Tiếng vọng từ Big Bang

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'tiếng vọng từ big bang', tài liệu phổ thông, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tiếng vọng từ Big Bang

Ti ng v ng t Big Bang Craig J. Hogan Sóng h p d n mang t i m t phương pháp vô song nghiên c u s l m phát và nh ng quá trình cơ b n khác c a vũ tr th i r t sơ khai, và có l còn k t n i lí thuy t dây v i th gi i th c nghi m… Cái nhìn c a chúng ta v vũ tr mãi mãi thay i. K t khi khoa h c b t u, t t c ki n th c c a chúng ta v cái n m trên, n m dư i, và n m xung quanh chúng ta n t nh ng d ng năng lư ng ã quen thu c t lâu nay: ó là ánh sáng, phát ra b i nh ng i tư ng thiên văn xa xôi; và v t ch t, dư i d ng các h t như tia vũ tr . Nhưng hi n nay chúng ta ang m t v trí nghiên c u vũ tr b ng m t d ng hoàn toàn khác c a năng lư ng mà cho t i nay v n chưa phát hi n tr c ti p ư c – ó là các sóng h p d n. Là m t tiên oán ch y u c a thuy t tương i r ng Einstein, các sóng h p d n là nh ng dao ng c a không-th i gian phát sinh b i s gia t c c a t t c các d ng kh i lư ng và năng lư ng. Nh ng môi trư ng h p d n c c m nh như l en ho c sao ôi neutron phát ra các sóng có biên l n nh t, còn t n s sóng ph thu c các ngu n ó chuy n ng như th nào. Nh ng chuy n ng quy mô nh , như chuy n ng c a các l en kh i lư ng c sao, phát ra sóng h p d n t n s cao, còn nh ng i tư ng l n hơn, như các l en siêu tr ng, chuy n ng ch m hơn và t o ra tín hi u có t n s th p hơn. Truy n qua t t c các lo i v t ch t t c ánh sáng, sóng h p d n l p y toàn b vũ tr và do ó có th mang thông tin t s khai sinh c a chính không-th i gian. Ngu n phát sóng h p d n m nh nh t (màu ) là s h p nh t c a hai l en ( nh: NASA) Trên toàn th gi i, m t vài máy dò sóng h p d n hi n ang thu th p d li u, trong ni m hi v ng r ng chúng s l n u tiên phát hi n ư c nh ng nhi u ng nh xíu này c a không-th i gian. Nh ng giao thoa k kh ng l này – LIGO Mĩ, GEO-600 c, VIRGO Italia và TAMA Nh t B n – u ang t ng phút tìm ki m nh ng thay i chi u dài tương i c a hai cánh tay kích c kilomét gây ra b i s truy n sóng h p d n. Trong vài năm t i, chúng s có th phát hi n nh ng tín hi u t n s cao (c 100 Hz ho c cao hơn) phát ra b i nh ng v t th h p d n m nh m nh t (xem hình 1). Ti ng v ng t Big Bang | Trang 1/11
Các máy dò sóng h p d n không ch h n ch ch Trái t: m t d án qu c t g i là Laser Interferometer Space Antenna (LISA) hi n nay ang ch qu tài tr có th phóng lên qu o vào kho ng năm 2017. Thoát kh i môi trư ng n ào c a hành tinh chúng ta, ba phi thuy n c a LISA s s d ng laser hình thành m t b ba cánh tay giao thoa k , m i cánh dài 5 tri u kilomét. Do ó s m nh này s có th phát hi n ư c s nhi u ng trong không-th i gian xu ng t i 1 mHz và th p hơn n a, thăm dò vùng ph sóng h p d n ư c bi t là ch a m t s lư ng l n và a d ng ngu n phát. Hình 1. Ph sóng h p d n. Sóng h p d n m ra m t cánh c a m i nhìn vào vũ tr s cho phép chúng ta kh o sát nh ng s ki n mà không có tín hi u i n t nào t n t i. Trong vài năm t i, các giao thoa k m t t GEO- 600, LIGO, VIRGO và TAMA có th phát hi n ư c các sóng h p d n t n s cao phát ra b i nh ng i tư ng thiên văn c c m nh, mang l i khám phá tr c ti p u tiên v nh ng nhi u ng này trong không-th i gian. V i nh ng cánh tay dài hơn nhi u c a nó, giao thoa k LISA, n u ư c phóng lên, s có th phát hi n các sóng h p d n t n s th p