Thế giới đã tồn tại biết bao năm dài, kể từ sau một lần được sắp đặt để đi theo những chuyển động thích hợp. Mọi thứ khác đều nối gót theo sau.

Lucretius, khoảng năm 50 TCN

Lúc khởi đầu, gần mười bốn tỉ năm về trước, tất cả không gian, tất cả vật chất, toàn bộ năng lượng của vũ trụ mà ta biết đều được chất chứa trong một thể tích nhỏ hơn một phần nghìn tỉ kích cỡ của dấu chấm cuối câu văn này.

Các [1] bấy giờ quá nóng, đến nỗi các lực cơ bản của tự nhiên vốn cùng miêu tả vũ trụ đã bị thống nhất thành một. Vũ trụ ra đời thế nào ta còn chưa biết, song cái vũ trụ nhỏ hơn cả đầu kim này chỉ có thể giãn nở mà thôi. Cực kỳ nhanh. Mà ngày nay ta gọi là vụ nổ lớn.

Thuyết tương đối tổng quát do Einstein đề ra năm 1916 cho ta cách hiểu hiện nay về lực hấp dẫn, theo đó sự hiện diện của vật chất và năng lượng làm cong kết cấu không gian và thời gian xung quanh nó. Cuộc hôn phối thành công giữa cơ học lượng tử và điện từ học thế kỷ 20, phần nào, đã thúc đẩy cả nhà vật lý học đua nhau hòa trộn cơ học lượng tử (thuyết về cái cực nhỏ) với thuyết tương đối tổng quát (thuyết về cái cực lớn) thành một thuyết chặt chẽ và mạch lạc là thuyết hấp dẫn lượng tử. Mặc dù vẫn chưa chạm đích, chúng ta biết chính xác nơi nào có rào cản. Một trong số đó là “kỷ nguyên Planck” của vũ trụ sơ khai. Đấy là khoảng thời gian t = 0 cho đến t = 10-43 giây (một phần mười triệu ngàn-tỉ ngàn-tỉ ngàn-tỉ của một giây) sau lúc khởi đầu, và trước khi vũ trụ nở rộng đến 10-35 mét (một phần một trăm triệu tỉ ngàn-tỉ ngàn-tỉ của một mét). Các con số nhỏ không tưởng nỗi này được đặt theo tên nhà vật lý học người Đức, Max Planck, ông cũng là người đã giới thiệu ý tưởng về năng lượng bị lượng tử hóa vào năm 1900 và thường được ghi nhận là cha đẻ của cơ học lượng tử.

Sự va chạm giữa trường hấp dẫn và cơ học lượng tử không gây nên vấn đề thực tiễn nào đối với vũ trụ đương đại. Các nhà vật lý thiên văn áp dụng nguyên lý, công cụ của thuyết tương đối tổng quát và của cơ học lượng tử để giải quyết các loại vấn đề rất khác nhau. Nhưng vào thời điểm bắt đầu ấy, trong kỷ nguyên Planck, cái lớn vẫn còn rất nhỏ, nên ta ngờ rằng ắt hẳn đã có một kiểu đám cưới chạy bầu giữa đôi bên. Hỡi ôi, những lời nguyện thề được trao nhau trong hôn lễ vẫn tiếp tục lảng tránh chúng ta, thế cho nên chẳng định luật vật lý nào (mà ta biết) mô tả được hành vi của vũ trụ tại thời kỳ ấy với dù chỉ một chút tự tin.

