tán, trong một gia đình trí thức yêu nước và thanh bạch. Thời thơ ấu của Sơn là những tháng năm gian nan mà thánh thiện, "mỗi tấc đất ngày đêm bỏng giẫy/ mỗi lòng người như nước suối trong". Cha anh là giáo sư dược học Đàm Trung Bảo, mẹ là phó giáo sư, tiến sĩ sinh hoá Nguyễn Thị Hảo, chú ruột là giáo sư vật lý Đàm Trung Đồn. Từ nhỏ, Sơn đã bộc lộ năng khiếu toán vượt trội, nếu không muốn nói là "thần đồng”; mới lên lớp 3, đã giải được nhiều bài đại số lớp 12! Sau khi kiểm tra kỹ, Sở Giáo dục đặc cách cho phép cậu bé học nhảy cóc. Là học sinh chuyên toán trường Đại học Tổng hợp Hà Nội, mới 15 tuổi, Sơn đã lọt vào đội tuyển quốc gia đi thi Olympic toán quốc tế tại Prague, đoạt huy chương vàng với số điểm tuyệt đối 42/42.

Lòng đầy mộng ước, Sơn sang Liên Xô, vào học Đại học Lomonosov danh tiếng trên đồi Lênin giữa cánh rừng bạch dương thân cây từng loá như dát bạc. Rồi anh bảo vệ luận án tiến sĩ tại Viện nghiên cứu hạt nhân Matxcơva khi mới 23 tuổi Nào ngờ Liên xô sụp đổ! Thấy anh còn quá trẻ và đầy triển vọng, viện trưởng V. Rubakov, một nhà bác học danh tiếng và là người có "tấm lòng vàng", giúp anh sang Mỹ để có thể tiến xa hơn trên con đường sáng tạo khoa học. Mấy năm đầu đến NewYork, anh vào làm việc tại Đại học Columbia, phụ tá cho GS. Lý Chính Đạo (Tsung Dao Lee), nhà bác học lừng danh người Mỹ gốc Hoa, được tặng Giải thưởng Nobel năm 1956, khi vừa tròn 30 tuần GS. Lý giờ đã bát tuần, hết lòng nâng niu một tài năng trẻ trung tràn trề nhựa sống như Sơn. Nhưng rồi anh đành chia tay ông để chuyển tới Đại học Washington ở Seattle, bên bờ Thái Bình Dương ấm áp, nơi khí hậu dễ chịu hơn đối với một người vốn sinh ra ở vùng nhiệt đới như anh.

Chính tại Seattle, không "ăn theo", "nấp bóng" một “cây đa cây đề" nào cả, bằng tư tưởng tượng mạnh mẽ của chính mình và những tính toán chi li, cẩn trọng, Đàm Thanh Sơn và cộng sự đã khám phá ra một quy luật mới của vật lý học.

Nguồn: Sài Gòn tiếp thị

* Phúc Lộc Thọ mãn đường *