BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ 2 VẬT CHẤT TỐI VÀ NĂNG LƯỢNG TỐI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ 2 ĐỀ TÀI 28 VẬT CHẤT TỐI VÀ NĂNG LƯỢNG TỐI GVHD Nguyễn Thị Thúy Hằng LỚP L10 NHÓM 2 Thành phố Hồ Chí Minh bài tập lớn bách khoa tphcm môn vật lý 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Thành phố Hồ Chí Minh, 25/03/2022

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Thành phố Hồ Chí Minh, 25/03/2022

MỤC LỤC DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA: 5

LỜI MỞ ĐẦU 6

NỘI DUNG BÁO CÁO 7

Chương 1: PHẦN MỞ ĐẦU 7

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Lịch sử nghiên cứu/quan niệm vũ trụ của các nhà khoa học từ trước đến nay? 8

2.1.1 Quan niệm 8

2.1.2 Khái quát lịch sử nghiên cứu vũ trụ theo thuyết Vụ Nổ Lớn 8

2.2 Vật chất tối (Dark Matter) là gì? 9

2.3 Năng lượng tối (Dark Energy) là gì? 12

2.4 Sự khác nhau giữa Vật chất tối và Năng lượng tối 14

2.5 Những bằng chứng cho thấy sự tồn tại của Vật chất tối và Năng lượng tối.15 Chương 3: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA CÁC NHÀ KHOA HỌC 17

3.1 Một vài phương pháp/quá trình nghiên cứu về Vật chất tối 17

3.2 Một vài phương pháp/quá trình nghiên cứu về Năng lượng tối 22

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO: 25

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Bức xạ nền vi sóng của vũ trụ 10

Hình 2.2 Ảnh minh họa Vật chất tối 11

Hình 2.3 Vật chất tối ở trung tâm thiên hà 11

Hình 2.4 Ảnh minh họa 13

Hình 2.5 Ảnh minh họa 14

Hình 2.6 Fritz Zwicky (1898-1974) 15

Hình 3.1 Vật chất tối được phân bố trong vũ trụ theo mô hình giống như mạng lưới (NASA/JPL-Caltech) 17

Hình 3.2 Neutrino không mang điện và khối lượng gần như bằng 0 19

Hình 3.3 Bầu trời vi sóng do phi thuyền Planck cung cấp 20

Hình 3.4 Kính viễn vọng James Webb 21

Hình 3.5 Ảnh minh họa 21

Hình 3.6 Ảnh minh họa Năng lượng tối 22

Hình 3.7 Ảnh mô phỏng 23

Hình 3.8 Bản đồ Khảo sát Bầu trời Kỹ thuật số của Sloan 24

Hình 3.9 Thiết kế tổng thể của LSST khi được hoàn thành (thiết kế bởi Michael Mullen / công ty LSST) 24

LỜI MỞ ĐẦU

Mỗi lần ngước lên bầu trời đêm rộng lớn, người ta luôn tự hỏi vũ trụ ngoài kia còn

có bao nhiêu điều bí ẩn mà con người chưa từng biết tới Bạn có bao giờ tò mò về bên

ngoài vũ trụ rộng lớn kia là gì hay không? Thực tế cho tới nay những gì chúng ta biết

về vũ trụ vẫn còn quá ít Những thiên hà lạ lùng, những hành tinh với các đặc điểm

chưa từng biết tới, những vệ tinh bí ẩn và những hiện tượng độc đáo chỉ là một vài

trong vô vàn những điều kỳ lạ của vũ trụ khiến các nhà khoa học đau đầu lý giải

Vật chất và năng lượng là một trong những chủ đề rất được các nhà khoa học quan

tâm, chúng là những thuật ngữ có mối quan hệ mật thiết với nhau, giữ một vị trí rất

quan trọng trong các lĩnh vực Vật lý, Thuyết tương đối, Thiên văn học, Vũ trụ học, Vật

lý thiên văn và Tiến hóa sao Hiện nay, Vật chất tối (Dark Matter) và Năng lượng tối

