Nếu bạn nhìn ra ngoài Vũ trụ với tất cả những công nghệ mạnh nhất mà con người hiện có, bạn sẽ không bao giờ tìm thấy biên giới của nó. Không gian tiếp tục trải dài vô hạn và chúng ta chỉ nhìn thấy những điều tương tự: vật chất và bức xạ. Nhưng có phải Vũ trụ chỉ có vậy?
Theo tất cả các hướng, chúng ta sẽ chỉ thấy cùng các dấu hiệu nhận biết về một Vũ trụ đang giãn nở: bức xạ còn sót lại từ trạng thái nóng, đậm đặc của Vụ nổ lớn; các thiên hà gia tăng về kích thước, khối lượng và số lượng; các yếu tố thay đổi khi các ngôi sao sống và chết.
Một minh họa về Đa vũ trụ với nhiều Vũ trụ độc lập trong một đại dương vũ trụ đang ngày càng mở rộng. (Ảnh: Public Domain)
Nhưng cái gì nằm ngoài vũ trụ quan sát được của chúng ta? Liệu có gì ngoài những tín hiệu ánh sáng có thể đến được với chúng ta kể từ Vụ nổ lớn không? Liệu có có nhiều vũ trụ như của chúng ta đang ở ngoài kia vượt qua giới hạn quan sát của chúng ta? Hay là có một Đa vũ trụ huyền bí trong tự nhiên và mãi mãi chúng ta không thể nhìn thấy?
Trừ khi có điều gì đó sai nghiêm trọng với sự hiểu biết của chúng ta về Vũ trụ, Đa vũ trụ phải là câu trả lời cho tất cả câu hỏi đó.
Đa vũ trụ là một ý tưởng cực kỳ gây tranh cãi, nhưng cốt lõi của nó là một khái niệm rất đơn giản. Giống như Trái đất không chiếm một vị trí đặc biệt trong Vũ trụ, cũng như Mặt trời, hệ Ngân hà hay bất kỳ thực thể nào khác, Đa vũ trụ tiến một bước xa hơn và tuyên bố rằng Vũ trụ hữu hình không có gì đặc biệt trong Đa vũ trụ.
Đa vũ trụ là ý tưởng rằng Vũ trụ của chúng ta chỉ là một phần nhỏ trong cấu trúc lớn hơn, vượt ra ngoài giới hạn quan sát của chúng ta. Toàn bộ cấu trúc đó – Vũ trụ không thể quan sát được – có thể là một phần của không thời gian lớn hơn bao gồm nhiều Vũ trụ không có kết nối khác, có thể giống hoặc không giống với Vũ trụ chúng ta sinh sống.
Nếu đây là ý tưởng của Đa vũ trụ, nhiều người sẽ hoài nghi rằng làm thế nào để có thể biết liệu chúng có tồn tại hay không tồn tại. Xét cho cùng, vật lý và thiên văn học là những ngành khoa học dựa trên việc xác nhận những thứ có thể đo lường được, thông qua thực nghiệm hoặc cách khác. Nếu chúng ta đang tìm kiếm bằng chứng về thứ gì đó tồn tại bên ngoài Vũ trụ hữu hình của chúng ta và không để lại dấu vết nào bên trong nó, có vẻ như ý tưởng về Đa vũ trụ về cơ bản là không thể kiểm chứng được.
Nhưng có quá nhiều điều mà chúng ta không thể quan sát mà chúng ta biết rằng chúng tồn tại. Nhiều thập kỷ trước khi chúng ta trực tiếp phát hiện ra sóng hấp dẫn, chúng ta đã biết rằng chúng phải tồn tại. Chúng ta đã quan sát được hệ quả của chúng. Các sao xung đôi (Binary pulsar) – các sao neutron quay xung quanh nhau – phải phát ra cái gì đó phải mang năng lượng đi, và điều đó phù hợp với dự đoán về sóng hấp dẫn.
