From Beijing with Love
Cháu đã lớn thế này rồi à. Lại đây chú ôm cái coi.
Mô hình Vụ Nổ Lớn (Big Bang) cho rằng vũ trụ bắt đầu từ một vụ nổ cách đây khoảng 15 tỷ năm. Tại thời điểm đó, vũ trụ được coi là có kích thước bằng không, với mật độ năng lượng và nhiệt độ vô cùng lớn. Sau vụ nổ, vũ trụ giãn nở và nguội dần, hình thành nên các cấu trúc mà chúng ta thấy ngày nay.
Có ít nhất ba cơ sở lý luận và thực tiễn dẫn đến mô hình này. Đáng chú ý, một nhà văn là người đầu tiên đề xuất rằng vũ trụ phải có điểm khởi đầu. Nghịch lý Olbers (1823) cho rằng nếu vũ trụ là vô hạn về không gian và thời gian, thì phải có rất nhiều sao đến mức bất kỳ tia nhìn nào trên bầu trời cũng sẽ gặp một ngôi sao. Do đó, bầu trời sẽ luôn sáng như mặt trời, ngay cả vào ban đêm. Tuy nhiên, thực tế là bầu trời đêm tối đen. Trong bài thơ văn xuôi Eureka (1848), Edgar Allan Poe cho rằng điều này là do các ngôi sao chưa có đủ thời gian để chiếu sáng toàn bộ vũ trụ. Bầu trời đêm tối đen chứng tỏ vũ trụ không tồn tại mãi mãi. Giả thuyết này không chỉ đứng vững trước thử thách của thời gian mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành lý thuyết Big Bang.
Cơ sở lý luận thứ hai là Thuyết tương đối rộng, cho rằng không-thời gian là các đại lượng động lực, phụ thuộc và chi phối vật chất (lưu ý quan điểm của Engels, cho rằng không-thời gian là hình thức tồn tại của vật chất). Điều này ngụ ý rằng không-thời gian, và do đó vũ trụ, có thể có điểm bắt đầu và kết thúc, một ý tưởng mà ban đầu ngay cả Einstein cũng cố gắng bác bỏ.
Cơ sở thực tiễn là phát hiện của Hubble về sự giãn nở của vũ trụ vào những năm 1920. Việc vũ trụ đang giãn nở và các thiên hà đang di chuyển ra xa nhau chứng tỏ rằng trong quá khứ chúng ở gần nhau hơn, khi vũ trụ nhỏ hơn. Nếu suy ngược thời gian, chúng ta sẽ đến thời điểm khởi đầu, khi toàn bộ vũ trụ tập trung tại một điểm với mật độ năng lượng, nhiệt độ và độ cong không-thời gian vô hạn. Một vụ nổ đã xảy ra, tạo ra vũ trụ.
Tuy nhiên, mật độ vật chất hoặc lực hấp dẫn quá lớn có thể khiến vũ trụ co lại ngay sau khi giãn nở. Để giải thích điều này, Alan Guth đã đưa ra giả thuyết về sự giãn nở lạm phát, cho phép vũ trụ tăng kích thước lên 10^30 lần chỉ trong một khoảnh khắc (từ 10^-35 đến 10^-32 giây sau vụ nổ). Vượt qua ranh giới mong manh giữa thành công và thất bại này, vũ trụ đã giãn nở và tạo ra mọi thứ, bao gồm cả chúng ta.
Đó là mô hình vũ trụ giãn nở lạm phát nóng tiêu chuẩn. Năm 1991, khi kính viễn vọng Hubble trên vệ tinh COBE đo được bức xạ nền vũ trụ còn sót lại từ vụ nổ, đúng như dự đoán, mô hình Big Bang đã được chấp nhận rộng rãi. Mặc dù Big Bang là mô hình tốt nhất hiện nay, nhưng nó vẫn còn nhiều vấn đề, bao gồm điểm kỳ dị và nguồn gốc cuối cùng. Vật lý tránh các điểm kỳ dị, nơi một đại lượng vật lý đạt giá trị vô hạn - điều chỉ tồn tại trong toán học trừu tượng. Big Bang là một điểm kỳ dị như vậy, và đó là điều cần tránh. Nếu Big Bang tạo ra vũ trụ, thì cái gì tạo ra Big Bang? Đây là lý do tại sao các nhà thần học rất ủng hộ mô hình này, coi Big Bang là hiện thân của Đấng Sáng Tạo.
Một cách để tránh vấn đề kỳ dị là Lý thuyết dây trong vật lý hạt cơ bản. Lý thuyết này cho rằng thành phần cơ bản nhất của vũ trụ không phải là hạt (như electron, quark...) mà là dây hoặc siêu dây với 10 chiều. Có 5 lý thuyết dây, và đến năm 1995, người ta nhận ra rằng chúng chỉ là các phiên bản của một lý thuyết cơ bản hơn, Lý thuyết Màng 11 chiều. Các dao động khác nhau của màng tạo ra các hạt cơ bản mà chúng ta quan sát được. Quan điểm cũ coi hạt cơ bản là điểm không có kích thước dẫn đến điểm kỳ dị, trong khi màng có kích thước xác định, mặc dù rất nhỏ.
