Đó là thuyết
"Big Bang". Thực ra, đằng sau thuyết Big Bang là cả một rừng toán
học phức tạp, những thành quả khoa học qua nhiều thời đại, kỹ thuật
đo lường với những dụng cụ tối tân nhất của khoa học kỹ thuật
ngày nay v.. v.., sản phẩm của những đầu óc có thể nói là sáng nhất
trong giới khoa học. Tuy nhiên, muốn hiểu Big Bang không phải là khó, chúng
ta chỉ cần dùng cặp mắt trần nhìn lên những khoảng tối giữa các vị
sao trên trời là có thể "thấy rõ" vũ trụ đã sinh ra từ một
Big Bang. Mặt khác, chúng ta cũng có thể "thấy" Big Bang ngay trong
chiếc TV mà chúng ta thường coi hàng ngày. Tôi sẽ trở lại về những
cái "thấy" này trong một đoạn sau. Trong phần trình bày sau đây,
tôi sẽ cố gắng viết về thuyết này một cách giản dị để cống hiến
quý độc giả "câu chuyện Big Bang". Tuy nhiên, vì đây là một đề
tài khoa học và khả năng của tôi chỉ có hạn, cho nên, nếu có độc giả
nào đọc bài này mà phát dị ứng với khoa học thì đó là tại vì tôi
chưa đủ khả năng để diễn giải rõ ràng một vấn đề, chứ không phải
vì độc giả đó chưa đủ trí tuệ để hiểu. Một mặt khác, khoa học cần
nhiều đến suy nghĩ và tưởng tượng. Cho nên, trong bài viết này tôi đòi
hỏi độc giả đôi chút óc tưởng tượng và suy tư của con người.
Thật là kỳ lạ, cách đây hơn 2500 năm, Đức Phật đã
đưa ra thuyết Vô Thường: Vạn Pháp, nghĩa là vũ trụ và mọi sự vật
trong đó, thay đổi từng sát na, không có gì có thể gọi là Hằng Hữu, Hằng
Sống, Hằng Tồn trong vũ trụ. Mọi sự vật, nếu đã do duyên sinh thì cũng
do duyên mà diệt, đủ duyên thì sinh thành, hết duyên thì diệt, và thường
đều phải trải qua bốn thời kỳ: thành, trụ, hoại, diệt. Ngày nay, trước
những khám phá mới nhất của khoa học, từ thuyết tiến hóa của Darwin
cho tới thuyết Big Bang về sự thành hình của vũ trụ, tất cả đều chứng
tỏ thuyết duyên khởi là đúng.
Trong Kinh Hoa Nghiêm, Đức Phật cũng nói rõ: "Ngoài
thế giới nhỏ nhoi của chúng ta còn có hằng hà sa số thế giới
khác", và đã mô tả hình dạng của các thế giới này rất chính
xác, thí dụ như có hình xoáy nước, hình bánh xe, hình nở như hoa v..v..
22 thế kỷ sau, vào thế kỷ 17, khoa học gia Giordano Bruno cũng đưa ra quan
niệm là ngoài thế giới của chúng ta còn có nhiều thế giới khác. Ông bị
giam 6 năm tù rồi đưa ra tòa án xử dị giáo. Tội của ông? Nhận định
của ông trái với những lời "mặc khải" không thể nào sai lầm
của Thượng đế trong Thánh Kinh: thế giới của chúng ta gồm có trái đất,
mặt trời, mặt trăng và các vị sao mà mắt trần của chúng ta nhìn thấy
hàng ngày là thế giới duy nhất mà Thượng đế tạo ra và trái đất là
trung tâm của thế giới này. Vì là một Linh Mục dòng Đa Minh, tòa sẽ trả
tự do cho ông nếu ông rút lại nhận định trái ngược với Thánh Kinh
trên và tuyên bố là mình sai lầm. Nhưng có vẻ như ông là đệ tử của
cụ Khổng nên có tư cách của người quân tử: "uy vũ bất năng khuất"
nên ông không chịu "sửa sai". Kết quả là ông bị tòa án xử dị
giáo xử có tội, tuyệt thông ông (nghĩa là khai trừ ông ra khỏi giáo hội,
không cho ông hưởng các "bí tích" và lên Thiên đường hiệp thông
cùng Chúa) và mang ông đi thiêu sống. (Xin đọc các bài "Phật Giáo và
Vũ Trụ Học" và "Phật Giáo và Cuộc Cách Mạng Khoa Học".) Từ
những sự kiện trên, chúng ta thấy rằng, trí tuệ của Đức Phật đã vượt
xa trí tuệ của Thượng đế trong Thánh Kinh, ít ra là về nguồn gốc và cấu
trúc của vũ trụ. Bởi vậy, một trong 10 danh hiệu người đời gọi Đức
Phật là "Thiên, Nhân Sư", nghĩa là bậc Thầy của những bậc sống
trên Trời và của con người sống trên trái đất.
