Lịch sử vũ trụ - Thiên Văn Học Tập 44 _ Tri thức nhân loại

Sơ lược về lịch sử của vũ trụ Thiên văn học Tập 44 Trong vài tập vừa qua, chúng ta đã biết về cấu trúc và sự tiến hóa của vũ trụ. Bây giờ, đã đến lúc liên kết tất cả những điều đó lại. Chúng ta có thể sử dụng kiến thức vật lý, toán học và thiên văn học này để tìm hiểu xem vũ trụ trong quá khứ như thế nào. Quay ngược trở lại đúng nghĩa đen, ngay thời điểm đầu tiên sau khi nó được sinh ra. Một lịch sử ngắn gọn của vũ trụ. Ban đầu, không có gì cả. Sau đó, có tất cả mọi thứ. Có vẻ hơi kỳ lạ khi giả sử rằng chúng ta có thể hiểu cách vũ trụ bắt đầu. Nhưng nó cũng giống như bất kỳ lĩnh vực khoa học nào khác. Chúng ta có manh mối, quan sát, dựa trên những gì chúng ta thấy đang diễn ra hiện tại. Biết được các quy luật vật lý, chúng ta có thể chạy ngược đồng hồ và xem mọi thứ ngày càng xa hơn trong quá khứ. Ví dụ, như tôi đã nói trong một vài tập trước, vũ trụ đang mở rộng. Điều đó có nghĩa là, trước đây, nó dày đặc hơn, đồng đút hơn và nóng hơn. Tại một thời điểm nào đó, nó nóng hơn bề mặt của một ngôi sao, nóng hơn lõi của một ngôi sao, nóng hơn cả tâm của một siêu tân tinh. Và khi đẩy bộ đếm thời gian lùi lại xa hơn nữa, chúng ta nhận thấy nhiệt độ và mật độ làm cho một siêu tân tinh trông có vẻ lạnh lẽo và hiếm thấy. Rất nhiều điều chúng ta biết về vũ trụ Serkai đến từ các thiến nghiệm được thực hiện trong máy gia tốc hạt khổng lột, Giant Particle Colliders. Khi vũ trụ còn rất trẻ và rất nóng, các hạt quay xung quanh với tốc độ cao và đập vào nhau tạo ra các hạt hạ nguyên tự khác trong quá trình này. Đó chính xác là những gì máy gia tốc hạt làm. Năng lượng cung cấp cho các máy gia tốc hạt càng cao, các hạt sẽ vào vào nhau càng nhanh hơn. Từ đó, chúng ta có thể khảo sát các giai đoạn sớm hơn của vũ trụ. Đó là một trong những lý do chính tại sao chúng ta tiếp tục làm cho máy gia tốc hạt lớn hơn và mạnh hơn để kiểm tra ý tưởng của chúng ta về vũ trụ trẻ tuổi là như thế nào. Vì vậy, hãy quay ngược kim đồng hồ. Nhìn xung quanh chúng ta, nhìn vào vũ trụ cả gần và xa. Chúng ta có thể nói gì về sự khởi đầu của mọi thứ? Khi vũ trụ bắt đầu, nó nóng và dày đặc một cách khó hiểu. Khi đó, nó hoàn toàn khác so với ngày nay. Bởi vì khi bạn bơm nhiều năng lượng hơn vào một thứ gì đó, cách nó hoạt động, thậm chí cả bản chất vật lý cơ bản của nó, cũng thay đổi. Nếu bạn lấy một quả cầu tuyết và làm nóng nó, nó sẽ tàn chảy. Chúng ta gọi đó là sự thay đổi giai đoạn, hay sự thay đổi trạng thái. Đun nóng nó nhiều hơn và nó bốc hơi, biến đổi thành khỉ. Nó vẫn là nước, vẫn bao gồm các phần tự nước, nhưng nó trồng và hoạt động khá khác, phải không? Khi bạn làm nóng một thứ gì đó, điều bạn đang làm là cung cấp cho nó nhiều năng lượng hơn. Trong chất rắn, điều này có nghĩa là các nguyên tử lắc lừa xung quanh ngày càng nhiều, cho đến khi chúng phá vỡ các liên kết hạn chế của chúng với nhau. Và chất rắn tàn chảy. Các nguyên tử vẫn bị ràng buồn bởi các lực khác. Nhưng nếu bạn đốt nóng chúng nhiều hơn, chúng cũng sẽ thoát ra khỏi những lực đó và chất lỏng trở thành chất khí. Làm nóng chúng nhiều hơn, cung cấp cho chúng nhiều năng lượng hơn, và các nguyên tử quay xung quanh ngày càng nhanh hơn. Đun nóng chúng đến hàng triệu