Thiên văn vật lí cho người bận rộn – Neil DeGrasse Tyson (Phần 5)

Chương 5

VẬT CHẤT TỐI

Lực hấp dẫn, lực quen thuộc nhất của tự nhiên, đem lại cho chúng ta những hiện tượng được hiểu rõ nhất và hiểu ít nhất trong tự nhiên. Chính tư duy của con người lỗi lạc nhất và có sức ảnh hưởng nhất của thiên niên kỉ, Isaac Newton, đã nhận ra rằng “tác dụng tầm xa” bí ẩn của lực hấp dẫn vốn phát sinh từ các hiệu ứng tự nhiên của từng chút vật chất một, và rằng lực hút giữa hai vật thể bất kì có thể được mô tả bằng một phương trình đại số đơn giản. Chính tư duy của con người lỗi lạc nhất và có sức ảnh hưởng nhất của thế kỉ vừa qua, Albert Einstein, đã chứng minh rằng chúng ta có thể mô tả chính xác tác dụng tầm xa của lực hấp dẫn là sự uốn cong của kết cấu không-thời gian, được gây ra bởi bất kì kết hợp nào của vật chất và năng lượng. Einstein đã chứng minh rằng lí thuyết của Newton cần một số sửa đổi để mô tả chính xác lực hấp dẫn – để dự đoán, chẳng hạn, các tia sáng sẽ bị bẻ cong bao nhiêu khi chúng đi qua gần một vật thể khối lượng lớn. Mặc dù các phương trình của Einstein võ đoán hơn của Newton, song chúng dàn xếp êm đẹp vật chất mà chúng ta biết và yêu thích. Vật chất mà chúng ta có thể nhìn thấy, sờ mó, cảm nhận, ngửi, và thỉnh thoảng nếm.

Chúng ta chẳng biết ai là người tiếp theo trong chuỗi thiên tài, nhưng nay chúng ta đã chờ gần một thế kỉ mong ai đó cho chúng ta biết vì sao phần lớn lực hấp dẫn mà chúng ta đã đo trong vũ trụ – khoảng tám mươi lăm phần trăm của nó – lại phát sinh từ những chất liệu không hề tương tác với vật chất hay năng lượng “của chúng ta”, ngoài lực hấp dẫn ra. Hoặc có thể lực hấp dẫn dôi dư ấy không phát sinh từ vật chất hay năng lượng gì hết, mà nó bắt nguồn từ một thứ gì đó khác về mặt nhận thức. Dẫu sao, về cơ bản là chúng ta không có manh mối. Ngày nay, chúng ta chẳng tiến gần thêm được chút nào đến lời giải so với khi vấn đề “khối lượng mất tích này” được phân tích đầy đủ lần đầu tiên vào năm 1937 bởi nhà thiên văn vật lí người Mĩ gốc Thụy Sĩ Fritz Zwicky. Ông giảng dạy tại Viện Công nghệ California trong hơn bốn mươi năm trời, kết hợp những nhận thức xa rộng của ông về vũ trụ với cách diễn đạt màu mè và một khả năng ấn tượng làm mất lửa của các đồng nghiệp của ông.

Zwicky đã nghiên cứu chuyển động của từng thiên hà bên trong một đám thiên hà khổng lồ, nằm xa ngoài các ngôi sao địa phương thuộc Ngân Hà hướng về chòm sao Coma Berenice (“mái tóc Berenice”, một nữ hoàng Ai Cập thời xa xưa). Đám Coma, như chúng ta gọi thế, là một hệ cô lập và đông đúc thiên hà cách Trái Đất khoảng 300 triệu năm ánh sáng. Hàng nghìn thiên hà của nó quay xung quanh tâm đám, chuyển động theo mọi hướng tựa như đàn ong nhung nhúc quanh tổ ong. Sử dụng chuyển động của vài tá thiên hà làm vật theo dõi trường hấp dẫn liên kết toàn bộ đám, Zwicky tìm thấy rằng vận tốc trung bình của chúng có một giá trị cao bất thường. Vì lực hấp dẫn lớn hơn gây ra vận tốc lớn hơn đối với các vật mà chúng hút lấy, thành ra Zwicky suy luận ra một khối lượng đồ sộ cho đám Coma. Để thực tế kiểm tra ước tính đó, bạn có thể cộng gộp khối lượng của từng thiên hà thành viên mà bạn nhìn thấy. Và mặc dù Coma xếp vào hạng những đám thiên hà to nhất và có khối lượng lớn nhất trong vũ trụ, song nó vẫn không chứa đủ các thiên hà khả kiến để giải thích cho các tốc độ quan sát mà Zwicky đã đo.

