1
Vũ trụ độc nhất
Lee Smolin
Nhiều lí thuyết vũ trụ không chỉ xem vũ trụ của chúng ta là một trong nhiều vũ trụ mà còn
khẳng định thời gian chẳng hề tồn tại. Lee Smolin không ủng hộ quan niệm đa vũ trụ phi thời
gian đó.
Hồi ba thập kỉ trước, việc nói về những vũ trụ khác không được đa số các nhà vật lí
xem là một bộ phận của khoa học. Đa số nghiên cứu trong ngành vật lí lí thuyết và vũ trụ học
bàn về những đặc điểm có thể quan sát được trong vũ trụ của chúng ta và đa số các bài báo và
thuyết trình seminar đều nhắc đến các kết quả thực nghiệm. Tuy nhiên, kể từ đấy đã có một sự
chuyển hướng từ từ, trong đó ban đầu người ta trở nên chấp nhận nghiên cứu về những lí
thuyết không chỉ mô tả vũ trụ của chúng ta, mà còn cả những vũ trụ khả dĩ khác nữa, những
vũ trụ có ít chiều hoặc nhiều chiều hơn, hoặc những vũ trụ có những loại hạt và loại lực khác.
Trong vài năm qua, chúng ta đã tiến xa hơn khỏi các lí thuyết của một vũ trụ của chúng ta, khi
những thế giới khác này phát triển từ thực tế có khả năng hợp lí đến thực tế giả thuyết. Giờ thì
người ta đã quen nghe nói về đa vũ trụ - một vũ trụ học lượng tử giả thuyết rằng vũ trụ khả
kiến mà chúng ta trông thấy xung quanh mình chỉ là một trong hằng hà sa số hay một số vô
hạn các vũ trụ.
Ảnh: physicsworld.com
2
Giả thuyết đa vũ trụ thường đi song hành với một giả thuyết siêu hình học về bản chất
của thời gian. Nhiều chuyên gia cho rằng trong vũ trụ học lượng tử thời gian không phải là
một khái niệm cơ bản, mà là một khái niệm gần đúng và phát sinh. Nếu điều này đúng, thì
chúng ta trải nghiệm thời gian trong một vũ trụ phi thời gian vì những nguyên do tương tự
như nguyên do chúng ta, những người sống trong một vũ trụ lượng tử, trải nghiệm thời gian
tuân theo vật lí học cổ điển: chúng ta gồm một số lượng rất lớn các hạt cơ bản và những sự hài
hòa thống kê phát sinh xác định phần nhiều cái chúng ta trải nghiệm.
Ngoài ra, việc kết hợp giả thuyết đa vũ trụ và giả thuyết phi thời gian thực sự mang lại
cho chúng ta một siêu vũ trụ tĩnh tại. Cho dù vũ trụ của riêng chúng ta có tiến triển theo thời
gian, thì ở một mức độ sâu sắc hơn, nó là một phần của một tập hợp vũ trụ phi thời gian, bất
diệt.
Có những lí giải hợp lí đưa đến những kết luận này, và giống như nhiều người khác
trong ngành vũ trụ học lượng tử, tôi đã xem xét đến chúng. Tuy nhiên, trong vài năm vừa qua,
tôi đã đi đến chỗ tin rằng những kết luận này là hết sức sai lầm. Cùng cộng tác với nhà triết
học người Brazil, Roberto Mangabeira Unger, chúng tôi đã thử tìm hiểu nguồn gốc của các
vấn đề và phát triển một khái niệm thay thế khác của thời gian và quy luật về quy mô vũ trụ.
Nguyên do chúng tôi làm như thế một phần là do những lo ngại về những lí thuyết này không
biết có kiểm tra được hay không bằng những quan sát có thể làm được, một phần vì những kết
quả hiện nay của những nỗ lực nhằm hiện thực hóa cách tiếp cận phi thời gian và một phần do
những cân nhắc mang tính triết học.
