BÀI tập lớn môn vật lý 2 đề tài vụ nổ lớn BIG BANG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH


BÀI TẬP LỚN MƠN VẬT LÝ 2
ĐỀ TÀI:

VỤ NỔ LỚN BIG BANG

GVHD: Thầy Lý Anh Tú - Thầy Lê Quốc Khải
Nhóm 03 - Lớp: L02 (LT) - L03 (BT)
Sinh viên thực hiện
Đặng Sơn Dương
Tô Tiến Đạt
Nguyễn Thanh Tân
Huỳnh Thị Kiều Trinh
Huỳnh Cơng Xn

Mã số sinh viên
2011030
2010215
2014458
2014835
2015128

Thành phố Hồ Chí Minh - 2021


Mục lục

Lời nói đầu .................................................................................................................... 1

I. Khái quát về vụ nổ lớn (Big Bang):......................................................................... 2
1. Tiến trình vụ nổ: ................................................................................................ 4
2. Các tiên đề cơ sở: ............................................................................................... 8
3. Metric FLRW: ................................................................................................... 9
4. Chân trời vũ trụ: ............................................................................................. 10
II. Lịch sử phát triển của vũ trụ: .............................................................................. 11
III. Bằng chứng thực nghiệm: ................................................................................... 14
1. Định luật Bubble và sự giãn nở khơng gian: ................................................ 14
2. Bức xạ phơng vi sóng vũ trụ: .......................................................................... 15
3. Sự hình thành các nguyên tố cơ bản: ............................................................ 17
4. Các đám mây nguyên thủy: ............................................................................ 18
5. Sự phân bố và tiến hóa của các thiên hà: ...................................................... 19
6. Những loại chứng cứ khác:............................................................................. 20
IV. Liên hệ những vấn đề trong vật lí: ..................................................................... 20
1. Bất đối xứng Baryon: ...................................................................................... 20
2. Năng lượng tối: ................................................................................................ 21
3. Vật chất tối: ...................................................................................................... 22
V. Những quan niệm sai về thuyết Vụ Nổ Lớn: ...................................................... 23
VI. Tương lai của thuyết vụ nổ lớn: ......................................................................... 23
VII. Vật Lý vượt phạm vi thuyết vụ nổ lớn: ............................................................ 24
VIII. Kết luận: ............................................................................................................ 25
Tài liệu tham khảo: .................................................................................................... 26


Lời nói đầu
Sau khi học qua bộ mơn vật lý đại cương A1 và tiếp đến là bộ môn vật lý đại
cương A2. Hiểu được tầm quan trọng của môn học và những ứng dụng thực tế của nó
trong cuộc sống. Nhóm chúng em nhận thấy đề tài vụ nổ lớn (Big Bang) rất hay và thú
vị. Nó thơi thúc nhóm chúng em tìm hiểu vì sao lại xảy ra sự nổ như vậy của các
nguyên tử, phân tử,... Vụ nổ lớn (Big Bang) mang đến cho chúng em nhiều lí do để tìm

hiểu vì nó liên quan đến thực trạng trong lương lai hiện đại hóa.

Hình ảnh minh họa

1


I. Khái quát về vụ nổ lớn (Big Bang):
Big Bang là vụ nổ đầu tiên để từ đó đồng thời sinh ra không gian, năng lượng
và vật chất để tạo ra vụ trụ như hiện nay. Một thời gian dài, lý thuyết này bị coi là
một lý thuyết siêu hình nhưng các thành tựu gần đây của vật lý hạt cơ bản và kết quả
quan sát những cấu trúc thiên văn lớn nhất đã cung cấp một kịch bản phù hợp với
cấu trúc và sự phức tạp hoá dần dần của vật chất trong lòng vũ trụ nên ngày càng
được thừa nhận rộng rãi.
Lý thuyết Vụ Nổ Lớn, thường gọi theo tiếng anh là Big Bang, là mơ hình vũ
trụ học nổi bật miêu tả giai đoạn sơ khai của sự hình thành Vũ trụ. Theo lý thuyết
này, Vụ Nổ Lớn xảy ra cách hiện nay khoảng 13,8 tỷ năm trước, và do đó được xem
là tuổi của vũ trụ. Sau giai đoạn này, vũ trụ ở vào trạng thái cực nóng và đặc và bắt
đầu giãn nở nhanh chóng. Sau giai đoạn lạm phát, vũ trụ đủ "lạnh" để hình thành
nhiều hạt hạ nguyên tử, bao gồm proton, neutron, và electron. Tuy những hạt nhân
nguyên tử đơn giản có thể hình thành nhanh chóng sau Big Bang, phải mất hàng
nghìn năm sau các ngun tử trung hịa điện mới xuất hiện. Nguyên tố đầu tiên sinh
ra là hiđro, cùng với lượng nhỏ heli và liti. Những đám mây khổng lồ chứa các
nguyên tố nguyên thủy sau đó hội tụ lại bởi hấp dẫn để hình thành nên các ngơi sao
và các thiên hà rồi siêu đám thiên hà, và ngun tố nặng hơn hoặc được tổng hợp
trong lịng ngơi sao hoặc sinh ra từ các vụ nổ siêu tân tinh.
Nhà vũ trụ học và linh mục Georges Lemtre là người đầu tiên đề xuất cái mà
sau này trở thành lý thuyết Vụ Nổ Lớn trong nghiên cứu của ông về "giả thuyết về
nguyên tử nguyên thủy”. Trong nhiều năm, các nhà vật lý dựa trên ý tưởng ban đầu
của ông nhằm xây dựng lên các lý thuyết khác nhau và dần dần được tổng hợp lại

thành lý thuyết hiện đại. Khuôn khổ cho lý thuyết Vụ Nổ Lớn dựa trên thuyết tương
đối rộng của nhà vật lý Albert Einstein và trên giả thiết đơn giản về tính đồng nhất và
đẳng hướng của khơng gian. Dựa vào phương trình trường Einstein, nhà vũ trụ học
Alexander Friedmann đã tìm ra được các phương trình chi phối sự tiến hóa của vũ trụ.

2


Năm 1929, nhà thiên văn Edwin Hubble phát hiện ra khoảng cách giữa các
thiên hà tỷ lệ với giá trị dịch chuyển đỏ của chúng một khám phá mà trước đó
Lemtre đã nêu ra từ 1927. Quan sát của Hubble cho thấy mọi thiên hà ở rất xa cũng
như các siêu đám thiên hà đang lùi ra xa khỏi Ngân Hà: nếu chúng càng ở xa, vận tốc
lùi xa của chúng càng lớn.
Từng có thời gian cộng đồng các nhà khoa học chia làm hai nhóm giữa một
bên ủng hộ thuyết Vụ Nổ Lớn và một bên ủng hộ thuyết Trạng thái dừng, nhưng
ngày nay hầu hết các nhà khoa học bị thuyết phục bởi kịch bản của lý thuyết Vụ Nổ
Lớn phù hợp nhất với các quan sát đo lường sau khi bức xạ nền vi sóng vũ trụ phát
hiện ra vào năm 1964, và đặc biệt khi phổ của nó (lượng bức xạ đo được ứng với
mỗi bước sóng) được phát hiện phù hợp với bức xạ vật đen.
Từ đó, các nhà thiên văn vật lý đã kết hợp những dữ liệu lớn trong quan sát và
đưa thêm những tính tốn lý thuyết vào mơ hình Vụ Nổ Lớn, và mơ hình tham số của
nó hay mơ hình Lambda - CDM trở thành khuôn khổ lý thuyết cho những nghiên cứu
hiện đại về vũ trụ học.

