VLCC (P.2): Thế giới đến từ đâu?

Khi tổ tiên chúng ta nhìn lên bầu trời và thấy những vì sao, hẳn họ đã tò mò. Những ngôi sao ấy là gì, đến từ đâu? Tại sao mưa rơi xuống mà những ngôi sao lại không rơi xuống? Tại sao những ngôi sao luôn ở đó, dù họ có đi xa trăm nghìn dặm? Tổ tiên chúng ta kết luận rằng những ngôi sao bị gắn chặt vào một vị trí, tương tự như Trái Đất. Chỉ một số vì tinh tú là di chuyển với chu kì nhất định như là mặt trăng, mặt trời… Và khi quan sát thêm các hiện tượng tự nhiên họ đã rút ra kết luận rằng bản chất của mọi vật là “tĩnh”, là “đứng im” và vì thế Trái Đất là “tĩnh” nhất, nơi mà mọi thứ đều phải “xoay quanh”. Trái Đất chính là Thiên Đường tuyệt đối! Tôn giáo hẳn phải hoan hỉ với điều này. Sự thật thì hầu hết ông bà tổ tiên chúng ta đều vui vẻ với điều này. Khi coi Trái Đất là hoàn mỹ nhất, chúng ta từ bỏ mong mỏi khám phá những thứ bên ngoài. Cần gì phải lao tâm khổ tứ đi tìm những cái bất định khi mà việc cần làm chỉ là đến nhà thờ và tin vào Chúa. Phải đến tận thế kỉ 16 mới có những người “rảnh” và dành thời gian nghiên cứu những cái “trên trời”. Và thế giới thay đổi từ đây. Từ thế kỉ 16 đến thế kỉ 19 là một thời kì “kiêu ngạo” của loài người, khi mà chúng ta cho rằng đã nắm được bí mật của vũ trụ trong tay. Lời phát biểu của Lord Kelvin tại hội nghị vật lý quốc tế vào năm 1900 có thể coi là ví dụ điển hình:

Lor William Thomson (1824-1907)

Nhưng BÙM một cái, mọi thứ đảo lộn. Tất cả là do những nhà bác học “não nhăn” này.

Người đẹp trai nhắc đến đầu tiên. Đó là Einstein và công thức nổi tiếng của ông.

Công thức này có lẽ là công thức toán học được ghi nhớ nhiều nhất trên thế giới. Có cả nghìn lý thuyết khoa học sử dụng công thức này, tuy nhiên nếu không phải dân khoa học thì ít ai hiểu được giá trị trực quan. Nói một cách dễ hiểu, nó chỉ ra mối liên quan giữa khối lượng và năng lượng, khối lượng có thể chuyển biến thành năng lượng và ngược lại. Thật tuyệt vời, cả thế giới phát cuồng là phải thôi!

Vẫn chưa thấy nó vĩ đại lắm?

Vậy thì hãy nhìn vào hai ứng dụng sau đây:

Và đây:

Với thuyết tương đối, Einstein đã thay đổi hoàn toàn quan điểm về thời gian và không gian. Hãy hình dung như này, khối lượng là đặc tính của không gian ba chiều. Năng lượng là đặc tính của thời gian. Mức năng lượng hay khối lượng của vật phụ thuộc vào quy ước không gian của nó. Bằng công thức đơn giản này Einstein đã chỉ ra mối liên hệ giữa không gian và thời gian. Không gian và thời gian không còn độc lập! Tức là thời gian cũng có thể bị tác động! Năm 1915, ông hoàn tất thuyết tương đối rộng và kết nối không gian và thời gian với nhau thành Không – thời gian (spacetime) với một độ cong (curvature) và chịu những quy tắc thống nhất. Đến thời điểm này thì cơ học cổ điển của Newton đã bị knock-out hoàn toàn. Chỉ với một công thức đơn giản như vậy nhưng nhân loại đã có thêm rất nhiều câu hỏi để nghiên cứu (cũng như để mơ mộng).

Về cơ bản thuyết tương đối của Einstein cùng nguyên lý bất định của Heisenberg đã phá bỏ được cái khung nền cứng nhắc của Newton về vũ trụ. Cơ học cổ điển của Newton chỉ ra rằng không gian và thời gian là bất biến và là sân khấu của mọi thứ, đồng thời với đủ nguồn lực thì chúng ta có thể dự đoán chính xác được quá khứ và tương lai. Newton cho rằng sự sắp xếp đẹp đẽ này là do chúa Trời.  Giờ đây Einstein cùng nền vật lý hiện đại đã chỉ ra rằng vụ trụ có bắt đầu và có kết thúc, có giới hạn và luôn thay đổi. Thay vì ngồi chờ Chúa chi bằng hãy tìm đến Chúa mà hỏi, và nhân loại chúng ta đang tìm đến Chúa, tìm đến những cái Bắt Đầu và Kết Thúc của vạn vật, cái bắt đầu và kết thúc của chính chúng ta.

