Vũ trụ có thực sự sinh ra từ hư vô không?

Vụ nổ lớn là một trạng thái nóng, đậm đặc, đồng nhất và tràn đầy vật chất cùng năng lượng.

Từ hư không

Trước đó thì sao? Không có gì cả.

Đây là cách điều đó có thể xảy ra.

Càng tò mò về những điều chưa biết vĩ đại của Vũ trụ, chúng ta càng phát hiện thêm nhiều câu hỏi chưa có lời giải.

Việc truy vấn bản chất của bất kỳ điều gì – nó ở đâu, nó đến từ đâu và nó trở thành như thế nào – sẽ tất yếu dẫn bạn đến cùng những bí ẩn lớn: về bản chất tối hậu và nguồn gốc của Vũ trụ cùng mọi thứ trong đó.

Tuy nhiên, dẫu ta có lần ngược về quá khứ xa đến đâu, những câu hỏi dai dẳng ấy vẫn dường như còn đó: vào một thời điểm nào đó, những thực thể mà ta coi là điểm khởi đầu vốn chưa nhất thiết tồn tại, vậy chúng đã xuất hiện bằng cách nào?

Rốt cuộc, bạn sẽ chạm tới câu hỏi tối hậu: làm sao có gì đó nảy sinh từ hư vô?

Như nhiều độc giả gần đây, bao gồm: Luke Martin, Buzz Morse, Russell Blalack, John Heiss, và một số người khác đã viết: Được thôi, bạn chắc chắn nhận câu hỏi này không ngừng, nhưng tôi vẫn cứ hỏi: Làm thế nào mà có cái gì đó (Vũ trụ, Vụ nổ lớn) từ cái không gì cả?

Đây có lẽ là một trong những câu hỏi lớn nhất, bởi nó không chỉ hỏi mọi thứ đến từ đâu, mà còn hỏi tất cả đã phát sinh ban đầu như thế nào và trước đó tồn tại điều gì.

Đây là mức độ mà khoa học hiện đã đưa ta đến, ít nhất là cho đến nay.

Một cái nhìn chi tiết về Vũ trụ cho thấy nó được cấu tạo từ vật chất chứ không phải phản vật chất, rằng vật chất tối và năng lượng tối là cần thiết, và rằng chúng ta chưa biết nguồn gốc của bất kỳ bí ẩn nào trong số này.

Tuy vậy, những gợn dao động trong bức xạ nền vi sóng Vũ trụ (CMB), sự hình thành và mối tương quan giữa các cấu trúc ở quy mô lớn, cùng các quan sát thấu kính hấp dẫn hiện đại đều chỉ về cùng một bức tranh.

Hôm nay, khi ta nhìn ra Vũ trụ, toàn bộ tập hợp quan sát mà chúng ta đã thu thập – kể cả khi tính đến các bất định đã biết – đều chỉ tới một bức tranh nhất quán đáng kinh ngạc.

Vũ trụ của chúng ta được cấu thành từ vật chất (chứ không phải phản vật chất), tuân theo cùng các định luật vật lý ở mọi nơi và mọi thời điểm, và đã khởi đầu – ít nhất theo hiểu biết của chúng ta – bằng một Vụ nổ lớn nóng cách đây khoảng 13,8 tỷ năm.

Nó chịu sự chi phối của thuyết tương đối rộng, đang giãn nở, đang nguội đi và đang chịu hấp dẫn, và nó bị chi phối bởi năng lượng tối (68%) cùng vật chất tối (27%), còn vật chất thường, neutrino và bức xạ tạo nên phần còn lại.

Ngày nay, dĩ nhiên, Vũ trụ đầy những thiên hà, sao, hành tinh, các nguyên tố nặng và – ít nhất tại một địa điểm – sự sống thông minh với trình độ công nghệ cao.

Những cấu trúc này không phải lúc nào cũng hiện diện, mà nảy sinh như hệ quả của tiến hóa Vũ trụ.

