Năm 1911, một nhà khoa học người Anh là C. T. R. Wilson đã nghiên cứu sự hình thành của các đám mây bằng cách thường lặn lội tới đỉnh Ben Nevis, một ngọn núi nổi tiếng ẩm ướt ở Scotland, khi ông tình cờ phát hiện ra rằng hẳn phải có cách nào đó dễ hơn. Trở lại phòng thí nghiệm Cavendish, ông xây dựng một buồng mây nhân tạo – một thiết bị đơn giản để làm mát và làm ẩm không khí, một mô hình tạo mây phù hợp trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Thiết bị này hoạt động rất hiệu quả, nhưng lại có thêm một lợi ích đầy bất ngờ. Khi ông ở trong buồng để làm đám mây giả của mình, nó để lại một dấu vết nhìn thấy được – giống như những vệt mà một chiếc máy bay để lại. Ông vừa phát minh ra máy dò hạt. Nó cung cấp bằng chứng đáng tin cậy cho thấy những hạt nhỏ hơn nguyên tử thực sự tồn tại.

Sau đó, hai nhà khoa học Cavendish khác đã phát minh ra một thiết bị bắn chùm proton mạnh hơn nhiều, trong khi ở California, Ernest Lawrence tại Đại học Berkeley đã cho ra đời máy xyclôtron nổi tiếng rất ấn tượng, hay máy gia tốc như lâu nay các thiết bị này vẫn được biết đến. Những thiết bị kỳ cục này đã thực sự hoạt động – và cho đến nay vẫn hoạt động – ít nhiều theo cùng một nguyên tắc, đó là tăng tốc một proton hay một hạt mang điện tới tốc độ vô cùng lớn trong ống (đôi khi hình tròn, đôi khi là đường thẳng), sau đó để nó va đập với một hạt khác nhằm xem thứ gì sẽ văng ra. Đây là lý do chúng được gọi là máy gia tốc. Về mặt khoa học, phương pháp này không phải là tinh tế nhất, nhưng nhìn chung nó hiệu quả.

Khi các nhà vật lý xây dựng được các máy móc to lớn và hiệu quả hơn, họ bắt đầu tìm ra và công bố các hạt hoặc họ hạt mà không đưa ra số nguyên tử của chúng: muon, pion, hyperon, meson, K-meson, Higgs boson, boson véc- tơ trung gian, baryon, tachyon. Ngay cả các nhà vật lý cũng bắt đầu cảm thấy không mấy dễ chịu. “Này chàng trai trẻ, nếu nhớ hết được tên của các hạt này, tôi hẳn đã trở thành một nhà thực vật học,” Enrico Fermi đã trả lời khi có sinh viên hỏi ông tên một hạt cụ thể.

Ngày nay, các máy gia tốc mang những cái tên mà Flash Gordon sẽ muốn dùng trong chiến đấu: máy gia tốc hạt Super Proton Synchrotron, vành va chạm Electron- Positron lớn, máy gia tốc hạt lớn và máy gia tốc hạt ion tương đối nặng. Sử dụng nguồn năng lượng khổng lồ (một số chỉ được vận hành vào ban đêm để người dân xung quanh không thấy điện nhà họ sụt đi khi hệ thống máy móc được khởi động), chúng có thể đẩy các hạt đến một trạng thái phi thường đến mức một electron có thể di chuyển 47.000 vòng quanh một đường hầm dài 7km chỉ trong một giây. Người ta từng lo ngại rằng với sự nhiệt tình của mình, các nhà khoa học có thể vô tình tạo ra một lỗ đen hoặc “các hạt quark kỳ lạ”. Về mặt lý thuyết, các hạt này có thể tương tác với các hạt hạ nguyên tử khác và sinh sôi một cách không thể kiểm soát được. Nếu bạn vẫn đang đọc được những dòng này, nghĩa là điều này vẫn chưa xảy ra.

Việc tìm kiếm các hạt đòi hỏi một khả năng nắm bắt nhất định. Chúng không chỉ nhỏ và nhanh, mà còn tồn tại trong khoảng thời gian ngắn đến mức như muốn trêu ngươi các nhà khoa học: 0,000000000000000000000001(10-24) giây. Kể cả những hạt chậm chạp nhất trong số các hạt không ổn định này cũng không tồn tại quá 0,0000001(10-7) giây.