Tình huống tệ đến mức nào? Phải chăng các định luật đã biết của chúng ta về lực hấp dẫn không sử dụng được? Chắc chắn chúng hoạt động được trong hệ Mặt Trời. Newton đã chỉ ra rằng bạn có thể rút ra tốc độ độc nhất mà mỗi hành tinh phải có để duy trì một quỹ đạo ổn định cách Mặt Trời một khoảng cách nhất định, để nó không rơi về phía Mặt Trời hay chạy ra một quỹ đạo xa hơn. Như vậy, giả sử chúng ta có thể làm tăng tốc độ quỹ đạo của Trái Đất lên hơn căn bậc hai (1,4142…) giá trị hiện nay của nó, thì hành tinh của chúng ta sẽ đạt được “vận tốc thoát”, và hoàn toàn rời khỏi hệ Mặt Trời. Chúng ta có thể quan sát lập luận giống như vậy cho những hệ lớn hơn nhiều, ví dụ thiên hà Ngân Hà của chúng ta, trong đó các sao chuyển động trong các quỹ đạo phản ứng với lực hấp dẫn từ tất cả sao khác; hoặc trong các đám thiên hà, trong đó mỗi thiên hà chịu lực hấp dẫn từ mọi thiên hà khác. Theo tinh thần này, giữa một trang công thức trong sổ ghi chép của ông, Eistein từng viết một bài thơ (vần theo tiếng Đức hơn là trong bản dịch này) nhằm tôn kính Isaac Newton:

Hãy ngắm các vì sao để biết
Các tư tưởng của bậc thầy thật khôn xiết
Mỗi vì sao đều tuân theo toán học Newton
Lặng lẽ chạy theo lộ trình riêng biền biệt.¹

Khi chúng ta khảo sát đám Come, như Zwicky đã làm hồi thập niên 1930, chúng ta tìm thấy các thiên hà thành viên của nó đều đang chuyển động nhanh hơn vận tốc thoát của đám. Lẽ ra đám thiên hà đó phải bay giạt ra xa nhau, chỉ để lại vết tích cho sự tồn tại bầy đàn của nó ngay sau khi vài trăm triệu năm trôi qua. Thế nhưng đám Coma đã hơn mười tỉ năm tuổi, già gần bằng tuổi của chính vũ trụ. Và thế là ra đời cái cho đến nay vẫn là bí ẩn dai dẳng nhất chưa được giải trong thiên văn vật lí học.

*

Trong hàng thập kỉ sau công trình của Zwicky, các đám thiên hà khác cũng biểu hiện vấn đề tương tự, vậy nên chẳng thể đổ lỗi cho Coma là dị thường. Vậy chúng ta phải đổ lỗi cho cái gì hoặc cho ai? Newton ư? Không. Không hẳn thế. Các lí thuyết của ông đã được khảo nghiệm trong 250 năm qua và đều vượt qua mọi phép kiểm tra. Einstein ư? Không. Lực hấp dẫn khủng khiếp của các đám thiên hà vẫn chưa đủ cao để đòi hỏi chiếc búa toàn vẹn của thuyết tương đối rộng Einstein, vừa đúng hai thập kỉ khi Zwicky thực hiện nghiên cứu của ông. Có lẽ “khối lượng mất tích” cần thiết để liên kết các thiên hà của đám Coma thật sự tồn tại, nhưng ở một dạng vô hình, chưa biết nào đó. Ngày nay, chúng ta ấn định cho nó biệt danh “vật chất tối”, chứ không chịu thừa nhận còn thiếu thứ gì cả, tuy vậy nó vẫn ngụ ý rằng một loại mới nào đó của vật chất phải tồn tại, đang chờ khám phá.

