Vu Tru Hoc

SƠ LƯỢC VỀ CÁC VẤN ĐỀ TRONG VŨ TRỤ HỌC Bài viết này chỉ nêu sơ lược về quá trình phát triển của vũ trụ học và vật lý thiên văn, các lý thuyết xung quanh sự ra đời của vũ trụ; các nền tảng vật lý học hiện đại là thuyết tương đối lớn và cơ học lượng tử; và cuối cùng là một thuyết thống nhất lớn - thuyết dây - tổng hợp 4 lực cơ bản chi phối tự nhiên: lực hấp dẫn, lực tương tác yếu, lực tương tác mạnh và lực điện từ. - GATHIENOLOGY Einstein và thuyết tương đối rộng Năm 1905, một nhân viên kĩ thuật 26 tuổi ở phòng cấp bằng sáng chế phát minh tại Berne, Đức đã công bố thuyết tương đối hẹp. Đó là Einstein, phủ nhận cơ học cổ điển Newton, một lý thuyết đã được biết đến và luôn nghiệm đúng với thực tế suốt 300 năm cho biết thời gian là tuyệt đối và mọi chuyển động của không gian diễn ra trên cái nền tuyệt đối đó. Với sự ra đời của lý thuyết tương đối hẹp, Einstein khẳng định rằng - Thời gian cũng chỉ có tính tương đối, nó phụ thuộc hệ qui chiếu - Mọi định luật vật lí là như nhau trong mọi hệ quy chiếu. Và một phương trình kinh điển được khắc lên mộ ông sau này: E = MC 2, khối lượng có thể chuyển hoá thành năng lượng, và ngược lại. Công thức này ko những cho phép khám phá bí mật năng lượng của các sao, mà còn chế tạo 2 quả bom nguyên tử đã tàn phá 2 thành phố Hiroshima và Nagasaki năm 1945. Giả sử có 2 anh em sinh đôi là John và Jim. John du hành vào không gian trên một tên lửa bay với vận tốc bằng 87% C. Jim ở lại trên trái đất. 2 anh em liên lạc với nhau bằng cách gửi cho nhau sóng vô tuyến. Jim thấy rằng, với các dụng cụ đo thời gian và khoảng cách mà anh có trên Trái đất, John khi bay trong ko gian sẽ già chậm hơn mình 2 lần, phi thuyền của John sẽ ngắn lại so với KT trên Trái đất 2 lần và khối lượng tăng lên 2 lần. Hay nói cách khác, Jim thấy khi thời gian giãn ra, tức là nó trôi chậm hơn, thì ko gian cũng co lại chừng ấy; và ngược lại. Khi kết thức chuyến đi của mình, John quay về trái đất và gặp lại Jim đã già hơn mình rất nhiều. Như vậy, trong chừng mực nào đó, John đã du hành đến tương lai của Jim. Tuy nhiên, đây hoàn toàn chỉ là giả định, trở ngại đầu tiên là cơ thể

