BỨC XẠ NỀN VŨ TRỤ

Chia sẻ: Ngoc Lanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

0
648
lượt xem
223
download

BỨC XẠ NỀN VŨ TRỤ

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bức xạ nền vũ trụ, gọi tắt là bức xạ nền (BXN), là di chỉ vô giá để tiếp cận vũ trụ từ thuở ban sơ, cách đây gần 14 tỷ năm. Vũ trụ trong thời khắc này được mệnh danh là "Big Bang", một thời điểm mà trong toàn cõi vũ trụ chỉ thuần một trường bức xạ điện từ với nhiệt độ rất cao. Sự giãn nở của vũ trụ theo thời gian đã làm cho bức xạ nền nguội đi, và chỉ gần 3 phút sau Big Bang, năng lượng bức xạ được chuyển thành vật chất...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: BỨC XẠ NỀN VŨ TRỤ

  1. Tháng 8-2006 VẬT LÝ ngày nay BỨC XẠ NỀN VŨ TRỤ NGUYỄN TRỌNG HIỀN Phòng thí nghiệm phản lực JPL, NASA, Hoa Kỳ TS. Nguyễn Trọng Hiền là một trong những nhà khoa học gốc Việt làm việc ở JPL của NASA và cũng là nhà khoa học người Việt đầu tiên đặt chân đến Nam cực để thực hiện các quan trắc vũ trụ học. Là một người con gốc Việt, anh đã tự tay may lá cờ Tổ quốc để cắm lên nơi lạnh lẽo nhất của Trái đất cùng với quốc kỳ của các quốc gia khác (Tháng 8, 1994). Hiện anh là thành viên nhóm Vũ trụ học tại Jet Propulsion Laboratory, NASA; giảng viên thăm viếng của Caltech (Viện công nghệ California). Anh nghiên cứu những vấn đề liên quan đến Vũ trụ học và Vật lý thiên văn, bao gồm: Nền vi ba vũ trụ (CMB), Vũ trụ sơ khai, Những thiên thể có vạch dịch về đỏ cao. Đồng thời anh cũng là chuyên gia về kỹ thuật cảm biến và các thiết bị thiên văn hoạt động ở bước sóng vi ba của NASA. Vật Lý Ngày Nay xin trân trọng giới thiệu cùng độc giả bài viết “Bức xạ Nền Vi Ba Vũ Trụ” của nhà vật lý Nguyễn Trọng Hiền- BBT Bức xạ nền vi ba vũ trụ, gọi tắt là bức xạ nền (BXN), là di chỉ vô giá để tiếp cận vũ trụ từ thuở ban sơ, cách đây gần 14 tỷ năm. Vũ trụ trong thời khắc này được mệnh danh là “Big Bang”, một thời điểm mà trong toàn cõi vũ trụ chỉ thuần một trường bức xạ điện từ với nhiệt độ rất cao. Sự giãn nở của vũ trụ theo thời gian đã làm cho bức xạ nền nguội đi, và chỉ gần 3 phút sau Big Bang, năng lượng bức xạ được chuyển thành vật chất dưới dạng các hạt cơ bản, như electron và proton. Electron và proton kết hợp để tạo nên nguyên tử nhẹ như hydrogen và helium rồi tích tụ bằng tương tác hấp dẫn và dần dà hình thành nên vũ trụ ngày nay, với những vì sao, thiên hà, quasar và lỗ đen vv….mà ta quan sát được. Đây là bức tranh tổng thể được xem như là mô hình tiêu chuẩn mà các nhà vũ trụ học ngày nay nhìn nhận. Và là một thực tại vật lý rất khác với suy đoán của các nhà vũ trụ học trước đó, vốn cho rằng vũ trụ vật lý mà ta quan sát được là vô cùng và hằng hữu. Bước vào thiên niên kỷ mới (2000), các nhà nghiên cứu xác định rằng:Vũ trụ hầu như là đẳng hướng và phẳng. Đây là hai đặc điểm nổi bật mà lý thuyết Lạm Phát đã tiên đoán hai mươi năm trước đó. Trong mô hình Lạm Phát, Big Bang là lúc vũ trụ đã được thổi bùng lên từ một chất điểm với tốc độ vượt ánh sáng, chỉ trong khoảnh khắc cực ngắn, ~ 10-32 giây sau thời điểm ban đầu. Điều trùng hợp giữa các chứng cứ mới nhất của BXN và những dự đoán lý thuyết tưởng như là điên khùng này đã thúc đẩy các nhà quan trắc thiên văn lao vào một cuộc săn lùng mới. Ấy là việc truy tìm chứng tích của Lạm Phát trong đặc tính phân cực của BXN. Đây là một nỗ lực thực nghiệm với nhiều yêu cầu gắt gao. Và câu chuyện BXN dài hơn bốn thập niên, vẫn chưa thấy dấu hiệu đến hồi kết thúc. Hình 1. Penzias và Wilson khám phá ra bức xạ nền lần đầu vào năm 1965 (kèm theo bức ảnh anten radio của Bell Labs, New Jersey, Mỹ), ghi nhận với các đặc tính sơ bộ là nền bức xạ gần như đồng nhất, đẳng hướng và không phân cực. (Bạn có biết là có thể nhìn thấy BXN trên tivi? Những nhiễu loạn lăn tăn trên màn hình tivi khi không bắt được sóng truyền hình có nguồn gốc từ BXN). Năm 1992, Đài quan sát không gian COBE của NASA với độ phân giải tốt hơn, lần đầu hé mở tính bất đẳng hướng của BXN. Đến năm 2003, WMAP, một đài quan sát không gian khác của NASA, chụp được bản đồ BXN chi tiết hơn, cho thấy Vũ trụ hầu như là đẳng hướng và phẳng, xác nhận kết quả đã tìm được của Boomerang và DASI trước đó. Vết loang đỏ ngang bản đồ là vùng không gian che bởi bức xạ phát ra từ những electron và bụi ở ngay trong hệ Ngân Hà của chúng ta. . (Nguồn:http://map.gsfc.nasa.gov/m_ig/ig_universe1.htm/) SỐ 4 (75) / TẬP 17 1
  2. Tháng 8-2006 VẬT LÝ ngày nay bản như electron hay proton, chỉ có thể tạo thành ở Lời Giới Thiệu nhiệt độ cao, lên tới hàng ngàn tỷ độ K, nóng hơn Trong Vật Lý, thế giới phức tạp chung quanh ta hàng triệu lần so với nhiệt độ ở ngay trung tâm của có thể hiểu và kiểm chứng được bằng một số khái Mặt trời. Gamow đoán rằng các hạt cơ bản đựơc tạo niệm cô đúc hay quy luật vật lý cơ bản, từ cơ học ra từ khối ánh sáng, còn gọi là trái banh lửa, vốn đã thiên thể cho đến tính lượng tử của những nguyên tử có sẵn từ khởi thủy ở T ~ 1010K (kBT ~ mec2). Cần làm nên đặc tính muôn hình muôn vẻ của vật chất. nhắc lại là cho đến thời điểm này, các cơ sở này của Công cuộc nghiên cứu về vũ trụ cũng không đi ngoài Vũ trụ học hiện đại bao gồm các phương trình tương truyền thống ấy. Mối hỗn độn của vũ trụ từ không đối Einstein (1916), với kết quả tìm được sáu năm gian bao la có thể quy về lại bằng vài đại lượng đơn sau đó của nhà toán học Nga Friedmann (vốn là thầy giản. Dĩ nhiên đây không phải là điều dễ dàng, nhưng của Gamow) cho thấy trong điều kiện một Vũ trụ chí ít đó là hy vọng của các nhà vật lý. May mắn cho đồng nhất và đẳng hướng, phương trình Einstein thể chúng ta, là phần lớn nền tảng của vũ trụ học hiện hiện tính biến thiên của kích thước vũ trụ với thời đại đã được xây dựng bởi không ai khác hơn là gian. Trên nền tảng lý thuyết này, Lemaitre đã xây Einstein, bằng lý thuyết tương đối rộng. Các phương dựng mô hình vũ trụ giãn nở. Cơ sở thực nghiệm trình trường của Einstein, được viết xuống cách đây cho mô hình bao gồm các quan sát thiên văn nổi đã hơn 90 năm, tạo tiền đề vững chắc cho các nhà tiếng của Hubble từ cuối thập niên 1920, với sự dịch nghiên cứu của thế hệ nối tiếp thiết lập nên cơ sở lý về đỏ của các dải ngân hà. Cùng trong thời gian này, thuyết xác đáng, dần đã được kiểm chứng và bổ sung Tolman trong các tính toán nhiệt động học của Vũ với những quan trắc thực nghiệm ngày càng đáng tin trụ đã chứng tỏ là sự giãn nở sẽ làm cho vũ trụ nguội cậy. Những câu hỏi của các nhà vũ trụ học ngày nay đi. Suy đoán của Gamow cho đến thời điểm này bao gồm, cái gì làm nên vũ trụ này? Vũ trụ mà ta (1984) tưởng chừng như là một điều hiển nhiên, quan sát được là vô cùng hay hữu hạn? Hằng hữu hay nhưng kết quả tính toán suy ra từ giả thuyết trái banh vô thường? Vũ trụ ngày nay đã bắt nguồn từ đâu lửa đã mang lại biến chuyển mang tính bước ngoặt ?.v.v….Đây cũng là những câu hỏi muôn thủa mà (cũng nên nhắc lại là ngay cả Einstein cha đẻ của loài người vẫn hằng ưu tư trong quá trình tiếp cận Vũ E= mc2 và các phương trình tương đối, cùng với trực trụ. Điều kỳ diệu là chúng ta đang bước vào giai đoạn giác vật lý phi thường, lúc sinh thời đã không thấy mà một số những câu hỏi này đã được hay sẽ có câu đề cập đến điều này). Gamow và học trò của ông, trả lời thoả đáng trong một tương lai rất gần, một Alpher (có thể kể thêm Bethe, người đã giải thích phần nhờ vào những nỗ lực vượt bậc trong phát triển thành công cơ chế sản sinh năng lượng hạt nhân của kỹ thuật đã diễn ra gần đây và vẫn còn đang tiếp tục. Mặt trời), chứng tỏ mức tin cậy của giả thuyết này Trong bài viết này, danh từ “Vũ trụ” (Universe qua các tính toán về hàm lượng của Helium tìm thấy hay Cosmos) được dùng một cách hoán chuyển để trong Mặt trời, vốn mang tỷ lệ quá cao mà các phản chỉ hoặc là một Vũ trụ toàn thể quan sát được, hoặc là ứng nhiệt hạch của Mặt trời không thể tạo thành những chi tiết đặc thù của Vũ trụ, như là kích thước kịp. Các tính toán của Alpher cho thấy đa phần khí (scale factor), BXN, v.v….”vũ trụ” không viết hoa là Helium trong vũ trụ là được tạo thành từ thời vũ trụ tính từ, để chỉ những thuộc tính của Vũ trụ (cosmic còn sơ khai, và trùng khớp với tỉ lệ He trong Mặt hay cosmological). Bài viết trong giới hạn nhất định trời. Đây là một thành công đầu tiên. Một hệ quả của nó sẽ ôn lại một vài chi tiết lịch sử bổ ích, nhưng trực tiếp khác đi từ giả thiết Big Bang sẽ đến muộn mong muốn chính là cung cấp thông tin về những hơn, mất hơn 15 năm sau mới được kiểm chứng. chứng cứ mới nhất tìm thấy từ bức xạ nền, và những Công trình Alpher, Bethe and Gamow, The Origin of hoạt động ráo riết tiếp theo của các nhóm nghiên cứu Elements (nguồn gốc của các nguyên tố ), xứng đáng trong lĩnh vực này. Bạn đọc hy vọng với vốn vật lý được xem như là cột mốc của vũ trụ học hiện đại .1 cơ bản có sẵn, sẽ được kích thích đủ để tìm hiểu thêm Thật ra giả thuyết Big Bang đã gây rất nhiều và có thể đạt được một cách nhìn, tạm gọi là tích cực, tranh cãi từ các giới khoa học, các nhà tư tưỏng lẫn về quá trình hình thành và phát triển của Vũ trụ . công luận đương thời. Alpher, trong buổi bảo vệ Mô hình Big Bang luận án tiến sĩ, đã nói rằng quá trình tổng hợp hạt nhân trong vũ trụ chỉ mất không đầy 5 phút. Ngay Gamow, nhà vật lý lưu vong Nga, là người đầu tiên tiếp cận vấn đề một cách xác đáng. E=mc2 cho thấy là vật chất có thể chuyển sang năng lượng dưới 1 Với bản tính phá cách, Gamow cho công bố công trình dạng bức xạ điện từ, như đã thấy qua bom nguyên tử này vào ngày 1 tháng 4. chỉ có hai ngưòi đóng góp chính hay năng lượng mặt trời. Ngựợc lại, việc biến đổi vào bài viết là Alpher và Gamow kéo theo Bethe để bài năng lượng điện từ sang vật chất, cụ thể là các hạt cơ viết được biết đến như “α,β và γ”, 3 mẫu từ đầu tiên của tiếng Hy Lạp. SỐ 4 (75) / TẬP 17 2
  3. Tháng 8-2006 VẬT LÝ ngày nay hôm sau tờ Washington Post đã lên tranh biếm họa về trước sau mục tiêu của giáo hội vẫn như nhau: Hỗ việc vũ trụ tạo thành chỉ trong vòng 5 phút. Hoyle, trợ tính xác thực trong Kinh Thánh. Linh mục một trong những người sáng lập và cổ vũ cho giả Lemaitre, một trong những cha đẻ của lý thuyết Big thiết Steady State, hay Trạng thái vĩnh hằng, trong Bang và là thành viên của Học viện Hàng ngũ Giám chương trình thiên văn trên radio trong giai đoạn này mục, đã can thiệp với cố vấn khoa học của Giáo nhắc đến mô hình Big Bang như sau: “ Một giả Hoàng, và đề nghị Đức Thánh Cha nên giữ khoảng thuyết khác biệt nữa giả định rằng vũ trụ bắt đầu từ cách giữa thần học và vũ trụ học. Lemaitre tin rằng một thời gian xác định trong một vụ nổ lớn. Với định luận cứ khoa học cần cách biệt với phạm trù tôn đề này, sự giãn nở hiện tại là cái đà còn lại của cơn giáo. Và Giáo Hoàng đã đồng ý với lời yêu cầu trên. bạo động từ vụ nổ tung này. Cái ý tưởng Big Bang Big Bang không còn nhắc đến trong những thông này với tôi xem chừng không được thoả đáng điệp của Giáo Hoàng nữa. lắm…Về mặt khoa học, trong hai giả thuyết [Big Bức Xạ Nền Bang và Steady State] thì Big Bang là khó nuốt hơn. Bởi đó là quá trình vô lý không thể diễn tả bằng ngôn Gamow tiên đoán một nền bức xạ đồng nhất ban ngữ khoa học …Trên phương diện triết học cũng vậy, đầu đã nguội đi và sẽ còn lại đến ngày nay. Nhưng tôi không thể thấy một lý do hay ho nào để thiên về ông không chỉ rõ là cường độ bức xạ còn lại ngày cái ý tưởng Big Bang.” nay là bao nhiêu. Và do vậy, sự tồn tại của dấu vết còn lại từ nền bức xạ ban đầu vẫn là một ẩn khuất. Đây là lần đầu hai từ “Big Bang ” (Nổ To) được Có lẽ do những chỉ trích về mô hình Big Bang và dùng để ám chỉ mô hình vũ trụ giãn nở với hàm ý những khó khăn nhất thời của mô hình này (như câu châm biếm, và Big Bang trở nên “thuật ngữ” phổ hỏi các nguyên tố nặng từ đâu mà ra? Câu