Sự hình thành các nguyên tố
Thập niên 1930 đúng là một thập niên củng cố thêm cho sự tiến bộ mang tính cách mạng trong vũ trụ học. Và vào đầu những năm 1940, cuộc chiến tranh thế giới đã làm hạn chế sự tiến bộ vũ trụ học. Nhưng cuộc chiến đó tạm thời đã thu hút các tài nguyên khoa học đồng thời đẩy mạnh công nghệ dẫn tới những tiến bộ khoa học cơ bản.
Những tiến bộ trong ngành vật lí hạt nhân đã giúp chuyển hóa những suy xét vũ trụ học thành những phép tính định lượng. Xu hướng nghiên cứu này, bắt đầu vào cuối những năm 1940, lúc đầu chủ yếu được theo đuổi bởi các nhà vật lí, chứ không phải các nhà thiên văn học. Vào thập niên 1930, Georges Lemaitre đã đề xuất rằng vũ trụ có khả năng khởi đầu khi một “quả trứng vũ trụ” nguyên thủy bùng nổ trong một đốm lửa hùng vĩ, tạo ra một vũ trụ đang dãn nở. Bấy giờ các nhà vật lí tìm thấy những con số hợp lí cho sự phong phú của các nguyên tố khác nhau sẽ được tạo ra một vụ nổ vũ trụ ban đầu. Nhưng lí thuyết về một vụ nổ vũ trụ ban đầu sớm bị thách thức bởi một giả thuyết mới – rằng xét cho cùng thì vũ trụ có thể ở trạng thái bền vững.
Năm 1946, nhà vật lí người Mĩ sinh quán Ukrainia George Gamow xem xét cách thức giai đoạn sơ khai của một vũ trụ đang dãn nở sẽ là một bể hạt siêu nóng, và bắt đầu tính hàm lượng các nguyên tố hóa học khác nhau có thể tạo ra dưới những điều kiện này. Gamow kết nạp thêm Ralph Alpher, một sinh viên tốt nghiệp trường đại học George Washington, nơi Gamow giảng dạy, và Robert Herman, một nhân viên tại Phòng thí nghiệm Vật lí Ứng dụng Johns Hopkins, nơi Gamow tra cứu tư liệu. Cả Alpher và Herman đều là con sinh ra ở Mĩ của người người Do Thái di cư sang Mĩ.
Gamow giả sử sự dãn nở và lạnh đi của vũ trụ từ một trạng thái ban đầu có mật độ và nhiệt độ gần như vô hạn. Ở trạng thái đó, tất cả vật chất đều là proton, neutron, và electron xuất hiện trong một đại dương bức xạ năng lượng cao. Gamow và Alpher gọi hỗn hợp giả thuyết này là “Ylem” (một từ cổ xưa chỉ vật chất). Alpher đã tiến hành tính toán chi tiết các quá trình hạt nhân trong vũ trụ sơ khai này. Trong tính toán của ông, ông sử dụng một số máy tính điện tử kĩ thuật số đầu tiên – được phát triển trong chiến tranh dùng cho việc tính toán, trong số nhiều công dụng khác, các điều kiện bên trong một vụ nổ bom hạt nhân. Dường như các nguyên tố có thể cấu hành dạng một hạt bắt từng neutron một, theo kiểu “nấu hạt nhân”.
Đóng góp của lí thuyết này là không nêu ra một lời giải cuối cùng mà, không kém phần quan trọng, là nêu ra một bài toán rất lớn – cái gì xác định sự phong phú vũ trụ của các nguyên tố ? Liệu sự phong phú quan sát thấy có thể phù hợp bởi những phép tính áp dụng các định luật vật lí cho một pha sơ khai cực kì nóng và đậm đặc của một vũ trụ đang dãn nở hay không ? Gamow thật sự thành công trong việc giải thích sự phong phú tương đối của hydrogen và helium. Các tính toán phù
hợp thô với các quan sát sao – helium chiếm khoảng một phần từ khối lượng của vũ trụ và hydrogen chiếm hầu như toàn bộ phần còn lại. Tuy nhiên, các nỗ lực nhằm tiến hành tính toán với những nguyên tố khác đã thất bại trong việc thu được một câu trả lời có thể nhận thức được cho bất kì nguyên tố nào ngoài helium. Dường như việc chồng chất thêm neutron vào helium sẽ khó mà cho bạn các nguyên tố bền vững. Gamow đùa rằng lí thuyết của ông tuy vậy vẫn được xem là thành công, vì nó giải thích được 99% vật chất trong vũ trụ.
Ảnh chụp Hoyle tại Kính thiên văn Anh-Australia, cùng với hoàng tử Charles.
