Một thế kỷ qua đã ghi nhận những bước nhảy vọt đáng kinh ngạc của loài người trong việc khám phá và nhận thức về vũ trụ. Những bước nhảy đó đã làm thay đổi vĩnh viễn cách mà nhân loại chúng ta nhìn nhận về thế giới quanh mình và mở ra nhiều viễn cảnh mà trước đó không một ai có thể tưởng tượng nổi. Nhưng vẫn còn rất nhiều điều cần được khám phá ở phía trước. Sau đây là những gì mà khoa học vũ trụ sẽ có thể cho chúng ta biết rõ hơn trong phần còn lại của thế kỷ này.
Thế kỷ 20 là một giai đoạn đặc biệt với những phát hiện mang tính nguyên lý, giúp nhân loại có được cái nhìn đầy đủ và rõ nét hơn về bản chất của tự nhiên, các chuyển động, tương tác và cấu trúc của vật chất. Trong khi đó, giai đoạn cuối của thế kỷ 20 và những thập kỷ đầu của thế kỷ 21 này là khi mà sự phát triển của công nghệ tiếp tục giúp chúng ta nhìn ngày một sâu hơn vào vũ trụ, tìm hiểu về không-thời gian cũng như tìm kiếm nguồn gốc của chính mình. Thế nhưng tới lúc này, những hiểu biết của chúng ta về vũ trụ chưa phải đầy đủ, mà còn rất nhiều điều chưa được khám phá, nhiều hiện tượng chưa có được lời giải cuối cùng.
Dưới đây có thể coi là những đối tượng nghiên cứu đang được chú ý nhất hiện nay, và có lẽ chúng ta sẽ có cơ hội rất lớn để tìm ra câu trả lời về chúng trong thế kỷ này.
1. Có hay không sự sống ngoài Trái Đất?
Dường như có thể nói khá chắc chắn rằng phải có sự sống ở nơi nào đó trong vũ trụ rộng lớn này, khi mà có tới khoảng 100 tỷ hành tinh chỉ riêng trong thiên hà của chúng ta, và có ít nhất là vài nghìn tỷ thiên hà trong vũ trụ. Tuy nhiên, cuối cùng thì vấn đề là cho tới nay chúng ta vẫn chỉ có thể tự suy đoán như vậy dựa trên toán học thuần túy, mà chưa hề tìm thấy bất cứ bằng chứng nào về sự sống ngoài hành tinh.
Vào gần cuối năm 2020, một phát hiện lớn đã thu hút sự chú ý của đông đảo công chúng yêu khoa học, đó là việc phát hiện ra sự có mặt của phosphine trong khí quyển của Sao Kim. Đây là một hợp chất chỉ có thể được tạo ra trong công nghiệp hoặc bởi các sinh vật phát triển trong môi trường thiếu oxy. Điều đó có vẻ như gợi ý rằng có thể có sự sống vi sinh vật trôi nổi trong khí quyển Sao Kim (như một số nghi vấn từng có từ trước đó). Dù vậy thì đây cũng chỉ là một khả năng. Mặt khác, nhiều phân tích tỏ ra nghi vấn độ chính xác của dữ liệu đã thu được, và vì thế sẽ cần nhiều quan sát và phân tích hơn để xác nhận việc này.
Vệ tinh Europa của Sao Mộc, cũng như Titan và Enceladus của Sao Thổ là những mục tiêu đầy hứa hẹn trong cho việc tìm kiếm sự sống trong Hệ Mặt Trời. Nhiệm vụ không gian đáng chú ý nhất trong tương lai gần có lẽ là Europa Clipper của NASA, được dự định sẽ phóng vào năm 2024. Vệ tinh này sẽ mang theo một thiết bị thăm dò đổ bộ xuống bề mặt của Europa (một trong số 4 vệ tinh lớn nhất của Sao Mộc) để tìm hiểu chi tiết đặc điểm bề mặt của thiên thể này và xem liệu rằng có sự sống tồn tại bên dưới các lớp băng của nó hay không.
