Sean Carroll: Thời gian xa xôi và dấu vết của đa vũ trụ

Vũ trụ thật sự rất lớn. Chúng ra sống trong một thiên hà có tên gọi là Ngân Hà. Có khoảng một trăm tỷ ngôi sao trong Ngân Hà. Và nếu bạn cầm một chiếc máy ảnh hướng nó ra một phần bất kỳ của bầu trời và giữ cửa chớp mở chừng nào máy ảnh của bạn còn được gắn với Kính Thiên Văn Vũ Trụ Hubble nó sẽ cho thấy thứ như thế này. Mỗi một đốm màu nho nhỏ ở đây là một thiên hà xấp xỉ cỡ Ngân Hà của chúng ta - nghĩa là một trăm tỷ ngôi sao nằm trong mỗi đốm màu đó. Có tới khoảng một trăm tỷ thiên hà trong vũ trụ biểu kiến. 100 tỷ là con số duy nhất bạn cần biết. Tuổi của vũ trụ, tính từ Vụ Nổ Lớn cho tới nay, là một trăm tỷ năm xét theo tuổi chó. (Cười) Điều đó sẽ cho bạn biết về vị trí của chúng ta trong vũ trụ.

Việc bạn có thể làm với bức tranh cỡ này đơn giản là chiêm ngưỡng nó. Đẹp tuyệt vời. Tôi thường tự hỏi: áp lực tiến hóa là cái gì đã khiến tổ tiên của chúng ta ở vùng Veldt - cái nôi của loài người - thích nghi và tiến hóa đến độ có thể thật sự thưởng thức bức hình về các thiên hà khi mà họ chẳng có gì cả. Nhưng chúng ta cũng muốn hiểu điều đó. Với vai trò nhà vũ trụ học, tôi muốn hỏi: tại sao sao vũ trụ lại như thế này? Một manh mối quan trọng chúng ta có, đó là vũ trụ biến đổi theo thời gian. Nếu bạn nhìn một trong số các thiên hà này và đo vận tốc của nó, bạn sẽ thấy nó đang di chuyển xa khỏi bạn. Và nếu bạn nhìn một thiên hà ở xa hơn, bạn sẽ thấy nó đang di chuyển nhanh hơn. Vì vậy chúng ta nói vũ trụ đang phình ra.

Dĩ nhiên, điều đó có nghĩa là trong quá khứ, mọi thứ gần nhau hơn. Trong quá khứ, vũ trụ đông đúc hơn, và cũng nóng hơn. Nếu bạn dồn mọi thứ lại với nhau, nhiệt độ sẽ tăng lên. Cái đó dễ hiểu. Điều khó hiểu là vũ trụ trong những thời khắc đầu tiên, gần Vụ Nổ Lớn, lại rất, rất mịn. Có thể bạn nghĩ rằng điều đó chẳng có gì phải ngạc nhiên. Không khí trong căn phòng này rất mịn. Bạn có thể nói "Ừ, có lẽ mọi thứ tự làm chúng mịn ra." Nhưng các điều kiện gần Vụ Nổ Lớn rất, rất khác so với các điều kiện của không khí trong căn phòng này. Cụ thể là mọi thứ đậm đặc hơn nhiều. Lực hấp dẫn của mọi thứ mạnh hơn nhiều tại thời điểm gần Vụ Nổ Lớn.

Điều bạn phải nghĩ đến là chúng ta có một vũ trụ với một trăm tỷ thiên hà, mỗi thiên hà chứa một trăm tỷ sao. Trong những thời khắc đầu tiên, cả trăm tỷ thiên hà đó được nén lại trong một phạm vi lớn cỡ này - nghĩa đen đấy, ở những thời điểm đầu tiên. Và bạn phải hình dung rằng việc nén lại đó không có một lỗi nào, không có bất kỳ điểm nhỏ nào lại có nhiều hơn một vài nguyên tử hơn điểm khác. Bởi nếu thế, chúng sẽ đổ sụp dưới tác dụng của lực hấp dẫn tạo thành một hố đen khổng lồ. Giữ cho vũ trụ hết sức mịn ở thời điểm ban đầu không hề dễ, đó là một sự sắp xếp tinh vi. Đấy là manh mối cho thấy vũ trụ buổi ban đầu không phải được sắp xếp ngẫu nhiên. Có điều gì đó đã khiến mọi sự theo hướng ấy. Chúng ta muốn biết đó là gì.