Thật vậy, lí thuyết của ông không hề sai mà chỉ là không hoàn chỉnh. Các nhà thiên văn vật lí sớm nhận ra rằng nếu các nguyên tố nặng hơn không được hình thành trong sự khởi nguyên nóng bỏng của vũ trụ, thì chúng phải được hình thành sau đó, trong phần bên trong của các sao. Lí thuyết đó phụ thuộc vào một tính chất đặc biệt của carbon mà nhà thiên văn học người Anh Fred Hoyle đã đo được và tìm thấy đúng như tiên đoán. Vũ trụ học đã bước vào phòng thí nghiệm.
George Gamow (1904-1968)
Ông sinh ở Odessa, trưởng thành trong cách mạng và chiến tranh, và nghiên cứu vũ trụ học dưới trướng Alexander Friedmann tại trường đại học Leningrad. Sau khi lấy bằng tiến sĩ năm 1928, Gamow nghiên cứu cơ học lượng tử ở Göttingen, Copenhagen, và Cambridge. Ông giải được một thách đố quan trọng và chỉ ra những công nghệ mới bằng việc giải thích làm sao hạt alpha (hai proton và hai neutron, về cơ bản là nguyên tử helium bị bóc mất các electron của nó) có thể “chu hầm” ra khỏi hạt nhân nguyên tử.
George Gamow
Bưu thiếp do Gamow gởi, chính thức chấp nhận lời mời đến Los Alamos nghiên cứu về bom
hydrogen.
Gamow bị gọi trở lại Liên Xô vào năm 1931, nhưng ông không cảm thấy thoải mái ở đó. Ông dùng giấy phép cho tham dự một hội nghị ở Brussels vào năm 1933 để trốn sang Mĩ, ở đó ông đảm nhận một vị trí trong trường đại học George Washington DC. Không rõ là ông có nghiên cứu Dự án Mahattan không, nhưng sau này ông có tham gia một thời gian ngắn trong việc phát triển bom khinh khí. Gamow đã đưa lí thuyết hạt nhân vào vũ trụ học và đặt nền tảng cho việc nghiên cứu sự hình thành của các nguyên tố trong Big Bang.
Trò đùa của Gamow
Khi Alpher và Gamow soạn bài báo về đề tài trên, Gamow đã tinh quái thêm tên của nhà vật lí hạt nhân nổi tiếng Hans Bethe vào danh sách tác giả để nó được gọi là “bài báo Alpher – Bethe – Gamow”, bắt chước “alpha – beta – gamma” của những kí tự đầu tiên của bộ chữ cái Hi Lạp. Không hề biết Gamow, Bethe là nhà phản biện cho tập san mà Gamow gởi đăng bài báo. Bethe xem đó là một sự hóm hỉnh dễ thương, sau này ông giải thích, “ Lúc ấy tôi cảm thấy đúng hơn là một trò đùa dễ thương, và bài báo đó rất có thể là chính xác, cho nên tôi không phiền việc tên mình bị thêm vào danh sách tác giả”. Gamow cũng xúi giục Herman đổi tên ông ta thành Delter để nhại lại delta, kí tự tiếp theo trong bộ chữ cái Hi Lạp. Bất chấp sự từ chối của Herman, trong một bài báo trên một tập san khoa học danh tiếng, Gamow vẫn nhắc tới “lí thuyết bắt neutron… phát triển bởi Alpher, Bethe, Gamow và Delter”.Trong số những đặc điểm nổi trội của ông thì óc hài hước chiếm một phần không phải là ít.
Một bức ảnh ghép năm 1949 với Robert Herman ở bên trái, Ralph Alpher ở bên phải, và George Gamow ở chính giữa, lúc đang khui cái chai “Ylem” thần thánh, hỗn hợp vũ trụ ban đầu gồm các proton, neutron, và các electron, các nguyên tố được cho là hình thành từ đó.
Lí thuyết trạng thái bền vững
Chiến thắng của Hoyle trong việc giải thích làm thế nào đa số các nguyên tố có thể được tạo ra ở bên trong các sao rơi ra khỏi khuôn khổ lí thuyết trong đó các nguyên tố được hình thành rất sớm. Nó được xem là một lí thuyết đối thủ đầy thiện ý. Và Hoyle thật sự ủng hộ một lí thuyết đối thủ, lí thuyết mà ông đã giữ một vai trò quan trọng trong việc đầu tư và phát triển. Trong lí thuyết này, vũ trụ luôn luôn trông giống hệt như nó hiện bây giờ. Không bao giờ có một “Big Bang” – cụm từ mà Hoyle đã phát minh ra hồi năm 1950, ý định đặt tên kiểu miệt thị.
“[Big Bang] là một quá trình phi lí không thể nào mô tả bằng các thuật ngữ khoa học… [cũng không thể] thách thức một yêu cầu phải quan sát”.
