BỨC XẠ NỀN VŨ TRỤ

Sự giãn nở của vũ trụ theo thời gian đã làm cho bức xạ nền nguội đi, và chỉ gần 3 phút sau Big Bang, năng lượng bức xạ được chuyển thành vật chất dưới dạng các hạt cơ bản, như electron

BỨC XẠ NỀN VŨ TRỤ NGUYỄN TRỌNG HIỀN Phòng thí nghiệm phản lực JPL, NASA, Hoa Kỳ

TS Nguyễn Trọng Hiền là một trong những nhà khoa học gốc Việt làm việc ở JPL của NASA và cũng là nhà khoa học người Việt đầu tiên đặt chân đến Nam cực để thực hiện các quan trắc vũ trụ học Là một người con gốc Việt, anh đã tự tay may lá cờ Tổ quốc để cắm lên nơi lạnh lẽo nhất của Trái đất cùng với quốc kỳ của các quốc gia khác (Tháng 8, 1994)

Hiện anh là thành viên nhóm Vũ trụ học tại Jet Propulsion Laboratory, NASA; giảng viên thăm viếng của Caltech (Viện công nghệ California) Anh nghiên cứu những vấn đề liên quan đến Vũ trụ học

và Vật lý thiên văn, bao gồm: Nền vi ba vũ trụ (CMB), Vũ trụ sơ khai, Những thiên thể có vạch dịch về

đỏ cao Đồng thời anh cũng là chuyên gia về kỹ thuật cảm biến và các thiết bị thiên văn hoạt động ở bước sóng vi ba của NASA

Vật Lý Ngày Nay xin trân trọng giới thiệu cùng độc giả bài viết “Bức xạ Nền Vi Ba Vũ Trụ” của nhà vật lý Nguyễn Trọng Hiền- BBT

Bức xạ nền vi ba vũ trụ, gọi tắt là bức xạ nền (BXN), là di chỉ vô giá để tiếp cận vũ trụ từ thuở ban

sơ, cách đây gần 14 tỷ năm Vũ trụ trong thời khắc này được mệnh danh là “Big Bang”, một thời điểm

mà trong toàn cõi vũ trụ chỉ thuần một trường bức xạ điện từ với nhiệt độ rất cao Sự giãn nở của vũ trụ

theo thời gian đã làm cho bức xạ nền nguội đi, và chỉ gần 3 phút sau Big Bang, năng lượng bức xạ

được chuyển thành vật chất dưới dạng các hạt cơ bản, như electron và proton Electron và proton kết hợp

để tạo nên nguyên tử nhẹ như hydrogen và helium rồi tích tụ bằng tương tác hấp dẫn và dần dà hình

thành nên vũ trụ ngày nay, với những vì sao, thiên hà, quasar và lỗ đen vv….mà ta quan sát được Đây là

bức tranh tổng thể được xem như là mô hình tiêu chuẩn mà các nhà vũ trụ học ngày nay nhìn nhận Và

là một thực tại vật lý rất khác với suy đoán của các nhà vũ trụ học trước đó, vốn cho rằng vũ trụ vật lý mà

ta quan sát được là vô cùng và hằng hữu Bước vào thiên niên kỷ mới (2000), các nhà nghiên cứu xác

định rằng:Vũ trụ hầu như là đẳng hướng và phẳng Đây là hai đặc điểm nổi bật mà lý thuyết Lạm Phát

đã tiên đoán hai mươi năm trước đó Trong mô hình Lạm Phát, Big Bang là lúc vũ trụ đã được thổi bùng

lên từ một chất điểm với tốc độ vượt ánh sáng, chỉ trong khoảnh khắc cực ngắn, ~ 10 -32 giây sau thời

điểm ban đầu Điều trùng hợp giữa các chứng cứ mới nhất của BXN và những dự đoán lý thuyết tưởng

như là điên khùng này đã thúc đẩy các nhà quan trắc thiên văn lao vào một cuộc săn lùng mới Ấy là việc

truy tìm chứng tích của Lạm Phát trong đặc tính phân cực của BXN Đây là một nỗ lực thực nghiệm với

nhiều yêu cầu gắt gao Và câu chuyện BXN dài hơn bốn thập niên, vẫn chưa thấy dấu hiệu đến hồi kết

thúc

Hình 1 Penzias và Wilson khám phá ra bức xạ nền lần đầu vào năm 1965 (kèm theo bức ảnh anten radio của Bell Labs, New Jersey, Mỹ), ghi nhận với các đặc tính sơ bộ là nền bức

xạ gần như đồng nhất, đẳng hướng và không phân cực (Bạn có biết là có thể nhìn thấy BXN trên tivi? Những nhiễu loạn lăn tăn trên màn hình tivi khi không bắt được sóng truyền hình

có nguồn gốc từ BXN) Năm 1992, Đài quan sát không gian COBE của NASA với độ phân giải tốt hơn, lần đầu hé mở tính bất đẳng hướng của BXN Đến năm 2003, WMAP, một đài quan sát không gian khác của NASA, chụp được bản đồ BXN chi tiết hơn, cho thấy Vũ trụ hầu như là đẳng hướng và phẳng, xác nhận kết quả đã tìm được của Boomerang và DASI trước đó Vết loang đỏ ngang bản đồ là vùng không gian che bởi bức xạ phát ra từ những electron và bụi ở ngay trong hệ Ngân Hà của chúng ta

(Nguồn:http://map.gsfc.nasa.gov/m_ig/ig_universe1.htm/)