Georges Henri Joseph Édouard Lemtre

Edwin Powell Hubble

(1894 - 1966)

(1889 - 1953)

3


1. Tiến trình vụ nổ:
Theo thuyết tương đối trước khi vũ trụ được hình thành mọi vật chất chỉ tồn tại
một điểm có trạng thái mật độ và nhiệt độ có giá trị vơ hạn ở thời gian hữu hạn trong
q khứ. Điểm kì dị khơng-thời gian này chính là dấu hiệu vượt ngồi phạm vi tiên
đốn của thuyết tương đối tổng quát. Chúng ta có thể ngoại suy nhằm nghiên cứu điểm
kỳ dị nhưng không thể gần đến lúc kết thúc kỷ nguyên Planck chỉ khoảng thời gian
sớm nhất của lịch sử vũ trụ từ lúc 0 cho đến 10-43 giây (bằng một thời gian Planck, tức
khắc ngay sau Vụ Nổ Lớn). Điểm kì dị trước kỷ nguyên Planck gọi là "Vụ Nổ Lớn",
nhưng thuật ngữ cũng có thể nhắc đến thời điểm sớm hơn một chút, khi vũ trụ là điểm
cực nóng và đậm đặc, và có thể xem là "khởi sinh" của Vũ trụ.

Hình minh họa điểm kỳ dị
Dựa trên quan trắc siêu tân tinh loại Ia về sự giãn nở không thời gian, đo lường
về những thăng giáng nhỏ trong bức xạ nền vi sóng và đo về hàm tương quan của các
thiên hà, các nhà vật lý tính được vũ trụ có tuổi 13,772 ± 0,059 tỷ năm. Sự phù hợp về
độ tuổi tính theo ba phương pháp đo lường độc lập này ủng hộ một cách thuyết phục
mơ hình ΛCDM mơ tả chi tiết về thành phần vật chất trong vũ trụ. Tháng 3 năm 2013
dữ liệu mới thu được từ tàu Planck cho kết quả tuổi vũ trụ 13,798 ± 0,037 tỷ năm.

4


Có rất nhiều tính tốn và mơ hình về pha sớm nhất của Vụ Nổ Lớn. Trong
những mơ hình phổ biến nhất vũ trụ ban đầu được choán đầy bởi vật chất, năng lượng
phân bố đồng nhất và đẳng hướng với mật độ năng lượng cực lớn cũng như áp suất và

nhiệt độ rất cao, sau đó điểm kì dị này nhanh chóng giãn nở và lạnh đi. Sự giãn nở là ở
bản chất của không gian giãn nở, chứ không phải là vật chất và năng lượng "nở ra" vào
một khơng gian cố định trước đó. Khoảng xấp xỉ thời điểm 10−36 giây trong giai đoạn
giãn nở, một sự chuyển pha là nguyên nhân gây ra sự giãn nở lạm phát của vũ trụ, khi
thể tích của vũ trụ mở rộng tăng theo hàm mũ diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn
đến thời điểm giữa 10−33 và 10−32 giây. Sự giãn nở này, do Alan Guth đề xuất, nguyên
nhân là do có một "hằng số vũ trụ học" giá trị lớn và dương làm giãn nở không gian,
nhưng sau giai đoạn lạm phát hằng số này lại biến mất. Sau giai đoạn lạm phát, kích
thước vũ trụ đã tăng lên gấp 1030 so với kích thước ban đầu. Khi giai đoạn lạm phát kết
thúc, vũ trụ lúc này chứa pha vật chất plasma quark - gluon, cũng như các hạt cơ bản
khác.
Lý thuyết lạm phát khơng
những giải thích sự đồng nhất và đẳng
hướng của khơng gian mà cịn ở những
thăng giáng nhỏ trong nhiệt độ của
CMB. Nhiệt độ lúc này vẫn rất cao do
vậy chuyển động ngẫu nhiên của các
hạt là chuyển động với vận tốc tương
đối tính, và sự sinh các cặp hạt - phản
hạt liên tục tạo ra và hủy các cặp hạt
này trong các va chạm. Ở một thời điểm chưa được biết chính xác, các nhà vật lý đề
xuất tồn tại một pha gọi là "nguồn gốc phát sinh baryon" (baryongenesis) trong đó các
phản ứng giữa vật chất và phản chất có sự vi phạm định luật bảo tồn số baryon, dẫn
đến sự hình thành một lượng dư thừa rất nhỏ các hạt quark và lepton so với lượng
phản quark và phản lepton với tỷ lệ khoảng một hạt vật chất dư ra trên 30 triệu phản
ứng. Kết quả này dẫn đến sự vượt trội về vật chất so với phản vật chất trong vũ trụ
ngày nay.

5

Vũ trụ tiếp tục giảm nhiệt độ và mật độ, hay động năng của các hạt tiếp tục giảm
(những sự giảm này là do không thời gian tiếp tục giãn nở). Hiện tượng phá vỡ đối
xứng ở giai đoạn chuyển pha đưa đến hình thành riêng rẽ các tương tác cơ bản của vật
lý và những tham số của các hạt sơ cấp mà chúng có như ngày nay. Sau khoảng 10−11
giây, chỉ cịn ít tính chất của tiến trình vụ nổ mang tính ước đốn, do năng lượng của
các hạt giảm xuống giá trị mà các nhà vật lý hạt có thể đánh giá và đo được trong các
thí nghiệm trên máy gia tốc. Đến 10−6 giây, hạt quark và gluon kết hợp lại thành
baryon như proton và neutron. Một lượng dư thừa quark so với phản quark dẫn đến
hình thành lượng baryon vượt trội so với phản baryon. Nhiệt độ lúc này không đủ cao
để phản ứng sinh cặp proton - phản proton xảy ra (và tương tự cho sinh cặp neutron phản neutron), do vậy sự hủy khối lượng ngay lập tức xảy ra để lại đúng 1 hạt trong
1010 hạt proton và neutron, và không hạt nào có phản hạt của chúng. Một q trình
tương tự diễn ra khoảng 1 giây cho cặp hạt electron và positron. Sau quá trình hủy cặp
hạt-phản hạt, vũ trụ chỉ còn lại các proton, neutron và electron và những hạt này khơng
cịn chuyển động với vận tốc tương đối tính nữa và mật độ năng lượng của Vũ trụ chứa
chủ yếu photon (với một lượng nhỏ là đóng góp của neutrino).
Một vài phút sau sự giãn nở, khi nhiệt độ lúc này giảm xuống 1 tỷ (10 9; SI)
kelvin và mật độ tương đương với mật độ khơng khí, lúc này hạt neutron kết hợp với
proton để hình thành lên hạt nhân deuteri và heli trong quá trình gọi là phản ứng tổng
hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn. Hầu hết những proton không tham gia phản ứng kết hợp trở
thành proton tự do và chính là hạt nhân của nguyên tử hiđrô. Vũ trụ tiếp tục lạnh đi,
mật độ năng lượng và khối lượng nghỉ của vật chất trở nên lấn át về lực hấp dẫn so với
bức xạ photon. Sau khoảng 379.000 năm, nhiệt độ vũ trụ lúc này khoảng 3.000 K
electron và hạt nhân bắt đầu kết hợp lại với nhau tạo nên nguyên tử (chủ yếu là hiđrô);
và bức xạ photon không tương tác với electron tự do, nó khơng cịn bị cản trở bởi
plasma và lan truyền tự do trong không gian. Bức xạ tàn dư này chính là bức xạ phơng
vi sóng vũ trụ.

