Vụ nổ lớn là cách các nhà thiên văn giải thích cách vũ trụ bắt đầu. Ý tưởng cho rằng vũ trụ bắt đầu chỉ là một điểm duy nhất, sau đó mở rộng và kéo dài để phát triển lớn như hiện tại — và nó vẫn đang kéo dài!
Lịch sử của vũ trụ bắt đầu với Vụ nổ lớn. Một tỷ năm sau vụ nổ lớn, các nguyên tử hydro bị tách ra một cách bí ẩn thành một món súp chứa các ion. Credit: grandunificationtheory.com
Vũ trụ của chúng ta được tạo ra như thế nào? Làm thế nào nó trở thành nơi dường như vô tận mà chúng ta biết ngày nay? Và điều gì sẽ xảy ra với nó, kể từ bây giờ? Đây là những câu hỏi đã làm khó các triết gia và học giả ngay từ đầu, và dẫn đến một số giả thuyết khá hoang đường và thú vị. Ngày nay, sự đồng thuận giữa các nhà khoa học, thiên văn học và vũ trụ học là Vũ trụ như chúng ta biết đã được tạo ra trong một vụ nổ lớn không chỉ tạo ra phần lớn vật chất mà còn tạo ra các quy luật vật lý chi phối vũ trụ ngày càng mở rộng của chúng ta.
Đây được gọi là Lý thuyết Vụ nổ lớn. Trong gần một thế kỷ, thuật ngữ này đã được phổ biến bởi các học giả và những người không phải là học giả. Điều này không có gì đáng ngạc nhiên, vì nó là lý thuyết được chấp nhận nhiều nhất về nguồn gốc của chúng ta. Nhưng chính xác nó có nghĩa là gì? Vũ trụ của chúng ta được hình thành như thế nào trong một vụ nổ lớn, bằng chứng nào về điều này, và lý thuyết nói gì về những dự báo dài hạn cho Vũ trụ của chúng ta?
Những điều cơ bản của lý thuyết này khá đơn giản. Tóm lại, giả thuyết Vụ nổ lớn nói rằng tất cả vật chất hiện tại và quá khứ trong Vũ trụ đều tồn tại cùng một thời điểm, khoảng 13,8 tỷ năm trước. Lúc này, tất cả vật chất đều bị nén chặt thành một quả cầu rất nhỏ với mật độ vô hạn và nhiệt lượng cực lớn gọi là Điểm kỳ dị. Điểm kỳ dị bắt đầu mở rộng, và vũ trụ như chúng ta biết bắt đầu.
Mặc dù đây không phải là lý thuyết hiện đại duy nhất về cách Vũ trụ ra đời – ví dụ, có Lý thuyết Trạng thái Ổn định hoặc Lý thuyết Vũ trụ Dao động – nó được chấp nhận rộng rãi và phổ biến nhất. Mô hình không chỉ giải thích nguồn gốc của tất cả các vật chất đã biết, các quy luật vật lý và cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ, nó còn giải thích cho sự giãn nở của Vũ trụ và một loạt các hiện tượng khác.
Mốc thời gian:
Làm việc ngược lại so với trạng thái hiện tại của Vũ trụ, các nhà khoa học đã đưa ra giả thuyết rằng nó phải bắt nguồn từ một điểm duy nhất có mật độ vô hạn và thời gian hữu hạn bắt đầu giãn nở. Sau sự giãn nở ban đầu, lý thuyết cho rằng Vũ trụ nguội đi đủ để cho phép hình thành các hạt hạ nguyên tử, và các nguyên tử đơn giản sau này. Những đám mây khổng lồ của các nguyên tố nguyên thủy này sau đó kết hợp lại nhờ lực hấp dẫn để tạo thành các ngôi sao và thiên hà.
Tất cả điều này bắt đầu khoảng 13,8 tỷ năm trước, và do đó được coi là tuổi của vũ trụ. Thông qua việc kiểm tra các nguyên tắc lý thuyết, các thí nghiệm liên quan đến máy gia tốc hạt và trạng thái năng lượng cao, và các nghiên cứu thiên văn quan sát vũ trụ sâu, các nhà khoa học đã xây dựng dòng thời gian của các sự kiện bắt đầu với Vụ nổ lớn và dẫn đến trạng thái tiến hóa vũ trụ hiện nay. .