Ngày nay, các khoa học gia đều công nhận chúng ta đang sống
trong một vũ trụ sống động, thay đổi liên tục. Vũ trụ, cũng như mọi
vật trong đó, từ nhỏ như một vi khuẩn cho tới lớn như một ngôi sao
v..v.. đều có một đời sống, nghĩa là, được sinh ra và sẽ chết đi. Vấn
đề sinh tử không còn xa lạ gì với con người, nhưng vấn đề các ngôi
sao, và rất có thể cả vũ trụ, cũng sinh tử thì thực ra các khoa học
gia mới chỉ biết tới cách đây khoảng chưa đầy 80 năm. Khoa học ngày
nay đã thấy lại, sau cái thấy của Đức Phật gần 25 thế kỷ, về sự
cấu tạo và tính cách vô thường của vũ trụ.
Cho tới đầu thập niên 1920, các nhà vũ trụ học (vũ trụ
học là môn học khảo sát về nguồn gốc, sự tiến hóa và sự cấu tạo
của vũ trụ) đều cho rằng vũ trụ chỉ là giải Ngân Hà mà Thái Dương
Hệ (hệ thống mặt trời và các hành tinh trong đó có trái đất) của chúng
ta nằm trong đó, và vũ trụ này có vẻ như vô cùng tận, thường hằng,
nghĩa là không thay đổi và có tính cách vĩnh cửu (eternal). Vào đầu thập
niên 1920, các chuyên gia khảo cứu vũ trụ, qua những kính thiên văn tân kỳ,
khám phá ra rằng giải Ngân Hà (Milky Way), trong đó có thể có tới cả trăm
tỷ ngôi sao, mỗi ngôi tương tự như mặt trời trong Thái Dương Hệ, thật
ra chỉ là một ốc đảo, một Thiên Hà (galaxy), trong vũ trụ.
Ngoài giải Ngân Hà ra còn cả triệu, cả tỷ Thiên Hà
khác rải rác trong vũ trụ. Mỗi Thiên Hà đều chứa ít ra là cả tỷ
ngôi sao, tương tự như giải Ngân HàﮠTrong vũ trụ, giải Ngân Hà có dạng
của một cái đĩa, rộng khoảng 100000 (một trăm ngàn) năm ánh sáng, và
Thái Dương Hệ của chúng ta ở cách tâm của giải Ngân Hà khoảng 30000
(ba mươi ngàn) năm ánh sáng. Trong vũ trụ học, vì phải kể đến những
khoảng cách vô cùng lớn nên người ta thường dùng đơn vị đo chiều dài
là 1 năm ánh sáng, hoặc đơn vị parsec bằng hơn ba năm ánh sáng một chút
(3.2616). Chúng ta đều biết, ánh sáng truyền trong không gian với vận tốc
khoảng 300000 cây số trong một giây đồng hồ. Chúng ta cũng biết một phút
có 60 giây, một giờ có 60 phút, một ngày có 24 giờ, và một năm có khoảng
365 ngày. Do đó, chúng ta có thể tính ra khoảng cách của một năm ánh
sáng. Khoảng cách này vào khoảng 9460800000000 (9 ngàn 4 trăm 60 tỷ 8 trăm
triệu) cây số, hoặc gần 6000000000000 (6 ngàn tỷ) Miles.
Làm sao mà các khoa học gia có thể đo được những khoảng
cách vô cùng lớn như vậy? Lẽ dĩ nhiên không phải đo bằng thước mà bằng
một phương pháp gián tiếp qua những dụng cụ khoa học, và đây chính là
sự kỳ diệu của những phát minh khoa học song hành với sự phát triển
trí tuệ của con người.
Năm 1923, khi quan sát khối tinh vân (nebula) Andromeda, một khối
trông như một đám bụi sáng mờ mà chúng ta có thể nhìn thấy bằng mắt
trần, qua một kính thiên văn vĩ đại tân kỳ có đường kính khoảng hai
thước rưỡi, Edwin Hubble nhận ra rằng đó không phải là một khối tinh
vân mà chính là một thiên hà tương tự như giải ngân hà. Quan sát kỹ,
Hubble nhận thấy trong thiên hà này có những ngôi sao mà độ sáng của nó
thay đổi một cách đều đặn, nghĩa là hiện tượng ngôi sao mới đầu sáng,
rồi mờ đi, rồi lại sáng trở lại, và cứ tiếp tục thay đổi đều đặn
như vậy. Các ngôi sao thay đổi độ sáng này có tên khoa học là Cepheid
(Cepheid variables) . Thời gian của một chu trình thay đổi này tùy thuộc ở
độ sáng trung bình của ngôi sao. Chu trình thay đổi này có thể kéo dài
trong khoảng từ 1 tới 50 ngày, tùy theo ngôi sao, nhưng rất đều đặn, thí
dụ 15 ngày chẳng hạn, đối với một ngôi sao nào đó. Thời gian của chu
trình này cho chúng ta biết chính xác độ sáng của ngôi sao đó. Và độ sáng
biểu kiến (apparent brightness), nghĩa là thấy vậy mà không phải thực là
vậy, của các ngôi sao ghi giữ lại trên các kính thiên văn sẽ cho chúng
ta biết khoảng cách từ ngôi sao đến trái đất, vì theo một định luật
đã được kiểm chứng trong khoa học, độ sáng biểu kiến chẳng qua chỉ
là độ sáng thật chia cho bình phương của khoảng cách. Thí dụ, nếu
chúng ta đo thấy độ sáng biểu kiến của ngôi sao A chỉ sáng bằng một
phần tư độ sáng biểu kiến của ngôi sao B thì chúng ta có thể kết luận
là ngôi sao A ở xa chúng ta gấp đôi ngôi sao B, vì bình phương của một nửa
là một phần tư.
