“Nhưng thưa ngài, ngài thực sự muốn nói rằng có những thế giới khác — ở mọi nơi, hay ngay tại góc quanh kia thôi ư?” Peter hỏi.

“Chắc chắn,” giáo sư trả lời… sau đó lẩm bẩm, “Không biết ở trường người ta dạy dỗ tụi nhỏ những gì nữa.”

— NHÀ VĂN C. S. LEWIS, SƯ TỬ, PHÙ THỦY VÀ TỦ QUẦN ÁO

Hãy lắng nghe, có cả một vũ trụ ở phía bên kia cánh cửa; đi nào!

— NHÀ VĂN E . E. CUMMINGS

Liệu các vũ trụ khác có thực sự tồn tại? Chúng là công cụ ưa thích của những biên kịch Hollywood, như trong tập phim “Gương ơi” của Star Trek. Thuyền trưởng Kirk vô tình bị dịch chuyển vào một vũ trụ song song kỳ lạ, trong đó Liên đoàn các Hành tinh là một đế chế xấu xa, toàn những kẻ chinh phạt tàn bạo, tham lam. Trong vũ trụ đó, Spock mang bộ râu rậm hung hãn và thuyền trưởng Kirk cầm đầu một toán cướp biển đói khát, tiến thân bằng cách nô dịch đối thủ và ám sát thủ lĩnh.

Các vũ trụ khác giúp chúng ta khám phá những khả năng thú vị, hay ho của thế giới “nếu thì”. Chẳng hạn, trong truyện tranh Siêu Nhân có vài vũ trụ khác nhau: nơi hành tinh quê nhà của Siêu Nhân là Krypton không bị hủy diệt; nơi Siêu Nhân cuối cùng cũng tiết lộ thân phận thật của mình là anh chàng Clark Kent hòa nhã; hoặc nơi anh sẽ cưới Lois Lane và có với nhau những đứa con siêu nhân. Nhưng liệu các vũ trụ song song chỉ là lãnh địa của bộ phim Miền ảo ảnh, hay chúng dựa trên nền tảng vật lý hiện đại?

Ngược về các xã hội nguyên thủy, con người tin rằng có những tầng lớp khác của sự tồn tại, đó là ngôi nhà của các vị thần hay ma quỷ. Thiên Chúa giáo tin vào sự tồn tại của thiên đàng, địa ngục và luyện ngục. Phật giáo có cõi Niết bàn và các trạng thái ý thức khác. Và Ấn Độ giáo có hàng ngàn tầng lớp hiện hữu.

Các nhà thần học Cơ Đốc giáo thường lúng túng khi giải thích nơi ngự trị của thiên đàng. Họ nhận định rằng có lẽ Chúa sống trong một không gian đa chiều hơn. Điều ngạc nhiên là nếu các không gian nhiều chiều hơn quả thực tồn tại thì nhiều khả năng thường được gán cho các vị thần sẽ có thể trở thành hiện thực. Một thực thể sống trong một không gian nhiều chiều có thể biến mất và xuất hiện trở lại tùy ý hoặc có thể đi xuyên tường dễ dàng — đây là những quyền năng được coi là chỉ có ở thánh thần.

Ý tưởng về các vũ trụ song song là một chủ đề được tranh cãi sôi nổi trong vật lý lý thuyết thời gian gần đây. Thực tế, một số kiểu vũ trụ song song đã thúc đẩy chúng ta xem xét lại những gì vẫn thường được coi là “thực tại”. Trong cuộc tranh luận về các vũ trụ song song, điều bị đe dọa chính là ý nghĩa của thực tại.

Có ít nhất ba kiểu vũ trụ song song đang được thảo luận rộng rãi trong phạm vi khoa học:

a. Siêu không gian, hay các chiều không gian bậc cao;

b. Đa vũ trụ;

c. Các vũ trụ lượng tử song song.

Vũ trụ của các chiều không gian bậc cao được tranh luận nhiều nhất trong lịch sử là chính là vũ trụ song song. Cảm quan thông thường cho biết chúng ta sống trong một vũ trụ ba chiều (dài, rộng và cao). Bất kể chúng ta di chuyển một vật trong không gian như thế nào, tất cả các vị trí của vật đều có thể được mô tả qua ba tọa độ. Thực tế, với ba con số này, chúng ta có thể định vị bất cứ vật gì trong vũ trụ, từ chóp mũi mình đến các thiên hà xa xôi nhất.

Chiều không gian thứ tư dường như đi ngược lại cảm quan thông thường. Ví dụ, nếu khói tràn khắp căn phòng, chúng ta không nhìn thấy khói biến mất vào một chiều không gian khác. Không có ở nơi đâu trong vũ trụ mà chúng ta nhìn thấy các vật bỗng nhiên biến mất hoặc trượt vào trong một vũ trụ khác. Điều này ngụ ý nếu các chiều không gian bậc cao có tồn tại thì chúng phải nhỏ hơn một nguyên tử.

Ba chiều không gian là cơ sở nền tảng cho hình học Hy Lạp. Trong tác phẩm On heaven (Bàn về thiên đàng), Aristotle đã viết: “Đường thẳng có kích thước một chiều, mặt phẳng là hai chiều và vật rắn là ba chiều, nhưng không thể vượt lên trên nữa vì ba chiều là tối đa.” Năm 150, Ptolemy xứ Alexandria đã đề xuất “minh chứng” đầu tiên rằng các chiều không gian bậc cao “không tồn tại”. Trong tác phẩm On distance (Bàn về khoảng cách), ông lập luận như sau: vẽ ba đường thẳng vuông góc đôi một với nhau (giống như các đường thẳng tạo nên góc phòng). Rõ ràng ta không thể vẽ thêm một đường thẳng thứ tư vuông góc với ba đường thẳng kia, do đó chiều thứ tư không tồn tại. (Thực ra điều ông chứng minh được là bộ não chúng ta không có khả năng hình dung ra chiều thứ tư. Máy vi tính vẫn luôn có thể tính toán nhiều chiều.)

Trong suốt 2.000 năm, bất cứ nhà toán học nào dám nói về chiều thứ tư đều chịu sự khinh miệt dữ dội. Năm 1685, nhà toán học John Wallis đã lập luận chống lại chiều thứ tư, gọi nó là “quái vật của tự nhiên, không tưởng hơn cả Chimera hay Centaure”. Ở thế kỷ 19, Karl Gauss, “ông hoàng toán học”, đã khám phá ra nhiều điều về đặc điểm toán học của chiều thứ tư nhưng không dám xuất bản, vì lo ngại những phản ứng tiêu cực mà chúng mang lại. Nhưng Gauss vẫn tiến hành các thí nghiệm kín kẽ để kiểm tra khả năng mô tả vũ trụ theo hình học phẳng ba chiều của người Hy Lạp. Trong một thí nghiệm, ông yêu cầu các trợ lý đứng trên ba đỉnh núi; mỗi người cầm một chiếc đèn lồng phát sáng, tạo thành các đỉnh của một tam giác lớn. Sau đó, Gauss đo đạc các góc ở mỗi đỉnh tam giác. Ông thất vọng khi nhận thấy tổng các góc trong của tam giác bằng 180 độ. Ông kết luận: nếu có sai lệch nào so với hình học Hy Lạp thì chúng cũng quá nhỏ để đo đạc được bằng những chiếc đèn lồng.

Georg Bernhard Riemann, học trò của Gauss, đã kế thừa công cuộc viết nên những nghiên cứu nền tảng toán học của các chiều không gian bậc cao (chúng đã được sử dụng rộng rãi ở vài thập kỷ sau, trong thuyết tương đối rộng của Einstein). Trong một bài giảng nổi tiếng năm 1854, với động thái dứt khoát đầy mạnh mẽ, Riemann đã xóa bỏ 2.000 năm thống trị của hình học Hy Lạp và thiết lập nền tảng toán học cho các chiều không gian cong bậc cao mà chúng ta vẫn sử dụng cho đến ngày nay.

Sau khi khám phá tuyệt vời của Riemann được phổ biến ở châu Âu vào cuối thế kỷ 19, “chiều thứ tư” đã tạo cảm hứng mạnh mẽ cho các nghệ sĩ, nhạc sĩ, nhà văn, triết gia và họa sĩ. Theo nhà lịch sử nghệ thuật Linda Dalrymple Henderson, trường phái lập thể của Picasso thực chất đã lấy cảm hứng phần nào từ chiều thứ tư. Bức họa vẽ người phụ nữ của Picasso với đôi mắt hướng về phía trước và mũi nằm một bên là một cố gắng phối cảnh với chiều thứ tư, vì một người nhìn xuống từ chiều thứ tư có thể đồng thời nhìn thấy khuôn mặt, mũi và cái ót của của người phụ nữ. Henderson viết: “Cũng giống như hố đen, “chiều thứ tư” sở hữu một số đặc trưng khó mà hiểu cặn kẽ được, ngay cả với các nhà khoa học. Nhưng ảnh hưởng của “chiều thứ tư” toàn diện hơn nhiều so với hố đen hay bất kỳ giả thuyết khoa học nào khác, sau năm 1919, ngoại trừ thuyết tương đối.”

