Một vũ trụ với thiên hà và sao

Nhưng trong vũ trụ không chỉ có một ngôi sao; ở mỗi khu vực có mật độ vật chất lớn có hàng tỉ ngôi sao hình thành, và bây giờ các tập hợp của nhiều ngôi sao nằm gần nhau mà chúng ta gọi là các thiên hà bắt đầu lấp lánh, thắp sáng bóng tối của một vũ trụ còn non trẻ.

Vũ trụ lúc này với các thiên hà và các ngôi sao rất khác biệt so với vũ trụ của các nguyên tử ở giai đoạn đầu tiên. Bây giờ vũ trụ có tính cấu trúc hơn ở cả quy mô lớn cũng như nhỏ, và chúng ta có thể nói rằng toàn bộ vũ trụ đã phức tạp hơn. Có những vùng tối, trống ở giữa các thiên hà và những vùng sáng, đậm đặc hơn bên trong các thiên hà. Các thiên hà dày đặc vật chất và năng lượng, trong khi không gian giữa chúng lạnh lẽo và trống rỗng. Vũ trụ không còn mờ ảo như một màn sương, những thứ thú vị tập trung thành những đám và dải thiên hà rộng lớn, giống như những sợi tơ của một mạng nhện. Mỗi thiên hà có một cấu trúc riêng. Hầu hết các thiên hà có dạng xoắn ốc, giống như thiên hà mà chúng ta đang sống – Dải Ngân hà, với hàng trăm tỉ ngôi sao quay chậm xung quanh một lõi dày đặc mà trong lõi thường có một lỗ đen. Đôi khi, các thiên hà va chạm nhau và bị xáo trộn tạo thành “các thiên hà bất quy tắc”. Ngược lại, các thiên hà được gắn kết với nhau bởi lực hấp dẫn tạo nên cụm thiên hà, và tập hợp của nhiều cụm thiên hà thì tạo nên siêu quần thiên hà.

Nằm rải rác trong vũ trụ – giống như nho khô trong một cái bánh – là những ngôi sao riêng lẻ, những ngôi sao này có các cấu trúc, tính chất mới và nổi trội. Mỗi ngôi sao đều có một lõi nóng, bên trong các lõi đó các proton hợp nhất với nhau, tạo ra năng lượng để chống lại sự nén gây ra bởi lực hấp dẫn. Các lớp phía ngoài của ngôi sao có xu hướng bị nén vào gần lõi, cung cấp nhiên liệu proton cho lõi và làm cho ngôi sao hoạt động lâu dài. Vòng đời của một ngôi sao phụ thuộc vào khối lượng ban đầu của nó – lượng vật chất mà nó có khi mới hình thành. Những ngôi sao khổng lồ sinh ra áp lực hấp dẫn lớn hơn, vì vậy chúng nóng hơn nhiều so với những ngôi sao có khối lượng nhỏ. Điều này giải thích tại sao các ngôi sao lớn đốt cháy nhiên liệu nhanh hơn và tắt đi chỉ trong vòng vài triệu năm. Những ngôi sao có khối lượng nhỏ hơn đốt cháy nhiên liệu chậm hơn, và do đó chúng sẽ tồn tại lâu hơn nhiều so với tuổi hiện tại của vũ trụ.

Vũ trụ mới này có đa dạng hơn, thể hiện tiềm năng sáng tạo hơn, đồng thời tồn tại rất nhiều độ dốc năng lượng – sự chênh lệch về mật độ năng lượng tại các vùng không gian khác nhau. Có độ dốc của ánh sáng, độ dốc của nhiệt độ và độ dốc về mật độ vật chất, những độ dốc này làm dịch chuyển năng lượng từ vùng cao sang vùng thấp hơn, giống như nước chảy xuôi theo dòng thác. Các ngôi sao truyền năng lượng vào các vùng không gian lạnh hơn xung quanh nó, tạo ra các luồng nhiệt, ánh sáng và năng lượng hóa học dịch chuyển trong không gian. Các luồng năng lượng này có thể tạo điều kiện cho quá trình hình thành các dạng thức phức tạp mới ở các khu vực lân cận; giống như những dòng năng lượng tự do từ Mặt Trời thúc đẩy sự sống hình thành và phát triển trên Trái Đất.