Vấn đề về nguồn gốc cuối cùng phức tạp hơn. Một cách giải quyết là xem xét sự kết thúc của vũ trụ. Vũ trụ sẽ giãn nở mãi mãi hay co lại trong một Vụ Co Lớn (Big Crunch)? Nếu vũ trụ có đủ vật chất, lực hấp dẫn cuối cùng sẽ chiến thắng sự giãn nở và vũ trụ sẽ co lại thành một điểm kỳ dị. Vụ nổ tạo ra chúng ta có thể là kết quả của một vụ co trước đó. Đó là mô hình vũ trụ tuần hoàn của Wheeler, với các chu kỳ giãn nở và co lại nối tiếp nhau, giống như triết lý nhà Phật, một cách để tránh nguồn gốc cuối cùng.
Tuy nhiên, Big Crunch không phải là hình ảnh phản chiếu hoàn hảo của Big Bang. Khi vũ trụ co lại, các photon sẽ nhận thêm năng lượng do trường hấp dẫn mạnh. Kết quả là vũ trụ khi kết thúc sẽ nóng hơn lúc bắt đầu. Các vụ nổ sau này sẽ mạnh hơn. Điều này cho thấy vũ trụ vẫn cần một điểm khởi đầu cuối cùng, giống như mô hình chỉ có một Big Bang. Các nhà thơ vẫn chưa từ bỏ niềm đam mê của họ.
Quan điểm tuần hoàn ngụ ý rằng vũ trụ có đủ vật chất để co lại. Nhưng quan điểm này đã bị bác bỏ vào năm 1998. Quan sát các siêu tân tinh đã dẫn đến một kết luận mang tính cách mạng: vũ trụ đang giãn nở với tốc độ ngày càng nhanh. Đây là một tin không vui cho những người ủng hộ mô hình tuần hoàn, nơi vũ trụ và sự sống có thể được tái sinh vô tận.
Tại sao vũ trụ lại giãn nở ngày càng nhanh? Câu trả lời khá đơn giản: do thiếu vật chất cần thiết. Quan trọng hơn, có vẻ như vũ trụ chứa một dạng năng lượng đặc biệt có tác dụng phản trọng lực.
Trước đây, các nhà thiên văn học cho rằng vũ trụ chỉ chứa vật chất sáng thông thường. Khi nhận thấy tốc độ quay của các thiên hà quá nhanh, họ đã giả định sự tồn tại của vật chất tối, gấp 10 lần vật chất sáng (để lực hấp dẫn đủ cân bằng với lực ly tâm do thiên hà quay, nếu không thiên hà sẽ tan rã). Vật chất tối được chia thành hai loại: vật chất tối thông thường (như sao lùn nâu, lỗ đen...) và vật chất tối kỳ lạ (như neutrino có khối lượng, các hạt giả thuyết axion hoặc WIMP...). Giờ đây, chúng ta cần thêm một loại vật chất hoặc năng lượng mới, gọi là năng lượng tối, chiếm tới 2/3 khối lượng vũ trụ.
Bản chất của năng lượng tối, với áp suất âm (để tạo ra lực phản trọng lực), có lẽ là thách thức lớn nhất đối với vật lý và vũ trụ học.
Ứng cử viên đầu tiên là năng lượng chân không. Chân không vật lý không phải là hư vô mà chứa đầy các cặp hạt-phản hạt ảo sinh ra và hủy diệt liên tục do nguyên lý bất định Heisenberg. Theo nguyên lý này, không thể xác định chính xác đồng thời vị trí và động lượng của một hạt, hoặc giá trị và biến thiên của một trường vật lý. Do đó, năng lượng chân không phải khác không. Nếu bằng không, thì biến thiên cũng bằng không, nghĩa là cả hai đại lượng đều được xác định chính xác, điều mà nguyên lý bất định ngăn cấm. Trong chân không, các cặp hạt-phản hạt ảo liên tục được sinh ra và hủy diệt, ví dụ như có tới 10^30 electron ảo trong 1cm3! Chúng tạo ra các hiệu ứng có thể đo lường được, như hiệu ứng Casimir. Các tính toán cho thấy chúng tạo ra mật độ năng lượng lớn hơn 10^120 lần so với các dạng vật chất khác, một con số đáng kinh ngạc!
Ứng cử viên thứ hai là "thành phần thứ năm". Đơn giản nhất là một trường lượng tử thay đổi rất chậm theo thời gian, cơ chế giải thích cho giai đoạn giãn nở lạm phát. Một khả năng khác đến từ vật lý của các chiều không gian "ẩn", tức là dây 10 chiều hoặc màng 11 chiều. Trong lý thuyết này, vật chất thông thường nằm trên các màng ba chiều. Các màng này nằm rất gần nhau trong chiều thứ 11. Ánh sáng di chuyển theo các màng ba chiều đến mắt chúng ta phải mất hàng tỷ năm, trong khi lực hấp dẫn (hoặc phản hấp dẫn) tác động tức thời theo chiều không gian thứ 11, tạo ra giá trị ước tính rất lớn. Tuy nhiên, những khó khăn về toán học khiến việc xây dựng một mô hình hoàn chỉnh là bất khả thi, không chỉ trong hiện tại mà còn có thể trong tương lai.