Các họa sĩ khác cũng vẽ về chiều thứ tư. Trong bức tranh Christus Hypercubius của danh họa Salvador Dali, Chúa bị đóng đinh trên một cây thập giá ba chiều kỳ lạ và trôi nổi bồng bềnh. Thật ra đó là “tesseract”, một khối lập phương bốn chiều. Trong tác phẩm Persistance of Memory (Sự dai dẳng của ký ức), ông cố biểu hiện thời gian như một chiều thứ tư qua phép ẩn dụ về các đồng hồ méo mó. Một cố gắng khác là bức họa Nude Decending a Staicase (Khỏa thân bước xuống cầu thang) của Marcel Duchamps, vẽ chuyển động theo các lát cắt thời gian của một người khỏa thân đang bước xuống cầu thang. Thậm chí, chiều thứ tư còn xuất hiện trong truyện-X Canterville Ghost (Con ma dòng họ Canterville) của Oscar Wilde, kể về một con ma sống trong chiều thứ tư thường xuyên lui tới căn nhà nọ.

Chiều thứ tư cũng xuất hiện trong nhiều tiểu thuyết của H. G. Wells, bao gồm The Invisible Man (Người tàng hình), The Plattner Story (Câu chuyện Plattner) và The Wonderfill Visit (Chuyến viếng thăm tuyệt vời). (Trong Chuyến viếng thăm tuyệt vời, là cơ sở của nhiều bộ phim Hollywood và tiểu thuyết khoa học viễn tưởng, vũ trụ của chúng ta va chạm với một vũ trụ song song. Một thiên thần xấu số rơi từ vũ trụ song song sang vũ trụ của chúng ta do bị một người thợ săn tình cờ bắn trúng. Kinh hãi với sự tham lam, đê tiện và ích kỷ của vũ trụ chúng ta, thiên thần đã quyết định tự vẫn.)

Ý tưởng về các vũ trụ song song cũng được khám phá theo khía cạnh hài hước trong tiểu thuyết The number of the Beast (Con số của quái thú Khải Huyền) của Robert Heinlein. Nhóm bốn nhân vật dũng cảm trong truyện đã chơi đùa xuyên qua các vũ trụ song song bằng chiếc xe thể thao đa chiều kích của vị giáo sư nọ.

Trong bộ phim truyền hình Sliders, một cuốn sách đã truyền cảm hứng cho chàng trai nọ quyết tâm chế tạo một cỗ máy có thể “trượt” qua các vũ trụ song song. (Cuốn sách chàng trai này đọc chính là cuốn Hyperspace (Siêu không gian) của tôi.)

Nhưng trong thực tế lịch sử, các nhà vật lý chỉ xem chiều không gian thứ tư là một điều lạ. Chưa có bằng chứng nào cho thấy sự tồn tại của chiều thứ tư. Điều này bắt đầu thay đổi từ năm 1919 khi nhà vật lý Theodor Kaluza đưa ra nghiên cứu đầy tranh cãi, hé mở về sự tồn tại của các chiều bậc cao. Ông bắt đầu với thuyết tương đối rộng của Einstein, nhưng đặt nó trong một không gian năm chiều (một chiều thời gian và bốn chiều không gian; vì thời gian là chiều thứ tư của không-thời gian nên các nhà vật lý giờ đây coi chiều không gian thứ tư là chiều thứ năm của không-thời gian). Nếu chiều thứ năm được thu nhỏ dần, các phương trình sẽ tách thành hai phần một cách kỳ diệu. Một phần mô tả lý thuyết tương đối của Einstein, nhưng phần còn lại sẽ trở thành lý thuyết ánh sáng của Maxwell!

Kết quả này thật ngỡ ngàng. Vậy là có lẽ bí mật của ánh sáng nằm ở chiều thứ năm! Chính Einstein cũng bị sốc với lời giải này vì nó dường như mang lại sự thống nhất tinh tế giữa ánh sáng và lực hấp dẫn! (Einstein choáng ngợp trước đề xuất của Kaluza đến nỗi đã nghiền ngẫm chúng suốt hai năm trước khi đồng ý công bố nghiên cứu này.) Einstein viết cho Kaluza: “Ý tưởng đạt được [một lý thuyết thống nhất] bằng cách đưa vào một thế giới dạng hình trụ năm chiều chưa bao giờ lóe lên trong tâm trí tôi… Thoạt nhìn, tôi vô cùng thích thú với ý tưởng này… Sự thống nhất đầy chuẩn mực trong lý thuyết của anh rất ấn tượng.”

Suốt nhiều năm, trước đó các nhà vật lý đã đặt ra câu hỏi: Nếu ánh sáng là sóng thì thứ đang dao động là gì? Ánh sáng có thể vượt qua chân không hàng tỷ năm ánh sáng, nhưng chân không trống rỗng không chứa bất cứ vật chất nào. Vậy thứ đang dao động trong chân không là gì? Với lý thuyết của Kaluza, chúng ta có một đề xuất vững vàng để giải quyết vấn đề này: ánh sáng là các gợn sóng trong chiều thứ năm. Các phương trình Maxwell vốn mô tả chính xác mọi tính chất của ánh sáng, chính là các phương trình sóng truyền trong chiều không gian thứ năm.

Thử tưởng tượng một con cá đang bơi trong hồ nước nông. Có lẽ nó không bao giờ hoài nghi về sự hiện diện của một chiều thứ ba, vì đôi mắt của nó ở hai bên đầu và nó chỉ có thể bơi tới lui, trái phải. Đối với nó, chiều thứ ba có lẽ không tồn tại. Nhưng hãy tưởng tượng trời đang đổ mưa trên hồ nước này. Mặc dù không nhìn thấy chiều thứ ba, nhưng con cá rõ ràng có thể nhìn thấy bóng của các gợn sóng lăn tăn trên mặt nước. Tương tự, lý thuyết của Kaluza giải thích ánh sáng như các gợn sóng truyền đi trong chiều thứ năm.

Kaluza cũng đưa ra câu trả lời về việc chiều thứ năm tồn tại ở đâu. Vì chúng ta không nhìn thấy bằng chứng của một chiều thứ năm, nên hẳn là nó bị “cuộn lại”, nhỏ đến mức không thể quan sát thấy. (Hãy tưởng tượng ta cuộn chặt một tờ giấy hai chiều lại để tạo thành một hình trụ. Nhìn từ xa, hình trụ này giống đường thẳng một chiều. Tương tự, một vật hai chiều có thể biến thành một chiều bằng cách cuộn lại.)

Ban đầu, nghiên cứu của Kaluza tạo ra những ấn tượng mạnh mẽ. Nhưng trong những năm tiếp theo, người ta đã tìm thấy nhiều vấn đề trong lý thuyết của ông. Chiều mới thứ năm này có kích cỡ như thế nào? Nó cuộn lại bằng cách nào? Chưa có câu trả lời cho những nghi vấn này.

Suốt vài thập kỷ, Einstein nâng lên đặt xuống lý thuyết này nhiều lần. Sau khi ông qua đời, vào năm 1955, nó nhanh chóng bị lãng quên, trở thành một nốt trầm kỳ lạ trong sự phát triển của vật lý.

LÝ THUYẾT DÂY

Tất cả đã thay đổi với sự xuất hiện của một lý thuyết mới đầy hứa hẹn, có tên gọi là lý thuyết dây. Cho đến thập niên 1980, các nhà vật lý vẫn ngụp lặn trong các hạt hạ nguyên tử. Mỗi lần phá vỡ một nguyên tử thành từng mảnh bằng các cỗ máy gia tốc hạt mạnh mẽ, họ lại tìm thấy hàng tá hạt mới bắn ra. Điều này gây chán nản đến độ J. Robert Oppenheimer đã tuyên bố rằng giải Nobel Vật lý nên trao cho nhà vật lý nào không khám phá ra một hạt mới trong năm đó! (Kinh hãi với sự sinh sôi nhanh chóng của các hạt hạ nguyên tử với tên gọi nặng ngữ âm Hy Lạp, Enrico Fermi nói: “Nếu nhớ được tên tất cả các hạt đó thì tôi sẽ trở thành nhà thực vật học mất.”) Sau vài thập kỷ làm việc cật lực, sở thú của các hạt này có thể được sắp xếp vào trong một thứ được gọi là Mô hình Chuẩn. Phải mất nhiều tỷ đô-la, tốn công sức của hàng nghìn kỹ sư và nhà vật lý làm việc vất vả cùng 20 giải Nobel trao cho việc lắp ráp khó nhọc hết mảnh này đến mảnh khác, mô hình này mới ra đời. Nó là một lý thuyết đáng nể thực sự vì dường như nó khớp với tất cả các dữ liệu thực nghiệm liên quan đến vật lý hạ nguyên tử.