(Dark Energy) là hai thứ vẫn còn đang là ẩn số đối với các nhà khoa học đồng thời

chiếm tới hơn một nửa vũ trụ

Ở bài báo cáo này, chúng ta chỉ tập trung tìm hiểu và nghiên cứu về Vật chất tối

(Dark Matter) và Năng lượng tối (Dark Energy)

Chương 1: PHẦN MỞ ĐẦU

- Vật lí – một từ được bắt nguồn từ tiếng Hi Lạp mang nghĩa là “kiến thức tự nhiên”

mô tả và giải thích bản chất của các hiện tượng xảy ra trong tự nhiên với một số ít các

định luật cơ bản nhất Chẳng hạn như: “tại sao bầu trời lại có màu xanh?”; “vì sao

cầu vồng lại có sắc màu?”; Từ xa xưa, con người đã không ngừng tò mò với mong

muốn trả lời được những câu hỏi tưởng chừng như là điều hiển nhiên nhưng lại không

hề đơn giản Một vài thuyết đã được đưa ra, nhưng đa phần đều không chính xác

Những thuyết này mang đậm nét triết lý và chưa từng qua các bước kiểm chứng như

các thuyết hiện đại Một số ít được công nhận, số còn lại đã lỗi thời, ví dụ như nhà tư

tưởng người Hy Lạp, Archimedes, đưa ra nhiều miêu tả định lượng chính xác về cơ

học và thủy tĩnh học Qua nhiều thập kỉ, cùng với đó là sự tìm tòi khám phá không

ngừng nghỉ của các nhà khoa học thì một trong những mảng nghiên cứu đang được

quan tâm nhất hiện nay chính là Vũ trụ học Vật lí (Cosmology) đây là ngành khoa học

nghiên cứu tổng thể về vũ trụ, bao gồm các nghiên cứu về sự hình thành, tiến hóa và

tương lai của vũ trụ

- Theo kết quả nghiên cứu của nhà khoa học người Mỹ gốc Canada James Peebles

được trao giải Nobel Vật Lí năm 2019 cho "các khám phá lý thuyết về Vũ trụ học vật lí"

đã được Viện hàn lâm Khoa học hoàng gia Thụy Điển (RSAS) đánh giá rằng “Những

khám phá của họ đã thay đổi mãi mãi nhận thức của chúng ta về thế giới” Theo

James Peebles, chúng ta chỉ mới biết được 5% của vũ trụ với các vật chất tạo nên các

hình tinh, ngôi sao, cây cối và con người Phần còn lại là Vật chất tối chiếm 20% và

Năng lượng tối chiếm 75% Đây là một bí ẩn và là một thách thức đối với vật lý hiện

đại [1]

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Lịch sử nghiên cứu/quan niệm vũ trụ của các nhà khoa học từ trước đến nay?

2.1.1 Quan niệm:

Trong quan niệm về vũ trụ, có ít nhất là bốn quan điểm khác nhau trong ngành Vũ

trụ học (Cosmology) Thuyết thứ nhất cho rằng, vũ trụ này có một khởi điểm, bắt đầu

bằng một Vụ Nổ Lớn (Big Bang) từ một hạt nhân nguyên thủy Tuy nhiên, sự phát nổ

đó không có tính cách vô hạn Nói cách khác, theo thuyết thứ nhất, vũ trụ này có cùng

tận Sự tận cùng được diễn tả như là “The Big Crunch” (Vụ Co Lớn) Thuyết thứ hai

thì cho rằng, vũ trụ này có một khởi điểm đó là Vũ Nổ Lớn nhưng với sự phát triển vô

hạn định Thuyết thứ ba thì cho rằng, vũ trụ này không phải chỉ có một khởi điểm mà

có nhiều khởi điểm và cùng tận tiếp nối nhau Thuyết thứ tư thì cho rằng, vũ trụ này ở

