Các vũ trụ song song

Ngoài vũ trụ của chúng ta có thể tồn tại nhiều vũ trụ song song khác. Đây là một giả thuyết dựa trên cơ sở những quan trắc vũ trụ. Chúng ta đã gặp vấn đề các vũ trụ song song và đa vũ trụ trong triết học, trong Phật học và cả trong những câu chuyện viễn tưởng, một vấn đề có thể được bạn đọc nhiều lĩnh vực quan tâm. Sự tồn tại của những vũ trụ song song giúp ta giải thích những khía cạnh lạ lùng của vũ trụ chúng ta, từ tiền-Big Bang đến những nghịch lý đầy thách thức của cơ học lượng tử. Chúng tôi xin giới thiệu cùng bạn đọc bài viết của Max Tegmark, bản thân tác giả cũng hoạt động trong hai “vũ trụ song song”: chuyên gia lớn về phần mềm máy tính (tác giả trò chơi Tetris 4 chiều) và giáo sư vật lý, thiên văn học tại đại học Pennsylvania.

Liệu có một alter ego (một cái tôi khác) tồn tại song song với bản thân ta? Các mô hình vũ trụ hiện đại chứng tỏ rằng mỗi chúng ta có thể có một “bản sao” sống trên một thiên hà cách xa ta khoảng O = 10 mũ 28 mét. Khoảng cách đó quá xa song không vì thế mà làm cho cái bóng đó (doppelgonger) trở nên kém hiện thực. Điều khẳng định này có thể suy từ lý thuyết xác suất và từ giả định rằng vũ trụ là vô hạn và vật chất phân bố đều xét ở kích thước vĩ mô (những giả định đó lại là những điều mà người ta đang quan sát được). Trong một không gian vô hạn, mọi điều tưởng chừng như không thể đều trở thành có thể. Hiện nay chúng ta chỉ quan sát được một vùng gọi là thể tích Hubble có kích thước T = 10 mũ 26 mét. Ta có thể chẳng bao giờ thấy được cái tôi khác đó. Và cái tôi khác đó cũng có một thể tích Hubble riêng, một vũ trụ riêng. Mỗi vũ trụ là một phần nhỏ của “đa vũ trụ - multiverse”.

Các nhà khoa học nhận định có 4 mức vũ trụ song song. Vấn đề ở đây không phải là đa vũ trụ tồn tại hay không mà là có bao nhiêu mức của đa vũ trụ.

Mức I: Ngoài chân trời vũ trụ của chúng ta

Những vũ trụ của các alter ego đã nói trước đây cấu thành mức I của đa vũ trụ (xem góc trái trên của hình 1). Thử chứng minh rằng các alter ego có thể tồn tại dựa trên giả định là vũ trụ vô hạn và vật chất phân bố đều ở kích thước vĩ mô.

Hãy hình dung ví dụ một vũ trụ 2 chiều, trong đó có 4 hạt A, B, C, D, một vũ trụ như vậy có 2 mũ 4 = 16 cách xếp đặt (arrangement) Am Bn Cl Ds (m, n, l, s = 1,2) cho vật chất. Nếu có hơn 16 vũ trụ thì có các cách xếp đặt phải lặp lại và chúng ta có những vũ trụ song song khác với những alter ego. Đối với vũ trụ của chúng ta thì tình huống cũng tương tự. Trong vũ trụ của chúng ta có chừng 10118 hạt cơ bản vậy có 2 mũ (10118) hay viết một cách khác 2exp (10118) cách xếp đặt vật chất. Như thế vũ trụ sẽ lặp lại ở ngoài khoảng cách cỡ chừng 2exp (10118)m - 10exp(10118)m và ở đó các alter ego sẽ có một thể tích Hubble khác tương tự như thể tích Hubble của chúng ta.

Những thực thể trong các vũ trụ song song mức I chịu những quy luật vật lý giống nhau song những điều kiện ban đầu có thể khác.

Mức II: Những bong bóng (bubble) khác sau lạm phát

Những vũ trụ cấu thành đa vũ trụ mức II được tiên đoán nhờ lý thuyết lạm phát hỗn độn vĩnh cửu (chaotic eternal inflation). Cụm từ hỗn độn vĩnh cửu có nghĩa rằng không gian xét ở kích cỡ vĩ mô luôn giãn nở, song một số vùng lại dừng giãn nở và làm thành những bong bóng hay bọt (bubble) giống như những bọt khí hình thành trong các ổ bánh mì. Đa vũ trụ mức II đa dạng hơn so với mức I. Quá trình lạm phát hỗn độn có thể gây nên những phá vỡ đối xứng khác nhau trong các bọt đó: một số có thể là 4 chiều, một số có thể chứa 2 họ quark thay vì 3 như trong vũ trụ của chúng ta, một số có thể có những hằng số hấp dẫn lớn hơn so với vũ trụ của chúng ta.

