Tháng 8-2006 VẬT LÝ ngày nay
SỐ 4 (75) / TẬP 17
1
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/)
Tháng 8-2006 VẬT LÝ ngày nay
SỐ 4 (75) / TẬP 17
2
Lời Giới Thiệu
Trong Vật Lý, thế giới phức tạp chung quanh ta
có thể hiểu và kiểm chứng được bằng một số khái
niệm cô đúc hay quy luật vật lý cơ bản, từ cơ học
thiên thể cho đến tính lượng tử của những nguyên tử
làm nên đặc tính muôn hình muôn vẻ của vật chất.
Công cuộc nghiên cứu về vũ trụ cũng không đi ngoài
truyền thống ấy. Mối hỗn độn của vũ trụ từ không
gian bao la có thể quy về lại bằng vài đại lượng đơn
giản. Dĩ nhiên đây không phải là điều dễ dàng, nhưng
chí ít đó là hy vọng của các nhà vật lý. May mắn cho
chúng ta, là phần lớn nền tảng của vũ trụ học hiện
đại đã được xây dựng bởi không ai khác hơn là
Einstein, bằng lý thuyết tương đối rộng. Các phương
trình trường của Einstein, được viết xuống cách đây
đã hơn 90 năm, tạo tiền đề vững chắc cho các nhà
nghiên cứu của thế hệ nối tiếp thiết lập nên cơ sở lý
thuyết xác đáng, dần đã được kiểm chứng và bổ sung
với những quan trắc thực nghiệm ngày càng đáng tin
cậy. Những câu hỏi của các nhà vũ trụ học ngày nay
bao gồm, cái gì làm nên vũ trụ này? Vũ trụ mà ta
quan sát được là vô cùng hay hữu hạn? Hằng hữu hay
vô thường? Vũ trụ ngày nay đã bắt nguồn từ đâu
?.v.v….Đây cũng là những câu hỏi muôn thủa mà
loài người vẫn hằng ưu tư trong quá trình tiếp cận Vũ
trụ. Điều kỳ diệu là chúng ta đang bước vào giai đoạn
mà một số những câu hỏi này đã được hay sẽ có câu
trả lời thoả đáng trong một tương lai rất gần, một
phần nhờ vào những nỗ lực vượt bậc trong phát triển
kỹ thuật đã diễn ra gần đây và vẫn còn đang tiếp tục.
Trong bài viết này, danh từ “Vũ trụ” (Universe
hay Cosmos) được dùng một cách hoán chuyển để
chỉ hoặc là một Vũ trụ toàn thể quan sát được, hoặc là
những chi tiết đặc thù của Vũ trụ, như là kích thước
(scale factor), BXN, v.v….”vũ trụ” không viết hoa là
tính từ, để chỉ những thuộc tính của Vũ trụ (cosmic
hay cosmological). Bài viết trong giới hạn nhất định
của nó sẽ ôn lại một vài chi tiết lịch sử bổ ích, nhưng
mong muốn chính là cung cấp thông tin về những
chứng cứ mới nhất tìm thấy từ bức xạ nền, và những
hoạt động ráo riết tiếp theo của các nhóm nghiên cứu
trong lĩnh vực này. Bạn đọc hy vọng với vốn vật lý
cơ bản có sẵn, sẽ được kích thích đủ để tìm hiểu thêm
và có thể đạt được một cách nhìn, tạm gọi là tích cực,
về quá trình hình thành và phát triển của Vũ trụ .
