Trịnh Khải Nguyên-Chương: “Sắc tức thị không” trong nhãn quan vật lý học

Bát Nhã Tâm Kinh của Phật học có câu “Sắc tức thị không, không tức thị sắc”. Từ “sắc” trong câu kinh dùng để chỉ vật chất và những gì có hình tướng. Còn “không” là cái không bao giờ xẩy ra. Từ “không” được nhắc đến nhiều trong đạo Phật chính là “Chân Không Diệu Hữu”. Như vậy, “sắc tức thị không, không tức thị sắc” là nói đến “thật tướng” của vạn pháp và đấy chính là “vô tướng”, từ “cái không” do nhân duyên hợp lại thành “cái có”. Và, ngược lại, từ “cái có” tất yếu trở về “cái không”. Chu kỳ ấy là bất diệt, cứ tiếp nối nhau đến vô tận.

Đó là cách tiếp cận theo triết học tôn giáo hay siêu hình học. Nhìn từ nhãn quan vật lý học, “cái có” có thể đến từ “cái không” được không? Theo thuyết Big Bang thì có vẻ là như thế. Vật chất tồn tại như ta nhìn thấy – hàng tỉ tỉ dải thiên hà, mỗi thiên hà có hàng tỉ tỉ ngôi sao, mỗi ngôi sao là một hệ thái dương có thể có nhiều hành tinh, mỗi hành tinh là một thế giới như quả đất chúng ta đang sinh sống – đến từ “cái không có gì”, một singularity, theo lý giải của các nhà vũ trụ học thời nay.

Nhưng làm thế nào để vật chất có từ cái không có gì? Đó là câu hỏi làm nhức đầu nhiều nhà vật lý hiện đại, mà câu trả lời khả lý chỉ có thể có được nhờ hợp nhất thuyết lực hấp dẫn lượng tử trong vật lý học với siêu hình học.

Không gì tồn tại mãi mãi

Không gì tồn tại mãi mãi trong vũ trụ này. Đó là chân lý. Mọi vật chất trong vũ trụ sẽ có lúc tàn lụi và biến mất. Các khoa học gia đều xác nhận như thế. Ngôi sao cuối cùng trong vũ trụ sẽ từ từ nguội lạnh và tắt ngúm. Sau đó vũ trụ sẽ là một khoảng không bao la, vô tận – bao la đến nỗi không một trí tưởng tượng của con người nào có thể tưởng tượng nổi – không ánh sáng, không đời sống, không ý nghĩa. Nó là khởi đầu cho một thời kỳ tối tăm dài vô hạn, dài lắm, khi tất cả vật chất bị các hố đen nuốt chửng, và chính các hố đen cũng dần dà tan biến để nhường lại khoảng không trống rỗng. Vũ trụ lúc đó đã giãn nở đến độ ngay cả ánh sáng từ một ngôi sao (nếu ngôi sao đó còn chiếu sáng) từ thiên hà này sẽ không bao giờ chiếu đến một thiên hà khác. Mọi thứ vĩnh viễn tối đen, vĩnh viễn chết.

Thế nhưng, đó có là trạng thái vĩnh viễn của vũ trụ không? Hay nó là điểm khởi đầu cho một sự tái sinh?

Nghe như chuyện khoa học giả tưởng (các lý thuyết về vũ trụ học ngày nay phần nhiều nghe như chuyện khoa học giả tưởng), nhiều nhà vũ trụ học tin tưởng rằng một vũ trụ chết trong một tương lai cực xa, gần như là vô tận ấy, rất có thể sẽ là điểm khởi đầu cho một Big Bang khác, thời điểm tái sinh của vật chất.

Trước hết, vật chất là gì?

