Lực hấp dẫn, lực tự nhiên quen thuộc nhất, đem đến cho ta hiện tượng tuyệt vời nhất đồng thời ít được hiểu biết nhất trong tự nhiên. Phải cần đến cá nhân lỗi lạc và có sức ảnh hưởng hàng đầu thiên niên kỷ như Isaac Newton để nhận ra rằng “tác động từ xa” bí ẩn của lực hấp dẫn xuất phát từ hiệu ứng tự nhiên của từng mảnh vật chất, và rằng lực thu hút giữa hai vật thể bất kỳ có thể được miêu tả bằng một phương trình đại số đơn giản. Phải cần đến cá nhân lỗi lạc và có sức ảnh hưởng hàng đầu thế kỷ vừa qua là Albert Einstein để chứng minh rằng ra có thể miêu tả chính xác hơn tác động từ xa của tương tác hấp dẫn bằng một sự uốn cong trong kết cấu không-thời gian, được thực hiện bởi bất kỳ dạng tổ hợp nào của vật chất và năng lượng. Einstein chứng minh rằng lý thuyết của Newton cần vài chỉnh sửa để miêu tả tương tác hấp dẫn cho chính xác – để dự đoán, chẳng hạn, tia sáng sẽ uốn cong bao nhiêu khi chúng đi ngang một vật thể có khối lượng. Mặc dù phương trình của Einstein màu mè hơn của Newton, chúng lại phù hợp rất tuyệt với thứ vật chất mà ta đã biết và yêu mến. Thứ vật chất mà ta có thể nhìn, sờ, cảm nhận, ngửi, và thi thoảng còn nếm nữa.

Chưa biết được ai sẽ là bậc thiên tài kế tiếp, nhưng gần một thế kỷ nay, chúng ta vẫn luôn chờ đợi một người có khả năng giải thích cho ta biết tại sao một lượng lớn tất cả lực hấp dẫn mà ta đo được trong vũ trụ - gần 85% - lại bắt nguồn từ những chất mà đáng lẽ không tương tác với vật chất hay năng lượng “của chúng ta”. Hay biết đâu lực hấp dẫn “dôi ra” này không phải đến từ vật chất hay năng lượng gì cả, mà khởi nguồn từ một khái niệm nào khác. Dù sao đi nữa, về cơ bản ta hoàn toàn không có manh mối gì. Ngày nay ta thấy mình chẳng tiến đến gần câu trả lời hơn chút nào so với khi vấn đề về “khối lượng bị thiếu” này lần đầu được nhà vật lý thiên văn Bulgary – Thụy Sĩ – Hoa Kỳ là Fritz Zwicky phân tích đầy đủ vào năm 1937. Ông giảng dạy tại viên Công nghệ California trong hơn 40 năm, kết hợp vốn hiểu biết sâu rộng về vũ trụ của mình với những phương pháp biểu đạt phong phú và khả năng gây thù chuốc oán rất ấn tượng đối với đồng nghiệp.

Zwicky nghiên cứu chuyển động của các thiên hà đơn lẻ bên trong một cụm thiên hà hoành tráng, nằm ở tít ngoài những ngôi sao cục bộ của dải Ngân Hà, hình thành nên chòm sao Hậu Phát (Coma Berenices, nghĩa là “tóc của Berenice” – một nữ hoàng Ai Cập thời cổ đại). Cụm Coma này, theo cách ta quen gọi, là một tập hợp thiên hà đông đúc cách Trái Đất khoảng 300 triệu [1]. Hàng nghìn thiên hà của nó quay quanh trung tâm của cụm, di chuyển theo mọi hướng như những con ong bay vòng quanh tổ. Sử dụng vận động của vài tá thiên hà làm những đầu ghi dấu vết cho trường hấp dẫn kết nối toàn bộ cụm, Zwicky phát hiện ra rằng vận tốc trung bình của chúng đạt một giá trị cao phát ngất. Vì lẽ tương tác hấp dẫn lớn hơn sẽ gây ra vận tốc cao hơn cho vật thể mà nó hút, nên Zwicky suy ra cụm Coma có một khối lượng phi thường. Để kiểm tra độ thực tiễn của con số đó, bạn có thể tính tổng khối lượng của từng thiên hà thành viên mà bạn thấy. Và mặc dù Coma xếp vào hàng những cụm thiên hà quy mô, đồ sộ bậc nhất vũ trụ, thì nó vẫn không chứa đủ số thiên hà khả kiến để giải thích cho tốc độ quan sát được mà Zwicky đã tính.

