Sưu tầm một số vấn đề liên quan đến thiên văn vật lý

...Chúng ta bắt đầu bằng lý thuyết tương đối. Các luật quốc gia chỉ có giá trị trong một quốc gia nhưng các định luật vật lý thì giống nhau tại Anh, Mỹ, Nhật. Nó cũng giống nhau trên Sao Hoả và trong thiên hà Andromède. Hơn nữa, chúng giống nhau với bất kỳ vận tốc chuyển động của ta; với người đi trên tàu tốc hành, đi trên máy bay phản lực hay đứng yên trên mặt đất, các định luật vật lý đều giống nhau. Chắc chắn một người đứng yên trên mặt đất là đang chuyển động với vận tốc khoảng 30km trong một giây quanh Mặt Trời; Mặt Trời lại đang chuyển động quanh dải Ngân Hà với vận tốc hàng trăm kilômet trong một giây và cứ tiếp tục như vậy. Nhưng các chuyển động này không làm thay đổi các định luật vật lý, chúng giống nhau với mọi người quan sát.
Galilée đã phát hiện ra tính độc lập đối với vận tốc của hệ, ông thiết lập các công thức biểu thị các định luật tác dụng lên chuyển động của các vật như viên đạn đại bác hay các hành tinh. Nhưng một vấn đề nảy sinh khi ta áp dụng đối với ánh sáng. Từ thế kỷ XVIII người ta đã phát hiện ánh sáng không truyền đi tức thời từ nguồn đến người quan sát: nó truyền với một vận tốc xác định khoảng 300.000km trong một giây. Nhưng vận tốc này so với gì? Người ta nghĩ rằng cần phải có một môi trường chứa đầy không gian mà ánh sáng truyền qua. Môi trường đó được gọi là ête. Ý TƯỞNG XEM SÓNG ÁNH SÁNG TRUYỀN với vận tốc 300.000km trong một giây so với ête có nghĩa là một người quan sát đứng yên so với ête sẽ đo được vận tốc của ánh sáng là 300.000km/s, còn một người quan sát khác chuyển động đối với ête sẽ đo được vận tốc của ánh sáng nhỏ hoặc lớn hơn 300.000 km/s. Ðặc biệt, vận tốc ánh sáng phải thay đổi khi Trái Ðất chuyển động đối với ête theo quỹ đạo quanh Mặt Trời. Nhưng năm 1887, bằng một thí nghiệm rất chính xác, Michelson và Morley đã chứng tỏ rằng vận tốc của ánh sáng luôn luôn không đổi. Những người quan sát chuyển động khác nhau luôn luôn đo được cùng một vận tốc ánh sáng bằng 300.000 km/s. Sự thật là sao đây? Tại sao những người quan sát chuyển động với vận tốc khác nhau lại đo được cùng một vận tốc của ánh sáng? Câu trả lời là suy nghĩ thông thường của chúng ta về không gian và thời gian không còn thích hợp. Trong một công trình nổi tiếng năm 1905, Einstein đã nêu chú ý là những người quan sát nói trên có thể đo được cùng vận tốc của ánh sáng nếu họ bỏ qua ý tưởng về thời gian chung vũ trụ. Mỗi người có một thời gian riêng được đo bằng chiếc đồng hồ riêng của mình. Những thời gian đo được bởi các đồng hồ khác nhau này sẽ gần như bằng nhau nếu chúng chuyển động chậm đối với nhau, nhưng sự khác nhau sẽ đáng kể nếu chúng chuyển động với vận tốc rất lớn. Hiện tượng này thực tế đã quan sát được bằng cách so sánh hai đồng hồ giống nhau: một đứng yên trên mặt đất, một trên máy bay chuyển động với vận tốc rất lớn. Còn với các vận tốc bình thường, sự khác nhau về thời gian của các đồng hồ là không đáng kể.