Để giải quyết vấn đề kỳ dị và nguồn gốc cuối cùng, vào cuối năm 2001, các nhà khoa học Steinhardt, Turok, Khoury, Ovrut và Seiberg đã đề xuất mô hình màng va chạm, coi Big Bang không phải là điểm khởi đầu của không-thời gian mà là điểm chuyển tiếp giữa giai đoạn giãn nở và giai đoạn co lại trước đó. Đây là một mô hình tuần hoàn, nhưng có những ưu điểm so với các mô hình tuần hoàn khác.
Mô hình này giả định rằng vũ trụ của chúng ta là một màng ba chiều trôi nổi trong không gian bốn chiều. Một màng khác - một vũ trụ song song - nằm ngay bên cạnh ở khoảng cách cực nhỏ trong chiều thứ tư. Vũ trụ này gần hơn cả da của chúng ta, nhưng chúng ta không thể nhìn thấy hay chạm vào nó. Các màng này tương tác với nhau như được nối bằng lò xo: hút nhau khi ở xa và đẩy nhau khi ở gần, khiến chúng dao động và va chạm. Mỗi lần va chạm là một Big Bang. Năng lượng của Big Bang là năng lượng va chạm; các dao động mật độ (được quan sát trên bức xạ nền vũ trụ và là mầm mống hình thành các thiên hà) là các nếp nhăn trên màng. Trong quá trình dao động và va chạm, các màng vẫn có thể tự giãn nở.
So với mô hình lạm phát tiêu chuẩn, mô hình này có ưu điểm là không cần năng lượng tối để giải thích sự giãn nở ngày càng nhanh của vũ trụ. Năng lượng đó đến từ "lò xo". Theo Turok, một ưu điểm khác là điểm kỳ dị chỉ xuất hiện trong chiều thứ tư (khi hai màng va chạm, khoảng cách giữa chúng bằng không), nhẹ hơn so với các loại kỳ dị khác. Và vì các màng vẫn tiếp tục giãn nở trước và sau va chạm, photon sẽ không nhận thêm năng lượng, do đó Big Crunch không nóng hơn Big Bang, loại bỏ được nguồn gốc cuối cùng, một chủ đề được các nhà thần học ưa thích.
Tuy nhiên, mô hình này cũng có những vấn đề riêng. Thứ nhất, kỳ dị nhẹ nhất vẫn là kỳ dị. Thứ hai, không rõ các dao động nhỏ hay nếp nhăn trên màng được tái tạo như thế nào sau va chạm. Theo Linde, một trong những người xây dựng mô hình lạm phát, điều này giống như ném một chiếc ghế vào lỗ đen và hy vọng nó sẽ xuất hiện trở lại. Bản chất của lực lò xo cũng là một vấn đề nan giải. Tuy nhiên, nhiều nhà thiên văn học ủng hộ mô hình này, vì như lời Gabriele Veneziano, nhà vật lý lý thuyết dây nổi tiếng tại CERN, chúng ta dễ chấp nhận ý tưởng Big Bang là kết quả của một cái gì đó hơn là nguyên nhân của mọi thứ.
Các mô hình trên đều gặp phải vấn đề năng lượng tối. Vì vậy, từ năm 1983, Mordehai Milgrom (Israel) đã đề xuất MOND, tức là Động lực Newton biến đổi. Ông cho rằng định luật hai Newton F=ma sẽ trở thành F=ma^2 ở gia tốc thấp, khoảng 10^-10 m/s^2. Điều này có nghĩa là chỉ cần một lực nhỏ hơn hoặc ít vật chất hơn để tạo ra gia tốc cho các thiên hà, và do đó, không cần đến vật chất tối hay năng lượng tối.
Ban đầu, giới thiên văn học bác bỏ MOND. Nhưng những thành công của MOND trong việc giải thích sự hình thành và tiến hóa của thiên hà (các phép đo gần đây phù hợp với dự đoán của Milgrom nhiều năm trước) đã thuyết phục một số nhà khoa học. Tuy nhiên, họ không cho rằng định luật Newton là sai, mà coi MOND là một sự hiệu chỉnh có ý nghĩa thực tiễn, gọi nó là MIFF (Milgrom Fitting Formula).