Nhưng bất chấp tất cả các thành công thực nghiệm đã đạt được, Mô hình Chuẩn vẫn có nhược điểm nghiêm trọng. Theo Stephen Hawking, “Nó quá xấu xí và cá biệt.” Mô hình này chứa ít nhất 19 tham số tự do (bao gồm khối lượng các hạt và cường độ tương tác giữa các hạt khác nhau), 36 quark và phản quark, ba thế hệ hạt và nhiều bản sao dư thừa của chúng, cùng một mớ các hạt hạ nguyên tử với tên gọi đầy lạ lẫm như neutrino tau, gluon Yang-Mills, boson Higgs, boson W và các hạt Z. Tệ nhất, Mô hình Chuẩn không đề cập gì đến lực hấp dẫn. Thật khó mà tin được rằng tự nhiên, ở cấp độ cơ bản và sâu sắc nhất, lại có thể hỗn độn và thiếu thanh nhã đến vậy. Đây là một lý thuyết mà chỉ có ai đã làm mẹ mới cảm thông được. Chính vẻ thiếu thanh nhã này của Mô hình Chuẩn đã thôi thúc các nhà vật lý xem xét lại toàn bộ giả định của họ về tự nhiên. Hẳn phải có điều sai lầm nghiêm trọng.

Nhìn nhận lại nền vật lý trong vài thế kỷ qua, một thành tựu quan trọng bậc nhất của thế kỷ trước là việc tổng hợp toàn bộ kiến thức nền tảng về vật lý vào hai lý thuyết lớn: lý thuyết lượng tử (biểu diễn bởi Mô hình Chuẩn) và lý thuyết tương đối rộng của Einstein (mô tả lực hấp dẫn). Điểm đặc biệt là khi kết hợp với nhau, chúng cho ta thấy toàn bộ kiến thức vật lý ở cấp độ cơ bản nhất. Lý thuyết đầu mô tả thế giới của những thứ rất nhỏ bé, thế giới lượng tử của các hạt hạ nguyên tử: ở đây chúng thực hiện những vũ điệu đầy ảo diệu, vụt hiện ra rồi biến mất và có thể xuất hiện ở hai nơi khác nhau cùng một lúc. Lý thuyết thứ hai mô tả thế giới của những thứ rất lớn, như các hố đen và Vụ Nổ Lớn; nó sử dụng ngôn ngữ của các mặt trơn, những tấm lưới co giãn và các bề mặt cong. Hai lý thuyết này đối nghịch nhau trong mọi khía cạnh, sử dụng các phép toán khác nhau, các giả định khác nhau và các bức tranh vật lý cũng hoàn toàn khác nhau. Cứ như thể tự nhiên có hai cánh tay nhưng chẳng bao giờ nắm lấy nhau. Hơn nữa, mọi nỗ lực chắp nối hai lý thuyết này lại với nhau đều dẫn đến những đáp án vô nghĩa. Suốt nửa thế kỷ, bất kỳ nhà vật lý nào cố gắng dàn xếp một cuộc hôn phối giữa lý thuyết lượng tử và lý thuyết tương đối rộng đều thấy lý thuyết của mình vỡ tan ngay trước mắt và sinh ra vô hạn những câu trả lời vô nghĩa.

Lý thuyết siêu dây đã làm thay đổi tất cả. Lý thuyết này cho rằng electron và các hạt hạ nguyên tử khác chính là kết quả của những rung động khác nhau của một sợi dây, tương tự như một sợi dây thun nhỏ. Nếu chúng ta búng dây, nó sẽ dao động theo các kiểu khác nhau, mỗi kiểu lại tương ứng với một loại hạt hạ nguyên tử. Theo cách này, lý thuyết siêu dây giải thích hàng trăm loại hạt hạ nguyên tử đã được khám phá trong các máy gia tốc cho đến nay. Thực tế, lý thuyết của Einstein chỉ là một trong những dao động nhỏ nhất của sợi dây.

Người ta coi lý thuyết dây chính là “lý thuyết của vạn vật” có vẻ hoang đường đã lẩn tránh Eisntein suốt 30 năm cuối đời. Einstein muốn có một lý thuyết đơn giản, toàn diện có thể bao hàm tất cả các định luật vật lý, cho phép ông “đọc được ý nghĩ của Chúa”. Nếu lý thuyết dây thống nhất được lực hấp dẫn và lý thuyết lượng tử, nó có thể là đỉnh cao chói lọi nhất của khoa học suốt 2.000 năm qua, kể từ khi người Hy Lạp bắt đầu đặt ra câu hỏi vật chất tạo nên từ đâu.

Nhưng lý thuyết siêu dây có tính chất kỳ lạ là các dây chỉ dao động trong một số chiều không-thời gian nhất định; cụ thể là trong không gian 10 chiều. Nếu chúng ta cố gắng tạo ra một lý thuyết dây trong không gian có số chiều khác, lý thuyết này sẽ sụp đổ về mặt toán học.

Dĩ nhiên, vũ trụ của chúng ta có bốn chiều (ba chiều không gian và một chiều thời gian). Điều này có nghĩa sáu chiều còn lại phải co sụp theo cách nào đó, hoặc cuộn lại giống như chiều thứ năm của Kaluza.

Gần đây, các nhà khoa học đã bắt đầu suy nghĩ nghiêm túc về việc chứng minh hoặc bác bỏ sự tồn tại của các chiều không gian bậc cao đó. Có lẽ cách chứng minh đơn giản nhất là tìm kiếm những sai lệch từ định luật hấp dẫn của Newton. Ở trường trung học, chúng ta học rằng lực hấp dẫn của Trái Đất giảm khi chúng ta ra ngoài không gian. Chính xác hơn, lực này giảm theo bình phương khoảng cách tới Trái Đất. Nhưng điều này chỉ đúng bởi chúng ta sống trong một thế giới ba chiều. (Hãy hình dung một mặt cầu bao quanh Trái Đất. Trường hấp dẫn của Trái Đất lan đều khắp mặt cầu, vì vậy mặt cầu càng lớn thì trường hấp dẫn càng yếu. Nhưng do diện tích mặt cầu tăng theo bình phương bán kính của nó nên trường hấp dẫn gửi qua toàn bộ bề mặt cầu phải giảm theo bình phương bán kính.)

Nhưng nếu vũ trụ có bốn chiều không gian thì lực hấp dẫn sẽ giảm theo lập phương khoảng cách tới Trái Đất. Nếu vũ trụ có n chiều không gian thì lực hấp dẫn sẽ giảm theo hàm mũ n — 1. Định luật nghịch đảo bình phương nổi tiếng của Newton cho độ chính xác cao khi được kiểm chứng trên khoảng cách thiên văn; chính nhờ đó mà chúng ta có thể gửi các tàu thăm dò lên tới vành vật chất quay quanh Thổ Tinh với mức độ chính xác đáng nể. Nhưng mãi cho tới gần đây, định luật nghịch đảo bình phương của Newton mới được kiểm chứng ở các khoảng cách nhỏ trong phòng thí nghiệm.

Thí nghiệm đầu tiên được tiến hành ở Đại học Colorado vào năm 2003 đã mang lại kết quả không như mong muốn. Rõ ràng, vũ trụ song song không tồn tại, ít nhất là ở Colorado. Nhưng kết quả đó chỉ thêm thôi thúc các nhà vật lý khác lặp lại thí nghiệm với độ chính xác cao hơn.

Hơn thế, máy gia tốc LHC, bắt đầu vận hành vào năm 2008 gần Geneva, Thụy Sĩ, sẽ tìm kiếm một loại hạt mới có tên là “hạt đồng hành” hay siêu hạt, là các dao động mạnh hơn của siêu dây (mọi thứ ta nhìn thấy quanh mình chỉ là những dao động thấp nhất của siêu dây). Nếu các hạt đồng hành được LHC tìm thấy, nó sẽ là chỉ dấu cho một cuộc cách mạng về cách thức chúng ta nhìn nhận vũ trụ. Trong bức tranh vũ trụ này, Mô hình Chuẩn chỉ đơn thuần là biểu diễn mức dao động thấp nhất của siêu dây mà thôi.

Kip Thorne cho biết: “Vào năm 2020, các nhà vật lý sẽ hiểu được các định luật của hấp dẫn lượng tử, lý thuyết rồi đây sẽ được nhìn nhận là một biến thể của lý thuyết dây.”

Bên cạnh các chiều bậc cao, lý thuyết dây còn tiên đoán về một vũ trụ song song khác, đó là “đa vũ trụ”.

ĐA VŨ TRỤ

Lý thuyết dây vẫn còn một khúc mắc dai dẳng: tại sao lại có tới năm dạng lý thuyết dây khác nhau? Lý thuyết dây có thể thống nhất được thuyết lượng tử với thuyết hấp dẫn, nhưng có đến năm cách để làm việc đó, trong khi các nhà vật lý mong muốn chỉ duy nhất một “lý thuyết của vạn vật.” Chẳng hạn, Einstein muốn biết “Chúa có lựa chọn nào trong việc tạo nên vũ trụ hay không”. Ông tin lý thuyết thống nhất mọi thứ phải là duy nhất. Vậy thì tại sao lại có đến năm lý thuyết dây?

Năm 1994, giả thiết chấn động khác lại xuất hiện khi Edward Witten thuộc Viện Nghiên cứu Cao cấp Princeton và Paul Townsend thuộc Đại học Cambridge tuyên bố rằng năm lý thuyết dây thực chất là một — nhưng chỉ khi chúng ta đưa thêm vào chiều thứ 11. Từ góc nhìn của chiều thêm này, cả năm lý thuyết riêng biệt sẽ thu về thành một lý thuyết! Rốt cuộc, lý thuyết dây cũng là duy nhất, nhưng chỉ khi chúng ta đứng trên bình diện của chiều thứ 11.

