Vũ trụ dưới góc nhìn của vật lý hiện đại

[thinhphat]

Vũ trụ dưới góc nhìn của vật lý hiện đại

Bài viết của tác giả Thới Ngọc Tuấn Quốc trên trang web Thuvienvatly.com. Các bạn cùng tham khảo nhé!

Vụ nổ lớn

Thuyết Vụ nổ lớn cho chúng ta biết vũ trụ bắt đầu và tiến hóa ra sao. Lý thuyết này đã giải quyết 2 vấn đề lớn của vũ trụ học hiện đại: sự giãn nở và sự lạnh đi của vũ trụ. Vào năm 1924, Edwin Hubble quan sát thấy rằng các thiên hà ở xa đang chạy ra xa chúng ta. Thực tế, các thiên hà càng ở xa nhau thì chuyển động càng nhanh. Nếu lần ngược lại lịch sử tiến hóa của vũ trụ, ta sẽ thấy vũ trụ nhỏ hơn và có khả năng khởi đầu từ một điểm duy nhất.

http://360.thuvienvatly.com/images/stories/thien-van2/1-hs-2010-31-a-print.jpg
Lịch sử vũ trụ theo thuyết Big-bang

Người ta cũng thấy rằng, vũ trụ hiện nay đã lạnh đi nhiều so với trước kia. Vào những năm 1960, Arno Penzias và Robert Wilson đã vô tình dò được tàn dư này, gọi là bức xạ nền vi ba vũ trụ hay CMB. Điều này cho thấy, vũ trụ trước đây phải rất nóng. Cả hai khám phá này đưa các nhà thiên văn vũ trụ đến kết luận, vũ trụ phải bắt đầu từ một quả cầu lửa siêu đặc (an infinitely compact fireball).

Thuyết Vụ nổ lớn miêu tả tốt cái cách mà các sao và hành tinh được hình thành như ta thấy ngày nay. Nhưng vì tên gọi của nó nên nhiều người lầm tưởng Vụ nổ lớn giống như một vụ nổ siêu năng lượng ở một điểm nào đó trong không gian; thực sự, Vụ nổ lớn là khởi đầu của không gian (và cả thời gian)!

Có một cách đơn giản giúp bạn hình dung được tình huống này. Tôi có một quả bong bóng chưa được bơm căng, bề mặt của nó là nền của không gian, trên đó có các chấm nhỏ xem như các sao và thiên hà (bạn có thể tự vẽ vào đó) phân bố trên khắp mặt bóng. Việc bắt đầu bơm quả bóng được xem như tiến trình của thời gian, càng bơm (thời gian càng tăng) quả bóng cảng lớn, sự giãn nở này kéo theo việc dời xa nhau giữa các "điểm" thiên hà trên quả bóng. Nếu bạn đứng tại bất cứ một điểm đã đánh dấu nào trên quả bóng, bạn sẽ thấy các điểm khác đều rời ra xa bạn, nghĩa là không có điểm nào đặc biệt; gần nghĩa với thực tế, vũ trụ không có tâm (centre).

Những tiếng vọng từ vũ trụ

Nếu giờ đang là ban đêm, bạn có thể ngừng việc đọc bài viết này của tôi và ra ngoài. Hãy ngước nhìn lên bầu trời.

Hy vọng, hôm nay là một ngày may mắn với bạn. Trời đầy sao.

Có đôi lần tôi cũng đã ngất ngây với một bầu trời như vậy, như bạn lúc này. Nhưng có bao giờ bạn đặt cấu hỏi, các ngôi sao sáng từ lúc nào, nó có sáng mãi không, hay một lúc nào đó nó mang lại sự tiếc nuối cho bạn, cho tôi, nó phụt tắt, mãi mãi? Có đấy.

Ánh sáng chuyển động với vận tốc hữu hạn nhưng rất lớn, khoảng 1,1 và mười con số không theo sau nó nếu tính bằng km/h; tức là vào khoảng hai tỉ rưỡi lần lớn hơn vận tốc mà bạn di chuyển hàng ngày bằng xe máy. Bạn luôn nhìn thấy Mặt trời vào thời điểm hơn 8 phút trước đó nếu đứng trên mặt đất. Ánh sáng phải mất nhiều năm, thậm chí hàng nhiều tỉ năm để đi từ các ngôi sao ở xa đến được mắt bạn. Thời gian này có thể còn dài hơn cả thời gian sống của ngôi sao đó. Nghĩa là, tại thời điểm bạn nhìn thấy nó, thì nó chỉ là một “xác chết” tối tăm trong vũ trụ, hoặc tệ hơn, là một lỗ đen. Bằng những ước lượng tương tự về thời gian ánh sáng truyền tới chúng ta, các đo đạc mới nhất cho biết, vũ trụ của chúng ta vào khoảng 15 tỉ năm tuổi. Các ngôi sao, các thiên hà không thể có trước thời điểm này và những gì chúng ta có thể nhìn thấy lại là quá khứ của chính nó.