Trong một bước nhảy khoa học phi thường, các nhà khoa học thế kỷ 20 đã tái dựng được dòng thời gian cho cách Vũ trụ của chúng ta chuyển từ một Vũ trụ gần như đồng nhất, không có cấu trúc phức tạp và chỉ gồm hydro cùng heli, đến Vũ trụ giàu cấu trúc mà ta quan sát ngày nay.

Đoạn trích này từ một mô phỏng hình thành cấu trúc, trong đó đã loại trừ hệ số giãn nở của Vũ trụ, biểu trưng cho hàng tỷ năm tăng trưởng hấp dẫn trong một Vũ trụ giàu vật chất tối.

Hãy lưu ý rằng các sợi vật chất và các cụm giàu thiên hà – hình thành tại các nút giao của những sợi này – nảy sinh chủ yếu do vật chất tối; vật chất thường chỉ đóng vai trò thứ yếu.

Nếu bắt đầu từ hiện tại, ta có thể lùi dần theo thời gian và hỏi từng cấu trúc riêng lẻ hay từng thành phần của cấu trúc đó xuất phát từ đâu.

Với mỗi câu trả lời nhận được, ta lại có thể hỏi tiếp, Được, nhưng cái đó đến từ đâu và nó đã nảy sinh thế nào, lần ngược cho tới khi buộc phải trả lời, Chúng ta chưa biết, ít nhất là chưa.

Rồi cuối cùng, ta có thể nghiền ngẫm về những gì đang có và đặt câu hỏi, Nó đã nảy sinh như thế nào, và có cách nào để nó có thể nảy sinh từ hư vô không?

Vậy thì, hãy bắt đầu.

Đến khởi đầu

Sự sống mà ta có ngày nay xuất phát từ các phân tử phức tạp, và những phân tử đó hẳn đã nảy sinh từ các nguyên tử trong bảng tuần hoàn – những nguyên liệu thô tạo nên toàn bộ vật chất thường mà Vũ trụ hiện có.

Vũ trụ không sinh ra đã có sẵn các nguyên tử này; thay vào đó, chúng đòi hỏi nhiều thế hệ sao trải qua chu kỳ sinh – tử, với sản phẩm của các phản ứng hạt nhân được tái chế vào những thế hệ sao tương lai.

Nếu không có điều này, các hành tinh và hóa học phức tạp sẽ là bất khả.

Tàn dư siêu tân tinh (trái) và tinh vân hành tinh (phải) đều là những phương thức để các ngôi sao tái chế các nguyên tố nặng đã bị đốt cháy trở lại môi trường liên sao và vào thế hệ sao cùng hành tinh tiếp theo.

Các quá trình ấy là hai con đường tạo ra những nguyên tố nặng cần thiết để sự sống dựa trên hóa học có thể xuất hiện, và thật khó (nhưng không phải không thể) hình dung một Vũ trụ không có chúng mà vẫn sinh ra những chủ thể quan sát thông minh.

Để hình thành nên các ngôi sao và thiên hà hiện đại, chúng ta cần:

– Lực hấp dẫn kéo các thiên hà nhỏ và các cụm sao vào nhau, tạo ra những thiên hà lớn và kích hoạt các đợt hình thành sao mới.

– Những tập hợp khối lượng sẵn có được tạo nên từ tăng trưởng hấp dẫn.

– Sự hình thành sớm các quầng vật chất tối, nhằm ngăn các đợt hình thành sao tống vật chất đó trở lại môi trường liên thiên hà.

– Một sự cân bằng đúng đắn giữa vật chất thường, vật chất tối và bức xạ để hình thành bức xạ nền vi sóng Vũ trụ, các nguyên tố nhẹ được tạo ra trong Vụ nổ lớn nóng, cùng các độ phong phú, mẫu hình mà ta quan sát thấy ở chúng.

