 Quan niệm một trăm năm trước
Đúng 100 năm trước, tạp chí Scientific American đăng tải bài viết về lịch sử và cấu trúc vũ trụ, với những quan niệm hoàn toàn sai so với kiến thức vũ trụ học hiện hành. Nhưng vòng xoay của hiểu biết thật lạ lùng, khi theo một số nhà khoa học, như Lawrence Krauss hay Robert Scherrer, tương lai xa xôi của vũ trụ có thể lại đúng như quan niệm từ một thế kỉ trước.
Vào năm 1908, giới khoa học xem thiên hà của chúng ta, dải Ngân hà, là toàn bộ vũ trụ. Họ xem nó như một tập hợp các ngôi sao, xung quanh là khoảng trống rỗng vô tận. Ngày nay ta biết Ngân hà chỉ là một trong số hơn 400 tỉ thiên hà trong vũ trụ nhìn thấy. Năm 1908, quan niệm chính thống xem vũ trụ là vô tận và tĩnh tại. Các quan niệm về Big Bang, sự tổng hợp các nguyên tố sau Vụ nổ lớn và trong nhân các ngôi sao, sự giãn nở của không thời gian hay bức xạ hóa thạch chưa từng xuất hiện trong suy nghĩ của các nhà khoa học đầu thế kỉ 20.
Lược sử tương lai tối (từ trái qua phải): a) Hiện tại chúng ta thấy Ngân hà trải dài trên bầu trời. Các thiên hà gần nhất, như Tinh vân tiên nữ hay các đám mây Magellan có thể nhìn thấy bằng mắt thường; kính thiên văn nhìn thấy hàng trăm tỉ thiên hà khác. b) 5 tỉ năm sau, Tinh vân tiên nữ xuất hiện và gần lấp kín bầu trời; mặt trời biến thành ngôi sao đỏ khổng lồ, thiêu cháy Trái đất và các hành tinh xung quanh. c) 100 tỉ năm sau, Ngân hà cùng Tinh vân tiên nữ và các thiên hà lân cận nhập thành siêu thiên hà duy nhất, trong khi các thiên hà khác mất hút khỏi tầm nhìn sau chân trời sự cố. d) 100 ngàn tỉ năm sau, các ngôi sao cuối cùng tắt do hết nhiên liệu. Ngoài bức xạ Hawking vô cùng yếu ớt từ các lỗ đen và ánh sáng nhân tạo từ các nền văn minh (nếu vẫn có thể tồn tại), vũ trụ trở nên tối đen. Và siêu thiên hà cuối cùng cũng suy sụp thành lỗ đen. |
Mười năm trước, vào năm 1998, hai nhóm nghiên cứu độc lập, do Perlmutter và Riess đứng đầu, nhờ quan sát sự thay đổi độ sáng của các siêu tân tinh, đã cùng đi đến một khám phá mang tính cách mạng trong vũ trụ học. Theo phát hiện đó thì ngược với kì vọng chung, vũ trụ đang giãn nở ngày càng nhanh, dưới tác dụng của năng lượng tối có lực hấp dẫn là lực đẩy, chiếm gần tới ba phần tư tổng lượng vật chất và năng lượng toàn vũ trụ.
| Thành phần | Tỉ lệ (%) | Minh họa | | Bức xạ | 0.005 | Ánh sáng và các loại bức xạ khác | | Chất sáng | 0.5 | Sao, hành tinh, khí… | | Chất tối thông thường | 3.5 | Lỗ đen, sao lùn nâu, sao lùn đen… | | Chất tối lạ | 26 | Neutrino, các hạt giả định như axion, WIMP… | | Năng lượng tối | 70 | Năng lượng chân không, thành phần thứ năm… | Thành phần vũ trụ.
Năng lượng tối có vai trò giống như “hằng số vũ trụ” của Einstein. Vì thuyết tương đối rộng ngụ ý vũ trụ có thể co lại do lực hút giữa các hợp phần, mà Einstein lại ưa thích một vũ trụ tĩnh, nên ông đưa ra hằng số vũ trụ có tác dụng phản hấp dẫn làm đối trọng. Sau khám phá vũ trụ giãn nở của Hubble những năm 1920, Einstein thừa nhận đó là sai lầm lớn nhất trong cuộc đời ông. Nay thì quan niệm xưa cũ đó lại được sử dụng với nội hàm hoàn toàn mới.
