Ông đã nói về sự tiến hóa lâu dài của Vũ trụ trên con đường dẫn tới sự sống. Vậy ông có nghĩ rằng ngoài Trái Đất ra, sự sống có thể tồn tại ở những nơi khác không?
Có, điều đó rất có thể. Tôi không thấy tại sao chỉ có chúng ta là những người duy nhất được lựa chọn. Dải Ngân Hà của chúng ta chứa tới 100 tỷ ngôi sao, trong đó có nhiều tỷ ngôi tương tự như Mặt Trời của chúng ta. Nếu các ngôi sao này có kèm theo một bầu đoàn các hành tinh như hệ Mặt Trời của chúng ta, thì chắc sẽ có những hành tinh ở đủ xa Mặt Trời của chúng để nhiệt không làm bay hơi hết nước và cũng đủ gần để sự thiếu nhiệt không làm đóng băng nước và do vậy cho phép sự sống – như chúng ta biết trên Trái Đất – có thể phát triển. Và con số các hành tinh này phải nhân lên hàng trăm tỷ lần vì đó là số các thiên hà được chứa trong Vũ trụ quan sát được. Chính kính thiên văn không gian Hubble cũng có sứ mạng quan sát bầu đoàn các hành tinh xung quanh các ngôi sao gần ta nhất, nhưng, than ôi, tật “cận thị” tạm thời của nó đã trở thành một trở ngại! Các kính hiệu chỉnh được các nhà du hành Vũ trụ đưa lên vào năm 1993 chắc sẽ cho phép phát hiện ra những hành tinh khác ở ngoài hệ Mặt Trời của chúng ta. Khi đó chúng ta sẽ biết hướng các kính thiên văn vô tuyến tới đâu để thu hoặc gửi đi những thông điệp. Còn hiện thời, việc tìm kiếm cuộc sống ngoài Trái Đất còn khó hơn tìm kim đáy biển.
Nhưng liệu việc làm thỏa mãn tính tò mò của trí tuệ, như vật lý thiên văn đang làm, có biện minh được cho những chi phí hàng triệu đôla để xây dựng các kính thiên văn mới hay không?
Trước hết, cần phải đặt sự vật đúng chỗ của nó. Tiền bạc chi phí cho nghiên cứu nói chung và cho thiên văn học nói riêng chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong ngân sách quốc gia của các nước phát triển như Pháp hay Mỹ. Nó chỉ cỡ vài phần trăm cho tất cả các nghành khoa học và chỉ cỡ 0,01% cho thiên văn học. Để tiện so sánh, xin nhắc với ông rằng hơn một phần ba ngân sách của Hoa Kỳ là dùng cho quốc phòng và duy trì quân đội. Một kính thiên văn lớn cũng không đắt bằng một chiếc máy bay Mirage.
Nhưng ngoài những xem xét về tài chính, ở tận đáy lòng mình, tôi tin rằng thiên văn học đáp ứng được một nhu cầu sâu xa của con người, đó là nhu cầu cần hiểu biết về nguồn gốc của mình. Không phải ngẫu nhiên mà các ngôi sao và các thiên hà luôn luôn làm cho công chúng phải si mê, đó là bởi vì người ta muốn tìm kiếm ở đó gốc rễ của mình. hay nói theo cách của nhà thơ Paul Eluard, thiên văn học đã mở rộng tầm mắt cho chúng ta! Nó giúp ta đánh giá được vị trí của chúng ta trong không gian và thời gian, giúp ta thấy được mình có vị thế như thế nào trong lịch sử tiến hóa lâu dài của Vũ trụ và giúp ta hiểu được mối liên hệ của chúng ta với Vũ trụ. Thiên văn học cũng cho phép chúng ta vượt lên trên trọng lượng của cơ thể và sự ngắn ngủi của cuộc đời con người. Quan niệm triết học về thế giới mà con người lĩnh hội được thông qua thiên văn học, theo tôi, cũng là một kiến thức quan trọng không kém phát minh ra vắcxin chống bệnh ung thư hoặc SIDA.
Nói một cách khác, như cách nói của các nhà toán học Jacobi, nghiên cứu thiên văn học cũng là vì danh dự của trí tuệ con người.
Đúng, và đó cũng là sự tìm kiếm vị trí của chúng ta trong Vũ trụ, tìm kiếm ý nghĩa của số phận chúng ta để phân biệt con người với con vật. Sự tiến hóa đã bổ sung cho bộ não của loài bò sát vỏ não có khả năng biết đặt ra những câu hỏi như: Vũ trụ có một ý nghĩa gì không? Sự sống có ý nghĩa không? Chúng ta tới từ đâu và sẽ đi về đâu? Tôi xin trích ra đây câu trả lời của nhà vật lý Robert Wilson, giám đốc nhà máy gia tốc hạt của Fermi Lab ở gần Chicago, cho câu hỏi của một thượng nghị sĩ Mỹ về ích lợi của việc chi hàng đống tiền để xây dựng các máy gia tốc nhằm tìm hiểu cấu trúc của vật chất. Wilson đã trả lời ông ta rằng nước Mỹ đã chi phí lớn hơn rất nhiều cho quốc phòng. Nhưng là bảo vệ cái gì, nếu đó không phải là những lý tưởng như nghiên cứu khoa học, vì danh dự của trí tuệ con người?
Còn về những ảnh hưởng đối với công nghệ thì ban đầu là hoàn toàn không có, bởi vì các ngôi sao cũng như các thiên hà không có một chức năng sinh lợi nào đối với cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Vật lý thiên văn là khoa học thuần tuý nhất trong các khoa học, bởi vì nó không bao giờ bận tâm trực tiếp tới các ứng dụng thực tiễn. Vật lý thiên văn mải mê tìm kiếm cốt là để thỏa cơn khát hiểu biết và thỏa mãn óc tò mò của mình! Nó săn đuổi kiến thức chỉ vì kiến thức. Nhưng, cũng thường xảy chuyện sự nghiên cứu khoa học thuần tuý lại dẫn đến những ảnh hưởng công nghệ ở thời điểm mà người ta ít ngờ nhất. Ví dụ về điều này thì không thiếu. Khi Newton đưa ra lý thuyết hấp dẫn Vũ trụ bằng cách chứng minh rằng sự rơi của quả táo cũng hệt như chuyển động của Mặt Trăng xung quanh Trái Đất, ông không có một lý do nào để nghĩ tới những ứng dụng thực tiễn của nó cả. Nhưng, giờ đây, trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, tất cả những cái chuyển động, như ô tô, máy bay, vệ tinh, thang máy… đều chịu sự chi phối bởi định luật đó của Newton. Và cũng chính khi tự hỏi mình Vũ trụ sẽ nhìn ra sao khi ta chu du trên một hạt ánh sáng mà Einstein đã phát minh ra thuyết tương đối. Nhưng ông cũng chưa bao giờ nghĩ tới những ứng dụng của sự tổng hợp hạt nhân, cả trong tâm các ngôi sao cũng như trong các quả bom khinh khí, mặc dù tất cả những thứ đó đều diễn ra theo công thức E=mc2 nổi tiếng của ông, công thức nói rằng vật chất và năng lượng là tương đương. Lịch sử đã nhiều lần chứng tỏ rằng ngay cả những lý thuyết trừu tượng nhất cũng không tránh khỏi sẽ dẫn đến những ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày.
Đúng, chúng ta đã thấy điều đó, đặc biệt là đối với những chương trình của NASA. Chẳng hạn đối với chương trình Appolo người ta cũng có thể nói rằng việc đi lên Mặt Trăng là hoàn toàn ngu ngốc và vô tích sự.
Nhưng, chính các dụng cụ điện tử hiện diện xung quanh chúng ta trong cuộc sống thường nhật, lại là kết quả của toàn bộ chương trình đó, bởi vì để thắng lực hấp dẫn của Trái Đất và đưa được con người lên không gian, cần phải chế tạo ra những vật liệu gọn nhẹ nhất có thể được. Chẳng hạn như chiếc máy ghi âm nhỏ xíu đang nằm trong túi ông, các trazitor, đĩa compact, máy tính xách tay có thể xếp gọn trong chiếc cặp điplômat nhưng mạnh hơn cả những máy tính khổng lồ năm 1960 chiếm hết diện tích của cả một căn phòng – tất cả những thứ đó đều được hưởng lợi từ ý chí gửi người tới Mặt Trăng của NASA.
Nhưng, xin phép được nhắc lại là tôi hoàn toàn từ chối dùng luận cứ về những ảnh hưởng đối với công nghệ, thậm chí còn chưa dự đoán trước được, để biện minh cho nghiên cứu trí tuệ khoa học. Cần phải làm nghiên cứu chỉ vì vinh quang của trí tuệ con người.
Một câu hỏi đang làm cháy bỏng môi tôi, đó là ông nghĩ về thực tại trong vật lý thiên văn? Tôi xin nói chính xác hơn. Ông đã giải thích rằng công việc của ông trước hết là xây dựng một lý thuyết, sau đó kiểm chứng nó thông qua các dụng cụ, mà thường là một kính thiên văn thu các tính hiệu sáng tới từ Vũ trụ. Những tín hiệu này được số hóa, sau đó ông sẽ cho hiển thị các hình ảnh trên mà hình TV đồng thời có thể thay đổi thoải mái độ tương phản để nghiên cứu chi tiết này hay khác. Vậy thì khi ông nói: tôi nhìn thấy một thiên hà trên màn hình của tôi, liệu ông có chắc rằng đó đúng là một thiên hà hay không? Tính hiện thực mà các ông đạt tới ở mức nào? Sự lọc qua hệ thống dụng cụ của các ông có đáng tin cậy không hay xét cho đến cùng cái mà các ông nhìn thấy chẳng qua chỉ là một hình ảnh? Đây là một câu hỏi mang tính triết học hơn là khoa học.
Câu hỏi của ông là rất có ý nghĩa. Theo mức độ các dụng cụ ngày trở nên phức tạp, nhà thiên văn sẽ càng ngày càng xa dần hiện thực thô. Nó được lọc qua những mạch điện tử rối rắm, rồi được xào nấu, số hóa và dựng lại nhờ các máy tính mạch và qua các xử lý toán học phức tạp.
Tôi luôn cảm thấy một cảm giác sâu xa về tính không gian khi tôi tiến hành quan sát, chẳng hạn như qua một kính thiên văn ở trên quỹ đạo xung quanh Trái Đất. Khi gõ ngón tay trên bàn phím máy tính, tôi gửi các lệnh qua một anten rađa tới vệ tinh đang bay trên quỹ đạo, ở trên đầu tôi hàng chục ngàn kilômét. Những lệnh này được nhận và xử lý bởi một máy tính đặt trên vệ tinh và máy tính này điều khiển kính thiên văn hướng tới thiên hà mà tôi muốn quan sát. Nó sẽ thu thập ánh sáng. Một khi quan sát đã kết thúc, tôi ra lệnh cho vệ tinh gửi về Trái Đất cho tôi những hình ảnh đã thu được và hình ảnh này sẽ hiện trên màn hình trong phòng điều khiển và cho phép tôi thoải mái phân tích. Cảm giác về tính không thực này đặc biệt mạnh khi tôi dùng kính thiên văn vô tuyến khổng lồ ở New Mehico. Tôi cứ ngỡ như mình đang ở trong khung cảnh của một truyện khoa học viễn tưởng. Trên một cao nguyên bao la và bằng phẳng, với một diện tích xấp xỉ như Paris, sừng sững 27 kính thiên văn, mỗi chiếc đều có đường kính 25m. Không chỉ ánh sáng mà tôi quan sát là hoàn toàn không nhìn thấy được mà tôi còn phải phó mặc cho các máy tính điều khiển 27 kính thiên văn, tổng hợp ánh sáng thu được của mỗi kính, số hóa và xử lý nó trước khi chiếu hình ảnh thu được trên màn hình TV màu.