– Các dao động hạt giống ban đầu – những khiếm khuyết mật độ – để tăng trưởng hấp dẫn thành các cấu trúc này.

– Một cơ chế tạo ra các khiếm khuyết ấy, đồng thời tạo ra vật chất tối và thiết lập lượng vật chất thường ban đầu.

Đó là ba thành phần then chốt được đòi hỏi ở các giai đoạn sớm của Vụ nổ lớn nóng để tạo nên Vũ trụ như ta quan sát ngày nay.

Giả định rằng ta cũng cần các định luật vật lý và chính không – thời gian tồn tại – cùng với vật chất/năng lượng – thì có lẽ ta cũng muốn đưa chúng vào như những thành phần tất yếu phải bằng cách nào đó mà nảy sinh.

Tóm lại, khi ta hỏi liệu có thể có một Vũ trụ từ hư vô hay không, thì đây là những thực thể mới lạ, đến nay chưa giải thích được, mà chúng ta cần chúng xuất hiện bằng cách nào đó.

Một tập hợp đối xứng hoàn toàn giữa vật chất và phản vật chất (của X và Y, cùng phản – X và phản – Y) gồm các boson, với các thuộc tính GUT thích hợp, có thể tạo ra bất đối xứng vật chất – phản vật chất như ta thấy trong Vũ trụ ngày nay.

Tuy nhiên, chúng ta giả định rằng tồn tại một lời giải thích mang tính vật lý, chứ không phải thần linh, cho bất đối xứng vật chất – phản vật chất mà ta quan sát ngày nay, dù hiện vẫn chưa biết chắc.

Để có nhiều vật chất hơn phản vật chất, ta phải ngoại suy trở lại Vũ trụ rất sớm, tới một thời khi vật lý của chúng ta còn cực kỳ bất định.

Các định luật vật lý như ta biết ở một nghĩa nào đó là đối xứng giữa vật chất và phản vật chất: mọi phản ứng mà ta từng tạo ra hay quan sát chỉ có thể tạo – hủy vật chất và phản vật chất với lượng bằng nhau.

Nhưng Vũ trụ của chúng ta, mặc dù khởi đầu trong một trạng thái cực kỳ nóng và đậm đặc – nơi cả vật chất lẫn phản vật chất đều có thể được tạo ra rất dồi dào – hẳn đã có một cách nào đó để tạo nên bất đối xứng vật chất – phản vật chất từ chỗ ban đầu không hề có.

Có nhiều con đường để đạt được điều này.

Dù chúng ta chưa biết kịch bản nào thực sự đã diễn ra trong Vũ trụ non trẻ, mọi cách đều bao hàm ba yếu tố sau:

– Một tập hợp điều kiện ngoài cân bằng, tự nhiên nảy sinh trong một Vũ trụ đang giãn nở và đang nguội đi.

– Một cơ chế tạo ra các tương tác vi phạm số baryon, mà Mô hình Chuẩn cho phép thông qua các tương tác sphaleron (và các kịch bản vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn cho phép theo những cách bổ sung).

– Và một cơ chế tạo ra đủ vi phạm C và vi phạm CP để hình thành một bất đối xứng vật chất – phản vật chất với độ lớn đủ lớn.

Mô hình Chuẩn có đủ các thành phần này, nhưng không đủ nhiều ở bước 2 hoặc 3.

Nếu bạn coi một Vũ trụ đối xứng vật chất – phản vật chất là một Vũ trụ không có gì, thì gần như chắc chắn Vũ trụ đã tạo ra cái gì đó từ hư vô, dù chúng ta vẫn chưa hoàn toàn chắc chính xác nó đã diễn ra như thế nào.

Các vùng quá đậm đặc từ Vũ trụ sơ khai tăng trưởng dần theo thời gian, nhưng mức tăng trưởng của chúng bị giới hạn vừa bởi kích thước ban đầu rất nhỏ của các vùng quá đậm đặc, vừa bởi sự hiện diện của bức xạ vẫn còn có năng lượng cao, thứ ngăn cấu trúc phát triển nhanh hơn.

