Vài nét lịch sử tiến hoá vũ trụ - Phần 1 (Đặng Vũ Tuấn Sơn)

Vài nét lịch sử tiến hoá vũ trụ

Phần 1

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.

Ngày 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.

Nhưng 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.

Năm 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 Newton) 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

Năm 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

Lí thuyết BIGBANG 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. Hiện nay không có

một ngôn ngữ nào giúp chúng ta diễn tả về thời

điểm này vì thứ nhất nói một cách đơn giản là có ai biết về lúc đó đâu mà

nói và chính xác hơn là nó thuộc phạm vi ngoài những cái ta biết về không

gian và thời gian. Tạm thời ta có thể vẽ lại bức tranh tiến hoá của vũ trụ như

sau:

+ 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^-43s. Thời gian Plank, kích thước vũ trụ là 10^-33cm, 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.

+ t = 10^-33s, nhiệt độ 10^27K. Thời kì lạm phát bắt đầu. Kích thước

vũ trụ tăng rất nhanh, tăng thêm khoảng 10^50 so với thời điểm Plank. Gia

tốc giãn nở ở thời kì cực đại trong lịch sử phát triển vũ trụ.

các quark và các lepton hình thành cùng với các phản hạt của chúng.

Các barrion tạo thành từ các quark. các cặp quark và phản quark huỷ nhau

tạo thành photon.

+ t = 10^-6s. Nhiệt độ 10^13K. Vũ trụ bước vào thời kì hadron. Nhiều

photon và các cặp quark - phản quark bị tập hợp lại với nhau tạo thành các

hadron (barion và phản barion). Khi toàn bộ các quark đã mất trạng thái tự

do và lượng photon cân bằng để không tiếp tục biến hoá được nữa, thời kì

hadron kết thúc.

+ t = 10^-3s, các lepton chiếm ưu thế trong vũ trụ và ở trạng thái cân

bằng với các photon. Vũ trụ hết sức đạm đặc và các photon không thể vượt

qua một lượng lớn các electron, proton và neutron tràn ngập vũ trụ. thời kì

này chấm dứt khi các phản vật chất bị hủy diệt gần như toàn bộ.

+ t = 1s: thời kì bức xạ. các photon chiếm ưu thế trong vũ trụ nhưng

vẫn chưa thể vượt qua bức tường proton và neutron. các dotron đầu tiên hình

thành do sự kết hợp của proton và neutron (các dotron này không bền)

+ t = 3 phút: các neutron và proton không còn đủ năng lượng phá vỡ

liên kết giữa chúng để thoát khỏi hạt nhân nữa,các dotron tiếp tục hình thành

và kết hợp tiếp với các neutron khác để tạo thành Heli3, Heli4. các hạt nhân

H và He hình thành liên tiếp và chiếm ưu thế trong vũ trụ.

+ t = 300000 năm, mật độ các proton và neutron đã giảm nhiều và

photon có thể di chyển tự do trong vũ trụ. các electron cũng bắt dầu mất sự

tự do. Chúng bị các hạt nhân bắt giữ và tạo thành các nguyên tử, mật độ vật

chất trong vũ trụ bắt đầu có xu hướng không đồng đều do sự phân tán của

các hạt nhân và điện tử. vật chất bắt đầu được định hình như ngày nay.

+ t = 1 tỷ năm, sự kết hợp các hạt cơ bản tạo ra các dạng vật chất gần

giống với ngày nay, lượng khí vào buịo trong vũ trụ tăng lên rất nhanh và

tập hợp lại thành từng nhóm, các thiên hà đầu tiên ra đời cùng các ngôi sao.

+ t = 15 tỷ năm: hiện nay

Lí thuyết BIGBANG này ngày nay đã được

công nhận gần như tuyệt đối do nó có cơ sở dựa

trên lí thuyết tương đối rộng, nguyên lí về "vũ trụ

đồng nhất và đẳng hướng" và sự dời xa của các

thiên hà theo quan sát của Hubble.

Nguyên lí vũ trụ đồng nhất và đẳng

hướng nêu trên lúc đầu được gọi là "nguyên lí vũ

trụ học" được đưa ra bởi A.Friedman. Đây là giả thuyết cho rằng vũ trụ là

tương tự nhau ở mọi nơi và theo mọi hướng. Tức là xét trên mức độ vĩ mô,

người quan sát ở bất cứ thời điểm nào và tại bất cứ nơi đâu cũng thấy vũ trụ

là như nhau theo mọi hướng. Sau các khám phá về quá trình tiến hóa và giãn

nở của vũ trụ, nguyên lí này được bỏ bớt một ý, đó là sự đồng nhất về thời

gian. Đúng như vậy, vũ trụ có biến đổi về thời gian nhưng dù đúng ở bất cứ

điểm nào và quan sát về bất cứ hướng nào thì vũ trụ cũng là như nhau.