Vài nét lịch sử tiến hoá vũ trụ
Tác giả: Đặng Vũ Tuấn Sơn
Chúng ta đang sống trên Trái Đất, một hành tinh xanh duy nhất có sự sống trong hệ Mặt
Trời và cũng là hành tinh duy nhất mà chúng ta biết rằng có tồn tại sự sống.
N
gày nay chúng ta đều biết rằng cả hành tinh của chúg ta, hay cả Thái Dương cùng với
tất cả các hành tinh, thiên thạch, sao chổi của nó, thậm chí cả Thiên Hà rộng lớn nơi
chúng ta đã xuất hiện và phát triển cũng chỉ là một phần vô cùng nhỏ bé của vũ trũ.
Bản thân con người chúng ta thì lại là những thực thể nhỏ bé hơn nữa, đứng giữa vũ trụ.
chúng ta chỉ như những phân tử nhỏ bé nhất như những phân tử hydro trong lòng Mặt
trời.
N
hưng hẳn rằng các bạn sẽ đều dồng ý rằng chúng ta tuy nhỏ bé, nhưng chúng ta khôg
đơn giản là các sinh vật sống kí sinh trong vũ trụ vì chúng ta không phải các sinh vật thụ
động sống cuộc sống ngắn ngủi chỉ để hoàn thành vòng đời của mình mà không cần quan
tâm đến những gì diễn ra xung quanh. Chúng ta quá bé nhỏ, còn vũ trụ thì quá rộng lớn,
nhưng chúng ta không kí sinh trong vũ trụ vì chúng ta có thể quan sát vũ trụ, nghiên cứu
nó và sử dụng những gì chúng ta tìm được phục vụ cho cuộc sống của chúng ta.
Ước muốn khám phá vũ trụ đã là một ước muốn có từ rất lâu, khi con người bắt đầu ra
đời, khi xã hội bắt đầu hình thành. Từ những nhận thức sơ khai nhất, khi con người còn
coi mỗi thiên thể là hiện thân của một vị thần, rồi lại tưởng chúng là những khối cầu
khổng lồ đính trên các mặt cầu quĩ đạo quay quanh Trấi Đất. Rồi lại trên 1000 năm để
người ta biết rằng Trái Đất cũng chỉ là một thiên thể quay quanh Mặt Trời, nhiều năm nâ
để nhân loại có những chuyến thám hiểm đâu tiên trong hệ Mặt Trời của chúng ta. Cái
nhìn của chúng ta hướng vào vũ trụ ngày một xa hơn. Nếu như trước đây người ta chỉ
biết nhìn lên đỉnh đầu mà nói mỗi ngôi sao là một trái cầu lửa đang quay trên đầu chúng
ta thì ngay nay, người ta không những chỉ nhìn thấy những hành tinh, những sao chổi,
thiên thạch xa nhất trong hệ Mặt Trời mà còn nhìn xa hơn nữa, vượt qua biên giới của hệ
mặt Trời, của Milkyưay - Thiên hà rộng lớn của chúng ta. Cái nhìn của chúng ta được nối
dài thêm mỗi ngày để chúng ta nhìn thấy những nới xa thẳm nhất của vũ trụ vô biên và ...
như nhiều người vẫn nói, đó chính là chúng ta đang nhìn vào quá khứ của vũ trụ.
Quá khứ của vũ trụ, nó bắt đầu từ đâu? nó đã diễn ra như thế nào, đã có những giả thuyết
nào và những cơ sở nào cho nó?
Trong phạm vi ngắn ngủi của tài liệu này tôi chỉ xin được trình bày sơ qua về các lý
thuyết vũ trụ học có liên quan và vài nét về lịch sử ra đời và tiến hóa của vũ trụ.
Tài liệu này có tham khảo một vài bài viết và sử dụng một số bức ảnh của các web nước
ngoài.
Mỗi việc nghiên cứu đều phải có những phương tiện lí thuyết riêng và mối giả thiết đưa
ra thì đều phải có cơ sở của nó. Việc nghiên cứu lịch sử vũ trụ không phải ngoại lệ. Trước
hết, xin được nói qua về vài lí thuyết và vái khám phá quan trọng đói với việc tìm kiếm
quá khứ của chúng ta.
Thuyết tương đối tổng quát - Thấu kính hấp dẫn.
