Kịch bản Big Bang về lịch sử tiến hoá của vũ trụ

Kịch bản Big Bang

Năm 1929, với khám phá của nhà thiên văn Mỹ E. Hubble về sự dịch chuyển của các vạch quang phổ của các sao về phía vạch đỏ (so với các vạch quang phổ của một nguồn sáng trên trái đất,), mọi người bắt đầu hiểu được rằng vũ trụ quan sát được của chúng ta không phải là tĩnh tại mà có một sự tiến hoá nào đó, cụ thể là đang nở ra, có thể là nở mãi mãi hay đến một lúc nào đó sẽ co lại, theo như hai nghiệm của phương trình trường hấp dẫn của Einstein (1916) mà nhà toán học và khí tượng Nga A. Friedmann đã tìm ra trong các năm 1922 và 1924.

Vũ trụ đang nở hiện nay, theo nhà vật lý Mỹ gốc Nga G. Gamow trong một số công trình trong thời gian 1946-1948 cùng với các cộng sự (R. A. Alpher, H. Bethe, R. C. Herman), là kết quả của sự nổ tung của một khối vật chất (chính là toàn bộ vũ trụ ngày nay) trong một thể tích vô cùng nhỏ gần như một điểm. Khối vật chất này lúc đầu cực kỳ nóng và đặc (quả cầu lửa nguyên thuỷ) nhưng đã nguội dần đi và loãng ra trong quá trình nở của vũ trụ. Do nhiệt độ cực cao của vũ trụ lúc ban đầu (ở đây xét lúc mà tuổi của vũ trụ đã đạt cỡ giây), các phản ứng nhiệt hạch đã có thể xảy ra và đã có sự tạo thành các nguyên tố(đơteri, heli, liti; những nguyên tố nặng hơn hình thành theo một cơ chế khác). Do sự nguội dần của vũ trụ trong quá trình nở, đến một lúc nào đó (khoảng 380.000 năm sau lúc ra đời), các nguyên tử trung hoà sẽ hình thành và không còn tương tác với bức xạ (ánh sáng) nữa, bức xạ tách riêng này còn tồn tại cho đến ngày nay với nhiệt độ hiện nay là 2,7ºK (nhóm của Gamow lúc đầu dự đoán là 10ºK, sau đó là khoảng 5ºK). Bức xạ còn lại này (bức xạ tàn dư), thường gọi là bức xạ phông vi ba vũ trụ, đã được A. A. Penzias và R. W. Wilson bất ngờ phát hiện vào năm 1965 khi hai ông tìm cách cải tiến việc liệc lạc với vệ tinh viễn thông Echo (việc liên lạc này bị nhiễu mà sau đó người ta mới rõ là do có một bức xạ phông tràn ngập vũ trụ). Đó là một chứng cớ rất rõ ràng về sự đúng đắn của giả thuyết quả cầu lửa nguyên thuỷ mà Gamow đã đề xuất, ý tưởng đã bị F. Hoyle chế diễu: Đã có một Vụ Nổ Lớn (Big Bang) khai sinh ra vũ trụ! Từ “Big Bang” ngày nay người ta thường dùng để chỉ lý thuyết về sự tiến hoá của vũ trụ bắt đầu từ một quả cầu lửa nguyên thuỷ đã xuất hiện chính là từ sự giễu cợt này. Hoyle là một trong những người chủ trương “lý thuyết trạng thái dừng” theo đó vũ trụ không có lúc bắt đầu và cũng không có lúc kết thúc, vật chất liên tục được sinh ra trong quá trình nở của vũ trụ để bù vào phần vũ trụ đã tăng thêm do nở, giữ cho mật độ vật chất của vũ trụ luôn luôn không đổi. Lý thuyết này đã từng được nhiều nhà vũ trụ học rất hâm mộ, nhưng rốt cuộc đã bị phá sản trước các dữ kiện thực nghiệm, đặc biệt là về bức xạ phông vi ba vũ trụ, chứng cớ đầy sức thuyết phục về sự tiến hoá của vũ trụ theo kịch bản Big Bang.

Các kết quả tính toán của Gamow và các cộng sự về sự hình thành các nguyên tố trong giai đoạn sớm của vũ trụ (tuổi vào cỡ giây), trong trường hợp các nguyên tố nhẹ, đã được chứng tỏ là rất phù hợp với các kết quả thực nghiệm. Những khám phá về sự nở của vũ trụ, bức xạ phông vi ba vũ trụ và sự tiên đoán phù hợp với thực nghiệm về sự hình thành các nguyên tố nhẹ là ba cái vũ trụ lớn mà trên cơ sở đó kịch bản Big Bang đã được xem là mô hình chuẩn của vũ trụ học.

