Lý thuyết Big Bang đại diện cho những nỗ lực tốt nhất của các nhà vũ trụ học để tái dựng lại câu chuyện 14 tỷ năm của vũ trụ dựa trên mảnh vỡ của sự tồn tại có thể nhìn thấy ngày nay.
Những người khác nhau sử dụng thuật ngữ "Big Bang" theo những cách khác nhau. Nói chung, nó minh họa vòng cung của vũ trụ quan sát được khi nó mỏng đi và nguội dần từ trạng thái nóng, dày đặc ban đầu. Mô tả này rút ra ý tưởng rằng vũ trụ đang mở rộng, một nguyên tắc rộng tương tự như sự sống còn của kẻ mạnh nhất trong sinh học mà ít ai có thể xem xét gây tranh cãi.
Cụ thể hơn, Vụ nổ lớn cũng có thể đề cập đến sự ra đời của chính vũ trụ quan sát được - thời điểm có gì đó thay đổi, khởi động các sự kiện dẫn đến ngày hôm nay. Các nhà vũ trụ học đã tranh luận trong nhiều thập kỷ về các chi tiết của phần đó trong một giây và cuộc thảo luận vẫn tiếp tục cho đến ngày hôm nay.
Lý thuyết Big Bang cổ điển
Đối với hầu hết lịch sử loài người, các nhà quan sát bầu trời cho rằng nó là vĩnh cửu và không thay đổi. Edwin Hubble đã xử lý câu chuyện này một cú đánh thử nghiệm vào những năm 1920 khi các quan sát của ông cho thấy cả các thiên hà bên ngoài Dải Ngân hà tồn tại và ánh sáng của chúng dường như bị kéo dài - một dấu hiệu cho thấy chúng đang lao ra khỏi Trái đất.
George Lemaître, một nhà vật lý người Bỉ đương đại, đã giải thích dữ liệu từ Hubble và những người khác là bằng chứng của một vũ trụ đang giãn nở, một khả năng được cho phép bởi các phương trình tương đối trường được công bố gần đây của Einstein. Nghĩ về phía sau, Lemaître đã suy luận rằng các thiên hà tách biệt ngày nay phải bắt đầu cùng nhau trong cái mà ông gọi là "nguyên tử nguyên thủy".
Việc sử dụng công khai đầu tiên của thuật ngữ hiện đại cho ý tưởng của Lemaître thực sự đến từ một nhà phê bình - nhà thiên văn học người Anh Fred Hoyle. Vào ngày 28 tháng 3 năm 1949, Hoyle đã đặt ra cụm từ trong sự bảo vệ lý thuyết ưa thích của ông về một vũ trụ vĩnh cửu tạo ra vật chất để loại bỏ sự pha loãng của sự giãn nở. Hoyle nói rằng khái niệm "tất cả vật chất của vũ trụ được tạo ra trong một vụ nổ lớn tại một thời điểm cụ thể trong quá khứ xa xôi" là không hợp lý. Trong các cuộc phỏng vấn sau đó, Hoyle đã phủ nhận việc cố tình phát minh ra một cái tên vu khống, nhưng biệt danh bị mắc kẹt, khiến nhiều người thất vọng.
"Vụ nổ lớn là một thuật ngữ thực sự tồi tệ", Paul Steinhardt, một nhà vũ trụ học tại Princeton nói. "The Big Stretch sẽ nắm bắt đúng ý tưởng." Hình ảnh tinh thần của một vụ nổ gây ra tất cả các loại nhầm lẫn, theo Steinhardt. Nó ngụ ý một điểm trung tâm, một biên giới mở rộng và một cảnh mà các mảnh đạn ánh sáng bay nhanh hơn các khối nặng hơn. Nhưng một vũ trụ đang mở rộng trông không giống như vậy, ông nói. Không có trung tâm, không có cạnh và các thiên hà lớn và nhỏ đều trượt theo cùng một cách (mặc dù các thiên hà ở xa hơn di chuyển nhanh hơn dưới ảnh hưởng của năng lượng tối gần đây về mặt vũ trụ).
Bất kể tên của nó là gì, lý thuyết Big Bang đã tìm thấy sự chấp nhận rộng rãi cho khả năng vô song của nó để giải thích những gì chúng ta thấy. Chẳng hạn, sự cân bằng ánh sáng với các hạt như proton và neutron trong 3 phút đầu tiên, hãy để các nguyên tố ban đầu hình thành với tốc độ dự đoán lượng helium và các nguyên tử ánh sáng khác hiện tại.
Glennys Farrar, nhà vũ trụ học tại Đại học New York cho biết: "Có một cửa sổ nhỏ trong thời gian mà hạt nhân có thể hình thành". "Sau đó, vũ trụ tiếp tục mở rộng và họ không thể tìm thấy nhau, và trước khi trời quá nóng."
Một plasma mây lấp đầy vũ trụ trong 378.000 năm tiếp theo, cho đến khi làm mát thêm cho phép các electron và proton tạo thành các nguyên tử hydro trung tính, và sương mù tan đi. Ánh sáng phát ra trong quá trình này, từ đó đã kéo dài thành sóng vi ba, là vật thể được biết đến sớm nhất mà các nhà nghiên cứu có thể nghiên cứu trực tiếp. Được biết đến như bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), nhiều nhà nghiên cứu coi đây là bằng chứng mạnh nhất cho Vụ nổ lớn.
