Vụ nổ lớn thường được coi là khởi đầu của tất cả: Khoảng 13,8 tỷ năm trước, vũ trụ quan sát được bùng nổ và mở rộng thành.
Nhưng mọi thứ như thế nào trước Big Bang?
Câu trả lời ngắn gọn: Chúng tôi không biết. Câu trả lời dài: Nó có thể có rất nhiều thứ, mỗi tâm trí uốn cong theo cách riêng của nó.
Ở thời điểm bắt đầu
Điều đầu tiên cần hiểu là Big Bang thực sự là gì.
"Vụ nổ lớn là một khoảnh khắc trong thời gian, không phải là một điểm trong không gian", Sean Carroll, nhà vật lý lý thuyết tại Viện Công nghệ California và là tác giả của "Bức tranh lớn: Về nguồn gốc của sự sống, ý nghĩa và chính vũ trụ" (Dutton, 2016).
Do đó, có thể vũ trụ tại Big Bang rất nhỏ - cực kỳ nhỏ hoặc vô cùng lớn, Carroll nói, bởi vì không có cách nào để nhìn lại thời gian vào những thứ chúng ta thậm chí không thể thấy ngày nay. Tất cả những gì chúng tôi thực sự biết là nó rất, rất đậm đặc và nó rất nhanh chóng trở nên ít đậm đặc hơn.
Như một hệ quả tất yếu, thực sự không có gì bên ngoài vũ trụ, bởi vì theo định nghĩa, vũ trụ là tất cả mọi thứ. Vì vậy, tại Vụ nổ lớn, mọi thứ đều dày đặc và nóng hơn bây giờ, nhưng không còn một "bên ngoài" nào của nó hơn ngày nay. Thật hấp dẫn khi nhìn vào một khung cảnh thần thánh và tưởng tượng bạn có thể đứng trong một khoảng trống và nhìn vào vũ trụ em bé đang bị nghiền nát ngay trước Big Bang, điều đó là không thể, Carroll nói. Vũ trụ không mở rộng vào không gian; không gian tự mở rộng.
"Bất kể bạn ở đâu trong vũ trụ, nếu bạn tự mình tìm lại 14 tỷ năm, bạn sẽ đến thời điểm này cực kỳ nóng, dày đặc và nhanh chóng mở rộng", ông nói.
Không ai biết chính xác những gì đã xảy ra trong vũ trụ cho đến 1 giây sau Vụ nổ lớn, khi vũ trụ nguội đi đủ để các proton và neutron va chạm và dính vào nhau. Nhiều nhà khoa học nghĩ rằng vũ trụ đã trải qua một quá trình mở rộng theo cấp số nhân được gọi là lạm phát trong giây đầu tiên đó. Điều này sẽ làm phẳng kết cấu của không-thời gian và có thể giải thích tại sao vật chất được phân phối đồng đều trong vũ trụ ngày nay.
Trước khi nổ
Có thể là trước Vụ nổ lớn, vũ trụ là một sự kéo dài vô tận của một vật chất cực nóng, dày đặc, tồn tại ở trạng thái ổn định cho đến khi, vì một lý do nào đó, Vụ nổ lớn xảy ra. Vũ trụ cực kỳ dày đặc này có thể đã bị chi phối bởi cơ học lượng tử, vật lý ở quy mô cực kỳ nhỏ, Carroll nói. Vụ nổ lớn, sau đó, sẽ đại diện cho thời điểm mà vật lý cổ điển chiếm lĩnh như là động lực chính cho sự tiến hóa của vũ trụ.
Đối với Stephen Hawking, khoảnh khắc này là tất cả những gì quan trọng: Trước Vụ nổ lớn, ông nói, các sự kiện là không thể đo lường được, và do đó không được xác định. Hawking gọi đây là đề xuất không có ranh giới: Theo ông, thời gian và không gian là hữu hạn, nhưng chúng không có bất kỳ ranh giới hay điểm bắt đầu hay điểm kết thúc nào, giống như cách hành tinh Trái đất là hữu hạn nhưng không có cạnh.