Ngay khi các nhà thiên văn vật lí buộc phải chấp nhận vật chất tối trong các đám thiên hà là một thứ bí ẩn, thì vấn đề ẩn sau diện mạo vô hình của nó xuất hiện trở lại. Vào năm 1976, Vera Rubin, một nhà thiên văn vật lí tại Viện Carnegie Washington, tìm thấy một dị thường khối lượng giống vậy bên trong chính các thiên hà xoắn ốc. Nghiên cứu tốc độ mà các sao quay xung quanh tâm thiên hà của chúng, ban đầu Rubin tìm thấy đúng cái bà trông đợi: bên trong đĩa nhìn thấy của mỗi thiên hà, các sao càng ở xa tâm chuyển động ở tốc độ càng cao hơn các sao ở gần bên trong. Các sao ở xa hơn có nhiều vật chất hơn (các sao và chất khí) ở giữa chúng và tâm thiên hà, cho phép tốc độ quỹ đạo của chúng cao hơn. Tuy nhiên, vượt ngoài cái đĩa sáng của thiên hà, người ta vẫn có thể tìm thấy một số đám mây khí cô lập và một vài ngôi sao sáng. Sử dụng những vật thể này làm vật theo dõi trường hấp dẫn bên ngoài những phần sáng nhất của thiên hà, nơi chẳng có nhiều vật chất nhìn thấy đóng góp vào khối lượng tổng, Rubin tìm thấy rằng tốc độ quỹ đạo của chúng, lẽ ra phải giảm theo khoảng cách xa dần vào hư vô, thực tế vẫn còn cao.

Những khối không gian trống rỗng mênh mông này – những vùng sâu vùng xa của mỗi thiên hà – còn chứa chút ít vật chất nhìn thấy để giải thích tốc độ quỹ đạo cao dị thường của các vật theo dõi. Rubin đã lí giải đúng đắn rằng một dạng vật chất tối nào đó phải nằm trong những vùng xa xôi này, vượt ra bên ngoài cái rìa nhìn thấy của mỗi thiên hà. Nhờ công trình của Rubin, ngày nay chúng ta gọi những vùng bí ẩn này là “quầng vật chất tối”.

Vấn đề quầng vật chất tối này tồn tại ngay dưới mũi chúng ta, ngay trong Ngân Hà. Từ thiên hà đến thiên hà và từ đám đến đám, sự chênh lệch giữa khối lượng đo được từ các vật thể nhìn thấy và khối lượng của các vật thể được ước tính từ tổng lực hấp dẫn biến thiên từ vài lần (trong một số trường hợp) cho đến vài trăm lần. Trên khắp vũ trụ, chênh lệch đó tính trung bình là sáu lần: vật chất tối vũ trụ có tổng lực hấp dẫn gấp khoảng sáu lần toàn bộ vật chất nhìn thấy.

Nghiên cứu sau đó làm sáng tỏ rằng vật chất tối không thể gồm vật chất bình thường không phát sáng, hoặc phát sáng yếu. Kết luận này dựa trên hai hướng lập luận. Thứ nhất, chúng ta có thể loại trừ gần như chắc chắn mọi ứng cử viên quen thuộc khả dĩ, giống như những kẻ tình nghi trong một đội hình cảnh sát. Liệu vật chất tối có thể cư trú bên trong các lỗ đen không? Không, chúng ta nghĩ mình đã phát hiện được nhiều lỗ đen này từ các tác động hấp dẫn của chúng lên các sao ở gần. Hay nó có thể là các đám mây tối? Không, chúng sẽ hấp thụ hoặc không thì sẽ tương tác với ánh sáng đến từ các sao phía sau chúng, chuyện chân thật thế vật chất tối sẽ không làm đâu. Vậy nó có thể là các hành tinh, các tiểu hành tinh, và các sao chổi lang thang giữa các sao (hay giữa các thiên hà), toàn bộ chúng đều không hề tự phát ra ánh sáng? Thật khó mà tin rằng vũ trụ sẽ cho xuất xưởng khối lượng ở các hành tinh gấp sáu lần ở các sao. Điều đó sẽ có nghĩa là có sáu nghìn Mộc tinh ứng với mỗi sao trong thiên hà, hay tệ hơn nữa, có đến hai triệu Trái Đất. Trong hệ Mặt Trời của chúng ta, chẳng hạn, toàn bộ những thứ ngoài Mặt Trời ra cộng gộp lại chưa bằng một phần năm của một phần trăm khối lượng Mặt Trời.

