Khủng hoảng trong vũ trụ học

Vietnamese translation of Crisis in Cosmology (November 24, 2005)

Thứ năm, 24/11/2005

Biên dịch: Ngô Minh Tuấn

Đối với cả thường dân và các nhà khoa học những bức ảnh chụp được bởi các dụng cụ thiên văn hiện đại đã gợi lên một bức tranh tự nhiên tuyệt đẹp đáng kinh ngạc đến mức nào. Cái ngay lập tức đang thu hút sự chú ý là những mẫu hình chuyển động, những mẫu hình tương tự một cách ngạc nhiên với những mẫu hình thấy được ở trên Trái đất, nhưng ở thang khoảng cách vũ trụ. Những đám mây khí và bụi khổng lồ xoáy tít cuộn mình xuyên qua những ngôi sao và thiên hà. Những cuộn khí nóng nổ tung từ những gì còn lại của một vì sao. Ở mọi nơi trong vũ trụ, từ hệ mặt trời của chúng ta cho đến những thiên hà xa xăm nhất, chúng ta thấy được bằng chứng về sự biến đổi và vận động. Điều gì đang diễn ra ở đây? Đâu là nguyên nhân?

Câu trả lời chuẩn được các nhà vũ trụ học đưa ra là sự vận động của các vì sao và thiên hà chúng ta thấy hiện giờ là kết quả của một vụ nổ khổng lồ diễn ra cách nay 14 tỷ năm. Đây là lý thuyết Vụ nổ lớn về nguồn gốc của vũ trụ. Nhưng một trận lũ các thông tin gần đây từ những chiếc kính viễn vọng trên mặt đất và ngoài không gian mới đã dẫn nhiều nhà khoa học đến chỗ nghi vấn lý thuyết này, "Mô hình chuẩn" của vũ trụ học. Một dãy các quan sát tổng thể gần đây, về cấu trúc thiên hà, tuổi của các vì sao và thiên hà, bức xạ phông, tỷ lệ những nguyên tố khác nhau trong vũ trụ, dường như đối lập lại với những tiên đoán của lý thuyết Vụ nổ lớn. Ngày càng nhiều các nhà khoa học tin rằng có một lỗi nghiêm trọng trong lý thuyết này và ngày càng có cảm giác rằng lĩnh vực này của khoa học đang lâm vào khủng hoảng.

Vào mùa hè, ở Monção Bồ Đào Nha, một nhóm các nhà thiên văn và vật lý đã gặp nhau để thảo luận về tình hình này và để nhìn ra những vấn đề khác. Cuộc gặp diễn ra dưới nhan đề "Khủng hoảng trong Vũ trụ học" và là sáng kiến của "nhóm vũ trụ học lập dị". Đây là một nhóm các nhà khoa học gồm có cả nhà vật lý plasma Eric Lerner, tác giả cuốn sách Vụ nổ lớn chưa bao giờ diễn ra (1). Năm ngoái, nhóm này đã xuất bản một lá thư ngỏ trong tạp chí Khoa học mới đặt nghi vấn về những ý tưởng nền tảng của Vụ nổ lớn, và cũng chỉ ra những hạn chế mà các quỹ đang đặt vào trong nghiên cứu về những vấn đề khác (2) Hội nghị ở Bồ Đào Nha là kết quả thực tiễn của cuộc thảo luận trong các nhóm khoa học diễn ra sau khi xuất bản lá thư.

Trong Lý tính trong sự nổi dậy (3), Alan Woods và Ted Grant cũng đã hướng đến những mâu thuẫn về mặt khoa học và triết học trong lý thuyết Vụ nổ lớn. Mọi bằng chứng xuất hiện kể từ đó, và cụ thể là những quan sát gần đây nhất, xác nhận sự phân tích của họ - rằng ý tưởng về Vụ nổ lớn đã bị rạn nứt, không tương hợp với quan điểm duy vật và biện chứng về vũ trụ, và rằng rốt cuộc những người ủng hộ nó sẽ bị buộc phải chấp nhận rằng nó không thể giải thích được những sự thực đã biết.

Bức xạ phông vi ba và lạm phát

Một trong những điều được cho là thành công của thuyết Vụ nổ lớn là những giải thích của nó về "bức xạ phông vi ba vũ trụ", được quan sát thấy lần đầu tiên vào năm 1964. Đây là một tín hiệu radio biên độ thấp tại tần số tương tự như tần số được sử dụng trong một lò vi sóng, được thấy theo mọi hướng trong không gian. Những người ủng hộ Vụ nổ lớn nói rằng đây là năng lượng còn lại từ Vụ nổ lớn.

Sự thực thì khi bức xạ phông được phát hiện ra lần đầu tiên nó không tương hợp với phiên bản thuyết Vụ nổ lớn tại thời điểm đó. Lý thuyết này không thể giải thích được tại sao bức xạ này lại rất đồng nhất qua khắp các vùng trời, so với tính lổn nhổn của vật chất trong vũ trụ, tụ họp lại thành những đám mây bụi và khí, các thiên hà và các vì sao. Nhưng những nhà lý thuyết Vụ nổ lớn trong lịch sử của thuyết đã có vài lần bị buộc phải điều chỉnh lại ý tưởng của họ khi chúng bị mâu thuẫn với những chứng cứ. Trong trường hợp này, để giải thích tính đồng nhất của bức xạ phông, thì cần phải phát minh ra một ý tưởng mới về sự lạm phát. Nó được mô tả như sau trích từ mục trong Wikipedia về chủ đề này:

"Lạm phát vũ trụ là một ý tưởng, lần đầu tiên được Alan Guth đề xuất vào năm 1981, rằng vũ trụ lúc mới sinh trải qua một pha giãn nở theo hàm số mũ (thời kỳ lạm phát) được điều chỉnh bởi một mật độ năng lượng chân không áp lực âm... Như là một hệ quả trực tiếp từ vụ giãn nở này, tất cả vũ trụ quan sát được có nguồn gốc từ một vùng nhỏ có quan hệ nhân quả. Sự dao động lượng tử trong vùng cực nhỏ này, khuếch đại lên kích cỡ vũ trụ, sau đó trở thành hạt giống cho sự tăng trưởng về cấu trúc của vũ trụ. Hạt chịu trách nhiệm cho sự lạm phát này thường được gọi là inflaton."

