Vụ nổ lớn

[camphat]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Các đặc điểm và các bài toán

Về mặt lịch sử, có rất nhiều các bài toán xuất hiện trong lý thuyết Vụ Nổ Lớn. Một số bài toán chủ yếu có tính lịch sử và được khắc phục bằng cách thay đổi lý thuyết hoặc thông qua các kết quả thực nghiệm chính xác hơn. Một số vấn đề khác như là bài toán phân bố và bài toán thiên hà lùn về vật chất tối lạnh không được coi là quan trọng vì chúng chỉ liên quan đến các hiệu chỉnh của lý thuyết.

Có một số lý thuyết không tin vào sự tồn tại của Vụ Nổ Lớn, cho rằng nghiệm của các bài toán chuẩn là do các sửa đổi và bổ sung tùy ý vào lý thuyết. Phần lớn các lý thuyết đó tấn công vào các hiện tượng như vật chất tối, năng lượng tối và thăng giáng vũ trụ. Các vấn đề này là các bài toán chưa có lời giải trong vật lý, chúng tuy chưa có lời giải nhưng có nhiều quan sát ủng hộ chúng, đó là bức xạ phông vi sóng, cấu trúc vũ trụ tại các nấc thang vĩ mô và các sao siêu mới loại IA. Hiệu ứng hấp dẫn của các thực thể này đã được hiểu về mặt thực nghiệm và lý thuyết thậm chí các mô hình để giải thích cho chúng chưa hoàn toàn phù hợp với mô hình chuẩn của vật lý hạt. Tuy vậy, phần lớn các nhà thiên văn học và các nhà vật lý đều đồng ý rằng sự phù hợp giữa giải thuyết về vụ nổ lớn và các quan sát đã thiết lập các nền tảng cho lý thuyết này.

Sau đây liệt kê tóm tắt các bài toán của lý thuyết Vụ Nổ Lớn.

Bài toán về chân trời

Bài toán về chân trời phát sinh từ việc thông tin không thể truyền nhanh hơn vận tốc ánh sáng, do đó sẽ có hai vùng không gian cách nhau một khoảng cách lớn hơn quãng đường mà ánh sáng đi được trong một thời gian bằng tuổi của vũ trụ. Như vậy, nếu hai vật thể ở đầu hai khoảng cách xa đến thế, sẽ không thể biết được thông tin về nhau, điều này tương tự như tồn tại một chân trời, mà đằng sau nó, chúng không có mối quan hệ nhân quả với chúng ta. Như thế thì tính đẳng hướng của bức xạ phông vũ trụ sẽ không chắc chắn bởi vì kích thước của chân trời hạt tại thời điểm này chỉ tương ứng với kích thước của hai độ khối trên bầu trời. Nếu vũ trụ có lịch sử giãn nở giống nhau từ kỷ nguyên Planck thì sẽ không có lý do nào làm cho các vùng đó có cùng nhiệt độ.

Sự bất hợp lý này được giải quyết bằng lý thuyết lạm phát, lý thuyết này cho rằng trường năng lượng vô hướng đồng nhất và đẳng hướng thống trị vũ trụ tại thời điểm 10^-35 giây sau kỷ nguyên Planck. Trong quá trình lạm phát, vũ trụ trải qua giai đoạn giãn nở theo hàm mũ và những vùng nằm trong mối liên hệ nhân quả sẽ giãn nở sao cho chúng nằm ngoài mối quan hệ nhân quả với chân trời của vùng khác. Nguyên lý bất định tiên đoán rằng, trong thời kỳ lạm phát có các thăng giáng nhiệt lượng tử được khuyếch đại lên đến quy mô vũ trụ. Các thăng giáng này, có vai trò như là các hạt nhân của các cấu trúc vũ trụ hiện thấy ngày nay. Sau thời kỳ lạm phát, vũ trụ giãn nở theo định luật Hubble và các vùng nằm bên ngoài mối quan hệ nhân quả sẽ trở lại chân trời. Điều này giải thích tính đẳng hường của bức xạ phông vũ trụ. Thuyết lạm phát còn tiên đoán thăng giáng nguyên thủy hầu như không đổi được coi là bất biến khoảng cách và tuân theo phân bố Gauss được khẳng định bằng các quan sát về bức xạ phông vũ trụ.