Phía ngoài Hệ Mặt Trời cũng là nơi nhận được nhiều sự chú ý. Đã có nhiều hành tinh dạng Trái Đất được tìm thấy trong vùng sống được của các ngôi sao (vùng sống được là một dải bao quanh một ngôi sao/hệ sao với khoảng cách vừa đủ để nếu có một hành tinh ở đó thì nước có thể tồn tại ở dạng lỏng trên bề mặt của nó). Tuy nhiên, vẫn chưa có bất cứ dấu hiệu nào cho thấy có thể có sự sống ở những đối tượng này. Trong tương lai, sự phát triển của công nghệ kính thiên văn cùng những thiết bị phân tích khác sẽ giúp chúng ta có được cái nhìn chi tiết hơn về các hệ hành tinh ở khoảng cách từ vài chục tới vài trăm năm ánh sáng. Mặc dù việc tìm thấy và giao tiếp với một nền văn minh khác hay chỉ đơn giản là đưa các nhà nghiên cứu tới những nơi xa xôi đó vẫn gần như là không tưởng với công nghệ hiện nay hay thậm chí vài thập kỷ nữa, nhưng những nỗ lực trong tương lai gần rất có thể sẽ giúp chúng ta tìm được sự sống ở nơi nào đó khác ngoài Trái Đất chỉ trong thế kỷ này, để có thể khẳng định rằng "chúng ta không đơn độc trong vũ trụ".
Đọc thêm bài: Ngoại hành tinh và đáp án cho những câu hỏi hóc búa nhất của nhân loại.
2. Vật chất tối thực sự là gì?
Được phát hiện ra lần đầu tiên vào năm 1933 bởi Fritz Zwicky, vật chất tối là thứ vật chất ẩn trong không gian và gây ra tác động hấp dẫn đối với chuyển động của các thiên hà. Nó được ước tính là chiếm tới 85% tổng khối lượng vật chất trong vũ trụ (tức là nhiều gấp gần 6 lần vật chất thông thường mà chúng ta vẫn biết - thường gọi là vật chất baryon).
Vấn đề của vật chất tối nằm ở chỗ: lý do duy nhất mà các nhà khoa học biết chắc nó có tồn tại là vì sự tham gia vào tương tác hấp dẫn của nó. Ngoài ra, không có bất cứ bằng chứng nào cho thấy nó có tham gia tương tác mạnh và tương tác yếu, còn tương tác điện từ thì chắc chắn là không vì đơn giản là nếu một khối lượng vật chất khổng lồ như vậy tham gia vào tương tác điện từ thì các quan sát thiên văn không thể thu được kết quả tương ứng với các tính toán khi chỉ tính tới vật chất thông thường. (Đọc chi tiết về bốn loại tương tác trong bài "Các lực cơ bản trong vũ trụ".)
Vậy thì cuối cùng bản chất của vật chất tối là gì? Ngoài tương tác hấp dẫn thì nó còn tham gia loại tương tác nào khác hay không, và nó được cấu tạo từ những hạt như thế nào? Nếu như những hạt tạo thành vật chất tối mang một số tính chất cơ bản khác với các hạt tạo thành vật chất thông thường, thì rất có thể loại vật chất này cũng có những kiểu tương tác khác mà chúng ta còn chưa biết. Việc tìm ra các tính chất cơ bản của vật chất tối cũng như cách mà nó tác động lên vật chất thông thường và cấu trúc của các thiên hà sẽ mang tới nhiều thông tin giá trị về vũ trụ mà có thể lúc này chúng ta còn chưa biết.
3. Du hành thời gian có khả thi không?
Thời gian được coi là một chiều đặc biệt của không gian. Nhưng trong khi chúng ta có thể di chuyển tự do trong các chiều không gian thông thường, thì chúng ta lại chỉ có thể tiến về phía trước ở chiều thời gian. Nói cách khác, chúng ta chỉ có thể đi từ quá khứ tới tương lai mà không thể đi ngược lại.
Du hành thời gian có khả thi hay không là một đề tài rất được quan tâm trong suốt nhiều thập kỷ nay. Mặc dù các tác phẩm viễn tưởng đã vẽ ra vô số viễn cảnh về việc du hành thời gian, nhưng cho tới nay không một nhà vật lý nào có thể khẳng định với bạn rằng một ngày nào đó việc đó có thể thực hiện. Vũ trụ được qui định bởi những nguyên lý phổ quát và nghiêm ngặt mà có thể có một nguyên lý nào đó chưa được biết tới khiến cho việc du hành thời gian là hoàn toàn không thể.
Có một ý tưởng phổ biến là nếu như chế tạo được một con tàu đi với vận tốc cực nhanh, thậm chí đạt trên 99% vận tốc ánh sáng, thì thời gian trên tàu trôi chậm hơn và sau một chuyến hành trình chỉ vài giờ hoặc vài ngày là chúng ta tới được thời điểm vài năm sau của Trái Đất. Việc này, về mặt lý thuyết, là có thể xảy ra trong một tương lai xa nào đó. Tuy nhiên, việc này khó mà coi là du hành thời gian một cách thực sự. Nó chẳng khác nào việc Captain America bị đóng băng và tỉnh dậy vài chục năm sau đó để chứng kiến một thế giới đã biến đổi quá nhiều.