hơn, có kh năng là nh ng sóng ó phát ra b i nh ng bi n i pha trong vũ tr sơ khai. nh ng t n s th p hơn, nh ng thí nghi m khác cũng s tìm ki m các tín hi u nh xíu c a sóng h p d n trong n n vi ba vũ tr ( nh: NASA) Vì sóng h p d n cho phép chúng ta nghiên c u vũ tr v i m t d ng th c m i c a năng lư ng liên quan n t t c m i th , nên các máy dò sóng h p d n có l cũng ưa t i nh ng khám phá hoàn toàn b t ng - gi ng như kính thiên văn và kính hi n vi ã t ng th c hi n trong th i i c a chúng. Ngoài ra, sóng h p d n còn mang l i m t ghi nh n chi ti t nh ng s ki n x y ra trong giây th nh t, th hai,… c a vũ tr , cho phép chúng ta ch ng các mô hình như mô hình l m phát vũ tr , và nh ng cơ s v t lí c c oan và chưa ư c hi u rõ khác c a vũ tr sơ khai. Th t v y, các nhi u ng ma quái này c a không-th i gian ã th c s hư ng vũ tr sơ khai vào phòng thí nghi m ph c t p cho n n v t lí năng lư ng cao, có th giúp gi i quy t bài toán h p d n lư ng t . Ti ng v ng t Big Bang | Trang 2/11
Kh o sát vũ tr l m phát S h p d n ã hé m cho chúng ta v m t vũ tr không nhìn th y ư c. Kho ng 70 năm v trư c, Fritz Zwicky ã khám phá ra hi u ng h p d n c a cái mà ngày nay chúng ta g i là v t ch t t i, khi ông nh n th y t c chuy n ng c a nh ng thiên hà nh t nh không th gi i thích ư c b ng lư ng v t ch t nhìn th y. Xác nh b n ch t c a riêng v t ch t t i – ngày nay ư c cho là chúng c u t o nên kho ng 21% c a vũ tr - là m t trong nh ng thách th c l n c a n n v t lí hi n i. Hơn n a, kho ng 10 năm trư c ây, các nhà thiên văn nh n th y th m chí m t ph n l n hơn n a c a vũ tr (ch ng 75%) ư c c u t o t “năng lư ng t i” – m t ch t y h p d n gây ra s giãn n c a vũ tr gia t c. V y li u chúng ta có th b t u d oán cái chúng ta có th tìm th y khi s d ng chính s h p d n kh o sát vũ tr ? Hình 2. S ti n hóa c a vũ tr . Vũ tr ã tr i qua nh ng s thay i k ch tính trong l ch s 13,7 t năm c a nó, m c dù hi u bi t c a chúng ta v vũ tr sơ khai v n còn nhi u ch h . N n vi ba vũ tr cho bi t cư ng và s phân c c c a ánh sáng ban sơ khi nó 380.000 năm tu i sau Big Bang, lúc vũ tr tr nên trong su t v i ánh sáng. Do ó chúng ta không th s d ng b c x i n t nghiên c u tr c ti p vũ tr trư c th i i m này, m c dù s l m phát nhi t và s phân c c c a n n vi ba trên quy mô r t l n th t s b o qu n nh ng s ki n s m hơn nhi u x y ra trong s l m phát vũ tr . M t khác, sóng h p d n truy n tr c ti p t i máy dò c a chúng ta t chính s b t u r t s m c a th i gian, mang thông tin v nh ng s ki n vũ tr m i quy mô qua toàn b l ch s vũ tr ( nh: NASA) Trong khi chúng ta có kh năng khám phá ư c nh ng ngu n không bi t trư c phát ra sóng h p d n trong vũ tr g n ây (t c là chưa lâu l m), m t hi v ng là các máy dò sóng h p d n s cho chúng ta bi t v nh ng i u ki n h p d n c c m nh t n t i s m hơn nhi u trong l ch s c a vũ tr (xem hình 2). B c x i n t ã mang t i b ng ch ng tr c ti p c a nhi u quá trình x y ra trong th i kì này. Ví d , quang ph t v t ch t xa ã gián ti p soi sáng cách th c h t nhân nh ư c t o ra Ti ng v ng t Big Bang | Trang 3/11