6

Trong thời gian dài, những vùng có mật độ vật chất tập trung hơi lớn hơn so với
sự phân bố đồng đều của vật chất sẽ dần dần tạo ảnh hưởng lực hút hấp dẫn lên vật
chất bên cạnh, và kết quả hình thành những vùng có mật độ tập trung vật chất lớn,
hình thành lên các đám mây khí, sao, thiên hà, và những cấu trúc lớn khác trong vũ trụ
quan sát được ngày nay. Chi tiết về quá trình này phụ thuộc vào lượng và kiểu vật chất
trong vũ trụ. Có bốn loại vật chất mà các nhà vật lý đưa ra là vật chất tối lạnh, vật chất
tối ấm, vật chất tối nóng, và vật chất baryon.
Những số liệu quan sát độc lập từ các vụ nổ siêu tân tinh loại Ia và CMB cho
thấy ngày nay Vũ trụ bị thống trị bởi dạng năng lượng bí ẩn gọi là năng lượng tối, và
dường như chúng thấm vào mọi vùng không thời gian và như một dạng áp suất âm,
đẩy mọi thứ ra xa. Quan sát mới nhất cho kết quả năng lượng tối chiếm 68,3% tổng
mật độ năng lượng trong vũ trụ quan sát được ngày nay. Khi vũ trụ cịn sơ khai, có thể
nó đã chứa năng lượng tối, nhưng do thể tích khơng gian nhỏ hơn và mọi thứ vẫn đang
ở gần nhau, lúc này lực hấp dẫn mạnh hơn và hút vật chất về nhau, và dần dần làm
chậm lại sự giãn nở của không thời gian. Nhưng sau hàng tỷ năm giãn nở, năng lượng
tối lại vượt trội lực hấp dẫn và như miêu tả bởi định luật Hubble nó đang làm sự giãn
nở của không thời gian tăng tốc. Trong mô hình vũ trụ học Lambda - CDM, năng
lượng tối thể hiện ở dạng đơn giản nhất thông qua hằng số vũ trụ học Λ xuất hiện
trong phương trình trường Einstein của thuyết tương đối rộng, nhưng bản chất và cơ
chế hoạt động của hằng số này vẫn còn là câu hỏi lớn, và nói chung, chi tiết của
phương trình trạng thái vũ trụ học và mối liên hệ với Mô hình chuẩn của vật lý hạt vẫn
cịn đang được khảo sát trên lĩnh vực quan sát thực nghiệm và lý thuyết.
Tất cả q trình tiến hóa của vũ trụ sau kỷ ngun lạm phát được mơ hình hóa
và miêu tả bằng tốn học khá phức tạp trong mơ hình ΛCDM của vũ trụ học, dựa trên
hai khuôn khổ lý thuyết đó là cơ học lượng tử và thuyết tương đối tổng quát của Albert
Einstein. Như chú ý ở trên, chưa có mơ hình lý thuyết nào miêu tả được đặc điểm vũ
trụ trước đó 10−15 giây khi hình thành. Các nhà vật lý cần lý thuyết hấp dẫn lượng tử
thống nhất hai khn khổ lý thuyết hiện đại để có thể vượt qua trở ngại này. Hiểu được
giai đoạn sớm nhất trong lịch sử vũ trụ hiện tại là một trong những vấn đề lớn nhất

chưa giải quyết được của vật lý học.

7


Tóm tắt tiến trình hình thành vũ trụ

2. Các tiên đề cơ sở:
Lý thuyết Vụ Nổ Lớn có hai tiên đề cơ sở: tính phổ quát của các định luật vật lý
và nguyên lý vũ trụ học. Nguyên lý vũ trụ học phát biểu rằng trên cấp vĩ mô Vũ trụ là
đồng nhất và đẳng hướng.
Những ý tưởng này ban đầu chỉ là giả thuyết, nhưng ngày nay các nhà vật lý
đang có nỗ lực nhằm kiểm nghiệm hai tiên đề này. Ví dụ, họ kiểm tra giả thuyết về
tính phổ quát của vũ trụ bằng cách nghiên cứu xem hằng số cấu trúc tinh tế có thay đổi
theo tuổi của vũ trụ với độ chính xác 10−5 hoặc tỉ số khối lượng proton trên electron có
thay đổi ở những nơi khác trong vũ trụ hay không. Hơn nữa, thuyết tương đối tổng
quát đã trải qua những thí nghiệm kiểm tra rất chặt chẽ trong phạm vi Hệ Mặt Trời
cũng như ở các sao xung hay lỗ đen.

Vũ trụ nhìn gần như đồng nhất và đẳng hướng

8


3. Metric FLRW:
Thuyết tương đối rộng miêu tả không thời gian bằng tenxơ mêtric, cho phép xác
định khoảng cách, thời gian giữa hai điểm trong không thời gian. Những điểm này,
tương ứng là các ngôi sao, thiên hà hoặc những thiên thể khác, được gắn bởi một tọa
độ trong hệ tọa độ không thời gian. Nguyên lý vũ trụ học cho kết quả là mêtric sẽ đồng
nhất và đẳng hướng trên thang vĩ mô, và mêtric này được miêu tả duy nhất bằng