Vậy nếu chúng ta không thể quan sát trực tiếp Đa vũ trụ, chúng ta có bằng chứng gián tiếp nào cho sự tồn tại của nó? Làm thế nào để chúng ta biết rằng có nhiều Vũ trụ không thể quan sát ngoài kia, và làm thế nào để chúng ta biết rằng Vũ trụ của chúng ta có thể chỉ là một trong nhiều tiểu Vũ trụ được nhúng trong Đa vũ trụ?
Chúng ta có thể đưa ra kết luận về bản chất của Vũ trụ dựa trên những gì quan sát được mà nó tiết lộ.
Khi chúng ta nhìn ra rìa của Vũ trụ quan sát được, chúng ta thấy rằng các tia sáng phát ra từ thời kỳ sớm nhất – từ Nền Vi sóng Vũ trụ (Cosmic Microwave Background) – tạo ra các mẫu hình đặc biệt trên bầu trời. Những mẫu hình này không chỉ tiết lộ mật độ và thăng giáng nhiệt độ thời điểm Vũ trụ sinh ra, cũng như thành phần vật chất và năng lượng của Vũ trụ, mà còn về thuộc tính hình học của chính không gian vũ trụ.
Từ đó, chúng ta có thể kết luận rằng không gian Vũ trụ không phải có độ cong dương (như hình cầu) hoặc âm (như yên ngựa), mà khá phẳng. Điều này cho thấy Vũ trụ không quan sát được có thể vượt xa phần chúng ta có thể tiếp cận. Cho dù nếu Vũ trụ cong, nó vẫn có đường kính lớn hơn hàng trăm lần so với phần chúng ta có thể thấy.
Một mô tả của vũ trụ quan sát được. Lưu ý rằng chúng ta bị giới hạn trong khoảng thời gian kể từ Vụ nổ lớn: 13,8 tỷ năm, hoặc (bao gồm cả sự mở rộng của Vũ trụ) 46 tỷ năm ánh sáng. (Ảnh: Wikipedia)
Chìa khóa để giải thích về Đa vũ trụ: Lạm phát vũ trụ và vật lý lượng tử
Tính chất hình học có thể chỉ ra rằng có nhiều Vũ trụ không thể quan sát được ngoài Vũ trụ quan sát được của chúng ta, nhưng nó không chứng minh được điều đó và nó không cung cấp bằng chứng về Đa vũ trụ. Tuy nhiên, có hai khái niệm trong vật lý có thể giúp ta giải quyết những nghi ngờ: lạm phát vũ trụ và vật lý lượng tử.
Vũ trụ lạm phát là lý thuyết về thời kỳ sau Vụ nổ lớn. Thay vì bắt đầu bằng một điểm kỳ dị, có một giới hạn vật lý về nhiệt độ và độ đậm đặc tại giai đoạn ban đầu khi Vũ trụ đang giãn nở. Nếu chúng ta đã đạt được nhiệt độ cao tùy ý trong thời điểm ban đầu, sẽ có những dấu hiệu không có ở đó:
Thăng giáng nhiệt độ biên độ lớn,
Thăng giáng mật độ hạt giới hạn bởi quy mô của chân trời vũ trụ,
Các dấu vết năng lượng cao từ thời kỳ đầu còn sót lại, ví dụ như các đơn cực từ.
Những dấu hiệu này đều bị thiếu. Các thăng giáng nhiệt độ chỉ ở mức 0,003%; thăng giáng mật độ hạt thì vượt quá quy mô của chân trời vũ trụ; các giới hạn về đơn cực và các dấu vết khác là vô cùng nghiêm ngặt. Như vậy, Vũ trụ không bao giờ đạt đến nhiệt độ cao tùy ý. Một cái gì đó khác đã đến trước Vụ nổ lớn để thiết lập nó.
Đây chính là lúc lý thuyết vũ trụ lạm phát xuất hiện. Được xây dựng vào đầu những năm 1980, vũ trụ lạm phát được thiết kế để giải quyết một số câu đố với Vụ nổ lớn và đưa ra những dự đoán có thể kiểm chứng được về những dấu hiệu sẽ xuất hiện trong vũ trụ của chúng ta.
