Bài viết này mình đọc được từ facebook GS-TS Cao Chi, thấy thú vị nên repost trên Spiderum cho bạn nào quan tâm và yêu Vật lý.

Xem bài gốc tại ĐÂY.


Các tác giả Lawrence M.Krauss & Robert J.Scherrer (đại học Case Western  Reserve và Vanderbilt) đã tiên đoán một kết cuộc đầy ấn tượng của vũ trụ: co lại thành một lỗ đen [1] . Đối với các nhà khoa học trong tương lai xa những khái niệm như dãn nở Hubble, CMB (Cosmic Microwave Background-Phông bức xạ Vi ba Vũ trụ), Bigbang là những khái niệm thoát khỏi vùng xử lý thông tin của họ. 

Các tác giả đã minh họa quá trình tiến triển vũ trụ từ 4,5 tỷ năm trong quá khứ đến 100 tỷ tỷ năm trong tương lai bằng 9 hình ảnh nghệ thuật đưa tưởng tượng của người đọc đến với vẻ đẹp kỳ ảo và bí ẩn sâu kín của vũ trụ.


Hình 1 . Quả đất nguyên thủy: 4,5 tỷ năm trước

Bầu trời trên quả đất chứa đầy bụi, đá và hơi là những thành phần sẽ cấu tạo nên thái dương hệ. Một mặt trời vừa định dạng đang chiếu sáng các thành phần đó. Những sao chổi đầu tiên xuất hiện trên bầu trời. 


Hình 2A và 2B

A / Quả đất: 4 đến 4,5 tỷ năm trước Mặt trăng đã hiện trên bầu trời đêm, trông to hơn hiện nay. Nham thạch phun trào từ dưới mặt biển. Sao chổi và các tiểu hành tinh đang rơi xuống mặt đất.

B / Quả đất: 3,5 đến 4 tỷ năm về trước Những sao chổi rơi xuống mặt đất tiếp thêm thành phần nuớc cho hành tinh. Mặt trăng tiếp tục lùi xa trên bầu trời. Bụi, đá và hơi cũng đang khuếch tán dần trong không gian.


Hình 2C và 2D

C / Quả đất hiện nay : năm 2008 Trên bờ biển một đêm không trăng, chúng ta có thể thấy giải ngân hà vắt qua bầu trời. Thiên hà Tiên nữ và Mây Magellanic cũng có thể thấy được bằng mắt thường.

D / Quả đất: 600 triệu năm sau. Mặt trời trở nên nóng hơn gây nên sự bốc hơi các đại dương. Mặt đất trông giống sao Kim ( Venus). Nhiều đám mây dày đặc xuất hiện trên bầu trời.


Hình 2E và 2F

E / Quả đất bị nung nóng: 4,5 tỷ trong tương lai Các đại dương biến mất.Mặt trời nở to xuất hiện trên bầu trời đêm. Loài người có lẽ đã rời khỏi hành tinh, song một số trong chúng ta có thể còn lưu lại, họ sẽ thấy các sao chiếu sang yếu ớt một cách lạ lùng trên bầu trời vì sức nóng đang làm biến dạng khí quyển còn lại.

F / Thiên hà Tiên nữ đang lớn dần: 5 tỷ năm sau Có còn ai trong chúng ta để nhìn thấy cảnh tượng thiên hà Tiên nữ tiến dần về quả đất và chiếm hầu hết bầu trời đêm? Sự va chạm giữa thiên hà Tiên nữ và giải Ngân hà  sẽ bắn quả đất ra ngoài rìa thiên hà.


     

Hình 2G và 2H

G / Nhóm siêu quần thể địa phương: 100 tỷ năm sau Giải Ngân hà sẽ biến thành một siêu thiên hà dạng quả cầu. Quả đất trôi dạt cô đơn ngoài rìa xa xôi. Nhiều thiên hà khác đã chuyển động ra xa rất nhanh  và biến mất.

