Thuyết Big Bang

Sự giải thích nguồn gốc của vũ trụ luôn là đề tài gây nhiều tranh cãi ở mọi thời đại. Bởi vì nó không chỉ mang ý nghĩa đơn thuần về mặt khoa học mà còn có ý nghĩa về mặt thế giới quan và phương pháp luận khoa học. Có nhiều giả thuyết về nguồn gốc của vũ trụ nhưng trong thế kỉ XX thuyết được nhiều người chấp nhận đó là thuyết Big Bang. Bài viết này sẽ giới thiệu một cách sơ lược về thuyết này.

1. THUYẾT BIG BANG LÀ GÌ?

Dựa trên lý thuyết của ngành vật lý các hạt cơ bản, qua những phương tiện quan sát, tính toán và kết quả thực nghiệm trong những máy gia tốc, vật lý thiên văn hiện đại cho rằng vũ trụ được tạo ra cách đây khoảng 15 tỷ năm do một vụ nổ Nguyên Thuỷ vĩ đại gọi là Big Bang(Vụ Nổ lớn). Vũ trụ Nguyên thuỷ chỉ là một đám sương mù mờ ảo. Theo những nghiên cứu của thiên văn học hiện đại, những thiên thể như sao, các hành tinh được hình thành từ những đám khí khổng lồ bị co và đông lại vì sức hút của trường hấp dẫn trong đám khí, rồi sau đó nổ tung ra.

Năm 1985 có một nhà vật lý đã nhận xét tại hội nghị khoa học: "Việc vũ trụ khởi đầu với Big Bang khoảng 15 tỷ năm trước cũng chắc chắn như Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời". Vậy thuyết Big Bang như thế nào mà mà họ tin tưởng như vậy?

Chúng ta cấu thành từ cái gì? Vũ trụ đã bắt đầu như thế nào? Tại sao nó lại hành xử theo kiểu của nó? Chúng ta hãy cùng nhau khảo sát những câu hỏi này và bước vào thế giới của những cái rất, rất nhỏ - ngành vật lí hạt cơ bản. (Ảnh: NASA, ESA, và G. Bacon, Viện Khoa học Kính thiên văn vũ trụ)

Không nên hình dung rằng Big Bang giống như vụ nổ của một quả pháo khổng lồ, mà bạn có thể đứng lảng ra một bên để quan sát. Ở đây không có một bên nào hết, vì Big Bang là biểu hiện ra đời của chính không gian, thời gian. Bây giờ chúng ta chúng ta hãy xem cái gì đã xẩy ra sau Vụ Nổ lớn ở các khoảng thời gian khác nhau.

BigBang_517x476_015f55a85f1efc3307f3cc8a9132caff

Từ điểm Zero Big Bang đến 10^-43s. Trong khoảng thời gian cực nhỏ nhưng quan trọng này chúng ta mới biết được rất ít, bởi vì các định luật vật lý, như chúng ta đã biết, đều không đúng ở đây.

Ở 10^-43s. Nhiệt độ của vũ trụ khoảng 10²³K và vũ trụ dãn nở rất nhanh. Khi đó quá trình dãn nở rất nhanh, nhiệt độ giảm đều cho tới khi đạt tới giá trị hiện nay khoảng 3 K.

Từ 10^-43s đến 10^-35s. trong khoảng thời gian này, các lực mạnh, lực yếu và lực điện từ tác dụng như một lực duy nhất được mô tả bởi lý thuyết Thống nhất lớn, còn lực hấp dẫn tác dụng tách rời như hiện nay.

Từ 10^-35s đến 10^-10s. Lực mạnh tách ra, để lại lực điện từ, lực yếu và hấp dẫn vẫn còn tác dụng như một lực duy nhất.

Từ 10^-10s đến 10^-5s. Tất cả bốn lực đều tách biệt ra như hiện nay. Vũ trụ như một "món súp nóng" gồm các quark, leptôn và photon.

Từ 10^-5s đến 3 phút. Các quark kết hợp để tạo nên các mezon và barion. Vật chất và phản vật chất huỷ nhau quét đi phản vật chất và chỉ để lại một lượng dư nhỏ vật chất, từ đó tạo nên vũ trụ của chúng ta hiện nay.

Từ 3 phút đến 10⁵ năm. Các prôton và nơtron kết hợp để tạo ra các nucleit nhẹ và với độ phổ cập đồng vị đúng như hiện nay. Vũ trụ là một plasma của các hạt nhân và electron.

