Chương 8: Những Hệ Quả Vũ Trụ

Trong những chương trước, chúng ta đã thấy làm thế nào lý thuyết tổng quát của Einstein về tương đối đã thay đổi một cách cơ bản cách nhìn của chúng ta về không gian, thời gian và trọng lực. Lý thuyết này giải thích trọng lực không phải là một lực, mà là sự biểu hiện của đường cong không gian-thời gian, với sự cong này được gây ra bởi sự hiện diện của khối lượng và năng lượng. Phương trình trường của Einstein cung cấp một mô tả toán học về cách hình học của không gian-thời gian được xác định bởi sự phân bố của vật chất và năng lượng.

Trong khi những hệ quả của lý thuyết tương đối tổng quát đã được xác nhận ấn tượng trên quy mô hệ mặt trời, một số hệ quả sâu sắc nhất của nó xuất hiện khi chúng ta xem xét vũ trụ như một toàn thể. Trong chương này, chúng ta sẽ khám phá cách lý thuyết tổng quát, khi được áp dụng vào vũ trụ học, dẫn đến một hình ảnh mới mẻ về một vũ trụ động, tiến hóa. Chúng ta sẽ thấy làm thế nào những quan sát của Edwin Hubble vào đầu thế kỷ 20 cung cấp bằng chứng đầu tiên cho một vũ trụ đang mở rộng, và cách ý tưởng này, kết hợp với lý thuyết tổng quát, hình thành cơ sở của mô hình Vụ nổ lớn của vũ trụ học. Chúng ta cũng sẽ gặp phải một trong những bí ẩn lớn nhất trong vật lý hiện đại - bản chất của năng lượng tối, một dạng năng lượng bí ẩn có vẻ như đang gây ra sự gia tăng của vũ trụ.

Vũ trụ mở rộng và Định luật Hubble

Câu chuyện về vũ trụ học hiện đại bắt đầu vào đầu thế kỷ 20 với công trình của nhà thiên văn học Mỹ Edwin Hubble. Sử dụng kính thiên văn Hooker 100 inch tại Đài quan sát Mount Wilson ở California, Hubble đã thực hiện một loạt những quan sát đột phá sẽ thay đổi hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.

Một trong những quan sát quan trọng của Hubble liên quan đến bản chất của những vệt sáng mờ trong bầu trời đêm được biết đến là "núi sương." Nhiều nhà thiên văn học tin rằng những núi sương này là cấu trúc khí nhỏ, trong vũ trụ riêng chúng ta gọi là Dải Ngân Hà. Tuy nhiên, Hubble đã có thể nhìn thấy từng ngôi sao riêng lẻ trong một số núi sương này và, bằng cách so sánh độ sáng xuất hiện của chúng với độ sáng của những ngôi sao tương tự trong Dải Ngân Hà, ông đã có thể ước tính khoảng cách của chúng. Ngạc nhiên thay, ông phát hiện ra rằng những núi sương này thực sự rất xa, xa hơn rất nhiều so với Dải Ngân Hà. Hubble đã khám phá ra rằng vũ trụ lớn hơn đáng kể so với những gì trước đây được tin tưởng, tràn đầy vô vàn "vũ trụ đảo lộn" - những gì chúng ta hiện tại gọi là thiên hà.

Nhưng khám phá sâu sắc nhất của Hubble đến khi ông xem xét phổ ánh sáng của những thiên hà xa xôi này. Ông đã phát hiện ra rằng các dòng phổ của các nguyên tử đã biết được dịch chuyển theo hướng màu đỏ của quang phổ, một hiện tượng được gọi là dịch tới đỏ. Độ toàn diện của sự dịch này gia tăng theo khoảng cách đến thiên hà. Sự dịch tới đỏ này được hiểu là dịch tới Doppler, do thiên hà di chuyển ra xa chúng ta. Càng cao độ dịch tới đỏ, thiên hà di chuyển càng nhanh.

Những quan sát của Hubble dẫn ông đến một kết luận đáng chú ý: vũ trụ đang mở rộng. Các thiên hà không tĩnh, mà đang di chuyển ra xa nhau như những quả nho trong một ổ bánh mì đang nở. Hơn nữa, tốc độ tan rạng của một thiên hà tỷ lệ thuận với khoảng cách của nó so với chúng ta. Mối quan hệ này được biết đến với tên gọi Định luật Hubble:

$$v = H_0 d$$

Ở đây, $v$ là vận tốc tan rạng của một thiên hà, $d$ là khoảng cách của nó so với chúng ta, và $H_0$ là một hằng số tỷ lệ được biết đến là Hằng số Hubble. Giá trị của Hằng số Hubble là một đo lường cho tốc độ mở rộng hiện tại của vũ trụ.

