TIẾN TRÌNH ĐA GIỚI CỦA VŨ TRỤ (Phần 1)

Hỏi :  Hoàng Sa

Ở rìa vũ trụ, nơi đó mọi kích thước bằng không, nghĩa là vũ trụ co thành một điểm lượng tử có khối lượng khổng lồ, năng lượng và mật độ cực hạn, chẳng lẽ là để chuẩn bị một vụ nổ lớn tiếp theo? Nơi đó ở đâu?

Đáp : Wambua Dominic

Câu hỏi này, bản chất là câu hỏi về tiến trình đa giới của vũ trụ. Nội hàm khoa học của câu hỏi quá lớn, không đủ chỗ để trả lời chỉ trong một comment.

Phần I : BIG BANG LÀ MÔ HÌNH PHÁT TRIỂN CỦA VŨ TRỤ.

1/. Xuất hiện mô hình Big Bang:

a- Tiến trình của vũ trụ là một vấn đề lớn mà cho đến nay, các ngành khoa học kỹ thuật và xã hội cũng như triết học đều rất mơ hồ, hoang mang, thậm chí phát biểu linh tinh kiểu “hóng hớt” mà không có một chút lý luận hay tính toán khả tín nào. Trong đó thuyết Big Bang (Vụ nổ lớn hình thành vũ trụ) là một lý thuyết khoa học đã được kiểm chứng và được cộng đồng khoa học chấp nhận rộng rãi, có nhiều bằng chứng thực nghiệm để củng cố vị trí của nó. Đặc biệt là việc ghi nhận và đo lường được bức xạ nền vi sóng vũ trụ tàn dư từ 13,8 tỷ năm trước (phát hiện ra vào năm 1964), và đặc biệt khi phổ của nó (lượng bức xạ đo được ứng với mỗi bước sóng) được phát hiện phù hợp với bức xạ vật đen. Từ đó, các nhà thiên văn vật lý đã kết hợp những dữ liệu lớn trong quan sát và đưa thêm những tính toán lý thuyết vào mô hình Vụ Nổ Lớn, và mô hình tham số của nó hay mô hình Lambda-CDM trở thành khuôn khổ lý thuyết cho những nghiên cứu hiện đại về vũ trụ học càng chứng tỏ lý luận về Big Bang là đáng tin cậy.

b- Nhà vũ trụ học và là linh mục Georges Lemaître là người đầu tiên đề xuất lý thuyết Vụ Nổ Lớn trong nghiên cứu của ông về “giả thuyết về nguyên tử nguyên thủy”. Sau nhiều năm, các nhà vật lý dựa trên ý tưởng ban đầu của ông, xây dựng lên các lý thuyết khác nhau và được tổng hợp lại thành lý thuyết Big Bang hiện đại. Khuôn khổ cho lý thuyết Vụ Nổ Lớn dựa trên thuyết tương đối rộng của nhà vật lý Đức Albert Einstein và trên giả thiết đơn giản về tính đồng nhất và đẳng hướng của không gian. Dựa vào phương trình trường Einstein, nhà vũ trụ học Alexander Friedmann đã tìm ra được các phương trình chi phối sự tiến hóa của vũ trụ.

c- Mô hình vũ trụ của thuyết Big Bang là, từ khởi thủy cách nay 13,8 tỷ năm, xuất hiện một điểm lượng tử kích thước bằng không, có khối lượng và năng lượng cực lớn. Điểm lượng tử đó giãn nở với tốc độ khủng khiếp và được xem là vụ nổ lớn, vũ trụ “bung” ra đẳng hướng (tăng cả thước đo không gian lẫn vật thể) có gia tốc. Sau 13,8 năm thì vũ trụ có độ rộng lớn như hiện nay và vẫn đang gia tốc giãn nở. 

Sự giãn nở của vũ trụ, trạng thái cực nóng lúc sơ khai, sự hình thành của heli, và sự hình thành các thiên hà— được suy luận ra từ những quan sát khác độc lập với mọi mô hình vũ trụ học. Các nhà vật lý biết rằng khoảng cách giữa các đám thiên hà đang tăng lên, và họ lập luận rằng mọi thứ đã phải ở gần nhau hơn khi trở về quá khứ. Ý tưởng này đã được xem xét một cách chi tiết khi quay ngược trở lại thời gian đến thời điểm vật chất có mật độ và nhiệt độ cực cao.

d- Sự giãn nở là ở bản chất của không gian giãn nở, chứ không phải là vật chất và năng lượng “nở ra” vào một không gian cố định trước đó. 