trong trạng thái bền vững, chẳng có bùng nổ cũng chẳng có cùng tận Ngày nay, chủ

trương thứ tư coi như đã bị bác bỏ, vì nó trái ngược với những quan sát của Vật lý học

thiên văn (Astrophysics) và Vũ trụ học (Cosmology) Còn ba thuyết trước, tuy với

những dạng thức khác biệt, nhưng đều chấp nhận rằng vũ trụ này có một khởi điểm

2.1.2 Khái quát lịch sử nghiên cứu vũ trụ theo thuyết Vụ Nổ Lớn:

- Vũ trụ rất sơ khai: từ thời kỳ Planck đến thời kỳ phình to vũ trụ, tương ứng với

những pico giây đầu tiên của thời gian vũ trụ; thời kỳ này được nghiên cứu bởi nhiều

lý thuyết vật lý, nhưng các lý thuyết này chưa có được các thí nghiệm của vật lý hạt

kiểm chứng [4]

- Vũ trụ sơ khai: từ Kỷ nguyên quark đến hết Kỷ nguyên photon, khoảng 377.000 năm

đầu của thời gian vũ trụ, khi các lực cơ bản và hạt cơ bản bắt đầu xuất hiện, nhưng vũ

trụ vẫn còn đang ở trạng thái plasma [4]

- Thời kỳ tối và xuất hiện các cấu trúc cô đặc lớn trong vũ trụ: từ 377.000 năm đến

khoảng 150 triệu năm của thời gian vũ trụ, ở cuối giai đoạn này, vũ trụ đã bắt đầu

trong suốt nhưng chưa có cấu trúc vật chất cô đặc lớn nào xuất hiện Các cấu trúc vật

chất cô đặc lớn bao gồm sự tiến hóa của sao, sự hình thành và tiến hóa của thiên hà sự

hình thành các quần tụ thiên hà và siêu đám thiên hà, từ khoảng 150 triệu năm của thời

gian vũ trụ đến hiện tại, và còn tiếp tục đến khoảng 100 tỷ năm trong thời gian vũ trụ;

Ngân Hà, thiên hà chứa loài người, bắt đầu hình thành vào khoảng 5 tỷ năm trong thời

gian vũ trụ [4]

- Vũ trụ hiện nay: từ 1 tỷ năm đến 12.8 tỷ năm, vũ trụ giống như nó bây giờ Nó sẽ tiếp

tục nhìn giống như thế này trong vài tỷ năm tới Hệ Mặt Trời hình thành khoảng 4,6 tỷ

năm trước, và sự sống xuất hiện trên Trái Đất khoảng 3,5 tỷ năm trước [4]

- Tương lai xa: khi các vì sao ngừng hình thành, có nhiều giả thuyết về số phận sau

cùng của vũ trụ [4]

2.2 Vật chất tối (Dark Matter) là gì?

- Vũ trụ của chúng ta được tạo thành từ vật chất và năng lượng Tuy nhiên, vũ trụ của

chúng ta không hoàn toàn tạo thành từ vật chất thông thường bởi nó chỉ chiếm khoảng

5% của vũ trụ Trong khoảng 95% còn lại thì Vật chất tối chiếm khoảng 20% Vậy Vật

chất tối là gì?

- Vật chất tối này không thể nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng nó là thứ mang lại

động lực cho toàn vũ trụ Các thiên hà trong vũ trụ đang quay với tốc độ lớn đến nỗi

là thứ đang làm cho các thiên hà này tăng thêm khối lượng, tạo ra lực hấp dẫn bổ sung

- Vật chất tối không phát ra đủ bức xạ để có thể nhìn thấy, nhưng nó đang được phân

tích bằng các công cụ và phân tích thống kê để xem nó hoạt động như thế nào Không

giống như vật chất thông thường, Vật chất tối rất lạnh và đen đến nỗi nó không phát ra

bất cứ thứ gì, không tương tác với lực điện từ Điều này có nghĩa là nó không hấp thụ,

phản xạ hoặc phát ra bức xạ điện từ, khiến nó cực kỳ khó phát hiện

- Bởi vì không thể phân tích được và không biết Vật chất tối được tạo nên từ gì, nên đã

có nhiều giả thuyết cho sự tạo thành của nó Theo đó, nó có thể được tạo từ các hạt