Khám phá của Hubble về vũ trụ mở rộng đã là một cuộc cách mạng. Nó lật đổ niềm tin đã lưu truyền trong một vũ trụ cố định, không thay đổi và giới thiệu ý tưởng rằng vũ trụ có một quá khứ - nó đã tiến hóa qua thời gian. Nhận thức này đánh dấu sự ra đời của vũ trụ học hiện đại.

Mô hình Vụ nổ lớn

Khám phá về vũ trụ mở rộng ngay lập tức đề xuất một câu hỏi sâu sắc: nếu các thiên hà đang rời xa nhau bây giờ, liệu chúng đã gần nhau hơn trong quá khứ? Khi suy luận ngược lại trong thời gian, có vẻ như ở một điểm nào đó trong quá khứ xa xôi, tất cả vật chất trong vũ trụ sẽ tập trung vào một điểm vô tận - một điểm sự đơn nhất. Ý tưởng này hình thành cơ sở cho mô hình Vụ nổ lớn của vũ trụ học.

Theo mô hình Vụ nổ lớn, vũ trụ bắt đầu khoảng 13,8 tỷ năm trước trong một trạng thái cực nóng, dày đặc. Lúc này, vũ trụ có độ dày vô tận và nhiệt độ vô tận. Sau đó, nó mở rộng và làm nguội nhanh chóng. Khi làm như vậy, nó trải qua một loạt các qua trạng thái, giống như nước chuyển thành hơi khi được đun nóng hoặc thành đá khi được làm lạnh. Những qua trạng thái này dẫn đến sự hình thành các hạt cơ bản và lực mà chúng ta biết đến.

Trong giai đoạn sớm nhất của Vụ nổ lớn, vũ trụ là một nồi điện năng. Khi nó mở rộng và làm nguội dần, năng lượng này bắt đầu kết tinh thành vật chất - trước là quark và electron, sau đó, khi vũ trụ làm nguội hơn nữa, những quark này kết hợp để tạo thành proton và neutron. Khoảng 380.000 năm sau Vụ nổ lớn, vũ trụ đã làm nguội đủ để proton và electron này kết hợp thành các nguyên tử, chủ yếu là hydro và helium. Giai đoạn này, được biết đến là tái hợp, đánh dấu sự phân ly giữa vật chất và bức xạ. Trước điểm này, photons liên tục tương tác với các hạt mang điện tích, làm cho vũ trụ trở nên mờ. Sau tái hợp, photons có thể di chuyển tự do và vũ trụ trở nên trong suốt. Sau ánh sáng chùm ngọn của các nguyên tử lúc đầu, ngày nay vẫn còn quan sát được dưới dạng bức xạ hạt nhân viễn vọng (CMB). CMB lần đầu được phát hiện vào năm 1965 bởi Arno Penzias và Robert Wilson, nó là một dạng bức xạ viễn vọng hồng ngoại gần đồng đều fill-full trong bầu trời. Nó có một phổ đen thermal body tương ứng với một nhiệt độ khoảng 2.7 Kelvin, và là một sự xác nhận rõ ràng về mô hình Big Bang. Dịch chuyển nhỏ trong CMB, lần đầu tiên được vẽ chi tiết bằng vệ tinh COBE trong những năm 1990, cung cấp một bức ảnh chụp đại diện vũ trụ vào thời gian kết hợp và là hạt giống từ đó tất cả những cấu trúc vũ trụ trong tương lai - gala, ngôi sao và hành tinh - sẽ phát triển thông qua sức hấp dẫn.

Mô hình Big Bang, dựa trên sự quan sát về sự mở rộng của vũ trụ và sự tồn tại của CMB, cung cấp một mô tả đáng kinh ngạc về lịch sử của vũ trụ. Nó giải thích nguồn gốc của các nguyên tố ánh sáng trong vũ trụ sớm thông qua quá trình Big Bang nucleosynthesis, và nó cung cấp một khung để hiểu quá trình hình thành các cấu trúc vũ trụ.

Tuy nhiên, mô hình này không phải là không có vấn đề. Mô hình Big Bang tiêu chuẩn dựa trên một số điều kiện ban đầu rất cụ thể - vũ trụ sớm cần được đồng đều đến độ chính xác cao, sự phân bố chất liệu phải đều và nó cần có một tốc độ mở rộng rất cụ thể. Sự chênh lệch so với những điều kiện này sẽ dẫn đến một vũ trụ khác với những gì chúng ta quan sát được. Vấn đề của điều kiện ban đầu này được biết đến như là vấn đề mặt phẳng và vấn đề chướng ngại.

Hơn nữa, mô hình Big Bang tiêu chuẩn dự báo sự tồn tại của một số hạt kỳ lạ, chẳng hạn như từ trường đơn cực, mà chưa từng được quan sát. Điều này được biết đến như là vấn đề từ trường đơn cực.