Vậy điều gì tạo nên thế giới này?

Trước hết chúng ta phải hiểu rõ khái niệm về “thế giới”. Thế giới xung quanh bao gồm tất cả những gì chúng ta biết. Vũ trụ của loài người là cảm quan cũng như tri thức của loài người về vạn vật. Chúng ta dùng tư duy logic để giải thích mọi thứ theo quy tắc nhân quả, tức là mọi thứ luôn có điểm bắt đầu. Vậy điểm bắt đầu của thế giới từ đâu?

Câu trả lời là các vị thần.

Hãy chọn một đi!

Hoặc chọn trong đây.

Chọn cẩn thận nhé vì chọn sai sẽ bị phạt đấy. (mách nhỏ: đừng chọn Zues nếu bạn là người lăng nhăng hay đừng chọn đạo Thiên Chúa nếu bạn sinh ra ở Trung Đông)

Vậy chúng ta đã có một vị thần/ một vị Chúa. Vậy Chúa làm gì trước khi tạo ra thế giới này? Chúa làm ra địa ngục để phạt đứa nào không tin mà cứ hỏi lắm chứ còn gì nữa!

Quá nhiều lựa chọn và bạn phân vân? Bạn ghét thần thánh và không tin thế giới của bạn nằm trong tay mấy vị thần xấu òm này?

Vẫn còn cách khác.

Bạn có thể tin vào các nhà khoa học phàm trần cũng xem porn và săn đồ sale giảm giá như bạn. Các nhà thiên văn khi đo đạc vũ trụ nhận thấy rằng mọi vật đang rời xa nhau và vũ trụ đang dãn nở. Sau khi tính toán tốc độ dãn nở và may mắn “tóm” được sóng nền vũ trụ, họ quả quyết rằng vũ trụ có tuổi thọ 13,6 tỉ năm. Tức là mọi thứ bao la bát ngát này, 13,6 tỉ năm trước nằm chen chúc nhau trong một điểm vô cùng nhỏ. Điểm vô cùng nhỏ này có khối lượng vô cùng lớn (khối lượng của cả vũ trụ) nên mức độ năng lượng là vô cùng lớn. Mức độ năng lượng vô cùng lớn sẽ làm mất “ý nghĩa” của Không – Thời gian và vì thế, không có không gian và thời gian ở thời điểm trước đó. Cách giải thích này giúp các nhà khoa học không phải đi xuống địa ngục vì tò mò hỏi nhiều, tuy nhiên nó lại nảy sinh ra một câu hỏi khác: Thế tại sao cái điểm kì diệu đó lại “nổ tung” ra và tạo thành thế giới hiện nay?

Đây cũng chính là câu hỏi nổi tiếng của Kant trong cuốn sách “Phê bình lý tính thuần túy” của ông năm 1871. Ông cho rằng câu hỏi này là một mâu thuẫn của chính lý trí con người. Con người sẽ không thể giải đáp với phép suy luận thông thường. Suy luận của con người là suy luận thông thường a -> b. Tức là suy luận nguyên nhân – hệ quả hay còn gọi là quy luật nhân quả. Lý lẽ của ông là: nếu như vũ trụ không có điểm bắt đầu thì trước bất cứ một sự kiện nào cũng là một khoảng thời gian vô hạn, điều này là vô lý bởi mọi sự kiện đều tiến lên phía trước và nếu có thời gian vô hạn thì mọi thứ hẳn đã kết thúc. Tuy nhiên nếu vũ trụ có điểm bắt đầu thì tại sao lại có điểm đó?

Câu hỏi của Kant đã “đóng băng” cả hệ thống vật lý cổ điển và mãi đến thế kỉ 19 người ta mới giải thích được sự mâu thuẫn này. Hóa ra lý lẽ của Kant dựa trên một giả thiết không chắc chắn về việc thời gian độc lập và lùi vô tận về phía sau. Với thuyết tương đối thời gian mất đi tính độc lập và không có ý nghĩa ở thời điểm bắt đầu. Thời gian chỉ là một tính chất của vũ trụ và không tồn tại thời gian trước khi vũ trụ bắt đầu.