Do có quá nhiều giai đoạn trung gian giữa các tín hiệu thô và hình ảnh cuối cùng, nên việc người ta tự hỏi trong hình ảnh này có bao nhiêu phần trăm là của hiện thực khách quan là một điều hết sức chính đáng. Chính Galilê, ban đâu, đã phải vô cùng khó nhọc để thuyết phục các đồng nghiệp của mình tin vào tính hiện thực của những điều kỳ lạ mà ông đã phát hiện trên bầu trời nhờ kính thiên văn mới được sáng chế của mình. Các đồng nghiệp của ông đều nghĩ rằng những vệ tinh của sao Mộc và những miệng núi lửa trên Mặt Trăng chẳng qua chỉ là những ảo giác quang học do thấu kính của kính thiên văn tạo ra. Nhà thiên văn hiện đại, do tách rời hiện thực thô thông qua các dụng cụ với các kích thước khổng lồ so với con người và tinh xảo hơn tất cả những thứ mà Galilê có thể tưởng tượng ra, nên phải nhân gấp bội tinh thần cảnh giác để tin chắc rằng các tín hiệu mà anh ta nhận được đúng là tới từ Vũ trụ và không chỉ là những can nhiễu do các mạch điện quá phức tạp trong các dụng cụ quan sát tạo ra.
Thật không may, mặc dù đã hết sức thận trọng, thi thoảng vẫn có những phát minh được tuyên bố rùm beng, nhưng sau đó lại bị vạch ra là sai lầm. Trường hợp mới đây nhất trong thiên văn học liên quan tới thông báo về phát hiện một pulsar, nhưng thực chất đây là ngôi sao bùng nổ vào tháng 2 năm 1987 trong một thiên hà lùn quay quanh dải Ngân Hà của chúng ta, thiên hà tô điểm cho bầu trời Nam Bán cầu mà người ta gọi tên là Đám mây Magellan lớn. (Nhà hàng hải Magellan là người đầu tiên đã nhìn thấy nó khi vượt qua xích đạo). Các nhà thiên văn gọi cơn hấp hối bùng nổ của một ngôi sao là sao siêu mới (SN) và sao siêu mới trong Đám mây Magellan lớn nói ở trên có tên là SN1987A (Chữ A là để chỉ đây là sao siêu mới đầu tiên được phát hiện trong năm 1987). Sự bùng nổ này đã làm rung chuyển giới thiên văn học.
Tại sao?
Bởi vì đây là lần đầu tiên cả một đội quân khổng lồ các kính thiên văn, các vệ tinh và các máy thu hiện đại được huy động để phục vụ việc nghiên cứu cái chết của một ngôi sao ở tương đối gần (Đám mây Magellean lớn cách chúng ta khoảng 150.000 năm ánh sáng) với độ chính xác và chi tiết chưa từng có. Tất nhiên, trước đó cũng có những sao siêu mới khác (nếu ta xem rằng trong vũ trụ quan sát được có 100 tỷ thiên hà, mỗi thiên hà có 100 tỷ ngôi sao thì mỗi giây sẽ có một sao siêu mới); nhưng những ngôi sao này bùng nổ ở những thiên hà quá xa nên không thể quan sát được với độ chính xác mong muốn.
Cũng đã có một số siêu sao mới (cả thảy có 7) trong Ngân Hà của chúng ta và cách chúng ta khoảng vài trăm năm ánh sáng. Johannes Kepler đã từng nhìn thấy một và Tychio Brahe phát hiện một sao siêu mới khác. Lại nữa, chính sự quan sát sao siêu mới này đã gieo vào đầu Tychio mối nghi ngờ về tính bất động của bầu trời theo khẳng định của Aristote. Những người Trung Hoa cũng đã nhìn thấy một sao siêu mới trong tinh vân Con Cua mà họ đặt cho cái tên rất hay là “sao khách”. Không có một nhắc nhở nào về sao siêu mới của tinh vân Con Cua trong các tài liệu của Phương Tây ở thời gian đó. Hẳn là những người nhìn lên bầu trời tin vào Aristote hơn là tin vào chính mắt họ!
Thế tại sao một số ngôi sao lại bùng nổ?
Để trả lời câu hỏi của ông, tôi phải kể cho ông nghe về đời sống của các ngôi sao. Chúng cũng được sinh ra, sống cuộc đời của mình rồi chết như con người; chỉ có điều cuộc sống của chúng được trải trên các thang lớn hơn rất nhiều: so với tuổi thọ bách niên của con người, thì tuổi thọ các sao là hàng triệu, thậm chí hàng tỷ năm. Hãy lấy Mặt Trời làm ví dụ. Ngôi sao của chúng ta đã sống được 4,6 tỷ năm. Độ sáng và năng lượng mà nó chi dùng và cung cấp cho toàn bộ sự sống trên Trái Đất đều lấy từ phản ứng tổng hợp hiđrô thành hêli trong lõi của nó. Trong 4,5 tỷ năm nữa. Mặt Trời sẽ dùng hết nguồn dự trữ hđrô của nó. Khi đó nó sẽ xài đến nguồn dự trữ hêli. Sự đốt hêli sẽ bơm cho Mặt Trời một luồng năng lượng lớn và làm cho nó phồng lên đáng kể. Đồng thời, màu của nó sẽ chuyển sang đỏ. Mặt Trời khi đó sẽ trở thành một sao khổng lồ đỏ và khi phồng lên nó sẽ nuốt cả sao Thủy lẫn sao Kim vào lớp bao cháy bỏng của nó. Còn đối với Trái Đất, các cháu, chút chít…chít của chúng ta sẽ thấy Mặt Trời cháy bỏng chiếm cả nửa bầu trời; các đại dương sẽ bốc hơi, các cánh rừng sẽ bốc cháy. Toàn bộ sự sống trên hành tinh xanh chúng ta khi đó sẽ không thể tồn tại. Hậu thế của chúng ta sẽ phải di cư ra tận biên của hệ Mặt Trời, tới các sao Hải vương và Diêm vương, tất nhiên nếu họ có đủ khả năng làm được việc đó, để tránh cái nóng cháy bỏng của sao khổng lồ đỏ. Tuy nhiên, sự ngơi nghỉ như thế cũng chẳng được bao lâu: chỉ khoảng 2 tỷ năm nữa là Mặt Trời lại xài hết cả nguồn dự trữ hêli. Khi không còn chất đốt, nó sẽ cầm chắc cái chết.
Xin ông hãy mô tả phút lâm chung của Mặt Trời.
Khi Mặt Trời không còn phát sáng nữa, lực hấp dẫn sẽ chiếm ưu thế và buộc nó phải tự co lại thành một xác sao chết có tên là “sao lùn trắng”, có kích thước chỉ cỡ Trái Đất với bán kính khoảng 7.000km. Vật chất trong sao lùn trắng là cực kỳ đặc. Một thìa vật chất của sao lùn trắng nặng tới cả tấn. Điều này cũng giống như ta ép một con voi vào khối lập phương mỗi cạnh 1cm. Lớp bọc ngoài của Mặt Trời khi đó sẽ tạo nên một vành vật chất đẹp rực rỡ hai màu xanh và đỏ xen kẽ bao quanh sao lùn trắng có tên là “tinh vân hành tinh” (đây là tên gọi không chính xác vì các tinh vân này không liên quan gì tới các hành tinh cả).
Vậy điều gì sẽ xảy ra với hậu thế của chúng ta?
Hậu thế xa xôi của chúng ta, do mất nguồn năng lượng, chỉ còn cách đi tìm một ngôi sao khác. Cũng có thể khi đó sẽ bắt đầu cuộc thám hiểm thiên hà mà các tác giả truyện khoa học viễn tưởng của chúng ta rất ưa chuộng. Nhưng đó chẳng phải là chuyện dễ dàng gì: khoảng cách giữa các ngôi sao là quá lớn! Ngôi sao gần Mặt Trời nhất cũng cách nó tới bốn năm ánh sáng. Vì chúng ta không bao giờ có thể du hành nhanh hơn ánh sáng, do cần phải có năng lượng vô hạn mới gia tốc được tên lửa đạt tới vận tốc đó, nên phải mất hàng chục, thậm chí hàng trăm năm mới có thể tới được ngôi sao gần nhất. Một cuộc du hành như thế kéo dài nhiều đời người, ấy là chưa nói tới chuyện thám hiểm vùng biên của dải Ngân Hà, cách chúng ta tới 90.000 năm ánh sáng.
Chính vì lý do đó mà tôi khá hoài nghi khi nghe các phương tiện thông tin đại chúng nói về các đĩa bay (hay còn gọi là các vật thể bay lạ). Tại sao những người ngoài Trái Đất lại tới thăm chúng ta với một giá đắt khủng khiếp và vô vàn khó khăn ghê gớm, thay vì gửi cho chúng ta những tín hiệu vô tuyến tới Trái Đất với vận tốc ánh sáng. Tất nhiên, sẽ có những khoảng im lặng kéo dài giữa hai người đối thoại (một tín hiệu được gửi đi bởi một nền văn minh ngoài Trái Đất ở đầu kia của Ngân Hà phải mất 75.000 năm mới tới được chỗ chúng ta. Thậm chí chúng ta có trả lời ngay lập tức, thì những người ngoài Trái Đất cũng sẽ chỉ nhận được trả lời của chúng ta sau 150.000 năm), nhưng đó chỉ là phương tiện liên lạc tiết kiệm hơn rất nhiều.
Những ngôi sao khác có chết theo cách giống như Mặt Trời không?
Không! Chúng ta đã thấy Mặt Trời tắt một cách êm ái, không có sự bùng nổ đầy tai biến. Nhưng không phải tất cả các ngôi sao đều chết một cách bình yên như vậy. Những ngôi sao có khối lượng lớn phải trải qua một cơn hấp hối dữ dội hơn nhiều. Khi không còn nhiên liệu để đốt nữa, lõi của một ngôi sao có khối lượng lớn hơn Mặt Trời từ 1,4 đến 1,5 lần sẽ tự co lại thành sao nơtron với bán kính chỉ cỡ 10 km. Vật chất ở đây bị nén còn mạnh hơn cả ở bên trong của sao lùn trắng. Một thìa vật chất của sao nơtron nặng tới 100.000 tỷ gam. Khi co lại, sao ngày càng quay quanh mình nó nhanh hơn. Hiện tượng này tương tự như nghệ sĩ trượt băng co người lại để quay nhanh hơn. Sao nơtron thực sự là một con quay trong Vũ trụ. Chỉ trong 1 giây, một vùng có kích thước cỡ thành phố Paris quay được 10, 100 thậm chí 1000 vòng. Lực ly tâm (lực đẩy bạn áo vào thành xe khi vòng gấp) ở đây cực mạnh và nếu như ngôi sao không được tạo bởi các nơtron gắn kết với nhau bằng lực hạt nhân mạnh, thì chắc là nó đã nổ tung.
Trong khi quay, sao nơtron phát ra các sóng vô tuyến dưới dạng hai chùm hẹp quét qua quét lại trong không gian. Đây là một loại đèn pha Vũ trụ. Mỗi một lần một chùm tia quét qua Trái Đất, thì kính thiên văn vô tuyến của chúng ta lại nhận được một xung ánh sáng. Các xung này cách nhau một khoảng thời gian đúng bằng thời gian để sao nơtron quay quanh mình nó được một vòng (thời gian này chỉ bằng một phần nhỏ của 1 giây) và tới rất đều đặn như một máy gõ nhịp và chính vì thế mà sao nơtron còn được gọi là “pulsar”. Khi phát hiện ra các tín hiệu của các pulsar đầu tiên, các nhà thiên văn nghĩ rằng họ đã bắt được liên lạc với những người xanh nhỏ bé (tức những người ngoài Trái Đất – ND). Bởi vì, những tín hiệu tới theo những khoảng thời gian đều đặn tới mức cứ như là chúng tạo thành một loại mã Moóc Vũ trụ vậy.
