Vật lý hạt cơ bản dùng cho sinh viên chuyên ngành sư phạm vật lý

NGUYỄN VĂN MỆN Bộ môn Vật lý Khoa Sư phạm – ĐHAG TÀI LIỆU GIẢNG DẠY (Dùng cho sinh viên chuyên ngành Sư phạm Vật lý) AN GIANG - NĂM 2014 MỤC LỤC Chương ĐẠI CƯƠNG (3-4) §1 VÀI NÉT VỀ LỊCH SỬ §2 SƠ LƯỢC VỀ CÁC LOẠI TƯƠNG TÁC §3 QUY LUẬT CHUYỂN ĐỘNG CỦA HẠT CƠ BẢN BÀI TẬP CHƯƠNG Chương CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HẠT CƠ BẢN (6-4) 10 §1 KHỐI LƯỢNG, ĐIỆN TÍCH, THỜI GIAN SỐNG 10 §2 SPIN 11 §3 LEPTON TÍCH, BARION TÍCH, ISOSPIN 12 §4 SỐ CHẴN LẺ, PHÉP LIÊN HỢP ĐIỆN TÍCH 14 §5 SỐ LẠ 15 §6 HỆ THỐNG CÁC HẠT SƠ CẤP 17 §7 CÔNG THỨC KHỐI LƯỢNG 19 BÀI TẬP CHƯƠNG 20 Chương MẪU QUARK (5-1) 22 §1 MẪU QUARK 22 §2 CẤU TẠO CÁC HẠT HADRON THEO MẪU QUARK 23 §3 SỐ LƯỢNG TỬ MÀU 25 §4 QUARK MÙI THỨ TƯ, THỨ NĂM VÀ THỨ SÁU 27 BÀI TẬP CHƯƠNG 28 Chương CÁC LOẠI TƯƠNG TÁC (4-0) 34 §1 HẠT CHẤT VÀ HẠT TRƯỜNG 34 §2 TƯƠNG TÁC ĐIỆN TỪ 34 §3 TƯƠNG TÁC YẾU 35 §4 TƯƠNG TÁC MẠNH 37 §5 TƯƠNG TÁC HẤP DẪN 39 §6 PHƯƠNG HƯỚNG THỐNG NHẤT CÁC LOẠI TƯƠNG TÁC 39 CHƯƠNG 5: MÁY GIA TỐC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GHI NHẬN 41 §1 CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA MÁY GIA TỐC (3-0) 41 §2 MỘT SỐ LOẠI MÁY GIA TỐC 43 §3 CÁC PHƯƠNG PHÁP GHI NHẬN HẠT SƠ CẤP 44 CHƯƠNG 6: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT VỤ NỔ LỚN 40 BỘ MƠN VẬT LÝ Chương ĐẠI CƯƠNG §1 VÀI NÉT VỀ LỊCH SỬ Khái niệm hạt (cịn gọi hạt sơ cấp) liên quan đến tính rời rạc cấu trúc vật chất mức độ vi mơ, nói thang bậc sau chuỗi đối tượng phân tử, nguyên tử, hạt nhân Thật ra, tên gọi hạt hay hạt sơ cấp ngày không hiểu theo nghĩa đen từ đó, mà cịn mang tính lịch sử Do “kích thước” đối tượng nghiên cứu điều kiện lượng để tiến hành nghiên cứu, mơn vật lý hạt cịn gọi vật lý lượng cao, hay vật lý hạt nhân (subnuclear) Năng lượng đặc trưng Giga - electron – volt (1 GeV = 109eV), tương ứng với khoảng cách 10−14 cm = 10−1 fermi Trong tương lai không xa lượng nâng lên cỡ TeV ( TeV = 103 GeV ) Để so sánh ta nhớ lại lượng liên kết hạt nhân nguyên tử vào cỡ MeV = 8.106 eV Hạt tìm thấy electron e- (Thomson, 1897): sau nghiên cứu kĩ tính chất tia âm cực Thomson khẳng định tia chùm hạt mang điện tích âm giống – hạt e- Trước đó, vào năm 1900 Planck nghiên cứu tượng xạ vật đen tuyệt đối đưa khái niệm lượng tử ánh sáng (sau gọi photon γ ), vào năm 1905 Einstein phát triển ý tưởng này, xây dựng thành thuyết lượng tử ánh sáng (còn gọi thuyết photon) giải thích thành cơng tượng quang điện Thí nghiệm trực tiếp chứng tỏ tồn photon tiến hành Millikan vào năm 1912 – 1915 Compton vào năm 1922 Năm 1911 Rutherford khám phá hạt nhân nguyên tử sau (năm 1919) tìm thấy thành phần hạt nhân có hạt proton p với khối lượng 1840 lần khối lượng electron, điện tích dương mặt trị số điện tích electron Thành phần khác hạt nhân, hạt neutron n, Heisenberg Ivanenko đề xuất lý thuyết Chadwick tìm thấy thực nghiệm tương tác hạt α với nguyên tử Be vào năm 1932 Hạt n có khối lượng gần hạt p, khơng mang điện tích Bằng việc phát hạt neutron n nhà vật lý hoàn thành việc khám phá thành phần cấu tạo nên nguyên tử cấu tạo nên giới vật chất Cũng cần nói thêm vật lý hạt bản, với tư cách chuyên ngành độc lập vật lý học, người ta xem bắt đầu từ lúc phát e- mà từ việc phát hạt neutron n Năm 1930 để giải thích hao hụt lượng tượng phân rã β , Pauli giả thiết tồn hạt neutrino υ , hạt đến năm 1953 thực tìm thấy (Reines, Cowan) Hạt neutrino khơng có khối lượng, khơng điện tích tương tác yếu với vật chất Từ năm 30 đến đầu năm 50 kỷ XX, việc nghiên cứu hạt liên quan chặt chẽ với việc nghiên cứu tia vũ trụ Năm 1932, thành phần tia vũ trụ Anderson phát hạt positron e+, phản hạt electron e- phản hạt VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 2/56 BỘ MƠN VẬT LÝ tìm thấy thực nghiệm Sự tồn positron e+ tiên đoán lý thuyết Dirac trước lâu, năm 1928 – 1931 Năm 1936 Anderson Neddermeyer tìm thấy tia vũ trụ hạt μ + , có khối lượng lớn khối lượng electron khoảng 200 lần, lại giống e-, e+ tính chất khác Năm 1947 tia vũ trụ nhóm nghiên cứu Powell phát hạt meson π ± , có khối lượng khoảng 274 lần khối lượng electron Hạt π có vai trị đặc biệt quan trọng tương tác nuclon (proton, neutron) hạt nhân nguyên tử Yukawa tiên đoán lý thuyết từ năm 1935 Cuối năm 40 – đầu năm 50 giai đoạn phát hạt lạ, hạt (meson K ± , hạt λ ) tìm thấy tia vũ trụ, cịn hạt tìm thấy máy gia tốc, kết trình tán xạ (va chạm) hạt p hay e- lượng cao Từ năm 50 trở máy gia tốc cơng cụ để nghiên cứu hạt Ngày lượng đạt lên đến hàng trăm GeV, tương lai không xa, hàng ngàn GeV (tức hàng TeV) Máy gia tốc proton p với hạt nặng vài GeV giúp khám phá phản hạt nặng: phản proton (năm 1955), phản neutron (năm 1956), phản sigma (năm 1960), Năm 1964 người ta phát hạt hyperon nặng nhất: hạt omega Ω − , với khối lượng gần gấp đôi khối lượng hạt proton Trong năm 60 người ta khám phá nhiều hạt không bền gọi hạt cộng hưởng, với khối lượng hầu hết lớn khối lượng hạt proton Đại phận hạt biết (vào khoảng 350 hạt) hạt cộng hưởng Vào năm 1962 người ta phát loại hạt neutrino khác nhau: loại kèm với electron υe loại kèm với hạt μ υ μ Năm 1974 hai nhóm nghiên cứu riêng rẽ Tinh Richter lãnh đạo tìm thấy hạt J/psi, có khối lượng khoảng – lần khối lượng proton thời gian sống đặc