Thành lập vũ trụ
THỬ TÌM HIỂU:
1. THÀNH LẬP VŨ TRỤ
|
|
1. Mở đầu
Chúng ta thường tự hỏi vũ trụ thành lập ra sao? Con người và các sinh vật khác xuất hiện như thế nào trên hành tinh này, từ lúc nào và ở đâu?
Theo nhiều giả thuyết, quan sát và các nghiên cứu khoa học, vũ trụ được hình thành sau một vụ nổ lớn cách nay hơn 13,7 tỷ năm, tạo ra không gian giản nở chứa nhiều vật chất ở thể khí, chất lỏng, kết hợp nên vật chất đặc qua hàng tỷ năm. Từ đó, theo thời gian các thành phần nguyên tử thứ cấp được sinh ra, kết hợp thành nguyên tử, tế bào, sinh vật đơn bào, rồi vật chất đa bào do sự hợp thể và lực hấp dẫn … Dấu hiệu của sự sống sinh vật được báo cáo cách nay khoảng 4,1 tỷ năm và cuối cùng con Người hiện đại (Homo sapiens) xuất hiện ít nhứt cách nay khoảng 200.000 năm ở lục địa Châu Phi.
2. Giả thuyết Big Bang hay “Vụ nổ lớn” (1)
Cho đến nay, giả thuyết Big Bang hay “Vụ nổ lớn” về thành lập vũ trụ được các chuyên gia và cộng đồng khoa học chấp nhận rộng rãi. Giả thuyết này bắt nguồn từ giả thuyết của nhà thiên văn học, vật lý học và Linh mục Georges Lemaître (1894-1966) của Viện Đại học Công giáo Louvain, Bỉ quốc đề ra trong nghiên cứu của ông về “giả thuyết nguyên tử nguyên thủy” (Hình 1, 3).
Hình 1: Big Bang
Theo giả thuyết này, vũ trụ được thành lập từ một vật thể nhỏ hơn nguyên tử chứa năng lượng và nhiệt độ vô biên bùng nổ cách nay độ 13,798 ± 0,037 tỷ năm, tạo ra một số chất khí rồi kết hợp thành khối lỏng cực nóng; đồng thời vũ trụ giãn nở ngày càng lớn theo thời gian. Sau lúc bùng nổ lớn hàng triệu năm, vũ trụ hạ nhiệt dần theo thời gian để các bức xạ năng lượng chuyển quark, hadron, and lepton thành những hạt thứ cấp của nguyên tử như proton, neutron và electron. Tiếp theo, các nguyên tố đầu tiên được tổng hợp là Hydro cùng với số lượng ít hơn của Helium và Lithium. Vào giai đoạn bắt đầu hình thành nguyên tử, khí Hydro chiếm 75% và Helium chiếm 25% với một số ít khí nhẹ khác (7). Sau đó, những đám mây thể khí khổng lồ gồm các nguyên tố nguyên thủy do lực hấp dẫn kết hợp nhau thành các ngôi sao và ngôi sao đầu tiên được tạo ra chỉ sau Big Bang khoảng 400 triệu năm.
Hình 2: Vụ nổ siêu sao mới
Với thời gian trôi qua, các thiên hà, siêu thiên hà ra đời; các nguyên tố nặng như chất sắt, đồng, chì… được tổng hợp trong lòng ngôi sao hoặc tạo ra từ những vụ nổ siêu sao mới (supernovas) (Hình 2). Những vụ nổ này cũng tạo ra các vì sao mới nặng hơn. Năng lượng tối (dark energy) làm vũ trụ ngày càng tăng tốc giãn rộng thêm (Hình 1, 3). Vũ trụ có đường kính khoảng 10 tỷ năm ánh sáng, trọng khối (chất thông thường) ít nhứt 1053 kg và tỷ trọng trung bình 4,5x10-31 g/cm3 (1). Các phép đo lường gần đây cho thấy vũ trụ có hình “phẳng”, giống như chiếc bánh “còng Mỹ” hay donut (7).
Nhờ hấp lực, các hành tinh Hydro sáp nhập nhau tạo nên những hành tinh nặng hơn, hình thành hành tinh nóng chảy dung nham và có lõi là kim loại nặng. Vũ trụ cần đến hơn 8 tỷ năm để tạo ra đầy đủ các điều kiện vật chất cần thiết hình thành hệ Mặt trời, trong đó có Trái đất của loài người.