Tuy nhiên, thời gian sớm nhất của Vũ trụ – kéo dài từ khoảng 10-43 đến 10-11 giây sau Vụ nổ lớn – là chủ đề của nhiều suy đoán. Cho rằng các định luật vật lý như chúng ta biết không thể tồn tại vào thời điểm này, rất khó để hiểu được cách mà Vũ trụ có thể được điều hành. Hơn nữa, các thí nghiệm có thể tạo ra các loại năng lượng liên quan vẫn chưa được tiến hành. Tuy nhiên, nhiều giả thuyết phổ biến về những gì đã xảy ra trong thời điểm ban đầu này trong thời gian, nhiều giả thuyết tương thích với nhau.
Điểm kỳ dị:
Còn được gọi là Kỷ nguyên Planck (hay Kỷ nguyên Planck), đây là thời kỳ sớm nhất được biết đến của Vũ trụ. Lúc này, tất cả vật chất đều được cô đặc lại trên một điểm duy nhất có mật độ vô hạn và nhiệt lượng cực lớn. Trong thời kỳ này, người ta tin rằng các hiệu ứng lượng tử của lực hấp dẫn đã chi phối các tương tác vật lý và không có lực lượng vật chất nào khác có sức mạnh tương đương với lực hấp dẫn.
Khoảng thời gian Planck này kéo dài từ điểm 0 đến khoảng 10-43 giây, và được đặt tên như vậy vì nó chỉ có thể được đo bằng thời gian Planck. Do nhiệt độ và mật độ vật chất cực lớn, trạng thái của vũ trụ rất không ổn định. Do đó, nó bắt đầu nở ra và nguội đi, dẫn đến sự biểu hiện của các lực cơ bản của vật lý.
Từ khoảng 10 -43 giây và 10 -36 , vũ trụ bắt đầu vượt qua các nhiệt độ chuyển tiếp. Tại đây, các lực lượng cơ bản chi phối Vũ trụ được cho là đã bắt đầu tách khỏi nhau. Bước đầu tiên trong quá trình này là lực hấp dẫn tách ra khỏi lực đo, tính từ lực hạt nhân mạnh và yếu và lực điện từ.
Sau đó, từ 10 -36 đến 10 -32 giây sau Vụ nổ lớn, nhiệt độ của vũ trụ đủ thấp (10 28 K) để các lực điện từ (lực mạnh) và lực hạt nhân yếu (tương tác yếu) có thể tách rời. cũng như, tạo thành hai lực lượng riêng biệt.
Kỷ nguyên lạm phát:
Với việc tạo ra các lực cơ bản đầu tiên của vũ trụ, Kỷ nguyên Lạm phát bắt đầu, kéo dài từ 10 -32 giây trong thời gian Planck đến một thời điểm không xác định. Hầu hết các mô hình vũ trụ cho rằng Vũ trụ tại thời điểm này được lấp đầy một cách đồng nhất với mật độ năng lượng cao, và nhiệt độ và áp suất cực kỳ cao đã dẫn đến sự giãn nở và nguội đi nhanh chóng.
Điều này bắt đầu ở 10 -37 giây, nơi mà sự chuyển pha gây ra sự phân tách các lực cũng dẫn đến một giai đoạn mà vũ trụ phát triển theo cấp số nhân. Cũng tại thời điểm này, quá trình sinh baryogenesis xảy ra, đề cập đến một sự kiện giả định trong đó nhiệt độ cao đến mức chuyển động ngẫu nhiên của các hạt xảy ra với tốc độ tương đối tính.
Kết quả là, các cặp hạt – phản hạt của tất cả các loại liên tục được tạo ra và bị phá hủy trong các vụ va chạm, được cho là dẫn đến vật chất chiếm ưu thế hơn phản vật chất trong vũ trụ hiện nay. Sau khi lạm phát dừng lại, vũ trụ bao gồm plasma quark-gluon, cũng như tất cả các hạt cơ bản khác. Từ thời điểm này trở đi, Vũ trụ bắt đầu nguội đi và vật chất kết hợp lại và hình thành.
