Chương 13 - Các lỗ đen theo quan điểm của lý thuyết dây - lý thuyết - M (9)

Những tư biện vũ trụ học và lý thuyết tối hậu

Vũ trụ học có khả năng cuốn hút chúng ta ở mức độ rất sâu xa, bởi lẽ, ít nhất cũng là đối với một số người, hiểu được vạn vật bắt đầu như thế nào cũng có cảm giác tựa như là đã tiến gần đến chỗ hiểu được tại sao lại như thế. Điều đó không có nghĩa là khoa học hiện đại xác lập được mối quan hệ giữa câu hỏi thế nào và câu hỏi tại sao và cũng rất có thể là mối quan hệ khoa học như thế chẳng bao giờ có thể tìm được. Nhưng những nghiên cứu vũ trụ học hứa hẹn mang lại cho chúng ta sự hiểu biết đầy đủ nhất về bối cảnh của cái tại sao - sự ra đời của vũ trụ - và ít nhất điều đó cũng cho phép chúng ta có được một quan điểm khoa học về cái khuôn khổ mà trong đó các câu hỏi đã được đặt ra. Sự thấm nhuần tới mức sâu sắc nhất một câu hỏi đôi khi lại là sự thay thế tốt nhất của chúng ta cho việc thực sự có câu trả lời.

Do đó, trong bối cảnh của cuộc tìm kiếm lý thuyết tối hậu, những suy tư cao siêu đó về vũ trụ học lại dẫn tới những xem xét cụ thể hơn nhiều. Cách thức mà vũ trụ học trở nên như nó ngày hôm nay - ở đầu phải cùng của mũi tên thời gian trên hình 14.1 - phụ thuộc vào các định luật cơ bản của vật lý, đó là một điều hiển nhiên rồi, tuy nhiên, nó cũng có thể còn phụ thuộc vào một số khía cạnh của vũ trụ lúc tất cả đều mới bắt đầu, từ tận đầu phải cùng của mũi tên thời gian, mà những khía cạnh này có thể nằm ngoài tầm của lý thuyết mạnh nhất trong số tất cả các lý thuyết.

Điều này cũng dễ hình dung thôi. Bạn hãy thử nghĩ xem điều gì sẽ xảy ra khi bạn ném một quả bóng lên không. Những định luật về hấp dẫn sẽ chi phối chuyển động sau đó của quả bóng, nhưng nếu chỉ dùng những định luật đó thôi, bạn sẽ không thể tiên đoán được điểm rơi của quả bóng trên mặt đất. Muốn vậy, bạn còn phải biết vận tốc - cả độ lớn và hướng của nó - khi quả bóng rời tay bạn. Nói một cách khác, bạn còn phải biết những điều kiện ban đầu của chuyển động của quả bóng nữa. Tương tự, cũng tồn tại những đặc trưng của vũ trụ tùy thuộc vào lịch sử của nó - lý do tại sao ngôi sao này lại hình thành ở đây, hành tinh này lại hình thành ở kia phụ thuộc vào một chuỗi phức tạp về một số đặc trưng của vũ trụ khi tất cả vừa mới bắt đầu. Nhưng ngay cả những đặc trưng hạt sơ cấp của vật chất lẫn của tương tác cũng có thể phụ thuộc trực tiếp vào sự tiến hóa lịch sử - một sự tiến hóa mà chính bản thân nó cũng tùy thuộc vào những điều kiện ban đầu của vũ trụ.