chúng ta ko thể chịu đựng được những cú tăng tốc đột ngột và vận tốc lớn như vậy mà ko bị vụn ra. Ko thể tăng tốc một vật có khối lượng đạt đến vận tốc ánh sáng, bởi khi chuyển động với vận tốc lớn, khối lượng của vật đó tăng theo, Vd phi thuyền của John, nếu đạt gần vận tốc AS thì khối lượng tăng đến vô cùng, phải có một lượng nhiên liệu vô cùng lớn để duy trì chuyển động của phi thuyền. Trờ ngạiv ề nhiên liệu là ko thể vượt qua. Do đó, ko thể đạt đến vận tốc ánh sáng, và càng ko thể vượt qua nó. Phải chăng từ xa xưa người ta đã có ý tưởng về sự co giãn không thời gian? Trong các truyện cổ tích, có chàng trai lên trời ở 3 ngày, khi xuống mặt đất đã 3 năm trôi qua. Thuyết tương đối hẹp chỉ mô tả được chuyển độngt hẳng đều của các vật, nhưng ko mô tả được chuyển động có gia tốc. Lực hấp dẫn cũng vắng bóng trong phương trình của ông. Từ trước, trong cơ học Newton, không gian là phẳng và các vật thể hút nhau bởi lực hấp dẫn. Tuy nhiên, Einstein chỉ xem không gian là phẳng khi không có vật chất và năng lượng. Từ đó, ông cho ra đời thuyết tương đối rộng, có thể diễn giải nôm na là: sự hiện diện của 1 khối lượng, vd Mặt trời, sẽ làm cho cấu trúc của không gian quanh nó bị cong đi. Sự cong này lại ảnh hưởgn tới các vật khác chuyển động ở lân cận mặt Trời, vì chúng phải chuyển động qua một cấu trúc không gian bị biến dạng. Hình ảnh minh hoạ với màng cao su và quả bowling, nếu ta đặt 1viên bi nhỏ trên màng đó và cho nso vận tốc ban đầu, thì quãng đường mà nó đi sẽ phụ thuộc rằng quả bowling có được đặt ở tâm hay ko. Nếu ko có quả bowling ở đó, màng cao su sẽ phẳng và viên bi sẽ chuyển động theo một đường thẳng. Nếu có mặt quả bowling và do đó làm cong màng cao su, thì viên bi sẽ chuyển động với quỹ đạo cong. Nếu bỏ qua ma sát, thả viên bi chuyển động với vận tốc và hướng thích hợp, nó sẽ tiếp tục chuyển động theo một quỹ đoạ cong, tuần hoàn quanh quả bowling . Đó cũng là cách giải thích về cơ chế truyền lực hấp dẫn của Einstein. Giống như quả bowling, Mặt trời làm cong cấu trức không gian bao quanh nó và chuyển động của Trái Đất, giống như chuyển động của viên bi, được xác

định bởi hình dạng sự cong đó. Trái đất, giống như viên bi, sẽ chuyển động xung quanh Mặt trời nếu như vận tốc và sự định hướng của nó có giá trị thích hợp. Tác dụng này lên Trái đất chính là cái mà chúng ta thường viện đến như là tác dụng hấp dẫn của Mặt trời. Einstein đã chỉ ra được cơ chế truyền hấp dẫn: sự cong của không gian. Từ đó, lực hấp dẫn theo cách mới được hiểu như sau: - Quả bowling càng nặng thì sự biến dạng nó gây ra cho màng cao su càng lớn. Tương tự, một vật có khối lượng càng lớn thì sự biến dạng nó gây ra cho không gian xung quanh cũng càng lớn. Như thế, nếu motọv ậtc àng nặng thì tác dụng hấp dẫn cua rnó lên vật khác càng lớn. - Sự biến dạng do quả bowling gây ra cho tấm màng cao su càng nhỏ khi ta càng xa quả bowling, mức độ cong của ko gian do một vật nặng như Mặt trời gây ra sẽ giảm khi khoảng cách tới vật đó tăng. Lực hấp dẫn càng yếu khi khoảng cách giữa các vật càng lớn. Cần chú ý là Trái đất cũng làm cong không gian do khối lượng của nó, do đó nó cũng giữ được Mặt Trăng trên quỹ đạo. Các vật chuyển độngt rong ko gian (ko thời gian) dọc theo những con đường khả dĩ ngắn nhất hay ít bị cản trở nhất. Nếu không gian bị cong, những con đường như thế là cong. Tuy nhiên, mô hình minh hoạ màng cao su và quả bowling so với Mặt trời, Trái đất khac snhau về bản chất và cơ chế vật lý: - MT làm cho cấu trúc xung quanh nó bị cong, nhưng ko phải như quả bowling bị kéo xuống bởi trọng lực . - Mô hình mình hoạ của chúng ta chỉ là mô hình 2 chiều, trong thực tế, tất cả các vật có khối lượng đều làm cong không gian 3 chiều xung quanh nó. Nhà vật lý John Wheeler đã nói: “Khối lượng áp đặt sự chi phối của nó lên ko gian bằng cách nói cho không gian biết phải cong đi như thế nào, còn không gian áp đặt sự chi phối của nó lên khối lược bằng cách nói cho khối lượng biết phải chuyển động như thế nào”. - Trong mô hình này, chúng ta đã bỏ đi chiều thời gian. Sự lệch của các tia sáng khi đi qua các vật thể có khối lượng lớn (các ngôi sao) đã được kiểm chứng vào năm 1919 qua việc quan sát sự sai khác về vị trí của các ngôi sao khi có hiện tượng Nhật thực. Cuộc quan sát này đã góp một phần rất