Điều này mang ý nghĩa một nỗ lực nghiêm túc để giải thích cho những câu hỏi nền tảng về nguồn gốc của vũ trụ, nhưng không thể nào đi qua cái lối như lối này một cách nghiêm túc được. Bức xạ phông là bằng phẳng, vì vậy trước tiên vũ trụ phải giãn nở rất nhanh và rất êm, được điều chỉnh bởi một "mật độ năng lượng chân không áp lực âm", nhưng các thiên hà lại lổn nhổn, do đó mọi thứ chậm lại để cho vật chất co cụm lại với nhau - nhưng tình cờ thay, như là kết quả của "những dao động lượng tử" theo một cách nào đó trở nên khuếch trương thành vũ trụ mà chúng ta biết ngày nay. Tất cả những điều này được trung chuyển bởi "inflaton" - một hạt chưa bao giờ quan sát thấy (nhưng có lẽ chúng ta quá muộn màng và bỏ lỡ nó mất rồi). Một tác gia khoa học viễn tưởng cũng không thể làm tốt hơn thế được. (4)

Dù sao, lạm phát vũ trụ cũng đã được chấp nhận bởi thuyết Vụ nổ lớn. Nó bảo vệ cho lý thuyết này bằng cách cho phép những tiên đoán của nó về bức xạ vũ trụ được trơn tru phù hợp với quan sát. Phần lớn những gì được phát triển trong lý thuyết này kể từ đó đều dựa trên "mô hình lạm phát", và phiên bản hiện nay của Vụ nổ lớn phụ thuộc một cách mật thiết vào ý tưởng này.

Vào năm 2003 kết quả đã có do bởi một vệ tinh mới, Tàu không người lái dò tìm sóng vi ba đẳng hướng Wilkinson (WMAP), nó cho thấy bức xạ vũ trụ một cách chi tiết hơn trước kia. Vào lúc đầu, và một lần nữa trong tinh thần của vũ trụ học hiện đại, những kết quả mới được mô tả như là sự thành công cho thuyết Vụ nổ lớn và "một sự xác nhận hoàn toàn thuyết lạm phát". Tuy nhiên sự phân tích sau đó chỉ ra điều ngược lại.

Một trong những tiên đoán từ thuyết lạm phát là bức xạ phông sẽ bằng phẳng chứ không có những dao động ngẫu nhiên nhỏ. Tiên đoán này đã được viết thành sách, và chống đỡ cho mọi đề xuất trọng yếu của thuyết. Tuy nhiên, phân tích kỹ những kết quả từ WMAP cho thấy rằng bức xạ này không bằng phẳng. Glen Starkman trình bày kết quả trước hội nghị Bồ Đào Nha chỉ ra rằng không chỉ những dao động khác với kết quả tiên đoán của thuyết Vụ nổ lớn mà chúng còn liên quan với hình học của hệ mặt trời. Thay cho là thuộc về nguồn gốc vũ trụ - năng lượng còn lại từ Vụ nổ lớn - dường như thích hợp hơn là bức xạ đó là ánh sáng và sóng radio từ các vì sao bị phân tán ra bởi các đám mây bụi và khí trong không gian, tạo nên một trong các bức xạ bắt nhịp với cấu trúc của hệ mặt trời và thiên hà của chúng ta.

Nhưng khuynh hướng đi tìm kiếm những lời giải thích trong cái lý thuyết mờ mịt tối tăm đã ăn sâu vào trong vũ trụ học hiện đại. Một weblog vật lý học thiên thể thảo luận kết quả của WMAP có chứa những đoạn sau:

"tôi đề xuất một lời giải thích dưới dạng không-thời gian đa diện... Xem bài của tôi "Những dao động trong bức xạ phông vi ba như là một sự ủng hộ cho khái niệm về không thời gian đa diện". [Matti Pitkanen]

"Liệu điều này có thể được giải thích bởi sự phân bố không đồng nhất khối lượng trong vũ trụ không? Điều gì sẽ xảy ra nếu vật chất tối được giả định đều nằm bên trong một số những hố đen bị che dấu đâu đó, có thể nào các hố đen đó ảnh hưởng đến những photon phông vĩ ba vũ trụ theo cái cách tạo ra những dị thường như vậy?" [Artem Khodush]

Cuộc thảo luận đó khép lại với những lời như sau:

"Đây là vấn đề với việc dạy và quảng cáo cho những điều kỳ quặc. Các sinh viên bắt đầu suy nghĩ về những kịch bản lập dị (tức là không thực tế một cách ngớ ngẩn) thay vì trung thành với vật lý học bình thường. Vấn đề là dữ liệu ngụ ý đến một sự đóng góp địa phương chưa được giải thích vào cái phông vi ba đó, sau đó thì C trong CMB [Phông viba vũ trụ] là không thích hợp về mặt thực tiễn, Vụ nổ lớn rõ ràng là sai lầm, và lạm phát là một cái tẩu mơ mộng của con nghiện." [D R Lunsford]

Sự giãn nở và hiệu ứng dịch chuyển đỏ

Những vấn đề xa hơn đã xuất hiện đối với thuyết Vụ nổ lớn khi nó giả định rằng vũ trụ đang giãn nở như là một kết quả của vụ nổ khởi đầu của thời gian.

