Lịch sử vật lí thế kỉ 20 – Phần 55

Alfred B. Bortz

Những bất ngờ trong vũ trụ học

Những khám phá trong ngành vật lí hạt cơ bản trong những năm 1990 là có thể đoán trước, nhưng còn lĩnh vực có liên quan gần gũi nhất, vũ trụ học, hóa ra lại chứa đầy những bất ngờ. Làm thế nào cơ sở vật lí của vũ trụ xem như một tổng thể lại có quan hệ gần gũi với ngành vật lí hạt cơ bản? Câu trả lời nằm ở chỗ sự nỗ lực tìm hiểu bản thân Big Bang. Trong những thời khắc đầu tiên như khoa học biết về nó, toàn bộ vật chất trong vũ trụ tập trung vào một thể tích rất nhỏ. Thời kì lạm phát vũ trụ kết thúc khi vũ trụ khoảng một phần trăm của một phần triệu triệu triệu triệu triệu giây tuổi. Sau đó, trong vài micro giây (phần triệu của giây) đầu tiên còn lại, vật chất của vũ trụ không còn nóng và bị nén nên các meson và baryon không còn ở chung với nhau nữa. Thay vào đó, toàn bộ vật chất trong vũ trụ ở trong một dạng gọi là plasma quark-gluon. Vào giữa thập niên 1990, những cỗ máy gia tốc hạt mạnh nhất thế giới đã có khả năng tạo ra một trạng thái của vật chất tương tự như thế. Các nhà vật lí không thống nhất với nhau được rằng các plasma quark-gluon thật sự có được tạo ra trong những cỗ máy gia tốc đó hay không, nhưng họ hi vọng nhất định Máy Va chạm Hadron Lớn sẽ tạo ra được kì công như vậy. Khi điều đó xảy ra, họ hi vọng có thể thiết kế các thí nghiệm để nghiên cứu các điều kiện tồn tại ngay trước khi các meson và baryon – những hạt sơ cấp mà chúng ta biết – đi vào hiện hữu.

Nói cách khác, mục tiêu là kiểm tra các lí thuyết của tổng thể vũ trụ trong các phòng thí nghiệm của một hành tinh bé nhỏ. Sức cuốn hút đối với công việc đó ngày một tăng dần trong thập niên 1990 khi các nhà thiên văn phát triển các công cụ để trau chuốt bức tranh của họ về Big Bang bằng cách nghiên cứu ánh sáng rất sơ khởi và những ngôi sao đầu tiên. Ánh sáng đầu tiên đã rời khỏi nguồn phát của chúng cách nay bao lâu rồi? Để trả lời câu hỏi đó đòi hỏi phải xét kĩ hơn về các sự kiện xảy ra sau thời kì plasma quark-gluon, khi các quark trong vũ trụ đang nguội đi hình thành nên các cặp (meson) và các bộ ba (baryon). Khi vật chất đó ngày một lạnh đi và phân tán rộng ra hơn, lực điện từ và lực hấp dẫn bắt đầu giữ một vai trò quan trọng hơn. Sau khoảng 380.000 năm (khoảng 1/36.000 cái tuổi 13,7 tỉ năm của vũ trụ), vật chất vũ trụ đã nguội đi tới điểm các nguyên tử có thể hình thành. Tại điểm đó, vũ trụ trở nên trong suốt, cho nên đó là tuổi của ánh sáng le lói cổ xưa nhất trong phông nền vũ trụ. Sau đó, lực hấp dẫn hút các nguyên tử lại với nhau, tạo thành các đám mây khí và các ngôi sao. Sự kiện đó xảy ra lúc khoảng 200 triệu năm – chưa tới 2% tuổi của vũ trụ.

Bức xạ nền vũ trụ chứa các thông tin về những sự kiện sơ khai đó, cho nên chúng có thể được nghiên cứu trực tiếp. Trong thời gian trước đó, từ lúc vũ trụ là một plasma quark-gluon cho đến lúc nó trở nên trong suốt, các nhà vật lí thuộc thập niên 1990 đã và đang phát triển các lí thuyết để mô tả sự tiến triển của nó. Các nhà vật lí hạt hi vọng nghiên cứu plasma quark-gluon đó trong các máy gia tốc hạt của họ, còn các nhà thiên văn thì hi vọng phát hiện ra ánh sáng sơ khai nhất và những ngôi sao đầu tiên với những tiến bộ công nghệ mới nhất của họ. Một lí thuyết giải thích thành công cả hai hệ thống quan sát có thể hợp nhất tất cả các lực cơ bản, toàn bộ vật chất và năng lượng, và bao trùm lịch sử của toàn bộ vũ trụ từ sơ cấp cho đến vĩ mô. Đó chắc chắn sẽ là một kì công, một lí thuyết của tất cả!