N
ăm 1905, lý thuyết tương đối hẹp lần đầu tiên xuất hiện trên các phương tiện truyền
thông đánh dấu sự xuất hiện của nhà vật lí vĩ đại nhất thế kỉ - Albert Einstein(1879 -
1955). Cơ học cổ điển Newton, một lý thuyết đã được biết đến và luôn nghiệm đúng với
thực tế suốt 300 năm cho biết thời gian là tuyệt đối và mọi chuyển động của không gian
diễn ra trên cái nền tuyệt đối đó. Với sự ra đời của lý thuyết tương đối hẹp, Einstein
khẳng định rằng thời gian cũng chỉ có tính tương đối, nó phụ thuộc hệ qui chiếu, và rằng
mọi định luật vật lí một khi đã được chunứg minh là đúng thì có nghĩa là nó luôn đúng
khi sử dụng mọi hệ qui chiếu. Điều này hiểu đơn giản như sau: theo lý thuyết này, khi hai
người A và B chuyển động so với nhau, ta có thể gán cho mỗi người một hệ qui chiếu
cùng chuyển động, có nghĩa là tại hệ qui chiếu A thì người A là đứng yên và tại hệ qui
chiếu B thì sẽ là tương tự với người B. Lý thuyết tương đối hẹp cho chúng ta biết rằng ở
những thang vận tốc vĩ mô, tức là vận tốc chiếm những phần đáng kể so với vận tốc ánh
sáng (cũng chính lý thuyết này chỉ ra rằng vận tốc ánh sáng là tuyệt đối và là lớn nhất) thì
đối với người A hoặc B , ho đều thấy các thông số về thời gian, độ dài theo phương
chuyển động và khối lượng của người kia thay đổi. Tuy nhiên có một cái không đổi là
các định luật vật lí. Nếu như A cho một cái bánh xe chạy một quãng đường 10m trong hệ
qui chiếu của mình hết 2s thì khi đưa cái bánh xe đó sang hệ qui chiếu của B, A sẽ thấy
con đường 10m ngắn lại nhưng cái bánh xe vẫn lăn hết con đường đó trong 2s vì thời
gian đã bị kéo giãn tương ứng. Và như vậy nghĩa là các định luật vật lí (ở đây là định luật
N
ewton) vẫn luôn đúng khi chuyển sang các hệ qui chiếu quán tính khác nhau.
10 năm sau, tháng 11 năm 1915, Einstein tiếp tục hoàn thiện thuyết tương đối tổng quát
của mình (còn gọi là thuyết tương đối rộng) với hi vọng có một sự mô tả chính xác hơn
về vũ trụ. Lý thuyết tương đối tổng quát cho chúng ta một phương trình trường mô tả
không gian và thời gian mà trong đó không gian sẽ bị bẻ cong tại những nơi tồn tại khối
lượng lớn và do đó ánh sáng sẽ đi theo những đường cong trong không gian cong này
(điều này được kết luận do khi đó lý thuyết lượng tử đã ra đời và cho phép coi ánh sáng
là các hạt không khối lượng).
Sự lệch của các tia sáng khi đi qua các vật thể có khối lượng lớn (các ngôi sao) đã được
kiểm chứng vào năm 1919 qua việc quan sát sự sai khác về vị trí của các ngôi sao khi có
hiện tượng Nhật thực. Cuộc quan sát này đã góp một phần rất lớn khẳng định sự đúng
đắn của lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein. Nó còn cho phép chúng ta tận dụng
một hẹ quả của lí thuyết này trong việc quan sát các thiên thể và tìm kiếm quá khứ. Đó là
thấu kính hấp dẫn (Gravitational lens).
Thấu kính hấp dẫn là hiện tượng ánh sáng từ các ngôi sao, các thiên hà ở xa khi đi đến
Trái Đất bị bẻ cong khi đi gàna các ngôi sao lớn hay các thiên hà, sự bẻ cong ánh sáng ở
rìa của ngôi sao hay thiên hà chặn đường này làm các tia sáng từ thiên hà xa khi đến với
chúng ta hội tụ lại giống như khi đi qua một thấu kính hội tụ và việc này cho phép chúng
ta quan sát rõ hơn hình ảnh các thiên hà này (đã được phóng to nhờ chiếc thấu kính hấp
dẫn)
Thuyết tương đối tổng quát còn đưa ra cho chúng ta một phương trình trường mô tả vũ
trụ mà các bạn sẽ biết rõ hơn về lịch sử của nó ở một phần sau của tài liệu này.
Sự dời xa của các thiên hà, vũ trụ giãn nở
N
ăm 1929, bằng các quan sát của mình, Edwin Hubble phát
hiện thấy một hiện tượng lạ trong phổ của các thiên hà quan
sát được. Phổ của tất cả các thiên hà này đều dịch chuyển về
phía đỏ một cách có hệ thống. Cụ thể, mức độ dịch chuyển
này tỉ lệ với khoảng cách của các thiên hà đến chúng ta.