Qua kỹ thuật đo khoảng cách này, các khoa học gia biết rằng
thiên hà Andromeda cách xa chúng ta khoảng hai triệu năm ánh sáng (700 ngàn
parsec) và là thiên hà hàng xóm gần chúng ta nhất. Với những kính thiên văn
ngày cáng tân kỳ có khả năng ghi lại những ánh sáng rất yếu, từ rất
xa, các khoa học gia đã biết được có những thiên hà cách xa chúng ta cả
chục triệu năm ánh sáng, cả trăm triệu năm ánh sáng, rồi đến cả chục
tỷ năm ánh sáng.
Các khoa học gia thường có thói xấu là "làm ngày
không đủ, tranh thủ làm đêm, làm thêm ngày chủ nhật" và cứ lập
đi lập lại một thí nghiệm để chắc rằng những dữ kiện khoa học phù
hợp nhau, từ đó mới đưa ra những xác định khoa học. Tới năm 1929,
Edwin Hubble nhận ra một hiện tượng kỳ lạ: có vẻ như các thiên hà
càng ngày càng di chuyển ra xa chúng ta. Hiện tượng trên chính là căn bản
thuyết lý của Big Bang. Để hiểu rõ vấn đề, có lẽ chúng ta cần đi thêm
vào chút ít chi tiết.
Sở dĩ Edwin Hubble khám phá ra hiện tượng trên là vì, khi
quan sát những quang phổ (spectrum) ánh sáng từ các thiên hà, ông thấy vị
trí của toàn bộ quang phổ này thay đổi với thời gian. Chúng ta biết rằng,
dùng một lăng kính (prism) chúng ta có thể phân ánh sáng trắng của mặt
trời ra làm bảy màu khác nhau, tương tự như những màu ta nhìn thấy trên
một cầu vồng sau một cơn mưa, đó là quang phổ của ánh sáng mặt trời.
Tương tự, ánh sáng từ các thiên hà, khi đi qua một quang phổ kế
(spectroscope), nghĩa là một tổ hợp của kính hiển vi (microscope) và lăng kính
(prism), cũng cho chúng ta những quang phổ tương ứng. Quan sát kỹ những
quang phổ này, chúng ta thấy ngoài những màu chính còn có những vạch
sáng và tối xen kẽ. Không đi vào chi tiết, chúng ta có thể nói rằng, vị
trí của những vạch này cho chúng ta biết những nguyên tố đã phát ra
ánh sáng tạo thành quang phổ đó, vì với mỗi nguyên tố, vị trí của những
vạch này cố định. Nhưng khi quan sát những quang phổ này, Hubble thấy
chúng chuyển sang phía đỏ (redshift), điều này chứng tỏ các thiên hà tương
ứng với những quang phổ chuyển sang phía đỏ trên đang di chuyển càng
ngày càng xa chúng ta. Đây là kết quả của một hiện tượng trong khoa học
gọi là Hiệu Ứng Doppler (Doppler Effect). Trước khi đi vào chi tiết của hiệu
ứng này, chúng ta cấn biết qua về cấu trúc của ánh sáng.
Về phương diện sinh lý, cặp mắt của con người quả thật
vô cùng hạn hẹp. Chúng ta nhận biết được vật chất là vì có ánh
sáng. Nhưng ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy được chỉ là một phần rất
nhỏ của các loại "ánh sáng" gọi chung là sóng điện từ
(electromagnetic waves). Những sóng này vừa dao động (rung) vừa truyền trong
không gian với một tốc độ rất nhanh, như chúng ta đã biết, khoảng
300000 cây số trong một giây đồng hồ. Số rung trong một giây đồng hồ
được gọi là tần số rung của sóng. Các sóng này có thể rung tương đối
chậm, có tần số khoảng một triệu lần (chu kỳ) trong một giây, đó là
các sóng phát thanh ngắn (radio short waves), hoặc rung rất nhanh, khoảng một
triệu tỷ tỷ chu kỳ trong một giây, đó là những tia quang tuyến X , tia
Gamma. Khoảng cách sóng truyền đi trong không gian sau mỗi chu kỳ (một lần
rung) gọi là độ dài sóng (wavelength). Độ dài sóng của các tia X, tia
Gamma chỉ vào khoảng một-phần-triệu-tỷ mét, nghĩa là vô cùng nhỏ, ta
có thể tạm coi là 0. Các sóng phát thanh ngắn có độ dài sóng vào khoảng
100 mét. Vậy nếu ta biểu diễn độ dài sóng của các loại ánh sáng trên
một trục ngang, từ 0 tới 100 mét, nghĩa là trên một đoạn dài 100 mét,
thì phạm vi ánh sáng mà chúng ta có thể nhìn thấy được bằng đôi mắt
trần chỉ chưa tới một phần ngàn của một ly mét, hay là một phần triệu
của một mét, trong khoảng từ 0,4 phần triệu của một mét (tương ứng với
ánh sáng tím) tới 0,6 phần triệu của một mét (tương ứng với ánh sáng
màu đỏ), một chấm nhỏ mà mắt con người không thể nào nhìn thấy được.
