NEIL DEGRASSE TYSON
Hồ Hồng Đăng dịch
—★—

VẬT LÝ THIÊN VĂN CHO
NGƯỜI VỘI VÃ
• ASTROPHYSICS FOR PEOPLE IN A HURRY •

NHÃ NAM & NXB THẾ GIỚI
ebook©vctvegroup | 22-09-2021

LỜI ĐỀ TẶNG

Dành cho những ai quá bận rộn không thể đọc những cuốn
sách dày cộp, nhưng vẫn muốn kiếm tìm một lối dẫn vào vũ
trụ.

LỜI NÓI ĐẦU

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

1. CÂU CHUYỆN VĨ ĐẠI
NHẤT TỪNG ĐƯỢC KỂ

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 dầu 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.
Boson, tiện thể, được đặt theo tên nhà khoa học Ấn Độ,
Satyendra Nath Bose. Tên gọi lepton thì bắt nguồn từ leptos
trong tiếng Hy Lạp, nghĩa là “nhẹ” hoặc “nhỏ”. Từ “quark”,
tuy vậy, có nguồn gốc văn chương và giàu trí tưởng tượng hơn
nhiều. Nhà vật lý học Murray Gell-Mann vào năm 1964 đã đề
xuất hạt quark là thành phần nội tại của các neutron và proton,
thời ấy ông vốn nghĩ rằng họ quark chỉ có ba thành viên, và
ông rút ra tên gọi quark từ một câu văn khó hiểu đúng chất
James Joyce trong cuốn sách Finnegans Wake: “Ba quark cho
Muster Mark!” Các hạt quark có một cái hay: tất cả tên gọi của
chúng đều đơn giản – một điều mà các nhà hóa học, sinh vật
học và nhất là các nhà địa chất học dường như không có khả
năng đạt được khi cần đặt tên cho mấy món đồ của họ.
Quark là giống vật quái chiêu. Không như proton là hạt
mang điện tích +1, hay electron mang điện tích -1, quark lại
mang điện tích là phân số tính theo phần ba. Và bạn sẽ không
bao giờ bắt được hạt quark ở một mình; nó luôn luôn bám lấy
hạt quark khác kế bên. Trên thực tế, lực giữ cho hai (hay nhiều
hơn) các hạt này ở gần nhau thậm chí càng tăng mạnh khi bạn
càng chia tách chúng – như thể chúng gắn kết bằng một kiểu
dây thun hạ nguyên tử nào đó. Chia tách hạt quark đủ mức,

dây thun này bật lại và năng lượng tích trữ sẽ vận lực E = mc2
để tạo ra một hạt quark mới ở mỗi đầu, trả bạn lại về khởi
điểm.
Trong suốt kỷ nguyên quark-lepton, vũ trụ đủ đậm đặc để
cho sự chia cắt tầm trung bình giữa các quark không gắn kết
có thể cự lại sự chia cắt giữa các quark có gắn kết. Dưới các
điều kiện ấy, tính trung thành giữa các quark kề nhau không
còn rõ ràng nữa, và chúng chuyển động tự do giữa chúng với
nhau, bất kể việc vẫn ràng buộc với nhau xét về tổng thể. Tình
trạng vật chất này, một kiểu vạc nấu quark, được một nhóm
các nhà vật lý ở Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven phát
hiện và báo cáo lại lần đầu tiên năm 2002.
Nhiều bằng chứng lý thuyết gợi ý rằng một gia đoạn của
vũ trụ sơ khai, có lẽ thuộc một trong số các lần tách lực, đã
phú cho vũ trụ tính bất đối xứng rất ấn tượng, theo đó số hạt
vật chất chỉ suýt soát nhiều hơn số hạt phản vật chất: một tỉ lẻ
một trên một tỉ. Khác biệt nhỏ như thế về quần thể là rất khó
nhận thấy giữa bao nhiêu hoạt động liên tục gồm tạo thành,
tiêu hủy, và tái tạo của các hạt quark và phản quark, electron
và phản electron (được biết nhiều hơn với tên positron), rồi
neutrino và phản neutrino. Kẻ đơn chiếc sẽ có muôn vàn cơ
hội tìm đối tượng để cùng nhau hủy, và mọi kẻ khác cũng vậy.
Nhưng không lâu hơn nữa. Khi vũ trụ bắt đầu giãn nở và
nguội đi, phát triển lơn hơn so với kích cỡ hệ Mặt Trời của
chúng ta, nhiệt độ nhanh chóng giảm xuống dưới một nghìn tỉ
độ Kelvin.
Một phần triệu giây đã trôi qua kể từ lúc khởi đầu.