Trong chiều thứ 11, một thực thể toán học mới có thể tồn tại, đó là các màng (giống như bề mặt của một quả cầu). Điều ngạc nhiên ở đây là nếu chúng ta chuyển từ không gian 11 chiều xuống 10 chiều, cả năm lý thuyết dây sẽ hiện ra từ cùng một màng. Vì thế năm lý thuyết này chỉ là các cách khác nhau để chuyển một cái màng từ 11 xuống 10 chiều.

(Để hình dung điều này, hãy tưởng tượng một quả bóng với một sợi chun quấn quanh theo xích đạo của nó. Khi cắt bỏ hai nửa quả cầu bên trên và bên dưới sợi chun, ta chỉ còn lại phần quấn sợi chun. Tương tự, nếu chúng ta cuộn chiều thứ 11 lại thì cái màng chỉ còn lại phần xích đạo của nó, chính là sợi dây. Về mặt toán học, có năm cách để thực hiện các phép cắt như vậy, nên chúng ta có năm lý thuyết dây khác nhau trong không gian 10 chiều.)

Chiều thứ 11 mang đến một bức tranh mới. Nó cho thấy có lẽ vũ trụ chính là một cái màng, nổi bồng bềnh trong không-thời gian 11 chiều. Và không phải tất cả các chiều này đều nhỏ. Trên thực tế, một số có thể thực sự rất lớn.

Điều này đứa đến khả năng vũ trụ của chúng ta tồn tại trong một đa vũ trụ cùng với các vũ trụ khác. Hãy thử nghĩ đến một tập hợp khổng lồ gồm các bong bóng đang trôi nổi, hay còn gọi là các màng. Mỗi bong bóng đại diện cho một vũ trụ đang lơ lửng trong một khu vực siêu không gian 11 chiều rộng lớn. Chúng có thể nhập vào hoặc tách ra, thậm chí vụt hiện lên rồi biến mất. Có thể chúng ta đang sống trên bề mặt của một trong những vũ trụ bong bóng như vậy.

Max Tegmark ở MIT tin rằng trong vòng 50 năm tới, “người ta sẽ không tranh cãi nhiều về sự tồn tại của các ‘vũ trụ song song’ như đã từng tranh cãi về sự tồn tại của các thiên hà khác vào thời điểm 100 năm trước — khi chúng còn được gọi là các đảo vũ trụ.”

Vậy có bao nhiêu vũ trụ được lý thuyết dây tiên đoán? Một đặc trưng gây lúng túng của lý thuyết dây là nó tiên đoán sự tồn tại của hàng tỷ tỷ vũ trụ khả dĩ, mỗi vũ trụ đều tương thích với thuyết tương đối và cơ học lượng tử. Một ước lượng cho thấy có thể có đến một googol vũ trụ như vậy. (Một googol là 1 và một trăm số 0 theo sau.)

Thông thường, việc liên lạc giữa các vũ trụ đó là bất khả thi. Các nguyên tử tạo nên cơ thể chúng ta giống như những con ruồi dính trên tấm bẫy ruồi. Ta có thể chuyển động tự do trong không gian vũ trụ màng ba chiều của mình, nhưng không thể nhảy khỏi vũ trụ để đi vào siêu không gian, vì ta đã bị dính chặt với vũ trụ màng này. Nhưng lực hấp dẫn, chính là sự cong của không-thời gian, có thể trôi nổi tự do trong vùng không gian giữa các vũ trụ.

Một lý thuyết cho rằng vật chất tối — loại vật chất bất khả kiến đang tồn tại quanh các thiên hà — có thể là một dạng vật chất thông thường đang trôi nổi trong một vũ trụ song song. Như trong tiểu thuyết Người tàng hình của H. G. Wells, một người sẽ trở nên vô hình nếu anh ta lơ lửng trong chiều thứ tư ngay bên trên chúng ta. Hãy tưởng tượng hai tờ giấy đặt song song với nhau; người này sẽ trồi nổi trên tờ giấy ở phía trên.

Theo cách như vậy, có phỏng đoán cho rằng vật chất tối là một thiên hà bình thường trong một vũ trụ màng lơ lửng ngay bên trên chúng ta. Ta cảm nhận được lực hấp dẫn của thiên hà này vì lực hấp dẫn có thể lan truyền giữa hai vũ trụ, nhưng sẽ không nhìn thấy được thiên hà này vì ánh sáng chỉ truyền bên dưới nó. Như vậy, thiên hà sẽ có lực hấp dẫn nhưng vô hình, trùng khớp với những mô tả về vật chất tối. (Một khả năng khác lại cho vật chất tối là một mức dao động khác của siêu dây. Mọi thứ chúng ta nhìn thấy xung quanh, như các nguyên tử và ánh sáng, chính là mức dao động thấp nhất của siêu dây. Vật chất tối có lẽ là mức dao động cao hơn.)

Có lẽ hầu hết các vũ trụ song song là những nơi chết chóc, chỉ chứa một dạng khí chưa thành hình của các hạt hạ nguyên tử như electron hay neutrino. Trong các vũ trụ đó, proton không bền vững nên tất cả các dạng vật chất mà chúng ta biết sẽ từ từ phân hủy và tan rã. Vật chất phức tạp hơn, như các nguyên tử và phân tử, không thể tồn tại trong các vũ trụ này.

Các vũ trụ song song khác lại có thể hoàn toàn đối lập, với những dạng vật chất phức tạp vượt xa những gì chúng ta tưởng tượng được. Thay vì chỉ có một kiểu nguyên tử được cấu thành từ các proton, neutron và electron, chúng có thể chứa nhiều kiểu vật chất bền vững khác nhau.

Các vũ trụ màng này cũng có thể va chạm với nhau, tạo nên những trận pháo sáng trong vũ trụ. Một số nhà vật lý ở Đại học Princeton tin rằng vũ trụ của chúng ta bắt đầu từ sự va chạm giữa hai màng khổng lồ khoảng 13,7 tỷ năm trước. Theo họ, các sóng xung kích từ vụ va chạm chấn động này đã hình thành nên vũ trụ của chúng ta. Đáng chú ý là những hệ quả thực nghiệm của ý tưởng kỳ lạ này dường như phù hợp với các kết quả do vệ tinh WMAP thu thập được. (Đây được gọi là lý thuyết “Vụ Va Chạm Lớn”.)

Thuyết đa vũ trụ có một lợi thế. Khi xem xét các hằng số của tự nhiên, chúng ta nhận thấy chúng được “tinh chỉnh” chính xác để cho phép sự sống tồn tại. Nếu tăng cường độ lực hạt nhân, các ngôi sao sẽ cháy nhanh tới mức sự sống không kịp thành hình. Nếu giảm cường độ lực hạt nhân, các ngôi sao sẽ không thể chiếu sáng và sự sống không thể tồn tại. Nếu tăng lực hấp dẫn, vũ trụ của chúng ta sẽ nhanh chóng diệt vong trong một Vụ Co Lớn. Nếu giảm lực hấp dẫn, vũ trụ sẽ nhanh chóng giãn nở thành một Vụ Đóng Băng Lớn. Thực tế, có rất nhiều “điều tình cờ” ở các hằng số tự nhiên cho phép sự sống tồn tại. Rõ ràng, vũ trụ của chúng ta nằm trong “vùng khả sinh” của rất nhiều thông số, tất cả đều được “tinh chỉnh” để phù hợp với sự sống. Vì vậy, chúng ta để ngỏ kết luận rằng hoặc Chúa đã chọn để vũ trụ của chúng ta “vừa vặn” với sự sống, hoặc có hàng tỷ các vũ trụ song song, nhiều trong số đó là các vũ trụ chết. Như nhà vật lý Freeman Dyson từng nói: “Dường như vũ trụ biết rằng chúng ta đang đến.”

Theo Martin Rees ở Đại học Cambridge, sự tinh chỉnh này là bảo chứng cho thuyết đa vũ trụ. Có năm hằng số cơ bản (như cường độ của các lực) đã được tinh chỉnh để cho phép sự sống tồn tại, và ông tin có vô số vũ trụ khác mang các hằng số tự nhiên không thích hợp cho sự sống.

Đây được gọi là “nguyên lý vị nhân”. Nguyên lý vị nhân yếu khẳng định đơn giản rằng vũ trụ của chúng ta được tinh chỉnh để cho phép sự sống tồn tại (vì chúng ta ở đây để đưa ra tuyên bố này). Nguyên lý vị nhân mạnh cho rằng có lẽ sự tồn tại của chúng ta là hệ quả của một thiết kế hay mục đích nào đó. Hầu hết các nhà vũ trụ học đồng tình với nguyên lý vị nhân yếu, nhưng họ vẫn tranh luận sôi nổi về việc liệu nguyên lý vị nhân là một nguyên lý mới của khoa học, giúp đưa đến các khám phá hoặc kết quả mới, hay chỉ đơn giản là tuyên bố về một sự thật hiển nhiên.

LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ

Bên cạnh các chiều bậc cao và đa vũ trụ là một kiểu vũ trụ song song khác, đã làm đau đầu cả Einstein và các nhà vật lý ngày nay. Đó là vũ trụ lượng tử, được tiên đoán từ cơ học lượng tử thông thường. Các nghịch lý của vật lý lượng tử có vẻ “cứng đầu” tới mức nhà vật lý đoạt giải Nobel Richard Feynman đã thích thú thốt lên rằng không ai thực sự hiểu được lý thuyết lượng tử.