Lời Giới Thiệu

Trong Vật Lý, thế giới phức tạp chung quanh ta

có thể hiểu và kiểm chứng được bằng một số khái

niệm cô đúc hay quy luật vật lý cơ bản, từ cơ học

thiên thể cho đến tính lượng tử của những nguyên tử

làm nên đặc tính muôn hình muôn vẻ của vật chất

Công cuộc nghiên cứu về vũ trụ cũng không đi ngoài

truyền thống ấy Mối hỗn độn của vũ trụ từ không

gian bao la có thể quy về lại bằng vài đại lượng đơn

giản Dĩ nhiên đây không phải là điều dễ dàng, nhưng

chí ít đó là hy vọng của các nhà vật lý May mắn cho

chúng ta, là phần lớn nền tảng của vũ trụ học hiện

đại đã được xây dựng bởi không ai khác hơn là

Einstein, bằng lý thuyết tương đối rộng Các phương

trình trường của Einstein, được viết xuống cách đây

đã hơn 90 năm, tạo tiền đề vững chắc cho các nhà

nghiên cứu của thế hệ nối tiếp thiết lập nên cơ sở lý

thuyết xác đáng, dần đã được kiểm chứng và bổ sung

với những quan trắc thực nghiệm ngày càng đáng tin

cậy Những câu hỏi của các nhà vũ trụ học ngày nay

bao gồm, cái gì làm nên vũ trụ này? Vũ trụ mà ta

quan sát được là vô cùng hay hữu hạn? Hằng hữu hay

vô thường? Vũ trụ ngày nay đã bắt nguồn từ đâu

?.v.v….Đây cũng là những câu hỏi muôn thủa mà

loài người vẫn hằng ưu tư trong quá trình tiếp cận Vũ

trụ Điều kỳ diệu là chúng ta đang bước vào giai đoạn

mà một số những câu hỏi này đã được hay sẽ có câu

trả lời thoả đáng trong một tương lai rất gần, một

phần nhờ vào những nỗ lực vượt bậc trong phát triển

kỹ thuật đã diễn ra gần đây và vẫn còn đang tiếp tục

Trong bài viết này, danh từ “Vũ trụ” (Universe

hay Cosmos) được dùng một cách hoán chuyển để

chỉ hoặc là một Vũ trụ toàn thể quan sát được, hoặc là

những chi tiết đặc thù của Vũ trụ, như là kích thước

(scale factor), BXN, v.v….”vũ trụ” không viết hoa là

tính từ, để chỉ những thuộc tính của Vũ trụ (cosmic

hay cosmological) Bài viết trong giới hạn nhất định

của nó sẽ ôn lại một vài chi tiết lịch sử bổ ích, nhưng

mong muốn chính là cung cấp thông tin về những

chứng cứ mới nhất tìm thấy từ bức xạ nền, và những

hoạt động ráo riết tiếp theo của các nhóm nghiên cứu

trong lĩnh vực này Bạn đọc hy vọng với vốn vật lý

cơ bản có sẵn, sẽ được kích thích đủ để tìm hiểu thêm

và có thể đạt được một cách nhìn, tạm gọi là tích cực,

về quá trình hình thành và phát triển của Vũ trụ

Mô hình Big Bang

Gamow, nhà vật lý lưu vong Nga, là người đầu

tiên tiếp cận vấn đề một cách xác đáng E=mc2 cho

thấy là vật chất có thể chuyển sang năng lượng dưới

dạng bức xạ điện từ, như đã thấy qua bom nguyên tử

hay năng lượng mặt trời Ngựợc lại, việc biến đổi

năng lượng điện từ sang vật chất, cụ thể là các hạt cơ

bản như electron hay proton, chỉ có thể tạo thành ở nhiệt độ cao, lên tới hàng ngàn tỷ độ K, nóng hơn hàng triệu lần so với nhiệt độ ở ngay trung tâm của Mặt trời Gamow đoán rằng các hạt cơ bản đựơc tạo

ra từ khối ánh sáng, còn gọi là trái banh lửa, vốn đã

có sẵn từ khởi thủy ở T ~ 1010K (kBT ~ mec2) Cần nhắc lại là cho đến thời điểm này, các cơ sở này của

Vũ trụ học hiện đại bao gồm các phương trình tương đối Einstein (1916), với kết quả tìm được sáu năm sau đó của nhà toán học Nga Friedmann (vốn là thầy của Gamow) cho thấy trong điều kiện một Vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng, phương trình Einstein thể hiện tính biến thiên của kích thước vũ trụ với thời gian Trên nền tảng lý thuyết này, Lemaitre đã xây dựng mô hình vũ trụ giãn nở Cơ sở thực nghiệm cho mô hình bao gồm các quan sát thiên văn nổi tiếng của Hubble từ cuối thập niên 1920, với sự dịch

về đỏcủa các dải ngân hà Cùng trong thời gian này, Tolman trong các tính toán nhiệt động học của Vũ trụ đã chứng tỏ là sự giãn nở sẽ làm cho vũ trụ nguội

đi Suy đoán của Gamow cho đến thời điểm này (1984) tưởng chừng như là một điều hiển nhiên, nhưng kết quả tính toán suy ra từ giả thuyết trái banh lửa đã mang lại biến chuyển mang tính bước ngoặt (cũng nên nhắc lại là ngay cả Einstein cha đẻ của E= mc2 và các phương trình tương đối, cùng với trực giác vật lý phi thường, lúc sinh thời đã không thấy

đề cập đến điều này) Gamow và học trò của ông, Alpher (có thể kể thêm Bethe, người đã giải thích thành công cơ chế sản sinh năng lượng hạt nhân của Mặt trời), chứng tỏ mức tin cậy của giả thuyết này qua các tính toán về hàm lượng của Helium tìm thấy trong Mặt trời, vốn mang tỷ lệ quá cao mà các phản ứng nhiệt hạch của Mặt trời không thể tạo thành kịp Các tính toán của Alpher cho thấy đa phần khí Helium trong vũ trụ là được tạo thành từ thời vũ trụ còn sơ khai, và trùng khớp với tỉ lệ He trong Mặt trời Đây là một thành công đầu tiên Một hệ quả trực tiếp khác đi từ giả thiết Big Bang sẽ đến muộn hơn, mất hơn 15 năm sau mới được kiểm chứng

Công trình Alpher, Bethe and Gamow, The Origin of

Elements (nguồn gốc của các nguyên tố ), xứng đáng

được xem như là cột mốc của vũ trụ học hiện đại 1

Thật ra giả thuyết Big Bang đã gây rất nhiều tranh cãi từ các giới khoa học, các nhà tư tưỏng lẫn công luận đương thời Alpher, trong buổi bảo vệ luận án tiến sĩ, đã nói rằng quá trình tổng hợp hạt nhân trong vũ trụ chỉ mất không đầy 5 phút Ngay

1 Với bản tính phá cách, Gamow cho công bố công trình này vào ngày 1 tháng 4 chỉ có hai ngưòi đóng góp chính vào bài viết là Alpher và Gamow kéo theo Bethe để bài viết được biết đến như “α,β và γ”, 3 mẫu từ đầu tiên của tiếng Hy Lạp

hôm sau tờ Washington Post đã lên tranh biếm họa về

việc vũ trụ tạo thành chỉ trong vòng 5 phút Hoyle,

một trong những người sáng lập và cổ vũ cho giả

thiết Steady State, hay Trạng thái vĩnh hằng, trong

chương trình thiên văn trên radio trong giai đoạn này

nhắc đến mô hình Big Bang như sau: “ Một giả

thuyết khác biệt nữa giả định rằng vũ trụ bắt đầu từ

một thời gian xác định trong một vụ nổ lớn Với định

đề này, sự giãn nở hiện tại là cái đà còn lại của cơn

bạo động từ vụ nổ tung này Cái ý tưởng Big Bang

này với tôi xem chừng không được thoả đáng

lắm…Về mặt khoa học, trong hai giả thuyết [Big

Bang và Steady State] thì Big Bang là khó nuốt hơn

Bởi đó là quá trình vô lý không thể diễn tả bằng ngôn

ngữ khoa học …Trên phương diện triết học cũng vậy,

tôi không thể thấy một lý do hay ho nào để thiên về

cái ý tưởng Big Bang.”

