Liệu giả thuyết trung tâm này của vũ trụ học hiện đại có đúng không?
Để giải thích vì sao vũ trụ là đồng nhất (uniform) và phẳng (flat) như ta quan sát hiện nay,  nhà vật lý Alan H.Guth đã đưa ra giả thuyết lạm phát (inflation), theo đó  ngay sau Bigbang vũ trụ đã có một giai đoạn giãn nở rất nhanh theo hàm mũ. Tác giả Paul J.Steinhardt (Giám đốc Trung tâm lý thuyết Princeton, Đại học Princeton) trên tạp chí Scientific American, tháng 4/2011đã đặt lại vấn đề, phân tích cơ sở khoa học của hai quan điểm có và không có lạm phát trong lịch sử của vũ trụ. Tia Sáng xin giới thiệu cùng độc giả vấn đề trung tâm này của vũ trụ học hiện đại.
 Hình1. Vũ trụ trải qua một giai đoạn gọi là lạm phát, trong giai đoạn này vũ trụ giãn nở thật nhanh theo hàm mũ. Sau đó vũ trụ tiếp tục giãn nở song với một tốc độ chậm hơn, cho phép các cấu trúc vũ trụ như sao, thiên hà hình thành. |
 Hình2. Quá trình giãn nở lạm phát có tính bùng nổ là phẳng (ironed) mọi đường cong và mọi vùng cong của không gian, do đó giải thích được hình học của vũ trụ ngày nay, bỏ lại sau mọi chỗ gồ ghề trong mầm nguyên thủy của vũ trụ. Trong vòng 10-30 giây vũ trụ đã lớn lên với hệ số 1025 theo mọi hướng đẩy các vùng của vũ trụ xa nhau với vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng |
Nhưng tại sao vũ trụ ban đầu lại đồng nhất và phẳng? Tiên nghiệm mà nói (a priori) những điều kiện này dường như có rất ít xác suất. Song Guth lý luận rằng dẫu ban đầu vũ trụ không có những điều kiện đó thì chính nhờ một quá trình giãn nở siêu gia tốc (lạm phát) vũ trụ đã trở nên đồng nhất và phẳng.
Khi lạm phát kết thúc thì vũ trụ sẽ giãn nở với một tốc độ bình thường hơn song bây giờ vũ trụ đã có những tính chất bảo đảm sự hình thành các sao, thiên hà như chúng ta quan sát được hiện nay.
Nhiều điểm nứt rạn đã bắt đầu xuất hiện trong giả thuyết lạm phát và tác giả Steinhardt trình bày cả hai quan điểm: có lạm phát và không có lạm phát. Và dường như chưa quan điểm nào thắng thế tuyệt đối trước khi thu được những quan trắc mới.
Có lạm phát
Lạm phát xảy ra trên cơ sở năng lượng lạm phát (inflationary energy). Đây là năng lượng của trường inflaton (hạt inflaton là lượng tử của lạm phát). Giống như mọi trường, inflaton có một lực (strength) nhờ đó inflaton tác động vào chính nó và vào các trường khác. Ngoài ra inflaton có thế năng. Hệ thức giữa lực (strength) và thế năng có thể mô tả bằng một đường cong có một vùng gọi là cao nguyên (plateau) và một thung lũng (valley) giống như trong trường hợp một quả bóng lăn trên đồi xuống (xem hình 3).
 Hình3. Trường inflaton gây nên một lực đẩy (repulsive) làm cho không giãn nở nhanh chóng tức thời. Để điều đó xảy ra mật độ năng lượng của trường inflaton phải biến thiên theo lực trường inflaton như một đường cong có vùng cao nguyên và vùng thung lũng.Trên cao nguyên ta có lực đẩy còn đến mép thung lũng thì lạm phát kết thúc. |
Thế năng của inflaton có thể gây nên một quá trình giãn nở vô độ, quá trình này làm phẳng vũ trụ nếu trường nằm trên cao nguyên (plateau) trong một thời gian đủ dài. Lạm phát chấm dứt khi trường đi hết vùng cao nguyên và rơi xuống thung lũng. Tại điểm đó thế năng biến thành vật chất tối, vật chất nóng thông thường và bức xạ. Vũ trụ bước sang giai đoạn giãn nở thông thường chính trong giai đoạn này vật chất cô đọng lại thành những cấu trúc vũ trụ.
