Big Bang có thật sự xảy ra hay không?
Ngày nay, chúng ta rất chắc chắn rằng Vũ trụ của chúng ta đã ra đời khoảng 15 tỉ năm về trước trong một trạng thái nhiệt độ và mật độ hết sức cao. Chúng ta có bằng chứng gì cho sự kiện này? Phân ngành vũ trụ học chuyên nghiên cứu sự ra đời của Vũ trụ được gọi là nguồn gốc vũ trụ học và là một trong những lĩnh vực hấp dẫn nhất trong nghiên cứu vật lí. Bằng chứng thuyết phục nhất rằng Vũ trụ của chúng ta đã được tạo ra trong một Vụ nổ Lớn, tất nhiên, nó từ việc quan sát thấy nó đang giãn nở. Như tôi đã nói ở phần trước, nếu Vũ trụ ngày một to hơn, với các thiên hà đang bay ra xa nhau, thì tại một thời điểm nào đó trong quá khứ, toàn bộ vật chất trong Vũ trụ phải bị nén lại với nhau.
Ngoài sự giãn nở của Vũ trụ, mô hình Big Bang còn được sự hậu thuẫn của hai quan sát quan trọng khác. Thứ nhất là sự dồi dào đã thấy của những nguyên tố nhẹ. Thực tế chừng ba phần tư toàn bộ các nguyên tử trong Vũ trụ là nguyên tử hydrogen và một phần tư là nguyên tử helium, những nguyên tử nhẹ nhất và dễ tạo ra nhất, với chỉ một lượng nhỏ gồm tất cả những nguyên tố khác, đòi hỏi một vũ trụ ban đầu nóng và đặc nhưng rồi nguội đi nhanh khi nó giãn nở. Tại thời điểm Big Bang, xảy ra lâu trước khi các ngôi sao và thiên hà có cơ hội hình thành, toàn bộ vật chất trong Vũ trụ bị nén lại với nhau và không có không gian trống rỗng. Ngay tức thì sau Big Bang (trong một phần rất nhỏ của một giây), các hạt hạ nguyên tử bắt đầu hình thành và, khi Vũ trụ giãn ra và bắt đầu nguội đi, những hạt này có thể dính lại với nhau để tạo ra các nguyên tử. Điều kiện nhiệt độ và áp suất phải vừa vặn thích hợp cho những nguyên tử này hình thành. Nếu nhiệt độ quá cao thì các nguyên tử không thể nào còn nguyên vẹn được. Chúng bị vỡ ra trong những xoáy cuồng nhiệt của những hạt tốc độ cao và bức xạ. Mặt khác, một khi Vũ trụ đã giãn nở chút ít, nhiệt độ và áp suất sẽ trở nên quá thấp để cho phép các nguyên tử hydrogen và helium nén lại với nhau thành những nguyên tố khác (nặng hơn). Đây là lí do chủ yếu hydrogen và helium đã hình thành trong Vũ trụ sơ khai, một quá trình xảy ra trong năm phút đầu tiên sau Big Bang. Hầu như toàn bộ những nguyên tố khác phải chờ cho đến khi chúng có thể được xào nấu bên trong các ngôi sao. Mô hình Big Bang tiên đoán tỉ lệ chính xác của hydrogen và helium mà các thiên văn đã quan sát thấy.
Mảnh bằng chứng còn lại ủng hộ cho Big Bang, giống như sự giãn nở của Vũ trụ, đã được dự báo trên lí thuyết trước khi nó được xác nhận bằng thực nghiệm, được gọi là bức xạ nền vũ trụ. Nó là “ánh le lói” của vụ nổ Big Bang và ở dạng bức xạ điện từ thấm đẫm toàn bộ không gian và có nhiệt độ ngày nay khoảng chừng ba độ trên không độ tuyệt đối (hay âm 270 độ C). Để đo nhiệt độ của bức xạ này trên thực nghiệm, chúng ta không cần gắn một cái nhiệt kế ra ngoài không gian. Thay vậy, chúng ta sử dụng cái tựa như những đĩa anten vệ tinh khổng lồ gọi là kính thiên văn vô tuyến và chúng rất nhạy nên chúng có thể “nghe thấy” tín hiệu yếu ớt của bức xạ này từ không gian sâu thẳm. Công việc này được thực hiện lần đầu tiên vào thập niên 1960 và đã được xác nhận nhiều lần kể từ đó với độ nhạy ngày càng tăng. Nếu bạn thấy điều này khó tin, thì tôi đã rất ấn tượng khi có ai đó mới đây thông báo với tôi rằng chúng ta thậm chí có thể nghe tiếng rít của sóng vô tuyến yếu ớt giải phóng bởi Mộc tinh bằng cách sử dụng một radio sóng dài.
Ngày nay, không thể nghi ngờ gì nhiều rằng Big Bang đã thật sự xảy ra. Tuy nhiên, có những vấn đề khác vẫn chưa được giải quyết. Một số vấn đề đã và đang được làm sáng tỏ tại thời điểm viết quyển sách này. Chẳng hạn, vài năm trước đây, chúng ta không biết lực hấp dẫn một ngày nào đó có làm treo sự giãn nở của Vũ trụ và làm cho nó tự co trở lại, kết thúc với toàn bộ vật chất nén lại trong một trận đại hồng thủy gọi là Vụ co Lớn, hay sự giãn nở sẽ tiếp tục mãi mãi, với Vũ trụ cứ đều đặn lạnh dần đi và kết thúc trong cái gọi là cái chết nhiệt, hay Vụ lạnh Lớn. Ngày nay, chúng ta nghĩ mình đã có câu trả lời. Hóa ra số phận của Vũ trụ không chỉ phụ thuộc vào nó chứa bao nhiêu vật chất, mà còn phụ thuộc vào vai trò của hằng số vũ trụ học của Einstein. Điều này khiến vũ trụ học có phần phức tạp hơn cái chúng ta hi vọng. Vì thế, tôi sẽ điểm qua một số vấn đề lớn này một cách thận trọng, bắt đầu với hình dạng của Vũ trụ.
Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian
Jim Al-Khalili
Bản dịch của Thuvienvatly.com