Nếu vật chất là sự kết tụ của những nguyên tử hay phân tử thì vào thời điểm của Big Bang, chưa có vật chất. Cả trăm ngàn năm sau đó, khi những điều kiện ngoại tại trở nên thích hợp hơn, những nguyên tử hay phân tử đầu tiên mới được tạo nên từ những hạt tử đơn giản. Và từ những nguyên tử này, vật chất phức tạp biến thể thành những nguyên tố nặng làm thành các ngôi sao, hành tinh, thiên thể, tinh vân, v.v. như ta biết.

Khoa học ngày nay đã có một hiểu biết khá chính xác về biến trình tiến hóa đó, nhưng câu hỏi vật chất đến từ đâu, hay khái quát hơn, vũ trụ đến từ đâu, vẫn là một bí ẩn, và đôi lúc người ta phải mượn tôn giáo hoặc những hiểu biết “đốn ngộ” như câu “chân không diệu hữu” để giải thích.

Nhưng sự hiểu biết đó không giải quyết được câu hỏi liệu một cái gì đó có thể có từ cái không, như câu nói của nhà Phật nói bên trên, “sắc tức thị không, không tức thị sắc.” Vì vậy, hãy ngẫm nghĩ xa hơn chút nữa. Bất luận vật chất thuộc dạng nào, đầu tiên nó là các hạt tử proton và neutron, cùng nhau tạo nên hạt nhân nguyên tử. Nó xuất hiện vào khoảng một phần mười nghìn giây sau Big Bang. Trước thời điểm đó, thực sự không có vật chất nào hiểu theo nghĩa quen thuộc của từ này. Nhưng vật lý học cho phép chúng ta tiếp tục truy tầm ngược dòng thời gian – đến các quá trình vật lý có trước bất kỳ một trạng thái vật chất ổn định nào.

Điều này đưa chúng ta đến cái-gọi-là một “kỷ nguyên thống nhất lớn”. Hiện tại, chúng ta đã đi sâu vào lĩnh vực vật lý suy đoán, vì chúng ta không có khả năng tạo ra đủ năng lượng trong phòng thí nghiệm để tìm hiểu quá trình diễn tiến của vật chất. Nhưng một giả thuyết có vẻ khá hợp lý là thế giới vật chất được tạo thành từ một hỗn hợp các hạt tử cơ bản tồn tại trong một thời gian ngắn, cực ngắn – bao gồm các quark. (Quark – một thuật ngữ vật lý học – là hạt tử cơ bản của vật chất bao gồm proton và neutron làm nên hạt nhân nguyên tử.) Bên cạnh vật chất là “phản vật chất” (anti-matter) với khối lượng mỗi bên tương đương nhau: mỗi loại phân tử vật chất, chẳng hạn như hạt tử quark, có một phản vật chất, tức là “hình ảnh phản chiếu” song hành của nó, và gần giống với chính nó. Tuy nhiên, vật chất và phản vật chất hủy diệt lẫn nhau trong một sát-na năng lượng khi chúng gặp nhau, nghĩa là những hạt tử này liên tục được tạo ra và tiêu hủy.

Nhưng làm thế nào những hạt tử này có thể tồn tại ngay từ thuở ban đầu? Lý thuyết trường lượng tử cho chúng ta biết rằng ngay cả chân không, được cho là tương ứng với không- thời-gian trống rỗng, cũng chứa đầy hoạt động của vật chất dưới dạng dao động năng lượng. Những dao động này có thể làm phát sinh các hạt tử, chúng chỉ biến mất ngay sau đó. Điều này nghe có vẻ giống như một câu đố toán học hơn là vật lý thực nghiệm, nhưng những hạt tử như vậy đã được phát hiện trong vô số thí nghiệm.

Trạng thái “chân-không không-thời-gian” sôi sục với các hạt tử liên tục được tạo ra và tiêu hủy, rõ ràng là “từ hư vô”. Nhưng có lẽ tất cả những điều này thực sự cho chúng ta biết rằng chân không lượng tử (bất chấp tên gọi của nó) là “cái có” (sắc) chứ không phải “cái không” (không). Theo triết gia David Albert, diễn giải Big Bang là từ “cái không” thành “cái có”, là không đúng.

