Lý thuyết Big Bang là một trong những thành tựu khoa học lớn nhất trong thế kỷ 20. Sau khi thảo luận với Georges Lemaître, cha đẻ lý thuyết này, Albert Einstein thốt lên: “Đây là lời giải thích đẹp đẽ và thỏa đáng nhất về sự sáng tạo mà tôi từng được nghe”! Thật không may, Lý thuyết Big Bang đặt ra một câu hỏi triết học quá lớn cho khoa học đến nỗi các nhà khoa học không thể trả lời…
Ngày nay, mặc dù Lý thuyết Big Bang đã trở nên phổ biến trong nền văn hóa hiện đại, nhưng dường như số người thực sự hiểu Lý thuyết Big Bang vẫn không nhiều. Thậm chí vẫn có người nghi ngờ đây không phải một lý thuyết khoa học thực sự, tương tự như mối nghi ngờ dành cho Thuyết Tiến hóa. Nhiều người không biết rõ cơ sở khoa học của lý thuyết này, đặc biệt, người ta vẫn tranh cãi rất nhiều xung quanh những câu hỏi do lý thuyết này đặt ra ─ những thách đố khoa học liên quan tới triết học nhận thức. Trang PVHg’s Home đã từng thảo luận về lý thuyết này, đó là những bài:
- Nan đề Sáng Thế (Genesis Problem), 13/11/2013
- Big Bang’s Challenge / Thách thức của Big Bang 14/04/2018
Bài viết hôm nay là một bổ sung cho hai bài báo nói trên. Để có một cái nhìn toàn diện về lý thuyết này, hôm nay chúng ta nên nhìn lại toàn bộ lịch sử diễn biến của nó thông qua những sự kiện mang tính chất cột mốc của lý thuyết này, qua đó có thể thấy chính khoa học đã dẫn khoa học tới những câu hỏi triết học khó như thế nào…
1/ LƯỢC SỬ BIG BANG
- 1915 Thuyết Tương đối Tổng quát của Albert Einstein ra đời, tạo ra một cái khung toán học và vật lý cho vũ trụ học hiện đại. Lý thuyết Big Bang bắt nguồn từ đây.
- 1922-1924 Alexander Friedmann, một nhà toán học và vũ trụ học người Nga, giải phương trình của Thuyết Tương đối Tổng quát, tìm thấy nghiệm tương ứng với một vũ trụ co hoặc giãn. Ông thông báo kết quả này cho Einstein. Lúc đầu Einstein bác bỏ. Nhưng xem xét kỹ, Einstein thừa nhận là đúng. Vì thế Einstein bổ sung vào phương trình của mình một hằng số, nhằm chống lại hệ quả vũ trụ co giãn, vì Einstein cho rằng vũ trụ xét trên tổng thể là tĩnh. Hằng số này đi vào lịch sử vũ trụ học với tên gọi HẰNG SỐ VŨ TRỤ (Cosmological constant). Tuy nhiên Friedmann không phát triển kết quả nghiên cứu của mình thành một lý thuyết mới mang tính hệ thống về vũ trụ học.
- 1927 Georges Lemaître, một linh mục Công giáo kiêm nhà toán học và vũ trụ học người Bỉ, hoàn toàn độc lập với Friedmann, cũng giải phương trình của Thuyết Tương đối Tổng quát và rút ra nghiệm tương ứng với một vũ trụ giãn nở. Ông đã công bố những khám phá của mình trong một công trình có một cái tên rất dài: “A homogeneous universe of constant mass and increasing radius accounting for the radial velocity of extra-galactic nebulae” (Một vũ trụ thuần nhất có khối lượng không đổi và bán kính tăng lên, giải thích tốc độ xuyên tâm của các thiên hà). Trong đó Lemaître không chỉ chứng minh sự giãn nở của vũ trụ mà còn nêu lên một hệ số mà hai năm sau Edwin Hubble cũng tìm thấy bằng quan sát thiên văn. Đó là cái được gọi là “Định luật Hubble”.
- 1929, Edwin Hubble, một nhà thiên văn lỗi lạc người Mỹ, khám phá ra hiện tượng các thiên hà chạy xa nhau ra, cho thấy hiện tượng vũ trụ giãn nở là sự thật. Hubble tìm ra mối tương quan giữa khoảng cách với tốc độ rời xa của các thiên hà, được gọi là Định luật Hubble (Hubble’s Law). Định luật này trước đó cũng đã được Georges Lemaître tìm ra bằng con đường hoàn toàn lý thuyết, và được gọi là nguyên lý vũ trụ. Khám phá của Hubble làm cho Einstein muốn loại bỏ hằng số vũ trụ ra khỏi phương trình của Thuyết Tương đối Tổng quát của ông, vì nó không còn cần thiết nữa. Nhưng Lemaître đã thuyết phục Einstein về sự cần thiết của hằng số vũ trụ. Sau này Einstein thừa nhận ý định vứt bỏ hằng số vũ trụ là một sai lầm lớn nhất trong đời ông.