Tình huống này tệ đến mức nào? Có phải định luật hấp dẫn mà ta biết đã phụ lòng ta?

Chúng hẳn nhiên vẫn có hiệu lực trong hệ Mặt Trời. Newton chứng minh được rằng bạn có thể tính được chỉ có một vận tốc duy nhất mà một hành tinh ở cách Mặt Trời một khoảng cách bất kỳ phải có để giữ quỹ đạo ổn định, nếu không nó sẽ rơi vào Mặt Trời hay tăng lên một quỹ đạo xa hơn. Hóa ra, nếu ta có thể tốc độ quay của Trái Đất đến một giá trị lớn hơn căn bậc hai của hai (1,4142…) nhân cho giá trị hiện tại của nó, hành tinh của chúng ta sẽ đạt được “vận tốc thoát ly” và hoàn toàn rời bỏ hệ Mặt Trời. Ta có thể áp dụng cùng lập luận này cho những hệ lớn hơn, chẳng hạn như dải Ngân Hà của chúng ta, nơi các sao di chuyển theo quỹ đạo tương ứng với lực hấp dẫn từ mọi sao khác, hay áp dụng trong cụm thiên hà, nơi mỗi thiên hà cũng sẽ cảm nhận lực hấp dẫn từ mọi thiên hà khác. Trên tinh thần ấy, giữa trang sổ tay ghi chép công thức, Einstein viết một đoạn văn vần như sau để tỏ lòng tôn kính Isaac Newton (bản gốc tiếng Đức nghe có âm hưởng hơn):

Ngước nhìn trời cao ta sẽ thấy

Suy nghĩ bậc thầy đến ngay đây

Mỗi ngôi sao thuận theo Newton tính

Mà lặng im di chuyển đúng lộ trình.[2]

Khi kiểm tra cụm Coma, như Zwicky đã thực hiện trong những năm 1930, chúng tôi phát hiện rằng các thiên hà thành viên đều di chuyển nhanh hơn vận tốc thoát ly của cụm. Cụm này vì thế lẽ ra phải thấm thoắt tản mác sau vài trăm triệu năm, chẳng chừa lại được bao nhiêu dấu vết của cái tổ ong từng tồn tại, chứ đừng nói đến một tỉ năm trôi qua. Thế mà nó lại hơn mười tỉ năm tuổi rồi, gần bằng số tuổi của vũ trụ ấy chứ. Từ đây sinh ra một bí ẩn chưa có lời giải dài lâu nhất tính đến nay trong ngành vật lý thiên văn.

Qua hàng thập kỷ sau công trình của Zwicky, các cụm thiên hà khác cũng bộc lộ cùng một vấn đề, do đó không thể quy rằng Coma là trường hợp dị biệt. Vậy ta phải quy trách nhiệm cho ai hay cái gì? Newton ư? Tôi không nghĩ thế, không phải bây giờ. Lý thuyết của ông đã được kiểm nghiệm trong 250 năm và vượt qua mọi bài kiểm tra. Einstein ư? Không. Lực hấp dẫn đáng gờm của các cụm thiên hà vẫn không đủ cao để buộc phải đánh đổ toàn bộ thuyết tương đối tổng quát của Einstein, một lý thuyết vừa mới được hai mươi tuổi tại thời điểm khi Zwicky thực hiện nghiên cứu của mình. Có lẽ “khối lượng bị thiếu” cần để kết nối các thiên hà của cụm Coma quả có tồn tại, nhưng trong một dạng thức vô hình mà ta chưa biết được. Ngày này, chúng ta đồng thuận về biệt danh “vật chất tối”, không nhắc gì đến phần nào bị thiếu, mà hàm ý rằng hẳn phải tồn tại một loại vật chất mới, đang chờ ta khám phá, nó cung cấp lực hấp dẫn phụ trội để giữ cho các thiên hà gắn kết trong cụm.

Vào lúc các nhà vật lý thiên văn đã chấp nhận xem vật chất tối mà một bí ẩn trong cụm thiên hà, vấn đề lại một lần nữa ngóc cái đầu vô hình dậy. Năm 1976, Vera Rubin, nhà vật lý thiên văn thuộc Viện Carnegie ở Washington, đã khám phá ra một hiện tượng “khối lượng bị thiếu” dị thường tương tự xảy ra trong chính các thiên hà xoắn. Khi nghiên cứu tốc độ các ngôi sao quay quanh trung tâm thiên hà, Rubin lần đầu đã phát hiện điều bà trông đợi: trong cái đĩa khả kiến của mỗi thiên hà, các ngôi sao càng xa trung tâm thì di chuyển với tốc độ càng lớn hơn các ngôi sao ở gần bên trong. Giữa các ngôi sao ở xa hơn và trung tâm thiên hà có nhiều vật chất (sao và khí) hơn, cho phép tốc độ di chuyển cao hơn trên quỹ đạo. Tuy nhiên, bên ngoài cái đĩa phát sáng của thiên hà, các nhà thiên văn học vẫn có thể tìm thấy nhiều đám mây khí biệt lập và một số ngôi sao sáng. Dùng những vật thể này làm chỉ dấu cho trường hấp dẫn ngoại vi của hầu hết các phần phát sáng trong thiên hà, nơi không có vật chất khả kiến nào góp mặt vào tổng khối lượng, Rubin phát hiện ra tốc độ trên quỹ đạo của chúng, con số đáng lẽ nên bị tụt xuống bởi khoảng cách xa dần đến vô định thực chất vẫn còn cao.

Những thể tích phần lớn trống rỗng trong không gian như thế này – những vùng quê khuất nẻo của mỗi thiên hà – đều chứa quá ít vật chất có khả năng nhìn thấy đến nỗi ta không thể giải thích tốc độ quay cao dị thường trên quỹ đạo của các chỉ dấu. Rubin lý luận chính xác rằng một số dạng vật chất tối ắt hẳn phải nằm ở những vùng xa thẳm này, rất xa bên ngoài đường viền khả kiến của mỗi thiên hà xoắn. Nhờ có công trình của Rubin, ngày nay chúng ta gọi những vùng bí ẩn này là “quầng vật chất tối.”

Quầng vật chất tối này hiện diện ngay trước mũi chúng ta, ở ngay tại Ngân Hà. Từ thiên hà này đến thiên hà kia và từ cụm thiên hà này qua cụm thiên hà khác, chênh lệch giữa khối lượng vật thể khả kiến và tổng khối lượng vật thể tính theo lực hấp dẫn dao động từ một vài lần cho đến (trong vài trường hợp) hàng trăm lần. Khắp vũ trụ, sự chênh lệch bình quân khoảng sáu lần : vật chất tối của vũ trụ gấp khoảng sáu lần tổng khối lượng tất cả vật chất khả kiến.

Nghiên cứu sâu hơn cho thấy vật chất tối không thể bao gồm vật chất thông thường mà vì lý do gì đó trở nên ít sáng hoặc không phát sáng. Kết luận này dựa trên hai hướng lý luận. Thứ nhất, ta gần như chắc chắn có thể loại trừ những ứng viên quen thuộc, giống như cảnh nghi phạm dàn hàng ngang trong đồn chờ nhận diện. Có thể nào vật chất tối trú ngụ bên trong lỗ đen? Không, thiết nghĩ chúng tôi hẳn sẽ phát hiện ngần này lỗ đen qua hiệu ứng hấp dẫn của chúng lên các sao gần đó. Có thể nào đó là các đám mây đen? Không, chúng sẽ hấp thụ, không thì cũng tương tác với ánh sáng từ những ngôi sao đằng sau, mà vật chất tối chính cống không phải như vậy. Có thể nào đấy là những hành tinh, tiểu hành tinh, sao chổi lang thang liên sao (hoặc liên thiên hà), mà tất cả đều không tự phát ra ánh sáng? Khó mà tin vũ trụ lại chế tạo số lượng hành tinh có khối lượng gấp sáu lần so với số ngôi sao. Như thế đồng nghĩa cứ mỗi ngôi sao trong thiên hà sẽ đi kèm sáu nghìn Sao Mộc, hoặc kinh dị hơn, hai triệu Trái Đất. Trong Thái Dương hệ của chúng ta, chẳng hạn, mọi thứ không phải Mặt Trời cộng lại vẫn chưa đầy 0,2% khối lượng Mặt Trời.