Dẫu vậy, chúng ta cho rằng đến cuối kỷ nguyên Planck, lực hấp dẫn đã vượt thoát khỏi các lực khác, các lực tự nhiên vẫn còn được thống nhất, rồi đạt được một căn cước độc lập đang được miêu tả khá ổn bởi các lý thuyết hiện hành của chúng ta. Khi vũ trụ trải qua 10-35 giây, nó tiếp tục giãn nở, làm loãng toàn bộ mật độ năng lượng, rồi phần còn lại của các lực thống nhất đó bị phân tách thành lực “điện yếu” [electroweak] và lực hạt nhân mạnh [strong nuclear]. Sau đó nữa, lực điện yếu tách thành lực điện từ và lực “hạt nhân yếu” [weak nuclear], từ đó phô bày bốn lực riêng biệt mà ngày nay chúng ta biết đến yêu mến: lực yếu kiểm soát sự phân rã phóng xạ, lực mạnh liên kết các hạt nhân nguyên tử, và lực hấp dẫn liên kết các khối vật chất.

Một phần nghìn tỉ giây đã trôi qua kể từ lúc khởi đầu.

Suốt thời gian này, có sự tương tác không ngừng của vật chất dưới dạng hạ nguyên tử và của năng lượng dưới dạng photon (hạt phi khối lượng tải năng lượng ánh sáng, vừa là sóng vừa là hạt). Vũ trụ đủ nóng cho các photon tự chuyển đổi năng lượng thành các cặp hạt vật chất-phản vật chất mà ngày tức khắc sẽ hủy lẫn nhau, trả năng lượng về lại photon. Những biến hóa khôn lường này được thâu tóm trong phương trình nổi tiếng nhất của Einstein: E = mc2, công thức hai chiều để tính năng lượng có giá trị bằng bao nhiêu vật chất và vật chất giá trị bằng bao nhiêu năng lượng. Phần c2 là bình phương tốc độ ánh sáng – một con số khổng lồ mà khi nhân thêm khối lượng sẽ nhắc nhở ta nhớ rằng hoạt động này thực chất có thể sinh ra biết bao nhiêu năng lượng.

Ngay trước, trong và sau khi lực mạnh và lực điện yếu giã biệt nhau, vũ trụ là nồi lẩu sục sôi các hạt quark, lepton và các anh chị em phản vật chất của chúng, cùng với boson là hạt cho phép diễn ra tương tác. Không họ hạt nào ở đây được cho rằng có thể phân thành thứ gì nhỏ hơn hay cơ bản hơn, dù rằng mỗi họ xuất hiện dưới nhiều dạng thức khác nhau. Hạt photon thông thường là thành viên thuộc họ hạt boson. Các hạt lepton quen thuộc nhất đối với dân không phải chuyên ngành vật lý chính là hạt electron và có lẽ cả neutrino; còn hạt quark quen thuộc nhất là… chà, không có hạt quark quen thuộc nào cả. Mỗi hạt trong sáu tiểu loại của quark được gán cho những cái tên trừu tượng chẳng phục vụ mục đích bác ngữ học, triết học hay sư phạm gì, ngoài trừ việc để tiện phân biệt chúng với nhau, đó là: lên và xuống, duyên và lạ, đỉnh và đáy.

Boson, tiện thể, được đặt theo tên nhà khoa học Ấn Độ, Satyendra Nath Bose. Tên gọi lepton thì bắt nguồn từ leptos trong tiếng Hy Lạp, nghĩa là “nhẹ” hoặc “nhỏ”. Từ “quark”, tuy vậy, có nguồn gốc văn chương và giàu trí tưởng tượng hơn nhiều. Nhà vật lý học Murray Gell-Mann vào năm 1964 đã đề xuất hạt quark là thành phần nội tại của các neutron và proton, thời ấy ông vốn nghĩ rằng họ quark chỉ có ba thành viên, và ông rút ra tên gọi quark từ một câu văn khó hiểu đúng chất James Joyce trong cuốn sách Finnegans Wake: “Ba quark cho Muster Mark!” Các hạt quark có một cái hay: tất cả tên gọi của chúng đều đơn giản – một điều mà các nhà hóa học, sinh vật học và nhất là các nhà địa chất học dường như không có khả năng đạt được khi cần đặt tên cho mấy món đồ của họ.