- 1931, Lemaître tiếp tục phát triển giả thuyết của mình, khẳng định rằng nếu hiện tượng vũ trụ giãn nở là một hiện thực đã được xác nhận thì đi ngược về quá khứ, vũ trụ phải co lại, và cuối cùng ắt phải có điểm khởi đầu. Ông đã phát triển tư tưởng này thành một lý thuyết mô tả lịch sử vũ trụ, công bố lý thuyết đó dưới tên gọi “Giả thuyết Nguyên tử Nguyên thủy” (Hypothesis of Primeval Atom), sau này được gọi là Lý thuyết Big Bang.
- Trong những năm 1920 – 1930, hầu hết các nhà vũ trụ học lớn đều ưa thích một vũ trụ tĩnh và ổn định vĩnh cửu. Một số phàn nàn rằng lý thuyết của Lemaître là sự nhập cảng các khái niệm về sự sáng tạo của Chúa trong Sáng Thế ký của Kinh Thánh vào vật lý. Sự phản đối này xuất phát từ chỗ Georges Lemaître, người khởi xướng Lý thuyết Big Bang, là một linh mục Công giáo. Chính Arthur Eddington, một thầy dạy của Lemaître, vẫn tin vào lý thuyết của Aristotle, cho rằng vũ trụ không có khởi đầu và không có kết thúc, tức là một vũ trụ ổn định vĩnh cửu. Lý thuyết của Lemaître bị xem như chống lại Aristotle. Nhưng chính Lemaître, dựa trên sự phù hợp giữa kết quả chứng minh toán học chặt chẽ của chính ông với quan sát thiên văn của Hubble, nhất định cho rằng vũ trụ phải có khởi đầu. Thậm chí ông tỏ ra có trực giác sắc sảo khi cho rằng: “Nếu vũ trụ khởi đầu với một lượng tử duy nhất, các khái niệm về không gian và thời gian hoàn toàn sẽ không có bất kỳ ý nghĩa nào ngay từ đầu; chúng chỉ bắt đầu có một ý nghĩa hợp lý khi lượng tử ban đầu đã được phân chia thành một số lượng lượng tử đầy đủ. Nếu đề xuất này là chính xác, thì sự khởi đầu của vũ trụ đã xảy ra sớm hơn một chút trước khi hình thành không gian và thời gian”[1]. Đó là một viễn kiến táo bạo, sau này được hầu hết các nhà vật lý ủng hộ.
- 1949, Fred Hoyle, một nhà toán học và thiên văn học nổi tiếng người Anh, trong một lần trả lời phỏng vấn của Đài BBC London vào Tháng 3, lần đầu tiên đã gieo thuật ngữ “Big Bang” để mô tả lý thuyết của Lemaître, mặc dù ông có nhiều ý kiến chống đối Lý thuyết Big Bang. Từ đó tên gọi “Lý thuyết Big Bang” chính thức ra đời và nhanh chóng được các nhà khoa học ưa thích sử dụng và trở nên phổ biến như hiện nay.
- 1953, Lý thuyết Big Bang bùng nổ với các công trình của George Gamow và nhiều người khác. George Gamow, một nhà vật lý xô viết định cư tại Mỹ năm 1934, nêu lên mô hình “Big Bang nóng” (Hot Big Bang), tiên đoán Big Bang ắt phải để lại những vết tích của bức xạ của vũ trụ nguyên thủy, lúc đầu phải nóng ít nhất tới hàng triệu độ, sau nguội dần vì vũ trụ giãn nở. Thực nghiệm khoa học sau này đã tìm thấy những vết tích đó đúng như Gamow đã dự đoán. Việc khám phá ra Nền Bức xạ Vi sóng Vũ trụ (Cosmic Microwave Background) là bằng chứng quyết định ủng hộ mô hình “Big Bang nóng” (xem Evidence for the Big Bang ).
- 1964, Arno Penzias và Robert Wilson khám phá ra những “tiếng ồn vi sóng” vũ trụ tương quan với nhiệt độ 2,7 độ K, nhưng không giải thích được đó là cái gì. Tuy nhiên, sau những trao đổi với Robert Dick tại Đại học Princeton, họ biết đó là những vi sóng phát đi từ vũ trụ trẻ còn nóng hổi trong quá khứ sau Big Bang. “Tiếng ồn vi sóng” chính là sóng tàn dư của Big Bang. Georges Lemaître nhận được thông tin này xác nhận Lý thuyết Big Bang của mình đúng một tuần trước khi ông ra đi rời khỏi thế gian. Có lẽ ông thấy hạnh phúc vì đã hoàn thành sứ mệnh trần gian. Arno Penzias và Robert Wilson đã được tặng Giải Nobel vật lý năm 1978.
