Big Bang sinh ra bức xạ nền và sóng hấp dẫn ban sơ
Lịch sử khám phá vũ trụ học có nhiều thuyết khác nhau. Trong đó có 4 thuyết sau được giới khoa học nhắc đến nhiều nhất.
1/ Thuyết thứ nhất: Big Bang của Georges Lemaître và George Gamov những năm 1920 dựa trên thuyết tương đối rộng Einstein.
2/ Thuyết thứ hai: Vũ Trụ Tĩnh (steady state theory) của Fred Hoyle về một thế giới “tĩnh” hay “trạng thái vĩnh hằng”, vũ trụ không có giãn nở cũng không tiến hóa. Hoyle từ chối thuyết của Lemaître và Gamov mà ông gọi nó bằng cái tên “Big Bang”. Thuyết này chiếm được cảm tình của nhà thờ.
3/ Thuyết thứ ba, tạm gọi là Big Bang Series của nhà vũ trụ học Cambridge Neil Turok, ông đưa khái niệm của vũ trụ hiện tại đã trải qua một chuỗi Big Bang không có khởi đầu và kết thúc, do đó không có sóng hấp dẫn ban sơ.
4/ Một giả thiết khác là thuyết Đa Vũ Trụ (Multiverse). Đa vũ trụ là giả thiết về sự tồn tại song song các vũ trụ (có cả vũ trụ chúng ta đang sống), trong đó bao gồm tất cả mọi thứ tồn tại và có thể tồn tại: không gian, thời gian, vật chất, năng lượng và các định luật vật lý. Những vũ trụ cùng tồn tại trong khối đa vũ trụ được gọi là thế giới song song. Thuật ngữ được ra đời vào năm 1895 bởi nhà tâm lí và lí luận học người Mĩ William James. Và được tiếp bước bởi hai nhà khoa học ở đại học MIT: Alen Guth and Henry Tyle.
Và rồi gần đây thế giới vừa có một khám phá gây chấn động đến từ dự án BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarisation - chụp ảnh nền quá trình phân cực của vũ trụ) là giai đoạn 2 của một chương trình điều phối giữa dự án BICEP và Thí nghiệm Keck Array, theo thông tin từ Trung tâm vật lý thiên văn Harvard - Smithsonian (Mỹ). Họ đã công bố tìm thấy sóng hấp dẫn ban sơ, đây là một chứng cứ mạnh mẽ nhất cho thuyết Big Bang.
Vào ngày 17-3-2014, nhóm nghiên cứu BICEP2 dưới sự lãnh đạo của giáo sư John Kovac tuyên bố rằng sóng hấp dẫn từ buổi ban sơ của lịch sử vũ trụ (chính xác: từ thời điểm 10-34 giây sau Big Bang) đã được con người nhìn thấy! Đó là giai đoạn mà, theo thuyết Big Bang, vũ trụ từ một bào thai vô cùng nhỏ nhưng với một năng lượng cực lớn trong khoảnh khắc đã phát triển đột biến thành “lạm phát” và chuyển động với tốc độ hơn ánh sáng theo đủ mọi hướng.
Trước đó, các nhà vật lý chỉ quan sát được bức xạ nền ở dạng sóng điện từ của vũ trụ từ thời điểm năm thứ 380.000, một trạng thái thật ra vẫn còn là “sơ sinh” của vũ trụ. Đó là giai đoạn vũ trụ tiếp tục giãn nở nhưng nguội dần để cho các nguyên tử hydro và helium hình thành và vật chất kết tinh lại thành sao, thiên hà. Do sự kết tinh đó, các đám mây bức xạ trở thành “quang đãng” hơn trong vũ trụ, và người ta có thể quan sát dễ dàng hơn.
Bức xạ nền này được quan sát - hết sức tình cờ - bởi hai nhà vật lý Mỹ Arno Penzias và Robert Wilson của phòng thí nghiệm Bell (Mỹ) 50 năm trước. Hai ông được tưởng thưởng giải Nobel sau đó. Tại cuộc họp báo ở Harvard, các nhà khoa học hàng đầu nói lên sự đồng tình của mình: khám phá sóng hấp dẫn ban sơ của nhóm nghiên cứu BICEP2 rất xứng đáng với giải Nobel.