biệt lớn hạt cộng hưởng Hạt mở đầu cho họ – hạt duyên – phát kể từ năm 1976 Năm 1977, lại hạt nữa, hạt upsilon Y, với khối lượng chục lần khối lượng proton, khởi đầu cho họ hạt đẹp tìm thấy từ năm 1981 Trước đó, vào năm 1975 người ta tìm thấy hạt τ , với tính chất giống hạt e, μ khối lượng lớn nhiều Sau lâu, loại neutrino thứ ba với nó, hạt υτ Mới nhất, vào năm 1983 phịng thí nghiệm CERN người ta tìm thấy hạt boson vector trung gian W ± , Z dự kiến lý thuyết trước lâu Các hạt có vai trị tương tự hạt photon γ , lại có khối lượng lớn, gấp trăm lần khối lượng proton §2 SƠ LƯỢC VỀ CÁC LOẠI TƯƠNG TÁC Từ thực nghiệm người ta xác định kích thước hạt proton, meson π ,… vào khoảng 10-13cm, cịn kích thước hạt e, μ khơng xác định được, biết chúng nhỏ thua 10-15cm Do đó, giới hạt quy luật lượng tử chủ đạo Đặc tính quan trọng hạt khả sinh hay hủy tương tác với Mỗi hạt lượng tử trường vật lý tương ứng, trình với VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 3/56 BỘ MÔN VẬT LÝ hạt diễn tiến thông qua tượng hấp thụ xạ lượng tử Chỉ góc độ ta hiểu chẳng hạn sinh hạt meson π trình va chạm proton: p + p → p + n +π+, trình hủy cặp e+, e- để trở thành photon: e+ + e− → γ + γ Ngay trình phản xạ đàn tính chẳng hạn e− + p → e− + p , liên quan với việc hấp thụ hạt ban đầu sinh hạt trạng thái cuối Sự phân rã hạt không bền thành hạt bền tương tự: sản phẩm phân rã sinh vào thời điểm mà hạt ban đầu bị hủy Các trình cụ thể mà hạt tham gia khác cường độ, diễn tiến nhiều đặc trưng khác Người ta chia chúng làm loại tương tác: Tương tác mạnh: có cường độ mạnh có tầm tác dụng ngắn, vào khoảng ÷ fermi Chính nhờ tương tác mạnh mà proton neutron liên kết chặt chẽ với thành hạt nhân nguyên tử bền vững, viên gạch lâu đài vật chất Theo Yukawa tương tác thực thông qua trao đổi hạt meson π Đây mơ hình lý thuyết thang lượng hạt nhân Tương tác điện từ: tương tác hạt tích điện, thực thơng qua trao đổi photon γ , có tầm tác dụng ∞ Tương tác mô tả lý thuyết hồn chỉnh, thuyết Điện động lực lượng tử Tương tác yếu: biết đến qua tượng phân rã β , với thời gian đặc trưng 10−8 ÷ 10−10 s , phân rã tương tác mạnh có thời gian đặc trưng 10−23 ÷ 10−24 s Để hình dung độ yếu tương tác ta lấy ví dụ hạt neutrino υ , tham gia tương tác yếu, dễ dàng đâm xuyên qua Trái Đất mà khơng bị cản trở Tương tác hấp dẫn: biết tương tác hạt có khối lượng, phổ biến tượng vĩ mơ, có vai trị chủ đạo phạm vi siêu vĩ mô, phạm vi hạt bỏ qua nhỏ Cường độ loại tương tác đặc trưng tham số không thứ nguyên, liên quan đến bình phương số tương tác Ở lượng trình vào cỡ 1GeV tham số loại tương tác kể tỉ lệ tương ứng 1:10−2 :10−10 :10−38 Tuy nhiên cường độ loại tương tác lại phụ thuộc lượng khác nhau, việc phân chia tương tác thay đổi giá trị lượng cao Ngoài cường độ, loại tương tác khác nhiều đặc trưng khác, liên quan đến tính đối xứng Về mặt lý thuyết, điện động lực học lượng tử (tương tác điện từ) hoàn thành vào khoảng kỷ trước, lý thuyết tương tác mạnh tương tác yếu năm 60 cịn mang tính tượng luận Mãi đến cuối năm 60, đầu năm 70, lý thuyết thống loại tương tác điện từ tương tác yếu xây dựng thành công (Weinberg, Salam), đồng thời lý thuyết tương tác mạnh thang lượng cao (Sắc động lực học) xây dựng Ngày nhà lý thuyết nổ lực xây dựng lý thuyết thống chung cho loại tương tác: Thống lớn, Siêu thống Trong số VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 4/56 BỘ MÔN VẬT LÝ lý thuyết nhằm mục đích thống tương tác lý thuyết dây xam lý thuyết có nhiều triễn vọng Tùy theo việc hạt tham gia vào loại tương tác (chủ yếu loại tương tác đầu) mà người ta phân chia chúng sau: - Các hạt lepton: e, μ , τ hạt υ tương ứng Lepton tham gia tương tác yếu tương tác điện từ (nếu mang điện tích) - Các hạt hadron, tham gia loại tương tác Hadron chia làm nhóm: + Meson: π , K,… + Barion: p, n, λ ,… - Các hạt truyền tương tác (boson vectơ trung gian): γ , W ± , Z tác nhân thực tương tác hạt §3 QUY LUẬT CHUYỂN ĐỘNG CỦA HẠT CƠ BẢN Các định luật vật lý áp dụng: Đối tượng nghiên cứu vật lý hạt nhân hạt hạt vi mơ, nên phương trình chuyển động chúng phải tuân theo phương trình Schrodinger học lượng tử là: ⎛ ⎞ ∇ + Vˆ ⎟ψ = Eψ ⎜− ⎝ 2m ⎠ (1.1) Trong E trị riêng toán tử Hamilton, biểu diễn lượng hạt, cịn ψ hàm sóng mơ tả trạng thái hạt Các định luật bảo toàn lượng, bảo toàn xung lượng, bảo toàn moment xung lượng, bảo tồn điện tích, bảo tồn số khối,… sử dụng vật lý hạt Tuy nhiên, việc sử dụng tiên đề học lượng tử vào nghiên cứu hạt tồn nhiều bất ổn Chẳng hạn định luật bảo tồn xác suất (hay phương trình liên tục) địi hỏi xác suất tìm thấy hạt khơng gian bảo tồn Nhưng vật lý hạt bản, hạt (hủy) sinh (sinh) Để khắc phục nhược điểm người ta sử dụng lý thuyết - mơ hình chuẩn lý thuyết trường lượng tử Cơ học tương đối tính: 2.1 Vận tốc: Tiên đề Eisntein: Vận tốc ánh sáng chân khơng có giá trị c theo phương theo hệ quy chiếu quán tính Năm 1964, nhà vật lý CERN, phịng thí nghiệm hạt Châu Âu đặt gần Genever tiến hành thí nghiệm hạt pion trung hịa π sau: Hạt pion trung hòa π hạt khơng bền có thời gian sống ngắn tạo thành va chạm máy gia tốc Nó phân rã thành tia gamma theo trình: π0 →γ +γ VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 5/56 BỘ MÔN VẬT LÝ Vì tia gamma sóng điện từ nên vận tốc hồn tồn giống vận tốc ánh