Sự hình thành vũ trụ theo quan điểm vật lí hạt cơ bản

Lời cảm ơn Em xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật lý đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong việc thực hiện đề tài này và đặc biệt là cô giáo hớng dẫn Nguyễn Quỳnh Lan đã nhiệt tình giúp đỡ để em hoàn thành tốt khoá luận của mình. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhng chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, em rất mong đ ợc sự góp ý của thầy cô và các bạn sinh viên khoa Vật lý. Em xin chân thành cảm ơn ! 1 Phần mở đầu 1. Lịch sử thiên văn học Thiên văn học xuất hiện từ rất sớm ở các nớc có nền văn hoá phát triển nh Hy Lạp, Ai Cập, Babilon,Trung quốc Khi mới ra đời thì các thiết bị để trang bị cho việc nghiên cứu và quan sát bầu trời còn rất đơn giản, chủ yếu là dụng cụ đo dạc mãi đến năm 1609 Galile chế tạo thành công kính thiên văn và ông là ngời đầu tiên mở ra bớc phát triển mới của thiên văn học. Sau này với các thiết bị hiện đại, những kính thiên văn cực mạnh đã giúp các nhà khoa học trong việc nghiên cứu vũ trụ, họ đã tìm đợc nhiều thiên thể ở rất xa chúng ta, tìm hiểu đợc thành phần cấu tạo và chuyển động của chúng . 2. Lí do chọn đề tài Ngành Thiên văn học là một ngành khoa học mà hiện nay có rất nhiều các nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu, nó là ngành khoa học cổ xa nhất nhng cũng hiện đại nhất. Con ngời luôn có khao khát tìm hiểu về vũ trụ nh có những loại vật chất và năng lợng nào lấp đầy vũ trụ? Tại sao vũ trụ của chúng ta lại nh thế và nó hình thành nh thế nào và bắt đầu từ đâu? Vũ trụ bao nhiêu tuổi? Vũ trụ của chúng ta có điểm kết thúc hay không nếu có thì con ngời sẽ nh thế nào và ở thời điểm ban đầu vũ trụ nh thế nào? - Hơn nữa theo chơng trình giảng dạy ở trờng trung học phổ thông có các phần chứa các vấn đề liên quan đến Thiên văn học * Chuyển động vệ tinh và các định luật Kepler ở lớp 10. 2 * Lớp 12 có chơng "Từ siêu vi mô đến siêu vĩ mô" là phần gắn với kiến thức Vật lí hạt cơ bản và vũ trụ học. - Bộ đã ban hành môn tự chọn"Thiên văn học" dành cho học sinh khá giỏi. * Lớp 10 có 20 tiết về chuyển động của các thiên thể. * Lớp 11 có các vấn đề liên quan đến các hiện tợng điện từ trong vũ trụ nh bão từ, cực quang, ảnh hởng của gió Mặt trời *Lớp 12 có các vấn đề quang phổ các sao, sự hình thành Vũ trụ, Quasar, BigBang, Punxa . 3. Nội dung đề tài. Bằng các lý thuyết đề tài đã làm rõ sự giản nở của vũ trụ, vũ trụ đóng hay mở và làm rõ ở ba phút đầu tiên vũ trụ gồm những loại hạt nào và nhiệt độ của nó là bao nhiêu ? 4. Bố cục của đề tài. Đề tài bao gồm các phần sau: Chơng I: Tổng quan về bốn tơng tác trong tự nhiên. Chơng II: Cách nhìn hiện đại về vũ trụ. Kết luận. Mục lục. Tài liệu tham khảo. 3 Chơng 1 TổNG QUAN Về BốN TƯƠNG TáC TRONG Tự NHIÊN t oàn bộ những biến đổi diễn ra trong thế giới xung quanh chúng ta đều đợc thực hiện thông qua các lực. Chỉ có bốn lực cơ bản đẵ tạo ra sự phong phú và đa dạng của những biến đổi và chuyển động trong tự nhiên. Lực hấp dẫn của trái đất làm cho những chiếc lá úa rơi xuống đất. Lực điện từ tạo ra ánh sáng trong các ngôi nhà và các tia chớp trên bầu trời. Lực hạt nhân gọi là "yếu" gây ra sự phân rã của các nguyên tử và phóng xạ, nó cho phép các nhà máy điện hạt nhân hoạt động bình thờng cung cấp điện năng đến từng nhà chúng ta. Lực hạt nhân gọi là "mạnh" cho phép sự tồn tại của hạt nhân các nguyên tử rạo nên mọi vật trên thế giới. 1.Tơng tác hấp dẫn (Hằng số hấp dẫn G; hạt truyền tơng tác là Graviton) Lực hấp dẫn ngự trị trong thế giới vĩ mô vai trò của nó trên Trái Đất đã đợc nhận ra ngay từ những buổi đầu tiên của loài ngời, tất cả các vật đều rơi hớng về 4 tâm Trái đất. Khái niệm hấp dẫn vũ trụ tức là hấp dẫn tác động đến toàn bộ vũ trụ, đợc Newton phát hiện vào thế kỉ 17.Lực hấp dẫn chính là chất "keo dính " của vũ trụ. Nó hút các vật này về phía các vật khác, nó giữ cho chúng ta ở trên mặt đất, giữ cho Mặt Trăng quay xung quanh Trái Đất và các hành tinh quay xung quanh Mặt Trời, giữ cho các ngôi sao ở trong thiên hà và các thiên hà trong các đám thiên hà. Nếu không có lực hấp dẫn thì chúng ta sẽ trở nên nổi trôi trong không gian, Mặt Trăng và các hành tinh cùng các ngôi sẽ tan tác trong khoảng bao la của vũ trụ không gì có thể thoát đợc ảnh hởng của hấp dẫn. Tất cả những gì có khối l- ợng hay năng lợng đều phải tuân theo luật lệ của nó. Nhng lực hấp dẫn là lực yếu nhất trong bốn loại lực, nó yếu hơn lực hạt nhân yếu, lực điện từ và lực hạt nhân mạnh. ở mức độ các hạt sơ cấp, lực này nhỏ không đáng kể. Cờng độ của lực hấp dẫn phụ thuộc vào khối lợng của hai vật liên quan. Do khối lợng của Trái Đất lớn (cỡ 6.10 24 Kg) cho nên nó đã giữ cho chúng ta không phải nổi trôi trong không gian, giữ cho Mặt Trăng không trôi giạt ra xa Trái Đất. Theo cách nhìn nhận của cơ học lợng tử đối với lực hấp dẫn, thì lực tơng tác giữa hai vật đợc mang bởi một hạt có spin 2, gọi là hạt Graviton. Hạt này không có khối lợng có tầm tác dụng lớn. Lực hấp dẫn giữa trái đất và mặt trời chính là do sự trao đổi các Graviton giữa các hạt tạo nên hai vật thể đó. Mặc dù các hạt đợc trao đổi là ảo, nhng điều chắc chắn là chúng tạo ra một hiệu ứng đo đ- ợc đó là lực làm cho Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời. Các Graviton thực tạo nên cái mà các nhà vật lí cổ điển gọi là các sóng hấp dẫn, chúng rất yếu và khó phát hiện tới mức cho đến nay vẫn cha quan sát đợc. 5 2.Tơng tác điện từ. (Hằng số tơng tác xem =1/137,hạt truyền tơng tác là Phôtôn( ) ) Nh chúng ta đã thấy lực điện từ mạnh hơn lực hấp dẫn rất nhiều. Ta biết công thức xác định lực điện từ giữa hai điện tích q 1 ,q 2 đặt cách nhau một khoảng r là: 2 21 9 . 10.9 r qq Fc = Công thức xác định lực hấp dẫn giữa hai vật có khối lợng m 1 ,m 2 đặt cách nhau một khoảng r là: 2 21 11 10.67,6 r mm F hd = Sức mạnh của lực điện từ làm cho thanh nam châm dễ dàng hút đợc chiếc đinh bất chấp lực hấp dẫn của toàn bộ khối lợng Trái Đất tác dụng lên nó. Lực điện từ tạo nên các nguyên tử bằng cách buộc các electon vào các hạt nhân. Đối với những hạt mang điện trái dấu thì lực điện từ giữa chúng là lực hút còn với những hạt mang điện cùng dấu thì lực điện từ giữa chúng là lực đẩy. Miền tác dụng của lực điện từ không chỉ dừng lại trong thế giới nguyên tử. Nó can thiệp vào cả vào việc tạo ra những cấu trúc phức tạp hơn. Nó gắn các nguyên tử lại bằng cách buộc chúng phải chia sẻ các electron của mình để tạo nên các phân tử do vậy lực điện từ là chất keo gắn các nguyên tử, chính là nhân tố chủ yếu tạo ra sự cố kết, sự cứng rắn và vẻ đẹp của những vật xung quanh chúng ta. Cũng nh lực hấp dẫn, lực điện từ yếu dần theo quy luật tỉ lệ nghịch với bình phơng khoảng cách giữa hai hạt tích điện, lực điện từ mạnh hay yếu nó phụ thuộc vào độ lớn điện tích. Lực điện từ nó có tính chất kép. Nó hút hoặc đẩy. Sự kết nối 6 khăng khít giữa điện và từ đã đợc nhà vật lí ngời Scotlen Tames Maxwell thực hiện vào năm 1864. Lực điện từ đợc hình dung nh đợc gây bởi sự trao đổi số lớn các hạt không khối lợng có spin 1 gọi là các phôtôn. Các phôtôn trao đổi là các hạt ảo. Tuy nhiên, khi electron chuyển từ một quỹ đạo đợc dừng sang một quỹ đạo dừng khác gần hạt nhân hơn thì năng lợng sẽ đợc giải phóng và một phôton thực đợc phát ra. Phôton này có thể quan sát đợc bằng mắt ngời nếu nó có bớc sóng ứng với ánh sáng nhìn thấy hoặc đợc phát hiện bởi một detector nh phim ảnh chẳng hạn. Cũng nh vậy nếu một phôtôn thực va chạm với một nguyên tử nó có thể làm cho một electron chuyển từ một quỹ đạo gần hạt nhân hơn sang một quỹ đạo xa hơn. Quá trình này đã sử dụng hết năng lợng của phôtôn, vì vậy nó đã bị hấp thụ. 3. Tơng tác yếu. (hằng số tơng tác G F =10 -5 /m p 2 hạt truyền tơng tác Z 0 ,W + ,W - ) Lực này nó gây ra sự phóng xạ và chỉ tác dụng lên các hạt có Spin 1/2 chứ không tác dụng lên các hạt Spin 0,1 hoặc 2 nh phôton và graviton. Lực hạt nhân yếu chỉ đợc hiểu thấu đáo từ năm 1967,khi Abdus SaLam ở trờng Imperab Colbege, Luân Đôn và Steven Weinberg ở đại học Harvard đa ra lí thuyết thống nhất tơng tác này với tơng tác điện từ, hệt nh Maxwell đã thống nhất lực điện và lực từ khoảng 100 năm trớc đó. Họ đa ra giả thuyết cho rằng ngoài Phôtôn còn có ba hạt spin 1 khác gọi là các hạt boson véc tơ nặng mang lực yếu, đó là các hạt Z 0 ,W + ,W - mỗi hạt có khối lợng khoảng 100GeV. Lý thuyết Weinberg- SaLam đã đa ra một tính chất gọi là sự phá vỡ đối xứng tự phát nhằm làm phát sinh khối l- ợng cho các hạt truyền tơng tác mà vẫn đảm bảo các tính chất bất biến. Điều này 7 có nghĩa là một số hạt tởng nh là hoàn toàn khác nhau ở năng lợng thấp thực tế lại là cùng một loại hạt, chỉ có điều ở các trạng thái khác nhau mà thôi. ở năng lợng cao tất cả các hạt này có vai trò hoàn toàn tơng tự nh nhau. Trong lí thuyết Weinberg- SaLam ở những năng lợng lớn hơn 100 GeV nhiều, ba hạt mới và phôtôn có vai trò một cách hoàn toàn tơng tự nh nhau. Nhng ở những năng lợng thấp hơn, điều mà ta hay gặp trong tình huống bình thờng, thì sự đối xứng này giữa các hạt sẽ bị phá vỡ.Z 0 ,W + ,W - khi đó sẽ có khối lợng lớn và làm cho các lực mà chúng mang có tầm tác dụng ngắn. Vào thời Weinberg- Salam đa ra lí thuyết của mình còn ít ngời tin họ và các máy gia tốc hạt còn cha đủ mạnh để đạt tới năng lợng 100GeV. Năng lợng cần có để tạo ra các hạt Z 0 ,W + ,W - thực. Tuy nhiên, khoảng gần 10 năm sau, những tiên đoán khác của lí thuyết đó ở năng lợng thấp phù hợp rất tốt vối thực nghiệm, khiến cho văo năm 1979 Weinberg- SaLam đã đợc nhận giả thởng Nobel cùng với Sheldon GlashoW. Vào năm 1983 tại CERN(Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Châu Âu),ngời ta đã phát hiện đợc ba hạt Z 0 ,W + ,W - với khối lợng và các tính chất khác đúng nh lí thuyết đã tiên đoán 4. Tơng tác mạnh (Hằng số tơng tác s= 1, hạt truyền tơng tác là Gluon) Đây là lực giữ cho các hạt Quark ở trong prôtôn và nơtron và cũng giữ cho prôtôn và nơtron trong hạt nhân nguyên tử. Ngời ta tin rằng lực này đợc mang bởi một hạt có spin 1 khác gọi là Gluon. Hạt Gluon chỉ tơng tác với chính nó và với các quark. Lực hạt nhân mạnh có một tính chất rất lạ gọi là sự cầm tù nó luôn luôn liên kết các hạt này lại thành những tổ hợp không có màu. 8 Nh vậy ta không thể có một hạt quark riêng rẽ tự nó vì nó sẽ có màu ? (đỏ,xanh hoặc lục). Thay vì thế, một quark đỏ cần phải liên kết với một quark xanh và một quark lục bằng một"dây" các Gluon (đỏ+xanh+lục=trắng ). Một tam tuyến nh thế tạo nên một prôtôn hoặc một nơtron. Một khả năng khác là cặp tạo bởi một quark và một phản quark(đỏ +phản đỏ,hoặc xanh+phản xanh,hoặc lục+phản lục =trắng). Các tổ hợp nh vậy tạo nên các hạt đă biết nh các Meson là những hạt không bền vì quark và phản quark có thể huỷ nhau tạo thành các electron và các hạt khác tơng tự, sự cầm tù cũng không cho phép có một Gluon riêng lẻ tự nó, vì các Gluon cũng có màu. Thay vì thế, ngời ta cần phải có một tập hợp các Gluon với tổng màu là trắng. Một tập hợp nh thế tạo nên một hạt không bền gọi là Glueball. Sự cầm tù không cho phép chúng ta quan sát đợc một hạt quark hoặc một Gluon độc lập dờng nh làm cho toàn bộ khái niệm về quark và Gluon nh các hạt trở nên hơi có vẻ siêu hình. Tuy nhiên lực hạt nhân mạnh còn có một tính chất khác gọi là sự tự do tiêm cận làm cho khái niêm về các hạt quark và Gluon trở nên hoàn toàn xác định. Ơ những năng lợng bình thờng, lực hạt nhân mạnh thực tế là rất mạnh và nó liên kết các hạt quark rất chặt với nhau. Tuy nhiên, những thực nghiệm trên các máy gia tốc lớn cho thấy ở những năng lợng cao, lực mạnh trở nên yếu hơn nhiều và các quark cũng nh các Gluon có vai trò gần nh các hạt tự do. 9 Chơng 2 cách nhìn hiện đại về nguồn gốc vũ trụ I. Các Mô hình Vũ trụ và Vũ trụ giãn nở 1. Hai quan điểm. Có hai quan điểm chính, cạnh tranh nhau trong việc mô tả Vũ trụ: Lý thuyết trạng thái dừng và lý thuyết Vụ nổ lớn. Cả hai thuyết đều thừa nhận rằng Vũ trụ đang giãn nở chống lại sự hút hấp dẫn. Mô hình trạng thái dừng cho rằng Vũ trụ không thay đổi theo thời gian vì vật chất có thể đợc tạo ra một cách tự phát sao cho tỷ lệ tạo ra cân bằng với sự giảm của mật độ do giãn nở. Mật độ của vũ trụ không thay đổi theo thời gian. Vũ trụ, theo lý thuyết trạng thái dừng, là vĩnh cửu, không có sự khởi đầu, không có sự kết thúc. Mô hình Vụ nổ lớn cho rằng vật chất trong Vũ trụ không thể đợc tạo ra cũng không thể bị huỷ đi một cách tự phát. Vũ trụ ít nhất cũng có một sự khởi đầu. Khoảng 15 tỷ năm về trớc, khi Vũ trụ đợc tạo thành, vật chất đợc tập trung trong một trạng thái có nhiệt độ và mật độ vô hạn. Nó nguội dần và trở thành loãng do nó giãn nở. Một số nhà thiên văn Vật lý đã miễn cỡng chấp nhận về một sự kỳ dị ban đầu, khái niệm này gợi lên ý niệm tôn giáo về Đấng sáng tạo. Những chứng cớ ủng hộ mô hình Vụ nổ lớn. Trên quan điểm khoa học, lý thuyết vụ nổ lớn chống chịu tốt hơn khi phải đối mặt với các sự kiện quan sát. Các công trình liên quan đến việc đếm các nguồn vô tuyến cho thấy rằng số lợng các quasar và thiên hà vô tuyến trong quá khứ lớn hơn hiện tại. Kết quả này nói lên một cách mạnh mẽ rằng vũ trụ đã tiến hoá và đã trở thành ít đậm đặc hơn. Độ phổ Vũ trụ phổ biến về khối lợng của hê - 10 . nở của vũ trụ theo quan điểm cơ học Newton bỏ qua sự 11 phức tạp của lý thuyết tơng đối tổng quát hoặc mô hình các hạt cơ bản. Newton tin rằng vũ trụ vô. gần nh các hạt tự do. 9 Chơng 2 cách nhìn hiện đại về nguồn gốc vũ trụ I. Các Mô hình Vũ trụ và Vũ trụ giãn nở 1. Hai quan điểm. Có hai quan điểm chính,