Khi nhìn lên vòm trời đầy sao vào ban đêm, người ta có cảm giác tất cả đều bất động và không thay đổi. Nhưng nhờ thiên văn học hiện đại, ta biết rằng cảm giác đó là hoàn toàn sai lầm.

Trên bầu trời tất cả đều chuyển động và không có cái gì là cố định cả. Thiên văn học đã khám phá ra bí mật chuyển động của các ngôi sao bằng cách dùng một hiện tượng gọi là hiệu ứng Doppler: Khi một vật sáng chuyển động, ánh sáng do nó phát ra sẽ thay đổi màu sắc; nếu nó chuyển động ra xa chúng ta thì màu ánh sáng của nó sẽ dịch chuyển về phía đỏ, còn nếu nó tiến lại gần chúng ta, thì màu ánh sáng của nó sẽ dịch về phía màu xanh. Chuyển động làm biến dạng âm thanh cũng diễn ra theo cách tương tự. Cũng có thể bạn đã từng nhận thấy điều đó khi quan sát một xe lửa đi qua sân ga. Khi con tài chạy vào sân ga, tiếng còi của nó nghe gắt hơn là khi nó lao ra khỏi sân ga. Do vậy, bằng cách đo sự thay đổi về màu sắc ánh sáng của một thiên thể mà nhà thiên văn có thể đo được vận tốc chuyển động tới gần hay ra xa của thiên thể đó.

Ông chắc cũng biết chính Trái Đất của chúng ta cũng tham gia vào vũ điệu cuồng loạn của Vũ trụ chứ? Vào chính thời điểm mà chúng ta ngồi nói chuyện với nhau đây, Trái đất đưa chúng ta chuyển động ngang qua không gian trên hành trình quay hàng năm xung quanh Mặt trời của nó với vận tốc 30km/s. Đến lượt mình, Mặt trời lại kéo Trái Đất cùng quay theo một vòng tròn xung quanh Ngân Hà với vận tốc 230km/s và chính Ngân Hà cũng lại quay xung quanh thiên hà Andromede - thiên hà sinh đôi với nó - với vận tốc 90km/s. Và vẫn chưa hết. Cụm thiên hà địa phương (tức là một tập hợp gồm một chục thiên hà trong đó có thiên hà Andromede và Ngân Hà của chúng ta) lại quay với vận tốc 600km/s quanh đám thiên hà Vierge (tức một tập hợp gồm hàng ngàn thiên hà) và siêu đám thiên hà Hydre và Centaure (tức một cụm các đám thiên hà). Và vũ điệu ấy cứ tiếp diễn mãi...

Rồi chính bản thân đám thiên hà Vierge và siêu đám thiên hà Hydre và Centaure lại quay quanh một tập hợp lớn hơn nữa các thiên hà mà do thiếu thông tin các nhà thiên văn gọi tập hợp đó là “Nhân Hút lớn”

Nhưng nếu như vậy thì một ngày nào đó sao Bắc Đẩu không còn chỉ cho chúng ta phương Bắc nữa?

Chắc chắn sẽ là như thế bởi vì sao Bắc Đẩu cũng như Mặt Trời của chúng ta và tất cả các ngôi sao khác trong đĩa của dải Ngân Hà đều quay quanh tâm của nó với vận tốc 230km/s. Nhưng ông đừng có lo, bởi vì phải mất hàng triệu năm nữa sao Bắc Đẩu mới chệch ra khỏi trục quay của Trái Đất.

Khi nói về thời gian Vũ trụ, người ta tính bằng hàng triệu năm, thậm chí hàng tỷ năm. Mặc dù chuyển động của các thiên thể rất cuồng nhiệt, nhưng bầu trời đối với chúng ta dường như vẫn bất động không thay đổi, bởi vì sự dịch chuyển của các thiên thể là rất nhỏ nên có khi cả đời người thậm chí hàng trăm năm cũng chưa cảm nhận thấy. Sự phát hiện ra chuyển động ấy là một trong những điểm mới vĩ đại về thiên văn học của thế kỷ này.

Thế mà tính bất động và không thay đổi của bầu trời theo Aristote đã từng bị đả phá. Tuy nhiên, vào những năm 1950 - 1960 người ta đã nói nhiều về Trạng thái dừng là mô hình của Vũ trụ không thay đổi và vĩnh cửu.

