- reset +
Home

attentionCác website khác vui lòng ghi rõ nguồn Thienvanvietnam.org, tên tác giả cũng như giữ nguyên toàn bộ nội dung bài viết (bao gồm cả tiêu đề, nội dung, thuật ngữ chuyên ngành và chú thích hình ảnh) khi sử dụng bất cứ thông tin nào từ website VACA.

Home Vũ trụ học Big Bang và bức tranh của chúng ta về vũ trụ

Big Bang và bức tranh của chúng ta về vũ trụ

Share

Vũ trụ tồn tại và tiến hoá! Điều này thật đơn giản.Nhưng để những kiến thức này trở nên quen thuộc với một bộ phận nhân loại như ngày nay thì đã phải trải qua một khoảng thời gian khá dài. Ngày nay mô hình Big Bang (vụ nổ lớn) như chúng ta sẽ nhắc tới dưới đây được thừa nhận rộng rãi, và thông qua đó chúng ta hiểu được phần nào sự ra đời của vũ trụ, hiểu được tại sao chúng ta có mặt trên thế giới này.

 

Trước đây, người ta luôn mặc định rằng không gian và thời gian là vô hạn. Dù trải qua nhiều giai đoạn nhận thức trong đó Trái Đất từ chỗ là trung tâm vũ trụ đã trở thành một thiên thể chuyển động quanh Mặt Trời trung tâm, rồi Mặt Trời cũng chỉ là một bộ phận của thiên hà Milky Way, và Milky Way cũng chỉ là một bộ phận vô cùng nhỏ bé trong vũ trụ; thì ngay trong những giai đoạn lịch sử kéo dài đến hơn 2000 năm đó, không gian và thời gian luôn là vô hạn và bất biến. Có vẻ như không gian và thời gian là 2 khái niệm tự nhiên và quá cơ bản đến mức không ai được phép nói rằng chúng phải tuân theo các định luật vật lí. Cho đến thế kỉ 20, với sự ra đời của thuyết tương đối rộng mà hằng số vũ trụ học bao hàm bởi phương trình trường của nó mô tả một vũ trụ đang nở rộng thì người ta mới nghĩ ra rằng hẳn không gian và thời gian cũng có kích thước, hình dạng và lịch sử của nó.

Thuyết vụ nổ lớn (Big Bang)

Năm 1927, một linh mục người Bỉ là Georges Lemaître là người đầu tiên đề xuất rằng vũ trụ đã ra đời từ một vụ nổ phát sinh từ một cái tâm nguyên thuỷ. Hơn 1 năm sau đó, Edwin Hubble với những quan sát chi tiết về độ dịch bước sóng của các thiên hà ở xa đã nhận ra rằng tất cả các thiên hà đều đang chạy ra xa chúng ta theo mọi hướng. Trong khi đó chúng ta thì hẳn không phải trung tâm của vũ trụ, như vậy là vũ trụ đang giãn nở theo mọi hướng, không gian có kích thước và nó đang ngày càng tăng lên cùng với chiều tăng của thời gian. Hubble được coi là người đầu tiên đặt nền tảng cho thuyết BigBang. Tuy nhiên đến tận năm 1948, George Gamov mới biến BigBang thành một lí thuyết cho biết vũ trụ ra đời từ một vụ nổ lớn nóng (the hot big bang). Tất nhiên có rất nhiều sự hoài nghi về lí thuyết này cho đến năm 1964, khi Arno Penzias và Robert Wilson phát hiện ra sự tồn tại của bức xạ nền vũ trụ (cosmic background radiation) - và họ đã nhận giải Nobel cho phát hiện này. Sự tồn tại của loại bức xạ này đã chứng minh rằng vũ trụ phải ra đời từ một vụ nổ lớn cách đây khoảng 10 - 20 tỉ năm.

