Vài nét về vũ trụ học hiện đại

Thuyết vụ nổ lớn ( Big Bang)
Vũ trụ tồn tại và tiến hoá! Điều này thật đơn giản.Nhưng để những kiến thức này trở nên quen thuộc với một bộ phận nhân loại như ngày nay thì đã phải trải qua một khoảng thời gian khá dài.
Trước đây, người ta luôn mặc định rằng không gian và thời gian là vô hạn. Dù trải qua nhiều giai đoạn nhận thức trong đó Trái Đất từ chỗ là trung tâm vũ trụ đã trở thành một thiên thể chuyển động quanh Mặt Trời trung tâm, rồi Mặt Trời cungchilã một bộ phận của Ngân Hà, và Ngân Hà cũng chỉ là một bộ phận vô cùng nhỏ bé trong vũ trụ; thì ngay trong những giai đoạn lịch sử kéo dài đến hơn 2000 năm đó, không gian và thời gian luôn là vô hạn và bất biến. Có vẻ như không gian và thời gian là 2 khái niệm tự nhiên và quá cơ bản đến mức không ai được phép nói rằng chúng phải tuân theo các định luật vật lí. Cho đến thế kỉ 20, với sự ra đời của thuyết tương đối rộng mà hằng số vũ trụ học bao hàm bởi phương trình trường của nó mô tả một vũ trụ đang nở rộng thì người ta mới nghĩ ra rằng hẳn không gian và thời gian cũng có kích thước, hình dạng và lịch sử của nó.
Năm 1927, một linh mục người Bỉ là Georges Lemaître là người đầu tiên đề xuất rằng vũ trụ đã ra đời từ một vụ nổ phát sinh từ một cái tâm nguyên thuỷ. Hơn 1 năm sau đó, Edwin Hubble với những quan sát chi tiết về độ dịch bước sóng của các thiên hà ở xa đã nhận ra rằng tất cả các thiên hà đều đang chạy ra xa chúng ta theo mọi hướng. Trong khi đó chúng ta thì hẳn không phải trung tâm của vũ trụ, như vậy là vũ trụ đang giãn nở theo mọi hướng, không gian có kích thước và nó đang ngày càng tăng lên cùng với chiều tăng của thời gian. Hubble được coi là người đầu tiên đặt nền tảng cho thuyết BigBang. Tuy nhiên đến tận năm 1948, George Gamov mới là người đầu tiên biến BigBang thành một lí thuyết cho biết vũ trụ ra đời từ một vụ nổ lớn nóng (the hot big bang). Tất nhiên có rất nhiều sự hoài nghi về lí thuyết này cho đến năm 1964, khi Arno Penzias và Robert Wilson phát hiện ra sự tồn tại của bức xạ nền vũ trụ (cosmic background radiation) - và họ đã nhận giải Nobel cho phát hiện này. Sự tồn tại của loại bức xạ này đã chứng minh rằng vũ trụ phải ra đời từ một vụ nổ lớn cách đây khoảng 10 - 20 tỉ năm.

