Tất cả chúng ta đang quay tròn trong không gian trên một hành tinh nhỏ bé, mỗi ngày ta được tắm nắng và sưởi ấm bởi ngôi sao gần bên mà người ta vẫn gọi là Mặt trời.

Mỗi ngày, chúng ta du hành 3,2 triệu km quanh trung tâm dải Ngân hà, trong khi chính dải Ngân hà cũng di chuyển trong vũ trụ bao gồm hơn 100 tỉ thiên hà, mỗi thiên hà có khoảng 100 tỉ ngôi sao.

Vũ trụ mà chúng đang trôi dạt trên đó khởi đầu cách đây 13,7 tỉ năm như một cái chấm nhỏ; kể từ lúc ấy, nó nở to dần trong khi nhiệt độ thì liên tục giảm xuống. Vũ trụ của chúng ta bao gồm ít nhất bốn chiều, ba chiều không gian và một chiều thời gian, điều đó có nghĩa rằng không gian và thời gian có liên hệ với nhau.

Tại thời điểm này, kích thước của vũ trụ mà chúng ta quan sát được là 13,7 tỉ năm ánh sáng trên mỗi chiều không gian và 13,7 tỉ năm đối với chiều thời gian, vẫn tiếp tục tăng lên trong khi tôi viết và lúc các bạn đang đọc những dòng chữ này.

Kể từ khi loài người hình thành, con người luôn ngước nhìn những đốm sáng trên bầu trời đêm với lòng khâm phục và sùng kính. Họ tìm hiểu xem có thể làm gì khi quan sát trực tiếp bầu trời và sử dụng kiến thức này để tính toán khi di chuyển trên đất liền hoặc trên biển. Tuy nhiên, nếu không có công cụ đặc biệt, con người không thể biết nhiều điều về nguồn gốc của vũ trụ bao la cũng như bản chất của vật chất, bởi vì kích thước của vũ trụ và vật chất khác biệt rất xa so với những đồ vật cụ thể mà họ tiếp xúc hàng ngày.

Đến cuối thế kỷ 20, các nhà khoa học đã chế tạo ra những công cụ để chúng ta có thể bắt đầu quan sát không gian vô tận cũng như thế giới vật chất nhỏ bé. Kiến thức về hai thế giới này gần đây tăng lên vô cùng nhanh chóng. Ngày nay, ai cũng có thể hiểu rõ về vũ trụ kỳ diệu, ngôi nhà của chúng ta, nếu chúng ta phát huy trí tưởng tượng và nghiên cứu những tấm ảnh chụp hoặc sơ đồ sẵn có.

Mù mờ và sáng tỏ, mờ ảo và rõ ràng

Tất cả bắt đầu bằng một sự kiện phi thường: vụ nổ lớn (the big bang). (Cái tên này do nhà vật lý thiên văn người Anh Fred Hoyle đưa ra trong một chương trình phát thanh trên đài BBC vào năm 1952). Vũ trụ bùng phát từ một điểm duy nhất, có lẽ bằng kích thước của một nguyên tử, trong đó tất cả vật chất, năng lượng, không gian và thời gian được dồn nén đậm đặc ngoài sức tưởng tượng.

Không gian đang bị nén lan ra như sóng thuỷ triều, trải rộng về mọi phía và nguội dần, mang theo vật chất và năng lượng cho đến tận ngày nay. Sức mạnh của vụ nổ đầu tiên đủ để thổi bay một trăm tỉ thiên hà qua 13,7 tỉ năm và ảnh hưởng của nó vẫn còn tiếp tục. Vũ trụ mở vẫn đang tiếp tục thành hình.

Sự bùng phát này diễn ra ở đâu? Mọi nơi, kể cả nơi mỗi chúng ta đang tồn tại. Lúc ban đầu, mọi điểm mà chúng ta thấy phân cách hiện nay đều khởi nguồn từ một nơi.

Vũ trụ khởi đầu là “plasma vũ trụ”, một chất đồng nhất vô cùng nóng đến nỗi người ta chưa biết được cấu trúc của nó. Vật chất và năng lượng chuyển hoá qua lại ở nhiều triệu tỉ độ C; chưa ai biết đó là năng lượng gì, nhưng vật chất là năng lượng ở trạng thái nghỉ. Khi vũ trụ nguội đi, những phần tử nhỏ nhất của vật chất mà hiện nay chúng ta biết đến, quark, bắt đầu liên kết lại với nhau thành từng nhóm ba hạt một, tạo thành cả proton và neutron.

