Sau vụ nổ lớn, lịch trình chính của vũ trụ là giãn nở, cứ mãi làm loãng độ tập trung của năng lượng đang lấp đầy không gian. Mỗi thời khắc trôi qua, vũ trụ lớn thêm một chút, nguội đi một chút và mờ đi một ít. Trong lúc ấy, vật chất và năng lượng chung sống trong một dạng xúp mờ đục, ở đấy các electron chạy rông không giới hạn liên tục là photon tán xạ tứ tung.

Trong suốt 380.000 năm mọi thứ diễn ra như thế.

Ở kỷ nguyên sơ khai ấy, photon chưa di chuyển bao xa đã chạm tráng electron. Thuở ấy, nếu nhiệm vụ của bạn là phải nhìn xuyên vũ trụ, bạn sẽ thất bại. mọi photon bạn trông thấy đều phải phóng đi từ một electron ngay trước mũi bạn mới chỉ vài [1] trước đấy thôi. Vì đấy là khoảng cách xa nhất mà thông tin có thể truyền đi trước khi đến mắt bạn, cả vũ trụ chỉ thuần một màn sương mờ đục tỏa sáng theo mọi hướng bạn nhìn. Mặt Trời cũng hành xử tương tự vậy.

Bạn có thể đoán được, nhiệt độ giảm thì hạt chuyển động càng lúc càng chậm. Thế nên đúng vào lúc ấy, khi nhiệt độ vũ trụ lần đầu hạ xuống dưới mức 3.000 độ Kelvin nóng bỏng, electron chậm lại vừa đủ để bị proton đi qua bắt lấy, từ đấy sinh ra cho thế giới những nguyên tử đủ lông đủ cánh, cho phép các photon bị quấy rối trước đó được tự do, di chuyển trên lộ trình không bị gián đoạn dọc ngang vũ trụ.

“Phông nền vũ trụ” này là hiện thân của chút tàn dư ánh sáng từ một vũ trụ sơ khai sôi sục, chói lóa, và ta có thể quy nó về một nhiệt độ, tùy theo các photon trội đại diện cho thang quang phổ nào. Khi vũ trụ tiếp tục nguội, những photon đã sinh ra trong thang quang phổ khả kiến (có thể nhìn thấy bằng mắt thường) bị mất đi năng lượng vào tay một vũ trụ giãn nở và rốt cuộc trượt xuống trên quang phổ, biến hóa thành photon hồng ngoại. Mặc dù photon ánh sáng khả kiến cứ yếu dần yếu dần, chúng vẫn không ngừng là photon.

Tiếp theo trên quang phổ là gì? Ngày nay, vũ trụ đã giãn nở với hệ số 1.000 kể từ khi photon được thả tự do, và vì thế nền vũ trụ, đến lượt nó, cũng nguội lại với hệ số 1.000. Tất cả mọi photon ánh sáng khả kiến từ kỷ nguyên ấy chỉ còn 1/1.000 sức mạnh. Giờ đây chúng là vi sóng, mà dự vào đấy ta rút ra thuật ngữ hiện đại “nền vi sóng vũ trụ” (cosmic microwave background), gọi tắt là CMB. Cứ đà này thẳng tiến thì 50 tỉ năm nữa các nhà vật lý thiên văn rồi sẽ viết về bức xạ nền sóng vô tuyến vũ trụ (cosmic radiowave background).

Khi có thứ gì đó sáng lên vì bị nung nóng, nó sẽ phát ánh sáng đủ mọi thang của quang phổ, nhưng sẽ luôn đạt đỉnh điểm ở đâu đó. Với loại đèn gia dụng thắp sáng bằng dây tóc kim loại, mọi bóng đèn đạt đỉnh ở đoạn hồng ngoại, cũng là tác nhân lớn nhất gây ra hiệu suất thấp khi dùng nó làm nguồn sáng khả kiến. Giác quan của chúng ta phát hiện tia hồng ngoại chỉ qua cảm giác âm ấm trên da. Cuộc cách mạng đèn LED trong công nghệ chiếu sáng tân tiến đã tạo ra ánh sáng khả kiến thuần khiết mà không hao phí điện năng trên những thang bất khả kiến của quang phổ. Nhờ vậy bạn mới bắt gặp mấy câu quảng cáo trên bao bì đại loại: “Đèn LED 7 Watt thay cho đèn sợi đốt 60 Watt.”