Thực tế, chúng ta cũng đã từng thấy một sự thể hiện khả dĩ của ý tưởng đó trong lý thuyết dây. Khi vũ trụ cực nóng ở những khoảnh khắc đầu tiên bắt đầu tiến hóa, các chiều phụ có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác, rồi cuối cùng an bài ở một không gian Calabi-Yau cụ thể, khi mà mọi thứ đã đủ lạnh. Nhưng, cũng giống như quả bóng được ném lên không, kết cục của cuộc hành trình qua nhiều không gian Calabi-Yau đó có thể phụ thuộc một cách chi tiết vào chuyện cuộc hành trình đã xuất phát từ vị trí đầu tiên như thế nào. Và thông qua ảnh hưởng của không gian Calabi-Yau cuối cùng đến khối lượng và tính chất của các lực, chúng ta thấy rằng sự tiến hóa vũ trụ học và trạng thái của vũ trụ khi nó bắt đầu có thể tác động một cách sâu sắc đến vật lý mà ta quan sát thấy hiện nay.

Hiện chúng ta còn chưa biết những điều kiện ban đầu là gì, thậm chí những ý tưởng, khái niệm và ngôn ngữ được dùng để mô tả những điều kiện đó, chúng ta cũng chưa biết. Chúng ta tin rằng, trạng thái dữ dội ban đầu với năng lượng, mật độ và nhiệt độ vô hạn xuất hiện trong mô hình chuẩn và lạm phát của vũ trụ học là tín hiệu báo rằng những lý thuyết đó đã thất bại trong việc mô tả những điều kiện vật lý thực sự tồn tại. Lý thuyết dây đã hoàn thiện một bước bằng cách chứng tỏ được rằng, những giá trị vô hạn đó có thể tránh được, nhưng hiện vẫn chưa có ai có một ý niệm gì về chuyện mọi thứ đã được bắt đầu như thế nào. Thực tế, sự không hiểu biết của chúng ta còn nằm ở bình diện cao hơn: chúng ta cũng chưa biết vấn đề xác định các điều kiện ban đầu có phải là một câu hỏi có nghĩa hay không. Điều này cũng chẳng khác gì câu hỏi thuyết tương đối rộng có thể xác định được lực mà tay bạn đã ném quả bóng lên hay không - câu hỏi này vĩnh viễn nằm ngoài tầm của bất cứ một lý thuyết nào. Một số nhà vật lý, như Hawking và James Hartle thuộc Đại học California ở Santa Barbara đã táo bạo định đưa câu hỏi về những điều kiện ban đầu của vũ trụ học vào dưới cái ô của vật lý lý thuyết, nhưng những kết quả của họ chưa thực sự có sức thuyết phục. Trong bối cảnh lý thuyết dây /lý thuyết - M, những hiểu biết của chúng ta hiện nay về vũ trụ học còn quá thô sơ để có thể xác định được ứng viên cho “lý thuyết của tất cả” có xứng với cái tên đó hay không và liệu nó có xác định được các điều kiện ban đầu của vũ trụ học riêng của nó không. Đây là vấn đề có tầm quan trọng hàng đầu trong những nghiên cứu tương lai.

Tuy nhiên, ngay cả khi tạm gác sang một bên vấn đề về các điều kiện ban đầu và sự tác động của chúng đến sự tiến hóa của vũ trụ đi nữa, thì những giả thiết mới đây, mang nặng tính tư biện, còn đưa ra những hạn chế tiềm tàng khác về khả năng giải thích của bất cứ lý thuyết tối hậu nào. Chưa có ai biết những ý tưởng đó đúng hay sai, và hiện thời chúng đang được phát triển ở ngoài rìa những dòng chủ lưu của khoa học. Tuy thế, những ý tưởng này cũng làm nổi rõ - theo một cách rất khiêu khích và tư biện - một trở ngại mà bất cứ lý thuyết tối hậu nào cũng sẽ vấp phải.