Để có thêm một góc nhìn khác về vấn đề này chúng ta hãy cùng nhìn qua định lý định lý bất toàn của Kurt Godel. Năm 1931, định lý bất toàn của Kurt Godel đã làm rung chuyển nền khoa học đương thời. Về cơ bản, định lý bất toàn chỉ ra rằng bất kì một hệ mô hình độc lập nào dùng để miêu tả các giá trị logic cũng hàm chứa những mệnh đề không thể khẳng định mà cũng không thể phủ định, tính toàn nhất của một hệ thống tiên đề không thể được chứng minh bên trong hệ thống đó. Nôm na dễ hiểu rằng bất cứ cái gì suy luận theo phép logic đều không thể tự giải thích đầy đủ chính nó. Mở rộng ra là chúng ta không thể đi tìm tính chân lý của toán học (và của khoa học nói chung) bên trong cấu trúc duy lý của bản thân toán học hay của khoa học đó; cái đúng của toán học phải được khẳng định bên ngoài toán học. Định lý bất toàn (Incompleteness theorem) của Godel được đánh giá là một trong những phát hiện khoa học vĩ đại nhất của thế kỉ 20. Nó thách thức sự trỗi dậy của chủ nghĩa duy vật hình thức và khiến loài người trở nên “bất lực” trong việc tự kiến giải bản thân mình cũng như thế giới xung quanh.

Định lý này nếu coi bản thân vũ trụ cùng tất cả những cái trong nó là một tập hợp thì loài người, thời gian hay không gian là một phần tử của tập hợp đó. Lối tư duy của chúng là là lối tư duy a->b nên chúng ta ko thể suy luận bằng kiến thức thông thường hay lối tư duy như vậy để suy ra thời điểm bên ngoài “vũ trụ” hay nguyên nhân tạo ra vũ trụ ở thời điểm ban đầu. Chúng ta chỉ có thể phỏng đoán, và như kinh thánh nói thì, chỉ biết trông chờ vào chiếc gậy của chúa chỉ xuống để có thể được dẫn đường.

Chúng ta sẽ tạm để lại câu hỏi vì sau này cho phần sau của bài viết và đi vào một câu hỏi “nhẹ nhàng” hơn: cái gì tạo nên vũ trụ như ta đang thấy?

Vũ trụ được hình thành từ 12 loại hạt cơ bản và 4 lực liên kết. Nhưng trước hết hãy bắt đầu bằng những thứ “dễ hiểu” là vật chất thông thường ở quanh ta. Vật chất được cấu tạo bởi các nguyên tử. Ví dụ như sắt được tạo từ nguyên tử sắt (Fe) và có số hiệu nguyên tử là 26. Hidro (H) được cấu tạo từ nguyên tử Hidro và có số hiệu nguyên tử là 1. Oxy (O) được cấu tạo từ nguyên tử O và có số hiệu nguyên từ là 16. Các vật chất có thể kết hợp với nhau để tạo thành hợp chất. Nước là một hợp chất (liên kết) của Hidro và Oxy với tỉ lệ hai H liên kết với một O và có cấu tạo (gọi là cấu tạo phân tử) H20. Vật chất khác nhau bởi vì nguyên tử cấu tạo nên chúng khác nhau. Dĩ nhiên một nguyên tử sắt sẽ khác với một nguyên tử Hidro. Vậy khác nhau ở chỗ nào? Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng mọi nguyên tử đều được cấu tạo từ những thành phần giống nhau (mà người ta tạm gọi là hạt cơ bản), nhưng cách sắp xếp những hạt cơ bản đó khác nhau nên hình thành những nguyên tử khác nhau. Các hạt cơ bản đó chính là electron, proton, notron và nhiều hạt khác. Đến cuối thế kỉ 20 chúng ta tiếp tục phát hiện các hạt cơ bản đó không “cơ bản” cho lắm và được tạo từ những hạt “cơ bản” hơn nữa. Đó là hạt quark và những người anh em của nó. Nói chung khoa học hiện nay người ta vẫn quy ước họ hạt quark là những hạt cơ bản và có tổng cộng 12 hạt cơ bản như thế (6 hạt họ quark và 6 hạt họ lepton). Nói đến đây các bạn cũng hình dung được phần nào. Mọi thứ “to to” đều được cấu thành từ những thứ “be bé” hơn nó. Nhưng cấu tạo như thế nào, chẳng lẽ cứ vo một cục lẫn lộn như trộn xi măng ở Việt Nam? Không phải vậy, chúng có một nguyên tắc riêng. Hãy nhìn vào hai mô hình sau đây:

Bạn đã nhận thấy điểm giống nhau chưa? Luôn có một cái “nhân” và “vài thứ” bay vòng vòng quanh nó. Từ những thứ vô cùng bé như hạt cơ bản, nguyên tử hay những thứ vô cùng lớn như Hệ Mặt Trời hay thiên hà Milky Way đều có cấu trúc như vậy. Những hạt cơ bản “bay vòng vòng” tạo thành nguyên tử. Nguyên tử “bay vòng vòng” tạo thành vật chất. Rất nhiều vật chất tạo thành một tinh thể. Các tinh thể “bay vòng vòng” tạo thành một cấu trúc nào đó. Cứ thế và tiếp thế chúng ta có hệ sao, có các thiên hà, có cả vũ trụ. Từ hạt cơ bản đến các thiên hà đều có dạng xoắn ốc như vậy. Vậy thứ gì giữ cho chúng luôn “lơ lửng” với nhau mà không “đổ sập” xuống thành một đống bùng nhùng? Câu trả lời chính là bốn lực liên kết của chúng ta. 4 lực này chính là “trọng tài” của cả vũ trụ. Một cách tình cờ và thần kì nào đó chúng giữ cho vũ trụ của chúng ta có hình dáng đẹp đẽ và mọi thứ có thể tồn tại như này. Người ta đã chỉ ra rằng các lực cơ bản này chỉ cần thay đổi một chút thôi là mọi thứ sẽ ở ngoài mức tưởng tượng. Với một vài nhà khoa học trường phái cổ điển các lực (chứ không phải vật chất) mới là là thứ toàn năng của vũ trụ này. Tìm hiểu lực cũng chính là tìm hiểu vũ trụ, họ tâm niệm vậy. Đến nay mối liên hệ giữa vật chất và lực tương tác vẫn là một đề tài hóc búa cho giới vật lý lý thuyết, đây cũng chính là nơi Vật Lý tương đối và Vật Lý lượng tử chưa bắt tay được với nhau. Những cái vô cùng nhỏ và những cái vô cùng lớn vẫn chưa thể yên ấm với nhau dưới mái nhà trí thức nhân loại.

Trước khi đi tìm hiểu về cách thức vũ trụ được hình thành chúng ta hãy cùng chắc chắn một lần nữa về khái niệm vật chất. Đây là một khái niệm căn bản nên cần được hiểu chính xác và theo cách thống nhất. Trong vật lý cổ điển của Newton thì trọng tâm là nghiên cứu vật chất (những thứ có khối lượng – quán tính – năng lượng) trong một cái nền tĩnh tại của Không gian và Thời gian. Vật lý ngày nay đã chỉ ra rằng vật chất không còn độc lập với không gian và thời gian và chịu sự ảnh hưởng qua lại của Không – thời gian. Khái niệm vật chất lại một lần nữa được xem xét lại.

Hãy ví dụ bằng ánh sáng. Ở mức độ nguyên tử thì chúng ta không có “nguyên tử ánh sáng” và vì thế, khi nền tri thức của chúng ta chập chững tiến vào kỉ nguyên nguyên tữ đã quan niệm rằng ánh sáng không phải là vật chất mà là một sóng. Mọi thứ dần hiện ra khi chúng ta “mổ xẻ” được nguyên tử và phát hiện ra các notron là thứ tạo thành ánh sáng. Lưỡng tính sóng-hạt với sự giúp sức của những nhà bác học như Broglie (1892 -1987), Born (1882 – 1970), Schorodinger (1887 – 1961), Heisenberg (1901 – 1976)… đã dần hé mở bức màn. Hóa ra mọi vật chất vừa có tính sóng và tính hạt. Tính chất của vật được mô tả đầy đủ và thống nhất qua tính chất này. Giờ đây người ta đã được “cân đo đong đếm” được ánh sáng. Vì thế chúng ta có thể “nhìn” và “sử dụng” ánh sáng như bao vật chất khác.

Nói đến đây chắc các bạn hiểu được phần nào khái niệm vật chất. Ở nghĩa bao quát vật chất là những thứ con người đã quan sát, giải thích, tính toán cẩn thận để có thể “cất vào hộp”. Hộp ở đây có thể hiểu là một nền tảng tri thức tổng quát có hệ thống của loài người. Vật chất tối hay phản vật chất cũng là “vật chất”, chỉ là con người vẫn chưa thể giải thích tường minh mọi thứ. Có thể có bất ngờ khi nghiên cứu các “vật chất” này. Bất ngờ thì dễ kích động ngạc nhiên, nhưng chưa chắc đã là tin vui. Giả sử các nhà khoa học phát hiện ra cái gì kì quái trái ngược hoàn toàn với những nguyên lý đã có thì sao? Thì kệ họ thôi, cả đời của họ là thử-chọn-đúng-sai mà!