Năm 1929, Edward Hubble lần đầu tiên đã chú ý đến hành trạng lạ lùng và không được mong đợi trong ánh sáng đến từ các vật thể xa xôi mà ông giải thích như là bằng chứng cho sự giãn nở của vũ trụ. Edward Hubble thấy những tập hợp màu xác định trong ánh sáng mà ông có thể nhận ra là thuộc về những nguyên tố đặc biệt. (khí natri nóng, chẳng hạn, luôn tạo ra ánh sáng vàng, như đèn đường, và những chất khác luôn phát ra hoặc hấp thụ các màu tương ứng với tính chất của các chất đó.) Nhưng Hubble cũng ghi nhận thấy rằng các màu đó đã bị dịch chuyển đi so với vị trí ban đầu của chúng, hướng về bước sóng dài hơn tới màu đỏ nằm ở cuối dãy quang phổ ánh sáng. Thậm chí làm khó xử hơn, lượng dịch chuyển đó lớn hơn đối với các thiên hà ở xa hơn, đánh giá khoảng cách dựa theo độ sáng của thiên hà đó.

Hubble phỏng đoán rằng dịch chuyển đỏ của màu sắc là do bởi sóng ánh sáng từ các thiên hà bị căng ra khi di chuyển đến trái đất. Một hiệu ứng tương tự - hiệu ứng Doppler - xuất hiện khi một nguồn âm chuyển động; một chiếc xe lửa đang chạy tạo ra một âm lên khi nó tiến lại gần và một âm xuống khi nó đi ra xa và làm giãn sóng âm. Nhưng sự giải thích này về dịch chuyển đỏ không chỉ có nghĩa là các thiên hà đang di chuyển ra xa, mà là thiên hà xa hơn thì đang chuyển động với vật tốc lớn hơn. Các thiên hà giống như là các điểm trên bề mặt của một trái banh đang căng - vũ trụ đang giãn nở.

Đây là quan sát chính dẫn đến ý tưởng về Vụ nổ lớn. Trong chuyển động của các thiên hà, những người ủng hộ Vụ nổ lớn nói, chúng ta thấy hậu quả của một vụ nổ vĩ đại. Vật chất đã từng một lần tập trung lại chỉ một điểm, và hiện nay đang ào ào tuôn ra từ chỗ vụ nổ xuất hiện. Lời giải thích này của dịch chuyển đỏ Hubble dưới dạng sự giãn nở của vũ trụ đã trở thành một trong những hòn đá tảng nâng đỡ thuyết Vụ nổ lớn.

Eric Lerner đã trình bày một bài báo ở hội nghị Bồ Đào Nha thách thức nghiêm trọng quan điểm này. Ông đã dùng các hình ảnh, đủ khéo từ kính thiên văn không gian Hubble, để khảo sát độ sáng bề mặt của những thiên hà xa nhất từng được biết đến. Thuyết Vụ nổ lớn tiên đoán về việc độ sáng bề mặt của một vật thể sẽ thay đổi như thế nào với khoảng cách khác nhau từ hành trạng được mong đợi trong một vũ trụ không giãn nở. Kết quả của ông cho thấy rằng những tiên đoán của Vụ nổ lớn là sai một cách bất ngờ - những thiên hà xa có độ sáng gấp hàng trăm lần so với đề xuất của thuyết Vụ nổ lớn:

"Dữ liệu đã chỉ ra rõ ràng rằng vũ trụ không đang giãn nở, và dịch chuyển đỏ của ánh sáng hẳn phải là do một nguyên nhân khác, có lẽ trong tính chất của bản thân ánh sáng. Điều này cũng có nghĩa là vũ trụ mà chúng ta có thể thấy là không bị giới hạn trong không gian và thời gian - những thiên hà xa nhất chúng ta thấy ngày nay là 70 tỉ năm tuổi, nhiều hơn số tuổi giả định của Vụ nổ lớn, và chúng ta sẽ có thể thấy những thiên hà già và xa hơn nữa với thế hệ kính thiên văn tương lai."

Những ủng hộ xa hơn cho quan điểm này được trình bày trong một bài báo của Thomas Andrews. Ông nhìn vào những ước lượng khoảng cách xuất phát từ độ sáng tương đối của hai loại vật thể: siêu tân tinh và thiên hà sáng nhất trong cụm thiên hà. Ông đã chỉ ra rằng những ước lượng từ siêu tân tinh mâu thuẫn với những ước lượng từ các thiên hà nếu vũ trụ được thừa nhận là đang giãn nở. Nhưng khi các khoảng cách được tính toán xác nhận rằng vũ trụ không đang giãn nở, thì không thấy sự khác biệt giữa hai tập hợp các ước lượng khoảng cách.

Tuổi của vũ trụ

Thuyết Vu nổ lớn gặp phải một trong những khó khăn lớn nhất do nó giả định là có một "khởi điểm của thời gian", một thời gian khi vật chất và chuyển động xuất hiện trong vũ trụ. Tuy nhiên một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng đơn giản không có đủ thời gian kể từ Vụ nổ lớn cho việc hình thành những cấu trúc vĩ mô được quan sát thấy trong các cụm thiên hà xa xôi. Francesco Sylosis-Labini đã giới thiệu kết quả từ một nghiên cứu gần đây phát hiện thấy cấu trúc trong các cụm thiên hà có kích cỡ lớn tới 210 triệu năm ánh sáng; do vận tốc của thiên hà chỉ là 1/1500 vận tốc của ánh sáng nên không thể nào cấu trúc loại này có thể được tạo thành với với từng ấy thời gian kể từ Vụ nổ lớn. Nghiên cứu khác sử dụng mô hình máy tính đã cho thấy là ngay cả với giả định thuận lợi nhất thì các cấu trúc vĩ mô quan sát được sẽ cần thời gian ba đến sáu lần dài hơn để tạo thành hơn là thời gian được cho là đã trôi qua kể từ Vụ nổ lớn.

