Vũ trụ có khởi đầu ra sao và liệu có khi nào nó kết thúc? Đó luôn là điều được hầu hết nhân loại quan tâm, từ các nhà khoa học cho tới những người ít có liên kết tới các hoạt động nghiên cứu nhất - dù cách mà họ quan tâm và tiếp cận với việc đó khác nhau. Một trong những nhà khoa học có ảnh hưởng lớn nhất tới vũ trụ học hiện đại, đồng thời là một trong ba người giành giải Nobel năm 2020 - Roger Penrose - là người theo đuổi ý tưởng về một vũ trụ trước Big Bang (vũ trụ tiền Big Bang), cũng như sau đó. Chúng ta hãy bàn sơ qua về việc này.
Big Bang
Ngày nay, cộng đồng khoa học đa phần đều thống nhất rằng vũ trụ đã ra đời từ một vụ nổ lớn được gọi là Big Bang, cách đây gần 14 tỷ năm. Vụ nổ này khai sinh ra không gian, thời gian cùng mọi dạng vật chất, năng lượng. Không có Big Bang thì không có vũ trụ, không có không gian và thời gian. (Đọc chi tiết trong bài: Big Bang và bức tranh của chúng ta về vũ trụ.)
Tất nhiên, một lý thuyết khoa học không được thừa nhận chỉ vì người ta nghe nó có vẻ có lý, lại càng không vì nó có vẻ giống như người ta mong đợi. Lý thuyết về Big Bang được thừa nhận rộng rãi là bởi nó giải thích được một cách phù hợp hiện tượng giãn nở của vũ trụ đã được Edwin Hubble khám phá ra từ năm 1929, cũng như đã dự đoán được sự tồn tại của bức xạ tàn dư của Big Bang, được gọi là "nền vi ba (hay vi sóng) vũ trụ" (CMB) - điều đã được kiểm chứng vào năm 1964 bởi Arno Penzias và Robert Wilson.
Sự tồn tại của CMB với tuổi khoảng gần 14 tỷ năm yêu cầu vũ trụ cần phải có một giai đoạn giãn nở cực nhanh, vì nếu vũ trụ luôn giãn nở với tốc độ hiện nay thì với kích thước nó đang có, bức xạ không đủ thời gian để đi khắp vũ trụ và làm nó cân bằng nhiệt như đã đo được. Năm 1980, một nhà vật lý là Alan Guth đã đưa ra lời giải cho việc này qua việc nêu ra thuyết vũ trụ lạm phát (inflationary universe theory). Lý thuyết này cho biết trong giai đoạn ngay sau Big Bang, vũ trụ đã giãn nở với tốc độ nhanh bất thường (lạm phát). Lý thuyết này giải thích được sự cân bằng nhiệt của vũ trụ thông qua CMB. (Đọc bài "Mô hình lạm phát của vũ trụ".)
Chúng ta cũng cần nhớ rằng: Không phải mọi nhà khoa học đều đồng tình ngay với thuyết Big Bang. Điển hình nhất trong số đó là Fred Hoyle. Hoyle đưa ra mô hình "Trạng thái ổn định", theo đó vũ trụ luôn có sự tạo thành vật chất mới để lấp đầy khoảng trống sinh ra do sự giãn nở của không gian, qua đó khiến nó giữ được trạng thái ổn định vĩ mô như chúng ta quan sát được. Cho tới tận năm 2001, trước khi qua đời, Hoyle vẫn kiên định với mô hình mà ông đưa ra, nhất quyết không tán thành những giải thích của Big Bang.
Tuy nhiên, thực tế là Big Bang với sự bổ sung của mô hình lạm phát đã giải thích được một cách hợp lý sự giãn nở của vũ trụ cùng những hệ quả của nó. Trong khi đó, mô hình trạng thái ổn định của Fred Hoyle thì không đưa ra được bằng chứng hay cách giải thích nào đủ thuyết phục.
(Bạn cũng nên đọc thêm bài: Chỉ là thuyết" - sai lầm phổ biến trong nhận thức khoa học.)
Vũ trụ học luân hồi
Năm 2020, ủy ban Nobel tại Viện hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã lựa chọn ra ba nhà khoa học có đóng góp lớn cho những nghiên cứu về lỗ đen để trao giải Nobel Vật lý (đọc thông báo đó tại đây).
Một trong ba nhà khoa học này là Roger Penrose - nhà khoa học từng là giám khảo khi Stephen Hawking bảo vệ nghiên cứu tiến sĩ của mình và sau đó cùng Hawking trở thành cộng sự trong những nghiên cứu về lỗ đen. Nghiên cứu của Penrose từ những năm 1960 đã chứng minh được rằng thuyết tương đối rộng của Albert Einstein chỉ ra sự tồn tại của các lỗ đen (dù chính Einstein trước đó đã không tin vào sự tồn tại của những vật thể như vậy).
