Năm 1911, một nhà khoa học Anh tên là C. T. R. Wilson nghiên cứu về cấu trúc mây bằng cách thường xuyên tìm đến đỉnh Ben Nevis, một dãy núi nổi tiếng ẩm ướt ở Scotland, ông nhận thấy rằng ắt hẳn phải có một phương cách nào đó dễ dàng hơn cho việc nghiên cứu cấu trúc mây. Quay về phòng thí nghiệm Cavendish tại Cambridge, ông xây dựng một phòng chứa đầy mây nhân tạo – một thiết bị đơn giản mà ở đó ông có thể làm mát và làm ẩm không khí, tạo ra một mô hình mây hợp lý trong điều kiện thí nghiệm.
Thiết bị này vận hành rất tốt, ngoài ra nó còn đem lại một ích lợi bất ngờ khác. Khi ông bơm các hạt alpha vào phòng để tạo mây nhân tạo, nó tạo ra một vệt dài dễ thấy – giống như vệt khói để lại phía sau máy bay loại lớn khi nó đang bay. Trước đó ông đã phát minh ra máy dò tìm hạt. Nó cung cấp những bằng chứng cụ thể cho thấy rằng hạt hạ nguyên tử thực sự có tồn tại.
Cuối cùng hai nhà khoa học khác của Cavendish đã phát minh ra một thiết bị rọi proton, trong khi tại California thì Ernest Lawrence phát minh ra máy gia tốc (thiết bị làm cho các hạt của nguyên tử chuyển động với tốc độ rất cao), còn gọi là máy đập vỡ nguyên tử. Tất cả các thiết bị này đều vận hành – cho đến nay vẫn thế – dựa vào cùng một nguyên tắc: làm hạt proton di chuyển với vận tốc cực lớn dọc theo một đường ray (đôi khi được gọi là chu kỳ hoặc tuyến), sau đó cho nó va đập mạnh vào một hạt khác và quan sát xem điều gì xảy ra. Đó là lý do tại sao nó được gọi là máy đập vỡ nguyên tử. Việc này có vẻ không khoa học lắm, nhưng nhìn chung nó rất hiệu quả.
Khi các nhà vật lý học xây dựng những cỗ máy lớn hơn với tham vọng lớn hơn, họ bắt đầu đặt tên cho các hạt bằng ký tự mà không kèm theo bất kỳ con số nào: muon, pion, hyperon, meson, K–meson, Higgs boson, baryon, tachyon. Ngay cả các nhà vật lý học cũng cảm thấy khó chịu với việc này. Enrico Fermi đã trả lời một học sinh nọ khi anh ta hỏi ông về tên của các hạt, “Chàng trai trẻ ạ, nếu tôi có thể nhớ được tên của các hạt này thì có lẽ tôi đã là một nhà thực vật học”.
Ngày nay các máy gia tốc có những cái tên khá oai vệ: Super Proton Synchrotron, Large Electron Positron Collider, Large Hadron Collider, Relativistic Heavy Ion Collider. Vận dụng lượng năng lượng cực lớn, chúng có thể đẩy các hạt di chuyển với vận tốc cực lớn: một electron có thể hoàn tất bốn mươi bảy vòng quanh một đường ray dài bốn dặm trong một giây. Người ta e rằng với sự nhiệt tình của mình, các nhà khoa học có thể vô tình tạo ra một lỗ đen hay một cái gì đó được gọi là “các hạt lạ”, các hạt này có thể, về mặt lý thuyết, tương tác với các hạt hạ nguyên tử và phát triển đến mức không thể kiểm soát được. Nếu hiện giờ bạn đang đọc được điều này, có nghĩa là điều đó vẫn chưa hề xảy ra.
Việc khám phá các hạt đòi hỏi phải có sự tập trung cao độ. Chúng không những cực nhỏ và cực nhanh mà còn rất phù du. Các hạt có thể xuất hiện và biến mất trong khoảng thời gian 0,000000000000000000000001 giây (10–24). Ngay cả hạt chậm chạp nhất trong số này cũng chỉ tồn tại không quá 0,0000001 giây (10–7).