Bức tranh tiến hoá vũ trụ theo trục thời gian hiện nay như sau
+ 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^-33cm, đây là những giới hạn lượng tử mà nền vâtlị của chúng ta không cho phép chúng ta nói gì về chúng. Nhiệt độ của vũ trụ lúc này là khoảng 10^32K. Tất cả mọi trạng thái của vũ trụ là hết sức hỗn độn.
+ t = 10^-33s, nhiệt độ 10^27K. Thời kì lạm phát bắt đầu. Kích thước vũ trụ tăng rất nhanh, tăng thêm khoảng 10^50 so với thời điểm Plank. Gia tốc giãn nở ở thời kì cực đại trong lịch sử phát triển vũ trụ.
các quark và các lepton (nói thêm: quark và lepton mỗi nhóm có 6loại hạt và hiện được tạm coilà 12loại hạt cơ bản của tự nhiên. Quark là các hạt nặng tạo thành các loại hạt như proton, neutron, còn lepton là các hạt cực nhẹ như photon hay electron) hình thành cùng với các phản hạt của chúng. Các barrion tạo thành từ các quark. các cặp quark và phản quark huỷ nhau tạo thành photon.
+ t = 10^-6s. Nhiệt độ 10^13K. Vũ trụ bước vào thời kì hadron. Nhiều photon và các cặp quark - phản quark bị tập hợp lại với nhau tạo thành các hadron (barion và phản barion). Khi toàn bộ các quark đã mất trạng thái tự do và lượng photon cân bằng để không tiếp tục biến hoá được nữa, thời kì hadron kết thúc.
+ t = 10^-3s, các lepton chiếm ưu thế trong vũ trụ và ở trạng thái cân bằng với các photon. Vũ trụ hết sức đạm đặc và các photon không thể vượt qua một lượng lớn các electron, proton và neutron tràn ngập vũ trụ. thời kì này chấm dứt khi các phản vật chất bị hủy diệt gần như toàn bộ.
+ t = 1s: các photon chiếm ưu thế trong vũ trụ nhưng vẫn chưa thể vượt qua bức tường proton và neutron. các dotron đầu tiên hình thành do sự kết hợp của proton và neutron (các dotron này không bền)
+ t = 3 phút: các neutron và proton không còn đủ năng lượng phá vỡ liên kết giữa chúng để thoát khỏi hạt nhân nữa,các dotron tiếp tục hình thành và kết hợp tiếp với các neutron khác để tạo thành Heli3, Heli4. các hạt nhân H và He hình thành liên tiếp và chiếm ưu thế trong vũ trụ.
(chắc một số bạn đã biết tên cuốn sách the first three minutes - 3 phút đầu tiên, nó chính là chỉ 3phút quan trọng nhất này đây, 3phút để hình thành các hạt nhân đầu tiên, những gì cấu tạo nên tất cả chúng ta)
+ t = 300000 năm, mật độ các proton và neutron đã giảm nhiều và photon có thể di chyển tự do trong vũ trụ. các electron cũng bắt dầu mất sự tự do. Chúng bị các hạt nhân bắt giữ và tạo thành các nguyên tử, mật độ vật chất trong vũ trụ bắt đầu có xu hướng không đồng đều do sự phân tán của các hạt nhân và điện tử. vật chất bắt đầu được định hình như ngày nay.
+ t = 1 tỷ năm, sự kết hợp các hạt cơ bản tạo ra các dạng vật chất gần giống với ngày nay, lượng khí vào buịo trong vũ trụ tăng lên rất nhanh và tập hợp lại thành từng nhóm, các thiên hà đầu tiên ra đời cùng các ngôi sao.
+ t = 15 tỷ năm: hiện nay
Tham khảo thêm tại địa chỉ sau: www.thienvanvietnam.com/kienthuc.htm

