Vũ trụ bao gồm mọi thành phần của nó cũng như không gian và thời gian

Vũ trụ bao gồm mọi thành phần của nó cũng như không gianvàthời gian.[8][9][10][11]Vũ trụ bao gồm các hành tinh,sao,thiên hà, các thành phần củakhông gian liên sao, nhữnghạt hạ nguyên tửn

Vũ trụ bao gồm mọi thành phần của nó cũng như không gian và thời gian.

Vũ trụ bao gồm mọi thành phần của nó cũng như

không gianvàthời gian.[8][9][10][11]Vũ trụ bao gồm các

hành tinh,sao,thiên hà, các thành phần củakhông gian

liên sao, nhữnghạt hạ nguyên tửnhỏ nhất, và mọivật

chấtvànăng lượng.Vũ trụ quan sát đượccó đường kính

vào khoảng 28 tỷ parsec (91 tỷ năm ánh sáng) trong

thời điểm hiện tại.[2]Các nhà thiên văn chưa biết được

kích thước toàn thể của Vũ trụ là bao nhiêu và có thể là

vô hạn.[12]Những quan sát và phát triển của vật lý lý

thuyết đã giúp suy luận ra thành phần và sự tiến triển

của Vũ trụ

Xuyên suốt các thư tịch lịch sử, các thuyếtvũ trụ học

vàtinh nguyên học, bao gồm cácmô hình khoa học, đã

từng được đề xuất để giải thích những hiện tượng quan

sát của Vũ trụ Cácthuyết địa tâmđịnh lượng đầu tiên

đã được phát triển bởi cácnhà triết học Hy Lạp cổ đại

và triết học Ấn Độ.[13][14] Trải qua nhiều thế kỷ, các

quan sát thiên văn ngày càng chính xác hơn đã đưa tới

thuyết nhật tâmcủaNicolaus Copernicusvà, dựa trên

kết quả thu được từTycho Brahe,cải tiến cho thuyết đó

về quỹ đạo elip của hành tinhbởiJohannes Kepler, mà

cuối cùng đượcIsaac Newtongiải thích bằnglý thuyết

hấp dẫncủa ông Những cải tiến quan sát được xa hơn

trong Vũ trụ dẫn tới con người nhận ra rằngHệ Mặt

Trờinằm trong một thiên hàchứa hàng tỷ ngôi sao,

gọi làNgân Hà Sau đó các nhà thiên văn phát hiện ra

rằng thiên hà của chúng ta chỉ là một trong số hàng

trăm tỷ thiên hà khác Ở trên những quy mô lớn nhất,

sự phân bố các thiên hàđược giả địnhlàđồng nhấtvà

như nhau trong mọi hướng, có nghĩa là Vũ trụ không

có biên hay một tâm đặc biệt nào đó an sát về sự

phân bố vàvạch phổcủa các thiên hà đưa đến nhiều lý

thuyếtvật lý vũ trụ họchiện đại Khám phá trong đầu

thế kỷ 20 về sựdịch chuyển đỏtrongquang phổcủa các

thiên hà gợi ý rằngVũ trụ đang giãn nở, và khám phá ra

bức xạ nền vi sóng vũ trụcho thấy Vũ trụ phải có thời

điểm khởi đầu.[15]Gần đây, các quan sát vào cuối thập

niên 1990 chỉ ra sự giãn nở của Vũ trụđang gia tốc[16]

cho thấy thành phần năng lượng chủ yếu trong Vũ trụ

thuộc về một dạng chưa biết tới gọi lànăng lượng tối

Đa phần khối lượng trong Vũ trụ cũng tồn tại dưới một

dạng chưa từng biết đến hay làvật chất tối

Lý thuyếtVụ Nổ Lớnlà mô hình vũ trụ học được chấp

thuận rộng rãi, nó miêu tả về sự hình thành và tiến hóa

của Vũ trụ Không gian và thời gian được tạo ra trong

Vụ Nổ Lớn, và một lượng cố định năng lượng và vật

chất choán đầy trong nó; khi không gian giãn nở, mật

độ của vật chất và năng lượng giảm Sau sự giãn nở ban đầu, nhiệt độ Vũ trụ giảm xuống đủ lạnh cho phép hình thành lên những hạt hạ nguyên tử đầu tiên và tiếp sau là nhữngnguyên tửđơn giản Các đám mây khổng

lồ chứa những nguyên tố nguyên thủy này theo thời gian dưới ảnh hưởng củalực hấp dẫnkết tụ lại thành cácngôi sao Nếu giả sửmô hình phổ biến hiện naylà đúng, thìtuổi của Vũ trụcó giá trị tính được từ những

dữ liệu quan sát là 13,799 ± 0,021 tỷ năm.[1]

Có nhiều giả thiết đối nghịch nhau vềSố phận sau cùng của Vũ trụ Các nhà vật lý và triết học vẫn không biết chắc về những gì, nếu bất cứ điều gì, có trước Vụ Nổ Lớn Nhiều người phản bác những ước đoán, nghi ngờ bất kỳ thông tin nào từ trạng thái trước này có thể thu thập được Có nhiều giả thuyết vềđa vũ trụ, trong đó một vài nhà vũ trụ học đề xuất rằng Vũ trụ có thể là một trong nhiều vũ trụ cùng tồn tại song song với nhau [17][18]

1 Định nghĩa

Vũ trụ có thể được định nghĩa là mọi thứ đang tồn tại, mọi thứ đã tồn tại, và mọi thứ sẽ tồn tại.[19][20][21]eo như hiểu biết hiện tại, Vũ trụ chứa các thành phần: không thời gian, các dạngnăng lượng(bao gồmbức xạ điện từvàvật chất), và cácđịnh luật vật lýliên hệ giữa chúng Vũ trụ bao hàm mọi dạng sống, mọi lịch sử, và thậm chí một số nhà triết học và khoa học gợi ý rằng

nó bao hàm các ý tưởng nhưtoán họcvàlogic.[22][23][24]

2 Các tiến trình và Vụ Nổ Lớn

Mô hình được chấp thuận rộng rãi về nguồn gốc của

Vũ trụ đó là lý thuyết Vụ Nổ Lớn.[25][26] Mô hình Vụ

Nổ Lớn miêu tả trạng thái sớm nhất của Vũ trụ có mật

độ và nhiệt độ cực kỳ lớn và sau đó trạng thái này giãn

nở tại mọi điểm trong không gian Mô hình dựa trên thuyết tương đối rộngvà những giả thiết cơ bản như tính đồng nhất và đẳng hướng của không gian Phiên bản của mô hình vớihằng số vũ trụ học(Lambda) và vật chất tối lạnh, gọi làmô hình Lambda-CDM, là mô hình đơn giản nhất cung cấp cách giải thích hợp lý cho nhiều quan sát khác nhau trong Vũ trụ Mô hình Vụ Nổ 1

