Cách nay 20 năm, người ta tưởng chừng như thuyết Big Bang có thể giải thích được nguồn gốc của vũ trụ, và câu chuyện về khai thiên lập địa xem như cham dứt ở đây. Nhưng sau đó, các nhà thiên văn lại nhìn thấy vô số thiên thể khác cũng đang có hiện tượng bùng nổ.
Vậy thì vũ trụ đang có vô số những Big Bang khác mà chúng ta chỉ là một thành phần trong đó! Big bang không phải là giải đáp sau cùng và khi làm việc, các nhà thiên văn vật lý đã gặp phải những bất hợp lý dựa trên mô hình vũ trụ này. Từ đó đã dần dần ra đời giả thuyết Big Bounce: vũ trụ bùng phát lên rồi co cụm lại và tiếp tục bùng phát một vũ trụ tuần hoàn.
Câu chuyện ra đời của vũ trụ thường được những “người lớn” ngày nay kể lại như sau : cách nay gần 14 tỉ năm, một khối năng lượng khổng lồ xuất phát từ hư không biến thành vật chất. Trong một giây phút cực kỳ ngắn ngủi của giãn nở nhanh, khối năng lượng bùng phát đó tràn ngập vũ trụ như một quả bong bóng. Sự giãn nở kéo dài bất kỳ đường cong khổng lồ nào, dẫn đến một hình dáng mà ngày nay chúng ta mô tả là phẳng. Vật chất cũng qua đó mà trộn lẫn vào nhau đến nỗi bây giờ vũ trụ có vẻ như rộng đến vô tận. Đó đây, những khối hạt khổng lồ đã tạo nên các thiên hà và ngôi sao. Nhưng chúng chỉ là những hạt nhỏ li ti trên một bức tranh vũ trụ hoành tráng.
Lý thuyết này, mà sách giáo khoa gọi là “vũ trụ giãn nở” thích hợp với mọi quan sát cho đến ngày hôm nay, và được hầu hết các nhà vũ trụ học xem như là kinh điển. Nhưng đã có một số người phát hiện ra nó không ổn! Trong một số vùng không-thời gian, sự giãn nở nhanh đó không bao giờ chấm dứt. Kết quả là sự giãn nở này đã tạo ra vô số vũ trụ, một bức tranh đủ màu sắc của vô số vũ trụ khác nhau, mà nơi chúng ta đang trú ngụ chỉ là một! Với những kẻ chỉ trích: giãn nở tiên đoán mọi sự, có nghĩa là cuối cùng chẳng tiên đoán được gì cả! Giáo sư Paul Steinhardt, một người từng nhiệt thành với vũ trụ Big Bang, cũng là kẻ chỉ trích nó dữ dội nhất cho biết: “Giãn nở không có tác dụng như nó mong muốn”.
Trong những năm gần đây, ông và một số bằng hữu đã kể một câu chuyện khác về sự thành hình của trời đất. Họ làm sống lại ý tưởng về một vũ trụ tuần hoàn: nó liên tục giãn nở ra và… co cụm lại! Họ hy vọng tái tạo vũ trụ mà ta từng nhìn thấy: dẹp và phẳng, không mang theo những “hành lý nặng nề” của Big Bang!
Ông và các đồng nghiệp gia nhập một nhóm chuyên môn lập mô hình vi tính hấp lực. Họ phân tích một vũ trụ sụp đổ sẽ thay đổi cấu trúc ra sao và cuối cùng phát hiện ra rằng sự co rút này có thể tạo ra giãn nở ở giai đoạn cuối cùng. Không cần biết vũ trụ trước khi co rút vặn vẹo và kỳ quái thế nào, sự sụp đổ sẽ xóa sạch phần lớn vết nhăn nheo nguyên thủy.
Bức ép quan điểm
Trong 1,5 năm qua, một quan điểm mới về vũ trụ tuần hoàn (ekpyrotic) đã xuất hiện từ sự cộng tác giữa Steinhardt và Anna Ijjas, một nhà vũ trụ học thuộc Viện Vật lý hấp lực Max Planck tại Đức và nhiều người khác, một vũ trụ tái sinh không sụp đổ.
Khi quan sát sự giãn nở và co rút, người ta thường tập trung vào một vũ trụ giống như quả bong bóng thay đổi kích thước được mô tả bằng một yếu tố tỉ lệ. Nhưng một kích thước thứ nhì là bán kính Huble, tức khoảng cách xa nhất mà ta có thể nhìn thấy được, lại bị rút ngắn một chút. Các phương trình của thuyết Tương đối rộng cho phép chúng thay đổi một cách độc lập và quan trọng nhất là bạn có thể đập dẹp vũ trụ bằng cách thay đổi cả hai.
Hình ảnh một con kiến trên quả bóng. Giãn nở giống như thổi quả bong bóng. Nó đặt nhiệm vụ làm dẹp và trơn láng nguyên thủy trên vũ trụ căng phồng. Tuy nhiên, trong vũ trụ tuần hoàn, bằng phẳng diễn ra trong giai đoạn co rút. Trong lúc này, quả bóng hơi xẹp một chút, nhưng sự việc thật đã xảy ra bởi một chân trời co rút dữ dội. Nó giống như con kiến nhìn mọi vật qua một chiếc kính lúp có độ hội tụ ngày càng mạnh hơn. Khoảng cách nó có thể nhìn thấy co rút lại; vì thế, thế giới của nó ngày càng to lớn hơn.
Vũ trụ giãn nở với vũ trụ chu kỳ
Ở kích thước lớn nhất, cấu trúc của vũ trụ phẳng và dẹp đến mức kinh ngạc. Làm sao nó có thể xảy ra được?
Vũ trụ giãn nở: Vũ trụ sơ sinh giãn nở nhanh, làm bằng phẳng bất kỳ cục bướu nào trong cấu trúc lớn nhất của nó. Big Bang: Vũ trụ bắt đầu từ một điểm. Với thời gian, những điểm uốn tỉ trọng nhỏ, tạo ra cái mà chúng ta nhìn thấy hôm nay.
Vũ trụ tuần hoàn: Vũ trụ không có bắt đầu, cũng không có kết thúc. Những co rút theo chu kỳ làm cho cấu trúc của nó phẳng lại. Một chùm vũ trụ co rút. Sự co rút làm bằng phẳng bất kỳ cục bướu nào. Với thời gian, những điểm uốn nhỏ lớn dần lên.
Steinhardt và nhóm của ông tưởng tượng ra một vũ trụ giãn nở trong khoảng 1.000 tỉ năm, do sức kéo của một trường năng lượng hiện diện khắp nơi ( giả thiết ) mà ta thường gọi là “năng lượng đen”. Khi trường năng lượng này ngẫu nhiên phát triển chậm lại, vũ trụ bắt đầu co rút nhẹ. Qua hàng tỉ năm, yếu tố co rút kích thước làm cho mọi vật gần nhau hơn. Nhưng không phải tất cả đều dồn về một điểm. Thay đổi khốn khổ đến từ bán kính Hubble, dồn nén tất cả lại thành một điểm nhỏ li ti. Vũ trụ co rút tái nạp cho trường năng lượng, đốt nóng lên và làm cho các nguyên tử bốc hơi. Một bùng nổ tiếp theo, và một chu kỳ mới tiếp tục.
Trong mô hình chu kỳ, bán kính Hubble bảo đảm cho một vũ trụ dẹp và bằng phẳng, và khi giãn nở, thổi bay ra nhiều bất hoàn hảo khởi thủy để biến thành những điểm đa-vũ trụ khổng lồ. Co rút chậm sẽ làm cho chúng biến mất. Chúng ta chỉ còn lại một vũ trụ không có khởi đầu, không có kết thúc, không có bất thường của Big Bang và không có đa-vũ trụ.
Từ bất cứ vũ trụ nào đến vũ trụ của chúng ta
Thách thức cho cả hai vũ trụ giãn nở và tuần hoàn là chứng minh cho thấy trường năng lượng mà chúng được tạo thành, không cần biết khởi đầu như thế nào. Ijjas nói: “Triết lý của chúng ta là không có triết lý. Bạn biết việc đó thông suốt khi không cần phải hỏi trong điều kiện nào nó mới thông suốt”.
Bà và Ateinhardt chỉ trích giãn nở vì phải làm công việc của mình trong một số điều kiện đặc biệt, như khi trường năng lượng của nó hình thành không có nét đặc trưng đáng kể nào và rất ít chuyển động. Các lý thuyết gia đã nói đến tình huống này một cách rất qua loa, một phần vì họ chỉ có những thí dụ rút ra từ tính toán trên lý thuyết. Trong các mô hình vi tính mới đây mà Ijjas và Steinhardt mô tả trong hai bài báo công bố trên mạng Internet vào tháng 6.2020, họ căng thẳng kiểm tra mô hình co rút nhẹ với một loạt vũ trụ sơ sinh rất khó phân tích.
Áp dụng mật mã do Frans Pretotius, thuộc Đại học Princeton. chuyên gia các mô hình vi tính của thuyết Tương đối rộng, phát minh, họ khảo sát các môi trường vặn vẹo và vón cục, các môi trường đi sai hướng và cả các môi trường chạy về hướng đối nghịch. Gần như trong từng trường hợp, sự co rút đã nhanh chóng tạo ra một vũ trụ nhàm chán như của chúng ta. Steinhardt nói: “Trong những co rút chậm, nó phẳng phiu trông giống như một tấm lụa”.
Katy Clough, nhà vũ trụ học thuộc Đại học Oxford, chuyên gia kỹ thuật số của thuyết Tương đối rộng, nói đáp án mới này rất dễ hiểu. Nhưng bà cũng lưu ý là do những tiến bộ tin học mới đây mới làm cho kiểu phân tích này khả dĩ được. Vì thế, tất cả các điều kiện để giãn nở có thể xảy ra vẫn còn chưa được khám phá. Bà nói: “Mới khám phá được phân nửa, còn cần phải làm việc thêm nữa”.
