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

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.