Khoa học vũ trụ

Vũ trụ học là gì? Bộ môn khoa học tìm hiểu về nguồn gốc khai sinh vũ trụ và tương tác giữa các thiên thể trong vũ trụ bao la

Vũ trụ học có thể là một môn học khó, vì nó là một lĩnh vực nghiên cứu trong vật lý, đan xen vào nhiều lĩnh vực khác. (Mặc dù, trong thực tế, gần như tất cả các lĩnh vực nghiên cứu trong vật lý đều liên quan tới nhiều lĩnh vực khác.) Vũ trụ học là gì? Những người nghiên cứu nó (được gọi là nhà vũ trụ học) thực sự làm gì? Có bằng chứng nào để hỗ trợ công việc của họ?

Vũ trụ học trong nháy mắt

Vũ trụ học là ngành khoa học nghiên cứu về nguồn gốc và số phận cuối cùng của vũ trụ. Nó liên quan chặt chẽ nhất đến các lĩnh vực cụ thể của thiên văn học và vật lý thiên văn, mặc dù thế kỷ trước cũng đã đưa vũ trụ học chặt chẽ phù hợp với những hiểu biết chính từ vật lý hạt.

Nói cách khác, sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ học hiện đại đến từ việc kết nối hành vi của các cấu trúc thiên thể lớn nhất trong vũ trụ của chúng ta (các hành tinh, sao, thiên hà và cụm thiên hà) với các cấu trúc nhỏ nhất trong vũ trụ của chúng ta (các hạt cơ bản).

Lịch sử vũ trụ họcVũ trụ học là gì? Bộ môn khoa học tìm hiểu về nguồn gốc khai sinh vũ trụ và tương tác giữa các thiên thể trong vũ trụ bao la

Nghiên cứu về vũ trụ học có lẽ là một trong những hình thức nghiên cứu đầu cơ lâu đời nhất về tự nhiên, và nó bắt đầu từ một thời điểm nào đó trong lịch sử khi một con người cổ đại nhìn về phía thiên đàng, hỏi những câu hỏi như sau:

  • Làm thế nào chúng ta đến được đây?
  • Điều gì đang xảy ra trên bầu trời đêm?
  • Có phải chúng ta đơn độc trong vũ trụ?
  • Những thứ sáng bóng trên bầu trời là gì?

Người xưa đã đưa ra một số nỗ lực khá tốt để giải thích những điều này. Đứng đầu trong số này là các nhà vật lý và thiên văn cổ đại, đã phát triển một mô hình địa tâm toàn diện của vũ trụ được tinh chế qua nhiều thế kỷ cho đến thời Ptolemy, lúc đó vũ trụ học thực sự không phát triển hơn trong nhiều thế kỷ. Lúc này hầu hết mọi người đều tin rằng Trái đất là tâm của vũ trụ và mọi thiên thể khác, kể cả Mặt trời xoay xung quanh hành tinh của chúng ta.

Bước tiến lớn tiếp theo trong lĩnh vực này đến từ Nicolaus Copernicus vào năm 1543, khi ông xuất bản cuốn sách thiên văn học được dự đoán rằng sẽ gây ra tranh cãi với Giáo hội Công giáo. Trong đó ông phác thảo bằng chứng cho mô hình Nhật tâm của ông về Hệ Mặt trời – các hành tinh khác, bao gồm Trái đất xoay xung quanh Mặt trời.

Sự thay đổi trong các giả định này được gọi là Nguyên tắc Copernican. Mô hình nhật tâm của Copernicus thậm chí còn trở nên phổ biến hơn và được chấp nhận dựa trên công trình của Tycho Brahe, Galileo Galilei và Johannes Kepler, người đã tích lũy được bằng chứng thực nghiệm đáng kể để hỗ trợ cho mô hình nhật tâm của Copernican.