Lý thuyết tương đối của Einstein được ông trình bày lần đầu tiên trong công trình nổi tiếng năm 1905 và ngày nay được gọi là "Lý thuyết tương đối hẹp". Lý thuyết này mô tả sự chuyển động của các vật thể trong không gian và thời gian; nó chứng tỏ rằng thời gian không phải là một đại lượng chung vũ trụ, thời gian tồn tại tự do không phụ thuộc không gian. Tương lai và quá khứ; cao thấp, bên phải, bên trái, phía trước và phía sau, đều là các chiều của một cái mà ta gọi là không-thời gian. Người ta chỉ có thể chuyển động trong thời gian về hướng tương lai theo một góc xác định đối với trục thời gian. Vì thế thời gian có thể trôi đi theo các nhịp độ khác nhau.
Lý thuyết tương đối hẹp đã tổ hợp không gian và thời gian lại, nhưng chúng vẫn là một cái khung cố định trong đó các sự kiện xảy ra. Ta có thể chọn đi theo các con đường khác nhau trong không - thời gian nhưng mọi cái ta làm không thể thay đổi khung không - thời gian. Từ năm 1915 khi Einstein phát biểu lý thuyết tương đối tổng quát thì mọi cái đã thay đổi. Ông đã có một ý tưởng cách mạng là hấp dẫn không đơn thuần là một lực tác dụng trong khung không - thời gian cố định mà sự có mặt của vật chất và năng lượng đã làm méo không - thời gian. Những vật, những viên đạn đại bác hoặc những hành tinh định chuyển động theo quỹ đạo thẳng trong không - thời gian nhưng quỹ đạo đó đã bị cong đi vì không - thời gian đã bị cong đi chứ không phẳng nữa. Trái Ðất tìm cách chuyển động theo một quỹ đạo thẳng trong không - thời gian nhưng khối lượng của Mặt Trời đã làm cong không - thời gian và buộc Trái Ðất chuyển động quanh Mặt Trời. Cũng như vậy, ánh sáng tìm cách chuyển động theo một đường thẳng nhưng sự cong của không - thời gian ở gần Mặt Trời làm ánh sáng phát ra từ các ngôi sao xa xôi bị lệch đường truyền khi tới gần Mặt Trời. Thông thường không thể phân biệt được những ngôi sao xa nằm trên cùng một hướng với Mặt Trời. Nhưng khi có nhật thực, phần lớn ánh sáng từ Mặt Trời đến Trái Ðất bị Mặt Trăng che chắn, khi đó có thể quan sát được ánh sáng từ các ngôi sao đó. Einstein đã thiết lập lý thuyết tương đối tổng quát trong thời gian Thế chiến lần thứ nhất; lúc này chưa thể tiến hành các quan sát khoa học. Ngay sau Thế chiến, một đoàn khảo sát người Anh quan sát nhật thực năm 1919 đã xác nhận tiên đoán của lý thuyết tương đối tổng quát: không - thời gian không phải là phẳng mà bị cong đi tại chỗ có vật chất và năng lượng. Ðây là một thắng lợi vĩ đại của Einstein. Phát minh của ông đã làm thay đổi hoàn toàn cách suy nghĩ của chúng ta trước đó về không - thời gian. Không - thời gian không phải là một khung thụ động trong đó có diễn ra các sự kiện. Ta không còn có thể nghĩ rằng không gian, thời gian trôi đi vĩnh cửu và không chịu biến đổi bởi những gì xảy ra trong vũ trụ; ngược lại, chúng trở thành những đại lượng động lực tương tác với những sự kiện xảy ra ở trong đó.