Hình 3: Big Bang, vũ trụ và giãn nở
Giả thuyết Big Bang đã được kiểm chứng và chuyên gia chấp nhận để giải thích các hiện tượng quan sát trong vũ trụ ngày nay, như sự hiện diện của các nguyên tố nhẹ, bức xạ nền vi sóng vũ trụ, cấu trúc vĩ mô của vũ trụ và hiện tượng vũ trụ giãn nở của định luật Hubble.
Hiện nay, có những máy gia tốc được xây dựng để nghiên cứu các sự kiện xảy ra sau Big Bang, mới nhứt và to lớn nhứt là máy gia tốc Large Hadron Collider (LHC) (Hình 4), được Tổ chức Châu Âu nghiên cứu nguyên tử European Organization for Nuclear Research (CERN)) xây dựng từ 1983-1988 trong lòng đất tại biên giới Pháp và Thụy Sĩ (2). Khi LHC hoạt động, bộ máy phát ra các chùm proton với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng và làm chúng va chạm nhau, sau đó ghi lại kết quả của các cuộc va chạm. Chi phí xây dựng LHC đến 4 tỷ Euro. Tạm thời có thể xem đây là thí nghiệm tái lập hiện tượng Vụ nổ lớn; tuy nhiên chỉ có thể giải thích các giai đoạn tiến hóa chung của vũ trụ sau lúc bùng nổ mà thôi, vì máy gia tốc này chỉ sản xuất năng lượng bắn phá hạt nguyên tử giới hạn nên không thể nghiên cứu miền năng lượng cao nhứt của hạt cơ bản (proton). Cho nên, cuộc thí nghiện LHC này không thể cung cấp manh mối sớm nhứt sau Vụ nổ lớn (1). Và các nhà khoa học cũng lãng tránh lời giải đáp cho những câu hỏi liên quan đến thời kỳ trước lúc bùng nổ lớn cái gì đã xảy ra? Năng lượng, nhiệt độ khủng do đâu mà có (theo tôn giáo do từ bàn tay Thượng Đế!)? Ngoài ra, còn có thuyết “đa vũ trụ” để giải thích nguyên nhân đưa đến vụ nổ Big Bang, nhưng không thể chứng minh.
Nhà máy Gia tốc Large Hadron Collider
Vào năm 2012, công cuộc thí nghiệm LHC đã xác nhận sự tồn tại của hạt boson Higgs - hạt cơ bản chưa thấy cuối cùng trong “Mô hình Chuẩn” của Vật lý, đó là một vật thể tạo ra khối lượng cho tất cả vật chất trong vũ trụ của chúng ta. Giải Nobel Vật lý năm 2013 đã trao cho nhà khoa học Peter Higgs và François Englert về khám phá một cơ chế góp phần hiểu rõ nguồn gốc của khối hạt nguyên tử thứ cấp (2). Theo NASA (3), trong vũ trụ, vật chất chỉ chiếm 5%, còn chất tối 27% và năng lượng tối ẩn số làm giãn nở vũ trụ đến 68%.
3. Sơ lược hành trình tạo lập Hệ mặt trời, trái đất và sự sống (1, 4)
Sự thành lập Hệ mặt trời, trái đất và sự sống còn là đề tài tranh cải qua nhiều thế kỷ; do đó có nhiều giả thuyết về vấn đề này được thành lập.
Va chạm Theia và trái đất
Cách nay 4,6 tỷ năm, một ngôi sao mới “mặt trời” hình thành và hút thêm các vệ tinh quay xung quanh nó, trong đó hành tinh thứ 3 là Trái đất. Các mẫu đá cổ nhất trên Trái Đất được tìm thấy có tuổi thọ hơn 4 tỷ năm (4,03 tỷ tại Canada và 4,4 tỷ tại Tây-Trung Australia).
- Trái đất lúc này có đủ các nguyên tố nặng nhẹ và quay nhanh quanh mặt trời, một ngày chỉ có 6 giờ. Nó rất nóng và nguội dần theo thời gian.
