Các hạt mầm không gian

Bất chấp những nhập nhằng, bất hạnh nhất định và những câu hỏi vẫn chưa được trả lời, nền vật lí học mà tôi vừa phác thảo mang lại một mô tả của thế giới tốt hơn cái chúng ta từng có trước đây. Vì thế chúng ta nên có chút hài lòng. Nhưng chúng ta không hài lòng.

Có một nghịch lí nằm tại trung tâm nhận thức của chúng ta về thế giới vật chất. Thế kỉ hai mươi đã mang lại cho chúng ta hai viên ngọc quý mà tôi vừa trình bày: thuyết tương đối tổng quát và cơ học lượng tử. Từ thuyết tương đối tổng quát, vũ trụ học phát triển, cũng như thiên văn vật lí, nghiên cứu sóng hấp dẫn, lỗ đen và nhiều lĩnh vực khác. Cơ học lượng tử cung cấp nền tảng cho vật lí nguyên tử, vật lí hạt nhân, vật lí hạt sơ cấp, vật lí vật chất ngưng tụ, và nhiều, nhiều lĩnh vực khác nữa. Hai lí thuyết, ngông cuồng phân phát thành quả của chúng, là cơ sở của công nghệ ngày nay và đã làm chuyển biến lối sống của chúng ta. Tuy nhiên, hai lí thuyết không thể đều đúng được, ít nhất là ở dạng thức hiện nay của chúng, bởi vì chúng mâu thuẫn nhau.

Một sinh viên đại học lên lớp nghe giảng về thuyết tương đối rộng vào buổi sáng và nghe giảng về cơ học lượng tử vào buổi chiều có thể được tha thứ vì kết luận rằng các vị giáo sư của anh là kẻ ngốc, hoặc đã không nói chuyện với nhau chí ít là một thế kỉ rồi. Vào buổi sáng thế giới là không gian cong trong đó vạn vật là liên tục; thì vào buổi chiều thế giới là không gian phẳng trong đó các lượng tử năng lượng nhảy nhót.

Nghịch lí là ở chỗ cả hai lí thuyết đều hoạt động suôn sẻ. Tự nhiên đang hành xử với chúng ta theo kiểu tựa như vị giáo sĩ lẩm cẩm phân giải hai người đang tranh luận. Sau khi nghe người thứ nhất nói, vị giáo sĩ bảo: “Cậu đúng.” Người thứ hai khăng khăng phản đối, vị giáo sĩ lắng nghe anh ta nói rồi bảo: “Cậu cũng đúng.” Bỗng có tiếng vợ vị giáo sĩ từ phòng bên kia nói sang: “Nhưng họ không thể cùng đúng được!’ Vị giáo sĩ trầm ngâm và gật gù rồi kết luận: “Bà cũng đúng nữa.”

Một nhóm nhà vật lí lí thuyết rải rác trên khắp năm lục địa đang cần mẫn cố gắng phân giải vấn đề trên. Lĩnh vực nghiên cứu của họ được gọi là ‘lực hấp dẫn lượng tử’: mục tiêu của nó là tìm kiếm một lí thuyết, tức là một tập hợp phương trình – nhưng trên hết thảy là một cái nhìn kết hợp của thế giới – để phân giải tình trạng phân liệt hiện nay.

Đây không phải lần đầu tiên vật lí học tự đối mặt với hai lí thuyết thành công vang dội nhưng mâu thuẫn nhau thấy rõ. Nỗ lực tổng hợp trước đây đã được đền đáp với những bước sải dài trên con đường chúng ta nhận thức thế giới. Newton khám phá lực vạn vật hấp dẫn bằng cách kết hợp các parabol của Galileo với các elip của Kepler. Maxwell thiết lập các phương trình điện từ học bằng cách kết hợp các lí thuyết điện và lí thuyết từ. Einstein khám phá sự tương đối trên đường giải quyết một mâu thuẫn hiển hiện giữa điện từ học và cơ học. Nhà vật lí chỉ hết sức phấn khởi khi anh ta tìm thấy một mâu thuẫn thuộc loại này giữa các lí thuyết thành công: nó là một cơ hội ngàn vàng. Liệu chúng ta có thể xây dựng một khuôn khổ khái niệm để nghĩ về thế giới mà tương thích với cái chúng ta đã biết về nó từ cả hai lí thuyết hay không?