Mỉa mai thay, dù là lý thuyết thành công nhất mà trí tuệ loài người từng đề xuất (thường có độ chính xác lên đến 1/10 tỷ), nhưng lý thuyết lượng tử lại được xây dựng trên cơ hội, may rủi và xác suất. Không giống lý thuyết của Newton, vốn mang lại câu trả lời chắc chắn và xác định cho chuyển động của các vật, thuyết lượng tử chỉ tính được xác suất. Những thiết bị kỳ diệu của kỷ nguyên hiện đại như laser, Internet, máy vi tính, tivi, điện thoại di động, máy radar, lò vi ba và nhiều thứ khác, đều dựa trên những thay đổi khó nắm bắt của xác suất.

Ví dụ rõ nét nhất của câu hỏi hóc búa này là vấn đề “con mèo của Schrödinger” nổi tiếng (là đề xuất của một trong những vị cha đẻ của lý thuyết lượng tử nhằm phá vỡ cách giải thích dựa vào xác suất). Schrödinger phản đối gay gắt cách giải thích đó trong lý thuyết của mình: “Nếu chúng ta phải bám vào những bước nhảy lượng tử khốn kiếp thì tôi hối hận vì đã nhúng tay vào việc này.”

Nghịch lý con mèo Schrödinger là như sau: một con mèo được đặt trong một chiếc hộp kín. Trong hộp có một khẩu súng chĩa về phía con mèo (cò súng được kết nối với một máy đếm Geiger đặt kế một mẫu urani). Thông thường, khi nguyên tử urani phân rã, nó sẽ kích hoạt máy đếm Geiger, làm khẩu súng nhả đạn và giết con mèo. Nhưng nguyên tử urani có thể phân rã hoặc không. Con mèo có thể chết hoặc sống. Đây là lẽ thường tình.

Nhưng trong lý thuyết lượng tử, chúng ta không biết chắc chắn khi nào urani phân rã. Vì vậy, chúng ta phải cộng hai xác suất ứng với hàm sóng của một nguyên tử bị phân rã và hàm sóng của một nguyên tử nguyên vẹn. Nhưng điều này có nghĩa để mô tả con mèo, chúng ta phải lấy tổng hai trạng thái của nó. Vì vậy, con mèo không sống mà cũng chẳng chết. Nó được biểu diễn như tổng của một con mèo sống và một con mèo chết!

Như Feynman từng viết, cơ học lượng tử “mô tả tự nhiên thật vô lý nếu xét theo cảm quan thông thường. Và nó hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm. Vì vậy tôi hy vọng bạn có thể chấp nhận sự vô lý của tự nhiên như nó vốn vậy.”

Đối với Einstein và Schrödinger, điều này hết sức ngớ ngẩn. Einstein tin vào “thực tại khách quan” và đi theo quan điểm cảm quan thông thường của trường phái Newton, cho các vật tồn tại trong các trạng thái xác định chứ không phải là tổng của nhiều trạng thái khả dĩ. Nhưng cách giải thích kỳ lạ này lại là điểm cốt lõi của nền văn minh hiện đại. Nếu không có nó, các tiện nghi điện tử hiện đại (và cả các nguyên tử tạo thành cơ thể chúng ta) sẽ không thể tồn tại. (Trong thế giới bình thường, chúng ta vẫn đùa rằng không thể có chuyện “hơi có bầu” được. Nhưng trong thế giới lượng tử, nó thậm chí còn tệ hơn nữa. Con người tồn tại dưới dạng tổng thể đồng thời của tất cả các trạng thái: chưa mang thai, đã mang thai, một đứa bé, một bà cụ, một cô gái, một phụ nữ trưởng thành…)

Có vài cách để giải quyết nghịch lý khó chịu này. Những người khai sinh ra lý thuyết lượng tử tin vào lý giải của trường phái Copenhaghen, cho rằng khi mở cái hộp là ta đã thực hiện một phép đo và xác định được con mèo sống hay chết. Hàm sóng “co sụp” thành một trạng thái duy nhất và lẽ thường lại được khôi phục. Các sóng biến mất, chỉ còn lại các hạt. Điều này có nghĩa con mèo giờ đã ở trong trạng thái xác định (chết hoặc sống) và không còn được mô tả bởi một hàm sóng nữa.

Như vậy, có một rào cản vô hình ngăn cách thế giới kỳ lạ của nguyên tử với thế giới vĩ mô của con người, ở thế giới nguyên tử, mọi thứ được mô tả bởi sóng xác suất, trong đó các nguyên tử có thể ở nhiều nơi một lúc. Sóng ở một vị trí càng lớn thì xác suất tìm thấy hạt ở đó càng cao. Nhưng đối với các vật thể lớn, các sóng đó sẽ co sụp và các vật tồn tại trong trạng thái xác định; như vậy, lẽ thường tình lại thắng thế.

(Khi khách đến chơi nhà, Einstein đã chỉ lên Mặt Trăng và hỏi: “Có phải Mặt Trăng tồn tại vì có một con chuột đang nhìn nó không?” Ở một số khía cạnh, câu trả lời của trường phái Copenhagen có lẽ là có.)

Hầu hết các cuốn sách vật lý dành cho nghiên cứu sinh đều tán thành cách giải thích ban đầu của trường phái Copenhaghen, nhưng nhiều nhà vật lý đã gạt bỏ nó. Hiện nay, chúng ta đã có công nghệ nano và có thể thao tác trên từng nguyên tử riêng lẻ. Sử dụng kính hiển vi quét xuyên hầm, chúng ta có thể điều khiển các nguyên tử vụt hiện ra rồi biến mất như mong muốn. Không có rào cản vô hình nào ngăn cách thế giới vi mô và vĩ mô; chúng liền mạch với nhau.

Hiện vẫn chưa có sự thống nhất về cách giải quyết vấn đề này, mặc dù nó là vấn đề cốt lõi của vật lý hiện đại. Tại các hội nghị, nhiều lý thuyết va chạm nảy lửa với nhau. Một quan điểm thiểu số cho rằng phải có một “ý thức hoàn vũ” ngự trị khắp vũ trụ. Các sự vật hiện ra dưới dạng thực thể khi phép đo được thực hiện, mà phép đo lại được thực hiện bởi thực thể có ý thức. Do đó, phải có một ý thức hoàn vũ ngự trị khắp vũ trụ để xác định trạng thái của chúng ta. Một số nhà khoa học, như nhà vật lý đạt giải Nobel Eugene Wigner, lập luận rằng điều này chứng tỏ sự tồn tại của Chúa hay một ý thức hoàn vũ nào đó. (Wigner viết: “Chúng ta không thể thiết lập các định luật [của thuyết lượng tử] hoàn toàn nhất quán mà không viện dẫn đến ý thức.” Ông thậm chí còn viện dẫn đến triết học Vedanta của đạo Hồi, trong đó mô tả vũ trụ bị ý thức chi phối sâu sắc.)

Một quan điểm khác về nghịch lý này là ý tưởng “đa thế giới”, được Hugh Everett đề xuất vào năm 1957. Theo Everett mô tả, vũ trụ chỉ đơn giản là tách làm đôi, một nửa chứa con mèo sống và nửa kia chứa con mèo chết. Điều này ngụ ý về sự sinh sôi hàng loạt hay việc chia tách thành các vũ trụ song song mỗi lần một sự kiện lượng tử xảy ra. Mọi vũ trụ khả dĩ đều thực sự tồn tại. Vũ trụ càng kỳ lạ thì xác suất của chúng càng thấp, nhưng dù sao các vũ trụ đó cũng vẫn tồn tại. Lý thuyết này cho phép tồn tại một vũ trụ song song, nơi quân Phát xít chiến thắng Thế chiến II, hay một thế giới nơi Hạm đội Tây Ban Nha[1] chưa từng bị đánh bại và cả thế giới đang nói tiếng Tây Ban Nha. Nói cách khác, hàm sóng không bao giờ co sụp. Nó chỉ tiếp tục con đường của mình, tách thành vô số vũ trụ một cách tự nhiên.

Như nhà vật lý Alan Guth của MIT từng nói: “Có một vũ trụ mà Elvis[2] vẫn còn sống và Al Gore[3] trở thành tổng thống.” Nhà vật lý đạt giải Nobel Frank Wilczek nói: “Chúng ta bị ám ảnh bởi nhận thức rằng có vô số bản sao chỉ khác chúng ta đôi chút đang sống trong các vũ trụ song song của họ, và rằng mỗi lúc sẽ có ngày càng nhiều bản sao xuất hiện, gánh vác nhiều tương lai khác nhau của chúng ta.”

Một quan điểm đang giành nhiều sự ủng hộ trong cộng đồng vật lý là “sự mất tính kết hợp”. Lý thuyết này cho rằng tất cả các vũ trụ song song đó đều khả dĩ, nhưng hàm sóng của chúng ta mất đi sự kết hợp với các vũ trụ đó (tức là không còn dao động đồng bộ) nên không còn sự tương tác với chúng. Điều này ngụ ý rằng bên trong căn phòng đang ở, ta tồn tại đồng thời với hàm sóng của khủng long, người ngoài hành tinh, cướp biển, kỳ lân — tất cả đều tin tưởng chắc chắn rằng vũ trụ của chúng là “thực tại” duy nhất, nhưng chúng ta không còn “bắt sóng” được với chúng nữa.