Một số hạt tồn tại cực ngắn đến mức chúng ta không thể xác định được sự tồn tại của chúng. Mỗi giây trái đất nhận 10.000 nghìn tỷ nghìn tỷ hạt nơtrinô cực nhỏ không có trọng lượng (chủ yếu được bắn ra từ các nguyên tử nhiệt của mặt trời), nhưng chúng ta không thể cảm nhận được sự tồn tại của chúng. Để có được vài hạt nơtrinô, các nhà khoa học cần có các hồ nước chứa được 12,5 triệu galông
(1 galông = 4,454 lít) nước nặng (loại nước có mật độ đơteri cân bằng) trong một không gian bên dưới mặt đất (thường là các mỏ dầu), nơi mà chúng không bị nhiễu bởi các loại phóng xạ khác.
Rất hiếm khi, một hạt nơtrinô chuyển động va đập vào một hạt nhân nguyên tử trong nước và tạo ra một luồng năng lượng nhỏ. Các nhà khoa học đo lường luồng năng lượng này và từ đó lần ra manh mối về những đặc điểm cơ bản của vũ trụ. Năm 1998, một quan sát viên người Nhật Bản xác định rằng hạt nơtrinô thực sự có trọng lượng, nhưng không lớn – chỉ bằng khoảng một phần mười triệu trọng lượng của electron.
Ngày nay chúng ta tốn khá nhiều tiền để nghiên cứu các hạt. Có mối quan hệ trái nghịch trong vật lý hiện đại khi chúng ta phải vận dụng các loại máy móc lớn và hiện đại để nghiên cứu về thế giới nhỏ bé của các hạt. CERN (the European Organization for Nuclear Research), tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu, giống như một thành phố nhỏ. Trải dài ở vùng biên giới giữa Pháp và Thụy Sĩ, tổ chức này có đến ba nghìn nhân viên với diện tích nhiều dặm vuông. CERN sở hữu lượng nam châm có trọng lượng lớn hơn trọng lượng của tháp Eiffel và đường hầm dài mười sáu dặm.
Theo lời James Trefil thì việc phá vỡ một nguyên tử là việc dễ dàng, mỗi khi bạn bật công tắc một chiếc đèn huỳnh quang thì đồng thời bạn cũng phá vỡ các nguyên tử. Tuy nhiên, việc phá vỡ hạt nhân nguyên tử lại đòi hỏi nhiều tiền bạc và chúng ta cần phải có một nguồn điện cực mạnh, ở mức độ vi lượng (hạt quác) – những hạt cấu thành các hạt –chúng ta cần có nhiều hơn thế: dòng điện hàng nghìn tỷ vôn và ngân sách của một quốc gia nhỏ tại châu Mỹ. Cỗ máy Large Hadron Collider của CERN, bắt đầu vận hành vào năm 2005, sẽ phát ra dòng điện mười bốn nghìn tỷ vôn và người ta phải tốn mất 1,5 tỷ đô–la mới có thể tạo ra nó. [1]
Nhưng những con số này vẫn chẳng là gì khi đem so với những thành tựu mà chúng ta đã đạt được. Các cỗ máy này có thể giúp các nhà khoa học thông dò “bản chất cơ bản của vũ trụ” bằng cách tái tạo các điều kiện hình thành vũ trụ trong khoảnh khắc một phần mười nghìn tỷ giây đầu tiên. Người ta bắn các hạt dọc theo một đường ray dài năm mươi hai dặm, tạo ra nguồn năng lượng chín mươi chín nghìn tỷ vôn. Đây là một kế hoạch vĩ đại nhất, nhưng nó sẽ ngốn mất 8 tỷ đô–la (về sau con số này được nâng lên là 10 tỷ đô–la) và hàng trăm triệu đô–la để bảo trì hệ thống hàng năm.
Có lẽ đây là ví dụ điển hình nhất trong lịch sử về việc đổ tiền vào một chiếc lỗ trong lòng đất, quốc hội Hoa Kỳ đã dành 2 tỷ đô–la cho dự án này, sau đó lại hủy bỏ nó vào năm 1993 sau khi mười bốn dặm đường hầm đã được đào xong. Thế nên ngày nay Texas sở hữu đường hầm đắt tiền nhất trên thế giới.