Một lí thuyết thì không mạnh hơn hệ dữ liệu mà nó xây dựng trên đó. Các nhà vũ trụ học nhận ra rằng họ cần có một bức tranh cụ thể hơn nhiều của vũ trụ xa xôi, bao gồm cả phông nền vũ trụ. Vào ngày 18 tháng 11 năm 1989, NASA đã cho phóng vệ tinh Tàu khảo sát Phông nền Vũ trụ (COBE) vào quỹ đạo gần địa cực của Trái đất cho phép ba thiết bị khoa học chủ chốt của nó khảo sát toàn bộ bầu trời trong hành trình một năm. Nó tiếp tục hoạt động cho đến cuối năm 1993. Nó không những mang lại bằng chứng rõ ràng ủng hộ cho lí thuyết Big Bang, mà nó còn làm sáng tỏ rằng vũ trụ có một cấu trúc tương tự như các bọt bóng xà phòng nối lại với nhau. Các nhà thiên văn vốn biết rằng các thiên hà tập trung thành các đám, nhưng COBE tiết lộ dấu hiệu của các siêu đám – tức các đám tập trung của các đám thiên hà – trải ra tựa như những tấm vật chất mỏng khổng lồ bao xung quanh những khoảng trống rỗng mênh mông. Lời giải thích có khả năng nhất cho cấu trúc đó là nó có nguyên do từ sự không đồng đều trong sự phân bố vật chất sơ khai nhất hình thành lúc Big Bang, bị thổi phồng lên bởi sức hút hấp dẫn. Những khám phá đó đã mang lại Giải Nobel Vật lí năm 2006 cho những người đứng đầu nhóm khoa học COBE, John C. Mather (1946– ) và George F. Smoot (1945– ).

Các kết quả của COBE thật khó hiểu, và các nhà vũ trụ muốn có nhiều thông tin hơn. Vào năm 1995, họ bắt đầu lên kế hoạch cho một dự án đầy tham vọng, Tàu khảo sát Vi sóng Phi đẳng hướng Wilkinson (WMAP), để lập bản đồ phông nền vũ trụ một cách sắc nét hơn. NASA đã phê chuẩn, đồng ý cho phát triển sứ mệnh đó vào năm 1997, và nó đã được phóng lên quỹ đạo vào ngày 30 tháng 6 năm 2001. Các kết quả sơ bộ đáng chú ý của dự án đang triển khai này, trong đó có việc xét lại nhu cầu cần có hằng số vũ trụ Einstein (xem chương 2-3), đã được mô tả trong chương 11.

Cả COBE lẫn WMAP không dự định phát hiện hay đo lường từng thiên hà một. Nói chung, chúng thuộc về các nghiên cứu nằm trong một rừng nghiên cứu khổng lồ, nhưng trừ khi có ai đó chỉ tên được từng bụi cây riêng lẻ, còn không thì các kết luận vẫn đáng nghi ngờ. Đó là động lực cho dự án Khảo sát Bầu trời Số Sloan (SDSS) bắt đầu vào năm 1998 là một dự án 5 năm, nhằm tổng điều tra dân số thiên hà trong một phần tư của bầu trời. Dự án bao gồm một số lượng lớn các đài thiên văn mặt đất lớn nhất trên thế giới, và Kính thiên văn vũ trụ Hubble, tất cả đều đang khảo sát ở những giới hạn của sự quan sát. Giống như WMAP, SDSS đã mang lại những kết quả đáng kể (xem chương 11), và cả hai hiện đang làm sáng tỏ cho các nghiên cứu vũ trụ học.

Các phát triển khác liên quan đến vật lí trong thập niên 1990

Nghiên cứu và tiến bộ tiếp tục phát triển trong một số lĩnh vực công nghệ liên quan đến vật lí trong thập niên 1990, nhưng không có những đột phá lớn nào. Sự phát triển công nghệ điện tử tiếp tục trên con đường dễ thấy rõ của nó, nhưng các thành tựu chủ yếu tập trung vào các kĩ thuật xử lí chất liệu dẫn tới sự thu nhỏ kích cỡ và tăng tốc độ, chứ không phải những nguyên lí vật lí mới. Những tiến bộ đó đã làm tăng thêm nhu cầu sử dụng và số lượng điện thoại, và sự bùng nổ của Internet và World Wide Web. Những người chưa bao giờ nghe nói tới e-mail và “lướt net” vào năm 1991, thì chỉ vài năm sau đã trở thành những người dùng thường xuyên. Tương tự, nghiên cứu tiếp tục triển khai trong lĩnh vực siêu dẫn, nhưng không ai thực hiện bước đột phá nào, hoặc là tìm ra những họ chất liệu siêu dẫn mới, hoặc là phát triển một lí thuyết kiểu BCS áp dụng cho các chất siêu dẫn nhiệt độ cao mới của thập niên 1980.