Mô hình Big Bang
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
dạng bức xạ điện từ, như đã thấy qua bom nguyên tử
hay năng lượng mặt trời. Ngựợc lại, việc biến đổi
năng lượng điện từ sang vật chất, cụ thể là các hạt cơ
bản như electron hay proton, chỉ có thể tạo thành ở
nhiệt độ cao, lên tới hàng ngàn tỷ độ K, nóng hơn
hàng triệu lần so với nhiệt độ ở ngay trung tâm của
Mặt trời. Gamow đoán rằng các hạt cơ bản đựơc tạo
ra từ khối ánh sáng, còn gọi là trái banh lửa, vốn đã
có sẵn từ khởi thủy ở T ~ 1010K (kBT ~ mec2). Cần
nhắc lại là cho đến thời điểm này, các cơ sở này của
Vũ trụ học hiện đại bao gồm các phương trình tương
đối Einstein (1916), với kết quả tìm được sáu năm
sau đó của nhà toán học Nga Friedmann (vốn là thầy
của Gamow) cho thấy trong điều kiện một Vũ trụ
đồng nhất và đẳng hướng, phương trình Einstein thể
hiện tính biến thiên của kích thước vũ trụ với thời
gian. Trên nền tảng lý thuyết này, Lemaitre đã xây
dựng mô hình vũ trụ giãn nở. Cơ sở thực nghiệm
cho mô hình bao gồm các quan sát thiên văn nổi
tiếng của Hubble từ cuối thập niên 1920, với sự dịch
về đỏ của các dải ngân hà. Cùng trong thời gian này,
Tolman trong các tính toán nhiệt động học của Vũ
trụ đã chứng tỏ là sự giãn nở sẽ làm cho vũ trụ nguội
đi. Suy đoán của Gamow cho đến thời điểm này
(1984) tưởng chừng như là một điều hiển nhiên,
nhưng kết quả tính toán suy ra từ giả thuyết trái banh
lửa đã mang lại biến chuyển mang tính bước ngoặt
(cũng nên nhắc lại là ngay cả Einstein cha đẻ của
E= mc2 và các phương trình tương đối, cùng với trực
giác vật lý phi thường, lúc sinh thời đã không thấy
đề cập đến điều này). Gamow và học trò của ông,
Alpher (có thể kể thêm Bethe, người đã giải thích
thành công cơ chế sản sinh năng lượng hạt nhân của
Mặt trời), chứng tỏ mức tin cậy của giả thuyết này
qua các tính toán về hàm lượng của Helium tìm thấy
trong Mặt trời, vốn mang tỷ lệ quá cao mà các phản
ứng nhiệt hạch của Mặt trời không thể tạo thành
kịp. Các tính toán của Alpher cho thấy đa phần khí
Helium trong vũ trụ là được tạo thành từ thời vũ trụ
còn sơ khai, và trùng khớp với tỉ lệ He trong Mặt
trời. Đây là một thành công đầu tiên. Một hệ quả
trực tiếp khác đi từ giả thiết Big Bang sẽ đến muộn
hơn, mất hơn 15 năm sau mới được kiểm chứng.
Công trình Alpher, Bethe and Gamow, The Origin of
Elements (nguồn gốc của các nguyên tố ), xứng đáng
được xem như là cột mốc của vũ trụ học hiện đại .1
Thật ra giả thuyết Big Bang đã gây rất nhiều
tranh cãi từ các giới khoa học, các nhà tư tưỏng lẫn
công luận đương thời. Alpher, trong buổi bảo vệ
luận án tiến sĩ, đã nói rằng quá trình tổng hợp hạt
nhân trong vũ trụ chỉ mất không đầy 5 phút. Ngay
1 Với bản tính phá cách, Gamow cho công bố công trình
này vào ngày 1 tháng 4. chỉ có hai ngưòi đóng góp chính
vào bài viết là Alpher và Gamow kéo theo Bethe để bài
viết được biết đến như “α,β và γ”, 3 mẫu từ đầu tiên của
tiếng Hy Lạp.
Tháng 8-2006 VẬT LÝ ngày nay
SỐ 4 (75) / TẬP 17
3
hôm sau tờ Washington Post đã lên tranh biếm họa về
việc vũ trụ tạo thành chỉ trong vòng 5 phút. Hoyle,
một trong những người sáng lập và cổ vũ cho giả
thiết Steady State, hay Trạng thái vĩnh hằng, trong
chương trình thiên văn trên radio trong giai đoạn này
nhắc đến mô hình Big Bang như sau: “ Một giả
thuyết khác biệt nữa giả định rằng vũ trụ bắt đầu từ
một thời gian xác định trong một vụ nổ lớn. Với định
đề này, sự giãn nở hiện tại là cái đà còn lại của cơn
bạo động từ vụ nổ tung này. Cái ý tưởng Big Bang
này với tôi xem chừng không được thoả đáng
lắm…Về mặt khoa học, trong hai giả thuyết [Big
Bang và Steady State] thì Big Bang là khó nuốt hơn.
Bởi đó là quá trình vô lý không thể diễn tả bằng ngôn
ngữ khoa học …Trên phương diện triết học cũng vậy,
tôi không thể thấy một lý do hay ho nào để thiên về
cái ý tưởng Big Bang.”