Đây là lần đầu hai từ “Big Bang ” (Nổ To) được

dùng để ám chỉ mô hình vũ trụ giãn nở với hàm ý

châm biếm, và Big Bang trở nên “thuật ngữ” phổ

biến Hoyle là một nhà vũ trụ học kỳ cựu, và đã có

những đóng góp về lý thuyết rất đáng kể trong vũ trụ

học Những quan điểm của ông về Big Bang, khi nhìn

lại, cũng có phần thiên kiến nhưng đã có ảnh hưởng

rất lớn với khoa học đương thời Ngược lại Toà

Thánh Vatican đã cổ vũ cho lý thuyết Big Bang Giáo

hoàng Pius XII trong một bài giảng của mình đã nói

như sau về Big Bang và sách Sáng Thế Kỷ trong

Thánh kinh: “Do vậy mọi thứ dường như cho thấy

rằng vũ trụ vật chất đã có một khởi đầu kỳ vĩ, được

ban phát với một dự trữ năng lượng mênh mông, rồi

phát triển trước tiên cực nhanh rồi dần dà chậm lại

cho đến thời đại hôm nay… Thật ra, dường như khoa

học ngày nay, với một bước băng ngang hàng triệu

thế ký, đã làm chứng thành công cho tia sáng Mặc

Khải (Fiat lux) phát ra ở lúc mà, cùng với vật chất,

bộc phát từ hư vô (Nothing) một biển ánh sáng và

bức xạ, trong khi các hạt nguyên tố phân ra và tạo

nên hàng triệu thiên hà… Do đó, có một Đấng Sáng

Tạo Do đó, Thượng Đế tồn tại! Cho dù chưa rõ ràng

hay không hoàn hảo, nhưng đây là phúc đáp chúng ta

chờ đợi từ khoa hoc, và là điều thế hệ loài người hiện

nay đang trông chờ.” (Thông điệp của Giáo Hoàng

Pius XII tại Học viện Hàng ngũ Giám mục ngày 22

tháng 11 năm 1951)

Như vậy ta có một phần cộng đồng khoa học thì

phản đối lý thuyết Big Bang trong khi nhà thờ thì ủng

hộ Thoạt nhìn thì đây có vẻ như điều oái oăm nếu ta

nhớ lại lịch sử của Giáo hội Công giáo và bước đầu

phát triển vật lý trong thời Phục hưng, khi mà Galileo

phải ra trước toà án Giáo đình (The Inquisition) để

chối bỏ hệ Nhât Tâm của Copernicus, và công nhận

Trái Đất là trung tâm của vũ trụ, phù hợp với giáo

điều của Toà Thánh La Mã lúc bấy giờ Kỳ thực,

trước sau mục tiêu của giáo hội vẫn như nhau: Hỗ trợ tính xác thực trong Kinh Thánh Linh mục Lemaitre, một trong những cha đẻ của lý thuyết Big Bang và là thành viên của Học viện Hàng ngũ Giám mục, đã can thiệp với cố vấn khoa học của Giáo Hoàng, và đề nghị Đức Thánh Cha nên giữ khoảng cách giữa thần học và vũ trụ học Lemaitre tin rằng luận cứ khoa học cần cách biệt với phạm trù tôn giáo Và Giáo Hoàng đã đồng ý với lời yêu cầu trên Big Bang không còn nhắc đến trong những thông điệp của Giáo Hoàng nữa

Bức Xạ Nền

Gamow tiên đoán một nền bức xạ đồng nhất ban đầu đã nguội đi và sẽ còn lại đến ngày nay Nhưng ông không chỉ rõ là cường độ bức xạ còn lại ngày nay là bao nhiêu Và do vậy, sự tồn tại của dấu vết còn lại từ nền bức xạ ban đầu vẫn là một ẩn khuất

Có lẽ do những chỉ trích về mô hình Big Bang và những khó khăn nhất thời của mô hình này (như câu hỏi các nguyên tố nặng từ đâu mà ra? Câu trả lời sau này được đưa ra bởi Hoyle – chính là từ siêu sao mới (supernovae) hay còn gọi là sao khách; đây lại là một vụ nổ khá to khác), những đề xuất của Gamow, rủi thay, đã không được các nhà vật lý tiếp nhận nghiêm túc: Không có một thí nghiệm nào để kiểm chứng di chỉ của bức xạ nền suốt hơn 15 năm sau khi nhóm Gamow công bố công trình nghiên cứu kinh điển

Sự phát hiện của bức xạ nền đã phải đến từ tình huống ngẫu nhiên, vốn cũng là điều thường xảy ra trong lịch sử Vào khoảng giữa thập niên 60, hai nhà nghiên cứu của Bell Labs, Penzias (học trò của Towns, vốn là cha đẻ của laser) cùng cộng sự là Wilson (đã theo học các khoá học về vũ trụ học của Hoyle, lúc ấy là thính giảng ở Caltech) đo đạc sóng radio phát ra bởi bầu khí quyển Sau khi phân loại các nguồn bức xạ đã biết và khấu trừ chúng từ giá trị

đo được, kết quả cho thấy là cường độ bức xạ trội dư hơn bình thường chừng 3.5K, với sai số là 1K Họ ghi nhận phần bức xạ dư này gần như là đẳng hướng và bất phân cực (unpolarized) Họ không biết nguồn bức xạ này từ đầu ra, nên đành gắn cho chúng cái tên là “nhiễu loạn” dư

Trong khi đó thì nhóm nghiên cứu của Dicke ở Princeton vốn vẫn chưa từng nghe qua các công trình của Gamow, Alpher và Bethe 15 năm trước đó, bắt đầu những tính toán của họ về phân lượng của

He từ khởi thuỷ Cùng với P.J.P Peebles, bấy giờ là một công sự viên trẻ tuổi, Dicke đi đến kết luận rằng phải có một nền bức xạ còn lại từ khởi thuỷ Công tác thực nghiệm để phát hiện BXN được giao cho David Wilkinson, một thành viên trẻ khác của nhóm Dicke Wilkinsson gấp rút xây dựng thí nghiệm

(Hình 2), theo mẫu thiết bị mà Dicke đã chế tạo ở

MIT trong thời thế chiến thứ II, còn gọi là Dicke

switch hay là lock-in amplifier, bằng cách thay đôỉ

(modulate) tín hiệu đo đạc theo tần số nhất định

Phương thức này khi dùng để phát hiện tín hiệu cực

yếu bị nhoà lẫn trong một nền nhiễu loạn mạnh hơn

nhiều lần đã chứng tỏ rất hữu hiệu, và đã có ứng dụng

rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau

Bản thân Dicke là một “thú hiếm” trong những nhà

vật lý hàng đầu, đã để lại nhiều dấu ấn đậm nét trong

hàng loạt các vấn đề vật lý cơ bản, cả thực nghiệm

lẫn lý thuyết, từ đồng hồ nguyên tử, cho đến việc

kiểm chứng lý thuyết tương đối bằng cách thiết lập

mức tương đương giữa khối lượng quán tính và khối

lượng hấp dẫn ở độ chính xác cao nhất Dicke còn là

cha đẻ của lý thuyết Brans-Dicke, một bản thể khác

của lý thuyết tương đối

Hình 2: Thí nghiệm của nhóm Princeton xây dựng theo gợi

ý của Dick David Wilkinson bên phải, ở giữa đằng sau là Peter

Roll, cả hai đang ở trên nóc Guyot Hall, Princeton University

(1965) với Dicke radiometer Họ tìm thấy bức xạ nền chỉ với 3

tháng sau khi Penzias & Wilson công bố kết quả (Ảnh của R

Matthews, Princeton P.J.P Peebles gởi cho tác giả)