2 3 TÍNH CHẤT

Lớn giải thích cho những quan sát nhưsự tương quan

giữa khoảng cách vàdịch chuyển đỏcủa cácthiên hà,

tỉ lệ giữa số lượng nguyên tửhiđrôvới nguyên tửheli,

và bức xạ nền vi sóng vũ trụ

Trạng thái nóng, đặc ban đầu được gọi làkỷ nguyên

Planck, một giai đoạn ngắn kéo dài từ lúc thời gian bằng

0 cho tới một đơn vịthời gian Planckxấp xỉ bằng 10−43

giây Trong kỷ nguyên Planck, mọi loại vật chất và mọi

loại năng lượng đều tập trung trong một trạng thái đặc,

nơilực hấp dẫnđược cho là trở lên mạnh ngang với các

lực cơ bảnkhác, và tất cả các lực này có thể đãthống

nhấtlàm một Từ kỷ nguyên Planck,Vũ trụ đã giãn nở

cho tới hình dạng hiện tại, mà có khả năng nó đã trải

qua một giai đoạn lạm phátrất ngắn khiến cho kích

thước của Vũ trụ đạt tới kích thước lớn hơn nhiều chỉ

trong ít hơn10−32giây.[27]Giai đoạn này làm đều đặn đi

các khối cục vật chất nguyên sơ của Vũ trụ và để lại nó

trong trạng thái đồng đều và đẳng hướng như chúng ta

quan sát thấy ngày nay Các thăng giángcơ học lượng

tửtrong suốt quá trình này để lại các thăng giáng mật

độ trong Vũ trụ, mà sau đó trở thành mầm mống cho

sự hình thành các cấu trúc trong Vũ trụ.[28]

Sau kỷ nguyên Planck và lạm phát tới cáckỷ nguyên

quark,hadron, vàlepton eoSteven Weinberg, ba kỷ

nguyên này kéo dài khoảng 13,82 giây sau thời điểm

Vụ Nổ Lớn.[29]Sự xuất hiện của các nguyên tố nhẹ có

thể được giải thích bằng lý thuyết dựa trên sự giãn nở

của không gian kết hợp vớivật lý hạt nhânvàvật lý

nguyên tử.[30] Khi Vũ trụ giãn nở, mật độ năng lượng

củabức xạ điện từgiảm nhanh hơn so với mật độ của

vật chấtbởi vì năng lượng của một photon giảm theo

bước sóng của nó Cùng với Vũ trụ giãn nở và nhiệt

độ giảm đi, cáchạt cơ bảnkết hợp lại thành những hạt

tổ hợp lớn hơn và ổn định hơn Do vậy, chỉ vài giây

sau Vụ Nổ Lớn, hình thành các hạtprotonvàneutron

ổn định và rồi hình thành lên cáchạt nhân nguyên tử

thông qua cácphản ứng hạt nhân.[31][32]á trình này,

gọi làtổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn, dẫn tới sự có mặt

hiện nay của các hạt nhân nhẹ, bao gồmhiđrô,deuteri,

và heli Tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn kết thúc sau

khoảng 20 phút, khi nhiệt độ Vũ trụ giảm xuống mức

không còn đủ để xảy ra các phản ứng tổng hợp hạt nhân

nữa.[33]Ở giai đoạn này, vật chất trong Vũ trụ chủ yếu

làplasmanóng đặc chứa cácelectronmang điện tích

âm, các hạtneutrinotrung hòa và các hạt nhân mang

điện tích dương Các hạt và phản hạt liên tục va chạm

và hủy thành cặp photon và ngược lại Kỷ nguyên này

được gọi làkỷ nguyên photon, kéo dài trong khoảng

380 nghìn năm.[34]

Với photon không còn tương tác với vật chất nữa, Vũ

trụ bước vào giai đoạn vật chất chiếm đa số về mật

độ (maer-dominated era; lưu ý là giai đoạn này sau

khoảng 47 nghìn năm kể từ Vụ Nổ Lớn,[35] bởi Vũ trụ

vẫn như màn sương mờ đục-optical thick-đối với bức

xạ Trước giai đoạn này là bức xạ chiếm đa số và động

lực của Vũ trụ bị chi phối bởi bức xạ.) Đến thời điểm

của kỷ nguyêntái kết hợp- sau khoảng 380 nghìn năm,

electron và các hạt nhân hình thành lên các nguyên tử

ổn định, cho phép Vũ trụ trở lên trong suốt với sóng điện từ Lúc này ánh sáng có thể lan truyền tự do trong không gian, và nó vẫn còn được quan sát cho tới tận ngày nay với tên gọibức xạ nền vi sóng vũ trụ(CMB) Sau khoảng 100 đến 300 triệu năm, nhữngngôi saođầu tiên bắt đầu hình thành; đây là những ngôi sao rất lớn, sáng và chịu trách nhiệm cho quá trình tái ion hóa của

Vũ trụ Bởi không cócác nguyên tố nặng hơn lititừ giai đoạn tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn, những ngôi sao này đã tạo ra các nguyên tố nặng đầu tiên bởi quá trìnhtổng hợp hạt nhân sao.[36]Vũ trụ cũng chứa một dạng năng lượng bí ẩn gọi lànăng lượng tối; mật độ năng lượng của năng lượng tối không thay đổi theo thời gian Sau khoảng 9,8 tỷ năm, Vũ trụ đã giãn nở đến mức độ khiến cho mật độ của vật chất nhỏ hơn mật độ của năng lượng tối, đánh dấu bắt đầu của giai đoạn năng lượng tối thống lĩnh Vũ trụ (dark-energy-dominated era).[37]Trong giai đoạn này, sự giãn nởgia tăngcủa Vũ trụ là do năng lượng tối

3 Tính chất

Không thời gian của Vũ trụ thường được thể hiện từ khuôn khổ củakhông gian Euclid, khi coi không gian

có ba chiều vật lý, và thời gian là một chiều khác, trở thành “chiều thứ tư".[38]Bằng cách kết hợp không gian

và thời gian thành một thực thểđa tạptoán học duy nhất gọi làkhông gian Minkowski, các nhà vật lý đã đưa ra nhiềulý thuyết vật lýmiêu tả các hiện tượng trong Vũ trụ theo một cách thống nhất hơn từ phạm vi siêu thiên hàcho tới mức hạ nguyên tử

Cácsự kiệntrong không thời gian không được xác định tuyệt đối từ khoảng không gian và khoảng thời gian mà

có quan hệ tương đối với chuyển động của một quan sát viên Không gian Minkowski miêu tả gần đúng Vũ trụ khi không cólực hấp dẫn;đa tạp tựa-Riemanncủa thuyết tương đối rộngmiêu tả Vũ trụ chính xác hơn khi đưa trường hấp dẫn và vật chất vào không thời gian bốn chiều.Lý thuyết dâygiả thiết có tồn tại những chiều ngoại lai khác của không thời gian

Trong bốntương tác cơ bản, lực hấp dẫn thống trị Vũ trụ trên phạm vi kích thước lớn, bao gồm thiên hà và các cấu trúc lớn hơn Các hiệu ứng hấp dẫn có tính tích lũy; ngược lại, trong khi đó các hiệu ứng của điện tích

âm và điện tích dương có xu hướng hủy lẫn nhau, khiến cho lực điện từ không có ảnh hưởng nhiều trên quy mô lớn của Vũ trụ Hai tương tác còn lại, tương tác yếu

và tương tác mạnh, giảm cường độ tác dụng rất nhanh theo khoảng cách và các hiệu ứng của chúng chủ yếu đáng kể trên phạm vi hạ nguyên tử

Vũ trụ chứa vật chất nhiều hơn phản vật chất, một

sự chênh lệch có khả năng liên quan tới sự vi phạm

CPtrong tương tác yếu.[39] Dường như Vũ trụ cũng

3.2 Kích thước và các khu vực 3

không cóđộng lượnghaymômen động lượng Sự vắng

mặt của điện tích hay động lượng trên tổng thể có thể

xuất phát từ các định luật vật lý được đa số các nhà

khoa học công nhận (tương ứngđịnh luật Gauss và

tính không phân kỳ của giả tenxơ ứng suất-năng

lượng-động lượng) nếu Vũ trụ có biên giới hạn.[40]