Tại thời điểm t= 1 x 10^-43s: Vũ trụ là vô cùng nhỏ bé, dày đặc và có nhiệt độ rất cao. Các nhà khoa học ước tính, lúc này vũ trụ chỉ kéo dài trên 1 khoảng 1 x 10^-33 cm – so với không gian trải dài hàng tỷ năm ánh sáng như ngày nay. Trong giai đoạn này, vật chất và năng lượng là không thể tách rời. Bốn lực cơ bản của vũ trụ trở thành một lực thống nhất. Và nhiệt độ của vũ trụ lúc này ước tính vào khoảng 10^32 độ C.

Khoảng xấp xỉ thời điểm 10^−36 giây trong giai đoạn giãn nở, một sự chuyển pha là nguyên nhân gây ra sự giãn nở lạm phát của vũ trụ, khi thể tích của vũ trụ mở rộng tăng theo hàm mũ diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn đến thời điểm giữa 10^−33 và 10^−32 giây. Sau giai đoạn lạm phát, kích thước vũ trụ đã tăng lên gấp 10^30 so với kích thước ban đầu.

e- Khi giai đoạn lạm phát kết thúc, vũ trụ lúc này chứa pha vật chất plasma quark–gluon, cũng như các hạt cơ bản khác. Nhiệt độ lúc này vẫn rất cao do vậy chuyển động ngẫu nhiên của các hạt là chuyển động với vận tốc tương đối tính, và sự sinh các cặp hạt – phản hạt liên tục tạo ra và hủy các cặp hạt này trong các va chạm. Ở một thời điểm chưa được biết chính xác, các nhà vật lý đề xuất tồn tại một pha gọi là “nguồn gốc phát sinh baryon” (baryongenesis) trong đó các phản ứng giữa vật chất và phản chất có sự vi phạm định luật bảo toàn số baryon, dẫn đến sự hình thành một lượng dư thừa rất nhỏ các hạt quark và lepton so với lượng phản quark và phản lepton— với tỷ lệ khoảng một hạt vật chất dư ra trên 30 triệu phản ứng. Kết quả này dẫn đến sự vượt trội về vật chất so với phản vật chất trong vũ trụ ngày nay.

f- Vũ trụ tiếp tục giảm nhiệt độ và mật độ, hay động năng của các hạt tiếp tục giảm (những sự giảm này là do không thời gian tiếp tục giãn nở). Hiện tượng phá vỡ đối xứng ở giai đoạn chuyển pha đưa đến hình thành riêng rẽ các tương tác cơ bản của vật lý và những tham số của các hạt sơ cấp mà chúng có như ngày nay. Sau khoảng 10^−11 giây, do năng lượng của các hạt giảm xuống giá trị mà các nhà vật lý hạt có thể đánh giá và đo được trong các thí nghiệm trên máy gia tốc. Đến 10^−6 giây, hạt quark và gluon kết hợp lại thành baryon như proton và neutron. Một lượng dư thừa quark so với phản quark dẫn đến hình thành lượng baryon vượt trội so với phản baryon. Nhiệt độ lúc này không đủ cao để phản ứng sinh cặp proton–phản proton xảy ra (và tương tự cho sinh cặp neutron–phản neutron), do vậy sự hủy khối lượng ngay lập tức xảy ra để lại đúng 1 hạt trong 10^10 hạt proton và neutron, và không hạt nào có phản hạt của chúng. Một quá trình tương tự diễn ra khoảng 1 giây cho cặp hạt electron và positron. Sau quá trình hủy cặp hạt-phản hạt, vũ trụ chỉ còn lại các proton, neutron và electron và những hạt này không còn chuyển động với vận tốc tương đối tính nữa và mật độ năng lượng của Vũ trụ chứa chủ yếu photon (với một lượng nhỏ là đóng góp của neutrino).

g- Một vài phút sau sự giãn nở, khi nhiệt độ lúc này giảm xuống 1 tỷ (10^9; SI) Kelvin và mật độ tương đương với mật độ không khí, lúc này hạt neutron kết hợp với proton để hình thành lên hạt nhân deuteri và heli trong quá trình gọi là phản ứng tổng hợp hạt nhân. Hầu hết những proton không tham gia phản ứng kết hợp trở thành proton tự do và chính là hạt nhân của nguyên tử hiđrô. Vũ trụ tiếp tục lạnh đi, mật độ năng lượng và khối lượng nghỉ của vật chất lấn át về lực hấp dẫn so với bức xạ photon. Sau khoảng 379.000 năm, nhiệt độ vũ trụ lúc này khoảng 3.000 K, electron và hạt nhân bắt đầu kết hợp lại với nhau tạo nên nguyên tử (chủ yếu là hiđrô); và bức xạ photon không tương tác với electron tự do, nó không còn bị cản trở bởi plasma và lan truyền tự do trong không gian. Bức xạ tàn dư này chính là bức xạ phông vi sóng vũ trụ.