Như vậy là theo thuết Big Bang nói trên, tất cả chúng ta (vũ trụ) đã ra đời cách đây 13,9 tỷ năm (con số tương đối chính xác được tính cho tới thời điểm hiện nay) bởi một vụ nổ. Ta không thể nói gì về nó vì ngoài phạm vi của BigBang thì không tồn tại vật chất và bức xạ, do đó không tồn tại khái niệm không gian và thời gian, từ duy nhất ta có thể dùng để chỉ nó là "không gì cả". Chúng ta không thể có khái niệm không gian và thời gian vào trước khi Big Bang xảy ra. Vì sao lại như vậy?
Như trên đã nói, toàn bộ vật chất (các hạt) chỉ được tạo thành bởi vụ nổ lớn (Big Bang). Vậy có nghĩa là trước Big Bang không hề có sự tồn taị của các hạt mà chúng ta đã biết. Như vậy là không có một sự khác biệt nào để phân biệt 2 điểm, như vậy là không gian không hề tồn tại. Mặt khác ta lại biết rằng thời gian chỉ là một đại luợng biểu diễn các quá trình. Vậy ở đây ta sẽ sử dụng thời gian để làm gì khi không có sự biến đổi, sự chuyển động của các hạt. Vậy ta có thể đi đến kết luận thòi gian cũng không tồn tại ngoài phạm vi của Big Bang. Như thế thì chúng ta lại có một lưu ý nhỏ là không bao giờ được phép nói rằng Big Bang đã bùng phát tại "một điểm" vì đơn giản là điểm thì phải được xác định trong một không gian hình học nào đó trong khi ở đây ta không có không gian.

Trục thẳng đứng hướng lên (trục t) biểu diễn chiều tiến tới của thời gian. Theo thuyết Big Bang thì vũ trụ được ra đời từ 1 vụ nổ lớn, tại đó x=y=t=0 tức là khởi điểm của không gian và thời gian. Sau giai đoạn đầu tiên hình thành các hạt cơ bản, các thiên hà và sao được hình thành, sau đó vũ trụ tiếp tục giãn nở rộng dần (x và y cùng tăng khi t tăng, đây là một mô phỏng trong đó không gian biểu diễn bằng 2 trục, tất nhiên thực tế không gian của chúng ta có nhiều chiều hơn thế, ít nhất là 3) và sẽ còn tiếp tục giãn nở thêm nữa.

Lịch sử tiến hóa của vũ trụ sau Big Bang

Tạm thời ta có thể vẽ lại bức tranh tiến hoá của vũ trụ như sau theo thang thời gian 't':
- Từ t = 0 đến t = 10-43s: Kỷ nguyên Planck. Đây là giai đoạn đầu tiên của vũ trụ theo mô tả của thuyết Big Bang, khi tuổi của vũ trụ là dưới 10-43s (thời gian Planck). Ở giai đoạn đầu tiên này, các xác suất lượng tử là không thể dự đoán và do đó vật lý không thể mô tả bất cứ điều gì cụ thể về giai đoạn này của vũ trụ.

- Từ 10-43s đến 10-36s: Kỷ nguyên thống nhất lớn - ngay sau kỷ nguyên Planck. Giai đoạn này được gọi tên như vậy bởi đây là lúc ba tương tác cơ bản của thuyết thống nhất lớn là tương tác điện từ, tương tác mạnh và tương tác yếu vẫn còn thống nhất, chưa tách khỏi nhau.

- Từ 10-36s đến 10-32s: Kỷ nguyên điện yếu và thời kỳ lạm phát. Trong giai đoạn rất ngắn này, tương tác mạnh đã tách ra nhưng tương tác yếu và tương tác điện từ vẫn chưa tách khỏi nhau, được gọi là tương tác điện yếu. Cũng trong giai đoạn này, vũ trụ có sự giãn nở lạm phát, trong đó tốc độ giãn nở của vũ trụ mới hình thành khi đó được đẩy lên cực đại, nhanh hơn rất nhiều tốc độ giãn nở ngày nay mà chúng ta có thể quan sát. Đây là thời điểm các hạt tạo thành vật chất, quark và lepton hình thành cùng với các phản hạt của chúng, nhiều cặp phản hạt gặp nhau tự hủy giải phóng năng lượng dưới dạng photon, quá trình lạm phát không gian làm các hạt phóng đi mọi hướng mà không bị kéo lại với nhau với lực hấp dẫn.

