Bản giao hưởng giữa thực nghiệm và lý thuyết
Từ sự gợi ý của những kết quả mà Edwin Hubble khám phá về sự tản xa của các thiên hà cách đây gần một thế kỷ đã đưa các nhà khoa học xây dựng nên thuyết “Vụ nổ lớn” - Big Bang - khi chúng ta ngoại suy về quá khứ từ quan sát thực tại. Đó là ý tưởng táo bạo và là thành quả nhảy vọt của ngành vũ trụ học hiện đại. Tuy nhiên, phát hiện các thiên hà đang rời xa không phải là bằng chứng duy nhất ủng hộ thuyết “Vụ nổ lớn”.
Cấu trúc của vũ trụ với các siêu đám thiên hà, hố lớn nhìn giống miếng bọt biển
Năm 1964, hai nhà thiên văn vô tuyến người Mỹ là Arno Penzias và Robert Wilson (làm việc tại phòng thí nghiệm Bell ở Holmdel, New Jersey) trong khi đang thử nghiệm sự hoạt động của ăng-ten hình loa kèn siêu nhạy có kích thước 6 m mới được lắp đặt hoạt động trên những dải sóng cực ngắn thì một sự ngạc nhiên đã đến, thiết bị của họ đã ghi được một loại tiếng ồn không rõ nguồn gốc và nó xuất hiện khi thiết bị đang hoạt động ở bước sóng tương đối ngắn (khoảng 7,35 cm). Đặc điểm của loại tiếng ồn này rất khác khi hướng ăng-ten theo bất cứ hướng nào của bầu trời thì kết quả không có gì thay đổi. Giả thuyết cho rằng, nếu loại tiếng ồn này phát sinh trong bầu khí quyển của Trái đất thì lẽ ra nó phải yếu hơn khi ăng ten hướng về thiên đỉnh và mạnh hơn khi hướng về chân trời. Cuối cùng, cả hai cùng nhận ra tiếng ồn này dường như không đến theo một phương đặc biệt nào bất kể Trái đất tự quay và quay quanh Mặt trời trọn một vòng. Điều này cho thấy, nó phải đến từ ngoài Dải ngân hà của chúng ta, từ một thể tích lớn của vũ trụ. Thời gian đó, Penzias và Wilson chưa nhận thức được tầm quan trọng của phát hiện này. Penzias và Wilson đã tiến hành đo nhiệt độ của bức xạ thu được và kết quả mà họ đưa ra là khoảng 3,5 độ Kelvin (K). Do đó, phổ năng lượng của phông bức xạ nền tương đương với phổ năng lượng của bức xạ đen tuyệt đối ở 3,5 độ K.
Nếu tiếng ồn kia quả thật đến từ bên ngoài Trái đất thì phải chăng nó có thể đến từ những ngôi sao, thậm chí đến từ những thiên hà xa xôi. Nếu đúng như vậy thì đặc điểm của bức xạ sẽ phải có sự thăng giáng nhất định nào đó khi ta hướng ăng-ten theo các hướng khác nhau, dẫu rằng trên bầu trời có hằng hà sa số nguồn như thế. Thế nhưng ở đây, cường độ tiếng ồn là không đổi ở bất cứ vùng nào của bầu trời. Cũng trong cùng thời gian đó, 3 nhà vật lý thiên văn là Robert H. Dicke, James Peebles và David Wilkinson (Đại học Princeton, Mỹ) cách nơi làm việc của Penzias và Wilson khoảng 60 km đã tiên đoán về sự tồn tại của một phông bức xạ mà thực chất là tàn dư từ những giai đoạn rất sớm của vũ trụ và đang lên kế hoạch tìm kiếm. Họ cho rằng, trong giai đoạn đầu, vũ trụ rất nóng và chứa đầy bức xạ và sau vài trăm nghìn năm (380.000 năm), nó trở nên “trong suốt” đối với các bức xạ thì khi đó các photon có thể đi xuyên suốt khoảng cách dài trong vũ trụ mà không hề bị cản trở gì. Và như vậy, chúng ta có thể chờ đợi còn nhìn thấy được thứ “ánh sáng” chói lọi từ những thời khắc đầu tiên của vũ trụ. Do vũ trụ giãn nở nên bước sóng của ánh sáng cũng tăng dần theo bán kính của nó và chúng ta quan sát được dưới dạng