Đọc thêm bài: Lỗ đen, lỗ trắng và lỗ sâu.
Một trong những dự đoán lý thuyết đáng chú ý nhất của Stephen Hawking là mặc dù không gì có thể đi ra từ phía trong chân trời sự kiện của lỗ đen, nhưng ở rìa của chân trời sự kiện có thể có sự sinh ra của những cặp hạt - phản hạt do thăng giáng lượng tử. Một hạt trong cặp đó rơi vào lỗ đen còn hạt còn lại bị đẩy ra ngoài. Vì sự bảo toàn năng lượng, hạt rơi vào lỗ đen cần mang năng lượng âm, và điều đó - về lý thuyết - sẽ làm lỗ đen bay hơi. Tuy vậy, quá trình bay hơi đó, nếu có, chậm tới mức hiện nay chúng ta hoàn toàn không có cách nào kiểm chứng được. Nói cách khác, cho tới nay thì bức xạ Hawking vẫn chỉ là giả thuyết.
Cơ chế của bức xạ Hawking.
Roger Penrose - người đã cùng Hawking hợp tác nhiều năm trong các nghiên cứu về lỗ đen và đã nhận giải Nobel Vật lý năm 2020 - đã dành nhiều năm gần đây để theo đuổi một ý tưởng khác mà ông gọi là "vũ trụ học luân hồi" (nguyên bản là "conformal cyclic cosmology", viết tắt là CCC).
Trên thực tế, vũ trụ luân hồi là một ý tưởng không phải hoàn toàn mới mẻ. Trước đây, nhiều nhà khoa học dự đoán rằng vũ trụ sẽ kết thúc bằng một vụ nghiền nát lớn (Big Crunch), khi lực hấp dẫn kéo cho vũ trụ co lại và sụp đổ. Sự sụp đổ này tạo thành một kỳ dị và từ đó một Big Bang khác lại bùng nổ để vũ trụ ra đời. Tuy nhiên, việc quan sát các supernova vào cuối thế kỷ 20 đã chứng minh rằng không có vụ nghiền nát nào cả mà vũ trụ sẽ giãn nở vĩnh viễn (như đã nêu trong bài "Big Bang và bức tranh của chúng ta về vũ trụ"). Vì không có sự sụp đổ, nên về cơ bản thì sẽ không có sự luân hồi như tưởng tượng của nhiều người.
Nhưng Penrose thì phát triển lý thuyết của mình khác một chút. Theo CCC, vũ trụ tồn tại trong một vòng lặp vô hạn. Mỗi lần lặp đó là một khoảng thời gian siêu dài mà ông gọi là một "siêu thời" (nguyên văn là "aeon"). Siêu thời mà chúng ta đang sống ra đời từ vụ nổ Big Bang ở giai đoạn cuối của một siêu thời cũ. Trong tương lai rất xa, vũ trụ hiện nay sẽ giãn nở đến mức mọi dạng vật chất đều tan biến do những quá trình phân rã. Khi đó, siêu thời của chúng ta sẽ tiến tới điểm kết thúc và một Big Bang khác sẽ xuất hiện.
Penrose cũng cho rằng bức xạ Hawking ở các lỗ đen chính là tàn dư của vũ trụ cũ mà chúng ta có thể quan sát được. Vào năm 2018, Penrose cùng một số đồng nghiệp đã chỉ ra những điểm bất thường trong dữ liệu CMB mà họ gọi là những "điểm Hawking" và cho rằng đó là những tín hiệu còn sót lại của bức xạ Hawking từ các lỗ đen siêu nặng ở một vũ trụ trước.
Theo Penrose, vũ trụ của chúng ta ra đời ở giai đoạn cuối của một vũ trụ khác (một siêu thời cũ). Khi nó giãn nở vĩnh viễn, sẽ tới một thời điểm vật chất phân rã hết và một Big Bang khác xảy ra để tạo nên một vũ trụ mới (chiều ngang, từ trái sang phải đại diện cho trục thời gian).
Liệu có một vũ trụ trước Big Bang?
Trong một bài báo đăng trên Forbes chỉ hai ngày sau khi Roger Penrose nhận giải Nobel và được trích lời về CCC, nhà vật lý thiên văn Ethan Siegel đã nêu rõ rằng không có bất cứ bằng chứng nào cho việc có tồn tại một vũ trụ trước Big Bang cũng như việc một vụ nổ tương tự sẽ xảy ra ở tương lai rất xa để hình thành nên một vũ trụ khác. Các "điểm Hawking" đều rất không rõ ràng, cũng như CCC không đưa ra được dự đoán nào khớp với dữ liệu thu được.
