Chương 3
Cấu trúc trong Vũ trụ
Đã thấy cái bí ẩn của tính trơn của vũ trụ vĩ mô, giờ đến lúc xét vấn đề ngược lại là tại sao tồn tại cấu trúc ở dạng rất nhiều thiên hà, mỗi thiên hà chứa rất nhiều sao. Một thiên hà như thế là Dải Ngân hà chứa Mặt trời của chúng ta cùng với Trái đất quay xung quanh mỗi vòng mất một năm. Nghiên cứu gần đây cung cấp một lí giải hợp lí cho nguồn gốc và tiến hóa của những cấu trúc như thế. Các cấu trúc chỉ là một nhiễu loạn nhỏ của vũ trụ trơn, và là phương diện thú vị nhất của nó. Giải thích được xây dựng trên quan điểm rằng các cấu trúc đã được “gieo mầm” trong vũ trụ cực kì sơ khai do các hiệu ứng cơ lượng tử, một lí thuyết được thiết lập để mô tả thang bậc nhỏ nhất đi cùng với các nguyên tử và có liên quan là do sự giãn nở khủng khiếp của vũ trụ kể từ Big Bang, thành những cấu trúc khổng lồ như các đám thiên hà.
Trong các quan sát của mặt tán xạ sau cùng, có một sai lệch một phần một trăm nghìn với tính trơn hoàn toàn. Hiệu ứng nhỏ xíu này phải dẫn tới sự hình thành cấu trúc. Có hai phương diện để giải thích: nguồn gốc nguyên thủy trong vũ trụ rất sơ khai của những thăng giáng này và sự tiến hóa sau đó của chúng thành các thiên hà và sao đã quan sát được.
Trước tiên chúng ta nói về nguồn gốc của các thăng giáng và vấn đề này đòi hỏi phải hiểu rõ cơ học lượng tử. Tiền thân của cơ học lượng tử là cơ học cổ điển được thiết lập vào thập niên 1680 trong cuốn Principia, cuốn sách do Isaac Newton viết. Dựa trên các định luật đơn giản như lực bằng khối lượng nhân với gia tốc, cơ học cổ điển mô tả thành công chuyển động của các vật do lực hút và lực đẩy. Đây không chỉ là những vật thể có kích cỡ hằng ngày mà, khi được hậu thuẫn bởi định luật vạn vật hấp dẫn cổ điển, còn bao gồm các vật như Mặt trăng quay tròn xung quanh Trái đất và Trái đất quay xung quanh Mặt trời. Cơ học cổ điển thành công đến mức cuốn Principia của Newton đã thống lĩnh vật lí học trong hai trăm năm sau đó. Ngày nay, thật khó tưởng tượng có ấn phẩm nào lại thống lĩnh cộng đồng vật lí trong thời gian lâu như thế.
Vào năm 1864, cơ học cổ điển được mở rộng thêm bởi lí thuyết điện động lực học cổ điển của Maxwell, lí thuyết giải thích thành công chuyển động của các hạt tích điện trong điện trường và từ trường. Sự kết hợp của cơ học cổ điển và điện động lực học cổ điển tạo nên các nền tảng của vật lí lí thuyết khi nó tồn tại vào cuối thế kỉ hai mươi. Tòa lâu đài kiến thức đồ sộ này là căn nguyên tự hào của các nhà vật lí, chí ít thì một nhà vật lí danh tiếng đã công bố vào đầu thế kỉ hai mươi rằng vật lí học về căn bản đã xây dựng xong vì mọi thứ đã được hiểu rõ.
--
Sự kiêu căng thế không kéo dài được lâu. Vào đầu thế kỉ hai mươi, người ta tìm thấy hai hạn chế nghiêm trọng cho khả năng áp dụng của các nền tảng của vật lí lí thuyết, cả hai hạn chế đó đều dẫn tới những tiến bộ mang tính cách mạng.
Hạn chế thứ nhất gắn liền với khái niệm aether. Aether được phát minh ra làm môi trường giả thuyết cho sóng điện từ có thể truyền qua. Lúc ấy, người ta có vẻ không có cách nào hình dung nổi một sóng như thế có thể truyền trong chân không, và sẽ cần aether làm cái tương tự như không khí là môi trường truyền sóng âm. Nhưng nếu như có một cái gì đó như aether, thì Trái đất đang chuyển động trong nó trên quỹ đạo xung quanh Mặt trời ở tốc độ khoảng bằng một phần mười nghìn của tốc độ ánh sáng. Do đó, người ta cho rằng tốc độ ánh sáng sẽ phải khác tùy theo ánh sáng truyền song song, đối song hay vuông góc với chuyển động của Trái đất. Một thí nghiệm giao thoa kế chính xác đã được thực hiện vào năm 1887 dự tính đo những chênh lệch vận tốc như thế. Kết quả bất ngờ là tốc độ ánh sáng không phụ thuộc vào hướng nó được đo. Kết luận là khái niệm một môi trường như aether đứng yên trong vũ trụ là sai lầm.
Thành phần năng lượng của vũ trụ hiện nay: 4% baryon; 23% vật chất tối; và 73% năng lượng tối.
Nan đề aether này và kết quả vô hiệu từ thí nghiệm giao thoa kế đã gây sóng gió lúc đầu thế kỉ hai mươi và là một thành phần thiết yếu trong phát minh thuyết tương đối hẹp. Thuyết tương đối dẫn tới tiên đoán, như đã đề cập, rằng thông tin không thể truyền đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng đồng thời tiên đoán rằng tốc độ ánh sáng luôn luôn bằng nhau trong chân không theo mọi hướng, đối với mọi nguồn và mọi nhà quan sát.
Sự ra đời và đổ vỡ của khái niệm aether có lẽ có một kịch bản tương tự hiện nay. Nhiều nhà vật lí lí thuyết tin rằng để hiểu rõ năng lượng tối, sẽ được trình bày ở những chương sau, có thể đòi hỏi một cuộc cách mạng lớn ngang ngửa với thuyết tương đối hoặc cơ học lượng tử. Năng lượng tối có thể giữ một vai trò nào đó trong lí thuyết vật lí vào thế kỉ 21 trong việc khai sinh ra một quan niệm cách mạng mới giống hệt như nan đề aether đã làm hồi thế kỉ 20.
Hạn chế thứ hai của vật lí cổ điển là cái đưa đến phát minh ra cơ học lượng tử vào thập niên 1920. Nó lần đầu tiên được lưu ý ở những tính chất của nhiệt phát ra từ một vật rất nóng, và đã được thổi bùng lên bởi sự thiếu hiểu biết về mức vững vàng của nguyên tử.