Kỷ nguyên làm mát:
Khi vũ trụ tiếp tục giảm về mật độ và nhiệt độ, năng lượng của mỗi hạt bắt đầu giảm và quá trình chuyển pha tiếp tục cho đến khi các lực cơ bản của vật lý và các hạt cơ bản thay đổi thành dạng hiện tại của chúng. Vì năng lượng của các hạt sẽ giảm xuống các giá trị có thể thu được bằng các thí nghiệm vật lý hạt, nên giai đoạn này trở đi sẽ ít bị suy đoán hơn.
Ví dụ, các nhà khoa học tin rằng khoảng 10-11 giây sau vụ nổ Big Bang, năng lượng của các hạt giảm đáng kể. Vào khoảng 10-6 giây, quark và gluon kết hợp với nhau để tạo thành baryon như proton và neutron, và sự dư thừa nhỏ của quark so với phản quark dẫn đến sự dư thừa nhỏ của baryon so với kháng thể.
Vì nhiệt độ không đủ cao để tạo ra các cặp proton-phản proton mới (hoặc cặp neutron-anitneutron), sự hủy diệt hàng loạt ngay sau đó, chỉ để lại 1/10 proton và neutron ban đầu và không có phản hạt nào của chúng. Một quá trình tương tự đã xảy ra vào khoảng 1 giây sau Vụ nổ lớn đối với các electron và positron. Sau những sự hủy diệt này, các proton, neutron và electron còn lại không còn chuyển động tương đối tính nữa và mật độ năng lượng của vũ trụ bị chi phối bởi các photon – và ở mức độ thấp hơn là neutrino.
Một vài phút sau khi mở rộng, giai đoạn được gọi là sự tổng hợp hạt nhân của Vụ nổ lớn cũng bắt đầu. Nhờ nhiệt độ giảm xuống 1 tỷ kelvin và mật độ năng lượng giảm xuống khoảng tương đương với không khí, neutron và proton bắt đầu kết hợp để tạo thành deuterium đầu tiên của vũ trụ (một đồng vị ổn định của Hydro) và các nguyên tử heli. Tuy nhiên, hầu hết các proton của Vũ trụ vẫn chưa kết hợp thành hạt nhân hydro.
Sau khoảng 379.000 năm, các electron kết hợp với những hạt nhân này để tạo thành nguyên tử (một lần nữa, chủ yếu là hydro), trong khi bức xạ tách khỏi vật chất và tiếp tục mở rộng trong không gian, phần lớn không bị cản trở. Bức xạ này hiện được biết là thứ tạo nên Nền Vi sóng Vũ trụ (CMB), mà ngày nay là ánh sáng lâu đời nhất trong Vũ trụ.
Khi CMB mở rộng, nó mất dần mật độ và năng lượng, và hiện được ước tính có nhiệt độ là 2,7260 ± 0,0013 K (-270,424 ° C / -454,763 ° F) và mật độ năng lượng là 0,25 eV / cm 3 (hoặc 4,005 × 10 -14 J / m 3 ; 400–500 photon / cm 3 ). CMB có thể được nhìn thấy ở mọi hướng ở khoảng cách khoảng 13,8 tỷ năm ánh sáng, nhưng ước tính về khoảng cách thực của nó thì nó cách tâm Vũ trụ khoảng 46 tỷ năm ánh sáng.
Kỷ nguyên cấu trúc:
Trong vài tỷ năm sau đó, các vùng đặc hơn một chút của vật chất phân bố gần như đồng đều của Vũ trụ bắt đầu trở nên hấp dẫn lẫn nhau. Do đó, chúng ngày càng dày đặc hơn, tạo thành các đám mây khí, các ngôi sao, các thiên hà và các cấu trúc thiên văn khác mà chúng ta thường xuyên quan sát ngày nay.
Đây là cái được gọi là Kỷ nguyên Cấu trúc, vì chính trong thời gian này mà Vũ trụ hiện đại bắt đầu hình thành. Điều này bao gồm các vật chất nhìn thấy được phân bố trong các cấu trúc có kích thước khác nhau, từ các ngôi sao và hành tinh đến các thiên hà, các cụm thiên hà và các siêu cụm – nơi tập trung vật chất – được ngăn cách bởi các vịnh khổng lồ chứa ít thiên hà.