Ý tưởng cơ bản ở đây là như sau. Hãy tưởng tượng cái mà chúng ta thường gọi là vũ trụ thực sự chỉ là một phần nhỏ trong khoảng không vũ trụ to lớn hơn rất nhiều, một trong vô số những hòn đảo vũ trụ nằm rải rác trong một quần đảo vũ trụ học vĩ đại. Mặc dù điều này xem ra khá gượng ép - xét cho đến cùng cũng rất có thể - nhưng Andrei Linde đã đưa ra một cơ chế rất cụ thể để có thể dẫn tới một vũ trụ khổng lồ như vậy. Linde đã nhận thấy rằng, sự bùng nổ ngắn ngủi nhưng rất quan trọng của sự giãn nở lạm phát mà ta đã nói ở trên có thể không phải là một sự kiện duy nhất chỉ xảy ra một lần. Thay vì thế, theo Linde, những điều kiện của sự giãn nở lạm phát có thể xảy ra lặp đi lặp lại trong những vùng biệt lập nằm rải rác trong khắp vũ trụ, khiến cho những vùng này có thể có sự giãn nở lạm phát riêng, rồi tiến hóa thành những vũ trụ mới tách biệt nhau. Và trong mỗi một vũ trụ mới đó, quá trình này lại tiếp tục với những vũ trụ mới được nảy sinh ở những vùng xa xôi nhất của vũ trụ cũ, tạo ra một mạng vô tận những giãn nở vũ trụ. Mặc dù thuật ngữ này hơi rườm rà, nhưng chúng ta cũng đành theo thời thượng gọi khái niệm khá phổ biến này là đa vũ trụ, trong đó mỗi một bộ phận hợp thành của nó được gọi là một vũ trụ.

Như đã thảo luận trong chương 7, tất cả những điều mà chúng ta biết đều chỉ ra rằng, vật lý học vẫn còn nhất quán và như nhau trong khắp vũ trụ, nhưng điều này có thể không còn là đúng đối với những thuộc tính vật lý của các vũ trụ khác, chừng nào những vũ trụ đó ở rất xa chúng ta hay ít nhất cũng đủ xa để ánh sáng của chúng không có đủ thời gian tới được chúng ta. Và như vậy, chúng ta có thể hình dung rằng vật lý sẽ thay đổi từ vũ trụ này sang vũ trụ khác. Trong một số trường hợp, những khác biệt này rất tinh tế: chẳng hạn, khối lượng của electron hoặc cường độ của lực mạnh chỉ khoảng một phần trăm ngàn lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với trong vũ trụ chúng ta. Trong một số trường hợp khác, vật lý sẽ khác một cách rõ rệt hơn: chẳng hạn, quark u có thể nặng hơn cả chục lần so với trong vũ trụ chúng ta, hoặc cường độ lực điện từ có thể lớn hơn hàng chục lần so với giá trị mà chúng ta đo được, cùng với tất cả những hệ quả sâu sắc tác động đến các ngôi sao, đến sự sống mà chúng ta đã biết (như đã chỉ ra trong chương 1). Trong những vũ trụ khác nữa, vật lý còn có thể thay đổi một cách dữ dội hơn nữa: bản danh sách các hạt sơ cấp và các lực có thể hoàn toàn khác so với vũ trụ của chúng ta hoặc ngay cả đối với một đặc điểm riêng của lý thuyết dây, số chiều có quảng tính lớn cũng có thể sẽ khác: một số vũ trụ không có hoặc chỉ có một chiều có quảng tính lớn, trong khi đó một số vũ trụ khác lại có tới tám, chín thậm chí tới mười chiều như vậy. Nếu để cho trí tưởng tượng của chúng ta bay bổng hơn nữa, thì thậm chí ngay cả những định luật vật lý cũng sẽ khác rất nhiều từ vũ trụ này sang vũ trụ khác. Những khả năng có thể kéo dài đến vô tận.