sáng khả kiến Vận tốc tia gamma phát từ hạt π đứng yên đo được: c = 2,998.108 m / s Nếu gia tốc chùm hạt pion chuyển động với vận tốc 0,99975c phịng thí nghiệm Đo vận tốc tia gamma hạt π chuyển động nhanh xạ ta đo được: c = 2,998.108 m / s Như vậy, vận tốc ánh sáng pion xạ - hạt phóng với vận tốc gần vận tốc ánh sáng – giống vận tốc mà đo hạt pion nằm n phịng thí nghiệm 1.2 Thời gian chuyển động: Xét biến cố xảy thời gian ∆t0 hệ quy chiếu quán tính K’ chuyển động với vận tốc v so với hệ K Theo thuyết tương đối hẹp, thời gian xảy biến cố quan sát hệ K là: ∆t = ∆t0 (1.2) v2 1− c Khoảng thời gian riêng ∆t0 biến cố nhỏ khoảng thời gian ∆t hệ K Nói cách khác thời gian hệ chuyển động trôi chậm thời gian hệ đứng yên Công thức kiểm chứng vào năm 1977 phịng thí nghiệm CERN cách gia tốc chùm hạt muon μ (hạt muon hạt khơng bền, phịng thí nghiệm có thời gian sống trung bình ∆t0 = 2, μ s ) đến vận tốc 0,9994c Xác định thời gian sống trung bình hạt lý thuyết thời gian sống thực nghiệm phù hợp 63,5μ s Chúng ta minh họa chậm lại thời gian thông qua việc phát hạt pion π + Hạt pion hình thành thượng tầng khí va chạm hạt proton neutron cực nhanh Thời gian sống trung bình 2, 2.10−8 s tự phân rã thành meson muon neutrino muon: π + → μ + + υμ Meson pion π + chuyển động với vận tốc xấp xỉ gần vận tốc ánh sáng v = 0,99999999c Trong khoảng thời gian 2, 2.10−8 s , 6,6m sau bị phân rã, khơng cịn tồn meson π + Nhưng người ta quan sát meson π + ngang mặt biển hầm sâu đất, tức cách nơi sinh meson pion khoảng 40 – 50 km Bằng công thức liên hệ thời gian xảy biến cố hệ quy chiếu quán tính, tính quãng đường mà meson pion π + được? 1.3 Động lượng, lượng: Xét va chạm cô lập hạt Trong học cổ điển, ta quan sát hệ quy chiếu khác nhau, vận tốc đo hạt va chạm khác định luật bảo tồn động lượng ln VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 6/56 BỘ MÔN VẬT LÝ Giả sử hạt có khối lượng m0 chuyển động với vận tốc v không đổi theo phương x hệ quy chiếu K Động lượng vật là: p = m0 v = m0 ∆x ∆t Động lượng hạt hệ gắn liền với vật là: p = m0 v = m0 ∆x ∆t0 Áp dụng cơng thức dãn thời gian, ta viết động lượng hạt hệ K’ là: p = m0 p = m0 ∆x ∆x ∆t = m0 ∆t0 ∆t ∆t0 v (1.3) v2 1− c Từ cơng thức trên, ta thấy động lượng p tiến đến giá trị vô lớn vận tốc v hạt tiến đến vận tốc ánh sáng giá trị có giới hạn Ta chứng minh biểu thức động lượng tương đối tính sau: Động năng: hiểu lượng hạt có chuyển động tính hiệu lượng hạt chuyển động lượng hạt đứng yên (năng lượng nghỉ) ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎟ T = m0c ⎜ − ⎜ ⎟ v2 ⎜ 1− ⎟ c ⎝ ⎠ (1.4) Từ biểu thức (1.4), suy biểu thức tính động hạt T = m0v v VB : hạt mang điện dương bay từ A đến ống thu lượng eU vào ống chuyển động ống Khi VA < VB : lúc V2 < V1 (chọn độ dài ống thích hợp cho hạt điểm cuối ống 1) hạt gia tốc thu lượng bổ sung eU vào ống tiếp tục chuyển động thẳng ống Khi VA > VB : lúc V3 < V2 (chọn độ dài ống thích hợp cho hạt điểm cuối ống 2) hạt gia tốc thu lượng bổ sung eU vào ống tiếp tục chuyển động thẳng ống Như vậy, sau lần điện trường đổi dấu hạt gia tốc từ ống sang ống thu lượng bổ sung eU Giả sử có n ống lượng hạt thu sau qua ống neU Tuy nhiên để đảm bảo việc gia tốc đồng chiều dài ống phải thỏa mãn: l1 : l2 : l3 : l4 : l5 = 1: : : : Nguyên lý đề để gia tốc ion nặng, khơng thích hợp với hạt electron chúng nhẹ, cần phải dùng nguồn điện áp gia tốc có tần số siêu cao tần (vi sóng) A AC B Máy gia tốc Cyclotron: Cấu tạo: Gồm hình trụ rỗng kim loại cắt thành phần theo đường kính gọi duant đặt cực nam châm đồng Tùy vào loại hạt lượng cần gia tốc mà bán kính buồng gia tốc cực nam châm khác Buồng gia tốc hút chân không đến áp suất 10−5 − 10−6 mmHg Tại tâm buồng duant đặt nguồn ion đặc biệt Các duant nối với điện hình sin tần số cao Hoạt động: Chọn tần số phù hợp điện trường xoay chiều duant, lần ion từ duant sang duant khác gia tốc lượng chúng tăng lên Bán kính quỹ đạo trịn: VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 43/56 BỘ MƠN VẬT LÝ mv eH Tần số nguồn cao tần: eH ω= m R= §3 CÁC PHƯƠNG PHÁP GHI NHẬN HẠT SƠ CẤP Buồng ion hóa: Cấu tạo: buồng kín, thành mỏng bên chứa đầy khí Buồng có điện cực với điện áp từ 100V đến 1000V Hoạt động: Hạt vào buồng gây ion hóa chất khí bên Các ion dương ion âm tạo từ hạt chạy điện cực tạo thành dòng điện để ghi nhận Phạm vi sử dụng: Điện buồng chọn cho ion không bị tái hợp đến điện cực đồng thời khơng gây ion hóa thứ cấp Buồng thích hợp ghi nhận hạt có khoảng chạy ngắn Ống đếm khí phóng điện: Cấu tạo: gồm buồng kín hình trụ, thành mỏng thủy tinh Bên tráng lớp kim loại mỏng hoạt động Cathode Anode sợi dây tóc mảnh căng dọc theo trục ống Hoạt động: (gồm giai đoạn) − Ion hóa sơ cấp − Ion hóa thứ cấp − Sự thác lũ lặp lại 3.