Tuy nhiên, chính Isaac Newton là người có thể mang tất cả những khám phá này lại với nhau để thực sự giải thích các chuyển động của hành tinh. Ông có trực giác và hiểu biết sâu sắc để nhận ra rằng chuyển động của các vật thể rơi xuống trái đất tương tự như chuyển động của các vật thể quay quanh Trái đất (về bản chất, những vật thể này liên tục rơi quanh Trái đất).

Vì chuyển động này luôn được lặp lại, Isaac cho rằng nó được gây ra bởi cùng một lực, mà ông gọi là trọng lực. Bằng cách quan sát cẩn thận và phát triển một bộ môn toán học mới gọi là giải tích và ba định luật về chuyển động của mình, Newton đã có thể tạo ra các phương trình mô tả chuyển động này trong nhiều tình huống khác nhau.

Mặc dù định luật hấp dẫn của Newton có thể dự đoán chuyển động của các thiên thể nhưng có một vấn đề … không rõ chính xác nó hoạt động như thế nào. Lý thuyết đề xuất rằng các vật thể có khối lượng thu hút lẫn nhau trên không gian, nhưng Newton không thể phát triển một lời giải thích khoa học cho cơ chế mà trọng lực sử dụng để đạt được điều này.

Để giải thích điều không thể giải thích được, Newton đã dựa vào một lời kêu gọi chung đối với Thiên Chúa – về cơ bản, các vật thể hành xử theo cách này để đáp lại sự hiện diện hoàn hảo của Thiên Chúa trong vũ trụ. Để có được một lời giải thích vật lý sẽ phải chờ hơn hai thế kỷ, cho đến khi một thiên tài có trí tuệ có thể làm lu mờ ngay cả Newton.

Vũ trụ học hiện đại: Thuyết tương đối rộng và Vụ nổ lớn

Vũ trụ học của Newton thống trị khoa học cho đến đầu thế kỷ XX, cho tới khi Albert Einstein phát triển Thuyết tương đối tổng quát, định nghĩa lại sự hiểu biết khoa học về trọng lực. Trong công thức mới của Einstein, lực hấp dẫn được gây ra bởi sự bẻ cong không thời gian 4 chiều để đáp lại sự hiện diện của một vật thể lớn, như hành tinh, ngôi sao hay thậm chí là thiên hà.

Một trong những ý nghĩa thú vị của công thức mới này là bản thân không thời gian không ở trạng thái cân bằng. Theo thứ tự, các nhà khoa học nhận ra rằng thuyết tương đối rộng dự đoán rằng không thời gian sẽ mở rộng hoặc co lại. Tin rằng Einstein tin rằng vũ trụ thực sự là vĩnh cửu, ông đã đưa hằng số vũ trụ vào lý thuyết, điều này tạo ra một áp lực chống lại sự giãn nở hoặc co lại. Tuy nhiên, khi nhà thiên văn học Edwin Hubble cuối cùng phát hiện ra rằng vũ trụ trên thực tế đang giãn nở, Einstein nhận ra rằng ông đã phạm sai lầm và loại bỏ hằng số vũ trụ khỏi lý thuyết.

Nếu vũ trụ đang giãn nở, thì kết luận tự nhiên là nếu bạn quay lại vũ trụ, bạn sẽ thấy rằng nó phải bắt đầu trong một khối vật chất nhỏ bé, dày đặc. Giả thuyết về cách vũ trụ bắt đầu được gọi là Lý thuyết Big Bang. Đây là một lý thuyết gây tranh cãi trong suốt những thập kỷ giữa của thế kỷ XX, vì nó tranh giành quyền thống trị chống lại lý thuyết trạng thái ổn định của Fred Hoyle. Tuy nhiên, việc phát hiện ra bức xạ nền vi sóng vũ trụ vào năm 1965 đã xác nhận một dự đoán đã được thực hiện liên quan đến vụ nổ lớn, vì vậy nó đã được chấp nhận rộng rãi trong các nhà vật lý.