Nhưng đây mới là điểm cốt yếu. Nếu chúng ta quét qua một số rất lớn những vũ trụ đó, thì đại đa số sẽ không còn những điều kiện thích hợp đối với sự sống hoặc ít nhất cũng khác xa với sự sống mà chúng ta đã biết. Đối với những thay đổi ghê gớm trong vật lý quen thuộc, thì điều này là rõ ràng: nếu như vũ trụ chúng ta giống như vũ trụ ống nước thì sự sống như chúng ta biết không thể tồn tại được. Nhưng ngay cả những thay đổi nhỏ nhất đối với vật lý cũng sẽ có ảnh hưởng ngay đến sự tạo thành các ngôi sao, chẳng hạn, sẽ làm cho nó không còn khả năng đóng vai trò là lò luyện kim vũ trụ tổng hợp nên những nguyên tử phức tạp - cơ sở của sự sống - như cacbon và ôxy, là những nguyên tử vốn được phóng ra khắp vũ trụ bởi các vụ nổ sao siêu mới. Dưới ánh sáng của sự phụ thuộc nhạy cảm của sự sống vào những chi tiết của vật lý, nếu bây giờ ta hỏi, chẳng hạn, tại sao các lực và các hạt của tự nhiên lại có đúng những tính chất cụ thể như chúng ta quan sát được, thì một câu trả lời khả dĩ là: trong toàn bộ đa vũ trụ, những đặc trưng này thay đổi trong một khoảng rất rộng; những tính chất đó có thể là khác và thực sự là khác trong những vũ trụ khác. Cái đặc biệt của tổ hợp cụ thể những tính chất của các hạt và các lực như chúng ta quan sát được chỉ là ở chỗ, chúng cho phép sự sống hình thành. Và sự sống, mà đặc biệt là sự sống có trí tuệ, thậm chí còn là điều kiện tiên quyết để đặt ra câu hỏi tại sao vũ trụ chúng ta lại có những tính chất mà nó hiện có. Nói theo ngôn ngữ bình dan, thì mọi thứ như nó đang hiện hữu trong vũ trụ chúng ta là bởi vì nếu chúng không như thế, chúng ta sẽ không có mặt ở đây để mà đặt ra câu hỏi. Giống như những người thắng cuộc trong trò chơi rulét tập thể ở Nga, sự bất ngờ được sống sót của họ đã bị giảm bớt đi nhiều bởi một thực tế là, nếu như họ không thắng, mới là điều ngạc nhiên, giả thuyết đa vũ trụ cũng thế, nó có khả năng làm giảm bớt sự bức xúc phải giải thích tại sao vũ trụ chúng ta lại làm như nó hiện nay.

Đường hướng lập luận ở trên thực chất là một phiên bản của ý tưởng đã có lịch sử từ lâu được gọi là nguyên lý vị nhân. Như đã trình bày ở trên, đây là một quan điểm đối ngược hẳn với giấc mơ về một lý thuyết thống nhất, chặt chẽ và có khả năng giải thích được tất cả. Theo nguyên lý này, mọi vật như ta quan sát thấy là bởi vì vũ trụ không thể khác được. Trái hẳn với mô hình thơ mộng, trong đó mọi vật đều hài hòa với nhau trong một sự thanh nhã chuẩn xác, đa vũ trụ và nguyên lý vị nhân đã vẽ nên bức tranh về một tập hợp các vũ trụ quá ư hoang dã và hết sức đa dạng. Chúng ta rất khó, thậm chí thể nói là không thể, biết được bức tranh đa vũ trụ có đúng hay không. Thậm chí nếu có những vũ trụ khác, thì chúng ta cũng không bao giờ có thể liên lạc được với những vũ trụ đó. Nhưng bằng cách mở rộng hơn nữa "những cái ở ngoài kia", - theo cách thu nhỏ phát minh của Hubble cho thấy rằng Ngân hà chẳng qua cũng chỉ là một trong số rất nhiều thiên hà mà thôi - khái niệm đa vũ trụ ít nhất cũng cảnh báo với chúng ta rằng có thể chúng ta đòi hỏi quá nhiều ở lý thuyết tối hậu.