Tóm lại, vật lý vi lượng là một môn khoa học vô cùng tốn kém – nhưng nó là một công trình đem lại nhiều ích lợi cho nhân loại. Ngày nay chúng ta có hơn 150 loại hạt, người ta cho rằng con số này có thể lên đến 250, nhưng đáng tiếc, theo lời Richard Feynman, “khó có thể xác định được mối quan hệ của tất cả các loại hạt này, và thiên nhiên cần chúng để làm gì, hoặc đâu là mối quan hệ giữa hạt này với hạt khác”. Chắc chắn mỗi khi chúng ta mở một chiếc hộp ra, chúng ta sẽ nhận thấy rằng bên trong đó còn có một chiếc hộp khác. Một số người cho rằng còn có những hạt được gọi là tachyon, hạt này có thể di chuyển nhanh hơn cả vận tốc ánh sáng. Một số khác lại ra sức tìm kiếm hạt graviton – trung tâm của trọng lực. Chúng ta không thể nói trước được rằng khi nào chúng ta sẽ dừng lại ở hạt nhỏ nhất. Carl Sagan trong cuốn Cosmos trình bày khả năng rằng nếu bạn du lịch vào trong một electron, bạn có thể nhận thấy rằng nó chứa đựng cả một vũ trụ riêng của nó, điều này khiến chúng ta nhớ đến các câu chuyện khoa học viễn tưởng vào thập niên năm mươi. “Trong đó, được tập hợp thành các dải ngân hà và các kết cấu nhỏ hơn, là vô số các hạt cơ bản nhỏ hơn nhiều, đây chính là các vũ trụ, bên trong các vũ trụ này còn có vô số các vũ trụ khác, đến bất tận. Khi chúng ta di chuyển hướng ra ngoài cũng thế”.
Đối với hầu hết chúng ta thì đó là một thế giới vượt qua sự hiểu biết của mình. Thậm chí ngày nay để có thể hiểu được những lời giảng về vật lý vi lượng cũng đã là một việc khó khăn, ví dụ: “Hạt pion và kháng pion tích điện phân rã lần lượt thành một hạt muon kết hợp với hạt kháng nơtrinô và một hạt kháng muon kết hợp với hạt nơtrinô với thời gian tồn tại trung bình là 2,603 x 10–8 giây, hạt pion trung tính phân rã thành hai hạt photon với thời gian tồn tại trung bình là 0,8 x 10–16 giây, và hạt muon và hạt kháng muon phân rã lần lượt thành…”. Cứ thế, nó liên tục phân rã – và điều này được trích từ một cuốn sách dành cho độc giả không chuyên của một trong các nhà giải thích mạch lạc nhất, Steven Weinberg.
Vào những năm 1960, trong một nỗ lực nhằm đem lại sự đơn giản cho vật chất, nhà vật lý học của Caltech, Murray Gell–Mann, đã phát minh ra một loại hạt mới, về cơ bản, theo lời Steven Weinberg, “để” kiểm soát các loại hạt cơ bản” – một thuật ngữ chung mà các nhà khoa học muốn nói đến proton, nơtron, và các hạt khác chịu sự kiểm soát của lực hạt nhân mạnh. Lý luận của Gell–Mann là: mọi hạt cơ bản đều được cấu thành từ những hạt nhỏ hơn, ngay cả những hạt cơ bản hơn thế. Đồng nghiệp của ông, Richard Feynman, muốn gọi các hạt cơ bản mới này là parton, nhưng bị bác bỏ. Thay vì thế người ta gọi chúng là hạt quark (hạt quác).
Gell–Mann lấy tên gọi này từ một dòng trong cuốn Finnegans Wake: “Three quarks for Muster Mark!” (Một số nhà vật lý học gọi chúng là storks, chứ không phải larks, dù rằng larks có cách phát âm giống với quarks hơn). Sự đơn giản cơ bản của hạt quark không tồn tại lâu. Khi người ta hiểu rõ hơn về chúng, họ cần phải chia nhỏ chúng hơn nữa. Dù hạt quác quá nhỏ nên không thể có màu sắc hay mùi vị hay bất kỳ đặc điểm vật chất nào để chúng ta nhận diện, chúng vẫn được cấu thành bởi sáu phạm trù – trên, dưới, lạ, đẹp, đỉnh, và đáy – các nhà vật lý học lại xem đây là “hương vị” của chúng, rồi họ còn phân loại các “hương vị” này thành đỏ, xanh dương, và xanh lá.