Tương tự, các thiên hà riêng lẻ được quan sát thấy còn già hơn cả Vụ nổ lớn. Tuổi của một thiên hà có thể được ước tính từ màu sắc của ánh sáng nó phát ra; ngôi sao già và lạnh hơn tạo nên nhiều ánh sáng đỏ hơn những sao trẻ. Những thiên hà xa xôi, dựa theo màu sắc ánh sáng do những ngôi sao của nó phát ra, thì thấy rằng chúng có trước Vụ nổ lớn cỡ 1 tỉ năm.

Thuyết Vụ nổ lớn luôn gặp phải những khó khăn dạng này trong việc hòa hợp giữa những quan sát về vũ trụ với sự tiên đoán của nó về tuổi của vũ trụ. "Vật chất tối" - chưa bao giờ được quan sát thấy, bất chấp những công cuộc nghiên cứu vật lý tốn kém trong vòng hai mươi năm nay - là một phát minh nhằm giải thích sự tạo thành của các thiên hà bởi sự suy sụp hấp dẫn, cho là mật độ vật chất cần thiết trong vũ trụ chỉ là 5% hoặc tương tự để làm cho điều này có thể xảy ra được trong thời gian kể từ Vụ nổ lớn. Nhưng khi người ta phát hiện ra là vũ trụ dường như đang giãn nở gia tốc thì cần thiết phải tức tốc phát minh ra "năng lượng tối", để bật đèn xanh cho các thiên hà giãn ra xa nhau sau khi vật chất tối hoàn thành cái công việc tạo lập của nó. Giờ đây, lại có đề nghị rằng những cấu trúc thiên hà ở thang khoảng cách lớn có thể thành hình nếu như năng lượng tối và vật chất tối được thừa nhận là cân bằng với nhau (mặc dù như vậy sẽ làm cho số tuổi của vũ trụ là 32 chứ không phải 14 tỉ năm - một chi tiết nhỏ.). Tuy nhiên Eric Lerner báo cáo rằng những nhà nghiên cứu chịu trách nhiệm về kết quả này "đồng ý rằng mô hình này không thực tế một chút nào cả".

Vũ trụ học Plasma

Các nhà thiên văn học và vũ trụ học đang trở nên ngày càng nhận ra được vai trò của plasma và điện từ học trong một dải các hiện tượng khác nhau của vũ trụ. Một trong những bài trình bày của Eric Lerner tại hội nghị Bồ Đào Nha là một bức họa tổng quan về vũ trụ học plasma, ý tưởng được phát triển ban đầu bởi nhà vật lý plasma Hannes Alfven.

Plasma là khí nóng trở nên "bị ion hóa" - những electron tích điện âm tách ra khỏi các nguyên tử để lại các ion mang điện tích dương. Một thí dụ về plasma là arc của một cái mỏ hàn - các electron và ion tự do trong khí nóng giữa các điện cực cho phép một dòng electron chạy qua, tạo nên nhiệt, ánh sáng và các sóng radio có thể làm nhiễu các máy thu radio đặt gần. Có lẽ đến 99% vật chất trong vũ trụ được tin là tồn tại dưới dạng plasma, vừa ở trong các vì sao, vừa trong các đám mây khí khổng lồ giữa các vì sao và các thiên hà.

Các nhà vũ trụ học plasma tin là các hiệu ứng điện từ từ plasma, thường bị ngó lơ bởi vũ trụ học truyền thống, có thể giải thích những hiệu ứng mà các nhà lý thuyết Vụ nổ lớn bị buộc phải phát minh ra các vật thể chưa bao giờ được thấy như vật chất tối hay năng lượng tối. Dòng điện trong plasma giữa các vì sao hay giữa các thiên hà có thể phát ra các lực từ mạnh như lực hấp dẫn, và đó là cái có thể giải thích sự tạo thành các thiên hà và cấu trúc mà không cần đến những thứ ngu xuẩn như vật chất tối hay năng lượng tối. Nhưng vũ trụ học truyền thống hiếm khi xem xét đến bất cứ thứ gì ngoài những tác động hấp dẫn.

Một số người tham dự hội nghị có nhắc đến những hiệu ứng liên quan plasma trong những bài trình bày của họ trong cuộc thảo luận chung. Tuy nhiên, Donald Scott (5) đã chỉ ra trong bài báo của ông rằng các nhà vật lý học thiên thể dòng chính thống thường không có khả năng nhận ra những cơ sở của thuyết điện từ và rằng trong lĩnh vực này cần thiết phải hết sức cẩn thận để tránh cái khuynh hướng muốn phát minh ra những vật thể hư ảo để lấp vừa lý thuyết: "các nhà vật lý học thiên thể gần đây đã phát hiện (phát minh) ra những thực thể và lực mang tính giả thuyết với một tốc độ đang gia tăng. Họ đã làm vậy mà không bị trừng phạt bởi vì những thực thể đó là không thể sai lầm được - no in situ experiments are possible in remote space. Nhưng khi những quy luật đã được thẩm tra lại bởi thực nghiệm của khoa học điện không nhận được sự quan tâm hoặc bị hiểu sai thì đó là lúc hiện diện một thách thức - để bắt đầu một cuộc đối thoại giữa hai phe nhằm giải quyết mâu thuẫn."

Một trong những mặt khác lạ của vũ trụ học plasma là nó tiên đoán sự phân bố fractal của vật chất trong vũ trụ. Fractal là các đối tượng có những hoa văn lập lại tại mọi thang khoảng cách từ bé đến lớn; một vài bài báo tại hội nghị đã thảo luận những hậu quả khả dĩ của hành trạng này. Một phân bố fractal ngụ ý đến những vùng không có vật chất, trống rỗng giữa các thiên hà và các cụm thiên hà, sẽ xuất hiện và tái xuất hiện lại ở mọi thang bậc khoảng cách. Do vũ trụ học plasma không cần đến giả định về tuổi của vũ trụ nên nó cũng không đòi hỏi giới hạn nào về thời gian cần thiết để tạo nên những cấu trúc lớn đến như vậy.