Một số hạt hầu như không thể nắm bắt. Cứ mỗi giây, Trái Đất đón nhận khoảng 10 nghìn tỷ tỷ tỷ tỷ neutrino cực nhỏ, gần như không có khối lượng (chủ yếu được bắn ra từ các hạt nhân nóng bỏng của Mặt Trời) và hầu như tất cả chúng đều đi xuyên qua hành tinh của chúng ta cũng như tất cả mọi thứ trên đó, bao gồm cả bạn và tôi, như thể chúng không tồn tại vậy. Để bắt được chỉ một vài hạt trong số đó, các nhà khoa học dùng những chiếc thùng chứa tới 57.000m3 nước nặng (nghĩa là nước với tương đối nhiều đơteri1) đặt trong các buồng dưới mặt đất (thường là các hầm mỏ cũ), nơi chúng không thể bị các loại bức xạ khác tác động.

1. Deuterium - đồng vị nặng và bền của hiđro. (ND)

Thông thường, một neutrino vãng lai sẽ va đập với một hạt nhân nguyên tử trong nước và tạo ra một luồng năng lượng nhỏ. Các nhà khoa học đo những luồng năng lượng này, và bằng cách đó giúp chúng ta hiểu rõ hơn một chút những đặc tính cơ bản của vũ trụ. Vào năm 1988, các nhà quan sát Nhật Bản báo cáo rằng neutrino thực sự có khối lượng, nhưng cực nhỏ – bằng khoảng một phần mười triệu khối lượng của một electron.

Ngày nay, thứ thực sự cần để tìm ra các hạt là tiền và thật nhiều tiền. Có một mối quan hệ tỷ lệ nghịch kỳ lạ trong vật lý hiện đại giữa độ nhỏ của thứ được tìm kiếm và cơ sở vật chất cần thiết để tìm ra nó. CERN, Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu, giống như một thành phố nhỏ. Trải dài theo biên giới của Pháp và Thụy Sĩ, nó được 3.000 người vận hành và chiếm một vị trí rộng tới hàng kilômét vuông. CERN tự hào về một chuỗi nam châm nặng hơn tháp Eiffel và một đường hầm dài khoảng 26km.

Đập vỡ các nguyên tử, như James Trefil đã nói, là một việc dễ dàng; bạn làm việc đó mỗi lần bạn bật một bóng đèn huỳnh quang. Tuy nhiên, đập vỡ một hạt nhân nguyên tử lại là việc tiêu tốn khá nhiều tiền và đòi hỏi một nguồn điện khổng lồ. Khi xuống tới cấp độ hạt quark – hạt tạo ra các loại hạt – đòi hỏi chi phí còn cao hơn nữa: hàng nghìn tỷ vôn điện và ngân sách cần thiết tương đương với ngân sách của một nước nhỏ ở Trung Mỹ. Chiếc máy gia tốc hạt lớn của CERN, được đưa vào sử dụng từ năm 2005, tiêu tốn 14 nghìn tỷ vôn và cần khoảng 1,5 tỷ đô-la để chế tạo.1

1. Những nỗ lực tốn kém này cũng có một kết quả phụ rất thực tế. Mạng toàn cầu (world wide web) do CERN tạo ra. Đây là phát minh của Tim Berners-Lee, một nhà khoa học của CERN, vào năm 1989.

Song những con số này chưa là gì nếu so với những gì phải bỏ ra cũng như thu được từ một chiếc máy siêu gia tốc hạ được bắt đầu tạo ra vào thập kỷ 1980 gần Waxahachie, Texas, nhưng tiếc rằng nó không bao giờ trở thành hiện thực do không nhận được sự đồng thuận từ Quốc hội Hoa Kỳ. Họ dự định sẽ dùng chiếc máy này để cho phép các nhà khoa học thăm dò “bản chất tối hậu của vật chất”, bằng cách tái tạo gần như toàn bộ các điều kiện của vũ trụ trong một phần mười nghìn tỷ giây đầu tiên. Kế hoạch là phóng các hạt qua một đường hầm dài 84km, với mức năng lượng thực sự đáng kinh ngạc là 99 nghìn tỷ vôn. Đây là một kế hoạch vĩ đại có thể sẽ tiêu tốn 8 tỷ đô-la để xây dựng (con số này cuối cùng lên tới 10 tỷ đô-la) và hàng trăm triệu đô- la mỗi năm để duy trì.