Giả sử chúng ta hỏi: không-thời-gian tự nó phát sinh từ đâu? Sau đó, có thể chúng ta tiếp tục quay ngược kim đồng hồ xa hơn nữa, về “kỷ nguyên Planck” rất xa xưa, một thời đoạn rất sớm trong lịch sử vũ trụ đến nỗi những lý thuyết vật lý chuẩn xác nhất của chúng ta hoàn toàn bị phá vỡ. Thời đoạn này xảy ra chỉ một phần mười triệu của một phần nghìn tỷ của một phần nghìn tỷ của một phần nghìn tỷ giây sau Big Bang (một con số cực nhỏ, chỉ có thể biểu hiện bằng ký hiệu toán học, 10^-43). Tại thời điểm này, tự thân không gian và thời gian đã trở thành đối tượng của các dao động lượng tử. Các nhà vật lý thường nghiên cứu riêng rẽ, một mặt với cơ học lượng tử, một cơ chế điều khiển thế giới vi mô của các hạt tử, và mặt khác, với thuyết tương đối tổng hợp, áp dụng trên quy mô vũ trụ lớn. Nhưng để thực sự hiểu về kỷ nguyên Planck, chúng ta cần một lý thuyết hoàn bị về lực hấp dẫn lượng tử, tức là hợp nhất cả hai thuyết: tương đối và lượng tử. Chính Albert Einstein đã bỏ ra 30 năm cuối đời mình để tìm kiếm sự hợp nhất đó, nhưng không thành công.

Tuy chưa có một lý thuyết hoàn hảo về lực hấp dẫn lượng tử, nhưng đã có những nỗ lực – như lý thuyết dây và lực hấp dẫn lượng tử vòng – được đề xuất và nghiên cứu kỹ lưỡng trong suốt hơn nửa thế kỷ qua. Trong những nỗ lực này, không gian và thời gian bình thường thường được xem là nổi lên, giống như những con sóng trên mặt đại dương sâu thẳm. Không gian và thời gian chúng ta trải nghiệm là sản phẩm của các quá trình lượng tử hoạt động ở cấp độ vi mô, sâu hơn – các quá trình đó không đem lại nhiều ý nghĩa đối với chúng ta bởi chúng ta là những sinh vật có nguồn gốc từ thế giới vĩ mô.

Trong kỷ nguyên Planck, sự hiểu biết thông thường của chúng ta về không gian và thời gian bị phá vỡ, vì vậy chúng ta cũng không thể dựa vào sự hiểu biết thông thường của mình về nguyên lý nhân quả. Mặc dù vậy, tất cả các lý thuyết được đề xuất về lực hấp dẫn lượng tử đều mô tả vận hành của vật chất trong kỷ nguyên Planck – một tiền thân lượng tử của không gian và thời gian thông thường. Nhưng điều đó đến từ đâu?

Ngay cả khi quan hệ nhân quả không áp dụng được theo bất kỳ kiểu thức thông thường nào, ta vẫn có thể giải thích một thành phần của vũ trụ kỷ nguyên Planck dựa trên một thành phần khác. Nhưng, cho đến nay, ngành vật lý học vẫn chưa có câu trả lời thỏa đáng. Cho đến khi chúng ta đạt được tiến bộ xa hơn với một “lý thuyết về mọi thứ/ theory of everything”, chúng ta sẽ không thể đưa ra bất kỳ câu trả lời dứt khoát nào. Điều duy nhất chúng ta có thể nói một cách tự tin nhất ở giai đoạn này là vật lý học cho đến nay chưa tìm ra trường hợp nào được xác nhận về “cái có” phát sinh từ “cái không.”