... Một tính chất quan trọng của khối lượng và năng lượng là chúng luôn luôn đương. Ðó là lý do vì sao lực hấp dẫn giữa các vật luôn luôn là lực hút. Ví dụ lực hấp dẫn của Trái Ðất kéo chúng ta về phía Trái Ðất dù ta ở bất kỳ đâu trên mặt đất. Lực hấp dẫn của Mặt Trời giữ các vệ tinh của nó trên các quỹ đạo quanh Mặt Trời và ngăn cản không để Trái Ðất biến vào khoảng không tối tăm giữa các vì sao. Nếu khối lượng là âm, không - thời gian sẽ bị cong đi theo hướng ngược lại như thể bề mặt của một cái yên ngựa. Ðộ cong dương của không - thời gian, biểu hiện lực hấp dẫn là lực hút, đã đặt ra một bài toán lớn cho Einstein. Thông thường người ta nghĩ vũ trụ là tĩnh, nhưng nếu không gian và đặc biệt là thời gian bị cuốn gập lại thì tại sao vũ trụ có thể tiếp tục tồn tại vĩnh cửu trong một trạng thái gần như đồng nhất với trạng thái hiện thời của nó ?
Ban đầu, các phương trình của lý thuyết tương đối tổng quát tiên đoán một vũ trụ đang giãn nở hoặc đang co lại. Einstein đã thêm một số hạng mới - gọi là hằng số vũ trụ học - vào phương trình liên hệ giữa khối lượng và năng lượng có mặt trong vũ trụ với độ cong của không - thời gian. Hằng số vũ trụ học này gây ra một hiệu ứng hấp dẫn đẩy. Như thế lực hút của vật chất và năng lượng có thể cân bằng với lực đẩy của hằng số vũ trụ học. Nói cách khác, độ cong âm của không - thời gian gây bởi hằng số vũ trụ học có thể triệt tiêu độ cong dương gây bởi khối lượng và năng lượng trong vũ trụ. Như vậy sẽ được một mô hình vũ trụ tồn tại mãi mãi trong cùng một trạng thái. Nếu Einstein giữ nguyên những phương trình ban đầu của mình thì ông sẽ tiên đoán được vũ trụ hoặc đang giãn nở, hoặc đang co lại. Trước năm 1929 khi Edwin Hubble phát hiện ra các thiên hà đang chuyển động ra xa chúng ta thì không ai nghĩ rằng vũ trụ biến đổi theo thời gian. Vũ trụ đang giãn nở. Sau này Einstein đã tuyên bố hằng số vũ trụ học là "sai lầm lớn nhất trong đời tôi".

...Nhưng dù có hoặc không có hằng số vũ trụ học, việc vật chất làm cong không - thời gian vẫn còn là vấn đề nói chung chưa được hiểu rõ; đặc biệt vật chất có thể uốn cong một miền thành một điểm tách biệt với phần còn lại của vũ trụ, miền đó trở thành một "lỗ đen". Các vật có thể rơi vào lỗ đen nhưng không thể ra khỏi đó; muốn thoát khỏi lỗ đen, vật phải chuyển động với vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng, điều này lý thuyết tương đối không cho phép. Như thế vật chất sẽ bị cầm tù trong lỗ đen và tự nén do hấp dẫn tới một trạng thái chưa biết với mật độ vật chất rất lớn. Einstein rất bối rối trước sự suy sập hấp dẫn này, ông không tin vào khả năng của suy sập đó. Nhưng năm 1939, Robert Oppenheimer đã chứng minh được rằng một ngôi sao già có khối lượng lớn hơn hai lần khối lượng Mặt Trời một khi đã tiêu thụ hết nguồn nhiên liệu hạt nhân của mình sẽ không tránh khỏi suy sập hấp dẫn. Rồi Thế chiến lần thứ hai nổ ra, Oppenheimer bị lôi cuốn vào chương trình bom hạt nhân và ông đã quên đi sự suy sập hấp dẫn. Các nhà nghiên cứu bận tâm nhiều đến vật lý có thể nghiên cứu trên Trái Ðất. Họ nghi ngờ những dự đoán về biên giới của vũ trụ vì hình như không có khả năng để kiểm tra bằng quan sát. Nhưng trong những năm 60, sự cải thiện kỳ diệu về tầm xa và chất lượng của các quan sát thiên văn đã dẫn tới một sự hứng thú mới về suy sập hấp dẫn và vũ trụ thời sơ khai. Những tiên đoán chính xác của lý thuyết tương đối tổng quát trong tình hình này vẫn còn chưa thật sáng sủa cho đến khi Roger Penrose và tôi chứng minh được một số định lý. Các định lý này chứng tỏ không - thời gian phải bị uốn cong lại và dẫn tới các kỳ dị là những miền tại đó không - thời gian có một bắt đầu hoặc một kết thúc. Ðiểm bắt đầu là Big Bang xảy ra cách đây khoảng 15 tỉ năm và điểm kết thúc sẽ là ở một ngôi sao nạn nhân của một suy sập hoặc là với tất cả các vật rơi vào một lỗ đen.
Hà Lan đá dở quá làm mình thua độ rồi , phải gỡ gạc lại thôi
Được NoHellandHeaven sửa chữa / chuyển vào 12:15 ngày 01/07/2004

Vật lý thiên văn có liên hệ chặt chẽ với vật lý các hạt cơ bản. Mục tiêu của các nhà vật lý giải thích những hiện tượng xảy ra trong Vũ trụ bằng sự tương tác giữa một số hạt cơ bản . Thành phần cơ bản của vật chất gồm có gồm có 12 hạt thuộc về loại Fermion như những hạt Electron và quark. từ Fermion ðược đặt ra để bầy tỏ sự tôn kính đối với nhà Bác học Italia Fermi. Những hạt này có thể ðược tạo ra bằng những máy gia tốc trong các phòng thí nghiệm. Phòng máy gia tốc những hạt như electron dương và phản hạt pozitrôn (electron dương) ðược phóng ngược chiều nhau với tốc độ cực lớn. Phản hạt có khối lượng bằng khối lượng hạt nhưng có diện tích trái ngược . Những hạt va chạm với nhau và tự huỷ để tạo ra những hạt khác có năng lượng cao. Những hiện tượng vật lý diễn ra trong Vũ trụ phôi thai không thực hiện ðược trong phòng thí nghiệm, vì năng lượng máy gia tốc không đủ cao và thời gian tương tác của các hạt trong máy gia tốc không đủ lâu để tạo ra những điều kiện giống như trong vũ trụ nguyên thuỷ. Theo cơ học lượng tử thì năng lượng va chạm càng cao bao nhiêu thì khả năng phân giải của máy càng lớn bấy nhiêu, tức là khảo sát ðược cấu trúc càng vi mô của vật chất. máy gia tốc hình vòng của cộng đồng Châu Âu ở Geneve, Thuỵ Sỹ với chu vi 27 kilomet , và năng lượng khoảng 100 tỷ electron von (100 Gev =10-11 ev)cũng chỉ thăm dò ðược tới kích thước nhỏ 10-16 centimet, vào thời điểm một phần mười tỷ giây sau vụ nổ lớn . Trước thời điểm ðó, các nhà vật lý phải dựa trên lý thuyết để dự đoán các sự kiện xảy ra. Nãng lượng trong vũ trụ vào thời điểm Planck ít nhất phải bằng 10-15 Gev,tức là 10 nghìn tỷ lần năng lượng của những máy gia tốc hiện đại nhất. Hiện nay không có kết quả thực nghiệm nào có thể xác minh những dự đoán về kịch bản có thể diễn ra trong Vũ trụ thời đại nguyên thuỷ.....
P/s.Em thấy bác NoHellHeaven post các bài trong " sưu tầm một số vấn đề liên quan tới vật lý thiên văn" rất hay . Mạn phép bác cho em góp vào chủ đề một chút ít nhé.
Được duatrehayngugat sửa chữa / chuyển vào 15:23 ngày 01/07/2004

