Vụ nổ lớn

Trước những năm cuối của thập kỷ 1960, rất nhiều nhà vũ trụ học nghĩ rằng điểm kỳ dị có mật độ vô hạn tại thời điểm bắt đầu của thời gian trong mô hình vũ trụ của Friedmann có thể không

Vụ Nổ Lớn

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Mục từ "Big Bang" dẫn đến bài này Xin đọc về các nghĩa khác tại Big Bang (định hướng).

Theo thuyết Vụ Nổ Lớn, vũ trụ bắt nguồn từ một trạng thái vô cùng đặc và

vô cùng nóng (điểm dưới cùng) Từ đó, không gian đã mở rộng cùng với thời gian và làm cho các thiên hà di chuyển xa nhau hơn.

Là một phần trong loạt bài về

Vật lý vũ trụ học

Các chủ đề chính[ẩn]

Từ đó, không gian đã mở rộng cùng với thời gian và làm cho các thiên hà di chuyển xa nhau hơn, tạo ra một vũ trụ giãn nở như chúng ta thấy ngày nay.

Ý tưởng trung tâm của lý thuyết này là quá trình vũ trụ đang giãn nở Nó được minh chứng bằng các thí nghiệm về dịch chuyển đỏ của cácthiên

hà (định luật Hubble) Điều đó có nghĩa là các thiên hà đang rời xa nhau và cũng có nghĩa là chúng đã từng ở rất gần nhau trong quá khứ và quá khứ xa xưa nhất, cách đây khoảng 13,3-13,9 tỷ (13,3-13,9 × 10 9 ) năm [4][5] ), là một điểm kỳ dị Từ "vụ nổ lớn" được sử dụng trong một nghĩa hẹp, đó là một thời điểm trong thời gian khi sự mở rộng của vũ trụ bắt đầu xuất hiện, và theo nghĩa rộng, đó là quá trình tiến hóa, giải thích nguồn gốc và sự phát triển của vũ trụ.

Sự phân bố và tiến hóa của các thiên hà

5 Các đặc điểm và các bài toán

Vật chất tối

5.7

Năng lượng tối

6 Tương lai của lý thuyết Vụ Nổ Lớn

10.5 Tôn giáo và triết học

[sửa]Lịch sử phát triển thuyết Vụ Nổ Lớn

Lý thuyết Vụ Nổ Lớn được đưa ra dựa trên cơ sở các thành tựu của lý thuyết

và thực nghiệm Về mặt thực nghiệm, năm 1912, nhà khoa học Vesto Slipher và sau này là Carl Wilhelm Wirtz đã xác định rằng hầu hết các tinh vân hình xoáy ốc đang rời xa Trái Đất, nhưng họ không nhận ra ý nghĩa của việc này, họ cũng không nhận ra được là các tinh vân đó là các thiên hà ở ngoài Ngân Hà của chúng ra.

Cũng vào những năm 1910, lý thuyết tương đối rộng của Albert Einstein thừa nhận một vũ trụ không tĩnh tại Vũ trụ được mô tả bằng một ten sơ metriclà một vũ trụ đang giãn nở hoặc đang co lại Nhưng bản thân Einstein lại cho rằng một vũ trụ như thế là sai và ông đã bổ sung một hằng số vũ trụ, có tác dụng như một lực hút để có thể mô tả một vũ trụ tĩnh tại Người đầu tiên nghiên cứu thuyết tương đối rộng một cách nghiêm túc mà không cần đến hằng số vũ trụ là Alexander Friedmann, và ông đưa

ra các phương trình mô tả chovũ trụ Walker.

Friedmann-Lemaître-Robertson-Năm 1927, một thầy tu dòng tên người Bỉ là Georges Lemaître cũng đưa ra các phương trình Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (Alexander Alexandrovich Friedman, Monsignor Georges Henri Joseph Édouard Lemaître, Howard Percy Robertson, Arthur Geoffrey Walker) một cách độc lập dựa trên các quan sát về sự lùi xa của các tinh vân hình xoáy ốc, và giả thiết rằng vũ trụ bắt đầu từ một "vụ nổ" của một "nguyên tử nguyên thủy"

mà sau này gọi là "Vụ Nổ Lớn".

Ánh sáng vàng chuyển thành đỏ: các thiên thể đang dời xa người quan sát

Năm 1929, Edwin Hubble đã đưa ra các cơ sở thực nghiệm cho lý thuyết của Lemaître Hubble chứng minh rằng, các tinh vân hình xoáy ốc là cácthiên hà và ông đo khoảng cách giữa chúng bằng các ngôi sao Cepheid Ông phát hiện ra rằng các thiên hà đang rời ra xa chúng ta theo tất cả các hướng với vận tốc tỷ lệ với khoảng cách giữa chúng Sự giãn nở này được gọi là định luật Hubble.

Do sự giới hạn của nguyên lý vũ trụ, định luật Hubble gợi ý rằng vũ trụ đang giãn nở Điều này cho phép hai khả năng trái ngược nhau có thể xảy

ra Khả năng thứ nhất là lý thuyết về vụ nổ lớn của Lemaître, và sau đó được George Gamow mở rộng là đúng Khả năng thứ hai là vũ trụ tuân theo mô hình trạng thái dừng của Fred Hoyle, trong đó, vật chất được tạo

ra khi các thiên hà chuyển động ra xa khỏi nhau Theo mô hình của Hoyle,

vũ trụ gần như không đổi theo thời gian Thực ra chính Hoyle là người đã đặt tên cho lý thuyết của Lemaître một cách mỉa mai trên một chương trình của đàiBBC vào năm 1949 là "vụ nổ lớn" [6] , đến năm 1950 cái tên trên mới được in ở trên các bài báo.

Bức xạ phông vi sóng và Vụ nổ lớn

Trong rất nhiều năm, ý tưởng này vẫn gây nhiều tranh cãi Tuy nhiên, có nhiều bằng chứng thực nghiệm ủng hộ ý tưởng cho rằng vũ trụ bắt đầu từ mộttrạng thái đặc nóng Từ khám phá bức xạ phông vi sóng vũ trụ vào năm 1965 thì lý thuyết vụ nổ lớn được coi là lý thuyết tốt nhất để mô tả nguồn gốc và tiến hóa của vũ trụ.

Trước những năm cuối của thập kỷ 1960, rất nhiều nhà vũ trụ học nghĩ rằng điểm kỳ dị có mật độ vô hạn tại thời điểm bắt đầu của thời gian trong

mô hình vũ trụ của Friedmann có thể không đúng nếu trước đó, vũ trụ ở pha

co lại nhưng khi đến gần các thiên hà trượt qua nhau và chuyển sang pha giãn nở như hiện nay Richard Tolman gọi vũ trụ như thế này là vũ trụ dao động Tuy nhiên, vào những năm 1960, Stephen Hawking và những người khác chứng minh rằng vũ trụ như thế không thể tồn tại và điểm kỳ dị là một đặc điểm quan trọng nhất của vật lý được mô tả bằng lý thuyết hấp dẫn của Einstein Điều này thuyết phục phần lớn các nhà vũ trụ học chấp nhận vũ trụ được mô tả bằng thuyết tương đối rộng được sinh ra tại một thời điểm hữu hạn trong quá khứ Tuy nhiên, vì thuyết hấp dẫn lượng tử chưa hoàn thiện nên không có cách nào kiểm chứng điểm kỳ dị tại Vụ nổ lớn là một điểm khởi đầu cho vũ trụ và cũng không thể nào nói rằng vũ trụ có tuổi vô hạn.

Ngày nay, tất cả các công trình lý thuyết về vũ trụ học đều là phần mở rộng hoặc hiệu chỉnh lại lý thuyết Vụ nổ lớn ban đầu Rất nhiều các công trình hiện nay về vũ trụ học bao gồm việc nghiên cứu sự hình thành của các thiên

hà trong bối cảnh sau Vụ nổ lớn, tìm hiểu cái gì đã xảy ra tại Vụ nổ lớn và

so sánh các kết quả thực nghiệm với lý thuyết.

Việc nghiên cứu về Vụ nổ lớn có những bước tiến bộ vượt bậc vào những năm 1990 và những đầu năm của thế kỷ 21 nhờ vào sự phát triển của kỹ thuật kính thiên văn kết hợp với một lượng lớn các dự liệu vệ tinh như Máy thăm dò phông vũ trụ (COBE), kính thiên văn không gian Hubble và Máy dò

dị hướng vi sóng Wilkinson (WMAP) Các dữ liệu này cho phép các nhà vũ trụ học tính toán rất nhiều thông số về Vụ nổ lớn với độ chính xác cao và cho ra khám phá bất ngờ là sự giãn nở của vũ trụ không phải là đều mà đang được gia tốc (Xem năng lượng tối).