- Rồi một tiểu hành tinh cở Sao Hỏa tên là Theia đâm vào trái đất vỡ vụn làm trục trái đất bị nghiêng lệch và một mãnh vỡ bị trái đất hút lại làm vệ tinh. Đó là Mặt trăng (Hình 5). Cho nên, cấu tạo vật chất của mặt trăng và trái đất gần giống nhau, được biết từ kết quả thám hiểm mặt trăng trong hậu bán thế kỷ trước.
- Nhờ hấp lực của mặt trăng mà trái đất quay châm lại, một ngày dài hơn, từ 6 tăng lên 24 giờ; nhưng mặt trăng ngày càng rời xa trái đất khoảng 3,8cm mỗi năm do hiện tượng thủy triều; cho nên, trái đất quay chậm 2 phần nghìn giây mỗi ngày trong một thế kỷ (8).
- Trái đất nguội dần và dung nham không phun trào nhiều nữa. Các vật liệu nhẹ di chuyển lên bề mặt tạo vỏ trái đất trong khi vật liệu nặng rơi vào lõi trái đất.
-Trái đất là một phần tử nhỏ của Thiên hà Milky Way đang quay tròn với vận tốc 225km/giây và di chuyển trong không gian với vận tốc 305km/giây. Cho nên, trái đất di chuyển trong không gian với vận tốc 530km/giây mà chúng ta không hề hay biết (Hình 6) (8).
Thiên hà
Trái đất 4,4 tỉ năm
Cách nay 4,4 tỷ năm, trái đất còn nóng ở thể lỏng (Hình 7), nhưng có hơi nước trong khí quyển. Nhờ sự va chạm của một hành tinh nhỏ vào trái đất sinh ra mặt trăng, trục trái đất nghiêng nên có thời tiết 4 mùa, trái đất trở nên ổn định, có ánh sáng, sức nóng, khí bốc hơi thành mây, mưa tạo ra sông hồ, đại dương. Trái đất nguội dần. Dấu hiệu sự sống đầu tiên xuất hiện cách nay 4,1 tỷ năm (7). Hiện tượng quang hợp sản xuất nguyên tố mới Oxy đã bắt đầu 3,5 tỷ năm trước (5,6).
Năng lượng nhiệt từ dung nham và mặt trời kết hợp Hydro + Oxy tạo ra H2O (nước) ở dạng khí và càng tới gần 2 cực trái đất H2O ngưng tụ tạo ra những cơn mưa đầu tiên trên trái đất. Lúc đó, trái đất bị nước tràn ngập. Khí Oxy và nước là hai yếu tố tối quan trọng của sự sống trên quả địa cầu.
Cách nay 3,8 tỷ năm, có cuộc cách mạng dưới đáy biển nguyên thủy. Các nguyên tố đơn giản như Carbon, Hydro, Oxy, Nitro… kết thành hợp chất hữu cơ của sự sống, quan trọng nhứt là nguyên tố DNA (Desoxyribo Nucleic Acid) chứa các mật mả của sự sống. Khoảng 700.000 năm sau khi hành tinh thành lập (cách nay gần 4 tỷ năm), sự sống bắt đầu thể hiện qua các vi khuẩn đơn bào. Các vi khuẩn sống trong nước từ đơn bào tiến hóa thành đa bào, rồi thành các sinh vật lớn phức tạp hơn. Các sinh vật phù du sống trong biển tiến hóa tiếp thành loài cá và loài côn trùng nguyên thủy.
- Cách nay 2,5 tỷ năm: Dưới ánh sáng mặt trời, một số vi khuẩn đặc biệt sử dụng Oxy. Oxy và sắt tạo nên các mỏ sắt trong lòng trái đất.
4. Kết luận
Dù thế, sự hiểu biết về vũ trụ ngày nay còn rất nhiều giới hạn, với nhiều vấn đề mà khoa học chưa có giải đáp thích đáng. Nhưng với tiến bộ khoa học và thời đại cách mạng công nghiệp 4.0 đang bùng phát, nhứt là trong lãnh vực trí tuệ nhân tạo và các kho dữ liệu lớn (big data), nhân loại có thêm phương tiện và chìa khóa kiến thức giúp mở rộng sự hiểu biết nhiều hơn về vũ trụ trong tương lai. Chẳng hạn, trong 2017 nhờ sử dụng phần mềm trí tuệ nhân tạo của Google để khai thác các dữ liệu sẳn có của hệ sao Kepler 90, NASA đã tìm thấy 2 sao mới Kepler 90g và Kepler 90i (lớn hơn trái đất 30% và nóng 430 độ C vì ở gần ngôi sao chủ) trong hệ sao 8 hành tinh gần giống với hệ Mặt trời.