Vâng, chỉ như vậy thôi, và các con số trên không lạ gì với các học
sinh trung học.
Trở lại hiệu ứng Doppler, chúng ta chắc ai cũng có kinh
nghiệm nghe tiếng còi của xe cứu thương hay xe cảnh sát thay đổi khi xe
tiến lại gần, qua ta và rồi di chuyển ra xa. Tiếng còi nghe cao dần khi xe
tiến lại gần ta và rồi trở thành trầm dần khi rời xa ta. Hiện tượng
này chính là hiệu ứng Doppler, sóng âm thanh co lại hoặc dãn ra tùy theo
âm thanh đó tiến lại gần ta hay rời xa ta. Vì sóng âm thanh di chuyển
trong không gian với một vận tốc cố định nên âm thanh cao rung nhanh hơn
và tương ứng với độ dài sóng ngắn hơn, và âm thanh trầm rung chậm hơn
và tương ứng với độ dài sóng dài hơn. Sóng ánh sáng cũng vậy, truyền
trong không gian với một vận tốc cố định. Cho nên khi quang phổ của
ánh sáng, phát ra từ các thiên hà, chuyển sang phía đỏ, nghĩa là phía những
sóng ánh sáng có độ dài sóng dài hơn, thì chúng ta có thể kết luận là
các thiên hà đang di chuyển càng ngày càng xa chúng ta. Điều này có nghĩa
là vũ trụ không phải là thường hằng, luôn luôn như vậy, không thay đổi,
mà là đang nở rộng ra. Ngoài ra, Hubble cũng còn khám phá ra một định luật
mang tên ông (Hubble's law): rằng vận tốc di chuyển ra xa của các thiên hà
thì tỷ lệ với khoảng cách giữa thiên hà và trái đất. Thí dụ, một
thiên hà A ở xa trái đất gấp đôi thiên hà B thì vận tốc di chuyển của
thiên hà A sẽ nhanh gấp đôi vận tốc di chuyển của thiên hà B.
Vậy, nếu ngày nay chúng ta có bằng chứng khoa học rằng vũ
trụ đang nở rộng thì đi ngược thời gian chúng ta có thể tưởng tượng
rằng vũ trụ trước đây nhỏ hơn bây giờ, trong đó các thiên hà gần
nhau hơn. Tiếp tục đi ngược thời gian, chúng ta có thể thấy rằng, một
thời nào đó, các thiên hà phải rất gần nhau, chồng chất lên nhau,
không còn khoảng không gian nào giữa các thiên hà hay vật chất trong vũ trụ.
Luận cứ này đưa tới quan niệm về Big Bang: vũ trụ thành hình do một sự
nổ bùng lớn của một dị điểm vô cùng đặc, vô cùng nóng (vì tất cả
vật chất trong vũ trụ được ép lại thành một điểm). Nóng bao nhiêu độ
và đặc như thế nào, các khoa học gia đã tính ra được nhiệt độ và tỉ
trọng của dị điểm này, tôi sẽ đưa ra vài con số trong một đoạn sau.
Quan niệm về một Big Bang không hẳn là khó hiểu, vì
chúng ta có những hình ảnh tương tự, thí dụ như một chiếc pháo bông nổ
trên trời, một quả bom nổ văng ra những mảnh bom có thể rất xa và khắp
mọi hướng v..v.. Chỉ có một điều khác biệt, pháo bông hay bom nổ xảy
ra trong một khoảng không gian đã có sẵn, còn Big Bang là sự nổ bùng của
một dị điểm cùng lúc tạo ra không gian và thời gian. Những khái niệm
thông thường về thời gian và không gian mà chúng ta thường hiểu không
áp dụng được trước khi Big Bang bùng nổ. Cho nên, câu hỏi: "vào thời
điểm nào và dị điểm nằm ở đâu để mà bùng nổ?" hoàn toàn
không có nghĩa, ít ra là đối với những khoa học gia..