Những vấn đề này đã được giải quyết vào những năm 1980 bằng lý thuyết về ngày càng dày đặc. Theo lý thuyết ngày càng dày đặc, trong vũ trụ sớm rất sớm, đã có một giai đoạn mở rộng nhanh chóng cực kỳ do trường giả định gọi là inflaton thúc đẩy. Sự mở rộng nhanh chóng này làm phẳng bất kỳ bất thường ban đầu nào, đưa vũ trụ đến trạng thái phẳng, đồng nhất. Nó cũng làm giảm phân tán bất kỳ hạt kỳ lạ nào thành mức không quan sát được. Sự ngày càng dày đặc cung cấp một giải pháp tinh tế cho các vấn đề của mô hình Big Bang tiêu chuẩn và đã trở thành một phần không thể thiếu của vũ trụ học hiện đại, mặc dù bản chất vật lý của trường inflaton vẫn là một điều bí ẩn.

Năng lượng tối và vũ trụ gia tốc

Vào cuối những năm 1990, việc nghiên cứu về siêu tân tinh xa xôi đã dẫn đến một khám phá đáng ngạc nhiên sẽ một lần nữa xoay chuyển hiểu biết của chúng ta về vũ trụ. Siêu tân tinh, cái chết mãnh liệt của các ngôi sao khổng lồ, rất sáng và có thể nhìn thấy trên khắp không gian vũ trụ rộng lớn. Một loại siêu tân tinh cụ thể, được biết đến với tên gọi Siêu tân tinh loại Ia, đặc biệt hữu ích cho vũ trụ học. Các siêu tân tinh này xảy ra khi một ngôi sao lùn trắng trong hệ thống nhị phân thu phục chất liệu từ đối tác của nó, cuối cùng kích hoạt một vụ nổ termô hạch. Vì các điều kiện cho vụ nổ này luôn giống nhau, siêu tân tinh loại Ia có độ sáng nội tại rất nhất quán. Bằng cách so sánh độ sáng nội tại này với độ sáng rõ ràng của chúng, các nhà thiên văn học có thể xác định khoảng cách của chúng. Chúng được coi là "ngọn nến tiêu chuẩn" để đo lường quy mô của vũ trụ.

Vào năm 1998, hai nhóm độc lập của các nhà thiên văn học, Dự án Vũ trụ Siêu tân tinh và Đội tìm kiếm Siêu tân tinh High-Z, sử dụng siêu tân tinh loại Ia để đo lường lịch sử mở rộng của vũ trụ. Họ dự đoán sẽ tìm ra rằng việc mở rộng của vũ trụ đang giảm xuống do sức hấp dẫn hấp dẫn của chất liệu. Thay vào đó, họ tìm thấy điều ngược lại: sự mở rộng của vũ trụ đang gia tăng.

Kết quả này rất sốc và không mong đợi. Trong các mô hình vũ trụ tiêu chuẩn, vũ trụ có thể mở rộng mãi mãi với tốc độ giảm dần, hoặc nó có thể kết thúc bằng cách thu hẹp lại thành một "Big Crunch", nhưng một sự gia tăng gia tốc không được xem xét. Đường dẫn duy nhất để giải thích gia tốc này trong ngữ cảnh của lý thuyết tổng quát là giới thiệu một thành phần mới cho vũ trụ: năng lượng tối.

Năng lượng tối là một hình thức giả thuyết của năng lượng tồn tại trong không gian và có áp suất âm. Theo các phương trình của lý thuyết tổng quát, áp suất của chất liệu và năng lượng đóng góp vào hiệu ứng hấp dẫn. Chất liệu thông thường có áp suất dương, gây cho chúng gom lại theo lực hấp dẫn. Năng lượng tối, với áp suất âm của nó, có tác động ngược lại: nó làm cho vũ trụ mở rộng nhanh hơn.

Mô hình đơn giản nhất cho năng lượng tối là hằng số vũ trụ, ký hiệu bằng chữ Hy Lạp $\Lambda$. Hằng số vũ trụ ban đầu được Einstein giới thiệu như một sửa đổi cho phương trình của mình để cho phép một vũ trụ tĩnh. Sau đó, ông đã bỏ nó sau khi Hubble phát hiện ra vũ trụ đang mở rộng, gọi nó là "lỗi lầm lớn nhất của tôi". Tuy nhiên, trong ngữ cảnh của năng lượng tối, hằng số vũ trụ đã có một sự trở lại đáng chú ý. Nó có thể được hiểu là mật độ năng lượng bên trong của chân không.

