Điều gì sẽ xảy ra nếu như thế giới quanh ta chỉ là một cái bóng của thực tế? Giả dụ, hãy thử tưởng tượng vào một sáng mùa đông lạnh giá, bạn tỉnh dậy và nhìn ra ngoài cửa sổ thì thấy toàn bộ khung cảnh đã được bao trùm bởi những tinh thể băng đẹp tuyệt, tạo thành những hoa văn lạ lùng trên lớp kính. Bạn có thể sẽ nhìn thấy một thứ tương tự như hình ảnh trên: vẻ đẹp của nó thật choáng ngợp, ít nhất là ở trật tự sắp đặt ấn tượng ở quy mô nhỏ ẩn khuất trong nét ngẫu nhiên rõ rệt thể hiện ở quy mô lớn hơn. Những tinh thể băng tạo thành những hoa văn hình cây tuyệt đẹp, bắt đầu từ các hướng ngẫu nhiên và giao thoa với nhau tại những góc kỳ lạ. Sự tách biệt giữa trật tự ở quy mô nhỏ và sự ngẫu nhiên ở quy mô lớn cho thấy rằng vũ trụ có lẽ sẽ rất khác đối với những nhà vật lý học hay những nhà toán học tí hon ngụ tại xương sống của một trong số những tinh thể băng đó.

Nếu như bạn là một nhà vật lý học tí hon như vậy, một hướng trong không gian, dọc theo xương sống của tinh thể băng (nơi bạn ở), cũng sẽ trở nên đặc biệt. Thế giới tự nhiên dường như xoay quanh cái trục đó. Việc di chuyển dọc theo nhánh chính đó sẽ dễ dàng hơn việc di chuyển vuông góc với nó; áp lực từ hai hướng khác biệt đó sẽ có những tác động khác nhau lên bạn. Dẫu vậy, nếu bạn đủ may mắn để có thể rời khỏi tinh thể băng đó, thì bạn sẽ sớm nhận ra rằng cái hướng đặc biệt chi phối những tính chất vật lý của thế giới đó chỉ là một ảo tưởng. Bạn sẽ thấy, hoặc đoán ra được rằng các tinh thể băng khác có thể đâm ra rất nhiều hướng khác nhau. Suy cho cùng, nếu bạn có thể quan sát khung cửa sổ dưới góc nhìn từ bên ngoài đủ lớn, nét đối xứng luân phiên theo mọi hướng vẫn luôn ẩn giấu của thiên nhiên sẽ trở nên rõ ràng.

Niềm tin rằng thế giới trải nghiệm của chúng ta là một biến cố ngẫu nhiên tương tự nảy sinh trong những hoàn cảnh đặc thù thay vì một sự phản ánh trực tiếp của những sự thực tiềm ẩn đã trở thành một quan điểm trọng yếu của vật lý học hiện đại.  Những nhà vật lý học thậm chí còn đặt cho nó một cái tên hào nhoáng: “sự phá vỡ đối xứng tự phát (spontaneous symmetry breaking)1.” Nhà vật lý học Abdus Salam, người từng đạt Giải Nobel năm 1979, đã mô tả hiện tượng này như sau: Tưởng tượng bạn cùng một nhóm người ngồi quanh một bàn tròn để thưởng thức bữa tối dành cho tám người. Lúc ngồi xuống, có thể bạn chưa rõ ly rượu nào là của bạn và ly nào là của người ngồi kế bên—ly ở phía bên tay phải hay ly ở phía bên tay trái. Tuy vậy—mặc mọi quy tắc ứng xử trên bàn ăn, thứ quy định rằng bạn nên uống từ ly ở phía bên tay phải—một khi người đầu tiên nâng ly lên, để tất cả mọi người đều có đồ uống, những người còn lại chỉ còn duy nhất một lựa chọn. Ngay cả khi yếu tố đối xứng trên bàn ăn được biểu hiện rõ ràng đi chăng nữa, sự đối xứng đó cũng sẽ bị phá vỡ ngay khi người ta lựa một hướng để chọn lấy ly rượu cho mình.

