Tại sao đêm tối?

[accidental_wind]

Mỗi ngôi sao là một Mặt Trời, tại sao ban đêm lại tối ?

Các quan trắc thiên văn chỉ nhằm miêu tả ba điều cơ bản: một là, vật thể ở đâu? hai là, vật thể sáng cỡ bao nhiêu? ba là, vật thể có màu gì? Thật vậy, gần hết tri thức về thiên văn học mà loài người đã nhọc nhằn thu lượm được suốt mấy ngàn năm văn minh là chỉ dựa trên cơ sở của ba quan sát đơn giản này .
Tôi xin đi thẳng vào vấn đề. Thiên văn hay Vũ trụ học thường bị xem như là một chủ đề xa xôi, khó hiểu và thiếu tính thực tiễn. Và hình ảnh các nhà thiên văn như những anh chàng dở hơi tối ngày chăm chú nhìn lên trời mà quên bẵng những việc dưới đất cũng không làm cho bộ môn này hấp dẫn thêm bao nhiêu. Suốt nửa thế kỷ trước, khi mà nền giáo dục và khoa học nước ta đi từ con số không đến những phát triển vượt bậc, với số lượng cán bộ có năng lực chuyên môn đủ để lo cho việc học hành và đào tạo của bao thế hệ người dân. Từ trong những năm tháng chiến tranh khốc liệt nhất, Viện Khoa Học Việt nam đã được hình thành (1968), điều này cho thấy đội ngũ các nhà khoa học Việt nam đã trưởng thành rất nhanh và đầy hứa hẹn. Ngoài những đóng góp mang tính cơ bản trong công cuộc xây dựng và phát triển đất nước, những nhà khoa học thuộc thế hệ tiên phong ở nước ta còn chăm lo việc giáo dục và cập nhật những phát triển khoa học cho quảng đại quần chúng. Vậy mà với một số đáng kể của thành phần có giáo dục trong nước, thiên văn học trong giai đoạn này vẫn còn bị nhầm lẫn với ngành khí tượng hay chuyện chiêm tinh tướng số (!). Tháng 12 năm 1993, GS Trần Thanh Vân tổ chức chương trình hội thảo Vật lý Rencontres du Vietnam (Gặp gỡ Việt Nam) lần đầu tiên tại Hà nội, có sự tham gia đông đảo của các nhà vật lý thiên văn quốc tế. Báo chí và những người yêu thiên văn trong nước bắt đầu lạc quan về một tương lai sáng sủa hơn của một nền thiên văn học cho nước nhà. Năm 2000 đã đi qua khá lâu, và cho đến thời điểm này, trong các chương trình học ở nước ta, bộ môn này vẫn chưa được dạy và học rộng rãi. Đây là một thiếu sót đáng tiếc. Sẽ còn lâu mới cải thiện được tình cảnh này, và người viết bài này thật tâm cũng không có tham vọng là trong chốc lát sẽ thay đổi được cách nhìn về thiên văn/vũ trụ học đã có trong số đông bạn đọc chúng ta. Những điều mà tôi muốn kể lại với bạn đọc dưới đây chỉ liên hệ đến một số cá nhân, hay chính xác hơn là những ý tưởng của họ, đã góp phần thúc đẩy và dẫn đến những thay đổi mang tính quyết định trong đời sống cũng như trong cách suy nghĩ của con người hay của số đông chúng ta ở thế giới ngày nay. Đây là những tên tuổi đã đi vào lịch sử mà ta thường gọi là thiên tài, những cá nhân siêu việt. Nhưng đáng kể hơn là những gì họ đã để lại đến hôm nay và liên quan thiết thực đến bạn và tôi, ấy là những đóng góp hay những ý tưởng khoa học của họ. Mà phải nói ngay là một số những ý tưởng chủ đạo của những nhà khoa học này thường là chẳng cao siêu hay cách biệt gì mấy, mà cũng không quá phức tạp. Nhiều khi chúng như là những điều hiển nhiên.


Có một thực tại hiển nhiên trong thiên văn mà ít khi ta nói đến. Đó là trời thì cao, cho nên hầu như tất cả những gì con người có thể làm được là chỉ có ngước mắt nhìn mà thôi. Công việc nhìn này, còn gọi là quan trắc bởi vì phải vừa nhìn vừa ghi chép tỉ mỉ, có khi cũng bị cản trở vì mây mù hay vì vật thể cần quan sát hơi mờ. Mọi cố gắng, như làm kính thiên văn lớn rồi mang lên núi cao, hay vượt lên bầu khí quyển bằng bóng thám không, hay đem thiết bị quan trắc ra khỏi vùng hấp dẫn của trái đất bằng phi thuyền không gian, cùng những phát triển kỹ thuật hiện đại và tốn kém khác, hết thảy cũng chỉ để vượt qua những trở ngại này để nhìn thấy cho tốt hơn mà thôi. Có nghĩa là làm gì thì làm, các quan trắc thiên văn chỉ nhằm miêu tả ba điều cơ bản: một là, vật thể ở đâu? hai là, vật thể sáng cỡ bao nhiêu? ba là, vật thể có màu gì? Thật vậy, gần hết tri thức về thiên văn học mà loài người đã nhọc nhằn thu lượm được suốt mấy ngàn năm văn minh là chỉ dựa trên cơ sở của ba quan sát đơn giản này[1].