Hãy xem xét nguyên lý Mach, cho rằng quán tính của một vật là do tương tác của nó với toàn bộ vũ trụ. Có thể hiểu rõ hơn bằng cách xem xét lực ly tâm tác dụng lên nước trong xô. Khi quay xô nước, mặt nước sẽ lõm xuống do lực ly tâm. Nhưng lực ly tâm có phải là do nước quay so với xô đứng yên không? Không, vì khi quay cả xô và nước với cùng tốc độ, mặt nước vẫn lõm xuống. Mach cho rằng mặt nước lõm xuống vì "biết" nó đang quay so với toàn bộ vũ trụ. Nói cách khác, quán tính là do tương tác của toàn bộ vũ trụ lên vật thể. Vì vậy, vũ trụ phải hữu hạn. Nếu vũ trụ là vô hạn, thì quán tính sẽ là vô hạn: mọi vật thể sẽ không thể thay đổi trạng thái chuyển động, điều này trái với thực tế.
Tuy nhiên, đó chỉ là đơn vũ trụ (universe) của chúng ta. Nhiều người giả định sự tồn tại của các vũ trụ song song hoặc đa vũ trụ (multiverse), mỗi vũ trụ có những quy luật riêng. Hãy nhớ lại mô hình màng va chạm, không chỉ hai mà có thể có nhiều màng. Hoặc hình dung việc thổi bong bóng xà phòng, mỗi bong bóng là một đơn vũ trụ. Các bong bóng có thể được nối với nhau bằng lỗ sâu (wormhole). Theo Thuyết tương đối rộng, lỗ sâu là đường tắt nối các vùng không-thời gian trong một bong bóng, hoặc thậm chí là giữa các bong bóng vũ trụ. Chúng cho phép năng lượng di chuyển giữa các bong bóng. Có thể Big Bang tạo ra vũ trụ của chúng ta chính là một sự phun trào năng lượng như vậy.
Như vậy, có thể chúng ta đang sống trong một đơn vũ trụ hữu hạn, là một trong vô số màng hay bong bóng của đa vũ trụ vô hạn. Cả những người ủng hộ vũ trụ hữu hạn và vô hạn đều có thể hài lòng.
Giả thuyết này giúp loại bỏ Đấng Sáng Tạo tối cao. Trong cuốn sách Giai điệu bí ẩn, Trịnh Xuân Thuận tin vào Đấng Sáng Tạo và cho rằng ông muốn đặt niềm tin vào hy vọng chứ không phải tuyệt vọng. Theo ông, việc tìm thấy một bong bóng phù hợp cho sự sống giữa vô số bong bóng là điều bất khả thi, và việc coi sự sống chỉ là ngẫu nhiên không thỏa mãn lòng tự trọng của con người. Tuy nhiên, tôi cho rằng vấn đề có thể ngược lại. Nếu con người được tạo ra bởi một Đấng tối cao, thì chúng ta chỉ là những con rối, không có ý chí tự do (chủ đề ưa thích của Bergson) hay khả năng lựa chọn để quyết định số phận của mình - một đặc điểm cơ bản của con người. Nếu chúng ta xuất hiện như một sự kết hợp kỳ diệu giữa ngẫu nhiên và tất yếu, chúng ta cần sống xứng đáng với sự ra đời khó khăn đó. Và điều này có thể mang ý nghĩa nhân văn.
Như đã nói ở trên, mỗi đơn vũ trụ là hữu hạn, nhưng đa vũ trụ có thể là vô hạn. Vậy điều đó có nghĩa là nó chứa năng lượng vô hạn, điều vô lý về mặt vật lý? May mắn là không phải vậy.
Nguyên lý bất định lượng tử cho phép các cặp hạt-phản hạt ảo, hoặc "bọt" năng lượng, xuất hiện từ chân không, miễn là chúng biến mất sau một khoảng thời gian ngắn. Bọt càng ít năng lượng thì tồn tại càng lâu. Vì năng lượng của trường hấp dẫn là âm, trong khi năng lượng của vật chất là dương, nên nếu đa vũ trụ là phẳng (mặc dù đơn vũ trụ có thể cong), hai dạng năng lượng này triệt tiêu lẫn nhau và năng lượng của đa vũ trụ bằng không. Khi đó, các quy tắc lượng tử cho phép nó tồn tại mãi mãi. Nói cách khác, chính sự bất định lượng tử đã cho phép vũ trụ sinh ra từ hư vô, một ý tưởng độc đáo đến mức khi nghe George Gamow kể lại tại Princeton vào những năm 1940, Einstein đã dừng lại giữa đường và suýt bị xe tông.
Chúng ta có thể hỏi, hư vô đến từ đâu? Nhưng có lẽ đó là một câu hỏi không phù hợp. Hợp lý hơn là hỏi, tại sao lại có sự bất định để vũ trụ có thể hình thành? Và liệu có những câu hỏi cơ bản hơn nữa hay không?
Cuối cùng, cần nhấn mạnh sự thống nhất giữa vi mô và vĩ mô. Chính nhờ tìm hiểu sâu vào bản chất vi mô mà khoa học có thể hiểu được hoạt động của vũ trụ. Quan điểm cho rằng chủ nghĩa giản lược (reductionism), một phương pháp tiếp cận dựa trên phân tích để đi sâu vào cấu trúc vi mô của thế giới, đã mất khả năng nhận thức là không có cơ sở. Trong cuốn sách Các giấc mơ về lý thuyết cuối cùng (1992), Steven Weinberg, nhà vật lý đoạt giải Nobel vì đã thống nhất tương tác yếu và điện từ, đã dành hai chương để phê phán các nhà triết học và bảo vệ chủ nghĩa giản lược và phương pháp phân tích.