trong vài phút u tiên c a vũ tr , còn phông n n vi ba vũ tr cho m t b c nh ch p nhanh c a vũ tr khi nó m i 380.000 tu i sau Big Bang. Phông n n này – m t bi n b c x i n t t n s th p l nh l o – ư c t o ra sau khi vũ tr giãn n và l nh cho phép nguyên t hydrogen hình thành (quá trình g i là tái k t h p). Các photon trư c ó b tán x b i nh ng h t tích i n trong plasma nguyên th y bây gi có th truy n i t do – bư c sóng quan sát ư c c a chúng ngày nay tr i ra trong vùng ph vi sóng. Phông viba vũ tr cho chúng ta bi t nhi u v s truy n sóng âm trong plasma nguyên th y, ngoài nh ng k t qu quan tr ng khác, ch ng h n như hình h c c a không gian. Nhưng sóng h p d n có th cho chúng ta bi t còn nhi u hơn n a v vũ tr sơ khai b ng cách kh o sát chuy n ng x y ra th i i m s m như th và quy mô nh như th mà nh ng v t tích i n t c a nó ã b xóa s ch trong tr ng thái cân b ng nhi t (xem hình 2). Ý tư ng hi n nay ư c trích d n nhi u nh t là kh năng phát hi n sóng h p d n t s l m phát vũ tr , m t th i kì giãn n gia t c b t u t c th i ngay sau Big Bang trong th tích c a vũ tr tăng lên t i 1080 l n trong kho ng th i gian m t ph n r t nh c a m t giây. S l m phát là mô hình t t nh t mà chúng ta có dùng gi i thích c u trúc quy mô l n c a vũ tr - nói cách khác, là s hình thành vũ tr to l n, gi i thích cái hích ban u cho s giãn n c a vũ tr và gi i thích s phát sinh các dao ng trong không-th i gian ươm m m cho s hình thành thiên hà. Cho n nay, chúng ta bi t r t ít v n n v t lí c a nh ng chương vô cùng cơ b n này c a l ch s vũ tr . Khi sóng h p d n ư c t o ra quy mô lư ng t trong s l m phát, vi c phát hi n ra chúng s cho bi t s t n t i c a graviton – h t gi nh trung chuy n h p d n và do ó là c a chính không-th i gian. Nh ng lư ng t ơn c này ư c cho là có nh ng dao ng in d u v t nh lên c u trúc c a không-th i gian ư c bơm căng lên quy mô l n b i s l m phát. Vi c phát hi n nh ng sóng h p d n nguyên th y ó, do ó s ki m tra xem cơ h c lư ng t có còn úng dư i nh ng m t r t cao. Nó cũng cho phép các nhà vũ tr h c ư c tính nh ng thông s như t c giãn n l m phát hi n nay không ư c n m rõ l m. Các sóng nguyên th y Cách t t nh t tìm ki m nh ng sóng h p d n sơ khai này là nghiên c u b c x vi ba n n vũ tr (CMB). Nh nhi u k t qu tuy t v i t nh ng thí nghi m như Cosmic Background Explorer (COBE) và Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), chúng ta ã phát hi n ư c v t tích c a nh ng lư ng t khác trong CMB – nh công trình ó mà các nhà nghiên c u COBE là John Mather và George Smoot ã ư c trao gi i Nobel V t lí năm 2006. S chênh l ch nh nhi t c a n n vi sóng m t m ng khác c a b u tr i là b ng ch ng tr c ti p cho các dao ng trong “trư ng l m phát” ã chi ph i s l m phát. Nh ng dao ng này là lí do t i sao v t ch t l i k t kh i v i nhau t o ra các thiên hà và nh ng c u trúc vũ tr khác mà chúng ta nhìn th y ngày nay. V i nh ng c g ng th c nghi m còn anh dũng hơn n a, ngư i ta có th khám phá ra tín hi u y u hơn nhi u c a graviton trong phông n n vi sóng. tách bi t nh ng óng góp c a các dao ng do graviton và do inflaton, chúng ta c n nghiên c u s phân c c c a CMB. Nh ng photon này tr nên b phân c c – t c là thành ph n i n trư ng c a sóng i n t có xu hư ng ng v m t Ti ng v ng t Big Bang | Trang 4/11