***

Để thực sự trả lời câu hỏi làm thế nào cái gì đó có thể phát sinh từ hư không, chúng ta cần giải thích trạng thái lượng tử của toàn bộ vũ trụ vào đầu kỷ nguyên Planck. Tất cả các nỗ lực để làm điều này vẫn còn mang tính cách suy đoán. Như một thế lực siêu nhiên. Nhưng những giải thích khác được đề xuất nằm trong lĩnh vực vật lý học – chẳng hạn như thuyết đa vũ trụ/ multiverse. Theo thuyết này, có vô số vũ trụ, không phải một, cùng hiện hữu song song. Hoặc mô hình vũ trụ chu kỳ, tức là vũ trụ sinh ra, chết đi và tái sinh.

Tiến sĩ Roger Penrose, nhà vật lý đoạt giải Nobel năm 2020, đề xuất một mô hình mới lạ gây tranh cãi không ít cho một vũ trụ chu kỳ có tên là “vũ trụ chu kỳ phù hợp”. Penrose lấy cảm hứng từ liên hệ toán học giữa một trạng thái rất nóng, đậm đặc, và nhỏ của vũ trụ – giống như Big Bang – và một trạng thái cực lạnh, trống rỗng, giãn nở của vũ trụ – như nó sẽ xảy ra trong tương lai rất xa. Với một lý thuyết táo bạo, ông giải thích sự tương ứng này là do những trạng thái đó trở nên giống hệt nhau về mặt toán học khi được đẩy đến giới hạn của chúng. Mặc dù nghe có vẻ nghịch lý, nhưng sự vắng mặt toàn diện của vật chất lại có thể đã tạo ra tất cả vật chất mà chúng ta thấy xung quanh trong vũ trụ.

Theo quan điểm này, Big Bang phát sinh từ một thứ gần như không có gì. Đó là những gì còn sót lại sau khi tất cả vật chất trong vũ trụ bị tiêu hao thành các hố đen, rồi đến lượt, chúng lại sôi sục thành các photon – mất hút trong khoảng không. Do đó, toàn bộ vũ trụ phát sinh từ một cái gì đó – được nhìn từ một góc độ vật lý khác – gần như có thể đạt đến mức không có gì, tức là “cái không.” Nhưng “không có gì” vẫn là một thứ “cái gì đó”, vẫn là một vũ trụ vật chất, mặc dù trống rỗng.

Làm thế nào cùng một trạng thái lại có thể là một vũ trụ trống rỗng, lạnh lẽo từ một góc nhìn và một vũ trụ dày đặc nóng bỏng từ một góc nhìn khác? Câu trả lời nằm trong quy trình toán học phức tạp được gọi là “thay đổi kích thước phù hợp”, một phép hoán chuyển hình học có tác dụng làm thay đổi kích thước của một vật thể nhưng không thay đổi hình dạng của nó.

Tiến sĩ Penrose cho ta thấy trạng thái đậm đặc lạnh và trạng thái đậm đặc nóng có thể liên quan như thế nào bằng cách thay đổi kích thước sao cho chúng ăn khớp với hình dạng không- thời-gian chứ không phải kích thước của chúng. Phải thừa nhận rằng rất khó để hiểu làm thế nào hai vật thể có thể giống hệt nhau theo cách này khi chúng có kích thước khác nhau – nhưng Penrose lập luận rằng kích thước là một khái niệm mất hết mọi ý nghĩa trong những môi trường vật lý khắc nghiệt như vậy.

Trong vũ trụ chu kỳ phù hợp, hướng giải thích đi từ cái gì già và lạnh đến cái gì non và nóng: trạng thái đậm đặc nóng tồn tại “bởi vì” trạng thái trống rỗng lạnh tồn tại. Nói “bởi vì” nhưng ta không thể xem nó là “nhân” theo thời gian dẫn đến “quả.” Không riêng gì chỉ kích thước không còn phù hợp trong những trạng thái cực đỉnh này mà thời gian cũng vậy. Trạng thái đậm đặc lạnh và trạng thái đậm đặc nóng nằm trên các mốc điểm thời gian khác nhau. Trạng thái trống rỗng lạnh sẽ tiếp tục mãi mãi từ góc nhìn của người quan sát trong hình học thời gian của chính nó, nhưng trạng thái dày đặc nóng bỏng từ nó mà có lại nằm trong dòng thời gian mới của riêng nó.