Mặc dù ông đã được chứng minh là sai về lý thuyết trạng thái ổn định, Hoyle được ghi nhận với những phát triển chính trong lý thuyết tổng hợp hạt nhân, đó là lý thuyết rằng hydro và các nguyên tử ánh sáng khác được chuyển thành các nguyên tử nặng hơn trong các hạt nhân hạt nhân được gọi là sao và phun ra vào vũ trụ khi cái chết của ngôi sao. Những nguyên tử nặng hơn này sau đó tiếp tục hình thành trong nước, các hành tinh và cuối cùng là sự sống trên Trái đất, bao gồm cả con người! Do đó, theo lời của nhiều nhà vũ trụ học aernruck, tất cả chúng ta đều được hình thành từ sao.

Dù sao, trở lại sự tiến hóa của vũ trụ. Khi các nhà khoa học thu được nhiều thông tin hơn về vũ trụ và đo đạc cẩn thận hơn bức xạ nền vi sóng vũ trụ, đã có một vấn đề. Khi các phép đo chi tiết được thực hiện với dữ liệu thiên văn, rõ ràng là các khái niệm từ vật lý lượng tử cần đóng vai trò mạnh mẽ hơn trong việc tìm hiểu các giai đoạn đầu và sự tiến hóa của vũ trụ. Lĩnh vực vũ trụ học lý thuyết này, mặc dù vẫn mang tính đầu cơ cao, đã phát triển khá màu mỡ và đôi khi được gọi là vũ trụ học lượng tử.

Vật lý lượng tử cho thấy một vũ trụ khá gần với sự đồng nhất về năng lượng và vật chất nhưng không hoàn toàn đồng nhất. Tuy nhiên, bất kỳ biến động nào trong vũ trụ sơ khai sẽ mở rộng đáng kể trong hàng tỷ năm mà vũ trụ mở rộng … và các dao động nhỏ hơn nhiều so với mong đợi. Vì vậy, các nhà vũ trụ học đã phải tìm ra một cách để giải thích một vũ trụ sơ khai không đồng nhất, nhưng một vũ trụ chỉ có những dao động cực kỳ nhỏ.

Enter Alan Guth, một nhà vật lý hạt đã giải quyết vấn đề này vào năm 1980 với sự phát triển của lý thuyết lạm phát. Các dao động trong vũ trụ sơ khai là những dao động lượng tử nhỏ, nhưng chúng nhanh chóng mở rộng trong vũ trụ sơ khai do thời kỳ giãn nở cực nhanh. Các quan sát thiên văn từ năm 1980 đã ủng hộ dự đoán của lý thuyết lạm phát và giờ đây nó là quan điểm đồng thuận giữa hầu hết các nhà vũ trụ học.

Bí ẩn của vũ trụ học hiện đại

Mặc dù vũ trụ học đã phát triển hơn nhiều trong thế kỷ qua, nhưng vẫn còn một số bí ẩn mở. Trên thực tế, hai trong số những bí ẩn trung tâm trong vật lý hiện đại là những vấn đề nổi trội trong vũ trụ học và vật lý thiên văn:

Vật chất tối – Một số thiên hà đang di chuyển theo cách không thể giải thích đầy đủ dựa trên lượng vật chất được quan sát bên trong chúng (gọi là “vật chất hữu hình”), nhưng có thể được giải thích nếu có thêm một vật chất vô hình trong thiên hà. Vật chất bổ sung này – được dự đoán sẽ chiếm khoảng 25% vũ trụ, dựa trên hầu hết các phép đo gần đây – được gọi là vật chất tối. Ngoài các quan sát thiên văn, các thí nghiệm trên Trái đất như Tìm kiếm vật chất tối gây ra (CDMS) đang cố gắng quan sát trực tiếp vật chất tối.