Chúng ta muốn đòi hỏi rằng lý thuyết tối hậu của chúng ta cho một sự mô tả lượng tử nhất quán của tất cả các lực và toàn bộ vật chất. Chúng ta cũng muốn đòi hỏi lý thuyết tối hậu cho một vũ trụ học trong vũ trụ chúng ta. Nhưng nếu bức tranh đa vũ trụ là đúng - lại một chữ nếu to tướng - thì việc đòi hỏi nó phải giải thích được cả những chi tiết như khối lượng, tích lực của các hạt cũng như cường độ của các lực, có lẽ, sẽ là một đòi hỏi quá đáng.

Nhưng cũng cần phải nhấn mạng rằng, nếu như chúng ta chấp nhận giả thiết tư biện về đa vũ trụ, thì kết luận cho rằng điều đó sẽ làm phương hại tới sức mạnh tiên đoán của chúng ta cũng không phải là chắc chắn gì. Lý do, nói một cách vắn tắt, là ở chỗ nếu chúng ta đã thả cho trí tưởng tưởng của chúng ta bay bổng và cho phép mình chiêm ngưỡng đa vũ trụ, thì chúng ta cũng phải thả cho giấc mơ lý thuyết phiên du để thấy được bằng cách nào có thể chế ngự được đặc tính ngẫu nhiên khá rõ ràng của đa vũ trụ. Đối với những giấc mơ chừng mực hơn, chúng ta có thể hình dung rằng - nếu mô hình đa vũ trụ chính xác - thì chúng ta có thể mở rộng hết cỡ lý thuyết tối hậu của chúng ta và cái "lý thuyết tối hậu mở rộng" đó có thể cho chúng ta biết chính xác sự phân bố giá trị của các tham số cơ bản trong tập hợp những vũ trụ thành phần là như thế nào và tại sao lại như vậy.

Lee Smolin thuộc Đại học quốc gia Pennsylvania còn đưa ra những ý tưởng triệt để hơn nữa. Được kích thích bởi sự tương tự giữa những điều kiện ở Big Bang và ở tâm lỗ đen - cả hai đều được đặc trưng bởi mật độ khổng lồ của vật chất bị nén cực mạnh - Smolin đã đề xuất rằng mỗi một lỗ đen là một hạt mầm nảy sinh ra một vũ trụ mới thông qua một vụ nổ tựa như Big Bang, nhưng vĩnh viễn được chân trời sự kiện của lỗ đen che giấu không cho chúng ta nhìn thấy. Không chỉ hài lòng với việc đề xuất một cơ chế khác để sinh ra đa vũ trụ, Smolin còn đưa ra một yếu tố mới - một kiểu "đột biến di truyền" trong vũ trụ - cho phép tránh được những hạn chế của nguyên lý vị nhân [1]. Ông cho rằng khi vũ trụ vọt ra từ lõi lỗ đen, những thuộc tính của nó, như khối lượng của các hạt và cường độ các lực là rất gần, nhưng không hoàn toàn đồng nhất với những thuộc tính của vũ trụ mẹ. Vì các lỗ đen sinh ra từ những ngôi sao đã tắt và sự hình thành các sao lại phụ thuộc vào những giá trị cụ thể của khối lượng các hạt và cường độ các lực, nên sức sinh sản của một vũ trụ đã cho, tức là số lỗ đen mà nó có thể tạo ra, phụ thuộc một cách rất nhạy cảm vào những tham số đó. Do vậy, nhưng sai khác nhỏ trong những tham số của các vũ trụ con này sẽ dẫn tới một số vũ trụ có giá trị của các tham số đó là tối ưu đối với sự sinh ra các lỗ đen hơn là vũ trụ mẹ, và do đó các vũ trụ đời cháu do các vũ trụ con này phóng ra sẽ nhiều hơn. Sau nhiều "thế hệ", hậu duệ của các vũ trụ sẽ được tối ưu hóa đối với việc tạo ra các lỗ đen và do vậy, chúng trở nên đông đúc tới mức chiếm đa số áp đảo trong vũ trụ. Và như vậy, thay vì phải viện đến nguyên lý vị nhân, đề xuất của Smolin đã cung cấp một cơ chế động làm cho, về trung bình, các tham số của một thế hệ tiếp theo ngày càng gần tới những giá trị cụ thể là tối ưu đối với việc tạo ra các lỗ đen.