Trong thuyết Vụ nổ lớn. Vu trụ giãn nở bắt đầu từ một điểm kỳ dị. Muốn tính tuổi của Vũ trụ, ta phải lý luận để ði ngược thời gian đến điểm kỳ dị, lúc tuổi và bán kính của vũ trụ là con số 0 để làm mốc. Tại điểm này,những định luật của toán lý và thuyết týõng ðối rộng không áp dụng ðược. Vật lý hiện đại dựa vào vật lý các hạt đã xảy ra bắt đầu từ 10-43 (0,000..001 tức là 42 số 0 sau dấu phẩy) giây đồng hồ sau vụ nổ! con số 0 cực nhỏ này không có ý nghia thực tế, song trên phương diện khoa học nó là mốc cho thời gian trong quá trình tiến triển của Vu trụ . Thời điểm này ðýợc gọi là thời điểm của Planck(một nhà vật lý ngýời Đức thế kỷ XX). Trýớc đó Vũ trụ ở trong trạng thái hỗn độn, vì không gian, thời gian không liên tục mà thăng giáng và chỉ có thể ðược miêu tả bằng lý thuyết "hấp dẫn lượng tử"(cái này anh NoHellandHeaven cung đã nói ở trong chủ đề "Bigbang- điều không thể hiểu " em chỉ nói sơ qua thui).
Thuyết cơ học lượng tử dùng ðể nghiên cứu những hiện týợng vật lý trong những môi trường cực kỳ nhỏ bé, như trong nguyên tử. Tuy nhiên sự phối hợp thuyết tương ðối rộng với cõ học lýợng tử là một vấn đề nan giải, chưa hoàn thành ðược. Ở thời điểm Planck, kích thước Vũ trụ là 10-33­­­­­­centimet (độ dài Planck) nhiệt độ là 10-33­­­­­­­­­­K và mật độ ­­­1094­­(1 theo sau bởi 94 số 0 -eo ôi kinh khủng đấy chứ nhỉ?)­­trong một centimet khối. Những trị số cực nhỏ và cực lớn này, gọi là trị số Planck vì ðược tính ra từ hằng số cơ bản Planck, ðược coi là miêu tả những điều kiện lý hoá ban đầu của vũ trụ nguyên thuỷ. Lúc đó vũ trụ ðược tràn ngập bởi những hạt cơ bản có năng lượng cao, như electron, Notrinô và quark. Hạt quark với kích thước nhỏ hơn 10-17­­centimet hiện nay ðược coi là thành phần cơ bản nhất của vật chất.

Ảnh thì nhiều vô cùng, chỉ sơ em xem không xuể thôi. Sau đây là một số ảnh đẹp.
Hình chỉ có tính minh hoạ thôi nhé, thực tế không nhìn thấy lỗ đen như vậy đâu.

​

Sự uốn cong không thời gian của các lỗ đen.​

Cặp sao đôi gồm 1 sao và 1 lỗ đen thuộc đám Cygnus X-1.
Sự tồn tại của lỗ đen chứng minh bởi sự chuyển động của thiên thể quanh nó.​