Xem thêm: Thời gian tuyến của vũ trụ.

[sửa]Mô tả lý thuyết

Thời biểu vũ trụ giãn nở kể từ vụ nổ lớn của NA SA

Dựa trên các phép đo về sự giãn nở của vũ trụ bằng siêu tân tinh loại I, các phép đo về sự trồi sụt của bức xạ phông vi sóng vũ trụ và các phép đo

về hàm liên kết của các thiên hà, người ta xác định được tuổi của vũ trụ là 13.7 ± 0.2 tỷ năm Kết quả giống nhau của ba phép đo độc lập này được coi

là bằng chứng thuyết phục cho một mô hình gọi là mô hình CDM mô tả chi tiết tính chất của vũ trụ.

Lambda-Vũ trụ vào giai đoạn sớm là một vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng với mật

độ, năng lượng, nhiệt độ và áp suất cực cao Sau đó vũ trụ nở ra, lạnh đi và trải qua một quá trình chuyển pha giống như sự ngưng tụ của hơi nước hoặc sự đóng băng của nước khi nhiệt độ giảm xuống, tất nhiên là không phải sự chuyển pha của phân tử nước mà là của các hạt cơ bản.

Khoảng 10 −35 giây sau kỷ nguyên Planck, một loại chuyển pha làm cho vũ trụ trải qua giai đoạn phát triển theo hàm mũ được gọi là giai đoạn lạm phát vũ trụ Sau khi quá trình lạm phát kết thúc, thành phần của vũ trụ gồm các plasma quark-gluon (gồm tất cả các hạt khác, một số thực nghiệm gần đây gợi ý có thể vũ trụ lúc đó là một loại chất lỏng quark-gluon) [1] Các hạt này đều chuyển động tương đối Khi vũ trụ tiếp tục gia tăng kích thước thì nhiệt độ tiếp tục giảm Tại một nhiệt độ nhất định, một giai đoạn mà hiện nay người ta vẫn chưa biết hết về nó gọi là quá trình sinh hạt baryon, tại đó, các quark và gluon kết hợp với nhau để tạo nên các hạt baryon, như

là proton vàneutron, và bằng cách nào đó mà thể hiện tính phi đối xứng giữa vật chất và phản vật chất Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ thì sẽ dẫn đến nhiều quá trình chuyển pha có tính đối xứng bị phá vỡ hơn và làm cho các lực vật lý và các hạt cơ bản tồn tại ở trạng thái như chúng ta thấy ngày nay Sau đó, một số proton và neutron kết hợp với nhau để hình thành các hạt nhân nguyên tử deuterium và hêli, quá trình này gọi là sự tổng hợp hạt nhân vụ nổ lớn Khi vũ trụ tiếp tục bị nguội đi, vật chất không còn chuyển động với vận tốc tương đối nữa và mật độ năng lượng do khối lượng nghỉ thể hiện dưới dạng hấp dẫn sẽ thống trị mật độ năng lượng thể hiện dưới dạngbức xạ Khoảng 300.000 năm sau vụ nổ lớn, các điện tử và các hạt nhân kết hợp với nhau tạo nên các nguyên tử (phần lớn là hiđrô); do đó, bức xạ được tách khỏi vật chất và tiếp tục truyền trong không gian mà hầu như không bị cản trở Dấu vết của bức xạ này tồn tại đến ngày nay chính là bức xạ phông vi sóng.

Theo thời gian, một số vùng có mật độ vật chất cao hơn sẽ hút nhau do lực hấp dẫn và càng làm cho các vùng đó đặc hơn nữa để hình thành nên các đám mây vật chất, các ngôi sao, các thiên hà và các cấu trúc vũ trụ mà chúng ta quan sát được ngày nay Chi tiết của quá trình này phụ thuộc vào lượng và loại vật chất trong vũ trụ Có ba loại vật chất được biết là vật chất tối lạnh(CDM), vật chất tối nóng (HDM) và vật chất thường (WDM) Các phép đo thực nghiệm cho thấy rằng dạng vật chất tối lạnh thống trị vũ trụ,

nó chiếm đến hơn 80% khối lượng, trong khi hai loại vật chất kia chỉ chiếm chưa đến 20% khối lượng.