sóng cực ngắn. Peebles cũng đã giải thích rằng, trong vài phút đầu tiên của vũ trụ, nếu không tồn tại một phông bức xạ như thế thì các phản ứng hạt nhân tổng hợp hydro xảy ra nhanh hơn, và do đó, một lượng lớn các nguyên tố nặng được tạo ra từ các nguyên tố nhẹ hơn. Điều này trái ngược với những quan sát hiện nay về độ giàu hay tính phổ biến của các nguyên tố nhẹ, vốn là loại nguyên tố chủ yếu cấu thành các vì sao và là thứ nguyên liệu duy nhất nuôi sống ngôi sao trong suốt cuộc đời của nó. Peebles cho rằng, những bức xạ có bước sóng rất ngắn có thể phá vỡ những cấu trúc hạt nhân nhanh như chúng tạo nên. Kết quả là những nguyên tố nặng bị những cái “hích” của bức xạ lại bị phá vỡ thành hạt nhân nguyên tử của những nguyên tố nhẹ. Những bức xạ còn rơi rớt lại đã tạo thành một phông bức xạ, và do sự giãn nở của vũ trụ, nên nhiệt độ của bức xạ cũng giảm dần và tỷ lệ nghịch với kích thước của vũ trụ. Ông cũng tiên đoán, ngày nay, nhiệt độ của nó còn khoảng 10 K.
Siêu đám thiên hà trong vũ trụ (vũ trụ của chúng ta có khoảng 100 tỷ thiên hà)
Không chỉ có Peebles, trước đó, một nhà vật lý học khác là George Gamov (người Mỹ, gốc Liên Xô cũ) cũng đã tiên đoán về sự tồn tại của một phông bức xạ như vậy. Gamov là người đầu tiên sử dụng vật lý hạt nhân để mô tả trạng thái ban đầu trong những giai đoạn còn rất sớm của vũ trụ. Đồng thời cũng là người đầu tiên ý thức được về sự tồn tại của một “đại dương” bức xạ năng lượng cao và hạt cơ bản trong thời khắc còn rất sớm đó. Mặc dù lý thuyết về sự tổng hợp hạt nhân ban đầu áp dụng khá tốt cho sự phổ biến của Heli (một nguyên tố đơn giản chỉ sau Hydro) nhưng lại không đúng khi tiên đoán về sự tổng hợp những nguyên tố nặng ngay trong giai đoạn đầu của Vụ nổ lớn. Sau này, các nhà khoa học mới nhận ra các nguyên tố nặng chủ yếu được tổng hợp ở lõi của các ngôi sao sau này.
Trực quan của Gamov đã đúng khi ý thức được một phông bức xạ tàn dư khi vũ trụ đã trở nên trong suốt. Vào năm 1946, ông đã cùng với Ralph Alpher (nhà vũ trụ học người Mỹ) tiến hành các tính toán chi tiết hơn. Sau đó, Gamov cũng đã gợi ý Alpher và một người nữa là Robert Herman (một sinh viên tốt nghiệp từ Đại học Princeton, Mỹ) tính toán số lượng các nguyên tử có thể được tạo ra khi nhiệt độ của vũ trụ đã giảm đi đáng kể. Tất nhiên, cả Alpher và Herman cũng nhận ra sự tồn tại của phông bức xạ và cho rằng phổ của nó mang đặc trưng của bức xạ vật đen. Nhưng khác với Gamov, cả hai nhà khoa học trẻ này nhận ngay ra rằng, vũ trụ ngày nay có thể chứa đầy phông bức xạ đó, chỉ khác rằng bước sóng của nó đã bị kéo dài ra do sự giãn nở của vũ trụ. Năm 1948, Alpher và Herman đã công bố một bài báo về sự tiên đoán của họ trên Tạp chí Nature. Gamov cho rằng, phông bức xạ tàn dư đó khó có thể ghi nhận được bởi vì nó cùng mật độ năng lượng với bức xạ đến từ các ngôi sao, do đó khó có khả năng để phân biệt đâu là bức xạ tàn dư từ Vụ nổ lớn, đâu là bức xạ đến từ các sao. Nhưng rồi Gamov đã thay đổi quan điểm và đồng ý với Alpher và Herman rằng, bức xạ tàn dư đó có thể ghi nhận được từ Trái đất bằng kính thiên văn vô tuyến với điều kiện là chỉ cần dụng cụ đo đủ nhạy.