Là tàn dư của thứ đã từng một thời sáng rực rỡ, CMB có một “lý lịch” đúng như ta dự đoán là kiểu vật thể phát bức xạ nhưng đang nguội dần: nó đạt đỉnh ở một thang quang phổ nhưng cũng bức xạ ở những thang khác trên quang phổ. Trong tường hợp này, ngoài việc đạt đỉnh ở phần vi sóng, CMB còn phát ra sóng vô tuyến và một số cực ít ỏi photon năng lượng cao.

Vào giữa thế kỷ 19, phân khoa vũ trụ học (cosmology – đừng nhầm với cosmetology là thẩm mỹ học) chẳng có bao nhiêu dữ liệu. Mà khi dữ liệu đã khan hiếm, thì những ý tưởng thông minh, mộng mơ, xung khắc lại tràn đầy. Sự tồn tại của CMB được dự đoán bởi nhà vật lý học người Mỹ gốc Nga George Gamov và đồng nghiệp vào những năm 1940. Nền tảng cho các ý tưởng này đến từ công trình năm 1927 của nhà vật lý học kiêm linh mục người Bỉ George Lemaître, người thường được công nhận là “cha đẻ” của vũ trụ học vụ nổ lớn. Nhưng chính các nhà vật lý học người Mỹ như Ralph Alpher và Robert Herman, vào năm 1948, mới áng chừng xem nhiệt độ của nền vũ trụ là bao nhiêu. Tính toán của họ căn cứ vào ba trụ cột: 1) thuyết tương đối tổng quát của Einstein năm 1916; 2) phát hiện của Edwin Hubble năm 1929 rằng vũ trụ đang giãn nở; và 3) ngành vật lý nguyên tử đang được phát triển trong phòng thí nghiệm trước và trong Dự án Manhattan, cũng là dự án đã chế tạo bom nguyên tử cho Chiến tranh thế giới thứ hai.

Mặc dù Gamov là người gợi ý rằng vũ trụ từng có một thời nóng hơn, và người ta có thể biết tình trạng vật lý của vũ trụ sơ khai, thì chính Herman và Alpher mới là những người đề xuất nhiệt độ 5 độ Kelvin. À, dự đoán đó đơn giản là sai. Nhiệt độ được đo chính xác của các vi sóng này là 2,725 độ, đôi khi được viết gọn là 2,7 độ, và nếu lười viết số, sẽ chẳng ai trách nếu bạn làm tròn nhiệt độ vũ trụ thành 3 độ.

Hãy dừng lại một chút ở đây. Herman và Alpher dùng kiến thức vật lý nguyên tử vừa mới thu thập được từ phòng thí nghiệm thời bấy giờ để áp dụng vào các điều kiện giả định trong vũ trụ sơ khai. Từ đó, họ suy đoán xuôi thêm hàng tỉ năm về sau, tính toán nhiệt độ hợp lý của vũ trụ hiện tại. Việc dự đoán ấy ngay cả khi được tính xấp xỉ khá xa đáp án thực tế vẫn là thắng lợi đáng kinh ngạc cho tri kiến của loài người. Họ có thể sai lệch đến hàng chục, hàng trăm lần, hay dự đoán thứ gì đó chẳng hề hiện diện ở đấy. Nhận xét về kỳ tích này, nhà vật lý thiên văn người Mỹ J. Richard Gott cho biết, “Dự đoán bức xạ nền tồn tại rồi tính nhiệt độ đúng đến hệ số 2, cũng giống như dự đoán một đĩa bay bề ngang [2] sẽ đáp xuống bãi cỏ trong Nhà Trắng, thế mà thay vào đó, một đĩa bay 27 feet lại thực sự xuất hiện.”