Nhiều bằng chứng trực tiếp hơn cho tính chất lạ lùng của vật chất tối nằm ở lượng tương đối của hydro và heli trong vũ trụ. Cùng nhau, những con số này cung cấp một “vân tay vũ trụ” mà vũ trụ sơ khai đã in dấu lại. Tính xấp xỉ, phản ứng tổng hợp hạt nhân trong vài phút đầu sau vụ nổ lớn đã để lại tỉ lệ một hạt nhân heli trên bốn hạt nhân hydro (bản thân chúng đơn giản chỉ là các proton). Tính toán cho thấy rằng nếu hầu hết vật chất tối dự phần vào phản ứng tổng hợp hạt nhân, thì lượng heli trên hydro trong vũ trụ phải lớn hơn nhiều. Từ đây ta kết luận rằng hầu hết vật chất tối – kéo theo đó, hầu hết khối lượng trong vũ trụ - không tham gia vào phản ứng tổng hợp hạt nhân, nên bị loại khỏi hàng vật chất “bình thường”, vốn cốt yếu là thứ sẵn sàng tham gia các lực hạt nhân và nguyên tử, những lực hình thành vật chất như ta biết. Quan sát chi tiết về bức xạ nền vi sóng vũ trụ - nó cho phép kiểm nghiệm riêng kết luận này – xác nhận kết quả : vật chất tối và phản ứng tổng hợp hạt nhân không thể dung hòa.

Do đó, cố lắm chúng ta hình dung rằng, vật chất tối không đơn thuần gồm vật chất có đặc điểm là tối. Thay vào đó, nó còn là thứ gì rất khác. Vật chất tối tác dụng lực hấp dẫn tuân theo cùng quy luật với vật chất thông thường, nhưng nó ít có hoạt động nào khác để cho chúng ta dò tìm ra. Dĩ nhiên, ta bị bó hẹp bởi lối phân tích này do không biết được vật chất tối là gì. Nếu mọi khối lượng đều có lực hấp dẫn, liệu mọi lực hấp dẫn cũng có vật chất chăng? Chúng ta không biết. Tên gọi “vật chất tối” giả định sự tồn tại của một dạng vật chất mà ta chưa hiểu nổi. Nhưng biết đâu chẳng có gì là sai với thứ vật chất ấy cả, biết đâu lực hấp dẫn mới chính là cái ta không hiểu.

Sự sai biệt giữa vật chất thường và vật chất tối biến đổi mạnh từ môi trường vật lý thiên văn và đến môi trường khác, nhưng nó rõ rệt nhất đối với những thực thể lớn chẳng hạn như thiên hà hay cụm thiên hà. Đối với những vật thể rất nhỏ như Mặt Trăng và hành tinh, không tồn tại sai biệt nào. Lực hấp dẫn bề mặt của Trái Đất, chẳng hạn, có thể được giải thích hoàn toàn bằng những thứ dưới chân ta. Nếu bạn bị thừa cân trên Trái Đất, đừng đổ lỗi cho vật chất tối. Vật chất tối cũng chẳng can hệ gì đến quỹ đạo của Mặt Trăng quanh Trái Đất, hay chuyển động của các hành tinh quanh Mặt Trời – nhưng như đã thấy, ta cần nó để giải thích vận động của các ngôi sao xung quanh trung tâm thiên hà.

Liệu có một kiểu vật lý về lực hấp dẫn nào khác để vận hành ở tầm mức thiên hà hay không? Có lẽ không. Đúng hơn, vật chất tối bao gồm vật chất mà ta chưa đoán định được bản chất và chúng tập hợp một cách khuếch tán hơn vật chất thường. Nếu không phải vậy, ta đã có thể phát hiện ra lực hấp dẫn của những mẫu vật chất tối có mật độ chắc nịch xuất hiện lấm chấm trong vũ trụ - sao chổi vật chất tối, hành tinh vật chất tối, thiên hà vật chất tối. Theo những hiểu biết đến nay của ta, sự việc không phải như thế.

