Những vấn đề vật lý tương lai

Đấy là những vấn đề mang tính cách mạng đi vào miền đất lạ (exotic) mà các nhà vật lý hy vọng có thể làm sáng tỏ nhờ:
– máy gia tốc LHC tạo va chạm hadron ở vùng năng lượng rất lớn (TeV),
– máy gia tốc ILC tạo va chạm electron và positron ở tốc độ gần tốc độ ánh sáng,
– kính viễn vọng GLAST: cửa sổ vào vũ trụ vùng năng lượng cao.
Sau đó là một số vấn đề vũ trụ học liên quan.

Máy LHC (Large Hadron Collider-Máy Va chạm Hadron Lớn)
Một tập thể khoa học trên thế giới đang chuẩn bị khởi động một thiết bị siêu đại chưa từng có trong lịch sử vật lý: máy LHC [1].
Chiếc máy khổng lồ này sau chín năm xây dựng có hy vọng sẽ bắt đầu hoạt động vào cuối năm nay (2008). Trên hình 1 ta có sơ đồ của LHC và trên hình 2 là vị trí của LHC
(gần biên giới Pháp-Thụy sĩ). Đây là một máy gia tốc có cấu trúc hướng hai chùm hadron (hadron là các hạt nặng) va chạm nhau ở vùng năng lượng tera ( TeV = tera electron-volt= 10 12 eV). Máy LHC thật sự sẽ thực hiện một cuộc cách mạng trong vật lý tương lai.

Hình 1 . Máy gia tốc LHC có đường kính=8, 6 km, đặt sâu 175 m dưới mặt đất, gồm 5 thiết bị:
1- máy gia tốc chính LHC và 4 đêtectơ hạt với kích thước lớn có tên sau:
2- CMS (Compact Muon Solenoid),
3- LHCb (LHC nghiên cứu quark beauty-quark đẹp),
4- ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) và
5- ALICE (A Large Ion Collider Experiment).
Ngoài ra có 2 máy gia tốc cũ cùng phối hợp hoạt động:
SPS = Super Proton Synchrotron
PS=Proton Synchroton


Hình 2 . Vị trí của LHC: gần biên giới Pháp-Thụy sĩ


Hình 3 . Một đoạn trong lòng máy gia tốc LHC

Dự án máy I LC (International Linear Collider- Máy va chạm thẳng quốc tế)
Ngay trước lúc LHC được khởi động, các nhà vật lý đã có dự án xây dựng tiếp theo một máy gia tốc tên là ILC với độ dài gần 30 km có khả năng thực hiện va chạm của electron và phản hạt positron ở tốc độ gần tốc độ ánh sáng. Mục đích của máy ILC là giúp các nhà vật lý nghiên cứu tiếp những kết quả khám phá được nhờ LHC.
Hơn 1.600 nhà khoa học từ hơn 300 phòng thí nghiệm và trường Đại học trên thế giới đã cùng hợp tác thiết kế máy ILC. Chi phí cho ILC lên đến 6,7 tỷ USD. Ba địa điểm được chọn để xem xét là: CERN (Geneve), Phòng thí nghiệm quốc gia Fermi (Batavia) và một địa điểm ở Nhật.

Những cuộc cách mạng tiếp đến trong vật lý các hạt cơ bản.
Sau đây là những vấn đề lớn mà các nhà vật lý kỳ vọng có được câu trả lời nhờ máy gia tốc LHC (và I L C).
Kiểm tra mẫu chuẩn & nghiên cứu điều gì đã phá vỡ đối xứng điện yếu
Như chúng ta biết mẫu chuẩn (Standard Model) là mẫu hợp nhất các tương tác điện từ, yếu (và mạnh). Mẫu chuẩn sẽ càng được làm sáng tỏ nếu được thử nghiệm ở những vùng năng lượng cao hơn vùng năng lượng hiện có.
Tương tác yếu trong phân rã bêta chỉ tác động lên các hạt trái (left-handed) [2]. Đối xứng giữa các hạt trái xác định lý thuyết điện yếu (electroweak).Một yếu tố quan trọng trong lý thuyết điện yếu là sự phá vỡ đối xứng và cần thiết phải có hạt Higgs (đặt theo tên của nhà vật lý Peter Higgs [3], người đã đưa hạt này vào vật lý năm 1960 ) để tạo ra khối lượng cho các hạt. Như vậy một số hạt thu được khối lượng thông qua tương tác với hạt Higgs thay vì sở hữu khối lượng một cách nội tại, người ta xem hạt Higgs như chiếm đầy không gian và tương tác với các hạt khác.
Khi người ta hỏi xây dựng LHC để làm gì các nhà vật lý thường đưa ra câu trả lời: tìm hạt Higgs, song thực tế ở đây vấn đề rộng hơn nhiều. Những khám phá do LHC đem lại sẽ thay đổi bộ mặt của vật lý đương đại và có tác động đến những khoa học khác (như vũ trụ học) trong tương lai đến.
Vật chất tối
Vào những năm 30 của thế kỷ trước Fritz Zwicky, một nhà thiên văn trẻ tuổi người Thụy Sĩ lập nghiệp ở Mỹ, khi nghiên cứu chuyển động 7 thiên hà trong chòm Coma, nhận thấy rằng 7 thiên hà này chuyển động quá nhanh so với tính toán thực hiện trên cơ sở các khối lượng quan sát được xung quanh. Muốn giải thích được chuyển động nhanh đó, xung quanh 7 thiên hà nói trên cần phải có một khối lượng vật chất 400 lần lớn hơn khối lượng quan sát được, nhưng khối lượng thiếu này không tìm thấy ở đâu cả. Bài toán vật chất tối (dark matter) ra đời (1933). Hơn 70 năm đã trôi qua mà bài toán vật chất tối – một trong những bài toán cơ bản của vật lý – vẫn chưa có lời giải!
Sự truy tìm hạt Higgs đúng là bài toán bản lề. Nhưng sau bài toán này hàm ẩn nhiều bài toán khác như: vì sao lực hấp dẫn lại yếu hơn các lực khác nhiều đến thế? vật chất tối là gì [4]? đâu là bản chất của không thời gian? Phải chăng vật chất tối là một loại hạt mới? Và điều đáng chú ý là những vấn đề ấy lại liên quan với nhau và với vấn đề hạt Higgs. Máy LHC sẽ giúp các nhà vật lý tìm hiểu những vấn đề này.
Liệu có tồn tại những lực mới
Theo tính toán của Benjamin W. Lee , Harry B.Thacker và Chris Quigg tồn tại một ngưỡng trị số cho khối lượng của hạt Higgs: nếu khối lượng đó nhỏ hơn một TeV thì tương tác yếu vẫn yếu ở vùng năng lượng cao nếu ngược lại thì tương tác yếu sẽ mạnh lên. Ngưỡng năng lượng này chứng tỏ rằng ngoài khả năng về sự tồn tại hạt Higgs còn một khả năng khác về một hiện tượng vật lý mới, đây là điều mà LHC sẽ giúp trả lời.
Hệ thứ bậc (hierarchy) về khối lượng
Chú ý rằng ở vùng năng lượng cao (1015 GeV) khi mà tương tác mạnh và điện yếu hợp nhất thì các hạt ngược lại có thể làm tăng khối lượng của hạt Higgs. Vậy vì sao hạt Higgs có khối lượng nhỏ hơn 1 TeV? Đây là bài toán hierarchy (hệ thứ bậc) khối lượng. Có thể siêu đối xứng cho ta câu trả lời vì theo siêu đối xứng mỗi hạt đi đôi với hạt siêu đối xứng tương ứng và chính hạt siêu đối xứng này triệt tiêu hệ quả tăng khối lượng của hạt Higgs. Người ta cũng hy vọng LHC sẽ làm sáng tỏ vấn đề này. Trên hình 4 chúng ta thấy khối lượng hạt Higgs được dự đoán cùng cỡ với khối lượng hạt quark đỉnh [5] và nằm dưới giới hạn năng lượng tạo ra bởi máy LHC.