"Vì các sự kiện trước Vụ nổ lớn không có hậu quả quan sát, người ta cũng có thể loại bỏ chúng khỏi lý thuyết và nói rằng thời gian bắt đầu tại Vụ nổ lớn", ông nói trong một cuộc phỏng vấn trên chương trình Địa lý quốc gia "StarTalk" năm 2018.
Hoặc có lẽ có một cái gì đó khác trước Big Bang đáng để suy ngẫm. Một ý tưởng là Big Bang không phải là khởi đầu của thời gian, mà đúng hơn đó là một khoảnh khắc đối xứng. Trong ý tưởng này, trước Vụ nổ lớn, có một vũ trụ khác, giống hệt với vũ trụ này nhưng với entropy tăng dần về quá khứ thay vì hướng tới tương lai.
Carroll tăng, hoặc rối loạn gia tăng trong một hệ thống, về cơ bản là mũi tên của thời gian, Carroll nói, vì vậy trong vũ trụ gương này, thời gian sẽ chạy ngược với thời gian trong vũ trụ hiện đại và vũ trụ của chúng ta sẽ là quá khứ. Những người ủng hộ lý thuyết này cũng cho rằng các tính chất khác của vũ trụ sẽ bị lật trong vũ trụ gương này. Ví dụ, nhà vật lý David Sloan đã viết trong Blog Khoa học của Đại học Oxford, sự bất đối xứng trong các phân tử và ion (được gọi là chibrality) sẽ trái ngược với những gì chúng có trong vũ trụ của chúng ta.
Một lý thuyết liên quan cho rằng Vụ nổ lớn không phải là khởi đầu của mọi thứ, mà là một thời điểm khi vũ trụ chuyển từ thời kỳ co lại sang thời kỳ giãn nở. Khái niệm "Big Bounce" này cho thấy rằng có thể có những Vụ nổ lớn vô hạn khi vũ trụ giãn nở, co lại và mở rộng trở lại. Vấn đề với những ý tưởng này, Carroll nói, là không có lời giải thích cho lý do tại sao hoặc làm thế nào một vũ trụ mở rộng sẽ co lại và trở về trạng thái entropy thấp.
Carroll và đồng nghiệp Jennifer Chen có tầm nhìn trước Big Bang của riêng họ. Vào năm 2004, các nhà vật lý cho rằng có lẽ vũ trụ mà chúng ta biết nó là con đẻ của vũ trụ mẹ mà từ đó một chút thời gian không gian đã bị xé toạc.
Nó giống như một hạt nhân phóng xạ phân rã, Carroll nói: Khi một hạt nhân phân rã, nó phun ra một hạt alpha hoặc beta. Vũ trụ mẹ có thể làm điều tương tự, ngoại trừ thay vì các hạt, nó phun ra vũ trụ bé, có lẽ là vô tận. "Đó chỉ là một biến động lượng tử cho phép nó xảy ra," Carroll nói. Những vũ trụ bé này là "vũ trụ song song theo nghĩa đen", Carroll nói, và không tương tác với hoặc ảnh hưởng lẫn nhau.
Nếu tất cả điều đó nghe có vẻ khá nhanh, thì đó là - bởi vì các nhà khoa học chưa có cách để nhìn lại ngay cả Big Bang, ít hơn nhiều so với trước đây. Có chỗ để khám phá, Carroll nói. Việc phát hiện sóng hấp dẫn từ các vụ va chạm thiên hà mạnh mẽ vào năm 2015 mở ra khả năng những sóng này có thể được sử dụng để giải quyết những bí ẩn cơ bản về sự giãn nở của vũ trụ trong giây quan trọng đầu tiên đó.
Các nhà vật lý lý thuyết cũng có việc phải làm, Carroll nói, giống như đưa ra những dự đoán chính xác hơn về cách các lực lượng tử như lực hấp dẫn lượng tử có thể hoạt động.
"Chúng tôi thậm chí không biết những gì chúng tôi đang tìm kiếm," Carroll nói, "cho đến khi chúng tôi có một lý thuyết."