Quark là giống vật quái chiêu. Không như proton là hạt mang điện tích +1, hay electron mang điện tích -1, quark lại mang điện tích là phân số tính theo phần ba. Và bạn sẽ không bao giờ bắt được hạt quark ở một mình; nó luôn luôn bám lấy hạt quark khác kế bên. Trên thực tế, lực giữ cho hai (hay nhiều hơn) các hạt này ở gần nhau thậm chí càng tăng mạnh khi bạn càng chia tách chúng – như thể chúng gắn kết bằng một kiểu dây thun hạ nguyên tử nào đó. Chia tách hạt quark đủ mức, dây thun này bật lại và năng lượng tích trữ sẽ vận lực E = mc2 để tạo ra một hạt quark mới ở mỗi đầu, trả bạn lại về khởi điểm.

Trong suốt kỷ nguyên quark-lepton, vũ trụ đủ đậm đặc để cho sự chia cắt tầm trung bình giữa các quark không gắn kết có thể cự lại sự chia cắt giữa các quark có gắn kết. Dưới các điều kiện ấy, tính trung thành giữa các quark kề nhau không còn rõ ràng nữa, và chúng chuyển động tự do giữa chúng với nhau, bất kể việc vẫn ràng buộc với nhau xét về tổng thể. Tình trạng vật chất này, một kiểu vạc nấu quark, được một nhóm các nhà vật lý ở Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven phát hiện và báo cáo lại lần đầu tiên năm 2002.

Nhiều bằng chứng lý thuyết gợi ý rằng một gia đoạn của vũ trụ sơ khai, có lẽ thuộc một trong số các lần tách lực, đã phú cho vũ trụ tính bất đối xứng rất ấn tượng, theo đó số hạt vật chất chỉ suýt soát nhiều hơn số hạt phản vật chất: một tỉ lẻ một trên một tỉ. Khác biệt nhỏ như thế về quần thể là rất khó nhận thấy giữa bao nhiêu hoạt động liên tục gồm tạo thành, tiêu hủy, và tái tạo của các hạt quark và phản quark, electron và phản electron (được biết nhiều hơn với tên positron), rồi neutrino và phản neutrino. Kẻ đơn chiếc sẽ có muôn vàn cơ hội tìm đối tượng để cùng nhau hủy, và mọi kẻ khác cũng vậy.

Nhưng không lâu hơn nữa. Khi vũ trụ bắt đầu giãn nở và nguội đi, phát triển lơn hơn so với kích cỡ hệ Mặt Trời của chúng ta, nhiệt độ nhanh chóng giảm xuống dưới một nghìn tỉ độ Kelvin.

Một phần triệu giây đã trôi qua kể từ lúc khởi đầu.

Vũ trụ âm ấm này không con đủ nóng hay đậm đặc để nấu quark, thế là tất cả chúng đều chộp lấy bạn nhảy cho mình, làm thành một họ hạt nặng mới trường tồn gọi là hadron (từ tiếng Hy Lạp hadros, nghĩa là “đặc”). Sự chuyển đổi từ quark thành hadron nhanh chóng dẫn đến sự xuất hiện của proton và neutron cũng như các hạt nặng khác ít quen thuộc hơn, tất thảy đều hình thành từ những tổ hợp khác nhau của các loại quark. Ở Thụy Sĩ (ta quay về Trái Đất), nhóm nghiên cứu vật lý hạt châu Âu[2] dùng một máy gia tốc lớn chiếu các tia hadron va chạm vào nhau nhằm tái hiện chính những điều kiện này. Cỗ máy lớn nhất trên thế giới này được gọi bằng cái tên rất đúng ý nghĩa là Máy gia tốc hạt lớn (Large Hadron Collider).

Sự bất đối xứng rất ít giữa vật chất-phản vật chất vốn nấu thành món lẩu quark-lepton giờ đây chuyển đối tượng qua các hadron, nhưng kèm theo nhiều hệ quả phi thường.