Thông qua Burke từ MIT, Penzias và Wilson biết

rằng nhóm Princeton đang tiến hành việc đo đạc

tương tự và có thể có lời giải đáp cho những “nhiễu

loạn dư” mà đã làm họ nhức đầu từ bao lâu nay

Trong một buổi họp của nhóm, điện thoại của Dicke

bỗng reo vang Bên đâu đấy là Penzias và Wilson,

mô tả lại thí nghiệm của họ Nghe đến đây Dicke bật

nói với các cộng sự của mình:” Gentleman, we have

been scooped! (Qúi vị, chúng ta đã bị hớt tay trên)”

Ngay sau đó họ đã ghé thăm cơ sở của Penzias và

Wilson ở Homdel, cách Princeton chỉ gần 100 km về

phía bắc Họ nhận ra rằng Penzias và Wilson đã dùng

Dicke Switch trong thí nghiệm của mình để phát hiện

các tín hiệu trong không gian Hai công trình đã được

gởi ngay đến tạp chí Astrophysical Journal, một bởi

nhóm Bell Labs với tựa đề “ Một đo đạc nhiệt độ

Anten Dư ở 4080 triệu chu kỳ”, và một bởi nhóm Princeton, chỉ ra rằng bức xạ mà Penzias và Wilson tìm được chính là di chỉ của BXN từ Big Bang Dicke et al (1965) báo trước rằng trong bức tranh đơn giản nhất, trường bức xạ có đặc tính của vật đen tuyệt đối

Với việc phát hiện bức xạ nền, mô hình Big Bang, tức là vũ trụ tiến hoá từ giai đoạn sơ khai với nền bức xạ ở nhiệt độ trên 10 10 K, và theo thời gian nguội dần đi đo sự giãn nở của Vũ trụ, đánh dấu một khởi đầu trong nhận thức mới về Vũ trụ Ba chứng cứ thiên văn cơ bản, bao gồm sự hoá đỏ của các đám thiên hà, phân lượng của các nguyên tố nhẹ, và BXN được mệnh danh là “tam trụ” của toà

mô hình chuẩn Big Bang

Nhận thức mới về vũ trụ

Những thành công trên chỉ là gặt hái bước đầu BXN mang chứng cớ về một vũ trụ vô thường, tức

là có thay đổi, có mốc thời gian đầu, nhưng kèm theo đó là việc nảy sinh những vấn đề mới Có thể liệt kê ba câu hỏi chính cho mô hình Big Bang như sau

Một trong những câu hỏi đầu tiên vụt đến, là từ một nền bức xạ đồng nhất, mọi nơi mọi hướng đều như nhau, làm sao mà vũ trụ trở nên không đồng nhất như ngày nay, nghĩa là chúng ta có Ngân Hà, quasars, có các nhà vũ trụ học ở thế giới này và những khoảng trống bao la trong vũ trụ ngoài kia?

Có lẽ đây chỉ là chi tiết kỹ thuật rườm rà, nhưng thực là chi tiết quan trọng

Câu hỏi thứ hai cũng là câu hỏi rõ rệt Tại sao

vũ trụ lại gần như đẳng hướng, có nghĩa là bức xạ quan sát ở mọi hướng đều như nhau Bức xạ từ những hướng này vốn không có liên hệ với nhau ở thời điểm của phát tán cuối, ~ 380,000 năm sau Big Bang, là giai đoạn mà electron và proton kết hợp với nhau để tạo thành nguyên tử và vì thế không còn tương tác với photon từ BXN Vậy thì làm sao chúng biết về nhau mà đạt được trạng thái cân bằng nhiệt để tạo ra sự đẳng hướng? Một trùng khớp ngẫu nhiên chăng? Đây còn được gọi là bài toán chân trời (horizon)

Câu hỏi thứ ba cũng đơn giản nhưng không kém phần nhức nhối Các quan sát cho thấy là đặc tính hình học của vũ trụ ngày nay rất gần với hình học phẳng nếu mà ta ngoại suy (extrapolate) điều này ngược về 14 tỷ năm trước đây, thì sai số từ độ phẳng của Vũ trụ trong thời điểm Big Bang chỉ là 10-60 (Điều này tương đương với sự khác biệt của khối lượng Mặt trời khi ta thêm bớt một electron.) Lại một sự trùng hợp nữa chăng? Có thể, nhưng đây quả

là một điều trùng hợp khó tin Hay cũng có thể là vũ

trụ không phẳng lắm như ta nghĩ? Điều này đòi hỏi

cần phải có một quan sát đáng tin cậy hơn

Có lẽ trong cách suy nghĩ của một nhà tư duy

thuần tuý, thì ba vấn đề trên là ba vấn đề nổi cộm,

liên hệ đến sự sống còn của mô hình Big Bang, và vì

vậy phải được để ý trước nhất Có một nhóm các nhà

tư duy thuần tuý như thế, và họ đã tốn nhiều công

sức để cuối cùng lập nên kỳ tích bằng những đề xuất

cơ chế vật lý mới Nhưng ta hãy tạm để chuyện đó

sang một bên lúc này, mà bàn đến công tác thực

nghiệm trước mắt Là một nhà thực nghiệm, nếu biết

rằng có một trường bức xạ từ một vật đen tuyệt đối

đang vây phủ quanh bạn thì bạn sẽ làm gì trước tiên?

Có ba điều cơ bản mà bạn có thể xác định được Một

là, việc phân bố bức xạ biến thiên theo bước sóng có

tuân thủ quy luật của vật đen tuyệt đối (theo đường

biểu diễn Planck? Hai là, việc phân bố bức xạ theo

hướng trong không gian, liệu chúng có đồng nhất và

đẳng hướng? Ba là, BXN đạt mức độ phân cực

(polarization) như thế nào? Đây là tất cả những gì ta

có thể mô tả về BXN Thực vậy, tất cả nghiên cứu

thực nghiệm về BXN trong hơn 40 năm qua chỉ để

mô tả 3 đặc tính vật lý cơ bản này Điều trung hợp,

với ít nhiều có chủ ý, là ba quan sát thực nghiệm này

đều liên hệ chặt chẽ với ba “vấn đề” nổi cộm của Big

Bang đã nêu ra ở trên Nói là có chủ ý, bởi vì ta chỉ

có thể đặt những câu hỏi mà ta có thể kiểm chứng

được bằng các phương thức thực nghiệm Không có

bằng chứng thực nghiệm thì có lẽ gần với triết học

hay thần học hơn

Một cách cụ thể để trả lời câu hỏi đầu tiên, để có

một vũ trụ như ngày hôm nay, nghĩa là có mức phân

bố về mật độ vật chất (các đám thiên hà) khá đồng

nhất trên diện rộng (vài chục Mpc-khoảng cách đến

thiên hà gần nhất, Andromeda, là chừng 2 Mpc,1

Mpc bằng 3x 1019 km hay ~3.2 triệu năm ánh sáng)

đòi hỏi có một sự bất định trong phân bổ cường độ ở

thời kỳ sơ khai Sự không đồng đều giữa nơi này và

nơi khác được biểu thị bằng mức nhiễu loạn trong

mật độ vật chất, và con số này tương ứng với tính

không đồng nhất hay tính bất đẳng hướng của BXN

Các tính toán cho thấy con số này có một giới hạn

dưới khoảng vài phần triệu (10-6)

