Vũ trụ khởi đầu như thế nào?

Từng được cho là không thể giải thích, song những gì xảy ra trước khi vũ trụ hình thành luôn là đề tài thú vị của các nhà khoa học.

Trong nhiều năm qua, các nhà khoa học nói về sự hình thành vũ trụ như sau: tất cả nằm trong một "quả bóng" vật chất nhỏ bé và dày đặc, một vụ nổ lớn xảy ra làm phát sinh các nguyên tử, phân tử, ngôi sao và thiên hà như những gì chúng ta biết ngày nay.

Tất nhiên, đã có những thắc mắc về sự chính xác của lý thuyết này. Một số người cho rằng vũ trụ đã hiện diện ngay từ đầu, trong khi ý kiến khác nhận định có nhiều vũ trụ đang tồn tại, chúng ta chỉ là một phần rất nhỏ.

Lịch sử vũ trụ luôn là chủ đề cần nhiều công sức nghiên cứu, bên cạnh các giả thuyết có phần kỳ quái và không thể giải thích. Những nghiên cứu vật lý gần đây đã đưa ra thêm những thông tin về sự hình thành của vũ trụ.

Sự hình thành của vũ trụ là đề tài nghiên cứu ưa thích của các nhà khoa học trong nhiều năm qua. (Ảnh: Shutterstock).

Sự khởi đầu của vũ trụ

Trong những năm qua, các nhà khoa học luôn cho rằng vụ trụ được hình thành sau một sự kiện gọi là vụ nổ lớn (Big Bang). Theo thuyết này, vũ trụ trong quá khứ có kích thước rất nhỏ, nóng và chứa lượng vật chất dày đặc. Đến khoảng 13,8 tỷ năm trước, một vụ nổ xảy ra hình thành nên không gian, năng lượng và vật chất để tạo ra vũ trụ như hiện nay.

Ngay sau vụ nổ, các hạt nguyên tử cơ bản của vũ trụ được hình thành gồm neutron, proton, electron, photon... Khi vũ trụ nguội đi, các neutron phân rã thành electron hoặc proton, hoặc kết hợp với proton để tạo ra đơteri (một đồng vị của hydro).

Vũ trụ nguội thêm dẫn đến nhiều sự kết hợp hơn: electron hợp nhất với hạt nhân tạo nên các nguyên tử trung tính, photon tạo thành nền vi sóng vũ trụ (cosmic microwave background). Tóm lại, mọi nguyên tố cơ bản nhất của vũ trụ được hình thành chỉ vài phút sau vụ nổ Big Bang.

Từ đó đến nay, mọi quan sát, nghiên cứu về vũ trụ đều dựa trên thuyết Big Bang. Các nhà thiên văn học đã phân tích bức xạ còn sót lại từ thời kỳ đầu của vũ trụ đến đo lường các nguyên tố nhẹ nhất, tất cả chúng đều trùng khớp với dự đoán của thuyết Big Bang. Nói cách khác, Big Bang chính là bức tranh chính xác về sự hình thành của vũ trụ.

Tuy nhiên, bức tranh ấy vẫn thiếu một mảnh ghép quan trọng: khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ sau khi hình thành. Đó là thứ mà các chuyên gia đang tìm kiếm trong suốt nhiều năm qua.

Hình ảnh mô phỏng những gì xảy ra sau vụ nổ Big Bang theo thời gian. (Ảnh: Universe Today).

Chuyện gì xảy ra trước vụ nổ Big Bang?

Vấn đề nằm ở thuyết vật lý chúng ta sử dụng để hiểu về vũ trụ sơ khai (sự kết hợp phức tạp của thuyết tương đối rộng và vật lý hạt năng lượng cao) rồi cũng sẽ bị phá vỡ. Ngày càng đi sâu vào sự hình thành của vũ trụ, bài toán càng khó trả lời.