Nó có thể giúp ta hiểu được trạng thái đậm đặc nóng được tạo ra từ trạng thái trống rỗng lạnh theo một đường lối không có nhân quả nào đó. Có lẽ chúng ta nên nói rằng trạng thái đậm đặc nóng xuất hiện từ, hoặc được đặt trong, hoặc được nhận thức bởi trạng thái trống rỗng lạnh. Đây là những khái niệm có tính siêu hình được các nhà triết học khoa học khám phá rộng rãi, đặc biệt là trong ngữ cảnh lực hấp dẫn lượng tử nơi nguyên lý nhân quả thông thường dường như bị phá vỡ. Trong giới hạn hiểu biết của chúng ta, vật lý học và triết học trở nên khó tách rời.

Bằng chứng thực nghiệm?

“Vũ trụ học tuần hoàn phù hợp” cung cấp một số câu trả lời chi tiết, mặc dù mang tính suy đoán, cho câu hỏi Big Bang đến từ đâu. Nhưng ngay cả khi viễn kiến của Penrose được chứng thực bằng những tiến bộ trong tương lai của ngành vũ trụ học, chưa chắc chúng ta đã trả lời được câu hỏi triết học sâu sắc hơn – câu hỏi thực tại vật lý đến từ đâu. Toàn bộ hệ thống các chu kỳ hình thành như thế nào? Sau đó, cuối cùng kết thúc với câu hỏi thuần túy là tại sao có cái gì đó (sắc) chứ không phải không có gì (không) – một trong những câu hỏi lớn nhất của siêu hình học.

Nhưng trọng tâm của chúng ta ở đây là những giải thích đóng khung trong lĩnh vực vật lý học. Có ba lựa chọn rộng rãi cho câu hỏi sâu sắc hơn về cách thức các chu kỳ bắt đầu. Có thể không có lời giải thích nào cả. Hoặc có thể có những chu kỳ lặp đi lặp lại đến vô tận, mỗi chu kỳ là một vũ trụ theo đúng nghĩa của nó, với trạng thái lượng tử ban đầu của mỗi vũ trụ được giải thích bằng một số đặc điểm của vũ trụ trước đó. Hoặc có thể có một chu kỳ duy nhất và một vũ trụ lặp lại duy nhất, với sự khởi đầu của chu kỳ đó được giải thích bằng một số đặc điểm về kết thúc của chính nó. Hai cách tiếp cận sau tránh nói đến bất kỳ một sự kiện không nguyên nhân nào – và điều này mang lại lợi thế cho việc giải thích. Không có gì trên cõi đời này không thể giải thích được bằng vật lý học. Đôi lúc chúng ta phải tin tưởng như thế.

Nhà bác học Penrose hình dung ra một chuỗi các chu kỳ mới lặp đi lặp lại đến vô tận vì những lý do một phần liên quan đến cách giải thích lý thuyết lượng tử ưa thích của riêng ông. Trong cơ học lượng tử, một hệ vật lý tồn tại với nhiều trạng thái khác nhau chồng chất lên nhau cùng lúc và chỉ được ngẫu nhiên “chọn một” khi chúng ta đo lường nó. Đối với Penrose, mỗi chu kỳ liên quan đến các sự kiện lượng tử ngẫu nhiên diễn ra theo một cách khác – nghĩa là mỗi chu kỳ sẽ khác với các chu kỳ trước và sau nó. Đây thực sự là một tin tốt cho các nhà vật lý thực nghiệm, bởi vì nó có thể cho phép chúng ta nhìn vào vũ trụ cũ đã sinh ra vũ trụ của chúng ta thông qua những dấu vết mờ nhạt, hay những điểm dị thường trong bức xạ còn sót lại từ Big Bang mà vệ tinh nhân tạo Planck nhìn thấy.