Được thiên tài vật lý Albert Einstein tiên đoán gần 100 năm trước đây, sóng hấp dẫn (trọng lực) là các gợn sóng trong không - thời gian, lan tỏa khắp vũ trụ với tốc độ ánh sáng. Các nhà thiên văn học thế giới đã truy lùng sóng hấp dẫn ròng rã trong nhiều thập niên qua. Bởi sóng hấp dẫn là điểm cuối cùng của thuyết tương đối rộng chưa được kiểm chứng.
Đó cũng là bằng chứng cần thiết để củng cố giả thuyết về sự "lạm phát" của vũ trụ, ý tưởng được đưa ra vào thập niên 1980. “Lạm phát chính là “vụ nổ” trong “vụ nổ lớn” (Alan Guth) .Sự phát hiện này rồi sẽ thay đổi vũ trụ quan của chúng ta ở tầng mức cơ bản nhất.
Lịch sử khám phá vũ trụ
So với lịch sử hình thành con người hiện đại từ khoảng 200.000 năm về trước, thì thời điểm để chúng ta biết được điều này quả thật chỉ là phần thừa của con số lẻ. Nhưng đây chính là bước tiến dài đầu tiên của ngành thiên văn học.
Những người tiên phong trong nhận thức mới mẻ này đã phải trả giá. Bruno đã phải lên giàn hỏa thiêu vì cổ vũ cho nhận thức mới này. G. Galileo, người ủng hộ thuyết nhật tâm sau khi đã hướng kính thiên văn lên bầu trời, đã phải công khai rút lui ý kiến trước tòa án giáo hội để bảo toàn mạng sống, dù niềm tin khoa học của ông không hề lung lay.
“Nhưng dù sao trái đất vẫn quay (Eppur si muove)” - câu nói nổi tiếng của ông đã trở thành điển hình về sức sống không gì có thể dập tắt được của chân lý khoa học.
Sau Galileo là J.Kepler với ba định luật thiên văn khẳng định chính trái đất và các hành tinh khác quay xung quanh mặt trời, với quỹ đạo elip thay vì hình tròn. Đặc biệt sau đó là I. Newton với thuyết vạn vật hấp dẫn, với những tính toán và tiên đoán chính xác về chuyển động của các thiên thể, thời điểm nhật thực, nguyệt thực, hay sự lên xuống của thủy triều.
Trí tuệ con người bước sang một giai đoạn mới trong việc khám phá bầu trời: mạnh mẽ, chắc chắn và tham vọng.
Thế giới này được sinh ra như thế nào là một câu hỏi lớn, bí ẩn và hấp dẫn. Đông Tây kim cổ đã tốn nhiều công sức, đưa ra hàng trăm lý thuyết khác nhau, từ vũ trụ học phương Đông với những thái cực, lưỡng nghi, âm dương, tứ tượng, ngũ hành... đến những Big Bang, vũ trụ giãn nở, vận tốc ánh sáng, không - thời gian, lượng tử... - các khái niệm trụ cột của lý thuyết về sự hình thành vũ trụ của khoa học hiện đại.
Về mặt nguyên tắc, tất cả các lý thuyết này đều bình đẳng với nhau. Nhưng chỉ lý thuyết nào được kiểm chứng, tức có thể đo đạc quan sát được bằng thực nghiệm, mới được thừa nhận. Chính vì thế, thực nghiệm là tiêu chuẩn của mọi lý thuyết khoa học. Chỉ cần có một ví dụ phản chứng thôi, lý thuyết khoa học đã bị loại bỏ.
Đêm tối từ đâu?
Chúng ta đã biết ngoài mặt trời mà ta thấy hằng ngày ra thì còn có vô vàn mặt trời khác nữa mà ta gọi là các ngôi sao. Chúng có ở khắp mọi nơi và cung cấp ánh sáng. Vậy nếu vũ trụ là vô hạn thì tại sao bầu trời đêm không sáng rực lên? Tại sao vẫn có đêm tối để chúng ta trú ngụ? Sự kiện đêm tối hiện hữu với quan niệm vũ trụ vô hạn đã đẩy chúng ta vào thế bí trong suốt mấy trăm năm. Chúng làm ta phải phiêu lưu đến những chân trời xa nhất để tìm câu trả lời khả dĩ.