Phải mất hàng chục đến hàng trăm triệu năm mới hình thành những ngôi sao đầu tiên; dẫu vậy, các khối vật chất đã tồn tại từ rất lâu trước đó.

Tương tự, có rất nhiều con đường khả dĩ để tạo ra vật chất tối.

Chúng ta biết – nhờ thử nghiệm và tìm kiếm rộng khắp – rằng bất kể vật chất tối là gì, nó không thể được cấu thành từ bất kỳ hạt nào thuộc Mô hình Chuẩn.

Dù bản chất đích thực của nó là gì, vật chất tối đòi hỏi vật lý mới vượt ra ngoài những gì hiện đã biết.

Thế nhưng, có nhiều cách nó có thể đã được tạo nên, bao gồm:

– Được tạo nhiệt trong Vũ trụ nóng và sơ khai, rồi không bị hủy hoàn toàn, sau đó ổn định và tồn tại bền vững (như hạt nhẹ nhất siêu đối xứng hoặc hạt Kaluza – Klein).

– Phát sinh từ một chuyển pha tự phát khi Vũ trụ giãn nở và nguội đi, xé những hạt khối lượng lớn ra khỏi chân không lượng tử (ví dụ axion).

– Xuất hiện như một dạng neutrino mới, vốn có thể trộn với các neutrino đã biết (tức neutrino vô khuẩn), hoặc là một neutrino tay phải nặng tồn tại bổ sung bên cạnh các neutrino thông thường.

– Hoặc như một hiện tượng thuần hấp dẫn sinh ra một hạt siêu nặng (ví dụ WIMPzilla).

Tại sao ngày nay lại có vật chất tối, trong khi phần còn lại của Vũ trụ dường như vận hành khá ổn ở thuở ban đầu mà không có nó?

Hẳn phải có một cách nào đó để tạo ra thứ này tại nơi vốn dĩ trước đó chưa có, nhưng tất cả các kịch bản trên đều cần năng lượng.

Toàn bộ năng lượng Vũ trụ đến từ đâu?

Vũ trụ như ta quan sát ngày nay khởi đầu với Vụ nổ lớn nóng: một trạng thái sớm, nóng, đậm đặc, đồng nhất, đang giãn nở, với những điều kiện ban đầu cụ thể.

Nhưng nếu muốn hiểu Vụ nổ lớn đến từ đâu, ta không được giả định đó là khởi đầu tuyệt đối, và cũng không được cho rằng bất cứ điều gì ta chưa tiên đoán được đều không có cơ chế để giải thích.

Có lẽ, theo lạm phát Vũ trụ – lý thuyết hàng đầu về nguồn gốc tiền Vụ nổ lớn của Vũ trụ – thì Vũ trụ thực sự đã sinh ra từ hư vô.

Điều này cần một chút giải thích, và đó chính là ý nghĩa thường gặp nhất của cụm một Vũ trụ từ hư vô (bao gồm cả cách dùng trong tựa cuốn sách cùng tên).

Khi hình dung những giai đoạn sớm nhất của Vụ nổ lớn nóng, bạn phải nghĩ tới một trạng thái cực kỳ nóng, đậm đặc, năng lượng cao và gần như hoàn toàn đồng nhất.

Khi ta hỏi, điều này nảy sinh thế nào, thông thường có hai lựa chọn.

– Ta có thể theo cách Lady Gaga, và khẳng định rằng nó hẳn đã born this way – sinh ra đã như thế.

Vũ trụ sinh ra với các thuộc tính này, mà ta gọi là điều kiện ban đầu, và không có lời giải thích nào thêm.

Với một nhà vật lý lý thuyết, ta gọi cách tiếp cận này là bỏ cuộc.

