Vì sao các nhà vật lý nghi ngờ đa vũ trụ rất có khả năng tồn tại?

Một ý tưởng đầy sức hấp dẫn nhưng không có thử nghiệm thực tế trực tiếp, đa vũ trụ (Multiverse) là một chủ đề gây tranh cãi cao. Nhưng các nền tảng hỗ trợ nó chắc chắn rất ổn định.

Hai câu chuyện mà vũ trụ kể với chúng ta

Khi chúng ta quan sát Vũ trụ ngày nay, nó đồng thời kể cho chúng ta hai câu chuyện về chính nó.

Một trong hai câu chuyện đó được viết trên bề mặt của những gì Vũ trụ trông như ngày nay, bao gồm các ngôi sao và thiên hà mà chúng ta có, cách chúng tập hợp thành cụm và di chuyển, và các thành phần tạo nên chúng. Đây là một câu chuyện tương đối đơn giản, và chúng ta đã học được chỉ bằng cách quan sát Vũ trụ mà chúng ta nhìn thấy.

Nhưng câu chuyện còn lại là cách mà Vũ trụ trở thành như ngày hôm nay, và đó là một câu chuyện đòi hỏi nhiều công sức hơn để khám phá. Chắc chắn, chúng ta có thể nhìn vào các vật thể ở khoảng cách rất xa, điều này cho chúng ta biết Vũ trụ trông như thế nào trong quá khứ xa xôi – khi ánh sáng đang đến hôm nay được phát ra lần đầu tiên. Nhưng chúng ta cần kết hợp điều đó với các lý thuyết về Vũ trụ – các quy luật vật lý trong khuôn khổ của Vụ Nổ Lớn – để diễn giải những gì đã xảy ra trong quá khứ. Khi làm điều đó, chúng ta thấy những bằng chứng phi thường rằng Vụ Nổ Lớn nóng đã được thiết lập bởi một giai đoạn trước đó: lạm phát vũ trụ. Nhưng để lạm phát tạo ra một Vũ trụ phù hợp với những gì chúng ta quan sát, thì một điều không thoải mái xuất hiện: một đa vũ trụ. Đây là lý do tại sao các nhà vật lý áp đảo khẳng định rằng một đa vũ trụ phải tồn tại.

Mô hình bánh mỳ nho khô (raisin bread) của Vũ trụ mở rộng cho thấy khoảng cách tương đối tăng lên khi không gian (bột bánh) mở rộng. Càng xa, hai hạt nho càng có mức độ dịch chuyển đỏ lớn hơn khi ánh sáng đến. Mối quan hệ dịch chuyển đỏ và khoảng cách được dự đoán bởi Vũ trụ mở rộng đã được chứng minh qua các quan sát, và đã nhất quán với những gì được biết từ những năm 1920.

Vào những năm 1920, bằng chứng trở nên áp đảo rằng không chỉ những xoắn ốc và hình elip dày đặc trên bầu trời thực sự là các thiên hà độc lập, mà càng xa các thiên hà đó, ánh sáng của chúng càng dịch chuyển một cách hệ thống sang các bước sóng dài hơn. Mặc dù ban đầu có nhiều cách diễn giải được đề xuất, nhưng tất cả đều bị loại bỏ bởi những bằng chứng phong phú hơn, cho đến khi chỉ còn lại một điều duy nhất: chính Vũ trụ đang trải qua sự mở rộng vũ trụ, giống như một ổ bánh mỳ nho khô đang nở, nơi các thiên hà (ví dụ như nho khô) bị nhúng trong một Vũ trụ mở rộng (bột bánh).

Dự Đoán của vụ nổ lớn

Nếu Vũ trụ đang mở rộng ngày nay, và bức xạ trong đó đang dịch chuyển sang bước sóng dài hơn và năng lượng thấp hơn, thì trong quá khứ, Vũ trụ phải nhỏ hơn, đậm đặc hơn, đồng nhất hơn và nóng hơn. Chừng nào còn có bất kỳ lượng vật chất và bức xạ nào trong Vũ trụ mở rộng này, ý tưởng về Vụ Nổ Lớn đưa ra ba dự đoán rõ ràng và chung:

– Một mạng lưới vũ trụ quy mô lớn mà các thiên hà của nó phát triển, tiến hóa, và tập hợp thành cụm ngày càng phong phú theo thời gian.

– Một phông nền bức xạ năng lượng thấp kiểu bức xạ vật đen, còn sót lại từ khi các nguyên tử trung hòa đầu tiên được hình thành trong Vũ trụ nóng thời kỳ đầu.

– Và một tỷ lệ cụ thể của các nguyên tố nhẹ nhất – hydro, heli, lithi, và các đồng vị của chúng – tồn tại ngay cả ở những vùng chưa bao giờ hình thành các ngôi sao.

Hình ảnh cắt từ một mô phỏng sự hình thành cấu trúc, với sự mở rộng của Vũ trụ được mở rộng ra, đại diện cho hàng tỷ năm tăng trưởng hấp dẫn trong một Vũ trụ giàu vật chất tối. Lưu ý rằng các sợi và các cụm giàu có, hình thành tại giao điểm của các sợi, chủ yếu xuất hiện do vật chất tối; vật chất thông thường chỉ đóng vai trò nhỏ.

Tất cả ba dự đoán này đều đã được chứng minh qua quan sát, và đó là lý do tại sao Vụ Nổ Lớn được coi là lý thuyết hàng đầu về nguồn gốc của Vũ trụ của chúng ta, cũng như lý do tại sao tất cả các đối thủ khác của nó đã bị loại bỏ. Tuy nhiên, Vụ Nổ Lớn chỉ mô tả những gì Vũ trụ của chúng ta giống như ở giai đoạn đầu của nó; nó không giải thích tại sao nó lại có những tính chất đó. Trong vật lý, nếu bạn biết các điều kiện ban đầu của hệ thống của mình và các quy tắc mà nó tuân theo, bạn có thể dự đoán rất chính xác – đến giới hạn của sức mạnh tính toán và sự không chắc chắn vốn có trong hệ thống – cách nó sẽ tiến hóa xa đến mức nào trong tương lai.

Những điều kiện ban đầu của vụ nổ lớn

Vậy những điều kiện ban đầu mà Vụ Nổ Lớn cần có tại thời điểm bắt đầu là gì để tạo ra Vũ trụ như chúng ta có ngày nay? Điều này có phần bất ngờ, nhưng những gì chúng ta phát hiện được là:

– Phải có một nhiệt độ tối đa thấp hơn đáng kể (ít nhất khoảng ~1000 lần) so với thang đo Planck, mức mà các quy luật vật lý bị phá vỡ.

– Vũ trụ phải được sinh ra với các dao động mật độ có độ lớn xấp xỉ bằng nhau trên mọi quy mô.

– Tốc độ giãn nở và mật độ tổng của vật chất–năng lượng phải cân bằng gần như hoàn hảo: chính xác đến ít nhất ~30 chữ số đáng kể.

– Nó phải được sinh ra với cùng điều kiện ban đầu – cùng nhiệt độ, mật độ, và phổ dao động – ở mọi vị trí, ngay cả những nơi không có kết nối nhân quả.

– Độ bất định (entropy) của nó phải thấp hơn rất, rất nhiều so với hiện nay, giảm đi hàng nghìn tỷ lần.

Nếu ba vùng không gian khác nhau này không có đủ thời gian để trao đổi nhiệt, chia sẻ thông tin hoặc truyền tín hiệu cho nhau, thì tại sao chúng lại có cùng nhiệt độ? Đây là một trong những vấn đề về điều kiện ban đầu của Vụ Nổ Lớn; làm thế nào mà các vùng này đều có cùng nhiệt độ trừ khi bằng cách nào đó chúng đã bắt đầu như vậy?

Hai cách tiếp cận để giải quyết vấn đề điều kiện ban đầu

Bất cứ khi nào chúng ta đối mặt với một câu hỏi về điều kiện ban đầu – cơ bản là, tại sao hệ thống của chúng ta lại bắt đầu như vậy? – chúng ta chỉ có hai lựa chọn.

– Chúng ta có thể viện dẫn đến những điều không thể biết, nói rằng nó là như vậy vì đó là cách duy nhất có thể xảy ra và chúng ta không thể biết gì thêm.