Ba hình dạng có thể của vũ trụ.

uyết tương đối tổng quát miêu tả không thời gian bị

cong như thế nào do ảnh hưởng của vật chất và năng

lượng.Tô pôhayhình họccủa Vũ trụ bao gồm cảhình

học cục bộtrongvũ trụ quan sát đượcvàhình học toàn

cục Các nhà vũ trụ học thường nghiên cứu trên một

nhát cắt kiểu không gian nhất định của không thời gian

gọi làcác tọa độ đồng chuyển động Phần không thời

gian có thể quan sát được là phần nhìn ngược vềnón

ánh sángmà phân định rachân trời vũ trụ học Chân

trời vũ trụ học (cũng gọi là chân trời hạt hoặc chân trời

ánh sáng) là khoảng cách đo được mà từ đó có thể khôi

phục được thông tin[41] hay khoảng cách lớn nhất mà

hạt có thể đạt được để tới quan sát viên trong phạm vi

tuổi của Vũ trụ Chân trời này là ranh giới biên giữa

những vùng quan sát được và không quan sát được của

Vũ trụ.[42][43]Sự tồn tại, tính chất và ý nghĩa của chân

trời Vũ trụ học phụ thuộc vào từngmô hình vũ trụ học

cụ thể

Một tham số quan trọng xác định lên tương lai tiến hóa

của Vũ trụ đó làtham số mật độ, Omega (Ω), định nghĩa

bằng mật độ vật chất trung bình của Vũ trụ chia cho

một giá trị giới hạn của mật độ này Việc có một trong

ba khả năng của hình dạng Vũ trụ phụ thuộc vào Ω có

bằng, nhỏ hơn hay lớn hơn 1 Tương ứng với các giá trị

này là Vũ trụ phẳng, mở hay Vũ trụ đóng.[44]

Các quan sát, bao gồm từ các tàuCosmic Background Explorer(COBE),Tàu thăm dò Bất đẳng hướng Vi sóng Wilkinson (WMAP), và Planck vẽ bản đồ CMB, cho thấy Vũ trụ mở rộng vô hạn với tuổi hữu hạn như được miêu tả bởi mô hìnhFriedmann–Lemaître–Robertson– Walker(FLRW).[45][46][47][48]Mô hình FLRW cũng ủng

hộ các mô hình vũ trụ lạm phát và mô hình chuẩn của vũ trụ học, miêu tả vũ trụ phẳng và đồng nhất với

sự chiếm lĩnh chủ yếu củavật chất tốivànăng lượng tối.[49][50]

Tô pô toàn cục của Vũ trụ rất khó xác định và người

ta chưa biết chính xác tính chất này của Vũ trụ Từ các

dữ liệu quan trắc CMB của tàu Planck, một số nhà vật

lý cho rằng tô pô của vũ trụ là mở, lớn vô hạn có biên hoặc không có biên.[51][52]

3.2 Kích thước và các khu vực

Xác định kích thước chính xác của Vũ trụ là một vấn

đề khó khăn eo như định nghĩa có tính giới hạn, Vũ trụ là những thứ trong phạm vi không thời gian mà có thể có cơ hội tương tác với chúng ta và ngược lại.[53]

eo thuyết tương đối tổng quát, một số khu vực của không gian sẽ không bao giờ tương tác được với chúng

ta ngay cả trong thời gian tồn tại của Vũ trụ bởi vìtốc

độ ánh sánglà giới hạn và sựgiãn nở của không gian

Ví dụ, thông điệp vô tuyến gửi từ Trái Đất có thể không tới được một số khu vực của không gian, ngay cả nếu như Vũ trụ tồn tại mãi mãi: do không gian có thể giãn

nở nhanh hơn ánh sáng truyền bên trong nó.[54] Các vùng không gian ở xa được cho là tồn tại và là một phần thực tại như chúng ta, cho dù chúng ta không bao giờ chạm tới được chúng Vùng không gian mà chúng

ta có thể thu nhận được thông tin gọi là Vũ trụ quan sát được Nó phụ thuộc vào vị trí của người quan sát Bằng cách di chuyển, một quan sát viên có thể liên lạc được với một vùng không thời gian lớn hơn so với quan sát viên đứng yên Tuy vậy, ngay cả đối với quan sát viên di chuyển nhanh nhất cũng không thể tương tác được với toàn bộ không gian Nói chung, Vũ trụ quan sát được lấy theo nghĩa của phần không gian Vũ trụ được quan sát từ điểm thuận lợi của chúng ta từNgân Hà Khoảng cách riêng—khoảng cách được đo tại một thời điểm cụ thể, bao gồm vị trí hiện tại từ Trái Đất cho tới biên giới của Vũ trụ quan sát được là bằng 46 tỷ năm ánh sáng (14 tỷ parsec), do đó đường kính của Vũ trụ quan sát được vào khoảng 91 tỷ năm ánh sáng (28×109 pc) Khoảng cách ánh sáng từ biên của Vũ trụ quan sát được là xấp xỉ bằngtuổi của Vũ trụnhân với tốc độ ánh sáng, 13,8 tỷ năm ánh sáng (4,2×109 pc), nhưng khoảng cách này không biểu diễn cho một thời điểm bất kỳ khác, bởi vì biên giới của Vũ trụ và Trái Đất đang

di chuyển dần ra xa khỏi nhau.[55]Để so sánh, đường kính của mộtthiên hàđiển hình gần bằng 30.000 năm

4 3 TÍNH CHẤT

ánh sáng, và khoảng cách điển hình giữa hai thiên hà

lân cận nhau là khoảng 3 triệunăm ánh sáng.[56]Ví dụ,

đường kính của Ngân Hà vào khoảng 100.000 năm ánh

sáng,[57]và thiên hà lớn gần nhất với Ngân Hà,thiên

hà Andromeda, nằm cách xa khoảng 2,5 triệu năm ánh

sáng.[58]Bởi vì chúng ta không thể quan sát không gian

vượt ngoài biên giới của Vũ trụ quan sát được, chúng ta

không thể biết được kích thước của Vũ trụ là hữu hạn

hay vô hạn.[12][59][60]

3.3 Tuổi và sự giãn nở

Các nhà thiên văn tính toán tuổi của Vũ trụ bằng giả

thiết rằng mô hình Lambda-CDM miêu tả chính xác

sự tiến hóa của Vũ trụ từ một trạng thái nguyên thủy

rất nóng, đậm đặc và đồng nhất cho tới trạng thái hiện

tại và họ thực hiện đo các tham số vũ trụ học mà cấu

thành lên mô hình này Mô hình này được hiểu khá

tốt về mặt lý thuyết và được ủng hộ bởi nhữngquan

trắc thiên vănvới độ chính xác cao gần đây như từ các

tàu WMAPvà Planck Các kết quả này thường khớp

với các quan trắc từ các dự án khảo sát sự bất đẳng

hướng trong bức xạ vi sóng vũ trụ, mối liên hệ giữa

dịch chuyển đỏ và độ sáng từ các vụ nổsiêu tân tinh loại

Ia, và khảo sát cáccụm thiên hàtrên phạm vi lớn bao

gồm đặc điểmdao động baryon tựa âm thanh(baryon

acoustic oscillation) Những quan sát khác, như nghiên

cứu hằng số Hubble, sự phân bố các cụm thiên hà, hiện

tượngthấu kính hấp dẫn yếuvà tuổi của cáccụm sao

cầu, đều cho dữ liệu nhất quán với nhau, từ đó mang

lại phép thử chéo cho mô hình chuẩn của Vũ trụ học ở

giai đoạn trẻ của vũ trụ nhưng bớt chính xác hơn đối với

những đo đạc trong phạm vi gần Ngân Hà Vớisự ưu

tiênvề mô hình Lambda-CDM là đúng, sử dụng nhiều

kỹ thuật đo cho những tham số này cho phép thu được

giá trị xấp xỉ tốt nhất về tuổi của Vũ trụ vào khoảng

13,799±0,021 tỷ năm (tính đến năm 2015).[1]

eo thời gian Vũ trụ và các thành phần trong nó tiến

hóa, ví dụ số lượng và sự phân bố của cácchuẩn tinh

và các thiên hà đều thay đổi[61] và chính không gian

cũng giãn nở Vì sự giãn nở này, các nhà khoa học có

thể ghi lại được ánh sáng từ một thiên hà nằm cách

xa Trái Đất 30 tỷ năm ánh sáng cho dù ánh sáng mới

chỉ đi được khoảng thời gian khoảng 13 tỷ năm; lý do

không gian giữa chúng đã mở rộng ra Sự giãn nở này

phù hợp với quan sát rằng ánh sáng từ những thiên hà

ở xa khi tới được thiết bị đo thì đã bị dịch chuyển sáng

phía đỏ; cácphotonphát ra từ chúng đã mất dần năng

lượng và chuyển dịch sang bước sóng dài hơn (hay tần

số thấp hơn) trong suốt quãng đường hành trình của

chúng Phân tích phổ từ các siêu tân tinh loại Ia cho

thấy sự giãn nở không gian là đanggia tốc tăng.[62][63]

Càng nhiều vật chất trong Vũ trụ, lực hút hấp dẫn giữa

chúng càng mạnh Nếu Vũ trụ quá đậm đặc thì nó sẽ

sớm co lại thành mộtkỳ dị hấp dẫn Tuy nhiên, nếu Vũ

trụ chứa quá ít vật chất thì sự giãn nở sẽ gia tốc quá nhanh không đủ thời gian để các hành tinh và hệ hành tinh hình thành Sau Vụ Nổ Lớn, Vũ trụ giãn nở một cáchđơn điệu ật ngạc nhiên là, Vũ trụ của chúng ta

có mật độ khối lượng vừa đúng vào cỡ khoảng 5proton trên một mét khối cho phép sự giãn nở của không gian kéo dài trong suốt 13,8 tỷ năm qua, một quãng thời gian

đủ để hình thành lên vũ trụ quan sát được như ngày nay.[64]

Có những lực mang tính động lực tác động lên các hạt trong Vũ trụ mà ảnh hưởng tới tốc độ giãn nở Trước năm 1998, đa số các nhà vũ trụ học cho rằng sự tăng giá trị của hằng số Hubble sẽ tiến tới giảm dần theo thời gian do sự ảnh hưởng của tương tác hấp dẫn, do vậy họ đưa ra một đại lượng đo được trong Vũ trụ đó làtham

số giảm tốcmà họ hi vọng nó có liên hệ trực tiếp tới mật độ vật chất của Vũ trụ Vào năm 1998, hai nhóm các nhà thiên văn độc lập với nhau đã đo được tham số giảm tốc có giá trị xấp xỉ bằng −1 nhưng khác 0, hàm

ý rằng tốc độ giãn nở ngày nay của Vũ trụ là gia tăng theo thời gian.[16][65]

3.4 Không thời gian

Không thời gian là bối cảnh cho mọi sự kiện vật lý xảy ra—một sự kiện là một điểm trong không thời gian xác định bởi các tọa độ không gian và thời gian Các yếu tố

cơ bản của không thời gian là cácsự kiện Trong một không thời gian bất kỳ, sự kiện được xác định một cách duy nhất bởi vị trí và thời gian Bởi vì các sự kiện là các điểm không thời gian, trong vật lý tương đối tính cổ điển, vị trí của một hạt cơ bản (giống như hạt điểm) tại

một thời điểm cụ thể có thể được viết bằng (x, y, z, t)

Có thể định nghĩa không thời gian là hợp của mọi

sự kiện giống như cách một đường thẳng là hợp của mọi điểm trên nó, mà theo phát biểu toán học gọi làđa tạp.[66]

Vũ trụ dường như là mộtcontinumkhông thời gian chứa bachiều không gianmột chiều thời khoảng (thời gian) Trên trung bình, Vũ trụ có tính chất hình học gần phẳng (hayđộ congkhông gian xấp xỉ bằng 0), có nghĩa

làhình học Euclidlà mô hình xấp xỉ tốt về hình học của

Vũ trụ trên khoảng cách lớn của nó.[67]Ở cấu trúc toàn cục,tô pôcủa không thời gian có thể làkhông gian đơn liên(simply connected space), tương tự như với một mặt cầu, ít nhất trên phạm vi Vũ trụ quan sát được Tuy nhiên, các quan sát hiện tại không thể ngoại trừ một số khả năng rằng Vũ trụ có thêm nhiều chiều ẩn giấu và không thời gian của Vũ trụ có thể là không gian tô pô

đa liên toàn cục (multiply connected global topology), tương tự như tô pô của không gian hai chiều đối với mặt của hình trụ hoặc hình vòng xuyến.[46][68][69][70]

4.1 Năng lượng tối 5

Mô phỏng sự hình thành của các đám và sợi thiên hà trên quy

mô lớn theo mô hình Vật chất tối lạnh kết hợp với năng lượng

tối Khung hình chỉ ra tiến hóa của cấu trúc này trong hộp thể

tích 43 triệu parsec (hay 140 triệu năm ánh sáng) từ dịch chuyển

đỏ bằng 30 cho tới kỷ nguyên hiện tại (hộp trên cùng bên trái

z=30 tới hộp dưới cùng bên phải z=0).

Vũ trụ chứa phần lớn các thành phầnnăng lượng tối,

vật chất tối, vàvật chất thông thường Các thành phần

khác làbức xạ điện từ(ước tính chiếm từ 0,005% đến

gần 0,01%) vàphản vật chất.[71][72][73]Tổng lượng bức

xạ điện từ sản sinh ra trong Vũ trụ đã giảm đi một nửa

trong 2 tỷ năm qua.[74][75]

Tỷ lệ phần trăm của mọi loại vật chất và năng lượng

thay đổi trong suốt lịch sử của Vũ trụ.[76]Ngày nay, vật

chất thông thường, bao gồm nguyên tử, sao, thiên hà,

môi trường không gian liên sao, vàsự sống, chỉ chiếm

khoảng 4,9% thành phần của Vũ trụ.[6] Mật độ tổng

hiện tại của loại vật chất thông thường là rất thấp, chỉ

khoảng 4,5 × 10−31gram trên một centimét khối, tương

ứng với mật độ của một proton trong thể tích bốn mét

khối.[4]Các nhà khoa học vẫn chưa biết được bản chất

của cả năng lượng tối và vật chất tối Vật chất tối, một

dạng vật chất bí ẩn mà các nhà vật lý vẫn chưa nhận

ra dạng của nó, chiếm thành phần khoảng 26,8% Năng

lượng tối, có thể coi là năng lượng của chân không và

là nguyên nhân gây ra sự giãn nở gia tốc của Vũ trụ

trong lịch sử gần đây của nó, thành phần còn lại chiếm

khoảng 68,3%.[6][77][78]

Vật chất, vật chất tối, năng lượng tối phân bố đồng đều

trong toàn thể Vũ trụ khi xét phạm vi khoảng cách

trên 300 triệu năm ánh sáng.[79]Tuy nhiên, trên những

phạm vi nhỏ hơn, vật chất có xu hướng tập trung lại

thành cụm; nhiều nguyên tử tích tụ thành các ngôi sao,

các ngôi sao tập trung trong thiên hà và phần lớn các

thiên hà quần tụ lại thành các đám, siêu đám và cuối

cùng là những sợi thiên hà (galaxy filament) trên những

khoảng cách lớn nhất Vũ trụ quan sát được chứa xấp xỉ

Bản đồ vẽ các siêu đám thiên hà và khoảng trống gần Trái Đất nhất.

3×1023ngôi sao[80]và hơn 100 tỷ (1011) thiên hà.[81]Các thiên hà điển hình xếp từ loạithiên hà lùnvới vài chục triệu[82](107) sao cho tới những thiên hà chứa khoảng một nghìn tỷ (1012)[83] sao Giữa những cấu trúc này

là các khoảng trống (void) lớn, với đường kính vào cỡ 10–150 Mpc (33 triệu–490 triệu ly) Ngân Hà nằm trong Nhóm Địa Phương, rồi đến lượt nó thuộc vềsiêu đám Laniakea.[84]Siêu đám này trải rộng trên 500 triệu năm ánh sáng, trong khi Nhóm Địa Phương có đường kính xấp xỉ 10 triệu năm ánh sáng.[85]Vũ trụ cũng có những vùng trống hoang vu tương đối lớn; khoảng trống lớn nhất từng đo được có đường kính vào khoảng 1,8 tỷ ly (550 Mpc).[86]

Trên quy mô lớn hơn các siêu đám thiên hà, Vũ trụ quan sát được làđẳng hướng, có nghĩa rằng những dữ liệu mang tính chất thống kê của Vũ trụ có giá trị như nhau trong mọi hướng khi quan sát từ Trái Đất Vũ trụ chứa đầy bức xạvi sóng có độ đồng đều cao mà nó tương ứng vớiphổ bức xạ vật đentrong trạng tháicân bằng nhiệt độngở nhiệt độ gần 2,72548kelvin.[5]Tiên

đề coi Vũ trụ là đồng đều và đẳng hướng trên phạm vi khoảng cách lớn được gọi lànguyên lý vũ trụ học.[88] Nếu vật chất và năng lượng trong Vũ trụ phân bố đồng đều và đẳng hướng thì sẽ nhìn thấy mọi thứ như nhau khi quan sát từ mọi điểm[89] và Vũ trụ không có một tâm đặc biệt nào.[90]

4.1 Năng lượng tối

Tại sao sự giãn nở của Vũ trụ lại tăng tốc vẫn là một câu hỏi hóc búa đối với các nhà vũ trụ học Người ta thường cho rằng “năng lượng tối”, một dạng năng lượng bí ẩn với giả thuyết mật độ không đổi và có mặt khắp nơi trong Vũ trụ là nguyên nhân của sự giãn nở này.[91]

6 4 THÀNH PHẦN

Tỷ lệ phần trăm các thành phần của Vũ trụ ngày nay so với thời

điểm 380.000 năm sau Vụ Nổ Lớn, dữ liệu thu thập trong 5 năm

từ tàu WMAP (tính đến 2008) [87] (Do làm tròn, tổng các tỷ lệ

này không chính xác bằng 100%) Điều này phản ánh giới hạn

của WMAP khi xác định vật chất tối và năng lượng tối.

eonguyên lý tương đương khối lượng-năng lượng,

trong phạm vi cỡ thiên hà, mật độ của năng lượng tối

(~ 7 × 10−30 g/cm3) nhỏ hơn rất nhiều so với mật độ

của vật chất thông thường hay của năng lượng tối chứa

trong thể tích của một thiên hà điển hình Tuy nhiên,

trong thời kỳ năng lượng tối thống trị hiện nay, nó lấn

át thành phần khối lượng-năng lượng của Vũ trụ bởi vì

sự phân bố đồng đều của nó ở khắp nơi trong không

gian.[92][93]

Các nhà khoa học đã đề xuất hai dạng mà năng lượng

tối có thể gán cho đó làhằng số vũ trụ học, một mật

độ năng lượng không đổi choán đầy không gian vũ

trụ,[94]vàcác trường vô hướngnhưnguyên tố thứ năm

(quintessence) hoặc trườngmoduli, các đại lượng động

lực mà mật độ năng lượng có thể thay đổi theo không

gian và thời gian Các đóng góp từ những trường vô

hướng mà không đổi trong không gian cũng thường

được bao gồm trong hằng số vũ trụ học Ngoài ra, biến

đổi nhỏ ở giá trị trường vô hướng bởi sự phân bố bất

đồng nhất theo không gian khiến cho rất khó có thể

phân biệt những trường này với mô hình hằng số vũ

trụ Vật lý lượng tử cũng gợi ý hằng số này có thể có

nguồn gốc từnăng lượng chân không (ví dụ sự xuất

hiện của hiệu ứng Casimir) Tuy vậy giá trị đo được

của mật độ năng lượng tối lại nhỏ hơn 120 lần bậc độ

lớn so với giá trị tính toán củalý thuyết trường lượng

tử

4.2 Vật chất tối

Vật chất tối là loạivật chấtgiả thiết không thể quan sát được trongphổ điện từ, nhưng theo tính toán nó phải chiếm phần lớn vật chất trong Vũ trụ Sự tồn tại và tính chất của vật chất tối được suy luận từ ảnh hưởng hấp dẫn của nó lên vật chất baryon, bức xạ và các cấu trúc lớn trong Vũ trụ Ngoàineutrino, một loại được các nhà thiên văn vật lý xếp vào dạngvật chất tối nóng- có thể phát hiện thông qua các máy dò đặt dưới lòng đất, thì cho tới nay chưa thể phát hiện tác động trực tiếp của vật chất tối lên các thiết bị thí nghiệm, khiến cho nó trở thành một trong những bí ẩn lớn nhất của ngànhthiên văn vật lýhiện đại Vật chất tối không phát ra hay hấp thụ ánh sáng hay bất kỳbức xạ điện từnào ở mức đáng

kể eo kết quả quan trắc từ bức xạ nền vi sóng vũ trụ, vật chất tối chiếm khoảng 26,8% tổng thành phần năng lượng-vật chất và 84,5% tổng thành phần vật chất trong Vũ trụ quan sát được.[77][95]

4.3 Vật chất thường

Ảnh chụp của Hubble về cụm sao trẻ Westerlund 2 và môi trường xung quanh nó.