mêtric Friedmann – Lemtre – Robertson – Walker (mêtric FLRW). Trong mêtric
chứa một hệ số tỷ lệ (scale factor) a(t) miêu tả sự biến đổi kích thước khơng gian theo
thời gian. Sự biến đổi này cho phép các nhà vật lý lựa chọn một hệ tọa độ phù hợp gọi
là tọa độ đồng chuyển động. Trong hệ tọa độ này, các trục tọa độ không gian giãn nở
cùng với Vũ trụ, mà mọi thiên thể như đang chuyển động do sự giãn nở của khơng
gian nhưng vẫn có giá trị cố định theo các trục tọa độ. Như vậy khơng gian vũ trụ có
tính động lực, nó giãn nở hay co lại (chứ không phải các thiên hà đang lùi ra xa trong
một không gian bất biến). Trong khi khoảng cách biểu diễn trong hệ tọa độ đồng
chuyển động là khơng đổi giữa hai thiên hà, thì khoảng cách vật lý thực tế giữa chúng
lại giãn nở tăng lên tỷ lệ với hệ số a(t) trong Vũ trụ.
Vụ Nổ Lớn không phải là hiện tượng nổ vật chất bắn ra xa và lấp đầy khơng
gian trống rỗng có từ trước. Thay vì vậy, khơng gian tự nó giãn nở ở khắp nơi theo
thời gian và khoảng cách vật lý thực tăng lên giữa hai điểm đồng chuyển động. Bởi vì
mêtric FLRW dựa trên sự phân bố đồng đều của vật chất và năng lượng, nó chỉ áp
dụng cho Vũ trụ trên khoảng cách vĩ mô (trên 100 Mpc) sự tập trung cục bộ của vật
chất như hệ hành tinh, thiên hà thậm chí nhóm thiên hà liên kết bởi trường hấp dẫn
không bị ảnh hưởng bởi sự giãn nở trên khoảng cách lớn của không gian. Các thiên hà
gần tiến về nhau hoặc lùi ra xa chủ yếu là do tương tác hấp dẫn giữa chúng, và hầu
như không bị ảnh hưởng bởi hằng số vũ trụ học.

9


4. Chân trời vũ trụ:
Chân trời vũ trụ học là ranh giới tới hạn trong vũ trụ mà sau nó, về ngun tắc
thì khơng có bất cứ một thiên thể nào có thể quan sát được, do vận tốc có giới hạn của
ánh sáng và sự giãn nở vũ trụ từ điểm kỳ dị ban đầu.
Chân trời vũ trụ nằm ở khoảng cách, mà từ đó ánh sáng cần một khoảng thời
gian để đến được người quan sát đúng bằng tuổi của vũ trụ, ứng với thời gian từ lúc vũ
trụ bắt đầu giãn nở. Khi đó chuyển dịch đỏ z của vật thể có giá trị vơ cùng lớn.

Một đặc điểm quan trọng của không thời gian Vụ Nổ Lớn đó là sự có mặt của
chân trời. Do Vũ trụ chỉ có tuổi hữu hạn, và ánh sáng có tốc độ hữu hạn, có những sự
kiện trong quá khứ mà ánh sáng không đủ thời gian để đến được chúng ta. Điều này
đặt ra giới hạn hoặc có một chân trời quá khứ về những thiên thể ở xa nhất mà có thể
quan sát được. Ngược lại, bởi vì không gian đang giãn nở, các vật thể càng ở xa thì lùi
càng xa hơn, và ánh sáng phát ra từ hành tinh chúng ta có thể khơng bao giờ "đến
được" những vật thể ở rất xa này.
Đây là định nghĩa cho chân trời tương lai, nó đặt ra giới hạn cho những sự kiện
trong tương lai mà chúng ta có thể ảnh hưởng đến được. Ảnh hưởng cụ thể của từng
loại chân trời phụ thuộc chi tiết vào mêtric FLRW miêu tả Vũ trụ của chúng ta. Sự
hiểu biết của chúng ta về Vũ trụ quay ngược lại thời gian sơ khai gợi ra có một chân
trời quá khứ, mặc dù trong thiên văn khả năng quan sát của chúng ta còn bị giới hạn
bởi độ mờ đục do vật chất q đậm đặc lúc Vũ trụ cịn trẻ.
Vì vậy chúng ta khơng thể nhìn xa hơn về q khứ, cũng như chân trời này lùi
ra xa trong không gian. Nếu sự giãn nở của không gian Vũ trụ tiếp tục gia tốc, sẽ có
một chân trời tương lai.

10


II. Lịch sử phát triển của vũ trụ:
Mơ hình Vụ Nổ Lớn phát triển từ những quan sát về cấu trúc của Vũ trụ và từ
phương diện lý thuyết. Năm 1912 Vesto Slipher đo dịch chuyển Doppler của "tinh vân
xoắn ốc" (lúc này ít ai biết tinh vân xoắn ốc là các thiên hà), và ông sớm phát hiện ra
đa số các tinh vân này đang lùi ra xa Trái Đất. Nhưng ông không nhận ra ý nghĩa vũ
trụ của phát hiện này, bởi vì trong thời gian này có tranh cãi lớn xung quanh những
tinh vân này có hay khơng là những "hịn đảo vũ trụ" bên ngồi Ngân Hà. Cuối năm
1915, Albert Einsein hoàn thiện thuyết tương đối rộng, và năm 1917 ơng áp dụng lý
thuyết của mình cho tồn thể vũ trụ. Tuy nhiên các phương trình của ơng tiên đốn vũ
trụ có thể co lại bởi trường hấp dẫn hút vật chất về nhau. Để cho vũ trụ tĩnh tại như

mọi người đương thời cũng như ông từng nghĩ, ông đã đưa thêm hằng số vũ trụ học có
ý nghĩa như một lực đẩy nhằm cân bằng với lực hấp dẫn vào các phương trình của
mình. Năm 1922, Alexander Friedmann, nhà toán học và vũ trụ học người Nga đã suy
luận ra phương trình Friedmann từ phương trình trường Einstein, và phát hiện ra vũ trụ
đang giãn nở mà không cần một hằng số vũ trụ học như Einstein đã nêu ra. Năm 1924
những đo lường của nhà thiên văn học người Mỹ Edwin Hubble đối với khoảng cách
đến những tinh vân mà ơng có thể quan sát ở thời đó chỉ ra rằng, quả thực những tinh
vân xoắn ốc này là các thiên hà. Cũng trong năm 1924 Carl Wilhelm Wirtz, và năm
1925 Knut Lundmark, hai người đã nhận ra các tinh vân ở xa hơn thì lùi ra xa nhanh
hơn so với các tinh vân ở gần. Georges Lemtre và Einstein sau khi thuyết trình về
nguồn gốc vũ trụ, đây là một lý thuyết khoa học về cách vũ trụ bắt đầu, mà đã tiếp tục
tạo ra các ngôi sao và các thiên hà ngày nay. Lemaitre qua đời vào ngày 20 tháng 6
năm 1966, ngay sau khi biết được phát hiện bức xạ nền vi sóng vũ trụ.
Điều này cung cấp thêm bằng chứng cho lý thuyết của ông về sự ra đời của vũ
trụ. Công việc của Lemaitre đã được công nhận rộng rãi trên tồn thế giới, và có ảnh
hưởng to lớn cho đến ngày nay. Năm 1931, Lemtre đề xuất về manh mối cho sự giãn
nở của Vũ trụ, nếu chúng ta đi ngược lại thời gian, vào thời điểm càng xa trong quá
khứ thì vũ trụ càng nhỏ hơn, cho đến một thời điểm hữu hạn ở quá khứ, mọi khối
lượng và năng lượng của Vũ trụ tập trung lại tại một điểm, gọi là "nguyên tử nguyên
thủy", nơi bắt đầu hình thành lên cấu trúc khơng thời gian.