1. Chuyện ngày xưa

Ý tưởng đầu tiên tôi muốn đề cập đến là chuyện trái đất xoay chung quanh mặt trời. Có lẽ với số đông chúng ta đây là vấn đề dễ hiểu, hay ít ra cũng khá quen thuộc. Quả là tôi muốn lạm dụng sự quen thuộc này để mong cầm chân bạn đọc lâu hơn một chút. Sự chuyển động của trái đất vốn liên quan mật thiết đến câu hỏi đầu bài. “Tại sao ban đêm trời tối?” Câu trả lời đã có từ gần năm trăm năm trước mà mỗi học sinh cấp một ngày nay đều thuộc lòng: do trái đất xoay quanh trục của nó - một nửa về phía mặt trời là ban ngày, và nửa kia bị khuất mặt trời là ban đêm. Đây là một câu hỏi cũ rích. Nhưng câu trả lời đúng đắn, hay nói chính xác hơn, câu trả lời nghiêm túc chỉ thật sự được trình bày cách đây chưa đầy năm trăm năm. Trong cái bể văn minh của nhân loại, Kim Tự Tháp năm ngàn năm hay Vạn lý trường thành ba ngàn năm, thì bốn năm trăm năm trước đây, lúc nhà toán học người Ba Lan Copernicus công bố công trình kinh điển của mình, chỉ là con số lẻ thời gian và vẫn còn tương đối mới. Nói như thế để thấy rằng câu hỏi đầu bài đặt ra quả thực là câu hỏi khó, các bậc cha ông đã không quản mày mò. Trước Copernicus gần hai ngàn năm, Aristotle và các bậc thánh hiền khác cũng đã mày mò như thế. Họ, cũng như ông bà mình, cho rằng đêm tối là do mặt trời lặn. Vũ trụ quan của họ bao gồm trái đất là trung tâm, và mọi thiên thể, bao gồm mặt trời, các hành tinh và những vì sao đều xoay quanh trái đất 24 giờ một ngày; toàn là những điều mà ta chỉ cần ngước lên nhìn là thấy.

Viết đến đây tôi thấy băn khoăn. Lỡ mà có bạn dọc than phiền: “Ôi dào! Vũ trụ quan với nhân sinh quan... Biết đâu là đúng, đâu là sai. Đúng bây giờ mà ngàn năm sau sai thì cũng vô nghĩa. Điều khác biệt giữa trái đất xoay quanh mặt trời hay mặt trời xoay quanh trái đất thì liên quan gì đến thế giới này?” Bản thân tác giả cũng thông cảm với những phản ứng như vậy. Quả thực với nhiều người trong chúng ta, chuyện đúng sai rất là vô chừng, nhiều khi cũng vô thưởng vô phạt. Nhưng bảo rằng điều này vô nghĩa, hay không liên quan đến thế giới này, không có mang lại ích lợi thiết thực đến cho cá nhân bạn đang đọc bài viết này thì người viết không đồng ý. Ta sẽ bàn tiếp vấn đề này, nhưng bây giờ thì hãy trở lại câu chuyện của đầu bài. Hệ địa tâm, tức là mô hình mà mọi thiên thể xoay quanh trái đất, dựa trên một dữ kiện thiên văn quan trọng: có ngày và có đêm trong vòng 24 tiếng đồng hồ. Mặt trời xoay quanh trái đất thì mới có ngày có đêm. Nếu bảo là trái đất xoay quanh mặt trời, thì dường như hệ quả trực tiếp mà ta buộc phải lựa chọn cho thế giới này là, một nửa sẽ là sáng lòa thiên thâu, nửa còn lại là triền miên đêm tối - chứ không có nối tiếp hết ngày rồi đêm như ta thấy. “Không nhất thiết phải như thế,” Copernicus đã ôn tồn chỉ ra từ gần năm trăm năm trước. Để cho ngày và đêm vẫn thay phiên nhau hiện diện trên mặt đất, Copernicus đã làm một chuyện không ôn tồn chút nào, một chuyện “động địa”: ông bắt trái đất xoay quanh chính nó.