hư ng nào ó – khi chúng tán x kh i các electron t do trong s tái k t h p ho c vài trăm tri u năm sau ó khi nh ng ngôi sao u tiên hình thành và tái ion hóa ch t khí bao xung quanh. Do hình nh dao ng nhi t trong CMB có m t thành ph n “t c c” – nghĩa là d c theo m t s tr c nó sáng hơn so v i d c theo nh ng tr c khác – nên các electron s dao ng nh d c theo nh ng hư ng nh t nh nhi u hơn. i u này làm tăng nh ng s phân c c khác, nhưng tín hi u t c c phát ra b i sóng h p d n th t c bi t do chính sóng h p d n có m t c trưng t c c hoàn toàn (Tính ch t này cho phép chúng ta phát hi n sóng h p d n b ng giao thoa k , xem hình 3). K t qu là sóng h p d n có th phát sinh nh ng dao ng phân c c x y ra nh ng nơi không có s nhi u lo n nhi t c cb . Hình 3. Sóng h p d n trên m t t. Thi t b LIGO t i ài quan sát Hanford bang Washington, Mĩ, là m t trong s vài giao thoa k m t t có th s m th c hi n ư c s phát hi n tr c ti p u tiên ra sóng h p d n. Thi t b là m t giao thoa k Michelson, o nh ng thay i r t nh chi u dài c a hai cánh tay dài 4 km vuông góc nhau c a nó b ng cách làm b t ra m t xung laser m nh kh i hai cái gương l n t i u c a m i cánh tay. Thi t k này ư c ch n vì s d ch chuy n kh i lư ng gây ra b i sóng h p d n truy n qua có m t c trưng ngang và t c c, sóng tr i ra và nén theo hư ng vuông góc ngang v i hư ng truy n sóng. Cánh tay giao thoa k càng dài thì thi t b càng nh y v i nh ng s d ch chuy n như th ( nh: LIGO Laboratory) Năm 2001, các nhà nghiên c u làm vi c thí nghi m DASI t i Nam C c ã phát hi n nh ng dao ng phân c c trong CMB m c mong i – t c là m t vài ph n trăm c a dao ng nhi t – và t ó nh ng thí nghi m khác như WMAP, BOOMERANG và Cosmic Bachground Imager ã xác nh n và m r ng k t qu DASI (xem hình 4). Nhưng vi c g r i tín hi u phân c c có liên quan ch có th mong ch t graviton – bao hàm m t hình nh phân c c gi ng như xoáy – thì khó hơn nhi u vì nh ng óng góp c a nó quá nh . Vi c phát hi n hình nh phân c c mc y u hơn là m c tiêu c a nh ng thí nghi m m i như Robinson Gravitational Wave Background Telescope ("BICEP") Nam C c và nhi u thí nghi m a d ng ã ư c lên k ho ch và xu t c trên m t t và trong không gian, g m Planck Explorer c a Cơ quan Không gian châu Âu, và cu i cùng là Beyond Einstein Inflation Probe c a NASA. Th t v y, m t ngày nào ó có th ngư i ta s phát hi n ư c nh ng sóng h p d n l m phát do graviton này b ng m t giao thoa k . V i y u và t n s cao c a tín hi u ã bi t, kh năng th c hi n i u này là có th trong mươi mư i năm n a. Nhưng ngư i ta ph i luôn luôn ghi nh kh năng có s b t ng . Ví d , có nh ng m u vũ tr h c “ti n Big Bang” kì l , trong ó các sóng t n s cao m nh phát hi n ư c v i kĩ thu t hi n nay. Ti ng v ng t Big Bang | Trang 5/11
N u như hình nh graviton ư c tìm th y, nó s cho bi t nhi u hơn v m c nhanh mà vũ tr giãn n trong s l m phát và th c s hé m v chính s h p d n, vì d u hi u tr c ti p c a graviton mang l i m t s ki m tra có s c thuy t ph c c a cơ h c lư ng t dư i nh ng i u ki n hi m khi g p và c c oan. M t khác, gi ng như nhi u hi u ng h p d n khác ã mô t ây, ngư i ta không th nào phát hi n ư c t t c . Ví d , n u như s l m phát x y ra quá ch m, s óng góp c a graviton có th ơn gi n là quá y u phát hi n ư c. Hình 4. B n phân c c c a phông n n vi sóng. Năm 2003, phi thuy n WMAP ã o ư c nh ng dao ng r t nh - kho ng 1/100.00 – nhi t c a b c x n n vũ tr (vùng có màu). Nh ng dao ng này, phù h p tuy t v i v i nh ng tiên oán c a lí thuy t Big Bang, phát ra trong s l m phát và ti n tri n dư i s nh hư ng c a c h p d n và áp su t c a plasma v t ch t b c x trư c khi các h t trong plasma tái k t h p hình thành nên nguyên t hydrogen. Chôn vùi trong hình nh này có th cũng là các dao ng t sóng h p d n nguyên th y, nhưng v i d u hi u c a chúng, các nhà nghiên c u ph i