Các cuộc nghiên cứu khoa học và những khám phá ngoạn mục trong thời gian qua cho biết vũ trụ được thành lập từ 13,7 tỷ năm trước do hiện tượng Big Bang, nhưng đến nay chúng ta biết được trong đó vật chất chỉ chiếm 5%, còn lại là các chất tối và năng lượng tối mà chúng ta chưa biết đó là gì. Do đó, các nhà nghiên cứu đang nỗ lực cạnh tranh tìm hiểu bản chất “tối” của vũ trụ. Gần đây nhứt, các nhà khoa học đã tìm ra một chất tối tên hạt boson Higgs, đó là một vật thể cơ bản nhỏ nhứt và cuối cùng để tạo ra khối lượng cho tất cả vật chất trong vũ trụ. Sẽ có nhiều vật thể tối khác và mốt số vấn đề vũ trụ lần lượt được khám phá đưa ra ánh sáng trong những năm tháng sắp tới khi khoa học và thông minh nhân tạo AI ngày cang tiến bộ.
Trần Văn Đạt, Ph. D.
8-2017
|
Thuyết Big Bang: “Một chất nhỏ hơn nguyên tử ở trạng thái cực nóng, dày đặc lúc bắt đầu bùng nổ được gọi là kỷ nguyên Planck trong thời gian từ 0 đến khoảng 10-43 giây. Trong kỷ nguyên Planck, tất cả các loại vật chất và tất cả các loại năng lượng đều tập trung vào trạng thái mật độ dày đặc, nơi có lực hấp dẫn cực mạnh, và tất cả các lực có thể đã được hợp nhất. Kể từ kỷ Planck, vũ trụ được mở rộng đến hình dạng cấu trúc hiện tại, với thời gian rất ngắn ít hơn 10-32 giây để vũ trụ phồng ra, và đạt đến một kích thước lớn hơn. Sau thời kỳ Planck và phồng ra, xuất hiện giai đoạn “quark, hadron, và lepton” ít hơn 10 giây. Khi vũ trụ mở rộng và nguội hơn, các hạt cơ bản liên kết ổn định thành các kết hợp lớn hơn bao giờ hết. Do đó, các proton ổn định và neutron hình thành nên các hạt nhân nguyên tử thông qua các phản ứng hạt nhân, dẫn tới sự xuất hiện các hạt nhân nhẹ hơn, đặc biệt là hydro, deuterium và helium. Quá trình tổng hợp hạt nhân của Big Bang đã kết thúc khoảng 20 phút sau Big Bang. Ở giai đoạn này, vật chất trong Vũ trụ chủ yếu là plasma (dung nham) nóng, dày đặc các điện tử mang điện tích âm, neutrino trung tính và các hạt nhân dương tính. Kỷ nguyên này, được gọi là kỷ nguyên photon, kéo dài khoảng 380 nghìn năm. Cuối cùng, vào thời điểm được gọi là tái tổ hợp, các electron và hạt nhân hình thành các nguyên tử ổn định. Với các photon (quang tử) tách rời khỏi vật chất, vũ trụ bước vào kỷ nguyên của vật chất. Ánh sáng từ thời kỳ này có thể di chuyển tự do, và nó vẫn có thể được nhìn thấy trong vũ trụ như nền vi sóng vũ trụ” (1). |
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
2. Wikipeia: Large Hardron Collider
3. NASA (Science). Universe: Dark energy, dark matter
4. Video Lịch sử 3,7 tỷ năm của vũ trụ
5. Wikipedia: Sự sống
6. Wikipedia: Timeline of human evolution
7. Charles Q. Choi. 2017. Our expanding universe: Age, history, & other facts. Sapce.com)
8. Khohoc.tv. Những sự thật thú vị về vũ trụ có thể bạn chưa biết