Dĩ nhiên đám hậu sinh chúng ta đã “biết” được câu trả lời này. Nhưng đây không phải là điều dễ hiểu, hay dễ chấp nhận đối với những người đương thời của Copernicus, chưa kể tới áp lực từ tòa thánh La Mã vốn cho rằng trái đất là trung tâm của vũ trụ. Thời kỳ này Columbus vừa mới tìm thấy châu Mỹ, con người bắt đầu nhận ra là trái đất tròn. Dù sao, trong kinh nghiệm thường nhật của chúng ta, trái đất vẫn là bất di bất dịch. Nếu mà trái đất xoay quanh chính nó hay di chuyển quanh mặt trời, tại sao ta không cảm thấy chuyển động này? Còn nữa, cái gì làm trái đất phải xoay vần như con vụ thế? Cứ thử tưởng tượng, ông bà chúng ta thời ấy - cũng sống trong cảnh đất nước thái bình như bây giờ, cuộc chiến tranh gần họ nhất đã chấm dứt hơn một trăm năm, cái thời kháng chiến mười năm chống quân Minh của Lê Lợi Nguyễn Trãi - mà nghe lời đề nghị của Copernicus, rằng những lời dạy của các bậc thánh hiền về một trái đất trung tâm vũ trụ là không đúng, và hãy để cho trái đất quay mà tạo ra ngày và đêm, thì họ sẽ phản ứng ra làm sao? Tôi e rằng ông bà ta sẽ phì cười. Người dễ dãi hơn trong số họ sẽ bảo: “Sao mà chẳng được.” Đa phần chúng ta có lẽ cũng sẽ phản ứng lấy lệ như thế; cuộc sống còn bề bộn biết bao nhiêu điều thiết thực hơn để lo (những người ham mê thiên văn trong nước ngày nay khi đề cập đến việc phát triển ngành này cũng nhận được phản ứng tương tự từ cấp lãnh đạo khoa học ...).

Vào thời điểm ấy số người tin vào những đề xuất của Copernicus có thể kể trên đầu ngón tay. Sự phủ nhận của Tòa Thánh Vatican về hệ nhật tâm ngự trị rất lâu trong suy nghĩ của con người trong xã hội châu Âu suốt thời kỳ phục hưng. Tycho Brahe, nhà thiên văn người Đan mạch cùng thời của Copernicus, cũng không tin vào mô hình Nhật tâm. Nhưng ông cũng không đồng ý với việc Tòa Thánh dùng quyền lực của Giáo hội để áp đặt lên quá trình nhận thức của con người về bản chất của tự nhiên. Tưởng cũng nên nhắc lại, ý tưởng trái đất đi quanh mặt trời không phải là một nổi loạn tư duy vô cớ, mà chính là xuất phát từ thực tiễn quan sát. Các nhà thiên văn thời ấy đã bắt đầu phát hiện một chi tiết lạ: sao Hỏa trong quá trình dịch chuyển trên bầu trời (hay là xoay quanh trái đất theo cách suy nghĩ cũ), thỉnh thoảng lại đi giật lùi một chút trước khi quay trở lại để đi theo hướng cũ. Đây là chi tiết quyết định khiến Copernicus cho rằng trái đất, sao Hỏa và các hành tinh khác cùng xoay quanh mặt trời. Và việc sao Hỏa xuất hiện như đi giật lùi chỉ là do chuyển động của trái đất, vốn nằm gần mặt trời hơn. Nghĩa là nhìn từ hướng mặt trời ra, viêc sao Hỏa xuất hiện như đi giật lùi sẽ xảy ra khi trái đất đi từ phía sau mà vượt lên trước sao Hỏa, vốn nằm ở quĩ đạo bên ngoài. Xét ra thì ý tưởng của Copernicus đâu có gì là phức tạp quá đâu. Brahe hiểu mô hình hệ nhật tâm của Copernicus. Từ khi còn rất trẻ, Brahe đã nhận ra rằng đa số những dữ liệu thiên văn là không chính xác, và ông tin rằng những luận cứ của Copernicus có thể bác bỏ được nếu dựa trên những dữ liệu thiên văn đáng tin cậy hơn. Dữ liệu thiên văn ở đây chỉ bao gồm vị trí của các hành tinh trên bầu trời theo thời gian (câu hỏi “vật thể ở đâu?” đóng vai trò quyết định). Brahe dành gần hai mươi năm thu thập những dữ liệu này. Ông muốn xét lại, có thực là sao Hoả và các hành tinh khác đã đi lùi một chút hay chỉ là sai lầm trong việc quan sát. Hãy nhớ rằng là cho đến thời điểm này, người ta vẫn chưa biết đến kính thiên văn. Brahe và những nhà thiên văn khác phải dựa trên các loại thước lượng giác đinh hướng thô sơ để đo đạc vị trí của các thiên thể. Brahe nghi là những dữ liệu mà Copernicus dùng có mức sai số khá lớn, chừng 10’ hay là 1/6 độ. Các đo đạc thiên văn của Brahe chính xác hơn hai chục lần, với sai số chưa đây 0,5’, con số này tương đương với góc chắn của một hạt cát khi để cách một sải tay. Có trong tay những dữ liệu quí báu hơn hai mươi năm, nhưng Tycho Brahe không biết làm sao để diễn dịch chúng. Ông giao việc phân tích những dữ kiện này cho Kepler, một nhà toán học trẻ người Đức. Trớ trêu thay, Kepler chỉ ra rằng những dữ kiện của Brahe cho thấy là Sao Hỏa đã có những bước đi giật lùi rất rõ rệt và xác nhận Copernicus đã đúng một cách xuất sắc[2].

Quĩ đạo của sao Hỏa, nhìn từ Mặt Đất. Khi trái đất và sao Hỏa gần đối nghịch nhau (nhìn từ mặt trời), sao Hỏa sẽ xuất hiện như đi ngược lại so với hướng trước đó.