l p b n chi ti t s phân c c c a các photon cũng như nhi t c a chúng (các ư ng màu tr ng bi u di n vectơ phân c c i n). Vì sóng h p d n t o ra m t t c c không ng hư ng và do ó gây ra s phân c c mà không có s dao ng nhi t , nên chúng (và ch có chúng) có th phát ra hình nh phân c c không th bi u di n dư i d ng gradient c a m t vô hư ng ( nh: NASA) S chuy n pha vũ tr Có th là vũ tr v n ph ng l ng v m t h p d n và yên tĩnh sau khi l m phát, v i m t ít sóng h p d n phát ra. M t khác, s l m phát có th tr nên không b n khi nó i t i t n cùng, gây ra chuy n ng kh i c a kh i lư ng và năng lư ng phát ra nhi u s nhi u h p d n. Do ó, sóng h p d n mang n d u hi u c nh t vô nh c a n n v t lí này và nh ng s chuy n pha ch y u khác trong vũ tr sơ khai làm thay i ti n trình l ch s vũ tr . cu i kì l m phát, năng lư ng chân không n i kh ng l chi ph i s giãn n ư c cho là chuy n sang năng lư ng bình thư ng, không l m phát – t c là b c x nhi t dư i d ng nhi u h t chuy n ng nhanh, m t s trong chúng ti p t c tr thành phông n n vi sóng vũ tr . S chuy n pha này x y ra như th nào ph thu c vào cách mà năng lư ng chân không n i c a s l m phát k t h p v i các trư ng v t lí khác, ví d như các trư ng ã ư c mô t b i Mô hình Chu n c a n n v t lí h t. M c dù s k t h p này hi n nay không ư c hi u rõ l m, nh ng các mô hình l m phát cho th y m t ph n có th o ư c c a năng lư ng l m phát có th th t s chuy n thành nhi u h p d n. Không có lí do gì nghi ng r ng nh ng s chuy n pha như th trong vũ tr l i khác bi t h n v i nh ng gì nhìn th y hàng ngày trên Trái t. Th t v y, s l m phát có th có m t k t thúc t t p trong m t s chuy n pha gi ng như nư c chuy n t th l ng sang th hơi. Khi b n un m t m nư c, nhi t ư c chuy n thành năng lư ng trong nư c r i thành năng lư ng trong hơi nư c, trong su t quá Ti ng v ng t Big Bang | Trang 6/11
trình ó, dòng v t ch t là không b n: hơi nư c hình thành trong các b t nư c quá nhi t v ra d d i m t khi chúng chuy n sang pha hơi, bi n m t bình nư c nóng yên tĩnh thành nh ng xoáy cu n tròn. Trong vũ tr sơ khai, m t s không n nh tương t có th gây ra b i s quá l nh t s giãn n vũ tr . Dòng năng lư ng trong s chuy n pha vũ tr gi ng như trong m t thác nư c, v i s nhi u lo n trong ch t l ng vũ tr gây ra phông n n sóng h p d n ngày nay. Nh ng s chuy n pha không m i m gì trong vũ tr h c. Trư c ây, vào năm 1949, Maria Mayer và Edward Teller ã vi t m t bài báo nói v nh ng m ng v t ch t giàu neutron kh i lư ng c sao hình thành trong s chuy n pha h t nhân vũ tr . Ngày nay, các nhà v t lí s d ng Mô hình Chu n và máy gia t c h t kh o sát t nhiên nh ng th i i m còn s m hơn n a – và do ó có năng lư ng cao hơn - trong l ch s vũ tr . S chuy n pha là m t ph n ch y u c a Mô hình Chu n và các m r ng khác c a nó. Ví d , s c ng l c h c lư ng t (QCD) - ph n Mô hình Chu n mô t cách th c các quark tương tác v i nhau b ng cách trao i gluon – thư ng liên quan t i s chuy n pha x y ra năng lư ng vài trăm MeV, nh ó mà pha “hadron tính” c a v t ch t h t nhân quen thu c (ch ng h n proton và neutron) h p nh t t pha “súp quark” c a các quark và gluon t do. quy mô giàu năng lư ng tính hơn nhi u, vào c TeV (1012 eV), c a vũ tr sơ khai, chân không ư c cho là ã tr i qua m t s chuy n i t chân không “gi ” (tương ng v i vũ tr i x ng trong ó t t c các h t u không có kh i lư ng) thành chân không “th t” thu c vũ tr