Mô hình tiêu chuẩn hiện tại của vũ trụ, được biết đến với tên gọi là mô hình $\Lambda$CDM (Chất sắt lạnh với hằng số vũ trụ), bao gồm cả năng lượng tối dưới dạng $\Lambda$ và chất sắt lạnh, một hình thức chất liệu vô hình tương tác chỉ qua trọng lực, để giải thích cấu trúc và tiến hóa của vũ trụ đã quan sát thấy. Trong mô hình này, năng lượng tối chiếm khoảng 68% tổng mật độ năng lượng của vũ trụ, trong khi chất sắt lạnh chiếm khoảng 27%. Chất liệu bình thường, mọi thứ chúng ta có thể nhìn thấy và chạm, chỉ tạo ra dưới 5% vũ trụ. Trong khi mô hình $\Lambda$CDM đã thành công mô tả một loạt các quan sát vũ trụ, bản chất vật lý của năng lượng tối nghiệm vẫn là một bí ẩn sâu thẳm trong vật lý. Giá trị quan sát của hằng số vũ trụ nhỏ hơn rất nhiều so với giá trị được dự đoán bởi lý thuyết trường lượng tử, một chênh lệch được biết đến là vấn đề hằng số vũ trụ. Có những mô hình thay thế về năng lượng tối nghiệm, như quintessence, mô hình này đề xuất một trường năng lượng tối nghiệm phát triển và biến đổi, đã được đề xuất, nhưng việc phân biệt giữa các mô hình này trong quan sát là thách thức.

Phát hiện năng lượng tối nghiệm mang ý nghĩa sâu sắc với số phận cuối cùng của vũ trụ. Trong một vũ trụ bị chiếm độc bởi vật chất, việc mở rộng sẽ dần chậm lại và đảo ngược, dẫn đến Big Crunch. Tuy nhiên, trong một vũ trụ có hằng số vũ trụ, việc mở rộng sẽ tiếp tục tăng tốc, dẫn đến Big Freeze. Trong kịch bản này, các thiên hà sẽ dần rời xa nhau một cách nhanh chóng đến nỗi ánh sáng từ một thiên hà không thể đến được thiên hà khác. Vũ trụ sẽ trở nên lạnh lẽo, tăm tối và trống rỗng.

Kết luận

Ứng dụng của lý thuyết tương đối tổng quát vào vũ trụ đã gây ra một sự biến đổi sâu sắc trong việc hiểu biết về vũ trụ của chúng ta. Vũ trụ tĩnh, vĩnh cửu của Newton đã được thay thế bằng một vũ trụ phát triển và tiến hóa, bắt đầu từ một Big Bang nóng bỏng và đã mở rộng và nguộn lạnh từ đó. Phát hiện vũ trụ mở rộng, nền nhiệt độ vi sai vũ trụ và năng lượng tối nghiệm đã tạo ra một hình ảnh về vũ trụ mà chúng ta không ngờ tới và tuyệt diệu hơn.

Tuy nhiên, hình ảnh này vẫn chưa hoàn chỉnh. Bản chất của vật chất tối và năng lượng tối, tạo thành 95% của vũ trụ, vẫn chưa được biết đến. Vật lý của vũ trụ sớm, nơi hiệu ứng lượng tử trở nên quan trọng, vẫn chưa được hiểu rõ. Và số phận cuối cùng của vũ trụ, liệu nó có tiếp tục mở rộng mãi mãi hay cuối cùng sẽ sụp lại về chính nó, vẫn là một câu hỏi chưa có lời giải.

Việc trả lời những câu hỏi này sẽ đòi hỏi các quan sát mới và những hiểu biết lý thuyết mới. Các cuộc khảo sát vũ trụ sắp tới, như Kính viễn vọng Điều tra Tổng quan Lớn và vệ tinh Euclid, sẽ định vị cấu trúc của vũ trụ với độ chính xác chưa từng có, cung cấp các thử nghiệm mới cho lý thuyết tương đối tổng quát và ràng buộc mới về bản chất của năng lượng tối nghiệm. Những trạm quan sát sóng hấp dẫn, như LIGO và Virgo, sẽ mở ra một cửa sổ mới về vũ trụ sớm và vật lý của lỗ đen. Và những phát triển lý thuyết, như lý thuyết chuỗi và lý thuyết lượng tử quấn, có thể cung cấp một khung với sự kết hợp giữa lý thuyết tương đối tổng quát và cơ học lượng tử, một bước quan trọng trong việc hoàn chỉnh lý thuyết chính tả của trọng lực lượng tử.

Một thế kỷ sau lý thuyết cách mạng của Einstein, việc nghiên cứu vũ trụ vẫn là một trong những lĩnh vực hấp dẫn và động lực nhất trong tất cả các lĩnh vực khoa học. Khi chúng ta tiếp tục khám phá những hệ quả của lý thuyết tương đối tổng quát cho vũ trụ, chúng ta có thể mong đợi nhiều bất ngờ và khám phá hơn trong những năm sắp tới. Câu chuyện về vũ trụ, từ Big Bang cho đến tương lai xa, vẫn đang được viết tiếp.