Thuyết Big Bang bị chao đảo bởi câu hỏi "vũ trụ đến từ đâu?"

Hình ảnh được chụp bởi kính viễn vọng không gian James Webb cho thấy các thiên hà hình thành sớm trong lịch sử vũ trụ và chúng đã gợi mở nhiều điều. Hình ảnh về các thiên hà hình thành trong một vũ trụ sơ sinh đã gây sốc cho nhiều nhà vũ trụ học vì chúng thách thức các lý thuyết đã được thiết lập về sự hình thành thiên hà và lịch sử vũ trụ.

Thật không may, một số kênh truyền thông đã vội đưa những hình ảnh này ra khỏi ngữ cảnh cụ thể, suy diễn rằng chúng phủ nhận thuyết Big Bang. Điều này không đúng sự thật, nhưng sự tranh cãi huyên náo lại cho chúng ta cơ hội tốt để giải thích thuyết Big Bang (vụ nổ lớn) thực sự là về cái gì. Có rất nhiều bất ngờ.

Chúng ta thường được nghe rằng Big Bang là một thuyết về sự khởi tạo của vũ trụ - rằng nó cho chúng ta biết vũ trụ được tạo ra từ hư vô như thế nào và tiếp tục phát triển thành tất cả các thiên hà, ngôi sao và hành tinh. Vấn đề rắc rối là chỉ có phần thứ 2 của nó là đúng, tức là Big Bang chỉ là một lý thuyết về sự tiến hóa của vũ trụ. Nhưng mô hình chuẩn vũ trụ lạm phát trong vũ trụ học không nói gì về nguồn gốc vũ trụ. Sự ra đời của không gian, thời gian, vật chất và năng lượng đơn giản là không có. Lần lại một chút lịch sử sẽ giúp chúng ta hiểu tại sao.

Nhen nhóm ý tưởng đầu tiên của thuyết Big Bang bắt nguồn từ Georges Lemaitre, một linh mục Công giáo và nhà vật lý sống khép mình. Lemaitre đã trở nên nổi tiếng bằng cách chỉ ra rằng thuyết tương đối rộng của Albert Einstein có thể dễ dàng giải thích cho phát hiện nổi tiếng của Edwin Hubble rằng vũ trụ đang giãn nở. Từ việc vạch được lỗi trong ngành vũ trụ học (hồi đó có rất ít nhà khoa học làm việc trong lĩnh vực này), Lemaitre đã đi xa hơn, đề xuất một ý tưởng mà ông gọi là nguyên tử nguyên sinh.

Ngay cả khi đó, Lemaitre đã hiểu ra một vấn đề vẫn còn ám ảnh các nhà triết học về nguồn gốc của vũ trụ. Đó là một vấn đề được gọi là Nghịch lý thứ nhất của Kant. Hai thế kỷ trước thời Lemaitre, nhà triết học Immanuel Kant đã đặt câu hỏi làm thế nào vũ trụ có thể được giải thích thông qua một nguyên nhân tất định khi nó phải là thứ bao trùm mọi nguyên nhân. Vì vũ trụ bao gồm tất cả mọi thứ, tất cả các nguyên nhân, thì liệu cái gì có thể tồn tại bên ngoài nó để khiến vũ trụ chuyển động?

Lemaitre giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng khoa học mới về cơ học lượng tử. Theo mô tả của ông, mọi vật chất và năng lượng ban đầu đều ở dạng một nguyên tử vũ trụ khổng lồ. Lemaitre biết rằng cơ học lượng tử đã chỉ ra rằng các nguyên tử phóng xạ có thể phân rã bất cứ lúc nào mà không có nguyên nhân thực sự (các nguyên tử lớn như vậy phân rã theo thời gian nghiêm ngặt, có thể đo lường được bằng thống kê). Vì vậy, Lemaitre lập luận, nguyên tử nguyên thủy đã vượt qua vấn đề về Nghịch lý thứ nhất của Kant bằng cách phân rã một cách tự nhiên. Các sản phẩm của sự phân rã đó sau đó lại phân rã thành các sản phẩm phân rã tiếp theo cũng phân rã theo, cuối cùng thành ra tất cả các hạt mà chúng ta thấy ngày nay.

Tất nhiên, bây giờ đây không phải là cách mà ta giải thích về vũ trụ. Nhưng Lemaitre đã biết rằng công thức của ông không thực sự giải quyết được Nghịch lý thứ nhất, bởi vì nó không giải thích được nguyên tử nguyên thủy đến từ đâu.

Như Lemaitre sẽ tranh luận với những người chỉ trích ý tưởng của mình, ông không nói vũ trụ hình thành như thế nào. Theo quan điểm của ông, nguyên tử nguyên thủy có thể tồn tại mãi mãi và không bao giờ bị phân rã. Thay vào đó, ông đã tìm cách đưa ra lời giải thích về cách vũ trụ bắt đầu quá trình tiến hóa của nó để có trạng thái hiện tại. Sự không chắc chắn được xây dựng trong chính nền tảng của cơ học lượng tử và điều đó cho phép Lemaitre đưa ra đề xuất mà không cần chỉ định nguyên nhân cho sự tiến hóa của vũ trụ. Tuy nhiên, ông cũng không thể giải thích những thứ đang phát triển đến từ đâu.