11


Bắt đầu từ năm 1924, Hubble nỗ lực phát triển phương pháp đo khoảng cách
đến những thiên hà xa, dựa trên sự biến đổi độ sáng của các sao Cepheid - một ngọn
nến chuẩn để đo khoảng cách đến các thiên hà cho các nhà thiên văn - bằng sử dụng
kính thiên văn mới lắp đặt Hooker đường kính 2.500 mm tại đài quan sát núi Wilson.
Nhờ kính mới mà ơng đã có thể ước tính được khoảng cách đến những thiên hà
có độ dịch chuyển đỏ đã được đo trước đó bởi Slipher. Năm 1929 Hubble phát hiện ra

tương quan giữa khoảng cách và vận tốc lùi xa của thiên hà mà ngày nay gọi là định
luật Hubble. Lemtre cũng đã từng đoán ra định luật này dựa trên nguyên lý vũ trụ
học và phương trình Friedmann. Sau tất cả những khám phá trên, Einstein đã từ bỏ
hằng số vũ trụ học và gọi đây là sai lầm lớn nhất của ơng. Vì ơng nhận ra là đã dựa
trên niềm tin có từ lâu về vũ trụ tĩnh tại, mà thực tế mơ hình này chưa hề được kiểm
chứng do trước đây chỉ là niềm tin từ các nhà triết học cũng như cộng đồng khoa học.
Trong các thập niên 1920 và 1930 đa số các nhà vũ trụ học ủng hộ cho mơ hình
"Trạng thái dừng", một Vũ trụ tĩnh tại và vĩnh hằng. Một số người còn cho rằng khái
niệm về sự khởi đầu của thời gian từ Vụ Nổ Lớn là mang vai trị của tơn giáo vào
trong vật lý; những chống đối này sau này còn được những người ủng hộ thuyết Trạng
thái dừng lặp lại. Sự nhận thức của họ còn được củng cố bởi vì nhà sáng lập thuyết Big
Bang, Monsignor Georges Lemtre, là một thầy tu Công giáo La Mã. Arthur
Eddington ủng hộ quan điểm của Aristotle khi cho rằng vũ trụ khơng có sự khởi đầu
của thời gian, hay vật chất là tồn tại vĩnh hằng. Sự khởi đầu thời gian là điều "không
thể chấp nhận" đối với ông. Tuy thế, Lemtre đã viết:

“Nếu thế giới bắt đầu từ một điểm lượng tử, những khái niệm không gian và
thời gian sẽ khơng có bất cứ một ý nghĩa gì tại thời điểm khởi đầu; nó chỉ bắt đầu có
một ý nghĩa nhận thức được khi lượng tử ban đầu đã phân chia thành đủ một số lượng
tử. Nếu đề xuất này là đúng, sự khởi nguyên của thế giới có thể cịn hơi sớm hơn sự
khởi đầu của khơng gian và thời gian.”

12


Trong thập niên 1930 những ý tưởng khác cũng đã được đề xuất như những mơ
hình vũ trụ học khơng tiêu chuẩn nhằm giải thích các kết quả quan sát của Hubble, bao
gồm "mơ hình Milne"; "Vũ trụ dao động", một vũ trụ nở ra rồi co lại trở về điểm kì dị
ban đầu (do Friedmann đề xuất đầu tiên, với Albert Einstein và Richard Tolman là
những người ủng hộ); và giả thiết về "sự mỏi" ánh sáng của Fritz Zwicky.

Sau chiến tranh thế giới lần thứ II, hai mô hình nổi bật cịn đứng vững. Một là
mơ hình "Trạng thái dừng" của Fred Hoyle, với đề xuất khả năng vật chất được sinh ra
khi vũ trụ giãn nở. Trong mơ hình này vũ trụ gần như nhau tại mọi điểm trong thời
gian. Mơ hình kia là mơ hình Vụ Nổ Lớn do Lemtre khởi xướng, và George Gamow
là người ủng hộ và phát triển lý thuyết với khái niệm tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn
(BBN), một khái niệm ông nêu ra khi nghiên cứu quá trình và nguồn gốc sinh ra các
nguyên tố nhẹ nhất. Những người khác như Ralph Alpher và Robert Herman cũng ủng
hộ lý thuyết và tiên đoán sự tồn tại của bức xạ nền vi sóng (CMB). Và kỳ quặc là
chính Hoyle đã nêu ra tên gọi Big Bang cho lý thuyết của Lemtre trong chương trình
radio của BBC vào tháng 3 năm 1949. Trong một thời gian, số lượng người ủng hộ
cho hai lý thuyết là gần bằng nhau. Cuối cùng, những quan sát thiên văn, chủ yếu từ
các nguồn vô tuyến, bắt đầu ủng hộ Vụ Nổ Lớn và đánh bại Thuyết trạng thái dừng. Sự
phát hiện và xác nhận tính chất của bức xạ nền vi sóng vũ trụ vào năm 1964 mang lại
thắng lợi cho Vụ Nổ Lớn và lý thuyết trở thành mơ hình phù hợp nhất cho nguồn gốc
và sự tiến hóa của Vũ trụ. Những nghiên cứu hiện nay trong vũ trụ học bao gồm sự
hình thành sao và thiên hà sau Vụ Nổ Lớn, quan sát và đo lường chính xác hơn bức xạ
phơng vi sóng cũng như tốc độ giãn nở của vũ trụ, kiểm nghiệm cơ sở của Nguyên lý
vũ trụ học. Về phương diện lý thuyết là tìm hiểu điểm kì dị tại Vụ Nổ Lớn cũng như về
một lý thuyết hấp dẫn lượng tử và tương lai tối hậu của vũ trụ.
Giữa thập niên 1990, khi các nhà thiên văn quan sát những cụm sao cầu họ thấy
dường như có gì đó mâu thuẫn với lý thuyết Vụ Nổ Lớn. Các mô phỏng máy tính mà
cho kết quả khớp với thực nghiệm về phân loại sao trong cụm sao cầu gợi ra rằng tuổi
của chúng vào khoảng 15 tỷ năm, lớn hơn tưổi của Vũ trụ là 13.8 tỷ năm.

13


Vấn đề này ngay sau đó được giải quyết khi vào cuối thập niên 1990 những mơ
phỏng siêu máy tính mới về hiệu ứng mất khối lượng trong gió sao cho kết quả tuổi
của cụm sao cầu giảm đi. Vẫn còn những câu hỏi liên quan đến tuổi của các cụm sao

cầu được đo chính xác đến mức nào, nhưng rõ ràng rằng quan sát về tuổi cụm sao cầu
không thể cho giá trị mâu thuẫn với mơ hình Vụ Nổ Lớn.
Những tiến bộ quan trọng trong vũ trụ học Vụ Nổ Lớn đã diễn ra từ cuối thập
niên 1990 nhờ sự phát triển của công nghệ cũng như hiệu quả trong xử lý dữ liệu từ
những dự án khảo sát như COBE, kính thiên văn khơng gian Hubble, WMAP và tàu
Planck Các nhà vũ trụ học hiện nay đã có những dữ liệu chính xác về các tham số của
mơ hình Vụ Nổ Lớn, và bất ngờ đã phát hiện ra sự giãn nở đang tăng tốc của không
gian vũ trụ.