Các chi tiết của quá trình này phụ thuộc vào số lượng và loại vật chất trong vũ trụ, với vật chất tối lạnh , vật chất tối ấm, vật chất tối nóng và vật chất baryonic là bốn loại được gợi ý. Tuy nhiên, mô hình Lambda-Cold Dark Matter (Lambda-CDM), trong đó các hạt vật chất tối di chuyển chậm so với tốc độ ánh sáng, được coi là mô hình tiêu chuẩn của vũ trụ học Big Bang, vì nó phù hợp nhất với dữ liệu hiện có. .
Trong mô hình này, vật chất tối lạnh được ước tính chiếm khoảng 23% vật chất / năng lượng của vũ trụ, trong khi vật chất baryonic chiếm khoảng 4,6%. Lambda đề cập đến Hằng số vũ trụ, một lý thuyết ban đầu do Albert Einstein đề xuất nhằm cố gắng chỉ ra rằng sự cân bằng của khối lượng-năng lượng trong vũ trụ là tĩnh. Trong trường hợp này, nó được liên kết với Năng lượng tối, được dùng để đẩy nhanh sự giãn nở của vũ trụ và giữ cho cấu trúc quy mô lớn của nó phần lớn đồng nhất.
Dự đoán dài hạn:
Giả thuyết rằng Vũ trụ có một điểm bắt đầu đương nhiên sẽ làm nảy sinh câu hỏi về một điểm cuối có thể xảy ra. Nếu Vũ trụ bắt đầu như một điểm nhỏ có mật độ vô hạn bắt đầu giãn nở, thì điều đó có nghĩa là nó sẽ tiếp tục giãn nở vô thời hạn? Hay một ngày nào đó nó sẽ cạn kiệt lực lượng và bắt đầu rút lui vào trong cho đến khi mọi vật chất vỡ vụn trở lại thành một quả bóng nhỏ?
Trả lời câu hỏi này đã là trọng tâm chính của các nhà vũ trụ học kể từ khi cuộc tranh luận về mô hình Vũ trụ nào là chính xác bắt đầu. Với việc chấp nhận Lý thuyết Vụ nổ lớn, nhưng trước khi quan sát Năng lượng tối vào những năm 1990, các nhà vũ trụ học đã đi đến thống nhất về hai kịch bản là kết quả có khả năng xảy ra nhất đối với Vũ trụ của chúng ta.
Trong kịch bản đầu tiên, thường được gọi là kịch bản “Vụ nổ lớn”, vũ trụ sẽ đạt đến kích thước tối đa và sau đó bắt đầu tự sụp đổ. Điều này sẽ chỉ có thể thực hiện được nếu mật độ khối lượng của Vũ trụ lớn hơn mật độ tới hạn. Nói cách khác, chừng nào mật độ vật chất vẫn bằng hoặc trên một giá trị nhất định (1-3 × 10 -26 kg vật chất trên m 3 ), thì Vũ trụ cuối cùng sẽ co lại.
Ngoài ra, nếu mật độ trong vũ trụ bằng hoặc thấp hơn mật độ tới hạn, thì sự giãn nở sẽ chậm lại nhưng không bao giờ dừng lại. Trong kịch bản này, được gọi là “Big Freeze”, Vũ trụ sẽ tiếp tục cho đến khi sự hình thành sao cuối cùng chấm dứt với việc tiêu thụ tất cả khí giữa các vì sao trong mỗi thiên hà. Trong khi đó, tất cả các ngôi sao hiện có sẽ cháy hết và trở thành sao lùn trắng, sao neutron và lỗ đen.
Dần dần, các vụ va chạm giữa các lỗ đen này sẽ dẫn đến khối lượng tích tụ thành các lỗ đen ngày càng lớn hơn. Nhiệt độ trung bình của vũ trụ sẽ đạt đến độ không tuyệt đối, và các lỗ đen sẽ bốc hơi sau khi phát ra bức xạ Hawking cuối cùng của chúng. Cuối cùng, entropy của vũ trụ sẽ tăng lên đến mức mà không một dạng năng lượng có tổ chức nào có thể được chiết xuất từ nó (một kịch bản được gọi là “cái chết do nhiệt”).