Quan sát trực tiếp CMB lần đầu tiên được tình cờ thực hiện vào năm 1964 bởi 2 nhà vật lý người Mỹ, Arno Penzias và Robert Wilson, ở Phòng thí nghiệm Điện thoại Bell (Bell Telephone Laboratories), một chi nhánh nghiên cứu của AT&T. Vào những năm 1960, mọi người đều biết về vi sóng, nhưng hầu như không ai sở hữu đủ công nghệ để dò tìm chúng. Phòng thí nghiệm Bell, đơn vị tiên phong trong ngành thông tin liên lạc, đã phát triển một ăng-ten cực mạnh có dạng kèn đồng thợ săn riêng cho mục đích này.

Nếu định phát hay nhận tín hiệu, bạn sẽ không muốn bị quá nhiều nguồn tín hiệu khác gây nhiễu. Penzias và Wilson mong muốn đo được độ nhiễu vi sóng nền mà máy của họ thu nhận, hòng cho phép liên lạc rõ ràng, không tạp âm trong băng tần của phổ tần số này. Họ không phải nhà vũ trụ học. Họ là phù thủy công nghệ đang cải tiến một đầu thu vi sóng, không hề biết đến tiên đoán của Gamov, Herman và Alpher.

Thứ mà Penzias và Wilson dứt khoát không tìm kiếm là bức xạ nền vi sóng vũ trụ; họ chỉ cố mở một kênh viễn thông mới cho AT&T.

Penzias và Wilson thực hiện thí nghiệm của mình rồi loại khỏi dữ liệu những nguồn nhiễu sóng mà họ xác định được và biết là đến từ mặt đất hoặc trong vũ trụ, nhưng có một phần tín hiệu không chịu biến mất, mà họ thì chẳng tìm ra được cách khử nó. Cuối cùng họ nhìn vào bên trong lòng chảo ăng-ten thì thấy lũ bồ câu làm tổ ở đấy. Thế nên họ lo rằng một chất điện môi trắng (phân bồ câu) có thể là nguyên do của tín hiệu, vì họ cứ dò trúng tín hiệu này bất kể có chĩa thiết bị dò về hướng nào. Cả hai đành lau sạch chất điện môi ấy thì tiếng nhiễu sóng giảm được chút ít, song vẫn còn tín hiệu sót lại. Bài báo họ công bố năm 1965 trên Astrophysical Journal (Tập san Vật lý thiên văn) toàn bộ viết về “nhiệt độ ăng-ten phụ trội”[3] không thể lý giải này.

Trong lúc đó, một nhóm các nhà vật lý ở Princeton, dẫn đầu là Robert Dicke, đang thiết kế thiết bị dò chuyên dụng để tìm kiếm CMB. Nhưng họ không có được tài nguyên như Phòng thí nghiệm Bell, nên tiến độ công trình hơi chậm hơn. Thời khắc Dicke cùng đồng nghiệp nghe nói đến kết quả của Penzias và Wilson, đội Princeton biết chính xác nhiệt độ ăng-ten phụ trội vừa quan trắc được là gì. Tất cả đều trùng khớp: nhất là nhiệt độ, và việc tín hiệu đến từ mọi hướng trên bầu trời.

Năm 1978, Penzias và Wilson đoạt giải Nobel nhờ phát hiện của họ. Đến năm 2006, hai nhà vật lý thiên văn Jonh C. Mather và George F. Smoot cũng chia nhau giải Nobel nhờ quan trắc CMB trên một phổ dải rộng, đưa vũ trụ học từ một ao làng non nớt chứa các ý tưởng sáng giá mà thiếu kiểm chứng trở thành địa hạt của khoa học thực nghiệm, chính xác.

