Vài nét lịch sử tiến hoá vũ trụ - Phần 2 (Đặng Vũ Tuấn Sơn) pptx

Vài nét lịch sử tiến hoá vũ trụ
Phần 2
Cho đến năm 1965, lí thuyết BIGBANG có thêm một khẳng định nữa
khi bức xạ tàn dư của vũ trụ được Arno Penzias và Robert Wilson phát hiện.
Penzias và Wilson đã phát hiện qua kính thiên văn vô tuyến một lọai bức xạ
điện từ vi ba trên bước sóng 3cm. Ðây là loại bức xạ tràn ngập vũ trụ và
hoàn toàn đẳng hướng, có nghĩa là ta đo được nó từ mọi hướng. Loại bức xạ
này hoàn toàn phù hợp với dự đoán của lí thuyết BIGBANG từ năm 1948
rằng loại bức xạ này phát ra sau BigBang khoảng 300 000 năm. Khi đó nhiệt
độ vũ trụ là khoảng 100.000K.
Như vậy là theo thuết BigBang nói trên, tất cả chúng ta (vũ trụ) đã ra
đời cách đây 15 tỷ năm (cũng chưa lâu lắm) bởi một vụ nổ. Ta không thể nói
gì về nó vì ngoài phạm vi của BigBang thì không tồn tại vật chất và bức xạ,
do đó không tồn tại khái niệm không gian và thời gian, từ duy nhất ta có thể
dùng để chỉ nó là "không gì cả" (nothing). Chúng ta không thể có khái niệm
không gian và thời gian vào trước khi BIGBANG xảy ra. Vì sao lại như
vậy?
Như trên đã nói, toàn bộ vật chất (các hạt) chỉ được tạo thành bởi vụ
nổ lớn (BIGBANG). Vậy có nghĩa là trước BB không hề có sự tồn taị của
các hạt mà chúng ta đã biết. Như vậy là không có một sự khác biệt nào để
phân biệt 2 điểm, như vậy là không gian không hề tồn tại. Mặt khác ta lại
biết rằng thời gian chỉ là một đại luợng biểu diễn các quá trình. Vậy ở đây ta
sẽ sử dụng thời gian để làm gì khi không có sự biến đổi, sự chuyển động của
các hạt. Vậy ta có thể đi đến kết luận thòi gian cũng không tồn tại ngoài
phạm vi của BIGBANG. Như thế thì chúng ta lại có một lưu ý nhỏ là không
bao giờ được phép nói rằng BIGBANG đã bùng phát tại "một điểm" vì đơn
giản là điểm thì phải được xác định trong một không gian hình học nào đó
trong khi ở đây ta không có không gian.

Vũ trụ hữu hạn nhưng vô biên
Như những gì ở trên đã nói, vũ trụ ra đời từ một vụ nổ lớn và nó đang