Thật ra, sự nở rộng của vũ trụ đã được tiên đoán
trong thuyết Tương Đối của nhà Vật Lý Học Albert Einstein. Những phương
trình toán học trong thuyết Tương Đối suy rộng (General Theory of Relativity)
của Einstein đã tiên đoán hiện tượng này. Nhưng vào thời điểm cuối
thập niên 1910, quan niệm của các khoa học gia Tây Phương về một vũ trụ
thường hằng, luôn luôn như vậy không thay đổi từ vô thỉ đến vô
chung, một quan niệm mà thực chất là bác bỏ thuyết sáng tạo của Ki Tô
Giáo, đã ăn sâu vào đầu óc của mọi người, kể cả Einstein. Cho nên,
trong những phương trình toán học của thuyết Tương Đối, thay vì trình
bày sự tiên đoán trên, Einstein đã cho vào các phương trình toán học của
ông một hằng số vũ trụ (cosmic constant) để triệt tiêu sự nở rộng của
vũ trụ. Về sau, Einstein công nhận đó là một sai lầm lớn nhất (biggest
blunder) trong suốt cuộc đời phục vụ cho khoa học của ông. Tuy vậy,
Einstein vẫn được cả thế giới tôn vinh là một khoa học gia vĩ đại nhất
của thế kỷ 20.
Muốn hiểu tại sao thế giới lại tôn vinh Einstein như trên,
cóẽ chúng ta cũng nên biết qua thuyết Tương Đối của Einstein và chỗ
đứng của thuyết này trong thuyết Big Bang. Năm 1905, Einstein đưa ra thuyết
tương đối hẹp (Special theory of Relativity) để giải thích bản chất của
không gian và thời gian. Thuyết này, ngoài sự chứng minh tính chất tương
đối của không gian và thới gian, còn cho chúng ta biết vận tốc của ánh
sáng, thường được viết bằng ký hiệu c, là một vận tốc giới hạn,
nghĩa là không có gì có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng, do đó vận tốc
của ánh sáng là một hằng số tuyệt đối (absolute constant). Einstein cũng
cho chúng ta biết sự tương quan giữa năng lượng (energy) và vật chất
(matter) qua phương trình E = mc2, E là năng lượng tương ứng với khối lượng
m của vật chất, và c là vận tốc của ánh sáng. Một điểm đặc biệt
khác của thuyết tương đối hẹp của Einstein là thuyết này đã tổ hợp
không gian và thời gian thành một miền chung có tên khoa học là miền liên
tục khônggian - thờigian (spacetime continuum), được mô tả bởi một tập hợp
các phương trình. Miền liên tục khônggian - thờigian này thành ra có 4 chiều,
3 chiều cho không gian và một chiều cho thời gian. Đầu óc của chúng ta đã
quen với một không gian 3 chiều trong đó 3 trục ngang, dọc, và thẳng đứng
thẳng góc với nhau, nên chúng ta khó có thể quan niệm một trục thứ tư,
trục thời gian, thẳng góc với cả 3 trục trên. Nhưng những phương trình
toán học trong thuyết tương đối hẹp của Einstein lại cho chúng ta
"thấy" rõ rằng miền liên tục khônggian - thờigian đúng là như vậy,
vì trong những phương trình này, chiều thứ tư, chiều thời gian, bằng cách
nào đó lại dính đến những khoảng cách âm (negative distances), biểu thị
bằng một dấu trừ trước thông số thời gian, ký hiệu là t, trong các phương
trình. Không đi vào chi thiết phức tạp của các phương trình toán học,
chúng ta có thể dùng một hình ảnh giản dị hơn để có một khái niệm
về miền liên tục 4 chiều.
Chúng ta hãy tưởng tượng miền liên tục khônggian - thờigian
này giống như một tờ cao su rộng, được căng thẳng như mặt trống chẳng
hạn. Trên mặt tấm cao su này chúng ta hãy vẽ một trục biểu thị sự
chuyển động trong không gian, và một trục thẳng góc với trục trên biểu
thị sự chuyển động trong thời gian. Nói một cách toán học thì 3 chiều
trong không gian đều tương đương như nhau, nên chúng ta có thể tưởng tượng
một trục có thể tượng trưng cho cả 3. Bây giờ chúng ta hãy lăn một viên
bi trên tấm cao su đó, chúng ta có hình ảnh của một vật chuyển động
trong miền liên tục khônggian - thờigian.
Nhưng đây là sự chuyển động của một vật trong một mẫu
khônggian - thờigian phẳng lì (flat spacetime), nghĩa là trong không gian và thời
gian thuần túy. Thực tế là, trong vũ trụ không phải chỉ có không gian
không, mà còn có hằng hà sa số các thiên hà như chúng ta đã biết. Do đó,
Einstein đã để ra 10 năm để nghiên cứu, tìm cách đưa tác dụng của trọng
trường, nghĩa là ảnh hưởng của vật chất, vào trong thuyết tương đối
của ông. Ông đã thành công năm 1915 với kết quả là thuyết tương đối
rộng (General theory of relativity), một thuyết có thể giải thích, mô tả sự
tương quan giữa không gian, thời gian, và vật chất, nghĩa là vũ trụ.
Muốn hiểu ảnh hưởng của vật chất trong việc giải thích
vũ trụ, chúng ta hãy lấy lại mẫu khônggian - thờigian phẳng lì trên, và
trên tấm cao su căng thẳng chúng ta hãy đặt một khối nặng trên đó. Hiển
nhiên là tấm cao su sẽ bị trũng xuống nơi chúng ta đặt khối nặng trên.