Vì ánh sáng cần thời gian để đi từ những vùng xa xôi trong vũ trụ đến chúng ta, nên nếu nhìn vào không gia sâu thẳm, ta thật sự có thể thấy được hàng tỉ năm về trước. Do đó nếu những dân cư có trí tuệ ở thiên hà xa tít tắp muốn đo nhiệt độ của bức xạ nền vũ trụ vào thời điểm mắt ta nhìn thấy, họ sẽ có được nhiệt độ cao hơn mức 2,7 độ, bởi họ đang sống ở một vũ trụ trẻ hơn, nhỏ hơn và nóng hơn chúng ta.

Hóa ra bạn có thể thực sự kiểm nghiệm giả thuyết này. Phân tử xyanogen CN (có một thời là thành phần hoạt tính trong chất khí mà đao phủ sử dụng đối với tội phạm sát nhân chịu án tử) bị kích thích khi tiếp xúc với vi sóng. Nếu có vi sóng ấm hơn vi sóng ở trong CMB của chúng ta, chúng sẽ kích thích phân tử nhiều hơn một chút. Trong mô hình vụ nổ lớn, xyanogen ở các thiên hà xa và trẻ hơn ngập trong một nền vũ trụ ấm áp hơn xyanogen ở dải Ngân Hà của chúng ta. Và đó chính xác là điều ta quan sát được.

Bạn không thể bịa ra chuyện này.

Tại sao điều kể trên lại có chút thú vị? Vũ trụ đã mờ đục đến tận 380.000 năm sau vụ nổ lớn, nên bạn không thể chứng kiến cảnh vật chất thành hình, dẫu bạn có ngồi hàng ghế sát sân khấu đi nữa. bạn không thể nhìn thấy nơi mà các cụm thiên hà và khoảng không gian trống đang hình thành. Trước khi bất kì ai có thể nhìn thấy thứ gì đáng thấy, photon phải di chuyển xuyên vũ trụ mà không gặp trở ngại, trong vai trò người vận tải thông tin.

Điểm mà mỗi photon bắt đầu chuyến du hành xuyên vũ trụ chính là vị trí nó đã va đập vào electron cuối cùng đứng cản đường – gọi là “điểm gây tán xạ cuối cùng”. Khi càng nhiều photon thoát ra mà không va đập, chúng tạo thành “bề mặt” tán xạ cuối, luôn giãn nở và sâu khoảng độ 120.000 năm. Bề mặt đó là nơi tất cả nguyên tử trong vũ trụ được sinh ra: một electron nhập vào một hạt nhân nguyên tử, và một xung năng lượng nhỏ dưới dạng photon vút bay về miền thẳm xa màu đỏ hoang vu.

Đến lúc này một số vùng trong vũ trụ đã bắt đầu hợp nhất bởi sức hút hấp dẫn giữa các phần của chúng. Photon nào tán xạ lần cuối khỏi electron trong những vùng này đạt một diện mạo khác, hơi nguội hơn số photon tán xạ khỏi các electron ít va chạm thuộc những vùng vô định. Nơi vật chất tích tụ, cường độ hấp dẫn tăng lên, cho phép càng lúc càng nhiều vật chất tụ họp. Những vùng này gieo mầm cho sự hình thành siêu cụm thiên hà trong lúc để lại những vùng khác khá trống rỗng.

Khi vẽ ra bản đồ chi tiết cho nền vi sóng vũ trụ, bạn sẽ nhận thấy rằng nó không hoàn toàn trơn nhẵn. Nó vẫn có những điểm hơi nóng hơn và hơi nguội hơn mức trung bình. Rồi bằng cách nghiên cứu biến thiên nhiệt độ này trong CMB – tức là, bằng cách nghiên cứu cấu trúc bề mặt của lần tán xạ cuối – ta có thể suy ra cấu trúc và nội tình vật chất vào thời vũ trụ sơ khai. Ngày nay ta biết vật chất trải khắp không gian như thế nào bởi ta thấy được các thiên hà, cụm và siêu cụm thiên hà lân cận. Để xác định bằng cách nào các hệ này nảy sinh, ta dùng thiết bị dò tín hiệu loại tốt nhất, chính là CMB – một nang thời gian (time capsule) hữu hiệu cho phép nhà vật lý thiên văn tái dựng lịch sử vũ trụ theo chiều ngược lại. Việc nghiên cứu mẫu hình của nó cũng giống như thực hành một dạng não tướng học của vũ trụ, ta sẽ phân tích khối sọ của một vũ trụ sơ sinh.