H / Lịm dần ánh sáng: 100 tỷ tỷ năm sau Nhũng sao cuối cùng đã cháy mất. Ngoại trừ các lỗ đen và có thể những ánh sáng nhân tạo của các nền văn minh tương lai, toàn vũ trụ trở nên tối đen. Mãi đến năm 1908 các nhà khoa học vẫn còn tin rằng thiên hà của chúng ta là thiên hà duy nhất trong một vũ trụ tĩnh và vĩnh cửu. Bây giờ chúng ta đã biết rằng thiên hà của chúng ta chỉ là một trong 400 tỷ (hoặc hơn) thiên hà trong vũ trụ. Trong các ngành khoa học có thể nói rằng vũ trụ học là lĩnh vực mà trí tuệ con người thay đổi nhanh chóng một cách kỳ diệu.

Hiện nay người ta phát hiện rằng vũ trụ đang dãn nở và nguồn gốc của sự dãn nở đó là “năng lượng tối – dark energy”. Để giải thích hiện tượng vũ trụ dãn nở có gia tốc mà thiên văn quan trắc được trong thời gian gần đây, các nhà vật lý lý thuyết phải đưa lại hằng số vũ trụ /\ (chữ Hy lạp-Lambda) vào phương trình của Einstein, hằng số mà chính Einstein đã đưa vào phương trình của mình rồi sau đó lại muốn từ bỏ nó!

Năng lượng tối sẽ gây nên nhiều hệ quả quan trọng. Các nhà vũ trụ học Glenn Starkman, Lawrence M.Krauss & Robert J.Scherrer (đại học Case Western Reserve và Vanderbilt) đã sử dụng mô hình  Lambda-CDM (viết tắt của Lambda-Cold Dark Matter- Mô hình Vật chất Tối Lạnh Lambda – xem [1] ) và chứng minh rằng năng lượng tối sẽ làm phát sinh một “chân trời sự cố" (event horizon). Đây là một bề mặt tưởng tượng mà từ ngoài đó bức xạ và vật chất không vào đến được với chúng ta.

Như vậy vũ trụ trông giống như một lỗ đen [2] lộn ngược trong ra ngoài với vật chất và bức xạ bị hút mất ở ngoại vùng chân trời sự cố thay vì ở nội vùng chân trời sự cố như trong trường hợp lỗ đen. Điều này cũng có nghĩa rằng vũ trụ mà chúng ta quan sát được chỉ chứa một lượng thông tin hữu hạn, do đó việc xử lý thông tin không thể thực hiện được cho tất cả thời gian.

Trong quá trình giãn nở một lượng vật chất sẽ biến mất sau đường chân trời sự cố. Hiện tượng này được các nhà thiên văn Abraham Loeb & Kentaro Nagamine ( Đại học Harvard ) nghiên cứu, họ đi đến kết luận rằng một nhóm thiên hà gọi là Nhóm thiên hà địa phương (Local Group of Galaxies), gồm thiên hà chúng ta, tinh vân Tiên nữ và một số thiên hà lùn (dwarf galaxies –xem chú thích [3]) sẽ co cụm lại thành một siêu quần thể – (supercluster) của nhiều sao. Các thiên hà khác sẽ biến mất trong bóng tối sau chân trời sự cố. Quá trình này sẽ xảy ra trong vòng 100 tỷ năm, thời gian tưởng chừng rất dài nhưng không so sánh được với sự bất tận thời gian của vũ trụ.


A / Bốn cơ sở quan trọng của vũ trụ học hiện đại

Thứ nhất theo lý thuyết tương đối của Einstein vũ trụ phải dãn nở hoặc co lại. Thuyết Bigbang đã ra đời từ quan điểm đó.