Cách tiếp cận này cho ta một phương pháp, thậm chí ngay cả trong bối cảnh đa vũ trụ, cũng có thể giải thích được các tham số của các hạt sơ cấp và của các lực. Thực vậy, nếu lý thuyết của Smolin là đúng, và nếu chúng ta là những thành viên điển hình của một đa vũ trụ đã trưởng thành (đây lại là những chữ "nếu" to tướng và tất nhiên còn có thể bàn cãi về nhiều mặt), thì những tham số của các hạt và các lực mà chúng ta đo được có thể đã được tối ưu hóa cho việc sản xuất các lỗ đen. Nghĩa là bất cứ một sự xê dịch nào đối với các tham số đó của vũ trụ chúng ta cũng sẽ làm cho các lỗ đen khó sinh ra hơn. Các nhà vật lý cũng đang bắt đầu nghiên cứu đề xuất này và hiện nay vẫn chưa khẳng định được sự đúng đắn của nó. Nhưng ngay cả khi giả thuyết cụ thể của Smolin là sai, thì nó cũng đã giới thiệu một dạng khác nữa mà lý thuyết tối hậu có thể có. Thoạt nhìn, lý thuyết tối hậu xem ra kém chặt chẽ hơn. Như chúng ta đã thấy, nó có thể mô tả được một lô các vũ trụ, đa số trong đó chẳng có liên quan gì tới vũ trụ mà chúng ta đang sống. Hơn thế nữa, chúng ta có thể hình dung rằng, một lô các vũ trụ đó đều có thể thực hiện được về mặt vật lý để dẫn tới tiên đoán của chúng ta. Thực tế, sự thảo luận ở đây chẳng qua chỉ để minh họa rằng một sự giải thích tối hậu sẽ có thể đạt được chừng nào chúng ta thâu tóm được không chỉ những định luật tối ưu mà còn cả những hệ quả của nó đối với sự tiến hóa vũ trụ học ở những thang lớn hơn cả dự kiến.

Chắc chắn là những hệ quả vũ trụ học của lý thuyết dây /lý thuyết -M sẽ là lĩnh vực nghiên cứu chủ yếu của thế kỷ XXI. Do không có những máy gia tốc có khả năng đạt tới năng lượng Planck, chúng ta sẽ ngày càng phải dựa vào máy gia tốc Big Bang của vũ trụ là những tàn tích còn lại của nó trong khắp vũ trụ để lấy những dữ liệu thực nghiệm. Với sự may mắn và kiên nhẫn, cuối cùng rồi chúng ta cũng sẽ trả lời được cho những câu hỏi như vũ trụ bắt đầu như thế nào, tại sao nó đã tiến hóa tới dạng để giữ chúng ta lơ lửng trong khoảng không và ở trên mặt đất. Tất nhiên, còn nhiều mảnh đất chưa được khám phá giữa nơi chúng ta đang hiện hữu và nơi đang cất giấu những câu trả lời đầy đủ cho những câu hỏi rất cơ bản đó. Nhưng sự phát triển của một lý thuyết lượng tử của hấp dẫn thông qua lý thuyết siêu dây cho chúng ta hy vọng rằng giờ đây chúng ta đã có những công cụ lý thuyết để tiến vào những vùng bao la của những điều chưa biết và chắc chắn sau rất nhiều nỗ lực, có thể sẽ trở về với những câu trả lời cho một số câu hỏi cơ bản nhất mà loài người đã từng đặt ra.

[1] Những ý tưởng của Smolin được trình bày trong cuốn sách của ông nhan đề "The life of Cosmos (New york: Oxford University Press. 1997).