Tại đây, ở tiền phương, vượt ngoài biên giới của kiến thức, khoa học còn trở nên lộng lẫy hơn nữa – sự chói sáng trong ngọn lửa tôi luyện của những ý tưởng mới sinh, của trực giác, của nỗ lực. Của những con đường đã đi và bị bỏ hoang, của sự nhiệt tình. Trong nỗ lực hình dung ra cái chưa từng được hình dung.

Hai mươi năm trước, sương mù giăng dày đặc. Ngày nay, các lối đi hiện ra đầy hăng hái và lạc quan. Có nhiều hơn một lối đi, thành ra không thể nói rằng vấn đề đã được giải quyết. Nhiều thành ra gây tranh cãi, và tranh cãi là tốt: cho đến lúc sương mù hoàn toàn tan biến, điều tốt là có những cái nhìn phê bình và đối nghịch. Một trong những nỗ lực chính nhằm giải quyết vấn đề là một hướng nghiên cứu gọi là ‘lực hấp dẫn lượng tử vòng’, được theo đuổi bởi một êkip đông đảo các nhà nghiên cứu làm việc ở nhiều quốc gia.

Lực hấp dẫn lượng tử vòng là một nỗ lực nhằm kết hợp thuyết tương đối tổng quát và cơ học lượng tử. Nó là một nỗ lực cẩn trọng vì nó chỉ sử dụng các giả thuyết có sẵn trong những lí thuyết này, viết lại hợp lí để cho chúng tương thích. Nhưng các hệ quả của nó là triệt để: một biến thể nổi bật hơn của cách chúng ta nhìn vào cấu trúc của thực tại.

Ý tưởng thì đơn giản. Thuyết tương đối tổng quát dạy ta rằng không gian chẳng phải một cái hộp trơ ì, mà là cái gì đó mang tính chất động: một loại vỏ ốc di động, bao la mà chúng ta được chứa bên trong – một cấu trúc có thể bị nén và bị xoắn. Mặt khác, cơ học lượng tử dạy ta rằng mỗi trường thuộc loại này ‘được làm bằng các lượng tử’ và có một cấu trúc tinh tế, dạng hạt. Cái dễ dàng suy ra tiếp là không gian vật chất cũng ‘được làm bằng các lượng tử’.

Thật vậy, kết quả trọng tâm của lí thuyết hấp dẫn lượng tử vòng là rằng không gian không liên tục, nó không phải được phân chia vô hạn mà được làm bằng các hạt mầm hay ‘các nguyên tử không gian’. Các hạt này cực kì nhỏ bé: một tỉ tỉ lần nhỏ hơn hạt nhân nguyên tử nhỏ nhất. Lí thuyết mô tả các ‘nguyên tử không gian’ này ở dạng toán học, và cung cấp các phương trình xác định sự tiến hóa của chúng. Chúng được gọi là ‘vòng’, bởi vì chúng liên kết với nhau, tạo thành một mạng lưới các liên hệ dệt nên kết cấu của không gian, giống như những vòng nhỏ của một áo giáp chuỗi xích mênh mông được dệt mịn.

Các lượng tử này của không gian nằm ở đâu? Chẳng ở đâu cả. Chúng không ở trong không gian bởi vì bản thân chúng là không gian. Không gian được tạo ra bằng cách liên kết từng lượng tử này của lực hấp dẫn. Một lần nữa thế giới dường như ít liên quan với các vật hơn là với các liên hệ tương tác.

Nhưng chính hệ quả thứ hai của lí thuyết trên mới cực đoan nhất. Giống hệt như ý tưởng không gian liên tục chứa vạn vật biến mất, ý tưởng ‘thời gian’ sơ cấp và nguyên sơ trôi đi bất chấp vạn vật cũng không còn. Các phương trình mô tả các hạt mầm không gian và vật chất không còn chứa biến ‘thời gian’. Điều này không có nghĩa rằng vạn vật là tĩnh tại và bất biến. Trái lại, nó có nghĩa là sự biến đổi hiện diện khắp nơi nơi – nhưng các quá trình sơ cấp không thể được xếp thứ tự theo một chuỗi ‘thời khắc’ chung nữa. Ở cấp độ nhỏ xíu của các hạt mầm không gian, vũ điệu của tự nhiên không diễn ra theo nhịp gậy chỉ huy của một nhạc trưởng, theo một nhịp độ: mỗi quá trình khiêu vũ độc lập với các láng giềng của nó, với nhịp điệu riêng của nó. Sự trôi qua của thời gian là nội tại của thế giới, được sinh ra trong chính thế giới đó theo mối liên hệ giữa các sự kiện lượng tử tạo nên thế giới và tự chúng là nguồn gốc của thời gian.