Robert Henry Dicke (một nhà vật lý thực nghiệm người Mỹ) mặc dù cũng cùng ý kiến với Gamov khi chỉ ra vũ trụ trong quá khứ rất nóng nhưng ông lại có suy nghĩ trái ngược với Gamov về sự tạo thành các nguyên tố trong giai đoạn còn rất sớm của vũ trụ. Trong thời gian thế chiến thứ II, phán đoán của Dicke là một trong những chìa khóa cho việc phát triển hệ thống rada và kính thiên văn vô tuyến ở Phòng thí nghiệm bức xạ của MIT. Ông cũng quan tâm đến vũ trụ học và muốn biết những gì xảy ra trước Vụ nổ lớn, một câu hỏi mà khoa học không bao giờ trả lời được. Khi lý thuyết của Gamov bị thất bại (tiên đoán sự tạo thành các nguyên tố nặng) thì Fred Hoyle (nhà thiên văn học người Anh) và đồng nghiệp của ông chỉ ra rằng, các nguyên tố nặng cũng được tạo ra ở trong lòng các sao.
Đối với một vũ trụ, sau khi các ngôi sao đã sản xuất ra một lượng các nguyên tố nặng thì ở những chu kỳ tiếp theo của một vũ trụ luân hồi, các nguyên tố nặng đó biến đi đâu? Ngay sau khi kết thúc một Vụ co lớn (Big Crunch), nếu có, để bắt đầu cho một Vụ nổ lớn mới, các nguyên tố nặng lại bị phá vỡ hoàn toàn. Dicke nhận ra rằng, khi vũ trụ co lại thì nhiệt độ của nó tăng lên một cách không thể tưởng tượng nổi cho đến khi cấu trúc hạt nhân của các nguyên tố nặng hoàn toàn bị phá vỡ, và do đó, vũ trụ bắt đầu một chu kỳ mới mà không có bất cứ một nguyên tố nặng nào.
Khác với Gamov, Alpher và Herman, Dicke có một niềm tin mạnh mẽ vào khả năng có thể ghi nhận được bức xạ còn tàn dư từ Vụ nổ lớn và tiên đoán nhiệt độ của nó hiện nay còn khoảng vài độ trên không độ tuyệt đối. Làm việc với “Nhóm hấp dẫn” của Dicke ở Đại học Princeton có hai nhà vật lý trẻ David Wilkinson và Peter Roll. Cả hai nhà khoa học này cũng đều rất lạc quan cho việc tìm kiếm này bởi vì bức xạ tàn dư có hai đặc trưng: nó sẽ đến từ mọi phía của bầu trời và nó có phổ của bức xạ vật đen. Bước sóng của nó trong vùng vô tuyến từ vài cm đến 1 m. Cùng thời gian đó, Dicke và Roll đã yêu cầu một nhà vật lý lý thuyết trẻ người Canada là James Peebles ước tính nhiệt độ hiện tại của phông bức xạ.
Peebles đã nhanh chóng lĩnh hội được ý tưởng của Dicke về một vũ trụ nóng ban đầu và những hệ quả quan sát của nó có thể ghi nhận được. Peebles lập tức lao vào công việc tính toán và ông đã tính ra được 25% khối lượng của vũ trụ là Heli. Từ kết quả thu được, Peebles tìm ra mối liên hệ với nhiệt độ của vũ trụ hiện tại. Kết quả, ông ước đoán nhiệt độ của phông bức xạ bây giờ khoảng 10 K, trong khi ông đã không biết rằng Alpher và Herman có cùng câu trả lời tương tự.