Vũ trụ âm ấm này không con đủ nóng hay đậm đặc để nấu
quark, thế là tất cả chúng đều chộp lấy bạn nhảy cho mình,
làm thành một họ hạt nặng mới trường tồn gọi là hadron (từ
tiếng Hy Lạp hadros, nghĩa là “đặc”). Sự chuyển đổi từ quark
thành hadron nhanh chóng dẫn đến sự xuất hiện của proton và
neutron cũng như các hạt nặng khác ít quen thuộc hơn, tất thảy
đều hình thành từ những tổ hợp khác nhau của các loại quark.
Ở Thụy Sĩ (ta quay về Trái Đất), nhóm nghiên cứu vật lý hạt
châu Âu* dùng một máy gia tốc lớn chiếu các tia hadron va
chạm vào nhau nhằm tái hiện chính những điều kiện này. Cỗ
máy lớn nhất trên thế giới này được gọi bằng cái tên rất đúng ý
nghĩa là Máy gia tốc hạt lớn (Large Hadron Collider).
Sự bất đối xứng rất ít giữa vật chất-phản vật chất vốn nấu
thành món lẩu quark-lepton giờ đây chuyển đối tượng qua các
hadron, nhưng kèm theo nhiều hệ quả phi thường.
Khi vũ trụ tiếp tục nguội đi, lượng năng lượng sẵn có để tự
động tạo ra hạt cơ bản bị sụt giảm. Trong kỉ nguyên hadron,
các photon bao quanh không còn có thể cầu viện E = mc2 để
chế tạo các cặp quark-phản quark. Không chỉ vậy, các photon
xuất hiện từ những lần hủy lẫn nhau còn lại sẽ bị mất đi năng
lượng cho một vũ trụ luôn giãn nở, giá trị tụt xuống dưới
ngưỡng cần thiết để tạo ra các cặp hadron-phản hadron. Với
mỗi một tỉ lần hủy nhau - để lại một tỉ photon – hạt hadron duy
nhất còn sót lại. Những kẻ cô độc này rốt cuộc hưởng hết mọi
trò vui: giữ vai trò làm nguồn vật chất tối hậu để tạo sinh các
thiên hà, tinh tú, hành tinh, kỳ hoa dị thảo, cũng như con
người.

Không có sự mất cân bằng một-tỉ-lẻ-một trên một-tỉ giữa
vật chất với phản vật chất thì tất cả mọi khối lượng trong vũ
trụ sẽ tự triệt tiêu, chỉ còn lại một vũ trụ làm từ photon và
không còn gì khác – một kịch bản phải-có-ánh-sáng* sau cùng.
Đến lúc này, một giây của thời gian đã trôi qua.
Vũ trụ đã tới cỡ có chiều rộng khoảng vài năm ánh sáng,
xấp xỉ khoảng cách từ Mặt Trời đến ngôi sao ở gần nhất. Ở
mức một tỉ độ, nó vẫn còn rất nóng – và vẫn có khả năng nấu
được electron, và những hạt này, cùng với các phản đối tác là
positron, cứ thoắt sinh thoắt diệt. Nhưng ở vũ trụ luôn giãn nở,
luôn nguội lại, thì số phận của chúng chỉ còn đếm từng ngày
(hay đúng hơn, từng giây). Những gì đã xảy ra cho quark, cho
hadron, thì cũng xảy ra cho electron: rốt cuộc chỉ có một
electron trong số một tỉ là sống sót. Số khác thì triệt tiêu với
positron, tay phụ tá phản vật chất của chúng, trong một biển
photon.
Đúng quãng này, một electron ứng với mỗi proton “đông
cứng” bắt đầu hiện hữu. Khi vũ trụ tiếp tục nguội – nhiệt độ hạ
xuống dưới một trăm triệu độ - proton trộn lẫn với proton cũng
như với neutron, tạo thành hạt nhân nguyên tử và ấp nở một vũ
trụ trong đó 90% các hạt nhân này là hydro và 10% là heli,
cùng với các lượng deuteri, triti và liti còn dấu vết.
Hai phút nay đã trôi qua kể từ lúc khởi đầu.
Trong 380.000 năm nữa, không có gì nhiều xảy đến cho
món xúp hạt của chúng ta. Suốt hàng thiên niên kỷ này, nhiệt
độ duy trì đủ nóng để electron tự do lang thang giữa các

