Tài liệu: LƯỢC SỬ THỜI GIAN - Nguồn gốc và số phận của vũ trụ

Lý thuyết tương đối rộng của Einstein, tiên đoán rằng không gian, thời gian bắt đầu từ kỳ dị của vụ nổ lớn, sẽ kết thúc hoặc tại một kỳ dị cuối cùng (trường hợp toàn vũ trụ co lại) hoặc tại một kỳ dị nằm bên trong một lỗ đen (trường hợp một vùng định xứ, ví dụ một sao co lại).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tài liệu: LƯỢC SỬ THỜI GIAN - Nguồn gốc và số phận của vũ trụ LƯỢC SỬ THỜI GIAN - Nguồn gốc và số phận của vũ trụ Lý thuyết tương đối rộng của Einstein, tiên đoán rằng không gian, thờigian bắt đầu từ kỳ dị của vụ nổ lớn, sẽ kết thúc hoặc tại một kỳ dị cuối cùng(trường hợp toàn vũ trụ co lại) hoặc tại một kỳ dị nằm bên trong một lỗ đen(trường hợp một vùng định xứ, ví dụ một sao co lại). Mọi vật chất rơi vào lỗđen, sẽ bị phá hủy tại điểm kỳ dị, chỉ còn lại hiệu ứng hấp dẫn của khối lượnglà còn được cảm nhận từ phía bên ngoài. Mặt khác, khi các hiệu ứng lượng tửđược tính đến thì dường như khối lượng và năng lượng của vật chất cuốicùng sẽ trở về với phần còn lại của vũ trụ, và lỗ đen cùng với mọi kỳ dị bêntrong sẽ bay hơi và biến mất. Liệu cơ học lượng tử có gây một hiệu ứng bikịch như thế đối với vụ nổ lớn và kỳ dị chung cuộc hay không? Điều gì thực tếđã và sẽ xảy ra vào các giai đoạn rất sớm và muộn hơn của vũ trụ, khi cáctrường hợp hấp dẫn mạnh đến mức mà các hiệu ứng lượng tử không thể nàobỏ qua được? Thực tế vũ trụ có một điểm bắt đầu và một điểm kết thúc haykhông? Và nếu có, thì phải hình dung chúng ra sao? Trong suốt những năm 70 tôi đã tập trung nghiên cứu các lỗ đen, nhưng vàonăm 1981, tôi lại lưu tâm đến các vấn đề xung quanh nguồn gốc và số phận của vũtrụ khi tôi tham gia một hội thảo về vũ trụ học tổ chức bởi các tu sĩ dòng Jesuit tạiVatican. Nhà thờ Thiên chúa giáo đã phạm một sai lầm đối với Galileo khi họ phủđịnh một định luật khoa học vì tuyên bố rằng mặt trời phải quay quanh quả đất.Bây giờ sau nhiều thế kỷ, họ đã quyết định mời nhiều nhà khoa học làm cố vấn vềvũ trụ học. Cuối hội nghị các nhà khoa học đã được tiếp kiến Giáo hoàng. Ông nóirằng nghiên cứu sự tiến triển của vũ trụ sau vụ nổ lớn là đúng song Nhà thờ khôngtìm hiểu về bản thân vụ nổ lớn vì đó là thời điểm của Sáng tạo, nên thuộc công việccủa Chúa. Tôi rất vui mừng vì đức Giáo hoàng không biết đến bài phát biểu của tôitại hội thảo: khả năng không - thời gian là hữu hạn song không có biên, điều đó cónghĩa là không có cái ban đầu, không có thời điểm của Sáng tạo. Tôi không có ýmuốn chịu cùng số phận của Galileo, người mà tôi có một cảm giác mạnh mẽ về sựđồng nhất với tôi, một phần vì sự trùng hợp giữa ngày sinh của tôi đúng tròn 300năm sau ngày chết của ông.Để giải thích các ý tưởng của tôi và những người khác về điều cơ học lượng tử cóthể tác động lên nguồn gốc và số phận của vũ trụ, trước hết cần phải hiểu về lịch sửcủa vũ trụ theo quan điểm được nhiều người chấp nhận, dựa trên mô hình đượcbiết dưới “mô hình nóng của vụ nổ lớn”. Mô hình này giả định rằng vũ trụ đượcmiêu tả bởi một mô hình Friedmann, ngược theo thời gian mãi tận lúc có vụ nổ lớn.Trong những mô hình như vậy người ta thấy rằng lúc vũ trụ nở, mọi vật chất vàbức xạ sẽ lạnh dần. (Khi vũ trụ đạt kích thước gấp đôi thì nhiệt độ của vũ trụ giảmxuống một nửa). Vì nhiệt độ là số đo năng lượng trung bình - hay vận tốc - của cáchạt, quá trình lạnh dần này sẽ gây một hiệu ứng lớn đối với vật chất trong vũ trụ. Ởnhiệt độ rất cao, các hạt chuyển động nhanh đến mức có thể thoát ra khỏi mọitrường hút giữa chúng với nhau do lực hạt nhân, hoặc điện tử tạo nên, song khichúng trở nên lạnh thì chúng hút nhau và kết dính với nhau.Ngoài ra, các loại hạt tồn tại trong vũ trụ cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Ở nhiệt độđủ cao, các hạt có năng lượng lớn và khi chạm nhau, nhiều cặp hạt/phản hạt có thểsinh ra và mặc dù nhiều hạt sau khi sinh ra có thể bị hủy lúc chạm các phản hạt,chúng vẫn được sinh ra nhanh hơn bị hủy đi. Ở nhiệt độ thấp hơn, khi các hạt vachạm nhau có năng lượng nhỏ hơn, các cặp hạt/phản hạt sinh ra với tốc độ chậmhơn và như vậy quá trình hủy của chúng nhanh hơn quá trình sinh.Tại vụ nổ lớn, kích thước của vũ trụ được xem như là bằng không, vì vậy nhiệt độlà vô cùng lớn. Song trong quá trình giãn nở, nhiệt độ của bức xạ sẽ giảm xuống.Một giây sau vụ nổ lớn, nhiệt độ đã giảm xuống còn khoảng 10 ngàn triệu độ. Nhiệtđộ này cỡ ngàn lần nhiệt độ ở tâm mặt trời và cỡ nhiệt độ đạt được lúc bom H (tứcbom khinh khí) nổ. Vào thời điểm đó vũ trụ chứa phần lớn là các photon, electronvà neutron (là những hạt nhẹ chỉ tham gia tương tác yếu và hấp dẫn) và các phảnhạt của chúng, cùng với một số proton và neutron.Lúc vũ trụ tiếp tục giãn nở và nhiệt độ hạ xuống thì các cặp electron/phản -electron sinh ra chậm hơn là bị hủy. Vì thế phần lớn các electron và phản - electronhủy với nhau để tạo thành nhiều photon và để sót lại một số electron. Song các hạtneutrino và phản - neutrino ít hủy nhau vì các hạt này tương tác với nhau và vớicác hạt khác rất yếu. Cho nên hiện nay chúng còn tồn tại trong vũ trụ. Nếu ta có thểquan sát được chúng thì ta có một bằng chứng chắc chắn về bức tranh của giaiđoạn nóng đầu tiên của vũ trụ. Tiếc thay, năng lượng của chúng ngày nay quá nhỏđể ta có thể quan sát được chúng một cách trực tiếp. Nhưng nếu neutrino có mộtkhối lượng ...