Ông đã nói với chúng tôi rằng một ngôi sao có thể kết thúc cuộc đời của mình thành một sao lùn trắng hoặc một pulsar. Nhưng phải chăng còn có một kiểu sao chết kích thích mạnh hơn trí tưởng tượng của công chúng và gắn liền với lỗ đen?
Thực vậy, còn có một kiểu chết thứ ba đối với ngôi sao. Nếu như nó có khối lượng lớn hơn 5 lần Mặt Trời và đã hết nhiên liệu thì lõi của nó sẽ co lại để trở thành một lỗ đen, tạo ra trong không gian một nơi có trường hấp dẫn mạnh tới mức ngay cả ánh sáng – đối tượng có vận tốc lớn nhất trong Vũ trụ – cũng không thể thoát ra được. Nếu một ngày nào đó, trong cuộc chu du giữa các vì sao, con tàu không gian của bạn đi qua cạnh một lỗ đen, bạn sẽ phải hết sức thận trọng. Nếu ngẫu nhiên bạn vượt quá bán kính không thể quay lui của lỗ đen (chừng 20km đối với lỗ đen có khối lượng lớn gấp 10 lần Mặt Trời), thì bạn sẽ không thể quay ngược trở lại dù động cơ con tàu của bạn có mạnh tới mức nào. Lực hấp dẫn mạnh của lỗ đen sẽ kéo cơ thể bạn dài ra như một sợi mỳ, còn lực điện từ vốn làm cho xương cốt của bạn cứng vững cũng không đương đầu nổi với lực hấp dẫn, kết quả là cơ thể của bạn vỡ nát và thế là xong đời.
Thật là thú vị! Nhưng hãy trở về với đề tài ban đầu của chúng ta. Làm thế nào mà sự co lại của lõi ngôi sao thành một pulsar hoặc lỗ đen lại gây ra một sao siêu mới?
Trong khi lõi ngôi sao co lại để trở thành một pulsar hoặc lỗ đen, thì một sóng xung kích truyền vào phía trong ngôi sao và làm cho nó bùng nổ. Trong những ngày đầu tiên, sự bùng nổ mà người ta gọi là sao siêu mới có độ sáng lớn gấp một trăm triệu lần độ sáng của Mặt Trời. Một cơn hấp hối bùng nổ như vậy đã xảy ra khoảng 150.000 năm trước trong Đám mây Magellan Lớn và thông tin về nó mãi tới tháng hai năm 1987 mới đến được với chúng ta.
Hình như ý ông muốn nói rằng có vấn đề trong việc quan sát sao siêu mới 1987 A?
Đúng thế. Người ta chờ đợi sự hiện diện của một sao nơtron ở lõi của SN 1987A. Nhưng đành phải kiên nhẫn đợi cho tới khi lớp khí và bụi bao bên ngoài tiêu tán đi để cho ánh sáng từ pulsar truyền được ra ngoài. Vì vậy, các nhà thiên văn đã căng thẳng rình rập SN 11987A với hy vọng thu được các “xung” đều đặn tới từ đó, chứng tỏ sự hiện diện của sao nơtron. Vào tháng giêng 1988, một nhóm các nhà thiên văn Mỹ tuyên bố rằng họ đã phát hiện được tín hiệu tuần hoàn nhìn thấy được, sáng và tắt khoảng 2.000 lần trong một giây. Họ kết luận rằng họ đã nhìn thấy sao nơtron. Vào tháng hai năm 1990, vẫn êkip các nhà thiên văn đó làm lại những quan sát cũ, và lần này họ lại thấy rằng tín hiệu tuần hoàn không phải tới từ sao siêu mới mà từ chính dụng cụ của họ! Và lời tuyên bố đã “phát hiện” ra pulsar đã phải rút lại. Nhưng điều rủi ro đó không có nghĩa là pulsar không tồn tại, chỉ có điều quan sát nhằm xác lập sự tồn tại của nó còn chưa được thực hiện. Có rất nhiều các quan sát thiên văn liên quan tới các thiên thể phát sáng rất yếu. Những quan sát này rất khó khăn mặc dù công nghệ tiên tiến đã được đẩy tới giới hạn của nó. Nguy cơ sai số là rất lớn. Cần phải phân biệt cho rõ cái gì là có thực trên bầu trời, cái gì là nhân tạo do các dụng cụ đo của chúng ta tạo nên. Vậy nhà thiên văn làm thế nào đảm bảo được tính “chân thực” của những quan sát của mình? Bằng cách lặp đi lặp lại những quan sát đó, hoặc còn tốt hơn nữa là bằng cách kiểm tra một cách độc lập quan sát được thực hiện bởi các êkip khác nhau, sử dụng các kính thiên văn khác nhau và các dụng cụ đo khác nhau.
Đây chính là vấn đề về tính chân thực của một thí nghiệm. Người ta có thể nói rằng một thí nghiệm khoa học là đúng nếu có thể làm lại nó và cho cùng một kết quả. Tuy nhiên, tôi sẽ đặt cho ông câu hỏi đó nhưng theo một cách khác. Đối với sự lĩnh hội của con người, thì chẳng hạn, nói rằng đầu kia của thiên hà cách chúng ta 75.000 năm ánh sáng là muốn nói lên điều gì? Bởi vì ở thang cuộc sống của chúng ta thì 75.000 năm ánh sáng chẳng có ý nghĩa gì.
Đúng là nghiên cứu cái vô cùng lớn khiến cho chúng ta chóng mặt. Nó làm cho trực giác và lẽ phải thông thường của chúng ta thật khốn khổ. Ngay cả một nhà thiên văn như tôi suốt ngày vật lộn với những con số lớn mà cũng còn khó “cảm nhận” chúng một cách trực giác nữa là. Nhưng điều đó không hề cản trở việc tiếp nhận chúng bằng trí tuệ.
Vì ông đã ăn sâu bắt rễ vào hiện thực, ông nhìn thời gian với tư cách một nhà vật lý thiên văn hay với tư cách là một con người?
Thời gian là một khái niệm rất sâu sắc và còn lâu mới có thể làm sáng tỏ được những bí mật của nó. Có nhiều loại thời gian. Với tư cách là con người tôi cảm nhận được thời gian tâm lý. Chúng ta cảm nhận thời gian này như nước của dòng sông đang chảy, nó xa dần những con sóng của quá khứ và tiến dần tới những ngọn sóng của tương lai, người mang lại hy vọng và hứa hẹn còn đang tới. Quá khứ đã qua không thể còn thay đổi được nữa, trong khi tương lai còn có thể tạo dựng bằng những hành động của chúng ta. Tất cả chúng ta đều cảm thấy sự trôi qua của thời gian, đó là chuyển động của nó đối với ý thức bất động của chúng ta. Tuy nhiên, nói về thời gian chuyển động là không có ý nghĩa đối với nhà vật lý hoặc vật lý thiên văn. Nếu thời gian là chuyển động thì vận tốc của nó bằng bao nhiêu? Một câu hỏi hiển nhiên là vô lý. Mặt khác, lý thuyết của Einstein đã làm nổ tung những khái niệm cổ điển về quá khứ và tương lai. Einstein đã làm sụp đổ tan tành tính phổ quát của thời gian. Ông dạy chúng ta rằng quá khứ của một người có thể là hiện tại của một người khác hoặc còn là tương lai của người thứ ba.
Đối với nhà vật lý, không có sự khác biệt giữa quá khứ, hiện tại và tương lai: mọi thời điểm đều bình đẳng với nhau. Thời gian vật lý không cần phải chuyển động. Nó không trôi, mà chỉ đứng đó bất động như một đường thẳng kéo dài đến vô tận ở cả hai hướng.
Vậy tại sao lại có sự phân biệt như thế giữa hai thời gian? Có lẽ bởi vì vật lý còn chưa biết cách mô tả các quá trình trí óc và tâm lý. Có một mắt xích còn thiếu. Bí mật của thời gian sẽ chưa thể bị khám phá chừng nào chúng ra còn chưa hiểu được chúng ta cảm, chúng ta nghĩ và sáng tạo như thế nào.
Xin ông hãy nói về mũi tên thời gian.
Đây là vấn đề về hướng của thời gian. Tôi vừa nói với ông về thời gian tâm lý luôn luôn trôi về phía trước. Tất cả chúg ta đều bị chi phối bởi mũi tên đó của thời gian, nó nhất thiết sẽ dẫn chúng ta từ chiếc nôi tới nấm mồ và gây ra nỗi ám ảnh về cái chết của mỗi chúng ta. Đứa bé sinh ra, lớn lên, già đi rồi chết. Không ai có thể làm dừng hoặc đảo ngược được dòng chảy của thời gian tâm lý. Nó là bất thuận nghịch.
Tính bất thuận nghịch này cũng được tìm thấy trong thế giới vĩ mô bao quanh chúng ta và bị chi phối bởi cái mà người ta gọi là thời gian nhiệt động học. Nhiệt động học là khoa học nghiên cứu về các tính chất của nhiệt. Trong thế giới vĩ mô, các sự kiện diễn ra theo một chiều duy nhất. Một cốc trà nóng để trên bàn sẽ nguội dần. Một mẩu nước đá sẽ tan dưới ánh nắng mặt trời. Một nhà thờ bỏ hoang sẽ dần đổ nát. Một chiếc cốc thủy tinh rơi xuống đất sẽ vỡ thành trăm mảnh. Đó là những tình huống trong cuộc sống hàng ngày mang trong chúng chiều của thời gian. Bạn sẽ không bao giờ thấy một cốc trà tự động hâm nóng trở lại, nước tự động đóng thành băng dưới nắng mặt trời, đống đổ nát tự dưng lại thành ngôi nhà thờ mỹ lệ, cũng như những mảnh cốc vỡ tự lắp lại thành chiếc cốc nguyên vẹn.
Hướng của thời gian nhiệt động được áp đặt bởi cái gọi là nguyên lý hai nhiệt động học, nó nói rằng mức độ hỗn loạn (cái mà các nhà vật lý gọi là entropy) luôn luôn tăng. Mọi vật sẽ luôn luôn bị xuống cấp. Chúng sẽ hao mòn theo thời gian. Những ngôi nhà sẽ hư hỏng và các bông hồng sẽ tàn phai. Thời gian nhiệt động này trôi cùng chiều với thời gian nhiệt động: nó hướng tới sự hao mòn và chết chóc. Ông có thể cãi lại rằng nguyên lý cho rằng tất cả đều hướng tới sự hỗn độn là trái với sự tiến hóa của Vũ trụ đi từ Big Bang tới chính chúng ta, tức là đi từ trạng thái hỗn độn (Vũ trụ ở lúc khởi đầu của nó là món súp đồng nhất của bức xạ và các hạt sơ cấp) tới một trạng thái có tổ chức cực cao là bộ óc của con người có khả năng hiểu được sự tuyệt đẹp của Vũ trụ và biết đặt những câu hỏi về nguồn gốc và lịch sử của nó. Thực tế, nguyên lý hai của nhiệt động học không hề cấm đoán một góc nào đó trong Vũ trụ có trật tự xuất hiện miễn là ở những nơi khác sự mất trật tự lớn hơn được tạo ra để bù trừ cho trật tự đó. Chẳng hạn, để tạo ra sự sống trên Trái Đất, cần phải có năng lượng của Mặt Trời. Nhưng, Mặt Trời khi phát ánh sáng nóng vào không gian giá lạnh giữa các vì sao lại đã tạo ra sự hỗn loạn. Sự hỗn loạn này là lớn hơn sự trật tự cần thiết cho việc xuất hiện của sự sống và ý thức, sao cho tổng kết lại sự hỗn loạn vẫn là tăng.