Mô hình chuẩn của vật lý hạt

Mô hình Big Bang trình bày ở trên đã được áp dụng cho thời điểm cỡ giây sau khi vũ trụ chào đời – vũ trụ sớm. Sử dụng các kết quả của vật lý hiện đại, mô hình Big Bang đã được mở rộng cho những thời điểm sớm hơn (vũ trụ rất sớm), thí dụ như vào lúc mà tuổi của vũ trụ mới chỉ vào cỡ phần triệu giây (micrôgiây). Vào lúc này, trạng thái vật chất của vũ trụ là như thế nào? Nó có đúng như các nhà lý thuyết đã tiên đoán dựa trên mô hình chuẩn của vật lý hạt sử dụng cho kịch bản Big Bang hay không? Câu hỏi này đã bắt đầu được trả lời bằng chính những quan sát trực tiếp về vũ trụ rất sớm được tạo ra trong phòng thí nghiệm với chiếc máy RHIC ở Brookhaven.

Nhưng trước hết ta hãy nói một vài lời về mô hình chuẩn cần thiết cho sự mô tả các quá trình vật lý của sự tiến hoá của vũ trụ trong giai đoạn rất sớm. Mô hình này bao gồm ba lý thuyết về ba loại tương tác cơ bản.

Trước hết là điện động lực học lượng tử dành cho tương tác điện từ, tương tác giữa các hạt mang điện được thực hiện qua trao đổi các photon (hạt ánh sáng). Lý thuyết này sau đó đã được thống nhất với lý thuyết về các tương tác yếu thành lý thuyết điện yếu (electro-weak), đôi khi được gọi là vị động lực học lượng tử. Biểu hiện đầu tiên được biết của tương tác yếu là sự phân rã bêta trong hiện tượng phóng xạ được H. Becquerel khám phá năm 1896. Biểu hiện thứ hai được khám phá sau đó nửa thế kỷ (1947) là sự phân rã của mezon muy. Sự phát triển của lý thuyết tương tác yếu đã đi từ giả thuyết về hạt nơtrino, lý thuyết ướm thử (của E. Fermi) tiên đoán về sự vi phạm tính chẵn lẻ, v.v... cho đến cuối cùng là lý thuyết thống nhất tương tác yếu và tương tác điện từ. Các hạt truyền tương tác theo lý thuyết này là W+, W- và Zº. Chúng đã được phát hiện bằng thực nghiệm năm 1973 (Zº) năm 1983 (hai hạt còn lại).

Lý thuyết thứ ba sắc động lực học lượng tử dành cho tương tác mạnh, loại tương tác được đặt ra khi người ta khám phá ra nơtron năm 1932, hạt cùng với proton tạo nên các hạt nhân trong nguyên tử. Một con đường rất dài và rất phức tạp kéo dài trong gần nửa thế kỷ sau đó, cuốc cùng đã dẫn đến lý thuyết về các hạt quarkcấu tạo nên proton, nơtron và nhiều hạt khác nữa gọi chung hà hađron, các hạt giữ vai trò liên kết các hạt quark với nhau trong các hađron là gluon.

Có tất cả 6 hạt quark (quark trên, quark dưới, quark lạ, quark duyên, quark đáy, quark đỉnh) và 8 hạt gluon. Các hạt này được chỉ ra bằng lý thuyết và đã được tìm thấy trong các máy gia tốc hạt.

Khác với các hạt cơ bản khác, các hạt quark có điện tích chỉ bằng một phần của điện tích nguyên tố (một trường hợp của điện tích nguyên tố mọi người đã biết là hạt electron). Các hạt quark lại liên kết với nhau bằng một loại lực (các gluon) có đặc tính là khi kéo chúng ra xa nhau, lực đó tăng lên và như vậy ta không thể nào tách riêng chúng ra được (sự giam quark). Nhưng nếu các hạt quark có thể đến rất gần nhau, lực liên kết giữa chúng sẽ yếu đi (được gọi là sự tự do tiệm cận) và chúng cũng như các gluon (các hạt tạo ra sự liên kết đó) sẽ có thể tồn tại ở trạng thái hoàn toàn tự do. Để thực hiện được một trạng thái như vậy ( plasma quark-gluon), cần phải có nhiệt độ rất lớn, theo tính toán vào cỡ nhiều triệu tỉ độ (tỉ độ là nhiệt độ thí dụ như ở trong lòng mặt trời, ở đó các phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra). Đây chính là điều kiện của vũ trụ ở một thời điểm trong giai đoạn rất sớm, lúc vũ trụ mới chỉ có tuổi là vài micrôgiây, mà các chuyên gia ở Brookhaven đã tạo ra trong chiếc máy RHIC.