Từ 10⁵ năm đến nay. Bắt đầu thời kỳ này các nguyên tử được tạo thành. Vũ trụ trở nên trong suốt đối với các photon và bức xạ. Từ đây chúng bắt đầu một hành trình dài dằng dặc và nay mới đến được chúng ta như bức xạ nền vi ba. Rồi các các nguyên tử cụm lại để tạo ra các thiên hà, sau đó là các sao và các hành tinh, rồi hình thành chính bản thân chúng ta.

Ảnh minh họa Big Bang. (Ảnh: iStockphoto.com/Xacto)

2. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH THUYẾT BIG BANG

Có thể nói thuyết Big Bang là trí tuệ chung của nhiều nhà khoa học, được hình thành qua nhiều giai đoạn khác nhau, ở những địa danh khác nhau, mỗi giai đoạn có một cha đẻ tương ứng. Ta hãy lần lượt điểm qua các địa danh và cha đẻ của nó.

a) Người cha thiên tài Albert Einstein (1879 - 1955) đứa con vũ trụ dãn nở mà lý thuyết tương đối tổng quát của mình đã đưa ra. Theo quan niệm lúc bấy giờ tất cả mọi người, dù là vĩ nhân hay thứ dân đều nghĩ rằng vũ trụ là dừng, là bất biến không thay đổi. Chính trên quan niệm đó mà Einstein đã rất bối rối khi tìm ra các nghiệm phương trình của chính mình, đúng ra là hai nghiệm mô tả vũ trụ hoặc là đang dãn nở hoặc là co lại. Ông đã chữa cháy bằng cách thêm vào phương trình của mình một số hạng chứa "Hằng số vũ trụ" để được một nghiệm mô tả vũ trụ dừng. Vài năm sau chính Einstein phải thừa nhận rằng: "Đây là sai lầm đẹp nhất trong đời (khoa học) của tôi".

b) Người cha bị rơi vào quên lãng Alexxandro Fried Mann (1888 - 1925). Bởi chính ông là một nhà khoa học nghiên cứu các vấn đề khí động học phục vụ pháo binh. Vào năm 1920, ông bắt đầu làm quen với các phương trình Einstein. Fried Mann đã loại bỏ ngay "Số hạng vũ trụ". Bằng giấy và bút chì ông đã giải được các phương trình Einstein. Tất cả các nghiệm được chia làm hai loại, dẫn đến hai mô hình vũ trụ dãn nở mãi mãi hoặc vũ trụ dãn nở đến một thời điểm nào đó rồi co lại do lực hấp dẫn lấn át xu hướng dãn nở. Như vậy trong trường hợp thứ hai toàn bộ vật chất sẽ tập trung tại một điểm, thể tích bằng không, siêu đặc, rồi sau đó vũ trụ lại tham gia vào một pha dãn nở mới, rồi co lại, cứ như vậy. Đồng thời ông cũng tính được tuổi thọ của vũ trụ là 10 tỷ năm. Một kết quả đáng quý vào thời điểm bấy giờ. Nhưng tiếc thay Fried Mann không tiếp tục mà ông lại quay trở về công việc ban đầu của mình.

c) Người cha chính thức Greorges Lemaltre (1894 - 1966) là một vị linh mục người Bỉ, đồng thời là một nhà khoa học rất lớn, Lemaltre phát hiện ra các công trình của nhiều nhà thiên văn Mỹ, trong đó có Edwin Hubble và rút ra kết luận là trong vũ trụ tồn tại nhiều thiên hà và các thiên hà đang chạy xa nhau với vận tốc lớn, bởi vì vũ trụ đang dãn nở. Ngoài ra Lemaltre đưa thêm một ý tưởng thiên tài rằng: vũ trụ có một thời điểm khởi đầu.

d) Người cha lơ đãng George Gamow (1904 - 1968): Vào những năm 40 vật lý hạt nhân đang còn ở giai đoạn thiếu thời, không ai có thể tin được ý tưởng siêu nguyên tử nguyên thuỷ của Lemaltre. Người ta cho rằng có thể lúc đầu toàn bộ vật chất vũ trụ tồn tại dưới dạng một khối nơtron lạnh giá, một loại Vụ Nổ lớn lạnh. Gamow về phần mình lại tin vào Vụ Nổ lớn nóng, nóng khủng khiếp và đã giải thích được tỷ lệ các nguyên tố hoá học trong thiên nhiên: 72% Hiđrô, 7% Hêli còn tất cả những nguyên tố nặng hợp lại không đến 1%. Gamow cùng các đồng nghiệp cũng đã đề cập đến trụ cột thứ ba của thuyết Vụ Nổ lớn bằng cách cho rằng ngày nay vẫn phải còn tồn tại một dấu vết gì đó của nồi xúp nguyên thuỷ, đó là bức xạ "hoá thạch" soi sáng tận cùng sâu thẳm của vũ trụ. Ông cũng tính được bức xạ này có nhiệt độ là 5K. Đáng tiếc lúc bấy giờ điều tiên đoán này chẳng được ai quan tâm. Mãi đến năm 1965 mới có hai thanh niên nhảy lên vũ đài và đem lại thắng lợi lớn cho thuyết Vụ Nổ lớn của Gamow.

