Bí ẩn của vũ trụ: Những gì tồn tại trước vụ nổ Big Bang?

Theo tôi hiểu thì không có gì là tự nhiên sinh ra. Để một vật tồn tại thì cần phải có vật liệu hay vật chất nào đó, và để những thứ đó có sẵn, thì phải có thứ gì đó khác tồn tại. Vậy vật liệu tạo ra Vụ Nổ Lớn (Big Bang) đến từ đâu, và điều gì xảy ra trong khoảnh khắc đầu tiên tạo ra vật chất đó? – Peter, 80 tuổi, Úc. 

“Ngôi sao cuối cùng sẽ nguội dần và rồi trở nên nhạt nhòa. Khi nó chết đi, Vũ Trụ sẽ một lần nữa trở thành khoảng không, không ánh sáng, không sự sống, không có ý nghĩa gì.” Nhà vật lý học Brian Cox cảnh báo như vậy trong một loạt chương trình gần đây của BBC có tên là Universe (Vũ Trụ).

Sự tàn lụi của ngôi sao cuối cùng đó sẽ chỉ là khởi đầu của kỷ nguyên tăm tối kéo dài vô tận. Tất cả vật thể cuối cùng sẽ bị hố đen tai ác nuốt hết, rồi đến lượt chúng cũng sẽ bốc hơi thành tia sáng leo lét mờ nhạt nhất. Không gian sẽ mở rộng ra bên ngoài cho đến khi thậm chí tia sáng mờ nhạt đó cũng trở nên quá xa để tương tác. Hoạt động sẽ lụi tàn dần.

Nhưng mọi sự có phải sẽ diễn ra như vậy không?

Điều kỳ lạ là có một số nhà vũ trụ học tin rằng vũ trụ lạnh lẽo tối tăm trước đó cũng như vũ trụ sẽ tồn tại trong tương lai xa của chúng ta có thể lại chính là nguồn gốc của vụ nổ Big Bang của chúng ta.

Vật chất đầu tiên

Nhưng trước khi nói đến đó, hãy xem thử xem “chất liệu” – vật chất vật lý đầu tiên xuất hiện như thế nào.

Nếu ta giải thích rằng nguồn gốc của vật chất ổn định là từ nguyên tử hay phân tử, thì dĩ nhiên là không hề có những thứ đó ở thời điểm xảy ra vụ nổ Big Bang cũng như trong hàng trăm ngàn năm sau đó.

Trong thực tế, chúng ta hiểu biết khá chi tiết về cách nguyên tử đầu tiên hình thành từ những hạt đơn giản hơn, nguội dần để các vật chất phức tạp có thể ổn định, và cách những nguyên tử này sau đó phối hợp với nhau tạo thành những nhân tố nặng hơn bên trong các ngôi sao.

Nhưng cách giải thích đó không phải là đáp án thỏa đáng cho câu hỏi “bằng cách nào mà một thứ gì đó có thể xuất hiện từ hư không?”.

Vì vậy, hãy nghĩ xa hơn nữa về quá khứ. Những hạt vật chất đầu tiên sống trường tồn là các loại hạt proton và neutron, và chúng cùng với nhau tạo thành hạt nhân nguyên tử.

Những hạt này bắt đầu tồn tại vào khoảng một phần mười ngàn giây sau khi xảy ra vụ nổ Big Bang. Trước thời điểm đó, thực sự không hề có vật chất nào theo bất cứ nghĩa nào của từ này. Nhưng các nhà vật lý vẫn để ta tiếp tục theo dòng thời gian trở về quá khứ – đến với quá trình vật lý xảy ra trước khi có bất kỳ vật chất ổn định nào tồn tại.

Điều này dẫn ta đến “đại kỷ nguyên hợp nhất”.

Đến lúc này thì ta đã hoàn toàn ở trong lãnh địa của vật lý lý thuyết, bởi chúng ta không thể tạo ra mức năng lượng cần thiết để thực hiện thí nghiệm thăm dò quy trình có thể đã diễn ra vào thời điểm đó.

Nhưng giả thiết hợp lý là thế giới vật chất được tạo thành từ một nồi lẩu gồm lẫn lộn những hạt vật chất sơ khai có tuổi thọ ngắn, trong đó có hạt quark, là thành tố cấu tạo nên các hạt proton và neutron.

Cả vật chất lẫn “phản vật chất” đều tồn tại với số lượng gần tương đương nhau. Mỗi loại hạt vật chất, như hạt quark, đều có một phản vật chất “hình ảnh phản chiếu” đi kèm, gần giống hệt chính nó, chỉ khác ở một điểm duy nhất.