Theo nhà vật lý đạt giải Nobel Steve Weinberg, điều này cũng giống như việc dò kênh cho chiếc radio khi đang ngồi trong phòng. Ta biết căn phòng tràn ngập tín hiệu của nhiều đài khác nhau trong nước và thế giới. Nhưng chiếc radio chỉ bắt được đúng một kênh. Nó “mất tính kết hợp” với tất cả các kênh khác. (Weinberg kết luận rằng “đa thế giới” là “một ý tưởng nghèo nàn khi so sánh với các ý tưởng khác.”)

Vậy liệu có tồn tại hàm sóng của một Liên đoàn Hành tinh tàn độc đi xâm chiếm các hành tinh yếu hơn và nô dịch kẻ thù của mình? Có lẽ có, nhưng chúng ta đã mất kết nối với vũ trụ đó.

VŨ TRỤ LƯỢNG TỬ

Khi Hugh Everett thảo luận lý thuyết “đa thế giới” của mình với các nhà vật lý khác, ông thường nhận được sự lúng túng hoặc thờ ơ. Nhà vật lý Bryce DeWitt ở Đại học Texas bác bỏ lý thuyết này vì “đơn giản là không thể cảm thấy mình bị chia tách”. Nhưng Everett cho rằng điều này cũng giống như cách Galileo trả lời những người chỉ trích ông chỉ vì họ không cảm thấy Trái Đất đang quay. (Cuối cùng DeWitt cũng bị Everett thuyết phục và trở thành người ủng hộ hàng đầu cho lý thuyết này.)

Suốt nhiều thập kỷ, lý thuyết “đa thế giới” chìm đắm trong sự rối rắm khó hiểu chỉ vì nó quá huyền ảo để trở thành sự thật. John Wheeler, người hướng dẫn của Everett ở Đại học Princeton, cuối cùng kết luận rằng lý thuyết này mang theo quá nhiều “hành lý quá khổ”. Nhưng lý thuyết của Everett bỗng trở nên thời thượng ở thời điểm hiện tại, do các nhà vật lý đang cố gắng áp dụng lý thuyết lượng tử cho địa hạt cuối cùng còn cản trở sự lượng tử hóa: chính bản thân vũ trụ. Việc áp dụng nguyên lý bất định cho toàn bộ vũ trụ sẽ tự nhiên dẫn đến khái niệm đa vũ trụ.

Thoạt nhìn, khái niệm “vũ trụ học lượng tử” có vẻ mâu thuẫn: thuyết lượng tử mô tả thế giới vô cùng nhỏ bé của các nguyên tử, trong khi vũ trụ học lại mô tả toàn vũ trụ. Nhưng ở thời điểm diễn ra Vụ Nổ Lớn, vũ trụ cũng là rất nhỏ so với electron. Các nhà vật lý đồng tình rằng electron phải được lượng tử hóa, tức là được mô tả bằng một phương trình sóng xác suất (phương trình Dirac) và có thể tồn tại trong các trạng thái song song. Do đó, nếu các electron được lượng tử hóa và vũ trụ từng nhỏ hơn một electron thì vũ trụ cũng phải tồn tại trong các trạng thái song song — một cách tự nhiên, cách giải này sẽ dẫn đến cách tiếp cận “đa thế giới”.

Tuy nhiên, cách giải thích Copenhagen của Niels Bohr gặp phải nhiều vấn đề khi áp dụng cho toàn vũ trụ. Dù được dạy trong mọi khóa cơ học lượng tử dành cho nghiên cứu sinh, nhưng cách giải thích này phụ thuộc vào một “quan sát viên” thực hiện việc đo đạc và làm co sụp hàm sóng. Quá trình quan sát là yếu tố cốt lõi để xác định thế giới vĩ mô. Nhưng bằng cách nào mà một người đang quan sát toàn thể vũ trụ lại có thể ở “bên ngoài” vũ trụ? Nếu có một hàm sóng mô tả vũ trụ thì làm thế nào mà một quan sát viên “bên ngoài” có thể làm co sụp hàm sóng của vũ trụ? Thực tế, một số nhà nghiên cứu coi việc không thể quan sát vũ trụ từ “bên ngoài” là một thiếu sót nghiêm trọng của cách giải thích Copenhagen.

Cách tiếp cận “đa thế giới” mang lại lời giải đơn giản cho vấn đề này: vũ trụ tồn tại trong nhiều trạng thái song hành, tất cả được xác định bởi một hàm sóng tổng thể, gọi là “hàm sóng của vũ trụ”. Trong vũ trụ học lượng tử, vũ trụ khởi đầu từ một biến thiên lượng tử của chân không, chỉ như một bong bóng nhỏ bé trong đám sủi bọt của không-thời gian. Hầu hết các vũ trụ sơ sinh trong đám bọt không-thời gian này đều trải qua một vụ nổ lớn và tiêu biến gần như tức thì trong một Vụ Co Lớn tiếp sau đó. Đó là lý do chúng ta chưa bao giờ nhìn thấy chúng: chúng quá nhỏ và có thời gian sống ngắn ngủi, liên tục hình thành và biến mất từ chân không. Điều này có nghĩa là thậm chí “hư vô” cũng đang sôi sục với các vũ trụ sơ sinh vụt hiện ra rồi tan biến, nhưng nó xảy ra trên thang khoảng cách quá nhỏ để các thiết bị của chúng ta có thể phát hiện. Nhưng vì một số lý do nào đó, một trong số các bong bóng trong đám bọt không-thời gian này không tái co sụp trong Vụ Co Lớn mà vẫn tiếp tục giãn nở. Đó chính là vũ trụ của chúng ta. Theo Alan Guth, điều này có nghĩa toàn thể vũ trụ là một bữa trưa hoàn toàn miễn phí.

Trong vũ trụ học lượng tử, các nhà vật lý bắt đầu với phương trình DeWitt-Wheeler, tác dụng lên “hàm sóng của vũ trụ”. Đây là phương trình tương tự như phương trình Schrödinger, vốn chi phối hàm sóng của các electron và các nguyên tử. Thông thường, hàm sóng Schrödinger xác định tại mỗi điểm trong không gian và thời gian, nhờ đó ta tính được cơ hội tìm thấy một electron tại điểm dó. Nhưng “hàm sóng của vũ trụ” được xác định trên tất cả các vũ trụ khả dĩ. Nếu hàm sóng vũ trụ đối với một vũ trụ xác định nào đó là lớn thì vũ trụ đó có nhiều khả năng tồn tại trong một trạng thái cụ thể.

Hawking đã đào sâu theo hướng quan điểm này. Ông nhận định vũ trụ của chúng ta rất đặc biệt so với những vũ trụ khác. Hàm sóng của vũ trụ đối với vũ trụ chúng ta là lớn và gần như triệt tiêu đối với hầu hết các vũ trụ còn lại. Do đó, các vũ trụ khác cũng có một xác suất dù nhỏ nhưng xác định để tồn tại trong hệ thống đa vũ trụ, nhưng xác suất này đối với vũ trụ của chúng ta là lớn nhất. Trên thực tế, đây chính là cách mà Hawking đã cố gắng rút ra kết quả về sự lạm phát. Trong bức tranh này, một vũ trụ lạm phát chỉ đơn giản là dễ tồn tại hơn so với một vũ trụ không lạm phát, do đó vũ trụ của chúng ta có lạm phát.

Lý thuyết cho rằng vũ trụ của chúng ta xuất hiện từ đám bọt không-thời gian “hư vô” dường như hoàn toàn không thể kiểm chứng, nhưng nó phù hợp với một số quan sát đơn giản. Đầu tiên là quan sát đáng kinh ngạc của nhiều nhà vật lý rằng tổng lượng điện tích dương và điện tích âm của vũ trụ chúng ta triệt tiêu nhau hoàn toàn, ít nhất là với mức độ chính xác trong thực nghiệm. Chúng ta mặc định rằng ngoài không gian, lực hấp dẫn hoàn toàn chiếm ưu thế, còn các điện tích dương và âm là vừa đủ để triệt tiêu nhau. Chỉ một sự mất cân bằng dù nhỏ nhất giữa điện tích dương và âm trên Trái Đất cũng có thể đủ để xé toạc Trái Đất, do tác dụng của lực điện thắng thế lực hấp dẫn gắn kết các phần của Trái Đất. Một cách đơn giản để lý giải sự cân bằng giữa điện tích dương và âm là giả định rằng vũ trụ của chúng ta được hình thành từ “hư vô”, mà “hư vô” thì có điện tích bằng không.

Thứ hai, vũ trụ của chúng ta không quay trên tổng thể. Mặc dù suốt nhiều năm, Kurt Gödel đã cố gắng chứng minh vũ trụ đang quay bằng cách cộng gộp spin của các thiên hà lại với nhau, nhưng các nhà thiên văn học hiện tin rằng chuyển động quay tính trên tổng thể là bằng không. Điều này có thể được giải thích dễ dàng nếu vũ trụ của chúng ta được hình thành từ “hư vô,” vì “hư vô” không quay.

