Sự sống có thể xuất hiện không chỉ trong vũ trụ đã biết – hai nhà vật lý Alejandro Jenkins (ĐH Harvard – Mỹ) và Gilad Perez (Viện Nghiên cứu Welzman – Israel) đã khẳng định như vậy. Họ cho rằng, thậm chí khi loại bỏ hoặc sửa đổi một trong những định luật tự nhiên quan trọng trong vũ trụ của chúng ta, thì sự sống và các sinh vật biết suy nghĩ cũng vẫn xuất hiện.
Phát hiện của Jenkins và Perez làm lung lay quan điểm của phần lớn các nhà vật lý và vũ trụ học, rằng thế giới của chúng ta “được trang bị” một loạt định luật và những hằng số tự nhiên, nhờ đó nó trở nên thân thiện đối với sự sống. Trong thực tế, từ hơn 40 năm nay, đã xuất hiện giả thuyết cho rằng vũ trụ mà chúng ta đang sống trong đó, có thể không phải là duy nhất. Tuy nhiên chưa ai đi xa như Jenkins và Perez để tạo ra kịch bản thích hợp với các thế giới giả định cùng các định luật vật lý thay đổi.
Điều gì xảy ra nếu các lực cơ bản biến mất?
Nhà khoa học Gilad Perez quyết định tìm hiểu xem một vũ trụ có thể tồn tại và phát triển tương tự như vũ trụ của chúng ta nếu thiếu vắng trong đó một trong những định luật vật lý cơ bản. Tiếp đó, Alejandro Jenkins tạo ra phiên bản vũ trụ toán học, trong đó khối lượng các “viên gạch” tạo thành phần lớn các đối tượng vật chất, được thay đổi. “Có thể nói rằng chúng tôi phát triển kịch bản theo kiểu: “điều gì xảy ra nếu…”, sau đó chúng tôi quay phim để xem thảm họa nào xảy ra trong vũ trụ thay đổi đó” – Alejandro Jenkins giải thích.
Trong bộ 4 lực tự nhiên cơ bản tồn tại trong thế giới của chúng ta, Perez loại bỏ một lực, đó là tương tác yếu (ba lực còn lại là lực hấp dẫn, lực điện từ và tương tác hạt nhân mạnh). Sau đó, ông kiểm tra xem khi không có lực tương tác yếu giữa proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử, thì có khả năng hình thành các nguyên tố cần thiết cho sự sống hay không (trước hết là carbon trong vai trò thành phần cơ bản của chất hữu cơ).
Việc kiểm tra này cũng dựa trên các tính toán toán học, tạo ra mô hình các hiện tượng diễn ra trong vũ trụ “thiếu lực tương tác yếu” kể từ khi ra đời trong một vụ nổ lớn cách đây vài tỷ năm, đồng thời tạo ra mô phỏng trên máy tính về tiến hóa của vũ trụ này.
Lực tương tác hạt nhân yếu không dễ quan sát như lực hấp dẫn hay lực điện từ. Chúng ta cũng không “dính dáng” đến nó hằng ngày. Tuy nhiên, chính sự hiện diện của lực tương tác yếu trong những giây đầu tiên sau Vụ nổ lớn đã quyết định việc có hình thành hay không các vật liệu thiết yếu nhất tạo nên các ngôi sao, các thiên hà và bản thân chúng ta.
Ngay sau Vụ nổ lớn, vũ trụ nóng đến mức không có nguyên tố nào phức tạp hơn hidro được hình thành (hạt nhân hidro chỉ bao gồm 1 proton). Tất cả những gì phức tạp đều ngay lập tức bị phân rã thành từng phần. Dưới 1 giây sau khi vụ trụ ra đời, số lượng proton và neutron là như nhau. Chính lực tương tác yếu quyết định sự cân bằng này – tùy theo nhu cầu, lực tương tác yếu biến proton thành neutron và ngược lại, tạo điều kiện hình thành các nguyên tố ngày càng nặng hơn.