Về mặt năng lượng thì vũ trụ hiện nay có vẻ như bị thống trị bởi một dạng năng lượng bí ẩn được gọi là năng lượng tối Khoảng 70% mật độ năng lượng toàn phần của vũ trụ tồn tại ở dạng này Sự có mặt của dạng năng lượng này được suy ra từ sự sai khác giữa sự giãn nở của vũ trụ và công thức liên hệ giữa tốc độ - khoảng cách làm cho không thời gian giãn nở nhanh hơn trông đợi tại các khoảng cách lớn Năng lượng tối xuất hiện như

là một hằng số vũ trụ trong các phương trình Einstein của lý thuyết tương đối rộng Nhưng bản chất, các chi tiết về phương trình trạng thái, và mối liên hệ với mô hình chuẩn của vật lý hạt vẫn còn chưa sáng tỏ và cần được nghiên cứu cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm.

Tất cả các quan sát đều được giải thích bằng mô hình Lambda-CDM, trong

đó, mô hình toán học về vụ nổ lớn có sáu thông số tự do Bí ẩn xuất hiện khi người ta quan sát gần điểm khởi đầu, khi mà năng lượng của các hạt lớn hơn năng lượng mà các thực nghiệm chưa đạt được Hiện không có mô hình vật lý nào mô tả vũ trụ ở thời điểm trước 10 −33 giây, trước thời điểm chuyển pha được gọi là lý thuyết thống nhất lớn Tại thời khắc ngắn ngủi đầu tiên này, lý thuyết Einstein về hấp dẫn tiên đoán một điểm kỳ dị hấp dẫn, tại đó mật độ vật chất trở nên vô hạn Để giải quyết nghịch lý vật lý này, người ta cần đến lý thuyết lượng tử hấp dẫn Đó là một trong những vấn đề chưa giải quyết được trong vật lý.

Xem thêm: Thời gian tuyến của Vụ Nổ Lớn.

[sửa]Cơ sở lý thuyết

Lý thuyết Vụ Nổ Lớn ngày nay dựa trên ba giả thuyết sau:

Tính phổ quát của các định luật vật lý

Nguyên lý vũ trụ học

Nguyên lý Copernic

Ban đầu, các giải thuyết trên chỉ được thừa nhận nhưng ngày nay có rất nhiều thực nghiệm kiểm tra tính đúng đắn của chúng Tính phổ quát của các định luật vật lý được chứng minh là đúng đắn vì các sai số lớn nhất về hằng

số cấu trúc tinh tế trong một khoảng thời gian bằng tuổi của vũ trụ chỉ cỡ khoảng 10 −5 Tính dị hướng của vũ trụ xác định nguyên lý vũ trụ và được kiểm nghiệm với độ chính xác 10 −5 và vũ trụ được xác định là đồng nhất trên quy mô lớn với độ sai số khoảng 10% Hiện nay người ta vẫn đang trong quá trình kiểm tra nguyên lý Copernic bằng cách nghiên cứu tương tác giữa các đám thiên hà bằng CMB thông qua hiệu ứng Sunyaev- Zeldovich với độ chính xác 1%.

Lý thuyết Vụ Nổ Lớn sử dụng giả thuyết Weyl để đo thời gian tại bất kỳ thời điểm nào sau kỷ nguyên Planck Các phép đo này dựa trên các tọa độ quy

chiếu trong đó khoảng cách quy chiếu vàthời gian quy chiếu đã loại bỏ sự giãn nở của vũ trụ trên quan điểm của các phép đo không-thời gian Khoảng cách quy chiếu và thời gian quy chiếu được định nghĩa sao cho các vật thể chuyển động trong các vũ trụ giãn nở khác nhau có cùng một khoảng cách

và các chân trời hạt hay các giới hạn quan sát (của một vũ trụ nào đó) được xác định bởi thời gian quy chiếu.

