Bài giảng Sơ lược lịch sử vũ trụ

C

Ị

Ụ

Ơ ƯỢ S L Ử L CH S VŨ TR

• Năm 1905, Einstein

công bố thuyết tương đối hẹp

- Thời gian chỉ có tính tương đối, phụ thuộc vào hệ quy chiếu; - Mọi định luật vật lý là như nhau trong mọi hệ quy chiếu.

Thuyết tương đối

Khối lượng có thể chuyển hóa thành năng

lượng, và ngược lại.

- Bí mật năng lượng của các ngôi sao - Chế tạo bom nguyên tử

Thuyết tương đối

• 2 anh em sinh đôi John và Jim John bay vào không gian với vận tốc 87%

vận tốc ánh sáng

Jim ở lại Trái đất 2 người gửi sóng vô tuyến để liên lạc

Thuyết tương đối

• Jim thấy: - John già chậm hơn mình 2 lần - Phi thuyền của John ngắn đi 2 lần so với

kích thước nó trên Trái đất

- Khối lượng phi thuyền John tăng gấp 2 so

với khi nó ở trên Trái đất.

Thuyết tương đối

Hệ quả suy ra từ thuyết tương đối hẹp: • Vận tốc ánh sáng là vận tốc lớn nhất trong

tự nhiên

• Không thể tăng vận tốc một vật có khối

lượng đạt đến vận tốc ánh sáng

Thuyết tương đối

• Newton: Xem không gian là phẳng, các

vật hút nhau bởi lực hấp dẫn.

• Einstein: Không gian chỉ phẳng khi không

có vật chất và năng lượng

Thuyết tương đối

10 năm sau, Einstein công bố thuyết tương

đối rộng:

Thuyết tương đối

Thấu kính hấp dẫn

Thuyết tương đối

Hiệu ứng Doppler

Vũ trụ giãn nở

Hiệu ứng Doppler: Tần số tăng lên khi nguồn tiến về phía người quan sát, và giảm đi khi nguồn đi ra xa người quan sát (với điều kiện chuyển động giữa nguồn và người không phải là chuyển động đều).

Vũ trụ giãn nở

Năm 1929, Erwin

Hubble quan sát thấy phổ các thiên hà đang dịch chuyển về phía đỏ. Mức độ dịch chuyển tỷ lệ với khoảng cách thiên hà đến chúng ta.

Các thiên hà đang lùi ra xa chúng ta với tốc độ ngày càng lớn.

Vũ trụ giãn nở

Lí thuyết Big Bang được đề ra bởi George Gamov vào năm 1948.

Ðây là một lí thuyết về một vũ trụ đặc và nóng, có điểm khởi đầu. Lí thuyết này cho biết vũ trụ đã khởi đầu bằng một vụ nổ lớn (bigbang) diễn ra cách đây chừng 15 tỷ năm.

Big Bang

• - t = 0. Vũ trụ ra đời bằng bigbang. không có gì để nói vì thời gian này được giới hạn bởi bức tường Plank

• - t = 10-43 s. Thời gian Plank, kích thước vũ trụ là 10-33 cm, đây là những giới hạn lượng tử mà vật lí chưa thể vượt qua. Nhiệt độ của vũ trụ lúc này là khoảng 10^32K. Tất cả mọi trạng thái của vũ trụ là hết sức hỗn độn.

Big Bang

• Tiếp sau là thời kì lạm phát, kích thước vũ trụ tăng lên rất nhanh và hình thành các hạt và phản hạ. Tiếp nữa là thời kì bức xạ, nhiệt nộ giảm dần, hình thành nên những hạt nhân nguyên tử của nguyên tố đầu tiên: hidro và heli, các hạt nhân này chiếm ưu thế trong vũ trụ một thời gian dài.

Big Bang

• Nhiệt độ tiếp tục giảm, các e bị thu về các hạt nhân, tạo nên nguyên tử của các nguyên tố. Các hạt cơ bản tạo ra các dạng vật chất, khi và bụi tăng lên rồi tập hợp với nhau thành từng nhóm, tạo nên các thiên hà và các ngôi sao.

