Từ khởi đầu đến kết thúc của vũ trụ: Vũ trụ bắt đầu từ một vụ nổ

Khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ là thời điểm mà chúng ta khó khám phá nhất. Nhưng hiện nay, một số chìa khóa để giải câu đố này đang dần xuất hiện

Trong suốt thế kỷ vừa qua, các nhà thiên văn học và vật lý đã tạo ra một bản “tường thuật” một cách vô cùng chi tiết về lịch sử vũ trụ của chúng ta. Trong 13,8 tỷ năm, vũ trụ đã mở rộng và biến đổi từ trạng thái nóng và đặc được gọi là Big Bang thành một vũ trụ mà chúng ta có thể thấy ngày nay. Bức tranh đó không được dựa trên suy hoặc hoặc là một lý thuyết đơn thuần mà được dựa trên một lượng lớn các bằng chứng thực nghiệm. Các nhà khoa học đã nghiên cứu sự mở rộng và phát triển của vũ trụ trong vài tỷ năm qua cũng như cách mà các thiên hà, cụm thiên hà được hình thành. Nhìn lại thời gian xa hơn nữa, họ xem xét kỹ lượng ánh sáng phát ra trong quá trình hình thành các nguyên tử đầu tiên, chỉ 380.000 năm sau Big Bang. Và thậm chí, họ đã xác định được lượng deuterium, helium và lithium được tạo ra thông qua các phản ứng tổng hợp hạt nhân trong những giây đầu tiên của vũ trụ. Thông qua những quan sát này, chúng ta đã trở thành những thế hệ đầu tiêu hiểu được quá khứ xa xôi của vũ trụ

I, TÁI TẠO KHOẢNH KHẮC BAN ĐẦU

Nhưng khi các nhà khoa học cố gắng quay ngược thời gian xa hơn nữa, sớm hơn vài giây đầu tiên đó, họ hầu như không có bất cứ một quan sát trực tiếp nào để kiểm chứng lý thuyết của mình. Điều hấp dẫn nhất trong lịch sử của vũ trụ đang bị che giấu khỏi tầm nhìn của chúng ta, bị chôn vùi bên dưới những lớp năng lượng, khoảng cách và thời gian chưa thể xuyên thủng

Tuy nhiên, điều đó không thể ngăn cản các nhà vật lý tìm hiểu về kỷ nguyên hình thành của lịch sử vũ trụ. Thay vì dựa vào kính thiên văn, họ sử dụng máy gia tốc hạt để tái tạo các điều kiện đã được tìm thấy trong vũ trụ của chúng ta ở phần giây đầu tiên sau Big Bang. Những cổ máy ngoạn mục này tăng tốc chùm hạt – thường là proton hoặc electron – lên tốc độ cao nhất có thể và sau đó va chạm, hợp nhất chúng thành một. Thông qua sức mạnh đến từ phương trình nổi tiếng nhất của Einstein, E = mc², động năng của chuyển động trong những va chạm này có thể biến đổi thành vật chất

Ví dụ, máy gia tốc hạt lớn (LHC) có khả năng tạo ra tất cả các loại hạt đã biết, từ electron, photon đến boson Higgs và hạt quark đỉnh. Vũ trụ sơ khai chứa đầy những loại hạt này, tất cả đều liên tục tương tác với nhau, nhiều lần được tạo ra và phá hủy. Bằng cách sử dụng LHC để tái tạo và nghiên cứu những điều kiện này, chúng ta đã bắt đầu có thể kết hợp câu chuyển về những gì xuất hiện đầu tiên trong vũ trụ

II, MỘT VŨ TRỤ CỦA NHỮNG DÒNG CHẢY LIÊN TỤC

Một phần nghìn tỷ giây sau Big Bang, toàn bộ vũ trụ của chúng ta chứa đầy một luồng năng lượng cực kỳ nóng và dày đặc. Trong khắp mọi ngóc ngách của không gian, nhiệt độ nóng hơn nhiệt độ lõi của Mặt Trời một tỷ lần, và mật độ năng lượng tương đương hơn 1036 kg/m³. Trong điều kiện cực nóng và cực đặc này, mọi hạt không ngừng va chạm với nhau. Thậm chí, chỉ trong vòng một phần nghìn tỷ giây, năng lượng sở hữu bởi một hạt nhất định sẽ thay đổi ở các dạng khác nhau hàng nghìn tỷ lần. Năng lượng ở dạng electron có thể chuyển đổi thành photon, sau đó thành boson Higgs, tiếp theo là tạo ra một hạt quark đỉnh, biến đổi lặp đi lặp lại. Không có gì là vĩnh viễn trong thời kỳ này, mọi thứ đều thay đổi