Thứ hai nhà thiên văn Mỹ Edwin Hubble đã phát hiện chuyển động xa rời của các thiên hà (giãn nở Hubble), ông tìm ra công thức nối liền vận tốc chuyển động xa dần của chúng với khoảng cách đến chúng: vận tốc tỷ lệ với khoảng cách, như vậy một thiên hà xa chúng ta hai lần sẽ chuyển động dãn nở với vận tốc hai lần lớn hơn.

Thứ ba năm 1965 do tình cờ hai nhà vật lý Arno Penzias & Robert Wilson ( phòng thí nghiệm Bell ) đã tìm thấy bức xạ phông vi ba của vũ trụ (CMB- Cosmic Microwave Background). Bức xạ do họ tìm thấy lập tức được đoán nhận ngay là bức xạ tàn dư của vũ trụ sau vụ Bigbang.

Và cuối cùng khi nhiệt độ vũ trụ vào khoảng 1 tỷ đến 10 tỷ độ Kelvin các hạt nhân nhẹ có thể tổng hợp thành những hạt nhân nặng (quá trình tổng hợp hạt nhân bigbang – bigbang nucleosynthesis). Quá trình này chỉ xảy ra trong vài phút vì vũ trụ giãn nở và nguội dần nhanh. Helium và deuterium được hình thành như thế.

B / Vũ trụ dưới mắt các nhà thiên văn tương lai 

Các nhà vũ trụ học tương lai sống trên siêu quần thể các sao hình thành sau 100 tỷ năm sẽ hình dung vũ trụ như thế nào? Họ sẽ nhìn thấy gì khi quan sát bầu trời lúc bấy giờ? Không dùng kính viễn vọng họ vẫn sẽ thấy các sao của thiên hà trong siêu quần thể. Song nếu dùng kính viễn vọng để mong tìm thấy các thiên hà khác thì họ không phát hiện được một thiên hà nào nữa. Những thiên hà lân cận thì đã sát nhập với thiên hà chúng ta còn những thiên hà nằm xa hơn thì đã biến mất sau chân trời sự cố. Như thế phát hiện của Hubble không còn đúng nữa và không lặp lại được. Đối với các nhà thiên văn này thì vũ trụ là một ốc đảo chung quanh là khoảng trống, nghĩa là vũ trụ lúc bấy giờ sẽ phù hợp với hình ảnh vũ trụ của nhũng năm 1908.

Liệu lúc đó các nhà vật lý có thể chứng minh được có bigbang không? Họ có thể sử dụng CMB chăng? Tiếc là không. Vì lúc vũ trụ giãn nở thì các bước sóng trải dài ra và bức xạ trở nên mơ hồ.Khi vũ trụ có chừng 100 tỷ năm tuổi thì đỉnh các bước sóng rơi vào vùng cỡ mét và ứng với sóng radio chứ không còn là vi ba. Cường độ bức xạ loãng đến một phần tỷ tỷ nên không đo được, vậy họ không tìm thấy dấu vết của CMB.

Liệu lúc đó các nhà vật lý có thể sử dụng độ hiện hữu (abundance) của các chất hóa học để truy tìm bigbang chăng? Tiếc là không. Nếu dựa ví dụ vào độ hiện hữa của deuterium (sinh ra trong quá trình tổng hợp hạt nhân bigbang) thì không chính xác vì những phản ứng hạt nhân trong tia vũ trụ năng lượng cao cũng là nguồn sinh ra deuterium, hơn nữa nguồn deuterium này cũng đáng kể và tin cậy.

Liệu có thể sử dụng lý thuyết Einstein để khôi phục lịch sử bigbang? Tiếc rằng lý thuyết Einstein được áp dụng cho vũ trụ kích cỡ lớn có độ đồng nhất mà vũ trụ trong tương lai xa có dạng một ốc đảo bao quanh bởi khoảng trống nên không có các điều kiện cho việc áp dụng lý thuyết Einstein.