Đây là lần đầu hai từ “Big Bang ” (Nổ To) được
dùng để ám chỉ mô hình vũ trụ giãn nở với hàm ý
châm biếm, và Big Bang trở nên “thuật ngữ” phổ
biến. Hoyle là một nhà vũ trụ học kỳ cựu, và đã có
những đóng góp về lý thuyết rất đáng kể trong vũ trụ
học. Những quan điểm của ông về Big Bang, khi nhìn
lại, cũng có phần thiên kiến nhưng đã có ảnh hưởng
rất lớn với khoa học đương thời. Ngược lại Toà
Thánh Vatican đã cổ vũ cho lý thuyết Big Bang. Giáo
hoàng Pius XII trong một bài giảng của mình đã nói
như sau về Big Bang và sách Sáng Thế Kỷ trong
Thánh kinh: “Do vậy mọi thứ dường như cho thấy
rằng vũ trụ vật chất đã có một khởi đầu kỳ vĩ, được
ban phát với một dự trữ năng lượng mênh mông, rồi
phát triển trước tiên cực nhanh rồi dần dà chậm lại
cho đến thời đại hôm nay… Thật ra, dường như khoa
học ngày nay, với một bước băng ngang hàng triệu
thế ký, đã làm chứng thành công cho tia sáng Mặc
Khải (Fiat lux) phát ra ở lúc mà, cùng với vật chất,
bộc phát từ hư vô (Nothing) một biển ánh sáng và
bức xạ, trong khi các hạt nguyên tố phân ra và tạo
nên hàng triệu thiên hà… Do đó, có một Đấng Sáng
Tạo. Do đó, Thượng Đế tồn tại! Cho dù chưa rõ ràng
hay không hoàn hảo, nhưng đây là phúc đáp chúng ta
chờ đợi từ khoa hoc, và là điều thế hệ loài người hiện
nay đang trông chờ.” (Thông điệp của Giáo Hoàng
Pius XII tại Học viện Hàng ngũ Giám mục ngày 22
tháng 11 năm 1951).
Như vậy ta có một phần cộng đồng khoa học thì
phản đối lý thuyết Big Bang trong khi nhà thờ thì ủng
hộ. Thoạt nhìn thì đây có vẻ như điều oái oăm nếu ta
nhớ lại lịch sử của Giáo hội Công giáo và bước đầu
phát triển vật lý trong thời Phục hưng, khi mà Galileo
phải ra trước toà án Giáo đình (The Inquisition) để
chối bỏ hệ Nhât Tâm của Copernicus, và công nhận
Trái Đất là trung tâm của vũ trụ, phù hợp với giáo
điều của Toà Thánh La Mã lúc bấy giờ. Kỳ thực,
trước sau mục tiêu của giáo hội vẫn như nhau: Hỗ
trợ tính xác thực trong Kinh Thánh. Linh mục
Lemaitre, một trong những cha đẻ của lý thuyết Big
Bang và là thành viên của Học viện Hàng ngũ Giám
mục, đã can thiệp với cố vấn khoa học của Giáo
Hoàng, và đề nghị Đức Thánh Cha nên giữ khoảng
cách giữa thần học và vũ trụ học. Lemaitre tin rằng
luận cứ khoa học cần cách biệt với phạm trù tôn
giáo. Và Giáo Hoàng đã đồng ý với lời yêu cầu trên.
Big Bang không còn nhắc đến trong những thông
điệp của Giáo Hoàng nữa.
Bức Xạ Nền
Gamow tiên đoán một nền bức xạ đồng nhất ban
đầu đã nguội đi và sẽ còn lại đến ngày nay. Nhưng
ông không chỉ rõ là cường độ bức xạ còn lại ngày
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.
Có lẽ do những chỉ trích về mô hình Big Bang và
những khó khăn nhất thời của mô hình này (như câu
hỏi các nguyên tố nặng từ đâu mà ra? Câu trả lời sau
này được đưa ra bởi Hoyle – chính là từ siêu sao mới
(supernovae) hay còn gọi là sao khách; đây lại là
một vụ nổ khá to khác), những đề xuất của Gamow,
rủi thay, đã không được các nhà vật lý tiếp nhận
nghiêm túc: Không có một thí nghiệm nào để kiểm
chứng di chỉ của bức xạ nền suốt hơn 15 năm sau khi
nhóm Gamow công bố công trình nghiên cứu kinh
điển.
