Chắc chắn, thế giới của các hạt cơ bản rất hấp dẫn và kích thích trí tưởng tượng của tôi. Tuy nhiên, có một lĩnh vực khác ngày càng chiếm được sự chú ý của tôi. Tôi phát hiện ra rằng, nếu Caltech là một trong những trung tâm đầu tiên của thế giới về vật lí, thì nó cũng đi đầu trong lĩnh vực thiên văn học. Đại học này có kính thiên văn lớn nhất thế giới vào thời điểm đó, nó được đặt trên núi Palomar cách xa vài trăm km về phía nam của Los Angeles, với một gương có đường kính 5m. Tôi cũng vô cùng ngạc nhiên khi biết rằng, Caltech có truyền thống đáng nể về thiên văn học. Trường luôn gắn với những kính thiên văn lớn nhất của mỗi thời kì. Lịch sử bắt đầu từ đầu thế kỉ 20, vào năm 1908, khi Andrew Carnegie, ông trùm ngành thép, đã tài trợ xây dựng một kính thiên văn với đường kính l,5m trên núi Wilson, gần Los Angeles, và một chiếc nữa với đường kính 2,5m vào năm 1922, chẳng bao lâu điều này đã làm thay đổi bộ mặt của thế giới.

Nên biết rằng, ánh sáng là mối liên lạc chính giữa con người và vũ trụ, và rằng nhiệm vụ chính của nhà thiên văn là thu thập ánh sáng để giải mã vũ trụ mà nó mang tới. Các kính thiên văn lớn cho phép nhìn thấy những ngôi sao với độ sáng rất yếu. Điều này đồng nghĩa với việc nhìn xa hơn vào không gian, cũng tức là thấy sớm hơn, bởi ánh sáng cần có thời gian để tới được chúng ta. Ngay cả khi nó di chuyển với tốc độ cao nhất có thể trong vũ trụ, 300.000 km mỗi giây - mỗi tíc tắc đồng hồ ánh sáng đã đi được bảy vòng xung quanh Trái Đất! - nhưng thế vẫn chỉ là tốc độ của con ốc sên ở thang vũ trụ. Chẳng hạn, chúng ta thấy Mặt Trăng sau hơn một giây, sau tám phút đối với Mặt Trời, và ngôi sao gần nhất sau hơn bốn năm. Kính thiên văn, những thánh đường hiện đại thu thập ánh sáng từ vũ trụ, thật sự là những cỗ máy ngược thời gian.

Nhưng tôi đặc biệt bị quyến rũ bởi cuộc phiêu lưu của một người đã gắn bó với Caltech, và phát hiện của ông đã làm thay đổi thế giới quan của chúng ta. Sử dụng các kính thiên văn trên các dãy núi Wilson và Palomar, đã mở rộng chân trời của thiên văn học và mở đường cho chàng sinh viên trẻ là tôi.