trả lời sau biến. Hoyle là một nhà vũ trụ học kỳ cựu, và đã có này được đưa ra bởi Hoyle – chính là từ siêu sao mới những đóng góp về lý thuyết rất đáng kể trong vũ trụ (supernovae) hay còn gọi là sao khách; đây lại là học. Những quan điểm của ông về Big Bang, khi nhìn một vụ nổ khá to khác), những đề xuất của Gamow, lại, cũng có phần thiên kiến nhưng đã có ảnh hưởng rủi thay, đã không được các nhà vật lý tiếp nhận rất lớn với khoa học đương thời. Ngược lại Toà nghiêm túc: Không có một thí nghiệm nào để kiểm Thánh Vatican đã cổ vũ cho lý thuyết Big Bang. Giáo chứng di chỉ của bức xạ nền suốt hơn 15 năm sau khi hoàng Pius XII trong một bài giảng của mình đã nói nhóm Gamow công bố công trình nghiên cứu kinh như sau về Big Bang và sách Sáng Thế Kỷ trong điển. Thánh kinh: “Do vậy mọi thứ dường như cho thấy rằng vũ trụ vật chất đã có một khởi đầu kỳ vĩ, được Sự phát hiện của bức xạ nền đã phải đến từ tình ban phát với một dự trữ năng lượng mênh mông, rồi huống ngẫu nhiên, vốn cũng là điều thường xảy ra phát triển trước tiên cực nhanh rồi dần dà chậm lại trong lịch sử. Vào khoảng giữa thập niên 60, hai cho đến thời đại hôm nay… Thật ra, dường như khoa nhà nghiên cứu của Bell Labs, Penzias (học trò của học ngày nay, với một bước băng ngang hàng triệu Towns, vốn là cha đẻ của laser) cùng cộng sự là thế ký, đã làm chứng thành công cho tia sáng Mặc Wilson (đã theo học các khoá học về vũ trụ học của Khải (Fiat lux) phát ra ở lúc mà, cùng với vật chất, Hoyle, lúc ấy là thính giảng ở Caltech) đo đạc sóng bộc phát từ hư vô (Nothing) một biển ánh sáng và radio phát ra bởi bầu khí quyển. Sau khi phân loại bức xạ, trong khi các hạt nguyên tố phân ra và tạo các nguồn bức xạ đã biết và khấu trừ chúng từ giá trị nên hàng triệu thiên hà… Do đó, có một Đấng Sáng đo được, kết quả cho thấy là cường độ bức xạ trội dư Tạo. Do đó, Thượng Đế tồn tại! Cho dù chưa rõ ràng hơn bình thường chừng 3.5K, với sai số là 1K. Họ hay không hoàn hảo, nhưng đây là phúc đáp chúng ta ghi nhận phần bức xạ dư này gần như là đẳng chờ đợi từ khoa hoc, và là điều thế hệ loài người hiện hướng và bất phân cực (unpolarized). Họ không biết nay đang trông chờ.” (Thông điệp của Giáo Hoàng nguồn bức xạ này từ đầu ra, nên đành gắn cho chúng Pius XII tại Học viện Hàng ngũ Giám mục ngày 22 cái tên là “nhiễu loạn” dư. tháng 11 năm 1951). Trong khi đó thì nhóm nghiên cứu của Dicke ở Như vậy ta có một phần cộng đồng khoa học thì Princeton vốn vẫn chưa từng nghe qua các công phản đối lý thuyết Big Bang trong khi nhà thờ thì ủng trình của Gamow, Alpher và Bethe 15 năm trước đó, hộ. Thoạt nhìn thì đây có vẻ như điều oái oăm nếu ta bắt đầu những tính toán của họ về phân lượng của nhớ lại lịch sử của Giáo hội Công giáo và bước đầu He từ khởi thuỷ. Cùng với P.J.P Peebles, bấy giờ là phát triển vật lý trong thời Phục hưng, khi mà Galileo một công sự viên trẻ tuổi, Dicke đi đến kết luận rằng phải ra trước toà án Giáo đình (The Inquisition) để phải có một nền bức xạ còn lại từ khởi thuỷ. Công chối bỏ hệ Nhât Tâm của Copernicus, và công nhận tác thực nghiệm để phát hiện BXN được giao cho Trái Đất là trung tâm của vũ trụ, phù hợp với giáo David Wilkinson, một thành viên trẻ khác của nhóm điều của Toà Thánh La Mã lúc bấy giờ. Kỳ thực, Dicke. Wilkinsson gấp rút xây dựng thí nghiệm SỐ 4 (75) / TẬP 17 3
  4. Tháng 8-2006 VẬT LÝ ngày nay (Hình 2), theo mẫu thiết bị mà Dicke đã chế tạo ở Anten Dư ở 4080 triệu chu kỳ”, và một bởi nhóm MIT trong thời thế chiến thứ II, còn gọi là Dicke Princeton, chỉ ra rằng bức xạ mà Penzias và Wilson switch hay là lock-in amplifier, bằng cách thay đôỉ tìm được chính là di chỉ của BXN từ Big Bang. (modulate) tín hiệu đo đạc theo tần số nhất định. Dicke et al. (1965) báo trước rằng trong bức tranh Phương thức này khi dùng để phát hiện tín hiệu cực đơn giản nhất, trường bức xạ có đặc tính của vật đen yếu bị nhoà lẫn trong một nền nhiễu loạn mạnh hơn tuyệt đối. nhiều lần đã chứng tỏ rất hữu hiệu, và đã có ứng dụng Với việc phát hiện bức xạ nền, mô hình Big rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau. Bang, tức là vũ trụ tiến hoá từ giai đoạn sơ khai với Bản thân Dicke là một “thú hiếm” trong những nhà nền bức xạ ở nhiệt độ trên 1010K, và theo thời gian vật lý hàng đầu, đã để lại nhiều dấu ấn đậm nét trong nguội dần đi đo sự giãn nở của Vũ trụ, đánh dấu hàng loạt các vấn đề vật lý cơ bản, cả thực nghiệm một khởi đầu trong nhận thức mới về Vũ trụ. Ba lẫn lý thuyết, từ đồng hồ nguyên tử, cho đến việc chứng cứ thiên văn cơ bản, bao gồm sự hoá đỏ của kiểm chứng lý thuyết tương đối bằng cách thiết lập các đám thiên hà, phân lượng của các nguyên tố mức tương đương giữa khối lượng quán tính và khối nhẹ, và BXN được mệnh danh là “tam trụ” của toà lượng hấp dẫn ở độ chính xác cao nhất. Dicke còn là mô hình chuẩn Big Bang. cha đẻ của lý thuyết Brans-Dicke, một bản thể khác của lý thuyết tương đối. Nhận thức mới về vũ trụ Những thành công trên chỉ là gặt hái bước đầu. BXN mang chứng cớ về một vũ trụ vô thường, tức là có thay đổi, có mốc thời gian đầu, nhưng kèm theo đó là việc nảy sinh những vấn đề mới. Có thể liệt kê ba câu hỏi chính cho mô hình Big Bang như sau. Một trong những câu hỏi đầu tiên vụt đến, là từ một nền bức xạ đồng nhất, mọi nơi mọi hướng đều như nhau, làm sao mà vũ trụ trở nên không đồng nhất như ngày nay, nghĩa là chúng ta có Ngân Hà, quasars, có các nhà vũ trụ học ở thế giới này và những khoảng trống bao la trong vũ trụ ngoài kia? Có lẽ đây chỉ là chi tiết kỹ thuật rườm rà, nhưng thực là chi tiết quan trọng. Hình 2: Thí nghiệm của nhóm Princeton xây dựng theo gợi Câu hỏi thứ hai cũng là câu hỏi rõ rệt. Tại sao ý của Dick. David Wilkinson bên phải, ở giữa đằng sau là Peter vũ trụ lại gần như đẳng hướng, có nghĩa là bức xạ Roll, cả hai đang ở trên nóc Guyot Hall, Princeton University quan