Thế giới mô tả bởi lí thuyết trên khác xa với thế giới mà chúng ta quen thuộc. Không còn không gian ‘chứa’ thế giới, và không còn thời gian ‘trong đó’ các sự kiện xảy ra. Chỉ có các quá trình sơ cấp trong đó các lượng tử của không gian và vật chất liên tục tương tác với nhau. Ảo giác của không gian và thời gian liên tục xung quanh chúng ta là một cái nhìn lu mờ của nhung nhúc những quá trình sơ cấp này, giống như hồ Alpine tĩnh lặng, trong veo chứa trong thực tại của điệu vũ cuồng nhiệt của vô số phân tử nước nhỏ bé.

Nhìn cực kì cận cảnh qua một kính lúp cực khủng, thì hình ảnh cuối cùng trong bài học thứ năm của chúng ta sẽ cho thấy cấu trúc dạng hạt của không gian:

Liệu ta có thể xác nhận lí thuyết này bằng thực nghiệm không? Chúng ta đang suy nghĩ, đang cố gắng, nhưng cho đến nay chưa có xác nhận thực nghiệm nào. Tuy nhiên, có một số nỗ lực khác.

Một trong số này có xuất xứ từ nghiên cứu lỗ đen. Trên bầu trời ngày nay chúng ta có thể quan sát các lỗ đen được hình thành bởi các ngôi sao suy sụp. Bị nén ép bởi sức nặng của riêng nó, vật chất của những ngôi sao này tự ép lên chính nó và biến mất khỏi tầm nhìn của chúng ta. Nhưng nó biến đi đâu? Nếu lí thuyết lực hấp dẫn lượng tử vòng là đúng, thì vật chất thật sự không thể co sụp đến một điểm nhỏ vô hạn, bởi vì các điểm nhỏ vô hạn thật sự không hề tồn tại – mà chỉ có những lát không gian hữu hạn thôi. Co sụp dưới sức nặng riêng của nó, vật chất phải trở nên đặc dần, cho đến mức tại đó cơ học lượng tử phải tác dụng một áp suất ngược lại, làm cân bằng.

Giai đoạn giả thuyết cuối cùng này trong cuộc đời của một ngôi sao, trong đó các thăng giáng lượng tử của không-thời gian cân bằng với sức nặng của vật chất, là cái được gọi là ‘sao Planck’. Nếu mặt trời ngừng cháy sáng và tạo thành một lỗ đen thì nó sẽ có đường kính chừng 1,5 kilo-mét. Bên trong lỗ đen này, vật chất của mặt trời sẽ tiếp tục co lại, cuối cùng trở thành một sao Planck như thế. Các chiều kích của nó khi ấy sẽ tương tự các chiều kích của một nguyên tử. Toàn bộ vật chất của mặt trời cô đặc lại vào không gian của một nguyên tử: mỗi sao Planck được cấu thành bởi trạng thái cực độ này của vật chất.

Sao Planck không bền: một khi bị nén tối đa nó bật ra và bắt đầu dãn nở trở lại. Điều này đưa đến sự nổ của lỗ đen. Quá trình này, khi nhìn bởi một nhà quan sát giả định ngồi trong lỗ đen trên sao Planck, sẽ là một cú bật xảy ra ở tốc độ cao. Nhưng thời gian trôi qua đối với cô ta khác với thời gian đối với những ai ở ngoài lỗ đen, giống như thời gian trên núi cao trôi qua nhanh hơn thời gian ở mực nước biển. Ngoại trừ là đối với cô ta, do các điều kiện cực đoan, sự chênh lệch trong dòng chảy thời gian là rất lớn, và đối với nhà quan sát ở trên ngôi sao cái trông như một cú bật cực nhanh, thì nhìn từ bên ngoài, nó xảy ra trong một thời gian rất dài. Đây là lí do chúng ta quan sát thấy các lỗ đen vẫn như cũ trong những khoảng thời gian dài: mỗi lỗ đen là một ngôi sao đang hồi phục nhìn trong chuyển động cực chậm.