photon, đánh chúng văng qua văng lại khi chúng tương tác với
nhau.
Nhưng sự tự do này đi đến kết thúc đột ngột khi nhiệt độ
vũ trụ giảm xuống dưới ba nghìn độ Kelvin (khoảng một nửa
nhiệt độ bề mặt Mặt Trời), và tất cả các electron đều kết hợp
với hạt nhân tự do. Cuộc hôn phối đó để lại một bể ánh sáng
khả kiến chiếu rọi khắp nơi nơi, vĩnh viễn in dấu lên bầu trời
một biên bản cho biết vào thời điểm ấy tất cả vật chất đã ở
đâu, và sự hoàn tất quá trình hình thành hạt và nguyên tử trong
vũ trụ nguyên sơ.
Trong một tỉ năm đầu tiên, vũ trụ tiếp tục giãn nở và nguội
đi trong lúc vật chất bị hút thành những điểm tập kết khổng lồ
mà ta gọi là thiên hà. Gần một trăm tỉ thiên hà hình thành, mỗi
thiên hà bao gồm hàng trăm tỉ ngôi sao trải qua phản ứng nhiệt
hạch ở lõi. Các sao có khối lượng gấp khoảng mười lần Mặt
Trời sẽ đạt đủ áp suất và nhiệt độ ở lõi để chế tạo ra hàng tá
nguyên tố nặng hơn hydro, bao gồm những nguyên tố cấu
thành các hành tinh và mọi dạng sống sinh sôi được trên đó.
Những nguyên tố này sẽ vô dụng một cách đáng kinh ngạc
nếu chúng vẫn ở lại nơi chúng hình thành. Nhưng các sao khối
lượng cao bất ngờ phát nổ, vung vãi khúc ruột giàu thành phần
hóa học đi khắp thiên hà. Sau bảy hay tám tỉ năm bồi đắp như
vậy, có một ngôi sao tầm thường (Mặt Trời) đã sinh ra ở một
vùng tầm thường (nhánh Orion) trong một thiên hà tầm thường
( dải Ngân Hà) thuộc một phần tầm thường của vũ trụ (ngoại
vi của siêu cụm thiên hà Xử Nữ).

Đám mây khí mà từ đó Mặt Trời hình thành có trữ lượng
nguyên tố nặng đủ để kết hợp và sinh nở ra một danh sách
phức tạp các vật thể quay theo quỹ đạo, trong đó bao gồm vài
hành tinh khí hay đá, hàng nghìn tiểu hành tinh, và hàng tỉ sao
chổi. Trong vài trăm triệu năm đầu tiên lượng lớn các mảnh
vụn còn sót lại có quỹ đạo thất thường sẽ bồi tích vào những
vật thể lớn hơn. Quá trình này xảy ra dưới dạng va chạm ở
năng lượng và tốc độ cao, những va chạm này làm kết xuất bề
mặt nóng chảy của các hành tinh đá, ngăn cản sự hình thành
của những phân tử phức hợp.
Vật chất có khả năng bồi tích trong hệ Mặt Trời càng lúc
càng ít đi, bề mặt các hành tinh bắt đầu nguội dần. Hành tinh
mà ta gọi là Trái Đất được hình thành tại một kiểu khu vực
Goldilocks (vùng có thể sống được) quanh Mặt Trời, nơi đây
đại dương nhìn chung còn ở thể lỏng. Nếu Trái Đất gần Mặt
Trời hơn, các đại dương sẽ bốc hơi mất. Nếu Trái Đất ở xa
hơn, các đại dương sẽ bị đóng băng. Dù là trường hợp nào, sự
sống như ta vẫn biết sẽ không tiến hóa.
Trong các đại dương thể lỏng giàu hóa chất, bằng một cơ
chế chưa được khám phá, các phân tử hữu cơ chuyển đổi thành
sự sống tự-tái-tạo. Chiếm ưu thế trong nồi súp nguyên sơ này
là các vi khuẩn kỵ khí đơn giản - dạng sống sinh sôi ở môi
trường thiếu vắng oxy nhưng lại tiết ra sản phẩm phụ là oxy,
vốn có tiềm lực hóa học. Những cấu trúc đơn bào sơ khai này
vô tình chuyển hóa khí quyển giàu carbon dioxide của Trái
Đất thành bầu khí quyển có đủ oxy này, thường đi theo từng
cặp (O2), đã kết hợp bộ ba để hình thành ozone (O3) ở khí
quyển tầng cao, giữ vai trò một lá chắn bảo vệ bề mặt Trái Đất