Yoichiro Nambu, một người đạt Giải Nobel khác—nhà vật lý học đầu tiên mô tả hiện tượng phá vỡ đối xứng tự phát trong vật lý hạt—đã đưa ra một ví dụ khác. Nếu ta lấy một ống hút, dựng nó thẳng đứng trên mặt bàn và nhấn đầu trên của nó xuống. Cuối cùng, nó sẽ uốn cong. Nó có thể cong ra theo mọi hướng, và nếu bạn thử thí nghiệm này nhiều lần, bạn sẽ thấy mỗi lần ống hút lại uốn cong theo một hướng khác nhau. Trước khi bạn ấn nó xuống, cái ống hút có sự đối xứng hình trụ hoàn hảo. Sau đó, một hướng trong vô vàn khả năng đã được chọn ra một cách có thể nói là ngẫu nhiên. Hướng uốn cong không chịu sự chi phối của những đặc điểm vật lý tiềm ẩn trong cái ống hút, mà bởi biến cố ngẫu nhiên trong cái cách mà bạn tác dụng lực trong mỗi lần nhấn lên nó. Sự đối xứng đã bị phá vỡ một cách tự phát.

Các đối xứng có thể sụp đổ bởi nhiều lý do. Hãy nghĩ tới cái cách mà thế giới tinh thể trên khung cửa sổ thay đổi theo thời gian. Trong thế giới đó, đặc tính của vật liệu thay đổi mỗi khi hệ thống trở nên lạnh hơn: nước thì đóng băng, khí thì hoá lỏng. Trong vật lý học, sự thay đổi này được gọi là một quá trình chuyển pha (a phase transition), và như ví dụ về cái cửa sổ đã cho thấy, mỗi khi hệ thống trải qua một giai đoạn chuyển pha, không có gì là lạ nếu ta thấy các đối xứng liên quan tới pha trước sẽ biến mất trong pha tiếp theo. Khi khung cửa sổ bị lạnh, những tinh thể băng đẹp đẽ xuất hiện. Tuy nhiên, nếu nó được làm ấm lên, những tinh thể nằm ngay ngắn, trật tự đó sẽ bị thay thế bởi những giọt nước chảy dài tán loạn.

Những biến đổi như vậy có thể xảy ra ở quy mô rất nhỏ trong thế giới quanh ta, và khi đó, chúng có thể tác động tới những thuộc tính cơ bản nhất của vật chất. Một trong những quá trình chuyển pha đáng ngạc nhiên nhất trong khoa học được nhà vật lý học người Hà Lan Kamerlingh Onnes quan sát lần đầu tiên vào ngày mùng 8 tháng 4 năm 1911. Onnes, người phát triển ra các kỹ thuật đặc biệt để làm mát vật chất, đã làm nguội thủy ngân xuống còn 4.2 độ trên nhiệt độ không tuyệt đối trong một bồn chứa chất lỏng helium2. Khi tiến hành đo điện trở của dây, ông đã rất ngạc nhiên khi khám phá ra rằng bằng một cách nào đó điện trở của dây đã tụt xuống mức không. Một khi đã bắt đầu, dòng điện trong dây có thể lưu thông vĩnh viễn—ngay cả khi nguồn pin khởi động dòng chảy này đã được gỡ bỏ. Tài năng của Onnes trong lĩnh vực quan hệ công chúng cũng sắc bén như tài thiết lập thí nghiệm của ông: ông đã đặt ra thuật ngữ “hiện tượng siêu dẫn” để miêu tả kết quả ấn tượng và hoàn toàn bất ngờ này. Vào năm 1913, ông đã đạt giải Nobel.

*****

Liệu rằng những nguyên tắc tương tự áp dụng trên những quy mô vô cùng nhỏ—như quy mô của những tinh thể băng trên ô cửa sổ, hay các nguyên tử của một chất siêu dẫn—cũng có thể áp dụng ở những quy mô rất lớn? Vào những năm tám mươi, nhà vật lý học Alan Guth đã bắt đầu nghĩ tới tác động ở tầm vũ trụ của sự phá vỡ đối xứng tự phát và quá trình chuyển pha lên tiến hoá.

Niềm tin rằng thế giới trải nghiệm của chúng ta là một biến cố ngẫu nhiên tương tự nảy sinh trong những hoàn cảnh đặc thù thay vì một sự phản ánh trực tiếp của những sự thực tiềm ẩn đã trở thành một quan điểm trọng yếu của vật lý học hiện đại.