Các quan sát hiện đại, bao gồm sự tồn tại của Năng lượng tối và ảnh hưởng của nó đối với sự giãn nở của vũ trụ, đã dẫn đến kết luận rằng ngày càng nhiều vũ trụ hiện có thể nhìn thấy sẽ vượt ra ngoài chân trời sự kiện của chúng ta (tức là CMB, rìa của những gì chúng ta có thể nhìn thấy) và trở nên vô hình đối với chúng tôi. Kết quả cuối cùng của điều này hiện vẫn chưa được biết, nhưng “cái chết do nhiệt” cũng được coi là điểm kết thúc có thể xảy ra trong kịch bản này.
Các giải thích khác về năng lượng tối, được gọi là lý thuyết năng lượng ma, cho rằng cuối cùng các cụm thiên hà, các ngôi sao, hành tinh, nguyên tử, hạt nhân và bản thân vật chất sẽ bị xé toạc bởi sự mở rộng ngày càng tăng. Kịch bản này được gọi là “Big Rip”, trong đó sự mở rộng của Vũ trụ cuối cùng sẽ là sự hoàn tác của nó.
Lịch sử của Lý thuyết Vụ nổ lớn:
Những dấu hiệu sớm nhất về Vụ nổ lớn xảy ra là kết quả của các cuộc quan sát không gian sâu được thực hiện vào đầu thế kỷ 20. Năm 1912, nhà thiên văn học người Mỹ Vesto Slipher đã tiến hành một loạt các quan sát các thiên hà xoắn ốc (được cho là tinh vân) và đo Doppler Redshift của chúng. Trong hầu hết mọi trường hợp, các thiên hà xoắn ốc được quan sát thấy đang di chuyển ra khỏi thiên hà của chúng ta.
Năm 1922, nhà vũ trụ học người Nga Alexander Friedmann đã phát triển cái được gọi là phương trình Friedmann, được suy ra từ các phương trình của Einstein cho thuyết tương đối rộng. Trái ngược với việc Einstein ủng hộ vào thời điểm đó với Hằng số vũ trụ học của mình, công trình của Friedmann cho thấy vũ trụ có khả năng đang ở trạng thái giãn nở.
Năm 1924, phép đo của Edwin Hubble về khoảng cách lớn đến tinh vân xoắn ốc gần nhất cho thấy rằng những hệ thống này thực sự là các thiên hà khác. Đồng thời, Hubble bắt đầu phát triển một loạt các chỉ số khoảng cách bằng cách sử dụng kính thiên văn Hooker 100 inch (2,5 m) tại Đài quan sát Mount Wilson. Và đến năm 1929, Hubble đã phát hiện ra mối tương quan giữa khoảng cách và vận tốc suy thoái – mà ngày nay được gọi là định luật Hubble.
Và sau đó vào năm 1927, Georges Lemaitre, một nhà vật lý người Bỉ và là linh mục Công giáo La Mã, đã độc lập đưa ra kết quả tương tự như các phương trình của Friedmann và đề xuất rằng sự suy thoái được suy ra của các thiên hà là do sự giãn nở của vũ trụ. Vào năm 1931, ông đưa ra điều này xa hơn, cho thấy rằng sự mở rộng hiện tại của Vũ trụ có nghĩa là người cha quay ngược thời gian một lần nữa, thì Vũ trụ sẽ càng nhỏ hơn. Ông lập luận vào một thời điểm nào đó trong quá khứ, toàn bộ khối lượng của vũ trụ sẽ được tập trung vào một điểm duy nhất mà từ đó cấu tạo của không gian và thời gian bắt nguồn từ đó.
Những khám phá này đã gây ra một cuộc tranh luận giữa các nhà vật lý trong suốt những năm 1920 và 30, với đa số ủng hộ rằng vũ trụ ở trạng thái ổn định. Trong mô hình này, vật chất mới liên tục được tạo ra khi vũ trụ giãn nở, do đó bảo toàn tính đồng nhất và mật độ của vật chất theo thời gian. Trong số các nhà khoa học này, ý tưởng về một Vụ nổ lớn dường như mang tính thần học hơn là khoa học, và những cáo buộc về sự thiên vị đã được đưa ra đối với Lemaitre dựa trên nền tảng tôn giáo của ông.