III. Bằng chứng thực nghiệm:
1. Định luật Bubble và sự giãn nở không gian:
Định luật Hubble là việc quan sát trong vũ trụ học vật lý rằng:
 Đối tượng quan sát được trong vũ trụ ngoài Ngân Hà - liên thiên hà, 10 Mega
parsec (Mpc) trở lên - có một dịch chuyển đỏ, hiểu như là một vận tốc tương đối di
chuyển ra xa khỏi Trái Đất.
 Sự dịch chuyển Doppler này - vận tốc được bảo đảm của các thiên hà khác nhau
rút ra từ Trái Đất tỷ lệ thuận với khoảng cách của chúng so với Trái Đất đối với các
thiên hà cách xa vài trăm megaparsec.
Định luật của Hubble được coi là cơ sở quan sát đầu tiên cho sự mở rộng của vũ
trụ và ngày nay đóng vai trị là một trong những bằng chứng thường được trích dẫn
nhất để hỗ trợ cho mơ hình Big Bang. Chuyển động của các vật thể thiên văn chỉ do sự
giãn nở này được gọi là dòng chảy Hubble. Định luật này được diễn tả bằng phương
trình:

14


v = H0D
trong đó:
 v vận tốc lùi ra xa của thiên hà hoặc những thiên thể ở xa,

 D là khoảng cách đồng chuyển động đến chúng
 H0 là hằng số Hubble, mà giá trị hiện tại vào khoảng 67.15 +1,3−1,4 km/s/Mpc từ
tàu WMAP
Mêtric giãn nở của không gian là hệ quả trực tiếp từ bằng chứng thực nghiệm
về nguyên lý vũ trụ học và cụ thể hơn nguyên lý Copernicus, mà cùng với định luật
Hubble thì khơng có một cách giải thích nào khác cho sự giãn nở này. Kết quả khảo
sát về bức xạ phơng vi sóng vũ trụ trên động lực của các hệ thiên thể là một bằng
chứng thuyết phục khác cho nguyên lý Copernicus, rằng trên cấp vĩ mô của vũ trụ,
Trái Đất không phải là trung tâm của vũ trụ. Các nhà khoa học đã chứng minh bức xạ
phát ra từ Vụ Nổ Lớn phải ấm hơn tại những thời điểm sớm hơn trong lịch sử vũ trụ.
Sự lạnh đi đồng đều của CMB trên hàng tỷ năm chỉ có thể giải thích được nếu Vũ trụ
trải qua sự giãn nở không gian, và ngoại trừ khả năng chúng ta ở một trung tâm đặc
biệt nào đó của vụ nổ.

Sự giãn nở khơng gian

15


2. Bức xạ phơng vi sóng vũ trụ:
Năm 1964, hai nhà vô tuyến học Arno Penzias và Robert Wilson phát hiện ra
bức xạ phơng vi sóng vũ trụ CMB, một tín hiệu thuộc bước sóng vi ba đến từ mọi
hướng trong không gian. Việc phát hiện này mang lại chứng cứ thực nghiệm quan
trọng xác nhận những tiên đoán tổng quát về: bức xạ được đo với tính chất phù hợp
hoàn hảo với phổ bức xạ vật đen trong mọi hướng; phổ này cũng bị dịch chuyển đỏ bởi
sự giãn nở của không gian vũ trụ, với giá trị nhiệt độ ngày nay đo được xấp xỉ 2,725
K. Sự đồng đều tinh tế này là kết quả ủng hộ cho mơ hình Vụ Nổ Lớn.

Bức xạ phơng vi sóng vũ trụ
Năm 1989 NASA phóng tàu "Cosmic Background Explorer satellite" (COBE).

Nhiệm vụ của nó là tìm bằng chứng thực nghiệm cho các đặc điểm của CMB, nó đã đo
được bức xạ tàn dư đồng đều theo mọi hướng với nhiệt độ 2,726 K (những khảo sát
gần đây mang lại kết quả chính xác hơn là 2,725 K) và lần đầu tiên con tàu đã phát
hiện ra sự thăng giáng nhỏ (phi đẳng hướng) trong CMB, với độ chính xác 1 trên 10 5.
Trong thí nghiệm năm 2000–2001, dự án thực nghiệm BOOMERANG đã tìm thấy
hình dạng của Vũ trụ hầu như là không gian phẳng dựa trên kết quả đo độ phân giải
góc điển hình (đường kính góc trên bầu trời) về tính phi đẳng hướng.

16


Sự phát triển của khoa học trong lĩnh vực bức xạ phơng vi sóng vũ trụ
Đầu năm 2003, các nhà khoa học NASA công bố kết quả khảo sát đầu tiên từ
tàu WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), mang lại dữ liệu thực nghiệm
chính xác hơn trước về các tham số trong mơ hình chuẩn của Vũ trụ học, bác bỏ nhiều
tham số khác nhau tương ứng với một vài mô hình lạm phát cụ thể, nhưng nói chung
đề phù hợp với những đặc điểm khái qt của mơ hình lạm phát. Tàu Planck phóng lên
từ tháng 5 năm 2009. Tháng 3 năm 2013 các nhà khoa học ESA cho công bố dữ liệu từ
Planck với độ chính xác cao hơn WMAP và cho thấy Vũ trụ hầu như đồng nhất và
đẳng hướng trên độ phân giải góc nhỏ. Đối với độ phân giải góc lớn hơn, họ phát hiện
thấy có sự phi đẳng hướng nhỏ trên 2 cực của bầu trời và đang nỗ lực giải thích kết
quả này trên lý thuyết. Nhiều khảo sát trên mặt đất và bằng bóng thám khơng khác
cũng đang được thực hiện trên khắp thế giới.

3. Sự hình thành các nguyên tố cơ bản:
Khoảng 73% khối lượng của vũ trụ nhìn thấy được ở dạng hydro. Helium chiếm
khoảng 25% khối lượng và mọi thứ khác chỉ chiếm 2%. Các nguyên tố hydro và
helium được tạo ra cùng lúc với sự ra đời của chính vũ trụ. Thời gian biểu của sự hình
thành và phát triển của vũ trụ mô tả lịch sử vũ trụ và tương lai của vũ trụ theo thuyết
Big Bang (Vụ Nổ lớn). Người ta ước tính q trình mở rộng metric của không gian đã

khơi mào từ 13,8 tỷ năm trước.

17


Thời gian xuất hiện từ thời khắc Big Bang xảy ra được gọi là thời gian vũ trụ.
Như vậy, thuyết Big Bang là lý thuyết duy nhất cho tới nay có khả năng giải thích cho
tỷ lệ có mặt của các nguyên tố nhẹ từ thời điểm sơ khai. Và các nhà lý thuyết chỉ ra
không thể điều chỉnh các tham số cho Vụ Nổ Lớn nhằm tạo ra lượng heli nhiều hay ít
hơn 20–30%.
Quả thực khơng thể có một lý do thích đáng nào ngồi mơ hình Vụ Nổ Lớn, ví
dụ, lúc Vũ trụ cịn sơ khai (trước khi các ngơi sao hình thành, như giả sử các ngun tố
nhẹ được sinh ra bởi các phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lịng ngơi sao) mà có nhiều
heli hơn deuteri hoặc lượng deuteri hơn 3He, và theo một hằng số duy nhất.

Nguyên tố hydro

Nguyên tố helium

4. Các đám mây nguyên thủy:
Năm 2011 các nhà thiên văn học tìm thấy chứng cứ mà họ tin rằng đây là những
đám mây khí nguyên sơ của vũ trụ nguyên thủy, bằng phân tích vạch hấp thụ trong
phổ của các quasar ở xa. Trước khi có khám phá này, mọi thiên thể khác được quan sát
đều chứa những nguyên tố nặng hình thành trong lịng các ngơi sao. Tuy nhiên, hai
đám mây khí nguyên thủy chỉ chứa các nguyên tố hiđrô và deuteri. Do các đám mây
nguyên thủy này không chứa các nguyên tố nặng nào, dường như chúng hình thành từ
những phút đầu tiên sau Vụ Nổ Lớn, trong giai đoạn tổng hợp hạt nhân Big Bang.
Thành phần của chúng phù hợp với thành phần theo tiên đoán của lý thuyết Vụ Nổ
Lớn. Kết quả quan sát này cung cấp chứng cứ trực tiếp về những chu kỳ này của vũ trụ
trước khi hình thành lên những ngơi sao đầu tiên, khi hầu hết vật chất sơ khai trong vũ

trụ nguyên thủy tồn tại trong những đám mây hiđrơ trung hịa.
18


5. Sự phân bố và tiến hóa của các thiên hà:
Dựa trên những quan sát chi tiết về hình thái của các thiên hà và cấu trúc lớn
trên Vũ trụ về sự phân bố thiên hà và quasar đều cho kết quả khớp với lý thuyết hiện
tại về Vụ Nổ Lớn. Bằng cách kết hợp mơ hình với dữ liệu thực nghiệm cho thấy những
quasar và thiên hà đầu tiên hình thành khoảng 1 tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn, và từ đó hình
thành lên những cấu trúc lớn cấp vũ trụ, như các đám thiên hà, siêu đám thiên hà hay
sợi vũ trụ (cosmic filament) và khoảng trống (void). Những ngơi sao hình thành đầu
tiên và tiến hóa trong các thiên hà sớm này (thiên hà hình thành lúc vũ trụ sơ khai)
hiện lên rất khác với những ngôi sao trong những thiên hà gần ngày nay (thiên hà trẻ),
ví dụ như về độ kim loại trong thành phần ngơi sao. Thậm chí, hình thái các thiên hà
trẻ thuở vũ trụ sơ khai (ở khoảng cách rất lớn) cũng khác so với các thiên hà mới hình
thành nhưng ở gần Ngân Hà hơn. Những kết quả này tương phản hồn tồn với mơ
hình trạng thái dừng. Theo dõi tiến trình hình thành các ngơi sao, sự phân bố thiên hà
và quasar và những cấu trúc lớn hơn, tất cả đều phù hợp tốt với những mô phỏng trên
siêu máy tính về sự hình thành và tiến hóa của vũ trụ dựa theo mơ hình Vụ Nổ Lớn,
đồng thời cũng giúp các nhà vũ trụ học hồn thiện hơn mơ hình lý thuyết của họ.

Hình ảnh thiên hà

19


6. Những loại chứng cứ khác:
Tuổi của Vũ trụ ước tính từ định luật giãn nở khơng gian Hubble và độc lập từ
bức xạ phơng vi sóng CMB đều khớp khá tốt với tuổi của những ngôi sao già nhất, khi
được đo bằng cách áp dụng lý thuyết về sự tiến hóa sao trong cụm sao cầu và thơng

qua phương pháp định tuổi bằng đồng vị phóng xạ của từng sao nhóm II.
Mơ hình chuẩn của vũ trụ học tiên đoán nhiệt độ trong CMB cao hơn trong quá
khứ cũng được ủng hộ bởi kết quả thực nghiệm quan sát những vạch hấp thụ nhiệt độ
cực thấp trong các đám mây khí ở rất xa có dịch chuyển đỏ lớn. Tiên đoán này cũng
thể hiện trong biên độ của hiệu ứng Sunyaev–Zel'dovich tại các cụm thiên hà mà biên
độ này không phụ thuộc trực tiếp vào dịch chuyển đỏ. Khảo sát cũng đã xác nhận hiệu
ứng này ở giá trị thơ, bởi vì hiệu ứng này phụ thuộc vào cấu trúc phân bố của các đám
thiên hà thay đổi theo thời gian (các thiên hà có động lực chuyển động), khiến cho kết
quả đo khó chính xác.

IV. Liên hệ những vấn đề trong vật lí:
1. Bất đối xứng Baryon:
Trong vũ trụ học vật lý, vấn đề baryon không đối xứng, còn được gọi là vấn đề
bất đối xứng vật chất hoặc vấn đề vật chất – phản vật chất, là sự mất cân bằng quan sát
được trong vật chất baryonic (loại vật chất trải qua trong cuộc sống hàng ngày) và vật
chất kháng thể trong vũ trụ quan sát. Cả mơ hình chuẩn của vật lý hạt, hay lý thuyết về
thuyết tương đối rộng đều không đưa ra lời giải thích đã biết cho lý do tại sao lại như
vậy, và đó là một giả định tự nhiên rằng vũ trụ là trung lập với tất cả điện tích được
bảo toàn. Big Bang lẽ ra phải tạo ra một lượng bằng nhau của vật chất và phản vật
chất. Vì điều này dường như không đúng với trường hợp này, nên có khả năng một số
định luật vật lý đã hoạt động khác hoặc không tồn tại đối với vật chất và phản vật
chất.
Một số giả thuyết cạnh tranh tồn tại để giải thích sự mất cân bằng của vật chất và
phản vật chất dẫn đến sự hình thành sinh vật. Tuy nhiên, vẫn chưa có lý thuyết đồng
thuận nào để giải thích hiện tượng này. Như đã nhận xét trong một bài báo nghiên cứu
năm 2012: "Nguồn gốc của vật chất vẫn là một trong những bí ẩn lớn trong vật lý”.