Bài toán về độ phẳng

Bài toán về độ phẳng là một bài toán thực nghiệm phát sinh từ việc nghiên cứu hình dáng vũ trụ liên quan đến nghiệm Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker. Nói chung, vũ trụ có thể có ba loại hình dáng: hình hyperbol, hình Euclide và hình ellip. Hình dáng của vũ trụ phụ thuộc vào mật độ năng lượng toàn phần của vũ trụ (được đo bằng ten sơ ứng suất-năng lượng): nếu mật độ nhỏ hơn mật độ tới hạn thì vũ trụ sẽ có dạng hình hyperbol, nếu lớn hơn thì có dạng ellip, còn nếu đúng bằng giá trị đó thì sẽ có dạng Euclide. Giá trị mật độ năng lượng hiện nay của vũ trụ đo được chỉ khác độ một phần 1015 giá trị mật độ tới hạn trong trạng thái ban đầu của nó. Các thay đổi khác (với giá trị một phần 1015) sẽ dẫn đến hoặc Cái Chết Nhiệt hoặc Vụ Co Lớn và vũ trụ sẽ không tồn tại như hiện nay.

Lời giải cho bài toán này lại một lần nữa là lý thuyết lạm phát. Trong thời kỳ lạm phát, không-thời gian giãn nở nhanh đến mức các độ cong có liên quan đều bị là phẳng đi và do đó vũ trụ có dạng phẳng.

Các đơn cực từ

Đơn cực từ là một trong những phản đề xuất hiện vào cuối những năm 1970. Lý thuyết thống nhất lớn tiên đoán các sai hỏng điểm trong không gian có vai trò như các đơn cực từ có mật độ cao hơn mật độ mà các quan sát thu được, và cho đến nay, chưa tìm thấy một đơn cực từ nào. Bài toán này cũng được giải bằng lý thuyết lạm phát, loại bỏ tất cả các sai hỏng điểm tương tự như giải quyết bài toán về độ phẳng của vũ trụ ở phần trước.

Bất đối xứng baryon

Người ta vẫn không hiểu tại áo có nhiều vật chất hơn phản vật chất. Giả thiết đưa ra là, khi vũ trụ còn trẻ và nóng, vũ trụ ở trong một trạng thái cân bằng thống kê và có số baryon bằng số phản baryon. Tuy nhiên, các quan sát cho thấy rằng tất cả vũ trụ đều được tạo thành từ vật chất, ngay cả tại những khoảng cách xa. Một quá trình chưa được biết đến được gọi là quá trình sinh hạt baryon tạo ra sự bất đối xứng này. Để quá trình sinh hạt baryon xuất hiện, các điều kiện Sakharov, do Andrei Sakharov đưa ra, cần phải được thỏa mãn. Các điều kiện đó yêu cầu số các baryon không được bảo toàn, tức là đối xứng-C và đối xứng-CP bị vi phạm, và vũ trụ xuất phát từ trạng thái cân bằng nhiệt động. Tất cả các điều kiện này xuất hiện trong Vụ Nổ Lớn, nhưng hiệu ứng của nó không đủ mạnh để giải thích sự tồn tại của bất đối xứng baryon. Các nghiên cứu mới về vật lý hạt năng lượng cao cần được tiến hành để giải thích vấn đề trên.

Các đám cầu

Vào giữa những năm 1990, các quan sát thực nghiệm về các đám cầu mâu thuẫn với lý thuyết Vụ Nổ Lớn. Các mô phỏng máy tính để làm khớp các quan sát thực nghiệm về số các thiên thể của các đám cầu cho thấy rằng chúng có tuổi khoảng 15 tỷ năm, mâu thuẫn với con số 13,7 tỷ tiên đoán từ lý thuyết Vụ Nổ Lớn. Bài toán này được giải quyết vào cuối những năm 1990, khi các mô phỏng máy tính tính đến sự mất mát khối lượng do gió thiên thể đã chỉ ra tuổi của các đám cầu trẻ hơn nhiều so với mô phỏng trước đây. Việc làm thế nào để đo chính xác tuổi của các đám cầu vẫn là vấn đề cần giải quyết, nhưng rõ ràng là các vật thể này là các vật thể già nhất trong vũ trụ.