Một phần hiểu biết của chúng ta về điều này được đưa ra bởi Ludwig Boltzmann, nhà vật lý học người Áo ở thế kỷ 19. Đóng góp của Boltzmann là ở chỗ ông ấy giúp ta hiểu về entropy. Bạn đã nghe về entropy. Nó là tính ngẫu nhiên, tính lộn xộn, tính hỗn loạn của một số hệ thống. Boltzmann đã đưa ra một công thức - hiện giờ được khắc trên bia mộ của ông - công thức giúp định lượng entropy. Về cơ bản mà nói entropy là số lượng các cách mà chúng ta có thể sắp xếp các hợp phần của hệ thống sao cho bạn không chú ý, sao cho nhìn bằng mắt thường nó không hề thay đổi. Nếu xét về không khí trong phòng này, bạn không chú ý đến từng nguyên tử đơn lẻ. Một tổ hợp entropy thấp là tổ hợp mà chỉ có một số cách sắp xếp để nó trông y hệt như thế. Một tổ hợp entropy cao là tổ hợp có nhiều cách sắp xếp để trông nó không đổi. Đây là kiến thức có tính quan trọng chủ yếu, vì nó giúp ta giải thích nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học - nguyên lý nói rằng entropy tăng trong vũ trụ, hoặc trong một phần riêng rẽ của vũ trụ.

Lý do của sự tăng entropy đơn giản là bởi có nhiều hơn nhiều các cách để đạt mức entropy cao hơn là entropy thấp. Đây là một hiểu biết tuyệt vời, nhưng nó bỏ qua điều gì đó. Nhân tiện đây, hiểu biết về sự tăng entropy này nằm sau cái mà chúng ta gọi là mũi tên thời gian, sự khác biệt giữa quá khứ và tương lai Mọi sự khác biệt giữa quá khứ và tương lai là bởi entropy đang tăng lên - thực tế là bạn có thể nhớ quá khứ chứ không phải tương lai. Thực tế là bạn được sinh ra, rồi sống, rồi chết, luôn luôn theo thứ tự đó, là bởi entropy đang tăng lên. Boltzmann giải thích rằng nếu bắt bắt đầu với entropy thấp, thì lẽ tự nhiên là nó tăng lên, bởi vì có nhiều hơn các cách để đạt entropy cao. Điều mà ông ấy không giải thích là tại sao ban đầu entropy lại thấp như vậy.

Cái thực tế rằng entropy của vũ trụ thấp là sự phản ánh cho thực tế là vũ trụ buổi ban đầu rất, rất mịn. Chúng ta muốn hiểu điều đó. Đấy là việc của các nhà vũ trụ học chúng tôi. Không may, đó không thật sự là chủ đề mà chúng tôi đã dành đủ sự chú ý cho. Đấy không phải là một trong những điều đầu tiên người ta sẽ nói, nếu bạn hỏi một nhà vũ trụ học hiện đại, "Những vấn đề nào chúng ta đang cố gắng giải quyết vậy?" Một trong số những người hiểu rằng đây là một vấn đề là Richard Feynman. 50 năm trước, ông ấy đã trình bày một loạt các bài giảng khác nhau, Ông đã trình bày các bài giảng nổi tiếng thứ đã trở thành "Đặc tính của nguyên lý vật lý." Ông giảng cho sinh viên Caltech và chúng trở thành "Bài giảng Feynman về Vật lý." Ông giảng cho sinh viên đã tốt nghiệp của Caltech và chúng trở thành "Bài giảng Feynmann về Hấp dẫn." Trong mỗi một cuốn sách, mỗi một nhóm bài giảng, ông nhấn mạnh vấn đề khó hiểu này: Tại sao vũ trụ ở buổi ban đầu lại có entropy nhỏ như vậy?

