|
Mô hình Big bang tiêu chuẩn
Mô hình Big Bang (vụ nổ lớn) cho rằng vũ trụ khởi thuỷ bằng một vụ nổ khoảng 15 tỷ năm trước. Tại vụ nổ, kích thước vũ trụ được xem là bằng không nên mật độ năng lượng và nhiệt độ vô cùng lớn. Sau vụ nổ, vũ trụ giãn nở và nguội dần, cho phép thành các cấu trúc như ta đã thấy ngày nay.
Ít nhất có ba cơ sở lý luận và thực tiễn dẫn tới mô hình. Thật thú vị khi biết chính một nhà văn là người đầu tiên cho rằng vũ trụ phải có điểm khỏi đầu. Nghịch lý Olbers (1823) cho rằng nếu vũ trụ vô tận trong không – thời gian thì nó phải có nhiều sao đến mức khi nhìn nên bầu trời, tia mắt ta bao giờ cũng gặp một ngôi sao. Và ta sẽ thấy bầu trời luôn sáng rực như mặt trời, ngay cả vào ban đêm. Những thực tế bầu trời ban đêm lại tối đen. Trong bài thơ văn xuôi dài Eureku năm 1848, Edgar Poe cho rằng, đó là do các ngôi sao không đủ thời gian để chiếu sáng toàn vũ trụ. Và bầu trời đêm tối đen chứng tỏ vũ trụ không tồn tại mãi mãi. Không chỉ đứng vững trước thử thách của thời gian mà giả thuyết còn đóng vai trò quyết định trong việc hình thành lý thuyết Big Bang.
Cơ sở lý luận thứ hai là thuyết tương đối tổng quát, cho rằng không – thời gian là các đại lượng động lực, phụ thuộc vật chất đồng thời chi phối vật chất (lưu ý quan niệm của Engels, cho rằng không – thời gian là hình thức tồn tại của vật chất). Điều đó dẫn tời việc không – thời gian la hình thức tồn tại của vật chất). Điều đó dẫn tời việc không – thời gian và do đó vũ trụ có thể có khởi đầu và kết thúc, một ý tưởng ban đầu chính Einstein cũng tìm cách chống lại.
Cơ sở thực tiễn của mô hình là phát hiện vũ trụ giãn nở của Hubble những năm 1920. Vũ trụ hiện đang giản nở và các thiên hà ngày càng xa nhau chứng tỏ trong quá khứ chúng gần nhau, khi vũ trụ có kích thước nhỏ hơn. Suy diễn ngược thời gian mãi sẽ đi đến thời điểm khai sinh, khi toàn vũ trụ tập trung tại một điểm, nơi có mật độ năng lượng, nhiệt độ và độ cong không thời gian vô hạn. Và một vụ bùng nổ sẽ khiễn vũ trụ sinh thành.
Tuy nhiên mật độ vật chất hay lực hấp dẫn quá lớn có thể khiến vũ trụ co lại ngay khi vừa giãn nở. Cùng với những nguyên nhân khác mà Alan Guth giả định sự giãn nở lạm phát, cho phép vũ trụ tăng kích thước 1030 lần chỉ trong khoảnh khắc (từ thời điển 10-35 đến thời điểm 10-32 giây sau vụ nổ). Vượt qua cái ranh giới thành bại tế vi đó, vũ trụ đắc thắng giãn nở và tạo ra mọi thứ, kể cả bản thân chúng ta.
Đó là mô hình vũ trụ nóng giãn nở lạm phát tiêu chuẩn. Năm 1991 khi viễn kính Hubble trên vệ tinh Cobe đo được phông bức xạ tàn dư từ nổ quá khứ đúng như tiên đoán, mô hình Big Bang được thừa nhận rộng rãi.
Những vấn đề bỏ ngỏ
Big Bang là mô hình tốt nhất hiện nay, nhưng tất nhiên nó vẫn còn nhiều vấn đề, bao gồm điểm kì dị và sự khởi đầu tối hậu. Vật lý luân tránh các điểm kì dị, nơi một đại lượng nào đó đạt giá trị vô cùng – điều chỉ có trong thế giới toán học trừu tượng. Big Bang chính là điểm kì dị như vậy và đó là điều cần tránh. Rồi Big Bang sinh ra vũ trụ, vậy cái gì sinh Big Bang? Không la khi nhà thờ rất hoan nghênh mô hình, vì xem Big Bang là hiện thân của đấng sáng tạo.
Một cách tránh vấn đề kì dị là lý thuyết dây của vật lý hạt (cơ bản). Lý thuyết dây xem cấu tử cơ bản nhất củ vũ trụ không phải là hạt (như điện tử, quark...) mà là dây hay siêu dây với 10 chiều. Có đến 5 lý thuyết dây và đến 1995 người ta thấy rằng chúng chỉ là phiên bản của một lý thuyết nền tảng hơn là lý thuyết màng 11 chiều. Các kiểu dao động khác nhau của màng được thể hiện thành các hạt cơ bản mà ta thấy. Quan điểm cũ xem hạt cơ bản là chất điểm không kích thước nên dẫn tới điểm kì dị, còn màng thì không vì chúng có kích thước xác định, dù rất nhỏ.