Vấn đề đi cùng với đa vũ trụ phi thời gian
Trong một thế giới phi thời gian trong đó vũ trụ của chúng ta chỉ là một trong nhiều vũ
trụ thực ngang hàng nhau, các định luật vật lí phải rất khác với các định luật mà đa số các nhà
vật lí đã từng có thể nghĩ ra. Đây là vì các định luật vật lí không còn có thể xác định được bởi
cái chúng ta quan sát thấy trong vũ trụ của riêng chúng ta, vì chúng phải áp dụng được cho
toàn bộ những tập hợp vũ trụ khổng lồ kia. Một định luật cơ bản khi đó không còn bài trừ cái
xảy ra trong vũ trụ của chúng ta nữa; thay vào đó, nó mang lại những phân bố xác suất cho
những tính chất của một tập hợp vũ trụ.
Để tìm hiểu nguyên do, thật hữu ích là hãy phân biệt giữa khái niệm một định luật cơ
bản và một định luật có hiệu lực. Một định luật cơ bản được ấn định để giữ tính “siêu phổ
biến” từ những nguyên lí đầu tiên và phải là độc nhất. Lí thuyết dây, chẳng hạn, là một nỗ lực
nhằm khám phá ra những định luật cơ bản như vậy của tự nhiên. Mặt khác, các định luật có
hiệu lực thì chi phối những thí nghiệm ở quy mô chúng ta quan sát thấy trực tiếp bên trong vũ
trụ của chúng ta, xuống tới những cấp độ nhỏ khảo sát bởi Máy Va chạm Hadron Lớn và lên
tới những cấp độ khảo sát bởi những quan sát về phông nền vi sóng vũ trụ. Chúng ta chỉ có
thể quan sát thấy các định luật có hiệu lực, nhưng chúng ta hi vọng có thể suy luận ra chúng từ
những định luật cơ bản – nếu không thì cái vừa nói chẳng có liên hệ gì với cái chúng ta quan
sát thấy. Nghi vấn là chẳng biết mối liên hệ gián tiếp đó có cung cấp đủ cơ sở cho các phép
kiểm tra thực nghiệm các định luật cơ bản sao cho chúng thích hợp với sự hiểu biết khoa học
của chúng ta về thế giới.
3
Thật không may, dường như nếu như lí thuyết dây, hay một lí thuyết tương tự, là đúng,
thì lí thuyết cơ bản đó thật ra không tiên đoán được các định luật có hiệu lực của tự nhiên là
những định luật nào. Thay vào đó, nó làm phát sinh vô số kiểu hình của những định luật có
hiệu lực khả dĩ – khái niệm tôi đã giới thiệu trong cuốn sách của mình, Life of the Cosmos
(Cuộc sống của Vũ trụ - từ kiểu hình là một sự liên tưởng tới những dạng thức tồn tại thích
ứng trong sinh học). Như vậy, chúng ta phải có giả thuyết về cách thức các định luật có hiệu
lực riêng lẻ mô tả vũ trụ của chúng ta được chọn ra từ bản danh sách vô tận những khả năng
cho phép bởi lí thuyết cơ bản. Đây là một trong những động cơ chính cho sự tranh luận về đa
vũ trụ.
Một vài ý tưởng đã được đề xuất cho cách thức chọn ra những định luật có hiệu lực áp
dụng cho vũ trụ của chúng ta từ tập hợp lớn hơn các khả năng có thể. Một khả năng, đã được
nghiên cứu nhiều, là dàn đồng ca vũ trụ bị chi phối bởi các định luật bởi một quá trình thực sự
ngẫu nhiên. Một thí dụ là sự lạm phát vĩnh viễn. Trong kịch bản này, quá trình tạo ra dàn đồng
ca đó xảy ra ở những mức năng lượng cao đến mức làm mất hết tác dụng bất kì tiến trình nào
mà chúng ta truy xuất thực nghiệm đến. Kết quả là một vũ trụ giống như vũ trụ của chúng ta,
được phân bố bởi những cấu trúc tùy thuộc vào điều kiện vật lí ở những thang năng lượng
thấp hơn nhiều, là rất không điển hình trong dàn đồng ca vũ trụ. Khi đó, người ta phải tùy
thuộc vào nguyên lí nhân bản để nhặt ra rất ít vũ trụ thích hợp cho sự sống, chúng rất hiếm
trong dàn đồng ca thật sự. Chẳng có gì ngạc nhiên, biết rằng các đặc trưng của dàn đồng ca đó
không phải là đề tài cho các phép kiểm tra thực nghiệm, kết quả là chúng ta không thể đưa ra
các tiên đoán chính xác và rõ ràng về bất cứ thứ gì có thể quan sát thấy trong vũ trụ của riêng
chúng ta.