Sự phát hiện của bức xạ nền đã phải đến từ tình
huống ngẫu nhiên, vốn cũng là điều thường xảy ra
trong lịch sử. Vào khoảng giữa thập niên 60, hai
nhà nghiên cứu của Bell Labs, Penzias (học trò của
Towns, vốn là cha đẻ của laser) cùng cộng sự là
Wilson (đã theo học các khoá học về vũ trụ học của
Hoyle, lúc ấy là thính giảng ở Caltech) đo đạc sóng
radio phát ra bởi bầu khí quyển. Sau khi phân loại
các nguồn bức xạ đã biết và khấu trừ chúng từ giá trị
đo được, kết quả cho thấy là cường độ bức xạ trội dư
hơn bình thường chừng 3.5K, với sai số là 1K. Họ
ghi nhận phần bức xạ dư này gần như là đẳng
hướng và bất phân cực (unpolarized). Họ không biết
nguồn bức xạ này từ đầu ra, nên đành gắn cho chúng
cái tên là “nhiễu loạn” dư.
Trong khi đó thì nhóm nghiên cứu của Dicke ở
Princeton vốn vẫn chưa từng nghe qua các công
trình của Gamow, Alpher và Bethe 15 năm trước đó,
bắt đầu những tính toán của họ về phân lượng của
He từ khởi thuỷ. Cùng với P.J.P Peebles, bấy giờ là
một công sự viên trẻ tuổi, Dicke đi đến kết luận rằng
phải có một nền bức xạ còn lại từ khởi thuỷ. Công
tác thực nghiệm để phát hiện BXN được giao cho
David Wilkinson, một thành viên trẻ khác của nhóm
Dicke. Wilkinsson gấp rút xây dựng thí nghiệm
Tháng 8-2006 VẬT LÝ ngày nay
SỐ 4 (75) / TẬP 17
4
(Hình 2), theo mẫu thiết bị mà Dicke đã chế tạo ở
MIT trong thời thế chiến thứ II, còn gọi là Dicke
switch hay là lock-in amplifier, bằng cách thay đôỉ
(modulate) tín hiệu đo đạc theo tần số nhất định.
Phương thức này khi dùng để phát hiện tín hiệu cực
yếu bị nhoà lẫn trong một nền nhiễu loạn mạnh hơn
nhiều lần đã chứng tỏ rất hữu hiệu, và đã có ứng dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau.
Bản thân Dicke là một “thú hiếm” trong những nhà
vật lý hàng đầu, đã để lại nhiều dấu ấn đậm nét trong
hàng loạt các vấn đề vật lý cơ bản, cả thực nghiệm
lẫn lý thuyết, từ đồng hồ nguyên tử, cho đến việc
kiểm chứng lý thuyết tương đối bằng cách thiết lập
mức tương đương giữa khối lượng quán tính và khối
lượng hấp dẫn ở độ chính xác cao nhất. Dicke còn là
cha đẻ của lý thuyết Brans-Dicke, một bản thể khác
của lý thuyết tương đối.
Hình 2: Thí nghiệm của nhóm Princeton xây dựng theo gợi
ý của Dick. David Wilkinson bên phải, ở giữa đằng sau là Peter
Roll, cả hai đang ở trên nóc Guyot Hall, Princeton University
(1965) với Dicke radiometer. Họ tìm thấy bức xạ nền chỉ với 3
tháng sau khi Penzias & Wilson công bố kết quả. (Ảnh của R.
Matthews, Princeton. P.J.P Peebles gởi cho tác giả)
Thông qua Burke từ MIT, Penzias và Wilson biết
rằng nhóm Princeton đang tiến hành việc đo đạc
tương tự và có thể có lời giải đáp cho những “nhiễu
loạn dư” mà đã làm họ nhức đầu từ bao lâu nay.