Có ít nhất ba cơ sở lý luận và thực tiễn dẫn đến mô hình này. Đáng chú ý, một nhà văn là người đầu tiên đề xuất rằng vũ trụ phải có điểm khởi đầu. Nghịch lý Olbers (1823) cho rằng nếu vũ trụ là vô hạn về không gian và thời gian, thì phải có rất nhiều sao đến mức bất kỳ tia nhìn nào trên bầu trời cũng sẽ gặp một ngôi sao. Do đó, bầu trời sẽ luôn sáng như mặt trời, ngay cả vào ban đêm. Tuy nhiên, thực tế là bầu trời đêm tối đen. Trong bài thơ văn xuôi Eureka (1848), Edgar Allan Poe cho rằng điều này là do các ngôi sao chưa có đủ thời gian để chiếu sáng toàn bộ vũ trụ. Bầu trời đêm tối đen chứng tỏ vũ trụ không tồn tại mãi mãi. Giả thuyết này không chỉ đứng vững trước thử thách của thời gian mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành lý thuyết Big Bang.
Cơ sở lý luận thứ hai là Thuyết tương đối rộng, cho rằng không-thời gian là các đại lượng động lực, phụ thuộc và chi phối vật chất (lưu ý quan điểm của Engels, cho rằng không-thời gian là hình thức tồn tại của vật chất). Điều này ngụ ý rằng không-thời gian, và do đó vũ trụ, có thể có điểm bắt đầu và kết thúc, một ý tưởng mà ban đầu ngay cả Einstein cũng cố gắng bác bỏ.
Cơ sở thực tiễn là phát hiện của Hubble về sự giãn nở của vũ trụ vào những năm 1920. Việc vũ trụ đang giãn nở và các thiên hà đang di chuyển ra xa nhau chứng tỏ rằng trong quá khứ chúng ở gần nhau hơn, khi vũ trụ nhỏ hơn. Nếu suy ngược thời gian, chúng ta sẽ đến thời điểm khởi đầu, khi toàn bộ vũ trụ tập trung tại một điểm với mật độ năng lượng, nhiệt độ và độ cong không-thời gian vô hạn. Một vụ nổ đã xảy ra, tạo ra vũ trụ.
Tuy nhiên, mật độ vật chất hoặc lực hấp dẫn quá lớn có thể khiến vũ trụ co lại ngay sau khi giãn nở. Để giải thích điều này, Alan Guth đã đưa ra giả thuyết về sự giãn nở lạm phát, cho phép vũ trụ tăng kích thước lên 10^30 lần chỉ trong một khoảnh khắc (từ 10^-35 đến 10^-32 giây sau vụ nổ). Vượt qua ranh giới mong manh giữa thành công và thất bại này, vũ trụ đã giãn nở và tạo ra mọi thứ, bao gồm cả chúng ta.
Đó là mô hình vũ trụ giãn nở lạm phát nóng tiêu chuẩn. Năm 1991, khi kính viễn vọng Hubble trên vệ tinh COBE đo được bức xạ nền vũ trụ còn sót lại từ vụ nổ, đúng như dự đoán, mô hình Big Bang đã được chấp nhận rộng rãi. Mặc dù Big Bang là mô hình tốt nhất hiện nay, nhưng nó vẫn còn nhiều vấn đề, bao gồm điểm kỳ dị và nguồn gốc cuối cùng. Vật lý tránh các điểm kỳ dị, nơi một đại lượng vật lý đạt giá trị vô hạn - điều chỉ tồn tại trong toán học trừu tượng. Big Bang là một điểm kỳ dị như vậy, và đó là điều cần tránh. Nếu Big Bang tạo ra vũ trụ, thì cái gì tạo ra Big Bang? Đây là lý do tại sao các nhà thần học rất ủng hộ mô hình này, coi Big Bang là hiện thân của Đấng Sáng Tạo.
Một cách để tránh vấn đề kỳ dị là Lý thuyết dây trong vật lý hạt cơ bản. Lý thuyết này cho rằng thành phần cơ bản nhất của vũ trụ không phải là hạt (như electron, quark...) mà là dây hoặc siêu dây với 10 chiều. Có 5 lý thuyết dây, và đến năm 1995, người ta nhận ra rằng chúng chỉ là các phiên bản của một lý thuyết cơ bản hơn, Lý thuyết Màng 11 chiều. Các dao động khác nhau của màng tạo ra các hạt cơ bản mà chúng ta quan sát được. Quan điểm cũ coi hạt cơ bản là điểm không có kích thước dẫn đến điểm kỳ dị, trong khi màng có kích thước xác định, mặc dù rất nhỏ.
