Big Bang - Quá trình phát triển của vũ trụ và những điều chưa biết
| 23/01/2012 0:00 AM
Trong nhiều thế kỷ, con người đã quan sát những vì sao và tự hỏi rằng làm thế nào, và bằng cách nào vũ trụ đã phát triển được như ngày hôm nay. Câu hỏi này đã trở thành một đề tài tranh luận dường như bất tận.
Trong nhiều thế kỷ, con người đã quan sát những vì sao và tự hỏi rằng làm thế nào, và bằng cách nào vũ trụ đã phát triển được như ngày hôm nay. Câu hỏi này đã trở thành một đề tài tranh luận dường như bất tận. Từ tôn giáo đến khoa học, vấn đề này đã đồng hành cùng con người trong suốt lịch sử nhân loại. Rất nhiều nhà khoa học vĩ đại cũng đã bị cuốn vào nó, có thể kể ra rất nhiều cái tên như Edwin Hubble, Albert Einstein hay Stephen Hawking... Và một trong những mô hình được chấp nhận rộng rãi nhất chính là học thuyết Big Bang. Bài viết dưới đây hi vọng sẽ cung cấp cho bạn đọc một vài thông tin về học thuyết nổi tiếng này.
Mặc dù cực kỳ phổ biến, nhưng cũng rất nhiều người có sự ngộ nhận về học thuyết này. Một trong những hiểu biết sai lầm hay gặp nhất chính là việc cho rằng Big Bang mô tả nguồn gốc của vũ trụ. Big Bang, thực chất, để giải thích việc làm cách nào vũ trụ có thể phát triển từ một trạng thái rất nhỏ và dày đặc để được như ngày hôm nay - không phải để tìm hiểu xem điều gì đã tạo nên vũ trụ ngày hôm nay, hay cái gì đã tồn tại trước sự hình thành của vũ trụ, cũng như những điều nằm bên ngoài vũ trụ.
Một quan niệm sai lầm khác chính là việc cho rằng Big Bang là một vụ nổ. Big Bang, thực chất dùng để mô tả sự giãn nở của vũ trụ. Một số phiên bản khác cho rằng sự giãn nở này là cực kỳ nhanh (có thể còn nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng), nhưng dù sao đi nữa, đó cũng không phải là một vụ nổ theo đúng nghĩa.
Khái quát hóa thuyết Big Bang là một thách thức thực sự. Nó liên quan đến rất nhiều khái niệm mâu thuẫn với cái cách mà chúng ta nhận thức thế giới. Càng đi sâu tìm hiểu về những thời điểm sơ khai nhất trong sự hình thành vũ trụ, bạn càng thấy chúng trở nên mâu thuẫn với những định luật khoa học cơ bản nhất. Cuối cùng, bạn chợt nhận ra rằng mình không thể đưa ra một định luật khoa học nào để lý giải chính xác điều gì đã xảy ra, vì chính các định luật khoa học đã tự phủ nhận nó.
Một vài nét cơ bản về thuyết Big Bang
Học thuyết Big Bang mô tả về quá trình giãn nở của vũ trụ từ thời điểm nó bắt đầu hình thành cho đến nay. Đó là một trong số những học thuyết cơ bản nhất về sự hình thành và phát triển của vũ trụ. Đồng thời, nó cũng đưa ra một số dự đoán về tương lai của vũ trụ, và rất nhiều trong số những phán đoán này đã được chứng minh là hoàn toàn có cơ sở. Chính những điều này đã làm cho Big Bang được chấp nhận một cách rộng rãi.
Điều đầu tiên cần đề cập đến khi nói về thuyết Big Bang chính là khái niệm về một vụ nổ. Hoàn toàn sai lầm. Nhiều người nghĩ rằng, Big Bang mô tả thời điểm khi tất cả các thể loại vật chất và năng lượng của vũ trụ được tập trung ở một điểm rất rất nhỏ, rồi sau đó, BANG, vật chất được bắn đi khắp nơi - và kết quả là vũ trụ được sinh ra. Trên thực tế, Big Bang cho thấy sự giãn nở của vũ trụ, có nghĩa là mọi thứ tồn tại trong vũ trụ được dàn trải đều ra theo các chiều không gian. Ví dụ minh họa dưới đây sẽ giúp bạn đọc hiểu rõ hơn về sự khác biệt giữa 2 khái niệm này.
