Trong suốt hơn một thế kỷ qua, giả thuyết Vụ Nổ Lớn (Big Bang) đã được xem là lời giải thích thuyết phục nhất về nguồn gốc của vũ trụ: toàn bộ không gian, thời gian, vật chất và năng lượng đều bùng nổ từ một “điểm kỳ dị” nhỏ hơn cả hạt nguyên tử.
Thế nhưng, một nhóm các nhà vật lý lý thuyết đang thách thức quan điểm này bằng một giả thuyết đầy táo bạo: vũ trụ không hề bắt đầu bằng một vụ nổ, mà là kết quả của một vụ va chạm giữa hai “màng” (brane) khổng lồ trôi nổi trong không gian nhiều chiều.
Đây là ý tưởng trung tâm của lý thuyết vũ trụ màng (brane cosmology), một nhánh của lý thuyết M trong vật lý hiện đại, vốn mở rộng lý thuyết dây (string theory) sang khái niệm không gian 11 chiều.
Theo đó, thế giới mà chúng ta đang sống chỉ là một “màng bốn chiều” (bao gồm ba chiều không gian và một chiều thời gian) nằm trong một không gian cao hơn, nơi có thể tồn tại vô số màng song song.
Khi hai màng này va chạm, năng lượng sinh ra được chuyển hóa thành vật chất và bức xạ, và đây chính là sự khởi đầu của vũ trụ mà ta đang quan sát hôm nay.
Từ lý thuyết dây đến “vụ nổ” của hai màng song song
Khái niệm này bắt nguồn từ phát hiện về D-brane của nhà vật lý người Mỹ Joseph Polchinski năm 1995, khi ông chứng minh rằng các màng (brane) là thành phần tự nhiên của lý thuyết dây.
Vài năm sau, hai nhà vật lý Lisa Randall (Đại học Harvard) và Raman Sundrum (Đại học Maryland) tiếp tục phát triển mô hình Randall-Sundrum, trong đó lực hấp dẫn có thể lan tỏa qua chiều không gian thứ năm. Điều này mở ra khả năng tồn tại của những vũ trụ song song nằm “gần nhau” trong không gian đa chiều.
Đến năm 2001, hai tên tuổi lớn khác là Paul Steinhardt (Đại học Princeton) và Neil Turok (Đại học Cambridge) đã công bố mô hình vũ trụ ekpyrotic, một bước ngoặt trong vũ trụ học hiện đại. Thay vì Vụ Nổ Lớn, họ cho rằng vũ trụ khởi đầu từ một vụ va chạm dữ dội giữa hai màng song song, tạo ra năng lượng khổng lồ kích hoạt quá trình giãn nở không gian.
Theo mô hình này, vũ trụ có thể tuần hoàn vô hạn, trải qua vô số chu kỳ va chạm, giãn nở và co lại – một “chu kỳ vĩnh cửu” thay vì một khởi đầu duy nhất.
Khi “màng” va chạm và vũ trụ ra đời
Theo mô hình này, trước thời điểm va chạm, hai màng song song trôi lơ lửng trong không gian 11 chiều, cách nhau một khoảng cực nhỏ, chỉ khoảng 10 -33 mét.
Sự dao động lượng tử khiến các màng này gợn sóng và dần tiến lại gần nhau, cho đến khi khoảng cách giữa chúng chỉ còn ở thang Planck (10 -35 mét). Lúc đó, lực hấp dẫn và các trường lượng tử đạt tới cực đại, khiến năng lượng chân không tăng vọt, dẫn đến sự va chạm dữ dội.
Năng lượng phát ra từ cú va chạm này tương đương với hàng tỷ tỷ tỷ vụ nổ bom khinh khí, tạo ra bức xạ, hạt cơ bản và trường Higgs – những viên gạch đầu tiên hình thành nên vũ trụ.
Thay vì một “điểm kỳ dị” có mật độ vô hạn như trong mô hình Big Bang, lý thuyết màng giải thích sự khởi đầu của vũ trụ như một quá trình vật lý có trật tự, không chứa nghịch lý vô hạn.
Từ năng lượng va chạm, vũ trụ bắt đầu giãn nở nhanh chóng trong giai đoạn “lạm phát”. Thể tích không gian tăng gấp hàng triệu tỷ lần chỉ trong khoảnh khắc 10 -28 giây. Sự giãn nở này tạo nên những gợn sóng nhỏ trong mật độ năng lượng, về sau trở thành “hạt mầm” cho sự hình thành các thiên hà.