Ta biết được rằng thứ vật chất thân thuộc với ta trong vũ trụ - thứ làm nến sao, hành tinh và sự sống – chỉ là một lớp kem phủ mỏng tang trên chiếc bánh ngọt của vũ trụ, là những chiếc phao khiêm nhường trôi nổi trên đại dương vũ trụ mênh mông của một thứ gì đó chừng như là hư vô.

Suốt nửa triệu năm đầu sau vụ nổ lớn, đơn thuần chỉ tương đương một cái chớp mắt trong cú quét dài 14 tỉ năm của lịch sử vũ trụ, vật chất trong vũ trụ đã bắt đầu hòa hợp thành những khối về sau sẽ trở thành cụm và siêu cụm thiên hà. Nhưng vũ trụ còn tăng gấp đôi kích cỡ trong vòng nửa triệu năm kế tiếp, và tiếp tục phát triển sau đó. Vũ trụ giãn nở giúp sáp nhập hai hiệu ứng cạnh tranh nhau: lực hấp dẫn muốn làm mọi thứ đặc lại, nhưng vũ trụ giãn nở thì muốn làm loãng mọi thứ ra. Nếu thử tính thì bạn sẽ nhanh chóng suy luận rằng lực hấp dẫn từ vật chất thường không thể tự mình chiến thắng trận chiến này. Nó cần vật chất tối ra tay tương trợ, nếu không chúng ta sẽ phải sống – nói đúng hơn thì không sống – trong một vũ trụ phi cấu trúc: không cụm, không thiên hà, không tinh tú, không hành tinh, không con người. Nó cần bao nhiêu lực hấp dẫn từ vật chất tối? Gấp sáu lần lượng mà vật chất thường cung cấp. Đúng bằng lượng mà ta đo được trong vũ trụ. Cách phân tích này không nói cho ta biết vật chất tối là gì, chỉ là tác động của vật chất tối có thật và rằng, dù cố đến đâu, bạn không thể quy tác động đó cho vật chất thường.

Vậy nên vật chất tối là kẻ nửa bạn nửa thù của chúng ta. Ta không biết tí gì về nó. Cảm giác có hơi bức bối. Nhưng ta tha thiết cần đến nó trong các phép tính để đi đến sự miêu tả chính xác về vũ trụ. Thường thì nhà khoa học không thoải mái lắm mỗi khi chúng ta phải tính toán dựa trên khái niệm ta chưa hiểu rõ, nhưng nếu bắt buộc thì ta phải làm thôi. Mà vấn đề vật chất tối không phải lần đầu tiên ta leo lên lưng cọp. Chẳng hạn, vào thế kỷ 19, chúng ta đã quan sát các vì sao, thu được phổ của chúng, và phân loại chúng rất lâu trước khi cơ học lượng tử xuất hiện vào thế kỷ 20, là thứ đem đến cho ta hiểu biết bằng cách nào và tại sao mà các phổ lại hiện lên như vậy.

Những người luôn luôn hoài nghi có thể so sánh vật chất tối ngày nay với giả thuyết về “ête”, một chất được đề ra trong thế kỷ 19 mà ngày nay đã bị khai tử, nó trong suốt, không trọng lượng, lan tỏa khắp chân không của vũ trụ, là chất trung gian cho ánh sáng đi qua. Mãi đến khi Albert Michelson và Edward Morley ở Đại học Case Western Reverve thực hiện thí nghiệm nổi tiếng năm1887 ở Cleverland và chứng minh điều ngược lại, thì các nhà khoa học vẫn còn quả quyết rằng ete phải tồn tại, dù cho chẳng có tí ti bằng chừng nào ủng hộ giả định này. Vì là sóng, ánh sáng được cho rằng nó cần có một chất trung gian để qua đó lan truyền năng lượng, cũng như âm thanh cần không khí hay một chất nào đó để truyền sóng. Nhưng hóa ra ánh sáng có thể thoải mái di chuyển qua chân không, một môi trường thiếu vắng bất kỳ phương tiện nào để truyền tải nó. Không như sóng âm là dạng sóng có dao động không khí, người ta phát hiện ra sóng ánh sáng là những gói năng lượng tự lan truyền.