Vào những năm đầu thế kỉ 20, các cuộc tranh luận nổ ra mạnh mẽ về kích thước và giới hạn của vũ trụ: vũ trụ chỉ giới hạn trong thiên hà của chúng ta là dải Ngân Hà, tập hợp của 100 tỉ Mặt Trời gắn kết với nhau bởi lực hấp dẫn thành một cái đĩa có đường kính 90.000 năm ánh sáng hay còn mở rộng ra nhiều hơn nữa? Có tồn tại các thiên hà khác giống thiên hà của chúng ta, vượt ra ngoài giới hạn của nó, những “hòn đảo vũ trụ” khác, như suy đoán từ năm 1775 của nhà triết học Đức Immanuel Kant? Các kính thiên văn lớn mới được xây dựng đã phát hiện ra sự tồn tại trên bầu trời nhiều vệt sáng yếu và không rõ ràng được gọi là “tinh vân” (từ tiếng Latin nebula có nghĩa là “đám mây”), nhưng bản chất thực sự của chúng thì vẫn chưa ai biết. Một số người nghĩ rằng vũ trụ chỉ giới hạn trong dải Ngân Hà và các tinh vân cũng nằm trong đó: chúng chẳng qua cũng chỉ là những đám mây khí tương đối gần được chiếu sáng bởi các ngôi sao. Những người khác không cho là thế. Và rồi xuất hiện một người Mỹ trẻ tuổi, người đã từ bỏ nghề luật sư để đến với thiên văn học, tên là Edwin Hubble mà kính thiên văn không gian sau này được mang tên ông. Năm 1924, ông đã tiến hành đo khoảng cách tới tinh vân Andromeda (Tiên nữ) bằng kính thiên văn có đường kính 2,5m vừa được xây dựng trên đỉnh Wilson. Ông đã đo được khoảng cách tới tinh vân này là 900.000 năm ánh sáng (theo đo đạc và tính toán hiện nay là 23 triệu năm ánh sáng), tức là vượt ra xa ngoài dải Ngân Hà của chúng ta. Nghĩa là Andromeda trở thành một thiên hà, chị em sinh đôi với thiên hà của chúng ta. Như vậy, cánh cửa của vũ trụ ra ngoài thiên hà đã được mở rộng. Vũ trụ đột nhiên trở thành có vô số các thiên hà. Và những hòn đảo-vũ trụ của Kant đã trở thành hiện thực. Bây giờ chúng ta biết rằng dải Ngân Hà của chúng ta chỉ là một trong số một trăm tỉ thiên hà chứa trong vũ trụ quan sát được. Tuy nhiên, Hubble không có ý định dừng lại ở đó. Ông đã tấn công một vấn đề đã từng làm bối rối các nhà thiên văn học trong nhiều năm. Trước đó rất lâu, dù không hiểu bản chất thực sự, nhưng khi quan sát các tinh vân họ nhận thấy rằng ánh sáng của chúng đều có màu đỏ. Màu đỏ này được gán cho việc dịch chuyển ra xa (hiện tượng này được gọi là hiệu ứng “Doppler”, cũng áp dụng được cả cho âm thanh: âm thanh của tiếng còi xe cứu thương sẽ đột nhiên trở nên trầm hơn với một người đứng yên ngay khi xe cứu thương vượt qua và đi về phía xa). Sự dịch chuyển ra xa của một thiên hà càng nhanh thì ánh sáng của nó càng bị đỏ. Điều này có nghĩa là ta chỉ cần đo độ đỏ của ánh sáng tới từ một thiên hà thì có thể suy ra vận tốc dịch chuyển ra xa của nó. Sau Andromeda, Hubble tiến hành đo lường, vẫn với kính thiên văn ở đỉnh Wilson, khoảng cách và tốc độ dịch ra xa của các thiên hà khác bằng cách sử dụng độ đỏ của ánh sáng của chúng. Những cố gắng của ông đã được đền đáp xứng đáng. Năm 1929, ông công bố phát hiện lớn thứ hai của mình: nếu tất cả các thiên hà khác đều dịch chuyển ra xa dải Ngân Hà, thì chuyển động này không phải ngẫu nhiên. Và nhà thiên văn học đã tuyên bố cái mà bây giờ gọi là “định luật Hubble”: tốc độ dịch chuyển ra xa của một thiên hà tỉ lệ thuận với khoảng cách từ nó tới Trái Đất. Một thiên hà ở xa hơn ba lần sẽ dịch chuyển ra xa nhanh hơn ba lần, một thiên hà ở xa hơn mười lần sẽ dịch chuyển ra xa nhanh hơn mười lần. Và chuyển động chạy ra xa này như nhau theo tất cả các hướng. Mặc dù có vẻ khác thường và kì lạ, nhưng kết luận rút ra là tất yếu: vũ trụ đang dãn nở.

Một hệ quả chủ yếu nữa của việc tốc độ dịch chuyển ra xa của một thiên hà tỉ lệ tương ứng với khoảng cách của nó tới Trái Đất: đó là vũ trụ có một khởi đầu. Thực vậy, thời gian để mỗi thiên hà dịch chuyển từ vị trí ban đầu tới vị trí hiện tại chính là tỉ lệ giữa khoảng cách và tốc độ của nó.

Chính vì tốc độ tỉ lệ thuận với khoảng cách, nên thời gian này là chính xác như nhau cho mọi thiên hà. Nếu chuỗi các sự kiện được đảo ngược lại, thì tất cả các thiên hà sẽ gặp nhau ở cùng một vị trí tại cùng một thời điểm. Đó chính là ý tưởng về một vụ nổ lớn khởi đầu, “Big Bang”, nguyên nhân gây ra sự dãn nở hiện tại của vũ trụ. Như thế, Hubble đã đặt một cột trụ quan sát đầu tiên cho lí thuyết Big Bang.

Cái bóng của nhà thiên văn vĩ đại vẫn bao phủ lên khuôn viên nhà trường, và huyền thoại về những khám phá phi thường của ông đã gây một ấn tượng mạnh mẽ trong tâm trí còn non trẻ của tôi. Song, không chỉ có quá khứ đập mạnh vào trí tưởng tượng của tôi, mà hiện tại cũng có nhiều kích thích về mặt trí tuệ. Những năm 1960 đã chứng kiến liên tiếp một loạt các khám phá ngoạn mục. Một số thậm chí được thực hiện ngay tại khuôn viên nhà trường. Như vào năm 1963, một giáo sư thiên văn học của tôi là Maarten Schmidt phát hiện ra các quasar (chuẩn tính), các đối tượng tuyệt vời có độ sáng nội tại mạnh nhất của vũ trụ và phát ra năng lượng bằng cả một thiên hà mà chỉ giới hạn trong một thể tích lớn hơn Hệ Mặt Trời một chút. Nằm bên rìa của vũ trụ, đây là những thiên hà mà tâm của chúng chứa một lỗ đen khổng lồ với khối lượng lớn gấp nhiều tỉ lần Mặt Trời. Và chính lỗ đen này, vì tính tham ăn vô độ của mình, đã xé nát và nuốt chửng tất cả các ngôi sao của thiên hà chủ, đã tạo ra độ sáng tuyệt vời của các quasar.