ành phần khối lượng-năng lượng chiếm 4,9% còn lại của Vũ trụ là “vật chất thông thường”, tức là bao gồm các loạinguyên tử,ion, electronvà các vật thể

mà chúng cấu thành lên Chúng bao gồm cácsao, loại thiên thể tạo ra phần lớn ánh sáng phát ra từ các thiên

hà, cũng như khí và bụi trongmôi trường liên sao(vd cáctinh vân) vàliên thiên hà, cáchành tinh, và mọi vật thể có mặt trong cuộc sống hàng ngày mà chúng ta có thể cầm nắm, sản xuất, nghiên cứu và phát hiện ra.[96] Vật chất thông thường tồn tại trong bốntrạng thái(hay pha):thể rắn,lỏng,khí, vàplasma Tuy nhiên, những

4.4 Hạt sơ cấp 7

tiến bộ trong kỹ thuật thực nghiệm đã cho phép hiện

thực hóa được những trạng thái mới của vật chất mà

trước đó chỉ được tiên toán tồn tại trên lý thuyết, đó là

ngưng tụ Bose–Einsteinvàngưng tụ fermion

Vật chất bình thường cấu thành từ hai loạihạt cơ bản:

quarkvàlepton.[97]Ví dụ, hạt proton hình thành từ hai

hạtquark lênvà một hạtquark xuống; hạt neutron hình

thành từ hai hạt quark xuống và một hạt quark lên;

và electron là một loại thuộc họ lepton Một nguyên

tử chứa mộthạt nhân nguyên tử, mà do các proton và

neutron liên kết với nhau, và các electron trên obitan

nguyên tử Bởi vì phần lớn khối lượng của nguyên tử

tập trung tại hạt nhân của nó, mà cấu thành từ các hạt

baryon, các nhà thiên văn học thường sử dụng thuật

ngữ vật chất baryon để miêu tả vật chất thông thường,

mặc dù một phần nhỏ của loại “vật chất baryon” này là

các electron và neutrino

Ngay sau vụ nổ Big Bang, các proton và neutron

nguyên thủy hình thành từ dạngplasma quark–gluon

của giai đoạn sơ khai khi Vũ trụ “nguội” đi dưới hai

nghìn tỷ độ Một vài phút sau, trong quá trình tổng

hợp hạt nhân Big Bang, các hạt nhân hình thành nhờ

sự kết hợp của các hạt proton và neutron nguyên thủy

á trình tổng hợp này tạo ra các nguyên tố nhẹ như

lithium và beryllium, trong khi các nguyên tố nặng

hơn chúng lại được sản sinh từ quá trình khác Một số

nguyên tửboroncó thể hình thành vào giai đoạn này,

nhưng đối với nguyên tố nặng hơn kế tiếp,carbon, đã

không hình thành ra một lượng đáng kể Tổng hợp hạt

nhân Vụ Nổ Lớn kết thúc sau khoảng 20 phút do sự

giảm nhanh chóng của nhiệt độ và mật độ bởi sự giãn

nở của Vũ trụ Sự hình thành các nguyên tố nặng hơn

là do kết quả của các quá trìnhtổng hợp hạt nhân sao

vàtổng hợp hạt nhân siêu tân tinh.[98]

Một số cấu trúc trong Vũ trụ

Tinh vân Đầu Ngựatrong chòm sao Orion

Cụm thiên hà Abell 1689 với hiệu ứngthấu kính hấp dẫn

Ngân

Hà trên bầu trời Paranal vớikính thiên văn VLT

4.4 Hạt sơ cấp

Vật chất thông thường và các lực tác dụng lên vật chất được miêu tả theo tính chất và hoạt động của cáchạt

sơ cấp.[99]Các hạt này đôi khi được miêu tả là cơ bản, bởi vì dường như chúng không có cấu trúc bên trong,

và người ta chưa biết liệu chúng có phải là hạt tổ hợp của những hạt nhỏ hơn hay không.[100][101]Lý thuyết quan trọng trung tâm miêu tả các hạt sơ cấp là Mô hình Chuẩn, lý thuyết đề cập đến cáctương tác điện từ, tương tác yếuvàtương tác mạnh.[102]Mô hình Chuẩn

đã được kiểm chứng và xác nhận bằng thực nghiệm liên quan tới sự tồn tại của các hạt cấu thành lên vật chất:

các hạtquarkvàlepton, và những "phản hạt" đối ngẫu với chúng, cũng như các hạt chịu trách nhiệm truyền

8 4 THÀNH PHẦN

Mô hình Chuẩn của các hạt sơ cấp: 12 fermion cơ bản và

4 boson cơ bản Các boson chuẩn (màu đỏ) bắt cặp với các

fermion (màu tím và xanh), phóng to hình vẽ để thấy Các cột

là ba thế hệ vật chất (những fermion) và những hạt trường của

tương tác (boson) Trong ba cột đầu tiên, hai hàng trên là các

hạt quarks và hai hàng dưới là các lepton Hai hàng trên lần

lượt là quark lên (u) và quark xuống (d), quark duyên (c) và

quark lạ (s), quark đỉnh (t) và quark đáy (b), và photon (γ) và

gluon (g), ngoài cùng là boson Higgs Hai hàng dưới chứa lần

lượt neutrino electron (νe) và electron (e), neutrino muon (νμ)

và muon (μ), neutrino tau (ντ) và tau (τ), và các boson mang

lực hạt nhân yếu Z0và W ± Khối lượng, điện tích, và spin được

viết ra cho mỗi loại hạt.

tương tác:photon, vàboson W và Z, vàgluon.[100]Mô

hình Chuẩn cũng tiên đoán sự tồn tại của loại hạt gần

đây mới được xác nhận tồn tại đó làboson Higgs, loại

hạt đặc trưng cho một trường trong Vũ trụ mà chịu

trách nhiệm cho khối lượng của các hạt sơ cấp.[103][104]

Bởi vì nó đã thành công trong giải thích rất nhiều kết

quả thí nghiệm, Mô hình Chuẩn đôi lúc được coi là “lý

thuyết của mọi thứ".[102] Tuy nhiên, Mô hình Chuẩn

không miêu tả lực hấp dẫn Một lý thuyết thực thụ

“cho tất cả" vẫn còn là mục tiêu xa của ngành vật lý

lý thuyết.[105]

4.4.1 Hadron

Hadron là những hạt tổ hợpchứa các quark liên kết

với nhau bởi lực hạt nhân mạnh Hadron được phân

thành hai họ:baryon(như proton và neutron) được cấu

thành từ ba hạt quark, vàmeson(như hạtpion) được

cấu thành từ một quark và mộtphản quark Trong các

hadron, proton là loại hạt ổn định với thời gian sống

rất lâu, và neutron khi liên kết trong hạt nhân nguyên

tử cũng là loại ổn định Các hadron khác rất không

bền dưới các điều kiện bình thường và do vậy chúng

là những thành phần không đáng kể trong Vũ trụ Từ

xấp xỉ 10−6giây sau vụ nổ Big Bang, trong giai đoạn gọi làkỷ nguyên hadron, nhiệt độ của Vũ trụ đã giảm đáng kể cho phép các hạt quark liên kết với các gluon

để tạo thành hadron, và khối lượng của Vũ trụ giai đoạn này chủ yếu đóng góp từ các hadron Nhiệt độ lúc đầu

đủ cao để cho phép hình thành các cặp hadron/phản-hadron, mà giữ cho vật chất và phản vật chất trong trạng thái cân bằng nhiệt động Tuy nhiên, khi nhiệt

độ Vũ trụ tiếp tục giảm, các cặp hadron/phản-hadron không còn tồn tại nữa Đa số các hadron và phản-hadron hủy lẫn nhau trong phản ứng hủy cặp hạt-phản hạt, chỉ để lại một lượng nhỏ hadron tại lúc Vũ trụ mới trải qua quãng thời gian một giây.[106] : 244–266