Dark Matter

Vật chất tối

"Phần lớn khối lượng của vũ trụ được tin là tồn tại ở phần tối. Việc xác định bản chất của khối lượng ẩn này là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong vũ trụ học hiện đại. Khoảng 23% vũ trụ được cho là cấu tạo từ vật chất tối, và 73% được coi là chứa năng lượng tối, một thành phần khá xa lạ phân bố một cách rối rắm trong không gian nên khó có thể coi đó là các hạt thông thường được." [Wikipedia]

Hầu hết mọi người khi dồn bản thân mình đến góc tường sẽ chấp nhận sai lầm của mình và từ bỏ con đường đó. Các nhà vũ trụ học truyền thống lại khác hoàn toàn và họ đi dỡ từng viên gạch của cái góc tường đó cho đến khi nó đổ sập xuống đầu họ.

Đối mặt với những quan sát về chuyển động của các thiên hà, những chuyển động này không thể được giải thích bởi một mình hấp dẫn, thì dường như là hợp lý khi coi hiện tượng điện từ có thể chịu trách nhiệm về chuyển động này. Sau tất cả, từ khi khoa học bắt đầu đến giờ các nhà vật lý chỉ có thể tìm ra 4 loại lực mà thôi: lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân yếu và lực hạt nhân mạnh, hai lực sau cùng chỉ hoạt động ở những khoảng cách hạ nguyên tử cực kỳ nhỏ. Tuy nhiên, không may thay là có ít những người danh tiếng làm việc với điện từ học trong vật lý học cổ điển hơn là trong việc mô tả một số những hệ quả không mong muốn của thuyết tương đối chung, và thuyết tương đối chung thì lại chỉ làm việc với hấp dẫn.

Vật chất được phát minh ra để chế tạo nên cái điều kiện hấp dẫn cho sự tạo thành của vũ trụ, và cũng để ngăn không cho các thiên hà hiện tồn rời xa nhau. Tốc độ quay của nhiều thiên hà là rất lớn so với những gì hấp dẫn tạo ra bởi vật chất nhìn thấy được để giữ chúng lại với nhau. Thay vì đi tìm một câu trả lời cho hiện tượng vật chất chưa biết này, như các nhà vũ trụ học plasma đã làm, những lý thuyết gia Vụ nổ lớn đã đi phát minh ra một dạng vật chất và năng lượng không nhìn thấy được, được cho là chiếm ưu thế trong vũ trụ, giải thích cho 95% hợp phần của vũ trụ. Không may là bất chấp những đóng góp to lớn của nó vào hấp dẫn, vật chất tối mặt khác lại "tương tác một cách yếu ớt" với vật chất thông thường, giải thích một cách yếu ớt cho việc không ghi nhận được sự có mặt của nó trong bất kỳ một cuộc thí nghiệm nào. Điều này đã không ngăn cản được các quỹ khoa học thay nhau lên kế hoạch và tiêu nhiều tiền hơn vào một cuộc tìm kiếm khó thành công loại vật chất vô hình này tạo ra thêm nhiều nghề nghiệp khoa học.

Vật chất tối không quá tối đến nỗi "mất hút". Những nghiên cứu gần đây về bức xạ dưới đỏ từ các thiên hà đã tạo khả năng ước đoán được khối lượng của các ngôi sao trong các thiên hà đó. Những hiệu ứng hấp dẫn trong các thiên hà và các cụm thiên hà này để lại rất ít chỗ trống cho vật chất tối. Ở các thiên hà, vật chất nhìn thấy được có thể giải thích cho 2/3 hiệu ứng hấp dẫn quan sát được, mặc dù trong các cụm thiên hà thì lượng vật chất cần thiết nhìn thấy được ít hơn, có lẽ là vì nó bị che mờ bởi lượng lớn bụi và khí trong những hệ thống này.

Phương pháp khoa học

Có cả một phiên họp trong hội nghị làm việc với vấn đề các nhà vũ trụ học và khoa học nói chung nên làm như thế nào trong những đề tài chẳng hạn như vũ trụ học nơi mà họ đang cố gắng để hiểu được những vật thể ở rất xa và không thể tiếp cận được. Timothy Eastman đã chỉ ra những nguy hiểm vốn sẵn có trong phương pháp suy diễn có chung trong vũ trụ học và các phần khoa học khác, ở đó những câu trả lời được sút ra từ "những quy luật chung của vũ trụ" được thừa nhận là không cần có bằng chứng (và do đó có thể được làm cho vừa vặn với các sự kiện). Một trong những giải pháp khác ông đề nghị là "khai thác dữ liệu" dựa trên máy tính, ở đây máy tính được dùng để tìm ra các mô hình trong dữ liệu mà không cần phải viện đến một lý thuyết nào cả.

Tính phổ biến của phương pháp suy diễn dựa trên sự thực là trong một số những vùng được hiểu biết khá rõ của khoa học có thể tổng kết lại những năm tháng làm việc khoa học trong một dạng thức trừu tượng và cực kỳ cô đọng, sửa dụng một số nhỏ các phát biểu toán học. Một ví dụ là những quy luật điện từ của Maxwell:

Những ký hiệu trên biểu thị mối quan hệ giữa trường điện E, trường từ B, mật độ điện tích r và mật độ dòng điện j, cùng với những thay đổi của chúng trong không gian và thời gian, được biểu diễn bởi các toán tử ∇•, ∇ x ∂/∂t. Từ những phương trình này, câu chuyện bắt đầu, có thể sử dụng các quy luật tương ứng với những ký hiệu toán học này để suy ra tất cả những hiện tượng điện từ đã được biết đến. Đối với một nhà toán học hoặc nhà vật lý học điều này thật là một lời tuyên bố cực kỳ hấp dẫn, gần như là làm say đắm, trong đó mọi thứ xuất hiện thật hoàn chỉnh và chắc chắn và có thể lĩnh hội được mọi thứ, ít nhất là về phương diện điều kiện ban đầu thông qua việc áp dụng những quy luật logic và sự biểu diễn của chúng trong toán học.

