Chúng ta biết gì về vũ trụ

21/6/2011

CHÚNG TA BIẾT GÌ VỀ VŨ TRỤ ?

Trần-Đăng Hồng, PhD

Vào ban đêm, khi nhìn hàng triệu triệu ngôi sao lấp lánh trên trời, con người cảm thấy mình quá bé nhỏ.

Quả Địa cầu (Earth) chúng ta đang sống chỉ là một trong 10 hành tinh chung quanh Mặt Trời (Sun) thuộc Thái Dương Hệ (Solar system). Thái Dương Hệ của mặt trời chúng ta nằm trong Thiên Hà (Galaxy) được mệnh danh Giải-Ngân-Hà (Milky Way), gồm hàng tỹ tinh tú (stars). Giải Ngân-Hà của chúng ta không phải duy nhất, mà còn có rất nhiều thiên-hà khác, mà khoa học hiện đại chỉ khám phá được một số. Dĩ nhiên còn vô số thiên-hà nằm ngoài tầm quan sát của viễn-vọng-kính hiện đại. Như vậy, vũ trụ rộng bao la, và con người từ thời xa xưa đã đặt câu hỏi làm sao vũ trụ được thành hình và kích thước bao nhiêu.

Về mặt tôn giáo, từ thời xa xưa các tín đồ của các tôn giáo được rao giảng là vũ trụ do Chúa (God), Đấng Tối Cao hay Thượng Đế tạo thành. Ai có ý giải thích khác với lòng tin trên có thể bị chém.

Trong khung cảnh của một bài viết khoa học, dựa vào các giả thuyết mang tính chất khoa học được đăng tải trong các tạp chí khoa học nổi danh, và một phần giả thuyết đã được chứng minh xác thật nhờ các thiết bị tối tân trên các vệ tinh viễn thám vũ trụ, sau đây là tóm lược giản dị để đọc giả biết thêm về vũ trụ và sự thành hình của nó.

Nguồn gốc vũ trụ

Một trong các thuyết về nguồn gốc vũ trụ được coi hửu lý nhất hiện nay là những thuyết “Big Bang”. Thuyết Big Bang càng ngày càng được bổ túc thêm, và như vậy là do nhiều nhà khoa học trên khắp thế giới cùng đóng góp.

Bắt nguồn từ thuyết Tương Đối (General Relativity, 1905) và phương trình thuyết tương đối (Equations of general relativity, 1916, ) của nhà bác học lừng danh Albert Einstein. Ông có đề cập đến vũ trụ, và vào thời gian này ông cho rằng vũ trụ đồng thể và ở thể tỉnh.

Năm 1912, Vesto Slipher đo đạc và tính toán cho thấy các thiên-vân-xoắn-ốc (spiral nebula) càng lúc càng xa Trái Đất chúng ta.

Năm 1922, Alexander Friedmann - nhà thiên văn và toán học Nga - cho rằng vũ trụ đang bành trướng, chứng minh qua các phép giải toàn bộ phương trình của thuyết tương đối Einstein.

Tuy nhiên, người đầu tiên đưa ra thuyết nguồn gốc vũ trụ là Georges Lemaitre (1894 –1966). Ông vốn là một thầy tu công giáo, một nhà thiên văn và là Giáo sư Vật Lý của Đại học Công Giáo Louvain (Catholic University of Louvain) ở Belgium. Năm 1927, trên tạp chí Annales de la Société Scientifique de Bruxelles ông tường trình những ý tưởng mới về vũ trụ, cho rằng vũ trụ đang bành trướng, qua “giả thuyết về nguyên tử nguyên thủy” (hypothesis of the primeval atom). Ông cho rằng vũ trụ đang giản nở lớn ra từ một vụ nổ. Sau đó, được bổ túc them bởi nhiều nhà khoa học khác, thuyết nguồn gốc vũ trụ này mang tên “Big Bang” – “Nỗ Lớn” vào năm 1946.

Trong giai đoạn đầu, chưa có chứng cớ khoa học chứng minh vũ trụ trương nỡ.

Năm 1924, Edwin Hubble đo khoảng cách xa nhất tới các tinh-vân-xoắn ốc cho biết các tinh-vân này là các thiên-hà khác với thiên-hà chúng ta. Năm 1929, ông khám phá thêm rằng khoảng cách giữa các thiên-hà hễ càng xa thì tỉ lệ với quang phỗ hồng-điểm (redshifts). Trong khoa vật lý không gian, hồng-điểm hay quang-phỗ-đỏ xảy ra khi ánh sáng phát xuất từ một vật chiếu sáng gia tăng tỉ lệ theo chiều dài sóng (wave length), và như vậy có khuynh hướng trở thành đỏ hơn trong quang phổ (spectrum) khi khoảng cách càng xa. Khám phá của Hubble chứng tỏ rằng thiên hà nào càng xa thì có quang phỗ càng đỏ hơn, nghĩa là vũ trụ hiện nay vẫn còn tiếp tục trương nỡ.