Lăn một viên bi trên tấm cao su theo một đường thẳng qua gần khối nặng
trên, viên bi không di chuyển theo đường thẳng mà lại quẹo vào gần chỗ
trũng trên tấm cao su rồi tiếp tục di chuyển trên quỹ đạo đã bị uốn
cong này. Điều này chứng tỏ khônggian - thờigian bị uốn cong và biến dạng
bởi những vật nặng, thí dụ như mặt trời, trong đó, và quỹ đạo của
bất cứ cái gì, kể cả ánh sáng, di chuyển qua và gần vật nặng đó cũng
bị uốn cong trong cái vùng biến dạng của khônggian - thờigian. Hiện tượng
này đã được kiểm chứng và đo được một cách khá chính xác. Ngay từ
năm 1919, các nhà vũ trụ học đã có thể đo được mức độ uốn cong của
ánh sáng khi đi qua gần mặt trời. Thuyết tương đối của Einstein đã
tiên đoán rất đúng mức độ uốn cong này.
Sau sự khám phá của Hubble là vũ trụ đang nở rộng, các
khoa học gia đã dùng lại những phương trình toán học của Einstein, bỏ
đi cái hằng số vũ trụ mà Einstein cho vào để triệt tiêu sự nở rộng
của vũ trụ. Kết quả là các phương trình này mô tả rất chính xác vũ
trụ của chúng ta.
Thật ra thì người đầu tiên dùng những phương trình
toán học trong thuyết tương đối của Einstein để đưa ra một thuyết về
nguồn gốc của vũ trụ mà ngày nay chúng ta gọi là Big Bang là một linh mục
người Bỉ tên là George Lemaitre. Nhưng Lemaitre chỉ dùng những phương trình
này để tính ngược tới một thời điểm mà vũ trụ được thu gọn
trong một trái cầu lớn hơn mặt trời khoảng 30 lần mà ông ta gọi là
"nguyên tử đầu tiên" (primeval atom), còn được biết dưới danh từ
"trứng vũ trụ" (cosmic egg). Theo Lemaitre thì, vì những lý do không
rõ, trái trứng vũ trụ này nổ bùng tạo thành vũ trụ của chúng ta ngày
nay. Nhưng các phương trình của Einstein lại cho phép chúng ta đi ngược thời
gian xa hơn nữa, tới một thời điểm mà tất cả vũ trụ được thu gọn
trong một điểm mà danh từ khoa học gọi là "dị điểm"
(singularity), một thời điểm vào khoảng 0.0001 (một phần mười ngàn) của
một giây đồng hồ (10-4 sec.) sau khi dị điểm bùng nổ, khi đó nhiệt độ
của dị điểm là khoảng 1000000000000 (một ngàn tỷ) độ tuyệt đối
(1012 oK), nhiệt độ tuyệt đối K cao hơn nhiệt độ bách phân C là 273.16
độ, do đó 0 độ K tương đương với -273.16 độ bách phân C, và tỷ trọng
của dị điểm là 100000000000000 (một trăm ngàn tỷ) gram (1014 g) cho một
phân khối. Để có môt ý niệm về các con số trên, nhiệt độ ngoài
biên của mặt trời chỉ vào khoảng 6000 độ, và tỷ trọng của nước chỉ
là 1 gram cho một phân khối. Một điểm quan trọng trong thuyết Big Bang mà
chúng ta cần hiểu là: không phải dị điểm nổ bùng và nở rộng trong một
không gian hay vũ trụ có sẵn, thí dụ như pháo bông nổ trên trời, mà là
thời gian và không gian được gói ghém trong dị điểm, nghĩa là thời gian
và không gian của vũ trụ ngày nay được sinh ra cùng với sự nổ bùng của
dị điểm.
Sự kiện vũ trụ đang nở rộng đã là một sự kiện khoa
học, không ai có thể phủ nhận. Nhưng sự kiện này có phải là "tiếng
nói cuối cùng" của các khoa học gia về thuyết Big Bang hay không?
Không hẳn, vì thuyết Big Bang lại đưa đến nhiều vấn đề khác cần phải
kiểm chứng để cho thuyết này được công nhận.
Cũng vì vậy mà trong thập niên 1940, George Gamow đã từ
thuyết Big Bang tiến thêm một bước và tiên đoán sự hiện hữu của một
bức xạ nền (background radiation) trong vũ trụ. Gamow áp dụng môn vật lý
nguyên lượng (quantum physics) vào việc khảo sát những sự tương tác hạt
nhân (nuclear interactions) phải xảy ra trong quả cầu lửa khi Big Bang vừa mới
nổ chưa được một giây đồng hồ. Khi đó, quả cầu lửa, do dị điểm
nổ tung ra, gồm các hạt nhân của nguyên tử hydrogen, còn gọi là dương tử
(proton), trung hòa tử (neutron), điện tử (electron), và các hạt khác. Gamow
tính ra rằng vào khoảng 25% các hạt proton được biến cải thành hạt
alpha, nhân của nguyên tử Helium, gồm 2 proton và 2 neutron, phù hợp với sự
cấu tạo của các ngôi sao được thành lập khi vũ trụ mới thành hình,
được ghi nhận trên các quang phổ ánh sáng của các ngôi sao này. Kết quả
là quả cầu lửa vô cùng nóng này chứa đầy ánh sáng (bức xạ) có độ
dài sóng ngắn dưới dạng tia X và tia Gamma. Gamow và nhóm nghiên cứu của
ông kết luận là những bức xạ ban khai này của Big Bang, dù đã nguội
đi rất nhiều qua mười mấy tỷ năm, nhưng vì không thể thất thoát đi
đâu được, nên vẫn còn tồn tại đầy trong vũ trụ hiện nay, tạo thành
một bức xạ nền, nghĩa là bức xạ có khắp mọi nơi trong vũ trụ. Đây
chính là dấu tích của Big Bang để lại, nếu thực sự vũ trụ này sinh
ra từ một Big Bang.