Như vậy bằng trí tuệ thiên tài, các nhà Thiên văn Vật lý đã đưa ra một mô hình lý thuyết về Vụ Nổ lớn Big Bang có sức thuyết phục nhất từ trước đến nay. Cho đến thời điểm này thì bằng những quan sát, thực nghiệm họ đã chứng minh được lý thuyết đã đưa ra là đúng đắn.

3. CÁC CHỨNG CỨ THỰC NGHIỆM

Tại sao các nhà Thiên văn lại khẳng định vụ nổ này xảy ra cách đây 15 tỉ năm mà không phải là khoảng thời gian khác?

Bởi theo trên sau Vụ Nổ lớn tạo ra không thời gian, vật chất được hình thành. Những đám mây bụi khí tích tụ hấp dẫn tạo thành các sao. Trong quá trình tích tụ này một phần năng lượng hấp dẫn được toả ra xung quanh và một phần làm nóng nhân của phôi sao. Phôi sao tiếp tục co cho đến nhiệt độ ở trong nhân có thể lên đến chục triệu độ. Từ đó các hạt nhân Hiđrô chuyển động cực nhanh và do hiệu ứng đường ngầm tạo thành Đơtêri rồi thành Hêli sau đó năng lượng hạt nhân được giải phóng, áp suất bức xạ tăng mạnh làm ngừng sự co của phôi sao, chuyển sang giai đoạn ổn định, nhân của chúng đạt tới khối lượng vào khoảng 10 - 12% khối lượng của Mặt Trời. Bằng kính viễn vọng Hubble các nhà Thiên văn quan sát được các thiên hà, các sao có tuổi thấp hơn giá trị 15 tỉ năm.

Sự phát hiện ra bức xạ tàn dư mà Gamow đã tiên đoán là một trong những bằng chứng hùng hồn cho sự đúng đắn của thuyết Big Bang.

Vào năm 1965, hai chàng kỹ sư trẻ tuổi dùng bàn chải kỳ cọ nhẹ nhàng ăngten Rađiô có dạng cái phễu kích thước 1,2m. Thiết bị siêu nhạy này của công ty Bell Telephone được lắp đặt vào năm 1960 ở Gawford Hill, tiểu bang New Jersay, với mục đích thu nhận các tín hiệu Rađiô từ vệ tinh ECHO (nhưng lúc đó không dùng nữa!).

Robert W. Wilson và Arno Pentias (hai chàng kỹ sư trẻ tuổi: 31 và 34 tuổi lúc bấy giờ) quyết định dùng ăngten này để đo bức xạ rađiô của môi trường giữa các sao trong Thiên hà của chúng ta ở bước sóng 7,35 cm. Pentias và Wilson vừa tốt nghiệp đại học không lâu, cả hai chưa bao giờ nghe nói về sự tồn tại bức xạ tàn dư được Gamow tiên đoán. Sau vài tuần lễ đo đạc, hai thanh niên này bắt đầu sốt ruột vì luôn luôn thu được một tiếng ồn rađiô cường độ không đổi, dù ăngten được quay đi hướng nào chăng nữa.

Rõ ràng bức xạ đó không thể được phát ra từ Thiên hà của chúng ta, vì khi đó nó sẽ phụ thuộc định hướng tương đối của ăngten so với mặt phẳng Thiên hà. Họ nghĩ: ”hay tiếng ồn do chính ăngten gây ra?”.