Có một chiều thứ ba của thời gian do sự giãn nở của Vũ trụ mang đến cho chúng ta. Đó là thời gian Vũ trụ. Hướng của thời gian này được xác định bởi thực tế là Vũ trụ đi từ nhỏ hơn tới lớn hơn, các thiên hà ngày càng chạy ra xa nhau. Mối liên hệ giữa thời gian vũ trụ, thời gian tâm lý và thời gian nhiệt động không phải là đã được hiểu rõ ngọn ngành. Nhiều câu hỏi vẫn còn được đặt ra. Chúng ta hiện vẫn chưa biết liệu Vũ trụ có giãn nở vĩnh viễn hay không. Giả sử rằng có đủ vật chất để làm đảo ngược hướng chuyển động giãn nở của Vũ trụ. Các thiên hà thay vì chạy ra xa nhau lại tiến đến gần nhau. Thử hỏi lúc đó thời gian Vũ trụ có đảo chiều hay không? Và cả thời gian nhiệt động nữa? Liệu đống đất đá lổn nhổn có tự biến thành một nhà thời tráng lệ hay không? Rồi thời gian tâm lý nữa? Liệu bộ não của chúng ta có trí nhớ về tương lai thay vì về quá khứ hay không? Và nếu tất cả các quá trình trong não đều đảo ngược, thì các cư dân sống trong Vũ trụ đang co lại có còn cảm thấy Vũ trụ đang giãn nở không? Hiện nay, tất cả những câu hỏi đó vẫn còn chưa có câu trả lời.
Cho tới đây, tôi đã nói với ông về ba loại thời gian đều trôi theo một hướng và có chiều như nhau: thời gian tâm lý chi phối bộ não của chúng ta, thời gian nhiệt động chi phối thế giới vĩ mô và thời gian vũ trụ chi phối Vũ trụ… Bây giờ tôi sẽ mô tả cho ông một thời gian nữa – thời gian vật lý – chi phối thế giới của của các hạt tạo nên vật chất, ở thang vi mô thời gian không còn là một chiều nữa. Hai proton đi tới gặp nhau, sau khi va chạm chúng sẽ bay ra xa nhau. Nếu bây giờ ta quay ngược cuốn phim ghi lại các sự kiện trên, thì bạn sẽ thấy chính xác trình tự đó. Các định luật vật lý ở mức nội nguyên tử không mang trong chúng mũi tên thời gian, các tình huống ở đây là hoàn toàn thuận nghịch. Tôi cũng cần phải nhắc tới một ngoại lệ nhỏ có liên quan với sự phân rã của một hạt tên là kaon. Sự phân rã này là bất thuận nghịch chỉ trong chưa đầy 1% các trường hợp và điều này xác định một mũi tên thời gian “nhỏ”. Nhưng ngoại lệ này là không mấy quan trọng vì trong số hàng ngàn hạt, kaon là hạt duy nhất có tính bất thuận nghịch. Mặt khác, nó lại không có mặt trong vật chất tạo nên tất cả chúng ta cũng như các thiên hà mà chỉ xuất hiện trong các va chạm mạnh trong lòng các máy gia tốc hạt.
Vậy, tại sao thời gian vật lý ở mức vi mô lại mất đi tính bất thuận nghịch? Vẫn còn chưa có ai biết được điều bí mật đó.
Phải chăng cái thời gian vật lý ấy, đó chỉ là sự tạo dựng đơn giản của trí tuệ? Và về một khía cạnh nào đó nó chẳng liên quan gì tới thực tại cả?
Cũng có thể. Hành trạng của các hạt sơ cấp tạo nên vật chất đã được cơ học lượng tử mô tả rất tốt. Nhưng hoàn toàn chắc chắn đó mới chỉ là một phần của thực tại. Mặt khác, trong cơ học lượng tử còn có những vấn đề về mặt khái niệm chưa phải đã được làm sáng tỏ hoàn toàn. Người ta vẫn còn chưa biết tại sao các hạt lại không tuân theo tính bất thuận nghịch của thời gian, cũng như chưa biết tại sao não người lại đi theo sự trôi không cưỡng nổi của thời gian, từ quá khứ đến tương lai.
Sau thời gian, xin ông nói cho chúng tôi biết về không gian!
Quan niệm của chúng ta về không gian, đã thay đổi rất nhiều kể từ đầu thế kỷ. Và cũng chính Einstein là người đưa đến cuộc cách mạng đó. Không gian của Einstein khác một cách sâu sắc so với không gian của Newton. Không gian Newton là tĩnh và bất động. Đó chỉ là cái sân khấu thụ động nơi diễn ra các tấn kịch của Vũ trụ với diễn viên là các hành tinh, các ngôi sao và các thiên hà. Einstein đã cho không gian một vai diễn. Không gian đã vứt bỏ đặc tính thụ động của mình và trở nên động. Nó có thể co, giãn, biến dạng hoặc xoắn lại tùy theo lực hấp dẫn. Nghĩa là có một sự tương tác giữa vật chất và không gian. Trong trường hấp dẫn mạnh như trường của một lỗ đen chẳng hạn, không gian bị gấp lại tới mức ánh sáng không thể thoát ra được. Thế còn tại sao Mặt Trăng lại quay quanh Trái Đất? Newton nói rằng đó là do lực hấp dẫn của Trái Đất tác dụng lên Mặt Trăng. Einstein đã vứt bỏ hoàn toàn khái niệm lực. Theo ông, trường hấp dẫn của Trái Đất đã làm cong không gian xung quanh nó và Mặt trăng chuyển động theo quỹ đạo hình elip xung quanh Trái Đất là bởi vì quỹ đạo đó là ngắn nhất trong không gian cong đó.
Không chỉ bị biến dạng dưới tác dụng của trường hấp dẫn, không gian còn có thể co giãn tùy theo vận tốc mà bạn di chuyển. Ví dụ, nếu trên Trái Đất bạn quan sát một con tàu không gian bay với vận tốc đạt tới 89% vận tốc ánh sáng, thì đối với bạn con tàu dường như co lại chỉ còn một nửa.
Khi không gian bị biến dạng, thời gian cũng không giữ nguyên như trước. Nó cũng giãn ra hoặc co lại hài hòa với sự biến dạng của không gian. Thời gian và không gian thực sự tạo thành một cặp thống nhất mà chuyển động của chúng luôn bổ sung cho nhau. Khi không gian co lại, thì thời gian lại giãn ra, tức là nó trôi chậm hơn: ai đó trên con tàu không gian phóng với vận tốc bằng 89% vận tốc ánh sáng sẽ già đi chậm hơn hai lần so với người trên Trái Đất. Trái tim anh ta đập ít hơn và tóc sẽ bạc ít hơn. Điều này hệt như là không gian đã được chuyển hóa thành thời gian. Không gian co lại được biến thành thời gian làm cho thời gian giãn ra và trôi chậm hơn. Sự chuyển đổi giữa không gian và thời gian được thực hiện thông qua vận tốc ánh sáng, một giây thời gian tương đương với 300.000km không gian. Vậy là thời gian và không gian không còn cách biệt như trong Vũ trụ của Newton nữa mà nó liên hệ khăng khít với nhau. Từ nay chúng ta sống trong một Vũ trụ bốn chiều: ba chiều không gian và một chiều thời gian.
Ông nhìn nhận như thế nào về không gian Vũ trụ so với không gian hàng ngày quen thuộc của chúng ta? Ông có xem rằng chúng có cùng bản chất hay là có bản chất khác nhau? Như ông đã nói, thời gian riêng của cá nhân chúng ta không phải là thời gian của các ngôi sao, cũng không phải là thời gian của các hạt sơ cấp, vậy quan niệm về không gian của ông có thay đổi từ thời điểm ông bắt đầu nghiên cứu vật lý thiên văn?
Quan niệm của tôi về không gian (và thời gian) đã thay đổi khi tôi bắt đầu nghiên cứu thuyết tương đối rộng của Einstein. Bản chất của thời gian và không gian được mô tả trong thuyết tương đối là có tính phổ biến. Không gian của Vũ trụ, của các sao và của các thiên hà đều có cùng bản chất như không gian trên Trái Đất, trong căn phòng chúng ta đang ngồi đây. Đã xa rồi không gian theo Aristote, với không gian Trái Đất và Mặt Trăng trong đó các vật đều chuyển động thẳng, từ trên xuống dưới hoặc từ dưới lên trên, còn không gian của các hành tinh khác, của Mặt Trời và của các sao thì hoàn toàn khác, trong đó tất cả đều chuyển động tròn.
Chỉ có điều chúng ta không cảm nhận được sự co giãn của không gian và thời gian trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, bởi vì không có những trường hấp dẫn lớn trên Trái Đất (lực hấp dẫn của Trái Đất nhỏ hơn của Mặt Trời 28 lần) và chúng ta lại chuyển động với vận tốc nhỏ hơn nhiều so với vận tốc ánh sáng. Thậm chí nếu bạn có đi bằng máy bay siêu thanh Concord thì cũng chỉ nhanh hơn một phần triệu vận tốc ánh sáng một chút. Với trường hấp dẫn và những vận tốc trên Trái Đất, thì những biến dạng của thời gian và không gian là rất nhỏ và không thể cảm nhận được. Tôi sẽ cho ông một ví dụ. Lực hút của Trái Đất tác dụng lên chúng ta biến thiên theo quy luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng ta và tâm Trái Đất. Do đó, lực hấp dẫn tác dụng lên một người nào đó ở độ cao cỡ tháp Eiffel sẽ nhỏ hơn khi ở chân tháp, hay đối với người sống ở tầng trên cùng của một tòa nhà cao tầng sẽ nhỏ hơn so với người ở tầng trệt. Lực hấp dẫn nhỏ hơn có nghĩa là thời gian sẽ co ngắn lại và trôi nhanh hơn. Về nguyên tắc, người ở trệt sẽ sống dài hơn so với người sống ở tầng trên cùng. Nhưng sự khác biệt đó về thời gian được tích tụ cả một đời người cũng rất nhỏ, chỉ cỡ một phần tỷ giây mà thôi. Nghĩa là chỉ hơn nhịp đập của quả tim một chút! Thật may thay, bởi vì nếu không như thế, chắc chắn sẽ có một cuộc khủng hoảng về chỗ ở: sẽ chẳng có ai muốn sống ở những tầng cao nữa!
Xin nêu một ví dụ khác. Thời gian sẽ chậm lại đối với người chuyển động so với thời gian của người người đứng yên. Chẳng hạn, những người tập chạy hàng ngày sẽ làm chậm lại quá trình già đi của mình so với những người khác. Một giây đối với một người chạy với tốc độ 1m/s sẽ tương đương với 1,000000000000000005 giây (số đầu tiên khác 0 nằm ở vị trí thứ mười tám sau dấu phẩy) của người đứng yên. Sự khác biệt như thế là không thể cảm nhận được, ngay cả với những đồng hồ nguyên tử tinh xảo nhất.
Như vậy, chúng ta không thể cảm thấy tính co giãn của thời gian và không gian trong cuộc sống hàng ngày vì những biến dạng của chúng là quá nhỏ bé. Điều này thật là may mắn đối với sự cân bằng tâm lý của chúng ta: bởi vì nếu không như vậy thì sẽ có biết bao cuộc hẹn hò bất thành và mọi thứ sẽ hỗn loạn!
