Ngoài tinh thể và đá vỡ, chẳng có bao nhiêu thứ trong vũ trụ lại mang dạng tự nhiên nhiều góc nhọn. Dù rằng nhiều vật thể quả có hình dạng dị thường, thì danh sách những thứ dạng tròn gần như là vô tận, từ những bong bóng xà phòng đơn giản cho đến toàn thể vũ trụ quan sát được. Dạng khối cầu có xu hướng hình thành từ tác động của những định luật vật lý đơn giản. Xu hướng này thịnh hành đến nỗi ta thường hình dung thứ gì đó có dạng khối cầu trong đầu để tiện rút ra những kiến giải căn bản ngay cả khi ta biết vật thể ấy dứt khoát không tròn. Nói ngắn gọn, nếu bạn không hiểu nổi vật thể trong trường hợp nó hình cầu, thì bạn không thể tự nhận là hiểu tính chất vật lý cơ bản của nó.

Dạng khối cầu trong tự nhiên là do các lực, chẳng hạn sức căng bề mặt, muốn làm các vật thể nhỏ lại theo mọi hướng. Với chất lỏng tạo thành bong bóng xà phòng, sức căng bề mặt ép không khí theo mọi hướng. Nó sẽ, trong khoảnh khắc khi thành hình, gói lại một thể tích khí bằng việc sử dụng bề mặt ngoài có diện tích tối thiểu. Cách này tạo ra bong bóng căng hết mức bởi vì màng xà phòng sẽ không thể bị dàn mỏng hơn mức cần thiết tuyệt đối. Bằng phép tính vi tích phân năm nhất đại học, bạn có thể chứng minh rằng hình dạng duy nhất có diện tích bề mặt nhỏ nhất để chứa một thể tích đóng kín là hình cầu hoàn hảo. Trên thực tế, ta có thể tiết kiệm chi phí hàng tỉ đô la mỗi năm cho các vật liệu đóng gói nếu mọi thùng giao nhận hàng và bao bì thực phẩm trong siêu thị đều có hình cầu. Ví dụ, số ngũ cốc trong một hộp Cheerios ngoại cỡ có thể đổ vừa vặn vào một quả cầu bằng bìa cứng bán kính 11,5 xentimét. Nhưng yếu tố tiện dụng vẫn thắng thế - chẳng ai lại muốn rượt theo các món thực phẩm đóng gói trên kệ rơi xuống lăn lóc dọc hành lang.

Trên Trái Đất, một cách để làm ra ổ bi là ta rỏ những giọt kim loại nóng chảy với định lượng đã tính trước xuống đầu trên của một trục dài. Giọt kim loại thường sẽ dập dờn cho tới lúc nó định hình thành dạng khối cầu, nhưng nó cần đủ thời gian để rắn lại trước khi chạm tới đáy. Trên các trạm không gian quay theo quỹ đạo, nơi mọi thứ đều không trọng lực, bạn chỉ cần nhẹ nhàng phun ra những giọt kim loại nóng chảy với định lượng chính xác là tha hồ tạo ra những hột tròn vo - chúng cứ lơ lửng trong lúc nguội dần, sau đó thì rắn lại thành hình cầu hoàn hảo.