Để hiểu được những thay đổi này ở quy mô lớn như vậy, ta cần lưu ý rằng chúng (những thay đổi) không hoàn toàn chỉ xảy ra một cách từ từ; chúng cũng có thể xảy ra một cách đột ngột. Hãy thử hình dung điều gì sẽ xảy ra khi bạn dự định tổ chức một bữa tiệc hoành tráng nhưng lại quên không cho bia vào tủ lạnh. Khi đó, bạn cho bia vào tủ đá và quên béng đi trong suốt bữa tiệc. Ngày hôm sau, bạn nhớ ra chỗ bia đó, mở chai ra và bùm!—bia trong chai đột ngột đóng băng và nở ra, làm vỡ tan lớp thuỷ tinh. Tại sao chuyện này lại không xảy ra ở bên trong cái tủ đá? Trước khi nắp chai được mở ra, bia đang ở trong một “trạng thái cận ổn định” (metastable phase): bia đang chịu một áp lực lớn, và ở áp lực và nhiệt độ đó thì bia vẫn ở trạng thái lỏng. Nhưng ngay khi bạn mở nắp và làm áp lực phân tán thì bia sẽ lập tức đông cứng lại. Trong quá trình chuyển pha này, năng lượng được giải phóng khi bia chuyển sang một dạng thức mới đủ để khiến lớp băng giãn nở và làm vỡ chai.

Guth băn khoăn liệu rằng điều gì có thể đã xảy ra nếu như trạng thái cận ổn định xuất hiện vào thuở vũ trụ còn sơ khai. Điều gì sẽ xảy ra nếu nhiệt độ của vũ trụ hạ thấp quá điểm thích hợp để hình thành nên một vài sự sắp xếp mới, phá vỡ đối xứng của các trường và năng lượng? Guth cho rằng trước khi một quá trình chuyển đổi như vậy có thể diễn ra, năng lượng có lẽ phải được tích trữ trong không gian để sau này—một khi sự chuyển đổi hoàn thành—nó có thể được giải phóng dưới dạng nhiệt và bức xạ. Ông đã tính toán ra rằng, trước khi điều đó xảy ra, năng lượng tích trữ sẽ kháng cự lại lực hấp dẫn, khiến cho vũ trụ phình ra trong một khoảng thời gian ngắn tới kinh ngạc với một cấp số khổng lồ—có khi to hơn gấp 25 lần hoặc còn hơn cả thế. Ông gọi giai đoạn gia tăng nhanh chóng này là “sự phình to” (inflation). Sự phình to này có thể xảy ra tại những khoảnh khắc sớm nhất của vũ trụ; sau khi quá trình chuyển đổi hoàn tất, năng lượng tích trữ trong không gian được giải phóng, tạo thành những điều kiện ban đầu cho vụ nổ lớn (the big bang)3.

Mô hình phình to này hoá ra lại dự đoán được nhiều thuộc tính của vũ trụ mà chúng ta biết đến ngày nay. Mặc dù vậy, đã từng có một khoảng thời gian rất dài, nó chỉ được coi là một đề xuất thú vị. Việc khám phá ra hạt Higgs4 vào năm 2012 đã thay đổi điều đó. Hạt Higgs có liên quan tới một trường nền vô hình—trường Higgs—được giả định là tồn tại khắp không gian. Theo giả định này, khi các hạt cơ bản lan truyền khắp không gian va đập vào trường nền này, các đặc tính của chúng bị ảnh hưởng: các hạt có tương tác mạnh hơn với trường Higgs sẽ chịu nhiều kháng lực hơn và biểu hiện như thể chúng có khối lượng lớn hơn; những hạt tương tác kém hơn sẽ chịu ít kháng lực hơn và vì thế, có khối lượng nhỏ hơn; và những hạt không có chút tương tác nào với nó, như các photons, sẽ không có bất cứ kháng lực nào tác động lên nó và vì thế, sẽ không có khối lượng. Theo cách này, khối lượng của toàn bộ các hạt cơ bản đều phụ thuộc vào trường Higgs. Ở một tầng nghĩa nào đó, các khối lượng này là một biến cố ngẫu nhiên của sự tồn tại; chúng phụ thuộc vào tính chất của trường Higgs, cũng giống như cách các thuộc tính trong thế giới băng dưới cái nhìn của các nhà vật lý học sống trên những tinh thể băng bị ảnh hưởng bởi hướng của từng tinh thể cụ thể. Nếu trường Higgs không sớm “đóng băng” lại trong trật tự vũ trụ hiện tại, các thuộc tính của vũ trụ của chúng ta hiện giờ có lẽ đã rất khác, và rất có thể, chúng ta sẽ không tồn tại.