– Hoặc chúng ta có thể cố gắng tìm một cơ chế để thiết lập và tạo ra các điều kiện mà chúng ta biết là cần phải có.

Lựa chọn thứ hai là điều các nhà vật lý gọi là hướng đến động lực học, nơi chúng ta cố gắng thiết kế một cơ chế đáp ứng ba điều quan trọng.

Ba tiêu chí cho một mô hình động lực học

1. Cơ chế đó phải tái tạo mọi thành công của mô hình mà nó muốn thay thế – trong trường hợp này là Vụ Nổ Lớn nóng – đạt được. Những nền tảng cốt lõi đó phải được tạo ra từ bất kỳ cơ chế nào mà chúng ta đề xuất.

2. Nó phải giải thích những gì mà Vụ Nổ Lớn không thể: các điều kiện ban đầu mà Vũ trụ đã khởi đầu. Những vấn đề chưa được giải thích trong Vụ Nổ Lớn phải được làm rõ bởi bất kỳ ý tưởng mới nào.

3. Nó phải đưa ra các dự đoán mới khác biệt so với các dự đoán của lý thuyết ban đầu, và các dự đoán đó phải dẫn đến những hệ quả có thể quan sát, kiểm tra và/hoặc đo lường được.

Ý tưởng duy nhất mà chúng ta có đã đáp ứng được cả ba tiêu chí này là thuyết lạm phát vũ trụ, và lý thuyết này đã đạt được những thành công chưa từng có trên cả ba mặt trận.

Cơ chế lạm phát vũ trụ

Sự giãn nở theo cấp số nhân diễn ra trong quá trình lạm phát mạnh mẽ đến mức nó không ngừng nghỉ. Với mỗi khoảng thời gian ~10^-35 giây trôi qua, thể tích của bất kỳ vùng không gian nào tăng gấp đôi theo mỗi hướng, làm pha loãng bất kỳ hạt hoặc bức xạ nào và khiến mọi độ cong nhanh chóng trở nên không thể phân biệt với mặt phẳng.

Lạm phát cơ bản nói rằng trước khi Vũ trụ trở nên nóng, đặc, và đầy vật chất–bức xạ khắp nơi, nó đã ở trong trạng thái bị chi phối bởi một lượng năng lượng rất lớn vốn có trong chính không gian: một dạng trường hoặc năng lượng chân không nào đó.

Không giống như năng lượng tối ngày nay – chỉ có mật độ năng lượng rất nhỏ (tương đương khoảng một proton trên mỗi mét khối không gian) – mật độ năng lượng trong lạm phát cực kỳ lớn: khoảng 10^25 lần lớn hơn năng lượng tối hiện tại!

Sự giãn nở khác biệt trong lạm phát

Cách mà Vũ trụ giãn nở trong lạm phát khác với những gì chúng ta quen thuộc. Trong một Vũ trụ giãn nở với vật chất và bức xạ, thể tích tăng lên trong khi số lượng hạt giữ nguyên, do đó mật độ giảm. Vì mật độ năng lượng liên quan đến tốc độ giãn nở, tốc độ giãn nở giảm dần theo thời gian.

Nhưng nếu năng lượng vốn có trong chính không gian, thì mật độ năng lượng vẫn không đổi, và tốc độ giãn nở cũng vậy. Kết quả là những gì chúng ta biết là sự giãn nở theo cấp số nhân, nơi mà sau một khoảng thời gian rất ngắn, Vũ trụ tăng gấp đôi kích thước, và sau đó lại tăng gấp đôi nữa, và cứ thế. Chỉ trong một thời gian cực ngắn – một phần rất nhỏ của giây – một vùng ban đầu nhỏ hơn hạt hạ nguyên tử nhỏ nhất có thể bị kéo dài để lớn hơn toàn bộ Vũ trụ có thể quan sát được ngày nay.