Nhưng sự thiếu hiểu biết về vật chất tối khác biệt cơ bản với sự thiếu hiểu biết về ete. Ete vốn là khái niệm ra tạm dùng do kiến thức chưa thấu đáo, trong khi sự tồn tại của vật chất tối không đơn thuần đến từ giả định mà đến từ những hiệu ứng quan sát được do lực hấp dẫn của nó tác động lên vật chất khả kiến. Chúng ta không phát minh ra vật chất tối từ thinh không; thay vào đó, ta suy luận ra rằng sự tồn tại của nó, dựa trên những dự liệu quan sát thực nghiệm. Vật chất tối cũng chân thực như hàng nghìn ngoại hành tinh (hành tinh ngoài hệ Mặt Trời) được phát hiện quay quanh các ngôi sao khác Mặt Trời. Hầu hết chúng đều được phát hiện chỉ bằng tác dụng hấp dẫn của chúng lên các ngôi sao chủ nhà chứ không phải từ việc đo trực tiếp ánh sáng của chúng. Trường hợp tệ nhất có thể xảy ra là ta khám phá rằng vật chất tối chẳng có chút xíu vật chất nào cả, mà toàn thứ gì khác. Có thể nào ta đang chứng kiến hiệu ứng của các lực đến từ một chiều không gian khác? Có phải ta cảm nhận lực hấp dẫn thông thường của thứ vật chất thông thường đang vượt qua lớp màng của một vũ trụ ma nằm sát bên vũ trụ của ta? Nếu vậy, chẳng có lý do gì để không xem đây là một vũ trụ lân cận, trong số tổ hợp vũ trụ vô hạn làm nên đa vũ trụ. Nghe thật lạ lẫm và khó tin. Nhưng có điên rồ hơn chút nào so với những đề xuất đầu tiên rằng Trái Đất quay quanh Mặt Trời? Rằng Mặt Trời là một trong hàng trăm tỉ ngôi sao trong Ngân Hà? Hay Ngân Hà chẳng hơn gì một trong hàng trăm tỉ thiên hà có trong vũ trụ?

Dù bất cứ lời giải thích kỳ ảo nào trên đây có được sự chứng minh là đúng, thì chẳng có gì có thể thay đổi sự vay mượn thành công lực hấp dẫn của vật chất tối vào các phương trình mà ta đang sử dụng nhằm thấu hiểu sự hình thành và tiến hóa của vũ trụ.

Những người luôn hoài nghi khác có thể tuyên bố rằng “trăm nghe không bằng một thấy”. Một lẽ sống mà trong nhiều trường hợp rất hiệu quả, bao gồm kỹ thuật cơ khí, câu cá, và có lẽ hẹn hò nữa. Xem ra cũng tốt cho cư dân Missouri[3]. Nhưng nó không làm nên khoa học tốt. Khoa học không chỉ có nhìn, mà còn có đo đạc – tốt nhất là đo bằng thứ gì đó không phải đôi mắt của bạn, vì đôi mắt gắn chặt với hành trang của não bộ bạn rồi. Hành trang ấy vẫn luôn là cái gùi chứa đựng những ý tưởng đã được mường tượng sẵn, những quan điểm chỉ có được sau khi não đã hình dung ra, những tưởng tượng chưa được kiểm tra bằng cách tham chiếu tới các dữ liệu khác, và lại còn thêm thành kiến.

Ba phần tư thế kỷ qua, sau khi chống đối mọi nỗ lực dò tìm trực tiếp từ Trái Đất, vật chất tối vẫn còn trụ lại cuộc chơi. Các nhà vật lý hạt tự tin rằng vật chất tối gồm một thể loại rất mà quái những hạt chưa được phát hiện, tương tác với vật chất thông qua lực hấp dẫn, nhưng ngoài ra thì tương tác rất yếu hoặc hầu như không tương tác với vật chất hoặc ánh sáng. Nếu bạn thích đánh cược bằng vật lý, lựa chọn này có vẻ là một canh bạc ngon ăn. Những máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới đang cố gắng chế tạo hạt vật chất tối giữa đám mảnh vụn các hạt sau va chạm. Và các phòng thí nghiệm có thiết kế đặc biệt được chôn sâu dưới lòng đất thì đang cố dò tìm hạt vật chất tối theo cách thụ động, phòng khi chúng từ không gian lang thang lạc đến. Địa điểm đặt dưới lòng đất đương nhiên che chắn cho thiết bị khỏi những hạt vũ trụ mà ta biết, những hạt này có thể chạy vào máy dò và mạo danh là vật chất tối.