– Hoặc ta làm điều mà các nhà vật lý lý thuyết giỏi nhất: chế tác một cơ chế lý thuyết có thể giải thích các điều kiện ban đầu, gợi ra các tiên đoán cụ thể khác biệt với các tiên đoán của lý thuyết đang chiếm ưu thế, rồi đi đo đạc các tham số then chốt ấy.

Lạm phát Vũ trụ ra đời từ cách tiếp cận thứ hai đó, và nó đã thực sự thay đổi quan niệm của chúng ta về việc Vũ trụ hình thành như thế nào.

Sự giãn nở theo cấp số nhân diễn ra trong thời kỳ lạm phát mạnh mẽ vì nó không biết mệt.

Cứ mỗi khoảng ~10^ – 35 giây (xấp xỉ) trôi qua, thể tích của bất kỳ vùng không gian nào cũng nhân đôi theo từng chiều, khiến mọi hạt hay bức xạ đều bị pha loãng và khiến mọi độ cong nhanh chóng trở nên không phân biệt được so với phẳng.

Thay vì ngoại suy trạng thái nóng và đậm đặc ngược về một điểm kỳ dị nóng vô hạn, đậm đặc vô hạn, lạm phát về cơ bản nói rằng: có lẽ Vụ nổ lớn nóng đã được tiền nhiệm bởi một giai đoạn mà mật độ năng lượng cực lớn hiện diện ngay trong kết cấu của không gian, buộc Vũ trụ giãn nở với tốc độ không ngừng (tốc độ lạm phát), rồi khi lạm phát kết thúc, năng lượng ấy được chuyển hóa thành vật chất – phản vật chất – bức xạ, tạo nên điều ta gọi là Vụ nổ lớn nóng: dư âm của thời kỳ lạm phát.

Mô tả chi tiết, kịch bản này không chỉ tạo ra một Vũ trụ cùng nhiệt độ khắp nơi, phẳng không gian và không còn di tích từ một thời thống nhất lớn giả định, mà còn tiên đoán một dạng và phổ cụ thể của các dao động hạt giống (mật độ), thứ mà ta đã đi quan sát và thấy.

Chỉ từ chính khoảng không trống rỗng – dù đó là khoảng không được lấp đầy bởi một lượng lớn năng lượng trường – một quá trình tự nhiên đã tạo ra toàn bộ Vũ trụ quan sát được, giàu cấu trúc như ta thấy ngày nay.

Đó là ý tưởng lớn về việc có một Vũ trụ từ hư vô, nhưng việc gọi khoảng không trống rỗng được lấp bởi năng lượng trường là hư vô sẽ không thỏa mãn tất cả mọi người.

Ngay cả trong không gian trống rỗng, các dao động lượng tử vốn có của bản chất trường trong các tương tác cơ bản không thể bị loại bỏ.

Khi Vũ trụ lạm phát ở giai đoạn sớm nhất, các dao động đó bị kéo giãn khắp Vũ trụ, sinh ra các dao động mật độ và nhiệt độ hạt giống mà đến nay ta vẫn còn quan sát được.

Với một bộ phận lớn công chúng, một Vũ trụ nơi không – thời gian vẫn tồn tại, cùng với các định luật vật lý, các hằng số cơ bản, và một năng lượng trường khác 0 vốn có trong kết cấu của không gian, thì rất xa lạ với ý niệm hư vô.

Rốt cuộc, ta có thể hình dung một địa điểm bên ngoài không gian; một khoảnh khắc ngoài ràng buộc của thời gian; một tập hợp điều kiện không có thực tại vật lý nào ràng buộc chúng.

Và những tưởng tượng đó – nếu ta định nghĩa các thực tại vật lý này là những thứ cần loại bỏ để đạt tới hư vô đích thực – chắc chắn là hợp lệ, chí ít về mặt triết học.

