7. Cấu trúc khóa luận
3.1.2. Thuyết Big Bang về sự khởi đầu của vũ trụ
Vũ trụ là gì? Vũ trụ từ đâu mà có? Đó là những câu hỏi luôn làm bận tâm không chỉ riêng cho các nhà Vật lý học mà còn là câu hỏi chung cho toàn thể nhân loại, khi những ai có suy nghĩ về Vũ trụ, nơi mà mình được sinh ra và tồn tại.
39
3.1.2.1. Các thuyết về sự khởi đầu vũ trụ
Trường phái I
Nội dung: Vũ trụ ở trong "trạng thái ổn định", vô thủy vô chung, không thay đổi từ quá khứ đến tương lai. Vật chất được tạo ra một cách liên tục.
Trường phái II
Nội dung: Vũ trụ được tạo ra bởi một vụ nổ “cực lớn, mạnh” cách đây khoảng 15 tỉ năm, hiện nay đang tiếp tục dãn nở và loãng dần. Vụ nổ nguyên thủy này được đặt tên là Big Bang (vụ nổ lớn). Vết tích của bức xạ vũ trụ nguyên thủy, lúc đầu nóng ít nhất hàng triệu tỉ độ, ngày càng nguội dần vì vũ trụ dãn nở.
3.1.2.2. Các sự kiện thiên văn quan trọng
Vũ trụ đang dãn nở
Các quan sát thiên văn cho thấy số các thiên hà trong quá khứ nhiều hơn hiện nay, tức là vũ trụ trong quá khứ “đặc” hơn bây giờ (tức vũ trụ không ở trong trạng thái ổn định).
Dựa vào hiệu ứng Dopple, Hubble cũng phát hiện các thiên hà xa xăm rải rác khắp bầu trời đều chạy ra xa hệ Mặt Trời của chúng ta với các tốc độ khác nhau.
Từ đó, ông đưa ra định luật Hubble như sau: “Tốc độ v chạy ra xa của thiên hà tỷ lệ với khoảng cách d giữa thiên hà và chúng ta”:
v = H.d (3.1)
Trong đó H (hằng số Hubble) = 1,7.10-2 m/(s.năm ánh sáng) với 1 năm ánh sáng bằng 9,46.1012 km).
Hiệu ứng Dopple với sóng ánh sáng :
“Nếu nguồn sáng phát ra một bức xạ đơn sắc bước sóng λ, chuyển động với tốc độ u đối với máy thu thì bước sóng bức xạ mà máy thu nhận được sẽ thay đổi một lượng Δλ, với”: u c (3.2)
u > 0: nguồn ra xa máy thu. u < 0: nguồn lại gần máy thu.
40 Bức xạ nền vũ trụ
Năm 1965, Penzias và Wilson đã tình cờ phát hiện ra một bức xạ "lạ" khi họ đang thử máy thu tín hiệu trên bước sóng 3 cm. Bức xạ này được phát đồng đều từ phía trong không trung và tương ứng với bức xạ phát ra từ vật có nhiệt độ khoảng 3K (chính xác là 2,735K – gọi tắt là bức xạ 3K).
Điều này chứng tỏ: Bức xạ đó là bức xạ được phát ra từ mọi phía trong vũ trụ (nay đã nguội) và được gọi là bức xạ "nền" vũ trụ.
Kết luận: Hai sự kiện thiên văn quan trọng nói trên và một số sự kiện thiên văn khác đã minh chứng cho tính đúng đắn của thuyết Big Bang.
3.1.2.3. Thuyết Big Bang
Như vậy, lý thuyết hiện nay được các nhà khoa học thừa nhận để giải thích nguồn gốc của vũ trụ nơi chúng ta đang tồn tại, là lý thuyết Big Bang (vụ nổ lớn).
Lý thuyết này được phát biểu rằng: Vũ trụ được bắt đầu từ một điểm kỳ dị có mật độ vật chất và nhiệt độ lớn vô hạn tại một thời điểm hữu hạn trong quá khứ.
Hình 3.3. Điểm Zero Big Bang
Điểm zero Big Bang (“điểm kỳ dị”): là điểm dùng làm mốc để tính tuổi và bán kính của vũ trụ.
- Tại điểm zero Big Bang:
+ Tuổi và bán kính của vũ trụ là số không.
+ Các định luật vật lý đã biết và thuyết tương đối rộng (thuyết hấp dẫn) không áp dụng được.
Điểm zero Big Bang: tại đây, các định luật vật lý đã biết và thuyết tương đối rộng không áp dụng được
41
* Điểm zero Big Bang (“điểm kỳ dị”):
I._ CÁC THUYẾT VỀ SỰ TIẾN HÓA CỦA VŨ TRỤ:
Bài 61: THUYẾT BIG BANG.
II._ CÁC SỰ KIỆN THIÊN VĂN QUAN TRỌNG: III._ THUYẾT BIG BANG:
Thời điểm Planck (bắt đầu từ thời điểm
tp= 10–43(s) sau Vụ nổ lớn)
Hình 3.4. Các giai đoạn hình thành vũ trụ
Thời điểm Planck: bắt đầu từ thời điểm t = 10–43(s) sau vụ nổ lớn. - Ở thời điểm Planck:
+ Kích thước vũ trụ là 10–32(m); nhiệt độ là 1032K và khối lượng riêng là 1091(kg/cm3). Đây là các trị số Planck.
+ Vũ trụ bị tràn ngập bởi các hạt có năng lượng cao như photon, lepton, phản lepton, quark và phản quark chuyển động như các hạt tự do.
+ Năng lượng của vũ trụ ít nhất phải bằng 10 19(GeV).
+ Ở Nhiệt độ cao như vậy, không có sự tách biệt giữa các tương tác hấp dẫn, điện từ, yếu và mạnh (siêu thống nhất).
- Từ thời điểm Planck: vũ trụ dãn nở rất nhanh, nhiệt độ của vũ trụ giảm dần. + Từ 10-43s – 10-35s: Năng lượng giảm dần đến 1015 GeV. Trong khoảng thời gian này, các lực mạnh, lực yếu và lực điện từ tác dụng như một lực duy nhất được mô tả bởi lý thuyết Thống nhất lớn, còn lực hấp dẫn tác dụng tách rời như hiện nay.
+ Từ 10-35s đến 10-10s: Năng lượng cỡ 100 GeV. Lực mạnh tách ra, để lại lực điện từ, lực yếu thống nhất với nhau.
+ Từ 10-10s đến 10-5s: Năng lượng cỡ 0,1 GeV. Tất cả bốn lực đều tách biệt ra như hiện nay. Vũ trụ như một "món súp nóng" gồm các quark, lepton và photon.
42
+ Từ 10-5s đến 3 phút: Các quark kết hợp để tạo nên các mezon và baryon. Vật chất và phản vật chất huỷ nhau quét đi phản vật chất và chỉ để lại một lượng dư nhỏ vật chất, từ đó tạo nên vũ trụ của chúng ta hiện nay.
+ Từ 3 phút đến 105 năm. Các proton và neutron kết hợp để tạo ra các nuclon nhẹ và với độ phổ cập đồng vị đúng như hiện nay. Vũ trụ là một plasma của các hạt nhân và electron.
+ Từ 105 năm đến nay: bắt đầu thời kỳ này các nguyên tử được tạo thành. Vũ trụ trở nên trong suốt đối với các photon và bức xạ. Từ đây chúng bắt đầu một hành trình dài dằng dặc và nay mới đến được chúng ta biết đến như bức xạ nền vi ba. Rồi các nguyên tử cụm lại để tạo ra các thiên hà, sau đó là các sao và các hành tinh và hình thành chính bản thân chúng ta. Vũ trụ ở trạng thái hiện nay với nhiệt độ trung bình 2,7K.