mà s i x ng b phá v và các h t có kh i lư ng mà chúng ta nhìn th y nh ng m c năng lư ng th p hàng ngày. Vi c kh ng ch các chi ti t c a quá trình “phá v i x ng i n y u” này, liên quan v i nó là boson Higgs n i ti ng, là m c tiêu ban u c a Máy Va ch m Hadron L n (LHC) t i CERN s i vào ho t ng vào u năm t i. Ý tư ng tìm ki m sóng h p d n t QCD và s chuy n pha vũ tr i n y u ã ư c ánh d u t nh ng bài báo c a Edward Witten thu c trư ng i h c Princeton và tôi h i th p niên 1980. K t ó, các nhà nghiên c u khác ã liên h s chuy n pha v i nh ng nguyên lí v t lí ít ư c bi t n nhưng thu c v vũ tr h c trong vũ tr r t ban sơ. Ví d , năm 1993, Andy Cohen thu c trư ng i h c Boston và David Kaplan và và Ann Nelson thu c trư ng i h c San Diego, c hai trư ng u Ti ng v ng t Big Bang | Trang 7/11
Mĩ, cho r ng s không cân x ng là k t qu c a s chuy n pha có l m t ph n lò do s lư ng hơi nhi u các h t v t ch t so v i các h t ph n v t ch t trong vũ tr mà chúng ta quan sát th y hi n nay – m t quá trình quan tr ng mà v i nó chúng ta không h có d li u nào v s dư th a ó. M t kh năng h p d n khác là s chuy n pha là nguyên nhân t o ra không gian ba chi u c a chúng ta m t s th i i m trong vài ph n tri u t giây u tiên c a vũ tr . H i nh ng năm 1990, các nhà lí thuy t dây phát hi n th y th gi i ba chi u c a chúng ta có th ư c mô t ơn thu n dư i d ng m t “brane” ba chi u c a trư ng Mô hình Chu n n m trong m t không gian nhi u chi u hơn. Không bao lâu sau ó, tôi ã xu t r ng s n nh c a brane c a chúng ta là k t qu c a s chuy n pha t m t c u trúc khác trong nh ng vũ tr h c brane như th có th t o ra n n sóng h p d n quan sát ư c – th c t mang l i m t s ki m tra cho m t m u lí thuy t dây nh t nh. Năm ngoái, Lisa Randall t i trư ng i h c Harvard và Geraldine Servant t i CERN ã th c hi n m t mô hình ng l c h c brane n nh như th tiên oán m t s chuy n pha r t m nh t pha có s chi u cao hơn ban u sang “pha brane Randall-Sundrum”, và v i nó b c x h p d n có th d dàng phát hi n ra v i LISA. Gi ng như nhi u s chuy n pha tiêu bi u, ph sóng h p d n bi u th m t c c i t i t n s g n v i kích thư c ư ng chân tr i l ch v phía , là ph m vi mà ó nh ng ho t ng vũ tr h c d d i nh t x y ra, v i quy lu t lũy th a, chuy n ng quy mô nh có t n s cao hơn, chuy n ng phân h y, ch m hơn có t n s th p hơn. Vũ tr tĩnh l ng S t n t i c a s chuy n pha vũ tr và nh ng d u hi u h p d n kh dĩ c a chúng do ó cho th y vũ tr sơ khai không ph i là m t nơi yên tĩnh như nhi u ngư i v n tư ng. Trong t t c nh ng ví d chuy n pha này, năng lư ng ư c gi i phóng trong quá trình l ng d n sang tr ng thái m i, năng lư ng th p hơn ban u phát sinh dư i d ng chuy n ng kh i và ch sau này m i nhi t hóa thành chuy n ng h t vi mô. B ng cách s d ng sóng h p d n suy lu n ra nhi t t i h n hay “ i m sôi” c a nh ng s chuy n pha như v y và lư ng nhi t ti m tàng c a chúng, chúng ta có th nghiên c u nh ng quá trình vũ tr khó lòng o ư c b ng các phương pháp khác. Vi c chúng ta có th t s phát hi n ư c sóng h p d n t o ra b i nh ng s chuy n pha như v y hay không là tùy thu c vào t n s và biên c a chúng. T n s c a sóng ư c t ra b i th i gian c n thi t các b t c trưng c a “ch t l ng vũ tr ” va ch m nhau, còn biên ư c xác nh b i kích thư c c a b t và t c chúng va ch m. Do ó, c t n s và biên u ư c xác nh b ng s phân tách c thù c a các b t, có th ư c tính thông qua