Chương 13 - Các lỗ đen theo quan điểm của lý thuyết dây - lý thuyết - M (3)

Một câu đố hóc búa của vũ trụ học

Vũ trụ học của thời kỳ sau thời gian Planck đã cho chúng ta một khuôn khổ thanh nhã, nhất quán và có thể xử lý về mặt toán học để tìm hiểu vũ trụ tới tận những khoảnh khắc ngắn nhất sau Big Bang. Nhưng cũng như đối với phần lớn các lý thuyết thành công, những phát hiện mới của chúng ta lại đặt ra những câu hỏi còn chi tiết hơn nữa. Hóa ra một số những câu hỏi này, mặc dù không làm vô hiệu hóa kịch bản chuẩn của vũ trụ học như vừa được trình bày ở trên, nhưng chúng làm nổi rõ một số khía cạnh tinh tế đòi hỏi phải có một lý thuyết mới sâu sắc hơn. Bây giờ chúng ta sẽ tập trung xem xét một trong số những câu hỏi đó, có tên là bài toán chân trời. Đây cũng là một trong những vấn đề quan trọng nhất của vũ trụ học hiện đại.

Những nghiên cứu chi tiết về bức xạ nền vũ trụ đã chứng tỏ rằng bất kể ta hướng anten theo hướng nào lên bầu trời, nhiệt độ của bức xạ này cũng đều như nhau với độ chính xác tới 1 phần 100.000. Nếu bạn dành ít phút để suy nghĩ về điều này, bạn sẽ thấy rằng điều đó hơi lạ. Tại sao những vị trí khác nhau trong vũ trụ, cách nhau những khoảng cách rất lớn, lại có nhiệt độ khớp với nhau đến như thế? Giải pháp dường như là tự nhiên cho câu đố này là cần lưu ý rằng, hai vị trí hiện nay ở đối kính với nhau qua bầu trời đúng là rất xa nhau, nhưng cũng giống như hai đứa trẻ song sinh tách ra khỏi nhau, trong những thời điểm sớm nhất của vũ trụ, hai điểm đó (và mọi điểm khác) đều ở rất gần nhau. Vì cùng xuất hiện từ một điểm xuất phát chung, nên bạn có thể cho rằng không có gì phải ngạc nhiên nếu như chúng cùng chia sẻ một số tính chất vật lý chung, chẳng hạn như nhiệt độ của chúng.

Trong mô hình chuẩn của vũ trụ học, ý kiến đó không đúng. Lý do như sau. Một bát súp nóng sẽ nguội dần tới nhiệt độ phòng vì nó tiếp xúc với không khí xung quanh lạnh hơn. Nếu như bạn đợi đủ lâu, thì nhiệt độ của bát súp và nhiệt độ không khí trong phòng, thông qua sự tiếp xúc với nhau, sẽ trở nên như nhau. Nhưng nếu súp được đựng trong phích, tất nhiên, nó sẽ giữ được nóng lâu hơn, bởi vì bây giờ nó ít liên lạc với môi trường bên ngoài. Điều này phản ánh một tính chất là: sự đồng nhất hóa nhiệt độ giữa hai vật dựa trên sự liên lạc kéo dài và thường xuyên giữa hai vật đó. Để kiểm chứng giả thiết cho rằng hai vị trí trong không gian hiện ở cách xa nhau những khoảng cách lớn vẫn chia sẻ cùng một nhiệt độ vì ban đầu chúng có tiếp xúc với nhau, chúng ta cần phải kiểm tra hiệu quả trao đổi thông tin giữa hai vị trí đó ở thời kỳ đầu của vũ trụ. Thoạt tiên, bạn tưởng rằng do ban đầu hai vị trí đó ở gần nhau, nên sự liên lạc khá dễ dàng. Tuy nhiên, sự gần gũi về không gian chỉ mới là một phần của câu chuyện mà thôi. Phần còn lại phải tính đến cả sự kéo dài về thời gian nữa.