Bằng chứng trực tiếp hơn cho bản chất kì lạ của vật chất tối đến từ hàm lượng tương đối của hydrogen và helium trong vũ trụ. Những con số này cùng nhau đem lại một dấu vân tay vũ trụ còn sót lại từ thời vũ trụ xa xưa. Xét gần đúng, sự nhiệt hạch trong vài phút đầu tiên sau vụ nổ lớn để lại một hạt nhân helium ứng với mười hạt nhân hydrogen (bản chân chúng chỉ là proton). Các phép tính chỉ ra rằng nếu phần lớn vật chất tối tham gia vào sự nhiệt hạch, thì sẽ có nhiều helium hơn so với hydrogen trong vũ trụ. Từ đây chúng ta kết luận rằng phần lớn vật chất tối – do đó, phần lớn khối lượng trong vũ trụ – không tham gia vào sự nhiệt hạch, phế truất tư cách vật chất “bình thường” của nó. Cái cốt lõi của vật chất bình thường là sẵn sàng tham gia các lực nguyên tử và hạt nhân định hình vật chất như chúng ta biết. Các quan sát chi tiết về phông nền vi sóng vũ trụ, cái cho phép kiểm tra độc lập kết luận này, đã xác thực kết quả trên: Vật chất tối và sự nhiệt hạch không dính líu với nhau.

Như vậy, trong chừng mực tốt nhất mà chúng ta có thể làm rõ, vật chất tối không đơn giản chỉ là vật chất không phát sáng. Thay vậy, nó là cái gì đó khác cùng tồn tại. Vật chất tối tác dụng lực hấp dẫn theo các quy tắc giống như vật chất bình thường tuân theo, song nó ít có biểu hiện gì khác có thể cho phép chúng ta dò tìm ra nó. Tất nhiên, trong phân tích này chúng ta bị què quặt, bởi lẽ chúng ta không biết ngay từ đầu vật chất tối là gì. Nếu toàn bộ khối lượng đều có lực hấp dẫn, thì phải chăng toàn bộ lực hấp dẫn đều có khối lượng? Chúng ta đâu có biết. Có lẽ chẳng có gì trục trặc với vật chất hết, mà chính lực hấp dẫn là thứ chúng ta không hiểu.

*

Khác biệt giữa vật chất tối và vật chất bình thường thay đổi rất nhiều từ môi trường thiên văn vật lí này sang môi trường khác, song nó trở nên nổi cộm nhất đối với những thực thể lớn như các thiên hà và đám thiên hà. Đối với những vật thể nhỏ nhất, ví dụ các vệ tinh và các hành tinh, chẳng tồn tại khác biệt nào hết. Lực hấp dẫn của Trái Đất, chẳng hạn, có thể được giải thích hoàn toàn bởi chất liệu nằm dưới chân chúng ta. Giả sử bạn thừa cân trên Trái Đất, thì đừng có đổ thừa cho vật chất tối. Vật chất tối cũng chẳng dính líu gì với quỹ đạo của Mặt Trăng xung quanh Trái Đất, hay chuyển động của các hành tinh xung quanh Mặt Trời – song như chúng ta đã thấy, chúng ta thật sự cần đến nó để giải thích chuyển động của các sao xung quanh tâm của thiên hà.

Phải chăng có một loại vật lí học hấp dẫn khác hoạt động trên cấp độ thiên hà? Có lẽ là không. Khả năng cao hơn là vật chất tối bao gồm vật chất có bản chất chúng ta chưa đoán được, và chúng kết tập luộm thuộm hơn so với vật chất bình thường. Nếu không, chúng ta đã phát hiện ra lực hấp dẫn của những mảng tập trung vật chất tối rải rác khắp vũ trụ — sao chổi vật chất tối, hành tinh vật chất tối, thiên hà vật chất tối. Trong chừng mực mà chúng ta biết, không tồn tại những thứ đại loại như vậy.