Cuối cùng toàn bộ những sự kiện này tạo ra thứ được gọi là Mô hình chuẩn, mô hình này thực sự là hành trang thiết yếu để bạn tham quan thế giới hạ nguyên tử. Mô hình chuẩn gồm có sáu hạt quark, sáu hạt lepton, năm hạt boson và một hạt thứ sáu được mặc nhiên công nhận, hạt Higgs boson (được đặt tên theo nhà khoa học người Scotland, Peter Higgs), kết hợp với ba trong số bốn lực vật lý: lực nguyên tử mạnh, lực nguyên tử yếu, và lực điện từ.
Về cơ bản sự sắp đặt này là: cơ sở của vật chất là hạt quark; các hạt quark được nối kết với nhau bởi các hạt được gọi là hạt gluon; và hạt quark kết hợp với hạt gluon hình thành nên hạt proton và hạt nơtron, chất liệu hình thành nhân nguyên tử. Hạt lepton cấu thành hạt electron và hạt nơtrinô. Hạt quark kết hợp với hạt lepton được gọi là hạt fermion. Hạt boson (đặt tên theo nhà vật lý học Ấn Độ S. N. Bose) là các hạt tạo ra và mang lực, nó được cấu thành bởi hạt photon và hạt gluon. Hạt Higgs boson có thể tồn tại hoặc không tồn tại; nó được xem là hạt có trọng lượng.
Như bạn có thể thấy, nó quá rườm rà, nhưng đó là mô hình đơn giản nhất có thể giải thích được tất cả những gì xảy ra trong thế giới hạt. Hầu hết các nhà vật lý học đều cảm thấy, theo lời Leon Lederman trong phim tài liệu PBS 1985, rằng Mô hình chuẩn này thiếu sự tao nhã và sự đơn giản. “Nó quá phức tạp. Nó vận dụng quá nhiều thông số chuyên môn”, Lederman nói. “Chúng ta thực sự không thể hiểu được tại sao Đấng tạo hóa lại phải mở hai mươi cánh cửa để thiết lập hai mươi thông số nhằm tạo ra vũ trụ như chúng ta biết”. Vật lý học thực ra chỉ là môn học nghiên cứu để tìm ra sự đơn giản cuối cùng, nhưng đến nay tất cả những gì chúng ta biết được chỉ là một mớ hỗn độn – hoặc theo lời Lederman: “Chúng ta có cảm giác rằng bức tranh này không đẹp”.
Mô hình chuẩn này không những vụng về mà còn thiếu sót: nó chẳng nói gì đến trọng lực. Khi bạn tìm hiểu về Mô hình chuẩn này, bạn sẽ chẳng tìm được lời giải thích nào về việc tại sao khi bạn đặt một chiếc nón lên bàn mà nó không bay lơ lửng lên trần nhà. Đồng thời nó cũng không thể giải thích được trọng lượng. Để giúp các hạt này có trọng lượng chúng ta phải vận dụng hạt Higgs boson do ước lượng mà có; vấn đề hạt Higgs boson có thực sự tồn tại hay không lại là vấn đề dành cho vật lý học thế kỷ hai mươi mốt. Theo lời nhận xét vui của Feynman: “Chúng ta bị mắc kẹt bởi một học thuyết, và chúng ta không biết được rằng nó đúng hay sai, nhưng chúng ta thực sự biết rằng nó hơi sai, hoặc ít nhất là không được hoàn hảo”.
Trong quá trình nỗ lực nhằm liên kết mọi việc lại với nhau, các nhà vật lý học cho ra đời học thuyết Siêu chuỗi. Học thuyết này xác định rằng tất cả các hạt nhỏ bé như hạt quark và hạt lepton mà trước đây chúng ta xem là các hạt thực ra là các “chuỗi” – các dải năng lượng dao động trong mười một chiều, gồm có ba chiều như chúng ta đã biết cộng với thời gian và bảy chiều khác, vâng, mà chúng ta chưa từng biết đến. Các chuỗi này cực nhỏ – đủ nhỏ để được xem là hạt.
