- reset +
Home

Home Vũ trụ học Mô hình lạm phát của vũ trụ

Mô hình lạm phát của vũ trụ

Share

Thế kỉ 20, nhân loại đã đi những bước đi quan trọng nhất so với toàn bộ lịch sử trước đó trong việc khám phá và giải thích về vũ trụ. Lý thuyết về vụ nổ lớn (Big Bang) được thừa nhận bằng nhiều chứng cứ thực nghiệm, dù vậy nó sẽ không thể cho ta một bức tranh hoàn chỉnh nếu như không có sự bổ sung của mô hình lạm phát.

 

 

Như bạn đã được biết trong các bài "BigBang và bức tranh của chúng ta về vũ trụ" và "Vài nét lịch sử tiến hoá vũ trụ" tại Thienvanvietnam.org, Big Bang là một ý tưởng xuất hiện từ năm 1927 bởi một linh mục người Bỉ là Georges Lemaître và sau đó được chính thức đề xuất như một mô hình chi tiết về vũ trụ vào 21 năm sau đó bởi George Gamov. Theo mô hình này, vũ trụ đã sinh ra từ một vụ nổ lớn (Big Bang). Vụ nổ này là nguyên nhân sinh ra không gian, thời gian và toàn bộ vật chất/năng lượng trong vũ trụ mà ngày nay chúng ta đang sinh sống. Mô hình này giải thích hợp lý cho sự giãn nở của vũ trụ từ các quan sát về vận tốc rời xa của các thiên hà do Edwin Hubble thực hiện vào cuối những năm 1920. Một bằng chứng khác cho mô hình Big Bang này là sự khám phá ra bức xạ vi ban nền của vũ trụ (cosmic microwave background radiation - CMBR) vào năm 1965, nó khớp với dự đoán trước đó của thuyết Big Bang về bức xạ còn lại sau khi phát ra từ Big Bang. Tuy vậy, bằng chứng này cũng đồng thời chính là một mẫu thuẫn quan trọng buộc người ta phải xem lại một chút về mô hình vũ trụ theo mô tả của Big Bang mà Gamov đã đề xuất.
Hai mâu thuẫn cơ bản là:
1- Tính đồng nhất của vũ trụ: Như trên ta đã nói đến việc CMBR được phát hiện cho biết vũ trụ hiện nay là "đồng nhất và đẳng hướng", tức là dù đo bức xạ này đến từ bất cứ hướng nào, nó cũng cho kết quả như nhau. Những bức xạ xa nhất hiện nay con người đã thu được phát ra từ cách đây khoảng 14 tỷ năm ánh sáng, theo mọi hướng. Trong khi đó các số liệu thu được từ việc quan sát các sao già nhất và tính ngược theo độ dịch chuyển của các thiên hà ngày nay lại cho biết vũ trụ có tuổi từ 10 cho tới tối đa là 20 tỷ năm. Điều này mâu thuẫn với kết quả nêu trên, vì nếu bạn nhìn theo hai hướng đối diện nhau thì tổng khoảng cách quan sát được (từ các thiết bị, không phải mắt thường) đã là khoảng 28 tỷ năm ánh sáng, trong khi thực tế con số còn lớn hơn thế do thực tế vũ trụ vẫn đang tiếp tục dãn nở. Như vậy có nghĩa là ánh sáng (vận tốc tuyệt đối và nhanh nhất) không thể đủ thời gian để đi từ rìa bên này đến rìa bên kia của vũ trụ. Và nếu như vậy thì làm sao có cơ chế nào để nhiệt độ của bức xạ trong khắp vũ trụ có thể cân bằng với nhau?
2- Hình học phẳng của không gian: Tính "phẳng" ở đây cần hiểu theo nghĩa không-thời gian 4 chiều, không phải hình học phẳng (2 chiều) và hình học không gian (3 chiều) như cách hiểu về hình học thông thường. Mâu thuẫn này xuất phát từ việc kết quả quan sát cho thấy mật độ vật chất và tỷ lệ giãn nở của vũ trụ rất cân bằng (theo không-thời gian 4 chiều), có nghĩa là dường như không có sự biến thiên đáng kể về năng lượng ngay tại thời điểm chúng ta quan sát, vậy cái gì có thể làm vũ trụ vẫn đang tiếp tục nở ra?