Trước thời điểm các ngôi sao hình thành rất lâu, vũ trụ nhỏ hơn, đặc hơn và dĩ nhiên nóng hơn. Phân bố năng lượng cũng trở nên đồng đều hơn và có mật độ rất lớn. Cũng như một bếp lửa sau khi tắt, bạn vẫn còn cảm thấy hơi ấm quanh đó; vũ trụ của chúng ta hiện nay đã “nguội đi” rất nhiều nhưng những tàn dư của nó vẫn còn khá rõ nét. Nó chính là bức xạ ở thang sóng vi ba tràn ngập khắp trong vũ trụ, quanh quẩn ngay tại nơi bạn đang ngồi đọc về nó. Bạn có cảm thấy nóng không? Nếu có, thì không phải do bức xạ nền đâu nhé. Hiện nay, năng lượng do bức xạ này chỉ ở nhiệt độ khoảng 2,7K!

Bức xạ nền vũ trụ ở thang vi ba, thường gọi tắt theo tên tiếng Anh là CMB, được Arno Penzias và Robert Wilson vô tình “chộp được” khi tìm cách loại bỏ nhiễu của an-tăng vòm tại phòng thí nghiệm Bell vào năm 1964. Những nhiễu nhỏ này được vệ tinh COBE của Nasa chụp được gần đây trên toàn bầu trời cho thấy sự đồng nhất đến ngạc nhiên khi thay đổi góc nhìn. Điều này cho thấy, trước đây vũ trụ phải trật tự hơn bây giờ rất nhiều.

http://360.thuvienvatly.com/images/stories/nhiet1/CMB.png
Nhiệt độ chung của toàn vũ trụ vào khoảng 2,725K. Các miền đỏ ấm hơn trong khi các miền xanh đậm lạnh hơn so với nền chung vào khoảng 0,0002 độ.

Nhìn thấy và không nhìn thấy

Chúng ta có giống nhau? Có, ít nhất là về mặt cấu trúc sinh học. Cơ thể chúng ta được tạo thành từ hi-đrô, các-bon và một số nguyên tố khác.

Hi-đrô là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ vì cấu trúc đơn giản của chúng, hạt nhân của nó là một hạt proton. Những ngôi sao, các thiên hà mà ta quan sát thấy, dù ở rất xa chúng ta, “sống” nhờ vào năng lượng trong phản ứng tổng hợp hi-đrô mà mặt trời là một ví dụ. Nếu sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng không thể “sạch” hơn này, nền văn minh của loài người sẽ cải thiện đáng kể. Chúng ta không phải đào bới khắp mặt địa cầu để tìm dầu mỏ, khí đốt mà hệ quả của nó, ô nhiễm, chiến tranh Trung đông ngày càng làm cho chính chúng ta suy kiệt.

Sự sống khởi đầu cũng từ mặt trời. Nhờ vào vị trí không quá gần, cũng không quá xa mặt trời, các mầm sống trên trái đất mới nảy sinh và được sưởi ấm, thuận lợi cho sự phát triển. Đó cũng là lý do, tại sao ở Kim Tinh (quá nóng) hay Thổ Tinh (quá lạnh) không có ưu tiên này.

Nhưng đóng góp của mặt trời cho trái đất là rất bé so với khả năng của nó. Trong khi, có hàng tỉ tỉ tỉ mặt trời như vậy trong toàn vũ trụ này, lớn hơn, nặng hơn, nhiệt độ cao hơn và do đó năng lượng cũng lớn hơn.

Vũ trụ được tạo thành từ năng lượng và sau này thêm vào là vật chất. Hiện nay, đóng góp của vật chất chưa tới một phần ba năng – khối lượng của toàn vũ trụ. Đáng nói hơn, những gì mà ta nhìn thấy được,còn gọi là vật chất thông thường, như các sao, các thiên hà chỉ vào khoảng 20% lượng vật chất tồn tại trong vũ trụ; nghĩa là vào khoảng 1/15 bình diện năng - khối lượng tổng thể.
http://360.thuvienvatly.com/images/stories/nhiet1/DarkMatterPie.jpg

Phân bố năng - khối lượng trong toàn vũ trụ. Đóng góp của các sao chỉ là một mẫu nhỏ trong "miếng bánh" này (màu trắng 0,4%stars). (Ảnh: Wikipedia.com)

vật chất tối đóng góp vào phần còn lại. Sở dĩ gọi là “tối” vì sự lười nhác của vật chất này trong tương tác với vật chất nhìn thấy. Tuy nhiên, người ta vẫn dự đoán được sự tồn tại của đối tượng này thông qua một số hiệu ứng của chúng như thấu kính hấp dẫn vũ trụ, ánh sáng bị bẻ cong quá mức khi truyền qua rìa các thiên hà mà đóng góp của vật chất thông thường không làm nổi; hoặc sự sai lệch về vận tốc của các thiên hà.

