Vũ trụ bắt đầu hình thành như thế nào? Đó là câu hỏi mà các nhà khoa học và triết học đã suy nghĩ trong suốt lịch sử khi họ nhìn lên bầu trời đầy sao. Công việc của thiên văn học và vật lý thiên văn là đưa ra câu trả lời này. Tuy nhiên, nó không phải là một điều dễ dàng giải quyết.
Những tia sáng lớn đầu tiên về câu trả lời đến từ bầu trời vào năm 1964. Đó là khi các nhà thiên văn học Arno Penzias và Robert Wilson phát hiện ra một tín hiệu vi sóng được chôn trong dữ liệu mà họ đang thực hiện để tìm kiếm tín hiệu bị dội lại từ vệ tinh khí cầu Echo. Vào thời điểm đó, họ cho rằng đó chỉ đơn giản là tiếng ồn không mong muốn và cố gắng lọc ra tín hiệu.
Tuy nhiên, những gì họ phát hiện được đến từ thời điểm không lâu sau khi vũ trụ bắt đầu. Mặc dù họ không biết điều đó vào thời điểm đó, nhưng họ đã phát hiện ra Nền vi sóng vũ trụ (Cosmic Microwave Background – CMB). CMB đã được tiên đoán bởi một lý thuyết gọi là Vụ nổ lớn Big Bang, cho rằng vũ trụ bắt đầu như một điểm nóng dày đặc trong không gian và đột ngột mở rộng ra bên ngoài. Khám phá của hai người là bằng chứng đầu tiên về sự kiện sơ khai đó.
Vụ nổ lớn Big Bang
Điều gì đã bắt đầu sự ra đời của vũ trụ? Theo vật lý học, vũ trụ hình thành sự tồn tại từ một điểm kỳ dị – một thuật ngữ mà các nhà vật lý sử dụng để mô tả các vùng không gian bất chấp các định luật vật lý. Họ biết rất ít về các điểm kỳ dị, nhưng người ta biết rằng những vùng như vậy tồn tại trong lõi của các lỗ đen. Đó là một vùng mà tất cả khối lượng bị hố đen nuốt chửng bị ép vào một điểm cực nhỏ, vô cùng lớn nhưng cũng rất nhỏ. Hãy tưởng tượng nhồi nhét Trái đất vào một thứ gì đó có kích thước bằng một đầu kim. Một điểm kỳ dị sẽ nhỏ hơn.
Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là vũ trụ bắt đầu như một lỗ đen. Một giả định như vậy sẽ đặt ra câu hỏi về một thứ gì đó tồn tại trước vụ nổ Big Bang, điều này khá là suy đoán. Theo định nghĩa, không có gì tồn tại trước khi bắt đầu, nhưng thực tế đó tạo ra nhiều câu hỏi hơn là câu trả lời. Ví dụ, nếu không có gì tồn tại trước vụ nổ Big Bang, thì điều gì đã khiến điểm kỳ dị được tạo ra ngay từ đầu? Đó là một câu hỏi “gotcha” (câu hỏi mà các câu trả lời đều dơi vào tình trạng khó hiểu hơn) mà các nhà vật lý thiên văn vẫn đang cố gắng tìm hiểu.
Tuy nhiên, một khi điểm kỳ dị được tạo ra (tuy nhiên nó đã xảy ra), các nhà vật lý có một ý tưởng tốt về những gì xảy ra tiếp theo. Vũ trụ ở trạng thái nóng, đặc và bắt đầu giãn nở thông qua một quá trình gọi là thổi phồng. Nó đi từ rất nhỏ và rất đặc, đến trạng thái rất nóng. Sau đó, nó nguội đi khi nó nở ra. Quá trình này ngày nay được gọi là Vụ nổ lớn Big Bang, một thuật ngữ lần đầu tiên được đặt ra bởi Sir Fred Hoyle trong một buổi phát thanh trên đài phát thanh của Tổng công ty Phát thanh truyền hình Anh (BBC) vào năm 1950.
Mặc dù thuật ngữ này ngụ ý một loại vụ nổ nào đó, nhưng thực sự không phải là một sự bùng nổ hay một tiếng nổ. Đó thực sự là sự mở rộng nhanh chóng của không gian và thời gian. Hãy nghĩ về nó giống như thổi một quả bóng bay: khi ai đó thổi không khí vào, mặt ngoài của quả bóng bay sẽ nở ra bên ngoài.
