ĐI TÌM SỰ SỐNG TRONG ĐA VŨ TRỤ

 

cc

 

 

   Đi tìm sự sống

   trong đa vũ trụ

                                                       Alejandro Jenkins & Gilad Perez

                                                    (Scientific American, tháng 1 / 2010)

 

 

Có thể có nhiều vũ trụ khác với vũ trụ của chúng ta (trong Phật học cũng có khái niệm này [1]).  Mỗi vũ trụ có những định luật vật lý riêng, những hằng số vật lý riêng, bài báo này nghiên cứu một số kịch bản ( những hệ định luật và những tập hằng số vật lý) thích hợp cho sự tồn tại những dạng khác nhau của sự sống.

 

Các quan niệm về đa vũ trụ

 

Từ năm 1980 các nhà vũ trụ học đã đưa ra giả thuyết tồn tại đa vũ trụ (multiverse) hay nhiều vũ trụ song song ( parallel universe). Các vũ trụ đó cũng đã hình thành như vũ trụ của chúng ta từ chân không nguyên thủy. Nhiều nhà vật lý quan niệm đa vũ trụ trong dạng những bong bóng ( hình 1), trong đó có những vũ trụ thích hợp cho sự sống và cũng có những vũ trụ không dung nạp sự sống.

 

 

            

  

             Hình 1. Các vũ trụ khác nhau trong dạng những bong bóng.  

  

Nhiều nhà vật lý khác quan niệm đa vũ trụ như ở hình 2. Đa vũ trụ hoặc chứa nhiều bọt như bọt Hubble [2] của vũ trụ chúng ta , hoặc nhiều màng (brane) như trong LTD (Lý thuyết Dây-String Theory), hoặc nhiểu thế giới như trong cơ học lượng tử.

 

 

 

  

 Hình 2.  Một quan niệm khác về đa vũ trụ (từ trái sang phải):

1 .Trong đa vũ trụ có nhiều bọt Hubble tương tự như bọt Hubble của chúng ta,

2 . Theo LTD vũ trụ có nhiều chiều dư (extra dimensions), vũ trụ của chúng ta có thể chỉ là một trong số nhiều màng 3-chiều, các màng này có thể ảnh hưởng đến nhau thậm chí va chạm nhau,

3 . Trong cơ học lượng tử một đối tượng có thể ở vào nhiều trạng thái khác nhau – như con mèo Shrodinger vừa ở trạng thái sống vừa ở trạng thái chết-

chỉ một can thiệp bên ngoài mới làm co (collapse) về một trạng thái- nhiều nhà vật lý cho rằng tất cả các trạng thái khả dĩ đều tiếp tục tồn tại, mỗi trạng thái nằm trong một thế giới phân nhánh khác nhau.

 

Những hệ định luật và tập hằng số vật lý đối với sự sống trong đa vũ trụ

 

Trong một số vũ trụ các định luật vật lý không cho phép sự hình thành những thiên hà, sao,  hành tinh và sự sống song trong một số vũ trụ khác các định luật vật lý lại cho phép hình thành những đối tượng như vậy và cả sự sống. Các nhà vũ trụ học đã đi tìm  những hệ định luật vật lý  và những tập các hằng số cơ bản  dẫn đến sự hình thành những vũ trụ khác nhau với những dạng sống khác nhau .

Các nhà vật lý cho biết rằng nếu các định luật vật lý bị thay dổi đi một tý  thì sự sống trên trái đất đã không thể phát sinh được.Ví dụ nếu tương tác mạnh trong các hạt nhân nguyên tử yếu hơn một chút hay  mạnh hơn một chút thì carbon và một số các nguyên tố khác đã không thể hình thành và do đó sự sống cũng không nẩy sinh. Nếu proton chỉ nặng hơn khoảng 0,2% hơn hiện có thì các hydrogen sẽ phân rã thành neutron  và như thế không tồn tại một nguyên tử nào. Như vậy dường như mọi định luật, mọi hằng số được tính toán chính xác để sự sống có thể hình thành. Hay là vũ trụ chúng ta chỉ là một trong nhiều vũ trụ khác ở đấy có những định luật vật lý khác, những hằng số tương tác khác và do đó những dạng khác của sự sống?

