Vật Lý Thiên Văn Cho Người Vội Vã

“Neil deGrasse Tyson đã tạo ra một Big Bang với Vật lý thiên văn cho người vội vã.” -Vanity Fair Bởi ngay trong tuần phát hành đầu tiên, cuốn sách khoa học đã chiếm luôn vị trí số 1 trong bảng xếp hạng sách bán chạy của The New York Times, rồi hiên ngang trụ lại trong bảng xếp hạng này suốt 20 tuần liên tục. Một tác phẩm thông minh dí dỏm và dễ đọc, có thể cuốn hút cả những người bận rộn nhất, giúp họ chỉ tranh thủ những phút rảnh rỗi mà có được lượng kiến thức khổng lồ, thú vị về thế giới vật lý thiên văn: từ Big Bang cho đến vật chất tối, năng lượng tối; từ hệ mặt trời tới những khám phá không gian liên hành tinh; từ lý thuyết nền tảng của Einstein tới những kịch bản về tương lai vũ trụ… ***

Gần đây, chưa tuần nào trôi qua mà báo chí không đăng tin về một phát kiến đáng lên trang nhất liên quan đến vũ trụ. Có thể những người gác cổng truyền thông ngày một hứng thú với vũ trụ, song mức độ phủ sóng gia tăng này dường như bắt nguồn từ sự mến chuộng của công chúng dành cho khoa học ngày càng tinh tế. Đầy rẫy những bằng chứng cho thấy điều này, từ cách chương trình truyền hình ăn khách lấy cảm hứng, thông tin từ khoa học, cho đến thành công của các phim khoa học viễn tưởng với sự tham gia của dàn diễn viên sáng giá, được nhà sản xuất và đạo diễn trứ danh đưa lên màn ảnh. Và gần đây, phim tiểu sử chiếu rạp kể về các nhà khoa học tầm cỡ dường như tự nó đã trở thành một thể loại riêng. Khắp thế giới còn có sự quan tâm phổ biến dành cho các liên hoan khoa học, ngày hội khoa học viễn tưởng, và các phim tài liệu khoa học trên truyền hình.

Bộ phim đạt doanh thu cao nhất mọi thời đại được một đạo diễn nổi tiếng đặt bối cảnh câu chuyện ở một hành tinh nọ quay quanh một ngôi sao xa xăm. Trong phim một nữ diễn viên nổi tiếng đóng vai nhà sinh học thiên văn. Dù mọi nhánh khoa học đều đã vươn cao trong thời đại này, lĩnh vực vật lý thiên văn lại bền bỉ vươn đến hang cao nhất. Tôi nghĩ tôi hiểu tại sao. Vào lúc này hay lúc khác, mỗi người trong chúng ta hẳn đã nhìn lên bầu trời đêm và tự hỏi : Tất cả mọi thứ có nghĩa gì? Làm sao mọi thứ vận hành? Và, đâu là vị trí của chúng ta trong vũ trụ này?

Nếu bạn quá bận rộn không thể tiếp thu các kiến thức vũ trụ qua các lớp học, sách giáo khoa, hay phim tài liệu, nhưng bạn vẫn muốn tìm một con đường dẫn nhập ngắn nhưng đầy đủ ý nghĩa vào lĩnh vực này, tôi xin gửi đến bạn cuốn Vật lý thiên văn cho người vội vã. Trong cuốn sách mỏng này, bạn sẽ thông suốt ở mức độ cơ bản mọi tư tưởng và phát kiến lớn đã thúc đẩy hiểu biết hiện đại của chúng ta về vũ trụ. Nếu tôi thành công, bạn sẽ thân quen với kiến thức trong lĩnh vực của tôi, và có thể sẽ còn khao khát muốn biết nhiều hơn nữa.

Vũ trụ không có nghĩa vụ phải có nghĩa lý với bạn.

Neil deGrasse Tyson

***

---

Thế giới đã tồn tại biết bao năm dài, kể từ sau một lần được sắp đặt để đi theo những chuyển động thích hợp. Mọi thứ khác đều nối gót theo sau.

Lucretius, khoảng năm 50 TCN

Lúc khởi đầu, gần mười bốn tỉ năm về trước, tất cả không gian, tất cả vật chất, toàn bộ năng lượng của vũ trụ mà ta biết đều được chất chứa trong một thể tích nhỏ hơn một phần nghìn tỉ kích cỡ của dấu chấm cuối câu văn này.

Các điều kiện bấy giờ quá nóng, đến nỗi các lực cơ bản của tự nhiên vốn cùng miêu tả vũ trụ đã bị thống nhất thành một. Vũ trụ ra đời thế nào ta còn chưa biết, song cái vũ trụ nhỏ hơn cả đầu kim này chỉ có thể giãn nở mà thôi. Cực kỳ nhanh. Mà ngày nay ta gọi là vụ nổ lớn.