4.4.2 Lepton

Lepton là loại hạt sơ cấp có spin bán nguyênkhông tham gia vào tương tác mạnh nhưng nó tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli; không có hai lepton cùng một thế hệ nào có thể ở cùng một trạng thái tại cùng một thời gian.[107]Có hai lớp lepton: các lepton mangđiện tích(còn được biết đến lepton giống electron), và các

lepton trung hòa (hay các hạtneutrino) Electron là hạt

ổn định và là lepton mang điện phổ biến nhất trong Vũ trụ, trong khimuonvàtaulà những hạt không bền mà nhanh chóng phân rã sau khi được tạo ra từ các va chạm năng lượng cao, như ở phản ứngtia vũ trụbắn phá bầu khí quyển hoặc thực hiện trong cácmáy gia tốc.[108][109] Các lepton mang điện có thể kết hợp với các hạt khác

để tạo thành nhiều loạihạt tổ hợpkhác nhau như các nguyên tử vàpositronium Electron chi phối gần như mọi tính chấthóa họccủa các nguyên tố và hợp chất

do chúng tạo nên cácobitannguyên tử Neutrino tương tác rất hiếm với các hạt khác, và do vậy rất khó theo dõi được chúng Các dòng hạt chứa hàng tỷ tỷ neutrino bay khắp Vũ trụ nhưng hầu hất đều không tương tác với vật chất thông thường.[110]

Có mộtgiai đoạn ngắn trong quá trình tiến hóa lúc

sơ khai của Vũ trụ mà các hạt lepton chiếm lĩnh khối lượng chủ yếu Nó bắt đầu gần 1 giây sau Vụ Nổ Lớn, sau khi phần lớn các hadron và phản hadron hủy lẫn nhau khi kết thúckỷ nguyên hadron Trong kỷ nguyên lepton, nhiệt độ của Vũ trụ vẫn còn đủ cao để duy trì các phản ứng sinh cặp lepton/phản-lepton, do đó lúc này các lepton và phản-lepton ở trong trạng thái cân bằng nhiệt động Đến xấp xỉ 10 giây kể từ Vụ Nổ Lớn, nhiệt

độ của Vũ trụ giảm xuống dưới điểm mà cặp lepton và phản-lepton không thể tạo ra được nữa.[111] Gần như toàn bộ lepton và phản-lepton sau đó hủy lẫn nhau, chỉ còn lại dư một ít lepton Khối lượng-năng lượng của Vũ trụ khi đó chủ yếu do các photon đóng góp và Vũ trụ tiến tới giai đoạn kỷ nguyên photon.[112][113]

5.1 Mô hình dựa trên thuyết tương đối tổng quát 9

4.4.3 Photon

Photon là hạtlượng tửcủaánh sángvà tất cả cácbức xạ

điện từkhác Nó cũng là hạt truyền tương tác củalực

điện từ, thậm chí đối với trường hợp tương tác thông

qua các photon ảo Hiệu ứng của lực điện từ có thể dễ

dàng quan sát trêncấp vi môvàvĩ môbởi vì photon có

khối lượng nghỉbằng 0; điều này cho phép tương tác có

phạm vi tác dụng trên khoảng cách lớn Giống như tất

cả các hạt sơ cấp khác, photon được giải thích tốt bằng

cơ học lượng tửvà nó thể hiệnlưỡng tính sóng hạt, các

tính chất có củasónglẫn của hạt

Kỷ nguyên photon bắt đầu sau khi đa phần các lepton

và phản-lepton hủy lẫn nhau tại cuối kỷ nguyên lepton,

khoảng 10 giây sau Big Bang Hạt nhân nguyên tử được

tạo ra trong quá trình tổng hợp hạt nhân xuất hiện

trong thời gian một vài phút của kỷ nguyên photon Vũ

trụ trong kỷ nguyên này bao gồm trạng thái vật chất

plasmanóng đặc của các hạt nhân, electron và photon

Khoảng 380.000 năm sau Big Bang, nhiệt độ của Vũ trụ

giảm xuống tới giá trị cho phép các electron có thể kết

hợp với hạt nhân nguyên tử để tạo ra các nguyên tử

trung hòa Kết quả là, photon không còn thường xuyên

tương tác với vật chất nữa và Vũ trụ trở lên “sáng rõ"

hơn Các photon có dịch chuyển đỏ lớn từ giai đoạn tạo

nên bức xạ nền vi sóng vũ trụ Những thăng giáng nhỏ

trong nhiệt độ và mật độ phát hiện thấy trong CMB

chính là những “mầm mống” sơ khai mà từ đó các cấu

trúc trong Vũ trụ hình thành lên.[106] : 244–266

tổng quát

uyết tương đối rộnglàlý thuyết hình họcvềlực hấp

dẫndoAlbert Einsteinđưa ra vào năm 1915 và là miêu

tả hiện tại của hấp dẫn trongvật lý hiện đại Nó là cơ

sở cho các mô hìnhvật lý của Vũ trụ uyết tương

đối tổng quát mở rộng phạm vi củathuyết tương đối

hẹpvàđịnh luật vạn vật hấp dẫn của Newton, đưa đến

cách miêu tả thống nhất về hấp dẫn như là tính chất

hình học củakhông gianvàthời gian, haykhông thời

gian Đặc biệt,độ congcủa không thời gian có liên hệ

trực tiếp với năng lượngvàđộng lượngcủa vật chất

vàbức xạcó mặt trong một thể tích cho trước Liên hệ

này được xác định bằngphương trình trường Einstein,

một hệphương trình vi phân riêng phần Trong thuyết

tương đối rộng, sự phân bố của vật chất và năng lượng xác định ra hình học của không thời gian, từ đó miêu tả chuyển động cógia tốccủa vật chất Do vậy, một trong các nghiệm của phương trình trường Einstein miêu tả

sự tiến triển của Vũ trụ Kết hợp với các giá trị đo về

số lượng, loại và sự phân bố của vật chất trong Vũ trụ, các phương trình của thuyết tương đối tổng quát miêu

tả sự vận động của Vũ trụ theo thời gian.[114]

Với giả sử củanguyên lý vũ trụ họcvề Vũ trụ có tính chất đồng nhất và đẳng hướng ở khắp nơi, có một nghiệm cụ thể chính xác của phương trình trường miêu

tả Vũ trụ đó làtenxơ mêtricgọi làmêtric Friedmann– Lemaître–Robertson–Walker,

ds2=−c2dt2+R(t)2

(

dr2

1− kr2 + r2dθ2+ r2sin2θ dϕ2

)

trong đó (r, θ, φ) là các tọa độ tương ứng tronghệ tọa

độ cầu.Mêtricnày chỉ có hai tham số chưa xác định

Đó là tham số không thứ nguyên tỷ lệ dịch chuyển độ

dài (dimensionless length scale factor) R miêu tả kích

thước của Vũ trụ như là một hàm số của thời gian;

giá trị R tăng biểu thị chosự giãn nở của Vũ trụ.[115]

Chỉ số độ cong k miêu tả hình học của Vũ trụ Chỉ

số k được định nghĩa bằng 0 tương ứng chohình học Euclidphẳng, bằng 1 tương ứng với không gian có độ cong toàn phần dương, hoặc bằng −1 tương ứng với không gian có độ cong âm.[116] Giá trị của hàm số R theo biến thời gian t phụ thuộc vào chỉ số k vàhằng

số vũ trụ họcΛ.[114]Hằng số vũ trụ học biểu diễn cho mật độ năng lượng của chân không trong Vũ trụ và có khả năng liên hệ tớinăng lượng tối.[78]Phương trình

miêu tả R biến đổi như thế nào theo thời gian được

gọi là phương trình Friedmannmang tên nhà vật lý Alexander Friedmann.[117]