Đây có lẽ là ví dụ điển hình nhất trong lịch sử về việc đổ tiền xuống một lỗ nhỏ trên mặt đất. Quốc hội ban đầu đồng ý chi 2 tỷ đô-la cho dự án này, nhưng đã hủy bỏ nó vào năm 1993 sau khi 22km đường hầm đã được đào. Texas có thể tự hào vì sở hữu cái lỗ đắt nhất vũ trụ. Nơi này, theo những gì tôi được anh bạn Jeff Guinn làm việc cho tờ Fort Worth Star-Telegram kể lại, thì “chỉ là một cánh đồng trống trải, mênh mông, xung quanh là một vài thị trấn nhỏ buồn tẻ nằm rải rác”.

Từ khi siêu dự án này bị bỏ dở, các nhà vật lý hạt đã hạ thấp kỳ vọng của họ một chút, nhưng ngay cả những dự án khiêm tốn nhất cũng tốn kém vô cùng so với bất cứ thứ gì khác. Một điểm quan sát neutrino tại khu Mỏ Homestake cũ ở Lead, Nam Dakota, sẽ tốn 500 triệu đô-la Mỹ để xây dựng – đây là một hầm mỏ đã được đào sẵn – chưa kể chi phí duy trì hoạt động hằng năm. “Các chi phí chuyển đổi chung” sẽ tiêu tốn khoảng 281 triệu đô-la. Trong khi đó, một máy gia tốc hạt tại Fermilab ở Illinois tiêu tốn khoảng 260 triệu đô-la chỉ để tái trang bị.

Tóm lại, vật lý hạt là một ngành kinh doanh cực kỳ tốn kém nhưng cũng rất hiệu quả. Ngày nay, số hạt đếm được đã lên tới hơn 150, với trên 100 hạt nữa vẫn đang thuộc diện hoài nghi. Không may là, theo lời của Richard Feynman, “rất khó có thể hiểu rõ được mối quan hệ giữa các hạt này, và tự nhiên cần chúng để làm gì, hoặc liên kết giữa chúng.” Điều không tránh khỏi là cứ mỗi khi chúng ta mở được một chiếc hộp, lại có một chiếc hộp bị khóa đang chờ ở trong. Một số người cho rằng có các hạt gọi là tachyon, với tốc độ di chuyển còn nhanh hơn ánh sáng. Những người khác vẫn mong tìm ra các hạt graviton − nguồn gốc của lực hấp dẫn. Liệu đâu sẽ là điểm đáy mà chúng ta không thể đi sâu hơn là câu hỏi vẫn đang bỏ ngỏ. Carl Sagan trong cuốn Vũ trụ đã đưa ra khả năng rằng nếu đi sâu vào một electron, bạn có thể sẽ phát hiện rằng bản thân nó cũng là một vũ trụ, điều này gợi nhớ tới những câu chuyện khoa học viễn tưởng của thập niên 1950. “Bên trong nó, electron được sắp xếp thành các cấu trúc tương đương thiên hà và các cấu trúc nhỏ hơn, đó là vô số những hạt cơ bản khác với kích thước nhỏ hơn rất nhiều, và bản thân chúng cũng là các vũ trụ ở cấp độ tiếp theo. Cứ như thế đi sâu mãi mãi, các vũ trụ nằm trong các vũ trụ, không có tận cùng. Và cả chiều đi lên cũng vậy.”

Đối với hầu hết chúng ta, đây là một thế giới vượt quá khả năng hiểu biết. Để đọc được một bản chỉ dẫn cơ bản nhất về vật lý hạt ngày nay, bạn cần phải vượt qua những đám từ vựng như thế này: “Các pion và phản pion mang điện phân rã lần lượt thành một muon kèm theo phản neutrino và một phản muon kèm theo một neutrino với vòng đời khoảng 2,603 x 10-8 giây; một pion trung gian phân rã thành hai photon với vòng đời trung bình khoảng 0,8 x 10-16 giây; một muon và một phản muon phân rã lần lượt thành…” Hay tương tự thế − đây là đoạn trích từ một cuốn sách dành cho độc giả đại chúng được viết bởi một trong những người có khả năng diễn giải thông suốt nhất, Steven Weinberg.

Vào những năm 1960, trong nỗ lực đơn giản hóa hơn nữa các vấn đề, nhà vật lý học Murray Gell-Mann đã đề xuất một mô hình hạt mới, theo lời Steven Weinberg, mục đích cơ bản là mô hình hóa phần nào cơ cấu tổ chức của vô số hadron – một khái niệm tổ hợp được các nhà vật lý sử dụng cho proton, neutron và các hạt khác chịu sự điều chỉnh bởi lực hạt nhân mạnh. Lý thuyết của Gell-Mann là mọi hadron đều được tạo ra bởi các hạt nhỏ hơn và thậm chí cơ bản hơn. Đồng nghiệp của ông là Richard Feynman đã định gọi các hạt cơ bản mới này là partons, nhưng bị phản đối. Thay vào đó, chúng được gọi là hạt quark.