sát ở mọi hướng đều như nhau. Bức xạ từ (1965) với Dicke radiometer. Họ tìm thấy bức xạ nền chỉ với 3 những hướng này vốn không có liên hệ với nhau ở tháng sau khi Penzias & Wilson công bố kết quả. (Ảnh của R. thời điểm của phát tán cuối, ~ 380,000 năm sau Big Matthews, Princeton. P.J.P Peebles gởi cho tác giả) Bang, là giai đoạn mà electron và proton kết hợp với Thông qua Burke từ MIT, Penzias và Wilson biết nhau để tạo thành nguyên tử và vì thế không còn rằng nhóm Princeton đang tiến hành việc đo đạc tương tác với photon từ BXN. Vậy thì làm sao tương tự và có thể có lời giải đáp cho những “nhiễu chúng biết về nhau mà đạt được trạng thái cân bằng loạn dư” mà đã làm họ nhức đầu từ bao lâu nay. nhiệt để tạo ra sự đẳng hướng? Một trùng khớp ngẫu Trong một buổi họp của nhóm, điện thoại của Dicke nhiên chăng? Đây còn được gọi là bài toán chân trời bỗng reo vang. Bên đâu đấy là Penzias và Wilson, (horizon). mô tả lại thí nghiệm của họ. Nghe đến đây Dicke bật Câu hỏi thứ ba cũng đơn giản nhưng không kém nói với các cộng sự của mình:” Gentleman, we have phần nhức nhối. Các quan sát cho thấy là đặc tính been scooped! (Qúi vị, chúng ta đã bị hớt tay trên)” hình học của vũ trụ ngày nay rất gần với hình học Ngay sau đó họ đã ghé thăm cơ sở của Penzias và phẳng. nếu mà ta ngoại suy (extrapolate) điều này Wilson ở Homdel, cách Princeton chỉ gần 100 km về ngược về 14 tỷ năm trước đây, thì sai số từ độ phẳng phía bắc. Họ nhận ra rằng Penzias và Wilson đã dùng của Vũ trụ trong thời điểm Big Bang chỉ là 10-60. Dicke Switch trong thí nghiệm của mình để phát hiện (Điều này tương đương với sự khác biệt của khối các tín hiệu trong không gian. Hai công trình đã được lượng Mặt trời khi ta thêm bớt một electron.). Lại gởi ngay đến tạp chí Astrophysical Journal, một bởi một sự trùng hợp nữa chăng? Có thể, nhưng đây quả nhóm Bell Labs với tựa đề “ Một đo đạc nhiệt độ là một điều trùng hợp khó tin. Hay cũng có thể là vũ SỐ 4 (75) / TẬP 17 4
  5. Tháng 8-2006 VẬT LÝ ngày nay trụ không phẳng lắm như ta nghĩ? Điều này đòi hỏi đạc. Để công việc quan trắc đạt hiệu quả, người ta cần phải có một quan sát đáng tin cậy hơn. cần tìm nơi khô lạnh như Nam cực, hay vượt qua bầu khí quyển bằng bóng thám không, hay ra hẳn Có lẽ trong cách suy nghĩ của một nhà tư duy bên ngoài không gian với các đài quan sát vũ trụ. thuần tuý, thì ba vấn đề trên là ba vấn đề nổi cộm, Chính vì thế mà phải mất một thời gian khá dài, mãi liên hệ đến sự sống còn của mô hình Big Bang, và vì đén 1992 mới có những bước đột phá trong việc thu vậy phải được để ý trước nhất. Có một nhóm các nhà thập dữ kiện mới về BXN, nhờ COBE, thực chất là tư duy thuần tuý như thế, và họ đã tốn nhiều công một Dicke radiometer không gian do NASA chế tạo sức để cuối cùng lập nên kỳ tích bằng những đề xuất để chuyên thu thập về BXN. cơ chế vật lý mới. Nhưng ta hãy tạm để chuyện đó sang một bên lúc này, mà bàn đến công tác thực Thành công đầu tiên của COBE là bức phổ của nghiệm trước mắt. Là một nhà thực nghiệm, nếu biết BXN, cho thấy chúng tuân thủ sự phân bố Planck rằng có một trường bức xạ từ một vật đen tuyệt đối đến mức gần như hoàn hảo, với nhiệt độ vật đen đang vây phủ quanh bạn thì bạn sẽ làm gì trước tiên? bằng 2.725oK (xem Hình 3). Đây là một chứng cớ Có ba điều cơ bản mà bạn có thể xác định được. Một vô cùng ấn tượng về bức tranh đơn giản của mô là, việc phân bố bức xạ biến thiên theo bước sóng có hình Big Bang. tuân thủ quy luật của vật đen tuyệt đối (theo đường biểu diễn Planck? Hai là, việc phân bố bức xạ theo hướng trong không gian, liệu chúng có đồng nhất và đẳng hướng? Ba là, BXN đạt mức độ phân cực (polarization) như thế nào? Đây là tất cả những gì ta có thể mô tả về BXN. Thực vậy, tất cả nghiên cứu thực nghiệm về BXN trong hơn 40 năm qua chỉ để mô tả 3 đặc tính vật lý cơ bản này. Điều trung hợp, với ít nhiều có chủ ý, là ba quan sát thực nghiệm này đều liên hệ chặt chẽ với ba “vấn đề” nổi cộm của Big Bang đã nêu ra ở trên. Nói là có chủ ý, bởi vì ta chỉ có thể đặt những câu hỏi mà ta có thể kiểm chứng Hình 3. Kết quả phân tích sơ khởi từ 9 phút quan sát ngoài được bằng các phương thức thực nghiệm. Không có không gian của COBE (Mather et al. 1990), cho thấy mức biến bằng chứng thực nghiệm thì có lẽ gần với triết học thiên của cường độ BXN theo bước sóng. Dữ kiện được biểu thị hay thần học hơn. bằng các vùng ô vuông với sai số phóng đại lên gấp 10 lần, và trùng khớp sít sao với phổ của vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ T= Một cách cụ thể để trả lời câu hỏi đầu tiên, để có 2.725 +/-0.002oK. một vũ trụ như ngày hôm nay, nghĩa là có mức phân Một thành công khác của COBE minh hoạ bởi bố về mật độ vật chất (các đám thiên hà) khá đồng bức hình đầu tiên, là lần đầu xác định được mức bất nhất trên diện rộng (vài chục Mpc-khoảng cách đến đẳng hướng, tức là sự khác biệt về cường độ bức xạ thiên hà gần nhất, Andromeda, là chừng 2 Mpc,1 ở hai hướng khác nhau, của BXN, với sai số chừng Mpc bằng 3x 1019 km hay ~3.2 triệu năm ánh sáng) vài chục phần triệu, trùng khớp với ước đoán của lý đòi hỏi có một sự bất định trong phân bổ cường độ ở thuyết. Đây là một thành công vang dội, kết thúc thời kỳ sơ khai. Sự không đồng đều giữa nơi này và cuộc săn lùng gần 30 năm. Các nhà vũ tru học giờ nơi khác được biểu thị bằng mức nhiễu loạn trong đây có thể vững tin vào một “ mô hình chuẩn”. mật độ vật chất, và con số này tương ứng với tính không đồng nhất hay tính bất đẳng hướng của BXN. Mô hình chuẩn lúc này đã được bổ sung thêm Các tính toán cho thấy con số này có một giới hạn một nhân tố mới. Năm 1980, Alan Guth đề xuất một dưới khoảng vài phần triệu (10-6). ý tưởng vô cùng táo bạo, rằng ở gần thời điểm ban đầu của Big Bang, sự giãn nở đã xảy ra với một tốc Khó khăn cơ bản trong việc đo đạc là do tín hiệu độ cấp độ luỹ thừa trong một