Ngày nay, không nhà vũ trụ học nào nói về các nguyên tử nguyên thủy. Thay vào đó, họ nói về các trường lượng tử khác nhau tràn ngập vũ trụ sơ khai. Nhưng điểm cơ bản về tiến hóa và sáng tạo là như nhau. Thuyết Big Bang không mô tả sự sáng tạo của vũ trụ. Nó mô tả những gì xảy ra sau khi xảy ra vụ “nổ lớn”. Thuyết này đã thành công ngoạn mục trong phần mô tả đó khi đưa ra lộ trình chi tiết về cách một vũ trụ siêu mật độ, nhiệt độ siêu cao mở rộng và nguội dần rồi để lại cho chúng ta mọi thứ chúng ta thấy ngày nay.

Bản thân thuyết Big Bang không bao giờ cho chúng ta biết tất cả bắt nguồn từ đâu. Nếu bạn muốn biết vũ trụ thực sự được tạo ra như thế nào, bạn cần một thứ khác, một thứ khác nữa. Có thể bạn muốn nói rằng vũ trụ là vĩnh hằng và chúng ta chỉ là một lượt của vũ trụ tuần hoàn. Có thể bạn muốn nghĩ ra một cơ chế mới kỳ lạ nào đó có thể tạo ra thứ gì đó từ con số không (hãy cẩn thận với điều này, mọi người đã vấp phải tình huống đó rất nhiều). Nhưng bất kể cơ chế nào bạn hình dung ra, nó cũng sẽ chỉ là một phần bổ sung cho thuyết Big Bang mà chúng ta có hiện nay, bởi vì thuyết đó im lặng trước câu hỏi về sự sáng tạo.

Theo thuyết này, Big Bang xảy ra cách đây khoảng 13,8 tỉ năm trước, do đó được xem là tuổi của vũ trụ (các đo lường hiện tại về độ tuổi của vũ trụ là 13,787 ± 0,020 tỉ năm trong mô hình tính vào năm 2018). Sau giai đoạn này, vũ trụ ở vào trạng thái cực nóng và đặc rồi bắt đầu giãn nở nhanh chóng. Sau giai đoạn lạm phát, vũ trụ đủ "lạnh" để hình thành nhiều hạt hạ nguyên tử, bao gồm proton, neutron, và electron. Tuy những hạt nhân nguyên tử đơn giản có thể hình thành nhanh chóng sau Big Bang, phải mất hàng nghìn năm sau các nguyên tử trung hòa điện mới xuất hiện. Nguyên tố đầu tiên sinh ra là hydro, cùng với lượng nhỏ heli và lithi. Những đám mây khổng lồ chứa các nguyên tố nguyên thủy sau đó hội tụ lại bởi hấp dẫn để hình thành nên các ngôi sao và các thiên hà rồi siêu đám thiên hà, và nguyên tố nặng hơn hoặc được tổng hợp trong lòng ngôi sao hoặc sinh ra từ các vụ nổ siêu tân tinh.

Thuyết Big Bang là một lý thuyết khoa học đã được kiểm chứng và được cộng đồng khoa học chấp nhận rộng rãi. Nó đưa ra cách giải thích hoàn thiện về nhiều loại hiện tượng quan sát thấy trong vũ trụ, bao gồm sự có mặt của những nguyên tố nhẹ, bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), cấu trúc vĩ mô của vũ trụ và định luật Hubble (hay định luật Hubble-Lemaitre) đối với siêu tân tinh loại Ia. Những ý tưởng chính trong Big Bang - sự giãn nở của vũ trụ, trạng thái cực nóng lúc sơ khai, sự hình thành của heli và sự hình thành các thiên hà - được suy luận ra từ những quan sát này và những quan sát khác độc lập với mọi mô hình vũ trụ học. Các nhà vật lý biết rằng khoảng cách giữa các đám thiên hà đang tăng lên, và họ lập luận rằng mọi thứ đã phải ở gần nhau hơn khi trở về quá khứ.

Ý tưởng này đã được xem xét một cách chi tiết khi quay ngược trở lại thời gian đến thời điểm vật chất có mật độ và nhiệt độ cực cao và những máy gia tốc hạt lớn đã được xây dựng nhằm thực hiện các thí nghiệm gần giống với thời điểm sơ khai, mang lại kết quả thúc đẩy phát triển cho mô hình. Mặt khác, những máy gia tốc chỉ có mức năng lượng bắn phá hạt giới hạn để có thể nghiên cứu miền năng lượng cao của các hạt cơ bản. Có rất ít manh mối về thời điểm sớm nhất sau sự giãn nở. Do đó, lý thuyết Big Bang không thể và không cung cấp bất kỳ cách giải thích hay miêu tả nào về điểm khởi nguyên này; thay vào đó nó miêu tả và giải thích sự tiến hóa chung của vũ trụ sau thời điểm lạm phát.