Lực hấp dẫn đã khởi động quá trình biến đổi vật chất thành các ngôi sao bằng cách nung chảy các proton bất chấp lực cản được tạo ra bởi các điện tích dương của chúng. Đây là một mô hình mà chúng ta sẽ gặp rất nhiều lần trong quá trình nghiên cứu sự hình thành của vũ trụ. Nó giống như một tách cà phê giúp bạn tỉnh táo vào buổi sáng. Các nhà hóa học gọi năng lượng ban đầu này là năng lượng kích hoạt – đó là năng lượng cần thiết vào mỗi buổi sáng đủ để bắt đầu một ngày làm việc. Một loại năng lượng thay đổi một cái gì đó để giải phóng các luồng năng lượng tự do khác lớn hơn nhiều so với năng lượng kích hoạt. Trong câu chuyện về sự hình thành sao, lực hấp dẫn đã cung cấp năng lượng kích hoạt cho phản ứng tổng hợp và hình thành sao và cho tất cả những gì xảy ra sau đó.

Nhưng có một câu hỏi chưa giải đáp ở đây. Thế còn định luật thứ hai của nhiệt động lực học đóng vai trò gì? Entropy ghét các cấu trúc, vậy tại sao nó lại cho phép những thứ phức tạp hơn xuất hiện?

Nếu bạn chú ý vào các luồng năng lượng, bạn sẽ thấy rằng các cấu trúc phức tạp mới, chẳng hạn như các ngôi sao, phải trả giá đắt cho sự phức tạp của chúng. Hãy xem xét sự biến đổi năng lượng từ các phản ứng nhiệt hạch. Điều đầu tiên mà năng lượng cần làm là chống đỡ lực hấp dẫn của ngôi sao, ngăn cản nó co lại và sụp đổ. Sự mất mát năng lượng để chống đỡ lực hấp dẫn giống như một khoản phí trả cho entropy – một loại thuế cho sự phức tạp. Khi một ngôi sao ngừng tạo ra năng lượng, nó sẽ sụp đổ. Ý tưởng về thuế phức tạp giúp giải thích một hiện tượng quan trọng được ghi nhận bởi nhà vật lý thiên văn Eric Chaisson: nói một cách đại khái, các hiện tượng phức tạp hơn cần dòng năng lượng dày đặc hơn, nhiều năng lượng hơn cho mỗi gam vật chất trong một giây. Ví dụ, ông ước tính rằng mật độ năng lượng chảy trong xã hội loài người hiện đại lớn hơn khoảng một triệu lần so với mật độ năng lượng chảy qua Mặt Trời, trong khi năng lượng chảy qua hầu hết các sinh vật sống nằm ở đâu đó giữa các thái cực này. Nó như thể entropy đòi hỏi nhiều năng lượng hơn từ một thực thể nếu nó trở nên phức tạp hơn; những thực thể phức tạp hơn phải tìm ra và quản lý những luồng năng lượng tự do lớn hơn. Không có gì lạ khi mà những thứ phức tạp hơn thì khó hình thành hơn và khó duy trì hơn, và càng không có gì lạ khi chúng thường bị hỏng nhanh hơn những thứ đơn giản. Đây là một ý tưởng xuyên suốt toàn bộ câu chuyện nguồn gốc hiện đại, ảnh hưởng đến rất nhiều vấn đề trong xã hội loài người hiện đại.

Thực tế cho thấy entropy thích thỏa thuận này vì năng lượng để duy trì một ngôi sao, giống như năng lượng của một thác nước, cuối cùng sẽ bị suy giảm do lan truyền vào không gian. Vì vậy, khi cấu trúc ngôi sao ngày càng phức tạp hơn thì điều đó cũng giúp entropy làm suy giảm nhiều năng lượng tự do thành năng lượng nhiệt hơn. Đây là một điều mà chúng ta sẽ thấy trong suốt câu chuyện nguồn gốc hiện đại. Sự tăng độ phức tạp của các vật không phải là chiến thắng của năng lượng trước entropy. Nghịch lý thay, dòng năng lượng duy trì những thứ phức tạp (bao gồm cả bạn và tôi) lại đang giúp entropy hoàn thành nhiệm vụ đen tối của nó là từ từ phá vỡ mọi hình thức trật tự và cấu trúc trong vũ trụ.

- Trích lược từ tác phẩm: CỘI NGUỒN -