Neutrino, các hạt WIMPS, hạt Neutralinos, các đám mây không khí phát sáng, hoặc

thậm chí là các ngôi sao lùn

- Một nghiên cứu được công bố vào tháng 12 năm 2021 trên Tạp chí Vật lý Thiên văn

lập luận rằng Vật chất tối có thể tập trung trong các lỗ đen , cánh cổng mạnh mẽ dẫn

đến hư vô do lực hấp dẫn cực lớn của chúng nuốt chửng mọi thứ xung quanh

chúng Như vậy, Vật chất tối sẽ được tạo ra trong Vụ Nổ Lớn cùng với tất cả các yếu

tố cấu thành khác của vũ trụ như chúng ta thấy ngày nay

- Nếu vật chất tối không thể được nhìn thấy, chạm vào hoặc phát hiện theo bất kỳ cách

nào, tại sao chúng ta lại muốn biết về vật chất tối? Về cơ bản, các nhà khoa học cố

gắng

tìm ra những lời giải thích về động lực học của vũ trụ Chuyển động của các thiên thể,

quán tính, vụ nổ lớn mọi thứ đều có lời giải thích của nó nếu chúng ta giới thiệu sự

hiện diện của vật chất tối

- Vật chất tối thực sự chỉ phục vụ cho việc hiểu biết vũ trụ một cách

một sự cân nhắc, một thực thể, cho phép ta hiểu rõ hơn về vấn đề

như tiết lộ những gì chúng ta chưa biết Nghiên cứu các hạt có tương

phép chúng ta khám phá ra các khía cạnh khác của vũ trụ Dù Vật

là rất quan trọng vì hầu hết vũ trụ mà chúng ta biết đều tạo thành từ

nó.[5]

Hình 2.1: Bức xạ nền vi sóng của vũ trụ [Nguồn Internet]

Hình 2.3: Vật chất tối ở trung tâm thiên hà [Nguồn Internet]

Hình 2.2: Ảnh minh họa Vật chất tối [Nguồn Internet]

2.3 Năng lượng tối (Dark Energy) là gì?

- Nhiều thế kỉ trước các nhà khoa học cho rằng vũ trụ của chúng ta là một vũ trụ tĩnh,

mọi thứ sinh ra đã như vậy và sẽ mãi như vậy, không lớn lên, không nhỏ lại và cũng

không mất đi, đó là một vũ trụ hoàn hảo thế nhưng suy nghĩ về vũ trụ hoàn hảo ấy

nhanh chóng bị lung lay, cho thấy những sự bất hợp lí khi con người ta khám phá ra

khái niệm hố đen và lực hấp dẫn vô hạn của nó, nếu vũ trụ không có sự giãn nở thì

chẳng mấy chốc các hố đen cực lớn sẽ sáp nhập với nhau kéo theo các ngôi sao và

thiên hà, một vũ trụ tĩnh sẽ chỉ còn lại một hố đen duy nhất Nhiều lí thuyết khác nhau

được đưa ra giải thích cho vấn đề này, người ta cho rằng có một loại lực nào đó mạnh

hơn rất nhiều đang kiềm tỏa lực hấp dẫn để giữ cho vũ trụ tồn tại mãi mãi – đó là Năng

lượng tối

- Trong Vũ trụ học vật lí và thiên văn học, Năng lượng tối là một dạng năng lượng

chưa biết rõ chiếm phần lớn vũ trụ và có khuynh hướng tăng tốc độ giãn nở của vũ trụ

Năng lượng tối là thuyết được chấp nhận nhiều nhất kể từ những năm 1990, chỉ ra rằng

vũ trụ đang giãn nở với vận tốc tăng dần [3]