Để du hành thời gian thực sự, chẳng hạn như đi về một điểm nào đó trong quá khứ, có lẽ sẽ cần một thứ gì đó rất khác. Chẳng hạn: nếu một lỗ sâu thực sự tồn tại và là đường nối giữa các điểm khác nhau trong không-thời gian, có thể một ngày nào đó con người sẽ tìm ra được cách để đi qua đó và tới với một thời điểm nào đó ở quá khứ hoặc tương lai. Tất nhiên, giả sử rằng việc đó là có thể, thì chắc chắn sẽ còn rất lâu nữa để chúng ta đạt được những tiến bộ công nghệ đủ để thực hiện nó, và có lẽ không phải trong thế kỷ này.
Dù vậy, trong một tương lai gần hơn, nếu một máy gia tốc trên Trái Đất đủ mạnh để tạo ra một môi trường thu nhỏ với điều kiện tương tự như ở kỳ dị của một lỗ đen và uốn cong không-thời gian cục bộ quanh nó giống như cách của một lỗ đen thực sự, có thể các nhà khoa học sẽ có một cái nhìn thoáng qua về việc liệu có một cơ hội nào đó cho du hành thời gian ở tương lai xa hay không.
Đọc thêm bài: Du hành thời gian với nghịch lý ông nội.
4. Vũ trụ của chúng ta có phải là duy nhất?
Khái niệm "đa vũ trụ" đã xuất hiện và trở nên phổ biến trong vài thập kỷ nay. Nhiều nhà vật lý cho rằng có nhiều vũ trụ cùng tồn tại. Chúng có thể là những bản sao của chính vũ trụ chúng ta đang sống với một số sai khác do lịch sử mà chúng trải qua, cũng có thể là những vũ trụ được tạo nên trên cơ sở của những hằng số và định luật vật lý hoàn toàn khác.
Đọc bài: Đa vũ trụ: giới hạn của không gian.
Trong bài báo khoa học cuối cùng của mình, nhà vật lý nổi tiếng Stephen Hawking cũng nêu ra một giải pháp cho đa vũ trụ. Ông cho rằng sau Big Bang, lạm phát vĩnh cửu xảy ra, tức là mọi thứ giãn nở cực nhanh theo mọi hướng. Nhưng giữa lạm phát vĩnh cửu đó có những điểm dừng. Tại mỗi điểm dừng đó, vật chất và năng lượng kết lại thành những cấu trúc như bong bóng, và mỗi bong bóng đó là một vũ trụ (mà vũ trụ của chúng ta là một trong số đó).
Nhưng tất cả các nhà khoa học, trong đó có Hawking, đều không đưa ra bất cứ phương pháp nào để kiểm chứng những ý tưởng về đa vũ trụ. Mọi ý tưởng đều chỉ ở dạng giả thuyết. Rõ ràng, khi mà chúng ta vẫn còn phải nỗ lực với những quan sát tương đối gần thì việc tìm xem có một vũ trụ nào khác tồn tại không là điều quá xa vời. Tuy nhiên, không-thời gian ở ngoài giới hạn của vũ trụ chúng ta có thể có cách hành xử rất khác và một vũ trụ khác chưa chắc đã ở quá xa. Đa vũ trụ có thể đơn giản là tồn tại trong những chiều không gian khác mà chúng ta chưa khám phá được, hay ẩn mình trong vật chất tối, ... và tất nhiên là còn rất nhiều khả năng nữa. Dù mơ hồ hơn nhiều so với những thứ đã nêu trên, có lẽ vẫn có một cơ hội nào đó để khoa học có thể kiểm chứng sự tồn tại của đa vũ trụ trong dưới 100 năm tới đây.
Hiển nhiên, còn rất nhiều câu hỏi trong vũ trụ học cần lời giải đáp. Trong phạm vi bài viết này, như đã nêu trên, tôi chỉ xin liệt kê và đưa ra một vài dự đoán về những mũi nhọn quan trọng nhất và hoàn toàn có khả năng trong thế kỷ 21 này.
Tương lai thực tế sẽ còn những điều gì đang đợi, chúng ta sẽ cùng theo dõi xem!
Ngày 10 tháng 02 năm 2021
Đặng Vũ Tuấn Sơn