Khi vũ trụ tiếp tục nguội đi, lượng năng lượng sẵn có để tự động tạo ra hạt cơ bản bị sụt giảm. Trong kỉ nguyên hadron, các photon bao quanh không còn có thể cầu viện E = mc2 để chế tạo các cặp quark-phản quark. Không chỉ vậy, các photon xuất hiện từ những lần hủy lẫn nhau còn lại sẽ bị mất đi năng lượng cho một vũ trụ luôn giãn nở, giá trị tụt xuống dưới ngưỡng cần thiết để tạo ra các cặp hadron-phản hadron. Với mỗi một tỉ lần hủy nhau - để lại một tỉ photon – hạt hadron duy nhất còn sót lại. Những kẻ cô độc này rốt cuộc hưởng hết mọi trò vui: giữ vai trò làm nguồn vật chất tối hậu để tạo sinh các thiên hà, tinh tú, hành tinh, kỳ hoa dị thảo, cũng như con người.

Không có sự mất cân bằng một-tỉ-lẻ-một trên một-tỉ giữa vật chất với phản vật chất thì tất cả mọi khối lượng trong vũ trụ sẽ tự triệt tiêu, chỉ còn lại một vũ trụ làm từ photon và không còn gì khác – một kịch bản [3] sau cùng.

Đến lúc này, một giây của thời gian đã trôi qua.

Vũ trụ đã tới cỡ có chiều rộng khoảng vài năm ánh sáng, xấp xỉ khoảng cách từ Mặt Trời đến ngôi sao ở gần nhất. Ở mức một tỉ độ, nó vẫn còn rất nóng – và vẫn có khả năng nấu được electron, và những hạt này, cùng với các phản đối tác là positron, cứ thoắt sinh thoắt diệt. Nhưng ở vũ trụ luôn giãn nở, luôn nguội lại, thì số phận của chúng chỉ còn đếm từng ngày (hay đúng hơn, từng giây). Những gì đã xảy ra cho quark, cho hadron, thì cũng xảy ra cho electron: rốt cuộc chỉ có một electron trong số một tỉ là sống sót. Số khác thì triệt tiêu với positron, tay phụ tá phản vật chất của chúng, trong một biển photon.

Đúng quãng này, một electron ứng với mỗi proton “đông cứng” bắt đầu hiện hữu. Khi vũ trụ tiếp tục nguội – nhiệt độ hạ xuống dưới một trăm triệu độ - proton trộn lẫn với proton cũng như với neutron, tạo thành hạt nhân nguyên tử và ấp nở một vũ trụ trong đó 90% các hạt nhân này là hydro và 10% là heli, cùng với các lượng deuteri, triti và liti còn dấu vết.

Hai phút nay đã trôi qua kể từ lúc khởi đầu.

Trong 380.000 năm nữa, không có gì nhiều xảy đến cho món xúp hạt của chúng ta. Suốt hàng thiên niên kỷ này, nhiệt độ duy trì đủ nóng để electron tự do lang thang giữa các photon, đánh chúng văng qua văng lại khi chúng tương tác với nhau.

Nhưng sự tự do này đi đến kết thúc đột ngột khi nhiệt độ vũ trụ giảm xuống dưới ba nghìn độ Kelvin (khoảng một nửa nhiệt độ bề mặt Mặt Trời), và tất cả các electron đều kết hợp với hạt nhân tự do. Cuộc hôn phối đó để lại một bể ánh sáng khả kiến chiếu rọi khắp nơi nơi, vĩnh viễn in dấu lên bầu trời một biên bản cho biết vào thời điểm ấy tất cả vật chất đã ở đâu, và sự hoàn tất quá trình hình thành hạt và nguyên tử trong vũ trụ nguyên sơ.

Trong một tỉ năm đầu tiên, vũ trụ tiếp tục giãn nở và nguội đi trong lúc vật chất bị hút thành những điểm tập kết khổng lồ mà ta gọi là thiên hà. Gần một trăm tỉ thiên hà hình thành, mỗi thiên hà bao gồm hàng trăm tỉ ngôi sao trải qua phản ứng nhiệt hạch ở lõi. Các sao có khối lượng gấp khoảng mười lần Mặt Trời sẽ đạt đủ áp suất và nhiệt độ ở lõi để chế tạo ra hàng tá nguyên tố nặng hơn hydro, bao gồm những nguyên tố cấu thành các hành tinh và mọi dạng sống sinh sôi được trên đó.