- Về cơ bản “Năng lượng tối” là một thuật ngữ thiên văn chỉ một loại năng lượng trong

không gian chi phối sự vận hành của vũ trụ Phần vũ trụ quan sát được (Observable

Universe) là một vùng hình cầu chưa tất cả các vật chất có thể quan sát được từ trái đất

hoặc các kính viễn vọng trong không gian và các tàu thăm dò được gửi đi bởi con

người ở thời điểm hiện tại, các nhà khoa học tính toán được rằng vũ trụ quan sát được

chứa khoảng vài trăm tỉ thiên hà và có đường kính khoảng 93 tỉ năm ánh sáng Tuy

nhiên những gì mà chúng ta biết về cấu trúc của vũ trụ chỉ bắt nguồn từ 5% của những

con số khổng lồ phía trên, khoảng 95% còn lại bao gồm cỡ 75% Năng lượng tối và cỡ

20% Vật chất tối, đơn giản là không hiện hữu, là thứ chúng ta vẫn gọi là thành phần tối

cả vũ trụ

- Sau này thuyết tương đối của Albert Einstein và những quan sát về sự dịch chuyển đỏ

của Hubble đã thực sự định hình lại vũ trụ Theo Albert Einstein, Năng lượng tối chính

là một loại năng lượng của không gian trống, năng lượng này làm cho không gian nở

rộng nhưng bản chất của không gian lại không bị loãng ra, sự nở ra của không gian tỉ

lệ thuận với lượng Năng lượng tối được tạo ra, kết quả là vũ trụ đang giãn nở với vận

tốc ngày càng nhanh thậm chí là vượt qua vận tốc ánh sáng, đây được gọi là “hằng số

vũ trụ” Một giải thích khác về Năng lượng tối là dựa theo lí thuyết lượng tử Theo đó

không gian chứa đầy các hạt ảo tạm thời, liện tục hình thành và sau đó biến mất

- Cũng có lí thuyết cho rằng ngoài 4 loại lực cơ bản của vũ trụ mà con người đã biết

đến bao gồm lực hạt nhân mạnh, lực hạt nhân yếu, trọng lực và lực điện từ thì vẫn còn

tộn tại một loại “lực thứ 5” - đó là Năng lượng tối.

Hình 2.4: Ảnh minh họa [Nguồn Internet]

Hình 2.5: Ảnh minh họa [Nguồn Internet]

- Loại lực thứ 5 này cực kì khó nhận biết và chỉ có thể quan sát được ở quy mô toàn vũ

trụ, nó hoạt động chống lại lực hấp dẫn, làm cho các thiên hà ngày càng rời xa nhau

hơn, theo lí thuyết này thì vũ trụ sẽ không nở rộng mãi mãi mà đến một lúc nào đó nó

sẽ co lại và tiếp tục nở ra theo một chu kì Thế nhưng đến nay con người vẫn chưa thể

tìm ra bằng chứng về việc vũ trụ đã trải qua chu kì này, hoặc có lẽ vũ trụ vẫn chưa tồn

tạo đủ lâu để kết thúc một nửa chu kì này

2.4 Sự khác nhau giữa Vật chất tối và Năng lượng tối

- Vũ Trụ của chúng ta bị chi phối bởi các dạng vật chất, năng lượng bí ẩn và vô hình

mà vẫn chưa được hiểu hết một cách đầy đủ

- Hầu hết vũ trụ của chúng ta bị che khuất trong tầm nhìn khả kiến, mặc dù chúng ta

không thể nhìn thấy hay chạm vào nó, tuy nhiên các nhà thiên văn học cho rằng phần

lớn Vũ trụ bao gồm Vật chất tối và Năng lượng tối Nhưng thức bí ẩn và vô hình bao

quanh chúng ta là gì? Và đâu là sự khác biệt giữa Vật chất tối và Năng lượng tối? Một

cách ngắn gọn thì Vật chất tối làm chậm quá trình giãn nở của Vũ trụ còn Năng lượng

Hình 2.6: Fritz Zwicky (1898-1974).