Thuyết tương đối tổng quát do Einstein đề ra năm 1916 cho ta cách hiểu hiện nay về lực hấp dẫn, theo đó sự hiện diện của vật chất và năng lượng làm cong kết cấu không gian và thời gian xung quanh nó. Cuộc hôn phối thành công giữa cơ học lượng tử và điện từ học thế kỷ 20, phần nào, đã thúc đẩy cả nhà vật lý học đua nhau hòa trộn cơ học lượng tử (thuyết về cái cực nhỏ) với thuyết tương đối tổng quát (thuyết về cái cực lớn) thành một thuyết chặt chẽ và mạch lạc là thuyết hấp dẫn lượng tử. Mặc dù vẫn chưa chạm đích, chúng ta biết chính xác nơi nào có rào cản. Một trong số đó là “kỷ nguyên Planck” của vũ trụ sơ khai. Đấy là khoảng thời gian t = 0 cho đến t = 10-43 giây (một phần mười triệu ngàn-tỉ ngàn-tỉ ngàn-tỉ của một giây) sau lúc khởi đầu, và trước khi vũ trụ nở rộng đến 10-35 mét (một phần một trăm triệu tỉ ngàn-tỉ ngàn-tỉ của một mét). Các con số nhỏ không tưởng nỗi này được đặt theo tên nhà vật lý học người Đức, Max Planck, ông cũng là người đã giới thiệu ý tưởng về năng lượng bị lượng tử hóa vào năm 1900 và thường được ghi nhận là cha đẻ của cơ học lượng tử.

Sự va chạm giữa trường hấp dẫn và cơ học lượng tử không gây nên vấn đề thực tiễn nào đối với vũ trụ đương đại. Các nhà vật lý thiên văn áp dụng nguyên lý, công cụ của thuyết tương đối tổng quát và của cơ học lượng tử để giải quyết các loại vấn đề rất khác nhau. Nhưng vào thời điểm bắt đầu ấy, trong kỷ nguyên Planck, cái lớn vẫn còn rất nhỏ, nên ta ngờ rằng ắt hẳn đã có một kiểu đám cưới chạy bầu giữa đôi bên. Hỡi ôi, những lời nguyện thề được trao nhau trong hôn lễ vẫn tiếp tục lảng tránh chúng ta, thế cho nên chẳng định luật vật lý nào (mà ta biết) mô tả được hành vi của vũ trụ tại thời kỳ ấy với dù chỉ một chút tự tin.

Dẫu vậy, chúng ta cho rằng đến cuối kỷ nguyên Planck, lực hấp dẫn đã vượt thoát khỏi các lực khác, các lực tự nhiên vẫn còn được thống nhất, rồi đạt được một căn cước độc lập đang được miêu tả khá ổn bởi các lý thuyết hiện hành của chúng ta. Khi vũ trụ trải qua 10-35 giây, nó tiếp tục giãn nở, làm loãng toàn bộ mật độ năng lượng, rồi phần còn lại của các lực thống nhất đó bị phân tách thành lực “điện yếu” [electroweak] và lực hạt nhân mạnh [strong nuclear]. Sau đó nữa, lực điện yếu tách thành lực điện từ và lực “hạt nhân yếu” [weak nuclear], từ đó phô bày bốn lực riêng biệt mà ngày nay chúng ta biết đến yêu mến: lực yếu kiểm soát sự phân rã phóng xạ, lực mạnh liên kết các hạt nhân nguyên tử, và lực hấp dẫn liên kết các khối vật chất.

Một phần nghìn tỉ giây đã trôi qua kể từ lúc khởi đầu.

Suốt thời gian này, có sự tương tác không ngừng của vật chất dưới dạng hạ nguyên tử và của năng lượng dưới dạng photon (hạt phi khối lượng tải năng lượng ánh sáng, vừa là sóng vừa là hạt). Vũ trụ đủ nóng cho các photon tự chuyển đổi năng lượng thành các cặp hạt vật chất-phản vật chất mà ngày tức khắc sẽ hủy lẫn nhau, trả năng lượng về lại photon. Những biến hóa khôn lường này được thâu tóm trong phương trình nổi tiếng nhất của Einstein: E = mc2, công thức hai chiều để tính năng lượng có giá trị bằng bao nhiêu vật chất và vật chất giá trị bằng bao nhiêu năng lượng. Phần c2 là bình phương tốc độ ánh sáng – một con số khổng lồ mà khi nhân thêm khối lượng sẽ nhắc nhở ta nhớ rằng hoạt động này thực chất có thể sinh ra biết bao nhiêu năng lượng.

Ngay trước, trong và sau khi lực mạnh và lực điện yếu giã biệt nhau, vũ trụ là nồi lẩu sục sôi các hạt quark, lepton và các anh chị em phản vật chất của chúng, cùng với boson là hạt cho phép diễn ra tương tác. Không họ hạt nào ở đây được cho rằng có thể phân thành thứ gì nhỏ hơn hay cơ bản hơn, dù rằng mỗi họ xuất hiện dưới nhiều dạng thức khác nhau. Hạt photon thông thường là thành viên thuộc họ hạt boson. Các hạt lepton quen thuộc nhất đối với dân không phải chuyên ngành vật lý chính là hạt electron và có lẽ cả neutrino; còn hạt quark quen thuộc nhất là… chà, không có hạt quark quen thuộc nào cả. Mỗi hạt trong sáu tiểu loại của quark được gán cho những cái tên trừu tượng chẳng phục vụ mục đích bác ngữ học, triết học hay sư phạm gì, ngoài trừ việc để tiện phân biệt chúng với nhau, đó là: lên và xuống, duyên và lạ, đỉnh và đáy.

Mời các bạn đón đọc Vật Lý Thiên Văn Cho Người Vội Vã của tác giả Neil DeGrasse Tyson & Hồ Hồng Đăng (dịch).