Lạm phát làm đều vũ trụ giống như việc kéo giãn một giải cao su làm mất các vết nhăn trên đó. Một số chỗ bất thường còn lại vì những hiệu ứng lượng tử. Các định luật lượng tử buộc rằng các trường như inflaton không có lực (strength) đều nhau ở mọi điểm vì tồn tại những thăng giáng lượng tử hỗn độn (random). Các thăng giáng này làm kết thúc lạm phát ở các thời điểm và các vùng không gian khác nhau và làm nóng các vùng này đến những nhiệt độ khác nhau. Những biến thiên (variations) trong không gian này là mầm tạo thành sao và thiên hà. Những biến thiên này có tính chất bất biến kích thước ( scale-invariant).
Vậy trường hợp có lạm phát có thể tóm tắt bởi 3 điểm:
Lạm phát là không tránh khỏi
Lạm phát giải thích được vì sao vũ trụ đồng nhất và phẳng, không cần biết trạng thái của vũ trụ ban đầu là như thế nào vì rằng quá trình lạm phát sẽ làm cho vũ trụ đồng nhất và phẳng
Giả thuyết lạm phát tiên đoán được nhiều điều quan sát được (ví dụ các quan sát trong CMB[1])
Không có lạm phát
Trước 1980 người ta không thấy điều gì bất ổn với giả thuyết lạm phát. Song nếu lạm phát là không tránh khỏi thì ta lại gặp vấn đề sau: những lạm phát gọi là lạm phát xấu (bad inflation) lại có nhiều xác suất xảy ra hơn là những lạm phát tốt (good inflation).
Lạm phát xấu có nghĩa đó là một giai đoạn giãn nở với các hệ quả mâu thuẫn với những điều quan sát được hiện nay. Ví dụ các biến thiên nhiệt độ quá lớn. Sự khác nhau giữa lạm phát xấu và tốt quyết định bởi dáng điệu của đường cong thế năng phụ thuộc vào một thông số (xem hình 4). Chỉ có một vùng trị số rất hẹp của thông số đó mới tạo nên một biến thiên (variation) nhiệt độ phù hợp với quan trắc. Có thể tồn tại những biến thiên nhiệt độ lớn hơn song chúng ta không quan sát được. Điều này giải thích bằng nguyên lý vị nhân [2].
 Hình4. Lạm phát có thể dẫn đến những hệ quả không trùng với thực tế (lạm phát xấu, 2 cột bên phải của hình vẽ). Trong lạm phát tốt (cột bên trái hình vẽ) chúng ta có những hệ quả trùng với thực tế. Tất cả đều do dáng điệu của đường cong thế năng (xem phần phía trên hình vẽ). |
Điều tệ hại hơn là lạm phát nói chung không kể tốt hay xấu lại ít có xác suất xảy ra hơn là không có lạm phát.
Năm 1980 Roger Penrose (Đại học Oxford) sử dụng các nguyên lý nhiệt động học để tính các cấu hình ban đầu khả dĩ của hạt inflaton và trường hấp dẫn. Một số cấu hình dẫn đến lạm phát và do đó đến tính đồng nhất và hình học phẳng của vũ trụ. Song tồn tại những cấu hình dẫn trực tiếp đến đồng nhất và hình học phẳng mà không qua lạm phát. Và điều gây sốc ở đây là thu được một vũ trụ đồng nhất và phẳng không qua lạm phát có xác suất nhiều lần lớn hơn qua lạm phát (xem hình 5).
 Hình5. Giả thuyết lạm phát được đưa ra đối với mọi điều kiện ban đầu của vũ trụ. Song các phép phân tích sau này cho rằng không phải như vậy. Trong tập các điều kiện ban đầu của vũ trụ chỉ có một số rất nhỏ dẫn đến trạng thái phẳng và đồng nhất quan sát được hiện nay. Trong số rất nhỏ đó thì một số áp đảo có thể dẫn đến hiện trạng bây giờ không qua lạm phát chỉ có một số rất nhỏ còn lại làm được điều đó thông qua một giai đoạn lạm phát. |
Lạm phát hỗn độn vĩnh cửu (chaotic eternal inflation)
Nhà vật lý người Nga Andrei Linde trong bài [3] cho rằng lạm phát một khi đã bắt đầu thì không dừng lại vì đó là hệ quả của vật lý lượng tử và quá trình giãn nở có gia tốc. Khi các thăng giáng lượng tử là lớn trong một số vùng nào đó thì lạm phát càng kéo dài. Số lượng các vùng này không lớn song quan trọng là chúng đang giãn nở cho nên lớn rất nhanh.
