Lịch sử vũ trụ học (Phần 23)

Nền vật lí và vũ trụ học mới

Trong vài thập kỉ vừa qua của thế kỉ 20, nền vật lí hạt không ngừng mang lại những tiến bộ trong vũ trụ học. Trong khi đó, các nhà vật lí hạt đã đẩy xa giới hạn của các máy gia tốc hạt hiện có và sự tài trợ của cộng đồng cho những thiết bị lớn hơn từ trước đến nay. Họ không ngừng chuyển sang vũ trụ học tìm kiếm thông tin liên quan tới hành vi của vật chất ở những điều kiện thái cực chiếm ưu thế ở vũ trụ sơ khai.

Kể từ thập niên 1970, các nhà lí thuyết bắt đầu nghiên cứu “lí thuyết dây” mà họ hi vọng có thể giải thích được mọi định luật vật lí và mọi quy luật của tự nhiên trong một phương trình đơn giản. Theo lí thuyết này, thành phần cơ bản của vũ trụ là các dây nhỏ xíu đang uốn éo chứ không phải các hạt. Tuy nhiên, các nhà vũ trụ học đã chẳng tìm thấy bằng chứng thực nghiệm nào cho lí thuyết dây, đồng thời họ cũng không nghĩ ra được tiên đoán có tính quan sát nào để bác bỏ nó. Nếu một số dây hạ vi mô ban đầu kéo căng ra lớn như các thiên hà trong sự bộc phát lạm phát ngắn của vũ trụ sơ khai, thì hiện nay chúng có thể đang bị níu kéo dưới hàng loạt sức căng, và những gợn sóng thu được trong không-thời gian có thể phát hiện ra bằng Giao thoa kế laser quan sát sóng hấp dẫn mới.

“Những ý tưởng triệt để của Zwicky và tính cách ưa gây gỗ của ông đã mang ông đến chỗ thường xuyên mâu thuẫn với các đồng sự của mình tại Caltech. Họ xem ông là điên rồ và ông xem họ là ngu ngốc”.

Freeman Dyson

Những loại hạt mới có lẽ cần thiết để trả lời một câu hỏi xưa cũ về “vật chất còn thiếu”. Trở lại thập niên 1930, nhà thiên văn học Fritz Zwicky đã đo được tốc độ của các thiên hà trong những cụm thiên hà và loan báo rằng các cụm phải bay ra xa nhau. Lực hút hấp dẫn của vật chất khả kiến không đủ để giữ các thiên hà đang chuyển động nhanh lại với nhau. Các nhà thiên văn khác cho rằng một số lời giải thích đơn giản cuối cùng có thể có được, có lẽ là do sai sót trong các quan sát. Nhưng vào thập niên 1970, khi Vera Rubin cùng với W.K. Ford đo được chuyển động quay của từng thiên hà, trước sự ngạc nhiên của họ, họ đã phát hiện cùng vấn đề trên. Các sao vùng bên ngoài đang quay nhanh đến mức chúng phải văng ra nếu như không có gì giữ chúng lại ngoài lực hút hấp dẫn của các sao khả kiến.

alt

Vào thập niên 1930, nhà thiên văn học không theo nguyên tắc Fritz Zwicky khăng khăng rằng các thiên hà đang ẩn giấu một lượng vật chất khổng lồ không nhìn thấy. Nửa thế kỉ đã trôi qua trước khi Vera Rubin chỉ ra rằng ông đã đúng.

alt

Vera Rubin

Nghiên cứu bằng những phương pháp khác xác nhận rằng chúng ta chỉ nhìn thấy khoảng 10% khối lượng trong vũ trụ. Các quan sát và tính toán từ thuyết Big Bang chỉ gợi ý ở 90% còn lại. Một số trong vũ trụ không nhìn thấy có thể gồm các sao phát ra ánh sáng rất nhẹ, ví dụ như “sao lùn nâu” hay các lỗ đen nguyên thủy. “Các hạt khối lượng lớn tương tác rất yếu” (WIMP), do các nhà vật lí lí thuyết tiên đoán, có thể cấu thành một số trong lượng vật chất còn thiếu, nhưng WIMP không được phát hiện ra trong phòng thí nghiệm. Những lí thuyết khác thì hướng tới những khiếm khuyết thuộc hình học topo ở không-thời gian, các nếp gấp vũ trụ còn lại từ vũ trụ sơ khai ban đầu.

Đầu thế kỉ 21, những quan sát sao siêu mới ở xa và các tuyến bằng chứng khác đã dựng nên một bức tranh còn gây hoang mang hơn nữa. Ngoài “vật chất tối” ra, hình như còn có cả “năng lượng tối”. Năng lượng này có thể làm cho sự dãn nở của vũ trụ thật sự gia tốc, có lẽ làm xé toạc các thiên hà và cả vật chất ra xa trong tương lai xa. “Năng lượng tối” đó có thể liên quan tới sự mở rộng tự nhiên của các phương trình thuyết tương đối rộng của Einstein. Nó cũng có thể liên quan tới những dao động lượng tử của không-thời gian và những đặc trưng kì lạ khác của nền vật lí cơ bản. Điều duy nhất chắc chắn là còn có nhiều thứ phải tìm hiểu thêm nữa – đảm bảo cũng sẽ đáng ngạc nhiên như những gì chúng ta đã biết – khi các nhà vũ trụ học tiếp tục cuộc hành trình của họ.

alt

Các thiên hà trông giống như những hạt cát. Là một phần nhỏ bé của bầu trời, bức ảnh này được chụp bởi cuộc khảo sát trường sâu của Kính thiên văn vũ trụ Hubble. Hầu như mỗi vết trong bức ảnh này là một thiên hà ở xa.

Hết Phần I

Còn tiếp Phần II

Nguồn: AIP

Phần 22