Thế giới hạt cơ bản:
Bài này đưa vào box thiên văn có lẽ không phù hợp lắm nhưng nó là những kiến thức cần thiết đối với những ai quan tâm đến những lí thuyết và thành tựu của vũ trụ học hiện đại, tin rằng sẽ có nhiều bạn quan tâm và đọc những dòng dưới đây.
Hạt cơ bản (Elementary particle) là những hạt vật chất được coi là nhỏ nhất cấu tạo nên vũ trụ, gồm cả các hạt trực tiếp cấu thành vật chất và những hạt truyền tương tác. Thế nào là hạt nhỏ nhất? Đó là các hạt phải đạt yêu cầu cơ bản là không thể phân chia thêm. Giống như xây một ngôi nhà bằng các viên gạch thì các viên gạch được coi là cơ bản, không ai ghép các mẩu nhỏ hơn không phải gạch để thành gạch cả. Bạn có thể nói bạn sẽ đập vỡ nó ra, nhưng các mảnh vỡ đó chẳng qua cũng là gạch thôi, và sẽ đến lúc có đập mãi nó cũng không thể vỡ thêm được. Các hạt cơ bản chính là cái thành phần nhỏ đến mức không thể đập vụn thêm của vật chất, nó không cấu thành từ cái gì cả mà chính nó cấu thành mọi thứ khác.
Về định nghĩa và diễn giải thì là như thế, còn trong thực tế thì loài người đã mất không biết bao nhiêu thời gian để truy tìm các hạt cơ bản. Lịch sử của nó nay đã kéo dài đến hơn 2000 năm.
Hi Lạp cổ có mấy bác nghĩ ra cái khái niệm các yếu tố cơ bản (element), như bác Tallet thì nói tất cả chỉ đều là nước (tất cả sẽ phải về hết với nước), bác Aristotle thì cho rằng phải có tới 4 yếu tố là đất, không khí, nước và lửa. Rồi thì khái niệm nguyên tử ra đời khi bác Dalton (John Dalton 1766 - 1844) phát hiện và đưa ra ý tưởng rằng toàn bộ vật chất cấu tạo từ các phân tử, mỗi phân tử lại do một hoặc nhiều nguyên tử cấu tạo thành. Cái từ Atom (nguyên tử) ra đời do người ta cho rằng đó chính là hạt cơ bản của tự nhiên, các nguyên tử là không thể phân chia thêm. Rồi khi phát hiện ra rằng nguyên tử cũng được cấu tạo từ các hạt nhỏ hơn thì một chuyện hơi buồn cười nảy sinh là người ta đế thêm vào định nghĩa một chút để nguyên tử trở thành "thành phần không thể phân chia trong các phản ứng hoá học" và cái hay nhất là ở chỗ nhiều nơi lại nói "phản ứng hoá học là phản ứng xảy ra ở cấp độ nguyên tử", tức là 2 khái niệm đá thằng vào mặt nhau . Nhưng thôi thì cái tên cũng chỉ là qui ước, không có ảnh hưởng gì cả.
Chúng ta nói tiếp đến thế giới các hạt cơ bản ngày nay đã biết
Nguyên tử không phải hạt nhỏ nhất, nó được cấu tạo bởi một hạt nhân trung tâm và các electron quay xung quanh trên các quĩ đạo có năng lượng xác định (mẫu nguyên tử của Borh)
Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo bởi các hạt baryon, tên chung của proton và neutron.
Trong một thời gian dài, 3 loại hạt này được coi là thành phần cơ bản của vật chất.
Nhưng sau đó thì ánh sáng được biết đến cũng được cấu tạo bởi các dòng hạt gọi là photon, và lí thuyết lượng tử yêu cầu rằng tất cả các tương tác của tự nhiên đều phải được truyền bởi các loại hạt, được gọi chung là các hạt boson.
Hiện nay người ta cũng biết rằng proton và neutron cũng được cấu tạo từ các hạt nhỏ hơn, mỗi proton hoặc neutron được tạo thành bởi 3 hạt quark - tên chung của 6 loại hạt nặng. và ...
Thế giới hạt cơ bản hiện nay như sau
(đây không phải diễn đàn vật lí nên tôi nói qua thôi và vì giao diện của TTVN hạn chế nên các kí hiệu hạt sẽ tạm bỏ qua, chỉ nhắc tên và phân loại hạt)
Các hạt cơ bản được chia làm 2 nhóm chính là fermion (các hạt tạo nên vật chất trong vũ trụ) và boson (các hạt truyền tương tác - cụ thể là 4 loại tương tác cơ bản/ sẽ nói rõ về các tương tác này sau)
Boson gồm 4 loại cơ bản tương ứng với 4 loại tương tác cơ bản là
- photon - tương tác điện từ
- graviton - tương tác hấp dẫn
- gluon - tương tác mạnh
- weak boson (gồm 2 loại W và Z) - tương tác yếu.
Fermion gồm 12 loại chia làm 2 nhóm là quark - các hạt nặng và lepton - các hạt nhẹ.
Quark gồm 6 loại là up, down, charm, strange, top và bottom. Trong đó vật chất chúng ta thấy hàng ngày có hạt nhân gồm neutron và proton, ở đó neutron được tạo thành bởi 3 quark, 1 up và 2 down còn proton là 2 up và 1 down.
Lepton là những hạt rất rất nhẹ so với quark, chúng gồm 6 loại, trong đó có 3 hạt tham gia tạo thành vật chất trực tiếp và tương ứng với chúng là 3 neutrino tương ứng.
electron - electron neutrino
muon - muon neutrino
tau - tau neutrino
Tất cả những hạt nêu trên còn có một số kết hợp khác nữa để tạo thành một số loại hạt khác, tuy nhiên ở đây do độ dài hạn chế của bài viết này nên tôi tạm khong nêu ra, mặt khác các sự kết hợp đó cũng đương nhiên không được tính là hạt cơ bản, cũng như proton và neutron vậy.
Bản thân bảng hạt này ngày nay tạm được coi là cơ bản, nó vẫn có khả năng được cấu thành từ những hạt nhỏ hơn. Tuy nhiên hiện nay ngay cả các hạt này cũng chưa phải đã được xác định chính xác, mà chỉ bằng lí thuyết (như graviton) và các hiệu ứng được tiên đoán (như quark).
Khoảng hơn 20 năm nay là thời kì phát triển mạnh mẽ của một lí thuyết cố gắng thống nhất 4 loại tương tác cơ bản của tự nhiên và như thế cũng có nghĩa là thống nhất bảng hạt cơ bản về cũng một gốc, đó là lí thuyết dây (string theory), chúng ta sẽ nói thêm về nó ở một trong những bài tiếp theo.
Được RAGNAROK sửa chữa / chuyển vào 13:08 ngày 06/06/2006