- 10-12s, bắt đầu kỷ nguyên quark. Đây là khi tương tác điện yếu đã tách ra thành tương tác điện từ và tương tác yếu. Vũ trụ được lấp đầy bởi các quark, lepton cùng các phản hạt của chúng. Ở giai đoạn này, vũ trụ còn đủ nóng để các quark có vận tốc đủ cao khiến khi va chạm chúng không thể kết hợp với nhau thành các meson hay baryon. Kỷ nguyên quark kết thúc vào thời điểm tuổi của vũ trụ là 10-6s, lúc này vũ trụ đã đủ nguội và tương tác mạnh có thể liên kết các quark với nhau. Vũ trụ được tràn ngập bởi các hadron mới tạo thành và bước vào kỷ nguyên hadron.

- Từ 10-6s đến 1s: kỷ nguyên hadron. Đây là giai đoạn nhiệt độ đã giảm đủ để các quark kết hợp với nhau. Các quark và phản quark cùng photon mang năng lượng tập hợp lại với nhau tạo thành các hadron và phản hadron. Khi toàn bộ các quark đã mất trạng thái tự do và lượng photon đã đủ cân bằng để không gây ra những phản ứng kết hợp thêm nữa, thời kì hadron kết thúc.

- Từ 1s đến 10s: kỷ nguyên lepton. Các hadron và phản hadron huỷ nhau gần hết ngay sau khi kết thúc thời kỳ hadron. Tiếp đến các lepton và phản hạt của chúng cũng huỷ nhau cho tới khi vũ trụ đủ nguội để các cặp hạt này không còn được tiếp tục tạo ra nữa và chỉ còn lại một lượng nhỏ là các lepton còn lại. Vũ trụ rất đậm đặc và photon chưa thể di chuyển tự do trong vũ trụ.

- t = 10s: kỷ nguyên photon. Các photon tràn ngập vũ trụ nhưng chúng chưa thể di chuyển hoàn toạ tự do mà liên tục tương tác với các lepton và hadron tràn ngập trong vũ trụ. Quá trình tương tác này kéo dài trong khoảng 380.000 năm, trải dài qua cả giai đoạn tổng hợp hạt nhân ở thời điểm 3 phút sau Big Bang và giai đoạn thống trị của vật chất, kết thúc vào thời điểm bắt đầu của sự tái tổ hợp.

- ~380.000 năm sau Big Bang: giai đoạn tái tổ hợp. Đây là giai đoạn trong vũ trụ sớm bắt đầu vào khoảng 377.000 (hoặc 380.000) năm sau Big Bang. Trong giai đoạn tái tổ hợp, mật độ và nhiệt độ của vũ trụ đã giảm đủ để các proton bắt giữ được electron tạo thành các nguyên tử hydro trung hoà, giải phóng các photon có thể bắt đầu di chuyển tự do trong vũ trụ và tạo nên nền vi ba vũ trụ như được quan sát ngày nay.

- Từ 380.000 đến 150 triệu năm sau Big Bang: thời kỳ tối. Giai đoạn khá dài này bắt đầu ngay cuối tái tổ hợp (vốn diễn ra khá nhanh). Trong giai đoạn này, các photon đã được giải phóng trong giai đoạn tái tổ hợp nhưng chúng còn ít và tất cả đều bị tương tác với các hạt tràn ngập vũ trụ khi đó, do đó vũ trụ không được "chiếu sáng". Khoảng 100 triệu năm sau Big Bang, các sao và thiên hà đầu tiên hình thành và bức xạ chúng phát ra đưa vũ trụ vào giai đoạn tái ion hoá, các photon được giải phóng di chuyển tự do trong vũ trụ và đó là thời điểm thời kỳ tối kết thúc.

- ~150 triệu năm sau Big Bang: Các sao đầu tiên hình thành do liên kết hấp dẫn.

- ~1 tỷ năm sau Big Bang: Các thiên hà đầu tiên hình thành.

- ~13,8 tỷ năm sau Big Bang: hiện tại.