Trong một buổi họp của nhóm, điện thoại của Dicke
bỗng reo vang. Bên đâu đấy là Penzias và Wilson,
mô tả lại thí nghiệm của họ. Nghe đến đây Dicke bật
nói với các cộng sự của mình:” Gentleman, we have
been scooped! (Qúi vị, chúng ta đã bị hớt tay trên)”
Ngay sau đó họ đã ghé thăm cơ sở của Penzias và
Wilson ở Homdel, cách Princeton chỉ gần 100 km về
phía bắc. Họ nhận ra rằng Penzias và Wilson đã dùng
Dicke Switch trong thí nghiệm của mình để phát hiện
các tín hiệu trong không gian. Hai công trình đã được
gởi ngay đến tạp chí Astrophysical Journal, một bởi
nhóm Bell Labs với tựa đề “ Một đo đạc nhiệt độ
Anten Dư ở 4080 triệu chu kỳ”, và một bởi nhóm
Princeton, chỉ ra rằng bức xạ mà Penzias và Wilson
tìm được chính là di chỉ của BXN từ Big Bang.
Dicke et al. (1965) báo trước rằng trong bức tranh
đơn giản nhất, trường bức xạ có đặc tính của vật đen
tuyệt đối.
Với việc phát hiện bức xạ nền, mô hình Big
Bang, tức là vũ trụ tiến hoá từ giai đoạn sơ khai với
nền bức xạ ở nhiệt độ trên 1010K, và theo thời gian
nguội dần đi đo sự giãn nở của Vũ trụ, đánh dấu
một khởi đầu trong nhận thức mới về Vũ trụ. Ba
chứng cứ thiên văn cơ bản, bao gồm sự hoá đỏ của
các đám thiên hà, phân lượng của các nguyên tố
nhẹ, và BXN được mệnh danh là “tam trụ” của toà
mô hình chuẩn Big Bang.
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.
Câu hỏi thứ hai cũng là câu hỏi rõ rệt. Tại sao
vũ trụ lại gần như đẳng hướng, có nghĩa là bức xạ
quan sát ở mọi hướng đều như nhau. Bức xạ từ
những hướng này vốn không có liên hệ với nhau ở
thời điểm của phát tán cuối, ~ 380,000 năm sau Big
Bang, là giai đoạn mà electron và proton kết hợp với
nhau để tạo thành nguyên tử và vì thế không còn
tương tác với photon từ BXN. Vậy thì làm sao
chúng biết về nhau mà đạt được trạng thái cân bằng
nhiệt để tạo ra sự đẳng hướng? Một trùng khớp ngẫu
nhiên chăng? Đây còn được gọi là bài toán chân trời
(horizon).
Câu hỏi thứ ba cũng đơn giản nhưng không kém
phần nhức nhối. Các quan sát cho thấy là đặc tính
hình học của vũ trụ ngày nay rất gần với hình học
phẳng. nếu mà ta ngoại suy (extrapolate) điều này
ngược về 14 tỷ năm trước đây, thì sai số từ độ phẳng
của Vũ trụ trong thời điểm Big Bang chỉ là 10-60.
(Điều này tương đương với sự khác biệt của khối
lượng Mặt trời khi ta thêm bớt một electron.). Lại
một sự trùng hợp nữa chăng? Có thể, nhưng đây quả
là một điều trùng hợp khó tin. Hay cũng có thể là vũ
Tháng 8-2006 VẬT LÝ ngày nay
SỐ 4 (75) / TẬP 17
5
trụ không phẳng lắm như ta nghĩ? Điều này đòi hỏi
cần phải có một quan sát đáng tin cậy hơn.
Có lẽ trong cách suy nghĩ của một nhà tư duy
thuần tuý, thì ba vấn đề trên là ba vấn đề nổi cộm,
liên hệ đến sự sống còn của mô hình Big Bang, và vì
vậy phải được để ý trước nhất. Có một nhóm các nhà
tư duy thuần tuý như thế, và họ đã tốn nhiều công
sức để cuối cùng lập nên kỳ tích bằng những đề xuất
cơ chế vật lý mới. Nhưng ta hãy tạm để chuyện đó
sang một bên lúc này, mà bàn đến công tác thực
nghiệm trước mắt. Là một nhà thực nghiệm, nếu biết
rằng có một trường bức xạ từ một vật đen tuyệt đối
đang vây phủ quanh bạn thì bạn sẽ làm gì trước tiên?
Có ba điều cơ bản mà bạn có thể xác định được. Một
là, việc phân bố bức xạ biến thiên theo bước sóng có
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
được bằng các phương thức thực nghiệm. Không có
bằng chứng thực nghiệm thì có lẽ gần với triết học
hay thần học hơn.