Vấn đề về nguồn gốc cuối cùng phức tạp hơn. Một cách giải quyết là xem xét sự kết thúc của vũ trụ. Vũ trụ sẽ giãn nở mãi mãi hay co lại trong một Vụ Co Lớn (Big Crunch)? Nếu vũ trụ có đủ vật chất, lực hấp dẫn cuối cùng sẽ chiến thắng sự giãn nở và vũ trụ sẽ co lại thành một điểm kỳ dị. Vụ nổ tạo ra chúng ta có thể là kết quả của một vụ co trước đó. Đó là mô hình vũ trụ tuần hoàn của Wheeler, với các chu kỳ giãn nở và co lại nối tiếp nhau, giống như triết lý nhà Phật, một cách để tránh nguồn gốc cuối cùng.
Tuy nhiên, Big Crunch không phải là hình ảnh phản chiếu hoàn hảo của Big Bang. Khi vũ trụ co lại, các photon sẽ nhận thêm năng lượng do trường hấp dẫn mạnh. Kết quả là vũ trụ khi kết thúc sẽ nóng hơn lúc bắt đầu. Các vụ nổ sau này sẽ mạnh hơn. Điều này cho thấy vũ trụ vẫn cần một điểm khởi đầu cuối cùng, giống như mô hình chỉ có một Big Bang. Các nhà thơ vẫn chưa từ bỏ niềm đam mê của họ.
Quan điểm tuần hoàn ngụ ý rằng vũ trụ có đủ vật chất để co lại. Nhưng quan điểm này đã bị bác bỏ vào năm 1998. Quan sát các siêu tân tinh đã dẫn đến một kết luận mang tính cách mạng: vũ trụ đang giãn nở với tốc độ ngày càng nhanh. Đây là một tin không vui cho những người ủng hộ mô hình tuần hoàn, nơi vũ trụ và sự sống có thể được tái sinh vô tận.
Tại sao vũ trụ lại giãn nở ngày càng nhanh? Câu trả lời khá đơn giản: do thiếu vật chất cần thiết. Quan trọng hơn, có vẻ như vũ trụ chứa một dạng năng lượng đặc biệt có tác dụng phản trọng lực.
Trước đây, các nhà thiên văn học cho rằng vũ trụ chỉ chứa vật chất sáng thông thường. Khi nhận thấy tốc độ quay của các thiên hà quá nhanh, họ đã giả định sự tồn tại của vật chất tối, gấp 10 lần vật chất sáng (để lực hấp dẫn đủ cân bằng với lực ly tâm do thiên hà quay, nếu không thiên hà sẽ tan rã). Vật chất tối được chia thành hai loại: vật chất tối thông thường (như sao lùn nâu, lỗ đen...) và vật chất tối kỳ lạ (như neutrino có khối lượng, các hạt giả thuyết axion hoặc WIMP...). Giờ đây, chúng ta cần thêm một loại vật chất hoặc năng lượng mới, gọi là năng lượng tối, chiếm tới 2/3 khối lượng vũ trụ.
Bản chất của năng lượng tối, với áp suất âm (để tạo ra lực phản trọng lực), có lẽ là thách thức lớn nhất đối với vật lý và vũ trụ học.
Ứng cử viên đầu tiên là năng lượng chân không. Chân không vật lý không phải là hư vô mà chứa đầy các cặp hạt-phản hạt ảo sinh ra và hủy diệt liên tục do nguyên lý bất định Heisenberg. Theo nguyên lý này, không thể xác định chính xác đồng thời vị trí và động lượng của một hạt, hoặc giá trị và biến thiên của một trường vật lý. Do đó, năng lượng chân không phải khác không. Nếu bằng không, thì biến thiên cũng bằng không, nghĩa là cả hai đại lượng đều được xác định chính xác, điều mà nguyên lý bất định ngăn cấm. Trong chân không, các cặp hạt-phản hạt ảo liên tục được sinh ra và hủy diệt, ví dụ như có tới 10^30 electron ảo trong 1cm3! Chúng tạo ra các hiệu ứng có thể đo lường được, như hiệu ứng Casimir. Các tính toán cho thấy chúng tạo ra mật độ năng lượng lớn hơn 10^120 lần so với các dạng vật chất khác, một con số đáng kinh ngạc!
Ứng cử viên thứ hai là "thành phần thứ năm". Đơn giản nhất là một trường lượng tử thay đổi rất chậm theo thời gian, cơ chế giải thích cho giai đoạn giãn nở lạm phát. Một khả năng khác đến từ vật lý của các chiều không gian "ẩn", tức là dây 10 chiều hoặc màng 11 chiều. Trong lý thuyết này, vật chất thông thường nằm trên các màng ba chiều. Các màng này nằm rất gần nhau trong chiều thứ 11. Ánh sáng di chuyển theo các màng ba chiều đến mắt chúng ta phải mất hàng tỷ năm, trong khi lực hấp dẫn (hoặc phản hấp dẫn) tác động tức thời theo chiều không gian thứ 11, tạo ra giá trị ước tính rất lớn. Tuy nhiên, những khó khăn về toán học khiến việc xây dựng một mô hình hoàn chỉnh là bất khả thi, không chỉ trong hiện tại mà còn có thể trong tương lai.