Những micrôgiây đầu tiên của vũ trụ trong máy RHIC

Sắc động lực học lượng tử cho chúng ta biết rằng các hạt quark càng đến gần nhau thì lực liên kết giữa chúng càng yếu đi (sự tự do tiệm cận) và đến một lúc nào đó thì các hạt quark và các gluon (hạt truyền lực giữa các quark) trở nên độc lập với nhau: ta có plasma quark-gluon.

Theo lý thuyết lượng tử, khoảng cách ngắn giữa các hạt gắn liền với sự va chạm giữa chúng ở năng lượng cao. Do đó, để tạo ra plasma quark-gluon, ta cần phải có nhiệt độ rất cao để thực hiện được những va chạm mãnh liệt cần thiết. Vào đầu những năm 1990, trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) ở gần Geneve đã có một chương trình lớn nhằm tạo ra và quan sát plasma quark-gluon. Trong các thí nghiệm, máy gia tốc SPS có chu vi nhiều kilômet cung cấp năng lượng 17 GeV (1 GeV = 1 tỉ eV, eV: electron-von, đơn vị năng lượng bằng năng lượng thu được khi một electron đi qua một hiệu điện thế 1 von) sẽ gây ra những va chạm giữa các hạt nhân chì mà từ đó người ta hy vọng sẽ phát hiện được những dấu vết của plasma quark-gluon (gián tiếp qua các hạt sinh ra trong các va chạm giữa các hạt nhân chì”.

Tháng hai năm 2000, ông L. Maiani, giám đốc CERN, cho công bố một thông báo nói rằng CERN đã tạo ra được plasma quark-gluon với các chứng cớ có tính chất quyết định. Các phép đo cho thấy có tồn tại một dạng vật chất không bình thường và cộng đồng các nhà vật lý đồng ý về điểm đó. Họ cũng chia sẻ quan niệm là một trạng thái gồm các quark và gluon đã được tạo ra. Nhưng cũng không loại trừ hiện tượng đã quan sát được chỉ là một sự lệch lạc của các phép đo có thể giải thích được bằng những mô hình không cần có vai trò của plasma quark-gluon. Nói cách khác, các chứng cớ có tính chất quyết định” mà CERN đã tuyên bố chưa chắc đúng là như vậy. Một số người cho rằng bản thông báo đưa ra chưa phải đã đủ độ tin cậy. Sự vội vàng này có thể là vì những người có trách nhiệm của CERN đã đứng trước một số áp lực, một là vì đã huy động cho công việc này những phương tiện rất đáng kể, và hai là, đây có lẽ là điều chủ yếu, chiếc máy RHIC ở Brookhaven chỉ vài tháng sau sẽ bắt đầu hoạt động và trong cuộc chạy đua về plasma quark-gluon, ưu thế sẽ thuộc về họ.

Máy RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider: Máy va chạm iôn nặng tương đối tính) ở Brookhaven gồm hai cái vòng chu vi 3,8 km trong đó chạy với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng hai chùm hạt gồm các hạt nhân vàng hay các proton. Hai chùm hạt này gặp nhau ở bốn địa điểm, tại mỗi địa điểm có một đêctectơ có thể nhận ra được khoảng 10.000 hạt có tính chất khác nhau sinh ra trong sự va chạm của hai chùm hạt. Ưu thế chính của RHIC so với máy ở CERN là về công suất: năng lượng cung cấp là 2000 GeV, lớn hơn nhiều so với năng lượng cần phải có để giải phóng các hạt quark và gluon khỏi sự giam giữ theo tính toán của các nhà lý thuyết.

Các kết quả đầu tiên đã thu được không lâu sau khi máy bắt đầu làm việc. Nhưng những người có trách nhiệm của RHIC đã phải mất 5 năm trước khi có thể công bố những kết luận có ý nghĩa. Điều hoàn toàn rõ ràng là người ta đã quan sát được plasma quark-gluon theo nghĩa quark và gluon không còn bị giam giữ nữa. Các kết quả là nhất quán từ bốn đêtectơ khác nhau đặt ở bốn địa điểm khác nhau với các phép đo được các nhóm quốc tế (từ 60 đến hơn 500 nhà khoa học) tiến hành theo những chiến thuật khác nhau. Nhưng plasma này chẳng giống gì như plasma mà các nhà lý thuyết đã hình dung trước đó.