Những nguyên tố này sẽ vô dụng một cách đáng kinh ngạc nếu chúng vẫn ở lại nơi chúng hình thành. Nhưng các sao khối lượng cao bất ngờ phát nổ, vung vãi khúc ruột giàu thành phần hóa học đi khắp thiên hà. Sau bảy hay tám tỉ năm bồi đắp như vậy, có một ngôi sao tầm thường (Mặt Trời) đã sinh ra ở một vùng tầm thường (nhánh Orion) trong một thiên hà tầm thường ( dải Ngân Hà) thuộc một phần tầm thường của vũ trụ (ngoại vi của siêu cụm thiên hà Xử Nữ).

Đám mây khí mà từ đó Mặt Trời hình thành có trữ lượng nguyên tố nặng đủ để kết hợp và sinh nở ra một danh sách phức tạp các vật thể quay theo quỹ đạo, trong đó bao gồm vài hành tinh khí hay đá, hàng nghìn tiểu hành tinh, và hàng tỉ sao chổi. Trong vài trăm triệu năm đầu tiên lượng lớn các mảnh vụn còn sót lại có quỹ đạo thất thường sẽ bồi tích vào những vật thể lớn hơn. Quá trình này xảy ra dưới dạng va chạm ở năng lượng và tốc độ cao, những va chạm này làm kết xuất bề mặt nóng chảy của các hành tinh đá, ngăn cản sự hình thành của những phân tử phức hợp.

Vật chất có khả năng bồi tích trong hệ Mặt Trời càng lúc càng ít đi, bề mặt các hành tinh bắt đầu nguội dần. Hành tinh mà ta gọi là Trái Đất được hình thành tại một kiểu khu vực Goldilocks (vùng có thể sống được) quanh Mặt Trời, nơi đây đại dương nhìn chung còn ở thể lỏng. Nếu Trái Đất gần Mặt Trời hơn, các đại dương sẽ bốc hơi mất. Nếu Trái Đất ở xa hơn, các đại dương sẽ bị đóng băng. Dù là trường hợp nào, sự sống như ta vẫn biết sẽ không tiến hóa.

Trong các đại dương thể lỏng giàu hóa chất, bằng một cơ chế chưa được khám phá, các phân tử hữu cơ chuyển đổi thành sự sống tự-tái-tạo. Chiếm ưu thế trong nồi súp nguyên sơ này là các vi khuẩn kỵ khí đơn giản - dạng sống sinh sôi ở môi trường thiếu vắng oxy nhưng lại tiết ra sản phẩm phụ là oxy, vốn có tiềm lực hóa học. Những cấu trúc đơn bào sơ khai này vô tình chuyển hóa khí quyển giàu carbon dioxide của Trái Đất thành bầu khí quyển có đủ oxy này, thường đi theo từng cặp (O2), đã kết hợp bộ ba để hình thành ozone (O3) ở khí quyển tầng cao, giữ vai trò một lá chắn bảo vệ bề mặt Trái Đất khỏi hầu hết các photon cực tím từ Mặt Trời gây hại cho phân tử.

Chúng ta có được sự sống đa dạng đáng kể trên Trái Đất, và nếu có những nơi khác trong vũ trụ, là nhờ số lượng dồi dào carbon trong vũ trụ cùng vô số các đơn và đa phân tử chứa chúng. Không nghi ngờ gì: những phân tử gốc carbon tồn tại đa dạng hơn so với tất cả các loại phân tử khác cộng lại.