20

2. Năng lượng tối:
Trong vũ trụ học vật lý và thiên văn học, năng lượng tối là một dạng năng
lượng chưa biết rõ chiếm phần lớn vũ trụ và có khuynh hướng tăng tốc độ giãn nở của
vũ trụ. Năng lượng tối là thuyết được chấp nhận nhiều nhất kể từ những năm 1990, chỉ
ra rằng vũ trụ đang giãn nở với vận tốc tăng dần. Theo Đội nghiên cứu Planck và dựa
vào mơ hình tiêu chuẩn của Vũ trụ học, tỷ lệ tương đối của vật chất và năng lượng, thì
vũ trụ nhìn thấy được có chứa 26.8% vật chất tối, 63.8% năng lượng tối (tổng là
95.1%) với vật chất thường chỉ chiếm 4.9%. Một lần nữa, theo tỷ lệ tương đối vật chất
và năng lượng, tỉ trọng của năng lượng tối (6.91 x 10-27 kg/m3) là rất thấp, còn thấp
hơn cả tỉ trọng của vật chất thường và vật chất tối trong các thiên hà. Mặc dù thế, nó
lại thống trị vật chất-năng lượng của Vũ trụ vì được dàn trải khắp không gian.
Hai trạng thái của năng lượng tối được đề xuất là hằng số vũ trụ, một tỉ trọng
năng lượng không đổi lấp đầy không gian một cách đồng nhất, và trường vô hướng
như đệ ngũ ngun tố hay mơ đun, một số trong đó tỉ trọng năng lượng có thể thay đổi
trong khơng và thời gian. Các đóng góp liên tục từ các trường vơ hướng thường cũng
được bao gồm trong hằng số vũ trụ. Hằng số vũ trụ có thể được lập để tương đương
với năng lượng chân không. Các trường vô hướng không thay đổi trong khơng gian có
thể rất khó để phân biệt từ một hằng số vũ trụ vì thay đổi có thể cực kỳ nhỏ.
Các tính tốn chính xác cao về sự giãn nở của vũ trụ là bắt buộc để có thể hiểu
được như thế nào mà tỷ lệ giãn nở thay đổi theo thời gian và không gian. Trong
Thuyết tương đối, sự phát triển của tỷ lệ giãn nở được tham số hóa bởi phương trình
trạng thái của vũ trụ (mối quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất, và tổng tỉ trọng của vật chất,
năng lượng và năng lượng chân không cho bất kỳ khu vực nào của khơng gian). Tính
được phương trình trạng thái của vũ trụ là một trong những cốgắng lớn nhất trong
quan sát vũ trụ vào hiện tại.
Thêm hằng số vũ trụ vào thước đo FLRW chuẩn dẫn đến mơ hình LambdaCDM, được biết đến với tên gọi "mơ hình tiêu chuẩn" của Vũ trụ học do nó có độ
chính xác và trùng hợp với các quan sát đã được thực hiện. Năng lượng tối đã được sử
dụng như là một thành phần tối quan trọng trong một cố gắng gần đây để lập ra một
mơ hình vịng trịn cho Vũ trụ.

21


Năng lượng tối

3. Vật chất tối:
Trong vật lý thiên văn, thuật ngữ vật chất tối chỉ đến một loại vật chất giả
thuyết trong vũ trụ, có thành phần chưa hiểu được. Vật chất tối không phát ra hay
phản chiếu đủ bức xạ điện từ để có thể quan sát được bằng kính thiên văn hay các thiết
bị đo đạc hiện nay, nhưng có thể nhận ra nó vì những ảnh hưởng hấp dẫn của nó đối
với chất rắn và các vật thể khác cũng như với toàn thể vũ trụ. Dựa trên hiểu biết hiện
nay về những cấu trúc lớn hơn thiên hà, cũng như các lý thuyết được chấp nhận
rộng rãi về Vụ Nổ Lớn, các nhà khoa học nghĩ rằng vật chất tối là thành phần cơ bản
chiếm tới 70% vật chất (vật chất tối + vật chất thường) trong vũ trụ.

Biểu đồ thể hiện sự phân bố vật chất trong vũ trụ

22


V. Những quan niệm sai về thuyết Vụ Nổ Lớn:
Một trong những quan niệm sai của con người về mô hình Big Bang đó là họ
nghĩ là điều này sẽ giải thích tồn bộ nguồn gốc của vũ trụ, nhưng thực chất mơ hình
này khơng thể mơ tả mức năng lượng, thời gian và không gian đã được tạo ra, mà đúng
hơn là nó mơ tả sự xuất hiện của vũ trụ hiện nay từ trạng thái siêu đặc và có lượng
nhiệt cao. Rất dễ bị hiểu nhầm khi mường tượng Vụ Nổ Lớn bằng cách so sánh nó với
các thiên hà ở thời điểm hiện tại. Khi nói đến kích thước cảu Big Bang, nó sẽ tương
đương một thiên hà có độ lớn đáng kể chứ khơng phải so với tồn bộ vũ trụ.
Định luật Hubble tiên đốn rằng thiên hà dưới “khoảng cách Hubble” sẽ chuyển
động nhanh hơn cả vận tốc ánh sáng cả tốc độ ánh sáng, nhưng thuyết tương đối không

thể áp dụng đối với các chuyển động xuyên qua vũ trụ. Định luật Hubble mô tả vận tốc
dựa trên sự giãn nở của vũ trụ hơn là đi xuyên qua nó.
Các nhà thiên văn học hay cho rằng sự dịch chuyển đỏ như sự dịch chuyển
Doppler và điều này dẫn đến sự hiểu nhầm. Dù có sự tương đồng nhưng sự dịch
chuyển đỏ hồn tồn khơng giống sự dịch chuyển Doppler vì mọi nguồn gốc cơ bản
của sự dịch chuyển Doppler không dẫn đến sự giãn nở của vũ trụ. Nguồn gốc thật sự
của sự dịch chuyển đỏ cần áp dụng thuyết tương đối, trong khi đó sự nghiên cứu với
những luận cứ về ảnh hưởng Doppler đưa ra kết quả giống nhau đối với các thiên hà
gần bên.

VI. Tương lai của thuyết vụ nổ lớn:
Trước khi phát hiện ra có tồn tại dạng năng lượng là năng lượng tối, các nhà Vũ
trụ học đưa ra hai trường hợp cho tương lai của Vũ trụ. Trường hợp 1: nếu mật độ khối
lượng của Vũ trụ lớn hơn mật độ giới hạn. Khi Vũ trụ đạt thể tích cực đại sẽ bắt đầu co
sụp lại. Nó sẽ bắt đầu nóng hơn và đậm đặc hơn, đến giai đoạn cực nóng và đặc và bắt
đầu giãn nở nhanh chóng, trạng thái tương tự như thời điểm bắt đầu. Trường hợp 2:
nếu mật độ khối lượng Vũ trụ bằng hoặc nhỏ hơn mật độ giới hạn, sự giãn nở không
gian Vũ trụ sẽ chậm dần nhưng không bao giờ dừng lại. Các đám mây phân tử sẽ dần
bị tiêu thụ hết nhiên liệu (bởi quá trình hình thành sao, hoặc trở nên loãng dưới sự giãn
nở của Vũ trụ) trở thành sao neutron và lỗ đen.

23