Ở bảng trên cùng, Vũ trụ hiện đại của chúng ta có cùng tính chất (bao gồm cả nhiệt độ) ở khắp mọi nơi vì chúng bắt nguồn từ một vùng có cùng tính chất. Ở bảng giữa, không gian có thể có bất kỳ độ cong tùy ý nào được lạm phát đến mức chúng ta không thể quan sát được độ cong nào ngày nay, giải quyết vấn đề độ phẳng. Và ở bảng dưới cùng, các di tích năng lượng cao hiện có bị lạm phát ra xa, cung cấp một giải pháp cho vấn đề di tích năng lượng cao.

Những điều kỳ diệu trong quá trình lạm phát

Trong quá trình lạm phát, Vũ trụ bị kéo giãn đến kích thước khổng lồ. Điều này đạt được một loạt các mục tiêu quan trọng, bao gồm:

– Kéo giãn Vũ trụ quan sát được, bất kể độ cong ban đầu của nó là gì, đến mức không thể phân biệt được với mặt phẳng.

– Kéo dài mọi điều kiện ban đầu tồn tại trong vùng bắt đầu lạm phát ra toàn bộ Vũ trụ quan sát được.

– Tạo ra các dao động lượng tử cực nhỏ và kéo chúng ra khắp Vũ trụ, sao cho chúng gần như giống nhau trên mọi khoảng cách, nhưng có độ lớn nhỏ hơn một chút trên các quy mô nhỏ hơn (khi lạm phát sắp kết thúc).

– Chuyển đổi toàn bộ năng lượng lạm phát thành vật chất và bức xạ, nhưng chỉ đến mức nhiệt độ tối đa thấp hơn đáng kể so với thang đo Planck (nhưng tương đương với thang năng lượng lạm phát).

– Tạo ra một phổ dao động mật độ và nhiệt độ tồn tại trên quy mô lớn hơn chân trời vũ trụ, và chúng là đẳng nhiệt (entropy không đổi) chứ không phải đẳng nhiệt độ ở mọi nơi.

Những điều này không chỉ tái tạo thành công của mô hình Vụ Nổ Lớn nóng không lạm phát, mà còn cung cấp một cơ chế để giải thích các điều kiện ban đầu của Vụ Nổ Lớn và tạo ra một loạt dự đoán mới khác biệt với mô hình không lạm phát. Từ những năm 1990 đến hiện nay, các dự đoán của kịch bản lạm phát đã khớp với quan sát, khác biệt rõ ràng so với Vụ Nổ Lớn nóng không lạm phát.

Các dao động lượng tử xảy ra trong quá trình lạm phát được kéo giãn khắp Vũ trụ, và khi lạm phát kết thúc, chúng trở thành các dao động mật độ. Theo thời gian, điều này dẫn đến cấu trúc lớn trong Vũ trụ ngày nay, cũng như các dao động nhiệt độ quan sát được trong phông bức xạ vi sóng vũ trụ (CMB). Đây là một ví dụ tuyệt vời về cách mà bản chất lượng tử của thực tại ảnh hưởng đến toàn bộ Vũ trụ ở quy mô lớn.

Những điều kiện để lạm phát thành công

Có một lượng tối thiểu lạm phát phải xảy ra để tái tạo Vũ trụ mà chúng ta quan sát được, và điều này đồng nghĩa với việc có những điều kiện mà lạm phát phải thỏa mãn để thành công. Chúng ta có thể mô hình hóa lạm phát như một quả đồi, nơi mà miễn là bạn ở trên đỉnh đồi, lạm phát xảy ra, nhưng ngay khi bạn lăn xuống thung lũng bên dưới, lạm phát kết thúc và năng lượng của nó được chuyển đổi thành vật chất và bức xạ.

Nếu làm vậy, bạn sẽ thấy rằng có những hình dạng đồi cụ thể, hay còn gọi là thế năng (potentials) mà các nhà vật lý đề cập, hoạt động, trong khi những hình dạng khác thì không. Điều cốt yếu để làm cho nó hoạt động là đỉnh của quả đồi phải đủ bằng phẳng.