Trong những khoảnh khắc đầu tiên này, không gian mở rộng với tốc độ đáng kinh ngạc. Từ 10⁻¹² đến 10⁻⁹ giây sau Big Bang, thể tích vũ trụ của chúng ta tăng thêm khoảng 30.000 lần và nhiệt độ giảm 30 lần. Và trong vòng 10⁻¹⁰ giây, nhiệt độ đã giảm xuống đủ để các hạt quark đỉnh – hạt có khối lượng lớn nhất trong số các hạt đã biết – bắt đầu biến mất nhanh hơn so với tốc độ chúng được tạo ra. Chỉ trong một tích tắc bằng với cái chớp mắt của bạn, các hạt quark đỉnh, boson Higgs, boson Z và boson W đã gần như biến mất hoàn toàn khỏi vũ trụ của chúng ta

Theo thời gian, thành phần của các hạt được tìm thấy trong vũ tru của chúng ta tiếp tục thay đổi. Điều này bắt đầu với sự biến mất của các dạng vật chất nặng nhất

Ví dụ, cho đến thời điểm này, quark và gluon, những hạt hạ nguyên tử liên kết các quark với nhau trong hạt nhân nguyên tử đều là hạt tự do. Nghĩa là, một quark hoặc gluon nhất định sẽ tự di chuyển trong không gian, tương tác với vật chất và năng lượng khác giống như bất cứ hạt nào khác. Nhưng khoảng 10 phần triệu giây hoặc lâu hơn sau vụ nổ Big Bang, những hạt này bắt đầu bị hút vào nhau. Trong vòng một phần triệu giây, tất cả các hạt quark và gluon đã liên kết với nhau thành các nhóm nhỏ, tạo thành các vật thể tổng hợp như proton và neutron – các khối cấu tạo nên nguyên tố sắp tới

III, TÌM KIẾM CÂU TRẢ LỜI

Không có gì phải bàn cãi khi chúng ta đang sống trong thời kỳ vàng son của vũ trụ học. Ngày nay, chúng ta biết nhiều hơn về vũ trụ và lịch vũ của nó so với những gì mà chính chúng ta có thể tưởng tượng cách đây vài thập kỷ. Nhưng bất chấp những thành công này, vẫn còn rất nhiều câu hỏi cần được giải đáp

Có một điều, để giải thích sự thật đơn giản rằng nguyên tử tồn tại trong vũ trụ của chúng ta, chúng ta phải biết rằng, ngay từ sớm đã phải có nhiều vật chất hơn so với phản vật chất một chút – nếu không thì tất cả vật chất sẽ biến mất bởi phản vật chất tương đương của nó. Nhưng nguyên nhân của sự mất cân bằng này đến nay vẫn còn là một bí ẩn

Chúng ta cũng biết rằng, vật chất tối – thứ vất chất vô hình tạo nên phần lớn vật chất của vũ trụ – được hình thành vào một thời điểm nào đó sau Big Bang, nhưng chúng ta biết bằng cách nào và khi nào. Có lẽ để giải thích hình dạng quan sát được và sự đồng nhất của vũ trụ, các nhà vũ trụ học buộc phải kết luận rằng không phải trải qua một thời gian giản nở siêu nhanh trong thời gian rất ngắn (thời kỳ lạm phát). Nó khiến vũ trụ của chúng ta biến đổi hoàn toàn, và đến nay chúng ta biết rất ít về nó

Những bí ẩn như vật tiếp tục thúc đẩy lĩnh vực vũ trụ học phát triển. Những kính thiên văn và những khám phá mới, cũng như các ý tưởng tưởng đầy sáng tạo chắc chắn sẽ tiết lộ cho chúng ta những khía cạnh của vũ trụ và lịch sử ban đầu của nó, cũng như con đường mà nó đã đi từ đó đến đây.

Hội thiên văn Hà Nội (HAS)

Biên tập: Phan Quân

Comments

comments