Cái chúng ta biết là vật chất mà chúng ta yêu thích trong vũ trụ — chất liệu của các sao, các hành tinh, và sự sống – chỉ là một lớp kem phủ nhẹ trên chiếc bánh vũ trụ, trôi nổi một cách nhún nhường trong một đại dương vũ trụ mênh mông gồm những thứ trông như hư vô vậy.

*

Trong nửa triệu năm đầu tiên sau vụ nổ lớn, một cái chớp mắt trong mười bốn tỉ năm của lịch sử vũ trụ, vật chất trong vũ trụ bắt đầu kết tập lại thành các mảng sẽ phát triển thành các đám và siêu đám thiên hà. Thế nhưng vũ trụ sẽ tăng gấp đôi kích cỡ trong nửa triệu năm tiếp theo của nó, và tiếp tục tăng trưởng sau đó nữa. Đối kháng trong vũ trụ là hai hiệu ứng kình địch nhau: lực hấp dẫn muốn vật chất gom cục lại, còn sự dãn nở muốn làm nó loãng ra. Nếu bạn làm toán, thì bạn nhanh chóng suy ra được rằng lực hấp dẫn từ vật chất bình thường tự nó không thể thắng được cuộc chiến này. Nó cần sự giúp đỡ của vật chất tối, mà nếu không có chúng ta sẽ không sống – thật sự không sống nỗi – trong vũ trụ chẳng có cấu trúc gì: không đám thiên hà, không thiên hà, không sao, không hành tinh, không con người.

Vũ trụ cần bao nhiêu lực hấp dẫn từ vật chất tối? Cần gấp sáu lần lực hấp dẫn của bản thân vật chất bình thường. Đúng bằng lượng mà chúng ta đo được trong vũ trụ. Phân tích này chẳng cho chúng ta biết được vật chất tối là cái gì, nó chỉ nói rằng các tác động của vật chất tối là có thật và rằng, thử được thì bạn hãy cứ thử, bạn không thể vay mượn vật chất bình thường cho nó được.

*

Thế thì vật chất tối là kẻ thù thân thiện của chúng ta rồi. Chúng ta chẳng có manh mối cho biết nó là cái gì. Nó là một loại phiền toái. Thế nhưng chúng ta liều lĩnh cần đến nó trong các phép tính của mình để đi tới một mô tả chính xác về vũ trụ. Các nhà khoa học thường cảm thấy khó chịu hễ khi chúng ta phải xây dựng các phép tính của mình trên các khái niệm mà chúng ta không hiểu, song chúng ta sẽ làm thế nếu chúng ta phải làm. Và vật chất tối chẳng phải lần liều lĩnh đầu tiên của chúng ta. Vào thế kỉ mười chín, chẳng hạn, các nhà khoa học đã đo công suất phát năng lượng của Mặt Trời và chỉ ra sự tác động của nó đối với các mùa và khí hậu của chúng ta, từ lâu trước khi có người biết rằng sự nhiệt hạch là nguyên nhân cho năng lượng đó. Lúc ấy, trong các ý tưởng tốt nhất nhớ lại có một đề xuất rất tức cười rằng Mặt Trời là một cục than đang cháy. Cùng vào thế kỉ mười chín, chúng ta quan sát các sao, thu được quang phổ của chúng, và phân loại chúng từ lâu trước khi ra đời cơ học lượng tử của thế kỉ hai mươi, lí thuyết đem lại cho chúng ta hiểu biết về cách thức và lí do các quang phổ này trông như thế.

Những người hoài nghi khôn nguôi có thể so sánh vật chất tối của ngày nay với “aether” giả định, nay đã dẹp bỏ, được đề xuất vào thế kỉ mười chín làm môi trường trong suốt, không trọng lượng, tràn ngập chân không của không gian mà qua đó ánh sáng truyền đi. Mãi cho đến một thí nghiệm nổi tiếng năm 1887 ở Cleveland, được thực hiện bởi Albert Michelson và Edward Morley tại Đại học Case Western Reserve, nếu không thì các nhà khoa học vẫn cứ khăng khăng rằng aether phải tồn tại, mặc dù chẳng có chút bằng chứng nào cho giả định này hết. Là một sóng, người ta nghĩ ánh sáng cần một môi trường để nó lan truyền năng lượng, y hệt như âm thanh cần không khí hay một chất liệu nào khác để truyền các sóng của nó đi qua. Thế nhưng hóa ra thì ánh sáng vẫn vui vẻ truyền qua chân không của không gian, không cần bất kì môi trường nào để mang tải nó. Không giống như sóng âm, cái bao gồm các dao động không khí, sóng ánh sáng là những gói năng lượng tự lan truyền mà không cần sự trợ giúp từ đâu hết.