Được NoHellandHeaven sửa chữa / chuyển vào 09:16 ngày 02/07/2004

...Tiên đoán về sự tồn tại của các kỳ dị theo lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein đã được xác nhận nhưng đã dẫn tới một sự khủng hoảng trong vật lý. Tại một kỳ dị, các phương trình của lý thuyết tương đối tổng quát liên hệ độ cong của không - thời gian với sư phân bố khối lượng và năng lượng là không xác định. Ðiều này có nghĩa là lý thuyết tương đối tổng quát không thể dự đoán những gì xảy ra tại một kỳ dị. Ðặc biệt, lý thuyết này không có khả năng dự đoán vũ trụ phải được sinh ra như thế nào tại Big Bang. Như vậy lý thuyết tương đối tổng quát không phải là một lý thuyết hoàn chỉnh. Nó cần một phần bổ sung để xác định vũ trụ phải được sinh ra như thế nào và những gì phải xảy ra khi vật chất bị suy sập do hấp dẫn riêng của nó. Hình như cơ học lượng tử là phần bổ sung cần thiết nói trên. Trong năm 1905, năm mà Einstein đã viết lý thuyết tương đối hẹp, ông cũng công bố công trình về "hiệu ứng quang điện". Ông quan sát thấy khi ánh sáng chiếu vào một số kim loại sẽ làm bắn ra các hạt mang điện. Ðiều gây bối rối ở đây là nếu giảm cường độ ánh sáng thì số hạt mang điện bắn ra sẽ giảm nhưng vận tốc của các hạt đó không giảm. Einstein đã chứng minh rằng điều này chỉ được giải thích nếu xem ánh sáng chiếu tới không phải là những phần nhỏ biến đổi liên tục như mọi người khi đó vẫn quan niệm mà ánh sáng chỉ là những bó theo một chiều xác định. Ý TƯỞNG XEM ÁNH SÁNG CHỈ TỒN TẠI dưới dạng các bó, gọi là các lượng tử, đã được nhà vật lý người Ðức Max Planck đưa ra trước đó vài năm. Planck đã dùng khái niệm lượng tử để giải thích tại sao một miếng kim loại bị nung đỏ lại không phát ra một nhiệt lượng vô hạn nhưng ông xem các lượng tử chỉ như một thủ thuật thuần túy lý thuyết mà không có một sự tương ứng trong thực tế vật lý. Trong công trình của mình, Einstein đã chứng minh rằng ta có thể trực tiếp quan sát các lượng tử. Mỗi hạt phát ra tương ứng với một lượng tử ánh sáng đến đập vào kim loại. Mọi người nhận ra đây là một đóng góp lớn về lý thuyết lượng tử và công trình này đã mang lại cho Einstein giải Nobel năm 1922 (Lẽ ra ông cần phải được nhận giải Nobel về lý thuyết tương đối tổng quát nhưng ý tưởng về không gian và thời gian bị uốn cong thời đó được xem là quá tư biện nên Einstein được nhận giải Nobel về công trình hiệu ứng quang điện, một công trình cũng xứng đáng được trao giải).

... Người ta chỉ hiểu đầy đủ hiệu ứng quang điện khi năm 1924 Werner Heisenberg lưu ý rằng hiệu ứng trên có ý nghĩa là không thể đo chính xác vị trí của một hạt. Ðể nhận biết một hạt, cần chiếu ánh sáng lên hạt. Nhưng Einstein đã chứng minh rằng ta không thể dùng một lượng nhỏ tùy ý của ánh sáng mà cần phải dùng tối thiểu một bó hay một lượng tử. Bó ánh sáng này đến hạt gây nhiễu loạn hạt và truyền cho hạt một vận tốc nào đó. Nếu ta càng muốn đo chính xác vị trí của hạt, thì năng lượng của bó ánh sáng chiếu tới phải càng lớn và làm hạt nhiễu loạn càng mạnh. Dù với cách đo hạt như thế nào thì độ bất định về vị trí nhân với độ bất định về vận tốc của hạt vẫn luôn luôn lớn hơn một lượng nhỏ nào đó. Nguyên lý bất định Heisenberg chứng tỏ ta không thể đo chính xác trạng thái của một hệ và không thể dự đoán chính xác tính chất của hệ trong tương lai. Ðiều tốt nhất ta có thể làm là dự đoán về xác suất của các khả năng khác nhau sẽ xảy ra. Ðây là một yếu tố ngẫu nhiên làm Einstein rất băn khoăn. Ông không tin các định luật vật lý lại không có khả năng cho một dự đoán xác định; không thể xảy ra sự nhập nhằng nước đôi. Nhưng mọi cách kiểm tra đã chứng tỏ hiện tượng lượng tử và nguyên lý bất định là không thể tránh khỏi và ta gặp nó trong mọi ngành vật lý.