Để xem xét vấn đề một cách đầy đủ hơn, hãy tưởng tượng ta nghiên cứu một "cuốn phim" về sự giãn nở của vũ trụ, nhưng cho nó chạy theo chiều ngược lại, tức là bắt đầu từ ngày hôm nay và giật lùi lại cho tới Big Bang. Vì vận tốc ánh sáng đặt ở một giới hạn trên mọi tín hiệu và thông tin, nên vật chất ở hai vùng khác nhau của không gian có thể trao đổi năng lượng nhiệt và do đó có cơ may tiến tới cùng một nhiệt độ chỉ khi khoảng cách giữa chúng ở thời điểm đã cho phải nhỏ hơn khoảng cách mà ánh sáng đi được kể từ Big Bang. Và như vậy, khi cho cuốn phim chạy ngược chiều thời gian, chúng ta sẽ thấy có hai hiệu ứng cạnh tranh nhau: một mặt, là mức độ gần gũi của hai vùng không gian và mặt khác, là khoảng thời gian cần thiết để đưa hai vùng trở lại khoảng cách gần gũi đó. Ví dụ, nếu để cho khoảng cách hai vùng là 300.000km, chúng ta cần phải quay về tới thời điểm nhỏ hơn một giây sau Big Bang, thì mặc dù bây giờ hai vùng đã gần nhau hơn nhiều, nhưng chúng không có cách nào để ảnh hưởng lên nhau, vì ánh sáng phải mất trọn một giây mới đi hết khoảng cách giữa chúng [1]. Nếu để cho khoảng cách giữa hai vùng còn nhỏ hơn nữa, ví dụ như 300km chẳng hạn, ta phải cho cuốn phim chạy ngược lại tới thời điểm nhỏ hơn một phần ngàn giây sau Big Bang, thì ta lại suy ra chính kết luận đó: hai vùng vẫn không thể ảnh hưởng lên nhau vì trong thời gian nhỏ hơn một phần ngàn giây, ánh sáng không thể đi được khoảng cách 300km giữa chúng. Tương tự, nếu chúng ta cho cuốn phim chạy ngược tới thời điểm một phần tỷ giây sau Big Bang, để hai vùng cách nhau chỉ là 30cm, thì chúng vẫn không thể ảnh hưởng lên nhau vì không có đủ thời gian từ Big Bang để ánh sáng đi hết khoảng cách 30cm giữa chúng. Điều này chứng tỏ rằng, chỉ riêng thực tế là hai điểm ngày càng gần nhau khi chúng ta càng lùi dần về Big Bang, thì chưa đủ để đảm bảo chúng có thể trao đổi nhiệt với nhau để dẫn tới có cùng nhiệt độ.

Các nhà vật lý đã chứng minh được rằng đây chính là vấn đề đã nổi cộm lên trong mô hình chuẩn của vũ trụ học. Những tính toán chi tiết còn chứng tỏ rằng những vùng hiện nay ở rất xa nhau không thể có cách nào để trao đổi nhiệt, do đó không thể giải thích được sự đồng nhất về nhiệt độ của chúng. Vì từ chân trời dùng để chỉ tầm xa mà ta có thể nhìn thấy - tức ánh sáng có thể truyền xa tới mức nào, nếu có thể nói như vậy - nên các nhà vật lý đã gọi sự đồng đều về nhiệt độ trong toàn vũ trụ mà ta chưa giải thích được đó là "bài toán chân trời". Vấn đề hóc búa này không có nghĩa mô hình chuẩn của vũ trụ học là sai. Nhưng sự đồng đều về nhiệt độ đã gợi ý rất rõ ràng, chúng ta đã bỏ sót một phần quan trọng trong câu chuyện vũ trụ học. Năm 1979, nhà vật lý Alan Guth, hiện làm việc ở Học viện Công nghệ Massachussetts, đã viết nốt chương bị bỏ sót đó.

[1] Sự trình bày của chúng tôi chuyển tải tinh thần của những vấn đề có liên quan mặc dù chúng tôi có lờ đi một số khía cạnh tinh tế liên quan tới sự chuyển động của ánh sáng trong vũ trụ giãn nở (nhưng điều này chỉ có ảnh hưởng tới những con số chi tiết mà thôi). Đặc biệt, mặc dù thuyết tương đối hẹp khẳng định rằng không gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng, nhưng điều này không hề ngăn cấm hai photon được mang theo cùng sự giãn nở của không gian lùi ra xa nhau với vận tộc lớn hơn vận tốc ánh sáng. Ví dụ, vào thời kỳ đầu tiên vũ trụ bắt đầu trở nên trong suốt, tức là khoảng 300.000 năm sau Big Bang, hai vị trí ở cách xa nhau 900.000 năm ánh sáng vẫn có thể có ảnh hưởng lẫn nhau, thậm chí mặc dù hai vị trí đó ở cách xa nhau lớn hơn 300.000 năm ánh sáng. Thừa số 3 (tức 3 x 300.000 = 900.000) ở đây chính là do sự giãn nở của cấu trúc không gian. Điều này có nghĩa là khi chúng ta cho cuộn phim tiến hóa của vũ trụ quay ngược lại theo thời gian, thì khi trở lại thời điểm sau Big Bang 300.000 năm, hai điểm chỉ cần ở cách xa nhau nhỏ hơn 900.000 năm ánh sáng là đã có khả năng ảnh hưởng đến nhiệt độ của nhau. Tuy nhiên, những con số chi tiết đó không hề làm thay đổi những đặc điểm định tính của những vấn đề mà chúng ta đã thảo luận