Vật lý vũ trụ - 1
Trước BIGBANG có gì
Vũ trụ hình thành từ một vụ nổ lớn có tên là Bigbang. Vậy trước Bigbang có gì?
Những định luật vật lý từ đâu đến?
Nhiều nhà vật lý cho rằng các định luật vật lý không tồn tại trong không - thời
gian. Giống như toán học, chúng có một đời sống riêng. Chúng mô tả vũ trụ, song
chúng không"nằm trong" vũ trụ. Thực thế, nếu các định luật vật lý được sinh ra
cùng với vũ trụ, thì làm sao chúng ta lại có thể sử dụng chúng đề giải thích vũ trụ
đã sinh ra như thế nào? Như vậy để có một cơ may hiểu được vũ trụ đã xuất hiện
như thế nào, chúng ta phải chấp nhận rằng các định luật vật lý là trừu trượng,
trường cửu. Vậy các định luật vật lý từ đâu mà ra? Tại sao là những định luật này
mà không là những định luật khác? Đây là những câu hỏi nghiêm chỉnh thuộc
phạm vi siêu hình. Một số tác giả cho rằng các định luật đã là như thế vì đòi hỏi
của logic, một số khác cho rằng tồn tại nhiều vũ trụ với những định luật vật lý
khác nhau, và chỉ có một số vũ trụ là có những định luật cần thiết cho quá trình
phát sinh sự sống và những sinh vật có khả năng nhận định các định luật đó. Các
định luật vật lý làm thành cơ sở của một tập logic giống như các định đề Euclide là
cơ sở của một tập logic mà chúng ta gọi là hình học Euclide. Chúng ta có quyền
không chấp nhận các định đề Euclide, song các định đề này đơn giản nhất để xây
dựng một hình học và có thể các định luật vật lý ta dùng thoả mãn tính đơn giản
đó để giải thích vũ trụ. Khi gặp những vấn đề khác không giải thích được ta phải
tìm ra những định đề khác - những định luật khác! Bên cạnh những định luật, quá
trình tiến triển của vũ trụ gắn liền với những đối xứng.
Một số đối xứng đã mất đi từ lúc Bigbang, một trong các đối xứng như thế có thể
là siêu đối xứng (supersymmetry), đối xứng nối liền fermion và boson. Đối xứng
này là một yếu tố cơ bản của lý thuyết siêu dây. Các máy gia tốc sẽ kiểm nghiệm
vai trò của siêu đối xứng trong lý thuyết thống nhất, trong đó có vấn đề xác định
xem hạt neutralino có thuộc vật chất tối hay không. Hạt neutralino là một siêu hạt
= tổ hợp các siêu hạt Zino + Photino + Higgsino. Khối lượng các siêu hạt có thể
liên quan đến trường Higgs.
Những cỗ máy đi ngược thời gian
Hãy nhìn lên mặt trăng, khoảng cách giữa mặt trăng và quả đất là vào khoảng
380.000 km, như vậy ánh sáng cần một thời gian hơn một giây để đi từ mặt trăng
đến trái đất. Do đó khi nhìn mặt trăng ta đã thu nhận hình ảnh của mặt trăng trước
đó một giây trong quá khứ, chứ không phải hình ảnh của nó hiện tại. Khi nhìn
những sao trên bầu trời ta chỉ thu nhận được hình ảnh của chúng cách hiện tại
hàng triệu triệu năm tuỳ theo khoảng cách của chúng đến mặt đất. Như vậy khi
quan sát bầu trời, các nhà thiên văn đã đi lùi vào quá khứ và đã trở thành những
nhà khảo cổ nghiên cứu lịch sử của vũ trụ. Lịch sử này đã có quá khứ khoảng 13,
7 tỷ năm! Bức xạ tàn dư của vũ trụ (CMB - Cosmic Microwave Bacground) đã
được phát đi vào thời điểm sau Bigbang khoảng 380.000 năm: Lúc này các hạt
nhân hydrogen và helium đã bắt hết các electron đang lang thang tự do, ánh sáng
thoát khỏi tương tác với các electron lan truyền trong vũ trụ để thành CMB. Vậy
có thể nói các nhà thiên văn đã nắm bắt được 99,999 % lịch sử của vũ trụ!
Và trước đó? Các neutrino đã xuất hiện 1 giây sau Bigbang và đã du hành trong vũ
trụ trong một thời gian bằng 13,7 tỷ năm trừ bớt 1 giây.
Còn trước đó? Trước bức xạ neutrino là bức xạ hấp dẫn, phát sinh vào thời điểm
10-43 giây sau Bigbang vào cuối kỷ nguyên gọi là kỷ nguyên Planck. Bức xạ hấp
dẫn này có hy vọng ghi đo được nhờ những kính viễn vọng hấp dẫn Virgo (Ýá),
Ligo (Mỹ) và trong tương lai nhờ Lisa, một hệ thống vệ tinh của Nasa. Và chúng
ta đã tiến sát thời điểm Bigbang chỉ còn cách Bigbang khoảng một phần tỷ của
một phần tỷ của một phần tỷ của một phần tỷ giây.
