Lịch sử vật lí thế kỉ 20 – Phần 43

Alfred B. Bortz

Bằng chứng vũ trụ học cho Big Bang

Trong khi nhiều nhà vật lí đang làm việc trong địa hạt hạ nguyên tử, thì công việc của những người khác đưa họ vào một thái cực khác – đó là toàn bộ vũ trụ. Vũ trụ học đang trên hành trình của nó trở thành một lĩnh vực nghiên cứu chính cho các nhà vật lí, một xu hướng sẽ xuyên suốt thế kỉ 20 và cho đến ngày nay.

Tại Caltech, nhà nghiên cứu khách mời Robert Wagoner (1938– ) làm việc với Willy Fowler và Fred Hoyle, sử dụng các kĩ thuật (đã mô tả trong chương trước) mà Hoyle, Fowler, và Burbidges tìm ra đã khá thành công trong việc tính ra độ phong phú của các đồng vị trong các ngôi sao. Lần này, họ áp dụng lí thuyết đó cho Big Bang và cho mô hình trạng thái dừng của Hoyle, tính ra được sự phong phú như trông đợi của hydrogen, deuterium, và helium trong các vùng nằm giữa các sao. Các con số tính toán của họ cho mô hình Big Bang phù hợp khá tốt với các chất khí giữa các sao đã quan sát thấy – tốt hơn nhiều so với các tiên đoán của mô hình trạng thái dừng của Hoyle.

Hoyle không nghi ngờ các tính toán đó, nhưng ông vẫn nhận thấy lí thuyết Big Bang khó mà chấp nhận. Trong phần còn lại của quãng đời làm việc thâm niên của mình, ông đã tóm lấy những dữ liệu mới cho thấy những vết rạn hiển hiện trong lí thuyết đó và đề xuất những cải tiến cho nó hoặc cho cách tiếp cận trạng thái dừng của ông. Bất chấp những quan điểm phi chính thống của ông về Big Bang, các nhà vũ trụ học, kể cả ngày nay, vẫn tiếp tục tôn kính Hoyle và công trình của ông. Họ đang bận rộn thu thập và phân tích những dữ liệu mới với những thiết bị mới, và các kết quả có đủ những nút thắt lòng thòng rằng các quan điểm của Hoyle cho đến nay không thể nào bác bỏ hoàn toàn.

Trong năm trước đó, 1965, hai nhà khoa học tại phòng thí nghiệm Bell, Arno Penzias (1933– ) và Robert Wilson (1936– ), công bố một loại quan sát rất khác ủng hộ mô hình Big Bang. Họ đang chuẩn bị một anten đĩa vi sóng, một bộ phận cũ của một hệ viễn thông vệ tinh trước đây, dùng làm kính thiên văn vô tuyến. Cho dù họ nhìn theo hướng nào, họ thật bất ngờ phát hiện ra một tín hiệu mạnh ở bước sóng khoảng 7 cm. Ban đầu, họ cho rằng họ đang phát hiện ra sự nhiễu điện tử do bản thân thiết bị, mặc dù nó được cho là rất nhạy và do đó không bị nhiễu. Thậm chí họ còn nghi ngờ và kiểm tra, lau sạch các vết phân chim bồ câu trên anten, nhưng tín hiệu vẫn còn. Cuối cùng, họ bác bỏ mọi nguồn gốc khác ngoài một bức xạ thật sự từ không gian vũ trụ đến. Hơn nữa, họ nhận thấy cường độ của nó là như nhau theo mọi hướng và bước sóng của nó phù hợp với cái được trông đợi từ những tàn dư xa xôi của Big Bang, nếu một sự kiện như vậy thật sự đã từng xảy ra.

alt

Arno Penzias (trái), Robert Wilson, và chiếc kính thiên văn vô tuyến đã phát hiện ra bức xạ nền vũ trụ. (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archives)

Năm 1978, khi Penzias và Wilson cùng chia nhau nửa giải Nobel vật lí, thì các nhà thiên văn khác đã phát hiện ra những biến thiên nhỏ xíu trong bức xạ nền vũ trụ này, mang lại những gợi ý của sự phát triển ban đầu của vũ trụ. Khi các kính thiên văn ngày một lớn hơn và nhạy hơn được đưa vào khai thác, các nhà thiên văn vô tuyến thế kỉ 21 tiếp tục sục sạo nền vũ trụ đi tìm những tiếng vọng của vụ nổ thời cổ xưa đã dẫn đến trạng thái hiện nay của vũ trụ.

Bằng chứng tăng dần cho Big Bang đã khiến Andrei Sakharov (1921–89), một nhà vật lí ở Liên Xô (nay là Nga), phát triển một lí thuyết liên hệ vũ trụ học với thế giới hạ nguyên tử. Không có gì trong lí thuyết lượng tử hay các lí thuyết hạ nguyên tử khác thiên về vật chất hoặc phản vật chất. Nhưng vũ trụ hiện nay có thừa thải vật chất thay vì có lượng bằng nhau của vật chất và phản vật chất. Để cho một tình huống như vậy tiến triển, Sakharov nhận ra rằng các đối xứng và các định luật bảo toàn nhất định phải bị phá vỡ dưới các điều kiện cực đoan của Big Bang. Bằng chứng thực nghiệm sau đó chứng tỏ rằng quan điểm này là đúng. Ngoài vật lí học, Sakharov còn được biết tới nhiều hơn với tài lãnh đạo của ông trong hai lĩnh vực khác. Ông đã lãnh đạo các nỗ lực Xô Viết phát triển bom khinh khí (năng lượng nhiệt hạch) trong những năm 1950, nhưng vào thập niên 1960, ông ngày một dính líu nhiều hơn với các vấn đề luân lí của công trình đó và những tác động sinh học nghiêm trọng phát sinh từ việc kiểm tra các thiết bị nhiệt hạch hạt nhân, chứ chưa nói tới một cuộc chiến tranh năng lượng nhiệt hạch. Ông phát biểu và công bố các bài báo về những vấn đề đó, dẫn đến chỗ ông bị rút quyền lực và các đặc lợi nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm quân sự. Sau này, ông thêm quyền con người vào danh sách các vấn đề chính trị mà ông quan tâm. Năm 1975, trước sự khinh rẻ của chính phủ nước ông và sự tôn vinh của đa phần còn lại của thế giới, Sakharov được trao giải thưởng Nobel hòa bình.

Còn tiếp...

Phần 42