Năng lượng tối có tác động quyết định đối với tương lai vũ trụ. Một số nhà khoa học đã tiên lượng số phận sự sống trong một vũ trụ có hằng số vũ trụ. Câu trả lời khá là bi quan: Đó là một vũ trụ rất khó sống. Năng lượng tối sẽ tạo ra một “chân trời sự cố” cố định, là một bề mặt tưởng tượng mà ở phía ngoài nó, không một loại vật chất hay bức xạ nào có thể đạt tới chúng ta. Một vũ trụ như thế chứa một số thông tin hữu hạn, nên quá trình xử lý thông tin, và do đó sự sống, không thể duy trì vĩnh viễn.
Kịch bản cụ thể của quá trình đó như thế nào? Do đang tiến về phía chúng ta mà Tinh vân tiên nữ, thiên hà gần nhất cách ta hai triệu năm ánh sáng, cùng các thiên hà lùn xung quanh, sẽ hợp nhất với Ngân hà để hình thành một siêu thiên hà cục bộ. Còn mọi thiên hà khác sẽ dần mất hút khỏi sự quan sát của chúng ta. Quá trình này kéo dài khoảng 100 tỉ năm, thực ra cũng chỉ là một chớp mắt trong cõi vĩnh hằng vũ trụ.
Các cột trụ gãy đổ
Ngày tận thế của hiểu biết: Hiện tại cả ba cột đỡ thực nghiệm của vũ trụ học đều khả kiến. Các thiên hà ở xa đang rời xa, còn các thiên hà lân cận đang tiến lại gần Ngân hà. Bức xạ hóa thạch phân bố trong toàn vũ trụ. Và khí vũ trụ chứa các nguyên tố nhẹ đúng như tính toán (hình bên trái). Hàng tỉ năm sau, Ngân hà, Tinh vân tiên nữ và các thiên hà lùn xung quanh nhập thành siêu thiên hà duy nhất, trong khi toàn bộ các thiên hà khác đã mất hút sau chân trời sự cố. Bức xạ nền đã loãng đến mức không đo được. Và nhiều thế hệ các sao đã tổng hợp các nguyên tố nặng nhiều đến mức, tỉ lệ các nguyên tố nhẹ không còn là chỉ dẫn đáng tin cậy về nguồn gốc vũ trụ nữa (hình bên phải). |
Các nhà thiên văn trên siêu thiên hà nói trên sẽ kết luận về số phận vũ trụ như thế nào? Muốn hiểu điều đó, cần nhớ lại bốn cột trụ chống đỡ cho thuyết Vụ nổ lớn. Đó là thuyết tương đối rộng, quan sát vũ trụ giãn nở, bức xạ tàn dư và tỉ lệ giữa hai nguyên tố nhẹ hydro và heli.
Trong gần 300 năm, thuyết vạn vật hấp dẫn Newton là nền tảng của thiên văn học. Nó tiên đoán tốt hành trạng của các đối tượng trên trái đất, thậm chí trên qui mô thiên hà. Tuy nhiên nó bất lực trên qui mô siêu thiên hà. Lý thuyết Einstein khắc phục được nhược điểm này. Ngay khi Einstein công bố thuyết tương đối tổng quát năm 1916, nhà vật lý Hà Lan Willem de Sitter đã giải các phương trình hấp dẫn cho một vũ trụ đơn giản có hằng số hấp dẫn. Kết quả thu được thỏa mãn Einstein: vũ trụ gồm một thiên hà, xung quanh là khoảng trống rỗng vô tận và tĩnh hằng, giống như một hòn đảo với một đại dương vô tận bao quanh. Tuy nhiên người ta nhanh chóng nhận ra rằng, quan niệm vũ trụ tĩnh như thế là sai lầm. Trên thực tế, vũ trụ de Sitter giãn nở vô tận. Nhà khoa học Bỉ, mục sư Georges Lemaitre đã chỉ ra rằng, thuyết tương đối tiên đoán một vũ trụ động, hoặc co hoặc giãn. Trên cơ sở lý thuyết đó mà thuyết Big Bang, như được gọi 30 năm sau đó, ra đời.
Một cột trụ khác là quan sát vũ trụ giãn nở những năm 1920, thường gắn với tên tuổi Edwin Hubble. Trên thực tế người đầu tiên phát hiện vũ trụ giãn nở là một nhà thiên văn Mỹ khác, Vesto Slipher, khi ông dùng phổ các sao để đo tốc độ của các thiên hà xung quanh. Hubble được tôn vinh vì dựa trên các quan sát, ông rút ra hai kết luận. Thứ nhất, các thiên hà đang tản ra xa là một tập hợp sao độc lập, tương tự dải Ngân hà. Thứ hai, ông phát hiện tương quan đơn giản giữa khoảng cách tới các thiên hà và tốc độ của chúng. Cụ thể hơn, tốc độ tỉ lệ với khoảng cách, với hệ số tỉ lệ là hằng số Hubble: thiên hà cách xa chúng ta gấp đôi sẽ có tốc độ lớn gấp hai lần. Tương quan này đóng vai trò quyết định trong khám phá về gia tốc vũ trụ năm 1998.