Đóng góp đáng kể nhất phải kể đến năng lượng tối, là phần năng lượng hiện hữu trong mọi ngóc nghách của vũ trụ. Ngược với lực hấp dẫn thông thường, năng lượng tối lại có tác dụng đẩy, là nguyên nhân chính khiến vũ trụ dãn nở gia tốc như những quan sát gần đây cho biết. Cũng như vật chất tối, năng lượng tối hầu như không tương tác với các đối tượng vật lý thông thường vì vậy rất khó nắm bắt được hành trạng và tính chất của nó.

Thế mới biết, con người chúng ta nhỏ bé đến mức nào!

[thanhlongcoltd]

Vũ trụ có yên tĩnh?

Từ nhỏ ta đã quen với hình ảnh Mặt trời, Mặt trăng và các ngôi sao. Một cách trực quan, ta dễ dàng nhận thấy rằng, các thiên thể này quay quanh chúng ta, Mặt trời mọc ở hướng Đông và lặn ở hướng Tây. Quan niệm có từ ngàn xưa này dễ khiến chúng ta tự mãn về vị thế của mình trong vũ trụ này.

Thực tế, ngôi nhà mà chúng ta đang sinh sống, trái đất, là một trong chín hành tinh quay quanh Mặt trời. Lực hấp dẫn mang lại sự an toàn cho chúng ta, khi giữ trái đất trên quỹ đạo gần tròn khá ổn định quanh Mặt trời.

Trật tự này lặp lại một cách phổ biến, có hàng tỉ tỉ ngôi sao kiểu như Mặt trời cùng với hệ hành tinh, vệ tinh quay quanh chúng. Đến lượt mình, các ngôi sao này cũng tham gia vào vũ điệu cuồng nhiệt của vũ trụ, quay quanh tâm của thiên hà chứa nó. Trên thang vĩ mô, lực hấp dẫn cũng đóng một vai trò tương tự như đã làm với Trái đất. Nó giúp cho các hệ sao, hệ hành tinh có trật tự hơn, cản trở chuyển động ra xa nhau và gây ra sự náo loạn vũ trụ do quán tính của chúng.

Năng lượng tối lại đóng vai trò ngược lại, mang lại tác dụng đẩy và làm vũ trụ dãn nở. Nó phủ khắp mọi ngỏ ngách trong toàn vũ trụ nhưng lại tỏ ra bất hợp tác với bàn tay công nghệ ngày càng vươn xa của chúng ta.

Nhìn lại bức tranh vũ trụ, chắc các bạn sẽ có cảm giác rằng, vũ trụ có kích thước gần 15 tỉ năm ánh sáng này bị chi phối chủ yếu bởi lực hấp dẫn và năng lượng tối, nhưng thực sự có phải như vậy?

Chúng ta được cấu tạo từ những hạt rất nhỏ, các nguyên tử và phân tử. Xa hơn, nguyên tử bao gồm lớp vỏ điện tử và các quark tạo nên hạt nhân. Tác dụng hút hấp dẫn sẽ làm cho chúng tiến lại gần nhau, đến mức, tất cả sẽ thu hẹp dần trở thành một viên kẹo và cứ thế nhỏ mãi. Rất khó tưởng tượng ra khi bạn gặp tôi lúc đó.

Nhưng không, tự nhiên lại không vô tình đến vậy. Bản chất của thế giới vi mô là chuyển động nhiệt hỗn loạn nên rất khó để các hạt nhỏ bé ấy tiến lại quá gần nhau. Một hệ các quy tắc bắt buộc dành cho các hạt này, mà ta quen gọi là vật lý lượng tử, khiến chúng giữ liên kết với nhau ở khoảng cách cho phép sự sống ngày nay tồn tại. Lực điện từ giữa các hạt mang điện như lực hút giữa điện tử mang điện âm và hạt nhân mang điện dương. Lực mạnh cản trở các quark ra xa nhau quá mức, dễ dẫn đến phá vở cấu trúc nhân nguyên tử. Nguyên lý loại trừ Pauli sẽ hạn chế các điện tử tiến vào gần hạt nhân một cách đồng bộ.

