BÀI tập lớn môn vật lý 2 đề tài vụ nổ lớn BIG BANG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  BÀI TẬP LỚN MƠN VẬT LÝ ĐỀ TÀI: VỤ NỔ LỚN BIG BANG GVHD: Thầy Lý Anh Tú - Thầy Lê Quốc Khải Nhóm 03 - Lớp: L02 (LT) - L03 (BT) Sinh viên thực Đặng Sơn Dương Tô Tiến Đạt Nguyễn Thanh Tân Huỳnh Thị Kiều Trinh Huỳnh Công Xuân Mã số sinh viên 2011030 2010215 2014458 2014835 2015128 Thành phố Hồ Chí Minh - 2021 Mục lục Lời nói đầu I Khái quát vụ nổ lớn (Big Bang): Tiến trình vụ nổ: Các tiên đề sở: Metric FLRW: Chân trời vũ trụ: 10 II Lịch sử phát triển vũ trụ: 11 III Bằng chứng thực nghiệm: 14 Định luật Bubble giãn nở không gian: 14 Bức xạ phơng vi sóng vũ trụ: 15 Sự hình thành nguyên tố bản: 17 Các đám mây nguyên thủy: 18 Sự phân bố tiến hóa thiên hà: 19 Những loại chứng khác: 20 IV Liên hệ vấn đề vật lí: 20 Bất đối xứng Baryon: 20 Năng lượng tối: 21 Vật chất tối: 22 V Những quan niệm sai thuyết Vụ Nổ Lớn: 23 VI Tương lai thuyết vụ nổ lớn: 23 VII Vật Lý vượt phạm vi thuyết vụ nổ lớn: 24 VIII Kết luận: 25 Tài liệu tham khảo: 26 Lời nói đầu Sau học qua môn vật lý đại cương A1 tiếp đến môn vật lý đại cương A2 Hiểu tầm quan trọng môn học ứng dụng thực tế sống Nhóm chúng em nhận thấy đề tài vụ nổ lớn (Big Bang) hay thú vị Nó thơi thúc nhóm chúng em tìm hiểu lại xảy nổ nguyên tử, phân tử, Vụ nổ lớn (Big Bang) mang đến cho chúng em nhiều lí để tìm hiểu liên quan đến thực trạng lương lai đại hóa Hình ảnh minh họa 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 lòng 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 Năm 1929, nhà thiên văn Edwin Hubble phát khoảng cách thiên hà tỷ lệ với giá trị dịch chuyển đỏ chúng khám phá mà trước Lemtre nêu từ 1927 Quan sát Hubble cho thấy thiên hà xa siêu đám thiên hà lùi xa khỏi Ngân Hà: chúng xa, vận tốc lùi xa chúng lớn Từng có thời gian cộng đồng nhà khoa học chia làm hai nhóm bên ủng hộ thuyết Vụ Nổ Lớn bên ủng hộ thuyết Trạng thái dừng, ngày hầu hết nhà khoa học bị thuyết phục kịch lý thuyết Vụ Nổ Lớn phù hợp với quan sát đo lường sau xạ vi sóng vũ trụ phát vào năm 1964, đặc biệt phổ (lượng xạ đo ứng với bước sóng) phát phù hợp với xạ vật đen Từ đó, nhà thiên văn vật lý kết hợp liệu lớn quan sát đưa thêm tính tốn lý thuyết vào mơ hình Vụ Nổ Lớn, mơ hình tham số hay mơ hình Lambda - CDM trở thành khn khổ lý thuyết cho nghiên cứu đại vũ trụ học Georges Henri Joseph Édouard Lemtre Edwin Powell Hubble (1894 - 1966) (1889 - 1953) 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 đốn 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 Hình minh họa điểm kỳ dị 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 mơ 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 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 khơng giải thích đồng đẳng hướng không 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 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 toàn 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 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 (10 9; 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 ngun tử hiđrơ 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 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 mối liên hệ với Mơ hình chuẩn vật lý hạt khảo sát lĩnh vực quan sát thực nghiệm lý thuyết Tất trình tiến hóa vũ trụ sau kỷ nguyên lạm phát mơ 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 Tóm tắt tiến trình hình thành vũ trụ 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 Bắt đầu từ năm 1924, Hubble nỗ lực phát triển phương pháp đo khoảng cách đến thiên hà xa, dựa biến đổi độ sáng Cepheid - nến chuẩn để đo khoảng cách đến thiên hà cho nhà thiên văn - sử dụng kính thiên văn lắp đặt Hooker đường kính 2.500 mm đài quan sát núi Wilson 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 đốn 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 mô 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 mơ 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 Cơng 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 khơng 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 nguyên giới cịn sớm khởi đầu khơng gian thời gian.” 12 Trong thập niên 1930 ý tưởng khác đề xuất mô hình vũ trụ học khơng tiêu chuẩn nhằm giải thích kết quan sát Hubble, bao gồm "mô hình Milne"; "Vũ trụ dao động", vũ trụ nở co lại trở điểm kì dị 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 mơ 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 ông nêu nghiên cứu 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 mô 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 13 Vấn đề sau giải vào cuối thập niên 1990 mô siêu máy tính hiệu ứng khối lượng gió cho kết tuổi cụm cầu giảm Vẫn câu hỏi liên quan đến tuổi cụm cầu đo xác đến mức nào, rõ ràng quan sát tuổi cụm cầu cho giá trị mâu thuẫn với mơ hình Vụ Nổ Lớn 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 nghiệm: Định luật Bubble giãn nở không gian: Định luật Hubble việc quan sát vũ trụ học vật lý rằng:  Đối tượng quan sát vũ trụ Ngân Hà - liên thiên hà, 10 Mega parsec (Mpc) trở lên - có dịch chuyển đỏ, hiểu vận tốc tương đối di chuyển xa khỏi Trái Đất  Sự dịch chuyển Doppler - vận tốc bảo đảm thiên hà khác rút từ Trái Đất tỷ lệ thuận với khoảng cách chúng so với Trái Đất thiên hà cách xa vài trăm megaparsec Định luật Hubble coi sở quan sát cho mở rộng vũ trụ ngày đóng vai trị chứng thường trích dẫn để hỗ trợ cho mơ hình Big Bang Chuyển động vật thể thiên văn giãn nở gọi dòng chảy Hubble Định luật diễn tả phương trình: 14 v = H0D đó:  v vận tốc lùi xa thiên hà thiên thể xa,  D khoảng cách đồng chuyển động đến chúng  H0 số Hubble, mà giá trị vào khoảng 67.15 +1,3−1,4 km/s/Mpc từ tàu WMAP Mêtric giãn nở không gian hệ trực tiếp từ chứng thực nghiệm nguyên lý vũ trụ học cụ thể nguyên lý Copernicus, mà với định luật Hubble khơng có cách giải thích khác cho giãn nở Kết khảo sát xạ phơng vi sóng vũ trụ động lực hệ thiên thể chứng thuyết phục khác cho nguyên lý Copernicus, cấp vĩ mô vũ trụ, Trái Đất trung tâm vũ trụ Các nhà khoa học chứng minh xạ phát từ Vụ Nổ Lớn phải ấm thời điểm sớm lịch sử vũ trụ Sự lạnh đồng CMB hàng tỷ năm giải thích Vũ trụ trải qua giãn nở không gian, ngoại trừ khả trung tâm đặc biệt vụ nổ Sự giãn nở khơng gian 15 Bức xạ phơng vi sóng vũ trụ: Năm 1964, hai nhà vô tuyến học Arno Penzias Robert Wilson phát xạ phơng vi sóng vũ trụ CMB, tín hiệu thuộc bước sóng vi ba đến từ hướng không gian Việc phát mang lại chứng thực nghiệm quan trọng xác nhận tiên đoán tổng quát về: xạ đo với tính chất phù hợp hồn hảo với phổ xạ vật đen hướng; phổ bị dịch chuyển đỏ giãn nở không gian vũ trụ, với giá trị nhiệt độ ngày đo xấp xỉ 2,725 K Sự đồng tinh tế kết ủng hộ cho mô hình Vụ Nổ Lớn Bức xạ phơng vi sóng vũ trụ Năm 1989 NASA phóng tàu "Cosmic Background Explorer satellite" (COBE) Nhiệm vụ tìm chứng thực nghiệm cho đặc điểm CMB, đo xạ tàn dư đồng theo hướng với nhiệt độ 2,726 K (những khảo sát gần mang lại kết xác 2,725 K) lần tàu phát thăng giáng nhỏ (phi đẳng hướng) CMB, với độ xác 10 Trong thí nghiệm năm 2000–2001, dự án thực nghiệm BOOMERANG tìm thấy hình dạng Vũ trụ khơng gian phẳng dựa kết đo độ phân giải góc điển hình (đường kính góc bầu trời) tính phi đẳng hướng 16 Sự phát triển khoa học lĩnh vực xạ phơng vi sóng vũ trụ Đầu năm 2003, nhà khoa học NASA công bố kết khảo sát từ tàu WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), mang lại liệu thực nghiệm xác trước tham số mơ hình chuẩn Vũ trụ học, bác bỏ nhiều tham số khác tương ứng với vài mơ hình lạm phát cụ thể, nói chung đề phù hợp với đặc điểm khái qt mơ hình lạm phát Tàu Planck phóng lên từ tháng năm 2009 Tháng năm 2013 nhà khoa học ESA cho công bố liệu từ Planck với độ xác cao WMAP cho thấy Vũ trụ đồng đẳng hướng độ phân giải góc nhỏ Đối với độ phân giải góc lớn hơn, họ phát thấy có phi đẳng hướng nhỏ cực bầu trời nỗ lực giải thích kết lý thuyết Nhiều khảo sát mặt đất bóng thám khơng khác thực khắp giới Sự hình thành nguyên tố bản: Khoảng 73% khối lượng vũ trụ nhìn thấy dạng hydro Helium chiếm khoảng 25% khối lượng thứ khác chiếm 2% Các nguyên tố hydro helium tạo lúc với đời vũ trụ Thời gian biểu hình thành phát triển vũ trụ mô tả lịch sử vũ trụ tương lai vũ trụ theo thuyết Big Bang (Vụ Nổ lớn) Người ta ước tính q trình mở rộng metric không gian khơi mào từ 13,8 tỷ năm trước 17 Thời gian xuất từ thời khắc Big Bang xảy gọi thời gian vũ trụ Như vậy, thuyết Big Bang lý thuyết có khả giải thích cho tỷ lệ có mặt nguyên tố nhẹ từ thời điểm sơ khai Và nhà lý thuyết điều chỉnh tham số cho Vụ Nổ Lớn nhằm tạo lượng heli nhiều hay 20–30% Quả thực khơng thể có lý thích đáng ngồi mơ hình Vụ Nổ Lớn, ví dụ, lúc Vũ trụ cịn sơ khai (trước ngơi hình thành, giả sử ngun tố nhẹ sinh phản ứng tổng hợp hạt nhân lịng ngơi sao) mà có nhiều heli deuteri lượng deuteri 3He, theo số Nguyên tố hydro Nguyên tố helium Các đám mây nguyên thủy: Năm 2011 nhà thiên văn học tìm thấy chứng mà họ tin đám mây khí nguyên sơ vũ trụ nguyên thủy, phân tích vạch hấp thụ phổ quasar xa Trước có khám phá này, thiên thể khác quan sát chứa nguyên tố nặng hình thành lịng ngơi Tuy nhiên, hai đám mây khí nguyên thủy chứa nguyên tố hiđrô deuteri Do đám mây nguyên thủy không chứa nguyên tố nặng nào, dường chúng hình thành từ phút sau Vụ Nổ Lớn, giai đoạn tổng hợp hạt nhân Big Bang Thành phần chúng phù hợp với thành phần theo tiên đoán lý thuyết Vụ Nổ Lớn Kết quan sát cung cấp chứng trực tiếp chu kỳ vũ trụ trước hình thành lên đầu tiên, hầu hết vật chất sơ khai vũ trụ nguyên thủy tồn đám mây hiđrơ trung hịa 18 Sự phân bố tiến hóa thiên hà: Dựa quan sát chi tiết hình thái thiên hà cấu trúc lớn Vũ trụ phân bố thiên hà quasar cho kết khớp với lý thuyết Vụ Nổ Lớn Bằng cách kết hợp mơ hình với liệu thực nghiệm cho thấy quasar thiên hà hình thành khoảng tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn, từ hình thành lên cấu trúc lớn cấp vũ trụ, đám thiên hà, siêu đám thiên hà hay sợi vũ trụ (cosmic filament) khoảng trống (void) Những ngơi hình thành tiến hóa thiên hà sớm (thiên hà hình thành lúc vũ trụ sơ khai) lên khác với thiên hà gần ngày (thiên hà trẻ), ví dụ độ kim loại thành phần ngơi Thậm chí, hình thái thiên hà trẻ thuở vũ trụ sơ khai (ở khoảng cách lớn) khác so với thiên hà hình thành gần Ngân Hà Những kết tương phản hoàn toàn với mơ hình trạng thái dừng Theo dõi tiến trình hình thành sao, phân bố thiên hà quasar cấu trúc lớn hơn, tất phù hợp tốt với mô siêu máy tính hình thành tiến hóa vũ trụ dựa theo mơ hình Vụ Nổ Lớn, đồng thời giúp nhà vũ trụ học hoàn thiện mơ hình lý thuyết họ Hình ảnh thiên hà 19 Những loại chứng khác: Tuổi Vũ trụ ước tính từ định luật giãn nở khơng gian Hubble độc lập từ xạ phơng vi sóng CMB khớp tốt với tuổi già nhất, đo cách áp dụng lý thuyết tiến hóa cụm cầu thông qua phương pháp định tuổi đồng vị phóng xạ nhóm II Mơ hình chuẩn vũ trụ học tiên đoán nhiệt độ CMB cao khứ ủng hộ kết thực nghiệm quan sát vạch hấp thụ nhiệt độ cực thấp đám mây khí xa có dịch chuyển đỏ lớn Tiên đốn thể biên độ hiệu ứng Sunyaev–Zel'dovich cụm thiên hà mà biên độ không phụ thuộc trực tiếp vào dịch chuyển đỏ Khảo sát xác nhận hiệu ứng giá trị thơ, hiệu ứng phụ thuộc vào cấu trúc phân bố đám thiên hà thay đổi theo thời gian (các thiên hà có động lực chuyển động), khiến cho kết đo khó xác IV Liên hệ vấn đề vật lí: Bất đối xứng Baryon: Trong vũ trụ học vật lý, vấn đề baryon khơng đối xứng, cịn gọi vấn đề bất đối xứng vật chất vấn đề vật chất – phản vật chất, cân quan sát vật chất baryonic (loại vật chất trải qua sống hàng ngày) vật chất kháng thể vũ trụ quan sát Cả mô hình chuẩn vật lý hạt, hay lý thuyết thuyết tương đối rộng không đưa lời giải thích biết cho lý lại vậy, giả định tự nhiên vũ trụ trung lập với tất điện tích bảo toàn Big Bang lẽ phải tạo lượng vật chất phản vật chất Vì điều dường khơng với trường hợp này, nên có khả số định luật vật lý hoạt động khác không tồn vật chất phản vật chất Một số giả thuyết cạnh tranh tồn để giải thích cân vật chất phản vật chất dẫn đến hình thành sinh vật Tuy nhiên, chưa có lý thuyết đồng thuận để giải thích tượng Như nhận xét báo nghiên cứu năm 2012: "Nguồn gốc vật chất bí ẩn lớn vật lý” 20 Năng lượng tối: Trong vũ trụ học vật lý thiên văn học, lượng tối dạng lượng chưa biết rõ chiếm phần lớn vũ trụ có khuynh hướng tăng tốc độ giãn nở vũ trụ Năng lượng tối thuyết chấp nhận nhiều kể từ năm 1990, vũ trụ giãn nở với vận tốc tăng dần Theo Đội nghiên cứu Planck dựa vào mơ hình tiêu chuẩn Vũ trụ học, tỷ lệ tương đối vật chất lượng, vũ trụ nhìn thấy có chứa 26.8% vật chất tối, 63.8% lượng tối (tổng 95.1%) với vật chất thường chiếm 4.9% Một lần nữa, theo tỷ lệ tương đối vật chất lượng, tỉ trọng lượng tối (6.91 x 10-27 kg/m3) thấp, thấp tỉ trọng vật chất thường vật chất tối thiên hà Mặc dù thế, lại thống trị vật chất-năng lượng Vũ trụ dàn trải khắp khơng gian Hai trạng thái lượng tối đề xuất số vũ trụ, tỉ trọng lượng không đổi lấp đầy không gian cách đồng nhất, trường vô hướng đệ ngũ nguyên tố hay mô đun, số tỉ trọng lượng thay đổi khơng thời gian Các đóng góp liên tục từ trường vô hướng thường bao gồm số vũ trụ Hằng số vũ trụ lập để tương đương với lượng chân không Các trường vô hướng không thay đổi khơng gian khó để phân biệt từ số vũ trụ thay đổi nhỏ Các tính tốn xác cao giãn nở vũ trụ bắt buộc để hiểu mà tỷ lệ giãn nở thay đổi theo thời gian không gian Trong Thuyết tương đối, phát triển tỷ lệ giãn nở tham số hóa phương trình trạng thái vũ trụ (mối quan hệ nhiệt độ, áp suất, tổng tỉ trọng vật chất, lượng lượng chân không cho khu vực khơng gian) Tính phương trình trạng thái vũ trụ cốgắng lớn quan sát vũ trụ vào Thêm số vũ trụ vào thước đo FLRW chuẩn dẫn đến mơ hình LambdaCDM, biết đến với tên gọi "mơ hình tiêu chuẩn" Vũ trụ học có độ xác trùng hợp với quan sát thực Năng lượng tối sử dụng thành phần tối quan trọng cố gắng gần để lập mơ hình vịng trịn cho Vũ trụ 21 Năng lượng tối Vật chất tối: Trong vật lý thiên văn, thuật ngữ vật chất tối đến loại vật chất giả thuyết vũ trụ, có thành phần chưa hiểu Vật chất tối không phát hay phản chiếu đủ xạ điện từ để quan sát kính thiên văn hay thiết bị đo đạc nay, nhận ảnh hưởng hấp dẫn chất rắn vật thể khác với toàn thể vũ trụ Dựa hiểu biết cấu trúc lớn thiên hà, lý thuyết chấp nhận rộng rãi Vụ Nổ Lớn, nhà khoa học nghĩ vật chất tối thành phần chiếm tới 70% vật chất (vật chất tối + vật chất thường) vũ trụ Biểu đồ thể phân bố vật chất vũ trụ 22 V Những quan niệm sai thuyết Vụ Nổ Lớn: Một quan niệm sai người mơ hình Big Bang họ nghĩ điều giải thích tồn nguồn gốc vũ trụ, thực chất mô hình khơng thể mơ tả mức lượng, thời gian không gian tạo ra, mà mơ tả xuất vũ trụ từ trạng thái siêu đặc có lượng nhiệt cao Rất dễ bị hiểu nhầm mường tượng Vụ Nổ Lớn cách so sánh với thiên hà thời điểm Khi nói đến kích thước cảu Big Bang, tương đương thiên hà có độ lớn đáng kể khơng phải so với toàn vũ trụ Định luật Hubble tiên đoán thiên hà “khoảng cách Hubble” chuyển động nhanh vận tốc ánh sáng tốc độ ánh sáng, thuyết tương đối áp dụng chuyển động xuyên qua vũ trụ Định luật Hubble mô tả vận tốc dựa giãn nở vũ trụ xuyên qua Các nhà thiên văn học hay cho dịch chuyển đỏ dịch chuyển Doppler điều dẫn đến hiểu nhầm Dù có tương đồng dịch chuyển đỏ hồn tồn khơng giống dịch chuyển Doppler nguồn gốc dịch chuyển Doppler không dẫn đến giãn nở vũ trụ Nguồn gốc thật sự dịch chuyển đỏ cần áp dụng thuyết tương đối, nghiên cứu với luận ảnh hưởng Doppler đưa kết giống thiên hà gần bên VI Tương lai thuyết vụ nổ lớn: Trước phát có tồn dạng lượng lượng tối, nhà Vũ trụ học đưa hai trường hợp cho tương lai Vũ trụ Trường hợp 1: mật độ khối lượng Vũ trụ lớn mật độ giới hạn Khi Vũ trụ đạt thể tích cực đại bắt đầu co sụp lại Nó bắt đầu nóng đậm đặc hơn, đến giai đoạn cực nóng đặc bắt đầu giãn nở nhanh chóng, trạng thái tương tự thời điểm bắt đầu Trường hợp 2: mật độ khối lượng Vũ trụ nhỏ mật độ giới hạn, giãn nở không gian Vũ trụ chậm dần không dừng lại Các đám mây phân tử dần bị tiêu thụ hết nhiên liệu (bởi trình hình thành sao, trở nên lỗng giãn nở Vũ trụ) trở thành neutron lỗ đen 23 Theo thời gian lỗ đen va chạm sáp nhập thành lỗ đen lớn Nhiệt độ Vũ trụ giảm tiệm cận đến độ không tuyệt đối gọi “ Trạng thái nguội lạnh lớn” Hơn nữa, proton tiên đoán phân hủy lý thuyết thống lớn đúng, sau thời gian dài vật chất baryon biến mất, lại xạ lỗ đen Thậm chí thời gian lâu, lỗ đen bốc xạ Hawking lý thuyết Và entropy dãy ngân hà tăng tới điểm mà lấy dạng lượng từ Vũ trụ, kịch “Cái chết nhiệt” Những khảo sát đại phát vũ trụ giãn nở làm nhiều vùng quan sát vượt qua ranh giới quan sát người quan sát vùng Kết cuối nhà khoa học khơng Mơ hình chuẩn Lambda CDM Vũ trụ chứa lượng tối theo dạng số vũ trụ học Lý thuyết gợi hệ có liên hệ hấp dẫn với nhau, thiên hà, nhau, chúng chịu chết nhiệt vũ trụ nở lạnh Có người đề cách giải thích khác cho lượng tối, gọi lý thuyết lượng bóng ma (phantom energy), với trạng thái sau hạt nhân, nguyên tử hành tinh, sao, đám mây khí bị xé toạc giãn nở ngày tăng gọi "Vụ Xé Lớn" VII Vật Lý vượt phạm vi thuyết vụ nổ lớn: Theo nhà khoa học, khuôn khổ lý thuyết thuyết Vụ Nổ Lớn đưa kiểm nghiệm phù hợp với thực nghiệm, tương lai tinh chỉnh để phù hợp với thực tế Thời điểm tại, có thơng tin thời điểm sớm lịch sử vũ trụ Các phương trình phi lượng tử thuyết tương đối rộng có hệ tồn điểm kỳ dị hấp dẫn lúc vũ trụ sơ khai Tuy nhiên, thuyết tương đối rộng thuyết lượng tử tính đắn Vũ trụ đạt đến nhiệt độ Planck Để tiên đoán chứng minh tính hợp lý thời điểm này, nhà vật lý cần lý thuyết hấp dẫn lượng tử tránh điểm kì dị Một số giả thiết nhà khoa học đưa song, chưa kiểm chứng bao gồm: 24  Mơ hình điều kiện khơng biên Hartle - Hawking tồn khơng thời gian hữu hạn; Vụ Nổ Lớn cho thấy thời gian hữu hạn khơng cần thiết phải có điểm kì dị Điểm kì dị Vụ Nổ Lớn hình dung cực bắc địa cầu, hỏi “Trước cực bắc địa cầu gì?” trở lên khơng có ý nghĩa  Mơ hình dàn (lattice) Vụ Nổ Lớn cho Vũ trụ thời điểm Big Bang chứa vô hạn dàn hạt fermion chứa miền tính chất cho phép hạt quay, tịnh tiến đối xứng gauge Đối xứng đối xứng lớn từ có trạng thái entropy thấp  Mơ hình vũ trụ Brane (màng) giai đoạn lạm phát di chuyển brane lý thuyết dây; mơ hình tiền Big Bang; mơ hình ekpyrotic, Vụ Nổ Lớn kết va chạm brane; mơ hình xiclic (cyclic model), biến thể mơ hình ekpyrotic va chạm xảy tuần hồn Trong mơ hình sau Vụ Nổ Lớn tiếp nối Vụ Co Lớn Vũ trụ tiến hóa theo chu kỳ cách vơ hạn thời gian  Mơ hình lạm phát vĩnh hằng, lạm phát phổ quát kết thúc phạm vi cục có tiến trình ngẫu nhiên, tương ứng với vũ trụ bong bóng giãn nở từ vụ nổ lớn riêng chúng VIII Kết luận: Thuyết Vụ Nổ Lớn lý thuyết khoa học kiểm chứng cộng đồng khoa học chấp nhận rộng rãi Nó đưa cách giải thích hồn thiện nhiều loại tượng quan sát thấy vũ trụ, bao gồm có mặt nguyên tố nhẹ, xạ vi sóng vũ trụ, cấu trúc vĩ mơ vũ trụ, định luật Hubble siêu tân tinh loại Ia Ở thời điểm tại, Vụ Nổ Lớn dùng để liên hệ với vấn đề vật lý: bất đối xứng Baryon, lượng tối, vật chất tối tốn mơ hình lạm phát 25 Tài liệu tham khảo: Big Bang model: https://www.britannica.com/science/big-bang-model Bách khoa toàn thư: http://bitly.ws/dN43 Steven Weinberg, The First Three Minutes: A modern view of the origin of the universe S.W Hawking & G.F.R Ellis, The Large Scale Structure of Space – Time Wikipedia: http://bitly.ws/dNpu 26 ... lai thuyết vụ nổ lớn: 23 VII Vật Lý vượt phạm vi thuyết vụ nổ lớn: 24 VIII Kết luận: 25 Tài liệu tham khảo: 26 Lời nói đầu Sau học qua mơn vật lý đại cương... phân tử, Vụ nổ lớn (Big Bang) mang đến cho chúng em nhiều lí để tìm hiểu liên quan đến thực trạng lương lai đại hóa Hình ảnh minh họa I Khái quát vụ nổ lớn (Big Bang) : Big Bang vụ nổ để từ đồng... tiếp đến môn vật lý đại cương A2 Hiểu tầm quan trọng môn học ứng dụng thực tế sống Nhóm chúng em nhận thấy đề tài vụ nổ lớn (Big Bang) hay thú vị Nó thơi thúc nhóm chúng em tìm hiểu lại xảy nổ nguyên