Cột đỡ thứ ba của vũ trụ học là bức xạ hóa thạch, xuất hiện khoảng 300-400 ngàn năm sau Big Bang, do hai nhà vật lý của phòng thí nghiệm Bell là Arno Penzias và Robert Wilson tình cờ phát hiện năm 1965. Nó chứng tỏ vũ trụ khởi thủy rất nóng và đậm đặc trước khi giãn nở và nguội dần. Năm 1992, vệ tinh COBE ghi được “vết lông ngỗng” của buổi hồng hoang đó với độ chính xác tới 10-5, qua đó khẳng định Vụ nổ lớn đúng là khởi thủy của vũ trụ của chúng ta.
Bằng chứng thực nghiệm cuối cùng là sự dư thừa các nguyên tố hydro nặng và heli trong vũ trụ, do chúng được tổng hợp chỉ trong ba phút đầu tiên sau Big Bang. Các nguyên tố nặng hơn thì được tổng hợp khá lâu sau đó trong lòng các ngôi sao. Tỉ lệ giữa hydro và heli đo được khoảng 3/1, hoàn toàn phù hợp với tiên đoán lý thuyết.
Bầu trời (và tương lai) tối
Các nhà khoa học ở tương lai 100 tỉ năm nữa sẽ thấy gì khi nhìn lên bầu trời? Bằng mắt thường, họ sẽ thấy những gì chúng ta thấy ngày nay: các ngôi sao thuộc dải Ngân hà. Các ngôi sao lớn nhất và do đó sáng nhất đã đốt hết nhiên liệu hạt nhân, nhưng nhiều ngôi sao nhỏ hơn vẫn còn soi sáng bầu trời đêm. Sự khác biệt xuất hiện khi họ dùng kính thiên văn. Trong khi chúng ta quan sát thấy hàng trăm tỉ thiên hà khác, thì họ không thấy gì cả! Tại sao lại như vậy? Vì các thiên hà lân cận đã nhập vào Ngân hà để tạo nên siêu thiên hà duy nhất, còn các thiên hà khác thì đã mất hút sau chân trời sự cố.
Quá trình đó không xảy ra đột ngột, nhưng không thể tránh khỏi. Kết quả là khám phá của Hubble về vũ trụ giãn nở không thể lặp lại được. Với nhà thiên văn tương lai, vũ trụ chỉ là một thiên hà duy nhất với khoảng trống rỗng vô tận bao quanh, hoàn toàn giống bức tranh vũ trụ năm 1908.
Vậy bằng chứng trực tiếp của Big Bang là bức xạ hóa thạch thì sao? Nhà thiên văn tương lai có thể không đo được “vết lông ngỗng” này nữa, vì bước sóng của nó đã tăng từ vùng vi sóng lên vùng vô tuyến, với cường độ giảm một ngàn tỉ lần. Ngoài ra các bức xạ tàn dư (đã trở thành sóng vô tuyến, chứ không còn là vi sóng nữa) khi đó cũng không thể đo được nữa vì bị phản xạ hay hấp thụ ở khí ion hóa giữa các ngôi sao trong thiên hà, giống như sóng vô tuyến bị phản xạ ở tầng điện ly trong khí quyển Trái đất. Chính xác hơn, bất cứ sóng vô tuyến nào tần số dưới 1 kHz (bước sóng hơn 300 km) đều không thể xuyên qua các lớp khí trong dải Ngân hà. Khi vũ trụ có tuổi gấp 25 lần độ tuổi hiện hành, bức xạ tàn dư sẽ có bước sóng dài hơn thế và do đó không còn quan sát được đối với mọi kính thiên văn đặt trong dải Ngân hà.
| 10-36 giây: Sự giãn nở lạm phát 100 giây: Tạo hydro nặng và heli
400 trăm ngàn năm: Bức xạ nền được giải phóng
8 tỉ năm: Sự giãn nở được gia tốc
13.7 tỉ năm: Hiện nay
20 tỉ năm: Ngân hà và Tinh vân tiên nữ va chạm
100 tỉ năm: Các thiên hà khác không quan sát được nữa
1000 tỉ năm: Các nguyên tố nguyên thủy biến mất
100 ngàn tỉ năm: Ngôi sao cuối cùng tắt Các cột mốc vũ trụ tính từ Vụ nổ lớn.