Và trước đó? Trước đó trong kỷ nguyên Planck chúng ta chưa biết có bức xạ nào
vì chúng ta chưa có một lý thuyết nào để mô tả kỷ nguyên này. Một thời khoảng
vô cùng nhỏ cách biệt chúng ta với Bigbang, thế mà chúng ta chưa vượt qua được!
Lược sử vũ trụ
Lúc vũ trụ được 10-35 giây xảy ra quá trình nở lạm phát (inflation) vàkết thúc vào
thời điểm 10-32 giây. Đây là một quá trình giãn nở bột phát của vũ trụ: Trong một
thời đoạn ngắn ngủi, kích thước của vũ trụ đã tăng lên 1050 lần. Quá trình nở lạm
phát có thể bắt nguồn với một dạng năng lượng tối. Dạng năng lượng này đóng vai
trò gì trong lý thuyết thống nhất? Có mốiliên quan gì đến sự tồn tại của hạt Higgs
và với các chiều dư?
Sau Bigbang 10-33 giây, vũ trụ ở vào trạng thái plasma của quark và gluon (PQG).
Trong trạng thái này quark chuyển động tự do và tương tác với nhau bằng trao đổi
gluon. Ngày 10.2.2000, Trung tâm CERN tuyên bố đã thu được PQG trong phòng
thí nghiệm sau 15 năm nghiên cứu.
Lúc vũ trụ được 10-6 giây thì hình thành các hadron.
Lúc vũ trụ được 100 giây thì các hạt nhân nguyên tử được hình thành.
Lúc vũ trụ được 300.000 năm tuổi thì bức xạ tách khỏi vật chất và dẫn đến CMB
(Cosmic Microwave Background - bức xạ tàn tư của vũ trụ).
Sau đó vũ trụ nguội dần và nhiều quá trình chuyển pha đã xảy ra. Những quá trình
chuyển pha này có thể dựng lại trong phòng thí nghiệm nhờ những máy gia tốc
năng lượng cao.
Quá trình chuyển pha điện yếu đã gây nên sự bất đối xứng vật chất Q - phản vật
chất. Trong quá trình chuyển pha ứng với sắc động lực học lượng tử QCD, vật
chấtbaryonic ngưng tụ thành dạng plasma của quark - gluon.
Người ta muốn kiểm nghiệm tất cả các quá trình này trong phòng thí nghiệm.
Có gì trước Bigbang?
Có hai quan điểm:
1) Trước Bigbang có một thời kỳ tiền Bigbang;
2) Không có điều gì có trước Bigbang.
Những kịch bản "lãng mạn" của thời kỳ tiền Bigbang
Nhiều nhà lý thuyết không đồng ý với quan điểm không có gì trước Bigbang. Họ
đã đưa ra những kịch bản (không kém các kịch bản Hollywood):
- Một vũ trụ gương (nhìn trong gương) đối xứng đối với điểm không của thời gian.
- Những Bigbang nhiều vô số xảy ra ở mọi thời điểm từ các lỗ đen nguyên thuỷ.
- Va chạm của các màng 3 chiều...
Người ta hy vọng có lẽ chỉ có lý thuyết siêu dây mới giải quyết nổi vấn đề của thời
diểm Bigbang và tiền Bigbang. Lý thuyết siêu dây là lý thuyết lấy yếu tố cơ bản là
những dây vi mô (kích thước 10-34 m) chứ không phải những hạt. Lý thuyết này
có khả năng thống nhất lượng tử và hấp dẫn nhờ những "dây" graviton (lượng tử
của hấp dẫn). Trong lý thuyết siêu dây, số chiều của không thời gian lên đến 10
hoặc 11, như vậy có 6 hoặc 7 chiều dư (extra dimensions) so với không thời gian 4
chiều thông thường. Một đối xứng quan trọng trong lý thuyết siêu dây là siêu đối
xứng như trên đã nói.
Theo nhiều kịch bảnvũ trụ luôn tồn tại. Trước Bigbang vũ trụ có kích thước lớn vô
cùng, sau đó co lại và vào thời điểm Bigbang trở thành nhỏ như để chui qua một lỗ
kim xong giãn nở trở lại.
Theo kịch bản của Gabriele Veneziano, vũ trụ nguyên thuỷ đã co lại từ những
thăng giáng và tạo nên những lỗ đen, trong những lỗ đen này đã xảy ra những
Bigbang, trong số đó có Bigbang của chúng ta. Như vậy mỗi lỗ đen có thể tạo ra
những vũ trụ riêng của đa vũ trụ. Một điều có thể khẳng định: Quá trình chuyển
tiếp giữa "tiền" và "hậu" Bigbang vẫn là một vấn đề còn bỏ ngỏ. Người ta cho
rằng có thể có thông tin về thời kỳ tiền Bigbang nhờ thu các sóng hấp dẫn phát
sinh từ thời kỳ này, dấu tích của chúng sẽ là những thăng giáng trên phông của
bức xạ tàn dư.