Có phải vật chất tối tạo ra vũ trụ?

Tuy nhiên, vật chất và phản vật chất đều bị hủy diệt trong ánh chớp năng lượng khi chúng gặp nhau, nghĩa là những hạt rất nhỏ này liên tục được tạo ra và liên tục bị phá hủy.

Thuyết trường lượng tử cho chúng ta biết rằng thậm chí một khoảng chân không – được cho là tương ứng với không thời gian trống rỗng – cũng có đầy các hoạt động vật lý ở dạng dao động năng lượng. Những dao động này có thể làm tăng lượng hạt vỡ ra, để rồi chúng biến mất ngay sau đó.

Điều này nghe có vẻ như một phép toán kỳ quặc chứ không phải là vật lý hiện thực, nhưng những hạt vật chất như thế đã được tìm thấy trong vô số thí nghiệm.

Tình trạng chân không không thời gian thì luôn xảy ra xáo trộn với những hạt vật chất liên tục được tạo ra và phá hủy thì có vẻ như phát sinh “từ hư không”. Nhưng có lẽ tất cả những điều này thực sự cho ta biết rằng chân không lượng tử (tuy có tên là vậy nhưng) lại là thứ gì đó chứ không phải là hư không.

Triết gia David Albert nổi tiếng từng chỉ trích những người cho rằng vụ nổ Big Bang tạo ra mọi thứ từ hư không theo cách này.

Chẳng hạn nếu ta đặt câu hỏi: Vậy không thời gian xuất hiện từ đâu? Rồi ta có thể quay ngược thời gian về quá khứ xa hơn nữa, trở về “kỷ nguyên Planck” thực sự cổ xưa, là giai đoạn trong lịch sử vũ trụ xưa đến mức những lý thuyết tốt nhất ta có về vật lý cũng sụp đổ.

Kỷ nguyên này xảy ra chỉ một phần triệu của một phần tỷ tỷ của một phần tỷ tỷ của một phần tỷ tỷ của giây sau khi vụ nổ Big Bang xảy ra. Đến lúc này, tự thân không gian và thời gian đã trở thành chủ thể của dao động lượng tử.

Các nhà vật lý học thường làm việc tách biệt giữa thuyết cơ học lượng tử (quantum mechanics), gồm các quy luật xảy ra trong thế giới vi mô của các hạt vật chất, với thuyết tương đối tổng quát (general relativity), gồm các quy luật áp dụng trên quy mô lớn tầm vũ trụ. Nhưng để thực sự hiểu Kỷ nguyên Planck, ta cần có một thuyết hoàn chỉnh về hấp dẫn lượng tử, kết hợp cả hai thuyết kia.

Ta vẫn chưa tìm ra được thuyết hoàn hảo về hấp dẫn lượng tử, nhưng vẫn có những nỗ lực – như lý thuyết dây và lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng. Trong những nỗ lực này, không gian và thời gian thông thường vẫn được coi là đang hình thành, như những đợt sóng trên bề mặt biển sâu.

Những gì ta trải nghiệm dưới dạng không gian và thời gian là sản phẩm của quá trình lượng tử vận hành ở cấp độ vi mô sâu hơn – là các tiến trình không có ý nghĩa nhiều lắm với ta, những sinh vật bắt nguồn từ thế giới vĩ mô.

Trong kỷ nguyên Planck, hiểu biết thông thường của ta về không gian và thời gian hoàn toàn không ứng dụng được, vì vậy ta không thể nào dựa vào kiến thức thông thường về nguyên nhân – kết quả nữa.

Dù vậy, tất cả những lý thuyết về hấp dẫn lượng tử đều mô tả về thứ vật chất gì đó diễn ra trong kỷ nguyên Planck – một chỉ dấu lượng tử của không gian và thời gian thông thường.

Nhưng thứ đó đến từ đâu?

Thậm chí nếu quan hệ nhân quả không còn có ý nghĩa theo lẽ thông thường, thì người ta vẫn có thể giải thích một phần của vũ trụ trong Kỷ nguyên Planck theo nghĩa khác. Không may là, cho đến hiện nay thì thậm chí kiến thức vật lý tốt nhất mà ta có được vẫn không hoàn toàn đưa ra được câu trả lời.

Cho đến khi ta có tiến bộ xa hơn về “thuyết vạn vật”, ta sẽ không thể đưa ra câu trả lời chắc chắn nào. Thứ ta có thể trả lời tự tin nhất ở giai đoạn này là cho đến nay, vật lý học không thể xác nhận rằng có thứ gì đó xuất hiện từ hư không.