Tương lai của vũ trụ

Lý thuyết Big Bang về một vũ trụ đặc, nóng cho chúng ta 3 khả năng về một tương lai cho vũ trụ. Rất nhiều người nhìn chung là thấy thích thú với khả năng thứ nhất. Khả năng này được gọi là "Vũ trụ đóng" (Close Universe), theo đó gia tốc giãn nở của vũ trụ sẽ giảm dần trong khoảng 10-15 tỷ năm nữa, dần nhỏ dần và về đến âm, tức là vũ trụ sẽ giãn nở chậm dần, rồi sau đó sẽ đến một thời điểm gia tốc đó không còn đủ lớn đẻ chống lại hấp dẫn giữa các vật thể trong vũ trụ. Lực hấp dẫn sẽ thay sự ở ra của vũ trụ bằng sự co lại. Các thiên hà chạy lại gần nhau hơn làm mật độ vật chất tăng dần. Quá trình này có vẻ giống cái chết của một ngôi sao nặng. Sao càng nặng khi về già sẽ càng co lại mạnh mẽ do hấp dẫn, thậm chí có thể co lại đến mức trở thành một sao neutron với hấp dẫn hết sức khủng khiếp hoặc một lỗ đen với hấp dẫn không thể chống lại. Vũ trụ tương lai sẽ đậm đặc dần và tại một kích thước đủ nhỏ, tất cả vật chất sẽ cùng rơi vào một cuộc sụp đổ vĩ đại, đưa tất cả về ZERO (như trước khi Big Bang bùng phát). Khả năng này làm nhiều người yên tâm và có phần thích thú vì nó mở ra một cơ hội khả dĩ cho ý tưởng về một vũ trụ luân hồi.

Với lòng tin vào một vũ trụ đóng (sẽ co lại trong tương lai), những người theo đuổi lí thuyết về một vũ trụ luân hồi giải thích rằng có thể có nhiều vũ trụ tồn tại trước vũ trụ của chúng ta và cũng có thể có những vũ trụ khác tồn tại sau vũ trụ của chúng ta. Chính các vụ bùng nổ hoặc suy sụp là các thời điểm tại đó vật chất cùng không gian và thời gian ra đời hoặc chấm dứt. Ý nghĩ này củng cố một niềm tin rằng những vận động vật chất tuy có biến đổi nhưng là vĩnh cửu. Loài người có thể tuyệt diệt, vũ trụ có thể sẽ biến mất nhưng thay vào đó sẽ là một vũ trụ khác ra đời. Và rồi lại các thiên hà, các ngôi sao, các hành tinh ... nối nhau ra đời. Đó ... có thể là một cơ hội cho sự sống phát sinh.

Viễn cảnh này có vể rất sáng sủa, nhưng chúng ta hãy nên tìm hiểu thêm kĩ hơn về các khả năng tương lai khác do lý thuyết Big Bang đưa lại.

Theo lí thuyết này, cần tìm được một giá trị gọi là mật độ trung bình của vũ trụ "d" và so sánh giá trị d này với một giá trị tới hạn dt xác định. Theo đó:

- Nếu d>dt : vũ trụ đóng, mật độ trung bình của vũ trụ sẽ đủ để làm cho hấp dẫn kéo nó co lại như trên đã trình bày

- Nếu d=dt : vũ trụ phẳng (Flat Univers), vũ trụ giãn nở vĩnh viễn nhưng với tốc độ giảm rất nhanh, giới hạn của sự giãn nở sẽ tiến về 0 khi thời gian tiến đến vô hạn

- Nếu d<dt : vũ trụ mở (Opened Univers), vũ trụ giãn nở mãi mãi với vận tốc ngày càng tăng.

Ở trên đã trình bày về vũ trụ đóng, còn hai trường hợp còn lại thì sao?

Nếu vũ trụ là phẳng thì có thể coi như mọi việc sẽ tiếp tục diễn biến như hiện nay, kích thước vũ trụ tăng chậm và nó có vẻ hơi giống với một vũ trụ tĩnh định mà trước đây nhiều người từng tin tưởng. Và như vậy thì thời gian sẽ là dài vô tận. Nó có điểm khởi đầu nhưng không có điểm kết thúc.

