Vũ trụ được làm bằng gì?

Hiếu kì chẳng phải cảm giác gì mới mẻ. Kể từ buổi bình minh của nhân loại con người đã muốn biết câu trả lời cho một số câu hỏi cơ bản và rất hợp lí về thế giới xung quanh chúng ta:

Vũ trụ được làm bằng gì?
Phải chăng những khối đá lớn được làm bằng những viên đá nhỏ hơn?
Vì sao chúng ta không thể ăn đá?
Thế giới trông như thế nào nếu bạn là một con dơi?

Câu hỏi thứ nhất, “Vũ trụ được làm bằng gì?”, là một câu hỏi lớn lắm. Nó không những lớn vì chủ đề (nó chẳng lớn hơn nhiều so với vũ trụ đâu), mà còn vì việc nêu câu hỏi vũ trụ được làm bằng gì có liên quan đến tất cả mọi người. Nó tựa như việc nêu câu hỏi ngôi nhà của bạn và mọi thứ bên trong đó (kể cả bạn nữa) được làm bằng gì. Bạn không cần một hiểu biết sâu sắc về toán học hay vật lí để hiểu rằng câu hỏi này ảnh hưởng đến từng người và mỗi người trong số chúng ta.

Hãy giả sử bạn là người đầu tiên cố gắng tìm câu trả lời cho câu hỏi “Vũ trụ được làm bằng gì?”. Một phương pháp hay là sẽ thử trước tiên với ý tưởng đơn giản nhất, chất phác nhất. Chẳng hạn, bạn có thể nói rằng vũ trụ được làm bằng những thứ mà ta có thể thấy trong nó, vì thế bạn có thể trả lời cho câu hỏi bằng cách lập ra một danh sách. Một danh sách như vậy có thể bắt đầu như sau:

VŨ TRỤ:

- Tôi
- Bạn
- tảng đá này
- tảng đá kia
- Những tảng đá ở ngoài kia
- Vân vân

Nhưng cách này có những trở ngại lớn. Trước hết, danh sách của bạn sẽ rất, rất dài. Nó cần bao gộp hết mọi hòn đá trên mỗi hành tinh trong vũ trụ, và nó phải bao gộp cả bản thân cái danh sách của bạn nữa (nó cũng là một bộ phận của vũ trụ). Nếu bạn đòi hỏi danh sách bao gồm các vật cũng như từng chút một bên trong chúng, thì danh sách ấy có thể dài vô hạn. Nếu bạn không đòi hỏi danh sách đề cập tới từng chút một bên trong các vật có trên danh sách, thì bạn có thể có một danh sách về một nguyên tố: “vũ trụ”. Rõ ràng, cách làm này có những trục trặc lớn cho dù bạn có cố gắng thế nào.

Nhưng quan trọng hơn, việc lập một danh sách không thật sự trả lời được câu hỏi trên. Loại câu trả lời làm hài lòng nhất sẽ không chỉ ghi nhận sự phức tạp mà chúng ta thấy xung quanh mình – gần như vô số kiểu vật chất mà ta thấy trong môi trường xung quanh – mà nó còn đơn giản hóa thế giới cho chúng ta. Đó chính là thành tựu về bảng tuần hoàn các nguyên tố (bảng tuần hoàn với oxy sắt, cacbon,...). Nó mô tả mọi vật mà con người từng nhìn thấy, từng sờ mó, từng nếm thử, hay từng ném vào nhau, tất cả mô tả theo khoảng chừng một trăm viên gạch cấu trúc cơ bản. Nó làm sáng tỏ rằng vũ trụ được tổ chức theo nguyên lí giống như trò xếp hình Lego vậy. Với một tập hợp gồm những khối nhựa nhỏ xíu giống nhau, bạn có thể ghép thành đồ chơi khủng long máy bay hay cướp biển – hoặc sáng tạo ra một phiên bản lai khủng long-cướp biển biết bay.

Giống hệt như trò Lego, một vài viên gạch cấu trúc cơ bản (các nguyên tố) cho phép bạn xây dựng nên nhiều thứ trong vũ trụ của chúng ta: sao, đá, bụi, kem, lạc đà. Nguyên lí tổ chức này, theo đó những vật phức tạp thật ra là sự sắp xếp của những vật đơn giản, cho phép chúng ta có được sự hiểu biết sâu sắc hơn bằng cách khám phá những vật đơn giản ấy.