Việc này xảy ra vào khoảng một phần trăm ngàn giây sau vụ nổ lớn, khi nhiệt độ đã xuống đến mức nóng hơn nhân của Mặt trời khoảng một triệu lần. Một phần trăm giây sau đó, những proton và neutron bắt đầu kết hợp lại với nhau để hình thành cái mà sau này là nhân của hai nguyên tố nhẹ nhất, hydrogen và helium.

Chưa hết một giây, bốn lực căn bản tác động lên vật chất ra đời: lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu. Lực hấp dẫn là lực yếu nhất trong bốn lực vừa kể. Newton mô tả nó bằng Định luật Vạn vật hấp dẫn, còn Einstein dùng Thuyết Tương đối rộng, nhưng hiện vẫn chưa thể định nghĩa được chắc chắn.

Lực điện từ là tổng hợp của lực điện và từ lực. Lực hạt nhân mạnh, mạnh nhất trong số bốn lực, có nhiệm vụ nhốt quark bên trong proton và neutron, và giữ proton và neutron ở bên trong hạt nhân nguyên tử. Lực hạt nhân yếu điều khiển sự phân rã hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố phóng xạ. Các nhà khoa học tin rằng tất cả bốn lực trên đều là thành phần của một lực chung, nhưng họ vẫn chưa thể xây dựng được một lý thuyết thống nhất.

Bốn lực trên hoạt động một cách cân bằng tuyệt đối cho phép vũ trụ tồn tại và giãn nở với một tốc độ bền vững. Nếu lực hấp dẫn mạnh hơn một chút, mọi vật chất có thể bị rút vào trong lòng chính nó. Nếu lực hấp dẫn yếu hơn một chút, nguyên tử đã không thể hình thành. Nếu nhiệt độ của vũ trụ hạ xuống chậm hơn, proton và neutron có thể đã không dừng lại ở dạng helium và lithium mà tiếp tục cô đặc cho đến khi thành sắt, quá nặng để hình thành thiên hà và các ngôi sao.

Sự cân bằng tuyệt đẹp của bốn lực trên có vẻ như là cách duy nhất làm cho vũ trụ giữ được hình dạng của nó. Các nhà khoa học ngờ rằng đã có nhiều vũ trụ khác xuất hiện nhưng rồi biến mất trước khi vũ trụ hiện nay tồn tại. Vũ trụ mới chào đời phát triển với một tốc độ phi thường, trong chớp mắt tạo lập những tính chất căn bản còn tồn tại cho đến ngày nay..

Trong khoảng 300.000 năm vũ trụ giãn nở và nguội dần, các electron mang điện âm chuyển động hỗn loạn đã di chuyển chậm lại. Hạt nhân nguyên tử, bao gồm proton và neutron, tích điện dương.

Khi các electron di chuyển đủ chậm, nhờ điện tích, hạt nhân nguyên tử hút chúng lại và hình thành những nguyên tử cân bằng về điện đầu tiên: hydrogen (H) và helium (He) – những nguyên tố nhẹ nhất, dạng vật chất đầu tiên. Hydrogen có một proton và một electron, helium có hai proton và hai electron.

Thời điểm đó trở thành một khoảnh khắc quan trọng trong lịch sử vũ trụ. Trước khi các nguyên tử ổn định hình thành, vũ trụ tràn ngập những hạt bay dích dắc, một số mang điện âm, một số mang điện dương, mà ánh sáng (bao gồm những hạt gọi là photon, bé hơn nguyên tử) không thể xuyên qua một bể mênh mông các hạt tích điện. Lý do là photon tương tác với các hạt tích điện và hoặc là bị chuyển hướng, hoặc là bị hấp thu. Nếu có ai đó có cơ hội chứng kiến, vũ trụ đã có dạng như một màn sương mờ dày đặc, hoặc một cơn bão tuyết cuồng nộ.

Ngay khi nguyên tử hình thành do kết nối electron mang điện âm và neutron mang điện dương lại với nhau, photon ánh sáng có thể di chuyển tự do. Màn sương mù bức xạ đã tan. Vật chất đã hình thành, và vũ trụ trở nên quang đãng. Cảnh vũ trụ mở rộng hết mức – nếu có người chứng kiến – bao gồm hầu hết là không gian trống rỗng tô điểm bởi những đám mây hydrogen và helium khổng lồ với năng lượng khủng khiếp bắn xuyên qua chúng.