Có một sự thật là kể từ khi thuyết Big Bang được đề xuất và được chứng minh rộng rãi, người ta đã luôn đặt ra câu hỏi rằng nếu như vũ trụ ra đời từ một vụ nổ như vậy thì thứ gì gây ra vụ nổ đó và trước vụ nổ đó có gì hay không. Đây là một câu hỏi hết sức tự nhiên. Chắc chắn, ở thời điểm này, không một ai dám trả lời chắc chắn rằng liệu có hay không một thứ gì đó trước Big Bang, một thứ gì đó gây ra Big Bang. Và vì thế, về mặt toán học mà nói, thì có rất nhiều giả thuyết là "có khả năng xảy ra".
Tuy nhiên, như tôi đã đề cập tới từ đầu bài viết này, việc một giả thuyết nào đó được chứng minh và coi là một lý thuyết khoa học cần được dựa trên những bằng chứng dù trực tiếp hay gián tiếp, chứ không dựa trên việc người ta có thấy ý nghĩ đó thú vị hay không.
Có những người thích thú với ý tưởng về một vũ trụ luân hồi do nó giúp họ liên tưởng tới một niềm tin tôn giáo nào đó, hoặc vì một kỳ vọng đơn giản là sự luân hồi đồng nghĩa với việc vũ trụ sẽ không bao giờ hoàn toàn kết thúc mà chỉ chuyển tiếp để bước sang những giai đoạn mới mà thôi. Một số khác thì thích ý tưởng này vì lý do là nó có vẻ thú vị. Và cũng có một số người chỉ đơn giản là luôn hứng thú với những thứ mới mẻ.
Đáng tiếc, trong khoa học thì sự kỳ vọng dù tới từ động cơ nào - cao đẹp hay tầm thường, ngây ngô hay đầy tính đột phá - cũng không thể vượt lên trên những yêu cầu khắt khe về khả năng kiểm chứng và dự đoán mà một lý thuyết khoa học cần phải có.
Mặc dù tài năng và giá trị từ những nghiên cứu của Penrose là không thể phủ nhận, nhưng một lý thuyết khoa học có mô tả chính xác tự nhiên hay không thì phụ thuộc vào những bằng chứng mà nó có được, không hề phụ thuộc vào việc ai là người đưa ra nó. Đừng quên rằng Fred Hoyle cũng là một nhà khoa học có uy tín và tài năng, nhưng ông vẫn theo đuổi mô hình Trạng thái ổn định. Còn Albert Einstein - một cái tên mà chẳng ai không biết tới, và nhiều người không ngần ngại mặc nhiên ông là nhà khoa học vĩ đại nhất - cũng từng phủ nhận sự tồn tại của lỗ đen (điều mà sau này chính Penrose đã chứng minh ngược lại và đã nhận giải Nobel nhờ việc đó).
Một nhà khoa học xuất sắc, thậm chí được coi là vĩ đại, là người có trí tuệ và tinh thần nghiên cứu tuyệt vời, cũng như có những đóng góp lớn cho sự phát triển của khoa học. Họ có thể trả lời xuất sắc mọi câu hỏi của bạn về những thứ mà khoa học - ít ra ở lĩnh vực của họ - đã biết. Nhưng điều đó không có nghĩa rằng nếu họ đưa ra quan điểm hoặc ý tưởng về một thứ chưa được chứng minh thì nó cũng sẽ đúng. Nếu đơn giản như vậy, thì từ lâu chúng ta đã không còn cần các nghiên cứu chuyên sâu nữa mà chỉ cần hỏi ý kiến họ là đủ.
Hiển nhiên, Penrose - cũng như Einstein và Hoyle trước đây - hiểu rõ điều đó. Họ không kêu gọi nhân loại tin tưởng và ủng hộ mình. Khi họ nhận thấy ý tưởng của mình có cơ sở để tìm hiểu và đào sâu, họ sẽ chú tâm với việc tìm bằng chứng để chứng minh được nó. Nếu như họ thất bại, ý tưởng của họ không thể được công nhận, và sự thật là nó sai vì lẽ đơn giản là nó không khớp với tự nhiên - bởi khoa học là để giải thích tự nhiên một cách chính xác nhất, chứ không phải là sao cho hấp dẫn nhất.
Đến nay, việc phủ nhận hoàn toàn lý thuyết về CCC của Penrose là vẫn còn hơi sớm. Tuy nhiên, thực tế là nó chưa hề có bất cứ bằng chứng nào rõ ràng cả. Nếu ai đó thấy thích thú với ý tưởng đó, người đó có quyền giữ lấy niềm hi vọng rằng một ngày xa xôi nào đó lý thuyết đó sẽ được chứng minh. Nhưng ngược lại, cũng có thể sẽ chỉ ít năm nữa, sẽ xuất hiện những bằng chứng cực kỳ rõ ràng cho thấy Penrose đã sai. Vậy nên, việc tin vào một ý tưởng như vậy lúc này cũng không khác nhiều với việc tin vào sự sống sau khi chết: quá mơ hồ và chẳng có bằng chứng nào đáng tin cậy.
Tháng 10 năm 2020
Đặng Vũ Tuấn Sơn