Nhưng tại sao vũ trụ lại tuân theo triết lí Lego? Trong chừng mực mà chúng ta biết, chẳng có lí do nào giải thích vì sao một sự đơn giản hóa như thế lại có thể xảy ra. Trong chừng mực mà những nhà khoa học đầu tiên thời ăn lông ở lỗ biết được, thế giới có thể vận hành theo nhiều cách khác nhau. Tất cả những gì mà các nhà khoa học thời tiền sử Ook và Groog dùng để xây dựng những ý tưởng của họ là dựa trên kinh nghiệm của bản thân, mà kinh nghiệm như thế phù hợp với rất nhiều ý tưởng khác nhau về vũ trụ được làm bằng cái gì.

Có khả năng số lượng loại vật chất là gần như vô hạn. Trong một vũ trụ như thế, những tảng đá có thể được làm bằng những hạt đá nguyên tố. Không khí có thể được làm bằng các hạt không khí nguyên tố. Con voi có thể được làm bằng những hạt voi nguyên tố (hãy gọi chúng là Dumbotron). Trong vũ trụ giả thuyết như thế, bảng tuần hoàn các nguyên tố sẽ có gần như vô hạn các ô đơn vị.

Hay, còn lạ hơn nữa, chúng ta có thể sống trong một vũ trụ trong đó vạn vật rốt cuộc chẳng được làm bằng những hạt nhỏ xíu gì cả. Trong một vũ trụ như thế, đá sẽ được làm bằng vật liệu đá trơn nhẵn, có thể cắt nhỏ hoài nhỏ mãi, và con dao bạn dùng để cắt chúng sẽ sắc vô hạn.

Cả hai ý tưởng đó đều phù hợp với dữ liệu thu thập bởi các giáo sư Ook và Groog trong các thí nghiệm nổ-đá nổi tiếng của họ. Chúng tôi đề cập đến những khả năng này không phải vì chúng tôi nghĩ đây là cách vũ trụ vận hành mà để nhắc bạn rằng có khả năng một bộ phận của vũ trụ của chúng ta vận hành như thế, và nó có thể vẫn đúng cho những loại vật chất khác trong vũ trụ mà chúng ta chưa khám phá được.

Đó là lí do vì sao những bí ẩn chưa được trả lời của vũ trụ mà bạn sẽ khám phá trong quyển sách này sẽ khiến bạn cảm thấy đầy kích thích và hào hứng chứ không gây nản lòng hay thoái chí. Chúng cho thấy còn biết bao nhiêu thứ để chúng ta thám hiểm và khai phá.

Trong vũ trụ mà chúng ta sinh sống và yêu thích, vạn vật xung quanh chúng ta dường như được làm bằng những hạt nhỏ xíu. Sau hàng nghìn năm tư duy và nghiên cứu, chúng ta có một lí thuyết rất đẹp về vật chất. Từ những thí nghiệm đầu tiên của Ook và Groog cho đến thời hiện đại, chúng ta đã vượt qua bảng tuần hoàn và thâm nhập vào bên trong nguyên tử.

Vật chất như chúng ta biết được cấu tạo bởi các nguyên tử của các nguyên tố liệt kê trong bảng tuần hoàn. Mỗi nguyên tử có một hạt nhân, vây xung quanh là đám mây electron. Hạt nhân chứa proton và neutron mỗi hạt này được xây dựng từ quark up và quark down. Vì thế, với quark up, quark down, và electron, ta có thể xây dựng nên bất kì nguyên tố nào từ bảng tuần hoàn. Thật là một thành tựu vĩ đại! Ta đã rút gọn danh sách của chúng ta về các thành phần của vũ trụ từ dài vô hạn xuống còn một trăm hay chừng ấy nguyên tố của bảng tuần hoàn và rồi rút xuống còn ba hạt. Mọi thứ mà ta từng nhìn thấy, từng sờ mó, từng ngửi, hoặc từng vấp dưới ngón chân mình đều có thể được xây dựng từ ba viên gạch cấu trúc cơ bản. Xin chúc mừng công trình tập thể của hàng triệu bộ óc con người.