Các bộ phận được lau chùi rồi kiểm tra đi, kiểm tra lại; kết quả: bức xạ thu được vẫn như cũ không gì thay đổi. Vậy chỉ còn cách thừa nhận rằng tiếng ồn rađiô đó đến từ nơi tận cùng của vũ trụ, rất xa bên ngoài Thiên hà của chúng ta. Pentias bèn gọi điện thoại ngay cho Rôbert Dicke (người đã trình bày tiên đoán của Gamow trong một Cimina vật lý) và ông này bị kích thích cao độ phóng ngay đến Crawford Hill. Không còn nghi ngờ gì nữa trong ống nghe của ăngten, Dicke đang nghe được một “giai điệu” tồn tại từ nhiều tỉ năm, chứng tích mong đợi của những thời điểm đầu tiên của vũ trụ. Chính ông cũng đang lắp đặt một rađiô trên nóc đại học Princeton nhằm mục đích thu lấy bức xạ đó. Phát hiện của Pentias và Wilson đã tạo công ăn việc làm cho cả ngàn nhà Vật lý trong suốt 20 năm. Người ta tính toán đo đạc kỹ lưỡng và đi đến kết luận chính xác là bức xạ nền vũ trụ, có nhiệt độ 2,7⁰K. Đây là cột thứ ba của thuyết Vụ Nổ lớn, đem lại chiến thắng cho lý thuyết này.

Cũng theo lý thuyết quá trình tổng hợp các nguyên tố nhẹ như: Đơteri, Hêli và Liti ( ) là được tạo ra. Một hiện tượng quan sát để củng cố giả thuyết này là kết quả đo độ giàu các nguyên tố nhẹ. Những tính toán lý thuyết tiên đoán có khoảng 25% Proton và Nơtron được tổng hợp để biến thành Hêli (He). Nguyên tố Heli được quan sát thấy trong Thiên hà của chúng ta và trong nhiều Thiên hà khác. Mỗi khi quan sát ta thấy tỉ lệ Hêli không thay đổi từ thiên thể này sang thiên thể khác và bao giờ cũng đồng đều là 25%. Kết quả quan sát này chứng minh là Hêli được chế tạo ra bởi Vụ Nổ lớn. Trái lại, độ giàu của những nguyên tử nặng hơn Heli như Cacbon, Silic và Sắt thay đổi rất nhiều tuỳ theo các thiên thể. Lý do là những nguyên tử nặng chỉ được tạo ra trong những ngôi sao qua những phản ứng tổng hợp nhiệt hạch. Trong những vụ sao nổ, vật chất trong sao bắn ra môi trường xung quanh giữa các ngôi sao, rồi ngưng tụ lại để tạo thành những ngôi sao thế hệ thứ hai chứa các nguyên tử nặng.

Sau Vụ Nổ lớn vũ trụ dãn nở và nhiệt độ giảm dần. Những hạt Phôtôn có năng lượng cao có thể tạo thành hạt và phản hạt. Ngược lại, một hạt gặp một phản hạt thì tự huỷ biến thành ánh sáng. Nếu sự tạo ra hạt và phản hạt là một hiện tượng đối xứng thì vũ trụ phải có hai loại hạt và phản hạt. Nhưng nếu số lượng của hạt bằng phản hạt và hai loại hạt đã tự huỷ thì vũ trụ chỉ là một vũ trụ ánh sáng không có vật chất, thiên hà, sao, hành tinh, động vật, thực vật... như ngày nay. Trên thực tế thì vũ trụ chỉ có vật chất (hạt) mà không có phản vật chất (phản hạt). Lý do là những định luật vật lý chi phối qúa trình tạo ra các hạt và phản hạt không hoàn toàn cân đối và tạo ra nhiều hạt hơn. Những thí nghiệm trong máy gia tốc cho biết là phản ứng tự huỷ giữa các hạt và phản hạt để dư lại một ít hạt. Sau khi tự huỷ số lượng còn lại của vật chất trong vũ trụ nguyên thuỷ chỉ cần nhiều hơn một phần tỉ số lượng của phản vật chất là đủ để tạo ra vũ trụ vật chất ngày nay. Các nhà Vật lý đưa ra một số đề nghị độc đáo về vũ trụ nguyên thuỷ dựa trên lý thuyết của vật lý các hạt. Họ đề nghị vào thời điểm 10^-36s, sau khi được tạo ravũ trụ dãn nở cực nhanh theo hàm số mũ trong một thời gian cực nhỏ. Trong thời gian này gọi là thời đại "lạm phát", kích thước của vũ trụ tăng lên ít nhất 30 lần! Sau đó vũ trụ tiếp tục dãn nở chậm gần như tỉ lệ với thời gian trong hàng tỉ năm. Giả thuyết vũ trụ trải qua một thời đại lạm phát có thể giải quyết được một số vấn đề. Chẳng hạn như ta đã biết bức xạ nền vũ trụ có nhiệt độ đồng đều phát ra từ các hướng. Nếu thế nhiệt độ vũ trụ nguyên thuỷ cũng phải đồng đều. Ngược lại ta có thể hình dung một mô hình vũ trụ nguyên thuỷ, trong đó tuy có những điều kiện vật lý ban đầu khác nhau và không đồng đều, nhưng đã phát triển tới trạng thái đồng đều ta quan sát thấy hiện nay. Chính sự dãn nở lạm phát ban đầu đã san phẳng phần nào sự không đồng đều của vũ trụ. Lý thuyết lạm phát còn giải thích được tại sao vũ trụ ngày nay lại phẳng, tức là có bán kính rất lớn, 3.10²³km, tức là 30 tỉ năm ánh sáng. Cũng theo lý thuyết này, nếu vũ trụ nguyên thuỷ không dãn nở rất nhanh trong thời gian lạm phát thì vũ trụ hiện nay chỉ bằng một hạt bụi.