Và ông nói - Tôi không giả giọng đâu nhé - ông nói, "Vì lý do nào đó, vũ trụ ở một giai đoạn có entropy rất thấp bởi năng lượng nội tại của nó, và từ lúc đó, entropy đã tăng lên. Mũi tên thời gian không thể được hiểu hoàn toàn cho tới khi bí ẩn về khởi đầu của lịch sử vũ trụ được bóc tách xa hơn đi từ suy đoán tới thấu hiểu." Và đó là việc của chúng tôi. Chúng ta muốn biết - câu hỏi đó từ 50 năm trước, bạn đang nghĩ "Chắc là đến nay chúng ta đã tìm ra rồi." Nói đến nay chúng ta đã tìm ra là không đúng.

Lý do khiến vấn đề tệ hơn chứ không khá hơn là bởi vì năm 1998 chúng ta phát hiện một điều cốt yếu của vụ trũ mà trước đó chưa biết. Chúng ta biết rằng nó có gia tốc. Vũ trụ không chỉ đang phình ra. Nếu bạn nhìn thiên hà này, nó đang di chuyển ra xa. Nếu bạn đi đến đến một tỷ năm sau và nhìn lại nó, bạn sẽ thấy nó đang di chuyển nhanh hơn. Tất cả các thiên hà đang di chuyển khỏi chúng ta càng ngày càng nhanh. Vì vậy ta nói vũ trụ đang gia tốc dương. Không như entropy thấp ở vũ trụ buổi ban đầu, mặc dù chúng ta không biết câu trả lời cho điều này, ít nhất chúng ta có một lý thuyết hay có thể giải thích nó, nếu lý thuyết này đúng, đó là lý thuyết về năng lượng tối. Đấy là ý tưởng rằng chân không có năng lượng tự thân.

Trong mỗi xentimét khối của không gian, bất kể có thứ gì hay không, bất kể có các hạt, vật chất, bức xạ hoặc cái gì khác hay không, vẫn có năng lượng, kể cả trong chính bản thân không gian. Và năng lượng này, theo Einstein, giải phóng sức ép vào vũ trụ. Nó là xung lực vĩnh cửu đã đẩy các thiên hà tách khỏi nhau. Bởi vì năng lượng tối, không như vật chất hay bức xạ, không mất dần khi vũ trụ phình ra. Số năng lượng trong mỗi xentimét khối giữ nguyên, kể cả khi vũ trụ càng ngày càng lớn. Điều này dẫn đến những hàm ý quan trọng về việc vụ trụ sẽ ra sao trong tương lai. Một điều là: vũ trụ sẽ phình mãi mãi.

Hồi tôi bằng tuổi bạn, chúng ta không biết vũ trụ sẽ tiếp diễn ra sao. Một số người nghĩ rằng trong tương lai vũ trụ sẽ tái sụp đổ. Einstein tin vào ý tưởng này. Nhưng nếu có năng lượng tối, và nó không biến mất, thì vũ trụ sẽ cứ tiếp tục phình ra, mãi mãi và mãi mãi. 14 tỷ năm đã tồn tại, 100 tỷ năm theo tuổi chó, nhưng trong tương lai, số năm tồn tại là vô hạn. Trong lúc ấy, với tất cả ý nghĩa và mục đích, đối với chúng ta, không gian vũ trụ có vẻ giới hạn. Không gian có thể giới hạn hoặc vô hạn, nhưng vì vũ trụ đang gia tốc, nên có những phần của vũ trụ chúng ta không thể thấy và sẽ không bao giờ thấy. Có một phạm vi nhất định của không gian nơi chúng ta đến được bao quanh bởi đường chân trời. Vì vậy mặc dù thời gian tiếp diễn mãi, đối với chúng ta, không gian có giới hạn. Điều cuối cùng, chân không có nhiệt độ.