Nhưng đó chính là khác biệt giữa hư vô triết học và một định nghĩa vật lý hơn về hư vô.

Như tôi đã viết vào năm 2022, có bốn định nghĩa khoa học về hư vô, và tất cả đều hợp lệ, tùy theo ngữ cảnh sử dụng:

– Một thời điểm khi đối tượng bạn quan tâm chưa tồn tại.

– Không gian vật lý trống rỗng.

– Không – thời gian trống rỗng ở trạng thái năng lượng thấp nhất có thể.

– Và bất cứ thứ gì còn lại khi bạn loại bỏ toàn bộ Vũ trụ và các định luật chi phối nó.

Ta chắc chắn có thể nói ta đã có một Vũ trụ từ hư vô nếu dùng hai định nghĩa đầu; ta không thể nếu dùng định nghĩa thứ ba (bởi trạng thái lạm phát là trạng thái năng lượng cao hơn so với trạng thái ta có ngày nay); và thật đáng tiếc, ta chưa biết đủ để nói điều gì sẽ xảy ra nếu dùng định nghĩa thứ tư.

Không có một lý thuyết vật lý nào mô tả điều gì xảy ra bên ngoài Vũ trụ và vượt khỏi phạm vi của các định luật vật lý, khái niệm hư vô đích thực là không được xác định về mặt vật lý, và thuần túy là một cách tiếp cận triết học với khái niệm hư vô.

Các dao động ngay trong không – thời gian ở tỷ lệ lượng tử bị kéo giãn khắp Vũ trụ trong thời kỳ lạm phát, sinh ra các khiếm khuyết cả trong mật độ lẫn sóng hấp dẫn.

Trong nhiều phương diện, không gian đang lạm phát có thể được gọi là hư vô, nhưng không phải ai cũng đồng ý.

Trong bối cảnh vật lý, bất khả để lý giải một ý niệm hư vô tuyệt đối.

Ở bên ngoài không gian và thời gian nghĩa là gì, và làm sao không gian và thời gian có thể xuất hiện một cách hợp lý và có thể tiên đoán từ một trạng thái không tồn tại?

Làm sao không – thời gian xuất hiện tại một vị trí hay thời điểm cụ thể, khi không có định nghĩa về vị trí hay thời điểm nếu thiếu nó?

Các quy tắc chi phối lượng tử – cả trường lẫn hạt – nảy sinh từ đâu?

Dòng suy tưởng này thậm chí giả định rằng không gian, thời gian và các định luật vật lý bản thân chúng không vĩnh cửu, trong khi thực tế chúng có thể là vĩnh cửu.

Mọi định lý hay chứng minh ngược lại đều dựa trên các giả định có tính hiệu lực không được thiết lập vững chắc trong các điều kiện mà ta muốn áp dụng chúng.

Nếu bạn chấp nhận một định nghĩa vật lý của hư vô, thì đúng, Vũ trụ như chúng ta biết rất có vẻ đã sinh ra từ hư vô.

Nhưng nếu bạn rời bỏ các ràng buộc vật lý, thì mọi sự chắc chắn về cội nguồn Vũ trụ tối hậu của chúng ta đều tiêu tan.

Đáng tiếc cho tất cả chúng ta, lạm phát – bởi bản chất của nó – xóa sạch mọi thông tin có thể đã được in dấu từ một trạng thái tiền tồn tại lên Vũ trụ quan sát được của chúng ta.

Bất chấp tính vô hạn của trí tưởng tượng, chúng ta chỉ có thể rút ra kết luận về những vấn đề mà với chúng, các phép kiểm chứng dựa trên thực tại vật lý của ta có thể được thiết kế.

Dù bất kỳ cân nhắc nào khác có hợp lý đến đâu, bao gồm cả ý niệm về hư vô tuyệt đối, thì nó cũng chỉ là một cấu trúc tinh thần do chúng ta tạo dựng mà thôi.