thời gian cực ngắn. từ BXN chỉ phát ra mạnh nhất ở các bước sóng vi Đây còn gọi là giai đoạn lạm phát, có lẽ chỉ kéo dài ba, nghĩa là vài tỷ đến vài trăm tỷ chu kỳ (5 đến 500 chừng 10-34s. Vũ trụ được giả định là bắt đầu bởi GHz), ở phổ sóng này kỹ thuật cảm biến chỉ vừa đạt một nhiễu loạn lưỡng tử , có lẽ từ hư vô (vacuum). bước mở đường trong hai thập kỷ 60 đến 70. Thêm Giả thuyết Lạm phát lúc đầu được đề xuất để giải vào đó là cường độ bức xạ rất yếu, chỉ vỏn vẹn gần quyết các vấn đề của vật lý hạt cơ bản (có các từ 3oK, trong khi điều kiện quan sát mặt đất gần 300oK, tích - magnetic monopole – hay không?), nảy sinh tương đương với việc tìm sao giữa ban ngày. Một từ lý thuyết thông nhất vĩ đại, còn gọi là GUT hay yếu tố nữa là hơi nước, vốn hấp thụ sóng vi ba, trong Grand Unified Theory. Chỉ một vài năm sau người bầu khí quyển cũng gây trở ngại lớn trong việc đo ta mới phát hiện rằng cơ chế lạm phát có thể dùng SỐ 4 (75) / TẬP 17 5
  6. Tháng 8-2006 VẬT LÝ ngày nay để hiểu nguồn gốc và dạng hàm số của mức nhiễu Vài năm sau COBE, các thí nghiệm tự Nam loạn trong mật độ vật chất – nói theo cách ví von của Cực bất đầu phát hiện mức bất đẳng hướng ở ~1o. các nhà Vũ trụ học, là hạt giống để sau này phát triển Trong vòng năm năm tiết theo, hai thí nghiệm thành các cấu trúc – và cung cấp lời giải thoả đáng Boomerang và DASI, bắt đầu vào hoạt động ở Nam cho bài toán phẳng và đường chân trời. Cực (xem Hình 5 va 6). Đây là hai thí nghiệm hoàn toàn khác nhau, phần lớn do sự lựa chọn kỹ thuật cảm biến. Boomerang là tên gọi cho một thứ vũ khí của người Úc châu khi ném ra mà không dung dịch thì sẽ quay trở lại với người đã ném. Thí nghiệm Boomerang là một loại Dicke radiometer được cất lên khỏi bầu khí quyển bằng bóng thám không được phóng từ vùng ven biển của Cực Nam, và sử dụng lượng gió đặc thù của Nam cực để đưa Boomerang chạy nguyên một vòng quanh bầu trời Nam Cực. Chuyến bay vì thế có thể kéo dài hơn 10 ngày, trong khi những thí nghiệm tương tự ở những vĩ độ khác (như ở Mỹ chẳng hạn) chỉ kéo dài không đầy 10 giờ. Boomerang dùng cảm biến gọi là bolometer, hoạt Hình 4. Các giai đoạn trong quá trình tiến hoá của Vũ trụ động ở 0.3oK, quan sát ở các bước sóng 2, 1.25 và (Bock et al. 2006). Theo mô hình chuẩn Big Bang, Lạm Phát 0.8 mm. DASI là một hệ thống giao thoa bao gồm (Inflation) thổi bùng những nhiễu loạn lượng tử thành những nhiễu loạn trong phân bố mật độ vật chất. Phân tích bản đo của 13 radiometer, cảm biến là HEMT, hoạt động ở Boomerang, DASI và WMAP cho thấy không gian trong Vũ trụ 20oK, quan sát ở bước sóng 9 mm. DASI toạ lạc ở mang tính đặc trưng của hình học phẳng (Euclidean), và các chi ngay tại trạm Amundsen- Scott, Nam Cực (vĩ độ - tiết khác biết cực kỳ mờ nhất trong BXN liên hệ mật thiết với 90o) và quan sát liên tục hơn 6 tháng. những nhiễu loạn trong việc phân bố mật độ khối lượng ~380,000 năm sau Big Bang, gây nên việc tích tụ của vật chất theo luật vạn vật hấp dẫn, và dần dà hình thành nên các thiên thể. Vì sao đầu tiên có lẽ ra đời lúc Vũ trụ được ~200 triệu năm, kế theo là các dãy thiên hà, quasar, lỗ đen… mà ta quan sát được ngày hôm nay, ~13.7 tỉ năm. Lạm phát giải quyết câu hỏi về đường chân trời như thế nào? Nếu có chúng 100 e- gấp trong quá trình lạm phát, thì ngay trước khi xảy ra lạm phát, Vũ trụ quan sát được ngày nay chỉ gói gọn trọn trong một chất điểm với đường kinh không đầy 10-45cm! Đường chân trời trước lúc lạm phát là cỡ 10-30cm, lớn hơn gấp 1015 lần so với Vũ trụ lức bấy giờ. Những vùng mà ta thấy được trong Vũ trụ ngày nay có đủ thời gian để tương tác và đạt mức cân bằng Hình 5.Biểu đồ minh hoạ kích thước của bóng thám không nhiệt, rồi tạo sự đẳng hướng như đã quan sát. khi ở mặt biển (trái) và khi đã đạt độ cao thả nổi, với Đài Tưởng Niệm ở Washington để so sánh . (Ảnh của NSBF) Lạm phát giải quyết vấn đề Vũ trụ phẳng ra sao? Có thể phát biểu một cách định tính như sau. Lam Boomerang và DASI công bố kết quả phân tích phát kéo căng không ghian và làm cho những nếp cho thấy là mật độ vật chất rất gần với mật độ tới gấp trở nên phẳng. (Xem phụ lục ở cuối bài để rõ hạn (critical density), điều này đồng nghĩa với việc hơn). xác nhận vũ trụ hầu như là phẳng. Một đại lượng cơ bản mới cho vũ trụ học đã được thiết lập. Và lạm Chúng ta hãy trở lại với câu chuyện thực phát lại được củng cố thêm một bước thứ hai! nghiệm. Nhắc lại là COBE đã thiết lập được dự kiến cần thiết để biết rằng Vũ trụ hầu như là đẳng hướng, Boomerang và DASI còn xác nhận thêm, rằng và mức bất đẳng hướng có được là rất nhỏ, nhưng đủ vật chất mà ta lâu nay quen thuộc, như electron, để tạo nên thế giới hiện hữu. Mô hình lạm phát được neutron, proton, chỉ chiếm 3% khối lượng của Vũ củng cố bước đầu. Yếu điểm của COBE là độ phân trụ. Hai thành phần khác bao gồm vật chất tối, giải vẫn chưa đủ để nghiên cứu BXN một cách chi chiếm 27%, và năng lượng tối, chiếm gần 70%. tiết hơn. Những dữ kiện mới nhất của WMAP (Hình 1) còn đòi hỏi sự hiện hữu của vật chất tối, để đảm bảo tính thống nhất trongcác kết quả phân tích. Như vậy là SỐ 4 (75) / TẬP 17 6