Theo một ý tưởng do Richard C. Tolman đề ra năm 1930, Paul J. Steinhardt (Đại học Princeton) và Neil Turok (Đại học Cambridge) cho rằng đa vũ trụ mức II có thể là một màng (brane) song song với màng của chúng ta (theo lý thuyết siêu dây, vũ trụ của chúng ta cư trú trong một màng 3 chiều). Đa vũ trụ mức I nằm trong một bọt (bubble), ngoài ra còn nhiều bọt khác, tập hợp các bọt đó làm thành đa vũ trụ mức II (xem góc trái dưới của hình 1).

Theo một ý kiến khác của Lee Smolin (Viện Perimeter, Ontario) đa vũ trụ mức II có thể nẩy mầm từ những lỗ đen thay vì từ vật lý các màng. Trước Big Bang, vũ trụ chìm đắm trong một trạng thái kỳ dị với những dao động hỗn độn, điều này dẫn đến những quá trình co hấp dẫn, nguyên nhân hình thành những lỗ đen. Sau chân trời lỗ đen, các graviton (lượng tử của trường hấp dẫn) tương tác với các dilaton (lượng tử của trường lực giãn nở) làm phát sinh những vũ trụ mới với những số chiều có thể khác số chiều của vũ trụ chúng ta. Trong những vũ trụ đó người ta có thể tìm thấy những dạng lạ (exotic) của vật chất và biết đâu tồn tại cả những dạng sống khó hình dung nổi.

Đối với đa vũ trụ mức II, các nhà vật lý không có khả năng xác định các hằng số vật lý từ những nguyên lý ban đầu.

Mức III: Các thế giới lượng tử

Đa vũ trụ mức I&II là những thế giới nằm cách xa nhau ngoài cả miền quan trắc của thiên văn, song đa vũ trụ mức III lại nằm quanh quẩn gần chúng ta. Sự tồn tại của đa vũ trụ này xuất phát từ cách diễn đoán nổi tiếng song cũng chứa đầy những yếu tố thách thức của cơ học lượng tử: tính xác suất của các quá trình lượng tử làm phát sinh nhiều phiên bản của vũ trụ, mỗi phiên bản là một sản phẩm khả dĩ của quá trình.

Như chúng ta biết, trong cơ học lượng tử, đối tượng quan trọng là hàm sóng mô tả trạng thái của hệ. Hàm sóng biến thiên theo thời gian theo một cung cách mà các nhà vật lý lý thuyết gọi bằng từ “unitarity” (bảo toàn thông tin), do đó hàm sóng thực hiện một phép quay trong một không gian trừu tượng có vô hạn chiều gọi là không gian Hilbert.

Hàm sóng dẫn đến những những tình huống khó hiểu về mặt trực giác, như tình huống con mèo của Schrodinger vừa ở trạng thái sống vừa ở trạng thái chết theo nguyên lý chồng chất. Đến năm 1920 người ta đưa ra luận thuyết: hàm sóng sẽ co (collapse) về một trạng thái cổ điển khi tiến hành một phép quan sát.

Năm 1957, Hugh Everett (Đại học Princeton) đã chứng tỏ rằng định đề về quá trình co (collapse) là không cần thiết. Cơ học lượng tử tự thân nó không chứa một mâu thuẫn nào. Một thực tại cổ điển sẽ là trạng thái chồng chất của nhiều thực tại cổ điển khác và việc phân tách (splitting) trạng thái chồng chất đó sẽ gắn liền với những xác suất (phù hợp với xác suất trong phép collapse). Sự chồng chất các thế giới cổ điển đó cấu thành đa vũ trụ mức III (xem góc phải dưới của hình 1 & hình 2). Cơ học lượng tử tiên đoán một số lớn các vũ trụ song song.

Hãy tưởng tượng một con súc sắc 6 mặt. Khi chúng ta ném nó xuống, nó sẽ trình kiến một mặt nào đó. Cơ học lượng tử khẳng định rằng con súc sắc sẽ trình kiến cùng một lúc 6 mặt. Một cách để giải quyết mâu thuẫn này là con súc sắc trình kiến những mặt khác nhau trong những vũ trụ khác nhau. Trong một vũ trụ nó trình kiến mặt 1, trong một vũ trụ khác nó trình kiến mặt 2, và... Nằm trong một vũ trụ, chúng ta chỉ nhận được một mặt của thực tại lượng tử đó.