Gell-Mann lấy tên gọi này từ một dòng trong cuốn Finnegans Wake: “Ba tiếng quark cho Muster Mark!” Sự sơ cấp cơ bản của hạt quark không tồn tại lâu. Khi người ta hiểu về nó, sự cần thiết phải tìm ra những bộ phận nhỏ hơn sẽ lại xuất hiện. Dù các hạt quark quá nhỏ để có màu hay vị hoặc bất cứ đặc tính vật lý nào khác mà chúng ta có thể nhận ra, nhưng chúng được xếp thành sáu loại – lên, xuống, lạ, hấp dẫn, đỉnh, đáy – mà các nhà vật lý đề cập tới một cách lạ lùng như là các “hương”, và những loại này lại được xếp thành các màu đỏ, xanh lá và xanh dương.

Cuối cùng từ tất cả những thứ này xuất hiện một thứ được gọi là Mô hình Chuẩn (Standard Model); về cơ bản, đây là một loại túi phụ tùng dành cho thế giới hạ nguyên tử. Mô hình Chuẩn bao gồm sáu hạt quark, sáu hạt lepton, năm hạt boson đã được biết đến và một hạt thứ sáu được tiên đoán, hạt boson Higgs (đặt theo tên của nhà khoa học người Scotland, Peter Higgs), cùng với ba trong số bốn lực vật lý: lực hạt nhân mạnh, yếu và lực điện từ.

Cấu tạo cơ bản của mô hình là hạt quark nằm giữa các khối xây dựng cơ bản của vật chất, chúng được kết nối bởi các hạt gọi là gluon; các hạt quark và gluon cùng nhau tạo ra các proton và neutron, các thành phần của hạt nhân nguyên tử. Lepton là nguồn gốc của các electron và neutrino. Hạt quark và hạt lepton được gọi chung là các hạt fermion. Hạt boson (được đặt tên theo nhà vật lý người Ấn Độ S. N. Bose) là các hạt tạo ra và mang lực, bao gồm các photon và gluon. Hạt boson Higgs có thể tồn tại hoặc không; nó được tạo ra đơn giản chỉ như cách tạo ra các hạt có khối lượng.

Tất cả chỉ có vậy, dù mô hình này hơi khó sử dụng một chút, nhưng đây là mô hình đơn giản nhất có thể giải thích mọi thứ xảy ra trong thế giới các hạt. Tất cả những gì các nhà vật lý cảm thấy, như Leon Lederman đã nhận xét vào năm 1985 trong một bộ phim tài liệu truyền hình, đó là Mô hình Chuẩn thiếu sự tinh tế và đơn giản. “Nó quá phức tạp và có quá nhiều thông số giả định,” Lederman nói. “Chúng ta không thực sự nhìn thấy Đấng Sáng thế thắt 20 nút để tạo ra 20 thông số cấu tạo nên vũ trụ như chúng ta đang giả định.” Vật lý thực sự không khác gì một cuộc tìm kiếm yếu tố cơ bản tối thượng, nhưng cho đến nay tất cả những gì chúng ta có được là một đống lộn xộn tao nhã − hay như cách nói của Lederman là: “Có thể cảm nhận một cách sâu sắc rằng bức tranh này không đẹp.”

Mô hình Chuẩn không chỉ vô duyên mà còn thiếu hoàn chỉnh. Bởi vì, nó không hề đề cập tới trọng lực. Đọc qua Mô hình Chuẩn, bạn sẽ không hề thấy thông tin lý giải tại sao khi bạn đặt một chiếc mũ trên bàn, nó không bay lên trần nhà. Hoặc như chúng ta vừa lưu ý, liệu nó có thể lý giải khối lượng không. Để tạo ra khối lượng cho các hạt, chúng ta đã đưa ra khái niệm hạt boson Higgs; trong khi việc hạt này có tồn tại hay không vẫn còn là bí ẩn đối với các nhà vật lý của thế kỷ XXI. Như Feynman đã nhận xét một cách hóm hỉnh: “Thế là chúng ta bị kẹt trong một thuyết mà chúng ta không biết nó đúng hay sai, nhưng chúng ta biết rằng nó sai một chút, hoặc ít nhất là không hoàn chỉnh.”