Thế còn một vũ trụ mở? Trước hết thì bạn đọc nên biết rằng các kết quả đo đã cho một kết quả d<dt, tức là điều kiện đẻ vũ trụ là mở. Tuy nhiên một vài thắc mắc về phép đo này cũng như sự hoài nghi độ chính xác của hằng số Hubble đã giúp củng cố niềm tin cho 2 khả năng về vũ trụ đóng và vũ trụ phẳng để nó tiếp tục đứng vững cho đén những năm cuối cùng của thế kỉ 20. Những quan sát tỉ mỉ nhất vào những năm cuối cùng của thế kỉ 20 đã khẳng định rằng vũ trụ đang giãn nở với gia tốc hết sức nhanh, nhanh hơn bao giờ hết. Nó sẽ giãn nở mạnh mẽ như thế và hơn thế nữa vĩnh viễn, điều đó một lần nữa khẳng định cho sự chính xác của phép đo mật độ d trước đây. Vũ trụ là mở, nó sẽ dãn nở nhanh dần mãi mãi!

Nếu như người ta mong muốn một vũ trụ luân hồi với điều kiện đóng của vũ trụ hiện tại thì ít ra người ta cũng vẫn sẽ được an ủi nếu như vũ trụ là phẳng. Một vũ trụ phẳng sẽ cho phép các ngôi sao tiếp tục hình thành cùng các hành tinh của chúng. Sự sống có thể biến mất trong hệ Mặt Trời nhưng vẫn có thể phát sinh và phát triển tại một nơi xa xôi nào đó. Nhưng với một vũ trụ mở ngày nay chúng ta đã biết thì cơ may cho một khả năng như thế là không hề tồn tại.

Thể tích không gian tăng dần sẽ làm mật độ vật chất trong vũ trụ tương lai giảm nhanh đáng kể. Khoảng cách trung bình giữa 2 hạt bất kì sẽ là lớn hơn hiện nay nhiều dần, có nghĩa là chúng sẽ ngày càng ít cơ hội để tương tác với nhau. Nhiều triệu năm sau khi trí tuệ và văn minh của chúng ta biến mất, vũ trụ sẽ "loãng" đến mức các tương tác hấp dẫn và điện từ không còn phát huy được nhiều tác dụng của nó. Không còn sự hình thành các đám tinh vân, các ngôi sao và các hành tinh mới. Trong khi đó thì các ngôi sao cũ như Mặt Trời của chúng ta sẽ già và chết dần, co lại và phân rã trong sự nở ra của vũ trụ. Hơn 10 tỷ năm nữa, vũ trụ sẽ chỉ còn là một nghĩa địa hoang tàn, không một dấu vết của sự sống. Các tương tác nhỏ nhất cũng đã mất hết tác dụng. Sẽ đến một thời điểm mà tương tác hấp dẫn (loại tuơng tác có tầm tác dụng xa nhất) giữa 2 hạt gần nhau nhất cũng sẽ nhỏ đến mức không còn đủ sức gây ra một tương tác nào đáng kể giữa 2 hạt đó nữa. Và như vậy, ta có thể coi đó là điểm kết thúc của thời gian. Mặc dù sau đó vũ trụ vẫn tiếp tục giãn nở nhưng mọi tương tác đã mất tác dụng, mọi quá trình lý - hoá đều đã biến mất. Thời gian cuối cùng vẫn chấm hết và chúng ta đành chấp nhận một kết cục đáng sợ - cái đáng sợ của sự vô tận!

Đặng Vũ Tuấn Sơn

(Chủ tịch VACA)

Bài viết được thực hiện lần đầu năm 2006, đã được đính chính và bổ sung thêm thông tin.
Vui lòng ghi rõ tên tác giả và nguồn Thienvanvietnam.org khi bạn sử dụng bài viết này.

Share
comments
 

HỘI THIÊN VĂN HỌC TRẺ VIỆT NAM

Vietnam Astronomy and Cosmology Association (VACA)

Văn phòng: 90b Khương Đình, quận Thanh Xuân, Hà Nội

Điện thoại: 091.530.1116; Email: [email protected]

DMCA.com Protection Status