BÁO cáo bài tập lớn vật lý đại CƯƠNG a2 CHỦ đề 29 vụ nổ lớn (BIG BANG)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ - - BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG A2 CHỦ ĐỀ 29: VỤ NỔ LỚN (BIG BANG) 0 GV TS Đậu Sỹ Hiếu HD: Lớp: Nhóm: SVTH: TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022 0 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ - - BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG A2 CHỦ ĐỀ 29: VỤ NỔ LỚN (BIG BANG) GV TS Đậu Sỹ Hiếu HD: L04 Lớp: Nhóm: SVTH: 14 Trần Hồng 0 Lam Lê Quốc Duy Lê Trung Quốc Lê Hồng Thuận Trương Thế Vinh TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022 0 LỜI CẢM ƠN Sau giai đoạn dịch Covid – 19 diễn biến khó khăn nhóm vui Thầy hướng dẫn hồn thành Báo cáo cuối kỳ Đầu tiên nhóm xin cám ơn Thầy – TS Đậu Sỹ Hiếu suốt thời gian qua tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức môn học đến với chúng em Và nhờ mà nhóm hồn thành Báo cáo Bài tập lớn lần Đây không tảng vững cho trình học tập, nghiên cứu mà cịn hành trang q báu để nhóm ứng dụng vào thực tiễn làm việc Trong trình làm bài, dù cố gắng nỗ lực tìm hiểu nhiều khơng thể tránh khỏi sai sót, thiếu hụt mặt kỹ năng, kiến thức Do nhóm mong đón nhận ý kiến, góp ý từ Thầy để làm hoàn thiện nội dung lẫn hình thức Lời cuối cùng, nhóm xin kính chúc Thầy ln có nhiều sức khỏe, hạnh phúc bên gia đình, thành cơng sống lẫn nghiệp Nhóm xin trân trọng cám ơn! 0 MỤC LỤC 0 DANH MỤC HÌNH ẢNH 0 DANH MỤC BẢNG BIỂU 0 0 Edwin Powell Hubble (1889 - 1953) Georges Henri Joseph Édouard Lemtre (1894 - 1966) 0 Tiến trình vụ nổ: Theo thuyết tương đối trước vũ trụ hình thành vật chất tồn điểm có trạng thái mật độ nhiệt độ có giá trị vơ hạn thời gian hữu hạn khứ Điểm kì dị khơng-thời gian dấu hiệu vượt ngồi phạm vi tiên đoán thuyết tương đối tổng quát Chúng ta ngoại suy nhằm nghiên cứu điểm kỳ dị gần đến lúc kết thúc kỷ nguyên Planck khoảng thời gian sớm lịch sử vũ trụ từ lúc 10-43 giây (bằng thời gian Planck, tức khắc sau Vụ Nổ Lớn) Điểm kì dị trước kỷ nguyên Planck gọi "Vụ Nổ Lớn", thuật ngữ nhắc đến thời điểm sớm chút, vũ trụ điểm cực nóng đậm đặc, xem "khởi sinh" Vũ trụ 0 Dựa quan trắc siêu tân tinh loại Ia giãn nở không thời gian, đo lường thăng giáng nhỏ xạ vi sóng đo hàm tương quan thiên hà, nhà vật lý tính vũ trụ có tuổi 13,772 ± 0,059 tỷ năm Sự phù hợp độ tuổi tính theo ba phương pháp đo lường độc lập ủng hộ cách thuyết phục mơ hình ΛCDM mô tả chi tiết thành phần vật chất vũ trụ Tháng năm 2013 liệu thu từ tàu Planck cho kết tuổi vũ trụ 13,798 ± 0,037 tỷ năm 0 Có nhiều tính tốn mơ hình pha sớm Vụ Nổ Lớn Trong mơ hình phổ biến vũ trụ ban đầu choán đầy vật chất, lượng phân bố đồng đẳng hướng với mật độ lượng cực lớn áp suất nhiệt độ cao, sau điểm kì dị nhanh chóng giãn nở lạnh Sự giãn nở chất không gian giãn nở, vật chất lượng "nở ra" vào khơng gian