Có Phải Sự Nổ Lớn Xuất Phát Từ Hối Bất Cứ? Hay Từ Một Vũ Trụ Quá Khứ?

CÂU HỎI CỦA ĐỘC GIẢ: Hiểu biết của tôi là không có gì xuất phát từ không gì. Đối với một thứ gì đó tồn tại, phải có vật liệu hoặc thành phần sẵn có, và để chúng có sẵn, phải có điều gì đó khác sẵn có. Bây giờ câu hỏi của tôi: Vật liệu tạo ra Sự Nổ Lớn đến từ đâu, và điều gì đã xảy ra lần đầu tiên để tạo ra vật liệu đó? Peter, 80 tuổi, Australia.

“Ngôi sao cuối cùng sẽ chậm rãi nguội và tan biến. Khi nó qua đi, vũ trụ sẽ một lần nữa trở thành một hối trống, không có ánh sáng, không có sự sống và không có ý nghĩa.” Như nhà vật lý Brian Cox cảnh báo trong series mới nhất của BBC Vũ Trụ. Việc nhấm nháp cuối cùng của ngôi sao đó chỉ là sự bắt đầu của một kỷ nguyên vô hạn dài, tối tăm. Tất cả vật chất cuối cùng sẽ bị các hố đen khổng lồ nuốt chửng, sau đó chúng sẽ bốc hơi thành những tia sáng mờ nhạt. Không gian sẽ mở rộng mãi mãi cho đến khi thậm chí cả ánh sáng mờ nhạt đó cũng trở nên quá rải rác để tương tác. Mọi hoạt động sẽ dừng lại.

Hoặc có thể không? Khá kỳ cục, nhưng một số nhà thiên văn học tin rằng một vũ trụ quá khứ, lạnh lẽo và trống rỗng giống như cái mà đang ở tương lai xa của chúng ta có thể đã là nguồn gốc của chính Sự Nổ Lớn của chúng ta.

Vật chất đầu tiên

Nhưng trước khi chúng ta tới điều đó, hãy xem xét làm thế nào “vật liệu” – vật chất vật lý – ban đầu xuất hiện. Nếu chúng ta đang cố giải thích nguồn gốc của vật chất ổn định được tạo ra từ nguyên tử hoặc phân tử, thì chắc chắn không có thứ đó ở Sự Nổ Lớn – hoặc trong hàng trăm nghìn năm sau đó. Thực sự, chúng ta hiện đang có một hiểu biết khá chi tiết về cách nguyên tử đầu tiên hình thành từ các hạt đơn giản khi điều kiện nguội đủ để chất phức tạp trở nên ổn định, và cách những nguyên tử này sau đó được kết hợp thành các nguyên tố nặng hơn bên trong các ngôi sao. Nhưng hiểu biết đó không giải quyết được câu hỏi liệu có điều gì đó xuất phát từ không gì.

Hãy suy nghĩ sâu hơn. Các hạt vật chất lâu dài đầu tiên bao gồm proton và neutron, cùng tạo nên hạt nhân nguyên tử. Chúng xuất hiện khoảng một phần mười nghìn của một giây sau Sự Nổ Lớn. Trước điểm đó, thật sự không có vật liệu theo nghĩa quen thuộc của từ. Nhưng vật lý cho phép chúng ta theo dõi dòng thời gian ngược lại - đến các quá trình vật lý mà trước ngày này có trước bất kỳ vật chất ổn định nào.

Điều này dẫn chúng ta đến thời kỳ gọi là "thời kỳ đồng nhất lớn". Tính đến nay, chúng ta đã bước vào lĩnh vực của vật lý giả tưởng, vì chúng ta không thể tạo đủ năng lượng trong các thí nghiệm của mình để khám phá loại quá trình đang diễn ra vào thời điểm đó. Nhưng một giả thuyết hợp lý là thế giới vật lý được tạo thành từ một loại súp các hạt cơ bản ngắn ngủi - bao gồm cả quark, những khối xây dựng của proton và neutron. Có cả vật chất và "chất ngược" ở mức độ gần như bằng nhau: mỗi loại hạt vật chất, như quark, đều có một bản sao "gương" chất ngược, gần như giống với chính nó, chỉ khác nhau ở một khía cạnh. Tuy nhiên, vật chất và chất ngược biến mất trong một tia sáng năng lượng khi chúng gặp nhau, có nghĩa là những hạt này liên tục được tạo ra và phá hủy.

Nhưng làm thế nào những hạt này có thể xuất hiện ban đầu? Lý thuyết trường lực lượng tử nói cho chúng ta biết rằng ngay cả một chân không, giả định tương ứng với không gian thời gian trống rỗng, cũng đầy đủ hoạt động vật lý dưới dạng biến động năng lượng. Những biến động này có thể dẫn đến việc các hạt xuất hiện, chỉ để biến mất ngay sau đó. Điều này có thể nghe có vẻ như một kỳ quặc toán học hơn là vật lý thực sự, nhưng những hạt như vậy đã được nhìn thấy trong vô số các thí nghiệm.

Trạng thái chân không của không gian thời gian đang nổi loạn với những hạt liên tục được tạo ra và phá hủy, dường như "từ không gì". Nhưng có lẽ tất cả điều này thực sự chỉ cho chúng ta biết rằng chân không lượng tử (mặc dù có tên là vậy) là một cái gì đó chứ không phải là không gì cả. Nhà triết học David Albert đã một cách đáng nhớ chỉ trích những tường thuật về Sự Nổ Lớn hứa hẹn sẽ đạt được cái gì đó từ không gì theo cách này.

Giả sử chúng ta hỏi: không gian thời gian chính nó đã xuất hiện từ đâu? Sau đó, chúng ta có thể tiếp tục quay đồng hồ ngược lại thêm nữa, vào thời kỳ cổ xưa thực sự "thời kỳ Planck" - một giai đoạn quá sớm trong lịch sử của vũ trụ mà các lý thuyết vật lý tốt nhất của chúng ta bị hỏng. Thời kỳ này chỉ xảy ra một phần mười triệu tỷ phần tỷ phần tỷ phần tỷ phần một giây sau Sự Nổ Lớn. Tại thời điểm này, không gian và thời gian chính bản thân trở nên phục tạp với biến động lượng tử. Thông thường, các nhà vật lý làm việc riêng biệt với cơ học lượng tử, áp dụng cho thế giới vi mô của các hạt, và với lý thuyết tương đối tổng quát, áp dụng trên quy mô lớn, vũ trụ. Nhưng để thực sự hiểu thời kỳ Planck, chúng ta cần một lý thuyết hoàn chỉnh về trọng lực lượng tử, kết hợp cả hai.

Chúng ta vẫn chưa có một lý thuyết hoàn hảo về trọng lực lượng tử, nhưng có những cố gắng - như lý thuyết dây và trọng lực lượng tử vòng. Trong những cố gắng này, không gian và thời gian thông thường được xem xét như là những thứ nảy sinh, giống như những con sóng trên bề mặt của một đại dương sâu. Điều chúng ta trải nghiệm là không gian và thời gian là sản phẩm của các quá trình lượng tử hoạt động ở một cấp độ vi mô sâu hơn - các quá trình mà không có nhiều ý nghĩa với chúng ta như những sinh vật gốc rễ trong thế giới cơ bản.

Trong thời kỳ Planck, sự hiểu biết thông thường của chúng ta về không gian và thời gian sụp đổ, vì vậy chúng ta cũng không còn có thể dựa vào sự hiểu biết thông thường về nguyên nhân và kết quả. Mặc dù vậy, tất cả các lý thuyết ứng viên về trọng lực lượng tử đều mô tả điều gì đó vật lý đang diễn ra trong thời kỳ Planck - một số tiền thân lượng tử của không gian và thời gian thông thường. Nhưng điều đó đã đến từ đâu?

Ngay cả khi tính tương quan không còn áp dụng theo bất kỳ cách thông thường nào, vẫn có thể giải thích một thành phần của vũ trụ thời kỳ Planck dựa trên thành phần khác. Thật không may, đến bây giờ, thậm chí cả vật lý tốt nhất của chúng ta cũng hoàn toàn thất bại trong việc cung cấp câu trả lời. Cho đến khi chúng ta đạt được tiến triển further về một "lý thuyết tất cả", chúng ta sẽ không thể đưa ra bất kỳ câu trả lời xác định nào. Điều tối đa mà chúng ta có thể nói với sự tự tin ở giai đoạn này là rằng vật lý cho đến nay chưa tìm thấy bất kỳ ví dụ xác nhận nào về việc một cái gì đó nảy sinh từ không gì cả.

Chu kỳ từ gần như không gì

Để thực sự trả lời câu hỏi về làm thế nào một cái gì đó có thể nảy sinh từ không gì, chúng ta cần giải thích trạng thái lượng tử của toàn bộ vũ trụ vào đầu thời kỳ Planck. Mọi cố gắng để làm điều này vẫn còn là rất giả tưởng. Một số trong số chúng thì kêu gọi đến những lực siêu nhiên như một người thiết kế. Nhưng các giải thích ứng viên khác vẫn nằm trong lĩnh vực của vật lý - như một vũ trụ đa vũ trụ, chứa đựng một số vô hạn vũ trụ song song, hoặc mô hình chu kỳ của vũ trụ, được sinh ra và tái sinh lại.

Nhà vật lý đoạt giải Nobel năm 2020 Roger Penrose đã đề xuất một mô hình đầy góc cạnh nhưng gây tranh cãi cho một vũ trụ chu kỳ đặt tên là "đồng nhất chu kỳ tuân thủ". Penrose được truyền cảm hứng từ một mối liên kết toán học thú vị giữa trạng thái rất nóng, dày đặc, nhỏ của vũ trụ - như nó đã ở tại Sự Nổ Lớn - và một trạng thái cực kỳ lạnh, trống rỗng, mở rộng của vũ trụ - như nó sẽ là ở tương lai xa xôi. Lý thuyết đột phá của ông để giải thích sự tương ứng này là những trạng thái đó trở nên toán học đồng nhất khi được đưa ra giới hạn của chúng. Dù có vẻ nghịch lý, một sự vắng mặt hoàn toàn của vật chất có thể đã thành công trong việc tạo ra tất cả vật chất chúng ta thấy xung quanh trong vũ trụ.

Theo quan điểm này, Sự Nổ Lớn xuất phát từ hầu như không gì cả. Đó là những gì còn lại khi tất cả vật chất trong một vũ trụ đã được tiêu thụ vào các lỗ đen, sau đó sôi sục thành photons - biến mất trong một không gian trống lạc. Toàn bộ vũ trụ nảy sinh từ điều gì đó - nhìn từ một góc độ vật lý khác - gần như là không gì cả. Nhưng điều đó không gì vẫn là một loại cái gì. Nó vẫn là một vũ trụ vật lý, tuy rỗng.

Làm thế nào mà trạng thái giống nhau có thể là một vũ trụ lạnh lẽo, trống rỗng từ một góc độ và một vũ trụ nóng đặc từ một góc độ khác? Câu trả lời nằm trong một quy trình toán học phức tạp gọi là “co giãn tuân thủ”, một biến đổi hình học thực sự thay đổi kích thước của một đối tượng nhưng để lại hình dạng của nó không đổi.

Penrose cho thấy cách trạng thái lạnh dày đặc và trạng thái nóng dày đặc có thể liên quan đến nhau thông qua co giãn tuân thủ sao cho chúng phù hợp về hình dạng của không gian thời gian - mặc dù không phải về kích thước của chúng. Thật thú vị khi nhìn nhận làm thế nào hai đối tượng có thể giống nhau như vậy khi chúng có kích thước khác nhau - nhưng Penrose luận điệu rằng khái niệm về kích thước ngừng có ý nghĩa trong những môi trường vật lý cực kỳ cực kỳ.

Trong thuyết chu kỳ tuân thủ, hướng giải thích đi từ cũ và lạnh đến trẻ và nóng: trạng thái nóng đặc tồn tại bởi vì trạng thái trống rỗng, lạnh. Nhưng điều này “vì” không phải là cái quen thuộc - của một nguyên nhân theo thời gian của nó và tác động của nó. Không chỉ kích thước mà cả thời gian ngừng trở nên liên quan trong những trạng thái cực kỳ này. Trạng thái lạnh dày đặc và trạng thái nóng đặc hiệu quả nằm trên các đường thời gian khác nhau.

Việc hiểu trạng thái nóng đặc được tạo ra từ trạng thái trống rỗng theo một cách không theo thời gian có thể giúp. Có lẽ chúng ta nên nói rằng trạng thái nóng đặc nảy sinh từ, hoặc được thực hiện bởi, hoặc hiện thực bởi trạng thái lạnh, trống rỗng. Đây là những ý tưởng triết học đặc trưng đã được nghiên cứu bởi các nhà triết học khoa học một cách rộng rãi, đặc biệt là trong bối cảnh của trọng lực lượng tử nơi nguyên nhân và kết quả thông thường dường như sụp đổ. Ở những giới hạn của kiến thức của chúng ta, vật lý và triết học trở nên khó phân biệt.

Bằng chứng thực nghiệm?

Thuyết chu kỳ tuân thủ mang lại một số câu trả lời chi tiết, mặc dù là giả tưởng, cho câu hỏi về nguồn gốc của Sự Nổ Lớn của chúng ta. Nhưng ngay cả nếu tầm nhìn của Penrose được chứng minh bởi sự tiến triển tương lai của vũ trụ học, chúng ta có thể nghĩ rằng chúng ta vẫn chưa trả lời được một câu hỏi triết học sâu sắc hơn - một câu hỏi về nơi chính của hiện thực vật lý đến từ đâu. Làm thế nào cả hệ thống chu kỳ đã xuất hiện?
Sau cùng, chúng ta kết thúc với câu hỏi thuần túy về tại sao có một cái gì đó thay vì không có gì - một trong những câu hỏi lớn nhất của triết học.

Nhưng sự tập trung của chúng ta ở đây là vào những giải thích vẫn nằm trong lĩnh vực vật lý. Có ba lựa chọn rộng lớn cho câu hỏi sâu sắc về cách các chu kỳ bắt đầu. Nó có thể không có giải thích vật lý nào cả. Hoặc có thể có vô số chu kỳ lặp đi lặp lại, mỗi cái là một vũ trụ riêng biệt, với trạng thái lượng tử ban đầu của mỗi vũ trụ được giải thích bởi một đặc điểm nào đó của vũ trụ trước đó. Hoặc có thể có một chu kỳ duy nhất, và một vũ trụ lặp lại duy nhất, với sự bắt đầu của chu kỳ đó được giải thích bởi một đặc điểm của chính sự kết thúc của nó. Những cách tiếp cận sau tránh được sự cần thiết cho bất kỳ sự kiện không gây ra nào - và điều này khiến chúng trở nên hấp dẫn khác biệt. Không có gì sẽ được giữ lại không được giải thích bởi vật lý.

Penrose tưởng tượng một chuỗi các chu kỳ mới vô tận vì một phần liên quan đến quan điểm ưa thích của anh về lý thuyết lượng tử. Trong cơ học lượng tử, một hệ thống vật lý tồn tại trong một tình trạng siêu hiệu quả của nhiều trạng thái khác nhau cùng một lúc, và chỉ “chọn một” ngẫu nhiên, khi chúng ta đo nó. Đối với Penrose, mỗi chu kỳ liên quan đến những sự kiện lượng tử ngẫu nhiên diễn ra theo cách khác nhau - có nghĩa là mỗi chu kỳ sẽ khác nhau so với những chu kỳ trước và sau nó. Điều này thực sự là tin vui cho các nhà vật lý thực nghiệm, vì nó có thể cho phép chúng ta nhìn thấy vũ trụ cũ mà tạo ra chúng ta thông qua những dấu vết mờ, hoặc bất thường, trong sóng bức xạ dư thừa từ Sự Nổ Lớn được nhìn thấy bởi vệ tinh Planck.

Penrose và các đồng nghiệp của ông tin rằng họ có thể đã nhìn thấy những dấu vết này từ trước, đặt ra các mô hình trong dữ liệu Planck cho bức xạ từ các lỗ đen siêu lớn trong vũ trụ trước. Tuy nhiên, những quan sát được tuyên bố của họ đã bị đặt dấu chấm hỏi bởi các nhà vật lý khác và cuộc thẩm định vẫn còn nhiều tranh cãi.

Những chu kỳ mới vô tận là chìa khóa của tầm nhìn của Penrose. Nhưng có một cách tự nhiên để chuyển đổi thuyết chu kỳ tuân thủ từ dạng nhiều chu kỳ thành một chu kỳ. Sau đó, hiện thực vật lý tồn tại trong một chu kỳ duy nhất quay quanh qua Sự Nổ Lớn đến một trạng thái càng trống rỗng càng xa - và sau đó quay quanh lại đến chính Sự Nổ Lớn đó, tạo nên chính vũ trụ giống hệt nhau một lần nữa.

Khả năng sau này này nhất quán với một cách diễn giải khác của cơ học lượng tử, được gọi là diễn giải nhiều thế giới. Diễn giải nhiều thế giới nói với chúng ta rằng mỗi lần chúng ta đo lường một hệ thống đang ở trong trạng thái siêu hiệu quả, sự đo lường này không chọn một trạng thái ngẫu nhiên. Thay vào đó, kết quả đo lường chúng ta thấy chỉ là một khả năng - khả năng đó diễn ra trong vũ trụ của chúng ta. Các kết quả đo lường khác tất cả diễn ra trong các vũ trụ khác nhau trong một vũ trụ đa vũ trụ, hiệu quả cắt đứt khỏi vũ trụ của chúng ta. Vì vậy, bất kể xác suất của một sự kiện xảy ra có nhỏ đến đâu, nếu nó có xác suất khác không thì nó xảy ra trong một thế giới lượng tử song song. Có những người giống bạn đang tồn tại ở thế giới khác đã trúng số, hoặc đã bị cuốn lên vào mây bởi một cơn bão kỳ quặc, hoặc tự nhiên tự ý, hoặc đã làm tất cả ba điều đó cùng một lúc.

Một số người tin rằng những vũ trụ song song như vậy cũng có thể quan sát được trong dữ liệu thiên văn, như dấu vết do một vũ trụ khác va chạm với chúng ta gây ra.

Lý thuyết lượng tử nhiều thế giới đưa ra một cách nhìn mới về vũ trụ chu kỳ tuân thủ, tuy nhiên không phải là một cách mà Penrose đồng ý. Sự Nổ Lớn của chúng ta có thể là sự tái sinh của một vũ trụ lượng tử đa vũ trụ duy nhất, chứa đựng vô số vũ trụ khác nhau xảy ra cùng nhau. Mọi thứ có thể xảy ra - sau đó lại xảy ra và lại xảy ra nữa.

Một huyền thoại cổ xưa

Đối với một nhà triết học khoa học, tầm nhìn của Penrose rất thú vị. Nó mở ra những khả năng mới để giải thích Sự Nổ Lớn, đưa giải thích của chúng ta vượt ra khỏi hiệu ứng thường ngày của nguyên nhân và kết quả. Điều này làm cho nó trở thành một trường hợp kiểm tra tuyệt vời để khám phá những cách khác nhau mà vật lý có thể giải thích thế giới của chúng ta. Nó đáng đợi được sự chú ý từ những nhà triết học hơn.

Đối với người yêu thích thần thoại, tầm nhìn của Penrose thật tuyệt vời. Trong hình dạng nhiều chu kỳ ưa thích của Penrose, nó hứa hẹn thế giới mới không ngừng được sinh ra từ tro tàn của tổ tiên. Trong hình dạng một chu kỳ, nó là một sự tái hiện độc đáo của ý tưởng cổ xưa về ouroboros, hay con rắn thế giới. Trong thần thoại Bắc Âu, con rắn Jörmungandr là con của Loki, một kẻ mưu mô thông minh, và người khổng lồ Angrboda. Jörmungandr nuốt chửng đuôi của mình, và vòng tròn tạo ra duy trì sự cân bằng của thế giới. Nhưng huyền thoại ouroboros đã được ghi chép trên khắp thế giới - bao gồm cả từ thời Ai Cập cổ đại.

Ouroboros của vũ trụ chu kỳ duy nhất thực sự là tráng lệ. Nó chứa đựng trong bụng mình vũ trụ của chúng ta, cũng như mọi vũ trụ khác kỳ quái và kỳ diệu mà lý thuyết lượng tử cho phép - và tại điểm mà đầu nó gặp đuôi, nó hoàn toàn trống rỗng nhưng cũng đang tràn ngập năng lượng ở nhiệt độ hàng trăm nghìn triệu tỷ tỷ độ C. Thậm chí cả Loki, kẻ biến hình, cũng phải kinh ngạc.

Để có tất cả câu trả lời lớn trong cuộc sống, hãy tham gia cùng hàng trăm nghìn người đang trân trọng tin tức dựa trên bằng chứng bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi. Bạn có thể gửi cho chúng tôi những câu hỏi lớn của bạn qua email tại [email protected] và chúng tôi sẽ cố gắng tìm một nhà nghiên cứu hoặc chuyên gia để giải quyết.

Bài viết bởi Alastair Wilson, Giáo sư Triết học, Đại học Birmingham

Bài viết này được phát lại từ The Conversation dưới giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.