Ông đã nói về sự tiến hóa lâu dài của Vũ trụ trên con đường dẫn tới sự sống. Vậy ông có nghĩ rằng ngoài Trái Đất ra, sự sống có thể tồn tại ở những nơi khác không?
Có, điều đó rất có thể. Tôi không thấy tại sao chỉ có chúng ta là những người duy nhất được lựa chọn. Dải Ngân Hà của chúng ta chứa tới 100 tỷ ngôi sao, trong đó có nhiều tỷ ngôi tương tự như Mặt Trời của chúng ta. Nếu các ngôi sao này có kèm theo một bầu đoàn các hành tinh như hệ Mặt Trời của chúng ta, thì chắc sẽ có những hành tinh ở đủ xa Mặt Trời của chúng để nhiệt không làm bay hơi hết nước và cũng đủ gần để sự thiếu nhiệt không làm đóng băng nước và do vậy cho phép sự sống – như chúng ta biết trên Trái Đất – có thể phát triển. Và con số các hành tinh này phải nhân lên hàng trăm tỷ lần vì đó là số các thiên hà được chứa trong Vũ trụ quan sát được. Chính kính thiên văn không gian Hubble cũng có sứ mạng quan sát bầu đoàn các hành tinh xung quanh các ngôi sao gần ta nhất, nhưng, than ôi, tật “cận thị” tạm thời của nó đã trở thành một trở ngại! Các kính hiệu chỉnh được các nhà du hành Vũ trụ đưa lên vào năm 1993 chắc sẽ cho phép phát hiện ra những hành tinh khác ở ngoài hệ Mặt Trời của chúng ta. Khi đó chúng ta sẽ biết hướng các kính thiên văn vô tuyến tới đâu để thu hoặc gửi đi những thông điệp. Còn hiện thời, việc tìm kiếm cuộc sống ngoài Trái Đất còn khó hơn tìm kim đáy biển.
Nhưng liệu việc làm thỏa mãn tính tò mò của trí tuệ, như vật lý thiên văn đang làm, có biện minh được cho những chi phí hàng triệu đôla để xây dựng các kính thiên văn mới hay không?
Trước hết, cần phải đặt sự vật đúng chỗ của nó. Tiền bạc chi phí cho nghiên cứu nói chung và cho thiên văn học nói riêng chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong ngân sách quốc gia của các nước phát triển như Pháp hay Mỹ. Nó chỉ cỡ vài phần trăm cho tất cả các nghành khoa học và chỉ cỡ 0,01% cho thiên văn học. Để tiện so sánh, xin nhắc với ông rằng hơn một phần ba ngân sách của Hoa Kỳ là dùng cho quốc phòng và duy trì quân đội. Một kính thiên văn lớn cũng không đắt bằng một chiếc máy bay Mirage.
Nhưng ngoài những xem xét về tài chính, ở tận đáy lòng mình, tôi tin rằng thiên văn học đáp ứng được một nhu cầu sâu xa của con người, đó là nhu cầu cần hiểu biết về nguồn gốc của mình. Không phải ngẫu nhiên mà các ngôi sao và các thiên hà luôn luôn làm cho công chúng phải si mê, đó là bởi vì người ta muốn tìm kiếm ở đó gốc rễ của mình. hay nói theo cách của nhà thơ Paul Eluard, thiên văn học đã mở rộng tầm mắt cho chúng ta! Nó giúp ta đánh giá được vị trí của chúng ta trong không gian và thời gian, giúp ta thấy được mình có vị thế như thế nào trong lịch sử tiến hóa lâu dài của Vũ trụ và giúp ta hiểu được mối liên hệ của chúng ta với Vũ trụ. Thiên văn học cũng cho phép chúng ta vượt lên trên trọng lượng của cơ thể và sự ngắn ngủi của cuộc đời con người. Quan niệm triết học về thế giới mà con người lĩnh hội được thông qua thiên văn học, theo tôi, cũng là một kiến thức quan trọng không kém phát minh ra vắcxin chống bệnh ung thư hoặc SIDA.
Nói một cách khác, như cách nói của các nhà toán học Jacobi, nghiên cứu thiên văn học cũng là vì danh dự của trí tuệ con người.
Đúng, và đó cũng là sự tìm kiếm vị trí của chúng ta trong Vũ trụ, tìm kiếm ý nghĩa của số phận chúng ta để phân biệt con người với con vật. Sự tiến hóa đã bổ sung cho bộ não của loài bò sát vỏ não có khả năng biết đặt ra những câu hỏi như: Vũ trụ có một ý nghĩa gì không? Sự sống có ý nghĩa không? Chúng ta tới từ đâu và sẽ đi về đâu? Tôi xin trích ra đây câu trả lời của nhà vật lý Robert Wilson, giám đốc nhà máy gia tốc hạt của Fermi Lab ở gần Chicago, cho câu hỏi của một thượng nghị sĩ Mỹ về ích lợi của việc chi hàng đống tiền để xây dựng các máy gia tốc nhằm tìm hiểu cấu trúc của vật chất. Wilson đã trả lời ông ta rằng nước Mỹ đã chi phí lớn hơn rất nhiều cho quốc phòng. Nhưng là bảo vệ cái gì, nếu đó không phải là những lý tưởng như nghiên cứu khoa học, vì danh dự của trí tuệ con người?
Còn về những ảnh hưởng đối với công nghệ thì ban đầu là hoàn toàn không có, bởi vì các ngôi sao cũng như các thiên hà không có một chức năng sinh lợi nào đối với cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Vật lý thiên văn là khoa học thuần tuý nhất trong các khoa học, bởi vì nó không bao giờ bận tâm trực tiếp tới các ứng dụng thực tiễn. Vật lý thiên văn mải mê tìm kiếm cốt là để thỏa cơn khát hiểu biết và thỏa mãn óc tò mò của mình! Nó săn đuổi kiến thức chỉ vì kiến thức. Nhưng, cũng thường xảy chuyện sự nghiên cứu khoa học thuần tuý lại dẫn đến những ảnh hưởng công nghệ ở thời điểm mà người ta ít ngờ nhất. Ví dụ về điều này thì không thiếu. Khi Newton đưa ra lý thuyết hấp dẫn Vũ trụ bằng cách chứng minh rằng sự rơi của quả táo cũng hệt như chuyển động của Mặt Trăng xung quanh Trái Đất, ông không có một lý do nào để nghĩ tới những ứng dụng thực tiễn của nó cả. Nhưng, giờ đây, trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, tất cả những cái chuyển động, như ô tô, máy bay, vệ tinh, thang máy… đều chịu sự chi phối bởi định luật đó của Newton. Và cũng chính khi tự hỏi mình Vũ trụ sẽ nhìn ra sao khi ta chu du trên một hạt ánh sáng mà Einstein đã phát minh ra thuyết tương đối. Nhưng ông cũng chưa bao giờ nghĩ tới những ứng dụng của sự tổng hợp hạt nhân, cả trong tâm các ngôi sao cũng như trong các quả bom khinh khí, mặc dù tất cả những thứ đó đều diễn ra theo công thức E=mc2 nổi tiếng của ông, công thức nói rằng vật chất và năng lượng là tương đương. Lịch sử đã nhiều lần chứng tỏ rằng ngay cả những lý thuyết trừu tượng nhất cũng không tránh khỏi sẽ dẫn đến những ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày.
Đúng, chúng ta đã thấy điều đó, đặc biệt là đối với những chương trình của NASA. Chẳng hạn đối với chương trình Appolo người ta cũng có thể nói rằng việc đi lên Mặt Trăng là hoàn toàn ngu ngốc và vô tích sự.
Nhưng, chính các dụng cụ điện tử hiện diện xung quanh chúng ta trong cuộc sống thường nhật, lại là kết quả của toàn bộ chương trình đó, bởi vì để thắng lực hấp dẫn của Trái Đất và đưa được con người lên không gian, cần phải chế tạo ra những vật liệu gọn nhẹ nhất có thể được. Chẳng hạn như chiếc máy ghi âm nhỏ xíu đang nằm trong túi ông, các trazitor, đĩa compact, máy tính xách tay có thể xếp gọn trong chiếc cặp điplômat nhưng mạnh hơn cả những máy tính khổng lồ năm 1960 chiếm hết diện tích của cả một căn phòng – tất cả những thứ đó đều được hưởng lợi từ ý chí gửi người tới Mặt Trăng của NASA.
Nhưng, xin phép được nhắc lại là tôi hoàn toàn từ chối dùng luận cứ về những ảnh hưởng đối với công nghệ, thậm chí còn chưa dự đoán trước được, để biện minh cho nghiên cứu trí tuệ khoa học. Cần phải làm nghiên cứu chỉ vì vinh quang của trí tuệ con người.
Một câu hỏi đang làm cháy bỏng môi tôi, đó là ông nghĩ về thực tại trong vật lý thiên văn? Tôi xin nói chính xác hơn. Ông đã giải thích rằng công việc của ông trước hết là xây dựng một lý thuyết, sau đó kiểm chứng nó thông qua các dụng cụ, mà thường là một kính thiên văn thu các tính hiệu sáng tới từ Vũ trụ. Những tín hiệu này được số hóa, sau đó ông sẽ cho hiển thị các hình ảnh trên mà hình TV đồng thời có thể thay đổi thoải mái độ tương phản để nghiên cứu chi tiết này hay khác. Vậy thì khi ông nói: tôi nhìn thấy một thiên hà trên màn hình của tôi, liệu ông có chắc rằng đó đúng là một thiên hà hay không? Tính hiện thực mà các ông đạt tới ở mức nào? Sự lọc qua hệ thống dụng cụ của các ông có đáng tin cậy không hay xét cho đến cùng cái mà các ông nhìn thấy chẳng qua chỉ là một hình ảnh? Đây là một câu hỏi mang tính triết học hơn là khoa học.
Câu hỏi của ông là rất có ý nghĩa. Theo mức độ các dụng cụ ngày trở nên phức tạp, nhà thiên văn sẽ càng ngày càng xa dần hiện thực thô. Nó được lọc qua những mạch điện tử rối rắm, rồi được xào nấu, số hóa và dựng lại nhờ các máy tính mạch và qua các xử lý toán học phức tạp.
Tôi luôn cảm thấy một cảm giác sâu xa về tính không gian khi tôi tiến hành quan sát, chẳng hạn như qua một kính thiên văn ở trên quỹ đạo xung quanh Trái Đất. Khi gõ ngón tay trên bàn phím máy tính, tôi gửi các lệnh qua một anten rađa tới vệ tinh đang bay trên quỹ đạo, ở trên đầu tôi hàng chục ngàn kilômét. Những lệnh này được nhận và xử lý bởi một máy tính đặt trên vệ tinh và máy tính này điều khiển kính thiên văn hướng tới thiên hà mà tôi muốn quan sát. Nó sẽ thu thập ánh sáng. Một khi quan sát đã kết thúc, tôi ra lệnh cho vệ tinh gửi về Trái Đất cho tôi những hình ảnh đã thu được và hình ảnh này sẽ hiện trên màn hình trong phòng điều khiển và cho phép tôi thoải mái phân tích. Cảm giác về tính không thực này đặc biệt mạnh khi tôi dùng kính thiên văn vô tuyến khổng lồ ở New Mehico. Tôi cứ ngỡ như mình đang ở trong khung cảnh của một truyện khoa học viễn tưởng. Trên một cao nguyên bao la và bằng phẳng, với một diện tích xấp xỉ như Paris, sừng sững 27 kính thiên văn, mỗi chiếc đều có đường kính 25m. Không chỉ ánh sáng mà tôi quan sát là hoàn toàn không nhìn thấy được mà tôi còn phải phó mặc cho các máy tính điều khiển 27 kính thiên văn, tổng hợp ánh sáng thu được của mỗi kính, số hóa và xử lý nó trước khi chiếu hình ảnh thu được trên màn hình TV màu.