Big Bang

• Penzias và Wilson phát hiện ra bức xạ hoá thạch

Vệ tinh COBE đo được phông bức xạ hoá thạch là 2.7 độ K

Big Bang

• Mật độ < mật độ tới hạn: mở, hyperboloit • Mật độ = mật độ tới hạn: mở, phẳng • Mật độ > mật độ tới hạn: đóng, elipxoit Người ta đã đo được dt = 10^ -29 g/cm^3

- Năng lượng tối - Vật chất tối

Tương lai của vũ trụ

John Wheeler đưa ra thuyết “Vũ trụ luân hồi”, cho rằng lực hấp dẫn sẽ thắng sự giãn nở của vũ trụ và co lại, gọi là vụ co lớn (Big Crunch)

Thuyết Big Bang lạm phát

Đa vũ trụ

• Vũ trụ tĩnh định • Ánh sáng mệt mỏi

Các giả thuyết khác về vũ trụ

• Cơ học lượng tử là một lý thuyết cơ học, nghiên cứu về chuyển động và các đại lượng vật lý liên quan đến chuyển động như năng lượng và xung lượng, của các vật thể nhỏ bé, ở đó lưỡng tính sóng hạt được thể hiện rõ.

Cơ học lượng tử

• Cơ học lượng tử không cho ra các quan sát có giá trị xác định. Thay vào đó, nó tiên đoán một phân bố xác suất, tức là, xác suất để thu được một kết quả khả dĩ từ một phép đo nhất định. • Cơ học lượng tử cho ta một mô tả chính xác thế giới vật lý với hầu hết các điều kiện khác nhau. Dường như là cơ học lượng tử không còn đúng ở lân cận các hố đen hoặc khi xem xét vũ trụ như một toàn thể

Cơ học lượng tử

• Thuyết thống nhất giữa

thuyết tương đối lớn và cơ học lượng tử

• cấu tử cơ bản của vũ trụ là dây một chiều, màng hai chiều hay các thực thể nhiều chiều hơn (đến 10 chiều). Chúng luôn dao động và các kiểu dao động cộng hưởng được xem là các hạt cơ bản mà ta thấy.

Big Bang trong thuyết dây

Big Bang trong thuyết dây • Không thời gian trong lý thuyết dây có 11 chiều, với bảy chiều cong lại và nhỏ bằng độ dài Planck. Đó là lý do ta sống trong 11 chiều mà chỉ “thấy” bốn chiều đã trải rộng ra nhờ vụ nổ lớn.

• các qui luật vật lý của thế giới “nhỏ” sau bức

tường Planck hoàn toàn đồng nhất thế giới “lớn” trước bức tường

• khởi thuỷ không phải là một kì dị, mà là một

trạng thái “hấp dẫn lượng tử” kích thước Planck với 11 chiều. Rồi một vụ nổ khiến bốn chiều không thời gian giãn ra tạo nên vũ trụ. Và nếu co lại, vũ trụ cũng không co về điểm kì dị chung cục Big Crunch, mà chỉ co đến kích thước Planck rồi lại nở ra. Quá trình có thể lặp lại mãi như thế.

Big Bang trong thuyết dây

• vũ trụ chúng ta cũng có thể là một màng bốn chiều, vốn

là biên của một hình cầu năm chiều.

• Nằm cách ta một khoảng cách vi mô trong chiều thứ năm là một màng khác, được gọi là “màng bóng”.

• Hai màng hình và bóng chỉ tương tác nhau qua lực hấp dẫn. Khi đó vật chất hay năng lượng tối của màng này chính là vật chất thông thường của màng bên cạnh. • Hai màng có thể tự co giãn và va chạm nhau. Đối với

chúng ta (đang sống trên một màng), cú và chạm chính là Big Bang. Và có thể có nhiều vụ nổ và co lớn nhỏ nối tiếp hay xen kẽ nhau.

Big Bang trong thuyết dây

• Năm 1933, Fritz

Zwicky phát hiện ra sự xuất hiện của loai vật chất này khi đo vẫn tốc của các thiên hà trong quần thiên hà Coma.

Vật chất tối