không ngừng giãn nở. Thế thì hẳn ai cũng hiểu một chân lí là những cái gì
có kích thước xác định mới có thể hiểu được khái niệm giãn nở thôi. Đó là
cơ sở để chúng ta kết luận rằng vũ trụ là hữu hạn. Bây giờ lại nảy sinh một
thắc mắc: sự hữu hạn liệu có đồng nghĩa với khái niệm biên giới hay không?
Nếu có thì câu trên là vô nghĩa chăng?
Một lần nữa tôi xin lấy một ví dụ mà có lẽ sự so sánh này hơi khập
khiễng một chút. Chúng ta hãy thử suy nghĩ về Trái Đất của chúng ta nhé.
Chắc các bạn đều đồng ý với tôi rằng bề mặt Trái Đất nếu như ta tạm coi
như nó không có lồi lõm của sông núi gì thì có thể xem như nó là một mặt
phẳng được uốn cong thành một mặt cầu. Như vậy mặt đất của chúng ta có 2
chiều. Bây giờ ta sẽ đi trên mặt đất ðó. Chúng ta là sinh vật 3 chiều nhưng rõ
ràng là khi không đạt được tốc độ vũ trụ cấp 1 thì đường đi của chúng ta sẽ
chỉ giới hạn trên mặt đất mà thôi, và thế là ta đang chuyển động trong phạm
vi của không gian 2 chiều. Cái này chẳng nói làm gì nhiều thì ai cũng biết
nếu cứ đi theo đường thẳng (theo cách xác định đường thẳng trên mặt đất)
thì sớm muộn ta cũng quay lại điểm xuất phát. Vậy hãy thử hỏi một trong số
những người đã qua cuộc hành trình này như sau để nhận được những câu
trả lời mà có lẽ các bạn đọc sẽ thấy đồng ý với tôi.
Hỏi: Trái Đất có giới hạn không?
Trả lời: có, nó hữu hạn vì cứ đi mãi ta lại về điểm cũ mà không thể
tiến tới mãi mãi đến những vùng mới lạ được.
Hỏi: Thế biên giới của nó ở đâu?
Trả lời : không đâu cả vì dù nó hữu hạn nhưng chúng tôi không làm
thế nào thoát được ra khỏi nó. Hay nói chính xác thì nó không có biên.
Vậy là với ví dụ vừa rồi, có lẽ các bạn đã tạm hình dung được vì sao
lại có thể kết luận về vũ trụ hữu hạn nhưng vô biên. Tất nhiên chưa có ai đi
một vòng quanh vũ trụ để lại trở về điểm cũ nhưng đây là một điều khó có
thể nghi ngờ vì nếu vũ trụ có một biên nào đó mà các photon không thể vượt
qua thì hẳn rằng tràn ngập vũ trụ sẽ là một đống các photon phản xạ bay theo
đủ mọi hướng và các hiệu ứng hấp dẫn hẳn đã không cho phép chúng ta ngồi

đây để thảo luận về nó.
Hiện nay lí thuyết BIGBANG với những luận điểm chính đã nêu ở
trên đã được gần như thừa nhận hoàn toàn với những cơ sở như trên đã nói.
Tuy nhiên dù nó có được công nhận thế nào thì ta hãy cứ thử tìm hiểu một
chút về một số giả thiết khác về sự tiến hoá vũ trụ mà ngày nay tuy không
được thừa nhận nhưng cũng rất đáng chú ý.

Tương lai của vũ trụ.
Trong phần bàn về các nội dung về BIGBANG và cả các giả thuyết
khác về vũ trụ, chúng ta đã cùng lật lại lịch sử để biết thêm về quá khứ của
vũ trụ. Phần này sẽ trình bày một phần khác mà hẳn bạn đọc sẽ quan tâm
hơn rất nhiều bởi vì chính nó mới có nhiều quyết định đến những cái liên
quan đến tatcá chúng ta. Chúng ta sẽ cùng tìm kiếm tương lai cho vũ trụ.
Việc tìm kiếm tương lai cho vũ trụ thực chất không khác gì việc tìm quá khứ
cả. Do những giả thuyết khác như đã nói trên không được thừa nhận nên
chúng ta sẽ nói về các khả năng tương lai vũ trụ theo những gì suy ra từ lí
thuyết BIGBANG.
Như ta đã biết, vũ trụ khởi đầu bằng một vụ nổ lớn cách đây khoảng
15 tỷ năm. Tuy nhiên ở đây xin lưu ý lại rằng kết quả này chưa phải chính
xác tuyệt đối.
Ta lại quay lại, vũ trụ bắt đầu bằng một vụ nổ lớn và từ đó kích thước
của nó cứ tăng dần và không gian chúng ta biết tới cũng tăng không ngừng.
Như thế thì chẳng có gì khó khăn để đi đến một điều là có thể dựa vào mức
độ dãn nở của vũ trụ ngày nay để suy ra được vũ trụ đã có được bao lâu rồi.
Vậy thì sự dãn nở phụ thuộc vào cái gì? Đó chính là hằng số Hubble. Nó cho
chúng ta biết chính xác về quá trình tăng tốc của sự giãn nở để đưa ra được
kết luận chính xác bằng một phép tính ngược đơn giản.
Thế nhưng chúng ta chưa thể vui mững nhanh như thế được, ngày nay
ta nói vũ trụ đã 15 tỷ tuổi là vì hằng số Hubble được xác định ngày này đã
tương đối đủ tin cậy là 75km/sMpc. Tuổi của vũ trụ tỷ lệ với nghịch đảo của

