Các giả thuyết về đa vũ trụ (P1).

Từ lâu các nhà vật lý đã đặt ra nhiều giả thuyết về các vũ trụ tồn tại song song như trong phim khoa học viễn tưởng, nơi tồn tại bản sao của con người Trái Đất.

Vật chất tối - yếu tố bí ẩn cấu thành vũ trụ

Tranh của Fontenelle "Cuộc thảo luận về đa thế giới" vào năm 1686. Ảnh: King's College London

Theo các giả thuyết về đa vũ trụ, tại ít nhất một vài trong số các vũ trụ đang cùng tồn tại, mỗi người trên Trái Đất sẽ có một "bản sao" về cơ bản là giống y hệt mình. Ý tưởng đó khơi dậy trí tưởng tượng của con người, làm cho lý thuyết về đa vũ trụ tuy mơ hồ, nhưng rất phổ biến, theo BBC.

Về mặt lịch sử, ý tưởng về đa vũ trụ bắt nguồn từ thế kỷ 16. Giữa thế kỷ 16, Copernicus cho rằng Trái Đất không phải trung tâm của vũ trụ. Galileo sau đó chứng thực giả thuyết này qua kính viễn vọng vài thập kỷ sau đó, với cái nhìn thoáng qua một phần của vũ trụ bao la.

Từ đó, cuối thế kỷ 16, nhà triết học Italy Giordano Bruno suy đoán rằng vũ trụ có thể là vô hạn, với rất nhiều thế giới có sự sống.

Giả thuyết về có nhiều hệ Mặt Trời trong vũ trụ trở nên phổ biến trong thế kỷ 18.

Đến đầu thế kỷ 20, nhà vật lý học người Ireland Edmund Fournier d'Albe thậm chí còn gợi ý rằng có thể có một hồi quy vô hạn của các vũ trụ "lồng" vào nhau ở các quy mô khác nhau. Theo quan điểm này, một nguyên tử đơn lẻ có thể coi như một hệ Mặt Trời có sự sống thật sự.

Các nhà khoa học ngày nay đã phủ nhận mô hình đa vũ trụ theo kiểu búp bê Nga như thế. Họ đề xuất 5 mô hình đa vũ trụ có thể có.

Đa vũ trụ rời rạc

Mô hình đa vũ trụ đơn giản nhất là hệ quả của giả thuyết về sự vô hạn của vũ trụ. Chúng ta không thể phủ nhận giả thuyết này dù không chắc là nó đúng. Theo đó, vũ trụ chia làm nhiều vùng tách biệt nhau, vùng này không thể nhận biết được vùng khác, do kích thước vũ trụ quá lớn.

Tuổi của vũ trụ ước tính khoảng 13,8 tỷ năm, nên bất cứ thứ gì nằm ngoài phạm vi 13,8 tỷ năm ánh sáng đều không có cách nào nhận biết. Có thể coi mỗi khu vực như vậy là một vũ trụ riêng biệt. Nếu đây là sự thực, sẽ có vô số "đảo vũ trụ" giống như vũ trụ mà con người biết đến và chắc chắn phải có nhiều thế giới giống với Trái Đất.

Nghe có vẻ khó tin rằng các nguyên tử sẽ sắp xếp chính xác theo cùng 1 cách để tạo nên một bản sao của Trái Đất, hoặc một bản sao chỉ khác vài chi tiết nhỏ. Nhưng nếu sự vô hạn của các thế giới có thật, một nơi như vậy chắc chắn phải tồn tại, thậm chí là có rất nhiều.

Với cùng một logic như vậy, sẽ phải có một bản sao của vũ trụ chúng ta ở cách rất xa, khoảng cách vào khoảng 10 mũ 10 mũ 118 mét.

Tuy nhiên cũng có thể là vũ trụ hữu hạn. Trong trường hợp vũ trụ là vô hạn, vật chất có thể chỉ tập trung ở một góc vũ trụ , nghĩa là các nơi khác chỉ là khoảng không. Nhưng cho tới nay, chưa có bằng chứng rõ ràng nào về giả thuyết này.

Đa vũ trụ lạm phát

Lý thuyết thứ hai về đa vũ trụ bắt nguồn từ giả thuyết về sự hình thành vũ trụ - vụ nổ Big Bang. Theo đó, vũ trụ khởi đầu chỉ là một điểm rất nhỏ sau đó giãn nở rất nhanh trong một quả cầu lửa siêu nóng . Trong thời gian một phần rất nhỏ của một giây ngay sau vụ nổ, tốc độ giãn nở có thể vượt xa tốc độ ánh sáng. Quá trình này được gọi là "lạm phát".