Thập niên 1990 đã bắt đầu với niềm hi vọng dùng sự nhiệt hạt nhân làm một nguồn cấp điện tối hậu. Năm 1991, dự án Torus Liên minh châu Âu (JET) đã tạo ra những xung năng lượng duy trì đầu tiên từ một lò phản ứng nhiệt hạt nhân có điều khiển. Dự án tiếp tục triển khai, nhưng tính khả thi thương mại tương lai của nó vẫn hết sức mơ hồ. Thật không may, vì vào cuối thập niên 1990, một số tổ chức khoa học chính yếu đã tuyên bố rằng việc đốt các nhiên liệu hóa thạch là một vấn đề toàn cầu nghiêm trọng. Một số nhà khoa học cảnh báo rằng nhiệt độ đang tăng dần, đặc biệt ở Bắc Cực, là dấu hiệu của những vấn đề lớn thách thức sự ổn định chính trị và sự phát triển kinh tế trong thế giới thế kỉ 21. Điều quan trọng là đi tìm các nguồn năng lượng không sản sinh ra carbon dioxide.

Trong các ngành khoa học vật chất, một vài sự kiện quan trọng trong lĩnh vực thiên văn học hành tinh đã thu hút sự chú ý của công chúng. Năm 1994, “chuỗi cườm” kì lạ của sao chổi Shoemaker-Levy 9, đã phát hiện ra trước đó một năm, lao vào các chóp mây của Mộc tinh, tạo ra cảnh tượng hoành tráng khi đá vũ trụ va chạm thường xuyên với các hành tinh. Khi đó, lời giải thích của đội Alvarez về sự bất thường iridium là hệ quả của một vụ va chạm tiểu hành tinh hồi 65 triệu năm trước được chấp nhận rộng rãi. Đa số các nhà khoa học xem hố Chicxulub là “vết súng”. Sự kết hợp của hai sự kiện ngoạn mục đã làm tăng thêm nhận thức của công chúng trước sự nguy hiểm rất thực tế nhưng xa xôi của các vụ va chạm vũ trụ. Các nhà văn viễn tưởng đã sáng tác nhiều tiểu thuyết và kịch bản phim (thí dụ như Chạm trán Khốc liệt and Quyết chiến) dựa trên các va chạm đến từ vũ trụ, nhưng điều quan trọng hơn, một số chính phủ đã tăng thêm tài trợ cho các dự án nhận dạng cái gọi là các vật thể gần trái đất có nguy cơ va chạm với hành tinh chúng ta.

Một khám phá hành tinh học đình đám khác xuất hiện vào năm 1996, khi một nhóm nhà khoa học NASA đưa ra một công bố đầy kịch tính về một thiên thạch mà họ đang nghiên cứu. Tên gọi là Thiên thạch ALH84001, tảng đá trên trước đó được nhận dạng là một mảnh của sao Hỏa đã bắn vọt vào vũ trụ do một cú va chạm thiên thạch và cuối cùng rơi xuống Trái đất. Nó là một tảng đá cổ và phức tạp với một lịch sử địa chất hấp dẫn, trong đó có những giọt trầm tích nhỏ lắng đọng bởi nước chảy trong lịch sử sao Hỏa thời sơ khai. Các ảnh chụp hiển vi điện tử và phân tích vi cơ cho thấy các khoáng chất và cấu trúc được xem là những dấu hiệu của sự sống vi sinh trong một tảng đá trên Trái đất. Có thể sự sống đã phát sinh trên sao Hỏa đồng thời với lúc nó phát sinh trên Trái đất chăng? Bằng chứng thật trêu ngươi nhưng không có sức thuyết phục. Các nhà phê bình thì đưa ra những lời giải thích khác, và các luận cứ xác thực cho kết luận ban đầu tiếp tục được nêu ra. Mặc dù không có bên nào có được kết luận cuối cùng, nhưng cả hai phe đều thống nhất rằng cần có thêm bằng chứng mới có thể kết luận dứt khoát được. Một bằng chứng như vậy có thể sẽ xuất hiện trong vòng chừng vài thập niên tới, là kết quả của các sứ mệnh rô bôt (và có khả năng cả con người nữa) lên sao Hỏa.

Vào giữa thập niên 1990, sự chú ý của công chúng chuyển sang các hành tinh nằm ngoài Hỏa tinh và Mộc tinh. Một vài đội nghiên cứu thiên văn đã phát triển các kĩ thuật nhận dạng các hành tinh ngoài hệ mặt trời, nghĩa là các đồng hành hành tinh của những ngôi sao khác, ngoài Mặt trời của chúng ta ra. Vào cuối thế kỉ 20, người ta đã biết có hàng chục ngôi sao có các hành tinh, và rõ ràng những hệ hành tinh như thế là phổ biến. Công nghệ kính thiên văn chưa phát triển tới mức có thể nhận dạng ra các hệ hành tinh có thể chứa những vật thể giống Trái đất, nhưng một số thiết bị săn lùng hành tinh đặt trên mặt đất và trong không gian đã và đang được phát triển khi thế kỉ mới và thiên niên kỉ mới bắt đầu vào năm 2001.

Còn tiếp....