Chương 6
BIG BANG HAY TRẠNG THÁI BỀN
Sự hình thành các nguyên tố
Thập niên 1930 đúng là một thập niên củng cố thêm cho sự tiến bộ mang tính cách mạng trong vũ trụ học. Và vào đầu những năm 1940, cuộc chiến tranh thế giới đã làm hạn chế sự tiến bộ vũ trụ học. Nhưng cuộc chiến đó tạm thời đã thu hút các tài nguyên khoa học đồng thời đẩy mạnh công nghệ dẫn tới những tiến bộ khoa học cơ bản.
Những tiến bộ trong ngành vật lí hạt nhân đã giúp chuyển hóa những suy xét vũ trụ học thành những phép tính định lượng. Xu hướng nghiên cứu này, bắt đầu vào cuối những năm 1940, lúc đầu chủ yếu được theo đuổi bởi các nhà vật lí, chứ không phải các nhà thiên văn học. Vào thập niên 1930, Georges Lemaitre đã đề xuất rằng vũ trụ có khả năng khởi đầu khi một “quả trứng vũ trụ” nguyên thủy bùng nổ trong một đốm lửa hùng vĩ, tạo ra một vũ trụ đang dãn nở. Bấy giờ các nhà vật lí tìm thấy những con số hợp lí cho sự phong phú của các nguyên tố khác nhau sẽ được tạo ra một vụ nổ vũ trụ ban đầu. Nhưng lí thuyết về một vụ nổ vũ trụ ban đầu sớm bị thách thức bởi một giả thuyết mới – rằng xét cho cùng thì vũ trụ có thể ở trạng thái bền vững.
Năm 1946, nhà vật lí người Mĩ sinh quán Ukraina George Gamow xem xét cách thức giai đoạn sơ khai của một vũ trụ đang dãn nở sẽ là một bể hạt siêu nóng, và bắt đầu tính hàm lượng các nguyên tố hóa học khác nhau có thể tạo ra dưới những điều kiện này. Gamow kết nạp thêm Ralph Alpher, một sinh viên tốt nghiệp trường đại học George Washington, nơi Gamow giảng dạy, và Robert Herman, một nhân viên tại Phòng thí nghiệm Vật lí Ứng dụng Johns Hopkins, nơi Gamow tra cứu tư liệu. Cả Alpher và Herman đều là con sinh ra ở Mĩ của người người Do Thái di cư sang Mĩ.
Gamow giả sử sự dãn nở và lạnh đi của vũ trụ từ một trạng thái ban đầu có mật độ và nhiệt độ gần như vô hạn. Ở trạng thái đó, tất cả vật chất đều là proton, neutron, và electron xuất hiện trong một đại dương bức xạ năng lượng cao. Gamow và Alpher gọi hỗn hợp giả thuyết này là “Ylem” (một từ cổ xưa chỉ vật chất). Alpher đã tiến hành tính toán chi tiết các quá trình hạt nhân trong vũ trụ sơ khai này. Trong tính toán của ông, ông sử dụng một số máy tính điện tử kĩ thuật số đầu tiên – được phát triển trong chiến tranh dùng cho việc tính toán, trong số nhiều công dụng khác, các điều kiện bên trong một vụ nổ bom hạt nhân. Dường như các nguyên tố có thể cấu hành dạng một hạt bắt từng neutron một, theo kiểu “nấu hạt nhân”.
Đóng góp của lí thuyết này là không nêu ra một lời giải cuối cùng mà, không kém phần quan trọng, là nêu ra một bài toán rất lớn – cái gì xác định sự phong phú vũ trụ của các nguyên tố ? Liệu sự phong phú quan sát thấy có thể phù hợp bởi những phép tính áp dụng các định luật vật lí cho một pha sơ khai cực kì nóng và đậm đặc của một vũ trụ đang dãn nở hay không ? Gamow thật sự thành công trong việc giải thích sự phong phú tương đối của hydrogen và helium. Các tính toán phù hợp thô với các quan sát sao – helium chiếm khoảng một phần từ khối lượng của vũ trụ và hydrogen chiếm hầu như toàn bộ phần còn lại. Tuy nhiên, các nỗ lực nhằm tiến hành tính toán với những nguyên tố khác đã thất bại trong việc thu được một câu trả lời có thể nhận thức được cho bất kì nguyên tố nào ngoài helium. Dường như việc chồng chất thêm neutron vào helium sẽ khó mà cho bạn các nguyên tố bền vững. Gamow đùa rằng lí thuyết của ông tuy vậy vẫn được xem là thành công, vì nó giải thích được 99% vật chất trong vũ trụ.