Cực điểm của quá trình hình thành hạt nhân nguyên tử xuất hiện sau Vụ nổ lớn khoảng 100 giây. Trong thời gian đó, các nguyên tố nhẹ hình thành, chẳng hạn như deuteri – đồng vị của hidro với 1 neutron và 1 proton trong hạt nhân; heli-3 – bao gồm 2 proton và 1 neutron trong nhân; heli-4 – bao gồm 2 proton và 2 neutron trong nhân. Hơn 100 giây sau khi vụ trụ ra đời, các hạt nhân heli-4 liên kết lại, tạo ra các nguyên tử carbon.
Câu hỏi cơ bản mà nhóm nghiên cứu của Perez đặt ra là: liệu trong một vũ trụ không có lực tương tác yếu và không có heli-4 có thể hình thành các hợp chất hữu cơ cần thiết để tạo ra các dạng sống trong đó carbon là thành phần quan trọng nhất? Các tính toán của Perez và các đồng nghiệp, cho thấy sự thiếu hụt proton trong vũ trụ non trẻ, không có lực tương tác yếu, hoàn toàn không có nghĩa là sự sống không có cơ hội xuất hiện.
Thiếu heli-4 được bù đắp bởi một lượng đồng vị hidro và cả heli-3 (heli-3 hình thành mà không cần tương tác yếu trong các ngôi sao nóng trong các quá trình tổng hợp hạt nhân). Chính từ đồng vị hidro và heli-3 hình thành nên hạt nhân nguyên tử carbon và các nguyên tố nặng khác (cho đến sắt Fe).
Hàng tỷ năm sau, những ngôi sao sau khi sử dụng hết nhiên liệu hạt nhân, đã sụp đổ vào bên trong, tiếp đó ném phần vật chất đã bị đốt cháy ra bên ngoài. Điều này xảy ra cả trong vũ trụ thật của chúng ta cũng như trong thế giới do các nhà khoa học nghĩ ra – nơi không có lực tương tác hạt nhân yếu. Chỉ có một khác biệt là các ngôi sao “của chúng ta” có nhiều năng lượng hơn để ném phần vật chất còn lại của chúng ra không gian vũ trụ.
Sự sống có thể xuất hiện ở nơi khác
Nhóm nghiên cứu của Alejander Jenkins tìm hiểu xem có thể thay đổi khối lượng những hạt vật chất nhỏ nhất đến mức độ nào để không ảnh hưởng đến sự hình thành vật chất cần thiết cho cấu tạo nên các tế bào sống. Các hạt vật chất nhỏ nhất ấy là các quark. Chính các hạt quark là các “viên gạch” tạo nên tất cả các hạt nhân nguyên tử trong thế giới chúng ta. Hai hạt quark “down” (d) và một quark “up” (u) tạo ra neutron; còn hai quark “up” và một quark “down” tạo ra proton. Trong thế giới của chúng ta, quark “down” nặng hơn quark “up” hai lần.
Khối lượng các quark rất quan trọng. Chính chúng tạo ra sự ổn định của hạt nhân nguyên tử của từng nguyên tố. Mà sự ổn định này quyết định hợp chất phức tạp như thế nào có thể xuất hiện. Đối với hóa học sự sống, tức là hóa học hữu cơ, quan trọng nhất là các hợp chất của carbon, hidro và oxy.
Sau nhiều thử nghiệm làm tương thích khối lượng các quark với yêu cầu của hóa hữu cơ, nhóm nghiên cứu của Jenkins đã tìm ra “mô hình vũ trụ thay thế”, trong đó khối lượng các quark thay đổi rất nhiều, tuy nhiên nguyên tử carbon và các nguyên tố khác vẫn không thay đổi và vẫn đảm bảo khả năng xuất hiện sự sống. Mặc dù phiên bản vũ trụ đó không có gì chung với vũ trụ của chúng ta, nhưng các hợp chất hữu cơ vẫn có thể xuất hiện trong đó.