Năm 1931, Einstein và William de Sitter cho rằng vũ trụ nằm trên một mặt phẳng, tiếp tục trương nỡ lớn đến vô tận. Ngược lại, Lemaitre và Friedman cho rằng vũ trụ có hình cong, không bằng phẳng như theo hình học Euclide. Theo hai nhà khoa học này, vũ trụ hoặc có hình cầu, khép kín và có thể tan vỡ; hoặc một hình hyperbole mở rộng vô tận và tiếp tục trương nỡ.

Năm 1946, George Gamow tổng kết và đặt tên “Big Bang” cho các thuyết về nguồn gốc vũ trụ này. Ông cho rằng vũ trụ bắt đầu bằng một khối khí khổng lồ rất nóng, có nhiệt độ 1010 °K (nhiệt độ Kelvin, khoảng 10 tỹ độ bách phân, °C) mà ông gọi là “Ylem” cấu tạo bởi neutrons, khi tiêu hủy biến thành protons, electrons và neutrios. Năm 1948, ông và Ralph Alpher cho rằng các vật thể trong vũ trụ được thành lập là do một vụ nỗ mãnh liệt, các vật thể tung bay ra và nguội dần, để lại phóng xạ ở hậu trường, nhưng vào thời đó chưa đo được phóng xạ này.

Năm 1964, Arno Penzias và Robert Wilson đo được sóng vi-âm vũ-trụ của phóng xạ ở hậu trường này (cosmic microwave background radiation), thêm bằng chứng của thuyết Big Bang.

Alan Guth đề nghị thuyết nở phồng (inflation theory) củng cố thuyết Big Bang. Ông cho rằng vũ trụ nở phồng rất nhanh lúc thành hình, trương phồng 1050 lần lớn hơn trong 10-32 giây đồng hồ, và Linde tính là khối vũ trụ gia tăng 10 1,000,000 lần kể từ đó.

Giả thuyết Big Bang hiện nay:

Theo mô hình khoa học về vũ trụ được chấp nhận hiện nay là giả thuyết Big Bang. Theo giả thuyết này, vũ trụ được trương nỡ từ một khối cực kỳ nóng gồm vật chất và năng lượng cô động gọi là Kỹ nguyên Planck (Planck epoch). Kễ từ kỹ nguyên này, vũ trụ đã trương nỡ rất nhanh chóng, đạt hình dạng ngày nay trong chớp nhoáng, không tới 10-32 của giây đồng hồ (seconds).

Trước khi nỗ và trương nỡ, vũ trụ là một khối đồng nhất có tỉ trọng năng lượng khổng lồ, nhiệt độ cao khũng khiếp và áp xuất cực kỳ cao.

Chỉ vài phút trong lúc nỗ, khi nhiệt độ khoảng 1 tỹ °K và có tỉ trọng của không khí, neutrons kết hợp với protons thành nhân deuterium và helium của vũ trụ. Phần protons còn lại tạo thành nhân Hydrogen. Sau khoảng 379.000 năm, electrons và nhân kết hợp thành nguyên tử, đa số là Hydrogen. Phần phóng xạ còn lại tạo thành sóng vi-âm vũ-trụ phóng-xạ hậu-trường (cosmic microwave background radiation).

Càng về sau, các vùng có ít vật thể lôi cuốn vật thể các vùng kế cận nên càng trở nên nhiều hơn tạo những đám mây khí – tinh vân, tinh tú, thiên hà và các vật thể vũ trụ khác mà ta biết ngày nay

Vũ trụ với kiến thức ngày nay

Những đo đạt và tính toán dựa vào dữ kiện do vệ tinh viễn thám không gian cung cấp ứơc tính mới nhất (năm 2010) về tuổi tác của vũ trụ kể từ lúc thành lập đến nay là 13.75 ± 0.17 tỷ (billion) năm, và đường kính của vũ trụ trong tầm quan sát viễn vọng kính hiện nay là 93 tỹ năm-ánh-sáng (light-years) hay 8.8 x 1026 m. Vì vận tốc trương nỡ của vũ trụ nhanh hơn vận tốc của ánh sáng, chúng ta không thể quan sát vũ trụ ở ngoài tầm ánh sáng chiếu tới, vì vậy không biết kích thước thật của vũ trụ là có giới hạn hay vô giới hạn.

Giả thuyết hiện tại chấp nhận vũ trụ rộng vô tận, vô giới hạn. Vũ trụ trong tầm quan sát từ Địa Cầu với thiết bị hiện đại ngày nay là một khối cầu với đường kính 93 tỷ năm-ánh-sáng. Một thiên-hà trung bình có đường kính 30,000 năm-ánh-sáng, và khoảng cách giữa 2 thiên-hà kế cận là 3 triệu năm-ánh-sáng. Giải Ngân Hà của chúng ta có đường kính 100,000 năm-ánh-sáng, và thiên-hà gần chúng ta nhất – Andromeda Galaxy – cách chúng ta 2.5 triệu năm-ánh-sáng. Vũ trụ trong tầm nhìn hiện tại có khoảng 100 tỹ thiên hà. Thiên-hà nhỏ nhất chứa khoảng 10 triệu (107) tinh tú, và thiên-hà lớn có tới 1.000 tỹ (1012) tinh tú. Như vậy, toàn vũ trụ trong tầm quan sát có khoảng 1 ngàn-tỹ-tỹ (sextillion, 1021) tinh tú, tuy nhiên ước lượng năm 2010 cho biết có khoảng 300 ngàn-tỹ-tỹ (3×1023) tinh tú.

Vũ trụ được cấu tạo bởi năng-lượng-bí-mật (dark energy) (chiếm 73%) và vật-chất-bí-mật (dark mater) (23%), và 4% với vật chất thông thường. Năng-lượng-bí-mật này có khả năng đi xuyên qua không gian, càng xa càng có khuynh hướng làm vũ trụ trương nỡ. Kết quả nghiên cứu khoảng hơn 200.000 thiên-hà công nhận rằng vũ trụ có năng-lượng-bí-mật mặc dầu tính chất vật lý chưa ai rõ. Vật-chất-bí-mật, xin đừng lầm lẫn với phản-vật-chất (antimatter), là chất hiện diện trong sức hút của trọng-lực (gravity) của mọi vật thể và trong phóng-xạ-hậu-trường, nhưng chưa đo lường được bằng các thiết bị máy móc hiện tại. Vật-chất-bí-mật làm chậm việc trương nỡ, ngược lại năng-lượng-bí-mật làm gia tăng trương nỡ của vũ trụ.

Vũ trụ có tỉ trọng rất thấp, khoảng 9.9 × 10−30 grams cho mỗi cm khối (cm3). Tỉ trọng này tương đương với một nguyên tử Hydrogen trong 4 m khối thể tích.

Vũ trụ sẽ ra sao trong tương lai?

Nếu giả thuyết Big Bang đúng, một trong 2 biến cố sẽ có thể xảy ra trong tương lai.

Nếu tỉ-trọng khối lượng của vũ trụ lớn dần và vượt lớn hơn tỉ-trọng tới-hạn (critical density), vũ trụ sẽ đạt kích thước tối đa và sẽ tự tiêu hủy. Vũ trụ trở lại đặc hơn, và nóng hơn, rồi vũ trụ sẽ nỗ tan xác, y hệt như lúc vũ trụ được khai sinh- Big Crunch.

Nếu tỉ-trọng khối lượng của vũ trụ lớn dần, nhưng nhỏ hơn hoặc bằng tỉ-trọng tới-hạn, việc trương nỡ của vũ trụ bị chậm lại, nhưng không bao giờ chấm dứt. Việc thành lập tinh tú bị đình chỉ, khối khí giữa vật thể trong mỗi thiên hà được tiêu thụ; các tinh tú sẽ bị đốt cháy, để lại các vật thể nhỏ, các tinh tú chứa neutron và các lỗ-đen (black holes). Rồi, với thời gian các lỗ-đen va chạm nhau, kết hợp khối lượng lại, tạo thành lỗ-đen lớn hơn. Nhiệt độ của vũ trụ tiến đến độ không tuyệt đối (-273 °C) – Big Freeze – Cực Lạnh.

Ngoài ra, nếu các protons không bền vững, vật chất tan biến, chỉ để lại phóng xạ và lỗ-đen. Rồi lỗ-đen cũng bốc hơi. Nhiệt độ gia tăng và cuối cùng đến tử-nhiệt (heat death) – Big Rip.

Kết luận:

Có sinh phải có tử. Luật thiên nhiên như vậy, nên thế giới tận cùng cũng sẽ đến, nhưng còn xa vời lắm, vài tỹ tỹ năm nữa. Tuy nhiên, Địa cầu chúng ta sẽ tự hủy diệt, trước khi vũ trụ bị hủy diệt, mà nguyên nhân phá hủy là chính con người chúng ta: Chiến tranh nguyên tử và môi trường bị ô nhiểm, v.v.

Reading, tháng 6/2011

Trần-Đăng Hồng, Ph D.