khỏi hầu hết các photon cực tím từ Mặt Trời gây hại cho phân
tử.
Chúng ta có được sự sống đa dạng đáng kể trên Trái Đất,
và nếu có những nơi khác trong vũ trụ, là nhờ số lượng dồi dào
carbon trong vũ trụ cùng vô số các đơn và đa phân tử chứa
chúng. Không nghi ngờ gì: những phân tử gốc carbon tồn tại
đa dạng hơn so với tất cả các loại phân tử khác cộng lại.
Nhưng sự sống rất mong manh. Những cuộc chạm trán
ngẫu nhiên giữa Trái Đất với các tiểu hành tinh và các sao chổi
to lớn có quỹ đạo thất thường, vốn trước đây khá phổ biến, cứ
thừa dịp tàn phá hệ sinh thái của chúng ta. Chỉ mới sáu mươi
lăm triệu năm về trước (chưa bằng 2% quá khứ Trái Đất), một
tiểu hành tinh mười nghìn tỉ tấn đâm sầm vào vùng ngày nay
là bán đảo Yucatan và xóa sổ hơn 70% hệ động thực vật trên
Trái Đất – bao gồm toàn bộ lũ khủng long ngoại cỡ nổi tiếng.
Thảm họa sinh thái này cho phép loài động vật có vú tổ tiên
của chúng ta lấp vào khoảng trống mới, thay vì phải an phận
làm món khai vị cho bọn khủng long bạo chúa. Một chi có não
lớn trong số động vật có vú này, mà ta gọi là linh trưởng, tiến
hóa thành một giống và nhiều loài (Homo sapiens: người
thông minh) đủ trí thông minh để sáng tạo các phương thức và
công cụ khoa học – và rồi truy nguyên về nguồn gốc cùng sự
tiến hóa của vũ trụ.
Nhưng điều gì xảy ra trước tất cả những chuyện này? Điều
gì xảy ra trước cả khởi đầu?
Nhà vật lý thiên văn cũng không biết. Hay đúng hơn,
những ý tưởng sáng tạo nhất của chúng ta có rất ít, hoặc gần

như không có, cơ sở nào về khoa học thực nghiệm. Đáp lại,
một số người có niềm tin tôn giáo xác quyết, cũng có chút
chính đáng, rằng hẳn điều gì đó đã bắt đầu mọi thứ: một thế
lực vĩ đã hơn thảy, một cội nguồn mà từ đó vạn vật phát sinh.
Một năng lượng nguyên sơ khởi động tất cả. Trong tâm trí của
những người này, “điều gì đó” dĩ nhiên là Thượng Đế.
Nhưng sẽ ra sao nếu vũ trụ đã luôn ở ngoài đó, trong một
trạng thái hoặc điều kiện mà chúng ta chưa nhận dạng được –
ví dụ là một đa vũ trụ, đã liên tục hạ sinh các vũ trụ? Hay sẽ ra
sao nếu vũ trụ hốt nhiên hiện hữu từ hư không? Sẽ ra sao nếu
mọi thứ thân thuộc với ta đều chỉ là bản mô phỏng bằng máy
tính do giống loài ngoài hành tinh siêu thông minh nào đó
dựng lên để giải khuây?
Những ý tưởng vui mang tính triết học này thường không
thỏa mãn được ai. Dẫu vậy, chúng nhắc ta nhớ rằng sự thiếu
hiểu biết là trạng thái trí óc tự nhiên của một nhà khoa học
nghiên cứu. Những ai tin rằng họ không có gì là không biết thì
chẳng hề tìm kiếm, hay vấp phải, ranh giới giữa cái biết và cái
không biết trong vũ trụ.
Một điều ta biết, và là điều ta có thể khẳng định không e
dè, là vũ trụ có một khởi đầu. Vũ trụ còn tiếp tục tiến hóa. Và
đúng vậy, mỗi một nguyên tử trong cơ thể ta có thể được truy
nguyên về vụ nổ lớn và lò luyện nhiệt hạch bên trong những
ngôi sao khối lượng lớn từng phát nổ hơn năm tỉ năm về trước.
Chúng ta là bụi sao được mang vào đời, rồi được vũ trụ
trao quyền năng để giải mã chính mình – và chúng ta chỉ mới
bắt đầu mà thôi.