Do có quá nhiều giai đoạn trung gian giữa các tín hiệu thô và hình ảnh cuối cùng, nên việc người ta tự hỏi trong hình ảnh này có bao nhiêu phần trăm là của hiện thực khách quan là một điều hết sức chính đáng. Chính Galilê, ban đâu, đã phải vô cùng khó nhọc để thuyết phục các đồng nghiệp của mình tin vào tính hiện thực của những điều kỳ lạ mà ông đã phát hiện trên bầu trời nhờ kính thiên văn mới được sáng chế của mình. Các đồng nghiệp của ông đều nghĩ rằng những vệ tinh của sao Mộc và những miệng núi lửa trên Mặt Trăng chẳng qua chỉ là những ảo giác quang học do thấu kính của kính thiên văn tạo ra. Nhà thiên văn hiện đại, do tách rời hiện thực thô thông qua các dụng cụ với các kích thước khổng lồ so với con người và tinh xảo hơn tất cả những thứ mà Galilê có thể tưởng tượng ra, nên phải nhân gấp bội tinh thần cảnh giác để tin chắc rằng các tín hiệu mà anh ta nhận được đúng là tới từ Vũ trụ và không chỉ là những can nhiễu do các mạch điện quá phức tạp trong các dụng cụ quan sát tạo ra.
Thật không may, mặc dù đã hết sức thận trọng, thi thoảng vẫn có những phát minh được tuyên bố rùm beng, nhưng sau đó lại bị vạch ra là sai lầm. Trường hợp mới đây nhất trong thiên văn học liên quan tới thông báo về phát hiện một pulsar, nhưng thực chất đây là ngôi sao bùng nổ vào tháng 2 năm 1987 trong một thiên hà lùn quay quanh dải Ngân Hà của chúng ta, thiên hà tô điểm cho bầu trời Nam Bán cầu mà người ta gọi tên là Đám mây Magellan lớn. (Nhà hàng hải Magellan là người đầu tiên đã nhìn thấy nó khi vượt qua xích đạo). Các nhà thiên văn gọi cơn hấp hối bùng nổ của một ngôi sao là sao siêu mới (SN) và sao siêu mới trong Đám mây Magellan lớn nói ở trên có tên là SN1987A (Chữ A là để chỉ đây là sao siêu mới đầu tiên được phát hiện trong năm 1987). Sự bùng nổ này đã làm rung chuyển giới thiên văn học.
Tại sao?
Bởi vì đây là lần đầu tiên cả một đội quân khổng lồ các kính thiên văn, các vệ tinh và các máy thu hiện đại được huy động để phục vụ việc nghiên cứu cái chết của một ngôi sao ở tương đối gần (Đám mây Magellean lớn cách chúng ta khoảng 150.000 năm ánh sáng) với độ chính xác và chi tiết chưa từng có. Tất nhiên, trước đó cũng có những sao siêu mới khác (nếu ta xem rằng trong vũ trụ quan sát được có 100 tỷ thiên hà, mỗi thiên hà có 100 tỷ ngôi sao thì mỗi giây sẽ có một sao siêu mới); nhưng những ngôi sao này bùng nổ ở những thiên hà quá xa nên không thể quan sát được với độ chính xác mong muốn.
Cũng đã có một số siêu sao mới (cả thảy có 7) trong Ngân Hà của chúng ta và cách chúng ta khoảng vài trăm năm ánh sáng. Johannes Kepler đã từng nhìn thấy một và Tychio Brahe phát hiện một sao siêu mới khác. Lại nữa, chính sự quan sát sao siêu mới này đã gieo vào đầu Tychio mối nghi ngờ về tính bất động của bầu trời theo khẳng định của Aristote. Những người Trung Hoa cũng đã nhìn thấy một sao siêu mới trong tinh vân Con Cua mà họ đặt cho cái tên rất hay là “sao khách”. Không có một nhắc nhở nào về sao siêu mới của tinh vân Con Cua trong các tài liệu của Phương Tây ở thời gian đó. Hẳn là những người nhìn lên bầu trời tin vào Aristote hơn là tin vào chính mắt họ!
Thế tại sao một số ngôi sao lại bùng nổ?
Để trả lời câu hỏi của ông, tôi phải kể cho ông nghe về đời sống của các ngôi sao. Chúng cũng được sinh ra, sống cuộc đời của mình rồi chết như con người; chỉ có điều cuộc sống của chúng được trải trên các thang lớn hơn rất nhiều: so với tuổi thọ bách niên của con người, thì tuổi thọ các sao là hàng triệu, thậm chí hàng tỷ năm. Hãy lấy Mặt Trời làm ví dụ. Ngôi sao của chúng ta đã sống được 4,6 tỷ năm. Độ sáng và năng lượng mà nó chi dùng và cung cấp cho toàn bộ sự sống trên Trái Đất đều lấy từ phản ứng tổng hợp hiđrô thành hêli trong lõi của nó. Trong 4,5 tỷ năm nữa. Mặt Trời sẽ dùng hết nguồn dự trữ hđrô của nó. Khi đó nó sẽ xài đến nguồn dự trữ hêli. Sự đốt hêli sẽ bơm cho Mặt Trời một luồng năng lượng lớn và làm cho nó phồng lên đáng kể. Đồng thời, màu của nó sẽ chuyển sang đỏ. Mặt Trời khi đó sẽ trở thành một sao khổng lồ đỏ và khi phồng lên nó sẽ nuốt cả sao Thủy lẫn sao Kim vào lớp bao cháy bỏng của nó. Còn đối với Trái Đất, các cháu, chút chít…chít của chúng ta sẽ thấy Mặt Trời cháy bỏng chiếm cả nửa bầu trời; các đại dương sẽ bốc hơi, các cánh rừng sẽ bốc cháy. Toàn bộ sự sống trên hành tinh xanh chúng ta khi đó sẽ không thể tồn tại. Hậu thế của chúng ta sẽ phải di cư ra tận biên của hệ Mặt Trời, tới các sao Hải vương và Diêm vương, tất nhiên nếu họ có đủ khả năng làm được việc đó, để tránh cái nóng cháy bỏng của sao khổng lồ đỏ. Tuy nhiên, sự ngơi nghỉ như thế cũng chẳng được bao lâu: chỉ khoảng 2 tỷ năm nữa là Mặt Trời lại xài hết cả nguồn dự trữ hêli. Khi không còn chất đốt, nó sẽ cầm chắc cái chết.
Xin ông hãy mô tả phút lâm chung của Mặt Trời.
Khi Mặt Trời không còn phát sáng nữa, lực hấp dẫn sẽ chiếm ưu thế và buộc nó phải tự co lại thành một xác sao chết có tên là “sao lùn trắng”, có kích thước chỉ cỡ Trái Đất với bán kính khoảng 7.000km. Vật chất trong sao lùn trắng là cực kỳ đặc. Một thìa vật chất của sao lùn trắng nặng tới cả tấn. Điều này cũng giống như ta ép một con voi vào khối lập phương mỗi cạnh 1cm. Lớp bọc ngoài của Mặt Trời khi đó sẽ tạo nên một vành vật chất đẹp rực rỡ hai màu xanh và đỏ xen kẽ bao quanh sao lùn trắng có tên là “tinh vân hành tinh” (đây là tên gọi không chính xác vì các tinh vân này không liên quan gì tới các hành tinh cả).
Vậy điều gì sẽ xảy ra với hậu thế của chúng ta?
Hậu thế xa xôi của chúng ta, do mất nguồn năng lượng, chỉ còn cách đi tìm một ngôi sao khác. Cũng có thể khi đó sẽ bắt đầu cuộc thám hiểm thiên hà mà các tác giả truyện khoa học viễn tưởng của chúng ta rất ưa chuộng. Nhưng đó chẳng phải là chuyện dễ dàng gì: khoảng cách giữa các ngôi sao là quá lớn! Ngôi sao gần Mặt Trời nhất cũng cách nó tới bốn năm ánh sáng. Vì chúng ta không bao giờ có thể du hành nhanh hơn ánh sáng, do cần phải có năng lượng vô hạn mới gia tốc được tên lửa đạt tới vận tốc đó, nên phải mất hàng chục, thậm chí hàng trăm năm mới có thể tới được ngôi sao gần nhất. Một cuộc du hành như thế kéo dài nhiều đời người, ấy là chưa nói tới chuyện thám hiểm vùng biên của dải Ngân Hà, cách chúng ta tới 90.000 năm ánh sáng.
Chính vì lý do đó mà tôi khá hoài nghi khi nghe các phương tiện thông tin đại chúng nói về các đĩa bay (hay còn gọi là các vật thể bay lạ). Tại sao những người ngoài Trái Đất lại tới thăm chúng ta với một giá đắt khủng khiếp và vô vàn khó khăn ghê gớm, thay vì gửi cho chúng ta những tín hiệu vô tuyến tới Trái Đất với vận tốc ánh sáng. Tất nhiên, sẽ có những khoảng im lặng kéo dài giữa hai người đối thoại (một tín hiệu được gửi đi bởi một nền văn minh ngoài Trái Đất ở đầu kia của Ngân Hà phải mất 75.000 năm mới tới được chỗ chúng ta. Thậm chí chúng ta có trả lời ngay lập tức, thì những người ngoài Trái Đất cũng sẽ chỉ nhận được trả lời của chúng ta sau 150.000 năm), nhưng đó chỉ là phương tiện liên lạc tiết kiệm hơn rất nhiều.
Những ngôi sao khác có chết theo cách giống như Mặt Trời không?
Không! Chúng ta đã thấy Mặt Trời tắt một cách êm ái, không có sự bùng nổ đầy tai biến. Nhưng không phải tất cả các ngôi sao đều chết một cách bình yên như vậy. Những ngôi sao có khối lượng lớn phải trải qua một cơn hấp hối dữ dội hơn nhiều. Khi không còn nhiên liệu để đốt nữa, lõi của một ngôi sao có khối lượng lớn hơn Mặt Trời từ 1,4 đến 1,5 lần sẽ tự co lại thành sao nơtron với bán kính chỉ cỡ 10 km. Vật chất ở đây bị nén còn mạnh hơn cả ở bên trong của sao lùn trắng. Một thìa vật chất của sao nơtron nặng tới 100.000 tỷ gam. Khi co lại, sao ngày càng quay quanh mình nó nhanh hơn. Hiện tượng này tương tự như nghệ sĩ trượt băng co người lại để quay nhanh hơn. Sao nơtron thực sự là một con quay trong Vũ trụ. Chỉ trong 1 giây, một vùng có kích thước cỡ thành phố Paris quay được 10, 100 thậm chí 1000 vòng. Lực ly tâm (lực đẩy bạn áo vào thành xe khi vòng gấp) ở đây cực mạnh và nếu như ngôi sao không được tạo bởi các nơtron gắn kết với nhau bằng lực hạt nhân mạnh, thì chắc là nó đã nổ tung.
Trong khi quay, sao nơtron phát ra các sóng vô tuyến dưới dạng hai chùm hẹp quét qua quét lại trong không gian. Đây là một loại đèn pha Vũ trụ. Mỗi một lần một chùm tia quét qua Trái Đất, thì kính thiên văn vô tuyến của chúng ta lại nhận được một xung ánh sáng. Các xung này cách nhau một khoảng thời gian đúng bằng thời gian để sao nơtron quay quanh mình nó được một vòng (thời gian này chỉ bằng một phần nhỏ của 1 giây) và tới rất đều đặn như một máy gõ nhịp và chính vì thế mà sao nơtron còn được gọi là “pulsar”. Khi phát hiện ra các tín hiệu của các pulsar đầu tiên, các nhà thiên văn nghĩ rằng họ đã bắt được liên lạc với những người xanh nhỏ bé (tức những người ngoài Trái Đất – ND). Bởi vì, những tín hiệu tới theo những khoảng thời gian đều đặn tới mức cứ như là chúng tạo thành một loại mã Moóc Vũ trụ vậy.