Cuốn sách De Revolutionibus Orbium Coelestium (Về Những Vòng Xoay của Các Thiên thể) của Copernicus, công bố vào năm 1543 trong lúc ông đang hấp hối trên giường bệnh, chính là tảng đá đặt nền móng cho khoa học hiện đại. Từ Revolutionibus trong tiếng La tinh (hay Revolution trong tiếng Anh) vốn có nghĩa là Vòng Xoay, từ sau Copernicus đã mang một ý nghĩa mới, xứng đáng hơn: Cách mạng. Dĩ nhiên sự việc không đơn giản là nhân loại bỗng một hôm đọc “Vòng Xoay”rồi bừng sáng trong tim với một “mặt trời chân lý,” và người người đua nhau làm thí nghiệm ngay sau đó. Cuộc cách mạng khoa học diễn ra thầm lặng hơn, rời rạc và dai dẳng hơn, nhưng cũng không kém phần khốc liệt. Những kẻ trong nhóm đổi mới đã phải trả một giá đắt: gần sáu mươi năm sau ngày Copernicus mất và chỉ vài năm trước khi Kepler công bố kết quả phân tích về quỹ đạo sao Hỏa, Giordano Bruno đã phải lên dàn hoả thiêu vì cổ xuý cho mô hình nhật tâm. Gần ba mươi năm sau còn xảy ra vụ án Galileo, người đầu tiên dùng thấu kính mà sau này ta gọi là kính thiên văn để quan sát và phát hiện ra các vệ tinh của sao Mộc cũng có những chuyển động tương tự. Để tránh giàn hỏa thiêu, Galileo phải tự phê bình và kiểm điểm trước Tòa án Giáo đình (The Inquisisiton) về việc rao dạy tư tuởng thiên văn mới.

Tác giả phía trước Nhà thờ Týn trong Phố cổ, Praha, Czech. Phần mộ của Tycho Brahe (1546-1601) nằm trong nhà thờ cổ xưa này, vốn đuợc xây từ trước thế kỷ 13.
Trên đây là những chuyện cũ mà nhiều bạn đọc đã biết hết rồi. Người viết muốn nhắc lại những sự kiện liên quan đến Tycho Brahe và Johannes Kepler là để nhấn mạnh một điều: tính đúng đắn của hệ nhật tâm, mà suy rộng hơn là bản chất của tự nhiên nói chung, phải được kiểm chứng bằng thực tiễn quan sát, chứ không bởi lòng tin mù quáng vào một lời sấm truyền của một bậc thánh nhân hay suy luận của một kẻ xuất chúng nào đấy. Đây có lẽ là một trong những bài học đầu tiên trong lịch sử về phương thức khoa hoc. Và họ cũng cho thấy là ngay cả với lý thuyết thành công nhất của những thiên tài cũng có những thiếu sót hay sai lầm nhất định. Từ những đo đạc chính xác của Brahe, Kepler còn chỉ ra thêm là quĩ đạo của các hành tinh chung quanh mặt trời không phải là đường tròn như Copernicus đã nghĩ, mà là đường bầu dục và mặt trời nằm ở một trong hai điểm hội tụ. Đây là định luật đầu trong ba định luật của Kepler mà chúng ta đã học qua ở các lớp vật lý đại cương. Ba định luật này của Kepler trở nên cơ sở thực nghiệm để năm mươi năm sau Newton xây dựng lý thuyết vạn vật hấp dẫn, đặt nền tảng vững chải cho loài người đi vào kỷ nguyên khoa học mà ta đã biết.

Trong khoa học tính đúng đắn của một ý tưởng là quan trọng, nhưng bài học ở trên chứng tỏ việc xác định tiêu chí này không nhất thiết phải là điều cấp bách hàng đầu. Kinh nghiệm để lại của loài người với gần năm trăm năm làm khoa học đã cho thấy, đúng hay sai có khi sẽ biết ngay, nhưng nhiều khi cũng là chuyện “hạ hồi phân giải”. Quá trình chứng minh ý tưởng khoa học mới thực là nảy sinh và có lợi cho người khác; nghĩ lại xem, việc kiểm chứng hệ nhật tâm chưa xong mà đã dẫn đến việc hoàn thành lý thuyết vạn vật hấp dẫn, không phải là bội thu sao? Ta thấy là mục tiêu tối hậu của phương thức khoa học thực ra không nhằm mục đích để chứng minh sự thật; sự thật hay là thực tại vật lý nếu có, sẽ đến như một hệ quả tự nhiên của quá trình kiểm chứng bằng tính toán (hay tư duy) và thực nghiệm mà thôi. Tiêu chí hàng đầu mà phương thức khoa hoc hướng tới, theo thiển ý của người viết, là việc bảo đảm tính thống nhất trong mọi sự việc nếu được. Lấy ví dụ, sự thật có đúng là trái đất có xoay quanh chính nó và quanh mặt trời hay không? Hãy nhớ rằng tới thời điểm này, thời đại con người đã phóng hàng trăm phi thuyền không gian các loại, chiếc đi xa nhất, Voyaer, đã ra khỏi hệ măt trời, vẫn chưa có bức ảnh nào cho thấy Trái đất với 7 hành tinh còn lại xoay quanh mặt trời cả. Những tấm hình mà ta thấy nhan nhản trong sách giáo khoa, các hành tinh với những đường cong quĩ đạo, chỉ là những tranh vẽ minh họa. Dẫu chưa có ai chính mắt trông thấy, nhưng chúng ta đã kết luận từ lâu là bức tranh hệ mặt trời của Copernicus, không phải của Aristotle, mới là phù hơp với thực tại. Chúng ta kết luận được điều này là nhờ bởi tính thống nhất của vấn đề: so sánh sự tuần hoàn của mùa màng trên trái đất, so sánh với sự chuyển động của các mặt trăng chung quanh sao Hỏa, các mặt trăng chung quanh sao Mộc, hay các hiện tượng nhật thực, nguyệt thực...