Những chu kỳ bắt đầu từ gần như là hư không 

Để thực sự trả lời cho câu hỏi bằng cách nào một thứ gì đó có thể xuất hiện từ hư không, ta sẽ cần giải thích tình trạng lượng tử của toàn bộ Vũ Trụ vào giai đoạn bắt đầu Kỷ nguyên Planck.

Tất cả nỗ lực thực hiện điều này hiện vẫn còn dựa trên suy đoán. Có một số suy đoán dựa vào những thế lực siêu nhiên, chẳng hạn như đấng sáng thế. Nhưng các cách giải thích khác vẫn được đưa đa trong khuôn khổ vật lý học – chẳng hạn như thuyết đa vũ trụ, theo đó cho rằng có vô số những vũ trụ tồn tại song song, hay thuyết vũ trụ tuần hoàn theo chu kỳ, đang được sinh ra và lại tiếp tục tái sinh.

Nhà vật lý đoạt giải Nobel vật lý năm 2020, Roger Penrose, nêu ra một mô hình hấp dẫn nhưng gây tranh cãi về vũ trụ tuần hoàn theo chu kỳ với tên gọi “vũ trụ học tuần hoàn thích ứng”.

Penrose lấy cảm hứng từ kết nối toán học thú vị giữa trạng thái rất nóng, đặc và kích cỡ nhỏ của Vũ Trụ – vào thời vụ nổ Big Bang – và giai đoạn vũ trụ phình to, trống rỗng và cực kỳ lạnh giá – sẽ xảy ra trong tương lai xa.

Theo thuyết cấp tiến của ông thì tương quan này tồn tại là do tình trạng này trở nên đồng dạng oán học khi đạt tới giới hạn của nó.

Nghe thì có vẻ nghịch lý, nhưng việc hoàn toàn không có sự tồn tại của vật chất có thể đã khiến cho tất cả vật chất quanh ta trong Vũ Trụ xuất hiện.

Theo thuyết này, vụ nổ Big Bang xuất hiện gần như từ hư không. Đó là những gì còn sót lại khi tất cả vật chất trong một vũ trụ nào đó bị lỗ đen hút vào hết, sau đó sôi sùng sục thành các hạt photon – rồi biến mất vào khoảng không.

Toàn bộ vũ trụ vì vậy xuất hiện từ một thứ mà – nếu nhìn từ góc nhìn vật lý khác – tiệm cận đến mức gần như là hư không. Nhưng thứ hư không đó vẫn là một dạng thức của vật chất. Nó vẫn là một vũ trụ vật chất, dù trống rỗng đến đâu.

Câu trả lời nằm ở một quy trình toán học phức tạp gọi là “thay đổi tỷ lệ phù hợp”, một quá trình chuyển biến hình học làm thay đổi kích cỡ nhưng giữ nguyên hình dạng của vật thể.

Penrose cho thấy tình trạng lạnh – đặc và tình trạng nóng – đặc có thể liên quan với sự thay đổi tỷ lệ đó, để chúng có thể khớp với hình dạng trong không thời gian của chúng, tuy không khớp với kích cỡ của chúng.

Phải nói rằng rất khó có thể hiểu bằng cách nào mà hai vật thể giống hệt nhau theo cách này khi chúng có kích cỡ khác nhau – nhưng Penrose lập luận rằng ý tưởng về kích cỡ có thể không còn có ý nghĩa gì trong những môi trường vật chất cực đoan như vậy.

Trong vũ trụ tuần hoàn thích ứng, hướng giải thích đi từ già – lạnh đến trẻ – nóng, đó là trạng thái nóng – đặc tồn tại chính là bởi vì trạng thái trống rỗng – lạnh lẽo.

Nhưng cái “bởi vì” này nghe không quen tai cho lắm – khi mà nói rằng căn nguyên xảy ra lại là do tác động của nó. Không phải chỉ có kích cỡ là trở nên không còn quan trọng trong tình trang cực đoan này, mà cả thời gian cũng vậy.

Tình trạng lạnh – đặc và tình trạng nóng – đặc có tác dụng trong những khoảng thời gian khác nhau. Tình trạng lạnh – trống rỗng sẽ có thể tiếp tục kéo dài vĩnh viễn từ góc độ người quan sát trong hình khối thời gian của chính nó, nhưng trạng thái nóng – đặc nó đem lại sẽ khiến có một khoảng thời gian của riêng nó tồn tại.

