LƯỢC SỬ THỜI GIAN - Nguồn gốc và
số phận của vũ trụ
Lý thuyết tương đối rộng của Einstein, tiên đoán rằng không gian, thời
gian bắt đầu từ kỳ dị của vụ nổ lớn, sẽ kết thúc hoặc tại một kỳ dị cuối cùng
(trường hợp toàn vũ trụ co lại) hoặc tại một kỳ dị nằm bên trong một lỗ đen
(trường hợp một vùng định xứ, ví dụ một sao co lại). Mọi vật chất rơi vào lỗ
đen, sẽ bị phá hủy tại điểm kỳ dị, chỉ còn lại hiệu ứng hấp dẫn của khối lượng
là còn được cảm nhận từ phía bên ngoài. Mặt khác, khi các hiệu ứng lượng tử
được tính đến thì dường như khối lượng và năng lượng của vật chất cuối
cùng sẽ trở về với phần còn lại của vũ trụ, và lỗ đen cùng với mọi kỳ dị bên
trong sẽ bay hơi và biến mất. Liệu cơ học lượng tử có gây một hiệu ứng bi
kịch như thế đối với vụ nổ lớn và kỳ dị chung cuộc hay không? Điều gì thực tế
đã và sẽ xảy ra vào các giai đoạn rất sớm và muộn hơn của vũ trụ, khi các
trường hợp hấp dẫn mạnh đến mức mà các hiệu ứng lượng tử không thể nào
bỏ qua được? Thực tế vũ trụ có một điểm bắt đầu và một điểm kết thúc hay
không? Và nếu có, thì phải hình dung chúng ra sao?
Trongsuốt những năm 70tôi đã tập trung nghiên cứucác lỗ đen, nhưngvào
năm 1981,tôi lại lưutâm đếncác vấnđề xungquanh nguồn gốc và số phận của vũ
trụ khi tôi tham gia mộthội thảo về vũ trụ học tổ chức bởi các tusĩ dòngJesuittại
Vatican.Nhà thờ Thiênchúa giáo đã phạm mộtsailầm đốivới Galileokhi họ phủ
định một định luật khoahọc vì tuyên bố rằngmặt trờiphải quayquanhquả đất.
Bây giờ sau nhiều thế kỷ, họ đã quyết định mờinhiều nhà khoahọc làm cố vấn về
vũ trụ học. Cuối hội nghị các nhà khoahọcđã được tiếp kiến Giáohoàng.Ông nói
rằng nghiêncứu sự tiến triểncủa vũ trụ sauvụ nổ lớnlà đúngsongNhà thờ không
tìm hiểu về bản thânvụ nổ lớnvì đó là thời điểmcủa Sáng tạo, nênthuộccôngviệc
của Chúa. Tôi rất vui mừng vì đức Giáo hoàng không biết đến bài phát biểu của tôi
tại hội thảo: khả năng không -thời gian làhữu hạn songkhôngcó biên, điều đó có
nghĩa là không có cái banđầu,khôngcó thời điểm củaSáng tạo. Tôi không cóý
muốn chịu cùng số phậncủa Galileo, người mà tôi có một cảm giác mạnhmẽ về sự
đồngnhất với tôi, một phần vìsự trùng hợp giữa ngày sinh của tôi đúngtròn 300
năm saungày chết của ông.

quan sát được chúng thì ta có một bằngchứng chắc chắn về bức tranhcủa giai
đoạn nóng đầutiên của vũ trụ. Tiếc thay,nănglượng của chúng ngày nay quánhỏ
để ta có thể quan sátđược chúng một cách trực tiếp.Nhưng nếu neutrinocó một
khối lượng nhỏ, theo kết quả một thí nghiệm chưa được kiểm nghiệm lại donhững
người Nga thực hiệnnăm 1981, thì ta có thể ghi đo được chúngmộtcách gián tiếp:
chúng phải tạo thànhmột “vậtchất tối”, như đã nói trước đây,vật chất sẽ sinhra
một lựchấp dẫn đủ để hãm đứng sự giãn nở của vũ trụ và buộc vũ trụ cotrở lại.
