Vũ trụ không xuất hiện âm thầm mà thông qua một vụ nổ! Ít nhất, đó là điều chúng ta thường được nghe: Vũ trụ và mọi thứ trong vũ trụ ra đời tại thời điểm Big Bang (Vụ nổ lớn) xảy ra. Không gian, thời gian, tất cả vật chất và năng lượng bên trong bắt đầu từ một điểm duy nhất, sau đó giãn nở và nguội đi từ đó hình thành nên thời gian hàng tỷ năm đến các nguyên tử, vì sao, thiên hà và siêu thiên hà trải rộng trên hàng tỷ năm ánh sáng – chính là Vũ trụ hiện hữu của chúng ta. Bức tranh tráng lệ và đầy hấp dẫn đó giải thích rất nhiều điều về những thứ chúng ta thấy được, từ cấu trúc quy mô lớn của hai nghìn tỷ thiên hà trong Vũ trụ đến bức xạ tàn dư từ vụ nổ nhiễm vào mọi vật thể sống. Thật không may, đây là một sai lầm. Giới khoa học đã nhận ra điều này từ gần 40 năm trước.
Vũ trụ dần giãn nở và nguội đi, tuy nhiên trong quá khứ nó từng đặc và nóng hơn. Ban đầu, Big Bang được coi là"nút thắt" kỳ dị mà từ đó xuất hiện sự đặc quánh và nóng đến cực độ. Nhưng ngày nay chúng ta đã hiểu rõ hơn. (Nguồn: Trung tâm Không gian Goddard của NASA).
Theo ghi chép của Vesto Slipher, nếu khoảng cách của một thiên hà tới chúng ta càng lớn, nó chuyển động ra xa chúng ta càng nhanh. Trong nhiều năm, điều này không thống nhất với Big Bang, cho đến khi Hubble cho phép chúng ta quan sát và sắp xếp các mảnh ghép lại với nhau: Vũ trụ đang mở rộng.VESTO SLIPHER, (1917): PROC. AMER. PHIL. SOC, 56, 403.
Ý tưởng về Big Bang lần đầu xuất hiện vào những năm 1920 và 1930. Khi quan sát các thiên hà xa xôi, giới khoa học phát hiện ra điều khác thường: các thiên hà càng cách xa chúng ta, dường như các thiên hà đó càng nhanh di chuyển ra xa chúng ta hơn. Theo các tiên đoán của Thuyết tương đối rộng của Einstein, một vũ trụ tĩnh sẽ không ổn định về mặt trọng lực; mọi thứ hoặc cần phải di chuyển ra xa nhau hoặc hút về phía nhau nếu lưới không gian tuân theo định luật Einstein. Quan sát sự suy giảm này cho chúng ta biết rằng Vũ trụ đang mở rộng, và sau này, những thứ ngày càng cách xa nhau theo thời gian đã từng ở rất gần nhau trong quá khứ xa xưa.
Nếu bạn càng nhìn xa và xa hơn nữa, bạn cũng nhìn xa hơn về quá khứ. Bạn càng đi về trước đó, vũ trụ hóa ra càng nóng, đậm đặc hơn và ítbiến hóahơn. (Nguồn: NASA/STSCI/A. FELID).
Vũ trụ đang giãn nở không chỉ khiến khoảng cách giữa mọi thứ ngày càng xa hơn, mà còn khiến bước sóng dần trải dài ra theo bước chân chúng ta du hành đến thời gian phía trước. Vì bước sóng quyết định năng lượng (bước sóng ngắn hơn có nhiều năng lượng hơn), điều đó có nghĩa là nhiệt độ Vũ trụ giảm theo thời gian và do đó mọi thứ đã từng nóng hơn trong quá khứ. Ngoại suy điều này một khoảng đủ xa về quá khứ, bạn sẽ đến một thời điểm mà mọi thứ quá nóng đến mức thậm chí không thể hình thành các nguyên tử trung hòa. Nếu giả thuyết này chính xác, chúng ta sẽ thấy bức xạ tàn dư ngày nay, theo mọi hướng, đã nguội chỉ một vài độ trên độ 0 tuyệt đối. Việc nền vi sóng vũ trụ này được phát hiện bởi Arno Penzias và Bob Wilson vào năm 1964 là xác nhận đầy thuyết phục cho giả thuyết Big Bang.
Theo các các quan sát ban đầu của Penzias và Wilson, mặt phẳng thiên hà phát ra một số nguồn phóng xạ vật lý thiên văn (trung tâm), nhưng ở phía trên và dưới, tất cả những gì còn lại là một nền bức xạ đồng nhất gần như hoàn hảo. (Nguồn: Đội nghiên cứu khoa học WMAP thuộc NASA).