Sự thiếu hiểu biết về vật chất tối khác về căn bản với sự thiếu hiểu biết về aether. Aether là một vật giữ chỗ cho sự hiểu biết chưa hoàn chỉnh của chúng ta, còn sự tồn tại của vật chất tối không phải được rút ra từ giả định đơn thuần mà từ các hiệu ứng quan sát thấy về lực hấp dẫn của nó lên vật chất nhìn thấy. Chúng ta không phát minh ra vật chất tối từ không gian mong manh; thay vậy, chúng ta suy luận ra sự tồn tại của nó từ các thực tế quan sát. Vật chất tối có thật y hệt như nhiều ngoại hành tinh đã được tìm thấy trong quỹ đạo xung quanh các ngôi sao khác ngoài Mặt Trời ra, chúng được khám phá chỉ thông qua tác động hấp dẫn của chúng lên ngôi sao chủ của chúng chứ không phải từ việc đo đạc trực tiếp ánh sáng của chúng.

Điều tệ nhất có thể xảy ra là chúng ta tìm thấy vật chất tối không bao gồm vật chất gì hết, mà là thứ gì đó khác. Phải chăng chúng ta đang nhìn thấy tác động của các lực từ một chiều không gian khác? Hay là chúng ta đang cảm thấy lực hấp dẫn bình thường của vật chất bình thường đang cắt qua màng của một vũ trụ ảo liền kề với vũ trụ của chúng ta? Nếu thế thì đây chỉ là một trong vô số hạng mục vũ trụ tạo nên đa vũ trụ. Nghe thật lạ lùng và không thể tin nỗi. Thế nhưng nó có điên khùng hơn không so với những đề xuất đầu tiên rằng Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời? Rằng Mặt Trời chỉ là một trong một trăm tỉ sao trong Ngân Hà? Hay rằng Ngân Hà chỉ là một trong một trăm tỉ thiên hà trong vũ trụ?

Dù cho bất kì điều quái dị nào trong số này tỏ ra là đúng, chẳng có điều nào làm thay đổi được sự viện dẫn thành công lực hấp dẫn của vật chất tối trong các phương trình chúng ta dùng để tìm hiểu sự hình thành và tiến hóa của vũ trụ.

Những người hoài nghi khôn nguôi khác có thể tuyên bố rằng “thấy là tin” – một cách tiếp cận cuộc sống vận hành suôn sẻ trong nhiều nghề nghiệp, bao gồm kĩ thuật cơ, câu cá, và có lẽ cả hẹn hò. Nó cũng tốt, rõ rành rành, cho cư dân Missouri. Nhưng nó không đem lại nền khoa học tốt. Khoa học không chỉ là nhìn thấy, mà nó còn đo đạc, nghiêng về thứ không thuộc đôi mắt của bạn, cái vốn dĩ gắn bó không rời với hành trang của bộ não bạn. Hành trang được sử dụng thường xuyên hơn đó không phải là một cái cặp táp chứa đựng những ý tưởng đã nghĩ từ trước, những quan niệm nhận thức lại, và những thành kiến thẳng thừng.