  7. Tháng 8-2006 VẬT LÝ ngày nay những gì ta biết về Vũ trụ này thật là ít ỏi, và phần Trên lý thuyết, Vũ trụ vào thời kỳ lạm phát lớn là một bí mật – có lẽ với số đông chúng ta thì giống như là một lỗ đen, do mật độ bị nén chặt trong điều này không gì đáng ngạc nhiên. Chúng ta không một không gian vô cùng nhỏ. Những lỗ đen cổ điển biết gì cả về bản chất của vật chất tối. Còn năng (classical) sẽ phát bức xạ Hawkings, lỗ đen Vũ trụ lượng tối thì khỏi phải nói đến; đây là một bất ngờ cũng không thoát ngoài quy luật này, và sẽ phát bức và là một phát hiện chấn động mang lại từ các nhóm xạ Hawkings dưới dạng sóng hấp dẫn. Biển sóng quan sát supernova ngay trước thềm thiên niên kỷ hẫp dẫn này tương tác với các photon BXN ở mặt mới, mà cho đến nay các nhà vật lý vẫn còn tranh tán cuối, làm cho nền bức xạ có nơi nóng nên, hay cãi; nhiều nhà vật lý hàng đầu còn mong muốn đây nguội xuống tuỳ vào khi photon đi vào hay đi ra chỉ là lỗi lầm trong phân tích.2 khỏi trường hấp dẫn, có nghĩa tạo nên mức bất đẳng hướng khác trong bức xạ nền (không giống với mức bất đẳng hướng gây nên bởi nhiễu loạn trong phân bố vật chất). Các bất đẳng hướng này sau đó tương tác với electron, lần đầu ở mặt phát tán cuối và một lần nữa lúc vũ trụ đi qua giai đoạn i-on hoá (reionization) chừng 200 triệu năm sau đó, để tạo ra sự phân cực trong BXN (một chi tiết quan trọng mà ta có thể biết từ các lớp học về điện từ là sự phân cực sẽ không có được nếu BXN là đồng nhất và đẳng hướng). Sự phân cực gây bởi nhiễu loạn mật độ, còn gọi là E-mode, ước tính bằng chừng 10% mức độ bất Hình 6. Thí nghiệm của DASI ở trạm Amundsen-Scott, đẳng hướng trong BXN. Con số này đến nay đã Nam cực. (Ảnh của John Kovac) được kiểm chứng bởi DASI, Boomerang và WMAP. Phải công nhận rằng những phát hiện mới này Sự phân cực gây bởi lạm phát, còn gọi là B-mode, chỉ là manh nha. Mặc dù khi kết hợp những quan sát tuỳ thuộc vào tỷ lệ tương đối của các thành phần tạo độc lập khác nhau được thực hiện gần đây thì tính nên mức nhiễu loạn ban đầu, nhưng nói chung là có thuyết phục của chúng có gia tăng, nhưng sai lầm thể nhỏ hơn E-mode đến hàng trăm lần. trong quá trình diễn dịch các kết quả thiên văn vẫn là Công tác đo đạc sự phân cực của BXN đặt ra một xác xuất lớn. Chúng ta cần tìm kiếm những nhiều yêu cầu gắt gao. B-mode đòi hỏi một mức phương thức độc lập mới để có thể kiểm chứng và chính xác cao gần 100 lần hơn những gì đã đặt bởi mách bảo thêm về bản chất của 97% các thứ làm nên WMAP. (Nhớ lại phải mất gần 30 năm người ta mới Vũ trụ này. Nếu vật chất tối và năng lượng tối thực cải thiện độ nhậy tự 1 phần ngàn xuống còn 1 phần sự tồn tại, thì giả thuyết có một cõi vô hình ở chung triệu.) Trước tiên, trên thực tế, kỹ thuật cảm biến vi quanh ta không phải là điều thiếu căn cứ. Đây là một ba trong vài năm qua đã đạt nấc thang cuối cùng, có bí ẩn lớn của Vũ trụ. nghĩa là độ chính xác lúc này đã gặp giớí hạn nền, Đi tìm nguồn gốc Vũ trụ một giới hạn cơ bản không thể vượt qua. Để tăng tốc độ quan sát, chỉ còn một việc là gia tăng số lượng Ở trên ta đã nhắc đến một cõi vô hình, và lúc này cảm biến, và đây là mặt trận mới của kỹ thuật cảm ta lại nói chuyện nguồn gốc Vũ trụ. Toàn là những biến vi ba. Thêm vào đó là phải vượt qua hàng rào vấn đề lớn lao. Nhưng biết làm sao, chúng ta đang cản mới, đó là bức xạ tạo ra bởi electron và bụi có bàn về Vũ trụ mà. Thật vậy, các cơ sở vũ trụ học sẵn từ Hệ Ngân hà của chúng ta, vốn có tính phân ngày nay cho phép chúng ta đối đầu với những câu cực cao. Cuối cùng, bản thân thiết bị đo đạc nếu hỏi hóc búa này không tránh né. Cơ chế lạm phát đã không được chế tạo cẩn thận, sẽ làm cho tín hiệu thổi bùng những nhiễu loạn lượng tử từ trong hư vô trung hoà trở nên phân cực; cả ba vấn đề này các thí và lập nên Vũ trụ ban đầu. Như đã trình bày ở trên, nghiệm trước đây không phải lo ngại. chứng cớ về lạm phát ngày càng chồng chất. Dẫu vậy, các đặc tính phẳng và đẳng hướng chỉ là điều Các nhà thực nghiệm vốn đã sẵn sàng cho kiện cần mà chưa đủ. Câu hỏi là, “Lạm phát có để lại những yêu câu gắt gao này. Hàng loạt các thí chứng tích trực tiếp gì trên BXN?”. Câu trả lời là, “ nghiệm mới đã được đề xuất. BICEP (Kiwon et al., Có. Trên lý thuyết.” 2006) là một trong những đề án như thế (xem Hình 7, 8 và 9). Trong thí nghiệm này, vật cảm biến là một chất siêu dẫn, có điện trở biến thiên theo nhiệt 2 Ed Witten, trong một buổi nói chuyện tại JPL, đã nói:” độ. Năng lượng hấp thụ hun nóng cảm biến, chuyển Tôi chỉ mong là nó [ năng lượng tối] sẽ đi mất đi”. SỐ 4 (75) / TẬP 17 7
  8. Tháng 8-2006 VẬT LÝ ngày nay nó từ siêu dẫn sang bình thường và tăng điện trở cảm công việc chỉ vừa bắt đầu. Chúng ta chúc cho các thí biến tứ zero lên một giá trị xác định phụ thuộc vào nghiệm này được nhiều may mắn. nhiệt độ hay mức năng lượng hấp thụ - cảm biến này có tên gọi là TES, Transition Edge Superconducting. TES có thể đạt được độ nhậy rất cao, dưới~10-18 W/√Hz. BICEP có một hệ quang học đơn giản, không có kính thiên văn riêng biệt như Boomerang hay WMAP, mà chỉ dùng hệ thấu kính giống như các camera ta thường dùng. Một thử nghiệm của BICEP đã đi vào hoạt động từ Nam cực hồi cuối tháng hai, 2006. Hình 8.Thí nghiệm BICEP đi vào hoạt động ở Nam cực từ tháng 2, 2006. (Ảnh của John Kovac) Hình 9. Mức chính xác dự kiến của Spud và Spider- sự biến thiên cường độ phân cực theo góc (l~l/θ, θ là góc). Spud Hình 7. Các thành viên trong Đội BICEP (từ Berkeley, sẽ đặt tại Nam cực và Spider thì sẽ được bay vòng quanh vung Caltech, JPL và UC San Diego) xúm quanh radiometer trước lúc nam bán cầu bằng bóng thám không. Đường trên cùng là E- chuyển xuống Nam cực (tác giả đứng khuất phía sau, ảnh của mode, đã được kiểm chứng bời DASI, Boomerang và WMAP. Đội BICEP). Đường đỏ là B-mode. Mức độ của B-mode tuỳ thuộc vào tỷ lệ giữa các thành phần gây nhiễu loạn trong giai đoạn lạm phát, r, Thực ra BICEP mới chỉ là bước đầu tiên trong hiện nay là một ẩn số. WMAP thiết lập một giới hạn trên cho r chương trình truy lùng các dấu hiệu của B-mode mà 0.01 như ước đoán hiện thời. như BICEP vậy, và công trình này có tên là Spud. Và ngay cả Spud cũng chỉ quan sát được một phần Lời cuối không gian nhỏ. Để hoàn tất phần còn lại thì phải Tiến trình nhận thức vũ trụ đã có những chuyển mang Spud ra khỏi Trái đất để thấy được toàn cảnh, biến cơ bản trong vòng một trăm năm qua, phần lớn công trình này có tên gọi là Spider, bao gồm 6 nhờ vào việc thiết lập các cơ sở lý thuyết vững chắc radiometer như BICEP và mang bởi bóng thám và thực nghiệm đáng tin cậy, trong đó BXN là một không bay vòng quanh Trải đất ở nam bán cầu. Mọi yếu tố thúc đẩy mang tính then chốt. Cuộc tìm hiểu SỐ 4 (75) / TẬP 17 8