Ngày nay, khi nhìn vào bầu trời đêm, chúng ta có thể thấy thiên hà được phân chia bởi một khoảng không rộng lớn. Ở những khoảnh khắc sơ khai khi vũ trụ hình thành, khoảng không đó, bao gồm tất cả những vật chất và năng lượng của vũ trụ được nén vào 1 điểm duy nhất - 1 điểm có khối lượng và mật độ lên đến ngưỡng vô cùng - và các nhà vũ trụ học gọi nó là điểm Singularity.
Vậy câu hỏi đặt ra là, vũ trụ sẽ như thế nào vào thời điểm bắt đầu xảy ra Big Bang. Rất dày đặc và rất nóng, nhưng sau đó, do sự giãn nở rất nhanh, nên mật độ và nhiệt độ dần hạ xuống. Cùng với sự giãn nở này, vật chất bắt đầu hình thành, các bức xạ mất dần năng lượng. Và chỉ trong một vài giây, vũ trụ được hình thành, trải dài đến vô tận chỉ từ một điểm đen duy nhất.
Đồng thời với sự giãn nở này, 4 lực cơ bản của vũ trụ cũng đã hình thành:
Lực điện từ
Lực hạt nhân mạnh
Lực hạt nhân yếu
Lực hấp dẫn
Vào thời điểm bắt đầu xảy ra Big Bang, tất cả các lực này là một phần của một lực duy nhất - và làm cách nào các lực này có thể tồn tại cùng nhau trong một thể thống nhất, chúng tương tác với nhau ra sao, có liên quan đến nhau như thế nào - đó vẫn là một bí ẩn lớn.
Thuyết Big Bang đã ra đời như thế nào?
Thuyết Big Bang là kết quả của hai cách tiếp cận khác nhau trong việc nghiên cứu vũ trụ: thiên văn học và vũ trụ học. Các nhà thiên văn học sử dụng nhiều công cụ khác nhau để quan sát các vì sao, trong khi đó các nhà vũ trụ học nghiên cứu các tính chất vật lý thiên thể của vũ trụ.
Ánh sáng cũng mang tính chất sóng, và các nhà thiên văn học nhận thấy có một số ngôi sao có bước sóng thiên về phía quang phổ hồng ngoại nhiều hơn dự kiến. Từ đó, họ đưa ra giả thuyết rằng các ngôi sao này đang di chuyển xa dần khỏi Trái đất. Khi những ngôi sao này di chuyển, các bước sóng mà chúng phát ra sẽ dần bị "căng" ra - kết quả là bước sóng này bị kéo dài, và trở thành một quang phổ hồng ngoại. Các nhà vũ trụ học gọi hiện tượng này là Redshift - tạm dịch: Dịch chuyển đỏ. Bước sóng càng hướng về phía hồng ngoại, ngôi sao đó càng di chuyển nhanh hơn.
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 1022m.
Nhưng con số này là không chính xác, vì tại thời điểm của Hubble, các dụng cụ thiên văn là không đủ độ nhậy và độ chính xác để đo khoảng cách giữa Trái đất và các vì sao. Ngày nay, khi các dụng cụ đo đạc và quan sát đã trở nên tiến bộ hơn, các nhà khoa học đã thay đổi hằng số Hubble, tuy nhiên, chính xác nó là bao nhiêu - đây vẫn là một cuộc tranh luận đang tiếp diễn.
Big Bang- từ khoảnh khắc đầu tiên.
Do những giới hạn của khoa học, chúng ta không thể đưa ra bất kỳ dự đoán nào về thời điểm vũ trụ ra đời. Thay vào đó, ta có thể nghiên cứu những thời điểm ngay sau khoảnh khắc trọng đại này. Và thời điểm sớm nhất được đề cấp đến - đó là vào khoảng thời gian t= 1 x 10^ -43 s.
Trong những thời điểm đầu đời, vũ trụ là quá nhỏ bé, và những định luật vật lý cổ điển trở nên lệch pha khi áp dụng vào đây. Và vật lý lượng tử đã thay thế vật lý cổ điển trong cuộc chơi này, vì nó có thể được ứng dụng trên các thành phần hạ nguyên tử.