Không may thay các nhà khoa học hiện đại có khuynh hướng quên mất rằng phải mất rất nhiều năm lao động trải dài bởi rất nhiều con người để đạt đến cái điểm nhận thức hiện nay của chúng ta về điện từ, và cũng tương tự như thế trong những lĩnh vực khác của khoa học ở đó có thể xảy ra sự tổng quá hóa tương tự. Những phương trình Maxwell được mô tả như là những tiên đề - những tuyên bố không cần phải chứng minh hay luận giải. Nhưng đây là chỉ cái nhìn một chiều, bắt đầu với cái kết quả chung cuộc của có lẽ hàng ngàn năm của sự phát triển của con người và khoa học và bỏ qua những gì đã xảy ra như thể đó là sự lầm lẫn. Để đạt đến được cái điểm ở đó thậm chí ý tưởng về một trường điện, hay là sự biểu diễn toán học của sự thay đổi trong không gian và thời gian, được thiết lập, khám phá, phát triển, ứng dụng, kiểm nghiệm và cho thấy là hữu dụng cũng cần đến những đóng góp của không biết bao nhiêu là các nhà khoa học trải qua một thời kỳ lâu dài. 4 phương trình làm nên phương trình Mawxell phân ly thành rất nhiều khái niệm toán học và vật lý học, có liên kết với và được hỗ trợ bởi những kết quả của một dãy tổng thể các hoạt động khoa học. Nếu chúng là tiên đề, nếu chúng là điểm để bắt đầu, tại sao lại cần tới 15 năm trải qua giáo dục hoặc nhiều hơn nữa, thêm cả một số năm để học chuyên sâu về toán học và vật lý, trước khi ai đó có thể hiểu và sử dụng được chúng?

Điểm nhấn trong vật lý lý thuyết và vũ trụ học chính thống là dựa trên sự suy diễn từ các tiên đề, trên các tư tưởng thuần túy và logic. Thuyết Vụ nổ lớn, thiếu sự ủng hộ của quan sát, đã cho thấy những nguy hiểm vốn có trong phương pháp này. Cho đến giờ nó chính là phương pháp chiếm ưu thế trong vũ trụ học, được dạy và cổ xúy trong các trường đại học bởi vì nó đem lại cho những người rất thông minh một cơ hội để chứng tỏ sự sáng chói của họ thông qua việc xác nhận điều ngu xuẩn. Trước tiên là một điều khái quát sâu rộng cốt yếu, một tiên đề từ đó tất cả những cái khác sẽ được suy diễn ra.

Sau đó là các vấn đề, sự sửa chữa, sự im lặng của đối thủ.

Còn có một khó khăn hơn nữa. "Từ những quy luật này, mọi hiện tượng đã biết sẽ được suy ra.". Xem nào, cũng không hoàn toàn. Chỉ trong những trường hợp đơn giản nhất, đối với những hình học đơn giản nhất và một số nhỏ các đặc tính/các hạt/các hợp phần/các hoạt động (tốt nhất là không nhiều hơn hai). Sự khéo léo của các nhà vật lý thực tiễn nằm ở chỗ tìm ra được những cái gần đúng đủ tốt để, đan bện và đổi chiều các tư tưởng và toán học để cố gắng làm cho nó vừa với sự rắc rối. Tính xác thực của hầu hết các hiện tượng vật chất là chúng có nhiều đặc tính nối kết với nhau, tất cả chúng đều tương tác. Và ngày càng có nhiều nhà vật lý bắt đầu nhận thấy rằng chính sự tương tác còn quan trọng hơn nhiều so với những chi tiết của các quy luật vật lý. Sự quá độ xuất hiện được quyết định bởi bản thân sự phức tạp không cần quan tâm đến chi tiết của vật lý học; đây là lý do tại sao mô hình fractal có thể hoạt động ở nhiều thang khoảng cách và với những cơ cấu vật chất khác nhau. Những tiên đề vật lý và những sự suy diễn từ chúng không những trở nên không thỏa đáng, chúng còn không thích hợp. Nhiều quy luật chung xuất hiện - những quy luật biện chứng về chất và lượng, về sự thống nhất của các mặt đối lập và phủ định của phủ định.

Một phương pháp thuần túy kinh nghiệm, ở đó không có nhu cầu về lý luận, thì cũng là phiến diện. Học hỏi từ thực nghiệm, tổng quát hóa những kinh nghiệm, và sau đó kiểm tra chúng trong những thí nghiệm mới là nguyên tắc cơ bản đối với sự phát triển của những tư tưởng khoa học cũng như là đối với sự phát triển của cá nhân. Các nhà khoa học thực hành, cụ thể là trong những khoa học mang tính quan trắc, chẳng hạn như vũ trụ học hay địa vật lý học, đang không ngừng rút ra những ý tưởng từ trong dữ liệu của họ, kiểm nghiệm những ý tưởng này bằng cách áp dụng chúng ngược lại với các dữ kiện, và chọn lọc hoặc thay đổi những ý tưởng của họ. Đây là phương pháp quy nạp và suy diễn một cách đông thời, không phải là cái này hoặc cái kia mà là cả hai.

Đối với Eric Lerner vấn đề về phương pháp luận trong sự phát triển của các lý thuyết khoa học cũng quan trọng ngang với những chi tiết trong vật lý học. Trong một buổi phỏng vấn gần đây (6), ông bình luận rằng: "Bước đột phá trong cuộc cách mạng khoa học của Galileo và Kepler là khái niệm cho rằng những quy luật của vũ trụ, vật lý và khoa học về vũ trụ, cũng giống hệt nhưng khoa học mà chúng ta quan sát được ở đây trên trái đất".