Hình 4: Trên hình vẽ là khối lượng của một số hạt được xếp lớn dần từ trái sang phải (neutrino, electron, các quark up, down, hạt muon, quark lạ,neutron,proton, quark duyên, quark đáy, boson W,Z, quark đỉnh, hạt HIGGS), các vùng năng lượng hợp nhất điện yếu, hợp nhất mạnh & điện yếu, siêu dây, hấp dẫn lượng tử và giới hạn của máy LHC. Tại sao có hệ thứ bậc như vậy? Đây là bài tóan hệ thứ bậc (hierarchy problem) khối lượng.

Một vấn đề khác là liệu hạt Higgs có phải là cơ bản hay không hay hạt Higgs cũng được cấu tạo bởi những hạt khác cơ bản hơn (lý thuyết technicolor-đa sắc).Người ta hy vọng LHC cũng sẽ tìm ra những hạt cơ bản mới này.
Các chiều dư (extra dimension) của không thời gian
Một vấn đề lý thú khác: sự tồn tại những chiều dư (extra dimension) của không thời gian. Theo lý thuyết siêu dây thì ngoài không thời gian 4 chiều còn tồn tại 6 đến 7 chiều nữa gọi là chiều dư. Không gian các chiều dư có thể có nhiều dạng (nhiều tôpô): hình cầu, hình xuyến, hai hình xuyến giao nhau tạo nên những tay quai (handles), và v.v… (xem hình 5 ).

Hình 5 . Mỗi điểm của không gian vĩ mô ẩn chứa một đa tạp các chiều dư . Các quy luật vật lý quan sát được trong không gian vĩ mô phụ thuộc vào kích thước và cấu trúc của đa tạp các chiều dư.

Hình 6 . Trạm GLASTgồm 2 thiết bị quan trọng: LAT(Large Area Telescope – Kính viễn vọng có thị trường rộng) và GBM (GLAST Burst Monitor – Máy ghi đo các bùng nổ tia gamma).
Về mặt phổ năng lượng, nếu so sánh GLAST với một cây đàn piano thì GLAST có âm vực gồm 8 octave.

Hình 7 . Phổ điện từ.

Những chiều dư này sẽ làm thay đổi cường độ các lực và cũng có thể tích hợp chúng với nhau. Nếu có các chiều dư thì sự tích hợp này có thể xảy ra ở năng lượng vài TeV (thay vì 1012 TeV nếu các chiều dư không thời gian không tồn tại).