cố định trước Khoảng xấp xỉ thời điểm 10−36 giây giai đoạn giãn nở, chuyển pha nguyên nhân gây giãn nở lạm phát vũ trụ, thể tích vũ trụ mở rộng tăng theo hàm mũ diễn khoảng thời gian ngắn đến thời điểm 10−33 10−32 giây Sự giãn nở này, Alan Guth đề xuất, nguyên nhân có "hằng số vũ trụ học" giá trị lớn dương làm giãn nở không gian, sau giai đoạn lạm phát số lại biến Sau giai đoạn lạm phát, kích thước vũ trụ tăng lên gấp 1030 so với kích thước ban đầu Khi giai đoạn lạm phát kết thúc, vũ trụ lúc chứa pha vật chất plasma quark - gluon, hạt khác Lý thuyết lạm phát giải thích đồng đẳng hướng khơng gian mà thăng giáng nhỏ nhiệt độ CMB Nhiệt độ lúc cao chuyển động ngẫu nhiên hạt chuyển động với vận tốc tương đối tính, sinh cặp hạt - phản hạt liên tục tạo hủy cặp hạt va 0 chạm Ở thời điểm chưa biết xác, nhà vật lý đề xuất tồn pha gọi "nguồn gốc phát sinh baryon" (baryongenesis) phản ứng vật chất phản chất có vi phạm định luật bảo tồn số baryon, dẫn đến hình thành lượng dư thừa nhỏ hạt quark lepton so với lượng phản quark phản lepton với tỷ lệ khoảng hạt vật chất dư 30 triệu phản ứng Kết dẫn đến vượt trội vật chất so với phản vật chất vũ trụ ngày Vũ trụ tiếp tục giảm nhiệt độ mật độ, hay động hạt tiếp tục giảm (những giảm không thời gian tiếp tục giãn nở) Hiện tượng phá vỡ đối xứng giai đoạn chuyển pha đưa đến hình thành riêng rẽ tương tác vật lý tham số hạt sơ cấp mà chúng có ngày Sau khoảng 10−11 giây, cịn tính chất tiến trình vụ nổ mang tính ước đoán, lượng hạt giảm xuống giá trị mà nhà vật lý hạt đánh giá đo thí nghiệm máy gia tốc Đến 10−6 giây, hạt quark gluon kết hợp lại thành baryon proton 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 không đủ cao để phản ứng sinh cặp proton - phản proton xảy (và tương tự cho sinh cặp neutron - phản neutron), hủy khối lượng xảy để lại hạt 1010 hạt proton neutron, khơng hạt có phản hạt chúng Một q trình tương tự diễn khoảng giây cho cặp hạt electron positron Sau trình hủy cặp hạt-phản hạt, vũ trụ lại proton, neutron electron hạt khơng cịn chuyển động với vận tốc tương đối tính mật độ lượng Vũ trụ chứa chủ yếu photon (với lượng nhỏ đóng góp neutrino) Một vài phút sau giãn nở, nhiệt độ lúc giảm xuống tỷ (109 ; SI) kelvin mật độ tương đương với mật độ khơng khí, lúc hạt neutron kết hợp với proton để hình thành lên hạt nhân deuteri heli trình gọi phản ứng tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn Hầu hết proton không tham gia phản ứng kết hợp trở thành proton tự hạt nhân nguyên tử hiđrô 0 Vũ trụ tiếp tục lạnh đi, mật độ lượng khối lượng nghỉ vật chất trở nên lấn át lực hấp dẫn so với xạ photon Sau khoảng 379.000 năm, nhiệt độ vũ trụ lúc khoảng 3.000 K electron hạt nhân bắt đầu kết hợp lại với tạo nên nguyên tử (chủ yếu hiđrô); xạ photon khơng tương tác với electron tự do, khơng bị cản trở plasma lan truyền tự khơng