Nếu bạn nghĩ về trường lạm phát như một quả bóng trên đỉnh đồi, quả bóng cần phải lăn chậm trong phần lớn thời gian lạm phát, chỉ tăng tốc và lăn nhanh khi nó đi vào thung lũng, kết thúc lạm phát. Chúng ta đã định lượng được mức độ chậm mà lạm phát cần phải lăn, điều này tiết lộ điều gì đó về hình dạng của thế năng này. Miễn là đỉnh đồi đủ bằng phẳng, lạm phát có thể hoạt động như một giải pháp khả thi cho sự khởi đầu của Vũ trụ.

Mô hình lạm phát đơn giản nhất là chúng ta bắt đầu ở trên đỉnh một quả đồi, nơi lạm phát diễn ra, và lăn vào một thung lũng, nơi lạm phát kết thúc và dẫn đến Vụ Nổ Lớn nóng. Nếu thung lũng này không có giá trị bằng 0, mà thay vào đó ở một giá trị dương, không bằng 0, thì có thể xảy ra quá trình hầm lượng tử (quantum tunneling) vào một trạng thái năng lượng thấp hơn, điều này có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với Vũ trụ như chúng ta biết ngày nay.

Lạm phát và bản chất lượng tử

Điều thú vị là, lạm phát, giống như mọi trường mà chúng ta biết, về bản chất phải là một trường lượng tử. Điều này có nghĩa là nhiều thuộc tính của nó không được xác định chính xác mà thay vào đó có một phân bố xác suất. Thời gian trôi qua càng lâu, phân bố này càng lan rộng ra. Thay vì lăn một quả bóng điểm trên đỉnh đồi, chúng ta thực sự đang lăn một hàm sóng xác suất lượng tử xuống đồi.

Trong khi đó, Vũ trụ đang lạm phát, tức là nó giãn nở theo cấp số nhân trong cả ba chiều. Nếu chúng ta lấy một khối 1×1×1 và gọi đó là Vũ trụ của chúng ta, thì chúng ta có thể quan sát khối đó giãn nở trong quá trình lạm phát. Nếu mất một khoảng thời gian cực nhỏ để kích thước của khối tăng gấp đôi, thì nó trở thành một khối 2×2×2, cần 8 khối ban đầu để lấp đầy. Cho phép khoảng thời gian đó trôi qua một lần nữa, và nó trở thành khối 4×4×4, cần 64 khối ban đầu để lấp đầy. Để khoảng thời gian đó trôi qua thêm lần nữa, và nó trở thành khối 8×8×8, với thể tích là 512. Chỉ sau khoảng ~100 lần nhân đôi, chúng ta sẽ có một Vũ trụ với khoảng 10^90 khối ban đầu.

Nếu lạm phát là một trường lượng tử, thì giá trị trường lan rộng theo thời gian, với các vùng không gian khác nhau nhận các hiện thực khác nhau của giá trị trường. Trong nhiều vùng, giá trị trường sẽ kết thúc ở đáy thung lũng, kết thúc lạm phát, nhưng ở nhiều vùng khác, lạm phát sẽ tiếp tục, kéo dài vô hạn định trong tương lai.

Khi lạm phát kết thúc trong một khu vực

Mọi thứ có vẻ ổn. Giờ hãy giả định rằng chúng ta có một vùng nơi quả bóng lượng tử lạm phát lăn xuống thung lũng. Lạm phát kết thúc tại đó, năng lượng của trường này được chuyển hóa thành vật chất và bức xạ, và một sự kiện mà chúng ta gọi là Vụ Nổ Lớn nóng xảy ra. Khu vực này có thể có hình dạng không đều, nhưng điều quan trọng là phải đảm bảo rằng đã có đủ lạm phát để tái tạo những thành công quan sát được trong Vũ trụ của chúng ta.

Câu hỏi đặt ra là: điều gì xảy ra bên ngoài khu vực đó?

Ở bất cứ nơi nào lạm phát xảy ra (các khối màu xanh), nó tạo ra một lượng lớn hơn theo cấp số nhân các vùng không gian với mỗi bước tiến về thời gian. Ngay cả khi có nhiều khối mà lạm phát kết thúc (dấu X đỏ), vẫn có nhiều vùng hơn nơi lạm phát tiếp tục diễn ra trong tương lai. Thực tế rằng điều này không bao giờ kết thúc là lý do tại sao lạm phát được gọi là vĩnh cửu một khi nó bắt đầu, và cũng là nguồn gốc của khái niệm đa vũ trụ hiện đại của chúng ta.