Kính viễn vọng GLAST: cửa sổ vào vũ trụ vùng năng lượng cao
Gần như cùng lúc với việc khởi động LHC, NASA [7] chuẩn bị phóng trạm thăm dò GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope- Kính Viễn vọng tia Gamma Vũ trụ Thị trường rộng – xem hình 5)[8] để phối hợp nghiên cứu cùng LHC. Nếu LHC là một thiết bị xây dựng trên mặt đất thì GLAST là một vệ tinh chuyển động trong vũ trụ. Hai thiết bị này cùng nhằm nghiên cứu những vấn đề lớn của vật lý tương lai.
Mục tiêu của Vệ tinh GLAST cũng nhằm nghiên cứu những vùng lạ (exotic) như các lỗ đen siêu nặng, vật chất tối, sao neutron là nguồn các tia gamma với năng lượng lớn. GLAST sẽ cung cấp những kết quả đồng dạng để có thể tích hợp với các kết quả do LHC thu được. Đây quả là một sự phối hợp hiếm hoi trong khoa học.
Tia (gamma) là những tia bức xạ điện từ ở vùng năng lượng cao, có bước sóng ngắn ở cuối phổ điện từ. Những photon gamma có năng lượng lớn có thể tạo nên những hạt cơ bản theo công thức cơ bản của Einstein E=mc2. Những tia gamma cũng có thể sinh ra từ quá trình hủy các hạt lạ (exotic) thuộc vật chất tối. Máy LHC cũng đeo đuổi mục tiêu tạo ra những hạt này trong phòng thí nghiệm.
Trạm GLAST sẽ ghi đo một giải phổ rộng bao gồm cả những vùng chưa quan sát được từ 10 đến 100 giga eV(vùng gạch chéo). Trong vùng này người ta hy vọng tìm ra những bí ẩn của vật chất tối.
Nhà vật lý Philip Morrison đã phát biểu trước đây về khả năng của một ngành vật lý là thiên văn học tia gamma (gamma-ray astronomy). Các tia gamma quan sát được thật ra chỉ là những bức xạ thứ cấp từ những bức xạ gamma nguyên thủy có năng lượng cao hơn phát ra từ các sao. Các tia gamma đã tạo nên những mưa rào các hạt có năng lượng thấp hơn. Các tia gamma ban đầu có năng lượng khoảng 100 tỷ eV (GeV) khó ghi đo dược bằng những đêtéctơ đặt trên mặt đất. Các nhà vật lý phải đưa những kính viễn vọng vào vũ trụ để ghi đo và các quan trắc thu nhận được sẽ chắc chắn thuộc về các tia gamma nguyên thủy. Do đó có dự án phóng trạm thăm dò GLAST vào không gian.
Những vấn đề lớn mà GLAST sẽ giúp làm sáng tỏ
Những hạt siêu đối xứng thuộc vật chất tối có thể không là tối hoàn toàn. Mặc dầu chúng không tương tác với vật chất thông thường và với ánh sáng, nhưng chúng có phản hạt và khi gặp phản hạt thì có thể hủy nhau và biến khối lượng lớn của chúng thành những hạt nặng và tia gamma. Vấn đề ở chỗ là phải ghi đo được những phản ứng đặc biệt này và phân biệt được với các va chạm khác. Một dấu hiệu có thể sử dụng để phân biệt là hai tia photon tạo thành sẽ có năng lượng tương đương với khối lượng của hai hạt tối, khoảng vài trăm GeV trong khi nếu positron và electron hủy nhau thì năng lượng các tia gamma sinh ra chỉ nằm trong khoảng 511 keV. Ngoài ra các tia gamma từ vật chất tối thường phải xảy ra ở gần các thiên hà và điều này cho phép chúng ta phân biệt được với trường hợp ghi đo các tia gamma khác.
Máy LHC cũng được thiết kế để có thể tạo những hạt tối, song các hạt này sẽ nhanh chóng biến khỏi máy gia tốc cho nên GLAST sẽ là một công cụ bổ sung hữu hiệu để nghiên cứu các hạt tối trong một không gian lớn hơn khi chúng chuyển động về hành tinh chúng ta.


Hình 8. Phần hình bên trái: Thiên hà có khối lượng lớn hơn kết quả tính toán của các nhà vật lý. Khối lượng thiếu đó là vật chất tối. Nếu GLAST ghi đo được những tia gamma tương ứng thì có thể kết luận về sự tồn tại của vật chất tối.
Phần hình bên phải: Lý thuyết cho biết rằng các hạt tối không phải là tối hẳn. Hai hạt tối có thể hủy nhau và sinh ra các tia gamma hoặc các hạt khác, các hạt này lại phân rã để cho những tia gamma.

Các chiều dư từ GLAST (bổ sung cho LHC)
Như chúng ta biết theo các lý thuyết hiện đại như lý thuyết dây thì không thời gian có đến 10 hoặc 11 chiều. Chúng ta không dễ cảm nhận được các chiều dư đó vì vật chất và các lực không phải là hấp dẫn đều cư trú trong không thời gian 4 chiều thông thường. Riêng hấp dẫn là không chịu điều hạn chế đó. Hấp dẫn có thể lan truyền trong các chiều dư.
Những siêu sao khi bùng nổ có thể chuyển một phần năng lượng cho các graviton Kaluza-Klein tức những lượng tử của hấp dẫn lan truyền trong các chiều dư. Các graviton này lại có thể phân rã thành những hạt khác trong đó có các tia gamma, như vậy tạo điều kiện cho GLAST ghi đo được để làm bằng chứng cho sự tồn tại các chiều dư.

Các bùng nổ tia gamma (Gamma-ray Burst)
Như chúng ta biết ở tâm các thiên hà thường có một lỗ đen cực lớn, điều này gắn liền với sự hình thành và phát triển của thiên hà. Khi lỗ đen lớn dần bằng cách hút vật chất chung quanh nó thì tâm thiên hà nóng lên và trở thành những tâm thiên hà tích cực (AGN – Active Galactic Nucleus).
Những siêu lỗ đen với khối lượng khổng lồ là những nguồn gamma mạnh. Trong quá trình hình thành lỗ đen vật chất của sao bị hút vào tâm lỗ đen làm bắn ra hai chùm plasma, chúng tương tác với vật chất gặp phải và tạo nên nhiều tia gamma (xem hình 9) dọc theo trục quay. Trạm GLAST có thể ghi đo được những tia gamma này và giúp các nhà vật lý tìm hiểu thêm bản chất của những bùng nổ tia gamma này (Gamma Ray Bursts- GRB) [8]

Hình 9 . Những lỗ đen siêu nặng sẽ phát ra những bùng nổ tia gamma (GRB)


Hình 10 Trong lý thuyết của Einstein không thời gian là một continium. Song nếu quan sát ở những kích thước nhỏ thì không thời gian có thể có nhiều thăng giáng có dạng bọt. Các tia gamma năng lượng cao (bước sóng ngắn) dễ nhạy cảm với cấu trúc đó, điều này sẽ ảnh hưởng đến trường đoạn thời gian mà các tia gamma này đi xuyên trong vũ trụ.

Những vi phạm lý thuyết tương đối
Một hệ quả của lý thuyết tương đối là vận tốc ánh sáng trong chân không không phụ thuộc vào độ dài bước sóng: những photon năng lượng cao (bước sóng ngắn) cũng như các photon năng lượng thấp (bước sóng dài ) đều chuyển động với một vận tốc như nhau. Đó là hệ quả của nguyên lý bất biến Lorentz.
Song có phải đây là nguyên lý bất di bất dịch? Cấu trúc không thời gian ở vùng vi mô có thể chịu nhiều thăng giáng lượng tử, các photon năng lượng cao sẽ nhạy cảm hơn với những thăng giáng đó. Điều này tương tự như một xe đẩy trẻ con thì dễ nhạy cảm với những chỗ gồ ghề trên đường hơn là một xe tải siêu trường siêu trọng. Những photon năng lượng cao khi du hành qua những thăng giáng đó có thể kéo dài hoặc rút ngắn thời gian bay trong vũ trụ (nhiều tỷ năm ánh sáng khi đến với chúng ta). GLAST có thể đo được sự khác nhau thời gian hành trình của photon năng lượng cao và photon năng lượng thấp. Sự khác nhau này sẽ càng lớn nếu hành trình từ các sao bùng nổ càng xa.
Các nhà vật lý hy vọng vào sự phối hợp nghiên cứu giữa LHC và GLAST để làm sáng tỏ những vấn đề quan trọng của vật lý học tương lai: lỗ đen, vật chất tối, các chiều dư của không thời gian, các bùng nổ tia gamma…
Các vấn đề trên, một khi được làm sáng tỏ, sẽ đưa vật lý lên một tầm cao mới.

Một mô hình vũ trụ (Lambda-CDM) mô tả chung cuộc của vũ trụ

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 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 giãn nở và nguồn gốc của sự giãn nở đó là năng lượng tối – dark energy-. Để giải thích hiện tượng vũ trụ giãn 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.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 chú thích [9]&[10]) 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 [11] 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 (hình 16). 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.

Hình 11. Bên trái là lỗ đen., bên phải là vũ trụ trong tương lai. Phần trắng bên phải chứa siêu quần thể của nhiều sao, siêu quần thể này cũng sẽ co lại thành lỗ đen trong một nghìn tỷ năm.

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 [12]) 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.
Bốn cơ sở quan trọng của vũ trụ học hiện đại
Thứ nhất theo lý thuyết tương đối của Einstein vũ trụ phải giãn 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 giãn 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.

Vũ trụ dưới mắt các nhà thiên văn tương lai
Các nhà vũ trụ học tương lai sống trên siêu quàn 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 những 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.
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 bài viết này 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 giãn nở lạm phát (xem chú thích [13]) 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.