Để giải quyết vấn đề kỳ dị và nguồn gốc cuối cùng, vào cuối năm 2001, các nhà khoa học Steinhardt, Turok, Khoury, Ovrut và Seiberg đã đề xuất mô hình màng va chạm, coi Big Bang không phải là điểm khởi đầu của không-thời gian mà là điểm chuyển tiếp giữa giai đoạn giãn nở và giai đoạn co lại trước đó. Đây là một mô hình tuần hoàn, nhưng có những ưu điểm so với các mô hình tuần hoàn khác.
Mô hình này giả định rằng vũ trụ của chúng ta là một màng ba chiều trôi nổi trong không gian bốn chiều. Một màng khác - một vũ trụ song song - nằm ngay bên cạnh ở khoảng cách cực nhỏ trong chiều thứ tư. Vũ trụ này gần hơn cả da của chúng ta, nhưng chúng ta không thể nhìn thấy hay chạm vào nó. Các màng này tương tác với nhau như được nối bằng lò xo: hút nhau khi ở xa và đẩy nhau khi ở gần, khiến chúng dao động và va chạm. Mỗi lần va chạm là một Big Bang. Năng lượng của Big Bang là năng lượng va chạm; các dao động mật độ (được quan sát trên bức xạ nền vũ trụ và là mầm mống hình thành các thiên hà) là các nếp nhăn trên màng. Trong quá trình dao động và va chạm, các màng vẫn có thể tự giãn nở.
So với mô hình lạm phát tiêu chuẩn, mô hình này có ưu điểm là không cần năng lượng tối để giải thích sự giãn nở ngày càng nhanh của vũ trụ. Năng lượng đó đến từ "lò xo". Theo Turok, một ưu điểm khác là điểm kỳ dị chỉ xuất hiện trong chiều thứ tư (khi hai màng va chạm, khoảng cách giữa chúng bằng không), nhẹ hơn so với các loại kỳ dị khác. Và vì các màng vẫn tiếp tục giãn nở trước và sau va chạm, photon sẽ không nhận thêm năng lượng, do đó Big Crunch không nóng hơn Big Bang, loại bỏ được nguồn gốc cuối cùng, một chủ đề được các nhà thần học ưa thích.
Tuy nhiên, mô hình này cũng có những vấn đề riêng. Thứ nhất, kỳ dị nhẹ nhất vẫn là kỳ dị. Thứ hai, không rõ các dao động nhỏ hay nếp nhăn trên màng được tái tạo như thế nào sau va chạm. Theo Linde, một trong những người xây dựng mô hình lạm phát, điều này giống như ném một chiếc ghế vào lỗ đen và hy vọng nó sẽ xuất hiện trở lại. Bản chất của lực lò xo cũng là một vấn đề nan giải. Tuy nhiên, nhiều nhà thiên văn học ủng hộ mô hình này, vì như lời Gabriele Veneziano, nhà vật lý lý thuyết dây nổi tiếng tại CERN, chúng ta dễ chấp nhận ý tưởng Big Bang là kết quả của một cái gì đó hơn là nguyên nhân của mọi thứ.
Các mô hình trên đều gặp phải vấn đề năng lượng tối. Vì vậy, từ năm 1983, Mordehai Milgrom (Israel) đã đề xuất MOND, tức là Động lực Newton biến đổi. Ông cho rằng định luật hai Newton F=ma sẽ trở thành F=ma^2 ở gia tốc thấp, khoảng 10^-10 m/s^2. Điều này có nghĩa là chỉ cần một lực nhỏ hơn hoặc ít vật chất hơn để tạo ra gia tốc cho các thiên hà, và do đó, không cần đến vật chất tối hay năng lượng tối.
Ban đầu, giới thiên văn học bác bỏ MOND. Nhưng những thành công của MOND trong việc giải thích sự hình thành và tiến hóa của thiên hà (các phép đo gần đây phù hợp với dự đoán của Milgrom nhiều năm trước) đã thuyết phục một số nhà khoa học. Tuy nhiên, họ không cho rằng định luật Newton là sai, mà coi MOND là một sự hiệu chỉnh có ý nghĩa thực tiễn, gọi nó là MIFF (Milgrom Fitting Formula).
Hãy xem xét nguyên lý Mach, cho rằng quán tính của một vật là do tương tác của nó với toàn bộ vũ trụ. Có thể hiểu rõ hơn bằng cách xem xét lực ly tâm tác dụng lên nước trong xô. Khi quay xô nước, mặt nước sẽ lõm xuống do lực ly tâm. Nhưng lực ly tâm có phải là do nước quay so với xô đứng yên không? Không, vì khi quay cả xô và nước với cùng tốc độ, mặt nước vẫn lõm xuống. Mach cho rằng mặt nước lõm xuống vì "biết" nó đang quay so với toàn bộ vũ trụ. Nói cách khác, quán tính là do tương tác của toàn bộ vũ trụ lên vật thể. Vì vậy, vũ trụ phải hữu hạn. Nếu vũ trụ là vô hạn, thì quán tính sẽ là vô hạn: mọi vật thể sẽ không thể thay đổi trạng thái chuyển động, điều này trái với thực tế.