lớn khẳng định sự đúng đắn của lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein. Nó còn cho phép chúng ta tận dụng một hẹ quả của lí thuyết này trong việc quan sát các thiên thể và tìm kiếm quá khứ. Đó là thấu kính hấp dẫn (Gravitational lens). Thấu kính hấp dẫn là hiện tượng ánh sáng từ các ngôi sao, các thiên hà ở xa khi đi đến Trái Đất bị bẻ cong khi đi gàna các ngôi sao lớn hay các thiên hà, sự bẻ cong ánh sáng ở rìa của ngôi sao hay thiên hà chặn đường này làm các tia sáng từ thiên hà xa khi đến với chúng ta hội tụ lại giống như khi đi qua một thấu kính hội tụ và việc này cho phép chúng ta quan sát rõ hơn hình ảnh các thiên hà này (đã được phóng to nhờ chiếc thấu kính hấp dẫn) Thuyết tương đối tổng quát còn đưa ra cho chúng ta một phương trình trường mô tả vũ trụ mà các bạn sẽ biết rõ hơn về lịch sử của nó ở một phần sau của tài liệu này. Vũ trụ giãn nở Trước khi đi vào vấn đề này, chúng ta hãy tìm hiểu về hiệu ứng Doppler. Một tiếng còi trên xe cấp cứu tiến đến ta sẽ có tần số cao hơn (chói hơn) khi xe đứng yên. Tần số này giảm dần (trầm hơn) khi xe vượt qua ta và nhỏ hơn bình thường khi xe chạy ra xa. Hay như cơ chế hoạt động của súng bắn tốc độ. Các bạn đi ra đường đã bị cảng sát GT bắn tốc độ bao giờ chưa? Sử dụng cơ chế radar và hiệu ứng Doppler, phát ra một bước sóng radio có tần số xác định f0 rồi thu nhận tần số sóng radio f1 phản xạ ngược trở lại từ phương tiện giao thông đang di chuyển với vận tốc u. Từ f0 và f1 ta sẽ tính ra được vận tốc của phương tiện giao thông đó. Tần số tăng lên khi nguồn tiến về phía người quan sát, và giảm đi khi nguồn đi ra xa người quan sát(với điều kiện chuyển động giữa nguồn và người không phải là chuyển động đều). Một giai thoại về Doppler: một hôm Doppler vượt đèn đỏ, ko may ông bị CS chặn xe lại. Ông phân bua rằng xe mình chạy nhanh, nên ông ko thấy đèn đỏ nữa mà chỉ thấy màu xanh thôi, theo như nghiên cứu của ông. Anh CS lúng túng. Tất nhiên đó chỉ là giai thoại cho vui, thực tế phải một chuyển động gần vận tốc ánh sáng mới có sự dịch chuyển xanh như vậy.