Trong những năm 1970, Stephen Hawking đã cho chúng ta biết rằng hố đen, mặc dầu bạn nghĩ nó đen, lại thực sự phát ra bức xạ, khi bạn xét dưới góc độ cơ học lượng tử. Đường cong không-thời gian quanh hố đen mang tới dao động cơ học lượng tử và hố đen phát xạ. Tính toán tương tự một cách chính xác bởi Hawking và Gary Gibbons chỉ ra rằng, nếu có năng lượng tối trong chân không, thì toàn bộ vũ trụ đều phát xạ. Năng lượng trong chân không mang tới các dao động lượng tử. Và kể cả nếu vũ trụ sẽ trường tồn vĩnh viễn, các vật chất và bức xạ thông thường mất dần đi, sẽ luôn luôn còn một số bức xạ, một số thăng giáng nhiệt, kể cả trong chân không. Vậy điều này có nghĩa là vũ trụ giống như một hộp khí tồn tại vĩnh viễn. Ồ, vậy thì hàm ý của điều này là gì?

Hàm ý đó được nghiên cứu bởi Boltzmann hồi thế kỷ 19. Ông nói, à, entropy tăng bởi có nhiều hơn nhiều các cách để vũ trụ có entropy cao hơn là có entropy thấp. Nhưng đấy là phát biểu mang tính xác suất. Nó chắc chắn sẽ tăng, và xác suất lớn vô cùng. Đó không phải là điều bạn cần lo lắng - như việc không khí trong phòng này sẽ tụ tập vào một góc và làm chúng ta chết nghẹt. Điều đó gần như không thể xảy ra. Trừ khi họ khóa cửa lại và nhốt chúng ta ở đây mãi mãi, điều đó sẽ xảy ra liền. Mọi thứ được cho phép, mọi hình thể được cho phép có thể tạo ra bởi các phân tử trong căn phòng này, sẽ dần dần được tạo ra.

Vì thế Boltzmann nói, nhìn kìa, bạn có thể bắt đầu với một vũ trụ ở trạng thái cân bằng nhiệt. Ông không biết về Vụ Nổ Lớn, không biết về sự phình của vũ trụ. Ông nghĩ rằng không gian và thời gian được giải thích theo Isaac Newton - chúng là tuyệt đối, không bao giờ thay đổi. Do đó ý tưởng của ông về vũ trụ tự nhiên là vũ trụ trong đó các phân tử khí trải đều ở mọi nơi - các phân tử trải đều. Nhưng nếu bạn là Boltzmann, bạn sẽ biết rằng, nếu bạn chờ đủ lâu, các dao động ngẫu nhiên của các phân tử đó đôi lúc sẽ đưa chúng tới dạng entropy thấp hơn. Và rồi, tất nhiên, xét theo lẽ thường, chúng sẽ phình trở lại. Vậy là entropy không phải là luôn tăng - bạn có thể có các dao động chuyển thành entropy thấp các trạng thái được tổ chức cao hơn.

Mà nếu điều đó là thật, thì Boltzmann đã phát minh ra hai ý tưởng nghe rất hiện đại - đó là đa vũ trụ và nguyên lý nhân quan. Ông nói, vấn đề với cân bằng nhiệt là chúng ta không thể sống ở đó. Nhớ rằng, bản thân cuộc sống phụ thuộc vào mũi tên thời gian. Chúng ta sẽ không thể nào xử lý thông tin, chuyển hóa năng lượng, đi lại và trò chuyện, nếu chúng ta sống trong cân bằng nhiệt. Vậy nếu bạn hình dung một vũ trụ vô cùng lớn một vũ trụ lớn vô hạn, với các phần nhỏ ngẫu nhiên đâm vào nhau, thỉnh thoảng sẽ có các dao động nhỏ trong trạng thái entropy thấp, và rồi chúng bình thường trở lại. Nhưng cũng sẽ có những dao động lớn. Thỉnh thoảng, bạn sẽ tạo ra một hành tinh, một ngôi sao, hoặc một thiên hà hoặc một trăm tỷ thiên hà. Do đó Boltzmann nói, chúng ta sẽ chỉ sống trong một phần của đa vũ trụ trong phần tập hợp của các hạt dao động lớn vô hạn này, nơi cuộc sống có khả năng diễn ra. Đó là khu vực có entropy thấp. Có lẽ vũ trụ của chúng ta chỉ là một trong số những thứ đôi lúc xuất hiện.