- 1968 – 1970, Roger Penrose, Stephen Hawking, và George Ellis lần lượt công bố những công trình nghiên cứu chứng minh một cách toán học rằng sự khởi đầu của vũ trụ là điều không thể tránh khỏi. Có nghĩa là tiên đoán của Lemaître hoàn toàn đúng.
- Trong những năm 1970 – 1990, các nhà vũ trụ học sử dụng mô hình Big Bang giải thích được nhiều bài toán lớn của vũ trụ học. Năm 1981, Alan Guth xây dựng mô hình vũ trụ lạm phát (inflationary universe) ngay sau Big Bang, trong đó vũ trụ giản nở với tốc độ vô cùng lớn, nhờ đó giải thích được nhiều hiện tượng vật lý lượng tử.
- Cuối thế kỷ 20, nhiều bằng chứng cho thấy vũ trụ không giản nở chậm lại hoặc thậm chí sẽ co lại như nhiều dự đoán trước đó, mà thực tế giãn nở ngày càng nhanh lên. Điều này dẫn tới dự đoán sự tồn tại của lực phản hấp dẫn mà nguyên nhân của nó là một dạng “năng lượng tối” (Dark Energy) nào đó, tương ứng với hằng số vũ trụ âm trong phương trình của Thuyết Tương đối Tổng quát. Hơn bao giờ hết, khoa học đã thấy rõ vai trò vô cùng quan trọng của Hằng số Vũ trụ. Thậm chí Hằng số Vũ trụ được xem như không phải là một hằng số nữa, mà là một hàm số theo thời gian. Những khám phá khoa học này dẫn tới kết luận về số phận tương lai của vũ trụ: Vũ trụ giãn nở gia tốc mãi mãi và do đó sẽ loãng dần về zero! Kết luận này đã được công bố trên tạp chí TIME vào thời điểm bản lề chuyển từ thế kỷ 20 sang thế kỷ 21.
Với tất cả những diễn biến nói trên, phải khẳng định rằng Lý thuyết Big Bang là một lý thuyết khoa học, được hầu hết các nhà khoa học ủng hộ, kể cả Einstein và những nhà vũ trụ học hiện đại. Hiện nay Lý thuyết Big Bang vẫn đang là một lý thuyết xương sống của vũ trụ học, thậm chí nhờ nó mà vũ trụ học đã đạt được nhiều khám phá rực rỡ, đến nỗi thời đại hiện nay được gọi là “Thế kỷ vàng của vũ trụ học”. Murray Gell-Mann, nhà vật lý đoạt Giải Nobel năm 1969, ca ngợi Lý thuyết Big Bang như “một cuộc phiêu lưu bền bỉ và vĩ đại nhất trong lịch sử nhân loại, nhằm hiểu vũ trụ vận hành ra sao và từ đâu tới”[2]
Tuy nhiên Lý thuyết Big Bang chỉ là một lý thuyết kể lại lịch sử của vũ trụ kể từ ngày nó ra đời chứ không phải một lý thuyết khoa học giải thích được nguồn gốc của vũ trụ. Điều này đã bị nhiều người hiểu lầm, bao gồm cả Einstein lúc ban đầu. Thật vậy, lúc đầu Einstein cũng hiểu lầm như vậy, và vì thế ông không thích thú với Giả thuyết Nguyên tử Nguyên thủy của Lemaître, mặc dù ông hoàn toàn chấp nhận tính chính xác toán học của giả thuyết đó. Nhưng sau nhiều cuộc tiếp xúc và thảo luận với Lemaître, Einstein đã thay đổi quan điểm. Những cuộc gặp gỡ và thảo luận giữa Einstein và Lemaître đóng một vai trò then chốt trong lịch sử thai nghén Lý thuyết Big Bang. Điều này đã được mô tả rất thú vị trong một bài báo của Dominique Lambert trên trang “Interdisciplinary Encyclopedia of Religion and Science” (Bách khoa Toàn thư về những nguyên lý liên kết Tôn giáo với Khoa học). PVHg’s Home xin trân trọng giới thiệu bài báo đó trong mục sau.
(Còn tiếp)
Nguồn: Viethungpham.com
Bài vở cộng tác hoặc góp ý xin gửi về tintuc@hoithanh.com
Lời Giải Thích Đẹp Nhất Về Sự Sáng Tạo – Phần 2: Cuộc gặp gỡ giữa Einstein và Lemaître