Với vật thể vũ trụ cỡ lớn, chính năng lượng và lực hấp dẫn hợp lực biến vật thể thành hình cầu. Lực hấp dẫn là lực đóng vai trò kéo sập vật chất từ mọi hướng, nhưng lực hấp dẫn không phải lúc nào cũng thắng - liên kết hóa học bên trong vật thể rắn rất mạnh. Dãy Himalaya mọc lên phản lại trọng lực của Trái Đất bởi tính đàn hồi của lớp đá vỏ. Nhưng trước khi phấn khích về các ngọn núi hùng vĩ của Trái Đất, bạn nên biết rằng chiều cao trải dài từ rãnh đại dương sâu nhất cho đến ngọn núi cao nhất là độ chừng hai mươi kilômét, trong khi đó đường kính Trái Đất đã ngót mười ba nghìn kilômét. Thế nên, trái với hình dung trong đầu loài người bé nhỏ đang bò trên bề mặt đất, Trái Đất, ở quy mô vật thể vũ trụ, trơn tru ra phết. Nếu bạn có một ngón tay to tổ chảng, ngoại hạng, và bạn lướt nó dọc theo bề mặt Trái Đất (cả đại dương này nọ), cảm giác sẽ trơn láng tựa hồ quả bi da. Những mô hình quả địa cầu đắt tiền nào mà thể hiện núi non trên Trái Đất bằng những phần đất nổi cộm tức là đã trắng trợn thổi phồng hiện thực. Đây là lý do tại sao, mặc cho núi non thung lũng trên Trái Đất, kể cả những chỗ khá bẹt từ cực này đến cực kia, thì khi nhìn từ không gian, Trái Đất chẳng khác gì một hình cầu hoàn mỹ.

Núi non trên Trái Đất vẫn còn nhãi nhép làm nếu phải so với những ngọn núi khác trong hệ Mặt Trời. Ngọn to lớn nhất Sao Hỏa, ngọn Olympus Mons cao đến hai mươi kilômét và rộng gần ba trăm dặm (khoảng 480 kilômét) ở chân núi. Nó khiến ngọn McKinley ở Alaska trông như một đụn đất. Công thức kiến thiết núi của vũ trụ rất đơn giản: lực hấp dẫn trên bề mặt vật thể càng yếu, núi non của nó càng vươn cao. Đỉnh Everest là mức cao nhất mà núi non trên Trái Đất có thể vươn tới trước khi tính đàn hồi của những tầng đá phía dưới chịu thua sức nặng của ngọn núi.

Nếu vật thể rắn có lực hấp dẫn bề mặt đủ thấp, liên kết hóa học trong đá của nó sẽ kháng cự sức nặng của chính mình. Khi điều này xảy ra, hầu như hình dạng gì cũng khả thi. Hai thiên thể không phải hình cầu nổi tiếng nhất là Phobos và Deimos, hai mặt trăng của Sao Hỏa mang hình dạng củ khoai tây Idaho. Trên thiên thể Phobos rộng mười ba dặm, tức mặt trăng lớn hơn, một người 68 kilôgam chỉ còn nặng 0,1 kilôgam.

Trong không gian, sức căng bề mặt luôn luôn vo một giọt chất lỏng thành hình cầu. Nếu giọt này mang khối lượng rất lớn, bất kể nó được làm từ loại chất liệu nào thì lực hấp dẫn vẫn sẽ đảm bảo nó hóa ra hình cầu. Bất cứ khi nào bạn nhìn thấy một vật thể rắn nho nhỏ mà có dạng khối cầu đến đáng ngờ, bạn có thể kết luận rằng nó đã thành hình như vậy trong trạng thái nóng chảy.

Các giọt khí nặng và to lớn trong thiên hà có thể kết lại với nhau để tạo thành những quả cầu khí khá tròn trịa gọi là ngôi sao. Nhưng nếu một ngôi sao có quỹ đạo quay quá gần quanh một vật thể có lực hấp dẫn đáng kể, dạng hình cầu có thể bị méo mó khi chất liệu của nó bị tước đi. “Quá gần” ở đây, ý tôi muốn nói là quá gần giới hạn Roche của vật thể - tên gọi đặt theo tên nhà toán học giữa thế kỷ 19 Édouard Roche, người đã nghiên cứu tỉ mỉ về trường hấp dẫn trong vùng lân cận giữa một cặp sao. Giới hạn Roche là một vỏ bọc kép trên lý thuyết, phồng ra như củ hành ở hai đầu thành hình dạng quả tạ bao lấy hai vật thể bất kỳ đang quay quanh nhau. Nếu chất liệu khí trong một vật thể thoát ra ngoài vỏ bọc đơn của nó thì chất liệu ấy sẽ rơi về phía vật thể còn lại. Sự kiện này thường gặp ở các sao đôi khi một trong số chúng trương phồng thành sao kềnh đỏ (red giant) và lấn qua giới hạn Roche. Sao kềnh đỏ biến dạng méo mó thành một dạng khác hẳn, không còn là khối cầu mà giống với viên kẹo sôcôla hình giọt nước thuôn dài hiệu Hershey hơn. Chưa hết, thi thoảng một trong hai sao còn là lỗ đen, vị trí của nó sẽ bị lộ diện do liên tục lột vỏ bạn sao đôi đồng hành. Đám khí cuộn xoáy, sau khi chuyển từ ngôi sao khổng lồ ra quá giới hạn Roche của nó thì nóng lên đến những nhiệt độ cực đại và thành ra sáng rực trước khi chui vào lỗ đen và khuất khỏi tầm mắt.