h- Sau khoảng 56.000 năm, nhiệt độ vũ trụ đã hạ xuống chỉ còn khoảng 9000 độ C, và tại thời điểm này, mật độ vật chất của vũ trụ đã bắt đầu phù hợp với mật độ bức xạ. Trải qua khoảng 300.000 năm nữa, nhiệt độ chỉ còn là 3000 độ C, và cuối cùng, proton và electron đã có thể kết hợp với nhau để tạo ra các nguyên tử Hydro đầu tiên. Bốn lực cơ bản của vũ trụ xác lập (bao gồm lực Hấp dẫn + Lực điện từ + Lực tương tác mạnh và Lực tương tác yếu).  Gần đây, sự phát hiện và phân tích Lực vũ trụ thứ 5 (SupperPower) của Attila Krasznahorkay năm 2018, có khả năng soi sáng bí ẩn của vật chất tối (và năng lượng tối), góp phần làm sáng tỏ những gì diễn ra sau pha vũ trụ lạm phát đến nay (và trong vài chục tỷ năm tới).

i- Khoảng 380.000 năm sau Big Bang, ánh sáng đã xuất hiện. Bức xạ nền vi sóng vũ trụ đã hình thành, và với việc nghiên cứu những bức xạ này, giờ đây con người đã có thể phác thảo lại hình ảnh vũ trụ từ thuở sơ khai ban đầu. 

Cho đến khoảng 100 triệu năm sau hoặc lâu hơn thế, vũ trụ vẫn tiếp tục giãn nở và được làm mát. Một vài biến động nhỏ về lực hấp dẫn sẽ khiến cho các phần tử vật chất co cụm lại với nhau, chúng trở nên dày đặc hơn, và nóng hơn, và sau khoảng 1 đến 2 trăm năm, các ngôi sao ra đời.

Khi một ngôi sao nào đó già cỗi đi và phát nổ, những mảnh vật chất sẽ bắn đi khắp vũ trụ, và tạo nên những nguyên tố nặng mà ta có thể tìm thấy trong tự nhiên (những nguyên tố có khối lượng trên Uranium). Những dải thiên hà bắt đầu hình thành nên các cụm riêng, và dải thiên hà của chúng ta được hình thành từ cách đây khoảng 4.6 tỷ năm.

j- Vào năm 1920, nhà thiên văn học Edwin Hubble đã phát hiện ra một điều rất lý thú: Vận tốc xuất hiện của một ngôi sao tỷ lệ thuận với khoảng cách của nó từ Trái đất. Nghĩa là, một ngôi sao ở càng xa Trái đất thì sẽ di chuyển càng nhanh ra xa chúng ta. Với giả thuyết này, một lần nữa Hubble khẳng định rằng vũ trụ đang tiếp tục giãn nở.

Phát hiện của Hubble đưa đến một cuộc tranh cãi vẫn tiếp diễn đến ngày nay: Chính xác thì mối quan hệ giữa vận tốc và khoảng cách của một ngôi sao là gì? Các nhà khoa học gọi đây là hằng số Hubble, và Hubble đưa ra giả thuyết rằng nó vào khoảng 464 km/s/Mpc. Mpc – viết tắt của Megaparsec là một đơn vị khoảng cách tương ứng với 3.08 x 10^22m.

2/. Khai tử mô hình Vũ Trụ Dừng:

Sự diễn đạt thành công và phù hợp với thực nghiệm của thuyết Big Bang đã khai tử mô hình vũ trụ dừng (nghĩa là quan điểm từ khởi thủy, vũ trụ đã rộng lớn và chứa vật thể như hiện nay, các thiên hà đều là những ốc đảo chơi vơi trong khoảng không gian vũ trụ vô cùng vô tận). 

——— 

Xem tiếp Phần II : VŨ TRỤ ĐA GIỚI TUẦN HOÀN.

Nguồn: Thầy Wambua Dominic, 27/12/2018.