C / Vũ trụ tương lai sẽ co lại thành lỗ đen

Tương tự như chân trời của lỗ đen có thể phát ra bức xạ, chân trời sự cố vũ trụ cũng có thể phát ra bức xạ, song nhiệt độ ứng với bức xạ này rất bé khoảng 10 -30 độ Kelvin, một nhiệt độ quá bé để cho các nhà thiên văn tương lai có thể ghi đo được mà nếu ghi đo được chắc họ cũng gán bức xạ đó với một tiếng ồn xa xăm nào đó. Họ có thể phóng đi một trạm thăm dò khỏi siêu quần thể trong đó họ đang sống để làm điểm quy chiếu nghiên cứu sự giãn nở của vũ trụ lúc bấy giờ. Song điều này cũng đòi hỏi nhiều tỷ năm để trạm thăm dò mới đến được điểm ở đấy sự giãn nở của vũ trụ có tác động đáng kể đến vận tốc trạm thăm dò, hơn nữa điều này đòi hỏi một năng lượng quá lớn để phóng trạm thăm dò và để trạm thăm dò chuyển được thông tin về siêu quần thể.

Vậy một điều có nhiều xác suất xảy ra nhất là các nhà vật lý tương lai sẽ tiên đoán là vũ trụ lúc bấy giờ sẽ co lại một cách bi thảm thành một lỗ đen. Và nếu những điều nói ở đây không còn được lưu trữ đến lúc bấy giờ thì những cơ sở của vũ trụ học hiện đại nói trên như bigbang là những điều gì thoát khỏi trí tuệ của các nhà khoa học trong tương lai.

Từ đó một bài học: liệu quá trình dãn nở lạm phát (xem chú thích [4]) đã xảy ra lúc sơ sinh của vũ trụ hiện nay (xem bảng Các mốc thời gian trong vũ trụ) có phát tán ra ngoài phạm vi quan sát và hiểu biết của chúng ta những thông tin cơ bản và quan trọng về vũ trụ trước đây chăng? Đây quả là một vấn đề lý thú cho những mô hình và lý thuyết đương đại của chúng ta về vũ trụ.



Tham khảo và chú thích

[1] a/ Lawrence M. Krauss & and Robert J. Scherrer, The Return of a Static Universe and the End of Cosmology, Journal of General Relativity and Gravitation, Vol.39,No 10, October 2007. Trong công trình này các tác giả sử dụng mô hình Lambda-CDM là mô hình cho nhiều kết quả phù hợp với các quan sát thiên văn. Lambda là hằng số vũ trụ mô tả năng lượng tối, CDM (Cold Dark Matter) là Vật chất Tối và Lạnh có tốc độ nhỏ hơn tốc độ ánh sáng nhiều lần chỉ tự tương tác hoặc tương tác với các hạt khác thông qua hấp dẫn.b/ Lawrence M.Krauss & Robert J.Scherrer, Scientific American tháng 3 / 2008

[2] Lỗ đen:vùng không thời gian từ đó không gì thoát ra khỏi được, kể cả ánh sáng vì hấp dẫn quá mạnh.

[3] Thiên hà lùn là thiên hà nhỏ gồm nhiều tỷ sao ,số này là nhỏ so với số sao của thiên hà chúng ta gồm đến 200-400 tỷ sao. Những thiên hà lùn thường chuyển động quanh những thiên hà lớn hơn . Thiên hà chúng ta có chừng 14 thiên hà lùn quay quanh.

[4] Dãn nở lạm phát ( cosmic inflation): vũ trụ đã trải qua một quá trình dãn nở rất nhanh theo quy luật hàm mũ. Dãn nở lạm phát đã giải thích được các hiện tượng: tính phẳng, tính đồng nhất và đẳng hướng của vũ trụ. Tác giả đầu tiên của dãn nở lạm phát là Alan Guth (đưa ra vào năm 1981, sau đó ý tưởng này được phát triển thành một lý thuyết hiện đại bởiAndrei Linde.