Các ngôi sao trong dải Ngân Hà kéo thành vết có hình một vòng tròn phẳng to lớn. Với tỉ lệ đường kính trên độ dày là một nghìn trên một, thiên hà của chúng ta còn dẹt hơn cái miếng đậu phụ rán dẹt nhất trên đời. Không, nó không phải hình cầu, nhưng có khả năng nó đã xuất phát bằng hình dạng ấy. Ta hãy hiểu tính dẹt này bằng cách giả định rằng thiên hà có một thời từng là quả bóng hình cầu to lớn chứa khối khí suy sụp vào trong, chậm rãi tự quay quanh trục. Trong quá trình suy sụp, quả bóng xoáy mỗi lúc một nhanh hơn, hệt như vận động viên trượt băng nghệ thuật thu tay vào trong để tăng tốc độ xoay vòng. Chẳng khác gì khi ta hất chảo để lật cục bột tròn nhào bánh pizza đang xoáy tít, thiên hà đương nhiên cũng bẹt ra đáp ứng theo các lực ly tâm đang tăng lên, là lực muốn kéo giãn các phần của nó ra. Đúng vậy, nếu anh chàng [1] mà là vận động viên trượt băng nghệ thuật thì những cú xoay thoăn thoắt sẽ gây nguy hiểm vô cùng. Bất kỳ sao nào trót hình thành bên trong đám mây Ngân Hà trước vụ suy sụp thì vẫn duy trì được quỹ đạo lớn lao nhanh. Đám khí còn lại dễ dàng bện vào nhau, như một vụ va chạm trong thinh không giữa hai viên kẹo dẻo nóng chảy, và được ghim vào mặt phẳng đoạn giữa, nơi sinh ra toàn bộ các thế hệ sao kế tiếp, kể cả Mặt Trời. Ngân Hà hiện nay, không suy sụp mà cũng chẳng giãn nở, là một hệ thống trưởng thành về trọng trường, và người ta có thể xem các ngôi sao quay trên và dưới chiếc đĩa như là mớ xương tàn của đám mây khí hình cầu thuở ban đầu.

Hiệu ứng bị làm bẹt phổ biến này của các vật thể tự xoay tròn là lý do đường kính từ cực này đến cực kia của Trái Đất nhỏ hơn đường kính của nó tại xích đạo. Không nhiều: ba phần mười của 1% - khoảng bốn mươi hai kilômét. Nhưng Trái Đất nhỏ, phần lớn là thể rắn, và tự xoay tròn không quá nhanh. Hai mươi bốn giờ mỗi ngày, Trái Đất chở những thứ ở xích đạo đi với tốc độ 1.600 kilômét một giờ. Hãy xem Sao Thổ, hành tinh khí lừng lững tự xoay tròn rất nhanh. Hoàn tất một ngày trong chỉ mười tiếng rưỡi đồng hồ, xích đạo của nó quay tròn với tốc độ cỡ 35.500 kilômét một giờ và kích thước từ cực này đến cực kia của nó phải dẹt hơn trọn 10% so với khúc giữa, cách biệt này đến cả kính viễn vọng nghiệp dư còn có thể nhận ra. Các quả cầu bị bẹt ra thường được gọi là hình phỏng cầu dẹt (oblate spheroid), trong khi các hình cầu bị vuốt dài từ cực này đến cực kia được gọi là hình phỏng cầu thuôn (prolate). Trong cuộc sống hằng ngày, bánh hamburger và hot dog là những ví dụ tuyệt vời (dù hơi quá) cho các dạng này. Không biết các bạn thì sao, chứ mỗi lần cắn một miếng hamburger, hình ảnh Sao Thổ lại nảy ra trong đầu tôi.