Đồng thời, các dao động hấp dẫn sinh ra trong quá trình này được cho là để lại dấu vết phân cực đặc biệt trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), thứ mà các vệ tinh như WMAP hay Planck đã quan sát được.
Dấu vết còn lại trong vũ trụ ngày nay
Nếu lý thuyết va chạm màng là đúng, thì những “bằng chứng” của vụ va chạm nguyên thủy đó vẫn còn hiện hữu trong vũ trụ. Các nhà khoa học chỉ ra rằng một số điểm lạnh bất thường trong bản đồ bức xạ nền vi sóng vũ trụ, đặc biệt là vùng “Eridanus Cold Spot”, có thể là “sẹo” còn sót lại từ va chạm giữa các màng.
Ngoài ra, sóng hấp dẫn nguyên thủy, những dao động cực nhỏ trong cấu trúc không gian thời gian cũng là “chữ ký” tiềm năng của lý thuyết này.
Dự án LISA (Cơ quan Vũ trụ châu Âu dự kiến phóng vào cuối thập kỷ này) được kỳ vọng sẽ phát hiện ra những tín hiệu ở tần số cực thấp mà các mô hình va chạm màng dự đoán.
Một số nhà nghiên cứu thậm chí cho rằng các sự kiện hợp nhất lỗ đen khổng lồ được ghi nhận bởi đài LIGO cũng có thể mang dấu vết của những bất đối xứng trong không thời gian, tàn dư từ va chạm màng trong quá khứ xa xôi.
Trên mặt đất, các nhà vật lý hạt tại CERN cũng đang tìm kiếm bằng chứng. Các kết quả bất thường từng được ghi nhận tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC), như sự dư thừa photon năng lượng cao ở mức 750 GeV đã được một số nhóm nghiên cứu diễn giải như dấu hiệu của trạng thái kích thích graviton, một hạt giả định chỉ có thể tồn tại trong không gian nhiều chiều.
Dù đầy hấp dẫn, nhưng trên thực tế, lý thuyết vũ trụ màng vẫn đang vấp phải nhiều hoài nghi. Một trong những vấn đề lớn nhất là nghịch lý bảo toàn năng lượng, mô hình dự đoán sự tồn tại của dạng vật chất “áp suất âm” (có chỉ số ω < -1) nhưng đến nay chưa từng được quan sát.
Ngoài ra, để hai màng song song va chạm chính xác mà không làm rách cấu trúc không thời gian, độ song song ban đầu của chúng phải cực kỳ chính xác, với sai lệch chỉ cần nhỏ hơn 10 -15 radian. Đây là điều gần như bất khả thi để mô phỏng hoặc kiểm chứng trực tiếp.
Tuy vậy, giới khoa học không dừng lại ở đó. Các nhà vật lý đang ứng dụng nguyên lý toàn ảnh (holographic principle) để mô phỏng quá trình va chạm màng trong không gian thấp chiều hơn, giúp giảm bớt độ phức tạp toán học.
Một số nhóm khác đang thử nghiệm các kỹ thuật đo dao động không-thời gian ở thang Planck bằng cách sử dụng các tinh thể kim cương nhân tạo có tâm màu NV, nhằm phát hiện biến động vi mô của cấu trúc lượng tử không gian.
Bên cạnh giá trị khoa học, lý thuyết vũ trụ màng còn mang đến một cách nhìn triết học sâu sắc. Nếu vũ trụ của chúng ta chỉ là kết quả của vô số vụ va chạm giữa các màng trong không gian nhiều chiều, thì câu hỏi “Ai là người khởi đầu vũ trụ?” trở nên không còn cần thiết. Mỗi vụ va chạm chỉ là một “nhịp thở” trong chu kỳ vô tận của sự phá vỡ và tái tạo, như hai mảnh đá lửa cọ xát, tạo ra tia sáng rồi lại chìm vào bóng tối.
Có lẽ, “Vụ Nổ Lớn” không phải là sự khởi đầu của tất cả, mà chỉ là một chương trong cuốn sách vô tận của vũ trụ đa chiều. Và biết đâu, ở đâu đó trong không gian xa xôi kia, một vụ va chạm khác đang diễn ra và chuẩn bị khai sinh nên một vũ trụ hoàn toàn mới.