Ông đã nói với chúng tôi rằng một ngôi sao có thể kết thúc cuộc đời của mình thành một sao lùn trắng hoặc một pulsar. Nhưng phải chăng còn có một kiểu sao chết kích thích mạnh hơn trí tưởng tượng của công chúng và gắn liền với lỗ đen?
Thực vậy, còn có một kiểu chết thứ ba đối với ngôi sao. Nếu như nó có khối lượng lớn hơn 5 lần Mặt Trời và đã hết nhiên liệu thì lõi của nó sẽ co lại để trở thành một lỗ đen, tạo ra trong không gian một nơi có trường hấp dẫn mạnh tới mức ngay cả ánh sáng – đối tượng có vận tốc lớn nhất trong Vũ trụ – cũng không thể thoát ra được. Nếu một ngày nào đó, trong cuộc chu du giữa các vì sao, con tàu không gian của bạn đi qua cạnh một lỗ đen, bạn sẽ phải hết sức thận trọng. Nếu ngẫu nhiên bạn vượt quá bán kính không thể quay lui của lỗ đen (chừng 20km đối với lỗ đen có khối lượng lớn gấp 10 lần Mặt Trời), thì bạn sẽ không thể quay ngược trở lại dù động cơ con tàu của bạn có mạnh tới mức nào. Lực hấp dẫn mạnh của lỗ đen sẽ kéo cơ thể bạn dài ra như một sợi mỳ, còn lực điện từ vốn làm cho xương cốt của bạn cứng vững cũng không đương đầu nổi với lực hấp dẫn, kết quả là cơ thể của bạn vỡ nát và thế là xong đời.
Thật là thú vị! Nhưng hãy trở về với đề tài ban đầu của chúng ta. Làm thế nào mà sự co lại của lõi ngôi sao thành một pulsar hoặc lỗ đen lại gây ra một sao siêu mới?
Trong khi lõi ngôi sao co lại để trở thành một pulsar hoặc lỗ đen, thì một sóng xung kích truyền vào phía trong ngôi sao và làm cho nó bùng nổ. Trong những ngày đầu tiên, sự bùng nổ mà người ta gọi là sao siêu mới có độ sáng lớn gấp một trăm triệu lần độ sáng của Mặt Trời. Một cơn hấp hối bùng nổ như vậy đã xảy ra khoảng 150.000 năm trước trong Đám mây Magellan Lớn và thông tin về nó mãi tới tháng hai năm 1987 mới đến được với chúng ta.
Hình như ý ông muốn nói rằng có vấn đề trong việc quan sát sao siêu mới 1987 A?
Đúng thế. Người ta chờ đợi sự hiện diện của một sao nơtron ở lõi của SN 1987A. Nhưng đành phải kiên nhẫn đợi cho tới khi lớp khí và bụi bao bên ngoài tiêu tán đi để cho ánh sáng từ pulsar truyền được ra ngoài. Vì vậy, các nhà thiên văn đã căng thẳng rình rập SN 11987A với hy vọng thu được các “xung” đều đặn tới từ đó, chứng tỏ sự hiện diện của sao nơtron. Vào tháng giêng 1988, một nhóm các nhà thiên văn Mỹ tuyên bố rằng họ đã phát hiện được tín hiệu tuần hoàn nhìn thấy được, sáng và tắt khoảng 2.000 lần trong một giây. Họ kết luận rằng họ đã nhìn thấy sao nơtron. Vào tháng hai năm 1990, vẫn êkip các nhà thiên văn đó làm lại những quan sát cũ, và lần này họ lại thấy rằng tín hiệu tuần hoàn không phải tới từ sao siêu mới mà từ chính dụng cụ của họ! Và lời tuyên bố đã “phát hiện” ra pulsar đã phải rút lại. Nhưng điều rủi ro đó không có nghĩa là pulsar không tồn tại, chỉ có điều quan sát nhằm xác lập sự tồn tại của nó còn chưa được thực hiện. Có rất nhiều các quan sát thiên văn liên quan tới các thiên thể phát sáng rất yếu. Những quan sát này rất khó khăn mặc dù công nghệ tiên tiến đã được đẩy tới giới hạn của nó. Nguy cơ sai số là rất lớn. Cần phải phân biệt cho rõ cái gì là có thực trên bầu trời, cái gì là nhân tạo do các dụng cụ đo của chúng ta tạo nên. Vậy nhà thiên văn làm thế nào đảm bảo được tính “chân thực” của những quan sát của mình? Bằng cách lặp đi lặp lại những quan sát đó, hoặc còn tốt hơn nữa là bằng cách kiểm tra một cách độc lập quan sát được thực hiện bởi các êkip khác nhau, sử dụng các kính thiên văn khác nhau và các dụng cụ đo khác nhau.
Đây chính là vấn đề về tính chân thực của một thí nghiệm. Người ta có thể nói rằng một thí nghiệm khoa học là đúng nếu có thể làm lại nó và cho cùng một kết quả. Tuy nhiên, tôi sẽ đặt cho ông câu hỏi đó nhưng theo một cách khác. Đối với sự lĩnh hội của con người, thì chẳng hạn, nói rằng đầu kia của thiên hà cách chúng ta 75.000 năm ánh sáng là muốn nói lên điều gì? Bởi vì ở thang cuộc sống của chúng ta thì 75.000 năm ánh sáng chẳng có ý nghĩa gì.
Đúng là nghiên cứu cái vô cùng lớn khiến cho chúng ta chóng mặt. Nó làm cho trực giác và lẽ phải thông thường của chúng ta thật khốn khổ. Ngay cả một nhà thiên văn như tôi suốt ngày vật lộn với những con số lớn mà cũng còn khó “cảm nhận” chúng một cách trực giác nữa là. Nhưng điều đó không hề cản trở việc tiếp nhận chúng bằng trí tuệ.
Vì ông đã ăn sâu bắt rễ vào hiện thực, ông nhìn thời gian với tư cách một nhà vật lý thiên văn hay với tư cách là một con người?
Thời gian là một khái niệm rất sâu sắc và còn lâu mới có thể làm sáng tỏ được những bí mật của nó. Có nhiều loại thời gian. Với tư cách là con người tôi cảm nhận được thời gian tâm lý. Chúng ta cảm nhận thời gian này như nước của dòng sông đang chảy, nó xa dần những con sóng của quá khứ và tiến dần tới những ngọn sóng của tương lai, người mang lại hy vọng và hứa hẹn còn đang tới. Quá khứ đã qua không thể còn thay đổi được nữa, trong khi tương lai còn có thể tạo dựng bằng những hành động của chúng ta. Tất cả chúng ta đều cảm thấy sự trôi qua của thời gian, đó là chuyển động của nó đối với ý thức bất động của chúng ta. Tuy nhiên, nói về thời gian chuyển động là không có ý nghĩa đối với nhà vật lý hoặc vật lý thiên văn. Nếu thời gian là chuyển động thì vận tốc của nó bằng bao nhiêu? Một câu hỏi hiển nhiên là vô lý. Mặt khác, lý thuyết của Einstein đã làm nổ tung những khái niệm cổ điển về quá khứ và tương lai. Einstein đã làm sụp đổ tan tành tính phổ quát của thời gian. Ông dạy chúng ta rằng quá khứ của một người có thể là hiện tại của một người khác hoặc còn là tương lai của người thứ ba.
Đối với nhà vật lý, không có sự khác biệt giữa quá khứ, hiện tại và tương lai: mọi thời điểm đều bình đẳng với nhau. Thời gian vật lý không cần phải chuyển động. Nó không trôi, mà chỉ đứng đó bất động như một đường thẳng kéo dài đến vô tận ở cả hai hướng.
Vậy tại sao lại có sự phân biệt như thế giữa hai thời gian? Có lẽ bởi vì vật lý còn chưa biết cách mô tả các quá trình trí óc và tâm lý. Có một mắt xích còn thiếu. Bí mật của thời gian sẽ chưa thể bị khám phá chừng nào chúng ra còn chưa hiểu được chúng ta cảm, chúng ta nghĩ và sáng tạo như thế nào.
Xin ông hãy nói về mũi tên thời gian.
Đây là vấn đề về hướng của thời gian. Tôi vừa nói với ông về thời gian tâm lý luôn luôn trôi về phía trước. Tất cả chúg ta đều bị chi phối bởi mũi tên đó của thời gian, nó nhất thiết sẽ dẫn chúng ta từ chiếc nôi tới nấm mồ và gây ra nỗi ám ảnh về cái chết của mỗi chúng ta. Đứa bé sinh ra, lớn lên, già đi rồi chết. Không ai có thể làm dừng hoặc đảo ngược được dòng chảy của thời gian tâm lý. Nó là bất thuận nghịch.
Tính bất thuận nghịch này cũng được tìm thấy trong thế giới vĩ mô bao quanh chúng ta và bị chi phối bởi cái mà người ta gọi là thời gian nhiệt động học. Nhiệt động học là khoa học nghiên cứu về các tính chất của nhiệt. Trong thế giới vĩ mô, các sự kiện diễn ra theo một chiều duy nhất. Một cốc trà nóng để trên bàn sẽ nguội dần. Một mẩu nước đá sẽ tan dưới ánh nắng mặt trời. Một nhà thờ bỏ hoang sẽ dần đổ nát. Một chiếc cốc thủy tinh rơi xuống đất sẽ vỡ thành trăm mảnh. Đó là những tình huống trong cuộc sống hàng ngày mang trong chúng chiều của thời gian. Bạn sẽ không bao giờ thấy một cốc trà tự động hâm nóng trở lại, nước tự động đóng thành băng dưới nắng mặt trời, đống đổ nát tự dưng lại thành ngôi nhà thờ mỹ lệ, cũng như những mảnh cốc vỡ tự lắp lại thành chiếc cốc nguyên vẹn.
Hướng của thời gian nhiệt động được áp đặt bởi cái gọi là nguyên lý hai nhiệt động học, nó nói rằng mức độ hỗn loạn (cái mà các nhà vật lý gọi là entropy) luôn luôn tăng. Mọi vật sẽ luôn luôn bị xuống cấp. Chúng sẽ hao mòn theo thời gian. Những ngôi nhà sẽ hư hỏng và các bông hồng sẽ tàn phai. Thời gian nhiệt động này trôi cùng chiều với thời gian nhiệt động: nó hướng tới sự hao mòn và chết chóc. Ông có thể cãi lại rằng nguyên lý cho rằng tất cả đều hướng tới sự hỗn độn là trái với sự tiến hóa của Vũ trụ đi từ Big Bang tới chính chúng ta, tức là đi từ trạng thái hỗn độn (Vũ trụ ở lúc khởi đầu của nó là món súp đồng nhất của bức xạ và các hạt sơ cấp) tới một trạng thái có tổ chức cực cao là bộ óc của con người có khả năng hiểu được sự tuyệt đẹp của Vũ trụ và biết đặt những câu hỏi về nguồn gốc và lịch sử của nó. Thực tế, nguyên lý hai của nhiệt động học không hề cấm đoán một góc nào đó trong Vũ trụ có trật tự xuất hiện miễn là ở những nơi khác sự mất trật tự lớn hơn được tạo ra để bù trừ cho trật tự đó. Chẳng hạn, để tạo ra sự sống trên Trái Đất, cần phải có năng lượng của Mặt Trời. Nhưng, Mặt Trời khi phát ánh sáng nóng vào không gian giá lạnh giữa các vì sao lại đã tạo ra sự hỗn loạn. Sự hỗn loạn này là lớn hơn sự trật tự cần thiết cho việc xuất hiện của sự sống và ý thức, sao cho tổng kết lại sự hỗn loạn vẫn là tăng.