Khó khăn cơ bản trong việc đo đạc là do tín hiệu

từ BXN chỉ phát ra mạnh nhất ở các bước sóng vi

ba, nghĩa là vài tỷ đến vài trăm tỷ chu kỳ (5 đến 500

GHz), ở phổ sóng này kỹ thuật cảm biến chỉ vừa đạt

bước mở đường trong hai thập kỷ 60 đến 70 Thêm

vào đó là cường độ bức xạ rất yếu, chỉ vỏn vẹn gần

3oK, trong khi điều kiện quan sát mặt đất gần 300oK,

tương đương với việc tìm sao giữa ban ngày Một

yếu tố nữa là hơi nước, vốn hấp thụ sóng vi ba, trong

bầu khí quyển cũng gây trở ngại lớn trong việc đo

đạc Để công việc quan trắc đạt hiệu quả, người ta cần tìm nơi khô lạnh như Nam cực, hay vượt qua bầu khí quyển bằng bóng thám không, hay ra hẳn bên ngoài không gian với các đài quan sát vũ trụ Chính vì thế mà phải mất một thời gian khá dài, mãi đén 1992 mới có những bước đột phá trong việc thu thập dữ kiện mới về BXN, nhờ COBE, thực chất là một Dicke radiometer không gian do NASA chế tạo

để chuyên thu thập về BXN

Thành công đầu tiên của COBE là bức phổ của BXN, cho thấy chúng tuân thủ sự phân bố Planck đến mức gần như hoàn hảo, với nhiệt độ vật đen bằng 2.725oK (xem Hình 3) Đây là một chứng cớ

vô cùng ấn tượng về bức tranh đơn giản của mô hình Big Bang

Hình 3 Kết quả phân tích sơ khởi từ 9 phút quan sát ngoài không gian của COBE (Mather et al 1990), cho thấy mức biến thiên của cường độ BXN theo bước sóng Dữ kiện được biểu thị bằng các vùng ô vuông với sai số phóng đại lên gấp 10 lần, và trùng khớp sít sao với phổ của vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ T= 2.725 +/-0.002 o K

Một thành công khác của COBE minh hoạ bởi bức hình đầu tiên, là lần đầu xác định được mức bất đẳng hướng, tức là sự khác biệt về cường độ bức xạ

ở hai hướng khác nhau, của BXN, với sai số chừng vài chục phần triệu, trùng khớp với ước đoán của lý thuyết Đây là một thành công vang dội, kết thúc cuộc săn lùng gần 30 năm Các nhà vũ tru học giờ đây có thể vững tin vào một “ mô hình chuẩn”

Mô hình chuẩn lúc này đã được bổ sung thêm một nhân tố mới Năm 1980, Alan Guth đề xuất một

ý tưởng vô cùng táo bạo, rằng ở gần thời điểm ban đầu của Big Bang, sự giãn nở đã xảy ra với một tốc

độ cấp độ luỹ thừa trong một thời gian cực ngắn Đây còn gọi là giai đoạn lạm phát, có lẽ chỉ kéo dài chừng 10-34s Vũ trụ được giả định là bắt đầu bởi một nhiễu loạn lưỡng tử , có lẽ từ hư vô (vacuum) Giả thuyết Lạm phát lúc đầu được đề xuất để giải quyết các vấn đề của vật lý hạt cơ bản (có các từ tích - magnetic monopole – hay không?), nảy sinh

từ lý thuyết thông nhất vĩ đại, còn gọi là GUT hay Grand Unified Theory Chỉ một vài năm sau người

ta mới phát hiện rằng cơ chế lạm phát có thể dùng

để hiểu nguồn gốc và dạng hàm số của mức nhiễu

loạn trong mật độ vật chất – nói theo cách ví von của

các nhà Vũ trụ học, là hạt giống để sau này phát triển

thành các cấu trúc – và cung cấp lời giải thoả đáng

cho bài toán phẳng và đường chân trời

Hình 4 Các giai đoạn trong quá trình tiến hoá của Vũ trụ

(Bock et al 2006) Theo mô hình chuẩn Big Bang, Lạm Phát

(Inflation) thổi bùng những nhiễu loạn lượng tử thành những

nhiễu loạn trong phân bố mật độ vật chất Phân tích bản đo của

Boomerang, DASI và WMAP cho thấy không gian trong Vũ trụ

mang tính đặc trưng của hình học phẳng (Euclidean), và các chi

tiết khác biết cực kỳ mờ nhất trong BXN liên hệ mật thiết với

những nhiễu loạn trong việc phân bố mật độ khối lượng

~380,000 năm sau Big Bang, gây nên việc tích tụ của vật chất

theo luật vạn vật hấp dẫn, và dần dà hình thành nên các thiên thể

Vì sao đầu tiên có lẽ ra đời lúc Vũ trụ được ~200 triệu năm, kế

theo là các dãy thiên hà, quasar, lỗ đen… mà ta quan sát được

ngày hôm nay, ~13.7 tỉ năm

Lạm phát giải quyết câu hỏi về đường chân trời

như thế nào? Nếu có chúng 100 e- gấp trong quá

trình lạm phát, thì ngay trước khi xảy ra lạm phát, Vũ

trụ quan sát được ngày nay chỉ gói gọn trọn trong

một chất điểm với đường kinh không đầy 10-45cm!

Đường chân trời trước lúc lạm phát là cỡ 10-30cm,

lớn hơn gấp 1015 lần so với Vũ trụ lức bấy giờ

Những vùng mà ta thấy được trong Vũ trụ ngày nay

có đủ thời gian để tương tác và đạt mức cân bằng

nhiệt, rồi tạo sự đẳng hướng như đã quan sát

Lạm phát giải quyết vấn đề Vũ trụ phẳng ra sao?

Có thể phát biểu một cách định tính như sau Lam

phát kéo căng không ghian và làm cho những nếp

gấp trở nên phẳng (Xem phụ lục ở cuối bài để rõ

hơn)

Chúng ta hãy trở lại với câu chuyện thực

nghiệm Nhắc lại là COBE đã thiết lập được dự kiến

cần thiết để biết rằng Vũ trụ hầu như là đẳng hướng,

và mức bất đẳng hướng có được là rất nhỏ, nhưng đủ

để tạo nên thế giới hiện hữu Mô hình lạm phát được

củng cố bước đầu Yếu điểm của COBE là độ phân

giải vẫn chưa đủ để nghiên cứu BXN một cách chi

tiết hơn

Vài năm sau COBE, các thí nghiệm tự Nam Cực bất đầu phát hiện mức bất đẳng hướng ở ~1o Trong vòng năm năm tiết theo, hai thí nghiệm Boomerang và DASI, bắt đầu vào hoạt động ở Nam Cực (xem Hình 5 va 6) Đây là hai thí nghiệm hoàn toàn khác nhau, phần lớn do sự lựa chọn kỹ thuật cảm biến Boomerang là tên gọi cho một thứ vũ khí của người Úc châu khi ném ra mà không dung dịch thì sẽ quay trở lại với người đã ném Thí nghiệm Boomerang là một loại Dicke radiometer được cất lên khỏi bầu khí quyển bằng bóng thám không được phóng từ vùng ven biển của Cực Nam, và sử dụng lượng gió đặc thù của Nam cực để đưa Boomerang chạy nguyên một vòng quanh bầu trời Nam Cực Chuyến bay vì thế có thể kéo dài hơn 10 ngày, trong khi những thí nghiệm tương tự ở những vĩ độ khác (như ở Mỹ chẳng hạn) chỉ kéo dài không đầy 10 giờ Boomerang dùng cảm biến gọi là bolometer, hoạt động ở 0.3oK, quan sát ở các bước sóng 2, 1.25 và 0.8 mm DASI là một hệ thống giao thoa bao gồm