Những khoảnh khắc sau Big Bang
Vũ trụ rất sơ khai (vào thời điểm vài phần giây sau khi Vụ nổ lớn bắt đầu) không bị ràng buộc bởi các định luật vật lý như chúng ta biết ngày nay. Vì vậy, không ai có thể dự đoán với độ chính xác cao về vũ trụ lúc đó trông như thế nào. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã có thể xây dựng một đại diện gần đúng về cách vũ trụ phát triển.
Đầu tiên, vũ trụ sơ sinh ban đầu nóng và đặc đến mức ngay cả các hạt cơ bản như proton và neutron cũng không thể tồn tại. Thay vào đó, các loại vật chất khác nhau (gọi là vật chất và phản vật chất) va chạm vào nhau, tạo ra năng lượng thuần túy. Khi vũ trụ bắt đầu nguội đi trong vài phút đầu tiên, các proton và neutron bắt đầu hình thành. Từ từ, proton, neutron và electron kết hợp với nhau để tạo thành hydro và một lượng nhỏ heli. Trong hàng tỷ năm sau đó, các ngôi sao, hành tinh và thiên hà đã hình thành để tạo ra vũ trụ hiện tại.
Bằng chứng cho vụ nổ Big Bang
Vì vậy, quay lại Penzias và Wilson và CMB. Những gì họ tìm thấy ( họ đã giành được giải Nobel), thường được mô tả là “tiếng vang” của Vụ nổ lớn. Nó để lại dấu ấn của chính nó, giống như một tiếng vọng nghe thấy trong một hẻm núi đại diện cho một “chữ ký” của âm thanh gốc. Sự khác biệt là thay vì một tiếng vang có thể nghe được, manh mối của Big Bang là một dấu hiệu nhiệt trong toàn bộ không gian. Chữ ký đó đã được nghiên cứu cụ thể bởi tàu vũ trụ Cosmic Background Explorer (COBE) và Tàu thăm dò dị hướng vi sóng Wilkinson (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – WMAP). Dữ liệu của họ cung cấp bằng chứng rõ ràng nhất cho sự kiện khai sinh vũ trụ.
Các lựa chọn thay thế cho Lý thuyết Big Bang
Trong khi lý thuyết Vụ nổ lớn là mô hình được chấp nhận rộng rãi nhất giải thích nguồn gốc của vũ trụ và được hỗ trợ bởi tất cả các bằng chứng quan sát, thì vẫn có những mô hình khác sử dụng bằng chứng tương tự để kể một câu chuyện hơi khác.
Một số nhà lý thuyết cho rằng lý thuyết Vụ nổ lớn dựa trên một tiền đề sai lầm – rằng vũ trụ được xây dựng trên một không-thời gian ngày càng mở rộng. Họ gợi ý về một vũ trụ tĩnh, đó là điều ban đầu được tiên đoán bởi thuyết tương đối rộng của Einstein. Lý thuyết của Einstein sau đó chỉ được sửa đổi để phù hợp với cách vũ trụ dường như đang giãn nở. Và, sự mở rộng là một phần quan trọng của câu chuyện, đặc biệt vì nó liên quan đến sự tồn tại của năng lượng tối. Cuối cùng, việc tính toán lại khối lượng của vũ trụ dường như hỗ trợ lý thuyết Vụ nổ lớn về các sự kiện.
Trong khi hiểu biết của chúng ta về các sự kiện thực tế vẫn chưa hoàn thiện, dữ liệu CMB đang giúp hình thành các lý thuyết giải thích sự ra đời của vũ trụ. Không có Vụ nổ lớn, không có ngôi sao, thiên hà, hành tinh hay sự sống nào có thể tồn tại.
Thông tin nhanh
- Vụ nổ lớn Big Bang là tên được đặt cho sự kiện khai sinh ra vũ trụ.
- Vụ nổ Big Bang được cho là xảy ra khi một cái gì đó khởi động sự mở rộng của một điểm kỳ dị nhỏ bé, khoảng 13,8 tỷ năm trước.
- Ánh sáng ngay sau vụ nổ Big Bang có thể được phát hiện dưới dạng bức xạ vi sóng vũ trụ (CMB). Nó đại diện cho ánh sáng từ thời điểm khi vũ trụ sơ sinh được thắp sáng khoảng 380.000 năm sau khi Vụ nổ lớn xảy ra.
Nguồn:
- “The Big Bang.” NASA, NASA, www.nasa.gov/subject/6890/the-big-bang/.
- NASA, NASA, science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-powered-the-big-bang.
- “The Origins of the Universe.” National Geographic, National Geographic, 24 Apr. 2017, www.nationalgeographic.com/science/space/universe/origins-of-the-universe/.
John P. Millis, Carolyn Collins Petersen