Trong nỗ lực kéo mọi thứ lại với nhau, các nhà vật lý đã đưa ra thuyết siêu dây. Thuyết này mặc nhiên công nhận rằng những thứ như hạt quark và lepton mà chúng ta cho là các hạt thực ra lại là những “sợi dây” – những sợi năng lượng lan tỏa dao động theo 11 chiều, bao gồm 3 chiều mà chúng ta đã biết cộng thêm chiều thời gian và 7 chiều khác mà chúng ta chưa biết. Các dây này nhỏ đến mức chúng có thể được xem như là các hạt dạng chấm.

Bằng cách đưa vào thêm các chiều, thuyết siêu dây cho phép các nhà vật lý xếp các định luật lượng tử và trọng lực vào trong cùng một gói nhỏ gọn; nhưng điều đó cũng đồng nghĩa với việc bất cứ điều gì mà các nhà khoa học nói theo thuyết này cũng bắt đầu có vẻ đáng lo ngại giống như những tư tưởng khiến bạn muốn tránh qua một bên nếu chúng được truyền đạt bởi một người lạ mặt ngồi cùng ghế đá trong công viên. Ví dụ, đây là cách nhà vật lý Michio Kaku giải thích cấu trúc vũ trụ theo quan điểm siêu dây:

Chuỗi ưu thế bao gồm một dây đóng có hai loại dao động, cùng chiều và ngược chiều kim đồng hồ và được đối xử khác nhau. Các dao động cùng chiều kim đồng hồ tồn tại trong một không gian 10 chiều. Các dao động ngược chiều kim đồng hồ tồn tại trong một không gian 26 chiều, trong đó 16 chiều đã được thu gọn (Chúng ta nhớ lại rằng trong 5 chiều ban đầu của Kaluza, chiều thứ năm được thu gọn bằng cách gói gọn trong một vòng tròn).

Cứ như vậy, nó kéo dài khoảng 350 trang.

Thuyết siêu dây còn kéo theo thuyết M, theo đó nó kết hợp các bề mặt được các tâm hồn “sành điệu” của thế giới vật lý biết đến như là các màng. Song tôi e rằng thuyết này nằm trên cao tốc tri thức nơi đa số chúng ta phải bỏ cuộc. Đây là một câu trích từ tờ New York Times, giải thích nó theo cách đơn giản nhất để độc giả đại chúng có thể hiểu:

Quá trình ekpyrotic bắt đầu từ rất xa trong quá khứ vô định với một cặp màng phẳng trống rỗng đặt song song trong một không gian 5 chiều bị biến dạng… Hai màng này, tạo nên những bức tường của chiều thứ năm, có thể đã sinh ra từ hư vô như một biến động lượng tử trong quá khứ xa hơn và sau đó trôi ra xa nhau.

Không ai tranh cãi, cũng không ai hiểu gì. Thật tình cờ, ekpyrotic gốc là tiếng Hy Lạp, nghĩa là đám cháy lớn.

Các vấn đề trong vật lý ngày nay đã đạt đến mức độ như Paul Davies nhấn mạnh trên tạp chí Nature, đó là “những người không có chuyên môn hầu như không thể phân biệt giữa những kẻ khùng hợp pháp và những kẻ hoàn toàn lập dị.” Vấn đề xuất hiện một cách thú vị vào mùa thu năm 2002 khi hai nhà vật lý học người Pháp, hai anh em sinh đôi, Igor và Grichka Bogdanov, đề xuất một thuyết mật độ đầy tham vọng trong đó chứa đựng những khái niệm như “thời gian giả tưởng”, “điều kiện Kubo- Schwinger-Martin” và dự định mô tả môi trường hư không của vũ trụ trước vụ nổ Big Bang – một giai đoạn luôn được xem là bất khả tri (vì nó tồn tại trước khi vật lý cùng các đặc trưng của nó ra đời).