hằng số này là 15 tỷ. Vào thời của Hubble, chính Hubble đã tính ra một giá
trị hằng số của mình rất lớn làm cho tuổi của vũ trụ chỉ có 2 tỷ. Tuy nhiên
ngay cả hiện nay, với những quan sát và tính toán chi tiêt, hằng số này cũng
không chính xác, hiện nay chưa một ai có thể khẳng định về sự chính xác
của hằng số này.
Sự quan trọng của hằng số Hubble không chỉ là với quá khứ mà sẽ
còn quan trọng hơn vì nó liên quan cả đến tương lai của vũ trụ nữa.
Ta hãy xét một đại lượng nữa có liên quan mật thiết đến tương lai của
vũ trụ. Đó là mật độ trung bình của vũ trụ. Ta xét mối tương quan của mật
độ này với một mật độ tới hạn có thể tính được.
+Nếu mật độ trung bình d < dt (mật độ tới hạn) thì vũ trụ là giãn nở
mãi mãi (vũ trụ mở) với tốc độ dãn nở tiếp tục tăng.
+Nếu d = dt thì vũ trụ vẫn tiếp tục giãn nở nhưng với tốc độ giảm dần
nhưng không bao giờ về không (vũ trụ phẳng)
+ Nếu d > dt thì sự giãn nở sẽ được thay dần bằng sự co lại và vũ trụ
dần trở về trạng thái ban đầu (vũ trụ đóng)
Người ta đã đo được dt = 10^ -29 g/cm^3
Theo như quan sát hiện nay thì vũ trụ có vẻ như là một vũ trụ mở, tức
là giãn nở mãi mãi với tốc độ tăng nhanh tuy gia tốc có thể giảm. Có điều
một lần nữa chúng ta lại phải dừng lại trước khi nghĩ rằng vậy là ta đã biết
tất cả về tương lai của vũ trụ, có nghĩa là của cả nhân loại nữa. Đó là vì một
lần nữa kẻ gây cản trở trên con đường khám phá vũ trụ của chúng ta lại là
hằng số Hubble.
Mật độ tới hạn của vũ trụ được tính theo công thức:
dt = 3H^2/8piG
Và như vậy là với một hằng số chưa xác định hoàn toàn là hằng số
Hubble ở đây thì chúng ta vẫn chưa thể xác định được chính xác mật độ tới
hạn của vũ trụ. Chưa kể nếu có sự xuất hiện của vật chất tối thì mật độ của
vũ trụ có thể sẽ khác với những gì chúng ta đã biết.
Tuy nhiên cuối cùng, vào vài năm cuối cùng của