“Nếu trong vũ trụ như vậy xuất hiện các sinh vật thì chắc chắn “họ” cũng tiến hóa tương tự như chúng ta. Tuy nhiên, chúng ta chưa biết các nguyên tố hình thành trong những điều kiện như vậy có đủ để tạo thành các hành tinh để trên đó sự sống có thể sinh sôi nảy nở” – ông Alejander Jenkins cho biết.
Phát hiện của Jenkins và Perez làm lung lay quan điểm của phần lớn các nhà vật lý và vũ trụ học, rằng thế giới của chúng ta “được trang bị” một loạt định luật và những hằng số tự nhiên, nhờ đó nó trở nên thân thiện đối với sự sống. Trong thực tế, từ hơn 40 năm nay, đã xuất hiện giả thuyết cho rằng vũ trụ mà chúng ta đang sống trong đó, có thể không phải là duy nhất. Tuy nhiên chưa ai đi xa như Jenkins và Perez để tạo ra kịch bản thích hợp với các thế giới giả định cùng các định luật vật lý thay đổi.
Điều gì xảy ra nếu các lực cơ bản biến mất?
Nhà khoa học Gilad Perez quyết định tìm hiểu xem một vũ trụ có thể tồn tại và phát triển tương tự như vũ trụ của chúng ta nếu thiếu vắng trong đó một trong những định luật vật lý cơ bản. Tiếp đó, Alejandro Jenkins tạo ra phiên bản vũ trụ toán học, trong đó khối lượng các “viên gạch” tạo thành phần lớn các đối tượng vật chất, được thay đổi. “Có thể nói rằng chúng tôi phát triển kịch bản theo kiểu: “điều gì xảy ra nếu…”, sau đó chúng tôi quay phim để xem thảm họa nào xảy ra trong vũ trụ thay đổi đó” – Alejandro Jenkins giải thích.
Trong bộ 4 lực tự nhiên cơ bản tồn tại trong thế giới của chúng ta, Perez loại bỏ một lực, đó là tương tác yếu (ba lực còn lại là lực hấp dẫn, lực điện từ và tương tác hạt nhân mạnh). Sau đó, ông kiểm tra xem khi không có lực tương tác yếu giữa proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử, thì có khả năng hình thành các nguyên tố cần thiết cho sự sống hay không (trước hết là carbon trong vai trò thành phần cơ bản của chất hữu cơ).
Việc kiểm tra này cũng dựa trên các tính toán toán học, tạo ra mô hình các hiện tượng diễn ra trong vũ trụ “thiếu lực tương tác yếu” kể từ khi ra đời trong một vụ nổ lớn cách đây vài tỷ năm, đồng thời tạo ra mô phỏng trên máy tính về tiến hóa của vũ trụ này.
Lực tương tác hạt nhân yếu không dễ quan sát như lực hấp dẫn hay lực điện từ. Chúng ta cũng không “dính dáng” đến nó hằng ngày. Tuy nhiên, chính sự hiện diện của lực tương tác yếu trong những giây đầu tiên sau Vụ nổ lớn đã quyết định việc có hình thành hay không các vật liệu thiết yếu nhất tạo nên các ngôi sao, các thiên hà và bản thân chúng ta.
Ngay sau Vụ nổ lớn, vũ trụ nóng đến mức không có nguyên tố nào phức tạp hơn hidro được hình thành (hạt nhân hidro chỉ bao gồm 1 proton). Tất cả những gì phức tạp đều ngay lập tức bị phân rã thành từng phần. Dưới 1 giây sau khi vụ trụ ra đời, số lượng proton và neutron là như nhau. Chính lực tương tác yếu quyết định sự cân bằng này – tùy theo nhu cầu, lực tương tác yếu biến proton thành neutron và ngược lại, tạo điều kiện hình thành các nguyên tố ngày càng nặng hơn.
Cực điểm của quá trình hình thành hạt nhân nguyên tử xuất hiện sau Vụ nổ lớn khoảng 100 giây. Trong thời gian đó, các nguyên tố nhẹ hình thành, chẳng hạn như deuteri – đồng vị của hidro với 1 neutron và 1 proton trong hạt nhân; heli-3 – bao gồm 2 proton và 1 neutron trong nhân; heli-4 – bao gồm 2 proton và 2 neutron trong nhân. Hơn 100 giây sau khi vụ trụ ra đời, các hạt nhân heli-4 liên kết lại, tạo ra các nguyên tử carbon.