*

Đã lãng tránh những nỗ lực tìm kiếm nó trực tiếp trên Trái Đất trong ba phần tư thế kỉ, song vật chất tối vẫn phát huy vai trò của nó. Các nhà vật lí hạt cam chắc rằng vật chất tối gồm một họ hạt ma quái chưa được tìm thấy, tương tác với vật chất thông qua lực hấp dẫn, bằng không thì tương tác rất yếu với vật chất hay ánh sáng, hoặc chẳng tương tác gì hết. Nếu bạn thích chơi may rủi với vật lí học, thì lựa chọn này là một món cược tốt. Các máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới đang cố tạo ra các hạt vật chất tối giữa đám hổ lớn va chạm hạt. Và các phòng thí nghiệm được thiết kế chuyên biệt chôn sâu dưới lòng đất đang cố gắng phát hiện các hạt vật chất tối một cách thụ động, trong trường hợp chúng từ không gian đi lạc vào. Mỗi địa điểm dưới lòng đất tự nhiên che chắn cho thí nghiệm trước các hạt tia vũ trụ đã biết có thể đi tới các detector dưới dạng kẻ giả mạo vật chất tối.

Mặc dù mọi thứ có thể sẽ chỉ là công cốc, song ý tưởng về một hạt vật chất tối khó tóm bắt có vị thế ưu tiên cao. Chẳng hạn, các neutrino từng được dự đoán và cuối cùng được tìm thấy, mặc dù chúng tương tác cực kì yếu với vật chất bình thường. Luồng neutrino dồi dào đến từ Mặt Trời – hai neutrino ứng với mỗi hạt nhân helium được hợp nhất từ hydrogen trong lõi nhiệt hạch của Mặt Trời – thoát ra khỏi Mặt Trời không hề bị cản trở, truyền qua chân không của không gian ở gần tốc độ ánh sáng, sau đó đi qua Trái Đất như thể đi qua vườn không nhà trống. Kiểm kê: cả ngày lẫn đêm, một trăm tỉ neutrino từ Mặt Trời đi qua mỗi inch vuông của cơ thể bạn, trong mỗi giây, mà không hề để lại vết tích tương tác với các nguyên tử của cơ thể bạn. Dù rằng khó tóm bắt, nhưng các neutrino vẫn có thể bị chặn dưới những tình huống đặc biệt. Và nếu bạn có thể chặn một hạt lại, thì bạn đã tóm được nó.

Các hạt vật chất tối có thể tự bộc lộ thông qua các tương tác hiếm giống vậy, hoặc, bất ngờ hơn, chúng có thể hiện thân thông qua các lực khác ngoài lực hạt nhân mạnh, lực hạt nhân yếu, và lực điện từ. Ba lực này, cộng với lực hấp dẫn, tạo nên bốn lực thần kì của vũ trụ, trung chuyển mọi tương tác giữa mọi hạt đã biết. Vì thế các lựa chọn đã rõ ràng. Hoặc là các hạt vật chất tối phải chờ chúng ta khám phá và kiểm soát một lực hoặc một họ lực mới thông qua tương tác của các hạt của chúng, hoặc là các hạt vật chất tối tương tác thông qua các lực bình thường, nhưng với cường độ yếu kinh khủng.

Thế nên, các tác động của vật chất tối là có thật. Chỉ là chúng ta không biết nó là thứ gì thôi. Vật chất tối có vẻ không tương tác qua lực hạt nhân mạnh, nên nó không thể làm nên các hạt nhân. Nó chưa được tìm thấy tương tác qua lực hạt nhân yếu, kiểu tương tác mà các neutrino hay lánh mặt kia vẫn làm. Nó không có vẻ gì sẽ tương tác với lực điện từ, nên nó không tạo ra các phân tử và tập trung thành những quả cầu đậm đặc vật chất tối. Nó chẳng hấp thụ hay phát xạ hay phản xạ hay tán xạ ánh sáng. Như chúng ta đã biết từ lúc mở đầu, vật chất tối thật sự tác dụng lực hấp dẫn, thứ tác dụng mà vật chất bình thường phản ứng. Nhưng chỉ bấy nhiêu thôi. Sau bao nhiêu năm tháng, chúng ta vẫn chưa tìm thấy nó làm điều gì khác.

Hiện nay, chúng ta vẫn duy trì quan điểm mang vật chất tối theo như một người bạn kì lạ, vô hình, viện dẫn nó hễ khi nào và ở đâu vũ trụ cần đến nó cho chúng ta.

¹Trích trong Károly Simonyi, A Cultural History of Physics (Boca Raton, CRC Press, 2012).

Thiên văn vật lí cho người bận rộn
Neil DeGrasse Tyson - Bản dịch của Thuvienvatly.com
Phần tiếp theo >>