Gần như ngay lập tức, thuyết Bogdanov đã khơi lên cuộc tranh luận giữa các nhà vật lý về việc liệu đây là những lời tầm bậy, là công trình của một thiên tài hay một kẻ lừa bịp. “Về mặt khoa học, nó gần như vô nghĩa,” nhà vật lý Đại học Columbia, Peter Woit, đã tuyên bố trên tờ New York Times, “nhưng ngày nay điều đó không khiến nó khác biệt nhiều với đa phần các tài liệu khác.” Karl Popper, người mà Steven Weinberg đã gọi là “vị trưởng lão của các nhà triết học khoa học hiện đại”, từng cho rằng sẽ không có một học thuyết tối hậu về vật lý – thay vào đó, mỗi lời giải thích sẽ đòi hỏi những lời giải thích cặn kẽ hơn nữa, tạo thành “một chuỗi những nguyên lý ngày càng cơ bản”. Khả năng ngược lại là tri thức này có thể vượt ra ngoài tầm hiểu biết của chúng ta. Weinberg đã viết trong cuốn Dreams of a Final Theory [tạm dịch: Những giấc mơ về một học thuyết tối hậu] rằng: “cho đến nay, điều không may là dường như chúng ta vẫn chưa đi đến giới hạn của các nguồn lực trí tuệ.” Đây là một lĩnh vực gần như chắc chắn sẽ có nhiều sự phát triển hơn nữa về tư duy, và gần như chắc chắn những tư duy này vượt quá tưởng tượng của đa số chúng ta.

Trong khi các nhà vật lý ở những thập niên giữa của thế kỷ XX đang bối rối xoay xở trong thế giới của những thứ rất nhỏ, thì các nhà thiên văn học cũng gặp phải sự bất toàn không kém trong khi tìm hiểu về vũ trụ ở tầm vĩ mô.

Khi chúng ta gặp Edwin Hubble lần cuối cùng, ông đã xác định rằng gần như mọi thiên hà trong tầm nhìn của chúng ta đang ngày một rời xa chúng ta, và rằng tốc độ cũng như khoảng cách của sự rút lui này mang tính tỷ lệ: thiên hà ở càng xa, tốc độ di chuyển của nó càng nhanh. Hubble nhận thấy rằng điều này có thể được biểu diễn bằng một công thức đơn giản, Ho = vd (trong đó Ho là một hằng số, v là tốc độ thoái lui của một ngân hà và d là khoảng cách giữa nó với chúng ta). Ho, hằng số Hubble, là một phần của định luật Hubble. Sử dụng công thức này, Hubble đã tính được vũ trụ rơi vào khoảng hai tỷ năm tuổi; điều này hơi ngớ ngẩn vì ngay từ cuối những năm 1920 đã có bằng chứng cho thấy rất nhiều thứ trong vũ trụ – trong đó có Trái Đất – còn già hơn thế nhiều. Việc hiệu chỉnh con số này đã trở thành mối bận tâm của ngành khoa học vũ trụ.

Điều gần như duy nhất không thay đổi ở hằng số Hubble là bất đồng về giá trị được gán cho nó. Vào năm 1956, các nhà thiên văn học phát hiện ra rằng các biến quang Cepheid mang tính biến động nhiều hơn những gì họ nghĩ. Họ tính toán lại và đưa ra một độ tuổi mới cho vũ trụ, nằm trong khoảng 7 tỷ và 20 tỷ năm – không chính xác tuyệt đối, nhưng ít nhất đủ già để bao trùm sự hình thành của Trái Đất.

Trong những năm sau đó nổ ra một cuộc tranh luận mà sẽ còn kéo dài rất lâu giữa Allan Sandage – hậu duệ của Hubble tại Mount Wilson – và Gérard de Vaucouleurs, một nhà thiên văn học gốc Pháp đang làm việc tại Đại học Texas. Sandage, sau nhiều năm tính toán cẩn thận, đã gán giá trị cho hằng số Hubble là 50, và vũ trụ có số tuổi là 20 tỷ năm. De Vaucouleurs cũng khá chắc chắn rằng hằng số Hubble là 100.1 Điều này có nghĩa là kích thước và tuổi tác vũ trụ của ông chỉ bằng một nửa niềm tin của Sandage – 10 tỷ năm. Mọi vấn đề trở nên không chắc chắn khi vào năm 1994, một đội từ Đài quan sát Carnegie ở California, sử dụng kết quả đo đạc của Kính viễn vọng vũ trụ Hubble, đã cho rằng vũ trụ có thể chỉ vào khoảng 8 tỷ năm tuổi – một độ tuổi mà họ phải thừa nhận rằng còn trẻ hơn nhiều ngôi sao trong vũ trụ. Vào tháng Hai năm 2003, một nhóm nhà khoa học NASA và Trung tâm du hành vũ trụ ở Maryland đã sử dụng một loại vệ tinh tầm xa mới có tên là Tàu thăm dò vi sóng bất đẳng hướng Wilkinson, tuyên bố chắc chắn rằng tuổi của vũ trụ là 13,7 tỷ năm, có thể xê dịch trong khoảng một vài trăm triệu năm. Mọi vấn đề tạm lắng xuống tại đây, ít nhất là tạm thời.