Thậm chí mô hình này đã gặt hái được không ít thành công. Nhưng để hiểu tốt hơn mô hình này, trước hết ta hãy nói về Big Bang, lý thuyết mà trên thực tế đã được mọi người ngày hôm nay chấp nhận và đã làm phát sinh một cuộc cách mạng khác: Vũ trụ có một lịch sử, nó có quá khứ, hiện tại và tương lai.

Giai đoạn mới này của Vũ trụ học đã được bắt đầu bằng một phát minh có tính chất rất cơ bản của Hubble vào năm 1929: Vũ trụ đang giãn nở! Khi quan sát bầu trời nhờ kính thiên văn đường kính 2,5m đặt trên núi Wilson, Hubble nhận thấy rằng đa số các thiên hà đều chạy ra xa dải Ngân Hà của chúng ta cứ như ở đó đang có nạn dịch hạch vậy và sự chạy trốn đó không phải diễn ra một cách tùy tiện: các thiên hà ở càng xa thì chạy trốn càng nhanh. Vấn đề còn là đánh giá tốc độ của chúng bằng cách đo sự dịch về phía đỏ của ánh sáng do chúng phát ra theo hiệu ứng Doppler mà tôi vừa mới nói ở trên.

Nhưng cũng còn cần phải đo cả khoảng cách tới các thiên hà nữa và để làm điều đó Hubble đã dùng các ngôi sao đặc biệt có tên là sao Cepheus. Trong các thiên hà, những ngôi sao này đóng vai trò là các ngọn hải đăng Vũ trụ: nhà thiên văn xác định khoảng cách tới các thiên hà dựa vào độ ánh sáng của các sao Cepheus có trong đó. Sau khi đã đo được vận tốc chạy trốn và khoảng cách của các thiên hà, Hubble đã phát minh ra định luật nổi tiếng sau này mang tên ông: khoảng cách tới các thiên hà tỷ lệ thuận với tốc độ của chúng. Vì thời gian cần thiết để một thiên hà từ điểm xuất phát tới vị trí hiện nay của nó nhận được bằng cách chia khoảng cách cho vận tốc của nó, nên tính tỷ lệ thuận này nói lên rằng hệ số tỷ lệ là như nhau đối với mọi thiên hà, nghĩa là các thiên hà đều mất một khoảng thời gian như nhau để tới được vị trí hiện thời của chúng.

Bây giờ hãy giả thử ta đang xem cuốn phim về lịch sử Vũ trụ nhưng quay theo chiều ngược lại cho tới tận hình ảnh đầu tiên, khi đó ta sẽ thấy rằng các thiên hà chạy lại gặp nhau ở cùng một thời điểm và tại cùng một điểm. Từ đó nảy ra ý tưởng về vụ nổ nguyên thủy, tức là vụ nổ lớn nổi tiếng (Big Bang), vụ nổ đã dẫn tới sự giãn nở của Vũ trụ. Và một khi Vũ trụ đã có điểm bắt đầu thì nó không còn là vĩnh cửu nữa.

Nhưng hãy lưu ý rằng việc phát hiện ra các thiên hà chạy ra xa dải Ngân Hà của chúng ta không hề có nghĩa chúng ta ở trung tâm của Vũ trụ. Thực tế, các thiên hà chạy ra xa nhau và Vũ trụ thực sự không có một tâm nào cả.

Nhưng nếu vậy thì tại sao lý thuyết Big Bang lại không được mọi người chấp nhận ngay từ năm 1929?

Vì nhiều nguyên nhân. Trước hết, nhà khoa học cũng như đa số mọi người, đều không thích thay đổi những thói quen của mình. Hơn nữa, chấp nhận một lý thuyết nói về sự sáng thế, về điểm khởi đầu sẽ đặt ra vấn đề về Đấng sáng tạo tối thượng và đó là điều hết sức phiền phức.

Mặt khác, khi Hubble xác định được tuổi của Vũ trụ bằng cách chia khoảng cách tới các thiên hà cho vận tốc của chúng, ông nhận được con số chỉ là 2 tỷ năm. Một Vũ trụ quá trẻ như vậy đặt ra một vấn đề cần phải xem xét, bởi vì ngay từ năm 1930, bằng cách đo các nguyên tố phóng xạ trong vỏ Trái Đất các nhà địa chất đã biết rằng Trái Đất có tuổi cỡ 4,6 tỷ năm. Vậy thì làm sao có thể xảy ra chuyện Vũ trụ vốn có trước vạn vật lại trẻ hơn Trái Đất được? Thực tế những tính toán của Hubble thiếu chính xác do ông còn ít hiểu biết về tính chất của các sao xêpheit. Do vậy những khoảng cách mà ông xác định được nhỏ hơn so với thực tế và từ đó mà xác định tuổi của Vũ trụ khoảng 15 tỷ năm và không còn chuyện Trái Đất lại già hơn Vũ trụ nữa.

Vì tất cả những lý do đó mà vào năm 1948, ba nhà vật lý thiên văn người Anh là Fred Hoyle, Thomas Gold và Hermann Bondi đã đưa ra lý thuyết Trạng thái dừng, tức là lý thuyết về một Vũ trụ không thay đổi, một Vũ trụ như nhau tại mọi thời điểm. Vũ trụ này là vĩnh viễn. Nó không có điểm bắt đầu cũng không có điểm kết thúc. Vào năm 1915, trong thuyết tương đối rộng của mình, Einstein đã thừa nhận rằng Vũ trụ là như nhau tại mọi điểm trong không gian (tức Vũ trụ là đồng nhất) và như nhau theo mọi hướng (tức Vũ trụ là đẳng hướng). Thế thì tại sao lại không thể thừa nhận Vũ trụ là như nhau tại mọi thời điểm.

Nhưng Hoyle, Gold và Bondi đã phải đối mặt với một vấn đề hắc búa: làm thế nào có thể dung hòa ý tưởng về một Vũ trụ bất biến theo thời gian với sự giãn nở của Vũ trụ đã được Hubble phát hiện? Nếu các thiên hà ngày càng chuyển động ra xa nhau, tức ngày càng có nhiều khoảng không gian trống rỗng được tạo ra giữa các thiên hà, thì Vũ trụ không thể mãi mãi là như nhau được. Để lấp những khoảng trống do sự giãn nở tạo ra, ba nhà thiên văn Anh đã đề xuất ý tưởng về sự liên tục tạo ra vật chất. Ông có thể bảo tôi rằng ý tưởng đó là sai bét, vì ông chưa bao giờ từng thấy vật chất đột nhiên được tạo ra ở bất cứ một góc phố nào. Nhưng tỷ lệ đòi hỏi sự tạo ra vật chất như vậy là cực kỳ nhỏ: chỉ cần mỗi năm thêm một nguyên tử hiđrô vào một thể tích bằng thể tích của một khu phố ở Paris là đã đủ bù lấp những khoảng trống tạo ra do sự giãn nở của Vũ trụ. Với một tỷ lệ như vậy thì những dụng cụ tinh xảo nhất hiện nay cũng không thể phát hiện ra được. Như vậy để tránh việc tạo ra những lượng vật chất lớn, ba nhà thiên văn đã phải viện đến một dãy vô hạn những sáng tạo nhỏ...

Cái gì đã khiến người ta nghi vấn và xem xét lại tất cả những lập luận đó?

Đây lại là một câu chuyện khác. Nó bắt đầu vào năm 1946 cùng với nhà vật lý thiên tài gốc Nga, di cư sang Mỹ có tên là George Gamow. Ông đánh giá rất cao lý thuyết Big Bang và ông tự nhủ mình nếu quả thật có sự giãn nở xuất phát từ cùng một điểm duy nhất, thì khi đảo ngược lại dòng chảy của các sự kiện, toàn bộ vật chất của Vũ trụ bị nén lại ở điểm xuất phát phải rất đặc và rất nóng. Theo lôgic thì cái bóng đèn này, hay theo cách gọi của mục sư Lemaître “cái nguyên tử nguyên thủy” này sẽ phải bức xạ và toàn bộ Vũ trụ đẳng hướng và đồng nhất theo các tiên đề của Einstein hiện vẫn còn tắm mình trong bức xạ đó.

Nhưng để tới được Ngân Hà của chúng ta - thiên hà bị sự giãn nở của Vũ trụ cuốn đi - bức xạ này cần phải tốn một công và do đó sẽ bị lạnh đi. Gamow thậm chí còn tính được nhiệt độ mà

bức xạ hóa thạch (còn gọi là bức xạ nền - ND) đó hiện phải có cỡ 5K (OK = -273⁰C).Kết quả tính của Gamow thật đáng nể vì nhiệt độ chính xác đo được rất lâu sau đó là 2,7K. Bài báo của Gamow được công bố năm 1948 nhưng rất tiếc nó nhanh chóng bị rơi vào quên lãng. Về mặt tâm lý, các nhà khoa học khi đó còn chưa sẵn sàng để chấp nhận lý thuyết Big Bang.