| Cuối cùng, tỉ lệ giữa hydro và heli cũng không còn là chỉ dẫn chính xác đối với nhà thiên văn tại thời điểm 1000 tỉ năm nữa. Điều đó chứng tỏ, cả ba bằng chứng quan sát của thuyết Vụ nổ lớn đều đã biến mất do sự giãn nở ngày càng nhanh của vũ trụ.
| Thời điểm khảo sát | Tỉ lệ các nguyên tố (%) | | Hydro | Heli | Nguyên tố nặng | | Big Bang + 3 phút | 76 | 24 | 0 | | Ngày nay | 70 | 28 | 2 | | 1000 tỉ năm | 20 | 60 | 20 | Tỉ lệ các nguyên tố tại các thời điểm khác nhau.
Còn nền tảng lý thuyết của vũ trụ học là thuyết tương đối tổng quát thì sao? Giới thiên văn học tương lai có thể căn cứ vào hệ phương trình Einstein để tiên đoán sự giãn nở của vũ trụ hay không? Về nguyên tắc họ có thể thu được kết quả tính toán như vậy, nhưng khi đo đạc kiểm chứng thì thấy không phù hợp. Họ chỉ thấy siêu thiên hà của mình dần biến thành một siêu lỗ đen, như điều tất yếu sẽ xảy ra với dải Ngân hà trong tương lai. Họ sẽ không thấy bất cứ một bằng chứng thực nghiệm nào chứng tỏ vũ trụ đang giãn nở.
Và như vậy nhiều khả năng các nhà khoa học tương lai kết luận, vũ trụ sẽ kết thúc trong một vụ co cục bộ, chứ không phải một sự giãn nở vô tận do năng lượng tối thúc đẩy. Vũ trụ bị giới hạn của họ sẽ kết thúc bằng một vụ nổ.
Vĩ thanh
Kết luận rút ra từ suy luận của những nhà khoa học như Lawrence Krauss hay Glenn Starkman thật lạ lùng. Cửa sổ thời gian để người quan sát thông minh có thể thấy bản chất vũ trụ thực ra rất ngắn. Và chúng ta chính là những kẻ trúng số. Các nền văn minh tương lai có thể có trình độ khoa học công nghệ rất cao, nhưng họ sẽ không thu được bằng chứng thực nghiệm về Vụ nổ lớn hay về sự giãn nở ngày càng nhanh của vũ trụ. Điều duy nhất họ có thể làm là nghiên cứu thư tịch, nếu sách vở, tài liệu, băng đĩa của chúng ta có thể tồn tại qua các cuộc chiến tranh, vụ nổ siêu tân tinh, tân tạo lỗ đen hay vô vàn các hiểm họa tầm mức vũ trụ khác. Họ sẽ đọc chúng ta, nhưng họ tin hay không lại là chuyện khác. Các nền văn minh không tìm thấy tài liệu thì không bao giờ biết về Big Bang, về một vụ nổ kinh thiên động địa đã khai sinh toàn vũ trụ, kể cả bản thân họ.
Tại sao vũ trụ hiện hành và do đó nền văn minh của chúng ta lại có vị trí đặc biệt như vậy? Một số người thích dùng nguyên lí vị nhân như một vũ khí vạn năng khi đứng trước những câu hỏi như vậy. Nhưng Krauss và Scherrer thì đưa ra hai bài học khác.
Trước tiên, đây không phải là lần đầu thông tin về vũ trụ bị mất do sự giãn nở. Trong quá trình giãn nở lạm phát ngay sau Vụ nổ lớn, hầu hết mọi thông tin về vật chất và năng lượng trước đó đã bị mất. Một trong những động cơ xây dựng các mô hình lạm phát là khôi phục hiểu biết về các thực thể vũ trụ, chẳng hạn các đơn cực từ Dirac, từng hiện hữu tại thời điểm khai thiên lập địa.
Quan trọng hơn, dù chúng ta may mắn sống trong khoảng thời gian có thể quan sát các bằng chứng thực nghiệm về Big Bang, không thể không nghĩ rằng, nhiều yếu tố cơ bản khác của vũ trụ có thể không còn quan sát được hôm nay. Thật không may là chúng ta không thể biết đã mất những thông tin nào. Vì thế thay cho sự tự thỏa mãn, chúng ta cần có cảm giác thiếu may mắn. Có thể ngày mai chúng ta lại nhận ra rằng, hiểu biết của chúng ta thực ra là sai lầm. Và nhân loại lại lầm lũi tiến bước trên con đường tìm hiểu tự nhiên. |
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét