Vì sao giới khoa học tin chắc tồn tại 'đa vũ trụ' và vũ trụ đang sống chỉ là một bong bóng?

Một ý tưởng phiêu lưu, hấp dẫn mà không có thử nghiệm thực tế, trực quan: Đa vũ trụ gây nhiều tranh cãi. Nhưng nền tảng cho ý tưởng đó thì chắc chắn vững vàng.

Khi chúng ta quan sát Vũ trụ ngày nay, nó đồng thời kể cho chúng ta hai câu chuyện về chính nó. Một trong những câu chuyện đó được viết về diện mạo của Vũ trụ ngày nay, bao gồm các ngôi sao và thiên hà mà chúng ta có, cách chúng tập hợp lại và cách chúng di chuyển cũng như thành phần cấu tạo của chúng. Đây là một câu chuyện tương đối đơn giản và là câu chuyện mà chúng ta đã học được chỉ bằng cách quan sát Vũ trụ mà chúng ta thấy.

Nhưng một câu chuyện khác là làm thế nào mà Vũ trụ trở thành như ngày nay, và đó là một câu chuyện cần thêm một chút công sức để khám phá. Chắc chắn chúng ta có thể quan sát các vật thể ở khoảng cách rất xa và điều đó cho chúng ta biết Vũ trụ trông như thế nào trong quá khứ xa xôi: khi ánh sáng vừa đến ta lần đầu tiên được phát ra. Nhưng chúng ta cần kết hợp điều đó với các lý thuyết của chúng ta về Vũ trụ — các định luật vật lý trong khuôn khổ của Vụ nổ lớn hay Big Bang — để giải thích những gì đã xảy ra trong quá khứ. Khi các nhà khoa học làm điều đó, họ thấy bằng chứng phi thường rằng Vụ nổ lớn nóng bỏng của chúng ta được thiết lập bởi một giai đoạn trước: lạm phát vũ trụ. Nhưng để lạm phát mang lại cho chúng ta một Vũ trụ phù hợp với những gì chúng ta quan sát, có một phần phụ đáng lo ngại xuất hiện trong quá trình: đa vũ trụ. Đây là lý do tại sao các nhà vật lý khẳng định một cách khá chắc chắn rằng đa vũ trụ phải tồn tại.

Quay trở lại những năm 1920, bằng chứng trở nên rõ ràng rằng không chỉ có nhiều hình xoắn ốc và hình elip trên bầu trời thực sự là toàn bộ các thiên hà, mà thiên hà đó được xác định càng ở xa thì lượng ánh sáng của nó bị dịch chuyển một cách có hệ thống với bước sóng dài hơn. Mặc dù ban đầu có nhiều cách giải thích được đề xuất, nhưng tất cả chúng đều bị phủ nhận bởi nhiều bằng chứng loại trừ cho đến khi chỉ còn lại một giải thích phổ quát: Bản thân Vũ trụ đang trải qua quá trình giãn nở giống như một ổ bánh mì nho khô có men, trong đó các vật thể bị ràng buộc như các thiên hà (ví dụ: nho khô) được nhúng vào trong một Vũ trụ đang mở rộng (ví dụ: bột nhào).

Nếu Vũ trụ ngày nay đang giãn nở, và bức xạ bên trong nó bị dịch chuyển về phía bước sóng dài hơn và năng lượng thấp hơn, thì trong quá khứ, Vũ trụ phải nhỏ hơn, đặc hơn, đồng nhất hơn và nóng hơn. Miễn là bất kỳ lượng vật chất và bức xạ nào cũng là một phần của Vũ trụ đang giãn nở này, ý tưởng về Vụ nổ lớn mang lại ba dự đoán rõ ràng và tổng quát:

Thứ nhất: một mạng lưới vũ trụ quy mô lớn có các thiên hà phát triển, tiến hóa và quần tụ phong phú hơn theo thời gian,

Thứ hai: nền năng lượng thấp của bức xạ vật đen, còn sót lại từ khi các nguyên tử trung hòa lần đầu tiên hình thành trong Vũ trụ sơ khai, nóng bỏng,

Thứ ba: một tỷ lệ cụ thể của các nguyên tố nhẹ nhất — hydro, heli, liti và các đồng vị khác nhau của chúng — tồn tại ngay cả ở những vùng chưa bao giờ hình thành sao.

Cả ba dự đoán này đều đã được chứng minh bằng quan sát, và đó là lý do tại sao Vụ nổ lớn được coi giả thuyết hàng đầu về nguồn gốc Vũ trụ của chúng ta, cũng như lý do tại sao tất cả các thuyết cạnh tranh khác đã biến mất. Tuy nhiên, Vụ nổ lớn chỉ mô tả Vũ trụ của chúng ta trông như thế nào trong giai đoạn rất sớm của nó; nó không giải thích tại sao nó có những đặc tính đó. Trong vật lý, nếu bạn biết các điều kiện ban đầu của hệ thống của mình và các quy tắc mà nó tuân theo là gì, bạn có thể dự đoán cực kỳ chính xác — đến giới hạn của sức mạnh tính toán và sự không chắc chắn vốn có trong hệ thống của bạn — hệ thống sẽ phát triển tùy ý như thế nào trong tương lai.

Nhưng Big Bang cần phải có những điều kiện ban đầu nào để tạo ra Vũ trụ mà chúng ta có?

Phải có một nhiệt độ tối đa thấp hơn đáng kể (ít nhất là khoảng ~1.000 lần) so với thang đo Planck, đây là nơi mà các định luật vật lý bị phá vỡ; Vũ trụ phải được sinh ra với những dao động mật độ có độ lớn xấp xỉ như nhau ở mọi quy mô; tốc độ giãn nở và tổng mật độ vật chất và năng lượng phải cân bằng gần như hoàn hảo; nó phải được sinh ra với các điều kiện ban đầu giống nhau — cùng nhiệt độ, mật độ và phổ thăng giáng — ở tất cả các vị trí, kể cả những vị trí bị ngắt kết nối nhân quả; và entropy của nó phải thấp hơn nhiều, rất nhiều so với ngày nay, hàng nghìn tỉ.

Bất cứ khi nào các nhà khoa học gặp phải câu hỏi về các điều kiện ban đầu - về cơ bản, tại sao hệ thống của chúng ta lại bắt đầu theo cách này? — chúng ta chỉ có hai lựa chọn. Chúng ta có thể gọi đó là điều không thể biết hoặc chúng ta có thể cố gắng tìm một cơ chế để thiết lập và tạo ra các điều kiện mà chúng ta biết và cần phải có. Con đường thứ hai đó là cái mà các nhà vật lý gọi là “thu hút động lực học”, trong đó họ cố gắng nghĩ ra một cơ chế thực hiện ba điều quan trọng.

Thứ nhất, phải tái tạo mọi thành công mà mô hình Big Bang mà nó đang cố gắng thay thế.

Thứ hai, cơ chế đó phải giải thích điều mà Big Bang không thể làm được: những điều kiện ban đầu mà Vũ trụ bắt đầu.

Thứ ba, cơ chế đó phải đưa ra những dự đoán mới khác với những dự đoán của lý thuyết ban đầu và những dự đoán đó phải dẫn đến một hệ quả mà theo một cách nào đó có thể quan sát, kiểm chứng và/hoặc đo lường được.

Ý tưởng duy nhất mà các nhà khoa học hiện có đáp ứng ba tiêu chí này là thuyết vũ trụ lạm phát, đã đạt được những thành công chưa từng có trên cả ba mặt.

Năm 1980, một nhà vật lý thiên văn tên là Alan Guth đề xuất một ý tưởng mới, hoàn thiện cho mô hình Big Bang, gọi là thuyết "Vũ trụ lạm phát" (inflationary universe theory). Theo thuyết này, trong thời kì sớm của vũ trụ (10¨³³ giây sau Big Bang), giai đoạn lạm phát đã diễn ra, đẩy tốc độ giãn nở của vũ trụ mới hình thành khi đó lên cực đại, nhanh hơn rất nhiều tốc độ giãn nở ngày nay mà chúng ta có thể quan sát. Đây là thời điểm các hạt tạo thành vật chất, quark và lepton hình thành cùng với các phản hạt của chúng, nhiều cặp phản hạt gặp nhau tự hủy giải phóng năng lượng dưới dạng photon, quá trình lạm phát không gian làm các hạt phóng đi mọi hướng mà không bị kéo lại với nhau với lực hấp dẫn. Vì bản thân không gian của vũ trụ tiếp tục giản nở, nên sau thời kì lạm phát, việc giản nở tiếp diễn đối với bất kì vùng không gian nào nên vũ trụ mới có kích thước như ngày nay, việc này đã giải quyết được mâu thuẫn về tính đồng nhất của vũ trụ. Mô hình này cũng lí giải được việc không tìm thấy biến thiên năng lượng trong thời điểm hiện nay. Quá trình lạm phát ban đầu cho phép vũ trụ ngày nay tiếp tục mở rộng mà không cần đến bất cứ biến thiên năng lượng đột ngột nào

Về cơ bản, thuyết lạm phát nói rằng, trước khi Vũ trụ nóng, đặc và chứa đầy vật chất và bức xạ ở khắp mọi nơi, nó đã ở trong trạng thái bị chi phối bởi một lượng năng lượng rất lớn vốn có trong chính không gian: một số loại của năng lượng trường hoặc chân không. Chỉ có điều, không giống như năng lượng tối ngày nay, có mật độ năng lượng rất nhỏ (tương đương với khoảng một proton trên một mét khối không gian), mật độ năng lượng trong quá trình lạm phát là rất lớn: lớn hơn khoảng 10^25 lần so với năng lượng tối ngày nay!

Cách Vũ trụ giãn nở trong quá trình lạm phát khác với những gì chúng ta quen thuộc. Trong một Vũ trụ đang giãn nở với vật chất và bức xạ, thể tích tăng lên mà số lượng hạt không đổi, và do đó mật độ giảm xuống. Vì mật độ năng lượng có liên quan đến tốc độ giãn nở, nên quá trình giãn nở chậm lại theo thời gian. Nhưng nếu năng lượng là bản chất của chính không gian, thì mật độ năng lượng không đổi và tốc độ giãn nở cũng vậy. Kết quả là cái mà chúng ta gọi là sự mở rộng theo cấp số nhân, trong đó sau một khoảng thời gian rất ngắn, Vũ trụ sẽ tăng gấp đôi kích thước và sau khoảng thời gian đó, nó lại tăng gấp đôi, v.v. Theo thời gian rất ngắn — một phần rất nhỏ của giây — một vùng ban đầu nhỏ hơn hạt hạ nguyên tử nhỏ nhất có thể được kéo dài để lớn hơn toàn bộ Vũ trụ khả kiến ngày nay

Vấn đề là, có một lượng lạm phát tối thiểu phải xảy ra để tái tạo Vũ trụ mà chúng ta thấy, và điều đó có nghĩa là có những điều kiện nhất định mà lạm phát phải đáp ứng để thành công. Chúng ta có thể mô hình hóa lạm phát như một ngọn đồi, trong đó miễn là bạn ở trên đỉnh đồi, bạn sẽ nhô cao lên, nhưng ngay khi bạn lăn xuống thung lũng bên dưới, lạm phát sẽ kết thúc và chuyển năng lượng của nó thành vật chất và bức xạ.

Nếu bạn làm điều này, bạn sẽ thấy rằng có một số “hình ngọn đồi” nhất định hoặc cái mà các nhà vật lý gọi là “thế năng” hoạt động và những thứ khác thì không. Chìa khóa để làm cho nó hoạt động là đỉnh đồi cần phải có hình dạng đủ bằng phẳng. Nói một cách đơn giản, nếu bạn coi lĩnh vực lạm phát giống như một quả bóng trên đỉnh đồi đó, thì nó cần lăn chậm trong phần lớn thời gian lạm phát, chỉ tăng tốc và lăn nhanh khi đi vào thung lũng, khiến lạm phát chấm dứt. Chúng tôi đã định lượng được tốc độ lạm phát cần phải giảm, điều này cho chúng tôi biết điều gì đó về hình dạng của tiềm năng này. Miễn là đỉnh đủ bằng phẳng, lạm phát có thể hoạt động như một giải pháp khả thi cho sự khởi đầu của Vũ trụ của chúng ta.

Lạm phát, giống như tất cả các lĩnh vực mà chúng ta biết, về bản chất phải là một trường lượng tử. Điều đó có nghĩa là nhiều thuộc tính của nó không được xác định chính xác mà có phân phối xác suất cho chúng. Bạn càng cho phép nhiều thời gian trôi qua, thì số lượng phân phối đó càng lan rộng ra. Thay vì lăn một quả bóng giống như điểm xuống một ngọn đồi, chúng tôi thực sự đang lăn một hàm sóng xác suất lượng tử xuống một ngọn đồi.

Đồng thời, Vũ trụ đang phồng lên, có nghĩa là nó đang mở rộng theo cấp số nhân ở cả ba chiều. Nếu chúng ta lấy một khối lập phương 1x1x1 và gọi đó là “Vũ trụ của chúng ta”, thì chúng ta có thể quan sát khối lập phương đó giãn nở trong quá trình lạm phát. Nếu phải mất một khoảng thời gian rất nhỏ để kích thước của khối lập phương đó tăng gấp đôi, thì nó sẽ trở thành khối lập phương 2 nhân 2 nhân 2, tức là cần 8 khối lập phương ban đầu để lấp đầy. Cho phép cùng một khoảng thời gian trôi qua và nó trở thành một khối lập phương 4 x 4 x 4, cần 64 khối lập phương ban đầu để lấp đầy. Hãy để thời gian trôi qua một lần nữa và đó là một khối lập phương 8 x 8 x 8, với thể tích là 512. Chỉ sau khoảng ~100 “lần nhân đôi”, chúng ta sẽ có một Vũ trụ với khoảng 10^90 khối lập phương ban đầu trong đó.

Sau đó, câu hỏi trở thành, điều gì xảy ra bên ngoài khu vực đó?

Đây là vấn đề: nếu bạn bắt buộc phải có đủ lạm phát để Vũ trụ của chúng ta có thể tồn tại với các thuộc tính mà chúng ta thấy, thì bên ngoài khu vực nơi lạm phát kết thúc, lạm phát sẽ tiếp tục. Nếu bạn hỏi, “quy mô tương đối của những khu vực đó là bao nhiêu”, bạn sẽ thấy rằng nếu bạn muốn những khu vực nơi lạm phát kết thúc đủ lớn để phù hợp với các quan sát, thì những khu vực không kết thúc lạm phát sẽ lớn hơn theo cấp số nhân và sự chênh lệch trở nên tồi tệ hơn khi thời gian trôi qua. Ngay cả khi có vô số khu vực nơi lạm phát kết thúc, thì sẽ có vô số khu vực lớn hơn mà lạm phát vẫn tiếp diễn. Hơn nữa, các vùng khác nhau nơi nó kết thúc — nơi xảy ra các vụ nổ Big Bang— tất cả sẽ bị ngắt kết nối nhân quả, bị ngăn cách bởi nhiều vùng không gian phồng lên hơn.

Nói một cách đơn giản, nếu mỗi vụ nổ Big Bang nóng xảy ra trong một Vũ trụ “bong bóng”, thì các bong bóng sẽ không va chạm với nhau. Những gì chúng ta kết thúc là một số lượng bong bóng bị ngắt kết nối ngày càng lớn hơn khi thời gian trôi qua, tất cả được ngăn cách bởi một không gian phồng lên vĩnh viễn.

Đó là bản chất của đa vũ trụ và tại sao các nhà khoa học chấp nhận sự tồn tại của nó như một quan điểm mặc định. Chúng ta có nhiều bằng chứng về vụ nổ Big Bang nóng bỏng và vụ nổ Big Bang bắt đầu với một loạt các điều kiện không đi kèm với lời giải thích thực tế. Nếu chúng ta thêm vào một lời giải thích cho nó - lạm phát vũ trụ - thì không thời gian phồng lên đó đã thiết lập và tạo ra Vụ nổ lớn sẽ tạo ra một loạt dự đoán mới lạ của riêng nó. 

Một trong số đó là sự tồn tại của vô số các vùng bị ngắt kết nối, mỗi vùng có Vụ nổ lớn nóng bỏng của riêng chúng, bao gồm cái mà chúng ta gọi là đa vũ trụ khi bạn gộp tất cả chúng lại với nhau. Điều này không có nghĩa là các Vũ trụ khác nhau có các quy tắc hoặc định luật hoặc hằng số cơ bản khác nhau, hoặc tất cả các kết quả lượng tử có thể xảy ra mà bạn có thể tưởng tượng xảy ra trong một túi khác của đa vũ trụ. Điều đó thậm chí không có nghĩa là đa vũ trụ là có thật, vì đây là dự đoán mà chúng ta không thể xác minh, xác thực hoặc làm sai lệch. Nhưng nếu lý thuyết lạm phát là một lý thuyết tốt, và dữ liệu cho thấy đúng như vậy, thì đa vũ trụ là tất cả nhưng không thể tránh khỏi.