Chúng ta dùng hiệu ứng của lực ly tâm lên vật chất để hiểu rõ hơn về tốc độ quay của những vật thể vũ trụ cực đoan. Hãy xét trường hợp sao xung (pulsar). Có một vài sao tự quay quanh trục với tốc độ hàng nghìn vòng mỗi giây, chúng ta biết rằng chúng không thể cấu thành từ những chất thông thường, vì nếu vậy, chúng sẽ xoay đến độ tự đứt lìa mình. Trên thực tế, nếu một sao xung quay với tốc độ nhanh hơn 4.500 vòng một giây, xích đạo của nó sẽ di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Nói vậy để bạn biết rằng thứ vật liệu này không giống bất cứ thứ gì cả. Để hình dung về sao xung, hãy tưởng tượng toàn bộ khối lượng Mặt Trời bị nhét vào quả bóng kích cỡ Manhattan. Nếu như vậy khó quá, có lẽ dễ hơn bạn nên tưởng tượng chuyện nhồi khoảng một trăm triệu con voi vào một thỏi son hiệu Chapstick. Để đạt được mật độ này, bạn phải nén tất cả không gian rỗng còn chừa trong nguyên tử quanh hạt nhân và giữa các electron đang quay. Việc làm này sẽ nghiền gần như tất cả electron (điện tích âm) vào proton (điện tích dương), tạo ra một quả bóng neutron (trung hòa về điện) với lực hấp dẫn bề mặt cao kinh hồn. Trong điều kiện như thế, dãy núi của một sao neutron chẳng cần phải cao quá độ dày một tờ giấy cũng đủ ngốn của bạn nhiều năng lượng hơn so với một nhà leo núi trên Trái Đất khi chinh phục vách đá độ cao năm nghìn cây số. Nói ngắn gọn, ở đâu lực hấp dẫn lớn thì các chỗ cao thường có xu hướng sụp xuống, trám vào vùng trũng - hiện tượng nghe cứ như trong Kinh Thánh, để dọn đường cho Chúa: “Mọi nơi sủng thấp sẽ được cao lên; mọi núi mọi gò sẽ bị hạ xuống; các nơi gập ghềnh sẽ làm cho bằng; các nơi dốc hãm sẽ làm thành đồng nội” (Isaiah 40:4). Đấy là công thức tạo hình cầu nếu có một công thức như vậy. Vì tất cả lý do trên, chúng ta cho rằng sao xung là quả cầu hoàn hảo nhất trong vũ trụ.

Với các cụm thiên hà đông đúc, hình dạng chung của chúng có thể đem đến cho ta kiến giải sâu sắc về vật lý thiên văn. Một số thì gồ ghề. Một số bị kéo giãn thành sợi mỏng. Một số hình thành các tấm mỏng mênh mông. Chẳng có cái nào chịu mang dạng ổn định do lực hấp dẫn - hình cầu. Một số cụm bị kéo dài đến nỗi mười bốn tỉ năm dòng đời vũ trụ không đủ để các thiên hà cấu thành nên chúng băng qua được bên kia của cụm. Chúng ta kết luận rằng các cụm được sinh ra như thế vì những tương tác hấp dẫn giữa các thiên hà không có đủ thời gian để ảnh hưởng đến hình dạng cụm.

Nhưng những hệ khác, chẳng hạn cụm thiên hà Coma dạng cầu xinh đẹp, mà ta đã gặp trong chương về vật chất tối, cho ta biết ngay tức khắc rằng lực hấp dẫn đã nhào nặn toàn cụm thành hình cầu và, kết quả là, bạn có thể nhìn thấy một thiên hà di chuyển theo hướng này hay hướng khác. Nếu quả đúng như vậy thì cụm thiên hà không thể tự quay quá nhanh; nếu không chúng ta sẽ thấy hiện tượng bẹt ra, như hiện tượng từng phương hại đến dải Ngân Hà.