  9. Tháng 8-2006 VẬT LÝ ngày nay về Vũ trụ quan sát còn phải được tiếp nối lâu dài và rằng kích thước của Vũ trụ biến thiên với thời gian hứa hẹn có nhiều bất ngờ - nhưng đây là cơ hội mới theo phương trình Friedmann như sau: của phát kiến và là niềm vui của những người ham 2 8πG ⎡ κ ⎤ ⎛a⎞ & tìm hiểu. Chúng ta thấy rằng, con đường nghiên cứu ⎜ ⎟ = ⎢ ρ (t ) − 2 ⎥ (1) cũng đầy rẫy những vận may, rủi ro và rối rắm, có ⎝a⎠ 3 ⎣ a (t ) ⎦ khi có cả mờ ám - nhưng mờ ám trong khoa học khó ρ(t) là mật độ khối lượng vũ trụ, a(t) thước đo mà tồn tại được lâu. Chúng ta lạc quan bởi vì phương (scale factor), κ độ cong không gian (spatial pháp khoa học là công cụ hữu hiệu để đi đến nhận curvature), κ có các gía trị < 0, = 0 hay > 0, tương thức phù hợp với thực tại. Kết thúc bài viết này, tôi ứng với vũ trụ mở, phẳng hay đóng. Trong (1), ta muốn mượn lời nói của nhà vật lý Feynman khi bàn định nghĩa, về phương thức khoa học. Feynman có lối diễn tả da trần trụi nhưng tưởng như không thể trong suốt và a≡ & chính xác hơn, “ Nói chung chúng ta tìm kiếm quy dt với thông số Hubble là, luật mới bằng quá trình sau. Trước tiên ông đoán. Đừng cười, đây là bước quan trọng nhất. Rồi tính a (t ) & H (t ) ≡ (2) toán hệ quả. So sánh hệ quả này với kinh nghiệm. a (t ) Nếu nó bất đồng với kinh nghiệm, vậy là đoán sai. H0 ngày nay là khoảng 72 km/s/Mpc. H0-1 còn Chỉ đơn giản có vậy mà là then chốt của khoa học. gọi là khoảng thời gian Hubble, Không cần biết điều phỏng đoán hay đến mức nào, −1 H 0 ~ 3 × 1017 s (3) hay ông thông minh cỡ nào, hay tên ông là gì. Nếu không phù hợp với kinh nghiệm, là sai. Tất cả chỉ có a(t) được xác định là sự giản nở của một độ dài vậy thôi.” hay bước sóng λ, sao cho: λ (t ) = a (t )λ0 (4) Pasadena, California, USA, 10/7/2006. λo là bước sóng đo được ở thời điểm ngày nay, và λ(t) là bước sóng đo được ở thời điểm t. Để ý là a(t) Tài liệu đọc thêm không mang đơn vị. Đẳng thức trên cũng cho thấy là ở thời điểm ngày nay, tức là t= to, a(to) là 1, và trong Để tham khảo thêm, các bạn có thể tìm đọc “The quá khứ là nhỏ hơn 1. Đẳng thức (4) thật ra thống First Three Minutes” của Steven Weinberg (1977), nhất với metric Robertson-Walker. hay “Big Bang” của Simon Singh (2005). Đây là hai Vạch dịch về đỏ (redshift), z, được định nghĩa cuốn sách viết cho giới phổ thông, với nhiều chi tiết như sau: lịch sử lý thú, có thẩm quyền và dễ đọc. Các sách λ0 giáo khoa như “Introduction to Cosmology” của 1+ z = , (5) Barbara Ryden (2003), và “Modern Cosmology của λ (t ) Doldelson (2003) cũng rất bổ ích cho các sinh viên tức là, vật lý năm cuối. 1 1+ z = (6) Bạn đọc trong nước cũng có thể học hỏi thêm rất a(t ) nhiều từ vô số các nguồn tài liệu trên internet. Tiêu Nhắc lại là các quan sát thiên văn của Hubble biểu gồm các công trình cũ đã được công bố (kể các cho thấy những vạch phổ trong các đám thiên hà có các công trình kinh điển đã có nhắc đến trong bài chuyển dịch về bước sóng dài hơn (tức là đỏ hơn), này): http://adsabs.harvard.edu/abstract_service.html thiết lập nên cơ sở thực nghiệm cho mô hình vũ trụ Các công trình thiên văn mới được công bố hằng giãn nở. ngày ở đây: http://xxx.lanl.gov/archive/astro-ph Số photon cho mỗi mode, theo hàm số Planck, là 1 Phụ Lục: Phương Trình Friedmann N= hc / kTλ (7) e −1 Ta có thể tính toán được nhiều điều lý thú trong Bởi vì số photon bảo toàn trong quá trình giãn vũ trụ học mà chỉ cần phương trình Friedmann, vốn nở vũ trụ, cho nên Tλ bất biến. Dùng đẳng thức (4), là một dạng đặc biệt của phương trình Einstein. Ở ta có đây chúng ta sẽ không phát triển phương trình này, T0 T (t ) = (8) mà chỉ phát biểu rằng trong môi trường đồng nhất và a (t ) đẳng hướng, thì metric Robertson-Walker thỏa mãn T0 là nhiệt độ của bức xạ ngày nay, 2.725 K. Ở kỷ phương trình Einstein. Và từ metric này, có thể thấy nguyên Big Bang, Vũ trụ chỉ thuần là trường bức xạ SỐ 4 (75) / TẬP 17 9
  10. Tháng 8-2006 VẬT LÝ ngày nay điện từ, và mật độ vũ trụ ρ(t) là mật độ của bức xạ từ Có nghĩa rằng Vũ trụ cực kỳ phẳng. Đây quả là vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ T(t): điều khó tin. Nếu tính vào kỷ nguyên Planck σ SBT 4 (t ) σ SB T0 4 (khoảng thời gian lạm phát xảy ra), TPl ~ 1032 K thì ρ (t ) = = (9) con số này là ~ 10-55, lại càng là một chuyện khó tin c2 c 2 a 4 (t ) hơn. Đây còn gọi là bài toán phẳng (lần đầu nêu ra σSB la hằng số bức xạ stephan-boltzman, 7.67x10-15 bởi Dicke, 1979). (Các đại lượng lượng tử như thời erg cm-3 K-4 (ta chia cho c2 để qui ra khối lượng). gian tPl, độ dài lPl, trong kỷ nguyên Planck được xác Như sẽ chỉ ra dưới đây, Vũ trụ lúc bấy giờ phẳng định bằng sự sắp xếp các hằng số cơ bản, như vận (κ ~ 0), và phương trình Friedmann trở thành, tốc ánh sáng c, hằng số hấp dẫn G, và hằng số 8πGσ SB T0 4 ⎛a⎞ & 2 Planck h , để cho ra đơn vị tương ứng. Độ dài ⎜ ⎟ = (10) Planck là, ⎝a⎠ 3c 2 a 4 (t ) hG Giải phương trình vi phân trên, ta có l Pl = 3 = 1.616 × 10 −33 cm (18) 1/ 4 c ⎛ 32πGσ SB T0 4 ⎞ Thời gian Planck là, a (t ) = ⎜ ⎜ ⎟ ⎟ t (11) ⎝ 3c 2 ⎠ hG t Pl = = 5.391 × 10 − 44 s (19) Để ý là trong thời kỳ này, c 5 1 Đây là đơn vị thời gian nhỏ nhất.) H (t ) = (12) 2t Năm 1980, Alan Guth đề xuất giả thuyết lạm Vào lúc nhiệt độ BXN tương đương với khối phát. Cơ bản là ở giai đoạn ban sơ, Vũ trụ giãn nở lượng của electron, kBT ~ mec2 hay T ~ 109, ta có với gia tốc dương. Trong giai đoạn lạm phát, mật độ a(t)~2.725 x10-9 (theo đẳng thức (8)), và (11) cho năng lượng chiếm bởi hằng số vũ trụ, Λlp, là chính, thấy lúc vật chất tạo thành, Vũ trụ đã được ~ 230 giây và phương trình Friedmann là, sau Big Bang. Con số chính xác của T sẽ cho ta ~180 ⎛a⎞ & 2 Λ lp giây - đây là nguồn gốc của cụm từ “3 phút đầu tiên” ⎜ ⎟ = (20) nỗi tiếng. ⎝a⎠ 3 Các quan sát về BXN