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, các nhà khoa học tin rằng, 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.
Khi vũ trụ mở rộng, nhiệt độ này dần hạ xuống. Vào khoảng 1 x 10^-35s, vật chất và năng lượng bắt đầu tách rời. Các nhà khoa học gọi đây là thời điểm Baryogenesis - thời điểm mà ta có thể quan sát được vật chất. Tại thời điểm này, vũ trụ được lấp đầy bởi một lượng gần như tương đương của vật chất và phản vật chất. Tuy nhiên, vật chất vẫn chiếm ưu thế về số lượng, nên khi hạt và phản hạt bắt đầu triệt tiêu nhau, một số hạt vật chất sẽ may mắn sống sót. Và những thành phần này sẽ nhanh chóng kết hợp với nhau để tạo thành vật chất trong vũ trụ.
Tại thời điểm t = 1 x 10^-11s, các nhà khoa học đã có thể tái tạo lại vũ trụ trong phòng thí nghiệm với máy gia tốc hạt. Và điều này đồng nghĩa với việc ta có thể trực tiếp quan sát vũ trụ, với những hình ảnh và số liệu cụ thể, chứ không còn thông qua phán đoán như ở những thời điểm trước nữa. Vào lúc này, lực thống nhất đã bị phá vỡ. Lực điện từ và lực hạt nhân yếu bị tách ra trước tiên. Photon chiếm ưu thế hơn so với vật chất, nhưng vũ trụ lúc này vẫn là cực kỳ dày đặc, và do đó khái niệm "ánh sáng" vẫn còn rất xa xôi.
Tiếp theo đó là giai đoạn tiêu chuẩn của ngành vũ trụ học: thời điểm 0.01s kể từ sau Big Bang. Vũ trụ tiếp tục mở rộng, nhiệt độ vẫn tiếp tục hạ xuống. Các hạt hạ nguyên tử bắt đầu liên kết với nhau, tạo ra neutron và proton. Khi thời gian 1s đã bắt đầu trôi qua, những hạt nhân của các nguyên tố nhẹ bắt đầu hình thành: hydrogen, heli, lithium. Tuy nhiên, lúc này vũ trụ vẫn là quá nóng để các electron có thể tham gia cuộc chơi và hình thành nên các nguyên tử ổn định.
....Và 13 tỷ năm sau.
Một giây đầu tiên dường như là một câu chuyện rất dài, nhưng đó mới chỉ là sự khởi đầu. Sau 100 giây, nhiệt độ của vũ trụ được làm mát xuống chỉ còn.... 1 tỷ độ C. Các hạt hạ nguyên tử tiếp tục kết hợp với nhau. Căn cứ theo khối lượng, sự phân bố của các nguyên tố là vào khoảng 75% hạt nhân hydrogen và 24% hạt nhân heli. 1% còn lại được phân bố cho các hạt nhẹ hơn, ví dụ như lithium.
Nhiệt độ lúc này vẫn là quá cao để electron có thể vào cuộc, do đó, chúng chọn cách va chạm với với các positron để tạo ra nhiều photon hơn. Nhưng mật độ của vũ trụ lúc này vẫn là quá dày đặc, và ánh sáng vẫn chưa xuất hiện.
Quá trình mở rộng và làm mát vũ trụ vẫn tiếp tục diễn ra. 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.
Cũng tại thời điểm này, 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.
Thuyết Big Bang cho ta biết điều gì?
Một số nhà vũ trụ học sử dụng thuyết Big Bang để ước tính tuổi của vũ trụ. Nhưng do những kỹ thuật đo lường khác nhau, nên sai số của phép đo này là rất lớn, và trên thực tế, sai số này có thể lên đến hàng tỷ năm.
Việc phát hiện ra vũ trụ đang mở rộng sẽ dẫn đến nhiều câu hỏi khác. Nó có mở rộng ra mãi không? Nó có dừng lại không? Liệu sẽ có sự đảo ngược không? Căn cứ theo thuyết tương đối tổng quát, tất cả điều này đều phụ thuộc vào việc lượng vật chất trong vũ trụ là bao nhiêu.