Những vùng mà lạm phát vẫn tiếp tục sẽ lớn lên và áp đảo các vùng mà lạm phát đã kết thúc đúng lúc. Như vậy ta sẽ có một biển không gian lạm phát bao quanh những đảo với vật chất nóng và bức xạ. Cuối cùng ta có rất nhiều đảo vây quanh bởi những không gian lạm phát.
Các đảo không giống nhau. Bản chất hỗn độn nội tại (inherently random) của vật lý lượng tử làm cho các đảo này rất không đồng nhất (nonuniform) và bị cong (warped) mạnh. Một số đảo có được những tính chất giống các tính chất mà chúng ta quan sát được, song một số khác thì không. Và chúng ta cũng không biết được là tập nào là có nhiều xác suất hơn tập nào trong một vũ trụ giãn nở vĩnh cửu như vậy (xem hình 6).
 Hình 6. Một khi lạm phát bắt đầu thì những thăng giáng lượng tử làm cho lạm phát lan truyền lên toàn vũ trụ. Khi lạm phát kết thúc ở đâu đó thì một bong bóng hình thành và lớn lên. Trong thực tế chúng ta sống trong một bong bóng như vậy. Tồn tại nhiều bong bóng khác với những tính chất vật lý khác. |
Nhiều nhà vật lý lý thuyết muốn xây dựng một lý thuyết lạm phát không vĩnh cửu. Song sự vĩnh cửu là đặc thù của lượng tử và lạm phát cho nên phải tìm một lý thuyết mà lạm phát chấm dứt trước lúc các thăng giáng lượng tử khởi động lạm phát. Trong kịch bản này phải tìm được một trạng thái ban đầu thích hợp, song điều này lại mâu thuẫn với ý đồ của giả thuyết lạm phát: giải thích hiện trạng vũ trụ bất kể các điều kiện ban đầu là như thế nào!
Một giả thuyết khác lạm phát là lý thuyết lạm phát chu kỳ [4], theo lý thuyết này thì Bigbang không phải là điểm bắt đầu của không thời gian mà là một quá trình gọi là nẩy bật (bounce) [5] từ một pha co lại trước đó chuyển sang một pha giãn nở và tiếp theo là sự tạo ra vật chất và bức xạ. Lý thuyết gọi là chu kỳ vì sau một tỷ tỷ năm quá trình giãn nở lại biến thành quá trình co lại rồi tiếp theo là một nẩy bật mới. Điểm mấu chốt ở đây là quá trình làm đều (smoothing) vũ trụ lại xảy ra trong giai đoạn co. Và các vùng có lạm phát tiếp tục co lại còn các vùng đã kết thúc lạm phát sẽ nẩy bật lên đúng lúc và giãn nở. Như vậy số lượng các vùng trước là không đáng kể.
Quá trình làm đều (smoothing) trong giai đoạn co lại sẽ biểu hiện ra trong các quan sát. Trong pha làm đều (trong cả hai trường hợp giả thuyết lạm phát cũng như lạm phát chu kỳ) những thăng giáng lượng tử tạo nên những nhiễu loạn lan truyền trong không gian, đó là những sóng hấp dẫn, những sóng này sẽ để lại dấu ấn khác nhau theo hai trường hợp trong CMB. Giả thuyết lạm phát chu kỳ là một giả thuyết mới và cũng có những vấn đề riêng song vẫn là một giả thuyết tránh được lạm phát vĩnh cửu không kiểm soát được.
Các thí nghiệm nhằm ghi đo dấu ấn sóng hấp dẫn đã được tiến hành, người ta hy vọng có kết quả đo đạc trong vòng một hai năm giúp các nhà vật lý thiên văn chọn được giả thuyết đúng hơn.
CC. biên dịch và chú thích
———————-
Tài liệu tham khảo và chú thích
[1] CBM =Bức xạ phông tàn dư của vũ trụ hay Bức xạ phông vi sóng (CMB – Cosmic Microwave Background).
[2] vị nhân=nguyên lý vị nhân là nguyên lý theo đó ta thấy vũ trụ như thế này bởi vì nếu vũ trụ khác đi thì ta không thể tồn tại được để mà quan sát nó.
[3] Andrei Linde,The self-Reproducing Inflationary Universe, Scientific American số tháng 11/1994.
[4] Gabriele Veneziano,The Myth of the Beginning of Time, Scientific American, số tháng 5/ 2004.
[5] Cao Chi, Vật lý hiện đại, những vấn đề thời sự từ Bigbounce đến vũ trụ toàn ảnh,NXB Tri thức, 2011 (trang 35).