Như vậy theo quan điểm hiện nay thì vũ trụ có "khai sinh", rồi dãn nở và hiện nay cũng đang dãn nở. Bằng chứng là: vào năm 1929, nhà thiên văn học Hơpbơn người Mỹ đã phát hiện ra một hiện tượng có tầm quan trọng lớn giải thích hiện tượng vũ trụ đang dãn nở. Hơpbơn nhận thấy các Thiên hà xa xăm rải rác khắp bầu trời đều lùi xa ta (bằng cách đo độ dịch phổ Doppler). Người ta hình dung hiện tượng này trên một quả bóng hơi được thổi phồng dần, trên quả bóng có những đốm vẽ bằng mực. Khi bóng được thổi phồng thì khoảng cách giữa các đốm tăng lên. Bất cứ đốm nào cũng lánh xa những đốm khác như trường hợp những Thiên hà trong vũ trụ. Thiên hà của chúng ta trong đó có Trái Đất chúng ta ở cũng chỉ là một trong những đốm trên quả bóng đang thổi phồng. Chúng ta không phải ở ngay trung tâm vũ trụ.

Theo định luật Hubble thì Thiên hà càng xa bao nhiêu thì càng lùi nhanh bấy nhiêu. Tốc độ lùi (V) của Thiên hà tỉ lệ với khoảng cách (d) giữa Thiên hà và chúng ta: V = H.d. Trong đó, H là hằng số Hubble. Định luật Hubble giúp ta tính được khoảng cách giữa các thiên hà, vì ta đo được tốc độ lùi của các thiên hà bằng máy quang phổ. Sự quan sát thấy các thiên hà lánh xa nhau là một bằng chứng của vũ trụ đang dãn nở.

Một bằng chứng nữa của vũ trụ dãn nở là theo quan điểm của thuyết tương đối tổng quát đã nêu: Chỉ cần biết một đại lượng vật lý là mật độ trung bình r của vật chất trong vũ trụ .

Nếu r<r_K (với r_K=4,5.10^-30 (H/50)² g/cm³ với H » 70=>r_K= 9.10^-30g/cm³) thì vũ trụ sẽ nở mãi vô tận.

Nếu r>r_K thì vũ trụ sau một thời gian nào đó sẽ ngừng nở và bắt đầu co lại một cách không thuận nghịch.

Nếu r=r_K thì vũ trụ lần lượt lúc co lúc nở.

Theo quan điểm hiện nay thì vật chất trong vũ trụ là: r=5. 10^-31g/cm³. Vậy r < r_k: vũ trụ là nở mãi mãi.

Tuy nhiên việc xác định r bây giờ gặp phải những khó khăn khổng lồ. Có cơ sở để cho rằng không phải mọi cái đã được tính đã hết. Có hàng loạt các thiên thể rất khó quan sát, chẳng hạn như các sao nơtron, các lỗ đen.

Chính vì thế qua đây ta có thể khẳng định vũ trụ đang dãn nở, nhưng vấn đề là dãn nở đến bao giờ sẽ ngừng? Giả thuyết là vũ trụ sẽ ngừng dãn nở và co nén lại thành một điểm, rồi tiếp tục dãn nở thì nó có giản nở giống như bây giờ không? Cũng có thể vũ trụ sẽ co lại thành một vật - có vật chất đậm đặc như lỗ đen chẳng hạn, và có nghĩa là nó không tiếp tục nổ để dãn nở, cũng như các sao không nở để trở thành siêu sao mới hoặc sao lùn trắng?

Một vấn đề nữa, theo trên, cũng có thể ta chưa quan sát được hết cái đã quan sát. Giả sử còn một thiên hà khác, ngôi sao khác mà có thời gian tồn tại cách đây trên 15 tỷ năm cần phải xem lại chăng?