Vấn đề này lại đột ngột xuất hiện trở lại vào năm 1965 một cách hoàn toàn tình cờ. Hai nhà thiên văn vô tuyến Mỹ làm việc tại các phòng thí nghiệm của hãng điên thoại Bell là Arno Penzias và Robert Wilson, vào thời điểm mà không ai ngờ tới, đã phát hiện ra bức xạ nền của Vũ trụ. Bức xạ này tràn ngập khắp nơi trong Vũ trụ, nó đồng nhất và đẳng hướng đồng thời có nhiệt độ là 3K (tức -270⁰C) gần bằng con số tiên đoán của Gamow! Lý thuyết Big Bang lại được củng cố thêm còn Penzas và Wilson đã được trao giải thưởng Nobel về phát minh của mình.

Thật là kỳ khi nghĩ rằng người ta lại có thể nhận được giải Nobel một cách tình cờ. Nói một cách chính xác thì lúc đó họ đang nghiên cứu về vấn đề gì?

Lúc đó họ đang lắp đặt một kính thiên văn cực kỳ hiệu năng có nhiệm vụ nhận các tín hiệu từ vệ tinh Telstar - vệ tinh viễn thông đầu tiên. Nhưng họ bị một cái gì đó bất ngờ gây nhiễu động: dù quay dụng cụ về hướng nào họ cũng thu được một bức xạ bí ẩn dường như có mặt ở khắp nơi! Bức xạ này có thể là gì đây? Hoàn toàn mù tịt, họ bèn bỏ công sức để tìm hiểu. Vì phòng thí nghiệm của họ ở New Jersey, nên ban đầu họ nghĩ rằng nguyên nhân có thể là các đài phát thanh ở New York cách họ chừng vài trăm kilômét. Giả thuyết này đã nhanh chóng bị bác bỏ vì bức xạ đó không chỉ tới từ hướng New York.

Giả thuyết thứ hai còn khôi hài hơn: liệu thủ phạm ở đây có phải là hai con chim bồ câu đã chọn kính thiên văn làm tổ? Người ta đã đuổi hai con chim đi và quét tước sạch sẽ phân chim nhưng rồi lại...cực kỳ thất vọng, vì bức xạ đâu vẫn còn đấy.

Penzas và Wilson đã khảo sát cả ngàn lẻ một các khả năng khác nữa, nhưng vẫn vô ích. Họ đã bắt đầu cạn hết ý tưởng thì một chớp sáng chợt lóe lên khi Penzas nói chuyện điện thoại với một đồng nghiệp ở MIT. Ông bạn có kể về hội nghị do James Peebles - một giáo sư ở Princeton - tổ chức mà ông ta vừa tham dự. Cùng với một giáo sư ở Princeton là Robert Dicke, Peebles vừa mới phát hiện lại ý tưởng của Gamow: nếu Vũ trụ xuất phát từ một vụ nổ lớn (Big Bang), từ một trạng thái cực đặc và nóng thì ngày hôm nay phải có một bức xạ hóa thạch đồng nhất và đẳng hướng.

Vậy là Penzas và Wilson đã phát hiện ra đống tro tàn của ngọn lửa sáng thế mà không có chủ ý trước. Nhưng điều ngạc nhiên nhất trong câu chuyện này, đó là êkip ở Princeton chỉ ở cách phòng thí nghiệm của hãng Bell khoảng một trăm cây số cũng đã nghĩ tới bức xạ hóa thạch, mặc dù không hề biết tới bài báo của Gamow, và vào thời gian đó gần như đã lắp đặt xong một kính thiên văn vô tuyến để tìm kiếm bức xạ đó.

Đây là hiện tượng thường xảy ra trong khoa học và luôn luôn khiến cho tôi phải ngạc nhiên: các nhà nghiên cứu ở những nơi cách xa nhau trên hành tinh, làm việc độc lập với nhau mà lại phát minh ra cùng một thứ và gần như ở cùng một thời gian. Điều này rất giống với hiện tượng về tính “đồng bộ” mà Carl Gustav Jung (nhà phân tâm học nổi tiếng người Đức) đã nói tới. Nhưng thay vì phải viện tới các phương tiện giao tiếp bằng ngoại cảm, tôi thiên về ý nghĩ cho rằng tính đồng bộ này có được là do những ý tưởng được gieo từ rất lâu trước đó và đã đồng thời chín mùi.