Hoyle
Tommy Gold (trái), cùng với Hermann Bondi (giữa) và Fred Hoyle (phải), khoảng năm 1960.
Có một câu chuyện thú vị, mà các nhà sử học không xem là nghiêm túc, về cách thức lí thuyết trạng thái bền vững bắt đầu. Ý tưởng xuất hiện năm 1947, Hoyle khẳng định, khi ông và nhà khoa học khách mời Hermann Bondi và Tommy Gold đi xem một bộ phim. Ba người biết nhau từ việc chia sẻ nghiên cứu về radar trong Thế chiến thứ hai. Hoyle thì tháo vát, ít theo khuôn phép và có trực giác; Bondi thì có một trí tuệ toán học sâu sắc và có tính kỉ luật cao; còn trí tưởng tượng vật lí táo bạo của Gold thì mở ra những viễn cảnh mới. Bộ phim đó là một câu chuyện ma kết thúc theo kiểu giống như lúc nó bắt đầu. Điều này khiến cho ba nhà khoa học nghĩ về một vũ trụ cho đến nay không hề thay đổi về mặt động lực học. Theo Hoyle “Người ta có xu hướng nghĩ về những tình huống bất biến dạng nhất thiết tĩnh tại. Cái mà bộ phim ma đó đã làm sâu sắc đối với ba chúng tôi là đã loại bỏ quan điểm sai lầm này. Người ta có thể có những tình huống không đổi mang tính động lực học, chẳng hạn như một dòng sông chảy êm đềm”. Nhưng làm sao vũ trụ lại có thể trông như hệt nhau nếu như nó luôn luôn dãn nở ? Họ không mất bao lâu để thấy một câu trả lời có khả năng – vật chất liên tục được tạo ra. Như vậy, những ngôi sao và thiên hà mới có thể hình thành để lấp đầy không gian bỏ lại phía sau khi những ngôi sao hay thiên hà già nua chuyển động ra xa.
Đối với nhiều trí tuệ triết học, vũ trụ trạng thái bền vững do Hoyle, Bondi và Gold đề xuất có một thuận lợi lớn so với vũ trụ Big Bang đang dãn nở. Trong vũ trụ của họ, toàn bộ mật độ được giữ luôn luôn không đổi bởi sự hình thành liên tục của vật chất. Trong vũ trụ Big Bang với mật độ biến thiên triệt để của nó, các định luật vật lí khác nhau có thể không áp dụng được theo cách như nhau ở mọi thời điểm. Người ta không thể nào ngoại suy với độ tin cậy từ hiện nay trở lại khởi nguyên siêu đậm đặc của vũ trụ.
Hình vẽ giai đoạn sơ khai và sau đó trong hai mô hình khác nhau về vũ trụ dãn nở. Mô hình bên trái tuân theo nguyên lí vũ trụ học, theo đó vũ trụ là đồng nhất và trông như nhau đối với nhà quan
sát đứng ở bất kì chỗ nào trong vũ trụ. Mô hình bên phải tuân theo nguyên lí vũ trụ học hoàn hảo, ngoài nguyên lí vũ trụ học còn yêu cầu vũ trụ là bất biến theo thời gian – những thiên hà mới xuất
hiện liên tục bên trong không gian đang dãn nở.
Hoyle và Big Bang (trích từ sách của Hawking)
Lí thuyết trạng thái bền vững cũng có lợi thế quan sát so với lí thuyết Big Bang vào năm 1948. Tốc độ dãn nở khi đó quan sát được, khi tính lùi trở lại cho một Big Bang ban đầu, người ta thu được tuổi cho vũ trụ chỉ vào khoảng vài tỉ năm – nhỏ hơn cả tuổi được biết của hệ Mặt Trời! Đó nhất định là một sự lúng túng cho lí thuyết Big Bang.
Thỉnh thoảng, các nhà vũ trụ học lại đo lường những ý tưởng chống lại “nguyên lí vũ trụ học”, nguyên lí khẳng định rằng những tính chất quy mô lớn của
vũ trụ là độc lập với vị trí của nhà quan sát. Nói cách khác, bất kì lí thuyết nào đặt loài người chúng ta ở một số nơi đặc biệt (ví dụ như ở trung tâm của vũ trụ) có thể bị loại bỏ ngay không thương tiếc. Bondi và Gold khăng khăng rằng vũ trụ không chỉ đồng nhất trong không gian mà còn trong thời gian – nó phải trông như nhau ở mọi nơi và mọi lúc. Họ đường hoàng gọi đây là “nguyên lí vũ trụ học hoàn hảo”, và khăng khăng rằng lí thuyết phải được suy diễn từ chân lí là vũ trụ không nằm ở nơi nào đặc biệt cả trong không gian lẫn thời gian.