Sẽ là hữu ích khi ta hiểu được rằng trạng thái nóng – đặc thì được sản sinh từ trạng thái trống rỗng – lạnh theo những cách không theo quy luật nguyên nhân – kết quả.

Có lẽ ta nên nói rằng trạng thái nóng – đặc xuất hiện từ, hoặc bắt nguồn từ, hoặc có thể nhận ra từ, trạng thái lạnh – trống rỗng. Có những ý tưởng siêu hình đặc thù mà các nhà triết gia khoa học đã khám phá chuyên sâu, đặc biệt trong bối cảnh trọng lượng lượng tử, nơi quan hệ nguyên nhân – kết quả có vẻ không còn chính xác. Với những giới hạn tri thức mà chúng ta đã đạt được cho tới nay, thì vật lý và triết học trở nên rối rắm khó tháo gỡ.

Bằng chứng thể nghiệm? 

Thuyết vũ trụ học tuần hoàn chu kỳ đem lại một số câu trả lời tuy mang tính phán đoán nhưng chi tiết để giải đáp cho câu hỏi Big Bang của chúng ta đến từ đâu.

Nhưng thậm chí nếu tầm nhìn của Penrose có thể sẽ được làm rõ với những tiến bộ trong tương lai về vũ trụ, ta có thể vẫn nghĩ rằng ta không thể trả lời cho câu hỏi sâu hơn về mặt triết học – đó là, hiện thực vật chất này đến từ đâu, bằng cách nào mà toàn bộ hệ thống tuần hoàn theo chu kỳ này xuất hiện?

Sau đó, ta cuối cùng sẽ chỉ còn lại câu hỏi duy nhất tại sao lại phải có gì đó mà không phải là hư không – một trong những câu hỏi lớn nhất của siêu hình học.

Có ba lựa chọn phổ quát với câu hỏi sâu sắc hơn về việc các chu kỳ đó bắt đầu thế nào.

Có thể chẳng có giải thích vật lý nào cả.

Hoặc có thể là vô số chu kỳ lặp đi lặp lại, mỗi chu kỳ là một vũ trụ của riêng nó, với trạng thái lượng tử ban đầu của mỗi vũ trụ có thể được giải thích từ một vài tính chất của vũ trụ trước đó.

Hoặc đó có thể là một chu kỳ duy nhất, lặp lại đi lặp lại với sự bắt đầu của chu kỳ đó được giải thích bằng một số tính chất của chính sự kết thúc của chính nó.

Hai cách tiếp cận sau thì không cần đến bất kỳ sự kiện vô nguyên cớ nào – và điều này khiến chúng cực kỳ hấp dẫn. Không có gì mà vật lý học lại không giải thích được.

Penrose hình dung một chuỗi các chu kỳ mới bất tận với lý do một phần có liên hệ với cách diễn giải riêng của ông về thuyết lượng tử.

Trong cơ học lượng tử, một hệ thống vật lý tồn tại với nhiều trạng thái chồng chất lên nhau vào cùng một thời điểm, và hệ thống chỉ ngẫu nhiên “chọn một”.

Với Penrose, mỗi chu kỳ liên quan đến những sự kiện lượng tử ngẫu nhiên sẽ cho ra một kết quả khác nhau – nghĩa là mỗi chu kỳ sẽ đều khác với những chu kỳ trước và sau nó.

Điều này thực ra là tin tốt cho các nhà vật lý thể nghiệm, vì nó có thể cho phép ta có được cái nhìn thoáng qua về vũ trụ cũ, vốn có thể là thứ khởi đầu cho vũ trụ của ta thông qua những dấu vết mờ nhạt, hoặc những điều dị thường trong bức xạ rơi rớt lại từ vụ nổ lớn Big Bang mà vệ tinh Planck có thể quan sát thấy.

Penrose và cộng sự tin rằng có thể họ đã tìm thấy một số dấu vết; những mô thức trên dữ liệu Planck được cho là bức xạ phát sinh từ những lỗ đen siêu khổng lồ trong vũ trụ trước đó. Tuy nhiên, những quan sát mà họ đưa ra đã vấp phải chất vấn từ những nhà vật lý khác và kết luận cuối cùng vẫn chưa được đưa ra.

Những chu kỳ bất tận là điểm then chốt trong quan điểm của Penrose. Nhưng vẫn có cách tự nhiên để chuyển vũ trụ học tuần hoàn thích ứng từ hình thức nhiều chu kỳ sang kiểu một chu kỳ.