Một đóng góp khác được tìm thấy trong phản ứng nhân, đó là lực yếu với cường độ chỉ đứng sau lực mạnh. Cũng chính các phản ứng hạt nhân tạo ra luồng sinh khí ấm áp trong toàn vũ trụ. Năng lượng mà chúng tạo ra, mà một phần ở bước sóng ánh sáng nhìn thấy, làm cho màn đêm lung linh hơn. Sự sôi động trong các ngôi sao do nhận năng lượng tử phản ứng tổng hợp hạt nhân trên chính bản thân nó cũng góp phần cản trở sự suy sụp chóng vánh của các ngôi sao do hấp dẫn.

Sự cân bằng giữa các lực chi phối thế giới lượng tử và lực hấp dẫn mang đến cho chúng ta hình ảnh thường thấy ngày nay. Các thiên hà, các ngôi sao, các hành tinh, bạn, tôi.

http://360.thuvienvatly.com/images/stories/nhiet1/Timeline75.jpg
Tiến trình của vũ trụ gắn liến với sự điều chỉnh của các lực và phân bố năng-vật chất của vũ trụ

Nhưng cách thức vận động và đóng góp của các lực sẽ thay đổi đáng kể khi ta chạy nhanh khỏi thời điểm hiện tại. Lần ngược về quá khứ, vũ trụ sẽ bé dần, bé dần lại. Kéo theo, mật độ năng lượng tăng lên vùn vụt cùng với nhiệt độ của vũ trụ. Tương quan về độ lớn và cách thức tác dụng của các lực cơ bản cũng kéo lại gần nhau hơn. Những nổ lực mới đây nhất cho thấy, khi nhiệt độ tăng đủ cao, hằng số tương tác của các lực mạnh, yếu và điện từ gần như đồng quy, trở thành một lực duy nhất. Thay cho các ngôi sao trong một không gian hầu như trống rỗng là một bát súp nóng, nhung nhúc các hạt cơ bản như điện tử, nơ-tri-nô, các quark, photon. Sự kết hợp của các hạt này để hình thành nên cấu trúc hạt nhân làm cơ sở cho việc hình thành các sao được diễn ra sau đó, khi vũ trụ đã nguội đi nhiều. Lực hấp dẫn vốn lẫn tránh sự thống nhất các tương tác do "sự yếu đuối" của mình cũng sẽ dần mạnh lên cùng với sự điều chỉnh của ba lực kia và hợp nhất với nhau tại thời điểm ngay sau Vụ nổ lớn. Siêu lực tạo thành liên lạc chính giữa các miền năng lượng định xứ và là cơ sở cho việc hình thành các hạt cơ bản đầu tiên sau đó vài phần của giây.

Còn nếu đi nhanh về tương lai, dĩ nhiên, sự dãn nở sẽ vẫn tiếp diễn thêm một thời gian nữa. Vũ trụ sẽ lạnh dần, các ngôi sao cũng sẽ lụi tàn vì sử dụng quá đà năng lượng có giới hạn tích trữ trong chúng. Vũ trụ sẽ chuyển sang giai đoạn tối tăm, các cấu trúc vật chất sẽ ở xa nhau hơn bao giờ hết. Nhưng sự dãn nở có tiếp diễn mãi như vậy hay không? Số phận vũ trụ sẽ như thế nào? Còn chúng ta?

Cũng như vũ trụ, mỗi ngôi sao cũng có một lịch sử của nó, nó được sinh ra, phát triển và chết đi theo cách riêng phụ thuộc vào năng lượng dự trữ trong chúng.

Do khối lượng chưa đủ lớn nên Mặt trời của chúng ta sẽ chọn cách “ra đi” nhẹ nhàng hơn, thay vì một vụ nổ siêu tân tinh. Khi năng lượng của Mặt trời gần cạn kiệt, sự mất cân bằng giữa lực hấp dẫn và năng lượng của lớp vỏ ngoài làm cho một phần của Mặt trời phun mạnh ra phía ngoài và biến thành sao khổng lồ đỏ. Cùng với tiến trình này, các hành tinh lân cận với nó sẽ bị thiêu rụi, trong đó có trái đất. Chắc các bạn sẽ rất âu lo về số phận của chúng ta, nhưng nếu xem mỗi thế hệ loài người dài 100 năm thì cũng phải chờ đến năm mươi triệu thế hệ nữa sự xâm thực của Mặt trời mới bắt đầu. Chúng ta cũng còn từng ấy thời gian để tìm kiếm một ngôi nhà mới an toàn và dồi dào tài nguyên hơn.

http://360.thuvienvatly.com/images/stories/vu-tru/tieuhanhtinh.jpg

Kịch bản cũng diễn ra tương tự với các ngôi sao có khối lượng không khác xa khối lượng Mặt trời nhiều lắm.