Thứ ba, việc vũ trụ của chúng ta được hình thành từ hư vô sẽ giúp giải thích tại sao tổng lượng vật chất-năng lượng của vũ trụ là quá nhỏ, thậm chí bằng không. Khi chúng ta cộng gộp năng lượng dương của vật chất và năng lương âm liên quan tới lực hấp dẫn, chúng dường như triệt tiêu nhau. Theo thuyết tương đối rộng, nếu vũ trụ là đóng và hữu hạn thì tổng lượng vật chất-năng lượng trong vũ trụ đúng bằng không. (Nếu vũ trụ của chúng ta là mở và vô hạn thì điều này không còn đúng nữa, nhưng lý thuyết lạm phát dường như cho thấy tổng lượng vật chất-năng lượng trong vũ trụ chúng ta là rất nhỏ.)

CÁC VŨ TRỤ CÓ THỂ LIÊN LẠC VỚI NHAU?

Một số câu hỏi hóc búa nảy sinh từ vấn đề các vũ trụ song song bao gồm: giả sử các nhà vật lý không thể loại bỏ khả năng tồn tại của một vài kiểu vũ trụ song song, vậy liệu chúng ta có khả năng liên lạc với các vũ trụ này? Có thể viếng thăm chúng? Hay liệu có phải các thực thể ở các vũ trụ khác đã từng ghé thăm chúng ta không?

Việc tiếp xúc với các vũ trụ lượng tử khác không có tính kết hợp với chúng ta dường như chẳng mấy khả thi. Chúng ta mất tính kết hợp với các vũ trụ khác bởi các nguyên tử của chúng ta va chạm với vô vàn các nguyên tử khác trong môi trường xung quanh. Mỗi lần một va chạm diễn ra, hàm sóng của nguyên tử đó sẽ “suy sụp” một ít; điều này khiến cho số vũ trụ song song giảm đi. Mỗi va chạm lại thu hẹp thêm số khả năng hình thành. Tổng số vụ “co sụp mini” của hàng tỷ tỷ nguyên tử này mang lại ảo giác rằng toàn bộ nguyên tử của cơ thể chúng ta co sụp thành một trạng thái xác định. Như vậy, “hiện thực khách quan” của Einstein là một ảo ảnh tạo ra từ thực tế là cơ thể chúng ta được tạo thành từ vô số nguyên tử, mỗi nguyên tử lại va vào các nguyên tử khác, mỗi lần va chạm như vậy lại làm giảm số vũ trụ khả dĩ.

Điều này cũng giống như việc nhìn vào một bức ảnh không tiêu cự trong máy ảnh. Bức ảnh đó tương tự với thế giới vi mô, nơi mọi thứ dường như mờ ảo và vô định. Nhưng mỗi lần ta điều chỉnh tiêu cự của máy ảnh, bức ảnh sẽ trở nên sắc nét hơn. Tương tự mỗi va chạm trong số hàng tỷ tỷ vụ va chạm nhỏ với các nguyên tử kế cận, lại làm giảm số vũ trụ khả dĩ. Theo cách này, chúng ta sẽ tạo nên bước chuyển mượt mà từ thế giới vi mô mờ ảo sang thế giới vĩ mô.

Vì vậy, xác suất để vũ trụ chúng ta có sự tương tác với các vũ trụ khác là khác không, nhưng nó giảm nhanh theo số nguyên tử trong cơ thể của ta. Vì có nhiều tỷ tỷ nguyên tử trong cơ thể nên cơ hội để ta có thể tương tác với các vũ trụ có khủng long hay người ngoài hành tinh đang sinh sống là vô cùng nhỏ. Các tính toán cho thấy, ta sẽ phải đợi một thời gian còn lâu hơn cả tuổi đời của vũ trụ để một sự kiện như vậy xảy ra.

Do đó, dù khả năng liên lạc với một vũ trụ lượng tử song hành là không thể loại bỏ, nhưng nó vô cùng hiếm hoi vì chúng ta không có tính kết hợp với các vũ trụ này. Nhưng trong vũ trụ học, chúng ta gặp phải một kiểu vũ trụ song song khác: một hệ thống đa vũ trụ cùng tồn tại đồng thời, giống như các bong bóng xà phòng nổi lềnh bềnh trong bồn tắm. Việc tiếp xúc với một vũ trụ khác trong đa vũ trụ là một câu hỏi khác. Rõ ràng, đó là một kỳ công đầy thách thức nhưng khả dĩ đối với một nền văn minh bậc III.

Như đã thảo luận, để mở ra một lỗ hổng trong không gian hay phóng đại một bong bóng không-thời gian, chúng ta cần năng lượng tương đương mức năng lượng Planck; tại đây những gì đã biết trong vật lý đều bị phá vỡ. Không gian và thời gian không ổn định ở mức năng lượng này, mở ra khả năng chúng ta có thể rời bỏ vũ trụ của mình (giả định rằng các vũ trụ khác có tồn tại và chúng ta không bị tiêu diệt trong quá trình rời đi này.)

Đây không phải là một câu hỏi thuần túy hàn lâm, vì mọi dạng sống thông minh trong vũ trụ sẽ đều phải đối diện với kết cục của vũ trụ vào một ngày nào đó. Rốt cuộc, lý thuyết về đa vũ trụ có thể là cứu tinh cho mọi dạng sống có trí tuệ trong vũ trụ của chúng ta. Các dữ liệu từ vệ tinh WMAP quay quanh Trái Đất xác nhận vũ trụ đang giãn nở gia tốc. Vào một ngày nào đó, tất cả chúng ta rối sẽ phải đối diện với sự diệt vong trong sự kiện mà các nhà vật lý gọi là Vụ Đóng Băng Lớn. Cuối cùng, toàn thể vũ trụ sẽ trở nên tối tăm, mọi ngôi sao trên bầu trời đều tắt lụi và vũ trụ đầy rẫy những ngôi sao chết, các sao neutron và hố đen. Thậm chí các nguyên tử tạo thành chúng cũng có thể bắt đầu phân rã. Nhiệt độ có thể hạ xuống gần không độ tuyệt đối, khiến sự sống không còn khả dĩ.

Khi vũ trụ tiến đến thời điểm đó, một nền văn minh tân tiến có thể sẽ phải tính đến việc di chuyển tới một vũ trụ khác. Họ sẽ phải lựa chọn giữa chờ chết hoặc rời đi. Các định luật vật lý là bản tuyên án đối với mọi dạng sống có trí tuệ, nhưng chúng vẫn có một điều khoản đem lại khả năng giải thoát.

Nền văn minh này sẽ phải khai thác năng lượng của các máy gia tốc hạt khổng lồ và các chùm tia laser lớn như Hệ Mặt Trời hoặc cả quần tinh để tập trung một lượng năng lượng khủng khiếp vào một điểm duy nhất, nhờ đó đạt đến mức năng lượng Planck hoang đường. Cách này mở ra khả năng tạo được một lỗ sâu hoặc một cánh cổng tiến vào một vũ trụ khác. Một nền văn minh bậc III có thể sử dụng năng lượng khổng lồ như một phương kế để mở ra lỗ sâu giúp đi vào một vũ trụ khác, bỏ lại vũ trụ đang chết dần của chúng ta và làm lại từ đầu.

MỘT VŨ TRỤ SƠ SINH TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM?

Dù có vẻ xa vời nhưng một số ý tưởng kể trên vẫn được các nhà vật lý nhìn nhận nghiêm túc. Chẳng hạn, khi cố gắng hiểu được cách Vụ Nổ Lớn bắt đầu, chúng ta phải phân tích các điều kiện khả dĩ dẫn đến vụ nổ ban đầu. Nói cách khác, chúng ta phải đặt ra câu hỏi: làm cách nào để tạo ra một vũ trụ sơ sinh trong phòng thí nghiệm? Theo nhà vũ trụ học Andrei Linde ở Đại học Stanford — một trong những người đề xuất ý tưởng vũ trụ lạm phát, nếu chúng ta có thể tạo ra những vũ trụ sơ sinh thì đó “có lẽ là thời điểm Chúa được tái định nghĩa còn phức tạp hơn cả người tạo ra vũ trụ.”

Ý tưởng này không hề mới. Nhiều năm trước đây, khi các nhà vật lý tính năng lượng cần thiết để châm ngòi cho Vụ Nổ Lớn, “nhiều người ngay lập tức thắc mắc điều gì sẽ xảy ra nếu ta dồn cùng lúc quá nhiều năng lượng vào một vùng không gian nhỏ trong phòng thí nghiệm. Liệu ta có thể tập trung đủ năng lượng để tạo ra một vụ nổ lớn mini không?” Linde đã đặt ra nghi vấn.