Muốn dễ hiểu chúng ta hãy tưởng tượng một quả bong bóng
chứa đầy không khí. Khi quả bong bóng nở phồng ra thì không khí trong đó
cũng loãng ra vì phải chiếm một thể tích lớn hơn. Tương tự, khi vũ trụ
càng ngày càng nở rộng ra thì mật độ (density) của các bức xạ trên cũng
phải càng ngày càng giảm đi. Nói cách khác, các bức xạ có độ dài
sóng ngắn như tia X, tia Gamma cùng dãn ra với vũ trụ, do đó chuyển dần
thành những bức xạ có độ dài sóng dài hơn. Sự khác biệt quan trọng
nhất giữa những bức xạ có độ dài sóng ngắn và độ dài sóng dài là
năng lượng kết hợp với bức xạ có độ dài sóng ngắn thì cao hơn là
năng lượng kết hợp với bức xạ có độ dài sóng dài. Chúng ta đã biết,
tia X có sức xuyên thấu cao, có thể làm nguy hại đến các tế bào trong cơ
thể, trong khi ánh sáng thường trong bóng mát không có ảnh hưởng gì tới
cơ thể. Khi vũ trụ nở rộng thì vì sự chuyển sang phía độ dài sóng
dài của các bức xạ nền trong vũ trụ, và nếu chúng ta biết nhiệt độ
ban khai của Big Bang và tuổi của vũ trụ thì chúng ta có thể tính ra nhiệt
độ của bức xạ nền trong vũ trụ.
Năm 1948, hai sinh viên trong nhóm nghiên cứu của Gamow là
Ralph Alpher và Robert Herman đã tính ra được nhiệt độ tương ứng với bức
xạ nền này vào khoảng 5oK, nghĩa là -268 độ Celsius hay nhiệt độ bách
phân (dưới nhiệt độ 0o của nước đá 268 độ). Lẽ dĩ nhiên, kết quả
này tùy thuộc nhiệt độ ban đầu của Big Bang và tuổi của vũ trụ, vì
chúng ta có thể tính ra nhiệt độ của bức xạ nền hiện nay bằng cách
lấy nhiệt độ ban khai của Big Bang chia cho căn số bậc hai của tuổi vũ
trụ, tính bằng giây đồng hồ.
Sự tiên đoán lý thuyết của Gamow và nhóm nghiên cứu của
ông về một bức xạ nền, dấu tích của Big Bang để lại, không được
giới khoa học để ý đến nhiều, tuy cũng có vài nhóm nghiên cứu khác
tính ra nhiệt độ của bức xạ nền là vào khoảng vài độ tuyệt đối.
Một phần vì chưa có kỹ thuật đo nhiệt độ thấp (khoảng -270 độ C) nên
không thể kiểm chứng tiên đoán của Gamow, một phần vì thuyết Big Bang
chưa có tính cách hoàn toàn thuyết phục. Mãi tới năm 1965, Arno Penzias và
Robert Wilson ở trung tâm khảo cứu của hãng Bell (Bell Research Laboratories),
thiết kế một cái ăng-ten lớn hình loa để dùng trong sự liên lạc viễn
thông với các vệ tinh, ngẫu nhiên dò ra được một loại âm thanh vi sóng
vô tuyến thuần nhất trong chín phương trời, mười phương Phật (microwave
radio noise coming uniformly from all over the sky). Âm thanh này chính là bức xạ
nền đã tiên đoán bởi Gamow trước đó hơn 20 năm. Thực nghiệm đã kiểm
chứng lý thuyết, và điều này đã thuyết phục hầu hết các nhà vũ trụ
học về quan niệm vũ trụ sinh ra từ một Big Bang. Penzias và Wilson được
trao tặng giải Nobel vào năm 1978 về những khám phá tình cờ này. 20 năm
tiếp theo sự khám phá của Penzias và Wilson, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế
giới đã đổ xô vào việc kiểm chứng sự hiện hữu của bức xạ nền,
dấu tích của Big Bang để lại, và ngày nay, nhiệt độ của bức xạ nền
được mọi người công nhận là 2.7oK.