Một trong những điều thiết thực cho bạn và cho tôi mà phương thức khoa học đã mang lại, ngoài những thuốc men, xe cộ, máy bay, điện thoại di động... nghĩa là những thứ mà người đời dè bỉu là tiện nghi vật chất, là chúng ta đã bớt sợ. Ông bà mình ngày trước sợ thiên nhiên, sợ đủ thứ. Mà không phải chỉ có loài người chúng ta mới biết sợ: muôn vật sống trong nỗi sợ hãi triền miên. Dường như sợ là một phần của bản năng sinh tồn - sợ để tránh, sợ để giữ mình. Nhưng sợ lung tung cũng khó sống. Khoa học khiến ta tự tin hơn trong nhiều tình huống. Tôi không có ý lạc quan theo kiểu anh cán bộ cách mạng với người nông dân: ‘Từ nay con người sẽ làm chủ đời mình’. Nhưng kinh nghiệm của phương thức khoa học cho thấy tự nhiên không đến nỗi quá bí ẩn, và có thể ước đoán được. Dĩ nhiên điều này không có nghĩa là khoa học sẽ giải thích mọi chuyện trên đời này; hình như chẳng có gì giải thích được mọi chuyện trên đời này.

2. Chuyên hôm qua

Lời giải thích nào cũng có những ngõ ngách riêng của nó. Tôi muốn quay trở lại với câu hỏi đầu bài thêm một lần nữa. Đêm hay ngày là do trái đất xoay. Thì đã đành. Nhưng hãy ngẫm lại xem. Ngoài mặt trời ra, còn hằng hà sa số các vì sao khác vốn cũng sáng như mặt trời vậy nhưng vì chúng ở rất xa ta nên xuất hiện lu mờ hơn. Và nếu vũ trụ là hằng hữu và mật độ vì sao khắp mọi chỗ là như nhau, thì lượng ánh sáng lu mờ từ những vì sao này cộng lại cũng đủ làm cho cái nền trời lúc nào cũng phải sáng trưng mà không cần đến mặt trời, nghĩa là quanh năm suốt tháng không thể có đêm tối! Thật quả là “nói xuôi cũng được, nói ngược cũng xong”. Cơ sự này không phải là do người viết vặn vẹo nên, mà do chính ông Heinrich Olbers, một nhà thiên văn người Đức chỉ ra (1826). Cái gọi là nghịch lý Olbers này thực ra phải mang một tên khác, bởi trước Olbers một nguời cùng thời với Copernicus là Thomas Digges đã thắc mắc chuyện này (1573). Để không mất thêm thì giờ của bạn đọc đáng kính, tôi xin nói ngay lý do đêm vẫn tối: vũ trụ mà ta quan sát được không phải là hằng hữu. Bởi vì tốc độ ánh sáng là hữu hạn, nhìn ra xa cũng có nghĩa là nhìn về quá khứ - mặt trời ta nhìn thấy là của 8 phút trước đấy. Và vì sao xa nhất chỉ xuất hiện sau khi vũ trụ hình thành, tức là mật độ vì sao mọi nơi không phải như nhau mà giảm xuống zero khi ta về gần vô cực.

Các vạch đen, còn gọi là vạch hấp thụ, trong phổ thấy được chụp từ một nhóm ngân hà (phải), đồng loạt lệch về phía màu đỏ so với vạch phổ từ mặt trời (trái).

Ai mà chẳng bị khớp vía đứng trước những bí ẩn của vũ trụ bao la? Có lẽ màn bí mật đến choáng ngợp này khiến nhiều người trong chúng ta bỏ cuộc rất sớm trong chuyến đi tìm hiểu về vũ trụ. Quả thực là bài toán vũ trụ học phức tạp, nhưng nó không phức tạp hơn hay khó hơn bài toán về hệ nhật tâm hay những vấn đề khác mà tổ tiên ta đã đối đầu, nó chỉ ít quen thuộc hơn với ta mà thôi. Những người khôn ngoan như Digges hay Olbers nhận ra rất sớm điều này, và cách đặt vấn đề hợp lý của họ - dựa trên cơ sở của những tư duy khoa học đã có sẵn - mang tính dẫn dắt rất cao. Nghịch lý Olbers đặt một nghi vấn về bức tranh cố hữu của vũ trụ, vốn hiện diện như một cõi vô lượng vô biên bất di bất dịch. Nó cho thấy có điều gì không ổn trong cái giả định thụ động của chúng ta về tính hằng hữu đời đời của vũ trụ. Câu hỏi đơn giản về bức màn tối của vũ trụ mà Olbers và những người đi trước ông đã nêu lên đặt vũ trụ học của thế kỷ 19 vào thế bí, và câu trả lời thỏa đáng đã phải để ngõ trong một thời gian dài.