Khoảngmộttrăm giây sau vụ nổ lớn,nhiệt độ xuống cònmột ngàntriệu độ, bằng
nhiệt độ trong các sao nóng nhất. Ở nhiệt độ đó protonvàneutronkhôngcòn đủ
năng lượngđể thoát khỏi sức hútcủa lực hạt nhân và kết hợp vớinhau để tạo
thành hạt nhâncủa nguyên tử đơteri(hydronặng), gồm một protonvàmột
neutron. Các hạt nhân của đơteri lại kết hợp thêm với các proton vàneutron để tạo
thành hạt nhânheli, gồm haiproton vàhai neutron vàmột số hạt nhân nặnghơn là
liti vàberili. Người ta có thể tính ra rằngtrong mô hìnhnóngcủa vụ nổ lớn, khoảng
một phần tư các protonvà neutronbiến thànhhạt nhân heli, cùngmộtsố nhỏ
hydro nặng và các hạt nhân khác. Số neutroncòn lại phân hủy thành proton vốn là
hạt nhân của nguyên tử hydro.
Bức tranhvề giai đoạnnóngtrước đâycủavũ trụ lầnđầutiên đượcphác họa bởi
George Gamowtrong công trìnhnổi tiếng năm 1948, thựchiện chungvới một sinh
viên củaông là Ralph Alpher. Gamowlà một người giàu tínhhómhỉnh,ông thuyết
phục nhà vật lý hạt nhân Hans Bethe điền thêm tênvàocông trình vớiý muốn làm
cho danh sách tác giả Alpher, Bethe, Gamowđọclên nghegần như âm của ba chữ
cái đầu tiên của bảng vần Hy Lạp là alpha, beta, gamma: thật làthích hợp cho một
công trình nói về giai đoạn đầucủa vũ trụ! Trongcôngtrình này, các tác giả tiên
đoán một cách đặc sắcrằng bức xạ (dưới dạng các photon)từ những giai đoạn
nóngtiền sử của vũ trụ sẽ tàn dư lại trong giaiđoạn hiện nay,songvới nhiệt độ hạ
xuống chỉ cònvài độ trên khôngđộ tuyệt đối (-273độ C). Bức xạ này đã được
Penzias và Wilsonpháthiện năm 1965.
Vào thời gian khiAlpher, Bethe,Gamow viết công trình trên, người ta chưa biết
nhiều về cácphản ứng hạt nhân giữaproton và neutron. Các tính toán dự báo về tỉ

hydro thành heli và bứcxạ phát sinhdướidạng nhiệt vàánh sáng. Những sao có
khối lượng lớn hơn cần có nhiệtđộ cao hơn để cân bằnglực hút hấp dẫn lớnhơn
của chúng,và các phảnứng nhiệt hạch xảy ra nhanh hơn, cho nên chúngsẽ tiêu
hủy hydro trongvòng chừng mộttrăm triệu năm. Chúngsẽ co lại, nónglên và bắt
đầu biếnheli thành những nguyên tố nặng hơnnhư cacbon hoặc oxy.Song chúng
khôngđể thoát nhiều năng lượnghơn, vì vậymột trạng thái tới hạnsẽ xảy ra như
đã miêu tả ở chương nói về các lỗ đen.
Điều gì sẽ xảyra sauđó không hoàn toànrõ lắm songhình như các vùng ở tâm sao
sẽ co lại đếnmột trạng tháimật độ cao như một saoneutronhoặc lỗ đen.Các vùng
bên ngoài đôi khicó thể bị bắn ra trong một vụ nổ gọi là vụ nổ siêu sao, phát ra ánh
sáng mạnh hơnmọi saokháctrong thiên hà. Một số nguyên tố nặng hình thành ở
cuối đời một saosẽ bị bắn trở lại vàođám khí của thiênhà và sẽ là nguyên liệu cho
thế hệ tiếp theo của các sao. Mặt trời củachúng ta chứakhoảng2% các nguyêntố
nặng đó vì thuộc thế hệ sao thứ hai hoặc thứ ba, hìnhthành chừng năm ngàn triệu
năm về trước từ mộtđám mây quay chứa các mảnh vụn của các siêu sao thế hệ
trước.Phần lớn khí trong cácđám mây đó sẽ cấu thành mặt trời hoặc bị bắn xa,
còn một khối lượng nhỏ các nguyêntố nặng sẽ kết với nhau thành cácthiên thể
hiện đang chuyển động trên cácquỹ đạo quanhmặt trời như trái đất.
Lúc banđầu quả đất rất nóngvà không cókhí quyển. Theo thời gianquả đất lạnh
dần và có đượcbầu khí quyển hình thành nhờ sự khuếch tán các chất khí từ
khoáng chất. Bầu khí quyển trong quá khứ không phải là bầu khí quyển thích hợp
với cuộcsống. Bầu khí quyểnnày khôngchứa ôxymà chỉ chứa một số chất khí
khác là độc tố cho cuộcsống như sunfua hydro(là cácchất khí gây ramùitrứng
thối). Song có những dạngsốngsơ khaicó thể phát triểntrong những điều kiện
như vậy. Người ta chorằng sự sống đó bắt đầutrong những đạidương,rất cóthể
là kếtquả ngẫu nhiên của sự phứchợp các nguyên tử thành những cấutrúc lớn,
gọi là đại phân tử, những đạiphân tử này có khả năng tập hợp nhiều nguyên tử
khác trong đại dươngthành những cấu trúc tương tự. Như thế chúngcó thể tự tạo
và sinhsản.
Trongmột số trường hợpcó thể xảy ra cácsai lầm trong quá trình sinhsản.Phần

định xứ có nồng độ vật chất cao hơn như các sao và thiên hà. Người ta cho rằngcác
sao và thiên hàđược hìnhthànhdo sự khác nhau về mật độ của cácvùng ngay
trong các giai đoạn sớm của vũ trụ. Vậy nguồn gốccủa các thăng giáng mật độ là ở
đâu?
Lý thuyết tương đối, xétđộc lập, không thể giải thích được các điểm trên vàđưa ra
các câutrả lời cho những câu hỏi vừađặt ravì lý thuyết tương đối đoán nhận rằng
vũ trụ sinhratừ một kỳ dị vớimậtđộ vô cùng củavụ nổ lớn.Tại điểm kỳ dị đó, lý
thuyết tương đốivà các định luật vật lý khác không còn đúng nữa: người ta không
thể biết điều gì sẽ xảyra vớimột điểm kỳ dị đó.Như đã giải thích trước đây, điều
đó có nghĩa rằngta có thể tách rời vụ nổ lớn và các sự kiện trước nó rakhỏi lý
thuyết vì chúng không thể tác động lênnhữnggì chúngta quansát được. Không-
thời gian cần phải có biên - đó là điểm bắt đầu từ vụ nổ lớn.
Khoa họchy vọng tìm racác địnhluậtcho phép trongcác giới hạn xácđịnh bởi hệ
thức bất định, tiên đoánđược sự phát triển của vũ trụ nếuta biết được trạngthái
của nótại mộtthời điểm. Nhữngđịnhluật đó có thể là do Chúaban hành, nhưng
hình như sau đó Chúa đã để chovũ trụ tự phát triển và không buồn can thiệp vào
nữa. Nhưng Chúa đã chọn điều kiện banđầuhoặc cấu hìnhvũ trụ như thế nào?
“Điều kiện biên” tại điểm bắt đầu của thời gianlà điều kiện gì?
Một câu trả lời khả dĩ là cho rằng Chúa đã chọn một cấu hình đầutiên theo những
lý lẽ mà chúng ta không có hy vọng hiểu được. Điều đó hoàn toàn trong quyền lực
của một đấng siêu nhân,song nếu ông ta đã bắtđầu theo một kiểu khó hiểu như
vậy, thìtại saoông ta lại để cho vũ trụ phát triểntheo những quyluật màchúngta
có thể hiểu được? Toànbộ lịch sử khoa họclà một quá trìnhtiệm cận đến nhận
thức được rằngcác sự kiệnkhông phát triển một cách ngẫu nhiên, màchúng phản
ánh một trật tự tiềmẩn nào đó có hoặc khôngcó nguồn gốc thần thánh.Tacó thể
giả địnhmột cách tự nhiên rằng trậttự đó không những được áp dụngvàocác
định luật mà cả vào các điều kiện ban đầucủa không - thờigian. Có thể có rất nhiều
mô hình vũ trụ với các điềukiệnbiên ban đầu khác nhau. Chúng ta phải đưa ra
được một nguyên tắc nào đó để chọn được một trạng thái ban đầu, do đó chọn
được một môhình để mô tả vũ trụ.