các nguyên lí nhi t ng l c h c cơ b n t nhi t t i h n và n nhi t mà không c n bi t n chi ti t v t lí c a s chuy n pha. Ví d , chúng ta mong i s t o thành h t nhân b t phát tri n nhanh chóng khi vũ tr l nh i xu ng dư i nhi t t i h n c a s chuy n pha và ng ng l i khi s phân tách gi a các b t t t i g n vài ph n trăm kích thư c c a vũ tr t i th i i m chuy n pha. Hi u su t mà năng lư ng ư c chuy n thành sóng h p d n, y u t xác nh biên c a chúng, cũng ư c ư c tính là kho ng 1% ho c th p hơn. Con Ti ng v ng t Big Bang | Trang 8/11
s này nghe có v r t nh , nhưng vì s l ch v phía b i s giãn n c a không gian gi ng h t như ánh sáng thông thư ng, nên có th có m t phông n n sóng h p d n nhi u n a v i m t năng lư ng th p hơn 100 l n so v i b c x n n vũ tr . Kho n này có th sánh v i lư ng ánh sáng sao trong toàn b vũ tr . T n s c a b c x sóng h p d n ph thu c vào lúc x y ra s chuy n pha. Bư c sóng ngày nay là bư c sóng nguyên th y c a nó (t c là kho ng 1% kích thư c c a vũ tr khi ó) tr i dài ra b i lư ng vũ tr giãn n k t y. Ví d , s chuy n pha i n y u có “c b t” kho ng 1 milimét – th t s không quá khác bi t v i b t trong m un nư c nhà b n – cho nên ó là bư c sóng i n hình c a sóng h p d n nhi u khi chúng ư c t o ra. M t khi nó b l ch v phía i v i th i i m hi n t i, bư c sóng c a nh ng sóng h p d n này tr i dài ra t i 100 tri u kilomét. Bư c sóng này tương ng v i t n s trong ngư ng milihertz, t n s mà chúng ta có kh năng phát hi n v i các giao thoa k như LISA (hình 5). Hình 5. Dò tìm sóng h p d n trong không gian M t giao thoa k trong không gian có th có nh ng cánh tay r t dài và tr i qua s giao thoa nh t nh ng dao ng không mong i gây nhi u tương t như nh ng thi t b trên m t t. M t d ng c như v y, do ó, có th nh y v i các sóng h p d n t n s th p ư c t o ra, ví d , b i các l en siêu tr ng, các h sao ôi lùn tr ng và s chuy n pha b c tera trong vũ tr ban sơ. LISA, thi t b s ư c phóng lên qu o trong 10 năm t i, s ch a các kh i h p kim vàng-platin trôi n i bên trong nh ng cái h p trong ba phi thuy n (t c là nơi ch có l c h p d n tác d ng lên chúng). Laser s o s chênh l ch h nguyên t gi a v trí c a m i kh i v i nh ng kh i tương t trong hai phi thuy n kia cách y 5 tri u kilomét gây ra b i sóng h p d n truy n qua ( nh: ESA) B n giao hư ng vũ tr ư c xem xét dư i d ng b c x h p d n, vũ tr ban sơ mang t i m t phòng thí nghi m v t lí hi u qu b sung cho các máy gia t c h t như LHC. i u ki n trong vũ tr sơ khai m c năng lư ng TeV s sánh ư c v i năng lư ng va ch m proton-proton t i LHC, nhưng h vũ tr “t n t i” lâu hơn nhi u so v i các va ch m LHC và liên quan t i nhi u h t hơn. Th t v y, v i thu t ng chuy n pha, bao g m hi u ng t p th c a nhi u h t, vũ tr sơ khai mang t i m t phòng thí nghi m th m chí còn t t hơn c LHC ! Tuy nhiên, s chuy n pha và l m phát không ph i là phương th c duy nh t t o ra n n sóng h p d n m nh. Các lí thuy t v t lí ti n xa hơn Mô hình Chu n – g i Ti ng v ng t Big Bang | Trang 9/11