Các mốc thời gian vũ trụ tính từ Bigbang
10 – 30giây Giãn nở lạm phát xảy ra (cosmic inflation)
100 giây Deuterium & Helium được hình thành
400.000 năm CMB (bức xạ phông vi ba vũ trụ) xuất hiện
8 tỷ năm Quá trình giãn nở bắt đầu gia tốc
13,7 tỷ năm Hiện nay
20 tỷ năm Ngân hà và Tiên nữ sẽ va chạm
100 tỷ năm Các thiên hà khác không còn được thấy nữa
1 tỷ tỷ năm Các đồng vị nguyên thủy biến mất dần
100 tỷ tỷ năm Ngôi sao cuối cùng bùng nổ

Các tác giả [9] 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 những hình ảnh nghệ thuật (xem hình 12, 13, 14, 15, 16, 17) đưa tưởng tượng của người đọc đến với vẻ đẹp kỳ ảo và bí ẩn sâu kín của vũ trụ.
Những vấn đề vật lý tương lai (hạt cơ bản và vũ trụ học) một khi được làm sáng tỏ
sẽ đưa vật lý học lên một tầm cao mới trong vùng đất lạ của hạt Higgs, vật chất tối, tia gamma năng lượng cao, các chiều dư không thời gian, các lỗ đen…

Hình 12. 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 13. Quả đất: 3,5 đến 4 tỷ năm về trước
Những sao chổi rơi xuống mặt đất tiếp thêm thành phần
nứớc 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 14. 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.

Hình 15. Thiên hà Tiên nữ đang lớn dần: 5 tỷ năm sau
Có còn ai trong chúng ta để nhìn thấy cảmh 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 16. 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 nhanh hơn cả ánh sáng và biến mất.

Hình 17. Lịm dần ánh sáng: 100 tỷ tỷ năm sau
Những 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. Thiên hà sẽ co dần thành một lỗ đen.

  
Tham khảo và chú thích
[1] Graham P.Collins, Chris Quigg, Barry Barish,Nicholas Walker & Hitoshi Yamamoto, The future of Physics, Scientific American số tháng 2/2008
[2] Hạt trái là những hạt có spin luôn hướng ngược với chiều chuyển động
[3] Đã 40 năm trôi qua kể từ ngày bài báo của Peter HIGGS được công bố , hạt boson HIGGS -một hạt giả tưởng tối cần thiết không thể thiếu được cho vật lý hiện đại- vẫn còn là một hạt bí hiểm !
[4] Vũ trụ có 4 thành phần: năng lượng tối (dark energy) gây lực đẩy,vật chất tối (dark matter) gây lực hút , các sao , các thiên hà và cuối cùng là các bức xạ . Vật chất tối có thể là một loại vật chất mà chúng ta chưa hề biết đến.
[5] Có 6 loại quark: trên, dưới, lạ, duyên, đáy/đẹp và đỉnh. Những hạt quark này cấu tạo nên các hadron (hạt nặng). Người ta hiện nay đang chú ý nhiều đến hạt quark đỉnh.. Khối lượng của hạt HIGGS liên quan nhiều đến khối lượng các hạt boson “ W” , “ Z “ và quark đỉnh ( top quark).
[6] William B.Atwood, Peter F.Michelson & Steven Ritz,Window on the Extreme Universe, Scientific American, số tháng 12 /2007
[7] NASA (National Aeronautics and Space Administration – Cơ quan hàng không và vũ trụ Mỹ).
[8] Bùng nổ tia gamma (Gamma Ray Bursts- GRB) trong vũ trụ là sự xuất hiện trong một thời gian rất ngắn những tia gamma với năng lượng rất lớn.
[9] Lawrence M.Krauss & Robert J.Scherrer, The end of cosmology, Scientific American tháng 3/ 2008
[10] 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.
Trtong 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.
[11] Lỗ đen: vùng không thời gian từ đó không gì thoát ra khỏi được, kể cả ánh sáng vì hấp dẫn quá mạnh.
[12] Thiên hà lùn là thiên hà nhỏ gồm nhiều 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.
[13] Giãn nở lạm phát ( cosmic inflation): vũ trụ đã trải qua một quá trình giãn nở rất nhanh theo quy luật hàm mũ.

Cao Chi
Tìm địa điểm Trường
Gọi trực tiếp
Chat Facebook
Chat Zalo

[flipbook id="1"]