Tất cả những điều nói trên đã “đến tai” Penzias và Wilson. Hai ông đã ý thức được tầm quan trọng của phát hiện vô tình của mình. Tiếng ồn thái quá kia chính là nền hóa thạch, là tàn dư năng lượng bức xạ trong những thời khắc rất sớm của vũ trụ khi vũ trụ ở trạng thái cân bằng nhiệt giữa bức xạ và vật chất. Vũ trụ được mô tả lúc này như một đám mây mù mà ở đó xảy ra sự tương tác giữa bức xạ (photon) và các hạt vật chất (electron, positron) và các phản hạt vật chất với nhau. Chúng ta biết rằng, quãng đường tự do trung bình của một photon và các hạt vật chất trong hoàn cảnh này là rất ngắn, và kiểu cân bằng ở đây cần được hiểu là tính chất của các hạt được xác định ở một giá trị nào đó. Điều đó không có nghĩa là tính chất của một hạt luôn giữ một giá trị xác định trong suốt thời gian tồn tại của hạt. Nếu tính chất của tất cả các hạt (kể cả bức xạ, vì theo cơ học lượng tử bức xạ gồm những lượng tử gọi là photon và mỗi photon cũng có những tính chất như một hạt vật chất bất kỳ nào khác như năng lượng, xung lượng, spin… có mặt trong vũ trụ thời điểm đó, khi vũ trụ đang ở trạng thái cân bằng gần như tuyệt đối) đều giữ một giá trị nhất định thì chúng ta khó mà quan sát được sự tiến hóa của vũ trụ chứ chưa nói gì về sự hiện diện của chúng ta ngày nay, sau gần 13,7 tỉ năm. Chúng ta cần hiểu rằng, số hạt có tính chất được đưa ra khỏi giá trị xác định bằng số hạt đưa vào giá trị xác định đó.
Các phép đo chính xác hơn được tiến hành sau đó đã mô tả cường độ bức xạ của Penzias và Wilson theo nhiệt độ tương đương của bức xạ vật đen là 2,725 K (thấp hơn so với kết quả ban đầu là 3,5 K). Hai bài báo (một của Penzias và Wilson về kết quả quan sát của họ; và một của Peebles, Dicke, Roll và Wilkinson về mặt lý thuyết tiên đoán) được đăng trên Tạp chí Physical Review [1]. Nhưng chỉ có Penzias và Wilson được đề cử vào giải Nobel. Năm 1978, diễn văn về phát hiện ra bức xạ nền của Penzias và Wilson chỉ vẻn vẹn 600 chữ nhưng nó đã gây chấn động trong giới khoa học và hai ông đã vinh dự nhận giải Nobel trong lĩnh vực vật lý năm 1978 [2].
Mô hình chuẩn vũ trụ học
Thành tựu lớn nhất mà ngành vũ trụ học đạt được đó là việc xây dựng thành công thuyết “Vụ nổ lớn”. Thực tế, trong lịch sử, cũng có vài thuyết về sự ra đời của vũ trụ, chẳng hạn như thuyết “Trạng thái dừng” - Steady state model mà hai nhà vật lý người Anh là Hermann Bondi và Thomas Gold cùng với một đồng nghiệp khác là Fed Hoyle đưa ra [3]. Nhưng có thể khẳng định chắc chắn rằng, thuyết “Vụ nổ lớn” vẫn là thuyết đúng đắn nhất về vũ trụ, ít nhất cũng là những gì chúng ta chắc chắn được.
Sự kiện phát hiện ra bức xạ nền của Penzias và Wilson thực tế là những tàn dư về một thời kỳ mà vũ trụ còn rất đặc và nóng. Bức xạ cực ngắn mà hai nhà khoa học này phát hiện đã củng cố rất lớn cho lý thuyết “Vụ nổ lớn”, không những về mặt vũ trụ học mà còn vì những tiên đoán tính chất vật lý của vũ trụ. Ở đây các nhà khoa học đã nhìn về một thời kỳ rất sớm của vũ trụ, và hơn nữa, việc phát hiện ra một phông bức xạ có cường độ như nhau theo mọi hướng chứng tỏ rằng vũ trụ xung quanh ta cũng phải như nhau theo mọi hướng. Tính chất này khá phù hợp với mô hình vũ trụ đồng tính và đẳng hướng của Friedman, và trước đó là Einstein đã đưa ra.