Trong bài báo này các tác giả không xét đến bài toán gọi là bài toán tinh chỉnh (fine-tunning problem): vì sao hằng số vũ trụ lại có đúng trị số đang có ? bởi vì nếu khác đi thì điều này có thể dẫn đến vũ trụ hoặc bị xé toạc ra nhanh chóng  vì giãn nở có gia tốc hoặc  bị co rúm lại ngay sau BigBang.

 

Các nhà vật lý tìm cách mô phỏng các kịch bản  bằng cách làm biến đổi hệ các định luật vật lý hoặc tập các  hằng số vật lý và tìm xem những hệ định luật nào hoặc những vùng trị số nào của các hằng số có thể dung nạp sự sống. Ví dụ có những vùng trị số ở đấy nguyên tử không thể hình thành được, vật chất khuếch tán trong không gian, không tồn tại những cấu trúc phức tạp, vậy cũng không tồn tại sự sống, đó là những vùng  gọi là vùng thảm họa (disaster) ,xem hình 3.

 

                 

 

         Hình 3. Trên hình này ta xét kịch bản với hai hằng số vật lý là A&B , mỗi điểm trên mặt phẳng ứng với một cặp trị số (A,B). Làm thay đổi các trị số của A&B ta quét thành những vùng nhất định, trong đó có  những vùng thích hợp cho sự sống và những vùng thảm họa  không dung nạp sự sống.  

 

Kịch bản thứ nhất: loại bỏ  tương tác (yếu) trong số 4 tương tác do nhóm Perez tiến hành

 

Một trong các tác giả bài báo này (Perez) đã cùng cộng sự xây dựng một kịch bản bằng cách loại bỏ tương tác yếu  trong 4 tương tác ( mạnh, yếu, điện từ & hấp dẫn ).

Không có tương tác mạnh thì không kết hợp được các quark thành proton, neutron, và từ đó các  hạt nhân nguyên tử, như thế vật chất như chúng ta đang quan sát không tồn tại được.

Không có tương tác điện từ thì không có ánh sáng , không có nguyên tử, không có liên kết hóa học.

Không có hấp dẫn thì không có lực tạo thành các thiên hà, sao và hành tinh.

Tương tác thứ tư là tương tác yếu tế nhị hơn trong cuộc sống thường nhật của chúng ta, song nếu không có tương tác yếu thì Mô hình Chuẩn (Standard Model) vốn là mô hình đã thống nhất được 3 loại tương tác (trừ hấp dẫn ) đã cho nhiều kết quả trùng với thực nghiệm sẽ phải thay đổi nhiều.

Trong vũ trụ không có tương tác yếu sự tổng hợp protons để thành helium là không thể xảy ra vì quá trình này đòi hỏi hai proton phải biến thành hai neutron.

Năm 2006 nhóm Perez đã phát hiện  tập định luật vật lý chỉ chứa có 3 tương tác , không có tương tác yếu mà vẫn thu được một kịch bản thích hợp cho sự sống. Như vậy có thể tồn tại nhiều vũ trụ không có tương tác yếu mà sự sống ở đấy có thể phát sinh.

Trong vũ trụ của chúng ta, các siêu sao mới khi bùng nổ bắn các nguyên tố vừa được tổng hợp vào không gian và lại tổng hợp tiếp  nhiều nguyên tố khác. Sự bùng nổ  những siêu sao mới  xảy ra do sự co lại của những sao siêu nặng, những hạt neutrino bức xạ trong quá trình tương tác yếu đã chuyển năng lượng ra ngoài  tâm siêu sao và như thế duy trì được sóng xung kích nguyên nhân của vụ nổ (xem hình 4).

 

 

 Hình 4  . Trong vũ trụ của chúng ta (có tương tác yếu), từ trái sang phải :

1. Một số sao được hình thành sau đó là các thiên hà và nhiều sao khác. Trong quá trình cháy các sao tổng hợp hydrogen thành helium4.

