Với những bằng chứng đã thu đợc ngời ta đã chứng tỏ đợc rằng thuyết Big Bang hoàn toàn đúng đắn. Vũ trụ đợc bắt đầu từ điểm kỳ dị không thời gian. Vũ
trụ chỉ bắt đầu ở thời điểm t = 10-43s Trong 3 phút đầu tiên chỉ có một lực tơng tác
duy nhất thống nhất cả 4 tơng tác trong vũ trụ và liệu trong ba phút đầu tiên thì vũ trụ gồm có những hạt cơ bản nào ?
ở thời điểm t = 10-35
s nhiệt độ của vũ trụ là 100.000 triệu độ Kelvin (1011K).
- Vũ trụ chứa đầy một thứ xúp hỗn độn của vật chất và bức xạ, mỗi hạt của nó va chạm rất nhanh với các hạt khác.
Nh vậy mặc dù giãn nở nhanh, vũ trụ ở trong một trạng thái cân bằng nhiệt gần nh hoàn hảo.
- Những hạt có nhiều lúc đó là những hạt mà nhiệt độ ngỡng ở dới 1111K đó là
electron và phản hạt của nó, pôzitron, và tất nhiên là những hạt không khối lợng phôton, nơtrinô và phản nơtrinô. Vũ trụ có mật độ cao tới mức các nơtrinô có thể du hành hàng năm xuyên qua những tờng bằng chì mà không bị tán xạ đợc giữ trong cân bằng nhiệt với electron, pôzitron và phôtôn bằng những va chạm nhanh với chúng và giữa chúng với nhau.
- Một sự đơn gián hoá khác nhiệt độ 1011K là cao hơn nhiều so với nhiệt độ
ngỡng cho electron và pôzitron. Kết quả là những hạt đó, cũng nh phôtôn và nơtrinô biến diễn đúng nh nhiều loại bức xạ khác nhau khác.
- Vũ trụ ở thời điểm này giãn nỡ và nguội đi nhanh chóng. Tốc độ giãn nỡ đ- ợc quy bằng điều kiện là mỗi phần nhỏ của vũ trụ đều chuyển động đúng với vận tốc thoát khỏi bất kỳ tâm tuỳ ý nào. Thời gian đặc trng cho sự giãn nỡ của vũ trụ là vào khoảng 0,02 giây.
- Có một số hạt ít hạt vào lúc này, khoảng một prôtôn hoặc nơtrôn cho mỗi nghìn triệu phôtôn hoặc electrôn hoặc nơtrinô. Nơtrôn nặng hơn prôtôn và hiệu khối giữa chúng tơng đơng với năng lợng 1,293 triệu electrôn vôn. Tuy nhiên
năng lợng đặc trng của electrôn, pôzitrôn... ở nhiệt độ 1011K là lớn hơn nhiều, khoảng 10 triệu electrôn vôn. Nh vậy những va chạm giữa nơtrôn hoặc prôtôn với những electrôn, pôzitrôn... nhiều hơn, sẽ tạo nên những sự chuyển nhanh từ prôtôn qua nơtrôn và ngợc lại.
Các phản ứng quan trọng nhất đó là :
+ Phản ứng nơtrinô +prôtôn cho pôzitrôn + nơtrôn và ngợc lại. + Nơtrinô +Nơtrôn cho electrôn +prôtôn và ngợc lại.
- Với giả thiết rằng số leptôn và điện tích toàn phần cho mỗi phôtôn là rất bé, số nơtrinô và phản nơtrinô sẽ gần bằng nhau, cũng nh số pôzitrôn và electrôn cho nên các sự chuyển từ prôtôn đến nơtrôn cũng nhanh nh sự chuyển từ nơtrôn đến prôtôn. Nh vậy, sự cân bằng đòi hỏi số prôtôn và nơtrôn gần bằng nhau trong thời gian này. Những hạt nhân đó cha liên kết lại để thành các hạt nhân.
- Một câu hỏi đặt ra là : Vũ trụ trong những thời kỳ sơ khai nhất lớn nh thế nào ? tiếc thay chúng ta không biết đợc, và chúng ta cũng không chắc chắn lắm rằng câu hỏi đó có một ý nghĩa nào đó. Ta biết rằng vũ trụ có thể là vô hạn và trong thời gian này nó sẽ luôn là vô hạn. Mặt khác có thể là hiện nay vũ trụ có một chu vi hữu hạn, đôi khi đợc ớc lợng khoảng 125 nghìn triệu năm ánh sáng. Trong thời gian này vũ trụ có chu vi có khoảng 4 năm ánh sáng.
- ở thời điểm t = 10-4s Nhiệt độ của vũ trụ là 30 nghìn triệu độ Kelvin
- Thời gian 0,11 giây dã trôi qua. Không có gì thay đổi một cách định tính thành phần của vũ trụ, vẫn chủ yếu là electron, nơtron, phản nơtron và photon. Tất cả đêù ở trạng thái cân bằng nhiệt và tất cả ở xa trên nhiệt độ ngỡng của chúng. Từ đó mật độ năng lợng giảm nh luỹ thừa 4 của nhiệt độ đến vào khoảng 31triệu lần mật độ năng lợng chứa đựng trong khối lợng nghỉ của nớc bình th- ờng. Tốc độ giãn nở giảm nh bình phơng nhiệt độ do đó thời gian giãn nở đặc tr- ng của vũ trụ bây giờ đã kéo dài trong khoảng 0,2 giây, số nhỏ hạt nhân vẫn cha liên kết thành các hạt nhân, nhng vì nhiệt độ hạ thấp, bây giờ các nơtron nặng hơn biến thành prôton nhẹ hơn một cách dễ dàng hơn nhiều so với ngợc lại ;Sự cân bằng hạt nhân do đó đã bị lệch thành 38% nơtron và 62% proton
- ở thời điểm t = 10-2
s nhiệt độ của vũ trụ là mời nghìn triệu độ Kenvin (1010K )
-Sau thời gian 1,09 giây. Trong thời gian đó mật độ và nhiệt độ ngày càng hạ thấp đã làm tăng thời gian sống tự do trung bình của nơtron và phản nơtron lên đến mức mà chúng bắt đầu biểu diễn nh nhữnh hạt tự do không còn ở cân bằng nhiệt với electron, pôzitron và phôton. Từ đây, chúng sẽ không còn đóng vai trò gì quan trọng trong câu chuyện của chúng ta, trừ việc năng lợng của chúng vẫn tiếp tục cung cấp một phần cho nguồn trờng hấp dẫn của vũ trụ. Không có gì thay đổi lớn khi nơtron thoát ra khỏi cân bằng nhiệt. (Trớc sự "đất liên kết "đó những bớc sóng nơtrino điển hình là tỷ lệ nghịch với kích thớc của vũ trụ, những bớc sóng nơtrino tăng tỷ lệ thuận với kích thớc của vũ trụ. Sau sự đứt liên kết nơtrino,
các nơtrino sẽ giãn nở tự do, nhng dịch chuyển đỏ chung sẽ kéo dài, những bớc sóng của chúng một cách tỷ lệ thuận với kích thớc của vũ trụ)
-Mật độ năng lợng toàn phần nhỏ hơn so với trớc đó một số lần bằng luỹ thừa bậc bốn của tỷ số giữa các nhiệt độ, nh vậy bây giờ nó tơng đơng với mật độ khối lợng 380 nghìn lần mật độ của nớc. Thời gian giãn nở đặc trng của vũ trụ đã tăng lên một cách tơng ứng đến khoảng hai giây. Nhiệt độ bây giờ chỉ gấp đôi nhiệt độ ngỡng của electron và pôziton, cho nên chúng bắt đầu bị huỷ diệt nhanh hơn là đ- ợc tái tạo nên từ bức xạ.
- Bây giờ hãy còn quá nóng để cho prôton và nơtron có thể liên kết thành các hạt nhân nguyên tử trong một thời gian đáng kể nào đó. Nhiệt độ hạ xuống bây giờ cho phép sự cân bằng prôton và nơtron bị lệch thành 24%nơtron và 76% prôton.
- ở thời điểm t = 30s. Nhiệt độ vũ trụ bây giờ là ba nghìn triệu độ Kenvin
(3.109K)
Sau thời gian 13,82 giây (bây giờ chúng ta đang ở dới nhiệt độ ngỡng cho electrôn và pôzitôn, cho nên chúng bắt đầu biến mất khỏi các thành phần chính của vũ trụ. Năng lợng thoát ra trong sự huỷ chúng đã làm giảm tốc độ lạnh xuống của vũ trụ, cho nên các nơtrinô không nhận đợc gì từ nhiệt độ thừa này, bây giờ là lạnh hơn electrôn, pôzitôn và phôtôn khoảng 8%. Từ đây, khi chúng ta nói về nhiệt độ của vũ trụ, ta chỉ có ý nói về nhiệt độ của phôtôn. Khi electrôn và pôzitôn mất đi nhanh chóng, mật độ năng lợng của vũ trụ bây giờ bé hơn một chút so với khi nó hạ xuống một cách đơn giản nh luỹ thừa bậc bốn của nhiệt độ.
Bây giờ đã đủ lạnh để cho một số hạt nhân bền nh Heli (He4) hình thành, nhng việc đó không xảy ra tức khắc. Lý do là vì vũ trụ đang giãn nỡ nhanh đến mức các hạt nhân chỉ có thể hình thành sau một loạt những phản ứng nhanh giữa hai hạt.
Chẳng hạn, một protrôn và một nơtrôn có thể tạo nên một hạt nhân khi Hydrô nặng, hoặc dơtri, với xung lợng và năng lợng dôi đợc một phôtôn mang đi. Hạt nhân dơtri lúc có thể va chạm với một nơtrôn hoặc một prôtôn tạo nên hoặc một (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
hạt nhân của đồng vị nhẹ He3, gồm hai prôtôn và một nơtrôn, hoặc đồng vị nặng
nhất của Hydrô, gọi là Triti (H3), gồm một prôtôn và hai Nơtrôn. Cuối cùng,
Heli ba có thể va chạm với một Nơtrôn, và Triti có thể va chạm với một prôtôn,
trong cả hai trờng hợp tạo nên một hạt nhân Heli thông thờng ( He4), gồm hai
prôtôn và hai Nơtrôn. Nhng để cho dãy phản ứng này xảy ra cần bắt đầu với bớc đầu tiên, sự tạo ra Dơtơri.
- ở nhiệt độ 1010
K, các hạt nhân Dơtri bị nổ tung liền ngay sau. Khi chúng đợc tạo nên, nh vậy các hạt nhân nặng hơn khó mà đợc tạo thành. Nơtron khó mà đựoc tạo thành. Nơtrôn vẫn đợc biến thành Prôtôn, tuy rằng chậm hơn nhiều so với trớc ; trạng thái cân bằng bây giờ là 17% Nơtrôn và 83% Prôtôn.
- ở thời điểm t = 3 phút. Nhiệt độ của vũ trụ là 109
K.
- Chỉ khoảng 70 lần nóng hơn tâm Mặt trời. Thời gian 3 phút 2 giây đã trôi qua. Electrôn và Pôzitôn phần lớn đã mất đi, và thành phần chủ yếu của vũ trụ bây giờ là Phôtôn, Nơtrôn và phản Nơtrinô. Năng lợng đợc giải phóng trong sự
huỷ của Electrôn – Pôzitôn đã cho các Phôtôn một nhiệt độ cao hơn 35% nhiệt độ của Nơtrinô.
- Vũ trụ bây giờ cũng đủ lạnh để cho các hạt nhân Triti và Heli ba cũng nh Heli thông thờng tồn tại, nhng ( chớng ngại Đơtêri) vẫn còn tác động. Những hạt nhân Đơtêri không đợc giữ đủ lâu để cho phép một số khả quan hạt nhân nặng hơn đợc hình thành. Các va chạm giữa Nơtrinô tự do bắt đầu là quan trọng. Mỗi 100 giây 10% của các Nơtrôn còn lại sẽ phân rã thành Prôtôn. Các Nơtrôn – Prôtôn bây giờ là 14% Nơtrôn và 86% Prtôn.
- Muộn hơn một chút sau một thời gian nhỏ lúc một sự kiện đột ngột xảy ra : Nhiệt độ hạ xuống đến điểm mà các hạt nhân Đơtêri có thể tồn tại. Một khi ch- ớng ngại Đơtêri không còn nữa, những hạt nhân nặng hơn có thể đợc tạo nên nhanh chóng bởi dãy các phản ứng hai hạt đã đợc nói ở mục 4.Tuy nhiên, những hạt nặng hơn Heli không đợc tạo nên vì những chớng ngại khác: Không có hạt nhân bền với năm hoặc tám hạt nhân do đó, khi nhiệt độ vừa đạt đến điểm mà Đơtêri có thể đợc tạo thành, hầu hết những Nơtrôn còn lại đều tức khắc đợc " Nấu nớng" thành những hạt nhân Heli. Nhiệt độ chính xác tại đó quá trình này xảy ra phụ thuộc chút ít vào số lợng hạt nhân cho mỗi Phôtôn, bởi vì một mật độ hạt sẽ làm cho sự hình thành các hạt nhân dễ dàng hơn một ít với 1000 triệu Phôtôn. cho một hạt nhân sự tổng hợp hạt nhân sẽ bắt đầu. ở nhiệt độ 9000 triệu độ Kenvin. Lúc đó ba phút bốn sáu giây đã trôi qua. Sự phân Nơtrôn đã là sự cân bằng Nơtrôn – Protôn ; ngay trớc sự tổng hợp hạt nhân bắt đầu lệch thành 13% Nơtron, 87% Prôtôn. Sau sự tổng hợp hạt nhân tỷ lợng theo trọng lợng của Heli là đúng bằng tỷ lợng của tất cả các hạt nhằm liên kết thành Heli, một nữa của các hạt này là Nơtrôn, và về căn bản tất cả Nơtrôn đều liên kết thành Heli, cho nên tỷ lợng theo trọng lợng của Heli đơn giản là gấp đôi tỷ lợng của Nơtrôn so với các
hạt nhân, hoặc khoảng 26%. Nếu mật độ của các hạt nhân cao hơn một ít, khi đó không có nhiều Nơtrôn bị phân rã nh vậy, do đó số Heli đợc tạo ra nhiều hơn một ít, nhng chắc không quá 28% theo trọng lợng.
- ở thời điểm t = 35 phút. Nhiệt độ vũ trụ bây giờ là 300 triệu độ Kenvin ( 3. 108K)
- Thời gian 34 phút và 40 giây đã qua kể từ khi ở nhiệt độ 1011K Electrôn và
Pôzitron. Bây giờ đã bị huỹ hoàn toàn trừ một số ít Electrôn thừa ra để cân bằng điện tích của các Prôtôn. Năng lợng giải phóng trong sự huỹ đó bây giờ đã cho các Phôtôn một nhiệt độ thờng xuyên 40,1% cao hơn nhiệt độ các Nơtrôn. Mật độ năng lợng của vũ trụ bây giờ tơng đơng với một mật độ khối lợng 9,9%, mật độ của nớc ; trong đó 31% là dới dạng Nơtrinô và phản Nơtrinô và 69% dới dạng Phôtôn. Mật độ năng lợng này cho vũ trụ một thời gian dãn nỡ, đặc trng khoảng một giời mời lần phút. Các quá trình hạt nhân đã ngừng – các hạt nhân. Bây giờ phần lớn hoặc tự liên kết thành các hạt nhân Heli hoặc là Prôtôn tự do với khoảng từ 22 đến 28% Heli theo trọng lợng. Có một Electrôn cho mỗi Prôtôn tự do hoặc liên kết, nhng vũ trụ vẫn còn quá nóng nên các nguyên tử bền không thể tồn tại đợc.
- Vũ trụ sẽ tiếp tục dãn nở và nguội dần nhng sẽ không có gì đáng chú ý lắm xảy ra trong 700.000 năm. Lúc đó nhiệt độ sẽ hạ xuống mức Electrôn và hạt nhân có thể tạo thành những nguyên tử bé ; sự thiếu Electron tự do sẽ làm cho các thành phần của vũ trụ trong suốt đối với bức xạ ; và sự tách vật chất và bức xạ sẽ cho phép vật chất bắt đầu tạo thành các thiên hà và các vì sao. Sau một thời gian khoảng 10 triệu năm nữa, những sinh vật sẽ bắt đầu dừng lại câu chuyện này.