S.W.Hawking: Sự khởi đầu của thời gian - Kỳ cuối

Tiếp theo kì 2

S.W.Hawking

Vũ trụ không có biên

Nhiều người hi vọng rằng các hiệu ứng lượng tử sẽ làm trơn các kì dị với mật độ vô hạn một cách dễ dàng và cho phép vũ trụ quay lại với pha co trước đó. Điều này ít nhiều khác với ý tưởng trước đây cho rằng các thiên hà lẫn tránh nhau, mà thay vào đó là sự chuyển pha vũ trụ ở mật độ siêu cao. Tuy nhiên, tôi nghĩ điều này không phải là những gì sẽ xảy ra: các hiệu ứng lượng tử sẽ không dở bỏ các kì dị, và cho phép thời gian lùi vô hạn. Nhưng dường như các hiệu ứng lượng tử có thể làm biến mất những đối tượng vật chất(các sao, các thiên hà), là các kì dị trong lý thuyết tương đối rộng. Lý thuyết này là cổ điển, nó không giúp chúng ta tính được những gì đằng sau các kì dị, vì khi đó tất cả các định luật vật lý đều không áp dụng được nữa. Nghĩa là khoa học không thể tiên đoán được cách thức mà vũ trụ bắt đầu. Thay vì vậy, chúng ta phải viện dẫn đến một thế lực nào đó bên ngoài vũ trụ. Đây có thể là lý do mà nhiều nhà lãnh đạo tôn giáo trên thế giới chấp nhận Vụ nổ lớn và cả các định luật về kì dị.

• S.W.Hawking: Sự khởi đầu của thời gian - Kỳ 1
• S.W.Hawking: Sự khởi đầu của thời gian - Kỳ 2
• S.W.Hawking: Sự khởi đầu của thời gian - Kỳ cuối

Dường như lý thuyết lượng tử, theo một cách khác, có thể tiên đoán được vũ trụ được hình thành như thế nào. Lý thuyết này đưa vào một ý tưởng mới, đó là thời gian ảo. Thời gian ảo thoạt nghe giống như một kiểu hư cấu khoa học, và được nói đến trong Chương trình Bác sĩ, ông là ai(Doctor Who, là một show truyền hình của BBC, nói về các câu chuyện hư cấu khoa học.ND). Nhưng nó thật sự là một khái niệm khoa học xuất sắc. Bạn có thể nắm bắt khái niệm này theo cách sau. Bạn có thể xem thời gian thực thông thường như là một trục nằm ngang. Hướng sang trái là quá khứ, hướng sang phải là tương lai. Trong khi trục thẳng đứng là một trục thời gian khác, thời gian ảo. Có tên gọi này vì nó không phải là thời gian theo kinh nghiệm thông thường.

Ba chiều không gian và một chiều thời gian ảo tạo thành không thời gian Euclide. Tôi không nghĩ là có ai đó có thể biểu diễn được một mặt bốn chiều. Nhưng không quá khó để tưởng tượng ra một mặt hai chiều, như  một cái yên ngựa hoặc một quả bóng.

Thực tế, James Hartle ở phân viện Santa Barbara của Đại học California và tôi đã đề xuất việc kết hợp không gian và thời gian ảo như một sự mở rộng hữu hạn và không có biên. Chúng giống như bề mặt Trái đất, nhưng nhiều hơn hai chiều. Bề mặt Trái đất là hữu hạn về quy mô, nhưng không có bất cứ một biên giới hay bờ nào. Tôi đi vòng quanh thế giới và không rơi ra khỏi nó.