Lịch sử của Vũ trụ, từ Vụ nổ lớn đến kỷ nguyên hiện tại. Tín dụng: bicepkeck.org
Các lý thuyết khác cũng được ủng hộ trong thời gian này, chẳng hạn như Mô hình Milne và Mô hình Vũ trụ Dao động. Cả hai lý thuyết này đều dựa trên thuyết tương đối rộng của Einstein (thuyết tương đối rộng sau này được chính Einstein xác nhận) và cho rằng vũ trụ tuân theo các chu kỳ tự duy trì vô hạn hoặc vô định.
Sau Thế chiến thứ hai, cuộc tranh luận nảy lửa giữa những người ủng hộ Mô hình Trạng thái Ổn định (đã được nhà thiên văn học Fred Hoyle chính thức hóa) và những người ủng hộ Thuyết Vụ nổ lớn – ngày càng trở nên phổ biến. Trớ trêu thay, chính Hoyle là người đặt ra cụm từ “Big Bang” trong một buổi phát sóng trên Đài BBC vào tháng 3 năm 1949, được một số người cho rằng đó là một sự sa thải đáng tiếc (mà Hoyle đã phủ nhận).
Cuối cùng, các bằng chứng quan sát bắt đầu ủng hộ Big Bang hơn Trạng thái ổn định. Việc phát hiện và xác nhận bức xạ phông vi sóng vũ trụ vào năm 1965 đã bảo đảm Vụ nổ lớn trở thành lý thuyết tốt nhất về nguồn gốc và sự tiến hóa của vũ trụ. Từ cuối những năm 60 đến những năm 1990, các nhà thiên văn học và vũ trụ học đã đưa ra một trường hợp tốt hơn cho Vụ nổ lớn bằng cách giải quyết các vấn đề lý thuyết mà nó nêu ra.
Chúng bao gồm các bài báo do Stephen Hawking và các nhà vật lý khác đệ trình cho thấy các điểm kỳ dị là điều kiện ban đầu không thể tránh khỏi của thuyết tương đối rộng và một mô hình vũ trụ học Big Bang. Năm 1981, nhà vật lý Alan Guth đưa ra lý thuyết về một giai đoạn vũ trụ mở rộng nhanh chóng (hay còn gọi là Kỷ nguyên “Lạm phát”) để giải quyết các vấn đề lý thuyết khác.
Sơ đồ thể hiện vũ trụ Lambda-CBR, từ Vụ nổ lớn đến kỷ nguyên hiện tại. Tín dụng: Alex Mittelmann / Coldcreation
Những năm 1990 cũng chứng kiến sự trỗi dậy của Năng lượng tối như một nỗ lực nhằm giải quyết các vấn đề còn tồn tại trong vũ trụ học. Ngoài việc cung cấp lời giải thích về khối lượng còn thiếu của vũ trụ (cùng với Vật chất tối, ban đầu được đề xuất vào năm 1932 bởi Jan Oort), nó cũng cung cấp lời giải thích tại sao vũ trụ vẫn đang tăng tốc, cũng như đưa ra giải pháp cho Vũ trụ học của Einstein Không thay đổi.
Những tiến bộ đáng kể đã đạt được nhờ vào những tiến bộ trong kính thiên văn, vệ tinh và mô phỏng máy tính, cho phép các nhà thiên văn học và vũ trụ học nhìn thấy nhiều hơn vũ trụ và hiểu rõ hơn về tuổi thật của nó. Sự ra đời của các kính viễn vọng không gian – chẳng hạn như Máy khám phá Nền vũ trụ (COBE), Kính viễn vọng Không gian Hubble, Tàu thăm dò dị hướng vi sóng Wilkinson (WMAP) và Đài quan sát Planck – cũng có giá trị vô cùng to lớn.
Ngày nay, các nhà vũ trụ học đã có những phép đo khá chính xác và chính xác đối với nhiều thông số của mô hình Vụ nổ lớn, chưa kể đến tuổi của chính Vũ trụ. Và tất cả bắt đầu với quan sát được ghi nhận rằng các vật thể sao khổng lồ, cách xa chúng ta nhiều năm ánh sáng, đang dần di chuyển ra xa chúng ta. Và trong khi chúng ta vẫn không chắc tất cả sẽ kết thúc như thế nào, chúng ta biết rằng trên quy mô vũ trụ, điều đó sẽ không xảy ra trong một thời gian dài, DÀI!
Nguồn tham khảo:
- https://phys.org/news/2015-12-big-theory.html