Một cách tiếp cận khác, thật sự đưa đến ít nhất là một vài tiên đoán, là sự chọn lọc tự
nhiên vũ trụ mà tôi đã đưa ra hồi năm 1992. Ý tưởng này dựa trên một kịch bản vũ trụ học
được xây dựng tương tự như trong sinh học quần thể. Các vũ trụ ra đời từ những “bất chợt” ở
sâu bên trong các lỗ đen, thế chỗ những kì dị của chúng, nơi thời gian được giả thuyết là kết
thúc, với những vũ trụ mới đang giãn nở. Ý tưởng này đưa đến một tiên đoán rằng một vũ trụ
tiêu biểu là một vũ trụ trong đó các thông số được điều chỉnh để tối đa hóa sự hình thành các
lỗ đen. Thật vậy, có bằng chứng cho thấy điều này đúng với các định luật chi phối vũ trụ của
chúng ta. Quan trọng nhất, trong lí thuyết này, vũ trụ của chúng ta được cho là thuộc loại tiêu
biểu của dàn đồng ca, đưa đến một vài tiên đoán thật sự có thể kiểm tra, toàn bộ chúng vẫn
được duy trì kể từ lần đầu tiên chúng được công bố, ví dụ như tiên đoán rằng giới hạn khối
lượng trên của các sao neutron bền là khoảng 1,6 khối lượng mặt trời.
Sự trái ngược giữa hai loại lí thuyết đa vũ trụ này dẫn tới một nghi vấn: tại sao lí
thuyết dựa trên sự chọn lọc tự nhiên có tính chất tiên đoán – nhưng lí thuyết dựa trên sự sản
sinh ngẫu nhiên của các vũ trụ thì không có tính tiên đoán? Câu hỏi này giúp chúng ta tìm
hiểu tại sao tính xác thực của thời gian là cần thiết để giải thích xem các định luật vật lí được
chọn ra như thế nào.
Rõ ràng là một kịch bản trong đó một quần thể vũ trụ tiến hóa, thay vì chỉ là một sự
phân bố ngẫu nhiên phi thời gian, cần đến một khái niệm thời gian có thật ở mức độ trên từng
vũ trụ cá lẻ. Nhưng để hiểu được tại sao bức tranh phi thời gian đó thất bại, chúng ta phải tiến
sâu hơn vào các cơ sở của thuyết lượng tử. Ví dụ, không có thời gian, và không có giả thuyết
4
rằng cái tồn tại là vũ trụ đơn nhất mà chúng ta quan sát thấy, thì khó mà đưa ra những phát
biểu có nghĩa về xác suất tương quan với cái chúng ta quan sát thấy trong vũ trụ của chúng ta.
Vì cơ học lượng tử là một lí thuyết mang tính xác suất, cho nên chúng ta gặp phải rắc rối khi
cố mở rộng nó sang địa hạt trong đó xác suất dường như chẳng có ý nghĩa gì. Một số tác giả
đã cố xử lí câu hỏi này, bằng cách đề xuất những số đo đặc biệt dùng để suy luận ra các tiên
đoán từ dàn đồng ca của các đa vũ trụ. Ít nhất thì cho đến thời khắc hiện tại, không có ai trong
số này được những người khác chứng minh là hợp lí ngoài yêu cầu phải tái dựng lại cái chúng
ta quan sát thấy.