Nếu không gian và thời gian ảo tương tự với cấu trúc của bề mặt Trái đất, sẽ không có bất cứ một kì dị nào theo hướng thời gian ảo mà tại đó các định luật vật lý có thể bị vô hiệu hóa. Và việc không có biên giới, đối với thời gian ảo, cũng giống như việc không có biên đối với bề mặt Trái đất. Việc không có biên cho phép các định luật vật lý quy đinh vũ trụ một cách thống nhất, trong chiều thời gian ảo. Nhưng nếu bạn biết được trạng thái của vũ trụ trong chiều thời gian ảo, bạn có thể tính được trạng thái vũ trụ trong chiều thời gian thật. Bạn sẽ vẫn mong đợi một vài kiểu kì dị tại Vụ nổ lớn trong thời gian thực. Vì vậy, thời gian thực vẫn sẽ có một khởi đầu mà không phải viện đến một thứ gì đó từ bên ngoài vũ trụ, để điều phối cách thức mà vũ trụ bắt đầu. Thay vào đó, cách thức mà vũ trụ bắt đầu tại Vụ nổ lớn sẽ được xác định bởi trạng thái vũ trụ trong chiều thời gian ảo. Như vậy, vũ trụ là một hệ thống vận động tự thân và không vị quy định bởi bất cứ một thứ vật lý nào khác ngoài vũ trụ như ta quan sát thấy.

Điều kiện không biên giới là biểu hiện cho thấy các định luật vật lý có thể được áp dụng ở mọi nơi. Rõ ràng, đây là điều mà bạn muốn tin vào, nhưng nó chỉ là một giả thuyết. Chúng ta phải kiểm tra nó, bằng cách đối chiếu vũ trụ mà nó tiên đoán với các quan sát thực tế. Nếu các quan sát không phù hợp với tiên đoán của giả thiết không biên giới, chúng ta sẽ phải kết luận rằng giả thiết này là sai. Khi đó, phải có gì đó bên ngoài vũ trụ, điều chỉnh đồng hồ thời gian và cả cách mà vũ trụ đang vận hành. Dĩ nhiên, thậm chí nếu các quan sát phù hợp với các tiên đoán, cũng chưa chứng tỏ rằng đề xuất không biên là chính xác. Nhưng khi đó, niềm tin mà bạn đặt vào đó sẽ tăng lên, vì sẽ không có đề xuất nào tốt hơn nó cho trạng thái lượng tử của vũ trụ.

Đề xuất không biên tiên đoán rằng vũ trụ sẽ bắt đầu từ một điểm, giống như điểm cực bắc của Trái đất. Nhưng điểm này không phải là một kì dị, giống như kiểu Vụ nổ lớn. Thay vào đó, nó sẽ là một điểm bình thường trong không thời gian, giống như điểm cực bắc là một điểm bình thường trên Trái đất.

Theo đề xuất của Hawking, vũ trụ không có biên và hữu hạn. Và cùng với nó, thời gian cũng có một khởi đầu.

Cũng theo giả thiết không biên, vũ trụ sẽ dãn nở một cách trơn tru từ một điểm duy nhất. Khi nó dãn nở, nó sẽ vay mượn năng lượng từ trường hấp dẫn để tạo thành vật chất. Như bất kì nhà kinh tế nào có thể dự đoán, kết quả của tất cả các vụ vay mượn này là sự lạm phát. Vũ trụ dãn nở và tiếp tục vay mượn để tăng tốc. Thật may, khoản vay của năng lượng hấp dẫn sẽ không phải chi trả cho đến khi vũ trụ kết thúc.