2. Các sao lại tổng hợp helium4 thành cacbon, và mãi đến nguyên tố sắt. Các quá trình khác sẽ tạo nên nhũng nguyên tố nặng hơn sau sắt.

3.  Nhiều thế hệ sao co lại thành siêu sao mới nhờ hấp dẫn. Một số sao khác lại nổ thành siêu sao mới nhờ hiện tượng  bồi dần(accretion) vật chất. Các siêu sao mới bắn nhiều nguyên tố vào vũ trụ.

4. Hệ thái dương hình thành và Trái đất là hành tinh thứ ba kể từ mặt trời.

 

Trong vũ trụ không tương tác yếu , sự bùng nổ các siêu sao mới không phải do co lại vì hấp dẫn , mà do hiện tuợng bồi dần (accreation) vật chất gây nên vụ nổ nhiệt hạch, nhưng như thế vẫn có hiện tuợng khuếch tán các nguyên tố ra ngoài không gian  tạo mầm cho những sao và hành tinh mới.

Nếu không có tương tác yếu các sao sẽ có nhiệt độ thấp hơn cho nên một hành tinh tuơng tự như Trái đất sẽ 6 lần gần hơn  mặt trời của nó so với Trái đất chúng ta. Và mặt trời sẽ có kích thước lớn hơn.Về mặt hóa học thì bảng tuần hoàn sẽ chấm dứt tại nguyên tố sắt, song những điều này cũng không cản trở sự sống (xem hình 5).

 

 

 Hình5  . Trong vũ trụ không có tương tác yếu, từ trái sang phải:

1. Những sao đầu tiên hình thành và tiếp theo là các thiên hà cùng những sao mới khác. Trong quá trình cháy ở nhiệt độ thấp hơn các sao tổng deuterium & hydrogen thành helium3.

2. Các sao cũng tạo nên một số helium4 bằng cách tổng hợp deuterium và sau đó tổng hợp helium thành cacbon và các nguyên tố khác mãi đến sắt. Song sau nguyên tố  sắt thì không còn nguyên tố nặng nào khác.

3. Các sao không thể co lại thành siêu sao mới, song một số sao khác có thể bùng nổ thành siêu sao mới nhờ hiện tượng bồi dần (accretion) vật chất. Các siêu sao mới bắn các nguyên tố ra ngoài không gian.

4. Thái dương hệ hình thành song Trái đất phải nằm gần hơn ở vị trí thứ nhất kể từ mặt trời.

 

Kịch bản thứ hai: thay đổi khối lượng các hạt quark nhẹ (các quark tạo thành proton&neutron) do nhóm Jenkins tiến hành

 

Thay đổi khối lượng của các quark [3] sẽ dẫn đến sự cần thiết phải xem các  baryon nào và các hạt nhân nguyên tử nào sẽ phân rã nhanh. Và điều này ảnh hưởng đến hóa học. Những sinh vật có trí tuệ cần một dạng hóa học hữu cơ mà theo định nghĩa đấy là hóa học của carbon.Các tích chất hóa học của carbon suy ra từ điện tích bằng 6 của hạt nhân, như vậy có 6 electron quanh hạt nhân. Tính chất này của carbon dẫn đến sự tồn tại đa dạng của nhiều  phân tử phức tạp. Một số nhà văn viễn tưởng đưa ra giả thuyết thay vai trò của carbon bằng silicon, nguyên tố đứng sau carbon, song trong thực tế không tồn tại những phân tử phức tạp trên cơ sở silicon.

Ngoài ra để hình thành các phân tử hữu cơ phức tạp cần có  hydrogen (điện tích 1) và oxygen ( điện tích 8). Và chúng ta cần nghiên cứu  xem  nếu các hạt nhân với điện tích 1, 6, và 8 liệu có bền hay không để tham gia các phản ứng hóa học.