- Vật chất tối hoạt động giống như một lực hấp dẫn - một loại xi măng vũ trụ giữ vũ

trụ của chúng ta gần nhau Điều này là do Vật chất tối tương tác với lực hấp dẫn, song

nó không phản xạ hay hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng Trong khi đó, Năng lượng tối

như một lực đẩy - một dạng phản lực - thúc đẩy sự giãn nở nhanh của Vũ trụ

- Năng lượng tối là một dạng năng lượng, không thể phát hiện được bởi các máy dò

thông thường, trong khi Vật chất tối là một dạng vật chất, không phát ra, phản xạ hoặc

tán xạ sóng điện từ [8]

2.5 Những bằng chứng cho thấy sự tồn tại của Vật chất tối và Năng lượng tối

- Những bằng chứng đầu tiên về sự tồn tại của Vật chất tối đã tồn tại hơn 8 thập kỷ trở

lại đây, từ những quan sát tiên phong ban đầu của Fritz Zwicky vào năm 1933, Ông sử

dụng định lý Virial, một phương trình liên hệ giữa động năng trung bình của một hệ với

tổng thế năng của nó, để suy ra khối lượng hấp dẫn của đám Kết quả nghiên cứu cho

thấy sự tồn tại của một vật chất mà chúng ta chưa từng phát hiện Do đó, ông đã đặt ra

thuật ngữ "Vật chất tối" cho vật chất bí ẩn này.[6]

- Trong suốt những năm 1970, những quan sát về các thiên hà bị chi phối bởi một

vòng xoắn lớn gồm các ngôi sao và khí đã cung cấp bằng chứng đầu tiên về sự mâu

thuẫn đáng kể với Lý thuyết Hấp dẫn (Theory of Gravity) của Einstein Bằng cách

quan sát cẩn thận tốc độ quay của các đám mây khí trong các thiên hà này, các nhà

thiên văn học đã xác định được cường độ lực hút của các thiên hà ở các khoảng cách

khác nhau từ tâm của chúng Họ đã sử dụng những kết quả này và lý thuyết tiêu chuẩn

về lực hấp dẫn, mô tả mối quan hệ giữa khối lượng mà một thiên hà có thể chứa và lực

hấp dẫn của nó mạnh như thế nào, để dự đoán xem khối lượng các thiên hà này phải

chứa để tạo ra lực hấp dẫn mà họ quan sát được Bất ngờ là, họ phát hiện ra rằng khối

lượng dự đoán của mỗi thiên hà vượt quá đáng kể tổng khối lượng của tất cả các vật

thể có thể nhìn thấy trong thiên hà đó

- Các quan sát thiên văn khác đã xác nhận sự mâu thuẫn này Các phép đo chuyển

động của các ngôi sao trong các loại thiên hà khác luôn cho thấy rằng các thiên hà

thuộc mọi loại đều chứa một lượng đáng kể khối lượng bí ẩn không nhìn thấy

được Hơn nữa, những quan sát về các cụm thiên hà chỉ ra rằng các cụm thiên hà đang

di chuyển với một tốc độ nhanh đến mức chúng sẽ bay tách xa nhau ra trừ khi được

bao quanh bởi một đám mây vật chất vô hình lần đầu tiên diễn ra vào những năm

1930, chỉ bản than những quan sát này không đủ để thuyết phục cộng đồng vật lý thiên

văn rằng có một vấn đề đáng kể với lý thuyết chuẩn về chuyển động của thiên hà Tuy

nhiên, vào cuối những năm 1970, bằng chứng tổng hợp về chuyển động bất thường

của các thiên hà và các cụm thiên hà chỉ ra cùng một thực tế đáng ngạc nhiên: nếu lý

thuyết tiêu chuẩn về lực hấp dẫn là đúng, các thiên hà và cụm thiên hà chứa rất nhiều

phần khối lượng bị thiếu từ những quan sát.” [7]