Do đó, rất thú vị khi tiếp tục ngoại suy ngược thời gian, khi Vũ trụ thậm chí còn nhỏ hơn và nóng đặc hơn. Nếu tiếp tục ngoại suy ngược, bạn sẽ thấy:
- Một thời điểm mà Vũ trụ quá nóng để hình thành hạt nhân nguyên tử, và bức xạ quá nóng đến mức bất kỳ mối liên kết nào giữa các proton và neutron cũng bị nổ tung.
- Một thời điểm mà các cặp vật chất và phi vật chất có thể tự hình thành, khi Vũ trụ tràn đầy năng lượng đến nỗi các cặp hạt/phản hạt có thể được tạo ra một cách tự nhiên.
- Một thời điểm mà các proton và neutron riêng biệt phân hủy thành trạng thái plasma quark-gluon, khi nhiệt độ và mật độ cao đến nỗi Vũ trụ trở nên đậm đặc hơn vùng bên trong một hạt nhân nguyên tử.
- Và cuối cùng, một thời điểm mà mật độ và nhiệt độ tăng đến các giá trị vô hạn, khi tất cả vật chất và năng lượng trong Vũ trụ được chứa trong một điểm duy nhất: nút thắt kỳ dị.
Điểm cuối cùng này – nút thắt kỳ dị là nơi mà các định luật vật lý bị phá vỡ - hiện được xem là nguồn gốc của không gian và thời gian. Đây là ý tưởng cuối cùng của Big Bang.
Nếu chúng ta ngoại suy rất xa, chúng ta đến được các trạng thái đặc nóng hơn tại thời điểm sớm hơn. Đây có phải là trạng thái cuối cùng của nút thắt kỳ dị, nơi mà các định luật vật lý tự phá vỡ? (Nguồn: NASA/CXC/M.WEISS).
Tất nhiên, tất cả mọi thứ, ngoại trừ điểm cuối cùng trên, đã được xác nhận là đúng! Chúng tôi đã tạo được các plasma quark-gluon và cặp phản vật chất trong phòng thí nghiệm; cũng như tính toán các yếu tố ánh sáng được hình thành và độ phong phú tại thời kỳ sơ khai của Vũ trụ, thực hiện các phép đo và thấy rằng chúng đều phù hợp với các dự đoán từ vụ nổ Big Bang. Xa hơn nữa, chúng tôi đã đo được sự biến động của nền vi sóng vũ trụ và xem xét cách thức các cấu trúc liên kết hấp dẫn như sự hình thành và phát triển của các vì sao và thiên hà. Quan sát tất cả những điều trên, chúng tôi đều tìm thấy sự thống nhất lớn giữa lý thuyết và quan sát. Big Bang dường như là đáp án cho câu hỏi về sự hình thành của Vũ trụ.
Các biến động mật độ trong nền vi sóng vũ trụ cung cấp hạt giống hình thành nên cấu trúc vũ trụ hiện đại, bao gồm các ngôi sao, thiên hà, cụm thiên hà, đường phân chia và khoảng trống bức xạ quy mô lớn. (Nguồn: CHRIS BLAKE VÀ SAM MOORFIELD).
Tuy nhiên trên một số phương diện vẫn có sự khác biệt. Ba điều đặc biệt sau mà bạn mong chờ từ Big Bang đã không xảy ra. Cụ thể:
- 1. Nhiệt độ Vũ trụ là như nhau tại các hướng khác nhau, mặc dù một khu vực cách vụ nổ hàng tỷ năm ánh sáng theo một hướng không bao giờ (kể từ Big Bang) tương tác hoặc trao đổi thông tin với một khu vực hàng tỷ năm ánh sáng ở hướng ngược lại.
- 2. Vũ trụ không có độ cong không gian đo được khác với 0, mặc dù Vũ trụ hoàn toàn phẳng trong không gian đòi hỏi một sự cân bằng hoàn hảo giữa việc dãn nở ban đầu và mật độ vật chất và bức xạ.
- 3. Vũ trụ không còn tồn tại bất kỳ tàn dư có năng lượng cực cao nào còn sót lại từ những thời điểm sớm nhất, mặc dù nhiệt độ có thể tạo ra những tàn dư này đã tồn tại nếu Vũ trụ đã từng rất nóng.
Các nhà lý thuyết nghiên cứu vấn đề này bắt đầu nghĩ đến các giả thuyết thay thế cho một "nút thắt kỳ dị" của Big Bang, cũng như điều gì có thể tái tạo trạng thái đặc nóng, dãn nở và đang nguội đi trong khi những người khác tránh đề cập những vấn đề này. Tháng 12/1979, Alan Guth đã tìm ra đáp án.