Qua việc giới thiệu thêm các chiều mới, học thuyết Siêu chuỗi giúp các nhà vật lý có thể kết hợp các quy luật lượng tử với các quy luật của trọng lực thành một gói tương đối gọn, nhưng điều đó cũng có nghĩa là những gì các nhà khoa học nói về học thuyết này đều là những điều xa lạ và khiến bạn lo lắng giống như khi bạn tiếp chuyện cùng một người xa lạ tại ghế đá công viên. Ví dụ, sau đây là những lời nhà vật lý học Michio Kaku giải thích về kết cấu của vũ trụ dựa vào học thuyết Siêu chuỗi này: “Chuỗi giống lai gồm có một chuỗi đóng có hai loại dao động, ngược chiều và xuôi chiều kim đồng hồ, hai loại này được xử lý khác nhau. Loại dao động xuôi chiều kim đồng hồ tồn tại trong không gian hai mươi sáu chiều, trong số này có mười sáu chiều đã bị nén lại với nhau (Chúng ta nhớ lại rằng trong không gian năm chiều của Kaluza, chiều thứ năm bị nén khi bị quấn thành một vòng tròn)”. Những lời giải thích của ông khó hiểu như thế, kéo dài 350 trang.
Học thuyết Siêu chuỗi làm phát sinh thứ được gọi là “học thuyết M”, học thuyết này sáp nhập các bề mặt được gọi là các màng. Tôi e rằng đây là điểm dừng trên xa lộ kiến thức mà hầu hết chúng ta đều phải xuống xe. Sau đây là câu văn từ tờ New York Times, giải thích “đơn giản” với các độc giả về việc này: “Quá trình xung đột này đã xuất nguồn từ quá khứ vô tận với các màng rỗng xuất hiện song song với nhau trong không gian cong năm chiều… Hai màng, hình thành nên các bức tường của chiều thứ năm, có thể đã vọt ra khỏi cõi hư không ở hình thức dao động lượng tử trong quá khứ thậm chí còn xa xôi hơn nữa và sau đó trôi dạt xa rời nhau”. Không hề biện luận. Cũng không thể hiểu nổi.
Vật chất trong vật lý học đã đạt đến mức, theo lời Paul Davies trong cuốn Nature, “người không chuyên khoa học không thế nào phân biệt được đâu là điều huyền bí và đâu là điều lập dị”. Mùa Thu năm 2002, hai nhà vật lý học người Pháp, hai anh em song sinh Igor và Grickha Bogdanov, giới thiệu một học thuyết về tỷ trọng trong đó có nêu các khái niệm về “thời gian ảo” và “điều kiện Kubo– Schwinger–Martin”, và ngụ ý mô tả trạng thái hư không của vũ trụ trước khi xuất hiện Big Bang – khoảng thời gian được cho là không ai có thể biết tới (vì nó xảy ra trước khi vật chất được hình thành).
Gần như ngay lập tức, bài thuyết trình của Bogdanov kích thích sự tranh luận giữa các nhà vật lý học về việc liệu đó là một câu chuyện nhảm nhí, hay là một tác phẩm của một thiên tài, hay chỉ là trò chơi khăm. “Về mặt khoa học, rõ ràng nó gần như hoàn toàn vô nghĩa”, nhà vật lý học Peter Woit của Đại học Columbia nói với tờ New York Times, “nhưng ngày nay nó được xem chẳng khác gì các tài liệu khoa học khác”.
Karl Popper, người mà Steven Weinberg đã gọi là “người đứng đầu trong các triết gia khoa học”, đã từng đề xuất rằng có thể không có học thuyết cuối cùng nào cho vật lý học – rằng, nói đúng ra, mọi lời giải thích có thể đòi hỏi sự giải thích xa hơn nữa, tạo ra “một chuỗi vô hạn các nguyên tắc ngày càng cơ bản hơn”. Có khả năng những kiến thức như thế có thể vượt ngoài tầm hiểu biết của chúng ta. “Đáng tiếc, cho đến nay”, Weinberg viết trong cuốn Dreams of a Final Theory, “dường như chúng ta không thể đến được điểm cuối cùng của nguồn tri thức”.
Rõ ràng đây là một lĩnh vực sẽ có nhiều tư duy mới, và các tư duy này sẽ vượt ra khỏi tầm hiểu biết của hầu hết chúng ta.