Cho đến một trăm năm sau, khi mà những tiến triển kỹ thuật bắt đầu cho phép các nhà thiên văn nhìn ra bên ngoài hệ ngân hà của chúng ta, và đặc biệt là khi mà nhận thức về vũ trụ bắt đầu có những chuyển biến cơ bản nhờ những bước nhảy vọt trong vật lý lý thuyết đầu hồi thế kỷ 20. Người đặt nền tảng cho nhận thức mới này, chẳng ai khác hơn, là Einstein và lý thuyết tương đối rộng của ông (1916). Các phương trình trường Einstein cho phép các nhà nghiên cứu xác định cụ thể đặc tính không thời gian của vũ trụ, dẫn đến khái niệm về một vũ trụ giản nở theo thời gian (Friedman 1922, Lemaitre 1927). Điều này đã mau chóng được kiểm chứng bằng việc Hubble công bố kết quả quan sát các vạch phổ từ các hệ ngân hà (1924). Vạch phổ chỉ là từ chuyên môn để miêu tả cường độ ánh sáng biến thiên theo bước sóng. Giai đoạn này các nhà thiên văn đã được trang bị thêm vật lý lượng tử, và người ta biết là mỗi vạch phổ đều phải đứng ở một bước sóng hay tần số nhất định, tức là có màu nhất định (trường hợp này câu hỏi: “Vật thể màu gì?” đóng vai trò quyết định). Hubble chỉ cho thấy so với các vạch phổ đã chụp được trong hệ ngân hà chúng ta, đa số các vạch phổ từ những hệ ngân hà khác đồng loạt lệch về phía bước sóng dài hơn[3]! Tức là các dãy ngân hà này xuất hiện đỏ hơn so với bình thường. Điều này được cắt nghĩa là do vũ trụ giản nở, vạch phổ được phát ra trong lúc vũ trụ còn trẻ và kích thước còn nhỏ hơn, lúc đến kính thiên văn của chúng ta thì cũng đã mất thêm mấy tỉ năm, kích thước của vũ trụ dài thêm ra, và kết qủa là độ dài bước sóng phải nới thêm ra để tỉ lệ với mực tăng trưởng kích thước của vũ trụ.

Không biết là câu cắt nghĩa ở trên có làm cho người đọc thấy rối trí hay không. Về phần người viết thì thấy khá là lủng củng, dầu tác giả đã muốn tránh những vết xe đã đổ: suốt cả bài viết cứ bàn những chuyện mà người đọc đã quá hiểu rõ, đến khi đụng vấn đề gai góc cần phải giải mã thì lại lướt qua rất nhanh vì đã vượt quá thời gian hay số trang qui định (mà quả thực là bài viết này cũng sắp vượt quá số trang qui định). Bạn đọc rộng lượng có thể bỏ qua cho sự lủng củng ở trên. Vậy thì, có thêm hệ quả nào khác – hy vọng ít rối trí hơn - từ sự giãn nở của vũ trụ không?

Hãy nhớ là Planck đã chứng tỏ năng lượng của ánh sáng (hay sóng điện từ) tỉ lệ thuận với tần số hay tỉ lệ nghịch với bước sóng. Bước sóng càng ngắn thì năng lượng càng cao. Có nghĩa là càng trở về trước, vũ trụ càng nóng hơn. Thực ra điều này liên hệ với chuyện lệch về đỏ của các vạch phổ, cho nên có thể nói đây không phải là một hệ quả khác từ sự giãn nở của vũ trụ. Nhưng thực ra, đây là một nhận thức cực kỳ quan trọng.

Gamow, nhà vật lý lưu vong người Nga, là người trước tiên áp dụng mỹ mãn nhận thức trên (1948). Câu hỏi ông đặt ra là, vật chất trong thế giới này từ đâu mà ra? Các nhà vật lý có thói quen dùng từ làm ta phải giật mình. Khi họ nói vật chất, họ không có ý nói những thực thể như là con người hay chiếc điện thoại di động. Các nhà vật lý nhắm đến những nguyên tử hay phân tử làm nên những thực thể ấy. Phương trình Einstein, E = mc2, cho thấy sự chuyển đồi giữa năng lượng E và khối lượng m, hay còn gọi là vật chất. Bom nguyên tử là một bằng chứng dữ dội cho thấy việc chuyển đổi từ vật chất sang năng lượng. Đi theo quá trình ngược lại, Gamow đoán rằng vật chất ban đầu có lẽ đã được tạo thành từ nguồn năng lượng có nhiệt độ rất cao – nóng hơn hàng triệu lần so với nhiệt độ ở trung tâm mặt trời. Đây chính là hệ quả quan trọng bậc nhất của vũ trụ giãn nở và mô hình Big Bang. Theo mô hình này thì vào thưở ban sơ, vũ trụ chỉ có thuần một thứ là bức xạ điện từ ở nhiệt độ rất cao. Theo thời gian, vũ trụ giãn nở và nguội đi, rồi các electrons, protons lần lượt được tạo thành, và dần dà kết cấu để tạo nên các vì sao, lỗ đen, các dãy ngân hà và thế giới ngày nay.