hoặc hàng tỷ độ, và các nguyên tử tự tàn chả. Chúng va chạm dữ dội đến mức chúng có thể vượt qua các lực cực mạnh giữ các hạt nhân của chúng lại với nhau, và bạn sẽ có được một món súp gồm các hạt hạng nguyên tử, electron, neutron và proton. Đun nóng chúng nhiều hơn, thậm chí các proton và neutron sẽ va chạm đủ mạnh để vỡ ra thành các hạt hạng nguyên tử cấu thành của chúng, được gọi là quark. Và theo như chúng ta biết, quark và electron là các hạt cơ bản. Vì vậy, chúng không thể chia nhỏ được nữa. Khi chúng ta quay ngược kim đồng hồ, vũ trụ ngày càng dày đặc và nóng hơn. Vào một thời điểm nào đó trong quá khứ, nó nóng đến mức các nguyên tử sẽ không thể giữ được các electron của chúng. Lui lại xa hơn một chút nữa, và nó nóng đến mức các hạt nhân không thể ở lại với nhau. Và vũ trụ là một quả cầu năng lượng nhỏ, cực dày đặc với hỗn hợp neutron, proton và electron. Điều này thậm chí cũng sẽ thay đổi nếu chúng ta quay trở lại xa hơn một chút nữa. Neutron và proton không thể hình thành, bởi vì ngay khi chúng mới hình thành, chúng sẽ đâm vào nhau đủ mạnh để tăng rã. Vũ trụ là một biển electron và quark. Hồi đó, vũ trụ là một nơi kỳ lạ và xa lạ. Ngay cả các lực cơ bản mà chúng ta thấy ngày nay, lực hấp dẫn, lực điện tử và lực hạt nhân chịu trách nhiệm giữ các hạt nguyên tử lại với nhau, cũng như để chúng tăng rã trong quá trình phân rã phóng xạ, đều bị ép lại với nhau thành một siêu lực thống nhất. Giống như quả cầu tuyết tăng chảy và bốc hơi, mỗi khoảnh khắc trong lịch sử của vũ trụ đều giống như một sự thay đổi giai đoạn. Bản chất của thực tế đã thay đổi, luật lệ và hành vi của nó cũng khác. Tại một thời điểm nào đó, chúng ta quay ngược lại quá xa, rất gần với khoảnh khắc đầu tiên về thời gian, đến mức các định luật vật lý của chúng ta sẽ không đủ tốt để giúp chúng ta hiểu được các quy tắc đó, để có thể nói bất cứ điều gì về thời gian dạo đầu tiên đó. Nếu chúng ta gọi thời điểm của vụ nộ lớn, biết bằng là thời gian 0, thì vật lý của chúng ta không thể mô tả những gì xảy ra trong khoảng từ 10 đến 43 giây đầu tiên. Vũ trụ đã có 13,82 tỷ năm tuổi. Vì vậy, việc có thể quay trở lại một phần 10 phần triệu đầu tiên của phần nghìn tỷ của một phần nghìn tỷ giây là một thành công lớn của vật lý học. Điều gì đã xảy ra sau phần nhỏ giây đó được hiểu rõ hơn. Vũ trụ giảng nở và ngụy đi, bốn lực đi theo những con đường riêng biệt của chúng, và các hạt hạng nguyên tử cơ bản đầu tiên có thể tự giữ chúng lại với nhau. Tất cả điều này xảy ra trong giây đầu tiên của sự tồn tại của vũ trụ. 3 phút sau, vũ trụ ngụy đi đủ để các hạt hạng nguyên tử này có thể bắt đầu dính vào nhau. Trong 17 phút tiếp theo, vũ trụ đã làm được điều gì đó đáng chú ý. Nó tạo ra nguyên tử. Nó vẫn nóng một cách kỳ lạ, giống như lõi của một ngôi sao. Nhưng chính ở nhiệt độ đó mà phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể xảy ra. Trong vài phút, các hạt đập vào nhau tạo thành đô-tê-ri, một đồng vị của hy-trô, he-li và chỉ một lượng rất nhỏ li-ti. Một ít beri-li cũng được tạo ra, nhưng nó có tính phóng xạ và nhanh chóng bị phân hủy thành li-ti. Sau đó, ở phút t cộng 20, vũ trụ ngụy đi đủ để phản ứng tổng hợp dừng lại. Khi đó, lượng hy-trô nhiều gấp 3 lần he-li trong vũ trụ. Tỷ lệ nguyên thủy này vẫn còn đúng cho đến ngày nay. Khi chúng ta đo lường mức độ phong phú nguyên tố của mặt trời, chúng ta thấy nó có khoảng 75% hy-trô, 25% he-li. Tại thời điểm này, vũ trụ vẫn nóng hơn bề mặt của một ngôi sao, nhưng nó cũng đang giản nở và ngụy đi. Khi nó làm vậy, các cấu trúc bắt đầu hình thành khi lực hấp dẫn của vật chất có thể vượt qua sức nóng khủng khiếp. Những cấu trúc này sẽ trở thành những thiên hạ mà chúng ta thấy ngày nay. Điều này quan trọng và hơi kỳ lạ. Vì vậy, tôi sẽ quay lại vấn đề này sau ít phút nữa. Sự kiện lớn tiếp theo xảy ra khi vũ trụ đang ở độ tuổi 90, khoảng 380.000 năm. Cho đến thời điểm này, các electron không thể liên kết với các hạt nhân nguyên tử đang chuyển động xung quanh. Mỗi khi chúng cố gắng kết dính, chúng nóng đến mất, các photon ngẫu nhiên sẽ thổi bay chúng một lần nữa. Vũ trụ đã bị ion hóa. Nhưng sau đó, sau 380 thiên niên kỷ, nó đã ngụy đủ để các electron có thể kết hợp với proton và hạt nhân heli. Lần đầu tiên trở thành nguyên tử trung hòa ổn định. Chúng ta gọi khoảnh khắc này là sự tái kết hợp. Đây là một sự kiện quan trọng. Các electron tự do thật sự rất tốt trong việc hấp thụ photon, hấp thụ ánh sáng. Khi vũ trụ vẫn còn bị ion hóa, trước khi tái kết hợp, nó rất mờ. Một photon không thể đi được rất xa trước khi một electron hút nó lên. Nhưng sau khi tái kết hợp, các photon được tự do bay, vũ trụ trở nên trong suốt. Tại sao điều này lại quan trọng? Bởi vì ánh sáng phát ra vào thời điểm này chính là thứ mà chúng ta thấy là nền vi sóng vũ trụ ngày nay. Những nguyên tử trung hòa đó đã phát ra ánh sáng, chúng nóng như một ngôi sao lùn đỏ. Các photon đó đã du hành kể từ đó, chống lại sự mở rộng của vũ trụ, dịch chuyển đỏ vào phần vi sóng của quang phổ, và ngày nay được nhìn thấy trên khắp bầu trời. Ánh sáng nền được dự đoán bởi mô hình biết bang đã trên hành trình của nó tới trại đất gần 13,8 tỷ năm. Ánh sáng này cực kỳ quan trọng, bởi vì nó cho chúng ta biết vũ trụ như thế nào không lâu sau khi nó hình thành. Ví dụ, ánh sáng đó trông gần như giống hệt nhau ở mọi nơi bạn nhìn trên bầu trời. Nó trông mực mà. Điều đó cho chúng ta biết rằng vật chất phân bổ rất đều khắp mọi nơi trong vũ trụ vào thời điểm đó. Và tất cả các vật chất đều có cùng một nhiệt độ. Nếu có một điểm nào đó dày đặc hơn, thì nó sẽ nóng hơn, và chúng ta sẽ thấy rằng trong bức xạ nền là một mạng ánh sáng xanh hơn. Điều đó khá kỳ lạ. Khi bạn nhìn vào bức xạ nền từ các phía đối diện của bầu trời, bạn đang thấy nó đến từ các đầu đối diện của vũ trụ. Thậm chí vào thời điểm đó, những vùng đó của vũ trụ đã bị ngăn cách bởi những hoàn cách rộng lớn, và có nhiều thời gian để đi theo những con đường riêng biệt của chúng, thay đổi theo những cách khác nhau. Chúng sẽ trông khá khác nhau. Nhưng chúng không như vậy. Khi kính thiên văn trở nên tốt hơn, người ta đã tìm thấy những biến thể rất nhỏ trong ánh sáng. Nhưng chúng thật sự chỉ là hệ số 1 trên 100.000. Nói cách khác, một phần của bầu trời có thể trông giống như nó có nhiệt độ là 2,72500 độ Kelvin. Nhưng một điểm khác là 2,72501 độ Kelvin. Vũ trụ có những cục u, nhưng chúng rất xa, nhỏ hơn nhiều so với dự kiến. Chắc hẳn điều gì đó đã xảy ra trong vũ trụ để buộc nó trở nên trơn trù như thế này. Thậm chí hàng trăm nghìn năm sau vụ Big Bang. Điều này khiến nhà vật lý lý thuyết Elon Musk đề xuất một bổ sung đáng kinh ngạc cho mô hình vụ Big Bang. Tại một thời điểm nào đó trong vũ trụ Sarkar, sự giảng nở đột ngột tăng tốc rất lớn. Trong một phần nhỏ nhất của dây, không gian đã thổi phòng lên rất nhiều, nhanh hơn nhiều so với sự giảng nở bình thường. Tăng kích thước lên 100.000 tỷ, nghìn tỷ lần. Chúng ta gọi sự siêu mở rộng này là inflation. Nghe thì có vẻ hơi tùy tiện. Nhưng thực ra bây giờ, nó đã có nền tảng vật lý khả khả cho điều này rồi. Theo một nghĩa nào đó, nó giống như một trong những sự thay đổi phà của vũ trụ xảy ra trong phần dây đầu tiên đó đã đổ một lượng lớn năng lượng vào cấu trúc của không gian và thời gian, khiến nó phình to ra. Inflation giải thích lý do tại sao vũ trụ rất mịn tại thời điểm tái kết hợp. Không gian mở rộng nhanh chóng đến mức bất kỳ khối u nào trong đó cũng được làm phẳng, giống như kéo tấm trải dường để làm phẳng các nếp nhăn. Inflation cũng giải thích cho một số vấn đề khác trong vũ trụ học. Và mặc dù các chi tiết vẫn đang được xử lý, nhưng ý tưởng gần như được các nhà thiên văn học đồng tình rộng rãi. Những dao động mà chúng ta thấy trong nền phát sáng bây giờ thật sự là những diễu loạn cực kỳ nhỏ trong cấu trúc không gian vào thời điểm Inflation, vốn bị kéo dài bởi Inflation đến kích thước vĩ mộ. Những điểm dày đặc này là hạt giống, cuối cùng phát triển hơn nữa, trong lực của chúng thu hút các dòng vật chất tối. Vật chất bình thường cũng được thu thập ở đó, ngừng tụ, cuối cùng hình thành những ngôi sao đầu tiên khoảng 400 triệu năm sau vụ biết băng. Cuối cùng, những vai chạm nhỏ bé ấy từ thời sơ khai của vũ trụ đã trở thành những thiên hạ và cùng thiên hạ, hiện cách xa hàng chục triệu năm ảnh sáng. Thiên hạ của chúng ta, mảnh vũ trụ của chính chúng ta, bắt đầu theo cùng một cách, như một sự biển động lượng tự trong không gian cách đây 13,8 tỷ năm. Bây giờ, hãy nhìn vào chúng ta, đó là một câu chuyện nguồn gốc của chúng ta. Vẫn còn nhiều câu hỏi chưa được giải đáp trong hiểu biết của chúng ta về vũ trụ học. Năng lượng tối là gì? Vài trò của vật chất tối trong vũ trụ sơ khai là gì? Vũ trụ đến từ đầu, ngay từ đầu. Có nhiều vũ trụ hơn ngoài đó không? Nếu thời gian và không gian bắt đầu từ vụ nộ biết bạn, thì biết hỏi điều gì có từ trước nó có phải là câu hỏi ngỡ ngẩn hay không? Chúng ta không ý cầu trả lời cho những câu hỏi này. Rốt cuộc, ngay cả khi hỏi liệu vũ trụ có bắt đầu hay không, chứ đừng nói đến những gì đã xảy ra giữa lúc đó và bây giờ. Hôm nay, bạn đã biết rằng lịch sử của vũ trụ có thể được lập bản đồn bằng cách sử dụng các quan sát thiên văn và vật lý hiện đại. Nó bắt đầu với một vụ nộ biết bạn, khi vũ trụ cực kỳ dày đặc và nóng bỏng. Nó nở ra và ngụy đi, trải qua nhiều giai đoạn mà các loại vật chất khác nhau có thể hình thành. Nó đã trải qua một khoảnh khắc mở rộng nhanh chóng phi thường, được gọi là inflation. Điều này đã làm phản đi phần lớn những hối ụ trong vật chất. Vật chất bình thường hình thành các nguyên tử trong khoảng từ 3 đến 20 phút sau vụ nổ. Và những cục u còn sót lại sau quá trình inflation đã hình thành nên các thiên hạ và các cấu trúc lớn hơn mà chúng ta thấy ngày nay.