là lí thuy t dây – bao g m nh ng c u trúc kì l như brane và dây, ngoài các h t và trư ng thông thư ng. ph m vi vi mô c a h t nhân nguyên t , hành tr ng gi ng như dây ư c suy lu n theo ki u mà l c m nh liên k t các proton v i nhau. Nhưng có th là t n t i nh ng dây b n dài hơn nhi u, hơi gi ng v i nh ng l c xoáy m ng, dài trong chân không. Nh ng “dây vũ tr ” như th - n u như t n t i – có th hình thành nhi u trong vũ tr sơ khai, b khuy t vào cu i kì chuy n pha l m phát và kéo căng ra n kích thư c l n b i s giãn n vũ tr , m t mát năng lư ng ch y u b i s phát ra sóng h p d n. Th nh tho ng, chúng có th còn r n n t gi ng như cái roi da và có “âm thanh” sóng h p d n tí tách d phân bi t, m t hi n tư ng mà Thibaud Damour Institut des Hautes Etudes Scientifique Paris và Alex Vilenkin trư ng ih c Tufts, Mĩ, m i ây ã xu t s mang l i nh ng d u hi u cho bi t s t n t i c a các dây. Tính ch t c a các dây vũ tr b ch ng b i sóng h p d n mà chúng sinh ra. Ví d , kh i lư ng trên ơn v chi u dài c a dây ph i nh hơn 10-9 ơn v không th nguyên, n u không thì n n sóng h p d n c a chúng s b phát hi n ra ngay. Th t v y, s ràng bu c v n n sóng h p d n này không n t giao thoa k mà n t s nh p xung t nh ng pulsar mili giây xa xôi. Gi ng như nh ng chi c bánh à kh ng l , các sao neutron ang quay xa này quay ch m d n t i t c n nh mà b n có th tiên oán th i gian n u n c a các xung v i chính xác kho ng 1 mili giây trên th p k (Nh ng xung này cũng ư c dùng theo dõi s thay i qu o trong h do b c x h p d n – khám phá mang n b ng ch ng t t nh t cho sóng h p d n t trư c t i nay và ã ưa t i gi i Nobel V t lí năm 1993 cho Russell Hulse và Joseph Taylor). S n nh kh ki n c a các tín hi u pulsar ó có th b phá v n u như có m t n n sóng h p d n vũ tr như v y. Tuy nhiên, khi LISA ư c phóng lên qu o trong ch ng m t th p k n a, thì nh ng gi i h n v dây vũ tr s t ưc t t hơn r t nhi u và có l chúng ta s th t s phát hi n ra các nhi u h p d n t chúng. Vi c phát hi n các dây vũ tr t b c x h p d n c a chúng s cho chúng ta bi t r t nhi u v cách mà các n n v t lí cơ b n tương thích v i nhau. Các dây vũ tr ư c mô t c trong lí thuy t dây và lí thuy t trư ng lư ng t , bi u hi n các m t v n còn ti m n các h t và trư ng phát hi n ư c t trư c t i nay. i u quan tr ng là các nhà v t lí ang th n tr ng tìm ki m nh m xây d ng m i liên k t gi a lí thuy t dây và các h t và trư ng ã bi t, và cách th c n i k t chúng v i lí thuy t lư ng t h p d n. Khi lí thuy t dây bư c vào th p k th ba, i u tr nên quan tr ng hơn bao gi h t là k t n i nh ng ý tư ng toán h c tuy t v i này v i d li u th c nghi m th c t . N n khoa h c m i c a các sóng h p d n do ó có th ư c hé m , cùng v i vi c chính xác hóa và l p b n chi ti t hành tr ng các l en, d u hi u c a n n v t lí cơ b n m i. ôi nét v n n sóng h p d n • M t tiên oán ch y u c a thuy t tương i r ng, các sóng h p d n ư c phát ra khi các h kh i lư ng l n như m t sao ôi gia t c và thay i hình d ng Ti ng v ng t Big Bang | Trang 10/11
• M c dù có nh ng b ng ch ng gián ti p cho sóng h p d n, nhưng m t vài giao thoa k l n trên kh p th gi i hi n ang s n sàng th c hi n b ng ch ng tr c ti p u tiên. • Sóng h p d n nén l i và kéo căng không-th i gian khi chúng truy n i, mang thông tin v vũ tr ban sơ t lâu trư c khi sóng i n t có th truy n i • D u hi u sóng h p d n huy n o trong s phân c c c a n n vi sóng vũ tr có th cho chúng ta bi t m c nhanh mà chúng ta giãn n trong kì l m phát, còn s chuy n pha vũ tr l i m t n n sóng h p d n c a riêng chúng • Sóng h p d n t o ra b i các dây vũ tr s k t n i lí thuy t dây v i các h t và trư ng ã bi t, và giúp tìm ki m lí thuy t lư ng t h p d n Craig J.Hogan hiepkhachquay d ch (theo Physics World, tháng 6/2007) Ti ng v ng t Big Bang | Trang 11/11