Nếu ta tập trung đủ năng lượng vào một điểm duy nhất, tất cả những gì ta nhận được chỉ là một vụ co sụp không-thời gian thành hố đen. Nhưng vào năm 1981, Alan Guth ở MIT và Linde đã đề xuất lý thuyết “vũ trụ lạm phát”, được giới vũ trụ học rất quan tâm. Theo ý tưởng này, Vụ Nổ Lớn bắt đầu từ một vụ bùng phát tiếp áp, nhanh hơn rất nhiều so với suy nghĩ trước đó. (Ý tưởng vũ trụ lạm phát đã giải quyết được nhiều vấn đề hóc búa trong vũ trụ học, như tại sao vũ trụ lại đồng đều đến vậy. Chúng ta nhận thấy sự đồng nhất của vũ trụ khắp từ đầu này tới đầu kia của bầu trời đêm, mặc dù tính từ thời điểm Vụ Nổ Lớn, các vùng cách xa nhau này không có đủ thời gian để kịp liên lạc với nhau. Theo thuyết vũ trụ lạm phát, điều này là do một mẩu bé nhỏ tương đối đồng đều của không-thời gian đã giãn nở bùng phát thành toàn thể vũ trụ khả kiến.) Để khởi động cho sự lạm phát, Guth giả định rằng ở thời điểm bắt đầu của thời gian, đã có rất nhiều bong bóng không-thời gian nhỏ tồn tại và một trong số đó đã lạm phát dữ dội thành vũ trụ hiện nay.

Vậy là cùng một lúc, thuyết vũ trụ lạm phát đã trả lời được một loạt câu hỏi về vũ trụ. Hơn nữa, nó nhất quán với tất cả các dữ kiện mà các vệ tinh WMAP và COBE thu thập được từ ngoài không gian. Chẳng còn nghi ngờ gì nữa, nó là ứng cử viên hàng đầu cho một lý thuyết về Vụ Nổ Lớn.

Nhưng lý thuyết vũ trụ lạm phát cũng đặt ra hàng loạt câu hỏi gây bối rối. Tại sao bong bóng này lại bắt đầu lạm phát? Cái gì đã làm ngưng sự lạm phát để hình thành nên vũ trụ hiện nay? Nếu sự lạm phát đã từng xảy ra thì liệu nó có tái diễn không? Điều đáng tiếc là, mặc dù kịch bản lạm phát là lý thuyết hàng đầu trong vũ trụ học, nhưng hầu như không ai biết cái gì đã khởi phát sự lạm phát và tại sao nó dừng lại.

Để trả lời những câu hỏi nhức nhối đó, vào năm 1987, Alan Guth và Edward Fahri ở MIT đã đặt ra một câu hỏi giả định khác: một nền văn minh tân tiến có thể làm lạm phát vũ trụ của họ như thể nào? Hai ông tin rằng nếu giải đáp được câu hỏi này, họ sẽ có thể trả lời câu hỏi còn sâu xa hơn về lý do vũ trụ khởi đầu từ lạm phát.

Họ nhận thấy nếu ta tập trung đủ năng lượng tại một điểm duy nhất, các bong bóng không-thời gian nhỏ sẽ hình thành ngay tức thì. Nhưng nếu chúng quá nhỏ, chúng sẽ biến mất trở lại vào đám bọt không-thời gian. Chỉ bong bóng nào đủ lớn mới có thể giãn nở thành một vũ trụ hoàn thiện.

Nhìn từ bên ngoài, vụ ra đời vũ trụ mới này sẽ không giống vụ nổ của một quả bom nguyên tử 500 kiloton mà chỉ như một bong bóng nhỏ chợt biến mất khỏi vũ trụ và để lại một vụ nổ hạt nhân nhỏ. Nhưng bên trong bong bóng, có thể là một vũ trụ giãn nở hoàn toàn mới. Thử nghĩ về một bong bóng xà phòng tách ra làm đôi hoặc sinh ra một bong bóng nhỏ, tạo nên một bong bóng xà phòng mới sinh. Bong bóng vừa hình thành này có thể giãn nở nhanh chóng thành một bong bóng hoàn toàn mới. Tương tự, bên trong vũ trụ mới ta sẽ nhìn thấy một vụ nổ dữ dội của không-thời gian và sự hình thành một vũ trụ hoàn thiện.

Kể từ năm 1987, nhiều lý thuyết đã được đề xuất để xem xét mức năng lượng cần cho một bong bóng lớn giãn nở thành một vũ trụ toàn vẹn. Được chấp nhận phổ biến nhất là lý thuyết cho rằng một hạt mới có tên là “hạt inflaton” đã làm bất ổn định không-thời gian, khiến các bong bóng hình thành và giãn nở.

Tranh luận lại nổ ra vào năm 2006 khi các nhà vật lý bắt đầu xem xét nghiêm túc một đề xuất mới, mô tả cách thức kích hoạt một vũ trụ sơ sinh bằng đơn cực từ. Mặc dù các đơn cực từ — các hạt chỉ có cực bắc hoặc cực nam chứ không có cả hai cực như nam châm — chưa được tìm thấy nhưng người ta tin rằng chúng đã chi phối vũ trụ thuở ban sơ. Chúng quá nặng nên vô cùng khó để tạo ra trong phòng thí nghiệm, nhưng cũng chính vì có khối lượng lớn như vậy nên khi rọi thêm nhiều năng lượng lên một đơn cực từ, chúng ta sẽ có thể kích hoạt một vũ trụ sơ sinh giãn nở thành một vũ trụ thật sự.

Tại sao các nhà vật lý muốn tạo ra một vũ trụ? Linde cho biết: “Trong viễn cảnh này, mỗi chúng ta đều có thể trở thành một vị thần.” Nhưng lý do thực tiễn hơn nằm ở mục đích tối thượng là để thoát khỏi kết cục chết chóc của vũ trụ mà chúng ta đang cư trú.

SỰ TIẾN HÓA CỦA CÁC VŨ TRỤ?

Một số nhà vật lý còn đẩy ý tưởng này tiến xa hơn tới sát biên giới của khoa học viễn tưởng, bằng cách đặt ra câu hỏi liệu trí tuệ đã đóng góp vào việc thiết kế nên vũ trụ hay không.

Theo đề xuất GuthFahri, một nền văn minh tân tiến có thể tạo ra một vũ trụ sơ sinh, nhưng các hằng số vật lý (như khối lượng của electron và proton, hay cường độ của bốn lực cơ bản) vẫn giống với vũ trụ chúng ta. Nhưng nếu nền văn minh đó có thể tạo ra một vũ trụ sơ sinh có các hằng số cơ bản khác đi đôi chút thì sao? Khi đó, các vũ trụ này có thể “tiến hóa” theo thời gian và mỗi lứa vũ trụ sơ sinh sẽ khác đôi chút so với lứa trước.

Nếu coi các hằng số cơ bản như “ADN” của một vũ trụ thì các dạng sống thông minh sẽ có khả năng tạo ra các vũ trụ con với ADN khác nhau chút ít. Cuối cùng, các vũ trụ sẽ tiến hóa và sinh sôi nảy nở; vũ trụ nào có ADN tốt nhất sẽ cho phép dạng sống thông minh phát triển. Nhà vật lý Edward Harrison đã đề xuất “sự chọn lọc tự nhiên” giữa các vũ trụ dựa trên ý tưởng trước đó của Lee Smolin. Các vũ trụ chiếm ưu thế trong đa vũ trụ là những vũ trụ có ADN tốt nhất: chúng phù hợp cho việc khai sinh những nền văn minh tiến bộ và những nền văn minh này lại có thể tạo ra nhiều vũ trụ con hơn nữa. Quy luật “Kẻ sống sót phù hợp nhất” chính là sự tồn tại của những vũ trụ thích hợp nhất để tạo ra các nền văn minh tiến bộ.

Nếu bức tranh này đúng, nó sẽ giải thích tại sao các hằng số của vũ trụ lại được “tinh chỉnh” cho phép sự sống tồn tại. Nguyên nhân rất đơn giản: các vũ trụ có bộ hằng số cơ bản phù hợp lý tưởng với sự sống là những vũ trụ sinh sôi nảy nở nhất trong đa vũ trụ.

(Mặc dù ý tưởng “sự tiến hóa của các vũ trụ” đầy hấp dẫn vì có khả năng giải thích vấn đề nguyên lý vị nhân, nhưng nó có khó khăn là không thể kiểm chứng và cũng không thể phủ nhận. Chúng ta sẽ phải đợi đến khi có được một lý thuyết của vạn vật hoàn chỉnh thì mới có thể nắm bắt ý tưởng này.)

Hiện tại, công nghệ của chúng ta còn quá thô sơ để có thể làm hé lộ sự tồn tại của các vũ trụ song song. Vì vậy, chúng sẽ được xếp vào nhóm Bất khả thi loại II — chưa khả dĩ ở thời điểm hiện nay, nhưng không vi phạm các định luật vật lý. Trong tương lai hàng nghìn đến cả triệu năm tới, những nhận định này có thể trở thành nền tảng của một công nghệ mới đối với một nền văn minh bậc III.

❀ ❀ ❀

[1] Cuộc giao tranh lớn nhất trong Chiến tranh Anh-Tây Ban Nha (1585-1604). Phần thắng thuộc về Vương quốc Anh.

[2] Ý chỉ Elvis Presley (1935-1977), người được mệnh danh là ông hoàng nhạc rock & roll.

[3] Al Gore là phó tổng thống Mỹ giai đoạn 1993-2001 dưới thời tổng thống Bill Clinton. Gore từng là ứng cử viên Đảng Dân chủ cho chức Tổng thống trong kỳ tổng tuyển cử năm 2000.