Baphútđầutiên-Mộtcáchnhìnhiệnđạivềnguồngốcvũtrụ

StevenWeinberg

Ebookmiễnphítại:www.Sachvui.Com

GiớiThiệu LờitựacủaStevenWeinberg Mởđầu:Ngườikhổnglồvàconbòcái II:Sựgiãnnởcủavũtrụ III-Phôngbứcxạcựcngắnvũtrụ IV-Một"toa"chovũtrụnóng V-Baphútđầutiên VI-Vàitranglịchsửkhoahọc VII-Phầntrămgiâyđầutiên VIII-Phầnkết:Viễncảnhtrướcmắt

GiớiThiệu

Cuốnsáchnàynóivềnhữngphútđầutiêncủasựhìnhthànhvũtrụ,theothuyếtvũtrụhọchiệnđạinhấtgọilàthuyết“môhìnhchuẩn”.Nóxuấtpháttừthuyết“Vụnổlớn”củacácnhàbáchọcLemaitrevàGamow,nhưngđượchiện đại hóa, chính xác hóa sau sự khámphá ra phôngbức xạ vũ trụ cựcngắnởnhiệtđộ3kenvin(khoảngâm270độC)vàonăm1964-1965. ĐâylàcônglaotrựctiếpcủahainhàbáchọcMỹPenziasvàWilson,vàhọđãđượcgiảithưởngNobelnăm1978vềsựkhámphácựckỳquantrọngnày.Nhưng,nhưcuốnsáchnàynêurõ,đócũnglàcônglaocủamộttậpthểkhálớncácnhàkhoahọctrongmấychụcnămtrời,tronghàngtrămphòngthínghiệm,đàiquansátthiênvăn,nhómnghiêncứulýthuyết,đãđónggópchothuyết“Vụnổlớn”cóđượcdạng“chuẩn”đượcnhiềungườicôngnhậnnhưhiệnnay. Bản thân tác giả, StevenWeinberg,một thành viên củaViện hàn lâmkhoahọcMỹ,mộtnhàbáchọcnổi tiếngcónhiềucốnghiếnchovật lý lýthuyết,vậtlýhạtcơbản,lýthuyếttrường,dùkhôngphảitrựctiếplàmộtnhàvũ trụhọc,nhưnggián tiếpđã thamgiavàocuộcđấu tranhcho“môhìnhchuẩn”này.Năm1979WeinbergđãđượcgiảiNobelvềvậtlýcùngvớihainhàbáchọckhácdosựđónggópcủaôngvàoviệctìmrathuyếtthốngnhấthaitươngtác:tươngtácyếuvàtươngtácđiệntử. CuốnsáchnàyđượcxuấtbảnbằngtiếngViệtlầnđầunăm1981.Từđóđếnnaycuốnsáchđãđượctáibảnnhiềulầnởnướcngoài,songvẫnkhônghềcósửađổigìdotínhkinhđiểncủanó.Theoyêucầucủađôngđảobạnđọcyêuthíchkhoahọc,chúngtôixintrântrọnggiớithiệubảnin“Baphútđầu tiên -Mộtcáchnhìnhiệnđạivềnguồngốcvũ trụ”củaNhàxuấtbảnKhoahọcvàKỹthuật.

LờitựacủaStevenWeinberg

Sách này được viết ra từmột cuộc nói chuyện của tôi trong lễ khánhthànhTrungtâmkhoahọccủacácsinhviênnămcuốiởHarvardtháng11năm 1973. Một người bạn chung, Daniel Bell, đã kể lại cho ông ErwinGlikes,chủtịchvàgiámđốccôngtyxuấtbản“Sáchcơbản”nghevềcuộcnóichuyệnđó,vàGlikesđãgiụctôibiếnnóthànhmộtcuốnsách. Đầutiêntôikhôngthậtsaymêvớiýđólắm.Tuyrằngthỉnhthoảngtôicó tiếnhànhnhữngcuộcnghiên cứunhỏvềvũ trụhọc, côngviệc của tôidínhlíunhiềuhơnđếnvậtlýcủanhữngcáirấtbénhỏ,lýthuyếthạtcơbản.Ngoàira,vậtlýhạtcơbảnđãtỏrasinhđộngmộtcáchlạlùngtrongnhữngnămcuốiđây,vàtôiđãtốnquánhiềuthờigiankhôngphụcvụnó,khiviếtnhữngbàibáokhôngchuyênmônchonhữngtạpchínàynọ.Tôiđãrấtmuốntrởvềlàmviệctoànbộthờigiờởchỗsinhsốngtựnhiêncủatôi,làTạpchívậtlý. Tuynhiên,tôiđãthấylàkhôngthểngừngsuynghĩvềnhữngcuốnsáchkể về vũ trụ sơ khai. Có gì hấp dẫn hơn là vấn đề “Phátminh trời đất”?Ngoài ra, trongvũ trụsơkhai,đặcbiệt trongphần trămgiâyđầu tiên,cácvấnđềvề lý thuyếthạt cơbảngắnchặtvới cácvấnđềvềvũ trụhọc.Vàtrướchết,bâygiờlàmộtthờiđiểmtốtđểviếtvềvũtrụsơkhai.Đúngtrongthậpniênvừaqua,một lý thuyếtchi tiếtvềquá trìnhdiễnbiếncủacácsựkiện trong vũ trụ sơ khai đã được công nhận rộng rãi dưới tên “mô hìnhchuẩn”. Thật làmột điều tuyệt vời khi ta kểđượcvềvũ trụ saugiâyđầu tiên,hoặcnămđầutiên.Đốivớimộtnhàvậtlý,điềuđángphấnkhởilàcóthểkểvềcácsựviệcvớinhữngconsố,làcóthểnóirằngởthờiđiểmnàođónhiệtđộ,mậtđộhayhợpphầnhóahọccủavũtrụđạtđượcnhữngtrịsốnàynọ.Thậtratakhônghoàntoànthậtchắcvềmọivấnđềnày,nhưngcũngđángphấnkhởilàbâygiờtacóthểnóivềcácvấnđềnàyvớimộtchúttintưởngnàođó.Sựphấnkhởinàylàcáimàtôimuốnđưađếnchobạnđọc. Tốthơnhếtlàtôiphảinóisáchnàydànhchonhữngbạnđọcnào.Tôiđãviết cho bạn đọc sẵn sàng theo dõi vài lập luận chi tiết nhưng khôngphảithậtamhiểutoánhọchoặcvậtlý.Mặcdầutôiphảiđưavàomộtsốýtưởngkhoahọckháphứctạp,songkhôngcómôntoánhọcnàođượcdùngtrongsáchnàyngoàisốhọcmàbạnđọckhôngcầnbiếtnhiều,thậmchíbiết

trướcgìvềvậtlýhoặcthiênvăn.Tôiđãcốgắngthậntrọngđịnhnghĩacácdanhtừkhoahọckhidùngchúnglầnđầu,thêmvàođấytôiđãcungcấpmộtbảngtừvựngvềcácdanhtừvậtlývàthiênvăn.Ởđâucóthểđược,tôiđãviếtcácconsốbằngchữ(như:một trămnghìn triệu)màkhôngdùngcáchghikhoahọctiệnlợihơn:10mũ11. Tuynhiên,nhưvậykhôngphảicónghĩalàtôiđãcốviếtmộtcuốnsáchdễhiểu.Khimộtnhà luậthọcviếtchonhữngbạnđọcbình thường,ôngtagiảthiếtrằnghọkhôngbiếttiếngPhápvềluậthoặcđạoluật“chốngthừahưởngsuốtđời”,nhưngôngta,khôngphảivìvậymàsuynghĩtệhơnvềhọ,vàôngkhông“hạcố”đếnhọ.Tôimuốnnóingượclại:tôihìnhdungbạnđọcnhưmộtluậtsưgiàkhátinhkhôn,ôngtakhôngnóingônngữcủatôi,nhưngdùsaocũngmongđợinghevàilậpluậncótínhthuyếtphụctrướckhicóýkiếncánhân. Đốivớibạnđọcmuốnthấythựcsựvàiphéptoánlàmcơsởchocáclậpluậncủacuốnsáchnày,tôiđãsoạn“Phụtrươngtoánhọc”liềnsaucuốnsách.Trìnhđộtoánhọcdùngởđâylàmchocácchúthíchnàycóthểhiểuđượcđốivớibấtcứaicótrìnhđộnămcuốiđạihọcvềmộtkhoahọcvậtlýhoặctoánhọcnàođó.Maythay,cáctínhtoánquantrọngnhấttrongvũtrụhọclạicóphầnnàođơngiản:chỉcóởchỗnàychỗnọcácđiểmtinhtếhơncủathuyếttươngđốirộnghoặccủavậtlýhạtnhânmớiđượcdùngchútít.Nhữngbạnđọcmuốntiếptụchiểuvấnđềnàyởmộttrìnhđộcaohơnsẽtìmđược nhiều giáo trình trình độ cao (kể cả của tôi) ghi ởmục “Gợi ý đọcthêm”. Tôicũngphảinóirõđốitượngcủacuốnsách.Đóchắckhôngphảilàmột cuốn sáchnóivềmọikhía cạchcủavũ trụhọc.Cómột phần “cổđiển”củavấnđề,nóinhiềunhấtvềcấutrúccủavũtrụhiệnnayởquymôlớn:cuộctranhluậnvềbảnchấtngoàithiênhàcủacáctinhvânxoắnốc;sựkhámpháracácdịchchuyểnđỏcủacácthiênhàxavàsựphụthuộccủacácdịchchuyểnđóvàokhoảngcách;cácmôhìnhvũtrụhọctheothuyếttươngđốirộngcủaEinstein,deSitter,LemaitrevàFriedmann;vàv.v…Phầnnàycủavũtrụhọcđãđượcmôtảrấthayởmộtsốsáchxuấtsắc,vàtôikhôngcóýthuậtlạiđầyđủmộtlầnnữavềphầnnàyởđây.Cuốnsáchnàynóivềvũtrụsơkhai,vàđặcbiệtvềsựhiểubiếtmớivềvũtrụsơkhaidấylêntừkhikhámpháraphôngxacựcngắnvũtrụnăm1965. Cốnhiên,thuyếtvũtrụgiãnnởlàmộtthànhphầnquantrọngtrongcáchnhìncủatahiệnnayvềvũtrụsơkhai,chonênởchươngII,tôiđãbuộcphảigiớithiệungắngọnvềcáckhíacạnh“cổđiển”củavũtrụhọc.Tôitinrằngchươngđóđãcungcấpmộtcơsởthíchhợp,dùlàchobạnđọckhôngquenbiếtvũtrụhọcđểhiểucácpháttriểngầnđâytrongthuyếtvềvũtrụsơkhai

màphầncòn lạicủacuốnsáchbànđến.Tuynhiên,bạnđọcmuốnmộtsựgiớithiệuđầyđủnhữngphầncổhơncủavũtrụhọcthìxinxemcácsáchghitrong“Gợiýđọcthêm”. Mặtkhác,tôiđãkhôngtìmrađượcmộtbảntườngthuậtlịchsửnàocóhệthốngvềcácpháttriểngầnđâycủavũtrụhọc.Dođótôiđãbuộcphảiđisâuhơnmộtchút,đặcbiệtvềmộtvấnđềhấpdẫnlàtạisaokhôngcósựtìmkiếmnàovềphôngbứcxạcựcngắncủavũtrụnhiềunămtrước1965.(ĐiềunàyđượcthảoluậnởchươngVI).Nhưvậykhôngphảiđểnóirằngtôicoisáchnàylàmộtcuốnlịchsửcótínhchấtdứtđiểmvềcácpháttriểnđó-tôirấttôntrọngsựcốgắngtìmhiểuvàsựchúýđếncácchitiếtcầnthiếttronglịchsửkhoahọcnênkhôngthểcómộtảotưởngnàovềviệcnày.Tráilại,tôisẽhạnhphúcnếumộtnhàsửhọcvàkhoahọcthậtsựnàođósẽdùngsáchnàynhưmộtđiểmxuấtphátvàviếtmộtcuốnlịchsửđầyđủvềbamươinămcuốiđâycủacácnghiêncứuvũtrụhọc. TôihếtsứccảmơnErwinGlikesvàFarrellPhillipscủacôngty“Sáchcơbản”vềcácgợiýcógiátrịcủahaiôngtrongkhichuẩnbịbảnthảonàyđểxuấtbản.Tôicũngđãđượcgiúpnhiềuhơnlàtôicóthểnóirakhiviếtcuốnsáchnày,bởivìnhữnggợiýthânthiệncủacácbạnđồngnghiệpcủatôivềvậtlývàthiênvăn.TôimuốnđặcbiệtcảmơnRalphAlpher,BernardBurke,Robert Dicke, George Field, Gary Feinberg, William Fowler, RobertHerman,FredHoyle, JimPeebles,ArnoPenzias,BillPress,EdPurcell vàRobertWagonervềviệccácôngbậntâmđọcvàphátbiểuvềcácphầncủacuốnsách.TôicũngcảmơnIsaacAsimov,I.BernardCohen,MarthaLillervàPhillipsMorrisonvìđãchothôngtinvềmộtloạtvấnđềđặcbiệt.TôiđặcbiệtbiếtơnNigelCaldervìđãđọcsuốtbảnthảođầutiên,vàđãchonhữnglờibìnhluậnxácđáng.Tôikhôngthểhyvọngrằngcuốnsáchnàybâygiờhoàntoànkhôngcónhữngchỗsaihoặctốinghĩa,nhưngtôichắclànórõvàchínhxáchơnnhiềusovớitrườnghợpnếunókhôngđượcsựgiúpđỡrộnglượngmàtôiđãmaymắnnhậnđược. StevenWeinbergCambridge,MassachusettsTháng7/1976

Mởđầu:Ngườikhổnglồvàconbòcái

Nguồn gốc vũ trụ được giải thích trong sách “Edda trẻ”,một sưu tậptruyệnthầnthoạimànhàtộctrưởngAixơlenSnorriSturlesonđãsưutầmvàokhoảng năm 1220. Thủa sơ khai - sách của Edda viết - không có gì cả.“Khôngtìmthấyđất,phíatrêncũngkhôngcótrời,chỉcómộtkhoảngtrốnglớn kinh khủng, và không đâu có cỏ”. Phía bắc và phía nam của khoảngkhôngtrốngrỗnglànhữngvùngcủagiárétvàlửa,NiflheimvàMuspelheim.SứcnóngtừvùngMuspelheimlàmtancáckhốibănggiácủaNiflheimvàtừcáchạtnướcmộtngườikhổnglồxuấthiện,Ymer.ThếthìYmerăngì?HìnhnhưtrongtruyệncũngcómộtconbòcáitênlàAudhumla.Thếthìnóăngì?Khôngsao,cũngcómộtítmuối,v.v…vàv.v… Tôikhôngmuốnlàmmếchlòngnhữngaicóthiệncảmtôngiáo,kểcảcóthiện cảm với tín ngưỡng Viking (Viking: tên gọi những tên cướp biểnScanđinaviathuởxưa(ND).),nhưngtôichorằngcũngđúngkhinóirằngcâuchuyệntrênkhôngchochúngtamộthìnhảnhthỏamãnlắmvềnguồngốcvũtrụ. Dù bỏ qua mọi điều hết sức trái với những chuyện dĩ nhiên, thôngthường,câuchuyệnnàyvẫnlàmnảysinhnhữngcâuhỏinhiềubằngnhữngvấnđềnógiảiđáp,mỗisựgiảiđáplạidẫnđếnmộtđiềuphứctạpmớichocácđiềukiệnbanđầu. Chúng ta không thể chỉmỉm cười khi nghe chuyệnEdda và khước từtoànbộsựsuyđoánvềnguồngốcvũtrụ,lònghammuốntìmhiểulịchsửvũtrụkểtừbuổisơkhaicủanóthựckhônggìngăncảnđược.Từlúckhoahọchiệnđạibắtđầu,ởnhữngthếkỷ16và17,cácnhàvậtlý,thiênvănđãnhiềulầntrởvềnguồngốcvũtrụ. Tuy nhiên, quanhmột loại nghiên cứu như vậy luôn luôn phảng phấtnhữngđiềutaitiếng.Tôinhớlạilúctôicònlàmộtsinhviênvàkhiđótựbắtđầunghiên cứukhoahọc (vềnhữngvấnđềkhác) trongnhữngnăm1950,nghiêncứuvềvũtrụsơkhaibịnhiềungườicoikhôngphảilàmộtcôngviệcmàmộtnhàkhoahọcđứngđắnphảiđểnhiềuthờigiờvàođấy.Sựđánhgiánhưvậycũngkhôngphảivôcăncứ.Trongsuốtphần lớn lịch sửvật lýhọc,thiênvănhọchiệnđại,rõrànglàđãkhôngcómộtcơsởquansátvà lý thuyếtvữngvàngđểdựavàođấyngười ta có thểxâydựngmộtlịchsửvũtrụsơkhai. Bâygiờ,đúngtrong10nămqua,điềuđóđãthayđổi.Mộtthuyếtvũtrụ

sơkhaiđãđượccôngnhậnrộngrãiđếnmứccácnhàthiênvănthườnggọinólà “mô hình chuẩn”. Nómột phần nào giống cái mà đôi khi được gọi làthuyết “vụ nổ lớn”, nhưng được bổ sung một toa (ở đây chúng tôi dịch“recipe”là“toa”đểgiữđúngcáchnóihómhỉnhcủatácgiả.Còncóthểdịchlà“côngthức”hoặc“đơn”(ND).)rõrànghơnrấtnhiềuvềcácthànhphầncủavũtrụ.Thuyếtvềvũtrụsơkhainàylàđềtàicuốnsáchcủachúngta. Đểthấyđượctasẽđitớiđâu,cóthểcầnbắtđầuvớimộtđoạntómtắt lịch sửvũ trụ sơkhainhưđượchiểu trong“môhình chuẩn”hiệnnay.Đâychỉlàmộtsựlướtquangắngọn-cácchươngtiếptheosẽgiảithíchcácchitiếtcủalịchsửnàyvàcáclýdokhiếntatinvàonóphầnnào. Lúcđầuđãxảyramộtvụnổ.Khôngphảimộtvụnổnhưthườngxảyratrên tráiđất,bắtđầu từmột trung tâmnhấtđịnhvà lan truyềnracácvùngxungquanhmỗilúcmộtxa,màlàmộtvụnổxảyrađồngthờiởbấtcứđiểmnào,lấpđầytoànbộkhônggianngaytừđầu,trongđómỗihạtvậtchấtđềurờixacáchạtkhác.“Toànbộkhônggian”ởđâycóthểhiểuhoặclàtoànbộkhônggiancủamộtvũtrụvôhạnhoặccủamộtvũtrụhữuhạn,nótựkhépkín như bề mặt một hình cầu. Cả hai khả năng đều không phải dễ hiểu,nhưngviệcđókhôngcảntrởgìta;trongvũtrụsơkhai,việckhônggianlàhữuhạnhayvôhạnhầunhưkhôngquantrọng. Saukhoảng1/100giây,thờigiansớmnhấtmàtacóthểtườngthuậtvớimộttrămnghìntriệu(10mũ11)độbáchphân(Trongsách,tácgiảdùngkhithìđộbáchphânchodễhiểu,khithìđộKelvin.Thựcra,phảidùngđơnvị“kenvin” thayđộbáchphânhoặcđộKelvin (ND).).Nhưvậy lànónghơnnhiều so với ở trung tâm củamột vì sao nóngnhất, nóngđếnnỗi thực rakhôngcóthànhphầnnàocủavậtchấtbìnhthường,phântử,nguyêntửhoặcdùlàhạtnhâncủanguyêntửcóthểbámvàonhauđược.Thayvàođó,vậtchấtrờixanhautrongvụnổnàygồmcónhữngloạihạtcơbảnkhácnhau,cáchạtnàylàđốitượngnghiêncứucủavậtlýhạtnhânnănglượngcaohiệnđại. Chúngtasẽgặpnhữnghạtđónhiềulầntrongsáchnày-hiệngiờchỉcầngọitêncáchạtcómặtnhiềunhấttrongvũtrụsơkhai,vàtrongcácchươngIIIvàIVsẽcónhữnggiảithíchchitiếthơn.Mộtloạihạtrấtphổbiếnlúcđólàelectron,hạtmangđiệnâmchạytrongcácdâydẫnđiệnvàtạonêncáclớpvỏcủamọinguyên tửvàphân tử trongvũ trụhiệnnay.Một loạihạtkháccũngcórấtnhiềutrongcácbuổisơkhailàpozitron,mộtloạihạtmangđiệndươngcùngmộtkhốilượngnhưelectron.Trongvũtrụhiệnnaypozitronchỉđược tìm thấy trong các phòng thí nghiệm năng lượng cao, trongmột vàikiểuphóngxạvàtrongnhữnghiệntượngthiênvăncựcmạnhnhưcáctiavũtrụvàsaosiêumới,nhưngtrongvũtrụsơkhai,sốlượngpozitronđúngbằng

số lượng electron. Ngoài electron và pozitron lúc đó còn có những loạineutrino,sốlượngcũnggầnbằngnhưvậy,nhữnghạt“ma”mangkhốilượngvàđiệntíchbằngkhông.Cuốicùng,vũtrụlúcđóchứađầyánhsáng.Khôngđượcxemxétánhsángtáchrờivớicáchạt.Thuyếtlượngtửchotabiếtrằngánhsánggồmnhữnghạtkhốilượngbằngkhông,điệntíchbằngkhông,gọilàphoton. (Mỗi lầnmộtnguyên tử trongdây tócbóngđènđiệnchuyển từmột trạng tháinăng lượngcaođếnmột trạng tháinăng lượng thấphơn thìmộtphotonđượcphátra).Sốphotonđượcphátra từmộtbóngđiệnnhiềuđếnnỗichúngdườngnhưlànhậpvớinhau thànhmột luồngánhsáng liêntục,nhưngmộttếbàoquangđiệncóthểđếmtừngphotonmột.Mỗiphotonmangmột lượngnăng lượngvàxung lượngxácđịnh,phụ thuộcvàobướcsóngánhsáng.Đểmôtảánhsángđãtrànngậpvũtrụsơkhai,chúngtacóthểnóirằngsốlượngvànănglượngtrungbìnhcủacácphotonlúcđóxấpxỉbằng số lượng và năng lượng trung bình của các electron, pozitron hoặcneutrino. Cáchạtđó-electron,pozitron,neutrino,photon-đãđượctạonênmộtcáchliêntụctừnănglượngthuầntúyvàrồisaunhữngkhoảnhkhắctồntạilại bị hủydiệt.Nhưvậy, số lượng của chúngkhôngphải là đã được địnhngaytừđầu,màthayvàođóđượccốđịnhbằngsựcânbằng-giữacácquátrìnhsinhvàhủy.Từsựcânbằngnàytacóthểsuyrarằngmậtđộthứxúp(Chúngtôidịch“cosmicsoup”làxúpvũtrụ(mộtmón“hẩulốn”vũtrụ)đểgiữ cách nói hóm hỉnh của tác giả (ND).) vũ trụ đó ở nhiệt độmột trămnghìntriệuđộ,lớngấpkhoảngbốnnghìntriệulầnmậtđộcủanước.Lúcđócũngcóphamộtsốíthạtnặnghơn,cácprotonvàneutron,màtrongthếgiớihiệnnaylànhữngthànhphầncủacáchạtnhânnguyêntử.(Protonmangđiệntíchdương,neutronnặnghơnmộtítvàtrunghòavềđiện).Tỷlệlúcđóvàokhoảng một proton và một neutron trên mỗi nghìn triệu electron hoặcpozitronhoặcneutrinohoặcphoton.Consốđó -mộtnghìn triệuphotontrênmỗihạtnhân-làconsốquyếtđịnhcầnphảirútratừquansátđểtạoramôhìnhchuẩncủavũtrụ.SựpháthiệnraphôngbứcxạvũtrụđượcthảoluậnởchươngIIIthựcralàmộtphépđoconsốđó. Khivụnổtiếptụcthìnhiệtđộhạxuốngtớibamươinghìntriệu(3.10mũ10)độCsaukhoảngmộtphầnmườigiây;mườinghìntriệuđộsaumộtgiây và ba nghìn triệu độ sau 14 giây. Như vậy đủ lạnh để electron vàpozitronbắtđầubịhủyvớinhaunhanhhơnlàcóthểđượctáisinhtừphotonvàneutrino.Nănglượngđượcgiảiphóngtrongsựhủyvậtchấttạmthờilàmgiảmtốcđộlạnhdầncủavũtrụ,nhưngnhiệtđộtiếptụcgiảm,cuốicùngđiđếnmộtnghìn triệuđộsaubaphútđầu tiên.Lúcđóđủ lạnhđểphotonvàneutron bắt đầu tạo thành các hạt nhân phức tạp, bắt đầu là hạt nhân củahydronặng(hayđơteri)nógồmmộtprotonvàmộtneutron.Mậtđộlúcđó

hãycònkhácao(hơinhỏhơnmậtđộcủanước),chonêncáchạtnhânnhẹđócó thểhợp lạivớinhaumộtcáchnhanhchóng thànhhạtnhânnhẹbềnnhất,hạtnhâncủaheli,gồmhaiphotonvàhaineutron. Sau ba phút đầu tiên, vũ trụ gồm chủ yếu ánh sáng, neutrino và phảnneutrino.Lúcđóvẫncònchútítchấthạtnhân,gồmcókhoảng73%hydrovà27%helivàmộtsố,cũng ítnhưvậy,electroncòn lại từquá trìnhhủyelectronvàpozitron.Vậtchấtđótiếptụcrờixanhau,càngngàycànglạnhhơn, loãnghơn.Mãi lâu sau, saumộtvài trămnghìnnămmớibắt đầuđủlạnh để cho electron kết hợp với hạt nhân thành nguyên tử hydro và heli.Chấtkhíđượchìnhthànhsẽbắtđầu,dướiảnhhưởngcủalựchấpdẫn, tạonênnhữngkhốikếtmàsaunàysẽngưng tụ lại, tạo racác thiênhàvàcácngôisaocủavũtrụhiệnnay.Tuynhiên,nhữngthànhphầnmàcácngôisaodùngđểbắtđầuđờisốngcủachúngcũngchỉlànhữngthànhphầnđượctạoratrongbaphútđầutiên. Môhìnhchuẩnđượcpháchọaratrênđâykhôngphảilàthuyếtthỏamãnnhấtmà tacó thể tưởng tượngđượcvềnguồngốcvũ trụ.Cũngnhư trongsách“Eddatrẻ”cómộtsựmơhồđánglongạivềchínhlúcbắtđầu,vềphầngiâyđầutiên-hoặchơnkémmộtít. Ngoài ra việc cần quy định các điều kiện ban đầu, đặc biệt tỷ lệmộtnghìntriệuphotontrênmộthạtnhâncũngkhôngđượctựnhiênlắm.Chúngtathíchmộtsựthuyếttrìnhcólôgicchặtchẽhơn. Vídụmộtthuyếtkháccóvẻhấpdẫnvềmặttriếthọchơnnhiều,làmôhìnhtrạngtháidừng.TrongthuyếtđượcHermanBondi,ThomasGold(dướimộtdạnghơikhác)vàFredHoyleđưa ra trongnhữngnămcuối của thậpniên40này,vũtrụđãluônluôntồntạinhưhiệnnay.Khinógiãnra,vậtchất“mới”được tạo thànhmột cách liên tụcđể lấp cáckhoảng trốnggiữa cácthiênhà.Cóthểlàmọicâuhỏivềviệctạisaovũtrụlànhưthếnàycóthểđượcgiảiđáptrongthuyếtnàybằngcáchchỉrarằngnónhưthếđóvìđấylàcáchduynhấtđểnóluônluônlàkhôngđổi.Vấnđềvũtrụsơkhaibịloạitrừ:khôngcóvũtrụsơkhai. Vậy thì tại saochúng ta lạiđiđến“môhìnhchuẩn”?Và tại saonóđãthaythếcác thuyếtkhácnhư“môhìnhtrạngtháidừng”?Đâylàmộtđiểmđángkhâmphụcvề tínhkháchquancủavật lý thiênvănhiệnđại, rằngsựnhấttríđãđạtđượcnàykhôngphảidonhữngsựthayđổithiênvềtriếthọchoặcdoảnhhưởngcủanhững“ôngquan”củavậtlýthiênvănmàlàdoáplựccủanhữngsốliệuthựcnghiệm. Haichươngtiếptheođâysẽmôtảhaisựkiệnlớnmàcácquansátthiênvănđãcungcấp,chúngđãdẫntađến“môhìnhchuẩn”-cácpháthiệnvềsự

lùixacủacácthiênhàởxaxămvàvềmộtphôngbứcxạyếuchứađầytrongvũ trụ.Đây làmột câuchuyệnphongphúchocácnhànghiêncứu lịch sửkhoahọc,nóchứađầynhữngbướcđibanđầusailệch,nhữngdịpmayđãbịbỏlỡ,nhữngđịnhkiếnlýthuyếtvàvaitròcủanhữngnhânvậtquantrọng. Sausựtrìnhbàysơlượcđóvềvũtrụhọcquansát,tôisẽcốgắngsắpxếpcácsốliệulạivớinhauđểcómộtbứctranhnhấtquánvềcácđiềukiệnvậtlýtrongvũtrụsơkhai.Nhưvậytacóthểquaylạibaphútđầutiênvớinhiềuchitiếthơn.Cáchtrìnhbàytheonghệthuậtđiệnảnhcóvẻthíchhợp:cảnhnày tiếp theo cảnhkhác, chúng ta sẽquan sát vũ trụgiãnnởvà lạnhdần.Chúngtacũngcóthểthửnhìnmộtchútvàomộtthờiđạimàhiệnnayvẫnbaophủbởimộtbứcmànbímật-cáiphầntrămgiâyđầutiênvàcáigìđãxảyratrướcđó. Chúng tacó thểhoàn toàn tinchắcvàomôhìnhchuẩnkhông?Nhữngpháthiệnmớinàođócóthểđánhđổnóvàthaybằngmộtthuyết“nguồngốcvũtrụ”khácnàođó,kểcảlàmsốnglạimôhìnhtrạngtháidừnghaykhông?Cũngcóthể.Tôikhôngthểchốirằngtôicómộtcảmgiáckhôngthậtkhiviếtvềbaphútđầutiên,nhưthểlàtôiđãbiếtchắcvềcâuchuyệntôimuốnnói. Tuynhiên,dùphảibị thay thế,môhìnhchuẩn sẽđượccoi làđãđóngmộtvaitròcógiátrịlớntronglịchsửcủavũtrụhọc.Hiệnnayngườitađãcoitrọng(tuyrằngmớichỉmườinămgầnđâythôi)việcthửnghiệmcácýtưởnglýthuyếttrongvậtlýhoặcvậtlýthiênvănbằngcáchrútracáchệquảcủa chúng theomô hình chuẩn. Hiện nay người ta thường dùngmô hìnhchuẩnnhưmộtcơsởlýthuyếtđểbiệnhộchonhữngchươngtrìnhquansátthiênvăn.Nhưvậy,môhìnhchuẩnchomộtngônngữchungcầnthiết,chophépcácnhàlýthuyếtvàquansátđánhgiáđượccôngviệccủanhau.Nếumộtngàynàođómôhìnhchuẩnbịthaythếbởimộtlýthuyếttốthơn,đócóthểlàdonhữngquansáthayxuấtpháttừmôhìnhchuẩn. Trongchươngcuối,tôisẽnóimộtđoạnngắnvềtươnglaivũtrụ.Nócóthể giãn nởmãimãi, ngày càng lạnh hơn, trống rỗng hơn và “chết” hơn.Ngược lại,nócó thểcohẹp lại, làmchocác thiênhà,cácngôi saovàhạtnhânnguyên tửnổ tungvà trởvềcáchợpphầncủanó.Tấtcảcácvấnđềchúngtagặpkhichúngtamuốnhiểubaphútlúcđósẽxuấthiệntrởlạikhitamuốntiênđoáncácsựkiệnsẽxảyratrongbaphútcuối.

II:Sựgiãnnởcủavũtrụ

Nhìnvàobầutrờibanđêm,tacócảmgiácmạnhmẽvềmộtvũtrụkhôngbiếnđộng.Thựcra,nhữngđámmâybayquamặttrăng,bầutrờixoayquanhsaoBắcđẩuvàsaunhữngkhoảngthờigiandàihơnthìmặttrăngcũngkhitrònkhikhuyết,vàmặttrăngcũngnhưcáchànhtinhđềuchuyểnđộngtrênphôngcácvìsao.Nhưngchúngtabiếtđâychỉlàhiệntượngcụcbộ,docácchuyểnđộngtrongtháidươnghệcủachúngtagâyra.Ngoàicáchànhtinhra,cácngôisaodườngnhưđứngyên. Cốnhiên,saocũngchuyểnđộngvớinhữngtốcđộđạtvàitrămkilômetmỗigiây,nhưvậytrongmộtnăm,mộtngôisaochuyểnđộngnhanhcóthểđimườinghìntriệukilômet.Đấylàmộtkhoảngmộtnghìnlầnnhỏhơnkhoảngcáchđếnnhữngngôisaodùlàgầnnhất,chonênvịtríbiểukiếncủachúngtrên bầu trời thay đổi rất chậm. (Ví dụ ngôi sao chuyển động tương đốinhanh,gọilàBarnardởcáchtamộtkhoảngchừng56triệutriệukilômet.Nóchuyển động qua đường nhìn với tốc độ 89 km/s hoặc 2,8 nghìn triệukilômetmỗinăm,kếtquảlàvị tríbiểukiếncủanóthayđổimộtgócbằng0,0029độtrongmộtnăm).Cácnhàthiênvăngọisựthayđổivịtríbiểukiếncủanhữngngôisaogầntrênbầutrờilà“chuyểnđộngriêng”. Vị trí biểukiến trênbầu trời củanhữngngôi sao xahơn thayđổichậmđếnmứcchuyểnđộngriêngcủachúngkhôngthểpháthiệnđượcthậmchíbằngsựquansátkiênnhẫnnhất.Ởđâychúngtasẽthấyrằngcáicảmgiáckhôngbiếnđộngnàylàsailầm.Cácquansátmàchúngtathảoluậntrongchươngnàychothấylàvũtrụởtrongmộttrạngtháinổdữdội,trongđócácđảosaolớngọilàcácthiênhàđangrờixanhauvớinhữngtốcđộgầnbằngtốcđộánhsáng.Saunàychúngtacóthểngoạisuysựnổđólùivềthờigianđểkếtluậnrằngtấtcảcácthiênhàchắcđãphảigầnnhauhơnnhiềuởcùngmộtlúctrongquákhứ-gầnnhauđếnmứcmàthựcrakhôngcóthiênhànàohoặcvìsaonàohoặckểcảnguyêntửhayhạtnhânnguyêntửnàocóthểtồntạiriêngbiệt.Đólàkỷnguyênmàchúngtagọilà“vũtrụsơkhai”,đốitượngnghiêncứucủacuốnsáchnày. Sựhiểubiếtcủachúng tavề sựgiãnnởcủavũ trụhoàn toàndựatrênsựkiệnlàcácnhàthiênvăncókhảnăngđochuyểnđộngcủamộtvậtthểsángtheohướngtrựctiếpdọctheođườngnhìnchínhxáchơnrấtnhiều sovớikhiđo chuyểnđộngđó theonhữnghướngvuônggócvớiđườngnhìn.Kỹ thuậtđodùngmột tínhchấtquen thuộccủamọichuyển

độngsóng,gọilàhiệuứngDoppler.Khitaquansátmộtsóngâmhoặcsóngánhsángtừmộtnguồnbấtđộng,thờigiangiữacácđỉnhsóngkhichúngđếnđượcthiếtbịquansátcủatacũngđúnglàthờigiangiữacácđỉnhsóngkhichúngrờikhỏinguồn.Mặtkhác,nếunguồnchuyểnđộngtáchkhỏichúngtathìthờigiangiữacáclầntớicủanhữngđỉnhsóngliêntiếplớnhơnthờigiangiữanhữnglúcchúngrờikhỏinguồn,vìmỗiđỉnhsaukhitớichỗtaphảiđimột quãngđườngdài hơnmột chút sovới đỉnh trước.Thời giangiữa cácđỉnhchínhbằngbướcsóngchiachotốcđộcủasóng,nhưvậymộtsóngphátrabởimộtnguồnchuyểnđộngraxakhỏitasẽhìnhnhưcómộtbướcsóngdàihơnsovớikhinguồnđứngyên. (Cụ thểđộ tăng tỷđốicủabướcsóngbằngtỉsốgiữatốcđộnguồnsóngvàtốcđộcủasóng,nhưđượcchỉratrongchúthíchtoánhọc1).Cũngnhưvậy,nếunguồnchuyểnđộngvềphíata,thờigian giữa những lần xuất hiện của hai đỉnh sóng giảmđi bởi vìmỗi đỉnhsóngkếtiếpđimộtquãngđườngngắnhơnvàsónghìnhnhưcómộtbướcsóngngắnhơn.Điềunàygiốngnhưthểmộtngườibánhànglưuđộngmuốngửithưvềnhàmộtcáchđềuđặn,mỗituầnmộtlầnsuốttrongchuyếnđicủamình:khingườiđóđixanhà,mỗithưtiếpsausẽphảiđimộtkhoảngcáchxahơnthưtrước,chonêncácbứcthưcủangườiđósẽđếncáchnhauhơnmộttuần; trênđường trởvề,mỗi thư tiếpsausẽđimộtkhoảngcáchngắnhơnnêncácbứcthưđếncáchnhauchưađầymộttuần. HiệnnayrấtdễquansáthiệuứngDopplertrênsóngâm.Chỉcầnđứngbênđườngcáivànhậnxétrằngđộngcơcủamộtxeôtôchạynhanhphátraâm thanhcaohơn (nghĩa làcóbước sóngngắnhơn)khi chiếcô tô laovềphía ta so với khi chiếc ô tô chạy khỏi ta. Hiệu ứng này được JohannChristianDoppler, giáo sư toán học trườngRealschule ởPraha nêu ra lầnđầutiênchocảsóngâmvàsóngánhsángnăm1842.HiệuứngDopplerchosóngâmđượcnhàkhítượnghọcHàLanBuys-Ballotthửnghiệmtrongmộtthínghiệmhấpdẫnvàonăm1845-ôngdùngmộtdànnhạckènđặttrênmộttoaxe lửamui trầnphóngnhanhquavùngnông thônHàLangầnUtrechtlàmnguồnâmthanhdiđộng.Dopplerchorằnghiệuứngcủaôngcóthểcắtnghĩamàu sắckhácnhaucủacácvì sao.Ánh sángcủacácvì saochuyểnđộngrờixaquảđấtphảidịchchuyểnvềphíanhữngbướcsóngdàihơn,vàdoánh sángđỏcóbước sóngdàihơnbước sóng trungbình của ánh sángthấyđược,nênmộtngôisaonhưvậysẽhiệnrađỏhơnbìnhthường.Cũngnhưvậy,ánhsángtừcácvìsaochuyểnđộngvềphíaquảđấtsẽdịchchuyểnvềphíabướcsóngngắnhơn,dođóvìsaođượcnhìnxanhhơnbìnhthường. KhônglâusauđóBuys-BallotvàmộtsốngườikhácđãchỉrarằnghiệuứngDopplervềcănbảnkhôngdính líugìđếnmàusắcmộtngôisao-đúnglàánhsángxanhtừmộtngôisaođixaquảđấtbịdịchvềphíađỏ,nhưngđồngthờimộtphầncủaánhsángtửngoại,thườngkhôngthấyđược

củavìsao,lạidịchchuyểnvềphíaxanhcủaphổthấyđược,dođómàusắctoànbộkhôngthayđổi.Cácsaocómàusắckhácnhauchủyếuvìchúngcóbềmặtnhiệtđộkhácnhau. Tuynhiên,hiệuứngDopplerbắtđầucómộttầmquantrọngtolớntrongthiên văn học vào năm 1868, khi nó được áp dụng cho việc nghiên cứunhững vạch phổ cá biệt. Nhiều năm trước đó nhà quang học JosephFrauenhofer ởMuynkhen đã phát hiện ra, trong những năm từ 1814 đến1815,rằngkhiánhsángmặttrờiđiquamộtkhehẹpvàsauđóđiquamộtlăngkínhthủytinhthìphổmàusắchiệnracóhàngtrămvạchtối,mỗivạchđều là hình ảnh cái khe hẹp. (Một vài vạch này đã được William HydeWollastonnhậnthấytrướcđấynữakia,năm1802,nhưnglúcđókhôngđượcnghiêncứukỹlưỡng).Cácvạchtốiluônluônđượcthấytạicácmầusắccốđịnh.NhữngvạchphổtốinàycũngđượcFrauenhofertìmthấyởnhữngvịtrínhưvậy trênquangphổcủamặt trăngvàcácsaosánghơn.Người tahiểukhásớmrằngnhữngvạchtốinàyđượctạorabởisựhấpthụchọnlọcánhsángcónhữngbướcsóngxácđịnhnàođó,khiánhsángđitừbềmặtnóngcủamộtvìsaoquakhíquyểnbênngoàilạnhhơncủanó.Mỗimộtvạchlàdosựhấpthụánhsángcủamộtnguyêntốhóahọcxácđịnh,nhưvậyngườitacó thểbiết rằngcácnguyêntố trênmặt trờinhưnatri,sắt,magie,canxivàcromcũnglànhữngnguyêntốtìmthấytrênquảđất.(Hiệnnaychúngtabiếtrằngbướcsóngcủacácvạchtốiđúnglànhữngbướcsóngmàmộtphotoncóbướcsóngđósẽcóđúngnănglượngđủđểnângnguyêntửtừtrạngtháinănglượngthấpnhấtlênmộttrongnhữngtrạngtháikíchthíchcủanó). Năm1868WilliamHugginsđãcóthểchỉrarằngcácvạchtốitrênphổcủamộtvàivìsaosángchóihơnhơidịchchuyểnvềphíađỏhoặcphíaxanhsovớivịtríbìnhthườngcủachúngtrênphổcủamặttrời.ÔngđãgiảithíchđúngđắnsựkiệnnàynhưsựdịchchuyểnDopplerdosựchuyểnđộngcủavìsaoraxakhỏiquảđấthoặcvềphíaquảđấtgâyra.Vídụ,bướcsóngcủamỗivạchtốitrênphổcủasaoCapelladàihơnbướcsóngcủavạchtốitươngứngtrênphổmặttrời0,01%.SựdịchchuyểnvềphíađỏnàychứngtỏCapellađangrờixatavớimộttốcđộbằng0,01%tốcđộánhsánghoặc30kilômetmỗigiây.HiệuứngDopplerđượcápdụngtrongnhữngthậpniênsauđóđểkhámphávậntốccủanhữngtailửacủamặttrời,củacácsaođôivàcủacácvạchsaoThổ. Phépđocácvận tốcbằngquansátcácdịchchuyểnDoppler làmộtkỹthuậtrấtchínhxác,bởivìbướcsóngcủacácvạchphổcóthểđođượcvớimộtđộchínhxáccao;tìmnhữngbướcsóngchotrongcácbảngsốvớitámconsốcóýnghĩakhôngphảilàchuyệnhiếm.Ngoàira,kỹthuậtnàyvẫngiữđược độ chính xác dù khoảng cách tới nguồn sáng là bao nhiêu,miễn là

nguồnđủánhsángđểcóthểnhậnracácvạchphổtrênbứcxạcủabầutrờibanđêm. ChínhnhờsửdụnghiệuứngDopplermàtabiếtnhữnggiátrịđặctrưngcủavậntốccácsaođãnhắcđếnởđầuchươngnày.HiệuứngDopplercũngchotacáchtìmkhoảngcáchđếncácngôisaogần;nếuchúngtaphỏngđoánđượcmộtchútgìđóvềhướngchuyểnđộngcủamộtvìsao,thìdịchchuyểnDoppler cho ta vận tốc củanó theophươngngang cũngnhư theophươngdọcđườngnhìncủachúngta,dođóviệcđochuyểnđộngbiểukiếncủavìsao ngang qua thiên cầu sẽ cho ta hay nó cách xa ta khoảng bao nhiêu.NhưnghiệuứngDopplerchỉbắtđầuchocáckếtquảcótầmquantrọngvềmặtvũtrụhọckhicácnhàthiênvănbắtđầunghiêncứuphổcủanhữngthiênthểởxahơncácvìsaothấyđượcrấtnhiều.Tôisẽkểmộtítvềviệckhámpháracácthiênthểđó,rồiquaylạihiệuứngDoppler. Chúngtasẽbắtđầuchươngnàybằngsựnhìnngược lênbầu trờiđêm.Thêmvàomặttrăng,hànhtinhvàcácvìsao,còncóhailoạithiênthểnhìnđượckháccònquantrọnghơnvềmặtvũtrụhọcmàđánglẽtôiđãphảinhắcđến. Một tronghai thiên thểnàydễ thấyvàsángđếnmứcđôikhicònnhìnthấyđượctrênbầutrờimờsángcủamộtthànhphốbanđêm.Đólàmộtdảisángvươndàithànhmộtvànhtrònlớnbaoquanhbầutrờivàtừnghìnxưađã được gọi làNgân hà.Năm 1750 nhà chế dụng cụ ngườiAnhThomasWrightchoramộtcuốnsáchxuấtsắc,ThuyếtnguồngốchayGiảthuyếtmớivềvũtrụ,trongđóônggợiýrằngcácvìsaonằmtrongmộtphiếndẹt,“phiếnđámài”,cóbềdàyhữuhạn,nhưngvươnra rấtxa theomọihướngcủabềmặtphiến.Hệmặttrờinằmtrongphiếndẹtnày,chonêntựnhiênkhitanhìn từquảđấtdọc theomặtphẳngphiến ta thấy sánghơnkhinhìntheobấtkỳhướngnàokhác.ĐâylàcáitagọilàNgânhà. ThuyếtcủaWrightđãđượcxácnhậntừlâu.HiệnnayngườitachorằngNgânhàlàmộtcáiđĩasaodẹtcóđườngkínhkhoảngtámmươinghìnnămánhsángvàchiềudàyvàokhoảngsáunghìnnămánhsáng.Nócũngcómộtquầngsaohìnhcầuvớibánkínhgầnmột trămnghìnnămánhsáng.Tổngkhốilượngthườngđượcướctínhkhoảng100nghìntriệulầnkhốilượngmặttrời,nhưngmộtsốnhàthiênvănchorằngquầngsaomởrộngcóthểcókhốilượng lớnhơnnhiều.Hệmặt trờiởcách tâmcủađĩavàokhoảngbamươinghìnnămánhsángvàhơi“dịchvềphíabắc”mặtphẳngtâmcủađĩa.Đĩaquay, với những tốc độ đạt tới khoảng 250 km/s và chìa ra những nhánhxoắnốckhổnglồ.Đạithể,nếuracóthểnhìntừngoàivàothìđósẽlàmộtquangcảnhvĩđại!ToànbộhệthốngnàyhiệnnaythườngđượcgọilàThiênhàhoặc,vớimộtcáchnhìnrộnghơn,“thiênhàcủachúngta”.

Mộtnétkháccủabầutrờibanđêm,đángquantâmvềmặtvũtrụhọc,kémrõrànghơnnhiềusovớingânhà.TrongchòmsaoAndromeda(Tiênnữ)cómộtđốmmờkhôngdễthấylắmnhưngcũngnhìnthấyrõtrongđêmđẹptrờinếutabiếtcầntìmnóởchỗnào.TàiliệunhắcđếnnóđầutiêncóthểlàsựghichépvềnótrongSáchvềcácvìsaocốđịnh,donhàthiênvănBaTưAbdurrahmanAl-Sufiviếtnăm964trướcCôngnguyên.Ôngđãmô tảmô tả nó nhưmột “đámmây nhỏ”. Sau khi có các kính thiên văn,ngườitađãkhámpháracàngngàycàngnhiềunhữngthiênthểrộnglớnnhưvậyvàcácnhàthiênvăncácthếkỷ17và18đãthấycácthiênthểđótrongkhiđitìmnhữngthiênthểmàhọcholàthựcsựhấpdẫn,làcácsaochổi.Đểcómộtdanhmụctiệnlợivềcácthiênthểkhôngphảiquansátđếnkhitìmsaochổi,năm1781CharlesMessierđãxuấtbảnmộtcatalônổi tiếng, cáclinhvânvàcácchùmsao.Chođếnnaycácnhàthiênvănvẫncònnhắcđến103thiênthểtrongcatalôđótheocácsốhiệuMessiercủachúng-thídụtinhvânTiênnữlàM31,tinhvânconCua(Crab)làM1,v.v… NgayởthờiMessier,ngườitađãrõrằngcácthiênthểrộnglớnđókhôngphải là nhưnhau.Vài cái rõ ràng là những chùm saonhưNhóm thất tinh(M45).Nhữngcáikháclànhữngđámmâykhíphátsánghìnhthùkhôngđềuđặn,thườngcómầusắc,vàthườngliênkếtvớimộthoặcvàivìsao,nhưĐạitinhvântrongchòmThầnnông(M42).Ngàynaychúngtabiếtrằngnhữngvậtthểthuộccảhailoạiđóđềuởtrongthiênhàcủachúngta,vàchúngtakhôngcầnđểýđếnchúngnhiềuhơnnữaởđây.TuynhiênkhoảngmộtphầnbacácvậtthểtrongcatalôcủaMessierlànhữngtinhvântrắngcódạngelipkháđềuđặn,trongđócáinổinhấtlàtinhvânTiênnữ(M31).Khicáckínhthiênvănđượccảitiến,thêmhàngnghìntinhvânđãđượcpháthiệnvàvàokhoảngcuốithếkỷ19,nhiềunhánhxoắnốcđãđượctìmthấy,kểcảM31vàM33.Tuynhiên,nhữngkínhthiênvăntốtnhấtcủathếkỷ18và19đãkhôngthểphânbiệtđượcnhữngvìsaoriêng lẻ trongcác tinhvânhìnheliphoặcxoắnốc,vàbảnchấtcủachúngvẫncònchưarõ. HìnhnhưImmanuelKantlàngườiđầutiênđãchorằngmộtsốcáctinhvânnày lànhững thiênhànhư thiênhàcủachúng ta.Vớđược thuyếtcủaWrightvềngânhà,năm1755Kantđãgiảthiếttrongcuốnsách“Lịchsửtựnhiêntoànnăngvàthuyếtvềtrờiđất”củaôngrằngcáctinhvân“hoặc,đúnghơn,mộtloạitinhvânnàođó”thựcralànhữngđĩasaotròncódạngvàkíchthướcgiốngthiênhàcủachúngta.Chúngđượcnhìnnhưlàcódạngelipbởivìđasốchúngđượcnhìnnghiêngvàcốnhiênlàmờnhạtvìchúngởquáxa. Ýtưởngvềmộtvũtrụchứađầynhữngthiênhàgiốngnhưthiênhàcủachúng tađãđượcnhiềungườidùkhôngphải là tất cả côngnhậnvàođầuthếkỷ19.Tuynhiên,cònmộtkhảnăngnữalàcáctinhvânelipvà

xoắnốcnàycóthểchỉlànhữngđámmâyởtrongthiênhàcủachúngtanhưnhiềuvậtthểkháctrongcatalôcủaMessier.Mộtnguyênnhânlớngâylầmlẫnlàsựquansátnhữngngôisaobùngnổtrongmộtvàitinhvânxoắnốc.Nếucáctinhvânnàyquảlàcácthiênhàđộclập,vàvìchúngởquáxanêntakhôngphânbiệtnổinhữngsaoriêngbiệtthìcácvụnổphảicómộtsứcnổmạnhkinhkhủngđểchochúngcònsángởmộtkhoảngcáchxanhưvậy.Vềđiềunày,tôikhôngthểkhôngtríchdẫnmộtđoạnvănởthếkỷ19.Viếtnăm1893,nhàviếtvềlịchsửthiênvănngườiAnhAgnesMaryClerkeđãlưuýrằng: TinhvânnổitiếngAndromada(Tiênnữ)vàtinhvânxoắnốclớnởchòmCanesVenaticilànhữngtinhvânđángchúýhơntrongnhữngtinhvânchomộtphổliêntục;vàtheomộttỷlệchung,sựphátquangcủamọitinhvâncódángdấpnhữngchòmsaohiệnlênmờmờvìởquáxa, là thuộccùngmộtloại.Tuynhiênnếutừđókếtluậnrằngchúngquảthựclànhữngtậphợpcủanhữngvậtthểnhưmặttrờithìquảlàquávội.Kếtluậnnàycàngtỏrõthiếucăncứdocácvụbùngnổởhaivìsaoxảyracáchnhaumộtphầntưthếkỷ.Bởivìchắcchắnrằngdùtinhvânxamấyđinữathìcácngôisaocũngcáchxa chúng ta như vậy; do đó, nếu những hạt thành phần của tinh vân lànhữngmặttrờithìnhữngthiênthểvôcùngtolớnmàởđócáiánhsánglờmờcủachúnggầnnhưđãtiêután(màchúngtathấy),phải,nhưôngProtorđãchỉra,ởmộtthangđộlớnmàtrítưởngtượngconngườikhôngdámnghĩđến. Hiệnnaychúngtabiếtrằngnhữngvụbùngnổsaođóquảthựclà“ởmộtthangđộlớnmàtrítưởngtượngconngườikhôngdámnghĩđến”.Chúnglànhững sao siêumới, những vụ nổ trong đómột ngôi sao có độ trưng gầnbằng cảmột thiên hà.Nhưng điều này cũng chưa được biết đến vào năm1893. Vấnđềbảnchấtcáctinhvânxoắnốcvàelipkhôngthểgiảiquyếtđượcnếukhôngcómộtphươngphápđáng tincậyđểxácđịnhkhoảngcách tớichúng.Mộtchuẩnđềsosánhnhưvậycuốicùngđãđượckhámphárasaukhihoànthànhviệcxâydựngkínhthiênvăn100insơ(Insơ:đơnvịđochiềudài củaAnhbằng2,54 cm (ND).) trênnúiWilsongầnLosAngeles.Năm1928EdwinHubblelầnđầutiênđãcóthểphângiảiđượctinhvântiênnữthànhnhữngvìsaoriênglẻ.Ôngthấyrằngnhữngnhánhxoắnốccủanógồmmộtsốítngôisaosángđổiánhvớicùngkiểubiếnthiêntuầntoànđộtrưngnhư thường thấy đối vớimột loại sao trong thiên hà của chúng ta, gọi làxepheit.Lýdovề tầmquan trọng củaviệcnày làở chỗvàokhoảng chụcnămvề trước,công trìnhcủaHenriettaSwanLeavittvàHarlowShapleyởđàithiênvăntrườngđạihọcHarvardđãchomộthệthứcchặtchẽgiữacác

chukỳbiếnthiênquansátđượccủacácxepheitvớicácđộtrưngtuyệtđốicủachúng.(Độtrưngtuyệtđốilànănglượngphátratoànphầnmàmộtthiênthểphátratheomọihướng.Độtrưngbiểukiếnlànănglượngbứcxạmàtanhậnđượctrênmỗicentimetvuôngmặtkínhthiênvăncủachúngta.Chínhđộtrưngbiểukiến,chứkhôngphảiđộtrưngtuyệtđốilàcáiquyđịnhđộchóichủquancủacác thiên thể.Cốnhiênđộ trưngbiểukiếnphụ thuộckhôngnhữngvàođộtrưngtuyệtđốimàcònvàokhoảngcách;nhưvậy,biếtcảđộtrưng tuyệt đối và độ trưng biểu kiến củamột thiên thể, ta có thể suy rakhoảngcáchcủanó). Hubblekhiquan sátđộ trưngbiểukiếncủacácxepheit trong tinhvânTiênnữ,vàướctínhđộtrưngtuyệtđốicủacácchukỳcủachúng,đãcóthểtínhngaykhoảngcáchtớitinhvânTiênnữ,bằngcáchdùngquytắcđơngiảnrằngđộtrưngbiểukiếntỷlệvớiđộtrưngtuyệtđốivàtỷlệnghịchvớibìnhphươngkhoảngcách.Ôngkết luận rằng tinhvânTiênnữcách ta900.000nămánhsáng,hoặclàmườilầnxahơnkhoảngcáchtừtráiđấtđếnvậtthểxanhấttrongthiênhàchúngta.HiệnnaymộtsốtínhtoánlạivềhệthứcgiữachukỳxêpheitvàđộtrưngdoWalterBaadevànhữngngườikháctiếnhànhđãtăngkhoảngcáchcủatinhvânTiênnữđếnhơnhaitriệunămánhsáng,nhưng kết luận đã rõ ràng vào năm 1923: tinh vânTiên nữ và hàngnghìn tinhvân tương tự lànhững thiênhànhư thiênhàcủachúng tachứađầyvũtrụtớinhữngkhoảngcáchrấtxatheomọiphía. Ngaytrướckhibảnchất“ngoàithiênhà”củacáctinhvânđượckếtluận,cácnhàthiênvănđãcókhảnăngđồngnhấtcácvạchtrongphổcủachúngvớinhữngvạchquenthuộctrêncácphổnguyêntửthôngthường.Tuynhiên,trongthậpniên1910-1920,VestoMelvinSlipherởđàithiênvănLowellđãkhámphá ra rằng cácvạchphổ củanhiều tinhvânbị dịch chuyểnnhẹvềphíađỏhoặcvềphíaxanh.CácdịchchuyểnnàyđãđượcgiảithíchngaylàdohiệuứngDoppler,chúngchothấylàcáctinhvânđangchuyểnđộngrờixahoặctiếngầnđếnquảđất.Vídụ,tinhvânTiênnữđượckhámpháralàchuyểnđộngvềphíaquảđấtvới tốcđộkhoảng300km/s, trongkhichùmthiênhàxahơnnằmtrongchòmThấtnữđượccoilàchuyểnđộngrờixatráiđấtvớitốcđộkhoảng1000km/s. Lúcđầutiênngườitachorằngcácvậntốcnàycóthểchỉlànhữngvậntốctươngđối,phảnánhchuyểnđộngcủahệmặttrờicủachúngtavềmộtsốthiênhànàođóvàrờixamộtsốnàođókhác.Tuynhiên,sựgiảithíchnàyđãkhôngđứngvữngđượckhingàycàngcónhiềudịchchuyểnvạchphổ lớnhơnđượckhámphára,tấtcảđềuvềphíađỏcủaquangphổ.HầunhưngoàimộtsốítvậtlánggiềnggầnnhưtinhvânTiênnữ,cácthiênhàkhácthưởngtảnrakhỏithiênhàcủachúngta.Cốnhiênđiềunàykhôngcónghĩalàcác

thiênhàcủachúngtacómộtvịtrítrungtâmđặcbiệtnàođó.Ngượclại,hìnhnhưvũtrụđangtrảiquamộtsựbùngnổtrongđómỗimộtthiênhàđềuchạyraxakhỏithiênhàkhác. Cáchgiảithíchnàyđãđượccôngnhậnmộtcáchphổbiếnsaunăm1929,khiHubble báo tin là ông đã khám phá rằng các dịch chuyển đỏ của cácthiên hà tăng lên gần như tỷ lệ với khoảng cách đến chúng ta. Tầmquantrọngcủasựquansátnày làởchỗnóđúng làcáimàtacó thểđoán trướcđượctheobứctranhđơngiảnnhấtcóthểcóđượcvềmộtsựvậnchuyểnvậtchấttrongmộtvũtrụđangbùngnổ. Chúng tacó thểchờđợimộtcách trựcgiác rằngbấtcứ lúcnàovũ trụcũngphảiđượcnhìnthấygiốngnhaubởinhữngnhàquansáttrongmọithiênhàđiểnhình,vàdùhọnhìnvềhướngnào. (Ởđâyvà saunày tôidùng từ“điểnhình”đểchỉcácthiênhàkhôngcómộtchuyểnđộngriênglớnnàomàchỉthamgiatrongsựtrôigiạtvũtrụchungcủamọithiênhà).Giảthuyếtnàytựnhiênđếnnỗi(ítnhấttừthờiCopernicus)nóđãđượcnhàvậtlýthiênvănAnhEdwardArthurMilnegọilànguyênlývũtrụhọc. Khiápdụngchochínhcác thiênhà,nguyênlývũ trụhọcđòihỏirằngmộtngườiquansáttrongmộtthiênhàđiểnhìnhphảithấytấtcảcácthiênhàkhácchuyểnđộngvớimộtgiảnđồvậntốcnhưnhau,bấtkểngườiquansátởtrongthiênhàđiểnhìnhnào.Cómộthệquảtoánhọctrựctiếpcủanguyênlýnóirằng:vậntốctươngđốicủabấtkỳhaithiênhàcũngđềuphảitỷlệvớikhoảngcáchgiữachúngđúngnhưHubbleđãtìmra. MuốnthấyrõđiềunàytahãyxétbathiênhàđiểnhìnhA,B,C,nằmtrênmộtđườngthẳng(xemhình1).GiảthiếtrằngkhoảngcáchgiữaAvàBbằngkhoảngcáchgiữaBvàC.DùvậntốccủaBnhìntừAlàbaonhiêuđinữa,thìnguyênlývũtrụhọcđòihỏirằngCphảicóvậntốcnhưvậysovớiB.NhưngkhiấylưuýrằngCxaAgấpđôisovớixaB,cùngchuyểnđộngsovớiAnhanhgấpđôisovớiB.Chúngtacóthểthêmnhiềuthiênhàvàochuỗicủachúngtasongbaogiờkếtquảcũngvẫnlàvậntốclùixacủamỗithiênhàsovớibấtcứthiênhànàokhácđềutỷlệvớikhoảngcáchgiữachúng.

Hình1.TínhđồngtínhvàđịnhluậtHubble.

Hình1.TínhđồngtínhvàđịnhluậtHubble.Tavẽramộtsợidâytrênđócócácthiênhàcáchxanhưnhau:Z,A,B,C…,vớinhữngvậntốcđotừAhoặcBhoặcCđượcchỉrabằngđộdàivàhướngcủacácmũitênkèmtheo.NguyênlýđồngtínhđòihỏirằngvậntốccủaCnhìntừBlàbằngvậntốccủaBnhìntừA.CộnghaivậntốcđóchotavậntốccủaCnhìntừA,đượcđánhdấubởimộtmũitêndàigấpđôi.Tiếptụctheocáchnày,chúngtacóthểđiềnkín toànbộgiảnđồvận tốcnhư trên.Nhưtacó thể thấy,vận tốctuântheođịnhluậtHubble;vậntốccủamộtthiênhàbấtkỳnhìntừmộtthiênhàkháclàtỷlệvớikhoảngcáchgiữachúng.Đólàgiảnđồvậntốcduynhấtphùhợpvớinguyênlýđồngtính. Nhưthườngxảyratrongkhoahọc,lậpluậnđócóthểdùngcảtheochiềuthuậnlẫnchiềunghịch.Hubblekhiquansáttínhtỷlệgiữacáckhoảngcáchgiữacác thiênhàvà tốcđộ lùicủachúng,đãxácminhmộtcáchgián tiếptínhđúngđắncủanguyênlývũtrụhọc.Điềunàythậtlàhếtsứcthỏamãnvềmặttriếthọc-tạisaomộtphầnnàođócủavũtrụhoặcmộthướngnàođólạikhácmộtphầnkháchoặcmộthướngkhác?Điềunàycũnggiúp tayên trírằngcácnhà thiênvănquả làđangquansátmộtphầnđángkểcó thểthấyrõđượccủavũtrụ,chứkhôngphảimộtchỗxoáynhỏtrongmộtvùngxoáybaolahơncủavũtrụ.Mặtkhácchúngtacóthểchonguyênlývũ trụhọc làđúng,dựa theonhững lý lẽ theocách suydiễn,và suy rahệthứctỷlệgiữakhoảngcáchvàvậntốcnhưđãlàmởđoạntrên.Bằngcáchnày, nhờ phép đo khá dễ các dịch chuyển Doppler, chúng ta có thể đokhoảngcáchnhiềuvậtthểrấtxatừvậntốccủachúng. NguyênlývũtrụhọccòncómộtsựủnghộkhácvềmặtquansátngoàiviệcđocácdịchchuyểnDoppler.SaukhiđểýđầyđủđếnnhữngbiếndạngdothiênhàcủachúngtavàchùmthiênhàlộnglẫybêncạchtrongchòmsaoThấtnữgâyra,vũtrụcóvẻxemrađẳnghướngmộtcáchđặcbiệt;nghĩalànócóvẻgiốngnhưnhautheomọihướng.(Điềunàylạiđượcchỉrõmộtcáchcósứcthuyếtphụchơnnữabằngphôngbứcxạcựcngắnthảoluậnởchươngsau).NhưngngaytừthờiCopernicus,chúngtađãhọcđượccáchphảicảnhgiáckhigiảthiếtrằngvịtrícủaloàingườicóđiểmgìđặcbiệtđâytrongvũtrụ.Vậynếuvũtrụlàđẳnghướngquanhtathìnóphảiđẳnghướngtheomọithiênhàđiểnhình.Tuynhiên,mỗimộtđiểmcủavũtrụcóthểđượcđưađếnbấtcứmộtđiểmnàokhác,bằngmộtchuỗiphépquayquanhnhữngtâmcốđịnh(xemhình2),chonênnếuvũtrụlàđẳnghướngquanhbấtcứđiểmnào,thìnóbuộcphảilàđồngtính.

Hình2.Tínhđẳnghướngvàtínhđồngtính. Hình2.Tínhđẳnghướngvàtínhđồngtính.Nếuvũtrụlàđẳnghướngtạicảhaithiênhà1và2,thìnólàđồngtính.ĐểchỉrõrằngcácđiềukiệntạihaiđiểmAvàBtùyýlànhưnhau,tavẽmộtđườngtrònđiquaAquanhthiênhà 1, một đường tròn khác đi qua B quanh thiên hà 2. Tính đẳng hướngquanhthiênhà1đòihỏirằngcácđiềukiệnphảilànhưnhauởAvàC,giaođiểmcủahaivòngtròn.Cũngvậy,tínhđẳnghướngquanhthiênhà2đòihỏiđiềukiệnphảinhưnhauởBvàC.Dođó,chúngphảinhưnhauởAvàB. Trướckhiđixahơn,taphảixemxétmộtsốhạnchếcủanguyênlývũtrụhọc.Thứnhất,rõràngnókhôngđúngởnhữngquymônhỏ-chúngtaởtrongmộtthiênhàthuộcvềmộtnhómđịaphươngnhỏcácthiênhàkhác(trongđócóM31vàM33),nhómnàylạiởgầnmộtchùmthiênhàrất lớntrong chòm sao Thất nữ. Thực ra, trong số 33 thiên hà ghi trong catalôMessierthìgầnmộtnửaởtrongmộtphầnnhỏcủabầutrời,chòmthấtnữ.Nguyênlývũtrụhọcnếuquảthậtlàđúngthìchỉcótácdụngkhichúngtanhìnvũtrụởquymôítnhấtrộngbằngkhoảngcáchgiữacácchùmthiênhà,nghĩalàvàokhoảngmộttrămtriệunămánhsáng. Còncómộthạnchếkhác.Khidùngnguyênlývũtrụhọcđểsuyrahệthức tỷ lệgiữavận tốcvàkhoảngcáchgiữacác thiênhà, chúng tađãgiảthiếtrằngnếuvậntốcCđốivớiBbằngvậntốcBđốivớiAthìkhiđóvậntốcCđốivớiAlớnhơnhailần.Đóchínhlàđịnhluật“cộngvậntốc”thôngthườngmàmỗichúngtađềubiết,vàchắcchắnđịnhluậtnàyđúngvớicácvậntốctươngđốinhỏthườnggặpthấytrongđờisốnghàngngày.Tuynhiên,địnhluậtnàyđãbịphásảnđốivớinhữngvậntốctiếngầntớivậntốcánhsáng (300.000km/s) bởi vì nếu không thì cộngmột số vận tốc tương đối,chúngtacóthểđiđếnmộtvậntốc tổnghợplớnhơnvậntốcánhsángmàđiềunàytheothuyếttươngđốihẹpcủaEinsteinlàkhôngthểxảyra.Chẳnghạn,phépcộngvậntốcthôngthườngnóirằngkhimộthànhkháchtrênmộtmáybayđangchuyểnđộngvớitốcđộbaphầntưvậntốcánhsángbắnvềphíatrướcmộtviênđạnvớimộtvậntốcbằngbaphầntưvậntốcánhsángthìkhiđóvậntốctươngđốicủaviênđạnsovớimặtđấtlà1,5vậntốcánh

sáng;điềunàykhôngthểxảyra.Thuyếttươngđốihẹptránhvấnđềđóbằngcáchthayđổiquyluậtcộngvậntốc:vậntốccủaCsovớiAthựcranhỏhơnmộtchútsovớitổngvậntốcBđốivớiAvàCđốivớiB,nhưvậydùcócộngbaonhiêulầnvậntốcnhỏhơnvậntốcánhsáng,chúngtacũngsẽkhôngbaogiờthuđượcvậntốclớnhơnvậntốcánhsáng. Điều này đã không phải làmột vấn đề đối vớiHubble, và năm 1929,khôngmộtthiênhànàomàôngnghiêncứuởbấtkỳchỗnàolạicóvậntốcgầnbằngvậntốcánhsáng.Dùsao,khicácnhàvũtrụhọcsuynghĩvềnhữngkhoảngcáchthựclớnđặctrưngchovũtrụxétvềtoànbộ,họphảilàmviệctrongmộtkhunglythuyếtcóthểgiảiquyếtđượcnhữngvậntốcxấpxỉvậntốc ánh sáng, nghĩa là các thuyết tương đối rộng và hẹp của Einstein.Dĩnhiênkhitabànvềnhữngkhoảngcáchlớnnhưvậy,thìngayquanniệmvềkhoảngcáchcũngmơhồ,vàtaphảinóirõlàtamuốnkhoảngcáchđượcđobằngquansátđộtrưng,hoặcđườngkính,hoặcchuyểnđộngriênghoặcbằngmộtcáchkhácnàođó. Bâygiờ tahãy trở lạinăm1929:Hubbleđãước tínhkhoảngcáchđếnmườitámthiênhàtừđộtrưngbiểukiếncủanhữngngôisaosángnhấtcủachúng,vàsosánhcáckhoảngcáchđóvớivậntốctươngứngcủacácthiênhàđượcxácđịnhbằngphổhọc từnhữngdịchchuyểnDopplercủachúng.Ôngđãkết luậnrằngcómộthệ thứcgầnnhưtuyếntính(nghĩa làsự tỷ lệthuận)giữavậntốcvàkhoảngcách.ThựcranhìnvàocácsốliệucủaHubbletôikhálưỡnglựvàtựhỏilàmsaoôngcóthểđiđếnmộtkếtluậnnhưvậy-cácvậntốcthiênhàgầnnhưkhôngcóliênhệvớikhoảngcáchcủachúng,chỉ cómột xu hướng nhẹ của vận tốc là tăng theo khoảng cách. Thực rachúngtakhôngthểtrôngđợimộthệthứctỷlệrõràngnàogiữavậntốcvàkhoảngcáchđốivớimườitámthiênhàđó-tấtcảchúngđềuquágần,khôngcócáinàoởxahơnchùmThấtnữ.Thậtlàkhótránhkếtluậnrằng,dựatrênhoặclàcáclýdođơngiảnđượcpháchọatrênđâyhoặclànhữngpháttriểnlýthuyếtcóliênquansẽđượcthảoluậndướiđây,Hubbleđãbiếttrướclờigiảimàôngcầntìm. Dù sao đi nữa, vào năm 1931, chứng cớ đã trở nên rõ hơn nhiều, vàHubbleđãcóthểkiểmtratínhtỷlệgiữavậntốcvàkhoảngcáchchonhữngthiênhàcóvậntốclênđến20000km/s.Vớinhữngướctínhkhoảngcáchcóđược lúc đó, kết luận là vận tốc tăng vào khoảng 170 km/s ứng vớimỗikhoảng cách một triệu năm ánh sáng; như vậy, vận tốc 20.000 km/ s cónghĩalàkhoảngcáchlà120triệunămánhsáng.Consốđótứcđộtăngvậntốctrênkhoảngcách,thườngđượcgọilà“hằngsốHubble”.(Nólàmộthằngsốvớinghĩasựtỷlệgiữavậntốcvàkhoảngcáchkhôngthayđổichotấtcảcácthiênhàởmộtthờiđiểmđãcho,nhưngnhưchúngtasẽthấy,hằngsố

Hubblethayđổitheothờigiankhivũtrụtiếnhóa). Vào năm 1936, trong khi làm việc với nhà quang phổ học MiltonHumason,Hubbleđãcó thểđokhoảngcáchvàvận tốccủachùmthiênhàGấulớnII.Ôngta tìmrarằngnólùixatavớivậntốc42.000km/s(14%vậntốcánhsáng).Khoảngcáchlúcđóướckhoảng260triệunămánhsáng,làgiớihạncủađàithiênvăntrênnúiWilson,vàcôngviệccủaHubblephảingừnglại.Sauchiếntranh,vớisựrađờicủanhữngkínhthiênvănlớnhơnởPalomarvànúiHamilton,chươngtrìnhcủaHubblelạiđượcnhữngnhàthiênvănkhác(nhất làAllanSandageởPalomarvànúiWilson) tiếp tụcvàcòntiếptụcchođếnbâygiờ. Kết luậnđược rút ramột cách tổngquát saunửa thếkỷquan sátnàylà,cácthiênhàđanglùixakhỏichúngtavớinhữngvậntốctỷlệvớikhoảngcáchítnhấtđốivớinhữngvậntốckhôngquágầnvậntốcánhsáng.Cốnhiênnhưđãnóirõtrongkhithảoluậnnguyênlývũtrụhọc,việcnàykhôngcónghĩa rằngchúng tađangởmộtvị tríđượcưuđãiđặcbiệt,hoặckhôngđượcưuđãi,nàođótrongvũtrụ;mọicặpthiênhàđềutáchxanhauvớimộtvậntốctươngđốitỷlệvớikhoảngcáchgiữachúng.SựsửađổiquantrọngnhấtcủacáckếtluậnđầutiêncủaHubblelàxétlạithangkhoảngcáchngoàithiênhà:mộtphầnnhưlàkếtquảsựtínhlạihệthứcchukỳ-độtrưng của các xêphêit của Leavitt - Shapley mà Walter Baade và nhữngngườikhácđãtiếnhành,khoảngcáchđếncácthiênhàxaxămbâygiờđượcướclượngkhoảngmườilầnlớnhơnsovớiởthờiHubble.Nhưvậy,hằngsốHubblebâygiờđượcxemchỉlàvàokhoảng15kilômetmỗigiâymỗitriệunămánhsáng. Tấtcảnhữngcáiđónóigìvềnguồngốccủavũ trụ?Nếucác thiênhàđangtáchxanhauthìđãcómộtlúcnàođóchúngởgầnnhauhơn.Nóirõra,nếuvậntốccủachúnglàhằngsố,thìthờigiancầnchomỗicặpthiênhàđểđạtkhoảngcáchhiệnnaygiữachúngđúngbằngkhoảngcáchhiệnnaygiữachúngchiachovận tốc tươngđốicủachúng.Nhưngvớivận tốc tỷ lệvớikhoảngcáchhiệnnaygiữachúngthìthờigianđólànhưnhauvớimọicặpthiênhà-mộtlúcnàođótrongquákhứ,tấtcảchúngđãphảiởsátnhauhơn!NếuhằngsốHubblebằng15kilômetmỗigiâymỗi triệunămánhsángthìthờigiantừlúccácthiênhàbắtđầutáchrờinhauphảilàmộttriệunămánhsángchiacho15km/shoặc20nghìn triệunăm.Chúngtasẽnóivề“tuổi”tínhtheokiểunàynhưlà“thờigiangiãnnởđặctrưng”;nóchỉlàsốnghịchđảocủahằngsốHubble.Tuổithậtcủavũtrụthựcralàíthơnthờigiangiãnnởđặctrưngbởivì,nhưchúngtasẽthấy,cácthiênhàchuyểnđộngvớivậntốc không phải hằng số,mà đi chậm lại dưới ảnh hưởng của lực hấp dẫntươnghỗgiữachúng.Vìvậy,nếuhằng sốHubble làmười lămkilômet

mỗigiâymỗitriệunămánhsángthìtuổicủavũtrụphảiíthơn20nghìntriệunăm. Đôikhichúngtatómtắttấtcảnhữngđiềuđóbằngcáchnóivắntắtrằngkíchthướcvũtrụđangtănglên.Việcnàykhôngcónghĩalàvũtrụbuộcphảicókíchthướchữuhạndùrằngnócũngcóthểcó.Tadùngcáchnóinàyvìởbấtcứlúcnàođó,khoảngcáchgiữabấtkỳcặpthiênhàđiểnhìnhnàocũngtăng lên theomột tỷ số như nhau. Trong bất kỳmột khoảng thời gian đủngắnnàođểchovậntốccácthiênhàcóthểcoilàhằngsố,độtăngkhoảngcách giữamột cặp thiên hà điển hình sẽ được tính bằng tích của vận tốctương đối của chúng với thời gian trôi qua, hoặc dùng định luật Hubble,bằngtíchcủahằngsốHubble,khoảngcáchvàthờigian.NhưnglúcđótỷsốgiữađộtăngkhoảngcáchvàbảnthânkhoảngcáchsẽđượctínhbằnghằngsốHubblenhânvớithờigiantrôiqua,nólànhưnhauvớimọicặpthiênhà.Vídụ, saumộtkhoảng thờigianvàomộtphần trăm thờigiangiãnnởđặctrưng(sốnghịchđảocủahằngsốHubble),khoảngcáchcủamọicặpthiênhàđiểnhìnhsẽtănglênmộtphầntrăm.Lúcđótacóthểnóimộtcáchthôthiểnrằngkíchthướcvũtrụđãtăngmộtphầntrăm. Tôi khôngmuốngây cảm tưởng rằngmọi người đều nhất trí với cáchgiảithíchnàyvềsựdịchchuyểnđỏ.Thựcrachúngtakhôngquansátcácthiênhàrờinhanhkhỏichúngta; tấtcảnhữnggìmàchúngtacó thểthấychắcchắnlàcácvạchtrênphổcủachúngbịdịchchuyểnvềphíađỏ,tứclàvềphíabướcsóngdàihơn.CónhữngnhàthiênvănlỗilạcnghingờrằngcácdịchchuyểnđỏkhôngcóliênhệgìvớidịchchuyểnDopplerhoặcvớisựgiãnnởcủavũtrụ.HaltonArpởcácphòngthínghiệmHale,đãnhấnmạnhđếnsự tồn tạicủanhữngnhómthiênhà trênbầu trời, trongđóvàithiênhàcónhữngdịchchuyểnđỏrấtkhácvớinhữngthiênhàkhác;nếunhữngnhómđóthểhiệnnhữngkếttụvậtlýthựccủanhữngthiênhàlâncậnthìchúngkhómàcóthểcónhữngvậntốcquákhácnhau.Ngoàira,MaartenSchmidtnăm1963đãkhámphárarằngmột loạivật thểbềngoàicódạngcácsao lạicónhữngdịchchuyểnlớnvềphíađỏ, trongmộtsố trườnghợptrên 300 %! Nếu các “vật chuẩn sao” (quasar) cũng ở xa như các dịchchuyển đỏ của chúng cho thấy thì chúng phải phát ra những lượng nănglượngkhổnglồđểcóthểsángnhưvậy.Cuốicùngkhôngphảidễxácđịnhhệthứcgiữavậntốcvàkhoảngcáchthậtlàlớn. Tuynhiên, cómột cáchđộc lậpđểkhẳngđịnh rằngcác thiênhàđangtách xa nhau như các dịch chuyển đỏ cho thấy.Như ta đã thấy, cách giảithích về các dịch chuyển đỏ đó bao hàm ý nghĩa vũ trụ bắt đầu giãn nởkhoảnggần20nghìntriệunămtrướcđây.Dođósựkhẳngđịnhnàycóthểđúngnếutatìmđượcmộtbằngchứngnàokhácchothấyrằngquảthựcvũ

trụcótuổivàocỡđó.Thựcracónhiềulýdođểtinrằngthiênhàcủachúngtavàokhoảng10đến15nghìntriệutuổi.Consốướclượngđóxuấtphátcảtừđộnhiềutỷđốicủanhiềuđồngvịphóngxạtrongquađất(đặcbiệtlàcácđồngvịcủaurani,urani-235vàurani-238)vàcảtừsựtínhtoánsựtiếnhóacủacácvìsao.Chắnchắnkhôngcómộtquanhệtrựctiếpnàogiữatốcđộphóngxạhoặctốcđộtiếnhóacủacácvìsaovàsựdịchchuyểnđỏcủacácthiênhàxaxăm,nhưvậyđãcóthểtinrằngtuổivũtrụsuytừhằngsốHubblecóthểthựcsựbiểudiễnmộtsựbắtđầuđúngđắn. Liênquanđếnviệcnày,cóđiềuđángchúývềmặt lịchsửnếunhớlạirằng trong những năm1930 và 1940 hằng sốHubble được tin là lớn hơnnhiều,khoảng170kilômetmỗigiâymỗitriệunămánhsáng.Theolậpluậntrướccủata,tuổivũtrụkhiđóphảilàmộttriệunămánhsángchiacho170kilômetmỗigiây, tức làkhoảng2.000 triệunăm,hoặccòn íthơnnữanếuchúng ta tính đến sự hãm do hấp dẫn. Nhưng người ta đã biết rõ về cácnghiêncứuvềphóngxạcủahuântướcRutherfordrằngquảđấtgiàhơnthếnhiều;bâygiờngườitachonóvàokhoảng4.600triệutuổi!Quảđấtkhôngthểgiàhơnvũtrụchonêncácnhàthiênvănbuộcphảinghingờrằngliệudịchchuyểnđỏcóthựcsựnóiđượcchochúngtacáigìvềtuổicủavũtrụhay không.Một vài ý tưởng vũ trụ học khôn khéo nhất trong những năm1930và1940nảysinhratừnghịchlýbiểukiếnđó,cóthểbaogồmcảthuyếttrạngtháidừng.Cóthểrằngviệcloạibỏnghịchlývềtuổiởtrên,bằngcáchtăngthangkhoảngcáchngoàithiênhàlênmườilầntrongnhữngnăm1950,đãlàđiềukiệntiênquyếtchủyếuđưađếnsựxuấthiệnvũtrụhọcvụnổlớnnhưmộtlýthuyếtchuẩn. Bứctranhvũtrụmàtađãphácraởđâylàhìnhảnhmột“đànongthiênhà”đanglìatổ.Chođếnnay,đốivớichúngta,ánhsángmớichỉđóngvaitrò“sứgiảgiữacácvìsao”mangthôngtinvềkhoảngcáchvàvậntốccủacácthiênhà. Tuynhiên,cácđiềukiệntrongvũtrụsơkhairấtkhácbâygiờ,nhưchúngtasẽthấy,lúcđóchínhánhsángđãlàthànhphầnchủyếucủavũtrụ,vàvậtchất thông thườngchỉđóngvai tròcủamộtsựnhiễmkhôngđángkể.Chonênsẽcóíchsaunàychotanếutakhẳngđịnhlạixemtađãbiếtđượccáigìvềdịchchuyểnđỏquasựdiễnbiếncủacácsóngánhsángtrongvũtrụgiãnnở. Hãyxétmộtsóngánhsángtruyềngiữahai thiênhàđiểnhình.Khoảngcáchgiữahaithiênhàbằngthờigianđicủaánhsángnhânvớivậntốccủanó,trongkhiđóđộtăngcủakhoảngcáchđótrongthờigianánhsángđibằngthờigianđicủaánhsángnhânvớivậntốctươngđốicủacácthiênhà.Khitínhđộtăngtỷđốicủakhoảngcách,tachiađộtăngkhoảngcáchchotrịsố

trungbìnhcủakhoảngcáchtrongquátrìnhtăng,vàchúngtathấyrằngthờigianđicủaánhsángbị triệt tiêu:độ tăng tỷđốicủakhoảngcáchgiữahaithiênhàđó(vàtừđógiữabấtcứnhữngthiênhàđiểnhìnhnào)tronglúcánhsángđiđúnglàtỷsốcủavậntốctươngđốicủacácthiênhàvàvậntốcánhsáng.Nhưngnhưtađã thấytrướcđâycũngtỷsốđóchođộtăngtuyệtđốicủabướcsóngánhsángkhinólantruyền.Nhưvậy,bướcsóngcủamọitiasángđềutăngtỷ lệvớikhoảngcáchgiữacác thiênhàđiểnhìnhtrongquátrìnhvũtrụgiãnnở.Chúngtacóthểnghĩrằngcácđỉnhsóngnhưbị“kéo”càngngàycàngxanhauradosựgiãnnởcủavũtrụ.Dùrằnglậpluậncủa chúng ta chỉ thực có hiệu lực đối với những khoảng thời gian truyềnngắn,songbằngcáchghépliềnvớinhaumộtloạtcáckhoảngnhưvậytacóthểkếtluậnrằngnócũngđúngnóichung.Vídụ,khichúngtanhìnthiênhà3C295,vàthấyrằngcácbướcsóngtrongphổcủanólớnhơncácbướcsóngtrongcácbảngchuẩncủatavềbướcsóngcủaphổlà46%,tacóthểkếtluậnrằngvũtrụhiệnnaylớnhơnsovớikhiánhsángrờikhỏi3C295là46%. Chođếnđâytachỉnóiđếnnhữngchuyệnmàcácnhàvậtlýgọilànhữngvấnđề“độnghọc”,cóliênquanđếnsựmôtảchuyểnđộngmàkhôngxétcáclựcchiphốinó.Tuynhiên,trongnhiềuthếkỷ,cácnhàvậtlývàthiênvăncũngđãthửtìmhiểuđộnglựchọccủavũtrụ.Điềunàykhôngtránhkhỏidẫnđếnviệcnghiêncứuvai tròvũ trụhọccủa lựcduynhất tácđộnggiữacácthiênthểlàlựchấpdẫn. Nhưcóthểchờđợi,IsaacNewtonlàngườiđầutiênđãsuynghĩvềvấnđềnày.TrongmộtcuộctraođổithưtừnổitiếngvớimộthọcgiảcổđiểnởCambridgelàRichardBentley,Newtoncôngnhậnrằngnếuvậtchấtcủavũtrụphânphốiđềuđặntrongmộtvùnghữuhạnthìnórấtcóxuhướngrơivàotâm,và“hợpthànhmộtkhốicầulớnởđó”.Mặtkhác,nếuvậtchấtđượcrảiđềutrongmộtkhoảngkhôngvôhạn,thìsẽkhôngcótâmnàođểchonórơivàođấy.Trongtrườnghợpđónócóthểkếtlạithànhmộtsốvôhạncáckhốivậtchất,rảiráckhắpvũtrụ;Newtongợiýrằngđâyrấtcóthểlànguồngốccủamặttrờivàcácvìsao. Việckhónghiêncứuđộnglựchọccủamộtmôitrườngvôhạnđãlàmtêliệtkhámạnhnhữngtiếnbộsauđóchođếnkhithuyếttươngđốirộngrađời,vàdù saonócũngkhôngquan trọng lắmđốivớivũ trụhọcnhưngười tatưởnglúcđầu.ChỉcầnnóirằngEinsteindùnglý thuyết toánhọcđãcóvềhìnhhọcphiEuclideđểgiảithíchhấpdẫnnhưmộthiệuứngvềsựcongcủakhông gian và thời gian. Năm 1917, một năm sau khi hoàn thành thuyếttươngđốirộng,Einsteinđãcốgắngtìmlờigiảichomộtphươngtrìnhcủaông,cóthểdiễntảhìnhhọckhông-thờigiantoànvũtrụ.Suynghĩtheocácýniệmvũ trụhọcđangphổbiến lúcđó,Einsteinđặcbiệt tìmmột lờigiải

nàocóthểđồngtình,đẳnghướng,vàtiếcthaylạitĩnh.Tuynhiên,khôngthểtìmramộtlờigiảinàonhưvậy.Đểvạchramộtmôhìnhkhớpvớicáctiềnđềvũtrụhọcđó,Einsteinđãbuộcphảilàmphươnghạiđếncácphươngtrìnhcủaông,bằngcáchđưavàomộtsốhạng,gọilàhằngsốvũtrụhọc,đãlàmchothuyếtnguyênthủyđẹpđẽtrởnênxấuđi,nhưngphảidùngđểcânbằnglựchấpdẫnởnhữngkhoảngcáchlớn. MôhìnhcủaEinsteinquảthựclàtĩnhvàkhôngtiênđoáncácdịchchuyểnđỏ.Cũngtrongnămđó,1917,mộtlờigiảikháccủathuyếtđượcsửađổicủaEinsteinđãđượcnhàthiênvănHàLanE.deSittertìmra.Dùrằnglờigiảinàycóvẻtĩnh,vànhưvậycóthểcôngnhậnđượctheocácýtưởngvũtrụhọclúcđó,nócótínhchấtđángchúýlàtiênđoánmộtsựdịchchuyểnđỏtỷlệvớikhoảngcách!SựtồntạicủanhữngdịchchuyểnđỏlớncủacáctinhvânlúcđóchưađượccácnhàthiênvănchâuÂubiếtđến.Tuynhiên,vàokhoảngcuốichiếntranhthếgiớilầnthứnhất,nhữngtintứcvềsựquansátđượcnhữngdịchchuyểnđỏ lớnđã truyềntừMỹsangchâuÂu,vàmôhình của de Sitter lập tức trở thành nổi tiếng. Thực ra năm 1922 khi nhàthiênvănAnhAthurEddingtonviếtgiáotrìnhtoàndiệnđầutiênvềthuyếttươngđốirộng,ôngđãphântíchcácsốliệudịchchuyểnđỏhiệncótheomôhìnhdeSitter.BảnthânHubblenóirằngchínhmôhìnhcủadeSitterđãlàmchocácnhà thiênvăn thấy tầmquan trọngcủamộtsựphụ thuộccủadịchchuyểnđỏvàokhoảngcách,vàmôhìnhđócóthểđãởtrongtríóccủaôngkhiôngkhámpháratínhtỷlệgiữadịchchuyểnđỏvớikhoảngcáchvàonăm1929. HiệnnaysựnhấnmạnhnhưvậyvàomôhìnhdeSitterhầunhưkhôngthíchhợp.Mộtmặtnóquảkhôngphảilàmộtmôhìnhtĩnhchútnào,nócólẽchỉtĩnhdođưacáctọađộkhônggianvàomộtcáchđặcbiệt,nhưngkhoảngcáchgiữanhữngngườiquansát“điểnhình”trongmôhìnhthựcsựtăngtheothờigianvàchínhsựlùixanhautổngquátđóđãsinhrasựdịchchuyểnđỏ.NgoàiralýdolàmdịchchuyểnđỏtrởthànhtỷlệvớikhoảngcáchtrongmộthìnhdeSitterchínhlàmôhìnhnàythỏamãnnguyênlývũtrụhọc,nhưngnhưtađãthấy,tachờđợimộttỷlệgiữavậntốctươngđốivàkhoảngcáchtrongmọithuyếtthỏamãnnguyênlýnày. Dùsao,việcpháthiệnsựlùixacủacácthiênhàxaxămchẳngmấychốclàmngườitachúýđếncácmôhìnhvũtrụhọcđồngtínhvàđẳnghướngnhưngkhôngphảitĩnh.Khiđókhôngcầnđến“hằngsốvũtrụhọc”trongcácphươngtrìnhtrườnghấpdẫn,vàEinsteinđãtỏratiếcrằngôngđãtừngđưasựthayđổiđóvàocácphươngtrìnhbanđầucủaông.Năm1922lờigiảitổngquátđồngtínhvàđẳnghướngcủacácphươngtrìnhbanđầucủaEinsteinđãđượcnhàbáchọcNgaAlexandreFridmanntìmra.Chínhcácmô

hình Fridmann này, căn cứ trên các phương trình trường ban đầu củaEinstein,chứkhôngphảicácmôhìnhdeSitterhoặcEinsteinđãcungcấpcơsởtoánhọcchođasốnhữngthuyếtvũtrụhọchiệnđại. Cácmô hình Fridmann thuộc vào hai loại rất khác nhau.Nếumật độtrungbìnhcủavậtchấtvũtrụnhỏhơnhoặcbằngmộtgiátrịtớihạnnàođó,vũtrụphảivôhạnvềkhônggian.Trongtrườnghợpnày,sựnởhiệnnaycủavũtrụsẽtiếpdiễnmãimãi.Mặtkhác,nếumậtđộcủavũtrụlớnhơngiátrịtớihạnđó,thìkhiđótrườnghấpdẫnsinhrabởivậtchấtlàmchovũtrụconglêntrongbảnthânnó,nólàhữuhạndùrằngkhôngcóbiên,nhưbềmặtcủamột hình cầu. (Nghĩa là, nếu chúng ta bắt đầu du hành theo một đườngthẳng,tasẽkhôngđiđếnmộtbiênnàocủavũtrụmàchỉquayvềchỗxuấtphát).Trongtrườnghợpnàycáctrườnghấpdẫnrấtđủmạnhđểcóthểlàmngừngsựgiãnnởcủavũtrụ,nhưvậycũngcóthểcólúcnósẽ“nổvào”đểtrởlạimộtmậtđộlớnvôhạn.MậtđộtớihạntỷlệvớibìnhphươngcủahằngsốHubble;vớitrịsốđượcchấpnhậnhiệnnaymộtcáchrộngrãicủahằngsốđólà15kilômetmỗigiâymỗitriệunămánhsáng,mậtđộtớihạnbằng5x10mũâm30gammỗicentimetkhốihoặckhoảngbanguyêntửhyđrôtrongmỗinghìnlítkhônggian. Chuyển động của một thiên hà điển hình nào đó trong các mô hìnhFridmannlàđúngnhưchuyểnđộngcủamộthònđánémlêntừmặtđất.Nếuhònđáđượcnémlênđủmạnhhoặcnóicáchkhác,nếukhốilượngquảđấtđủnhỏ,thìhònđásẽđichậmdần,nhưngdùsaocũngthoátvàovũtrụ.Điềunàyứngvớitrườnghợpmậtđộvũtrụthấphơnmậtđộtớihạn.Mặtkhácnếuhònđáđượcnémlênvớivậntốckhôngđủlớnthìnósẽlêntớimộtđộcaotốiđarồirơixuống.Điềunàycốnhiênứngvớimậtđộvũtrụcaohơnmậtđộtớihạn. SựtươngtựnàychothấyrõtạisaokhôngthểtìmđượcnhữnglờigiảivũtrụhọctĩnhchocácphươngtrìnhEinstein–takhôngthểquángạcnhiênkhithấymột hòn đá bay khỏi hoặc rơi xuốngmặt đất, nhưng ta khómà thấyđượcmột hòn đá tự treo lơ lửng trên không. Sự tương tự này cũng giúpchúng ta tránhđượcmột sựhiểu lầm thông thườngvềvũ trụdãnnở.Cácthiênhà táchrờikhỏinhaukhôngphảivìmột lựcbímậtnàođóđangđẩychúngraxanhau,cũngđúngnhưhònđá trongvídụcủa takhôngphảibịquảđấtđẩylùi.Màđúnghơn,cácthiênhàtáchrờinhaubởichúngđãbịbắnrờikhỏinhaudomộtvụnổnàođótrongquákhứ. Vàonhữngnăm1920,điềunàykhôngđượcnhậnthứcrõ,nhưngnhiềutínhchấtchitiếtcủacácmôhìnhFridmanncóthểtínhđượcmộtcáchđịnhlượngbằngcáchdùngsựtươngtựnàymàkhôngcầnđếnthuyếttươngđốirộng.Đểtínhchuyểnđộngcủamộtthiênhàđiểnhìnhnàođósovớithiênhà

củata,hãyvẽmộthìnhcầuvớithiênhàcủataởtâmvàvớithiênhàđangnghiêncứutrênbềmặt;chuyểnđộngcủathiênhànàychínhlàchuyểnđộngxảy ra nếu khối lượng của vũ trụ chỉ bao gồmvật chất tronghình cầu vàkhôngcógìởngoài.Điềunàycũnggiốngnhưthểtađàomộthốsâu,tasẽthấyrằnggiatốctrọnglựctới tâmchỉphụthuộcvàolượngvậtchấtởgầntâmhơnlàgầnhốcủachúngta,nhưthểlàmặtđấtởngaychínhđáyhố.KếtquảđángchúýđóbiểuhiệnởmộtđịnhlýcógiátrịtrongthuyếthấpdẫncủaEinstein và cả Newton, nó chỉ phụ thuộc vào tính đối xứng cầu của hệnghiêncứu;biếnthểtươngđốirộngcủađịnhlýnàyđượcnhàtoánhọcMỹG.D.Birkhoffchứngminhvàonăm1923,nhưngýnghĩavũtrụhọccủanóvàichụcnămsauđóvẫnchưađượcnhậnthứcrõ. ChúngtacóthểdùngđịnhlýnàyđểtínhmậtđộtớihạncủacácmôhìnhFridmann(xemhình3).Khivẽmộthìnhcầucủataởgiữavàmộtthiênhàxaxămnàođóởtrênmặt,tacóthểdùngkhốilượngcácthiênhàtronghìnhcầuđểtínhmộtvậntốcthoát,vậntốcmàmộtthiênhàởbềmặtphảicóđểcóbắtđầuthoátđếncõivôhạn.Ngườitathấyrằngvậntốcthoátnàytỷlệvớibánkínhhìnhcầu-hìnhcầucànglớnthìvậntốccủathiênhàlạiphảicàngnhanhđểthoátkhỏinó.NhưngđịnhluậtHubblenóirằngvậntốcthựccủamột thiênhà trênbềmặt hình cầu cũng tỷ lệ với bánkínhhình cầu -khoảngcáchkểtừchỗta.Nhưvậydùvậntốcthoátphụthuộcvàobánkính,songtỷsốgiữavậntốcthựccủathiênhàvàvậntốcthoátcủanókhôngphụthuộckíchthướchìnhcầu;nólànhưnhauchomọithiênhàvànhưnhaudùta lấy thiênhànào là tâmhìnhcầu.Tùy thuộcvàocácgiá trịcủahằngsốHubblevàmậtđộvũtrụmàmỗithiênhàchuyểnđộngtheođịnhluậtHubblesẽhoặccóvậntốclớnhơnvậntốcthoátvàthoátđếncõivôhạn,hoặcsẽcóvậntốcthấphơnvậntốcthoátvàrơilạivềphíatavàomộtlúcnàođótrongtươnglai.MậtđộtớihạnchỉđơngiảnlàgiátrịcủamậtđộvũtrụmàkhivậttốcthoátcủamỗithiênhàđúngbằngvậntốctínhtheođịnhluậtHubble.MậtđộtớihạnchỉcóthểphụthuộcvàohằngsốHubblevàthựcranóchỉđơngiảnlàtỷlệvớibìnhphươnghằngsốHubble(xemchúthíchtoánhọc2).

Hình3.ĐịnhlýBirkhoffvàsựgiãnnởcủavũtrụ. Hình3.ĐịnhlýBirkhoffvàsựgiãnnởcủavũtrụ.Hìnhvẽlênmộtsố

thiênhàcũngvớicácvậntốccủachúngsovớimộtthiênhàGđãcho,đượcchỉraởđâybằngnhữngmũitênkèmtheođộdàivàhướngthíchhợp(theođịnhluậtHubble,cácvậntốcnàyđượccoilàtỷlệvớikhoảngcáchđếnC).ĐịnhlýBirkhoffnêulênrằng:muốntínhvậntốccủathiênhàAsovớiGchỉcầntínhđếnkhốilượngchứatrongkhốihìnhcầuquanhGđiquaA(đườngđứtnét).NếuAkhôngquáxaG,trườnghấpdẫncủavậtchấttronghìnhcầusẽvừaphải,vàchuyểnđộngcủaAcóthểtínhtheocácđịnhluậtcơhọccủaNewton. Sựliênhệchitiếtgiữathờigianvàkíchthướcvũtrụ(nghĩalàkhoảngcáchgiữabấtcứhaithiênhàđiểnhìnhnào)cóthểtìmrabằngcáchsửdụngnhữnglậpluậnnhưvậy,nhưngkếtquảphứctạphơnnhiều(xemhình4).Tuynhiêncómộtkếtquảđơngiảnsaunàyrấtcầnchochúngta.Trongthờikỳsơkhaicủavũtrụ,kíchthướcvũtrụbiếnthiênnhưmộtlũythừađơngiảncủathờigian:lũythừa2/3nếubỏquamậtđộbứcxạhoặclũythừa1/2nếumậtđộbứcxạvượtmậtđộvậtchất(xemchúthíchtoánhọc3).MộtkhíacạnhcủacácmôhìnhvũtrụhọcFridmannmàtakhôngthểhiểuđượcnếukhôngdùngthuyếttươngđốirộnglàmốiliênhệgiữamậtđộvàhìnhhọc-vũtrụlàmởvàvôhạnhoặcđóngvàhữuhạntùytheovậntốcthiênhàlớnhơnhaybéhơnvậntốcthoát. Mộtcáchđểbiếtvậntốcthiênhàcóvượtvậntốcthoáthaykhônglàđotốcđộđichậmlạicủachúng.Nếuđộgiảmtốcđóbéhơn(hoặclớnhơn)mộtmứcnàođó,thìlúcđóvậntốcthoátbị(hoặckhôngbị)vượt.Trongthựctếđiềunàycónghĩa làngười taphảiđođộcongcủađồthịchỉsựphụthuộccủadịchchuyểnđỏvàokhoảngcáchđốivớinhữngthiênhàởxa(xemhình5).Khiđitừmộtvũtrụhữuhạncómậtđộcaohơnđếnmộtvũtrụvôhạncómậtđộthấphơn,độcongcủađườngdịchchuyểnđỏphụthuộckhoảngcáchbị làm cho phẳng ra ở những khoảng cách rất lớn.Việc nghiên cứu hìnhdạng của đường dịch chuyển đỏ - khoảng cách ở những khoảng cách lớnthườngđượcgọilà“chươngtrìnhHubble”.

Hình4.Sựgiãnnởvàcohẹpcủavũtrụ. Hình4.Sựgiãnnởvàcohẹpcủavũtrụ.Khoảngcáchgiữanhữngthiênhàđiểnhìnhđượcvẽ(đơnvịtùyý)nhưlàmộthàmcủathờigianchohaimôhìnhvũtrụhọccóthểdùng.Trongtrườnghợpmột“vũtrụmở”,vũtrụlàvô

hạn;mậtđộthấphơnmậtđộtớihạn;vàsựgiãnnởtuyrằngbịchậmlại,sẽtiếptụcmãimãi.Trongtrườnghợpmột“vũtrụđóng”,vũtrụlàhữuhạn,sựgiãnnởsẽmộtlúcnàođókếtthúcvàsauđósẽcómộtsựcolại.Cácđườngcongđượcbiểudiễn trênđâyđược tính theo cácphương trình trường củaEinsteinmàkhôngcầnmộthằngsốvũtrụhọcchomộtvũtrụchủyếulàvậtchất. VớimộtsựcốgắnglớnlaoHubble,Sandagevàgầnđâymộtsốnhàkhoahọckhácnữađãtiếnhànhchươngtrìnhnày.Nhưngchođếnnaykếtquảvẫnchưacó tínhchấtkết luận.Cáikhó làđểước tínhkhoảngcáchđếnnhữngthiênhàxa,ngườitacóthểdùngnhữngsaođổiánhkiểuxêpheithoặcnhữngngôisaosángnhấtnhưlànhữngvậtđánhdấukhoảngcách,tráilại,taphảiướclượngkhoảngcáchtừđộsángbiểukiếncủangaycácthiênhà.Nhưnglàmsaotacóthểbiếtđượcrằngcácthiênhàtađangnghiêncứuđềucómộtđộ trưng tuyệtđốinhưnhau? (Nhớ rằngđộ trưngbiểukiến lànăng lượngbứcxạmàtanhậnđượcởmộtđơnvịdiệntíchkínhthiênvăn,trongkhiđộtrưngtuyệtđốilànănglượctoànphầnphátratheomọihướngbởithiênthể;độ trưng biểu kiến tỷ lệ với độ trưng tuyệt đối và tỷ lệ nghịch với bìnhphươngkhoảngcách).Cónhữngnguycơghêgớmdohiệuứngchọnlọc-khitanhìncàngxathìtacóxuhướngchọnnhữngthiênhàcóđộtrưngtuyệtđốicànglớn.Mộtvấnđềcòntệhạihơnnữalàsựtiếnhóacủacácthiênhà.Khitanhìncácthiênhàrấtxa,chúngtathấychúngởtrạngtháihàngnghìntriệunămtrướcđâykhicáctiasángbắtđầucuộcduhànhcủachúngđếnchỗta.Nên những thiên hà điển hình lúc đó còn sáng hơn bây giờ, ta sẽ ướclượngkhoảngcáchcủachúngthấphơnthựctế.MộtkhảnăngmàrấtgầnđâyJ.P.OstrikervàS.D.TremaineởPrincetongợiýlànhữngthiênhàlớnhơntiếnhóakhôngphảichỉlàdocácngôisaocáthểcủachúngtiếnhóa,màcònlàdochúngnuốt thêmnhữngthiênhànhỏ lâncận!Sẽcòn lâu tamớibiếtchắcrằng tacómộtsựhiểubiếtđịnh lượngđúngđắnvềcác loại tiếnhóathiênhàkhácnhauđó.

Hình5.Đồthịdịchchuyểnđỏphụthuộcvàokhoảngcách. Hình5.Đồthịdịchchuyểnđỏphụthuộcvàokhoảngcách.Dịchchuyểnđỏđượcvẽnhưlàmộthàmcủakhoảngcáchchobốnthuyếtvũtrụhọckhảdĩ (nóichínhxáchơn,khoảngcáchởđây là“khoảngcáchsáng”-khoảngcáchsuyrachomộtvậtmàtabiếtđộtrưngriênghoặctuyệtđối từnhữngquansátvềđộtrưngbiểukiếncủanó).Cácđườngcóghi“mậtđộgấpđôimậtđộtớihạn”,“mậtđộtớihạn”và“mậtđộbằngkhông”đượctínhtrongmôhìnhFriedmann,sửdụngcácphươngtrìnhcủaEinsteinchomộtvũtrụchủyếulàvậtchất,khôngcầnmộthằngsốvũtrụhọc;chúngtươngứnglầnlượtvớimộtvũ trụđóng,vừađủmở,hoặcmở(xemhình4).Đườngcongghi“trạngtháidừng”đượcápdụngtrongbấtkỳlýthuyếtnàomàtrongđóhìnhdạngcủavũtrụkhôngthayđổi theothờigian.Cácquansáthiệnnaykhôngphùhợp tốtvớiđường“trạng tháidừng”, songchúngkhôngcho talựachọnmộtcáchrõràngtrongsốnhữngkhảnăngkhácnhau,bởivìtrongnhữnglýthuyếtkhôngcótrạngtháidừngsựtiếnhóacủacácthiênhàlàmchoviệcxácđịnhkhoảngcách trởnênkhôngchắcchắn.MọiđườngcongđềuđượcvẽvớihằngsốHubblelấybằng15kmmỗigiâymỗitriệunămánhsáng (ứng với thời gian giãn nở đặc trưng là 20 000 triệu năm), song cácđường cong có thể được dùng cho bất kỳ giá trị nào khác của hằng sốHubblebằngcáchchỉvẽlạitheocùngtỉlệmọikhoảngcách. HiệnnaykếtluậntốtnhấtrútratừchươgtrìnhHubblelàđộgiảmtốccủacác thiênhàxacóvẻrấtbé.Nhưvậycónghĩa là chúngđangchuyểnđộngvớivậntốccaohơnvậntốcthoát,nhưvậyvũtrụlàmởvàsẽgiãnnởmãimãi.Điềunàykhớpđúngvớinhữngướctínhvềmậtđộvũtrụ;vậtchấtthấyđượctrongcácthiênhàhìnhnhưcộnglạichỉchomậtđộkhôngquámộtvàiphầntrămmậtđộtớihạn.Tuynhiênđiềunàycũngchưachắclắm.Nhữngướctínhvềkhốilượngthiênhàtănglêntrongnhữngnăm

gầnđây.Ngoàira,nhưGeorgeFieldởHarvardvàmộtsốngườikhácđãgợiý,cóthểtồntạimộtloạikhíhyđrođãionhoágiữacácthiênhàcóthểcungcấpmộtmật độ vật chất tới hạn của vũ trụ, nhưng chođến nay vẫn chưađượcpháthiệnra. Maythay,khôngcầnđiđếnmộtquyếtđịnhdứtkhoátvềhìnhhọcởquymôlớncủavũtrụđểrútranhữngkếtluậnvềsựbắtđầucủanó.Lýdolàvìvũtrụcómộtthứđườngchântrờivàđườngchântrờiđócohẹplạinhanhchóngkhitanhìnquayvềlúcbắtđầu. Maythay,khôngcầnđiđếnmộtquyếtđịnhdứtkhoátvềhìnhhọcởquymôlớncủavũtrụđểrútranhữngkếtluậnvềsựbắtđầucủanó.Lýdolàvìvũtrụcómộtthứđườngchântrờivàđườngchântrờiđócohẹplạinhanhchóngkhitanhìnquayvềlúcbắtđầu. Khôngtínhiệunàocóthểđinhanhhơnánhsáng,nhưvậyởbấtkỳlúcnàochúngtacũngchỉcóthểbịảnhhưởngbởinhữngsựkiệnđủgầnđểchomộttiasángcóthờigianđếnvớitatừlúcbắtđầucủavũtrụ.Bấtcứsựkiệnnàoxảyrangoàikhoảngcáchđócũngkhông thểảnhhưởngđến ta -nóởbênngoàichântrời.Nếutuổicủavũtrụhiệnnaylàmườinghìntriệunăm,chântrờihiệnnaylàkhoảngcách30nghìntriệunămánhsáng.Nhưngkhituổicủavũtrụmớichỉlàvàiphút,chântrờichỉởxavàiphútánhsáng-gầnhơnkhoảngcáchtừquảđấtđếnmặttrời.Đúngralàlúcđótoànbộvũtrụbéhơnhiệnnay,theocáchhiểuđãquyướccủatalàkhoảngcáchgiữamộtcặpvật thểnàođó lúcđóngắnhơnbâygiờ.Tuynhiên,khi tanhìnvề lúcbắtđầu, khoảng cách đến chân trời co lại nhanh hơn kích thước vũ trụ.Kíchthướcvũtrụtỷlệvớilũythừamộtphầnhaihoặchaiphầnbacủathờigian(xemchúthíchtoánhọc3),trongkhikhoảngcáchđếnchântrờichỉđơngiảnlàtỷlệvớithờigian.Chonênởnhữngthờigiancànglùivềquákhứ,chântrờibaoquanhmộtphầncàngngàycàngnhỏcủavũtrụ(xemhình6).

Hình6.Nhữngchântrờitrongmộtvũtrụgiãnnở. Hình6.Nhữngchântrờitrongmộtvũtrụgiãnnở.Vũtrụởđâyđượcvẽdướidạngmộthìnhcầuởbốnthờiđiểmcáchđềunhau.“Chântrời”củamộtđiểmPlàkhoảngcáchmàngoàiđócáctínhiệnánhsángkhôngcóthờigiờđếnP.Phầnvũtrụởphíatrong“chântrời”đượcvẽởđâybằngphầnkhôngcóvạchvạchcủahìnhcầu.Khoảngcách từPđếnchân trời tăng tỷ lệvớithờigian.Mặtkhác“bánkính”củavũ trụ tăngnhưcănhai của thờigian,ứngvớitrườnghợpcủamộtvũtrụchủyếulàbứcxạ.Hệquảlà,ởthờikỳcàngxưathìchântrờibaoquanhmộtphầnvũtrụngàycàngbé. Mộthệquảcủasựcodầncủachântrờitrongvũtrụsơkhailàđộcongcủavũtrụxétvềtoànbộcàngngàycàngítbịảnhhưởngkhitanhìnlùivềnhữngthờikỳngàycàngxavềtrước.Nhưvậydùrằngthuyếtvũtrụhọcvàsựquansátthiênvănhiệnnayvẫnchưapháthiệnrakíchthướchoặctươnglaicủavũtrụ,songchúngđãchomộtbứctranhkhárõràngvềquákhứcủanó. Cácquansátthảoluậntrongchươngnàyđãchotamộtcáinhìnvềvũtrụvừađơngiản,vừavĩđại.Vũtrụđanggiãnnởmộtcáchđồngđềuvàđẳnghướng -nhữngngườiquan sátởmọi thiênhàđiểnhìnhởmọihướngđềuthấynhữngquátrìnhchuyểnđộngnhưnhau.Trongkhivũtrụgiãnnở,bướcsóngcủacáctiasánggiãnratỷlệthuậnvớikhoảngcáchgiữacácthiênhà.Sựgiãnnởkhôngđượcxemlàdobấtcứloạilựcđẩyvũtrụnàomàlàdokếtquảnhữngvậntốccòngiữlạitừmộtvụnổtrongquákhứ.Nhữngvậntốcđóngàycàngchậmdầndoảnhhưởngcủalựchấpdẫn;sựgiảmtốcđóxemrarấtchậmlàmnảysinhgiảthuyếtrằngmậtđộvậtchấtcủavũtrụlàthấpvàtrườnghấpdẫncủanólàquáyếuđểcóthểlàmchovũtrụlàhữuhạnvềmặtkhônggianhoặclạicólúclàmđảongượcsựgiãnnở.Cáctínhtoánchophéptangoạisuysựgiãnnởcủavũtrụlùivềquákhứ,vàpháthiệnrằngsựgiãnnởcủavũtrụlùivềquákhứ,vàpháthiệnrằngsựgiãnnởchắcđãbắtđầutừmườinghìnđếnhaimươinghìntriệunămtrướcđây.

III-Phôngbứcxạcựcngắnvũtrụ

Câuchuyểnkểởchươngtrướclàmộtcâuchuyệnkháquenthuộcvớicácnhàthiênvăncủaquákhứ.Cảkhungcảnhcũngquenthuộc:nhữngốngkínhthiênvăn lớn thámhiểmbầu trờibanđêm từnhữngđỉnhnúiởCaliforniahoặcPêru,hoặcmộtngườiquansátbằngmắtthườngtrongthápquansátcủamìnhđể “thưởng thức chòmsaoconGấu”.Như tôi đãnhắcđến trong lờitựa,đâylàcâuchuyệnđãđượckểđikểlạinhiềulầntrướcđây,đôikhivớinhiềuchitiếthơn. Bâygiờchúngtađiđếnmộtloạithiênvănhọckhác,đếnmộtcâuchuyệnmàcáchđâymột thậpkỷ thôiđãkhôngaicó thểkể rađược.Chúng ta sẽkhôngbànđếnnhữngquansátvềánhsángđãđượcbứcxạcáchđâyvàitrămtriệunăm từnhững thiênhà ítnhiềugiống thiênhà ta,màbànđếnnhữngquan sát vềmột phông khuyếch tán của sóng vô tuyến còn sót lại từ thờiđiểmgầnlúcvũtrụbắtđầurađời.Khungcảnhcũngthayđổi,dờiđếncácmáinhàcácviệnvậtlýcủacáctrườngđạihọc,đếnnhữngkhícầuhoặctênlửabaycaohơnbầukhíquyểncủaquảđất,vàđếncáccánhđồngởmiềnbắccủabangNewJersey. Năm1964,phòngthínghiệmcủacôngtyđiệnthoạiBellcómộtăngtenvô tuyến khác thường đặt trên đồi Crawford ở Holmel bangNew Jersey.Ăngtennàyđãđượcxâydựngđểthựchiệnliênlạcthôngquavệtinh“Echo”(Tiếngvọng),nhưngnhữngđặcđiểmcủanó-mộtbộphậnphảnxạhìnhloakèn 20 foot (foot là đơn vị đo chiều dàiAnh bằng 0,3048mét (ND)) vớitiếngồncựcthấp-làmchonóthànhramộtdụngcụcókhánhiềutriểnvọngchongànhthiênvănvôtuyến.HainhàthiênvănvôtuyếnArnoA.PenziasvàRobertW.Wilsonbắtđầudùngăngtenđểđocườngđộsóngvôtuyếndothiênhàcủachúngtaphátraởnhữngvĩđộthiênhàcao,nghĩalàngoàimặtphẳngsôngNgânhà. Loại đo đạc ấy rất là khó. Các sóng vô tuyến phát ra từ thiên hà củachúngta,cũngnhưtừđasốcácnguồnthiênvănkhác,cóthểmôtảtốtnhấtnhưlàmộtloại“tiếngồn”rấtgiốngtiếngồn“tĩnh”màngườitangheđượcquamộtmáy thu thanh trongmộtbuổi trời sấmsét.Tiếngồnvô tuyếnấykhôngdễdàngphânbiệtđượcvới tiếngồnđiệnkhôngtránhđược,sinhrabởi sự chuyểnđộnghỗnđộn của các electron trong cơ cấu của ăngten vôtuyếnvàcácmạchkhuyếchđại,hoặclàvớitiếngồnvôtuyếnmàăngtenbắtđượctừbầukhíquyểncủaquảđất.Vấnđềnàykhôngphải thật lànghiêm

trọngkhingườitanghiêncứumộtnguồntiếngồnvôtuyếntươngđối“nhỏ”nhưlàmộtvìsaohaylàmộtthiênhàxa.Trongtrườnghợpnày,ngườitacóthể quét chùm ăngten qua lại giữa nguồn và khoảng bầu trời trống rỗngquanhnó;mọitiếngồngiảxuấtpháttừcơcấuăngten,cácmạchkhuyếchđạihoặclàkhíquyểncủaquảđấtsẽlàgầnnhưnhaudùăngtenđượcchĩavàonguồnhayvàobầutrờiquanhnó,nhưvậynósẽtựtriệttiêukhicảhaiđượcsosánhvớinhau.Tuynhiên,PenziasvàWilsonđãcóýđịnhđotiếngồnvôtuyếnxuấtpháttừbảnthânthiênhàcủachúngta-thựcra,từbảnthânbầutrời.Chonênđiềuvôcùngquantrọnglànhậnbiếtđượcbấtkỳtiếngồnđiệnnàocóthểphátsinhratronghệthucủahọ. Nhiềucuộcthửhệđóthựcrađãpháthiệnmộttiếngồnlớnhơnlàđãdựtínhmộtchút,nhưnglúcđóngườitachorằngsựkhácnhaunàycóthểdotiếngồnđiệntrongcácmạchkhuyếchđạithừaramộtchútít.Đểloạitrừcácvấn đề như vậy, Penzias vàWilson dùngmột dụng cụ gọi là “tải lạnh” -cườngđộtừăngtenđượcsosánhvớicườngđộsinhrabởimộtnguồnnhântạođượclàmlạnhđếnnhiệtđộhêlilỏng,khoảngbốnđộtrênđộkhôngtuyệtđối.Tiếngồnđiệntrongcácmạchkhuyếchđạisẽlànhưnhautrongcảhaitrườnghợp,vàdođósẽtựtriệttiêukhisosánh,chophépđotrựctiếpcườngđộtừăngtenđến.Cườngđộăngtenđođượcbằngcáchđóchỉgồmcácđónggópcủacơcấuăngten,củakhíquyểncủaquảđất,vàcủamọinguồnthiênvănphátrasóngvôtuyến. PenziasvàWilsonchờđợirằngrấtíttiếngồnđiệnđượcphátsinhratừtrongcơcấuăngten.Tuynhiên,đểthửnghiệmgiảthiếtđó,họbắtđầucácquansátcủahọởmộtbướcsóngtươngđốingắnlà7,35centimet,ởđótiếngồnvôtuyếntừthiênhàcủachúngtacóthểcoilàkhôngđángkể.Cốnhiênởbướcsóngđómộtchútíttiếngồncóthểcóđượctừkhíquyểncủaquảđấtchúngta,nhưngnóphảicómộtsựliênhệđặctrưngvớihướngđo;nósẽtỷlệvớiđộdàycủakhíquyểntheohướngchỉcủaăngten-íthơnvềphíathiênđỉnh,nhiềuhơnvềphíachântrời.Ngườitachờđợirằng,saukhikhửđimộtsốhạngdokhíquyểnsinhra,vớisựphụthuộcvàohướngnhưđãnóitrên,thìsẽkhôngcòncócườngđộăngtennàocònlạinữa,vàviệcđósẽkhẳngđịnhrằngtiếngồnđiệnsinhratrongcơcấuăngtenquảnhiênlàkhôngđángkể.Lúcđóhọcóthểtiếptụcnghiêncứubảnthânthiênhàởmộtbướcsóngdàihơnkhoảng21centimet,ởđótiếngồnvôtuyếncủathiênhàđượcchờđợilàđángkể. (Cầnnóirằngcácsóngvôtuyếnvớicácbướcsóngnhư7,35centimetvàđếnmộtmét,đượcgọilà“bứcxạcựcngắn”,cũnggọilàbứcxạviba).ViệcnàylàdocácbướcsóngđóngắnhơncácbướcsóngcủabăngVHF(VHF-veryhighfrequeney:tầnsốrấtcao)màradardùngtrongthờigianđầucủa

chiếntranhthếgiớilầnthứII). MộtsựngạcnhiênđãđếnvớiPenziasvàWilsonvàomùaxuânnăm1964làhọđãnhậnđượcmộttiếngồnsóngcựcngắnở7,35centimetkháđáng kể, không phụ thuộc vào hướng . Họ cũng đã tìm ra rằng phông“tĩnh”đókhôngphụthuộcvàothờigiantrongmộtngày,hoặcvàomùatrongnăm.Khómàchorằngnócóthểđếntừthiênhàcủachúngta;nếunhưvậythì lúc đó thiên hà lớnM31 trong tinh vânTiên nữ,mà về rất nhiềumặtgiốngthiênhàcủachúngta,cũngđãcóthểbứcxạmạnhở7,35centimetvàtiếngồnsóngcựcngắnđóđãcóthểquansátđược.Trướchết,sựthiếumộtsựliênquanchothấyrấtrõrằngcácsóngvôtuyếnđó,nếucóthật,khôngphảixuấtpháttừNgânhà,màtừmộtthểtíchlớnhơnrấtnhiềucủavũtrụ. Rõrànglàđãcầnxemlạibảnthânăngtencósinhratiếngồnđiệnlớnhơnlàcáichờđợikhông.Đặcbiệt,ngườitađãbiếtrằngmộtcặpchimbồcâuđãlàmtổtạicổhọngcủaăngten.Cặpbồcâuđãbịbắt;gửivềđịađiểmWhippany của phòng thí nghiệm Bell, được thả ra; lại được thấy trongăngtenởHolmdelvàingàysau;chúngbịbắtlại;rồicuốicùngchúngphảibỏcuộcdocácbiệnphápkiênquyếthơn.Tuynhiên,tronglúctrúnhờ,đôibồcâuđãphủcổhọngăngtenmộtlớpmàPenziasgọimộtcáchtếnhịlà“chấtđiệnmôitrắng”,vàởnhiệtđộphòngchấtnàycóthểlànguồntiếngồnđiện.Đầunăm1965,ngườitađãcóthểgỡcổhọngăngtenravàlausạchchấtbámđó,nhưngviệcnàycũngnhưnhiềucốgắngkhácchỉlàmgiảmrấtítmứcồnquansátđược.Bímậtvẫncònnguyên:tiếngồnsóngcựcngắnnàytừđâuđến? SốliệuduynhấtcótrongtayPenziasvàWilsonlúcđólàcườngđộtiếngồnvô tuyếnmàhọđãquansát.Khimô tảcườngđộnày,họđãdùngmộtngônngữthôngthườngtronggiớicáckỹsưvô tuyến,nhưngtrongtrườnghợpnàynócómộtýnghĩakhôngngờđến.Bấtcứvậtthểnàoởbấtcứnhiệtđộnàotrênđộkhôngtuyệtđốicũngluônluônphátratiếngồnvôtuyếndochuyểnđộngnhiệtcủacácelectrontrongvậtthểgâyra?Trongmộthộpcótườngkhôngtrongsuốt,cườngđộtiếngồnvôtuyếnởbấtcứbướcsóngnàochotrướccũngchỉphụthuộcvàonhiệtđộcủacácbứctường-nhiệtđộcàngcao thì tiếngồn càngmạnh.Nhưvậy, có thểmô tả cườngđộ tiếngồnvôtuyếnquansátđượcởmộtbướcsóngchotrướctheo“nhiệtđộtươngđương”-nhiệtđộcủacácbứctườngcủamộthộpmàtrongđótiếngồnvôtuyếnsẽcó cườngđộđượcquan sát.Cốnhiênmột kính thiênvănvô tuyếnkhôngphảilàmộtnhiệtkế;nóđocườngđộcủacácsóngvôtuyếnbằngcáchghilạicácdòngđiệnbénhỏmàcácsóngđócảmứngtrongcơcấucủaăngten.Khimộtnhàthiênvănvôtuyếnnóirằngôngquansáttiếngồnvôtuyếnvớimộtnhiệtđộtươngđươngnàođóthìôngchỉmuốnnóirằngđólànhiệtđộcủa

hộpkínmànếuđặt ăngtenvàođó thì nó sẽ sinh ra cườngđộ tiếngồnvôtuyếnđãquansátđược.Cònăngtencónằmtrongcáihộpđókhôngthìcốnhiênlạilàvấnđềkhác. (Đểchặntrướcnhữngýkiếnphảnđốicủacácnhàchuyênmôn,tôiphảinóithêmrằngcáckỹsưvôtuyếnthườngmôtảcườngđộtiếngồnvôtuyếntheonhiệtđộăngten,cáinàycóhơikhác“nhiệtđộtươngđương”-môtảởtrên.VớibướcsóngvàcườngđộmàPenziasvàWilsonđãquansátthìhaiđịnhnghĩathựcralàtươngđương). PenziasvàWilsonpháthiệnrarằngnhiệtđộtươngđươngcủatiếngồnvôtuyếnmàhọnhậnđượclàvàokhoảng3,5độtrênkhôngtuyệtđối(haynóichínhxáchơn,giữa2,5và4,5độtrênkhôngtuyệtđối).Nhiệtđộđotrênthangbáchphân,nhưngđượcquyvềđộkhôngtuyệtđốichứkhôngphảivềđiểm tan của nước đá được ghi bằng “độ Kelvin”. Như vậy, tiếng ồn vôtuyến mà Penzias vàWilson đã quan sát có thể được mô tả như có một“nhiệtđộtươngđương3,5độKelvin",hoặcviếttắtlà3,5K.Consốnàylớnhơnmongđợi,nhưngvẫncònrấtthấptheotrịsốtuyệtđối,chonênkhônglấylàmlạlàPenziasvàWilsonđãnghiềnngẫmkếtquảnàymộtthờigiantrước khi côngbố nó.Lúc đó chắc chắnkhôngphải ai cũng thấy rõ ngayrằngđólàtiếnbộquantrọngnhấtvềvũtrụhọctừkhicácdịchchuyểnđỏđượcpháthiện. Ýnghĩacủatiếngồnsóngcựcngắnhuyềnbíđãsớmđượcgiảithíchnhờtácđộngcủa“tậpthểvôhình”cácnhàvậtlýthiênvăn.Penziasđãtìnhcờnóichuyệnvớimộtnhàthiênvănvôtuyếnquenbiết,BernardBurkeởM.I.T.(MassachusettsInstituteofTechnology:tênmộttrườngđạihọcnổitiếngởMỹ, viện công nghệ bangMassachusetts(ND).) vềmột số vấn đề khác.NhưngBurkelạivừamớinghemộtbạnđồngnghiệpkhác,KenTurnerởtổchứcCarnegie,kểvềmộtcâuchuyệnmàTurner,vềphầnanhta,lạiđãngheởJohnsHopkinstừmộtnhàlýthuyếttrẻtuổiởPrincetonlàP.J.E.Peebles.TrongcâuchuyệnđóPeeblesđãchỉrõlàphảicómộtphôngtiếngồnvôtuyếncònlưulạitừthờivũtrụsơkhai,vớimộtnhiệtđôtươngđươnghiệnnàyvàokhoảng10K.BurkeđãđượcbiếtlàPenziasđangđonhiệtđộtiếngồnvôtuyếnbằngăngtenhìnhloakèncủacácphôngthínghiệmBell,dođóanhtathừadịpcâuchuyệnquađiệnthoạiđểhỏixemcácphépđođãđếnđâu rồi. Penzias trả lời rằng các phépđo đangđược tiến hành rất tốt,nhưngcómộtcáigìđótrongkếtquảmàôngtakhôngthểhiểuđược.BurkegợiýchoPenziasrằngcónhàvậtlýởPrincetoncóthểcómộtsốýtưởngđánglưuývềcáimàăngtencủaôngtađangthuđược. Trong câu chuyện của anh ta, và trongmột bài chuẩn bị công bố viếtthángbanăm1965,Peeblesđãxemxétbứcxạcóthểtồntạiởthờivũtrụsơ

khai.“Bứcxạ”cốnhiênlàmộtdanhtừtổngquát,baogồmcácsóngđiệntửởmọi bước sóng - không chỉ là sóng vô tuyếnmà còn cả ánh sáng hồngngoại,ánhsángthấyđược,ánhsángtửngoại,tiaXvàbứcxạcóbướcsóngrấtngắngọilàcáctiagama(xembảng2).Khôngcósựphânbiệtrõrệt;thayđổibướcsóngthìmộtloạibứcxạnàychuyểnmộtcáchtừtừthànhramộtloạikhác.Peebleslưuýrằngnếutrongmấyphútngắnngủiđầutiêncủavũtrụđãkhôngcómộtphôngbứcxạmạnhmẽthìcácphảnứngnhiệthạchđãxảyranhanhchóngđếnmức làmmột tỷ lệ lớnkhíhyđrôcómặtlúcđóđãbị“nấunướng”thànhnhữngnguyêntốnặnghơn,tráivớisựkiệnlàkhoảngbaphầntưvũtrụhiệnnaylạilàhyđrô.Sự“nấunướng”hạtnhânnhanhnàychỉcóthểđượccảnlạinếuvũtrụđãchứađầymộtbứcxạcómộtnhiệtđộtươngđươngrấtlớnởnhữngbướcsóngrấtngắn,cóthểlàmnổđượccáchạtnhâncũngnhanhnhưchúngđượctạonên. Chúngtasẽthấyrằngbứcxạđóđãcònlạisauquátrìnhgiãnnởcủavũtrụsauđó,nhưngnhiệtđộtươngđươngcủanótiếptụcgiảmtrongkhivũtrụgiãnnởvàgiảm tỷ lệnghịchvớikích thướcvũ trụ (nhưchúng ta sẽ thấy,việcnàycănbảnlàmộthệquảcủasựdịchchuyểnđỏđãthảoluậnởchươngII).Dođóvũtrụhiệnnaycũngphảichứađầybứcxạ,nhưngvớimộtnhiệtđộtươngđươngnhỏhơnnhiềusovớinhiệtđộởmấyphútđầytiên.Peeblesđãước tínhrằng,đểchophôngbứcxạduy trìđượcđượcviệcsảnxuất rahêlivànhữngnguyêntốnặnghơntrongvàiphútđầutiênnằmtrongnhữnggiớihạnđãđượcbiết,thìnóphảicócườngđộmạnhđếnmứcnhiệtđộhiệnnaycủanócònlạiítnhấtlà10kenvin. Consố10Knàyđãlàhơicaomộttí,vàsựtínhtoánnàyliềnsauđóđãđượcthaythếbằngnhữngtínhtoánphứctạpvàchínhxáchơndoPeeblesvàmột số người khác tiến hành, chúng sẽ được thảo luận ở chương V. BàichuẩnbịcôngbốcủaPeeblesthựcrađãkhôngkhinàođượccôngbốdướihìnhthứcbanđầucủanó.Tuynhiên,kếtluậnvềcănbảnlàđúngđắn:từ“độnhiều”quansátđượchiệnnaycủahyđrô,chúngtacóthểsuyrarằngvũtrụtrongvàiphútđầutiênđãchứamộtlượngbứcxạlớnlaocóthểngăncảnsựtạoraquánhiềunguyêntốnặng,sựgiãnnởcủavũtrụtừlúcnàođóđãlàmgiảmnhiệtđộtươngđươngcủabứcxạxuốngvàikenvin,chonênbâygiờnóthểhiệnnhưmộtphôngtiếngồnvôtuyến,từmọiphíađếnvớitavớicườngđộnhưnhau.Điềunàylậptứcđượccoinhưsựgiảithích tự nhiên về phát hiện của Penzias và Wilson. Như vậy, ăngten ởHolmdelcóthểcoinhưởtrongmộtcáihộp-cáihộplàcảvũtrụ.Tuynhiên,nhiệtđộtươngđươngmàăngtenđãghinhậnkhôngphảilànhiệtđộcủavũtrụhiệnnaymà,đúnghơn,lànhiệtđộmàvũtrụđãcótừlâu,đượchạthấptỷlệvớisựgiãnnởmạnhmẽmàvũtrụđãphảitrảiquatừlúcđó.

CôngtrìnhcủaPeebleschỉ làkhâucuốicùngtrongmộtdãydàinhữngnghiên cứuvũ trụhọc tương tự.Thực ra, trongnhữngnămcuối cùngcủathậpniênbốnmươi,lýthuyết“vụnổlớn”vềsựtổnghợphạtnhânđãđượcGeorge Gamow và các cộng tác viên của ông Ralpher Alpher và RobertHermanphát triển, vàđãđượcAlpher vàHermandùngnăm1948để tiênđoánmột phôngbức xạ vớimột nhiệt độ hiện nay vào khoảng5K.Năm1964nhữngtínhtoánnhưvậycũngđãđượctiếnhànhbởiYa.B.ZeldovichởLiênXô(cũ)vàđộclậpvớiôngFredHoylevàR.J.TaylerởAnh.CôngtrìnhđầutiênnàylúcđầuchưađượccácnhómởcácphòngthínghiệmBellvàPrincetonbiếtđến,vànókhôngcómộtảnhhưởngnàođếnsựkhámpháraphôngbứcxạ,chonênchúngtacóthểchờđếnchươngnămmớiđisâunghiêncứunómộtcáchchitiết.ChúngtacũngsẽxemxétởchươngVIcâuhỏikháhiểmhócvềmặtlịchsửlàtạisaotrongcáccôngtrìnhlýthuyếtsớmđó,khôngcócáinàođãdẫnđếnmộtsựtìmkiếmphôngsóngcựcngắnvũtrụ. Tínhtoánnăm1965củaPeeblesđãđượcgợiýlênbởicácýtưởngcủamộtnhàvậtlýthựcnghiệmlãothànhRobertH.DickeởPrinceton.(Ngoàinhữngcáikhác,Dickeđãphátminhramộtsốkỹthuậtsóngcựcngắnchủchốtmà các nhà thiên văn vô tuyến hiện dùng).Một lúc nào đó vào năm1964Dickeđãbắtđầutựhỏiliệucóthểcòncómộtbứcxạquansátđượcnàođórơirớtlạitừmộtgiaiđoạnnóngvàcómậtđộcaotrướcđâycủalịchsửvũtrụhaykhông.CácsuyluậncủaDickeđãcăncứtrênlýthuyếtvũtrụ“daođộng”màchúngtasẽquaytrởlạiởchươngcuốicủasáchnày.Rõràngông takhôngcóhyvọngrõ rệtvềnhiệtđộcủabứcxạđó,songôngnhậnthứcrõmộtđiểmchủyếumàđólàcáiđángtìm.DickegợiýchoP.G.RollvàD.T.Wilkinsonlàhọnênbốtrímộtsựtìmkiếmmộtphôngbứcxạcựcngắn, và họ bắt đầu dựng một “ăngten tiếng ồn thấp” nhỏ ở phòng thínghiệmPalmerởPrinceton.(Khôngcầndùngmộtkínhthiênvănvôtuyếnlớnchomụcđíchnày,vìbứcxạtừmọiphíađến,nhưvậykhôngcólợigìnếucómộtchùmbứcxạpháttừăngtenđượcđiềutiêuchặtchẽhơn). TrướckhiDicke,RollvàWilkinsoncóthểkếtthúccácphépđocủahọ,Dickenhậnđượcmột lầngọiđiệnthoạicủaPenzias,ôngnàyđãvừangheđếncôngtrìnhcủaPeeblesdoBurkemách.HọquyếtđịnhsẽcôngbốhaithưbạnđồngnghiệptrongTạpchívậtlýthiênvăntrongđóPenziasvàWilsonsẽcôngbốcácquansátcủahọ,cònDicke,Peeble,RollvàWilkingsonsẽcắtnghĩasựgiải thích theovũ trụhọc.PenziasvàWilson, lúcđócònrất thậntrọng,đặtchobàibáocủamìnhđầuđềkhiêmtốn“Mộtphépđovềnhiệtđộthừacủaăngtenở4080magahec.(Tầnsốmàăngtenđãđượchiệuchỉnhlà4080triệuchukỳmỗigiây,ứngvớibướcsóng7,35centimet).Họthôngbáomột cách bình dị là “Các phép đo nhiệt độ thực sự của tiếng ồn từ thiên

đỉnh…đãchomộttrịsốkhoảng3,5K,caohơnlàtrịsốchờđợi”,vàhọđãtránhmọisựđềcậpđếnvũtrụhọc,trừkhiđểlưuýrằng:“MộtsựgiảithíchcóthểchấpnhậnchonhiệtđộtiếngồnthừađãquansátlàsựgiảithíchmàDicke, Peeble,Roll vàWilkingson đã đưa ra trongmột thư bạn đọc đăngtrongsốnày”. BứcxạcựcngắnmàPenziasvàWilsonđãkhámpháracóthựclàcònsótlạitừlúcbắtđầucủavũtrụkhông?Trướckhichúngtatiếptucxétđếnthínghiệmđãđượctiếnhànhtừ1965đểgiảiđápcâuhỏinày,chúngtacầnphảitựhỏitrướchếtchúngtachờđợigìvềmặtlýthuyếtđây:cáctínhchấtchungcủabứcxạphảichứađựngtrongvũtrụlàgìnếucácýtượngvũtrụhọchiệnhànhlàđúngđắn?Câuhỏinàydẫnchúngtađếnviệcxétxemcáigìđãxảy rađốivớimộtbứcxạkhivũ trụgiãnnở -khôngnhữngchỉởgiaiđoạntổnghợphạtnhân,saubaphútđầutiên,màcòncảtrongnhữngkhoảngthờigiandàidằngdặcđãtrôiquatừlúcđó. Ởđâyviệcbỏcáchmôtảcổđiểnvềbứcxạnhưsóngđiệntừmàchođếnnaychúngtavẫndùngvà,thayvàođó,dùngquanđiểm“lượngtử”hiệnđạihơn,chorằngbứcxạgồmnhữnghạtgọilàphoton,sẽrấtlàcóích.Mộtsóngánhsángbìnhthườngchứamộtsốcựckỳlớnphotonchuyểnđộngcùngvớinhau,nhưngnếuchúngtađịnhđonănglượngmàđoànsóngmangtheomộtcáchchínhxác,chúngtasẽthấyrằngnóluônluônlàmộtbộisốnàođócủamộtlượngnhấtđịnh,màchúngtacoilànănglượngcủamộtphotonđơnlẻ.Nhưchúngtasẽthấy,nănglượngphotonthườngrấtbé.Chonêntrongnhiềuápdụngthựctiễnmộtsóngđiệntừhầunhưkhôngcómộtnănglượngnào.Tuynhiên,trongtươngtáccủabứcxạvớinguyêntửhoặchạtnhânnguyêntử,mỗilầnthườngcầnmộtphoton,vàkhinghiêncứunhữngquátrìnhđótacầndùngcáchmô tả theophotonhơn là theo sóng.Photon cókhối lượngbằngkhôngvàđiệntíchbằngkhông,nhưngmặcdùvậy,chúnglànhữnghạtthực-mỗimộtphotonmangmộtnănglượngvàmộtxunglượngxácđịnh,hơnnữacòncómộtspinxácđịnhquanhhướngchuyểnđộngcủanó. Việcgìxảyrachomộtphotonnếunóđixuyênquavũtrụ?Khônggìxảyra, đối với vũ trụ hiện nay.Ánh sáng từ những vật thể xa khoảng 10.000triệunămánhsánghìnhnhưđếnvớitarấttrôichảy.Nhưvậy,dùcónhiềuvậtchấttrongkhoảngkhônggiữacácthiênhàthìnócũngđủtrongsuốtđểcho các photon có thể đi suốt trongmột phần khá lớn của tuổi vũ trụmàkhôngbịtánxạhoặchấpthụ. Tuynhiên,cácdịchchuyểnđỏcủacácthiênhàxaxămnóivớitarằngvũtrụđanggiãnnở,nhưvậycác thànhphầncủanóđãcó lúcphảiđượcnénchặthơnbâygiờ.Nhiệtđộcủamộtchấtlưuthườngtănglênkhichấtlưubịnén,nhưvậytacũngcóthểsuyluậnrằngvậtchấtcủavũtrụtrongquákhứ

đãnónghơnnhiều.Thựcrachúngtatinrằngđãcómộtlúcmàchúngtasẽthấyrằngđãkéodàitrong700000nămđầucủavũtrụ,cácthànhphầncủavũtrụđãnóngvàcómậtđộcaođếnmứcchúngđãkhôngthểkếttụlạithànhnhữngngôisaovànhữngthiênhàvàkểcảcácnguyêntửcũngbịphávỡrathànhcáchạtnhânvàelectronhợpphầncủachúng. Trongnhữngđiềukiệnkhôngthuậnlợinhưvậy,mộtphotonkhôngthểđisuốtnhữngkhoảngcáchmênhmôngmàkhôngbịcảntrở,nhưtrongvũtrụhiệnnay.Mộtphotonlúcđósẽgặptrênđườngđicủanómộtsốrấtlớnelectron tự do, chúng có thể dễ dàng tản xa hoặc hấp thụ photonđó.Nếuphoton bị một electron tán xạ, nó thường sẽ hoặc mất đi một phần nănglượngchoelectronđóhoặcnhậnđượcmộtítnănglượngcủaelectron,việcnàytùythuộcvàolúcđầuphotoncónhiềuhayítnănglượnghơnelectron.“Thờigiantựdotrungbình”màphotoncóthểđixuyêntrướckhinóbịhấpthụhaybịthayđổivềnănglượngmộtcáchđángkểđãphảilàrấtngắn,ngắnhơnnhiềusovớithờigiangiãnnởđặctrưngcủavũtrụ.Thờigiantrungbìnhtươngứngcủacáchạtkhác,cácelectronvàcáchạtnhânnguyêntử,lạicònphảingắnhơnnữa.Nhưvậy,mặcdầu theomộtýnghĩanàođó,vũ trụđãgiãnnởrấtnhanhlúcđầu,đốivớimộtphotonhoặcelectronhoặchạtnhânđơnlẻthìsựgiãnnởđãcónhiềuthờigian,đủchomỗihạtbịtánxạhoặchấpthụđượcbứcxạlạinhiềulầntrongkhivũtrụgiãnnở. Mọihệkiểunày,trongđónhữnghạtđơnlẻcóthờigiờđểtrảiquanhiềutươngtácsẽđiđếnmộttrạngtháicânbằng.Sốcáchạtvớinhữngtínhchất(vịtrí,nănglượng,vậntốc,spin,v.v…)ởtrongmộtkhoảngtrịsốnàođósẽđứnglạiởmộtgiátrịsaochomỗigiâysốhạtbịbậtrakhỏikhoảngtrịsốđóbằngsốhạtđượcđưavàokhoảngđó.Nhưvậy,cáctínhchấtcủamộthệnhưvậysẽkhôngđượcxácđịnhbằngbấtkỳđiềukiệnbanđầunào,màđúnghơnxácđịnhbởiyêucầulàsựcânbằngđượcduytrì.Cốnhiên,“sựcânbằng”ởđâykhôngcónghĩalàcáchạtbịđóngcứnglại-mỗihạtthườngxuyênbịcáchạtlánggiềngcủanóthúcvào.Nóikhácđi,sựcânbằngcótínhthốngkê-việccáchạtđượcphânbốvềvịtrí,nănglượng,v.v…làcáikhôngthayđổi,hoặcthayđổichậm. Cânbằngkiểuthốngkêđóthườngđượcgọilà“cânbằngnhiệt”,vìmộttrạngtháicânbằngnhưvậyluônluônđượcđặctrưngbởimộtnhiệtđộxácđịnh, nóphảiđồngđều trong suốthệ.Thực ra, nói cho chặt chẽ, chỉ cóởtrong trạng tháicânbằngnhiệt thìnhiệtđộmớiđượcđịnhnghĩamộtcáchchínhxác.Ngànhvậtlýlýthuyếtmạnhmẽvàsâusắcđượcgọilà“cơhọcthốngkê”chotamộtcôngcụtoánhọcđểtínhcáctínhchấtcủamọihệởcânbằngnhiệt. Conđườngdẫnđếncânbằngnhiệtgầngiốngnhưphươngthứccơcấu

giá cả tựđiềuchỉnh trongkinh tếhọccổđiển.Nếucầuvượt cung,giá cảhànghóasẽ tăng lên làmgiảmcầu thực tếvàkhuyếnkhíchsảnxuất.Nếucungvượtcầu,giácảsẽhạxuống,làmtăng“cầu”thựctếvàlàmnảnlòngsảnxuất.Trongcảhaitrườnghợpcungvàcầusẽđiđếncânbằng.Cũngnhưvậynếucóquánhiềuhayquáíthạtvớinănglượng,vậntốc,v.v…ởtrongmộtkhoảngtrịsốđặcbiệtnàođó,thìxácsuấtmàchúngrờibỏkhoảngđósẽlàlớnhơnhaybéhơnxácsuấtmàchúngđivàochođếnkhicânbằngđượcthiếtlập. Cốnhiên, cơ cấugiá cả khôngphải lúcnào cũngdiễn ra như là trongkinhtếhọccổđiển,nhưngngaycảvềviệcnày,sựtươngtựvẫncòncógiátrị-nhiềuhệvậtlýtrongthếgiớithựcởrấtxatrạngtháicânbằngnhiệt.Ởtrung tâm các ngôi sao có sự cân bằng nhiệt hầu như hoàn hảo, cho nênchúngtacóthểphỏngđoánđượccácđiềukiệnởđấyvớimộtđộtincậykhakhá,nhưngkhôngởđâutrênquảđấtcócânbằngnhiệt,chonêntakhôngthểchắclàngàymaicómưahaykhông.Vũtrụđãkhônglúcnàoở trạngtháicânbằngnhiệt hoànhảo, bởivì dù saonó cũngđanggiãnnở.Tuynhiên,trong thờikỳđầukhi tốcđô tánxạhoặchấp thụcủacáchạtđơn lẻđã lànhanhhơnnhiềulầntốcđộgiãnnởcủavũtrụ,thìvũtrụcóthểcoinhưlàtiếnhóa“chậm”từmộttrạngtháicânbằngnhiệtnàyđếnmộttrạngtháicânbằngnhiệtkhácgầnnhưhoànhảo. Điềurấtcầncholậpluậncủacuốnsáchnàylàvũtrụđãmộtlầnnàođótrảiquamộttrạngtháicânbằngnhiệt.Theocáckết luậncủacơhọcthốngkê,cáctínhchấtcủamọihệởtrạngtháicânbằngnhiệtđềuhoàntoànđượcxácđịnhmỗikhitađãchonhiệtđộcủahệvàmậtđộcủamộtsốítđạilượngđượcbảotoàn(màtasẽnóinhiềuhơntrongchươngsau).Nhưvậy,vũtrụchỉcòngiữlạimộtkýứcrấthạnchếvềcácđiềukiệnbanđầucủanó.Việcnàylàđángtiếc,nếucáichúngtamuốnlàdựnglạicácđiềukiệnngaylúcbanđầu,nhưngnócũngđượcbùbằngviệcchúngtacó thểsuyrasựdiễnbiếncủacácsựkiệntừlúcbanđầumàkhôngcầnquánhiềugiảthuyếttùytiện. ChúngtađãthấyrằngbứcxạcựcngắnmàPenziasvàWilsonkhámphárađượccoinhưcònsótlạitừlúcmàvũtrụởtrongmộttrạngtháicânbằngnhiệt.Vìvậy,đểthấyđượcnhữngtínhchấtgìtacóthểmongđợivềphôngbứcxạcựcngắnđượcquansát,taphảitựhỏi:Cáctínhchấtchungcủabứcxạtrongcânbằngnhiệtvớivậtchấtlàgì? Tìnhcờmàđấychínhlàcâuhỏimàvềlịchsửđãlàmxuấthiệnlýthuyếtlượng tử và cách giải thích bức xạ theo photon. Trong những năm 1890ngườitađãbiếtrằngnhữngtínhchấtcủabứcxạtrongtrạngtháicânbằngnhiệtvớivậntốcchỉphụthuộcvàonhiệtđộ.Nóirõhơn,lượngnănglượng

trongđơnvị thể tích trongmộtbứcxạnhưvậy trongbất cứkhoảngbướcsóngnàochotrướcđượcchobằngmộtcôngthứcvạnnăng,chỉbaogồmcóbướcsóngvànhiệtđộ.Côngthứcđócũngcholượngbứcxạởtrongmộtcáihộpcóváchmờđục,nhưvậymộtnhàthiênvănvôtuyếncóthểdùngcôngthứcnàymôtảcườngđộtiếngồnvôtuyếnmàôngquansáttheomột“nhiệtđộtươngđương”.Vềcănbản,côngthứcđócũngcholượngbứcxạphátramỗigiâyvàtrênmỗicentimetvuôngởmộtbướcsóngnàođótừmộtbềmặthấpthụhoàntoàn,chonênbứcxạ loạiđóthườngđượcgọi là“bứcxạvậtđen”.Nghĩalà,bứcxạvậtđenđượcđặctrưngbởimộtphânbốnănglượngxác định theo bước sóng, được cho bởimột công thức vạn năng chỉ phụthuộcvàonhiệtđộ.Vấnđềnóngbỏngnhấtđốivớicácnhàvậtlýlýthuyếtnhữngnăm1890làtìmrađượccôngthứcđó. Công thức đúng đắn cho bức xạ vật đen được Ludwig Planck tìm ratrongnhữngtuầncuốicủathếkỷ19.

Hình7.PhânbốPlanck Hình7.PhânbốPlanck:Mậtđộnănglượngtrênmỗikhoảngbướcsóngđơnvịđượcvẽlàmộthàmcủabướcsóng,đốivớibứcxạvậtđen,cónhiệtđộlà3K.(Đốivớimộtnhiệtđộlớnhơn3Klàf lần, thìchỉcầnrútngắnbướcsóng1/flầnvàtăngmậtđộnănglượnglênfmũ5lần).Đoạnthẳngcủađườngbiểudiễnởbênphảiđượcmôtảgầnđúngbằng“phânbốRayleigh–Jeans”đơngiảnhơn;mộtđườngvớiđộdốcnhưvậyđượcchờđợivớimộtnhómtrườnghợprộngrãingoàitrườnghợpbữcxạvậtđen.Đoạnđixuống

rấtdốcvềphíatráilàsobảnchấtlượngtửcủabứcxạ,vàlàmộtnétđặcthùcủabứcxạvậtđen.Đoạnđườngcóghi“bứcxạthiênhà”chỉrõcườngđộtiếngồnvôtuyếntừthiênhàchúngtasinhra.(CácmũitênchỉrõbướcsóngcủaphépđobanđầucủaPenziasvàWilson,vànướcsóngtạiđómộtnhiệtđộbứcxạcóthểrútra từnhữngkếtquảdosựhấpthụbởi trạngtháikíchthíchquayđầutiêncủaxiantrongkhônggiangiữacácsao). DạngchínhxáccủakếtquảcủaPlanckđượcchỉraởhình7,vẽchonhiệtđộđặcbiệt3Kcủatiếngồnsóngcựcngắnvũtrụđượcquansát.CôngthứcPlanckcóthểtómtắtmộtcáchđịnhtínhnhưsau:Trongmộthộpchứađầybứcxạ vật đen, năng lượngởmột khoảngbước sóngnào đó tăngvọt lênmạnhmẽtheobướcsóngđạtmộtcựcđạivàsauđólạigiảmxuốngđộtngột.“PhânbốPlanck”nàylàphânbốvạnnăng,khôngphụthuộcvàobảnchấtcủavậtchấtmàbứcxạtươngtác,màchỉphụthuộcvàonhiệtđộcủanó.Nhưhiệnnaythườngdùngdanhtừ“bứcxạvậtđen”chỉmọibứcxạtrongđósựphânbốnănglượngtheobướcsóngkhớpvớicôngthứcPlanckdùbứcxạcóthựcđượcphát rabởimộtvậtđenhaykhông.Nhưvậy, ítnhất suốt trongkhoảngmộttriệunămđầutiên,khibứcxạvàvậtchấtởtrạngtháicânbằngnhiệt,vũtrụchắcđãchứađầybứcxạvậtđenvớimộtnhiệtđộbằngnhiệtđộcủacácthànhphầnvậtchấttrongvũtrụ. TầmquantrọngcủasựtínhtoáncủaPlanckđãđixahơnvấnđềbứcxạvậtđen.Vìrằngtrongđóôngđãđưaraýtưởngmớirằng,nănglượnggồmnhữngphầnriêngbiệt,haynhững“lượngtử”.LúcđầuPlanckchỉxétđếnsựlượngtửhóanănglượngcủavậtchấtởcânbằngvớibứcxạ,nhưngmộtítnămsauđóEinsteingiảthiếtrằngbảnthânbứcxạcũnggồmnhữnglượngtử,saunàygọilàphoton.Cácpháttriểnđódẫnđến,trongnhữngnăm1920,mộttrongnhữngcuộccáchmạngvềnhậnthứclớntronglịchsửkhoahọc,sựthaythếcơhọccổđiểnbởimộtngônngữhoàntoànmới,ngônngữcủacơhọclượngtử. Chúngtakhôngcókhảnăngđiquáxavàocơhọclượngtửtrongcuốnsáchnày.Tuynhiên,sẽcóíchchota,khitìmhiểubiểudiễncủabứcxạtrongmộtvũtrụgiãnnởnếutaxétxemsựmôtảbứcxạtheophotondẫnđếncácnétlớncủaphânbốPlancknhưthếnào. Lý do để chomật độ năng lượng của bức xạ vật đen giảm xuống khibướcsóngthậtlớnlàrấtđơngiản:khómàđặtgọnghẽbứcxạtrongmộtthểtíchnàomàkíchthướcbéhơnbướcsóng.Việcnàycóthể(vàđãđược)hiểumàkhôngcầnthuyếtlượngtử,chỉtrêncơsởthuyếtsóngcủabứcxạ,cổhơn. Mặtkhác,sựgiảmmậtđộnănglượngcủabứcxạvậtđenởnhữngbướcsóngrấtngắnkhôngthểgiảithíchđượctrongmộtsựmôtảkhônglượngtử

vềbứcxạ.Mộthệquảquenthuộccủacơhọcthốngkêlàởmộtnhiệtđộnàođóđã cho, rất khómà sản sinh ra đượcmột loại hạt hoặc sónghoặc kíchthíchkhácmànănglượnglớnhơnmộtlượngxácđịnhnàođó,tỷlệvớinhiệtđộ.Tuynhiên,nếunhữngsóngconcủabứcxạcóthểcónhữngnănglượngbétùyýthìlúcđósẽkhôngcógìhạnchếđượctổnglượngbứcxạvậtđenởnhững bước sóng thật ngắn. Không những điều này mâu thuẫn với thựcnghiệm-mànócòndẫnđếnkếtquảtạihọalànănglượngtoànphầncủabứcxạvậtđenlàvôhạn!Conđườngthoátduynhấtlàchorằngnănglượnggồmnhững phần hay những “lượng tử” với lượng năng lượng trongmỗi phầntănglênkhibướcsónggiảm,vìvậyởmộtnhiệtđộnàođóđãcho,sẽcórấtítbức xạ ở các bước sóng ngắnmà với chúng các phần có năng lượng lớn.TrongcáchphátbiểucuốicùngcủagiảthiếtdoEinsteinđãđềrađó,nănglượngcủabấtkỳphotonnàocũngtỷlệnghịchvớibướcsóng,ởmộtnhiệtđộđãchonàođó,bứcxạvậtđensẽchứarấtítphotoncómộtnănglượngquálớn,vàdođórất ítphotoncómộtbướcsóngquángắn,nhưvậycắtnghĩađượcsựgiảmmạnhcủaphânbốPlanckởnhữngbướcsóngngắn. Nói cho rõ hơn, năng lượng của một photon với một bước sóng mộtcentimet là 0,000124 electron - vôn, và lớn hơn,một cách tỷ lệ, ở nhữngbướcsóngngắnhơn.Electron-vônlàmộtđơnvịnănglượngtiệnlợi,bằngnănglượngthunhậnđượcbởimộtelectronkhichuyểnđộngquamộtđộsụtthế là một vôn. Ví dụ, một đèn pin 1, 5 vôn bình thường tiêu hao 1, 5electron-vônchomỗielectronmànóphóngraquadâytóccủabóngđèn.TheođịnhluậtEinstein,nănglượngcủamộtphotonởbướcsóngcựcngắn7,35centimetmàPenziasvàWilsonđãđiềuhưởngăngtencủahọlà0,000124electron -vônchia cho7,35của0,000017electron -vôn.Mặtkhácmộtphoton điển hình ở một vùng ánh sáng thấy được sẽ có một bước sóngkhoảngmộtphầnhaimươinghìncentimet (5x10mũâm5cm),nhưvậynăng lượng của nó sẽ là 0, 000 124 electron - vôn nhân với 20.000, hoặckhoảng2,5eV.Trongcảhaitrườnghợp,nănglượngcủamộtphotonlàrấtbétínhtheothangvĩmô,đấylàlýdotạisaocácphotonhìnhnhưnhậpvàonhauthànhnhữngluồngbứcxạliêntục. Nhân tiệnnói thêm,năng lượng trongcácphảnứnghóahọc thường làvàocỡmộtelectron-vônmỗinguyêntửhoặcmỗielectron.Vídụ,đểbứtmột electron khỏimột nguyên tử hyđrô cần khoảng 13, 6 electron - vôn,nhưngđólàmộtsựkiệnhóahọcmãnhliệt.Sựkiệnphotontrongánhsángmặt trờicũngcónhữngnăng lượngkhoảngmộtelectron -vôn làvôcùngquan trọng đối với chúng ta; đó là cái cho phép các photon đó tạo ra cácphảnứnghóa học tối cần cho cuộc sống, như là sự quanghợp.Các nănglượng phản ứng hạt nhân thường vào cỡmột triệu electron - vônmỗi hạtnhânnguyên tử,đó là lýdo tại saomộtpound (Pound:đơnvịkhối lượng

Anhbằng0,454kg(ND).)plutonicónănglượngnổcủakhoảngmộttriệupoundthuốcnổTNT. Cáchmôtảbằngphotonchophéptahiểudễdàngcáctínhchấtđịnhtínhchủyếucủabứcxạvậtđen.Trướchết,nhữngnguyênlýcủacơhọcthốngkêchotabiếtrằngnănglượngcủaphotonđiểnhìnhtỷlệvớinhiệtđộ,trongkhiđịnhluậtEinsteinchotabiếtrằngbấtcứbướcsóngnàocủaphotonđềutỷlệnghịchvớinănglượngphoton.Từđó,kếthợpcảhaiđịnhluậtlạivớinhau,bước sóng điển hình của photon trong bức xạ vật đen là tỷ lệ nghịch vớinhiệtđộ.Nóimột cáchđịnh lượng,bước sóngđiểnhìnhmàgầnđóđa sốnănglượngcủabứcxạvậtđenđượctậptrunglà0,29cmởnhiệtđộ1K,vàởnhiệtđộcaohơnthìnhỏhơn,mộtcáchtỷlệ. Chẳng hạn một vật không trong suốt ở một nhiệt độ “phòng” bìnhthường300K(bằng27độC)sẽphátrabứcxạvậtđenvớimộtbướcsóngđiển hình bằng 0,29 cm chia cho 300, nghĩa là khoảng một phần nghìncentimet.Đólàvàokhoảngcủabứcxạhồngngoạivàlàmộtbướcsóngquádàimàmắttakhôngtrôngthấy.Mặtkhác,bềmặtcủamặttrờiởmộtnhiệtđộkhoảng5800K, vàkết quả là ánh sángmànóphát ra sẽmạnhnhấtởbướcsóngkhoảng0,29cmchiacho5800,nghĩa làkhoảngnămphầnmộttrămnghìncentimet(5x10mũâm5cm)hoặctươngđương,khoảngnămnghìn angstrom. (Một angstrom làmột phần trăm triệu hoặc 10mũ âm 8xentimet).Nhưđãnói,đó làvàogiữakhoảngbướcsóngmàmắt tacó thểnhìn được,mà chúng ta gọi là bước sóng “thấy được”. Sự kiện các bướcsóngquángắncắtnghĩavìsaomãichođếnđầuthếkỷthứ19ánhsángmớiđượckhámphá ra là cóbản chất sóng; chỉ khinào chúng taquan sát ánhsángđiquanhữnglỗthậtlàbéthìtamớicóthểđểýđếnnhữnghiệntượngđặctrưngchosựtruyềnsóngnhưhiệntượngnhiễuxạ. Chúngtacũngđãthấyrằngsựgiảmmậtđộnănglượngcủabứcxạvậtđenởnhữngbướcsóngdàilàdokhóđặtbứcxạvàotrongmộtthểtíchmàkích thướcnhỏhơnbước sóng.Thực ra, khoảngcách trungbìnhgiữa cácphoton trong bức xạ vật đen gần bằng bước sóng điển hình của photon.Nhưngchúngtacũngđãthấyrằngbướcsóngđiểnhìnhđótỷlệnghịchvớinhiệtđộ,nhưvậykhoảngcáchtrungbìnhgiữacácphotoncũngtỷlệnghịchvớinhiệtđộ.Sốvậtthểmọiloạitrongmộtthểtíchnhấtđịnhtỷlệnghịchvớilậpphươngcủakhoảngcáchtrungbìnhcủachúng,dođótrongbứcxạvậtđen,địnhluậtlàsốphotontrongmộtthểtíchchotrướctỷlệnghịchvớilậpphươngnhiệtđộ. Chúngtacóthểkếthợpnhữngthôngtinđóđểrútramộtvàikếtluậnvềlượngnănglượngtrongbứcxạvậtđen.Nănglượngmỗi lít,hoặc“mậtđộnăng lượng”,chỉđơngiản là sốphotonmỗi lítnhânvớinăng lượng trung

bìnhcủamỗiphoton.Nhưngchúng tađã thấyrằngsốphotonmỗi lít tỷ lệvớilậpphươngnhiệtđộtrongkhinănglượngtrungbìnhcủaphotonchỉđơngiảnlàtỷlệvớinhiệtđộ.Từđónănglượngmỗilíttrongbứcxạvậtđenlàtỷlệvới lậpphươngnhiệtđộnhânvớinhiệtđộ,hoặcnóicáchkháctỷlệvớilũythừabốnnhiệtđộ.Nóimộtcáchđịnhlượng,mậtđộnănglượngcủabứcxạvậtđenlà4,72electron-vônmỗilítởnhiệtđộ1K,47.200electron-vônmỗilítởnhiệtđộ10K,v.v…(ĐâylàđịnhluậtStefan-Boltzmann).NếutiếngồnsóngcựcngắnmàPenziasvàWilsonđãkhámpháđượcquảthựclàbứcxạvậtđenvớinhiệtđộ3K,thìmậtđộnănglượngcủanóphảilà4,72electron-vônmỗilítnhânvớibamũbốn,hoặckhoảng380electron-vônmỗilít.Khinhiệtđộlàmộtnghìnlầnlớnhơn,thìmậtđộnănglượngđãlàmộttriệu(10mũ12)lầnlớnhơn. Bâygiờchúngtacóthểtrởvềnguồngốccủabứcxạcựcngắn“tàndư”.Chúngtathấyrằngđãphảicómộtlúcvũtrụnóngvàcómậtđộcaođếnmứccác nguyên tử đã bị phân tách ra thành các hạt nhân và các electron củachúngvàsựtánxạcácphotonbởicácelectrontựdođãduytrìmộtcânbằngnhiệtgiữavậtchấtvàbứcxạ. Thời gian trôi đi, vũ trụ giãn nở và lạnh đi đến lúc đạt một nhiệt độ(khoảng3000K)đủlạnhđểchophépcáchạtnhânvàelectronkếthợpthànhnguyêntử.(Trongcácsáchvềvậtlýthiênvăn,việcnàythườngđượcgọilà“sựtáihợp”,mộtdanhtừđặcbiệtkhôngthíchhợp,vìởlúctađangxétthìcáchạtnhânvàelectrontronglịchsửtrướcđócủavũtrụchưabaogiờđượcghépthànhnguyêntử!).Sựmấtđiđộtngộtcácelectrontựdolàmgiánđoạnsựtiếpxúcnhiệtgiữabứcxạvàvậtchấtvàbứcxạsauđótiếptụcgiãnnởmộtcáchtựdo. Khiviệcđóxảyra,nănglượngtrongtrườnghợpbứcxạởnhữngbướcsóngkhácnhauđượcquyđịnhbởicácđiềukiệncânbằngnhiệt,vàdođóđượcchobởicôngthứcvậtđencủaPlanckứngvớimộtnhiệtđộbằngnhiệtđộcủavậtchất,khoảng3000K.Đặcbiệt,bướcsóngphotonđiểnhìnhđãphảivàokhoảngmộtmicromet(mộtphầnmườinghìncentimet,hoặc10000angstrom)vàkhoảngcáchtrungbìnhgiữacácphotonđãvàocỡbướcsóngđiểnhìnhđó. Việcgìđãxảy ravớicácphoton từđó?Cácphoton riêng lẻđãkhôngđượcsinhrahoặchủyđi,dođókhoảngcáchtrungbìnhgiữacácphotonchỉđơngiảntănglêntỷlệvớikíchthướccủavũtrụ,nghĩalàtỷlệvớikhoảngcáchtrungbìnhgiữacácthiênhàđiểnhình.Nhưngchúngtađãthấytrongchươngtrướcrằngtácdụngcủadịchchuyểnđỏvũtrụhọclà“kéodài”bướcsóngcủamọitiasángtrongkhivũtrụgiãnnở;nhưvậy,cácbướcsóng của mỗi một photon riêng lẻ cũng đơn giản tăng tỷ lệ với kích

thướccủavũtrụ.Dođó,cácphotonsẽởcáchxanhaumộtbướcsóngđiểnhìnhđúngnhưđốivớibứcxạvậtđen.Quảthật,cứtiếptụclậpluậnđómộtcáchđịnhlượng,ngườitacóthểchỉrõrằngbứcxạchứađầytrongvũtrụcóthể tiếp tục đượcmô tả một cách chính xác bằng công thức vật đen củaPlanck,trongquátrìnhvũtrụgiãnnở,dùrằngbứcxạđókhôngcònởtrạngtháicânbằngnhiệtvớivậtchấtnữa(xemchúthíchtoánhọc4).Kếtquảduynhấtcủasựgiãnnởlà làmtăngbướcsóngphotonđiểnhìnhtỷ lệvớikíchthướccủavũ trụ.Nhiệtđộcủabứcxạvậtđen tỷ lệnghịchvớibướcsóngđiểnhình,nhưvậynósẽgiảmtrongkhivũtrụgiãnnởmộtcáchtỷlệnghịchvớikíchthướccủavũtrụ. Chẳnghạn,PenziasvàWilsonđãtìmthấyrằngcườngđộcủaphôngbứcxạcựcngắnmàhọđãpháthiệnứngvớimộtnhiệtđộvàokhoảng3K.Đólàconsốcóthểchờđợinếuvũtrụđãnởragấp1000lầnsovớilúcnhiệtđộđãcònđủcao(3000K)đểgiữvậtchấtvàbứcxạởcânbằngnhiệt.Nếucáchgiảithíchđólàđúng,thìphôngvôtuyến3Klàtínhiệucổxưanhấtmàcácnhà thiên văn nhận được, vì nó đã được phát ra trước cả ánh sáng từ cácthiênhàxaxămnhấtmàtacóthểnhìnthấyrấtlâu. NhưngPenziasvàWilsonđãđocườngđộcủaphôngvôtuyếnvũtrụchỉở bước sóng 7,35 centimetmà thôi.Rõ ràng rất cần xét gấp để xemphảichăngsựphânbốnăng lượngbứcxạ theobướcsóngcóđượcmô tảbằngcôngthứcPlanckvềvậtđennhưngườitacóthểmongđợinếuquảthậtnólàbứcxạtàndưđãdịchchuyểnvềphíađỏcònsótlạitừmộtthờikỳnàođómàvậtchấtvàbứcxạcủavũ trụởcânbằngnhiệt.Nếunhưvậythì“nhiệtđộtươngđương”tínhbằngcáchlàmkhớpcườngđộtiếngồnvôtuyếnquansátđượcvớicông thứcplanckphảicómộtgiá trịnhưnhauởmọibướcsóng7,35centimetmàPenziasvàWilsonđãnghiêncứu. Nhưtađãthấy,ngaylúcPenziasvàWilsontiếnhànhsựkhámphácủahọ,đãcómộtcốgắngkhácđangtiếnhànhởNewJerseyđểpháthiệnramộtphôngbứcxạcựcngắnvũ trụ.Liền sauhaibảncôngbốđầu tiêncủacácnhómởcácphòngthínghiệmBellvàPrinceton,RollvàWilkinsonđãloanbáokếtquả riêngcủahọ:nhiệtđộ tươngđươngcủaphôngbứcxạởbướcsóng 3,2 centimet là ở giữa 2, 5 và 3, 5 K. Nghĩa là, với sai số của thínghiệm,cườngđộcủaphôngvũtrụởbướcsóng3,2centimetlớnhơnsovớiở7,35centimettheođúngtỷlệmàngườitacóthểchờđợinếunhưbứcxạđượcmôtảbằngcôngthứcPlanck! Từ1965,cườngđộcủabứcxạ tàndưcựcngắnđãđượccácnhà thiênvănvôtuyếnđoởhơnmộttábướcsóngtừ7,35centimetđến0,33centimet.MỗiphépđonàyđềukhớpvớimộtphânbốnănglượngtheobướcsóngcủaPlanck,vớimộtnhiệtđộgiữa2,7Kvà3K.

Tuynhiên, trướckhikết luậnngayrằngđóchính làbứcxạvậtđen, taphảinhớrằngbướcsóng“điểnhình”màởđóphânbốPlanckđạtcựcđại,là0,29centimet.Nhưvậy tấtcảcácphépđosóngcựcngắnđóđãđược tiếnhànhởvềphíabướcsóngdàicủacựcđạitrênphânbốPlanck.Nhưngtađãthấy rằngđộ tăngmậtđộnăng lượngkhibước sónggiảmởphầnnàycủaphổđúnglàdokhóđặtnhữngbướcsóngdàivàotrongnhữngthểtíchnhỏ,vàviệcđócũngsẽxảyravớimộtloạtlớnnhữngtrườngbứcxạ,kểcảbứcxạđãkhôngđượcsảnsinhratrongđiềukiệncânbằngnhiệt(cácnhàthiênvănvô tuyến gọi phần này của phổ là vùng Rayleigh - Jeans, vì nó đượcRayleighvàJamesJeansphân tíchđầu tiên).Đểxácminhviệc taquả thậtgặpbứcxạvậtđen,cầnphảivượtquađiểmcựcđạitrênphânbốPlanckđếnvùngbướcsóngngắn,vàkiểmtramậtđộnănglượngcóthựcgiảmkhibướcsóng giảm, như thuyết lượng tử tiên đoán hay không.Với các bước sóngngắnhơn0,1centimet,thựcrachúngtađãởngoàiphạmvihoạtđộngcủacácnhàthiênvănđosóngvôtuyếnhaysóngcựcngắn,vàrơivàomộtngànhmớihơnlàthiênvănhồngngoại. Tiếcthaybầukhíquyểncủahànhtinhchúngta,hầunhưtrongsuốtđốivới các bước sóng trên 0,3 centimet, trở nên càngmờ đục đối với nhữngbướcsóngcàngngắn.Hìnhnhưkhócómộtđàithiênvănvôtuyếnnàođặttrênmặtđất,dùxâycất trênnúicao,màcó thểđophôngbứcxạvũ trụởnhữngbướcsóngngắnhơn0,3centimet. Cũngkhá lạ lùng làphôngbứcxạđãđượcđoởnhữngbướcsóngngắnhơnkhálâutrướcbấtcứcôngtrìnhthiênvănnàonóiởchươngnày,vàlàdomộtnhàthiênvănquanghọcchứkhôngphảilàmộtnhàthiênvănvôtuyếnhayhồngngoại!TrongchòmsaoOphiuchus(“Ngườimangrắn”hoặc“Xàphu”)cómộtđámmâykhígiữacácngôisao,tìnhcờnằmgiữaquảđấtvàmộtngôisaonóng,songkhôngcógìkhácđángđểý,Oph.PhổcủaOphcónhiềuvạchđenkhôngbìnhthường,chúngnóilênrằngđámkhíđóhấp thụánhsángởnhiềubướcsóngngắn.Chúng làcácbướcsóngmà ở đó photon có đúng các năng lượng cần để cảm ứng những sựchuyểntrongcácphântửcủađámmâykhí,từnhữngtrạngtháinănglượngthấpđếnnhữngtrạng tháicónăng lượngcaohơn. (Cácphân tử,cũngnhưnguyêntử,chỉtồntạiởnhữngtrạngtháigiánđoạnhaycónănglượngđược“lượngtửhóa”).Nhưvậy,bằngcáchquansátcácbướcsóngmàởđóxuấthiệncácvạchđen,cóthểsuyramộtcáigìđóvềbảnchấtcácphântửnày,vàvềcáctrạngtháicủachúng. MộttrongnhữngvạchhấpthụtrongphổcủaOphlàởbướcsóng3875angstrom(38,75phầntriệucentimet),nóchothấytrongđámmâygiữacácngôisaotồntạimộtphântử,gọilàxian(CN),gồmmộtnguyêntửcacbonvà

mộtnguyêntửnitơ.Nóimộtcáchchặtchẽ,xian(CN)phảiđượcgọilàmột“gốc”,nghĩalàtrongnhữngđiềukiệnbìnhthườngnókếthợpnhanhchóngvớinhữngnguyêntửkhácđểtạothànhnhữngphântửbềnhơnnhưchấtđộcaxitxianhyđric(HCN).Trongkhoảngkhônggiữacácvìsao,CNrấtlàbền). Năm1941,W.S.AdamsvàA.McKellarkhámphárarằngvạchhấpthụnày thực ra là bị tách ra, gồm có ba thành phần với bước sóng 3874,608angstrom,3875,763angstromvà3873,998angstrom.Bướcsónghấpthụđầuứngvớisựchuyểnđộngtrongđóphântửxianđượcnângtừtrạngtháinănglượngthấpnhấtcủanó(“trạngtháicơbản”)lênmộttrạngtháidaođộngvàđượcmongđợi cũng sẽ được tạo ra ngaykhi xianở nhiệt độ không.Tuynhiên,haivạchkiachỉcóthểđượctạonênbởinhữngsựchuyểnđộngtrongđóphântửđượcnânglêntừmộttrạngtháiquayởsátngaytrêntrạngtháicơbảnđếnnhiềutrạngtháidaođộngkhác.Nhưvậy,mộttỷlệkhálớncủacácphântửxian trongđámmâynằmgiữacácngôisaophảiở trạngtháiquayđó.Bằngcáchsửdụnghiệunănglượngbiếtđượcgiữatrangtháicơbảnvàtrạngtháiquayvàcáccườngđộtỷđốiquansátđượccủacácvạchhấpthụkhácnhau,McKellarđãcóthểnângphântửxianlêntrangtháiquay. Lúcđókhôngcólýdonàođểliênhệnhiễuloạnbímậtđóvớinguồngốcvũtrụ,vàviệcnàykhôngđượcchúýđếnnhiều.Tuynhiên,sausựkhámphá ra phôngbức xạ vũ trụ ở 3Knăm1965, người ta đã nhận thứcđược (GeorgeField,E.S.ShklovskyvàN. J.Woolf) rằng chínhnó lànhiễu loạnquansátđượcnăm1941,nóđã làmquaycácphântửxiantrongcácđámmâyOphiuchus.Bướcsóngcủacácphotonbứcxạvậtđencầnđểtạorasựquayđólà0,263centimet,ngắnhơnbấtcứbướcsóngnàomàngànhthiênvănvôtuyếncócơsởđặttrênmặtđấtcóthểquansátđược,nhưngvẫnchưađủngắnđểthửnghiệmsựgiảmnhanhbướcsóngdưới0,1cmđượcchờđợichomộtsựphânbốPlackở3K. Kểtừlúcđóđãcómộtsựtìmkiếmnhữngvạchhấpthụkhácdosựkíchthích các phân tử xian ở những trạng thái quay khác nhau.Quan sát năm1974vềsựhấpthụdotrạngtháiquaythứhaicủaxiangiữacácvìsaođãchophépước tínhcườngđộbứcxạởbướcsóng0,132centimetcũngứngvớinhiệtđộkhoảng3K.Tuynhiên,nhữngquansátnhưvậychođếnđâymớichỉchonhữnggiớihạntrênvềmậtđộnănglượngbứcxạởnhữngbướcsóngngắn hơn 0,1 centimet.Các kết quả đó thật là đáng phấn khởi, bởi vìchúng chỉ rõ rằng mật độ năng lượng bức xạ đúng là bắt đầu giảmnhanhchóngởmộtbước sóngnàođó chungquanh0,1 centimet,nhưngườitamongđợinếuđólàbứcxạvậtđen.Tuynhiên,nhữnggiớihạntrênnàykhôngchophép takiểm tra rằngđóchính thật làbứcxạvậtđen,hoặcxácđịnhmộtnhiệtđộbứcxạchínhxác.

Chỉcóthểgiảiquyếtđượcvấnđềnàybằngcáchđưamộtthiếtbịthuhồngngoạivượtrakhỏikhíquyểnquảđất,hoặcbằngmộtkhícầu,hoặcbằngmộttênlửa.Cácthínghiệmđólàvôcùngkhókhănvàlúcđầuchonhữngkếtquảmâu thuẫnnhau,khi thìkhuyếnkhíchnhữngngườiủnghộmôhìnhvũtrụhọcchuẩn,khithìkhuyếnkhíchnhữngngườichốnglạimôhìnhđó.Mộtnhómsửdụng tên lửaởCornellđã tìm thấynhiềubứcxạởnhữngbướcsóngngắnhơnlàtheophânbốvậtđencủaPlanck,trongkhiđómộtnhómsửdụngkhícầuởM.I.T.nhậnđượcnhữngkếtquảphùhợpđạikháivớinhữngkếtquảđượcchờđợiđốivớibứcxạvậtđen.Cảhainhómtiếp tụccôngviệc củahọvàvàonăm1972cảhaiđều thôngbáokếtquả,chứng tỏ cómột phân bố đen vớimột nhiệt độ gần 3K.Năm 1976mộtnhómsửdụngkhícầuởBerkeleycũngcôngnhậnrằngmậtđộnănglượngbứcxạtiếptụchạthấpđốivớinhữngbướcsóngngắntrongkhoảngtừ0,25centimetđến0,06centimettheotínhtoánmongđợiđốivớinhiệtđộ3K,xêxích0,1K.Hiệnnayhầunhưcóthểkếtluậnrằngphôngbứcxạvũtrụquảthựclàbứcxạvậtđen,vớinhiệtđộgần3K. Ởđâybạnđọccóthểtựhỏitạisaovấnđềnàykhôngthểđượckếtluậnbằngmột cách đơn giản là đặtmột thiết bị hồng ngoại trongmột vệ tinhnhântạocủaquảđấtlúcnàocũngsắnsàngtiếnhànhnhữngphépđochínhxácởthậtcaobênngoàikhíquyểncủaquảđất.Tôikhôngthậtchắctạisaoviệcnàylạikhôngthểlàmđược.Lýdothườngđưaralàđểđođượcnhiệtđộbứcxạthấpnhư3K,cầnlàmlạnhthiếtbịbằnghêlilỏng(một“tảilạnh”)vàvấnđềmangmộtthiếtbịlàmlạnhnhưvậytrênmộtvệtinhnhântạocủaquảđấtchưađượcgiảiquyếttốtvềmặtkỹthuật.Tuynhiên,ngườitađãkhôngthểsuynghĩđượcrằngnhữngnghiêncứu“thựcvũtrụ”nhưvậyxứngđángđượcchiamộtphầnlớnhơnngânquỹnghiêncứuvũtrụ. Tầmquantrọngcủaviệctiếnhànhnhữngquansátởbênngoàikhíquyểncủaquảđấtlạicàngđượcthấyrõhơnkhitaxétphânbốphôngbứcxạvũtrụtheohướngcũngnhưtheobướcsóng.Mọiquansátchođếnđâyphùhợpvớimột phông bức xạ hoàn toàn đẳng hướng, nghĩa là không phụ thuộc vàohướng.Nhưđãnóiởchươngtrên,đólàmộttrongnhữngbằngchứngmạnhnhấtbênhvựcchonguyên lývũ trụhọc.Tuynhiên, rấtkhómàphânbiệtđượcmộtsựphụthuộcvàohướngcóthểcóđượccủabảnthânphôngbứcxạvũtrụvớimộtsựphụthuộcvàohướngchỉdotácđộngcủakhíquyểnquảđất;quảthựctrongcácphépđonhiệtđộphôngbứcxạ,phôngbứcxạđượcphân biệt với bức xạ khí quyển quả đất bằng cách cho rằng nó là đẳnghướng. Điềulàmchosựphụthuộchướngcủaphôngbứcxạcựcngắnthànhramột vấn đề nghiên cứu hấp dẫn như vậy là cường độ bức xạ này

khôngđượccoilàhoàntoànđẳnghướng.Cóthểcónhữngthănggiángcủacườngđộvớinhữngthayđổinhỏvềhướng,phátsinhrabởisự“khôngthậttròntrĩnh”củavũtrụhoặcvàolúcbứcxạđượcphátrahoặctừlúcđó.Chẳnghạn,cácthiênhàtrongnhữngthờikỳtạothànhđầutiêncóthểhiệnranhưnhữngvếtnóng trênbầu trời,vớimộtnhiệtđộvậtđencaohơn trungbìnhmộtchút, lanrộngkhoảngtrênnửaphútcung.Thêmvàođóhầunhưchắcchắncómộtbiếnthiênnhỏnhẹcủacườngđộbứcxạquanhkhắpbầutrời, gây rabởi sự chuyểnđộngcủaquảđất xuyênquavũ trụ.Quảđất điquanhmặttrờivớitốcđộ30kilômetmỗigiây,vàhệmặttrờiđượckéotheosựquaycủathiênhàcủachúngtavớimộttốcđộkhoảng250kilômetmỗigiây.Khôngaibiếtrõvậntốccủathiênhàchúngtasovớisựphânbốcácthiênhàđiểnhìnhtrongvũtrụ,nhưngcóthểchorằngnóchuyểnđộngvàitrămkilômetmỗigiâytheomộthướngnàođó.Nếu,chẳnghạn,tagiảthiếtrằngquảđấtchuyểnđộngvớimộtvậntốc300kilometmỗigiâysovớivậtchấtcủavũtrụ,vàtừđósovớiphôngbứcxạ,thìbướcsóngcủabứcxạđiđếntangượcchiềuhoặccùngchiềuchuyểnđộngcủaquảđấtphảitươngứnggiảmhoặc tăng theo tỷ lệgiữa300kilômetmỗigiâyvàvận tốcánhsáng,hoặc 0,1 phần trăm.Như vậy, nhiệt độ bức xạ tăng tương đương phảibiếnthiênnhẹtheohướng,nóvàokhoảng0,1phầntrămcaohơntrungbìnhtheohướngngượcchiềuchuyểnđộngcủaquảđấtvàvàokhoảng0,1phầntrămthấphơntrungbìnhtheohướngcùngchiềuchuyểnđộngcủaquảđất. Trong những năm cuối gần đây giới hạn trên tốt nhất vềmột sự phụthuộc vào hướng nào đó của nhiệt độ bức xạ tương đương là đúng vàokhoảng0,1phầntrăm,nhưvậy,chúngtađangởtrongtìnhtrạngkhổsởlàcóthểphầnnàonhưngkhônghoàntoànđođượcvậntốcchuyểnđộngcủaquảđấtxuyênquavũtrụ.Khôngthểgiảiquyếtđượcvấnđềnàychođếnkhicácphépđođượctiếnhànhtừnhữngvệtinhbayquanhquảđất.(Khichữalầncuốicùngsáchnày,tôiđãnhậnđượcbảntintứcsố1vềvệtinhthámhiểmphôngvũtrụcủaJohnMatherởN.A.S.A(“Cơquanquốcgianghiêncứuvềvũtrụvàhàngkhông”củaMỹ(ND).).Nóthôngbáosựbổnhiệmmộtđộigồmsáunhàkhoahọcdưới sự lãnhđạo củaRainierWeissởM. I.T., đểnghiêncứumộtphépđokhảdĩvềphôngbứcxạcựcngắnvàhồngngoạitừkhoảngkhôngvũtrụ.Chúchọthànhcông!). Chúngtađãnóirằngphôngbứcxạcựcngắnvũtrụchomộtbằngchứngmạnhmẽrằngđãcólúcbứcxạvàvậtchấtcủavũtrụởtrongmộttrạngtháicânbằngnhiệt.Tuynhiên,chúngtavẫnchưakếtluậngìsâusắcvềmặtvũtrụhọctừtrịsốquansátđượccủanhiệtđộbứcxạtươngđương,3K.Thựcra,nhiệtđộbứcxạnàychophéptaxácđịnhconsốtrọngyếunhấtmàchúngtacầnđểtheodõilịchsửcủabaphútđầutiên.

Nhưtađãthấy,ởbấtkỳnhiệtđộnàođãchotrướcsốphotontrongmộtđơnvịthểtíchlàtỷlệnghịchvớilậpphươngbướcsóngđiểnhình,vàdođótỷlệthuậnvớilậpphươngnhiệtđộ.Vớimộtnhiệtđộchínhxáclà1Ksẽcó20282,9photonmỗilítdođóphôngbứcxạ3Kchứakhoảng550000photonmỗilít.Tuynhiên,mậtđộcủacáchạtnhân(nơtronvàproton)trongvũtrụhiệnnaylàởđâuđấygiữa6và0,03hạtmỗinghìnlít.(Giớihạntrênlàgấpđôimật độ tới hạn thảo luậnở chương II; giới hạn dưới làmột số phỏngđoánthấpvềmậtđộhiệnquansátđượcởcácthiênhànhìnthấy).Nhưvây,tùy theo giá trị thực củamật độ hạt, có vào khoảng giữa 100 triệu và 20nghìntriệuphotonđốivớimỗihạtnhântrongvũtrụhiệnnay. Hơnnữa,tỷlệtolớnnàycủaphotontrênhạtnhânđãgầnnhưlàhằngsốtrongmộtthờigianrấtdài.Suốttrongthờikỳmàbứcxạđãgiãnnởtựdo(từkhinhiệtđộtụtxuốngdướikhoảng3000K),cácphotoncủaphôngvàcáchạtnhânđãkhôngđượcsinhramàcũngkhôngbịhủyđi,chonêntỷlệgiữachúngđươngnhiênvẫnkhôngđổi.Tasẽthấytrongchươngsaurằngtỷlệđógầnnhưkhôngđổi,ngaycảtrướcđó,khimànhữngphotonriênglẻđượchìnhthànhvàbịhủyđi. Đólàkếtluậnđịnhlượngquantrọngnhấtcóthểrútratừnhữngphépđovềphôngbứcxạcựcngắn-nhìnngượclạivềquákhứxaxămnhấtcủaquảđất,đãcó tỷ lệ từ100 triệuđến20.000 triệuphoton trênmỗinơtronhoặcproton.Đểchokhỏilậplờmộtcáchkhôngcầnthiết,tôisẽlấytrònconsốnày trong các lập luận sau, và giả thiết (đểminhhọa) rằngbâygiờ có vàtrướckia đã cóđúng1000 triệuphoton chomỗi hạt nhân, trong cácphầntrungbìnhcủavũtrụ. Một hệ quả rất quan trọng của kết luận này là sự tách vật chấtthànhcácthiênhàvàcácvìsaođãchưathểbắtđầuđượcchođếnkhinhiệtđộvũtrụhạxuốngđếnmứccácelectroncóthểbịbắtđểtạothànhcácnguyêntử.ĐểcholựchấpdẫncóthểtạorasựkếtkhốivậtchấtthànhnhữngmảngriênglẻmàNewtonđãhìnhdung,thìlựchấpdẫnphảithắngápsuấtcủavậtchấtvàbứcxạliênkết.Lựchấpdẫnởtrongmỗikhốimớihìnhthànhtăngtheokíchthướccủakhối,trongkhiápsuấtkhôngphụthuộcvàokíchthước;dođóởmỗiápsuấtvàmậtđộchotrước,cómộtkhốilượngtốithiểucó thểgây ra sự“kếtkhối”dohấpdẫn.Khối lượngnàyđượcgọi là“khốilượngJeans”,bởivìnóđượcJamesJeansđưavàođầutiêntrongcácthuyếtvềsựhìnhthànhcácngôisaonăm1902.Khối lượngJeanslại tỷ lệvớilũythừa3/2củaápsuất(xemchúthíchtoánhọc5).Đúngtrướckhicácelectronbắtđầubịbắtđểtạocácnguyêntử,ởmộtnhiệtđộkhoảng3000K,áp suất của bức xạ rất là to lớn, và khối lượng Jeans do đó lớnmột cáchtươngứng,khoảngmột triệu lần lớnhơnkhối lượngcủamột thiênhà lớn.

Khôngcóthiênhànàovàcũngchẳngcóchùmthiênhànàođủlớnđểđượchìnhthànhlúcđó.Tuynhiên,mộtthờigianngắnsauđócácelectronkếthợpvớicáchạtnhânđểtạothànhnguyêntử;khinhữngelectrontựdomấtđi,vũtrụtrởthànhtrongsuốtđốivớibứcxạ;vànhưvậyápsuấtbứcxạtrởthànhvôhiệu.Ởmộtnhiệtđộvàmậtđộchotrước,ápsuấtcủavậtchấthoặcbứcxạchỉđơngiảnlàtỷlệvớisốhạthoặcphoton,nhưvậykhiápsuấtbứcxạtrở thành vô hiệu thì áp suất hiệu dụng toàn phần tụt xuống khoảngmộtnghìntriệulần.KhốilượngJeansgiảmxuốngmộtnghìntriệumũ“baphầnhai”lần,thànhkhoảngmộtphầntriệukhốilượngcủamộtthiênhà.Từlúcđóvềsau,ápsuấtvậtchấttựnóquáyếunênkhôngthểchốnglạisựkếtkhốicủavậtchấtthànhcácthiênhàmàtathấytrênbầutrời. Điềunàyvẫnchưanóilênrằngchúngtathựcsựhiểucácthiênhàđượchìnhthànhnhưthếnào.Lýthuyếtvềsựhìnhthànhcácthiênhàlàmộttrongnhữngbàitoánhócbúanhấtcủavậtlýthiênvăn,mộtbàitoánmàhiệnnayhìnhnhưcòn lâumớigiảiđược.Nhưngđó lại làchuyệnkhác.Đốivới ta,điềuquantrọnglàtrongvũtrụsơkhai,ởnhữngnhiệtđộtrênkhoảng3000K,vũtrụkhôngphảibaogồmcácthiênhàvàcácvìsaomàtathấytrênbầutrờihiệnnay,màchỉlàmộtthứxúpvậtchấtvàbứcxạđãđượcionhóavàkhôngphânbiệtđược. Mộthệquảquantrọngkháccủatỷlệlớnphotontrênhạthạtnhânlà chắcđã có lúc, tươngđốikhôngxa trongquákhứ,mànăng lượngbứcxạđãlàlớnhơnnănglượngchứatrongvậtchấtvũtrụ.Nănglượngchứatrongkhốilượngcủamộthạtnhân,đượcchobởicôngthứcEinsteinE=mc2,vàokhoảng939triệuelectron-vôn.Nănglượngtrungbìnhcủamộtphotontrongbứcxạvậtđenở3Klànhỏhơnnhiều,khoảng0,0007electron-vôn,dođódù rằngvới1000 triệuphotonmỗinơtronhoặcproton,đasốnănglượngcủavũtrụhiệnnaylàdướidạngvậtchấtchứkhôngphảibứcxạ.Tuynhiên,xưakianhiệtđộcaohơn,chonênnăng lượngcủamỗiphotoncao hơn, trong khi năng lượng trong một nơtron hoặc photon luôn luônkhôngđổi.Với1000triệuphotonchomỗihạtnhân,đểchonănglượngbứcxạ vượt qua năng lượng vật chất, chỉ cần năng lượng trung bình củamộtphotonvậtđen lớnhơnkhoảngmộtphầnnghìn triệunăng lượngcủakhốilượngmột hạt nhân, hoặc khoảngmột electron - vôn. Đây là trường hợpnhiệtđộlúcvàokhoảng1300lầnlớnhơnbâygiờ,nghĩalàvàokhoảng4000K.Nhiệtđộđóđánhdấusựchuyểntiếpgiữamột“thờiđạibứcxạngựtrị”,trongđóphầnlớnnănglượngcủavũtrụởdướidạngbứcxạ,và“thờiđạivậtchấtngựtrị”hiệnnay,trongđóphầnlớnnănglượngnằmtrongkhốilượngcủacáchạthạtnhân. Thậtlàđángngạcnhiênrằngsựchuyểntiếpgiữamộtvũtrụbứcxạngự

trịđếnmộtvũtrụvậtchấtngựtrịđãxảyrađúngkhoảnglúcmàcácphầncủavũtrụtrởnêntrongsuốtchobứcxạởvàokhoảng3000K.Khôngaibiếtthật rõ tại saonóphải lànhưvậy,dù rằngđãcónhữnggợiýhấpdẫn.Tacũngkhôngbiếtrõsựchuyểntiếpnàoxảyrađầutiên:nếulúcđócó10.000triệuphotonchomỗihạthạtnhânthìbứcxạđãtiếptụcthắngvậtchấtchođếnkhinhiệtđộhạxuống400K,mãilâusaukhicácphầncủavũtrụtrởnêntrongsuốt. Cácsựkhôngchắcchắnnàysẽkhôngcóảnhhưởngđếncâuchuyệncủachúngtavềvũtrụsơkhai.Điềuquantrọngđốivớichúngtalàởbấtcứlúcnàolâutrướckhicácphầncủavũtrụtrởthànhtrongsuốt,vũtrụđãcóthểxemnhưchủyếubaogồmbứcxạ,chỉ“nhiễm”mộtchútítvậtchất.Mậtđộnăng lượng to lớn của bức xạ trong vũ trụ sơ khai bị mất đi do sự dịchchuyểncủabướcsóngcủacácphotonvềphíađỏtrongkhivũtrụgiãnnở,làmchosựnhiễmhạthạtnhânvàelectronlớnlên,tạonêncácvìsaovàcáctảngđávàcácsinhvậtlớncủavũtrụhiệnnay.

IV-Một"toa"chovũtrụnóng

Cácquansátthảoluậntronghaichươngvừaquađãpháthiệnrarằngvũtrụđanggiãnnở,vànóchứađầymộtphôngbứcxạởkhắpmọinơi,hiệnnayởnhiệtđộkhoảng3K.Bứcxạđócóvẻlàcònrơirớtlạitừmộtthờikỳlàvũtrụquảthựclà“đục”,khinóvàokhoảng1000lầnbéhơnvànónghơnhiệnnay.(Luônluônnhớlàkhi tanóirằngvũtrụ1000lầnbéhơnhiệnnay, tađơngiảnchỉmuốnnóirằngkhoảngcáchgiữabấtcứcặphạtđiểnhìnhnàocho trước lúc đó cũng là 1000 lần bé hơn hiện nay).Để xemnhưmột sựchuẩnbịcuốicùngchocâuchuyện“Baphútđầutiên”củata,taphảinhìnlạinhữngthờikỳcònxưahơn,khivũtrụcònbéhơnvànónghơnnữakia,bằngcách sử dụng nhãn quan lý thuyết, chứ không phải những kính thiên vănquanghọchayvôtuyếnđểxemxétcácđiềukiệnvậtlýngựtrịlúcđó. VàocuốichươngIII,talưuýrằngkhivũtrụbéhơnhiệnnay1000lần,vàcácphầnvậtchấtcủanósắpthànhtrongsuốtchobứcxạthìvũtrụcũngchuyển từ thời kỳ bức xạ ngự trị sang thời kỳ vật chất ngự trị hiện nay.Trongthờikỳbứcxạngựtrị,khôngnhữngchỉcósốlượngtolớnphotonchomỗihạtnhânnhưsốhiệncóngàynay,mànănglươngcủacácphotonriênglẻđãđủcaođểchophầnlớnnănglượngcủavũtrụởdướidạngbứcxạ,chứkhôngphảidạngkhốilượng.(Nhớrằngphotonlànhữnghạthoặc“lượngtử”màtừđó,theothuyếtlượngtử,ánhsángđượchợpthành).Dođó,cóthểlàmộtsựgầnđúngkhátốtnếuxemvũtrụtrongthờikỳđónhưthểchỉchứabứcxạmàthôi,cănbảnkhôngcóvậtchất. Mộtsựnhậnxétquantrọngphảiđượcđưatrongkhiphátbiểukếtluậnnày.Tasẽthấytrongchươngnàyrằngthờikỳbứcxạđơnthuầnchỉbắtđầusauvàiphútđầutiên,khinhiệtđộhạxuốngdướivàinghìntriệuđộKelvin.Ởnhữngthờikỳtrướcđó,vậtchấtđãlàquantrọng,nhưngvậtchất ở dướimột dạng rất khác dạng hiện nay của vũ trụ.Tuy nhiên,trướckhichúngtanhìnlạimộtquákhứxanhưvậy,trướctiêntahãyxétvắntắtthờikỳbứcxạthựcsự,từvàiphútđầutiênchođếnvàitrămnghìnnămsaukhivậtchấtlạitrởthànhquantrọnghơnbứcxạ. Đểtheodõilịchsửvũtrụtrongthờikỳđó,tấtcảnhữngcáigìchúngtacầnbiếtlàmọivậtnhưthếnàoởmộtthờiđiểmbấtkỳchotrước.Hoặcnóicáchkhác,trongkhivũtrụgiãnnở,nhiệtđộliênhệvớikíchthướccủavũtrụnhưthếnào?

Sẽdễ trả lờicâuhỏinàynếucó thểcoibứcxạ làđượcgiãnnở tựdo.Bướcsóngcủamỗiphotonđơngiảnbịkéodài(dosựdịchchuyểnđỏ)tỷlệvớikích thướccủavũ trụ, trongkhivũ trụgiãnnở.Hơnnữa, tađã thấyởchươngtrênrằngbướcsóngtrungbìnhcủabứcxạvậtđentỷlệnghịchvớinhiệtđộcủanó.Nhưvậynhiệtđộphảigiảmtỷlệnghịchvớikíchthướccủavũtrụnhưhiệnnayđangxảyra. May thay chonhà vũ trụ học lý thuyết,mối liên hệ đơngiản đó cũngđúngngaykhibứcxạđãkhônggiãnnởtựdo-nhữngvachạmnhanhgiữaphotonvàmộtsốđốitượngnhỏelectronvàhạtnhânlàmđụccácthànhphầncủavũtrụsuốttrongthờikỳbứcxạngựtrị.Trongkhimộtphotonchuyểnđộngtựdogiữacáclầnvachạm,bướcsóngcủanóphảităngtỷlệvớikíchthướccủavũtrụ,vàđãcónhiềuphotonchomỗihạtđếnmứccácvachạmquả đã buộc nhiệt độ của vật chất phải đi theo nhiệt độ của bức xạ, chứkhông phải ngược lại.Như vậy, chẳng hạn, vũ trụ bé hơn hiện naymườinghìnlần,thìnhiệtđộsẽphảicaohơnhiệnnaymộtcáchtỷlệ,hoặckhoảng3000K.Điềunàycàngđúngtrongthờikỳ“bứcxạngựtrị”thựcsự. Cuốicùng,khitanhìncàngxavềquákhứcủalịchsửvũtrụthìtasẽgặpthờiđiểmmànhiệtđộcaođếnmứccácvachạmgiữacácphotonvớinhaucóthểtạoracáchạtvậtchất từnănglượngđơnthuần.Chúngtasẽthấyrằngcáchạtđượctạothànhnhưvậytừnănglượngbứcxạđơnthuầntrongmấyphútđầutiêncũngquantrọngnhưbứcxạ,cảtrongviệcquyđịnhtốcđộcủacácphảnứnghạtnhâncũngnhưtrongviệcquyđịnhtốcđộgiãnnởcủabảnthânvũtrụ.Dođó,đểtheodõicácbiếncốtrongnhữngthờikỳthựcsựsơkhainhất,tacầnphảibiếtvũtrụphảinóngđếnmứcnàođểtạonênnhữngsốlượnglớnhạtvậtchấttừnănglượngbứcxạ,vàbaonhiêuhạtđãđượctạonênnhưvậy. Quátrình làmchovậtchấtđược tạonên từbứcxạcó thểdễhiểunhất theo bức tranh lượng tử về ánh sáng.Hai lượng tử bức xạ, hoặcphoton,cóthểvachạmvàbiếnmất,toànbộnănglượngvàxunglượngcủachúngtạonênhaihạtvậtchấthoặcnhiềuhơn.(Quátrìnhnàythựcsựđượcquansátmộtcáchgián tiếp trongnhữngphòng thínghiệmvật lýhạtnhânnănglượngcaohiệnnay).Tuynhiên,thuyếttươngđốihẹpcủaEinsteinnóirằngmộthạtvậtchấtdùlàởtrạngtháitĩnhcũngsẽcũngsẽcómột“nănglượngnghỉ”nàođó,chobởicôngthứcnổitiếngE=mc2.(ởđâyclàvậntốcánhsáng.Đâylànguồngốccủanănglượngđượcgiảiphóngtrongcácphảnứnghạtnhân,trongđómộtphầnkhốilượngcủacáchạtnhânnguyêntửbịhủy). Từ đó, để cho hai photon tạo nên hai hạt vật chất có khối lượngmtrongmộtvachạmtrựcdiện,nănglượngcủamỗiphotonítnhấtphảibằngnănglượngnghỉmc2củamỗihạt.Phảnứngvẫnxảyranếunănglượngcủa

cácphoton riêng lẻ lớnhơnmc2; năng lượng dôi sẽ chỉ cho các hạt nănglượng vật chất một vận tốc cao. Tuy nhiên, những hạt có khối lượngmkhôngthểđượctạonêntrongcácvachạmcủahaiphotonnếunănglượngcủachúng thấphơnmc2,vìkhiđókhôngđủnăng lượngđể tạonêndù làkhốilượngcủacáchạtđó. Cốnhiên,đểxéthiệulựccủabứcxạtrongviệctạonêncáchạtvậtchất,taphảibiếtnănglượngđặctrưngcủacácphotonriênglẻtrongtrườngbứcxạ.Nănglươngnàycóthểđượcướctínhkháđúng,đủchomụcđíchcủata,bằngcáchđơngiản:đểtìmranănglượngđặctrưngcủaphoton,chỉcầnnhânnhiệtđộcủabứcxạvớimộthằngsốcơbảncủacơhọcthốngkê,gọilàhằngsố Boltzmann. (Ludwig Boltzmann cùng vớiWillarrdGibbs ngườiMỹ lànhững người sáng tạo nên cơ học thống kê hiện đại.Việc ông tự tử năm1906đượccoiítnhấtmộtphầnlàdosựchốngđốicótínhchấttriếthọcđốivớicôngtrìnhcủaông,nhưngtấtcảcáctranhluậnnàyđãkếtthúctừlâu).GiátrịcủahằngsốBoltzmannlà0,00008617electron-vônmỗiđộKelvin.Chẳnghạnởnhiệtđộ3000K,khicácphầncủavũtrụbắtđầutrởnêntrongsuốt,năng lượngđặc trưngcủamỗiphoton làvàokhoảng300KnhânvớihằngsốBoltzmannhoặc0,26electron-vôn.Nhớrằngmộtelectron-vônlànănglượngmàmộtelectronthuđượckhichuyểnđộngquamộthiệuđiệnthếmộtvôn.Nănglượngcủacácphảnứngthôngthườngvàocỡmộtelectron-vônmỗinguyêntử;đấylàlýdotạisaobứcxạởtrên3000Klàđủnóngđểgiữchomộttỷlệkhálớnelectronkhỏibịbắnvàocácnguyêntử. Chúngtađãthấylàđểtạonênhạtvậtchấtcókhốilượngmtrongcácvachạmgiữacácphoton,năng lượngđặc trưngcủaphotonphải ítnhấtbằngnănglượngmc2củacáchạtởtrạngtháinghỉ.Donănglượngđặctrưngcủaphoton là nhiệt độ nhân với hằng sốBoltzmann, nên nhiệt độ của bức xạphải ít nhất là vào cỡ năng lượng nghỉmc2 chia cho hằng sốBoltzmann.Nhưvậylàvớimỗiloạihạtvậtchấtcómột“nhiệtđộngưỡng”tínhrabằngnănglượngnghỉmc2chiachohằngsốBoltzmann,nóphảiđạtđược trướckhihạtloạiđócóthểtạonêntừnănglượngbứcxạ. Chẳnghạn,hạtvậtchấtnhẹnhấtđượcbiếtđếnlàelectrone-vàprôzitrone+.Pôzitron làphảnhạtcủaêlectron -nghĩa lànócóđiện tíchngượcdấu(dương chứ không phải âm) nhưng cùng khối lượng và spin. Khi mộtpôzitron va chạm vớimột electron, các điện tích có thể bị hủy, còn nănglượngtrongkhốilượngcủahaihạthiệnradướidạngbứcxạđơnthuần.Việcnàycốnhiên là lýdo tại saopôzitronhiếmnhưvậy trongđời sống thôngthường-chúngkhông thểsống lâu lắmtrướckhi tìmđượcvàbịhủydiệt.(Pôzitronđượckhámpháranăm1932trongtiavũtrụ).Quátrìnhhủycũngcóthểdiễnrangượclại-haiphotonvớinănglượngvừađủcóthểvachạm

vàtạonênmộtcặpelectron-pôzitron,nănglượngcủacácphotonđãđượcchuyểnthànhkhốilượngcủaelectronvàpôzitron. Đểchohaiphotoncóthểtạonênmộtelectronvàmộtpôzitrontrongmộtvachạmtrựcdiện,nănglượngcủamỗiphotonphảivượt“nănglượngnghỉ”mc2trongkhốilượngcủamộtelectronhoặcmộtpôzitron.Nănglượngđólà0,511003triệuelectron-vôn.Đểtìmranhiệtđộngưỡngmàởđóphotoncónhiều xác suất có năng lượng đó, ta chia năng lượng cho cho hằng sốBoltzmann(0,00008617electron-vônmỗiđộKelvin)vàtìmramộtnhiệtđộngưỡnglà6nghìntriệuđộKelvin(6x10mũ9K).Ởbấtkỳnhiệtđộnàocaohơn,electronvàpôzitroncũngphảiđượctạonênmộtcáchdễdàngtrongnhữngvachạmgiữacácphotonvớinhau,vàdođóchắcđãphảitồntạivớisốlượngrấtlớn. (Nhântiệnnóithêm,nhiệtđộngưỡng6x10mũ9Kmàtađãsuyrađểchoelectronvàpôzitronđượctạonêntừbứcxạlớnhơnrấtnhiềusovớibấtcứnhiệtđộnàomàtathườnggặptrongvũtrụhiệnnay.Ngaycảtrungtâmmặttrờicũngchỉởmộtnhiệtđộkhoảng15triệuđộ.Đólàlýdotạisaotakhôngthấyelectronvàpôzitronxuấthiệntừkhônggiantrốngrỗngmỗikhiánhsángtróilên). Nhữngnhậnxét tương tựcũngđúngchomỗi loạihạt.Đây làmộtquyluậtcơbảncủavậtlýhọchiệnđại:ứngvớimỗiloạihạttrongtựnhiênđềucómột“phảnhạt” tươngứng,vớiđúngkhối lượngvà spinđó,nhưngvớiđiệntíchngượcdấu.Ngoạilệduynhấtlàđốivớinhữnghạthoàntoàntrunghòanàođó,nhưlàbảnthânphoton,màtacóthểcoilàphảnhạtcủachínhchúng.Liênhệgiữahạtvàphảnhạt làhaichiều:pôzitron làphảnhạtcủaelectronvàelectronlàphảnhạtcủapôzitron.Chođủnănglượngluônluôncó thể tạo nênmọi loại cặp hạt - phản hạt trong va chạm của những cặpphoton. (SựtồntạicủaphảnhạtlàmộthệquảtoánhọctrựctiếpcủacácnguyênlýcủacơhọclượngtửvàcủalýthuyếttươngđốihẹpcủaEinstein.Sựtồntại phản electron đã được suy ra đầu tiên từ lý thuyết bởi Paul AdrianMauriceDiracvàonăm1930.Vìkhôngmuốnđưavào lý thuyếtcủamìnhmộthạtchưabiếtđến,ôngđãđồngnhấthóaphảnelectronvớihạtmangđiệndươngduynhấtđượcbiết lúcđó làproton.Sựkhámphá rapôzitronnăm1932đãxácnhậnthuyếtvềcácphảnhạtcủaelectron,nócóphảnhạtriêngcủanó,phảnproton,đượckhámpháratạiBerkeleytrongnhữngnăm1950). Nhữnghạtloạinhẹnhấttiếptheosauelectronvàpôzitronlàmuonhoặcµ-,mộtloạielectronnặngkhôngbền,vàphảnhạtcủanó,µ+.Cũnggiốngnhư đối với electron và pôzitron, µ- vàµ+ có điện tích ngược dấu nhưngkhốilượngbằngnhau,vàcóthểđượctạonêntrongnhữngvachạmgiữacác

phôtonvớinhau.µ-vàµ+đềucómộtnănglượngnghỉmc2bằng105,6596triệuelectronvàchiachohằngsốBoltzmann,nhiệtđộngưỡngtươngứnglà1,2triệutriệuđộ(1,2x12mũ12K).Nhữngnhiệtđộngưỡngtươngứngvớinhữnghạtkhácđượcghiởbảng1.Xemkỹbảngnàytacóthểnóiloạihạtnàocónhiềuởnhữngthờikỳkhácnhautronglịchsửvũtrụ;chúngchínhlàcáchạtmànhiệtđộngưỡngthấphơnnhiệtđộcủavũtrụlúcđó. Cóbaonhiêuhạt vật chất đó thực sựđã tồn tạiởnhữngnhiệt độ trênnhiệtđộngưỡng?Ởđiềukiệnnhiệtđộvàmậtđộcaongựtrịtrongvũtrụsơkhai,sốhạtđượcsuytừđiềukiệncơbảncủacânbằngnhiệt:sốhạtphảiđủlớn để cho số bị hủymỗi giây đúng bằng số được tạo nên. (Nghĩa là cầubằngcung).Xácsuấthủymộtcặphạt-phảnhạtnàođóđãchothànhrahaiphotonlàxấpxỉbằngxácsuấtmàmộtcặpphotonnàođãchocócùngnănglượngtạothànhchínhhạtvàphảnhạtnày.Dođóđiềukiệncânbằngnhiệtđòihỏisốhạtmỗiloại,mànhiệtđộngưỡngởdướinhiệtđộthựcsựlúcđó,phảixấpxỉbằngsốphoton.Nếucóíthạthơnphoton,chúngsẽđượctạonênnhanhhơnlàbịhủydiệtvàsốlượngchúngsẽtănglên,nếucónhiềuhạthơnphoton,chúngsẽbịhủydiệtnhanhhơnlàđượctạonên,vàsốlượngchúngsẽgiảm.Chẳnghạnởnhữngnhiệtđộtrênnhiệtđộngưỡng6.000triệuđộ,sốelectronvàpôzitronphảixấpxỉbằngsốphotonvànhữnglúcđócóthểxemvũtrụnhưbaogồmchủyếuphoton,electronvàpôzitron,chứkhôngchỉcóphoton. Tuynhiên,ởnhữngnhiệtđộởtrênđộngưỡng,mộthạtvậtchấtdiễnbiếnrấtgiốngmộtphoton.NănglượngtrungbìnhcủanólàxấpxỉbằngnhiệtđộnhânvớihằngsốBoltzmann,chonêntrênnhiệtđộngưỡngnănglượngtrungbìnhcủanó lớnhơnnhiềusovớinănglượngtrongkhối lượngcủahạt,vàkhốilượngcóthểđượcbỏqua.Trongnhữngđiềukiệnnhưvậy,ápsuấtvàmậtđộnănglượngdonhữnghạtvậtchấtthuộcmộtloạinàođóđónggópchỉlàtỷlệvớilũythừabốncủanhiệtđộ,đúngnhưđốivớiphoton.Nhưvậy,tacóthểsuynghĩvềvũtrụởmộtthờigiannàođónhưlàbaogồmmộtsốkiểu“bứcxạ”,mộtkiểu chomỗi loạihạtmànhiệtđộngưỡngởdướinhiệtđộvũtrụlúcđó.Đặcbiệt,mậtđộnănglượngcủavũtrụbấtcứlúcnào đúng tỷ lệ với lũy thừa bốn của nhiệt độ và số loại hạtmà nhiệt độngưỡng ở dưới nhiệt độ vũ trụ học lúc đó. Những điều kiện loại đó, vớinhữngnhiệtđộcaođếnnỗinhữngcặphạt -phảnhạt lànhiềunhưprotontrongcânbằngnhiệt,khôngtồntạibấtcứởđâutrongvũtrụhiệnnay,trừcóthểởnhâncácvìsaođangbùngnổ.Tuynhiêntađãđủtintưởngởkiếnthứccủatavềcơhọcthốngkêđểyêntrímàxâydựngnhữngthuyếtvềnhữngcáiđãphảixảyratrongnhữngđiềukiệnlạlùngnhưvậytrongvũtrụsơkhai. Nóichochínhxác,taphảinhớrằngmộtphảnhạtnhưpôzitron(e+)được

kểnhưlàmộtloạiriêngbiệt.Cáchạtnhưphotonvàelectroncũngtồntạiởhaitrạngtháikhácnhauvềspin,chúngcóthểcoinhưnhữngloạiriêngbiệt.Cuốicùng,nhữnghạtnhưelectron(nhưngkhôngphảiphoton)tuântheomộtđịnh luậtđặcbiệt,“nguyênlý loại trừPauli”,cấmhaihạtởmột trạngtháinhưnhau;luậtnàylàmgiảmmộtcáchcóhiệuquảsựđónggópcủachúngvàomậtđộnănglượngtoànphầntới7/8lần.(Chínhnguyênlýloại trừđãngăntấtcảcácelectrontrongmộtnguyêntửrơivàocùngmộtvỏnănglượngthấp nhất; như vậy nó chịu trách nhiệm về cấu trúc vỏ phức tạp của cácnguyêntửthểhiệntrongbảngtuầnhoàncủacácnguyêntố).Sốhiệudụngcủacáckiểuứngvớimỗiloạihạtđượcghisongsongvớinhiệtđộngưỡngởbảng1.Mậtđộnănglượngcủavũtrụởnhiệtđộđãcholàtỷlệvớilũythừabốncủanhiệtđộvàvớisốhiệudụngcủacáckiểuhạtmànhiệtđộngưỡngởdướinhiệtđộcủavũtrụ. Bâygiờtathửtựhỏikhinàovũtrụđãởnhữngnhiệtđộcaonhưthế?Cáichiphối tốcđộgiãnnởcủavũ trụ là sựcânbằnggiữa trườnghấpdẫnvàxunglượngbênngoàicủacácchấtchứatrongvũtrụ.Vàchínhmậtđộnănglượngtoànphầncủaphoton,electron,pôzitron,v.v…làcáicungcấpnguồntrườnghấpdẫncủavũtrụởcácthờikỳsơkhai.Tađãthấyrằngmậtđộnănglượngcủavũtrụchỉphụthuộcchủyếuvàonhiệtđộ,nênnhiệtđộvũtrụcóthểđượcdùngnhưmộtloạiđồnghồngàycànglạnhđichứkhôngphảikêutích tắc trongkhivũ trụgiãnnở.Nóirõhơn,có thểchứngminhrằng thờigiancầnđểmậtđộnănglượngcủavũtrụgiảmtừmộttrịsốnàyđếnmộttrịsốkháclàtỷlệvớihiệucácsốnghịchđảocủacănhaicủacácmậtđộnănglượng(xemchúthíchtoánhọc3).Nhưngtađãthấyrằngmậtđộnănglượngtỷlệvớilũythừabốncủanhiệtđộvàvớisốloạihạtcónhiệtđộngưỡngthấphơnnhiệtđộhiệnhành.Dođó,chođếnkhinhiệtđộkhôngđiquanhữnggiátrị“ngưỡng”nàođó,thờigiancầnchovũtrụđểlạnhđitừmộtnhiệtđộnàyđếnmộtnhiệtđộkháclàtỷlệvớihiệucủacácnghịchđảocủabìnhphươngcủanhữngnhiệtđộđó.Chẳnghạn,nếutabắtđầutừmộtnhiệtđộ100triệuđộ(rấtthấpdướinhiệtđộngưỡngcủaelectron)vàtìmrarằngcần0,06năm(hoặc22ngày)đểnhiệtđộhạxuống tới10 triệuđộ, thì lúcđócần6nămkhác nữa để cho nhiệt độ hạ xuống 1 triệu độ, 600 năm khác nữa để hạxuống100000độ, v. v…Toànbộ thời gian cầnđểvũ trụ lạnhđi từ100triệuđộxuống3000K(nghĩalàđếnkhimàcácchấttrongvũtrụtrởthànhtrongsuốtđốivớibứcxạ)là700000năm(xemhình8).Cốnhiên,khiviết“năm”ởđây,tôingụýmộtsốđơnvịthờigiantuyệtđốinàođó,chẳnghạnnhưmộtsốchukỳnàođótrongđómộtelectronquaymộtvòngquanhhạtnhântrongmộtnguyêntửhyđrô.Tađangxétmộtthờikỳxưahơnnhiềusovớilúcquảđấtbắtđầuquayquanhmặttrời.

Hình8.Kỷnguyênbứcxạchiếmưuthế. Hình8.Kỷnguyênbứcxạchiếmưu thế.Nhiệtđộcủavũ trụđượcvẽphụthuộcvàothờigian,đốivớithờikỳtừngàycuốisựtổnghợphạtnhânđếnkhitáihợpcáchạtnhânvàelectronthànhnguyêntử. Nếuvũ trụ trongvàiphútđầutiên thựcsựbaogồmnhữnghạtvàphảnhạtđúngbằngnhau,tấtcảchúngđãbịhủydiệtkhinhiệtđộhạxuốngdưới1000triệuđộ,vàchẳngcòngì sót lại trừbứcxạ.Cóbằngchứngrấttốtchốnglạikhảnăngđó-chúngtađangởđây!Phảicómộtđộdôi nào đó của số electron so với số pôzitron, của số proton so với sốphảnproton,vàcủasốnơtronsovớisốphảnnơtronđểchocòncáigìđósótlại saukhihạtvàphảnhạthủynhauđểcungcấpvậtchấtchovũ trụhiệnnay.Chođếnđâytrongchươngnàytôiđãngụýkhôngnóiđếnsốvậtchấttươngđốiítcònsótlạinày.Đólàmộtsựgầnđúngkhátốtnếutấtcảnhữnggìtamuốnlàtínhmậtđộnănglượnghoặctốcđộgiãnnởcủavũtrụsơkhai;tađãthấytrongchươngtrướcrằngmậtđộnănglượngcủacáchạthạtnhânchỉ sođượcvớimậtđộnăng lượngbứcxạkhivũ trụđã lạnhđếnkhoảng4000K.Tuynhiên,sựítỏicủasốelectronvàhạthạtnhâncònsótlạiđángđượctachúýđặcbiệt,bởivìchúnglànhữngthànhphầnchínhcủavũtrụhiệnnayvànóiriêng,củatácgiảvàbạnđọc. Mộtkhitađãcôngnhậnkhảnăngcómộtđộdôivậtchấtsovớiphảnvậtchấttrongvàiphútđầutiên,tađãđặtvấnđềmộtdanhsáchchitiếtvềnhữngthànhphầntrongvũtrụsơkhai.CóđúnghàngtrămcáigọilàhạtcơbảntrêndanhsáchmàphòngthínghiệmLawrenceởBerkeleyxuấtbản6thángmột.Cóphảilàtaphảitínhsốlượngcủamỗimộtloạihạtnàykhông?Vàtạisaodừnglạiởhạtcơbản?Cóphảilàtaphảitínhsốlượngcủatừngloạinguyêntử,phântử,muốivàtiêu?Trongtrườnghợpđó,chúngtacóthểkếtluậnmộtcáchchínhđángrằngvũtrụlàquáphứctạpvàquáthấtthườngkhôngđángđểchotatìmhiểu. Maythay,vũtrụkhôngđếnnỗiphứctạpquánhưvậy.Đểthấycáchcóthểviếtmột toa (*Toa làbảngkê cácvị thuốcmàngườibệnhcầndùng,

hoặccáccháthoádượccầnđểbàochếnênmộtchấthoádượcnàođó,vàcáccông thứcphachếnó)chocác thànhphầncủanó,cầnsuynghĩ thêmmộtchútvềđiềukiệncânbằngnhiệtlàgì.Tôiđãnhấnmạnhtầmquantrọngcủaviệcvũtrụđãtrảiquamộttrạngtháicânbằngnhiệt-chínhnóchophéptanóimộtcáchtintưởngnhưvậyvềcácthànhphầncủavũtrụởmỗilúc.Sựthảoluậncủatachođếnchươngnàylàmộtloạtápdụngcáctínhchấtquenbiếtcủavậtchấtvàbứcxạtrongcânbằngnhiệt. Khicácvachạmhoặcquá trìnhkhácdẫnmộthệvật lýđếnmột trạngtháicânbằngnhiệt,luônluôncómộtsốđạilượngmàtrịsốkhôngthayđổi.Mộttrongcác“đạilượngđượcbảotoàn”đólànănglượngtoànphần;mặcdầu va chạm có thể chuyển năng lượng từ hạt này sang hạt khác, chúngkhôngbaogiờthayđổinănglượngtoànphầncủacáchạtthamgiavachạm.Vớimỗiluậtbảotoànđó,cómộtđạilượngmàtaphảinóirõtrướckhitacóthểvạchracáctínhchấtcủamộthệởcânbằngnhiệt-rõrànglànếumộtđạilượngnàođókhôngthayđổikhimộthệtiếnđếnbằngnhiệt,thìtrịsốcủanókhôngthểsuyrađượctừcácđiềukiệncủacânbằng,màđãphảiđượcchỉrõtrướcđó.Việcthậtlàđángchúýtrongmộthệởcânbằngnhiệtlàtấtcảcáctínhchấtcủanóđượcxácđịnhmộtcáchduynhấtmỗikhitanóirõtrịsốcủacácđại lượngđượcbảotoàn.Vũtrụđãđiquamộttrạngtháicânbằngnhiệt,chonênđểchomộttoađầyđủvềcácthànhphầncủavũtrụởcácthờikỳsơkhai,tấtcảnhữnggìtacầnlàbiếtđượcnhữngđạilượngvậtlýnàođượcbảo toàn trongkhi vũ trụ giãnnở, và giá trị của cácđạilượngđó. Thôngthường,thaychoviệcchonănglượngtoànphầncủamộthệởcânbằngnhiệt, tachonhiệtđộ.Với loạihệ taxétnhiềunhấtchođếnnay,chỉbaogồmbứcxạvànhữngsốhạtvàphảnhạtbằngnhau,nhiệtđộlà tấtcảnhữnggìcầnđượcchotrướcđểtìmracáctínhchấtcânbằngcủahệ.Nhưngthường thường ngoài năng lượng còn có những đại lượng được bảo toànkhácvàcầnchomậtđộcủamỗiđạilượng. Chẳnghạntrongmộtcốcnướcởnhiệtđộphòng,cónhữngphảnứngliêntụctrongđómộtphầntửnướcbịvỡrathànhmộtionhyđrô(mộtprotontrần,hạt nhân của hyđrô với electron đã bị tước đi) vàmột ion hyđrôxin (mộtnguyêntửôxyliênkếtvớimộtnguyêntửhyđrô,vàmộtelectronđôi)hoặctrongđócácionhyđrôvàhyđrôxinhợplạiđểtạonênphântửnước.Chúýrằngtrongmỗiphảnứngnhưvậy,sựmấtđimộtphântửnướclàmxuấthiệnmột ion hyđrô và ngược lại, trong khi những ion hyđrô và hyđrôxin luônluôn xuất hiện hoặc biến đi cùng nhau.Như vậy, các đại lượng được bảotoànlàtổngsốphântửnướccộngvớisốionhyđrô,vàsốionhyđrôtrừđisốionhyđrôxin.(Cốnhiên,còncónhữngđại lượngđượcbảotoànkhác,như

tổngsốphântửnướccộngvớicácionhyđrôxin,nhưngđấychỉlànhữngtổhợpđơngiảncủahaiđạilượngcơbảnđượcbảotoàn.(Nhữngtínhchấtcủacốcnướccủatacóthểđượcxácđịnhhoàntoànnếutanóirằngnhiệtđộlà300K(nhiệtđộphòngtrên thangKelvin), rằngmậtđộphântửnướccộngvớicácionhyđrôlà3,3x10mũ22phântửhoặcionmỗicmkhối(đạithểứng với nước ở áp suấtmặt biển), và rằngmật độ của ion hyđrô trừ ionhyđrôxinbằngkhông(ứngvớiđiệntíchthựcbằngkhông).Chẳnghạn,trongnhữngđiềukiệnđó,cómộtionhyđrôchomỗimườitriệuphântửnước(10mũ7)-ngườitanóirằngđộpHcủanướclà7.Chúýrằngtakhôngcầnphảinói việcnày trong toa của chúng ta viết cho cốcnước: ta suy ra tỷ lệ ionhyđrôtừnhữngquyluậtcânbằngnhiệt.Mặtkhác,takhôngthểsuyramậtđộ của các đại lượng được bảo toàn từ những điều kiện cân bằng nhiệt -chẳnghạntacóthểlàmchomậtđộphântửnướccộngvớiionhyđrôlớnhơnhoặcbéhơn3.3.10mũ22phântửmỗicmkhốimộtít,bằngcáchnânghoặchạápsuất-nhưvậytaphảinóirõvềchúngđểbiếttrongcốctacógì. Ví dụ này cũng giúp ta hiểu ý nghĩa xê dịch của cáimà ta gọi là đạilượng“bảotoàn”.Chẳnghạnnếunướccủataởmộtnhiệtđộhàngtriệuđộ,nhưởtronglòngmộtngôisao,khiđórấtdễchocácphântửcủaionbịphânlyvàchocácnguyêntửhợpthànhmấtelectroncủachúng.Nhữngđạilượngđượcbảotoànlúcđólàsốelectronvàcáchạtnhânoxyvàhyđrô.Mậtđộcủaphân tửnướccộngvớinguyên tửhyđrôxin trongnhữngđiềukiệnđóphảiđượctínhtoántừcácđịnhluậtcủacơhọcthốngkêchứkhôngphảilàchotrước; cốnhiênkếtquả làmậtđộđó rấtbénhỏ. (Trongđịangụchiếmcótuyết).Thựcranhữngphảnứnghạtnhâncóxảyratrongnhữngđiềukiệnđó,chonênngaysốhạtnhânmỗiloạicũngkhôngtuyệtđốicốđịnh,nhưngcácsốlượngđóthayđổichậmđếnmứcmộtngôisaocóthểcoilàtiếnhóamộtcáchdầndầntừtrạngtháicânbằngnàyđếntrạngtháicânbằngkhác. Cuốicùng,ởnhữngnhiệtđộnhiềunghìntriệuđộtrongvũtrụsơkhai,ngaycảcáchạtnhânnguyêntửcũngphânlynhanhchóngracácthànhphầncủachúng,protonvànơtron.Nhữngphảnứngxảyranhanhchóngđếnnỗivậtchấtvàphảnvậtchấtcóthểtạonêntừnănglượngđơnthuầnhoặcbịhủydiệtlại. Trongnhữngđiềukiệnđó,cácđại lượngđượcbảo toànkhôngphải lànhững sốhạt thuộcmột loại riêngnàođó.Trái lại, cácđịnh luật bảo toànthíchhợprútxuốngmộtconsốbémà(theosựhiểubiếthiệnnaycủachúngta)trongmọiđiềukiệnkhảdĩvẫncònđượctôntrọng.Ngườitatincóđúngbađạilượngđượcbảotoànmàmậtđộphảiđượcnóirõtrongtoacủatavềvũtrụsơkhai: 1.Điệntích.Tacóthểtạorahoặchủydiệtnhữngcặphạtvớiđiệntích

bằngnhaunhưngtráidấu,nhưngđiệntíchtoànphầnkhôngbaogiờthayđổi.(Tacóthểchắcchắnvềluậtbảotoànnàyhơnbấtkỳluậtbảotoànnàokhác,bởivìnếuđiệntíchkhôngđượcbảotoànthìthuyếtMaxwellvềđiệnvàtừhiệnnayđượccôngnhậnsẽkhôngcòncóýnghĩagìnữa). 2.Sốbaryon. “Baryon” làmộtdanh từ chungbaohàmcáchạtnhân,proton và nơtron, cùng với những hạt không bền nặng hơnmột tý, gọi làhyperon.Baryonvàphảnbaryoncóthểđượctạoravàhủyđitừngcặp,vàbaryoncóthểphânrãthànhranhữngbaryonkhác,nhưtrong“phânrãbêta”củamộthạtnhânphóngxạtrongđómộtnơtronbiếnthànhmộtprotonhoặcngượclại.Tuynhiên, tổngsốbaryontrừsốcácphảnbaryon(phảnproton,phảnnơtron,phảnhyperon)khôngbaogiờthayđổi.Dođóchúngtagắnmột“sốbaryon”bằng+1choproton,nơtronvàcácbaryon,vàmột“sốbaryon”bằng-1chonhữngphảnhạttươngứng;khiđóluậtlàsốbaryontoànphầnkhôngbaogiờthayđổi.Sốbaryoncóvẻnhưkhôngcómộtýnghĩađộnglựchọcnàonhưđiệntích;theotabiếthiệnnay,sốbaryonchẳngtạorađượcgìgiốngđiệntrườnghoặctừtrường.Sốbaryonlàmộtphươngphápkếtoán-ýnghĩacủanóhoàntoànlàởchỗnóđượcbảotoàn. 3. Số lepton . “Lepton” là những hạt nhẹ mang điện âm, electron vàmuon cộng với một hạt trung hòa điện có khối lượng bằng không gọi làneutrino và những phản hạt của chúng, pôzitron, phản muon và phảnneutrino.Mặcdầucókhối lượngvàđiện tíchbằngkhông,neutrinokhôngphảilànhữnghạtcótínhchấthưcấuhơnphoton.Chúngmangnănglượngvàxung lượngnhưmọi hạt khác.Luật bảo toàn số lepton làmột luật “kếtoán”khác-tổngsốcácleptontrừđitổngsốcácphảnleptonkhôngkhinàothayđổi.(Năm1962nhiềuthínghiệmvớinhữngchùmneutrinođãpháthiệnrằng ít nhất có hai loại neutrino, một loại “thuộc electron”, và một loại“thuộcmuon”,vàhailoạisốlepton:sốleptonthuộcelectronlàtổngsốcácelectron cộng với các neutrino thuộc electron trừ đi số các phản hạt củachúng, trong khi số lepton thuộcmuon là tổng số cácmuon cộng với cácneutrinothuộcmuontrừsốcácphảnhạtcủachúng.Cảhaixemrađượcbảotoànmột cách tuyệtđối, nhưng ta cũngkhôngbiết thật chắc chắnvềđiềunày). Mộtvídụtốtvềsựđúngđắncủaluậtnàylàsựphânrãphóngxạcủamộtnơtronn thànhmộtprotonp,mộtelectrone-,vàmộtphảnneutrino(thuộcelectron).Cácgiá trị củađiện tích, sốbaryon,và số leptoncủamỗihạt lànhưsau:

Bạn đọc có thể dễ dàng kiểm tra rằng tổng các giá trị của bất cứ đạilượngđượcbảotoànnàocủanhữnghạtởtrạngtháicuốicùngbằnggiátrịcủađạilượngđóởnơtronbanđầu.Đâylàcáimàtagọilàsựviệc“cácđạilượng đó được bảo toàn”. Các luật bảo toàn rất quan trọng vì chúng chochúngtabiếtrằngmộtsốlớnphảnứngkhôngthểxảyra,chẳnghạnnhưquátrìnhphânrãbịcấmtrongđómộtnơtronphânrãthànhmộtprotonvànhiềuhơnmộtphảnneutrino. Nhưvậy,đểhoànthiệntoachocácthànhphầncủavậntốcởbấtcứthờigiannào,taphảinóirõđiệntích,sốbaryonvàsốleptonchomỗiđơnvịthểtíchcũngnhưnhiệtđộlúcđó.Cácluậtbảotoànchotabiếtrằngtrongmộtthểtíchnàođócũnggiãnnởvớivũtrụ,trịsốcủacácđạilượngnàyđượcgiữnguyên.Nhưvậy,điệntích,sốbaryonvàsốleptontrongmỗiđơnvịthểtíchchỉ biến thiên theo số đảo của lập phương kích thước vũ trụ. Nhưng sốphotontrongmỗiđơnvịthểtíchcũngbiếnthiêntheosốđảocủalậpphươngkíchthướcvũtrụ.(Tađãthấytrongchươngbarằngsốphotontrongmỗiđơnvịthểtíchtỷlệvớilậpphươngnhiệtđộ,trongkhiđó,nhưtađãlưuýởđầuchươngnày,nhiệtđộbiếnthiêntheosốđảocủakíchthướccủavũtrụ).Dođó,điệntích,sốbaryonvàsố leptontrênmỗiphotonđượcgiữnguyên,vàtoacủachúngtacóthểđượcđưaramộtlầnchomãimãibằngcáchghirõgiátrịcủacácđạilượngđượcbảotoànnhưmộtsốtỷlệvớisốphoton. (Nóichặtchẽ ra,đại lượngbiến thiênnhưsốđảocủa lậpphươngkíchthước của vũ trụ không phải là số photon trênmỗi đơn vị thể tíchmà làentropitrênmỗiđơnvịthểtích.Entropilàmộtđạilượngcơbảncủacơhọcthốngkê,có liênhệvớiđộhỗnđộncủamộthệvật lý.Ngoàimột thừasốquyướcbằngsố,entropiđượcchovớimộtgầnđúngkhátốtnhưlàtổngtấtcảcáchạtởcânbằngnhiệt,hạtvậtchấtcũngnhưphoton,vớinhữngloạihạtkhác nhaumang các đặc trưngghi ở bảngmột.Các hằng sốmà chúng tathựcsựphảidùngđểđặctrưngvũtrụcủachúngtalàcáctỷsốgiữađiệntíchvà entropi, số baryon và entropi, số lepton và entropi. Tuy nhiên, dù là ởnhiệt độ rất cao, số hạt vật chất nhiều nhất cũng cùng bậc độ lớn như sốphoton, do do đó ta sẽ không sai lầm lắm nếu dùng số photon thay choentropiđểlàmmộtchuẩnsosánh). Dễướclượngđiệntíchvũtrụtrênmỗiphoton.Vớisựhiểubiếthiệnnaycủata,mậtđộtrungbìnhcủađiệntíchlàbằngkhôngtrongkhắpvũtrụ.Nếumặttrờivàquảđấtcómộtđiệntíchdươnglớnhơnđiệntíchâm(hoặcngược

lại)chỉkhoảngmộtphầntriệutriệutriệutriệutriệutriệu(10mũ36),lựcđẩyđiệngiữachúngsẽphảilớnhơnlựchấpdẫn.Nếuvũtrụlàhữuhạnvàđóng,tacòncóthểđưanhậnxétđólênthànhmộtđịnhlý:Điệntíchtoànphầncủavũ trụ phải bằng không, vì nếu không như vậy thì các đường lực điện sẽcuốnquanhquanhvũtrụ,tạonênmộttrườngđiệnvôhạn.Nhưngdùvũtrụlàmởhayđóng,cóthểnóimộtcáchchắcchắnrằngđiệntíchvũtrụtrênmỗiphotonlàkhôngđángkể. Sốbaryon trênmỗiphotoncũngdễước lượng.Nhữngbaryonbềnduynhấtlànhữnghạthạtnhân,protonvànơtron,vàphảnhạtcủachúng,phảnprotonvàphảnnơtron.(Nơtrontựdothựcralàkhôngbền,cóthờigiansốngtrungbìnhlà15,3phút,nhưngcáclựchạtnhânlàmchonơtrontrởnêntuyệtđốibềntrongcáchạtnhânnguyêntửcủavậtchấtthôngthường).Ngoàira,nhưtabiết,hiệnnaykhôngcómộtlượngphảnvậtchấtđángkểnàotrongvũtrụ.(Tasẽnóinhiềuhơnvềđiềunàyởnhữngphầnsau).Dođó,sốbaryoncủabấtkỳphầnnàocủavũ trụhiệnnayvềcănbảnbằngsốhạthạtnhân.Trong chương trước ta thấy rằng hiện nay cómột hạt nhân chomỗi 1000triệuphotontrongphôngbứcxạcựcngắn(consốchínhxácchưađượcrõ),nhưvậysốbaryontrênmỗiphotonlàvàokhoảngmộtphầnnghìntriệu(10mũ-9). Đóthựclàmộtkếtluậnđángchúý.Đểthấyđượccáchệquảcủanó,tahãyxétmộtlúctrongquákhứkhinhiệtđộởtrênmườitriệutriệuđộ(10mũ13K),nhiệtđộngưỡngđốivớinơtronvàproton.Lúcđóvũtrụchắcđượcchứanhiềuhạtvàphảnhạt,nhiềuvàokhoảngnhưphoton.Nhưngsốbaryonlàhiệugiữacácsốhạtvàphảnhạthạtnhân.Nếuhiệuđólà1000triệulầnnhỏhơnsốphoton,vàdođócũngvàokhoảng1000triệulầnbéhơntổngsốhạthạtnhân,thìkhiđósốhạthạtnhânsẽchỉphảilớnhơnsốphảnhạtlàmộtphầnnghìntriệu.Theocáchnhìnđó,khivũtrụnguộixuốngdướinhiệtđộngưỡngcủacáchạthạtnhân,cácphảnhạtđềubịhủyvớicáchạttươngứng,đểlạimộtsốítcònthừanhưlàmộtphầndưmàlúcnàođấyđãtrởthànhthếgiớicủachúngta. Sựxuấthiệntrongvũtrụhọcmộtconsốthuầntúynhỏbằngmộtphầnnghìntriệuđãlàmchomộtvàinhàlýthuyếtchorằngconsốđóthựcsựbằngkhông-nghĩa làvũ trụ thựcrachứađựngmột lượngvậtchấtvàphảnvậtchất ngang nhau.Khi đó việc số baryon trênmỗi photon có vẻ bằngmộtphầnmườinghìntriệuphảiđượcgiảithíchbằngcáchgiảthiếtrằngmộtlúcnàođótrướckhinhiệtđộvũtrụhạxuốngdướinhiệtđộngưỡngđốivớicáchạthạtnhân,đãxảyrasựtáchvũtrụrathànhnhữngvùngkhácnhau,mộtsốvùngcómộtđộdôinhỏ(mộtvàiphầnnghìntriệu)củavậtchấtsovớiphảnvậtchất,vàmộtsốvùngkháccómộtđộdôinhỏcủaphảnvậtchấtsovớivật

chất.Saukhinhiệtđộhạxuốngvàtấtcảcáccặpvậtchất-phảnvậtchấtcóthểhủyđượcđềuđãbịhủy,vũtrụcònlạibaogồmnhữngvùngchỉcóvậtchấtvànhữngvùngchỉcóphảnvậtchất.Cáiphiềncủaýtưởngnàylàchưaaithấyđượcnhữngdấuhiệuvềnhữnglượngphảnvậtchấtđángkểởbấtcứđâutrongvũtrụ.Cáctiachúngtađitớinhữnglớpkhíquyểncaocủaquảđấtchúngtađượccoilàxuấtphátmộtphầntừnhữngvùngởxatrongthiênhàcủachúngtavàcóthểmộtphầntừngoàithiênhàcủachúngta.Cáctiavũtrụđạibộphậnlàvậtchấtchứkhôngphảiphảnvậtchất-thậtrachođếnnaychưaaiđãquansátđượcmộtphảnphotonhoặcmộtphảnhạtnhântrongcáctiavũtrụ.Ngoàira,takhôngthểquansátđượccácphotoncóthểtạonêntừsựhủycủavậtchấtvàphảnvậtchấtởquymôvũtrụ. Mộtkhảnăngkháclàmậtđộphoton(hoặcnóiđúnghơn,mậtđộentropi)đãkhôngđượcgiữ tỷ lệvớisốđảocủa lậpphươngkích thướccủavũ trụ.Điềunàycóthểxảyranếuđãcómộtloạisaikhácnàođósovớitrạngtháicânbằngnhiệt,mộtloạimasáthoặcđộnhớtcóthểđốtnóngvũtrụvàtạonênnhữngphotondôira. Trongtrườnghợpnày,sốbaryontrênmỗiphotoncóthểbắtđầutừmộtgiátrịkhakhá,cóthểvàokhoảngmột,vàtừđótụtxuốnggiátrịthấpnhấthiệnnaydocónhiềuphotonhơnđượctạonên.Cáikhólàchưaaicóthểđưaramộtcơchếchi tiếtnàođóvềquátrìnhtạoracácphotonthừađó.Cáchđâyvàinămtôiđãthửtìm,nhưngđãthấtbạihoàntoàn. Saunày,tôisẽkhôngnóiđếntấtcảnhữngkhảnăng“khôngchuẩn”này,vàsẽđơngiảnchorằngsốbaryontrênmỗiphotonlà:khoảngmộtphầnnghìntriệu. Vềmậtđộsố leptonvũtrụ thìsao?Việcvũtrụkhôngcóđiệntíchnóichotahaytrựctiếprằnghiệnnaycóđúngmộtelectronmangđiệntíchâmchomỗiprotonmangđiệndương.Khoảng87%hạthạtnhân trongvũ trụhiệnnaylàproton,nhưvậysốelectrongầnbằngtổngsốhạthạtnhân.Nếuelectronlànhữngleptonduynhấttrongvũtrụhiệnnay,thìtacóthểkếtluậnngaylàsốleptonchomỗiphotonlàđổđồngbằngsốbaryonchomỗiphoton. Tuy nhiên, cómột loại hạt bền khác ngoài electron và pôzitron,mangmột số lepton không bằng không: neutrino và phản hạt của nó, phảnneutrino, là những hạt không khối lượng trung hòa về điện, như photon,nhưngcósố lepton lần lượt là+1và -1.Nhưvậy,đểxácđịnhmậtđộsốleptoncủavũtrụhiệnnay,tacầnbiếtmộtítgìđóvềcácmậtđộneutrinovàphảnneutrino. Tiếcthay,rấtkhóthuđượcthôngtinđó.Neutrinogiốngelectronởchỗnókhôngchịuảnhhưởngcủalựchạtnhânmạnhgiữcácphotonvànơtron

bên trong hạt nhân nguyên tử (thỉnh thoảng tôi dùng chữ neutrino để chỉneutrino hoặc phản neutrino). Tuy nhiên, khác electron, nó trung hòa vềđiện,dovậycũngkhôngchịuảnhhưởngcủacáclựcđiệnvàtừ,nhữnglựcgiữelectronởlạitrongnguyêntử.Thựcra,neutrinokhôngchịuảnhhưởnggìnhiềulắmcủabấtkỳloạilựcnào.Chúnghưởngứngcũngnhưbấtkỳvậtnàokháctrongvũtrụvớilựchấpdẫn,vàchúngcũngnhạyvớilựcyếuchịutráchnhiệmvềcácquátrìnhphóngxạnhưlàsựphânrãnơtronđãnhắcđếntrướcđây,nhưngcáclựcđóchỉgâynênmộttươngtácyếuvớivậtchấtbìnhthường.Vídụthườngđượcđưarađểchỉrõneutrinotươngtácyếunhưthếnàolà,đểcómộtcơhộiđángkểđểchặnđứnghoặctánxạmộtneutrinochotrướcnàođóđượctạonêntrongquátrìnhphóngxạnàođótaphảiđặtmộttấmchìdàytớinhiềunămánhsángtrênđườngđicủanó.Mặttrờibứcxạneutrinomộtcáchliêntục,chúngđượctạonênkhiprotonbiếnthànhnơtrontrongcácphảnứnghạtnhântronglòngmặttrời;cácneutrinođóxuyênquangườitatừtrênxuốngbanngàyvàtừdướilênvàobanđêm,khimặttrờiởbên phía kia của quả đất, vì quả đất hoàn toàn trong suốt đối với chúng.NeutrinođượcWolfgangPauli giả thiết từ lâu trướckhi chúngđượcquansát,nhưmộtcáchđểlàmcânbằngnănglượngtrongmộtquátrìnhnhưlàsựphânrãnơtron.Mãiđếncuốinhữngnăm1950ngườitamớicóthểpháthiệnđượcneutrinovàphảnneutrinomộtcáchtrựctiếp,bằngcáchtạonêntrongcáclòphảnứnghạtnhânhoặcnhữngmáygiatốchạtnhữnglượnglớnđếnmứcvàitrămhạtthựcsựđãdừnglạiởtrongcácthiếtbịpháthiện. Dokhảnăngtươngtáccựcyếuđónêndễhiểurằngcónhữnglượnglớnneutrino vàphảnneutrino có thể chứađầyvũ trụquanh ta, songchúngtakhônghềcómộtgợiýnàovềsựcómặtcủachúng.Cóthểđặtmột vài giới hạn trên thô thiển về số neutrino và phản neutrino: Nếu cónhữnghạtđóquánhiềuthìkhiđónhữngquátrìnhphânrãhạtnhânyếunàođócó thểbị ảnhhưởngchút ít, và thêmvàođấy sựgiãnnởvũ trụ có thểgiảmtốcnhanhhơnlàđượcquansát.Tuynhiên,cácgiớihạntrênđókhônglàmmấtđikhảnăngcónhiềuneutrinovà(hoặc)phảnneutrinonhưphoton,vàvớinhữngnănglượngtươngtự. Dùcónhữngýkiếnnhưvậy,cácnhàvũtrụhọcvẫnthườngchorằngsốlepton(sốcácelectron,muonvàneutrino,trừđisốcácphảnhạttươngứng)trênmỗi photon là bé, béhơnmột nhiều.Đó là hoàn toàn trên cơ sở tínhtương tự - sốbaryon trênmỗiphôton làbé,vậy tại saosố lepton trênmỗiphôtonlạikhôngbé?Đólàmộttrongnhữnggiảthiếtítchắcchắnnhấttrong“môhìnhchuẩn”,nhưngmaythaydùnó làsai thìbức tranhtổngquátmàchúngtasuyracũngchỉthayđổiởvàichitiếtmàthôi. Tấtnhiên trênnhiệtđộngưỡngđốivới electroncó rấtnhiều leptonvà

phản lepton - số electron và pôzitron gần bằng số photon. Dù vậy, trongnhữngđiềukiệnđó,vũtrụnóngvàcómậtđộlớnđếnmứccảcácneutrino“ma” cũng đạt được cân bằng nhiệt, cho nên cũng cómột số neutrino vàphảnneutrinogầnbằngsốphoton.Trongmôhìnhchuẩn, tagiả thiết làsốlepton,hiệugiữasốlượngleptonvàphảnlepton,làvàđãlàbéhơnsốlượngphoton.Trướcđâycóthểcómộtđộdôinhỏcủaleptonsovớiphảnlepton,nhưđộdôinhỏcủabaryonsovớiphảnbaryonđãnóiđếnởtrên,độdôiđóđãcònlạichođếnngàynay.Ngoàira,neutrinovàphảnneutrinotươngtácyếuđếnnỗimộtsốlớnchúngcóthểthoátkhỏisựhủy,trongtrườnghợpđóbây giờ có thể có những khối lượng neutrino và phản neutrino gần bằngnhau,sosánhđượcvớisốlượngphoton.Tasẽthấytrongchươngsaurằngchúnglàđiềumàngườitatintưởng,nhưngtrongmộttươnglaigầnhầunhưkhôngcómộtcơhộinhỏbénhấtnàođểquansátđượcconsốtolớnneutrinovàphảnneutrinoxungquanhta. Nhưvậy,đâylàmộttoacủachúngtachocácthànhphầncủavũtrụsơkhai.Lấymộtđiệntíchchomỗiphotonbằng0,mộtsốbaryonchomỗiphotonbằngmộtphầnnghìntriệuvàmộtsốleptonchomỗiphotonkhôngchắclắmnhưngbé.Lấynhiệtđộởbấtkỳthờigiannàolớnhơnnhiệtđộ3Kcủaphôngbứcxạhiệnnaytheotỷlệgiữakíchthướchiệnnaycủavũtrụvàkích thước lúcđó.Khuấyđều, saochocácphânbốchi tiếtcủanhữnghạtthuộc các loại khác nhau được xác định bởi những yêu cầu của cân bằngnhiệt.Đặtvào trongmộtvũ trụgiãnnở,vớimột tốcđộgiãnnởđượcquyđịnhbởitrườnghấpdẫndomôitrườngđósinhra.Saumộtthờigianchờđợiđủlâu,“bátthuốc”nàysẽtrởthànhvũtrụhiệnnaycủata.

V-Baphútđầutiên

Bâygiờchúngtađãsẵnsàngđể theodõiquátrìnhtiếnhóacủavũtrụquabaphútđầutiêncủanó.Lúcđầucácbiếncốvậnđộngnhanhhơnsauđónhiều,chonêntakhôngcólợinếuchỉranhữnghìnhảnhcáchđềunhauvềthờigiannhưmộtphimảnhbìnhthường.Thayvàođó,tôisẽđiềuchỉnhtốcđộcủacuộnphimcủatatheonhiệtđộhạdầncủavũtrụ,ngưngmáyquayđểchụpmộtcảnhmỗikhinhiệtđộhạxuốngkhoảngbalần. Tiếcthaytôikhôngthểbắtđầucuốnphimlúcthờigianbằngkhôngvànhiệtđộvôcùng lớn.Trênmộtnhiệtđộngưỡng15nghìn triệuđộKelvin(15.10mũ12K),vũtrụđãchứađầynhữngsốlượnglớnhạtgọilàmêzonpi,chúngnặngkhoảngmộtphầnbảymộthạthạtnhân(xembảng1).Khácvớielectron,pôzitron,muonvàneutrino,cácmêzonpi tương tácrấtmạnhvớinhauvàvớicáchạthạtnhân-thựcra,sựtraođổiliêntụccácmêzonpigiữacác hạt hạt nhân chịu trách nhiệm về phần lớn lực hút giữa các hạt nhânnguyêntửlạivớinhau.Sựcómặtcủanhữngsốlớnhạttươngtácmạnhnhưvậylàmchoviệctínhtoánbiếndiễncủavậtchấtởnhiệtđộsiêucaolàcựckỳkhókhăn,chonênđể tránhnhữngbài toánkhónhưvậy, tôisẽbắtđầucâuchuyệntrongchươngnàyởmộtphầntrămgiâysaulúcbắtđầu,khinhiệtđộđãlạnhđichỉcònmộttrămnghìntriệuđộKelvinmàthôi,chắcchắndướinhiệt độ ngưỡng đối với mêzon pi, muon và tất cả các hạt nặng hơn. Ởchươngbảytôisẽnóimộtítvềsựsuynghĩcủacácnhàvậtlýlýthuyếtvềchuyệngìcóthểxảyragầnthờiđiểmbắtđầuhơnthếnữa. Vớinhữngquyướcnhưvậy,tahãybắtđầucuốnphimcủata. Cảnhmột.Nhiệtđộcủavũtrụlà100000triệuđộKelvin(10mũ11K).Việcmôtảvũtrụđơngiảnvàdễdànghơnlàbấtcứlúcnàosaunày.Nóchứađầymột thứ súphỗnđộncủavật chấtvàbứcxạ,mỗihạt củanóvachạmrấtnhanhvớinhữnghạtkhác.Nhưvậy,mặcdùgiãnnởnhanh,vũtrụởtrongmộttrạngtháicânbằngnhiệtgầnnhưhoànhảo.Cácthànhphầncủavũtrụvìvậyđượcquyđịnhbởicácluậtcủacơhọcthốngkê,vàkhôngphụthuộcvàocáiđãxảyratrướccảnhmột.Tấtcảnhữngcáichúngtacầnbiếtlànhiệtđộở10mũ11Kvàcácđạilượngđượcbảotoàn-điệntích,sốbaryon,sốlepton-tấtcảđềurấtbéhoặcbằng0. Nhữnghạtcónhiềulúcđólànhữnghạtmànhiệtđộngưỡngởdưới11mũ11K;đólàelectronvàphảnhạtcủanó,pôzitron,vàcốnhiênlànhững

hạtkhôngkhối lượngphoton,neutrinovàphảnneutrino(một lầnnữaxembảng1).Vũ trụcómậtđộcaođếnmứccácneutrinocó thểduhànhhàngnămxuyênquanhững tườngbằngchìmàkhôngbị tánxạ,đượcgiữ trongcânbằngnhiệtvớielectron,pôzitronvàphotonbằngnhữngvachạmnhanhvới chúng và giữa chúng với nhau. (Tôi lại sẽ thỉnh thoảng chỉ dùng từ“neutrino”)đểchỉneutrinovàphảnneutrino). Mộtsựđơngiảnhóakhác-nhiệtđộ10mũ11Klàcaohơnnhiềusovớinhiệtđộngưỡngchoelectronvàpôzitro.Kếtquảlànhữnghạtđó,cũngnhưphotonvàneutrino,biếndiễnđúngnhưnhiều loạibứcxạkhácnhaukhác.Mậtđộnănglượngcủanhữngloạibứcxạkhácnhauđólàbaonhiêu?Theobảng1,electron,pôzitroncùngnhauđónggóp7/4nănglượngnhưphotonvàcácneutrinovàphảnneutrinođónggópbằngcácelectronvàpôzitron,vìvậynănglượngtoànphầnlớnhơnmậtđộnănglượngtínhchobứcxạđiệntừởnhiệtđộđó,là 7/4+7/4+1=9/2lần ĐịnhluậtStefan-Boltzmann(xemchươngIII)chomậtđộnănglượngcủabứcxạđiệntừởnhiệtđộ10mũ11Kbằng4,72x1044electron-vônmỗilít,chonênmậtđộnănglượngtoànphầncủavũtrụởnhiệtđộđólà9/2lầnlớnhơn,hoặc21x10mũ44electron-vônmỗilít.Giátrịnàytươngđươngvớimộtmậtđộkhốilượnglà3,8nghìntriệukilogammỗilít,hoặc3,8nghìntriệulầnmậtđộcủanướctrongđiềukiệnbìnhthườngtrênquảđất.(Khitôinóimột năng lượng nào đó tương đương vớimột khối lượng nào đó, tấtnhiêntôimuốnnóirằngđólànănglượngcóthểđượcgiảiphóngtheocôngthứcEinstein,E=mc2nếukhối lượngđượcchuyểnhoàn toàn thànhnănglượng).NếunúiEverestđượclàmbằngvậtchấtcómậtđộnhưvậy,thìlựchấpdẫncủanósẽpháhủytráiđất. Vũtrụtrongcảnhmộtgiãnnởvànguộiđinhanhchóng.Tốcđộgiãnnởđượcquyđịnhbằngđiềukiệnlàmỗiphầnnhỏcủavũtrụđềuchuyểnđộngđúngvớivậntốcthoátkhỏibấtkỳtâmtùyýnào.Vớimậtđộtolớntrongcảnhmột,vậttốcthoátcũnglớntươngứng-thờigianđặctrưngchosựgiãnnởvũ trụ làvàokhoảng0,02giây (xemchú thích toánhọc3).“Thờigiangiãnnởđặctrưng”cóthểđượcđịnhnghĩathôthiểnlàmộttrămlầnkhoảngthờigianchokíchthướcvũtrụtăng1%.Nóichínhxáchơn,thờigiangiãnnởđặctrưngởbấtkỳlúcnàocũnglànghịchđảocủa“hằngsố”Hubblelúcđó.NhưđãlưuýởchươngII,tuổivũtrụluônbéhơnthờigiangiãnnởđặctrưng,bởivìlựchấpdẫnhãmbớtsựgiãnnởmộtcáchliêntục). Cómột số ít hạt hạt nhân vào lúc cảnhmột, khoảngmột proton hoặcnơtron chomỗi nghìn triệuphotonhoặc electronhoặcneutrino.Để có thể

khicầntiênđoánđộnhiềucủacácnguyêntốhóahọctạonêntrongvũtrụsơkhai,tacũngcầnbiếtcáctỷlệtươngđốicủaprotonvànơtron.Nơtronnặnghơn proton và hiệu khối lượng giữa chúng tương đương với năng lượng1,293 triệu electron - vôn. Tuy nhiên năng lượng đặc trưng của electron,pôzitron,v.v…ởmộtnhiệtđộ10mũ11Klàlớnhơnnhiều,khoảngmườitriệuelectron-vôn(hằngsốBoltzmannnhânvớinhiệtđộ).Nhưvậy,nhữngvachạmgiữanơtronhoặcprotonvớinhữngelectron,pôzitronv.v…nhiềuhơnnhiều,sẽtạonênnhữngsựchuyểnnhanhtừprotonquanơtronvàngượclại.Cácphảnứngquantrọngnhấtlà Phảnneutrinocộngprotonchopôzitroncộngnơtron (vàngượclại) Neutrinocộngnơtronchoelectroncộngproton (vàngượclại) Vớigiảthiếtrằngsốleptonvàđiệntíchtoànphầnchomỗiphotonlàrấtbé, số neutrino và phản neutrino sẽ bằng nhau, cũng như số pôzitron vàelectron,chonêncácsựchuyểntừprotonđếnnơtroncũngnhanhnhưcácsựchuyểntừnơtronđếnproton.(Sựphânrãphóngxạcủanơtroncóthểđượcbỏ qua ở đây vì nó diễn ra khoảng mười lăm phút, mà ta hiện đang xétkhoảng thời gian hàng phần trăm giây).Như vậy, sự cân bằng đòi hỏi sốprotonvànơtrongầnbằngnhauởcảnhmột.Nhữnghạthạtnhânđóchưaliênkết lạiđểthànhcáchạtnhân;nănglượngcầnđểphávỡmộthạtnhânđiểnhìnhmộtcáchhoàntoànchỉlà6đến8triệuelectron-vônchomỗihạthạtnhân;nóbéhơncácnăng lượngnhiệtđặc trưngở10mũ11K,dođónhững hạt nhân phức tạp bị phá hủy cũng nhanh chóng như chúng hìnhthành. Tựnhiênnảyracâuhỏi:vũtrụtrongnhữngthờikỳsơkhainhấtlớnnhưthếnào.Tiếcthaychúngtakhôngbiếtđược,vàchúngtacũngkhôngchắclắmrằngcâuhỏiđócómộtýnghĩanàođó.NhưđãnóiởchươngIIvũtrụhiệnnaycũngcó thể làvôhạn, trongtrườnghợpđónócũngđã làvôhạntrongthờigiancủacảnhmộtvàsẽluônluônlàvôhạn.Mặtkhác,cóthểlàhiệnnayvũtrụcómộtchuvihữuhạn,đôikhiđượcướclượngkhoảng125nghìn triệunămánh sáng. (Chuvi làkhoảngcáchmà taphải đi theomộtđườngthẳngchođếnkhitrởvềchỗcũ.SốướclượngđódựatrêngiátrịhiệnnaycủahằngsốHubble,vớigiảthiếtrằngmậtđộvũtrụgấpđôigiátrị“tớihạn”củanó).Donhiệtđộcủavũtrụhạxuốngtỷlệnghịchvớikíchthướccủanó,chuvicủavũtrụởthờikỳcảnhmộtbéhơnbâygiờtheotỷlệcủanhiệtđộlúcđó(10mũ11K)vànhiệtđộbâygiờ(3K);điềunàychotamộtchuviởcảnhmộtkhoảngbốnnămánhsáng.Khôngcóchitiếtnàocủasự

tiếnhóavũtrụtrongvàiphútđầutiênphảiphụthuộcvàoviệcchuvicủavũtrụlúcđólàvôhạnhoặcchỉbằngvàinămánhsáng. Cảnhhai.NhiệtđộcủavũtrụlàbamươinghìntriệuđộKelvin(3x10mũ10K).Từcảnhmột,0,11giâyđãtrôiqua.Khôngcógìthayđổimộtcáchđịnhtính-thànhphầncủavũtrụvẫnchủyếulàelectron,neutrino,phảnneutrinovàphoton,tấtcảđềuởcânbằngnhiệtvàtấtcảởxatrênnhiệtđộngưỡngcủachúng.Từđómậtđộnănglượngquảlàgiảmnhưlũythừabốncủa nhiệt độ, đến vào khoảng bamươi triệu lầnmật độ năng lượng chứađựngtrongkhốilượngnghỉcủanướcbìnhthường.Tốcđộgiãnnởgiảmnhưbìnhphươngnhiệtđộ,dođóthờigiangiãnnởđặctrưngcủavũtrụbâygiờđãkéodàitrongkhoảng0,2giây.Sốnhỏhạtnhânvẫnchưaliênkếtthànhcáchạtnhân,nhưngvìnhiệtđộhạthấp,bâygiờcácnơtronnặnghơnbiếnthànhprotonnhẹhơnmộtcáchdễdànghơnnhiềusovớingượclại.Sựcânbằnghạtnhândođóđãbịlệchthành38%nơtronvà62%proton. Cảnhba.NhiệtđộcủavũtrụlàmườinghìntriệuđộKelvin(10mũ10K).Từcảnhmột,1,09giâyđãtrôiqua.Trongthờigianđómậtđộvànhiệtđộ ngày càng hạ thấp đã làm tăng thời gian sống tự do trung bình củaneutrino và phản neutrino lên đến mức mà chúng bắt đầu diễn biến nhưnhững hạt tự do không còn ở cân bằng nhiệt với electron, pôzitron vàphoton.Từđây, chúng sẽkhôngcònđóngvai trògìquan trọng trongcâuchuyệncủata,trừviệcnănglượngcủachúngvẫntiếptụccungcấpmộtphầnchonguồntrườnghấpdẫncủavũtrụ.Khôngcógìthayđổilớnkhineutrinothoátrakhỏicânbằngnhiệt.(Trướcsự“đứtliênkết”đó,nhữngbướcsóngneutrino điển hình là tỷ lệ nghịch với nhiệt độ, và do nhiệt độ giảm tỷ lệnghịchvớikíchthướcvũtrụ,nhữngbướcsóngneutrinotăngtỷlệthuậnvớikíchthướcvũtrụ.Sausựđứtliênkếtneutrino,cácneutrinosẽgiãnnởtựdo,nhưng dịch chuyển đỏ chung sẽ kéo dài những bước sóng của chúngmộtcáchtỷlệthuậnvớikíchthướcvũtrụ.Nhântiệnnóithêm,điềunàychỉrõrằngviệcxácđịnhthờiđiểmchínhxáccủasựđứtliênkếtneutrinolàkhôngquantrọnglắm,nhưvậycũngrấttốt,bởivìnóphụthuộcvàonhữngchitiếtcủathuyếtvềtươngtáccủaneutrinohiệnnayvẫnchưađượcrõrànglắm.). Mậtđộnănglượngtoànphầnnhỏhơnsovớitrongcảnhtrướcmộtsốlầnbằnglũythừabậcbốncủatỷsốgiữacácnhiệtđộ,nhưvậybâygiờnótươngđươngvớimộtmậtđộkhốilượng380nghìntấnmậtđộcủanước.Thờigiangiãnnởđặctrưngcủavũtrụđãtănglênmộtcáchtươngứngđếnkhoảng2giây.Nhiệtđộbâygiờchỉgấpđôinhiệtđộngưỡngcủaelectronvàpôzitron,chonênchúngbắtđầubịhủydiệtnhanhhơnlàđượctáitạonêntừbứcxạ. Bâygiờhãycònquánóngđểchoprotonvànơtroncóthểliênkếtthànhcác hạt nhân nguyên tử trongmột thời gian đáng kể nào đó.Nhiệt độ hạ

xuống bây giờ cho phép sự cân bằng proton - nơtron bị lệch thành 24%nơtronvà76%proton. Cảnhbốn.NhiệtđộvũtrụbâygiờlàbanghìntriệuđộKelvin(3x10mũ9K).Từcảnhmột,13,82giâyđãtrôiqua.Bâygiờchúngtađangởdướinhiệtđộngưỡngchoelectronvàpôzitron,chonênchúngbắtđầubiếnmấtnhanh chóng khỏi các thành phần chính của vũ trụ. Năng lượng thoát ratrongsựhủychúngđãlàmgiảmtốcđộlạnhxuốngcủavũtrụ,chonêncácneutrinokhôngnhậnđượcgìtừnhiệtthừanày,bâygiờlàlạnhhơnelectron,pôzitronvàphotonkhoảng8%.Từđây,khichúngtanóivềnhiệtđộcủavũtrụ,tachỉcóýnóivềnhiệtđộcủaphoton.Khielectronvàpôzitronmấtđinhanhchóng,mậtđộnănglượngcủavũtrụbâygiờbéhơnmộtchútsovớikhinóhạxuốngmộtcáchđơngiảnnhưlũythừabậcbốncủanhiệtđộ. Bâygiờđãđủlạnhđểchomộtsốhạtnhânbềnnhưhêli(Hemũ4)hìnhthành,nhưngviệcđókhôngxảyratứckhắc.Lýdolàvìvũtrụđanggiãnnởnhanhđếnmứccáchạtnhânchỉ có thểhình thành saumột loạtphảnứngnhanhgiữahaihạt.Chẳnghạn,mộtprotonvàmộtnơtroncóthểtạonênmộthạtnhânhyđrônặng,hoặcđơtêri,vớixung lượngvànăng lượngdôiđượcmộtphotonmangđi.Hạtnhânđơtêrilúcđócóthểvachạmvớimộtnơtronhoặcmộtprotontạonênhoặcmộthạtnhâncủađồngvịnhẹ,heliba(Hemũ3),gồmhaiprotonvàmộtnơtron,hoặcđồngvịnặngnhấtcủahyđro,gọilàtriti(Hmũ3),gồmmộtphotonvàhainơtron.Cuốicùng,hêlibacóthểvachạm với một nơtron, và triti có thể va chạm với một proton, trong haitrường hợp tạo nênmột hạt nhân hêli thông thường (Hemũ 4), gồm haiprotonvàhainơtron.Nhưngđểchodãyphảnứngnàyxảyra,cầnbắtđầuvớibướcđầutiên,sựtạorađơtơri. Nhưnghêli thôngthườnglàmộthạtnhânđược liênkếtmạnh,chonênnhưtôiđãnói,nócóthểtồntạiởnhiệtđộcủacảnhthứba.Tuynhiên,tritivàhêlibaliênkếtkémmạnhhơnnhiềuvàđơtêrilạiliênkếtcựckỳyếu.(Đểphávỡmộthạtnhânđơtêri,chỉcầnmộtphầnchínnănglượngsovớinănglượngđểbứtmộthạthạtnhânduynhấtkhỏihạthêli).Ởnhiệtđộ10mũ10Kcủacảnhbốn,cáchạtnhânđơtêribịnổtungliềnngaysaukhichúngđượctạonên,nhưvậycáchạtnhânnặnghơnkhómàđượctạothành.Nơtronvẫnđượcbiếnthànhproton,tuyrằngchậmhơnnhiềusovớitrước;trạngtháicânbằngbâygiờlà17%nơtronvà83%proton. Cảnhnăm.NhiệtđộcủavũtrụbâygiờlàmộtnghìntriệuđộKelvin(10mũ9K),chỉvàokhoảng70lầnnónghơntâmmặttrời.Từcảnhmột,ba phút hai giây đã trôi qua. Electron và pôzitron phần lớn đãmất đi, vàthànhphầnchủyếucủavũtrụbâygiờlàphoton,neutrinovàphảnneutrino.Nănglượngđượcgiảiphóngtrongsựhủycủaelectron-pôzitronđãchocác

photonmộtnhiệtđộ35%caohơnnhiệtđộcủaneutrino. Vũtrụbâygiờcũngđủlạnhđểchocáchạtnhântritivàhêlibacũngnhưhêli thông thường tồn tại, nhưng “chướng ngại đơtêri” vẫn còn tác động:Nhữnghạtnhânđơtêrikhôngđượcgiữđủlâuđểchophépmộtsốkhảquanhạtnhânnặnghơnđượchìnhthành.Cácvachạmgiữanơtronvàprotonvớielectron, neutrino và các phản hạt của chúng bây giờ đã chấm dứt hẳn,nhưngsựphânrãcủanơtrontựdobắtđầulàquantrọng;mỗi100giây,10%củacácnơtroncònlạisẽphânrãthànhproton.Cáncânnơtron-protonbâygiờlà14%nơtron,86%proton. Muộnhơnmộtchút.Mộtlúcngắnsaucảnhnăm,mộtsựkiệnđộtngộtxảy ra:nhiệtđộhạxuốngđếnđiểmmàcáchạtnhânđơtêricó thể tồn tại.Mộtkhichướngngạiđơtêrikhôngcònnữa,nhữnghạtnhânnặnghơncóthểđượctạonênrấtnhanhchóngbởidãycácphảnứnghaihạtđượcmôtảtrongcảnhbốn.Tuynhiên,nhữnghạtnhânnặnghơnhêlikhôngđượctạonênvìnhữngchướngngạikhác:khôngcóhạtnhânbềnvớinămhoặctámhạthạtnhân.Dođó,khinhiệtđộvừađạtđiểmmàđơtêricóthểđượctạothành,hầuhếtnhữngnơtroncòn lạiđều tứckhắcđược“nấunướng” thànhnhữnghạtnhânhêli.Nhiệtđộchínhxáctạiđóquátrìnhnàyxảyraphụthuộcchútítvàosốlượnghạthạtnhânchomỗiphoton,bởivìmộtmậtđộhạtlớnsẽlàmchosựhìnhthànhcáchạtnhândễdànghơnmộtít.(Đólàlýdotạisaotôiđãgọi thời điểm đómột cách không chính xác là “muộn hơnmột chút” saucảnhnăm.)Vớimộtnghìn triệuphotonchomộthạthạtnhân,sự tổnghợphạtnhânsẽbắtđầuởnhiệtđộchíntrămtriệuđộKelvin(0,9x10mũ9).Lúcđó3phút46giâyđãtrôiquatừcảnhmột.(Bạnđọcsẽphảithalỗichosựkhôngchínhxáccủatôikhiđặt têncuốnsáchnàylàbaphútđầutiên.Nónghehayhơnlàbaphútbaphầntưđầutiên.)Sựphânrãnơtronđãlàsựcânbằngnơtron-proton,ngaytrướckhisựtổnghợphạtnhânbắtđầulệchthành13 phần trăm nơtron, 87 phần trăm proton. Sau sự tổng hợp hạt nhân tỷlượngtheotrọnglượngcủahêlilàđúngbằngtỷlượngcủatấtcảcáchạthạtnhânliênkếtthànhhêli,mộtnửacủacáchạtnàylànơtron,vàvềcănbảntấtcảnơtronđềuliênkếtthànhhêli,chonêntỷlượngtheotrọnglượngcủahêliđơngiảnlàgấpđôitỷlượngcủanơtronsovớicáchạthạtnhân,hoặckhoảng26phầntrăm.Nếumậtđộcủacáchạtnhâncaohơnmộtít,sựtổnghợphạtnhânbắtđầusớmhơnmộtít,khiđókhôngcónhiềunơtronbịphânrãnhưvậy,dođósốhêliđượctạoranhiềuhơnmộtít,nhưngchắckhôngquá28phầntrămtheotrọnglượng(xemhình9).

Hình9-Đồthịchỉsựdịchchuyểncủacânbằngnơtron-proton: Hình 9 -Đồ thị chỉ sự dịch chuyển của cân bằng nơtron - proton: Tỷlượngcácnơtrontrêntấtcảcáchạthạtnhânđượcvẽnhưlàmộthàmcủacảnhiệtđộvàthờigian.Phầnđườngcongcóghi“cânbằngnhiệt”môtảthờikỳ trongđócácmậtđộvànhiệtđộcaođếnmứccânbằngnhiệtđượcgiữvữnggiữatấtcảcáchạt;tỷlượngnơtronởđâycóthểđượctínhtừhiệukhốilượngnơtron-protonbằngcáchsửdụngcácquyluậtcủacơhọcthốngkê.Phầnđườngcongcóghi“phânrãnơtron”môtả thờikỳ trongđómọiquátrìnhbiếnđổinơtron-protonđãkếtthúc,trừsựphânrãphóngxạcủanơtrontựdo.Phầngiữacủađườngcongphụthuộcvàonhữngtínhtoánchitiếtvềcácxácsuấtchuyểncủacáctươngtácyếu.Phầnđứtnétcủađườngcongchỉrõcáigìsẽxảyranếucáchạtnhânbằngcáchnàođấybịngănchặnkhônghìnhthành.Thựcra,ởmộtthờiđiểmđâuđấytrongthờikỳchỉdẫnbằngmũitênghi“thờiđạitổnghợphạtnhân”,nơtronđượcghépnhanhthànhnhữnghạtnhânhêlivàtỷlệnơtron-protonđượccốđịnhởtrịsốmànócólúcđó.Đường biểu diễn này cũng có thể dùng để ước tính tỷ lượng (theo trọnglượng)củahêliđượcsinhratheovũtrụhọc:vớibấtkỳtrịsốnhiệtđộnàohoặcthờiđiểmnàochotrướccủasựtổnghợphạtnhân,nóđúnggấpđôitỷlượngnơtronlúcđó. Bâygiờtađãđạtvàvượtthờigianbiểuđượcđặtratrước,nhưngđểthấyrõhơncáigìđãđượchoànthành,tahãynhìnlạilầncuốicùngvũtrụsaukhinhiệtđộbịhạxuốngmộtlầnnữa. Cảnhsáu.Nhiệtđộvũtrụbâygiờlà300triệuđộKelvin(3x10mũ8K).Từcảnhmột,34phútvà40giâyđã trôiqua.Electronvàpôzitronbâygiờđãbịhủyhoàntoàntrừmộtsốít(mộtphần1000triệu)electronthừarađểcânbằngđiệntíchcủacácproton.Nănglượnggiảiphóngtrongsựhủyđó

bâygiờđãchocácphotonmộtnhiệtđộ thườngxuyên40,1phần trămcaohơnnhiệtđộcácnơtron(xemchúthíchtoánhọc6).Mậtđộnănglượngcủavũtrụbấygiờtươngđươngvớimộtmậtđộkhốilượng9,9phầntrămmậtđộcủanước;trongđó31%làdướidạngneutrinovàphảnneutrino,và69phầntrămdướidạngphoton.Mậtđộnănglượngnàychovũtrụmộtthờigiangiãnnở đặc trưng khoảngmột giờ mười lăm phút. Các quá trình hạt nhân đãngừng-cáchạtnhânbấygiờphầnlớnhoặctựliênkếtthànhcáchạtnhânhêlihoặclàprotontựdo(hạtnhânhyđro)vớikhoảngtừ22đến28%hêlitheotrọnglượng.Cómộtelectronchomỗiprotontựdohoặcliênkết,nhưngvũtrụvẫncònquánóngnêncácnguyêntửbềnkhôngthểtồntạiđược. Vũtrụsẽtiếptụcgiãnnởvànguộidần,nhưngsẽkhôngcógìđángchúýlắmxảyratrong700.000năm.Lúcđónhiệtđộsẽhạxuốngmứcelectronvàhạtnhâncó thể tạo thànhnhữngnguyên tửbền:sự thiếuelectron tựdosẽlàmchocácthànhphầncủavũtrụtrongsuốtđốivớibứcxạ;vàsựtáchvậtchấtvàbứcxạsẽchophépvậtchấtbắtđầutạothànhcácthiênhàvàcácvìsao.Saumộtthờigiankhoảng10.000triệunămnữa,nhữngsinhvậtsẽbắtđầudựnglạicâuchuyệnnày. Bảnkể lạivềvũ trụ sơkhainàycómộtquanhệcó thểkiểm trangayđượcbằngquansát:vậtliệucònlạitừ3phútđầutiên,lúcđầuđãtạonêncácvìsao,gồmtừ22đến28phầntrămhêlivớitấtcảcácphầncònlạihầunhưlàhyđro.Nhưtađãthấy,kếtquảnàyphụthuộcvàoviệcchorằngcómộttỷsốrấtlớncủaphotontrênhạthạtnhânmàtỷsốnàylạicăncứtrênnhiệtđộ3Kđođượccủaphôngbứcxạcựcngắnvũtrụhiệnnay.TínhtoánđầutiênvềsựtạonênhêlitheovũtrụhọcdùngđếnnhiệtđộbứcxạđođượcđãđượcP.J. E. Peebles ở Princeton tiến hành năm 1965,một thời gian ngắn sau sựkhámphá ra phông bức xạ cực ngắn bởi Penzias vàWilson.Một kết quảtương tựđược rút ramột cáchđộc lậpvàgầnnhưmột lúc trongmột tínhtoánphứctạphơnbởiRobertWagoner,WilliamFowlervàFredHoyle.Kếtquảđólàmộtthắnglợivangdộicủamôhìnhchuẩn,vìlúcđócónhữngướctínhđộclậpchorằngmặttrờivàcácvìsaokhácbắtđầuđờisốngcủachúngchủyếunhưlànhữngkhốihyđro,vớikhoảng20đến30phầntrămhêli. Cốnhiên,trênquảđấtcóhếtsứcíthêli,nhưngđóchínhlàdonguyêntốhêlinhẹvàtrơvềhóahọcđếnmứcđasốchúngđãthoátkhỏiquảđấtnhiềunămtrướcđây.Nhữngướctínhvềđộnhiềubanđầucủahêlitrongvũtrụlàdựatrênnhữngsosánhcáctínhtoánchitiếtvềsựtiếnhóacủacácvìsao,với nhữngphân tích thốngkê các tính chất quan sát được của các vì sao,cộngvớisựquansáttrựctiếpcácvạchhêlitrongquangphổcủacácvìsaonóngvàcủavậtchấtgiữacácvìsao.Thựcra,nhưtêncủanóchỉrõ,hêlilầnđầutiênđượcghinhậnlàmộtnguyêntốtrongnhữngnguyêntốquangphổ

củakhíquyểnmặttrời,doJ.NormanLockyertiếnhànhnăm1868. Trongnhữngnăm1960đầutiên,mộtsốítnhàthiênvănđãlưuýrằngđộnhiềucủahêlikhôngnhữnglớntrongthiênhà,màcònkhôngbiếnthiêntừchỗnàyđếnchỗkhácmạnhnhưđộnhiềucủanhữngnguyên tốnặnghơn.Việcnàycốnhiênđúnglàcáitacóthểchờđợinếucácnguyêntốnặngđượctạoratrongcácvìsao,nhưnghêliđượctạoratrongvũtrụsơkhai,trướckhibấtcứngôisaonàođượctạora.Hãycònmộtsựkhôngchắcchắnvàkhácnhau lớn trongnhữngước lượngvềđộnhiềuhạt nhânnhưngbằng chứngchắcchắnvềđộnhiềubanđầutừ20đến30phầntrămcủahêlilàđủmạnhđểkhuyếnkhíchnhữngngườibênhvựcmôhìnhchuẩn. Thêmvàosốlượnglớnhêliđượctạorasaubaphútđầutiên,cũngcòncómộtchútíthạtnhânnhẹhơn,chủyếulàđơtêri(hyđrovớimộtnơtrondôi)vàđồngvịnhẹcủahêliHemũ3,nóđãthoátkhỏisựhợpnhấtthànhhạtnhânhêlithôngthường.(Cácđộnhiềucủachúngđượctínhlầnđầutiênnăm1967trongbàibáocủaWagoner,FowlervàHoyle.)Khôngnhưđộnhiềucủahêli,độnhiềucủađơtêriphụthuộcnhiềuvàomậtđộhạthạtnhântrongquátrìnhtổnghợphạtnhân:vớimậtđộcaohơn,cácphảnứnghạtnhânxảyranhanhhơn,dođóhầunhưtấtcảđơtêriphảibịbiếnđổithànhhêli.Nóirõhơn,đâylàcáctrịsốđộnhiều(theotrọnglượng)củađơtêriđượctạoratrongvũtrụsơkhai,màWagonerđãcho,đốivớibatrịsốcóthểcócủatỷsốgiữaprotonvàhạthạtnhân: Photon/hạtnhân

Độnhiềucủađơteri(phầntriệu)

100triệu1000triệu10000triệu

0,0000816600

Rõ ràng là nếu có thể xác định được độ nhiều lúc đầu tiên của đơtêri

trước khi bắt đầu hình thành các ngôi sao, ta có thể tính chính xác tỷ sốphotontrênhạthạtnhân;biếtđượcnhiệtđộbứcxạhiệnnaylà3K,thìtatừđócóthể tínhđượcgiá trịchínhxácchomậtđộkhối lượnghạtnhânhiệnnaycủavũtrụ,vàphánđoánthửxemnólàmởhayđóng. Tiếcthayrấtkhóxácđịnhđượcđộnhiềuđơtêrilúcbanđầuthựcsự.Trịsốcổđiểncủađộnhiềutheotrọnglượngcủađơtêritrongnướctrênquảđấtlà150phầntriệu.(Đơtêrilàchấtsẽđượcdùnglànhiêuliệuchocáclòphảnứng nhiệt hạch, nếu các phản ứng nhiệt hạchmột ngày nào đó được điểnkhiểnmộtcáchthíchhợp).Tuynhiên,đólàmộtconsốđãbịsailệchđi;sựviệccácnguyêntửđơtêrinặnggấpđôinguyêntửhyđrolàmchomộtphần

lớnchúngcóthểliênkếtthànhphântửnướcnặng(HDO),thànhramộttỷlệđơtêribéhơnsovớihyđrođãcóthểthoátkhỏitrườnghấpdẫncủaquảđất.Mặtkhác,quangphổhọcchỉrarằngtrênbềmặtmặttrờiđộnhiềucủađơtêrirấtnhỏ,nhỏhơnbốnphầntriệu.Đócũnglàmộtconsốđãbịsailệch-đơtêritrongnhữngvùngngoàicủamặt trời có thểbịhủybằngcáchkếthợpvớihyđrođểtạothànhđồngvịnhẹcủahêli,Hemũ3. Sựhiểubiếtcủachúngtavềđộnhiềucủađơtêritrongvũtrụđãcócơsởvữngchắchơnởcácquansáttửngoạivàonăm1973nhờvệtinhnhântạocủaquảđấtCopernicus.Cácnguyêntửđơtêri,nhưnhữngnguyêntửhyđro,cóthểhấpthụánhsángtửngoạiởmộtsốbướcsóngxácđịnhứngvớinhữngsựchuyểntrongđónguyêntửđượckíchthíchtừtrạngtháinănglượngthấpnhấtđếnmột trạng thái caohơnnàođó.Cácbướcsóngđóphụ thuộcnhẹvàokhốilượngcủahạtnhânnguyêntử,chonênphổtửngoạicủamộtngôisaomàánhsángđếnvớichúngtaquamộthỗnhợphyđrovàđơtêrinằmgiữacácvìsaosẽcómộtsốvạchhấpthụtối,mỗivạchtáchthànhhaithànhphần,mộtdohyđro,mộtdođơtêri.Độtốitỷđốicủacáccặpthànhphầncủavạchhấpthụbấtkỳkhiđóchotrựctiếpđộnhiềutỷđốicủahyđrovàđơtêritrongđámmâygiữacácvìsao.Tiếcthay,khíquyểncủaquảđấtlàmchoviệctiếnhànhnghiêncứuthiênvăntửngoạitừmộttrạmtrênmặtđấtrấtkhókhăn.VệtinhCopernicusmangmộtphổkếtửngoạidùngđểnghiêncứucácvạchhấpthụtrênphổcủasaonóngbêtacủachòmsaoCentaurus;từcáccườngđộtỷđốicủachúng,người ta thấyrằngmôi trườnggiữatavàbêtaCentauruschứa khoảng20 phần triệu (theo trọng lượng) đơtêri.Nhữngquan sát gầnđâyhơnvềnhữngvạchhấpthụtửngoạitrênphổcủanhữngngôisaonóngkhácchonhữngkếtquảtươngtự. Nếutỷsố20phầntriệunàythựcsựđượctạonêntrongvũtrụsơkhai,thìkhiđóđãphảicó(vàhiệnnaycó)đúngkhoảng1100triệuphotonchomỗihạthạtnhân(xemởbảngtrên).Ởnhiệtđộbứcxạvũtrụhiệnnay3K,có550.000photonmỗilít,vậyhiệnnayphảicókhoảng500hạthạtnhânmỗitriệulít.Sốnàylàhếtsứcbénhỏsovớimậtđộtốithiểuchomộtvũtrụđóngmà,nhưtathấyởchươngII,làvàokhoảng3000hạthạtnhânchomỗitriệulít.Kếtluậnnhưvậysẽphảilà:vũtrụlàmở;nghĩalàcácthiênhàđangchuyểnđộngvớivậntốctrênvậntốcthoát,vàvũtrụsẽdãnnởmãimãi.Nếumộtphầnnàochấtgiữacácvìsaođãđượcsảnratrongcácngôisaocóxuhướngpháhuỷđơtêri (như trênmặt trời), thì lúcđóđộnhiềuđơtêriđãđượctạoratheovũtrụhọccònphảilớnhơnconsố20phầntriệumàvệtinhCopernicusđãtìmra,nhưvậymậtđộcủacáchạthạtnhâncònphảiíthơn500hạtmỗitriệulít,làmchokếtluậnrằngtasốngtrongmộtvũtrụmởdãnnởmãimãi,đượcđángtintưởnghơnnữa.

Tôiphảinóirằngbảnthântôithấycáchlậpluậnđócócáigìđókhôngthuyếtphụclắm.Đơtêrikhônggiốngnhưhêli,dùđộnhiềucủanócóvẻlàcao hơn là có thểmong đợi ởmột vũ trụ đóng cómật độ tương đối cao,đơtêri còn làhết sứchiếmvề trị số tuyệtđối.Tacó thể tưởng tượng rằngchấtđơtêrithừanàyđượcsảnratrongcáchiệntượngthiênvăn“gầnđây”–cácngôi sao siêumới, tiavũ trụ, có thểkểcảnhữngđối tượngchuẩn sao(quaza).Đókhôngphảilàtrườnghợpcủahêli;độnhiều20–30phầntrămcủa hêli không thể được tạo nênmới gần đâymà không có những lượngkhổnglồbứcxạđượcgiảiphóngmàtakhôngquansátđược.Cóngườichorằng tỷsố20phần triệuđơtêrimàvệ tinhCopernicus tìmrađãkhông thểđượcsảnsinhratheobấtcứcơchếvậtlýthiênvănnàomàkhôngđồngthờisảnranhữnglượnglớnmộtcáchquáđángnhữngnguyêntốnhẹhiếmkhác:liti,berilivàbo.Tuynhiên,tôikhôngbiếttạisaotasẽluônluônchắcrằngsốítđơtêriđóđãkhôngđượcsảnrabởimộtcơchếphivũtrụhọcmàhiệnnaychưaainghĩđến. Còn cómột cái sót lại củavũ trụ sơkhai, nó tồn tại ở khắpquanh ta,nhưngdườngnhưkhôngthểquansátđược.Tađãthấytrongcảnhbarằngneutrinođãbiếndiễnnhưnhữnghạt tựdotừ lúcnhiệtđộvũtrụhạxuốngdướikhoảng10.000 triệuđộKelvin.Trong thờigianđónhữngbước sóngcủaneutrinoquảlàđãdãndàitỷlệvớikíchthướccủavũtrụ;sốlượngvàsựphânbốnănglượngcủaneutrinodođóđãduytrìnhưlàởcânbằngnhiệt,songvớimộtnhiệtđộđãgiảm tỷ lệnghịchvớikích thướccủavũ trụ.Đócũnggầnđúng làcáiđãxảyrađốivớiphoton trong thờigianđómặcdầuphoton ở cân bằng nhiệt lâu hơn nhiều so với neutrino. Từ đó, nhiệt độneutrinohiệnnayphảiđổđồngbằngnhiệtđộphotonhiệnnay.Nhưvậycókhoảng1000triệuneutrinovàphảnneutrinochomỗihạthạtnhântrongvũtrụ. Cóthểnóichínhxáchơnnhiềuvềđiểmnày.Mộtlúckhônglâusaukhivũtrụtrởthànhtrongsuốtđốivớineutrino,cácelectronvàpôzitronbắtđầuhuỷnhau, nungnóng cácphoton chứkhôngphải cácneutrino.Kết quả lànhiệtđộneutrinohiệnnayphảibéhơnnhiệtđộcủaphotonhiệnnaymộtít.Khádễdàngmà tính rằngnhiệtđộneutrino thấphơnnhiệtđộcủaphotontheotỷlệcănbacủa4/11,hoặc71,48phầntrămlần.Neutrinovàphảnhạtneutrino lúc đó đóng góp 45,42 phần trăm năng lượng cho vũ trụ so vớiphoton.(Xemchúthíchtoánhọc6.)Mặcdùtôiđãkhôngnóirõranhưvậy,mỗikhitôinhắcđếnthờigiandãnnởvũtrụtrướcđây,tôiđãtínhđếnmậtđộnănglượngneutrinodôiranày. Mộtsựthừanhậnkhảdĩđộtngộtmôhìnhchuẩncủavũtrụsơkhaikhaisẽlàsựkhámpháraphôngneutrinonày.Tacómộttiênđoánchắc

chắnvềnhiệtđộcủanó;nólà71,38phầntrămcủanhiệtđộphoton,hoặclàkhoảng2K.Sựkhôngchắcchắnduynhấtvềmặtlýthuyếtvềsốlượngvàsựphânbốnănglượngcủaneutrinolàởvấnđềmậtđộsốleptoncóbénhưtagiảthiết trướcđâykhông.(Nhớrằngsốleptonlàsốcácneutrinovàcácleptonkhác trừđi sốcácphảnhạtneutrinovàcácphản leptonkhác.)Nếumật độ số leptonbénhưmật độ sốbaryon, thì số lượngneutrinovàphảnneutrinosẽbằngnhau,bằngmộtphầnnghìntriệu.Mặtkhác,nếumậtđộsốleptonsosánhđượcvớimậtđộsốphotonthìsẽcómộtsự“suybiến”,mộtsự dôi neutrino (hoặc phản neutrino) khá lớn và một sự thiếu hụt phảnneutrino(hoặcneutrino).Mộtsựsuybiếnnhưvậysẽlàmxêdịchcânbằngneutrino-photontrongbaphútđầu,vàdođósẽlàmthayđổisốlượnghêlivàđơtêrisảnratheovũtrụhọc.Sựquansátphôngvũtrụ2Kcủaneutrinovàphảnneutrinosẽquyếtđịnhngayvấnđềvũtrụcómộtsốleptonlớnhaykhông, nhưng điều quan trọng hơn nhiều là nó sẽ chứng tỏ rằngmô hìnhchuẩncủavũtrụsơkhaiquảthựclàđúngđắn. Thanôi,neutrinotươngtácvớivậtchấtthôngthườngyếuđếnmứcchưaainghĩraphươngphápnàođểquansátmộtphôngneutrinovũtrụ2K.Đóthực làmộtvấnđềhócbúa : cókhoảngmộtnghìn triệuneutrinovàphảnneutrino chomỗi hạt hạt nhân, nhưng cho đến nay chưa ai biết cách pháthiệnrachúng!Cóthểmộtngàynàođósẽcóngườitìmracáchđó. Khi theodõi tườngthuậtvềbaphútđầunày,bạnđọccóthểcảmnhậnmột tinh thầnkhoahọcquáđáng.Có thể làđúngnhưvậy.Tuynhiên, tôikhôngtinrằngtiếnbộkhoahọcluônluônđượcđẩymạnhtốtnhấtbằngcáchcómộttháiđộquárộngrãitrongviệctiếpthucáimới.Nhiềukhicầnquênnhữngsựnghingờcủamìnhvàtheodõixemcáihệquảcủagiảthuyếtcủatacóthểdẫnđếnđâu:việclớnkhôngphảilàtránhnhữngđịnhkiếnlýthuyết,màphảicónhữngđịnhkiếnđúngđắn.Vàbaogiờcũngvậy,sựkiểmtramộtđịnhkiếnlýthuyếtnàođólàởchỗnódẫnđếnđâu.Môhìnhchuẩncủavũtrụsơkhaiđãđạtđượcvài thắng lợi,vànócungcấpmộtkhung lý thuyếtphùhợpchonhữngchươngtrìnhthựcnghiệmsắpđến.Việcnàykhôngcónghĩalànóđúngnhưngcónghĩalànóxứngđángđượcxemxétnghiêmtúc. Tuynhiêncómộtsựkhôngchắcchắnlớnlơlửngnhưmộtđámmâyđentrênmôhìnhchuẩn.Cơsởmàmọitínhtoánnóiđếntrongchươngnàylànguyênlývũtrụhọc,sựchorằngvũtrụlàđồngtínhvàđẳnghướng.(Tahiểu“đồngtính”là:vũtrụtỏrakhôngđổiđốivớimọingườiquansátđượcmangtheosựdãnnởtổngquátcủavũtrụ,dùngườiquansátđóởvịtrínào;tahiểu“đẳnghướng”làvũtrụtỏrakhôngđổitheomọihướngđốivớimộtngườiquansátnhưvậy).Tabiếttừnhữngquansáttrựctiếprằngphôngbứcxạcựcngắnvũtrụtrụlàđẳnghướngởmứcđộcaochungquanhta,vàtừđó

tasuyrarằngvũtrụlàđẳnghướngvàđồngtínhởmứcđộcaongaytừlúcbứcxạhếtcânbằngvớivậtchất,ởmộtnhiệtđộkhoảng3000K.Tuynhiên,takhôngcómộtbằngchứngnàorằngnguyênlývũtrụhọcđãđúngđắntrongnhữngthờikỳtrướckia. Có thể vũ trụ lúc đầu là rất không đồng tính và không đẳng hướng,nhưngsauđóđã“bớtgồghề”đibởicáclựcmasátmànhữngphầncủavũtrụdãnnởtácđộnglênnhau.Mộtmôhình“ngườisanbằng”nhưvậyđãđặcbiệtđượcCharlesMisnerởtrườngđạihọcMarylandbênhvực.Cũngcóthểrằngnhiệtđượctạorabởisựđồngtínhhoávàsựđẳnghướnghoánhờmasátcủavũtrụlànguyênnhânđưađếntỷlệtolớnnhưhiệnnaycủaphotontrênhạthạtnhânlà1000triệutrênmột.Tuynhiêntheosựhiểubiếtcốgắngnhấtcủatôi,khôngaicóthểnóiđượctạisaovũtrụcómộtđộkhôngđồngtínhvàdịhướngriênglúcđầunàođó,vàkhôngaibiếtcáchtínhtoánnhiệtlượngđượctạorabởisự“sanbằng”vũtrụ. Theo tôi, lờigiảiđáp thíchhợpchonhữngđiểmkhôngchắcchắnnhưvậykhôngphảilà(nhưmộtsốnhàvũtrụhọccóthểmuốn)loạibỏmôhìnhchuẩn,màlàxemxétnóthậtnghiêmtúcvàtínhtoáncáchệquảcủanóđếncùng,dùchỉ làvớihyvọng tìmđượcmộtmâuthuẫnnàođóvớiquansát.Vẫnchưarõrằngtínhkhôngđẳnghướngvà tínhkhôngđồngtínhlớnbanđầucóảnhhướnglớnđếncâuchuyệnkểtrongchươngnàyhaykhông.Cóthểlàvũtrụđãđượcsanbằngđitrongvàigiâyđầutiên;trongtrườnghợpđósựtạorahêlivàđơtêritheovũtrụhọccóthểđượctínhtoánnhưthểnguyênlývũtrụhọcluônluônđúngđắn.Mặcdầutínhkhôngđẳnghướngvàtínhkhôngđồngtínhcủavũtrụvẫncònlạisauthờikỳtổnghợphêli,sựtạorahêlivàđơtêritrongmọikhốidãnnởmộtcáchđồngđềuchỉphảiphụthuộcvàotốcđộdãnnởởtrongkhốiđó,vàcóthểkhôngkháclắmsovớisựtạorađượctínhtoántrongmôhìnhchuẩn.Cúngcóthểlàtoànbộvũtrụmàtacóthểthấykhinhìnlạivềtrước,đếnthờikỳtổnghợphạtnhân,chỉlàmộtkhốiđồngtínhvàđẳnghướngnằmtrongmộtvũtrụlớnhơnkhôngđồngtínhvàkhôngđẳnghướng. Tínhkhôngchắcchắncủanguyênlývũtrụhọctrởthànhthựcsựquantrọngkhitanhìnlạithủabắtđầuchínhcốnghoặcnhìnvềsauchođếnkhivũtrụkếtthúc.Tôisẽtiếptụcdựavàonguyênlýnàytrongphầnlớnhaichươngsaucùng.Tuynhiên,phải luôncôngnhậnrằngnhữngmôhìnhvũ trụđơngiảncủatachỉcóthểmôtảmộtphầnnhỏcủavũtrụ,hoặcmộtphầnhạnchếlịchsửcủanó.

VI-Vàitranglịchsửkhoahọc

Tahãytạmngừngxétlịchsửcủavũtrụsơkhai,vànóivềlịchsửbathậpniêncuốicủanghiêncứuvũtrụhọc.Ởđâytôimuốnđặcbiệtxemxétmộtvấnđềlịchsửmàtôicholàvừakhóhiểuvừahấpdẫn.Sựpháthiệnraphôngbứcxạcựcngắnvũtrụtrongnăm1965làmộttrongnhữngkhámphákhoahọcquantrọngnhấtcủathếkỷ20.Vìsaonóđãphảirađờimộtcáchngẫunhiên?Hoặcnóicáchkháctạisaokhôngcósựtìmhiểuhệthốngnàovềbứcxạnàytrongnhiềunămtrước1965? Như ta thấy trongchương trước,giá trịđođượchiệnnaycủanhiệtđộphôngbứcxạvàmậtđộkhốilượngcủavũtrụchophéptatiênđoáncácđộnhiềuvũtrụcủacácnguyêntốnhẹ,nóhìnhnhưkhớptốtvớiquansát.Nhiềunămtrước1965ngườitađánglẽracóthểtiếnhànhtínhtoánngượclại,tiênđoánmộtphôngbứcxạcựcngắnvũtrụ,vàđượcbắtđầutìmkiếmnótừcácđộnhiềuvũtrụquansátđượchiệnnay,vàokhoảng20-30phầntrămhêlivà70-80phầntrămhyđro,cóthểsuyrarằngsựtổnghợphạtnhânđãphảibắtđầulúctỷlượngnơtroncủacáchạthạtnhânhạxuống10-15phầntrăm.(Nhớrằngđộnhiều theo trọng lượngcủahêlihiệnnay làđúnggấpđôi tỷlượngnơtronởthờikỳtổnghợphạtnhân).Giátrịnàycủatỉ lượngnơtronđạtđượckhivũtrụởnhiệtđộ1000triệuđộKelvin(10mũ9K).Điềukiệntổnghợphạtnhânbắtđầu lúcđócó thểchophépngười taước tínhsơbộmậtđộhạtnhânởnhiệtđộ10mũ9K,trongkhimậtđộphotonởnhiệtđộđócóthểtínhđượctừnhữngtínhchấtbiếtđượccủabứcxạvậtđen.Từđó,tỷsốgiữasốlượngphotonvàhạthạtnhânlúcđócũngcóthểbiếtđược.Nhưngtỷsốđókhôngthayđổi,vìvậynócũngcóthểđượcbiếtđúngnhưvậyởthờikỳhiệnnay.Nhưvậytừnhữngquansátmậtđộhạthạtnhânhiệnnay,ngườita có thể tiên đoánmật độ photon hiện nay, và suy ra sự tồn tại củamộtphôngbứcxạcựcngắnvũtrụvớinhiệtđộhiệnnayvàokhoảngtừ1Kđến10K.Nếulịchsửkhoahọcđãlàđơngiảnvàrõràngnhưlịchsửvũtrụ,mộtngườinàođóđãcóthểđưaramộttiênđoántheocáchướngđótrongnhữngnăm1940hoặc1950;vàsựtiênđoánđóđãcóthểkhởixướngmộtsựtìmkiếmphôngbứcxạ tronghàngngũcácnhà thiênvănvô tuyến.Nhưngđóhoàntoànkhôngphảilàviệcđãxảyra. Thựcra,một tiênđoántheokhágầnnhữnghướngtrênđãđượcđưaravàonăm1948,nhưnglúcđóhoặcsauđó,nóđãkhôngdẫnđếnmộtsựtìmkiếmbứcxạ.Trongnhữngnămcuốicủathậpniên40,thuyếtvũtrụhọc“vụ

nổ lớn” đã được George Gamov và những người cộng tác của ông làRalphanAlphervàRobertHermankhảosátkỹ.Họchorằngvũtrụbắtđầunhư là nhữngnơtronđơn thuần, và cácnơtronnày sauđóbắt đầu chuyểnthànhphotonquaquátrìnhphânrãphóngxạquenbiếttrongđómộtnơtronngẫunhiênbiếnthànhmộtproton,mộtelectron,vàmộtphảnneutrino.Mộtlúc nào đó trong quá trình giãn nở, vũ trụ trở thành đủ lạnh để cho cácnguyêntốnặngcóthểtạonêntừnơtronvàprotonbằngmộtloạtnhanhcácsựbắtnơtron.AlphervàHermantìmrarằngđểkhớpvớicácđộnhiềuquansátđượchiệnnaycủanhữngnguyêntốnhẹcầngiả thiếtmột tỷsốphotontrênhạthạtnhânvàokhoảng1000triệu.Dùngnhữngướclượngvềmậtđộhạthạtnhânvũtrụhiệnnayhọđãcóthểtiênđoánsựtồntạicủamộtphôngbứcxạcònsótlạitừvũtrụsơkhai,vớimộtnhiệtđộhiệnnaylà5K! CáctínhtoánbanđầucủaAlpher,HermanvàGamovkhôngđượcđúngđắntrongmọichi tiết.Nhưta thấytrongchươngtrên,vũtrụcó lẽbắtđầuvới những số lượng bằng nhau về nơtron và proton chứ không phải vớinơtronđơnthuần.Ngoàira,sựchuyểntừnơtronthànhproton(vàngượclại)xảy ra chủ yếu qua sự va chạm với electron, pôzitron, neutrino và phảnneutrino,chứkhôngphảilàdosựphânrãphóngxạcủanơtron.Cácđiểmđóđãđượcnênlênvàonăm1950bởiC.Hayashivàvàonăm1953AlphervàHerman(cùngvớiJ.W.Follintrẻ)đãsửalạimôhìnhcủahọvàtiếnhànhmộtsựtínhtoáncơbảnđúngđắnvềsựcânbằngxêdịchnơtron-proton.Đóthựcralàsựphântíchhoàntoànhiệnđạiđầutiênvềlịchsửcủavũtrụsơkhai. Tuynhiên,năm1948hoặcnăm1953khôngaibốtríđểtìmbứcxạcựcngắnđãtiênđoán.Thựcra,nhiềunămtrước1965cácnhàvậtlýthiênvănthường không biết rằng trong cácmô hình “vụ nổ lớn”, các độ nhiều củahyđrovàhêliđòihỏitrongvũtrụhiệnnaytồntạimộtphôngbứcxạvũtrụquả thực có thể quan sát được.Ở đây các nhà vật lý thiên văn nói chungkhông biết đến sự tiên đoán của Alpher và Herman, là không đáng ngạcnhiên lắm:mộthai thôngbáocó thểchìmđi trongbiểncả thông tinkhoahọc.Cáikhóhiểuhơnlàvấnđềsuốttrênquátrình10nămsaukhôngmộtaikháctheođuổimộthướnglậpluậnnhưvậy.Tấtcảcácvấnđềlýthuyếtđềucósẵn.Chỉchođến1964thìcáctínhtoánvềsựtổnghợphạtnhântrongmộtmô hình “vụ nổ lớn” mới được bắt đầu lại, do Ya. B. Zeldovich ở Nga,HoylevàR.J.TaylerởAnhvàPeeblesởMỹtiếnhành,cảbanhómlàmviệcđộclậpvớinhau.Tuynhiên,lúcđóPenziasvàWilsonđãbắtđầucácquansátcủahọởHolmdel,vàđãpháthiệnraphôngsóngcựcngắnmàkhôngcósựkíchthíchvàgợiýnàocủacácnhàvũtrụhọclýthuyết. CũngrấtlạrằngnhữngngườithựccóbiếtvềsựtiênđoáncủaAlphervà

Herman hình như không nhấnmạnh đến nó lắm.ChínhAlpher, Follin vàHermantrongbáocáonăm1953củahọđãđểlạivấnđềtổnghợphạtnhânchonhững“nghiêncứutươnglai”,nhưvậyhọkhôngcókhảnăngtínhtoánlạinhiệtđộmongđợicủaphôngbứcxạcựcngắntrêncơsởmôhìnhđượccảitiếncủahọ.(Màhọcũngkhôngnhắcđếnsựtiênđoántrướcđâycủahọrằnghọchờđợimộtphôngbứcxạ5K.Họthôngbáovềnhữngtínhtoánnàođóvề sự tổnghợphạt nhânởmột cuộchọpcủahội vật lýMỹnăm1953nhưng cả ba chuyển qua các phòng thí nghiệm khác nhau và công trìnhkhôngđượcviết lại dướimột dạng cuối cùng.)Nhiềunăm sau, trongmộtbứcthưviếtchoPenziassausựpháthiệnraphôngbứcxạcựcngắn,Gamovđãchỉrarằngtrongmộtbàibáocủaôngnăm1953,đăngtrong“cácbiênbảncủaviệnhànlâmhoànggiaĐanMạch”,ôngđãtiênđoánmộtphôngbứcxạvớinhiệtđộ7K,đạithểlàmộtbậcđộlớnđúngđắn.Tuynhiênmộtsựnhìnquabàibáonăm1953đóchothấyrằngtiênđoáncủaGamovdựatrênmộtlậpluậntoánhọcsailầmliênquanđếntuổicủavũtrụ,chứkhôngdựatrênthuyếtcủachínhôngvềtổnghợphạtnhân. Có thể lập luận rằng cácđộnhiều trongvũ trụ của cácnguyên tố nhẹkhôngđượcbiếtrõtrongnhữngnăm1950vàđầunhữngnăm1960đểrútranhữngkếtluậngìdứtkhoátvềnhiệtđộcủaphôngbứcxạ.Đúnglàngayhiệnnaytacũngkhôngthậtchắclàcómộtđộnhiềucủahêlitrongvũtrụkhoảng20 -3phần trăm.Tuynhiênđiềuquan trọng làngười ta tin từnhiềunămtrước1960rằngđasốkhốilượngcủavũtrụlàởdướidạnghyđro.(Chẳnghạn,mộtsựthămdònăm1956doHansSuesvàHaroldUreytiếnhànhchomộtđộnhiềuhyđrolà75phầntrămtheotrọnglượng).Màhyđrokhôngphảiđượctạoratrongcácngôisao-nólànhiênliệunguyênthủymàtừđócácngôisaocóđượcnănglượngbằngcáchtạonênnhữngnguyêntốnặnghơn.Việcnàytựnócũngđủnóilênrằngđãphảicómộttỷlệlớnphotontrênhạthạtnhânđểcóthểcảntrởsựnungnấutấtcảhyđrothànhrahêlivànhữngnguyêntốnặnghơntrongvũtrụsơkhai. Ngườitacóthểhỏithựcrakhinàođãcóthể,vềmặtkỹthuật,quansátmột phông bức xạ đẳng hướng ở 3K.Khómà nói chính xác về việc này,nhưngcácbạnđồngnghiệpthựcnghiệmcủatôinóivớitôirằngsựquansátđãcóthểtiếnhànhlâutrước1965,cóthểvàogiữanhữngnăm1950vàngaycóthểgiữanhữngnăm1940.Năm1946,mộtnhómởphòngthínghiệmbứcxạcủaM.IT.,dướisựlãnhđạocủachínhRobertDickeđãcóthểđặtmộtgiới hạn trên cho những phông bức xạ đẳng hướng bất kỳ ngoài trái đất:nhiệt độ tương đương ít hơn 20Kở những bước sóng 1,00, 1,25 và 1,50centimet.Phépđonàylàmộtsảnphẩmphụcủanhữngnghiêncứuvềsựhấpthụdokhíquyển,vàchắckhôngphảilàmộtphầncủamộtchươngtrìnhcủavũ trụhọcquansát. (Thựcra,Dicke thôngbáocho tôi rằngkhianh tabắt

đầutìmhiểuvềmộtphôngbứcxạcựcngắnvũtrụcóthểcóđược,anhtađãquêngiớihạntrên20Kvềnhiệtđộphôngmàchínhanhtađãtìmđượchaithậpniênvềtrước!). Đốivới tôi,hìnhnhưkhôngphải thật làquantrọngvềmặt lịchsửnếunêu rõ lúcmà sựkhámpháphông sóng cựcngắnđẳnghướng3Kđã trởthànhcóthểđược.Điềuquantrọnglàcácnhàthiênvănvôtuyếnkhôngbiếtlàhọphảilàmthử!Ngượclạihãyxétđếnlịchsửvềneutrino.KhinóđượcPauli giả thiết lần đầu năm1932, rõ ràng là không có bóngdángmột dịpmaynàođểquansátnótrongbấtcứmộtthínghiệmnàolúcđócóthểlàmđược.Tuynhiên,sựpháthiệnneutrinocònởtrongtríóccủanhàvậtlýnhưmụctiêutháchthứcvàkhicáclòphảnứnghạtnhâncóthểdùngchonhữngmục đích như vậy trong những năm 1950, neutrino đã được tìm kiếm vàđược tìm thấy. Sự khác nhau lại còn rõ rệt hơn trong trường hợp phảnproton.Saukhipôzitronđãđượckhámphátrongcác tiavũtrụnăm1932,cácnhà lý thuyết thườngmongđợi rằngprotoncũngnhưelectronphảicómộtphảnhạt.Trongnhữngnăm1930,đãkhôngcócơhộinàotạoraphảnprotonvớicácxiclôtroncóđượclúcđó,nhưngcácnhàvậtlývẫnbiếtđếnvấn đề này, và trong những năm 1950,một nhàmáy gia tốc (Bevatron ởBerkeley)đãđượcxâydựngđặcbiệtđểcóđủnănglượngcóthểtạoraphảnproton.Khôngcógìgiốngnhưvậtđãxảyratrongtrườnghợpphôngbứcxạcựcngắnvũtrụ,chođếnlúcDickevàcáccộngtácviêncủaanhtabắttayvàoviệcpháthiện ranónăm1964.Ngaychođến lúcđó,nhómPrincetoncũngkhôngđượcbiếtđếncôngtrìnhcủaGamov,AlphervàHermantrướcđóhơnmộtthậpniên! Thếthìcáigìđãtrụctrặc?Ởđâycóthểnêurabalýdođángchúý.Tạisaotầmquantrọngcủasựtìmkiếmmộtphôngbứcxạcựcngắntrongvũtrụở3Knóichungđãkhôngđượcđánhgiáđúngtrongnhữngnăm1950vàđầunhữngnăm1960? Trước hết , phải hiểu rằng Gamov, Alpher và Herman và Follin, vànhữngngườikhácđãlàmviệctrongbốicảnhcủamộtthuyếtvũtrụhọcrộnglớn.Trongthuyết“vụnổlớn”củahọ,vềcănbảntấtcảcáchạtnhânphứctạpchứkhôngphảichỉcóhêli,đãđượcgiả thiếtđượctạonêntrongvũtrụsơkhai,bằngmộtquátrìnhbắtnhanhnơtron.Tuynhiên,tuythuyếtnàyđoántrướcmộtcáchđúngđắntỷsốcácđộnhiềucủavàinguyêntốnặng,nóbịbốirốikhimuốncắtnghĩatạisaolạicóthểcónguyêntốnặngđược!Nhưđãnêu,khôngcóhạtnhânbềnvới5hoặc8hạthạtnhân,dođókhôngthểtạorahạtnhânnặnghơnhêlibằngcáchbắtnơtronhoặcprotonvàocáchạtnhânhêli(Hemũ4)hoặcbằngcách“đúc”lạitừngcặphạtnhânhêli.(SựcảntrởnàylầnđầutiênđãđượcEnricoFermivàAnthonyTurkevichlưuý).Dokhó

khănđódễthấytạisaocácnhàlýthuyếtcũngkhônghammuốnngaycảviệcnghĩđếnmộttínhtoánmộtcáchnghiêmtúcviệctạorahêlitrongthuyếtnày. Thuyếtvũ trụhọcvềsự tổnghợpcácnguyên tốcàngmấtnhiềucơsởhơn khi những cải tiến đã được đưa vào một thuyết khác, trong đó cácnguyêntốđượctổnghợptrongcácvìsao.Năm1952,E.E.Salpeterchỉrarằngnhững“chỗhổng”củacáchạtnhânvới5hoặc8hạthạtnhâncó thểđượclấptrongtâmcácngôisaogiàuhêlimậtđộcao:cácvachạmgiữahaihạtnhânhêlitạoramộthạtnhânberilikhôngbền(Bemũ8),vàtrongnhữngđiềukiệnmậtđộcaonhưvậyhạtnhânberilicóthểvađậpvàomộthạtnhânhêlikhác trướckhinóphânrã tạoramộthạtnhâncacbonbền(Cmũ12).(Mậtđộvũtrụởthờikỳtổnghợphạtnhântheovũtrụhọclàquáthấpđểchoquátrìnhnàyxảyralúcđó.)Năm1957xuấthiệnmộtbàibáonổitiếngcủaGeoffreyvàMargaretBurbidge,FowlervàHoyle,trongđóchỉrõrằngcácnguyêntốnặngcóthểđượctạonêntrongcácvìsao,đặcbiệttrongcácvụnổnhưnhữngsaosiêumới,trongnhữngthờikỳcóluồngnơtroncườngđộcao.Nhưngngaytrướcnăm1950trongcácnhàvậtlýthiênvăncómộtkhuynhhướngmạnhmẽtinrằngmọinguyêntốtrừhyđrođềuđượcsảnratrongcácvìsao.Hoyleđãlưuýtôirằngđócóthểlàkếtquảcủacốgắngmàcácnhàthiênvănđãphảitrảiquatrongnhữngthậpniênđầutiêncủathếkỷnàyđểhiểunguồngốccủanănglượngsảnsinhratrongcácvìsao.Vàonăm1940côngtrìnhcủaHansBethevànhữngngườikhácđãchỉrõrằngquátrìnhthenchốt là sự tổnghợpbốnhạtnhânhyđro thànhmộthạtnhânhêli, và trongnhữngnăm1940và1950bức tranhđóđãdẫnđếnnhững tiếnbộ trongsựhiểubiếtvềsựtiếnhóacácvìsao.NhưHoylenói,sauthànhtựuđónhiềunhàvậtlýthiênvănchorằngsẽkhônglànhmạnhlắmnếunghingờrằngsaolànơihìnhthànhcácnguyêntố. Nhưngthuyếttổnghợphạtnhânởcácvìsaocũngcónhữngvấnđềcủanó.Khómàthấyđượcbằngcáchnàomàcácngôisaocóthểtạoramộtcáigìgiốngnhưmộtđộnhiều25-30phầntrămcủahêli-thựcranănglượngđượcgiảithoátratrongsựtổnghợpđóphảilớnhơnnhiềusovớinănglượngmàsaocóthểbứcxạrasuốttrongđờicủanó.Thuyếtvũtrụhọcvấtbỏnănglượngđórấthay:nóđơngiảnbịmấtđitrongsựdịchchuyểnđỏchung.Năm1964,HoylevàR.J.Taylerđãchỉrarằngđộnhiềulớncủahêlitrongvũtrụhiệnnaykhôngthểđượctạora trongcácvìsaothôngthườngđược,vàhọtiếnhànhmộtsựtínhtoánvềlượnghêlicóthểđượctạoratrongnhữngthờikỳđầucủamột“vụnổ lớn”,vànhậnđượcmộtđộnhiều36% theo trọnglượng.Cũngkhálạlàhọcốđịnhlúctổnghợphạtnhâncóthểxảyraởmộtnhiệtđộcóphầnnàotùytiệnlà5000triệuđộKelvin,mặcdùsựkiệnlàgiảthiếtnàyphụthuộcvàogiátrịchọnchomộtthôngsốlúcđóchưađượcbiết,tỷsốgiữaphotonvàcáchạthạtnhân.Nếuhọđãdùngtínhtoáncủahọđể

ước lượng tỷsốnày từđộnhiềuquansátđượccủahêli,họđãcó thể tiênđoánmộtphôngbứcxạcựcngắnhiệnnayvớimộtnhiệtđộđạithểcóbậcđộlớnđúngđắn.Dùsao,rấtđángngạcnhiênlàHoyle,mộttrongnhữngngườiđềxướngrathuyếttrạngtháidừng,đãưngchịuđitheohướngsuynghĩnày,vàcôngnhận rằngnócungcấpbằngchứngchomột cáigìgiốngnhưmôhình“vụnổlớn”. Hiệnnaynóichungngườitatinrằngsựtổnghợphạtnhânxảyracảtheocáchvũtrụhọctiênđoánlẫntrongcácvìsao;hêlivàcóthểmộtvàihạtnhânnhẹkhácđượctổnghợptrongvũtrụsơkhai,trongkhicácvìsaochịutráchnhiệmvềmọicáikhác.Thuyếtvụnổlớnvềtổnghợphạtnhân,vìđãcố“ômđồm”quánhiều,đãmấtcáivẻđángtincậymànóthựcraxứngđángđượccoinhưlàmộtthuyếtvềtổnghợphêli. Hailà,đâylàmộtvídụkinhđiểnvềsựgiánđoạnthôngtingiữacácnhàlý thuyếtvà thựcnghiệm.Đasốcácnhà lý thuyếtđãkhôngbaogiờnhậnthức rõ rằngmộtphôngbứcxạ3Kđẳnghướngcó thểđượckhámphá ramộtlúcnàođó.TrongmộtbứcthưgửichoPeeblesđềngày23-6-1967,GamovgiảithíchrằngôngtahoặcAlpherhayHermanđãkhôngaichorằngcóthểkhámphárabứcxạsótlạitừ“vụnổlớn”,vìtrongthờikỳnghiêncứuvề vũ trụ học, thiên văn vô tuyến còn đangở thời kỳ sơ sinh. (Alpher vàHerman,tuynhiên,thôngbáochotôirằngthựcrahọđãtìmhiểukhảnăngquansátphôngbứcxạvũtrụvớinhữngchuyêngiavềradarởtrườngđạihọcJonhs Hopkins, phòng thí nghiệm nghiên cứu thủy quân, và ở viện tiêuchuẩnquốcgia,nhưngđượctrảlờirằngmộtnhiệtđộphôngbứcxạ5Khoặc10Klàquáthấpđểcóthểđượcpháthiệnvớicáckỹthuậthiệnhành).Mặtkhác,vàinhàvậtlýthiênvănLiênXô(cũ)hìnhnhưcónhậnthứcrằngmộtphôngbứcxạcựcngắncóthểđượcpháthiện,nhưngđãlạcđườngbởingônngữdùngtrongcáctạpchíkỹthuậtMỹ.Năm1964,Ya.B.Zeldovichviếtmộtbàibáotrongđóôngđãtiếnhànhmộtsựtínhtoánđúngđắnvềđộnhiềucủahêlitrongvũtrụchohaigiátrịcóthểcủanhiệtđộbứcxạhiệnnay,vànhấnmạnhmộtcáchđúngđắnrằngcácđạilượngđócóliênhệvớinhaubởivìsốphotonchomỗihạthạtnhân(hoặcentropichomỗihạthạtnhân)khôngthayđổi theothờigian.Tuynhiênôngcóvẻnhưbị lạcđườngbởiviệcsửdụngdanhtừ“nhiệtđộbầutrời”trongmộtbàibáocủaE.A.Ohmviếtnăm1961trongTạpchíkỹthuậtcủahệthốngBellđểkếtluậnrằngnhiệtđộbứcxạđođượcphảinhỏhơn1K.(ĂngtenmàOhmđãdùnglàbộphảnxạhìnhloakèn20futmàsauđóPenziasvàWilsonđãdùngđểkhámpháraphôngsóngcựcngắn).ViệcnàycùngvớimộtsốướclượngcóhơithấpvềđộnhiềucủahêlivũtrụđãdẫnZeldovichđếnviệcđịnhbỏýtưởngvềmộtvũtrụsơkhainóng.

Cốnhiên,tronglúcluồngthôngtinchạymộtcáchrấtdởtừcácnhàthựcnghiệmđếncácnhàlýthuyết,nócũngchạyrấtdởtừcácnhàlýthuyếtđếncácnhàthựcnghiệm,PenziasvàWilsonchưabaogiờngheđếnsựtiênđoáncủaAlphervàHermankhihọbắttayvàviệcthửăngtencủahọnăm1964. Thứba,vàtôichorằnglàquantrọngnhất,thuyếtvụnổlớnkhôngdẫnđếnmột sự tìmkiếmphôngsóngcựcngắn3Kbởivìcácnhàvật lýcảmthấyvôcùngkhókhănkhinghĩtớibấtcứmộtthuyếtnàovềvũtrụsơkhaimộtcáchnghiêmchỉnh.(Tôinóiđâylàmộtphầnvìnhớlạitháiđộcủangaybảnthântôitrước1965).Mỗimộtkhókhănnêutrênđâyđềuđãcóthểvượtquabằngmộtsựcốgắngnhỏ.Tuynhiênbaphútđầutiênquáxachúngtavềthờigian,cácđiềukiệnvềnhiệtđộvàmậtđộlạlùng,đếnnỗitacảmthấykhôngthoảimáilắmkhiứngdụngcáclýthuyếtcủacơhọcthốngkêvàvậtlýhạtnhânbìnhthườngcủachúngta. Đâylàmộttìnhtrạngtrongvậtlý-sailầmcủachúngtakhôngphảilàtađãcoicácthuyếtcủachúngtaquánghiêmchỉnh,màlàvìchúngtakhôngcoi chúng đủ nghiêm chỉnh. Thường khó nhận thức rằng các con số vàphươngtrìnhmàtađangsửdụngcócáigìđóliênquanvớithếgiớithực.Tệhơnnữa, nhiềukhi dườngnhư cómột sựnhất trí chung rằngmột sốhiệntượngnàođókhôngphảilànhữngvấnđềxứngđángđượccoitrọng.Gamov,AlphervàHermanxứngđángcómộtuytínlớnlao, trướchết,vìđãmuốnnghiêncứumộtcáchnghiêmchỉnhvũtrụsơkhai,vìđãtínhtoánđượccáimàcácquyluậtvậtlýđãđượcbiếtcóthểnóiđượcvềbaphútđầutiên.Tuyvậy,họcũngđãkhôngđibướccuối,thuyếtphụccácnhàthiênvănvôtuyếnrằnghọphảiđitìmmộtphôngbứcxạcựcngắn.Việcquantrọngnhấtmàsựpháthiệncuốicùngvềphôngbứcxạở3Knăm1965hoànthànhlàđãbuộctất cả chúng ta xem xét ý tưởng rằng đã cómột vũ trụ sơ khaimột cáchnghiêmchỉnh. Tôiđãnóikhádàivềdịpmaybịvỡhụtnàybởivìtheotôinólàloạilịchsửkhoahọcsoisángchochúngtanhiềunhất.Dễhiểurằngnhiềunhàviếtlịch sửkhoahọcnói vềnhững thắng lợi củanó, vềnhữngphát hiện lừngdanh, những suy luận hoặc về nhữngbước nhảy thần kỳ củamộtNewtonhoặcmộtEinstein.Nhưngtôikhôngnghĩrằngthựcracóthểhiểucácthắnglợicủakhoahọcnếukhônghiểuđượcnókhórasao-tadễbịđilạcđườngnhưthếnào,việcbiếtđượcởmộtlúcnàođóđiềutiếptheophảilàmlàgì,khókhănnhưthếnào.

VII-Phầntrămgiâyđầutiên

CâuchuyệncủatavềbaphútđầutiênởchươngVkhôngthểbắtđầuvàothờiđiểmbắtđầucủavũtrụ.Thayvàođótabắtđầuở“cảnhmột”khinhiệtđộvũtrụđãnguộixuốngmộttrămnghìntriệuđộKelvin,vànhữnghạtcómặtlúcđóvớisốlượnglớnchỉlàphoton,electron,neutrinovànhữngphảnhạt tươngứngcủa chúng.Nếuchúngquả thực lànhững loại hạt duynhấttrongtựnhiên,thìcólẽcóthểngoạisuysựdãnnởvũtrụlùivềquákhứvàchorằngđãphảicómộtlúcbắtđầuthựcsự,mộttrạngtháinhiệtđộvàmậtđộvôcùnglớn,xảyra0,0108giâytrướccảnhmộtcủachúngta. Tuynhiêncónhiềuloạihạtkhácmàvậtlýthiênvănhiệnđạibiết:muon,meson pi, proton, nơtron, v. v…Khi ta nhìn lùi về những thời gian ngàycàngxa,tagặpnhữngnhiệtđộvàmậtđộcaođếnmứctấtcảcáchạtđócóthểcómặtvớisốlượnglớnởcânbằngnhiệtvàtấtcảởmộttrạngtháitươngtácliêntục.Vìnhữnglýdomàtôimongsẽlàmsángtỏ,taquảlàvẫnkhôngbiếtđủvềvậtlýhạtcơbảnđểcóthểtínhtoáncáctínhchấtcủamộthỗnhợpnhưvậyvớimộtsựtintưởngnàođángkể.Nhưvậysựkémcỏicủachúngtavềvậtlývimônhưlàmộtbứcmànchemấthướngnhìncủatavềlúcđầutiênthựcsự. Cốnhiêntarấtmuốnnhìnđượcsaubứcmànđó.Sựcámdỗđóđặcbiệtmạnhđốivớinhữngnhàlýthuyếtnhưtôi,làmviệcởlĩnhvựcvậtlýhạtcơbảnnhiềuhơnvậtlýthiênvăn.Nhiềuýtưởnghấpdẫntrongvậtlýcáchạthiện nay có những hệ quả tinh tế đến mức chúng rất khó mà được thửnghiệm trong các phòng thí nghiệm ngày nay, nhưng những hệ quả củachúngsẽrấtsâusắckhicácýtưởngnàyđượcápdụngchovũtrụrấtsơkhai. Vấnđềđầutiênmàtagặpphảikhinhìnlùivềnhữngnhiệtđộtrêntrămnghìntriệuđộlàdonhững“tươngtácmạnh”củanhữnghạtcơbản.Nhữngtươngtácmạnhlànhữnglựcgiữnơtronvàprotonvớinhautronghạtnhânnguyên tử.Chúngkhôngquen thuộc trongđờisốngbình thường theokiểucáclựcđiện,từvàhấpdẫnbởivìtầmtácdụngcủachúnglàhếtsứcngắn,khoảngmộtphầnmười triệucentimet (10mũâm13cm).Kểcả trongcácphân tử mà hạt nhân cách nhau thường vào khoảng vài phần trăm triệucentimet (10mũâm8 cm)những tương tácmạnhgiữa cáchạtnhânkhácnhauhầunhưkhôngcótácdụng.Tuynhiên,nhưtêncủachúngchỉrõ,cáctương tác mạnh là rất mạnh. Khi hai proton được đẩy đến đủ gần nhau,tươngtácmạnhcủachúngkhoảngmộttrămlầnlớnhơnlựcđẩyđiện,đâylà

lýdo tại sao các tương tácmạnhcó thểgiữvữngcáchạt nhậnnguyên tửchốnglạilựcđẩyđiệncủagầnmộttrămproton.Sựnổcủamộtbomkhinhkhíđượcgâynênbởisựphânbố lạinơtronvàproton,nóchophépchúngliênkếtvớinhaumạnhmẽhơnbởicáctươngtácmạnh;nănglượngcủaquảbomđúnglànănglượngthừadosựphânbốlạiđótạonên. Chínhsứcmạnhcủacáctươngtácmạnhlàmchotakhógiảiquyếtchúngbằngtoánhọchơnlànhữngtươngtácđiệntừ.Chẳnghạnkhitatínhxácsuấttánxạcủahaielectrondolựcđẩyđiệntừgiữachúnggâynên,taphảicộngmộtsốvôhạncácđónggóp,mỗiđónggópứngvớimộtchuỗibứcxạvàhấpthụđặcbiệtcácphotonvànhữngcặpelectron-pôzitronđượcmôtảtượngtrưngbằng“giảnđồFeynman”giốngnhưcácgiảnđồởhình10.

Hình10.VàigiảnđồFeynman. Hình10.VàigiảnđồFeynman.ỞđâyvẽvàigiảnđồFeynmanđơngiảncho quá trình tán xạ electron - electron. Những đường thẳng chỉ electronhoặcpôzitron;đườnglượnsóngchỉphoton.Mỗigiảnđồchỉmột“đạilượnghằngsố”nàođóphụthuộcvàoxunglượngvàspincủacácelectronvàovàra;xácsuấtcủaquátrìnhtánxạlàbìnhphươngcủatổngcácđạilượngđó,kếthợpvớimọigiảnđồFeynman.Phầnđónggópcủamỗigiảnđồchotổngnàylàtỷlệvớisốnhânsố1/137(hằngsốcấutrúctinhtế)đượcchobởisốđườngphoton.Giảnđồabiểudiễnsựtraođổimộtelectronriênglẻvàchođónggópchính,tỷlệvới1/137.Cácgiảnđồ(b),(c),(d)và(e)biểudiễnmọikiểugiảnđồhợpthànhcáchiệuchính“bứcxạ”chủyếucho(a);tấtcảchúngchođónggópkhoảng(1/137)mũ2.Giảnđồ(f)chomộtđónggópcònbéhơnnữa,tỷlệvới(1/137)mũ3. (PhươngpháptínhtoándùngcácgiảnđồđượcRichardFeynman,lúcđóởCornellvạchratrongcuốinhữngnăm1940.Nóichặtchẽra,xácsuấtcủaquátrìnhtánxạđượcchobằngbìnhphươngcủamộttổngcácđónggóp,mỗicáiứngvớimộtgiảnđồ.)Thêmmộtđườngnộitạinữavàochomộtgiảnđồbấtkỳsẽlàmgiảmphầnđónggópcủagiảnđồmộtsốlầnbằngmộtthừasốxấpxỉbằngmộthằngsốcơbảncủatựnhiên,gọilà“hằngsốcấutrúctinhtế”.Hằngsốnàyrấtlàbékhoảng1/137,036.Nhữnggiảnđồphứctạpdođó

chonhữngđónggópbé,vàtacóthểtínhtoánxácsuấtcủaquátrìnhtánxạvớimậtđộgầnđúngthíchhợpbằngcáchcộngnhữngđónggópchỉtừmộtsố ítgiảnđồđơngiản. (Đólà lýdo tạisao ta tin tưởngrằngtacó thể tiênđoán các phổ nguyên tử với độ chính xác hầu như không giới hạn.) Tuynhiên,vớicáctươngtácmạnhhằngsốđóngvaitròcủahằngsốcấutrúctinhtếxấpxỉbằngmột,chứkhôngphảilà1/137,036,vànhữnggiảnđồphứctạpkhiđóchomộtđónggópcũnglớnnhưnhữnggiảnđồđơngiản.Vấnđềnày,sựkhótínhtoáncácxácsuấtchocácquátrìnhbaohàmtươngtácmạnhđãlàtrởngạilớnnhấtduynhấtchosựtiếnbộtrongvậtlýhạtcơbảntrongmộtphầntưthếkỷqua. Khôngphảimọiquá trìnhđềubaohàm tương tácmạnh.Những tươngtácmạnh chỉ ảnhhưởngđếnmột loại hạt gọi là “hađron” chúngbaogồmnhữnghạt hạt nhânvà cácmesonpi, vànhữnghạt khôngbềnkhácgọi làmeson eta, các hyperon lamđa, hyperon xích ma, v. v… Những hađronthường là nặnghơn lepton (tên lepton là từ chữHyLạp cónghĩa là nhẹ),nhưngsựkhácnhauthựcsựquantrọnggiữachúnglàcáchađronchịuảnhhưởngcủanhữngtươngtácmạnhtrongkhicáclepton-neutrino,electron, vàmuon thì không . Sự việc electron không cảm thấy lực hạtnhânlàvôcùngquantrọng-cùngvớiviệckhốilượngcủaelectronrấtbé,nólànguyênnhângâynênsựkiện làđámmâyelectron trongmộtnguyên tửhoặcphântửlàkhoảngmộttrămnghìnlầnlớnhơnhạtnhânnguyêntửvàcảsựkiệnlàcáclựchóahọcgiữcácnguyêntửvớinhautrongcácphântửlàhàngtriệulầnyếuhơncáclựcgiữanơtronvàprotonvớinhautrongcáchạtnhân.Nếunhữngelectrontrongcácnguyêntửvàphântửcảmthấycáclựchạtnhân,thìsẽkhôngcóhóahọchoặctinhthểhọchoặcsinhhọc-màchỉcóvậtlýhạtnhân. NhiệtđộmộttrămnghìntriệuđộKelvinđượcdùngđểbắtđầuchươngV,đượcchọncẩn thậnđểởdướinhiệtđộngưỡngchomọihađron. (Theobảng1,hađronnhẹnhất,mesonpicómộtnhiệtđộngưỡngkhoảng1,6triệutriệuđộKelvin.)Nhưvậy,suốttrongcâuchuyệnkểởchươngVnhữnghạtduy nhất cómặt với số lượng lớn là lepton và photon, và tương tác giữachúngcóthểđượcbỏquamộtcáchantoàn. Taphảixửlýnhưthếnàovớinhiệtđộcaohơnkhicáchađronvàphảnhađrontồntạivớisốlượnglớn?Cóhaigiảiđáprấtkhácnhauphảnánhhaitrườngpháisuynghĩrấtkhácnhauvềbảnchấtcáchađron. Theomộttrườngphái,thựcrakhôngcógìcóthểcoinhưlàmộthađron“cơbản”.Mỗimộthađronnàycũngcơbảnnhưmỗimộthađronkhác,khôngchỉnhữnghađronbềnvàgầnbềnnhưprotonvànơtron,vàkhôngchỉnhữnghạtkhôngbềnvừaphảinhưmesonpi,mesonK,mesoneta,vàcáchyperon,

chúngsốngđủ lâuđểđể lạinhữngvếtđođượctrênnhữngphimảnhhoặctrongcácbuồngbọt,màcòncảnhững“hạt”hoàntoànkhôngbềnnhưcácmesonro,chúngsốngchỉđủlâuvớimộtvậntốcgầnbằngvậntốccủaánhsángchúngchỉcóthểvượtquakhoảngmộthạtnhânnguyêntử.Thuyếtnày,nóiriêngđãđượcGeoffreyChewởBerkeleypháttriểnvàocuốinhữngnăm1950 và đầu những năm 1960, và đôi khi được gọi là “nền dân chủ hạtnhân”. Vớimộtđịnhnghĩaphóngkhoángnhưvậyvềhađron,đúnglàcóhàngtrămhađronđãđượcbiếtmàngưỡngthấphơn100triệutriệuđộKelvin,vàcóthểcòncóhàngtrămnữaphảiđượckhámphára.Trongvàithuyếtcòncómộtsố loạikhônghạnchế: số loạihạt sẽ tăng lênngàycàngnhanhkhi takhảosáttỷmỷnhữngkhốilượngngàycànglớn.Cóvẻkhôngcóhyvọnggìkhimuốnthửhiểutýgìvềmộtthếgiớinhưvậy,nhưngchínhsựquáphứctạpcủaphổhạtcóthểdẫnđếnmộtloạitínhđơngiản.Chẳnghạnmesonrolàmộthađroncóthểcoinhưmộtphứchợpkhôngbềncủahaimesonpi;khitakểđếncácmesonromộtcáchrõrệttrongcáctínhtoáncủata,tađãphầnnàotínhđếntươngtácmạnhgiữacácmesonpi;cóthểrằngnếutađưamọihađronvàcáctínhtoánnhiệtđộnghọcmộtcáchrõrệtthìtacóthểbỏquamọihiệuứngkháccủacáctươngtácmạnh. Ngoài ra nếu thực cómột sốkhônghạnđịnh loại hađron thì khi ta đểngàycàngnhiềunănglượngtrongmộtthểtíchđãcho,thìnănglượngkhônglàmchocácvậntốcngẫunhiêncủacáchạttănglên,màthayvàđólàchomộtsốloạihạtcómặttrongthểtíchtănglên.Khiđónhiệtđộkhôngtănglênnhanh,khimậtđộnănglượngtăngnhưđiềuphảixảyranếusốloạihađronđãđượccốđịnh.Thựcra,trongnhữngthuyếtnhưvậy,cóthểcómộtnhiệtđộcựcđại,trịsốcủanhiệtđộởđómậtđộnănglượngtrởthànhvôcùnglớn.Đósẽlàmộtgiớihạntrênkhôngvượtđượcvềnhiệtđộnhưđộkhôngtuyệtđối là một giới hạn dưới. Ý tưởng về một nhiệt độ cực đại trong vật lýhađron lúcđầu tiênđóR.Haedornởphòng thí nghiệmCERNởGiơnevơđưaravàsaunàyđượcpháttriểnthêmbởinhiềunhàvậtlýlýthuyếtkhácbao gồmKersonHuangởM.I.T và bản thân tôi.Có cảmột ước tính kháchính xác về nhiệt độ cực đại - nó thấp một cách đáng ngạc nhiên, vàokhoảnghaitriệutriệuđộKelvin(2x10mũ12K).Nếutanhìnmỗilúcmộtgầnthờiđiểmbắtđầu,nhiệtđộsẽlớnlênmỗilúcmộtgầntrịsốcựcđạiđóvàsố loạihađroncủamặtsẽmỗi lúccàngphongphú.Tuynhiêndù trongnhữngđiềukiệnkỳlạđó,cũngsẽcònmộtlúcbắtđầu,mộtthờiđiểmcómậtđộ năng lượng vô cùng lớn xấp xỉ vào khoảngmột phần trăm giây trướccảnhmộtởchươngV. Còncómộttrườngpháitưtưởngkháctheolốicổtruyềnhơnnhiều,gần

trực giác thông thườnghơnnhiều so với phái “nềndân chủhạt nhân”, vàtheotôicũnggầnsựthậthơn.Theotrườngpháinàykhôngphảitấtcảcáchạtđềunhưnhau;mộtsốđúngthậtlàcơbản,vàtấtcảcáchạtkhácchỉlànhữngphứchợpcủanhữnghạtcơbản. Nhữnghạtcơbảnđượccholàbaogồmprotonvàtấtcảnhữngleptonđãbiết,nhưngkhôngcóhạthađronđãbiếtnào.Ngượclại,nhữnghađronđượcgiảthiếtlàphứchợpcủanhữnghạtcơbảnhơngọilà“quark”(quac). Biến thể ban đầu của thuyết quark doMurrayGell -Mann vàGeorgeZweig,cảhaiởCalTech,đưa ra (mộtcáchđộc lập).Trí tưởng tượng thơmộngcủacácnhàvậtlýlýthuyếtquảlàđãquáphóngtúngtrongviệcđặttên cho các loại quark khác nhau. Có nhiều kiểu hoặc “mùi” quark khácnhau,chúngđượcgántênnhưlà“lên”,“xuống”,“lạ”,và“duyên”.Hơnnữamỗi“mùi”củaquarkcóba“màu”phânbiệt,mànhữngnhàvậtlýlýthuyếtMỹthườnggọi làđỏ, trắng,xanh.Nhómnhỏnhữngnhàvật lý lý thuyếtởBắcKinhtừlâuđãưudùngmộtbiếnthểhơigiốngcủathuyếtquark,nhưnggọi chúng là “straton”, thay cho quark bởi vì những hạt này thể hiệnmộtmứcđộ(stratum)thựctếsâuhơnnhữnghađronbìnhthường. Nếuýtưởngvềquarklàđúng,thìkhiđóvậtlýcủavũtrụlúcthậtsơkhaicóthểđơngiảnhơnlàtatưởngtrướcđây.Cóthểsuyramộtcáigìđóvềlựcgiữacácquarktừphânbốtheokhônggiancủachúngbêntrongmộthạthạtnhânvàsựphânbốđólạicóthểđượcxácđịnh(nếumôhìnhquarklàđúng)từnhữngquansátvềnhữngvachạmnănglượngcaocủaelectronvớihạthạtnhân.Theohướngđó,cáchđâyvàinămnhờmộtsựcộngtácgiữaM.I.T.vàtrungtâmgiatốctuyếntínhStanfordngườitađãtìmthấyrằnglựcgiữacácquarkhìnhnhưbiếnmấtkhicácquarkrấtgầnnhau.ViệcnàygợiýrằngởmộtnhiệtđộnàođóvàokhoảngnhiềutriệutriệuđộKelvin,hađronsẽđơngiảnvỡthànhnhữngquarkthànhphầncủachúng,đúngnhưlànguyêntửvỡrathànhelectronvàhạtnhânởvàinghìnđộ,vàhạtnhânvỡrathànhprotonvànơtronởvàinghìn triệuđộ.Theobứctranhđó, trongnhữngthờikỳthật là sơ khai, vũ trụ có thể nói là bao gồm photon, lepton và phảnlepton,quark,phảnquark, tấtcảchuyểnđộngvềcănbảnnhưnhữnghạttựdo,vàmỗiloạihạt,dođó,cungcấpđúngmộtloạibứcxạvậtđennữa.Lúcđódễtínhtoánrằngphảicómộtthờiđiểmbắtđầu,mộttrạngtháicómậtđộvôhạnvànhiệtđộvôhạn,khoảngmộtphầntrămgiâytrướccảnhmột. Nhữngýtưởngphầnnàotrựcgiáchơnnàygầnđâyđãđượcđặttrênmộtnền tảng toán học vững hơn nhiều.Năm1973 ba nhà lý thuyết trẻ,HughDavidPolitzerởHarvard,DavidGrossvàFrankWilezekởPrincetonđãchỉrarằng,trongmộtlớpcáclýthuyếttrườnglượngtửđặcbiệt,nhữnglựcgiữa

cáchạtquarkthựcsựtrởnênyếuhơnkhichúngđượcđẩygầnnhauhơn(lớpcáclýthuyếtnàyđượcgọilànhững“lýthuyếthiệuchuẩnkhônggiaohoán”màbởinhữnglýdoquáchuyênmônnênkhôngthểcắtnghĩaởđâyđược).Những lý thuyết này có tính chất “tự do tiệm cận” đáng chú ý: ở nhữngkhoảngcáchngắnhoặcnănglượngcaomộtcáchtiệmcận,nhữnghạtquarkbiểudiễnnhưnhữnghạt tựdo,S.CollinsvàM.J.Perryở trườngđạihọcCambridgecũngđãchỉrõrằngtrongbấtkỳmộtthuyếttựdotiệmcậnnào,nhữngtínhchấtcủamộtmôitrườngởnhiệtđộvàmậtđộđủcaovềcănbảnlàgiốngnhưthểmôitrườngchỉgồmnhữnghạttựdo.Nhưvậy,tínhtựdotiệmcậncủanhữnglýthuyếthiệuchuẩnkhônggiaohoánnàyđãcungcấpmộtbằngchứngtoánhọcvữngchắcchobứctranhkhoahọcthậtđơngiảnvềphầntrămgiâyđầutiên-rằngvũtrụchỉbaogồmnhữnghạtcơbảntựdo. Mô hình quark là rất tốt trongmột loại ứng dụng rộng rãi. Proton vànơtronquả thựcbiểudiễnnhư thểchúngbaogồmbaquark,cácmesonrobiểudiễnnhưthểchúngbaogồmmộtquarkvàmộtphảnquark,v.v…Nhưngmặcdùcóthắnglợiđó,môhìnhquarkđặtrachotamộtbàitoánrấthócbúa:dầuvớinhữngnănglượngcaonhấtcóthểđạtđượctrongnhữngmáygiatốchiện nay, người ta không thể phá vỡmột hađron nào thành ra các quarkthànhphầncủanó. Mộtsựbấtlựcđãcôlậpquarktựdogiốngnhưvậycũngxuấthiệntrongvũ trụhọc.Nếuhađron thực sựvỡ ra thànhquark tựdo trongnhữngđiềukiệnnhiệtđộcao trongvũ trụ sơkhai, thìngười ta có thểchờđợimột sốquark tự do còn sót lại đến nay.Nhà vật lý thiên vănLiênXô cũYa.B.Zeldovichđãướctínhrằngnhữnghạtquarktựdocònsótlạicóthểxấpxỉnhiềunhưnguyêntửvàngtrongvũtrụhiệnnay.Khôngcầnphảinói,vàngkhôngphải là nhiều lắmnhưngmột lạng vàng còndễ kiếmhơnmột lạngquarknhiều. Bài toán hóc búa về sự không tồn tại quark tự do cô lập làmột trongnhững bài toán quan trọng nhất của vật lý lý thuyết hiện nay. Gross vàWilezekvàcảbảnthântôiđãgiảthiếtrằng“tínhtựdotiệmcận”cungcấpmộtcáchgiải thíchcó thểcó.Nếusứcmạnhcủa tương tácgiữahaiquarkbớtđikhichúngđượcđẩyđếngầnnhauthìnócũngtănglênkhichúngbịkéoraxanhau.Năng lượngcầnđểkéomộtquarkkhỏinhữngquarkkháctrongmộthađronbìnhthườngdođósẽ tăngkhikhoảngcáchtăngvàhìnhnhưmộtlúcnàođónótrởthànhđủlớnđểtạonênnhữngcặpquark-phảnquácmớitừchânkhông.Cuốicùng,ngườitacókhôngphảinhiềuquarktựdomànhiềuhađronthôngthường.Việcnàyhoàntoàngiốngnhưkhitađịnhdứtmộtđầucủamộtsợidây:nếubạnkéorấtmạnhsợidâysẽđứt,nhưngkếtquảcuốicùnglàhaisợidây,mỗisợicóhaiđầu.Cácquarktrongvũtrụsơ

khaiởgầnnhauđủđểchúngkhôngcảmthấycáclựcđóvàcóthểbiểudiễnnhưnhữnghạttựdo.Tuynhiênmỗiquarktựdocómặttrongvũtrụsơkhai,thìkhivũtrụgiãnnởvànguộiđi,phảihoặcbịhủyvớimộtphảnquarkhoặctìmmộtnơiannghỉởtrongmộtprotonhoặcmộtnơtron. Nhưvậylàtađãnóinhiềuvềtươngtácmạnh,cónhiềuvấnđềcầnphảiđượcgiảiquyếtnữanếutaquayđồnghồlùilạilúcbắtđầuthựcsự. Mộthệquảthựcsựhếtsứchấpdẫncủanhữnglýthuyếthiệnđạivềhạtcơbảnlàvũtrụcóthểđãcóthểtrảiquamộtsựchuyểnpha,nhưsựđôngđặccủanướckhinólạnhxuốngdưới273K(=0độC).Sựchuyểnphađókhôngliênquantớicáctươngtácmạnh,màtớimộtloạitươngtáctầmngắnkháctrongvậtlýhạtcơbản,nhữngtươngtácyếu. Tương tácyếuchịu tráchnhiệmvềmộtsốquá trìnhphân rãphóngxạnhưsựphânrãcủamộtnơtron tựdohoặcnói rộnghơn,vềmọiphảnứngbaogồmmộtneutrino.Nhưtêngọichúngchothấy,nhữngtươngtácyếuyếuhơn nhiều so với các tương tác điện từ hoặc tương tácmạnh. Chẳng hạntrongmộtvachạmgiữamộtneutrinovàmộtelectronởmộtnănglượngmộttriệuelectron -vôn, lựcyếu làkhoảngmộtphầnmười triệu (10mũâm7)củalựcđiệntừgiữahaielectronvachạmnhauởcùngnănglượngđó. Mặcdùtínhyếucủacáctươngtácyếu,từlâungườitađãnghĩrằngcómộtliênhệsâusắcgiữacáclựcyếuvàđiệntừ.Mộtlýthuyếttrườngthốngnhấthai lựcđóđãđược tôiđưa ranăm1967vàAbdusSalamđưa ramộtcáchđộclậpnăm1968.Lýthuyếtđótiênđoánmộtloạitươngtácyếumới,gọi lànhữngdòng trunghòa,màsự tồn tạiđãđượckhẳngđịnhbằng thựcnghiệmnăm1973.Nólạiđượcsựủnghộtiếptheodosựkhámphábắtđầutừ1974,củamộthọhađronmới.Ýtưởngthenchốttrongloạilýthuyếtđólàtựnhiêncómộtđộđốixứngrấtcao liênhệcáchạtvàcác lựckhácnhau,nhưngbịlumờđitrongcáchiệntượngvậtlýthôngthường.Cáclýthuyếttrườngdùngtừ1973đểmôtảcáctươngtácmạnhđềuthuộckiểutoánhọcđó(cáclýthuyếthiểuchuẩnkhônggiaohoán)vànhiềunhàvậtlýhiệnnaytinrằngcáclýthuyếthiệuchuẩnđócóthểcungcấpmộtcơsởthốngnhấtđểhiểumọilựccủatựnhiên:yếu,điệntừ,mạnhvàcóthểcảlựchấpdẫn.QuanđiểmđóđượcủnghộbởimộttínhchấtcủacáclýthuyếthiệuchuẩnđãđượcSalamvàbảnthântôiphỏngđoánnhưngđượcGerard’tHooltchứngminhlầnđầutiênnăm1971:cácđónggópcủanhữnggiảnđồFeynmanphứctạpmặcdùbềngoàilàvôhạn,chonhữngkếtquảhữuhạnđốivớixácsuấtcủamọiquátrìnhvậtlý. Đối với các nghiên cứu vũ trụ sơ khai, điều quan trọng trong các lýthuyếthiệuchuẩnlà,nhưnăm1972D.A.KizhnitzvàA.D.Lindeởviệnvật

lýLebedvevởMatxcơvađãchỉrõ,cáclý thuyếtđóđưaramộtsựchuyểnpha,mộtkiểuđôngđặc,ởmột“nhiệtđộtớihạn”khoảng3000triệutriệuđộKelvin(3x10mũ10K).Ởnhữngnhiệtđộdướinhiệtđộtớihạnvũtrụlànhưbâygiờ:tươngtácyếuđãlàyếuvàcótầmngắn.Ởnhữngnhiệtđộtrênnhiệtđộtớihạntínhthốngnhấtcơbảngiữacáctươngtácyếuvàđiệntừlàrõrệt:cáctươngtáctuântheocùngloạiđịnhluậtbìnhphươngnghịchđảonhưcáctươngtácđiệntừvàcócùngcườngđộ. Sựtươngtácvớimộtcốcnướcđôngđặcởđâycónhiềuýnghĩa.Trênđiểmđôngđặcnướclỏngtỏracómộtđộđồngtínhcao:xácsuấttìmđượcmộtphân tửnướcởmộtđiểmở trongcốc làđúngnhưởbấtcứđiểmnàokhác.Tuynhiên,khinướcđôngđặc,sựđốixứnggiữacácđiểmkhácnhautrongkhônggianbịmấtđimộtphần:nướcđátạoramộtmạngtinhthểvớinhữngphântửnướcchiếmnhữngvịtrícáchnhauđềuđặnnhấtđịnhvàvớigầnnhưmộtxácsuấtbằngkhôngđểtìmranhữngphântửnướcởbấtcứchỗnàokhác.Cũngnhưvậykhivũtrụ“đôngđặc”vớinhiệtđộxuốngthấphơn3000triệutriệuđộ,mộtsựđốixứngđãbịmấtđi-khôngphảitínhđồngtínhkhônggiancủanó,nhưtrongcốcnướcđácủata,màlàsựđốixứnggiữacáctươngtácyếuvàđiệntừ. Còncóthểđưasựtươngtựđixahơnnữa.Nhưmọingườibiết,khinướcđônglạinóthườngkhôngtạoramộttinhthểnướcđáhoànhảo,màlàmộtcáigìcònphứctạphơnnhiều:mộttrạngtháihỗnđộncủacácmiền(đômen)tinhthểđượcngăncáchnhaubởinhữngsaihỏngtinhthểđủmọikiểu.Vũtrụđãđônglạithànhnhữngmiềnchăng?Chúngtađãsốngtrongmộtmiềnmàởđótínhđốixứnggiữacáctươngtácyếuvàđiệntừđãbịphávỡtheomộtcáchđặcbiệt,vàcóthểlúcnàođótakhámpháranhữngmiềnkháchaychăng? Chođếnnaytrí tưởngtượngcủatađãđưata lùi lạimộtnhiệtđộ3000triệutriệuđộvàtađãnóiđếncáctươngtácmạnh,yếuvàđiệntừ.Cònvềmộtloạitươngtáctrọngyếutrongvậtlý,cáctươngtáchấpdẫnthìsao?Lựchấpdẫncốnhiênđãđóngmộtvaitròquantrọngtrongcâuchuyệncủachúngta,vìnóchiphốiquanhệgiữamậtđộvũtrụvàtốcđộgiãnnởcủanó.Tuynhiên,lựchấpdẫnđãkhôngđượcthấylàcómộttácđộngnàotrêncáctínhchấtnộitạicủabấtkỳphầnnàocủavũtrụsơkhai.Đólàvìsứcyếuhếtmứccủalựchấpdẫn:chẳnghạn,lựchấpdẫngiữaelectronvàprotontrongmộtnguyêntửhyđrobéhơnlựcđiện10mũ39lần. (Mộtbằngchứngcủasựyếuớtcủalựchấpdẫntrongcácquátrìnhvũtrụlàquátrìnhsảnrahạttrongcáctrườnghấpdẫn.LeonardParkerởtrườngđạihọcWisconsinđãnêurarằngcáchiệuứng“thủytriều”củatrườnghấpdẫncủavũtrụđãđủlớnởmộtthờiđiểmkhoảngmộtphầntriệutriệutriệutriệu

giây(10mũâm24giây)saulúcbắtđầu,đểtạoranhữngcặphạt-phảnhạttừkhônggiantrốngrỗng.Tuynhiên,lựchấpdẫnởnhữngnhiệtđộđócũngđãyếuđếnnỗisốcáchạtsảnranhưvậyđónggópmộtcáchkhôngđángkểvàosốcáchạtđãcómặttrongcânbằngnhiệt). Dùsao,ítnhấttacóthểtưởngtượngmộtthờiđiểmkhicáclựchấpdẫnđãmạnhnhưcáctươngtáchạtnhânmạnhthảoluậnởtrên.Cáctrườnghấpdẫnkhôngnhữngđượcsinhrabởikhối lượngcáchạt,màcònbởimọidạngnănglượng.Quảđấtquayxungquanhmặttrờinhanhhơnmộtítsovớitrườnghợpnếumặttrờikhôngnóngquánhưvậy,bởivìnănglượngtrongsứcnóngcủamặttrờichothêmmộtítvàonguồnlựchấpdẫncủanó.Ởnhữngnhiệtđộsiêucao,nănglượngcáchạtởcânbằngnhiệtcóthểtrởthànhlớnđếnmứccáclựchấpdẫngiữachúngtrởthànhmạnhbằngbấtcứlựcnàokhác.Tacóthểướctínhrằngtrạngtháiđóđãđạtđượcởmộtnhiệtđộkhoảng100triệutriệutriệutriệutriệuđộ/(10mũ32K). Ởnhiệtđộđó,mọiđiềukỳlạđãcóthểxảyra.Khôngnhữngcáclựchấpdẫnđãmạnhvàsựtạorahạtdocáctrườnghấpdẫnđãkhấmkhá-màngayýtưởngvề“hạt”cóthểđãkhôngcóbấtcứýnghĩagì.“Chântrời”,khoảngcáchmàbênngoàinótakhôngthểnhậnđượcmộttínhiệugìlúcđócóthểgầnhơnmột bước sóng củamột hạt điển hìnhở cân bằngnhiệt.Nóimộtcáchkhôngchặtchẽlắm,lúcđómỗihạtcóthểlàlớnbằngcảvũtrụquansátđược! Takhôngbiếtđủrõvềbảnchấtlượngtửcủalựchấpdẫndùđểsuyluậnmột cách thôngminhvề lịch sửvũ trụ trước thời điểmđó.Ta có thểướclượngthôthiểnrằngnhiệtđộ10mũ32Kđạtđượcvàokhoảng10mũâm43giâysaulúcbắtđầu,nhưngkhôngthấyrõlắmlàsựướclượngđócóýnghĩagìkhông.Nhưngmặcdầucácmànchekhácđãđượckéođi,vẫncònlạimộtmàncheởmộtnhiệt độ10mũ32K, chắnkhôngcho tanhìnvề các thờiđiểmsơkhainhất. Tuynhiên,khôngcómột sựkhôngchắcchắnnào trongsốđó làquantrọngđốivớithiênvănhọcvàonăm1976.Lýdolàtrongsuốtcảgiâyđầutiênvũtrụchắcđãởmộttrạngtháicânbằngnhiệt,trongđósốlượngvàsựphânbốcáchạt,kểcảneutrino,đượcxácđịnhbởicácđịnhluậtcủacơhọcthốngkê,chứkhôngphảibởicácchitiếtcủalịchsửtrướcđócủachúng. Hiệnnaykhiđođộnhiềucủahêli,hoặccủabứcxạcựcngắn,hoặccảcủaneutrino,tađangquansáttànsưcủamộttrạngtháicânbằngnhiệtđãkếtthúcngaysaugiâyđầutiên.Theosựhiểubiếtcủatahiệnnay,khôngcógìmàtaquansáthiệnnayphụthuộcvàolịchsửcủavũtrụtrướcthờiđiểmđó.(Đặcbiệt,khôngcógìtaquansáthiệnnayphụthuộcvàoviệcvũtrụtrước

giâyđầutiêncóđẳnghướngvàđồngtínhhaykhông,cólẽ,trừbảnthântỷsốphoton trênhạthạtnhân).Việcnàygiốngnhưthểmộtbữatiệcđượcchuẩnbị rất cẩn thận - cácchất tươinhất,giavị chọncẩn thậnnhất,rượungonnhất-rồilạiđượcđặttấtvàomộtnồilớnđểđượcđunsôivàigiờ.Khómàbiếtđược-dùbạnlàngườisànhănnhất-bạnđãđượcdọnmónăngì. Cóthểcómộtngoạilệ.Hiệntượnghấpdẫn,nhưhiệntượngđiệntừ,cóthể được thể hiện dưới dạng sóng cũng như dưới dạng tác dụng tĩnh quakhoảngcáchquenthuộchơn.Haielectronởtrạngtháinghỉsẽđẩynhauvớimộtlựctĩnhđiệnphụthuộcvàokhoảngcáchgiữachúng,nhưngnếutalắctớilắcluimộtelectron,thìelectronkiasẽkhôngcảmthấybấtcứsựthayđổinàotronglựctácđộnglênnóchođếnkhicóđủthờigianchocáctintứcvềsựthayđổikhoảngcáchđượcmangbởimộtsóngđiệntừtừhạtnàyquahạtkhác.Khôngcầnphảinóilàcácsóngnàylantruyềnvớivậntốcánhsáng-chúng làánhsáng, tuy rằngkhôngnhất thiết làánhsáng thấyđược.Cũngnhưvậy,nếumộtngườikhổnglồcóácýlănmặttrờiqualại,taởtrênmặtđấtsẽkhôngcảmthấyảnhhưởngtrướctámphút,thờigiancầnchomộtsóngđivớivậntốcánhsángtừmặttrờiđếnquảđất.Đâykhôngphảilàmộtsóngánhsáng,mộtsóngcủanhữngtrườngđiệnvàtừdaođộng,màlàmộtsónghấpdẫn, trongđósựdaođộng làở trườnghấpdẫn.Cũngnhưđốivớicácsóngđiệntừtagộpchungcácsónghấpdẫnởmọibướcsóngdướidanhtừ“bứcxạhấpdẫn”. Bứcxạhấpdẫntươngtácvớivậtchấtyếuhơnnhiềusovớibứcxạđiệntừhoặccảsovớineutrino(vìlýdođó,dùtatintưởngcólývàocơsởcủaviệctồntạibứcxạhấpdẫn,nhữngcốgắnglớnnhấtchođếnnayđãkhôngđạtđượckếtquảlàpháthiệnsónghấpdẫntừbấtkỳnguồnnào).Bứcxạhấpdẫndođóđãphảitừbỏcânbằngnhiệtvớicácthànhphầnkháccủavũtrụsơkhai-thựcrakhinhiệtđộkhoảng10mũâm32K.Từđónhiệtđộhiệudụngcủabứcxạhấpdẫnquảlàđãgiảmtỷlệnghịchvớikíchthướccủavũtrụ.Đóchính làđịnh luậtgiảmmànhiệtđộcủacác thànhphầncòn lạicủavũ trụtuântheotrừsựhủycáccặpquark-phảnquarkvàlepton-phảnleptonchứkhôngphảibứcxạhấpdẫn,đãnungnóngphầncònlạicủavũtrụ.Chonên,vũtrụhiệnnayphảichứamộtbứcxạhấpdẫnởmộtnhiệtđộgầnbằngnhưngbéhơnmộttýsovớinhiệtđộcủacácneutrinovàphoton-cóthểkhoảng1K.Sựpháthiệnbứcxạđósẽlàmộtquansáttrựctiếpthờiđiểmxưanhấtcủalịchsửvũtrụmàvậtlýlýthuyếthiệnnaycóthểnghĩđến.Tiếcthaykhôngcómộtcơmaybénhấtnàođểpháthiệnmộtphôngbứcxạhấpdẫn1Ktrongmộttươnglainhìntrướcđược. Nhờmộtlýthuyếtcótínhsuyđoáncaođộtacóthểngoạisuylịchsửvũ

trụtrởlùiđếnmộtthờiđiểmmậtđộvôhạn.Nhưngviệcnàychưalàmchochúngtathỏamãn.Chúngtatựnhiênmuốnbiếtcáigìđãtồntạitrướclúcđó,trướckhibắtđầugiãnnởvànguộiđi. Mộtkhảnănglàđãkhônglúcnàothựcsựcómộttrạngtháivôhạn.Sựgiãnnởhiệnnaycủavũ trụcó thểđãbắtđầuởcuốimộtgiaiđoạnco lạitrướckia,khimậtđộvũtrụđãđạtđượcmộttrịsốrấtcaonhưnghữuhạn.Tôisẽnóimộtítvềkhảnăngnàytrongchươngsau. Tuy nhiên, dù chúng ta không biết rằng nó có thật, thì ít nhất vềmặtlôgiccóthểđãcómộtlúcbắtđầu,vàbảnthânthờigiankhôngcóýnghĩagìtrước lúc đó.Chúng ta tất cả đều quenvới ý nghĩ vềmột nhiệt độ khôngtuyệtđối.Khôngthểlàmlạnhbấtcứvậtgìdướiâm273,16độC,khôngphảivìviệcnàyquákhó,hoặcbởivìchưaainghĩđếnmộttủlạnhđủtàitìnhmàlàbởivìnhữngnhiệtđộthấphơnđộkhôngtuyệtđốikhôngcóýnghĩa-takhôngthểcóítnhiệthơnlàkhôngcóchútnhiệtnào.Cũngnhưvậy,cólẽtaphải quenvới ý nghĩmột thời gianbằngkhông tuyệt đối -một thời điểmtrongquákhứmà trướcđóvềnguyên tắc không thểvạch ra bất cứ chuỗinhânquảnào.Vấnđềchưađượcgiảiđápvàcóthểmãimãivẫnkhôngđượcgiảiđáp. Đốivớitôi,điềuthỏamãnnhấtcóđượctừcáclậpluậntrênvềvũtrụlúcthậtsơkhailàsựtươngđươngcóthểcógiữalịchsửvũtrụvàcơcấulôgiccủanó.Tựnhiênngàynay“phôbày”nhiềuhạtvàloạitươngtáckhácnhau.Nhưngmàtađãhọccáchnhìndướitínhđadạngđó,cốcoicáchạtvàtươngtáckhácnhaunhưlàcácmặtcủamộtlýthuyếttrườnghiệuchuẩnthốngnhấtđơngiản.Vũtrụhiệnnaylạnhđếnmứccáctínhđốixứnggiữanhữnghạtvàtương táckhácnhauđãbị lumờvìmộtkiểuđôngđặc, chúngkhôngxuấthiệntrongnhữnghiệntượngbìnhthường,màphảiđượcbiểudiễnbằngtoánhọc,trongcáclýthuyếttrườnghiệuchuẩncủachúngta.Cáimàtalàmbâygiờnhờtoánhọcđãđượclàmtrongvũtrụthậtsơkhainhờnhiệt-cáchiệntượngvậtlýthểhiệnmộtcáchtrựctiếptínhđơngiảncơbảncủatựnhiên.Nhưngkhôngmộtaicómặtlúcđóđểthấyđiềunày.

VIII-Phầnkết:Viễncảnhtrướcmắt

Vũtrụchắcsẽcòntiếptụcgiãnnởmộtthờigiannữa.Vềsốphậncủanósauđó,môhìnhchuẩnchomộtlờitiênđoánmơhồ:nóphụthuộchoàntoànvàoviệcmậtđộvũtrụbéhơnhaylớnhơnmộtgiátrịtớihạnnàođó. NhưtađãthấyởchươngII,nếumậtđộvũtrụbéhơnmậtđộtớihạnthìlúcđóvũtrụlàvôhạnvàsẽmãimãigiãnnở.Concháuchúngta,nếulúcđócó,sẽthấynhữngphảnứngnhiệthạchđiđếnkếtthúcchầmchậmtrongtấtcảcácvìsao,đểlạiởsaunhữngloạitrobụikhácnhau;nhữngsaolùnđen,nhữngsaonơtron,cóthểcảnhữnglỗđen.Cáchànhtinhcóthểtiếptụcquaytrên quỹ đạo chậm dần đi một ít khi chúng bức xạ sóng hấp dẫn, nhưngkhôngkhinàonghỉsaumộtthờigianhữuhạn.Nhiệtđộnhữngphôngbứcxạvà neutrino vũ trụ sẽ tiếp tục hạ tỷ lệ nghịch với kích thước của vũ trụ,nhưngchúngkhôngthểmấtđi;ngaybâygiờtacóthểpháthiệnphôngbứcxạcựcngắn3K. Mặtkhácnếumậtđộvũtrụ lớnhơngiá trị tớihạn thìkhiđóvũ trụ làhữuhạnvàsựgiãnnởcủanósẽmộtlúcnàođókếtthúc,vàđượcthaybằngmộtsựcongàycàngmạnh.Nếuchẳnghạn,mậtđộvũtrụgấpđôigiátrịtớihạncủanóvànếugiátrịđangđượccôngnhậnhiệnnaycủahằngsốHubble(15kmmỗigiâychomỗitriệunămánhsáng)làđúngthìkhiđóvũtrụchođếnbâygiờcótuổilà10000triệunăm;nósẽtiếptụcgiãnnởtrong50000triệunămnữavàsauđóbắtđầucolại(xemhìnhbốn).Sựcođúnglàsựgiãnnở theochiềungược lại: sau50000 triệunăm,vũ trụ sẽ lấy lạikích thướchiệnnayvàsau10000triệunămnữasauđónósẽđếngầnmộttrạngtháikỳdịcómậtđộvôhạn. Suốtítnhấtlàphầnđầucủagiaiđoạnco,cácnhàthiênvăn(nếucókhiđó)sẽcóthểtiêukhiểnbằngsựquansátcảdịchchuyểnđỏlẫndịchchuyểnxanh.Ánhsángtừnhữngthiênhàgầnchắcđãđượcbứcxạởmộtthờiđiểmvũtrụlớnhơnsovớikhiánhsángđóđượcquansát,dođókhinóđượcquansát,ánhsángnàysẽcóvẻnhưdịchchuyểnvềphíađầubướcsóngngắncủaphổ,nghĩalàvềphíaxanh.Mặtkhác,ánhsángtừnhữngvậtrấtlàxasẽphảiđượcbứcxạởmột thờikỳkhivũtrụđangcòntrongnhữnggiaiđoạnđầucủasựgiãnnởcủanó,khivũtrụcònbéhơnsovớikhiánhsángđượcquansát,dođókhinóđượcquansát,ánhsángđócóvẻnhưdịchchuyểnvềphíacácbướcsóngdàicủaphổ,nghĩalàvềphíađỏ.

Nhiệtđộcủacácphôngphotonvàneutrinovũtrụsẽhạxuống,rồisauđótănglênkhivũtrụgiãnnởrồicolại,luônluôntỷlệnghịchvớikíchthướccủavũtrụ.Nếumậtđộvũtrụhiệnnaygấpđôitrịsốtớihạncủanó,thìkhiđócáctínhtoáncủatachỉrõrằngvũtrụlúclớnnhấtsẽđúnggấpđôibâygiờ,nhưvậynhiệtđộphôngsóngcựcngắnlúcđósẽđúngbằngmộtnửagiátrị3Khiệnnay,hoặckhoảng1,5K.Sauđóvũtrụbắtđầucolạivànhiệtđộbắtđầutănglên. Lúcđầukhôngcóbáođộnggì-tronghàngnghìntriệunămphôngbứcxạ sẽ lạnh đếnmức cần cómột cố gắng lớnmới phát hiện được nó. Tuynhiên,khivũtrụđãcohẹplạiđếnmộtphầntrămkíchthướchiệnnay,phôngbứcxạsẽbắtđầungựtrịbầutrời:bầutrờibanđêmsẽnóngnhưbầutrờibanngàyhiệnnaycủachúngta(300K).Bảymươitriệunămsauđóvũtrụsẽcolạimười lầnnữa,vàconcháuchúng ta (nếucó)sẽ thấybầu trờisángmộtcáchkhôngchịuđược.Cácphân tử trongkhíquyểngiữacáchành tinhvàgiữa các sao và trong khoảng không giữa các sao sẽ bắt đầu tách thànhnhữngnguyêntửthànhphầncủachúng,vànhữngnguyêntửsẽvỡrathànhnhữngelectrontựdovànhữnghạtnhânnguyêntử.Saubảytrămnghìnnămnữanhiệtđộvũtrụsẽlà10triệuđộ;khiđóbảnthâncácvìsaovàhànhtinhcũngsẽhòa tan thànhmột thứxúpvũ trụgồmbứcxạ, electron,hạtnhân.Sauhaimươihaingàynữanhiệtđộsẽtănglên10000triệuđộ.Cáchạtnhânlúcđóbắtđầuvỡtungrathànhcácprotonvànơtronthànhphầncủachúng,pháhủytoànbộcôngtrìnhtổnghợphạtnhântrongcácvìsaovàtheovũtrụhọc.Mộtthờigianngắnsauđóelectronvàpôzitronsẽđượctạonênvớisốlượng lớn những va chạm photon - photon, và phông neutrino và phảnneutrinovũtrụsẽtrởlạicânbằngnhiệtvớivũtrụcònlại. Tacóthểnàođưacâuchuyệnbuồntẻnàysuốtchođếnkếtthúc,đếnmộttrạngtháimậtđộvànhiệtđộvôhạnkhông?Thờigiancóthểnàodừnglạitrongkhoảng3phútsaukhinhiệtđộđạtmộtnghìntriệuđộkhông?Rõrằngtakhôngthểchắc.Mọisựkhôngchắcmàtagặpphảiởchươngtrước,khithìkhảosáttỷmỉphầntrămgiâyđầutiên,sẽquaylạiđểlàmchotabănkhoănkhitanhìnvàophầntrămgiâycuốicùng.Trướchết,toànbộvũtrụđóphảiđượcmôtảtheongônngữcơhọclượngtửởnhữngnhiệtđộtrên100triệutriệutriệutriệuđộ(10mũ32K),vàkhôngaicómộtýniệmnàovềviệcgìxảyralúcđó.Ngoàira,nếuvũtrụkhôngthậtđồngtínhvàđẳnghướng(xemcuốichươngV),thìtoànbộcâuchuyệncủatamấthếtcảýnghĩatừlâutrướckhitagặpphảinhữngvấnđềcủavũtrụhọclượngtử. Từcácsựkhôngchắcnàymộtsốnhàvũtrụhọcrútramộthyvọngnàođó.Cóthểlàvũtrụsẽtrảiquamộtkiểu“nảybật”vũtrụvàsẽbắtđầugiãnnởlại.TrongEdda,sautrậncuốicùnggiữacácthầnvànhữngngườikhổng

lồởRangorak,quảđấtbịlửavànướcpháhủynhưngnướcrútlui,cácngườiconcủaThortừđịangụclạitiếnlênmangtheobúacủachavàcảthếgiớilạibắtđầumộtlầnnữa.Nhưngnếuvũtrụquảthựcsẽgiãnnởlại,sựgiãnnởcủanósẽchậmdầnmộtlầnnữavàsauđósẽcómộtsựcohẹp,kếtthúcbằngmộtRangorakvũtrụkhác,rồilạicómộtlầnnảybậtkhácnữa,vànhưvậytiếptụcmãimãi. Nếuđólàtươnglai,nócũngrấtcóthểlàquákhứcủachúngta.Vũtrụđanggiãnnởhiệnnaycóthểchỉlàgiaiđoạntiếptheosựcohẹptrướcvàsựnảybậtvừaqua.(Thậtra,năm1965,trongthôngbáovềphôngbứcxạcựcngắnvũtrụ,Dicke,Peebles,RollvàWilkinsonchorằngđãcómộtthờikỳgiãnnởvàcohẹpvũtrụhoàntoàntrướcđây,vàhọlậpluậnrằngvũtrụđãphảicohẹpđủđểnângnhiệtđộlênítnhấtlà10000triệuđộđểcóthểphávỡcácnguyêntốnặngtạonêntronggiaiđoạntrước).Nhìnlùivềtrước,tacóthểtưởngtưởngmộtchươngtrìnhkhôngchấmdứtgiãnnởmàkhôngcólúcbắtđầunào. Mộtsốnhàvũtrụhọcbịhấpdẫnvềmặttriếthọcbởimôhìnhdaođộng,đặcbiệtvì,nhưmôhìnhtrạngtháidừng,nótránhmộtcáchkhônkhéovấnđề“phátsinhtrờiđất”.Nhưngnógặpmộtkhókhănlýthuyếtlớn.Trongmỗichukỳtỷsốphotontrênhạthạtnhân(hoặc,chínhxáchơn,entropichomỗihạthạtnhân)đượctănglênchútítdomộtloạimasát(gọilà“độnhớtkhối”)trongkhivũtrụgiãnnởvàcohẹp.Vớisựhiểubiếthiệnnaycủata,vũtrụlúcđósẽbắtđầumỗichukỳmớivớimộttỷsốphotontrênhạthạtnhânmới,hơilớnhơntrước.Chođếnnaytỉsốđólớnnhưngkhôngphảivôhạn,chonênkhómàthấyvũtrụđãtrảiquatrướcđómộtsốchukỳvôhạnnhưthếnào. Tuynhiên,mọivấnđềđócóthểgiảiquyết,vàdùmôhìnhvũtrụhọcnàođótỏtađúngđắn,thìcũngkhônglàmchotaantâmlắm.Đốivớiconngười,gầnnhưkhócảnlòngtinrằngchúngtacómộtmốiliênhệđặcbiệtgìđóvớivũtrụ,rằngđờisốngloàingườikhôngphảichỉlàmộtkếtquảtấtnhiênhàihướccủamộtchuỗitainạnkéoluidàiđếnbaphútđầutiên,màrằngchúngtađãđượctạonênmộtcáchnàođóngaytừlúcđầutiên.Trongkhiviếtđiềunày tôi đang ở trênmột chiếcmáy bay cao 30 000 fut, bay trên bầu trờiWyomingtừSanFranciscovềnhàởBoston.Phíadướimặtđấtxemrarấtmềm và dễ chịu, có những đám mây mượt mà ở chỗ này chỗ nọ, tuyếtnhuộmhồngkhimặttrờimọc,nhữngconđườngthẳngtắptrênđấtnướctừthànhphốnàyđếnthànhphốkia.Rấtkhónhậnrarằngtấtcảnhữngcáiđóchỉlàmộtphầnnhỏbécủamộtvũtrụcựckỳkhôngthânthiện.Lạicònkhónhậnthứchơnnữarằngvũtrụhiệnnayđãtiếnhóatừmộtđiềukiệnsơkhaikhôngbình thườngmột cách không tả nổi và đứng trướcmột sự hủy diệt

tươnglaidolạnhvĩnhviễnhoặcnóngkhôngchịuđược.Vũtrụcàngthấylàdễhiểubaonhiêuthìlạihìnhnhưcàngvônghĩabấynhiêu. Nhưngnếutrongkếtquảcủanghiêncứucủatakhôngcóđiềugìanủita,thì ít nhất cũng có một sự khuây khỏa nào đó ngay trong bản thân việcnghiêncứu.Conngười ta,namhaynữ,khôngbằng lòngvớiviệc tựanủimìnhvớinhữngcâuchuyệnvềcácthầnvànhữngngườikhổnglồ,hoặctậptrungsuynghĩcủamìnhvàonhữngcâuchuyệnđờisốnghàngngày;họcũngchếtạonhữngkínhthiênvăn,nhữngvệtinhnhântạovànhữngmáygiatốc,vàngồiởbàngiấysuốthànggiờđểxửlýýnghĩacủacácsốliệumàhọthuthậpđược.Sựcốgắnghiểuvềvũtrụlàmộttrongrấtítcáilàmchođờisốngconngườiđượcnânglêncaohơntrìnhđộcủamộthýkịch,vàchonómộtphầnnàodángđẹpcủamộtbikịch. (Hết) Cácbảng Bảng1.Tínhchấtcủamộtsốhạtcơbản

Tínhchấtcủamộtsốhạtcơbản.“Nănglượngnghỉ”lànănglượngđượcgiảiphóngnếutoànbộkhốilượngcủahạtđượcchuyểnthànhnănglượng. “Nhiệtđộngưỡng”lànănglượngnghỉchiachohằngsốBoltzmann;nólànhiệtđộmàtrênđómộthạtcóthểtạonêntựdotừbứcxạnhiệt. “Sốhiệudụngcủaloại”chosựđónggóptỉđốicủamỗiloạihạtvàonănglượngtoànphần,ápsuấtvàentrôpi,ởnhữngnhiệtđộrấtcaohơnnhiệtđộ

ngưỡng.Sốđóđượcviếtranhưlàtíchcủabathừasố:thừasốđầulà2hay1tuỳtheohạtcóhoặckhôngcómộtphảnhạtkhácvớinó;thừasốthứhailàsốhướngcóthểcócủaspincủahạt,thừasốcuốilà7/8haylà1tuytheohạtcótuântheonguyênlýloạitrừPaulihaykhông.“Thờigiansốngtrungbình”là thời gian trung bìnhmà hạt sống sót trước khi nó chịumột sự phân rãphóngxạthànhnhữnghạtkhác. Bảng2.Tínhchấtcủavàiloạibứcxạ

Tínhchấtcủavàiloạibứcxạ.Mỗiloạibứcxạđượcđặctrưngbằngmộtkhoảngbước sóngnàođóđượcchoởđây theocentimet.Ứngvớikhoảngbước sóng đó là một khoảng năng lượng phôton được cho ở đây theoelectron–vôn.Nhiệtđộ“vậtđen”lànhiệtđộmàởđóbứcxạvậtđensẽcóđasốnănglượngcủanótậptrunggầnnhữngbướcsóngđãcho;nhiệtđộnàyđượcchoởđâytheođộKelvin.(Chẳnghạn,bướcsóngmàởđóPenziasvàWilsonđãđiềuhưởngtrongsựkhámpháphôngbứcxạvũtrụ là7,35cm,nhưvậyđólàmộtbứcxạcựcngắn;nănglươngphôtonđượcgiảiphóngkhimộthạtnhântrảiquamộtsựbiếnđổiphóngxạthườnglàvàokhoảngmộttriệuêlectron–vôn,nhưvậyđólàmộttiaγ;vàbềmặtmặttrờiởnhiệtđộ5800K,nhưvậymặttrờiphátraánhsángthấyđược).Cốnhiên,cácsựphânchiagiữacác loạibứcxạkhôngphải làhoàn toàn táchbạch,vàkhôngcómộtsựthoảthuậnchungnàovềcáckhoảngbướcsóngkhácnhau. Từvựng Angstrommộtphầntrămtriệuxentimet(10mũâm8).Kýhiệu0A.Kíchthướcnguyêntửđiểnhìnhlàvàiangstrom.Bướcsóngánhsángthấyđượcđiểnhìnhlàvàinghìnangstrom. Andromeda(Tinhvântiênnữ)Thiênhà lớngần tanhất.Nócóhìnhxoắnốc,chứakhoảng3x10mũ11khốilượngmặttrời.GhilàM31trong

catalôcủaMessier,vàNGC224trong“Catalôtổngquátmới”. BaryonMộtloạihạttươngtácmạnhgồmnơtron,photonvàcáchađronkhôngbềngọilàhyperon.Sốbaryonlàtổngsốbaryoncómặttrongmộthệtrừđitổngsốphảnbaryon. BứcxạhồngngoạiSóngđiệntừcóbướcsónggiữakhoảng0,0001cmvà0,01cm(mườinghìnđếnmộttriệuangstrom),trunggiangiữaánhsángthấyđượcvà bức xạ cực ngắn.Các vật ở nhiệt độ phòngbức xạ chủyếusónghồngngoại. BứcxạtửngoạiSóngđiệntừvớibướcsóngtừ10mũâm7cmđến2x10mũ5cm(10đến2000angstrom),trunggiangiữaánhsángthấyđượcvàtiaX. BứcxạcựcngắnSóngđiệntừvớibướcsónggiữakhoảng0,01cmvà10cm,trunggiangiữabứcxạvôtuyếntầnsốrấtcaovàhồngngoại.VậtởnhiệtđộvàiđộKelvinbứcxạchủyếutrongdảisóngcựcngắn. BứcxạvậtđenBứcxạvớimộtmậtđộnănglượngkhôngđổitrongmỗikhoảngbướcsóng,nhưbứcxạphátratừmộtvậtnungnónghấpthụhoàntoàn.Bứcxạtrongmọitrạngtháicânbằngnhiệtlàbứcxạvậtđen. BướcsóngKhoảngcáchgiữahaiđỉnhsóng.Đốivớisóngđiệntừcóthểđịnhnghĩabướcsónglàkhoảngcáchgiữahaiđiểmmàởđómọithànhphầncủavectơtrườngđiệnhoặctừcógiátrịcựcđại. CânbằngnhiệtMộttrạngtháitrongđóhạtđivàomộtkhoảngvậntốc,spin, v.v…nàođóđúng cânbằngvới tỷ số chúng rời khoảngđó.Nếuđểkhôngbịnhiễuloạnđếnmộtthờigianđủlâu,thìbấtcứmộthệvậtlýnàomộtlúcnàođócũngsẽđếngầnmộttrạngtháicânbằngnhiệt. Chân trờiTrongvũ trụ học, khoảng cáchmàngoài đókhôngmột tínhiệuánhsángnàocóthểcócơhộiđếnđượcchỗta.Nếuvũtrụcómộttuổixácđịnh,thìkhoảngcáchđếnchântrờilàvàocỡtuổiđónhânvớivậntốcánhsáng. ChuyểnđộngriêngSựdịchchuyểnvịtrícácthiênthểtrênbầutrờidochuyển động của chúng vuông góc với đường nhìn. Thường đo theo giâycungmỗinăm. ChuyểnphaSựchuyểnđột ngột củamột hệ từmột cấuhìnhnàyđếnmộtcấuhìnhkhác,thườngvớimộtsựthayđổivềđốixứng.Vídụ:sựnóngchảy,sựsôi,vàsựchuyểntừtínhdẫnbìnhthườngquatínhsiêudẫn. Cơhọc lượngtửLý thuyếtvật lýcơbản,phát triển trongnhữngnăm1920như làsự thay thếcơhọccổđiển.Ởđâysóngvàhạt làhaimặtcủa

cùngmộtthựcthểcơbản.Hạtliênkếtvớimộtsóngchotrướclà lượngtửcủanó.Cáctrạngtháicủanhữnghệliênkếtnhưnguyêntửhayphântửchỉchiếm nhữngmức năng lượng rõ rệt nào đó, năng lượng được xem là bịlượngtửhoá. Chùm(thiênhà)ThấtnữMộtchùmkhổnglồbaogồmtrên1000thiênhà trongchòmsaoThấtnữ.Chùmnàychuyểnđộngxa tavớimộtvận tốckhoảng1000km/s;ngườitachorằngnóởcáchta60triệunămánhsáng. DịchchuyểnđỏSựdịchchuyểncủacácvạchphổvềphíacácbướcsóngdàihơndohiệuứngDopplerđốivớimộtnguồnđixakhỏita.Trongvũtrụhọclàsựdịchchuyểnquansátđượccủacácvạchphổcủanhữngthiênhàxabềphíabướcsóngdài.Khibiểudiễnnhưmộtđộtăngtỉđốicủabướcsóng,nóđượckýhiệulàz. DịchchuyểnxanhSựdịchchuyểncủacácvạchphổvềphíabứcsóngngắnhơndohiệuứngDopplerđốivớimộtnguồnđitớita. ĐẳnghướngMộttínhchấtđượcthừanhậncủavũtrụ,màđốivớimộtngườiquansátbấtkỳnóđượcxemlàgiốngnhautheomọihướng. Đồng tínhMột tính chất được thừa nhận của vũ trụ, mà đối vớimộtngườiquansátbấtkỳ,ởmộtthờiđiểmbấtkỳnóđượcxemlàkhôngđổi. ĐộtrưngtuyệtđốiNănglượngtoànphầnmàmộtthiênthểbứcxạtrongmỗiđơnvịthờigian ĐộtrưngbiểukiếnNănglượngtoànphầnnhậnđượctrongmộtđơnvịthờigianvàtrênmộtđơnvịdiệntíchtừmộtthiênthể. ĐơtêriMộtđồngvịnặngcủahyđrô,Hmũ2.Hạtnhâncủanó(đơtêron)gồmmộtprôtonvàmộtnơtron. Đườngđi(quãngđường)tựdotrungbìnhKhoảngcáchtrungbìnhmàmộthạtchotrướcđiđượcgiữanhữngvachạmvớimôitrườngtrongđónóchuyểnđộng.Thờigiantựdotrungbìnhlàthờigiangiữacácvachạm. EcĐơnvịnănglượngtronghệCGS.Độngnăngcủakhốilượngcủamộtgamchuyểnđộngvớivậntốc1cm/slà1/2ec. EntrôpiMộtđại lượngcơbản trongcơhọc thốngkê liênquanđếnđộhỗnđộncủamộthệvậtlý.Entrôpiđượcbảotoàntrongmọiquátrìnhtrongđócânbằngnhiệtđượcgiữvữngliêntục.Địnhluậtthứhaicủanhiệtđộnglựchọcnóirằngentrôpitoànphầnkhôngbaogiờgiảmđitrongbấtcứphảnứngnào. ElectronHạtcơbảncókhốilượngnhẹnhất.Mọitínhchấthoáhọccủa

nguyêntửvàphântửđượcxácđịnhbởicáctươngtácđiệngiữacácelectronvớinhauvàvớihạtnhânnguyêntử. Electron–vônMộtđơnvịnănglượngtiệndụngtrongvậtlýnguyêntử,bằngnănglượngmàmộtêlectronthuđượckhiđiquamộthiệuđiệnthếmộtvôn.Bằng1,60219x10mũâm12ec. Feynman(giảnđồ)Cácgiảnđồtượngtrưngnhữngđónggópkhácnhauvàoxácsuấtcủamộtphảnứnghạtcơbản. Friedmann(môhình)Môhìnhtoánhọccủacấutrúckhông–thờigiancủavũtrụ,căncứtrênthuyếttươngđốirộng(khôngcómộthằngsốvũtrụhọc)vàtrênnguyênlývũtrụhọc. HađronMọi hạt tham gia vào tương tác mạnh. Hađron được chia rabaryon(nhưnơtronvàproton)tuântheonguyênlýloạitrừPauli,vàmeson,khôngtheonguyênlýnày. HạthạtnhânCác hạt, proton và nơtron, tìm thấy trong hạt nhân cácnguyêntửthôngthường.Thườnggọingắnlànuclon. HằngsốBoltzmannhằngsốcơbảncủacơhọcthốngkêliênhệthangnhiệtđộvớinhữngđơnvịnănglượng.ThườngkýhiệulàkhoặckB.Bằng1,3806x10mũ16ecmỗiđộKelvin,hoặc0,00008617electron–vônchomỗiđộKelvin. HằngsốcấutrúctinhtếHằngsốcơbảnkhôngthứnguyêncủavậtlýnguyêntửvàđiệnđộnglựchọclượngtử,đượcđịnhnghĩanhưbìnhphươngcủađiệntíchelectronchiachotíchhằngsốPlanckvàvậntốcánhsáng.Kýhiệuanfa.Bằng1/137,036. HằngsốNewtonHằngsốcơbảncủacácthuyếthấpdẫncủaNewtonvàEinstein,KýhiệuG.TrongthuyếtcủaNewton,lựchấpdẫngiữahaivậtlàGnhânvới tích của hai khối lượng chia cho bình phươngkhoảng cách giữachúng.Trongđơnvịcủahệmétbằng6,67x10mũâm8cm3/gs. HằngsốPlanckHằngsốcơbảncủacơhọclượngtử,kýhiệuh.Bằng6,625x10mũâm27ecs.HằngsốnàylầnđầutiênđượcđưavàolýthuyếtbứcxạvậtđencủaPlancknăm1900.Sauđónóxuấthiện trong lý thuyếtphotoncủaEinsteinnăm1905:nănglượngcủamộtphotonbằnghnhânvớivậntốcánhsángchiachobướcsóng. Hiệnnayngười ta thườngdùnghằng sốh hơn (h gạch), bằnghằng sốPlanckchiacho2pi. HằngsốvũtrụhọcMộtsốhạngmànăm1917Einstein thêmvàocácphươngtrìnhhấpdẫncủaông.Mộtsốhạngnhưvậysẽgâyramộtlựcđẩyở

nhữngkhoảngcáchrấtxa,vàsẽcầnchomộtvũtrụtĩnhđểcânbằnglựchúthấpdẫn.Hiệnnaykhôngcólýdogìđểchorằngmộthằngsốvũtrụhọcnhưvậytồntại. HêliNguyêntốhoáhọcnhẹthứhaivànhiềuthứhaitrongvũtrụ.CóhaiđồngvịbềncủahêlilàHemũ4màhạtnhâncóhaiprotonvàhainơtronvàHemũ3màhạtnhâncóhaiprotonvàmộtnơtron.Cácnguyêntửhêlichứahaiêlectronngoàihạtnhân. HiệuứngDopplerSự thayđổi tần số củamột tín hiệu, do sự chuyểnđộngtươngđốigiữanguồnvànơinhậntínhiệu. HyđrôNguyêntốhoáhọcnhẹnhấtvànhiềunhất.Hạtnhâncủahyđrôbình thườngcómộtphotonduynhất.Cònhaiđồngvịnặnghơn,đơtêrivàtriti. Nguyên tử củamọi loại hyđrô đều gồmmột hạt nhân hyđro vàmộtelectron:trongcácionhyđrôdươngkhôngcóelectron. Ion hyđrôxyn Ion OH- gồm có một nguyên tử ôxy, một nguyên tửhyđrô,vàmộtelectrondôi. KelvinThangnhiệtđộKelvin,giốngnhưthangbáchphân,nhưngvớiđộkhông tuyệt đối chứkhôngphải độkhôngứngvới điểm tan củanướcđá.Điểmnàylà273,15Kởápsuấtmộtatmốtphe. KhốilượngJeansKhốilượngbénhấtmàkhiđólựchúthấpdẫncóthểthắngápsuấttrongvàsinhramộthệliênkếtbởilựchấpdẫn.KýhiệuMj. LeptonMọiloạihạtkhôngthamgiavàocáctươngtácmạnh,baogồmelectron,muon,vàneutrino.Sốleptonlàtổngcácleptoncómặttrongmộthệ,trừtổngcácphảnlepton. Luật bảo toànMột định luật quy định rằng tổng giá trị của một đạilượngnàođókhôngthayđổitrongmọiphảnứng. LuậtHubbleHệthứcgiữavậntốclùixacủanhữngthiênhàxavừaphảivàkhoảngcáchtớichúng.HằngsốHubblelàtỷsốvậntốctrênkhoảngcáchtronghệthứcđó,vàkýhiệuHhayHo. LuậtRayleigh–JeansHệthứcđơngiảngiữamậtđộnănglượng(trênmôtkhoảngbướcsóngđơnvị)vàbướcsóngđúngchogiớihạnbướcsóngdài của phânbốPlanck.Mật độ năng lượng tronggiới hạn đó là tỉ lệ vớinghịchđảocủaluỹthừabốncủabướcsóng. LuậtStefan–BoltzmannHệthức tỉ lệ thuậngiữamậtđộnăng lượngtrongbứcxạvậtđenvàluỹthừabốncủanhiệtđộ. MậtđộSố lượngmột đại lượngnàođó trongđơnvị thể tích.Mậtđộ

khốilượnglàkhốilượngtrongđơnvịthểtích;nóthườngđượcđơngiảngọilà“mậtđộ”.Mậtđộnănglượnglànănglượngtrongđơnvịthểtích:mậtđộsốhoặcmậtđộhạtlàsốhạttrongđơnvịthểtích. MậtđộtớihạnMậtđộkhốilượngcủavũtrụthấpnhấthiệnnaycầnchosựchấmdứtsựdãnnởcủavũtrụvàomộtlúcnàođóvàsauđósẽcómộtsựcotiếptheo.Vũtrụlàhữuhạnvềkhônggiannếumậtđộvũtrụvượtmậtđộtớihạn. MesonMộtloạitươngtácmạnh,baogồmmesonpi,mesonK,mesonro,v.v…vớisốbaryonbằngkhông;. MesonpiHađroncókhối lượngbénhất.Cóba loại,mộthạtđiện tíchdương(π+),phảnhạtcủanócóđiệntíchâm(π-),vàmộtphảnhạttrunghoàhơinhẹhơn(π0).Đôikhigọilàpion. Meson roMột trong các hađron hết sức không bền phân rã thành 2mesonpi,vớithờigiansốngtrungbình4,4x10mũâm24giây. Messier(số)SốtrongcatalôcủamộtsốtinhvânvàchùmsaotheocáchsắpcủaCharlesMessier.ThườngkýhiệuM…Vídụ:tinhvânTiênnữlàM31. MuonMộthạt cơ bản khôngbền có điện tích âm, giống như electronnhưng nặng hơn 207 lần. Ký hiệu µ. Đôi khi gọi là meson muy, nhưngkhôngtươngtácmạnhnhưnhữngmesonthực. NămánhsángĐườngđicủamộttiasángtrongmộtnăm. Năng lượngnghỉNăng lượng củamột hạt không chuyển động, nó sẽđượcgiảiphóngnếutoànbộkhốilượngcủahạtcóthểbịhuỷ.ChobởicôngthứcEinsteinE=mc2. NguyênlýloạitrừPauliNguyênlýnóirằngkhôngcóhaihạtnàocùngmộtloạicóthểởđúngmộttrạngtháilượngtửnhưnhau.Baryonvàleptontuântheonguyênlýnày,nhưngphotonhoặcmesonthìkhông. NguyênlývũtrụhọcGiảthiếtchorằngvũtrụlàđẳnghướngvàđồngtính. NgânhàTêncủadảisaođánhdấumặtphẳngthiênhàcủachúngta.Đôikhiđượcdùngđểgọithiênhàcủacủachúngta. “Nềndânchủhạtnhân”Thuyếtchorằngmọihađronđềucơbảnnhưnhau. NhiệtđộngưỡngNhiệtđộmàtrênnóthìmọi loạihạtnàođósẽđượctạorarấtnhiềubởibứcxạvậtđen.Nóbằngkhối lượnghạtnhânvớibình

phươngvậntốcánhsáng,chiachohằngsốBoltzmann. NhiệtđộcựcđạiGiớihạntrêncủanhiệtđộtrongvàilýthuyếtvềtươngtác mạnh. Trong các thuyết đó nó được ước tính bằng hai triệu triệu độKelvin. NhiệtđộtớihạnNhiệtđộmàởđóxảyramộtsựchuyểnpha. NeutrinoMộthạttrunghoàđiệnkhôngcókhốilượngchỉthamgiacáctương tác yếu và hấp dẫn. Ký hiệu v. Ít nhất có hai loại neutrino gọi làneutrinothuộcelectron(ve)vànơtrinôthuộcởmuyon(vµ). PacsecĐơnvịkhoảngcáchthiênvăn.Đượcđịnhnghĩalàkhoảngcáchcủamộtvậtmàthịsai(độdịchchuyểnmỗinămtrênbầutrời)làmộtgiâycung.Kýhiệupc.Bằng3,0856x10mũâm13kmhoặc3,2615nămánhsáng.Đơnvịquyướctrongvũtrụhọclàmộttriệupacsechoặcmêgapacsec,kýhiệuMpc.HằngsốHubblethườngđượcchobằngkilômetmỗigiâymỗimêgapacsec. PhânbốPlanckSựphânbốnănglượngởnhữngbướcsóngkhácnhaucủabứcxạởcânbằngnhiệt,nghĩalà,chobứcxạvậtđen. PhảnhạtHạtcócùngkhốilượngvàspinnhưởmộthạtkhác,nhưngcóđiệntích,sốbaryon,sốlepton,v.v…bằngvềđộlớnvàngượcdấu.Mỗihạtcómột phản hạt tương ứng, trừ vài hạt thực sự trung hoà như photon vàmesonπ0,chúnglàphảnhạtcủabảnthânchúng.Phảnneutrinolàphảnhạtcủaneutrino;phảnprotonlàphảnhạtcủaproton,v.v…Phảnvậtchấtgồmphảnproton,phảnnơtronvàphảnelectronhoặcpôzitron. PhôtonTrong thuyết lượng tử về bức xạ, hạt ghép vớimột sóng ánhsáng.Kýhiệuγ PôzitronPhảnhạtcủaelectron,mạngđiệndươngkýhiệue+. ProtonHạtmang điện dương tìm thấy cùng với nơtron trong các hạtnhânnguyêntửthôngthường.Kýhiệup,hạtnhânhyđrôlàmộtproton. QuarkHạtcơbảngiảđịnhcoinhưlàthànhphầncủamọihađron.Chưaquansátđượcquarkcôlập,vàcónhữnglýlẽlýthuyếtđểchorằng,mặcdùlàcóthểcóthựctheomộtýnghĩanàođó,quarksẽkhôngbaogiờđượcquansátnhưnhữnghạtcôlập. Quaza(nhữngvậtchuẩnsao)Mộtloạithiênthểcómộtdạngnhưsaovàkíchthướcgócrấtbé,nhưngcódịchchuyểnđỏlớn.Khichúnglànguồnvôtuyếnmạnhgọilà“nguồnvôtuyếnchuẩnsao”.Bảnchấtthậtcủachúngchưađượcrõ.

SónghấpdẫnSóngcủatrườnghấpdẫntươngtựnhưsóngánhsángcủatrườngđiệntừ.Chúnglantruyềnvớivậntốcbằngvậntốcánhsáng,299792km/s.Chưacóbằngchứngthựcnghiệmđượcthừanhậnrộngrãivềsónghấpdẫnnhưngsựtồntạicủachúnglàdothuyếttươngđốirộngđòihỏi,vàítainghingờsựtồntạinày.Lượngtửbứcxạhấpdẫntươngtựnhưphotonđượcgọilàgraviton. Sao siêumớiNhữngvụ saonổkhổng lồ trongđó tất cả ngôi sao, trừnhântrong,bịnổtungrakhoảngkhônggiangiữacácvìsao.Mộtsaosiêumớitạoratrongmộtvàingàynhiềunănglượngnhưmặttrờibứcxạtrongmộtngàn triêụnăm.Sao siêumớicuối cùngquan sátđược trong thiênhàchúngtađượcKepler(vàcácnhàthiênvăncủacáctriềuđìnhTrungQuốcvàTriềuTiên)nhìnthấynăm1604trongchòmsaoOphiuchus,nhưngnguồnvôtuyếnCasAđượccholàdomộtsaosiêumớigầnđâyhơn. SpinMộttínhchấtcơbảncủahạtcơbảnmôtảtrạngtháiquaycủahạt.Theocácđịnhluậtcủacơhọclượngtử,spinchỉcóthểcónhữnggiátrịnhấtđịnhbằngmộtsốnguyênhaybánnguyênnhânvớihằngsốPlanck. SựtáihợpSựkếthơpcủahạtnhânnguyêntửvàelectronthànhnhữngnguyêntửthôngthườngtrongvũtrụhọc,sựtáihợpthườngđượcdùngmộtcáchđặcbiệtđểchỉsựtạothànhnguyêntửhêlivàhyđrôởnhiệtđộcỡ3000K. TầnsốDiễn tảsựđiquamộtđiểmcho trướccủađỉnhcủabấtkỳ loạisóngnào.Bằngtốcđộsóngchiachobướcsóng.TínhtheoHz. ThiênhàMộtchùmsaoliênkếtvớinhaubởilựchấpdẫn,chứađến10mũ 12 khối lượngmặt trời. Các thiên hà thường được xếp loại theo hìnhdáng:elip,xoắnốc,xoắnốccógạchngang,hoặcdạngkhôngđều. ThiênhàđiểnhìnhỞđâydùngđểnóivềcácthiênhàkhôngcóvậntốcđặcbiệt,vàdođóchỉchuyềnđộngcùngvớisựchuyểnđộngchungcủavậtchấtdosựdãnnởvũtrụgâyra.Mộtýnghĩatươngtựđượcgánchocáctừhạtđiểnhìnhvàngườiquansátđiểnhình. Thời gian dãn nở đặc trưngNghịch đảo của hằng số Hubble. Vàokhoảng100lầnthờigianvũtrụdùngđểdãnnởthêmmộtphầntrăm. ThôngsốgiảmtốcConsốđặctrưngchotỷlệgiảmtốcđộcủasựlùicủacácthiênhàxa. ThuyếthiệuchuẩnMộtloại lý thuyết trườngthườngđượcnghiêncứuráoriếtcoinhưlànhữnglý thuyếtkhảdĩvềcáctươngtácyếu,điệntừvàmạnh.Nhữngthuyếtnhưvậylàbấtbiếnvớimộtphépbiếnđổiđốixứng,màkếtquảbiếnthiêntừđiểmnàyđếnđiểmkiatrongkhông–thờigian.Danh

từhiệuchuẩn(gauge)đượcdùngphầnnhiềulàdolýdolịchsử. TiavũtrụHạtmangđiệncónănglượngcaotừkhoảngkhôngvũtrụđivàokhíquyểncủata. TinhvânThiênthểrộnglớn,códạngnhữngđámmây.Mộtsốthiênhà;nhữngcáikhácthựcsựlànhữngđámmâybụivàkhítrongthiênhàchúngta. TritiĐồngvịnặngkhôngbềnH3củahyđrô.Hạtnhâncủanógồmmộtphotonvàhainơtron. Tựdo tiệm cậnTính chất của vài lý thuyết trường về các tương tácmạnh,nóirằngcáclựctrởthànhmỗilúccàngyếuởnhữngkhoảngcáchgần. ThuyếttrạngtháidừngThuyếtvũtrụhọcmàBondi,GoldvàHoyleđãphát triển, trongđócáctínhchất trungbìnhcủavũtrụkhôngkhinàothayđổivớithờigian;vậtchấtmớinhấtđượcphátsinhraliêntụcđểgiữchomậtđộvũtrụkhôngđổitrongkhivũtrụgiãnnở. Thuyếttươngđốihẹp(thuyếttươngđốiđặcbiệt)MộtcáchnhìnmớivềkhônggianvàthờigianmàEinsteinđềranăm1905.NhưtrongcơhọcNewton,cómộtnhómcácphépđổitoánhọcliênhệcáctoạđộkhông–thờigian,mànhữngngườiquansátkhácnhaudùng,mộtcáchnàođóđểchocácđịnhluậtcủatựnhiênđượccoilànhưnhauđốivớinhữngngườiquansátđó.Tuynhiên,trongthuyếttươngđốihẹpcácbiếnđổikhông–thờigiancotínhchất quan trọng là làm cho vận tốc ánh sáng không thay đổi, không phụthuộcvàovậntốccủangườiquansát.Mọihệchứahạtvậntốcgầnbằngvậntốcánhsángđượcxemlàhệ tươngđối tínhvàphảiđượcnghiêncứu theocácđịnhluậtcủathuyếttươngđốihẹpchứkhôngtheocơhọcNewton. Thuyếttươngđốirộng(thuyếttươngđốitổngquát)LýthuyếtvềhiệntượnghấpdẫndoEinsteinpháttriểntrongthậpniên1906–1916.TheocáchphátbiểucủaEinsteinthìýtưởngcơbảncủathuyếttươngđốirộnglàhiệntượnghấpdẫnlàmộtkếtquảcủasựcongcủacontinumkhông–thờigian. Tương tácmạnhLoại mạnh nhất trong bốn loại tương tác tổng quátgiữacáchạtcơbản.Nóchịutráchnhiệmvềcáclựchạtnhângiữcácprotonvànơtronởlạitrongcáchạthânnguyêntử.Tươngtácmạnhảnhhưởngđếnhađrônchứleptonvàphotonthìkhông. TươngtácyếuMộttrongbốnloại tươngtáctổngquátgiữacáchạtcơbản.Vớinhữngnănglượngbìnhthườngnóyếuhơntươngtácđiệntừhoặctươngtácmạnhnhiều,dùrằngmạnhhơntươngtáchấpdẫn.Nóchịutráchnhiệmvềsựphânrãtươngđốichậmcủanhữnghạtnhưnơtronvàmuonvà

vềmọiphảnứngtrongđócóneutrino.Ngàynaynhiềungườihiểurằngcáctươngtácyếuvàđiệntừvàcóthểcảcáctươngtácmạnhlànhữngbiểuhiệncủamộtlýthuyếttrườnghiệuchuẩnthốngnhấtcơbảnvàđơngiản. Vận tốc ánh sángHằng số cơ bản của thuyết tương đối hẹp, bằng299729 km/s.Ký hiệu c.Mọi hạt có khối lượng bằng không như photon,nơtrino,hoặcgravitonchuyểnđộngvớivậntốcánhsáng.Cáchạtvậtchấtcóvậntốcánhsángkhinănglượngcủachúnglàrấtlớnsovớinănglượngnghỉmc2trongkhốilượngcủachúng. Vũtrụhọc“vụnổlớn”Thuyếtchorằngvũtrụbắtđầutừmộtthờiđiểmhữuhạntrongquákhứ,ởmộttrạngtháicómậtđộvàápsuấtrấtlớn. XêpheitNhữngngôisaosángđổiánh,cómộtsựliênhệxácđịnhrõgiữađộtrưngtuyệtđối,chukỳbiếnthiên,vàmàu.TênlàtheotêncủangôisaoởXêphei trong chòm sao Xêpheut (“Ông vua”). Được dùng để chỉ khoảngcáchcủanhữngthiênhàtươngđốigần. XianHợpchấthoáhọcCN,được tạonên từcacbonvànitơ.Tìm thấytrongkhoảngkhônggiữacácsaodosựhấpthụánhsángnhìnthấy. ------------------