gian Bức xạ tàn dư xạ phơng vi sóng vũ trụ Trong thời gian dài, vùng có mật độ vật chất tập trung lớn so với phân bố đồng vật chất tạo ảnh hưởng lực hút hấp dẫn lên vật chất bên cạnh, kết hình thành vùng có mật độ tập trung vật chất lớn, hình thành lên đám mây khí, sao, thiên hà, cấu trúc lớn khác vũ trụ quan sát ngày Chi tiết trình phụ thuộc vào lượng kiểu vật chất vũ trụ Có bốn loại vật chất mà nhà vật lý đưa vật chất tối lạnh, vật chất tối ấm, vật chất tối nóng, vật chất baryon Những số liệu quan sát độc lập từ vụ nổ siêu tân tinh loại Ia CMB cho thấy ngày Vũ trụ bị thống trị dạng lượng bí ẩn gọi lượng tối, dường chúng thấm vào vùng không thời gian dạng áp suất âm, đẩy thứ xa Quan sát cho kết lượng tối chiếm 68,3% tổng mật độ lượng vũ trụ quan sát ngày Khi vũ trụ cịn sơ khai, chứa lượng tối, thể tích khơng gian nhỏ thứ gần nhau, lúc lực hấp dẫn mạnh hút vật chất nhau, làm chậm lại giãn nở không thời gian Nhưng sau hàng tỷ năm giãn nở, lượng tối lại vượt trội lực hấp dẫn miêu tả định luật Hubble làm giãn nở khơng thời gian tăng tốc Trong mơ hình vũ trụ học Lambda - CDM, lượng tối thể dạng đơn giản thông qua số vũ trụ học Λ xuất phương trình trường Einstein thuyết tương đối rộng, chất chế hoạt động số câu hỏi lớn, nói chung, chi tiết phương trình trạng thái vũ trụ học 0 mối liên hệ với Mô hình chuẩn vật lý hạt cịn khảo sát lĩnh vực quan sát thực nghiệm lý thuyết 0 Tất q trình tiến hóa vũ trụ sau kỷ nguyên lạm phát mô hình hóa miêu tả tốn học phức tạp mơ hình ΛCDM vũ trụ học, dựa hai khn khổ lý thuyết học lượng tử thuyết tương đối tổng quát Albert Einstein Như ý trên, chưa có mơ hình lý thuyết miêu tả đặc điểm vũ trụ trước 10−15 giây hình thành Các nhà vật lý cần lý thuyết hấp dẫn lượng tử thống hai khn khổ lý thuyết vượt qua trở ngại Hiểu giai đoạn sớm lịch sử vũ trụ vấn đề lớn chưa giải vật lý học 0 Các tiên đề sở: Lý thuyết Vụ Nổ Lớn có hai tiên đề sở: tính phổ quát định luật vật lý nguyên lý vũ trụ học Nguyên lý vũ trụ học phát biểu cấp vĩ mô Vũ trụ đồng đẳng hướng Những ý tưởng ban đầu giả thuyết, ngày nhà vật lý có nỗ lực nhằm kiểm nghiệm hai tiên đề Ví dụ, họ kiểm tra giả thuyết tính phổ quát vũ trụ cách nghiên cứu xem số cấu trúc tinh tế có thay đổi theo tuổi vũ trụ với độ xác 10−5 tỉ số khối lượng proton electron có thay đổi nơi khác vũ trụ hay không Hơn nữa, thuyết tương đối tổng quát trải qua thí nghiệm kiểm tra chặt chẽ phạm vi Hệ Mặt Trời xung hay lỗ đen Vũ trụ nhìn gần đồng đẳng hướng 0 Metric FLRW: Thuyết tương đối rộng miêu tả không thời gian tenxơ mêtric, cho phép xác định khoảng cách, thời gian hai điểm không thời gian Những điểm này, tương ứng sao, thiên hà thiên thể khác, gắn tọa độ hệ tọa độ không thời gian Nguyên lý vũ trụ học cho kết mêtric đồng đẳng hướng thang vĩ mô, mêtric miêu tả mêtric Friedmann – Lemtre – Robertson – Walker (mêtric FLRW) Trong mêtric chứa hệ số tỷ lệ (scale factor) a(t) miêu tả biến đổi kích thước khơng gian theo thời gian Sự biến đổi cho phép nhà vật lý lựa chọn hệ tọa độ phù hợp gọi tọa độ đồng chuyển động Trong hệ tọa độ này, trục tọa độ không gian giãn nở với Vũ trụ, mà thiên thể chuyển động giãn nở không gian có giá trị cố định theo trục tọa độ Như khơng gian vũ trụ có tính động lực, giãn nở hay co lại (chứ khơng phải thiên hà lùi xa không gian bất biến) Trong khoảng cách biểu diễn hệ tọa độ đồng chuyển động không đổi hai thiên hà, khoảng cách vật lý thực tế chúng lại giãn nở tăng lên tỷ lệ với hệ số a(t) Vũ trụ Vụ Nổ Lớn tượng nổ vật chất bắn xa lấp đầy khơng gian trống rỗng có từ trước Thay vậy, khơng gian tự giãn nở khắp nơi theo thời gian khoảng cách vật lý thực tăng lên hai điểm đồng chuyển động Bởi mêtric FLRW dựa phân bố đồng vật chất lượng, áp dụng cho Vũ trụ khoảng cách vĩ mô (trên 100 Mpc) tập trung cục vật chất hệ hành tinh, thiên hà chí nhóm thiên hà liên kết trường hấp dẫn không bị ảnh hưởng giãn nở khoảng cách lớn không gian Các thiên hà gần tiến lùi xa chủ yếu tương tác hấp dẫn chúng, không bị ảnh hưởng số vũ trụ học 0 Chân trời vũ trụ: Chân trời vũ trụ học ranh giới tới hạn vũ trụ mà sau nó, nguyên tắc khơng có thiên thể quan sát được, vận tốc có giới hạn ánh sáng giãn nở vũ trụ từ điểm kỳ dị ban đầu Chân trời vũ trụ nằm khoảng cách, mà từ ánh sáng cần khoảng thời gian để đến người quan sát tuổi vũ trụ, ứng với thời gian từ lúc vũ trụ bắt đầu giãn nở Khi chuyển dịch đỏ z vật thể có giá trị vơ lớn Một đặc điểm quan trọng không thời gian Vụ Nổ Lớn có mặt chân trời Do Vũ trụ có tuổi hữu hạn, ánh sáng có tốc độ hữu hạn, có kiện khứ mà ánh sáng không đủ thời gian để đến Điều đặt giới hạn có chân trời khứ thiên thể xa mà quan sát Ngược lại, khơng gian giãn nở, vật thể xa lùi xa hơn, ánh sáng phát từ hành tinh khơng "đến được" vật thể xa Đây định nghĩa cho chân trời tương lai, đặt giới hạn cho kiện tương lai mà ảnh hưởng đến Ảnh hưởng cụ thể loại chân trời phụ thuộc chi tiết vào mêtric FLRW miêu tả Vũ trụ Sự hiểu biết Vũ trụ quay ngược lại thời gian sơ khai gợi có chân trời khứ, thiên văn khả quan sát bị giới hạn độ mờ đục vật chất đậm đặc lúc Vũ trụ cịn trẻ Vì khơng thể nhìn xa khứ, chân trời lùi xa không gian Nếu giãn nở không gian Vũ trụ tiếp tục gia tốc, có chân trời tương lai 0 II Lịch sử phát triển vũ trụ: Mơ hình Vụ Nổ Lớn phát triển từ quan sát cấu trúc Vũ trụ từ phương diện lý thuyết Năm 1912 Vesto Slipher đo dịch chuyển Doppler "tinh vân xoắn ốc" (lúc biết tinh vân xoắn ốc thiên hà), ông sớm phát đa số tinh vân lùi xa Trái Đất Nhưng ông không nhận ý nghĩa vũ trụ phát này, thời gian có tranh cãi lớn xung quanh tinh vân có hay khơng "hịn đảo vũ trụ" bên Ngân Hà Cuối năm 1915, Albert Einsein hoàn thiện thuyết tương đối rộng, năm 1917 ơng áp dụng lý thuyết cho tồn