Một vấn đề có liên quan là sự hồi sinh của không gian và thời gian cổ điển, cái thuyết
tương đối rộng mô tả, là một phần của một lí thuyết có hiệu lực. Đây phải là những mặt nổi
trội của một lí thuyết lượng tử cơ bản, giống hệt như các khái niệm cổ điển về một hạt nằm tại
một nơi xác định và đang chuyển động theo những quỹ đạo xác định nổi lên từ cơ học lượng
tử. Điều này không phải không quan trọng, vì các khái niệm không-thời gian lượng tử, phát
sinh trong các lí thuyết lượng tử của hấp dẫn, là rất khác.
Cho đến nay, những tiếp cận đến sự lượng tử hấp dẫn đều giả sử rằng cả không gian và
thời gian đều thất bại rõ nét trước việc tái dựng lại không-thời gian mà chúng ta biết. Mặt
khác, hai phương pháp giả sử rằng thời gian là cơ bản và không rõ nét thì lại thành công, ít ra
là trong chừng mực nào đó, trong việc mô tả cách thức không-thời gian có thể xuất hiện.
Được phát triển nhất trong số này là các tam giác đạc động học nhân quả, chúng có những kết
quả ấn tượng gợi đến sự xuất hiện của không-thời gian cổ điển. Một nỗ lực gần đây hơn,
graphity lượng tử, cũng có những dấu hiệu sơ bộ cho sự xuất hiện của không gian cho trước
sự tồn tại của thời gian. Ngoài ra, thời gian cơ bản còn cần thiết để nhận thức xác suất và mô
tả sự tiến hóa của các định luật có hiệu lực, chúng gắn liền với vấn đề đầu.
Những kết quả này là bằng chứng số một khiến tôi xét đến ý tưởng rằng có thể phải có
một khái niệm cơ bản chung của thời gian trong bất kì cấp tiếp cận hoàn toàn phù hợp nào với
sự hấp dẫn lượng tử có thể hồi sinh thuyết tương đối rộng một cách gần đúng trong đó vũ trụ
là rộng lớn. Giả thuyết này được củng cố bởi những kết quả mới đây về sự hấp dẫn cải biến,
mà một số tác giả cho rằng giải được bài toán tồn tại lâu nay về hằng số vũ trụ - cái cần thiết
cho một không-thời gian cổ điển lớn xuất hiện. Cái đáng chú ý, như đã chỉ rõ bởi các nhà vật
lí Rafael Sorkin thuộc Viện Vật lí Lí thuyết Perimeter, William Unruh thuộc trường Đại học
British Columbia, Vancouver, và những người khác, là phương pháp này mô tả sự tiến hóa
trong một thời gian chung liên hệ với thể tích không-thời gian của quá khứ.
Hằng số vũ trụ là gì ?
Để tìm hiểu sự khác biệt giữa hai mô hình thời gian ló so với thời gian cơ bản, chúng
ta cần phải đánh giá đúng có bao nhiêu khái niệm thông thường của chúng ta về định luật vật
lí đã tiến triển về mặt lịch sử từ kinh nghiệm quan sát trong phòng thí nghiệm của chúng ta.
Trong phòng thí nghiệm, chúng ta không, bằng định nghĩa, nghiên cứu toàn bộ vũ trụ. Chúng
ta nghiên cứu một hệ thống con nhỏ bé của vũ trụ mà, với một sự gần đúng có phần hợp lí, có
thể xem là cô lập (tách biệt khỏi thiết bị đo chúng ta sử dụng để quan sát nó). Khi chúng ta
làm như vậy, chúng ta khảo sát khả năng chúng ta có thể làm cho hệ đó kín mãi mãi, ở những
thời khắc khác và ở những địa điểm khác, với những yếu tố giống như vậy và những cấu hình
5
sắp xếp khác. Chúng ta rút ra các quy luật vật lí từ cái chung trong một tập hợp lớn các thí
nghiệm, và nghiên cứu cái trở nên khác đi khi những điều kiện ban đầu khác đi. Điều này cho
phép chúng ta đưa ra một sự phân biệt rõ ràng giữa các định luật và các điều kiện ban đầu.