1. Tất nhiên, bạn có thể băn khoăn ý nghĩa chính xác của “hằng số 50” hay “hằng số 100”. Câu trả lời nằm trong đơn vị đo lường thiên văn. Trừ khi trong hội thoại, các nhà thiên văn học không dùng đơn vị năm ánh sáng. Họ sử dụng một đơn vị gọi là parsec, một sự rút gọn của từ parallax (thị sai) và second (giây), dựa trên một đơn vị phổ biến gọi là stellar parallax tương đương với 3,26 năm ánh sáng. Những con số rất lớn, như kích thước của vũ trụ sẽ được đo bằng megaparsecs: 1 megaparsec = 1 triệu parsec. Hằng số được thể hiện dưới dạng kilômét trên giây trên megaparsec. Vì thế, khi các nhà thiên văn đề cập tới hằng số Hubble, điều mà họ thực sự muốn nói là “50kmgiây trên megaparsec”. Đối với hầu hết chúng ta, đây là một đơn vị hoàn toàn vô nghĩa; nhưng vậy thì có thể nói, với các đơn vị thiên văn, hầu hết các khoảng cách đều quá lớn đến mức trở nên hoàn toàn vô nghĩa.

Khó khăn trong việc đưa ra những xác quyết cuối cùng nằm ở chỗ thường có vô số khoảng trống để giải thích. Hãy tưởng tượng bạn đứng trên một cánh đồng vào ban đêm và quyết định tính xem hai ngọn đèn điện cách đó bao xa. Sử dụng những công cụ thiên văn học khá đơn giản, bạn có thể dễ dàng xác định được rằng các bóng đèn có độ sáng như nhau và một bóng, chẳng hạn, cách ta gấp rưỡi so với bóng kia. Tuy nhiên, bạn không thể chắc chắn liệu có phải nguồn sáng gần hơn phát ra từ một bóng đèn 58 oát cách đó 37m hay từ một bóng đèn 61 oát cách đó 36,5m. Chưa kể bạn còn phải tính đến những yếu tố nhiễu gây ra bởi sự thay đổi của khí quyển Trái Đất, bụi giữa các thiên hà, ánh sáng bị lẫn bởi các ngôi sao gần hơn và nhiều yếu tố khác. Kết quả là những phép tính của bạn dựa trên một loạt các giả định lồng vào nhau, trong đó mỗi giả định đã có thể trở thành một đề tài tranh luận. Một vấn đề nữa là việc tiếp cận với các kính viễn vọng luôn mất phí và việc đo đạc những sự thay đổi phổ đỏ luôn đắt một cách đáng kể trong thời đại của kính thiên văn. Ta có thể phải mất cả đêm để được tiếp xúc với nó một lần. Do đó, các nhà thiên văn học đôi khi bị áp lực (hoặc sẵn sàng) đưa ra kết luận dựa trên bằng chứng ít ỏi. Trong ngành vũ trụ học, như nhà báo Geoffrey Carr đã chỉ ra, chúng ta có một núi lý thuyết được xây dựng trên một mô đất bằng chứng. Hay như Martin Rees nói: “Sự bằng lòng của chúng ta hiện nay [với mức độ hiểu biết hiện tại] có thể phản ánh những hạn chế dữ liệu hơn là sự xuất sắc của lý thuyết”.

Tình cờ, sự không chắc chắn này liên quan tới những thứ tương đối gần cũng như các vùng xa xôi của vũ trụ. Như Donald Goldsmith lưu ý, khi các nhà thiên văn học nói rằng thiên hà M87 cách ta 60 triệu năm ánh sáng, thì điều mà họ thực sự nghĩ (nhưng thường không được nhấn mạnh với đại chúng) là nó nằm cách xa ta trong khoảng từ 40 tới 90 triệu năm ánh sáng – và đó là những vấn đề không hề giống nhau. Thông thường trước vũ trụ, mọi thứ sẽ được phóng đại một cách tự nhiên. Với tất cả những sự ồn ào xung quanh các tuyên bố mới nhất, chúng ta còn lâu mới đi đến thống nhất.

Một lý thuyết thú vị được đề xuất gần đây là vũ trụ không lớn như chúng ta vẫn nghĩ; và nếu nhìn vào khoảng cách một vài thiên hà, chúng ta có thể sẽ thấy hình ảnh phản chiếu, vốn là những hình ảnh ma mị được tạo thành bởi ánh sáng hắt lại.