Nhưng trước khi phát hiện ra bức xạ hóa thạch đã có ai đặt vấn đề xem xét lại mô hình Trạng thái dừng một cách nghiêm túc đâu? Những con tàu thăm dò Vũ trụ đầu tiên cũng không thể khẳng định được có hay không có sự sinh ra từ chân không các proton nổi tiếng - chỗ dựa của lý thuyết này - kia mà?

Lý thuyết Trạng thái dừng bắt đầu bị đưa ra xem xét lại vào đầu những năm 1960, nhưng không phải do các con tàu thăm dò Vũ trụ, bởi vì tỷ lệ sinh các proton cần thiết nhỏ tới mức không có một dụng cụ nào có thể phát hiện nổi. Trái lại, một số các quan sát thiên văn đã bắt đầu làm nghiêng ngả tòa nhà của lý thuyết này, đặc biệt là sự phát hiện được các quasar vào năm 1963. Sự dịch cực mạnh về phía đỏ của ánh sáng do các thiên thể này phát ra có nghĩa là chúng chạy trốn rất nhanh ra xa dải Ngân Hà của chúng ta. Vì chạy ra xa nhanh, tức là ở rất xa (theo hệ thức khoảng cách/vận tốc được phát minh bởi Hubble), nên các quasar ở tít tắp biên giới của Vũ trụ. Hơn nữa, nhìn càng xa tức là nhìn được càng sớm hơn, nên thực chất chúng ta quan sát chúng vào thời kỳ mà Vũ trụ còn rất trẻ. Để giả thuyết về Trạng thái dừng còn có ý nghĩa, người ta cần phải tìm thấy số quasar hiện nay phải bằng số quasar trong quá khứ. Nhưng hoàn toàn không thấy như vậy; vào thời điểm hiện nay có rất ít các quasar và điều này có nghĩa là đã có sự tiến hóa và thay đổi.

Những quan sát khác cũng khẳng định thực tế đó. Ví dụ, sự thống kê số các thiên hà vô tuyến - tức các thiên hà phát phần lớn năng lượng của chúng dưới dạng các sóng vô tuyến - chỉ ra rằng các thiên hà này trong quá khứ đông hơn rất nhiều. Như vậy, chính các thiên hà này cũng đã tiến hóa. Nhưng phát súng ân huệ làm chết hẳn lý thuyết Trạng thái dừng, đó là sự phát hiện ra bức xạ hóa thạch: Trạng tháu dừng không thể nào dung hòa được vơi sự tồn tại của bức xạ đó, bởi vì trong lý thuyết này Vũ trụ không hề trải qua pha cực nóng và đặc. Mà không có ngọn lửa sáng thế đó thì làm sao có thể có đống tro tàn còn lại? Không có vụ nổ nguyên thủy (Big Bang) thì làm sao có tiếng dội cho tới ngày nay? Sự phát hiện ra bức xạ hóa thạch cuối cùng đã tập hợp được đa số của cộng đồng các nhà khoa học xung quanh lý thuyết Big Bang.

Bức xạ hóa thạch và sự giãn nở của Vũ trụ đã tạo nên hai hòn đó tảng của lý thuyết Big Bang. Vậy thì ngoài lý thuyết Trạng thái dừng ra còn có những lý thuyết Vũ trụ nào khác đối địch với lý thuyết Big Bang không?

Có, chẳng hạn như lý thuyết ánh sáng “mệt mỏi” trong đó Vũ trụ là tĩnh, tức là không có chuyển động giãn nở. Sự dịch về phía đỏ của ánh sáng do các thiên hà phát ra được giải thích không phải do chuyển động chạy trốn ra xa mà là do sự “mệt mỏi” được tích tụ bởi các photon trong suốt cuộc hành trình dài dằng dặc của chúng giữa các thiên hà và giữa các ngôi sao. Tuy nhiên, lý thuyết này có không ít điểm yếu. Trước hết, không tồn tại một cơ chế vật lý đã biết nào có thể gây ra sự mệt mỏi đó, nhưng trước hết là lý thuyết này không có được một cách giải thích tự nhiên sự tồn tại của bức xạ hóa thạch.

Tôi cũng cần nhắc lại rằng một Vũ trụ học vật chất - phản vật chất cũng đã được Hannes Alfven, một nhà vật lý thiên văn được giải thưởng Nobel người Thụy Điển, đề xuất. Theo ông ta, thì cần phải tồn tại một sự đối xứng tuyệt đối giữa vật chất và phản - vật chất.