Trong một Vũ trụ đang phồng lên, năng lượng vốn có trong không gian, gây ra sự dãn nở theo cấp số mũ. Luôn luôn có một xác suất khác 0 mà quá trình lạm phát sẽ kết thúc (được biểu thị bằng dấu 'X' màu đỏ) vào bất cứ lúc nào, dẫn đến trạng thái đặc nóng của vũ trụ đầy vật chất và bức xạ. Nhưng ở những khu vực không diễn ra sự kết thúc, không gian tiếp tục phồng lên. (Nguồn: BEYOND GALAXY – Tác giả: E. SIEGEL).
Thay vì một trạng thái đặc nóng ngẫu nhiên, Vũ trụ có thể bắt đầu từ một trạng thái không có vật chất, không có bức xạ, không phản vật chất, không có neutrino, và bất cứ hạt nào. Tất cả năng lượng trong Vũ trụ có thể liên kết chặt chẽ với chính lưới không gian: một dạng năng lượng chân không, khiến Vũ trụ dãn nở với tốc độ theo cấp số mũ. Trong trạng thái vũ trụ này, biến động lượng tử vẫn tồn tại, và vì vậy khi không gian mở rộng, những dao động này sẽ kéo dài trên toàn Vũ trụ, tạo ra các vùng có mật độ năng lượng trung bình nhiều hơn hoặc ít hơn một chút. Và cuối cùng, khi giai đoạn phình to này của vũ trụ chấm dứt, năng lượng đó sẽ được biến đổi thành vật chất và bức xạ, tạo ra trạng thái đặc nóng tương đồng với vụ nổ Big Bang.
Các biến động lượng tử vốn có trong không gian, trải dài khắp vũ trụ trong quá trình phình to, để lại dấu vết của sự biến động mật độ trên nền vi sóng vũ trụ, từ đó dẫn đến sự xuất hiện của các ngôi sao, thiên hà và cấu trúc rộng lớn khác trong Vũ trụ ngày nay. (Nguồn: Tác giả E. SIEGEL, Ảnh: TỪ KÍNH THIÊN VĂN PLANCK CỦA CƠ QUAN VŨ TRỤ CHÂU ÂU VÀ NHIỆM VỤ LIÊN CƠ QUAN CỦA NSF TRONG NGHIÊN CỨU NỀN VI SÓNG VŨ TRỤ/NASA/BỘ NĂNG LƯỢNG HOA KỲ).
Điều này được coi là một ý tưởng hấp dẫn nhưng vẫn mang tính suy đoán, nhưng có một cách để kiểm tra. Nếu chúng ta có thể đo lường được những biến động trong ánh sáng tàn dư của Big Bang, và chúng cho thấy một mô hình cụ thể phù hợp với dự đoán về quá trìnhphình to, đó sẽ là một bằng chứng quyết định cho quá trình phình to. Hơn nữa, biến động đó sẽ phải rất nhỏ để Vũ trụ có thể không bao giờ đạt đến nhiệt độ cần thiết để tạo ra các tàn dư năng lượng cao, và nhỏ hơn nhiều so với nhiệt độ và mật độ mà không gian và thời gian xuất hiện từ điểm kỳ dị. Trong những năm 1990, những năm 2000, và sau đó một lần nữa trong những năm 2010, chúng tôi đã đo lường những biến động đó một cách chi tiết và thấy điều này là chính xác.
Sự biến động trong nền vi sóng vũ trụ, được đo bằng COBE (trên phạm vi lớn), WMAP (trên phạm vi trung bình) và Planck (trên phạm vi nhỏ), đều nhất quán với việc không chỉ tồn tại một bộ bất biến quy mô của biến động lượng tử, nhưng độ lớn quá nhỏ đến mức không thể nào tạo ra trạng thái đặc nóng ngẫu nhiên. (Nguồn: NASA/WMAP SCAMENCE TEAM).
Kết luận hiển nhiên là: Vụ nổ Big Bang chắc chắn đã xảy ra, nhưng không dãn nở để quay trở về trạng thái đặc nóng ngẫu nhiên. Thay vào đó, Vũ trụ từ rất sớm trước đó đã trải qua một khoảng thời gian mà trước khi tất cả năng lượng tạo thành vật chất và bức xạ như hiện nay, thay vào đó liên quan mật thiết trong chính lưới không gian của vũ trụ. Giai đoạn đó, được gọi là phình to vũ trụ, đã kết thúc và hình thành nên Big Bang, nhưng chưa bao giờ tạo ra một trạng thái đặc nóng ngẫu nhiên và cũng không tạo ra điểm kỳ dị. Điều gì đã xảy ra trước khi Vũ trụ phình to ra - hoặc liệu phình to vũ trụ có vĩnh cửu trong quá khứ hay không - vẫn là một câu hỏi mở, nhưng có một điều chắc chắn: Big Bang không phải là sự khởi đầu của vũ trụ!