Lý thuyết lạm phát giải thích tại sao vũ trụ tương đối đồng đều ở những nơi quan sát được. Tuy nhiên, trạng thái ban đầu đó đã có thể bị xáo trộn bởi các thay đổi rất nhỏ. Các vùng có thăng giáng này cũng sẽ lại giãn nở mạnh theo kiểu lạm phát. Bằng chứng về những thăng giáng này được giữ trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ còn sót lại sau Big Bang.

Các kính thiên văn đặt trên vệ tinh đã được sử dụng để phát hiện ra các thăng giáng này rất chi tiết, so sánh chúng với những dự đoán của thuyết lạm phát, cho kết quả trùng khớp rất tốt, nghĩa là lạm phát thực sự đã xảy ra.

Theo các quan điểm hiện nay, Big Bang đã xảy ra nhiều lần, khi có một vùng không gian không có vật chất nhưng lại được lấp đầy bởi năng lượng, gọi là vùng "chân không giả".

Vùng này sau đó sẽ giãn nở kiểu lạm phát như một quả bóng được bơm hơi với tốc độ rất cao. Bên trong nó, các vũ trụ, các vùng "chân không thực" có thể xuất hiện liên tục. Đây là các vũ trụ giống với vũ trụ 13,8 tỷ năm tuổi mà con người biết tới.

Kịch bản này được gọi là "lạm phát vĩnh cửu". Nó cho thấy một số lượng có thể là vô hạn các vũ trụ xuất hiện và phát triển cùng nhau. Tuy nhiên tốc độ di chuyển của chúng rất nhanh, dù có đi với tốc độ ánh sáng cũng không thể nào bắt kịp.

Nếu vũ trụ là vô tận, sẽ có rất nhiều Trái Đất. Ảnh: NASA

Nhà thiên văn Hoàng gia Anh, Martin Rees cho rằng lý thuyết đa vũ trụ lạm phát sẽ đưa tới một cuộc "cách mạng Copernicus lần thứ tư": Sau khi Copernicus cho rằng Trái Đất chỉ là một trong số các hành tinh quay quanh Mặt Trời, chúng ta nhận ra Mặt Trời cũng chỉ là một trong rất nhiều ngôi sao của Ngân Hà và các ngôi sao khác cũng có các hành tinh quay xung quanh. Tiếp theo, chúng ta khám phá ra Ngân Hà cũng chỉ là một thiên hà tương tự vô số thiên hà của một vũ trụ đang giãn nở. Và bây giờ, ngay cả vũ trụ cũng có thể chỉ là một trong vô số vũ trụ.

Tuy chưa có bằng chứng chắc chắn về sự đúng đắn của lý thuyết này, lạm phát vĩnh cửu có thể giúp giải quyết một trong những vấn đề khó khăn nhất của vật lý hiện đại.

Một số nhà vật lý từ lâu đã tìm kiếm một "lý thuyết cho mọi thứ", hay Thuyết vạn vật, một tập hợp các định luật, hoặc chỉ là một phương trình đơn giản, có thể dùng để suy ra tất cả các định luật vật lý khác. Nhưng số khả năng họ tìm ra còn nhiều hơn cả số hạt cơ bản trong vũ trụ. Như thuyết dây (string theory), ứng cử viên sáng giá của "lý thuyết cuối cùng" có một số lượng giải pháp khổng lồ: 1 và 500 số 0 đằng sau. Mỗi giải pháp lại thiết lập riêng một nhóm định luật vật lý, và không có lý do rõ ràng nào để chọn một trong số chúng và bỏ qua những cái còn lại.

Đa vũ trụ lạm phát giải thoát chúng ta khỏi gánh nặng lựa chọn. Mỗi vũ trụ trong đó có thể có các định luật vật lý khác nhau, xác định theo một hoặc một vài giải pháp của thuyết dây.

Ở vũ trụ ta đang sống, các hằng số vật lý cơ bản có vẻ như có một sự tinh chỉnh nào đó cần thiết để cho sự sống tồn tại. Ví dụ, các lực điện từ chỉ cần có sai khác nhỏ, các nguyên tử sẽ trở nên không bền vững. Chỉ cần thay đổi 4% lực này, mọi phản ứng nhiệt hạch trên các ngôi sao, phản ứng cần thiết để tạo ra các nguyên tử carbon cho cơ thể sống sẽ dừng lại.