thể vũ trụ Tuy nhiên phương trình ơng tiên đốn vũ trụ co lại trường hấp dẫn hút vật chất Để cho vũ trụ tĩnh người đương thời ông nghĩ, ông đưa thêm số vũ trụ học có ý nghĩa lực đẩy nhằm cân với lực hấp dẫn vào phương trình Năm 1922, Alexander Friedmann, nhà tốn học vũ trụ học người Nga suy luận phương trình Friedmann từ phương trình trường Einstein, phát vũ trụ giãn nở mà không cần số vũ trụ học Einstein nêu Năm 1924 đo lường nhà thiên văn học người Mỹ Edwin Hubble khoảng cách đến tinh vân mà ơng quan sát thời rằng, thực tinh vân xoắn ốc thiên hà Cũng năm 1924 Carl Wilhelm Wirtz, năm 1925 Knut Lundmark, hai người nhận tinh vân xa lùi xa nhanh so với tinh vân gần Georges Lemtre Einstein sau thuyết trình nguồn gốc vũ trụ, lý thuyết khoa học cách vũ trụ bắt đầu, mà tiếp tục tạo thiên hà ngày Lemaitre qua đời vào ngày 20 tháng năm 1966, sau biết phát xạ vi sóng vũ trụ Điều cung cấp thêm chứng cho lý thuyết ông đời vũ trụ Công việc Lemaitre cơng nhận rộng rãi tồn giới, có ảnh hưởng to lớn ngày Năm 1931, Lemtre đề xuất manh mối cho giãn nở Vũ trụ, ngược lại thời gian, vào thời điểm xa khứ vũ trụ nhỏ hơn, thời điểm hữu hạn khứ, khối lượng lượng Vũ trụ tập trung lại điểm, gọi "nguyên tử nguyên thủy", nơi bắt đầu hình thành lên cấu trúc khơng thời gian 0 Điều cung cấp thêm chứng cho lý thuyết ông đời vũ trụ Công việc Lemaitre công nhận rộng rãi tồn giới, có ảnh hưởng to lớn ngày Năm 1931, Lemtre đề xuất manh mối cho giãn nở Vũ trụ, ngược lại thời gian, vào thời điểm xa khứ vũ trụ nhỏ hơn, thời điểm hữu hạn khứ, khối lượng lượng Vũ trụ tập trung lại điểm, gọi "nguyên tử nguyên thủy", nơi bắt đầu hình thành lên cấu trúc khơng thời gian Nhờ kính mà ơng ước tính khoảng cách đến thiên hà có độ dịch chuyển đỏ đo trước Slipher Năm 1929 Hubble phát tương quan khoảng cách vận tốc lùi xa thiên hà mà ngày gọi định luật Hubble Lemtre đoán định luật dựa nguyên lý vũ trụ học phương trình Friedmann Sau tất khám phá trên, Einstein từ bỏ số vũ trụ học gọi sai lầm lớn ơng Vì ơng nhận dựa niềm tin có từ lâu vũ trụ tĩnh tại, mà thực tế mơ hình chưa kiểm chứng trước niềm tin từ nhà triết học cộng đồng khoa học Trong thập niên 1920 1930 đa số nhà vũ trụ học ủng hộ cho mô hình "Trạng thái dừng", Vũ trụ tĩnh vĩnh Một số người cho khái niệm khởi đầu thời gian từ Vụ Nổ Lớn mang vai trị tơn giáo vào vật lý; chống đối sau người ủng hộ thuyết Trạng thái dừng lặp lại Sự nhận thức họ củng cố nhà sáng lập thuyết Big Bang, Monsignor Georges Lemtre, thầy tu Công giáo La Mã Arthur Eddington ủng hộ quan điểm Aristotle cho vũ trụ khơng có khởi đầu thời gian, hay vật chất tồn vĩnh Sự khởi đầu thời gian điều "không thể chấp nhận" ơng Tuy thế, Lemtre viết: “Nếu giới điểm lượng tử, khái niệm không gian thời gian khơng có ý nghĩa thời điểm khởi đầu; bắt đầu có ý nghĩa nhận thức lượng tử ban đầu phân chia thành đủ số