Nhưng, trong khi ta nên cảm thấy tự hào về giống loài mình, thì bản mô tả này là chưa hoàn chỉnh ở hai chỗ rất quan trọng.

Thứ nhất, có những hạt khác ở ngoài kia, chứ không riêng gì electron và hai quark. Chỉ ba hạt này là cần thiết để tạo ra vật chất bình thường, nhưng trong thế kỉ vừa qua, các nhà vật lí hạt đã khám phá thêm chín hạt vật chất và năm hạt khác trung chuyển lực. Một số hạt này rất kì lạ, ví dụ như các hạt neutrino ma quái có thể truyền đi hàng nghìn tỉ dặm xuyên qua chì mà không bị dội ngược bởi một hạt nào. Đối với neutrino, chì là trong suốt. Những hạt kia rất giống với ba hạt cấu tạo nên vật chất nhưng nặng hơn nhiều, nhiều lần.

Tại sao ta lại có thêm những hạt này? Chúng đại diện cho cái gì? Ai mời chúng đến dự tiệc? Có bao nhiêu loại hạt? Chúng ta không biết. Hơn thế nữa: chúng ta chẳng có ý tưởng gì. Một số hạt kì lạ này và các kiểu hình hấp dẫn của chúng sẽ được bàn luận cụ thể ở chương 4.

Nhưng bản mô tả này còn chưa hoàn chỉnh ở một chỗ rất quan trọng. Trong khi ta chỉ cần ba hạt để xây dựng nên các sao, hành tinh sao chổi và dưa chua, nhưng hóa ra những thứ này chỉ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ của vũ trụ. Loại vật chất mà ta xem là bình thường – bởi vì nó là loại duy nhất mà chúng ta biết – thật ra khá khác thường. Trong toàn bộ vật liệu (vật chất và năng lượng) trong vũ trụ, loại vật chất này chỉ chiếm khoảng 5% cả thảy.

95% kia của vũ trụ được làm bằng gì? Chúng ta không biết.

Nếu ta vẽ một biểu đồ bánh của vũ trụ, thì nó sẽ như thế này:

Miếng bánh đó trông bí ẩn nhỉ. Chỉ 5% của nó là vật liệu mà chúng ta biết, bao gồm các sao, các hành tinh, và mọi thứ ở trên chúng. Tròn 27% là cái chúng ta gọi là “vật chất tối”. 68% kia của vũ trụ là cái chúng ta hiểu rất ít. Các nhà vật lí gọi nó là “năng lượng tối”, và ta nghĩ nó đang làm cho vũ trụ dãn nở, nhưng ta biết về nó có thế thôi. Chúng tôi sẽ giải thích cả hai khái niệm này và làm thế nào chúng ta đi tới những con số chính xác này ở các chương sau.

Và chuyện còn tệ hơn. Thậm chí trong 5% vật liệu mà chúng ta biết, vẫn có rất nhiều thứ chúng ta không biết (còn nhớ những hạt mới đó chứ?). Trong một số trường hợp, thậm chí ta chẳng biết làm thế nào đặt ra những câu hỏi đúng để làm sáng tỏ những bí ẩn này.

Và đây là chỗ đứng của chúng ta với tư cách giống loài. Mới ở vài đoạn trước, chúng ta tự chúc mừng mình về những thành tựu khám phá trí tuệ hết sức to lớn bởi việc mô tả toàn bộ vật chất đã biết theo những thuật ngữ đơn giản. Giờ thì dường như ăn mừng như thế là hơi sớm, bởi vì phần lớn vũ trụ được làm bằng cái gì đó khác. Nó tựa như việc chúng ta đã và đang nghiên cứu một con voi trong hàng nghìn năm trời và rồi bất ngờ ta nhận thấy chúng ta chỉ đang nhìn vào cái đuôi của nó mà thôi!