Giờ nhiệm vụ về nhà của bạn là suy nghĩ thật sự về chuyện này, suy ngẫm ý nghĩa của nó. Carl Sagan có lần đã nói một câu nổi tiếng "để tạo ra một chiếc bánh táo trước tiên bạn phải tạo ra cả vũ trụ." Nhưng ông ấy không đúng đâu. Theo kịch bản của Botzmann, nếu bạn muốn làm bánh táo bạn chỉ phải chờ di chuyển ngẫu nhiên của các nguyên tử tạo thành chiếc bánh táo cho bạn. Điều đó sẽ xuất hiện thường xuyên hơn nhiều so với chuyển động của các nguyên tử tạo thành vườn táo tạo thành ít đường và lò nướng để rồi tạo thành chiếc bánh táo cho bạn. Vậy là kịch bản này có những dự đoán. Và các dự đoán là những dao động giúp tạo ra chúng ta là tối thiểu. Kể cả nếu bạn hình dung rằng căn phòng hiện chúng ta đang ở đây tồn tại, là thực và chúng ta ở đây, và chúng ta có không chỉ ký ức mà còn cảm giác rằng có điều gì đó bên ngoài kia được gọi là Caltech, là nước Mỹ, là Ngân Hà. việc những ấn tượng đó dao động ngẫu nhiên trong não của bạn dễ hơn nhiều so với việc chúng thực sự dao động ngẫu nhiên ở Caltech, ở Mỹ và trong thiên hà.

Tin tốt là bởi kịch bản này không phản ánh sự thực, nó không đúng. Cái kịch bản dự đoán rằng chúng ta sẽ là dao động tối thiểu. Thậm chí nếu bạn bỏ thiên hà của chúng ta ra bạn sẽ không có cả trăm tỷ thiên hà khác. Và Feynman cũng hiểu điều này. Feynman nói, "Từ giả thuyết rằng thế giới là một dao động tất cả các dự đoán cho thấy nếu chúng ta nhìn vào một phần thế giới nơi ta chưa từng thấy trước đây, chúng ta sẽ thấy nó hỗn độn, và không giống phần chúng ta vừa nhìn - đó là entropy cao. Nếu trật tự của chúng ta là do dao động chúng ta sẽ không trông chờ trật tự ở bất cứ đâu ngoại trừ nơi ta vừa chú ý. Do vậy chúng ta kết luận vũ trụ không phải là một dao động." Ồ, tốt quá. Câu hỏi là vậy thì câu trả lời đúng là gì? Nếu vũ trụ không phải là một dao động vậy tại sao vũ trụ buổi ban đầu lại có entropy thấp? Và tôi rất muốn nói cho bạn câu trả lời, nhưng mà hết giờ mất rồi.

(Cười)

Đây là vũ trụ mà chúng tôi kể cho bạn so với vũ trụ thật sự tồn tại. Tôi mới chỉ cho bạn tấm hình này. Vũ trụ đang phình ra trong suốt 10 tỷ năm qua hoặc tầm đó. Nó đang nguội đi. Nhưng giờ chúng ta biết đủ về tương lai của vũ trụ để có thể nói nhiều hơn. Nếu năng lượng tối còn ở xung quanh, các ngôi sao xung quanh chúng ta sẽ dùng hết nhiên liệu hạt nhân của chúng, và sẽ ngừng cháy. Chúng sẽ sụp thành các hố đen. Chúng ta sẽ sống trong một vũ trụ không có gì ngoại trừ các hố đen. Vũ trụ đó sẽ kéo dài 10 mũ 100 năm - lâu hơn nhiều vũ trụ bé nhỏ của chúng ta đã sống. Tương lai sẽ dài hơn nhiều so với quá khứ. Nhưng kể cả các hố đen cũng không kéo dài vĩnh viễn. Chúng sẽ tàn lụi và chúng ta sẽ không còn gì ngoài chân không. Về cơ bản, chân không đó kéo dài vĩnh viễn. Tuy nhiên, bạn chú ý là chân không phát ra bức xạ thực sự có các dao động nhiệt và nó chuyển hóa trong tất cả những kết hợp khả dĩ khác nhau của các góc độ tự do tồn tại trong chân không. Vì thế kể cả nếu vũ trụ kéo dài vĩnh viễn sẽ chỉ có một số nhất định những thứ có khả năng xảy ra trong vũ trụ. Tất cả chúng diễn ra qua một giai đoạn thời gian tương đương với 10 mũ 10 mũ 120 năm.