Tiếp đến, thực tại vật lý bao gồm một chu kỳ đơn lẻ xoay quanh vụ nổ lớn Big Bang để xuyên đến trạng thái trống rỗng tối đa trong tương lai xa – và sau đó lại xoay vòng một lần nữa quanh chính vụ nổ lớn Big Bang đó, để khiến chính vũ trụ đó xuất hiện một lần nữa lại từ đầu.

Khả năng sau khá thống nhất với một cách diễn giải khác về cơ học lượng tử, có tên là cách diễn giải đa thế giới.

Cách diễn giải đa thế giới cho ta biết rằng mỗi khi ta đo đạc một hệ thống trong trạng thái chồng chất, cách đo đạc này không mặc nhiên chọn lựa một trạng thái.

Thay vào đó, kết quả đo đạc mà ta thấy chỉ là một khả năng – chính là khả năng đã xảy ra trong Vũ Trụ của ta.

Những kết quả đo đạc khác cũng đều xảy ra ở các thiên hà khác trong hệ đa vũ trụ, hoàn toàn tách biệt với vũ trụ của ta.

Vì vậy, bất kể là chỉ có khả năng nhỏ tới bao nhiêu để một điều gì đó xảy ra, thì nó sẽ xảy ra ở một thế giới lượng tử song song với thế giới của chúng ta.

Có những người giống bạn ngoài kia ở thế giới khác trúng xổ số, hoặc bị thổi bay vào mây vì một cơn bão ghê rợn, hoặc thình lình tự bốc cháy, hoặc có thể xảy ra cả ba tình huống cùng lúc.

Một số người tin rằng ta có thể quan sát những vũ trụ song song đó nhờ vào dữ liệu vũ trụ học, bởi có những dấu vết để lại khi một vũ trụ khác va chạm với Vũ trụ của chúng ta.

Thuyết lượng tử đa thế giới nêu ra một điểm bất ngờ trong thuyết vũ trụ tuần hoàn theo chu kỳ, dù đây không phải là điều mà Penrose đồng tình. Vụ nổ lớn Big Bang của ta có thể là sự tái sinh của một đa vũ trụ lượng tử, nơi vô cùng nhiều các vũ trụ khác tồn tại đồng thời.

Mọi khả năng đều có thể xảy ra – sau đó nó xảy ra một lần nữa, một lần nữa, rồi lại một lần nữa.

Truyền thuyết cổ xưa

Với một nhà triết gia khoa học, tầm nhìn của Penrose cực kỳ thú vị. Nó mở ra những khả năng mới nhằm giải thích vụ nổ Big Bang, đưa những giải thích của ta vượt qua giới hạn thông thường của trục nguyên nhân – kết quả.

Vì vậy, đó là trường hợp thử nghiệm quan trọng để khám phá những cách thức khác nhau, dựa vào vật lý học để giải thích thế giới của ta. Nó xứng đáng được các nhà triết học chú ý nhiều hơn.

Với một người yêu thích truyền thuyết, tầm nhìn của Penrose cực kỳ thú vị. Trong dạng thức đa chu kỳ mà Penrose yêu thích, nó hứa hẹn vô số những thế giới mới tạo sinh từ tro tàn của tổ tiên chúng.

Trong dạng thức một chu kỳ, nó là tiếng gọi hiện đại gợi nhắc ý tưởng cổ xưa về ouroboros – tức là con rắn khổng lồ.

Trong thần thoại Bắc Âu, rắn thần Jörmungandr là con trai của Loki, một vị thần thông minh lươn lẹo, với nữ thần khổng lồ Angrboda. Jörmungandr tự ăn đuôi của chính nó, và chu kỳ tạo ra sự cân bằng của thế giới.

Nhưng truyền thuyết ouroboros được ghi nhận ở nhiều nơi trên thế giới, xa xưa nhất là từ thời Ai Cập cổ đại.

Truyền thuyết ouroboros về một vũ trụ tuần hoàn theo chu kỳ quả thật là kỳ vĩ. Bên trong bụng con rắn là vũ trụ của chúng ta và tất cả những vũ trụ khác kỳ lạ và tuyệt vời mà vật lý lượng tử nghĩ đến – và đến khi đầu con rắn gặp đuôi của nó, nó hoàn toàn trống rỗng nhưng vẫn vận hành với năng lượng có nhiệt độ hàng trăm ngàn triệu tỷ tỷ độ C.

Ngay cả Loki, vị thần biến hình, cũng bị ấn tượng mạnh mẽ vì điều đó.

*Alastair Wilson là giáo sư triết tại Đại học Birmingham 

Bài viết đã được đăng đầu tiên trên The Conversation và được đăng lại theo giấy phép Creative Commons.

Bài tiếng Anh đã đăng trên BBC Future.