Trong khi các nhà khoa học vào các thập niên giữa thế kỷ hai mươi tìm hiểu thế giới vi mô với sự bối rối, các nhà thiên văn vẫn háo hức tìm hiểu vũ trụ vĩ mô.
Trong lần vừa rồi chúng ta gặp Edwin Hubble, ông đã xác định được rằng gần như tất cả các dải ngân hà trong tầm quan sát của chúng ta đều đang di chuyển xa dần chúng ta, và rằng tốc độ và khoảng cách của chúng rất tương xứng: chúng càng di chuyển cách xa chúng ta thì chúng càng di chuyển với tốc độ lớn hơn. Hubble nhận thấy rằng điều này có thể được diễn đạt bằng một phương trình đơn giản, Ho = v/d (Ho là hằng số, v là vận tốc của dải ngân hà đang bay, và d là khoảng cách giữa nó với chúng ta). Từ đó Ho được gọi là hằng số Hubble và toàn phương trình được gọi là quy luật Hubble. Vận dụng công thức này, Hubble tính toán được rằng vũ trụ có độ tuổi khoảng hai tỷ năm, con số này nghe có vẻ vụng về vì thậm chí trước những năm 1920 người ta đã xác định được rằng đa số các đối tượng trong vũ trụ – đặc biệt là trái đất – đều có độ tuổi lớn hơn thế. Việc cải tiến con số này vẫn đang là công việc của ngành vũ trụ học.
Dường như điều bất biến đối với hằng số Hubble chính là lượng người phản đối giá trị mà nó đưa ra. Năm 1956, các nhà thiên văn khám phá rằng các biến số Cepheid thường thay đổi nhiều hơn so với những gì họ đã nghĩ trước đó; chúng xuất hiện ở hai dạng thức, chứ không phải một. Điều này cho phép họ tính toán lại và xác định lại độ tuổi của vũ trụ là từ 7 đến 20 tỷ năm – không chính xác lắm, nhưng ít nhất cũng không đủ già để chứa đựng kết cấu của trái đất.
Những năm sau đó xuất hiện cuộc tranh cãi dai dẳng giữa Allan Sandage, người thừa kế Hubble tại Đỉnh Wilson, và Gérard de Vaucouleurs, một chiêm tinh gia gốc Pháp tại Đại học Texas. Sandage, sau nhiều năm tính toán cẩn thận, đã xác định được giá trị của hằng số Hubble là 50, dẫn đến kết quả độ tuổi của vũ trụ là 20 tỷ năm. De Vaucouleurs lại khẳng định rằng hằng số Hubble là 100. [2] Điều này có nghĩa là vũ trụ có độ tuổi bằng một nửa con số Sandage đưa ra – mười tỷ năm. Mọi việc càng thêm rắc rối khi vào năm 1994 một nhóm các nhà khoa học từ các Đài thiên văn Carnegie tại California, vận dụng các thông số từ kính viễn vọng Hubble, đề xuất rằng vũ trụ có thể chỉ có độ tuổi là tám tỷ năm – độ tuổi mà ngay cả họ cũng thừa nhận rằng trẻ hơn so với một số vì sao trong vũ trụ. Tháng Hai 2003, một nhóm các nhà khoa học từ NASA và Trung tâm Goddard Space Flight tại Maryland, vận dụng một loại vệ tinh mới được gọi là Wilkinsn Microwave Anistropy Probe, khẳng định rằng độ tuổi của vũ trụ là 13,7 tỷ năm, dao động một trăm triệu năm. Mọi việc dừng lại ở đó, ít nhất là trong một khoảng thời gian ngắn.