Một cách cụ thể để trả lời câu hỏi đầu tiên, để có
một vũ trụ như ngày hôm nay, nghĩa là có mức phân
bố về mật độ vật chất (các đám thiên hà) khá đồng
nhất trên diện rộng (vài chục Mpc-khoảng cách đến
thiên hà gần nhất, Andromeda, là chừng 2 Mpc,1
Mpc bằng 3x 1019 km hay ~3.2 triệu năm ánh sáng)
đòi hỏi có một sự bất định trong phân bổ cường độ ở
thời kỳ sơ khai. Sự không đồng đều giữa nơi này và
nơi khác được biểu thị bằng mức nhiễu loạn trong
mật độ vật chất, và con số này tương ứng với tính
không đồng nhất hay tính bất đẳng hướng của BXN.
Các tính toán cho thấy con số này có một giới hạn
dưới khoảng vài phần triệu (10-6).
Khó khăn cơ bản trong việc đo đạc là do tín hiệu
từ BXN chỉ phát ra mạnh nhất ở các bước sóng vi
ba, nghĩa là vài tỷ đến vài trăm tỷ chu kỳ (5 đến 500
GHz), ở phổ sóng này kỹ thuật cảm biến chỉ vừa đạt
bước mở đường trong hai thập kỷ 60 đến 70. Thêm
vào đó là cường độ bức xạ rất yếu, chỉ vỏn vẹn gần
3oK, trong khi điều kiện quan sát mặt đất gần 300oK,
tương đương với việc tìm sao giữa ban ngày. Một
yếu tố nữa là hơi nước, vốn hấp thụ sóng vi ba, trong
bầu khí quyển cũng gây trở ngại lớn trong việc đo
đạc. Để công việc quan trắc đạt hiệu quả, người ta
cần tìm nơi khô lạnh như Nam cực, hay vượt qua
bầu khí quyển bằng bóng thám không, hay ra hẳn
bên ngoài không gian với các đài quan sát vũ trụ.
Chính vì thế mà phải mất một thời gian khá dài, mãi
đén 1992 mới có những bước đột phá trong việc thu
thập dữ kiện mới về BXN, nhờ COBE, thực chất là
một Dicke radiometer không gian do NASA chế tạo
để chuyên thu thập về BXN.
Thành công đầu tiên của COBE là bức phổ của
BXN, cho thấy chúng tuân thủ sự phân bố Planck
đến mức gần như hoàn hảo, với nhiệt độ vật đen
bằng 2.725oK (xem Hình 3). Đây là một chứng cớ
vô cùng ấn tượng về bức tranh đơn giản của mô
hình Big Bang.
Hình 3. Kết quả phân tích sơ khởi từ 9 phút quan sát ngoài
không gian của COBE (Mather et al. 1990), cho thấy mức biến
thiên của cường độ BXN theo bước sóng. Dữ kiện được biểu thị
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=
2.725 +/-0.002oK.
Một thành công khác của COBE minh hoạ bởi
bức hình đầu tiên, là lần đầu xác định được mức bất
đẳng hướng, tức là sự khác biệt về cường độ bức xạ
ở hai hướng khác nhau, của BXN, với sai số chừng
vài chục phần triệu, trùng khớp với ước đoán của lý
thuyết. Đây là một thành công vang dội, kết thúc
cuộc săn lùng gần 30 năm. Các nhà vũ tru học giờ
đây có thể vững tin vào một “ mô hình chuẩn”.
Mô hình chuẩn lúc này đã được bổ sung thêm
một nhân tố mới. Năm 1980, Alan Guth đề xuất một
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
độ cấp độ luỹ thừa trong một thời gian cực ngắn.
Đây còn gọi là giai đoạn lạm phát, có lẽ chỉ kéo dài
chừng 10-34s. Vũ trụ được giả định là bắt đầu bởi
một nhiễu loạn lưỡng tử , có lẽ từ hư vô (vacuum).
Giả thuyết Lạm phát lúc đầu được đề xuất để giải
quyết các vấn đề của vật lý hạt cơ bản (có các từ
tích - magnetic monopole – hay không?), nảy sinh
từ lý thuyết thông nhất vĩ đại, còn gọi là GUT hay
Grand Unified Theory. Chỉ một vài năm sau người
ta mới phát hiện rằng cơ chế lạm phát có thể dùng