Các lý thuyết gia Vụ nổ lớn khẳng định, chẳng hạn, rằng "vào lúc bắt đầu (và không thể tránh được những sự biểu đạt mang tính kinh thánh theo kiểu này) tất cả mọi vật chất trong vũ trụ được tập trung vào một điểm duy nhất có mật độ vô hạn. Thật vậy, chúng ta không thể nói điều này là bất khả được, và có những khả năng khác có thể giải thích được sự vận động của các thiên hà, bức xạ phông vũ trụ, tỷ lệ của ánh sáng so với các nguyên tố có khối lượng trong vũ trụ, và những quan sát khác mà các lý thuyết gia Vụ nổ lớn khẳng định, một cách sai lầm, là giải thích được. Nếu mà khẳng định, một cách không có bằng cớ gì và hoàn toàn mâu thuẫn với những gì quan sát được cho đến nay, rằng vật chất bị nén vào một điểm, thì sẽ tốt hơn khi nói rằng "nếu chúng ta đẩy tình thế đến giới hạn của sự hấp dẫn khổng lồ chúng ta sẽ không biết được chuyện gì xảy ra, nhưng không có vẻ như là vật chất sẽ xuất hiện hoặc biến mất, bởi vì chúng ta chưa thấy điều đó bao giờ."

Tri thức có thể được thâu nhận bằng nhiều cách; các thí nghiệm trong phòng có thể cho phép chúng ta hiểu được tự nhiên tốt hơn và tự nhiên có thể trao cho chúng ta những đầu mối về những điều chúng ta cần chú ý trong những thí nghiệm đó. Chúng ta có thể tìm hiểu tư nhiên bằng cách quan sát nó trực tiếp, hoặc bằng cách ngoại suy từ những gì đã biết ra cái chưa biết. Eric Lerner nói "Mối quan hệ giữa khoa học trong phòng thí nghiệm và khoa học trong vũ trụ chạy theo cả hai hướng. Đã lắm khi những điều quan trọng về tự nhiên đã được phát hiện nhờ quan sát các vật trong không gian." Đây là kinh nghiệm của cá nhân ông khi làm việc trong lĩnh lực vật lý plasma, trong đó những tiến trình plasma ông nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của mình là bản đối chiếu với những tiến trình thấy được ở các thiên hà.

Ông tin rằng một vấn đề cốt yếu đối với thuyết Vụ nổ lớn là giả định về một hiệu ứng - sự bùng nổ vật chất và năng lượng vào trong vũ trụ - mà không cần có nguyên do. Đối với ông đây là điều phản lại với phương pháp khoa học, cái phương pháp luôn đi tìm những nguyên do đằng sau các hiệu ứng. Sức mạnh của khoa học nằm ở khả năng khái quát hóa từ những điều quan sát được và tạo ra các tiên đoán của nó - ở khả năng phát triển lý luận thông qua việc nghiên cứu những tiến trình đang hoạt động và sau đó dùng lý luận này để dẫn đường cho hành động.

Thần thoại về sự sáng tạo

Một bức tranh sâu hơn về cuộc khủng hoảng cơ bản tồn tại hiện nay đối với lý thuyết Vụ nổ lớn được Mike Disney đưa ra ở hội nghị Bồ Đào Nha trong một bài báo nhân đề "Sự vô nghĩa của vũ trụ học đương thời". Ông đã chỉ ra rằng các lý thuyết hiện thời dựa trên một số lượng nhỏ đáng kinh ngạc những quan sát thực sự độc lập - ông tin là cùng lắm chỉ có năm quan sát độc lập hơn những tham số trong các lý thuyết này. Theo ý ông:

"Có thể biện luận là có ít những cái có ý nghĩa về mặt thống kê phù hợp tốt gây ấn tượng đối với các nhà vũ trụ học chính thống... Cái tính huống nguy hiểm tương tự này cũng tồn tại trong toàn bộ cái lĩnh vực vũ trụ học hiện đại khi mà số lượng những tham số mới đã nở ra để xem xét dữ liệu."

Trong quá khứ ông đã từng cảnh báo về mối nguy hiểm trong tình thế này:

"Phần yếu nhất trong vũ trụ học là sự tương đương của nó với tôn giáo. Cả hai đều làm việc với những vấn đề to lớn nhưng không thể trả lời. Những khán giả say sưa, những phương tiện quảng cáo, những cửa hiệu sách lớn, những thầy tu xúi dục và những kẻ lừa lọc, cũng như những kẻ cả tin, không giống như những chủ đề khác trong khoa học." (7)

Một sự tương tự đáng lo lắng có thể rút ra từ câu chuyện Vụ nổ lớn và thần thoại về sự sáng thế của đạo Cơ Đốc. Không có đủ thẩm quyền để tuyên bố, như những người ủng hộ thuyết Vụ nổ lớn vẫn làm, rằng không thể nào nghiên cứu được những gì đã xảy ra trước Vụ nổ lớn - rằng trước đó thì không có thời gian, và việc nghiên cứu một cách khoa học, giống như những thứ khác, phải dừng lại tại điểm đó. Chúng ta chỉ phải hỏi cái gì đã khởi xướng nên vụ nổ tại điểm bắt đầu của thời gian để thấy rằng chúng ta rồi lại phải bị lôi ngược về cái yêu cầu phải có một xung lực ban đầu - bàn tay của Chúa. Trong vật lý học thiên thể cái ý tưởng cũ rích này đã đi tới thời hiện đại trong một bộ cánh mới, nhưng dưới cái lớp vỏ đó thì vẫn là cái nội dung xa xưa. Chúng ta được bảo rằng "những dao động lượng tử", được ủng hộ bởi hệ quả của nguyên lý bất định của Heisenberg, tạo ra năng lượng để cho xuất hiện cái thời kỳ ngắn ngủi này, và nổ bung ra vũ trụ.