Khó khăn trong việc đưa ra quyết định cuối cùng ở đây là: có nhiều giả thuyết được đặt ra. Hãy hình dung bạn đang đứng giữa cánh đồng trong đêm và cố gắng xác định xem khoảng cách từ đây đến hai bóng đèn xa tít kia là bao nhiêu. Vận dụng các công cụ đơn giản của thiên văn học bạn có thể dễ dàng xác định được rằng hai bóng đèn này có độ sáng bằng nhau và rằng một bóng, giả sử, cách xa bạn khoảng cách dài gấp rưỡi lần khoảng cách của bóng đèn còn lại. Nhưng điều bạn không thể khẳng định được ở đây là: liệu bóng đèn gần hơn có phải là một chiếc bóng đèn 58 watt cách xa bạn 112 foot hay nó là một chiếc bóng đèn 61 watt cách xa bạn 119 foot và 8 inch. Trên hết, bạn phải xét đến những lệch lạc bởi sự thay đổi của khí quyển trái đất, bởi lớp bụi thiên hà, tác động của ánh sáng từ những ngôi sao lân cận, và nhiều yếu tố khác. Kết quả cuối cùng là những tính toán của bạn nhất định phải dựa vào nhiều giả định đan xen với nhau, bất kỳ giả định nào cũng có thể tạo ra sự bất đồng. Kết quả là, các nhà thiên văn đôi khi buộc (hoặc sẵn sàng) phải dựa vào những bằng chứng hiếm hoi để đưa ra kết luận của mình. Trong vũ trụ học, theo lời Geoffrey Carr, chúng ta có “hàng núi học thuyết xây dựng trên một đụn cát nhỏ”. Hoặc theo lời Martin Rees: “Sự hài lòng hiện tại của chúng ta {đối với những hiểu biết hiện tại} có thể phản ánh sự ít ỏi của các dữ liệu thay vì phản ánh sự xuất sắc của học thuyết này”.
Sự thiếu chắc chắn này được áp dụng cho hầu hết mọi thứ, kể cả các khoảng cách trong vũ trụ. Theo Donald Goldsmith thì, khi các nhà thiên văn nói rằng dải ngân hà M87 cách chúng ta 60 triệu năm– ánh–sáng, thì điều này có nghĩa là họ muốn nói rằng nó cách chúng ta từ 40 triệu đến 90 triệu năm– ánh–sáng. Vì vũ trụ này cực lớn nên các khoảng ước lượng cũng cực lớn. Lời dự đoán tốt nhất hiện nay về độ tuổi của vũ trụ có lẽ là con số từ 12 đến 13,5 tỷ năm, nhưng chúng ta còn một khoảng thời gian dài phía trước để có thể đi đến sự nhất trí hoàn toàn.
Một giả thuyết thú vị gần đây nhất đề xuất rằng vũ trụ không quá rộng lớn như chúng ta nghĩ, rằng khi chúng ta quan sát khoảng cách của các dải ngân hà có thể chúng ta chỉ trông thấy những hình ảnh phản chiếu, những “bóng ma”, được tạo ra bởi sự khúc xạ ánh sáng.
Sự thật là vẫn còn có rất nhiều điều, thậm chí là những điều rất cơ bản, mà chúng ta chưa hề biết đến – đặc biệt là việc vũ trụ được cấu thành bởi chất liệu gì. Khi các nhà khoa học tính toán lượng vật chất cần thiết để gắn kết mọi thiên thể lại với nhau, họ luôn gặp phải ngõ cụt. Dường như là hết 90 phần trăm vũ trụ, thậm chí 99 phần trăm, được cấu thành bởi thứ được gọi là “chất đen” của Fritz Zwicky – chất liệu mà chúng ta không thể nhìn thấy được. Hơi khó chịu khi nghĩ rằng chúng ta sống trong một vũ trụ mà chúng ta chỉ nhìn thấy một phần nhỏ của nó. Ít nhất thì chúng ta cũng xác định được hai thủ phạm chính: người ta cho rằng chúng hoặc là các WIMP (Weakly Interacting Massive Particle, người ta xem đây là các vệt vật chất không thể nhìn thấy còn sót lại sau Big Bang), hoặc là các MACHO (Massive Compact Halo Objects – đây là một tên gọi khác của các lỗ đen, các ngôi sao lùn, và các ngôi sao rất mờ nhạt khác).