Tương tự, có một sự cân bằng tinh tế giữa lực hấp dẫn (thu nhỏ vũ trụ) và năng lượng tối (mở rộng vũ trụ) để các ngôi sao có thể hình thành mà vũ trụ không bị sụp đổ. Đây chính là những bí ẩn khiến nhiều người tin rằng có bàn tay sắp đặt của Chúa. Nhưng nếu đa vũ trụ lạm phát có thật, mọi định luật vật lý đều có thể đúng ở một nơi nào đó, cung cấp một cách lý giải khác.

Trong mỗi vũ trụ sẽ có một kiểu thiết lập phù hợp để một dạng sống phát triển. Các sinh vật có trí tuệ sẽ lại cố gắng đi tìm hiểu về sự may mắn của mình. Tại các vũ trụ thiết lập không phù hợp cho sự sống, sẽ không có ai đặt các câu hỏi này.

Đây là ví dụ của "thuyết vị nhân": nếu mọi thứ không đúng theo cách ta tìm ra, chúng ta sẽ không có ở đây để mà đặt câu hỏi.

Với nhiều nhà vật lý và triết học, đây chỉ là 1 cách lảng tránh giải quyết vấn đề. Làm cách nào để kiểm nghiệm những khẳng định này? Tuy nhiên, trừ khi bạn có cách giải thích khác về các định luật tự nhiên, sẽ có người cho rằng mọi thiết lập xảy ra là nhờ bàn tay của Chúa. Nhà thiên văn Bernard Carr đã không ngại nói thẳng "Nếu bạn không tin vào Chúa, bạn nên tin vào đa vũ trụ".

Đa vũ trụ chọn lọc tự nhiên

Một mô hình đa vũ trụ khác, có thể xem như giải pháp cho vấn đề tinh chỉnh mà không cần viện đến thuyết vị nhân. Vũ trụ chọn lọc tự nhiên do Lee Smolin, Viện Vật lý lý thuyết Perimeter, Waterloo khởi xướng. Năm 1992, ông đề xuất rằng vũ trụ có thể sinh sản và tiến hóa như các sinh vật sống.

Trên Trái Đất, chọn lọc tự nhiên sẽ giữ lại các sinh vật có các tính trạng "hữu ích", phù hợp với môi trường để sinh trưởng phát triển. Ông cho rằng hiện tượng tương tự cũng xảy ra với vũ trụ, gọi là "chọn lọc tự nhiên vũ trụ".

Ý tưởng của Smolin là một vũ trụ "mẹ" có thể có nhiều vũ trụ "con" hình thành bên trong nó. Vũ trụ mẹ làm được điều này nhờ các hố đen.

Một hố đen hình thành khi một ngôi sao khổng lồ sụp đổ dưới lực hấp dẫn của chính nó, ép các nguyên tử với nhau tới khi đạt mật độ vô hạn.

Trong những năm 1960, Stephen Hawking và Roger Penrose đã chỉ ra rằng sự sụp đổ này là giống như đảo ngược của một vụ nổ Big Bang mini. Ý tưởng này làm cho Smolin cho rằng một lỗ đen có thể là một Big Bang, sinh ra một vũ trụ mới bên trong nó.

Nếu đúng như vậy, vũ trụ mới có thể có các tính chất vật lý hơi khác biệt với vũ trụ chứa hố đen ban đầu. Điều này cũng giống như các biến dị di truyền ngẫu nhiên làm cho con cái khác biệt với cha mẹ.

Lạm phát vĩnh cửu tạo ra nhiều vũ trụ. Ảnh: Detlev van Ravenswaay

Nếu các quy luật vật lý ở vũ trụ con cho phép hình thành nên các nguyên tử, ngôi sao và sự sống, nó sẽ lại cũng có các hố đen và có khả năng sinh ra các vũ trụ con. Theo thời gian, số lượng các vũ trụ như vậy sẽ ngày càng nhiều, phổ biến hơn các vũ trụ không có hố đen, hay không có khả năng "sinh sản".

Đây rõ ràng là một ý tưởng tốt, nó cho thấy vũ trụ của chúng ta không cần phải là một sản phẩm của ngẫu nhiên đơn thuần. Nếu một vũ trụ tinh chỉnh (có thể hình thành nguyên tử, sự sống) được bao quanh bởi các vũ trụ không tinh chỉnh, chọn lọc tự nhiên vũ trụ có nghĩa là vũ trụ tinh chỉnh dần sẽ trở thành chuẩn mực.

Mô hình này có một ưu điểm lớn, đó là có thể kiểm chứng được. Chúng ta có thể đi tìm các điều kiện đặc biệt của vũ trụ này phù hợp với quá trình hình thành nên hố đen. Tuy nhiên cho tới nay chưa có bằng chứng nào về việc hố đen có thể sinh ra cả một vũ trụ mới.