thế kỉ 20, loài người cuối cùng cũng đã dám khằng
định rằng vũ trụ của chúng ta là giãn nở vĩnh viễn. khẳng định này là cả một
câu chuyện hết sức thú vị và một sự trùng hợp kì lạ. Khi đưa ra lý thuyết
tương đối tổng quat với phương trình trường nổi tiếng của mình, Einstein đã
tiên đoán được rằng không gian chúng ta đang sống là một không gian cong
do sự tồn tại của hấp dẫn từ những vật thể mang khối lượng. Để hoàn thiện
phưưong trình của mình, Einstein đã đưa vào phương trình nhiều số hạng
mới theo dự đoán (một điều mà chưa một nhà bác học nào làm nổi - bằng
cách dự đoán). Và cuối cùng, kết quả phương trình cho thấy vũ trụ do lý
thuyết tương đối tổng quát đưa ra diễn tả một vũ trụ tĩnh định, bị ám ảnh bới
điều này, Einstein đã cho thêm vào phương trình của mình một "hằng số vũ
trụ học" mô tả vũ trụ không ngừng giãn nở với toocs độ giãn nở ngày càng
tăng. Tuy nhiên rất nhiều năm không có một kết quả nào chứng minh tính
chất này của vũ trụ (một vũ trụ giãn nở mãi mãi). Trong những năm sau đó,
bản thân Einstein cũng không có cách nào lí giải cho hằng số này của mình
và đã thừa nhận đó là một sai lầm lớn nhất trong sự nghiệp của ông. Nhưng
thật là một sự trùng hợp kì quái, kì lạ và kì diệu vì khám phá quan trọng
nhất cuối thế kỉ 20 đã cho thấy vũ trụ của chúng ta giãn nở vĩnh viễn với gia
tốc dương (ngày càng giãn nở nhanh) và gia tốc này hoàn toàn phù hợp với
số hạng do Einstein đã đưa ra. Sự sửa đổi phương trình không phải sai lầm
lớn nhất của Einstein mà ngược lại đã trở thành một lí thuyết mô tả chính
xác nhất về tương lai của vũ trụ chúng ta.
Hiện nay lí thuyết BIGBANG với những luận điểm chính đã nêu ở
trên đã được gần như thừa nhận hoàn toàn với những cơ sở nhu trên đã nói.
Tuy nhiên dù nó có được công nhận thế nào thì ta hãy cứ thử tìm hiểu một
chút về một số giả thiết khác về sự tiến hoá vũ trụ mà ngày nay tuy không
được thừa nhận nhưng cũng rất đáng chú ý.

Một số giả thuyết khác về vũ trụ
Mặc dù lí thuyết BIGBANG được xây dựng với những nề tảng rất

vững chắc nhưng điều đó chưa đủ để thuyết phục được tất cả mọi người.
Nhiều người không tin vào lí thuyết này, họ không thể tin vào một vũ trụ có
điểm khởi đầu và rất có thể là sẽ có cả điểm kết thúc nữa. Niềm tin vào sự
vô hạn theo thời gian của vũ trụ đã dẫn đến nhiều giả thuyết khác nhau về vũ
trụ (chống lại BIGBANG). Ở đây chúng ta chỉ nhắc tới một vài giả thuyết
đáng chú ý nhất trong số những giả thuyết này.
Giả thuyết thứ nhất chúng ta nói tới ở đây là giả thuyết về một "vũ trụ
tĩnh định" do Hermann Bondy, Thomas Gold và Fred Hoyle đề ra vào năm
1948. Thực chất thuyết này có một luận đề cơ bản chính là sự mở rộng của lí
thuyết "vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng". Nguyên lí "vũ trụ đồng nhất và
đẳng hướng" này cho biết vũ trụ là như nhau khi ta quan sát nó từ bất cứ
điểm nào của nó và theo bất cứ hướng nào (tất nhiên đây chỉ là phát biểu
ngắn gọn và dễ hiểu nhất của nguyên lí này). Ở đây, những người tjheo
thuyết vũ trụ tĩnh định đã mở rộng nguyên lí nói trên ra cho cả chiều thời
gian.
Có nghĩa là:
Vũ trụ là hoàn toàn như nhau đối với người quan sát tại bất cứ điểm
nào, theo bất cứ hướng nào và tại bất cứ thời điểm nào.
Thuyết này thừa nhận sự giãn nở của vũ trụ. Để giải thích sự giãn nở
này, lí thuyết này đưa ra một phương án khác cho rằng vật chất mới liên tục
được tạo ra để bù đắp cho những giãn nở của vũ trụ, và do đó mật độ của vũ
trụ không hề bị ảnh hưởng bởi sự giãn nở này. Họ cũng cho biết không thể
xác định được sự nảy sinh vật chất mới này do tốc độ này rất chậm. Mỗi tỷ
năm chỉ có thêm 1 nguyên tử hydro trong thể tích 1 lít. Tuy nhiên thuyết này
không giải thích thuyết phục được về nguyên nhân của sự gia tăng vật chất
này. Mặt khác nó cũng không cho phép giải thích sự có mặt của bức xạ nền
2,7K.
Một giả thuyết khác chống lại lí thuyết BIGBANG là thuyết về sự mệt
mỏi của ánh sáng. Lí thuyết này do Edwin Hubble và Richard Tolman đề ra
năm 1935 và sau đó được Pecker và Vigier khôi phục và phát triển. Lí thuyết