Vật chất tối

Trong những năm 1970 và 1980 các quan sát thực nghiệm cho thấy rằng không có đủ vật chất khả kiến (vật chất quan sát được) để làm cho vật chất trong các thiên hà và giữa các thiên hà để giữ chúng quay bằng lực hấp dẫn. Điều này dẫn đến ý tưởng cho rằng 90% vật chất trong vũ trụ là vật chất không bình thường, không được tạo thành từ các hạt baryon và được gọi là vật chất tối. Nếu không có giả thuyết về vật chất tối thì không giải thích được tại sao vũ trụ lại quá phẳng và có quá ít deuterium đến thế. Lúc đầu, vật chất tối còn gây tranh cãi nhưng bây giờ nó được chấp nhận rộng rãi và được coi như một phần của vũ trụ chuẩn nhờ vào các quan sát về dị hướng của bức xạ phông vũ trụ, phân bố vận tốc của các đám thiên hà, phân bố cấu trúc tại các nấc thang lớn của vũ trụ, nghiên cứu về thấu kính hấp dẫn, các phép đo tia X về đám thiên hà. Vật chất tối chỉ được quan sát thông qua ảnh hưởng hấp dẫn của nó ngoài ra hiện chưa có bằng chứng gì khác. Tuy nhiên, có rất nhiều các ứng cử viên vật lý hạt cho vật chất tối, một vài dự án đang được tiến hành.

Năng lượng tối

Vào những năm 1990, các phép đo chi tiết về mật độ vật chất của vũ trụ cho thấy rằng giá trị đo được chỉ bằng 30% giá trị tới hạn. Từ quan sát bức xạ phông vũ trụ, người ta thấy vũ trụ là phẳng và 70% mật độ năng lượng của vũ trụ chưa được tính đến. Điều này liên quan đến một hiệu ứng khác, đó là vũ trụ giãn nở với một gia tốc chứ không phải tuân theo chính xác định luật Hubble. Để giải thích tính gia tốc của quá trình giãn nở, lý thuyết tương đối rộng yêu cầu phần lớn vũ trụ tạo thành từ một dạng năng lượng có áp suất âm gọi là năng lượng tối. Năng lượng tối này được cho rằng chính là phần 70% thiếu hụt từ quan sát bức xạ phông vũ trụ. Bản chất của năng lượng tối vẫn là một trong những bí mật vĩ đại nhất về Vụ nổ lớn. Các lời giải khả dĩ là sự tồn tại của một hằng số vũ trụ.

Tương lai của lý thuyết Vụ Nổ Lớn

Trước khi có những bằng chứng về năng lượng tối, các nhà vũ trụ học đưa ra hai kịch bản về tương lai của vũ trụ. Nếu mật độ khối lượng của vũ trụ cao hơn mật độ tới hạn thì vũ trụ sẽ giãn nở đến một kích thước cực đại rồi bắt đầu co lại. Sau đó, vũ trụ sẽ trở lên đặc hơn và kết thúc ở một trạng thái tương tự như trạng thái mà nó sinh ra - một Vụ co lớn. Nhưng nếu mật độ vũ trụ bằng hoặc thấp hơn mật độ tới hạn thì sự giãn nở sẽ chậm đi nhưng không bao giờ dừng lại. Sự hình thành các vì sao sẽ không còn nữa và vũ trụ trở lên loãng và lạnh hơn. Nhiệt độ của vũ trụ sẽ tiệm cận đến nhiệt độ không tuyệt đối. Các hố đen sẽ bay hơi hết. Entropy của vũ trụ sẽ tăng đến một điểm mà ở đó không còn một dạng năng lượng nào có thể được phát ra từ đó, kịch bản này gọi là cái chết nhiệt. Hơn nữa, nếu quá trình phân rã proton mà có thực thì hiđrô, nguyên tố phổ biến nhất của vật chất baryon sẽ biến mất chỉ để lại sau nó là các bức xạ.