Ðiều đó cho thấy tất cả các thiên hà này đều đang lùi xa ra
khỏi chúng ta với tốc độ ngày càng lớn (tỷ lệ với khoảng
cách). Việc này suy ra từ hiệu ứng Doppler, hiệu ứng này
cho biết khi một nguồn sáng chuyển động dần ra xa người
quan sát thì bước sóng của nó đối với người quan sát sẽ tăng dần, vạch quang phổ của
nguồn sáng xác định được trên các thiết bị quang phổ sẽ dịch chuyển về phía đỏ của dãy
quang phổ. Nếu nguồn sáng chuyển động có gia tốc dương thì tốc độ dịch chuyển của
vạch quang phổ sẽ tăng. Và như vậy có nghĩa là khi một thiên hà chuyển động ra xa
chúng ta với gia tốc dương (ngày càng chạy nhanh ra xa) thì uang phổ của nó sẽ dịch rất
mạnh về phía đỏ. Từ đó định luật Hubble ra đời:
v = Hr
với v là tốc độ lùi xa của thiên hà, r là khoảng cách đến Trái Ðất và H là hằng số Hubble.
H ~ 75 km/s.Mpc
Mpc: megaparsec, 1pc = 3,26 LY (năm ánh sáng)
Như vậy, các thiên hà đều đang rời xa chúng ta từ tất cả mọi hướng. Từ đó có thể dễ dàng
thấy rằng vũ trụ đang giãn nở với tốc độ rất lớn, tốc độ này được liên tục gia tốc, tức là
càng ngày tốc độ giãn nở càng nhanh. Vậy phải chăng chúng ta đúng là trung tâm của vũ
trụ khi mà tất cả các thiên hà đều đang rời xa ta về mọi phía như thế? Câu trả lời là
không! Vũ trụ đang giãn nở không ngừng, đúng như thế. Tuy nhiên sự giãn nở này không
có một tâm nào cả, chúng ta không phải là tâm của vũ trụ, thượng đế không ban cho con
người Trái Ðất một đặc quyền nào hết. Hãy tưởng tượng về một quả bóng bay nhé. Trên
quả bóng đó có rất nhiều ngôi sao được trang trí cho đẹp. Bây giờ ta thổi quả bóng đó lên
thì tất cả các ngôi sao đó sẽ rời xa nhau về mọi phía. Dù ta đặt mình vào vị trí của ngôi
sao nào đi nữa ta vẫn thấy tất cả các sao xung quanh đang di chuyển ra xa ta theo mọi
hướng, Ở đây cũng vậy. Trong ví dụ vừa rồi tôi đã áp đặt không gian 3 chiều của vũ trụ
lên không gian 2 chiều bị uốn cong của bề mặt quả bóng đó. Cũng như vậy, tại mỗi ngôi
sao, mỗi hành tinh, mỗi điểm bất kì trong vũ trụ ta đều thấy tất cả các thiên thể xung
quanh đang rời xa ta theo mọi hướng bởi vì vũ trụ của chúng ta đang giãn nở. Trước khi
các bạn có một sự hiểu nhầm nào, xin được giải thích ngay như sau. Cái khác biệt ta cần
biết ở đây là khi so sánh vũ trụ với quả bóng là so sánh về mặt thị giác còn thực chất có
một sự khác biệt rất cơ bản về cái giãn nở của quả bóng và cái giãn nở của vũ trụ. Đó là
với quả bóng, cái giãn nở của nó là khi ta thổi hơi vào thì tức là ta đã cung cấp thêm cho
nó năng lượng để nó tự tăng thêm khoảng không gian chiếm chỗ của mình. Hay nói cách
khác là sự tăng thể tích không gian làm cho các ngôi sao của nó rời xa nhau.
Còn trong truờng hợp vũ trụ, không gian và các thiên hà được giới hạn bởi nó không có
sự phụ thuộc lẫn nhau. Các thiên hà chạy ra xa nhau và việc không gian của vũ trụ được
tăng dần lên được diễn ra đồng thời, không vì không gian được tăng thêm thể tích trong
một khoảng không nào đó mà các thiên hà phải rời xa nhau. Khi nói về lí thuyêt Bigbang,
chúng ta sẽ thấy rằng vũ trụ không chiếm một khoảng không gian nào như quả bóng
chiếm một khoảng không của chúng ta.
Lí thuyết BIGBANG