Kết quả thu được cho R(t) phụ thuộc vào k và Λ, nhưng

nó có một số đặc trưng tổng quát Đầu tiên và quan

trọng nhất, tỷ lệ dịch chuyển độ dài R của Vũ trụ sẽ không đổi chỉ khi nếu Vũ trụ là đẳng hướng hoàn hảo với độ cong toàn phần dương (k=1) và có một giá trị

chính xác về mật độ ở khắp nơi, như được lần đầu tiên chỉ ra bởi Albert Einstein.[114]Tuy vậy, trạng thái cân bằng này là không ổn định: bởi vì các quan sát cho thấy

Vũ trụ có vật chất phân bố bất đồng nhất trên phạm vi

nhỏ, R phải thay đổi theo thời gian Khi R thay đổi, mọi

khoảng cách không gian trong Vũ trụ cũng thay đổi tương ứng; dẫn tới có một sự giãn nở hoặc co lại trên tổng thể của không gian Vũ trụ Hiệu ứng này giải thích cho việc quan sát thấy các thiên hà dường như đang lùi

ra xa so với nhau; bởi vì không gian giữa chúng đang giãn ra Sự giãn nở của không gian cũng giải thích lý do

vì sao hai thiên hà có thể nằm cách nhau 40 tỷ năm ánh sáng, mặc dù chúng có thể hình thành ở một thời điểm nào đó cách đây gần 13,8 tỷ năm[118]và không bao giờ chuyển động đạt tới tốc độ ánh sáng

ứ hai, trong các nghiệm có một đặc tính đó là tồn tại

kỳ dị hấp dẫntrong quá khứ, khi R tiến tới 0 và năng

10 7 THAM KHẢO

lượng và vật chất có mật độ lớn vô hạn Dường như đặc

điểm này là bất định bởi vì điều kiện biên ban đầu để

giải phương trình vi phân riêng phần dựa trên giả sử về

tính đồng nhất và đẳng hướng (nguyên lý vũ trụ học)

và chỉ xét tới tương tác hấp dẫn Tuy nhiên,định lý

kỳ dị Penrose–Hawkingchứng minh rằng đặc điểm kỳ

dị này xuất hiện trong những điều kiện rất tổng quát

Do vậy, theo phương trình trường Einstein, R lớn lên

nhanh chóng từ một trạng thái nóng đặc cực độ, xuất

hiện ngay lập tức sau kỳ dị hấp dẫn (tức khi R có giá trị

nhỏ hữu hạn); đây là tính chất cơ bản của mô hìnhVụ

Nổ Lớncủa Vũ trụ Để hiểu bản chất kỳ dị hấp dẫn của

Big Bang đòi hỏi mộtlý thuyết lượng tử về hấp dẫn,

mà vẫn chưa có lý thuyết nào thành công hay được xác

nhận bằng thực nghiệm.[119]

ứ ba, chỉ số độ cong k xác định dấu của độ cong

không gian trung bình của không-thời gian[116] trên

những khoảng cách lớn (lớn hơn khoảng 1 tỷnăm ánh

sáng) Nếu k=1, độ cong là dương và Vũ trụ có thể tích

hữu hạn.[120]Những vũ trụ như thế được hình dung là

một mặt cầu 3 chiều nhúng trong một không gian bốn

chiều Ngược lại, nếu k bằng 0 hoặc âm, Vũ trụ có thể

tích vô hạn.[120] Có một cảm nhận phản trực giác đó

là dường như một vũ trụ lớn vô hạn được tạo ra tức

thì từ thời điểm Vụ Nổ Lớn khi R=0 và mật độ vô hạn,

nhưng điều này đã được tiên đoán chính xác bằng toán

học khi k không bằng 1 Có thể hình dung một cách

tương tự, một mặt phẳng rộng vô hạn có độ cong bằng

0 và diện tích lớn vô hạn, trong khi một hình trụ dài

vô hạn có kích thước hữu hạn theo một hướng và một

hình xuyếncó cả hai đều là hữu hạn Vũ trụ với mô

hình dạng hình xuyến có tính chất giống với Vũ trụ

thông thường với điều kiện biên tuần hoàn (periodic

boundary conditions)

Số phận sau cùng của vũ trụvẫn còn là một câu hỏi

mở, bởi vì nó phụ thuộc chủ yếu vào chỉ số độ cong k

và hằng số vũ trụ Λ Nếu mật độ Vũ trụ là đủ đậm đặc,

k sẽ có thể bằng +1, có nghĩa rằng độ cong trung bình

của nó đa phần là dương và Vũ trụ cuối cùng sẽ tái suy

sụp trongVụ Co Lớn,[121]và có thể bắt đầu một vũ trụ

mới từVụ Nẩy Lớn(Big Bounce) Ngược lại, nếu Vũ trụ

không đủ đậm đặc, k sẽ bằng 0 hoặc −1 và Vũ trụ sẽ

giãn nở mãi mãi, nguội lạnh dần đi và cuối cùng đạt

tớiVụ đóng băng lớnvàcái chết nhiệt của vũ trụ.[114]

Các số liệu hiện tại cho thấy tốc độ giãn nở của Vũ trụ

không giảm dần, mà ngược lại tăng dần; nếu quá trình

này kéo dài mãi, Vũ trụ cuối cùng sẽ đạt tới Vụ Xé Lớn

(Big Rip) Trên phương diện quan trắc, Vũ trụ dường

như có hình học phẳng (k = 0), và mật độ trung bình

của nó rất gần với giá trị tới hạn giữa khả năng tái suy

sụp và giãn nở mãi mãi.[122]

• Vũ trụ song song

• Vụ Nổ Lớn

Các thiên hà qua mô hình 3 chiều của ảnh chụp Hubble Ultra Deep Field

• Vụ Co Lớn

• Vũ trụ luận

• Bản đồ vũ trụ 3 chiều

• Không thời gian nhiều chiều

• Lý thuyết dây

• Lý thuyết siêu dây

• Phản vũ trụ

• Toàn vũ trụ

• Đa vũ trụ

7 Tham khảo

[1] Planck Collaboration (2015) “Planck 2015 results XIII Cosmological parameters (See Table 4 on page 31 of pfd).”.arXiv:1502.01589

[2] Itzhak Bars; John Terning (2009).Extra Dimensions in Space and Time Springer tr 27ff.ISBN

978-0-387-77637-8 Truy cập ngày 1 tháng 5 năm 2011

[3] Paul Davies (2006).e Goldilocks Enigma First Mariner Books tr 43ff.ISBN 978-0-618-59226-5 Truy cập ngày

1 tháng 7 năm 2013

[4] NASA/WMAP Science Team (ngày 24 tháng 1 năm 2014).“Universe 101: What is the Universe Made O?” NASA Truy cập ngày 17 tháng 2 năm 2015

[5] Fixsen, D J (2009) “e Temperature of the Cosmic Microwave Background” e Astrophysical Journal

707 (2): 916–920 Bibcode:2009ApJ…707 916F

arXiv:0911.1955.doi:10.1088/0004-637X/707/2/916 [6] “First Planck results: the Universe is still weird and interesting” Mahew Francis Ars technica Ngày 21

tháng 3 năm 2013 Truy cập ngày 21 tháng 8 năm 2015 [7] NASA/WMAP Science Team (ngày 24 tháng 1 năm 2014) “Universe 101: Will the Universe expand forever?” NASA Truy cập ngày 16 tháng 4 năm 2015