ĐIỂM GỐC của THỜI GIAN

 

 

 

                                 Truy tìm  điểm gốc của thời gian

 

 

                                                                                   Jean  Pierre Luminet

                                    ( Giám đốc nghiên cứu tại CNRS ,đài thiên văn Paris-Meudon )

 

 

Theo thuyết Big Bang thì càng đi ngược lại trong quá khứ Vũ trụ càng nóng và mật độ vật chất càng lớn  , cho đến một thời điểm rất gần với thời điểm ban đầu , mà vật lý hiện nay không mô tả được điều gì . Song thời điểm ban đầu đó có phải là một thực tế hay không ?

 

 

Vũ trụ hiện nay đang giãn nở dựa trên những quan sát các thiên hà và các cụm thiên hà. Quá trình giãn nở này dường như không có kết cuộc .Vũ trụ là vĩnh cửu .Nếu chúng ta quay ngược cuộn phim của vũ trụ lại ? Thời gian vũ trụ liệu sẽ kéo lùi vô tận hay tiến đến một trị số hữu hạn . Đây là một trong những bài toán bí ẩn lớn nhất của Vật lý thiên văn !

Theo lý thuyết tương đối , nếu các tính chất của vật chất và bức xạ là những tính chất mà chúng ta đã biết thì các khoảng  cách vũ trụ  sẽ giảm dần trong quá khứ và nhất thiết tại

 “ không điểm “ ( điểm gốc ) của thời gian  các khoảng cách vũ trụ đó sẽ bằng số không . Không điểm có ngay trước sự xuất hiện của không thời gian . Thời gian không- hay không điểm - này cách xa hiện tại khoảng 13,7 tỷ năm .Và điều này cũng có nghĩa là không tồn tại những thực thể , những sao có tuổi già hơn 13,7 tỷ năm .Các quan trắc thiên văn cho thấy tuổi các sao ( đo được nhờ các đồng vị phóng xạ có thời gian sống lớn ) nằm giữa 0 và 14 tỷ năm . Lý thuyết Big Bang hiện nay được nhiều người chấp nhận , lý thuyết này có thể khôi phục lại những giai đoạn Vũ trụ đã trải qua từ quá khứ đến hiện tại .

Và thời gian có một điểm bắt đầu hay không ? Điều này đang là một bài toán bí ẩn đối với các nhà vật lý . Theo lý thuyết tương đối thời gian không ( tức không điểm của thời gian ) được mô tả như là một điểm  “  kỳ dị  “ , một điểm mà sự vật tiệm cận đến  nhưng không bao giờ  đến : tại điểm đó Vũ trụ đã có một thể tích vô cùng bé với một mật độ và độ cong vô cùng lớn .Điểm kỳ dị là điểm đứt đoạn của các quỹ đạo không- thời gian và dường như không phải là một hiện  thực , điểm kỳ dị nằm ngoài vòng nắm bắt của các lý thuyết vật lý hiện nay .

Đối với các nhà toán học điểm kỳ dị này là biên thời gian trong một thời đoạn quá khứ hữu hạn . Một điều khó hiểu ! Song một tình huống như vậy đã xảy ra với các nhà vật lý khi tìm kiếm sự  hữu hạn của không gian mãi đến khi có sự du nhập vào vật lý của những hình học phi Euclide và tô-pô học . Những hình học này và tô-pô học cho phép xét những không gian hữu hạn song không có biên giới .

Tuy nhiên biên thời gian đặt ra một vấn đề có tính chất khác : sự hữu hạn của thời gian có nghĩa là sự dừng đột ngột các đường vũ trụ , còn sự vô hạn của thời gian liệu có tránh được nhũng trị số lớn vô cùng khó chấp nhận  của mật độ và độ cong !

 

Không tránh khỏi kỳ dị vũ trụ

 

Từ năm 1933 Georges Lemaitre ( thầy tu người Bỉ , giáo sư đại học Louvain  ) đã phác hoạ trước những “ định lý  về kỳ dị “  .Năm1965 hai nhà vật lý lý thuyết người Anh : Stephen Hawking và Roger Penrose đã chứng minh định lý : kỳ dị vũ trụ nhất thiết phải tồn tại trong quá khứ đối với mọi mô hình của vũ trụ nếu vũ trụ thoả mãn lý thuyết  tương đối rộng và chứa mật độ vật chất như quan trắc hiện nay .

Và giải pháp loại bỏ  những đại lượng vô cùng lớn là thoát khỏi lý thuyết tương đối cổ điển .Lý thuyết tương đối cổ điển không là một lý thuyết hoàn chỉnh : lý thuyết này không mô tả được thế giới vi mô , do đó không thể ngoại suy những kết luận của lý thuyết tương đối cổ điển đến những khoảng cách vi mô ứng với điểm kỳ dị được .Đó là những khoảng cách nhỏ hơn  10 ^{– 35} mét  ( tức nhỏ hơn độ dài Planck ) . Độ dài Planck là chân trời vi mô . Tuy không biết được những gì đã xảy ra sau chân trời ấy , nhưng các nhà vật lý cho rằng ở đó xảy ra những thăng giáng lượng tử , mà lý  thuyết tương đối cổ điển không biết đến .

 

Hình học mờ

 

Những điều  gì xảy ra sau chân trời xác định bởi độ dài Planck thuộc về “ giai đoạn Planck “ ứng với thời điểm 10 ^{– 43}  giây sau không điểm của thời gian . Trong giai đoạn này nhiệt độ vũ trụ lên đến 10 ³² độ kelvin , và mật độ lên đến 10  ⁹⁴ g / cm ³ .Trong những điều kiện bất thường cực lớn như vậy , không thể ứng dụng lý thuyết tương đối cổ điển được . Đòi hỏi có một lý thuyết tương đối lượng tử hoặc một lý thuyết thống nhất nào đó có khả năng thông nhất bốn loại tương tác ( yếu , mạnh , điện từ  và hấp dẫn ) .

Lý thuyết vật lý hiện đại chỉ cho phép đi ngược thời gian đến giai đoạn Planck mà thôi , mọi ý đồ nghiên cứu các quá trình trong giai đoạn Planck đều dẫn đến một bức tranh lượng tử mờ .

Từ năm 1960 , John Wheeler ( nhà vật lý lý thuyết Mỹ ) đã đưa ra ý tưởng : ở mức vũ trụ vi mô , hình học của vũ trụ là mờ , so sánh được với một không gian đầy bọt sôi động vì những thăng giáng lượng tử . Từ không gian đầy bọt đó bắn ra những giọt , những giọt này là biểu hiện của những hạt cơ bản .

Hiện nay chưa tồn tại một lý thuyết nào khả tính về hấp dẫn và vũ trụ lượng tử .Về hướng nghiên cứu này  cũng có một số lý thuyết đã hình thành như lý thuyết hình động lực  học (     geometrodynamique ) của John Wheeler và Bryce de Witt ( năm 1967 ) . Lý thuyết này xét hình học không thời gian giống như vật lý lượng tử xét vật chất và năng lượng , nói rõ hơn là xét đến những hạt hay lượng tử của không thời gian .

 

 

 

Hình 1 . Không gian đầy bọt sôi động vì những thăng giáng lượng tử . Từ không gian đầy bọt đó bắn ra những giọt , những giọt này là biểu hiện của những hạt cơ bản  (phỏng theo tranh Bọt thời gian của hoạ sĩ Jean-Michel Joly , L’Ecume du temps,Saint-Etienne,1990 ) ..

 

 

Một phương trình nan giải

 

Một phương án đầu tiên của hình động lực  học được thể hiện qua phương trình Wheeler-deWitt do hai tác giả này đề xuất năm 1967 . Phương trình này đối với hấp dẫn là phương trình tuơng tự của phương trình Schrodinger đối với cơ học lượng tử . Phương trình Wheeler-deWitt cũng miêu tả xác suất hiện diện của hạt dưới dạng một “ hàm sóng “. Điểm khác nhau là trong phương trình Wheeler-deWitt  các biến số không phải là toạ độ và xung lượng của hạt mà là hình học của không thời gian và vật chất .Phương trình này phức tạp đến mức khó lòng giải được nếu không giới hạn vào một số hình học nhất định , ví dụ hình học với độ cong không thay đổi .Ngoài ra phải xác định điều kiện biên đối với vũ trụ , và điều này tương đương với việc xác định không-thời gian ở vùng gần điểm kỳ dị.  Đây quả là những vấn đề còn lâu mới giải quyết được .

 

Hình 2  . Tránh điểm kỳ dị : trong những lý thuyết như lý thuyết siêu dây người ta giả định tồn tại một độ dài cơ bản , nhờ đó mà điểm kỳ dị suy từ lý thuyết tương đối cổ điển được loại trừ .

 

Sau đây là hai cách tiếp cận .

1       /  Trường phái của Jim Hartle & Stephen Hawking ( Anh ) chỉ xét những hình học không –thời gian không có biên , giống như một mặt cầu . Theo mô hình này thì Vũ trụ là hữu hạn không những trong không gian mà cả trong thời gian . Và vấn đề kỳ dị không còn nữa ! Điểm kỳ dị quy về một điểm đăc biệt của toạ độ tương tự như điểm cực Bắc trên mặt cầu . Thời gian không có điểm xuất phát cũng như không có điểm kết thúc . Song trong mô hình này thời gian là thời gian ảo toán học thay vì là một thời gian thực . Như vậy là phải đưa ra một cách đoán nhận thoả đáng , đây là một điều còn gặp nhiều khó khăn .

2       /  Trường phái của Andrei Linde & Alex Vilenkin ( Nga ) đưa ra những điều kiện ban đầu mang tính hỗn độn . Một cách định tính , lời giải được biểu diễn dưới dạng một vũ trụ siêu lớn , vĩnh cửu và tự tái tạo và có thể so sánh với một biển bong bóng  gồm nhiều vũ trụ con .Mỗi bong bóng  ứng với một vũ trụ con ,mỗi vũ trụ con có riêng những đặc trưng : hằng số vật lý , số chiều không thời gian , những quy luật động học ,…Vũ trụ chúng ta quan sát được chỉ là một vùng rất nhỏ của một bong bóng mà thôi , vùng này đã trải qua một giai đoạn giãn nở lạm phát. Mỗi bong bóng có thể sinh ra và chết đi , song vũ trụ toàn bộ thì không sinh không huỷ , khôngcó điểm ban đầu cũng như không có điểm cuối cùng .

 

Ngoài hai tiếp cận trên còn có những lý thuyết  khác như lý thuyết siêu dây , lý thuyết hấp dẫn vòng ( loop quantum theory ) , hình học không giao hoán ,… Nhiều lý thuyết có khả năng loại trừ điểm kỳ dị và xét tách riêng giai đoạn  “ tiền Big bang “ .Song mọi lý thuyết,  mô hình nói trên đều chứa những  giả thuyết không dễ dàng được chấp nhận .Một điều kiện cần cho mọi lý thuyết ,mô hình là loại bỏ điểm kỳ dị .

 

Nói tóm lại  việc tìm điểm gốc của thời gian vẫn đang còn bị bỏ ngỏ , tiếp tục là một  trong những bài toán bí ẩn lớn nhất của các nhà vật lý .

 

                                                                                     Cao Chi  biên dịch 

                                                                       ( La Recherche , No 390, Octobre 2005 )