Theo thuyết “Vụ nổ lớn”, vũ trụ bắt đầu cách đây hơn chục tỷ năm(*), từ một điểm vật chất vô cùng đặc và nóng, có lẽ đó là một thứ siêu vật chất có thể rất khác với vật chất ngày nay. Chúng ta dùng thuật ngữ “Vụ nổ lớn” với ý nghĩa không sát thực tế lắm. Nó khác với kiểu nổ của một bong bóng xà phòng hay của một quả bom khinh khí trên mặt đất. Đó là vụ nổ xảy ra ở tất cả mọi điểm trong không gian và là bắt đầu của thời gian. Sau một khoảng thời gian cực ngắn sau vụ nổ, toàn bộ không gian bành trướng với tốc độ kinh khủng, mọi hợp phần của vũ trụ lúc này đều rời xa số còn lại. Nếu không có khoảnh khắc ngắn ngủi này thì kích thước của vũ trụ hiện nay chỉ nhỉnh hơn một hạt bụi. Sau đó vũ trụ tiếp tục giãn nở và nhiệt độ giảm dần. Chính những nguyên tố nhẹ mà chúng ta quan sát được “độ giàu” của nó hiện nay được sản xuất trong những giai đoạn đầu hết sức ngắn ngủi đó.
Việc phát hiện ra bức xạ tàn dư (cosmic microwave background - CMB) ngày nay đã tiết lộ cho chúng ta thông tin về quá khứ của vũ trụ. Chắc hẳn đã có lúc vũ trụ đặc và nóng đến mức mọi hợp phần của nguyên tử không thể liên kết được với nhau. Chẳng hạn, khi vũ trụ bằng một phần trăm kích thước ngày nay thì nhiệt độ của phông bức xạ khoảng 273 K, vũ trụ chứa đầy khí hydro nóng với mật độ khoảng 1.000 nguyên tử hydro/cm3. Nhưng lần ngược về xa hơn nữa, khi mà kích thước của vũ trụ bằng khoảng một phần trăm triệu kích thước ngày nay thì nhiệt độ của phông bức xạ là 273 triệu K. Ở nhiệt độ này, hydro hoàn toàn bị ion hóa thành proton và electron tự do, với mật độ tương tự như mật độ không khí trong lớp khí quyển ở bề mặt Trái đất.
Thời gian trôi đi, nhiệt độ của vũ trụ giảm xuống cho đến khi các hạt nhân kết hợp với các electron để tạo nên những nguyên tử đơn giản đầu tiên chỉ gồm một proton và một electron. Thời gian này, các thành phần của vũ trụ trở nên trong suốt hơn để sau đó các bức xạ có thể giãn nở tự do theo sự giãn nở của vũ trụ. Trước khi vũ trụ trở nên trong suốt đối với bức xạ, với nhiệt độ khoảng vài nghìn độ K, vũ trụ chỉ là một nồi súp bức xạ pha trộn với thứ gia vị vật chất. Và đã có lúc nhiệt độ của vũ trụ rất cao cho nên năng lượng của một photon cũng rất lớn. Giai đoạn này, có một tỷ lệ khá lớn các photon trên mỗi hạt nhân (khoảng một tỷ trên một), khiến năng lượng của vũ trụ chủ yếu dưới dạng bức xạ chứ không phải ở dạng vật chất. Với một đại dương bức xạ đậm đặc thống trị mọi thứ nên được gọi với cái tên trang trọng là “thời đại bức xạ” ngự trị. Ngày nay, nhiệt độ của vũ trụ trở nên thấp hơn nhiều, do đó năng lượng lại chủ yếu tập trung dưới dạng vật chất chứ không phải dưới dạng bức xạ nữa và được gọi là “thời đại vật chất” ngự trị.
Trong giai đoạn quá độ của “thời đại bức xạ” ngự trị và bắt đầu chuyển sang “thời đại vật chất” ngự trị, các thành phần vật chất của vũ trụ bắt đầu trở nên trong suốt cho bức xạ, tức là giảm đáng kể số tương tác giữa các photon với các thành phần vật chất như các electron và các hạt nhân. Càng lùi về quá khứ thì kích thước của vũ trụ càng nhỏ và nhiệt độ càng tăng. Sẽ có lúc chúng ta gặp một nhiệt độ khoảng vài tỷ độ K, với nhiệt độ đó, dường như không có thành phần nào của vật chất có thể liên kết được với nhau. Ngược lại, các photon có thể hủy nhau để biến toàn bộ năng lượng và xung lượng tạo nên các hạt vật chất. Chẳng hạn, với nhiệt độ cao như vậy thì sự va chạm giữa hai photon có thể tạo ra cặp hạt - phản hạt electron và positron mà không cần sự có mặt của một hạt nhân nặng. Điều kiện để hai photon có thể tương tác với nhau để tạo nên những hạt vật chất là năng lượng của mỗi photon ít nhất phải bằng năng lượng nghỉ của mỗi hạt tạo thành sau va chạm, phần năng lượng dư thừa có thể cung cấp cho hạt đó một động năng nào đó để chúng chuyển động.