Năm 1980, một nhà vật lý thiên văn tên là Alan Guth (sinh năm 1947, hiện là giáo sư viện công nghệ Massachusetts) đề xuất một ý tưởng mới, hoàn thiện cho mô hình Big Bang, gọi là thuyết "Vũ trụ lạm phát" (inflationary universe theory). Theo thuyết này, trong thời kì sớm của vũ trụ (10¨³³ giây sau Big Bang), giai đoạn lạm phát đã diễn ra, đẩy tốc độ giãn nở của vũ trụ mới hình thành khi đó 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. Vì bản thân không gian của vũ trụ tiếp tục giản nở, nên sau thời kì lạm phát, việc giản nở tiếp diễn đối với bất kì vùng không gian nào nên vũ trụ mới có kích thước như ngày nay, việc này đã giải quyết được mâu thuẫn về tính đồng nhất của vũ trụ. Mô hình này cũng lí giải được việc không tìm thấy biến thiên năng lượng trong thời điểm hiện nay. Quá trình lạm phát ban đầu cho phép vũ trụ ngày nay tiếp tục mở rộng mà không cần đến bất cứ biến thiên năng lượng đột ngột nào (Hình dưới)

 


Hình dưới: Các dạng hình học của vũ trụ theo mô hình của thuyết Big Bang với sự bổ sung của thuyết lạm phát (trục thời gian là trục thẳng đứng, không được vẽ). Dạng mặt phẳng: vũ trụ phẳng, giãn nở chậm dần và tiến dần tới cố định. Dạng cầu/elip: Vũ trụ đóng, sau thời gian giãn nở vũ trụ sẽ co dần lại do hấp dẫn và tiến tới sụp đổ. Dạng hyperbol: vũ trụ mở, vũ trụ sẽ giãn nở vĩnh viễn với tốc độ ngày càng cao. Theo các quan sát hiện nay về sự giãn nở của vũ trụ thì vũ trụ của chúng ta là vũ trụ mở, nó sẽ giãn nở vĩnh viễn. (Xem thêm bài "BigBang và bức tranh của chúng ta về vũ trụ")



Một câu hỏi mà nhiều người sẽ đặt ra là: theo như mô hình lạm phát trên thì như vậy vận tốc tương đối giữa 2 điểm cách xa nhất của vũ trụ mà hiện nay ta quan sát được có phải lớn hơn vận tốc ánh sáng, mâu thuẫn với thuyết tương đối hẹp của Einstein?
Câu trả lời là không hề có sự mâu thuẫn ở đây, vì tốc độ ánh sáng như đã nêu trong thuyết tương đối hẹp là tốc độ giới hạn trong không gian tạo thành từ Big Bang, còn các thiên hà đang rời xa nhau mà chúng ta quan sát được với vận tốc rất cao (thậm chí có thể có những thiên hà có vận tốc xấp xỉ bằng vận tốc ánh sáng hay hơn nữa thì ta sẽ không bao giờ quan sát được vì ánh sáng từ chúng sẽ không bao giờ đến được với chúng ta) là do sự giãn nở của chính không gian. Không phải các thiên hà và sao di chuyển trong không gian ra xa nhau mà là chính không gian đang giãn nở. Hãy lấy một ví dụ thế này: nếu bạn có một tấm cao su có thể dễ dàng kéo giãn, đặt 2 con kiến lên giữa tấm cao su sao cho chúng đi về hai hướng ngược nhau (đi xa dần nhau). Trong khi 2 con kiến này bò ra xa nhau, bạn hãy cầm hai đầu tấm cao su và kéo giãn, khi đó chúng sẽ ở xa nhau với vận tốc nhanh hơn do không gian nằm giữa chúng đã bị kéo dãn, trong khi vận tốc thực tế của chúng vẫn không có gì thay đổi.

Đặng Vũ Tuấn Sơn
Vui lòng ghi rõ tên tác giả và nguồn trích dẫn Thienvanvietnam.org khi bạn copy bài viết này!

Share
comments

Related news items:
Newer news items:
Older news items:

 

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: info@thienvanvietnam.org