Khi bị giới hạn bởi những quan sát khác về vũ trụ xa xăm và vũ trụ hiện tại, CMB cho phép bạn giải mã mọi kiểu thuộc tính cơ bản của vũ trụ. So sánh sự phân bổ kích cỡ và nhiệt độ giữa những mảng ấm và nguội thì bạn có thể suy ra lực hấp dẫn mạnh đến nhường nào vào thời điểm ấy và vật chất tích tụ nhanh chóng ra sao, qua đó cho phép bạn suy luận có bao nhiêu vật chất thường, vật chất tối và năng lượng tối trong vũ trụ. Từ đây, chẳng khó khăn gì để nói liệu vũ trụ có giãn nở mãi mãi hay không.

Thứ vật chất thông thường chính là những gì tạo nên tất cả chúng ta. Nó có lực hấp dẫn và tương tác với ánh sáng. Vật chất tối là chất bí ẩn tuy có lực hấp dẫn nhưng không tương tác với ánh sáng theo bất kì cách nào mà ta biết. Năng lượng tối là một áp suất huyền bí trong chân không của vũ trụ và hoạt động theo hướng đối nghịch với lực hấp dẫn, buộc vũ trụ giãn nở nhanh hơn tốc độ đáng lẽ của nó.

Kết quả kiểm tra não tướng cho thấy rằng chúng ta hiểu cách vũ trụ vận hành, nhưng vũ trụ đa phần được làm nên từ những thứ ta mù tịt. Bất kể những mảng mà ta thiếu sự hiểu biết sâu sắc, ngày nay, lần đầu tiên, ngành vũ trụ học đã có một điểm neo đậu, bởi lẽ CMB hé mở cánh cổng cho tất cả chúng ta bước vào: bề mặt tán xạ cuối. Đó là điểm mà vật lý kỳ thú xảy ra, và là nơi ta tìm hiểu về vũ trụ trước và sau khi ánh sáng của nó được thả tự do.

Phát hiện giản đơn về nền vi sóng vũ trụ biến vũ trụ học thành một thứ còn hơn cả chuyện thần thoại. Nhưng chính bản vẽ chi tiết, chính xác của nền vi sóng vũ trụ mới là thứ chuyển hóa vũ trụ học thành bộ môn khoa học hiện đại. Những nhà vũ trụ học có cái tôi rất lớn. Làm sao lại không, một khi nghề nghiệp của bạn là suy luận ra điều gì dẫn đến sự tồn tại của vũ trụ? Khi chưa có dữ liệu, những lý giải của họ chỉ là giả thuyết. Ngày nay, mỗi quan trắc mới, mỗi mẩu dữ liệu, lại tạo nên một thanh gươm hai lưỡi: nó cho phép vũ trụ học lớn mạnh, có được nền tảng như rất nhiều ngành khoa học còn lại, nhưng nó cũng hạn chế các lý thuyết mà người ta đã nghĩ đến khi chưa có đủ cứ liệu để phán xét đúng sai.

Không ngành khoa học nào có thể đạt đến độ hoàn bị mà thiếu điều này.

[1] Một nano giây bằng một phần tỉ giây (10-9 giây). Một pico giây bằng một phần nghìn tỉ giây (10-12 giây).

[2] 50 feet tương đương khoảng 15m. (ND)

[3] A. A. Penzias và R. W. Wilson, “A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s” (Đo lường nhiệt độ ăng-ten phụ trội ở 4080 Mc/s). Astrophysical Journal 142 (1965): 419-21