Các nhà vật lý hạt thường thích lời giải thích về các WIMP hơn, các nhà vật lý học thiên thể lại thích lời giải thích về các MACHO hơn. Đã có lúc MACHO chiếm ưu thế, nhưng vì người ta không tìm đủ các MACHO nên mọi người dành nhiều tình cảm cho WIMP nhưng có một điều là chưa ai tìm thấy bất kỳ một WIMP nào. Vì chúng tương tác yếu, cứ cho rằng chúng thực sự tồn tại thì vẫn khó có thể dò tìm được chúng. Các tia vũ trụ sẽ tạo ra nhiều sự nhiễu. Thế nên các nhà khoa học phải tìm kiếm dưới lòng đất. Ở độ sâu một kilomet dưới lòng đất thì sức mạnh của các tia vũ trụ chỉ còn bằng một phần triệu so với sức mạnh của chúng trên mặt đất. Nhưng ngay cả khi chúng ta tìm kiếm được tất cả những thứ này, “hai phần ba vũ trụ vẫn bị thất lạc”. Hiện nay chúng ta gọi phần thất lạc này là DUNNOS (Dark Unknown Nonreflective Nondetectable Objects Somewhere).
Các bằng chứng gần đây cho thấy rằng các dải ngân hà không những đang di chuyển xa dần chúng ta mà chúng còn di chuyển với vận tốc nhanh dần. Điều này trái ngược với mọi mong đợi. Dường như vũ trụ không những được lấp đầy bởi chất đen mà còn được lấp đầy bởi năng lượng đen. Đôi khi các nhà khoa học cũng gọi nó là năng lượng chân không hay một cách gọi kỳ quặc khác là tinh chất. Dù nó là gì, nó vẫn tạo ra sự nở rộng mà không ai có thể tính toán được. Giả thuyết ở đây là, vũ trụ trống rỗng hoàn toàn không trống rỗng – có các hạt vật chất và phản vật chất liên tục xuất hiện rồi lập tức biến mất – và các hạt này không ngừng đẩy vũ trụ hướng ra ngoài với vận tốc tăng dần. Không chắc chắn lắm, thứ duy nhất có thể giải quyết tất cả những việc này chính là hằng số vũ trụ của Einstein – phần toán học mà ông trình bày trong Thuyết Tương đối để ngăn cản sự nở rộng của vũ trụ, và gọi đây là “điều ngớ ngẩn nhất trong đời tôi”. Giờ đây điều này dường như cho thấy rằng ông đã hoàn toàn đúng.
Kết quả cuối cùng là, chúng ta sống trong một vũ trụ có độ tuổi mà chúng ta không thể tính toán được, chúng ta được vây quanh bởi các vì sao mà chúng ta không thể xác định được khoảng cách của chúng, vũ trụ này tràn ngập loại vật chất mà chúng ta không thể xác định được, vũ trụ này vận hành theo các quy luật vật lý mà chúng ta không thể hiểu được những đặc tính của chúng.
Và với sự bối rối như thế, chúng ta quay lại với Hành tinh Trái đất và tìm hiểu xem chúng ta thực sự có thể hiểu được điều gì – dù rằng lúc này có lẽ bạn chẳng ngạc nhiên khi nghe nói rằng chúng ta không thể hiểu được hết mọi điều về trái đất và rằng suốt khoảng thời gian dài qua chúng ta không hiểu được những gì hiện chúng ta đã hiểu.
___________
[1] Có những ứng dụng thực tiễn khác đối với nỗ lực tốn nhiều tiền của như thế này. World Wide Web là một trong những ứng dụng của CERN. Nó được phát minh bởi một nhà khoa học của CERN, Tim Berners–Lee, năm 1989.
[2] Rõ ràng bạn băn khoăn về ý nghĩa của “hằng số có giá trị 50” hoặc “hằng số có giá trị 100”. Câu trả lời ở đây liên quan đến các đơn vị đo lường thiên văn học. Ngoại trừ khi đàm luận, các nhà thiên văn không sử dụng năm–ánh–sáng. Họ sử dụng một khoảng cách được gọi là parsec (hình thức rút gọn của parallax và second), dựa vào đon vị đo lường vũ trụ được gọi là stellar parallax tương đương với 3,26 năm–ánh–sáng. Những phạm vi thực sự lớn được đo lường bằng megaparsec: một triệu parsec. Hằng số này được biểu diễn bằng kilomet/giây/megaparsec. Thế nên khi các nhà thiên văn nói đến “hằng số” Hubble là 50”, họ muốn nói đến “50 kilomet/giây/megaparsec”. Đối với hầu hết chúng ta thì đơn vị đo lường này rõ ràng chẳng có ý nghĩa gì.