Với điều kiện nhiệt độ khi vũ trụ đang ở trạng thái cân bằng nhiệt, xác suất mà một cặp hạt - phản hạt được tạo thành từ năng lượng sẽ bằng xác suất mà một cặp hạt - phản hạt hủy nhau để giải phóng toàn bộ khối lượng nghỉ của mình thành năng lượng bức xạ. Nếu có một sự bất ổn định nào đó về nhiệt độ hay số lượng các loại hạt mà một trong hai quá trình có thể xảy ra nhanh hơn quá trình kia, nhưng vũ trụ không cho phép ưu tiên bất cứ quá trình nào. Các điều kiện vật lý sẽ điều chỉnh để vũ trụ ở trạng thái cân bằng nhiệt và số lượng các photon, electron, positron lúc này có thể nói là bằng nhau. Chúng ta sẽ tự thắc mắc ngay rằng, tại sao vũ trụ ngày nay chủ yếu là vật chất chứ không phải là phản vật chất? Nguyên nhân chính là bởi vì có sự bất đối xứng các định luật vật lý chi phối các quá trình tổng hợp vật chất trong khi vũ trụ ở trạng thái cân bằng nhiệt. Chính sự bất đối xứng đó khiến có một phần nhỏ năng lượng vật chất dư lại tạo nên những ốc đảo của các vì sao mà ngày nay chúng ta quan sát được qua các kính thiên văn. Sự hiện diện của con người ngày nay là minh chứng rõ nhất sự bất đối xứng vô cùng tinh tế và cần thiết đó.
Mô hình vũ trụ về “Vụ nổ lớn” cho rằng, vũ trụ có điểm bắt đầu về mặt thời gian, tại điểm khởi thủy đó được gọi là điểm kỳ dị. Việc chấp nhận vũ trụ có điểm kỳ dị không phải dễ dàng với tất cả giới khoa học. Nó cũng giống như việc chúng ta công nhận rằng thời gian có điểm bắt đầu. Nhưng những khám phá sau này cho thấy các kì dị đó có thể tồn tại phổ biến trong vũ trụ ngày nay - đó là những lỗ đen mà dự án Kính thiên văn chân trời sự kiện (EHT) đã chụp được ảnh đầu tiên về loại thiên thể kỳ bí này [5].
Nguyễn Đức Phường
Đại học Quốc gia Hà Nội
Ghi chú
(*) Tuổi vũ trụ chính xác nhất đến thời điểm hiện tại là khoảng 13,4±1,6 tỷ năm dựa trên giá trị hằng số Hubble là 70, tuy nhiên những nghiên cứu mới đây cho thấy tuổi vũ trụ có thể trẻ hơn khi hằng số Hubble có giá trị cao hơn [4]
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] R.H. Dicke, P.J.E. Peebles, P.G. Roll, and D.T. Wilkinson (1965), “Cosmic Black-Body Radiation”, Astrophys. J., 142, pp.414-419.
[2] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1978/summary/.
[3] H. Bondi and T. Gold (1948), "The Steady-State Theory of the Expanding Universe", Royal Astronomical Society, 3(108), pp.253-270.
[4] Inh Jee, Sherry H. Suyu, Eiichiro Komatsu, Christopher D. Fassnacht, Stefan Hilbert, Léon V.E. Koopmans (2019), “A measurement of the Hubble constant from angular diameter distances to two gravitational lenses”, Science, 365(6458), pp.1134-1138.
[5] https://eventhorizontelescope.org/press-release-april-10-2019-astronomers-capture-first-image-black-hole.