Vì vũ trụ có thể được mô tả bởi các tọa độ như vậy, vụ nổ lớn không phải là một vụ nổ trong đó vật chất được phóng ra và lấp đầy một vũ trụ trống rỗng; cái đang giãn nở chính là không-thời gian Đó chính là sự giãn nở làm cho khoảng cách vật lý giữa hai điểm cố định trong vũ trụ của chúng ta tăng lên Các vật thể liên kết với nhau (ví dụ bị liên kết bởi lực hấp dẫn) thì không giãn nở cùng không-thời gian vì các định luật vật lý điều khiển chúng được giả thiết là đồng nhất và độc lập với các giãn nở metric Hơn nữa, sự giãn nở của vũ trụ tại nấc thang cục bộ ngày nay quá nhỏ nên nếu có sự phụ thuộc nào của các định luật vật lý vào sự giãn nở thì sự phụ thuộc đó cũng rất nhỏ làm cho các máy đo không thể xác định được.

[sửa]Bằng chứng thực nghiệm

Nói chung, có ba bằng chứng chủ yếu ủng hộ lý thuyết vụ nổ lớn về nguồn gốc vũ trụ Đó là định luật Hubble cho thấy sự giãn nở của vũ trụ dựa trên

sự dịch chuyển đỏ của các thiên hà; việc tìm ra bức xạ phông vi sóng vũ trụ;

và sự thống trị của các nguyên tố nhẹ (Xem thêm tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn) Hơn nữa, các hàm liên kết của các cấu trúc tại các nấc thang vĩ mô của vũ trụ hoàn toàn trùng khớp với lý thuyết Vụ Nổ Lớn.

[sửa]Định luật Hubble về sự giãn nở của vũ trụ

Bài chi tiết: định luật Hubble

Các quan sát về các thiên hà và các quasar xa xôi cho thấy rằng ánh sáng

từ chúng phát ra bị dịch chuyển về phía các ánh sáng có bước sóng dài hơn (dịch chuyển đỏ) và sự dịch chuyển đó tỷ lệ với khoảng cách giữa chúng Sự dịch chuyển ánh sáng được rút ra từ phổ tần số của vật thể khi so sánh với các vạch phổ phát xạ hoặc hấp thụ của nguyên tử của các nguyên tố tương tác với bức xạ Sự dịch chuyển đỏ này được giải thích bằng hiệu ứng Doppler đối với ánh sáng khi nguồn phát chuyển động ra xa nguồn thu Sự dịch chuyển về phía bước sóng dài tỷ lệ với khoảng cách và hiện tượng này được biểu diễn bằng định luật Hubble như sau:

v = H0 D

Trong đó v vận tốc rời xa, D khoảng cách và H0 hằng số Hubble có giá trị bằng 71 ± 4 km/giây/Mpc.

[sửa]Bức xạ phông vũ trụ

Bài chi tiết: Bức xạ phông vi sóng vũ trụ

Ảnh chụp của WMAP về bức xạ phông vi sóng vũ trụ

Lý thuyết vụ nổ lớn tiên đoán về sự tồn tại của bức xạ phông vi sóng vũ trụ được tạo thành từ các quang tử phát ra từ giai đoạn sinh hạt baryon Vì

vũ trụ thời kỳ sơ khai ở trạng thái cân bằng nhiệt động nên nhiệt độ của bức

xạ và plasma bằng nhau cho đến khi plasma tái hợp Trước khinguyên

tử được hình thành thì bức xạ bị hấp tụ và tái phát xạ đều trong một quá trình gọi là tán xạ Compton: vũ trụ vào giai đoạn sơ khai không trong suốt với ánh sáng Tuy nhiên, quá trình nhiệt độ của vũ trụ bị giảm đi khi giãn nở làm cho nhiệt độ xuống thấp hơn 3000 K, tại nhiệt độ này thìđiện tử và hạt nhân kếp hợp với nhau để tạo ra nguyên tử và các plasma nguyên thủy bị biến thành khí trung hòa Quá trình này được gọi là quá trình giải phóng quang tử Một vũ trụ chỉ gồm các nguyên tử trung hòa cho phép bức xạ truyền qua mà không bị cản trở nhiều.

Vì tại các giai đoạn sớm, vũ trụ ở trong trạng thái cân bằng nhiệt động nên bức xạ từ thời điểm này có phổ phân bố giống như phổ phát xạ của một vật đen được truyền một cách tự do cho đến ngày nay sẽ bị dịch chuyển

đỏ theo định luật Hubble Bức xạ đó phải được giống nhau theo mọi hướng trong không gian.