Bài toán khởi đầu tồi hậu thì phức tạp hơn. Một cách giải quyết vấn đề là khảo sát sự kết thúc. Vũ trụ giãn nở mãi mãi hay dần co lại trong một vụ co lớn (Big Crunch)? Nếu vũ trụ đủ vật chất, lực hấp dẫn sẽ thắng dần sự giãn nở và vũ trụ đủ vật chất, lực hấp dẫn sẽ thắng dần sự giãn nở và vũ trụ sẽ co về điểm kì dị chung cục. Và vụ nổ tạo nên chúng ta có thể có thể là kết quả của vụ co trước. Đó là mô hình vũ trụ luân hồi của Wheeler, với các chu trình co giãn nối thành vòng tròn như triết lý nhà Phật, một phương thức để tránh sự khởi đầu tối hậu.
Đáng tiếc Big Cruch không phải là đối xứng gương hoàn hảo của Big Bang. Khi vũ trụ co, các Photon sẽ nhận thêm năng lượng do trường hấp dẫn mạnh. Và vũ trụ khi kết thúc sẽ nóng hơn lúc khởi đầu. Kết quả là vụ nổ càng về sau càng mạnh hơn. Điều đó chứng tỏ vũ trụ vẫn cần một điểm khởi đầu tối hậu, giống như mô hình chỉ có một Big Bang vậy. Nhà thơ vẫn chưa mất đi nỗi hào hứng.
Cuộc cách mạng cuối thiên niên kỷ
Quan niệm luân hồi hàm ý vũ trụ đủ vật chất để có thể co lại. Nhưng quan niệm đó bị bác bỏ năm 1998. Việc quan sát các sao siêu mới đã dẫn tới một kết luận mang tính cách mạng: vũ trụ đang giãn nở ngày càng nhanh. Đó là tin không vui vì mô hình luân hồi được ưu thích hơn, nơi vũ trụ và sự sống có thể sinh diệt không ngừng nghỉ.
Tại sao vũ trụ giãn nở ngày càng nhanh? Câu trả lời khá đơn giản: vì thiếu lượng vật chất cần thiết. Quan trọng hơn, dường như vũ trụ chứa một dạng năng lượng đặc biệt có tác dụng phản hấp dẫn.
Vài chục năm trước các nhà thiên văn xem vũ trụ chỉ chứa vật chất sáng thông thường. Khi thấy tốc độ quay của các thiên hà quá nhanh, người ta giả định loại chất tối nhiều gấp 10 lần chất sáng (để lực hấp dẫn đủ bù với lực lý tâm do thiên hà quay, nều không thiên hà sẽ tan rã). Chất tối được chia thành hai loại; Loại thường (như sao lùn nâu, lỗ đen...) và loại lạ (như neutrino có khối lượng, các hạt giả thuyết axion hay Wimp...). Nay cần thêm vào loại vật chất hay năng lượng mới, gọi là năng lượng tối, chiếm tới hai phần ba khối lượng vũ trụ: |
|
Thành phần
|
Tỷ lệ (%)
|
Minh Hoạ
|
|
Bức xạ
|
0,005
|
Ánh sáng, các bức xạ điện từ khác...
|
|
Chất sáng
|
0,5
|
Mặt trời, các sao, các hệ hành tinh...
|
|
Chất tối thông thường
|
3,5
|
Lỗ đen, sao lùn nâu, sao lùn đen...
|
|
Chất tối kỳ lạ
|
26
|
Neutrino có khối lượng, các hạt giả thuyết axion, wimp...
|
|
Năng lượng tối
|
70
|
Năng lượng chân không hay thành phần thứ năm...
|
Bản chất năng lượng tối với áp lực âm (để tạo phản hấp dẫn) có lẽ là thách thức lâu dài đối với vật lý và vũ trụ học.
Đầu tiên là năng lượng chân không. Chân không vật lý không phải là cõi hư vô, mà chứa đầy các hạt – phản hạt ảo, sinh diệt không ngừng do nguyên lý bất định Heisenberg. Theo đó, không thể xác định chính xác đồng thời giá trị các gặp đại lượng vật lý liên hợp (như vị trí và tốc độ, giá trị các cặp đại lượng vật lý liên hợp (như vị trí và tốc độ, giá trị và độ biến thiên của một trường vật lý...). Nên năng lượng chân không phải khác không, vì nếu bằng không thì độ biến thiên cũng bằng không; có nghĩa hai đại lượng được xác định chính xác đồng thời, điều mà nguyên lý bất định cấm. Đó là do sinh hạt và phản hạt ảo. Chẳng hạn trong 1cm3 trước mắt ta, luôn có 1030 điện tử ảo! Chúng gây hiệu ứng đó đếm được, như hiệu ứng Casimir. Tính toán thấy chúng tạo mật độ năng lượng lớn gấp 10120 lần các dạng vật chất khác, một con số khiến giới vật lý choáng váng!
Ứng cử viên thứ hai là thành phần thứ năm (chơi chữ theo Aristotle, người xem bốn yếu tố nước, lửa, không khí và đất tao nên vũ trụ). Đơn giản nhất là một trường lượng tử thay đổi rất chậm theo thời gian, cơ chế giải thích giai đoạn giãn nở lạm phát. Khả năng khác đến từ vật lý các chiều dư kỳ ảo, tức dây 10 chiều hay màng 11 chiều nói ở trên. Trong lý thuyết này, vật chất thông thường nằm trên các màng ba chiều. Các màng này nằm sát nhau trong chiều thứ 11. Ánh sáng đi theo các màng ba chiều đến mắt ta phải mất hàng tỷ năm, trong khi tác động hấp dẫn (hay phản hấp dẫn) thì đến ngay theo chiều dư, tạo giá trị ước lượng vô cùng lớn như vừa nói. Tuy nhiên, những khó khăn toán học khiến việc đưa ra một mô hình hoàn chỉnh là bất khả chỉ trước mắt mà còn có thể trong tương lai.
|