Nguyên lý bất định của Heisenberg là lời tuyên bố về việc chúng ta có thể đồng thời đo được chính xác tới mức nào lượng của các cặp chẳng hạn như là động lượng và vị trí hoặc thời gian và năng lượng. Cho đến giờ đó là tình trạng mò mẫm của tri thức, là những khó khăn của việc quan sát, và những hiểu biết bị giới hạn của chúng ta hiện nay về tính đối ngẫu sóng hạt, chứ không có nghĩa đó là sự mơ hồ trong thực tại vật chất. Dao động lượng tử là một cách luận giải thần bí và duy tâm của nguyên lý bất định Heisenberg được lấy ra từ cau chữ và một nội dung vật chất rỗng tuếch, theo như truyển thống của cách luận giải Copenhagen về cơ học lượng tử. (8)

Đó là một sự bảo vệ yếu ớt dựa vào chủ nghĩa duy tâm và chủ nghĩa thần bí của tôn giáo khi mà viện đến cách luận giải duy tâm và thần bí về cơ học lượng tử. Khoa học đang ngày càng cho phép chúng ta có thể tìm ra những câu trả lời cho các hiện tượng tự nhiên, cả lịch sử và tương lai của vũ trụ, trong các tiến trình vật chất. Chúa không tồn tại, không có linh hồn trong máy móc, và chúng ta cần phải tìm Chúa không phải ở thiên đường mà là ở tại Trái đất này, trong thực tiễn tồn tại của nhân loại. Sự sinh thành ra loài người là một quá trình đau đớn và lâu dài cả về thể xác và tinh thần. Những vết sẹp chỉ ra trong thời kỳ lâu dài sinh thành đó đã mất đi cái thiên đường, nơi mà theo nghĩa đen "tất cả là một". Trong xã hội có giai cấp sự thực cơ bản này của điều kiện của con người có công dụng làm phương tiện hỗ trợ cho những người cai trị, chúa đất phong kiến người xuất hiện với người tư tế mà ông ta đã mướn lẽo đẽo theo sau, Thủ tướng và chủ tịch nước bào chữa cho chính sách khủng bố của họ bằng việc cầu khẩn đến một quyền lực cao hơn, và khi đó đại biểu cho ý chí của Chúa trong việc gieo rắc nối tiếp nhau hàng tấn chất nổ.

Đối với các nhà khoa học thuộc nhóm vũ trụ học lập dị lời giải thích cho những gì xuất hiện trong quá khứ nằm ở chính những tiến trình mà chúng ta đang thấy, trong nhiều trường hợp chúng ta có thể khám phá trong những thí nghiệm trong phòng. Không có kết quả mà thiếu đi nguyên nhân - một chuỗi vô hạn các nguyên nhân và kết quả dẫn từ đây về với quá khứ. Và đối với các nhà vũ trụ học plasma nguồn gốc của vận động là ở bản thân vật chất, như được mô tả bởi những quy luật của điện từ học.

Nhóm khoa học này đang đấu tranh để thiết lập nên một phương pháp về cơ bản là duy vật và biện chứng đối với những tư tưởng về không gian, thời gian và nguồn gốc của vũ trụ. Và họ làm như vậy bởi vì đó là phương pháp duy nhất thích hợp với các chứng cứ. Chẳng hạn, Eric Lerner nói:

"Vũ trụ không bao giờ có một khởi nguyên trong thời gian nhưng nó tiến hóa... Không có một bằng chứng nào cho thấy vũ trụ là hữu hạn trong không gian và thời gian, nó quay về đúng với những gì mà Giordano Bruno đã nói và bị thiêu sống cách nay 400 năm." (9)

Lượng vật chất và vận động được bảo toàn trong toàn bộ các tiến trình là một phần cốt lõi trong tri thức của chúng ta về thế giới vật chất. Và nếu vật chất và vận động tồn tại hiện nay thì chúng luôn tồn tại và sẽ luôn tồn tại - không chỉ đơn giản đối với cái thời gian đã ghi nhận được và còn cả trước và sau cái thời gian đó nữa, dù ta có ghi nhận hay không cũng vậy. Với con người để hiểu được cái vô hạn trừu tượng hóa là rất khó khi mà nó cách quá xa kinh nghiệm của chúng ta và dường như có rất ít ý nghĩa thực tế. Cho đến giờ sự tồn tại hiện nay của vật chất và năng lượng là bằng chứng rõ ràng nhất mà chúng ta có rằng chúng luôn tồn tại và sẽ luôn là như thế. Nếu chúng ta bắt đầu với vật lý mà chúng ta đã biết, thì chúng ta phải kết luận là vũ trụ không có điểm khởi đầu, cũng không có điểm kết thúc, và thời gian là vô tận.

Nhưng vũ trụ không đứng yên. Tại mọi nơi, mọi thang bậc khoảng cách, từ rất nhỏ đến lớn vô cùng, đều có sự biến đổi, vận động và phát triển. Các thiên hà, các cụm thiên hà, tiến hóa và biến đổi. Các ngôi sao và hành tinh được sinh ra, lớn lên và chết đi. Các đế chế xuất hiện và rơi vào hậu đài. Những cá nhân lớn lên, học tập, làm việc và lại biến mất. Nội trong mỗi người cũng có đến hàng tỷ những tế bào tương tác, lớn lên, chết đi và thay mới. Và cứ thế đến cả những thang bậc nhỏ nhất và hơn thế nữa. Trong chừng mực chúng ta biết, trong chừng mực chúng ta có thể nói, trong cái góc nhỏ nhắn này của vũ trụ thì đầu óc của con người là sản phẩm cao nhất của quá trình này.

[4] Guth’s work on cosmic inflation is pre-dated by James Blish's discovery of the Dillon-Wagoner “spindizzy”. This device is based on the Blackett-Dirac Equation, G² = 8 P c /U where P is the magnetic moment of the body, c is the speed of light, and U is the angular momentum. By increasing U for every particle in a body, the constant of gravity is reduced. The concept was first described in the author’s novel Earthman Come Home (1950).