Cụm Coma, tương tự Ngân Hà, cũng trưởng thành về lực hấp dẫn. Theo biệt ngữ vật lý thiên văn, những hệ như vậy được gọi là “được thư giản”; ý này có nhiều nghĩa, bao gồm thực tế ngẫu nhiên rằng vận tốc trung bình của những thiên hà trong cụm có thể đóng vai trò là một chỉ báo xuất sắc cho tổng khối lượng của toàn hệ, bất kể các vật thể dùng để tính vận tốc trung bình có góp vào tổng khối lượng ấy hay không. Vì những lý do này mà các hệ được thư giãn về trọng trường trở thành công cụ xuất sắc để thăm dò thứ vật chất “tối” không phát sáng. Cho phép tôi tuyên bố mạnh miệng hơn nữa: nếu không nhờ các hệ thư giãn thì có lẽ đến nay ta vẫn còn chưa phát hiện được sự hiện diện khắp nơi nơi của vật chất tối.

Hình cầu bao lại tất cả các khối cầu - cái to nhất và hoàn hảo hơn cả - là toàn bộ vũ trụ quan sát được. Từ mọi hướng ta nhìn, các thiên hà lùi xa ta với tốc độ tỉ lệ với khoảng cách từ ta đến chúng. Như đã thấy ở vài chương trước, đây là dấu hiệu nổi tiếng của một vũ trụ đang giãn nở, do Edwin Hubble phát hiện vào năm 1929. Khi bạn kết hợp thuyết tương đối của Einstein với vận tốc ánh sáng, với vũ trụ đang giãn nở, và sự loãng ra của khối lượng và năng lượng trong không gian do hệ quả của sự giãn nở, thì từ chỗ ta mà nhìn về mọi hướng đều sẽ có một khoảng cách nơi mà vận tốc lùi xa của thiên hà bằng với tốc độ ánh sáng. Từ khoảng cách này trở đi, ánh sáng từ mọi vật thể phát sáng sẽ mất hết năng lượng trước khi đến được với chúng ta. Vũ trụ bên ngoài “rìa” hình cầu này vì thế trở nên vô hình, và đến nay như ta hiểu, phần vũ trụ ấy là không thể hiểu được.

Có một biến thể rất phổ biến của ý tưởng đa vũ trụ, nó cho rằng các vũ trụ cấu thành đa vũ trụ không hoàn toàn tách biệt, mà chúng là các túi không gian cách biệt, không tương tác với nhau, nằm bên trong một kết cấu không-thời gian liên tục - như đám thuyền trên biển cả, đủ xa nhau để những đường chân trời hình tròn của chúng không giao cắt. Bằng tất cả những gì mà mỗi một con tàu có thể xác định được, nếu không có dữ liệu phụ trợ, thì nó chỉ thấy nó là con tàu độc nhất trên đại dương.

Dạng khối cầu quả là công cụ lý thuyết màu mỡ để giúp ta có được kiến giải đủ kiểu vấn đề của vật lý thiên văn. Nhưng ta cũng đừng nên quá cuồng hình cầu. Tôi nhớ lại một chuyện nửa đùa nửa thật về cách tăng sản lượng sữa trong một trang trại: Một chuyên gia chăn nuôi có thể nói, “Hãy xem xét chế độ ăn uống của con bò…” Một kỹ sư có thể nói, “Hãy xem xét thiết kế của máy vắt sữa…” Nhưng chỉ có nhà vật lý thiên văn mới nói, “Nếu ta xem xét trường hợp con bò hình cầu…”

[1] Pillsbury Doughboy là chàng đầu bếp bằng bánh bao ngộ nghĩnh, cũng là hình tượng quảng cáo đặc trưng của công ty Pillsbury. (ND)