Trong khi mô hình của Steinhardt và Ijjas thu hít nhiều sự chú ý khác nhau, các nhà khoa học đều đồng ý là vũ trụ giãn nở vẫn còn là một mô hình chưa ổn. Gregory Gabadadze, nhà vũ trụ học thuộc Đại học New York nói: “Co rút chậm cho đến lúc này, chưa phải là một đối thủ ngang tầm”.
Lý thuyết vũ trụ tuần hoàn còn cần phải được bổ xung nhiều hơn nữa, đặc biệt là phải tìm thấy những tương tác mới để mọi vật có thể tách rời nhau, trong giai đoạn giãn nở kế tiếp. Ijjas đã có một lý thuyết thích ứng với thuyết Tương đối rộng, với một tương tác mới giữa không gian-thời gian và nghi ngờ các cơ chế khác cũng hiện hữu. Bà dự định đưa mô hình của mình vào máy tính để hiểu rõ chi tiết thái độ của nó.
Nhóm nghiên cứu hy vọng sau khi nối kết được giai đoạn giãn nở và co rút lại với nhau, sẽ tìm thấy một vũ trụ tuần hoàn duy nhất mà các nhà thiên văn học có thể chấp nhận được. Steinhardt cảm thấy rất lạc quan với hy vọng mô hình vũ trụ này có thể thay thế cho Big Bang, vốn đang phát sinh ra vô số vũ trụ khác, khi ông nói: “Khối đá cản đường mà tôi lo sợ nhất đã vượt qua được.Tôi không còn bị thức giấc bất ngờ vào lúc giữa đêm nữa”.
Lai lịch tìm kiếm gần 20 năm của Big Bounce
Năm 2003, Peter Lynds đề xướng một mô hình vũ trụ mới, trong đó thời gian là tuần hoàn. Theo lý thuyết của ông, Vũ trụ sẽ có lúc ngưng giãn nở và bắt đầu co rút lại. Trước khi đến một dạng đặc biệt như dự kiến trong lý thuyết về lỗ đen của Stephen Hawking, vũ trụ có thể bùng lên. Lynds nói dạng đặc biệt này có thể vi phạm quy luật thứ 2 của nhiệt động học, và ngăn nó không bị trói buộc bởi dạng đặc biệt này. Big Crunch (Đại Co cụm) có thể làm cho nó tránh được một Big Bang mới. Lịch sử chính xác của vũ trụ có thể lặp lại trong từng chu kỳ qua một tái xuất vĩnh viễn. Nhiều ngừoi phê phán: vũ trụ có thể tuần hoàn, nhưng tất cả lịch sử của nó phải khác biệt. Lý thuyết của Lynds đã bị các nhà vật lý học chính thống bác bỏ vì thiếu mô hình toán học nằm sau những suy luận triết lý.
Năm 2006, người ta đề nghị áp dụng kỹ thuật hấp lực lượng tử vòng (loop quantum gravity) vào vũ trụ Big Bang, có thể dẫn đến bùng phát mà không cần đến một vũ trụ tuần hoàn.
Năm 2010, Roger Penrose đề xướng một lý thuyết được gọi là “vũ trụ chu kỳ phù phép”, nói rằng vũ trụ sẽ giãn nở cho đến khi tất cả vật chất đều tiêu tan thành ánh sáng. Bởi vì chẳng có gì trong vũ trụ nên cũng chẳng có thời gian hay không gian trong đó, nó giống như Big Bang, tạo thành một kiểu Big Crunch (Đại Co cụm), để biến thành một Big Bang mới, từ đó khởi đầu một chu kỳ kế tiếp.
Năm 2011, Nikodem Poplawski chứng minh Big Bounce xuất hiện một cách tự nhiên trong lý thuyết hấp lực Einstein-Cartan-Sciama-Kibble. Thuyết này mở rộng lý thuyết Tương đối rộng bằng cách loại bỏ cân đối trong liên kết và xem phần bất cân đối torsion tensor như là một động lực khác. Nó dẫn đến kịch bản vũ trụ hiện nay trông như phẳng phiu, đồng đều và đẳng hướng, không có bóng dáng nào của giãn nở.
Năm 2012, một lý thuyết mới về Big Bounce thích ứng thành công với tiêu chuẩn hấp lực của Einstein. Nó tổng hợp được lợi ích của vật chất bùng nổ với vũ trụ tuần hoàn. Những khối lỗ đen khổng lồ xuất hiện sau Big Bang là điều rất khó giải thích, như đã được các nhà thiên văn phát hiện tại thiên thể ULAS J1342+0928, có thể là bằng chứng của một Big Bounce. Nó được hình thành trước khi diễn ra một Big Bounce.
- Xem thêm: Những sự thật bất ngờ nhất