Mặc dầu ngày nay các nhà vũ trụ học đã công nhận bức tranh vũ trụ ở trên, nhưng ban đầu mô hình Big Bang đã gây ra những phản ứng trái ngược trong dư luận. Có sự phản đối gay gắt từ các nhà vũ trụ học hàng đầu mà Hoyle là đại diện tiêu biểu, lại có sự ủng hộ nhiệt thành từ Đức Giáo Hoàng của Tòa Thánh Vatican. Chính Hoyle, một trong những người sáng lập và cổ vũ cho thuyết Steady State, hay Trạng thái vĩnh hằng, đã gọi mỉa mai mô hình của Lemaitre và Gamow khởi xướng bằng hai từ Big Bang, để ví sự giãn nở dữ dội vào thời kỳ đầu của vũ trụ như một vụ nổ tung. Có lẽ Hoyle cũng không ngờ là danh từ này nhanh chóng trở nên thuật ngữ khoa học phổ biến. Cũng hơi oái ăm bởi mô hình lại mang cái tên do chính kẻ phản đối chứ không phải người sáng lập nó đặt ra.

3. Chuyện ngày nay

Gamow tiên đoán một nền bức xạ đồng nhất ban đầu đã nguội đi và sẽ còn lại đến ngày nay. Nhưng ông không chỉ rõ là cường độ bức xạ còn lại ngày nay là bao nhiêu (trường hợp này dữ liệu để trả lời câu hỏi: “vật thể sáng cỡ nào?” đóng vai trò quyết định). Có lẽ do những chỉ trích về mô hình Big Bang và những khó khăn nhất thời của mô hình này[4], lời tiên đoán của Gamow, rủi thay, đã không được các nhà vật lý tiếp nhận nghiêm túc: không có một thí nghiệm nào để kiểm chứng di chỉ của bức xạ nền suốt hơn 15 năm. Sự phát hiện của bức xạ nền đã phải đến từ tình huống ngẫu nhiên, vốn cũng là điều thường tình trong lịch sử. Mãi đến giữa thập niên 60, Penzias và Wilson của Bell Lab, trong lúc đo đạt bức xạ nhiệt của tầng khí quyển ở bước sóng viba (sóng dài ~ 1 mm), họ phát hiện là bầu khí quyển có vẻ như nóng hơn chừng 3 độ. Lúc ấy cách Bell Labs chưa đầy 70 cây số, một nhóm các nhà vật lý do Dicke dẫn đầu tại Princeton đang gấp rút tiến hành việc đo đạt cường độ của bức xạ nền (BXN). Họ lập tức nhận ra 3 độ trội dư đo đuợc của nhóm Bell Labs chính là xuất phát từ BXN mà họ đã tìm kiếm. Sự tồn tại của BXN chính là bằng chứng thực nghiệm xác nhận tính đúng đắn của mô hình Big Bang (Penzias & Wilson 1965, Dicke et al. 1965).

Xác nhận mô hình Big Bang, cũng là đồng nghĩa với việc phủ nhận tính hằng hữu đời đời của vũ trụ. Hay nói như ông bà ta, vũ trụ là một cõi vô thường. Có nghĩa là, cũng như bao hữu thể khác, vũ trụ cũng hình thành và phát triển. Vũ trụ cũng có tuổi, ngày nay các nhà thiên văn xác định là tuổi vũ trụ không già hơn 13,7 tỉ năm! Vì sao đầu tiên ra đời cũng chỉ từ 13,2 tỉ năm trở lại đây. Từ 13,2 tỉ năm trở về trước là giai đoạn mà các nhà vũ trụ học gọi là “thời kỳ đen tối”, bởi vật chất (dưới dạng các phân tử hydrogen và helium) tuy là đã tồn tại, nhưng chưa có đủ thời gian kết cấu và tạo ra những vì sao để thắp sáng vũ trụ. Thời kỳ đen tối kéo dài gần năm trăm triệu năm, về đến khoảng 380.000 năm sau Big Bang. Rồi từ đấy về đến 3 phút sau Big Bang là khi mà vật chất được tạo thành, còn được gọi là thời kỳ tổng hợp hạt nhân. Từ 3 phút về Big Bang thì như đã trình bày ở trên, trong toàn cõi vũ trụ chỉ có BXN.

Và như người đàng trong chúng tôi hay nói, “đã trót thì cho trét.” Dẫu biết trí tuệ loài người là có hạn nhưng đã về tới đây rồi thì không thể không hỏi luôn. Vậy thì trước Big Bang vũ trụ là cái gì?