Vấn đề ở đây là: nếu bạn yêu cầu rằng lạm phát đủ để tạo ra Vũ trụ với những thuộc tính như chúng ta quan sát được, thì bên ngoài vùng mà lạm phát kết thúc, lạm phát sẽ tiếp tục. Nếu bạn hỏi, kích thước tương đối của các vùng đó là gì, bạn sẽ nhận thấy rằng nếu các vùng nơi lạm phát kết thúc đủ lớn để phù hợp với quan sát, thì các vùng nơi nó không kết thúc sẽ lớn hơn theo cấp số nhân, và sự chênh lệch này càng tăng lên theo thời gian. Ngay cả khi có vô số các vùng nơi lạm phát kết thúc, vẫn sẽ có một vô cực lớn hơn các vùng nơi nó tiếp tục. Hơn nữa, các vùng khác nhau nơi lạm phát kết thúc – nơi các Vụ Nổ Lớn nóng xảy ra – sẽ hoàn toàn không liên quan nhân quả với nhau, bị chia cắt bởi các vùng không gian đang lạm phát.

Nói một cách đơn giản, nếu mỗi Vụ Nổ Lớn nóng xảy ra trong một vũ trụ bong bóng, thì các bong bóng này đơn giản là không va chạm với nhau. Kết quả là chúng ta có ngày càng nhiều các bong bóng tách biệt theo thời gian, tất cả đều bị ngăn cách bởi một không gian đang lạm phát vĩnh cửu.

Hình minh họa về nhiều vũ trụ độc lập, không liên quan nhân quả với nhau trong một đại dương vũ trụ đang giãn nở, là một cách mô tả ý tưởng về Đa Vũ Trụ. Các vũ trụ khác nhau có thể có các thuộc tính khác nhau hoặc không, nhưng chúng ta không biết làm cách nào để kiểm chứng giả thuyết Đa Vũ Trụ.

Vì sao đa vũ trụ được chấp nhận?

Đó chính là bản chất của đa vũ trụ và lý do tại sao các nhà khoa học chấp nhận sự tồn tại của nó như một vị trí mặc định. Chúng ta có bằng chứng áp đảo về Vụ Nổ Lớn nóng, và cũng biết rằng Vụ Nổ Lớn bắt đầu với một tập hợp các điều kiện mà không có lời giải thích mặc định nào đi kèm. Nếu chúng ta thêm một lời giải thích – lạm phát vũ trụ – thì không-thời gian lạm phát đã tạo ra và dẫn đến Vụ Nổ Lớn sẽ mang đến một loạt các dự đoán mới. Nhiều dự đoán trong số đó đã được chứng minh qua quan sát, nhưng các dự đoán khác cũng xuất hiện như là hệ quả của lạm phát.

Một trong số đó là sự tồn tại của vô số các vũ trụ, các vùng không liên kết nhân quả, mỗi vùng với Vụ Nổ Lớn nóng riêng, và khi kết hợp tất cả lại, chúng tạo thành cái mà chúng ta gọi là đa vũ trụ. Điều này không có nghĩa là các vũ trụ khác nhau có những quy luật, hằng số cơ bản khác nhau, hoặc rằng tất cả các kết quả lượng tử có thể tưởng tượng được xảy ra ở một phần khác của đa vũ trụ. Nó thậm chí không có nghĩa là đa vũ trụ thực sự tồn tại, bởi vì đây là một dự đoán mà chúng ta không thể xác minh, xác nhận, hoặc bác bỏ. Nhưng nếu lý thuyết lạm phát là một lý thuyết tốt, và dữ liệu cho thấy nó là như vậy, thì đa vũ trụ gần như là điều tất yếu.

Bạn có thể không thích nó, và bạn thực sự có thể không thích cách một số nhà vật lý lạm dụng ý tưởng này, nhưng cho đến khi một giải pháp thay thế khả thi và tốt hơn cho lạm phát xuất hiện, đa vũ trụ vẫn sẽ tồn tại. Giờ đây, ít nhất, bạn đã hiểu tại sao.