Mặc dù tất cả những thứ này có thể chỉ là một quả bom xịt, thì ý tưởng về một thứ hạt vật chất tối khó nắm bắt cũng từng có tiền lệ tốt. Neutrino, chẳng hạn, đã được tiên đoán và sau đó được phát hiện, mặc dù chúng có tương tác cực kỳ yếu với vật chất thường. Luồng neutrino dồi dào từ Mặt Trời – cứ hai neutrino trên mỗi lần hợp hạch tạo ra heli từ hydro trong lõi nhiệt hạch của Mặt Trời – thoát ra khỏi Mặt Trời mà không bị Mặt Trời quấy nhiễu, du hành qua chân không vũ trụ với vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng, sau đó xuyên qua Trái Đất như thể Trái Đất không hề tồn tại. Thống kê: suốt ngày đêm, hàng trăm tỉ neutrino từ Mặt Trời đã đi xuyên qua từng xentimét vuông trên cơ thể bạn, mỗi giây, mà không để lại dấu vết tương tác nào với nguyên tử trong cơ thể. Mặc cho tính khó nắm bắt này, rốt cuộc neutrino vẫn có thể bị chặn lại trong những tình huống đặc biệt. Và nếu như bạn có thể chặn được một hạt dừng lại, bạn đã dò được nó.

Hạt vật chất tối có thể tự lộ tung tích qua các tương tác hiếm như vậy, hay, còn đáng ngạc nhiên hơn, chúng có thể biểu lộ thông qua những lực khác ngoài lực hạt nhân mạnh, lực hạt nhân yếu, lực điện từ. Ba lực này , cộng thêm lực hấp dẫn, hoàn chỉnh bộ tứ siêu đẳng các lực của vũ trụ, làm trung gian cho tất thảy tương tác giữa và trong số các hạt. Thế nên các lựa chọn đã rõ. Hoặc hạt vật chất tối phải chờ đến khi chúng ta phát hiện và kiểm soát một lực mới hay một loại lực mới để hạt của chúng thông qua đó mà tương tác, không thì các hạt vật chất tối phải tương tác qua các lực thông thường, nhưng ở mức yếu kinh hồn.

Vậy, hiệu ứng của vật chất tối là có thật. Chúng ta chỉ không biết nó là gì. Vật chất tối có vẻ không tương tác thông qua lực hạt nhân mạnh, nên nó không thể tạo hạt nhân. Nó không cho thấy tương tác thông qua lực hạt nhân yếu, thứ mà ngay cả chập chờn như neutrino còn thể hiện. Nó không có vẻ tương tác với lực điện từ, nên nó không tạo ra phân tử và nén lại thành những quả bóng vật chất tối đậm đặc. Nó cũng không hấp thụ, phát, phản chiếu hay tán xạ ánh sáng. Như ta đã biết ngay từ đầu, vật chất tối quả thực có tạo ra lực hấp dẫn, mà qua đó vật chất thường đáp ứng theo. Nhưng chỉ có vậy. Bao nhiêu năm qua, ta vẫn chưa khám phá ra nó có làm gì khác.

Giờ đây, ta vẫn tạm hài lòng đồng hành cùng vật chất tối như một người bạn kỳ dị, rồi cầu viện nó giúp đỡ khi nào, ở đâu và vũ trụ buộc ta dùng đến.

[1] Một năm ánh sáng là khoảng cách ánh sáng di chuyển được trong khoảng thời gian một năm Trái Đất – gần 9,5 nghìn tỉ km (6 nghìn tỉ dặm).

[2] Ghi chú trong bản thảo, trích từ Károly Simonyi, A Cultural History of Physics (Một lịch sử văn hóa của vật lý học), Boca Raton, FL: CRC Press, 2012

[3] Tiểu bang Missouri còn có biệt danh là tiểu bang “hãy cho tối thấy” (Show Me State) vì người dân ở đây có tiếng là chỉ tin vào những gì họ thấy. (ND)