Đây là hai câu hỏi dành cho bạn. Thứ nhất: Nếu vũ trụ kéo dài tới 10 mũ 10 mũ 120 năm vậy thì tại sao chúng ta lại được sinh ra trong 14 tỷ năm đầu tiên trong ánh hồng ấm áp, dễ chịu của Vụ Nổ Lớn? Tại sao chúng ta không sinh ra trong chân không? Bạn có thể nói, "Ồ làm gì có gì mà sống," nhưng điều đó không đúng. Bạn có thể là một dao động ngẫu nhiên xuất hiện từ hư không. Sao lại không như thế? Thêm công việc về nhà cho bạn.

Như tôi đã nói, không hẳn là tôi biết câu trả lời. Tôi đang trình bày cho bạn kịch bản ưa thích của tôi. Hoặc mọi chuyện đơn giản là như thế. Chẳng có giải thích nào cả. Đây là sự thật tàn bạo về vũ trụ mà bạn nên biết để chấp nhận và đừng hỏi nữa. Hoặc có thể là Vụ Nổ Lớn không phải khởi đầu của vũ trụ. Một quả trứng, một quả trứng lành lặn, là một dạng entropy thấp, tuy nhiên, khi chúng ta mở tủ lạnh chúng ta không nói, "A, ngạc nhiên làm sao lại thấy dạng entropy thấp này trong tủ lạnh nhà mình." Đó là bởi quả trứng không phải là một hệ kín; nó chui ra từ con gà. Biết đâu vũ trụ chui ra từ một con gà vũ trụ. Biết đâu có một thứ gì đó tự nhiên, qua sự phát triển của các quy luật vật lý tạo ra cái gốc của vũ trụ, như vũ trụ của chúng ta có dạng entropy thấp. Nếu điều này là thật thì nó đã diễn ra nhiều hơn một lần; chúng ta có thể là một phần của đa vũ trụ lớn hơn nhiều. Đó là kịch bản ưa thích của tôi.

Các nhà tổ chức đã yêu cầu tôi kết thúc bằng một suy đoán táo bạo. Suy đoán táo bạo của tôi là dứt khoát tôi sẽ được xác nhận bởi lịch sử. Và 50 năm nữa tính từ bây giờ, tất cả những ý tưởng ngông cuồng hiện tại của tôi sẽ được chấp nhận như lẽ phải bởi giới khoa học và cộng đồng không chuyên môn. Tất cả chúng ta sẽ tin rằng vũ trụ bé nhỏ của chúng ta chỉ là một phần nhỏ của đa vũ trụ lớn hơn nhiều. Và hay hơn nữa, chúng ta sẽ hiểu điều gì đã diễn ra trong Vụ Nổ Lớn về mặt giả thuyết chúng ta sẽ có thể so sánh với những gì quan sát được. Đây chỉ là dự đoán. Tôi có thể sai. Nhưng chúng ta, loài người, đã và đang suy nghĩ về việc vũ trụ như thế nào tại sao nó lại như vậy, trong suốt nhiều, nhiều năm. Thật háo hức khi nghĩ rằng cuối cùng một ngày nào đó, chúng ta có thể biết câu trả lời.

Cảm ơn.

(Vỗ tay)