Năm 1929, bằng các quan sát của mình, Edwin Hubble phát hiện thấy một hiện tượng lạ trong phổ của các thiên hà quan sát được. Phổ của tất cả các thiên hà này đều dịch chuyển về phía đỏ một cách có hệ thống. Cụ thể, mức độ dịch chuyển này tỉ lệ với khoảng cách của các thiên hà đến chúng ta. Ðiều đó cho thấy tất cả các thiên hà này đều đang lùi xa ra khỏi chúng ta với tốc độ ngày càng lớn (tỷ lệ với khoảng cách). Như vậy, các thiên hà đều đang rời xa chúng ta từ tất cả mọi hướng. Từ đó có thể dễ dàng thấy rằng vũ trụ đang giãn nở với tốc độ rất lớn, tốc độ này được liên tục gia tốc, tức là càng ngày tốc độ giãn nở càng nhanh. Vậy phải chăng chúng ta đúng là trung tâm của vũ trụ khi mà tất cả các thiên hà đều đang rời xa ta về mọi phía như thế? Câu trả lời là không! Vũ trụ đang giãn nở không ngừng, đúng như thế. Tuy nhiên sự giãn nở này không có một tâm nào cả, chúng ta không phải là tâm của vũ trụ, thượng đế không ban cho con người Trái Ðất một đặc quyền nào hết. Cho đến đầu thế kỉ 20, người ta vẫn cho vũ trụ là tĩnh. Bị ám ảnh bởi điều này, khi tìm ra phương trình mô tả vũ trụ, Einstein đã thấy kết quả vũ trụ đang giãn nở. Ko tin vào kết quả đó, ông thêm vào hằng số vũ trụ để có 1 vũ trụ tĩnh. Tuy nhiên, sau khi Hubble đã chứng minh vũ trụ đang giãn nở, ôngthừa nhận sai lầm của mình: “Đó là sai lầm lớn nhất đời tôi”. Lí thuyết BIGBANG Lí thuyết BIGBANG được đề ra bởi George Gamov vào năm 1948 Ðây là một lí thuyết về một vũ trụ đặc và nóng, có điểm khởi đầu. Lí thuyết này cho biết vũ trụ đã khởi đầu bằng một vụ nổ lớn (bigbang) diễn ra cách đây chừng 15 tỷ năm. - t = 0. Vũ trụ ra đời bằng bigbang. không có gì để nói vì thời gian này được giới hạn bởi bức tường Plank - t = 10-43s . Thời gian Plank, kích thước vũ trụ là 10-33 cm, đây là những giới hạn lượng tử mà vật lí chưa thể vượt qua. Nhiệt độ của vũ trụ lúc này là khoảng 1032 oK. Tất cả mọi trạng thái của vũ trụ là hết sức hỗn độn. - Tiếp sau là thời kì lạm phát, kích thước vũ trụ tăng lên rất nhanh và hình thành các hạt và phản hạ. Tiếp nữa là thời kì bức xạ, nhiệt nộ giảm dần, hình thành

nên những hạt nhân nguyên tử của nguyên tố đầu tiên: hidro và heli, các hạt nhân này chiếm ưu thế trong vũ trụ một thời gian dài. Nhiệt độ tiếp tục giảm, các e bị thu về các hạt nhân, tạo nên nguyên tử của các nguyên tố. Các hạt cơ bản tạo ra các dạng vật chất, khi và bụi tăng lên rồi tập hợp với nhau thành từng nhóm, tạo nên các thiên hà và các ngôi sao. - t = 15 tỷ năm: hiện nay Do có thời gian có hạn và có nhiều thuật ngữ chuyên nhành, nên chúng tôi chỉ tóm tắt quá trình ày, còn lại nhường cho bạn đọc tự tìm hiểu. Lí thuyết BIGBANG này ngày nay đã được công nhận gần như tuyệt đối do nó có cơ sở dựa trên lí thuyết tương đối rộng, nguyên lí về "vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng" và sự dời xa của các thiên hà theo quan sát của Hubble. Nguyên lí vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng nêu trên lúc đầu được gọi là "nguyên lí vũ trụ học" được đưa ra bởi A.Friedman. Đây là giả thuyết cho rằng vũ trụ là tương tự nhau ở mọi nơi và theo mọi hướng. Tức là xét trên mức độ vĩ mô, người quan sát ở bất cứ thời điểm nào và tại bất cứ nơi đâu cũng thấy vũ trụ là như nhau theo mọi hướng. Sau các khám phá về quá trình tiến hóa và giãn nở của vũ trụ, nguyên lí này được bỏ bớt một ý, đó là sự đồng nhất về thời gian. Đúng như vậy, vũ trụ có biến đổi về thời gian nhưng dù đúng ở bất cứ điểm nào và quan sát về bất cứ hướng nào thì vũ trụ cũng là như nhau. Cho đến năm 1965, lí thuyết BIGBANG có thêm một khẳng định nữa khi bức xạ tàn dư của vũ trụ được 2 kĩ sư vô tuyến điện Arno Penzias và Robert Wilson phát hiện khi chế tạo ăng ten bắt sóng từ vệ tinh. Penzias và Wilson đã phát hiện qua kính thiên văn vô tuyến một lọai bức xạ điện từ vi ba trên bước sóng 3cm. Ðây là loại bức xạ tràn ngập vũ trụ và hoàn toàn đẳng hướng, có nghĩa là ta đo được nó từ mọi hướng. Năm 1991, vệ tinh COBE (Cosmic Background Exporer) đã đo được phông bức xạ hoá thạch là 2.7 độ Kelvin với độ chính xá rất cao. Và Big Bang đã được thừa nhận rộng rãi. Bạn cũng có thể thấy bức xạ hoá thạch trên màn hình TV nhà bạn sau khi kết thúc chương trình. Bạn thấy các chấm sáng nhỏ nhảy múa trên màn hình Khoảng 1% nhiễu này là do các photon của bức xạ háo thạch gây ra. Nó đã đi một hành trình dài suốt 13,5 tỉ năm qua để đến thăm Trái đất.

Như vậy là theo thuết BigBang nói trên, tất cả chúng ta (vũ trụ) đã ra đời cách đây 15 tỷ năm bởi một vụ nổ. Ta không thể nói gì về nó vì ngoài phạm vi của BigBang thì không tồn tại vật chất và bức xạ, do đó không tồn tại khái niệm không gian và thời gian, từ duy nhất ta có thể dùng để chỉ nó là "không gì cả". Chúng ta không thể có khái niệm không gian và thời gian vào trước khi BIGBANG xảy ra. Vì sao lại như vậy? Như trên đã nói, toàn bộ vật chất (các hạt) chỉ được tạo thành bởi vụ nổ lớn (BIGBANG). Vậy có nghĩa là trước BB không hề có sự tồn taị của các hạt mà chúng ta đã biết. Như vậy là không có một sự khác biệt nào để phân biệt 2 điểm, như vậy là không gian không hề tồn tại. Mặt khác ta lại biết rằng thời gian chỉ là một đại luợng biểu diễn các quá trình. Vậy ở đây ta sẽ sử dụng thời gian để làm gì khi không có sự biến đổi, sự chuyển động của các hạt. Vậy ta có thể đi đến kết luận thòi gian cũng không tồn tại ngoài phạm vi của BIGBANG. Như thế thì chúng ta lại có một lưu ý nhỏ là không bao giờ được phép nói rằng BIGBANG đã bùng phát tại "một điểm" vì đơn giản là điểm thì phải được xác định trong một không gian hình học nào đó trong khi ở đây ta không có không gian. Việc nghiên cứu về Vụ nổ lớn có những bước tiến bộ vượt bậc vào những năm 1990 và những đầu năm của thế kỷ 21 nhờ vào sự phát triển của kỹ thuật kính thiên văn kết hợp với một lượng lớn các dự liệu vệ tinh như Máy thăm dò phông vũ trụ (COBE), kính thiên văn không gian Hubble và Máy dò dị hướng vi sóng Wilkinson (WMAP). Các dữ liệu này cho phép các nhà vũ trụ học tính toán rất nhiều thông số về Vụ nổ lớn với độ chính xác cao và cho ra khám phá bất ngờ là sự giãn nở của vũ trụ không phải là đều mà đang được gia tốc. Tương lai của vũ trụ. Như ta đã biết, vũ trụ khởi đầu bằng một vụ nổ lớn cách đây khoảng 15 tỷ năm. sự dãn nở phụ thuộc vào cái gì? Đó chính là hằng số Hubble. Nó cho chúng ta biết chính xác về quá trình tăng tốc của sự giãn nở để đưa ra được kết luận chính xác bằng một phép tính ngược đơn giản. Sự quan trọng của hằng số Hubble không chỉ là với quá khứ mà sẽ còn quan trọng hơn vì nó liên quan cả đến tương lai của vũ trụ nữa.