Nhưng sự sống rất mong manh. Những cuộc chạm trán ngẫu nhiên giữa Trái Đất với các tiểu hành tinh và các sao chổi to lớn có quỹ đạo thất thường, vốn trước đây khá phổ biến, cứ thừa dịp tàn phá hệ sinh thái của chúng ta. Chỉ mới sáu mươi lăm triệu năm về trước (chưa bằng 2% quá khứ Trái Đất), một tiểu hành tinh mười nghìn tỉ tấn đâm sầm vào vùng ngày nay là bán đảo Yucatan và xóa sổ hơn 70% hệ động thực vật trên Trái Đất – bao gồm toàn bộ lũ khủng long ngoại cỡ nổi tiếng. Thảm họa sinh thái này cho phép loài động vật có vú tổ tiên của chúng ta lấp vào khoảng trống mới, thay vì phải an phận làm món khai vị cho bọn khủng long bạo chúa. Một chi có não lớn trong số động vật có vú này, mà ta gọi là linh trưởng, tiến hóa thành một giống và nhiều loài (Homo sapiens: người thông minh) đủ trí thông minh để sáng tạo các phương thức và công cụ khoa học – và rồi truy nguyên về nguồn gốc cùng sự tiến hóa của vũ trụ.

Nhưng điều gì xảy ra trước tất cả những chuyện này? Điều gì xảy ra trước cả khởi đầu?

Nhà vật lý thiên văn cũng không biết. Hay đúng hơn, những ý tưởng sáng tạo nhất của chúng ta có rất ít, hoặc gần như không có, cơ sở nào về khoa học thực nghiệm. Đáp lại, một số người có niềm tin tôn giáo xác quyết, cũng có chút chính đáng, rằng hẳn điều gì đó đã bắt đầu mọi thứ: một thế lực vĩ đã hơn thảy, một cội nguồn mà từ đó vạn vật phát sinh. Một năng lượng nguyên sơ khởi động tất cả. Trong tâm trí của những người này, “điều gì đó” dĩ nhiên là Thượng Đế.

Nhưng sẽ ra sao nếu vũ trụ đã luôn ở ngoài đó, trong một trạng thái hoặc điều kiện mà chúng ta chưa nhận dạng được – ví dụ là một đa vũ trụ, đã liên tục hạ sinh các vũ trụ? Hay sẽ ra sao nếu vũ trụ hốt nhiên hiện hữu từ hư không? Sẽ ra sao nếu mọi thứ thân thuộc với ta đều chỉ là bản mô phỏng bằng máy tính do giống loài ngoài hành tinh siêu thông minh nào đó dựng lên để giải khuây?

Những ý tưởng vui mang tính triết học này thường không thỏa mãn được ai. Dẫu vậy, chúng nhắc ta nhớ rằng sự thiếu hiểu biết là trạng thái trí óc tự nhiên của một nhà khoa học nghiên cứu. Những ai tin rằng họ không có gì là không biết thì chẳng hề tìm kiếm, hay vấp phải, ranh giới giữa cái biết và cái không biết trong vũ trụ.

Một điều ta biết, và là điều ta có thể khẳng định không e dè, là vũ trụ có một khởi đầu. Vũ trụ còn tiếp tục tiến hóa. Và đúng vậy, mỗi một nguyên tử trong cơ thể ta có thể được truy nguyên về vụ nổ lớn và lò luyện nhiệt hạch bên trong những ngôi sao khối lượng lớn từng phát nổ hơn năm tỉ năm về trước.

Chúng ta là bụi sao được mang vào đời, rồi được vũ trụ trao quyền năng để giải mã chính mình – và chúng ta chỉ mới bắt đầu mà thôi.

[1] Điều kiện ở đây là điều kiện vật lý, nó mô tả các điều kiện của trạng thái vật lý. (Chú thích của Ban biên tập tiếng Việt – BBT. Các chú thích không ghi gì thêm là của tác giả)

[2] Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu, được biết đến nhiều hơn qua tên viết tắt là CERN.

[3] Theo sách Sáng Thế, khi sáng tạo vũ trụ, Thiên Chúa phán rằng: “Phải có ánh sáng.” (ND)