Chương 2
Tính phẳng của Vũ trụ
Khi chúng ta nhìn xa ra ngoài vũ trụ rộng lớn, với các thiên hà được xem như những chất điểm, thì còn có nhiều bất ngờ hơn nữa đang chờ được nói tới. Cái đã được nói tới bao gồm kích cỡ khổng lồ, vũ trụ giãn nở và thực tế pha giãn nở hiện nay đã có một khởi đầu.
Tuy nhiên, những cái chúng ta đã nói trông có vẻ thích hợp nhưng không hiển nhiên đối với mắt trần. Từ việc nhìn lên bầu trời, đa số chúng ta tự nhiên giả định, giống như mọi người đã làm trong hàng trăm năm trước thế kỉ 20, rằng các ngôi sao hiện hữu ở đó mãi mãi và sẽ tiếp tục như thế. Với đôi mắt trần, không có tiến bộ nào được xúc tiến cả. Những chiếc kính thiên văn lớn nhìn thấy những vật thể, hay các thiên hà, ở xa hơn và nằm hoàn toàn bên ngoài Dải Ngân hà. Chúng đang chuyển động ra xa với tốc độ cao, khoảng cách đến chúng càng lớn thì tốc độ đó càng cao. Trớ trêu thay, thiên hà khác duy nhất mà mắt trần có thể nhìn thấy bên ngoài Dải Ngân hà, thiên hà Andromeda, lại dường như đang tiến về phía chúng ta! Nhưng hầu như toàn bộ những thiên hà khác đang lùi ra xa chúng ta.
Để nói về tính phẳng cao đến bất ngờ của vũ trụ, mà chuyên môn gọi là bài toán chân trời, chúng ta cần giới thiệu khái niệm nhiệt độ. Vũ trụ tràn ngập bức xạ, bức xạ điện từ, hiện nay cực kì lạnh lẽo. Nó có nhiệt độ khoảng ba độ trên không độ tuyệt đối. Giá trị của nhiệt độ này tỉ lệ nghịch với hệ số đặc trưng cho kích cỡ của vũ trụ. Do đó, khi vũ trụ giãn nở, nhiệt độ không ngừng giảm xuống. Như vậy, nếu chúng ta hỏi về quá khứ, thì khi ấy nhiệt độ của vũ trụ cao hơn.
Trong lịch sử của vũ trụ, ít nhất là trong chừng mực bức xạ điện từ được xét tới, một cái quan trọng nhất đã xảy ra lúc khoảng ba trăm nghìn năm sau Big Bang, lúc ấy vũ trụ nhìn thấy nhỏ hơn ngày nay khoảng một nghìn lần. Vì thế, nhiệt độ lúc ấy là cao hơn hiện nay một nghìn lần. Điều này có nghĩa là nó rất nóng, chừng ba nghìn độ. Hóa ra đây chính là nhiệt độ tối đa mà dưới mức đó các nguyên tử hydrogen có thể tồn tại ở trạng thái liên kết. Một nguyên tử hydrogen gồm một proton tạo nên hạt nhân hydrogen và một electron quay bên ngoài. Ở nhiệt độ trên ba nghìn độ, nguyên tử hydrogen có xu hướng cao ion hóa thành một proton và một electron tách rời nhau. Thật vậy, tại mọi thời điểm trước thời điểm “tái kết hợp” đặc biệt này, các proton và electron tồn tại tự do trong một cái gọi là plasma ion hóa. Về mặt kĩ thuật, sự kiện đặc biệt này là phi lí nhưng mãi mãi được gọi là tái kết hợp. Tên gọi thật phi lí, vì nó vừa mới kết hợp, chứ trước đó các proton và electron đã có kết hợp với nhau đâu!
Bức xạ điện từ gồm những hạt sơ cấp không có khối lượng gọi là photon truyền đi ở tốc độ ánh sáng. Các photon bị tán xạ bởi những hạt tích điện, còn những hạt trung hòa thì không. Đây là nguyên do sự kiện tái kết hợp có ý nghĩa quan trọng đối với bức xạ điện từ trong vũ trụ. Trước khi tái kết hợp, đã có một plasma ion hóa gồm các proton và electron. Những hạt tích điện đó có thể làm tán xạ các photon. Điều này có nghĩa là vũ trụ là mờ đục cho đến khi tái kết hợp. Các photon không thể truyền đi theo đường thẳng ở tốc độ ánh sáng do tán xạ bởi những hạt tích điện có trong plasma. Trái lại, sau khi tái kết hợp, các electron và proton tích điện bị liên kết thành các nguyên tử hydrogen trung hòa. Vũ trụ trở nên trong suốt khi nó cho phép các photon truyền đi tự do theo đường thẳng vì các nguyên tử trung hòa không tương tác với các photon.