Nhưng với những ngôi sao nặng hơn thế nhiều, khoảng hơn 8 lần khối lượng Mặt trời, kết cục của nó sẽ hoành tráng, nhưng cũng chóng vánh hơn. Hồi kết của các ngôi sao này sẽ là một vụ nổ siêu tân tinh, làm rực sáng cả bầu trời đêm mà một ghi nhận của người phương Đông là Sao Khách vài trăm năm trước đây. Phần lõi còn lại sẽ co lại thành một sao nơ-tron hoặc tệ hơn, là một lỗ đen.

Xét về toàn cảnh, việc sinh hoặc hủy một vài ngôi sao nào đó lại không ảnh hưởng lắm đến hoạt động chung của vũ trụ. Vũ trụ đang dãn nở sẽ vẫn tiếp tục dãn nở. Quá trình này sẽ tiếp diễn mãi về sau, dừng lại hoặc sau đó đảo chiều, co lại tùy thuộc vào một đại lượng khác. Đó là tương quan giữa mật độ năng – khối lượng trong toàn vũ trụ và mật độ tới hạn. Các đo đạc gần đây cho thấy tương quan này gần bằng đơn vị, nghĩa là vũ trụ gần tĩnh. Trong khi đó, các diễn biến kế tiếp của vũ trụ sẽ quyết định số phận của nó. Nếu tương quan này dần lớn hơn 1 sẽ khẳng định ưu thế của năng – vật chất và mang lại kết cục là sau một thời gian lâu nữa, vũ trụ sẽ dần co lại và đem lại khả năng khởi đầu lại một Vụ nổ lớn khác. Nếu tương quan này đảo chiều, diễn tiến hiện nay của vũ trụ sẽ được tiếp diễn mãi mãi và biến thành một bãi tha ma các ngôi sao chết. Kịch bản này là hệ quả của chủ thuyết Vụ nổ lớn.

Tuy nhiên, vẫn có một vài kịch bản khả dĩ khác. Vũ trụ song hành là một trong số đó. Hawking cho rằng, có rất nhiều bản sao của chính bạn đang đọc bài viết này nhưng vì các bản sao này nằm trong các chiều khác của vũ trụ nên không thể mách lẻo cho bạn được. Các bản sao sẽ nằm trong các vũ trụ khác cùng tồn tại song hành với chính vũ trụ mà chúng ta đang sống. Ở đấy, khi bản sao của bạn nhảy ra khỏi tầng 5 của Cao ốc Vincom, bạn sẽ không lo mấy về một khả năng xấu nào đó, bạn sẽ vẫn lơ lửng và bình thản đi vào căn phòng ấm cúng của bạn. Tôi thích đùa bạn ư? Đúng vậy, nhưng điều đó là có thể, vì vật lý trong các vũ trụ song hành thường không giống với vũ trụ của chúng ta.

Một nổ lực mới đây nhất của Penrose có lẽ làm cho chúng ta an tâm hơn về khả năng tái sinh của chính vũ trụ này. Sẽ không có Vụ nổ lớn! Thay vào đó là một vũ trụ an toàn hơn, co dãn một cách tuần hoàn. Khi vũ trụ dãn nở đến một lúc nào đó, vật lý do Penrose và một số người khác đề nghị sẽ khiến cho vũ trụ bắt đầu quá trình co lại. Vũ trụ cũng không co lại quá mức, thành một điểm như trước thời điểm Vụ nổ lớn. Nó sẽ đạt tới một kích cỡ nhất định nào đó, trước khi quá trình động lực sẽ thổi bùng nó thành một pha mới của chính vũ trụ.

Sẽ còn nhiều kịch bản khác về số phận của vũ trụ được đưa ra. Nhưng cũng như mọi lý thuyết, cần phải được kiểm chứng trong thực tiễn. Với điều kiện cực hạn ở thời điểm sinh diệt của vũ trụ, những nổ lực của khoa học kỷ thuật khó mà vươn tới được. Vì vậy, một lựa chọn có phần tất yếu để nhận ra kết cục này, là hãy hướng mắt ra bên ngoài, vào chính vũ trụ mà chúng ta đang sống để được thực chứng nó hoặc may mắn hơn, tìm thấy một vài mảnh ghép quan trọng trong bộ xếp hình mà Mẹ Tự Nhiên đã cố tình làm rơi rớt lại.

Hết!