Việc tính khối lượng các baryon và các hạt nhân từ khối lượng các quark là một việc khó khăn. Nhóm Jenkins đã tìm thấy kết quả sau:

1 . Nếu khối lượng của các  quark  u & s  gần bằng nhau và khối lượng quark d nhỏ hơn nhiều thì các hạt nhân thay vì được cấu tạo bởi proton và neutron thì được cấu tạo bằng neutron và một baryon khác có tên là hạt sigma-trừ  Σ^– (“sigma minus”) (xem hình 6).  Trong kịch bản này sự sống vẫn có thể phát sinh.

  

 Hình 6.  Kich bản trong đó khối lượng của quark u và s gần như nhau còn quark d nhẹ hơn nhiều. Như vậy các hạt nhân nguyên tử không cấu thành bởi proton và neutron mà bằng neutron và một baryon khác có tên là sigma minus . Trong một vũ trụ như vậy ta vẫn có những nguyên tố bền như H, C & O và sự sống vẫn phát sinh được.

 

2 . Nếu khối lượng của cả ba quark u, d & s gần bằng nhau thì nguyên tố carbon không hình thành được và như thế sự sống không tồn tại

(xem hình 7).

 

 

 

Hình7  . Một kịch bản khác trong đó cả ba quark có khối lượng gần như nhau, trong vũ trụ này không tồn tại những nguyên tố như cacbon và oxygen, ở đây sự sống không tồn tại.

 

Kết luận

 

Như chúng ta thấy trên đây có nhiều vũ trụ  thích hợp cho sự sống, (ví dụ trong vũ trụ không có tương tác yếu sự sống vẫn có thể hình thành). Một câu hỏi được đặt ra: nếu sự sống là khả dĩ trong những vũ trụ như thế thì tại sao vũ trụ chúng ta lại khác đi (ví dụ lại có tương tác yếu)?

Cách xây dựng các kịch bản trong bài này phù hợp với LTD, theo LTD  trong quá trình nỡ lạm phát hằng số vũ trụ và nhiều thông số khác có thể có nhiều trị số làm thành một phong cảnh (string theory landscape)[4], xem hình 8.

 

 

Hình 8 . Trên hình là bức tranh phong cảnh trong LTD biểu diễn năng lượng theo 2 thông số . Đa tạp các chiều dư được biểu diễn tại đáy các thung lũng ứng với một chân không bền (ổn định) tương đối .

 

Chúng ta có thể không bao giờ tìm được chứng cứ  hiển nhiên về sự tồn tại những vũ trụ khác và chắc cũng không bao giờ đến thăm viếng các vũ trụ đó được song càng nghiên cứu những vũ trụ này chúng ta càng nhận thức được rằng vị thế của chúng ta trong thế giới khách quan quả không phải là một vị thế độc tôn, duy nhất và đặc biệt.

 

                                                        CC. biên dịch và chú thích

 

Tài liệu tham khảo và chú thích

[1]  Trong Phật học, vũ trụ cũng mang tính đa nguyên. Phật giáo phân thế giới thành 3 loại: Tiểu thiên, Trung thiên & Đại thiên. Đại thiên thế giới  (大 千 世 界) gồm khoảng một tỷ thế giới. Cách đây hơn 2500 năm Phật học đã biết ngoài thế giới chúng ta đang sống còn có hằng hà sa số thể giới khác. .

[2]  Vũ trụ chúng ta nhiều xác suất là lớn hơn phần chúng ta quan sát được tức là phần gọi là bọt Huble (Hubble bubble), nếu vũ trụ lớn vô cùng thì có khả năng tồn tại vô cùng nhiều bọt Hubble khác; Hubble là tên nhà thiên văn Mỹ tìm ra định lụât Hubble nổi tiếng.

[3] Quark là các hạt cơ bản cấu thành proton & neutron; có sáu loại quark: up(u), down(d),charm(c), strange(s), top(t) & bottom(b); dịch sang tiếng việt là:trên, dưới, duyên, lạ, đỉnh & đáy.

[4] Raphael Bousso & Joseph Polchinski, The String Theory Landscape, Scientific American, September 2004.