2. Ở TRÁI ĐẤT CŨNG NHƯ
TRÊN THIÊN ĐƯỜNG

Cho tới khi Sir Isaac Newton viết ra định luật vạn vật hấp
dẫn, người ta chẳng có lý do gì để cho rằng định luật vật lý ở
nhà mình sẽ giống với mọi nơi khác trong vũ trụ. Dưới Trái
Đất có các thế sự xảy ra và trên trời cao có các chuyện thiên
đường vận động. Theo giáo lý của Kitô giáo thời bấy giờ,
Thiên Chúa cai quản cõi thiên đường và vì thế nới ấy nằm
ngoài tầm hiểu biết của các đầu óc ngu muội phàm phu. Khi
Newton đã phát hiện rằng trọng lực kéo quả táo chín từ trên
cành xuống cũng hướng dẫn vật thể bị tung lên cao chuyển
động theo quỹ đạo cong và chỉ dẫn cho Mặt Trăng quay quanh
Trái Đất. Định luật hấp dẫn của Newton còn hướng dẫn cho
hành tinh, tiểu hành tinh và sao chổi đi theo quỹ đạo quanh
Mặt Trời và giữ cho hàng trăm tỉ ngôi sao đi theo quỹ đạo
trong dải Ngân Hà của chúng ta.
Tính phổ quát này của định luật vật lý thúc đẩy khám phá
khoa học hơn bao giờ hết. Và lực hấp dẫn chỉ mới là khởi đầu.
Hãy tưởng tượng niềm hứng khởi bao trùm giới thiên văn học
thế kỷ 19 khi lăng kính phòng thí nghiệm, thứ bẻ gãy ánh sáng
thành quang phổ đủ màu, lần đầu được xoay hướng lên Mặt
Trời. Quang phổ không chỉ đẹp, mà còn chứa đựng muôn vàn
thông tin về vật thể phát ra ánh sáng, bao gồm nhiệt độ và hợp

chất của nó. Nguyên tố hóa học bộc lộ bản thân thông qua dãy
vạch sáng tối đặc thù cắt ngang dải quang phổ. Sung sướng và
ngạc nhiên, người ta phát hiện rằng các dấu hiệu hóa học đặc
trưng trên Mặt Trời cũng có cùng gốc rễ với những gì có trong
phòng thí nghiệm. Không còn là công cụ riêng của nhà hóa
học nữa, lăng kính cho thấy rằng dẫu Mặt Trời có khác biệt
với Trái Đất đến đâu về kích cỡ, khối lượng, nhiệt độ, vị trí, vẻ
bề ngoài, thì cả hai đều chứa cùng thứ: hydro, carbon, oxy,
nitơ, canxi, sắt, và nhiều nữa. Nhưng hơn cả bảng liệt kê thành
phần chung dài thậm thượt, quan trọng là t nhận thức được
rằng các định luật vật lý quyết định dấu hiệu quang phổ trên
Mặt Trời cũng chính là các định luật vận hành dưới Trái Đất,
cách xa chín mươi ba triệu dặm trường.
Khái niệm đầy tính phổ quát này thật màu mỡ đến độ ở
chiều ngược lại nó cũng được áp dụng thành công. Việc phân
tích kỹ hơn quang phổ Mặt Trời hé lộ dấu hiệu về một nguyên
tố chưa hề có bản tương ứng nào mà ta biết trên Trái Đất. Do
thuộc về Mặt Trời, chất mới được đặt cho cái tên bắt nguồn từ
tiếng Hy Lạp là helios (“Mặt Trời”), và chỉ mãi sau này nó
mới được phát hiện trong phòng thí nghiệm. Bởi thế, hêli trở
thành nguyên tố đầu tiên và duy nhất trong bảng tuần hoàn
nguyên tố hóa học được khám phá ở một nơi không phải Trái
Đất.
Xem nào, các định luật vật lý áp dụng được trong hệ Mặt
Trời, nhưng liệu chúng có áp dụng cho xuyên khắp thiên hà?
Xuyên khắp vũ trụ? Xuyên suốt thời gian? Từng bước một,
các định luật được kiểm nghiệm. Những sao lận cận cũng hé lộ
chất hóa học quen thuộc. Các ngôi sao đôi xa xôi, bị buộc