Một bản cập nhật bùng nổ
Nhưng khi các nhà vũ trụ học đẩy lùi xa hơn vào những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ, câu chuyện đã được làm sáng tỏ. Các phương trình của thuyết tương đối rộng cho thấy một đốm ban đầu của nhiệt và mật độ không giới hạn - một điểm kỳ dị. Ngoài việc không có nhiều ý nghĩa về thể chất, một nguồn gốc số ít không phù hợp với CMB phẳng, trơn tru. Biến động về nhiệt độ và mật độ ghê gớm của đốm sẽ tạo ra những bầu trời với các tính chất khác nhau, nhưng nhiệt độ của CMB thay đổi chỉ một phần của một độ. Độ cong của không-thời gian cũng trông khá bằng phẳng, ngụ ý sự cân bằng ban đầu gần như hoàn hảo của vật chất và độ cong mà hầu hết các nhà vũ trụ học đều thấy không thể thực hiện được.
Alan Guth đã đề xuất một bức tranh mới về phần thứ nhất của một giây vào những năm 1980, cho thấy vũ trụ đã trải qua những khoảnh khắc đầu tiên phát triển nhanh hơn theo cấp số nhân so với ngày nay. Tại một số điểm, quá trình này dừng lại, và đưa vào hệ thống phanh tạo ra một mớ hỗn độn dày đặc và nóng (nhưng không phải vô hạn) mà thay thế cho điểm kỳ dị. "Trong suy nghĩ của riêng tôi, tôi nghĩ đó là Vụ nổ lớn, khi vũ trụ nóng lên," Farrar nói.
Lý thuyết lạm phát, như nó được gọi, hiện có rất nhiều mô hình cạnh tranh. Mặc dù không ai biết nhiều về điều gì đã khiến vũ trụ giãn nở nhanh chóng như vậy, nhưng lý thuyết này đã trở nên phổ biến nhờ khả năng giải thích CMB dường như không thể thực hiện được: Lạm phát bảo tồn các biến động nhỏ (phát triển thành các cụm thiên hà ngày nay), trong khi làm phẳng các cụm lớn. "Đó là một câu chuyện rất ngọt ngào", Steinhardt nói, người đã giúp phát triển lý thuyết. "Đó là một trong những chúng tôi nói với những đứa trẻ của chúng tôi."
Vượt quá lạm phát
Nghiên cứu gần đây đã đưa hai nếp nhăn vào tường thuật vũ trụ của lý thuyết lạm phát. Công trình của Steinhardt và những người khác cho thấy rằng lạm phát sẽ dừng lại ở một số khu vực (như vũ trụ quan sát được của chúng ta) nhưng vẫn tiếp tục ở các khu vực khác, tạo ra một loạt các lãnh thổ riêng biệt với "mọi đặc tính vũ trụ có thể tưởng tượng được", như Steinhardt nói. Nhiều nhà vật lý thấy bức tranh "đa vũ trụ" này thật đáng ghét, bởi vì nó tạo ra vô số dự đoán không thể kiểm chứng.
Về mặt thực nghiệm, các nhà vũ trụ học kỳ vọng rằng lạm phát sẽ tạo ra sóng hấp dẫn kéo dài thiên hà trong CMB giống như nó tạo ra các biến đổi nhiệt độ và mật độ nhẹ. Các thí nghiệm hiện tại phải đủ nhạy cảm để tìm thấy chúng, nhưng các gợn sóng không gian nguyên thủy không xuất hiện (mặc dù có một báo động sai trong năm 2014).
Nhiều nhà nghiên cứu đang chờ đợi các phép đo CMB chính xác hơn có thể giết chết hoặc xác nhận, nhiều mô hình lạm phát vẫn còn tồn tại. Tuy nhiên, các nhà vật lý khác không xem sự trơn tru của vũ trụ là một vấn đề - nó bắt đầu đồng phục và không cần giải thích.
Trong khi các nhà thực nghiệm cố gắng đạt được mức độ chính xác mới, một số nhà lý thuyết đã quay lưng với lạm phát để tìm cách khác để dẹp phẳng vũ trụ. Chẳng hạn, Steinhardt đang làm việc trên một mô hình "độ nảy lớn", đẩy đồng hồ khởi động trở lại xa hơn, đến giai đoạn co lại trước đó làm trơn tru không gian thời gian và tạo tiền đề cho việc mở rộng bùng nổ. Ông hy vọng rằng trước khi quá lâu, các chữ ký mới, ngoài các vấn đề như thiếu sóng hấp dẫn nguyên thủy, sẽ đặt ra cho các nhà vũ trụ học một câu chuyện sáng tạo mới để kể. "Có bất kỳ tính năng quan sát khác để tìm kiếm?" Steinhardt nói: "Hãy hỏi lại tôi sau vài năm nữa và tôi hy vọng sẽ có câu trả lời."
Bổ sung tài nguyên:
