Vụ nổ Big Bang là một vụ nổ đánh dấu sự hình thành của vũ trụ. Nhờ có vụ nổ đó, vũ trụ hình thành các hành tinh và tiểu hành tinh trong đó có trái đất của chúng ta. Tuy nhiên không phải ai cũng hiểu, nắm bắt thông tin về vụ nổ này, ta sẽ cùng tìm hiểu về vụ nổ khai sinh ra vũ trụ ngay dưới đây.
Vụ nổ Big Bang là sự kiện gì?
Một câu hỏi mà nhiều người luôn thắc mắc chính là vũ trụ là gì? Ở Trung Hoa thời xa xưa, nhà triết học Lão Tử gọi vũ trụ là một tồn tại “vô thủy, vô chung và vô cùng, vô tận”. Tuy nhiên bằng sự phát triển của xã hội cũng như sự tích lũy các kiến thức vật lý, khoa học thì đã cho ra đời một học thuyết cho rằng sự hình thành của vũ trụ là do vụ nổ Big Bang.
Vậy ta có thể hiểu rằng Big Bang chính là vụ nổ đầu tiên, và kể từ lúc đó mới bắt đầu sinh ra không gian, sinh ra năng lượng, vật chất và cấu thành nên vũ trụ như hiện nay. Trong suốt một thời gian dài, lý thuyết coi vũ trụ hình thành từ vụ nổ Big Bang được coi là lý thuyết siêu hình.
Tuy nhiên với những thành tựu của vật lý hạt, vật lý lượng tử, cũng như những quan sát thiên văn đã cung cấp ra những kịch bản phù hợp với cấu trúc của vật chất trong vũ trụ. Từ đó lý thuyết dần được thừa nhận một cách rộng rãi.
Vụ nổ Big Bang mang đặc điểm gì?
Đầu tiên, vũ trụ ban đầu chỉ gồm những hạt quark và hạt electron chuyển động với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Tùy vào những va chạm không ngừng mà các hạt tự phá hủy lẫn nhau, đồng thời cũng sinh ra một số hạt khác.
Sau khi vụ nổ Big Bang xảy ra được khoảng 1 phần triệu giây, lúc này nhiệt độ hạ xuống tới 10.000 tỷ độ K. Lúc này các hạt nặng đầu tiên xuất hiện chính là proton và nơtron bằng sự kết hợp của các hạt quark. Sau đó các hạt lepton được sinh ra nhanh chóng và chiếm phần lớn trong vũ trụ.
Khi nhiệt độ còn 10 tỷ độ K, các hạt proton và notron kết hợp với nhau để tạo thành các hạt đơteri. Sau 3 phút nhiệt độ khoảng 1 triệu độ K thì các photon không còn khả năng phá vỡ các liên kết trong hạt nhân nữa.
Lúc này, vũ trụ đã hình thành được các nguyên tử nhẹ như đơteri, heli, liti,… Sau khi Big Bang xảy ra được 15 phút, những quá trình tổng hợp hạt nhân đầu tiên đó mới kết thúc bởi nhiệt độ hạ xuống quá thấp và không làm phản ứng hạt nhân xảy ra.
Khoảng 300.000 năm sau, vũ trụ nguội dần xuống dưới 3000 độ K, các hạt electron không còn chuyển động nhanh và tự do như trước. Thay vào đó các hạt nhân giữ lấy electron và làm chúng chuyển động xung quanh mình để tạo thành nguyên tử.
Điều gì tồn tại ở trước vụ nổ thế kỷ?
Theo thuyết tương đối của nhà bác học Einstein, khái niệm thời gian sẽ chỉ tồn tại tại điểm kỳ dị nguyên thủy. Tức là không có tồn tại khoảng thời gian trước khi vụ nổ Big Bang diễn ra. Tuy nhiên phần thuyết tương đối vẫn chưa phải là đầy đủ, vẫn có nhiều hiện tượng mà thuyết tương đối không thể lý giải.
Lúc này sự ra đời của vật lý lượng tử cũng một loạt những lý thuyết mới đã thay đổi những khái niệm trước đây và mở ra câu trả lời cho câu hỏi “có gì tồn tại trước cả vụ nổ Big Bang. Vật lý lượng tử đã đặt ra giả thuyết là vũ trụ của chúng ta là một vũ trụ con, nằm trong vũ trụ lớn hơn.
Giả thuyết này được hình thành khi quan sát các bức xạ nền CMB còn sót lại sau khi Big Bang diễn ra. CMB được quan sát lần đầu tiên vào năm 1965 và đưa ra một số khúc mắc trong giả thuyết Big Bang, nhưng tới năm 1981 đã giải thích được.
Lý thuyết này cho rằng vũ trụ nở rộng ra nhanh hơn cả vận tốc ánh sáng. Nó tạo ra các biến động về mật độ CMB nhưng vẫn có sự thống nhất. Một số nỗ lực lập ra bản đồ vũ trụ đã chỉ ra một số sai lệch của vũ trụ, một số nơi có biến động nhiều hơn. Một số nhà khoa học vũ trụ đã cho rằng điều này có là do vũ trụ được hình thành từ một vũ trụ lớn hơn.
Vụ nổ Big Bang là một chủ đề thú vị
Quả thật vậy, ngay từ khi con người có những suy nghĩ xa hơn, sâu hơn về hành tinh và vũ trụ, nhiều giả thuyết đã được đặt ra về sự hình thành của vũ trụ. Trong số đó giả thuyết về vụ nổ lớn là thuyết phục nhất. Từ đó người ta luôn tìm hiểu về vụ nổ Big Bang về nguyên nhân, những tác động của nó.
Bằng sự bí ẩn của mình, vụ nổ Big Bang là một chủ đề mà con người khám phá rất lâu. Một chủ đề thú vị khi khám phá ra Big Bang là tìm ra được sự hình thành của vũ trụ. Chủ đề này được đa phần các nhà khoa học hướng tới bởi nắm rõ được nguyên nhân hình thành của vũ trụ sẽ giúp ích rất lớn cho con người trong việc phát triển công nghệ vũ trụ.
Những bằng chứng chứng minh vụ nổ Big Bang
Một số chứng cứ quan sát từ sớm và dễ thấy nhất chính là sự giãn nở của không gian được Hubble phát hiện trong dữ liệu dịch chuyển của các thiên hà. Bằng các đo lường về bức xạ sóng vũ trụ, các nguyên tố nhẹ được tạo ra sau Big Bang, sự hình thành cấu trúc vũ trụ và các thiên hà đã tạo ra mô hình vũ trụ học. ta sẽ tìm hiểu một số bằng chứng thực nghiệm dưới đây.
Định luật Hubble về sự giãn nở
Các nhà thiên văn nhận thấy được những thiên thể có phổ bị dịch chuyển sang đỏ sau khi quan sát thiên hà và các quasar. Trước tiên để tìm ra điều này thì các nhà thiên văn học đã thu phổ của vật thể và so sánh chung với phổ nguyên tử của các nguyên tố khi cho ánh sáng đi qua.
Sự dịch đỏ này có tính đồng nhất và cùng hướng, được phân bố đều theo thiên thể. Bằng việc vẽ đồ thị tương quan giữa vận tốc lùi xa với khoảng cách đến thiên hà các nhà khoa học đã nhận ra được một mối quan hệ tuyến tính là định luật Hubble.
Có hai cách để giải thích cho định luật Hubble, đầu tiên là ta ở tâm của một vụ nổ làm các thiên hà bị đẩy ra xa. Và cách thứ 2 được Alexander Friedmann tìm ra nhờ việc nghiên cứu hệ quả của thuyết tương đối rộng bằng phương pháp quan sát, phân tích.
Bức xạ phông vi
Vào năm 1964, có hai nhà vô tuyến học là Arno Penzias và Robert Wilson đã tình cờ phát hiện ra bức xạ phông vi của sóng vũ trụ là CMB. Đây là một tín hiệu thuộc bước sóng vi ba(sóng dài hơn tia hồng ngoại nhưng nhỏ hơn sóng radio) và đến từ tất cả mọi hướng trong không gian.
Việc phát hiện ra bức xạ này là một bằng chứng thực nghiệm cực kỳ quan trọng giúp xác nhận các dự đoán về bức xạ được đo phù hợp với phổ bức xạ vật đen trong mọi hướng. Với giá trị nhiệt độ ngày nay là 2,725 K thì phổ này cũng sẽ bị dịch chuyển đỏ do sự giãn nở không gian.
Năm 1989, NASA đã phóng tàu COBE với sứ mệnh tìm bằng chứng thực nghiệm cho CMB, và nó đã đo được những bức xạ đồng đều theo mọi hướng với nhiệt độ 2,726 K. Và cũng lần đầu tiên con tàu phát hiện ra sự phi đẳng hướng trong CMB với độ chính xác khoảng 1/10^5.
Năm 2003, NASA đã công bố kết quả từ tàu WMAP mang đến những dữ liệu thực nghiệm chính xác về các tham số trong mô hình vũ trụ. Kết quả này đã bác bỏ đi nhiều tham số ứng với mô hình lạm phát. Tới 2013, ESA lại công bố dữ liệu chính xác hơn WMAP bằng con tàu Planck.
Sự hình thành các nguyên tố sau vụ nổ Big Bang
Với lý thuyết vụ nổ Big Bang thì có thể tính được số lượng tập trung của heli 4, heli 3, liti, đơteri theo tỉ số với Hidro. Tỷ lệ xuất hiện của mỗi nguyên tố sẽ phụ thuộc vào tỷ số photon trên baryon. Kết quả cho thấy tỷ số theo khối lượng là 0,25 với He/H, 10^-9 cho Li/H.
Các giá trị lý thuyết về tỷ số photon – baryon đều phù hợp với kết quả thực nghiệm. Tỷ số này khá chính xác với đơteri, Heli 4 và lệch giá trị với Liti, sự sai lệch do sai số trong phép đo. Trên hết, số lượng các nguyên tố nguyên thủy được dự đoán qua thuyết vụ nổ Big Bang đã được thực nghiệm ủng hộ cho thuyết này.
Sự phân bố và khả năng tiến hóa của thiên hà
Bằng cách kết hợp mô hình với những dữ liệu thực nghiệm đã cho ra những kết quả rằng quasar và thiên hà đầu tiên được hình thành 1 tỷ năm sau vụ nổ Big Bang. Từ đó xuất hiện các cấu trúc lớn như thiên hà, siêu thiên hà, đám thiên hà và những khoảng trống.
Những ngôi sao được hình thành đầu tiên sẽ tiến hóa sớm khác biệt với những ngôi sao trẻ. Ví dụ như độ kim loại, nồng độ khí, mật độ nguyên tử, nguyên tố trong ngôi sao đều khác biệt.
Các loại chứng cứ khác
Tuổi của vũ trụ ước tính từ vụ nổ Big Bang bằng định luật Hubble và độc lập bức xạ CMB khá khớp với tuổi của ngôi sao già nhất. Việc đo tuổi ngôi sao được đo bằng lý thuyết về sự tiến hóa sao qua phương pháp định tuổi bằng phóng xạ.
Mô hình của vũ trụ đã dự đoán nhiệt độ trong CMB sẽ cao hơn trong quá khứ, điều này được ủng hộ bởi kết quả thực nghiệm từ quan sát các vạch hấp thụ nhiệt độ trong các đám mây khí. Dự đoán này cũng được thể hiện trong biên độ hiệu ứng Sunyaev – Zel’dovich ở những cụm nhiều thiên hà.
Biên độ này sẽ không phụ thuộc trực tiếp vào dịch chuyển đỏ như việc quan sát vạch hấp thụ nhiệt. Hiệu ứng này sẽ ở giá trị thô vì nó phụ thuộc vào cấu trúc phân bố của thiên hà có thể thay đổi theo thời gian, do đó kết quả khi sử dụng hiệu ứng đó để đo rất khó chính xác.
Kết luận
Vụ nổ Big Bang là một vụ nổ của giả thuyết hình thành nên vũ trụ chứa trái đất của chúng ta bây giờ. Đây là vụ nổ cũng như là một chủ đề thú vị, bí ẩn rất cần sự giải mã của loài người. Hy vọng qua bài viết này, người đọc có thể hiểu thêm về hiện tượng kỳ lạ này.