quay chung một quỹ đạo quanh nhau, dường như cũng thông
tỏ định luật hấp dẫn của Newton. Cùng lẽ ấy, các thiên hà đôi
cũng vậy.
Giống như trầm tích phân tầng địa chất đóng vai dòng thời
gian biểu thị các biến cố trên Trái Đất, càng nhìn xa hơn vào
không gian, ta càng nhìn lùi sâu hơn vào quá khứ. Quang phổ
từ các vật thể xa xôi nhất trong vũ trụ cho thấy dấu hiệu hóa
học tương đồng với những gì ta thấy ở không gian và thời gian
lân cận. Quả thật, nguyên tố nặng thời ấy thưa thớt hơn chúng được chế tạo chủ yếu trong các thế hệ sao liên tiếp phát
nổ - nhưng định luật miêu tả quy trình nguyên tử và phân tử
tạo thành dấu hiệu quang phổ vẫn không đổi. Cụ thể, đại lượng
được gọi là hằng số cấu trúc tinh tế (fine-structure constant),
thứ quy định dấu vân tay cơ bản của mọi nguyên tố, vẫn không
thay đổi gì qua hàng tỉ năm trời.
Dĩ nhiên, không phải mọi vật, mọi hiện tượng trong vũ trụ
đều phải có bản tương ứng trên Trái Đất. Hẳn bạn chưa bao
giờ đi qua đám mây plasma chói sáng hàng triệu độ, và hẳn
bạn chưa bao giờ bắt gặp lỗ đen trên phố. Điều quang trọng ở
đây là tính phổ quát của các định luật vật lý mô tả chúng. Khi
phép phân tích quang phổ lần đầu được áp dụng cho ánh sáng
phát ra từ tinh vân liên sao (interstellar nebulae), một lần nữa,
người ta phát hiện dấu hiệu đặc trưng không có bản tương ứng
trên Trái Đất. Lúc bấy giờ, bảng tuần hoàn các nguyên tố
không có chỗ nào rõ ràng để chèn khít nguyên tố mới vào. Đáp
lại, các nhà vật lý thiên văn chế ra cái tên nebulium để tạm
gọi, cho tới chừng nào họ làm rõ những gì đang diễn ra. Hóa
ra trong không gian, tinh vân bụi khí quá loãng đến độ nguyên