Câu hỏi cơ bản mà nhóm nghiên cứu của Perez đặt ra là: liệu trong một vũ trụ không có lực tương tác yếu và không có heli-4 có thể hình thành các hợp chất hữu cơ cần thiết để tạo ra các dạng sống trong đó carbon là thành phần quan trọng nhất? Các tính toán của Perez và các đồng nghiệp, cho thấy sự thiếu hụt proton trong vũ trụ non trẻ, không có lực tương tác yếu, hoàn toàn không có nghĩa là sự sống không có cơ hội xuất hiện.
Thiếu heli-4 được bù đắp bởi một lượng đồng vị hidro và cả heli-3 (heli-3 hình thành mà không cần tương tác yếu trong các ngôi sao nóng trong các quá trình tổng hợp hạt nhân). Chính từ đồng vị hidro và heli-3 hình thành nên hạt nhân nguyên tử carbon và các nguyên tố nặng khác (cho đến sắt Fe).
Hàng tỷ năm sau, những ngôi sao sau khi sử dụng hết nhiên liệu hạt nhân, đã sụp đổ vào bên trong, tiếp đó ném phần vật chất đã bị đốt cháy ra bên ngoài. Điều này xảy ra cả trong vũ trụ thật của chúng ta cũng như trong thế giới do các nhà khoa học nghĩ ra – nơi không có lực tương tác hạt nhân yếu. Chỉ có một khác biệt là các ngôi sao “của chúng ta” có nhiều năng lượng hơn để ném phần vật chất còn lại của chúng ra không gian vũ trụ.
Sự sống có thể xuất hiện ở nơi khác
Nhóm nghiên cứu của Alejander Jenkins tìm hiểu xem có thể thay đổi khối lượng những hạt vật chất nhỏ nhất đến mức độ nào để không ảnh hưởng đến sự hình thành vật chất cần thiết cho cấu tạo nên các tế bào sống. Các hạt vật chất nhỏ nhất ấy là các quark. Chính các hạt quark là các “viên gạch” tạo nên tất cả các hạt nhân nguyên tử trong thế giới chúng ta. Hai hạt quark “down” (d) và một quark “up” (u) tạo ra neutron; còn hai quark “up” và một quark “down” tạo ra proton. Trong thế giới của chúng ta, quark “down” nặng hơn quark “up” hai lần.
Khối lượng các quark rất quan trọng. Chính chúng tạo ra sự ổn định của hạt nhân nguyên tử của từng nguyên tố. Mà sự ổn định này quyết định hợp chất phức tạp như thế nào có thể xuất hiện. Đối với hóa học sự sống, tức là hóa học hữu cơ, quan trọng nhất là các hợp chất của carbon, hidro và oxy.
Sau nhiều thử nghiệm làm tương thích khối lượng các quark với yêu cầu của hóa hữu cơ, nhóm nghiên cứu của Jenkins đã tìm ra “mô hình vũ trụ thay thế”, trong đó khối lượng các quark thay đổi rất nhiều, tuy nhiên nguyên tử carbon và các nguyên tố khác vẫn không thay đổi và vẫn đảm bảo khả năng xuất hiện sự sống. Mặc dù phiên bản vũ trụ đó không có gì chung với vũ trụ của chúng ta, nhưng các hợp chất hữu cơ vẫn có thể xuất hiện trong đó.
“Nếu trong vũ trụ như vậy xuất hiện các sinh vật thì chắc chắn “họ” cũng tiến hóa tương tự như chúng ta. Tuy nhiên, chúng ta chưa biết các nguyên tố hình thành trong những điều kiện như vậy có đủ để tạo thành các hành tinh để trên đó sự sống có thể sinh sôi nảy nở” – ông Alejander Jenkins cho biết.