Có khả năng là trong lò luyện của những thời khắc đầu tiên của vũ trụ, các lỗ đen đã ra đời, và một số trong số này hiện nay đang nổ. Nếu đúng như vậy, thì có lẽ chúng ta có thể quan sát các tín hiệu mà chúng phát ra khi nổ, ở dạng các tia vũ trụ năng lượng cao đến từ bầu trời, nhờ đó cho phép chúng ta quan sát và đo một tác dụng trực tiếp của một hiện tượng bị chi phối bởi lực hấp dẫn lượng tử. Đó là một ý tưởng táo bạo – nó có thể không hoạt động, chẳng hạn, nếu trong vũ trụ nguyên thủy không có đủ lỗ đen ra đời để cho phép chúng ta ngày nay phát hiện sự nổ của chúng. Nhưng việc tìm kiếm các tín hiệu như thế đã bắt đầu. Rồi chúng ta sẽ thấy.

Một hệ quả khác của lí thuyết trên, và là một trong những hệ quả đẹp mắt nhất, là về nguồn gốc của vũ trụ. Chúng ta biết làm thế nào tái dựng lịch sử của hành tinh chúng ta ngược đến thời kì ban đầu khi nó có kích cỡ nhỏ xíu. Nhưng còn trước đó thì sao? Vâng, các phương trình của lí thuyết vòng cho phép chúng ta tiến ngược dòng xa hơn trong việc tái dựng lịch sử đó.

Cái chúng ta tìm thấy là khi vũ trụ cực kì nén đặc thì thuyết lượng tử tạo ra một lực đẩy, với kết quả là vụ nổ lớn hay ‘Big Bang’ thật ra có thể là ‘Vụ Co Lớn’. Thế giới của chúng ta thật sự có khả năng đã ra đời từ một vũ trụ trước đó đã co lại dưới sức nặng của riêng nó cho đến khi nó nén vào một không gian nhỏ xíu rồi ‘bật ra’ và bắt đầu dãn nở trở lại, từ đó trở thành vũ trụ dãn nở mà chúng ta quan sát thấy xung quanh mình.

Thời khắc bật ra này, khi vũ trụ co lại thành một vỏ hạt, là vương quốc thật sự của lực hấp dẫn lượng tử: thời gian và không gian cùng nhau biến mất, và thế giới hòa tan thành một đám mây xác suất mà tuy vậy các phương trình vẫn có thể mô tả. Và hình ảnh cuối cùng của bài học thứ năm biến thành như sau:

Vũ trụ của chúng ta có lẽ đã ra đời từ một sự bật lại trong một pha trước đó, trải qua một pha trung gian trong đó không có không gian chẳng có thời gian.

Vật lí học mở ra những cánh cửa để chúng ta nhìn xa trông rộng. Cái chúng ta nhìn thấy không lúc nào khiến chúng ta hết bất ngờ. Chúng ta nhận ra rằng chúng ta quá thiên kiến và hình ảnh trực giác của chúng ta về thế giới là cục bộ, thiển cận, không thỏa đáng. Trái đất không phẳng, nó không tĩnh tại. Thế giới liên tục thay đổi trước mắt chúng ta khi chúng ta dần dần nhìn nó một cách bao quát hơn và rõ ràng hơn. Nếu chúng ta cố gom lại toàn bộ những cái chúng ta đã biết trong thế kỉ hai mươi về thế giới vật chất, thì các manh mối hướng đến cái gì đó khác hẳn với nhận thức bản năng của chúng ta về vật chất, không gian và thời gian. Lực hấp dẫn lượng tử vòng là một nỗ lực giải mã những manh mối này, và nhìn xa hơn chút nữa vào cái khôn cùng.

Trích Bài học thứ năm, Sách Bảy Bài học Vật lí Ngắn của Carlo Rovelli
Bản dịch của Trần Nghiêm