Untitled 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 0 Tieu luan GV HD Lớp Nhóm SVTH TS Đậu Sỹ H[.]
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 Tieu luan HD: GV TS Đậu Sỹ Hiếu L04 Lớp: Nhóm: SVTH: 14 Trần Hồng 211 Lam Lê Quốc Duy Lê Trung Quốc 0309 211 0083 Lê Hoàng Thuận 211 4571 Trương Thế Vinh 211 4933 211 5311 TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022 0 Tieu luan 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) HD: GV TS Đậu Sỹ Hiếu L04 Lớp: Nhóm: SVTH: 14 Trần Hồng 0 Tieu luan 211 Lam Lê Quốc Duy 0309 211 Lê Trung Quốc Lê Hoàng 0083 211 Thuận Trương Thế 4571 211 Vinh 4933 211 5311 TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022 0 Tieu luan LỜI CẢM ƠN Sau giai đoạn dịch Covid – 19 diễn biến khó khăn nhóm vui Thầy hướng dẫn hoàn 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 hoàn thành Báo cáo Bài tập lớn lần Đây không tảng vững cho q trình học tập, nghiên cứu mà cịn hành trang quý 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 hồn 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 Tieu luan MỤC LỤC 0 Tieu luan DANH MỤC HÌNH ẢNH 0 Tieu luan DANH MỤC BẢNG BIỂU 0 Tieu luan 0 Tieu luan I 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 quan sát cấu trúc thiên văn lớn cung cấp kịch phù hợp với cấu trúc phức tạp hoá vật chất lòng vũ trụ nên ngày thừa nhận rộng rãi Lý thuyết Vụ Nổ Lớn, thường gọi theo tiếng anh Big Bang, mơ hình vũ trụ học bật miêu tả giai đoạn sơ khai hình thành Vũ trụ Theo lý thuyết này, Vụ Nổ Lớn xảy cách khoảng 13,8 tỷ năm trước, xem tuổi vũ trụ Sau giai đoạn này, vũ trụ vào trạng thái cực nóng đặc 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, electron Tuy hạt nhân ngun tử đơn giản hình thành nhanh chóng sau Big Bang, phải hàng nghìn năm sau nguyên tử trung hòa điện xuất Nguyên tố sinh hiđro, với lượng nhỏ heli liti Những đám mây khổng lồ chứa nguyên tố nguyên thủy sau hội tụ lại hấp dẫn để hình thành nên ngơi thiên hà siêu đám thiên hà, nguyên tố nặng tổng hợp lịng ngơi sinh từ vụ nổ siêu tân tinh Nhà vũ trụ học linh mục Georges Lemtre người đề xuất mà sau trở thành lý thuyết Vụ Nổ Lớn nghiên cứu ông "giả thuyết nguyên tử nguyên thủy” Trong nhiều năm, nhà vật lý dựa ý tưởng ban đầu ông nhằm xây dựng lên lý thuyết khác tổng hợp lại thành lý thuyết đại Khuôn khổ cho lý thuyết Vụ Nổ Lớn dựa thuyết tương đối rộng nhà vật lý Albert Einstein giả thiết đơn giản tính đồng đẳng hướng khơng gian Dựa vào phương trình trường Einstein, nhà vũ trụ học Alexander Friedmann tìm phương trình chi phối tiến hóa vũ trụ 0 Tieu luan Edwin Powell Hubble (1889 - 1953) Georges Henri Joseph Édouard Lemtre (1894 - 1966) 0 Tieu luan 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 q 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 Tieu luan 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 Tieu luan 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 không 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 khơng giải thích đồng đẳng hướng khơng gian mà cịn 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 Tieu luan 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 đốn, 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 trình tương tự diễn khoảng giây cho cặp hạt electron positron Sau trình hủy cặp hạt-phản hạt, vũ trụ cịn lại proton, neutron electron hạt không 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 không 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 Tieu luan 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 không tương tác với electron tự do, khơng cịn bị cản trở plasma lan truyền tự không 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 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 không thời gian tăng tốc Trong mô 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 cịn câu hỏi lớn, nói chung, chi tiết phương trình trạng thái vũ trụ học 0 Tieu luan mối liên hệ với Mơ hình chuẩn vật lý hạt khảo sát lĩnh vực quan sát thực nghiệm lý thuyết 0 Tieu luan 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 Tieu luan 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 Tieu luan ... MINH, NĂM 2022 0 Tieu luan 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) HD: GV TS Đậu Sỹ... Khái quát vụ nổ lớn (Big Bang): Big Bang vụ nổ để từ đồng thời sinh không 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... khổ lý thuyết vượt qua trở ngại Hiểu giai đoạn sớm lịch sử vũ trụ vấn đề lớn chưa giải vật lý học 0 Tieu luan Các tiên đề sở: Lý thuyết Vụ Nổ Lớn có hai tiên đề sở: tính phổ quát định luật vật lý