Ảnh chụp Hoyle tại Kính thiên văn Anh-Australia, cùng với hoàng tử Charles.
Thật vậy, lí thuyết của ông không hề sai mà chỉ là không hoàn chỉnh. Các nhà thiên văn vật lí sớm nhận ra rằng nếu các nguyên tố nặng hơn không được hình thành trong sự khởi nguyên nóng bỏng của vũ trụ, thì chúng phải được hình thành sau đó, trong phần bên trong của các sao. Lí thuyết đó phụ thuộc vào một tính chất đặc biệt của carbon mà nhà thiên văn học người Anh Fred Hoyle đã đo được và tìm thấy đúng như tiên đoán. Vũ trụ học đã bước vào phòng thí nghiệm.
George Gamow (1904-1968)
Ông sinh ở Odessa, trưởng thành trong cách mạng và chiến tranh, và nghiên cứu vũ trụ học dưới trướng Alexander Friedmann tại trường đại học Leningrad. Sau khi lấy bằng tiến sĩ năm 1928, Gamow nghiên cứu cơ học lượng tử ở Göttingen, Copenhagen, và Cambridge. Ông giải được một thách đố quan trọng và chỉ ra những công nghệ mới bằng việc giải thích làm sao hạt alpha (hai proton và hai neutron, về cơ bản là nguyên tử helium bị bóc mất các electron của nó) có thể “chu hầm” ra khỏi hạt nhân nguyên tử.
Gamow bị gọi trở lại Liên Xô vào năm 1931, nhưng ông không cảm thấy thoải mái ở đó. Ông dùng giấy phép cho tham dự một hội nghị ở Brussels vào năm 1933 để trốn sang Mĩ, ở đó ông đảm nhận một vị trí trong trường đại học George Washington DC. Không rõ là ông có nghiên cứu Dự án Mahattan không, nhưng sau này ông có tham gia một thời gian ngắn trong việc phát triển bom khinh khí. Gamow đã đưa lí thuyết hạt nhân vào vũ trụ học và đặt nền tảng cho việc nghiên cứu sự hình thành của các nguyên tố trong Big Bang.
Trò đùa của Gamow
Khi Alpher và Gamow soạn bài báo về đề tài trên, Gamow đã tinh quái thêm tên của nhà vật lí hạt nhân nổi tiếng Hans Bethe vào danh sách tác giả để nó được gọi là “bài báo Alpher – Bethe – Gamow”, bắt chước “alpha – beta – gamma” của những kí tự đầu tiên của bộ chữ cái Hi Lạp. Không hề biết Gamow, Bethe là nhà phản biện cho tập san mà Gamow gởi đăng bài báo. Bethe xem đó là một sự hóm hỉnh dễ thương, sau này ông giải thích, “ Lúc ấy tôi cảm thấy đúng hơn là một trò đùa dễ thương, và bài báo đó rất có thể là chính xác, cho nên tôi không phiền việc tên mình bị thêm vào danh sách tác giả”. Gamow cũng xúi giục Herman đổi tên ông ta thành Delter để nhại lại delta, kí tự tiếp theo trong bộ chữ cái Hi Lạp. Bất chấp sự từ chối của Herman, trong một bài báo trên một tập san khoa học danh tiếng, Gamow vẫn nhắc tới “lí thuyết bắt neutron… phát triển bởi Alpher, Bethe, Gamow và Delter”.Trong số những đặc điểm nổi trội của ông thì óc hài hước chiếm một phần không phải là ít.
Một bức ảnh ghép năm 1949 với Robert Herman ở bên trái, Ralph Alpher ở bên phải, và George Gamow ở chính giữa, lúc đang khui cái chai “Ylem” thần thánh, hỗn hợp vũ trụ ban đầu gồm các proton, neutron, và các electron, các nguyên tố được cho là hình thành từ đó.
Theo AIP
Còn tiếp...
Xem lại Phần 18