Trường Higgs khác với trường mà Guth nói tới trong học thuyết của ông về sự giãn nở của vũ trụ. (Trường đó đôi khi được gọi là “inflaton.”) Nhưng sự tồn tại của trường Higgs khiến ta dễ dàng tin tưởng hơn vào ý tưởng rằng, khi vũ trụ “lạnh” đi, năng lượng tích trữ ở giai đoạn phình to sẽ được giải phóng, gây ra sự phá vỡ đối xứng tự phát mà sau đó quyết định các tính chất của vũ trụ như chúng ta biết đến ngày nay.

Thêm vào đó, vào năm 1998, người ta khám phá ra rằng vũ trụ của chúng ta lại đang trải qua một thời kỳ phình to mới. Không gian lại một lần nữa giãn nở theo cấp số nhân—nhưng ở một tốc độ từ tốn hơn rất nhiều so với tốc độ trong suốt giai đoạn phình to của vũ trụ trước đây mà Guth nói tới—cùng với việc các thiên hà ngày một xa rời nhau với tốc độ ngày một tăng. Đương nhiên, nhiều câu hỏi được đặt ra. Điều gì có thể là nguyên nhân dẫn dến sự giãn nở ngày một tăng này? Liệu rằng nguồn năng lượng cung cấp cho nó có được tích trữ ở một trường nền vô hình nào khác? Nếu vậy, thì liệu năng lượng trong đó có được giải phóng một khi vũ trụ tiếp tục “nguội” đi? Nếu điều đó xảy ra, liệu những đối xứng trong vũ trụ của chúng ta có vỡ ra theo một cách mới mẻ nào khác? Liệu những thuộc tính của vật chất có thay đổi theo cách ngăn trở tới sự tiếp tục tồn tại của những vì sao, hành tinh, và của sự sống hay không? Hay liệu rằng vũ trụ sẽ tiếp tục giãn nở ngày càng nhanh, và cùng với toàn bộ thiên hà mà chúng ta vẫn thấy ngày nay một ngày nào đó sẽ biến mất khỏi tầm quan sát? Dù là cách nào đi nữa, tương lai đều trông có vẻ không mấy xán lạn.

*****

Hiện giờ, có rất nhiều câu trả lời cho những câu hỏi này. Rất có thể sự giãn nở gia tốc từ từ hiện nay là kết quả của việc một thuộc tính chân không cơ bản nào đó không phù hợp được với trường nền mới. Thuyết tương đối tổng quát5 của Einstein có nhắc tới thứ mà ông gọi là “hằng số vũ trụ” (cosmological constant)6; có lẽ nó có thể đại diện cho một vài dạng năng lượng ở trạng thái cơ bản (ground-state) khác không của vũ trụ mà sẽ tồn tại vô thời hạn trong tương lai. Nếu lý giải về hằng số vũ trụ là chính xác, chúng ta không còn phải lo lắng về việc một số trường còn chưa được biết đến sẽ bất ngờ đạt một trạng thái mới, giải phóng năng lượng mà chúng hiện đang tích trữ vào trong không gian.

Mặt khác, giả sử rằng việc giải phóng năng lượng như vậy thực sự xảy ra. Tính ổn định của vật chất như chúng ta hằng biết sẽ kết thúc. Thiên hà, các vì sao, hành tinh, con người, chính trị gia, và mọi thứ chúng ta đang thấy có thể sẽ biến mất. Quá trình chuyển đổi có thể bắt đầu từ một vài hạt giống nho nhỏ tại một nơi nào đó trong vũ trụ, cũng giống như cách mà những hạt bụi nhỏ li ti trên ô cửa sổ lạnh lẽo giúp khơi mào cho sự hình thành của những tinh thể băng. Sau đó, nó (sự chuyển đổi) sẽ lan rộng khắp không gian với vận tốc ánh sáng. Chúng ta sẽ không tài nào kịp nhận ra mình đã đụng độ phải thứ gì.