Có một chiều thứ ba của thời gian do sự giãn nở của Vũ trụ mang đến cho chúng ta. Đó là thời gian Vũ trụ. Hướng của thời gian này được xác định bởi thực tế là Vũ trụ đi từ nhỏ hơn tới lớn hơn, các thiên hà ngày càng chạy ra xa nhau. Mối liên hệ giữa thời gian vũ trụ, thời gian tâm lý và thời gian nhiệt động không phải là đã được hiểu rõ ngọn ngành. Nhiều câu hỏi vẫn còn được đặt ra. Chúng ta hiện vẫn chưa biết liệu Vũ trụ có giãn nở vĩnh viễn hay không. Giả sử rằng có đủ vật chất để làm đảo ngược hướng chuyển động giãn nở của Vũ trụ. Các thiên hà thay vì chạy ra xa nhau lại tiến đến gần nhau. Thử hỏi lúc đó thời gian Vũ trụ có đảo chiều hay không? Và cả thời gian nhiệt động nữa? Liệu đống đất đá lổn nhổn có tự biến thành một nhà thời tráng lệ hay không? Rồi thời gian tâm lý nữa? Liệu bộ não của chúng ta có trí nhớ về tương lai thay vì về quá khứ hay không? Và nếu tất cả các quá trình trong não đều đảo ngược, thì các cư dân sống trong Vũ trụ đang co lại có còn cảm thấy Vũ trụ đang giãn nở không? Hiện nay, tất cả những câu hỏi đó vẫn còn chưa có câu trả lời.
Cho tới đây, tôi đã nói với ông về ba loại thời gian đều trôi theo một hướng và có chiều như nhau: thời gian tâm lý chi phối bộ não của chúng ta, thời gian nhiệt động chi phối thế giới vĩ mô và thời gian vũ trụ chi phối Vũ trụ… Bây giờ tôi sẽ mô tả cho ông một thời gian nữa – thời gian vật lý – chi phối thế giới của của các hạt tạo nên vật chất, ở thang vi mô thời gian không còn là một chiều nữa. Hai proton đi tới gặp nhau, sau khi va chạm chúng sẽ bay ra xa nhau. Nếu bây giờ ta quay ngược cuốn phim ghi lại các sự kiện trên, thì bạn sẽ thấy chính xác trình tự đó. Các định luật vật lý ở mức nội nguyên tử không mang trong chúng mũi tên thời gian, các tình huống ở đây là hoàn toàn thuận nghịch. Tôi cũng cần phải nhắc tới một ngoại lệ nhỏ có liên quan với sự phân rã của một hạt tên là kaon. Sự phân rã này là bất thuận nghịch chỉ trong chưa đầy 1% các trường hợp và điều này xác định một mũi tên thời gian “nhỏ”. Nhưng ngoại lệ này là không mấy quan trọng vì trong số hàng ngàn hạt, kaon là hạt duy nhất có tính bất thuận nghịch. Mặt khác, nó lại không có mặt trong vật chất tạo nên tất cả chúng ta cũng như các thiên hà mà chỉ xuất hiện trong các va chạm mạnh trong lòng các máy gia tốc hạt.
Vậy, tại sao thời gian vật lý ở mức vi mô lại mất đi tính bất thuận nghịch? Vẫn còn chưa có ai biết được điều bí mật đó.
Phải chăng cái thời gian vật lý ấy, đó chỉ là sự tạo dựng đơn giản của trí tuệ? Và về một khía cạnh nào đó nó chẳng liên quan gì tới thực tại cả?
Cũng có thể. Hành trạng của các hạt sơ cấp tạo nên vật chất đã được cơ học lượng tử mô tả rất tốt. Nhưng hoàn toàn chắc chắn đó mới chỉ là một phần của thực tại. Mặt khác, trong cơ học lượng tử còn có những vấn đề về mặt khái niệm chưa phải đã được làm sáng tỏ hoàn toàn. Người ta vẫn còn chưa biết tại sao các hạt lại không tuân theo tính bất thuận nghịch của thời gian, cũng như chưa biết tại sao não người lại đi theo sự trôi không cưỡng nổi của thời gian, từ quá khứ đến tương lai.
Sau thời gian, xin ông nói cho chúng tôi biết về không gian!
Quan niệm của chúng ta về không gian, đã thay đổi rất nhiều kể từ đầu thế kỷ. Và cũng chính Einstein là người đưa đến cuộc cách mạng đó. Không gian của Einstein khác một cách sâu sắc so với không gian của Newton. Không gian Newton là tĩnh và bất động. Đó chỉ là cái sân khấu thụ động nơi diễn ra các tấn kịch của Vũ trụ với diễn viên là các hành tinh, các ngôi sao và các thiên hà. Einstein đã cho không gian một vai diễn. Không gian đã vứt bỏ đặc tính thụ động của mình và trở nên động. Nó có thể co, giãn, biến dạng hoặc xoắn lại tùy theo lực hấp dẫn. Nghĩa là có một sự tương tác giữa vật chất và không gian. Trong trường hấp dẫn mạnh như trường của một lỗ đen chẳng hạn, không gian bị gấp lại tới mức ánh sáng không thể thoát ra được. Thế còn tại sao Mặt Trăng lại quay quanh Trái Đất? Newton nói rằng đó là do lực hấp dẫn của Trái Đất tác dụng lên Mặt Trăng. Einstein đã vứt bỏ hoàn toàn khái niệm lực. Theo ông, trường hấp dẫn của Trái Đất đã làm cong không gian xung quanh nó và Mặt trăng chuyển động theo quỹ đạo hình elip xung quanh Trái Đất là bởi vì quỹ đạo đó là ngắn nhất trong không gian cong đó.
Không chỉ bị biến dạng dưới tác dụng của trường hấp dẫn, không gian còn có thể co giãn tùy theo vận tốc mà bạn di chuyển. Ví dụ, nếu trên Trái Đất bạn quan sát một con tàu không gian bay với vận tốc đạt tới 89% vận tốc ánh sáng, thì đối với bạn con tàu dường như co lại chỉ còn một nửa.
Khi không gian bị biến dạng, thời gian cũng không giữ nguyên như trước. Nó cũng giãn ra hoặc co lại hài hòa với sự biến dạng của không gian. Thời gian và không gian thực sự tạo thành một cặp thống nhất mà chuyển động của chúng luôn bổ sung cho nhau. Khi không gian co lại, thì thời gian lại giãn ra, tức là nó trôi chậm hơn: ai đó trên con tàu không gian phóng với vận tốc bằng 89% vận tốc ánh sáng sẽ già đi chậm hơn hai lần so với người trên Trái Đất. Trái tim anh ta đập ít hơn và tóc sẽ bạc ít hơn. Điều này hệt như là không gian đã được chuyển hóa thành thời gian. Không gian co lại được biến thành thời gian làm cho thời gian giãn ra và trôi chậm hơn. Sự chuyển đổi giữa không gian và thời gian được thực hiện thông qua vận tốc ánh sáng, một giây thời gian tương đương với 300.000km không gian. Vậy là thời gian và không gian không còn cách biệt như trong Vũ trụ của Newton nữa mà nó liên hệ khăng khít với nhau. Từ nay chúng ta sống trong một Vũ trụ bốn chiều: ba chiều không gian và một chiều thời gian.
Ông nhìn nhận như thế nào về không gian Vũ trụ so với không gian hàng ngày quen thuộc của chúng ta? Ông có xem rằng chúng có cùng bản chất hay là có bản chất khác nhau? Như ông đã nói, thời gian riêng của cá nhân chúng ta không phải là thời gian của các ngôi sao, cũng không phải là thời gian của các hạt sơ cấp, vậy quan niệm về không gian của ông có thay đổi từ thời điểm ông bắt đầu nghiên cứu vật lý thiên văn?
Quan niệm của tôi về không gian (và thời gian) đã thay đổi khi tôi bắt đầu nghiên cứu thuyết tương đối rộng của Einstein. Bản chất của thời gian và không gian được mô tả trong thuyết tương đối là có tính phổ biến. Không gian của Vũ trụ, của các sao và của các thiên hà đều có cùng bản chất như không gian trên Trái Đất, trong căn phòng chúng ta đang ngồi đây. Đã xa rồi không gian theo Aristote, với không gian Trái Đất và Mặt Trăng trong đó các vật đều chuyển động thẳng, từ trên xuống dưới hoặc từ dưới lên trên, còn không gian của các hành tinh khác, của Mặt Trời và của các sao thì hoàn toàn khác, trong đó tất cả đều chuyển động tròn.
Chỉ có điều chúng ta không cảm nhận được sự co giãn của không gian và thời gian trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, bởi vì không có những trường hấp dẫn lớn trên Trái Đất (lực hấp dẫn của Trái Đất nhỏ hơn của Mặt Trời 28 lần) và chúng ta lại chuyển động với vận tốc nhỏ hơn nhiều so với vận tốc ánh sáng. Thậm chí nếu bạn có đi bằng máy bay siêu thanh Concord thì cũng chỉ nhanh hơn một phần triệu vận tốc ánh sáng một chút. Với trường hấp dẫn và những vận tốc trên Trái Đất, thì những biến dạng của thời gian và không gian là rất nhỏ và không thể cảm nhận được. Tôi sẽ cho ông một ví dụ. Lực hút của Trái Đất tác dụng lên chúng ta biến thiên theo quy luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng ta và tâm Trái Đất. Do đó, lực hấp dẫn tác dụng lên một người nào đó ở độ cao cỡ tháp Eiffel sẽ nhỏ hơn khi ở chân tháp, hay đối với người sống ở tầng trên cùng của một tòa nhà cao tầng sẽ nhỏ hơn so với người ở tầng trệt. Lực hấp dẫn nhỏ hơn có nghĩa là thời gian sẽ co ngắn lại và trôi nhanh hơn. Về nguyên tắc, người ở trệt sẽ sống dài hơn so với người sống ở tầng trên cùng. Nhưng sự khác biệt đó về thời gian được tích tụ cả một đời người cũng rất nhỏ, chỉ cỡ một phần tỷ giây mà thôi. Nghĩa là chỉ hơn nhịp đập của quả tim một chút! Thật may thay, bởi vì nếu không như thế, chắc chắn sẽ có một cuộc khủng hoảng về chỗ ở: sẽ chẳng có ai muốn sống ở những tầng cao nữa!
Xin nêu một ví dụ khác. Thời gian sẽ chậm lại đối với người chuyển động so với thời gian của người người đứng yên. Chẳng hạn, những người tập chạy hàng ngày sẽ làm chậm lại quá trình già đi của mình so với những người khác. Một giây đối với một người chạy với tốc độ 1m/s sẽ tương đương với 1,000000000000000005 giây (số đầu tiên khác 0 nằm ở vị trí thứ mười tám sau dấu phẩy) của người đứng yên. Sự khác biệt như thế là không thể cảm nhận được, ngay cả với những đồng hồ nguyên tử tinh xảo nhất.
Như vậy, chúng ta không thể cảm thấy tính co giãn của thời gian và không gian trong cuộc sống hàng ngày vì những biến dạng của chúng là quá nhỏ bé. Điều này thật là may mắn đối với sự cân bằng tâm lý của chúng ta: bởi vì nếu không như vậy thì sẽ có biết bao cuộc hẹn hò bất thành và mọi thứ sẽ hỗn loạn!