Tới đây, có lẽ chúng ta cho rằng câu chuyện Big Bang đã
dứt khoát, không còn ai có thể nghi ngờ gì nữa về nguồn gốc của vũ
trụ, trừ những người mê mẩn với thuyết sáng tạo (creationist). Không hẳn
vậy, vì tới thập niên 1980, các nhà vũ trụ học không cảm thấy hoàn
toàn hài lòng về những kết quả liên hệ tới một bức xạ nền trong vũ
trụ. Sự hiện hữu của một bức xạ nền đã được kiểm chứng dứt
khoát, nhưng vấn đề là nó nhuyễn quá (too smooth), nó đồng đều khắp mọi
phương trong vũ trụ. Bất kể đo từ hướng nào nó cũng như nhau, thuần
nhất (uniform). Điều này làm cho các nhà vũ trụ học bối rối. Vì, nếu
trong vũ trụ nở rộng này chỉ có toàn là bức xạ thì sự thuần nhất của
bức xạ nền không thành vấn đề. Nhưng chúng ta đã biết, trong vũ trụ
có cả tỷ thiên hà, và mỗi thiên hà có đến cả tỷ ngôi sao, nghĩa là
trong vũ trụ có những lượng vật chất rất lớn. Theo các nhà vũ trụ học
thì sự hiện hữu của những khối lượng vật chất lớn, vô cùng lớn,
trong vũ trụ sẽ tạo ra những vân (ripples) trong bức xạ nền, nghĩa là bức
xạ nền không thể nào quá nhuyễn mà phải không đồng đều, dù sự sai
biệt này vô cùng nhỏ. Điều này sẽ gây nên những vân (ripples) trong bức
xạ nền, nghĩa là bức xạ nền không thể quá nhuyễn như những kết quả
đo lường đã chứng tỏ. Đây chính là mắt xích cuối cùng trong việc
xác định thuyết Big Bang, không kiếm được cái mắt xích này, thuyết Big
Bang không có căn bản vững chắc. Các khoa học gia đã hầu như thất vọng
vì kỹ thuật trong đầu thập niên 1990 không thể kiểm chứng được sự
hiện hữu của các vân trong bức xạ nền. Nhưng vào tháng 4 năm 1992, vệ
tinh COBE (COsmic Background Explorer) của cơ quan thám hiểm không gian Hoa Kỳ
(NASA) đã dò ra được những vân trong bức xạ nền với những sai biệt
đúng như sự tiên đoán của các khoa học gia. Thuyết Big Bang không còn là
một thuyết nữa mà trở thành một sự kiện khoa học (scientific fact) và cả
thế giới đều công nhận sự kiện này về nguồn gốc của vũ trụ.
Muốn hiểu tường tận thuyết Big Bang qua những bằng chứng
toán học và vật lý thì có vẻ khó, nhưng muốn "thấy" Big Bang thì
không phải là chuyện khó khăn. Chúng ta chỉ cần mở TV, vặn vào một đài
số không có trong chương trình TV, chúng ta sẽ nghe thấy tiếng xào xạo
và thấy ánh sáng nhấp nháy trên màn huỳnh quang. 1% của loại tiếng ồn
và ánh sáng nhấp nháy này là từ bức xạ nền, dấu tích của Big Bang để
lại trong khắp vũ trụ từ hơn 15 tỷ năm nay.
Một mặt khác, những đêm trời quang, mưa tạnh, chúng ta
chỉ cần nhìn lên những khoảng tối giữa các vị sao trên trời là có thể
thấy ngay Big Bang trên đó. Không đi vào chi tiết, chúng ta đã biết, cho tới
thập niên 1920, quan niệm về vũ trụ là một vũ trụ thường hằng, vô
cùng tận, luôn luôn như vậy với hàng tỷ tỷ ngôi sao khắp mọi nơi.
Theo quan niệm này thì ban đêm trời phải sáng vì nhìn theo bất cứ hướng
nào trong vũ trụ ta cũng thấy một vị sao. Cho nên câu hỏi "tại sao
ban đêm trời lại tối" mà Olbers đưa ra như một nghịch lý (Olbers'
paradox) trong thế kỷ 19, đã là mối thắc mắc của các khoa học gia và
triết gia trong nhiều thế kỷ. Mãi khi thuyết Big Bang ra đời, các khoa học
gia mới giải thích được nghịch lý này: Vì vũ trụ luôn luôn nở rộng
làm cho ánh sáng từ các ngôi sao chuyển sang phía đỏ, và vì vũ trụ mới
sinh ra từ một Big Bang cách đây khoảng 15 tỷ năm nên chưa đủ thời gian
để cho ánh sáng từ các thiên hà xa hơn nữa, nếu có, truyền tới mặt
đất.
Tuy nhiên, nếu có "cô em gái Bắc Kỳ nho nhỏ" nào
mà hỏi tôi: "Anh nhỉ, tại sao ban đêm trời lại tối?" thì tôi sẽ
không trả lời "trời tối vì vũ trụ sinh ra từ một Big Bang", mà
có thể là: "À, trời tối để anh có thể nhìn thấy ánh mắt em lấp
lánh như sao trên trời."