Tuy nhiên, đó chỉ là đơn vũ trụ (universe) của chúng ta. Nhiều người giả định sự tồn tại của các vũ trụ song song hoặc đa vũ trụ (multiverse), mỗi vũ trụ có những quy luật riêng. Hãy nhớ lại mô hình màng va chạm, không chỉ hai mà có thể có nhiều màng. Hoặc hình dung việc thổi bong bóng xà phòng, mỗi bong bóng là một đơn vũ trụ. Các bong bóng có thể được nối với nhau bằng lỗ sâu (wormhole). Theo Thuyết tương đối rộng, lỗ sâu là đường tắt nối các vùng không-thời gian trong một bong bóng, hoặc thậm chí là giữa các bong bóng vũ trụ. Chúng cho phép năng lượng di chuyển giữa các bong bóng. Có thể Big Bang tạo ra vũ trụ của chúng ta chính là một sự phun trào năng lượng như vậy.
Như vậy, có thể chúng ta đang sống trong một đơn vũ trụ hữu hạn, là một trong vô số màng hay bong bóng của đa vũ trụ vô hạn. Cả những người ủng hộ vũ trụ hữu hạn và vô hạn đều có thể hài lòng.
Giả thuyết này giúp loại bỏ Đấng Sáng Tạo tối cao. Trong cuốn sách Giai điệu bí ẩn, Trịnh Xuân Thuận tin vào Đấng Sáng Tạo và cho rằng ông muốn đặt niềm tin vào hy vọng chứ không phải tuyệt vọng. Theo ông, việc tìm thấy một bong bóng phù hợp cho sự sống giữa vô số bong bóng là điều bất khả thi, và việc coi sự sống chỉ là ngẫu nhiên không thỏa mãn lòng tự trọng của con người. Tuy nhiên, tôi cho rằng vấn đề có thể ngược lại. Nếu con người được tạo ra bởi một Đấng tối cao, thì chúng ta chỉ là những con rối, không có ý chí tự do (chủ đề ưa thích của Bergson) hay khả năng lựa chọn để quyết định số phận của mình - một đặc điểm cơ bản của con người. Nếu chúng ta xuất hiện như một sự kết hợp kỳ diệu giữa ngẫu nhiên và tất yếu, chúng ta cần sống xứng đáng với sự ra đời khó khăn đó. Và điều này có thể mang ý nghĩa nhân văn.
Như đã nói ở trên, mỗi đơn vũ trụ là hữu hạn, nhưng đa vũ trụ có thể là vô hạn. Vậy điều đó có nghĩa là nó chứa năng lượng vô hạn, điều vô lý về mặt vật lý? May mắn là không phải vậy.
Nguyên lý bất định lượng tử cho phép các cặp hạt-phản hạt ảo, hoặc "bọt" năng lượng, xuất hiện từ chân không, miễn là chúng biến mất sau một khoảng thời gian ngắn. Bọt càng ít năng lượng thì tồn tại càng lâu. Vì năng lượng của trường hấp dẫn là âm, trong khi năng lượng của vật chất là dương, nên nếu đa vũ trụ là phẳng (mặc dù đơn vũ trụ có thể cong), hai dạng năng lượng này triệt tiêu lẫn nhau và năng lượng của đa vũ trụ bằng không. Khi đó, các quy tắc lượng tử cho phép nó tồn tại mãi mãi. Nói cách khác, chính sự bất định lượng tử đã cho phép vũ trụ sinh ra từ hư vô, một ý tưởng độc đáo đến mức khi nghe George Gamow kể lại tại Princeton vào những năm 1940, Einstein đã dừng lại giữa đường và suýt bị xe tông.
Chúng ta có thể hỏi, hư vô đến từ đâu? Nhưng có lẽ đó là một câu hỏi không phù hợp. Hợp lý hơn là hỏi, tại sao lại có sự bất định để vũ trụ có thể hình thành? Và liệu có những câu hỏi cơ bản hơn nữa hay không?
Cuối cùng, cần nhấn mạnh sự thống nhất giữa vi mô và vĩ mô. Chính nhờ tìm hiểu sâu vào bản chất vi mô mà khoa học có thể hiểu được hoạt động của vũ trụ. Quan điểm cho rằng chủ nghĩa giản lược (reductionism), một phương pháp tiếp cận dựa trên phân tích để đi sâu vào cấu trúc vi mô của thế giới, đã mất khả năng nhận thức là không có cơ sở. Trong cuốn sách Các giấc mơ về lý thuyết cuối cùng (1992), Steven Weinberg, nhà vật lý đoạt giải Nobel vì đã thống nhất tương tác yếu và điện từ, đã dành hai chương để phê phán các nhà triết học và bảo vệ chủ nghĩa giản lược và phương pháp phân tích.