đã chứng minh rằng Vũ Do vậy, Hlp =(Λlp/3)1/2, là một hằng số. Và, H lp t trụ quả thực là đẳng hướng và phẳng. Nhưng khi xét a (t ) ∝ e (21) kỷ, các đặc tính này có hai điểm “vô lý” như đã nhắc Người ta thường biểu thị sự tăng trưởng của đến trong bài. kích thước a bằng số n e-gấp (e-foldings), tức là 1. Bài toán phẳng (flatness). Trước tiên, ta chia a (t sau ) cả hai vế của phương trình (1) cho mật độ tới hạn, ρcr = en (22) = 3H2/8πG, và có a (t truoc ) κ Lạm phát giải quyết bài toán phẳng như thế nào? 1 − Ω(t ) = − 2 2 (13) Phương trình (13) cho thấy trong quá trình lạm phát, a (t ) H (t ) −2 H t 1 − Ω(t ) ∝ e lp (23) ρ (t ) sau khi đặt, Ω(t ) ≡ (14) nghĩa là sự khác biệt giữa Ω và 1 giảm theo số mũ ρ cr với thời gian. Nếu ta so sánh mật độ trước và sau κ lạm phát, (qua n e-gấp) ta thấy, Ngày nay, 1 − Ω 0 = − (15) H0 2 1 − Ω(t sau ) = e −2 N 1 − Ω(t truoc ) (24) Kết quả đo đạc tính bất đẳng hướng của BXN Giả định rằng trước khi lạm phát bắt đầu, Vũ trụ cho thấy là Vũ trụ gần như phẳng, với đã có độ cong khá lớn, với 1 − Ω 0 ≤ 0 .2 (16) 1 − Ω(t truoc ) = 1 (25) Tai sao giá trị của Ω0 ngày nay lại gần bằng 1? Sau lạm phát 100 e-gấp, ta có sự khác biệt giữa Thật ra nó có thể mang bất cứ giá trị nào mà vẫn Ω và 1 là e-200 hay là 10-87. Ngay cả khi bắt đầu nếu không vi phạm những định luật vật lý đã biết. Vấn Vũ trụ đã gồ ghề cỡ nào đi nữa, thì lạm phát với một đề ở đây là, nếu đi ngược thời gian, thì ta có: trăm e-gấp sẽ đánh cho nó dẹp lép! 2 H (1 − Ω 0 ) 1 − Ω(t ) = 02 (17) 2. Bài toán chân trời (horizon). Bài toán này H (t )a 2 (t ) đơn giản la` hai đặc tính, “đồng nhất và đẳng Và thông số mật độ 3 phút sau Big Bang là, hướng” của Vũ trụ. Tại sao đây lại là vấn đề? 1 − Ω ≤ 3.5 × 10 −13 (18) Chẳng phải ta đã giả định điều này để có phương SỐ 4 (75) / TẬP 17 10
  11. Tháng 8-2006 VẬT LÝ ngày nay trình Friedmann và sự giãn nở vũ trụ đó sao? Đúng Mpc thi khong co lien he voi nhau. Khoảng cách thế, nhưng mà Vũ trụ vốn phức tạp. Trước tiên, khi đặc thù từ ngày nay đến tls là 13 Mpc (còn gọi là ta nhìn ra Vũ trụ từ hai hướng đối nghịch nhau, mỗi khoản cách góc – angular diameter distance – có thể hướng có liên hệ với ta, nhưng giữa chúng với nhau ước lượng giá trị này tương tự như đã chỉ ra ở trên, thì chưa có, bởi thời gian chưa đủ để chúng biết về con số chính xac phải kể thêm thành phần mật độ nhau. Những đo đạc BXN cho thấy là chúng hầu như của năng lượng tối). Vậy thì đường kính góc của các là đã được trạng thái cân bằng nhiệt, chỉ khác nhau có điểm ngoài vùng liên hệ (no causual contact) ở mặt vài chục phần triệu (~ 10-5) về cường độ bức xạ. phát tán cuối là ~ 2o, khi quan sát từ mặt đất. Có Một cách cụ thể hơn, ta hãy xét Vũ trụ ở vào thời nghĩa là những gì ở ngoài 2o có thể rất khác biệt điểm của phát tán cuối (last scattering) tls – 380,000 nhau. Toàn bầu trời là 40.000o, hay là có 20.000 năm sau Big Bang, là lúc mà electron và proton kết khoản khác biệt nhau. Trái lại, quan sát cho thấy hợp để tạo thành nguyên tử, và photon bắt đầu được rằng chúng gần như y hệt nhau. Đây là bài toán tự do, ngưng không còn tương tác nữa. Vào thời đường chân trời. điểm này, vật chất (chứ không phải bức xạ) góp phần Lạm phát giải quyết vấn đề đường chân trời như lớn vào mật độ. Cho nên mật độ vũ trụ tỉ lệ với thể thế nào? tích, hay là Trước lạm phát, Vũ trụ chỉ có thuần bức xạ điện 1 từ, a ∝ t , đường chân trời lúc ấy sẽ là, xem (31), ρ (t ) ∝ 3 (26) a (t ) 2cttruoc. Trong khi lạm phát, a (t ) = k × e lp , k là H t Trong điều kiện vũ trụ phẳng (còn gọi là mô hình hằng số tỉ lệ. Einstein-De Sitter) ta có: Sau lạm phát, đường đến chân trời sẽ là, 2 ⎛a⎞ & 1 ⎛ ttruoc dt t sau dt ⎞ ⎜ ⎟ ∝ 3 (27) d h = c × a(t sau )⎜ ∫ ⎟ ⎜ 0 t t ∫ ke H lp t ⎟ + (33) ⎝a⎠ a (t ) ⎝ truoc ⎠ và nghiệm của (27) là, nhắc lại, a (t sau ) = a (t truoc )e n (34) a (t ) ∝ t 2 / 3 (28) Để ý đây chỉ là kích thước của Vũ trụ Einstein- ⎛ t sau dt ⎞ ⎜ 2t ⎟ (35) truoc + ∫ H lp t truoc De Sitter, khi phần lớn mật độ chiếm bởi vật chất (Vũ d h = cke e n ⎜ ke lp ⎟ H t trụ ngày nay ngoài vật chất, có thêm năng lượng tối). ⎝ t truoc ⎠ Hằng số tỉ lệ của đẳng thức (28) có thể tính từ điều ⎛ t sau ⎞ dt kiện, d h (t sau ) = ce n ⎜ 2t truoc + ∫ H lp (t −ttruoc ) ⎟ (36) ⎜ t truoc e ⎟ a (t 0 ) = 1 (29) ⎝ ⎠ Nhớ là t0 = 13.7 tỉ năm. Ta có thể kiểm lại thời ⎛ 1 ⎞ điểm phát tán cuối bằng cách nhớ lại lúc này nhiệt độ d h (t sau ) = ce n ⎜ 2ttruoc + (1 − e − n ) ⎟ (37) ⎜ H lp ⎟ là ~ 3000 K (con số này đến từ những tính toán của ⎝ ⎠ vật lý hạt nhân, để có điều kiện của vật chất kết hợp), Lấy ví dụ, lạm phát bắt đầu ở ttruoc=10-36s, với do vậy z ~ 1100. Vậy thì từ đẳng thức (6), thời gian Hubble Hi-1=10-36s, và kéo dài chừng 100 1 e-gấp. Ngay trước lạm phát, chân trời là cỡ, a (t ls ) = (30) d (ttruoc ) = 2cttruoc = 6 × 10 −26 cm (38) 1101 ta có được, tls = 13.7x109 x (1101)-3/2 hay ~380.000 Sau lạm phát, chân trời là, 18 năm. d (t sau ) ≈ 3cttruoc e n ≈ 2 ×10 cm (39) Ở mặt phát tán cuối, chân trời là ~0,3 Mpc, Hãy trở lại với bài toán chân trời. Khoảng cách nhưng chân trời do lạm phát 100 e-gấp là ~1043 Mpc, đặc thù (proper distance) tới chân trời được xác định lớn đủ để toàn cõi không gian thấy được lúc này có bằng tích của kích thước a(t) với quãng đường ánh liên hệ với nhau. Tóm lại là các vùng mà ta cho sáng đã đi kể từ lúc t=0, rằng ngoài liên hệ (out of causual contact) thực ra đã t ls dt biết nhau từ trước thời lạm phát, và đã đạt được sự d (t ts ) = c × a (t ls ) ∫ (31) cân bằng nhiệt. Sau đó chúng bị đẩy ra xa trong quá 0 a (t ) trình lạm phát, và theo thời gian quay trở lại với 3c 2/3 1/ 3 nhau. d (t ts ) = t t ls (32) 1+ z 0 hay là chân trời ở thời điểm phát tán cuối, d ~ 1x1024 cm ~ 0,3 Mpc. Vậy những noi cach biet ngoài ~0,3 SỐ 4 (75) / TẬP 17 11
  12. Tháng 8-2006 VẬT LÝ ngày nay SỐ 4 (75) / TẬP 17 12
Đồng bộ tài khoản