Sự thật là, có rất nhiều thứ ở mức độ khá cơ bản mà chúng ta không biết – không chỉ riêng chuyện vũ trụ bao gồm những gì. Khi các nhà khoa học tính toán lượng vật chất cần thiết để giữ các vật với nhau, chúng luôn thiếu một cách tuyệt vọng. Dường như ít nhất 90% vũ trụ, và có lẽ đến 99%, được cấu tạo bởi “vật chất tối” của Fritz Zwicky – một thứ mang bản chất vô hình đối với chúng ta. Có lẽ sẽ thật khó chịu khi nghĩ rằng chúng ta sống trong một vũ trụ mà phần lớn trong đó chúng ta không thể nhìn thấy, nhưng thực tế là thế. Ít nhất tên của hai thủ phạm tiềm năng chính có vẻ khá thú vị: người ta cho rằng chúng là WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, các hạt mang khối lượng lớn nhưng lực tương tác yếu, có thể là các đốm vật chất vô hình sót lại từ vụ nổ Big Bang) hoặc MACHOs (MAssive Compact Halo Objects, các vật thể Halo nén mang khối lượng – chỉ đơn thuần là tên khác của các lỗ đen, sao lùn nâu và những ngôi sao rất mờ khác).

Các nhà vật lý lượng tử có xu hướng ủng hộ cách giải thích WIMP, còn các nhà thiên văn học thì thiên về MACHO. Đã có lúc MACHO chiếm ưu thế, nhưng chúng không được phát hiện đủ nhiều nên thiện cảm lại trở về phía WIMP – cùng với vấn đề là chưa từng có WIMP nào được phát hiện. Bởi chúng tương tác yếu, nên cho dù có tồn tại thì cũng rất khó để nhận dạng chúng. Các tia vũ trụ thường gây ra quá nhiều yếu tố nhiễu. Chính vì thế các nhà khoa học phải đi sâu vào lòng đất. Cứ xuống sâu 1km, cuộc oanh tạc vũ trụ chỉ còn cường độ bằng một phần triệu cường độ trên mặt đất. Nhưng ngay cả thế, “hai phần ba vũ trụ vẫn như biến mất”, như một nhà bình luận đã nói. Tính tới thời điểm này, chúng ta gọi chúng là DUNNOS (Dark Unknown Nonreflective Nondetectable Objects Somewhere – các vật thể tối ở đâu đó không phát hiện được, không phản ánh được, không xác định được).

Các bằng chứng gần đây cho thấy các thiên hà không chỉ ngày càng rời xa chúng ta, mà tốc độ của chúng còn ngày một tăng lên. Điều này đi ngược lại mọi kỳ vọng. Dường như vũ trụ không chỉ được lấp đầy bởi vật chất tối mà còn bằng cả năng lượng tối. Các nhà khoa học đôi khi gọi đó là năng lượng chân không hoặc nguyên tố thứ năm. Dù nó là gì, thì dường như nó đang gây ra một sự nở rộng mà không ai có thể giải thích một cách thấu đáo. Lý thuyết nói rằng vũ trụ không hề trống rỗng – có những hạt vật chất và phản vật chất hình thành và biến mất – đây là những gì đẩy vũ trụ ra xa với tốc độ tăng dần. Thứ có thể lý giải tất cả những điều này, thật không ngờ, chính là hằng số vũ trụ của Einstein – mẩu toán học nho nhỏ mà ông đưa vào General Theory of Relativity [tạm dịch: Thuyết tương đối rộng] để ngăn chặn sự giãn nở của vũ trụ mà ông gọi là “sai lầm lớn nhất của đời tôi”. Giờ đây, sau tất cả, dường như ông đã đúng.

Kết quả của những điều này là chúng ta sống trong một vũ trụ có tuổi nhưng không thể đo nổi, được vây quanh bởi các vì sao mà khoảng cách từ chúng tới chúng ta cũng không thể biết được, vũ trụ này tràn ngập những vật chất chúng ta không xác định được, và tất cả vận động theo các quy luật vật lý với các đặc tính mà chúng ta chưa thực sự hiểu nổi.

Nhận thức được điều này, chúng ta hãy chuyển sang Hành tinh Trái Đất và xem xét một vài điều chúng ta thực sự hiểu – dù đến đây có thể bạn sẽ ngạc nhiên khi biết chúng ta không hoàn toàn hiểu Trái Đất, và những gì chúng ta hiểu được cũng chỉ là mới đây mà thôi.