tử có thể dịch chuyển một đoạn xa mà không va chạm. Dưới
điều kiện này, electron trong nguyên tử có thể làm những thứ
mà ta chưa từng thấy trong phòng thí nghiệm dưới mặt đất.
Nebulium chỉ đơn giản là dấu hiệu của oxy bình thường đang
làm những chuyện phi thường.
Tính phổ quát của định luật vật lý cho biết rằng nếu chúng
ta đáp xuống một hành tinh khác có nền văn minh xa lạ và
thịnh vượng, thì họ cũng sẽ hoạt động dựa theo cùng các định
luật mà ta đã phát hiện và kiểm nghiệm tại đây trên Trái Đất –
cả khi giống loài xa lạ đó có đức tin rất khác ta về chính trị và
xã hội. Hơn nữa, nếu bạn muốn bắt chuyện với sinh vật ngoài
hành tinh, dám cá họ không nói được tiếng Anh, tiếng Pháp,
lẫn tiếng Hoa. Bạn thậm chí không biết liệu bắt tay với họ nếu quả tình họ có tay để mà bắt – sẽ được xem là một hành
động chiến tranh hay hòa bình. Hy vọng khá nhất của bạn là
tìm một cách giao tiếp bằng ngôn ngữ khoa học.
Từng có nỗ lực giao tiếp như vậy được thực hiện vào
những năm 1970 với tàu Pioneer 10 và 11, rồi Voyager 1 và 2.
Cả bốn tàu vũ trụ đều được cấp đủ năng lượng, sau khi được
trợ giúp bằng lực hấp dẫn từ các hành tinh khổng lồ, để vượt
thoát hoàn toàn khỏi hệ Mặt Trời.
Tàu Pioneer mang một bản khắc bằng vàng cho thấy, bằng
hình vẽ khoa học, sơ đồ hệ Mặt Trời, vị trí của chúng ta trog
dải Ngân Hà, và cấu trúc nguyên tử hydro. Tàu Voyager, hơn
thế nữa, còn kèm theo một album thu âm lưu đủ loại âm thanh
phong phú từ Đất mẹ, bao gồm âm thanh nhịp tim con người,
“bài hát” của cá voi, những bản nhạc tinh tuyển khắp thế giới,
trong đó có tác phẩm của Beethoven và Chuck Berry. Dù điều

này nhân tính hóa thông điệp, ta cũng không rõ tai sinh vật
ngoài hành tinh có thấu được chút nào những gì họ nghe hay
không – đó là ta đã giả định họ có tai để mà nghe. Một vở diễu
nhại lại điều này mà tôi rất thích là tiểu phẩm hài trên chương
trình Saturday Night Live của đài NBC, chẳng bao lâu sau khi
tàu Voyager cất cánh; trong tiểu phẩm này họ trưng ra dòng
chữ phản hồi từ những sinh vật ngoài hành tinh đã tìm thấy
con tàu. Dòng tin yêu cầu đơn giản, “Gửi thêm Chuck Berry”.
Khoa học lớn mạnh không chỉ dựa trên tính phổ quát của
các định luật vật lý mà còn dựa trên sự tồn tại và bền vững của
các hằng số vật lý. Hằng số hấp dẫn, còn được nhiều nhà khoa
học gọi là “G lớn”, cung cấp cho phương trình hấp dẫn của
Newton phép đo để biết độ mạnh của lực tới cỡ nào, và nó đã
được kiểm nghiệm tuyệt đối ở nhiều dạng khác nhau qua nhiều
năm trời ròng rã. Thử làm phép tính, bạn sẽ thấy rằng độ trưng
(luminosity: một đại lượng đo độ sáng) của một ngôi sao phụ
thuộc rất lớn và G lớn. Nói cách khác, nếu trong quá khứ mà
G lớn có khác đi dù chỉ một chút, thì công suất năng lượng
Mặt Trời sẽ biến thiên nhiều hơn bất cứ thứ gì các hồ sơ sinh
học, khí hậu học, địa chất học có thể chỉ ra.
Đường đi và phương tiện vũ trụ chúng ta là như thế đấy.
Trong tất cả các hằng số, tốc độ ánh sáng là nổi tiếng nhất.
Bất kể bạn chạy nhanh tới đâu, bạn sẽ không bao giờ vượt mặt
một tia sáng. Tại sao? Chưa từng có thí nghiệm nào trên đời
cho thấy một vật thể dưới bất kỳ hình dạng nào lại có thể đạt
tốc độ ánh sáng. Thực tế ấy được dự đoán và lý giải bằng các
định luật vật lý đã qua kiểm nghiệm chặt chẽ. Tôi biết những
lời này nghe có vẻ bảo thủ. Trong quá khứ, một số tuyên bố

dựa trên cơ sở khoa học nhưng cực kỳ đần độn đã đánh giá
thấp tài nghệ của các nhà sáng chế và kỹ sư: “Chúng ta sẽ
không bao giờ bay được”, “Việc bay lượn sẽ không bao giờ
thương mại hóa được”, “Chúng ta sẽ không bao giờ tách được
nguyên tử”, “Chúng ta sẽ không bao giờ vượt qua được bức
tường âm thanh”, “Chúng ta sẽ không bao giờ đi đến được Mặt
Trăng”. Điểm chung ở đây là không định luật vật lý nào cản
đường phát triển của chúng.
Tuyên bố “Chúng ta sẽ không bao giờ chạy nhanh hơn tia
sáng” cũng là một dự đoán định tính khác. Nó nảy ra từ các
nguyên lý vật lý cơ bản đã được thời gian kiểm nghiệm. Trong
tương lai trên đường cao tốc danh cho những nhà du hành liên
sao, biển hiệu sẽ hiên ngang đề rằng:
Tốc Độ Ánh Sáng
Không Chỉ Là Ý Tưởng Hay Ho
Mà Nó Là Luật.
Không giống như bị thổi còi vì chạy xe quá tốc độ trên
những con đường ở Trái Đất, cái hay của định luật vật lý là nó
không cần đến các cơ quan bắt buộc người ta thực thi đúng
luật lệ, mặc dù tôi từng sở hữu chiến áo thun lập dị ghi dòng
chữ “TUÂN THỦ LỰC HẤP DẪN”.
Tất cả phép đo lường đều chỉ ra rằng những hằng số cơ
bản mà ta biết, và các định luật vật lý tham chiếu đến chúng,
đều không phụ thuộc vào thời gian lẫn địa điểm. Chúng thật sự
bất biến.
Nhiều hiện tượng tự nhiên làm ra nhiều định luật vật lý
đang vận hành cùng lúc. Thực tế này thường phức tạp hóa việc

phân tích và, trong đa số trường hợp, cần đến máy tính tốc độ
cao để tính toán những gì đang diễn ra cũng như theo dõi các
tham số quan trọng. Tháng Bảy năm 1994 khi sao chổi
Shoemaker-Levy 9 lao vào bầu khí quyển giàu khí của Sao
Mộc rồi phát nổ, mô hình máy tính chính xác nhất được kết
hợp từ các định luật cơ học chất lưu, nhiệt động lực học,
chuyển động học và tương tác hấp dẫn. Khí hậu và thời tiết là
đại diện nổi bật khác cho các hiện tượng rắc rối (và khó dự
đoán). Nhưng định luật cơ bản chi phối chúng vẫn có tác dụng.
Vết Đỏ Lớn trên Sao Mộc, một xoáy nghịch dữ dội đã và đang
cuồn cuộn trong ít nhất 350 năm, vận hành theo cùng quá trình
vật lý tạo bão xoáy trên Trái Đất và những nơi khác trong hệ
Mặt Trời.
Một loại chân lý phổ quát khác là các định luật bảo toàn,
theo đó một lượng đo được vẫn giữ nguyên bất kể chuyện gì
có xảy ra. Ba định luật tối trọng là bảo toàn khối lượng và
năng lượng, bảo toàn mômen động lượng quay và tuyến tính,
và bảo toàn điện tích. Những định luật này có mặt rành rành
trên Trái Đất, và bất cứ nơi đâu ta nghĩ đến – từ lĩnh vực vật lý
hạt cho đến cấu trúc vĩ mô của vũ trụ.
Mặc cho khoe khoang là thế, không phải thứ gì trên thiên
đường cũng hoàn hảo. Thực tế là ta không thể nhìn, sờ, hay
nếm cái nguồn của 85% lực hấp dẫn ta đo được trong vũ trụ.
Thứ vật chất tối huyền bí này, mà cho đến nay ta chưa dò ra
được gì ngoại trừ lực hấp dẫn của nó tác dụng lên vật chất mà
ta nhìn thấy, có thể được cấu thành từ các hạt lạ lẫm mà ta
chưa khám phá hay xác định được. Tuy nhiên, một số ít các
nhà vật lý thiên văn thấy không thuyết phục và cho rằng không

có vật chất tối – chỉ cần sửa định luật hấp dẫn của Newton là
được. Đơn giản là cứ thêm một ít thành phần vào mấy phương
trình thì mọi thứ sẽ ổn.
Có lẽ một ngày nào đó chúng ta sẽ thấy quả thật định luật
hấp dẫn của Newton cần được điều chỉnh. Như thế cũng tốt
thôi. Trước đây điều này đã từng xảy ra. Thuyết tương đối
tổng quát của Einstein năm 1916 đã mở rộng cá...