Ông Penrose và các cộng tác viên của ông tin rằng rất có thể họ đã phát hiện ra những dấu vết này rồi, bằng cách quy chiếu các khổ mẫu trong dữ liệu Planck vào bức xạ từ các hố đen siêu lớn trong vũ trụ trước đó. Tuy nhiên, những quan sát được công bố của họ đã bị các nhà vật lý khác thách thức và “bồi thẩm đoàn” vẫn đứng ngoài cuộc, chưa biết ai đúng ai sai.

Những chu kỳ mới lặp đi lặp lại đến vô tận là chìa khóa cho viễn kiến của Penrose. Nhưng có một đường lối khá tự nhiên để chuyển đổi “vũ trụ tuần hoàn phù hợp” từ dạng nhiều chu kỳ sang dạng một chu kỳ. Tiếp theo, thực tại vật lý bao gồm một chu kỳ duy nhất từ Big Bang đến trạng thái trống rỗng tối đa ở  tương lai xa – và rồi lại quay lại chính Big Bang đó, tạo ra một vũ trụ khác giống hệt vũ trụ trước.

Điều này phù hợp với một phương cách giải thích khác về cơ học lượng tử, được mệnh danh là cách giải thích đa thế giới. Diễn giải đa thế giới cho chúng ta biết rằng mỗi lần chúng ta đo lường một hệ thống ở trạng thái chồng chất, phép đo này không chọn một cách ngẫu nhiên một trạng thái. Thay vào đó, kết quả đo lường mà chúng ta thấy chỉ là một khả thể – khả thể xảy ra trong vũ trụ của chúng ta. Tất cả các kết quả đo lường khác diễn ra trong các vũ trụ khác trong đa vũ trụ, hoàn toàn tách biệt với vũ trụ của chúng ta. Vì vậy, bất kể một điều gì, dù nhỏ bé đến đâu chăng nữa, xảy ra ở vũ trụ này, đều có thể xảy ra trong một vũ trụ lượng tử song song nào đó. Bạn hãy thử tưởng tượng: Có những người giống y hệt như bạn ở các vũ trụ khác trúng xổ số lô độc đắc, hoặc bị cuốn lên mây bởi một cơn bão kỳ dị, hoặc tự bốc cháy, hoặc cả ba điều đó cùng xảy ra một lúc. Một số người tin rằng người ta có thể quan sát được những vũ trụ song song như vậy dựa trên những dữ liệu vũ trụ học, như những dấu vết gây ra bởi một vũ trụ khác va chạm với vũ trụ của chúng ta.

Lý thuyết lượng tử đa vũ trụ đưa ra một bước ngoặt mới về “vũ trụ học tuần hoàn phù hợp”, mặc dù không phải là điều Penrose đồng ý. Sự kiện Big Bang của chúng ta có thể là sự tái sinh của một vũ trụ lượng tử, trong một không gian chứa đựng vô số vũ trụ khác nhau, tất cả xảy ra cùng lúc với nhau. Mọi thứ có thể xảy ra – thế rồi nó cứ lặp đi lặp lại, đến vô tận.

Đối với một triết gia khoa học, viễn kiến của Penrose thật hấp dẫn. Nó mở ra những khả thể mới để giải thích thuyết Big Bang, đưa ra những giải thích vượt lên trên phạm trù nhân quả thông thường. Do đó, đây là một trường hợp thử nghiệm tuyệt vời để khám phá những cách khác nhau mà vật lý học có thể giải thích thế giới chúng ta đang sống. Nó đáng được các triết gia quan tâm nhiều hơn.

– Trịnh Khải Nguyên-Chương (Tổng hợp)