Tôi có mấy file *.pdf về vũ trụ học, ai cần thì tôi sẽ gửi qua mail cho, không thể up file lên forum được. có điều mấy file này đòi hỏi kiên thức cao một chút, đọc cũng không dễ hiểu lắm đâu, công thức và phương trình đều nhiều cả, tất nhiên là bằng tiếng Anh

cám ơn bác ordin2003, làm ơn gưi vào địa chỉ vuthanhhai2904@yahoo.com.
xin cảm ơn và sẽ hậu tạ sau

Hay đó gửi cho em với .Mail của em là tuoixanhvoibien@yahoo.com.Cảm ơn odin2003 trước

Send cho mình nữa nhé, cám ơn trước.
Mail là: minhhoang.astronaut.future@gmail.com

Cái này thì các chú đợi anh mấy hôm xem để đâu đã. bài viết từ hàng mấy tháng trước bây giờ mới trả lời nên phải đợi thôi. Hình như có 1,2 cái gì đó đã chuyển cho Rag và đã up vào thienvanvietnam thì phải

Có khi nào năng lượng tối lại là một cơ chế nào khác....hay là một sai lầm về quan sát không? như người xưa nói MT bị gấu ăn vậy...

Năng lượng tối tìm thấy không phải do quan sát mà là do dự đoán trên những cơ sở hẳn hoi. Cái tên "năng lượng tôi" (dark energy) thực chất chả nói lên cái gì về mặt quang học, người ta đặt tên như thế đơn giản vì người ta chưa "tóm" được nó trực tiếp. Nó được tính ra trên lí thuyết qua việc giải phương trình trường Einstein.
Nói dễ hiểu là cần có sự tồn tại của một năng lượng như thế thì vũ trụ mới nở ra được như ngày nay, vì toàn bộ vật chất thông thường và vật chất tối đều đóng vai trò làm vũ trụ co lại, sự nở ra có được nhất định phải do một dạng năng lượng chiếm 73% tổng năng lượng của vũ trụ. Loại năng lượng đó đượpc đặt tên là năng lượng tôi, đơn giản thế thôi
Thế nên nếu có nhầm lẫn thì chỉ có thể do phương trình trường bị giải sai, tuy nhiên không phải chỉ có một người giải nó. Và bản thân kết quả của nó cũng được đối chiếu với nhiều thông số khác để đưa ra dộ tin cậy như ngày nay!

Vừa gửi mấy file về Cosmology cho mấy bạn trên như yêu cầu, không biết nhận được chưa
Một số file hồi xưa bị thất lạc, khi nào tìm được sẽ gửi nốt, nếu không thì ai cần thử hỏi Rag xem, hình như nó có hết rồi, không biết còn giữ không thôi.
Một số cái bằng tiếng Pháp đoán mọi người ở đây chơi tiếng Anh là chính nên không dám gửi. Theo anh chú nào không bận lắm đằng nào cũng đọc chịu khó dịch một số tài liệu ra phổ biến cho anh em sẽ rất hay.