Ống đếm nhấp nháy: Cơ sở: dựa tính nhạy sáng có hạt qua số loại vật liệu Cấu tạo: gồm vật liệu nhấp nháy ống nhân quang điện Hoạt động: Hạt cần ghi nhận vào tinh thể nhấp nháy bị làm chậm Năng lượng phát hãm lại tạo nên nháy sáng thông qua ống nhân quang Dectector Cherenkov: Nguyên tắc: hạt chuyển động môi trường với vận tốc vượt pha ánh sáng môi trường ( v > c / n ) hạt phát xạ điện từ chóp nón hẹp hợp với phương chuyển động góc θ xác định theo công thức: c cos θ = n v Cấu tạo: vật phát xạ suốt ống khuếch đại quang ghi nhận Hoạt động: xác định góc θ ta suy vận tốc hạt từ cho biết lượng hạt cần khảo sát Dectector bán dẫn: Cấu tạo: gồm bán dẫn loại n p ghép với Hoạt động: hạt chuyển động ngang qua chỗ nối, điện từ lỗ trống phát sinh tác dụng điện trường di chuyển điện cực tạo xung điện tỉ lệ với ion tạo thành VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 44/56 BỘ MÔN VẬT LÝ Buồng Wilson: Cấu tạo: gồm xylanh thủy tinh nạp đầy khí trơ lượng nhỏ nước Bên có pittơng chèn xylanh để thay đổi áp suất xylanh Điện trường để bắn ion, ngồi cịn có nguồn sáng, máy quay phim, Hoạt động: áp suất buồng gần đạt trạng thái bão hòa Khi hạt qua buồng khí dãn nở đoạn nhiệt nên trở nên q bão hịa Các vết sương hình thành dọc theo đường hạt sau qua buồng Buồng bọt khí: Cấu tạo: gồm buồng kín lớn chứa hydro, proban xenon hóa lỏng có nhiệt độ áp suất nằm điểm sôi chút Hoạt động: ta giảm áp suất cách đột ngột, chất lỏng buồng chuyển qua trạng thái q sơi, khơng bền, dễ bay Do đó, ion vào tạo nên tâm bay quỹ đạo chuyển động với bọt nhỏ quan sát hay chụp ảnh Buồng quang nhũ tương dày: Nguyên tắc: mang lớp nhũ tương đặt vào đường hạt nghiên cứu rữa Sau rữa ảnh, vệt đen tạo thành hạt nhỏ kim loại Ag xuất dọc theo đường hạt Buồng tia lửa: Cấu tạo: gồm điện cực song song mỏng gần chiếm diện tích 1m2 nối xen kẽ Một số cực nối đất số khác cấp xung cao hạt qua buồng tạo thành tia lửa VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 45/56 BỘ MÔN VẬT LÝ CHƯƠNG 6: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT VỤ NỔ LỚN (BIGBANG THEORY) Vụ nổ lớn lý thuyết khoa học nguồn gốc vũ trụ Theo lý thuyết này, vũ trụ điểm kỳ dị có mật độ vật chất nhiệt độ cực lớn thời điểm xác định q khứ Từ đó, khơng gian mở rộng với thời gian làm cho thiên hà di chuyển xa hơn, tạo vũ trụ dãn nở thấy ngày Ý tưởng trung tâm lý thuyết trình vũ trụ dãn nở Nó minh chứng thí nghiệm dịch chuyển đỏ thiên hà (định luật Hubble) Điều có nghĩa thiên hà rời xa có nghĩa chúng gần khứ khứ xa xưa nhất, cách khoảng 13,7 tỷ (13,7 × 109) năm, điểm kỳ dị Từ "vụ nổ lớn" sử dụng nghĩa hẹp, thời điểm thời gian mở rộng vũ trụ bắt đầu xuất hiện, theo nghĩa rộng, q trình tiến hóa, giải thích nguồn gốc phát triển vũ trụ Lịch sử hình thành Vũ trụ dãn nở Lý thuyết Vụ nổ lớn đưa dựa sở thành tựu lý thuyết thực nghiệm Về mặt thực nghiệm, năm 1910, nhà khoa học Vesto Slipher sau Carl Wilhelm Wirtz xác định hầu hết tinh vân hình xốy ốc rời xa Trái Đất, họ không nhận ý nghĩa việc này, họ không nhận tinh vân thiên hà Ngân Hà chúng Cũng vào năm 1910, lý thuyết tương đối rộng Albert Einstein thừa nhận vũ trụ không tĩnh Vũ trụ mô tả ten sơ metric vũ trụ dãn nở co lại Nhưng thân Einstein lại cho vũ trụ sai ông bổ sung số vũ trụ, có tác dụng lực hút để mơ tả vũ trụ tĩnh Người nghiên cứu thuyết tương đối rộng cách nghiêm túc mà không cần đến số vũ trụ Alexander Friedmann, ông đưa phương trình mơ tả cho vũ trụ Friedmann- Lemaltre Robertson – Walker Năm 1927, thầy tu dòng tên người Bỉ Georges Lemaltre đưa phương trình Friedmann – Lemaltre – Robertson – Walker (Alexander Alexandrovich Friedman, Monsignor Georges Henri Joseph Édouard Lemtre, Howard Percy Robertson, Arthur Geoffrey Walker) cách độc lập dựa quan sát lùi xa tinh vân hình xoáy ốc, giả thiết vũ trụ "vụ nổ" "nguyên tử nguyên thủy" mà sau gọi "Vụ Nổ Lớn" Sự dịch chuyển phía đỏ: thiên thể dời xa người quan sát Năm 1929, Edwin Hubble đưa sở thực nghiệm cho lý thuyết Lemtre Hubble chứng minh rằng, tinh vân hình xốy ốc thiên hà ông đo khoảng cách chúng ngơi Cepheid Ơng phát thiên hà rời xa theo tất hướng với vận tốc tỷ lệ với khoảng cách chúng Sự dãn nở gọi định luật Hubble Do giới hạn nguyên lý vũ trụ, định luật Hubble gợi ý vũ trụ dãn nở Điều cho phép hai khả trái ngược xảy Khả thứ lý thuyết vụ nổ lớn Lemtre, sau George Gamow mở rộng Khả thứ VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 46/56 BỘ MÔN VẬT LÝ hai vũ trụ tuân theo mơ hình trạng thái dừng Fred Hoyle, đó, vật chất tạo thiên hà chuyển động xa khỏi Theo mơ hình Hoyle, vũ trụ gần không đổi theo thời gian Thực Hoyle người đặt tên cho lý thuyết Lemtre cách mỉa mai chương trình đài BBC vào năm 1949 "vụ nổ lớn", đến năm 1950 tên in báo Bức xạ vũ trụ Trong nhiều năm, ý tưởng gây nhiều tranh cãi Tuy nhiên, có nhiều chứng thực nghiệm ủng hộ ý tưởng cho vũ trụ trạng thái đặc nóng Từ khám phá xạ vũ trụ vào năm 1965 lý thuyết vụ nổ lớn coi lý thuyết tốt để mơ tả nguồn gốc tiến hóa vũ trụ Trước năm cuối thập kỷ 1960, nhiều nhà vũ trụ học nghĩ điểm kỳ dị có mật độ vơ hạn thời điểm bắt đầu thời gian mơ hình vũ trụ Friedmann khơng trước đó, vũ trụ pha co lại đến gần thiên hà trượt qua chuyển sang pha dãn nở Richard Tolman gọi vũ trụ thê vũ trụ dao động Tuy nhiên, vào năm 1960, Stephen Hawking người khác chứng minh vũ trụ tồn điểm kỳ dị đặc điểm quan trọng vật lý mô tả lý thuyết hấp dẫn Einstein Điều thuyết phục phần lớn nhà vũ trụ học chấp nhận vũ trụ mô tả thuyết tương đối rộng sinh thời điểm hữu hạn khứ Tuy nhiên, thuyết hấp dẫn lượng tử chưa hồn thiện nên khơng có cách kiểm chứng điểm kỳ dị Vụ nổ lớn điểm khởi đầu cho vũ trụ khơng thể nói vũ trụ có tuổi vơ hạn Ngày nay, tất cơng trình lý thuyết vũ trụ học phần mở rộng hiệu chỉnh lại lý thuyết Vụ nổ lớn ban đầu Rất nhiều cơng trình vũ trụ học bao gồm việc nghiên cứu hình thành thiên hà bối cảnh sau Vụ nổ lớn, tìm hiểu xảy Vụ nổ lớn so sánh kết thực nghiệm với lý thuyết Việc nghiên cứu Vụ nổ lớn có bước tiến vượt bậc vào năm 1990 đầu năm kỷ 21 nhờ vào phát triển kỹ thuật kính thiên văn kết hợp với lượng lớn dự liệu vệ tinh Máy thăm dị phơng vũ trụ (COBE), kính thiên văn khơng gian Hubble Máy dị dị hướng vi sóng Wilkinson (WMAP) Các liệu cho phép nhà vũ trụ học tính tốn nhiều thơng số Vụ nổ lớn với độ xác cao cho khám phá bất ngờ dãn nở vũ trụ mà gia tốc (Xem lượng tối) Mô tả lý thuyết Dựa phép đo dãn nở vũ trụ siêu tân tinh loại I, phép đo trồi sụt xạ vũ trụ phép đo hàm liên kết thiên hà, người ta xác định tuổi vũ trụ 13,7 ± 0,2 tỷ năm Kết giống ba phép đo độc lập coi chứng thuyết phục cho mơ hình gọi mơ hình Lambda – CDM mơ tả chi tiết tính chất vũ trụ Siêu tân tinh, hay siêu mới, số loại vụ nổ tạo nên vật thể sáng chủ yếu gồm plasma bùng lên thời gian ngắn, cấp biểu kiến tăng lên đột ngột hàng tỉ lần, giảm dần vài tuần hay vài tháng Tổng lượng thoát đạt tới 1044J Cấp tuyệt đối đạt đến – 20 m Có hai kiểu nổ Trong kiểu thứ nhất, khổng lồ cháy hết nhiên liệu nhiệt hạch, áp suất ánh sáng, sụp đổ vào tâm trọng trường nó, lúc mật độ VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 47/56 BỘ MÔN VẬT LÝ áp suất tăng cao gây nên bùng nổ Trong kiểu thứ hai, lùn trắng hút lấy vật chất từ bay quanh nó, đạt khối lượng Chandrasekhar bùng nổ nhiệt hạch Trong hai kiểu này, lượng lớn vật chất bị đẩy bật không gian xung quanh Kiểu nổ thứ kết thúc trình sống ngơi sao, kết nhân trở thành lùn trắng, neutron (pulsar, từ, hyperon hay quark ) hay hố đen tùy thuộc chủ yếu vào khối lượng Các vật chất lớp vỏ bị bắn vào khoảng khơng trở thành tàn tích siêu tân tinh Vũ trụ vào giai đoạn sớm vũ trụ đồng đẳng hướng với mật độ, lượng, nhiệt độ áp suất cực cao Sau vũ trụ nở ra, lạnh trải qua trình chuyển pha giống ngưng tụ nước đóng băng nước nhiệt độ giảm xuống, tất nhiên chuyển pha phân tử nước mà hạt Khoảng 10-35 giây sau kỷ nguyên Planck, loại chuyển pha làm cho vũ trụ trải qua giai đoạn phát triển theo hàm mũ gọi giai đoạn lạm phát vũ trụ Sau trình lạm phát kết thúc, thành phần vũ trụ gồm plasma quark - gluon (gồm tất hạt khác, số thực nghiệm gần gợi ý vũ trụ lúc loại chất lỏng quark – gluon ) Các hạt chuyển động tương đối Khi vũ trụ tiếp tục gia tăng kích thước nhiệt độ tiếp tục giảm Tại nhiệt độ định, giai đoạn mà người ta chưa biết hết gọi q trình sinh hạt barion, đó, quark gluon kết hợp với để tạo nên hạt barion, proton neutron, cách mà thể tính phi đối xứng vật chất phản vật chất Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ dẫn đến nhiều trình chuyển pha có tính đối xứng bị phá vỡ làm cho lực vật lý hạt tồn trạng thái thấy ngày Sau đó, số proton neutron kết hợp với để hình thành hạt nhân nguyên tử deuterium hêli, trình gọi tổng hợp hạt nhân vụ nổ lớn Khi vũ trụ tiếp tục bị nguội đi, vật chất khơng cịn chuyển động với vận tốc tương đối mật độ lượng khối lượng nghỉ thể dạng hấp dẫn thống trị mật độ lượng thể dạng xạ Khoảng 300.000 năm sau vụ nổ lớn, điện tử hạt nhân kết hợp với tạo nên nguyên tử (phần lớn hiđrơ); đó, xạ tách khỏi vật chất tiếp tục truyền không gian mà không bị cản trở Dấu vết xạ tồn đến ngày xạ vũ trụ Trong vũ trụ học, kỷ nguyên Planck đặt theo tên nhà vật lý tiếng người Đức Max Planck dùng để khoảng thời gian sớm lịch sử vũ trụ từ lúc 10 − 43 giây (bằng thời gian Planck), tức khắc sau Vụ Nổ Lớn, thời gian bốn lực thống Đây thời khoảng lý thuyết mà tất định luật vật lý cổ điển vật lý lượng tử khơng áp dụng Có nghĩa là, trước đó, hồn tồn khơng biết vũ trụ với lý thuyết vật lý Theo thời gian, số vùng có mật độ vật chất cao hút lực hấp dẫn làm cho vùng đặc để hình thành nên đám mây vật chất, sao, thiên hà cấu trúc vũ trụ mà quan sát ngày Chi tiết trình phụ thuộc vào lượng loại vật chất vũ trụ Có ba loại vật chất biết vật chất tối lạnh, vật chất tối nóng vật chất thường Các phép đo thực nghiệm cho thấy VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 48/56 BỘ MÔN VẬT LÝ dạng vật chất tối lạnh thống trị vũ trụ, chiếm đến 80% khối lượng, hai loại vật chất chiếm chưa đến 20% khối lượng Về mặt lượng vũ trụ bị thống trị dạng lượng bí ẩn gọi lượng tối Khoảng 70% mật độ lượng toàn phần vũ trụ tồn dạng Sự có mặt dạng lượng suy từ sai khác dãn nở vũ trụ công thức liên hệ tốc độ - khoảng cách làm cho không thời gian dãn nở nhanh trông đợi khoảng cách lớn Năng lượng tối xuất số vũ trụ phương trình Einstein lý thuyết tương đối rộng Nhưng chất, chi tiết phương trình trạng thái, mối liên hệ với mơ hình chuẩn vật lý hạt cịn chưa sáng tỏ cần nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm Tất quan sát giải thích mơ hình Lambda – CDM, đó, mơ hình tốn học vụ nổ lớn có sáu thơng số tự Bí ẩn xuất người ta quan sát gần điểm khởi đầu, mà lượng hạt lớn lượng mà thực nghiệm chưa đạt Hiện khơng có mơ hình vật lý mô tả vũ trụ thời điểm trước 10-33 giây, trước thời điểm chuyển pha gọi lý thuyết thống lớn Tại thời khắc ngắn ngủi này, lý thuyết Einstein hấp dẫn tiên đốn điểm kỳ dị hấp dẫn, mật độ vật chất trở nên vô hạn Để giải nghịch lý vật lý này, người ta cần đến lý thuyết lượng tử hấp dẫn Đó vấn đề chưa giải vật lý Cơ sở lý thuyết Lý thuyết Vụ nổ lớn ngày dựa ba giả thuyết sau: Tính phổ quát định luật vật lý Nguyên lý vũ trụ học Nguyên lý Copernic Ban đầu, giải thuyết thừa nhận ngày có nhiều thực nghiệm kiểm tra tính đắn chúng Tính phổ quát định luật vật lý chứng minh đắn sai số lớn số cấu trúc tinh tế khoảng thời gian tuổi vũ trụ cỡ khoảng 10-5 Tính dị hướng vũ trụ xác định nguyên lý vũ trụ kiểm nghiệm với độ xác 10-5 vũ trụ xác định đồng quy mô lớn với độ sai số khoảng 10% Hiện người ta trình kiểm tra nguyên lý Copernic cách nghiên cứu tương tác đám thiên hà CMB thông qua hiệu ứng Sunyaev – Zeldovich với độ xác 1% Lý thuyết Vụ nổ lớn sử dụng giả thuyết Weyl để đo thời gian thời điểm sau kỷ nguyên Planck Các phép đo dựa tọa độ quy chiếu khoảng cách quy chiếu thời gian quy chiếu loại bỏ dãn nở vũ trụ quan điểm phép đo không-thời gian Khoảng cách quy chiếu thời gian quy chiếu định nghĩa cho vật thể chuyển động vũ trụ dãn nở khác có khoảng cách chân trời hạt hay giới hạn quan sát (của vũ trụ đó) xác định thời gian quy chiếu Vì vũ trụ mô tả tọa độ vậy, vụ nổ lớn khơng phải vụ nổ vật chất phóng lấp đầy vũ trụ trống rỗng; dãn nở khơng - thời gian Đó dãn nở làm cho khoảng cách vật lý hai điểm cố định vũ trụ tăng lên Các vật thể liên kết với (ví dụ bị liên kết lực hấp dẫn) khơng dãn nở khơng - thời gian định luật vật lý điều khiển chúng giả thiết đồng độc lập với dãn nở metric Hơn nữa, dãn nở vũ trụ nấc VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 49/56 BỘ MÔN VẬT LÝ thang cục ngày nhỏ nên có phụ thuộc định luật vật lý vào dãn nở phụ thuộc nhỏ làm cho máy đo xác định Bằng chứng thực nghiệm Nói chung, có ba chứng chủ yếu ủng hộ lý thuyết vụ nổ lớn nguồn gốc vũ trụ Đó định luật Hubble cho thấy dãn nở vũ trụ dựa dịch chuyển đỏ thiên hà; việc tìm xạ vũ trụ; thống trị nguyên tố nhẹ Hơn nữa, hàm liên kết cấu trúc nấc thang vĩ mô vũ trụ hoàn toàn trùng khớp với lý thuyết Vụ nổ lớn 4.1 Định luật Hubble dãn nở vũ trụ Các quan sát thiên hà quasar xa xôi cho thấy ánh sáng từ chúng phát bị dịch chuyển phía ánh sáng có bước sóng dài (dịch chuyển đỏ) dịch chuyển tỷ lệ với khoảng cách chúng Sự dịch chuyển ánh sáng rút từ phổ tần số vật thể so sánh với vạch phổ phát xạ hấp thụ nguyên tử nguyên tố tương tác với xạ Sự dịch chuyển đỏ giải thích hiệu ứng Doppler ánh sáng nguồn phát chuyển động xa nguồn thu Sự dịch chuyển phía bước sóng dài tỷ lệ với khoảng cách tượng biểu diễn định luật Hubble sau: v = H0 D Trong v vận tốc rời xa, D khoảng cách H0 số Hubble có giá trị 71 ± km/giây/Mpc 4.2 Bức xạ phơng vũ trụ Bức xạ phơng vi sóng vũ trụ (hay xạ phông vũ trụ, xạ tàn dư vũ trụ) xạ điện từ sinh từ thời kỳ sơ khai vũ trụ (khoảng 400.000 năm sau Vụ Nổ Lớn) Phổ có dạng giống phổ xạ vật đen với đỉnh nằm dải bước sóng vi ba (trong khoảng vài milimét đến vài chục xentimét) Hầu hết nhà vũ trụ học cho xạ phông vũ trụ với dịch chuyển đỏ chứng tốt chứng minh cho đắn mơ hình Vụ Nổ Lớn vũ trụ Lý thuyết vụ nổ lớn tiên đoán tồn xạ phơng vi sóng vũ trụ tạo thành từ quang tử phát từ giai đoạn sinh hạt barion Vì vũ trụ thời kỳ sơ khai trạng thái cân nhiệt động nên nhiệt độ xạ plasma plasma tái hợp Trước nguyên tử hình thành xạ bị hấp tụ tái phát xạ trình gọi tán xạ Compton: vũ trụ vào giai đoạn sơ khai không suốt với ánh sáng Tuy nhiên, trình nhiệt độ vũ trụ bị giảm dãn nở làm cho nhiệt độ xuống thấp 3000 K, nhiệt độ điện tử hạt nhân kếp hợp với để tạo nguyên tử plasma nguyên thủy bị biến thành khí trung hịa Q trình gọi q trình giải phóng quang tử Một vũ trụ gồm nguyên tử trung hòa cho phép xạ truyền qua mà không bị cản trở nhiều Vì giai đoạn sớm, vũ trụ trạng thái cân nhiệt động nên xạ từ thời điểm có phổ phân bố giống phổ phát xạ vật đen truyền cách tự ngày bị dịch chuyển đỏ theo định luật Hubble Bức xạ phải giống theo hướng không gian Năm 1964, Arno Penzias Robert Wilson phát xạ phông vũ trụ họ tiến hành nghiên cứu máy thu tín hiệu vi sóng phịng thí nghiệm Bell Khám phá họ khẳng định tiên đốn xạ phơng vũ trụ, xạ đẳng hướng đồng phân VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 50/56 BỘ MÔN VẬT LÝ bố giống phổ phát xạ vật đen có nhiệt độ khoảng K Penzias Wilson trao giải Nobel Vật lý nhờ khám phá Năm 1989, Cơ quan Hàng khơng Vũ trụ Hoa Kỳ phóng Vệ tinh thăm dị phơng vũ trụ (COBE), kết ban đầu quan sát phù hợp với tiên đoán lý thuyết vụ nổ lớn liên quan đến xạ phơng vũ trụ COBE tìm thấy nhiệt độ dư 2,726 K xác định xạ đẳng hướng với độ xác 10-5 Vào năm 1990, tính dị hướng xạ phông vũ trụ nghiên cứu chi tiết nhiều thí nghiệm kết mặt hình học, vũ trụ phẳng Vào đầu năm 2003 kết từ Vệ tinh Dị hướng Vi sóng Wilkinson (WMAP) phóng thu giá trị xác thơng số vũ trụ Vệ tinh loại bỏ số mô hình lạm phát vũ trụ đặc biệt nhìn chung kết phù hợp với lý thuyết lạm phát 4.3 Sự hình thành nguyên tố Sử dụng mơ hình vụ nổ lớn, người ta tính mật độ helium-4, helium-3, deuterium lithium-7 vũ trụ so với mật độ hydrogen dựa tỷ lệ quang tử/barion Tỷ lệ tính tốn khoảng 0,25 4He/H, khoảng 10-3 2H/H, khoảng 104 3He/H khoảng 10-9 7Li/H Tất cá giá trị phù hợp với tính tốn từ tỷ lệ barion/quang tử Đây coi chứng rõ ràng vụ nổ lớn, lý thuyết giải thích thống trị nguyên tố nhẹ vũ trụ Trên thực tế, khơng có kết thực nghiệm nằm ngồi khn khổ lý thuyết vụ nổ lớn, ví dụ, vũ trụ có nhiều helium deuterium có nhiều deuterium 3He 4.4 Sự phân bố tiến hóa thiên hà Các nghiên cứu thực nghiệm hình dáng phân bố thiên hà quasar cho chứng thuyết phục vụ nổ lớn Kết hợp quan sát tính tốn lý thuyết gợi ý quasar thiên hà hình thành khoảng tỷ năm sau vụ nổ lớn, từ cấu trúc lớn hình thành nhóm thiên hà, đám thiên hà siêu đám thiên hà Các già tiến hóa, đó, thiên hà xa xôi (chúng ta thấy chúng giai đoạn sớm vũ trụ) khác thiên hà gần (chúng ta thấy chúng giai đoạn muộn hơn) Hơn nữa, thiên hà hình thành gần khác với thiên hà gần hình thành giai đoạn sớm sau vụ nổ lớn Các quan sát chứng cớ phủ nhận mơ hình trạng thái dừng Các quan sát hình thành ngơi sao, phân bố thiên hà quasar, cấu trúc lớn phù hợp tốt với mơ hình lý thuyết cấu trúc vũ trụ cho phép hồn thiện tính tốn chi tiết Các đặc điểm toán Về mặt lịch sử, có nhiều tốn xuất lý thuyết Vụ nổ lớn Một số tốn chủ yếu có tính lịch sử khắc phục cách thay đổi lý thuyết thông qua kết thực nghiệm xác Một số vấn đề khác toán phân bố toán thiên hà lùn vật chất tối lạnh khơng coi quan trọng chúng liên quan đến hiệu chỉnh lý thuyết Có số lý thuyết không tin vào tồn Vụ nổ lớn, cho nghiệm toán chuẩn sửa đổi bổ sung tùy ý vào lý thuyết Phần lớn lý thuyết công vào tượng vật chất tối, lượng tối thăng giáng vũ trụ Các vấn đề tốn chưa có lời giải vật lý, chúng chưa có lời giải có nhiều VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 51/56 BỘ MƠN VẬT LÝ quan sát ủng hộ chúng, xạ phơng vi sóng, cấu trúc vũ trụ nấc thang vĩ mô siêu loại IA Hiệu ứng hấp dẫn thực thể hiểu mặt thực nghiệm lý thuyết chí mơ hình để giải thích cho chúng chưa hồn tồn phù hợp với mơ hình chuẩn vật lý hạt Tuy vậy, phần lớn nhà thiên văn học nhà vật lý đồng ý phù hợp giải thuyết vụ nổ lớn quan sát thiết lập tảng cho lý thuyết Sau liệt kê tóm tắt toán lý thuyết Vụ nổ lớn 5.1 Bài toán chân trời Bài toán chân trời phát sinh từ việc thông tin truyền nhanh vận tốc ánh sáng, có hai vùng không gian cách khoảng cách lớn quãng đường mà ánh sáng thời gian tuổi vũ trụ Như vậy, hai vật thể đầu hai khoảng cách xa đến thế, biết thông tin nhau, điều tương tự tồn chân trời, mà đằng sau nó, chúng khơng có mối quan hệ nhân với Như tính đẳng hướng xạ phông vũ trụ không chắn kích thước chân trời hạt thời điểm tương ứng với kích thước hai độ khối bầu trời Nếu vũ trụ có lịch sử dãn nở giống từ kỷ nguyên Planck khơng có lý làm cho vùng có nhiệt độ Sự bất hợp lý giải lý thuyết lạm phát, lý thuyết cho trường lượng vô hướng đồng đẳng hướng thống trị vũ trụ thời điểm 10-35 giây sau kỷ nguyên Planck Trong trình lạm phát, vũ trụ trải qua giai đoạn dãn nở theo hàm mũ vùng nằm mối liên hệ nhân dãn nở cho chúng nằm mối quan hệ nhân với chân trời vùng khác Nguyên lý bất định tiên đoán rằng, thời kỳ lạm phát có thăng giáng nhiệt lượng tử khuyếch đại lên đến quy mô vũ trụ Các thăng giáng này, có vai trị hạt nhân cấu trúc vũ trụ thấy ngày Sau thời kỳ lạm phát, vũ trụ dãn nở theo định luật Hubble vùng nằm bên mối quan hệ nhân trở lại chân trời Điều giải thích tính đẳng hường xạ phơng vũ trụ Thuyết lạm phát cịn tiên đốn thăng giáng nguyên thủy không đổi coi bất biến khoảng cách tuân theo phân bố Gauss khẳng định quan sát xạ vũ trụ 5.2 Bài toán độ phẳng Bài toán độ phẳng toán thực nghiệm phát sinh từ việc nghiên cứu hình dáng vũ trụ liên quan đến nghiệm Friedmann – Lemtre – Robertson – Walker Nói chung, vũ trụ có ba loại hình dáng: hình hyperbol, hình Euclide hình ellip Hình dáng vũ trụ phụ thuộc vào mật độ lượng toàn phần vũ trụ (được đo ten sơ ứng suất – lượng): mật độ nhỏ mật độ tới hạn vũ trụ có dạng hình hyperbol, lớn có dạng ellip, cịn giá trị có dạng Euclide Giá trị mật độ lượng vũ trụ đo khác độ phần 1015 giá trị mật độ tới hạn trạng thái ban đầu Các thay đổi khác (với giá trị phần 1015) dẫn đến chết nhiệt vụ co lớn vũ trụ không tồn Lời giải cho toán lại lần lý thuyết lạm phát Trong thời kỳ lạm phát, không - thời gian dãn nở nhanh đến mức độ cong có liên quan bị phẳng vũ trụ có dạng phẳng VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 52/56 BỘ MÔN VẬT LÝ 5.3 Các đơn cực từ Đơn cực từ phản đề xuất vào cuối năm 1970 Lý thuyết thống lớn tiên đốn sai hỏng điểm khơng gian có vai trị đơn cực từ có mật độ cao mật độ mà quan sát thu được, nay, chưa tìm thấy đơn cực từ Bài toán giải lý thuyết lạm phát, loại bỏ tất sai hỏng điểm tương tự giải toán độ phẳng vũ trụ phần trước 5.4 Bất đối xứng barion Người ta khơng hiểu áo có nhiều vật chất phản vật chất Giả thiết đưa là, vũ trụ cịn trẻ nóng, vũ trụ trạng thái cân thống kê có số barion số phản barion Tuy nhiên, quan sát cho thấy tất vũ trụ tạo thành từ vật chất, khoảng cách xa Một trình chưa biết đến gọi trình sinh hạt barion tạo bất đối xứng Để trình sinh hạt barion xuất hiện, điều kiện Sakharov, Andrei Sakharov đưa ra, cần phải thỏa mãn Các điều kiện u cầu số barion khơng bảo toàn, tức đối xứng - C đối xứng – CP bị vi phạm, vũ trụ xuất phát từ trạng thái cân nhiệt động Tất điều kiện xuất Vụ Nổ Lớn, hiệu ứng khơng đủ mạnh để giải thích tồn bất đối xứng barion Các nghiên cứu vật lý hạt lượng cao cần tiến hành để giải thích vấn đề 5.5 Vật chất tối Trong năm 1970 1980 quan sát thực nghiệm cho thấy khơng có đủ vật chất khả kiến (vật chất quan sát được) để làm cho vật chất thiên hà thiên hà để giữ chúng quay lực hấp dẫn Điều dẫn đến ý tưởng cho 90% vật chất vũ trụ vật chất khơng bình thường, không tạo thành từ hạt barion gọi vật chất tối Nếu khơng có giả thuyết vật chất tối khơng giải thích vũ trụ lại phẳng có deuterium đến Lúc đầu, vật chất tối gây tranh cãi chấp nhận rộng rãi coi phần vũ trụ chuẩn nhờ vào quan sát dị hướng xạ phông vũ trụ, phân bố vận tốc đám thiên hà, phân bố cấu trúc nấc thang lớn vũ trụ, nghiên cứu thấu kính hấp dẫn, phép đo tia X đám thiên hà Vật chất tối quan sát thơng qua ảnh hưởng hấp dẫn ngồi chưa có chứng khác Tuy nhiên, có nhiều ứng cử viên vật lý hạt cho vật chất tối, vài dự án tiến hành 5.6 Năng lượng tối Vào năm 1990, phép đo chi tiết mật độ vật chất vũ trụ cho thấy giá trị đo 30% giá trị tới hạn Từ quan sát xạ phông vũ trụ, người ta thấy vũ trụ phẳng 70% mật độ lượng vũ trụ chưa tính đến Điều liên quan đến hiệu ứng khác, vũ trụ dãn nở với gia tốc khơng phải tn theo xác định luật Hubble Để giải thích tính gia tốc trình dãn nở, lý thuyết tương đối rộng yêu cầu phần lớn vũ trụ tạo thành từ dạng lượng có áp suất âm gọi lượng tối Năng lượng tối cho phần 70% thiếu hụt từ quan sát xạ phông vũ trụ Bản chất lượng tối bí mật vĩ đại Vụ nổ lớn Các lời giải tồn số vũ trụ Tương lai lý thuyết Vụ nổ lớn Trước có chứng lượng tối, nhà vũ trụ học đưa hai kịch tương lai vũ trụ Nếu mật độ khối lượng vũ trụ cao mật độ tới hạn vũ VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 53/56 BỘ MÔN VẬT LÝ trụ dãn nở đến kích thước cực đại bắt đầu co lại Sau đó, vũ trụ trở lên đặc kết thúc trạng thái tương tự trạng thái mà sinh - Vụ co lớn Nhưng mật độ vũ trụ thấp mật độ tới hạn dãn nở chậm không dừng lại Sự hình thành khơng cịn vũ trụ trở lên loãng lạnh Nhiệt độ vũ trụ tiệm cận đến nhiệt độ không tuyệt đối Các hố đen bay hết Entropy vũ trụ tăng đến điểm mà khơng cịn dạng lượng phát từ đó, kịch gọi chết nhiệt Hơn nữa, trình phân rã proton mà có thực hiđrơ, ngun tố phổ biến vật chất barion biến để lại sau xạ Các quan sát đại trình dãn nở gia tốc gợi ý ngày có nhiều vật chất khả kiến khỏi chân trời kiện thoát khỏi tầm tương tác với Kết cuối chưa biết Mơ hình Lambda-CDM vũ trụ có chứa lượng tối dạng số vũ trụ Lý thuyết gợi ý có hệ liên kết với lực hấp dẫn thiên hà liên kết với chúng chịu chết nhiệt vũ trụ dãn nở lạnh Một số giải thuyết cho lượng tối lượng ma gợi ý đám thiên hà thiên hà bị kéo xa khỏi dãn nở tăng lên mãi trình gọi Sự xé lớn Các vấn đề vật lý thú vị Trong vũ trụ học, lý thuyết Vụ nổ lớn hoàn thiện tinh chỉnh tương lai Nhưng người ta chưa biết nhiều giai đoạn sớm vũ trụ, trình lạm phát xảy Về nguyên tắc, quan sát phần vũ trụ thời Nếu trường hợp lạm phát điều địi hỏi: dãn nở theo hàm mũ đẩy nhiều vùng không gian khỏi chân trời quan sát Có thể vùng khơng gian giảm hiểu rõ vật lý lượng cao Người ta trông đợi nhiều vào lý thuyết lượng tử hấp dẫn Một số giả thuyết đưa là: • Lạm phát vũ trụ • Mơ hình Vũ trụ màng: coi Vụ nổ lớn va chạm màng • Vũ trụ dao động: vũ trụ trạng thái ban đầu nóng, đặc kết Vụ co lớn Vũ trụ trải qua vơ số vụ nổ, co • Mơ hình có điều kiện biên Hartle – Hawking: tồn khơng thời gian hữu hạn Một số kịch tương đương với nhau, tất kịch có chứa yếu tố chưa kiểm chứng Ý nghĩa triết học tơn giáo Có nhiều giải thích ý nghĩa Vụ nổ lớn nằm ngồi phạm vi khoa học Một số giả thuyết cho Vụ nổ lớn tự thân (nguyên nhân đầu tiên) bị nhà triết học theo phái tự nhiên chủ nghĩa phê phán coi lý thuyết Vụ nổ lớn thần thoại sáng Một số người cho Vụ nổ lớn ủng hộ quan điểm Sáng Kinh thánh, số người khác cho hồn tồn khơng phù hợp với tín điều Kinh thánh Lý thuyết Vụ nổ lớn lý thuyết khoa học, khơng liên quan đến tôn giáo Sau số cách giải thích Vụ nổ lớn số tơn giáo: • Rất nhiều người biện giải cho Cơ đốc giáo, đặc biệt Giáo hội Công giáo La Mã chấp nhận Vụ nổ lớn chứng nguồn gốc vũ trụ, coi ngun nhân Giáo hồng Pius XII ủng hộ lý thuyết từ chưa chấp nhận rộng rãi VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 54/56 BỘ MƠN VẬT LÝ • Ngồi cịn số người theo đạo Do thái người tin theo thuyết phi hình người chấp nhận Vụ nổ lớn, điển hình học giả người Do thái Moses Maimonides • Tín đồ Hồi giáo tin vụ nổ lớn sáng Kinh Qur`an • Một số người theo thuyết hữu thần Ấn độ giáo tin • Phật giáo thừa nhận vũ trụ vĩnh hằng, khơng có q trình sáng Tuy nhiên, Vụ nổ lớn không coi mâu thuẫn với Phật giáo có nhiều cách để có vũ trụ vĩnh cửu Nhiều nhà Thiền học nghiêng vũ trụ dao động VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 55/56 BỘ MÔN VẬT LÝ VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 56/56 ... tác với Mỗi hạt lượng tử trường vật lý tương ứng, trình với VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 3/56 BỘ MÔN VẬT LÝ hạt diễn tiến thông qua tượng hấp thụ xạ lượng tử Chỉ góc độ ta hiểu chẳng hạn sinh hạt meson π... −ν μ , π −π VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 33/56 Tạo thành lưỡng tuyến isospin BỘ MÔN VẬT LÝ Chương CÁC LOẠI TƯƠNG TÁC §1 HẠT CHẤT VÀ HẠT TRƯỜNG Hạt chất hạt trường: Vật chất có dạng chất (các hạt) trường... kết va chạm trực diện với hạt tới khối lượng lớn, tính khối lượng động hạt ĐS: m = 0,98u; K = 5,7MeV VẬT LÝ HẠT CƠ BẢN 9/56 BỘ MÔN VẬT LÝ Chương CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HẠT CƠ BẢN §1 KHỐI LƯỢNG, ĐIỆN