Ta phải xác định cho rõ, vũ trụ ở đây là vũ trụ quan sát được, tức là có thể kiểm chứng bằng các phương thức thực nghiệm. Nếu chỉ dựa đơn thuần vào suy luận hay niềm tin, mà bỏ đi phần kiểm chứng của thực tiễn thì công việc của chúng ta có lẽ gần với triết học hay thần học hơn. Cho tới thời điểm này, chúng ta không có bằng chứng thực nghiệm nào cả để nói một cách đáng tin cậy về những gì xảy ra trước Big Bang. Điều này không ngăn cản các nhà vật lý lý thuyết phỏng đoán. Họ đoán rằng, trước khi Big Bang xảy ra, vũ trụ có lẽ là ... không có gì! Cả vũ trụ bao la, phức tạp, bí ẩn mênh mông, hàng tỉ năm biến động khốc liệt, hàng tỉ năm thinh lặng, tất cả có lẽ đã bắt nguồn từ hư không!

“Hết thảy đều là hư không”. Như lời một thiền sư nào đã vang vọng từ ngàn năm trước.

Các nhà lý thuyết cho rằng năng lượng ban đầu được tạo ra từ sự nhiễu loạn của chân không và tuân thủ nguyên lý bất định của vật lý lượng tử, rồi chỉ sau một khoảng thời gian cực ngắn, ~ 10-32 giây, nguồn năng lượng ban đầu trải qua một quá trình giãn nở vượt tốc độ ánh sáng, còn gọi là giai đoạn lạm phát. Ta không biết chuyện này có thực xảy ra hay không, nhưng điều kỳ diệu là những gì xảy ra sau đó có thể tính toán và kiểm chứng được. Cũng như các ý tưởng đã nảy sinh trước đó, cơ chế lạm phát cũng chứa đầy những trái khoáy, cũng có “vấn đề”. Nhưng trước mắt lạm phát giải quyết được bài toán đau đầu mà các quan sát BXN đã mang lại: cường độ nền bức xạ mọi hướng đều giống nhau. Sự đồng nhất này là do việc cân bằng nhiệt đã xảy ra trước lạm phát. Thêm nữa, cơ chế này sẽ làm nảy sinh bức xạ sóng hấp dẫn (khác với bức xạ sóng điện từ mà ta gọi là BXN). Biển sóng hấp dẫn này sẽ tương tác với bức xạ điện từ, và các tính toán cho thấy sự tương tác này sẽ để lại trong BXN ngày nay một mức độ phân cực nhất định. Đây chính là di chỉ đặc thù, là dấu chỉ tay của lạm phát.

Tín hiệu phân cực được xác định là vô cùng nhỏ, xuống đến hàng tỉ lần nhỏ hơn cường độ BXN. Mức tương phản này là một khó khăn cơ bản trong việc đo đạt. Tốc độ phát triển nhanh của kỹ thuật cảm biến vi ba trong mấy năm qua cho phép các nhóm nghiên cứu lạc quan về khả năng phát hiện mức phân cực của BXN trong một tương lai rất gần. Hàng loạt những nỗ lực thực nghiệm đang được tiến hành, với sự góp mặt của nhiều viện nghiên cứu từ nhiều nước khác nhau. Người ta thử mọi cách có thể được nhằm giảm bớt mực tương phản giữa tín hiệu lạm phát và bức xạ nhiệt từ môi trường, cơ bản là hơi nước trong bầu khí quyển. Họ lặn lội lên đến đỉnh khô ráo nhất ở Nam Mỹ, nếu chưa đủ thì dùng bóng thám không, hay ra hẳn ngoài không gian bằng tàu vũ trụ. Có nhóm mang thiết bị xuống Nam Cực, nơi khô lạnh nhất địa cầu. BICEP là một thí nghiệm như vậy. BICEP đi vào hoạt động từ đầu năm 2006, và đáng kể là đến nay đã vượt lên WMAP trên chặng đường về đích (WMAP vốn là một đài quan sát thiên văn không gian của NASA đặt biệt chế tạo cho mục đích khảo sát BXN).

4. Và ngày mai

Trong vài năm nữa, một thế hệ thiết bị mới (còn gọi là BICEP2 hay SPUD) sẽ xuống Nam Cực để tiếp tục cuộc chạy đua vào giai đoạn nước rút. Ta không biết những gì sẽ chờ đợi họ ở lằn về đích. Rất có thể chặng đường sắp đến sẽ dài hơn, rất có thể sẽ chẳng có gì chờ đợi họ ở cuối đường. Dẫu thế nào, chúng ta cũng khó mà thờ ơ trước những phát triển vượt bậc đạt được gần đây trong kỹ thuật, đưa lại khối lương dữ liệu lớn lao về bầu trời. Những kết nối của thông tin qua mạng ảo sẽ cho phép nhiều người được tham gia vào cuộc phát triển vũ trụ học đầy sôi nổi này. Và biết đâu nhiều người nước Việt mình cũng sẽ được góp phần...

Nguồn: thienvanhoc.org​