lượng tử Nếu đề xuất đúng, khởi ngun giới cịn sớm khởi đầu không gian thời gian.” Trong thập niên 1930 ý tưởng khác đề xuất mơ hình vũ trụ học khơng tiêu chuẩn nhằm giải thích kết quan sát Hubble, bao gồm "mơ hình Milne"; "Vũ trụ dao động", vũ trụ nở co lại trở điểm kì dị 0 ban đầu (do Friedmann đề xuất đầu tiên, với Albert Einstein Richard Tolman người ủng hộ); giả thiết "sự mỏi" ánh sáng Fritz Zwicky Sau chiến tranh giới lần thứ II, hai mơ hình bật cịn đứng vững Một mơ hình "Trạng thái dừng" Fred Hoyle, với đề xuất khả vật chất sinh vũ trụ giãn nở Trong mô hình vũ trụ gần điểm thời gian Mơ hình mơ hình Vụ Nổ Lớn Lemtre khởi xướng, George Gamow người ủng hộ phát triển lý thuyết với khái niệm tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn (BBN), khái niệm ơng nêu nghiên cứu q trình nguồn gốc sinh nguyên tố nhẹ Những người khác Ralph Alpher Robert Herman ủng hộ lý thuyết tiên đoán tồn xạ vi sóng (CMB) Và kỳ quặc Hoyle nêu tên gọi Big Bang cho lý thuyết Lemtre chương trình radio BBC vào tháng năm 1949 Trong thời gian, số lượng người ủng hộ cho hai lý thuyết gần Cuối cùng, quan sát thiên văn, chủ yếu từ nguồn vô tuyến, bắt đầu ủng hộ Vụ Nổ Lớn đánh bại Thuyết trạng thái dừng Sự phát xác nhận tính chất xạ vi sóng vũ trụ vào năm 1964 mang lại thắng lợi cho Vụ Nổ Lớn lý thuyết trở thành mơ hình phù hợp cho nguồn gốc tiến hóa Vũ trụ Những nghiên cứu vũ trụ học bao gồm hình thành thiên hà sau Vụ Nổ Lớn, quan sát đo lường xác xạ phơng vi sóng tốc độ giãn nở vũ trụ, kiểm nghiệm sở Nguyên lý vũ trụ học Về phương diện lý thuyết tìm hiểu điểm kì dị Vụ Nổ Lớn lý thuyết hấp dẫn lượng tử tương lai tối hậu vũ trụ Giữa thập niên 1990, nhà thiên văn quan sát cụm cầu họ thấy dường có mâu thuẫn với lý thuyết Vụ Nổ Lớn Các mơ máy tính mà cho kết khớp với thực nghiệm phân loại cụm cầu gợi tuổi chúng vào khoảng 15 tỷ năm, lớn tưổi Vũ trụ 13.8 tỷ năm Những tiến quan trọng vũ trụ học Vụ Nổ Lớn diễn từ cuối thập niên 1990 nhờ phát triển công nghệ hiệu xử lý liệu từ dự án khảo sát COBE, kính thiên văn khơng gian Hubble, WMAP tàu Planck Các nhà vũ trụ học có liệu xác tham số mơ hình Vụ Nổ Lớn, bất ngờ phát giãn nở tăng tốc không gian vũ trụ III Bằng chứng thực nghi 0 0 ... HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022 0 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ - - BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG A2 CHỦ ĐỀ 29: VỤ NỔ LỚN (BIG BANG) GV TS Đậu Sỹ Hiếu... khổ lý thuyết vượt qua trở ngại Hiểu giai đoạn sớm lịch sử vũ trụ vấn đề lớn chưa giải vật lý học 0 Các tiên đề sở: Lý thuyết Vụ Nổ Lớn có hai tiên đề sở: tính phổ quát định luật vật lý nguyên lý. .. Khái quát vụ nổ lớn (Big Bang): Big Bang vụ nổ để từ đồng thời sinh khơng gian, lượng vật chất để tạo vụ trụ Một thời gian dài, lý thuyết bị coi lý thuyết siêu hình thành tựu gần vật lý hạt kết