Có một khả năng khác, dù không cao cho lắm, là trường Higgs, chứ không phải một vài trường còn chưa được khám phá khác, chính là thứ gây ra sự phình to của vũ trụ, dù là ở thuở vụ trụ còn sơ khai hay hiện giờ. Nếu trường Higgs đang không ở trạng thái cơ bản cuối cùng của nó, thì sau đó có thể xảy ra một quá trình chuyển đổi khác làm thay đổi khối lượng của các hạt. Trên thực tế, các tính toán cho thấy trường nền Higgs hiện tại đang tiến tới gần trạng thái bất ổn định: nó có thể biến đổi từ giá trị hiện tại sang một giá trị hoàn toàn khác tương ứng với một hình thái năng lượng thấp hơn. Không khó để tưởng tượng ra những viễn cảnh mà trong đó, sự chuyển đổi này không đem lại thay đổi gì đáng kể, nhưng điều này cũng không thể đảm bảo; nếu những thay đổi ý nghĩa thực sự xảy ra, vật chất như chúng ta hằng biết rất có thể sẽ biến mất, như những tinh thể băng trong một buổi sáng tràn đầy nắng ấm. Với những ai yêu thích những câu chuyện kinh dị, một khả năng khác, thậm chí còn khủng khiếp hơn, đó là trường Higgs có thể sẽ mở rộng vô hạn. Và như một kết quả của sự phát triển đó, năng lượng tích trữ trong trường Higgs không ngừng mở rộng đó có thể tụt xuống mức âm. Điều này có thể khiến cho toàn bộ vũ trụ sụp đổ trong một vụ đảo ngược kinh hoàng của vụ nổ lớn— trận đại huỷ diệt.

*****

May mắn thay, số liệu cho chúng ta một vài lý do để cảm thấy an tâm. Chính những tính toán cho thấy khả năng xảy ra sự chuyển pha trong tương lai của trường Higgs cũng cho thấy rằng cấu trúc cận ổn định có thể còn kéo dài, không chỉ trong hàng tỉ năm mà là trong hàng tỉ tỉ năm. Và còn có nhiều nguồn an ủi khác. Thiên nhiên không ngừng khiến chúng ta ngạc nhiên. Những khám phá ở Máy gia tốc hạt lớn (Large Hadron Collider)7 hay bất cứ đâu khác cũng có thể thay đổi hoàn toàn cục diện, cân bằng được thứ có vẻ bất ổn như trường Higgs.

Cùng lúc đó, tôi thấy mình bị hấp dẫn một cách kỳ lạ bởi những kịch bản ngày tận thế này. Chúng phản ánh hiện thực rằng vũ trụ chẳng thèm quan tâm đến thứ mà chúng ta muốn hay liệu rằng chúng ta có thể sinh tồn hay không. Sự chuyển động không ngừng của nó không phụ thuộc vào sự tồn tại của chúng ta. Biến cố ngẫu nhiên dẫn đến sự tồn tại của chúng ta—sự nảy sinh của một trường nền Higgs giúp bảo tồn sự cân bằng của vật chất, các nguyên tử, và chính sự sống—chỉ là một chút may mắn.

Sự thật là chúng ta không khác gì những nhà khoa học giả tưởng cư ngụ trên ô cửa sổ, trên xương sống của một tinh thể băng. Các nhà khoa học đó tìm ra rằng một hướng trong vũ trụ của họ có vai trò rất đặc biệt; có lẽ khám phá đó sẽ được ca ngợi bởi những nhà thần học ở đó như một minh chứng về tình yêu thương của Chúa. Khi tìm hiểu sâu hơn, họ có thể sẽ tìm ra rằng trường hợp đặc biệt này thực ra chỉ là một biến cố ngẫu nhiên có thể tồn tại ở những tinh thể băng khác, nơi mà những hướng khác được ưa chuộng. Và kể cả khi họ có thể ca ngợi những khám phá đó, như chúng ta vẫn làm, họ có lẽ cũng không nhận thức được rằng mặt trời chuẩn bị ló rạng. Chẳng mấy chốc mà những tinh thể băng sẽ tan chảy, và mọi dấu vết về thế giới của họ sẽ biến mất. Liệu điều này có làm cho những xúc cảm về sự tồn tại ngắn ngủi của họ trở nên kém phần hấp dẫn? Kể cả khi đêm nằm thao thức, cân nhắc về những khả năng này, tôi cảm thấy thật nhẹ nhõm vì tôi tin rằng câu trả lời là không.