Người đầu tiên nhận ra nghịch lý này là Digges khoảng 500 năm về trước (1573). Phải đến gần 400 năm sau, khoa học mới làm sáng tỏ được một phần câu trả lời. Người có công đầu trong việc này không ai khác chính là A.Einstein với công trình về thuyết tương đối rộng.
Nhờ thuyết tương đối mà lý thuyết về một vũ trụ giãn nở được hình thành. Thay vì tĩnh tại vĩnh cửu, vũ trụ thật sự đang giãn nở. Điều này đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm nhờ các quan sát của E. P. Hubble 90 năm về trước. Việc tìm ra sự dịch chuyển màu sắc về phía đỏ của ánh sáng phát ra từ các ngôi sao xa tít đã giúp Hubble đi đến nhận định rằng: vũ trụ đang giãn nở.
Vũ trụ đang mở rộng. Hiện tượng ánh sáng dịch chuyển về phía đỏ cũng tương tự hiện tượng cao độ âm thanh giảm xuống ta lắng tai nghe tiếng còi xe lửa đang chạy, và ngược lại, khi xe chạy xa ta thì tiếng của nó càng trầm vì âm thanh có bước sóng dài hơn, khi xe chạy về phía ta thì tiếng còi chói hơn vì sóng âm trong trường hợp này có bước sóng ngắn hơn.
Đo đạc sự thay đổi của bước sóng ánh sáng cũng chính là sự thay đổi của màu sắc ánh sáng, sẽ cho ta biết vật đang chạy lại gần hay chạy ra xa ta.
Nhờ thuyết tương đối của Einstein mà nhận thức của ta về vũ trụ thay đổi hoàn toàn. Giờ đây, không gian và thời gian không tách rời nhau và trở thành tương đối. Chúng có thể co giãn tùy theo tốc độ chuyển động của vật thể. Chúng cũng không còn phẳng phiu trơn lì nữa. Sự cong của không gian là do vật chất gây ra. Sự cong này chính là bản chất của lực hấp dẫn.
Hẳn nhiên, trong một không - thời gian có khả năng co giãn uốn dẻo như thế, sự cong đi này sẽ được lan truyền dưới dạng sóng như sóng nước trên mặt hồ. Đó chính là sóng hấp dẫn, tiên đoán cuối cùng của thuyết tương đối rộng, cho đến tuần trước, vẫn chưa được kiểm chứng là tồn tại.
Nhưng có gì quan trọng từ việc vũ trụ giãn nở? Ta có thể ngoại suy ngay lập tức rằng trước khi giãn nở, ắt nó phải bắt đầu từ một điểm rất nhỏ, tức vũ trụ ban đầu phải có một kích thước vô cùng nhỏ. Một trong những kết luận của thuyết tương đối là năng lượng và khối lượng hoàn toàn hoán chuyển được cho nhau, và ở trạng thái ban đầu đó chỉ có năng lượng thuần khiết ở một nhiệt độ cực cao là tồn tại được.
Lý do: vì kích thước của vũ trụ quá nhỏ, mật độ năng lượng sẽ cực lớn, nên không vật chất nào giữ được hình hài ở điều kiện như vậy. Tất cả đều tan chảy thành năng lượng, dưới dạng bức xạ thuần khiết. Chỉ sau đó, khi giãn nở, vũ trụ mới nguội dần và vật chất như ta thấy mới dần hình thành.
Đây chính là ý tưởng của G. Gamow (1948), người tiên phong trong việc xây dựng một lý thuyết về sự hình thành của vũ trụ giãn nở mà sau này được gọi là thuyết Big Bang. Theo giả thiết này thì mọi thứ mà ta thấy, các vì sao, mặt trăng, mặt trời, trái đất, bản thân chúng ta... đều được sinh ra từ Vụ Nổ Lớn. Theo tính toán lý thuyết, vụ nổ này cũng để lại một bức xạ nền, đồng nhất và đẳng hướng ở khắp mọi nơi trong vũ trụ.
Có gì kiểm chứng điều này? Nhớ lại rằng thuyết Big Bang khi ra đời đã gặp nhiều phản đối (cả cái tên Big Bang cũng được đặt ra như một lời chế giễu) nên chẳng ai quan tâm đến tiên đoán về sự tồn tại của bức xạ nền để mà tìm kiếm.
