Kẻ giấu mặt trong vũ trụ

Giải thưởng Nobel năm nay về vật lý được trao cho ba nhà vật lý thiên văn về "khám phá sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ qua quan sát các siêu tân tinh ở xa". Có thể nói khám phá này là một cú điểm mặt những kẻ giấu mặt trong vũ trụ.

Theo nhận thức chung của khoa học hiện nay, vũ trụ được hình thành từ vụ Nổ Lớn (Big Bang). Từ đấy các vật chất phát tán ra và hình thành vũ trụ như ngày nay. Trong quá trình nở ra đấy của vũ trụ có hai lực lượng đối chọi nhau. Một là năng lượng từ thưở ban đầu, khiến các vật chất ngày càng xa nhau, và làm cho vũ trụ nở ra. Hai là lực hấp dẫn giữa các vật chất trong vũ trụ khiến chúng hút lại gần nhau. Lực hấp dẫn tuy rất nhỏ đối với những vật thể quanh ta trong sinh hoạt hàng ngày, nhưng đối với những vật thể trong vũ trụ có khối lượng lớn chúng có giá trị đáng kể. Chúng ta ngày ngày phải dính chân trên mặt đất, không bay được cao xa trên bầu trời bao la chính vì lực hấp dẫn của trái đất đã hút chúng ta lại. Với hai lực lượng đối chọi nhau như vậy, có ba khả năng xảy ra đối với vũ trụ. Khả năng thứ nhất là mật độ vật chất trong vũ trụ nhỏ, lực hấp dẫn giữa vật chất trong vũ trụ không đủ mạnh để chúng có thể vượt qua được sự giãn nở để xích lại gần nhau. Và như vậy với quá trình giãn nở, mật độ vật chất càng ngày càng nhỏ đi, và do đó lực hấp dẫn ngày càng yếu thế, dẫn tới vũ trụ ngày càng nở ra, cứ như thế mãi, không bao giờ ngừng nghỉ. Tốc độ giãn nở của vũ trụ như vậy sẽ không đổi. Trong quá khứ vũ trụ giãn nở như thế nào thì hiện nay vẫn giãn nở như vậy. Đó là mô hình vũ trụ mở. Khả năng thứ hai là vũ trụ giãn nở đến một mức nào đấy, lực hấp dẫn thắng thế quá trình giãn nở, khiến cho vật chất hút lại gần nhau. Vật chất càng gần nhau thì lực hấp dẫn càng mạnh. Do vậy vũ trụ sẽ co lại, và cuối cùng thu về một điểm như ở thời điểm vụ Nổ Lớn. Như vậy ở giai đoạn vũ trụ nở ra, tốc độ giãn nở của vũ trụ sẽ giảm đi và đến lúc nào đấy quá trình giãn nở sẽ ngưng lại. Đó là mô hình vũ trụ đóng. Khả năng cuối cùng là cả hai lực lượng đối chọi nhau đấy, không bên nào thắng thế bên nào, kết quả vũ trụ không đóng, cũng không mở. Đó là mô hình vũ trụ phẳng. Vũ trụ sẽ vô tận và ổn định. Nhưng nếu ở đấy có thêm một lực lượng nào khác nữa thì chúng sẽ làm tăng tốc sự giãn nở của vũ trụ.

Sự giãn nở của vũ trụ được biết trước tiên trong lý thuyết. Einstein đề xuất ra một lý thuyết cho lực hấp dẫn, được gọi là lý thuyết tương đối rộng. Lý thuyết tương đối rộng được xây dựng trên nguyên lý tương đương: khối lượng hấp dẫn của một vật bằng chính khối lượng quán tính của nó. Khối lượng hấp dẫn của một vật chính là cái khối lượng tham gia vào lực hấp dẫn theo định luật vạn vật hấp dẫn. Khối lượng quán tính của một vật là cái khối lượng cản trở sự thay đổi trạng thái chuyển động của vật khi có một lực tác động vào nó. Khối lượng hấp dẫn của cơ thể chúng ta chính là cái khối lượng mà trái đất đã hút chúng ta ở lại mặt đất. Khối lượng quán tính của cơ thể chúng ta chính là cái khối lượng cản trở lại mà khi có một người đẩy chúng ta ra khỏi vị trí đang đứng yên. Người càng nặng thì càng khó tăng tốc cho anh ta từ vị trí đứng yên, người càng nhẹ thì càng dễ tăng tốc. Bởi vì hai cái khối lượng đó là như nhau nên trong sinh hoạt thường nhật chúng ta không cần phân biệt chúng. Chúng ta có thể cảm thấy nguyên lý tương đương khi đi thang máy. Khi thang máy bắt đầu đi lên chúng ta cảm thấy mình dường nặng hơn, và khi thang máy bắt đầu đi xuống chúng ta cảm thấy mình dường nhẹ hơn. Đó là do thang máy khi bắt đầu chuyển động nó bắt buộc phải tăng tốc và sự tăng tốc đấy đã tạo thêm hay bớt đi một chút lực giống như là lực hấp dẫn tác động vào cơ thể chúng ta. Sau đấy Einstein áp dụng lý thuyết tương đối rộng vào nghiên cứu vũ trụ với giả thiết vũ trụ là đồng nhất. Trái với mong đợi của mình, Einstein giải thấy nghiệm vũ trụ không tĩnh. Điều này trái với nhận thức vũ trụ lúc bấy giờ và trái với cảm quan vật lý của Einstein. Do vậy Einstein đã đưa thêm vào phương trình thu được cho vũ trụ từ lý thuyết tương đối rộng một hằng số, được gọi là hằng số vũ trụ, để thu được một nghiệm tĩnh. Hằng số vũ trụ này là một thứ nhân tạo, không có bất kỳ cơ sở vật lý nào cho nó. Nhưng sau đấy, nhà toán lý Xô Viết Friedmann chỉ ra nghiệm tĩnh mà Einstein thu được cũng không bền vững. Bất kỳ một nhiễu loạn nhỏ nào cũng làm cho vũ trụ trở nên không tĩnh. Einstein rất không thích kết quả như vậy và cho rằng vũ trụ nở ra (không tĩnh) là một ý tưởng "kinh tởm". Sau đấy các nhà vật lý thiên văn vào cuộc bằng các đo đạc của mình. Nhà vật lý thiên văn người Mỹ Hubble bằng các đo đạc của mình đã phát hiện vũ trụ đích thực nở ra. Khoảng cách giữa các thiên hà mà Hubble đo đạc được tỷ lệ với độ dịch chuyển đỏ của các bức xạ từ các thiên hà. Điều đó khẳng định các thiên hà đang chuyển động ra xa nhau. Độ dịch chuyển đỏ cho chúng ta biết được các thiên hà đang chuyển động ra xa nhau là một trường hợp của hiệu ứng Doppler. Hiệu ứng Doppler là hiện tượng tần số hay bước sóng thay đổi khi nguồn phát bức xạ chuyển động tương đối so với người quan sát. Trong sinh hoạt thường nhật, chúng ta có thể thấy trường hợp ứng dụng khác của hiệu ứng Doppler là máy bắn tốc độ mà công an giao thông vẫn dùng để đo tốc độ các ô tô. Với kết quả đo đạc của Hubble, Einstein thừa nhận vũ trụ giãn nở, và ông cho rằng cái hằng số vũ trụ mà ông nghĩ ra là một sai lầm lớn nhất của đời ông. Trong cả cuộc đời của mình, Einstein không chấp nhận cơ học lượng tử, mặc dù những thành tựu của cơ học lượng tử diễn ra trước mắt ông, trong cuộc sống hàng ngày. Cho tới tận lúc mất, Einstein vẫn không chấp nhận cơ học lượng tử, cho rằng nó không phù hợp với nhận thức của ông. Thế nhưng, với sự giãn nở của vũ trụ, Einstein đã thừa nhận sai lầm của mình.

Vũ trụ giãn nở là một sự thật. Không còn nghi ngờ gì nữa. Nhưng sự giãn nở đó như thế nào và vũ trụ của chúng ta sẽ tiến hóa theo tình huống nào trong ba mô hình kể trên của vũ trụ? Khám phá về sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ đã loại bỏ hai mô hình đầu và chỉ còn lại mô hình thứ ba. Như vậy bắt buộc phải có thêm một lực lượng nào khác đã khiến cho sự giãn nở của vũ trụ được tăng tốc. Lực lượng đó được gọi là năng lượng tối. Đó là một kẻ giấu mặt trong vũ trụ. Bản chất của năng lượng tối là gì, cho đến nay vẫn chưa có câu trả lời. Một thuyết cho rằng chính cái hằng số vũ trụ mà Einstein cho rằng là một sai lầm lớn nhất trong cuộc đời khoa học của ông lại chính là đại diện của năng lượng tối. Nếu đúng như vậy thì khoa học cũng thật là trớ trêu, và cảm quan vật lý của Einstein thật là thần diệu. Ngay cả cái sai lầm lớn nhất của ông cũng mở ra cả một chân lý của Tự nhiên. Thuyết khác lại cho rằng không có hằng số vũ trụ gì cả, sự tăng tốc của giãn nở vũ trụ không xảy ra thường xuyên, phụ thuộc vào thời gian, và họ gọi đó là quintessence. Cái tên quintessence này chính là tên aether viết trong tiếng Latin, mà từ thời kỳ cổ đại cho đến tận cận đại aether được cho rằng là vật chất lấp đầy vũ trụ. Theo tính toán của các nhà vật lý thiên văn, năng lượng tối chiếm tới 75% lượng vật chất vũ trụ. Các vật chất nhìn thấy được như mặt trăng, mặt trời, các vì sao... chỉ chiếm có khoảng 5% lượng vật chất vũ trụ. Phần còn lại là vật chất tối. Vật chất tối không phải là năng lượng tối. Vật chất tối là những vật chất không phát ra hay hấp thụ ánh sáng cũng như các bức xạ điện từ. Do vậy chúng ta "mù" trước chúng. Như vậy khám phá về sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ đã điểm chỉ kẻ giấu mặt trong vũ trụ - năng lượng tối. Nhưng bộ mặt thật của kẻ giấu mặt này vẫn đang còn là một bí ẩn thách thức và mời gọi con người vạch mặt chúng.