Các quan sát hiện đại về quá trình giãn nở gia tốc gợi ý rằng ngày càng có nhiều vật chất khả kiến hiện nay sẽ đi ra khỏi chân trời sự kiện và thoát khỏi tầm tương tác với chúng ta. Kết quả cuối cùng thế nào chúng ta vẫn chưa biết. Mô hình Lambda-CDM về vũ trụ có chứa năng lượng tối ở dạng một hằng số vũ trụ. Lý thuyết này gợi ý rằng chỉ có các hệ liên kết với nhau bằng lực hấp dẫn như là các thiên hà là có thể liên kết với nhau và chúng có thể chịu cái chết nhiệt khi vũ trụ giãn nở và lạnh đi. Một số giải thuyết cho rằng năng lượng tối là năng lượng ma và gợi ý rằng các đám thiên hà và ngay cả các thiên hà sẽ bị kéo ra xa khỏi nhau và sự giãn nở sẽ tăng lên mãi mãi trong một quá trình gọi là Sự xé lớn.

Các vấn đề vật lý thú vị

Trong vũ trụ học, lý thuyết Vụ nổ lớn đang được hoàn thiện và được tinh chỉnh trong tương lai. Nhưng người ta vẫn chưa biết nhiều về giai đoạn sớm nhất của vũ trụ, khi quá trình lạm phát xảy ra. Về nguyên tắc, chúng ta có thể quan sát được một phần vũ trụ ở thời đó. Nếu là trường hợp lạm phát thì điều này đòi hỏi: sự giãn nở theo hàm mũ sẽ đẩy nhiều vùng không gian ra khỏi chân trời quan sát của chúng ta. Có thể là vùng không gian đó sẽ giảm đi khi chúng ta hiểu rõ hơn vật lý năng lượng cao. Người ta trông đợi nhiều vào lý thuyết lượng tử hấp dẫn.

Một số giả thuyết đưa ra là:

* Lạm phát vũ trụ
* Mô hình Vũ trụ màng: coi Vụ nổ lớn là sự va chạm giữa các màng [2]
* Vũ trụ dao động: vũ trụ ở trạng thái ban đầu rất nóng, đặc là kết quả của Vụ co lớn. Vũ trụ có thể đã trải qua vô số những vụ nổ, co như vậy.
* Mô hình có điều kiện biên Hartle-Hawking: toàn bộ không thời gian là hữu hạn.

Một số kịch bản là tương đương với nhau, tất cả các kịch bản đều có chứa các yếu tố chưa được kiểm chứng.

Ý nghĩa triết học và tôn giáo

Có rất nhiều các giải thích ý nghĩa của Vụ nổ lớn nằm ngoài phạm vi khoa học. Một số giả thuyết cho rằng Vụ nổ lớn là tự thân (nguyên nhân đầu tiên) nhưng bị các nhà triết học theo phái tự nhiên chủ nghĩa phê phán là coi lý thuyết Vụ nổ lớn là thần thoại về sự sáng thế. Một số người cho rằng Vụ nổ lớn ủng hộ quan điểm Sáng thế trong Kinh thánh, trong khi một số người khác thì cho rằng nó hoàn toàn không phù hợp với các tín điều trong Kinh thánh. Lý thuyết Vụ nổ lớn là một lý thuyết khoa học, nó không liên quan đến bất kỳ một tôn giáo nào.

Sau đây là một số cách giải thích về Vụ nổ lớn của một số tôn giáo:

* Rất nhiều người biện giải cho Cơ đốc giáo, đặc biệt là Giáo hội Công giáo La Mã đã chấp nhận Vụ nổ lớn là bằng chứng về nguồn gốc của vũ trụ, coi đó là nguyên nhân đầu tiên. Giáo hoàng Pius XII ủng hộ lý thuyết này từ khi nó chưa được chấp nhận rộng rãi.
* Ngoài ra còn một số người theo đạo Do thái và những người tin theo thuyết phi hình người chấp nhận Vụ nổ lớn, điển hình là học giả người Do thái Moses Maimonides.
* Tín đồ Hồi giáo cũng tin rằng vụ nổ lớn chính là sự sáng thế trong Kinh Qur`an.
* Một số người theo thuyết hữu thần trong Ấn độ giáo cũng tin như vậy.
* Phật giáo thừa nhận một vũ trụ vĩnh hằng, không có quá trình sáng thế. Tuy nhiên, Vụ nổ lớn không được coi là mâu thuẫn với Phật giáo vì có nhiều cách để có được một vũ trụ vĩnh cửu. Nhiều nhà Thiền học nghiêng về vũ trụ dao động.

Tham khảo

1. ^ Bingley's 'Big Bang' astronomer