Ta hãy xét một đại lượng nữa có liên quan mật thiết đến tương lai của vũ trụ. Đó là mật độ trung bình của vũ trụ. Ta xét mối tương quan của mật độ này với một mật độ tới hạn có thể tính được. - Nếu mật độ trung bình d < dt (mật độ tới hạn) thì vũ trụ là giãn nở mãi mãi (vũ trụ mở) với tốc độ dãn nở tiếp tục tăng và có dạng hyperbol - Nếu d = dt thì vũ trụ vẫn tiếp tục giãn nở nhưng với tốc độ giảm dần nhưng không bao giờ về không (vũ trụ phẳng) - Nếu d > dt thì sự giãn nở sẽ được thay dần bằng sự co lại và vũ trụ dần trở về trạng thái ban đầu (vũ trụ đóng) và có dạng elip Người ta đã đo được dt = 10-29 g/cm3 Theo như quan sát hiện nay thì vũ trụ có vẻ như là một vũ trụ mở, tức là giãn nở mãi mãi với tốc độ tăng nhanh tuy gia tốc có thể giảm. Có điều một lần nữa chúng ta lại phải dừng lại trước khi nghĩ rằng vậy là ta đã biết tất cả về tương lai của vũ trụ, có nghĩa là của cả nhân loại nữa. Đó là vì một lần nữa kẻ gây cản trở trên con đường khám phá vũ trụ của chúng ta lại là hằng số Hubble. Và như vậy là với một hằng số chưa xác định hoàn toàn là hằng số Hubble ở đây thì chúng ta vẫn chưa thể xác định được chính xác mật độ tới hạn của vũ trụ. Chưa kể nếu có sự xuất hiện của vật chất tối thì mật độ của vũ trụ có thể sẽ khác với những gì chúng ta đã biết, và năng lượng tối đẩy nhanh tốc độ giãn nở của vũ trụ. Thuyết Big Bang lạm phát John Wheeler đưa ra thuyết “Vũ trụ luân hồi”, cho rằng lực hấp dẫn sẽ thắng sự giãn nở của vũ trụ và co lại, gọi là vụ co lớn (Bug Crunch). Và vụ bùng nổ tiếp theo sẽ khiến vũ trụ hồi sinh từ đống tro tàn. Quá trình cứ lặp lại mãi với các pha co giãn xen kẽ nhau. Đáng tiếc Big Crunch không phải là đối xứng gương hoàn hảo của Big Bang, và các vụ nổ sẽ ngày càng lớn hơn. Vì thế vũ trụ vẫn có thể có điểm khởi đầu tối hậu, một chủ đề thần học ưu thích. Cần lưu ý rằng các hằng số vật lý ko hề thay đổi trong suốt 15 tỷ năm qua. Nếu thay đổi 1 lượng nhỏ 1 hằng số nào thì số phận của vũ trụ đã khác. Như vậy liệu tự nhiên có ưu ái con người, tạo ra 1 vũ trụ có con người sinh sống và nghiên

cứu nó? Hay chỉ là một sự tình cờ? Để vấn đề này sang một bên và tìm hiểu câu chuyện về con mèo của Strodinger. Tưởng tượng trong phòng có 1 con mèo và 1 lọ thuốc độc xianua. Trên bình thuốc độc có treo 1 cái búa được điều khiển bằng 1 chất phóng xạ mà các hạt nhân tự phân rã sau một thừoi gian nào đó. Khi hạt nhân đầu tiên phân rã, cái búa rơi xuống và thuốc độc thoát ra làm chết con mèo. Sự sống chết của con mèo phụ thuộc vào lần phân rã đầu tiên, nhưng theo cơ học lượng tử, nó được mô tả = xác suất: 50% cơ hội để 1 hạt nhân phân rã (hoặc ko) sau 1 giờ. Theo ông, con mèo ko thể vừa sống và chết. Nó chỉ hoạc chết, hoặc sống mà thôi. Vì vậy, các nhà khoa học đề xuất nên một thuyết mới về các vũ trụ song song (hay đa vũ trụ), trong đó, vũ trụ của chúng ta chỉ là 1 trong số các vũ trụ đang tồn tại mà thôi. Ở vũ trụ này con mèo sống, ở vũ trụ khác cũng có 1 con mèo bị nhốt như thế, và nó chết. Một số giả thuyết khác về vũ trụ Giả thuyết thứ nhất chúng ta nói tới ở đây là giả thuyết về một "vũ trụ tĩnh định" Một giả thuyết khác chống lại lí thuyết BIGBANG là thuyết về sự mệt mỏi của ánh sáng. Cơ học lượng tử Cơ học lượng tử là một lý thuyết cơ học, nghiên cứu về chuyển động và các đại lượng vật lý liên quan đến chuyển động như năng lượng và xung lượng, của các vật thể nhỏ bé, ở đó lưỡng tính sóng hạt được thể hiện rõ. Cơ học lượng tử được hình thành vào nửa đầu thế kỷ 20 do Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli và một số người khác tạo nên. Một số vấn đề cơ bản của lý thuyết này vẫn được nghiên cứu cho đến ngày nay. Nói chung, cơ học lượng tử không cho ra các quan sát có giá trị xác định. Thay vào đó, nó tiên đoán một phân bố xác suất, tức là, xác suất để thu được một kết quả khả dĩ từ một phép đo nhất định.

Một số nhà vật lý tin rằng cơ học lượng tử cho ta một mô tả chính xác thế giới vật lý với hầu hết các điều kiện khác nhau. Dường như là cơ học lượng tử không còn đúng ở lân cận các hố đen hoặc khi xem xét vũ trụ như một toàn thể. Ở phạm vi này thì cơ học lượng tử lại mâu thuẫn với lý thuyết tương đối rộng, một lý thuyết về hấp dẫn. Câu hỏi về sự tương thích giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu rất sôi nổi. Có một điều rất thú vị là Einstein ko chấp nhận cơ học lượng tử. Ông tin vào sự rõ ràng của vũ trụ và hành trạng vật chất. Ông ko tin vũ trụ bị chi phối bởi các định luật xác suất. Ông vẫn khăng khăng: “Chúa ko chơi trò xúc xắc”. Trong một lần tranh luận như thế, Niels Bohr đã cáu lên đáp: “Thôi, đừng bảo chua sphair làm gì nữa đi”. Do thời gian hạn chế và nhiều khái niệm rất mới và phức tạp nên tôi dành phần này cho các độc giả quan tâm đến vật lý thiên văn tự tìm hiểu. Big Bang trong thuyết dây Lý thuyết trường lượng tử xem các hạt cơ bản (như điện tử, quark....) là chất điểm không kích thước. Năm 1984, lý thuyết dây xuất hiện để thống nhất thuyết tương đối và thuyết lượng tử, hai nền tảng của vật lý hiện đại. Theo đó cấu tử cơ bản của vũ trụ là dây một chiều (giống đoạn dây nhìn từ xa nên dường như chỉ có chiều dài), màng hai chiều (giống tờ giấy mỏng vô hạn) hay các thực thể nhiều chiều hơn (đến 10 chiều). Chúng luôn dao động và các kiểu dao động cộng hưởng được xem là các hạt cơ bản mà ta thấy. Khác với không thời gian bốn chiều trong thuyết tương đối, không thời gian trong lý thuyết dây có 11 chiều, với bảy chiều cong lại và nhỏ bằng độ dài Planck. Đó là lý do ta sống trong 11 chiều mà chỉ “thấy” bốn chiều đã trải rộng ra nhờ vụ nổ lớn. Quá đẹp nên chỉ có thể hoặc đúng hoàn toàn hoặc sai hoàn toàn (phê phán năm 1986 của nhà vật lý hạt cơ bản đoạt giải Nobel Glashow), lý thuyết dây chứng tỏ các qui luật vật lý của thế giới “nhỏ” sau bức tường Planck hoàn toàn đồng nhất thế giới “lớn” trước bức tường. Điều đó cho phép đưa ra kịch bản mới cho Big Bang, theo đó khởi thuỷ không phải là một kì dị, mà là một trạng thái “hấp dẫn lượng tử” kích thước Planck với 11 chiều. Rồi một vụ nổ khiến bốn chiều không thời gian giãn ra tạo nên vũ trụ (lý thuyết dây giải thích được tại sao bảy chiều khác vẫn cong nhỏ như trước). Và nếu co lại, vũ trụ cũng không co về điểm kì dị

chung cục Big Crunch (như mô hình Big Bang tiêu chuẩn), mà chỉ co đến kích thước Planck rồi lại nở ra. Quá trình có thể lặp lại mãi như thế. Theo lý thuyết dây thì vũ trụ chúng ta cũng có thể là một màng bốn chiều, vốn là biên của một hình cầu năm chiều. Nằm cách ta một khoảng cách vi mô trong chiều thứ năm là một màng khác, được gọi là “màng bóng” (như hình với bóng, nhưng bóng cũng thực như hình). Hai màng hình và bóng chỉ tương tác nhau qua lực hấp dẫn. Khi đó vật chất hay năng lượng tối của màng này chính là vật chất thông thường của màng bên cạnh. Hai màng có thể tự co giãn và va chạm nhau. Đối với chúng ta (đang sống trên một màng), cú và chạm chính là Big Bang. Và có thể có nhiều vụ nổ và co lớn nhỏ nối tiếp hay xen kẽ nhau.