13 radiometer, cảm biến là HEMT, hoạt động ở

20oK, quan sát ở bước sóng 9 mm DASI toạ lạc ở ngay tại trạm Amundsen Scott, Nam Cực (vĩ độ

-90o) và quan sát liên tục hơn 6 tháng

Hình 5.Biểu đồ minh hoạ kích thước của bóng thám không khi ở mặt biển (trái) và khi đã đạt độ cao thả nổi, với Đài Tưởng Niệm ở Washington để so sánh (Ảnh của NSBF)

Boomerang và DASI công bố kết quả phân tích cho thấy là mật độ vật chất rất gần với mật độ tới hạn (critical density), điều này đồng nghĩa với việc xác nhận vũ trụ hầu như là phẳng Một đại lượng cơ bản mới cho vũ trụ học đã được thiết lập Và lạm phát lại được củng cố thêm một bước thứ hai!

Boomerang và DASI còn xác nhận thêm, rằng vật chất mà ta lâu nay quen thuộc, như electron, neutron, proton, chỉ chiếm 3% khối lượng của Vũ trụ Hai thành phần khác bao gồm vật chất tối, chiếm 27%, và năng lượng tối, chiếm gần 70% Những dữ kiện mới nhất của WMAP (Hình 1) còn đòi hỏi sự hiện hữu của vật chất tối, để đảm bảo tính thống nhất trongcác kết quả phân tích Như vậy là

những gì ta biết về Vũ trụ này thật là ít ỏi, và phần

lớn là một bí mật – có lẽ với số đông chúng ta thì

điều này không gì đáng ngạc nhiên Chúng ta không

biết gì cả về bản chất của vật chất tối Còn năng

lượng tối thì khỏi phải nói đến; đây là một bất ngờ

và là một phát hiện chấn động mang lại từ các nhóm

quan sát supernova ngay trước thềm thiên niên kỷ

mới, mà cho đến nay các nhà vật lý vẫn còn tranh

cãi; nhiều nhà vật lý hàng đầu còn mong muốn đây

chỉ là lỗi lầm trong phân tích.2

Hình 6 Thí nghiệm của DASI ở trạm Amundsen-Scott,

Nam cực (Ảnh của John Kovac)

Phải công nhận rằng những phát hiện mới này

chỉ là manh nha Mặc dù khi kết hợp những quan sát

độc lập khác nhau được thực hiện gần đây thì tính

thuyết phục của chúng có gia tăng, nhưng sai lầm

trong quá trình diễn dịch các kết quả thiên văn vẫn là

một xác xuất lớn Chúng ta cần tìm kiếm những

phương thức độc lập mới để có thể kiểm chứng và

mách bảo thêm về bản chất của 97% các thứ làm nên

Vũ trụ này Nếu vật chất tối và năng lượng tối thực

sự tồn tại, thì giả thuyết có một cõi vô hình ở chung

quanh ta không phải là điều thiếu căn cứ Đây là một

bí ẩn lớn của Vũ trụ

Đi tìm nguồn gốc Vũ trụ

Ở trên ta đã nhắc đến một cõi vô hình, và lúc này

ta lại nói chuyện nguồn gốc Vũ trụ Toàn là những

vấn đề lớn lao Nhưng biết làm sao, chúng ta đang

bàn về Vũ trụ mà Thật vậy, các cơ sở vũ trụ học

ngày nay cho phép chúng ta đối đầu với những câu

hỏi hóc búa này không tránh né Cơ chế lạm phát đã

thổi bùng những nhiễu loạn lượng tử từ trong hư vô

và lập nên Vũ trụ ban đầu Như đã trình bày ở trên,

chứng cớ về lạm phát ngày càng chồng chất Dẫu

vậy, các đặc tính phẳng và đẳng hướng chỉ là điều

kiện cần mà chưa đủ Câu hỏi là, “Lạm phát có để lại

chứng tích trực tiếp gì trên BXN?” Câu trả lời là, “

Có Trên lý thuyết.”

2 Ed Witten, trong một buổi nói chuyện tại JPL, đã nói:”

Tôi chỉ mong là nó [ năng lượng tối] sẽ đi mất đi”

Trên lý thuyết, Vũ trụ vào thời kỳ lạm phát giống như là một lỗ đen, do mật độ bị nén chặt trong một không gian vô cùng nhỏ Những lỗ đen cổ điển (classical) sẽ phát bức xạ Hawkings, lỗ đen Vũ trụ cũng không thoát ngoài quy luật này, và sẽ phát bức

xạ Hawkings dưới dạng sóng hấp dẫn Biển sóng hẫp dẫn này tương tác với các photon BXN ở mặt tán cuối, làm cho nền bức xạ có nơi nóng nên, hay nguội xuống tuỳ vào khi photon đi vào hay đi ra khỏi trường hấp dẫn, có nghĩa tạo nên mức bất đẳng hướng khác trong bức xạ nền (không giống với mức bất đẳng hướng gây nên bởi nhiễu loạn trong phân

bố vật chất) Các bất đẳng hướng này sau đó tương tác với electron, lần đầu ở mặt phát tán cuối và một lần nữa lúc vũ trụ đi qua giai đoạn i-on hoá (reionization) chừng 200 triệu năm sau đó, để tạo

ra sự phân cực trong BXN (một chi tiết quan trọng

mà ta có thể biết từ các lớp học về điện từ là sự phân cực sẽ không có được nếu BXN là đồng nhất và đẳng hướng)

Sự phân cực gây bởi nhiễu loạn mật độ, còn gọi

là E-mode, ước tính bằng chừng 10% mức độ bất đẳng hướng trong BXN Con số này đến nay đã được kiểm chứng bởi DASI, Boomerang và WMAP

Sự phân cực gây bởi lạm phát, còn gọi là B-mode, tuỳ thuộc vào tỷ lệ tương đối của các thành phần tạo nên mức nhiễu loạn ban đầu, nhưng nói chung là có thể nhỏ hơn E-mode đến hàng trăm lần

Công tác đo đạc sự phân cực của BXN đặt ra nhiều yêu cầu gắt gao B-mode đòi hỏi một mức chính xác cao gần 100 lần hơn những gì đã đặt bởi WMAP (Nhớ lại phải mất gần 30 năm người ta mới cải thiện độ nhậy tự 1 phần ngàn xuống còn 1 phần triệu.) Trước tiên, trên thực tế, kỹ thuật cảm biến vi

ba trong vài năm qua đã đạt nấc thang cuối cùng, có nghĩa là độ chính xác lúc này đã gặp giớí hạn nền, một giới hạn cơ bản không thể vượt qua Để tăng tốc