Các định luật được giữ bất biến, ít nhất là ở cấp độ thời gian và không gian lớn hơn cấp độ
gắn với các thí nghiệm của chúng ta.
Tình huống này hầu như giống nhau đối với đa số quan sát thiên văn học. Chúng ta
không thể làm cho các ngôi sao và thiên hà ở vào bất kì trạng thái nào chúng ta muốn, nhưng
chúng ta có thể quan sát số lượng khổng lồ của chúng và chúng ta có thể xem chúng là cô lập
một cách gần đúng. Vì thế, trong thiên văn học, chúng ta còn có một minh chứng cho sự phân
biệt giữa các định luật và các điều kiện ban đầu.
Sự phân tách lời giải thích khoa học thành quy luật và các điều kiện ban đầu dẫn tới
một trong những khái niệm thông dụng và có sức mạnh nhất trong vật lí học – khái niệm
không gian cấu hình. Đây là không gian của tất cả những cấu hình, hay trạng thái, khả dĩ có,
của hệ. Trong vật lí cổ điển và vật lí lượng tử, chúng ta giả sử rằng không gian tồn tại tiên
nghiệm và nằm ngoài thời gian, và người ta có thể nghiên cứu độc lập các định luật của
chuyển động. Những định luật này sau đó sẽ chỉ rõ các quy tắc cho điểm mô tả các điều kiện
ban đầu trong không gian cấu hình tiến triển theo thời gian như thế nào. Chúng ta gọi đây là
khuôn khổ Newton luận cho lời giải thích.
Khuôn khổ Newton luận là cơ sở cho khẳng định rằng thời gian không phải là cơ bản
trong vũ trụ học. Từ quan điểm này, thời gian được xem đơn thuần là một thông số trên một
quỹ đạo trong không gian cấu hình, và không phải là một bộ phận nội tại của quy luật vật lí.
Thời khắc hiện tại, thời gian chúng ta trải nghiệm, không có chỗ trong mô tả này. Các nhà
triết học không tin vào dòng chảy của thời gian thì nhắm đến quỹ đạo trong không gian cấu
hình và nói rằng thứ duy nhất có thực đó là toàn bộ lịch sử của vũ trụ tồn tại độc lập với thời
gian – cái trong thuyết tương đối rộng gọi là bức tranh “vũ trụ tảng”. Nhiều nhà vật lí và nhà
triết học đã sụp ngã vì sức cám dỗ của niềm tin vào bức tranh “vũ trụ tảng”. Với họ, kinh
nghiệm của chúng ta về dòng chảy của thời gian chỉ là một ảo tưởng.
Lập luận này thật sai lầm vì hai nguyên do. Thứ nhất, nó không chứng tỏ được rằng
thời gian không phải là cơ bản. Khi chúng ta quan sát chuyển động, chúng ta ghi lại một loạt
số đo vị trí của một hệ. Những vị trí này có thể vẽ ra trên không gian cấu hình, mang lại một
đường cong biểu diễn số đo của chuyển động. Đồ thị này độc lập thời gian, vì nó là biểu diễn
của một số đo của một chuyển động quá khứ, chuyển động đó, tất nhiên, không còn đang diễn
tiến. Sự tương ứng đó ở giữa một đối tượng toán học, là đối tượng tĩnh, và một loạt số ghi các
quan sát, cũng là đối tượng tĩnh. Thực tế chúng ta có thể tạo ra sự tương ứng này giữa một đối
tượng toán học và một số ghi của chuyển động quá khứ không nói lên rằng chuyển động thật,
mà các quan sát thu được, là phi thời gian. Nó cũng chẳng nói lên rằng đằng sau sự tiến triển
thật sự trong thời gian của một thế giới thật có tồn tại một sự tương ứng hoàn hảo với một đối
tượng toán học phi thời gian. Việc thừa nhận mối liên hệ mở rộng này là một liên tưởng thuần
túy siêu hình học, nó không được gợi lên bởi bất cứ thứ gì trong khoa học (Xem “Nguyên tắc
thứ tư: toán học và chủ nghĩa Platon”, phần bên dưới).