Vật chất tối Trên đây chúng ta đã nhắc nhiều tới sự tham gia của một khái niệm tương đối mới vào quá trình tiến hoá và cấu trúc vũ trụ. Đó là vật chất tối hay Dark Matter. Năm 1933, Fritz Zwicky phát hiện ra sự xuất hiện của loai vật chất này khi đo vẫn tốc của các thiên hà trong quần thiên hà Coma. Chúng ta cần biết rằng có 2 phương pháp cơ bản để xác định khối lượng của một thiên hà. Cách thứ nhất là sự phân tán vận tốc trong quần thiên hà. Thiên hà có khối lương càng lớn sẽ càng có sự phân tán vận tốc rõ nét ra các thiên hà lân cận và nhờ phương pháp đó có thể xác định được tổng khối lượng của quần thiên hà. Cách thứ hai là xác định độ trưng của các thiên hà để rút ra khối lượng của chúng và từ đó tính được tổng khối lượng của quần thiên hà. Điều đáng chú ý là khối lượng của một quần thiên hà tính theo cách thứ nhất luôn lớn hơn rất nhiều khối lượng tính theo cách hai (khaỏng 10 lần) cho dù tính đến sai số rất cao. Như vậy có thể suy đoán rằng có sự tồn tại của một loại vật chất còn chưa biết. Chính sự tồn tại của vật chất này mà khối lượng thật của các thiên hà thực chất lớn hơn rất nhiều khối lượng có thể quan sát được. Hiện vẫn chưa có thực nghiệm nào xác nhận hoàn toàn sự có mặt của các vật chất tối này. Dự đoán đó có thể là một loại vật chất đặc biệt cấu tạo từ những hạt gần như không bức xạ hoặc cũng có thể sự tồn tại khối lượng này đơn giản chỉ là các lỗ đen hoặc các sao lùn nâu, lùn đen (những loại thiên thể này không bao giờ có thể nhìn thấy được)

Năng lượng tối Kết luận Cấu trúc vữ trụ là một trong những cấu trúc tự nhiên phức tạp nhất, những hiểu biết của con người về nó còn quá nhỏ bé. Trong thế kỉ 21, các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu và phát triển thuyết dây, thuyết M, hấp dẫn lượng tử nhằm thống nhất 4 lực cơ bản chi phối tự nhiên: lực hấp dẫn trong thuyết tương đối, lực điện từ, lực tương tác mạnh và lực tương tác yếu (bước ra từ cơ học lượng tử) và bước đầu có những thành tựu đáng kể.

Nguồn ảnh: NASA, ESA và wikipedia Tài liệu tham khảo và khuyến nghị đọc thêm: - Weiberg, Steven: Ba phút đầu tiên - Greene, Brian: Giai điệu dây và bản giao hưởng vũ trụ, bản dịch của Phạm Văn Thiều, NXB Trẻ 2006. - Hawking, Stephen: Lược sử thời gian, bản dịch của Phạm Văn Thiều, NXB Tre 2005. - Hawking, Stephen: Vũ trụ trong vỏ hạt dẻ - Gardner, Martin. Thuyết tương đối cho mọi người – NXB ĐH quốc gia HN 2001 - Trịnh Xuân Thuận: Những con đường của ánh sáng, tập I, bản dịch của NXB Trẻ 2008. - Trịnh Xuân Thuận: Giai điệu bí ẩn - Trịnh Xuân Thuận: Hỗn độn và hài hoà - Trịnh Xuân Thuận: Cái vô hạn trong lòng bàn tay, từ Big Bang tới giác ngộ, NXB Trẻ 2006. - Trịnh Xuân Thuận: Nguồn gốc - Nỗi hoài niệm về những thưở ban đầu - Trò chuyện với Trịnh Xuân Thuận

- Nguyễn Quang Riệu . Vũ trụ - Phòng thí nghiệm thiên nhiên vĩ đại - Nhiều tác giả. Những con đường đến với các vì sao – NXB KHKT 2003 - Từ điển Bách khoa thiên văn học – NXB Khoa học kĩ thuật 1999 (Xếp từ khó đến dễ) HAS - World Space Week 2008 - Hội trường khoa Vật lý – ĐH Sư phạm HN Gathienology 05/10/2008