Hai năm sau, năm 1965, tới lượt phát hiện của Amo Penzias - người sau này trở thành một trong những giáo sư của tôi tại Princeton - và Robert Wilson, hai nhà thiên văn học vô tuyến người Mỹ làm việc trong một phòng thí nghiệm của công ti điện thoại Bell, về bức xạ nền (hay còn gọi là bức xạ tàn dư, hay bức xạ hóa thạch) của vũ trụ, phần nhiệt còn sót lại từ Big Bang. Bức xạ này tới từ xa xưa (380 ngàn năm sau vụ nổ lớn) và tràn ngập toàn bộ vũ trụ. Sự tồn tại của nó cho chúng ta biết rằng vũ trụ bắt đầu từ một trạng thái cực kì nóng và đặc. Cùng với sự dãn nở của vũ trụ, bức xạ nền vũ trụ là một trong những nền tảng của lí thuyết Big Bang. Chính sự phát hiện này đã lôi kéo được đa số các nhà khoa học. Nó cũng là trở ngại lớn đối với hầu hết các lí thuyết đối thủ.

Năm 1967, một khám phá vĩ đại khác về các pulsar (ẩn tinh), xác của các ngôi sao chỉ bao gồm nơtron và phát ra bức xạ radio (vô tuyến) dưới dạng một chùm tia hẹp quét không gian như ánh sáng của một ngọn hải đăng trên biển. Mỗi khi chùm tia quét qua Trái Đất, một tín hiệu ánh sáng được phát hiện bởi kính thiên văn của chúng tới các khoảng cách nhau một khoảng thời gian cần cho các ngôi sao tự quay quanh mình hết một vòng diễn ra đều đặn và chính xác như một máy gõ nhịp, và đó là lí do tại sao các sao nơtron cũng được biết đến với tên “pulsar” (tiếng Anh pulse có nghĩa là nhịp đập). Những năm 1960 cũng là thời kì thám hiểm Hệ Mặt Trời bằng các vệ tinh không gian. Kể từ khi vệ tinh nhân tạo đầu tiên, Sputnik, được phóng lên quỹ đạo năm 1957, con người, về phương diện nào đó, đã “vệ tinh hóa” con mắt của mình. Sự phát triển của ngành hàng không vũ trụ và chinh phục không gian đã cho phép đưa lên bên trên khí quyển các kính thiên văn bằng khí cầu, tên lửa hay vệ tinh. Và cả ở đây nữa, Caltech lại đóng một vai trò trung tâm. Trung tâm của NASA (Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ) chịu trách nhiệm về tất cả các chuyến thăm dò Hệ Mặt Trời bằng tàu thăm dò không gian, Jet Propulsion Laboratory, đều có liên kết với nhà trường.

Tôi sẽ còn nhớ mãi những cảm xúc tràn ngập trong tôi khi tàu thăm dò Mariner 9 gửi từ Hỏa tinh về những hình ảnh đầu tiên, vào năm 1969. Tôi vẫn như còn nhìn thấy rõ mồn một trước mắt mình màn hình khổng lồ mà một giáo viên của tôi đã lắp đặt trong lớp; trên màn hình đó hình ảnh được hình thành trực tiếp, từng điểm ảnh một trước mắt chúng tôi, khi tín hiệu vô tuyến về tới Trái Đất. Đó là một cảm giác không thể mô tả khi thấy Hỏa tinh lần đầu tiên lộ cho nhân loại khuôn mặt thật của nó. Tôi và các bạn trong lớp vô cùng ngạc nhiên, phát hiện ra bề mặt đá, khô cằn và hoang vắng của hành tinh đỏ. Chắc chắn không có thành phố nào trên sao Hỏa, cũng như chẳng hề có những người ngoài hành tinh màu xanh bé nhỏ. Các kênh đào mà các nhà thiên văn học của thế kỉ 19 tin rằng họ đã nhìn thấy chỉ là kết quả tưởng tượng quá phong phú của họ. Vậy là người Hỏa tinh, nguồn cảm hứng của rất nhiều nhà văn khoa học viễn tưởng, vẫn chỉ là… viễn tưởng! Khỏi phải nói những trải nghiệm như thế đã gây cho trí tuệ còn non trẻ của tôi ấn tượng mạnh mẽ tới mức nào. Những phát minh đó, đều xuất hiện nổi bật trên trang bìa của tất cả các báo, chỉ ngày càng cuốn hút tôi đến với vật lí thiên văn.