Điểm mấu chốt mà chúng ta chưa thể nghiên cứu sâu chính là sự tồn tại của "điểm kỳ dị" (singularity) - là điểm có mật độ siêu dày đặc, nóng và đầy năng lượng lúc bắt đầu Big Bang. Điều này cho thấy có thời điểm vũ trụ chỉ nằm trong một hạt cực kỳ nhỏ và dày đặc. Rõ ràng đó là giả thuyết vô lý, hoặc trình độ vật lý hiện nay chưa thể giải thích.

Rất khó xác định chính xác điều gì xảy ra ngay sau Big Bang, khoảnh khắc những vật chất trong điểm kỳ dị "đường ai nấy đi". Các nhà khoa học đã biết chính xác những gì xảy ra trong 10^-43 giây sau Big Bang, nhưng vẫn chưa thể kết luận điều gì xảy ra ở thời gian trước đó vì mọi thứ vẫn còn rất nóng.

Điều đó đồng nghĩa chúng ta cần một mô hình vật lý mới tập trung vào trọng lực và các lực khác, kết hợp chúng lại dưới mức năng lượng cực cao. Nếu tìm được chuỗi lý thuyết này, nó có thể giải thích về những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ.

Một trong những khái niệm chuỗi lý thuyết đầu tiên nói về vũ trụ ekpyrotic, tiếng Hy Lạp của conflagration (lửa). Trong thuyết này, Big Bang xảy ra sau khi bị tác động bởi một sự kiện khác, nghĩa là Big Bang không phải khởi đầu của vũ trụ, mà chỉ là một phần của quá trình.

Mở rộng lý thuyết về vũ trụ ekpyrotic lại dẫn đến một chuỗi lý thuyết khác gọi là vũ trụ học tuần hoàn (cyclic cosmology), nghĩa là sự hình thành của vũ trụ là một vòng lặp với chu kỳ vô hạn, sự vô hạn theo thời gian được tính bởi các điểm kỳ dị Big Bang tiếp theo.

Hình ảnh mô phỏng vụ nổ Big Bang. (Ảnh: Scott Wiessinger).

Một chủ đề thú vị

Nhà vật lý học nổi tiếng Stephen Hawking từng bông đùa rằng vũ trụ có lịch sử không giống ai bởi không có điểm khởi đầu và kết thúc, nói rằng trước vụ nổ Big Bang là giai đoạn không có ranh giới. Cũng có lý thuyết cho rằng vụ nổ Big Bang không phải khởi đầu của mọi thứ, mà chỉ là khoảnh khắc vũ trụ chuyển từ thời kỳ co lại sang thời kỳ giãn nở.

Nhiều ý kiến trái chiều xoay quanh sự hình thành vũ trụ khiến đây là đề tài thú vị của các nhà khoa học. Tuy nhiên, việc nghiên cứu và quan sát mô hình gặp khá nhiều khó khăn. Rào cản lớn nhất chính là giải thích chúng sao cho phù hợp với thuyết nền vi sóng vũ trụ, bức xạ điện từ được sinh ra từ thời kỳ sơ khai của vũ trụ khoảng 380.000 năm sau Big Bang.

Tuy vậy, vũ trụ ekpyrotic vẫn là đề tài nghiên cứu thú vị trong nhiều năm. Một nghiên cứu đăng trên arXiv hồi tháng 1 đã đưa ra những thông tin về vũ trụ này. Trong khi đó, 2 nhà khoa học Robert Brandenberger và Ziwei Wang thuộc Đại học McGill (Canada) cho rằng tại thời điểm "nảy", khi vũ trụ co lại thành một điểm cực kỳ nhỏ và quay về trạng thái Big Bang chính là điều mà chúng ta muốn tìm hiểu.

Nói cách khác, một mô hình vật lý phức tạp sẽ là "chìa khóa" mở ra cái nhìn mới về cách vũ trụ hình thành và phát triển, tuy nhiên để thực hiện điều đó, con người sẽ phải đợi một mô hình thử nghiệm vũ trụ học mới để giải thích về vũ trụ ekpyrotic.

• Tranh cãi về thử nghiệm hé lộ sự hình thành vũ trụ
• Vũ trụ có thể là một khối cầu khép kín