Điều hoàn toàn bất ngờ: vũ trụ - chất lỏng

“Plasma quark-gluon” (một cái tên không còn đúng nữa nhưng người ta vẫn sử dụng vì lý do thuận tiện) đã tạo ra được ở Brookhaven không có những tính chất của một chất khí như người ta đã chờ đợi (từ “plasma” vốn được sử dụng để chỉ một chất khí của các hạt mang điện dương và các hạt mang điện âm với số lượng gần bằng nhau). Nó có tính chất như một chất lỏng gần lý tưởng với độ nhớt gần bằng không, một chất lỏng chưa từng được quan sát cho tới nay.

Làm thế nào mà tính được tương tác mạnh trong chất lỏng của các quark và các gluon được nén lại với mật độ cực kỳ lớn và nổ tung ra với tốc độ gần như tốc độ của ánh sáng? Một cách tiếp cận là giải các phương trình của sắc động lực học lượng tử bằng những phép gần đúng nối tiếp nhau, trong đó không gian được lấy gần đúng như một mạng lưới các điểm gián đoạn. Bằng cách này, các nhà lý thuyết đã tính được các tính chất như áp suất và mật độ năng lượng như là một hàm số của nhiệt độ, các tính chất này tăng hết sức nhanh khi các hađron biến đổi thành môi trường quark-gluon. Nhưng cách tiếp cận này chỉ thích hợp với các bài toán tĩnh, không phải là trường hợp mà các điều kiện thay đổi rất nhanh như ở “tiểu Big Bang” trong máy RHIC.

Một cách tiếp cận khác rất hữu hiệu đã dựa trên một ức đoán rất độc đáo của J. Maldacena ở Viện nghiên cứu cao cấp Princeton: có một liên hệ giữa lý thuyết dây trong không gian cong năm chiều và một lý thuyết hạt kiểu sắc động lực học lượng tử trên biên bốn chiều của không gian đó. Khi các lực kiểu sắc động lực học lượng tử mạnh lên thì trong lý thuyết dây các lực tương ứng lại yếu đi và do đó dễ tính toán. Các đại lượng như độ nhớt rất khó tính trong sắc động lực học lượng tử lại có các đối tác trong lý thuyết dây dễ tính hơn nhiều. Theo cách tiếp cận này người ta đã tính ra giới hạn dưới của độ nhớt của plasma quark-gluon rất nhỏ nhưng không bằng không. Đàm Thanh Sơn và các cộng sự của anh đã tìm ra một biểu thức cho độ nhớt đó theo cách tiếp cận này. Biểu thức này có thể sẽ được kiểm nghiệm (gián tiếp) từ các số liệu trong các thí nghiệm ở RHIC.

Các nhà thực nghiệm cũng có những câu hỏi để trả lời: nghiên cứu các loại quark khác nhau xuất hiện trong “tiểu Big Bang” ở RHIC, đặc biệt là các quark nặng; nhìn ra plasma quark-gluon từ chính bản thân nó, thí dụ như từ các photon được phát ra.

Ở CERN, máy gia tốc LHC (Large Hadron Collider: Máy va chạm hađron lớn) đang được xây dựng đến năm 2008 sẽ đi vào hoạt động. Chiếc máy này sẽ tạo ra những va chạm giữa các hạt nhân chì với năng lượng hơn một triệu GeV. Một ban quốc tế hơn 1000 nhà vật lý đang xây dựng một đêtectơ khổng lồ gọi là ALICE. Chiếc đêtectơ này sẽ kết hợp với hai đêtectơ đã có để thực hiện những thí nghiệm cho phép mô phỏng và nghiên cứu những điều kiện xảy ra ở chính micrôgiây đầu tiên của Big Bang. Chúng ta sẽ có thể thấy rõ hơn và chắc chắn hơn các ý tưởng cơ bản đã hình thành về vũ trụ rất sớm có cần phải thay đổi hay không.

_____________

Tài liệu tham khảo: C. Roy, La Recherche, 3-2006; M. Riordan và W. A. Zaje, Scientific American, 5-2006; Đàm Thanh Sơn, Vật lý ngày nay, 8-2005; Đặng Mộng Lân, Vật lý ngày nay, 6-2005, Les Dossiers de la Recherche, 11-2005.