Ở đây, lực hấp dẫn đóng vai trò quyết định. Cụ thể, nếu lượng vật chất trong vũ trụ là đủ lớn, lực hấp dẫn sẽ có đủ khả năng làm chậm lại quá trình giãn nở của vũ trụ, và có thể làm vũ trụ thu nhỏ lại. Và nếu chuyện này thực sự xảy ra, các nhà vũ trụ học sẽ phác thảo nên hình ảnh 1 vũ trụ khép kín với một độ cong dương.
Nhưng nếu lực hấp dẫn là không đủ mạnh để đảo ngược quá trình mở rộng của vũ trụ, nó sẽ giãn ra mãi mãi. Và khi đó, vũ trụ hoặc sẽ là không có đường cong, hoặc là nó sẽ mang một độ cong âm.
Theo thuyết Big Bang, không có gì gọi là trung tâm, hay cái rốn của vũ trụ. Mỗi điểm trong vũ trụ đều giống như điểm khác, không có điểm nào là trung tâm. Quan điểm này luôn là điều cốt lõi trong thuyết Big Bang - khi thuyết này cho rằng vũ trụ đang mở rộng một cách đồng nhất và đẳng hướng. Và thực tế đã cho thấy vật chất trong vũ trụ có vẻ như đang chuyển động theo đúng những gì mà thuyết Big Bang đề ra.
Những kẽ hở trong thuyết Big Bang
Kể từ sau khi ra đời, thuyết Big Bang đã vấp phải rất nhiều lời chỉ trích và hoài nghi. Và dưới đây là những kẽ hở phổ biến nhất của học thuyết này:
1. Đi ngược lại định luật thứ nhất của nhiệt động học. Định luật này phát biểu rằng, vật chất, cũng như năng lượng, không tự nhiên sinh ra và cũng không tự nhiên mất đi. Phe phản đối cho rằng, thuyết Big Bang đã đề ra giả thuyết vũ trụ được hình thành từ con số 0. Tuy nhiên, những người ủng hộ lại cho rằng lời chỉ trích này là không có căn cứ, vì 2 lý do. Thứ nhất, Big Bang không giải thích về việc vũ trụ được tạo ra như thế nào, mà chỉ nói về sự phát triển của vũ trụ. Thứ hai, khi các định luật khoa học cơ bản nhất lần lượt đổ vỡ dưới sự hình thành và phát triển của vũ trụ, không có gì chắc chắn rằng định luật bảo toàn vật chất và năng lượng này vẫn có thể đúng 100%.
2. Đi ngược lại định luật Entropy. Định luật này phát biểu rằng theo thời gian, vật chất sẽ càng trở nên hỗn độn hơn. Nhưng nếu nhìn lại, bạn có thể thấy, tại thời điểm ban đầu, vũ trụ là hoàn toàn đồng nhất và đẳng hướng, và cho đến nay, vũ trụ là một tập hợp của vô vàn những vì sao, những thiên hà.... và điều này là một dấu hiệu cho thấy thuyết Big Bang vẫn tuân thủ định luật Entropy.
3. Sự mở rộng quá nhanh của vũ trụ trong giây đầu tiên đã phá vỡ giới hạn vận tốc ánh sáng. Những người ủng hộ có nhiều quan điểm khác nhau để bác bỏ ý kiến này. Thứ nhất, vào thời điểm đầu tiên của Big Bang, thuyết tương đối hoàn toàn không được áp dụng, và do đó, chẳng có vấn đề gì với việc di chuyển nhanh hơn vận tốc ánh sáng. Thứ hai, không gian hoàn toàn nằm ngoài những tương tác trọng lực, do đó không gian tự bản thân nó hoàn toàn có thể mở rộng nhanh hơn vận tốc ánh sáng.
Trên đây chỉ là một vài sơ hở hay được đưa ra tranh luận nhất của thuyết Big Bang. Nhưng vẫn còn rất nhiều câu hỏi khác mà thuyết Big Bang vẫn chưa giải thích được. Điều gì đã xảy ra trước Big Bang? Liệu có gì khác tồn tại ngoài vũ trụ hay không? Và hình hài của vũ trụ là như thế nào? Hi vọng trong một ngày không xa, một học thuyết khác, hoàn chỉnh hơn sẽ có thể giải đáp được những câu hỏi đó.