này giải thích sự dịch chuyển về đỏ của phổ các thiên hà không phải do
chúng đang rời xa nhau mà do một nguyên nhân khác. Những người này cho
rằng đó là do các hạt ánh sáng (photon) bị "mệt mỏi", mất dần năng lượng
khi đến với chúng ta do trên đường đi chúng liên tục tương tác với một loại
hạt tên gọi là bozon. Theo như lí thuyết này cho biết, đây là loại hạt xuất
hiện do sự phân rã các neutrino. Chính vì sự tương tác với loại hạt này mà
photon liên tục bị mất năng lượng, các thiên hà càng xa thì photon càng va
chạm nhiều trên đường đến Trái Đất và do đó phổ của chúng càng dịch
mạnh về đỏ. Tuy nhiên lí thuyết này đến nay không được thừa nhận do cho
đến thời điểm này chưa thể chứng minh được sự tồn tại của hạt bozon trong
vũ trụ cũng như sự phân rã neutrino. Và lại một lí do tương tự như đã nói
trên, đó là lí thuyết này không đưa ra được một sự giải thích nào về sự tồn
tại của bức xạ nền 2,7K.
Ngoài 2 lí thuyết nêu trên ,còn rất nhiều lí thuyết khác nữa được đề ra.
Có người đặt ra nghi ngờ vào chính lí thuyết tương đối rộng của Einstein,
không tin vào sự tuyệt đối của vận tốc ánh sáng. Cũng có người cho rằng
những quan sát đã có vẫn còn nhiều sai số, ngay cả bức xạ nền của vũ trụ
cũng chưa thể cho kết luận do còn rất nhiều sự nghi vấn về sự tồn tại của vật
chất tối (dark matter). Có điều tất cả những người này chỉ có thể đưa ra giả
thiết của mình mà không nếu ra được một lí giải hợp lí hay một phương án
nào khác cho quá khứ của vũ trụ.

Vật chất tối
Trên đây
chúng ta đã nhắc
nhiều tới sự
tham gia của
một khái niệm
tương đối mới
vào quá trình

tiến hoá và cấu
trúc vũ trụ. Đó
là vật chất tối hay Dark Matter.
Năm 1933, Fritz Zwicky phát hiện ra sự xuất hiện của loai vật chất
này khi đo vẫn tốc của các thiên hà trong quần thiên hà Coma.
Chúng ta cần biết rằng có 2 phương pháp cơ bản để xác định khối
lượng của một thiên hà. Cách thứ nhất là sự phân tán vận tốc trong quần
thiên hà. Thiên hà có khối lương càng lớn sẽ càng có sự phân tán vận tốc rõ
nét ra các thiên hà lân cận và nhờ phương pháp đó có thể xác định được tổng
khối lượng của quần thiên hà. Cách thứ hai là xác định độ trưng của các
thiên hà để rút ra khối lượng của chúng và từ đó tính được tổng khối lượng
của quần thiên hà. Điều đáng chú ý là khối lượng của một quần thiên hà tính
theo cách thứ nhất luôn lớn hơn rất nhiều khối lượng tính theo cách hai
(khaỏng 10 lần) cho dù tính đến sai số rất cao. Như vậy có thể suy đoán rằng
có sự tồn tại của một loại vật chất còn chưa biết. Chính sự tồn tại của vật
chất này mà khối lượng thật của các thiên hà thực chất lớn hơn rất nhiều
khối lượng có thể quan sát được. Hiện vẫn chưa có thực nghiệm nào xác
nhận hoàn toàn sự có mặt của các vật chất tối này. Dự đoán đó có thể là một
loại vật chất đặc biệt cấu tạo từ những hạt gần như không bức xạ hoặc cũng
có thể sự tồn tại khối lượng này đơn giản chỉ là các lỗ đen hoặc các sao lùn
nâu, lùn đen (những loại thiên thể này không bao giờ có thể nhìn thấy được)