Biết như vậy, có lẽ bạn cảm thấy hơi thất vọng. Có lẽ bạn nghĩ chúng ta đã đạt tới đỉnh cao nhận thức của mình và làm chủ vũ trụ (chúng ta có các rô bôt sẽ dọn sạch nhà cho bạn). Nhưng điều quan trọng khi thấy như vậy không phải là thất vọng mà là một cơ hội rất lớn: cơ hội thám hiểm và học hỏi và thu nhặt kiến thức. Sẽ như thế nào nếu bạn biết rằng chúng ta chỉ mới khám phá 5% đất liền trên Trái Đất Hoặc bạn chỉ mới nếm được 5% mùi vị món kem trên thế giới mà thôi? Nhà khoa học ở trong bạn sẽ đòi hỏi một sự thám hiểm thấu đáo (cũng như đòi hỏi có thêm thìa) và sẽ hào hứng trước khả năng của những khám phá mới.

Hãy nghĩ về thời tiểu học khi bạn đang học về những cuộc thám hiểm của những nhà thám hiểm vĩ đại nhất trong lịch sử Họ giương buồm về phía chưa biết và khám phá những miền đất mới và lập bản đồ thế giới. Nếu bạn nghĩ như thế nghe hào hứng quá, thì có lẽ bạn phải cảm thấy có chút buồn buồn vì ngày nay mọi lục địa đã được khám phá hết, mọi hòn đảo lớn nhỏ đều đã được đặt tên, và vào kỉ nguyên này của vệ tinh và GPS, thời kì thám hiểm dường như đã ở phía sau chúng ta. Tin tức tốt lành là chưa hẳn như thế.

Có rất nhiều khám phá còn lại để làm. Thật vậy, ta đang sống trong những ngày đầu của cả một kỉ nguyên khám phá mới. Chúng ta đang bước vào một thời kì có khả năng sẽ định hình lại sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ. Một mặt, ta biết rằng ta biết rất ít (5%, bạn còn nhớ không?), vì thế ta có một số ý tưởng về những câu hỏi nào phải nêu ra. Và, mặt khác, chúng ta đang xây dựng những công cụ mới tuyệt vời, ví dụ như những máy va chạm hạt mới đầy sức mạnh và các detector sóng hấp dẫn và kính thiên văn sẽ giúp ta có được câu trả lời. Toàn bộ những cái này đang đến chung  với nhau ngay lúc này.

Điều hứng thú là những bí ẩn khoa học to lớn đều có câu trả lời thật sự và chắc chắn. Chỉ là ta chưa biết chúng như thế nào thôi. Nhưng có cơ hội để chúng được phân giải trong quãng đời của chúng ta. Ví dụ, hoặc có hoặc không có sự sống thông minh ở đâu đó trong vũ trụ ngay lúc này tại thời khắc này. Có câu trả lời (Mulder nói đúng: chân lí ngự ở ngoài kia). Việc biết được những câu trả lời này sẽ làm thay đổi ở cấp độ rất cơ bản đối với cách chúng ta nghĩ về thế giới.

Lịch sử khoa học là một trong những cuộc cách mạng trong đó chúng ta lần lượt khám phá rằng thế giới quan của chúng ta bị méo mó bởi góc nhìn đặc biệt của chúng ta. Một Trái Đất phẳng, một hệ Mặt Trời địa tâm, một vũ trụ bị thống trị bởi các sao và hành tinh – đây đều là những ý tưởng hợp lí được số liệu gợi lên vào lúc ấy, nhưng nay ta nhìn nhận chúng là hết sức ngây thơ. Hầu như chắc chắn sẽ có nhiều cuộc cách mạng như thế ở trước mắt, trong đó những ý tưởng quan trọng mà chúng ta chấp nhận ngày nay, ví dụ như thuyết tương đối và vật lí lượng tử, có thể bị đổ vỡ và bị thay thế bởi những ý tưởng mới đến sững sờ. Hai trăm năm sau, có lẽ con người sẽ nhìn nhận sự hiểu biết của chúng ta về cách thức thế giới vận hành giống như cách chúng ta nhìn nhận người tiền sử hiểu biết về thế giới của họ.

Hành trình của nhân loại nhằm tìm hiểu vũ trụ của chúng ta còn lâu mới kết thúc, và chính bạn là một bộ phận của hành trình đó. Chúng tôi xin hứa rằng chuyến đi ấy sẽ ngọt ngào hơn cả miếng bánh ngon.

Trích “We have no idea – A guide to unknown universe”
của Jorge Cham và Daniel Whiteson