Ngày nay, chúng ta có thể nhìn thấy một ít photon còn sót lại sau vụ nổ lớn – giống như nhiễu trên màn ảnh vô tuyến truyền hình bị ngắt dây tín hiệu và chỉnh sang băng tần mà máy hoàn toàn không nhận được hình ảnh gì. Khoảng một phần trăm nhiễu mà chúng ta thấy là ánh sáng/nhiệt còn sót lại sau vụ nổ lớn, khởi nguồn của một đại dương bao la của bức xạ tàn dư vũ trụ. Nếu mắt chúng ta nhìn được vi sóng, (trên thực tế thì không như vậy), chúng ta sẽ thấy một lớp ánh sáng khuếch tán trong thế giới xung quanh.

Bằng thiết bị radio, các nhà khoa học đã ghi nhận được bức xạ vi sóng tàn dư vũ trụ. Đến khoảng thập kỷ 50 và 60 của thế kỷ 20, các nhà vật lý qua những gì đã biết nhận ra rằng vũ trụ hiện tại chứa đầy các photon nguyên thuỷ, nguội xuống gần độ không tuyệt đối qua 13,5 tỉ năm.

Vào mùa xuân năm 1965, hai nhà thiên văn vô tuyến Arno A. Penzias và Robert W. Wilson làm việc ở Trung tâm thí nghiệm Bell Laboratories ở New Jersey, tình cờ phát hiện tàn dư ánh sáng này dưới dạng nhiễu âm thanh ở phần nền khi họ đang thử nghiệm một ăngten vi sóng mới dùng trong liên lạc vệ tinh. Năm 1989, NASA phóng vệ tinh phát hiện tàn tích vũ trụ (Cosmic Background Explorer – COBE), thu thập thông tin tái xác nhận với độ chuẩn xác cao rằng, ở 30C, có khoảng 400 triệu photon trong mỗi mét khối không gian – một biển bức xạ vi sóng vũ trụ vô hình, như lý thuyết về vụ nổ lớn đã tiên đoán.

Năm 2002, NASA phóng vệ tinh thăm dò Wilkinson Microwave Anistropy Probe (WMAP) có kích thước 5 mét lên không gian cách Trái đất 1,6 triệu km. Trong một năm, WMAP chụp lại theo thời gian toàn bộ không gian vũ trụ, cho ra bản đồ có độ phân giải cao bức xạ tàn tích vũ trụ (cosmic background radiation – CBR) từ 380.000 năm sau vụ nổ lớn và tái khẳng định lý thuyết về nguồn gốc vũ trụ đó.

May mắn cho các nhà thiên văn học, ở tầm vóc vũ trụ thì khoảng cách chính là cỗ máy thời gian. Một vật càng xa, ta thấy chúng ở trạng thái càng “trẻ”, bởi vì khi vật càng xa thì càng tốn thời gian để bức xạ của nó đến được với chúng ta.

Chúng ta không thể thấy vũ trụ của ngày hôm nay, chỉ thấy nó của quá khứ, bởi vì phải mất hàng triệu hàng tỉ năm để ánh sáng của các thiên hà và những ngôi sao xa xôi, di chuyển với vận tốc gần 9,7 ngàn tỉ km một năm, đến được quả đất. Do đó, chúng ta có thể nhìn rất xa vào quá khứ. Bắt được bức xạ vi sóng, chúng ta có thể “thấy” rất gần điểm khởi đầu của vũ trụ.

Hãy hình dung những điều sau đây. Ánh sáng từ ngôi sao gần nhất là Mặt trời mất tám phút hai mươi giây để đến với chúng ta. Ánh sáng từ Mộc tinh mất khoảng ba mươi lăm phút khi nó gần quả đất nhất và khoảng một giờ khi nó trên quỹ đạo xa quả đất nhất. Ánh sáng từ sao Thiên lang, ngôi sao sáng nhất trên bầu trời ban đêm cần 8,6 năm mới đến được quả đất. (Khoảng cách ánh sáng di chuyển là 8,6 năm ánh sáng, tức là khoảng 130 ngàn tỉ km).

Ánh sáng của những ngôi sao có thể nhìn thấy mà không cần các thiết bị quang học hỗ trợ mất từ bốn đến bốn ngàn năm để đến mắt chúng ta. Nếu chúng ta thấy một ngôi sao ở khoảng cách 3.000 năm ánh sáng đang nổ tung trước mắt thì thực ra, vụ nổ đó xảy ra cách đây 3.000 năm – khoảng thời gian ánh sáng từ ngôi sao đó tới mắt chúng ta