Năng lượng tối – Năm 1998, các nhà thiên văn học đã cố gắng phát hiện tốc độ vũ trụ chậm lại … nhưng họ thấy rằng nó không chậm lại. Trong thực tế, tốc độ tăng tốc đã tăng tốc. Dường như, hằng số vũ trụ của Einstein là cần thiết, nhưng thay vì giữ vũ trụ như một trạng thái cân bằng, nó thực sự dường như đang đẩy các thiên hà ra xa nhau với tốc độ nhanh hơn và nhanh hơn khi thời gian trôi qua. Không biết chính xác điều gì gây ra “lực hấp dẫn” này, nhưng tên các nhà vật lý đã đặt cho chất đó là “năng lượng tối”. Các quan sát thiên văn dự đoán rằng năng lượng tối này chiếm khoảng 70% chất của vũ trụ.

Có một số gợi ý khác để giải thích những kết quả bất thường này, chẳng hạn như Động lực học Newton thay đổi (MOND) và tốc độ biến đổi của vũ trụ học ánh sáng, nhưng những lựa chọn thay thế này được coi là những lý thuyết bên lề không được chấp nhận bởi nhiều nhà vật lý trong lĩnh vực này.

Nguồn gốc của vũ trụ

Điều đáng chú ý là lý thuyết vụ nổ lớn thực sự mô tả cách thức vũ trụ phát triển kể từ sau khi được tạo ra, nhưng không thể đưa ra bất kỳ thông tin trực tiếp nào về nguồn gốc thực sự của vũ trụ. Điều này không có nghĩa là vật lý học không thể cho chúng ta biết gì về nguồn gốc của vũ trụ. Khi các nhà vật lý khám phá quy mô nhỏ nhất của không gian, họ thấy rằng vật lý lượng tử dẫn đến việc tạo ra các hạt ảo, bằng chứng là hiệu ứng Casimir. Trên thực tế, lý thuyết lạm phát dự đoán rằng trong trường hợp không có bất kỳ vấn đề hay năng lượng nào, thì không thời gian sẽ mở rộng.

Do đó, được tính theo mệnh giá, điều này mang đến cho các nhà khoa học một lời giải thích hợp lý cho việc vũ trụ ban đầu có thể ra đời như thế nào. Nếu có một “không có gì” thực sự – bất kể, không có năng lượng, không thời gian – thì sẽ không có gì là không ổn định và sẽ bắt đầu tạo ra vật chất, năng lượng và không thời gian mở rộng. Đây là luận điểm trung tâm của những cuốn sách như The Grand Design và A Universe From nothing, cho rằng vũ trụ có thể được giải thích mà không cần tham khảo đến một vị thần sáng tạo siêu nhiên.

Vai trò của nhân loại trong vũ trụ học

Thật khó để nhấn mạnh quá mức tầm quan trọng của vũ trụ học, triết học và có lẽ là thần học khi nhận ra rằng Trái đất không phải là trung tâm của vũ trụ. Theo nghĩa này, vũ trụ học là một trong những lĩnh vực sớm nhất mang lại bằng chứng mâu thuẫn với thế giới quan tôn giáo truyền thống. Trên thực tế, mọi tiến bộ trong vũ trụ học dường như đã được nâng tầm lên trước những giả định cho rằng loài người đặc biệt như thế nào, ít nhất là về mặt lịch sử vũ trụ.

Siêu tân tinh: Vụ nổ thảm khốc của những ngôi sao khổng lồ Siêu tân tinh: Vụ nổ thảm khốc của những ngôi sao khổng lồ - Các vụ nổ Siêu tân tinh là gì? Siêu tân tinh là những thứ hủy diệt nhất có thể xảy ra với những ngôi sao có khối lượng nặng hơn Mặt trời. Khi những vụ nổ thảm khốc này xảy ra, chúng giải phóng đủ ánh sáng để làm khuất thiên hà nơi ngôi sao… Đọc thêm
Chủ đề trong bài
Show More
Back to top button
Close

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker