Vụ nổ Big Bang là gì?

Vũ trụ là gì? Một câu hỏi lớn đã từng đặt ra trước nhân loại suốt bao nhiêu thế kỷ. Thời xưa ở Trung Hoa cổ đại, nhà triết học Lão Tử đã cho vũ trụ là một tồn tại "vô thuỷ, vô chung, vô cùng, vô tận". Nhưng đến thế kỷ 20, với sự tích luỹ các kiến thức của vật lý vi mô và vật lý thiên văn, cho phép một học thuyết mới ra đời, cho rằng vũ trụ có một điểm khởi đầu để hình thành. Đó là vụ nổ lớn Big Bang.

Như vậy Big Bang là vụ nổ đầu tiên để từ đó đồng thời sinh ra không gian, năng lượng và vật chất để tạo ra vụ trụ như hiện nay. Một thời gian dài, lý thuyết này bị coi là một lý thuyết siêu hình nhưng các thành tựu gần đây của vật lý hạt cơ bản và kết quả quan sát những cấu trúc thiên văn lớn nhất đã cung cấp một kịch bản phù hợp với cấu trúc và sự phức tạp hoá dần dần của vật chất trong lòng vũ trụ nên ngày càng được thừa nhận rộng rãi.

Theo kịch bản này, khởi thuỷ vũ trụ nguyên thuỷ chỉ là một đại dương cực kỳ đặc và nóng (đây vẫn là điều phải thừa nhận). Rồi vụ nổ lớn Big Bang xảy ra, từ đó bắt đầu toàn bộ các biến cố sau này.

Hình ảnh tưởng tượng về vụ nổ Big Bang.

Vũ trụ nguyên thuỷ chỉ là một thứ "cháo đặc" gồm những hạt quark và electron chuyển động theo một hướng gần với vận tốc của ánh sáng. Tuỳ theo những va chạm không ngừng diễn ra, mà một số hạt huỷ lẫn nhau, một số khác lại sinh ra. Trong pha đầu tiên, thứ "cháo" đó bao gồm các đối tượng lượng tử mang điện tích, quark và phản quark. Rồi thứ "cháo" đó giàu thêm những hạt và phản hạt nhẹ được gọi chung là lepton (electron, nơtron và những phản hạt của chúng).

Một phần triệu giây sau Big Bang, nhiệt độ hạ xuống tới 10.000 tỉ độ Kenvin (thường gọi tắt là độ K. Về giá trị, O độ K bằng -273,16 độ C), lúc này xuất hiện các hạt nặng đầu tiên (proton và nơtron) nhờ các hạt quark kết hợp với nhau. Rồi các lepton sinh sôi nảy nở rất nhanh, đến lượt chúng chiếm hàng đầu trong vũ trụ. Nhưng nở ra nên vũ trụ nguội dần đi. Khi nhiệt độ hạ xuống tới 10 tỷ độ K thì proton và nơtron bắt đầu kết hợp với nhau để tạo thành đơteri. Lúc đó đồng hồ vũ trụ chỉ 1 giây, nhưng năng lượng của các photon vẫn đủ lớn để nhanh chóng phá vỡ hạt nhân đầu tiên đó. Mãi 3 phút sau, khi nhiệt độ hạ xuống tới 1 triệu độ K thì photon mới không còn khả năng phá vỡ các liên kết hạt nhân.

Khi ấy trong vũ trụ đã có hoạt động hạt nhân rất mạnh dẫn tới sự hình thành các hạt nhân nguyên tử nhẹ như đơteri, heli 3, liti 7 và heli 4... 15 phút sau Big Bang, quá trình tổng hợp hạt nhân ban đầu đó mới kết thúc, nhiệt độ hạ xuống quá thấp, không đủ đảm bảo cho phản ứng hạt nhân xảy ra.

Vật chất, ánh sáng và các loại bức xạ khác tràn xa ngày càng mỏng dần khi vũ trụ giãn nở.

300.000 năm sau, vũ trụ nguội đi xuống dưới 3000 độ K và trở nên trong suốt, electron không chuyển động nhanh như trước nữa. Các hạt nhân có thể giữ các electron lại, tạo thành các nguyên tử, tạo ra các "viên gạch xây" của vũ trụ. Do tương tác giữa photon và các nguyên tử rất nhỏ nên chúng có thể lan truyền tự do.

Vật chất, ánh sáng và các loại bức xạ khác tràn xa ngày càng mỏng dần khi vũ trụ giãn nở. Hàng tỉ năm sau, những đám mây khí khổng lồ bắt đầu phân tán. Mỗi đám mây trở thành một thiên hà rồi dưới tác dụng của lực hấp dẫn hình thành các chùm sao, các vì sao trong khi vũ trụ vẫn tiếp tục mở rộng.

Kịch bản "thú vị" về Big Bang sau này được hỗ trợ bởi 3 dẫn chứng của Vật lý thiên văn:

• Thứ nhất, năm 1929, Hubble (Mỹ) chứng minh được sự dịch chuyển có hệ thống trong quang phổ của các thiên hà về phía màu đỏ, chỉ ra rằng chúng đang rời xa chúng ta với tốc độ tỷ lệ với khoảng cách tới chúng ta. Đó là dấu hiệu cho thấy rằng vũ trụ đang nở ra và không gian trong đó các thiên hà cùng chuyển động cũng đang nở ra theo thời gian.
• Thứ hai, năm 1965, Penzias và Wilson (Mỹ) khám phá: luồng bức xạ vô tuyến thể hiện những tính chất giống nhau trong mọi hướng và tương ứng với bức xạ nhiệt của vật đen ở nhiệt độ khoảng 3 độ K. Điều này phù hợp với giả định về vụ nổ Big Bang: bức xạ đó là thông điệp của ánh sáng cổ nhất đến từ vũ trụ ban đầu. Đó là những photon đầu tiên bắt đầu lan truyền tự do sau khi vũ trụ đã trở nên trong suốt và ánh sáng dịch chuyển về phía những bước sóng lớn.
• Thứ ba, từ những năm 1970, các nhà khoa học đã phát hiện nhiều nguyên tố nhẹ như đơteri, heli 3, heli 4 và liti 7 trong vũ trụ, đặc biệt heli 4 chiếm đến 25% bất kể vùng không gian nào, phù hợp với giả định heli là chất khí sinh ra ở những khoảnh khắc đầu tiên của vụ nổ Big Bang.

Từ những năm 1980, với sự phát triển của Vật lý hạt nhân và Vật lý lý thuyết gắn với nó, người ta giải thích được nốt 2 điều "khó hiểu" còn lại của Big Bang là sự vắng mặt của phản vật chất và không tồn tại sự cong của vũ trụ ở những quy mô lớn.

Theo thang thời gian thì ranh giới cuối cùng của tri thức hiện nay ở vào quãng 10-43 giây sau Vụ nổ lớn.

Tuy nhiên, cái điểm 0, từ đó mọi thứ bắt đầu thì rõ ràng đối với các nhà khoa học vẫn chỉ là một... giấc mơ vì nó cực kỳ khó dưa ra một giả thuyết, thậm chí nhiều người còn cho là "quá sức" của kiến thức nhân loại. Đó là thời khắc mà cái lò lửa ban đầu có nhiệt độ 1032 K (tức 100.000 tỷ tỷ tỷ độ) thì vật chất sẽ diễn biến như thế nào? Theo thang thời gian thì ranh giới cuối cùng của tri thức hiện nay ở vào quãng 10-43 giây sau Vụ nổ lớn. Đó là thời điểm Planck. Chỉ có thể nghiên cứu được điểm đó khi một nhà khoa học thiên tài nào đó đưa ra được lý thuyết về sự hấp dẫn lượng tử.

Cái thời điểm 0 bí hiểm ấy hiện được các nhà khoa học gọi là "điểm kỳ dị ban đầu" để che giấu sự lúng túng của mình. Có lẽ tạm thời người ta đành phải dựa vào niềm tin tôn giáo chăng?

Đây là chuyện học thuật với nội dung chuyên môn hơi sâu. Chỉ có thể giải thích một cách "đơn giản" như thế.

Hy vọng với kiến thức phổ thông, chúng ta vẫn có thể hiểu được Big Bang là gì và những diễn biến sau đó như thế nào để tạo ra vũ trụ của chúng ta.