Phải mất gần 20 năm sau, hai nhà khoa học của phòng thí nghiệm Bell (Mỹ) là Penzias và Wilson (1964) đã tình cờ phát hiện ra bức xạ nền, khi tìm cách đo bức xạ nhiệt của tầng khí quyển. Phát hiện này thật sự gây chấn động trong giới khoa học đương thời, mang lại cho hai ông giải Nobel vật lý năm 1978.
Nhờ việc đo nhiệt độ, của bức xạ nền, vào khoảng 2,727K (tức -270,4240C) mà người ta tính được tuổi của vũ trụ. Giống như đo nhiệt độ của một cốc nước nóng, ta sẽ ước lượng được cốc nước đã để nguội được bao lâu. Tuổi của vũ trụ vì thế tính ra được vào khoảng 13,8 tỉ năm.
Vì sao bức xạ nền này lại đồng nhất và đẳng hướng ở khắp mọi nơi? Điều này giống như vì sao mọi cốc nước nóng lại có cùng một nhiệt độ? Câu trả lời hợp lý nhất là vì trước đó chúng được rót ra tức thời từ cùng một ấm nước sôi trong một thời gian cực ngắn. Đó chính là ý tưởng chủ đạo của giả thiết về vũ trụ lạm phát do Alan Guth đưa ra vào năm 1980.
Theo đó, ngay sau vụ nổ lớn khoảng một phần tỉ tỉ tỉ tỉ giây (10-36 giây) đến đâu đó khoảng một phần triệu tỉ tỉ tỉ giây (~10-33-10-32 giây), từ trạng thái cân bằng nhiệt, vũ trụ đã giãn nở với vận tốc cực lớn, lớn hơn cả vận tốc ánh sáng. Chính sự giãn nở cực nhanh này, gọi là giãn nở lạm phát, đã làm cho nhiệt độ của mọi cốc nước ở mọi nơi đều như nhau, tức bức xạ nền là đồng nhất và đẳng hướng.
Như vậy, về cơ bản, bức tranh về sự hình thành của vũ trụ theo thuyết Big Bang đã tương đối rõ ràng, ít nhất là từ khoảng thời gian ~10-36 giây sau vụ nổ lớn trở đi. Tuy nhiên, trước đó thì vẫn còn là bí ẩn. Mọi khám phá sâu xa hơn sẽ không thể thực hiện bằng thực nghiệm vì thời kỳ lạm phát đã xóa hết mọi dấu vết có thể đo đạc được.
Câu hỏi về khoảng thời gian trước vũ trụ lạm phát, thậm chí cả trước Big Bang, vẫn lảng vảng trong đầu chúng ta. Nhiều nhà khoa học cho rằng trước Big Bang sẽ không là gì cả, tức là mọi thứ được sinh ra từ hư vô. Nghe thật kỳ lạ và huyền hoặc! Ngày nay, thuyết Big Bang đã chiếm địa vị chủ đạo trong khoa học vì các tiên đoán của nó rất phù hợp với thực nghiệm.
Vật lý từ thế kỷ 20 đầy những điều kỳ diệu, và còn tiếp tục. Khoảng một thế kỷ trước (1919), thế giới kinh ngạc khi các đoàn thám hiểm Anh công bố ánh sáng trên trời bị lệch đi trong vùng mặt trời bằng đúng góc lệch mà Einstein tiên đoán theo thuyết tương đối rộng!
Tòa nhà vật lý Newton lung lay, và Einstein qua đêm đã trở thành người “anh hùng toàn cầu”. Khoa học đã lần lượt vén những bức màn huyền bí che mắt, từng lớp, lớp thô trước, lớp tinh sau, tạo ra những “cảm xúc vũ trụ” thi vị. “Chúng ta không là gì cả” - như nhà thơ Đức F. Hölderlin nói - nhưng những gì chúng ta đi tìm là tất cả”.
-Phi Điệp tổng hợp
Phát hiện sóng hấp dẫn sau vụ nổ Big Bang
Tiếng vọng thuở hồng hoang
Đã thấy bí mật sâu kín thời khởi thủy của tạo hóa
Vũ trụ quan của chúng ta sẽ thay đổi cơ bản