Ngoài ra các vũ trụ song song mức III lại cho chúng ta một cách đoán nhận thời gian vốn là một khái niệm bí ẩn trong vật lý. Đối với một nhà sinh học thì đấy là quá trình lão hóa, đối với nhà tâm lý học thì đó là quá trình phát triển trong ý thức của mỗi đối tượng. Jean Giono nói về thời gian: đó là điều đã đi qua khi không có gì đã đi qua cả.

Mọi người thường xem thời gian như gắn liền với mọi biến thiên. Tại một thời điểm vật chất nằm trong trạng thái này, tại thời điểm sau trong một trạng thái khác. Nếu sử dụng khái niệm đa vũ trụ thì chúng ta có một cách đoán nhận khác. Nếu các vũ trụ song song chứa mọi cách xếp đặt (cấu hình) của vật chất thì thời gian chỉ là một phương thức trình bày các trạng thái đó thành một chuỗi.

Sự tồn tại vũ trụ song song mức III gắn liền với nguyên lý unitarity (nguyên lý bảo toàn thông tin). Trước đây người ta đã đặt câu hỏi: liệu khi lỗ đen bay hơi thì thông tin có còn tồn tại hay không? Những nghiên cứu gần đây đã dẫn đến nguyên lý toàn ảnh (holographic): lý thuyết lượng tử hấp dẫn ở vùng trong của không gian anti-de Sitter (AdS) là hoàn toàn tương đương với lý thuyết lượng tử (CFT) của các hạt nằm trên vùng mặt biên. Người ta còn gọi nguyên lý này là mối tương quan AdS/CFT.

Mức IV: Những cấu trúc toán học khác

Nếu chúng ta xét đến khả năng tồn tại những quy luật vật lý khác, chúng ta sẽ thu được những vũ trụ song song thuộc mức IV. Vì sao không có những vũ trụ trong đó chỉ có những định luật cổ điển ngự trị mà vắng mặt hoàn toàn các định luật lượng tử, trong đó thời gian tiến triển gián đoạn như trong các máy tính mà không là liên tục?

Những ý tưởng như thế không phải là những ý tưởng hoàn toàn điên rồ, mà phản ánh một mối tương quan giữa suy luận trừu tượng toán học với thực tại quan sát được. Những cấu trúc toán học, như những con số, những vectơ, những hình học đều mô tả thực tại một cách sát thực (verisimilitude). Năm 1959, nhà vật lý Eugene P.Wigner đã phát biểu: "Sự hữu ích lớn lao của toán học trong các khoa học tự nhiên là tạo ra những vùng biên với sự bí ẩn”.

Chúng ta có thể kể đến quan điểm của hai nhà triết học: Plato và Aristotle.

Theo Aristote thì thực tại vật lý là cơ bản còn ngôn ngữ toán học chỉ là một phương tiện mô tả gần đúng thực tại. Trái lại Plato thì cho rằng các cấu trúc toán học mới là thực tại cơ bản. Những nhà vật lý hiện đại lại có khuynh hướng thiên về hệ mẫu (paradigme) Plato, họ cho rằng sở dĩ toán học có thể mô tả thực tại đẹp như vậy chỉ vì thực tại vật lý có bản chất toán học! Như vậy cuối cùng mọi bài toán vật lý về thực chất là những bài toán toán học (xem góc phải trên của hình 1).

Một cấu trúc toán học là một thực thể trừu tượng tồn tại ngoài không thời gian.

Có thể tự hỏi vì sao chúng ta phải nghĩ đến nhiều vũ trụ song song như thế? Chúng ta đã gặp tình huống sau: đôi khi xét toàn diện một tổng thể lại đơn giản hơn xét phiến diện một yếu tố riêng lẻ. Mọi người đều biết rằng thuật toán để tạo ra một dãy số lại đơn giản hơn nhiều so với thuật toán tạo ra một con số riêng lẻ. Một lý thuyết chứa đa vũ trụ sẽ là đẹp đẽ hơn, phổ quát hơn, đơn giản hơn và chính xác hơn. Khi phủ nhận đa vũ trụ chúng ta phải phức tạp hóa lý thuyết, phải đưa vào nhiều giả định, nhiều định đề. Ví dụ nhờ các vũ trụ song song ở mức III mà cơ học lượng tử có thể dễ hiểu hơn, không cần đến định đề co (collapse) nói ở phần vũ trụ song song mức III.

Nói một cách khác: hoặc sử dụng giả thuyết nhiều vũ trụ hoặc phải sử dụng nhiều lời để đưa ra những giả định, những định đề (many worlds or many words - đa vũ trụ hoặc đa từ ngữ)!

Có lẽ chúng ta phải chấp nhận những điều kỳ dị như đa vũ trụ để nắm được hết cái đẹp và cái hợp lý của thực tại vật lý.

Max Tegmark

Cao Chi biên dịch (Theo Tạp chí Tia Sáng)