Thậm chí, khoảng thời gian lạm phát sẽ kết thúc và vũ trụ sẽ phải giải quyết vụ “dãn nở gia tốc” của mình. Tuy nhiên, sự lạm phát sẽ không để lại dấu vết trong vũ trụ. Vũ trụ sẽ hầu như nhẵn thín với một ít chỗ khác biệt. Những khác biệt này là khá nhỏ, chỉ khoảng một phần trăm nghìn, và theo thời gian, chúng ta sẽ khó nhận ra. Nhưng vào năm 1992, vệ tinh Khám phá nền vũ trụ, COBE, tìm thấy những điểm khác biệt này ở thang sóng vi ba. Nó là một thời khắc lịch sử. Chúng ta nhìn thấy nguồn gốc của vũ trụ. Sự tạo thành của các thăng giáng trong nền sóng vi ba khá phù hợp với tiên đoán của đề xuất không biên giới. Những điểm khác biệt nhỏ này trong vũ trụ sẽ khiến cho một số khu vực dãn nở chậm hơn các khu vực khác. Thậm chí, chúng đang dừng sự dãn nở, và sẽ co sụp vào trong, tạo thành các sao và các thiên hà. Như vậy, giả thiết không biên có thể giải thích tất cả các cấu trúc phong phú đang tồn tại trong vũ trụ, của cả thế giới mà ta đang sinh sống. Vậy giả thiết không biên giới có tiên đoán gì cho tương lai của vũ trụ? Vì nó đòi hỏi vũ trụ phải hữu hạn trong không gian, cũng như trong chiều thời gian ảo, nên vũ trụ thậm chí có thể co lại. Tuy nhiên, nó sẽ không co lại trong thời gian lâu nữa, phải hơn nhiều khoảng thời gian 15 tỉ năm mà vũ trụ đã dãn nở. Vì vậy, bạn sẽ có thời gian để bán các khoản đầu tư an toàn của bạn, trước khi thời điểm kết thúc vũ trụ gần kề. Bạn có thể muốn đầu tư lướt sóng khi đó, còn tôi thì không.

Tuy nhiên, hiện giờ tôi đã nhận ra sai lầm của mình, như lời giải cho thấy. Sự co lại sẽ không phải là phép nghịch đảo thời gian của sự dãn nở. Sự dãn nở sẽ bắt đầu với pha lạm phát, nhưng sự co lại sẽ không hoàn toàn giống như quá trình ngược của lạm phát. Hơn nữa, những sai lệch nhỏ khỏi sự đồng nhất mật độ sẽ tiếp tục tăng lên trong pha co lại. Vũ trụ sẽ càng nhiều những đụn và những điểm bất thường và khi nó nhỏ lại, độ hỗn loạn nội tại vẫn sẽ tăng lên. Điều này cho thấy mũi tên thời gian sẽ không bị đảo ngược. Loài người sẽ tiếp tục già đi, thậm chí ngay cả sau khi vũ trụ bắt đầu co lại. Vì vậy, đợi cho đến lúc vũ trụ co lại không phải là một chờ đợi thú vị, để bạn có thể trẻ lại. Khi đó, bạn sẽ chỉ mang một dấu hiệu nào đó của quá khứ theo một cách nào đó.

Kết luận của bài nói chuyện này là vũ trụ không tồn tại mãi mãi. Ít nhất, vũ trụ và bản thân thời gian có một khởi đầu tại Vụ nổ lớn, khoảng 15 tỉ năm trước. Sự khởi đầu của thời gian thực, sẽ là một kì dị mà tại đó các định luật vật lý có thể bị vô hiệu hóa. Hơn nữa, cách mà vũ trụ bắt đầu được quy định bởi các định luật này, nếu vũ trụ thỏa mãn điều kiện không có biên giới. Điều này cho thấy, trong chiều thời gian ảo, không thời gian là hữu hạn, nhưng không có biên hay rìa nào cả. Các tiên đoán của đề xuất không biên khá phù hợp với các quan sát thực nghiệm. Giả thiết không biên cũng tiên đoán rằng vũ trụ thậm chí sẽ co lại. Tuy nhiên , trong pha co lại, sẽ không có sự đảo chiều nào của mũi tên thời gian. Và như vậy, chúng ta sẽ vẫn già đi và không thể quay lại với tuổi trẻ của mình được. Bởi vì thời gian không quay lại, tôi nghĩ tôi nên dừng lại ở đây.

Hết!

Mời các bạn đón đọc bài nói chuyện tiếp theo của Hawking: Chúa có đổ xúc xắc? sẽ đăng trong thời gian tới.

Thới Ngọc Tuấn Quốc