độ quan sát, chỉ còn một việc là gia tăng số lượng cảm biến, và đây là mặt trận mới của kỹ thuật cảm biến vi ba Thêm vào đó là phải vượt qua hàng rào cản mới, đó là bức xạ tạo ra bởi electron và bụi có sẵn từ Hệ Ngân hà của chúng ta, vốn có tính phân cực cao Cuối cùng, bản thân thiết bị đo đạc nếu không được chế tạo cẩn thận, sẽ làm cho tín hiệu trung hoà trở nên phân cực; cả ba vấn đề này các thí nghiệm trước đây không phải lo ngại

Các nhà thực nghiệm vốn đã sẵn sàng cho những yêu câu gắt gao này Hàng loạt các thí nghiệm mới đã được đề xuất BICEP (Kiwon et al., 2006) là một trong những đề án như thế (xem Hình

7, 8 và 9) Trong thí nghiệm này, vật cảm biến là một chất siêu dẫn, có điện trở biến thiên theo nhiệt

độ Năng lượng hấp thụ hun nóng cảm biến, chuyển

nó từ siêu dẫn sang bình thường và tăng điện trở cảm

biến tứ zero lên một giá trị xác định phụ thuộc vào

nhiệt độ hay mức năng lượng hấp thụ - cảm biến này

có tên gọi là TES, Transition Edge Superconducting

TES có thể đạt được độ nhậy rất cao, dưới~10-18

W/√Hz BICEP có một hệ quang học đơn giản,

không có kính thiên văn riêng biệt như Boomerang

hay WMAP, mà chỉ dùng hệ thấu kính giống như các

camera ta thường dùng Một thử nghiệm của BICEP

đã đi vào hoạt động từ Nam cực hồi cuối tháng hai,

2006

Hình 7 Các thành viên trong Đội BICEP (từ Berkeley,

Caltech, JPL và UC San Diego) xúm quanh radiometer trước lúc

chuyển xuống Nam cực (tác giả đứng khuất phía sau, ảnh của

Đội BICEP)

Thực ra BICEP mới chỉ là bước đầu tiên trong

chương trình truy lùng các dấu hiệu của B-mode mà

JPL và Caltech đặt ra Để thực sự đạt được độ chính

xác cần thiết, phải cần cả it nhất 5 hệ thống giống

như BICEP vậy, và công trình này có tên là Spud Và

ngay cả Spud cũng chỉ quan sát được một phần

không gian nhỏ Để hoàn tất phần còn lại thì phải

mang Spud ra khỏi Trái đất để thấy được toàn cảnh,

công trình này có tên gọi là Spider, bao gồm 6

radiometer như BICEP và mang bởi bóng thám

không bay vòng quanh Trải đất ở nam bán cầu Mọi

công việc chỉ vừa bắt đầu Chúng ta chúc cho các thí nghiệm này được nhiều may mắn

Hình 8.Thí nghiệm BICEP đi vào hoạt động ở Nam cực từ tháng 2, 2006 (Ảnh của John Kovac)

Hình 9 Mức chính xác dự kiến của Spud và Spider- sự biến thiên cường độ phân cực theo góc (l~l/ θ, θ là góc) Spud

sẽ đặt tại Nam cực và Spider thì sẽ được bay vòng quanh vung nam bán cầu bằng bóng thám không Đường trên cùng là E-mode, đã được kiểm chứng bời DASI, Boomerang và WMAP Đường đỏ là B-mode Mức độ của B-mode tuỳ thuộc vào tỷ lệ giữa các thành phần gây nhiễu loạn trong giai đoạn lạm phát, r, hiện nay là một ẩn số WMAP thiết lập một giới hạn trên cho r

<0.28, BICEP sẽ vượt giới hạn này vào cuối năm (2006) Cả hai, Spud và Spider, mỗi thí nghiệm bao gồm 5 đến 6 radiometer giống như BICEP, có thể “phát hiện” lạm phát nếu r>0.01 như ước đoán hiện thời

Lời cuối

Tiến trình nhận thức vũ trụ đã có những chuyển biến cơ bản trong vòng một trăm năm qua, phần lớn nhờ vào việc thiết lập các cơ sở lý thuyết vững chắc

và thực nghiệm đáng tin cậy, trong đó BXN là một yếu tố thúc đẩy mang tính then chốt Cuộc tìm hiểu

về Vũ trụ quan sát còn phải được tiếp nối lâu dài và

hứa hẹn có nhiều bất ngờ - nhưng đây là cơ hội mới

của phát kiến và là niềm vui của những người ham

tìm hiểu Chúng ta thấy rằng, con đường nghiên cứu

cũng đầy rẫy những vận may, rủi ro và rối rắm, có

khi có cả mờ ám - nhưng mờ ám trong khoa học khó

mà tồn tại được lâu Chúng ta lạc quan bởi vì phương

pháp khoa học là công cụ hữu hiệu để đi đến nhận

thức phù hợp với thực tại Kết thúc bài viết này, tôi

muốn mượn lời nói của nhà vật lý Feynman khi bàn

về phương thức khoa học Feynman có lối diễn tả

trần trụi nhưng tưởng như không thể trong suốt và

chính xác hơn, “ Nói chung chúng ta tìm kiếm quy

luật mới bằng quá trình sau Trước tiên ông đoán

Đừng cười, đây là bước quan trọng nhất Rồi tính

toán hệ quả So sánh hệ quả này với kinh nghiệm

Nếu nó bất đồng với kinh nghiệm, vậy là đoán sai

Chỉ đơn giản có vậy mà là then chốt của khoa học

Không cần biết điều phỏng đoán hay đến mức nào,

hay ông thông minh cỡ nào, hay tên ông là gì Nếu

không phù hợp với kinh nghiệm, là sai Tất cả chỉ có

vậy thôi.”

Pasadena, California, USA, 10/7/2006

Tài liệu đọc thêm

Để tham khảo thêm, các bạn có thể tìm đọc “The

First Three Minutes” của Steven Weinberg (1977),

hay “Big Bang” của Simon Singh (2005) Đây là hai

cuốn sách viết cho giới phổ thông, với nhiều chi tiết

lịch sử lý thú, có thẩm quyền và dễ đọc Các sách

giáo khoa như “Introduction to Cosmology” của

Barbara Ryden (2003), và “Modern Cosmology của

Doldelson (2003) cũng rất bổ ích cho các sinh viên

vật lý năm cuối

Bạn đọc trong nước cũng có thể học hỏi thêm rất

nhiều từ vô số các nguồn tài liệu trên internet Tiêu

biểu gồm các công trình cũ đã được công bố (kể các

các công trình kinh điển đã có nhắc đến trong bài

này): http://adsabs.harvard.edu/abstract_service.html

Các công trình thiên văn mới được công bố hằng

ngày ở đây: http://xxx.lanl.gov/archive/astro-ph

Phụ Lục: Phương Trình Friedmann

Ta có thể tính toán được nhiều điều lý thú trong

vũ trụ học mà chỉ cần phương trình Friedmann, vốn

là một dạng đặc biệt của phương trình Einstein Ở

đây chúng ta sẽ không phát triển phương trình này,

mà chỉ phát biểu rằng trong môi trường đồng nhất và

đẳng hướng, thì metric Robertson-Walker thỏa mãn

phương trình Einstein Và từ metric này, có thể thấy

rằng kích thước của Vũ trụ biến thiên với thời gian theo phương trình Friedmann như sau:

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

) ( ) ( 3

8

2

2

t a t

G a

ρ(t) là mật độ khối lượng vũ trụ, a(t) thước đo

(scale factor), κ độ cong không gian (spatial curvature), κ có các gía trị < 0, = 0 hay > 0, tương

ứng với vũ trụ mở, phẳng hay đóng Trong (1), ta định nghĩa,

dt

da

a&≡ với thông số Hubble là,

) (

) ( ) (

t a

t a t

H 0 ngày nay là khoảng 72 km/s/Mpc H 0 -1 còn

gọi là khoảng thời gian Hubble,

s

a(t) được xác định là sự giản nở của một độ dài

hay bước sóng λ, sao cho:

0

) ( )

λo là bước sóng đo được ở thời điểm ngày nay, và

λ(t) là bước sóng đo được ở thời điểm t Để ý là a(t)

không mang đơn vị Đẳng thức trên cũng cho thấy là

ở thời điểm ngày nay, tức là t= t o , a(t o ) là 1, và trong

quá khứ là nhỏ hơn 1 Đẳng thức (4) thật ra thống nhất với metric Robertson-Walker

Vạch dịch về đỏ (redshift), z, được định nghĩa như sau:

) (

t

z

λ

λ

=

tức là,

) (

1 1

t a

z=

Nhắc lại là các quan sát thiên văn của Hubble cho thấy những vạch phổ trong các đám thiên hà có chuyển dịch về bước sóng dài hơn (tức là đỏ hơn), thiết lập nên cơ sở thực nghiệm cho mô hình vũ trụ giãn nở

Số photon cho mỗi mode, theo hàm số Planck, là

1

1

= hc kTλ

e

Bởi vì số photon bảo toàn trong quá trình giãn

nở vũ trụ, cho nên Tλ bất biến Dùng đẳng thức (4),

ta có

) ( )

t a

T t

T 0 là nhiệt độ của bức xạ ngày nay, 2.725 K Ở kỷ nguyên Big Bang, Vũ trụ chỉ thuần là trường bức xạ

điện từ, và mật độ vũ trụ ρ(t) là mật độ của bức xạ từ

vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ T(t):

) (

) ( )

4 0 2

4

t a c

T c

t T

ρ = = (9)

σ SB la hằng số bức xạ stephan-boltzman, 7.67x10-15

erg cm-3 K-4 (ta chia cho c 2 để qui ra khối lượng)

Như sẽ chỉ ra dưới đây, Vũ trụ lúc bấy giờ phẳng

(κ ~ 0), và phương trình Friedmann trở thành,

) ( 3

8

4 2

4 0 2

t a c

T G a

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

Giải phương trình vi phân trên, ta có

t c

T G t

4 / 1 2

4 0

3

32

)

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

(11)

Để ý là trong thời kỳ này,

t

t

H

2

1

)

Vào lúc nhiệt độ BXN tương đương với khối

lượng của electron, k B T ~ m e c 2 hay T ~ 109, ta có

a(t)~2.725 x10-9 (theo đẳng thức (8)), và (11) cho

thấy lúc vật chất tạo thành, Vũ trụ đã được ~ 230 giây

sau Big Bang Con số chính xác của T sẽ cho ta ~180

giây - đây là nguồn gốc của cụm từ “3 phút đầu tiên”

nỗi tiếng

Các quan sát về BXN đã chứng minh rằng Vũ

trụ quả thực là đẳng hướng và phẳng Nhưng khi xét

kỷ, các đặc tính này có hai điểm “vô lý” như đã nhắc

đến trong bài

1 Bài toán phẳng (flatness) Trước tiên, ta chia

cả hai vế của phương trình (1) cho mật độ tới hạn, ρcr

= 3H 2 /8πG, và có

) ( ) ( )

(

t H t a

Ω

sau khi đặt,

cr

t t

ρ

ρ() )

0 0

1

H

κ

−

= Ω

Kết quả đo đạc tính bất đẳng hướng của BXN

cho thấy là Vũ trụ gần như phẳng, với

Tai sao giá trị của Ω0 ngày nay lại gần bằng 1?

Thật ra nó có thể mang bất cứ giá trị nào mà vẫn

không vi phạm những định luật vật lý đã biết Vấn

đề ở đây là, nếu đi ngược thời gian, thì ta có:

) ( ) (

) 1 ( )

(

2 0

t a t H

H

Ω

Và thông số mật độ 3 phút sau Big Bang là,

13

10 5 3

Có nghĩa rằng Vũ trụ cực kỳ phẳng Đây quả là điều khó tin Nếu tính vào kỷ nguyên Planck

(khoảng thời gian lạm phát xảy ra), T Pl ~ 1032 K thì con số này là ~ 10-55, lại càng là một chuyện khó tin hơn Đây còn gọi là bài toán phẳng (lần đầu nêu ra bởi Dicke, 1979) (Các đại lượng lượng tử như thời

gian t Pl , độ dài l Pl, trong kỷ nguyên Planck được xác định bằng sự sắp xếp các hằng số cơ bản, như vận

tốc ánh sáng c, hằng số hấp dẫn G, và hằng số

Planck h, để cho ra đơn vị tương ứng Độ dài Planck là,

cm c

G

Thời gian Planck là,

44

=

c

G

Đây là đơn vị thời gian nhỏ nhất.) Năm 1980, Alan Guth đề xuất giả thuyết lạm phát Cơ bản là ở giai đoạn ban sơ, Vũ trụ giãn nở với gia tốc dương Trong giai đoạn lạm phát, mật độ năng lượng chiếm bởi hằng số vũ trụ, Λlp, là chính,

và phương trình Friedmann là,

3

2

lp

a

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

Do vậy, H lp =(Λ lp /3) 1/2, là một hằng số Và,

t

H lp

e t

Người ta thường biểu thị sự tăng trưởng của

kích thước a bằng số n e-gấp (e-foldings), tức là

n truoc

t a

t

) (

) (

Lạm phát giải quyết bài toán phẳng như thế nào? Phương trình (13) cho thấy trong quá trình lạm phát,

t

H lp

e

t) 2 (

nghĩa là sự khác biệt giữa Ω và 1 giảm theo số mũ với thời gian Nếu ta so sánh mật độ trước và sau

lạm phát, (qua n e-gấp) ta thấy,

) ( 1 )

(

truoc

N

Ω

Giả định rằng trước khi lạm phát bắt đầu, Vũ trụ

đã có độ cong khá lớn, với

1 ) (

1−Ω t truoc = (25) Sau lạm phát 100 e-gấp, ta có sự khác biệt giữa

Ω và 1 là e -200 hay là 10-87 Ngay cả khi bắt đầu nếu

Vũ trụ đã gồ ghề cỡ nào đi nữa, thì lạm phát với một trăm e-gấp sẽ đánh cho nó dẹp lép!

2 Bài toán chân trời (horizon) Bài toán này

đơn giản la` hai đặc tính, “đồng nhất và đẳng hướng” của Vũ trụ Tại sao đây lại là vấn đề? Chẳng phải ta đã giả định điều này để có phương