Hoyle kém quyết liệt hơn cho rằng nguyên lí vũ trụ học hoàn hảo là một chân lí cơ sở. Ông thích có lí thuyết tuân theo một biến thể mà ông đã đề xuất cho vũ trụ tương đối tính của Einstein, thêm vào sự hình thành vật chất. Tuy nhiên, hai lí thuyết trạng thái bền vững khác nhau đủ điểm chung để xem là một cho đa số mục đích.
Phần nhiều sự phát triển sau này của lí thuyết trạng thái bền vững xuất hiện nhằm đối phó với sự phê bình, chỉ trích. Nhất là ở Anh, các nhà khoa học đã dành sự chú ý lớn để trau chuốt lí thuyết đó. Lập luận của họ phần lớn có bản chất triết học, với ít sự hấp dẫn với quan sát.
Fred Hoyle (1915-2001)
“Để thu được thứ gì thật sự đáng giá trong khi nghiên cứu”, Hoyle viết, “cần phải phản đối quan điểm của những người khác cùng nghiên cứu. Để thực hiện việc này một cách thành công, không đơn thuần trở thành một kẻ lập dị, cần có óc phán xét tốt, nhất là những vấn đề đã tồn tại lâu thì không thể giải quyết nhanh chóng được”. Ban đầu cảm thấy bình thường và thực tế thì các sinh viên tốn ít chi phí thuyết phục Hoyle chấp nhận trình độ tiến sĩ vào năm 1939. Trong chiến tranh, ông nghiên cứu về radar và gặp Hermann Bondi và Tommy Gold, cùng với họ ông sẽ đề xuất lí thuyết trạng thái bền vững vào năm 1948. Cùng với William Fowler và Geoffrey và Margaret Burbridge vào thập niên 1950, Hoyle giải thích cách thức các nguyên tố nặng hơn helium có thể được sản xuất bên trong các sao. Fowler nhận giải Nobel cho nghiên cứu đó, không chia sẻ giải với Hoyle ưa tranh cãi hơn. Hoyle thành lập Viện Thiên văn học Lí thuyết ở Cambridge vào năm 1967, nhưng phải từ bỏ vào năm 1973, vì vấp phải một trong nhiều tranh cãi với chính quyền. Gần đây hơn, Hoyle cho rằng sự sống trên Trái Đất là do vật chất hữu cơ từ không gian rơi xuống, và nền vi sóng là do bức xạ điện từ phát ra từ các hạt hình thành khi hơi kim loại phóng ra của các sao siêu mới lạnh đi từ từ. Hoyle thu được nhiều thành tựu trong nghiên cứu, và cũng bị xem là một kẻ lập dị.
Tommy Gold (1920-2004)
Sinh ra tại Áo, ông chủ yếu bị giam ở Anh trong năm 1940. Ở đó, ông đã gặp Hermann Bondi. Sau đó, họ làm việc cùng với Fred Hoyle về radar, và đề xuất lí thuyết trạng thái bền vững vào năm 1948. Gold chuyển sang Mĩ. Ông là người đầu tiên đề nghị, vào năm 1968, rằng pulsar là các sao neutron đang quay nhanh. Kém thông suốt hơn là đề xuất của ông rằng bề mặt mặt trăng có thể là một cấu trúc bụi dày sẽ co lại dưới sức nặng của cỗ xe hạ cánh xuống mặt trăng. Đề xuất của ông rằng hydrocarbon, chứ không phải các hóa thạch không thể hồi phục được còn lại, chủ yếu có nguồn gốc từ sâu thẳm bên trong Trái Đất cho đến nay vẫn chưa được chứng minh.
Nguồn gốc mới
Đâu là nguồn gốc của các nguyên tố nặng hơn helium (khối lượng nguyên tử 4)? George Gamow đã giải thích làm sao hydrogen và helium có thể được tạo ra trong vụ nổ vũ trụ nguyên thủy, nhưng không thể nào đi xa hơn. Sau đó, nhà vật lí Edwin Salpeter nhận ra rằng ở phần bên trong nóng bỏng của một ngôi sao, hai nguyên tử helium có thể kết hợp trong giây lát tạo ra beryllium-8. Để chắc chắn, trạng thái đó không bền, nhưng thỉnh thoảng nó tồn tại đủ lâu để gặp nguyên tử helium khác và tạo ra carbon-12. Các nguyên tố khác bấy giờ có thể được tạo ra bằng cách cộng thêm neutron, cùng với sự tan vỡ của các nguyên tố không bền lớn hơn. Sao siêu mới bùng nổ rốt cuộc sẽ làm phân tán các nguyên tố nặng về phía thiên hà (đó là lí do tại sao, chẳng hạn, chúng ta có sắt trên Trái Đất này). Tuy nhiên, phản ứng chủ yếu chỉ xảy ra ở tốc độ vừa đủ nếu như carbon-12 có tính chất rất