Chúng ta có thể không biết mọi thứ về lạm phát, nhưng chúng ta có một bộ bằng chứng rất mạnh hỗ trợ về sự xuất hiện của giai đoạn này trong Vũ trụ sơ khai. Nó đã thiết lập và tạo ra Vụ nổ lớn, và dự đoán một tập hợp và phổ thăng giáng đã tạo ra các hạt cấu trúc phát triển trong mạng lưới vũ trụ mà chúng ta quan sát thấy ngày nay. Chỉ có vũ trụ lạm phát, theo như chúng ta biết, cho chúng ta dự đoán về Vũ trụ của chúng ta phù hợp với những gì chúng ta quan sát.
Nhưng ngay cả khi điều này ổn, điều này chỉ cho chúng ta biết rằng Vũ trụ không thể quan sát được của chúng ta kéo dài đến tận ra bên ngoài phần có thể nhìn thấy. Bạn chưa thiết lập Đa vũ trụ.
Nhưng hãy nhớ rằng, có thêm một thành phần chúng ta cần thêm vào: vật lý lượng tử.
Lạm phát được coi là một trường, tuân theo các quy tắc của lý thuyết trường lượng tử. Trong vũ trụ lượng tử, có nhiều quy tắc phản trực giác được tuân theo, nhưng quy tắc phù hợp nhất cho mục đích của chúng ta là bất định lượng tử.
Mặc dù chúng ta thường coi sự bất định xảy ra giữa hai biến – động lượng và vị trí, năng lượng và thời gian, động lượng góc của các hướng vuông góc lẫn nhau,… – cũng có một sự bất định cố hữu trong giá trị của trường lượng tử. Khi thời gian trôi về phía trước, một giá trị trường xác định vào thời điểm trước đó giờ đây có giá trị ít chắc chắn hơn; bạn chỉ có thể gán xác suất cho nó.
Bây giờ, hãy kết hợp những điều này: một mặt, chúng ta có một Vũ trụ lạm phát và mặt khác là vật lý lượng tử. Chúng ta có thể hình dung lạm phát khi một quả bóng lăn rất chậm trên đỉnh một ngọn đồi bằng phẳng. Chừng nào bóng còn trên đỉnh đồi, lạm phát vẫn tiếp tục. Tuy nhiên, khi quả bóng đến cuối phần phẳng, nó lăn xuống thung lũng bên dưới, đây chính là lúc chuyển đổi từ trường lạm phát thành vật chất và năng lượng.
Chuyển đổi này biểu thị sự kết thúc của lạm phát vũ trụ thông qua một quá trình được gọi là hâm nóng và phát sinh Vụ nổ lớn. Nhưng có một điều đặc biệt ở đây: khi Vũ trụ lạm phát, giá trị của trường thay đổi chậm. Ở các khu vực lạm phát khác nhau, giá trị trường khai triển theo số lượng ngẫu nhiên khác nhau và theo các hướng khác nhau. Ở một số vùng, lạm phát kết thúc nhanh chóng; ở những vùng khác, nó kết thúc chậm hơn.
Đây chính là điểm mấu chốt cho chúng ta biết tại sao Đa vũ trụ là không thể tránh khỏi! Khi lạm phát kết thúc ngay lập tức, chúng ta có được một Vụ nổ lớn và một Vũ trụ, có thể giống với Vũ trụ quan sát được của chính chúng ta. Nhưng có những khu vực khác nằm bên ngoài Vũ trụ quan sát nơi lạm phát tiếp tục lâu hơn.
Bức tranh này, về một đại Vũ trụ, lớn hơn nhiều so với phần ít ỏi mà chúng ta có thể quan sát được, liên tục được tạo ra trên không gian lạm phát theo cấp số nhân này, là những gì mà Đa vũ trụ hướng tới. Đó không phải là một dự đoán khoa học mới, có thể kiểm chứng, mà là một hệ quả lý thuyết không thể tránh khỏi dựa trên các định luật vật lý đã biết. Liệu các định luật vật lý có giống với của chúng ta trong các Vũ trụ khác hay không vẫn chưa được biết.
Nếu bạn có một Vũ trụ lạm phát chi phối bởi vật lý lượng tử, thì Đa vũ trụ là không thể tránh khỏi.
Nguồn: NTDVN – Theo Forbes